JP6502933B2 - 上下動ブイポイントアブソーバ - Google Patents

Description

本発明は、波エネルギー変換器に関する。詳細には、本発明は、閉じ込められた空気量を介して封入された水量の表面に対して反応する、上下動ブイポイントアブソーバを備える波エネルギー変換器に関する。

波エネルギーの最大資源は、卓越風に吹きさらされた沖合場所および卓越波状態の波長の半分を上回る水深さにある。実際、これは、最高の海洋波エネルギーが、約１００メートルまたはそれ以上の程度の深さにあることを意味する。

多くの波エネルギー変換技術は、入射波場によって誘発された励起力の結果１つまたはより多くのモードで振動し、したがってエネルギーを運動および位置エネルギーとして吸収する１つまたはより多くの本体を含む。必然的に、そのような振動システムは、それ自体大きく、非常に重く、大量のエネルギーが有用な動力に変換される場合、動力取り出し機構を介して別の大きく非常に重い本体または地球に対して反応できなければならない。そのような振動システムの最適なサイズは、卓越波長および経済性によって規定される。発電所規模で商業的に実行可能であるために、波エネルギー変換器は、最も高いエネルギーの沖合環境において大規模アレイ内で効果的に作動しなければならない。

軸対称波エネルギーポイントアブソーバは、大規模アレイの沖合開発に良好に適合され、これらのほとんどは、縦方向モードで振動するまたは上下動する上下動ブイポイントアブソーバである。これらは、通常、緊張係留またはスパーによって海底に対して反応することができ、または、１つよりも多い大きな振動本体を備えることによって自動反応式であることができ、または内部質量もしくは外部慣性質量またはプレートに対して反応することができる。海底に対する反応は、スパーまたは緊張係留が、海底に十分に固定されまたはアンカー固定され、それにより、これが、１メガワットまたはそれ以上の程度の動力出力に対応する力に耐えることを要求する。

そのようなアンカー固定システムは、深海内に設置し維持することは費用がかかる。そのような方法の代替策は、動力取り出し機構によって互いに反応する２つまたはそれ以上の本体を提供することを含む。そのような振動システムは、これらが、位置合わせを維持し、何百万ものサイクルに対して機能し続け、暴風状態に耐えることができることを保証するために多くの工学的課題を課している。何らかのものに対して反応するこの必須の必要性は、実用的な、耐波性の、コスト効果の高い振動式波エネルギーアブソーバの開発、特に自動反応式として分類され得るこうしたデバイスの開発に対して大きな課題を課している。

上下動ブイポイントアブソーバのさらなる必須の要求事項は、縦方向モードの振動または上下動のその固有周期が、最大エネルギーが吸収される場合、入射波のものと合致することができなければならないことであり、これは共鳴として知られている状態である。

上下動ブイポイントアブソーバは、上下動において良好に規定された固有周期を有する傾向があり、その結果、最適に応答し、全エネルギー分布の狭帯域から効率的にエネルギーを吸収する。したがって、デバイスの固有周期を調整することができることが有利である。ラッチング（振動が、より長い固有周期をシミュレートするために瞬間的に保持される、または「ラッチされる」）、またはピークを低減することを犠牲にしてアブソーバの応答が広げられるような、増大された減衰などの、いくつかの妥当な解決策が提案されている。

振動水柱（ＯＷＣ）は、良好に確立されたクラスの波エネルギー変換器を備え、この技術は、海岸および沖合システムの両方に適用されている。ＯＷＣ内の水柱は、入射波によって活性化される。他の振動式波エネルギーアブソーバと同様に、最大のエネルギー吸収は、水柱の固有振動が、空気がその上方に閉じ込められた状態で、入来する波列と調和するときに起こる。この条件は、振動水柱およびその上方の空気を封入するチャンバの外形によって厳密に規定される。

よく知られているさらなる実施は、上下動スパーブイの一体部分としてＯＷＣを含むことである。スパーブイは、その幅が喫水と比較して小さいものである。いかなるポイントアブソーバの幅も、卓越波長さに対して小さくなければならず、一般的な海洋場所では直径２０ｍにすぎない。８秒から１４秒の範囲の期間、１０メートル半径のＯＷＣは、内部水柱が共鳴し得ることを確実にするために８から４０メートルの水柱長さを必要とする。そのような喫水の範囲は、実際に実施することは難しい。さらに、利用可能な波エネルギーは、深さが４０メートルに近づくとかなり減少する。追加の問題は、上下動スパーブイおよび封入されたＯＷＣの振動が位相ずれすることを確実にする必要性であり、そうでなければ、２つの振動システム間の相対運動が存在しないので動力を回収することが困難である。

したがって、商業的に実行可能なポイントアブソーバ波エネルギー変換器の開発は、たとえば以下のいくつかの大きな課題によって阻まれている：
−海底に対する反応は、深海の沖合に設置および維持することにコストがかかる。
−自動反応式共鳴上下動ブイポイントアブソーバは、これまでのところ、少なくとも２つの質量のある本体が動力取り出し機構を介して連接されることを必要としており、それによって入念な位置合わせおよび端部停止制御を必要とする。
−連接されたデバイスは、耐波性が劣る傾向があり、より故障しやすく、製造および維持によりコストがかかる。
−浮遊式共鳴ＯＷＣポイントアブソーバのパフォーマンスは、水柱の寸法によって制約され、これを変化する波状態に調整することは、複雑な事態、またはあるいは、多様な異なる水柱を伴う。
−ＯＷＣを表面穿孔ブイ内に組み込むポイントアブソーバは、一般的な波エネルギー分布にわたる効果的な動力回収のために内部水面と、上下動ブイの振動間に適切な位相ずれを確実にする上で困難性を有し得る。

したがって、従来技術の欠点の少なくとも一部に対処する波エネルギー変換器に対する必要性が存在する。

これらおよび他の問題は、波エネルギー変換器であって、海水を中に収容するための容積部を画定する調整可能な基準質量体に動作可能に結合された表面穿孔フロートまたはブイを有する共鳴上下動ブイポイントアブソーバを備える、波エネルギー変換器によって対処される。チャンバが、上下動ブイ内に設けられ、封入された水柱の上方に空気量を閉じ込めるために海と流体連通し、封入された水柱の高さは、ポイントアブソーバが閉じ込められた空気量に対して反応するにつれて動作可能に変化する。制御機構が、ポイントアブソーバの１つまたはより多くの作動特性を調節するように構成される。

それにしたがって、本教示は、請求項１に詳述されたような波エネルギー変換器を提供する。有利な特徴は、従属請求項において提供される。

これらおよび他の特徴は、本教示の理解を助けるために提供された以下の図を参照してより良好に理解されるであろう。

本教示は、次に、添付の図を参照して説明される。
本教示による波エネルギー変換器の斜視図である。 図１の波エネルギー変換器の側部断面図である。 図１の波エネルギー変換器の詳細の斜視図である。 図１の波エネルギー変換器の詳細の斜視図である。 波エネルギー変換器のコンピュータモデルである。 図５のコンピュータモデルを用いて生成されたグラフである。 動力取り出し機構を表す図である。 一緒に動作可能に結合された複数の波エネルギー変換器のブロック図である。 波エネルギー変換器の詳細の斜視図である。

次に、本教示は、例示的な波エネルギー変換器を参照して説明される。例示的な波エネルギー変換器は、本教示の理解を助けるために提供され、いかなる形においても限定的と解釈されるものではないことが理解されるであろう。さらに、任意の１つの図を参照して説明される要素または構成要素は、本教示の趣旨から逸脱することなく他の図のものと交換可能にされ得る。例示を簡単にし、明確にするために、適切と考えられる場合、参照番号は、対応するまたは類似の要素を示すために図の中で反復され得ることが理解されるであろう。

図を参照すれば、波エネルギーを利用するための例示的な波エネルギー変換器１００が例示される。例示的な波エネルギー変換器１００は、調整可能な基準質量体１２５およびバラスト１５１に動作可能に結合された表面穿孔フロート１２０を含む共鳴上下動ブイポイントアブソーバ１２２を備える。例示的な態様では、表面穿孔フロート１２０、調整可能な基準質量体１２５およびバラスト１５１は、通過波に応答して海面に対して反応する単一体として提供される。チャンバ１０５が、表面穿孔フロート１２０内に形成され、中空の内部領域を画定し、この中空の内部領域は、チャンバ１０５の基部に隣接して位置する入口１１０を介して海と流体連通する。チャンバ１０５は、水柱を封入し、その結果、空気量が水柱の上方に閉じ込められる。この空気量は、空気がそこを通って排気または吸入され得る複数のベント１１５を介して大気にベントされる。

波エネルギー変換器１００は、上下動で振動し、それにより、チャンバ１０５の内部の上部表面は、水柱の上方に閉じ込められた空気のクッションを介してチャンバ内の内部水面に対して、すなわち、チャンバの内部上部表面と水柱の内部上部表面との間で反応する。ポイントアブソーバ１２２（波エネルギー変換器１００）の上下動の固有周期は、
−基準質量体内に閉じ込められた水量、それと同時に関連付けられた付加質量を制御すること、
−内部水注の上方に閉じ込められた空気量の圧力に関連付けられた復元ばねを制御することの１つまたはより多くによって変更され得る。

上下動ブイの共鳴のこの最適化は、振動の固有周期を調整するように調整され得る基準質量体を用いることで達成される。北大西洋の波エネルギーの９０％が、８〜１４秒の範囲の波周期で、１０秒近くにピークを有して起こることが推定される。浮遊上下動ブイは、これが、１０秒程度の上下動における固有周期を有する場合、表面フロートの排水量の５倍程度の基準質量体を有する必要がある。

封入された水柱は、表面的にはＯＷＣに似ることができるが、これは、実際には、従来のＯＷＣデバイスのようには作動しない。ＯＷＣの作動では、表面波が内部水柱を上昇させ降下させる。表面フロートは、それ自体、波作用またはＯＷＣによって及ぼされた空気圧力に応答して縦方向に上下動することができるが、そのような上下動は、ポイントアブソーバが、閉じ込められた空気量を膨張させ圧縮し、この閉じ込められた空気量が、次に海水柱を膨張させ圧縮するという結果にはならない。振動水柱は、波（ポイントアブソーバではなく）によって駆動され、これが、エネルギーがこれらの装置によって吸収される方法である。しかし、本教示では、内部水面のレベルは、主に、その上方の、波エネルギー変換器１００の振動によって圧縮され膨張される空気量によって内部水面上に及ぼされた力の結果振動する。変換器１００全体は、通過波に応答して共鳴振動し、それにより、チャンバ１０５の屋根部は、閉じ込められた空気量を圧縮するようにピストンのように動作する。従来のＯＷＣ装置では、振動しピストンのように挙動するのは水量である。したがって、機能的には、この２つは、正反対であることが理解されるであろう。

表面穿孔フロート１２０は、好ましくは軸対称であり、チャンバ１０５の外面と一体式である。表面穿孔フロート１２０は、波エネルギー変換器１００全体の予想される上下動応答を収容するのに十分な喫水および乾舷のものである。表面穿孔フロート１２０の喫水は、通常、数メートルであり、これは、表面波によって及ぼされた力から利益を得るように良好に適合されることを意味する。用語「乾舷」は、水レベルの上方である、表面穿孔フロート１２０の高さを指す海事用語である。喫水という用語は、水線のレベルから表面穿孔フロート１２０の最低点まで切り取られた、負荷がかけられた表面穿孔フロート１２０の水中の深さを指すよう意図される。

調整可能な基準質量体１２５は、表面穿孔フロート１２０と共に動作可能である中性浮力質量体を実現するために、その中に海水量を閉じ込めるように構成される。中性浮力質量体は、関連付けられた付加質量と相まって、波エネルギー変換器１００を、卓越波候のピーク周波数に対応する、またはこれに近い周波数で振動するように促す。

バラスト１５１は、表面穿孔フロート１２０が、静水内で正しい喫水／水線に着座することを確実にし、波エネルギー変換器１００を水中で安定化させることを助けるために必要とされる。安定化の目的のために、バラストは、浮心の下方、好ましくは浮心のはるか下方に置かれなければならない。バラストは、好ましくは、細長い中央スパイン１３２の底部に置かれる。

また、バラストは、水よりかなり大きい比重のものであることも必須である。当業者に知られているように、いくつかの材料が、バラストに適している。好ましくは、鉛が使用される。鉄もまた、使用され得るが、さびやすい。実用的な選択肢は、コンクリート内に埋め込まれた鉄または単独の高密度コンクリートである。このバラスト１５１の一部またはすべては、安定性を改良し、パラメトリックロールなどの望ましくない振動を回避または軽減するために必要とされ得る場合に応じて、ポイントアブソーバ１２２の最低地点（細長いスパイン１３２の底部）に置かれてよく、または縦方向に（スパイン１３２に沿って）分散されてよい。

上記で述べられたように、変換器１００上に設けられたバラストは、表面穿孔フロート、それに対応して変換器が、全体として、どれくらい高く／低く水中に着座するかを決定付ける。

静水中の表面穿孔フロートの位置は、正常作動において、共鳴するときの上下動ブイポイントアブソーバの上下動応答が、喫水および乾舷の有効長さ内にあり、変換器が、関与量として知られている、入射波場に適切である各々のサイクル内の水量を排水させることを確実にするようなものにならなければならない。この上下動応答は、基準質量体の完全性、フロートからの浮力復元力、水柱上方のプレナムに関連付けられた空気ばね、および空気動力取り出し機構によって及ぼされる反応または減衰に密接に関連付けられる。

バラスト１５１および基準質量体１２５は、異なる機能を実行する別個のエンティティであることが理解されるであろう。バラストは、固定されたバラストであり、水中重量を有し、基準質量体のものよりかなり小さい質量を有する。基準質量体は、慣性質量（閉じ込められた水）および移動する際の付加質量を備え、中性浮力性のものである。これはまた、大きい値（通常、数千トン）から事実上ゼロまで変化し得る。

チャンバ１０５の細長い水柱は、デッキ１３０によってその上側端部において閉じられる。細長い中央スパイン１３２が、デッキ１３０から調整可能な基準質量体１２５の下側端部まで延在する。チャンバ１０５、フロート１２０、および調整可能な基準質量体１２５は、好ましくは、中央スパイン１３２上に装着され、これに堅固に連結される。中央スパイン１３２は、長手方向軸１３４を画定する。ベント１１５は、長手方向軸１３４に対して実質的に垂直である横断方向軸１３６を画定する。変換器１００が、入射海波に応答して上下動するとき、これは、チャンバ１０５内の水柱上の空気量を圧縮し、膨張させる傾向があり、これはまた、（底部入口１１０を介して海に開く）水柱のレベルを上下動ブイ１２０に対して振動させる。動力取り出し機構（ＰＴＯ）１４０が、ベント１１５に対して動作可能に配置され、それにより、空気のストリームが、ダクトを通って大気へ排気され、または大気からＰＴＯ１４０に吸入される。例示的な配置では、ＰＴＯ１４０は、空気タービン１４２を含み、空気タービン１４２は、図７に最適に示される発電機１４４を駆動して、空気がベント１１５を通って強制排出されるまたは引き入れられるときに電気を生成する。例示的な配置では、タービン１４２は、１つのタービン−発電機のセットが、空気圧力がチャンバ１０５内で上昇するときに第１のセットのベント１１５を通って強制排出される空気ストリームによって駆動されてよく、別の類似のタービン−発電機のセットが、空気圧力がチャンバ１０５内で降下するときに第２のセットのベント１１５を通って吸入された空気ストリームによって駆動されるという点で、一方向インパルスタービンである。

発電機１４４は、タービン１４２のシャフトにかけられたトルクに対する反応を変化させるように制御され得る。これは、タービン１４２によって通過空気ストリームにもたらされた減衰抵抗を変更し、次いで、チャンバ１０５内の封入された水柱上の空気圧力の変化率を変更する。例示的な配置では、発電機の界磁電流は、コントローラによって制御され、このコントローラは、上下動ポイントアブソーバ１２２の全体パフォーマンスを最適化し、感知された、搭載されたおよび／または外部からもたらされた作動特性に応答してそのように行う適切な反応を決定する。感知された作動特性は、それだけに限定されないが、チャンバ１０５内の内部水面の上昇または降下の速度および振幅、上下動ブイポイントアブソーバ１２０の振動の速度および振幅、および振動水柱上方のチャンバ１０５内の空気圧力の１つまたはより多くを含むことができる。卓越波候のものに近い固有周期で共鳴または振動するように構成された上下動ブイ１２０およびこれもまた上下動ブイに対して振動するその封入された振動水柱の組み合わせは、２つの振動システムが、位相ずれして維持され得るように制御され得る。そのような配置は、システム全体から回収され得る動力の量を強化する。

調整可能な基準質量体１２５は、閉じ込められた海水を有する大きく中性浮力性の質量体を実現する。変換器１００は、その固有周期が入射波場のものと合致し、共鳴が達成され得るときにほとんどのエネルギーを吸収する。変換器１００が、入射波のスペクトルピーク周波数に対応することができる（対応するように設定され得る）上下動における固有周期を有することを主に確実にするのは、基準質量体の使用である。基準質量体は、慣性および（移動するときの）付加質量を備える。付加質量は、デバイスの外形および構成から決定され、その値を決定するために複雑な分析を必要とし得る。これは、計算流体力学などの標準的なモデル化から決定され得る。基準質量体は、通常、変換器の浮力を変更することなく卓越気象（「暴風毎」の制御）に適合するように変化させることができる。

基準質量体、波周期、および水線面の間の関係は、公式：

によって近似的に表され、
式中、Ｔは波周期であり、Ｍ_fは慣性質量（すなわち閉じ込められた海水）であり、Ｍ_addedは、付加質量であり、デバイスの外形および構成から決定され、ρは、海水の密度であり、ｇは重力であり、Ａは表面穿孔フロート１２０の水線面積である。異なる周期に対する代表的な値は、たとえば１６メートル直径の表面穿孔フロートを備えたポイントアブソーバに対して、近似的に以下の通りである。

したがって、可変である基準質量体のこの配置は、対応して可変である付加質量から利益を得ることができることが明らかである。付加質量の割合は、タンクの外形を変更することによって増大され得る。海水および付加質量の両方は、自由に入手可能である。選択された場所の知られている波候は、（固定された）水線面積および（可変である）基準質量体の最適な組み合わせを決定するのに役立つ。

北西ヨーロッパおよびアメリカウエストコーストからのものなどのより高いエネルギー場所における波エネルギー流速には、顕著な季節的変動（波周期の変化）が存在する。基準質量体を説明されたように変更した結果、質量における変化の平方根に比例してシフトされる、同じポイントアブソーバの応答曲線が生じる。これは、より高い全体エネルギーの吸収を容易にする。詳細には、基準質量体は、波周期が波エネルギー吸収効率を維持するように変化するときに調整され得る。

別の例では、上記の式を１０秒周期波と共に用いることにより、これは、約８，０００ｋｇの全質量が、１０メートル半径の表面穿孔フロート１２０に対して必要であることを示す。５メートルのフロート喫水が、このスケールでは実用的であり、すなわち静水中１，５７０ｍ³排水させる。１，５７０ｍ³の排水が、８０００トンの質量を支持できることを確実にすることは、中性浮力に近い基準質量体を有することによって達成され得る。閉じ込められた水質量は、水中では無重力であるが、その質量は、表面穿孔上下動ブイ１２０の排水量の５倍程度のものであり、したがって、ポイントアブソーバ１２２が、入射波のものに類似する上下動における固有周期を有することを可能にする。この慣性質量は、調整可能な基準質量体１２５内の水量を調整し、したがって上下動アブソーバの固有周波数を変更することによって容易に変更され得る。制御機構は、調整可能な基準質量体と共に、その中に閉じ込められた水の量を制御するために共働することができる。

調整可能な基準質量体１２５は、複数の容積部を備え、この複数の容積部は、閉じ込められた水の中性浮力質量を、波エネルギーアブソーバ１００が作動しているところの卓越波型に調節するように構成することを容易にする。例示的な配置では、調整可能な基準質量体１２５は、複数の細長い中空の管状部材１４６を備え、細長い中空の管状部材１４６は、そのそれぞれの対向する端部に動作可能に結合された第１の弁部材１４８および第２の弁部材１５０を有する。管状部材１４６の長さは、管状部材１４６の少なくとも２つが、互いに異なる長さのものであるという点ですべて同じではない。異なる長さを備えた管状部材１４６を提供することは、調整可能な基準質量体１２５が、海水を閉じ込めるために使用され得る、いくつかの異なるサイズの容積部を有することを意味する。こうして、基準質量体１２５は、いくつかの異なるサイズの容積部を有し、この容積部は、閉じ込められた水の中性浮力質量を卓越波型に調節するために選択的に水で充填され得る。例示的な配置では、管状部材１４６のそれぞれの端部は、傾斜され、弁部材１４８、１５０は、枢動可能なフラップとして提供される。各々の第１の弁部材１４８は、第１の回転軸１５６の周りで回転可能であり、各々の第２の弁部材１５０は、第２の回転軸１５８の周りで回転可能である。調整可能な基準質量体１２５は、実際の慣性質量および付加質量（見かけ質量）の有益な組み合わせであり、粘性抗力から生じる損失を低減するために流線形にされ得る。付加質量という用語は、一般的には、流体力学において使用されており、加速するまたは減速する本体が、これが周囲流体を通って移動するときに周囲流体の量を移動させなければならないためにシステムに付加される慣性を指す。管状部材１４６を、ごく少量の閉じ込められた水の解放と同時にベントすることは、管状部材１４６の断面に関連付けられた付加質量の多くを低減する。これは、波エネルギーの分布におけるさまざまな位置での共鳴応答を容易にする。

弁部材１４８、１５０は、通常、気象条件の変更に応答して制御され得る。上下動ブイポイントアブソーバ１２０の上下動応答は、すべての弁部材１４８、１５０が開いているときに最小限に抑えられる。たとえば、保全作業中、弁部材１４８、１５０を開くことによって、上下動ブイポイントアブソーバ１２０の上下動応答を最小限に抑えることが望ましくなり得る。弁部材１４８、１５０は、好ましくは、これらが、引っ張られ閉じて保持される（「励起時に閉じられる」）ことを必要とし、次いで、かけられた力が不在の場合に開くことに重きが置かれる。このようにして、変換器１００は、たとえば、搭載時の技術的不具合、または過酷な波浪、または配電網接続における不具合が発生した場合にすべての弁が開いて自動的にフェイルセーフになるように配置される。

制御機構（図示せず）が、第１の弁部材および第２の弁部材１４８、１５０に、その弁を開閉するために動作可能に結合される。第１の弁部材および第２の弁部材１４８、１５０は、同時に両方が開くまたは両方が閉じるように対で作動する。

第１の弁部材および第２の弁部材の対が、閉じられたとき、水量が、対応する管状部材１４６内に閉じ込められる。閉じ込められる水量のサイズは、それぞれの管状部材１４６の中空内部領域によって画定される容積部によって決まる。

これに対応して、第１の弁部材および第２の弁部材の対が開くとき、海水は、対応する管状部材１４６内に閉じ込められない。こうして、第１の弁および第２の弁１４８、１５０を対で選択的に作動させることは、閉じ込められた水の中性浮力質量をポイントアブソーバ１２２の作動特性に調節することを可能にすることが理解されるであろう。ベントされたチューブの断面に関連付けられた付加質量はまた、チューブが、その長さに比例して適切な直径のものである限り低減される。センサ（図示せず）が、上下動ブイポイントアブソーバ１２０の作動特性および所定の周期にわたる対応する入射波パターンを感知するために提供され得る。搭載プログラマブルロジック回路（ＰＬＣ）が組み込まれて、感知されたデータ／記録されたデータを分析し、弁部材１４８、１５０の対が開くべきか、または閉じるべきかを決定する。慣性質量は、弁部材１４８、１５０を制御することによって、したがって波エネルギーの分布内の異なるスペクトラルピーク周波数における共鳴応答を容易にすることによって容易に変更され得る。したがって、波エネルギー変換器１００の共鳴応答が、気象条件に適合するように調節され得ることが理解されるであろう。

２つの振動システムが、本教示によって提供された一デバイスとして組み合わせられたとき、減衰制御は、水柱および封入する上下動構造の両方の応答に影響を与えることができ、後者は、内部水面上の空気圧力を変更することによって、効果的にはそのばね定数を変更することによって影響を与えることができるというさらなる利点を有する。水力学的分析は、振動水柱と上下動構造の間に１８０°の最大位相角度が達成され得ることを確認している。

本教示の波エネルギー変換器は、表面穿孔フロート１２２によって支持され、チャンバ１０５を含む本体が、通過波に応答して振動するように構成される。したがって、本教示は、２つの振動本体、すなわち表面波に応答して上下動する上下動ブイポイントアブソーバ１２０および水柱を組み合わせ、この水柱は、その上方に上下動ブイポイントアブソーバ１２０によって及ぼされた力によって引き起こされた空気圧力における変化に少なくとも部分的に応答して、封入されたチャンバ１０５内で振動することができる。水柱の上方の空気圧力は、発電機１４４のトルク抵抗、故に回転式タービンブレード１４２の減衰効果を変化させることによって変更され得る。これは、水柱および上下動構造の両方の応答に影響を与えることができ、後者は、効果的には上下動ブイポイントアブソーバのばね定数を変更するというさらなる利点を有する。

したがって、本教示は、上下動ブイポイントアブソーバ、基準質量体１２５、およびチャンバ１０５内に封入された空気に関連付けられた復元ばねの部分における２つのキーとなる変数を変更することを可能にする。代表的な作動では、基準質量体は、気象に大きな変化が存在するときに調整され（「暴風ごと」の制御として知られている）、空気ばねは、連続的に変更される（「波ごと」の制御として知られている）。

本教示の利点は、数多くあり、コンピュータモデル化を用いて実証され得る。

上下動ブイポイントアブソーバの流体力学的モデルが、開発され、これから、コンピュータは、所与の波候における応答を算出する。モデルは、上下動ブイおよび閉じ込められた水柱およびその上方の空気チャンバの相互作用を考慮するように拡張された。閉じ込められた水柱の時間依存質量、その付加質量、閉じ込められた空気と接触するその水線面積による剛性、流体力学的減衰、抗力、および流体慣性力がすべて組み込まれた。動力マトリックスが、アイルランド、メイヨー州からの例示的な波候に対して決定された。

流体力学的モデルの数値解の結果が、次いで、業界標準の流体力学的パッケージＷＡＭＩＴからのもの、および表面穿孔浮遊構造に適した、Ｆｌｏｗ−３Ｄを用いたコンピュータによる流体力学的（ＣＦＤ）分析と比較された。この結果は、波エネルギー変換器１００が、封入された水柱の慣性水面に対して反応する上下動ブイとして良好に実行することを実証する。ＷＡＭＩＴからの結果が、次に、説明される。波エネルギーアブソーバ１００は、空気クッションを、下方の海に開く水柱の上方に組み込む、弛んだ状態で係留された軸対称の表面穿孔上下動ブイとして図５のモデルを用いてモデル化された。大きい基準質量体およびバラストが、基部１６０に提供されて調整可能な基準質量体１２５を表した。モデルの例示的な寸法が、図５に示される。モデルは、以下の特性を有して定義された：
−喫水：６０メートル
−乾燥質量：５５０トン
−全質量：８２００トン
−容積：９２００ｍ³
−メタセンター高（ＧＭ）：９．５メートル
乾燥質量は、バラストを含むデバイス全体の実際の構造的質量である。全質量は、閉じ込められた海水の重量を含むが、付加質量は含まない。

波エネルギー変換器１００のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルが、図５に提供された例示的な寸法に対してシミュレートされた。適切な質量値が、個々の成分に割り当てられ、流体静力学が解かれた。これらの値は、適切な外形ファイルと共に、３ｍ高さの線形の、単色の深水波における、４〜１５秒の波周期の範囲にわたるデバイスパフォーマンスのシミュレーションのためにＷＡＭＩＴに渡された。デバイス応答は、６つの剛性本体の動作モード、および質量ゼロの自由表面パッチによって特徴付けられた振動水柱内の自由表面に対する２つの追加のモード（上下動およびピッチ）に対して記録された。ＷＡＭＩＴシミュレーションは、プラットフォームの周波数依存付加質量および減衰値、静水剛性、および８つの動作モードの各々に対する応答振幅演算子に関する無次元データを出力する。これらの値は、再無次元化および特性評価のためにＭａｔＬａｂ（商標）にインポートされた。

図６は、構造的上下動モード（線Ａ）、内部水面上下動モード（線Ｂ）および構造的サージモード（線Ｃ）の間の位相関係を示す。サージ応答振幅は小さかった。線は、約８秒から１３秒までの波周期の範囲にわたって、内部水面および構造的上下動モードが１８０°までの位相ずれであることを示す。これは、たとえば一般的な北大西洋波候においてこの例示的な外形には大きい発電の可能性が存在することを意味する。

ＰＴＯ１４０が、図７においてより詳細に示される。これは、１つは吸入用、１つは排気用の、各々が回転式スイッチトリラクタンス発電機に結合された一方向のインパルスタービンの少なくとも１つの対を組み込む好ましい構成を示す。代替的な構成は、ウェルズ（Ｗｅｌｌｓ）またはデニス−オールド（Ｄｅｎｎｉｓ−Ａｕｌｄ）タービンなどの１つまたはより多くの双方向タービンと、従来の磁石同期発電機とを使用することができる。好ましくは、スイッチトリラクタンス発電機１４４は、入口および出口のインパルスタービンに（ギアボックス無しで）直接的に連結される。スイッチトリラクタンス発電機は、再使用可能なエネルギー資源特有である可変の負荷に良好に適合される。これらは、頑強であり、耐障害性であり、非常に低いｒｐｍでも効率的である。これらは、最適な波エネルギー吸収に対するシャフトトルクのすばやい制御を可能にする。発電機によってかけられたシャフトトルクを増大または低減させることにより、空気タービンによって及ぼされた減衰効果は、チャンバ１０５の応答を制御するように調節され得る。制御回路１７１は、スイッチトリラクタンス発電機１４４の作動モードを制御するように動作可能である。図８は、配電網１８０に動力を提供する５つの波エネルギーアブソーバ１００を含む例示的な波力発電所１８２を示す。

次に図９を参照すれば、上下動ブイ１２０内に隔壁付きセクションとして組み込まれた複数の空気タンク２０２を有する短期エネルギー貯蔵機構２００が、提供される。明確にするために、単一の空気タンク２０２だけが示される。しかし、複数のそのような空気タンク２０２が、チャンバ１０５の円周に沿って隣合わせに提供され得ることが理解されるであろう。このエネルギー貯蔵機構は、海が不規則である間、動力送出および全体的なパフォーマンスを円滑するように構成され、ビービングブイ１２０の応答を制御する追加の機構として採用され得る。空気タンク２０２は、チャンバ１０５内に生じ得る過剰な空気圧力を貯蔵するように動作可能である。空気タンク２０２は、チャンバ１０５内の水柱の上方の閉じ込められた空気量と流体連通する。タンク２０２に入る、またはタンク２０２を出る流れを制御するために活性化され得る弁２０５が、空気タンク２０２の上側端部に提供される。

制御機構は、過剰なエネルギーを貯蔵し、回収するためにチャンバ１０５へのまたはチャンバ１０５から空気タンク２０２への空気の充填を容易にするために弁２０５を選択的に制御するように動作可能である。よりエネルギーが高く、不規則な波の期間、任意の１つのサイクル中のチャンバ１０５内の空気圧力は、タービンの効率的な作動に必要とされるものを超え得る。このエネルギーを大気にベントすることによって捨てるのではなく、これは、空気タンク２０２内に一時的に貯蔵され得る。制御機構は、より小さい波が起こったときにパフォーマンスを強化するために、加圧された空気を空気タンク２０２からチャンバ１０５内に解放するように弁２０５を選択的に制御するように動作可能である。

本教示を任意の特有の技術的理解に限定することは意図されないが、閉じ込められた空気量が、ばねを形成するまたは画成するものとして考慮され得ることが前述から理解されるであろう。これは、ＰＴＯの一部を形成する。波動作の結果、上下動ブイは、水柱に対して反応する。水柱が大きい質量および慣性を有するとき、これは、この反応に抵抗しようとする。その結果、部分的に閉じ込められた水質量は、振動させられ、上下動ブイと位相ずれしてそのようにすることができる。相互動作の運動状態は、空気量によって画成されＰＴＯを駆動するために使用される、空気ばねによって感知される。

本教示は、例示的な配置を参照して説明されてきたが、これは、本発明の教示をそのような配置に限定することようには意図されず、このとき改変形態が、本教示の趣旨および範囲から逸脱することなく加えられ得ることが理解されるであろう。

本明細書に使用されるときの備える／備えているという用語は、述べられた特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を明記するものであるが、１つまたはより多くの他の特徴、整数、ステップ、構成要素、またはそのグループの存在または追加を除外しない。

Claims (33)

1. 波エネルギー変換器であって、
   調整可能な基準質量体およびバラストに動作可能に結合された表面穿孔フロートを備える共鳴上下動ブイポイントアブソーバであって、前記バラストが固定された質量を有し、前記調整可能な基準質量体が海水をその中に収容するための容積部を画定し、前記表面穿孔フロート、前記調整可能な基準質量体および前記バラストは、通過波に応答して一緒に上昇および下降するように構成される、共鳴上下動ブイポイントアブソーバと、
   前記表面穿孔フロート内に提供され、前記海水と動作可能に流体連通して海水柱の上部表面とチャンバの上部表面との間の空気量の閉じ込めをもたらすチャンバであって、該チャンバは、前記共鳴上下動ブイポイントアブソーバが空気の前記閉じ込められた量を膨張させ、圧縮し、次いで、該チャンバ内に封入された前記海水柱を膨張させ、圧縮するように構成される、チャンバと、
   封入された前記海水柱の前記上部表面に対する前記共鳴上下動ブイポイントアブソーバの反応からの結果、前記チャンバからベントされた空気と流体連通し、反応する、動力取り出し機構、ＰＴＯと
   を備え、
   前記チャンバは、前記表面穿孔フロートの下側部分において海水に開くことを特徴とする波エネルギー変換器。
2. 波エネルギー変換器であって、
   調整可能な基準質量体およびバラストに動作可能に結合された表面穿孔フロートを備える共鳴上下動ブイポイントアブソーバであって、前記バラストが固定された質量を有し、前記調整可能な基準質量体が海水をその中に収容するための容積部を画定し、前記表面穿孔フロート、前記調整可能な基準質量体および前記バラストは、通過波に応答して一緒に上昇および下降するように構成される、共鳴上下動ブイポイントアブソーバと、
   前記表面穿孔フロート内に提供され、前記海水と動作可能に流体連通して海水柱の上部表面とチャンバの上部表面との間の空気量の閉じ込めをもたらすチャンバであって、該チャンバは、前記共鳴上下動ブイポイントアブソーバが空気の前記閉じ込められた量を膨張させ、圧縮し、次いで、該チャンバ内に封入された前記海水柱を膨張させ、圧縮するように構成される、チャンバと、
   封入された前記海水柱の前記上部表面に対する前記共鳴上下動ブイポイントアブソーバの反応からの結果、前記チャンバからベントされた空気と流体連通し、反応する、動力取り出し機構、ＰＴＯと
   を備え、
   前記チャンバ内の前記閉じ込められた空気量は、前記封入された海水柱の上側表面と前記共鳴上下動ブイポイントアブソーバの間に挟まれることを特徴とする波エネルギー変換器。
3. 動作可能に、収容された前記海水の量は、前記共鳴上下動ブイポイントアブソーバの排水量の５倍程度のものである質量を有し、それにより、共鳴が達成され得ることを特徴とする請求項１または２に記載の波エネルギー変換器。
4. 前記共鳴上下動ブイポイントアブソーバの１つまたはより多くの作動特性を調節するように構成された制御機構をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の波エネルギー変換器。
5. 前記制御機構は、前記ＰＴＯによって及ぼされた、前記チャンバからベントされた空気の減衰を変化させるように動作可能であることを特徴とする請求項４に記載の波エネルギー変換器。
6. 前記制御機構は、前記調整可能な基準質量体内に含まれた前記海水の量の変化をもたらすように制御可能であることを特徴とする請求項４または５に記載の波エネルギー変換器。
7. 前記制御機構は、前記共鳴上下動ブイポイントアブソーバおよび前記チャンバ内の前記封入された水柱の各々の固有周期が位相ずれするように前記調整可能な質量体内の前記海水の量を制御するように動作可能であることを特徴とする請求項６に記載の波エネルギー変換器。
8. 前記調整可能な基準質量体は、そこを通る海水を収容するための少なくとも１つの開口を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の波エネルギー変換器。
9. 前記少なくとも１つの開口は、関連付けられた弁部材を有することを特徴とする請求項８に記載の波エネルギー変換器。
10. 前記調整可能な基準質量体は、そこを通る水を収容するための複数の開口を備えることを特徴とする請求項８または９に記載の波エネルギー変換器。
11. 前記複数の開口は、関連付けられた弁部材を有することを特徴とする請求項１０に記載の波エネルギー変換器。
12. 前記複数の弁部材は、前記調整可能な基準質量体内の前記海水の量を制御するように選択的に動作可能であることを特徴とする請求項１１に記載の波エネルギー変換器。
13. 前記調整可能な基準質量体は、複数の個々の容積部を画定することを特徴とする請求項１２に記載の波エネルギー変換器。
14. 前記複数の個々の容積部は、細長いものであることを特徴とする請求項１３に記載の波エネルギー変換器。
15. 前記調整可能な基準質量体は、複数の管状部材を備えることを特徴とする請求項１３または１４に記載の波エネルギー変換器。
16. 各々の管状部材は、第１の弁部材と第２の弁部材の間に延在することを特徴とする請求項１５に記載の波エネルギー変換器。
17. 前記管状部材の少なくとも２つの長さは、互いに異なることを特徴とする請求項１６に記載の波エネルギー変換器。
18. 前記ＰＴＯは、１つまたはより多くの空気タービンを備えることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の波エネルギー変換器。
19. 前記１つまたはより多くの空気タービンは、空気流に対する関連付けられた抵抗を有することを特徴とする請求項１８に記載の波エネルギー変換器。
20. 前記１つまたはより多くの空気タービンは、空気流に対するその関連付けられた抵抗が、調整可能であるように構成可能であることを特徴とする請求項１９に記載の波エネルギー変換器。
21. 前記１つまたはより多くの空気タービンは、１つまたはより多くの発電機に動作可能に結合されることを特徴とする請求項１９または２０に記載の波エネルギー変換器。
22. 前記１つまたはより多くの発電機の少なくとも１つは、スイッチトリラクタンス発電機であることを特徴とする請求項２０に記載の波エネルギー変換器。
23. 前記１つまたはより多くの発電機の少なくとも１つは、前記１つまたはより多くの空気タービンに関連付けられた前記空気流に対する抵抗を制御するように動作可能であることを特徴とする請求項２２に記載の波エネルギー変換器。
24. 前記共鳴上下動ブイポイントアブソーバの作動特性を感知するためのセンサをさらに備えることを特徴とする請求項２１乃至２３のいずれか一項に記載の波エネルギー変換器。
25. 前記１つまたはより多くのタービンの前記空気流に対する抵抗は、前記感知された作動特性に応答して変化することを特徴とする請求項２４に記載の波エネルギー変換器。
26. 圧力下の空気を貯蔵するための空気貯蔵機構をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至２５のいずれか一項に記載の波エネルギー変換器。
27. 前記空気貯蔵機構は、前記チャンバ内の前記閉じ込められた空気量と流体連通することを特徴とする請求項２６に記載の波エネルギー変換器。
28. 前記空気貯蔵機構は、１つまたはより多くのタンクを備えることを特徴とする請求項２６または２７に記載の波エネルギー変換器。
29. 前記制御機構は、
    前記チャンバから前記空気貯蔵機構への空気の充填を選択的に容易にすること、
    前記空気貯蔵機構から前記チャンバへの空気の解放を選択的に容易にすることの少なくとも１つに対して動作可能であることを特徴とする請求項４に従属する場合の請求項２６乃至２８のいずれか一項に記載の波エネルギー変換器。
30. 前記閉じ込められた空気量は、調整可能な空気ばねを形成することを特徴とする請求項１、３乃至２９のいずれか一項に記載の波エネルギー変換器。
31. 前記バラストは、前記波エネルギー変換器の底部に配置されることを特徴とする請求項１、３乃至３０のいずれか一項に記載の波エネルギー変換器。
32. 前記バラストは、鉛、鉄、およびコンクリートの少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項１、３乃至３１のいずれか一項に記載の波エネルギー変換器。
33. 前記基準質量体、波周期、およびブイの水線面積の間の関係は、以下の公式：
    

    

    によって近似的に表され、式中、Ｔは波周期であり、Ｍ_fは前記基準質量体内に閉じ込められた海水の慣性質量であり、Ｍａｄｄｅｄは、付加質量であり、デバイスの外形および構成から決定され、ρは、海水の密度であり、ｇは重力であり、Ａは表面穿孔ブイの水線面積であることを特徴とする請求項１、３乃至３２のいずれか一項に記載の波エネルギー変換器。

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