JP5571180B2 - 環境発電機 - Google Patents

Description

発明の背景
変動する環境状況から、たとえば海の波からこの波を用いて部品を繰返し前後に動かすことによって、電力を得ることができるエネルギー変換システムが知られている。

出願人の米国特許第７，６３２，０４１号には、波から電力を生成するためのシステムであって、発電する伸縮性材料（ＳＭ：Stretchable Material）が静止部品におよび波とともに動く変位可能部品に結合されているシステムが開示されている。このＳＭ材料は、可変コンデンサのように機能する。このシステムの一部が前後に動かされるときに、好ましくはＥＡＰ（Electro Active Polymer：電気活性ポリマー）材料である或る量（たとえば１枚のシート）のＳＭを繰返し伸ばしたり緩めたりすることができる。ＳＭ材料からなる１枚のシートの両面と対向して１対の電極が置かれて、コンデンサを作り出しており、電荷がこの１対の電極に印加される。このシートが伸ばされると、表面が増加され、同時にその両面間の距離が減少する。その結果、その１対の電極間の静電容量が増加し、その電極上の電荷から生じる電圧は減少する。逆に、伸ばされた１枚のシートのＳＭ材料が部分的に緩められると、その静電容量は減少し、その両面に置かれている電極間の電圧は増加する。電力は、緩んでいるＳＭシートの両側に置かれた電極対からなるコンデンサから、（その電極対間の）電荷を流出させることによって、引出される。ＳＭシートが再び伸ばされて電圧が減少すると、電荷は（電流として）電極へ再び流されて電極を再充電するので、電荷は、電圧が再び増加したときに流出することができる。電極を再充電する電圧よりも高い電圧の１対の電極（この電極は放電されている）から電気が流出することにより、このシステムから電力を得ることになる。

ＳＭシートの両面に置かれた電極を繰返し再充電する必要があることから、電流を必要な再充電電圧（たとえば２５００ボルト）で各動作サイクルにおける適正なときに供給する電源が必要になる。これにより、交流／直流変換および電圧の昇圧または降圧が必要になるおそれがあり、これにより、エネルギー変換システムの効率を大きく低下させるおそれのある電力損失がもたらされる。１対の電極を再充電するために内部電源を用いるシステムの効率は、非常に高いものになり得る。そのようなシステムは、比較的単純な構造を用いて、エネルギーを海の波、潮流、または水流などの環境から抽出することが可能であるはずである。

発明の概要
この発明は、環境的な力から発電するＳＭ材料からなる相互接続された可変コンデンサからなる装置に関する。

この発明の１つの実施例に従って、ＳＭ（伸縮性材料）の伸び緩みから発電するシステムに対して、特に、１対の電極が対向して置かれる本質的に平行な両面を有する１枚の（丸められた）シート形態のＳＭ材料に対して、改良がもたらされる。

このシステムは、互いに位相がずれて作動される少なくとも１対のコンデンサの電極に結合される電力抽出部を含む。電力抽出部は、電力がより高い第１の電極対から電力がより低い１つ以上の第２の電極対へ電荷（電流）を方向付けて、第２の電極対を充電する。電流が流れる間、電力抽出部を通過する電流の電圧降下によって電力が抽出される。

電力抽出部には、電力制御部が設けられており、この電力制御部は、多数のコンデンサの各々の電圧を検出し、正の高電圧をその電極間に有する可変コンデンサから、低いまたは負の高電圧をその電極間に有する可変コンデンサへ電流を流す（これはそれらを切換えることによって確立可能である）。第２の電極対へ流れる電流は、第２の電極対を充電するので、第２の電極対は、そのＳＭシートが次に緩められると電流を高電圧で生じる。

この発明の１つの好ましい実施例に従って、ＳＭシートは、巻かれ、巻き付けられ、または丸められているＳＭからなる管の形態である。この管は、径方向に互いに間隔を空けて置かれたいくつかのＳＭ層からなる連続多層巻き管または各々が可変コンデンサとして働く組合せられたセグメント、リングもしくは管部品から作られた管であり得る。コンデンサ電極は、セグメントの各々の両面と対向して置かれている。管部品またはコンデンサは、管を形成するように縦１列に相互接続されてもよい。管のセグメント化は、製作、組立て、および維持のために有利でもある。

管は、海中を浮遊し、波が管に沿って通過するときに撓む。セグメント化された管に、管内に閉じ込められた水のような１つ以上の液体および／または加圧空気によって予め応力を与えることができる。閉じ込められた流体は、この可撓性管に作用する海の波により移動する膨らみまたは定在波を生じ、この移動する膨らみは、可変コンデンサとして働くこの管またはリング形ＳＭ材料からなるセグメントの直径を局所的に拡大する。

さらに、任意選択的に、ＳＭ層またはセグメントのうち１つ以上は、分離され、発電のための可変コンデンサとしてではなく、進相コンデンサとして機能することができ、他の可変コンデンサセグメントの生成した電力を電力抽出部を介して送電網まで移出する前に、この電力をこの進相コンデンサに集め、貯蔵バッファとして一時的に貯蔵することができる。電力抽出部に接続された電力制御部は、異なる可変コンデンサおよび進相コンデンサにわたる電力配分を制御する。

この発明の新規な特徴は、特に、添付の特許請求の範囲に記載される。この発明は、添付の図面とともに読むと以下の説明から最もよく理解されるであろう。

海の波から発電するための、電力抽出部に接続された、ＳＭからなるロールベースのコンデンサを含む力変換システムを示す図である。 図１の２−２線で取った断面図である。 図２の一部分のより詳細な図である。 海洋の波から発電するために、ＳＭ（伸縮性）材料からなるリング形管状セグメントから作られた長い可撓性管を用いる別の力変換器システムの側立面図である。 図２のシステムの前端領域の拡大図である。 図２の管の可変コンデンサまたはセグメントを示す図である。 図６の管のセグメントの一部分の部分断面図である。 図４の管の部分セグメント図であり、内部の移動する流体の膨らみにより直径が拡大したいくつかのＳＭセグメントが示されている。 相互接続された電力制御部を備えた電力抽出部を含む力変換システムの概略図である。 力変換システムの概略図である。 第１のコンデンサから第２のコンデンサへの電荷（電流）が流出している間のシステムの電力制御部の１つの形態の概略図である。 第２のコンデンサから第１のコンデンサへ電荷が流れ戻っている間の図９の図を示す図である。 いくつかの可変コンデンサ素子と１対の一定コンデンサとを含む別の管設計の等角図である。 図１３の１４−１４線で取った断面図である。

好ましい実施例の説明
図１には、この発明に従った第１の波エネルギー変換（ＷＥＣ：Wave Enrgy Converting）システム１０が示されており、電気的に相互接続された可変コンデンサ装置１２が海の波から発電するために用いられている。コンデンサ装置は、防水カバー内のＳＭ（伸縮性材料）材料からなるロールであり、その電極上に電荷を各々有して、その２つの電極間に電圧をもたらす。図２は、コンデンサ装置のうち１つの断面図であり、２５、２６などの層は、ＳＭからなる１枚のシートとその電極とを各々含むこと、およびロールは、巻かれて、互いに重なり合った層２５、２６を備えた螺旋になっていることが示されている。図３には、コンデンサ装置が、伸縮性誘電性材料からなる１枚のシート２０と、誘電性シート２０の両面と対向してまたは近傍に置かれている１対の柔軟電極２２、２４と、電極を被覆する防水シート２７とを含むことが示されている。出願人が設計したシステムにおいて、層は、３８枚あり、厚み８４μｍ（０．０８４ｍｍ）のＥＡＰ（電気活性ポリマー）型ＳＭ材料を各々有している。

コンデンサ装置は、ブイ要素１４に接続されており、海底に接続された係留ラインに組込まれている。静穏な（波がない）海中であっても、コンデンサ装置の主層またはロールには予張力が掛かっている。波の頂きがこの装置の上を通過すると、ブイ部材は、水中で上昇し、コンデンサのＳＭ層を伸ばす。ＳＭ層は、伸ばされ薄くなり、コンデンサの柔軟電極対間の電圧は低下する。一方、波の谷が装置の上を通過すると、ＳＭ層は緩み、薄くなり、各コンデンサ状装置の電極間の電圧は、増加する。電圧のこの変化を用いて、たとえば電圧が異なるコンデンサ状装置間に電流をこの電流が負荷を通って流れる状態で流すことによって、発電することができる。したがって、各コンデンサの電極は、電力ケーブル２９を通して中央電力抽出部２８に接続されており、この中央電力抽出部は、電力移出ケーブルに接続されており、電力制御部を有し、この電力制御部は、互いに異なるコンデンサに関して電力を調整および分配する。

図４には、係留ライン２１、１９によって海底１６に係留された１つの舳先端部を備えた浮遊可撓性管１３を含む第２のＷＥＣ（波エネルギー変換）システム１１が示されている。この管は、管状リングセグメントの形状である多数のセグメントまたはコンデンサからなる。この管の両端部は、閉じており、水や加圧された空気などの加圧流体が管内に閉じ込められている。海の波の作用により、管内に閉じ込められた流体は、流体からなる移動する膨らみ２３を生じ、この膨らみは、コンデンサを径方向に歪ませることよって、ＳＭ材料の厚みを減少させつつコンデンサの表面を拡大させる。

管１３は、ＳＭ（伸縮性材料）を含む管壁を含む。拡張力が管に加わることによって、管壁が始めに径方向に伸ばされる。管は、管壁を張力下に置きかつ管を浮遊状態にも保つ圧縮ガス（たとえば空気）を閉じ込めることができる。別の可能性としては、管内で直径方向に圧縮されていることによって管を拡張させる圧縮ばねなどのコイル（図示せず）がある。管は、剛性部品（図示せず）と、ＥＡＰなどのＳＭをその周囲に含む可撓性部品との組合せであってさえもよい。これらを用いて、管の膨張性を小さくし、よって膨らみ速度を高めることができる（より速く進むより長い周期の波を吸収するために必須である）。これらの剛性の部品は、好ましくは、浮力またはバラストを閉じ込めて、管の深度を制御する。これらの剛性の部品は、好ましくは、電気ケーブルトレイおよび電力電子機器も閉じ込めて、各ＳＭセグメントでの電流の流れを管の長さに沿って制御する。

管のための係留システムを切り離すブイおよび鎖を用いることが可能である。鎖２１は、管の少なくとも一方の端部とブイ１８との間に懸垂形状で取付けられている。ブイ１８は、エラストマー、ＰＵ、ＴＰＵ、ナイロン、ケーブルであり得る張設された係留ライン１９によって海底に取付けられている。電力ケーブル２９は、電力を運び出す。別の選択肢（図示せず）として、ブイ１８を塊状の錘鎖機構を介して海底に取付けることがある。塊状の錘は残存波においてのみ持上がり、通常の動作条件においては持上がらない。この機構は、管端部のうねり共振周期を波よりも長い周期に一致させることによっておよび／または管の一方または両方の端部で付加的な減衰をもたらして管の端部での屈曲波の厳しい反射を回避することによって、動的モード切離しを提供する。そのようなブイおよび懸垂鎖機構は、艫でのスナッチ荷重の発生を相当減少させるか、またはなくすことすらでき、残存波における最小曲げ半径を増加させることによって、座屈、高い応力、層間剥離などから管を保護する。

エラストマー管は、その係留システムおよび波の作用によってもたらされる張力下で、垂直面に曲げの固有モード（共振）を有する。これらのモードは、浮遊するパイプラインのまたはより単純には張力をかけられたロープの振動のモードに類似する。管の軸方向の有効張力を調整して、波の周期の範囲内のいくつかの共振周期を得て、したがって波と管における張力との間の理想的なエネルギー変換機構を提供することが可能である。特に、管における有効張力を管における屈曲波が波と同じ（または近い）速さで伝播するように調節することが可能である。そうすると、波からの強制励振下で、管における屈曲波の波長は、海の波長と同じになる。これにより、波荷重と管における歪みとの間の最適エネルギー伝達（幾何学共鳴と時間的共鳴との組み合わせ）がもたらされ、よって波から取入れられる電力が増加する。

管状発電システムに、羽根状の水平突起を管の各側に設けることもできる（図示せず）。この羽根は、波荷重と、主に、羽根が管に構造的に固定されていることによって管状ＷＥＣに伝達される上向きまたは下向きのスライト荷重を発生させる揚力と受ける。波荷重が羽根に与える作用は、動く海面に対する管の垂直の動きを増幅するために用いられる。これらの変形は、ＳＭ材料を用いてエネルギーを生成するために用いられる。理想的には、少なくとも１対の羽根が管の舳先近くに位置する。羽根は、剛性で、変形可能な材料（エラストマーなど）から、またはエネルギーを取入れるためおよび／またはＷＥＣの動力学を能動的に制御して波からより多くのエネルギーを抽出するために（堅さ、減衰制御）、ＳＭ材料からさえ構築されてもよい。

やはりこの発明の範囲内である代替的な管状発電概念は、一方が他方の内側にある２本のＳＭ管から構成されるであろう。この２本のＳＭ管には、液体（海水）が充填されており、膨らみが波エネルギー変換器を通過すると、外側管が拡張し、内側管が収縮し、そしてこの逆となる。これにより、システムが波の全周期にわたって発電することが可能になる。各管は、他方の管と位相が同時にずれている。

図５には、管の、電力制御部を備えた電力抽出部４０が示されている。電力抽出部は、乾いた環境に設置されており、この環境の中で、可変（および一定）コンデンサの各々のコンデンサの電極が接続されている。電力抽出部は、高電圧電力移出ケーブル５０に接続もされており、このケーブルは、係留ラインラグ（lug）５２から距離をおいて設置されている。

図６および図７には、管状のリングセグメントの形状を有する可変コンデンサまたはセグメント６０が示されている。図面には、管壁が、管セグメントの形態のＳＭ（伸縮性材料）からなる１枚の層またはシート６２と、このシートの両面または表面に位置する１対の電極６４、６６とを含むことが示されている。ＳＭ材料からなるシートは、コンデンサ誘電体として働き、電極は、コンデンサ電極として働いて、可変コンデンサを形成する。１対の誘電体分離層６８は、電極を水および他の環境中の要素から分離する。層対と層対との間に分離膜を設けることも可能だが、このような膜は一般的に動作に影響しない。

コンデンサ誘電体６２は、ＳＭ材料から作られており、柔軟電極６４、６６は、コンデンサ誘電体表面の少なくとも５０％を覆うように設けられ、いわゆる電気活性ポリマー（ＥＡＰ）で構成されている。コンデンサは、好ましくは、両面に柔軟電極を備えた誘電体材料からなる巻かれたまたは丸められた１枚のシートから作られている。柔軟であるように、電極は、管軸（図６）に平行な波形７２（図７）を有し得る。コンデンサセグメント６０は、伸縮性材料から作られた防水性外側カバー、さらには可撓性かつ防水性の内側ライナーまたは層の中にも閉じ込められているので、管の内側に閉じ込められた液体は、コンデンサの電極に到達できない。海の波の作用により、これらのコンデンサによって形成された管の中に閉じ込められた液体は、液体からなる移動する膨らみを生じ、この膨らみは、リング形コンデンサセグメントを径方向にのみ歪ませ、それによってＳＭ材料の厚みを減らしつつ表面を拡大させる。各可変コンデンサ要素を、電力が生成される発電機モードにするか、または電力が印加されるとコンデンサ要素が収縮する／緩むことによって移動する膨らみの調節および制御が可能になるようにアクチュエータモードにすることが、選択肢としてある。

出願人が設計したシステムにおいて、相互接続コンデンサの各々のコンデンサの主層は、表面および厚みが異なり、これにより電圧の変化が誘起される。より高い性能を得るためには、管をおよび／または管のセグメントの各々を多層配置することが好ましい。多層配置は、高誘電率材料からなる１枚の層と、電極のための高導電率材料からなる層と、防水性材料からなる層とを含む。エラストマーのような伸縮性材料からなる１枚以上の層を層間に追加することができ、この層も波形にされた形状であり得る。さらに、堅いエラストマー（５０×１０⁶ｐｓｉよりも高いヤング弾性率）からなる互いに交互になった層であって、より低い弾性率（典型的には１から２０×１０⁶ｐｓｉ）の誘電性ＥＡＰ膜からなる層を備えた層は、ＳＭ材料のエネルギー密度を増加させることができる。比較的堅いエラストマーは、ＳＭが高電界下で拡張し過ぎることを防止するので、ＳＭが伸びることを制限し、すなわち、比較的堅いエラストマーは、作動効果を最小化し、発電機性能を最適化する。

ＳＭ材料のいくつかの層が管セグメントして巻き付けられており、この管セグメントは、遮水膜からなる多くの層の間に挟持されている。この管には、さらに外側防水および保護カバーが設けられている。ＳＭ材料は、数十メートルの長さのシートとして作られており、丸められまたは巻き付けられて、管セグメント、ロールまたはリングセグメントになる。ＳＭシートの外側の最後の部分は、可撓性電極層を有する必要がない。端部は、ＳＭ部に数回巻き付けられて、セグメントが拡張し収縮することを依然として可能にしながらも水の浸入または拡散から電極を保護する。

セグメントまたは管全体の軸方向の拡張を制限する別の方法は、ロープ、ケーブル、ストリップ、網、組み紐などのような軸方向抑制部を、または電圧が印加されると縮むＳＭ材料（アクチュエータ）までもを加えることである。それにより、セグメントまたは管の伸長が制限されるのみならず、波の作用によって生じた管内に捕らわれた加圧流体からなる移動する膨らみによってセグメントを局所的に軸方向に拡張させることを支援することもできる。

図８には、管状発電機システムの一部分が示されており、各々電力制御部と接続されているリング形セグメントまたは可変コンデンサの中には、管状発電システムに作用する波によって生じた管内に閉じ込められた流体からなる移動する膨らみにより初期直径Ａから径方向に拡張（Ｂ）しているものもある。

図９は、電力抽出部に接続された可変ＳＭコンデンサの概略図である。電力抽出部は、高電圧電力移出ケーブルを介して送電網に接続されている。コンデンサは、初めに充電されているので、その電極対間には２５００ボルトなどの電圧が存在する。

コンデンサの２つの電極間の電圧は以下により与えられる：
Ｖ＝ｑ／Ｃ
式中Ｖは電圧、ｑはコンデンサ電極上の電荷、Ｃは、コンデンサの静電容量である。コンデンサが、電極を形成する２枚の平行な板と、この電極間にある誘電性材料からなる１枚の板とからなる場合、静電容量は、以下により与えられる：
Ｃ＝ｅ（Ａ／Ｄ）
式中Ｃはコンデンサの静電容量、ｅは、誘電性材料の誘電率、Ａは、各電極の面積、Ｄは、電極の間隔である。

セグメントが波の頂きにあり、ＳＭシート配置が移動する膨らみにより伸ばされると、ＳＭシートの厚みが減少されるので、その電極対間の距離Ｄは減少し、その面積は増加し、その静電容量は増加する。その結果、電極間の電圧が減少される。膨らみが通過すると数秒程度の時間の後、セグメントは緩められる（その電極間の電圧は増加される）。

第１のコンデンサの１対の電極から電荷を流出させる（すなわち電流を流す）ことによって、電力を発電機から抽出することができ、この１対の電極は、（そのＳＭシートの伸びが緩められているため）電圧が増加されているので、電流流出は、電力線中に電流フローを生じるなどの有用な働きをする。そのような流出は、第１のコンデンサの電極間の電荷が減少することをもたらし、電圧は、ＳＭ材料からなるシートが伸ばされるときに非常に低いレベルまで降下する傾向がある。この電荷は、次のサイクルに備えるために、電荷（電流）を第１のコンデンサの電極に低電圧で流すことによってその後置き換えられる。出願人は、そのような置き換え電荷を単純で効率的なやり方で得る。実際、管は、いくつかのＳＭセグメントで構成されており、各セグメントは、充電されるためおよび放電されるためにケーブルを必要とする。水中ケーブルを数多く使用することを避けるために、電極は、各セグメントで管の１枚の層の中に配置されており、この電極は、管のこの層内に組込まれた導電性ケーブルを介して電力制御部に接続されている。したがって、管の各ＳＭセグメントを独立して充電および放電することが可能である。

図１０には、電圧変化が１８０°近く位相がずれている１対のコンデンサ１１２、１１４に接続された電力抽出／電力制御部が示されている。この図には、ダイオード１０２、１０４を用いて電流を電圧の高いコンデンサ１１１−１１４から流出させて、電圧を降下させることによってエネルギーを抽出し、電流を電圧の低いコンデンサへ流すシステム１００（接地させてもさせなくても可）が示されている。起動充電器１０６は、システムの動作の開始時にコンデンサのうちいくつかを（たとえば２５００ボルトまで）充電し、次にスイッチ１１０によって遮断される。１１１、１１３などのコンデンサがそのＳＭからなるシートを各々緩められてその電圧が増加すると、電流がダイオード１０２を通って負荷１２０まで流れる。負荷１２０は、電圧を減少させ、電流をダイオード１０４を通して電圧がより低い他のコンデンサ１１２、１１４まで通す。同様に、１１１、１１３などのコンデンサがそのＳＭからなるシートを各々伸ばされてその電圧が減少すると、電流がコンデンサ１１２、１１４からダイオード１０２を通り、負荷１２０を通り、およびダイオード１０４を通り、コンデンサ１１１、１１３へ流れて、それらの電圧を増加させる。

図９には、（海の波の）半波長離れた２つのコンデンサ１１２、１１４間の電流の通過が示されている。海の波の波長（および周期）は変動するので、いつ２つのコンデンサが半波長離れているのかを知ることは難しいことがある。これに代えて、出願人は、各コンデンサの両端間の電圧を常時検出する電圧センサ５４の使用によってエネルギーを効率的に取り出すことができる。全コンデンサの平均電圧を超える電圧差を有するコンデンサ間に電流を通過させる。たとえば、全コンデンサに亘る平均電圧が２５００ボルトである場合、電力制御部１１０とも呼ばれる電力抽出部（ＰＥＵ：Power Extraction Unit）は、コンデンサ１１２の両端間の電圧が３０００ボルトであり、コンデンサ１１４の両端間の電圧が３０００ボルトであることがわかる。ＰＣＵは、電気を一方のコンデンサから負荷を通して（たとえば図９における１２０）他方のコンデンサへ通し、そのため電流フローは６０００ボルトの電圧差によって動かされる。

出願人が設計したシステムにおいて、ＳＭ（伸縮性材料）は、そのそれぞれの伸ばされていない長さの１．４倍に初めに伸ばされた。つまり各シートはその伸ばされていない長さよりも４０％初めに長かった。各シートの最大伸びは、その伸ばされていない長さの約１．７倍であった。最大に緩めると、各シートは緩められて、その伸ばされていない長さのわずか約１．１倍に伸ばされているようになる。

上記システムにおいて、各コンデンサの静電容量は、各サイクルにおいて、約６７マイクロファラドから１００マイクロファラドに増加し、約４２マイクロファラドまで減少する。

図９の電力制御部１１０を、１１２および１１４で１対のコンデンサに接続することができ、１１２と１１４とは、海洋の波の約半波長だけ離されている。このようにして、発電機のうち一方は、増加された電圧を生じており、電力を抽出することができ、他方の発電機は、減少された電圧を生じており、電荷の増加を必要とする。波長は変化してもよく、電力制御部は、その伸びおよび緩みが任意のときに約１８０°位相がずれているさまざまなコンデンサ対に接続することができる。実際には、電力制御部を２つ以上のコンデンサに接続することができ、好ましくは、全コンデンサに接続された電圧センサを有する。コンデンサ間に電荷を通すが、このコンデンサは、任意のときのその電圧または予想されるその電圧に基づいて選択することができる。

図１１には、回路の一部として２つの可変コンデンサ１１２、１１４が示されている。この回路は、各コンデンサのための接地電位であってもよい基準電位を１１６に有する。コンデンサ１１２上の電圧が増加すると、コンデンサ１１４の電圧が減少し、電力制御部１１０は、電流が、矢印１１７によって示されるように、第１のコンデンサ１１２から電力吸収装置を形成するインピーダンス１１８を通って第２のコンデンサ１１４へ流れることを可能にする。図１１において、電力吸収装置１１８は、電力線１１９中に電流を誘起するコイルである。電力を引出す結果、点１２０での電圧は、点１２２での電圧よりも低い。これらの電圧は、１１６での基準電圧を基準とされる。

電力は第１のコンデンサ１１２から引出されるが、第１のコンデンサ１１２から引出された全電荷は、第２のコンデンサ１１４に方向付けられて、このコンデンサ１１４を充電する。第２のコンデンサ１１４の電圧が次に（そのＳＭシートが緩むことによって）増加されると、第２のコンデンサ１１４上の電流は、電力吸収装置１１８を通って第１のコンデンサまで戻るよう方向付けられる。図１２には、そのような逆流を可能にするように動作されたスイッチ１３６を備えた電力制御部１１０が示されている。電力吸収装置１１８は、電力線中に電流を誘起するコイルとして示されているが、熱を生じる抵抗器など幅広い種類の任意の装置であり得る。

この発明の電力制御システムにおいて、出願人は、生成された電力を電気負荷に降ろす前におおむね一定の電圧で蓄えるための少なくとも１つの大きなコンデンサを提供することができる。そのようなおおむね一定の電圧コンデンサも、上述のように発電する可変コンデンサを充電する電力を提供することができる。

図１３および図１４には、海中にあり、一定コンデンサ１７０、１７２を形成する長い管１５０が示されている。管１５０は、上下コンデンサ列１６０Ａおよび１６０Ｃを形成する電極対を有し、コンデンサは、各列に沿って間隔を空けて置かれている。コンデンサの両端間の電圧は、管が波の中で曲がるとき変化する。列方向は、本質的に管中心線１６４に平行である。また、管は、管の長さの大部分に沿って各々延在する対になったおおむね一定の電圧蓄積コンデンサ対１７０、１７２を有する。

図１４には、管１５０が、誘電性ＳＭ（伸縮性材料）管壁１８０と、コンデンサ電極とを有し、このコンデンサ電極は、互いに異なるコンデンサ１６０Ａ、１６０Ｃ、１７０を規定する間隙１８２と、それらのコンデンサ電極対１９０と１９１、１９２と１９３、および１９４と１９５とを備えることが示されている。一定コンデンサ１７０、１７２は、少なくとも発電コンデンサ１６０Ａ、１６０Ｃ７つの分の長さだけ、または少なくとも平均管直径の７倍の長さだけ管の長さに沿って各々延在する。

ＳＭ材料で作られた管１５０は、拡張し縮むので、それ自身の振動周期またはそれ自身の共振周期を有する。海の波からの励起周期に近いＳＭ管の共振周波数を有することが好ましい。この周期は、ＳＭ管の長さの関数であり、この長さを制御することによって、この周期も制御され、これはＳＭ材料からなる部品、層またはセグメントをアクチュエータのように働かせることによって行なうことができる。ＳＭ材料がアクチュエータモードである場合、ＳＭ材料が収縮または伸長するように電圧がアクチュエータに印加されるので、管の長さを調節することができる。印加される電圧を制御することによって、管の長さを、よってその発振周期を制御することができる。

この発明に従った代替的な実施例（図示せず）において、出願人は、エラストマー管から分離されており、管またはマットレスの舳先端部キャップと艫端部キャップとを接続する少なくとも１つの張力部材を用いることを提案する。これにより、係留力を舳先から艫に伝達し、管のエラストマー部分における軸方向の過度の歪みを回避する強度部材が提供される。管が加圧されているとき軸方向の拡張を防止することによって、張力部材を瘤の蓄積を防止するためにも用いてもよい。張力部材はまた、管のエラストマー部分に含有される軸方向繊維にかかる疲労を減少させ、またはエラストマー部分に軸方向繊維がなくともＷＥＣが働くことを可能にしてもよく、これにより、ＷＥＣの疲労寿命、したがってその供用寿命が改善されるであろう。好ましくは、張力部材は、管の内側に位置している。張力部材を、電力伝達ケーブルとして用いて、電力を管に沿ってＥＡＰ発電機と交換してもよく、誘導システムがこの管の内側また外側に含まれて、張力部材とエラストマー管との間の接触を防止してもよい。張力部材は、（管に用いられるエラストマーよりも少なくとも２桁高い）高強度、高靭性、および高弾性率を備えた任意の材料からなるパイプ、ケーブルであってもよい。

張力部材は、ＳＭ発電機としても用いられて、エネルギーを軸方向の歪みから取込んでもおよび／またはアクチュエータとしても用いられて管の長さおよび共振モードを修正してもよい。

よって、この発明は、伸縮性材料（ＳＭ）からなる本質的にシート形の誘電体とこの誘電体シートの両面に１対の電極とを各々有する複数のコンデンサを各々含む発電機からエネルギーを抽出するためのシステムを提供する。誘電体がシート形であるのは、それがおおむね均一な厚みからなるためである。ＳＭシート（ロール、巻き付けられたもの、リング、管）は、波とともに繰返し動く部品などの繰返し前後に動く部品によって繰返し伸ばされ緩められるように位置決めされている。回転する部品は、前後に動く部品の等価物である。電力制御部（ＰＣＵ：Power Control Unit）は、好ましくは、複数のコンデンサの各々の両端間電圧を検出する電圧センサを有し、コンデンサの電圧が平均コンデンサ電圧を超えると、コンデンサを部分的に放電させる。ＳＭ材料からなるシートは、好ましくは、巻き付けられて、海中に浮遊しその両面と対向して置かれている電極を有する相互接続された管セグメントの形状になっている。

この発明の特定の実施例が本明細書中において説明され例示されたが、変形例および変更例が容易に当業者に思い浮かぶかもしれないことが認識され、よって特許請求の範囲は、そのような変形例および変更例を包含するよう解釈されることが意図される。

Claims (15)

1. 繰返し前後に動く部品の機械的エネルギーを有用な電力に変換する力変換システムであって、前記システムは、複数のコンデンサ（１２，１１２，１１４，１６０Ａ，１６０Ｃ）を含み、前記コンデンサは、本質的に１枚のシートの形態である或る量のＳＭ（伸縮性材料）と、前記シートの両面と実質的に対向して置かれている１対の電極（２２，２４，１１２，１１４，１９０，１９１）とを含む誘電体（２０，１８０）を各々有し、前記ＳＭからなるシートの各々は、前記部品が往復して動くときにシートが繰返し伸ばされ緩められるように前記部品のうち少なくとも１つに結合されており、各コンデンサの電極対には電荷があって、各コンデンサの電極対間に、対応するＳＭからなるシートが伸び緩みするときに変動する電圧を生じ、前記システムは、
   前記コンデンサのうち少なくとも２つのコンデンサの電極対に結合された電力抽出部（２８、１１０）を備え、前記電力抽出部は、前記コンデンサのうちのその電極間に高い電圧を有する第１のコンデンサ（１１２）の電極（２２、２４）から前記コンデンサのうちのその電極間に前記高い方の電圧よりも低い電圧を有する少なくとも第２のコンデンサ（１１４）の電極（２２、２４）へ電荷を繰返し流して、前記第２のコンデンサの電極対の電極間電荷を増加させるように構成されており、前記流すステップは、電気的に駆動された負荷（１１８、１２０）を通して電荷を流して、前記電荷が負荷を通って流れる際に起こる電圧降下によって負荷を通電させることを含む、システム。
2. 前記電気的に駆動される負荷は、電力線（１１９）に接続された第２のコイルの中に電力を誘起する第１のコイル（１１８）を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記往復して動く部品は、海洋の表面にあり海洋の波の中で上下に動く部品である、請求項１に記載のシステム。
4. 前記電極が波形にされていることによって、前記電極が前記ＳＭからなるシートの伸び緩みに追随することがより容易に可能になっている、請求項１に記載のシステム。
5. 本質的に１枚のシートの形態である前記量のＳＭは、巻かれて、互いに重なり合った層を含む螺旋となっている、請求項１に記載のシステム。
6. 波のある海において用いるための力変換システムであって、海面近くを浮遊し、係留されて海底上方の予め定められた位置からの漂流を制限された少なくとも１つの浮遊体（１３，１４，１５０）を含み、前記少なくとも１つの浮遊体は、波が通過するときに各々前後に動く複数の本体部品と、複数のコンデンサ（１１１−１１４，１６０Ａ，１６０Ｃ）とを有し、前記コンデンサは、本質的に互いに平行で間隔を空けておかれた表面を有する本質的にシート形の或る量のＳＭ（伸縮性材料）（２０）と、前記表面のうち異なる１つと対向して各々置かれている１対の電極（２２，２４）とを各々含み、各電極対は、電極対間に電圧を生じる電荷を備えたコンデンサを形成し、各量のＳＭ材料は、本体部品が往復して動くときに本体部品がＳＭ材料からなるシートを伸ばして拡張させ次にＳＭ材料からなるシートを緩めて縮ませるように、前記本体部品のうちの少なくとも１つに結合されていることによって、各電極対の両端間の電圧をそれぞれ減少させ次に増加させ、前記システムは、
   複数の前記コンデンサ（１１１−１１４）の各々のコンデンサの電極に接続された電力抽出部（２８，１１０）を備え、前記電力抽出部は、前記電極対間のインピーダンス（１１８，１２０）を通って流れる電流から電気エネルギーを得ている間、前記電極のうちの電圧が増加し続けている第１の電極対から前記電極のうちの電圧が低下し続けている第２の電極対へ電流を流すように構成されている、システム。
7. 前記電力抽出部は、前記複数のコンデンサのうち互いに異なるコンデンサの電極間に繰返し電荷を流すように構成されており、
   前記コンデンサは、互いに異なるコンデンサの誘電体が、異なるタイミングで伸ばされ緩められるように位置決めされており、
   前記電力抽出部は、選択的に前記コンデンサの電極を互いに接続して、全コンデンサの平均電圧差よりも高い電圧差の電極を有する第１のコンデンサから、第２のコンデンサの電極へ電流を流すように構成されている、請求項６に記載のシステム。
8. 前記電力抽出部は、前記コンデンサの各々の両端間の電圧を検出するための手段（５４）を含んで、前記コンデンサの両端間の電圧に応じて選択的に前記コンデンサの電極を互いに接続するステップを行なう、請求項６に記載のシステム。
9. 前記システムは、海面を有する海からエネルギーを抽出するために有用であって、
   前記システムは、丸められたＳＭシート材料からなるセグメント（６０）で作られた可撓性で細長い管（１３）を備え、前記管は、海中を浮遊し、海面に本質的に平行に延在し、波が管に作用すると管内に流体からなる加圧された移動する膨らみ（２３）が生じるように流体を含み、
   各セグメントは、ＳＭ材料の各側に１対の可撓性電極（２２、２４）を設けられており、前記電力抽出部は、各前記電極対に結合されている、請求項６に記載のシステム。
10. 往復して動く部品の機械的エネルギーを有用な電力に変換する方法であって、前記システムは、複数のコンデンサ（１１１−１１４，６０Ａ，６０Ｃ）を含み、前記コンデンサは、本質的に１枚の伸縮性シートの形態である或る量のＳＭ（伸縮性材料）を含むコンデンサ誘電体（２０，６２，１８０）と、前記伸縮性シートの両面と実質的に対向して置かれている１対のコンデンサ電極（２２，２４，６４，６６，１９０，１９１）とを各々有し、前記伸縮性シートは、前記機械的エネルギーによって初めに伸ばされかつその伸びの程度が繰返し増加され緩められるように位置決めされており、各コンデンサの各電極対には電荷があって、コンデンサ電極間に、ＳＭからなるシートが次第に伸び緩むときに変動するコンデンサ電圧を生じ、前記方法は、
    前記コンデンサの電圧を監視し、平均コンデンサ電極対電圧差よりも大きい電極対電圧差を有するコンデンサから電流を繰返し引出すステップを備える、方法。
11. 前記システムは、海中にある管であって前記管に作用する波により移動する膨らみを前記管内に生じる流体を閉じ込めている管を含み、前記管は、前記誘電性ＳＭシート材料からなる壁と、互いに対向してＳＭ材料の両面と対向して置かれている１対の電極とを各々備えた管状セグメントからなって、コンデンサを形成し、管状セグメント壁を備えた前記コンデンサは、前記膨らみが通過するときに径方向に伸び、緩むように位置決めされており、前記監視するステップは、緩んでいるＳＭ材料を有するコンデンサからさらに伸びているＳＭ材料を有するコンデンサへ電気を流すステップを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 海の波のエネルギーを有用な電力に変換するためのシステムであって、
    ＳＭ（伸縮性材料）シート材料の複数のロールを備え、前記ロールは、海中で係留されており、波の中で上下に動く少なくとも１つの浮力モジュールに接続された上端部を有し、前記ＳＭからなるシート材料のロールの各々は、両面と、前記シート材料の前記両面と対向して置かれている１対の電極とを有して、コンデンサを形成し、前記コンデンサは、前記ロールに沿って互いに間隔を空けて置かれており、
    前記管の第１の端部に設置され、前記コンデンサの各々に結合され、それらの間に電流を流すように構成された中央電力制御部をさらに備える、システム。
13. 海の波のエネルギーを有用な電力に変換するためのシステム（１１）であって、
    本質的に水平な管中心線（１６４）を有し、前記中心線が本質的に海の波に平行に延在する状態で海中に置かれているＳＭ（伸縮性材料）シート材料からなる細長い管（１２，１３，５０）を備え、前記ＳＭからなる管は、両面を有し、
    前記管の両面と対向して置かれており、発電コンデンサを形成する多数の電極（２２，２４，６４，６６，１９０，１９１）対をさらに備え、前記電極対したがって前記発電コンデンサは、少なくとも前記管の前記長さに沿って互いに間隔を空けて置かれており、
    前記コンデンサに結合され、前記コンデンサ間に電流を流すように構成された電力制御部（２８，１１０）をさらに備える、システム。
14. 前記管は、平均直径を有し、
    前記管の長さに沿って前記管平均直径の少なくとも７倍延在し、前記発電コンデンサよりも変動が少ない電圧を備えた一定電圧コンデンサ（１７０，１７２）を形成する１対の電極（１９２，１９３）を含み、
    前記一定電圧コンデンサは、前記発電コンデンサによって発電された電力を蓄積可能である、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記電極の各々は、波形にされており、波形（７２）は、前記管中心線に平行であって、ＳＭ材料が管の径方向に伸びることを可能にする、請求項１３に記載のシステム。

Images