JPH0152589B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は水面下の波動によつて動かされるエネ
ルギー抽出装置に関する。

発明の要約 水面をわたる風が起こす水の運動にエネルギー
が有ることは熟知されている。水の表面の外形は
波と呼ぶものであり、空気と水との界面における
エネルギーの利用開発をなすべく様ざまな浮きタ
イプの装置が考案されている。この範囲において
得られるエネルギーは、利用可能なエネルギー全
体の１部にしか過ぎない訳で、これは水の粒子は
相当の深さまで運動するためであつて、このこと
を以下に節を追つて明らかにする。

水の上を動く風は、水を運動状態におくことに
よつて自身のエネルギーを水に伝える。この水の
運動は基本的に、海底へ向かつて進む調和運動で
ある。深海において、波長（波長〔Ｌ〕は波の１
つの山から次の山までの距離である）の1/2に等
しい深さでの、水の粒子が動く距離は表面におけ
るそれの４％である。エネルギーは水の粒子運動
の２乗に関係しているので、全エネルギーの99.8
％以上が水面から半波長の深さ以内にある。波の
高さと長さとは、以下に述べる条件によつて決ま
るものであるから、波の下で動く水に貯えられる
風のエネルギー量は主として、風の速度、時間の
長さ、および風の吹いてきている距離という諸条
件による。

水面で相互に作用し合う浮き型装置は、波形の
下で運動している水に貯えられた大量のエネルギ
ーを利用しないため、比較的に低効率である。水
に貯えられたエネルギーの全量は、運動エネルギ
ーと位置エネルギーとの２形態をなす。

本発明の重要な目的は、波の下の水と必要な深
さに至る間で相互に作用し合い、高効率で２形態
のエネルギーを取り出す装置を提供するにある。

以下詳細に説明する本発明の特定的な実施例に
よれば、水中に出力部材が支持され、波の下の水
の運動で振動するがごとくに動く方式となつてい
る。この部材は以下において、時に「帆」と呼ぶ
こととし、必ずという訳ではないが、でき得れ
ば、水の運動方向が逆になる度毎に形状を変える
ような構造であることが望ましい。波の表面下に
おける水の運動の数学的説明は、ミルン―トンプ
ソン著、「水力学理論」（議会図書館60―13815、
388―404頁）、およびマグロ―ヒル社刊、「江湾お
よび海岸線の水力学（議会図書館65―27677、24
―54頁）に載つている。波の下の水の運動を説明
するために必要である上記テキストから引き抜い
た方程式は以下に述べる節において示す。

本発明によれば、全体の効率を向上させるた
め、第１次の帆、すなわち動力帆と関連させて第
２次構成体（帆）を用いている。第２次の帆は以
下に述べるとおり、種々の態様で操作ができるも
のである。

本発明によつて考えられる無数の装置は、共同
社会全体の必要に答える電気的エネルギーを十分
に発生させるごとき、海洋あるいは大きな湖水な
どに設ける「発電場」とでもいうべきグループへ
一緒に仲間入りをさせられよう。水の自然な運動
がこのエネルギー出力を引き出す源であることを
考えると、このシステムが汚染を招かず、我々の
天然資源を全く消耗させないものであるとわか
る。

図面、特に第１〜３図を一層詳細に参照しつつ
説明すれば、海洋または湖水のごとき水の集積体
の中の波の運動、ならびに深い水中（第１図）、
中度の深さの水中（第２図）、および浅い水中
（第３図）、の波の下の水粒子Ｐの運動を線図で示
してある。どの図においても、「風」の方向を示
してある（すなわち、風上、風下方向として）。

水の粒子の運動は、一般的な意味では風が吹く
直接の結果であるが、部分によつての風向きと主
な波面の方向との間には著しい差のあることもあ
る。したがつて、このテキストおよび図面におけ
る用語の風、風上、および風下は、主たる波エネ
ルギーの伝播方向を示すため線図的に用い、必ず
しも局部的な風の状態に関係する訳ではない。

進行波内の波の動きは、ゆつくりした速さで１
方向に水が進むような形を呈する。しかし実際
は、そのように動くかに見えるものは波の格好だ
けである。波の下の水は基本的には調和運動をな
す訳であり、この場合、水の分子、つまり粒子Ｐ
は軌道的な道程、換言すれば流線を画いて動く。
水面からの隔たりを色々に変えた点における水粒
子Ｐの軌道道程は第１図で深い水の場合、第２図
では中深度、および第３図で浅い深さ（図３は縮
尺してない）の場合について示してある。

波の形は深海から海岸へ向けて動き、その場合
の時間（Ｔ）、すなわち、山から谷、谷から山へ
の上昇と下降の時間は一定である。

その一般化した関係は Ｌ＝gT²／2π・Tanh2πh／Ｌ ここに、Ｌは或る山から隣りの山までの距離、
「ｇ」は重力による加速度である。この式によれ
ば、水深が浅くなるにつれて波長は短くなる。浅
い水深の場合はＬ＝√、深い場合はＬ＝
5.12T²であり誤差は僅か数％である。これらの関
係は、開いた海洋で長いうねり、海洋近くでは遥
かに短かい波長が見られることと合致する。

深い水中、すなわち、水深ｈ（海底、あるいは
海床ともいう、から波の山と谷との中間の点ま
で）が波長Ｌの1/2より大きいところ（ｈ／Ｌ＞１／ ２）では軌道は第１図に見られるように殆ど円形
である。浅いところ、すなわち、水深ｈが波長の
1/20より小なるところ（ｈ／Ｌ＜１／20）では、水 の粒子の軌道は第３図に見られるとおり平たく、
つまりだ円的な形になる。中深度の水中、すなわ
ち、水深ｈが波長の1/20よりは大きいが1/2より
は小であるところ（１／２＞ｈ／Ｌ＞１／20）では、 水の粒子の軌道は第２図のごとくだ円になる。中
深度におけるだ円軌道は平たくなつているという
ものの浅い所でのそれ程ではない。

波形の下の任意の水粒子、例えば図１における
粒子P′の軌道は、 ζ²／A²＋ε²／B²＝１ で与えられ、これはだ円軌道の一般式でζ・εは
それぞれ粒子の水平、垂直変位量であり、係数Ａ
およびＢは第１図、第２図および第３図に見られ
るごときだ円の平たさを示すものである。

波高の1/2に等しい「ａ」（第１図）、および簡
単のため2π／Ｌ＝ｋを用い、ＡおよびＢを表わす と、 Ａ＝〔ａ cosh ｋ （ｈ＋ｘ）〕／sinh kh Ｂ＝〔ａ sinh ｋ （ｈ＋ｚ）〕／sinh kh ここに、ｘおよびｚは第１図に見られるとお
り、原点「０」から測つた水平および垂直の座標
である。１ないし２％の誤差を伴うが、深い水中
ではＡ＝Ｂ＝ae^kzであり、軌道は円形となる。軌
道の半径は水面から水底へ向かうにつれて小さく
なるが、これは第１〜３図に示されているとお
り、マイナスのｚ方向なるがためである。浅い深
度に対しては僅かの誤差をともない、Ａ＝ａ／
khおよびＢ＝ａ（１＋ｚ／ｈ）となる。この条件
に数位を代入すると、水平方向の往復運動はａよ
りも大であり、だ円の垂直方向寸法は水底に近づ
くほどに小さくなることがわかる。浅深度および
中深度の水中において往復運動が大きいことの持
つ重要性は追つて明らかになる。

第１図より第３図までは、波形に沿つた各点に
おいて、それぞれの軌道にある水の粒子のさまざ
まの位置を示している。ごく僅かの粒子しか示し
てはないが、これと同じ具合に動いている水粒子
が無数にあることは理解できよう。波形沿いの特
定点においてはどこであつても、波形下の垂直方
向にある粒子全部がその軌道内で同じ相対位置に
ある。従つて、第１図ないし第３図においてｘ＝
０，ｚ＝＋ａ、なる最左端に見える波の山では、
その真下にある水の粒子はすべてその軌道の頂点
にある。これらの粒子は矢印で示してあるとお
り、波の運動の方向である右水平に動いている。
矢印の長さは粒子の動いている速さの度合いであ
る。第１図ないし第３図の中央部分、すなわちｘ
＝１／2Lの位置にある波の谷間においては、そ
の真下にある水の粒子すべてが軌道の最下点にあ
つて水平に左へ動いている。ｘ＝１／4Lなる位
置の水粒子は垂直に上へ向かつて動き、ｘ＝３／
4Lの位置では垂直に下へ動いている。これらの
粒子の１つ１つに質量と速度のベクトル、従つ
て、取り出して動力に変換できる運動エネルギー
が関連している。

第４図は、右に向かつて動いている波に関し、
種々異つた位置において水中に直立させた帆Ｓを
線図的に示している。帆は垂直に立てるのが好ま
しいが、望むなら別の角度をつけて立てても差支
えない。また第４図は、おのおのの帆の位置にお
ける水の粒子Ｐの１つを示している。水の集積体
の底に関して固定された平行隔離の経路TRが波
の運動方向に伸び、帆Ｓをその往復運動に備えて
支えながら、この帆を垂直に保つている。帆Ｓ
は、横方向に隔てられた一対の直立部材UPで構
成すればよく、この部材UPは屈曲性ある帆シー
トSHを互いの間に備えている。

ｔ＝０（ここにｔは変数である時間を表わす）
の位置にある帆は波の山のところに示され、たて
座標AOと一致する経路に沿う中央点Ｏに図示さ
れている。波形内のこの点における水の粒子はそ
の軌道の頂点にあつて右へ動きつつあり、そのた
め帆を右へ動かし、その方向へうねらせる。1/4
周期遅れてｔ＝１／4Tなる点では、帆は経路TR
沿いのＮ点にある。波形内のこの点にある水の粒
子は帆が弛むように下へ向かつて動いている。ま
た1/4周期遅れたｔ＝１／2Tの波の底部では帆は
Ｏ点に戻つており、これは水粒子の左向き運動に
よつてその位置へ戻されたものである。帆は既に
左へ動いていることに注目すべきである。もう1/
４周期遅れたｔ＝３／4Tの位置では、帆は経路
TR沿いのＭ点にまで左方へ移動しており、波形
内のこの点では水粒子は上へ垂直に動きつつあ
り、そこで帆は再び弛む。さらに1/4周期遅れた
ｔ＝Ｔの位置（この時は次の山が帆に到達する）
では、帆はｔ＝０と同じであるＯ点にある。帆は
波の下の水の動きに影響され、このように往復運
動を続ける。

水平方向の分速度はｕ＝−∂ψ／∂x、垂直方向
のそれはｖ＝−∂ψ／∂z、である。ψは速度ポテ
ンシヤル関数と呼び、 ψ＝〔ag coshk（ｈ＋ｚ）〕・〔cos（kx−σt）〕／
〔σcoshkh〕 で表わされ、ここで考えられているケースに対し
ベルヌーイの微分方程式（流体力学上の普遍的に
認められている理論）を満足するものである。σ
＝2π／Ｔである。σを除いて、他の記号内容は
すべて既述してある。上記の表現は軌道上の粒子
運動の方向を定めるのみならず、波形を示すもの
である点において重要である。注意すべきこと
は、調和運動つまり時間の点で周期的である運動
を定義する公認的慣例方法に従えば、ψもまた調
和的であることに注目されたい。

第５図は、右に動いている波に関して幾つかの
異なる位置で、通常の場合、水中に直立する帆
S′を線図的に示した点で第４図に類似している
が、この場合は帆がピボツト式な動きをできるよ
うに支えられている。図示のとおり、帆の底部は
集積水体の底に関して固定された基部の上のＶに
おいて枢支され、波の運動方向にそい軸回りの往
復運動をする。水の粒子Ｐのうちの１つを各位置
で示してある。

帆S′はその枢軸の周りで往復運動をなし、波の
山部（ｔ＝０、およびｔ＝Ｔの位置）と谷部（ｔ
＝１／2Tの位置）では垂直に立つたニユートラ
ルの位置をとる。中間のｔ＝１／4T、およびｔ
＝３／4Tの位置では、ニユートラル位置から反
対方向へθなる量だけ離れて帆が回つて動いてい
るのが見られる。このように、第５図における帆
S′の運動は、ピボツトを中心にして動く点を除
き、第４図の帆Ｓの運動に匹敵する。第５図は、
帆の構造のやや異なるものを図示している。第５
図の帆は「方形綱具」の形をなし、たてに１枚ず
つ継ぎ合わせ、普通の場合水平をなす上端と下端
をフレームに取り付けた複数のシートSH′を有し
ている。「方形綱具」式の帆を第４図の構造でも
用い得るし、第４図の普通帆を第５図でも用い得
ることは理解し得よう。

第６図は、帆が往復運動から、いかにして潜在
エネルギーを引き出すかを説明する図である。前
に用いた式を、利用可能エネルギーの全量を調べ
るために整頓して波長と深さについて積分するこ
とができる。エネルギー全量は２つの構成成分、
すなわち運動エネルギーと位置エネルギーより成
つている。前者は水の運動すなわち質量と速度に
関係し、後者は重力により或る距離を落下する水
の質量の能力に関係する。式は複雑であるが結果
は単純である。Ｗを水の単位容積の重量とする
と、どちらのエネルギーもWa²L／４に等しい。
よつて全エネルギーはWa²L／２である。ダムの
背後にある水は位置エネルギー、つまり仕事を生
み出す能力を持つている。一般に位置エネルギー
は上下する浮きにより波から引き出すので、この
エネルギーに関し主なる２点を第６図に示すこと
とする。先ず、帆に対して直角をなす水粒子の相
対速度はゼロであるが、これは非多孔質の物が好
んで帆にされるためである。このことを頭に入れ
て考えると、帆の両側面間の水の高低差はダム背
後の水の在りように解することができる。分析的
にいうと、運動方向に正味の力が生じるため位置
エネルギーが有用エネルギーに転換される。第二
に、理想の状態にあつては、こういう装置が進入
波から全エネルギーを引き出してしまい、岸辺の
側の水が静かになる、すなわち、エネルギーの形
態を全く持たないということになろう。

第６図は、右へ向つて動いている波と共に、右
側には静かな水を図示している。ｔ＝０において
は、波の山は右側の水よりも高い位置にあり、左
側は、Ｗ（ａ＋ｈ）に等しい最大静水圧に応じた
（Ｗ／２）（ａ＋ｈ）²の右向きの力が存在する筈で
ある。右側はｈの区域において左側に作用してい
るWhに等しい最大圧力が存在する筈である。い
ま単位巾を30センチメートル（１フート）として
みる。右向きの正味の力は（Ｗ／２）（a²＋2ah）
となろう。ｔ＝１／4Tにおいて、波形は図示の
位置まで移動していて各側面の力は相等しくなつ
ていよう。ｔ＝１／2Tにおいては、波形は図示
のごとくであつて、右側の最大圧力はWhとなる
一方、左側の圧力はＷ（ｈ―ａ）の最大値を持と
う。それぞれの区域を掛け合わせると、粒子が左
方向へ進んでゆくにつれて吸収されてゆく運動エ
ネルギーと位相の揃つた力が生じる。ｔ＝３／
4Tにおいては、波形は図示のごとくになり、両
側面の力は互いに平衡する。ｔ＝Ｔにおいて周期
は完結して元の位置に戻る。ｔ＝Ｔの位置は図示
していないがｔ＝０のそれと同一である。

水は通常、圧縮できないと考えられているの
で、第６図に示すごとき帆の剛構造は、効果上さ
らに魅力の有る可撓性の帆に取り換えることがで
きる。その理由は曲がり易い帆は波から運動、潜
在の両エネルギーを引き出すのみでなく、うねつ
た表面が岸辺方向に向けて低抵抗の形をなし（岸
方向へ動く場合）、これは乱流を最も少なくする
ためである。このことは、換言すれば、進入波の
振幅に比し岸辺側で小振幅の波形しか生じさせな
いことを意味する。

本発明の装置は、２次構成体（帆）およびサー
ボ循環回路を導入して全体の効率を向上さすべく
開発したものであつて、浅、中深、深の水中で用
い得る。

以下の装置において、出力帆も２次帆もともに
ピボツト軸回り運動をなすが、２次帆の考え方は
帆が直線運動をなす装置にはどのような構成のも
のにも等しく適用可能である。

水は圧縮が効かないとする理論は合理的な仮定
であり、完結的な形で数学的解答を得られるよう
にする。水の圧縮不可能性は可撓性の帆に都合の
よい要素であり、そのため帆は水の粒子運動に応
じて形を変えることができ、そこで帆の風下側で
水の乱れが起きるのを最低に抑えることができ
る。

風下の水の乱れはシステムにとつての有効エネ
ルギー損失を表わすものである。このことを第７
図に略図で示してあるが、ここでエネルギー抽出
装置は前述のタイプの出力部材、つまり帆であ
る。抽出装置は動力を取り出すために動かねばな
らず、水は圧縮不可能であるから、風下側での水
の運動は、装置が完全なエネルギー吸収体でない
限り起こらざるを得ない。これに対処するため、
本発明では発電場内に複数の帆、すなわち、第１
抽出装置で変換されなかつたエネルギーを変換す
る第２抽出装置を、第１抽出装置の風下側に設け
るように提案している。効率100％に近づくため
には、「ｎ」個（すなわち１，２，３，……ｎ）
の帆が必要で、資材コストは大変な巨額となろ
う。完全効率へ近づけるための代替法を以下に示
す。

以上に説明したとおり、進行波内の帆は自然軌
道運動をなして動いている水粒子と相互に作用し
あう。進入波の粒子運動（風上）は、実際におい
ては本来軌道的なものであろう。また別の現象も
実際にあり、「定常波」として説明されている。
垂直の波除けに沿つた水の運動は定常波の一般的
な例である。理論上、防波壁は基本的にエネルギ
ー全体を海側へ向けてはね返す。定常波と関連し
た粒子運動は進行波と関連したそれとは全く異な
り、これは第９図に図示されている。目に見える
表面の形は進行波のそれと同じようであり、これ
は実線で示し、また半周期遅れるものを破線で示
してある。矢印は水の粒子運動を表わす。たて方
向の鎖線２００および２０２はそれぞれ波節（ノ
ード）と波腹（アンチノード）を示し、これらは
以下において、より詳細に説明する。

第８図はエネルギー移送と反射の仕組みを示し
ている。この図において、出力装置が示されてい
るが、この装置は上に述べたとおりのタイプの帆
と２次装置（これも帆でよい）とであるが、２次
装置は出力装置からは離れて風下側にある。２次
装置は、その全部が何らかの方法でエネルギーを
元に返すように考えてある方式で作動する（後に
詳述）ので、これを種別的に言えば反射装置と呼
ぶこともできよう。出力装置にとつての理想的な
状況は、この装置が進入の進行波を受け止めたと
き反射量が最少になるように動くことであるが、
圧縮不可能性（装置自体の動き）という条件によ
り若干のエネルギーは反射装置に移送される。反
射装置は受けたエネルギーを出力装置へ戻し、そ
こで適切に位相を与えられれば、この被反射エネ
ルギーは出力装置の出力を増大させる。

適切な位相調整は経時変化する性質を有した境
界条件の問題であり、正確な解法は無いようであ
るが、それは両装置間の粒子運動が軌道的なもの
（出力装置の近傍）から曲線的なもの（反射装置
近傍）へ次第に移つてゆくからであつて、これは
第１０図の平たい円２０９，２１１、および終り
では矢印２１３（曲線運動を表わす）によつて見
られ、以下において更に詳説する。

第１０図をさらに参照して述べるならば、出力
装置（帆）２１０の風上側の水粒子は軌道運動を
なし（すなわち進行波）出力帆２１０と反射装置
（帆）２１２との間の風下側粒子は第９図に示す
タイプの定常波に向かつて漸次移行する。反射用
帆は、ｎ＝１，２，３，……ｎとしてnL／２に
置くことができはするが、出力帆からＬ／２の距
離だけ離して風下側へ置いてある。こうしたこと
の理由は、純粋な定常波内の粒子運動を吟味する
と明らかになる（第９図）。波節における垂直運
動はゼロであり、運動は全体として水平である。
従つて、もし反射装置を波節に置けば、定常波の
状況に対する粒子の最大水平運動の位置になる筈
で、そのため運動ゼロという反射装置の風下側条
件を満足できない。こういう波節はＬ／４，３／
４、などに生ずる。反対に、nL／２の波腹にお
いては、横方向の運動がゼロとなつて完全反射装
置となり、これは反射装置の風下側における水の
運動は無いという条件として以前に指摘したとこ
ろである。

第１０図は、位相の合つた状態を図示したもの
であり、両帆間の準定常波が、出力帆の風上側に
ある進入波すなわち進行波と位相の合つた関係を
なし（両波の表面形状に注目）、準定常波内の水
の運動は、送られたエネルギーを後へはね返すと
ともに出力帆の動きと位相合わせることにより、
その動きを強化する。擬似調和状態を作るために
は、反射用帆を起動させる、つまりこれを動かし
て出力帆との位相をずらせるのが好都合となるか
もしれない。第１１図に示すこの状態は自然に反
するものではあるが、出力帆２０４と反射帆２０
６の間の準定常波を進行波との位相をずらせて
180度変位させると、出力帆が最大の静水力を受
けて最大出力を生じることは明らかである。この
不自然な状況を達成させるように反射帆を動かす
ことが必要になるのはいうまでもない。こういう
出力帆の動きは動き巾の少ないことが望ましく、
その理由は、この帆の動きはいずれにしても、風
下側に波の運動を生じさせ、これはエネルギーの
透過あるいは喪失を示すものであるからである。

粘性減衰や端効果の伴うところで進行波から準
定常波へ変る複雑な移行のため、nL／２にぴつ
たり等しい変位量、180゜に全く等しい位相移動で
装置が具合よく「同調させられる」ことは先ずな
かろう。この変化性にそなえ、かつ調和条件の達
成を期し、帆を動けるようにし（ピボツト的ある
いは直線的のいずれか好むように）、帆の運動と
直接同調させるか、もしくは圧力変換器（後述）
からの信号により駆動する。これらのメカニズム
とシステムの説明は後述のとおりである。

サーボ機構においては、１次システムから少量
のエネルギーを取つてそれを使い、１次システム
からの力をフイードバツク回路経由で上昇させる
ための、第２システムの位置決め、または駆動の
目的を果すことができる。

本発明の実施態様の重要な一特徴は、出力帆と
反射帆の間の距離にnL／２を選定したことであ
る。もしもフイードバツク回路が同調状態にある
とすれば、反射帆の運動振幅は非常に小さくなる
ことができ、そのため風下側でのエネルギー損失
は殆ど無くなり、反対に出力帆への反射エネルギ
ーは最大になる。また、反射帆の運動により、位
相シフトの調整に要するコントロールが、必要な
程度に可能となる。以上に説明したとおり、波長
（Ｌ）、および周波数の逆数である波の周期（Ｔ）
が、例えば深い水中で使う場合にＬ＝5.12T²とい
う具合に、特定的に関係していることに注目する
ことが大切である。

出力帆、反射帆間の水の質量は濃密に散逸して
いるエネルギーを包含し、nL／２なる距離を置
くことができる一方、「ｎ」が大なれば大なるほ
ど、この方向でのエネルギー喪失は大きくなり、
従つてＬ／２が選ばれているが、形、場所、ある
いは水中での設置というものがコストに大影響を
与えるフアクターであるならば、これら他の基準
も考えに入れることができるということを知るの
が重要である。つぎに粘性を伴つたシステムに対
し、実際の同調周波数は常に非減衰システムのそ
れより少なく、そして、この場合非常に理論的に
複雑である減衰フアクターによつてコントロール
される。それゆえ、実際の場合、両帆の間隔実寸
は正確なものではなく、必ずしも、nL／２に限
らない。また、理論の中には経時変化する境界条
件が幾つか含まれており、この条件は最適結果を
得るために大がかりなコンピユータ解析を要し、
それはまた、理論を実行に移したときnL／２の
追変更を必要とする。ここに述べる教示は帆の間
隔にとつて好ましい数値を示すように意図してあ
るが、しかしその数値に厳格に限定しようとする
ものではない。

進行波の周期と波長は、いずれも実際に変化す
る。この変動は変化する風の状態や海上の嵐の結
果であり、局部的にも、また何かしら離れたとこ
ろでも発生する。例えば本発明の装置を、過去の
記録により決定されるような特別な場所に向ける
同調周波数を生じさせるように設計できもするが
（理論的帆間隔nL／２から若干離ることが必要か
もしれない）、その際は波長と周期の変化に伴な
い最高効率よりは低い効率で作動する。よつて、
波の周期と長さの変化にかかわらず同調状態を維
持するためには、出力帆と反射帆の間隔を変える
ための装置を設けることが望ましい。例えば、エ
ネルギー抽出装置を設けた場所におけるよりも周
期の長い波を生ずる海上の嵐を想定してみる。進
行波により伝達される嵐のエネルギーは設置して
あるエネルギー抽出装置へ漸次到達し、その場所
の周期を大きくする。これは通常、波の周期
（秒）よりは遥かに長い時間間隔（日数）を必要
とする。このように、波の周期は緩慢に変化する
関数と考えることができ、従つて、同調を維持す
るための出力帆、反射帆の間隔調整には十分な時
間が使える。

局部的周期を測る検知装置からの入力でコント
ロールする位置制御サーボを、帆間隔を調整して
同調状態を維持するのに利用することができる。
この間隔調整は、標準的な機械的位置決め装置、
例えば、帆のいずれか１方が他方へ往復的に案内
される場合では水平式ねじジヤツキ、または類似
のウオームギヤー装置のごときもの、によつて遂
行できる。その他の典型的な位置決め手段、水力
式位置決めラムなども使える。位置決め装置は１
次帆で生じた動力の僅かな部分を使つて作動させ
る。

実施例 自然発生の力で働き、この発明の一部を形成す
る、より単純な位置決め装置を第１２図に示す。
小形のキヤリツジ２５０が反射用帆２５１を支持
している。ピボツト２５２が帆を支えているとこ
ろを図示してあるが、帆はキヤリツジ２５０と一
体的であつてもよい。キヤリツジはレール２５３
のごとき手段で案内される。引つかけ具Ｃおよび
Ｄはキヤリツジ上で軸支されており、普通はピボ
ツト上のねじりスプリングなどにより、レール２
５３と平行に伸びている歯付きラツクＡおよびＢ
と係合させられ、キヤリツジ２５０の動くのを防
ぐ。もし進入してきた進行波（第１２図で左から
右へ動く）の周期が、不自然でない若干の時間
（分）の間に変化し始めたならば、周期が増大し
つつあり、出力帆が反射帆の左に行くと考えて、
キヤリツジを右へ動かすのが望ましい。同様に、
周期が低下しつつあるときは反射帆を左へ動かす
べきである。第１２図は、代表的な２つの時点、
すなわち波の山（ｔ＝０）および波の谷（ｔ＝
Ｔ／２）における装置の状態を示す。第１２図より、 ｔ＝０（波の山）からｔ＝Ｔ／４（中間高さ）までの 間に、ピボツト２５２の下の平板２５５が右側よ
り左側において、より大きい圧力を受けることが
容易にわかる筈である。引つかけ具Ｃ，Ｄがｔ＝
−Ｔ／４からｔ＝Ｔ／４までの間（波の山から山への時 間）に上昇させられたとすると、キヤリツジ２５
０は右に動き、その時点で引つかけ具Ｃ，Ｄは再
係合が可能となり、両帆間の横方向距離は増大
し、帆間に関し水に対する所望の同調状態を持続
させる。同様に、引つかけ具がＴ／４＜ｔ＜3T／４の 間（波の谷から谷への時間）の内で上昇させられ
たならば、反射帆は左へ動く。波の動きは振幅と
無関係に周期的であるから、力は反復性であり、
適当な時に引つかけ具Ｃ，Ｄを上下させるだけの
ことに過ぎない。

適当な時に引つかけ具Ｃ，Ｄを上下させる手段
は、本技術において得られる。提案する手段を第
１２図に示すが、ここにおいては、リンク２６１
および２６３により引つかけ具ＣおよびＤに接続
され、かつ例えば、局部的な周期を測る検知装置
で制御される位置サーボにより操作されるモータ
２６０が、適当な期間にわたつて引つかけ具Ｃ，
Ｄを上昇させる。横方向位置を所望に移動させる
ために、半周期の全部にわたつて引つかけ具Ｃ，
Ｄを上昇させる必要はないが、その時間の一部分
の間だけは必要があることに注目を要する。

よく知られているとおり、平均水深は潮の作用
により時間と共にゆつくり変化する。これは深水
の場合は比較的に重要でないが、中深度および浅
深度では、 Ｌ＝gT²／2π・tanh2πh／Ｌ なるがゆえに何がしかの重要性を持つ。この方程
式をよく見ると、一定値の周期に対し、波長
（Ｌ）は深さ（ｈ）で決まることが了解できる。
例えば、潮の高低が±1mで水深10mの所に波エ
ネルギー抽出装置を置くことができるが、効率を
向上させるためには出力帆と反射帆間の距離を周
期の変化と共に深さの変化に応じて調節する必要
がある。この調節は、周期に対して情報を処理す
るのみならず、徐々に変化する深さも計算するマ
イクロコンピユータへ情報を送る局部圧力検知装
置によつて達成できる。そのときマイクロコンピ
ユータは、実地の経験から得た現実に合うように
変化を加えた前述の式を解いて、適切なＬおよび
nL／２を算出する。

こんにちの技術は、実際にある波の形は理論で
出す単純なサインカーブの形よりも複雑だという
事実を扱つている本発明において、別の独自な特
徴を考えることができるようになつている。理論
は一次元的（単一波長的）説明に対して優れた基
礎を形づくつている。しかしながら、広い海の波
は非常に多数な周期の波が複雑に混じりあつたも
のである。複雑な周期の波形がフーリエ級数で表
わされ、また、市販のコンピユーター（マイクロ
型およびミニ型）が使え、かつフーリエ級数解析
の一例であるスペクトル解析を遂行できる、とい
うことは物理学者、数学者によく知られている。
波は性質上周期的なものではあるが、表面の形は
波毎に異なる。出力帆の風上に離れて配設した圧
力変換器は波表面の形（進入波の形）を調べるこ
とができ、続いて波形の増分変化にもとづく利用
可能な出力を調べるのに使うことができる。

第１３図は、この望まれた機能を働かすような
先駆的サーボシステムのユニークな配列状態を示
す。重要なのは、入つて来る進行波の速さが電気
信号の伝わる速さより遥かに遅いという事実であ
る。したがつて、第１３図の圧力変換器は、実際
の波形（変換器に現われる）が出力帆に到達する
よりずつと前にその情報を受けとつてしまう。こ
のようにして、深度と周期とのスペクトル解析を
行なう時間が十分に得られるが、これは計算を確
かなものにするのに必要ものである。一般的に言
つて、計算は甚だ迅速であり、サーボ回路には時
間遅延装置が必要である。

第１３図において出力帆２６０は、進行波の運
動方向に対して望ましくは直角に横切る方向の軸
上で揺れるように、固定ピボツト２６２に取りつ
けられる。反射用の帆２６４は、キヤリツジ２６
６における出力帆２６０のピボツト２６２の軸心
に平行な軸心を有するピボツトに支承される。キ
ヤリツジ２６６はレール２６７上の出力帆の風下
側で支持され、出力帆に対して往復直線運動をす
る。モーター駆動によるスクリユージヤツキ２６
８のごとき適宜の手段を設けてキヤリツジ２６６
を動かす。両帆間の間隔をほぼnL／２にするの
は勿論であるが、この間隔は、圧力変換器２７０
および以下に説明の解析装置で調べた局部的状態
に応じて調節したそれである。すなわち出力帆２
６０の風上に適当な距離をおいて信号手段として
の圧力変換器２７０を設け、これにより波形を求
めるとともに、スペクトル解析器２７２、深度解
析器２７４、ならびに周期解析器２７６へ情報を
供給する。これらの解析器はコンピユーター２７
８に情報を送る。そこから時間遅延装置２６９を
経由してモーター駆動式のスクリユージヤツキ２
６８へ至る信号によつて、進行波の周期（長さ）
が増してゆくようなときはキヤリツジ２６６を出
力帆２６０から遠のかせ、また反対に減つてゆく
ときには近づける。

第１３図において、出力帆２６０も２次帆（反
射帆２６４）も共に動力を発する装置、つまり帆
の運動から動力を生じさせるように帆と関連させ
た発電機、あるいはポンプ、その他類似のもの、
を備えることができる。ここでは発電機が設けら
れており、その界磁コイルは番号２８０および２
８１として図示されている。各解析器２７２，２
７４，２７６が処理した変換器信号はコンピユー
ター２７８によつて伝達され、最大量のエネルギ
ーを取り出すよう時間遅延装置２８２および２８
４を介し、これら発電機の界磁コイル２８０，２
８１の強度を変える。このようにして、出力帆２
６０に対応する第１フイードバツク制御装置と、
反射帆２６４に対応する第２フイードバツク制御
装置とが構成される。

第１３図において、位相シフトは反射帆ユニツ
トの中に配設されたモーターにより反射帆２６４
を動かすことにより遂行できる。

この意味において、２次帆は発電機の代りにモ
ーターと関連させ得ることも考えられる。モータ
ーの目的は、両帆間の水域で180゜の位相差を生じ
させ、その結果同調状態を作り出せるようにこの
反射帆２６４を揺動させることである。このモー
ターは前述の界磁コイル２８１を有する。解析装
置とコンピユーターが処理した変換器信号は界磁
コイル２８１に送られてモーターを動かし、所望
の位相シフトを生ずるのに必要な反射帆２６４の
揺動を行なう。

第１３図に示す構造は、進入波からエネルギー
を最大限に取ろうと試みる場合の３態様の操作を
可能としている。第１は、波動の具合がよい（波
が複複雑でない単一波長的な）海に対し、モータ
ー駆動のスクリユージヤツキ、または類似の装置
が、nL／２か、もしくはそれに近い或る最良定
点において、変換器／解析器システムからの信号
に呼応して反射帆の位置を定める。反射帆はキヤ
リツジに関し、可動でなく１体的であつてよい。
これは極度に簡単な場合を例示し、堅固な防波堤
的反射装置を模すものである。第２は、反射帆の
発電機システムを利用し、また、ここでも最良の
nL／２点または近くに帆を位置させると、この装置 はどちらもピボツト式の（あるいは直線式の）運
動ができるたて並びの２台の出力装置として働
く。これは「受動的コントロール」という解法を
表わすものであるが、両方の発電機内の界磁コイ
ル強度は、最大量のエネルギーを引き出すように
コンピユーター２７８による最適算出ができる。
第３は、反射帆用のモーターシステムを利用し、
ここでも帆はnL／２または近似の位置に置くと、反 射帆は、180゜の位相差および同調状態を生ずるよ
うに解析装置が処理した変換器信号に従い、モー
ターによりピボツト状（または直線状）の運動を
なすように駆動される。これは「能動的コントロ
ール」の解法を表わし、理論的に最大量のエネル
ギーを引き出し、特に、他の２態様に比較し、波
の不揃いな、つまり乱れた海で有効である。出力
帆の発電機の界磁コイル強度は、進入波および反
射帆より反射波から最大量のエネルギーを取り出
すことができるように、常にコンピユーターによ
つて最適計算ができる。第１３図から、第２の能
動的コントロール態様を作り出すことができる
が、そこでは出力帆の運動に比例する信号２８５
が、その帆よりの発生電力から引き出され、処理
（例えば、増幅、減衰、位相調整など）のためコ
ンピユーターを通される。ついで、この信号は適
当な時間遅延ユニツト２８４を通してフイードバ
ツクされ、出力帆の運動からの直接フイードバツ
クである駆動を２次帆に与える。

図は海底を水平なものとして示しているが、こ
の状態は本発明にとつて必ずしも必要でない。事
実、先上り（風上から風下へ）の傾斜は、水平面
に対するよりも短かいnL／２しか必要でなく、
従つて資材の使用量が少なくてすむという利点が
ある。

最後に、本発明者は単一のユニツトについて説
明を行なつたが、発電場に配設する複数ユニツト
も単一ユニツトの論理的拡大であることは明白で
ある。上記において２次帆と関連して示した出力
帆は略図で書かれているが、これは、従来公知の
適当な構造を持つたものである。

発明の効果 以上述べたように本発明によると、水平方向の
軸心まわりに往復運動可能な単一の出力部材と、
同じく水平方向の軸心まわりに往復運動可能な単
一の２次部材とを、互いに連動することなく設
け、これら出力部材と２次部材とを、エネルギー
を最大限に抽出可能なように波の運動方向に距離
をおいて配置したため、これら両部材を特定の間
隔となるように制御するなどにより、特にフイー
ドバツク制御するなどにより、波動から効率良く
エネルギーを抽出できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、深い水中で互いに深度を異にし、か
つ形を異にした波に沿つた諸点における波の下の
水の粒子運動を図示した線図であつて、波を理論
上では進行波と呼んだ図、第２図は中度の深さの
水中における水の粒子の運動を示した第１図と同
様な線図、第３図は浅い水深における水の粒子の
運動を示した第１図と同様な線図であつて、縮尺
をしてない図、第４図は中度の深さの水中の進行
波に関して相異なる数ケ所の位置で、水中に直立
配設された帆の線図、第５図は深い水中の進行波
に関して相異なる数ケ所の位置に置いた変更構造
の帆を示した第４図と同様な線図、第６図は帆に
関して波形が運動をなす間、時間を異にして帆に
作用する静水圧力を示す線図、第７図は入波エネ
ルギーの若干が出力装置の使用中に被伝播エネル
ギーおよび反射エネルギーとして失われることを
示した略図、第８図は出力装置と関連させて使用
するエネルギー反射装置を示した略図、第９図は
典型的な定常波、およびそれに関連した水粒子運
動を示す図、第１０図は、出力装置および反射装
置と、出力装置の風上側における進行波の運動と
を示し、かつこの運動が、位相を調整されたこれ
ら装置間で定常波の運動へと推移していく様子を
示す図、第１１図は、第１０図と同様の図であつ
て、出力装置の風上側の進行波と、両装置間で運
動する波との間に180゜の位相差がある状態を示す
図、第１２図は、本発明の一実施例のエネルギー
抽出装置において、出力装置すなわち出力帆に対
し、反射装置すなわち反射帆の位置を調節するた
めの装置を示す図、第１３図は本発明の一実施例
のエネルギー抽出装置の構成を示すブロツク図で
ある。 ２５０，２６６……キヤリツジ（第２支持手
段）、２５１，２６４……反射用帆（２次部材）、
２６０……出力帆（出力部材）、２６２……ビボ
ツト（第１支持手段）、２６７……レール、２８
０，２８１……界磁コイル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水の集積体内における波の下の水の運動から
   エネルギーを取り出す装置において、水によつて
   動かし得る単一の出力部材と、少くとも実質部分
   を波の表面下に沈めた前記出力部材が波の下の水
   の運動により水平方向の軸心まわりに往復の運動
   をなし得るごとくに前記の水の集積体内で前記出
   力部材を支持する第１支持手段と、前記出力部材
   に連結されてこの出力部材の往復運動にもとづく
   エネルギーを抽出可能な第１の変換装置と、エネ
   ルギーを最大限に抽出可能なように、前記出力部
   材から波の運動方向に距離をおいて配置され、前
   記出力部材とは連動されることなく、この出力部
   材から独立して、水によつて動かし得る単一の２
   次部材と、前記水の集積体内において少くとも実
   質部分を波の表面下に沈めた前記２次部材が波の
   下の水の運動により水平方向の軸心まわりに前後
   の往復運動をなし得るごとく前記水の集積体内で
   前記２次部材を支持する第２支持手段と、前記２
   次部材に連結されてこの２次部材の往復運動にも
   とづくエネルギーを抽出可能であるとともに、前
   記第１の変換装置とは別個に設置された第２の変
   換装置とを有することを特徴とする水面下の波動
   により駆動するエネルギー抽出装置。 ２ 前記出力部材は一般的には水平である軸を中
   心に揺動するよう、部材の下端に隣接する所でピ
   ボツト支承された特許請求の範囲第１項に記載の
   水面下の波動により駆動するエネルギー抽出装
   置。 ３ 前記出力部材により抽出されるエネルギー量
   を変化させるための第１フイードバツク制御装置
   を含む特許請求の範囲第１項または第２項に記載
   の水面下の波動により駆動するエネルギー抽出装
   置。 ４ 出力部材の近傍における波形を調べる信号手
   段と、この波形に基づいて第１フイードバツク制
   御装置を働かすために信号を発生し、処理し、か
   つ、それを前記第１フイードバツク制御装置に送
   る手段とを含む特許請求の範囲第３項に記載の水
   面下の波動により駆動するエネルギー抽出装置。 ５ 前記２次部材は前記出力部材へ向けてエネル
   ギーをはね返すよう剛直に支持される特許請求の
   範囲第１項に記載の水面下の波動により駆動する
   エネルギー抽出装置。 ６ 前記２次部材により抽出されるエネルギー量
   を変化させる第２フイードバツク制御装置を含む
   特許請求の範囲第１項に記載の水面下の波動によ
   り駆動するエネルギー抽出装置。 ７ 前記部材間の基本的な間隔を変えるため支持
   手段の内の一方を他方との関係において位置決め
   する手段を含む特許請求の範囲第１項に記載の水
   面下の波動により駆動するエネルギー抽出装置。 ８ 前記位置決め手段がウオームギヤー装置より
   構成されている特許請求の範囲第７項に記載の水
   面下の波動により駆動するエネルギー抽出装置。 ９ 前記位置決め手段がラム装置より構成されて
   いる特許請求の範囲第７項に記載の水面下の波動
   により駆動するエネルギー抽出装置。 １０ 前記位置決め手段が引つかけ具−ラツク
   （dog and rack）装置より構成されている特許請
   求の範囲第７項に記載の水面下の波動により駆動
   するエネルギー抽出装置。 １１ 波の周期ならびに平均水深を調べる手段
   と、これら波の周期と平均水深との調査結果に基
   づいて前記位置決め手段を駆動するために、信号
   を発生し、処理し、かつ、それを位置決め手段に
   送る手段とを含む特許請求の範囲第７項に記載の
   水面下の波動により駆動するエネルギー抽出装
   置。