JP5859523B2 - 波浪エネルギーシステム - Google Patents

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Description

本発明は波動からエネルギーを生成する波浪エネルギーシステムに関連する。システムは、1つ以上の空洞管を備え、空洞管はその1つ以上の下端開口部で波浪を受けるために、1つ以上の垂直でない角度で配置され、発電を目的として、波浪が1つ以上の空洞管の内部の流体を周期的に圧縮するように動作する。エネルギー変換効率を高めるために、管内部の波動の固有振動周波数が、動作中に1つ以上の空洞管の下端部で受ける波浪の周波数に実質的に等しくなるように、1つ以上の空洞管を任意で構成してもよい。例えば、1つ以上の空洞管を傾け、その結果、空洞管の流体力学的な重量や剛性を変更することによって、空洞管の固有振動周波数を修正してもよい。また本発明は、平面要素等の水中構造体を備える、波動からエネルギーを生成する波浪エネルギーシステムにも関連する。平面要素は、システムの1つ以上の空洞管の下端開口部で波浪を受けるために、受ける波浪を1つ以上の垂直でない角度で配置される空洞管に効率良く合わせ、波浪は発電のために、1つ以上の空洞管の内部で周期的に流体を圧縮するよう動作する。また本発明は、波動からエネルギーを生成するこうしたシステムを使用する方法にも関する。この方法は任意で、システムの1つ以上の空洞管の内部の波動の固有振動周波数を、1つ以上の空洞管の1つ以上の下端部で受ける波浪の周波数の1つ以上に実質的に合わせてもよい。また、本発明は、波動からエネルギーを生成するこうしたシステムを使用する方法であって、受ける波浪とシステム内に備えるエネルギー収集構成との間の整合性を高めるために、水中構造体を調節することに関する方法でもある。さらに本発明は、例えば水中で動作し、受ける波浪とエネルギー収集装置との間の整合性を高める、1つ以上の平面を備える構造にも関連する。加えて本発明は、発電中に1つ以上の空洞管へ流れる、および/または空洞管から流れる流体を制御するための、前述の波浪エネルギーシステムで使用される流体バルブにも関する。さらに加えて、本発明は、本発明に従うシステムで使用されるタービン構成にも関する。
発明の背景
波浪は、海洋地域の海面上に作用する風によって生じる。風そのものは、地球上で吸収される太陽放射の結果、大気温度の空間差によって生じる。波浪は、通常の全域的な海水流ではなく、単に平均海水面に対する海面の振動運動のみを伴う、事実上の表面波である。波浪のエネルギー含量は波浪の波長に依存する率で海洋表面からの水深とともに指数関数的に減少する。他のタイプの波、例えば電磁波と同様に、波浪も反射、回折、屈折および吸収され得る。
波浪からエネルギーを生成するのに適した再生可能エネルギーシステムは数々の技術的課題に取り組まなくてはならない。例えば、海水には腐食作用がある。また、波浪は時間によって振幅、波長その複雑さが大きく変化する。波浪エネルギーはしばしば、通常よりも嵐の状況下では桁違いに増大し得る。また、波浪エネルギーが殆ど無い状況も起こり得る。加えて、波浪エネルギーシステムの設計者は代替システムである風力タービン発電システム、水力発電システム、潮力発電システム、化石燃料燃焼発電システムおよび原子力発電システム等と比較して、波浪エネルギーシステムの商業的実行可能性を考慮しなければならない。また、多数の再生可能エネルギーシステムは、例えば荒天状況でも耐え得るよう高価で堅牢な構造を要する一方、稼働時には原子力発電所や化石燃料発電所と比べて、比較的控えめな発電量しかない、という問題にも悩まされる。したがって、波浪エネルギーシステムの商業的実行可能性を向上するために、波浪エネルギーから電気エネルギーまたは類似の利用可能な代替エネルギーへの変換効率を改善し、同時に暴風雨においても十分に堅牢であるシステムが確実に設計および実装されることが強く要望される。
波動から利用可能エネルギーを取り出す多数のシステムが提案されてきた。例えば、波浪とともに動き、油圧油をくみ上げるように連結されたフロートによって発電する構成であって、上部のオーバーフローリッジで波浪を受け、波浪はそこを流れて集められ、タービンと垂直振動気柱を動かし、波浪が周期的に気柱を圧縮して空気タービンを動作させて発電する構成を利用するシステムがある。ゲイル・アルネ・ソルハイム(Geir Arne Solheim)による公開済ノルウェー特許第327593号には、図1で示すように、海洋上30の通常海水面20に対して斜角を成して配置され動作する気柱10が記載されている。気柱10の第1の端は動作中に波浪40を受けるように配置される。気柱10の第2の端は空気バルブを介して空気タービン50に連結され、発電される。角度αは好適には10°から35°の範囲である。波力発電において、斜角を成して配置される気柱10は気柱の素早い垂直振動と比較して動作効率を相当に改善しているが、例えば化石燃料や原子力発電等の他のエネルギーソースに対して商業的に競争力を高めた、図1に示される構成の動作効率をさらに向上することが要望される。
本発明は気柱振動を利用する波浪エネルギーシステムの効率のさらなる向上を追求するものである。
本発明はまた、波浪エネルギーシステムの効率のさらなる向上を追求するものであって、波浪エネルギーシステムは、動作中の気柱の応答を固有周期に調節する気柱振動の傾斜角を利用して、そこで受ける波浪の周期に同期される気柱振動を利用する。
本発明の第1の態様によれば、添付の請求項1に記載される次の波浪エネルギーシステムが提供される:波浪から発電する波浪エネルギーシステムであって、システムは、空洞気柱の列を支持するプラットフォームを備え、気柱の各下端は波浪と液体を介して接続し、気柱の各上端はタービン構成と空気を介して接続しており、下端で発生する波動が、タービン構成を推進して電力を出力するように、気柱内部の空気運動を起こすように作用し、空洞気柱は垂直でない向きに配置され、空洞気柱の少なくとも1つの部分は、動作中その内部に波動の固有周波数を有するように配置され、固有周波数は空洞気柱の部分で受ける波浪の周波数に実質的に一致する、波浪エネルギーシステム。
本発明は、システムに波浪エネルギーをより高い効率で利用可能エネルギーに変換させるようにシステムを調整できる利点がある。
任意で、空洞気柱内部の波動の固有周波数が動的に調節可能であるように空洞気柱が実装される、波浪エネルギーシステムが実装されてもよい。
任意で、空洞気柱の列は、その長軸に沿って所定の傾斜角で配置され、傾斜角はシステムが動作中に位置する海洋環境の平均海水面に対して10°から90°の範囲内、より好適には25°から75°の範囲内であるように、波浪エネルギーシステムが実装されてもよい。代替として、傾斜角はシステムが動作中に位置する海洋環境の平均海水面に対して10°から35°の範囲内で、空洞気柱の列がその長軸に沿って配置されるように、波浪エネルギーシステムが実装されてもよい。
任意で、空洞気柱の列は空洞気柱を備え、海洋環境から受けた波浪の異なる周波数に選択的に一致させるように、空洞気柱は、その内部の波動に関する相互に異なる固有振動周波数を有するように、波浪エネルギーシステムが実装されてもよい。
任意で、タービン構成は少なくとも1つのタービンを備え、少なくとも1つのタービンは、海洋環境で動作する際、プラットフォームをジャイロ効果で安定させるために、実質的に垂直な軸の周りを回転するように動作できるように、波浪エネルギーシステムが実装されてもよい。
任意で、波浪エネルギーシステムは、プラットフォーム上に設置される、システムで受ける風から発電するための1つ以上の風力タービンを備えるように実装されてもよい。さらに任意で、1つ以上の風力タービンは、プラットフォームの空間的な端に少なくとも設置されるように、波浪エネルギーシステムが実装されてもよい。さらに任意で、ダリウス型垂直軸型風力タービン等の1つ以上の風力タービンは1つ以上の垂直軸型風力タービンを備えるように、波浪エネルギーシステムが実装されてもよい。こうしたダリウス型タービンは動作中、その回転がコリオリ力によるプラットフォームの安定化を助けるという利点がある。
任意で、波浪エネルギーシステムは1つ以上の水産養殖施設を備えるように実装されてもよい。さらに任意で、1つ以上の水産養殖施設は、動作中にシステムでの気象条件の変化に応答して、海洋環境に潜水可能であるように構成されてもよい。
本発明の第2の態様によれば、添付の請求項12に記載される次の波浪エネルギーシステムが提供される:波浪から発電する波浪エネルギーシステムであって、システムは、空洞気柱の列を支持するプラットフォームを備え、気柱の各下端は波浪と液体を介して接続し、気柱の各上端はタービン構成と空気を介して接続しており、下端で発生する波動が、タービン構成を推進して電力を出力するように、気柱内部の空気運動を起こすように作用し、システムは、気柱の下端付近に1つ以上の位置調節可能かつ/または角度調節可能な水中構造体をさらに備え、構造体は、波浪を制御可能な方法で空洞気柱に連結するために、動作中、気柱の下端に向かって伝播する波浪を形成し、水中構造体は、1つ以上の平面構造体として実装され、1つ以上の平面構造体は、気柱の列に対して1つ以上の平面構造体を動かす、および/または傾けるアクチュエータ構成を備える、波浪エネルギーシステム。
本発明は、1つ以上の水中構造体が波浪の気柱の列への接続を改善し、結果として、システムの動作中に波浪エネルギーのより多くを変換して電力を出力できる利点がある。
換言すれば、1つ以上の水中構造体は、海洋環境から気柱内部の局所環境への波浪のインピーダンス整合を動的に行える、つまり、海洋環境内の波浪状態を動的に変える気柱と波浪の整合性を高めるために動作できる。
任意で、水中構造体は、1つ以上の平面構造体として実装され、1つ以上の平面構造体は、気柱の列に対して1つ以上の平面構造体を動かす、および/または傾けるアクチュエータ構成を備えるように、波浪エネルギーシステムが実装されてもよい。
任意で、波浪エネルギーシステムは検出構成および制御構成を備え、検出構成は、動作中、気柱およびに関連する水中構造体向かって伝播する波浪の特性の1つ以上を検出し、制御構成は、検出構成からの波浪特性の標示信号を受信し、水中構造体が動的な応答制御を行うように水中構造体の位置および/または角度を調節するように、実装されてもよい。さらに任意で、制御構成はコンピュータハードウェアで実装され、コンピュータハードウェアは:
(a)システムの制御特性を表す数値モデルを利用する方法による水中構造体の制御調節することと;
(b)ニューラルネットワークを使用すること、ただし、その重み付けは検出された波浪の条件に応答して、システムの動作を制御するのに適している、使用することと;
のうちの少なくとも1つを実装するように、波浪エネルギーシステムが実装されてもよい。
任意で、空洞気柱の列は、その長軸に沿って所定の傾斜角で配置され、傾斜角はシステムが動作中に位置する海洋環境の平均海水面に対して10°から35°の範囲内であるように、波浪エネルギーシステムが実装されてもよい。
任意で、タービン構成は少なくとも1つのタービンを備え、少なくとも1つのタービンは、海洋環境で動作する際、プラットフォームをジャイロ効果で安定させるために、実質的に垂直な軸の周りを回転するように動作できるように、波浪エネルギーシステムが実装されてもよい。こうしたジャイロ効果による安定化はコリオリ力を利用する。
任意で、プラットフォームは、動作中、システムで受ける波浪に対して空洞気柱の列が向くよう回転可能に構成されるように、波浪エネルギーシステムが実装されてもよい。さらに任意で、システムは、センサ構成およびアクチュエータ構成を備えるように実装されてよく、センサ構成は気柱の列で受ける波浪の卓越伝播波向を検出し、アクチュエータ構成は波浪の卓越伝播波向に対して気柱の列の角度配向を調節する。
任意で、波浪エネルギーシステムは:
(a)海岸線沿いに;
(b)1つ以上の浮島として;
(c)浮島半島または島弧として;
(d)陸地との間に輸送路を備える浮橋として;
(e)海底または海底基盤に固定されるように;
設置されてもよい。
任意で、波浪エネルギーシステムは水産養殖施設を備えるように実装されてよく、水産養殖施設は、該施設に被害を与える可能性のある悪天候条件に実質的にあるシステムを保護するために、潜水可能である。
本発明の第3の態様によれば、本発明の第1および/または第2の態様に従う波浪エネルギーシステムを動作させる、次の方法が提供される:
(a)1つ以上の水中構造体の付近で1つ以上の波浪を受けることであって、1つ以上の水中構造体は、システムの気柱の列で受ける1つ以上の波浪を形成するために、1つ以上の波浪のエネルギー場に調節可能に影響を与えることと;
(b)1つ以上の気柱の列で前記1つ以上の波浪を受けることであって、1つ以上の気柱は、発電するタービン構成を駆動するために、気柱内部の空気を周期的に圧縮および/または希薄化することと;
を含み、水中構造体は、1つ以上の平面構造体として実装され、1つ以上の平面構造体は、気柱の列に対して1つ以上の平面構造体を動かす、および/または傾けるアクチュエータ構成を備える、方法。
本発明の第4の態様によれば、本発明の第1の態様に従う波浪エネルギーシステムを制御する、次の方法が提供される:
(i)対応するセンサ信号を生成するために、波浪エネルギーシステムに接近する波浪の1つ以上の特性を検出することと;
(ii)対応する制御信号を生成するために、センサ信号を制御構成で処理することと;
(iii)信号をアクチュエータに適用することであって、アクチュエータは、動作中、空洞気柱の下端に向かって伝播する、検出した波浪を形成するために、システムの気柱の下端付近にある1つ以上の位置可変および/または角度可変の水中構造体に接続し、対応する出力電力を発電するために、検出した波浪を制御可能な方法で気柱に接続させることと;
を含む、方法。
任意で、制御構成がセンサ信号から制御信号を生成するために、数値モデルおよび/またはニューラルネットワークを適用して動作できるように、当該方法が実装されてもよい。
任意で、当該方法は、
(iv) 気柱の列で受ける波浪の伝播方向を検出することと;
(v) 波浪の伝播方向に対して気柱の列を回転可能に向けることと;
を含んでもよい。
本発明の第5の態様によれば、機械可読データ担体に記録されたソフトウェア製品が提供され、ソフトウェア製品は、本発明の第2のおよび/または第3の態様に従う方法を実装するコンピュータハードウェアで実行可能である。
本発明の第6の態様によれば、本発明の第1および/または第2の態様に従う波浪エネルギーシステムの1つ以上の気柱と共に使用する、次の流体バルブが提供される:
複数の相互隣接する部品を備え、各部品は1つ以上の開口部を備え、
(i)部品は、第1状態(M1)と第2状態(M2)との間を移動可能であって、第1状態(M1)では、バルブ を通過する流体の流れを遮断するために、1つ以上の開口部が互いに揃っておらず、第2状態(M2)では、バルブに流体を通すために、1つ以上の開口部が互いに揃っていることと;
(ii)部品の運動は、流体バルブが部品上に付着する海洋生物を除去する自動掃除機能を備えるように動作することと;
(iii)部品間の境界面は、境界面の一方が疎水性特性であり、隣接して対応する境界面が親水性特性であることによって、水潤滑静電軸受を構成すること;
である、流体バルブ。
本発明の第7の態様によれば、本発明の第1および/または第2の態様に従う波浪エネルギーシステムと共に使用する、次のタービン構成が提供される:
タービンは、それを通る流体の双方向の流れに応答して、一方向に回転して動作し、タービン構成は、複数のラジアルタービン部品を備え、ラジアルタービン部品の各々は、対応するエネルギーピックオフ構成、複数のラジアルタービン部品の間を結合する、および/または複数のラジアルタービン部品の間を結合する構成上に設置される、複数の羽根部を備え、複数のラジアルタービン部品の間の相対回転角は、タービン構成が、そこを通る流体の双方向の流れに応答して、一方向の回転の向きを維持するように構成されるために、複数の羽根部のピッチ角を制御するように動作する、タービン構成。
任意で、タービン構成は電子制御構成を備えてもよく、電子制御構成は、複数の羽根部のピッチ角を調節するために、複数のラジアルタービン部品に抗力またはトルクを選択的に与える。
任意で、タービン構成は、複数のラジアルタービン部品を共に角度をロックするロック構成をさらに備えてもよい。さらに任意で、ロック構成は電磁気的実装されてもよい。
本発明の第8の態様によれば、本発明の第1および/または第2の態様に従うシステムを係留する、次の方法が提供される:
(a)1つ以上の空洞タンクとして、鎖および/またはケーブル留め具を有する1つ以上のアンカーを実装することと;
(b)1つ以上の空洞タンクを、それまたはアンカーが係留しなくてはならない海域に牽引することと;
(c)1つ以上のタンクを海底領域に沈めることと;
(d)1つ以上のタンクが海底領域に配置されるとき、1つ以上のタンクを海水より高密度の物質で充填することと;
(e)システムのプラットフォームに接続されるとき、鎖および/またはケーブル留め具を調節することと;
を含む、方法。
任意で、当該方法は:
(f)上部主要面および下部主要面を備える、略平坦な平面形態となるように、1つ以上の空洞タンクを実装することと;
(g)1つ以上のタンクが海底領域に沈められるとき、海底領域上の位置を保持するために、石材を配置することと;
を含んでもよい。
任意で、当該方法はステップ(d)において、1つ以上のタンクに固定単一内部構造を形成するために、1つ以上のタンクを砂と結合剤の混合物で充填することを含んでもよい。
本発明の第9の態様によれば、本発明の第1および/または第2の態様に従うシステムを係留するアンカーを設置する、次の方法が提供される:
(a)大型部材を備える1つ以上の衝撃式アンカーを提供することであって、大型部材は、円形または尖形先端部と、係留鎖が連結される後端部に羽根部を備えることと;
(b)1つ以上のアンカーを、それが配置される場所まで移動させる船舶を操縦容易にすることと;
(c)1つ以上のアンカーを、その円形または尖形先端部が海底領域に衝突して該海底領域に突き刺さるように、実質的に垂直下に放つことと;
(d)1つ以上のアンカーの羽根部を海底領域に設置するために、該アンカーを後方に引き寄せ、該アンカーの1つ以上の鎖を垂直でない側方の外力にさらすことと;
を含む、方法。
本発明の特定事項は、添付の請求項で規定される通り、本発明の範囲内における種々の組み合わせにおいて組み合わせられ得る。
本発明の実施形態は、例示として、以下の図を参照して記述される:
ノルウェー特許第327593号(発明者:ゲイル・アルネ・ソルハイム(Geir Arne Solheim))に記載の波力発電の構成図である; 海洋環境内において伝播する海面波に関連する海水の円運動の図である; 海面波の伝播に関連する水の円運動の図であって、水深Dの関数で海洋環境内に減衰する水の循環運動を示す; 海洋環境内における波浪エネルギー密度を波浪周波数の関数として例示するグラフである; 海洋環境内における波浪エネルギー密度を波浪周波数の関数として例示するグラフである; 本発明に従う波反射波浪システム(WARE)の概略図である; 図5のシステムのタービンローターの概略図で、ブレードが端部磁石と共に設置され、周囲の静止ピックオフコイルに誘導起電力を生じさせる; 本発明を実装する際の平面バッフルの角度および/または位置調節の概略図である; 本発明に従う平面バッフルの角度調節の概略図である; 本発明に従うWARE構成の平面バッフルの位置および角度調節の概略図である; 本発明に従う波浪エネルギーシステムの側面図である; 本発明に従う、複数の支柱で支持される沿岸波反射波浪エネルギーシステムの概略図である; 本発明に従う沿岸波反射波浪エネルギーシステムであって、回転して動的に伝播方向を変える波浪に適応できるように中央の支柱によって支持されるシステムの概略図である; 風力から追加エネルギーを生成する1つ以上の風力タービンを備える沿岸波反射波浪エネルギーシステムの構成図である; 本発明に従うエネルギーシステムと共に使用される垂直軸型ダリウス(Darrieus)風力タービンの例である; 図11、図12および図13のシステムで使用されるスライド式バルブの図である; 図11、図12および図13のシステムで使用される回転式バルブの図; 図15Aおよび図15Bのバルブの動作制御のための制御構成の図である; 図16のシステムのバルブの動作図である; 本発明に従うシステムに使用される空気溜および空気タービンの構成図である; 本発明に従うシステムに使用される空気溜および空気タービンの構成図である; 本発明に従うシステムに使用される種々のタービンの実装図である; 本発明に従うシステムに使用される種々のタービンの実装図である; 本発明に従うシステムに使用される種々のタービンの実装図である。
添付の図面において、下線の引かれた番号はその下線付き番号が位置する場所の要素、または下線付き番号に隣接する要素を示すために使用される。下線の引かれていない番号はその下線のない番号と結ばれる線で特定される要素に関連している。番号に下線がなく関連する矢印を伴う場合、その下線のない番号は矢印が指す要素全体を特定するために使用されている。
発明の実施形態の説明
本発明の実施形態の説明に関して、前述のノルウェー特許第327593号(発明者:ゲイル・アルネ・ソルハイム(Geir Arne Solheim))が参考として本発明に組み込まれる。
本発明をより詳細に説明する目的で、波浪エネルギーおよび波浪伝播の特性に関する基本原理についても説明されている。波浪40が伝播するとき、それはエネルギー流に相当する。実質的には図2で示すように、70で示される水の循環円運動が波浪40の伝播で具現化されるエネルギーとして生じる。波40の伝播方向は矢印80で示される。波40は空間波長Lおよび最高最低間振幅(波高)Hを有する。波40が速度cで伝播するとき、波40の周波数fは次の式で定義される(数1):
地球上の海洋は優先する波浪伝播周波数を持たない、つまり、優先する共振周波数特性がないために、波浪は広範囲の周波数fおよび波高Hで生じ得る。また、波の生成現象は様々な空間位置で同時発生するため、多数の正弦波群の重ね合わせが波動となる。海岸における砕波現象は、沖合の深海で観測される様々な波群の複雑な重ね合わせで表現不可能なものである。
風と海洋面との相互作用で生じる波浪は"風波(風浪)"と呼ばれる。この風波が生成された空間領域から伝播してきたとき、その伝播波は"うねり"と呼ばれる。うねりは比較的長距離、例えば太平洋を横断する距離を比較的少ないエネルギー損失で伝播し得る、略ソリトン波の同種の特性を示す。そうした少ないエネルギー損失の理由は、海水という相対的な非圧縮粘性媒体において海洋のうねり波は本質的に表面波であるためである。伝播波浪に関連する水の円運動は、図3に示すように実質的に水深Dと共に実質上指数関数的に減衰する。例えば水深D = Lでは、表面波に関連する水の円運動の大部分は減衰する。水深Dを伴うこの減衰特性のため、潜航する潜水艦はしばしば洋上の悪天候の影響を受けることがない。
波浪のエネルギー含量は次の式で算出される(数2):
ただし、
E = 波浪エネルギー含量;
kE = 定数ρg。ここでρは海水の塩分濃度1020 kg/m3、gは重力加速度9.8 m/s2
H = 先出の参照図2で定義される波浪の垂直波高。
例えば、波高H = 2メートルの波浪のエネルギー含量は5 kJ/m2である。波浪のエネルギー輸送率Jは次の式で算出される(数3):
ただし、
cg = 群速度。cg = gT/4πから算出される。ただし、深海でT = L/cとする;
E = 数2の式から算出される波浪エネルギー含量;
J = エネルギー流量;
ここで、数3の式は次の式(数4)の変形である:
ただし、
kf = ρg2、すなわち約1 kW/m3s。
例えば、周期T = 10秒、波高2メートルの波浪40のエネルギー流量は40 kW/mという相当な大きさとなる。
実際には、波浪は複数の伝播する個別の波の複雑な重ね合わせである。こうした重ね合わせは、波浪エネルギーシステムに関する先行特許文献には十分に考慮されていない。複数の伝播する個別の波は波長Lおよび波高Hのスペクトルを有し、実際に波長は概ねLminからLmaxの範囲内、波高Hは0メートルからHmaxの範囲内に含まれる。結果として、所定の空間位置における海表面の運動は、波高Hが観測者には皮相的に時間fの関数で大きく、すなわち、ランダムに変動しているように観測され得る程、所定の空間位置における海表面の運動はしばしば、相当に変動していることが分かる。波浪スペクトルが関数S(f)で表現されると仮定すると、海洋上の所定の位置で観測者が観測する実効波高は次の式(数5)で得られる:
ここで
Hg = 波群波高。
数4の式は波浪エネルギー輸送Jの理論期待値を表しているが、実際に観測されるエネルギー輸送率は、種々のスペクトル特性を持つ多数の波浪のスペクトルの重ね合わせを考慮すると、この理論値の約半分となる。
波浪スペクトルに関する測定を行うと、風の吹く海洋気象では図4Aに示す特性グラフが観測される。図4Aのグラフは周波数に対応する横軸および数5の式に対応する縦軸110を含む。また、図4Aのグラフは周波数で0.05 Hzの下限と実質的に0.25 Hzの上限を示す。さらに、図4Aのグラフは周波数0.08 Hzで最大値120を含み、これは実質的に0.1 Hzから0.2 Hzの間のテール特性130を有するうねりに相当する。波浪エネルギーを最大効率で集積する波浪エネルギーシステムには、実質的に2オクターブ分の周波数帯域で動作可能であることが要求される。現行の波浪エネルギーシステムはそうした周波数帯域に効率的に対応可能な動作特性を備えないことが多い。
図4Bは海上の風とうねりが混在するときの波浪スペクトルに関するグラフを示す。図4Bのグラフは周波数fに対応する横軸150および前述の数5の式の関数S(f)を表す縦軸160を含む。周波数の下限は0.05 Hz、上限は実質的に0.35 Hzである。2つの識別可能なピークがあり、第1のピーク170は0.08 Hz付近を中心としており、うねりに対応する。第2のピーク180は0.19 Hz付近を中心としており、風波に対応する。図4Bは実質的に2オクターブ、すなわち1桁分に近い周波数帯域に対応する。殆どのエネルギーはうねりによって運ばれるが、図4Bは相当量のエネルギーが風波として高い周波数領域に含まれていることを示している。
図5を参照すると、本発明に従う波浪システムの実施例が示されている。当該システムの全体は200と示されている。システム200は海岸線に沿って、および/または沖合浮島、半島、浮橋として配備され、陸に連結され相乗的に発電もできる。またシステム200は、少なくとも1つの浮動式、海底固定式または海岸固定式プラットフォーム210であって、参考として本発明に組み込まれる前述のノルウェー特許第327593号(発明者:ゲイル・アルネ・ソルハイム(Geir Arne Solheim))に記載の気柱と同種の、斜め方向に配される気柱220を1つ以上有する、プラットフォーム210を備える。1つ以上の気柱220は特許第 327593号の記載事項と同様に動作する。すなわち、波浪40は1つ以上の気柱220の下端と相互作用し、1つ以上の気柱220の上端で空気を循環的に圧縮および浄化する。また、1つ以上の気柱220はその上端と1つ以上の大直径空気推進タービン230とが空気を介して連結されている。また任意で、1つ以上のタービン230は、図示の通り動作中の垂直方向に配設される1つ以上の回転軸240を伴って配向されてもよい。プラットフォーム210の前方周辺端部には、図5で示す通り水中で動作する少なくとも1つの水中平面バッフル300を備える。任意で、平面バッフル300は実質的に図示通りに、すなわち、海洋30の通常海水面に対して角βを成すように配置されてもよい。バッフル300の利用に対する代替または追加として、管状、ディスク状、球状、半球状、曲面状等他種の要素が利用されてもよい。有益であるように、気柱内部の波動の固有振動周波数、例えば、1つ以上の気柱220の直径または断面積の関数が、1つ以上の気柱220で受けられる入射波浪40の周波数に実質的に一致し、入射波浪の持つエネルギーをシステム200で利用可能なエネルギーに最大効率で変換するように、1つ以上の気柱220は調節される。この実質的一致は、例えば、-6 dB以内の共振点、より好適には-3 dB以内の共振点となるように構成される。任意で、気柱における波浪の固有周波数が入射波浪40を受ける際に一致するように、1つ以上の気柱220は動的に調節されてもよく、そうした調節は例えば、1つ以上の気柱220において駆動パネルを備えるバッフルによって成されてもよい。任意で、1つ以上の気柱220は互いに異なる固有周波数を持ち、1つ以上の気柱220の少なくとも特定の1つが入射波浪に最適に一致するように調節されるよう、1つ以上の気柱220が製造されてもよい。
システム200が浮動式構造として実装される場合、1つ以上のタービン230はジャイロスコープ、すなわちフライホイールとして、回転動作中にプラットフォーム210の角度を安定に維持するように、いわばコリオリ力のように機能する。こうした安定性はプラットフォーム210を荒天下でも耐え得るようにするために非常に有益であるだけでなく、1つ以上の気柱220の下端を海洋環境30の海表面330に対して正しい向きと位置に確実に配することも出来る。平面バッフル300には2つの相乗的な用途がある:
(i)第1の用途は、浮動式構造として実装される際、プラットフォーム210を荒波に対して安定に保つことである。平面バッフル300の少なくとも一部は、海洋環境30の海表面330に伝播する波浪40の主要なエネルギー場よりも実質的に下部にあるためである。こうして、平面バッフル300は、海洋環境30の海表面330に伝播する波浪の主要な波長に対する減衰を25%未満のレベルとする利点がある。
(ii)第2の用途は、海洋環境30の海表面330に伝播する波浪の主要なエネルギー場により低い空間レベルで作用することである。こうして、波浪のコヒーレント性を高め、砕波状態、例えば浅瀬のような海岸付近で生じる状態に向けて波高を高める。こうしたより高い波高を生じさせる高いコヒーレント性により、1つ以上の気柱220に連結する波動エネルギーを格段に向上させられる。
任意で、システム200は1つ以上の平面バッフル300、および/または前述の代替要素であって、波浪の波高および/または主要波の波長の関数としてプラットフォーム210に対する位置を調節するように動作する、代替要素を備えてもよい。1つ以上の平面バッフル300および/または代替要素の調節範囲に関しては以降で詳述する。コスト削減のため、システム200の主要部分、例えば1つ以上の気柱220およびプラットフォーム210の壁部分は、現行の海洋石油プラットフォーム等で使用されるタイプの強化無孔海洋コンクリートで建設されることが有用である。また、システム200の部品は海洋環境にそのまま投入される海洋コンクリートで製造されることにより、大型既製部品の搬送が不要となる利点がある。
任意で、1つ以上のタービン230はシステム200の出力としての電力を発電する発電機に接続されてもよい。任意で、1つ以上のタービン230の1つ以上の対応するローター410を図6で示すように回転動作させるために、1つ以上のタービン230がそこでの空気圧の差で動作するブレード400を備えてもよい。有益であるように、タービンおよび発電機の機能が別々に配置されるように、1つ以上のタービン230はコイル420および/または磁石430を備えられてもよい。例えば、ブレード400の周辺領域には永久磁石430が搭載され、それが末端の固定コイル420を通過してシステム200の出力電力を発電する構成でもよい。タービン230の構造のこうした簡素化により、システム200の可動部分を減らし、動作の信頼性を向上させることが可能となる。任意で、1つ以上のタービン230はプレナム、すなわち空気溜を介して圧縮空気が供給されてもよい。空気溜は比較的多数、例えば20を超える気柱220とバルブを介して接続され、発電機の出力電力の拍動を防ぐ。多数の気柱220おける波動は非同期であり、波浪40の周波数に対応する周波数でシステム200の出力が脈動するのを低減させる利点がある。本発明に従う、海洋環境30に大規模に設置されるシステム200は、高いコスト競争力でもって発電することが可能であり、その結果、"ピークオイル"に関連する現在の世界的エネルギー不足に対し、大気二酸化炭素を増加させることなく対処できる可能性を有する。また、電気機械装置としても、システム200はチェルノブイリ(ウクライナ)、スリーマイル島(ハリスバーグ)(米国)、福島(日本)およびセラフィールド("ウインドスケール(Windscale)")(英国)等で起きた危険な環境汚染を引き起こすことはない。現在の世界的な化石燃料消費は4テラワット程度と推計されるが、システム200が世界規模で海洋環境30に建設されれば、このうちの相当量分を本システムで供給可能となる。 システム200はまた、汚染を引き起こさずに、完全に持続可能でクリーンな手段電気エネルギーを生成できる利点がある。 システム200が浮動式で洋上に実装される場合、津波に対して対応し得る可能性を有する。津波は2011年、福島(日本)で発生したように、海岸に到達する場合に限り被害をもたらすためである。システム200はこの様に、脆弱な海岸線に建設される原子力施設と比較して遥かに堅牢であるといえる。
再度図5を参照すると、水中平面バッフル300は点Pで示す上端部および任意で点Pから一定距離にある下端部Qを備える。例えば、互いに平行に接触して設置される一組のシートとして平面バッフル300を実装することにより、その端部が動的に変更可能であってもよく、点Pで可動する端部を備えるバッフル300が提供され、その端部がスライドすることによって気柱220と海洋環境30内を伝播する波浪との間の最適なインピーダンス整合が与えられる。図5で示す通り、バッフル300には、気柱220の下部開口端から点Pまでの距離S1を変化させるアクチュエータ(図示せず)が備わっている。また、気柱220と波浪40の最適な整合を与えるように、バッフル300の角βは動的に変更可能である。さらに、海洋環境30の海表面330から点Pまでの水深S2も動的に変更可能であってもよい。ただし、システム200は、2次元配列であって、平行かつ波浪40の波面に対して直行して設置される複数の気柱220を備えるものと理解されたい。任意で、気柱220に合う波浪40の微調整ができるように、バッフル300は湾曲していてもよい。
次に、本発明に従う波浪エネルギー反射器(WARE、ハブクラフト社(Havkraft AS)の登録商標)について詳述する。WARE(登録商標、波浪反射器)はエネルギー取得性能を向上する海域の海表面に向かってくる波浪エネルギーを反射する装置または構成である。WARE(登録商標、波浪反射器)は特に、前述の特許第327593号(発明者:ゲイル・アルネ・ソルハイム(Geir Arne Solheim))に記載の波浪エネルギーシステムと組み合わせて使用され得るという利点がある。動作中には、WARE(登録商標、波浪反射器)は係留および海表面直下の海中に設置される装置または構成である。WARE(登録商標、波浪反射器)は可動部を備える簡素な単一構造であって、可動部はアクチュエータで操作されて海洋環境を伝播する波浪を調節し、波浪エネルギーシステムが波浪を受けて持続可能な再生可能エネルギーを生成する。
WARE(登録商標、波浪反射器)は、仰角βで位置S1、S2は図5および図7から図9で示される関連する駆動機構によって調節される、所望の幅を有する1つ以上の平面バッフル300として実装され得るという利点がある。システム200が波浪40から効率的に発電するための最適な位置および角度でWARE(登録商標、波浪反射器)、すなわち平面バッフル300を設置するために様々な方策が用いられ得ることも利点である。
WARE(登録商標、波浪反射器)は、バッフル300に位置S1および角βを独立して調節できるように、バッフル300の上部および下部の2点P、Qでそれぞれ独立に調節および操作される利点を。任意で、上端部Pで与えられるバッフル300の水深S2も、システム200の1つ以上の気柱220を波浪に最適に適合させるように調節可能であってもよい。WARE(登録商標、波浪反射器)は単純な機構、例えば図9に示すように、アクチュエータ500からワイヤ、ベルト、チェーンの何れかまたは全てで連結されて外力で軌道上を動かす機構で動作する。最適な実装では、図8に示すように、平面バッフル300は上端点Pで固定され、下端点Qは自由に調節可能であってもよい。
図10を参照すると、システム200は海底基盤540上の1つ以上の支柱530で支持されるプラットフォーム520上に建設され得る利点がある。代替として、システム200は浮体構造物として実装されてもよい。システム200は気柱220の列を1つ以上備え、気柱の下部開口端は、1つ以上の平面バッフル300が備えられる空間領域に面し、1つ以上の平面バッフル300は前述の動作により、海洋環境30から波浪40を最高率で気柱220の1つに集める。
WARE(登録商標、波浪反射器)、すなわち平面バッフル300と関連するアクチュエータ構成は任意で、各々が10メートル×2メートルから30メートル×8メートルの範囲の空間平面を有してもよい。また任意で、各バッフル300の空間平面は実質的に20メートル×5メートルであってもよい。平面バッフル300はそれぞれ、波浪40のエネルギー場に相当な影響を及ぼし得る典型的な波長に適合されていてもよい。 平面バッフル300の主面が海洋環境30の海表面に対して平行であるように平面バッフル300が配置される場合、波浪40は水中平面バッフル300によって最大限の影響を受ける。反対に、バッフル300の主面が海洋環境30の海表面に対して直行するように平面バッフル300が垂直に配置される場合、波浪40への影響は最小となる。任意で、距離S2を大きくしてバッフル300の影響を弱めることも、距離S2を小さくしてバッフル300の影響を強めることもできる。任意で、バッフル300は幅、すなわち距離S1、S2を15%まで調節可能で、角βは180°の範囲で調節可能であってよい。
WARE(登録商標、波浪反射器)は波浪からエネルギーを抽出するように動作する波浪システムにおいて革命をもたらす。バッフル300、関連するアクチュエータ、および制御システムによって実装される波浪反射器は以下の機能の1つ以上を提供するように動作し得る:
(a)波浪40を気柱220により良く合わせ、気柱220のバルブを介して接続するプレナム、すなわち空気溜の内部空気を圧縮する。ここで、プレナムはタービン230に接続している;
(b)システム200において波浪40を伝送または反射させる出力制御形式を提供し、それによって、システム200からの出力電力を調節する、および/またはシステム200が荒天条件(例えば台風の時)に対応できるようにする支援をする;
(c)システム200が浮体構造物として実装される場合、端部Qの海域の水は荒天時でも比較的安定しているため、悪天候条件下でもより大きな安定性を提供する。
海洋環境30の海面における波動は、一時的に同時に現存する、複数の異なる波長の波浪の複合であり得る。また波浪の特性は動的に変化してシステム200の出力変動を引き起こし得る。波浪状態の変化に時間的かつ動的に応答して、バッフル300、関連するアクチュエータ500および制御システム510 は、角β、距離S1、距離S2の何れか、または全てを修正するように応答する。バッフル300の動作は距離S1を調節できるように軌道を使用し、図8に示すように、下部Qは自由に可動するが上部Pはピボットとして構成する方法により、角度調節するワイヤを使用して実現されるという利点もある。
バッフル300および関連するアクチュエータは動作中、種々の方式で制御されてもよい。
第1の方法では、海洋環境30内の波浪40の運動はシステム200で望遠カメラ等の光学イメージ装置を利用して監視され、波浪40の周波数スペクトルを、例えば図4Aおよび図4Bに示すのと同様の方法で決定する。続いて、システム200のコンピュータモデルは、システム200が所望の出力をするために、システム200に接近する観測した波浪40に対して、気柱220の開口端付近に設置されるバッフル300の様々な位置でどのように動作するかをリアルタイムで計算する。バッフル300の最適位置が計算されると、制御システムは、観測波浪40がシステム200に到達して気柱220内部に所望の形で取り込まれるように、バッフル300の位置を最適位置となるように調節する。コンピュータモデルはシステム200の明確な数値モデルとなり得る。代替として、コンピュータモデルはニューラルネットワークとして実装されてもよい。このモデルにおいて、制御システムは、波浪40の異なる側面が与えられる際に、システム200の動作制御および/またはシミュレーションによってバッフル300の最適調節を学習している。制御システムは電子ハードウェアに、または、機器が可読可能なデータ記憶メディアに格納されるコンピュータソフトウェア製品を利用し、コンピュータハードウェア上で実行することで、実装され得る。代替または追加として、光イメージ装置の利用の代替または追加として、波浪スペクトル特性を検出する1つ以上の監視ブイがバッフル300から一定の距離に配置しされてもよい。1つ以上のブイ700は無線通信リンク710を介して検出データをシステム200に伝送できる。1つ以上のブイ700は慣性センサユニット加速度計および任意でジャイロスコープ装置を備える慣性センサユニットを搭載してもよい。これにより、1つ以上のブイ700は波浪40の波高および周波数を検出し、検出した波浪40の波高および周波数を示す情報は、検出した波浪40がシステム200で受けられる前に無線でシステム200に伝送され、制御システムが検出した波浪40を受けるための最適位置にバッフル300を調節する機会を与えるようにする利点がある。こうした制御方法により、システム200を動的にリアルタイムで調節して最大能力を引き出すことが可能となる。
第2の方法である準定常状態制御では、バッフル300の制御システムの動作中、波浪40を気柱220に少なくとも部分的に合わせる際に、バッフル300の角βおよび/または1つ以上の位置S1、S2の微小摂動が適用される。制御システムは、所定の位置および時間で、適用された摂動によりシステム200の動作がさらに改善されるか否かを決定し、システム200が海洋環境30の所与の条件で最適に機能するように動作するまで、こうした微小摂動を順次提供し続ける。こうした制御方法により、システム200は動的にリアルタイムで最高性能を実現することが可能となる。任意で、第1および第2の方法の組み合わせが行われてもよい。
任意で、システム200は波力発電施設と同時に海岸砂防として採用されてもよい。例えば、システム200の動作によって作られるより穏やかな水域に水産養殖施設800がシステム200に併設されてもよい。こうした水産養殖は有益であるように生簀で行われる。こうした生簀は有益であるように、暴風雨から保護されるために穏やかで比較的深い水中、実質的にはシステム200の直下に設置される。穏やかで比較的深い水中では、生簀に人工エアレーションを行うこともできる。システム200には、オキアミ等の天然魚が、システム200の伴流、すなわちシステム200と陸600の間の海域に形成される穏やかな海域に自然と安全な場所をもとめてくる、という利点がある。これにより、とりわけ漁船を使用する漁場に平穏な環境が提供される。水産養殖施設800にはまた、強烈なフィヨルドの水産養殖では寄生虫や汚染が開けた大洋環境よりも少ないという非常に大きな利点もある。また、水産養殖施設800を提供する際、システム200に漁船を係留しやすくする利点もあり、その結果、商業漁業活動に大幅な安全面を提供できる。
システム200は、例えば図10および図11に示すように海底すなわち海洋環境30の海底に固定設置し得ること、あるいは、海底の錨に繋がれて洋上に浮遊し得ることを理解されたい。錨は吸着カップ、海底に掘られた掘削孔に固着される海錨、および/または任意で相乗的に圧縮空気溜、すなわちプレナムとして機能する重い空洞層を使用して実装され、気柱220からの圧縮空気流の変化を滑らかにし、システム200がより安定したエネルギー流を提供できるようにする。前述の通り任意で、システム200は1つ以上の浮島、または一端が陸に接続し、発電所230から陸地600を電線で繋ぐ浮島半島として実装されてもよい。任意で、例えば図12に示すように、システム200は単一の支柱530および関連する基礎530の周りを回転可能となるように設置されてもよい。こうして、システム200は波浪40の伝播方向の変化に動的に対応可能であり、システム200が適切な回転制御構成および回転アクチュエータを備える場合、瞬間的な卓越伝播波方向を決定する光イメージセンサ等のセンサを備える。発電所230から陸地600への電線を利用する形態に対する代替または追加として、システム200は海水を電気分解して水素生成し、燃料として陸地600までパイプで、または船舶で定期的に輸送するように動作できる利点もある。有益であるように、内燃機関は水素の燃焼に適合し、および/または輸送された水素は燃料セルで酸化して発電してもよい。しかしながら代替として、システム200は二酸化炭素とシステム200に供給される海水を化学変化させ、例えば自動車、航空機およびプラスチック製造用の合成有機燃料等の炭化水素化合物を合成する装置を備えてもよい。この化学合成装置にシステム200が生成するエネルギーが供給されてもよい。
次に図13を参照すると、システム200の変形例1000が示されている。システム1000は1つ以上の風力タービン1010を備える。任意で、1つ以上の風力タービン1010は図示のようにプラットフォーム520の少なくとも空間上の端に最適な安定性を確保するように設置される。代替として、1つ以上の風力タービン1010はプラットフォーム520の中央部分付近に集中して設置されてもよい。プラットフォーム520が浮体構造として実装される場合、システム1000の最良の浮遊安定性を与えるために、(上向きの浮力を与える)バラストの大部分がプラットフォーム520の周辺部分に設置されてもよい。任意で、プラットフォーム520は平面図上で略直平面の要素として実装されてもよい。さらに任意で、図示のように、プラットフォーム520の海洋環境30に向く先端部は、波浪エネルギーを集中的に集められるよう、内側に曲がっていてもよい。任意で、図示のように、プラットフォーム520は平面図上でT字型またはV字型平面を有して実装されてもよい。任意で、図示のように、1つ以上の風力タービン1010は従来現存のナセル型風力タービン、例えばGE風力エネルギー社(GE Wind Energy Inc.)、ヴェスタス社(Vestas AS)およびガメサ社(Gamesa SA)等の企業が現在製造している従来現存のナセル型風力タービンとして実装されてもよい。
任意で、1つ以上の風力タービン1010はダリウス型垂直軸風力タービン等の垂直軸風力タービンとして実装されてもよい。有益であるように、そうしたダリウス型風力タービンは2つ以上の実質的に垂直なブレードを備えてよく、代替として3つのブレードで螺旋羽根構成を利用してもよい。ダリウス型風力タービンは、風の入射方向に動的に向ける必要がないという利点があるため、本質的に非常に簡素な装置であり、その動作の信頼性も高いと考えられる。任意で、1つ以上の風力タービン1010は図14に示すダリウス型風力タービン1200として実装される。タービン1200はプラットフォーム520で支持される軸受マウント1220を備える。また、マウント1220はシステム1000から出力される利用可能なエネルギーを生成する発電機を備える。マウント1220は回転自在で、回転時にフライホイールとなる円形基部1210を支持する。フライホイールは回転時にコリオリ力(ジャイロ力)を生成し、それにより、波浪40の作用によって生じる角度傾斜に対抗してプラットフォーム520を安定させる利点がある。ダリウス型風力タービンとして実装される場合、タービン1010は、コリオリ力がプラットフォーム520の安定のために互いに作用するように、互いに同じ向きで回転するよう有利に実装されてもよい。また任意で、タービン1010が自然と互いに不正な方向で回転してしまう場合に制動力を加えられるダリウス型風力タービンが実装されてもよい。タービン1200は中心軸用の細長部材1230および3つのタービンブレード1240A、1240B、1240Cを備え、タービンブレードは細長部材1230から半径方向に120°の角度間隔で、実質的に垂直向きに配置される。ブレード1240A、1240B、1240Cは細長支持部材1250A、1250B、1250Cでそれぞれ支持される。任意で、細長支持部材1250A、1250B、1250Cは、その下端において枢動可能となるよう回転ブロック1260A、1260B、1260Cにそれぞれ設置されてよく、ブロック1260A、1260B、1260Cは円形基部1210の周辺端部の上面で支持される。任意で、ブロック1260A、1260B、1260Cは円形基部1210と一体であってもよい。細長支持部材1250A、1250B、1250Cはメンテナンスのため、あるいはブレード1240A、1240B、1240Cを暴風雨から保護するために、実質的に垂直な位置から実質的に水平な位置に枢動可能となるようにスイング可能であってよい。任意で、細長支持部材1250A、1250B、1250Cはワイヤ等で巻き上げられてそれぞれラジアル支持部材1270A、1270B、1270Cに隣接して連結されてもよい。タービン1210は、その主要部分がプラットフォーム520の高さに近いため、システム1000を安定して稼働できる利点がある。また、タービン1200の発電機はプラットフォームの高さに設置され、メンテナンスや修理の際に容易にアクセス可能である。これは、図13で示す、タワー部材の上部に比較的アクセスし易いように設置されるギアボックスと発電機を備えるナセル型風力タービンと対比される。細長部材1250を枢動する代替として、ブレード1240が保護および/またはメンテナンスのために細長部材1250にスライドして下げられ、動作中には細長部材1250にスライドして上げられてもよい。
システム1200は、現在のナセル型風力タービン等から取り出される従来の再生可能エネルギーシステムと比較して発電および水産養殖の面で非常に大きな相乗的利益をもたらし得る。システム1200水力等の他のタイプの再生可能エネルギーシステムと比較し得るものではない。それは、システム1200が発電だけでなく、海岸保護や水産養殖という相乗的利益をもたらすためである。こうした相乗効果は代替の再生可能エネルギーシステムと比較してシステム1200の商業実用化を格段に高め、潜在的には現在の原子力および化石燃料発電施設と比較し得るレベルまで引き上げつつも、発電からの廃棄物や汚染を低減できる。このように本発明は、周知の現存する再生可能エネルギーシステムを格段に発展させ改善する。
続いて、気柱内部の水の固有振動周波数を参考として提示する。理論分析から、固有振動周期は次の式(数6)で与えられる:
ここで
Tn = 固有振動周期;
π = 3.14159;
d = 平均海水面(MSL)から空洞気柱の中間までの深さ;
D = 空洞気柱の内径;
g = 重力加速度。9.81 m/s2
α = 気柱の傾斜角。90°は垂直気柱、0°は水平気柱を表す。
固有周期Tnに対し、固有周波数fnは次の式(数7)から容易に計算される:
数6および7の式から、本発明に従う気柱の調節は以下の何れかを調節または設定することで達成されることが理解されよう:
(i)バラストによって、および/または空洞気柱を平均海水面(MSL)に対して上下に駆動する方法で深さdに据える;
(ii)気柱の内径Dの変更;
(iii)気柱の傾斜角の調節。
本発明に従う波浪エネルギーシステムではこうした調節が実行される。
前述から、動作中に1つ以上の気柱220に向かってくる波浪40に応答して、1つ以上の気柱220で発生する空気圧縮が自然と周期的であることが理解されよう。1つ以上のタービン230の動作において有用な空気圧を生成するため、1つ以上の気柱220の空気圧が1つ以上のタービン230を最も効率良く駆動し得る場合、すなわち大気圧と比較して圧力差が最大である場合に、1つ以上の気柱220が選択的に空気を介して1つ以上のタービン230に接続していることが望まれる。そうした選択的な空気を介した接続は、本発明に関する種々の形態で実現される。しかしながら、この選択的な空気を介した接続の特定の形態は、例えば図15A、図15Bおよび図16で示されるように特に有用である。システム200は潜在的に比較的多数の気柱220、例えば数百のそうした気柱220を備え、例えば数十MWまでの発電能力、そしてシステム200が原子力施設の代わる安全で環境に適した施設として利用される際には、最終的にGWクラスまでの発電能力を達成できる。また動作中、気柱220内部の対応する波浪40の位相は互いに相違する。したがって、各気柱220または気柱群は動作中に同様の位相を持つ気柱220に空間的に隣接し、1つ以上のタービン230に、例えば1つ以上の空気溜、すなわちプレナム状態を介して、気柱220を選択的に接続するバルブ構成を有していることが望ましい。こうして、1つ以上のタービン230に供給される圧縮空気の一時的な圧力変動を抑制できる。バルブ構成は高価ではなく、交換までに何百万回も動作可能であって、耐食性、耐久性に優れ、長期間の使用で海洋生物が付着するリスクに対しても高い気密性を提供できるものが要求される。そうした要求はバルブ構成の実装方法に関する幾つかの条件を提示する。しかしながら、本発明は以下で詳述するように、これら技術的制約に対する相乗的で有益な解決方法を提供する。
本発明者は、特定材料間の境界面、例えば石英ガラスとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)プラスチック材料との間の境界面は 海水等の水溶液で界面潤滑となり得ることを認めた。またこうした材料は塩水環境で腐食せず、そこで生じる海洋生物の付着も防げる。水の存在下におけるこうした境界面は、その相互の接触面において低摩擦の静電軸受を形成する。ここで、石英ガラスは親水性が高く、PTFEは疎水性が高い。また、PTFEプラスチック材料は柔軟性があり、あるいは、隣接する研磨された石英ガラス面に一致するように研磨されて、高気密性を与えつつ、相乗的に低摩擦の軸受面を提供する。さらに、石英ガラスとPTFEの両方とも、気柱220の波浪からの圧力衝撃といった相当な外力や摩耗に耐え得る、力学的に強靭な材料。1つ以上の気柱220の空気バルブは、そうした石英ガラスとPTFEプラスチック材料または同等の材料を使用して有利に実装され、スライド移動式、例えば図15Aに示す直線移動や図15Aに示す回転移動の方式によって空気バルブの開閉を行う。スライドおよび回転移動は、バルブに集まる堆積物を削り取るように動作し、さらにまた海洋生物の付着と成長を防止して、いわば、自動掃除方式として動作するように振る舞う。石英ガラスとPTFEプラスチック材料は空気バルブに使用されることを記載しているが、他のタイプのガラスやセラミック材料が代替として空気バルブ用に使用されてもよく、同様に他のタイプのハロゲン化プラスチック材料を使用してもよいことも理解されよう。
図15Aを参照すると、空気バルブが2000で示される。バルブ2000は第1プレート2010および第2プレート2020を備え、任意で、プレート2010、2020は互いに異なる材料、例えば粉末石英ガラスとPTFEプラスチック材料で製造されてもよい。プレート2010、2020は中実領域2040、2060、および1つ以上の開口部2050、2070をそれぞれ配列等として備える。プレート2010、2020は、駆動構成、例えば電磁ソレノイド、リニアモーター、水撃ポンプ、空圧シリンダー、および類似の構成から加えられる外力に応答して、2030で示すように水平方向にスライドするように動く。第1状態M1である閉状態「CLOSED」では、バルブ2000に空気を通さないようにプレート2010、2020のそれぞれに対応する1つ以上の開口部2050、2070は互いに位置をずらす。第2状態M2である開状態「OPEN」では、バルブ2000に空気が高速で流れるように、つまり比較的低い空気抵抗となるようにプレート2010、2020のそれぞれに対応する1つ以上の開口部2050、2070は互いに位置を合わせる。任意で、第2プレート2020は図示のように2つの第1プレート2010間に配置され、プレート2010、2020の平面に実質的に直交する向きに沿う力で互いに維持されるプレートのスタックを形成してもよい。そのような直交する向きに沿う力で、プレート2010、2020が動作中に研磨し摩耗して、バルブ200は高気密性を保持し続けられる。任意で、複数の第1プレート2010および複数の第2プレート2020をサンドイッチ型構造にしてもよい。そうしたサンドイッチ型構造は単体のアクチュエータを利用でき、かつ複数のプレート2010、2020によって遮断特性の信頼性と圧力衝撃への耐性を共に高めるため、特に有益である。
プレート2010、2020がガラス瓶の溶融リサイクルによるガラスで製造される場合、鋳造された開口部を備えるガラスブロックを鋳造し、その後研磨処理で研磨面をブロック上に形成する。プレート2010がPTFEプラスチック材料または類似の材料で製造される場合、PTFEプラスチック材料のシートを必要サイズに切断して、そこにレーザー切断打ち抜き加工によって1つ以上の開口部を形成する。有益であるように、プレート2010は石英ガラスで、かつプレート2020はPTFEプラスチック材料または類似のハロゲン化プラスチック材料で製造されてもよい。そうした実装は、PTFEプラスチック材料で比較的軽量に製造されたプレート2020が、「OPEN」と「CLOSED」の間を前後に往復する際の度重なる機械的衝撃に耐えられ、かつ、衝撃力によって破壊されないよう石英ガラスで製造されたプレート2010に対するソフトなサポートを提供し得るよう柔軟に適合する、という利点がある。前述の通り、そうした実装には石英ガラスがガラス瓶の溶融リサイクルによる再生ガラスから製造されるというさらに有利な点もある。ガラスは非常に強く、ブラウン管(CRT)や熱電子管の内部の真空といった高い圧力差を封入できることで周知である。
有益であるように、プレート2010、2020の各々は、それぞれ開口部2050、2070の配列を備え、バルブ2000を「OPEN」と「CLOSED」の状態間を切り替える際、プレート2010、2020が自身の大きさに比べて小さい距離を移動するだけで済む。これにより、バルブ2000が高速で切り替わり、状態M1とM2の間の状態遷移が例えば1秒未満で実行される可能性を有する。また、開口部2050、2070の配列は、バルブ2000が「OPEN」状態で空気が通る際の低い気流抵抗を実現し、気柱220からプレナム状態を介して1つ以上のタービン230へエネルギーを効率的に高速輸送できる。
図15Bを参照すると、バルブの代替的実装が2500で示される。バルブ2500は選択的に1つ以上の気柱220を、任意で、空気溜すなわち前述のプレナム状態を介して、1つ以上のタービン230に連結する。バルブ2500は第1状態M1でそこでの気流を遮断する「CLOSED」状態と、第2状態M2でそこでの気流を通す「OPEN」状態の間で、図示のように回転運動によって動作する。電動モーター、油圧回転モーター、空気圧回転モーター、リニアアクチュエータ、および類似のものが図示のように回転軸2530の周りの回転運動を起こすために利用できる。バルブ2500は、中実領域2540と1つ以上の開口部2550を有する第1プレート2510、および忠実領域2560と1つ以上の開口部2570を有する第2プレート2520を備える。第1状態M1では、プレート2510、2520のうちの少なくとも1つは、それぞれの開口部2550、2570が互いに重ならないように、互いに回転し、バルブ2500が気流を遮断するように動作する。第2状態M2では、プレート2510、2520のうちの少なくとも1つは、それぞれの開口部2550、2570が互いに揃って、バルブ2500が気流を通すように動作する。任意で、追加のプレート2510によって、プレート2520を2枚のプレート2510の間に挟み、支持力を増すようにしてもよい。また任意で、複数のプレート2510と複数のプレート2520を空間的に交互にサンドイッチ型構造としてもよく、単体のアクチュエータで動作して「CLOSED」状態において特に効果的な気流遮断を行え、高い気流遮断の信頼度を得られる。有益であるように、プレート2510、2520は石英ガラスとPTFEプラスチック材料または前述で説明したような類似の材料で製造されてもよく、それらは水溶液、例えば海洋環境30からの水しぶきや湿気によって容易に潤滑され得る。例として、プレート2520はPTFEプラスチック材料で、プレート2510は石英ガラスで製造されてもよい。前述のバルブ2000と同様に、バルブ2500の回転運動により、プレート2510、2510間の境界面に研磨された気密表面が形成され、動作中は自動掃除方式によって海洋生物の付着と成長を防止できる。
システム200を実施する際のバルブ2000、2500の動作について、3000で示されるシステムの図16および図17を参照して説明する。波浪40が気柱220内部で振動し、前述の共振状態であるとき、気柱220の上部で空気の希薄と圧縮が共に生じる。システム3000に多数の気柱220があり、システム3000が相当な大きさ、例えば海洋環境30における波浪40の主な伝播方向に垂直な幅が500メートルから数キロメートルである場合、気柱220内部の波浪40の動きは時間的に同期している必要はない。したがって、各気柱220、または実質的に相互同期する波動を有する隣接する気柱220のグループは、図16で示す構成を伴う。システム3000は、高圧空気溜3010、すなわち高圧プレナム状態からの圧縮空気と、低圧空気溜3020、すなわち低圧プレナム状態を介したシンクから出る空気を伴う、前述の1つ以上のタービン230を備える。動作中には、気柱220の上部領域の圧力が一時的に高圧空気溜3010の圧力より高いとき、気柱220が選択的に圧縮空気を高圧空気溜3010に与えることが望まれる。同様に、動作中には、気柱220の上部領域の圧力が一時的に低圧空気溜3020の圧力より低いとき、気柱220が選択的にシンクからの空気受け入れることも望まれる。こうした動作により、2つの空気溜3010、3020の間で最大圧力差が生じ、その結果、1つ以上のタービン230に最大動作差圧を与え、発電稼働効率を向上させる。
有益であるように、前述の空気溜3010、3020が、バルブ2000、2500の1つ以上のような実装のバルブを介して、各気柱220、または空間的に隣接する気柱220のグループに接続されてもよい。各気柱220、または空間的に隣接する気柱220のグループは、気柱220の瞬間圧力P1を測定する圧力センサを備える。高圧空気溜3010はそこでの瞬間圧力P2を測定する圧力センサを備える。また、低圧空気溜3020はそこでの瞬間圧力P3を測定する圧力センサを備える。気柱220を高圧空気溜3010に連結するためのバルブ2000、2500は、いわゆる「吸気バルブ」で、そこを通る、気柱220から高圧空気溜3010への瞬間流量FV1と気流方向を測定する気流センサを空間的に離れて備える。同様に、気柱220を低圧空気溜3020に連結するためのバルブ2000、2500は、いわゆる「排気バルブ」で、そこを通る、低圧空気溜3020から気柱220への瞬間流量FV2と気流方向を測定する気流センサを空間的に離れて備える。システム3000は、圧力P1、P2、および流量FV1、FV2とそれぞれの気流方向に対応する信号を受信する制御ユニット3030を備える。また、制御ユニット3030は、図示のように空気溜3010、3020に接続するバルブ2000、2500のアクチュエータを制御する出力VT1、VT2を備え、バルブを前述の「CLOSED」状態と「OPEN」状態とに切り替える。有益であるように、制御ユニット3030は、機械可読データ記憶媒体に記録された、バルブ制御動作を実行する1つ以上のソフトウェア製品を実行するために動作するコンピュータハードウェアを備える。
システム3000の動作を図15A、図15B、図16および図17を参照して説明する。波浪40が気柱220の上部領域内で発生する周期的加圧と減圧を起こす。有益であるように、海洋環境30に対して気柱220の直径と高さは波浪40の波長に、結果としてその周期性に合わせて調節され、いわば、同調された気柱として動作し得る。便宜上、前述の通りに、気柱220から高圧空気溜3010に連結するバルブ2000、2500を「吸気バルブ」、気柱220から低圧空気溜3020に連結するバルブ2000、2500を「排気バルブ」として参照する。吸気および排気バルブは通常は「CLOSED」状態、つまり図15Aおよび図15Bで示す、そこで発生する気流を遮断する状態M1である。圧力P1が圧力P2より高くなると、吸気バルブは開き、「OPEN」状態に切り替えられる。また、圧力P1が圧力P3より低くなると、排気バルブは開き、「OPEN」状態に切り替えられる。制御ユニット3030は、吸気バルブと排気バルブが「CLOSED」状態から「OPEN」状態に切り替わると即座に、両バルブそれぞれの気流流量FV1、FV2および関連する気流方向を監視するように動作する。そして、最初は高い気流流量がほぼ零流量まで減少し、最終的にバルブ2000、2500で気流が遮断されない限り、逆向きの気流が生じる。流量FV1、FV2の1つ以上が零流量の閾値まで減少するか、逆向きの気流になる場合、空気溜3010、3020の圧力差を不必要に排出しないように、必要に応じて吸気および排気バルブは閉じられる。吸気および排気バルブが「CLOSED」状態で流量FV1、FV2の1つ以上が閾値を超えるとき、または、逆向きの気流で何れかのバルブが空気溜3010、3020の圧力を不必要に抜いていることが明らかであるとき、このことは吸気バルブおよび排気バルブの少なくとも1つが故障している可能性を示し、注意を要する障害状態、例えば吸気バルブおよび排気バルブの少なくとも1つが摩耗または損傷した状態として制御ユニット3030で検出される。任意で、システム3000は、空気溜3010、3020の各々が個別のバルブ2000、2500を備える小型サブ空気溜の階層を含むように構成されてもよい。この構成で、システム3000の気柱220の1つに関するバルブ2000、2500の1つの故障は、システム3000全体の稼働中断を引き起こさず、一方で、障害のある気柱220および関連する吸気・排気バルブを分離することでその故障に対応できる。前述のバルブ2000、2500の有する強靭性と耐久性のため、このような故障は稀にしか起きないと予想されるが、有益であるように障害状態のこうした分離は制御ユニット3030で実行される。
バルブ2000、2500は動作中、気柱220の上部領域で発生する空気の希薄と圧縮によってバルブ2000、2500に作用する外力の方向に垂直な平面上で駆動するため、かつ、バルブ2000、2500は効果的に研磨静電軸受を形成する境界面を備えるため、システム200、3000のバルブ2000、2500を「CLOSED」状態および「OPEN」状態に動作させるために、相対的に小さい駆動電力とその結果の駆動力だけで済む。
図17を参照すると、高圧空気溜3010に接続するバルブ2000の動作を示すグラフが3500で示される。横軸3510は左から右に経過する時間を表し、縦軸3520は下から上に増加する圧力、下から上に増加する流量、および「CLOSED」から「OPEN」に切り替わるバルブを含む種々のパラメータを表す。
ステップ1:最初、時刻t0で、グラフ3500の左側で、波浪40が特定の気柱220に入射し、気柱220の上部領域の圧力P1を徐々に上げる。高圧空気溜3010では既に高い初期圧力P2がある。吸気バルブ2000、2500はそこの気流を遮断する「CLOSED」状態である。
ステップ2:圧力P1が時刻t1で閾値によって圧力P2より高くなると、吸気バルブ2000、2500は駆動で「CLOSED」状態から「OPEN」状態に切り替えられ、そこを空気が流入する。吸気バルブ2000、2500の開放により、流量FL1は著しく増加してから圧力P1、P2が互いに等しくなるところで減少する。
ステップ3:流量FL1が零閾値以内または反転し始めると、つまり気柱220への逆流が生じると、高圧空気溜3010の空気圧の損失を防いで強制的に流量FL1を零にするために、吸気バルブ2000、2500は「CLOSED」遮断状態に駆動される。
共振により、気柱220内部の波浪40は気柱220の上部領域の空気を希薄化し、低圧空気溜3020と気柱220との間に連結される排気バルブ2000、2500に対しても前記ステップ1からステップ3に対応するサイクルが実行される。ただし、圧力は負であり、低圧空気溜3020から気柱220へ流れる流量が発生する。吸気および排気バルブ2000、2500のアクチュエータは前述の制御ユニット3030で制御される。
有益であるように、関連する圧力センサおよび指向性流量センサを備えるバルブ2000、2500は量産標準バルブユニットとして製造されてもよい。任意で、有益であるように、システム200、3000における大直径気柱220がそうした標準バルブユニットを複数備えてもよく、一方、より小さい径の気柱220ではそうした標準バルブユニットを単体で備えてもよい。気柱220は静的な構成要素であるため、動的な1つ以上のタービン230は海洋環境30から十分に保護される。バルブ2000、2500は1つ以上のタービン230を保護する有益な機能を果たすため、システム200、3000の重要部分でもある。従って、システム200、3000で多数実装されるバルブ2000、2500は高い動作信頼性を有し、装着と交換が容易で、比較的低コストであること、例えば量産品でリサイクル材料を使用可能であって環境にも優しいことが非常に望まれる。
前述において、2つの空気溜3010、3020は図18Aで示すように、1つ以上の気柱220からバルブ2000、2500を介して圧縮空気または希薄空気を受入するように動作し、1つ以上のタービン320が発電するために気流4000を供給する。任意で、図18Bで示すように、1つ以上のタービン320は多段構造を、ここでは3段4050A、4050B、4050Cを有し、複数の空気溜3010、3020、4010、4020であって、互いに異なる圧力、例えば空気溜3010、3020、4010、4020の圧力がそれぞれ+2p、+1p、-1p、-2pで動作する複数の空気溜から圧縮空気および希薄空気を受け入れるようにしてもよい。システム200、3000で特定の気柱220に空気溜3010、3020に供給するに十分な圧力がない場合、任意で、空気溜3010、3020と比較してより低い余剰圧力、または大気圧よりも低い余剰圧力で動作する別の空気溜4010、4020に接続を替える空気バルブを介して、その気柱220が選択的に接続されてもよい。こうした構成は、空気溜3010、3020に、および/または空気溜3010、3020から空気を流入するのに必要な圧力を得られない場合であっても、システム200、3000の全エネルギー生産を向上させられる。しかも、1つ以上のタービン320の追加の空気溜4010、4020を介した給気によりエネルギー生成にも貢献し得る。2つの追加の空気溜4010、4020について記述されたが、大気圧に対して種々の圧力差で動作させる必要があれば、さらに多くの追加空気溜を実装してもよいことも理解されよう。
システム200、3000における圧縮空気溜3010、3020、4010、4020の利用にはシステム200、3000が関連する電力供給網の交流周波数に同期するように動作する1つ以上のタービン320を備える中央タービン施設を利用できるという利点がある。代替として、図1に示すように、各気柱220がそれに関連するタービン4200を備えてもよい。こうした手段は、相互に完全自律型で動作できる気柱220を得られ、他の気柱220および関連するタービン4200は、気柱220が動作中に障害が生じても機能し続けることが可能となる。
図19Aでは、気柱220がその上部領域に関連するタービン4210を備え、タービン4210は例えば、タービン4210の周辺端部で直流電磁誘導を利用して実装されるローカルエネルギーピックオフ4220を備える。タービン4210は動作中に回転速度が最大となり、そこでの気流の向きに関係なく回転し続けられる。こうしたタービンとして例えば、米国特許出願第 2010/0209236 A1号(「双方向流で使用する衝撃式タービン(Impulse Turbine for Use in Bi-Directional Flows)」;発明者:クリストファー・フリーマン(Christopher Freeman)、ステファン・ハーリング(Stephen Herring)、ケビン・バンクス(Kevin Banks))に記載のタービンが任意で、タービン4210の実装に利用されてもよい。また米国特許出願第2010/0209236A1号も参考として本発明に組み込まれる。代替として、米国特許第5,642,984号(「発電システム及び推進システムのためのヘリカルタービン(Helical Turbine Assembly operable under Multidirectional Fluid Flow for Power and Propulsion Systems)」;発明者:アレクサンダー・M.・ゴーロブ(Alexander M. Gorlov))に記載のタービンを形状、例えば米国特許番号5,577,882号(「反転可能な流体方向流で使用する単方向反応型タービン(Uni-directional Reaction Turbine operable under Reversible Fluid Flow)」;発明者:ボリス・イストリック(Boris Istorik)、イオウリ・クポリアンスキ(louli Chpolianski)、アレクサンダー・ゴーロブ(Alexander Gorlov))に記載の小型形状でタービン4200を実装してもよい。米国特許第5,642,984号および米国特許第5,577,882号も参考として本発明に組み込まれる。双方向の気流に応答して一方方向に回転できる、同種のフラットラジアルタービンも任意で、タービン4210の実装に利用されてもよい。
代替として、タービン4210で例外的に高いエネルギー変換効率が要求され、タービン4200は可能な限り小型であることが要求される場合、有益であるように、タービン4210は図19Bに示すラジアルローター4500を使用して実装され、そのブレード4510は、タービン4210を通る気流方向に応答して駆動される、そうでなくても可動であって、タービン4210が一定方向の回転を維持し、その結果動作中の回転慣性を維持する。任意で、タービン4200は図19Cに示すように実装され、タービン4200は、周辺端部に永久磁石4610を備える第1のおよび第2のラジアル回転平面部4600A、4600Bを備え、周辺ピックアップコイル4620A、4620Bを介して直流電磁エネルギーピックオフを行う。平面部4600A、4600Bは軸方向に距離Dの間隔で配置され、互いにラジアル羽根部4630等を介して連結されている。ラジアル羽根部4630は図示のように、直線的にスライド可能かつ回転可能な連結ジョイント4640を有する。タービン4200から電力を取り出す際、平面部4600A、4600Bの一方において、他方に対して相対的に余剰な抵抗が選択的に生じることにより、または代替として、平面部4600A、4600Bの一方に、他方に対して相対的に電磁トルクを加えることにより、羽根部4630はピッチ角を成して弾かれ、図19Cのタービン4200を通る双方向の気流の振動が、羽根部4630を通過する気流の方向に関わらず効率的に電気エネルギーに変換される。タービン4200を始動して回転させるとき、有益であるように、ピックアップコイル4620A、4620Bは励起され、タービン4200は一時的に電気ステッピングモーターのように動作する。一旦回転すると、平面部4600A、4600Bの交流抵抗および/または交流駆動トルクによる動作で、タービン4200を通る振動気流に応答して回転を維持する。
任意で、羽根部4630強靭かつ柔軟な材料、例えば何百万回も繰り返し曲げられる動作に耐えられ、海洋環境30の塩水に対して耐食性がある強化ポリウレタンで製造されてもよい。また任意で、羽根部4630が僅かな湾曲に曲げられ、タービン4200を通る気流の異なる方向に適応して急なフリップ動作を起こせるように、羽根部4630は、平面部4600A、4600Bの間の軸方向距離Dに対して横方向が大きくてもよい。図19Cに示すタービン4200は、少ない可動部分で製造され、その部分は電子制御されるという有利な点がある。有益であるように、タービン4200の羽根部4630のピンチ角制御のために気柱220内部の気流方向の決定を、例えばタービン4200の上部および海洋環境30の離れた場所の流量センサを使用して実行してもよい。こうした流量方向センサは、例えば上流および下流の瞬間圧力を決定する、2つの圧力センサを備える圧力降下オリフィスを使用して実装されてもよい。また任意で、オリフィスが気柱220の構造の一部であってもよい。
タービン4200を通過する所定の瞬間気流に対し、それに対処する正確な瞬間ピンチ角が羽根部4630に設定されようとすると直ぐに、平面部4600A、4600Bは任意で、動作中に平面部4600A、4600Bの間に配置される磁気クラッチおよび/または油圧クラッチを介した磁気力等で一時的に共にロックされてもよい。こうしたロックは、例えば平面部4600A、4600B上に備えられ、電磁気力の遷移を通じて平面部4600A、4600Bに励起し、平面部4600A、4600Bを互いに引き合う、電磁石4700を使用して実現され得る。こうして平面部は、タービン4200を通過する所定の向きのパルス状の気流に応答し、対応する羽根部4630の所定のピンチ角で、全体が一体となって回転するようになる。例えば、システム200、3000に備わる比較的大型の気柱220から大電力を取り出す際には、任意で、タービン4200が複数のローターを多段構造で備えるように設置されてもよい。
気柱220からの電力取出しが気柱220内部の波動、例えばそこでの共振波動に応答して、周期的に圧縮および希薄化される空気に基づいて前述されているが、気柱220内部の波動振動が直接作用するように、任意で、気柱220の下部領域にタービン4200の少なくとも一部を配置することも、本発明に従って実行可能である。また任意で、不都合な気象条件では、気柱下部領域に配置されたタービン4200の少なくとも一部に損傷が与えられ続けるのを防止するため、タービン4200の少なくとも一部は有益であるように気柱220から取り外されることが望まれる。
システム200、1000、3000が浮体構造として実装される際、そこに作用する外力の観点から、システムは確実に係留されることが重要である。何十から何百MW、大型実装ではGWにもなり得る電力を生成する風力タービンを備える場合、特に重要である。したがって、システム200、1000、3000が浮体構造として実装される際、有益であるように、少なくとも1つのアンカーで係留されてもよい。また任意で、システム200、1000、3000は少なくともその四隅の各々で係留されてもよい。システム200、1000、3000の適切なアンカー構成は洋上石油プラットフォーム構成で知られる。洋上石油プラットフォーム構成は例えば、以下の文献に開示されており、参考として本発明に組み込まれる:米国特許第7,752,989B2号(「深海用大容量アンカー及びその操作方法(Deep Water High Capacity Anchoring and Method of Operation thereof)」;発明者:ウラディーミル・パズ(Vladimir Paz)、エリザベス・ポルト(Elisabeth Porto)、シプリアーノ・メデロス・Jnr.(Cipriano Mediros Jnr.);権利者:ペトロブラス(Petrobras))。また、以下の文献にも開示されており、参考として本発明に組み込まれる:米国特許第3,934,528B号(「沖合支張脚プラットホームの据えつけ方法およびその装置(Means and Methods for Anchoring of Offshore Tension Leg Platform)」;発明者:エドワード・ホートン(Edward Horton)、ジョン・ブリューワー(John Brewer)、ウィリアム・シルコックス(William Silcox)、T.A.・ハドソン(T.A. Hudson);権利者:ディープ・オイル・テクノロジー社 (Deep Oil Technology Inc.))。
システム200、1000、3000を係留するために任意で利用される係留構成は、概要として次の通りである:
(i)海底に掘削される掘削孔を確実に開けるアンカーを介する;
(ii)浮揚性で鋼鉄製および/またはコンクリート製の壁で覆われた空洞タンクを介する。ただし、空洞タンクは海水面の特定の位置に牽引され、海底に沈めるために水で充填され、その後、タンクが海底に設置されるアンカーを形成するように、タンクに砂/接着剤の流体で充填される。タンクは鎖および/またはケーブルを介してシステム200、1000、3000の浮動部分に連結され。任意で、接着剤はエポキシ樹脂または海洋コンクリーであってよい。任意で、タンクは、その主要面の少なくとも1つが海底に接するように適する、略平坦な平面形態を有してもよい。さらに、主要面はバラスト石材を配置して海底に保持されてもよい;
(iii)1つ以上の衝撃式アンカーを介する。衝撃式アンカーの各々は、円形または尖形先端部と、後端部に羽根部を備える、例えば魚雷に似た形状の大型部材を備え、係留鎖も接続されている。設置時には、各衝撃式アンカーは、それが配置される場所まで船舶で運ばれ、アンカーは、その円形または尖形先端部が海底領域に衝突して該海底領域に突き刺さるように、実質的に垂直下に放たれる。鎖は垂直でない側方の外力にさらされ、アンカーの羽根部を海底に設置するために、アンカーを後方に短い距離だけ引き摺る。こうした方法で、高いコスト効率と速さで配置できるが、海底は、アンカーが貫通して設置され得るような地質学的組成である必要がある。海底が地質学的に礫岩、氷堆石、粘土またはそれより小さい粒子の組成でアンカーが貫通できる場合、こうしたアンカーは有益である。上記(i)および(ii)の方法は、海底が花崗岩等のより固い組成である場合に有益である。
以上に記述された本発明の実施形態の変更は、添付の請求項に記載されるように、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて可能である。本発明を記述および請求するために使用される「含む」、「備える」、「包含する」、「成る」、「有する」、「である」等の記載は全て、明示的に記載されていない項目、組成または要素についても含めて包括的に構成されることを意図している。単数形の参照は、複数形にも関連して構成される。添付の請求項の記載における括弧内の数字は、請求項の理解を補助する目的で記載されており、これによって、請求項に記載される範囲が限定されるように構成されるべきではない。

Claims (11)

  1. 波浪から発電する波浪エネルギーシステムであって、
    前記システムは、空洞気柱の列を支持するプラットフォームを備え、
    前記気柱の各下端は、液体を介して波浪と接続し、
    前記気柱の各上端は、空気を介してタービン構成と接続しており、
    前記下端で発生する波動が、前記タービン構成を駆動して電力を出力するように、前記気柱内部の空気運動を起こすように作用し、
    前記空洞気柱は垂直でない向きに配置され、
    前記空洞気柱の少なくとも1つの部分は、動作中その内部に波動の固有周波数を有するように配置され、前記固有周波数は前記空洞気柱の前記部分で受ける波浪の周波数に実質的に一致
    更に前記システムは、互いに隣接する複数の部品であって各々1つ以上の開口部を具備する複数の部品を有する少なくとも1つの流体バルブを備え、
    前記部品は、その状態を、第1状態と第2状態との間で変えることができ、前記第1状態では、前記流体バルブを通過する流体の流れを遮断するために、前記1つ以上の開口部が互いに揃っておらず、前記第2状態では、前記流体バルブに流体を通すために、前記1つ以上の開口部が互いに揃っている、
    波浪エネルギーシステム。
  2. 前記空洞気柱内部の波動の固有周波数が動的に調節可能であるように、前記空洞気柱が実装される、請求項1に記載の波浪エネルギーシステム。
  3. 前記空洞気柱の列は、その長軸に沿って所定の傾斜角で配置され、前記傾斜角は前記システムが動作中に位置する海洋環境の平均海水面に対して25°から75°の範囲内である、請求項1に記載の波浪エネルギーシステム。
  4. 前記空洞気柱の列は空洞気柱を備え、海洋環境から受けた波浪の異なる周波数に選択的に一致させるように、前記空洞気柱は、その内部の波動に関する相互に異なる固有振動周波数を有する、請求項1に記載の波浪エネルギーシステム。
  5. 前記タービン構成は少なくとも1つのタービンを備え、前記少なくとも1つのタービンは、海洋環境で動作する際、前記プラットフォームをジャイロ効果で安定させるために、実質的に垂直な軸の周りを回転するように動作できる、請求項1ないし4の何れか1項に記載の波浪エネルギーシステム。
  6. 前記システムは、前記プラットフォーム上に設置される、前記システムで受ける風から発電するための1つ以上の風力タービンを備える、請求項1ないし5の何れか1項に記載の波浪エネルギーシステム。
  7. 前記1つ以上の風力タービンは、前記プラットフォームの空間的な端に少なくとも設置される、請求項6に記載の波浪エネルギーシステム。
  8. 前記1つ以上の風力タービンは前記プラットフォームの中央領域に設置され、上方の浮力を提供するバラスト構成は、前記プラットフォームの空間的な端に実装される、請求項6に記載の波浪エネルギーシステム。
  9. 前記1つ以上の風力タービンは1つ以上のダリウス型垂直軸型風力タービンを備える、請求項6、7または8に記載の波浪エネルギーシステム。
  10. 前記システムは1つ以上の水産養殖施設をさらに備える、請求項1ないし9の何れか1項に記載の波浪エネルギーシステム。
  11. 前記1つ以上の水産養殖施設は、動作中に前記システムでの気象条件の変化に応答して、海洋環境に潜水可能であるように構成される、請求項10に記載の波浪エネルギーシステム。
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