(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定式係留海洋波エネルギー抽出システムであって、
複数のダクトであり、各ダクトは、関連付けられる振動水柱を受け入れるように作られており、各ダクトは、第１の区分であり、使用中、卓越海洋波の方を向く流入口と共に該第１の区分が配置される水塊の平均表面水準より下方に完全に沈められるように形成及び配置された第１の区分、前記第１の区分に対して横方向に配置された第２の区分及び前記第１の区分と前記第２の区分の中間にある流れ制御区分を有しており、前記流れ制御区分は、前記第１の区分と前記第２の区分との間に延びる傾斜部分によって画成され、前記第１の区分から前記第２の区分への水の流れ方向に漸進的な変化を作り出すことが可能であることによって、前記ダクト内部を流れる前記振動水柱の乱流を抑制するように作られている、ダクト、
各タービンが前記第２の区分からの流体流れによって独立して駆動されるように、各ダクトの前記第２の区分と流体連通している、分離したタービンであり、前記流体流れは、前記ダクト内部の前記振動水柱の振動によって発生される、タービン、及び
電気エネルギーを発生するために前記タービンによって回転されるように構成されている発電機、
を含み、
前記複数のダクトの前記第１の区分のそれぞれの前記流入口は、共通軸に沿って配置されて、線形配列を形成し、前記複数のダクトは、各ダクトの前記流入口が、当該システムが設置される前記水塊の前記平均表面水準より下方で実質的に同じ深さになるように作られている、
海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項２】
前記複数のダクトのそれぞれのダクトは、互いに対して異なる方向に向くように配置されている、請求項１に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項３】
前記複数のダクトは、ダクトの複数の群をなすように配置される、請求項１に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項４】
ダクトのそれぞれの群は、同じ構成を有している、請求項３に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項５】
各ダクトの前記第１の区分は、前記ダクトがそれに沿って又はその周囲に配置されている前記共通軸に対して横方向に伸張している軸を中心に回転される、請求項１から請求項４の何れか１つに記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項６】
前記ダクトは、前記共通軸に対して約１５度の角度で伸張するように、各ダクトは回転される、請求項５に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項７】
ダクトの第１の群は、前記共通軸に対して第１の角度で伸張するように回転され、ダクトの第２の群は、前記共通軸に対して第２の角度で伸張するように回転される、請求項５に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項８】
ダクトの前記第１の群は、前記共通軸に対して約１５度の角度で伸張するように回転され、ダクトの前記第２の群は、前記共通軸に対して約マイナス１５度の角度で伸張するように回転される、請求項７に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項９】
前記流体流れは、二方向性である、請求項１乃至８の何れか一項に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項１０】
前記流体流れと関連付けられる流体は、ガス及び液体のうちの１つである、請求項１乃至９の何れか一項に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項１１】
前記流体は、空気である、請求項１０に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項１２】
前記タービンは、空気駆動式タービンである、請求項１１に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項１３】
前記ダクトの前記第１の区分の長さは、パイプの前記第２の区分の長さより大きい、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項１４】
前記ダクトの前記第１の区分の長さは、数式、
【数３】
0005943337.tif 000004
ここにＬはメートル単位の前記第１の区分の長さであり、Ｔは秒単位の海洋波の周期である、で決定される、請求項１乃至１３の何れか一項に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項１５】
前記第１の区分の前記長さは約２５ｍである、請求項１３又は請求項１４に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項１６】
前記ダクトの前記第１の区分の長さは、海洋波の周期に適合するように前記ダクトを調整するために可変的になっている、請求項１乃至１５の何れか一項に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項１７】
前記ダクトの前記第１の区分は、前記第１の区分の前記長さを変える伸縮式構成を有している、請求項１６に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項１８】
前記ダクトは一定の内部断面部を有している、請求項１乃至１７の何れか一項に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項１９】
前記内部断面部は、円形又は長方形である、請求項１８に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【請求項２０】
前記タービンは、二方向性流体流れに応えて一方向に動作する、請求項１乃至１９の何れか一項に記載の海洋波エネルギー抽出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、持続可能なエネルギー発生に関する。より厳密には、本発明は、海洋波エネルギー抽出の改善及びそのためのシステムと方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書を通じて先行技術についての如何なる論考も、その様な先行技術が周知のものである又は本分野における周知の一般的な知識の一部を形成していることを承認するものとして考えられるべきではない。
【０００３】
環境的な関心及び従来的な可燃性炭化水素燃料源の有限な資源についての認識は、波、風、潮、地熱及び太陽光のような持続可能な無公害エネルギー源の研究につながった。
【０００４】
非常に多くの異なる型の波力発生システムが発案されてきた。１つのシステムは、電力を作り出すために直接的又は間接的に発電機を駆動するべくタービンの回転運動をもたらすために波の運動に固有の垂直運動を使用する基本原理を採用している。その様なシステムでは、波の振動運動によって引き起こされた、頻繁に反転する空気流状態が存在する。多数の特殊に構成された一方向性タービンは、タービンがその様な反転空気流状態に応えて作動し続けることを可能にするように設計された。
【０００５】
しかしながら、多くの、全てではないが、それらの先行システムは、波の振動運動を回転性の機械的エネルギーに変換する時のシステムにおける損失が原因で比較的に低能率で動作する。
【０００６】
加えて、多くの先行波力発生システムは、卓越海洋波の移動方向に大きく依存している。その上、多くの現存の波力発生システムは、常に一方向に向くように係留されており、このため自然潮変化から生じる波方向の変化が原因で長期に亘って最適効率を下回って動作する。
【０００７】
電力を作り出すために発電機を次々に駆動するタービンの回転運動をもたらすために波の垂直運動を使用する基本原理に基づいて作動する多くの周知の波力発生システムの別の不利点は、それらのシステムが、所望の水準の出力を獲得するべく動作の効率を確実にするために、重力誘発性共鳴拡大の原理に一般的に頼っていることである。その様なシステムでは、水の振動運動を空気流に変換することが必要である。即ち、多くの現行の周知のシステムでは、標準的には、水圧から空気圧への変換工程が必要であり、総合的なエネルギー変換工程の効率を更に低下させている。
【０００８】
加えて、多くの周知の波力発生システムは、システムが海洋波から受ける大きい且つ予測不可能な力に耐えるように作られていなければならない。実用寿命に亘ってシステムの持続可能性を確実にするために、或る水準の冗長度をシステムに組み込む必要がある。例えば、海洋力発生システムは、通常、「百年に一度の暴風」の大きな波に伴う力に耐える必要がある。それらの極端な場合の力の大きさは、大抵の暴風で生じる力の何倍もの力であり、よって、システムを製造、設置及び維持する時に大幅な付加的な費用を必然的に負担することになる。それらの付加的な費用は、多くの場合非常に高額であるため、システムを商業的に実現不可能なものにする可能性があることが分かっている。
【０００９】
最も極端な力に耐えるように作られたシステムは、必然的により大型であり、その結果それらのシステムの視覚的な魅力は低下する。海洋波エネルギー抽出システムのような持続可能なエネルギーシステムの視覚的魅力又は美的感覚は、周辺環境に与える視覚的な影響を減らすだけでなく、エネルギーを作り出すそれらの代替手段に対する大衆の支持を得るために重要な因子である。
【００１０】
先行技術の１つ又はそれ以上の不利点を克服又は改善すること又は少なくとも有用な代替物を提供することが、本発明の目的である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様によれば、海洋波エネルギー抽出システムが提供されており、当該システムは、
振動水柱を受け入れるための少なくとも１つのダクトであって、ダクトは、第１の区分、第１の区分に対して横方向に配置された第２の区分及び第１の区分と第２の区分の中間にある流れ制御区分を有しており、流れ制御区分は、ダクト内部を流れる振動水柱の乱流を抑制するように作られている、ダクトと、
ダクトの第２の区分と流体連絡しているので、タービンが第２の区分からの流体流れによって駆動されるタービンであって、流体流れは、ダクト内部の振動水柱の振動によって発生される、タービンと、
電気エネルギーを発生するためにタービンによって回転されるように構成されている発電機と、を含んでいる。
【００１２】
好ましいことに、流れ制御区分は、曲線状の区分である。流れ制御区分は、一定の曲率半径を有していれば好ましい。しかしながら、或る種の実施形態では、曲率半径は変化してもよい。他の実施形態では、流れ制御区分は、傾斜部分を含んでいる場合がある又は他の方法で振動水柱の方向に円滑且つ漸進的な変化を作り出すように作られている場合があり、それによってダクト内部で乱流の程度を抑制している。
【００１３】
ダクトは海洋のような水塊の中に設置されれば好ましく、それによって、水柱は、ダクトを通過する波の上昇及び下降に応えて振動する。
【００１４】
流体流れは、二方向性であれば好ましい。好ましいことに、流体流れと関連付けられる流体は、ガス及び液体のうちの１つである。或る種の実施形態では、流体は空気である。これらの実施形態では、タービンは、必ずしもというわけではないが、ダクトが設置されている水塊の平均表面水準より上方に設置されれば好ましい。他の実施形態では、流体は水である。これらの実施形態では、タービンは、例えば、必ずしもというわけではないが、水塊の平均表面水準より下方に沈められれば好ましい、水力タービンであってもよい。従って、タービンは、振動水柱と関連付けられる流体流れによって直接的又は間接的に駆動されてもよいと理解されることであろう。
【００１５】
ダクトの第１の区分、第２の区分及び流れ制御区分は、一体ユニットとして一体化して形成されてもよい。好ましいことに、ダクトはＬ字型パイプである。ダクトは、使用時第１の区分が実質的に水平方向に向けられて配置され、第２の区分が実質的に垂直方向に向けられて配置されるように作られれば好ましい。
【００１６】
或る好適な実施形態では、ダクトの第１の区分の長さは、ダクトの第２の区分の長さより大きい。他の好適な形態では、第２の区分の長さは、第１の区分の長さより大きい。その上更なる好適な実施形態では、第１及び第２の区分は、実質的に同じ長さである。ダクトの第１の区分の長さは、数式１、
【数１】
0005943337.tif 000002
ここにＬはメートル単位の第１の区分の長さであり、Ｔは秒単位の海洋波の周期である、で決定されれば好ましい。１つの好適な形態では、第１の区分の長さは約２５ｍである。好ましいことに、ダクトの第１の区分の長さは、海洋波の周期に適合するようにダクトを調整するために可変的になっている。さまざまな実施形態では、ダクトの第１の区分は、第１の区分の長さを変える伸縮式構成を有している。第１の区分の伸縮式構成は、管の相対的な滑動を円滑にするために配置された管のような複数の部分を含んでいてもよい。伸縮式区分の各対は、ダクトの第１の区分の所望の長さをセットするために互いに対して管を係止する係止手段を有していてもよい。他の好適な形態では、第２の区分の長さも同様に調節可能である場合がある。
【００１７】
好ましいことに、ダクトは一定の内部断面部を有している。内部断面部は、円形であれば好ましい。他の実施形態では、内部断面部は、正方形又は長方形であってもよい。ダクトの内部断面部は、変則的な形状を含む何らかの適切な形状であってもよく、ダクト又は区分の長さ沿いに大きさ及び形状が変化してもよい。１つの好適な形態では、内部断面部は、約１０ｍの直径を有している。
【００１８】
好ましいことに、タービンは、二方向性流体流れに応えて一方向に動作する。タービンは、空気駆動式タービン又は水駆動式タービンであってもよい。
【００１９】
海洋波エネルギー抽出システムは、ダクトを所望の場所に係留する係留システムを含んでいてもよい。係留システムは、固定式係留システム、浮遊式係留システム、引張式係留システム及びスラック係留システムのうちの１つであれば好ましい。
【００２０】
海洋波エネルギー抽出システムは、ダクト又は各ダクトの浮遊を容易にするための浮力要素を含んでいてもよい。好ましいことに、浮力要素は、横方向にダクトに取り付けられる。浮力要素は、ダクト又は各ダクトの片側又は両側に横方向に取り付けられてもよい。より好ましいことに、浮力要素は、ダクトの第２の区分の片側又は両側で横方向に取り付けられてもよい。
【００２１】
海洋波エネルギー抽出システムは、複数のダクトを含んでいてもよく、各ダクトは、関連付けられる振動水柱を受け入れるように作られている。複数のダクトのそれぞれは、卓越海洋波に対して同じ方向に向くように配置されてもよい。或いは、複数のダクトの各ダクトは、互いに対してひいては卓越海洋波に対して異なる方向に向くように配置されてもよい。海洋波エネルギー抽出システムは、一方のダクトは卓越海洋波の方に向き、他方はその海洋波から離れた方を向くように、互いに対して１８０度を成すように配置された２つのダクトを含んでいてもよい。複数のダクトは、共通軸に沿って配置されてもよい。或いは、複数のダクトは、共通軸の周囲に配置されてもよい。好ましいことに、複数のダクトは、線形配列及び極性配列のうちの１つを形成するように配置されている。幾つかの好適な形態では、複数のダクトは、複数のダクト群を含んでおり、それによって２つ又はそれ以上の群が、ダクトの配列を形成するように配置されている。或る実施形態では、各ダクト群は、同じ構成を有している。他の好適な形態では、少なくとも１つのダクト群は、他の群の１つ又はそれ以上とは異なる構成を有している。好ましいことに、それぞれの群のダクトは、共通軸に沿っている又はその周囲にある、のどちらか１つになるように配置されている。
【００２２】
１つの特に好適な形態では、各ダクトは、ダクトがそれに沿って又はその周囲に配置されている共通軸に対して横方向に伸張している軸を中心に回転される。例えば、各ダクトは、共通軸に対して例えば約１５度の角度「α」だけ回転することができる。角度「α」は、何らかの特定の角度に限定されているわけではなく、システムが設置されるべき場所の特殊な波候に適合するように選択することができることを勿論理解されることであろう。或る実施形態では、ダクトの第１の群は、共通軸に対して第１の角度で伸張するように回転され、ダクトの第２の群は、共通軸に対して第２の角度で伸張するように回転される。１つの好適な形態では、ダクトの第１の群は、共通軸に対して約１５度の角度で伸張するように回転され、ダクトの第２の群は、共通軸に対して約マイナス１５度の角度で伸張するように回転される。
【００２３】
海洋波エネルギー抽出システムは、各ダクトの開口端（又は流入口）は、使用時、システムが設置される水塊の平均表面水準より下方で実質的に同じ深さになるように作られれば好ましい。
【００２４】
好ましいことに、分離しているタービンは、各タービンが関連付けられるダクトの振動水柱によって独立して駆動されるように、複数のダクトのそれぞれに取り付けられる。
【００２５】
本発明の第２の態様によれば、海洋波エネルギー抽出システム用の波振幅拡大装置が提供されており、当該装置は、
海洋波の振幅を拡大するための複数のダクトであって、複数のダクトは、共通軸の周囲に配置されており、各ダクトは、共通軸から横方向に伸張しており、振動水柱を受け入れるように作られているので、各水柱の振動が、タービンを駆動するための対応する流体流れを作り出している、ダクトを含んでいる。
【００２６】
水柱によって作り出されるそれぞれの流体流れは、水流のような液体流又は空気流のようなガス流であってもよい。各流体流れは、二方向性であれば好ましい。
【００２７】
１つの好適な実施形態では、波振幅拡大装置は、共通軸の周囲に配置される２つのダクトを有しているので、海洋波エネルギー抽出システムの効率は、海洋波の移動方向に大いに非依存的になっている。
【００２８】
別の特に好適な形態では、波振幅拡大装置は、共通軸の周囲に配置される３つのダクトを有しているので、海洋波エネルギー抽出システムの効率は、海洋波の移動方向に大いに非依存的になっている。好ましいことに、３つのダクトは、互いに対して約１２０度を成して共通軸の周囲に等間隔に配置されている。ダクトの数は、２つ又は３つのどちらにも制限されるものではなく、波方向がシステム性能に及ぼす影響を減らすのに適した幾つかの適切な数であってもよいことは勿論当業者には理解されることであろう。
【００２９】
各二方向性流体流れは、同じタービンを駆動するために使用されてもよい。或いは、各流体流れは、分離している独立したタービンを駆動してもよい。好ましいことに、タービン又は各タービンは、二方向性流体流れに応えて一方向に回転する。
【００３０】
好ましいことに、タービンは、回転子を含んでおり、回転子は、
中心ハブと、
直線状の半径方向に伸張している翼で区分化された、それぞれがハブと結合している複数のブレードであって、ブレードのそれぞれの断面は、最高キャンバ高さを画定している線に対してほぼ左右対称であり、その半径方向に伸張する長さに沿って概ね一定であるブレードと、を備えており、
ブレードのほぼ左右対称性の形状及びハブに対するその方向性は、そこを通る軸性の流体流れの逆転に応えた回転子の一方向性回転を容易にしている。
【００３１】
各ダクトは、第１の区分、第１の区分に対して横方向に配置された第２の区分及び第１の区分と第２の区分の中間にある流れ制御区分を有していれば好ましく、流れ制御区分は、ダクト内部を流れる振動水柱の乱流を抑制するように作られている。好ましいことに、それぞれの第１の区分は、開口端（又は流入口）が共通軸から離れた所に面している実質的に水平な区分である。好ましいことに、複数のダクトは、各ダクトの開口端（又は流入口）が、使用時、システムが設置される水塊の平均表面水準より下方で実質的に同じ深さになるように作られている。
【００３２】
本発明の第３の態様によれば、海洋波エネルギー抽出システム用の振動水柱受け入れダクトが提供されており、当該ダクトは、
第１の区分と、
第１の区分に対して横方向に配置された第２の区分と、
第１の区分と第２の区分の中間にある流れ制御区分であって、流れ制御区分は、第１と第２の区分の間で流体連絡を可能にするように配置され、ダクト内部の乱れた流体流れを抑制するように作られている、流れ制御区分と、を含んでいる。
【００３３】
本発明の第４の態様によれば、海洋波エネルギー抽出システム提供されており、当該システムは、
水塊の平均表面水準より下方に沈められる少なくとも１つのダクトであって、少なくとも１つのダクトは、少なくとも１つのダクトを通過する波の上昇及び下降によって引き起こされる圧力差に応えてダクト内部で振動する水柱を受け入れる、少なくとも１つのダクトと、
振動水柱のエネルギーを電気エネルギーに水圧で変換するための少なくとも１つのダクトと流体連絡しているエネルギー変換ユニットと、を含んでいる。
【００３４】
本発明のこの態様では、少なくとも１つのダクトは、完全に沈められるので、ダクトの両端部及びダクトの動作可能な上部表面を含むダクト全体は、水塊の平均表面水準より完全に下方に位置する。
【００３５】
本発明の第４の態様のダクトは、直線状、Ｌ字型、Ｕ字型又は水塊の平均表面水準より下方に沈められるのに適した何らかの他の形状であってもよい。
【００３６】
エネルギー変換ユニットは、振動水柱と水圧連絡しているタービンであって、タービンは、振動水柱によって水圧で駆動されているタービンと、電気エネルギーを発生させるために水圧駆動タービンによって回転されるように作られた発電機と、を含んでいれば好ましい。
【００３７】
好ましいことに、タービンは水力タービンである。水力タービンは、振動水柱の二方向性流れに応えて一方向性に動作するように作られれば好ましい。さまざまな実施形態では、水力タービンは、Ｄｅｎｎｉｓｓ−Ａｕｌｄタービン、Ｗｅｌｌｓタービン、Ｓｅｔｏｇｕｃｈｉタービン、Ｄａｒｒｉｅｕｓタービン及びＧｏｒｌｏｖタービンを含む群から選択されている。しかしながら、使用されるタービンの型は、ここに記載されているこれらの型に制限されるわけではなく、何らかの他の適切なタービンを使用することができることを当業者には理解されることであろう。
【００３８】
或る実施形態では、タービンは、その回転軸がダクトの長手方向軸を横断するように配置される。他の実施形態では、タービンは、その回転軸がダクトの長手方向軸と実質的に平行になるように配置される。幾つかの実施形態では、タービンの回転軸は、ダクトと同軸である。
【００３９】
幾つかの実施形態では、ダクトは、水塊の海底に置かれる。他の実施形態では、ダクトは、係留システムによって水塊の中で所望の位置及び方向性を保持されれば好ましい。係留システムは、水塊の海底より上方の所定の高さでダクトを保持してもよい。
【００４０】
ダクトを実質的に所定の高さに維持するために、係留システムは、ダクトの浮遊を容易にするために浮力要素を含んでいてもよい。
【００４１】
好ましいことに、水中のダクトは、実質的に水平方向に配置される。
【００４２】
ダクトの長さは、水塊の波の周期（及び、故に、波長）に関連していれば好ましい。或る好適な形態では、ダクトの長さは、卓越波の波長の約２５％から４５％であれば好ましく、約３７％であればより好ましい。
【００４３】
幾つかの好適な実施形態では、ダクトの長さは、ダクトを波の周期に適合させるように及び卓越波の経時的な周期の変化に対応させるように調整するために可変的になっている。さまざまな実施形態では、ダクトは、ダクトの長さを変える伸縮式構成を有している。ダクトの伸縮式構成は、ダクトの長さを変えるために管の相対的な滑動を円滑にするように配置された、管などの、複数の個別的な部分を含んでいてもよい。伸縮式区分の各対は、ダクトの所望の長さをセットするために互いに対して管を係止するための関連付けられる係止手段を有していれば好ましい。
【００４４】
好ましいことに、ダクトは、一定の内部断面部を有している。幾つかの実施形態では、内部断面部は、正方形又は長方形であってもよい。他の実施形態では、内部断面部は、円形である。ダクトの内部断面部は、変則的な形状を含む何らかの適切な形状であってもよいことは、理解されることであろう。幾つかの実施形態では、ダクトの内部断面図は、ダクトの長さに沿って又はダクトの１つ又はそれ以上の断面に沿って変化している。
【００４５】
さまざまな好適な実施形態では、海洋波エネルギー抽出システムは、ダクトの配列を形成するように配置された２つ又はそれ以上のダクトを含んでおり、配列の中の各ダクトは、関連付けられる振動水柱を受け入れるように配置されている。２つ又はそれ以上のダクトは、卓越海洋波に対して同じ方向を向くように配置されれば好ましい。幾つかの好適な実施形態では、２つ又はそれ以上のダクトは、並行関係で配置されている。しかしながら、或る実施形態では、２つ又はそれ以上のダクトが互いに対して及び故に卓越海洋波に対して異なる方向に向いているダクトの配列を有することは利点である。或る実施形態では、ダクトは互いに横方向に配列される場合がある。１つの好適な形態では、２つ又はそれ以上のダクトは、実質的に互いに垂直である。
【００４６】
或る実施形態では、ダクトの配列の中のそれぞれのダクトは、他のダクトと実質的に同じ長さを有している。他の好適な形態では、ダクトの配列は、異なる波長の波に対処するために異なる長さのダクトを含んでいる場合がある。
【００４７】
幾つかの実施形態では、ダクトの配列は、関連付けられる振動水柱のそれぞれが１つのタービンを駆動するように作られている。他の実施形態では、個別のダクト又はダクトの群からのそれぞれの振動水柱又は振動水柱の群は、関連付けられるタービンを駆動している。他の実施形態では、ダクトの配列は、ダクトの個別的な群からできている場合があり、それによって各群は、群が駆動するように構成されている関連付けられるタービンを有している。
【００４８】
好ましいことに、システムは、ダクトを互いに対して相対的に間隔を空けた関係に保持するために支持フレームを含んでいる。
【００４９】
本発明の第５の態様によれば、海洋波からエネルギーを抽出する方法が提供されており、当該方法は、
ダクトが水柱を受け入れるように少なくとも１つのダクトを水塊の中へ設置することであって、水柱は、少なくとも１つのダクトを通過する波の上昇及び下降によって引き起こされる圧力差に応えてダクトの内部で振動している、少なくとも１つのダクトを設置することと、
振動水柱のエネルギーを電気エネルギーに水圧で変換することと、を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明による海洋波エネルギー抽出システムの或る実施形態の概略図である。
【図２】本海洋波エネルギー抽出システムのためのダクトの伸縮式区分の或る側面図である。
【図３】共通軸の周囲に配置された複数のダクトの或る実施形態の平面図である。
【図４】本発明による海洋波エネルギー抽出システムの別の実施形態の概略図である。
【図５】本発明による海洋波エネルギー抽出システムの或る実施形態の概略図である。
【図６】互いに実質的に垂直に配置されているダクトの配列の斜視図である。
【図７】本発明による海洋波エネルギー抽出システムの更に別の或る実施形態の斜視図である。
【図８】図７の海洋波エネルギー抽出システムの上面図である。
【図９】図７の海洋波エネルギー抽出システムの左側面図である。
【図１０】図７の海洋波エネルギー抽出システムの端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
これより、本発明の好適な実施形態を、ほんの一例として添付図面を参照しながら説明してゆく。
【００５２】
図面を参照すると、海洋波エネルギー抽出システム１は、海洋２のような水塊の中に設置される。海洋波エネルギー抽出システム１は、水柱４を形成するために海洋水を受け入れるダクト３を含んでいる。下文でより詳細に説明するように、水柱４は、海洋波エネルギー抽出システム１を通過する海洋波の上昇及び下降に応えてダクト３の内部で振動する。
【００５３】
ダクト３は、第１の区分５、第１の区分に対して横方向に配置された第２の区分６及び第１の区分と第２の区分の中間にある流れ制御区分７を有している。図１に示すように、ダクト３は、実質的にＬ字型をしており、第１区分５、第２区分６及び流れ制御区分７は、一体ユニットを形成している。ダクト３の各区分は、ダクトに沿って貫通孔を形成するためにその端部で開いている。図面で図解されている実施形態では、ダクトの孔は、円形断面部を有している。しかしながら、勿論、他の実施形態では、断面は何らかの適切な形状であってもよく、一定又は変化する断面部であってもよいと理解されることであろう。
【００５４】
ダクト３は、海洋波エネルギー抽出システム１を通過する各海洋波の振幅を拡大しているので、ダクト内部の振動水柱４の振動の振幅は、通過する海洋波の振幅より大きくなっている。
【００５５】
ダクト３の第１の区分５の長さＬ１は、第２の区分６の長さＬ２よりもシステム１の性能により多くの影響を及ぼしている。特に、第１の区分５の長さＬ１は、海洋波の振幅がダクト３によって拡大される程度に影響を与えている。ダクトの第１の区分５の長さＬ１は、ダクトの第２の区分６の長さＬ２より長いほうが好ましい。
【００５６】
ダクト３によって作り出される振幅の水準は、第１の区分５の長さが数式２、
【数２】
0005943337.tif 000003
ここにＬ１は単位がメートルの第１の区分の長さであり、Ｔは単位が秒の海洋波の周期である、で海洋波の周期に相関している時には有利であることが分かっている。例えば、１０秒の波周期では、ダクト３の第１の区分５の好適な長さＬ１は、約２５ｍである。
【００５７】
流れ制御区分７は、ダクト３内部で流れている振動水柱４の乱流を抑制するように曲線状になっている。特に、流れ制御区分７の曲線は、水が第１の区分５から第２の区分６へ流れる時に円滑且つ漸進的な方向変化を提供するように作られている。この漸進的な方向変化は、水柱がダクトの中を通って流れる際に、振動水柱４の中の乱流の量を減らしている。水柱４が曲線状流れ制御区分７を通って第１の区分５から第２の区分６まで、逆もまた同様に、ダクト３の中を移動する際に、未だ或る程度の乱流が存在するであろうことを理解されることであろう。しかしながら、流れ制御区分７は、ダクト内部の水柱の振動を強めることで実証されるように、ダクト３を通る乱流の水準を、海洋波の振幅の拡大に肯定的な影響があるような程度まで減らしている。乱流のこの低下は、システム１によるエネルギー変換の全体効率に相応する増進をもたらすと理解されることであろう。
【００５８】
図１で図解している実施形態では、振動水柱４は、ダクト３の全体を満たしておらず、そのためダクトの第２の区分６の端部にまで伸張していない。従って、図１で最も明白に示されるように、第２の区分６は、振動水柱４より上側に位置する空気室８を画定している。海洋波が上昇する時、ダクト３の内部の振動水柱４の呼応する上向き振動が存在する。この上向き振動は、上向き空気流を作り出すために、ダクト３の第２の区分６の空気室８から空気容量を押し進める。この上向き空気流は、矢印９で図１に示されている。同様に、海洋波が下降する時、下向き空気流が、水柱４の下向き振動に応えて発生する。
【００５９】
しかしながら、他の形態では、振動水柱は、第２の区分を満たし、その結果タービンが水柱によって直接的に駆動されることを理解されることであろう。その様な実施形態では、出力管路が、ダクトの第２の区分をタービンに接続してもよい。
【００６０】
図１に戻ると、一方向性タービン１０は、第２の区分６と流体連絡するためにダクト３の第２の区分６より上方に配置されている。タービン１０は、上向き及び下向き空気流によって駆動又は回転される。空気流は、海洋波の上昇及び下降に因って二方向性であるが、タービン１０は、二方向性空気流に応えて一方向性に回転するように作られている。
【００６１】
発電機１１は、タービン１０に連結されているので、タービンの回転が発電機の対応する回転を引き起こす。発電機は、電気エネルギーを発生させるために使用される。
【００６２】
使用時、ダクト３の第１の区分５は、図１で示されるように実質的に水平方向で海洋２に沈められる。第２の区分６の長さＬ２は、第１の区分が海洋表面の下方に沈められている深さＤより大きい。よって、第２の区分６は、タービン１０及び発電機１１の据え付けを容易にするために、海洋表面を貫通して伸張し、それより高位に立っている。
【００６３】
図２を参照してゆくが、海洋波の周期は、一定ではなく、波によって変化しており、或る領域の平均波周期も徐々に変化する可能性があると理解されることであろう。その様な変動を対処するために、或る種の実施形態では、ダクト３の第１の区分５は、伸縮式に作られており、それによって卓越海洋波の周期Ｔに適合するようにダクト３を調整することができるように、長さＬ１が可変的になっている。図２で示される伸縮式区分５は、管１２の間で相対的な滑動を可能にするために互いの内部で嵌め合わされた多数の管１２を含んでいる。係止手段１３が提供されており、ダクト３の第１の区分５の所望の長さをセットするべく互いに対して管を係止するために提供されている。
【００６４】
図３を参照すると、海洋波エネルギー抽出システム１用の波振幅拡大装置１４の或る実施形態が示されている。波振幅拡大装置１４は、海洋波の振幅を拡大する３つのダクト３を含んでいる。ダクト３は、互いに対して約１２０度をなして共通軸Ｘ−Ｘの周囲に配置されているので、海洋波エネルギー抽出システム１の効率は、卓越海洋波の方向に大いに非依存的になっている。
【００６５】
各ダクト３は、振動水柱４を形成するために多量の海洋水を独立して受け入れるように作られている。各水柱４は、海洋波エネルギー抽出システム１のタービン１０を駆動するための対応する二方向性空気流を作り出している。
【００６６】
図３の実施形態では、波振幅拡大装置１４は、さまざまな強度の３つの空気流を作り出すであろう。３つの空気流は、同じタービン１０を駆動するように方向付けられる。海洋波の移動方向が変わるにつれ、優勢な空気流が適宜変化するであろうと理解されることであろう。即ち、或る種の波方向に対して、３つのダクト３の１つは、タービン１０を駆動する優勢な空気流を提供するであろう。他の２つのダクト３も同様にタービンを駆動する空気流を作り出すが、それらの空気流は、優勢な空気流が駆動する程にはタービンを駆動しないであろう。しかしながら、３つの空気流の組み合わせは、タービンに作用する働きを増やし、発電機によって作り出される電気エネルギーの量に対応する増加をもたらすことを理解されることであろう。波方向が変わると、ダクトからの空気量も変化し、それによって異なるダクト３が、優勢空気流を作り出すであろう。
【００６７】
これより図４、図５及び図６を参照すると、本発明による海洋波エネルギー抽出システム１００の別の実施形態が図解されている。システム１００は、海洋１０２のような水塊の中に同様に設置されており、水柱１０４を形成するために海洋水を受け入れるためのダクト１０３を含んでいる。ダクト１０３は、海洋１０２の平均表面水準より下方に完全に沈められる。
【００６８】
水柱１０４は、海洋波エネルギー抽出システム１００を通過する、より厳密には、ダクト１０３の長さに沿って移動する海洋波の上昇及び下降によって引き起こされる圧力差に応えて水中のダクト１０３の内部で振動する。圧力差は、ダクトの長さ沿いの水頭の変動の結果であると理解されることであろう。
【００６９】
海洋波エネルギー抽出システム１００からの有利なエネルギー変換及び出力を実現するために、ダクト１０３の長さは、卓越海洋波の波長の約３７％であるべきであることが分かっている。しかしながら、ダクト１０３は、波長関係に対するこの好適なダクト長さに限定されるわけではなく、ダクト１０３の長さは、海洋波エネルギー抽出システム１００が設置されるべき特定の状態及び場所に適合するように決定されるであろうと理解されることであろう。
【００７０】
図４の実施形態では、水中のダクト１０３は、海洋１０２の海底１０５に実質的に水平位置に置かれている。
【００７１】
図５で示されるような他の実施形態では、係留システム１０６は、水中のダクト１０３を海底１０５より上方で所定の高さ「Ｈ」で実質的に水平位置に保持するために使用されている。
【００７２】
ダクト１０３は、海洋１０２の平均表面水準より下方で完全に沈められているが、異常に大きい波は、ダクト１０３の上部分が一時的に水中に沈んでいないような程度まで下降した水位をもたらす事例があるであろうことも可能性があると理解頂きたい。これは、ダクト１０３の内部に通気道及び／又は空気溜りを作り出す影響を有している。しかしながら、システム１００は、低下した効率及び低い出力ではあるがその様な状況において動作し続けることが分かっている。標準的な波状態に戻れば、システム１００の効率及び出力も標準的に復帰するであろう。これは、本海洋波エネルギー抽出システム１００の特に有利な特性である。
【００７３】
水力タービン１０８及び発電機１０９を有するエネルギー変換ユニット１０７は、水中のダクト１０３と流体連絡している。
【００７４】
水力タービン１０８は、タービン１０８が振動水柱１０４によって水圧で駆動されるように、ダクト１０３と水圧連絡するように配置されている。図４及び図５の実施形態では、水力タービン１０８は、回転軸がダクト１０３の長手方向軸と同軸になるように、ダクト１０３と一列に並べられている。しかしながら、タービン１０８は、ダクトと同軸である必要はないことは理解されることであろう。例えば、回転軸がダクトの長手方向軸を横断している他の型の水力タービンを使用することもできる。
【００７５】
水力タービン１０８は、振動水柱１０４の逆方向流れ又は二方向性流れに応えて一方向性に回転するように作られている。タービン１０８の一方向性特性が、海洋波エネルギー抽出システム１００の効率を増進することは、当業者には理解されることであろう。
【００７６】
エネルギー変換ユニット１０７の発電機１０９は、水力タービン１０８によって駆動されている。発電機１０９は、タービン１０８の回転が発電機１０９の対応する回転を引き起こすように、軸１１０によって水力タービン１０８と連結されている。発電機１０９は、配電網への供給用電気エネルギーを発生させるために使用される。
【００７７】
図４の実施形態では、発電機１０９は、水力タービンと一列に並んでいる又は同軸になっているので、ダクト１０３、水力タービン１０８及び発電機１０９は、海洋１０２の表面より下方に完全に沈められる。
【００７８】
図５の実施形態のような海洋波エネルギー抽出システム１００の或る種の適用では、海洋１０２の表面より上方に配置された発電機１０９を有していることは、有益である。これは、タービン１０８及び発電機１０９間の適切な機械結合１１１によって容易に実現することができる。この実施形態では、水力タービン１０８及び発電機１０９は、海洋１０２の表面より下方に先と同じく完全に沈められる。
【００７９】
これより図６を参照すると、ダクト１０３の配列１１２が示されている。配列１１２の各ダクト１０３は、関連付けられる振動水柱１０４を受け入れるように配置されている。各水柱１０４の振動は、その後海洋波エネルギー抽出システム１００の水力タービン１０８を駆動するために使用される。ダクトの配列１１２を形成するために複数のより小さいダクト１０３を使用することは、個々のダクトの扱いが比較的により容易であることから、システムの設置時に有利であることは、当業者には理解されることであろう。配列を形成するために異なる長さのダクトを使用することも可能であることも理解されることであろう。
【００８０】
当業者には理解されることであろうが、ダクト１０３を海洋１０２の表面より下方に沈めることで、ダクト１０３は、海洋波がシステムに衝突する時に発生する大きい予測不可能な動的力を被らないであろう。故に、実用寿命に亘ってシステムの持続可能性を確実にするためにシステムに組み込む必要がある或る水準の冗長度は、劇的に下げられる。結果的には、システムに伴うコストは著しく下がり、システムの商業的な実現可能性は高められる。
【００８１】
これより図７から図１０で示される実施形態を参照すると、図示の海洋波エネルギー抽出システム２０１は、海洋２０２のような水塊の中に設置されている。システム２０１は、８個のＬ字型ダクト２０３の配列を含んでいる。各ダクト２０３は、Ｌ字型を形成している第１の概ね水平な区分２０５及び第１の区分から横方向に伸張している第２の概ね垂直な区分２０６を有している。傾斜部分２０７の形状をした流れ制御区分は、関連付けられるダクトの内部で乱流を減らす又は抑制するために各ダクトの接合部に配置されている。
【００８２】
各ダクト２０３の第１の区分２０５は、使用時水塊から水を受け入れる開口端又は流入口２０８を有している。図９及び図１０を参照すると、ダクト２０３の配列は、各ダクト２０３の流入口２０８が水塊の平均表面水準より下方で実質的に同じ深さに沈められるように作られていることを見ることができる。各ダクト２０３によって受け入れられた水は、各ダクトに関連付けられる個別のタービン２１６を駆動する振動水柱を形成する。
【００８３】
各ダクト２０３は、水塊の平均表面水準に対して所定の深さでシステム２０１の浮遊を容易にする浮力要素を有している。各浮力要素は、関連付けられる第２の区分のそれぞれの左及び右外側側壁で側面に沿って配置されている、左浮力モジュール２０９及び右浮力モジュール２１０から形成されている。図８を参照すると、浮力モジュールは、システムの組み立てを支援するようにＶ字型の構造になっていることを見ることができる。
【００８４】
図７及び図９で最も明白に示されるように、ダクト２０３は、支持フレーム構造によって相対的に間隔を空けた関係で保持されている。支持フレームは、２つの外側ブレースフレーム２１１、２１２及び内側中間ブレースフレーム２１３を含んでいる。
【００８５】
システム２０１は、ダクト２０３の第１の群２１４及び第２の群２１５を含んでいる。第１の群２１４は、左外側ブレース部材２１１及び内側ブレース部材２１３の間に、及びそれらのブレース部材と実質的に平行に伸張している、共通軸Ｉ−Ｉ沿いに配置されている。図８で最も明白に示されるように、各ダクトは、共通軸Ｉ−Ｉから約１５度の角度「α」に向いている。ダクトの第２の群２１５は、内側ブレース部材２１３及び右外側ブレース部材２１２の間に、及びそれらのブレース部材と実質的に平行に伸張している、共通軸ＩＩ−ＩＩ沿いに配置されている。第２の群２１５のダクトは、共通軸ＩＩ−ＩＩから約マイナス１５度の角度に向いているので、第２の群のダクトの流入口は、第１の群のダクトの流入口とは異なる方向に、故に卓越海洋波に対して異なる方向に向くようになっている。波方向がシステムの全体効率に及ぼす影響は、或るダクトへの流入口が、配列の他の流入口に対して異なる方向に向いているダクトの配列を有することで低減されるであろうことは、当業者には理解されることであろう。ダクト２０３が共通軸に対して回転される実際の角度は、プラス／マイナス１５度に限定されるわけではなく、その場所の波候状態に最善に適合するように決定されるであろうことも更に理解されることであろう。
【００８６】
この様な次第で、乱流の水準が低下されるのでシステムがより効率的に電気を発生させる、海洋波エネルギー抽出システムを提供することが本発明の少なくとも好適な実施形態の利点である。
【００８７】
波方向がシステムの効率に及ぼす影響を減らす海洋波エネルギー抽出システム用の波振幅拡大装置を提供することが本発明の少なくとも好適な実施形態の別の利点である。
【００８８】
システムの主要構成要素の１つ又はそれ以上が海洋の表面より下方に完全に沈められるので、それらの構成要素が卓越海洋波に関連付けられる比較的大きい非一貫性の予測不可能な動的力から大いに保護される、海洋波エネルギー抽出システムを提供することが本発明の少なくとも好適な実施形態の更なる利点である。有利なことに、水中のダクト及びシステムの他の要素は、非常に稀な暴風だけに発生すると知られている力に耐えることを求められないので、少ない補強しか必要ではなく、それ故に、システムの製造、設置及び継続的な維持の費用を下げることになる。
【００８９】
振動水柱のエネルギーを電気エネルギーに効率的且つ効果的に変換するために水圧変換工程を使用する、海洋波エネルギー抽出システムを提供することが本発明の少なくとも好適な実施形態のその上更なる利点である。
【００９０】
周辺環境に与える視覚的な影響を少なくする、海洋波エネルギー抽出システムを提供することが本発明の少なくとも好適な実施形態のその上また更なる利点である。
【００９１】
本発明は、特定の実施例を参照しながら説明を行ってきたが、本発明を多くの他の形態で具現化してもよいものと当業者には理解されることであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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１０】
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