(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流体の流体運動によって変形するように構成された変形体からなり、該変形体の変形は、エネルギ出力に伝達される、少なくとも１つのエネルギ媒体を駆動するように構成されており、かつ、該エネルギ媒体は、該変形体の少なくとも１つの動的応答を制御できるように、制御可能となっており、
前記変形体は、第２の流体を収容するための膨張性チューブからなり、該チューブは、少なくとも部分的に第１の流体内に配置可能に構成されており、該チューブの壁は、電気活性ポリマ材料または少なくとも１つの弾性を有する導管からなる、少なくとも１つの力変換器を備え、第１の流体または第２の流体からのエネルギを伝達する機能を有し、および／または、前記チューブ壁の弾性を効果的に変化させ、該チューブに沿って、膨張波または圧力波の伝播速度を変化させることができる、流体運動からエネルギを抽出するための装置。
【請求項２】
前記力変換器は、第１の流体および／または第２の流体に、あるいは、第１の流体および／または第２の流体から、エネルギを伝達することができるように配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記力変換器は、前記チューブの上流側の端部で膨張波または圧力波を発生することができるように、該チューブの上流側の端部に配置されている、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記力変換器が、少なくとも１つの弾性を有する導管からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記力変換器が電気活性ポリマ材料からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記チューブが少なくとも１つのセンサを備えており、前記チューブ壁の弾性の制御が該センサから連続的なフィードバックに基づいている、請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
第１の流体が第２の流体と同一である、請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記電気活性ポリマ材料は、該電気活性ポリマ材料の変形に応じて電流を発生させ、および／または、電流を受け取り、該電気活性ポリマ材料と前記変形体の動的応答を生じさせるように構成されている、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの導管は、圧力制御手段を用いることにより圧力を掛けられるようになっており、これにより、該少なくとも１つの導管と前記変形体の動的応答が制御される、請求項４に記載の装置。
【請求項１０】
前記膨張性チューブは、流体を収容する流体キャビティを形成しており、該膨張性チューブの外面上に作用する力により、その内部の流体の圧力が変化し、これにより、該膨張性チューブと前記力変換器が変形する、請求項１〜９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記膨張性チューブは、該膨張性チューブに対して作用する流体の力によって、該膨張性チューブにおいて膨張波が発生するように、構成されている、請求項１〜１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記膨張性チューブの特性および／または大きさおよび／または形状が、反射波を最小化するように構成されている、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記変形体は、その内部に、膨張波の伝播を制御するための導波路を形成しており、該導波路は、反射波を生成および／または制御できるように、構成および／または制御可能にされており、特定周波数の膨張波を増幅させ、および／または、前記変形体の受動的なバンド幅を増加させることが可能である、請求項１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
流体運動によって駆動装置に動力を供給する方法であって、
第１の流体の流体運動により変形されるように構成された変形体の変形により、エネルギ媒体が駆動し、エネルギがエネルギ出力に伝達されるようになっている変形体であって、第２の流体を収容するための膨張性チューブからなり、該チューブは、少なくとも部分的に第１の流体内に配置可能に構成されており、該チューブの壁は、電気活性ポリマ材料または少なくとも１つの弾性を有する導管からなる、少なくとも１つの力変換器を備え、第１の流体または第２の流体からのエネルギを伝達する機能を有し、および／または、前記チューブ壁の弾性を効果的に変化させ、該チューブに沿って、膨張波または圧力波の伝播速度を変化させることができるようになっている、変形体を提供する工程と、
該変形体を流体にさらす工程と、
該流体運動により該変形体を変形させ、前記エネルギ媒体を駆動する工程と、
該変形体の少なくとも１つの動的応答を制御するために、該エネルギ媒体を制御する工程と、
を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体運動からエネルギを抽出する装置、たとえば流体運動発電機に関し、特に、流体塊内における波運動や潮汐運動によって作動する流体運動発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
波、潮汐、風などの再生可能な資源から、エネルギを利用可能な形態で抽出しようとする多くのシステムが存在している。たとえば、チューブ、バルーン、膜などの柔軟体または弾性体を用いて、海洋における波の力を利用可能な形態に変換することは、すでに知られている。これらのシステムは、通常、水の波によってもたらされる動圧が内部の流体やガスの圧力変化を引き起こすように、構成されている。これらの閉じ込められた圧力は、機械的な力を伴う様々なメカニズム（たとえば、タービン、ピストンなど）を介して、機械的な力に変換され、その後、発電機やポンプのような手段によって、電気や高圧水に変換される。
【０００３】
イギリス国特許出願公開第２４３４８４０号（ＧＢ２４３４８４０Ａ）には、このような装置として、チューブ状の波力エネルギ変換器が開示されている。海洋波の影響で、チューブ壁外側で海水の圧力が周期的に変化し、これにより、チューブ内の海洋水に対して、チューブ壁を横切る局部的な圧力勾配が生じる。チューブ壁は高い弾性を有しているため、圧力勾配に応答して、チューブ壁が膨張し、チューブ内に膨張波を引き起こす。この膨張波は、チューブの膨張特性によって決定される、該チューブ内における固有の伝播速度を有する。膨張波の伝播速度と海洋波が一致した場合に、膨張波が励振する海洋波に波乗りするかのようにして、共鳴エネルギの移送が生じる。このようにして、膨張波は、海洋波から次第にエネルギを吸収して、その結果、膨張波の振幅が次第に大きくなる。チューブの膨張特性は、膨張波の伝播速度と、支配的であると予期される海洋波の速度とが一致するように、調整および設計されており、これにより、波エネルギの吸収率が最大となるようにしている。膨張波に蓄積したエネルギは、チューブの一端または両端に設けられた力抽出装置または処理を介して、最終的に利用可能な形態に変換される。
【０００４】
しかしながら、このような公知の膨張チューブ装置では、チューブの膨張性、すなわち膨張波の速度は一定である。したがって、このチューブは、ある振動数を有する波に対しては十分に応答するものの、その他の波に対しては十分に反応しえない。現実の海洋波は広範囲にわたる振動数を有しているため、このチューブは、偶発的な条件には適合できないこととなる。このため、全体的なエネルギ吸収率には限界がある。
【０００５】
また、膨張波はチューブに沿って伝播するにつれて成長し、エネルギはチューブの長さ方向に沿って蓄積されることが、知られている。したがって、チューブ壁の厚さは蓄積されたエネルギに耐えうる必要があり、それに伴って、重量、製造および取扱いの困難さ、コストといった問題が生じうる。また、チューブ全体が変形して、膨張波に歪みが生じる可能性もある。
【０００６】
さらに、膨張波がチューブの終端に到達する前に飽和してしまう場合があり、この場合には、チューブの一部は余分なものとなり、エネルギの発生に寄与しないものとなる。
【０００７】
加えて、力抽出装置のような装置の機構では、チューブの動的応答には対応できない。このような動的応答として反転は起こりうる。このような反転は、相殺的干渉によって、膨張波によって蓄積されたエネルギを低減ないし制限し、この装置により捕集されたエネルギを減少させてしまうことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】イギリス国特許出願公開公報第２４３４８４０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
効果的にエネルギを吸収する多数の波エネルギ変換器がある。しかしながら、利用可能な力への変換は、先行技術によっては未だ十分に達成されていない重大な課題として残っている。数多くの装置や処理が存在するが、これらすべてにおいて、海洋という厳しい環境にさらされる電気機械装置が直面せざるを得ない、信頼性という問題がある。さらに、従来の動力抽出装置のほとんどにおいて、十分な変換効率は達成されていない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１態様は、流体運動からエネルギを抽出する装置に関するものであり、該装置は、流体運動によって変形するように構成された変形体からなり、該変形体の変形は、エネルギ出力に伝達される、少なくとも１つのエネルギ媒体を駆動するように構成されており、かつ、該エネルギ媒体は、該変形体の少なくとも１つの動的応答を制御できるように、制御可能となっている。
【００１１】
使用時に、前記動的応答を制御することによって、前記装置の出力と操作が最適化されるようになっている。該装置がエネルギを抽出しようとする流体システムの変動やユーザが装置上に設置する必要物に対応して、動的応答が調節可能な装置、すなわちスマート構造を採用することにより、この流体システムの運動は変化してもよく、これにより該装置の実用性が飛躍的に高められる。このようにして、周囲の流体運動や状態に応じて該変形体は調整される。たとえば、該変形体は流体運動の影響から強制的周波数に相当する振動数での変形を可能とするように調整される。これによって、該システム全体の共鳴が可能となり、そのために該変形体への該エネルギの移送を最大化することが可能となる。
【００１２】
前記エネルギ媒体の制御は、積極的な制御、受動的な制御、その両方のいずれでもよい。
【００１３】
前記装置は、前記エネルギ媒体を制御するためのコントローラを備える。該コントローラは、前記変形体の動的応答を調整するように構成されている。
【００１４】
前記動的応答は、該変形体の所望の有効剛性、有効減衰、または有効慣性によって定められる。
【００１５】
前記コントローラは、前記変形体の動的応答を感知するため、少なくとも１つのセンサと接続している。該コントローラは、少なくとも１つのセンサの出力に少なくとも部分的に基づいて、前記システムの動的応答を制御するように構成されている。該少なくとも１つのセンサは、該変形体に内蔵してもよく、該変形体に内在するように結合させてもよい。
【００１６】
前記センサは、歪みまたは歪みから派生したものを測定する。
【００１７】
前記センサは、通信手段に接続している。該通信手段は、該変形体に内蔵してもよく、連続的に結合させてもよいし、内在させてもよい。
【００１８】
前記少なくとも１つのセンサは、多重空間センシングを提供できるように構成される。該多重空間センシングにより、状態のモニタリングや故障の検出が可能となる。該多重空間センシングは、フィードバック回路の位相遅れを減少させることによって、たとえば、ウィンドウ（windows）の平均化および／または予測制御を可能とすることにより、より確実な制御を可能としている。
【００１９】
前記センサは、分散センシングを提供できるように構成される。これにより、該装置の冗長性ひいては復元力を高めている。
【００２０】
前記変形体は、前記装置内で少なくとも１つのエネルギ媒体を動かすように構成されている。該エネルギ媒体は、該変形体の壁の内側に存在する。
【００２１】
前記変形体は、最適なエネルギ抽出のため、所望の周波数で受動的に共鳴するように設計されている。このようにして、前記力変換器によって運ばれる無効な力が最小化される。
【００２２】
前記エネルギ媒体は、前記変形体の受動的な機械的共鳴と一致する周波数で、受動的に共鳴するように構成されている。これによりエネルギ抽出が最適化される。
【００２３】
前記エネルギ媒体は、所望の海洋の強制周波数と一致するように制御する同調素子を備えている。
【００２４】
本発明のシステムは、前記変形体の変形による流体運動よって、すなわち、流体運動が該変形体を変形させ、その後に該変形体の変形がエネルギ媒体を駆動するために使用されることで、前記エネルギ媒体が間接的に駆動されるように構成されている。このようにして、該エネルギは、制御され、かつ一貫性のある手段によって伝達される。この点において、流体運動によって、膨張波などのエネルギ伝達媒体に、エネルギが直接的に誘起される従来技術とは対照的である。
【００２５】
前記流体運動は、前記変形体の周期的な運動を引き起こし、これにより、前記エネルギ媒体の駆動が繰り返され、維持される。
【００２６】
前記エネルギ出力は、エネルギ取出装置からなる。該エネルギ取出装置は、送電系統や配電システムなどへの電気的接続を備える。該エネルギ取出装置は発電機および／またはポンプおよび／またはエネルギ蓄積装置などを備える。
【００２７】
前記変形体は、前記流体運動のエネルギを前記エネルギ媒体に移すための少なくとも１つの促進機構を備える。該促進機構は、力変換器である。しかしながら、力変換器が使用できるということは、流体運動からエネルギ媒体へとエネルギを変換できる、いかなる手段も使用できるということを意味する。エネルギの最初の形態と最終的な形態は同じでよい。たとえば、該力変換器は、ある液体内における流体運動を別の液体内における流体運動に変換することができる。
【００２８】
前記力変換器は変形可能である。該力変換器は、流体運動によって変形できるように構成されている。また、該力変換器を、該力変換器の変形が前記エネルギ媒体を駆動するように構成してもよい。
【００２９】
前記変形体および／または力変換器の配置は、該変形体が変形しながら、エネルギが連続してエネルギ出力に移送されるように構成される。
【００３０】
少なくとも１つの力変換器は、センサとして作動する。
【００３１】
追加的または代替的に、前記変形体は、１つ以上のアクチュエータを備える。該変形体は、前記力変換器および／またはアクチュエータの積極的な制御によって積極的に変位する。
【００３２】
前記力変換器は、電気活性ポリマからなる。前記エネルギ媒体は、電荷からなる。前記変形体は、変形に応じて電流を発生するように構成された電気活性材料からなる。したがって、電荷は電気活性ポリマの変形によって駆動される。
【００３３】
前記電気活性材料は、電気活性ポリマ材料からなる。かかる電気活性ポリマ材料は、変換器用途において従来から使用されていたものであるが、この変換器においては、電気活性ポリマ材料は、固定フレームに対して固定されている必要がある。
【００３４】
前記促進機構は、少なくとも１つの導管からなる。該導管は前記変形体に埋め込まれるか、内部に備えられる。前記変形体は、少なくとも第１の流体によって変形するように構成されていている。前記エネルギ媒体は、第２の流体である流体からなる。第２の流体は、第１の流体と異なったものでも、同じものでもよい。少なくとも該変形体の一部は少なくとも１つの導管からなる。該少なくとも１つの導管は、第２の流体を受け取るように構成されている。
【００３５】
前記少なくとも１つの導管は、駆動装置と接続している。該駆動装置は、液体駆動発電機、水圧ポンプ、液体駆動アクチュエータ、エネルギ蓄積装置、これらの組合せなどからなる。該装置は、前記導管から流体を受け入れるように構成されている。該装置は、受け取った流体によって駆動されるように構成される。該駆動装置は、少なくとも２方向における流体運動によって動かされるように構成される。
【００３６】
前記導管は、少なくとも部分的には弾性部材から形成されている。該導管は、電気活性ポリマおよび／または導電体から構成されている。該導管は、クロスプライ・スチールブレードなどの補強部材を備えている。これにより、該導管を高圧に耐えうるものとする一方、該導管の弾性を比較的低くすることができる。
エネルギ媒体が電荷である場合には、該導管として、可撓性および／または導電性を有するものを使用できる。
【００３７】
前記変形体は、金属表面などからなる、少なくとも１つの硬い表面と、少なくとも１つの弾性面とを備える。
【００３８】
前記変形体は、一方向バルブ、圧力制御バルブなどの、１つ以上のバルブを備える。該１つ以上のバルブは、導管内に備えられる。該バルブは、導管の一端または両端、または導管の内側に設けられる。
【００３９】
前記導管は、らせん状コイルなどのコイル内に配置される。該導管のらせん軸は、前記発電機の長手軸方向に実質的に一致している。
【００４０】
コイルのループを形成している導管の一部は、隣接するコイルのループを形成している導管の一部に接続している。該導管は、前記変形体の少なくとも１つの壁に組み込まれている。該変形体の少なくとも１つの壁は、該導管を拘束している。該変形体の少なくとも１つの壁は、少なくとも部分的に該変形体の内壁および／または外壁を形成している。
【００４１】
１つ以上の導管は、１つ以上の連結した流体チャンバからなる。
【００４２】
本発明の装置は、波動、潮汐運動、流体流、水塊斜面滑降運動などの液体運動によって、駆動ないし作動するように構成されている。代替的または追加的に、該装置は、風などの気体の運動によっても駆動するように構成されうる。
【００４３】
前記変形体の少なくとも一部は、前記流体運動の影響によって変形するように構成されている。該流体運動は、周期的に振動し、および／または、変形体に周期的な振動をもたらす。たとえば、該流体運動は、静圧、動圧、圧力変動などの圧力や圧力の変化をもたらし、前記変形体を変形させるのに十分な力として該変形体に対して作用する。
【００４４】
前記変形体の少なくとも一部の変形は、変形体に圧力を加えうる、いかなる変形も含むものであり、このような変形の例としては、該変形体の形態、位置、配置、姿勢、サイズなどの変化させることが挙げられるが、これらには限定されない。このような変形は、曲げ、引伸し、膨張、伸張、圧縮、連結、これらの組合せによっても、もたらされる。
【００４５】
前記変形体は、流体運動をしている流体内で、少なくとも部分的に水面下にあるように構成される。一実施形態において、該変形体は、完全に流体内に沈められる。たとえば、該変形体は水面下に配置される。該変形体は流体内に係留される。たとえば、該変形体は、流体の底につなぎ止められていてもよいし、浮体構造物、固定構造物などであってもよい。代替的に、該変形体は、流体内に拘束なく配置されていてもよい。本発明の実施形態において、該変形体は、けん引されてもよいし、または流体内に配置されていてもよい。
【００４６】
代替的な構成では、前記変形体は、流体の表面上またはその近傍に、浮遊する、または配置されるように構成される。
【００４７】
前記変形体は、可撓性部分を備え、たとえば、前記力変換器の変形をもたらすことによって、該可撓性部分の撓みがエネルギ媒体を駆動する。該可撓性部分は、弾性体、非弾性体のいずれでもよい。該変形体は、相対可動部分からなり、該部分の相対的動作が該力変換器の変形をもたらすようにしてもよい。該相対可動部分は、たとえば、ピストン・アセンブリにより構成される。
【００４８】
本発明の一実施形態では、前記変形体は、少なくとも１つの流体キャビティを形成する。該流体キャビティは、流体を収容できるように構成され、静圧および動圧を含む圧力などの力が、該変形体の外面に作用し、その結果、収容された液体内で圧力の変化が生じ、これにより、該変形体や電気活性材料に適切な変形がもたらされる。
【００４９】
前記流体キャビティは、周囲の流体に対して開放されているので、周囲の流体と該流体キャビティは相互に連通している。別の実施形態では、該流体キャビティは、周囲の流体に対して閉じている。このような実施形態においては、該流体キャビティは、気体、液体、その他の適切な流体を収容可能に構成される。
【００５０】
前記変形体は、膨張性を備える。このような構成により、流体キャビティの面積または体積の局所的な変化が生じ、前記電気活性材料および／または少なくとも１つの導管が効果的に変形可能となる。
【００５１】
前記変形体は、該変形体に作用する流体力により生じる膨張波を内部で発生させうるように構成されている。ある実施形態では、該変形体は、チューブ構造を備える。このような構成では、該変形体に対して作用する外力によって、該変形体内において膨張波が生起され、該膨張波は、その長さ方向に沿って伝播して、該変形体および前記電気活性材料および／または少なくとも１つの前記導管を連続的に変形させる。このような構成により、利用可能なエネルギを膨張波から連続的に抽出することが可能となる。これは、膨張波がチューブの長さ方向に沿って大きさとエネルギを増加させ、従来の力取出装置により、このエネルギを放出する従来のシステムとは異なっている。この従来技術では、主な膨張波に対応するように、機械的な完全性が要求される。
【００５２】
少なくとも１つのアクチュエータおよび／または少なくとも１つの力変換器は、膨張波を発生させるように構成される。代替的に、該装置は、膨張波を発生させるためのポイントアブソーバを備えてもよい。
【００５３】
前記変形体は、波の伝播を制御するための導波路を形成するように構成されている。該導波路は、直線形状、多重線形状、またはトロイダル形状をとりうる。
【００５４】
前記導波路の性質および／または寸法および／または形状は、反射波を最小化するように構成される。該導波路は、前記変形体内で、特定の周波数の波を増幅させるように構成されている。
【００５５】
前記導波路は、反射波を発生させ、および／または制御するように構成されており、たとえば、建設的干渉により特定の周波数の膨張波を増幅し、および／または、前記変形体の受動的な帯域幅を増加させる。該導波路は、反射波を制御するために、その１つ以上の端部に連続的に配置された反射体を備えている。導波路の少なくとも一部は、駆動装置のインピーダンスに一致するインピーダンスを膨張波にもたらすように構成されており、該駆動装置からの反射波を最小化させている。たとえば、該導波路は、閉塞端を備える導波路の過減衰部分で終端するようになっており、該部分は、導波路の主部に適合する集中インピーダンスを有し、膨張波を反射波なしに終了させることができる。
【００５６】
本発明が、波運動によって使用または駆動される実施形態において、前記チューブ状構造体は、主たる波の方向と一致するように構成される。
【００５７】
本発明が、潮汐流などの流体の流動によって使用または駆動される実施形態において、チューブ状構造体は、主たる流れの方向に一致するように構成される。
【００５８】
いずれの実施形態においても、前記チューブ状構造体は、この点において自己調心性または積極的整列性を備える。
【００５９】
代替的な実施形態においては、前記変形体は、球状構造、その他の適切な構造をとりうる。
【００６０】
前記流体キャビティは、少なくとも部分的に前記変形体の壁によって形成される。該変形体の壁は、前記力変換器を備えたり、支持したりする。
【００６１】
前記変形体の壁は、部分的または全体的に前記力変換器により形成されていてもよい。該力変換器は、少なくとも１つのパネルを形成するか、もしくは、当該パネルの中に配置される。該変形体の壁を単一のパネルにより構成してもよく、代替的に、該変形体の壁を複数のパネルにより構成してもよい。該パネルは、変形体の壁の上または内部に配置されるが、その配置方向は任意である。本発明の実施形態においては、該パネルは特定のパターンで配置される。たとえば、該１つ以上のパネルは、該変形体の縦軸方向および／または横軸方向に沿って配置される。代替的または追加的に、該１つ以上のパネルは、該変形体の斜軸方向に沿って配置される。パネルを特定パターンに配列することにより、電流の発生を最大化させることが可能となり、該変形体の変形を選択的に制御することが可能となる。たとえば、該１つ以上のパネルを斜めに配列することにより、該変形体のねじり応答／ねじり制御が可能となる。
【００６２】
一実施形態において、前記変形体の動的応答は、膨張波の伝播速度を、波速度や流体流速度などの偶発的な流体速度に正確に適合させうるように、可変となっている。該変形体の動的応答は、膨張波の発生場所および伝達方向に応じて可変である。
【００６３】
前記変形体の動的応答が、前記膨張波に対して、同相または直角位相に力を加えられるようにして、無効の力を増加させたり、波を減衰させたりするようにしてもよい。
【００６４】
前記変形体の動的応答は、該変形体が、波運動などの周囲の流体運動に応じて、揺動できるようにしてもよい。該変形体の揺動を制御することにより、周囲の流体運動と同相となる、もしくは位相が不一致となる調和運動が可能となる。これにより、該変形体を選択的な圧力状態もしくは圧力差にさらすことが可能になる。
【００６５】
前記変形体は少なくとも１つの安定化装置を備える。該安定化装置としては、フィンや補助翼などの流体力学的表面および／または少なくとも１つの非弾性部材および／または少なくとも１つの浮力部材および／または拘束具もしくはロープおよび／またはキールおよび／またはバラストおよび／または海錨を挙げることができる。該流体動力学的表面は、垂直および／または水平および／または円周方向の安定性をもたらすように構成される。該流体力学的表面は、該装置を、適切な方向、たとえば流体の流れる方向に向かわせられるように構成してもよい。
【００６６】
また、川の流や潮流などの連続的な流体流が拍動現象あるいは振動現象を生じることは、この分野では知られている。本発明は、このような現象に応じて調整可能となっており、上述の流れの状態においても効率的に利用可能となっている。
【００６７】
前記変形体の動的応答を制御することにより、たとえば極端な流体運動の状況において、発電機の作動を減衰させることもできる。すなわち、周囲条件が設定限界に近づいたり超えたりした場合には、前記エネルギ抽出装置は停止またはその出力が制限されることとなる。
【００６８】
前記力変換器が電気活性ポリマからなる態様においては、前記変形体の動的応答を、電気活性材料の積極的な制御によって、変化させることが可能である。この構成では、該電気活性材料は、電流を受け入れて、該変形体に静的または動的な力を供給するように構成されているので、該変形体に積極的な変位をもたらしたり、および／または該変形体の有効な動的特性を変化させたりすることが可能である。
【００６９】
前記力変換器が、１つ以上の導管を備える実施形態では、前記変形体の動的応答を、少なくとも１つの導管内において該流体を積極的に制御することによって変化させることができる。たとえば、この積極的な制御としては、流体圧力などの流体特性を積極的に制御することが挙げられる。このような構成では、該導管内での圧力は、少なくとも１つの導管に接続する圧力制御手段を操作することにより、制御可能である。該圧力制御手段としては、ポンプ、リバース操作の発電機、スロットルバルブ、これらの適切な組合せなどを挙げることができる。
【００７０】
前記変形体の動的応答の制御を、フィードバック制御または動的制御システムに組み込むことで、たとえば周囲の流体の状態に応じて、機械的特性を監視したり変更したりすることが可能である。この点において、たとえば膨張チューブシステムなどからなり、使用時にその機械的特性が固定され変更できずに、周囲状況の変化に適合させる機能が制限されている従来のシステムとは、大きく異なっている。該変形体は、好ましい手段で積極的に移動できるように構成されている。該変形体の運動または移動は、エネルギ抽出を最大化できるように設定される。該変形体は、該力変換器の積極的な制御によって、積極的に移動させられる。たとえば、該力変換器が電気活性材料で構成されている場合には、該電気活性材料は、電流を受け入れて、該電気活性材料ひいては該変形体に所望の機械的出力をもたらすように構成されている。該力変換器が少なくとも１つの流体導管からなる場合には、該少なくとも１つの導管は、たとえばポンプ、リバース操作の水圧発電機、スロットルバルブ、これらの適切な組合せによって、圧力を制御できるようになっており、これにより、少なくとも１つの第２導管ひいては該変形体に、所望の機械的な出力をもたらすことができる。
【００７１】
前記装置は、少なくとも１つの浮力装置を備え、浮力が得られるようにできる。該浮力装置は、前記変形体に相対するように設置される。該浮力装置は、発泡体などの浮力材料を備えるようにしてもよく、空気などの気体を収容するチャンバを備えるようにしてもよい。本発明の実施形態において、該浮力チャンバは、少なくとも部分的に弾性材からなる。他の実施形態では、追加的に、少なくとも部分的に可撓性を備える。このような構成では、該浮力チャンバは、該変形体の変形に対応することが可能である。
【００７２】
前記装置は、バラスト装置を備えてもよい。該バラスト装置は、装置が好ましい姿勢をとれるように構成される。
【００７３】
前記装置を、導電体により構成して、発生した電流を導電できるようにしてもよい。該導電体は、発生した電流および電力を、その後の使用のために離れた場所へ伝達する。たとえば、該導電体は、電力網システムやオフショア船や石油切削装置などの局所的な電力系統に、電力を伝達する。電気調整システムは、所望のユーザシステム内へ送電および統合するために、発生した電流および電力を調整するように構成されている。
【００７４】
該システムは、たとえば過電流保護システムおよび／または過電圧保護システムおよび／または圧力制御システムのような保護システムなどからなる調整システムを備える。
【００７５】
前記変形体をファイバ材料により構成することもでき、このようなファイバ材料は、異方性材料の特性をもたらすために、選択的な方向に配列されている。該ファイバ材料は可撓性を備えるようにしてもよく、非弾性材であってもよい。この構成では、該ファイバ材料は、該変形体が所定の方向に変形することを可能にする。該ファイバ材料としては、ケプラー繊維を挙げることができる。
【００７６】
該ファイバ材料を、カーボン繊維、銅フィラメントのような金属フィラメントおよび／または導電ポリマまたは導電材料配合ポリマにより構成してもよい。この場合、該ファイバ材料は、前記装置によって発生した電気を伝達することにも使用される。該ファイバ材料は、ニット化補強材料、織布補強材料または不織布補強材料を形成する。該ファイバ材料は、該変形体の中に組み込まれていてもよい。該ファイバ材料は、たとえば魚による咬合や水中浮遊物体との衝突に起因する損傷に対するチューブの耐性を増強させることができる。
【００７７】
前記ファイバ材料は、マトリクスの一部であってもよい。該マトリクス材料は、ラミネートされていてもよいし、所望の電気的および機械的特性や環境への適合性を考慮して選択される。これには、たとえば耐ＵＶ性の表面にすることも含まれる。
【００７８】
本発明の第２態様によれば、流体運動からエネルギを抽出する方法が提供される。該方法は、エネルギ媒体を駆動し、エネルギ出力へ伝達するように構成されている変形体を提供する工程と、該変形体を流体運動にさらす工程と、該流体運動により該変形体を変形させ、前記エネルギ媒体を駆動する工程と、該変形体の少なくとも１つの動的応答を制御するために、該エネルギ媒体を制御する工程と、を備える。
【００７９】
前記変形体は、変形しつつ、エネルギ媒体を伝達するように構成されうる。
【００８０】
前記流体運動は、周期的な揺動運動でありうる。
【００８１】
本発明の第３態様によれば、流体運動発電機が提供される。該流体運動発電機は、少なくとも一部が、流体内で流体運動によって変形するように構成されている変形体を備える。該変形体の少なくとも一部は、その変形に応じて電流を発生させる電気活性材料からなり、該電気活性材料の少なくとも一部は、該変形体の少なくとも１つの動的応答を制御するために、制御可能となっている。
【００８２】
前記電気活性材料は、アクチュエータとして機能でき、これにより前記変形体の少なくとも１つの動的応答を制御する。
【００８３】
前記運動は、周期的な揺動運動でありうる。
【００８４】
使用時に、前記発電機は、タービンや水圧アキュムレータなどの従来の力取出システムや発電機構を必要とせずに、運動する流体内に含まれるエネルギまたは運動する流体から生じたエネルギを、効率的に変換する。したがって、本発明により、機械的な可動部品を必要としない発電機が提供され、これにより、製造、設置、メンテナンス、効率性などにおける問題を低減し、関連コストを削減することができる。
【００８５】
前記電気活性材料は、電気活性ポリマ材料により構成することができる。このような電気活性ポリマ材料は、公知ではある。しかしながら、この電気活性ポリマ材料は、変換器用途に使用されており、変換器では、固定フレームに固定された電気活性ポリマ材料が必要とされている。
【００８６】
本発明の第４態様によれば、流体運動から電気を発生させる方法が提供される。該方法は、
電気活性材料を備える変形体を含む発電機を、流体運動にさらす工程と、
該流体運動が、該変形体および該電気活性材料を変形させる工程と、
該変形体の少なくとも１つの動的応答を制御するために該電気活性材料を制御する工程と、
該変形に基づいて該電気活性材料によって発生した電流を抽出する工程と、を備える。
【００８７】
前記運動は、周期的な揺動運動でありうる。
【００８８】
本発明の第３態様の発電機は、第２態様または第４態様の方法で使用できる。したがって、該発電機の使用方法を、第２態様または第４態様に適用できる。
【００８９】
本発明の第５態様によれば、変形体を備え、該変形体の少なくとも一部が、エネルギ媒体を受け入れるように構成されている少なくとも１つの導管を備える、流体運動からエネルギを抽出するための装置が提供される。
【００９０】
該装置では、該変形体の少なくとも一部が、流体内で流体運動によって変形するように構成されており、
該変形体は、該変形体および／または前記導管の変形により、エネルギ媒体を動かすように構成されており、および、
該エネルギ媒体が、少なくとも１つの該変形体の動的応答を制御するために制御可能となっている。
【００９１】
前記運動は、周期的な揺動運動でありうる。
【００９２】
前記エネルギ媒体は、液体やガスなどの導管内における流体である。
【００９３】
少なくとも１つの導管は変形可能である。少なくとも１つの導管は、前記流体内で流体運動によって変形するように構成されている。少なくとも１つの導管は、該導管の変形により前記エネルギ媒体を駆動できるように構成されている。
【００９４】
該装置は、少なくとも１つのエネルギ取出装置を備える。該エネルギ取出装置としては、水圧ポンプ、水圧発電機、水圧アクチュエータ、アキュムレータ、エネルギまたは液体などの蓄積装置、またはこれらの組合せをあげることができる。少なくとも１つのエネルギ取出装置は、前記導管に連結される。少なくとも１つのエネルギ取出装置は、前記エネルギ媒体によって駆動されるように構成されている。
【００９５】
前記変形体および／または導管は、該変形体および／または導管が変形すると同時に、前記エネルギ媒体を連続して駆動するように構成されている。
【００９６】
本発明の第６態様によれば、流体運動からエネルギを獲得する方法が提供される。該方法は、
エネルギ媒体を受け入れるように構成された少なくとも１つの導管を備え、少なくとも一部の変形により、該エネルギ媒体を駆動するように構成されている変形体を提供する工程と、
該変形体を流体運動にさらす工程と、
該変形体の少なくとも１つの動的応答を制御するために、該エネルギ媒体を制御する工程と、
前記流体運動により、該変形体の少なくとも一部を変形させて、エネルギ媒体を駆動する工程と、を備える。
【００９７】
前記運動は、周期的な揺動運動でありうる。
【００９８】
前記エネルギ媒体は、液体や気体などの導体内における流体である。
【００９９】
少なくとも１つの導管は、変形可能である。少なくとも１つの導管は、流体内で流体運動によって変形するように構成されている。少なくとも１つの導管は、該導管の変形により前記エネルギ媒体を駆動できるように構成されている。
【０１００】
前記方法は、前記導管内の流体により駆動されるエネルギ取出装置を、前記導管に結合する工程をさらに備える。
【０１０１】
前記変形体および／または導管は、該変形体および／または導管が変形しつつ、エネルギ媒体を連続的に駆動できるように構成されている。
【０１０２】
本発明の第７態様によれば、全体または一部が可撓性を有する弾性材料からなる変形体が提供される。該変形体には、少なくとも１つの力変換器が内蔵または一体的に接合されており、該弾性材料の歪み変形により該力変換器が駆動し、エネルギ変換が効率的に行われる。また、該変形体の好ましい動的応答を得るために、該力変換器は制御可能となっている。
【０１０３】
前記変形体は、前記流体から連続的にエネルギを獲得できるように構成されており、複数の力変換器は、該変形体の変形に伴い、連続的にエネルギを前記エネルギ出力へ伝達するように構成されている。
【０１０４】
前記変形体は、複数の分散型力変換器を備えることもできる。これにより、冗長性を高めることでき、該装置の復元力を高めることが可能となる。
【０１０５】
前記分配型変換器は、損失した場合でも、離れた場所で再構成可能であり、これによっても、該装置の復元力を高めることができる。
【０１０６】
前記変形体の動的応答は、該力変換器の閉ループ制御または開ループ制御によって制御される。
【０１０７】
前記変形体は、エネルギ媒体を介して該力変換器を制御するためのコントローラを備える。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態による流体運動発電機について、水中で使用されている状態を示す概略図である。
【図２ａ】図２ａは、図１の発電機の緩和状態を示す側方断面図である。
【図２ｂ】図２ｂは、図１の発電機の膨張状態を示す側方断面図である。
【図３ａ】図３ａは、図１の発電機で使用する力変換器の模式図である。
【図３ｂ】図３ｂは、図１の発電機で使用する力変換器の他の実施形態を示す模式図である。
【図４】図４は、通過する表面波に対する、図１の発電機の波打ち運動の制御を示す概略図である。
【図５】図５は、通過する表面波に対する、図１の発電機の波打ち運動の制御を示す概略図である。
【図６】図６は、図１の発電機の先端部の拡大図である。
【図７】図７は、図１の発電機の安定化装置の概略図である。
【図８】図８は、図１の発電機の安定化装置の他の実施形態を示す概略図である。
【図９】図９は、本発明の第２態様による流体運動エンジン内で使用する導管の一部の概略図である。
【図１０ａ】図１０ａは、緩和状態における図９の導管パネルの概略図である。
【図１０ｂ】図１０ｂは、伸張状態における図９の導管パネルの概略図である。
【図１１ａ】図１１ａは、緩和状態にある図１０ａの導管パネルの概略断面図である。
【図１１ｂ】図１１ｂは、伸張状態にある図１０ｂの導管パネルの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０１０９】
以下、本発明の実施形態について、例示を目的として、添付図面を参照しながら、説明を行う。
【０１１０】
本発明の一実施例について、波運動を電気エネルギへ変換するために使用される発電機を例にとって、以下に詳述する。しかしながら、これはあくまでも一実施例にすぎず、本発明は、流体運動、たとえば流体流、潮汐運動、気体流などからエネルギを抽出するために、広く適用される。
【０１１１】
図１、図２ａ、図２ｂには、本発明の一実施形態に係る流体運動発電機１０が示されている。発電機１０は、波エネルギを電気エネルギに変換するように構成された波エネルギ変換器の形態を備える。
【０１１２】
発電機１０は、本体が海面１４の下方、海水１２中に沈められており、波の運動の影響を受けている。この例では、波の移動する方向は、矢印１６に示す通りである。発電機１０の先端部１８は、ロープ２０を介して海底（図示せず）に固定されており、末端部２２は固定されていない。この実施形態では、両端部１８、２２は、浮力部材により構成されている。
【０１１３】
代替実施形態として、発電機１０を浮いている状態としたり、部分的に海水に沈んでいる状態としたりする構成も採用できる。
【０１１４】
発電機１０は、膨張性チューブ２４の形態を有する変形体を備え、該膨張性チューブ２４は、複数の力変換パネル２６からなる壁を備えている。該力変換パネル２６は、変形可能であり、その変形により、電荷および／または流体などのエネルギ媒体を駆動するように構成されている。
【０１１５】
この実施形態において、力変換パネル２６は、電気活性ポリマ材料により形成されている。力変換パネル２６は、軸方向に歪みうる「パッチ」の形態であり、矩形の容積体を構成している。パネルとして可能な大きさは、たとえば、５．５×１×０．１ｍである。エネルギ抽出を最大化するためには、該材料の物理的な限界の範囲内で、その電気容量を最大化する必要がある。
【０１１６】
第１の選択肢として、図３ａに示すように、パネル２６を多層並列キャパシタとする方法を採用できる。この場合、パネル２６は、誘電体層と電極層とが順次積層されるように組み立てられており、１つおきに配置された電極がパネルに接続されている。一例として、それぞれの層は１０μｍオーダーの厚さを有する。
【０１１７】
このパネルの構造は、薄膜コーティングのために開発された既存の技術を用いて組み立てられることができ、１つおきの電極の接合といった細部については、マスクを用いたフォトリソグラフィティ技術を使用し、続いて誘電材料をエッチングし、そして必要とされる誘電材料または電極材料を充填することにより達成される。この方法は、有効な矩形の容積を最適利用できる点で有利である。このようにして、第１の方法は良好な電気容量と大きな電力定格を有する力変換パネルをもたらす。
【０１１８】
代替的な第２の選択肢として、図３ｂに示すように、パネルを単層キャパシタにより形成することもできる。この方法では、該単層はコードの中に巻かれて挿入され、該パッチは該コードをパネル状とすることによって形成される。この方法の利点は、前記電気活性ポリマの製造が、単層コーティングプロセスであり、複雑な製造工程を減少できることにある。
【０１１９】
チューブ２４は、海水などの流体を収容するインナキャビティ２８を形成している。使用時に、海水１２の表面１４を通過する波は、チューブ２４の長さ方向に沿って伝播する膨張波を誘発し、発生させる。これにより、チューブ２４が膨張する。チューブ２４の膨張について、図２ａおよび図２ｂに示す。これらの図面は、発電機１０の側方断面図である。図２ａは、チューブ２４の緩和状態を示し、図２ｂは、膨張波が通過することにより、チューブ２４が膨張した形態を示している。このようなチューブ２４の膨張により、パネル２６が変形し、電気活性ポリマ材料の特性によって、内部で電流が発生する。この発生した電流は、その後、ケーブル３０を介して、発電機１０から、たとえば電力網に送られる。
【０１２０】
この構成により、機械的な力抽出システムの必要性およびこれに伴う問題が除去される点で、特に有利である。加えて、発電機１０の操作は、非常に大きな膨張波を発達させ、力取出システムによりエネルギを取り出す必要がない。本発明では、その代わりに、膨張波の動きが、パネル２６を通して連続的に電気エネルギを生成し、このエネルギをチューブ２４の長さ方向にわたって取り出すことができる。これにより、より軽い装置を利用することができる。さらに、発電機１０が、分散型エネルギシステムである場合には、発電機１０はより強固なものとなり、発電機１０のそれぞれ素子における故障は、発電機１０の他の素子に割り当てられた資源を利用することにより、補償することができる。このような再割当てを実行するための手段が離れた場所に備えられている。加えて、たとえばパネル２６が故障するなど、１つの素子に故障が生じても、発電機１０の出力は停止することなく、減少するにとどまる。
【０１２１】
発電機１０は、周囲の水の状態、たとえば主となる波の振動数や速度などに応じて調整できるように構成されている。発電機１０は、力変換パネル２６から供給された電流により、膨張性チューブ２４の少なくとも１つの動的応答を制御できるように構成されている。すなわち、装置１０はスマート構造として機能し、流体からエネルギを抽出するばかりでなく、たとえば波の運動または装置上に生じた必要性に応じて、エネルギ抽出を制御ないしは調整することが可能である。
【０１２２】
たとえば、チューブ２４の動的応答、すなわちチューブの剛性、弾性などは、膨張波の伝播速度が偶発的な波の速度にも正確に一致するように制御可能である。これにより、チューブ２４と波運動との共振相互作用が促進され、発電機１０の効率が最大化される。
【０１２３】
この実施形態では、チューブ２４の機械的特性の制御や調整は、パネル２６の電気活性材料の積極的制御によって達成される。すなわち、パネル２６は、制御システム３２から電流を受け取り、これにより電気的活性材料内で機械的な変化を生じうるように構成されている。制御システム３２は、変形体の歪みを連続して監視し、最適条件や所望の出力に応じて、パネル２６による力を加えるアクティブシステムを備える。
【０１２４】
制御システム３２は、膨張波の振幅を制御するためにも利用される。また、制御システム３２は、所望の場所で、所望の振幅および速度を有する膨張波を発生させることができるように構成されている。制御システム３２は、たとえば極端な周囲条件に対応して、チューブ２４の変形や膨張を減衰させることもできる。
【０１２５】
チューブ２４の変形または膨張を制御することに加えて、制御システム３２はチューブ２４の動きも制御できる。たとえば、制御システムは、図４に示すように、通過波に対してチューブ２４の位相がずれるように、もしくは、図５に示すように、通過波と同相の調和波となるよう、チューブ２４を揺泳動させるために、パネル２６の電気活性ポリマ材料を電気的に作動させる。このようにチューブ２４の運動を制御することにより、外部の波圧力とチューブ２４のキャビティ２８内の流体圧力との間の圧力差に応じて制御することが可能となる。膨張波運動に加えて、またはその代替として、このような効果を利用することにより、波の力の吸収を増加させることができる。
【０１２６】
図１、図２ａ、図２ｂに記載の通り、発電機１０は、チューブ２４の下側表面にバラストチャンバ３４を、チューブ２４の上側表面に浮力チャンバ３６をそれぞれ備える。両チャンバ３４、３６は、発電機１０に十分な浮力をもたらし、発電機１０に好ましい姿勢を保持させる。図２ｂに示すように、浮力チャンバの外壁部分は可撓性に優れるが、相対的に弾性に劣る。したがって、チューブ２４が膨張した場合には、この柔軟な外壁は、一定の浮力を維持するために、容積が一定となるように変形する。好ましくは、発電機１０の性能に悪影響を与える、水面から跳ねたり潜ったりする動き（ポーポイジング）、特に、発電機１０の両端部１８、２２が下に沈み込むことを防止するため、発電機１０の両端部１８、２２に浮揚性が与えられる。
【０１２７】
構成によっては、浮力チャンバ３６の壁を電気活性ポリマ材料から形成したり、該壁にこの材料を備えさせることにより、電流を流すことで変形するように構成してもよい。この構成では、浮力チャンバ３６の断面積をそれに沿って変化させることができ、長さ方向に沿ってチューブ２４の浮力を制御できるようになっている。これは、周期的な揺動運動などの任意的な動きを生じさせるのに利用される。
【０１２８】
浮力チャンバ３６の壁は、異方性を有するように構成されており、浮力チャンバ３６が伸張した場合には、その伸張部分で浮力チャンバ３６の容積が減少するようになっている。これにより、チューブ２４の谷部では、波の頂点における流体の水圧ヘッドに起因して、チューブ２４内の流体には圧力がかかる。この圧力は、谷部においてチューブ壁に局所的な伸張をもたらし、その谷部に位置する浮力チャンバ３６の容積を減少させる。このようにして、チューブ２４の谷部で浮力が減少し、チューブ２４の運動が増幅され、エネルギが発電機１０によって生み出される。このように、チューブ２４の動的応答は、制御システム３２によって提供される積極的制御に加えて、受動的な方法でも制御される。
【０１２９】
図６に、発電機１０の先端部１８の拡大図を示す。パネル２６は重なり合うように配置されており、チューブ２４の縦軸方向および横軸方向のいずれにも配向している。このようにパネル２６を配置することにより、チューブ２４の動き全体を効果的に制御でき、電気活性ポリマ材料内で発生する電気エネルギを最大化させることができる。
【０１３０】
図示はしないが、１つ以上の力変換パネル２６を、チューブ２４の斜交軸または斜線軸方向に配向させてもよい。この場合には、ねじり方向の制御が可能となる。
【０１３１】
図７に、発電機１０の係留装置を示す。この配置では、ロープ２０は海底４２に埋め込まれたコラム４０に固定されている。
【０１３２】
代替的に、図８に示すように、発電機１０を、海底４２から直立した多数の支持部材４４に固定してもよい。
【０１３３】
以下の通り、本発明は、公知のシステムと比較して、さまざま利点を有する。エネルギは、チューブの長さ方向にわたって抽出されるので、壁を厚くして蓄積したエネルギを留めておく必要はない。膨張波が小さくなるので、チューブ２４の歪み硬化や非線形効果が減少し、発電機１０の操作性が改善される。膨張波が受動的損失を飽和させることがないので、チューブの長さをさらに延長でき、発電機１０から得られるエネルギの増加に対応できる。チューブ壁内部に蓄えられるエネルギレベルの減少に伴い、ヒステリシス損失が減少して、該装置の効率が向上し、チューブ２４の動的応答は、反射波の形成を最小化するように制御される。
【０１３４】
チューブの膨張または動的応答を、電気制御回路の反応を変化させることで制御できるので、膨張波の伝播速度を外部波のそれぞれに一致するように変化させて、エネルギ吸収を最大化させることができる。
【０１３５】
任意的に、膨張性チューブ２４は、ポイントアブソーバ（図示せず）を備える。該ポイントアブソーバは、チューブ２４内での膨張波の発生を改善する。このポイントアブソーバとしては、たとえば、チューブの一端部に設けられた共鳴ピストンを採用でき、この共鳴ピストンは、海面に浮いているブイに取り付けられ、このピストンの駆動により、チューブ２４内で膨張波が生成される。
【０１３６】
したがって、制御されたパネルの起動、および／またはポイントアブソーバの動き、および／または組み込まれたアクチュエータ（図示せず）により、偶発的な波からも、膨張波をチューブの先端部で生成することができ、力の吸収を最大化できるように膨張波を最適な大きさまで発達させることができる。膨張波の最適な大きさは、波の振幅や周波数により変動する。
【０１３７】
膨張波の終端領域をチューブ２４の末端部２２に設けて、ここで膨張波を減衰させ、次の膨張波と相互干渉する反射波の生成を制御する。
【０１３８】
力の変換は、機械的要素を作動させることなく達成される。変換は、弾性ポリマと半導体電子機器により完全に達成されるので、メンテナンスの必要性が最小化される。力の吸収と変換は、完全に自己参照的であるため、従来の電気活性ポリマ材料による変換器のように固定フレームを必要としない。
【０１３９】
電気活性ポリマ材料の力の吸収や性能を高めるために、チューブの壁に予め圧縮応力を加えておくことも可能である。これには、予め圧縮応力を加えうる種々の手段を採用可能である。予め圧縮応力を加えるには、チューブの末端部２２に設けられるシュート（図示せず）、および／またはアンカーが用いられる。この場合、アクティブウィンチやバネ荷重も利用することが好ましい。
【０１４０】
電気活性ポリマパネルの適確な配置とクロスカップリングにより、膨張波の動きに加えて、またはそれに代えて、波力に応じた泳動がもたらされ、結果として波力吸収が増強される。
【０１４１】
位相シフトが可能な構成では、鉛直方向における泳動（鉛直方向での調和運動）が生じると、外部の波圧力と内部のチューブ圧力の圧力差が大きくなり、力吸収が増強される。
【０１４２】
制御システム３２は、チューブ２４と膨張波との相互作用によって生じた反射波を最小化し、あるいは制御するために、チューブ２４の動的応答を制御することも可能である。
【０１４３】
反射波はチューブ内の膨張波と相互干渉するが、相殺的干渉の場合には膨張波のエネルギを小さくし、建設的干渉の場合には膨張波のエネルギを増強する。制御システム３２は、力変換パネル２６および／またはアクチュエータを介して、膨張性チューブ２４の動的応答を制御可能として、該チューブからの反射波を最小化したり、および、該チューブに沿って移動する膨張波によって起こる負荷抵抗と一致させたりすることができる。特に、制御システム３２は、反射波を阻止するために、該チューブの１つ以上の端部で膨張波を減衰させる。
【０１４４】
反射波は、また有利な効果をもたらすようにも制御できる。たとえば、制御システム３２は、少なくともチューブ２４の一部から制御された周波数を有する反射波を生成するように作動する。これら反射波の振動数および波長は、建設的干渉を生み出し、膨張波のエネルギを増大させるような方法で膨張波に反射波を整合させることができる。
【０１４５】
チューブ２４は、チューブ２４の動的応答を監視するために、制御回路と接続した、空間的に分布するセンサ（図示せず）を備えてもよい。このセンサは、個別の歪みセンサ、圧力センサ、流体センサ、および／または該チューブ壁の速度および加速度のような歪みにより発生したものを測定するセンサにより構成される。該センサとして、専用のセンサを用いてもよく、および／または力変換パネル２６自体をセンサとして用いてもよい。空間的にセンサを分布することによって、制御システム３２は、膨張性チューブ２４の各部分に到達する前に、膨張波の特性を測定することができる。したがって、制御システム３２は、チューブ２４の部分ごとに動的応答を変化させることができる。さらに、該センサによって提供されるデータを、該装置から抽出される力の予測に利用することができるので、抽出される力の制御についても改善を図ることができる。
【０１４６】
高い海面状態において過度の電気的な減衰が生じると、反応が鈍らされ、かつ、必要に応じて力の吸収を制限ないし停止することができる。
【０１４７】
本発明に係る装置にかかる費用は、材料の密度が低いため、鋼鉄やコンクリートといった構成材料を用いる既存の波エネルギ装置にかかる費用より、一桁小さくなる。
【０１４８】
本発明は、中間工程を最小限に抑えて、波力を電気に直接変換しているので、非常に効率的である。
【０１４９】
本発明の第２の実施形態において、前記力変換器は、図９に示すように、流体を内部に収容しうる１つ以上の導管を備える。この力変換器は、第１の実施形態における電気活性ポリマに代替して、または追加的に使用される。いずれの実施形態も同様の手段により作動する。すなわち、第１の実施形態では、波によって生起される流体運動に基づいて、電気活性ポリマを変形させて、電荷を駆動させるのに対して、第２の実施形態では、波により引き起こされる流体運動に応じて導管を変形させて、該導管内の流体を駆動させている。
【０１５０】
図９に示される導管５０は、発電機１０のチューブ２４の壁に接して、またはその内側に設置される。導管５０は、膨張性チューブ２４のインナキャビティ２８の周囲にらせん状に配置される。選択的な実施形態として、らせん状に配置された導管５０が、チューブ２４の壁を形成して、チューブ２４を構成するようにしてもよい。導管５０は、コイルのループを形成する導管５０の一部の壁が、そのコイルの隣接したループに属する導管５０の壁に接するようにして、コイル状に巻かれている。その接合は、たとえば、該導管の直接接合、または中間媒体を介した接合、もしくはチューブ２４の内壁および／または外壁を介した接合を採用できる。
【０１５１】
コイル状の導管５０は、適切な弾性材料から導管５０を構成することにより、および／または導管５０の形状を適切に構成することにより、弾性を備えている。開示の実施形態では、導管５０は、クロス編みのナイロン補強材を備え、導管５０の弾性を制御し、かつ、その破裂強度を向上させている。該らせん状の比較的弾性の低い補強材によって、異方性が付与され、導管の軸方向の歪みによって、その内部容積を減少させることができる。
【０１５２】
図１の実施形態と同様に、この実施形態でも、海面を通過する波が膨張波を励起し、または発生させ、その膨張波を膨張性チューブ２４の長さ方向に沿って伝播させ、チューブ２４の膨張を引き起こしている。
【０１５３】
チューブ２４の膨張または収縮は、それぞれ導管５０の局所的な伸張または緩和をもたらす。導管５０は、膨張性チューブ２４の周方向に配置されているので、チューブ２４の膨張と収縮は、導管５０の軸方向の伸張と緩和をもたらす。図１０ａと図１１ａは、緩和状態における導管パネルを示す。図１０ｂと図１１ｂに示すように、弾性的に変形可能な導管５０が局所的に伸張すると、導管５０の長さが増加し、導管５０の容量は減少する。伸張した導管５０が緩和し、図１０ａと図１１ａに示すような状態に戻る場合は、逆のプロセスをとる。
【０１５４】
導管５０のこのような変形は、導管５０の内部に含まれる流体に静水力を加え、その結果、導管５０を通して流体の運動を生じさせる。導管５０内で生じた流体の流れの方向や振幅は、導管５０の長さ方向に沿った局所的な変形への影響度合いによって決まる。
【０１５５】
１つ以上の導管５０は、水圧発電機、水圧ポンプ、水圧アクチュエータなどの力取出装置（図示せず）と接続する。該力取出装置は、管内の流体を受け入れて、該流体の動きによって駆動するように構成されている。力取出装置は、逆方向にも作動するように構成されており、流体が移動する方向にかかわらず、力が流体から抽出される。該システムは、導管および／または電気活性ポリマなどの力変換器の変形を介して、力取出装置に供給される流体を間接的に駆動する点で、チューブ内で形成した膨張波を直接的に利用して、力取出装置を間欠的に駆動させるものではないので、力変換を連続的に行うことができ、もって、システムの効率が最適化される。
【０１５６】
膨張性チューブ２４のキャビティ内の流体を利用するのではなく、導管内にある第２の流体を介して、力取出装置を間接的に駆動させているので、該力取出装置をより自由に配置することが可能である。たとえば、変形体が海中に沈んでいる、または、浸っている状態であっても、該力抽出装置を容易にアクセスおよびメンテナンスができるように、表面上に配置してもよい。さらに、導管内の流体として、力抽出装置との使用に最適化できるものを選択できる。たとえば、該流体を、変形体のキャビティ内の流体と比べ、力抽出装置に損害を与えうる腐食や異物の混入がより少ないものとする。これにより、比較的高価な力抽出装置の寿命を長くし、メンテナンスの頻度を少なくすることができる。
【０１５７】
導管５０のコイル部分を利用する代替的な実施形態では、図１０ａ、図１０ｂ、図１１ａ、図１１ｂに示されるように、導管５０の一部がパネル５２の中に配置される。各パネル５２は、並列に配置される１以上の導管５０を備える。図１の実施形態と同様に、パネルの配置および方向については、この実施形態においても同様に考慮される。
【０１５８】
それぞれの導管５０または導管５０の一部は、一方向バルブ（図示せず）を備える。それぞれの導管５０は、ポンプの圧力主部に対して平行に接続される。代替的に、導管５０または導管５０の一部を、直列に配して、多段ポンプとして作動させるようにしてもよい。
【０１５９】
第１の実施形態と同様に、膨張性チューブ２４の特性および運動は制御することができ、これは、導管５０の作動圧力を制御することによって行われる。たとえば、エネルギ取出装置を、導管５０の圧力を増加させるために逆方向に作動させることによって、または別途ポンプを備えることによって、達成することができる。
【０１６０】
発電機をスマート構造として作動させることにより、該発電機の操作性を高めることが可能となる。これにより、該発電機は、変化する波の状況の変化に対応できるようになり、発電機の動的応答を広範囲の波の状態に適合するように最適化でき、必要に応じて、発電機の性能を向上させたり減衰させたりすることにより、円滑なエネルギ出力および極端な環境下での操作によるダメージに対する保護を達成することができる。
【０１６１】
上述したように、該発電機は、広い範囲にわたる制御の選択肢を備えている。これには、積極的もしくは受動的な制御の両方が含まれ、また、発電機内で発生する反射波の制御も含まれるが、こうした制御は、装置に柔軟性を付与し、かつ、その柔軟性を大きく向上させることができる。
【０１６２】
ここで言及した実施形態は、単なる例示に過ぎず、本発明の範囲内で様々な改良を加えることも可能である。たとえば、上述したように、本発明は、その変形体が周期的に揺動する限り、いかなる流体運動資源からもエネルギを抽出することが可能である。
【０１６３】
また、前記発電機／エネルギ取出装置は、チューブの使用に制限されず、他の適切な形状を有するいかなる構造体から構成されてもよい。さらに、該チューブの両端部に、拡張性を付与してもよく、しなくてもよい。また、両端部に、電気活性ポリマ材料や導管を備えてもよく、備えなくてもよい。
加えて、前記チューブまたは電気活性ポリマ材料または導管壁は、可撓性を有するが非弾性のファイバを組み込んで、あらかじめ設定された１以上の大きさ内で膨張できるようにしてもよく、これにより、形状または反応を制御することが可能となる。このような保護物を組み込むことにより、従来よりも硬くて薄い材料を壁として使用することを可能とする。さらに、該ファイバ材料は、力の集積と抽出を改善するのに用いることもできる。適切なファイバ材料の選択により、チューブ２４をダメージから保護することができる。
【０１６４】
前記導管は、上述したようにチューブ状であるが、実際には、その他の形態、たとえば相互連結した一連の流体チャンバのような形態も採りうる。
【符号の説明】
【０１６５】
１０  発電機
１２  海水
１４  海面
１６  波の進行方向
１８  先端部
２０  ロープ
２２  末端部
２４  チューブ
２６  パネル
２８  インナキャビティ
３０  ケーブル
３２  制御システム
３４  バラストチャンバ
３６  浮力チャンバ
４０  コラム
４２  海底
４４  支持部材
５０  導管
５２  パネル
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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