JPS61502623A - 波エネルギ発電機 - 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】 波エネルギ発電機 背　景 本発明は海洋のような海水の波運動を有用な形態のエネルギに変換することに関 する。

何千年にわたり、人類は海洋のエネルギの利用を夢想してきた。引き潮や潮流か ら電気を発生させる試みもなされてきた。また、洋上におけるフロートの上下運 動から電気を発生させる試みもなされてきた。そのような試みがクリ−デル（Ｋ ｒｉｅｇｅｌ　）の米国特許第３，４８７，２２８号ならびにカマラ−（Ｋａｍ ｍｅｒｅｒ　）の米国特許第３，５１５．８８９号に記載されている。

フロートの運動からエネルギを利用する点に関しては顕著な問題がある。１つの 問題は、フロートが海洋の激しい波作用に継続してさらされるため、特に暴風雨 の間フロートを著しり虐めうろことである。

別の問題はフロートの垂直方向の運動を有用なエネルギに変換しうるハードウェ アの構成である。関節付きのジヨイントやその他の壊れやすい構造体が要求され ることが多い。これらの構造体は海の波の衝ｇａヲ常に受け、かつ腐蝕性の海水 環境におかれるので寿命が限定される。

海洋の波により上下動するフロー）Ｋ基づく発電装置に係る別の問題は海水が穏 かな場合の休止時間の問題である。発電装置に要する設備投資を保証するレベル の効率を達成するには十分な大きさの波が必要とされる。しかしながら、世界中 の多くの地域において、波は年間の著しい部分、特に夏期の間は必要な大きさに はならない。このため、発電装置は１年の中の前記期間中は有用でな（、あるい はエネルギを継続して提供するには高価な貯め装置を構成する必要がある。

本発明は海洋の波の無尽蔵なエネルギを利用するという人類の夢を実現するため に前記の問題を解決しようとするものである。

要　約 本発廚は海洋の波の運動に応答して上下動するフロートラ用いて、海洋のような 海水の波運動からエネルギを利用する装置を指向する。本発明は単一の構造体を 使用してフロートを保護し、フロートの運動を有用なエネルギだ変換する装置を 保護し、かつ同時にフロートに対する波の作用を増幅できるという発見に基づい ている。この構造体は基本モードで作動する共鳴チャンバである。

該装置は海水ならびに波がチャンバから出入るだめの貫通開口を備えた外壁を有 する共鳴チャンバを含む。

該チャンバは、その中の波の大きさが、前記開口を通して該チャンバに流入する 波の大きさより大きくなるようだ海水の波運動を増幅する。チャンバ内のフロー トが該チャンバ内の波運動に応答して上下運動する。

フロートの運動エネルギを有用なエネルギに変換するため発電機がフロートに作 動接続されている。

前記チャンバが共鳴し、かつ基本モードで作動するようにするために、該チャン バはその等価直径が約０．１５　Ｌ　／　ｐｉから約Ｌ／ｐｉとなるような寸法 にすることが好ましい。Ｌは開口を通してチャンバへ入る波の波頭の間の距離で 、ｐｌは３．１４１５９である。一般的にチャンバの等価直径は３０メートル（ １００フイート）以下である。水平断面が円形であるチャンバに対しては、その 直径は約０．２　Ｌ　／　ｐｉから約０．６Ｌ／ｐ１であることが好ましい。そ のようなチャンバの直径は約１２メートル（４０フイート）から約２１メートル （７０フイート）としうる。

前記開口はチャンバに入る波の波頭に対して平行であることが好ましく、チャン バの周囲の約′Ｖ５６から約偽を占め、好ましくはチャンバの周囲の少なくとも ｌ／／１Ｂを占める。

本発明の一形態においては、チャンバの壁の一部に波よけ構造を設けることがで き、中にフロートを有する複数の前記チャンバを単一の波よけと関連させること ができる。

基本モードで共鳴チャンバを作動させると、チャンバ内の波の大きさは流入して （る波の大きさの２倍を上廻ることができる。本発明は海洋のｅ、全利用して） ロートを上下させる波エネルギ発電機のいずれにおける効率をも著しく向上させ る。さらにチャンバの壁がフロートならびに関連設備を海洋の作用から保護し、 そのため該装置の寿命を延し、かつ該チャンバが無い場合には使用しえなかった 、相対的に壊れやすい高効率の設備の使用を可能とする。例えば、フロートは直 径がフロートの厚さより少なくとも４倍以上である円筒形の「パンケーキ」状フ ロートとしうる。この「パンケーキ」状フロートは球形フロートより壊れやすい が、コストははるか疋低い。チャンバの壁がパンケーキ状フロートを保護するの で、該フロートを問題なく使用できる。

本発明の前記およびその他の特徴、局面および利点は以下の説明、請求の範囲お よび添付図面を参照すればさらによく理解される。

添付図面において； 第１図は、本発明の原理に基づき構成した、海洋の波の運動から動力を発生させ る装置の上面図；第２図は第１図の線２−２より視た、第１図に示す装置の部分 断面図： 第３図はチャンバ内に２個のフロートを有する、本発明による別の装置の上面図 ； 第４図は四角のチャンバを有する、本発明による別の装置の上面図； 第５図はチャンバの壁の開口の寸法を変える手段を備えた、本発明による別の装 置の正面図：第６図は本発明による３個の共鳴チャンバの後壁を形成する波よけ の上面図； 第７図は埠頭の端に位置した、本発明による、５個のチャンバを示す図； 第８図は、共鳴チャンバとフロートとを用いて電気を発生させる装置の概略図で ある。

説　明 第１図と第２図を参照すれば、海洋の波運動を有用なエネルギに変換する装置９ は、その基本要素として、密閉壁１２を備えたチャンバ１０と、フロート１４と ピストンポンプ１６とを含む。前記壁１２は、第１図において矢印２０で示すよ うに流入してくる海洋の波を受入れるべ（位置したスロット、即ち開口１８を有 する。

前記装置９は海洋の波に対して使用するのに特に適している。しかしながら、該 装置９の設置を経済的にさせるに十分な波エネルギを有するいずれの海水に対し ても使用できる。

チャンバ１０は基本モ′−ドで作動する共鳴チャンバどなるべき寸法とされ、位 置され、かつ形状とされている。「共鳴チャンバ」という用語は、該チャンバ内 ・、Ｄ波の大きさが該チャンバへ流入してくる波の大きさより大きいチャンバを 意味する。「基本モード」という用語は、振動装置で発生する第１の、即ち主共 鳴モードを意味する。

色々な理由からチャンバが基本モーｒで作動することが重要である。第１に、基 本モードは他のモードよりも波をより大きく増幅することである。

第２に、基本モードで作動するチャンバは、他のモードで作動するチャンバより 小さくできることである。

例えば、次の高いモードで作動するチャンバは基本モードで作動するチャンバよ り直径が約３倍必要とされる。

第３に、基本モードで作動するチャン／ぐは波の状態の変動に対して作用されに クク、より高いモードで作動するチャンバよりもより広い範囲の波状態だ対して 増幅が可能である。例えば、基本モードで作動するチャンバは、設計値から約二 ３０チに・わたり波長りの変動を許容し、しかも流入してくる波を増幅できる。

しかしながら次の高いモードで作動し、同じ波長りに対して設計したチャンバで は流入してくる波を緩衝することなく許容する波変動は単に約±１５チである。

第４に、チャンバ内の波の増幅は基本モードではより均一となる。より高いモー ドでは、波の波頭と底の双方がチャンバ内で同時に起りうる、基本モードである 間、どの時点でもチャンバ内の波の高さは全体的に均一、即ちいずれの時点でも チャンバ内のいずれの場所においても波の高さは静かな水のレベルより高いか、 等しいか、あるいは低い。

チャンバ１０は海洋の波エネルギを利用して、チャンバ内でフロート１４を上下 動させるために波のうねり運動を上下運動に変換する。チャンバは、その等節直 径が１１５Ｌ／ｐｉからＬ／ｐｉとなるような寸法とされる。Ｌは開口１８を通 ってチャンバへ入る波の波頭の間の長さである。チャンバの等節直径りは以下の 式により決定される。

Ａはチャン／々の水平断面積である。チャンバとフロートの寸法の決定の基準は 水面上での寸法である。例えば、水平断面積がチャンバの高さに沿って変わるチ ャンバに対しては、ＡとＤとは水面において規定される。

Ｌはチャンバが位置する水深ならびに波の流入時間によって変わる。Ｌは以下の 式から決定される。

（２ｐｉ／Ｔ　）２＝（２ｇｐｉ／Ｌ）　ｔａｎｈ　（２ｐｉｈ／Ｌ）Ｔ＝波の 流入時間 ｈ＝装置９が位置している平均水深 ｇ＝重力常数 ｐｉ＝３．１４１５９ チャンバは種々の波状態を許容するように構成する必要がある。特定現地での波 状態を調査することにより、現地での波長範囲を決定することができ、このため チャンバの等節直径を選定することができる。

一般的に、該装置９が位置する水深が増えるにつれて、チャンバの直径が大きく なる。同様に、波の流入時間が増える疋つれて、チャンバの直径が太き（なる。

典型的には、波の流入時間は約５から２０秒であって、チャンバは、水深が約７ ．５メートル（２５フイート）から約１８メートル（６０フイート）のところに 位置する。チャンバ内の水深は一定であることが望ましい。

したがって、チャンバ全体は海岸から少な（とも１５メートル（５０フイート） のところに位置することが好ましい。

チャンバの等価直径は６メートル（２０フイート）以下から３０メートル（１０ ０フイート）、好ましくは６メートル（２０フイート）以上で、波状態が著しく 変動する場合に基本モードで高度の増幅を得るには約１２メートル（４０フイー ト）から約２１メートル（７０フイート）であることがさらに好ましい。

円筒形チャンバに対しては、チャンバの直径は約０．２　Ｌ　／　ｐｉから約肌 ６Ｌ／ｐｉであることが好ましい。

水平断面が長方形であるチャンバに対しては、開口。

から、該開口とは反対側の壁までの距離は約００１５Ｌ／ｐｉから約肌７Ｌ／ｐ ｔまでであることが好ましい。

この距離は第４図において又として示されている。

チャンバは、円形、（四角を含む）長方形、長円形、あるいは多角形を含むいず れの形でもよい。チャンバはその中の波の最大の大きさよりも高くなるよう十分 高くすることが好ましい。チャンバ１０の壁１２は、例えば鋼、あるいは補強コ ンクリートのようにいずれかの適当な材料で形成すればよい。

第２図に示すように、チャンバはその壁を直接海床２６上だ置いて位置させるこ とが好ましい。しっがりした床がないと増幅に悪影響を及ぼしうる。代替的に第 ５図に示すように、開口１８を通して砂がチャンバ内へ浮遊してこないようにす るため海床２６の上方に設けたパイル２８にチャンバを据え付けてもよい。チャ ンバには人工の頂壁と底壁とを設けてよいが、経済的な理由からいずれも設げな い方が好ましい。

開口１８は全体的に１チヤンバの壁１２の全高にわたって延びる垂直のスロット である。希望に応じて、開口１８はチャンバ１０の頂部２８からチャンバの底部 ３０に向かって部分的だ延びるようにさせてもよい。

同様に、前記スロットはチャンバの底部３０から頂部２８に向かって部分的に延 びるようにさせてもよい。

希望に応じて、スロットの頂部は平均水面の下方に設けてよい。チャンバの壁１ ２を上方に部分的に延びるスロットの利点は、フロートとポンプ１６とを極めて 大きい波から保護することである。

第３図と第５図とに示すように、スロットにはその寸法を変える手段を備えるこ とができる。第３図に示す形態においては、可動ドア３２がチャンバ内に取グ付 けられ、かつ矢印３４で示すように開口１８を横切つて摺動しつるように位置し ている。暴風雨の時とか、あるいはチャンバ内の装置の修理を要する場合には開 口１８はドア３２で部分的、あるいは全体的に閉鎖することができる。

第５図に示す形態においては、ドア３６は矢印３８で示す方向に摺動することに より開口１８の底部分を閉鎖するために設けられている。また、開口１８の少な （とも上部分を閉鎖するよう矢印４２の方向に下方に摺動する第２のドア４０が 設けられており、かつ希望に応じて開口全体を閉鎖する。

水面において、開口はチャンバの周囲の約ｚ６から約％を占め、好ましくはチャ ンバの周囲の約Ｙ８から％までを占める。このため、円筒形チャンバに対約２０ 度から約８０度延びる。このよ、うに、開口１８の寸法は変えることができ、水 面および波の運動に対して開口１８の位置は上げ潮や波の状態に応じて変えるこ とができる。

チャンバの開口は１個以上設けてよく、かつ開口はチャンバ内で波を効果的に増 幅するいずれかの形状としうる。開口は°波頭に対して全体的に平行で、流入し てくる波に対面するよう位置させることが好ましい。

７０−ト１４は、立方体のようなプリズム状、細長い円筒体あるいは丸い柱台座 、即ち「パンケーキ」のような低い円筒体のいずれかの円節体、あるいは球形の ような長円形を含むいずれか希望の形状でよい。チャンバ即ち壁１２により保護 されているのでフロートの寿命が保証される。したがって、フロートの構成およ び形状の決定に際しては、エネルギ出力を最大にし、コストを減少させることに 重点をおけばよい。

フロートは、直径がその高さより著しく大きく、一般的に４倍大きく、好ましく は少なくとも６倍大きい「パンケーキ」状、即ち住台座状、即ち円筒体の短い部 分からなることが好ましい。水面での全てのフロートの表面積はチャンバの表面 積の少なくとも半分であることが好ましい。こうすれば、フロートの上下ストロ ークに概ね等しい力を発電装置に加える。さらに、もしフロートが軽すぎると、 そのほとんどが水の上に来るし、重すぎると水の下へ来てしまい波運動への追従 が不十分となりうる。波運動を最大限利用するには、フロートが波に緊密に追従 することが重要である。

フロート１４は、例えばステンレス鋼、モネルメタルあるいは補強ガラス繊維の ような耐触性材料からつくればよい。フロートは中実でも中空でもよい。中空の 場合、空気、乃至ガス、あるいは海水自体のような液体、あるいは砂またはコン クリートのような固体を中に入れることができる。

第３図に水子ように、チャンバ１０に１個以上のフロート１４を設げることがで きる。

フロート１４の運動エネルギは、フロートの運動を例えば電気のような他の形態 のエネルギへ変換するために使用される広範囲の既知の装置を利用して有用なエ ネルギに変換可能である。有用な変換装置の中には、米国特許第３，４８７，２ ２８号と同第３，５１５，８８９号に示す油圧装置があり、該装置においてはフ ロートが２ストンポンプに作動接続され、ポンプは発電機を駆動する油圧モータ に接続されている。その他の種類の装置は米国特許第１３８，４７４号二同第４ ３０，７９０号：同第５９９，７５６号；同第６１６．６１５号および同第４． ２８１，２５７号に示されて（・る。

第１図、第２図および第８図に示す形態においては、ポンプ１６は、シリンダ４ ２内で上下往復運動するピストン４０を有するピストンポンプである。ポンプは その上方ストロークおよび下方ストロークの双方において水を汲み出し、ぎスト ン４０上方の領域には入口弁４４と出目弁４６とが設けられ、ピストン４０の下 方の領域にも入口弁４８と出口弁５０が設げられている。前記４個の弁４４．４ ６．４８および５０の全ては、例えば逆上弁のような一方弁である。

垂直のピストンロッド５２がフロート１４をシリンダ４０に接続している。フロ ート１４が波の波頭から２つの波の間の底まで運動するにつれて、ピストン４０ はロッド５２により下方に引っ張られる。このため下方の出口弁５０から油圧流 体が圧出され、油圧流体を上方の人口弁４４を介してシリンダ４２へ送る。

次て、フロート１４が波の底から波頭まで運動するにつれて、ぎストン４０は上 方に押しやられる。このため上方の出口弁４６を介してシリンダ４２から油圧流 体を圧出させ、水を下方の大口弁４８を介してシリンダ内へ送る。

油圧流体は、上方の枝管６２が上方の大口弁４４に接続され、下方の枝管６４が 下方の大口弁４８に接続されている導管６０を介してシリンダ４２内へ送られる 。送られた流体は、上方の枝管７０が上方の出口弁４６に接続され、下方の枝管 ７２が下方の出口弁５０に接続された導管６８を介して油圧ポンプ６７のような 発電手段へ送られる。モータ６７は発電機７３の作動に使用できる。希望に応じ て、波状況が不十分であったり、あるいは設備修理中の場合に油圧流体を貯える リヂーパ７５を投げてよい。

油圧流体は液体でよ（、かつ例えば海水や真水のような水あるいは油でよい。油 圧系統は低圧用あるいは高圧用でよい。

フロートはチャンバの中央に位置するか、あるいは開口に対するよりもチャンバ の後壁により近接するよう位置することが好ましい。これらの位置はチャンバ１ ８の増幅に対して開口１８に近い位置におけるよりも有利であるという点で効果 的である。

共鳴チャンバ１０を使用する利点は、チャンバの壁１２を用いて、フロート１４ の運動エネルギを有用なエネルギ如変換する装置全構造的に支持できることであ る。例えば第１図と第２図に示すようだ、ポンプ１６は、チャンバ１０の壁１２ の内側から内方に延びる複数のが−ダ８０を用いて支持される。

第６図と第７図に示すように、複数の波エネルギ発電装置を一緒に用いることが できる。第６図だ示す形態においては、３（ｒＩＡの装置９が設けられており、 各装置の後壁は波よけ９０により形成されている。前記波よけは既存の波よけ９ ０でよく、あるいは特に波エネルギ発生装置用に設げてもよい。こうして、波エ ネルギ発電装置は有用なエネルギを発生させるのみならず、装置全体として海岸 に設けた構造体も保護する。

第７図に示す形態においては、該装置９は海岸線９４１Ｃ対して垂直に延びる埠 頭９２の端に位置している。該装置９は海岸線に対して平行の鴫に位置し、その 頂部に歩廊９６を含んでいる。この歩廊９６は別の埠頭として作用する。第７図 に示す装置は海洋の波からエネルギを発生させるのみならず、娯楽や船遊びの高 度な施設を提供する。

本発明による発電装置の利点は顕著である。共鳴チャンバによって、フロートな らびにポンプからのエネルギ出力を向上させることができる。さらに、チャンバ の壁１２がフロートやその他の構造体を海の作用から保護する。また、その構造 体が極めて単純であって、フロート１４の上下運動を有用エネルギに変換するた めの関節付きアームやその他の壊れやすく複雑な構造体を必要としない。

例 ４０分の１の尺度で実験を行った。チャンバは４５センチ（１−％フィート）の 直径で開口が６０度分の円筒体であって、水深３０４＝ンチ（１フイート）に位 置させた。波の流入してくる時間は１秒から３秒であった。フロートは円筒形で あって、直径は２４．３８ミリ（９，６インチ）で厚さは３．８１ミリ（３／２ インチ）であった。フロートは合板、鉛およびスチロフォームＴ　Ｍ　（Ｓｔｙ ｒｏｆｏａｍ　Ｔ　Ｍ　）で作り、半ば潜水させた。この縮尺した規模の実験は 、６０度分の開口を有し直径が１８メートル（６０フイート）のチャン／々を１ ２メートル（４０フイート）深水させて位置させたチャンバと、波の流入時間が ６秒から１８秒で、フロートの直径が９．６メートル（３２フイート）で厚さが １．５メートル（５フイート）のものに相応する。

非負荷状態での達成された増幅系数は２から３．５であった。即ち、フロートの 運動の大きさはチャンバへ流入する波の大きさの２から３．５倍であった。チャ ンバは基本共鳴モードで作動した。

本発明をある好適形態に関して可成り詳細に説明してきたが、その他の形態も可 能である。例えば、ある状態においてチャンバは海洋の波の特性によっては共鳴 しなくてもよい。しかしながら、たとえそのような形態であったとしてもチャン バはフロートならびπその他の装置を海洋の波の作用から保護する。さらに、チ ャンバは三角形、六角形および長円全含み、水面において色々な断面形状だして もよい。チャンバは円錐形あるし・は逆円錐形にしてもよ（・。チャンバの壁に 設けた開口は強度を高めるためアーチ状にしてもよい。

チャンバの壁は該チャンバの周りの水圧の種々な力に抵抗し、かつ構造材料の量 を節約するよう厚さを変えてもよい。さらに、チャンバは、強度の点から共通の 壁を分は合う許状にしてもよい。許状としたチャンバは別の建屋の構造体を提供 でき、即ち人工島を形成することができる。チャンバには動力を出力するために 流入してくる波を収束させる延長させた壁を開口の前方に設けてもよい。前記の 収束角度は０度と９０度の間であって、各々の収束する壁の長さはチャンバの半 径の１から８倍であることが好ましい。共鳴チャンバの底部は後壁から離れる方 向に開口から下方圧傾斜させることができる。したがって、請求の範囲に記載の 精神と範囲とは必らずしも本明細書に含めた好適形態〆ＤＸグ ２４に、ｉ 補正書の翻訳文提出書く特許法第１８４条の７第１項）昭和６０年１１月１２日 園

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．基本モードで作動し、波に対して開放される貫通開口を備えた外壁を有する 共鳴チヤンバを海洋に設け、前記チヤンバの等価直径が０．１５Ｌ／ｐｉからＬ ／ｐｉであり、Ｌが前記開口を通して前記チヤンバに入る波の長さであり、前記 チヤンバがその中に少なくとも１個のフロートを有することを特徴とする装置。
2. ２．海洋の波の運動から動力を発生させる装置において； ａ）海岸線から少なくとも１５メートル（５０フイート）離れた水中にあるチヤ ンバであつて、該チヤンバから水が出入りしうるようにした開口を貫通させて備 えた外壁を有し、等価直径が水面において少なくとも９メートル（３０フイート ）で、かつ３０メートル（１００フイート）以下であるチヤンバと；ｂ）前記壁 により保護された、前記チヤンバ内のフロートであつて、前記チヤンバ内の波に 応答して上下運動するフロートと；および ｃ）前記フロートの運動エネルギを有用なエネルギに変換するために前記フロー トに作動接続された動力発生手段とを含むことを特徴とする海洋の波の運動から 動力を発生させる装置。
3. ３．海洋の波の運動から動力を発生させる装置において； ａ）海洋に設けた共鳴チヤンバであつて、該チヤンバから水が出入りするように した開口を貫通して備えた外壁を有し、前記チヤンバ内の波の大きさが該チヤン バへ流入する波の大きさより大きくなるよう海洋の波の運動を基本モードで増幅 し、その等価直径が０．１５Ｌ／ｐｉからＬ／ｐｉとなる寸法とされ、Ｌが前記 チヤンバに流入する波頭の間の長さである共鳴チヤンバと； ｂ）前記チヤンバ内のフロートであつて、前記チヤンバ内の波の運動に応答して 上下運動するフロートと；および ｃ）前記フロートの運動エネルギを有用なエネルギに変換するために前記フロー トに作動接続された動力発生装置とを含むことを特徴とする海洋の波の運動から 動力を発生させる装置。
4. ４．請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項に記載の装置において、開 口がチヤンバの周囲の１／１８から２／９を占めることを特徴とする海洋の波の 運動から動力を発生させる装置。
5. ５．請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項に記載の装置において、チ ヤンバの壁の一部が波よけにより形成されていることを特徴とする海洋の波の運 動から動力を発生させる装置。
6. ６．請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項に記載の装置において、開 口の幅を変える手段を含むことを特徴とする海洋の波の運動から動力を発生させ る装置。
7. ７．請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項に記載の装置において、開 口には垂直方向の範囲があり、該開口の高さを変える手段を含むことを特徴とす る海洋の波の運動から動力を発生させる装置。
8. ８．請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項に記載の装置において、チ ヤンバが水面において約１２メートル（４０フイート）から約２１メートル（７ ０フイート）までの等価直径を有することを特徴とする海洋の波の運動から動力 を発生させる装置。
9. ９．請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項に記載の装置において、水 面におけるフロートの面積は水面におけるチヤンバの面積の少なくとも１／４で あることを特徴とする海洋の波の運動から動力を発生させる装置。
10. １０．請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１．項に記載の装置において 、チヤンバが少なくとも２の係数で波を増幅することを特徴とする海洋の波の運 動から動力を発生させる装置。