JP5025634B2 - 波エネルギから発電する装置及び制御システム - Google Patents

Description

本発明は、波からエネルギを取り出すことにより発電する装置に関する。この装置と共に使用される制御システムも説明される。

エネルギ生産に化石燃料を使用することにより引き起こされた地球温暖化及び環境汚染に対する関心の結果、潮の動き、波力及び風力のような、いわゆる「環境に優しい（green）」エネルギ源又は再生可能なエネルギ源に向けた努力が為されている。

古くから、海及びその他の水体（body of water）の波は、実質的に未利用の膨大なエネルギを提供することが認識されており、海からエネルギを取り出すという目標を実現する目的のため、多くの発明が為されてきた。波エネルギを回収する１つの型式の装置は、下方に張り出すフラップ又は錘であり、これらは、波によりケーソン内にて往復運動状に旋回し又は揺動し、錘の往復運動が電力に変換される。かかる装置は、米国特許明細書４，５８０，４００号に記載されている。１つの代替的な装置は、往復運動するようパネルに取り付けられたヒンジ式レバーを有する、海底に設置され又は支持される構造体であり、かかる装置は、国際出願公開ＷＯ ２００４／００７９５３ＡＬ号に記載されている。この装置は、Ｌが使用位置にて予想される波の波長であるとして、約Ｌ／２の好ましい深さの比較的深い水中にて使用される。多少、同様の装置が国際出願公開ＷＯ ０３／０３６０８１号に開示されており、往復運動する本体は、中間深さの水域中で完全に水中に配置されている。これに反して、国際出願公開ＷＯ ９８／１７９１１号に記載された１つの代替的な装置は、浅い水中にて使用するためのものである。これは、深水の波が海岸に打ち寄せるとき、崩れ又は壊れる際に形成される「平行運動」波を使用するものである。この装置は、フラップを有しており、このフラップは、平行運動波によって後方に押され且つ、ばねを使用して各波の衝撃間に直立に戻る。

その他の波発電装置の多数の他の例が存在する。かかる装置は、以前から提案されたものであるが、これらの装置は、極めて苛酷な環境における堅牢さを欠如すること、苛酷な環境内にて使用するのに適したものとするために「過剰な技術（ｏｖｅｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒ）」の装置が必要となり、これに伴ってコスト及びメンテナンス上の問題が生じること、かかる装置を海底に確実に保持するため相当な固定装置を使用する必要性及びかかる装置のメンテナンス及び修理コストが比較的かなりのものとなることを含む、色々な理由のため、基本的に失敗である。

特に、以前に提案された装置は、全体として、非効率的である。入射波から捕捉される動力の量は少なく、その後、捕捉した動力を電気に変換する効率が劣る。装置は、大きな「急激増大部分」を出力に含む不均一な動力を発生させ、電気格子システム内に送り出すのに適した滑らかな動力の出力を提供することが難しい。

本発明の１つの目的は、上記の不利益な点の１つ又はより多くを回避し又は最少にすることである。

本発明は、装置を使用するとき、水体の底に固定し得るよう形成され且つ配置された基部分と、上記基部分と回動可能に接続された直立のフラップ部分であって、使用中、垂直線に対して偏倚され且つ、使用中、フラップ部分の面に作用する波の動きに応動して垂直線の回りにて後方及び前方に旋回し得るよう形成され且つ配置された上記フラップ部分と、フラップ部分の動きからエネルギを取り出す動力取り出し手段と、を備える、比較的浅い水中にて使用される波エネルギの変換装置であって、フラップ部分が水の動きに対面する状態にて基部分が水体の底に固定されたとき、基部分及びフラップ部分は、水の深さの少なくとも全体を通して垂直に延び、波頭から海底まで水の全深さに渡って波の動きに対して実質的に連続面を提供するように形成され且つ配置されることを特徴とする上記の波エネルギの変換装置を提供するものである。

フラップ部分は、垂直線に対して偏倚されるが、ある（弱い）海の状況の場合または波の動きが規則的でない場合、フラップ部分は、波が動く毎に垂直線を通して揺動しないことがときどきあることが理解されよう。

水の深さの全体（「水柱」）に渡って波の動きに対して実質的に連続面を提供することにより、本発明のフラップ部分は、所定の位置にて優勢な波の動きから最大量のエネルギを効率良く捕捉することができる。

フラップ部分の上方、下方又はフラップ部分内の比較的小さい空隙は、本発明の装置の動力捕捉ファクタに悪影響を及ぼす可能性がある。動力の捕捉率は、装置が捕捉した動力と装置に入射する波からの利用可能な動力との比として規定される。

例えば、基部分とフラップ部分との間、又はフラップ部分と海底との間にあって、波の動きが通ることのできる空隙は、動力捕捉の顕著な損失を引き起こす可能性がある。当該発明者達は、基部分とフラップ部分との間に空隙を有することは、本発明の特定の実施の形態に関する実験結果を基準にして、以下に説明するように、動力の捕捉損失が３０％にもなることを確認した。従って、基部分及びフラップ部分は、両者の間に空隙無しにて実質的に作用するように形成され且つ配置されることが好ましい。同様に、当該発明者達は、フラップ部分が波頭の水の表面まで延びないならば、フラップの頂部の上方にて損失が生じることを確認した。フラップ部分の比較的小さい穴又は通路は同様の効果を有する。このように、好ましくは、フラップ部分は、水の表面を貫通して上方に延びる、すなわちフラップが通常の静かな状態にて水を突き通すように形成され且つ配置されるようにする。

好ましくは、フラップ部分は、所定の位置にて潮の変化に起因する水深の変化、及び波高の予想される変化を考慮し得るように形成され且つ配置されるものとする、すなわち、フラップ部分及び基部分は、フラップが予想される全ての潮位及び海の状態にて水の表面を突き通すような寸法とされる。このことは、最も極端な（高い）海の状況を除いて、あらゆる海の状況における表面を含む、水の全深さ、すなわち水柱に渡って波エネルギを捕捉することを許容する。フラップに対して水面よりも上方に突き出す部分である、多少の「余裕高さ（ｆｒｅｅｂｏａｒｄ）」を提供することは、潮及び波の変化に対する余裕を持たせることになる。

好ましくは、装置は、６ないし２０ｍの、望ましくは、８ないし１６ｍの範囲の平均水深位置に合うように形成され且つ配置されるものとする。これらの浅い深さにて、典型的な海の位置にて利用可能な押し寄せる波のエネルギは、その他の波エネルギ変換装置が多々使用されるより深い深さにおけるよりも少なくとも実質的に大きい。これと同時に、十分な高さのフラップ部分が、波の動きからエネルギを効率的に取り出す揺動を有するのを許容する十分に深い深さは維持される。例えば、２２ｍ及び１０ｍの平均水深にて作動する１２ｍ×１２ｍフラップ部分の動力取り出し能力をモデルとする実験結果から、より浅い深さにて作動することの有利な効果が示されている。１０ｍの水深における動力の捕捉率は、研究する海の状況に依存して、２２ｍにおける動力の捕捉率の１．４ないし２．２倍であった。この増加は、１０ｍのとき、水の全深さの全体に渡るフラップのエネルギ捕捉効果と組み合わさって、水平方向波力が浅い深さのとき増大することが原因である。浅い深さにて、短いフラップ部分により崩れる波及び体積押し出し量の損失は、捕捉のため利用可能なエネルギを減少させ、また、システムの効率は、実質的に低下する。

望ましくは、フラップ部分は全体として矩形の形態を有するものとする。その他のフラップの形状が可能である。矩形の形態は全体として、平坦な補強板とすることができるが、フラップ部分の製造方法に依存して、その他の全体として矩形の本体を形成することもできる。フラップ部分が１つ又は複数の平坦な板から成る場合、これらの板は複合的な補強構造体にて形成されることが好ましい。このことは、フラップ部分が波の動きによって加えられた力に耐える能力を向上させることになる。例えば、フラップ部分はスチール板の２つの外板を備え、スチール補強バーがその間に規則的な間隔にて配置され且つ、板の各々の内面に溶接される構造とすることができる。使用中、フラップ部分に対し、補強バーと外板との間の間隙をコンクリートのような材料にて充填し、追加的な強度を提供し且つ、浮力を調節することができる。フラップ部分は、モジュラー式構成要素から成る構造とすることができる。例えば、フラップは、水平に又は垂直に平行に且つ互いに隣接して積層し、フラップに対し全体として矩形の形態を提供することにより、平面内に配置された配管又は管の全体として円形断面の部分を備えることができる。望ましくは、管がフラップ部分を形成するよう水平に積層される場合、配管又は管の部分は異なる直径とすることができる。基部付近の管の小さい部分（回動点）及び頂端縁に向けた付近の管のより大きい部分を有するフラップ部分は、以下に説明するように、フラップ部分の偏倚及び堅牢さを制御することに関して幾つかの有利な効果をもたらす。

このようにして、管部分から構成されたフラップ部分は、多数の有利な効果を有する。フラップ部分の「モジュラー式」構造は、フラップが組み立てられる建造現場まで容易に輸送することを可能にする。管は、強力な波の動きからのもののような巨大な力、特に、衝撃、捩れ及び座屈力に耐えることのできる固有の強度を有する。しかし、フラップ部分の表面に作用する波の押し寄せる力は、管部分が当接する線における管の曲線の「漏斗状」効果により増大する傾向となる。望ましくは、管が当接する箇所にて、波の局所的な衝撃力を減少させるため詰め材料が提供される。好ましくは、フラップ部分の少なくとも上側部分には、弾性面が設けられるものとする。該面は、過渡的衝突エネルギを吸収し、フラップ部分の損傷を回避する作用を果たす。例えば、フラップ部分が大きい管部分から成る場合、管部分は、その上にら旋状に巻かれ又はスリーブとして摺動する、弾性材料の小径の管を有することができる。このことは、大きい管の表面に順応性のある層を提供することとなる。管部分から成るフラップ部分は、以下に説明するように、フラップの浮力、従って、偏倚効果を容易に調節することも可能にする。

装置の全体、基部分及びフラップ部分の高さは、装置が配置される深さに適するような寸法とし、フラップ部分は、少なくとも静かな状態にて水を突き通すようにする。利用可能なエネルギの捕捉率を最大にするため、フラップ部分の高さは、装置の全体的な高さよりも全体として僅かに低くする。例えば、装置が１２ｍの高さである場合、フラップ部分は、２ｍの基部の上に１０ｍの高さのものとして位置するものとすることができる。波の動きをフラップに向ける偏向板を基部に装着することにより、動力の捕捉率を更に向上させることができる。好ましくは、フラップ部分は、その高さに少なくとも等しい幅を有するものとする。動力の捕捉率は、特定の実施の形態に関して以下に説明するように、フラップ部分の幅に依存することが判明した。より好ましくは、フラップ部分の幅は、フラップ部分の高さの１ないし３倍の範囲にあるものとする。８ないし１６ｍの好ましい水深及びこれら深さにおける海中の予想される波のパターンに対し、１０ないし３０ｍの幅の範囲とすれば、幾つかの波周期及び（又は）実施の形態の場合、８０％という比較的効率的なエネルギ捕捉率となる。

好ましくは、フラップ部分は、０．５ないし２ｍ、好ましくは、１ないし１．５ｍの範囲の半径とした、丸味を付け又は曲線状とした頂端縁及び（又は）側端縁を有するものとする。特定の実施の形態に関して以下に説明するように、フラップ部分に対し丸味を付けた側端縁を提供することは、波がフラップ部分の端縁の回りを動くときの渦流に起因する動力の損失を減少させることにより、動力の捕捉率を増すことになる。所定のフラップ部分の側端縁の適宜な曲線状の形状又は曲率とすることは、適宜な実験により容易に決定することができる。

海底に設置した基部及び回動するフラップを利用する既存の既知の設計のものは、実質的に海面下にて留まるフラップに重点を置くものであり、本発明は、フラップ部分は、水面を突き通すように形成され且つ配置される点にて、全く異なる方向を目指すものである。

フラップは、板の１つの面が選んだ位置にて波の優勢な方向に直接、向くように海中に配置されている。フラップ部分の表面に加わる波の圧力は、圧力差を引き起こし、これにより、フラップ部分がその回動点の回りにて前後方向に揺動するようにする。

上述したように、フラップ部分は、多少の余裕高さが利用可能であるように水面を突き通すようにすることが好ましい。フラップ部分は、垂直線からの波の動作によって傾動するから、水面を突き通すフラップ部分の量（余裕高さ）は減少する。このことは、波の大きさに依存して、波の一部分がフラップ部分の上を通るとき、動力の損失が生ずることになる。

この効果は、フラップ部分の頂部に追加的な構造体を設けることにより緩和することができ、この追加的な構造体は、フラップ部分が傾動し且つ、余裕高さが減少したときでさえ、表面にて波とより能動的に反作用する。例えば、フラップ部分は、その頂端縁に沿って、フラップの平面に対して直角に取り付けられた実質的に平坦な追加の平坦板を有して、「Ｔ」字形、閉じた「Ｙ」字形又は逆「Ｌ」字形の構造体を形成することができる。全ての場合、これらの追加の構造体は、水がその上を且つその回りを滑らかに流れるよう丸味を付けた端縁を有することが好ましい。

これと代替的に、フラップの頂部分は、代替的な形状を有するようにしてもよく、例えば、フラップの頂端縁は、フラップ部分の全体的な厚さよりも実質的に大きい直径の全体として円筒状の形態を有することができる。この配置は、フラップ部分が水平に置かれた一連の管部分により構成されたモジュラー式形態である場合、特に、好ましい。フラップ部分の頂端縁は、より大径の管部分を「標準的な」管部分の「積層体」の頂部に追加することにより、簡単に製造される。

その他の形状とすることも考えられ、水を突き通すフラップ部分の部分の輪郭外形は、フラップ部分が通常の海の状態にて予想される最大の傾動角度近くにあるとき、動力の捕捉率を向上させ得るよう形成される。

本明細書にて使用するように、「比較的浅い水」という語は、６ないし２０ｍの範囲の深さの水を包含することを意図するものであり、このため、かかる配置に対し、装置、すなわち、基部分及び上記フラップ部分は、装置が使用される平均水深よりも僅かに高い高さを有することができることが理解されよう。平均深さとは、装置が潮水にて使用されるときの潮の干満間の平均深さを意味する。

装置のフラップ部分は、垂直線に向けて偏倚されて、波の動作に応動して揺動する間、フラップに対して復原力を提供する。フラップ部分の偏倚は、また、その自然の揺動周期にも影響を与え、このことは、動力の捕捉効率に限定された程度だけ影響を与える可能性がある。好ましくは、上記フラップ部分を上記基部分に対して上記の全体として垂直線の向きに付勢するのに十分な浮力を有するフラップ部分を提供することにより、垂直線に向けたフラップ部分の偏倚が実現されるものとする。このように、本発明の１つの配置において、上記の偏倚手段は、実質的な浮力を有する上記フラップ部分を備えている。望ましくは、フラップ部分の浮力は、調節可能であるのものとする。このことは、フラップ部分に対する復原力を調節することを許容する。空気又はその他の気体にて充填することができ、又は、発泡材料にて充填することのできる室をフラップ構造内に有することにより、フラップ部分内に浮力を提供することができる。例えば、フラップ部分が管部分から成る場合、その管部分は、少なくともある程度まで空気にて充填することができる。望ましくは、１つ又はより多くの空気にて充填した室を浸水させ、又は、部分的に浸水させることにより、フラップ部分の浮力は調節されるものとする。

望ましくは、フラップ部分は、高い浮力中心と、低い質量中心とを有するものとする。フラップの上方部分は、回動点から最も離れているため、使用中、最大の動きを経験し、このため、該上方部分には最大の力が加わる。その上方部分にて質量が減少した（浮力は、より大きくなる）フラップを備えることにより、該上方部分に作用する曲げ力は減少する。かかる望ましい性質は、例えば、水平に積層した管部分から成るフラップ部分であって、使用される管の直径がフラップの頂部に向かうにつれて増大するようにしたフラップ部分を提供することにより実現される。フラップの基部（回動点）付近にて管を浸水させ又は部分的に浸水させることにより、質量中心を低くすることができ、一方、フラップの頂部付近に、より直径の大きい管を用いて大きな空間容積を与えることにより、浮力中心をフラップの頂部に近づけることができる。

代替的な又は追加的な独立の偏倚手段を提供することができる。例えば、上記フラップ部分を上記基部分に対して全体として垂直な向きまで付勢すべくばね又は捩りバーを形成し且つ配置することができる。独立的な偏倚手段は、所望であるならば、調節可能とすることができる。

フラップ部分の回動軸線からその浮力中心までの距離、及び追加の慣性モーメントは水深に依存する。数値シミュレーション及び実験の結果、水深が実質的に２０ｍ以上である場合、入射波周期に適合するようにフラップの自然のピッチング周期を実現することは困難であることが分かった。任意の所定の時点にて波の高さは年間を通して均一ではなく、任意の所定の時点にて、入射波周期は相違するであろう。このため、装置の効率及び性能を最大にするため、フラップ部分は、その自然周期を変化させ得るように形成され且つ配置されている。このため、好ましくは、上記フラップ部分の浮力中心を変化させ、浮力を変化させ、フラップ部分の質量中心を上記基部分に対して動かし、フラップ部分の質量中心を変化させ且つ（又は）上記偏倚手段の特徴を変化させる手段が提供されるものとする。

好ましくは、動力の捕捉率を最大にするため、フラップの自然のピッチング周期は、入射波の主要な波周期と等しくなるように調節する。これは、次の手段の１つにより実現することができる。

−バラスト（典型的に、水）を追加し又は除去することによりフラップの質量を調節すること、
−内部質量の高さを動かすことによりフラップの質量中心を調節すること、
−拡張させることによりフラップ部分の体積を調節すること、
−又は、フラップと、基部分又は海底のような何らかのその他の固定点との間に取り付けられた、例えば、エラストマー的ばね又は圧縮気体（空気ばね）のような偏倚手段の剛性を調節することである。

好ましくは、極端な気象／波の事象の間、装置に加わる荷重を最小にし且つ、メンテナンスを容易にするため、上記フラップ部分は、海底にて（又は同様のもの）多少なりとも水平に位置することができるように形成され且つ配置されるものとする。好ましくは、この機能は、フラップを水にて浸水させることにより実現され、このため、海底に沈むか又はフラップ部分を海底に駆動し且つフラップ部分を固定位置に掛止めすることにより実現されるものとする。

好ましくは、極端な気象／波の事象の間、損傷の可能性のある荷重を最小にするため、フラップ部分の表面積は、入射波とのその連結効果を最小にし得るように減少させることができる。これは、次の手段の１つにより実現することができる。

−フラップ部分は、拡張可能であり、また、その寸法を縮小し得るように収縮可能である、
−フラップ表面の大部分は、極端な事象時に分離すること、すなわち、フラップ部分は、極端な荷重状態下にて規定された位置にて破断し、装置の残りは損傷されないままである設計とされること、
−フラップの上方部分、好ましくは、装置を使用するとき、水の表面を突き通す最上方部分は、極端な気象／波の事象の間、フラップ部分内に後退するように形成され且つ配置されることである。この配置は、上記頂部分への損傷を防止することになる。

海底に固定される先行技術の波エネルギ装置と関連した１つの特定の問題点は、比較的かなりの固定装置が必要とされることである。本発明において、また、フラップ部分の相対的浮力のため、先行技術にて開示された型式の実質的な固定システムは不要である。このように、好ましくは、迅速に取り付け且つ解除する固定手段、好ましくは、自己取り付けの固定装置が提供されるものとする。

本発明に従って複数の装置を提供することができ、このため、別の形態において、本発明は、上述した型式であり且つ、互いに相互接続された複数の波エネルギの変換装置を備えるエネルギ発生システムを提供する。

本発明に従った波エネルギの変換装置の配列から滑らかなエネルギの出力を提供するため、隣接する装置のフラップ部分は、主要な波の方向に対してある角度にてカスケード状に配置し、第一のフラップと最後のフラップとの間の距離が波の伝播方向に向けた少なくとも波長の１／４であるようにすることができる。

既存の設計による１つの重大な問題点は、メンテナンス目的のため、重荷重吊上げ装置を利用する必要性のため、メンテナンスコストが全体として高くなることである。本発明は、中立的浮力であり、従って、取り扱いを容易にする、構成要素、特に、フラップ部分を利用することは、かかる不利益な点を回避し又は最小にする。これは、装置の構成要素に取り付けられた発泡材又は低密度材料を利用し又は空気にて充填し浮力を増すか又は必要とされるようにバラスト（典型的に、水）にて充填することのできる空隙又は室を構成要素内に導入することにより実現することができる。

望ましくは、一日及び年間の双方を通して潮位を補償するため、フラップ部分の回転軸線は、基部分に対して上方に且つ下方に動かすことができる。このように、フラップ部分は、使用するとき、海底に対して上昇又は下降させることができる。好ましくは、フラップ部分は、それ自体が２つの支持部分の間に保持された支持軸の上に取り付け、該２つの支持部分は、フラップ部分及び支持軸が潮位の変化に応動して上方に且つ下方に動くことを許容する（フラップ部分の浮力により）。これと代替的に、フラップ部分は、アクチュエータ又はその他の手段に取り付けられる支持軸に取り付けてもよく、その他の手段は、フラップ部分を潮の状態に従って上方に又は下方に動かし得るように制御手段を備えて形成され且つ配置することができる。全ての場合、フラップ部分が上方に且つ下方に動くことができる場合、基部分及びフラップ部分は、水深の全体に渡って波の動きに対して実質的に連続面を提供する状態を継続する。このことは、例えば、可動の偏向板を基部分に提供する配置とすることができ、該可動の偏向板は、フラップ部分が上昇するとき、上昇して、波の動きに対する基部分の偏向板及びフラップ部分の連続面を提供する。

好ましくは、上記の動力取り出し手段は、高圧の液圧流体を利用して液圧モータ、望ましくは、可変流れ及び速度の液圧モータを駆動するものとする。流体は、好ましくは、フラップ部分により駆動されるピストン及びシリンダによりフラップ部分を揺動させることにより加圧され、該フラップ部分が液圧流体を加圧するものとする。可変流れ及び速度モータの有利な点は、好ましくは、コンピュータ制御装置により流れを連続的に調節し、フラップ部分の動力出力を最も効率良く使用することができる点である。コンピュータ制御は、可変速度モータの作動パラメータをフラップ部分の作動により発生された液圧流体の流れに適合させる。

より好ましくは、動力取り出し手段は、はずみ車によるエネルギ貯蔵体を介して可変速度発電装置システムと接続された液圧モータを備えるものとする。可変速度発電装置システムは、例えば、モータインバータ及びライン整流器により電気的格子システムと接続される可変速度モータ／誘電発電装置とすることができる。使用時、液圧モータからの出力を使用して、はずみ車を作動させ、該はずみ車からエネルギが可変速度発電装置システムを介して取り出され、電気を格子システムに供給する。はずみ車は、制御された動力取り出し率によってその最適な作動範囲内にて旋回する状態を保つ。好ましくは、可変速度発電装置システムの制御は、コンピュータ制御システムを介して行われるものとする。

好ましくは、波発電装置及びその動力取り出し手段の作動の制御は、連結コンピュータ制御システムによって為されるものとする。制御システムは、フラップ部分、液圧モータ及び可変速度発電装置システムの作動パラメータをリアルタイムにて調節して装置から電力の出力を最適にする。

コンピュータ制御システムは、フラップ部分、液圧モータを保持する液圧回路、はずみ車及び可変速度発電装置システムの作動を監視し且つ適宜なアルゴリズムに従ってパラメータを調節する。

好ましくは、波エネルギの変換装置は、波がフラップ部分を打撃する前に、波のパターン及び強度を決定するセンサを更に備えるものとする。これらのセンサは、波発電装置及び動力取り出し手段のパラメータを上記コンピュータ制御システムにより予測可能な態様にて調節することを許容する。センサは、例えば、フラップ部分の前方に配置することができる。

本発明は、波からエネルギを取り出す方法であって、
ａ）本発明に従った波エネルギの変換装置を提供するステップと、
ｂ）そのフラップ部分が波の方向に面するように上記装置を６ないし２０ｍの範囲の水深の水体の底に配置するステップと、
ｃ）波エネルギを上記水体中の波から取り出すステップとを備える上記の方法も提供するものである。

次に、添付図面を参照して本発明の更なる特徴及び有利な効果について説明する。

全体として参照番号１で示した波エネルギ変換装置は、図１にて概略図的な形態にて示されており、また、水体６の海底４に固定された基部分２を備えている。フラップ部分８は、上記基部分２から延び且つ、該基部分と回動可能に接続され、上記フラップ部分８は、装置が固定される水体の表面１０を突き通し得るように上方に延びている。フラップ部分８は、該フラップ部分における波７の動き応動して揺動する動きにて前後方向に動く。フラップ部分は、回動点１２にて基部分に取り付けられ、該回動点は、フラップ部分が基部分２に対してヒンジ止めすることを許容する。図示した実施の形態において、フラップ部分は浮力を有しており、このため、フラップ部分は基部分に対して全体として垂直の向きに付勢される傾向となる。その上の波の動作に対してフラップ部分の動きにより発生された動力を取り出すため、動力取り出し装置（図示せず、図５参照）が提供される。偏向板１３は、基部分の両側部に装着され、フラップ部分８まで入射波エネルギを向けることにより、その入射波エネルギからの動力の捕捉率を向上させる。

図１に示した配置と全体として同様である、図２を参照すると、フラップ部分には、フラップ部分８を基部分２に対して全体として垂直な向きに付勢する傾向の液圧ばね１４（概略図的に図示）の形態をした追加的な偏倚手段が設けられる。

図３には、弾性的に偏倚する特徴を有し且つ（又は）上記フラップ部分８を基部分２に対して全体として垂直な向きに付勢する捩り管１６が使用される１つの代替的な配置が正面図にて示されている。捩りバーが基部分２上にて偏向板１３（破線の外形線にて図示）の後方に配置されている。この捩りバーは、さもなければフラップ部分８と基部分２との間にあり、波エネルギの損失を招来する空隙となるであろう部分を覆う。

上述した双方の実施の形態において、ある程度の「余裕高さ」すなわち、水の表面の上方を延びるフラップ部分が存在する。更に、各場合にて、基部分２とフラップ部分８との間には、水が貫通して流れず、その結果、動力の損失が生じる実質的な空間が存在しない。

図４は、図１又は図２及び図３の装置と共に使用することのできるフラップ部分８の輪郭外形の斜視図である。フラップの側端縁１８は、フラップの回りにて波の打ち寄せとして発する渦流の効果を低下させるような半径とされている。フラップ２０の頂部分は、また、丸味が付けられている。

図５は、本発明の波エネルギの変換装置の揺動する動きを電気に変換する動力捕獲システムの概略図である。
本発明の装置のフラップ部分（この図面にて図示しないが、図１に全体的に図示）の揺動する動きは、適宜な連結機構（図示せず）及び駆動ロッド２１により、シリンダ２３内を往復運動し且つ複動型である液圧ラム（ピストン）２２に連結されている。シリンダ２３は、液圧回路２４の一部分を形成し、該液圧回路に対し、シリンダは、シリンダの排出端２８にて出口点２６により、また、シリンダ２３の他端（入口端）３２にて入口ポート３０により接続されている。

非戻り弁３６が装着された流体流れ通路３４は、回路２４内の液圧流体３７がシリンダの入口端３２からラム２２（ピストン）を通って排出端２８まで流れるのを許容する。
使用中、ラム２２がシリンダ２３内にて前後方向に揺動すると、液圧流体は、ラム２２の閉塞ストロークの間、流体流れ通路３４を通ってシリンダの排出端２８内に押し出される。ラム２４の開放ストローク時、流体は、非戻り弁３６の作用のため、流体流れ通路３４を通って流れて戻ることはできず、従って、シリンダ２３の出口ポート２６から圧送される。駆動ロッド２１は、シリンダ２３の断面積の半分の断面積を有する。このことは、シリンダ２３の入口端に面するラム（ピストン）２２の断面積は、シリンダ２３の出口端に面する断面積の２倍であることを意味する。その結果、ラム２２は複動式であり、その開放及び閉塞ストロークの双方にて同一体積の液圧流体を圧送する。この圧送動作は、回路２４内の液圧流体を加圧することになる。

シリンダ内のラム動作に起因する液圧回路２４内の圧力を使用して可変容積液圧モータ３８を駆動し、流体はこの可変容積液圧モータを通る。次に、液圧モータを駆動するため使用した流体は、リザーバ４０内に流れ、このリザーバ４０内にて、流体は、第二の非戻り弁４２及び入口ポート３０を介してシリンダ内に吸引して戻るよう利用可能であるように保持される。

空気４６を保持する圧力シリンダであるアキュムレータ４４は、シリンダ２３と液圧モータ３６との間にて圧力回路と接続されている。流体がシリンダから液圧回路内に圧送されると、空気４６は、圧縮されてラム２２の圧送動作により発生された圧力の一部を貯蔵する。このことは、液圧モータ３６に入る流体の圧力の変化を滑らかにし、より効率的な作動を許容するという効果がある。

液圧モータ３８は、液圧モータ３８からのエネルギがはずみ車と接続する誘電発電装置／モータ５０によって電気に変換される迄、そのエネルギを貯蔵するはずみ車４８を駆動する。誘電発電装置５０からの出力は、モータインバータ５２及びライン整流器５４を介して電気格子（図示せず）と接続するのに適した電気的出力５６に変換される。誘電発電装置／モータ及びその関連したインバータ及び整流器は、可変速度発電装置システムを形成し、この発電装置システムは、はずみ車から制御された態様にて動力を取り出すことによりはずみ車４８をその最適な範囲内にて旋回する状態を保つべく使用される。発電装置／モータは、はずみ車の速度の急激な増大に応動してはずみ車からのエネルギの取り出し率を変化させるようにコンピュータ制御される。このシステムからの出力を最適にするため、液圧モータ３８は、コンピュータ制御システム５８によって制御される。（コンピュータ制御システムから発電システムの色々な要素への接続は、明確化のため図面にて図示されていない。）コンピュータ制御システム５８は、特に、ラムの速度、液圧モータの液圧力及び回転速度を監視して、任意の所定の時点にてモータに対する最適な押し出し量を決定する。コンピュータ制御システム５８はまた、装置を優勢な波周期に対して同調させ、必要とされる海の特徴に依存して、動力及び角速度が同一位相であるようにする作用も果たす。

図６ａには、回動点１２により基部分２に取り付けられた１２ｍ×１２ｍのフラップ部分８を有する本発明の装置１が示されており、この装置の高さは約２ｍである。フラップ部分は、直径１．８ｍの水平方向に積み重ねた配列の管部分６０から成っている。管部分６０は、詰め材料６４が充填される５０ｍｍの空間６２をその間に有している。駆動ロッド６６がフラップ部分８の各側部に回動可能に取り付けられている。これらは、基部分２に回動可能に取り付けられた液圧シリンダ６８内にてピストンと接続する。偏向板７０がフラップ部分８の底部管部分７２と海底７４との間の空間を充填する。使用時、フラップ部分８が波の動作に応動して揺動すると、駆動ロッド６６が駆動され、シリンダ６８内の液圧流体がピストンの動作によって加圧される（図５を参照）。次に、加圧された流体は、流れ出し且つ配管接続部７６を介して動力取り出しシステム（図示せず、例えば、図５を参照）の他の部分の液圧回路内に戻る。

図６ｂには、湾曲した端部分７８（「エンドエフェクタ」）がフラップ部分の側端縁８０の各々に配置される点を除いて、図６ａの形態と同様の形態である装置１の別の実施の形態が示されている。試験にて、これらのエンドエフェクタ７８は、動力の捕捉率を向上させることが示されている（以下の試験結果を参照）。

図６ｃには、図６ｂの形態と同一の形態を有するが、フラップ部分の頂部に配置された追加的な管部分８２を提供する更なる実施の形態が示されている。使用時、これらは、追加的な浮力を提供し、また、追加的な構造体は、フラップ部分８が傾動したとき、水表面にて波とより確実に相互作用する。

図７（ａないしｄ）には、図６ａの装置と同様であるが、丸味を付けた側端縁１８と頂部分２０とを有する本発明の装置の異なる図面が示されている。
図７ａには、駆動ロッド６６及び液圧シリンダ６８から分離した図示しない動力捕獲又は動力取り出し手段を有する装置１が斜視図にて示されている。図７ｂには、装置１が正面図にて示され、また図７ｃにて側面図にて示されている。図７ｂにて示した線ＸＸに沿った断面側面図が図７ｄとして示されている。

この実施の形態において、フラップ部分８は、幅約１８ｍであり、装置１は、水深１２ｍにて特に効果的な動力の捕捉効果を提供する高さ１２ｍ程度である。フラップ部分８は、各々が直径１．８ｍの水平方向に配設された４つの管部分６０から成っている。管部分６０の各々の間の空間６２は、図６ａのフラップ部分８の空間よりも約１ｍだけ大きく、また、湾曲板８４にて充填されている。波の動きに対して提供するよう要求される実質的に連続面は、基部分２に装着された湾曲した偏向板７０によって完成される。

試験結果
図６ａに示した形態の装置１のモデルを使用して実施した試験の結果、基部分及びフラップ部分が波の動きに対して実質的に連続面を与える装置を提供するときの実質的に有利な効果が実証された。図６ａの装置１は、管部分６０の間の空間６２が充填されず、フラップ部分の下方の空間を充填する偏向板７０が装着されない同様の装置と比較したとき、動力の捕捉率を約３６％向上させることができることを示す。

図６ｂの装置におけるように、湾曲したエンドエフェクタ７８を追加することは、動力の捕捉率の点にて１６％程度の更なる改良を実現する。同様に、図６ｃに示したように、管部分８２を追加することは、動力の捕捉率にて測定したときの効率を更に約１０％、向上させることができる。

その高さに対するフラップ部分の幅は、動力の捕捉率の点にて顕著な効果を有することも判明している。例えば、図６ｂに示したものと全体として同一の形態の装置の場合、フラップが１２ｍ×１２ｍのフラップと比較して、１２ｍ高さ×６ｍ幅であるとき、モデル試験における動力の捕捉ファクタは、顕著に減少した。

試験は、本発明にとって好ましい深さにて、太平洋又は大西洋の海岸に沿って予想される状態の代表例となる設計された広範囲の海の状態（１６）を用いて実施した。フラップ幅を１２ｍから１８ｍまで５０％だけ増大させると、動力の出動力は２倍となった。

本発明の範囲から逸脱せずに、上述した実施の形態に対し色々な形態変更を為すことができる。このように、例えば、装置は、水脱塩システムにて使用することができる。これと代替的に、沿岸防波システムとして複数の装置を使用し、沿岸の浸食を減少させることができる。

本発明に従った波エネルギの変換装置の概略側面図である。 波エネルギの変換装置の代替的な配置の側面図である。 更なる代替的な配置の正面図である。 本発明と共に使用されるフラップ部分の斜視図である。 本発明と共に使用される動力捕獲システムの概略配列図である。 （ａないしｃ）管部分にて構成された本発明の装置の３つの実施の形態を示す図である。 （ａないしｄ）管部分にて構成された本発明の装置の更なる実施の形態を示す図である。

Claims (28)

1. 比較的浅い水中にて使用される波エネルギの変換装置（１）であって、装置を使用するとき、水体（６）の底に固定し得るよう形成され且つ配置された基部分（２）と、前記基部分と回動可能に接続された（１２）直立のフラップ部分（８）にして、使用中、フラップ部分（８）の面に作用する波の動きに応動して水平軸線の回りにて後方及び前方に旋回し得るよう形成され且つ配置された前記フラップ部分と、フラップ部分の動きからエネルギを取り出す動力取り出し手段と、を備える、波エネルギの変換装置（１）において、フラップ部分（８）が水の動きに対面する状態にて基部分（２）が水体（６）の底に固定されたとき、基部分（２）及びフラップ部分（８）は、水の深さの少なくとも全体を通して垂直に延び、波頭から海底まで水の全深さに渡って波の動きに対して実質的に連続面を提供するように形成され且つ配置されており、フラップ部分（８）は、水中にて使用中の該フラップ部分（８）を垂直な向きに偏倚する浮力を受けるようになされており、フラップ部分は（８）は、高い浮力中心と、低い質量中心とを有する、波エネルギの変換装置。
2. 請求項１に記載の波エネルギの変換装置（１）において、フラップ部分（８）及び基部分（２）は、フラップ部分（８）が予想される全ての潮位及び海の状態にて水の表面（１０）を突き通すような寸法とされる、波エネルギの変換装置。
3. 請求項１に記載の波エネルギの変換装置（１）において、フラップ部分（８）の回動接続部（１２）は、基部分（２）に対して上方に且つ下方に動くことができる、波エネルギの変換装置。
4. 請求項１ないし３の何れか１つの項に記載の波エネルギの変換装置（１）において、フラップ部分（８）は全体として矩形の形態を有する、波エネルギの変換装置。
5. 請求項１ないし４の何れか１つの項に記載の波エネルギの変換装置（１）において、フラップ部分（８）は、モジュラー式構造である、波エネルギの変換装置。
6. 請求項５に記載の波エネルギの変換装置（１）において、モジュラー式構成要素は、平板、複合的補強平板及び管から成る群から選ばれる、波エネルギの変換装置。
7. 請求項１ないし６の何れか１つの項に記載の波エネルギの変換装置（１）において、フラップ部分（８）は、平行な平面内にて互いに隣接して配置され、フラップに対し全体として矩形の形態を提供する管部分を備える、波エネルギの変換装置。
8. 請求項７に記載の波エネルギの変換装置（１）において、管部分は、管の大径部分がフラップ部分の頂端縁に向けた状態にて水平に配置される、波エネルギの変換装置。
9. 請求項１ないし８の何れか１つの項に記載の波エネルギの変換装置（１）において、フラップ部分（８）の少なくとも上側部分には、弾性面が設けられる、波エネルギの変換装置。
10. 請求項１ないし９の何れか１つの項に記載の波エネルギの変換装置（１）において、基部分（２）は、波の動きをフラップ部分（８）に向け得るように形成され且つ配置された偏向板（１３）を備える、波エネルギの変換装置。
11. 請求項１ないし１０の何れか１つの項に記載の波エネルギの変換装置（１）において、フラップ部分（８）は、その高さに少なくとも等しい幅を有する、波エネルギの変換装置。
12. 請求項１ないし１０の何れか１つの項に記載の波エネルギの変換装置（１）において、フラップ部分（８）の幅は、フラップ部分の高さの１ないし３倍の範囲にある、波エネルギの変換装置。
13. 請求項１ないし１２の何れか１つの項に記載の波エネルギの変換装置（１）において、フラップ部分（８）は、丸味を付けた頂端縁又は側端縁（１８）を有する、波エネルギの変換装置。
14. 請求項１３に記載の波エネルギの変換装置（１）において、端縁（１８）は、０．５ないし２ｍの半径にて丸味が付けられる、波エネルギの変換装置。
15. 請求項１ないし１４の何れか１つの項に記載の波エネルギの変換装置（１）において、フラップ部分（８）の頂端縁は、円筒状、「Ｔ」字形、閉じた「Ｙ」字形及び逆「Ｌ」字形から成る群から選ばれた断面の形状を有する、波エネルギの変換装置。
16. 請求項１ないし１４の何れか１つの項に記載の波エネルギの変換装置（１）において、フラップ部分（８）の頂端縁は、全体として円筒状の断面形態を有し且つ、フラップ部分の全体的な厚さよりも実質的に大きい直径をしている、波エネルギの変換装置。
17. 請求項１ないし１６の何れか１つの項に記載の波エネルギの変換装置（１）において、フラップ部分（８）には、空気、気体又は発泡材の少なくとも１つを保持する室が設けられる、波エネルギの変換装置。
18. 請求項１７に記載の波エネルギの変換装置（１）において、浮力は、空気にて充填された室を浸水させることにより調節される、波エネルギの変換装置。
19. 請求項１ないし１８の何れか１つの項に記載の波エネルギの変換装置（１）において、捩りバー（１６）、エラストマー的ばね（１４）及び圧縮気体ばねから成る群から選ばれた追加的な偏倚手段が提供される、波エネルギの変換装置。
20. 請求項１９に記載の波エネルギの変換装置（１）において、フラップ部分（８）は、前記フラップ部分の浮力中心を変化させるステップと、浮力を変化させるステップと、フラップ部分の質量中心を変化させるステップと、前記偏倚手段の剛性を変化させるステップとから成る群から選ばれた手段によりその自然の揺動周期を変化させ得るように形成され且つ配置される、波エネルギの変換装置。
21. 請求項１ないし２０の何れか１つの項に記載の波エネルギの変換装置（１）において、フラップ部分（８）は、フラップ部分を海底まで駆動して該フラップ部分を固定位置に掛止めすることにより、使用時、水平に位置することができるように形成され且つ配置される、波エネルギの変換装置。
22. 請求項１ないし２１の何れか１つの項に記載の波エネルギの変換装置（１）において、拡張可能であり、また、その寸法を縮小させ得るように収縮することができるフラップ部分を提供するステップと、弱体な壊しやすいフラップ部分を提供するステップと、フラップ部分の上方部分がフラップ部分の他の部分内に格納されるように形成され且つ配置されるフラップ部分を提供するステップとから成る群から選ばれたステップにより、フラップ部分（８）の表面積を減少させることができる、波エネルギの変換装置。
23. 請求項１ないし２２の何れか１つの項に記載の波エネルギの変換装置において、電力取り出し手段は、高圧の液圧流体により駆動される液圧モータ（３８）と、前記液圧モータと接続されたはずみ車エネルギ貯蔵体（４８）と、前記はずみ車により駆動される可変速度発電装置（５０）とから成る、波エネルギの変換装置。
24. エネルギ発生システムにおいて、請求項１に記載され且つ、互いに相互接続された複数の波エネルギの変換装置（１）を備える、エネルギ発生システム。
25. 請求項２４に記載のエネルギ発生システムにおいて、複数の装置のフラップ部分（８）は、使用時、隣接する装置のフラップ部分が主要な波の方向に対してある角度にてカスケード状に配置されて、第一のフラップと最後のフラップとの間の距離が波の伝播方向に向けて少なくとも波長の１／４となるような配列に配置される、エネルギ発生システム。
26. 波からエネルギを取り出す方法において、請求項１に記載の波エネルギの変換装置（１）を提供するステップと、そのフラップ部分（８）が波の方向に対面するように前記装置を水体の底に配置するステップと、波エネルギを前記水体の波から取り出すステップとを備える、方法。
27. 請求項２６に記載の波からエネルギを取り出す方法において、波エネルギの変換装置（１）は、６ないし２０ｍの深さの水体の底に配置される、方法。
28. 請求項２７に記載の波からエネルギを取り出す方法において、波エネルギの変換装置（１）は、８ないし１６ｍの深さの水体の底に配置される、方法。

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