JP5738269B2 - ベンチュリピンホイールおよび海錨波エネルギー変換システム - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
当該出願は、「Ｖｅｎｔｕｒｉ，Ｃｈａｍｂｅｒｅｄ Ｖｅｎｔｕｒｉ ａｎｄ Ｓｅａ−Ａｎｃｈｏｒ Ｗａｖｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題する２００８年２月２２日に当発明者によって出願された仮特許出願の本出願である。

１．発明の分野
本発明は、一般に、海洋およびその他の水域に存在する豊富な自然エネルギーを電気分解によって水から水素の発生などの電気または化学エネルギーに変換する波エネルギー変換装置に関する。

２．先行技術の説明
移動する水または高圧水から有用なエネルギーを取り出すために水力タービンが、何千年もの間、使用されている。様々な環境下で水からエネルギーを取り出すために過去において多くの異なるタイプの水力タービンが発明されて使用されており、たとえば、フランシスタービン、ペルトンタービン、カプランタービンなど、最適な効率を有する様々な特性によって特徴付けられている。

水力タービンの設計は成熟した領域である。大部分の最新のタービンは、水の運動エネルギーまたは位置エネルギーを回転運動に変換して９０％を超える効率を有する発電に利用しうる。ほとんどすべての河川やダムにおいて利用可能な運動エネルギーまたは位置エネルギーが最適に得られる既存の水力タービン設計を見つけることは比較的容易である。

しかしながら、海洋や海辺の海面を移動する波からエネルギーを取り出そうとする試みは比較的新しい。いくつかの設計が文献で提案されており、先行特許に記載されている。多くは、ある方法で海底に固定されうる比較的浅い海域での利用に限定される。海底に直接接続せずに海洋の最深部で動作しうるものはきわめて少ない。

長年にわたり、海洋波の運動エネルギーおよび位置エネルギーを電気または他の利用可能な形のエネルギーに変換するように設計された多くの装置が、構築され、特許を取得され、提案されている。このような研究開発努力に従事することには多くのもっともな理由がある。海洋波は、取得が地球の環境および生態を悪化させることのない再生可能エネルギー源を意味する。また、海洋波は、比較的小型の装置から大量のエネルギーを取得する可能性を提供するきわめて集約的なエネルギー源を意味する。

このような装置を開発して使用することには多くの潜在的な利益がある。化石燃料の燃焼を再生エネルギー源に置き換えることは大気に入るＣＯ_２のレベルを抑制することになり、さらにこのことは、様々な硫黄化合物、窒素化合物、粒子状物質など、空気中の他の汚染物質のレベルを抑制することになる。化石燃料は最終的に使い果たされるであろうが、再生可能エネルギー源は決して使い果たされることがないであろう。

海洋の海面を横断する波は、太陽から地球に与えられる全エネルギーの大部分の保存場所を意味する。太陽は陸地と海を加熱し、この熱エネルギーの多くは大気に入る。地球表面の大気の加熱の差は、地球の自転とともに、ときには比較的高速で地球表面における大気の移動を引き起こす。

大気が地球の湖および海洋の表面を移動すると、その運動エネルギーの一部をこれら湖および海洋の表面の水に与え、それによって、上記水域の表面に波を引き起こす。これらの波の振幅は、波が伝播する方向に平行に風が吹く限り増加する。波の伝播に平行な方向に吹く風の連続距離は、その波のエネルギー量を増加させ、波の「広がり（fetch）」と呼ばれる。

典型的な海洋風波は、高さが３／１０ｍ（０．３ｍ）〜５．０ｍである。緯度が高くなると、１０．０ｍの波も稀ではない。

先行技術は、海錨なしで動作しうるある種の波エネルギー装置を含む。これは、シャフトまたはケーブルによってブイから吊るされる一方向または双方向プロペラを含む。ブイが通過する波に応答して上下に移動すると、プロペラは水面下の比較的静かな水中を上下に移動される。比較的静かな水中のプロペラのこの動きは、プロペラを回転させる。プロペラが双方向であればプロペラは一定方向に回転するが、プロペラが一方向であればその回転方向は反転する。このような装置は、大きな電力を発生しない。

吊るされたタービンによって水を前後に駆動する力はたとえ大きくても、水の移動速度は比較的遅い。高さが５ｍの波によって８秒間駆動されるとき、吊るされたタービンの水に対する最高速度は、毎秒２ｍ（２ｍ／ｓ）となる。この速度では、タービンによって水の流れから取り出されうる電力量はその速度の３乗に比例するので、すなわち、
電力＝ｋＡｖ^３
であるので、簡単なタービンによって流水から多量のエネルギーを取り出すことは困難であろう。

ここで、「ｋ」は具体的なタービンの設計および実施の効率に依存する定数であり、「Ａ」は電力が取り出される水の流れの断面積であり、「ｖ」は水の速度である。

海洋波は比較的遅い速度（その最大速度は一般に毎秒わずか１ｍまたは２ｍである）で上下するので、プロペラを流れるだけの水から多量のエネルギーを取り出すことは困難である。

しかしながら、プロペラを流れるだけの水の速度が増加されうれば、取り出されうる電力は指数関数的に増加されうる。たとえば、プロペラを流れる水の速度が毎秒２ｍの最大値から８ｍに増加（すなわち、水の速度が４倍に増加）されうれば、流れる水から取り出されうる電力の量は、４×４×４＝６４倍、すなわち、４の３乗に増加することになる。タービンによって発生される電力は、タービンを流れる水の速度を４倍にすることによって６４倍に増加されうる。

水面波の属性に関する以下の注釈は、「深水波」として分類される水面波に関連する。深水波は、その深さが波の波長の１／２に等しいかこれを超える水域の表面を移動する。さらに、以下の議論は、主として「スウェル」として分類される深水波に関連する。スウェルは、約４０〜４００ｍの範囲で変わる波長を有する水波である。

深水波の「波長」は、波形が繰り返す、すなわち、波高点から波高点までの距離である。波高点が対応する波の谷よりも高くなる高さが波高である。

深水波の伝播に寄与する水分子および他の粒子は、楕円軌道と区別される円形軌道を有する。軌道半径は、深さが増加するにつれて指数関数的に減少する。半径は、深さが波の波長の１／２に近づくにつれて無視できるほどに小さくなる。この特別な深さは、「波浪作用限界水深」と呼ばれる。深水波は、波浪作用限界水深の下方にある水を少しも動かさない。この深さよりも下方の水およびそこに浮かぶ物体は、たとえ波が頭上海面を移動しても、実質的に静止している。

特定の波または一連の波に対する波浪作用限界水深を規定する深さは、その波または一連の波の波長に依存する。比較的長い波長を有する波は、比較的短い波長を有する波よりも大きい深さの水分子の運動に影響を与える。

深水波の運動は、次式によって表わされる。
□_ｘ（ｘ，ｙ，ｔ）＝ｒｅ^ｋｙｓｉｎ（□ｔ−ｋｘ）＋ｘ
□_ｙ（ｘ，ｙ，ｔ）＝ｒｅ^ｋｙｃｏｓ（□ｔ−ｋｘ）

なお、このモデルでは、あらゆる水粒子は円を描くように移動する。円は、中心が水の静止位置にあり、ｒｅ^ｋｙの半径を有し、ここで、ｒは表面波の振幅であり、−ｙは表面下の深さである。これらの円の半径は、深さが増加するにつれて指数関数的に減少する。それゆえ、荒れた海においても表面下方の水は非常に静かであろう。

流水によって発生される電力は、水の速度の３乗に比例して変化する。以下の引用はこのことを説明している。

水中タービンに入る流れの瞬時電力密度は次式で与えられる。

ここで、Ａは装置によって阻止される流れの断面積、すなわち、タービンローターが通過する面積（ｍ^２単位の）であり、□はｋｇ／ｍ^３単位の水密度（淡水では１．０ｋｇ／ｍ^３であり、海水では１．０２５ｋｇ／ｍ^３）であり、Ｕはｍ／秒単位の流速である。潮流の場合、Ｕは、前述のように予測可能な形で時間とともに変化し、さらに後述のように水面下の深さと流路の位置とに依存する。

電力密度は流速の３乗に比例して変化する。したがって、電力密度は以下のグラフに示すように流速とともに急速に増加する。

「ＥＰＲＩ：ＲＥＶ３:潮流エネルギー資源および潮流内潮汐エネルギー変換（ＴＩＳＥＣ）装置による発電の推定方法」
プロジェクト：ＥＰＲＩ北米潮流内潮汐電力実現可能性実証プロジェクト
フェーズ：１−プロジェクト定義検討
報告書：ＥＰＲＩ−ＴＰ−００１ ＮＡ Ｒｅｖ３
著者：Ｇｅｏｒｇｅ ＨａｇｅｒｍａｎおよびＢｒｉａｎ Ｐｏｌａｇｙｅ
共著者：Ｒｏｇｅｒ ＢｅｄａｒｄおよびＭｉｒｋｏ Ｐｒｅｖｉｓｉｃ
日付：２００６年９月２９日
８ページ（ＰＤＦファイルの１１ページ目）参照
http://www.epri.com/oceanenergy/attachments/streamenergy/reports/TP-001 REV 3 BP 091306.pdf

深水波は、水およびそこに浮かぶ物体を円形軌道を描いて移動させる。しかしながら、これらの軌道の半径は、水深が「波浪作用限界水深」に達してこれを超えるとゼロまで減少する。換言すると、深水波は、波浪作用限界水深を超える深さにある水の位置または動きに著しい影響を与えない。

つまり、深水波が水域の表面を移動するとき、これらの波は水域の表面における水と少なくとも波浪作用限界水深ほどの深さにある水との間で相対運動を生成する。海面の水は表面波の通過に応答して比較的大きい円軌道を描いて移動しているが、波浪作用限界水深の下方の水は全く動いていない。

本発明の２つの主要な実施形態、すなわち、ベンチュリ・ピンホイール・タービンおよび海錨タービンは、海面における水と、水域の表面を横切る深水波の通過によって誘発される深いところの水との間のこの差動運動を利用する。これは、他の公知の海洋を利用したエネルギーシステムに優る利点を有する。

公知の潮汐流タービンは、大型、複雑で、かつ高価である。これらの配備は困難である。さらに、大規模な配備は可能でなく、すなわち、これらの装置が稼動しうる場所の数に制限がある。これらは、これらのエネルギー源が満潮の間や潮の流れが変化しているときしか利用できないのでエネルギーを連続的に発生しない。

海岸にある波エネルギー装置は、それらのエネルギーを砕ける波から得る。

しかしながら、これらは美観的に望ましくなく、これらは貴重な沿岸の不動産を占有する。これらの装置が稼動しうる場所の数に制限があるので大規模な配備は可能でない。これらは海岸線の生態系に悪影響を与える傾向があり、これらはエネルギーを連続的に発生しない。

比較的浅い水域の海岸近くで稼動する波エネルギー装置は、複雑で手がかかり、かつ高価になる傾向がある。また、これらの装置は、通常、海岸から見えるので美観的に望ましくない。また、これらはその地域における船舶航行の妨げとなる可能性がある。これらの装置が稼動しうる場所の数に制限があり、大規模な配備は現実的でない。

比較的深い水域の沖合いで稼動し、海底に投錨されあるいは基礎を置く波エネルギー装置は、複雑で、建設費がかさみ、かつ維持費がかかる。また、海に浮かぶ先行技術の波エネルギー装置も、複雑で、建設費がかさみ、かつ維持費がかかる。

本明細書に開示する装置は、比較的簡単で、建設費と維持費が安く、かつ大量のエネルギーを生成しうる。

「ベンチュリ効果は、中に狭窄を有するチューブやパイプを流れる流体の場合のベルヌーイの法則の例である。流速は、連続の式．．．を満足するために狭窄によって増加しなければならない。」
http://en.wikipedia.org/wiki/Venturi effect

連続の式は、流体の「質量流量率」−単位時間にチューブを移動する流体の量−は、質量の蓄積−「質量生成」−があるチューブなどのいかなる断面においても同じでなければならず、かつ定常流の仮定が無視されることを述べている。
簡単に言うと、
（質量速度）_１＝（質量速度）_２
ここで、
質量速度＝密度×面積×速度
この式は以下のように要約される。
ρ_１Ａ_１Ｖ_１＝ρ_２Ａ_２Ｖ_２
流体は非圧縮性であると考えられるので、ρは一定であり、式［０００５０］は次式のように要約される。
Ａ_１Ｖ_１＝Ａ_２Ｖ_２

これは、リークのない非粘性、非圧縮性、定常の一次元流に対する簡単な連続の式である。流れが粘性流であれば、断面のＶ_１およびＶ_２の平均値が使用される限り、記述はなお有効である。
式［０００５２］を再整理することによって、次式が得られる。
Ｖ_２＝（Ａ_１／Ａ_２）Ｖ_１
http://www.centennialofflight.gov/essay/Theories of Flight/Conservation/TH8.htm

ベンチュリ管は、その「圧力」エネルギーの一部を方向を持った運動エネルギーに変換することによって水の速度を増加させる。ベンチュリ管を進む水の速度が増加される大きさは、水が流れなればならない流路の断面積が減少される大きさに等しい。たとえば、ベンチュリ管の流路の狭い中間部（すなわち、ベンチュリ管の「スロート」）がベンチュリ管の入口、すなわち、「口」の断面積のわずか１／４の断面積を有する場合、スロートを流れる水の速度は、ベンチュリ管に入る水の速度よりも４倍大きくなる。円形流路の断面積は、その直径の２乗に比例する。したがって、ベンチュリ管のスロートを流れる水の速度をチューブに入る水の速度に比べて４倍に増加させるためには、ベンチュリ管の口の直径の１／２の流路直径を有するスロートを備えるベンチュリチューブを形成すればよい。

波のエネルギーを利用する改良された装置に対して長年にわたるがこれまでに実現されなかった要求が、現在、新しく、有用で、かつ自明でない発明によって満たされる。本発明の好ましい実施形態は、深海に浮かびながら稼動するものである。

潮流または海水位の変化からエネルギーを取り出す波エネルギー装置ならびに海岸線や海岸に近い比較的浅い水域で稼動する波エネルギー装置とは異なり、地球表面の大半は深海によって覆われているので深海波エネルギー装置は大規模に配備される可能性がある。これは、化石燃料への世界の依存度を大幅に削減したい代替エネルギー装置にとって重要な優位性である。先行技術の深海波エネルギー装置と異なり、本発明は、きわめて効率が高く、簡単で、維持に手間がさほどかからず、かつ安価である。

それゆえ、本発明は、全ファミリーの波エネルギー装置に見られるあらゆる優位性を享受する一方でいかなる制限も受けない。本発明の上記およびその他の重要な目的、優位性、および特徴は、この説明が進むにつれて明らかになるであろう。

したがって、本発明は、以下で記述する説明において例示される構造の特徴、各要素の組合せ、および部品の配置を備えており、本発明の範囲は特許請求の範囲に示される。

本発明の性質および目的をより十分に理解するために、以下の添付図面に関連して記載される以下の詳細な説明を参照されたい。

深さが増すにつれて表面水波の水分子特性の円形運動の直径がが急速にかつ指数関数的に減少する自然現象の実例である。 深さに伴う波動の減少を利用する先行技術の波エネルギー装置を図式的に示す。 水の上昇柱に応答して回転する先行技術のプロペラを図式的に示す。 本発明の好ましい実施形態の一部を形成するベンチュリタービンを示す図である。 水の双方向振動垂直流のエネルギーをタービン軸内の一方向回転エネルギーに変換するベンチュリピンホイール波エネルギー装置に使用するのに適したタービン設計を側面図で図式的に示す。 通過波に応答するベンチュリピンホイール波エネルギー装置の動きの側面図である。 周辺水域での新規なベンチュリ・ピンホイール・タービンの運動を示す側面図である。 新規なベンチュリ・ピンホイール・タービンでの水の等価相対運動を示す側面図である。 ベンチュリピンホイール波エネルギー装置の一実施形態の側面図である。 図６Ａの実施形態の縦断面図である。 細長いタービンハウジングを有するベンチュリピンホイール波エネルギー装置の好ましい実施形態の側面図である。 図７Ａに示す構造体の縦断面図である。 ベンチュリ波エネルギー装置の好ましい実施形態の側面図である。 図７Ｃの実施形態の縦断面図である。 オプションの「渦」および「逆回転」誘発部材の採用を示す新規なベンチュリピンホイール波エネルギー装置の第３の実施形態の側面図である。 図８Ａの実施形態の縦断面図である。 双方向ブレードを有する中心タービンの上流および下流に定置された可動ベーンを含む第４の実施形態の側面図式表現である。 ベンチュリタービンでの水の流れに垂直な軸を中心として回転するタービンを有する新規なベンチュリピンホイール波エネルギー装置の第５の実施形態の側面図式表現である。 図１０の実施形態であるが、長方形ハウジングを有するように変更された実施形態の斜視図である。 図１１の実施形態の平面図である。 本発明の移動式実施形態の側面図式表現である。 キャニスタに格納された場合の図１３の実施形態の側面図式表現である。 小型ブイに電力を供給するために使用する場合の図１３および１４の実施形態の側面図式表現である。 新規なベンチュリタービンの別の実施形態の斜視図である。 図１６Ａの線１６Ｂ〜１６Ｂに沿って切断された断面図である。 図１６Ａおよび１６Ｂの水車に対して第１の方向に流れる水の側面図式表現である。 図１６Ａおよび１６Ｂの水車に対して第２の方向に流れる水の側面図式表現である。 ベンチュリ波エネルギー装置で使用するのに適した別のタービン設計を示す。 通過波に応答する海錨波エネルギー装置の動きを示す。なお、水中プラットフォームの垂直運動はわずかであり、プラットフォームによるケーブル（フロートを釣合い重りに接続する）の垂直運動は比較的大きい（したがって、プラットフォームに取り付けられたキャプスタンを回転する）。 海錨波エネルギー変換装置の斜視図である。 図２０に示された海錨波エネルギー装置の海錨ディスクと装着キャプスタンとの拡大図である。 海錨波エネルギー変換装置の好ましい実施形態の斜視図である。

図１は、本明細書に開示される特に本発明に関する深海スウェルの特性を示す。深海波の波長１０は、波形が繰り返す、すなわち、波高点から波高点までの距離である。波高点が対応する波の谷よりも高くなる高さが波高または振幅であり、１２で示される。

深水波の伝播に寄与する水分子および他の粒子は、楕円軌道１４と区別される円形軌道を有する。このような軌道の半径は、参照番号１６で示されるように深さが増加するにつれて指数関数的に減少する。半径は、深さが波の波長の１／２に近づくにつれて無視できるほどに小さくなる。この特別な深さは、波浪作用限界水深１８と呼ばれる。深水波は、波浪作用限界水深の下方にある水を少しも動かさない。この深さよりも下方の水およびそこに浮かぶ物体は、たとえ波が海面を移動するときでも、実質的に静止している。波は、当然ながら、水面を実際に移動せず、水の個々の分子はエネルギーのパルスによって一瞬に持ち上げられ、このような個々の分子はエネルギーが通過すると直ちに落下する。その結果は、表面を横切る波の見かけの移動である。本発明の第１の実施形態は、ベンチュリ・ピンホイール・タービンである。

ピンホイールとは、風で回転するプロペラを棒に取り付けた子供の玩具のことである。プロペラと周囲空気との相対運動がその回転軸を中心とするプロペラの回転をもたらす。それゆえ、子供は、風が吹いていなければプロペラを動かすことによって、あるいは風が吹いていれば棒を動かさずに握ってプロペラを風に向けることによって回転をもたらすことができる。同様に、ベンチュリ・ホイール・タービンは、静止水域の中を上下に移動されるかあるいは水が静止水域に対して変位される間に静止している水力タービンを内蔵する。

本発明の１つの新規な態様は、ブイから海面の真下に吊るされたタービンを通って移動するように誘導されうる水の速度を増幅するためにベンチュリ管または同様の装置を採用することである。本発明の別の新規な態様は、ブイからベンチュリ管または同様の装置を吊るすための中実（剛性）手段または可撓手段のいずれかを採用しうることである。図２Ａは、深さに伴う波動の減少を利用することを目的とする先行技術の波エネルギー装置を示す。これは、ハブ２２に取り付けられたプロペラブレード２０を含む。シャフト２４は、ハブ２２を、図示されていないタービンおよび発電機を収納するブイ２６に相互接続する。タービンは、シャフト２４と一緒に回転する。ブイ２６は水域の表面２８に浮いているので、ブイの上下動によってプロペラブレード２０、および、したがってシャフト２４、タービン、ならびに発電機が回転して発電を行なう。

図２Ｂは、図２Ａに描かれたタイプなど、すなわち、一部の先行技術の波エネルギー変換装置で開示されたタイプの簡単な吊り下げ式プロペラ２０を示す。プロペラ２０は、直径Ｄを有し、速度Ｖを有する水の流れを受ける。水の運動エネルギーの一部は、プロペラシャフト２４によって加えられる回転運動エネルギーＰに変換される。

図２Ｃは、本発明の好ましい実施形態の一部を形成する新規な波エネルギー変換構造体３０を示す。狭窄３０ａ、３０ｂは、ベンチュリ管３０の管腔３１の直径Ｄを比較的小さい直径Ｄ２に減少させる。この実施形態では、図２Ｂの先行技術のプロペラシステムは、狭窄が最大であり、かつ狭窄を流れる水の速度が最高であるベンチュリ管３０内に配備される。本発明の主要な開示は、波エネルギー装置の効率を実質的に高めるためにベンチュリ効果を利用することであり、狭窄内に設置されるプロペラ／タービンのタイプは本発明にとって重要でない。矢印Ｖにおける水の速度は、矢印Ｖ２における水の速度よりも実質的に低い。先行技術は、ベンチュリ管の狭窄部に定置されるプロペラ／タービンの開示を含んでいない。

図３の先行技術のタービン３２では、水の双方向の振動垂直流のエネルギーを軸３４内の一方向回転エネルギーに変換することができる。このタイプの双方向タービンは、ベンチュリピンホイール波エネルギー装置内での使用に適している。図３は、プロペラのブレードを通る水の流れの方向の変化がこのようなブレードに取り付けられたシャフトの回転方向に変化をもたらさない様子を示す。タービンの回転方向は、水が上から下に流れようと下から上に流れようと同じままである。

さらに具体的には、方向矢印３６ａ、３６ｂで示すように、軸３４は対抗する矢印３８ａ、３８ｂで示されるようなここを通る水の流れの方向とは関係なく同じ方向に回転する。なお、タービンの最上部におけるブレード３５ａは下方に流れる水によって生じる最大の回転に対して曲げられ、最下部におけるブレード３５ｂは上方に流れる水によって生じる最大の回転に対して曲げられ、中央のブレード３５ｃはいずれの方向の流れに対しても曲げられ、中間上部および下部のブレード３５ｄ、３５ｅは、それぞれ、最上部および最下部のブレードのように急角度で曲げられない。

直径Ｄの簡単なプロペラの代わりに、比較的小さい直径Ｄ２のプロペラが同じ直径の入り口を有するベンチュリ管に使用されてもよい。ベンチュリ管の狭窄スロートは、ここを速度Ｖで流れる水を速度Ｖ２まで加速させる。図２Ｃに示されるベンチュリ管が閉じた水回路の一部である場合、すなわち、パイプ内の水をベンチュリ管に流さざるを得ずその周りに流すことができないように図２Ｃのベンチュリ管の各端がパイプに取り付けられる場合、Ｖ２は次式に等しくなる。

Ｖ２＝［（□Ｄ^２／４）／（□Ｄ２^２／４）］Ｖ＝（Ｄ^２／Ｄ２^２）Ｖ

しかしながら、図２Ｃのベンチュリ管はその周りにもその中にも水を必ず流すことができるので、Ｖ２は次式に等しくなる。

Ｖ２＝ｆ(Ｖ)［（□Ｄ^２／４）／（□Ｄ２^２／４）］Ｖ＝ｆ(Ｖ)（Ｄ^２／Ｄ２^２）Ｖ

ここで、「ｆ（Ｖ）」はベンチュリ管の特性関数である。

図２Ｃに示されたベンチュリ管内でプロペラによって発生される電力は、次式に等しい。

電力（Ｐ２）＝ｈＡ２（ｆ（Ｖ）Ｖ２）^３＝ｈ（□Ｄ２^２／４）［ｆ（Ｖ）（Ｄ^２／Ｄ２^２）Ｖ］^３＝ｆ（ｖ）^３ｈ（□Ｄ^６）／（４Ｄ２^４）Ｖ^３

図２Ｂに示された簡単なプロペラによって発生される電力は、以下のように決定される。

電力（Ｐ）＝ｋＡ^２Ｖ^３＝ｋ（□Ｄ^２／４）Ｖ^３＝ｋ（□Ｄ^２／４）Ｖ^３

プロペラを流れる水を加速するためにベンチュリ管を使用することによって得られる電力の増加、すなわち、Ｐ２とＰの比は、以下のように決定される。

Ｐ２／Ｐ＝電力（Ｐ２）＝ｆ（Ｖ）^３ｈ（□Ｄ^６）／（４Ｄ２^４）Ｖ^３
電力（Ｐ）＝ｋ（□Ｄ^２／４）Ｖ^３

２台のタービン「ｋ」および「ｈ」の効率がほぼ等しいと仮定すると、これらの因子は相殺して次式のようになる。

Ｐ２／Ｐ＝０．１２５Ｄ^４／Ｄ２^４

たとえば、Ｄ＝２ｍ、Ｄ２＝（１／２）ｍ、およびｆ（Ｖ）＝０．５であると仮定すると、ベンチュリ管／タービンハイブリッドは、両方が同じ速度で水中を移動する場合に簡単なプロペラの０．１２５（２^４／０．５^４）＝３２倍の電力を発生する。

プロペラ直径の差がＤ＝２ｍ、およびＤ２＝（１／４）ｍのようにさらに大きい場合、ベンチュリ管ハイブリッド法によって水から取り出される電力は、簡単なプロペラによって取り出される電力の０．１２５（２^４／０．２５^４）＝５１２倍である。

ベンチュリ管は、コンクリートなどの低コスト材料から作られうる。高価な機械加工部品、すなわち、プロペラ／タービンアセンブリは、図２Ａに示されたものなどの先行技術の発明よりもベンチュリ管／ハイブリッド設計の方がはるかに小さい。したがって、ベンチュリピンホイール波エネルギー装置は、波からはるかに大きい電力を取り出すだけでなく、先行技術の装置よりも製造にかかる費用がはるかに少ない。

本明細書で使用される「ベンチュリ管」の制限は、ベンチュリ管に近接する水域の表面を移動している波の立上りおよび立下りに結合された運動によってまず流れが誘発された後、水がタービンを流れる速度を増加させる効果を有するあらゆるシェル、管表面などの手段、またはこれらの組合せの使用も含む。

河川や水路において効率的に稼動するように適合されたいかなるタイプの水力発電タービンも、新規なベンチュリ管の管腔内で効率的に稼動するよう適合されうる。

一方向プロペラ／タービンが採用される場合、このタービンはベンチュリ管を流れる水の方向の変化に対応して振動し、すなわち、方向を変える。長いシャフトまたはケーブルのこのような振動回転は、シャフトまたはケーブル内の内部の捻れおよびばね作用によるエネルギーの大きな損失をもたらす。したがって、一方向プロペラが採用されるとき、プロペラ／タービンにごく近接して、場合によってはベンチュリ管自体内、またはその近くでこのようなプロペラの回転を電気エネルギーに変換することが有利である。

双方向プロペラ／タービンが採用される場合、このタービンは水の流れがベンチュリ管の管腔内で方向を変えるときでも同じ方向に回転するであろう。このため、このような回転運動をタービンから上方のブイに伝達することが容易になる。海水の腐食性および保守の低減が望ましいことに起因して、このような双方向タービンによって生成される回転運動エネルギーをブイに伝達することが有益であり、この場合、回転運動エネルギーは海水から保護された発電機によって電力に変換されうる。

図４は、本発明の好ましい実施形態が、水域の表面を移動する深海波の円形上下運動特性をベンチュリピンホイールの水中タービン、すなわち、海面のはるか下方にあるベンチュリ管の対応する上下運動に変換する原理を示す。

浮力浮遊モジュール（ｂｕｏｙａｎｔ ｆｌｏｔａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ）またはブイ２６は、水域の表面２８を移動する深海波の通過に応答して上記水域の表面２８における円形上下軌道１４に追随する。ブイ２６は、その垂直運動を再現するために、中実（剛性）支柱、ケーブル、または他の何らかの形のアタッチメント２５によって真下に吊るされたベンチュリ管３０を制限する。ベンチュリ管の重りが適正でないために最初の深さに十分速く戻らない場合、重り（図示せず）は中実（剛性）支柱、ケーブル、または他の何らかの手段によって各ベンチュリ管３０の真下に吊るされてもよい。上記オプションの重りによって、ベンチュリ管の下方の復元動作が容易になる。

好ましい実施形態では、各ベンチュリ管３０の上下運動は、水が水面を移動する波によってさほど影響を受けない深さ、すなわち、波浪作用限界水深１８の近傍または下方で生じ、したがって動きが比較的少ない。波浪作用限界水深の近傍または下方の比較的静かな水の中でのベンチュリ管の上下運動は、往復方向の流れを有する水流内の静止位置に吊るされているベンチュリ管と同等である。

ベンチュリ管を包囲する静水に対するベンチュリ管の垂直振動の範囲４０は、浮遊モジュール２６の運動に関与する深海波の高さ１２に等しく、ベンチュリ管の最小深さが波浪作用限界水深１８に等しくないかこれを超えなければ残留波動の大きさよりも小さい。

ブイ２６の真下のベンチュリ管３０の深さが波浪作用限界水深１８として規定された深さに達しないかこれを超えなければ、ベンチュリ管はブイ２６によって上下に変位されるとその周囲の水に対してやはり実質的な相対垂直運動を受けることになる。

水面の水分子は、半径が、水分子を動かしている深海波の全振幅に等しい円形軌道をたどる。海面の下方にある水分子の波によって誘発される円形軌道は、深さが増すにつれて次第にかつ指数関数的に小さくなる。したがって、ベンチュリ管が吊るされる深さに関係なく、海面下方に吊るされる限り、浮遊モジュール２６によって引きずられる円形軌道は上記ベンチュリ管を取り囲む水分子の円形軌道よりも大きくなる。

ベンチュリ管の楕円軌道の半径はベンチュリ管を取り囲む水分子の円形軌道の半径を常に超えるので、ベンチュリ管とその周囲の水との間に実質的な相対上下運動がある。周囲の水に対するベンチュリ管の相対上下運動の大きさは、周囲の水が静止している場合、波浪作用限界水深１８の下方にベンチュリ管が吊るされるときに最大である。このような深さにおいて、ベンチュリ管の相対上下運動の大きさは、表面波の全高さに等しい。このような大きさは、海面から波浪作用限界水深までの距離の重要部分を表わす深さでは非ゼロであり重要である。これは、海面下方の水分子の円形軌道の半径は深さが増すにつれて直線的ではなく指数関数的に減少するので、事実である。
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/waves/watwav2.htmlを参照されたい。
また、http://users.dickinson.edu/~richesod/waves/applets.htmlにおいて「深海波（ｄｅｅｐ ｗａｔｅｒ ｗａｖｅｓ）」を参照されたい。

新規な浮遊モジュール２６は、ブイ、船舶などの浮遊物体と同様に、通過する波によって上下動する。上昇する浮遊モジュールは、装着されたベンチュリ管を一緒に引き上げる。浮遊モジュールまたはブイが通過している波の後縁に沿って下降すると、装着されたベンチュリ管はもはや支持されない。それゆえ、ベンチュリ管は、その質量と装着された補助重りの質量とによる重力の影響を受けて沈む。

表面波は、海面における水分子の一部の円形運動の周期に関連する。海面において、これらの円形運動の半径は表面波自体の振幅に等しい。しかしながら、深さが増すと、水分子の動きを特徴付ける円形運動の半径は、素早くかつ指数関数的に減少する。

ベンチュリ管の垂直運動の振幅は、これらの運動を駆動する浮遊モジュールの振幅と一致する。しかしながら、ベンチュリ管の深さは上方の水の特性を示す円形運動と一致していないか、あるいは大幅に縮小されてこれらの運動と一致している水の真ん中にあるので、ベンチュリ管の運動はこれを取り囲む水分子の運動と一致しない。それゆえ、海面下方の比較的安定している水に関して図５Ａに示すように、ベンチュリ管３０は上記水から引き出されて落下される。ベンチュリ管３０に関して図５Ｂに描かれるように、上記ベンチュリ管を取り囲む水はベンチュリ管の中を上下動する。水が上下動するためには、ベンチュリ管の管腔を流れなければならない。

本発明の好ましい実施形態では、動力タービン／プロペラは、図２Ｃに関連して先に述べたように、ベンチュリ管の最も狭い部分の中に定置される。これは、タービンローターを回転させるために往復する水の動きを利用するものである。いかなる種類の水力タービンも本発明の範囲内で使用されうる。

タービンによって発生される機械的回転エネルギーは、本発明の好ましい実施形態では、ブイ２６に伝達され、そこで発電機または交流発電機がこれを有用な電的エネルギーに変換する。

図６Ａおよび６Ｂは、本発明の一実施形態を示す。図６Ｂは、ベンチュリ・ピンホイール・タービン・アセンブリの断面図である。ベンチュリ管３０の管腔は、前述のように示される。ベンチュリ管３０の外壁はわずかに凸状である。

ベンチュリ・ピンホイール・タービンは、水域内で動作する。これは、波の上下動に同調する上下動によってその水域の表面を移動する波に応答する。

ベンチュリ管３０は、可撓性はあるが伸縮性のないケーブル２５によって浮遊モジュール２６の真下に吊るされてもよい。しかしながら、図７Ｃおよび７Ｄに開示された好ましい実施形態では、中実（剛性）支柱をこの目的で利用している。ケーブルが採用される場合、ブイ２６の真下のベンチュリ管の距離は一定に保たれ、張力はベンチュリ管３０とその真下にオプションとして取り付けられる任意の補助重りとの重みによってケーブル２５内で維持される。

ベンチュリ管の効率は、エネルギー変換を要求される最長波長の波に特徴的な波浪作用限界水深の下方または少なくとも可能な限り近くにベンチュリ管を吊るすことによって最大化される。この好ましい深さは、典型的に、２０〜１００ｍの範囲になる。図６Ａおよび６Ｂは一定の縮尺で描かれていない。

ベンチュリ管３０が上方に動くと、水は管腔３１を通って上から下に流れる。ベンチュリ管３０が下方に動くと、水は管腔３１を通って反対方向に流れる。水が管腔を通って流れると、その軸流の速度（すなわち、その速度）は管腔の断面積が減少するにつれて増加する（管腔直径の一定範囲内で）。たとえば、管腔の断面積が半分になると、水の流速がおよそ２倍になる。

ベンチュリ管内での使用に最適なタービンのタイプは、フリー・フロー・タービンまたは動力タービンとして知られるタービン群である。便宜上、簡単なプロペラ２０を図６Ｂに示す。混乱を避けるために、ベンチュリ管３０がハウジングを指すのに対して、タービン２０はベンチュリ管３０の管腔３１内に形成される狭窄に取り付けられたプロペラ、インペラ、またはその他の水によって回転する装置を指すことを理解されたい。

水は必然的に管腔３１を流れるので、タービンのブレードが回転しなければならない。ブレードはハブ２２に結合され（図２Ｂ参照）、上記ハブはタービンの中心シャフト２４と結合して回転する。タービンブレードが双方向性であれば、水がベンチュリ管３０に上から、または下から入るかどうかに関係なくシャフト２４は同じ方向に回転する。ベンチュリ管が水の中を上下に移動すると、回転角速度のみが変化する。回転の角度方向は変わらない。

ベンチュリ管３０が海面真下の水中を上下動すると、水は最上部と最下部から交互にベンチュリ管に入り、タービン２０を回転させる。タービンシャフト２４は、コネクタ４２ａによって、中実シャフト、または可撓性はあるが伸縮性のないケーブル、または機械的回転エネルギーを伝達する他の何らかの手段４４に接続され、上記のシャフト、可撓ケーブル、または他のコネクタは、コネクタ４２ｂによってブイ２６の中心シャフト２４ａに接続され、中心シャフトは発電機４６または他の何らかのエネルギー変換装置に接続される。

したがって、タービン／プロペラ２０の回転によって、中心シャフト２４、シャフト、ケーブル、またはその他のコネクタ４４、ブイシャフト２４ａ、および、したがって発電機４６が回転する。

このように、ブイ２６およびその装着ベンチュリ管３０を上昇させる深海波のエネルギーの一部は、機械エネルギーに変換される。ベンチュリ管３０の位置エネルギーは、その高さとともに増加する。波が通過した後に残るベンチュリ管の位置エネルギーの一部は、ブイ２６およびその装着ベンチュリ管３０が下降して、タービン／プロペラ２０、中心シャフト２４、シャフト、ケーブル、またはその他の手段４４、ブイシャフト２４ａ、および発電機４６が再び回転すると、新たな機械エネルギーに変換される。ベンチュリ管３０の上下動中に生成される機械エネルギーのすべてまたはほとんどは、電気エネルギーへの変換に使用可能である。

ベンチュリ管の管腔を画定する角度αは、図６Ｂに示される。本発明の範囲は、従来の円錐形ベンチュリ管だけでなく任意の傾斜度のベンチュリ管、または「ベンチュリ効果」との整合性を保つ形で水を加速しうるその他の形態またはガイドの使用を含む。様々な波の条件および環境に適合させるために、本発明では、幅が広くかつ比較的平坦である円錐形の管腔、または狭くかつ比較的長い円錐形の管腔を有するベンチュリ管を利用しうる。本発明の範囲は、すべての形状、半径方向の傾斜度、およびサイズのベンチュリ管の使用を含む。

ブイ２６およびベンチュリ管３０が垂直方向に互いに最大距離を隔てられ、上記ベンチュリ管は上昇も下降もしない場合、ベンチュリ管３０は休止位置にある。波がブイ２６を上昇させると、装着中実支柱４４が装着ベンチュリ管３０を持ち上げ、それによって発電する。代わりに、ケーブルが採用される場合、ケーブル４４の張力が増加してベンチュリ管３０が持ち上げられ、それによって発電する。ブイが波の通過後に下降すると、ベンチュリ管３０は下降してその休止位置に戻り、ベンチュリ管３０が下降するときに発電する。ベンチュリ管／シャフト３０またはケーブル４４アセンブリ（任意の補助重りを含む）は、これを海水に沈めるのに十分な比重を有する。

本発明の好ましい実施形態は、ブイから吊るされてブイにベンチュリ管を接続するための中実（剛性）支柱を含む。しかしながら、２０〜１００ｍの深さまで沈められるベンチュリ管にブイを不動に接続することは剛性コネクタの歪みをもたらすおそれがある。したがって、このような支柱は故障や変形なしで荒海で機能しうるよう十分な歪みに耐えることができなければならない。可撓ケーブルを使用して沈められたベンチュリ管にブイを接続すると、場合によっては、簡単で安価な選択肢が提供される可能性がある。

ブイ２６は、海面においてほぼ円形垂直運動で移動する。ブイに接続されて沈められたベンチュリ管は、ブイと同調して移動しなければならない。しかしながら、ベンチュリ管を水平方向に、すなわち、平均海水面に平行に移動させる力が働くときにベンチュリ管によって誘導される抗力があるために、ベンチュリ管はブイの自由な水平移動成分に適合することができない。したがって、ブイが海面で垂直円形運動で移動する間に、沈められたベンチュリ管の運動は、楕円の長軸が垂直に向けられた楕円形経路をたどる。

図６Ａおよび６Ｂに示されたベンチュリ管の実施形態は、わずかに凸状の円筒形外壁を有する。このような丸みは、ベンチュリ管が水中を移動するときに乱流を最小化する働きをする可能性がある。

図７Ａおよび７Ｂは、本発明の好ましい実施形態を示す。この実施形態では、ベンチュリ管を流れるように誘導される水から電力を取り出す効率を高める構造的特徴を採用する。ベンチュリ管３０の円筒壁は、ベンチュリ管３０の狭窄管腔３１が上記ベンチュリ管の両端からより遠くに位置するように、図６Ａおよび６Ｂに示されるベンチュリ管の最上部および最下部において延長されている。換言すると、上記狭窄の両端の上記管腔の実質的な長さが狭窄されないように、管腔内の狭窄はベンチュリ管３０の両端から離して配置される。

こうすることで、その管腔および管腔内のタービンを流れずにベンチュリタービンの外壁の周りを流れる水の量を減らすことによってタービンの効率が改善される。

さらに具体的には、ベンチュリ管３０は、狭窄から離れて長手方向に延長される。延長部３０ｃは、ベンチュリ管３０の上の口から上方に延びる。延長部３０ｄは、ベンチュリ管の下の口から下方に延びる。こうすることで、ベンチュリ管３０の管腔３１からではなく外側壁を移動することによってベンチュリ管から「漏れる」水の量を減らすことによってベンチュリ管の性能が改善される可能性がある。

図７Ｃはベンチュリ波エネルギー装置の好ましい実施形態の斜視図であり、図７Ｄはその長手方向断面図である。

ベンチュリ管３０は、円筒状外側ケーシング２９内に収納されて固定される。剛性支柱２７は、ブイ２６と上記ケーシング２９、したがって、上記ベンチュリ管の間で一定距離を維持する。

タービン２０は、予め選択されたいかなるタイプのタービンであってもよい。タービン２０は、発電機４６が発電するようにロッド４４を回転させる。また、参照番号４６は異なるタイプのトランスデューサを示していてもよい。

ブイ２６およびベンチュリ管３０とその関連アセンブリの剛性相互接続によって、すべてのブイ運動が上記のベンチュリ管およびアセンブリに伝えられる。

図８Ａおよび８Ｂの実施形態では、ベーン４８を加えてベンチュリ管３０に入る水に初期の渦運動を与える。図８Ｂに最もよく示されるように、管腔３１を流れる個々の水分子がらせん経路または旋回経路をたどるように、１組のベーン４８がベンチュリ管３０の各端または入口に定置される。旋回水が管腔３１を流れるにつれて水の速度が増加するので、角運動量保存の結果として水の回転速度も増加する。

管腔３１の各口におけるベーン４８は、水が流れている軸方向と関係なく同じ水の回転方向を誘導するように向けられる。換言すると、水が管腔を上から下に流れようと下から上に流れようと、ベーンは水が中心シャフト２４の周りを同じ方向に旋回するように誘導する。管腔３１を通る水の軸流に放射状流が加わると、ある種のタービンのブレードにより有利な迎え角で水を当てることができ、水の流れが有意な放射状成分を欠いている場合よりもその運動エネルギーのより多くをタービンに与えるようになる。

しかしながら、入口ベーンは、タービン２０と区別されるようにベンチュリ管３０自体に小さい回転を与える。ベンチュリ管３０のこの回転は、全体として、装着ブイの対応する回転を引き起こす可能性がある。このような回転は、リンクされたベンチュリピンホイール波エネルギー装置のネットワーク内で問題を引き起こす可能性がある。しかしながら、このような回転は、ベンチュリ管３０から、あるいはベンチュリ管３０の垂直運動エネルギーの一部を全体としてベンチュリ管３０に与えられる回転運動エネルギーに変換する他のこのような装置から放射状に外方向に延びる垂直ウイング５０を含めることによって、抑圧または阻止されてもよい。

垂直ウイング５０によって提供される半径方向の揚力は、ベンチュリ管３０に与えられる残りの実質的な半径方向力をほぼ相殺するように調整される。

図９は、ベンチュリ管３０を流れるように誘導される水から取り出される電力の効率を高める別のオプション構造を示す。

ベンチュリ管の口または入口に入るときの水に渦運動を誘導する代わりに、１組の放射状に向けられた双方向ベーン５２ａ、５２ｂがプロペラ型タービン２０の真上および真下に定置される。水が管腔３１を上から下方向に流れる場合、ベーン５２ａは前方タービンベーンであり、これらは水がプロペラ／タービン２０に遭遇する直前に水の流れにより好都合な迎え角をを誘導する。上から下に流れる水に対して、水がタービン２０に向かって流れるときベーン５２ａは所望の半径方向成分を水の流れに与える向きをとる。

しかしながら、水がタービンから流れ出るとき、後方タービンベーン５２ｂは水の固有の流れに受動的に適合して後方タービンの流れパターンが変わるのを回避する中立的な方向をとる。水が管腔３１を下から上の方向に流れるとき、ベーンは逆に作用する。

また、ベーン５２ａ、５２ｂは、全体として、ベンチュリタービン３０に小さい回転を与える。回転は、図８Ａおよび８Ｂの実施形態におけるように、半径方向ウイング５０、または他のこのような装置によって補正される。

図１０は垂直軸タービン２０ａを示す。垂直軸タービンは、それらの軸に垂直な任意の方向に流れる流体に対応する。したがって、このタイプのタービンは、水の移動の垂直方向とは無関係にベンチュリ管３０の管腔３１を流れる水からエネルギーを取り出す。管腔３１のいずれかの口に入る水は、垂直軸タービン２０ａにおける同じ回転運動を誘導する。このようなタービンは、シャフトによって交流発電機または発電機４６に直接取り付けられうるか、さもなければタービンの回転エネルギーは中実（剛性）シャフトまたは可撓シャフトの任意の組合せによってブイ２６に伝達されうる。

交流発電機または発電機４６が図１０に示されるようにベンチュリ管３０の側壁内にある場合、上記垂直軸タービン２０ａの回転に応じて発生される電気エネルギーは１つまたは複数の導電体を介して表面に伝達される。このような導電体は、ブイ２６の真下のベンチュリ管３０を支持する１本または複数本のケーブル２４に沿って延在する。

アクセスパネル５４は、その名称が表す機能を実施する。

図１１は、図１０に示されたものに類似したベンチュリ管３０の斜視図である。しかしながら、図１１に示されたベンチュリ管３０は、図１０に示されたタービン２０の半径方向対称性と区別されるように長方形対称性を有する。

垂直軸タービンが位置するベンチュリ管の部分の断面が長方形であることが好ましいとき、ベンチュリ管の内部も長方形であってよい。

図１２は、長方形ベンチュリハウジング３１の平面図である。この図面は、タービンの周りと区別されるように、タービンを流れる水の流量を最大にするために長方形流路内に定置された垂直軸タービン２０ａを有することの重要性を示す。長方形流路、すなわち、管腔は、側壁３０ａ、３０ｂ、３０ｅ、および３０ｆによって画定される。

ベンチュリピンホイール波エネルギー装置の好ましい実施形態の設計は、この装置がブイの電源としての役割を果たす場合に小型のブイまたは装置とともに使用することを受け入れるために様々な方法で変更されうる。図１３〜１５は、このような移動式バージョンのベンチュリピンホイール波エネルギー装置の好ましい実施形態を示す。

この移動式実施形態では、ベンチュリ管３０は、逆さのランプの笠または日傘のそれと全く同様の円錐形を有する可撓または剛性ベンチュリシュラウド３３のいずれかに置き換えられる。保管または配備を容易にするために、ベンチュリタービンは、上記図１４に関連して最もよく理解されるように、配備の前に保管されるキャニスタ５５（図１４）の本体内に適合するように十分に小さく作られてもよい。

ベンチュリシュラウド３３は、剛性であってもよく、折り畳み可能な構造を有していてもよい。シュラウドが折り畳み可能に作られる場合、構造物を傘のように折り畳むことができる剛性フレーム部材またはリブ５６および可撓性のある素材５８が含まれてもよい。シュラウド３３は、配備して保管キャニスタ５５から分離するまで、折り畳まれた形態のままであってよい。

大きい固有の重りや装着補助重りの代わりに、ベンチュリシュラウド３３は、その位置をセットし直すことができ、すなわち、シュラウド３３を閉じた形態の傘のように折り畳めるようにして、波の通過後にブイの高さが減ると沈むことができる。この実施形態では、シュラウド３３は、この後、ブイ２６が上昇して水がシュラウド３３の中に戻ると、開きつつある傘のように受動的に再び膨らむことができる。

実物大のベンチュリピンホイール波エネルギー装置の好ましい実施形態は、その回転エネルギーを、タービンの中心シャフトに装着される機械的シャフトまたはケーブル５７を介して表面に伝達する。機械回転エネルギーは、水面上方に備え付けられた発電機によって電気エネルギーに変換される。当該技術を小型の移動式装置に適合させるために、小型防水発電機がタービンの近傍にあって共通軸２４ａを移動式装置と共有する。

得られる電力は、ブイ２６の真下に吊り下がるベンチュリ・シュラウド・アセンブリを支持するような一次電線４４を介してブイ２６に伝達される。移動式バージョンのベンチュリピンホイール装置の好ましい実施形態は、ケーブルアセンブリ４４をタービンアセンブリに固定する中心剛性支柱５７を含む。中心剛性支柱５７は、ベンチュリシュラウドがブイ２６によって表面に引き付けられるときにベンチュリシュラウド３３およびタービン２０ｂの垂直整列を維持する。ブイによって与えられる上向きの力は中心剛性支柱５７の上端に作用し、広げられたベンチュリシュラウド３３によって誘導される抗力は中心剛性支柱５７の下端に作用する。風向計が風の方向を向くのと同じ理由で、中心剛性支柱およびその装着ベンチュリシュラウドはブイの方向を向くように強制される。この中心剛性支柱がなければ、ベンチュリシュラウドの向きは不安定になり、すなわち、シュラウドが上昇するときのシュラウドを通過する水の影響を受けて、シュラウドは横を向こうとして、折り畳み式シュラウドは部分的に折り畳まれようとする。

中実タービンブレード２０ｂ（図１３および１４）は、そのサイズが小さいことから、双方向接合タービンと違って有利である。ベンチュリシュラウド３３は水をタービンの中に注ぎ込んで水の速度を高め、その間にブイおよびタービンが上昇する。実物大のベンチュリピンホイール波エネルギー装置の好ましい実施形態は、上昇および下降するときに発電することができる双方向ベンチュリシュラウドを有する。このような適合によって、タービンの移動式実施形態はブイおよびタービンが上昇している間にのみ海水からかなりの量の電力を取り出すことができる。

また、当該装置、すなわち、双方向タービンを組み込む双方向ベンチュリ管の好ましい実施形態の「小型化」バージョンを構築することも可能である。このような装置では、局部防水発電機、または水面のブイに回転エネルギーを伝えるシャフトを利用しうる。用途によっては、この中間設計は有利である可能性がある。本発明の範囲には、開示された装置のサイズのすべての変形形態が含まれる。

また、折り畳み可能なベンチュリシュラウドを組み込むベンチュリピンホイール装置の移動式バージョンの好ましい実施形態は、その整列を保つために折り畳み可能なベンチュリシュラウド３３の基礎となる役割を果たす剛性カラー６０を含む。剛性カラー６０の管腔はシュラウド３３によって形成される管腔の最もくびれた部分であるので、プロペラ／タービン２０ｂは剛性カラー６０と同軸に定置される。剛性フレーム部材５６は、互いに円周上に離隔して剛性カラー６０に枢動可能に固定された第１の端を有する。

図１４は、折り畳み可能なベンチュリシュラウドを組み込んでキャニスタ５５内に保管されるときの図１３に示された移動式実施形態の形態を示す。ベンチュリシュラウド３３の剛性フレーム部材５６は装置の中心剛性支柱５７に対して旋回し、ベンチュリシュラウド素材５８は引っ込められる傘のように折り畳まれる。このような保管される装置は、オプションのキャニスタ蓋６２の取外し後に保管キャニスタ５５から滑り落ちてもよい。

図１５は、小型ブイ２６ａを有する図１３および１４の移動式実施形態を示す。この実施形態は、救命ゴムボートに関連する有用性を有する。図１３および１４のアセンブリがケーブル４４によってブイ２６ａに接続されるとき、移動式ベンチュリシュラウドの上下動によって電力が発生する。救命ゴムボート自体はブイとしての役割を果たす。本発明による比較的小型の移動式実施形態は、約１００Ｗを連続的に発生しうる。当該移動式実施形態は、救難信号、位置入力装置、蒸留水製造装置などに電力を供給する際に有用性を有する。

図１６Ａおよび１６Ｂは、本開示の範囲内にある新規なベンチュリピンホイール波エネルギー装置の多くの可能な実施形態の１つを示す。図１６Ｂは、図１６Ａの線１６Ｂ〜１６Ｂに沿って切断されたハウジング６８の断面図である。

水車６４が、２つの実質的に平行な垂直壁６６ａ、６６ｂを含むハウジング６８内の軸６５を中心として回転するように取り付けられる。ハウジング６８は、互いに流体連通する２つの区画を有する。第１の区画は、側壁６６ａ、前壁６８ａ、および後壁６８ｂによって画定される。前壁６８ａおよび後壁６８ｂは、互いに上から下に向かって収束し、上記第１の区画の最下部でベンチュリ効果を生み出す。第２の区画は、側壁６６ｂ、前壁７０ａ、および後壁７０ｂによって画定される。前壁７０ａおよび後壁７０ｂは、互いに上から下に向かって発散し、上記区画の最上部でベンチュリ効果を生み出す。

水車６４の軸６５は、上記水車の半分が第１の区画内にありかつ半分が第２の区画内にあるように、ハウジング６８の中心に定置される。

図１７Ａに示すように、左区画は最上部から入る水を受け入れ、この水は最下部に向かって移動するときに大きい真っ直ぐな矢印で示すように上記区画の断面積を減らすことによって加速する。逆に、最上部から右区画に入る水は、上記の大きい真っ直ぐな矢印の右に小さい真っ直ぐな矢印で示すように上記区画の増加する最上部から最下部への断面積を流れるときに減速する。

ハウジング６８の左右の区画において水が最上部から入るときの水速の不釣合いは、水車６４に不釣合いな推進力を生じ、上記ハウジング６８の左区画の水の流れを最大限に受け入れるように、図１７Ａの方向矢印６７によって示す方向にその軸６５を中心として水車６４を回転させる。

逆効果は、図１７ｂに示すように、水が最下部からハウジング６８に入るときに観察される。ハウジング６８の右区画の水は大きい真っ直ぐな矢印で示すように加速され、左区画の水は小さい真っ直ぐな矢印で示すように減速される。装置の左半分と右半分を横断する水の速度のこの不釣合いは、水が最上部から入るときと同じ方向に水車６５の回転をもたらす。

図１８は、特に図１０、１１、および１２に示す実施形態に関して本発明による有用性を有する、全体として７２で表わされる別のタイプの水力タービンを示す。このタイプの水車は、水の流れの方向と関係なく、すなわち、水車の回転軸に垂直な平面内で同じ方向に回転し、これが上下方向すべての水の流れの原因である。さらに具体的に、図示のようなドラム７６の前方のブレード７４は、上方に流れる水を捕捉して方向矢印７８で示す回転方向に軸８０を中心としてドラム７６を回転させる。図示のようなドラムの後ろのブレード７４は、下方に流れる水を捕捉してドラム７６を同じ方向７８に回転させる。ドラム７６は、本発明によって教示されるように、ベンチュリ管の狭窄スロートに定置されることを理解されたい。

図２０は、ベンチュリ管の代わりに海錨を使用する、全体として９０で表わされる本発明の別の実施形態を示す。図２０は、海錨の実施形態が水域の表面を移動する深海波の特徴を示す円形上下運動を対応するケーブルの上下運動に変換し、ケーブルの動きは装着キャプスタンを回転させ、これによって、さらには、表面のはるか下方に位置する水中タービンを回転させる原理を示す。キャプスタンが装着されるプラットフォームは誘導抗力によってケーブルの動きに適合しえないので、キャプスタンはその装着ケーブルが上下動するときに回転する。

浮力浮遊モジュールまたはブイ２６は、水域２８の表面を移動する深海波の通過に応答して上記水域の表面で円形上下軌道１４をたどる。ブイは、その垂直運動を再現するために、釣合い重り９２とブイの真下に吊るされたケーブル４４とを制限する。

さらに具体的に、ブイ２６および釣合い重り９２は、ケーブル４４によって互いに直接接続される。

図２１に示すように、平坦なプラットフォーム９４は、９４ａに開口の中心が設けられ、ケーブル４４に間接的に取り付けられる。プラットフォーム９４の運動は、これらの垂直上下の運動を制限するように制約され、プラットフォームの表面に垂直なその中心軸はケーブルの中心軸と同軸に保たれる。これを実現するために採用される可能性のある１つの方法は、支柱を使用することによるものであり、上記支柱はプラットフォーム９４の上面に定置された第１の対の支持具９６と上記プラットフォームの下面に定置された第２の対の支持具９８とを含む。上支柱９６は、スリーブ９６ａに固定された第１の端と上記プラットフォームの上壁に固定された第２の端を有する。下支柱９８は、スリーブ９８ａに固定された第１の端と上記プラットフォームの下壁に固定された第２の端とを有する。

ケーブル４４は、スリーブ９６ａ、９８ａのそれぞれの管腔を通り、さらにプラットフォーム９４の中心開口９４ａを通って延びる。このように、プラットフォーム９４はケーブル４４の長さを自由に上下移動することができる。ブイ２６の浮力によってケーブル４４で維持される張力と釣合い重り９２の重量とによって、プラットフォーム９４はブイ２６および釣合い重り９２の共通の縦軸と同軸方向から遠くに外れることができない。

プラットフォーム９４の垂直運動は、上記プラットフォームのそれぞれ上方および下方でケーブル４４に固定された１対の止め子１００ａ、１００ｂによってさらに制限される。各止め子の直径は、スリーブ９６ａ、９８ａのそれぞれの管腔の直径を超える。

プラットフォーム９４は、実質的に中立的に浮揚しやすい。したがって、その慣性質量は、プラットフォーム９４が排除する海水の質量にほぼ等しく、これは現実であるはずである。プラットフォームの質量は、それゆえ、これに実質的な力が作用するときのみ有意な加速を示す。

図２１はプラットフォーム９４の拡大図である。ケーブル４４は、先に示唆したように中心開口９４ａを単純に通過しておらず、代わりに、ケーブル４４はその水平軸を中心として回転するように上記中心開口に取り付けられるキャプスタン１０２に巻き付けられる。キャプスタン１０２は、ケーブル４４がプラットフォーム９４に対して移動すると回転するように制限され、すなわち、ケーブル４４はキャプスタン１０２を回転しなくてはプラットフォーム９４に対して垂直に移動することができない。発電機４６は、キャプスタンの回転によって電気エネルギーが発生するようにキャプスタン１０２に結合される。代わりに、キャプスタンの回転は、キャプスタンをブイ２６の発電機または交流発電機に直接または間接的に接続するケーブルを回転させるために採用される。

当該装置は、プラットフォーム９４が波浪作用限界水深１８に近いかそれよりも大きい深さに保たれるので海洋波からエネルギーを取り出す。波の通過に応じたブイ２６の上昇と釣合い重り９２の下降とによって誘導されるケーブル４４の上方および下方の移動は、プラットフォーム９４の等しい垂直振動と調和しない。ケーブル４４が上または下に移動すると、ケーブルを引っ張る力はプラットフォームに加えられ、プラットフォームはケーブルとともに上下移動するように強いられる。しかしながら、プラットフォームの質量および対応する慣性は、プラットフォームを動かすためのケーブルの力の能力を制限する。プラットフォームを取り囲む比較的穏やかな水の中でプラットフォームに誘導される結果としての運動は、その運動から生じる実質的抗力によって相殺される。

プラットフォームの慣性と、水中のプラットフォームの動きに対抗する実質的抗力との組み合わせによって、装着ケーブルの上下移動に同調して移動する能力が効果的に制限される。

プラットフォームはケーブルの動きに整合することができないので、ケーブルが十分に上下動するような残る唯一の方法は、キャプスタンの周りにケーブルを巻き付けてこれを回転させることである。

プラットフォームの慣性は、誘導抗力とともに、その位置が目に付くほど変わることを防止する。したがって、ケーブルに加わる力のほとんどはキャプスタン１０２および発電機４６の回転に利用される。

発電機がキャプスタンのシャフトと結合して回転するようにプラットフォームに取り付けられる場合、発電機をブイに接続する電気ケーブルは、プラットフォームの周縁部に固定されて、ここから上方のブイに直接接続されうる。しかしながら、小さい浮揚物は、これがキャプスタンと絡み合うことのないよう垂れ下がりを防止して電気ケーブルに固定されるべきである。

プラットフォームは、実質的に中立的に浮揚しやすく、波浪作用限界水深またはそれに近い使用可能な深さは、ケーブル４４に装着された止め子とのプラットフォームの相互作用の結果として実現されて維持される。プラットフォームがその目的とする最小深さの上方にある場合、釣合い重り９２の重量はブイ２６を上方に引っ張ることによって相殺されない。それゆえ、釣合い重り９２およびケーブル４４は、上止め子１００ａが上のスリーブ９８ａに当接するまで降下する。この時点で、釣合い重りの引っ張りは、プラットフォームが十分な深さに達するまで弱まることなく続く。プラットフォームが予め選択された最大深さより下にに降下すると、ブイ２６は、時としてあるいは常に水没される。水没されている間に下止め子１００ｂが下スリーブ９８ａに当接すると、ブイの上方への引っ張り、すなわち、釣合い重り９２の反作用による下方への比較的小さい引っ張りがプラットフォーム９４に加えられる。プラットフォームはこの状態が是正されるまで上昇する。

好ましくは、ブイ２６の最大浮力は、ベンチュリ装置と釣合い重り９２の総重量の２倍を超える。しかしながら、実証的調査では、これとは異なる浮力が好ましいことを示す場合もある。

プラットフォーム９４は、ケーブル４４とともに上下動するように駆動されるが、プラットフォームの慣性と動きに対抗する抗力とに起因してそうすることができないことが多い。プラットフォームの抗力は、プラットフォームの垂直速度の２乗に比例して増加する。プラットフォームの抗力の大きさがケーブルの垂直力に一致すると、プラットフォームの動きが停止する。プラットフォームの上昇または下降速度は、ケーブルに対する実質的な上向きまたは下向きの力がある限りゼロに達することはない。しかしながら、プラットフォームの最終速度は非常に低く、したがって、ケーブルの速度は波サイクルのほとんどの期間にプラットフォームの最終速度を超えることになる。

プラットフォームに対するケーブルの動きの実質的な振幅は、図１９に示すように、波の振幅１２に等しく、プラットフォームの振動の振幅１３の方が小さい。ケーブル４４がプラットフォーム９４に対して動いているとき、ケーブルの力のすべてはケーブルが巻かれてプラットフォームにしっかり取り付けられるキャプスタン１０２の回転に向けられ、それゆえ、波サイクルのほとんどの期間に、ケーブルの垂直力のほとんどがキャプスタン内の等価トルクに変換され、キャプスタンをその軸を中心として回転させ、かくして発電機４６の回転を駆動する。

プラットフォームが円筒壁、最上部、および最下部を備えている場合は、プラットフォームの抗力が増加し、それゆえ波エネルギーの変換効率が高くなる。

図２２は、新規な海錨の好ましい実施形態を示す。円筒壁１０４は、プラットフォーム９４の外周に取り付けられ、すなわち、上記プラットフォームにスリーブが嵌め込まれ、したがって、上記プラットフォームは上記円筒壁の管腔の中間位置に定置され、すなわち、上記プラットフォームの平面上方に延在する円筒壁１０４の大きさは、上記プラットフォームの平面下方に延在する上記円筒壁の大きさに実質的に等しい。円筒壁１０４は、プラットフォーム９４の抗力係数を実質的に増加させ、かくして、ブイ２６および釣合い重り９２の動きに応答するその動きの大きさを抑制する。

このように、上記の目的、および前述の説明から明らかにされた目的が効果的に達成されることが分かるであろう。上記の構造は本発明の範囲から逸脱することなく一定の変更がなされてもよいので、前述の説明に含まれあるいは添付図面に示されたすべての事柄は、制限としてでなく実例として解釈されるべきものである。

また、以下の特許請求の範囲は、本明細書に記載される本発明の包括的な特徴および具体的な特徴のすべてと、言語の問題としてこれらの特徴の間にあると考えられる本発明の範囲のすべての陳述とを網羅するものであることも理解されたい。

Claims (21)

1. 波エネルギーを電気または化学エネルギーに変換する装置であって、
   水域の水面に浮くように構成されたブイと、
   ベンチュリ管であって、前記ベンチュリ管は水が流れるベンチュリ流路を備え、
   前記ベンチュリ流路は上方の口、下方の口及び前記上方の口と下方の口の間の狭窄したベンチュリ効果領域を含み、
   前記ベンチュリ管は装置が水域中に配置するとき前記ベンチュリ管が前記ブイの下方に、水域の波浪作用限界水深の付近又はその下部の水域の水面下で距離を置いて位置し、
   前記ベンチュリ管は、前記ブイが水域中で波の運動によって上方に移動するとき、前記ベンチュリ流路内部の水は前記上方の口から遠ざかり、狭窄領域を通って前記下方の口へと流れ、
   前記ブイが水域中で波の運動によって下方に移動するとき、前記ベンチュリ流路内部の水は、前記下方の口から遠ざかり、狭窄領域を通って前記上方の口へと流れるように前記ブイに連結され、
   前記狭窄領域は前記上方の口又は下方の口のいずれか１つの断面領域の１／４以下である断面領域を備え、これにより前記上方の口又は下方の口のいずれか１つから流入する水の水速の４倍もの速度を得るように前記狭窄領域を通って水が流れ、
   前記ベンチュリ流路内のタービンと、
   前記上方の口から上方に向かって延びる第１の延長部と、前記下方の口から下方に向かって延びる第２の延長部のうちのいずれか少なくとも１つを含む装置。
2. 前記ベンチュリ管が前記ブイに剛体的に結合され、それぞれの間隔を固定の距離で保つことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記ベンチュリ管は砂時計状の内部ベンチュリ表面と前記ベンチュリ表面を包囲するケーシングとを含み、前記ケーシングは前記第１及び第２の延長部で切れ目のない円筒を定めることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記ベンチュリ管と前記ブイとの間の連結は少なくとも１つのケーブルを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 可撓性のアセンブリは、前記ベンチュリ管の縦軸が前記ブイの縦軸と同軸とならないように前記ベンチュリ管を前記ブイに連結することを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記ベンチュリ流路に流入する水の圧力を増加させる、又は前記ベンチュリ流路にある水の圧力を減少させるように、前記少なくとも１つの延長部は、前記少なくとも１つの延長部内の水の加速から生ずるエネルギーを導くように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記装置は前記第１延長部と前記第２延長部を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記装置はさらに前記第1延長部に隣接する上端と、前記第２延長部に隣接する下端とを備えるケーシングを含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 管類は前記第１延長部、前記第２延長部、及び前記ベンチュリ流路のためのケーシングを含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。
10. 前記少なくとも１つの延長部の縦軸は前記ベンチュリ流路の縦軸と一致することを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 前記少なくとも１つの延長部は円筒状であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記少なくとも１つの延長部は管を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 前記タービンが操作可能に連結された発電機をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
14. 前記発電機が前記ベンチュリ管に配置されることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記発電機が前記ブイに配置されることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
16. 前記タービンと前記発電機との間のコネクタは可撓シャフトを含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
17. 前記タービンと前記発電機の間のコネクタは剛性シャフトを含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
18. 前記タービンは狭窄領域に位置することを特徴とする請求項１に記載の装置。
19. 前記狭窄領域は前記ベンチュリ管の円筒部分であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
20. 前記タービンは垂直軸タービンであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
21. 前記ベンチュリ管は前記ブイの下部において中央に配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
    

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