JP6454271B2 - 波の作用によりエネルギーを生成するシステム - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

［関連出願に関する相互参照］
本願は、２０１２年６月４日に出願された米国仮特許出願第６１／６５５，０９５号に基づく優先権を主張し、同出願は参照により本明細書に援用される。
［技術分野］
本発明は波の作用によりエネルギーを生成するシステムに関する。より詳細には、本発明は波の作用によりエネルギーを生成するシステムの一部を構成する、又は該システムの一部を含む船の船体に関する。
［背景技術］
船の船体及び他の浮遊プラットフォーム（本明細書では「船体」と総称する）に対する波の作用によりエネルギーを生成するシステムや方法の技術においては、多くの例が存在する。例えば、参照により本願に援用する米国特許出願公開第２００９／０１６０１９１号明細書では、船体に対する波の作用により電力を生成するシステムが記載されている。第２可動体は、船体、つまり第１可動体に担持されるとともに、船体に対して可動であり、第２可動体は船体に対する自身の位置の変化の結果として運動エネルギーを生成する。好ましい実施形態では、続いて、機構がこの第１可動体に対して相対移動する第２可動体の運動エネルギーを電力に変換する。この例では、船体はエネルギーを生成するシステムの一体的な構造の一部を成す。

波の作用によりエネルギーを生成するシステムの他の例では、船体は該システムを単に担持する、又は含むにすぎない。ここでは、波の作用によりエネルギーを生成するシステムの一体的な構造の一部である船体、或いはこういったシステムを単に担持する、又は含むにすぎない船体は、波の作用によりエネルギーを生成するシステムの一部として言及される。

波の作用によりエネルギーを生成するこれらのシステムの大部分が詳細に説明されている。しかしながら、これらのシステムの一部である船体には、システムの製造コスト及びシステムによって供給されるエネルギー量の両方に大きな影響を与え得る船体の形状や寸法及び方向付けについて、あるとしてもごく僅かな注意しか払われていない。

本発明の目的は、波の作用によりエネルギーを生成するシステムの製造コストを低減し、かつ、システムにより生成されるエネルギーを増大させる船体を製造することにある。
［発明の概要］
本発明は、波の作用によりエネルギーを生成するシステムの一部である船体に関する。船体の形状や寸法及び方向付けにより、システムにかかるコストを減少させ、システムによって生成されるエネルギーを増大させる。

本発明のこれらの態様は排他的なものではなく、以下の明細書、添付の特許請求の範囲及び付随する図面を併せて読めば、当業者にとって、本発明の他の特徴、態様及び利点が容易に明らかとなるであろう。

本発明のこれらの特徴や利点、及び他の特徴や利点は、以下の実施形態の詳細な説明を図面と併せて読むことでよりよく理解されるであろう。

波の周期の概略図である。 波長と波の周波数を示す表である。 船体の断面図である。 船体の断面図である。 水線面の概略図である。 同調された楕円船体の概略図である。 外部バラスト保持手段を有する船体の概略図である。 単一船体の方向付けを示す概略図である。 別の単一船体の方向付けを示す概略図である。 トラスで接続された複数の船体の方向付けを示す概略図である。 固定係留索とウィンチロープに接続された複数の船体の方向付けを示す概略図である。 固定係留索と複数のウィンチロープに接続された複数の船体の方向付けを示す概略図である。 複数の船体の相対的配列（ｐｈａｓｅ ａｒｒａｙ）の概略図である。 単一船体について時間に対する生成電力を表すグラフである。 ２つの船体の相対的配列の概略図である。 ２つの船体について時間に対する生成電力を表すグラフである。 相対的配列の一実施形態の概略図である。 相対的配列の別の実施形態の概略図である。 相対的配列の別の実施形態の概略図である。 相対的配列の別の実施形態の概略図である。 相対的配列の別の実施形態の概略図である。 相対的配列の別の実施形態の概略図である。 相対的配列の別の実施形態の概略図である。 相対的配列の別の実施形態の概略図である。

［発明の詳細な説明］
本発明は、波の作用によりエネルギーを生成するシステムの一部を構成する船体に関する。該システムの他の部分は、米国特許出願公開第２００９／０１６０１９１号明細書に記載されたシステムの一部、又は、波の作用によりエネルギーを生成する他の任意のシステムの一部であってもよい。

本発明の好ましい実施形態は、製造コストを低減することを意図している。海洋波は、その周波数に基づいて２つのグループに分けられる。１つは周波数が９秒近辺に集中する波（中波）のグループであり、１つは周波数が１２秒近辺に集中する波（長波）のグループである。図１に示すように、９秒の波の１／２波長、つまり波のピークから次の谷までの距離は２０７フィート（約６３．１ｍ）であり、１２秒の波の１／２波長は３６８フィート（約１１２．２ｍ）である。船体の最適な長さは波長の１／４から３／４の間である。ここで、図２に示すように、９秒の波と１２秒の波の両方で使用される船体の最適な長さは、１２秒の波、つまり長波の波長の１／４である１８４フィート（約５６．１ｍ）よりも長く、９秒の波、つまり中波の波長の３／４である３１１フィート（約９４．８ｍ）よりも短くなるであろう。好ましい実施形態での船体の長さは、２００フィート（約６１．０ｍ）から２８０フィート（約８５．３ｍ）の間である。

図３に示すように、別の好ましい実施形態における船体の断面３４５は、垂直線３４６である７５フィート（約２２．９ｍ）の長軸と、水平線３４９である５３フィート（約１６．２ｍ）の短軸とを有する断面を備えた楕円形である。湾曲した壁によって楕円形の強度は、壁が直線部分を有する構造に比べて大きくなる。この結果として、より薄くより廉価な壁を使用することができる。

また、この楕円形状は、７秒から１５秒の範囲の複数の波周波数に対して、変位量と水線面が自己同調するように最適化されている。船体が縦揺れや上下揺を起こすと水線面を増加又は減少させる点で楕円形と類似する、図３Ａに示す菱形形状などの他の断面形状も使用できる。図４に示すように、船体の楕円形状は、船体の波長に対する位相を、船体と喫水線との交差により形成される平面である水線面の変化を介して同調させるために使われる。図５に示すように、所与の慣性モーメントにて楕円形の水線面が増加又は減少すると、船体は、揺れに対する安定性がより高くなるか、或いはより低くなり、より高い又は低い周波に同調する。船体が縦揺れや上下揺を起こしたときに、水線面が増加して船体の安定度が増すと（５７１）、船体はより高い周波に同調し、水線面が減少して船体の安定度が低くなると（５７２）、船体はより低い周波に同調する。

楕円形の喫水により船体の静止水線面が決定される。喫水が深くなると喫水線は楕円体の高い位置へ上昇し（５７２）、楕円体の水線面が小さくなるため船体の安定性が減少する。喫水が浅くなり喫水線が楕円体の幾何学的水平中心線に近づくと（５７１）、船体の水線面が増加し船体の安定度が増す。

また、船体の慣性モーメントが増加するにしたがって、船体は更に長い波周波数に同調することができる。船体の船首又は船尾に外部から質量を加えることで、船体に追加の容積を付加することなく船体の慣性モーメントが増加する。船体に質量を追加する場合に、追加の質量の位置を移動させる方が、同等の慣性モーメントを実現するために必要とされるより多くの質量を受け入れるために船体の容積を追加するよりも、はるかに低コストである。

船体の船首及び船尾において外部に配置される追加の質量を付加又は除去することは、船体の変位量をも増加又は減少させ、したがって船体の容積を追加することなく船体の慣性モーメントを増加又は減少させ、結果として、それぞれより長い又はより短い波の周期に船体の位相を同調させる。

図５Ａに示すように、別の好ましい実施形態においては、船体５０１はその船首５０３に外部バラスト保持手段５０２を有し、外部バラスト保持手段５０２は船尾（図示せず）にもあってもよい。バラスト保持手段は、コンクリートブロック、又は金属板、又はそのようなバラストを収容可能なケージ、又は当業者に周知の他の保持手段などのモジュール式バラスト５０４を掛けるフック５０２で構成することができる。モジュール式バラストはバラスト保持手段に付加されるか、又はバラスト保持手段から除去される。このようなバラストの付加又は除去は、船体の長さ、変位量及び慣性モーメントをそれぞれ増加又は減少させ、より高い周波数又はより低い周波数の波と同期して作動するように船体の位相を同調させて発電量を増大させる。

図６に示すように、典型的な船体２１０では、左舷２１５から右舷２１６に向かう線２１４に沿った慣性モーメントよりも、船首２１２から船尾２１３に向かう線２１１に沿った慣性モーメントの方が大きい。この結果、船首２１２から船尾２１３に向かう線２１１が波２１８の方向２１７に直交するように船体が方向を変え、船体が左舷から右舷へ横揺れする。本明細書で用いられる風の方向は、波の方向に平行であり、かつ、波面に直交することに言及しておく。

船首から船尾に向かう線が波の方向と平行になるように自らを方向付ける船体を造るためには、左舷から右舷に向かう線に沿った慣性モーメントは、船首から船尾に向かう線に沿った慣性モーメントよりも大きくなるように増大されなければならない。これは先行技術において、図７に示すように左舷２２１から右舷２２２に向かう線２２０に沿った船体の寸法を増大させることにより実現されている。しかしながら、このような船体に使う材料コストやその製造コスト及び輸送コストはかなり大きい。

図８に示すように、好ましい実施形態においては、複数の船体３０３及び３０４（ここでは２隻だがそれ以上でも可）は、単純なトラス３０５によって互いに平行な位置で保持される。トラスは、第１船体と第２船体とが第１船体の右舷側と第２船体の左舷側との間で最も近接するように、船体を離間させて保持する。船体間距離３０６は、最も左側にある船体の左舷側から最も右側にある船体の右舷側に向かう線３０７に沿った慣性モーメントが、船体の船首から船尾へ向かう線３０８に沿った慣性モーメントを上回ることに一部基づいて選択される。この結果、複数の船体からなる構造体は、船首から船尾に向かう線３０８が波３１１の方向３１０に平行になるように該構造体を方向付ける。

図９に示すように、別の好ましい実施形態においては、複数の船体３２０〜３２９は固定係留索具に取付けられている。固定係留索具は、両端がブイ３３１及び３３２に取付けられた係留索３３０、又は各船体用の個々の固定係留索具（図示せず）のいずれであってもよい。複数の船体３２０〜３２９は、両端がブイ３３１及び３３２のウィンチ３３４及び３３５に取付けられたウィンチロープ３３３にも取付けられている。波の方向が変わると、ウィンチ３３４及び３３５は、ウィンチロープを一方のウィンチから他方のウィンチへ動かすことによって、船体の船尾３３８から船首３３７に向かう線３３６、又は、船首が向いている方向が波３４０の方向３３９に平行になるように、船体を波の方向に対して能動的に方向付ける。能動的なウィンチロープがない場合には、係留紐具は、トラスを備えるとともに上述したように自身で方向付けをする複数の船体を係留するためにも使用できる。図１０に示すように、別の実施形態では、複数の船体５２０〜５２９は固定係留索具に取付けられており、固定係留索具は、両端がブイ５３１及び５３２に取付けられた係留索５３０、又は各船体用の個々の固定係留索具（図示せず）のいずれであってもよい。ウィンチ５４０〜５４９は、ウィンチロープ５６０の一端がウィンチに、一端が固定係留索具にそれぞれ取付けられた状態で、各船体５２０〜５２９のそれぞれに取付けられてもよい。各船体用のウィンチ５４０〜５４９は、それぞれのウィンチロープ５５０〜５６８を移動させることによって、船体の船尾から船首に向かう線、又は船首が向いている方向が波の方向に平行になるように各船体５２０〜５２９を能動的に方向付けることができる。

別の好ましい実施形態においては、波の作用によって電力を生成するシステムの一部である複数の船体は、図１１に示すような相対的配列をなすように配置される。相対的配列の目的は、１つ以上の独立した船体によって生成された電力の、下記に述べるような間欠的性質つまり離散性の問題に対処することにある。

１隻の船体について、当該船体に波が作用する間に電力が生成される。しかしながら、１つの波の当該船体への作用が止んでから次の波が当該船体に作用し始めるまでの間、電力は生成されない。図１２に示すように、ピーク間隔が１０秒の波においては、生成される電力は離散的である。こうした離散的な電力は直接商業用送電網に送出することができず、電池又は他のコストのかかる蓄電装置に蓄電しなければならず、電力生成費用にさらにコストを付加する。

この解決方法は、連続する波の第２波のピークが第１船体に作用していないときに第１波のピークが第２船体に作用するように、複数の船体を方向付けることである。例えば図１３に示すように、２隻の船体４０１及び４０２が相対的配列４００にて係留索４０３及び４０４によって係留されている場合に、ピーク間隔が１０秒であり、方向４０５へ進む連続する波におけるある波のピークは最初に船体４０１に作用し、５秒後に船体４０２に作用する。図１４に示すように、この相対的配列では、船体４０１によって生成された電力と船体４０２によって生成された電力との組み合わせである生成された電力４０６の離散性は平準化され始める。適切に配列されたより多数の船体を用いれば、その全船体で生成される総電力の離散性が失われ、コストのかかる蓄電装置は不要になる。

図１１に示すように、別の好ましい実施形態においては、複数の船体４１０〜４１９は係留索４２０及び４２１に取付けられており、係留索４２０及び４２１の端部は相対的配列４２４を形成するように直角の配列角度４２２を成す。該相対的配列は、異なる周波数の波、又は異なる方向から来る波（本実施形態では±２０°）でも、船体４１０〜４１９によって離散的ではない電力を生成するように、船体４１０〜４１９を動かすことができる。例えば波のピーク間の時間が増した場合、一船体４１１の船首から別の船体４１２の船首までの距離４２３は、当該船体同士を係留索４２０上で離間するよう動かすことによって増大させることができる。また、配列角度４０２は小さくすることができ、これは、実際には一船体の船首から別の船体の船首までの距離を増大させる。

他の相対的配列における他の係留索の構成を図１５〜２２に例示する。図１５では、係留索６０１の端部と６０２の端部は９０°の角度を形成し、この角度は一方の係留索上における一船体の船首から、同様の別の船体の船首までの距離を変更するために増加又は減少させることができる。図１６では、係留索６０１及び６０２は交わらないため、風の方向の変化を考慮するために、風の方向に直交するように係留索６０１及び６０２を動かすことができる。図１７では、係留索６０１及び６０２は交わらないため、その一方又は両方を全体的な風の向きに対して平行に動かすことができる。

図１８では、係留索６０１及び６０２は、全体的な風の方向に平行な線に対してそれぞれ異なる角度を形成する。これらの角度はそれぞれ増加又は減少させることができる。図１９では、係留索６０１及び６０２は長さが異なる。各係留索の長さは増加又は減少させることができる。図２０では、一方の係留索６０１沿いの船体同士を離間させることができ、或いは係留索全体を動かすことができる。

図２１では複数の相対的配列が存在する。各相対的配列は、端部同士が９０°の角度を成して接する２つの係留索６０１及び６０２を有する。相対的配列同士は全体的な風の方向に直交する方向において、互いに近づいたり離れたりするように移動させることができる。図２２では複数の相対的配列が存在する。ここでも各相対的配列は端部同士が９０°の角度を成して接する２つの係留索６０１及び６０２を有する。相対的配列同士は全体的な風の方向に平行な方向において、互いに近づいたり離れたりするように移動させることができる。

本発明の原理を本明細書において説明してきたが、当業者であれば、当然のことながら、この説明が単に例を示すものであり、本発明の範囲を制限するものではないことが理解されよう。本願に図示し説明した例示的な実施形態に加えて、他の実施形態も本発明の範囲に包含されることが企図される。当業者による改変及び置換は本発明の範囲内に包含されるとみなされる。

Claims (16)

1. 船体に及ぼされる波の作用によりエネルギーを生成する方法であって、
   少なくとも部分的には波の周波数に基づいて、船体の喫水を調整するために船体のバラストの量を調整することによって船体の縦揺れを調整することであって、前記船体の少なくとも一部は、該船体の喫水が浅くなると該船体の静止水線面が増加し、該船体の喫水が深くなると該船体の静止水線面が減少するような断面を有する、船体のバラストの量を調整することによって該船体の縦揺れを調整することと、
   前記船体のバラストの量を調整することによって該船体の縦揺れを調整することは、
   波の周波数の低下に応答して、前記船体の喫水を深くし、前記船体の静止水線面を減少させることと、
   波の周波数の増加に応答して、前記船体の喫水を浅くし、前記船体の静止水線面を増大させることと
   を含むことと、
   波の作用及びそれによって生じる船体の動きから発電することと
   を含む方法。
2. 前記船体が、波長の１／４〜３／４の長さを有する、請求項１に記載の波の作用によりエネルギーを生成する方法。
3. 前記船体の慣性モーメントを変更し、波の周波数と同期して作動するように前記船体の位相を同調させるように、バラストの量を調整することを更に含む、請求項１に記載の波の作用によりエネルギーを生成する方法。
4. 前記船体が長軸と短軸を有する楕円形の断面を備え、前記長軸が垂直方向に延び、前記短軸が水平方向に延びる、請求項１に記載の波の作用によりエネルギーを生成する方法。
5. 前記船体がほぼ菱形の断面を有する、請求項１に記載の波の作用によりエネルギーを生成する方法。
6. 前記船体の長さが波に対してほぼ直交するよう整列されるように構成される、請求項１に記載の波の作用によりエネルギーを生成する方法。
7. 前記船体が２００フィート（約６０．９６ｍ）から２８０フィート（約８５．３４ｍ）の長さを有する、請求項１に記載の波の作用によりエネルギーを生成する方法。
8. 前記波の作用及びそれによって生じる船体の動きから発電することが、
   船体である第１の可動体によって担持され、かつ、第１の可動体に対して移動可能である第２の可動体を、第１の可動体に対する第２の可動体の位置が変化する結果としての運動エネルギーを生成するように移動させることと、
   前記第１の可動体に対する前記第２の可動体の運動エネルギーを電気に変換することと
   を含む、請求項１に記載の波の作用によりエネルギーを生成する方法。
9. 船体に及ぼされる波の作用によりエネルギーを生成する方法であって、
   波の周波数に基づいて船体の縦揺れを同調させることを含み、
   前記船体の縦揺れを同調させることは、
   波の周波数の低下に応答して、前記船体の喫水を深くし、前記船体の静止水線面を減少させることと、
   波の周波数の増加に応答して、前記船体の喫水を浅くし、前記船体の静止水線面を増大させることと
   を含む、方法。
10. 前記船体の少なくとも一部は、波の周波数と同期して作動するように前記船体の位相を同調させるために、該船体の喫水が浅くなると該船体の静止水線面が大きくなり、該船体の喫水が深くなると該船体の静止水線面が小さくなるような断面を有する、請求項９に記載の波の作用によりエネルギーを生成する方法。
11. 前記船体が長軸と短軸を有する楕円形の断面を備え、前記長軸が垂直方向に延び、前記短軸が水平方向に延びる、請求項９に記載の波の作用によりエネルギーを生成する方法。
12. 前記船体の喫水を深くすることが、前記船体にバラストを付加することを含み、前記船体の喫水を浅くすることが、前記船体からバラストを除去することを含む、請求項９に記載の波の作用によりエネルギーを生成する方法。
13. バラストが、前記船体の船首又は船尾のうち少なくとも一方に付加され、又はそこから除去される、請求項９に記載の波の作用によりエネルギーを生成する方法。
14. 前記船体がほぼ菱形の断面を有する、請求項９に記載の波の作用によりエネルギーを生成する方法。
15. 船体に及ぼされる波の作用によりエネルギーを生成する方法であって、
    波の周波数に基づいて船体の縦揺れを同調させることと、
    波の作用とその結果としての船体の動きから発電することと
    を含み、前記船体の縦揺れを同調させることが、船体の慣性モーメントを変更し、波の周波数と同期して作動するように前記船体の位相を同調させるように前記船体の船首又は船尾のうち少なくとも１つの外部に連結されるバラストの量を調整することを含む、方法。
16. 前記船体の船首又は船尾のうち少なくとも１つの外部に連結されるバラストの量を調整することは、前記船体に容積を付加しない、請求項１５に記載の方法。