JP2012503131A - 海洋波力エネルギを変換する装置 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、波動の水平成分を利用するための装置であって、装置の有効出力と初期コストとの間に比例関係の存在しない装置を提案することにある。本発明によると、この目的は、少なくとも一つの長尺状の支持構造物と、三つ以上の独立した移動可能な抵抗要素とを備える装置によって実現される。

Description

本発明は、波に含まれる力学的エネルギを、利用可能な形態のエネルギに変換することによって、波力エネルギを抽出する装置の新規の設計法に関する。
より詳細には、本発明は、静止浮揚構造物に沿った一連の地点における波動の振動的な水平成分を利用することによって、波力エネルギを抽出することが可能な装置に関する。該装置の特別な設計法によって、構築コストおよび初期コストが低く、ひいては、従来よりもコスト効率の良い方法で波力エネルギを抽出することが可能となる。

低い初期コストの結果として、本明細書に記載される種類の装置は、通常、商業的に持続可能な波力発電機が、波の形状や規模の制約により設置不可能であるような沿岸部や内水においても使用可能である。

本明細書に記載される装置は、さらに、海岸保全として用いられる。装置が波の運動エネルギを損失させるため、この種の装置を設置することによって、沿岸に到達する波を抑制する効果が得られる。

本明細書に記載される装置の別の利点は、この装置が作動する環境において、装置が、殆ど、あるいは全く、人目にさらされることがないことにある。その理由は、装置が完全に、あるいは部分的に水面下にある状態で作動し、ひいては、目立ちにくい状態に維持されるためである。

本明細書に記載される装置の別の利点は、装置が独立して作動する小型のユニットを備え、ひいては、これらのユニットの一部が欠陥状態になったとしても、装置が機能的に危機的状態にならないことにある。発電設備は、たとえ欠陥ユニットがあっても、効率が僅かに低下するだけで依然として稼動する。従って、これらの欠陥ユニットは、適切な時期に一つずつ修理または交換されることができる。

長年にわたって、波から運動エネルギまたは位置エネルギを抽出して、このエネルギを、力学的エネルギ、電気エネルギ、または熱のいずれかとして利用可能な形態に変換するための多くの装置および方法が提案されてきた。

表面の波を見ていると、波は水平運動を伴わず、かつ垂直レベルで振動する水の円柱体であるとの誤解を抱きやすい。しかしながら、波動が波の伝播方向に対して垂直な垂直レベルに投影される場合、波動が一次元ではなく二次元運動であることが認識される。これは、例えば、波立つ水面上に浮揚する要素の運動パターンを観察することによって認識される。浮揚する要素の運動を記録すると、これは水面に対して垂直で、波の伝播方向に対して平行な循環運動を示すことが明らかになる。

波の伝播方向に対して垂直な垂直レベルでの波から運動エネルギを測定すると、このレベルにおける平均運動エネルギは、波の谷および山の間の差の結果として、波の位置エネルギに相当することが分かる。従って、波動において、運動エネルギ及び位置エネルギの間の一定の変換が存在し、その変換は、振子の振動における運動エネルギ及び位置エネルギの間の変換に非常に類似している。

文献には広範な種々の波力発電設備の設計が記載されている。文献で最も多い発電設備の種類は、波の山及び谷の高低差を利用するような係留フロートを備えたものである。この種の発電設備の例として、特許文献１には、多数のフロートが水面レベルの変動によって駆動されて、上下動することが記載されている。

上述の作動様式と同等の作動様式が特許文献２で適用されており、加圧水を流動させる配管を加圧するために波力エネルギが使用されている。
ポイント状のブイで電気エネルギを直接抽出するための方法が特許文献３で提案されている。特許文献３は、移動可能な磁石を含むリニア発電機による電気エネルギの生成に関する。発電機が磁石の移動方向に沿って加速されると、上記の磁石は発電機の内部で移動して、電気エネルギを生成するために使用される。一台以上のこの種の発電機がブイ上に配置される場合、これらの発電機ではブイの持続的な移動によって、電気エネルギが連続的に生成される。この種の発電機は既存のブイに容易に取り付けられ、かつブイの電源として機能し得るが、この種の発電機はブイの設置コストを回収できるほどの電気的効果を生じるためには適切ではない。

上述の全ての発電設備にとって重大な問題は、これらの正味の発電出力が初期コストに対して低いことである。この低効率は、これらの発電機が、フロートの面積に対応する面積分のエネルギのみを抽出するという事実による。適用されるフロートが典型的な波長よりもはるかに小さく、ひいては、フロートは小さな部分の波領域に影響を及ぼすだけであるため、フロートごとの最大理論出力には明らかな限界が存在する。

垂直方向に沿って移動可能なフロートを備えた波力システムは直感的には理解しやすいが、文献には波のエネルギの垂直成分ではなく水平成分を利用するシステムも記載されている。

この種の発電設備の最も初期の例の一つが特許文献４に記載されており、特許文献４において、多くの水面下の抵抗要素が循環波動の水平成分の結果として強制的に前後動される。特許文献４による抵抗要素は、抵抗要素の強制的な移動の結果、圧力下において海水を収集管内に送り込む一台以上のポンプユニットによって移動が抑制されるため、自由に振動しない。この収集管は、加圧海水がタービンに動力を供給するために使用されるタービン発電設備まで連通している。

特許文献４に記載されたこの原理に関連する問題は、抵抗要素が垂直ヒンジ取付扉として吊り下げられることにある。実際には、この事実は、回転の中心に近い抵抗要素の部分が波の水平運動に対して非常に遅く移動し、一方、ヒンジ点から最も離間した抵抗要素の部分は波の水平運動に対して非常に速く移動するため、原動力となる波に対して抵抗要素の小さな部分のみが最適な速度で移動することを意味する。

特許文献４に記載された装置を実際に使用不可能にする別の状況は、波動の水平成分が水深とともに減少することにある。従って、波動の水平成分は、抵抗要素が配置される海底の近傍においてほぼ消失する。

波の水平成分の応用に関して、類似しているが、より有効な方法が、特許文献５に記載されている。特許文献４に記載された手順とは異なり、抵抗要素は、この場合、ヒンジで海底に固定されており、これは波の運動と抵抗要素の運動との間に大きな不一致がないことを示している。さらに、この発明は、水の相対運動に対して静止した状態にあるべき重要な静的要素を含まないという利点を有し、この事実は発電設備への水の圧力を低減させる。

波力エネルギを利用する上での上述の方法の一般的な問題は、初期コストが有効出力に対して過大であることにある。この状況は、波力を利用する既存の方法が局所的に固定されたポイント状の抵抗要素に基づくことによる。これらの局所的な固定点は、荒天時に構造物にかかる負荷力に対処できる必要があるため、著しく過大な寸法とされなければならない。

構築および固定にかかるコストは全初期コストの大きな割合を占めるため、システムが潜在的に生成可能なエネルギと、システムを構築するための初期コストとの間におおよその比例関係が存在する。

米国特許第８７０７０６号明細書 欧州特許出願第１０４５１３８号明細書 米国特許第５３４７１８６号明細書 米国特許第８７５９５０号明細書 国際公開出願第９８１７９１１号パンフレット

本発明の目的は、振動的な波動の水平成分を利用する装置を提供することにあり、該装置において、装置全体にかかる合計された力負荷が大幅に低減され、これによって、装置の初期コストが大幅に削減される。

この利点及び他の利点は、水平方向の振動的な波動により実質的に移動させられない拡張浮揚構造物として装置を設計し、かつこの構造物に多数の抵抗要素を取り付けることによって得られ、この抵抗要素は波の効果によって拡張浮揚構造物に対して平行に振動させられる。相互的な振動の位相が互いにずれるように、三つ以上の抵抗要素を配置することによって、装置に加わる合計ストレスが軽減される。

好ましい設計において、装置は一波長以上に及ぶように十分大きく構成される。多数の抵抗要素がこの装置に取り付けられる場合、全ての抵抗要素からの合計振動負荷は、それらの相互的な位相のずれによって抵抗要素の各々の単一負荷の数値的合計よりもかなり低くなる。好ましい設計法において、装置は、一つまたは複数の固定点によって波の伝播方向に対して平行に配向される。

装置の構築および点検を容易にするために、各々が二つの抵抗要素の間の平均距離と同等の長さを有する副要素から装置を構成することは非常に有利である。従って、好ましい設計法において、装置は、装置の全長より短い多数のモジュールから構成される。

拡張浮揚構造物に沿った抵抗要素の強制的移動の結果として抽出されるエネルギを利用する方法は、力を液圧に変換することによる。この液圧は、閉じた液圧システム内で伝達されるか、拡張浮揚構造物に収納される一本または複数本の配管内に海水をポンプで供給することによって高めることができる。このようして、多数の抵抗要素からのエネルギの抽出および中央収集が行われる。好ましい設計では、静止構造物に対する抵抗要素の移動が液圧を発生させ、この液圧から利用可能なエネルギが抽出される。

浮揚構造物の目的が電気エネルギを抽出することにある場合、リニア発電機の一部を拡張浮揚構造物に取り付け、リニア発電機の別の部分を抵抗要素に取り付けることは、特定の状況において有利である。この場合、拡張構造物に対する抵抗要素の移動によって電気エネルギが生成される。好ましい設計法において、静止構造物に対する抵抗要素の移動によって電気エネルギが生成される。

波動が多数の回転運動の重畳であると考えられることを説明する図。 静止構造物上に取り付けられた抵抗要素の概略図。 同一支持構造物上に構成された三つの抵抗要素を示す図。 抵抗要素に取り付けられるプレートが支持部によって支持され、かつ非常に高い構造剛性が得られる抵抗要素の詳細な設計を示す図。 組み立てられた装置をモジュールに分割することによって、設置および保守が容易になるように、一つまたは複数の抵抗要素が最終構築中にモジュールとして組み立てられることを示す図。 沿岸水域で波力エネルギを利用する本発明によるシステムを示す図。 波の方向が著しく変動する水域、あるいは潮流によって横方向の力が集まる水域において、波力エネルギを利用するシステムを示す図。 抵抗要素が静止構造物に対して相対的に移動する場合に、液圧を発生させる実行可能な機械的解決法の詳細な設計を示す図。 沿岸部に展開された多数の装置を示す図。

波は進行性であるが、任意の量の水の実際の運動は垂直面および水平面における振動である。本発明の目的は、エネルギを抽出するために振動的な波動の水平成分を利用することにある。本発明の別の目的は、抵抗要素の数と初期コストとの間に比例関係の存在しないような波動の水平成分を利用する装置を提供することにある。さらに、本発明の目的は、著しく低い設置コストを保証する本装置の固定方法を提供することにある。

これらの利点および他のさらなる利点は、多数の独立した移動可能な抵抗要素が取り付けられる少なくとも一つの長尺状の静止構造物を備える装置を設計することによって得られる。これらの抵抗要素は、所定の長さの間隔内において静止構造物に沿って移動可能であるという事実によって特徴付けられる。これらの抵抗要素は、波動の水平成分が作用する際に、静止構造物に対して相対的に移動させられる。これら二つの部分の間の相対的な移動は、エネルギを抽出するために利用される。

図２には、静止構造物（１）上に取り付けられたいわゆる抵抗要素の概略仕様が示されている。静止構造物（１）には、静止構造物の長手軸線に対して平行な抵抗要素（３）の自由な移動を制限するような一つまたは複数の障害物（２）が取り付けられている。また、図８には、障害物（２）が端部ストッパ（４ａ、４ｂ）と協働して、抵抗要素（３）が移動し得る長さを制限する方法が示されている。本発明によると、他の形態の制限要素が導入されてもよく、図２および図８における端部ストッパの位置は、例示的であり、決して網羅的ではない。別の好ましい設計法において、抵抗要素（３）の移動は、二つの障害物、すなわち、抵抗要素の移動の各端部における各障害物によって制限される。抵抗要素（３）の許容される移動は、装置の使用が計画される水域において典型的な波長を超えないように、有利に選択されることができる。

本発明による波力発電設備の決定的な利点は、静止構造物上の全ての抵抗要素が同時に同方向に作用される訳ではないことにある。図３は、三つの抵抗要素（３ａ、３ｂ、３ｃ）が同じ静止構造物（１）に配置される仮想的な例を示している。三つの抵抗要素（３ａ、３ｂ、３ｃ）の下方の矢印は、波の伝播方向が左から右であるという条件で波が三つの要素に作用する方向を示している。静止構造物（１）に作用する力の一つ以上は逆方向であるため、静止構造物に結果的に生じる力は単一の要素の数値的に合計した力より小さくなる。実際には、抵抗要素（３ａ、３ｂ、３ｃ）は、図３のように近接して配置されず、一波長または二波長にわたって展開される。その結果、異なる抵抗要素からの作用が互いに均等化されるため、固定点における正味の効果は個々の抵抗要素から数値的に合計した負担よりも低くなる。

図４および図５は、結果的に得られる力および寸法が大きくなるような、より大きな抵抗要素の可能な設計法を示している。図４は、外部支柱を取り付けることによって、抵抗要素の剛性を高める方法を示している。図５は、一連のより小さなモジュールによって構築されるものとして考えられる拡張静止構造物を示している。図５の部分は、三つの抵抗要素を取り付けることを可能とする長さを有する。図５の部分は、保持プレート（２）に取り付けられた長手方向支持部（１）で取り付けられている。これらの支持部の目的は、構造物を強化して、抵抗要素（３）の影響によって生じる構造物のねじれを防止することにある。図５では、構造物の遠位端において長手方向支持部が同じ地点まで延びるが、構造物の近位端における支持部は保持プレート上で閉じられている。遠位端において、支持部はその力を固定ケーブルまたは別の固定された要素中に伝達するが、近位端における支持部は固定プレートを介して別のモジュールに接続され得る。

種々の方向に作用される多くの抵抗要素の均等化効果によって、非常に長い静止構造物の場合にも、一つまたは二つの固定点のみを有することが可能である。図６は、支持ストリングの一端が二つの地点、すなわち、一つの地点は海岸の近傍に、別の地点は海岸から遠く離間して固定されるような典型的な沿岸用の構成を示している。二つの固定点のみが必要であるため、この発電設備の種類の初期コストはきわめて低い。この特定の手段の別の利点は、装置から抽出されるエネルギが海岸上で抽出され得ることにあり、ひいては、システムの継続的な保守コストが大幅に削減されることにある。

波の方向が変動する水域や潮流の速い水域にシステムが設置される場合、図７に示されるように静止構造物に沿って固定点を設置する必要があるかもしれない。これらの固定点は発電設備のコストを増大させるが、これらの付加的な固定点は、両端における二つの主要な固定点と比較して、より小さな強度を必要とするため、初期コストが固定点の数に比例して増大することはない。

図８は、波力エネルギが液圧に変換される設計において力伝達要素の役割も果たす静止構造物に取り付けられた抵抗要素の断面を示している。この設計法において、静止構造物（１）は強化パイプラインとして構築され、同時に加圧水をタービン発電設備に供給する機会を提供する。静止構造物（１）には、静止構造物（１）を構成する配管内への方向のみに流入させる一方向弁として設計された障害物（２）が取り付けられている。静止構造物（１）には、両端に端部ストッパ（４ａ、４ｂ）が取り付けられた管状体(５)から主に構成された抵抗要素（３）が取り付けられている。これらの端部ストッパは、周辺領域から静止構造物（１）の外側および管状体（５）の内側によって画定される環状容積のみに水を流動させる一方向弁としても作用する。静止構造物（１）が保守される場合、管状体を移動させることによって、環状容積の部分に移動方向に対して逆方向の圧力が生成されるが、水は移動方向に配置された環状容積の部分に吸い込まれる。管状体（５）が静止構造物に対して移動させられると、水は周辺部分から、静止構造物の内側によって画定される内部容積内に送り込まれる。

周囲の波から管状体（５）に力を伝達するために、管状体（５）上にフィン（６）が取り付けられている。
当業者にとって、上記液圧伝達法が、上述の方法による波からのエネルギを蓄積するために採用され得る多くの方法の一つであることは明らかである。

別の関連方法は、管状体（５）、及び該管状体を取り囲む静止構造物の部分が管状機材の移動を電気エネルギに直接変換するようなリニア発電機を構成するように、これらの部分を設計することである。

興味深い別の方法は、閉回路内の作動流体を送り込むために静止構造物および抵抗要素の間の相対的な移動を利用することである。
波力エネルギを抽出するための個々の装置はストリングであるため、大きな領域にわたって波のエネルギを抽出するために複数のストリングを連結させることはきわめて容易である。図９には、広域にわたって波力エネルギを抽出するブランケットとして六本のストリングが構築される方法が示されている。図９から、ストリングを両端において接続することが可能であることは明らかであり、この事実は大きな利点である。例えば、図９におけるストリングが海岸に向かって水を送り込む場合、一基のタービン発電設備が全てのストリングからのエネルギを処理することができ、ひいては初期コストをさらに削減する。

当業者にとって、上述の設計法は、例示的であって、本発明の権利範囲を限定するものでないことは明らかである。従って、本発明の権利範囲は、特許請求の範囲に記載されるような本発明の精神によって網羅される全ての想像可能な修正形態および等価物からなるものである。

Claims (8)

1. 水の振動的な波動の運動エネルギの水平成分を収集するための長尺状の浮揚装置であって、
   少なくとも一つの連続的な静止構造物であって、前記波の伝播方向に対して主に平行に配置された前記静止構造物と、
   前記静止構造物上に取り付けられた少なくとも三つの抵抗要素であって、前記静止構造物に対して平行に移動可能であり、かつ使用可能なエネルギを前記静止構造物に伝達する前記抵抗要素とを備える浮揚装置において、
   前記抵抗要素の各々は前記静止構造物に沿って、所定の距離内を移動するように制限され、前記二つの最も離間した抵抗要素の間の最短距離は前記装置が配置される水域における平均波長の半分より長いことを特徴とする浮揚装置。
2. 前記波に対する前記装置の位置は一つ以上の固定点によって保証されることを特徴とする請求項１に記載の水の振動的な波動の運動エネルギの水平成分を収集するための長尺状の浮揚装置。
3. 前記連続的な静止構造物は、一連の連結可能な副要素から構成されることを特徴とする請求項１に記載の水の振動的な波動の運動エネルギの水平成分を収集するための長尺状の浮揚装置。
4. 前記連続的な静止構造物は円筒容積を含むことを特徴とする請求項１に記載の水の振動的な波動の運動エネルギの水平成分を収集するための長尺状の浮揚装置。
5. 前記静止構造物に対する前記一つ以上の抵抗要素の移動によって、前記円筒容積内に加圧水が送り込まれることを特徴とする請求項４に記載の水の振動的な波動の運動エネルギの水平成分を収集するための長尺状の浮揚装置。
6. 前記静止構造物に対する前記抵抗要素の移動は閉じたシステム内の液圧流体を加圧するために利用されることを特徴とする請求項１に記載の水の振動的な波動の運動エネルギの水平成分を収集するための長尺状の浮揚装置。
7. 一つ以上の要素、又は前記静止構造物は、磁束の変化を電気エネルギに変換可能な機器を備えることを特徴とする請求項１に記載の水の振動的な波動の運動エネルギの水平成分を収集するための長尺状の浮揚装置。
8. 一つ以上の抵抗要素、又は前記静止構造物は磁石を備えることを特徴とする請求項１に記載の水の振動的な波動の運動エネルギの水平成分を収集するための長尺状の浮揚装置。

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