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技術 液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置

出願人 ホルストリップマン日立造船株式会社
発明者 ホルストリップマン
出願日 1995年5月23日 (26年1ヶ月経過) 出願番号 1995-122894
公開日 1996年7月12日 (25年0ヶ月経過) 公開番号 1996-182362
状態 特許登録済
技術分野 特殊な電動機、発電機 超音波モータ、圧電モータ、静電モータ
主要キーワード つうじ 液体水位 落下加速度 誘電プレート コンデンサープレート 波長さ 会議報告書 可動機械
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図面 (6)

構成

本発明の装置は、従来の発電機または可動機械部材を全く使用しないで、波のエネルギー電気エネルギーに変換できる。またその逆も可能である。この本発明の装置のコンデンサは、ほぼ半分まで水面中に、波Wの伝播方向と平行に配置された平板コンデンサプレートPL)からなっており、この誘導体は周囲の空気と周囲の水によって形成され、コンデンサの容量は波によって周期的に変化する。これによってこのコンデンサとコイルからなる電気振動回路共振回路)には適切な調整のもとで、有効で安定したパラメータ励起された電気振動(共振電流)が発生する。また、その逆もでき、波を発生できる。海の波から電流を得るとき、コンデンサを出る波は鎮静化される。また、波の発生はプールで使用される。

概要

背景

波のエネルギーは環境に優しいエネルギー源に属する。波のエネルギーは風エネルギーの場合と同様、時間と場所に依存して変動するが、その変換のための費用は風エネルギーの場合よりもはるかに高いため、波のエネルギーは現在のところむしろ二次的な役割を果たしている。しかし電気エネルギーへの適切な変換法を開発する実験には事欠かない。

最新の現状は、2つの会議発表された成果{A.F.De O Falcao編集(Proceedings of the 1993 European wave energy symposium,Edinburgy,U.K.,21-24 July 1993. The Conference Centre ,NEL,East Kilbride.GlasgowG75 0QU,U.K.)およびH.近編集(Proceedings of international symposiumon ocean energy development(ODEC), 室蘭,北海道、日本、1993年8 月26-27日、Muroran Institute of Technology & Cold Region Port and Harbour Engineering Reearch Center)}、およびTh. W.Thorpeによる概観論文(A review of wave energy,vol.1:Main report. ETSU-R-72:Rene-wable Enerty Enquiries Bureau,ETSU,Harwell,OC 11ORA,U.K .)に反映されている。

これらによれば従来の変換技術の大部分は、発電のために通常の発電機を用いている。それらが互いに異なるのは、波運動をいかにして発電機の駆動のために利用できる水流に変換できるか、あるいはいかにして波運動といずれにせよ結合する水流から、利用できる水流部分を分岐することができるか、といった種類と方法である。これについてはK.-U. Grawの2つの論文を参照されたい。すなわち"Shore protection and electricity by submerged plate wave energy converter"(上記De O.Falcao 1993の会議報告書379-384ページ)、および"The submerged plate wave energy converter" (上記H.近藤1993の会議報告書307-310 ページ)ある。時には圧電ピエゾ結晶によるエネルギー変換も言及されるが、これは波により誘導された水流を変形するものである(FOCUS No.49 、1994年12月5 日、200 ページ) 。

さて、どの発電機のタイプを上記の条件のもとで使用するかは、原理においては同じではあるが、次の観点から特殊なタイプを述べる。このタイプは実際には波との関連でもその他の関連でも普及されなかったものである。その理由は例えば従来の発電機に比して以下に説明する欠点のためである。

ここで問題となるのは、いわゆるパラメトリック発電機またはパラメータ励起発電機である。これらは技術的基盤立場からは良く知られるパラメータ励起振動の原理に基づいている。すなわち電気振動回路の中である構成要素のパラメータ、例えばコイル自己インダクタンスL、あるいはコンデンサの容量Cが、ある周期Tで周期的に変化し、電気振動回路の自己周期Tnatが、この変化周期のほぼ倍になるか、あるいは倍数整数分の1となる場合、電気振動回路中に交流電流が発生し、これはあまりに僅かな励起振幅Aでは消滅し、あまりに大きい振幅Aでは強く揺れ動き、一定のまたは僅かな特定の振幅値Aの場合に限り利用可能に周期的に励起周期Tまたは周期T/2で経過する。実用上の観点では、パラメータ励起はもとよりTnat ≒T/2の場合にのみ成功する。発電機には特に容量変化によるパラメータ励起が提案された。この場合、放送技術で通常である回転コンデンサに類似して、適切な、現在発電機軸の上に取付けたコンデンサのプレートまたは誘電プレートを、固定したコンデンサープレートに対して動かす。これに関しては幾つかの特許がある。

最新のアメリカ特許第4622510号(東ドイツ特許第208714号と同一)により、2つの欠点を除去するためのパラメトリック発電機原理の改善が既知となった。この2つの欠点とは、発電の不安定性(小さい励起振幅Aでは無振動、大きすぎる励起振幅Aでは理論的無限にまで揺れ動く振動)、および発生した交流電流の一般に非正弦形の経過である。これらの欠点を除去しあるいは減少させるには、電気振動回路中の時間関連のパラメータ励起に追加して、コンデンサの容量、コイルのインダクタンス、あるいは取付けた抵抗のいずれかが、時間の経過でパラメトリックに発生する電流に依存することによる。作用原理逆転することにより、発電機は電気機械としても回転する。液体の波によるパラメータ励起は考えられていない。

ヨーロッパ公開特許第0233947号は平板コンデンサ直線配置に関するものであり、コンデンサの平板の間に同じく平板状の誘電体が、先に述べた発電機の場合のように円形周回するのではなく、直線的周期的に往復移動する。後にシリンダ状に周回する配置も既知となった。しかしパラメータ励起は生じない。むしろ適切な接続とタップの使用により先ず電荷がコンデンサに集められ、誘電体の移動の後に再びタップしなければならない。作用原理を逆転することにより、発電機は電気機械としても回転する。液体の波による励起は考えられていないが、しかし平板状誘電体とコンデンサープレートの間に、絶縁する液体層潤滑膜に似る)が提案され、フラッシュオーバーを避けている。

ドイツ公開特許第4033390号によってもコンデンサは先ず荷電され、相応して高いエネルギー水準での容量変化の後に再び放電される。しかし容量変化はこの時、熱した気体の圧力によるコンデンサのプレートの間隔変化によって生じる。したがってこれは熱駆動である。コンデンサの電気的荷電と放電は機械的接続またはタップの使用なしに、電磁結合を通じて行われ、この場合コンデンサは電気振動回路の一部である。しかしパラメータ励起は事実上特許請求によって排除されるため、電気振動回路の自己周波数励起周波数よりもはるかに大きい(Tnat≪T)。

該当する諸特許のうち、唯一のものがロシア連邦特許第1368476号に記載された、水の波(寄せ波)のエネルギーを電流に変換することに関するものである。しかも平板コンデンサーの容量は、波の周期で、波が平板の間の間隙を通って走ることによって直接周期的に変化させられ、この時水面は昇降する。もとよりコンデンサは電気振動回路には取付けられない。むしろコンデンサは電源負荷からなる既存の電流回路並列に配置されている。コンデンサは水中でその下に取付けた区分装置つき圧力計つうじて、減少する波の段階の間だけスイッチが入る。作用方式は明らかではない。この特許によって本来のエネルギー変換は請求されず、(これと併存する電源の)効率の上昇と電力価格の低下のみが請求されている。

概要

本発明の装置は、従来の発電機または可動機械部材を全く使用しないで、波のエネルギーを電気エネルギーに変換できる。またその逆も可能である。この本発明の装置のコンデンサは、ほぼ半分まで水面中に、波Wの伝播方向と平行に配置された平板コンデンサ(プレートPL)からなっており、この誘導体は周囲の空気と周囲の水によって形成され、コンデンサの容量は波によって周期的に変化する。これによってこのコンデンサとコイルからなる電気振動回路(共振回路)には適切な調整のもとで、有効で安定したパラメータ励起された電気振動(共振電流)が発生する。また、その逆もでき、波を発生できる。海の波から電流を得るとき、コンデンサを出る波は鎮静化される。また、波の発生はプールで使用される。

目的

本発明は上記問題を解決するものであり、水力駆動の発電機あるいはその他の可動部品をもつ機械を使用しない、液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置を提供することを目的とするものである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

電気振動回路を形成するコンデンサおよびコイルと、この電気振動回路に接続された負荷を備え、前記コンデンサは、所定間隔液体内に浸漬された複数のプレート、または外被、または巻線からなる電荷担体を備え、前記電荷担体内に液体の表面波周期的に出入りすることによりその容量が変化し、前記電気振動回路に電気振動を発生することにより前記液体に表面波を発生させる構成としたことを特徴とする液体の表面波のエネルギー電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置。

請求項2

請求項1記載の液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置であって、コンデンサは、誘電体のための中間空間が外に向かって開いており、また周囲の気体状、液体状または気体状/液体状2相媒体が、液体液位に応じてすべて気体で、すべて液体であるいは一部気体で一部液体で誘電体として満たされることを特徴とする。

請求項3

請求項1記載の液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置であって、コンデンサの誘電体が周囲の気体、周囲の液体および少なくとも一つの別の固体または液体の媒体から構成されており、この別の媒体が周囲の液体の表面波の運動によって往復運動し、その際に対応して気体を排除することを特徴とする。

請求項4

請求項1または請求項2または請求項3記載の液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置であって、コンデンサの電荷担体は、複数の電荷担体の要素に分かれており、これらの要素を接続・分離可能な構成としたことを特徴とする。

請求項5

請求項1または請求項2または請求項3記載の液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置であって、電気振動回路の固有周波数を、コイルあるいは追加取付けしたコイルのインダクタンス、追加して取付けたコンデンサの容量により、コンデンサの周囲の液体の表面波の周波数に調節可能な構成としたことを特徴とする。

請求項6

請求項1または請求項2または請求項3記載の液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置であって、電荷担体は、誘電体のために設けられた中間空間に対して、追加の固定した誘電層によって絶縁されていることを特徴とする。

技術分野

0001

本発明は、液体、特に水の波の表面波エネルギーを、電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置に関する。

背景技術

0002

波のエネルギーは環境に優しいエネルギー源に属する。波のエネルギーは風エネルギーの場合と同様、時間と場所に依存して変動するが、その変換のための費用は風エネルギーの場合よりもはるかに高いため、波のエネルギーは現在のところむしろ二次的な役割を果たしている。しかし電気エネルギーへの適切な変換法を開発する実験には事欠かない。

0003

最新の現状は、2つの会議発表された成果{A.F.De O Falcao編集(Proceedings of the 1993 European wave energy symposium,Edinburgy,U.K.,21-24 July 1993. The Conference Centre ,NEL,East Kilbride.GlasgowG75 0QU,U.K.)およびH.近編集(Proceedings of international symposiumon ocean energy development(ODEC), 室蘭,北海道、日本、1993年8 月26-27日、Muroran Institute of Technology & Cold Region Port and Harbour Engineering Reearch Center)}、およびTh. W.Thorpeによる概観論文(A review of wave energy,vol.1:Main report. ETSU-R-72:Rene-wable Enerty Enquiries Bureau,ETSU,Harwell,OC 11ORA,U.K .)に反映されている。

0004

これらによれば従来の変換技術の大部分は、発電のために通常の発電機を用いている。それらが互いに異なるのは、波運動をいかにして発電機の駆動のために利用できる水流に変換できるか、あるいはいかにして波運動といずれにせよ結合する水流から、利用できる水流部分を分岐することができるか、といった種類と方法である。これについてはK.-U. Grawの2つの論文を参照されたい。すなわち"Shore protection and electricity by submerged plate wave energy converter"(上記De O.Falcao 1993の会議報告書379-384ページ)、および"The submerged plate wave energy converter" (上記H.近藤1993の会議報告書307-310 ページ)ある。時には圧電ピエゾ結晶によるエネルギー変換も言及されるが、これは波により誘導された水流を変形するものである(FOCUS No.49 、1994年12月5 日、200 ページ) 。

0005

さて、どの発電機のタイプを上記の条件のもとで使用するかは、原理においては同じではあるが、次の観点から特殊なタイプを述べる。このタイプは実際には波との関連でもその他の関連でも普及されなかったものである。その理由は例えば従来の発電機に比して以下に説明する欠点のためである。

0006

ここで問題となるのは、いわゆるパラメトリック発電機またはパラメータ励起発電機である。これらは技術的基盤立場からは良く知られるパラメータ励起振動の原理に基づいている。すなわち電気振動回路の中である構成要素のパラメータ、例えばコイル自己インダクタンスL、あるいはコンデンサの容量Cが、ある周期Tで周期的に変化し、電気振動回路の自己周期Tnatが、この変化周期のほぼ倍になるか、あるいは倍数整数分の1となる場合、電気振動回路中に交流電流が発生し、これはあまりに僅かな励起振幅Aでは消滅し、あまりに大きい振幅Aでは強く揺れ動き、一定のまたは僅かな特定の振幅値Aの場合に限り利用可能に周期的に励起周期Tまたは周期T/2で経過する。実用上の観点では、パラメータ励起はもとよりTnat ≒T/2の場合にのみ成功する。発電機には特に容量変化によるパラメータ励起が提案された。この場合、放送技術で通常である回転コンデンサに類似して、適切な、現在発電機軸の上に取付けたコンデンサのプレートまたは誘電プレートを、固定したコンデンサープレートに対して動かす。これに関しては幾つかの特許がある。

0007

最新のアメリカ特許第4622510号(東ドイツ特許第208714号と同一)により、2つの欠点を除去するためのパラメトリック発電機原理の改善が既知となった。この2つの欠点とは、発電の不安定性(小さい励起振幅Aでは無振動、大きすぎる励起振幅Aでは理論的無限にまで揺れ動く振動)、および発生した交流電流の一般に非正弦形の経過である。これらの欠点を除去しあるいは減少させるには、電気振動回路中の時間関連のパラメータ励起に追加して、コンデンサの容量、コイルのインダクタンス、あるいは取付けた抵抗のいずれかが、時間の経過でパラメトリックに発生する電流に依存することによる。作用原理逆転することにより、発電機は電気機械としても回転する。液体の波によるパラメータ励起は考えられていない。

0008

ヨーロッパ公開特許第0233947号は平板コンデンサ直線配置に関するものであり、コンデンサの平板の間に同じく平板状の誘電体が、先に述べた発電機の場合のように円形周回するのではなく、直線的周期的に往復移動する。後にシリンダ状に周回する配置も既知となった。しかしパラメータ励起は生じない。むしろ適切な接続とタップの使用により先ず電荷がコンデンサに集められ、誘電体の移動の後に再びタップしなければならない。作用原理を逆転することにより、発電機は電気機械としても回転する。液体の波による励起は考えられていないが、しかし平板状誘電体とコンデンサープレートの間に、絶縁する液体層潤滑膜に似る)が提案され、フラッシュオーバーを避けている。

0009

ドイツ公開特許第4033390号によってもコンデンサは先ず荷電され、相応して高いエネルギー水準での容量変化の後に再び放電される。しかし容量変化はこの時、熱した気体の圧力によるコンデンサのプレートの間隔変化によって生じる。したがってこれは熱駆動である。コンデンサの電気的荷電と放電は機械的接続またはタップの使用なしに、電磁結合を通じて行われ、この場合コンデンサは電気振動回路の一部である。しかしパラメータ励起は事実上特許請求によって排除されるため、電気振動回路の自己周波数励起周波数よりもはるかに大きい(Tnat≪T)。

0010

該当する諸特許のうち、唯一のものがロシア連邦特許第1368476号に記載された、水の波(寄せ波)のエネルギーを電流に変換することに関するものである。しかも平板コンデンサーの容量は、波の周期で、波が平板の間の間隙を通って走ることによって直接周期的に変化させられ、この時水面は昇降する。もとよりコンデンサは電気振動回路には取付けられない。むしろコンデンサは電源負荷からなる既存の電流回路並列に配置されている。コンデンサは水中でその下に取付けた区分装置つき圧力計つうじて、減少する波の段階の間だけスイッチが入る。作用方式は明らかではない。この特許によって本来のエネルギー変換は請求されず、(これと併存する電源の)効率の上昇と電力価格の低下のみが請求されている。

発明が解決しようとする課題

0011

しかし、従来の方式では、機械的に可動する部材があるために、定期的な補修が必要であり、メンテナンスに多くの時間と費用がかかるという問題があった。

0012

本発明は上記問題を解決するものであり、水力駆動の発電機あるいはその他の可動部品をもつ機械を使用しない、液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0013

上記問題を解決するため、第1発明の液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置は、電気振動回路を形成するコンデンサおよびコイルと、この電気振動回路に接続された負荷を備え、前記コンデンサは、所定間隔で液体内に浸漬された複数のプレート、または外被、または巻線からなる電荷担体を備え、前記電荷担体内に液体の表面波が周期的に出入りすることによりその容量が変化し、前記電気振動回路に電気振動を発生することにより前記液体に表面波を発生させる構成としたことを特徴とするものである。

0014

また第2発明の液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置は、上記第1発明の液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置であって、コンデンサは、誘電体のための中間空間が外に向かって開いており、また周囲の気体状、液体状または気体状/液体状2相媒体が、液体液位に応じてすべて気体で、すべて液体であるいは一部気体で一部液体で誘電体として満たされることを特徴とするものである。

0015

さらに第3発明の液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置は、上記第1発明の液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置であって、コンデンサの誘電体が周囲の気体、周囲の液体および少なくとも一つの別の固体または液体の媒体から構成されており、この別の媒体が周囲の液体の表面波の運動によって往復運動し、その際に対応して気体を排除することを特徴とするものである。

0016

また第4発明の液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置は、上記第1発明または第2発明または第3発明の液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置であって、コンデンサの電荷担体は、複数の電荷担体の要素に分かれており、これらの要素を接続・分離可能な構成としたことを特徴とするものである。

0017

また第5発明の液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置は、上記第1発明または第2発明または第3発明の液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置であって、電気振動回路の固有周波数を、コイルあるいは追加取付けしたコイルのインダクタンス、追加して取付けたコンデンサの容量により、コンデンサの周囲の液体の表面波の周波数に調節可能な構成としたことを特徴とするものである。

0018

さらに第6発明の液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置は、上記第1発明または第2発明または第3発明の液体の表面波のエネルギーを電気エネルギーに変換する、またその逆のための装置であって、電荷担体は、誘電体のために設けられた中間空間に対して、追加の固定した誘電層によって絶縁されていることを特徴とするものである。

0019

上記第1発明の構成により、コンデンサがロシア連邦特許第1368476号に記載されたものと類似して、その容量が荷電担体(プレート、外被、巻線)の間を通って流れる表面波によって直接周期的に変化させられ、またこのコンデンサは電気振動回路の中に取付けてあり、その中で適切な調整(Tnat≒T/2)でパラメータ励起した周波数を作り、これが交流電流として負荷に供給される。

0020

また、発電機を用い、あるいは変形した圧電結晶を用いて液体の波のエネルギーを電気エネルギーに変換するための、これまで提案された装置に比して、この新しい装置は、全く可動するまたは変形する部材なしにすませるため、僅かな磨耗しか受けず、技術的に極めて簡単な方法で実現できるという利点を有している。この場合、アメリカ特許第4662510号に記された改善のない、通常のパラメトリックな機械の場合に存在するような、パラメータ励起振動の主な欠点が避けられる。すなわち取り出すことができる電流経過の上記のような不安定性である(少なすぎる周期的容量変化の場合は0に消滅し、大きすぎる周期的容量変化の場合は許容されない大きな値まで跳ね上がる)。すなわち寄せ来る波が、安定した変換を確保するに充分に大きく、また予期される最大消費電力カバーするに充分なエネルギーを搬送してくるとするならば、このシステムから安定した方法で、負荷が如何なる時点でも必要に足りるだけの電流を取り出すことができる。これはコンデンサーの力反作用により、通過する表面波のエネルギー供給が、表面波を適切な量に鎮静させるため、入いる波と出る波の間のエネルギー差は、取り出されたエネルギーと、摩擦または加熱による不可避損失との合計に丁度相当する。別の利点として、本発明の装置は、例えば港湾中の水といった液体の表面波の適切な鎮静にも援用することができ、この場合発生する電気エネルギーは追加して利用することができる。

0021

さらに第1発明により、作用原理を逆にすることにより、液体に波を発生できる。すなわち電気振動回路を電気エネルギーの供給によって電気振動へと励起するならば、この電気振動はコンデンサーの上記の機械的力作用によって、誘電体として作用する液体に伝達され、液体を振動または波へと励起する。このような配置は例えば波つきプールの駆動に適用される。

0022

また上記第2発明の構成は、第1発明に必要なコンデンサーの構成に関し、その容量が通過する液体の波によって周期的に変えられる。しかもコンデンサーは誘電体によって分離され、交代した極性が与えられる電荷担体(プレート、外被、巻線)からなっている。いま誘電体のために設けられた中間空間を自由に、また外に向けて開き、この中間空間を部分的に液体の中に浸漬すると、液体(すなわち一般には水)とその上方にある気体(一般には大気)からなる周囲の媒体が、自ら全体として静止配置されたコンデンサーの誘電体として働く。液体の波はそこで気体を完全にまたは部分的に電荷担体の間の間隙から排除し、かくして気体と液体に関して平均された全体の誘電率を変化させ、したがって容量を変化させる。

0023

また上記第3発明の構成により、電荷担体(プレート、外被、巻線)の腐蝕を避けるため、あるいは有効な誘電率を得るため気体(特に空気)と液体(特に水)の他にコンデンサー中に、第3の好ましくは固形の誘電体を間にはさみ、これがコンデンサーの電荷担体の間の間隙中の液体の表面波によって往復運動または上下運動することにより、気体または液体を完全にまたは部分的に補う。

0024

また上記第4発明の構成により、電気振動回路の固有周期Tnatと、励起する液体の波の周期Tとの比を先ずおおまかに値2に調整し、この調整を自然の水波では避けがたい波周期Tの変化に従いおおよそ維持するため、コンデンサーの電荷担体を個別にまたは対にして追加接続または遮断し、あるいは電荷担体を幾つかの互いに絶縁した部分に分解し、これらを必要に応じて接続または遮断する。これによってすべての接続した電荷担体の全体の寸法を追加して、表面波の長さに関して調整する。実際には活性化した電荷担体のこの総合寸法は、以下に明らかとなるように、表面波のそれぞれの長さに対するある程度の比を越えることも下回ることもないのが望ましい。

0025

また上記第5発明の構成により、電気振動回路の固有周期Tnatの微調整は、波の運動により影響されない他の電気振動回路のパラメータの変化によって成功する。例えばコイルの自己インダクタンスL、あるいは追加のコイルまたは別の必然的に液体に浸漬する必要のないコンデンサの容量CO によってである。これらのパラメータ変化および個々の電荷担体またはその部分の接続開閉は、手動自動制御または自動調整によって行うことができる。

0026

また上記第6発明の構成により、コンデンサの電荷担体を、誘電層によって腐蝕または機械的損傷から保護し、これによって同時に液体のイオン伝導を妨げることができる。

0027

本発明を以下図面を用いてさらに詳細に説明する。図1(a),(b)は本発明の電気振動回路であり、Cは場合により追加接続される調整用コンデンサを含む液体に浸漬されるコンデンサ、Lはコイル(自己インダクタンスL)、Rは一般の損失抵抗を含む負荷としての抵抗、RCuはコイルおよびワイヤ(銅抵抗)の損失抵抗、Uはコンデンサの層電圧勾配を示す。図1(b)のU(−)は補助電圧勾配を意味する。発生された電気出力の大部分が抵抗Rに供給されるようにしようとすれば、図1(a)または図1(b)による電気振動回路のいずれかであるに応じて、
RT/L)2 ≪(RCuT/L)2 +4π2 , RCu≪R …(1)
を確保しなければならない。式(1)を用いて所定の条件のもとでそれぞれ両回路のより適切な方を選択することができる。これによって、電気エネルギーが銅抵抗RCuの中に分散する代わりに、主として負荷Rに供給される。

0028

図2図3は液体FLに浸漬されるコンデンサCの構成を示す。図2は電荷担体として平行に配置された6枚のプレートPLを備え、これらプレートPL間を周囲の媒体のために開放し、また交互した極性が与えられる平板コンデンサを示し、図3は電荷担体として同心に配置された3個のシリンダ外被SLを備え、これらシリンダ外被SL間を周囲の媒体のために開放し、また交互した極性が与えられるシリンダ状コンデンサである。実際に装置に使用されるプレートPLの数、シリンダ外被SLの数は、もっと大きくなると考えられる。またプレートPL、シリンダ外被SLは、図示しない絶縁した構成要素により、必要な間隔に保たれる。

0029

図4は液体中の平板コンデンサのプレートPL(幅b,高さaであり、交代した極性P+ ,P- が与えられる)の配置を示す。プレートPLは波Wの伝播方向に平行に置かれている。

0030

波Wは、波速度c(または群速度V)、密度ρ,波長λ,振幅lの正弦波であり、その表面が時間tに応じてx,y座標により関数y=z(x,t)によって与えられる。また波Wは、地面の重力場に水平である(落下加速度g)。

0031

また、図4において、Hはコンデンサの平均浸漬深さ、hはプレートPL中の平均液体水位である。媒体は周囲の気体(空気)、媒体は液体(水)である。コンデンサの容量は、水で覆われたプレートPLの面積の量のみが基準となり、従来例の如く、波のエネルギーを電気エネルギーに変換するような水の運動と結びついたものではない。

0032

図4によれば、プレートPLの幅bは波Wの波長λに対して調整されていなければならないことが判る。b=λと等しい場合、すなわち水に覆われたプレートPLの面積は波Wの進行にもかかわらず時間的に一定であるため、コンデンサの容量は一定となり、電流を発生することができない。このことはもとより消滅する面積(b=0)にも適用される。したがって、最適値はおよそb/λ=1/4〜b/λ=3/4の間にある。プレートPLの幅bを適切に調整するためには、プレートを互いに絶縁した幅δxのプレート帯に分解し(斜線で示す)、最適の幅bに必要とするだけ、これらの帯を結合し合わせる。

0033

図5図4の配置においてコンデンサのプレートPLの間に、案内手段(図示せず)により、液体FL上に浮く別の誘電媒体MEDが液体FLと周囲の気体(空気)の間にはさまれている。誘電媒体MEDは波Wの周期的な振動により、上下に運動し、コンデンサの容量Cを変化させる。この誘電媒体MEDは、たとえば水より高い誘電率の物質が選択されるため、コンデンサCの全体の容量を高めることができ、またプレート腐蝕を減少させることができる。なお、一般に腐食保護はプレートPL自体の防食被膜によって得られる。

0034

また図4図5のようにプレートPLを液体FL内に垂直に吊るす代わりに、これらを平均液体表面(x=0)に平行に配置することができ、この場合波Wの輪郭は水平平行帯で切断される。この場合、伝搬する波Wによりプレートは時間的に変化して液体に覆われるため、プレートの垂直配置の場合と同様、時間的に周期的な容量経過が生じる。したがってプレートは液体に斜めにも吊るすこともできる。またプレートを波Wの伝播方向に直角に配置した場合、同じくパラメトリックな励起が生じるが、しかしこれは妨害される波Wの通過により効果が少ないと考えられる。また図2(b)に示すシリンダ状コンデンサを平均液面に垂直に吊した場合、励起は同じくあまり効果的でないが、しかし波Wの伝播方向とは無関係である。シリンダ状コンデンサにおいて、その中心軸を波伝播方向に向け、水表面に平行に配置することは、空間的に狭い環境、例えば小川またはその他の流れの表面の波の利用の際に推奨される。この場合半シリンダ状またはその他の形の外被も電荷担体として考慮に値する。

0035

設計例として水面にあり、周囲に空気があり、追加コンデンサーなしの図4による配置の平板コンデンサを備えた本発明の装置の図1(b)による電気振動回路を計算した。

0036

寸法はa=2m,b=1m,プレート間隔d=2cm,プレート厚さs=4mmである。これは全体として厚さ2.88mのコンデンサーブロックとなる。例えば長さ100m以上の港湾ダムをこのようなブロックから構成することができ、港湾中の波を鎮静し、同時に電流を得ることができる。逆に上記のコンデンサブロックあるいはこのようなブロックの列は、波打ちプールで波を作るのに利用することができる。

0037

以下上記の大きさの唯一のブロックのみを観察することとする。平均水深さはH=4m,平均浸漬深さh=1mで波長さλ=4mとすると、有効な規模でb/λ=1/4の比が成立する。波の周期T=2sの場合、共振比Tnat/T=2への電気振動回路の調節は、極めて高い自己インダクタンスL=100000Vs/Aが必要となるが、これは計算上予期される最大0.7Aの電流強さの場合、充分に技術的標準手段で実現することができる。この場合、42cmまでの寄せる波の振幅は全くエネルギーに変換されない。波は鎮静されないままである。波の振幅の上昇とともに変換されるエネルギー比率は上昇し、理論的には約59cmの振幅ですでに、12kWの寄せる波の全エネルギー含有量に達する。この場合、出る波は振幅0となる。寄せる波の振幅が59cmを越えると、理論的効率は最初100%で一定に留まるが、波がコンデンサを完全に浸すと、再び0まで低下する。

0038

もとよりコンデンサに寄せる波と出る波は計算のために理想的に正弦形と仮定し,次に効率の理論的算出の際には、摩擦や加熱および波の反射または散乱は考慮しなかったため、実際には上記よりも少ない効率を予期しなければならない。

発明の効果

0039

以上述べたように第1発明によれば、容量が荷電担体(プレート、外被、巻線)の間を通って流れる表面波によって直接周期的(周期T)に変化させられ、またこのコンデンサは電気振動回路の中に取付けてあり、電気振動回路の周期Tnatを適切な調整(Tnat ≒T/2)とすることによって、電気振動回路中でパラメータ励起の電気振動が発生し、これを交流電流として負荷に供給でき、あるいは逆に電気エネルギー供給によって指定の振動によって液体に表面波を発生できる。また、発電機を用い、あるいは変形した圧電結晶を用いて液体の波のエネルギーを電気エネルギーに変換する従来の装置と比較して、可動するまたは変形する部材がないため、僅かな磨耗しか受けず、技術的に極めて簡単な方法で実現できるという利点を有している。この場合、アメリカ特許第4662510号に記された改善のない、通常のパラメトリックな機械の場合に存在するような、パラメータ励起振動の主な欠点、すなわち取り出すことができる電流が不安定性(少なすぎる周期的容量変化の場合は0に消滅し、大きすぎる周期的容量変化の場合は許容されない大きな値まで跳ね上がる)であるという欠点が改善される。すなわち寄せ来る波が、安定した変換を確保するに充分に大きく、また予期される最大消費電力をカバーするに充分なエネルギーを搬送してくるとするならば、このシステムから安定した方法で、負荷が如何なる時点でも必要に足りるだけの電流を取り出すことができる。これはコンデンサーの力反作用により、通過する表面波のエネルギー供給が、表面波を適切な量に鎮静させるため、入る波と出る波の間のエネルギー差は、取り出されたエネルギーと、摩擦または加熱による不可避の損失との合計に丁度相当する。別の利点として、本発明の装置は、例えば港湾中の水といった液体の表面波の適切な鎮静にも援用することができ、この場合発生する電気エネルギーは追加して利用することができる。

0040

さらに作用原理を逆にすることにより、液体に波を発生できる。すなわち電気振動回路を電気エネルギーの供給によって電気振動へと励起するならば、この電気振動はコンデンサーの上記の機械的力作用によって、誘電体として作用する液体に伝達され、液体を振動または波へと励起する。このような配置は例えば波つきプールの駆動に適用できる。

0041

また第2発明によれば、交代した極性が与えられる電荷担体(プレート、外被、巻線)の誘電体のために設けられた中間空間を自由に、また外に向けて開き、この中間空間を部分的に液体の中に浸漬すると、液体(すなわち一般には水)とその上方にある気体(一般には大気)からなる周囲の媒体が、自ら全体として静止配置されたコンデンサーの誘電体として働き、液体の波はそこで気体を完全にまたは部分的に電荷担体の間の間隙から排除し、かくして気体と液体に関して平均された全体の誘電率を変化させ、したがって容量を変化させることができる。

0042

また第3発明によれは、気体(特に空気)と液体(特に水)の他にコンデンサー中に、第3の好ましくは固形の誘電体を間にはさみ、これがコンデンサーの電荷担体の間の間隙中の液体の表面波によって往復運動または上下運動することにより、有効な誘電率を得ることができ、また電荷担体(プレート、外被、巻線)の腐蝕を避けることをできる。

0043

また第4発明によれば、電気振動回路の固有周期Tnatと、励起する液体の波の周期Tとの比を先ずおおまかに値2に調整し、この調整を自然の水波では避けがたい波周期Tの変化に従いおおよそ維持するため、コンデンサーの電荷担体を個別にまたは対にして追加接続または遮断し、あるいは電荷担体を幾つかの互いに絶縁した部分に分解し、これらを必要に応じて接続または遮断することによって、すべての接続した電荷担体の全体の寸法を追加して、表面波の長さに関して調整できる。

0044

また第5発明によれば、電気振動回路の固有周期Tnatの微調整は、波の運動により影響されない他の電気振動回路のパラメータの変化によって行うことができる。例えばコイルの自己インダクタンスL、あるいは追加のコイルまたは別の必然的に液体に浸漬する必要のないコンデンサの容量CO によってである。これらのパラメータ変化および個々の電荷担体またはその部分の接続開閉は、手動、自動制御または自動調整によって行うことができる。

0045

また第6発明によれば、コンデンサの電荷担体を、誘電層によって腐蝕または機械的損傷から保護し、これによって同時に液体のイオン伝導を妨げることができる。

図面の簡単な説明

0046

図1本発明の装置の電気振動回路図である。
図2本発明の装置のコンデンサの側面図と正面図である。
図3本発明の装置のコンデンサの側面図と正面図である。
図4本発明の装置のエネルギー変換の説明図である。
図5本発明の装置の液体上部に他の誘導体封入したコンデンサの側面図である。

--

0047

Cコンデンサ
Lコイル
R抵抗(負荷)
RCU損失抵抗
U,U(−) 層電圧勾配
PL平板コンデンサのプレート
SLシリンダ状コンデンサの外被
FL液体
W 波
MED他の誘導体

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