(57)【要約】  空気圧縮を用いる波エネルギー変換装置（ＷＥＣＷＡＣ）は、シリンダと、シリンダ内に配置されてシリンダを上室及び下室に分割するピストンとを備える。シリンダは、上／下（波のうねり）運動が抑制されている柱体に固定して取り付けられている。ピストンは、波とほぼ同調して動くフロートに固定して取り付けられると共にフロートによって駆動させられる。通常の波の状態下では、ピストンは、その上昇行程の際に上室内で、且つその下降行程の際に下室内で空気を圧縮するように機能する。すなわち、したがって、本システムは複動式である。静水中では、柱体とシリンダとの組合せ体は、ピストンに対して水中内へ下方に変位し、それによって、上室の寸法／容積が縮小する（この間、下室の寸法／容積は増大する）。低振幅の波の場合、ピストンは、上室の空気を圧縮し続け、この非対称な圧縮は、波が所定のレベルに到達するまで続き、そのとき、「複動」が再開される。ピストンに対するシリンダの位置を制御することによって、ＷＥＣＷＡＣが、変化する波の状態に適合するようにその圧縮「行程」を自動的に調整することが可能になる。ＷＥＣＷＡＣからの加圧空気は、ターボ発電機を駆動させるために蓄積及び／又は処理されるか、又は単一の大型且つ非常に効率的なターボ発電機を駆動させるために他のＷＥＣＷＡＣの出力と結合することができる。
2009537733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波エネルギー変換装置（ＷＥＣ）であって、
水域の水面に沿って位置することを意図されていると共に、前記水域に存在する波と同調して動くように構成されているフロートと、
前記水域において浮くことを意図されている柱状体であって、通過する波に応答して鉛直方向に上下に動く傾向にあるが、該波とはほとんど同調しない柱状体と、
前記柱状体に取り付けられており、前記柱状体を安定させるために該柱状体の有効質量を増やし、該柱状体の上／下運動を妨害し、且つ該柱状体を静水中で下方に変位させるための制限手段と、
前記柱状体の上端部に取り付けられたシリンダであって、前記シリンダは、空気が圧縮されることを可能にし、周囲空気が該シリンダに引き込まれることを可能にする少なくとも１つの入口ポートと、圧縮空気を出力する少なくとも１つの出口ポートとが設けられてほとんど閉じているシリンダと、
前記シリンダ内に配置されたピストンであって、ピストンロッドを介して前記フロートに強固に接続されることによって、前記柱状体に対する前記フロートの運動に応じて前記シリンダ内で空気を圧縮するピストンと、
を備える波エネルギー変換装置（ＷＥＣ）。
【請求項２】
前記シリンダの前記ピストンよりも上の内側部分は上室として画定されると共に、前記シリンダの前記ピストンよりも下の内側部分は下室として画定され、且つ、前記シリンダの前記ピストンに対する位置は、波の振幅に応じて前記２つの室の一方の容積を縮小させながら他方を増大させるように変化し、前記波の振幅に応じて前記シリンダ内の前記圧縮室の容積を調整し、前記ピストンの前記圧縮行程が自動的に調整されることを可能にする請求項１に記載のＷＥＣ。
【請求項３】
前記シリンダは、前記ピストンよりも上の上室と、該ピストンよりも下の下室とを有し、前記上室内に入った空気は、前記ピストンの上昇行程の際に圧縮され、前記下室に入った空気は、前記ピストンの下降行程の際に圧縮される請求項２に記載のＷＥＣ。
【請求項４】
前記制限手段は、前記柱状体の水中に沈んでいる部分に取り付けられた留め板である、請求項３に記載のＷＥＣ。
【請求項５】
低振幅の波の場合、前記上室の容積は縮小され、それによって、所望のレベルの空気圧縮を行う前記ピストンの前記圧縮行程が短くなる請求項３に記載のＷＥＣ。
【請求項６】
前記フロートは、中空であると共に、前記圧縮空気を収容及び処理する手段を備える請求項２に記載のＷＥＣ。
【請求項７】
タービン発電機は、前記フロート内に配置され、且つ前記圧縮空気は、発電のために前記タービン発電機に分配される請求項６に記載のＷＥＣ。
【請求項８】
タービン発電機は、前記ＷＥＣの外部に配置され、且つ配管手段は、前記ＷＥＣからの前記圧縮空気を発電のために前記タービン発電機に分配するように設けられている請求項６に記載のＷＥＣ。
【請求項９】
前記シリンダは、前記ピストンによって上室及び下室に分割されており、且つ前記柱状体及び前記制限手段の組合せ体は、低振幅の波に応答して、前記柱状体に取り付けられている前記シリンダが前記ピストンに対して下方に動く傾向にあり、それによって、前記上室の寸法が縮小され、低振幅の波においてさえ空気が圧縮されることを可能にするように選択されている請求項１に記載のＷＥＣ。
【請求項１０】
前記柱状体の浮力と前記留め板の寸法とは、圧縮室内の前記ピストンの行程の動的且つ自動的な調整を可能にするように選択されている請求項９に記載のＷＥＣ。
【請求項１１】
波エネルギー変換装置（ＷＥＣ）であって、
水域の水面に沿って位置することを意図されていると共に、前記水域に存在する前記波と同調して動くように構成されているフロートと、
前記フロート及び前記水域の前記水面に対して鉛直に、ほぼ垂直に延在することを意図されている柱状体であって、前記水域の前記水面よりも下に延在していると共に、前記波とは同調せずに鉛直方向に上下に動くように意図されている柱状体と、
前記柱状体と前記フロートとの間に接続され、これらの相対運動に応答して空気を圧縮するパワーテイクオフ（ＰＴＯ）装置であって、空気圧縮機は、前記柱状体の上部に固定して取り付けられたシリンダを含み、該シリンダは、空気を取り入れる手段と、該空気を圧縮する手段と、該圧縮空気を外部へ排気する手段とを含み、前記空気を圧縮する手段は、前記フロートに接続されるピストンロッドによって駆動させられるピストンを含んでいるパワーテイクオフ（ＰＴＯ）装置と、
前記柱状体の水中に沈んだ部分に対称的に接続されている留め板であって、前記柱状体に対して垂直な平面内に延在し、前記柱状体の鉛直運動方向に対して横方向に延在する一対の対向する表面を有し、前記柱状体の上下運動を制限すると共に前記シリンダ内の前記ピストンの行程を調整する留め板と、
を備える波エネルギー変換装置（ＷＥＣ）。
【請求項１２】
組合せ体であって、
気体を圧縮するシリンダであって、該気体を取り入れる少なくとも１つの入力ポートを有すると共に、加圧状態下で前記気体を放出する少なくとも１つの出力ポートを有するシリンダと、
前記シリンダ内に配置されると共に、該シリンダを上室及び下室に効果的に分割するピストンと、
前記上室内及び前記下室内の前記気体を交互に圧縮するために前記ピストンを駆動させる手段と、
一方の室の容積を他方の室の容積に対して縮小すると共に前記ピストンの行程を変えるために、前記シリンダを前記ピストンに対して再配置する手段と、
を含む組合せ体。
【請求項１３】
前記シリンダは柱状体に固定して取り付けられ、且つ前記ピストンはフロートに固定して取り付けられ、該フロートは水域内で波とほぼ同調して動くと共に、前記柱状体の上／下運動はかなり制限される請求項１２に記載の組合せ体。
【請求項１４】
前記シリンダを再配置する手段は、前記組合せ体が静水中に下方に変位するように、前記柱状体及び前記シリンダの浮力を調整することを含む請求項１３に記載の組合せ体。
【請求項１５】
組合せ体であって、
水域上に浮いているＮ個の波エネルギー変換装置（ＷＥＣ）であって、Ｎは、２以上の整数であり、該ＷＥＣのそれぞれは、出力ポートに圧縮空気を生成する可変行程式圧縮機を備えるＷＥＣと、
前記ＷＥＣのそれぞれの前記出力ポートと収集接続点とに接続されて、前記Ｎ個のＷＥＣの出力を前記収集接続点において結合するために配管手段と、
前記収集された加圧空気を、発電機を駆動するためのターボ膨張器へ送る手段と、
を含む組合せ体。
【請求項１６】
前記収集接続点は、前記水域内に配置され、且つ前記ターボ膨張器及び前記発電機は岸上に配置されている請求項１５に記載の組合せ体。
【請求項１７】
前記ＷＥＣのそれぞれは、フロート及び柱状体を含み、該フロートは、水域の水面に沿って位置することを意図されていると共に、前記水域内に存在する波と同調して動くように構成されており、該柱状体は、前記フロート及び前記水域の前記水面に対して鉛直に、ほぼ垂直に延在することを意図されており、且つ前記水域の前記水面よりも下に延在していると共に、前記波とは同調せずに鉛直方向に上下に動くことを意図されており、且つ、前記可変行程式圧縮機は、前記柱状体の上部に固定して取り付けられたシリンダと、前記フロートに固定して取りつけられると共に該フロートによって駆動させられるピストンとを含み、前記ピストンは、前記シリンダを上室及び下室に分割しており、且つ、低振幅の波の場合、前記柱状体及び前記シリンダは、前記ピストンに対して下方向に変位し、前記上室の容積が縮小され、低振幅の波の場合でさえ該上室内で空気が圧縮されることを可能にする請求項１５に記載の組合せ体。
【請求項１８】
留め板は、前記柱状体の底部に接続されて、前記柱状体の上下運動と、前記柱状体及び前記シリンダの応答とを制限し、低振幅の波の場合に該柱状体及び該シリンダの下方への変位を可能にすると共に、前記シリンダ内の前記ピストンの行程を調整する請求項１７に記載の組合せ体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水域上の水面波に含まれているエネルギーを利用可能なエネルギーに変換し、例えば、最終的に電力を発電する波エネルギー変換装置（ＷＥＣ）に関し、また、複数のＷＥＣの出力を結合し、結合した出力を実用的且つ効率的な方法で伝達する手段に関する。
【０００２】
本発明は、２００６年５月１６日に出願された「POWER GENERATION USING WAVE ENERGY AND PNEUMATIC TRANSMISSION」と題する米国仮出願第６０／８００，６９６号の優先権を主張する。
【背景技術】
【０００３】
海洋の波エネルギーを効果的に利用する際に多くの重要な課題が存在する。波エネルギーは、頻度及び力が変わり易いものである。波の頻度は一般的に非常に少なく、且つ波の力は（小さい力から非常に大きい力まで）広範にわたって変化する。さらに、流体運動は、潮汐エネルギー又は風力エネルギーとは異なり、方向が一定ではなく、波は短時間にわたって上昇及び降下する。他方、既知の効率的な発電機は通常、高速で、低トルクで、単一方向の回転装置である。したがって、例えば、発電機を駆動させるのに波エネルギーを効率的に使用することができる形態に効率的に変換する装置を見つけることが主な課題である。多くのシステムが提案されてきた。しかしながら、効率的なエネルギー変換、長寿命及び低コストという要件を満たし得るシステムは知られていない。
既知のものの例として、Stanziola他への米国特許第３，６９７，７６４号（特許文献１）は、タービン発電機を駆動させて発電するのに使用される空気を圧縮する波エネルギーの使用を教示している。別の参考文献、Everson, Jr.への米国特許第４，０１２，１７３号（特許文献２）は、波によって給電される可変行程式圧縮機の使用を示している。知られている限りでは、これらの及び他の従来技術のシステムは、このような装置の組立及び操作の非実用性に起因して、製造又は市販されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第３，６９７，７６４号明細書
【特許文献２】米国特許第４，０１２，１７３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
空気圧縮システムに伴う重要な問題は、広範な波状態にわたって効果的に動作する必要性である。本発明の目的は、空気圧縮機が、広範な波状態にわたって効果的に動作することができるように、自動的にその行程を修正することができるようにする装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明を具現化する波エネルギー変換装置（ＷＥＣ）は、自己調整型且つ可変行程式の波力用空気圧縮機を備える。
【０００７】
本発明を具現化する、空気圧縮を用いる波エネルギー変換装置（ＷＥＣＷＡＣ）は、新規のパワーテイクオフ（ＰＴＯ）システムを備える。ＷＥＣＷＡＣは、パワーテイクオフ（ＰＴＯ）システムを通じて相互接続される２つの浮体を備える。一方の浮体は、波とほぼ同調して動く大型のフロートである。他方の浮体は、フロート内に配置される中央「柱体」である。中央「柱体」は浮体であるが、例えば、柱体の上下（波のうねり）運動を制限する大型の水面下の「留め板」によって、その上／下（波のうねり）運動はかなり制限されている。ＰＴＯは、２つの浮体間の反力を利用可能なエネルギーに変換する。ＰＴＯは、柱体に固定して取り付けられる、空気を圧縮するシリンダと、フロートに強固に接続されると共に当該フロートによって駆動させられるピストンとを備える。ピストンは、シリンダを上室及び下室に分割しており、２つの室間に位置決めされており、これらの室に引き込まれた空気を圧縮する。シリンダは、空気がフロート運動の上昇行程の際に上室内で圧縮され、下降行程の際に下室内で圧縮されるという点で複動式である。通常、図１Ａの（ａ）に示すように、通常予期される波状態の場合、シリンダは、ピストンが、その上下行程の際に上室及び下室内で交互に空気を圧縮するようにフロートによって上下に駆動させられている間は比較的静止していると考えられ得る。
【０００８】
本発明の重要な態様は、ピストン行程が可変であることである。柱体の浮力は、静水（すなわち低振幅波）中で、柱体が下方に変位して水中の深い所に位置しながら、シリンダの上部のみが水面よりも上にあるように設定される。（図１Ａの（ｂ）に示すように）シリンダの下方への変位によって上室の寸法／容積が縮小する。波の高さが増えると、ＷＥＣはシリンダの上室内で空気を圧縮し始め、柱体が、圧縮中に発生する力を受けて水面から上昇し始める。波が強まると、空気は、シリンダの下室内でも圧縮される。したがって、システムの動作をより一層効果的にする可変行程動作が提供される。従来の発明とは異なり、提案されるシステムは設計が非常に簡単であるが、異なる波状態に動的に自ら適合することができる。過度の行程の場合、衝突止め（又は空気ばね）を使用して、シリンダ頭部とピストン面との直接的な接触を回避する。
【０００９】
本発明の態様によれば、フロートは、圧縮空気を収容及び処理する中空部分を有するように作製される。シリンダ（複数可）内の圧縮に続き、加圧空気が中空フロートに圧送され、したがって、当該中空フロートは空気容器／蓄圧室の二役を果たす。この大容量容器は、空気がタービンに入る前に圧縮機（複数可）からの空気を円滑化する役割を果たし、したがって、速度変化を減らすと共に変換の効率を大幅に高める。タービンはＷＥＣＷＡＣ、又は離岸している別個のプラットフォーム、又は後方の岸上のいずれかに収納することができる。後者の２つの構成では、複数のＷＥＣＷＡＣからの空気は、単一の大型且つ高効率なターボ発電機を駆動させるために結合される。
【００１０】
さらに、複数の個々のＷＥＣＷＡＣからの圧縮空気を、低損失の圧送のために滑らかな管を通して発電機に送るために結合する。したがって、各ＷＥＣＷＡＣの空気圧縮システムは、単一のタービンへ連絡網組織（ネットワーク）でつなげることができる。ＷＥＣＷＡＣのこの「発電地帯」は、大型の中央ターボ発電機を稼働することができる。ターボ発電機の変換効率は寸法と共に増大することが一般的に知られている。送達損失を最小にするような寸法にされている空気分配システムの場合、全体のシステム効率は高い。さらに、システムは、タービン及び発電機の電子部品が、安定したプラットフォーム又は岸上に収納されることができるようにする。複雑性が個々のブイから取り除かれているため、ネットワーク化されたシステムは、保守及び修理がより簡単になる。各ブイのコストも著しく削減される。これらの利益は、発電総費用の著しい削減を可能にするように全て統合される。
添付の図面において、同様の参照符号は同様の構成要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明を具現化する、空気圧縮を用いる波エネルギー変換装置（ＷＥＣＷＡＣ）のかなり簡略化した断面図である。
【図１Ａ】（ａ）と（ｂ）は、図１のＷＥＣの動作を異なる波状態で例示する概略図である。
【図２】空気圧システムの簡略化した図である。
【図３】本発明を利用する１つのシステムを例示する概略図である。
【図４】本発明を利用する図３とは異なるシステムを例示する概略図である。
【図５】本発明を利用する図３及び図４とは異なるシステムを例示する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１を参照すると、本発明を具現化するＷＥＣＷＡＣのかなり簡略化した図が示されている。ＷＥＣＷＡＣは、フロート１．１と、中央柱体１．１０とを備える。シリンダ本体１．５が中央柱体１．１０よりも上に取り付けられており、留め板１．７が中央柱体１．１０の底部に取り付けられている。フロート１．１は、波に同調して動くように設計されている第１の浮体を画定する。フロートは任意の形状とすることができる。好ましい実施形態では、フロートは、中央に配置されている柱体に対して上下に動くことができるような形状の中央開口を有する環状体である。シリンダ１．５が設けられた柱体１．１０、及び留め板１．７は、波とは同調せずに動くように概して設計されている第２の浮体を画定する。したがって、第１の浮体及び第２の浮体は、互いに対して異なる位相で動く傾向がある。各浮体は、他方から独立して動くことができ、空気圧及び摩擦のみがこれら２つを繋いでいる。
【００１３】
フロート１．１は、つなぎ部材１．４を介してピストンロッド１．３に接続されており、当該ピストンロッド１．３は、ピストン１．２に接続されている。つなぎ部材１．４及びピストンロッド１．３は、ピストン１．２がフロート１．１と共に動くことを保証する固定された強固な接続を提供する。ピストン１．２は、シリンダ１．５を２つの室（上室１．８及び下室１．９）に分割しており、当該２つの室内で、ピストンの上昇行程及び下降行程の際に空気圧縮が行われ得る。図１に示す構成では、空気は、室１．８及び室１．９内、すなわち主ピストン１．２の上下の両方で圧縮される。したがって、圧縮機は「複動式」であると言える。
【００１４】
空気は、入口配管１．１１及び上側入口弁１．１２を介して室１．８に引き込まれる。同様に、空気は、入口配管１．１１及び下側入口弁１．１３を介して室１．９に引き込まれる。図１では、圧縮された排気は、排気弁（図示せず）を通って中空ピストン１．２に入り、次いで、中空ピストンロッド１．３及び単一の排気管１．６を通る。圧縮空気を回収するのに代替的な配管構成を使用してもよいことは明らかである。図１では、圧縮空気は中空フロート１．１の内部に格納されるが、その代わりに、他の適した場所に配置されている保持タンクに供給してもよい。
【００１５】
留め板１．７は、波の影響をあまり受けない水面よりも十分に下に配置されている。留め板が静水中を動くとき、大きな抗力を生成し、且つ大量の水を巻き込む。これによって、留め板は、主シリンダ１．５内の空気圧縮によって発生した大きな力に対抗することができるようになる。
【００１６】
管及び弁の配設
図２は、図１に示した空気圧システムの図である。空気は大気２．１から入り、水分離器２．２を通る。空気は次いで、一方向弁（２．３ａ及び２．３ｂ）を通ってシリンダの上室及び下室（２．４ａ及び２．４ｂ）に入る。ピストンは、フロートによって直接駆動させられ、上室及び下室内で空気を圧縮する。したがって、これは複動式であると言える。圧縮されると、空気は次いで、排気弁（図２の２．５ａ及び２．５ｂ）を通って中空ピストンに入る。排気弁は、ピストンの上面及び下面に設けられている。弁は、往復動圧縮機に通常使用されるものと同様の一方向（逆止）弁であるが、板型又はポペット型であってもよい。ピストンの詳細な設計と排気弁の正確な寸法とは、圧送損失を最小にするためにいずれも重要である。圧縮空気は次いで、中空ピストンを通って上昇し、中空フロートの異なる区画（２．７、２．８及び２．９）に入る。フロートは、所望に応じて、すなわち使用する製造方法に応じて別個の区画に分割することができる。
【００１７】
図２に示す構成では、タービン２．１０は、部材から保護される複数のフロート区画のうちの一区画の内部に収納される。空気はタービン（２．１０）に入り、タービンタンク（２．１１）内に拡がる。軽く負荷を掛けられている逆止弁を通過した後、空気は次いで、大気（２．１２）へ吐き戻される。本システムの別の実施形態（図示せず）では、タービンは、遠隔に、例えば、隣接して浮遊しているプラットフォーム上に格納されている。
【００１８】
可変行程メカニズム
海洋の波の不規則な性質に起因して、効果的な空気圧送ブイは、その圧縮行程を変化させることができなければならない。可変行程が使用されない場合、ＷＥＣＷＡＣからの供給圧力は、小規模の海ではかなり低下し、これによって、効率的に発電することが極めて困難になる。複数の可変行程概念が以前から提案されている。しかしながら、これらのシステムのいずれも実用的ではなく、簡単でもないか又は自己調整型ではなく、したがって、信頼性及びコストの両方が損なわれている。既知のＷＥＣシステムでは、中央柱体は一般的に、大型の深層留め板（複数可）によって比較的安定して保持される。本発明を具現化するシステムは、留め板をＷＥＣを安定化するのに使用すると共に、圧縮行程を変化させるのにも使用する。留め板の使用は、所望の機能を実行する部材を例示するのに使用されている。代替的な反力基体を、柱体の上下運動及びその浮力を制御するために使用することができることに留意されたい。すなわち、本発明の重要な態様は、２つの働き：１）柱体の上下運動を制限すること（及び、したがって発電のための反力を提供すること）、並びに２）空気圧縮システムの行程を調整すること、を行う「留め板」の使用を含む。この可変行程メカニズムは受動的であると共に、異なる波条件のために（例えば、低振幅波環境においてさえ）システムが効果的に動作することができるようにするという点で重要である。
【００１９】
柱体（１．１０）の重量及び浮力は、静水中で、柱体が水中の非常に深い所に位置しながら、シリンダ（１．５）の上部のみが水面よりも上にあるように調整される。これは、低振幅波の場合、上室１．８の最大掃気容積が縮小され、空気がピストンによって十分に圧縮されることができるようになることを意味する。通常予期される波環境下では、シリンダは、波のサイクルの中間地点にあるピストンが、図１及び図１Ａの（ａ）に示すように、実質的にシリンダの頂部と底部との中間になるように位置決めされる。すなわち、室８及び９の圧縮空気（又は任意の適した気体）の容積は概ね等しい。しかしながら、静水中では、（設計されているような）シリンダ及び柱体は、図１Ａの（ｂ）に示すように下方に変位する。シリンダの頂部は下方に動き、ピストンの上面の近くにある。シリンダ／柱体の上／下運動は、波と同調して動くフロートに結び付けられているピストンの応答時間と比較して比較的遅い。したがって、上室内で空気を圧縮するピストンの行程（移動）は短くなる。したがって、効果的な圧縮は、低振幅波の場合でさえ上室内で起こる。
【００２０】
波の高さが増え続けると、シリンダは上室１．８内の空気圧を受けて上方に押し上げられ、上室１．８の最大掃気容積は増大する。シリンダの内部の空気圧が強まると、衝突止めは頻繁には使用されない。また、波の高さが増えると、下室１．９が圧送し始め、次いで、システムの平衡が保たれ、上室及び下室は互いに対して圧送する。
【００２１】
波の高さが突然増える場合（過度の行程）、衝突止めが、ピストンとシリンダ頭部との直接的な接触を回避するのに使用される。衝突止めは、任意の衝撃吸収器具（空気ばね、流体ばね、又は簡単な機械ばね）として考えられ得る。空気ばねは、ピストン面とシリンダ頭部との接触を回避するために主シリンダ（１．５）に設けることもできる。システムが「起動」すると、衝突止めはほとんど使用されない。
【００２２】
したがって、本発明を具現化するＷＥＣは、波と同調して動くフロートと、シリンダ内で空気を圧縮するピストンを含む空気圧縮機のシリンダを収容する鉛直構造体（柱体）とを備える。ピストンは、つなぎ部材１．４によってフロートに強固に接続され、当該フロートは、通過する波に応答して上下に変位する。シリンダの上／下運動は、（例えば留め板によって）制限され、したがって、通過する水面波に比較的応答しない。また、静水中で、留め板又はこれと同様の構造体を有するシリンダ及び柱体は、シリンダの上端がピストンの上面の近くに位置するまで水中で沈む傾向にある。通過する水面波の場合、フロートは、静止しているシリンダに対して動き、したがって、ピストンは、シリンダの上端に対してシリンダ内を動く。したがって、ピストン行程の長さは、波の振幅の関数であり、シリンダの上室内の空気圧縮は、かなり低い振幅波の場合でさえも得られる。
【００２３】
本発明の別の重要な態様は、波従動子及び空気容器の二役を果たす中空フロートの使用を含む。好ましい実施形態では、フロートは、柱体の周りで上下に摺動することができるようにする環状体である。しかしながら、フロートを空気容器として使用することは必須ではない。代替的な構成では、空気格納容器を、柱体若しくは相互接続空気管設備内に又は岸上に収納することができる。実際に、ＷＥＣＷＡＣの数が増えると、円滑化が相互接続管設備内でますます起こるようになり、円滑化のための格納の重要性が減り得る。
【００２４】
したがって、本発明を具現化するＷＥＣＷＡＣのパワーテイクオフ（ＰＴＯ）システムは、発電するタービン発電機を駆動させるのに使用する空気圧縮機を備える。本発明の興味深い態様は、シリンダの位置をピストンに対して動かすことによって可変行程が得られることである。説明される実施形態では、シリンダの位置は、柱体／シリンダの組合せ体の浮力が選択されると実質的に自動的に決まる。本発明の概念は、シリンダをピストンに対して動かす他の適した手段に適用される。シリンダの位置決めは、波とほぼ同調するフロートの一次関数である、ピストンの行程運動から比較的独立していることを理解されたい。
【００２５】
ネットワーク化されたＷＥＣＷＡＣブイ
本発明のさらに別の態様を図３に示す。この図のブロック３．１は、エネルギー源からエネルギーを捕捉する任意の装置、例えば風車とすることができる原動機を指す。しかしながら、好ましい実施形態では、原動機は、本明細書に記載される装置のような、又は２００４年７月２７日に発行された米国特許第６，７６８，２１６号（その主題が参照によって本明細書に援用される）に開示されているような、空気圧縮を用いる波エネルギー変換装置（ＷＥＣＷＡＣ）を含む。
【００２６】
ここで図４は、通過する波に応答して、静止している支持体に対して移動するように取り付けられるシリンダを備えるＷＥＣＷＡＣ（例えば１１０）のネットワークを示す。装置部品間の相対移動は、ＰＴＯシステムを駆動させるのに使用する。本発明によれば、ＷＥＣ部品の相対移動は、適した作動気体、例えば窒素であるが、好ましくは周囲空気を加圧する気体圧縮機（図３のボックス３．２）を駆動させるのに使用する。
【００２７】
一実施形態では、空気は通常、０．５バール〜１０バールの範囲の圧力に圧縮される。理想的には、各ＷＥＣＷＡＣからの出力は一定の圧力であるが、空気の圧縮性質は、これが不要であることを意味する。選択される圧力範囲は、加圧空気の効率的な送達（図３の項目３．３）、及び単一又は多段階の膨張器を使用して空気エネルギーを回転運動へ変換すること（図３のボックス３．４）の両方に適している。
【００２８】
一般的に知られているように、管（すなわち、滑らかな管）に沿った空気輸送は、摩擦損失が低いため非常に効率的である。例えば、４０ＭＷを、１．２ｍの直径の管を介して１．５ｋｍにわたって、５パーセント未満の損失で送達することができる。空気を送達するのに使用される管は高価でなく、漏れが生じる場合、管から漏れるのは、環境影響の少ない空気のみである。管は、エネルギーを格納すると共に、加圧空気によって駆動させられる発電機の出力を円滑化する自然な貯留槽としての役割も果たす。
【００２９】
有用な作用は、加圧空気の膨張によって実行される。空気膨張は、１つ又は複数のターボ膨張器によるものであり、当該ターボ膨張器は、高速で運転すると共に、空気圧を、通常５０００ｒｐｍ〜７００００ｒｐｍの高速回転運動に変換する。高速は、単一又は多段階の膨張器を介する効率的なエネルギー変換を可能にしながら、また、寸法及び重量を最小限に止める。空気は、高速シャフトを駆動させると共に、低温で（−８０℃の低さで）膨張器から排気される。次いで、冷気を、発電機及び補助装置を冷却するのに使用することができるが、空調プロセス、又は冷気を必要とする別の工業プロセス（冷凍／乾燥）に使用してもよい。
【００３０】
高速発電機を使用して電力が生成される（図３のボックス３．５）。当該高速発電機は、好ましくは、ターボ膨張器に直接接続され、したがって、同じ速度（１５０００ｒｐｍ〜５００００ｒｐｍ）で運転する。この速度では、発電は非常に効率的であり、また、小型の機械しか必要としない。発電機は、好ましくは３相出力を有する永久磁石機であり、好ましくは、付随する高速のために、空気軸受け又は磁気軸受け上で運転する。発電機の冷却は、密閉空気又は液体システムを介するものであり、この一次空気の間接的な冷却は、膨張器の排気時に生じる冷気又は海水によって行われる。必要であれば、発電機を減速させるのに歯車装置を使用することができる。
【００３１】
生成される電流は、好ましくは、中間域：５００ボルト〜８００ボルト、且つ２５０Ｈｚ〜５００Ｈｚの周波数である。しかしながら、より小型のシステムの場合、低いＤＣ電圧を発生することが有用であり得る。出力電流は、送電系統につなぐことを可能にするように、安定した周波数、高品質で、且つ十分な保護を有する出力を生成するために、パワーエレクトロニクスを介して整流及び反転される。地方の送電系統電圧に合わせるために、適当な変圧器が使用される。ここで、電力調整を全て行うことができると共に、必要とされる保護リレーを全て提供することができる市販のユニットを利用することが可能である。
【００３２】
空気を使用することによって、効率的なパワーテイクオフ及び変換システムが形成されると共に、複数のさらなる重要な利益が与えられる。
【００３３】
短距離又は中距離にわたる送電が、空気を使用すると効率的である。よって、このような空気輸送を、複数の局所的なＷＥＣＷＡＣ装置を接続するのに、さらには、電力網が配置されている場所にエネルギーを伝達するのに使用することができる。
【００３４】
「生の動力」を空気により伝達する機会は、本プロセスを制御する電子的な構成要素を安全且つクリーンな環境において収納することができることを意味する。理想的には、発電設備は岸上にあると共に電力網の接続地点の直ぐ隣にある。 
【００３５】
水面波からのエネルギーは間欠的に生じるが、複数の装置を組み合わせることによってエネルギーを単一のターボ膨張器に供給することにより、この間欠性の大部分を取り除くことができる。
【００３６】
上述したように、管（これを通って空気が送達される）は、円滑化及び格納貯留槽としての役割を果たすが、より一定の出力を可能にするために、付加的な格納庫を容易且つ経済的に追加することができる。空気を岩塩ドーム等の地中に圧送することによって大規模なエネルギー格納庫へ移動させることさえ可能である。これは、出力の信頼性及び予測性を著しく良好にし、圧縮空気による地中貯蔵は、電力の「貯蔵」のための圧送貯蔵に代わる代替形態として検討されてきた。
【００３７】
太陽熱又は産業廃棄物熱を、ＷＥＣＷＡＣネットワークからの圧縮空気に追加することもできる。これはタービン電力を著しく増大させ、且つ太陽エネルギーを電力に非常に効率的に変換することも可能にする。
【００３８】
システム全体が経済的である。発電機及び膨張器の小寸法及び高速性質はこれらの供給及び適合を安価にし、空調電子機器は市販されている。また、上述したように、相互接続及び送達用の管路は、容易に利用可能であると共に比較的安価である。
【００３９】
図４は、本発明による構成を示し、当該構成は、水域上に浮遊している複数のＷＥＣＷＡＣを含み、各ＷＥＣＷＡＣは、上記で説明したように圧縮空気を生成している。各ＷＥＣＷＡＣからの加圧空気は、同様に水域内に配置されている収集接続点４．２に送達され、収集された加圧空気は、電力調整ユニット４．８によって制御される発電機４．６に隣接して岸上に配置されているターボ膨張器４．４に送達される。このようにして生成された電力は電力網４．９に与えられる。
【００４０】
図５では、ターボ膨張器付きの発電機、及び電力調整ユニットが、離岸して、「母」ブイ上に又は離岸しているプラットフォーム上のいずれかに配置されている。したがって、電力は岸から離れた所で発生し、ケーブルによって岸上の電力網へ導入される。
【図１】
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【図１Ａ】
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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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【国際調査報告】
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