JP5952273B2 - エネルギ変換ユニット、エネルギ変換ユニットを備えたエネルギ変換システム、及びエネルギ変換ユニットを用いて波の動きをエネルギに変換する方法 - Google Patents
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Description
特許文献7(1979年)は、浮動ブイまたは船が配置されて、波が船の一方の側において回収され、これらを船の反対側にある水タービンにおいて変換する方式について記載している。このエネルギ吸収法に加えて、海面における波のクレストと波のトラフとの間の差を利用する他の方法、例えば、Pelamis社の「sea snake」は作用するために大型の構造を必要とする。
本発明の第1の態様によれば、外力を、少なくとも1つの力伝達アクスルのアクスル回転運動に変換するように構成されたエネルギ変換ユニットが提供される。ここで、エネルギ変換ユニットは、外力をアクスル回転運動に変換するように構成された変換モジュールと、変換モジュール上において外力(F)を往復運動に転換するように配置された少なくとも1つの規制デバイスとを備え、変換モジュールを少なくとも部分的に密閉する中央ユニットを特徴とする。変換モジュール上において外力を往復運動に転換するための往復運動は、密閉容積内における流体の往復運動、および機械的な装置の往復運動の少なくとも一方である。
この少なくとも1つのコンプライアンスチャンバは、例えば、気体等の圧縮性媒体が充填された外部(周囲に開放された)または内部(周囲から区切られている)チャンバとされうる。規制デバイスとコンプライアンスチャンバとの間に形成された圧力勾配は、圧縮性媒体の圧縮または減圧によってエネルギとして貯蔵することができる。貯蔵されたエネルギは、変換モジュールに荷重をかけない押または引デバイスを使用することによって規制デバイスに伝達されうる。外部チャンバを外部の周囲環境とすることができ、内部コンプライアンスチャンバを周囲から区切ることができ、かつエネルギ変換ユニットの内部に配置することができる場合、規制デバイスを、例えば、1つの内部コンプライアンスチャンバおよび1つの外部コンプライアンスチャンバの、2つのコンプライアンスチャンバに連結することもまた可能である。内部往復動容積における2倍のエネルギ貯蔵を可能とするため、規制デバイスを2つの、周囲から区切られたコンプライアンスチャンバに連結させることもまた可能である。規制デバイスがコンプライアンスチャンバと直接連結されている場合、規制デバイス上における圧力勾配は往復動容積に作用する往復動力によって直接的に形成されうる。この場合、往復動容積は機械的な力伝達デバイスとされうる。規制デバイスがコンプライアンスチャンバと間接連結している場合、往復動容積は非圧縮性流体とされうる。
入力される外力が複動規制デバイスに連結される場合(好ましくは規制デバイスがピストンまたは回転翼である場合)、コンプライアンスチャンバ内の、通常、規制デバイスの一方の側にある圧縮性媒体において大きな負圧(真空)が発生しうる。入力された力はその後変換モジュール上において引張力に変換することが可能である。複動規制デバイスによって形成された負圧容積に、規制デバイスの戻る動きによって開くことができるバルブを設けることによって、例えば、ピストンシール上における流体の漏れを排出することができ、最大サイズの負圧容積を維持することができる。
サービスボリュームは、気体、液体等の流体およびエネルギ変換ユニットの機構および機能の内部容積を最適にする、システムに含まれるべき他の構成要素を含んでもよい。サービスボリュームは、また、キャビテーションの発生を防止してもよく、同時に、規制デバイスの減速および端部停止部/端部位置液圧ダンパを形成するのに十分な流体を提供してもよい。サービスボリュームの容積は好ましくは特定の圧力で加圧される。
本発明は、また、上記実施形態のいずれかによるエネルギ変換ユニットが、以下のいずれかの形態を有するエネルギ吸収装置に一体化されているか、近接していることを特徴とするエネルギ変換システムに関する、すなわち、海または海洋の底の反応質量または重量によって生成された反力を有するポイントアブソーバ、砕波を捕らえるために海岸の近傍の海または海洋の底に適切な深さで固定される波ティルタ、または往復動する風または水流を変換するように構成されたエネルギ変換ユニット。
以下において、本発明の実施形態を詳細に説明する。図は単に説明を目的とするものであり、本発明の権利範囲を決して制限するものではない。したがって、「上」または「下」等の方向の任意の言及は図に示される方向を単に意味するものである。また、図に示される任意の寸法等は説明を目的とするものである。
弾性は、材料が弾性的に変形する能力である。弾性変形は、材料が応力(例えば外力)下において変形するが、応力が除去されるとその元の形状に戻る変形である。より弾性的な材料とは、より低い弾性係数またはヤング率を有する材料として理解されるべきである。物体の弾性係数は、その弾性変形領域における応力ひずみ曲線の勾配として定義される。弾性係数は、応力/ひずみで計算される。ここで、応力は、変形の原因となる力を、力が印加される面積で除したものであり、ひずみは、応力に起因する変化の割合である。
1.気密的に密閉されたエネルギ変換器をいかなる流体の漏れもなく提供することができ、
2.海洋面と海底との間における電流供給および通信を、常時上下に往復動するため動きの弱化および機械的な損傷という大きな危険性を伴うケーブルなしで行うことができる。
図16c〜16dでは、変換器が1つの方向に回転する場合は変換モジュール2cが1つの発電機を動作し、変換器がもう一方の方向に回転する場合はもう一方の発電機を動作するように配置されたフリーハブ29およびフライホイール31が2つの発電機ユニット30に備えられている。発電機の回転子には、同様に、変換モジュールが方向を変換するために停止している際、回転子へのエネルギを貯蔵および変換するフライホイール31が設けられている。これにより、1つの発電機のフリーハブが駆動軸を解放する一方で、もう一方の発電機のフリーハブが駆動軸を把持することになる。この実施形態は、電力を発生させるために1つ以上のエネルギ変換器が使用される場合に良好な代替となりうる一定の電流供給を送達する。
図17cには、フリーハブ29およびフライホイール31が備えられた2つの発電機ユニット30が図16cと同じ方式で配置されている。変換モジュールの両駆動アクスルが中央ユニット1iの垂線の中心にあるため、重量および容積分布は対称である。図16cで記載したものと同じ利点を有する対向する植込歯車は、示されない別個のアクスル7bに固定されうる。
機械的なトルク変換により、キャビテーションの危険性がなくなり、機械効率が非常に高くなる。ギアラックは、それらの得られた効果が、植込歯車およびフリーハブの補助により、中央ユニット1nを通るギアラックの動きの方向と無関係に、同じ方向に回転する1つの共通の中心軸に提供されうるように配置および調整されている。これにより、幾何学的および重量分配的の両方においてエネルギ変換器全体に望ましい対称度が提供される。エネルギ変換器の総密度は押しのけられた水量に近いものとされうる。さらに、発電機はフライホイールの協働によって均一な運転を得る。
図23a〜23eは、本発明の好適な基本実施形態を示す。
Claims (21)
- 外部往復動力(F)を、少なくとも1つの力伝達アクスル(7)のアクスル回転運動に、または直接的に電力に変換するように構成されたエネルギ変換ユニットであって、
前記外部往復動力(F)を、前記少なくとも1つの力伝達アクスル(7)のアクスル回転運動に、または電力に変換するように構成された変換モジュール(2a〜2d、56、64、73、80、81、87、Cm、6xa、6xb、6xc)と、
前記変換モジュール(2a〜2d、56、64、73、80、81、87、Cm、6xa、6xb、6xc)を少なくとも部分的に密閉する中央ユニット(1a〜1q)と、
力伝達デバイス(6a、6b、40、64、74、3xa、3xb)を介して、前記外部往復動力(F)が直接的に作用する少なくとも1つの規制デバイス(1xa、1xb、3、4、5、39)と、
密閉容積(V1)内に密閉された液体および気体の少なくとも一方からなる流体(Fl)とを備え、
前記少なくとも1つの規制デバイス(1xa、1xb、3、4、5、39)が、前記外部往復動力(F)を、前記密閉容積(V1)の往復運動、または前記密閉容積(V1)および機械的な装置(6b、64、40、74、3xa、3xb、3xc)の往復運動に転換するように構成され、
前記往復運動が、前記変換モジュール(2a〜2d、3xa〜3xc、56、64、73、80、81、87、Cm、6xa、6xb、6xc)によって、電力、または前記少なくとも1つの力伝達アクスル(7)の運動に変換されるエネルギ変換ユニットにおいて、
前記密閉容積(V1)が、以下の3つの方式のいずれか1つ、即ち、
前記エネルギ変換ユニットにおいて内部に配置されるとともに、容積(V2、V3)を有する圧縮性媒体を含む第1のコンプライアンスチャンバ(C1、Cxb)と、前記エネルギ変換ユニットにおいて内部に配置されるとともに、容積(V5)を有する圧縮性媒体を含む第2のコンプライアンスチャンバ(C2、Cxa)又は前記エネルギ変換ユニットの外部に配置されるとともに、圧力(Px)を有するコンプライアンス容積(Fx)とによって制限する第1方式であって、前記第1のコンプライアンスチャンバ(C1、Cxb)と、前記第2のコンプライアンスチャンバ(C2、Cxa)又はコンプライアンス容積(Fx)とが、前記規制デバイス(1xa、1xb、3、4、5)の両側に配置されて、前記規制デバイス(1xa、1xb、3、4、5)上において少なくとも1つの気体バネを形成し、往復動システムに液圧式の復帰力を提供する前記第1方式と、
前記少なくとも1つの規制デバイス(1xa、1xb、3、4、5)、および外部に開放された往復動動作サイクル中に移動可能に構成された媒体を含む少なくとも1つのコンプライアンス容積(Fx)によって制限する第2方式であって、開放動作サイクル内において往復動している際に、前記流体(Fl)が外部に直接的または間接的に連通する前記第2方式と、
前記少なくとも1つの規制デバイス(Cxa、Cxb、3、4、5)、および圧縮性媒体を含む内部コンプライアンスチャンバを有するか、または有しない密閉容器(4x、12、13、35)によって制限する第3方式であって、前記流体(Fl)が外部に対して閉鎖した内部動作サイクルにおいて往復動する前記第3方式とのいずれか1つによって制限されることを特徴とするエネルギ変換ユニット。 - 往復動する波の動きまたは往復動する風または水流の動きから生じた外部往復動力(F)を、少なくとも1つの力伝達アクスル(7)におけるアクスル回転運動に、または直接的に電力に変換するように構成されたエネルギ変換ユニットであって、
前記外部往復動力を、前記少なくとも1つの力伝達アクスル(7)におけるアクスル回転運動に、または電力に変換するように構成された変換モジュール(2a〜2d、56、64、73、80、81、87、Cm、6xa、6xb、6xc)と、
前記変換モジュール(2a〜2d、3xa〜3xc、56、64、73、80、81、87、Cm、6xa、6xb、6xc)を少なくとも部分的に密閉する中央ユニット(1a〜1q)と、
力伝達デバイス(6a、6b、64、74、3xa、3xb、3xc)を介して、前記外部往復動力(F)が直接的に作用する少なくとも1つの規制デバイス(1xa、1xb、3、4、5)と、
密閉容積(V1)内に密閉された液体および気体の少なくとも一方からなる流体(Fl)とを備え、
前記規制デバイス(1xa、1xb、3、4、5)が前記外部往復動力(F)を前記密閉容積(V1)の往復運動に転換するように構成され、
前記往復運動が、前記変換モジュール(2a〜2d、3xa〜3xc、56、64、73、80、81、87、Cm、6xa、6xb、6xc)によって、電力、または前記少なくとも1つの力伝達アクスル(7)における運動に変換されるエネルギ変換ユニットにおいて、
前記密閉容積(V1)が、前記エネルギ変換ユニットにおいて内部に配置されるとともに、容積(V2、V3)を有する圧縮性媒体を含む第1のコンプライアンスチャンバ(C1、Cxb)と、前記エネルギ変換ユニットにおいて内部に配置されるとともに、容積(V5)を有する圧縮性媒体を含む第2のコンプライアンスチャンバ(C2、Cxa、C8)または前記エネルギ変換ユニットの外部に配置されるとともに、圧力(Px)を有するコンプライアンス容積(Fx)とによって制限され、
前記第1のコンプライアンスチャンバ(C1、Cxb)および前記第2のコンプライアンスチャンバ(C2、Cxa)が前記規制デバイス(1xa、1xb、3、4、5)の両側に配置されることを特徴とするエネルギ変換ユニット。 - 前記コンプライアンスチャンバ(C1、Cxb、C2、Cxa)の少なくとも1つに過圧力または負圧力を提供して、エネルギ吸収度を増加する請求項2に記載のエネルギ変換ユニット。
- エネルギ抽出を最適化し、キャビテーションを回避するため、前記コンプライアンスチャンバ(C1、Cxb、C2、Cxa)の少なくとも1つに、前記コンプライアンスチャンバ(C1、Cxb、C2、Cxa)のうちの少なくとも1つの圧力(P4、P5)を、手動および自動の少なくとも一方によって制御するための内部圧力装置(R1、R2)が設けられる請求項2または3に記載のエネルギ変換ユニット。
- 少なくとも1つのコンプライアンスチャンバ(C1、Cxb、C2、Cxa)が逆止弁(11)を介して外部に連通している請求項2〜4のいずれか1項に記載のエネルギ変換ユニット。
- 前記少なくとも1つの規制デバイス(1xa、1xb、3、4、5、39)がシリンダの形態を有し、力伝達デバイス(6a、6b、40、64、74、3xa、3xb、3xc)を介して、前記外部往復動力(F)が作用する一次ピストン(2xb、3a、3b、3c、4b、4c、4d、39)が、前記シリンダ内における前記一次ピストンの往復運動を生成して、エネルギを引張力によって前記変換モジュール(2a〜2d、56、64、73、80、81、87、Cm、6xa、6xb、6xc)に伝達する請求項1〜5のいずれか1項に記載のエネルギ変換ユニット。
- フライホイールが前記力伝達アクスル(7)に連結され、該フライホイールは、圧縮性チャンバの少なくとも1つにおいて前記圧縮性媒体の圧縮または減圧によって生成されたエネルギを貯蔵するために使用されるように構成された請求項1〜6のいずれか1項に記載のエネルギ変換ユニット。
- 一次ピストン(2xb、3a〜3c)を備えた直線状シリンダ(3)の形態、および二次ピストン(2xa、3a〜3c、68、Spx)を備えた直線状シリンダ(3、Scx)の形態を有する一次規制デバイスおよび二次規制デバイス(Cxa、3、4、5)を備え、前記一次ピストンと前記二次ピストンとが、1つ以上の機械的な力伝達デバイス(3xa、3xb、3xc、6a、6b、64、74)によって連結されている請求項1〜7のいずれか1項に記載のエネルギ変換ユニット。
- 前記一次ピストン(2xb、3a〜3c)および前記二次ピストン(2xa、3a〜3c、68、Spx)が前記直線状シリンダ(3、Scx)内において作動し、前記直線状シリンダは前記ピストンに連結された前記力伝達デバイス(6a、6b、64、74、3xa、3xb、3xc)を案内する請求項8に記載のエネルギ変換ユニット。
- 内部コンプライアンスチャンバ(C1、Cxb、C2、Cxa)が、閉鎖された外部シリンダ(10、12)により一次規制デバイスおよび二次規制デバイスの少なくとも一方を密閉することによって形成される請求項7又は8に記載のエネルギ変換ユニット。
- 一次ピストン(3a〜3c)を備えた直線状シリンダ(3)の形態を有する一次規制デバイスと、密閉されたベローズ、螺旋状のエラストマシリンダ(4)、及び直線状エラストマシリンダ(5、Cxc)のうち少なくとも1つの形態を有する二次規制デバイス(3、4、5)とを備える請求項1〜10のいずれか1項に記載のエネルギ変換ユニット。
- 前記中央ユニットが、流体の流れを案内して、前記中央ユニット上において前記密閉された流体(Fl)の往復運動を生成するように構成された流路を備える請求項1〜11のいずれか1項に記載のエネルギ変換ユニット。
- 往復動容積(V1)内の流体が、流路(63、70)内の前記変換モジュールを全体的にまたは部分的に通過する請求項1〜12のいずれか1項に記載のエネルギ変換ユニット。
- 1つ以上のラッチバルブ(8)が流路(63、70)に設けられ、該1つ以上のラッチバルブ(8)は、自由な往復動流体の流れを、閉鎖的な流れに変換して、前記往復運動を妨げるように構成された請求項12又は13に記載のエネルギ変換ユニット。
- 前記中央ユニット(1a〜1q)に配置された液圧式制動装置(B1)と、前記規制デバイス(1xa、1xb、3、4、5、39)に配置された制動装置(B2、72、Dxa〜Dxc)とを備え、前記液圧式制動装置(B1)および前記制動装置(B2、72、Dxa〜Dxc)は、前記ピストン(3b〜3d、4b〜4d)と協働して、前記往復運動の端部位置において、前記伝達された流体の運動を減速させる請求項6に記載のエネルギ変換ユニット。
- 前記変換モジュールが、
機械的な装置(3xc)によって作動される少なくとも1つのリニア発電機であって、前記機械的な装置(3xc)に配置されたコイル(6xc)により前記往復運動を直接的に電力に変換する前記1つのリニア発電機と、
前記密閉された流体(Fl)の往復運動によって作動される少なくとも1つの流体トルクコンバータ(2a〜2d、56)と、
前記往復運動を前記少なくとも1つの力伝達アクスル(7)における運動に変換する機械的な装置(6b、64、74、3xa、3xb)によって作動される少なくとも1つの機械的な力伝達装置(6a、6b、40、64、74、3xa、3xb)とのうちの少なくとも1つを備える請求項1〜15のいずれか1項に記載のエネルギ変換ユニット。 - 前記変換モジュール(2a〜2d、3xa、3xb、64、73、80、81、87、Cm)が、ギアラック、チェーン、タイミングベルト、コード、スチールバンド、ワイヤまたはロープのうちの少なくとも1つからなる機械的な装置(6b、64、74、3xa、3xb)、もしくはロブローテーティングポンプ、ギアポンプ、ウイングポンプまたは流体の往復運動によって作動される他の容積型デバイス等の流体トルクコンバータ(2a〜2d、56)を備える請求項16に記載のエネルギ変換ユニット。
- 内部コンプライアンスチャンバ(C1、Cxb、C2、Cxa)は、流体を受け入れて前記内部コンプライアンスチャンバ(C1、Cxb、C2、Cxa)に送達するように構成された閉鎖容積(V6)に連通している請求項2〜17のいずれか1項に記載のエネルギ変換ユニット。
- 請求項1〜18のいずれか1項に記載のエネルギ変換ユニットを備えるエネルギ変換システムであって、前記エネルギ変換ユニットは、外部往復動力を生成するエネルギ吸収装置に一体形成されるか、連結され、前記エネルギ吸収装置は、
水面下の水圧に作用されるか、海底又は湖底の反応質量、重量または取付物によって生成された反力により水面に浮くように構成されたポイントアブソーバと、
海底に、代替的には、海岸に、又は海岸の近傍に、適切な深さで係留されて、砕波を捕捉する枢動式波板、又は往復動する風または水流を変換するように構成されたエネルギ変換ユニットとのうちのいずれかの形態を有するエネルギ変換システム。 - 請求項2〜18のいずれか1項に記載のエネルギ変換ユニットまたはエネルギ変換システム内において、往復動する波の動きを、利用可能なエネルギおよび電気の少なくとも一方に変換する液圧復帰力をもたらす方法であって、
圧縮性媒体が充填された少なくとも1つのコンプライアンスチャンバ(C1、1xb、C2、1xa)の圧縮による前記往復運動の少なくとも一部の間に入力される外部往復動力(F)をエネルギとして貯蔵するステップであって、前記少なくとも1つのコンプライアンスチャンバは前記外部往復動力(F)と反対に作用するバネ力を有する気体バネとして作用する前記貯蔵するステップと、
前記中央ユニット内に配置された前記変換モジュールを用いて、前記入力される外部往復動力を機械的な力および電力の少なくとも一方に変換するステップであって、前記エネルギを貯蔵するステップと前記変換するステップとは、貯蔵された前記エネルギが引き戻り力に変換されるように、並行して実施される前記変換するステップと、
往復動システムの復帰の動きが必要な際に、前記変換モジュールによって回転に変換される引張力および押圧力の少なくとも一方として前記貯蔵されたエネルギを一度に解放するステップとを含む方法。 - エネルギ吸収および変換される力を最適化するように、前記往復運動中、少なくとも1つのコンプライアンスチャンバ(C1、1xb、C2、1xa)内の圧力を調整するステップをさらに含む請求項20に記載の方法。
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