JPH025916B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液面波からエネルギーを抽出する方
法およびその装置に関するものであり、詳細には
装置のチヤンバ内にある液体を振動せしめ、装置
内の波の効果によつて有効な仕事をさせる装置に
関する。このような装置の例としては、英国特許
第1014196号明細書に記載のブイ装置（発明者マ
スダヨシオ）がある。このマスダのブイ装置で
は、装置のチヤンバ内にある液柱を振動させ、こ
れによりチヤンバ内の作動ガスがチヤンバの上方
に位置するタービンを通過せしめられるようにな
つている。

この種の多くの振動液面波エネルギー装置に共
通した問題は、いかにしたら最適効率で波のエネ
ルギーを抽出することができるかという点にあ
る。

特開昭54−19035号公報には、この種類の、注
意深く寸法決めされた非対称構造を持つ、波から
エネルギーを抽出する装置が記載されている。こ
の装置のこの構造は、以下の二つの重要な目的を
達成する。

(a) 選択した波長での波エネルギー変換効率を最
適にすること。

(b) (a)で言及した選択した波長のいずれかの側に
ある波長について、効率が急激には低下しな
い、幅の広い効率応答曲線を提供すること。

本発明は、上述の特徴(b)を更に改善することに
関する。すなわち、本発明は、振動している液柱
の振動の固有振動数に対応する波長のいずれかの
側にある波長について波エネルギー変換効率を改
善する目的に関する。

本発明は、振動している液柱に作用を及ぼす外
部制御装置を導入すること、及び液柱の有効共振
振動数を入射波の振動数と合うように調整するよ
うにこの制御装置を作させることという概念に基
づいている。

この形態の制御装置は、米国特許第4203294号
中に、浮動ブイ（bobbing buoy）装置をその運
動の各端のところで、制御された期間中、有効に
係止する液圧装置内の弁の形態で提案されてい
る。このような装置は、係止動作がブイの運動に
大きな高調波成分を導入するため、あまり良好に
は作動しない。また、どのようにして制御装置を
振動液柱装置に適用するかについて何の開示もな
されていない。

本発明によれば、液面上の波による流体力学上
の圧力振動を受ける液体１３と直接連通した開口
を備えたチヤンバを有し、 前記開口は、前記液体をチヤンバ内に流入させ
又は室チヤンバから流出させて、一定量の液体を
波が発生する振動力の作用でチヤンバ内で振動さ
せ、 空気圧モータ即ちタービン２７を有し、液の振
動によつて気体をこのタービンを通して流すこと
によつて前記振動からエネルギーを取出し、 前記振動力の位相を決定するための力検出手段
３２，３３，４６，４７及びチヤンバ２２，９２
内で振動する液体の速度の位相を決定するための
速度検出手段３１，１１６を有する、液面上の波
からエネルギーを抽出するための振動液柱２４式
の装置において、 空気圧モータ即ちタービン２７を通る気体の流
れを遮断するための制御可能な弁手段２９，５
９，７９，８９，１１４を有し、これによつて、
振動サイクルの部分中、チヤンバ内での液の運動
を制御可能な期間に亘つて妨げて前記速度が前記
振動力の位相と実質的に同期するように前記速度
の位相をシフトする、ことを特徴とする装置が提
供される。

振動力の位相は、上記振動力を検出する手段又
はチヤンバから一定の距離離れた位置で波の垂直
運動を検出するための手段によつて測定できる。
液柱の速度の位相はチヤンバ内の液体の速度を監
視する波高計手段又は変位部材の変位を検出する
手段によつて測定できる。

以下添附図面に例示した実施例によつて本発明
を説明する。

まず第１図および第１ａ図を参照すると、これ
ら図には波からエネルギーを抽出するための公知
装置１０を示す。この装置１０は、複数のチヤン
バ１２を区画する本体１１を有する。各チヤンバ
１２は断面が正方形又は長方形をなし、底部開口
し、液体１３（例えば海水）と通じている。この
ためチヤンバ１２内には液体１３の柱１４が形成
されるが、装置は液体１３上に浮んでいる。各チ
ヤンバ１２の頂部からはダクト１６が延長し、ダ
クト１６内には空気タービン１７が収容される。
装置１０の作動について説明すると、まず装置１
０に入進した波は、各チヤンバ１２内の液柱１４
に作用する励振力Feを引起こし、波を生ぜしせ
るこの励振力Feにより液柱１４がチヤンバ１２
内で往復動する。液柱１４の上方にある空気は、
液柱１４がチヤンバ内で上昇する際にダクト１
６、従つてタービン１７を通つてチヤンバ１２か
ら大気中に排気される。次に空気は、その後液柱
１４の液面が低下した際に大気中からダクト１６
を通つてチヤンバ１２内へ吸引される。タービン
１７を通過する空気流は、双方向性でもよいし、
適当な整流弁（図示せず）を使用することにより
単一方向性にしてもよい。装置１０は、次の方程
式で示される固有振動数を持つ共振系として作動
する。すなわち 従つて、エネルギーの抽出率は、励振力Feの
位相と液柱１４の速度ｚの位相とが同期した固有
振動数f₀のところで最大となる。振動数がこの固
有振動数より低い場合、波励振力Feと液柱１４
の速度ｚとは同期せず、波エネルギー抽出効率は
最大値より低くなる。

第１図において装置１０は、複数のチヤンバ１
２を有するが、一つだけのチヤンバ１２を有する
装置を使用することも可能である。

次に第２図について説明する。第２図には本発
明に係る装置２０を示す。この装置２０は、種々
の点で第１図の装置１０と似ている。すなわち、
本体２１は、少なくとも１つのチヤンバ２２を区
画し、各チヤンバ２２は平断面が正方形又は長方
形であり、チヤンバ底部は、液体１３が進入する
よう開口し、装置２０は液体１３上に浮んでいる
点で似ている。チヤンバ２２内には液体１３の柱
２４が形成され、チヤンバ２２の上方のダクト２
６は、双方向性気流によつて駆動される空気ター
ビン２７を収容する。ダクト２６とチヤンバ２２
の接合部に設けた回転可能な弁２９の形状の閉鎖
手段はダクト２６を通過する気流量を制御する。

チヤンバ２２の頂部から下方に波浪計３１が延
長し、本体２１の底部の前後部にはそれぞれ圧力
トランスデユーサ３２，３３が設けられている。

本装置２０の作動時に、本装置２０に入進した
波からの波励振力Feは圧力トランスデユーサ３
２，３３によつて検出され、液柱２４の速度ｚは
波浪計３１によつて検出される。

液柱２４の速度ｚの位相が波励振力Feの位相
とずれており、液柱２４が往復運動の上死点又は
下死点に位置する時には弁２９が閉じ、液柱２４
の運動を阻止し、液柱２４を静止させる。圧力ト
ランスデユーサ３２，３３によつて測定された直
前の記録から波励振力Feの挙動を予測すること
によつて、往復運動を再開するときの液柱２４の
速度Ｚの位相が波励振力Feの位相と同期し、速
度Ｚが波励振力Feと同時にピークに達するよう
に、弁２９の開放を調整することができる。

弁２９が開いて解放されたときの液柱２４はほ
ぼ固有周期Toに対応する固有振動数にて応答す
る。波の周期がTwであれば、弁２９を閉じて液
柱２４を静止状態に保持すべき時間はTw−To／２ となる。

本発明を利用すれば、振動液柱装置による波励
振力からのエネルギー抽出効率を高めることがで
きる。過言すれば、可能な最大効率より低い効率
ｎでよければ、固有振動数の高い装置を選ぶこと
ができる。装置の固有振動数は装置の寸法の平方
根に反比例するので、これにより装置の寸法を小
さくできる。

第３図に装置２０の作動を制御する回路を略図
で示す。第３図において、制御回路４０は、ゼロ
速度検出器４２を有し、この検出器４２には波浪
計３１が接続され液柱２４の速度Ｚに関するデー
タを送るようになつている。このゼロ速度検出器
４２は、圧力トランスデユーサ３２，３３が接続
されたマイクロプロセツサ４４は、波浪計３１か
らのデータから液柱２４の速度がゼロであること
をゼロ速度検出器４２が検出したとき、すなわち
液柱２４の一がピークになつたとき、弁２９に信
号を送つてこれを閉鎖する。次にマイクロプロセ
ツサ４４は波浪計３１によつて与えられた液柱２
４の速度Ｚに関するデータと、圧力トランスデユ
ーサ３２，３３によつて検出された圧力を平均化
することによつて与えられる波励振力Feに関す
るデータに基づき、波エネルギー抽出効率を最大
にするための時間制御を行う。次いでマイクロプ
ロセツサ４４は、液柱２４の速度Ｚと波励振力
Feとが同期したとき弁２９を開ける信号を発す
る。

波浪計３１は、抵抗性プローブ、ソナー即ち容
量性プローブ（図示せず）、又はフロート式プロ
ーブ（図示せず）又は光学式プローブ（図示せ
ず）から構成するのがよく、液柱２４の速度を連
続的に監視する。

圧力トランスデユーサ３２，３３には従来のも
のを使用するが、希望する場合にはこれらトラン
スデユーサ３２，３３は第２ａ図に示すように波
乗り式ブイ４６と置換できる。このブイ４６は、
加速度計４７を内蔵し、装置２０から所定距離だ
け離れた位置でライン４８により海底４９に係留
される。波乗り式ブイ４６は、ブイ４６に入進し
た波の垂直運動に関する加速度計４７からのデー
タを発生し、このデータを第３ａ図に示すように
制御回路４０ａ内のマイクロプロセツサ４４へ供
給し、最適波エネルギー抽出のための上記時間制
御を可能にする。すなわちマイクロプロセツサ４
４は装置２０の前段部で波の対応する垂直運動す
なわち波励振力Feの位相を予測する。

第３図又は第３ａ図の制御回路によつて同期し
た状態に保たれている際の液柱２４の速度Ｚの
値、及び波励振力Feの値の時間に対する変化を
第４図にプロツトして示す。

弁２９は、例えば電動モータ（図示せず）で電
気的に作動させることができるが、望む場合は別
の弁作動装置を使用することもできる。

第５図にチヤンバ内の液柱を静止状態に維持す
るための別の閉鎖手段の一実施例を示す。第５図
には、振動水柱装置５０の一部が図示してあり、
この装置は、第２図又は第２ａ図の装置２０と同
じであるが、第２，２ａ，３および３ａ図の弁２
９の代わりに整流弁装置５９を設けた点が異なつ
ている。装置内のチヤンバ２２から上方に延びる
ダクト５６内にこの整流弁装置５９が設けられ、
液柱２４はチヤンバ内で波励振力Feに応答して
往復運動をする。この整流弁装置５９は、ダクト
５６の長手方向軸に直角に配された円筒ボア６２
を有するハウジング６１と、４つの羽根型弁６
４，６５，６６および６７とから成り、弁６４お
よび６５はボア６２の下方に位置し、弁６６およ
び６７はボア６２の上方に位置する。ボア６２内
には、単一方向気流によつて駆動されるタービン
５７が配置されている。

弁装置５９は、弁６５および６６が閉じている
ときには弁６４および６５が開き、弁６５および
６６が開いているときには弁６４および６５が閉
じるようマイクロプロセツサ４４によつて制御さ
れ、、このためボア６２を単一方向の気流が通過
する。これ以外にすべての弁６４，６５，６６お
よび６７が閉じると液柱２４の運動が阻止され、
液柱２４はチヤンバ２２内で静止状態に維持され
る。整流弁装置５９を通過する気流方向を実線６
８と破線６９で示すが、実線６８はチヤンバ２２
内の液柱２４が上昇したときに大気中へ排気され
る気流の方向を示し、破線６９はチヤンバ２２内
の液柱２４が下降したときに大気から吸引される
気流の方向を示す。

液柱によつて排除される空気を遮断することに
より間接的に液柱を静止させる代わりに第６図に
示すように液柱に弁装置を直接作用させることも
できる。第６図に示す装置７０は第２図、第３図
の装置２０と多くの点で類似する。すなわち液柱
２４を区画する少なくとも一つのチヤンバ２２を
有する点で同じであるが、、第２図および第３図
の弁２９は、装置７０においてチヤンバ２２の底
部に位置する多羽根弁７９と置換されている点が
異なつている。弁７９の下方には圧力トランスジ
ユーサ３２，３３が設置されている。

装置７０の作動時には、装置７０内の液柱２４
は、波励振力Feの効果にて往復動するが、第３
図のマイクロプロセツサ４４の指令により弁７９
が閉じれば、静止状態に維持される。

第７図に第６図の装置７０と同様な装置８０を
示すが、この装置はチヤンバ２２に前方側部開口
８３を有する。この側部開口８３に亘つて多羽根
弁８９が設けられ、この弁８９は第３図のマイク
ロプロセツサ４４によつて制御され、弁８９の閉
止時には液柱２４の運動を阻止し、チヤンバ２２
内の液柱２４を静止状態に保持する。圧力トラン
スジユーサ３２，３３は、圧力トランスジユーサ
３３が側部開口８３の頂部に、圧力トランスジユ
ーサ３２が側部開口８３の底部にそれぞれ位置す
するように配置される。第３図のマイクロプロセ
ツサ４４は、圧力トランスジユーサ３２，３３に
よつて記録される圧力を平均化し、液柱２４に側
部開口８３のところで平均波励振力Feを与える。

第２図および第２ａ図の弁２９又は第５図の弁
装置５９を第６図の装置７０、第７図の装置８０
に夫々組み込んで多羽根弁７９，８９の効果をそ
れぞれ補足できる。

上記説明では液柱の往復運動を利用してタービ
ンに空気を送り波からエネルギーを抽出する装置
と関連させて本発明を説明したが例えば第８図に
示すような別の態様で液柱によつて仕事をさせる
こともできる。第８図に示す装置９０は多くの点
で英国特許第1596636号明細書に記載の装置と類
似している。この装置９０は、少なくとも一つの
チヤンバ９２を区画する本体９１から成り、チヤ
ンバ９２の底部は液体１３に連通するよう開口
し、装置９０は液体１３上に浮び、液体１３の柱
９４を有している。チヤンバ９２に摺動自在に嵌
合したピストン９３は、液柱９４の表面に浮び、
上方に延びるピストンロツド９５を有する。ピス
トンロツド９５の上端は、液圧ポンプ９７の変位
部材９６に接続され、ポンプ９７は電動式停止弁
１１１を内部に有するパイプ１１０を介して液圧
タービン９９に接続されている。ダクト１１２の
内部に固定された電動クランプ部材１１４は、、
ピストンロツド９５を嵌合し、作動時にはピスト
ンロツド９５を把持してロツドの垂直運動を防止
する。ピストンロツド９５のまわりに設けられた
変位トランスジユーサ１１６は、ピストンロツド
９５の速度すなわち液柱９４の速度Ｚに関連する
データを提供する。圧力トランスジユーサ３２，
３３はチヤンバ９２の底部に位置し、第２図の装
置の説明と同じように波励振力Feに関するデー
タを提供する。第９図に第８図の装置９０用の制
御回路１２０を示すが、第３図の制御回路と同様
である。すなわち、変位トランスジユーサ１１６
はゼロ速度検出器４２に液柱９４の速度に関する
データを供給する点で同様である。ゼロ速度検出
器４２はマイクロプロセツサ４４に接続され、圧
力トランスジユーサ３２，３３もマイクロプロセ
ツサ４４に接続されている。このマイクロプロセ
ツサ４４は、弁１１１又はクランプ部材１１４の
いずれかを作動し、ピストン部材９５すなわち液
柱９４の運動を阻止するようになつている。

装置９０の作動時には、ピストン９３は、波に
応答する液柱９４の運動により往復運動し、液圧
ポンプ９７を作動し、ポンプ９７によつて流体が
タービン９９を通過し、波からエネルギーを抽出
する。液柱９４の速度Ｚの位相を波励振力Feの
位相に合わせるためにピストンロツド９５の往復
運動の速度ががゼロとなつたときにマイクロプロ
セツサ４４によつてクランプ部材１１４および／
又は弁１１１を作動し、ピストンロツド９５すな
わちピストン９３および液柱９４の運動を阻止す
る。次に液柱９４の速度Ｚと波励振力Feの位相
が合つたときマイクロプロセツサ４４によつてク
ランプ部材１１４又は弁１１１を作動させピスト
ン部材９５を開放する。

クランプ部材１１４および弁１１１はいずれも
ピストンロツド９５の運動を阻止するため一例と
して図示したのであり、これらの装置のうちの一
つを使用してもよいし又は他の装置に置換するこ
とも可能である。ピストン９３の周辺のシーリン
グを良くするために従来の低摩擦性シーリング手
段（図示せず）を使用することもでき、場合によ
つてはピストン９３の下方への復帰運動を容易と
するためにピストンロツド９５のまわりに弾性手
段（例えばスプリング手段）（図示せず）を配置
してもよい。

又望む場合には、ピストン９３の質量をピスト
ン９３が排除する液体１３の質量よりも実質的小
さいようにし、ピストン９３を液柱９４内に沈め
てもよい。こうすることにより、液柱９４は、ピ
ストン９３が存在しないかのごとくチヤンバ９２
の全高に対応する振動数で共振する。このような
ピストン９３の沈下位置を第９図中の破線で示
す。

又第６，７および８図のトランスジユーサ３
２，３３も第２ａ図の波乗り式ブイ４６と置換
し、マイクロプロセツサ４４に波励振力Feに関
するデータを発生させるようにしてもよい。

以上で振動式液柱波エネルギー装置のチヤンバ
内に液柱を静止させることと関連付けて、本発明
を説明したが、実際には液柱は若干運動するの
で、液柱の速度Ｚと波励振力Feは若干位相がず
れる。それにもかかわらず本発明を使用すれば波
エネルギーの抽出効率は高められる。

本発明により向上する装置効率の程度はとりわ
け装置の水中の形状に依存する。したがつて、第
２，２ａ，５，６およびび９図の装置のように水
中形状が対称形をした装置では、波から抽出でき
る最大エネルギーは、入進波のエネルギー約0.5
であり、第７図の装置のように水中形状が非対称
形の装置では抽出エネルギーは入進波のエネルギ
ーの0.5〜1.0である。第１，２，２ａおよび５〜
８図では装置に対して波は特定方向に入進するよ
う示してあるが、本発明はいかなる方向からの入
進波に対しても使用できる。

又本発明は、例えば英国特許第1601219、
1593983、1580901号および米国特許第4198821号
明細書に記載されているような他の揺動液柱波エ
ネルギー装置にも実施できる。

又チヤンバ内の液体は直立柱にする必要はない
ことはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、装置内の液柱の振動により波からエ
ネルギーを抽出するための公知装置を概略に示す
平面図、第１ａ図は第１図のIa−Ia線に沿つた側
断面図、第２図は、第１ａ図の装置と類似してい
るが、本発明を組み込んだ、波励振力からエネル
ギーを抽出するための装置の中央断面の側面図で
あり、第２ａ図は第２図の装置の別の実施例を示
す図、第３図は第２図の装置に用いる制御回路の
ブロツクダイヤグラム、第３ａ図は第３図の制御
回路の別の実施例を示す図、第４図は第２又は第
２ａ図の装置内で液柱を振動させる力と液柱の速
度との関係を示すグラフ、第５図は第２，２ａ図
図の装置の別の実施例の断面図、第６図は第２図
の装置の別の実施例を示す断面図、第７図は第６
図の装置の別の実施例を示す断面図、第８図は第
２図の装置の別の実施例を示す断面図、第９図は
第８図の制御回路のブロツクダイヤグラムであ
る。 ２２……チヤンバ、２４……液柱、２９……
弁、３１……波浪計、３２，３３……圧力トラン
スジユーサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液面上の波による流体力学上の圧力振動を受
   ける液体１３と直接連通した開口を備えたチヤン
   バを有し、 前記開口は、前記液体をチヤンバ内に流入させ
   又は室チヤンバから流出させて、一定量の液体を
   波が発生する振動力の作用でチヤンバ内で振動さ
   せ、 空気圧モータ即ちタービン２７を有し、液の振
   動によつて気体をこのタービンを通して流すこと
   によつて前記振動からエネルギーを取出し、 前記振動力の位相を決定するための力検出手段
   ３２，３３，４６，４７及びチヤンバ２２，９２
   内で振動する液体の速度の位相を決定するための
   速度検出手段３１，１１６を有する、液面上の波
   からエネルギーを抽出するための振動液柱２４式
   の装置において、 空気圧モータ即ちタービン２７を通る気体の流
   れを遮断するための制御可能な弁手段２９，５
   ９，７９，８９，１１４を有し、これによつて、
   振動サイクルの部分中、チヤンバ内での液の運動
   を制御可能な期間に亘つて妨げて前記速度が前記
   振動力の位相と実質的に同期するように前記速度
   の位相をシフトする、ことを特徴とする装置。 ２ 前記位相シフト手段は、液体の量の振動をそ
   の振動運動がほぼゼロ速度になるところに抑する
   ための手段２９，５９，７９，８９，１１４を有
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の装置。 ３ 前記抑制手段が閉鎖手段２９，５９，７９，
   ８９を有することを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項に記載の装置。 ４ 前記閉鎖手段７８，８９が上記開口又はその
   近傍に設けられていることを特徴とする特許請求
   の範囲第３項に記載の装置。 ５ 前記エネルギー抽出手段は、液体の量の振動
   によつて移動されるように構成された移動部材９
   ３，９５を有し、前記抑制手段は、前記移動部材
   ９３，９５の移動を抑制するための手段１１４を
   有することを特徴とする特許請求の範囲第２項に
   記載の装置。 ６ 前記エネルギー抽出手段は、空気圧モータ即
   ちタービン手段２７，５７を有し、気体は液体の
   振動によつて前記手段２７，５７を通され、前記
   抑制手段は、気体の流れを妨げるための手段２
   ９，５９を有することを特徴とする特許請求の範
   囲第２項に記載の装置。 ７ 前記気体の流れを妨げる手段は、整流弁手段
   ５９を有し、この整流弁手段は、これを通る単一
   方向性気体流をつくることを特徴とする特許請求
   の範囲第６項に記載の装置。 ８ 振動力の位相を決定するための前記手段が、
   振動力を検出するためのトランスデユーサ手段３
   ２，３３を有することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項乃至第７項のうちいずれか一項に記載の
   装置。 ９ 前記トランスデユーサ手段３２，３３が前記
   開口又はその近傍に配置されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第８項に記載の装置。 １０ 振動力の位相を決定するための前記手段
   が、波の垂直運動をチヤンバ２２から選択した距
   離のところで検出するための手段４６，４７を有
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至
   第７項のうちいずれか一項に記載の装置。 １１ 振動する液体の速度の位相を決定するため
   の前記手段が、チヤンバ２２内での液体の速度を
   監視するための波浪計手段３１を有することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項及び第
   ６項乃至第１０項のうちいずれか一項に記載の装
   置。 １２ 振動する液体の速度の位相を決定するため
   の前記手段が、移動部材９３，９５の移動を検出
   するための手段１１６を有することを特徴とする
   特許請求の範囲第５項に記載の装置。 １３ 振動する液体のゼロ速度を前記速度位相決
   定手段３１，１１６からの信号から検出するため
   の手段４２を有することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項乃至第１２項のうちいずれか一項に記
   載の装置。 １４ 装置９０が波から抽出することのできるエ
   ネルギーを大きくするため、装置８０の水面下で
   の形状を非対称形に形成したことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項乃至第１３項のうちいずれか
   一項に記載の装置。 １５ 波の効果が作り出す振動力の効果が加わつ
   たチヤンバ内の液体の量の振動による表面上の波
   からエネルギーを抽出するための方法において、 前記振動力の位相及び前記液体の量の前記振動
   の速度を検出し、前記速度の位相をこの速度が前
   記振動力の位相と実質的に同期するようにシフト
   させることを特徴とする方法。 １６ 前記位相のシフトは、液体の量の振動をそ
   の振動運動がほぼゼロ速度のところで抑制するこ
   とによつて行われることを特徴とする特許請求の
   範囲第１５項に記載の方法。