(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
うねりのエネルギーを使用可能なエネルギー、特に電気エネルギーに変換するデバイス(1)であって、フロート要素(2)と、前記フロート要素に対して可動になるように取り付けられ、前記フロート要素上で前記うねりの作用を受けて前記フロート要素(2)に対し相対運動することができる振動要素(3)と、前記振動要素(3)の運動を使用可能なエネルギー、特に電気エネルギーに変換する手段(4)とを備え、さらに、前記フロート要素に対して前記振動要素(3)を選択的に制止または解放できる制動手段(5)と、前記変換手段(4)と前記振動要素(3)を選択的に連結または連結解除できるクラッチ手段(7)と、うねりの変動がどれだけであるかに応じて前記制動手段(5)および前記クラッチ手段(7)を駆動して前記振動要素(3)を加速させることによって変換のエネルギー生産量を向上させることができる、制御手段(8)とを備える、デバイス。
【請求項２】
前記制御手段(8)が、前記デバイス(1)の上流のうねりの振幅ならびに前記フロート要素(2)の動きおよび前記振動要素(3)の動きを測定するセンサからの信号を入力として受け取ることができ、前記制動手段(5)および前記クラッチ手段(7)を制御する制御信号(u)を出力として生成することができる、請求項1に記載のデバイス。
【請求項３】
前記振動要素(3)は、前記フロート要素(2)に対し回転運動することができ、
前記制御手段(8)が、時間に対する前記デバイス(1)の上流のうねりの振幅を測定するセンサからの信号を入力として受け取ることができ、
前記制御手段(8)が、
初期値として、前記振動要素に対する前記制動手段および前記クラッチ手段の連結および解除を制御する信号(u)を、前記振動要素と前記制動手段との連結が解除されかつ前記振動要素と前記クラッチ手段とが連結されるように設定する段階と、
前記デバイスの数学的モデル化により、前記信号(u)と、時間に対するうねりの振幅を測定する前記センサからのうねりの時間依存変動と、に応じて前記デバイスの状態(X)を計算する段階(102)と、
前記デバイスの前記状態(X)に応じて前記制御を最適化する、ハミルトン演算子である基準パラメータ(H)を計算する段階(104)と、
前記基準パラメータを最大にするための、前記制動手段および前記クラッチ手段を制御する信号(u)を計算する段階(105)と、
を実行するようにプログラムされる、請求項1または2に記載のデバイス。
【請求項４】
前記制御手段(8)が、前記計算された制御信号(u)の収束を得るために前記段階(102)から(105)を繰り返す、請求項3に記載のデバイス。
【請求項５】
うねりのエネルギーを使用可能なエネルギー、特に電気エネルギーに変換する方法であって、請求項1から4のいずれかに記載のデバイスが前記うねりの作用を受け、前記制御手段(8)が、前記うねりの時間依存変動に応じて前記制動手段(6)および前記クラッチ手段(7)を駆動する、方法。
【請求項６】
請求項1から4のいずれかに記載のデバイスに内蔵されるようにした計算機(8)であって、前記制動手段(6)および前記クラッチ手段(7)をうねりの時間依存変動に応じて制御するようにプログラムされる、計算機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波およびうねりのエネルギーを使用可能なエネルギー、特に電気エネルギーに変換するデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
波およびうねりのエネルギーを電気エネルギーに変換するデバイス、いわゆる「波力発電」デバイスは、再生可能なエネルギー源(波の位置エネルギーおよび運動エネルギー)から電気を生成することを温室効果ガスを何ら放出せずに可能にする。
【０００３】
これらのデバイスの中には、波の作用によって運動する1つまたは複数の振動要素と、その振動要素の運動を電流に変換できるようにする手段とを備えるものがある。これらのデバイスの生産量を最も高めるために、振動要素の運動に対して働く制御方法が開発されてきた。
【０００４】
特許文献１は、波のエネルギーを電気エネルギーに変換する装置を記載している。この装置は、密閉したフロート要素と、フロート要素の内部に配置された塊を形成している要素とを備える。この塊形成要素は、フロート要素に対して水平軸の周りで可動になるように取り付けられた振り子ホイールである。ホイールは、フロート要素を振動させる波の作用によって運動する。装置はまた、連続する波に対し装置の動力学が絶えず適応することにより塊形成要素の運動を増幅するように、塊形成要素を選択的に制止または解除する制止手段と、この制止手段を制御する制御手段とを備える。
【０００５】
制止手段を用いると、塊形成要素をフロート要素に対して制止状態から自由状態へと連続的に移すことが可能になる。制止手段を適切に制御することにより、装置のエネルギー生産量の増加を可能にする。このタイプの2状態制御(制止/解除またはラッチ制御)の働きは、一方の状態から他方の状態に切り替える瞬間を決定することにある。この切替えの瞬間を適切に選択することにより、塊-フロート機械システムの共振を生じさせ、その後、それをシステムの固有振動数以外の振動数で持続させることが可能になる。
【０００６】
制止-解除制御には、システムの固有振動数を低くする効果、言い換えると機械システムの固有周期(eigenperiod)を引き伸ばす効果がある。したがって、このタイプの制御は、うねりの振動数がシステムの固有振動数よりも低い場合、言い換えると、うねりの周期がシステムの固有周期よりも長い場合に特に効果的である。
【０００７】
しかし、波の動きは周期、振幅、方向、...が当然不規則であるので、共振状態を持続するには、その動きの動力学に塊-フロート機械システムをリアルタイムで波から波に適応させることが必要になる。
【０００８】
例えば、非特許文献１には、このようなラッチ制御の2つの制御方法が記載されている。第1の方法は、規則的なうねりを受ける波力発電デバイス(WEC)の運動の式を行列指数の使用により解析的に解くことに基づく。この第1の方法は、最適な制止時間を計算するのに用いることができる。第2の方法は、最適制御の理論から得られる。この第2の方法は、ハミルトン理論の定式化およびポントリャーギンの最大理論に基づく。簡単なモデル化が、最適制御の理論を適用する前にラッチ制御を記述するために用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】仏国特許出願公開第2876751A1号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】A.Babarit、A.H.Clement、Optimal latching control of a wave energy device in regular and irregular waves、2006年、Applied Ocean Research Vol.28、77〜99頁
【非特許文献２】R.E. HoskinおよびN.K. Nichols、Utilization of Ocean waves: Wave to Energy Conversion <<Optimal strategies for phase control of wave energy devices>>、American Society of Civil Engineers、1985年、184〜199頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、振動要素を有する波力発電デバイスのエネルギー生産量をさらに増加することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この問題は、うねりのエネルギーを電気エネルギーに変換するデバイスによって、本発明の範囲内で解決することができる。このデバイスは、フロート要素と、フロート要素に対して可動になるように取り付けられ、フロート要素上でうねりの作用を受けてフロート要素に対し相対運動することができる振動要素と、振動要素の運動を使用可能なエネルギー、特に電気エネルギーに変換する手段とを備え、さらに、フロート要素に対して振動要素を選択的に制止または解放できる制動手段と、変換手段と振動手段を選択的に連結または連結解除できるクラッチ手段と、うねりの変動に応じて制動手段およびクラッチ手段を制御する制御手段とを備える。
【００１３】
制動手段およびクラッチ手段により、デバイスは以下の3つの状態、すなわち、
- 振動要素が変換手段を駆動して使用可能なエネルギー、特に電気エネルギーを生成する、クラッチ締結の第1の状態、
- 振動要素がフロート要素に対して不動化され、また変換システムも不動化されてその後もはやエネルギーを全く生成しない、制止の第2の状態、
- 非制止振動要素がフロート要素に対して自由に動くが変換手段を駆動せず、変換手段がその後もはやエネルギーを全く生成しない、クラッチ解除の第3の状態、
により制御することができる。
【００１４】
第3の状態では、振動要素が変換手段を駆動するときよりも大きな振動要素の加速を得ることが可能である。したがって、この加速の間、振動要素は機械エネルギー(運動エネルギーおよび位置エネルギー)を蓄積し、変換手段に再び結合されたときに、このエネルギーをその後の振動中に放出することができる。
【００１５】
制動手段およびクラッチ手段を適切に制御することによって、デバイスは、変換のエネルギー生産量の大幅な改善を可能にする。
【００１６】
デバイスはさらに、以下の特徴を有する。
- 制御手段は、デバイスの上流のうねりの振幅を測定するセンサからの信号を入力部で受け取り、制動手段およびクラッチ手段を制御する制御信号を出力部で生成することができ、
- 制御手段を制御する手段は、
・  デバイスのモデル化によりうねりの変動量に応じてデバイスの状態を評価する段階と、
・  デバイスの状態に応じて制御の最適化基準パラメータを計算する段階と、
・  基準パラメータを最大にするための、制動手段およびクラッチ手段を制御する制御信号を作る段階と
を実行するようにプログラムされ、
- 制御手段は、計算された制御信号の収束を得るために前の各段階を繰り返す。
【００１７】
本発明はまた、前に定義されたデバイスがうねりの作用を受け、制御手段がうねりおよび波の変動量に応じて制動手段およびクラッチ手段を制御する、うねりのエネルギーを使用可能なエネルギー、特に電気エネルギーに変換する方法にも関する。
【００１８】
本発明はまた、前に定義されたデバイスに内蔵されるようにした計算機にも関し、この計算機は、うねりおよび波の変動量に応じて制動手段およびクラッチ手段を制御するようにプログラムされる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態による、うねりのエネルギーを電気エネルギーに変換するデバイスを示す概略的な斜視外観図である。
【図２】うねりのエネルギーを電気エネルギーに変換するデバイスをいわゆる「クラッチ締結」の第1の状態で概略的に示す図である。
【図３】デバイスをいわゆる「制止」の第2の状態で概略的に示す図である。
【図４】デバイスをいわゆる「クラッチ解除」の第3の状態で概略的に示す図である。
【図５】本発明の一実施形態によるデバイスを制御する方法の各段階を概略的に示す図である。
【図６】何も制御を用いないデバイス、3状態制御を用いて制御されるデバイス、2状態制御を用いて制御されるデバイスについて、デバイスで生成された電力をうねりの期間に対して概略的に示す線図である。
【図７】フロート要素に対する振動要素の相対運動の時間依存変化の一例、制止制御信号、クラッチ解除制御信号、およびデバイスで生成された電気エネルギーを時間に対して概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図1〜4で示されたデバイス1は、密閉ケーシングの形をしたフロート要素2、ケーシングの内部に配置され後者に対して回転可能に取り付けられた振動要素3、ならびに振動要素の運動を電気エネルギーに変換する手段4を含む。
【００２１】
フロート要素2は、水中に浸漬されるようにしてある。
【００２２】
振動要素3は、フロート要素2に対して水平軸の周りに回転可能に取り付けられた振り子ホイールである。この振り子ホイールは、概して円筒の形状を有する。振り子ホイールは、フロート要素に対して、円筒の幾何学的軸と一致する回転軸Xの周りにそれ自体を中心に回転することができる。さらに、振り子ホイールは、回転軸Xに対して中心を外れた重心Rを有する。
【００２３】
フロート要素2は、デバイスが波の主伝搬方向の長軸と一致する向きに必然的になるような形状を有する。この特徴には、振動要素の最大の動きを得るために、振動要素3の回転軸Xが常に波の主伝搬方向に対し垂直に向けられるという効果がある。
【００２４】
このようなデバイスでは、振動要素3の回転は、フロート要素2の内部空間によっても、変換手段4によっても制限されない。したがって、このデバイス1は、移動の終端部に何も特別な手段を必要としない。強いうねりの場合、振動要素3は、デバイスの構造物またはどんな内部構成要素も破損することなく、完全な回転をそれ自体で自由に行うことができる。
【００２５】
変換手段4は、振動要素3の運動によって駆動できる水力/電気変換器を含む。この変換器は、振動要素の運動を電気エネルギーに変換する。生成された電気エネルギーは基地に蓄えられ、あるいは可撓電気ケーブルを通じて遠隔の基地に搬送される。
【００２６】
デバイス1はさらに、フロート要素2に対して振動要素3を選択的に制止または解除できる制動手段5を含む。制動手段5は、フロート要素2に対して振動要素3が動かないようにするための、振動要素3と接触できる1対のディスクブレーキ6を含む。
【００２７】
デバイス1はまた、変換手段4と振動要素3を選択的に連結または連結解除できるクラッチ手段7も含む。変換手段4が振動要素3と連結されると、振動要素3は変換手段4を駆動する。変換手段4が振動要素3から連結解除されると、振動要素3の運動はもはや変換手段4に伝達されない。
【００２８】
最後にデバイスは、うねりがどれだけ発達するかに応じて制動手段5およびクラッチ手段7を制御する内蔵制御手段8を含む。内蔵制御手段8は、制動手段5およびクラッチ手段7を制御するアルゴリズムを実行するための、プログラムされたコンピュータを含む。
【００２９】
コンピュータは、フロート要素2および振動要素3の運動と、時間に対する波の振幅とを特に測定するセンサからの信号を入力として受け取り、その出力部で、制動手段5およびクラッチ手段7に向けて制御信号を生成する。
【００３０】
波の振幅は、うねりの運動方向に対してデバイス1の上流に位置付けられた測定ブイの中に配置されているセンサを用いて測定することができる。したがって、波の時間依存変化は、フロート要素2に波の実際の作用が及ぶ瞬間に対してあらかじめセンサで測定される。
【００３１】
図2でデバイス1は、デバイスが電気エネルギーを生成する、いわゆる「クラッチ締結」の第1の状態で示されている。この状態では、変換手段4が振動要素に連結され、制動手段は作動していない。振動要素は、フロート要素上でうねりの作用を受けてフロート要素に対して運動し、変換手段は、振動要素の運動を電気エネルギーに変換する。
【００３２】
図3でデバイス1は、制動手段が作動する、いわゆる「制止」の第2の状態で示されている。この状態では、ディスクブレーキが振動要素と接触し、フロート要素に対する振動要素のどんな運動も防止する。ディスクブレーキが振動要素と接触するのは一般に、フロート要素に対する振動要素の相対速度がゼロのときに制限され、これにより制動に必要なエネルギーが最小になる。
【００３３】
図4でデバイス1は、変換手段4が振動要素から連結解除され、制動手段が作動していない、いわゆる「クラッチ解除」の第3の状態で示されている。この状態では、振動要素は、波の作用を受けてフロート要素に対して自由に動くが、デバイス1は何も電気エネルギーを生成しない。振動要素は自由であるので、デバイスがクラッチ締結状態の場合よりも速く加速でき、これにより振動要素は、変換手段が再び振動要素と連結された後に振動要素が放出できる機械エネルギー(運動エネルギーおよび位置エネルギー)を蓄えることができる。
【００３４】
内蔵制御手段8は、うねりがどれだけ発達するかに応じて、定義したばかりの3つの状態「クラッチ締結」、「クラッチ解除」、「制止」状態にデバイスを順次移すように、制動手段およびクラッチ手段をリアルタイムで制御する。
【００３５】
システムのモデル化
システムは、下記のようにモデル化することができる。
【００３６】
【数１】
0005478614.tif 000002
【００３７】
ここで、
Xは状態ベクトル系、
tは時間、
uは制御である。
【００３８】
制御uは制動制御(Ulatching)とクラッチ制御(Uclutching)に分類され、これらは以下の値を取る。
Ulatching=0は振動要素の制動解除の制御、
Ulatching=1は振動要素の制止の制御、
Udeclutching=0は変換手段の連結解除の制御、
Udeclutching=1は変換手段の連結の制御をする。
【００３９】
したがって、デバイスは3つの状態により制御される。
【００４０】
【表１】
0005478614.tif 000003
【００４１】
吸収エネルギーを最大化することによる制御
吸収エネルギーの最大化による制御方法が非特許文献２に記載されている。
【００４２】
システムによって生成される最大電気エネルギーは次式で定義される。
【００４３】
【数２】
0005478614.tif 000004
【００４４】
ハミルトン演算子は次式で定義される。
H=P+λt・F
ここで、
λtはシステムの随伴状態(adjoint state)である。
【００４５】
【数３】
0005478614.tif 000005
【００４６】
ここで、
αはフロート要素に対する振動要素の相対角速度である。
【００４７】
制御は、ハミルトン演算子が最大であるときに最適と考えられる。
【００４８】
制御を計算するためのアルゴリズム
図5は、デバイスを制御する方法100の各段階を示す。この制御方法はコンピュータで利用される。コンピュータは、以下の各段階を実行するようにプログラムされる。
【００４９】
第1の段階101により、コンピュータは、デバイスの上流のうねりの時間依存変化を既定の時間Δtにわたって測定する。
【００５０】
第2の段階102により、コンピュータは、システムの状態Xの変化量を時間Δtにわたって計算する。状態Xの変化量は、測定されたうねりの時間依存変化、および制御uによって計算される。
【００５１】
まず、制御uが次式の値に設定される。
【００５２】
【数４】
0005478614.tif 000006
【００５３】
言い換えると、制動手段およびクラッチ手段を制御する信号は定数と考えられ、システムがクラッチ締結状態であることが分かる。
【００５４】
第3の段階103により、コンピュータは、前の段階で決定された状態Xに応じてシステムの随伴状態λの変化量の変化を計算する。
【００５５】
第4の段階104により、コンピュータは、前の段階で決定された随伴状態λに応じてハミルトン演算子Hの変化量を計算する。
【００５６】
第5の段階105により、コンピュータは、制御
【００５７】
【数５】
0005478614.tif 000007
【００５８】
の変化量をハミルトン演算子を最大にすることによって計算する。
【００５９】
次に段階102〜105が、それによって決定された制御uに基づいて繰り返される。
【００６０】
段階102〜105は、制御信号UlatchingおよびUdeclutchingが収束するまで繰り返される。
【００６１】
第6の段階106により、コンピュータは、それによって決定された各制御信号をそれぞれ制動手段およびクラッチ手段に加える。
【００６２】
結果
図6は、例示的なデバイスについて、デバイスによって生成した電力をうねりの期間に対して概略的に示す線図である。
【００６３】
該当するうねりは、規則的で1メートルの振幅を有する。
【００６４】
以下の4つの駆動モードが示されている。
- 何も制御を用いない駆動モード(曲線A)、
- 本発明による3状態制御を用いた駆動モード(曲線B)、
- 制止-解放の2状態制御を用いた駆動モード(曲線C)、および
- クラッチ締結-クラッチ解除の2状態制御を用いた駆動モード(曲線D)。
【００６５】
この例では、3状態駆動モード(曲線B)が、システムの帯域幅を著しく広げることにより最良の性能を実現するように見える。
【００６６】
さらに、この3状態駆動モード(曲線B)を用いて得られる増加は、制動手段だけの制御による駆動モード(曲線C)、およびクラッチ手段だけの制御による駆動モード(曲線D)それぞれを用いて得られる増加の合計よりもかなり大きい。
【００６７】
図7は、ある任意のうねりにおける各駆動モードの動作を示す。この図は、
- フロート要素に対する振動要素の相対運動の履歴(位置α対時間)、
- 制止制御信号(Ulatching)および/またはクラッチ解除制御信号(Udeclutching)、ならびに
- デバイスによって生成された電気エネルギー
を示す。
【００６８】
この例では、3状態制御を用いた駆動モードでは、デバイスのエネルギー生産量の大幅な増加が、何も制御を用いない駆動モードと比較して(+85%利得)、制止-解放の2状態制御を用いた駆動モードと比較して(+71%利得)、またクラッチ締結-クラッチ解除の2状態制御を用いた駆動モードと比較して(+37%利得)もたらされるように見える。
【００６９】
例えば、3状態制御を用いた駆動をYeu島(フランスVendee)近くの海上での測定によるうねりの変化量に適用した場合、この駆動モードにより年間の電気エネルギー生産量を約+70%に改善することが可能になる。
【符号の説明】
【００７０】
1  デバイス
2  フロート要素
3  振動要素
4  エネルギー変換手段
5  制動手段
6  ディスクブレーキ
7  クラッチ手段
8  制御手段、内蔵
【図１】
0005478614.tif 000008
【図２】
0005478614.tif 000009
【図３】
0005478614.tif 000010
【図４】
0005478614.tif 000011
【図５】
0005478614.tif 000012
【図６】
0005478614.tif 000013
【図７】
0005478614.tif 000014