JPH01500450A - 圧電材料部材を用いた海洋波エネルギー変換 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 圧電材料部材を用いた海洋波エネルギー変換茜里り震見 本発明は、圧電材料部材を用いて水域の表面波から電気エネルギーを得ることに 関する。

水域の表面波の機械的エネルギーを電気に変換するために圧電部材を用いること は公知であり、例えば、米国特許第４．１１０，６３０号及び第４，３１７，０ ４７号を参照されたい。しかし、これらの公知の装置は、圧１！部材を充分利用 しておらず、比較的高いコストで比較的少量の電力しか得られていないため、全 く非実用的である。

本発明は、エネルギー変換過程の効毘並びに使用される装置の簡単さ及び低コス トという両面において圧電材料部材をはるかによりよく利用するものである。

且里立砥皿 エネルギー変換過程の効率を増大させるために、波からエネルギーを抽出し転移 するために用いられるシステムの出力インピーダンスが圧電部材の入力インピー ダンスと実質的に等しくされているエネルギー転移装置が提供される。本発明の 一態様においては、波エネルギー抽出システムは表面波に応答して上下動する浮 きを具備し、該浮きは、機械的に圧電部材に結合され、浮きの運動に直接応答し て該部材を交互に緊張させたり弛緩させたりするようになっている。浮きのイン ピーダンスは、水の表面における該浮きの面積と水の密度との積に等しい。圧電 部材のインピーダンスは該部材のヤング率と該部材中における浮きにより誘導さ れた歪に対して垂直な方向における該部材の断面積との積を歪の方向における該 部材の長さで割ったものに等しい。浮き及び圧電部材の寸法は、機械的結合手段 の出力インピーダンスと同様に浮き（本態様における）の出力インピーダンスが 前記部材の入力インピーダンスと等しくなるように選択される。

好ましい態様においては、機械的周波数変換器が、圧電部材からの電気的出力の 周波数を増大させるために浮きと該圧電部材間のカップリングに配されている。

図面の説明 第１〜３図は、本発明による異なったエネルギー変換装置の概要を示すものであ る。

詳細な説明 第１のシステムから第２のシステムへのエネルギーの結合（ｃｏｕｐｌ　ｉｎｇ ）の最大効率は、該第１のシステムの出力インピーダンスが該第２のシステムの 入力インピーダンスと等しい時に起きるということは公知である。しかし、私の 知る限りでは、この公知の関係は水域の表面波から圧電部材にエネルギーを転移 させることの関連では考慮されずまた利用されていない。

機械的システムのインピーダンス（Ｚ、例えばニュートン／ｍで表わされる）は 、加えられた力（Ｆ）により生じる変位（Ｄ）の逆比によって定義される。即ち 、 である。水に対するインピーダンスは次のように表現される：Ｆｗ＝ρ・Ａ　（ ２） この時、下付きの文字Ｗは水を示し、ρは水の密度、例えばニュートン／　ｍ’ におけるそれであり、Ａは加えられた力により変位させられる水の体積の断面積 である。この式の根拠は次のように理解することができる。水域に侵入されてい る体積Ｖを有する物体は、変位させられた体積Ｖの水の重さに等しい上向きの力 を受ける。かくして水の変位と関連した力は水の密度掛けるその体積に等しい。

単位ブロックの水については、このことは、 Ｆｗ＝ρ・Ａ−Ｈ（３） として経験され、この時Ａは該単位の断面積であり、Ｈは該単位の高さである。

もし総ての変位がＨの方向で生じると仮定すれば、このために全変位はＨと等し く、前記単位ブロックの水のインピーダンスは、上記のように、 として表現することができる。

次に、電気を発生させるために使用される圧電部材については、圧電材料はそこ に誘導された歪に正比例する電圧を生じる圧電材料である。いかなる引っ張られ た物体もそのインピーダンスは、下記のように表現される： このとき、Ｙはその物体のヤング率であり、Ａは誘導された歪に垂直な方向にお ける該物体の平均断面積であり、Ｌは歪の方向における該物体の長さである。

波と圧電部材間のエネルギー結合（ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｕｐＨｎｇ）の事大効率 は、波の出力インピーダンスが、波からエネルギーを抽出し転移するために使用 される手段の入力インピーダンスに等しく且つ、後者の手段の出力インピーダン スが、圧電部材の入力インピーダンスに等しい場合に、達成される。本発明に依 れば、このことは次のように達成される。

表面波からエネルギーを抽出するために使用される手段は単に水域の表面に浮か んでいる部材から成る。

浮きのインピーダンスは表面波のそれと全く等しい。このことは、浮きの重量（ それを垂直方向に変位させるのに必要な力に等しい）がそれにより変位された体 積の水の重さに全く等しく、そのため、波によって誘導された浮きにかかる力が 波と関連した全く同じ力であることから帰結する。

また、浮きの垂直の変位は波のそれに等しい（但し、波の波長との関係での浮き の大きさに対する制約下においてであり、そのような制約は後記される）。かく して、浮きのインピーダンスは、 Ｚｆ＝Ａｆ・ρ　（６） として表現され、この時、下付きの文字ＩＩ　ｆ　＋１は浮きを示す。

もし、浮きの垂直の動きを直接圧電部材に結合するために剛固な部材が用いられ るならば、エネルギー転移手段の入力及び出力インピーダンスの両方が浮きのそ れと等しい。がくして、浮きから圧電部材への転移されたエネルギーのそのよう な剛固な転移手段による最大効率の結合を達成するためには、圧電部材の入力イ ンピーダンスが浮きのインピーダンスに等しいこと、即ち、下記の関係を満足す ることが必要である：この時、下付きの文字ＩＩｐ”は圧電部材を示す。

計算によれば、式（７）を満足するシステムにおいては、波に駆動される浮きと 該浮きにより直接駆動される圧電部材間のエネルギー結合（ｅｎｅｒｇｙｉ　ｃ ｏｕｐｌｉｎｇ）は、２５％にもなり得る。

これは、従来の公知の波−圧電部材システムにおけるエネルギー変換の効率より もはるかに高い。

式（７）により特定された最適の結合関係を提供するためには装置はいくつでも 設計することが可能である。多分最も簡単な装置が第１図に示されている。

第１図においては、水域（例えば、海洋）の表面に浮き１゜が示されており、該 浮き１０は比較的剛固な部材１２、例えば、固い金属の棒により平たい上板１４ に結合されている。幾つがの圧電材料の部材１８が前記上板１４から懸垂せしめ られ底部１６に接続されており、該底部１６はそれ自身海洋の底に錨で留められ ている。

前記部材１８は幾つの圧電材料であってもよいが、現在好ましい材料は市販のプ ラスチックのポリマー、ポリ弗化ビニル（ＰＶＦ２）であり、これはシートの形 状で入手可能である。この材料は横型のものである。即ち、電圧はシートの歪の 方向と平行なシートの２つの主面間に発生する。電極（例えば、薄い金属のめっ き）がこれらの表面の各々に配されこれにより各シートに発生する電圧及びそれ に伴う電力を集めることができる。

各シートの′￥Ｌ極はシート１８の列により生じる電力を集め分配するための共 通のケーブル（図示省略）に並列に接続されている。

好ましくは、上記各部材の垂直方向の寸法は、前記浮きが静止位置にある（即ち 、波のない水面に浮かんでいる）時に、シート１８がある程度の歪を生じる程度 に緊張しているように、選択される。従って、通過する波に応じて前記浮きが上 下に動くにつれて、シート１８上の歪は交互に増大したり減少したりし、それに より、浮きから引き出された機械的エネルギーを直接電気エネルギーに変換する 。

浮き１ｏ及びシート１８の列の寸法は、力変換の最大効率を得るために式（７） を満足するように選択される。

例えば、面積（Ａｆ）１００ｒｄを有する浮きＩＯを想定してみよう。海水の密 度は約１０’ニユートン／ボである。浮き（ｐ、ｆ）のインピーダンス（Ｚ）は かくして１０°ニユ一トン／ｍである。

ＰＶＦ２のシートは、１０８ｍの厚さで市販されている。１０ｍの幅を有するシ ート１８を想定すると、各シートの断面積Ａは１０−゛である。材料のヤング率 （Ｙ）は３Ｘ１０”ニュートン／ｍである。式（７）は、 と再配列することができ、この時、ｎは使用されたシート１８の数に等しい（シ ートの列の総面積は、各シートの面積のｎ倍である）。即ち １０枚のシートが使用されたとすると、各シートの長さは３ｍである。用いられ る装置の設計には大きな融通性があることは明らかである。

上記したように、浮きと部材１８の列間のエネルギー転移において２５％もの高 い効率を得ることができる。部材１８の列からの実際の電気エネルギー出力は、 用いられる圧電材料の機械→電気変換効率の関数でもある。ＰＶＦ　２材料の場 合、該変換効率は約１１／２％である。

さて、本発明の様々な変形例を説明する。

部材１８の列は浮き１０の下方に配されなくてもよい。むしろ、部材１８が水に 浸ること及びそれに伴う諸問題を防止するために、部材１８を、例えば、第２図 に示すように水面から上方に延びる固定されたプラットホーム又は塔２０に装着 することができる。この配置においては、塔及びブーム装置２０は、浮きの動き を部材１８の列に機械的に結合するために用いられている。

大きな水域上の表面波は、比較的低い周波数を有し、０．１１（ｚのオーダーで ある。浮きと圧電部材１８間の機械的結合は浮きの上昇及び下降と部材１８の交 互の緊張及び弛緩との間に一対一の対応を与えるので、該部材の電気的出力の周 波数は前記通過する波の周波数に対応する。ある例においては、より高い周波数 、例えば６０Ｈｚで電力を発生させることが望ましい。これは、浮きから圧電材 料部材までのエネルギー転移の経路に配された機械的周波数逓倍器によって達成 することができる。

これを達成するのに適した様々な手段が公知である。例えば、ブーム２０（第２ 図）の端部から懸垂せしめられたクランク機構（図示省略）を用いて該ブームの 垂直の直線的動きを塔に装着されたはずみ車の回転運動に変換することが可能で ある。該はずみ車は、次に、ギヤ及びさらにクランク機構を駆動し、回転運動を 直線運動に戻し、前記圧電部材を交互にしかもより大きな行程率（周波数）で引 っ張ったり緩めたりする。

そのような周波数を逓倍させるエネルギー転移システムの出力インピーダンスは 前記往復部材により圧電部材に伝えられた力を往復部材の変位で割った比である 。圧ｍ　＊ａ　ｊｔＡのパラメータは、この出力インピーダンスに適合するよう に選択される。そのようなシステムを考慮すると、式７は次のように変形される ：この時、Ｄｒ及びＤｆはそれぞれ往復部材及び浮きの変位である。

前記最後に説明した装置の他の利点は、圧電部材の変位及び歪は浮きの垂直の変 位と比較してかなり減少させることができるということである。このことにより 、種々の高さの波に応じた浮きの変位の大きな変化に順応することがより容易に なり、圧電材料部材の弾性歪限界を超過する危険を少なくすることができる。こ れは海洋の表面より上の様々な構造部の高さを最小にするために特に第２図の実 施例について望ましい。

先に言及した重要な要素は表面波の波長に対する浮きの大きさである。波の進行 の方向で浮きが長すぎると、浮きの異なる部分が同時に異なる方向に変位し得、 それにより浮きにかかる正味のノＪ、従って浮きから転移させられるエネルギー が減少する。これは「相殺効果」と呼ばれる。例えば、もし浮きが波の進行の方 向で表面波の１波長と正確に等しい長さを有する場合、ある時には、浮きの半分 が水の上に持ち上げられ、一方他の半分は水面下に押し下げられ、そのため浮き にゼロの正味の力が働くことになる。

一つの解決法は、　（そのような寸法の浮きについて）第３図に示すように、浮 きの各半分が、別々の圧電材料要素と接続している浮きを用いることである。第 ３図の実施例においては式（７）を満足するために、面積Ａｆは浮きの全面積の 半分と解される。一般に、相殺効果に対する考慮を別にしても、単一の浮きをｎ 個の別々の圧電部材を駆動するために用いることが可能であり、この場合、浮き の面積は、各圧電部材の設計において式（７）を満足させるためにｎで割られる ことになる。

相殺効果を避けるために、私は、波の方向における浮きの寸法が波の波長の特定 の百分率（そのような特定の百分率は水面の浮きの形状の関数である）より短い 場合に、相殺効果は比較的最小であると決定した。かくして、例えば、もし浮き が矩形であれば、波の進行の方向における浮きの次元の長さは波の波長の約５０ ％より短くするべきでありもし浮きが円形であれば、浮きの直径は波長の約３５ ％より短くするべきである。海洋波の平均の波長は約１５０ｍであるので、依然 として、上記の寸法上の制約を満足しながら非常に大きい浮きを使用することが 可能である。また、矩形の浮きについては、波の方向と垂直な方向における寸法 は所望なだけ長くすることが可能である。

矩形の浮きについては、公知の手段、例えば懸垂するひれ等が、波の進行方向に 関して浮きを適当な向きに維持するために必要である。このため、次に、浮きと ブーム構造２０（第２図）間の相対的運動がブームを固定された塔３０の上方に 維持することができるようにするために、トラック装置などの手段の使用が必要 となる。

円形の浮きの利点は、波の方向に関して浮きの向きを維持するためにいかなる手 段も利用する必要がないということである。

かくして、塔３０に対して浮きを固定された向きに錨で留めることができる。

しかし、相殺効果はシステムの設計上考慮に入れることが好ましいが、上記の最 大の寸法は臨界的ではない。何故ならば、ある期間に亘り、種々の異なった波長 の波に遭遇することはよくあることであり、波の進行方向における浮きの寸法に よる出力の変化（一定の波長の波の場合）は、急激に変化するというよりむしろ 滑らかな関数であるからである。

国際調査報告

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．水域の表面波からの機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する装置で あって、前記波に応じて上下運動する浮きと、自身の歪を電気的エネルギーに変 換する圧電部材と、前記浮きの上下運動を該部材に結合し、該部材の緊張及び弛 緩を交互に生じさせるためのエネルギー転移手段とを具備し、該エネルギー転移 手段の出力インピーダンスが前記部材の入力インピーダンスと等しい装置。
2. ２．前記浮きの出力インピーダンスが前記エネルギー転移手段の出力インピーダ ンスと等しい請求の範囲第１項記載の装置。
3. ３．前記浮きの前記上下運動が前記部材の引っ張られた寸法の対応する変化を生 ぜしめる請求範囲第２項記載の装置。
4. ４．前記エネルギー転移手段が前記部材の交互の緊張及び弛緩の周波数を増加さ せるための周波数変換器を具備する請求の範囲第１項記載の装置。
5. ５．波の運動の方向と平行な前記浮きの次元の長さが前記水域上の平均な波の波 長の５０％未満である請求の範囲第１項記載の装置。