波力エネルギーを獲得する装置

発明の詳細な説明

〔本発明の分野〕 本発明は、振動水柱技術を用いて波力エネルギーを獲得する分野に関し、さらに詳しくは、空気圧エネルギーの形でエネルギーを獲得する気室の配置、上記気室から空気流を送り出す弁および上記気室へ空気流を送り込む弁、ならびに空気圧エネルギーを電気エネルギーに変換するタービンに関する。

〔本発明の背景〕 振動水柱(OWC:Oscillating Water Column)技術は、水中開口部を有する部分的に浸水する構造からなり、当該構造は、内部の空洞または空気室内に閉じ込められている空気を、海水の運動によって圧縮させたり減圧を生じさせる。波が上記OWC装置に作用すると、上記構造内に入っている水が運動する。その結果、上記気室内の空気が押し込まれたり押し出されたりすることで、特別に設計された専用のタービンを通過する。いったん水が引くと、上記気室の中の空気は減圧され、上記タービンから吸い出される。上記タービンに連結された発電機が、上記タービンの回転機械エネルギーを電力に変換する。

一般的にOWC装置に使用される上記タービンには、空気流の方向にかかわらず同一方向に回転するように設計された、ウェルズタービン、瀬戸口タービン、または二放射対称タービン等の往復方向式タービンがある。上記タービンおよび連動する発電機の回転方向は常に同一であるため、波の交替的な運動と関係なく、上記タービンおよび発電機は永続的に高速回転できる。

一方向式タービンの使用に基づく他の方法もある。つまり、これらのタービンは単一の空気吸入方向に沿って作動することによって、一連の逆止弁によって気流を調整する。上記方法を用いた装置には、より多い数の弁およびタービン、またはより少ない数の弁およびタービンを使用した異なるデザインの構成がある。

これらの構成のうちで最も報告が多い構成は、以下の通りである。

1つのタービン、4つの弁、大気に開放する回路 1つのタービン、2つの弁、大気に開放する回路 1つのタービン、2つの弁、閉回路 最後の例では、上記タービンの流入口にある柱は大気圧よりも高く、上記出口にある上記柱は大気圧よりも低い。

波の自然な振動を考えると、これらの柱の水平断面はそれほど大きくない。これは、波の波頭および谷の影響が同じ柱に与えられることで、平均化効果が生まれ、そのため、上記水柱の平均的な高さの変化は0になり、エネルギーを利用することができないからである。

上記平均化効果を避けるとともに、装置の電力を増やして、運転費および整備費を減らすために、複数の柱は、互いの波を著しく減少させずに、その上全体のエネルギー産出の安定性を向上させるように互いに充分に離れた状態で、1つのプラットホーム内に互いに結合されていてもよい。往復方向式タービンまたは調整された空気流を利用する一方向式タービンの場合、上記プラットホームの上記装置は水柱および上記空気室の両方において独立しなければならない。これは、結合させた時に、1つの気室の空気圧は他の気室内の真空によって相殺されるためである。

複数の装置を同一のプラットホーム内に配置する利点の1つとして、以下のことが挙げられる。各装置が発生させる交流電流を直流電流に転換するための設備を、当該装置全てが共有することで、各装置からのエネルギーを1本のケーブルに接続させて再び伝送用の交流の高電圧エネルギーに転換させ、エネルギーを、変電所を介して送電網に注入することができる。さらに、それぞれの装置の電圧のピークは同時に起こらない傾向があるため、この基盤の全体的な寸法は、各装置それぞれの寸法の合計よりも小さい。

閉回路の一方向式タービンの特別な例では、より大きく、より効率的なタービンを1つ提供するために、各装置の気圧気室および真空室は、互いに結合されてもよい。この場合、発生した電力と同様に、気圧と流れの相違も安定している。

これらの構成は、充分大きな浮遊構造であってもよく、あるいは、海岸線または防波堤の上に位置してもよいが、水の量が入る大きな管を含む。より高いエネルギー効率を得るために、上記構成のデザインは多様化の傾向がある。また、上記構成は、海の力に耐えられるように強固であり、コストを減らすように組み立て式であり、メンテナンスしやすい特別なデザインを有する。

このように、既知の様々なデザインは、現時点での技術に対して異なる解決策をもたらす。特許GB2161544は、様々な気室によって給気される2つの真空多岐管および気圧多岐管の間にある閉回路上で作動する一方向式タービンを有する多柱プラットホームを提示している。圧縮する柱と拡張する柱が同時に存在するため、上記装置には充分な長さがある。機械弁または水中逆止弁を用いて、生成された気圧の流れを制御する。固定的または可変的な容積を有する特別な気圧タンクを含む変形例がある。

他の特許には、同じ構成であってもより優れたデザインが提示されている。例えば、WO2007057013では、ブーメランの形状を有し、その先端または末端によって地面に固着され、波の方向を向いている構成が設計されている。同様に、真空の力は、プラットホームの重量を減らすようにすることでプラットホームへの負荷を減らすことに役立っている。これによって、V字型を形成する2つのアームに、上記複数の円柱を分配することが可能になり、また、外部と接続された空気弁によって水中の深さの調整が可能になる。

特許WO2007131289には、逆止弁を有する複数の気室からなる本体を備える発電機が提示されている。第1容器は、第1気室セットから空気を受け入れ、逆止弁を有する第2気室セットへ空気を送る上記発電機へ上記空気を送る。

気圧気室および真空気室を使用するすべての解決法では、サイズが制限され密閉されたこれらの2つの気室の容積の間にタービンが装備されており、上記タービン内で搬送される容積が小さく、流れも変わりやすいため、直接的に性能を低減させることになる。

これらのすべての解決策には空気力の大きな振動が必要であることは、上記装置の性能を低減させる。したがって、上記現存装置の特徴を改良する波力エネルギー獲得装置を開発することが望ましい。ここで開示する本発明の内容に係る新しい装置は、大気と直接に接触するように配置された2つのタービンを有し、そのうちの1つは蓄圧器と接続し、もう1つは負圧蓄圧器と接続する。上記蓄積器は、配管または付加的なタンクの接続を要らずに、多岐管およびダンパーとしての役割を果たす。上記すべてによって、水頭損失が低減され、タービンの作動状態が安定するため、上記装置の性能を改善することができとともに、エネルギーを生成するコストが低減される。

〔本発明の説明〕 本発明は、上記OWC技術によって波からエネルギーを生成する装置であって、蓄圧器、負圧蓄圧器、空気室、および水柱が、その間に配管を接続せずに、同一の構造に一体化されていることにより、気圧の損失を防止することができる装置に関する。

本発明の別の主題は、上記蓄圧器および負圧蓄圧器が、これら2つの蓄積器の間に1つのタービンを有するのではなく、大気側を向いている一方向式タービンをそれぞれ有することである。これによって、上記気室が大気と接続されるという特徴を有する。一方、上記互いに接続された気室では、サイズが制限され密閉された2つの容積の間に管が機能しており、上記管内で搬送される上記流れが小さく、乱気流も多いため、性能を低減させる。上記タービンには安定性が必要であり、それぞれのタービンと連動する上記蓄圧器および負圧蓄圧器はこのような安定性を提供する。

本発明のさらに別の主題は、上記蓄積器が多岐管としての機能を果たすことである。一方、上記空気室の空気圧エネルギーを収集する多岐管の外側の仕切りの中に位置する蓄積器を有する場合、このような蓄積器の配置はシステムのコストに影響を及ぼす。

本発明の1つの主題は、水柱と、空気室と、適切な寸法を有する蓄圧器および負圧蓄圧器とを有する装置を提供することである。大きな容積を有する蓄積器によってより安定した気圧が得られるため、上記適切な寸法によって実現できる上記技術的特徴に対して、製造上の条件および構造に伴う費用を考慮する。本発明のさらなる主題は、上記柱の開口部を波の方向に向かせることである。そのためには、上記プラットホームが浮遊プラットホームである場合、上記プラットホームは、本発明の主題である上記装置が波の前進方向に適切に向かわせるシステムを装備する。

さらに、本発明のさらなる主題は、それぞれの気室からのエネルギー獲得量が、時間の経過とともにできる限り高くて一定となるように、2組の水柱および空気室の間の距離を適切にすることである。

本発明のさらなる主題は、上記水柱の流入口が、波力エネルギーの減少分を減らすような角度および高さを有することである。一定の角度を有する末端または流入口を備える上記浸水する柱を装備することによって、上記柱間の「影」の影響を減らし、上記装置によって獲得されるエネルギーを最大限にすることも考慮する。

本発明のさらなる主題は、上記装置が浮遊装置である場合に、上記水柱が、とりわけ当該装置の振動によって生じた、上記水柱の内部の水の表面の振動を制限する垂直の分離器を有することである。

これらの目的および他の目的は、2つの蓄積器(1つは加圧用、もう1つは減圧用)、空気柱および逆止弁で上記蓄積器と接続される水柱によって形成される1つまたは複数のブロックからなるプラットホームによって実現できる。上記冠水したブロックの末端は、波に対する他のブロックの影の影響を減らすために一定の角度を有するように設計される。上記気圧/負圧蓄圧器は、上記それぞれの空気室が吸収したエネルギーの多岐管としての機能を果たす。一方向式タービンは、各蓄積器の中に配置され、上記蓄積器を大気と接続する。本発明は以下の利点を持っている。水頭損失が低減され、タービンの作動状態がより良く且つ安定するので、上記装置の性能が高くなるとともに、エネルギーを生成するコストも低減される。さらに、上記装置は外側に方向づけられるタービンを有することによって、修理およびメンテナンスにおいて用いられる何れかの部分、さらにすべてのタービンが交換しやすくなる。

本発明の詳細な説明では、例示として上記装置の上記それぞれの気室の具体的な寸法を示す。生成する目標電力、地理的位置、予算またはコストに限定されるものではなく、デザイナーは、特定のプロジェクトのニーズを満たすために、最適なエネルギーコストと最適な収益を達成するために適切なサイズを探すべきである。

〔本発明の詳細な説明〕 図1は、既知の技術を示す。詳細には、 図1Aは、標準的なOWC装置を示す。図1Aにおいて、(8)は水柱であり、(1)は空気室であり、(24)は往復方向式タービンであり、(23)は大気である。

図1Bは、4つの逆止弁を有する一方向式空気流整流タービンを備えるOWC装置を示す。

図1Cは、2つの逆止弁を有する一方向式空気流整流タービンを備えるOWC装置を示す。

図1Dは、2つの逆止弁を有する一方向式空気流整流閉回路タービンを備えるOWC装置を示す。

図1Eは、標準的な特大OWC装置を示す。図1Eにおいて、矢印は波の方向(33)を示し、上記装置の外側には波頭(31)および谷(32)があり、上記タービンによって集められた流れ(Q)はほぼゼロであることを意味する。

図1Fは、剛性構造(41)によって互いに結合される複数の標準的なOWC装置を備えた2つのプラットホームを示す。

図1Gは、2つの独立した装置(点線)と、図1Fに示すようなプラットホーム(実線)とによって獲得された、時間に対する全体の電力を比較するグラフである。統計学的には上記電力出力の峰および谷は減少傾向であることがわかる。

図1Hは、一方向式閉回路タービンを間に挟んで互いに結合された気圧多岐管および真空多岐管によって接続された複数のブロックを有するプラットホームの標準的な外形を示す。

図1Iは、2つの独立した装置(点線)と、図1Hに示すようなプラットホーム(実線)とによって獲得された、時間に対する全体の空気力を示すグラフである。上記装置が結合されると、平均電力が増加するとともに、上記送られる空気力がより安定することがわかる。

図2は、本特許出願の主題である上記振動水柱装置(OWC)の配置、さらに詳細には、水柱、その対応する内部気室、ならびに波から獲得されるエネルギーによって駆動されるタービンを収容する蓄積器の配置を示す。実線および破線がそれぞれ示すように、波(22)の上下運動によって、上記水柱(8)は上下へ運動する。上記水柱(8)が上昇すると、上記空気室(1)で生成された気圧によって空気流が生じ、当該空気流は上記逆流防止吸入弁(2)を通過し、上記空蓄圧器(3)に進入し、結果として過圧を引き起こす。そこで、上記濃縮された空気は、対応する単方向式排出タービン(4)を動かすために十分な気圧を有し、大気(23)に排出される。一旦この過程が終了した場合、上記水柱(8)が下降し始めると、上記大気空気は単方向式流入タービン(5)を流れ、負圧蓄圧器(6)を充満し、そこから上記逆流防止排出弁(7)を経由して上記空気室(1)へ送られる。上記逆流防止吸入弁(2)および上記排気弁(7)は各蓄積器において交互に開閉し、上記蓄積器における加圧/減圧を可能にする。

図3Aは、上記蓄積器の容積が及ぼす影響を分析する。破線は、容積Vを有する蓄積器の空気力を示し、実線は、Vの7倍(7V)の容積である蓄積器の空気力を示す。上記容積が大きければ大きいほど、より速度が安定し、上記タービンの性能もより高くなる一方、平均電力は低く、製造コストも高くなることが観察される。図3Bは、図3Aに示した蓄積器とは異なる容積を有する装置が発電した電力を示す。破線は、容積が小さい蓄積器と高出力タービンとを備える装置を示す。一方、実線は、容積が大きい蓄積器と、電力がわずかに低いが、性能が高いタービンとを備える装置を示す。この場合、上記装置全体の電力生産量がどのくらい高いかがわかる。生産されるエネルギーに対して、コストが最も低く、理想的な中間の寸法を見つけ出す責任は設計者にあるものとする。

以上のように、上記蓄圧器(3)の気室および負圧蓄圧器(6)の気室は、当該2つの蓄圧器の気室および負圧蓄圧器(6)の気室の間に1つのタービンを有する代わりに、大気側を向いている一方向式タービン(4および5)をそれぞれ有する構成について説明した。図4において、実線は大気側を向いている2つの一方向式タービンを有する上記解決策の挙動を示し、破線は2つの気室の間にある単一の一方向式タービンを示す。

上記蓄積器(3または6)の重要な特徴は、その容積である。上記容積が大きければ大きいほど、上記蓄積器(3または6)の流入口での空気圧の変化がより少なくなり、出口の気圧がより一定になる。この減衰により、タービンおよび交流発電機の性能が向上する。これは、両方が高ければ、吸流入口の気圧が安定するためである。一方、上記容積の増加によって、上記タービンのために利用できる空気圧エネルギーが低減し、製造コストが増加する。そのため、上記蓄積器の適切なサイズを見つけるためには、空気的性能の低下および製造コストの増加をタービンの性能の改善によって補償できる容積を求めることが必要となる。それは、図5に示すように、上記エネルギーのコストが最も低い点である。図5において、x軸は上記蓄積器の容積であり、y軸は性能およびコストである。実線は空気的性能(12)であり、破線はタービンの性能(13)であり、実線は上記装置のコスト(15)である。上部にある曲線はエネルギー生成のコスト(14)であり、その最も低い点は、蓄積器の設計上の理想的な容積を示す。

図6は、互いに結合された様々なブロックによって下部が構成されている装置の実施形態を示す。各ブロックは、上記蓄圧器(3)および負圧蓄圧器(6)と接続され、対応する排出タービン(4)および流入タービン(5)が上記蓄圧器(3)および負圧蓄圧器(6)より突き出ている。当該装置の部材全体によって、浮遊プラットホームが構成され、当該浮遊プラットホームは、波(22)に対して自身を位置付けるために、係留システムおよび方向システムを含む。構造柱(19)の下部には流入口(16)が備えられている。上記流入口は、波(22)の獲得を最適化し、ブロック間の遮蔽を減らすために、異なる高さおよび/または傾きを有してもよい。上記流入口(16)の向きは、通常波に逆らっているが、いくつかの実施形態では、海岸線に配置されている装置の場合のように、反対の向きが選ばれることもある。

図7は、切断した状態のブロックを示し、当該ブロックを構成する部材、つまり、構造柱(19)を示す。構造柱(19)は、上記波(22)の中に浸かった時、水柱(8)および空気室(1)を形成する。上記ブロックは、2つの逆止弁(2および7)と、上記流入口(16)とによって構成され、さらに、いくつかの構成では、上記構造柱の中の波の乱れを最小限に抑え、当該ブロックにより高い剛性を付与するために、1以上の中間壁(18)とによっても構成される。

図8は、同様の装置の他の実施形態を示す。図8において、蓄圧器(3)および負圧蓄圧器(6)が示され、対応する排出タービン(4)および流入タービン(5)が、上記蓄圧器(3)および負圧蓄圧器(6)より突き出ている。各装置に組み込まれているブロックの数が異なる。オプション(a)については、既に図6で説明した。オプション(b)は、上記オプション(a)と類似しているが、間の隙間を減らすために挿入された上記構造柱(19)の寸法が同様であるブロックの数がより多い。最後に、オプション(c)は、本発明の主題である上記装置の表面全体を覆うように、非常にたくさんのブロックが組み込まれている。このように、同様の全体的な寸法を有する装置には複数の可能な外形がある。ブロックの数およびブロック間の距離は変更可能であり、さらに、上記距離はゼロであってもよい。示された上記システムは、(一般的に、海岸付近、海岸線上、または防波堤上の)浮遊装置および固定装置への適用が可能である。

以下、本発明への理解を促進し、同時に特に限定されない例として紹介された上記発明の一実施形態に関する一連の図を簡単に説明する。

従来の様々な実施形態またはそれらの作動状態を図式的に説明する図であり、標準的なOWC装置を示す図である。

従来の様々な実施形態またはそれらの作動状態を図式的に説明する図であり、4つの逆止弁を有する一方向式空気流整流タービンを備えるOWC装置を示す図である。

従来の様々な実施形態またはそれらの作動状態を図式的に説明する図であり、2つの逆止弁を有する一方向式空気流整流タービンを備えるOWC装置を示す図である。

従来の様々な実施形態またはそれらの作動状態を図式的に説明する図であり、2つの逆止弁を有する一方向式空気流整流閉回路タービンを備えるOWC装置を示す図である。

従来の様々な実施形態またはそれらの作動状態を図式的に説明する図であり、標準的な特大OWC装置を示す図である。

従来の様々な実施形態またはそれらの作動状態を図式的に説明する図であり、剛性構造(41)によって互いに結合される複数の標準的なOWC装置を備えた2つのプラットホームを示す図である。

従来の様々な実施形態またはそれらの作動状態を図式的に説明する図であり、2つの独立した装置(点線)と、図1Fに示すようなプラットホーム(実線)とによって獲得された、時間に対する全体の電力を比較するグラフである。

従来の様々な実施形態またはそれらの作動状態を図式的に説明する図であり、一方向式閉回路タービンを間に挟んで互いに結合された気圧多岐管および真空多岐管によって接続された複数のブロックを有するプラットホームの標準的な外形を示す図である。

従来の様々な実施形態またはそれらの作動状態を図式的に説明する図であり、2つの独立した装置(点線)と、図1Hに示すようなプラットホーム(実線)とによって獲得された、時間に対する全体の空気力を示すグラフである。

本発明の内容に係る装置およびそれに関連するタービンを示す図である。

ここで紹介された本発明に係る装置における、蓄積器容積aについての、時間に対する空気力の変化を示すグラフである。

ここで紹介された本発明に係る装置における、蓄積器容積bについての、時間に対する空気力の変化を示すグラフである。

ここで紹介された本発明に係る(大気と接続される2つの一方向式タービンを有する)複数のブロックを備えた装置についての、時間に対する空気力の変化を示すグラフであり、閉回路の中で上記蓄圧器と負圧蓄圧器とを接続する一方向式タービンを有する複数のブロックを備えた装置の出力を示すグラフである。

OWCの性能、タービンの性能、エネルギーのコストおよび装置のコストを、蓄積器の容積と比較する図である。

円柱流入口の開口部と異なる開口部を有するプラットホームを示す図である。

装置の構成要素とともに、上記装置のブロックを分離的に示す図である。

装置の噴出口の配置を、2つのブロックを有するように組み合わせる実践的な実施形態を示す図である。

装置の噴出口の配置を、互いに短い間隔がある複数のブロックを有するように組み合わせる実践的な実施形態を示す図である。

装置の噴出口の配置を、上記装置の全表面にブロックがあるように組み合わせる実践的な実施形態を示す図である。