JP5550702B2 - 波力エネルギー変換器用の能動性インピーダンス整合システムおよび方法 - Google Patents

Description

本出願は、その教示が本明細書に参照で組み入れられる２００４年１月１５日に提出された「ＡＣＴＩＶＥ ＩＭＰＥＤＡＮＣＥ ＭＡＴＣＨＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭＳ ＦＯＲ ＷＡＶＥ ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ」という表題の米国仮特許出願番号６０／５３６，６４５号から優先権を主張するものである。本出願はまた、その教示が本明細書に参照で組み入れられる２００４年１月１４日に提出された「ｃｕｒｒｅｎｔ Ｆｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」という表題の米国仮特許出願番号６０／５３６，３９７号から優先権を主張するものである。

本発明は、海洋表面の波または水域、河川、および大気中の流れにある機械的エネルギーのような自然に生じる機械的エネルギー供給源からのエネルギーの電気的エネルギーへの変換に関し、特に電気エネルギーの効率的な生成と移送に関する。

様々な波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）システムが知られている。例えば、本出願の譲受人に譲渡され、かつその教示が本明細書に参照で組み入れられる「Ｗａｖｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ」という表題の１９９９年８月２１日に提出された米国特許出願番号０９／３７９，４２１号に参照が為される。

海洋の波に含まれるエネルギーを利用するための機械システムの設計には多数の問題が存在する。特に、このエネルギーを効率的に利用することに問題が存在する。まず第１に、波力エネルギーを利用可能な機械的運動および力に変換する工程で問題がある。加えて、機械的エネルギーを効率的な方式で電気的エネルギーへと変換する工程でさらに問題がある。海洋の波力エネルギーを電気的エネルギーへと変換する処理の効率を上げる過程にある大きな困難は、波が時間の関数として振幅、周波数、および位相を連続的に変えるという事実に起因する。

米国仮特許出願番号６０／５３６，６４５号 米国仮特許出願番号６０／５３６，３９７号 米国特許出願番号０９／３７９，４２１号 米国特許出願番号０９／９２２８７７号 米国特許第６，７３１，０１９号

ＷＥＣを使用して波力エネルギーを電気的エネルギーへと変換する処理の効率を上げることを試みて様々な概念が提案されてきた。これらのシステムのうちのいくつかでは、特定の周波数の海洋の波と共に動作するときに高い効率を有するようにＷＥＣの機械部品が「調整」される。これらのシステムの狭帯域の挙動および海洋の波の極めて変化し易い性質を前提とすると、そのようなシステムの総合的な効率は乏しい。

時間的期間全体にわたって支配的な波の周波数を考慮に入れるようにＷＥＣの機械的特性を調節することもやはり提案された。そのような提案を組み入れることは、ＷＥＣのバネ、質量、および緩衝特性を変える機械的装置を必要とする。しかしながら、システムの連続的または多段階の調整を提供する実践的な方法がないので要求される提案の調節をＷＥＣの機械的特性に達成するには問題が多い。

本出願の譲受人に譲渡され、かつその教示が本明細書に参照で組み入れられる「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ａ Ｗａｖｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＷＥＣ）」という表題の２００１年８月６日に提出された米国特許出願番号０９／９２２８７７号に基づいた米国特許第６，７３１，０１９号にＷＥＣの効率を上げるための別の仕組みが示されている。この特許化されたシステムでは、出力負荷を調整することによってエネルギー変換効率を上げるために電気機械的装置が制御されてその機械的挙動を変化させる。

知られている提案の波力エネルギー変換器の効率向上の仕組みのすべてで、エネルギー貯蔵用および／または調整用の部品は大型であり、かつ／または高価であり、商業的に実現可能な製品を製造することを困難かつ／または高価にする。付け加えると、知られているシステムはＷＥＣの挙動全体にわたって反応性の（すなわち或る一定の波の状況を見越していない）および先んじた制御になる傾向がある。

出願人らの発明は、部分的には、ＷＥＣの効率を最大限にするようにＷＥＣの電気機械システムの応答を調整する手段を提供するための能動性インピーダンス整合システム（ＡＩＭＳ）の使用にある。出願人らによる使用を見込まれるＡＩＭＳ技術はコンピュータを基礎にしたアルゴリズムと最新のハードウェアを組み合わせる。

本発明を具現化するＷＥＣは、波の力を機械的エネルギーへと変換するために互いに相対して移動するように設計される外郭構造とシャフトとを有する。以下の検討では、外郭構造は概して移動型部材として描かれ、かつそのように称され、シャフトは非移動型または機械的に地面に固定された部材として描かれる。しかし逆であるケースも可能であり、シャフトと外郭構造の両方が互いに相対して移動することすら可能である。このＷＥＣは、ＷＥＣから得ることが可能な機械的パワーを電気エネルギーへと変換するために外郭構造とシャフトとの間に結合されたパワー・テイクオフ装置（ＰＴＯ）を有する。これは、可能な限り効率的に作り出されるべき所望の出力である。

出願人らの発明は、部分的には、ＷＥＣから得ることが可能なパワーおよびそのＰＴＯから得られる電気的出力を上げるために外郭構造の移動量と速度（および加速度）を上げるための装置と方法の使用にある。本発明の一態様によると、外郭構造の移動量と速度（および加速度）は波のサイクルの一部の間に外郭構造にエネルギーを選択的に供給することによって高められ、供給されるエネルギーはＰＴＯによって予め供給される供給源、または独立した供給源から得られる。外郭構造を移動させるためにエネルギーが消費されるけれども、その移動はＷＥＣによって作り出される電力に十分な正味の利得が存在するようにされる。

本発明を具現化するシステムでは、ＷＥＣからエネルギーを吸収または獲得するための手段が供給され、それはＷＥＣによって作り出される正味のエネルギーを増大させるために外郭構造の移動量と速度（および加速度）を上げるようにＷＥＣに対して選択的にエネルギーを与える。これは機械的エネルギーを吸収することだけが可能な通常のパワー捕捉システムとは対照的である。双方向で（２つの異なるモードで）動作することが可能な同じ装置によってエネルギー吸収手段とエネルギー授与手段が導入されることが可能であり、またはＷＥＣの外郭構造からのパワー吸収のために最適化された１つの装置とエネルギーをＷＥＣの外郭構造へと授与する（供給する）ために最適化された別の装置とを使用して導入されることが可能である。

本発明を具現化するシステムでは、外郭構造とシャフトとの間に結合されたＰＴＯはＷＥＣから得ることが可能なエネルギーを電気エネルギーへと変換するための発電機（または同等の機械式もしくは油圧式の装置）であることが可能である。上記で言及したように、電力を供給されるとＷＥＣの外郭構造とシャフトとの間の所望の移動を生じさせることが可能なモータ（または類似した機械式もしくは油圧式の装置）としてもやはりＰＴＯ発電機が機能し得ることが、必ずしも必要ではないが望ましい。このようにして、本発明を具現化するシステムでは単一の装置が使用されるとき、ＰＴＯはパワー供給装置（ＰＳＤ）とパワー抽出装置の両方として選択的に機能することが可能でなければならない。

出願人らの発明はまた、ＷＥＣの負荷のインピーダンスを入力に整合させることで変換効率と電力出力を最大限にするように、ＷＥＣによって駆動される発電機の電気的負荷を制御する方法も含む。

本発明は、ＰＴＯ／ＰＳＤとの電力の流れの出し入れを制御する４象限電力変換器を使用して実施されることが可能である。例を挙げると、ＰＴＯ／ＰＳＤは発電機／モータ装置または同等の機械式もしくは油圧式の装置であることが可能である。発電機／モータ装置を利用するシステムでは、時には発電機はそこからエネルギーを抽出するブイ（ＷＥＣ）上で負荷として機能し、その一方で他の時間ではエネルギーを消費してブイに力（およびエネルギー）を加えるモータとして機能する。本発明を具現化するシステム内で使用される４象限電力変換器は、電流がシステムから引き出されること、または電流がシステムへと供給されることのどちらかを可能にするようにコンピュータ制御されることが可能である。ブイのスピード、位置、および／または加速度の関数として発電機の電流を調節するためにコンピュータ・アルゴリズムが使用されることが可能である。コンピュータは、所望の電気的出力を最適化するためにエネルギーがＷＥＣの外郭構造へと供給される時間と方法を決定するようにプログラムされることが可能である。

水域に配備され、本発明を実践するために使用されることが可能なＷＥＣシステムの様々な関連部品を識別する図である。 本発明を実践するために使用されることが可能なＷＥＣの単純化された数学的モデルを示す図である。 本発明を実践するために使用されることが可能な多様はＷＥＣの構造および構成要素を示し、識別する図である。 本発明を実践するために使用されることが可能な多様はＷＥＣの構造および構成要素を示し、識別する図である。 本発明を実践するために使用されることが可能な多様はＷＥＣの構造および構成要素を示し、識別する図である。 本発明を実践するために使用されることが可能な多様はＷＥＣの構造および構成要素を示し、識別する図である。 本発明を実践するために使用されることが可能な多様はＷＥＣの構造および構成要素を示し、識別する図である。 先行技術によるＷＥＣシステムを示すブロック図であって、機械的なバネ１０２、および素子１０３、１０４、１０５、１０６、１０９および１１０から成る緩衝器１７０を介して機械的地面１０８に結合されるＷＥＣ１０１を示している。 本発明に従って、海洋の波からのエネルギーの抽出を最適化するようにＷＥＣの機械的特性を「調整」するための様々なシステムおよび方法を例示する図である。 本発明に従って、海洋の波からのエネルギーの抽出を最適化するようにＷＥＣの機械的特性を「調整」するための様々なシステムおよび方法を例示する図である。 本発明に従って、海洋の波からのエネルギーの抽出を最適化するようにＷＥＣの機械的特性を「調整」するための様々なシステムおよび方法を例示する図である。 本発明を実践するために使用されるＡＩＭＳシステムの主要な素子を例示する図である。 本発明を実践するために使用されるＡＩＭＳシステムの主要な素子を例示する図である。 本発明を実践するために使用されるＡＩＭＳシステムの主要な素子を例示する図である。 本発明を実践するために使用されるＡＩＭＳ制御システムを示すブロック図である。 本発明の実践に使用される４象限電力変換器によって実行される機能を描く図である。 電力変換器の電子装置の一部分を示す図である。 本発明を具現化するシステムを示す極めて単純化されたブロック図であって、ここではパワー・テイクオフ装置（ＰＴＯ）がリニア発電機（ＬＥＧ）である。 本発明を具現化するシステムを示す極めて単純化されたブロック図であって、ここではパワー・テイクオフ装置（ＰＴＯ）がリニア発電機（ＬＥＧ）である。 本発明による、かつ先行技術との比較での、「強い」位置復帰力を備えたＷＥＣの動作に付随する理想化された波形を示す図である。 本発明による、かつ先行技術との比較での、「弱い」位置復帰力を備えたＷＥＣの動作に付随する理想化された波形を示す図である。

添付の図面では、類似した参照文字は類似した構成要素を示す。
図４は本発明を具現化するシステムを例示しており、ここではＷＥＣの外郭構造５がパワー・テイクオフ装置（ＰＴＯ）１７０へと結合され、その出力部ではＷＥＣから抽出される所望の電気エネルギーが作り出される。図４はまた、移動する外郭構造５と機械的地面（すなわちＷＥＣのシャフト）との間に接続された電気／電子制御モジュール１２０も示している。制御モジュール１２０は図３に示されたタイプの機械的バネに相当するバネの機能を実行するために使用される。しかしながら、モジュール１２０によって実行される（複数の）機能は、バネ１０２が受動性の装置であるが、その一方で（下記で検討されるように）モジュール１２０は、波からＷＥＣによって吸収される正味のパワーを上げるためにＷＥＣの外郭構造へとエネルギーが供給される時間と方法を制御するようにプログラムされ、かつ所望の増大した出力電圧と電流を作り出すためにＰＴＯに利用可能にされる能動性の装置であるという点で図３に示されたバネ１０２を大幅に上回る機能を規定する。

図５は、「バネ類似」機能を作り出すために使用されるモジュール１２０がエネルギー貯蔵モジュール２０２（これは局所的であるかまたは外部の電力供給源であることが可能である）、電力供給源２０２から直線／回転変換装置２０４を駆動するモータ２０３への電力の印加を制御するための制御モジュール２０１を有することを例示している。制御モジュール２０１は図７Ａ〜８、および１１、１１Ａに示されるように演算装置を有することが可能である。それらの図に示されるように、制御モジュールはモータ２０３が駆動される時間と方法を制御するための命令信号（図４または５に示されていない）によって駆動および制御されることが可能である。モジュール２０１はモータへの電力の印加を制御するために２もしくは４象限の電力変換器を有することもやはり可能である。

図４および５では、ＰＴＯ１７０はライン１０９を介して負荷１１０へと加えられる出力電圧を作り出すために発電機１０６を駆動する直線／回転変換装置（１０３、１０４、１０５）を有する。

図６は本発明を具現化するシステムを例示しており、ここではモジュール２０１およびＰＴＯ１７０によって実行されるべき（複数の）機能のうちのいくつかは同じ器具を使用して実行されることが可能であるが、このケースでは双方向で機能することが可能な器具が選択され、この器具は所望の機能を達成するように双方向で運転される。このようにして図６では、モジュール１２０と１７０はモータ／発電機２０６、および４象限電力変換器と演算装置とを有する制御モジュール２０１を収容する単一のブロックの中に組み合わされる。下記で詳細に述べられるように、或る信号の状態では、外郭構造５によって吸収される電力が直線／回転変換装置１０３、１０４、１０５を駆動し、モータ／発電機２０６を発電機として機能させることで所望の出力電圧と電流を作り出し、それがモジュール２０１内の４象限電力変換器を介して出力負荷１１０に供給するために結合される。この負荷は説明を容易にするために抵抗器で示されるが、他の図に示されるように複雑な負荷であることが可能である。

以下の検討をさらによく理解するために、本発明を具現化するＷＥＣはいくつかの図に示されるように、波の力（Ｆ１）を機械的エネルギーへと変換するために互いに相対して移動するように設計される外郭構造とシャフトとを有することに留意すべきである。以下の検討では、外郭構造は概して移動型部材として描かれるかまたはそのように称され、シャフトは非移動型または機械的に地面に固定された部材として描かれる。しかし逆であるケースも可能であり、シャフトと外郭構造の両方が互いに相対して移動することすら可能である。このＷＥＣは、ＷＥＣから得ることが可能な機械的パワーを電気エネルギーへと変換するために外郭構造とシャフトとの間に結合されたＰＴＯを有する。このようにして、このＷＥＣは波からパワー（エネルギー）を抽出または吸収するために使用され、今度は他方でＰＴＯがこのＷＥＣからパワー（エネルギー）を抽出し、ＷＥＣ上で緩衝器として機能する。

波によって引き起こされる水圧の変化に起因して、波力エネルギー変換装置（ＷＥＣ）に作用する水の波はＷＥＣの外郭構造に力（Ｆ１）を行使するであろう。波のためＷＥＣによって吸収されるパワー（これはその後、ＷＥＣによって電力を作り出すかまたは発生させるために使用されることが可能である）は波の力（Ｆ１）とＷＥＣ（外郭構造）の移動するときの速度（ｖ）の積に等しい。
［Ｐ＝（Ｆ１）×（ｖ）］

物体が波の力に応答している多くの状況で物体（ＷＥＣ）に加えられる波の力（Ｆ１）がその物体の運動とは無関係である（すなわち静止型の物体によって感じられる波の力は緩やかに移動している物体によって感じられる波の力にほぼ等しい）ことは知られている。それゆえに、特定のＷＥＣによって吸収されるパワーを上げること（およびＷＥＣから得ることが可能なさらに多くのパワーを得ること）が望まれるのであれば、これはＷＥＣの速度を上げることによってのみ為され得る（波の力は制御不能である）。例えば、ＷＥＣの速度を２倍にすることはＷＥＣによって吸収される機械的パワーを即座に２倍にすることにつながる。これはその後、電気エネルギーへの変換のためにＷＥＣから得ることが可能である。

出願人らの発明は、部分的には、ＷＥＣから得ることが可能な正味のパワーを上げるためおよびＷＥＣのＰＴＯからの電気的出力を上げるためにＷＥＣの外郭構造の移動量と速度を上げる装置および方法の使用にある。本発明の一態様によると、ＷＥＣの移動量と速度は波のサイクルの一部の間にＷＥＣに選択的にエネルギーを加えることによって増大させられる。これは所望の結果を最良に達成するようにエネルギーが供給されるべき時間を判定するためのコンピュータを主体としたシステムを含む。また、エネルギーがＷＥＣの外郭構造に供給されるべき時間と方法を判定するための適切なシステム信号（例えば移動量、速度、加速度）の選択も含む。ＷＥＣの外郭構造を駆動するために供給されるエネルギーは以前にＰＴＯによって補充／充電される電源かまたは独立型電源のどちらかから得られる。ＷＥＣの外郭構造を移動させるためにシステムからエネルギーが引き出されるけれども、ＷＥＣの外郭構造の移動量は、移動の結果として外郭構造がさらに多くのエネルギーを作り出し、かつＷＥＣによって発生する電力に大幅な正味の利得が存在するようにされる。

下記で詳しく述べられるように、本発明の一態様は制御された方式でかつ制御および選択された時間に機械的パワーをＷＥＣの外郭構造に与えることでその移動量と速度を波のサイクルの選択された点で高める能力である。これは、機械的エネルギーを吸収するだけの通常のパワー捕捉システムとは対照的である。

本発明はすべてのＷＥＣに適合し、たとえそれらが異なった位置復帰力を有していてもそうである。例えば、沈水したＷＥＣの外郭構造は「弱い」位置復帰力を有する傾向にあるが、その一方で水面上に浮いているＷＥＣの外郭構造は「強い」位置復帰力を有する傾向にある。

位置復帰力は、ＷＥＣの外郭構造を何らかの「休止」または「中立」の場所へと戻らせる傾向を有する力である。この力は流体静力学的復帰（すなわち浮いている外殻は動かされると初期の位置に戻るであろう）、またはある程度の機械的バネ（例えばＷＥＣの外郭構造と地面に固定されたＷＥＣ部品との間に固定される大型のコイル・バネ）の結果であることが可能である。「弱い」位置復帰力と「強い」位置復帰力は、水面の波の周波数でＷＥＣの外郭構造を振動させるために必要とされる初期の力に相対させた場合の復帰力のサイズを言う。ＡＩＭＳ装置および方法の一般的特性は強い位置復帰力と弱い位置復帰力のケースに関して同じであるが、下記で検討されるように２つのケースに関して動作はいくつかの箇所で異なる。いずれにせよ、波から抽出されるエネルギーの量が本発明の出願によって両方のケースで高められることが示される。

ＷＥＣの外郭構造の運動が波の力の通りに正弦曲線であると想定されることは可能である。ＷＥＣの外郭構造の位相と波の力との間の関係は、ＷＥＣの外郭構造がその中立位置から最大の移動量に到達し、かつゼロ移動量の位置へと向けて押し進められ始めるときにＷＥＣの外郭構造をゼロ移動量の位置へと向けて加速させるように波の力が作用するようにされる。「先行技術による」システムでは、ＷＥＣの外郭構造がゼロ移動量の位置へと向けて加速することを可能にされ、そのＰＴＯがＷＥＣの機械的エネルギーのいくらかを吸収する。

それとは対照的に、本発明を具現化するシステムではさらに多くのエネルギー（電力）を作り出すためにＷＥＣの外郭構造の移動量と速度が上げられる。例を挙げると、弱い位置復帰力のケース（図１３参照）では、外郭構造が一方向（例えば上）に移動してその中立位置から最大の（例えば正の）移動量に到達するとき、その速度はゼロに向かって進む。外郭構造の移動量と速度がゼロになる（かつ最初に増大し始める）点（例えば図１３のｔ_Ａ）が感知され、その後、移動量、スピード、および加速度を上げるためにパワーが外郭構造（またはシャフト）に加えられる。ＷＥＣからエネルギーを吸収するのではなくＷＥＣの外郭構造にエネルギーを与えるＰＴＯ（および／またはいずれかの適切なパワー供給装置、ＰＳＤ）を介してパワーが外郭構造に加えられる。システムの設計およびシステムの必要条件に応じて、一層長い時間間隔または一層短い時間間隔でパワーが加えられることが可能である。外郭構造が反対方向（例えば下）に移動してその最大の（例えば負の）移動量に達するとき（例えば図１３のｔ＝６）、この手順が繰り返される。すなわち、システムは外郭構造の速度が減少してゼロへと進むときにそれを感知し、外郭構造が最大移動量に到達し終えて反対方向にちょうど加速し始める点（および時間）もやはり感知する。このＡＩＭＳシステムはそのとき、ＰＴＯ（および／またはいずれかの適切なパワー供給装置、ＰＳＤ）を介して外郭構造にエネルギー（パワー）を供給することによってＷＥＣを支援する。この手順は、（先行技術と比較して）ＷＥＣの外郭構造の移動量を増大させ、かつＷＥＣの外郭構造の速度（および加速度）を大幅に増大させる効果を有する。ＷＥＣの外郭構造の速度および加速度が増大すると、ＷＥＣの外郭構造によって吸収される機械的な波のパワー（およびその後にＷＥＣの外郭構造によってＰＴＯに与えられるエネルギー）が劇的に増大する。ＷＥＣによって吸収されるパワーの劇的な増大はその後、増大したパワーを吸収してそれを変換することで増大した電気エネルギー出力を作り出すことが可能なＰＴＯに利用可能にされることが可能である。このパワー投入が、ＷＥＣを共振および／または振動させて結果としてさらに効率的な動作に結び付けるように意図されていることは理解されるはずである。

このようにして、いったんＷＥＣの外郭構造が或る一定の位置、速度、および／または加速度に到達したとき、ＷＥＣから機械的エネルギーを吸収し、それを電気エネルギーへと変換するためにＰＴＯが使用される。本発明を具現化するＡＩＭＳシステムおよび方法では、ＰＴＯは先行技術によるシステムよりも短い時間量についてエネルギーを吸収するが、しかしはるかに多くの吸収すべきエネルギーが存在する。

このＡＩＭＳ装置および方法はＷＥＣが強い位置復帰力を有するときの電力変換効率もやはり向上させる。ＡＩＭＳで制御されるＰＴＯは、各々の波のサイクルの部分の中でＷＥＣにエネルギーを与え、その結果、ＷＥＣの最大の移動量、それゆえに速度を増大させることによって先行技術による方法を改善し、それはＷＥＣの外郭構造による増大した波力パワーの吸収に役立つ。強い位置復帰力を示すＷＥＣのケースについては、外郭構造がその最大移動量に近づくときにＰＴＯがＷＥＣの外郭構造にエネルギーを与える。例えば、図１２に示されるように外郭構造が時間ｔＢにその最大の移動量に到達するが、しかしパワーはその時間よりも前にＷＥＣの外郭構造に加えられる。これは、ＷＥＣの外郭構造がその最大の移動量に達する瞬間を遅らせる（時間を延ばす）効果を有する。波のサイクルの中でＷＥＣが一層遅くその最大の移動量に到達するので、ＷＥＣは一層遅くそのピーク速度に達する。このケースについては、パワーがＷＥＣの外郭構造に供給されるタイミングを制御することによってＡＩＭＳ装置および方法はＷＥＣの外郭構造の速度のピークをピークの波力とほぼ一致させる。ＷＥＣの外郭構造によって吸収される機械的な波のパワーは波力とＷＥＣの速度の積であるので、これはＷＥＣによる機械的パワーの吸収の増大につながり、それはＷＥＣの最大の移動量の増大につながる。ＷＥＣの最大の移動量のこの増大は今度は他方で増大したＷＥＣ速度につながり、それは増大したパワー吸収につながる。最終的に、緩衝効果、および迅速に移動する物体に力を行使する波の能力が無くなることに起因して、吸収されるパワーはＷＥＣの速度とストロークの増大と共に増加を停止する。このようにして、本発明を具現化するシステムでは「弱い」位置復帰力および「強い」位置復帰力のケースに関して、ＷＥＣの外郭構造の最大の移動量と速度（ならびに加速度）が上げられてＷＥＣによる増大したパワー吸収につながる。

本発明をさらに説明するために、図１２（「強い」復帰力）および１３（「弱い」復帰力）に示される波形に参照が為される。波形Ａは図（例えば図１１）に示されたタイプのＷＥＣに加えられる海洋の波の力を表わすと仮定する。波形ＢはシステムへのＡＩＭＳ発明の応用に応答するＷＥＣの移動量を描いている。波形Ｃは先行技術によるＷＥＣの移動量を描いている。本発明による波形Ｂに示される移動量が波形Ｃに見られる移動量よりも有意に大きいことに留意すべきである。本発明を具現化するシステムでは、外郭構造の速度がゼロに向かって進む（ゼロにちょうど達する、かつ／またはゼロを通り過ぎる）ときのＷＥＣの外郭構造の移動の上端部と下端部またはその近辺でＷＥＣにエネルギーを与えることによって（ＷＥＣの外郭構造の偏位運動の２つの端部での）さらに大きい移動量が得られる。一層大きな移動量と同時に生じることは移動行程の一方の端から移動行程の他方の端へと進むときのＷＥＣの外郭構造の速度の大幅な増大である。結果としてパワーのさらに大きな利得につながる好都合な位相シフトに起因する恩典もやはり存在する。（上記のように、シャフトが固定され、その一方で外郭構造がシャフトに相対して上下に移動すると仮定される。これは説明を容易にするためだけに為される。この説明および添付の特許請求の範囲では、外郭構造が固定されることが可能であり、その一方でシャフトが外郭構造に相対して移動すること、および／またはシャフトと外郭構造が互いに相対して両方とも移動することが可能であることは理解されるべきである。）

図１２の最上部分（波形Ａ）はＷＥＣへの波の力を表わす。図１２の第２の部分（波形ＢおよびＣ）は「休止」位置からのＷＥＣの移動量を表わす。図１２の第３の部分（波形ＤおよびＥ）はパワー・テイクオフ装置（ＰＴＯ）の力（Ｆ_ＰＴＯ）を表わす。図１２の第４の部分（波形Ｆ、Ｈ、Ｇ、Ｉ）はＰＴＯによって吸収される瞬間的パワーと平均のパワーを表わす。波形ＦおよびＧは瞬間的パワーを表わし、波形ＨおよびＩは平均のパワーを表わす。本発明を使用する正味のパワー利得は波形ＨとＩを比較することによって見受けられることが可能であり、ここでＨはＩよりも明らかにプラスである。

図１２および１３の波形は、提案のＡＩＭＳ装置および方法の、先行技術と比較したときの恩典を実証している。ＰＴＯによって吸収される瞬間的パワーのグラフ（波形Ｆ）は、吸収されるパワーが時には負であることを示している。負の吸収パワーは正の授与パワーを意味し、これはＰＴＯが（ＰＳＤ）モータとして働いている（すなわち以前に作り出された電力または外部の電力をＷＥＣを駆動するために使用している）ことを意味する。図１２を参照すると、動作は簡単に以下のように述べられることが可能である。ｔ＝０秒で始まり、ＷＥＣはその休止位置から最大の負の移動量に到達している。この時点で、ＰＴＯがＷＥＣにエネルギーを与え始め（すなわちＷＥＣを加速するようにＰＴＯが作用する）、その結果、それを上向きに駆動する。この範例では、約１．５秒でＷＥＣはその休止点を通り過ぎ、ＰＴＯはＷＥＣからエネルギーを引き出し始める（すなわちＷＥＣを減速させるようにＰＴＯが作用する）。このポイントでＷＥＣの速度が非ＡＩＭＳのケースに相対して大きいことに留意すべきである。ＰＴＯはＷＥＣが約３秒でその最大限度に到達するまでＷＥＣからエネルギーを引き出し続ける。ＡＩＭＳ法のこの実施形態では、ＰＴＯによって吸収される正味のパワーは図中に水平方向の点線で示される。ＰＴＯがＷＥＣの外郭構造からパワーを引き出す範囲が制御され、かつ／または変更されることが可能であることに留意すべきである。

ブイがその最大限度に到達した直後にブイにエネルギーを与えるこの方法は、それを次の「自然な」折り返し点よりも少し後ろまで送り、その結果、波の力とＷＥＣの運動との間の位相関係を変える効果を有する。適切に導入されて実行されると、位相関係のこの変更は波力とＷＥＣの速度を整列させることによって電力変換のために恩典を提供する。図１２で、波力の大きさの最大値が１．５秒、４．５秒、７．５秒等に生じることに留意すべきである。これはＡＩＭＳ装置を備えたＷＥＣシステムの速度の最大値と同時に起こるが、しかしＡＩＭＳ装置を備えていないＷＥＣ装置についてはそうではない。明らかに、本発明によると、上方向での外郭構造の移動量はそれが標準的な先行技術の仕組みである場合のそれよりも大きいであろう。同様に、下方向での外郭構造の移動量は標準法（非ＡＩＭＳのケース）に関する最下部よりも大幅に下へと延びる。例を挙げると、図１２ではＡＩＭＳ処理を受ける外郭構造は（ＡＩＭＳを伴なわない）外郭構造が２単位移動させられる間にほぼ５単位移動させられ、それはこのケースについては外郭構造の速度が２倍以上にされることを示す。

上記で述べられたように、システムのバネ特性（α）と負荷緩衝特性（β_ｌｏａｄ）を波の状態に整合させるように選択的に調節することによってＷＥＣの効率は大幅に高められることが可能である。この調整法を実行するための装置が図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、８、１１、および１１Ａに例示されている。このシステムのバネ定数はＷＥＣ（例えば外郭構造）の移動量に対応し、負荷緩衝定数はＰＴＯによってＷＥＣから取られる（および実用的な電気エネルギーへと変換される）パワーに対応する。本発明によると、システムのバネ定数はＷＥＣに選択的にパワーを供給することによって調節されることが可能である。

基本的な能動性インピーダンス整合システム（ＡＩＭＳ）では、ＰＴＯ（説明を容易にするために発電機であると仮定される）の出力電流は、外郭構造（範例の目的で移動型部材であると仮定される）が波と共振状態に置かれるように制御される。ＰＴＯが通常では発電機として機能すると仮定すると、ＡＩＭＳシステムは各々の波のサイクルの一部分で発電機がモータとしてもやはり働き、各々の波のサイクルの他の部分については発電機として働くことを要求する。波のサイクルの大部分の間（ＰＴＯが発電機として機能するとき）で実用的な、または出力の電気エネルギーが発電されて貯蔵される。波のサイクルの「モータ用」部分の間に、いくぶんかの貯蔵エネルギー（または外部のエネルギー）がシステムへと戻される。このＡＩＭＳシステムは複数の図に示されるように４象限電力変換器、キャパシタ、様々なセンサ、およびコンピュータを主体とする制御アルゴリズムを有する。

図７Ａ、７Ｂ、および７Ｃでは、ＷＥＣの外郭構造の位置と速度および／または加速度を含めて様々なセンサを連続的にサンプリングする内蔵型のプロセッサまたは制御コンピュータ７００が示されている。この制御コンピュータ７００にあるアルゴリズムが発電機の電流設定点命令を決定し、それが連続的に４象限電力変換器７０２へと送られる。この変換器７０２は発電機の負荷になるか、または発電機を駆動してモータのように機能するかのどちらかであることが可能である（すなわち制御コンピュータによって決定される通りに正または負の電流負荷を加える）。

「４象限変換器」はモータ／発電機が加速または減速のどちらかを行っている間に正または負のトルク（または力）がモータ／発電機に加えられることを可能にする。したがって、４象限変換器が以下の４つの状態、すなわち１）正のスピードで正のトルク（回転式発電機のためのトルクまたはリニア発電機のための力）、２）負のスピードで正のトルク（力）、３）正のスピードで負のトルク（力）、および４）負のスピードで負のトルク（力）の状態を有することが可能である。

リニア式のモータ／発電機（例えばＬＥＧ）を備えたシステムのケースでは、力が制御されるパラメータであり、発電機の電流とほぼ比例する。回転式のモータ／発電機を備えたシステムのケースでは、トルクが制御されるパラメータであってそれは発電機の電流とほぼ比例する。本明細書では「モータ／発電機」という用語が使用されるが、なぜならば電気機械式の機械はトルク（力）およびスピードの極性に応じてどちらかのモードで機能することが可能であるからである。

図７Ａでは、パワー・テイクオフ装置（ＰＴＯ）７０６ＡはＷＥＣの外郭構造５と、機械的に地面に固定されると仮定される支柱もしくはシャフト３との間に接続されて示される。ＰＴＯ７０６Ａはいずれかのタイプの発電機／モータであることが可能であり、あるいは、例えばラック／ピニオン式ギヤ配列、ボール／ネジ式配列、油圧シリンダ、油圧モータといったいずれかのタイプの機械式または油圧式の装置、および／あるいは外郭構造とシャフトとの間の機械的運動を電気エネルギーへと変換することが可能ないずれかの装置であることが可能である。

ＰＴＯは４象限電力変換器７０２へと接続される回転式発電機／モータ７０４Ａに接続されて示される。図７Ａではコンピュータまたは内蔵型プロセッサ７００が示され、それに（ａ）シャフトに相対した外郭構造の位置に関連するデータ、（ｂ）シャフトに相対した外郭構造のスピードに関連するデータが加えられる。加速度データが供給されることもやはり可能であり、またはコンピュータによって判定されることも可能である。コンピュータ７００は、所定の、またはプログラムされるスピード、移動量の条件、およびコンピュータ内に設定される他の判定基準（例えば加速度）に応答して電力変換器７０２へと加えられる所望の電流信号７０１を作り出すようにプログラムされる。

本システムの主な目的はＷＥＣの外郭構造によって吸収される波のエネルギーを電気機械的エネルギーへと変換し、可能な限り効率的に電力変換器７０２の出力７２０で出力電圧と電流を作り出すＰＴＯ７０６Ａと発電機７０４Ａを有することである。電力変換器７０２の出力７２０は単純または複雑な負荷へと加えられることが可能である。この負荷はａ）電気エネルギーが貯蔵されるキャパシタ・バンク７２２（またはバッテリ）へと結合されたＤＣ／ＤＣコンバータ７２１、ならびに／あるいは（ｂ）ＤＣ負荷７２３およびＤＣ電源７２４、ならびに／あるいは（ｃ）ＡＣ負荷７２６またはＡＣ電源７２７へと加えられることが可能なＡＣ電力信号（その周波数と振幅は制御される）を発生させるためのインバータ７２５を含むことが可能である。

本発明を具現化するシステムでは、海洋の波のサイクルの或る部分の間にコンピュータ７００の制御下で変換器７０２を介してシステムから電力が発電機／モータ７０４Ａへと供給され、それがその後、エネルギー（パワー）が外郭構造へと供給されて全体にわたる電力利得を作り出すであろう方向に外郭構造を移動させるようにＰＴＯ７０６Ａを駆動する。すなわち、外郭構造を駆動するためにシステムからのエネルギーを使用することによって、およびエネルギーがＷＥＣの外郭構造へと供給される時間と方式を制御することによって先行技術よりも多くの実用的なエネルギーが波と本システムから得られる。

図７Ａに示される位置のデータ信号は、ＷＥＣの外郭構造の移動量の関数である電流命令の構成要素であることが可能である。この構成要素は「バネ」特性を表わす。ゼロの位置からのＷＥＣの外郭構造の大きな移動量は結果として大きな電流、およびＷＥＣの外郭構造をゼロ点に戻すための発電機の結果的に得られる力につながる。スピードのデータ信号は電流命令の別の構成要素であって、「抵抗性」または緩衝の特性を表わす。ＷＥＣの外郭構造の高いスピードは結果として高い発電機電圧につながる。制御アルゴリズムと４象限電力変換器によって決定されるときの発電機の電流がこのケースでは高い。したがって、プログラムされる発電機電流は実際の成分と反応性成分から成る。

図７Ａに示されるように、ＰＴＯ７０６Ａと回転式発電機７０４Ａによって発電されるＡＣ電力は４象限パルス幅変調型変換器７０２によってＤＣへと変換されることが可能である。この４象限変換器のＤＣ出力電流は、発電機の電力に追従する可変の成分を伴なった一次ＤＣである。そのＤＣ成分は４象限変換器から出る平均電力に比例する。負荷への電力を正でかつ安定に保つために、発電機制御装置からの電力が一列または複数の列のキャパシタ（あるいはいくつかの他のエネルギー貯蔵装置）によって支えられるＤＣバスへと供給される。これらのキャパシタは、発電機の出力がインバータの要求量を超えるとエネルギーを貯蔵し、発電機の出力がインバータの要求量を下回るとエネルギーを放出する。インバータの要求量はキャパシタのエネルギー・バランスを維持するように緩やかに変化する。

このシステムは各々の波のサイクルの一部の間にいくらかのエネルギーが波力エネルギー変換器へとフィードバックされることを必要とする。上述されたように、このエネルギーはキャパシタに貯蔵されたそれであることが可能である。波力エネルギーのパワーが外部電力網へと供給される用途については、波力エネルギー変換器へとフィードバックされる電力はその外部電力網によって供給されることが可能である。外部電力網への正味の平均電力はプラスであろう。

図７Ｂは、リニア発電機（ＬＥＧ）を形成するための永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）７０６Ｂとインダクション・コイル・アセンブリ（ＩＣＡ）７０４Ｂを有するように示されるパワー・テイクオフ装置を除いて図７Ａと概して同様である。図７Ｂでは、コイル・アセンブリは機械的に地面に固定されて示される。これは、ＰＭＡが移動型の外郭構造５へと接続されることでＩＣＡのコイルの両端に電圧と電流を生じさせることを示唆する。コイルによって作り出された電圧と電流は４象限パルス幅変調型電力変換器７０２へと供給される。図７Ａのように、電力変換器７０２の動作は演算装置７００によって制御され、それはシャフトに相対した外郭構造の移動によって作り出される位置とスピード（および加速度）のデータに応答して電力の抽出と電力の供給を制御する。コンピュータの制御下で、変換器７０２はＷＥＣの外郭構造からパワーが取られる時間と方法、およびＷＥＣの外郭構造へとパワーが供給する時間を決定する。図７Ｂでは、電力はコイルへと供給されるか、またはコイルから引き出される。それ以外の点では本システムの動作は図７Ａのそれと同様であり、さらに詳述される必要はない。

図７Ｃは、ＷＥＣのこの構造ではシャフト１０１ａと外郭構造１０１ｂの両方が互いに相対して移動することが可能であることを除いて概して図７Ｂと同様である。

本発明を具現化するＡＩＭＳシステムの主要な要素は以下を含む。

１．波力エネルギー吸収装置：この構成要素（これはＷＥＣの外郭構造とシャフトの組合せによって形成されることが可能である）は海洋の波から機械的エネルギーを吸収してパワー・テイクオフ装置（ＰＴＯ）へと力を加える。

２．パワー・テイクオフ装置（ＰＴＯ）：通常ではＷＥＣのシャフトと外郭構造との間に接続されるこの構成要素は波力エネルギー吸収装置の直線的な力と運動を吸収し、それを中間または最終の実用的な形式の力および運動へと変換する。例えば、この構成要素は直線的な力と運動を油圧流体の圧力と流動へと変換する油圧シリンダであることが可能である。この構成要素は、直線的な力および運動を回転トルクおよび角度の移動へと変換する装置であることもやはり可能である。この構成要素はまた、外郭構造およびシャフトに取り付けられるリニア発電機（ＬＥＧ）であることも可能であり、それはそれらの相対的な運動をＡＣの電圧と電流へと変換することが可能である。

３．機械−電気変換装置：この構成要素は機械的で直線的な力（またはトルク）および直線的な移動（または角度の移動）を電流と電圧へと変換し、その逆もまた行う。例えば、この構成要素はモータとしてもやはり働くことが可能な永久磁石式発電機であることが可能である。

４．機械的地面：ＰＴＯが波力エネルギー吸収装置によって加えられる力に晒されることが可能となるように相対的に静止型に保たれるＰＴＯの一方の部分（外郭構造またはシャフト）を言う。この構成要素は海底に錨で固定された長いスパー（シャフト）であることが可能である。

５．４象限電力変換器：「４象限変換器」はモータまたは発電機が加速または減速されている間に正または負のトルク（または力）がモータまたは発電機に加えられることを可能にする電子装置である。したがって、４象限変換器でもって以下の４つの状態、すなわち１）正のスピードで正のトルク（力）、２）負のスピードで正のトルク（力）、３）正のスピードで負のトルク（力）、および４）負のスピードで負のトルク（力）の状態を有することが可能である。リニア式のモータ／発電機を備えたシステムのケースでは、力が制御されるパラメータであり、発電機の電流とほぼ比例する。回転式のモータ／発電機を備えたシステムのケースでは、トルクが制御されるパラメータであってそれは発電機の電流とほぼ比例する。本明細書では「モータ／発電機」という用語が使用されるが、なぜならば電気機械式の機械はトルク（力）およびスピードの極性に応じてどちらかのモードで機能することが可能であるからである。４象限変換器は概してパルス幅変調型（ＰＷＭ）装置であって、いくつかのソリッドステート・スイッチおよびエネルギー貯蔵部品から成る。モータ／発電機への電流の流入と流出を調節するようにソリッドステート・スイッチのデューティ・サイクルが制御される。

６．キャパシタ・バンク（７２２）：波のサイクルの発電機部分の間に電気エネルギーを貯蔵し、波のサイクルのモータ部分の間に電気エネルギーを放出するように機能する。このキャパシタ・バンクは４象限変換器に接続されたＤＣバスへと直接接続されること、あるいは双方向の電力変換器を介してＤＣバスへと接続されることのどちらも可能である。

７．双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ：キャパシタ・バンクへの電気エネルギーの流入と流出を調節する。エネルギーの流れは、安定したＤＣバス電圧を維持するように、またはキャパシタ・バンクの充電の状態を維持するように制御されることが可能である。

８．インバータ（７２５）：ＤＣ電力を高度に調節されたＡＣ電力へと変換するパルス幅変調型の装置であることが可能である。所望であれば、４象限変換器に給電すること、および発電機（すなわち機械−電気変換器）を逆駆動することが可能なＤＣ電力へとＡＣ電力が変換されることが可能となるように、この装置は双方向性であることが可能である。

９．ＤＣ負荷（７２３）：波力エネルギー変換器によって作り出される電力の、或る一定の用途での末端の使用対象である。

１０．ＤＣ電源（７２４）：コンバータを介して発電機へとフィードバックされる電力の供給源であることが可能である。この構成要素は、外部電力網へと接続されて電力を供給するシステムについては概して必要とされないであろう。

１１．ＡＣ負荷（７２６）：波力エネルギー変換器によって作り出される電力の、或る一定の用途での末端の使用対象もしくは複数の使用対象である。

１２．ＡＣ電源（７２７）：ＡＣ電力システム用途でのＡＣ電力供給源である。

１３．移動量（７３１）および／または速度（７３３）センサ：
移動量センサ（例えば図７Ａの７３１）は波力エネルギー吸収装置の機械的地面との関係での移動量を感知し、または二重吸収装置のシステムのケースでは２つの波力エネルギー吸収素子の相対的移動量を感知する。分離型速度センサ（例えば図７Ａの７３３）は波力エネルギー吸収装置の機械的地面との関係での相対速度を感知することが可能であり、または二重吸収装置のシステムのケースでは２つの波力エネルギー吸収素子の相対速度を感知する。

１４．内蔵型プロセッサまたはコンピュータ（例えば２０１、７００および８１）：様々なセンサからデータ入力を受け取り、システムのオペレータからパラメータおよび／または動作モードの入力を受け取り、４象限変換器へと出力を送信する演算装置である。この出力は４象限変換器のＡＣ電流設定点を調節する信号を含む。この演算装置（例えば図７Ａの７００）は電力がＷＥＣから抽出される時間と方法および電力がＷＥＣへと供給される時間を制御するようにプログラムされ、使用されることが可能である。

１５．制御アルゴリズム用のプロセッサ：
この構成要素（これはコンピュータの一部であることが可能である）は波力エネルギー吸収装置と機械的地面の相対的移動量を示すデータを受け取り、または二重吸収装置のシステムのケースでは２つの波力エネルギー吸収素子の間の相対的移動量を示すデータを受け取る。波力エネルギー吸収装置と機械的地面との間、または２つの波力エネルギー吸収素子の間の相対速度を判定するためにアルゴリズムがこの相対的移動量の時間的導関数を計算することが可能である。代替的に、この速度は速度センサによって制御アルゴリズムに供給されることが可能である。付け加えると、外郭構造またはシャフトの加速度を判定するためにアルゴリズムが速度の時間的導関数を計算することが可能である。

この構成要素はモータ／発電機の電流（Ｉ_{ＧＥＮＳＥＴ}）に関して所望の値を波力エネルギー吸収装置の移動量および速度の関数として決定するために使用されることが可能である。この電流は波力エネルギー吸収装置の中立位置（ｘ_０）からの移動（ｘ）の関数である。波力エネルギー吸収装置の中立位置からの移動量（ｘ−ｘ_０）が増大すると所望のモータ／発電機電流（Ｉ_{ＧＥＮＳＥＴ}）の「バネ」成分が増大する。モータ／発電機電流の所望の値もやはり波力エネルギー吸収装置の速度の関数である。波力エネルギー吸収装置の速度が増大すると所望のモータ／発電機電流の「緩衝」成分が増大する。所望のモータ／発電機電流はバネ成分と緩衝成分の代数和
Ｉ_{ＧＥＮＳＥＴ}＝α（ｘ−ｘ_０）＋βｘ’＋μｘ
であり、ここでαは所望の発電機電流を所望の中立点に相対した波力エネルギー吸収装置の移動量（ｘ−ｘ_０）に関連付けるバネ定数であり、βは所望のモータ／発電機電流を波力エネルギー吸収装置の速度（ｘ’）に関連付ける緩衝定数であり、μは所望のモータ／発電機電流を波力吸収装置の加速度（ｘ”）に関連付ける質量定数であり、ｘは波力エネルギー吸収装置の直線的移動であり、ｘ_０は所望の波力エネルギー吸収装置中立点（またはゼロ点）であり、ｘ’は直線的移動の時間的導関数（すなわち速度）であり、ｘ”は直線的速度の時間的導関数である。モータ／発電機電流のこの所望の値は４象限変換器によって受け取られることが可能な電気信号へと変換される。

図８（および図１１）を参照すると、波力エネルギー吸収装置（ＷＥＣの外郭構造）５が示されている。力Ｆの波が外郭構造５に加えられることでそれを移動させる。外郭構造５がシャフト３（図示せず）に相対して移動すると、外郭構造の位置または移動（ｘ）が（例えばセンサ７３１を介して）感知または測定されることが可能である。この移動はゼロ位置ｘ_０の関数として表わされることが可能であって、外郭構造はこのゼロ位置に相対して上下に移動する。外郭構造の速度（ｖ）はｄｘ／ｄｔを判定することによって、または速度センサを使用することによって計算される（モジュール８１０）ことが可能である。外郭構造の加速度（「ａ」）はｄｖ／ｄｔを判定することによって、または加速度センサを使用することによって計算される（モジュール８１０ａ）ことが可能である。外郭構造の移動量、速度、および加速度は内蔵型制御装置またはコンピュータ８１（これは図７Ａのコンピュータ７００と等価である）へと供給される。コンピュータ８１は外郭構造の速度を計算するためのデータ処理部分８１０を（この機能を実行するための独立したセンサが使用されない場合に）有して示される。コンピュータ８１はまた、外郭構造位置誤差（ｘ−ｘ_０）と称される信号を作り出すためにゼロ位置に相対した外郭構造のオフセット量（ｘ_０）を判定する処理部分８１１も有して示される。コンピュータ８１はまた、ＷＥＣの質量と体積および移動量といった様々なパラメータが、（ａ）ＷＥＣのバネ定数（ｋ）を表わす項、および（ｂ）ＷＥＣの緩衝定数（ｂ）を表わす項を作り出すために供給（および保存）されることが可能なデータベースおよびプロセッサ部分８１２も有して示される。バネ定数（ｋ）が、外郭構造をゼロ位置へと戻す傾向を有する力を表わし、かつその関数であり、位置依存性であることに留意すべきである。緩衝定数（ｂ）が、システムから取り出される電力とシステムの損失を表わし、かつそれらの関数であり、スピード依存性であることにもやはり留意すべきである。コンピュータ８１２はまた、以下の信号、すなわち（ａ）バネ定数（α）、（ｂ）緩衝定数（β）、（ｃ）質量定数（μ）、（ｄ）外郭構造の速度（ｖ）、（ｅ）外郭構造のゼロ位置（ｘ_０）、および外郭構造の位置誤差信号（ｘ−ｘ_０）が供給されるプロセッサ部分８１３も有して示される。

プロセッサ８１３はＦ_ＰＴＯと称される力を計算するようにプログラムされる。この力の適用は、パワーがＷＥＣへと供給されることを必要とする可能性が高い。しかしながら、その適用の正味の効果は、ＷＥＣの応答を最適化し、かつＷＥＣによって作り出される正味の電力、それゆえにその効率を高める傾向を有するということである。プロセッサは、合計されるとＦ_ＰＴＯに等しいＦ_{ＳＰＲＩＮＧ}、Ｆ_{ＤＡＭＰＥＲ}、およびＦ_ＭＡＳＳを判定し、それは図８に示されるように
Ｆ_ＰＴＯ＝Ｆ_{ＳＰＲＩＮＧ}＋Ｆ_{ＤＡＭＰＥＲ}＋Ｆ_ＭＡＳＳ＝α（ｘ−ｘ_０）＋βｘ’＋μｘ” （式Ａ）
と表現されることもやはり可能である。

プロセッサ８１３はまた、Ｆ_ＰＴＯの関数であるＩ_{ＧＥＮＳＥＴ}と称される発電機電流設定点信号を作り出すためにデジタル・データをデジタル／アナログ・インターフェース回路８１４へと供給するようにプログラムされる。デジタル信号Ｉ_{ＧＥＮＳＥＴ}は４象限電力変換器９０（これは図７Ａの変換器７０２と同様であることが可能である）の入力部へと加えられる。４象限電力変換器９０はブロック１００とブロック１１０との間に接続されて示される。ブロック１００はＷＥＣによって駆動される負荷、および／または電流をＰＴＯ１１４へと供給するために使用されることが可能なエネルギーを貯蔵するためにＷＥＣおよび／または供給によって充電される電源を有することが可能である。図８は、電力変換器９０によって作り出される発電機電流ＩＧＥＮを示しており、それはパワー・テイクオフ装置１１４に力またはトルクを加えて所望のＰＴＯの力（Ｆ_ＰＴＯ）を作り出すように発電機（これは駆動されるとモータのように機能する）１１２へと加えられ、外郭構造５へと加えられる正味の力を作り出すために（象徴的に加算器１２０で）加算されて示される。所望のＰＴＯの力（Ｆ_ＰＴＯ）を作り出すために電力変換器が発電機の電流を制御することは理解されるはずである。

本発明を実践することに使用されるＦ_ＰＴＯの特性は
αｘ＋βｘ’＋μｘ”＞０であればＦ_ＰＴＯは正であり、
αｘ＋βｘ’＋μｘ”＜０であればＦ_ＰＴＯは負である。
μとｘ”の部分を無視すると、ＷＥＣが中立点よりも上または下にあるときにＰＴＯの力が正となり得ることは理解されることが可能である。それはすべてαｘとβｘ’の和の計算によって決まる。例えば、ＷＥＣが中立点よりも上であるときに２つのケースが存在する。一方のケースでは、スピードは結果としてバネの力を支える力につながる方向にある。他方のケースでは、スピードは結果としてバネの力に逆らう力につながる方向にある。したがって、αｘ＋βｘ’を計算することが必要である。

最適化のアルゴリズムを計算する工程では、その計算は、ω＝２πｆである場合にＷＥＣに衝突する波の周波数（ｆ）を判定する工程、ＷＥＣの質量（Ｍ）を判定する工程、流体静力学的復帰因子（ｋ）を判定する工程、ＷＥＣのバネ力（ｂ−ｄａｍｐｉｎｇ）を判定する工程、およびα＝［Ｍ（ω^２）］−ｋと規定する工程、β＝ｂ−ｄａｍｐｉｎｇと規定する工程、（ｃ）位置Ｘを判定する工程、速度ｖ（ここでｖ＝ｄｘ／ｄｔ）を判定する工程、および所望の力Ｆ（ｐｔｏ）＝αｘ＋βｖを計算してＦをＷＥＣに加える工程を含むことが可能である。

図９は４象限電力変換器９０（図７Ａの７０２）によって実行される機能を例示している。電力変換器９０の機能は概念的には（ａ）パワー・テイクオフ装置として、またはそれと併せて使用される回転式モータ／発電機のケース、あるいは（ｂ）パワー・テイクオフ装置として、またはそれと併せて使用されるリニア式モータ／発電機のケースと同様である。しかしながら、回転式モータ／発電機のケースではモータ／発電機の回転のため、トルク−スピードのグラフは角速度（Ｙ軸に沿って示される）およびトルク（横座標に沿って示される）に関しており、４つの象限は以下のように、すなわち（ａ）負のトルク、正のスピード、（ｂ）正のトルク、正のスピード、（ｃ）正のトルク、負のスピード、および（ｄ）負のトルク、負のスピードで記述されることが可能である。リニア式モータ／発電機のケースでは、力−スピードの図はＹ軸に沿って直線的速度、およびＸ軸に沿って力を示しており、４つの象限は以下のように、すなわち（ａ）負の力、正のスピード、（ｂ）正の力、正のスピード、（ｃ）正の力、負のスピード、および（ｄ）負の力、負のスピードで記述されることが可能である。

図１０は４象限変換器の一部分の概略図であって、発電機によって作り出された出力電流が感知され、この感知された信号が演算装置（７００、８１）へと供給されることを例示している。この演算装置は図に示されるようにオン切り換えおよびオフ切り換えの信号をスイッチＴ１〜Ｔ６へと供給する。図１０は三相ブラシレスＤＣ回転式モータ／発電機の電流とトルク、または三相ブラシレスＤＣリニア式電気モータ／発電機の電流と力を制御するために使用される４象限電力変換器の一実施形態を示している。この範例では、所望の発電機電流（または力、またはトルク）を反映する信号がシステム制御装置（コンピュータ）から４象限変換器へと送られる。この設定点はシステム制御装置によって計算されたものであって、外郭構造−スパーの位置、スピード、および／または加速度の関数である。発電機の位置信号はセンサ（通常ではエンコーダまたはレゾルバ）から４象限変換器へと送られる。４象限変換器は内蔵型プロセッサを有し、それが実際の発電機電流と共にこれら２セットの信号を受け取り、６個のパワー・スイッチ（この範例ではトランジスタ）を制御して適切な時間にオン切り換えおよびオフ切り換えすることで所望の電流を達成する。設定点が連続的に更新され、かつ実際のモータ／発電機の位置が連続的に変化するので、４象限変換器のパワー・スイッチは所望のモータ／発電機の電流を達成するように切り換えられる。

図１１はＷＥＣのシャフトと外郭構造との間に接続されたＬＥＧを示している。この図では、ＰＭＡがシャフトへと接続／取り付けされ、インダクション・コイル・アセンブリ（ＩＣＡ）が外郭構造へと取り付けられる。通常の応用例では、シャフトが外郭構造に相対して移動すると（またはその逆であると）、相対的運動に応答してＩＣＡのコイルの両端に生じる電圧と電流はスイッチＳ１とＳ２を介して負荷へと供給される。スイッチＳ１とＳ２はコンピュータ８１によって制御されることが可能である。具体的な例示を容易にするために、負荷はコイルに発生したエネルギーを貯蔵するために使用されるキャパシタであると仮定する。

図１１では、スイッチＳ３とＳ４を介してコイルに接続される電源（７２４、７２７）が示されている。これらのスイッチのオン切り換えおよびオフ切り換えは制御コンピュータ８１によって制御される。スイッチＳ５を介して負荷に結合される可変負荷（ＶＬ）があることに留意すべきである。スイッチＳ５もやはりコンピュータ８１によって制御されることが可能である。電源７２４、７２７は独立型電源であることが可能であり、あるいはＩＣＡのコイルから得られるエネルギーによって充電される負荷に付随する電力供給部の一部であることが可能である。

スイッチＳ３とＳ４、および電力供給部７２４、７２７の性質を制御することによって、外郭構造／シャフトへと選択的に電力をフィードバックし、かつある程度の能動性インピーダンス整合を達成するようにコイルに電流と電圧が加えられることが可能となる。

Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、およびＳ４のスイッチングの制御が（ａ）外郭構造／シャフトからエネルギーが抽出されて負荷へと供給されること、または（ｂ）エネルギーが外郭構造／シャフトへと供給されることを可能にする。これらのスイッチはコンピュータによって加えられるかまたは作り上げられる位置、スピード、または加速度の信号に応答して制御されることが可能である。（モータまたは発電機）シャフトまたは外郭構造が加速または減速のどちらかをしている間に正または負のトルク（または力）が（モータまたは発電機として働く）ＬＥＧ、それゆえにシャフトと外郭構造へと加えられることが可能となるようにスイッチの開閉および供給部からの電力を制御するためにコンピュータが使用されることが可能である。その結果、以下の４つの状態、すなわち１）正のスピードで正のトルク（力）、２）負のスピードで正のトルク（力）、３）正のスピードで負のトルク（力）、および４）負のスピードで負のトルク（力）の状態を有することが可能である。

図１１ＡもやはりＷＥＣのシャフトと外郭構造との間に接続されたＬＥＧを示している。図１１Ａは、電気的出力がコイル・アセンブリから抽出されるときに負荷を供給するためにＩＣＡの出力部が４象限電力変換器（９０、７０２）へと結合され、その出力部が負荷（７２３、７２１、７２２）へと接続されることを示している。位置、スピード、または加速度の信号に応答してコンピュータ８１は電力変換器９０へと加えられる信号を発生させることが可能であり、それが、シャフトに相対して外郭構造を移動させる（あるいはその逆の）ために変換器がエネルギーをＩＣＡへと供給することを可能にする。

出願人らの発明が、ＷＥＣによって作り出される電力を増大させるようにＰＴＯの後進力（Ｆ_ＰＴＯ）を制御する装置および方法を含むことは理解されるはずである。このＰＴＯはリニア発電機（ＬＥＧ）、または直線−回転変換器（例えばラック／ピニオン）と回転式発電機の組合せのどちらであることも可能である。ＰＴＯのＦ_ＰＴＯは、Ｆ_ＰＴＯが外郭構造の（スパーに相対した）位置とスピード、または外郭構造の位置と外郭構造の加速度の関数となるように制御される。後進力に応じて決まる位置、スピード、および加速度はブイの「準共振」を達成するように制御される（すなわち、ＷＥＣの自然の質量およびバネ類似の挙動と組み合わされたＰＴＯの力がＷＥＣシステムに、ＷＥＣに入射する波力励起の所定の周期と共振している質量−バネ−緩衝器のシステムのような挙動をとらせる）。

正または負であることが可能なＦ_ＰＴＯは
として表わされることが可能である。ここでχは所望の「中立」点に相対した外郭構造−スパーの位置であり、
は外郭構造−スパーのスピードであり、
は外郭構造−スパーであり、αはバネ係数であり、βは緩衝係数であり、μは質量係数である。

パラメータα、β、およびμは存在する波の状態に関して、ＷＥＣによる波力エネルギーの捕捉を最適化するように選択される。これらのパラメータはオペレータによって選択されてＷＥＣ制御コンピュータにダウンロードされることが可能であり、またはＷＥＣに搭載されたコンピュータによって様々な代替選択肢のアルゴリズムを使用して決定されることが可能である。単純なパラメータ選択の手法は、所定の波の周期を判定すること、およびこの波の周期について共振を達成するようにパラメータを選択することである。

外郭構造とスパーとの間に行使されるＰＴＯの力は以下のうちの１つによって得られることが可能である。

１．リニア発電機、発電機に出入りする電流を制御する４象限電力変換器、および外郭構造とスパーとの間に力を行使するためにＰＴＯ（すなわち、このケースではＬＥＧ）を駆動する所望の目標値であって外郭構造−スパーの位置とスピードまたは外郭構造−スパーの加速度とスピードの関数である目標値を備えた電流（または力）の設定点命令を４象限電力変換器へと連続的に出す制御装置の組合せ。

２．直線的な力および直線的な運動を回転トルクおよび回転運動へと変換する装置（例えばラック／ピニオン、油圧モータを備えた油圧ラム）、回転式発電機、発電機に出入りする電流を制御する４象限電力変換器、および外郭構造とスパーとの間に力を行使するためにＰＴＯを駆動する所望の目標値であって外郭構造−スパーの位置とスピードまたは外郭構造−スパーの加速度とスピードの関数である目標値を備えた電流（またはトルク）の設定点命令を４象限電力変換器へと連続的に出す制御装置の組合せ。

この４象限電力変換器は、１）発電機のスピードが正であるときに正の力（またはトルク）を行使する、２）発電機のスピードが負であるときに正の力（またはトルク）を行使する、３）発電機のスピードが正であるときに負の力（またはトルク）を行使する、および４）発電機のスピードが負であるときに負の力（またはトルク）を行使するようにリニア（または回転式）発電機を駆動することが可能である。

この４象限電力変換器は、発電機およびＰＴＯが所望の力の機能を実行することを可能にするためにＤＣ電力のバスへと電力を供給し、バスから電力を抽出する。このＤＣバスはＤＣの負荷へ、および／またはＤＣ／ＡＣコンバータ（インバータ）を介してＡＣの負荷へと電力を供給することが可能である。ＤＣ電力はまた、直接かまたはＤＣ／ＤＣコンバータを経由するかのどちらかで電気化学式電池またはキャパシタ・バンクといったエネルギー貯蔵装置へと供給されることも可能である。このＤＣ電力バスは直接かまたはＤＣ／ＤＣコンバータを経由するかのどちらかで電気化学式電池またはキャパシタ・バンクから電力を受け取ることが可能である。ＤＣバスおよび４象限変換器はＡＣ／ＤＣコンバータを経由してＡＣ電源から電力を受け取ることもやはり可能である。

Claims (11)

1. 水体内に置かれることを目的とされる２つの素子を有し、前記水体によって波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）へと加えられる力に応答して前記２つの素子が互いに相対的に移動することが可能であって、２つの素子を有する波力エレルギー吸収装置であるＷＥＣと、
   前記２つの素子の間に接続され、前記２つの素子の間の移動に応答して電気エネルギーを作り出すパワー・テイクオフ装置（ＰＴＯ）であって、前記２つの素子の一方の、他方に対する相対的な移動を生じさせることもやはり可能であることを特徴とするＰＴＯと、
   前記ＰＴＯによって作り出される正味の電力を増大させるために、前記ＰＴＯに電力を選択的にかつ能動的に供給して、前記ＰＴＯが前記２つの素子のうちの一方にエネルギーを与え、それにより、前記２つの素子のうちの前記一方の速度の増大を選択的に生じさせるように、電気エネルギーの供給源と、予め設定された評価基準に基づいて２つの素子の一方の、他方に対する相対的な移動量と速度を感知し判定する手段を有する前記ＰＴＯとの間に接続された手段とを有する組合せ。
   
2. 前記ＰＴＯが、リニア電気モータとして機能することも可能であるリニア発電機（ＬＥＧ）である、請求項１に記載の組合せ。
   
3. 前記ＰＴＯが、モータ／発電機として機能することが可能な装置と４象限電力変換器とを有し、前記モータ／発電機装置が一方の端部で前記２つの素子のうちの一方と結合され、他方の端部で前記４象限電力変換器の一方の端部と結合され、前記４象限電力変換器が他方の端部で負荷および前記電気エネルギーの供給源へと結合され、前記移動量および速度を感知し判定する手段が前記４象限電力変換器の動作と機能を制御するための演算装置を有することを特徴とする請求項１に記載の組合せ。
   
4. 前記４象限電力変換器が以下の４つの状態、すなわち１）正のスピードで正のトルク（力）、２）負のスピードで正のトルク（力）、３）正のスピードで負のトルク（力）、および４）負のスピードで負のトルク（力）の状態を作り出す、前記２つの素子の一方が外郭構造であり２つの素子の他方がシャフトである請求項３に記載の組合せ。
   
5. 前記２つの素子の一方が外郭構造であり２つの素子の他方がシャフトであり、
   前記４象限電力変換器が以下の４つの動作状態、すなわち
   （ａ）相対的な外郭構造位置が所望の中立位置よりも下であって前記外郭構造が上方向に正のスピードで移動するときに、正で上向きのスピードを備えた前記ＰＴＯの出力部での正で上向きの力、
   （ｂ）相対的な外郭構造位置が所望の中立位置よりも下であって前記外郭構造が下方向に負のスピードで移動するときに、負で下向きのスピードを備えた前記ＰＴＯの出力部での正で上向きの力、
   （ｃ）前記外郭構造の位置が所望の中立位置よりも上であって前記外郭構造が上方向に正のスピードで移動するときに、正で上向きのスピードを備えた前記ＰＴＯの出力部での負で下向きの力、および
   （ｄ）前記外郭構造の位置が所望の中立位置よりも上であって前記外郭構造が下方向に負のスピードで移動するときに、負で下向きのスピードを備えた前記ＰＴＯの出力部での負で下向きの力の状態を作り出し、
   前記４つの動作状態の機能が、海洋の波と前記ＷＥＣの共振を生じさせることである、請求項４に記載の組合せ。
   
6. 電力が前記ＷＥＣへと供給されるかどうか、または電力が前記ＷＥＣから抽出されるかどうか、および電力の抽出および供給が生じる時を制御するように機能する前記演算装置によって、前記４象限電力変換器の動作が制御される、請求項５に記載の組合せ。
   
7. 前記ＰＴＯへと供給される前記電力および前記ＰＴＯによって前記２つの素子のうちの前記一方へと与えられる前記エネルギーが、前記ＷＥＣの構成要素が共振に向けて駆動される傾向を有する、請求項１に記載の組合せ。
   
8. 前記ＰＴＯが、電力を抽出し、選択的に電力を供給するために、方向と力の両方の観点で、双方向に動作させられることが可能な装置を有する、請求項１に記載の組合せ。
   
9. 電気的出力の生産において、波力エネルギー変換器ＷＥＣの効率を上げるための方法であって、前記ＷＥＣが水体内に置かれることを目的とされる２つの素子を有し、前記水体によって前記ＷＥＣへと加えられる力に応答して前記２つの素子が互いに相対的に移動することが可能であり、
   前記２つの素子のうちの一方がゼロ位置に対して上下に移動するときに、その移動量を感知する工程と、
   前記２つの素子のうちの一方が前記ゼロ位置に対して上下に移動するときに、そのスピードを判定する工程と、
   前記２つの素子のうちの前記一方の前記スピードがゼロまたはそれに近くなるときを電気的に判定する工程と、
   前記２つの素子のうちの一方に選択的にかつ能動的にパワーを供給することでそのスピードと移動量を増大させ、それにより、前記ＷＥＣによって作り出される電力を増大させるための電気的に制御される手段とを含む方法。
   
10. その最大移動量に到達する前に、前記２つの素子のうちの移動をしている前記一方へとパワーが供給される、請求項９に記載の方法。
    
11. その最大移動量に到達した後に、前記２つの素子のうちの移動をしている前記一方へとパワーが供給される、請求項９に記載の方法。