JP5860051B2 - 波力エネルギー回収システムにおける往復動羽根システムの表面積調整装置 - Google Patents

Description

詳細な説明

本発明は、請求項１の前段に記載の波力エネルギー回収システムにおける往復動羽根システムの表面積調整装置に関するものである。

本発明に係る調整装置は、例えば、下端がヒンジ結合された板状または帆状の羽根システムを有する装置に連結して用いられ海水の波力エネルギーまたは潮力エネルギーによって往復運動を起こさせるのに非常によく適している。装置によって集められる波力エネルギーまたは潮力エネルギーは、波力エネルギー変換システムを用いて、例えば、電気エネルギーおよび／または淡水にさらに変換される。

従来技術によれば、さまざまなタイプの波力エネルギー回収システムがあり、これは、基部と、基部に旋回可能に連結され波力または潮力に反応して回転軸を中心に往復または揺動運動を起こす板状の１枚以上の羽根とを装置内に含むものである。その場合、揺動運動は、発電機などを用いて例えば電気エネルギーに変換される。

卓越海洋状態は非常に頻繁に変動するので、公知の波力エネルギー回収システムの効率は概して非常に低かった。穏やかな海洋状態のときや荒れた海洋状態のときの両方で、しかもいろいろな潮の状況において、公知の波力エネルギー回収システムを調整して最大の波力エネルギーを集めることは、極めて困難であった。公知の波力エネルギー回収システムは、通常、このような極端な状態に適切に対処せず、ゆえに総合的な効率は非常に低かった。１つの問題は、公知の波力エネルギー回収システムは、高波状態のときには出力が高過ぎ、穏やかな波状態のときには出力が小さ過ぎるという、むらのある変換電力を生産していたことにもある。このため、幹線電力網に適した均一な出力を供給することが困難になっていた。

別の問題は、卓越潮状態に応じた羽根の高さの調整であった。海面の高さは干潮と満潮ではしばしば数メートル変化し、揺動する羽根が海底の近くでヒンジ結合されている場合には、すべての潮状況にわたって羽根を最適に使用することはできない。例えば、干潮時に羽根が海底から海面まで及ぶ場合、満潮時には羽根の上端が海面から離れてしまい、波力エネルギーのうち海面のすぐ下で集められたはずの部分は大きく失われる。同様に、満潮時に羽根が海底から海面まで及ぶ場合、干潮時には羽根の上端が海面より高く延び、したがって視覚的に望ましくないうえに、風が収集力を低下させるので最大量の波力エネルギー収集する能力を維持できなくなる。

卓越する風や潮の状態に応じた羽根の高さおよび表面積の調整に対する公知の解決方式は、特開平4-358769号公報に示されている。同公報は、海底上にヒンジ結合され波とともに往復運動するように構成された板状羽根を有する装置を示す。羽根の上部にはフロートを有する可動部分があり、フロートは可動部分の上端を常に海面上に保つ。潮位または波高が変化すると、可動部分を有するフロートは海面の高さに応じて上下に動く。したがって、海面が高いときにフロートは上がって羽根の高さが増し、羽根の表面積が増大する。海面が低いときにはフロートが下がって羽根の高さが減り、したがって対応して羽根の表面積が小さくなる。他の類似のフロート方式と同様にこの解決方式には、荒れた海洋状態に適していないという不利益があり、さらに、荒れた海洋状態に備える調整装置や保護装置は、製造が困難かつ高コストである。この日本公報の方式のさらなる欠点は、卓越する海洋状態に応じて収率を最適化することも平衡させることもしないことである。

本発明の目的は、上述の不利益を除去するとともに、利用できる最大量の波力または潮力エネルギーを取り込め、また装置を荒れた海洋状態から保護できるように、波力エネルギー回収システムにおける効率的で信頼性のある表面積調整用装置を達成することである。また、本発明の目的は、板状または帆状の羽根の高さ位置を容易に調整可能な波力エネルギー回収システム用装置を達成することである。本発明に係る波力エネルギー回収システムにおける往復動羽根システムの表面積調整装置は、請求項１の特徴部分に示される事項によって特徴づけられる。本発明の他の実施例は、他の請求項に示される事項によって特徴づけられる。

本発明の解決手法は、高度な調整装置によってシステムがさまざまな海洋状態によく適応できるので、エネルギー変換を最大化できるという利点を有する。このようにして、干潮から満潮まで、またいかなる海洋状態であっても羽根の動きから得られる最大の力を波力エネルギー回収システムのパワーテイクオフ（PTO）手段に供給することができる。別の利点は、羽根システムの総有効表面積を卓越海洋状態に応じて容易に調整することができ、いかなる海洋状態でも最大量の波力エネルギーを取り込めることである。さらなる利点は、波が小さい穏やかな状態において、本発明に係る調整装置がより多くのエネルギーの取込みに役立つことである。そのうえ、さらなる利点は、荒れた海洋状態から装置を保護する制御能力にある。またそのうえ、さらなる利点は、羽根が全体として水面下にあってよいため、望ましくない部分が見えないことである。

以下に、添付の簡易概略図面を参照して３つの実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
本発明に係る波力エネルギー回収システムの潮調整装置を使用することができる波力エネルギー回収モジュールを上面図で示す。 本発明に係る板状羽根アセンブリが最下かつ最小位置にあるときの正面図を簡略な図式的方法で示す。 本発明に係る板状羽根が中間のサイズおよび位置にあるときの正面図を簡略な図式的方法で示す。 本発明に係る板状羽根が最上かつ最大位置にあるときの正面図を簡略な図式的方法で示す。 本発明に係る別の板状羽根が最大サイズのときの正面図を簡略な図式的方法で示す。 本発明に係る帆状羽根が最下位置にあるときの上面図を簡略な図式的方法で示す。 本発明に係る帆状羽根が最上位置にあるときの上面図を簡略な図式的方法で示す。 本発明に係る羽根の高さ調節手段が最下位置および最上位置にあるときの側面図を簡略な図式的方法で示す。 本発明に係るさらに別の板状羽根が最大サイズとなるときの正面図を簡略な図式的方法で示す。 図９の板状羽根のサイズが小さくなったときの側面図を簡略な図式的方法で示す。

図１には、本発明に係る波力エネルギー回収システムの潮調整装置を使用して海水の波力エネルギーまたは潮力エネルギーのような運動エネルギーを回収することができる波力エネルギー回収モジュール１が示されている。本実施例による波力エネルギー回収モジュール１は、その製造現場において海底に錨で固定され、例えば水盆のいわゆる中間水域に位置している。ここで中間水域とは、国際公開第2004/097212号公報におけるのと同じ領域、すなわち水盆領域、一般的には波長の0.5にまで及ぶ、いわゆる砕け破線と浅水域の間の深さ範囲の海洋領域を指す。中間水域において、最卓越波長に対する水深の関係は1/2〜1/20の間である。その水域において、水の深さは通常約8ｍ〜20ｍであり、潮によって生じる水面の高さは数メートル変動する場合がある。その製造現場において、波力エネルギー回収モジュール１は、海の波の運動エネルギーを回収して、運動エネルギーを電気エネルギーに変換できる。また、波力エネルギー回収モジュール１は海水から淡水を作ることができる。

波力エネルギー回収モジュール１は、少なくとも、基部として機能する本体２と、本体２に取り付けられ波力エネルギーを回収する１つ以上の回収ユニット３と、回収ユニット３により回収されるエネルギーを集める収集手段3cと、収集したエネルギーを転送してさらなる使用を図るケーブル４と、保護カバーを備え波力エネルギー回収モジュール１のすべての回収ユニット３を少なくとも収集手段3cに連結するケーブルトラフ５とを有する。

本体２は、例えばコンクリートまたは鋼鉄で作られ、一群の浮き区画、乾燥状態に保つ機器および機械室、ならびに本体２の両端にある弁区画からなる。弁区画には、空気用の充填弁および放出弁、ならびに水用の充填弁および放出弁がある。水および空気をすべての浮き区画および弁区画に送ることができるように、水道管および空気管が各区画の分離壁を貫通して取り付けられている。波力エネルギー回収モジュール１は、そのコンクリートまたは鋼鉄の構造が重いため、浮き区画が水で満たされると、海底で安定状態を保つ。対応して、浮き区画は、浮き区画が空気で満たされると、本体２が水面に浮き上がれるほど十分に大きい。

各回収ユニット３は、少なくとも、波力エネルギー回収モジュール１の本体２上にヒンジ結合された板状または帆状の羽根要素3aと、波力エネルギーの回収手段またはパワーテイクオフ（PTO）手段3bとを有する。羽根要素3aは、波の運動エネルギーに起因する往復運動をするように構成されている。また、回収されたエネルギーは、本体２内にあるエネルギー貯蔵場に保存されるか、または収集手段3cおよびケーブル４を介して次段の装置の使用のために移送される。次段の装置は、例えば、沿岸にある収集ステーションでよい。波力エネルギー回収モジュール１により生成される淡水は、波力エネルギー回収モジュール１の本体２内にある容器に貯蔵することができ、さらなる使用のために随時供給される。

図２ないし図４において、本発明に係る２枚の板状羽根3aを有する回収ユニット３がいろいろな位置にある場合を簡略な図式的方法で示している。図２に示す本発明に係る羽根3aは、それらの最下位置にある。看者の方向から見て、第１すなわち最も左の羽根3aは手前にあり、第２すなわち最も右の羽根3aは第１の羽根の後ろにある。羽根3aの総有効表面積は最小である。これに対し図３では、羽根3aは両方とも中間の位置にあり、それらの最下位置から上方にかつ同時に側方に上昇している。羽根3aの総有効表面積は、最下位置と比較して増大している。そして図４では、羽根3aはそれらの最上位置にあり、それらの中間位置からさらに上方にかつ同時に側方に上昇し、そのため羽根3aの総有効表面積はその最大サイズまで増大している。羽根3aは、羽根を支持する手段６も含み、これは、支持手段６の下端にあるヒンジ6aによって波力エネルギー回収モジュール１の本体２に羽根3aを連結するものである。これによって、羽根3aはその下端でまたは下端近くで、支持手段６を介して本体２上で旋回し、波または潮流の運動エネルギーに応じて往復運動をする。支持手段６は、さらに調整手段12を有し、これは、羽根3aの垂直および／または水平位置を調整するとともに、１組の羽根3aの総有効表面積を調整するものである。

本体２には、羽根3aの支持手段６がヒンジ手段6aによってヒンジ結合され、この本体も簡略な図式的方法で示されている。羽根3aは、調整手段12によって傾斜方向に別々に動けるように、支持手段６に個々に緊締されている。第１の羽根3aは、図２の矢印Ａにより示される第１の傾斜方向に沿ってその最下位置と最上位置の間で動く。第２の羽根3aは、図２の矢印Ｂにより示される第２の傾斜方向に沿ってその最下位置と最上位置の間で動く。

羽根3aの傾斜動作は、傾斜方向に延伸可能な調整手段12を用いて実現される。調整手段12は、例えば、２本、３本、またはそれより多数の延伸可能なシリンダ部分を有する液圧シリンダを含む。調整手段12が垂直位置にあり、また、案内要素が矢印ＡおよびＢにより示される傾斜方向にあってもよい。羽根3aは、上方へ持ち上がるとき、傾斜方向ＡおよびＢに案内要素に沿って同時に移動する。傾斜方向ＡおよびＢの角度は45度が最適であるが、他の角度でもよい。

この種の回収ユニット３は非常に用途が広い。干潮のときには、羽根3aは両方とも、図２に示すように始終最下位置まで降りる。これに対し、満潮のときには、通常の卓越海洋状態であれば、両方の羽根3aは、できるだけ多くの波力エネルギーを取り込むために最上位置まで上昇する。卓越海洋状態が穏やかであっても、海面に近い方の水と比較して同じ相内で動かない海底付近で水の抵抗をできるだけ最小にするには、両方の羽根3aがともに最上位置まで上昇する。そして最後に、卓越海洋状態が荒れているときには、羽根3aは、激しい状態に耐えるために安全な位置およびサイズになるまで下方に降ろされる。

図５において、本発明に係る３枚の板状羽根3aを有する別の回収ユニット３がその最大となる状態を簡略な図式的方法で示している。その場合、３枚の羽根3aのうちの２枚は最上位置にあり、総有効表面積が最大になる。また、第３の羽根3aは本体２の近くの中央部に下がっている。図５における２枚の上方羽根3aは、図２ないし図４に示される羽根3aと本質的に同様な、支持手段６および調整手段12を備える構造を有し、傾斜方向ＡおよびＢに昇降できる。したがって、最小となる状態にある場合には、３枚の羽根3aすべてが本質的に同じ位置に下がっていて、互いに隣接している。これによって、総有効表面積はその最小値、すなわちほぼ１枚の羽根3a分のサイズになる。

第３の羽根3aは、羽根3aを支持する本質的に垂直な支持手段６を含み、支持手段６の下端は、羽根３を波力エネルギー回収モジュール１の本体２上にヒンジ6aによって連結している。これによって、羽根3aは、その下端、または下端の近くが支持手段６を介して本体２上で旋回し、波または潮流の運動エネルギーに応じて往復運動をする。支持手段６はさらに、第３の羽根3aの垂直位置を制御する調整手段12を有し、１組の羽根3aの総有効表面積を調整する。最下にある中間羽根3aは、その最下位置まで降ろすことによって、例えば、あまりに激しい暴風雨の状態から回収ユニット３を保護するために用いることができる。２枚の最上位置の羽根3aを垂直方向に適切に動かすことによって、干潮から満潮まで、またいかなる種類の海洋状態でも羽根移動により最大の力を取り込める。

調整手段12によって第３の羽根3aの下端と本体２の間の隙間を調整することも可能であり、これによって、隙間を閉じると隙間を通る流れが発生せず、また隙間が小さいときは全水流と比較してほんのわずかな流れしか発生させないようにすることができる。調整手段12の助けによって隙間を閉じることができ、隙間は制御された方法で拡大または縮小することができる。第３の羽根3aの構造は、第３の羽根3aの垂直調整ができないものでもよい。その場合、構造はほとんど複雑ではないが、調整機能は失われる。

図６および図７において、本発明に係る帆状羽根3aを有するさらに別の回収ユニット３は、その最下位置および最上位置について簡略な図式的方法で示されている。図６では羽根3aは最下位置にあり、図７では羽根3aは最上位置にある。本体２には、羽根3aの１対の支持手段６が１対のヒンジ手段6aによってヒンジ結合され、この本体は図示されていない。羽根3aの上端８が垂直方向に上下動できるように、羽根3aは支持手段６に緊締されている。羽根3aの上端８の垂直運動は、垂直方向に延伸可能な支持手段６により実現される。支持手段６は、例えば、２本、３本、またはそれより多い延伸可能なシリンダ部分を有する液圧シリンダを含む。

帆状羽根3aの下端は、支持手段６の両方に固定的に緊締された水平枠９内に配置されたロールに巻かれる。高さ調整は、支持手段６によって実現され、これは、支持手段の上端を上方へ延ばし、同時に羽根3aの上端８を上方へ必要な高さ位置まで上昇させることにより行われる。帆布は、上昇中、対応する量がロールから繰り出される。上端８が降ろされるとき、対応する量が枠９のロールに巻き戻される。

図８において、本発明に係る羽根3aのサイズおよび高さ調整手段として働く調整手段12を含む支持手段６は、その最下位置および最上位置で示されている。支持手段６の下端は、波力エネルギー回収モジュール１の本体２上でヒンジ6aによってヒンジ結合されている。この例では、支持手段６は調整手段12として液圧シリンダを含むが、調整手段12または作動手段は他の種類のアクチュエータ、例えば、ラックピニオンシステム、または線形アクチュエータもしくは同種のものでもよい。支持手段６は垂直であるか、または傾斜位置に置いてもよい。

図９および図10において、重なった３枚の板状羽根を有するさらなる回収ユニット３が簡略な図式的方法で示されている。各羽根3aは、旋回軸12a上でその両側端の中間部が垂直支持手段６にヒンジ結合され、後者の下端は波力エネルギー回収モジュール１の本体２にさらにヒンジ結合されている。したがって、すべての羽根3aは、波および／または潮流の運動エネルギーに応じて支持手段６とともに往復運動する。羽根3aは、図10に示されるように、水平旋回軸12aを中心に回転することにより調整することができる。垂直位置から水平位置に向けて羽根3aを回転させることによって、羽根3a全体の有効表面積が減ってエネルギーの取込みを調整する。本装置は、波力エネルギー回収システムの制御システムに接続された調整手段12を有し、これは、波力エネルギー回収システムの制御システムによって与えられる命令に従って軸12aを中心に羽根3aを一斉に、または個々に回転させる。

羽根3aの昇降、位置および総有効表面積は、さまざまな方法で制御し、調整することができる。その目的のために、本発明に係る波力エネルギー回収システム用装置は、例えば、卓越海洋状態を認識する検出手段11を有する。検出手段11は、波力エネルギー回収システムの制御システムに接続され、エネルギーの取込みを最大にする情報を与え、また装置を荒れた海洋状態から保護するように構成されているが、これは、羽根3aの総有効表面積を調整することによって、また卓越海洋状態にできるだけ適した高さに羽根3aを配置することによって行われる。したがって、例えば、検出手段11は、荒れた海洋状態では、羽根3aを海底により近く降ろし、および／または羽根3aの総有効表面積を減らす情報を与え、また、穏やかな海洋状態では、羽根3aを水面により近く上昇させ、および／または羽根3aの総有効表面積を増大させて波力エネルギーの獲得を最大にする情報を与えるように構成されている。

潮の調整に関して、１つの方法は、十分に正確な予測を含む公開潮汐表を使用して、水面に対応する羽根3aの高さ位置を制御する簡単で信頼性のあるやり方をとることである。潮汐表のデータは、波力エネルギー回収モジュール１のコンピュータデータベースに入力され、継続的に用いて羽根3aの高さ位置を制御することができる。潮調整を制御する別の方法は、圧力センサ７または同種のものを使用して水面の現在の高さを測定することである。これらの２つの方法を一緒に用いることもできる。板状羽根3a、または帆状羽根3aの上端８を上方または下方へ動かすときに、高さ位置を最上の高さ位置と最下の高さ位置の間で無段階に調整することができ、また、羽根3aの総有効表面積も無段階で調整することができる。

羽根3aの動きを制御するすべての方法に対する共通の特徴は、波力エネルギー回収モジュール１の移動制御手段10によって羽根3aの調整を行うことである。移動制御手段10は、波力エネルギー回収システムの制御システムに接続され、少なくとも羽根3aの総有効表面積を監視し、あらゆる状況において表面積をできるだけ最適に保つ。図９および図10に示す実施例では、移動制御手段10は、羽根3aの総有効表面積の大きさに影響を及ぼす羽根3aの回動運動を制御する。

本発明は上述した実施例に限定されず、以下に示される請求項の範囲内で変更し得ることが当業者に明らかである。したがって、例えば、羽根を有する波力エネルギー回収ユニットは構造が変更可能である。

羽根の高さおよびサイズ調整装置は機械的または電気的であって羽根の動き、速度もしくは位置のいずれかに自動的に応動してもよく、または高さおよびサイズの調整は制御プログラミングに基づいてもよいことも、当業者に明らかである。

Claims (12)

1. 少なくとも本体と、該本体に下端部がヒンジ結合された支持手段に緊締され波または潮流の運動エネルギーに応じて往復運動する１組の羽根と、パワーテイクオフ（PTO）手段とを含む波力エネルギー回収システムにおける往復動羽根システムの表面積調整装置において、該装置は少なくとも、前記１組の羽根の総有効表面積を調整することができる調整手段を含み、前記１組の羽根は互いに隣接している少なくとも２枚の羽根を含み、該羽根は個々に前記支持手段に緊締され、前記調整手段によって前記羽根を互いに異なる傾斜方向に別々に動かすことを特徴とする波力エネルギー回収システムにおける往復動羽根システムの表面積調整装置。
2. 請求項１に記載の表面積調整装置において、前記１組の羽根のうち第１の羽根は第１の傾斜方向に沿ってその最下位置と最上位置の間で動き、前記１組の羽根のうち第２の羽根は第２の傾斜方向に沿ってその最下位置と最上位置の間で動くことを特徴とする波力エネルギー回収システムにおける往復動羽根システムの表面積調整装置。
3. 請求項１または２に記載の表面積調整装置において、該装置は、前記羽根の前記総有効表面積および／または垂直位置の変更を制御する移動制御手段を含むことを特徴とする波力エネルギー回収システムにおける往復動羽根システムの表面積調整装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の表面積調整装置において、該装置は卓越海洋状態を認識する検出手段を含み、該手段は、前記波力エネルギー回収システムの制御システムに接続され、さらに前記卓越海洋状態にできるだけ適したサイズに前記羽根の前記総有効表面積を調整することによってエネルギーの取込みを最大にする情報を与えるように構成されていることを特徴とする波力エネルギー回収システムにおける往復動羽根システムの表面積調整装置。
5. 請求項４に記載の表面積調整装置において、荒れた海洋状態では、前記検出手段は、前記羽根の前記総有効表面積を減らす情報および／または前記海洋状態の激しさに応じて海底により近く前記羽根を降ろす情報を与えるように構成されていることを特徴とする波力エネルギー回収システムにおける往復動羽根システムの表面積調整装置。
6. 請求項４または５に記載の表面積調整装置において、前記検出手段は、穏やかな海面状態における波力エネルギーの取込みを最大にするために、前記羽根の前記総有効表面積を増大させ、および／または前記水面により近く前記羽根を上昇させる命令を出すように構成されていることを特徴とする波力エネルギー回収システムにおける往復動羽根システムの表面積調整装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の表面積調整装置において、前記１組の羽根は、前記調整手段によって垂直および／または水平位置が調整可能な少なくとも２枚の羽根を含むことを特徴とする波力エネルギー回収システムにおける往復動羽根システムの表面積調整装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の表面積調整装置において、前記１組の羽根は３枚の羽根を含み、該羽根のうち、第１の２枚の羽根の位置が垂直および水平に調整可能であり、第３の羽根の位置は垂直に調整可能であることを特徴とする波力エネルギー回収システムにおける往復動羽根システムの表面積調整装置。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の表面積調整装置において、前記調整手段は前記支持手段に接続され、前記調整手段は垂直方向または傾斜方向に延伸可能であることを特徴とする波力エネルギー回収システムにおける往復動羽根システムの表面積調整装置。
10. 請求項１ないし８のいずれかに記載の表面積調整装置において、前記調整手段は、前記羽根をその水平旋回軸を中心に回転させるように構成されていることを特徴とする波力エネルギー回収システムにおける往復動羽根システムの表面積調整装置。
11. 請求項３に記載の表面積調整装置において、前記移動制御手段は、利用できる潮汐表のデータ、または水面の現在の高さを通知するように接続された圧力センサまたは同種のもののデータを使用するように構成されていることを特徴とする波力エネルギー回収システムにおける往復動羽根システムの表面積調整装置。
12. 請求項１ないし11のいずれかに記載の表面積調整装置において、前記羽根の高さおよびサイズの調整装置は、機械的もしくは電気的であって、前記羽根の動き、速度もしくは位置のいずれかに自動的に応動し、または前記高さおよびサイズの調整は制御プログラミングに基づくことを特徴とする波力エネルギー回収システムにおける往復動羽根システムの表面積調整装置。

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