JP5643287B2 - 改良型動力取出装置を有するｗｅｃ - Google Patents

Description

本発明は、その教示が参照により本明細書に完全に組込まれる、「ＰＯＷＥＲ ＴＡＫＥ ＯＦＦ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ Ａ ＷＥＣ」という名称の２００９年３月３０日に出願された仮出願番号第６１／２１１，４３９号および「ＰＯＷＥＲ ＴＯＷＥＲ ＦＯＲ ＷＡＶＥ ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ」という名称の２００９年３月３０日に出願された仮出願番号第６１／２１１，４４０号から優先権を主張する。

本発明は、波力エネルギー変換システム（ＷＥＣ）で使用するための改良型動力取出デバイス（ＰＴＯ）に関する。

一般に、ＷＥＣは、（ａ）波と同相で移動するフロート（シェル）と、（ｂ）フロートに対して固定しているか、または、フロートと異なる位相で移動するスパーまたは支柱と、（ｃ）フロートとスパーの相対運動を有効な形態のエネルギー（たとえば、電力）に変換するためにフロートとスパーとの間に結合された動力取出(power take off)デバイス（ＰＴＯ）とを含む。

多くの異なるタイプのＰＴＯが提案されてきた。しかし、現在知られているＰＴＯに比べて、より効率的で、より信頼性があり、より経済的なＰＴＯを有する必要性が存在する。

図１に示す現在のＷＥＣ技術は、波表面に沿ってかつ波表面と同相であるが、スパー２によって誘導されて移動するフロート１に依存し、スパー２は、スパーを相対的に固定させる海床またはヒーブ板３に接続された水没状態の端部を有する。フロートとスパーとの間の相対的な直線運動は、スパー内に位置する動力取出システム１０を駆動するために、リニア・スラスト・ロッド５を通してブリッジ４を介して伝達される。動力取出システム１０が、一般にスパー内に設置されるため、液密かつ気密のチャンバがスパー内に、また、リニア・シール３０がスパーの上部に形成される必要がある。

本技術に関する問題は、リニア・シール・システムが、スラスト・ロッドにインタフェースするためにスパーの上部に設置され、また、スパー内に水および空気が入らないことを保証しなければならないことである。シール・システムはまた、スラスト・ロッドを誘導するリニア軸受システムとして役立つ。リニア・シールは、このタイプの信頼性のあるシールを提供することが著しく難しいため、システムにおけるもろいリンクである。そのため、目的は、リニア・シール・システムについての必要性をなくすことである。より一層広範な展開ができ、かつ、一般的により信頼性がある回転シール・タイプ・システムでリニア・シールを置換えることが望ましい。

現在の設計に関する別の問題は、スラスト・ロッドが、リニア・シールにインタフェースしながら、フロートとスパーとの間で相対的直線運動を伝達する必要があることである。一般にストローク長を制限することに加えて、スラスト・ロッドは、圧縮時と伸張時の両方において、かなりの負荷を処理しなければならず、高い耐磨耗性も有しなければならない。リニア・スラスト・ロッドは、現在のＷＥＣ設計において最も費用がかかりかつ最ももろい品目のうちの１つである。スラスト・ロッドはまた、大型システムにおいてスケーラビリティが制限される。したがって、スラスト・ロッドを、より信頼性がありかつ経済的なシステムで置換えることが望ましい。

スラスト・ロッドおよびリニア・シールに関する問題は、本発明を具現化するシステムにおいて回避される。図１に示す従来技術と対照的に、本発明を具現化するＷＥＣシステムでは、スラスト・ロッドを介したフロート運動の伝達ならびにリニア・シールについての必要性がなくされる。

仮出願番号第６１／２１１，４３９号 仮出願番号第６１／２１１，４４０号

本発明を具現化するＷＥＣは、一般に波追従器として移動し、かつ、その上下運動が、スパー構造によってかつスパー構造に沿って誘導されるフロートを含む。動力取出デバイス（ＰＴＯ）は、ＰＴＯが、フロートとスパーの相対運動を有効エネルギーに変換するために、フロートとフロートに近接するスパーの部分との機械的相互作用に応答する手段を含むように、フロートとスパーとの間に結合され、かつ、フロートおよびスパーの一方の内に搭載される。ＰＴＯは、直線−回転変換装置を含み、また、発電機を駆動する回転軸受および回転シールを含む。

次に続く説明および添付特許請求の範囲では、構造の表面に適用される用語「歯付き(toothed)」は、一般に、その機能が主に運動または移動を伝えるためのものである、任意のコグズ、隆起、および／または表面に直角な任意のタイプの伸張部を含むことを意図される。用語「スプロケット(sprocket)」は、ベルト、チェーン、ラックなどのような他の歯付きリンク機構に係合するために、ホイール・リム上に配列された任意の歯に似た突出部を指す。用語「スプロケット・ホイール(sprocket wheel)」（単に「スプロケット」と呼ばれることもある）および「ギア(gear)」は、運動を伝えるかあるいは速度または方向を変えるために、別の歯付き要素に歯合する歯付きホイールまたはシリンダあるいは他の機械要素を指すために交換可能に使用されてもよい。「ラック(rack)」は、別の歯付きリンク機構または構造に歯合することを意図される歯付きバーまたはレールを指す。

本発明の一態様によれば、リニア・ラックは、スパーの外部表面に沿って形成される。直線−回転変換器デバイスは、フロート内に搭載され、また、波運動に応答してスパーに対してフロートが上下に移動するときに、直線−回転変換器デバイスの回転をもたらすために、スパーに沿って形成された歯付きリニア・ラックに係合するように設計された歯付き回転可能手段を含む。

本発明の一実施形態では、歯付き回転可能手段は、閉じた両面ベルトを含み、閉じた両面ベルトは、その外側表面上に、スパーに沿って形成されたラックに係合する歯を有し、その内側表面上に、スプロケット・ホイールに係合し、スパーに対するフロートの上下移動に応答してスプロケット・ホイールを回転させる歯を有する。スプロケット・ホイールは、フロート／スパーの移動に相当する電気出力を生成するために、発電機に結合された軸を有する。

本発明の別の実施形態では、ホイール付き構造（自動車、航空機、または複数の自転車タイヤなど）は、フロート内に回転可能に搭載され、スパーに当たって付勢されてもよく、それにより、ホイール付き構造は、フロートとスパーとの間の相対的な移動に応答してスパーに沿って回転する。それぞれのホイール付き構造は、直接に、または、発電機の回転速度を上げるためにギアボックスを介して、発電機に接続された軸を含む。フロートが上下に移動すると、ホイール付き構造の回転によって、電力が生成される。

なお他の実施形態では、ＰＴＯは、スパー（または、フロート）の選択された長さに沿って接続されたラック、および、フロート（または、スパー）内に搭載された、回転可能に搭載されたスプロケット・ホイールを含んでもよい。スプロケット・ホイールは、ラックに係合するように設計され、それにより、スプロケット・ホイールは、フロートが上下に移動するにつれて回転する。発電機は、スプロケット・ホイールに接続されて、スプロケット・ホイールが回転するときに電力を生成する。特定の実施形態では、ラックは、スプロケット・ホイールに巻き付けられたチェーンの形態をとってもよく、チェーンの端部はスパーに固定される。

あるいは、スプロケット・ホイールは、スパー上に、または、スパー内に回転可能に搭載され、チェーンはフロートに接続されて、フロートが上下に移動するにつれてスプロケット・ホイールが回転させられ得る。上述したように、発電機は、スプロケット・ホイールの軸に接続されて、スプロケット・ホイールが回転するときに電力が生成される。

本発明を具現化するシステムでは、複数のスパー保持レールが、中央スパーから延在してもよく、各レールは、レールに沿って延在するラックに似た構造を有する。複数のＰＴＯモジュール（１レール当たり１つまたは複数）は、フロート内に形成されてもよい。複数のＰＴＯモジュールを使用する利点は、任意のモジュールが故障した場合、残りのモジュールが、電力を提供するように機能することである。

本発明の一態様によれば、スパー保持レールの両側に位置する一対のＰＴＯモジュールは、均衡した動作を提供するために相互接続されてもよい。

本発明のある態様によれば、スパーは、スパーを海床に直接固着させることによって、または、スパーを海床に固着された構造に取付けることによって固定して保持されてもよい。これは、電力捕捉およびストレスの多い天候状態に対するＷＥＣの生き残り可能性を高めるために行われてもよい。ストロークが長い動力取出メカニズムを有するように形成されたスパーは、ＷＥＣのフロートが、潮位変動を自動的に補償すると共に、保守および暴風雨からの生き残りのために配置されることを可能にする。すなわち、スパーは、スパーの位置を移動させる必要なしで、潮位変動を可能にするのに十分に長く作られてもよい。さらに、スパーは、水の表面の上（たとえば、１０メートル）に延びるように十分に長く作られる場合、ＷＥＣの保守用の「停留(park)」位置、および、暴風雨からの生き残りのための水の表面の下へ（たとえば、１５メートル）の配置を可能にする。

添付図面では、一定比例尺に従って描かれておらず、また、同じ参照数字が同じコンポーネントを示す。

フロートの移動が、ＰＴＯを動作させるスラスト・ロッドを駆動するために伝達される従来技術のＷＥＣの略図である。 本発明を実施するために使用されるスパー、フロート、およびＰＴＯ構成の略垂直断面図である。 スパー保持レールを有するスパーの平面図およびスパー保持レールに結合した２つのＰＴＯモジュールの略図である。 本発明を実施するために使用されるスパー、フロート、およびＰＴＯ構成の略垂直断面図である。 本発明による、フロート内でかつスパー保持レールに沿って搭載された２つのＰＴＯモジュールの等角図である。 本発明による、容器に入ったＰＴＯモジュールの拡大図である。 本発明を実施するときに使用されてもよいスプロケット・ホイールおよび歯合ベルトの一部の略等角図である。 本発明を実施するために使用される両面歯付きベルトの図である。 ギアボックスおよび発電機を駆動する、本発明を具現化する直線−回転変換器の概念的図である。 本発明を実施するために使用される直線−回転変換器の等角図である。 ２つのＰＴＯモジュールの背面図である。 ２つのモジュールが保持レールの対向面上に位置することを示す２つのモジュールおよびその移動を制御し、横方向力を均衡させる装置の正面図である。 摩擦駆動ＰＴＯシステムの平面図である。 摩擦駆動ＰＴＯシステムの正面図である。 摩擦駆動ＰＴＯシステムの別の態様を示すＷＥＣのスパーとフロートを横切るスライスである。 本発明を具現化するラックおよびピニオンに似たシステムを有するＰＴＯの略断面図である。 本発明を実施するために使用されてもよいＷＥＣ構造を示す図である。

図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃは、海洋波を受けることを意図される本発明を具現化するＷＥＣを示す。図２Ａおよび２Ｃは、スパー２に沿って誘導されるフロート１を示し、ＰＴＯモジュール１０ａ、１０ｂは、フロートとスパーとの間に直接接続されて示される。波に応答して、フロートは、図２Ｃに示すように、上停止部２００ａから下停止部２００ｂまでスパーの全長に沿って移動し得る。先に述べたように、従来技術と同様の、ブリッジを介したフロートの移動の伝達または変換は存在せず、また、スラスト・ロッドまたはリニア・シールは使用されない。本発明の動力取出（ＰＴＯ）デバイスは、スパーとフロートとの間に接続された複数のＰＴＯモジュール（たとえば、１０ａ、１０ｂ）を含んでもよい。図２Ａおよび２Ｃに描かれたフロートとスパーとの間で１０ａおよび１０ｂとして特定される破線ボックスは、本発明のＰＴＯモジュールが、フロートとフロートに近接するスパー領域との間に存在する状況に直接反応することを示すことを意図される。

ＷＥＣの浮遊要素（「フロート(float)」）は、スパー２の周りに搭載され、海面で自然に浮遊するように、バラストを積まれてもよい。フロートの自然な浮力は、フロートが、「波追従器(wave follower)」として働き、したがって、波がフロートの周りを通過するときに、波によって自然に（一般に、波と同相で）上下に移動することになることを意味する。フロートは、海洋状況において生き残るのに十分に頑健である必要があり、したがって、通常、浮力のため、バラスティングのため、また、必要とされる場合、動力取出（ＰＴＯ）要素を収容するため、内部に区画を有した状態で、鋼で作られてもよい。

ＷＥＣは、陸上でフロートとスパーを組み立て、その後、ＷＥＣを所望の場所に牽引することによって形成されてもよい。あるいは、フロートおよびスパーは別々に牽引されてもよく、スパーは固定されてもよく、フロートは、その後、スパー構造の上部を覆う所定位置に持ち上げられてもよい。あるいは、フロートは、２つの半分（または、２つの別個の部品）で作られてもよく、２つの半分は、スパーの場所に牽引され、その後、スパーの周りで組み立てられ得る（ボルトで固定され得る)。軸受レール（たとえば、図２Ｂまたは図７Ｃの２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、および２１ｄ）は、スパーの外表面に沿って搭載されてもよく、フロートは、直線運動を可能にしながら、フロートを回転アライメント状態に維持するために、軸受を使用してこれらのレールを上下に移動するように設計されている。

軸受レールはまた、ＰＴＯモジュールの構成の一部として使用されてもよい。本発明の一実施形態によれば、スパー２は、図２Ｂおよび２Ｃに示すように、複数のスパー保持レール（たとえば、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、および２１ｄ）がスパーから延在する状態で形成されてもよい。図２ｃに示す各レールの対向するファセット(facet)（たとえば、１２１ａ、１２１ｂ）またはレール（またはスパー）の表面自体は、ＰＴＯモジュールが結合され得るリニア・ラックを形成するために使用されてもよい。図２Ｂは、４つのスパー保持レールの対向する面に沿って結合された２つのＰＴＯモジュールを示す。レールのこの使用は、複数のＰＴＯモジュール（たとえば、１レール当たり１０ａ、１０ｂ）の包含、および、ＰＴＯモジュールのうちの１つが動作中である限り、ＷＥＣの継続した動作を可能にする。

図３は、スパー保持レール２１に沿って上下に移動するように設計された、フロート１内に搭載された２つのＰＴＯモジュール（たとえば、１０ａ、１０ｂ）の略等角図である。スパー保持レール２１は、１２１ａおよび１２１ｂとして特定される２つの対向するファセットを有する。これらのファセットはまた、レールと呼ばれてもよい。ファセットまたはレール１２１ａ、１２１ｂの表面は、歯付きまたはノッチ付きであり、これらの構造および機能は、ラックおよびピニオン機構内のラックの構造および機能に相当する。例によれば、ステンレス鋼などの耐食性金属または非金属材料は、スパー保持レール２１の両面に取付けられ得るリニア・ラック（たとえば、１２１ａ、１２１ｂ）を形成するために使用されてもよく、または、レール２１は、必要とされる形状を有する歯を持った状態で形成されてもよい。レール（たとえば、２１ａ）に沿って形成されるリニア・ラック（１２１ａ、１２１ｂ）の歯は、フロート内に搭載される対応するコンポーネントに係合し、対応するコンポーネントの回転をもたらすように設計される。図３では、リニア・ラック（１２１ａ、１２１ｂ）は、スプロケット・ホイール１０３、１０５、および１０７に巻き付けられた両面歯付きベルト１０１の外表面に歯合することを意図される。

フロートおよびスパーは、互いに対してほぼ上下に（すなわち、直線的に）移動する。図３の装置は、その直線運動を回転運動に変換する。図３では、各ＰＴＯモジュール（たとえば、１０ａ、１０ｂ）は、三角形配置構成で配設されたスプロケット・ホイール（１０３、１０５、１０７）を含み、スプロケット・ホイールのうちの２つ（たとえば、１０５、１０７）は、三角形の一辺およびラックの平面にほぼ平行でかつラックに非常に接近した平面を画定する。２面歯付きベルト１０１は、スプロケット・ホイールに巻き付けられ、スプロケット・ホイール１０５および１０７によってほぼ境界付けされた距離にわたって、ラック表面に平行な歯付き表面を画定する。ベルト１０１は、アイドラー手段１０９によって必要とされる張力下で保持される。スプロケット・ホイール１０５と１０７との間に延在するベルト１０１の実質的に全表面積が、その後、ラックの歯に係合し、スプロケット・ホイールに力を伝え、ラックおよびラックのスパーに対するフロートの移動に応答してスプロケット・ホイールが回転させられる。

フロートが下に移動する場合のベルトとスプロケット・ホイールの回転方向は、フロートが上に移動する場合の方向と反対であることになる。ＰＴＯモジュールが、その出力が整流される交流発電機を駆動する場合、回転方向の変化は、電力生成に影響を及ぼさない。単方向回転を有することが望ましい場合、直線−回転変換器、ギアボックス、および発電機を備える組立体に沿う適切な地点に、クラッチ組立体が結合され得る。

ＰＴＯモジュール（たとえば、１０ａ、１０ｂ）のいくつかの特徴が、図４でより詳細に示される。スプロケット・ホイール１０３の軸に接続された発電機３４が示される。これは、例証だけのためのものである。他のスプロケット・ホイールの任意のスプロケット・ホイールが選択され得る。同様に、２つ以上の発電機がＰＴＯモジュールによって駆動されるように、２つ以上のスプロケット・ホイールが、発電機を駆動する軸を有する。スプロケット・ホイールの詳細およびそのスプロケット（スポーク）とベルトの歯との係合は、図４Ａに示される。図４Ａに示すスプロケット・ホイールは、ベルトがホイールから滑り落ちることを防止するためにフランジを付けられる。同様に、スプロケット・ホイールの歯（コグズまたはスプロケット）は、ベルトの歯に係合しピッタリ合うように隆起していることに留意されたい。本発明を実施するときに使用するための両面歯付きベルト１０１は、図４Ｂに示される。ベルト１０１は、外部（または外）表面を有し、その歯は、（たとえば、２１ａの一方の側に形成された）ラックの歯に嵌合しピッタリ合うように設計される。ベルトは、内部（内）表面を有し、その歯は、スプロケット・ホイールの歯（コグズまたはスプロケット）に嵌合しピッタリ合うように設計される。ベルトは、その対応するリニア・ラックの表面積に歯合するための所望でかつかなりの接触表面積を提供するためにかなりの幅を有することに留意されたい。アイドラー１０９は、ベルトの背後に配置されて、ベルト１０１が軸受レールに対して適切に係合することを保証する。

図３および４では、スプロケット・ホイールは、所定場所にしっかり保持される板上に固定して搭載される。スプロケット・ホイールは、三角形配置構成で相互接続され、三角形のベースは、その対応するレールおよびラックに面する。そのため、スプロケット・ホイールに巻き付けられたベルト１０１は、リニア・ラックに歯合し、ＰＴＯモジュールを収容するフロートが上下に移動するにつれて、時計方向または反時計方向に回転する。

図５および５Ａに示すように、直線−回転変換器装置（スプロケット・ホイール１０３、１０５、１０７、およびベルト１０１）は、スプロケット・ホイールの少なくとも１つ（たとえば、１０３）が、ギアボックス３２に結合する軸１３１を有し、ギアボックス３２が、次に、発電機３４の軸に接続された軸１３３を有するように働く。各スプロケット・ホイールは、その軸に接続された同じ組合せを有し得る。先に述べたように、ギアボックスは、発電機を駆動する軸１３３の回転速度を上げるために使用される。任意の適した発電機が、本発明を実施するために使用されてもよい。発電機の動作は、当技術分野で知られており、詳述される必要はない。広い範囲の発電機が、本発明を実施するために使用されてもよい。所望の動作を達成するために、発電機が、高速で駆動される必要がない場合、ギアボックスがなくされてもよい。

発電機はまた、モータとして動作してもよいことに留意されたい。フロートが、波に応答して上下に移動するにつれて、ＷＥＣは、電力を生成する発電機を駆動するために使用され（発電機モード）、パワーは、フロートが上下に移動するにつれて、捕捉され変換されることになる。あるいは、発電機／モータは、モータとして動作し得（モータ・モード）、そして、モータは、保守位置まで上がるように、または、波が無くかつ暴風雨位置として規定される高さまで下がるように、フロートを駆動するために使用され得る。モータ／発電機はまた、試験のため、または、共振したがって最適なパワー捕捉を確立するために、フロートにパワーを戻すように駆動するために、モータ・モードで使用され得る。

システムの適切な動作のために、モジュールのベルト１０１の歯を、その対応するラック（たとえば、１２１ａ、１２１ｂ）またはレールの歯に係合した状態に維持することが望ましい。図６および６Ａは、モジュールを搭載し、モジュールの動作においてある程度の均衡を達成するための詳細の一部を示す。２つのＰＴＯモジュール（たとえば、１０ａ、１０ｂ）およびその格納容器の後ろの背面図である図６、および、これらの２つのＰＴＯモジュールの正面図である図６Ａは、２つのモジュールが、レール（たとえば、２１）の各面（たとえば、１２１ａおよび１２１ｂ）を抱き込むことを示す。モジュールの搭載およびスパー・レールの両側に位置する２つのモジュールの相互接続は、良好な係合および均衡がとれた動作を可能にする。２つのＰＴＯモジュールは、フロートに固定されたベース６０５に懸垂システム／軸受６０３を介して搭載されるプラットフォーム６０１上に配置される。２つのモジュールは、軸受レール（たとえば、２１ａ）の対向する面に位置する。プラットフォーム・システムは、スパーに沿ってフロートが移動しているときに、フロートとスパーとの間の相対運動に対処するために、モジュールと端停止部６０９との間に懸垂ばね（またはショック・アイソレータ）６０７を装備する。各ＰＴＯモジュールはまた、ＰＴＯプラットフォーム内で横方向にわずかに摺動することも許容される。２つのＰＴＯモジュールは、プレロード式ばねデバイス６１１とリンクされて、これらの２つのモジュールが一緒に引張られ、その共通の軸受レールに対して一定圧力が加えられる。両方のモジュールがプラットフォーム上で摺動し得るため、軸受レールに加えられる全ての圧力が、これらの２つのモジュールの間で均衡してなくなる（相殺される)ことになる。この閉ループ力システムは、局所的圧力（力)をフロート・システム全体に伝達するのではなく、これらの２つのモジュール間での軸受レール表面にかかる接触圧が同一であることを保証し得る。

図７Ａ、７Ｂ、および７Ｃは、摩擦駆動を使用するＰＴＯシステムの態様を示すことを対象とする。図７Ａは、フロート１内に搭載され、スパー２を抱き込む４つの組のタイヤ（７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃ、７１０ｄ）の平面図である。図７Ｂは、図７ＡのＰＴＯシステムの側断面図であり、フロート内のタイヤを示す。図７Ｃは、図７Ａと同様であるが、フロートとスパーとの間の回転またはねじれを制限しながら、スパーに対するフロートの上下運動を可能にするためのスパー保持レール（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）の使用を示す。スパーに対するタイヤの回転を保つよう適切な牽引力を維持するための力がタイヤに加えられる。タイヤは、例証だけのために示される。すなわち、タイヤは、心棒または軸を中心に回転し得る事実上任意のデバイスであり得る。タイヤは、発電機／モータ３４が取付けられる軸を有する。フロートが上下に移動するにつれて、タイヤは、スパーの長さに沿って回転し得る、また、実際に回転する。モータ／発電機組立体３４に直接にまたはギアボックスを介して接続されるタイヤの回転は、発電機の出力において電力を発生する。これらのモータ／発電機組立体はまた、保守位置まで上がるように、または、暴風雨位置まで下がるようにフロートを駆動する「モータ」モードで使用され得る。タイヤの空気膨張はまた、衝撃または震動による負荷からの自然な保護を与え、複数のタイヤは、発電機全体の動作に影響を及ぼさないように、個々のタイヤまたはドライブの故障を許容する。

図８は、何が、本質的に本発明を実施するためのラックおよびピニオン・システムであるかを示す。ラック１２１は、スパーについて外表面内でかつ外表面に沿って直接形成されてもよい。ラック（またはチェーン・リンクまたは歯付きベルト）構造１２１は、スパー２と無関係に形成され、その後、スパーの外表面に、かつ／または、スパー保持レールに沿って取付けられてもよい。ピニオンとして機能するスプロケット・ホイール２８３は、フロート１内に搭載されるが、ラック１２１の歯との確実な係合を保証するように配置される。スプロケット・ホイールは、ギアボックス３２に接続された軸を有し、ギアボックス３２の軸は、発電機３４の軸に接続される。図８では、これらのコンポーネントは、全てフロート内に搭載される。フロートが、スパーに対して上下に移動すると、スプロケット・ホイールが回転し、発電機を駆動する。ラックは、スパーの外部表面（または、スパー保持レールのファセット）に沿って配置され、その軸がギアボックスに結合されたスプロケット・ホイールは、フロート内に配置される。あるいは、ラックがフロート上に搭載され、スプロケット・ホイールがスパー上にまたはスパー内に搭載され得る。

図８の（また他の実施形態の）ラックは、そのリンクが、ラックの歯として機能するチェーンと置換えられてもよい。

チェーン（またはベルト）は、スパーに沿って形成され（図８のラックを置換える）、スプロケット・ホイールに巻き付けられてもよい。こうした実施形態では、予め張力をかけたローラ・チェーンまたはコンベア・チェーンが、スプロケット・ホイールおよびアイドラーと共に使用される。発電機および／またはギアボックスの軸は、チェーンに係合するスプロケットと共有されることになる。フロートが上下に移動すると、スプロケット・ホイールが回転し、発電機および／またはギアボックスを駆動する。

本出願で論じる実施形態は、スパーの外部表面に接続されたラックならびにフロート内に搭載された回転部材および発電機器を示す。しかし、ＷＥＣは、回転部材および動力取出（ＰＴＯ）コンポーネントがスパー内にある状態、リニア・ラックがフロートに沿って搭載されている状態、または、両方のある組合せの状態で設計されてもよいことが理解されるべきである。

本発明を具現化するＷＥＣは、浅い海または深い海で動作するように設計されてもよい。一実施形態では、スパーは、２０〜５０メートルの典型的な海水深度用に設計され、固定モノポールまたはトリポッドまたはトラス構造によって海床に取付けられる。スパーは、たとえば、径が４．５ｍで、オフショア風力発電産業によって使用されるスパーに非常に似ていてもよい。こうしたスパーは、作製するのが安価であり、適切なパイル・ハンマを使用して海床内に打ち込むことによって簡単に設置される。しかし、このオプションは、今日まで、２０〜２５ｍまでの深さについて使用されただけあり、砂質または泥質海床に依存する。

図９に示すように、２５ｍより深い水深および／またはパイルに適さない海底の場合、ＷＥＣが搭載される固定ベースおよび保守プラットフォームを作るために、トリポッドまたは他の固定構造が、土台要素として使用されてもよい。構造は、単に重力または重力アンカーによって海底に保持されてもよく、または、海床上の所定場所にグラウトを詰められてもよい小さなパイルによって固定されてもよい。トリポッドの構造は、海洋およびオフショア産業で恒常的に使用される従来の鋼から製造されてもよい。あるいは、スリーブ／ダクトが、海床に取付けられてもよく、スリーブ／ダクトの高さおよびその開口は、スパーが、適度に、スリーブ／ダクトに嵌合し、スリーブ／ダクト内で固定されることを可能にするのに十分に高くまた広い。

ＷＥＣの保守は、単にフロートを持ち上げて水をなくすことによって達成されてもよい。こうした場合、フロートは、逆に作用するＰＴＯメカニズムを使用して、または、別個の持上げメカニズムによってこの位置に押しやられてもよい。高い保守位置になると、フロートは、所定場所でロックされてもよく、その後、全ての電力が絶縁され、スパーまたはフロート内でのＰＴＯの要素に対する安全な作業が可能になる。スパーの上部へのアクセスは、梯子がスパーの横にセットされ、フロートとスパーとの間の隙間トンネルを通って上に登ることによって実現されてもよい。スパーの上部へのアクセスが可能になると、スパー内での、また同様に、スパーの上部の直下に保守位置を有するフロート内でのＰＴＯコンポーネントへのアクセスをマンホールが可能にし、安全でかつ容易なアクセスを可能にする。スパーが固定して保持され、フロートが、スパーにロックされている場合、機器は、移動にさらされず、保守作業者は、自分達の保守／修理作業をより容易に行い得る。これは、広い範囲の海の状況にさらされない、より信頼性が高くかつ容易なアクセスを提供する。

ＷＥＣシステムは、３つのフェーズの暴風雨の状況に対処するように設計されてもよい。３つのフェーズとは次の通りである。
１）予想される範囲内の通常でかつ大きな波の場合、フロートは、スパーに沿って上下に移動し続けることを許容され、パワーは、依然として捕捉される。ＰＴＯが故障するか、または、グリッド接続が存在しない場合、フロートは、この位置で移動し続け得る（または、「フリー・ホイール(free-wheel)」）。ただし、フロートの全行程の各端部に設置される端停止部に当たる可能性が全く存在しない場合に限る。
２）上記より大きな波（海）の場合、フロートは、保守中であるか、または、水没するようにセットされていない場合、最も通常の暴風雨を安全に乗り切り得る保守位置まで持ち上げられてもよい。しかし、暴風雨状況として定義される一層大きな波の場合、フロートは、水没させられてもよい。
３）海面下の、暴風雨からフロートを安全にさせることになる深さ（たとえば、海面下１０〜１５メートル）までのフロートの水没。この高さでは、波のパワー、特に、インパルス力は、かなり減じる。フロートの水没は、フロートが「暴風雨(storm)」位置にラッチされるまでフロートを下方に押しやるように、ＰＴＯを使用して制御された方式で実行されてもよい。緊急手段も、含まれてもよいため、何らかの理由で、フロートが下方に押しやられることができない場合、フロートは、単に水で溢れさせられ、暴風雨が通過するまで安全に留まることになる底端停止部まで下方に沈められ、水がくみ出され、フロートは、通常動作に戻る。

こうして、本発明の一態様によれば、スパーは、（ａ）フロートが、恒常的に端停止部に当たるという争点および問題を減らすため、（ｂ）潮位を超えた停留式保守位置を可能にするため、（ｃ）暴風雨を生き残るためにフロートが水没させられることを可能にするために、長く作られてもよい。

しかし、本発明を具現化するＰＴＯデバイスおよびシステムは、スパーが浮遊状態かまたは固定状態であるＷＥＣと共に実施されてもよいことが理解されるべきである。

本発明の特徴は、ＰＴＯが、回転機械式駆動メカニズムに依存し、また、回転軸受および回転シールを含むことである。したがって、スラスト・ロッドまたはリニア・シールについての必要性がなくなる。したがって、本発明の利点は、機械式剛性リンク機構リニア駆動システムで使用されるものより軽量のコンポーネントの使用、リニア・シールに比べてより発展しかつ信頼性がある回転軸受および回転シールの使用、および、費用がかかりかつ信頼性がないスラスト・ロッドの削除を含むが、それに限定されない。ギアボックスは、発電機がより高速でかつより効率的に動作することを可能にする。ＰＴＯのコンポーネントは、モジュール式で、現場での保守および交換を可能にしてもよい。

Claims (22)

1. 波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）であって、
   波と同相で上下に移動するフロートと、
   前記フロートの上下の移動を誘導するスパーであって、上部分および下部分を有し、前記フロートが、波に応答して前記上部分と前記下部分との間で移動する、スパーと、
   動力取出（ＰＴＯ）デバイスであって、前記フロートと前記スパーの相対運動を有効エネルギーに変換するために、前記フロートと前記フロートに近接する前記スパーの部分との機械的相互作用に応答する、前記フロートと前記スパーとの間に結合される、ＰＴＯデバイスとを備え、
   前記ＰＴＯデバイスが
   （ａ）前記スパーの外部部分に沿って垂直に延在するラックと、
   （ｂ）直線−回転変換器であって、電気エネルギーを生成する発電機に結合され、前記フロート内に搭載され、前記ラックに係合し前記スパーに対する前記フロートの上下運動に応じて(as a function of)回転変換器の回転をもたらす歯付き部材を含む直線−回転変換器とを有し、そして
   前記直線−回転変換器が、
   （ｉ）前記ラックの平面にほぼ平行で、かつ、前記ラックに非常に接近して平面を画定するように配設された少なくとも２つのスプロケット・ホイールと、
   （ｉｉ）前記ラックの歯に係合するよう前記スプロケット・ホイールに巻き付けられた２面歯付きベルトとを有し、前記２面歯付きベルトは外面および内面を有し、前記２面歯付きベルトの外面は前記ラックに係合するためのものであり、そして内面はスプロケット・ホイールに係合して前記ラックおよび前記ラックのスパーに対する前記フロートの運動に応答して前記スプロケット・ホイールを回転させるためのものであるＷＥＣ。
   
2. 前記発電機は、前記発電機の回転速度を上げる傾向があるギアボックスを介して前記直線−回転変換器に結合される請求項１に記載のＷＥＣ。
   
3. 前記直線−回転変換器は、外面および内面を有する２面歯付きベルトを含み、前記外面上の歯は前記ラックに係合するためのものであり、前記内面上の歯は、スプロケット・ホイールに係合し、前記スパーに対する前記フロートの上下運動に応じて前記スプロケット・ホイールを回転させるためのものである請求項１に記載のＷＥＣ。
   
4. 前記直線−回転変換器は、前記ベルトの張力を維持する手段と、前記ベルトを前記ベルトの対応するラックに係合した状態で維持する手段とを含む請求項１に記載のＷＥＣ。
   
5. 前記直線−回転変換器は、三角形配置構成で配設された３つのスプロケット・ホイールであって、前記スプロケット・ホイールのうちの２つは、前記三角形の一辺および前記ラックの平面にほぼ平行でかつ前記ラックに非常に接近した平面を画定する請求項１に記載のＷＥＣ。
   
6. 前記スプロケット・ホイールの少なくとも１つは、電気エネルギーを生成する発電機に結合される請求項５に記載のＷＥＣ。
   
7. 前記直線−回転変換器は、前記ベルトの張力を維持する手段と、前記ベルトを前記ベルトの対応するラックおよびスパーに係合した状態で維持する手段とを含む請求項５に記載のＷＥＣ。
   
8. 前記フロートと前記スパーの相対運動を有効エネルギーに変換するために、前記フロートと前記スパーとの間に結合される前記ＰＴＯデバイスは、
   前記フロート内に固定して搭載された複数のホイール付き構造を含み、前記ホイール付き構造の外側(outer)部分は、前記フロートの上下運動に応答して回転するように前記スパーに接触状態にあり、前記ホイール付き構造はそれぞれ、相応して回転し、かつ、発電機の軸に接続される軸を有する請求項１に記載のＷＥＣ。
   
9. 前記ホイール付き構造はタイヤである請求項８に記載のＷＥＣ。
   
10. 前記フロートと前記スパーの相対運動を有効エネルギーに変換するために、前記フロートと前記スパーとの間に結合される前記ＰＴＯデバイスは、ピニオンが、前記スパーに対する前記フロートの上下運動に応じて回転するように、前記ＷＥＣ内に搭載されたラックおよびピニオン・システムを含む請求項７に記載のＷＥＣ。
    
11. 前記スパーは、前記スパーから、また、前記スパーの長さに沿って延在する複数のスパー保持レールを含み、前記ＰＴＯは、複数のＰＴＯモジュールを含み、各モジュールは、（ａ）レールに沿って垂直に延在するラックと、（ｂ）直線−回転変換器であって、前記フロート内に搭載され、対応するラックに係合し前記スパーに対する前記フロートの上下運動に応じて回転変換器の回転をもたらす歯付き部材を含む、直線−回転変換器とを含む請求項１に記載のＷＥＣ。
    
12. 前記スパーは、前記スパーから、また、前記スパーの長さに沿って延在する複数のスパー保持レールを含み、各スパー・レールは２つの対向面を有し、前記ＰＴＯは、複数のＰＴＯモジュールを含み、各モジュールは、（ａ）レールの両面に沿って垂直に延在するラックと、（ｂ）１ラック当たりの直線−回転変換器であって、前記フロート内に搭載され、対応するラックに係合し前記スパーに対する前記フロートの上下運動に応じて回転変換器の回転をもたらす歯付き部材を含む、１ラック当たりの直線−回転変換器とを含む請求項１に記載のＷＥＣ。
    
13. 波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）であって、
    水塊の表面に沿って延在し、波と同相で上下に移動するフロートと、
    前記フロートの上下の移動を誘導するスパーであって、上部分および下部分を有し、前記フロートが、波に応答して前記上部分と前記下部分との間で移動する、前記スパーと、
    前記フロートと前記スパーの相対運動を有効エネルギーに変換するために、前記フロートと前記スパーとの間に結合される動力取出（ＰＴＯ）デバイスとを備え、前記ＰＴＯデバイスは、
    （ａ）前記スパーおよびフロートの一方の外部部分に沿って垂直に延在するラックと、
    （ｂ）直線−回転変換器であって、前記フロートおよびスパーの他方内に搭載され、前記ラックに係合し前記スパーに対する前記フロートの上下運動に応じて回転変換器の回転をもたらす歯付き部材を含む、直線−回転変換器とを含み、
    前記直線−回転変換器は、（ａ）前記ラックの平面にほぼ平行で、かつ前記ラックに非常に接近した平面を画定するように配設された少なくとも２つのスプロケット・ホイールと、（ｂ）前記スプロケット・ホイールに巻き付けられた２面歯付きベルトとを含み、前記２面歯付きベルトは内面および外面を有し、前記外面は前記ラックの歯に係合するためのものであり、そして前記内面は前記ラックおよび前記ラックのスパーに対する前記フロートの運動に応答して前記スプロケット・ホイールを回転させるためのものであるＷＥＣ。
    
14. 前記直線−回転変換器は、電気エネルギーを生成する発電機に結合される請求項１３に記載のＷＥＣ。
    
15. 前記発電機は、前記発電機の回転速度を上げる傾向があるギアボックスを介して前記直線−回転変換器に結合される請求項１４に記載のＷＥＣ。
    
16. 前記直線−回転変換器は、前記ベルトの張力を維持する手段と、前記ベルトを前記ベルトの対応するラックに係合した状態で維持する手段とを含む請求項１３に記載のＷＥＣ。
    
17. 前記直線−回転変換器は、（ａ）三角形配置構成で配設された少なくとも３つのスプロケット・ホイールであって、前記スプロケット・ホイールのうちの２つは、前記三角形の一辺および前記ラックの平面にほぼ平行でかつ前記ラックに非常に接近した平面を画定する、少なくとも３つのスプロケット・ホイールと、（ｂ）前記ラックの歯に係合し、前記ラックおよび前記ラックのスパーに対する前記フロートの運動に応答して前記スプロケット・ホイールを回転させるための、前記スプロケット・ホイールに巻き付けられた２面歯付きベルトとを含む請求項１３に記載のＷＥＣ。
    
18. 前記スプロケット・ホイールの少なくとも１つは、電気エネルギーを生成する発電機に結合される請求項１７に記載のＷＥＣ。
    
19. 前記直線−回転変換器は、前記ベルトの張力を維持する手段と、前記ベルトを前記ベルトの対応するラックおよびスパーに係合した状態で維持する手段とを含む請求項１３に記載のＷＥＣ。
    
20. 波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）であって、
    波と同相で上下に移動するフロートと、
    前記フロートの上下の移動を誘導するスパーであって、上部分および下部分を有し、前記下部分はＷＥＣが動作中であるとき、永続的に水没状態であることを意図され、そして前記スパーは前記フロート内の対応する開口内に延在する２つの対向する面を含むスパー軸受レールを含む、スパーと、
    前記フロートと前記スパーの相対運動を有効エネルギーに変換するために、前記フロートと前記スパーとの間に結合された一対の動力取出（ＰＴＯ）ラックおよびピニオンモジュールとを備え、一方のＰＴＯモジュールは前記フロートと前記スパー軸受レールの一方の面との間に結合され、他方のＰＴＯモジュールは前記フロートと前記スパー軸受レールの他方の面との間に結合され、前記フロートと前記スパーの相対運動を有効エネルギーに変換するために、前記フロートと前記フロートに近接する前記スパーの部分との機械的相互作用に応答し、そして前記一対のモジュールは、前記一対のＰＴＯモジュールを一緒に引っ張り、一定圧力をその共通の軸受レールに加えて結合させて前記ＷＥＣの移動により生成される力を均衡させるようプレロード式ばねデバイスと互いにリンクされる波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）。
    
21. 各ＰＴＯモジュールは、
    （ａ）前記スパーの外部部分に沿って垂直に延在するラックと、
    （ｂ）直線−回転変換器であって、前記フロート内に搭載され、前記ラックに係合し前記スパーに対する前記フロートの上下運動に応じて回転変換器の回転をもたらす歯付き部材を含む、直線−回転変換器とを含む請求項２０に記載の波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）。
    
22. 各ＰＴＯモジュールは、
    前記フロート内に固定して搭載されたホイール付き構造を含み、前記ホイール付き構造の外部分は、前記フロートの上下運動に応答して回転するように前記スパーに接触状態にあり、前記ホイール付き構造はそれぞれ、相応して回転し、かつ、発電機の軸に接続される軸を有する請求項２０に記載の波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）。