JP6050807B2 - 波エネルギー抽出装置及び方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

［技術分野］
本発明は水の波、特に海の波に存在するエネルギーを有益な機械的動作に変換する波エネルギー抽出装置またはパドルに関する。本発明はまた波エネルギー変換機器及び水の波からエネルギーを抽出する方法にも及ぶ。

世界の海及びその他の水塊は、変化する気象系から蓄積した広大なエネルギーを含有し、このエネルギーは表面上の波として伝播する。このエネルギーは、度々世界のエネルギー需要の数倍に及び得る「グリーン」な電力源とみなされる。

水の波からエネルギーを抽出するために用いられる様々な方法がある。この主なシステムは以下のものを含む。
１．水面上（または近傍）にある浮遊ユニットと固定点間の相対移動を機械的エネルギーの生成に使用する点吸収方法。

２．水面上に追従する浮遊ユニット群を使用し、それら浮遊ユニットの相対運動から機械的エネルギーを生成する減衰器。
３．水の波を垂直方向に切り粒子起動を遮ることにより生成した動作でパドルに沿った圧力勾配を引き起こし、この圧力勾配によりパドルを前後に動作させる波パドル。この動作により生じたエネルギーは、水圧式ピストンまたはラムにより捕捉されることで水をくみ上げ、電力を発生、または他の適切な方法でエネルギーを生成もしくは保存する。

［背景技術］
上記３番目の形式のシステムに着目し、異なるパドルの設計が考案されている。例えばＵＳ−Ａ−２００８／００１８１１３及びＧＢ−Ａ−２，３３３，１３０は、水面近傍の波の動作と交差する、下方に吊るされた平坦で左右対称なパドルについて記述している。これらの装置は、エネルギーを徐々に吸収し、波がその下を通過するに従いその波を平低化する。

ＷＯ−Ａ−２００４／０９７２１２及びＥＰ−Ａ−２，２９２，９２４は、浅瀬に適するよう設計されており、海底付近にヒンジにより固定された左右対称のパドルを使用する。ＷＯ−Ａ−２００４／０９７２１２は、縦方向に僅かな曲面がある概ね平坦なパドルについて記述している。一方、ＥＰ−Ａ−２，２９２，９２４のパドルは、一連の水平な筒状の部位から構成され、その鉛直断面形状は両側に起伏がある。このパドルはまた各垂直面から一様に突き出る一組の「エンドエフェクタ」を付加的に有する。

これらの装置で使用されるパドルの構造は全て異なるが、これらのパドルは概ね、パドルをエネルギーの移動する方向に動かす（「前進」）波の条件は、パドルの反対側の面に及ぼされる力であるが、パドルをエネルギーの移動する方向逆らって動かす（「後退」）力と同等であるという仮定に基づいて設計されている。よって、これらの各装置は、反対向きに設置された場合は同様に作用することになる。しかし、海のエネルギーの流れには概して方向的に大きな偏りがある。例えば、北海の北部では流入するエネルギーの９５％は平均的方位から＋／−３０度の範囲内から到達する。

これらの各パドルはまた、下流側の面が概ね平坦になっている。よって、これらのパドルが動くときには、パドルから伝播する副次的な波の生成により多大な量のエネルギーが浪費される。理想的なシステムにおいては、パドルの下流側には著しい波は生じない。これを達成する方法として、パドルの下流側の水を取り除いてパドルが抵抗なく動くことのできる空隙を生成する方法が挙げられる。しかし、これは複雑かつ建造に多額の費用がかかり、定期的な耐高圧防水シールの保守作業を要する。

波、特に海の波の方向的な偏りの利点を活かして波エネルギーの捕捉を増大させ、同時に下流側に生成される波を減少させて全体的なエネルギー吸収特性を最大化する簡素なパドルの設計が必要とされる。

［発明の概要］
この発明によれば、波エネルギー変換機器と併用されて、水の波からエネルギーを抽出し変換する波エネルギー抽出装置が供され、この装置は、高さと幅があり、少なくとも部分的に水没するように前記波エネルギー変換機器上に配置可能であり、平均的な波の方位に対抗するよう配置され装置の垂直対称軸に沿って凹状である第一の表面と、第一の表面の反対側に配置され装置の垂直対称軸に沿って凸状である第二の表面と、から構成され、波の峰及び谷からエネルギーを抽出可能である。よって、この発明の実施例には、前記装置（またはパドル）の第一及び第二の表面間に非対称性が存在する。この非対称性により、入射波に反応するパドルの動きによるエネルギー収集が増加され、また装置の第二の表面（または下流）側に生成される新しい波によるエネルギーの消失が減少される。その結果として対称形状または平坦な装置と比較して動力の抽出が全体的に増加される。この非対称性により、この装置は水の波の方向的な偏りの利点も得ることができる。

ある実施例では、パドル装置は、その高さの大部分、例えば高さの約８０％またはそれ以上が水没するように配置される。このことで一定の高さのパドルのエネルギー収集は最大化される。しかし、パドルが完全に水没することと波がパドルの上から逃げること（「越波」）は、エネルギーの損失に帰するため、避けることが望ましい。幾つかの実施例では、特にパドルの幅が広い時は、パドルの中心部は端部より高くなっており、このことで入射波が中心部に向かって集中することによる越波を防ぎ、また端部における材料の使用を最小化している。望ましくは、正面から見た時にパドルの輪郭は概ね長方形である。

ある実施例では、凸面状の第二の表面の断面形状は、該装置の垂直対称軸上の概ね鋭い点に向かい追加的に延びる形状になっている。この第二の表面の断面形状は、ガウス関数に基づく曲線のように、比較的鋭い点に向かう適度に滑らかな曲線から形成され得る。このことで該装置には流体力学的に効率的な輪郭が与えられ、第二の表面周辺の層流が改善されることで、下流側表面の動的抗力が軽減されエネルギーの消失が減少される。

ある実施例では、凸状の第一の表面の水平末端部が、使用中の平均的波方位に概ね対向するよう配置された先端部を含む。これらの先端部は概ね航空機の翼形の先端部から成り、この翼形の先端部は使用中に平均的波方位に対向するよう配置された前縁を持つ。この先端部により流れはパドルの凸面とその周囲にきれいに分離される。

ある実施例では、第一の表面が、水平末端部間の該波エネルギー抽出装置全体に渡り連続的に延びる。この方法では、動力を発生するために入射波に対応して第一の表面全面が移動可能である。

あるいは、該装置は、２つまたはそれ以上の構成部品から成り、これらの構成部品は、第一の幅を持ち動力を抽出するために入射波に対応して動くよう適合された波エネルギー吸収部品、及び、前記第一の幅より広い第二の幅全体から前記第一の幅に至る範囲から水の波を集中させ、集中させた波のエネルギーを前記波エネルギー吸収部品に向けて導く波エネルギー集中部品を含む。この実施例において、各波頭に対しパドルにより捕捉され得る波エネルギーの量は、波集中部品を使用してパドルの一方の端の波をパドル表面に向けて導くことにより増加され、この波集中部品は、入射波に対して相対的に静止していることが望ましい。上記の方法で導かれた分の波は、さもなければパドルの後方に移動し潜在的なエネルギー損失の一部になり得る。好都合なことにこれは、比較的小さいパドルが結果として抵抗が小さく構造が簡素になり、大きな可動パドルと同等のエネルギーを捕捉出来ることを意味する。

ある実施例では、該装置は、波エネルギー変換機器へ装着するために装着点を含む。この装着点は、前記波エネルギー変換機器にヒンジを介して装着するためのヒンジ点を含み得る。この装着点は、該装置を前記波エネルギー変換機器に枢動可能にヒンジを介して装着するように該装置の上端及び下端の一方に配置される。該装置は、前記装着点が上端にある場合は前記波エネルギー変換機器から垂直に垂れ下がり動くことが可能で、あるいは前記装着点が下端にある場合は水中で概ね直立することが可能である。

該装置は、その高さに渡って異なる断面形状を持ち得る。断面形状は、前記装着点の直近部分で平坦で、この平坦な断面形状に向かって徐々に形状を変化させることで、該装置を前記波エネルギー変換機器に簡単に装着できる。さらに、海底に近接した装着点の輪郭を概ね平坦にすることでパドルの下の水の流れを制限するために密閉することが容易になりエネルギーの損失を防ぐことが出来る。別の実施例では、パドルは装着点を中心とした回転運動が可能なように装着され、パドル本体の曲面がパドルの高さに沿って少なくとも部分的に変化し、前記パドル本体は第一の点でさらに湾曲し、この第一の点は第二の点と比較しパドルの回転軸からさらに遠くに位置する。

ある実施例では、前記装着点は前記エネルギー抽出装置と前記波エネルギー変換機器の間の相対的間隔を調整するために操作可能である。該装置が海水面の変化（例えば潮の干満によるもの）に対応して上下に移動することを可能にする適合性のある接合部により、該装置の海水面に対する相対位置が最適化され波エネルギーの抽出が改善される。適合性のある接合部はまた、該パネルを前記波エネルギー変換機器から相対的に移動させることを補助し、このことにより機器の保守及び設置が簡単になる。

該装置は、該装置の第一の表面の鉛直方向に沿った流体の流れを制限するために概ね水平に配列された１つまたはそれ以上の棚を含むことができる。これらの棚は、動力の吸収を増加させ、特に該装置の上端及び／または下端、またはその近傍に設置された時に各々水が該装置の上方を超えるまたは下方を流れることを防止し、付加的な構造上の強度を与える。各棚の深さは異なることがあり、これは該装置のおよそ１０分の１の深さから該装置の全体の深さまでの範囲にある。前記棚は平坦であり得るが、該装置の上端または下端のいずれかに取り付けられた時は、第二の表面に向けて滑らかに形状が変化するように輪郭が曲面であることが望ましい。これにより抵抗が低減される。また、該装置の凹状の第一の表面も前記棚に滑らかに接続されるような曲面であることが望ましい。滑らかな輪郭は該装置の表面に波が当たった時の負荷の集中を低減する。

望ましい実施例では、凸状の第二の表面と概ね鋭い先端部との間に第一の内部容量が形成される。この概ね鋭い先端部は、前記凸状の第二の表面から独立し前記凸状の第二の表面上に固定して配置された第三の表面により形成され得て、前記第一の内部容量を提供する。前記鋭い先端部は、凹状の第一の表面により波のエネルギーが集約される該装置の中心部分の強度と剛性を有利に補強する。第一及び第二の表面はまたその外縁に沿って互いに固定された別の構成要素になり得て、その間に第二の内部容量を形成する。

前記内部容量は、該装置に浮力を与えるまたは内部に貯蔵空間を設けるために構成された空間になり得る。この設計では、内部空間へのある種のアクセスが含められ、この空間には１つまたはそれ以上の鉤、クリップまたはその他の、ケーブル及びその他の機材を収納するための機材取り付け手段が供され得る。前記内部容量はまた動力変換機器または浸透膜及び濾過機などの脱塩機材を収納し得る。

前記凹状の第一の表面及び前記凸状の第二の表面はそれぞれ、概ね放物線形状または半楕円形状になり得て、前記凹状の第一の表面の形状及び前記凸状の第二の表面の形状は、互いに違う形状になり得る。いくつかの実施例では、放物線状または半楕円状の形状は、多数の直線部分を用いて近似され、これにより製造及び／または波エネルギー変換機器への装着が容易になる。

いくつかの実施例では、第一の表面及び第二の表面の一方または両方は、水平軸に沿って凹面状で、カップ状のパドルを形成する。
第一の表面の凹面は、期待される主要な水の波の波長の１６分の１から４分の１の間の深さであることが望ましい。

該装置は、前記波エネルギー変換機器に操作可能に接続するために第二の表面上に配置された１つまたはそれ以上の水圧式ピストンを含み得る。前記波エネルギー変換機器は、該機器の使用において水塊の底に操作可能に取り付ける基部プラットホームを含み得る。ある実施例では前記基部プラットホームは水塊の底に据え付けられる。あるいは、前記基部プラットホームは水塊の底に据え付けられた浮桟橋上に固定して配置され得る。望ましくは、前記基部プラットホームは垂直軸上で回転可能で、これにより変化する入射波の向きとエネルギーによって該装置の方向を変え、よって該装置により抽出されるエネルギーの量の制御を可能とする。例えば、エネルギー抽出は該装置の向きを入射波に直接向かうよう変えることで最大化され、または該装置の修理または保守作業中は該装置の向きを入射波に対して９０度になるように変えることが出来る。

パドル装置は、装置の動作を有益な形の動力、通常は電力、に変換するための動力変換手段により波エネルギー変換機器へ操作可能に接続され得る。しかし、前記機器はまた、例えば加圧水のポンプによる汲み上げまたは水素の発生にも利用できる。ある実施例では、前記動力変換手段は作動流体をポンプで汲み上げるための水圧式シリンダーに操作可能に連結された水力蓄積器（作動流体は水力蓄積器に汲み上げられる）、前記水力蓄積器により運転されるように配置された水力モーター、及び前記水力モーターにより運転されるよう配置された交流発電機から構成される。

ある実施例では、前記波エネルギー変換機器はさらに、波状態検知器と、前記波状態検知器及び水圧式シリンダーと通信操作が可能な制御装置とを備え、前記波状態検知器は、検知した入射波の状態を前記制御装置に中継し、前記制御装置は、検知された波の状態に応じて前記水圧式シリンダーの動作を制御する。この方法では、該機器は検知した波の状態の強さに応じて効率的に動作することが可能で、また極度の状態では該パドルは水面及び波の最も活動的な部分から撤収することが可能で、該装置の破損を防止することができる。

本発明の他の見地からは水の波から有益なエネルギーを抽出する方法が供され、この方法は、波エネルギー変換機器を水塊に少なくとも部分的に水没させることと、波エネルギー変換機器の垂直軸に沿って凹面状である第一の表面がおよそ平均の水の波の方向に対抗するように角度を変えることと、入射波の峰及び谷の両方によって起こる波エネルギー変換機器の動きからエネルギーを抽出することと、を含む。利点として、波の方向に向いた凹面状の表面は、波のエネルギーを機器の中心に向けて導き、運び、この方法は入射波の峰及び谷の各々からより多くの有益なエネルギーを抽出する。

望ましくは、前記波エネルギー変換機器には、機器の下流側でおよそ平均の水の波の方向を向き、抵抗となる有益なエネルギーの損失量を減少させるために水の抵抗を最小化する形状の第二の表面が供される。

他の見地からは水の波のエネルギーを吸収する装置が供され、この装置はパドルを有し、このパドルは該パドルの第一の面上に後ろ向きの表面と、前記第一の面と反対側の該パドルの第二の面上に前向きの表面と、を有し、前記後ろ向きの表面は水の動きに対して高抵抗で前記前向きの表面は水の動きに対して低抵抗で、前記パドルは前記後ろ向きの表面が主に入射波に向かう角度になり入射波により前後に動くようになる方法で水没するように適合され、これにより、該パドルの動作範囲に渡り、水面下に残る該パドルの大部分を用いて波のエネルギーを吸収する。他の見地と類似した方法で、高抵抗の後ろ向きの表面により各入射波から吸収するエネルギーの量は増加し、一方で低抵抗の前向きの表面は該パドルが水の中を移動することに伴うエネルギーの損失を減少させる。

ある実施例では、前記パドルはその上端または下端のいずれかでヒンジで固定され入射波の動きに応じて前記ヒンジを中心に前向き及び後ろ向きに回転するように適合される。前記ヒンジは簡素であるが該パドルが入射波の峰と谷と供に後ろ向き及び前向きに滑らかに動くことを確実にするために効果的な方法で、エネルギーの最大量を吸収する。

本発明の他の見地からは、第一の表面を持つ水の波エネルギー吸収パドルが供され、前記第一の表面は該パドルの第一の端の平坦部分から該パドルの反対側の端の凹面状部分まで該パドルの高さに応じて変化する湾曲があり、前記平坦部分がヒンジに接続されることにより該パドルは回転可能となり、前記凹面状部分は入射波を集中させることで該パドルが前記ヒンジを中心に回転し入射波のエネルギーを吸収する。本発明のこの見地からは、入射波から吸収するエネルギーを増加させる湾曲したパドルと、ヒンジに容易に接続され、該パドルが波と供に前後に回転することを抑制する平坦なパドルと、を持つことの間でバランスが提供される。

ある実施例では、前記パドルは第一の表面の反対側に第二の表面を有し、この第二の表面は、該パドルの第一の端の平坦部分から該パドルの反対側の端の凸面状部分まで該パドルの高さに応じて変化する湾曲があり、前記凸面状部分は、前記第二の表面の水中での動きに対する抵抗を減少させ、望ましくはガウス曲線状の輪郭を有する。他の実施例と類似して、ガウス曲線状の輪郭は該パドルが水中を動くことによる抵抗となるエネルギー損失を最小化する。

他の見地からは水の波からエネルギーを抽出する方法が供され、この方法は、水の波パドルを少なくとも部分的に水塊に水没させることと、入射する波を前記パドルの各側面から前記パドルに向かって運ぶことと、これによって波のエネルギーを前記パドルの正面に集中させることと、入射する波により生じた前記パドルの動きを有益なエネルギーに変換することとを含む。本発明のこの見地により、パドルの片側面の波を該パドルの表面へ運ぶことで波頭毎に該パドルにより捕捉され得る波のエネルギーの量は増加する。この方法により運ばれた部分の波は、さもなければ該パドルの後方に移動し、エネルギーの損失になる。有利なことに、このことは比較的小さなパドルが、結果として小さな抵抗と簡略化された構造とを持ち、より大きなパドルと同等のエネルギーを捕捉出来ることを意味する。

本発明の他の見地からは、水の波エネルギー抽出システムが供され、このシステムは第一の幅を有し少なくとも部分的に水没して入射する水の波に応じて動くよう適合された波エネルギー吸収器を有し、この波エネルギー吸収器の動きは有益なエネルギーに変換可能で、またこのシステムは前記第一の幅より大きい第二の幅から前記第一の幅に至るまでの範囲から水の波を集中させる波エネルギー集中器を有し、この波エネルギー集中器は集中させた波を前記波エネルギー吸収器に向けて導く。前述の見地と類似して、波エネルギー吸収器自体の幅より大きい幅から波のエネルギーを集中させることで、各波頭から吸収されたエネルギーは、波エネルギー吸収器自体の大きさを増加させること無く増加される。

本発明のさらなる特徴及び利点についてここに付随の図を用いて述べる。これらの図は以下のものを含む。
本発明を具現化する第一の波パドルの概略平面図である。 基部装置に接続された図１ａの波パドルの三次元立体図である。 本発明を具現化する第二の波パドルの概略平面図である。 基部装置に接続された図２ａの波パドルの三次元立体図である。 図２ｂのシステムの側面図である。 図２ｂのシステムの代替配置の側面図であり、内部で提供されるエネルギー変換機器を説明している。 本発明を具現化する第三の波パドルの概略平面図である。 基部装置に接続された図３ａの波パドルの三次元立体図である。 図３ｂのシステムの側面図である。 本発明を具現化する第四の波パドルの概略平面図である。 図４ａの波パドルの三次元立体図である。 本発明を具現化する第五の波パドルの概略平面図である。 基部装置に接続された図５ａの波パドルの三次元立体図である。 本発明を具現化する第六の波パドルの概略平面図である。 基部装置に接続された図６ａの波パドルの三次元立体図である。 本発明を具現化する第七の波パドルの概略平面図である。 基部装置に接続された図７ａの波パドルの三次元立体図である。 本発明を具現化する波パドル及び集波器の概略平面図である。 基部装置に接続された波パドルを伴う図８ａのシステムの三次元立体図である。 図８ｂのシステムの側面図である。 本発明を具現化する波パドルの端部の先端部の概略平面図である。 本発明を具現化する波パドルとして考えられる断面形状の範囲を示す概略平面図である。 本発明を具現化する波パドル及び集波器として考えられる断面形状の範囲を示す概略平面図である。 波により駆動されるエネルギー発生システムの配線図である。 波により駆動される脱塩システムの配線図である。 脱塩システムのための浸透膜も収納する垂直構造チューブを伴う本発明を具現化する第八の波パドルの三次元立体図である。 自然の位置にあるパドル及び基部装置の列の三次元立体図である。 海底に繋がれた浮遊基部装置に設置された本発明を具現化するパドルの三次元立体図である。 波頭の下及び波の通過時に水深により変わる動的圧力を図解する。 波頭の下の波パドルの一方の側面での動的圧力の変わり方を図解する。 パドル周辺の相対的流体速度及び、パドル前面及び背面上の動的圧力を図解する。 それぞれ非対称曲面パドル及び対称平面パドルの実験結果を示す。

［実施例の説明］
本発明の実施例は、第一に水の波からエネルギーを抽出するパドル２４の設計及び形状に関連し、水の波は特に海洋の波であるが、湾・港湾、湖、入江、河口、貯水池、またはその他の適した自然または人工の水塊を含む。このパドルは、波のエネルギーの伝わりの平均的方向に対して直角の平面中で非対称であることで、波の動きの方向的偏りに対する利点を有する。この非対称性は、既知の、概ね平坦なパドルの設計と比較して、エネルギー収集を増加させ、エネルギー消失を減少させる。この発明を具現化するパドルは、突然の衝撃負荷からの疲弊を減少させる滑らかな動力工程を実現する。

前記のパドル２４は、パドルの動作からエネルギーを抽出し有益な形式、通常は電力に変換する波力変換システムまたは「基部装置」１５と共に使用されることを意図する。前記パドルはまた直接、例えば海水の脱塩化にも使用される。

図１ａ及び１ｂはそれぞれ本発明を具現化する第一の波パドルの概略平面図及び三次元立体図である。このパドルは入射波４０に対して向く凹面状の平面１１（「後面」）と、反対側で波の伝わる方向に向く凸面状の平面１２（「前面」）と、を有する。パドルの湾曲は高さに沿って減少し、パドル底部の平坦な縁１に向かって次第に平坦になり、このことから水面下の基部装置１５への接続が容易になり、パドル上端の曲線状の縁は水面上に出る。その最大の湾曲において、パドルの形状は望ましくは水平面上で放物線状または半楕円形状で、パドル側面の縁または先端部２は概ね入射波の方向を向く。

使用時、パドルは、ヒンジ１３を介して基部装置１５に接続され、このことからパドルは、入射波の峰及び谷に応じて前後に回転または揺れる動作が可能になる。基部装置１５は、１つ以上の水圧式ピストン１６などのエネルギー変換手段（１つのみ図示）を有し、パドルの動作を有益なエネルギーに変換する。ピストン１６は、パドルの凸面状の前面１２上の支柱１９に接続される可変連結器１８を有する。支柱１９は、望ましくはパドルの全幅に延び、望ましくはパドルの底部から３分の１の高さに位置する。この構造によりパドルには垂直方向の柔軟性が与えられ、破砕の機会、特に割れる波や他の浮遊物体の衝撃による急激な衝撃負荷が最も多く起こる水面付近での破砕の機会を減少させる。

凹面状の後面１１は、望ましくは２．０以上の抵抗係数（Ｃ_ｄ）を持つ。流体がパドル先端部２の間の凹面状の表面１１に入ると横方向または下方向へ行くことが不可能なため、パドル表面上の淀み圧力が上昇し水面上昇が増加する（急上昇）。凹面状の後面１１はまた、入射波の峰をパドル中央に向けて運び、このことから波頭の上昇及びパドルに対する動的圧力がさらに拡大される。

さらに、後面１１の凹面状表面は、波からパドルへの滑らかな力の移行を確実にし、波頭は最初に先端部２にぶつかり、次にパドルの後面１１に徐々に接触し始める。
波の谷が形成される間、波流体の粒子がパドルの凹面状の後面１１から遠ざかるように動く時、この凹面状の形状は波の谷の深さを拡大するように働き、パドル無しで起こりうるよりも低い水表面を形成する。結果として、動的圧力（Ｄ_１）の大きさは波の動作のこの過程の間に、反対の符号ではあるが、再び増加する。

一般的に、パドルの形状に関わらず、パドルの動きにより移動する流体の容積は、その押し流される領域に直接関連する。本発明を具現化するパドルの凸面状の前面１２は、パドル表面に対し垂直方向の流体速度が結果として減少する平坦なパドルよりも大きい周辺範囲で水を移動させ、結果として生じる小さい波は、この前面上の動的圧力（Ｄ_２）を減少させ、エネルギーの消失は相当に減少する。

凸面状の前面１２のさらなる利点は、入射波はパドルより早く動くという事実から生じる。波が先端部２の外側でパドルを追い越すにつれて、湾曲した前面１２は、パドル周辺の層流を改善する。これはパドルの前方の水も結集するので、その水の動きはパドルの動きにより近く連携する。このことから前面１２に対する動的圧力（Ｄ_２）は大幅に減少するので、前面１２と後面１１の間の圧力差が増加し、動力吸収の増加につながる。さらに、追い越す複数の波はパドルの前方で滑らかに合流するので、さもなければエネルギーの損失に帰する乱流（または渦巻き）の生成は少なくなる。

凸面状の前面１２の１つの欠点は、表面に並行する流れによる表面摩擦及び抵抗が増すということであるが、これは関連する速度に対し比較的小さいことが予想され得る。とは言うものの、前面１２には抵抗を最小にする滑らかな仕上げが施される。

エネルギーの捕捉を最大化するために、パドルの上端は予想される最大の波頭の高さより若干高くあるべきで（「乾舷」）、このために水位の変化、可動範囲を超えるパドル角度の変化、及び凹面状の後面１１による海面の急上昇を考慮する。水が深い所では、パドルは波のエネルギーの大部分を捕捉するために主要な波長のおよそ半分の深さまで延長されることが望ましく、基部装置は下降流を制限する水平の棚状物２５を含む。水が浅い所では、パドルは水深一杯に延長され、基部装置１５は水がパドルの下を流れることを防止するために海底に寄せる封１４を含む。結果として、パドルの高さは、水深、波の状態、及び基部装置の位置に依存する。

水深１０ｍの浅い水を例として、基部装置が海底から１ｍの所に立ち、顕著な波の高さＨｓは１．９ｍで、峰の期間Ｔ_ｐが５．９ｓだとそれぞれ仮定すると、パドルはおよそ１１．５ｍの高さになる。この条件であれば、パドルは＋／−２２°の範囲で傾くことが出来、パドルが最も傾いて水中の低い位置にある時に水面から上端の距離が少なくとも１ｍ残る。この海面から上端までの距離が無ければ、波はパドルの上を通過し、パドルが抽出し得るエネルギーが減少する。水面から上端までの距離は、必要以上に大きくてはいけない。なぜならばこれはパドルの重量を増加し、極度の条件では、水面から上端までの距離が限られていれば余分なエネルギーを逃がすことができてパドルにかかる負荷を制限する。極度に荒れた海では、パドルは水の外に持ち上げるか海底に向けて下げるかのいずれかの方法で水面から退去しなければならない。いくつかの環境では、パドルを完全に水没させたままにすることで非効率的に操業することが望ましいかもしれず、これは特に、動力要求に対して余剰な波エネルギー、水上交通（例えば海上交通路または地元のレジャー船など）、または環境的考慮（例えば景観への影響など）がある場所が当てはまる。

基部ユニット１５は、パドルの実質同じ領域が入射波にさらされるよう、潮の干満や高潮による水深の変化に対応して上昇または下降出来ることが望ましい。
パドルの幅は、パドルの使用中に波面と並行になる寸法で、これは要求される動力、及び展開される場所で期待される入射波の平均波長を含む要因により決定される。パドルの幅は入射波の波長の平均に比例して大きくなるので、パドルと周囲の流体の相対的動作は平坦な表面に近似し始め、本発明に関連する多くの利点を失う。パドルの幅に対する他の制限は、その重量とパドルを構成する材料の強度を含む。

深い水の中では、パドルは高さよりも幅広くして動力の吸収を最大化出来る。しかし、基部装置が海底に直接設置できる浅い水の中では、パドルは概して幅広になるよりも高くして、水の一杯の高さまで延長される。しかし、高さと幅の相対的な割合は、例えば、予測される波の状態や動力の要求などに依存することになる。

パドルの高さがその幅に対して一定であるということもまた重要ではない。湾曲した後面１１が波をパドルの中心に向けて集中させるにつれて、波の高さは増す。それゆえ、中心部での越波の機会を減らすために、パドル中央は、側部より高くてよい。

後面１１の凹部の深さは、概してパドルの幅と同等からパドルの幅の約４分の１の範囲内にして、適度な曲面を確保する。水面での望ましい凹部の深さは、予測される波の状況に関係し、主要な波長の１／１６から１／２の間にあるのが理想的である。後面１１の凹部が深いと、パドル先端部２周辺で波の峰・谷の余分な水の排出を制限することで、より多くの入射波のエネルギーを捕捉し、それに対し波長の１／１６以下の深さでは有意な量の入射波のエネルギーは捕捉しない。もし他の制限事項（重量や変化しやすい海など）により深さを入射波の約１／１６以下にすることが求められる場合、先端部２は前方に、波の移動方向と平行に延長可能で、これにより排水の効果を制限する。一方、深さが波長の約１／２より大きいと連続的な波の峰と谷を埋め、結果としてパドル表面上の異なる点での流れの方向が対立する。

パドルの縁上にある先端部２は、入射波に向かい、概ね波の粒子の運動と平行に配置されており、これは波頭に概ね直角である。図８に示すように、各先端部の形状は鋭くなく、その断面形状は航空機の翼に類似しているが、圧力差を生じない中間的な形状である。これにより流れがパドルの中と外側にきれいに分けられる。先端部の正確な角度及び幅は、予期される主要な波の方向の偏差に依存する。一般的に、先端部の幅は、水面近くで大きくなるべきである。また幅が広い先端部は、主要な波の方向の偏差が大きい時に、渦流を減少させ、層流を維持し、構造的振動と疲弊を防ぐために使用されるべきである。波の方向に著しい偏差がある場合、概して＋／−３０°より大きい場合、動力の抽出を最大化するために、パドル全体が入射波に向かって回転可能であるべきである。

パドルは、数種の異なる方法で製造され得る。簡素な製造方法の一例として、適切な金属（アルミ等）の平板を要求される曲面に曲げる方法があり、またはパドルは、適切なプラスチックまたは複合材料（グラスファイバー強化プラスチック等）でモールド形成され得る。パドルを製造する他の方法として、複数の中空のパイプを溶接または他の方法で望ましい形状に繋げて成形する方法がある。各中空パイプには内部空間があり、これは密封されている場合はパドルの浮力を増進し、また機材の収納にも使用され得る（図２及び図１３ｂと関連し下記の記述を参照）。

図２ａ、２ｂ、及び２ｃは、本発明の第二の波パドル実施例の、それぞれ概略平面図、三次元立体図、及び側面図である。この第二の実施例は、前向きの先端部４及び後面１１上の棚状部品６の追加を除き、第一の実施例と同一である。

特に凸状の前面１２には、波の移動方向を向きパドル底部の平坦な縁１に向かって徐々に形状を変える比較的鋭い先端部４が設けられている。前向きの先端部４はさらに、パドル周辺の層流を改善し、これは、さらに上記図１に関連して述べられた水の結集効果を強調する。

望ましくは、前向きの先端部４の形状は、この先端部が無い場合に形成されるであろう抵抗領域４１（図１７ａ参照）に近似する。例えば、適度な形状は、偏差が０．２から１の間のガウス関数で、パドルの凸状の前面１２に滑らかに合流するように調整される。その他の水力学的断面形状（一般的に、鋭い先端の縁と幅の広い基部を有する）をもつ形状も、ガウス関数の代わりに使用され得る。前向きの先端部４の前部から凹状の後面１１の中心までの水平距離は、概してパドルの幅のおよそ１／２で、適度に滑らかな全体断面形状を形成する。

図１に示すパドルに似たものから始めて、例えば湾曲させた金属平板から形成し、前向きの先端部４は、独立した平板として形成され、次にパドル本体２４に取り付けられ、内部容量５を作成し得る。内部容量５を定義する追加の素材は、パドルの断面二次モーメントを増加させ、それぞれの主要な水平方向の寸法において、パドルの中央に付加的な構造的強度と硬性を与える。

もう一つの選択肢として、パドルを成形または型成形し、前向きの先端部４を単体の部品として含め、内部容量５は含めることも含めないこともある。別の方法として、複数のチューブ状の部材を一体に固定することもできる。

内部容量５は、密閉され防水されていることが望ましいが、水に対して解放されることもある。内部容量５は、付加的な構造的部材を収納することも可能で、さらなる構造的強度を与えられ、もし密閉されていれば、浮力を与えてパドルが水中で概ね垂直に向くようになる。内部容量５はまた、エネルギー変換機器または脱塩化機器を収納することもある。内部容量５が密閉されていれば、これは内部に保管された機器を海水の腐食効果から保護する。

この第二の実施例ではまた、水平に配置された棚６は、該装置の後面１１の上端に選択的に設置される。棚６は後面１１の上部を彫るか棚部分を後面１１に固定することで形成され得る。いずれの形成方法でも該棚は、図２ｃ及び２ｄに最適な方法が図示されるように、後面１１に変遷するか滑らかに合体するべきで、構造的負荷の集中を減少させる。該棚は使用中に水が後面１１の上端を超えて流れること（「越波」）の防止を助長し、よって動力の吸収を増加させ、付加的な構造的強度を与える。

棚６の深さは、後面１１の凹部の深さと同じかもしれず、特に越波の機会が著しく多い荒れた海が予測される場合、または該装置の上端が水面上もしくは水面下に位置する場合に同じになる。あるいは、例えば水が穏やか、または水面から該装置上端までの距離が十分な場合、棚６は凹部の深さの１／１０だけ延長されるかもしれない。逆に、極端な波の著しい危険がある場合（異常波とも呼ばれる）、棚６の寸法を、適度な付加的強度を与えるが凹面部内の水を完全に制限しないように選ぶことで、越波を許容することが望ましいこともある。

図示されてはいないが、前面１２及び前向きの先端部４もまた棚６の曲面と合流することが望ましく、これにより第二の表面に滑らかに変遷し、抵抗を減らす。
使用中、該パドル上の曲げモーメントは、支柱１９が該パドルに接続される部分で最大になり、該パドルのこの部分は最大強度であることが望ましい。構造的強度を増すために、該パドルの曲面の変遷は、図２ｃに表されるように、該パドルの上端から前記接続点まで緩やかであることが望ましく、前記接続点より下では平坦な縁１に向かってより急な変遷になる。

図２ｄは、この第二の実施例の代替配置の側面図である。この配置では、エネルギー変換手段の少なくとも一部（水圧式ピストン１６と弾力的な水圧式パイプ１７のみ図示）は、内部容量５内に設置される。この設定では水圧式ピストン１６と基部装置１５との間の接続部３１は、ヒンジ１３の近くに位置する。この配置は厳しい外部の塩水環境から機器を有利に保護し、保護ケース及び／またはコーティングの必要性を減じ、よって費用を削減する。さらに、この複合設計により動力変換機器は、パドル２４と共に設置または除去が可能になる。１つの欠点は、水圧式ピストン１６のピストン部分が内部容量５から出る場所に弾力性のある耐高圧密閉が必要になることである。

図３ａ、３ｂ、及び３ｃはそれぞれ、本発明の第三の波パドル実施例の概略平面図、三次元立体図、及び側面図である。この第三の実施例は、第二の実施例と同一であるが、基部装置１５に上方で設置されるよう適合されており、該パドルは垂直で下方にぶら下げられる。曲面の後面１１及び前面１２、並びに前向きの先端部４は、平坦な上端の縁２２に向かい次第に形を変え基部装置１５に簡単に接続される。

上方設置のパドルでは、該パドルの線形水平速度の大きさは、該パドルが上端の縁２２の周りを回転するに従い、深さと共に増加する。しかし、入射波内の粒子の動きは深さと共に減少する。従って、望ましくは、パドルは該パドル下端の速度がその深さでの入射波内の粒子の速度を超える点より下に延長すべきではない。

底板６は、凹状の後面１１の底部全周に渡り接続されるのが望ましく、流体が該平面の下に流れることを防ぐ。底板６は前向きの先端部４に向かって上向きに湾曲することが望ましく、これにより該パドルが水中を前方に移動するに従い抵抗をさらに減少させる。

図４ａ及び４ｂは、それぞれ本発明の第四の波パドル実施例の概略平面図及び三次元立体図である。この第四の実施例は、他の実施例の凹状の後面１１と凸状の前面１２を維持するが、水平及び垂直の両方に曲げることでカップ状またはスプーン状の形状を形成する。この形状は、中空の楕円体または回転面として形成され、放物線またはその他の適度な形状を対称中心軸を中心に回転させることで作成される。該パドルは、接続棒８により基部装置に接続され、これは該パドルの直接上または下のいずれかが望ましいが、他のいかなる方向にも接続され得る。接続棒８は、望ましくは楕円形の断面形状を有し、楕円形の鋭い側が平均的波の方向を向いて抵抗を最小化する。

図５ａ及び５ｂは、それぞれ本発明の波パドルの第五の実施例の概略平面図及び三次元立体図である。この第五の実施例は、第一の実施例と同一であるが、該パドルの湾曲した後面１１と前面１２とが平坦な縁に向かって徐々に形状を変えず、代わりに該パドルの高さに沿って均一な曲面を有する点が異なる。このようなパドルは製造が簡単で、パドルの回転運動よりむしろ側方の運動に依存する基部装置２１との使用に適していて、波の流速が深さと供にゆっくり減衰する浅い水の波での使用が望ましい。

図５ｂに示すように、側方の運動に依存する基部装置２１への接続のために、支柱１９は、該パドルの凸状の前面１２の中心に接続され、基部装置２１のピストン１６へ接続される。板または棚６は、凹状の後面１１の底部全体に渡り接続されることが望ましく、この面を下り該装置の下へ流れる流体を阻止する。底板６は、前面１２に向かって上向きに湾曲し、前面１２と滑らかに接続することが望ましく、該パドルが水中を前方に移動することに伴う抵抗を減少させる。棚６は、後面１１の凹状部の深さ全体まで後方に延長されることが望ましく、水の排出を最小化する。

該装置が完全に水没するか、水面から上端までの距離が短いことを意図する場合は、さらなる棚６が凹状の後面１１の上端部の全周に渡り接続されることが望ましく、この面を登り該装置を超える流れを阻止する。前述と同様、棚６は、抵抗を減少させるよう前面１２と滑らかに変遷するよう湾曲することが望ましい。また、棚６は、後面１１の凹状部の深さ全体に渡り後方へ延長し水の排出を最小化することが望ましいが、顕著な越波が予測されない場合または予測される大きな波から抽出される最大のエネルギーを制限する必要がある場合、全体の深さより短いかもしれない。

あらゆる適した深さの水平の棚または板６が、付加的な構造的強度を与えるために、後面１１の高さに沿ってさらに設けられ得る。
図６ａ及び６ｂは、それぞれ本発明の波パドルの第六の実施例の概略平面図及び三次元立体図である。この第六の実施例は、第二の実施例と同一であるが、該パドルの曲面１１及び曲面１２、並びに前向きの先端部４は、平坦な縁１に向かって徐々にその形状を変えず、代わりに該パドルの高さに沿って均一な曲面を有する点が異なる。第五の実施例と同様、このようなパドルは製造が簡単である。該パドルは、上記の第五の実施例のように、側方の運動に依存する基部装置と併用され得る。または、図６ｂに示されるように該パドルは、内部容量５の中で支えられる構造的部材２０を提供し、該パドルから延長して、基部装置１５と旋回的な接続部２２を介して接続されることにより、基部装置１５に対し相対的に旋回するよう適合され得る。該パドルの動作を利用可能なエネルギーに変換する基部装置１５のピストン１６は、パドル自体に負荷を与えることを避けるため前記構造的部材に接続され得る。

図６ｂに示されるように、該パドルは基部装置の下に設置され得るが、該基部装置の上、または他のいかなる方向にも設置され得る。望ましくは、第五の実施例と同様、底板６は、凹状の後面１１の底部の全周に渡り接続される。

ある変化形では、構造的部材２０は、パドル２４に移動可能にまたは可変的に接続される。これにより、該パドルの垂直位置は、基部装置１５に対して調整可能となり、水位との相対位置を一定に維持できる。例えば、海水面は潮の干満に伴い変化するので、該パドルの位置を変化させることで変化する水深に合わせて動力の出力を確実に最適化できる。この垂直方向の調整は、該装置の内部容量５により生じる浮力を使用することで達成することが望ましく、これは自動的な調整を可能にする。

図７ａ及び７ｂは、それぞれ本発明の波パドルの第七の実施例の概略平面図及び三次元立体図である。この第七の実施例は、第六の実施例と同一であるが、パドルの先端２が基部装置１５との接続のために構造的部材２６と合体するように拡大された点が異なる。移動可能または可変的な接続部が構造的部材２６とパドルの先端２の間に存在し、これにより上記第六の実施例のように該パドルの垂直位置は、基部装置１５に対して調整可能となる。共に図示される棒２８は、パドルの先端２に接続され、該装置の構造的剛性を改善し、該装置の極度な横方向の変形を防ぐ。

第三の実施例と同様に、底板６は、凹状の後面１１の底部全周に渡り接続されることが望ましく、この表面を下降する流体の流れを防ぐ。底板６は、前向きの先端部４に向かって上向きに湾曲することが望ましく、さらなる抵抗を減少させる。

図８ａ、８ｂ及び８ｃは、それぞれ本発明の波パドル２４の第八の実施例の概略平面図、三次元立体図、及び側面図である。これらの図中のパドルのデザインは、図２のものと同一であるが、完全に平坦なデザインを含め、適したデザインになり得る。パドルの後面側の側面に取り付けられたものは、二枚の波偏向板または波集中パネル２３である。１つの実施例では、パネルは、入射波に応じて動かないが、その代わりに可動式パドル２４に向かう入射波のエネルギーを運び、可動式パドルが受ける波頭の高さと波の谷の深さとの両方を拡大する。これらのパネル２３は、パドル２４の幅が大きさや重量またはその他の制限により最大に達したが、該システムが各波からより多くの有益なエネルギーを抽出する能力がある場合に有益である。

別の実施例では、パネル２３もまた入射波に応じて可動式で、各パネル２３及びパドル２４には、水圧式ピストン等のエネルギー抽出装置が設けられている。パネル２３及びパドル２４は、全て単一の基部装置に設置されるか、または別の基部装置に設置され、波の状態によってパネル２３とパドル２４との相対位置に順応性を持たせるかもしれない。独立して動くことが出来る複数の構成要素があるという事は、異なる表面が互いにずれた位相で反応できる事を意味し、特に、指向性の波のエネルギーを受けることになる。独立した複数の部品による設計はまた、小さく独立しているが結合可能な構成要素を使用することで、製造及び設置の柔軟性を向上させる。

望ましくは、上記のパドルの実施例のように、入射波に向かうパネル２３の縁の先端部は、図９に示されるように鋭くない、航空機の翼状の形状を持つ。
上述の実施例では、曲面が該パドルの高さに沿って一定であるか、または該パドルの高さに沿って曲面が直線の縁まで徐々に形状を変えるかのいずれかである。しかし、本発明はこれらの特別な配置に限定されない。この発明の他の実施例では、パドルの高さの一部で一定の曲面とパドルの高さに沿って曲面が変化する部分を有し得る。曲面の変化もまた曲線から直線への変遷に限らない。パドルの異なる部分は、異なる一般的な曲面を有し得て、これは予測される波の状態と基部装置のデザインとに依存し、パドルの高さに沿って異なる曲面が滑らかに変遷する。

図１０ａから１０ｐは、本発明の実施例で使用し得る異なるパドル２４の曲面または断面形状を示す。図１０ａから１０ｄは、上記第一の実施例に似た放物線状または半楕円形状のパドルを示す。図１０ｃに図示されるパドルは、先端部２に延長される後方向き直線延長部分２７を含み、これは入射波に概ね平行な方向に延長され、パドルの縁周辺の水の流出を制限する。

図１０ｅは、上記第二の実施例に類似した前向きの先端部４のデザインを示すが、これは一体のパネルから形成され、後面１１は、前面１２と同じ輪郭を有する。図１０ｆは、１０ｅの例の代替を示し、先端部の構造的強度を増すために鋭くない前向きの先端部４を有する。

図１０ｇから１０ｉは、それぞれ２、４、及び８枚の平坦な部分から形成されたパドルを示し、これらは滑らかな曲面を近似する。図１０ｊは、概ね平坦な中心部を有し、端部を削って入射波に向かう先端部２を形成するパドルを示す。この平坦な輪郭は、基部装置に接続するために必要になり得る。

図１０ｋから１０ｐは、パドルの後面及び前面に異なる輪郭を用いて形成する複合パドルデザインの種類を示す。各複合パドルは、内部容量５を有し、これは構造的剛性と浮力とをもたらす。図１０ｋは、図１０ｇに類似したそれぞれ２枚の平坦な部分から形成された前面と後面とを有するパドルを示す。図１０ｌは、図１０ａに類似して滑らかな曲面の凹状の後面と、２枚の平坦な部分から形成される前面と、を有する。図１０ｍは、滑らかな曲面の凹状の後面と、図１０ｅに類似した前向きの先端部４と、を有するパドルを示し、一方で、図１０ｎに示すパドル上の前向きの先端部４は、図１０ｆに示すパドルと類似して鈍い。図１０ｏは、後面と前面に僅かに異なる曲面の輪郭を有するパドルを示す。図１０ｐは、図１０ｊに類似して、後面に平坦な中央部分を有するパドルを示し、このパドルは、前向きの先端部４を有する。

図１０ａから１０ｐに示す各パドルにおいて、後面１１の抵抗係数（Ｃ_ｄ）は、２よりも大きい。使用する素材に依存して、前面１２の抵抗係数（Ｃ_ｄ）は、０．３と２．０の間にあり、図１０ｊの平坦なデザインは、前面１２上に最大の抵抗があり、図１０ｋから１０ｎに示す前向きの先端部を有するパドルは、前面１２上の抵抗が概ね最小になる。先行例で知られるような対称で概ね平坦なパドルは、概して両面の抵抗係数が２以上である。

図１１ａから１１ｆは、図８に関連した上記の実施例に類似し、パドル２４及びパネル２３の組み合わせの種類を示す。これらの図のそれぞれに示される配置では、パネル２３は、単に波のエネルギーを可動式パドル２４に導き集中させるために所定の場所に固定され得るし、あるいは各パネル２３は上述のように独立して可動式になり得る。

図１１ａは、図１０ｂに示すパドルと類似した楕円形状に湾曲したパドル２４に滑らかに合流する曲面を有する２枚の滑らかに湾曲したパネル２３を示す。図１１ｂは、４枚のパネル／パドルの組み合わせを示し、これは図１０ｇのパドルに類似した全体形状を有するが、これら４枚のパネル／パドルの、いずれまたは全てが波エネルギーを抽出するために独立して可動式になり得る。

図１１ｃから１１ｅは、パネル２３及びパドル２４の組み合わせを示し、パネル及びパドルは、それぞれ複数の平坦な部分から構成される。図１１ｅは、特別に、完全に平坦な前面を有する。それでもまだ、本発明の利点の多くは、入射波の方向に垂直な水平面に対する全体的な非対称性により実現される。側面のパネル２３は、従って、波のエネルギーをパドル２４に向かって滑らかに集中させる。

図１１ｆは、図８と類似して２枚の波集中パネル２３とガウス関数的輪郭のパドル２４との組み合わせを示す。
図１２は、発電のために設計された波駆動の水力システムの可能性のあるデザインを示す。他の設計は、先行例でよく知られている。波駆動パドルの動作は、複動式水圧式シリンダー１６の一方の端に流体を圧縮し、２つの逆流防止バルブ５２の一方を通して水力畜圧器５５へポンプで押し上げる。水力モーター５８は、水をポンプで押し上げ交流発電機５９を動作させ、電力が生成される。畜圧器５５の容量は、シリンダー１６の容量と比較して大きいことが望ましく、大きい平面領域を有し、これにより結果として生じる水力モーター５８で利用可能な圧力水頭は、比較的一定に保たれる。畜圧器の高さを低くするため、圧力水頭を維持しつつ、該畜圧器の上部にある空所５６はガスで加圧され得る。

モーター５８への流体の流れは、制御バルブ５７により調整される。排出流体は、貯蔵容器６０に運ばれ、ここから第二の逆流防止バルブの組を通して水圧式ピストン１６の一方の端へ戻るために利用可能になる。波パドルアセンブリから畜圧器までのパイプ（相当な長さになり得る）内のいかなる圧力変動も滑らかにするために、圧力室５４が設けられる。

基部装置上に１つ以上のピストン１６がある場合、該パドル動作の全体的な抵抗は、追加的なピストンを作動させるか作動させないかにより変更可能となる。これを実現する便利な方法は、複動式水圧式シリンダーの一端からもう一方への流体の流れを可能にするバイパスバルブ６４を開けることである。複数のパドルの配列を使用する場合、各パドルは、ボックス６３内の要素のみを有する同一のコアシステムを共通に使用することが望ましい。ボックス６３内の要素のいくつかはパドルの内部容量５内に配置され得る。

該システムは、中央コンピュータユニット６２により制御される。電子的検知システム６１は、入射波を監視し、バルブ５１の操作により水圧式ピストン１６の動作は変えられ、よってパドルの動作は、波の状態に合うように変えられる。ポンプにより汲み上げられる流体の量は、流量計５３により計測される。

図１３ａは、海水を淡水に変換する波力駆動の脱塩化システムの可能なデザインを示す。このシステムのボックス７０内の要素は、操作の点において図１２のボックス６３内の要素に類似するが、動作流体は、濾過機７１を通して流入する海水である点が異なる。海水は、シリンダー１６により加圧され、流量計５３及び制御バルブ５７を介して逆浸透装置７３に運ばれ、ここで生成された淡水は、貯蔵容器７２に収集され、凝集された海水は、貯蔵容器７５に収集される。制御バルブ７４及び５７は、中央コンピュータユニット６２により制御され、逆浸透装置７３中の適度な圧力を維持する。

図１３ａの要素のいくつかは、パドルの内部容量５内に配置され得る。例えば、図１３ｂは、可能性のあるパドルデザイン２４を示し、ここでは逆浸透チューブが前面１２と後面１１とを定義するパネルの間に配置される縦型の構造的チューブ７６内に組み入れられる。図１３ａに示される残りの機器は、該装置の前向きの先端部５内に配置され得て、脱塩化された水を陸上へ運ぶ低圧パイプが設けられる。

図１４ａは、波操業の隊列を形成するよう配置された３つのパドルユニットのグループを示す。各ユニットは、隊列全体から抽出される動力を滑らかにするために入射波がそれぞれのパドルユニットを異なるタイミングで打つように配置されている。畜圧器５５または脱塩化装置７３への水の供給を滑らかにするように、多数のパドルユニットを並行して使用することが望ましい。パドルはまた海岸に到達する波の大きさと激しさを軽減する防波堤として集団的に機能するように配列され得る。

図１４ｂは、基部装置１５を海底に直接固定することが困難または不可能な深い水にパドルを設置する１つの方法を示す。該パドルは、それ自体が水没した浮桟橋３０に設置された基部装置１５に装着される。浮桟橋は、ケーブル２９を使用して海底に固定され、このケーブル２９は、波の状態によって短くしたり長くしたりすることにより該パドルを正しい高さに位置付けるか、悪天候時は水面から完全に引き下げ得る。

図１５から１７は、本発明を具現化するパドルの領域中の圧力変動及び流速を示す。これらの図は本発明の背景にある数学的及び理論的基礎の理解を補助するために提供される。

波に関連する圧力場は、理想流体に対する非定常ベルヌーイ方程式から導かれる。

ここで、φは速度ポテンシャル、ρは密度、ｇは重力加速度、ｚは静水位（ＳＷＬ： Ｓｔｉｌｌ Ｗａｔｅｒ Ｌｅｖｅｌ）上の垂直位置を表す。
図１５は、非砕波下の垂直パドル上の全圧を示し、これは主に流体静力学的であり（即ち、Ｐ＝−ρｇｚ）、式１の

から水面近傍の非定常寄与を伴う。水面上の波の存在は、水面下の圧力に対して局部的な影響しか持たないため、主な波長の約半分の深さでは、圧力は、純粋に流体静力学的になり静水位のみに関わる。波の下の実際の圧力と静水位に対して相対的な流体静力学的圧力との間の相違は、動的圧力（Ｄ_１）として知られており、これは波の峰の下の正圧から波の谷の下の負圧へ交互に入れ替わり、これを図１７ａ及び１７ｂに示す。

図１６は、波の峰の下で波パドルの前面及び後面上で動的圧力がどのように異なり得るかを示す。パドルが波よりも遅く動くと、後面１１の凹状の曲面は、流体の動きを制限し、該表面に沿った圧力Ｄ_１を増加させ、これは波の峰では正側に、波の谷では負側に作用する。

前面１２上では、動的圧力は工程の組み合わせにより導かれ、これには以下のものを含む。
１）水に対するパドルの相対的加速による慣性力は、周囲の流体の慣性の変化を生じさせる。従って、この圧力は、概してパドル２４が最大の加速度に達する時のパドル動作のいずれかの範囲で最大になる。後面１１上の水の動きが該パドルを動かすに従い、このパドルの加速に影響される水の領域は、該パドルの前の水域４１として理想化され得る。これは概してガウス型の形状になり、パドルの速度の変化に抵抗する。文献では、これは通常該パドルに質量を追加することにより説明され、これは、従って「付加質量」として参照される。

２）パドルが動き始めると、これに対応した抗力が生じ、これは該パドルの前面１２から直角に伝播する波の生成とエネルギーの消散の主原因になる。消散した波に含まれるエネルギーは、波の速度の二乗に比例するので、これらの速度を最小化することが有益である。凸状の前面１２及び先端部４は共に、これら直角方向の波の速度の減少を助長する。

３）構造的圧力（Ｄ_３）は、パドルの外側で先端部２の周りを通過しパドルの前面１２の周りを移動する入射波４２により生じる。波頭の通過中（図１７ａ）、波４２は、パドルの前の流体を結集して、パドルの前面１２に沿って負の動的圧力（Ｄ_３）を生じさせる。波の谷の通過中（図１７ｂ）、今度は波４２は、逆方向に移動し、前面１２に沿って付加的な正の動的圧力を生じさせる。

この第三の工程が、パドルを波の移動の方向に引くように作用し、よってパドルが利用可能なエネルギーが増加する。本発明の実施例の初期試験中、これは、上記の工程２で述べた抗力を減ずるのみと予想されていたパドルの前面１２上の滑らかな曲面の予想外の効果だった。よって、該装置により捕捉されたエネルギーは、予想よりもはるかに大きかった。事実、該装置は、実際のパドルの幅よりも幅広い波面からエネルギーを捕捉する。

パドル上で作用する主要な力を平衡させると、次のようになる。

ここで、Ｆ_ｐはパドルと動力を抽出するピストンとの間の力、ｍはパドルの質量、ｍ_{ａｄｄｅｄ}は付加質量を表す。
パドルが前方へ移動する間、Ｄ_１及びＤ_３は共に作用し、Ｄ_２により制限され（図１７ａ参照）、一方で式２の右辺の成分は、それぞれ保存されるエネルギー、抽出されるエネルギー、及び失われるエネルギーを表す。パドルが後方へ移動する間、Ｄ_１は、今度はパドルの後面１１上に形成される谷により圧倒的に負になり、Ｄ_３は正に変わり、Ｄ_２は負になる。

パドルから抽出される動力は、次のように近似される。

ここで、Ｔは主要な波の周期、Δはパドルの水平方向の移動距離、Ｆ_Ｐはパドルとピストンとの間の平均の力を表す。Ｔは所定の波の状態では固定値であるので、波から抽出される動力を変化させる唯一の方法は、Ｆ_Ｐ・Δの積を変化させることである。

動力が抽出されない時に、この方程式には以下の２つの限定条件がある。
１）もしパドルが固着されていて硬直した垂直の壁として作用するならば、Δ＝０となりＦ_Ｐは最大化される。しかし、動きが無く他の損失が小さいと仮定するならば、ほぼ全てのエネルギーは反射され、よって入射波に対抗して後進する。

２）もしパドルが波と共に自由に動くならば、Ｆ_Ｐ＝０となり、そしてΔは最大化される。もしパドルが十分に軽くて入射波側の流体と同じ速度で動くことが可能ならば、パドルに到達するほぼ全ての波のエネルギーは、吸収され、新しい第２の波の生成により反対側で直ちに消散する。

数種類の湾曲した試験用パドルデザインを使用した実験室での試験が行われ、平坦で対称の試験用パドルが比較の基を形成するために使用された。実験室設備は、長さ１５ｍ、幅２．５ｍ、水深１ｍである。タンクは、一方にコンピュータ制御の波発生装置を含み、他方で波を吸収する浜を含む。各試験用パドルの幅及び高さは正確に１ｍで、入射波に対する投影面積が同じになる。全てのパドルは、タンクの底から２０ｃｍ上に固定された枠の上に概ね垂直方向に設置され、パドルは、入射波の方向と平行に前後に回転できるようにされた。この回転は、試験用パドルの上端に力変換器を通して接続された圧縮空気ピストンにより制限され、ピストンには適度な抵抗を与えるよう設定されたバルブが付けられ、また各ストロークで空気がポンプにより注入された（図１２のボックス６３に示す設定に類似）。

図１８ａ及び１８ｂは、それぞれ湾曲パドル（試験番号１２３）及び平坦パドル（試験番号１３９）の、ほぼ同一の入射波に対するサンプル結果の一部を表す。湾曲パドルの形状は、図２ａに示すものと類似し、凹面部の深さは、およそ０．３ｍである。それぞれのケースで、入射波の高さ（ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｗａｖｅ ｈｅｉｇｈｔ）はおよそ１６ｃｍ、周期は１．３ｓで、これは３１Ｗ／ｍの入射波エネルギーに等しかった。

各パドルについて、力と移動（Ｆｏｒｃｅ ａｎｄ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）曲線を比較すると、湾曲パドルはかなり大きな力を加え、結果として移動が大きくなった証拠となった。これら２つの曲線から式３を使用して生成された動力と２ｓ期間での平均出力とを計算した（点線で示す）。これらの結果は、湾曲パドルが約５１Ｗ／ｍの平均出力を出し、一方で平坦パドルは２３Ｗ／ｍしか出さなかったことを示す。さらに予想外だった結果は、湾曲パドルが波の峰及び谷の通過中の双方でほぼ同等の出力を出し、一方で平坦パドルは、波の峰から３０％ほど低い値しか出さなかったという事である。

他の波の周波数及び高さの範囲もテストされ、湾曲したデザインでは一貫して４０％から１５０％増の出力が出された。波の状態に基づいた湾曲パドルデザインの最適化により、さらに大きな相対的改善が期待される。

Claims (10)

1. 波エネルギー抽出装置であって、
   前記装置は、水の波から前記装置の前進及び後退の動作を通じてエネルギーを抽出し、波エネルギー変換機器と併用されることで前記エネルギーを有益な形態に変換し、
   前記装置は、高さと幅があり、少なくとも部分的に水没するように前記波エネルギー変換機器上に配置可能であり、第一の表面であって平均的な波の方位に対抗するよう配置可能であり前記装置の垂直軸に沿って凹状である第一の表面と、前記第一の表面の反対側に配置された第二の表面であって水中での動きに対して低抵抗であるように前記装置の垂直軸に沿って凸状である第二の表面と、を備え、
   作動時に波の峰と谷とから前記エネルギーを抽出する波エネルギー抽出装置。
2. 前記装置は、前記第一の表面上の正の動水圧の効力により波の峰から、及び、前記第一の表面上の負の動水圧の効力により波の谷から、前記エネルギーを抽出する請求項１に記載の波エネルギー抽出装置。
3. 前記凸状の前記第二の表面は、前記装置の前進及び後退の動作中に抵抗を減少させ、波の峰での前記第二の表面上の負の動水圧の効力及び波の谷での前記第二の表面上の正の動水圧の効力により水の波からの前記エネルギーの抽出を増加させる請求項１又は請求項２に記載の波エネルギー抽出装置。
4. 前記第二の表面の断面形状は、ガウス関数に基づく曲線により形成される請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の波エネルギー抽出装置。
5. 前記装置は、さらに前記波エネルギー変換機器へ装着するための装着点を含み、前記装着点に隣接する平坦な輪郭に向かって先細に変化する断面形状を有する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の波エネルギー抽出装置。
6. 前記第二の表面の断面形状は、前記装置の垂直軸上の尖った先端に向かい追加的に延び、前記尖った先端は、前記凸状の前記第二の表面に固定して取り付けられた第三の表面により形成され、前記凸状の前記第二の表面と前記第三の表面との間に第一の内部体積を提供する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の波エネルギー抽出装置。
7. 分離した複数の構成要素から形成され、
   前記尖った先端は、前記凸状の前記第二の表面を形成する構成要素から分離した構成要素であり、前記装置の中心部分の強度及び剛性を補強する請求項６に記載の波エネルギー抽出装置。
8. 前記第一の表面の凹面の深さは、水の波の期待される主要な波長の１６分の１から４分の１の間の長さである請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の波エネルギー抽出装置。
9. 前記凸状の前記第二の表面は、使用時に追い越す波が前記第二の表面で滑らかに合流可能であるように形作られている請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の波エネルギー抽出装置。
10. 水の波から有益なエネルギーを抽出する方法であって、
    波エネルギー抽出装置を水塊の中に少なくとも部分的に沈める手順と、
    前記装置の第一の表面であって垂直軸に沿って凹面状である前記第一の表面を、平均的な水の波の方向に対抗する角度に向ける手順と、
    前記装置の下流側で平均的な水の波の方向に向けられた第二の表面であって、水中での動きに対して低抵抗であるように前記垂直軸に沿って凸状である第二の表面を、前記波エネルギー抽出装置に設ける手順と、
    前記波エネルギー変換機器を使用し、入射波の峰及び谷の両方により生じる前記装置の前進及び後退の動作から前記エネルギーを抽出する手順と、
    を備える方法。