JP5149621B2 - 水の動きを介して発電する装置及びシステム - Google Patents

Description

本発明は全体的に、発電分野に関し、更に詳しくは水の動きを介して発電を行う装置とシステムとに関する。

発明者
クローズ，ウェイン，エフ．、テキサス州 ヒューストン
関連出願の相互参照
本発明は、下記米国特許出願に関するとともに、該出願から優先権主張を行い、該出願の内容は、引用により本明細書に、あたかも完全に記載されているかのように、組み込まれている。

２００４年５月２１日出願の「水の動きを介する発電装置」という発明の名称の非仮（通常の実用）特許出願番号１０/８５１，６０４。
連邦政府後援研究又は開発に関する記載
非該当
水資源からのエネルギー抽出は長年にわたる人類の願望であった。水車、エントレインメント、水力発電など種々の方法が挙げられる。海洋潮汐の動きや流れを電力に変換する従来の試みとして、大規模なシステムや、従来の発電装置の使用や、水力捕獲のための種々のタービンなどが挙げられる。

従来技術の欠点は、システムが異なる設定に対して簡単に構造化可能ではなく、大規模な構造物を必要とし、且つ、商業的に実行可能ではないというところにあった。従来システムは簡単に移動するには適さず、地勢（地形）的な適合可能性を欠き、水の腐食作用に耐えることも出来ない。更に、磁石や銅線を有する従来の発電装置は重量が大きくなるため交換が不可能である。更に、海洋や川や他の流れの動きを捕獲するよう平行に設けた小さな電力セルのアレイを使用して、比較的小型の複数の発電装置をひとつの大規模な発電システムへ組み合わせたシステムはこれまでなかった。

水駆動タービンを使用して、移動する水（波、流れ、潮汐、その他）から電気エネルギーを抽出する。タービンファンは、変換ノズルに於いて独立して回転して、各独立したタービンファンの後に、移動水から付加エネルギーを抽出する。ファンブレードはハウジング内部で独立して回転する。ハウジングは、銅、又は導電性ポリマー又は他の導電性材料で形成した巻線を含む。磁気ポリマー、又は同質若しくは異質ポリマー内にあり磁界を生成する粒子材、又は磁界を呈するＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｇｄ，Ｓｎ，Ｎｄ若しくはセラミックスのような伝統的な磁性材料から形成された回転磁界は、磁性材料を含む独立したタービンが導電性巻線の傍を通過するので、電気エネルギーを生成する。磁気ポリマーは、ポリマー内にある粒子混合物とは対照的に、原子レベルにて磁性特性が存在する点に於いて、異なっている。ポリマーハウジングに於けるトラス構造は、ポリマー若しくはガラス繊維補強ポリマー、炭素複合材料又はナノチューブ補強ポリマーで形成される。トラス構造は、ポリマータービンハウジングの内部でタービンブレードアセンブリの中心軸を支持する。各タービンに於いて生成される電気エネルギーは、０．００１〜５，０００ワット（Ｗ）の範囲であるが、各タービンあたり１００，０００ワットほど大きくてもよい。電気エネルギーは、各タービンの巻線から伝達されると共に、銅線又は導電性ポリマーで構成されたタービンハウジングのそれぞれの内部の電力伝達コンジットに並列に接続される。電力は、１つのタービンハウジングから、内部コンジットを介して次のタービンハウジングへ伝達される。これは、計測と電力供給網への最終伝達とのため回収システムへ伝達されるまで続く。１つの発電装置が０．００１〜１００，０００ワットの電力を生成するとすると、２次元アレイに並列接続された複数の発電装置は、数メガワット（ＭＷ）範囲で商業的容量を生成する可能性を有している。このシステムは、ポリマー、セラミック、又は非鉄被覆金属で形成されており、そして、タービン内部の磁性部分であり得る部分は、水と直接接触しないので、本システムは腐食しないし、軽量であるし、携帯可能であり、製造及び取替えが安価であり、地形的にも構造化可能である。従って、アレイのモジュール（セル）設計により、アレイ全体の発電能力をオフラインにしない状態で、タービンの取り換えや保守を行うことが出来る。現実的に、いかなる場合でも、発電能力の少量部分のみがオフラインにされるだけである。なぜなら、２次元アレイに於ける個々の垂直積層部だけが、その積層部のタービンの保守のためにオフラインにされるからである。

本発明の好ましい実施形態に於いて、水の動きを介して発電する装置が開示されている。これは、電気的に相互接続された発電用セルのアレイを有し、アレイは取り換え可能なモジュール構成のセルから成り、そして、セルは水の動きから運動エネルギーを受けるよう配置されており、セルは各セル内部に於いて電気的タービンの動きによりエネルギーを変換するよう構成されている。

本発明の別の好ましい実施形態に於いて、水の動きを介して発電する装置が開示されている。これは、導電性巻線を有するハウジングと、ハウジング内部で変位させられた羽根車であって、ハウジング内部に於いて羽根車の回転に際し誘導電気エネルギーを生成するポリマー磁性部材を有する羽根車と、水から運動エネルギーを受けるための羽根車のブレードと、を有し、羽根車はブレードを横切る水の動きにより起動させられるよう構成されている。

本発明の更に別の好ましい実施形態に於いて、水の動きを介して発電するシステムを開示している。これは、タービンの羽根車に於いて変位させられた磁性ポリマーを有する複数のタービンを有し、羽根車は羽根車の周りでハウジングに於いて変位した導電性巻線により包囲されており、タービンはモジュール構成のアレイ状にされており、且つ電気的に相互接続されており、羽根車は水の動きにより起動されて電気を生成するよう構成されている。

本発明の更に別の好ましい実施形態に於いて、水の動きを介して発電するシステムを開示している。これは、それぞれが５０００ワット未満の電力を個々に生成する複数のエネルギーセルと、ポリマー内部への電線用コンジットを介して１つ又は複数のセルと導通してセルを保持するトレイとを含み、セルは海洋に於いて垂直に積層されたアレイ状に且つ海洋の潮汐動きに対して横切るように配置されており、アレイは電力供給網に電気的に接続されている。

図面は、本明細書の一部をなすと共に、本発明の好ましい実施形態を含むが、本発明は種々の形態で実施されうるものである。本発明の理解を容易にするために本発明の種々の態様を誇張又は拡大して示している場合があることは理解されよう。

以下に好ましい実施形態について詳細な説明を行う。然しながら、本発明は種々の形態で実施されることが出来るということは理解されよう。従って、ここに開示する個々の詳細は、限定的に解釈されるべきではなく、むしろ実質的適切に詳述されるシステム、構造、又は態様に於いて本発明を使用することを当業者に教示するための典型的な基礎として解釈されるべきである。

図１は、海洋の深海領域に於ける水深１２を関数とする平均流速１０を示すグラフである。深海領域に於いて、流速は上下限値の間で比較的一定であることが認められ、或る目的に対しては、本発明に適用可能な水エネルギー源であるかもしれない。大西洋のメキシコ湾流と太平洋の黒潮海流とは、安定した深海海流の例であり、これらの海流は、以下に記載するように配列された複数のセルを駆動させるために本発明が利用することが出来るものである。然しながら、深海領域では、水力を利用すると共に発電ユニットアレイを維持することは困難である。それに対して、防波堤領域や、非帯電貯水槽や、川や、水道橋の水の動きは、本発明の長所や利点の影響を、より受けやすいものである。

図２は、海洋の防波堤領域に於ける、水深２２を関数とする流速２０を示すグラフである。水深が減少するに従って、即ち、波が海岸に近づくに従って、流速が増大して波が有するエネルギーを消散させることが認められる。これにより、本明細書に記載するタイプのセルアレイに対して準備の整った且つ再生可能なエネルギー源となる。以下の説明からより完全に理解されるように、ここに示すような海岸線エネルギー捕獲システムにより、この現象から恩恵を受けて安価で信頼できるエネルギーを生成することが出来る。この方法は、任意の断面積に対して殆ど一定の流速の水の利用可能な可動本体に対して、作用するものであろう。

図３は、本発明の好ましい実施形態に於いて整列されたアレイセット３０を示す。アレイセット３０は、一連のアレイ３４を含み、これらのアレイ３４は、潮汐水の動きを受けるよう海洋の防波堤領域の海辺３２に平行に防波堤領域に配置されている。このようなアレイは、優先的な流れを活用するよう川の流れに対して横方向に（流れを横切る方向に）、流れの動きから恩恵を受ける可能性のある深海領域に、又は、局部的な流れを活用するよう他の位置に、整列させることができよう。各アレイ３４は、一連の積層エネルギーセルであり、何らかのやり方で一体的に積層されたエネルギーセルを通過する水の動きにより個々に駆動されるものである。セルは電気接続トレイ（図８参照）を介して相互接続されており、これにより、各アレイセット３０は、エネルギーセルから合計電気エネルギーを生成する。そして、アレイセット３０は最終的に電力供給（送電）網へ接続される。

図４は、図３に示すように、より大きなアレイに於けるエネルギーセル４２の単一の積層部４０の側面図である。図４は、深海領域や川に於ける、又は防波堤領域ででも、一方向水流を受けるためのエネルギーセル４２の単一の積層部４０を示す。水は、左向き矢印４４により示されるようにエネルギーのセルを横切って流れるので、エネルギーセル４２は運動エネルギーを受け、これにより、電力が生成される。個々のエネルギーセル４２は、積層されると共に陽/陰極部４６で電気的に相互接続されて、電力を生成し、この電力はライン４９によりインバータ又は電力供給網へ送信される。個々のエネルギーセル４２は、僅かな量のエネルギーを生成するにすぎないかもしれないが、並列接続されたエネルギーセル４２の積層部４０は相当なエネルギーを生成することになる。積層部４０は、従来技術の周知の手段により海洋底に錨４８で係留されてもよい。このように配置されたアレイは、しなやかで水中にて浮遊するが、同時に、水流を横切る方向に位置して最大電力を生成する。

電力アレイのモジュール化の大きな利点は、好ましい実施形態に於いて０．００１〜５０００Ｗの範囲の電力出力を提供可能な小規模な電力装置を使用できることである。これにより、３〜５０，０００ｉｎ^３に於いて０．００１の規模の典型的な電力発電タービンよりもかなり小規模な装置を使用することが可能となる。
このような小規模装置を使用することにより、大規模アレイの作製が大幅に容易にされるとともに、いかなる期間であれ発電に影響を与えないで機能しない装置を即座に交換することが可能となる。発電装置のこのような小型化は、小型（マイクロ）発電装置又は小型装置と定義してもよい。複数装置を１つのアレイに組み合わせることにより、合計したときに、はるかに規模の大きい単一の発電装置と等しい出力を得ることが出来る。

図５は、防波堤領域にて二方向水流を最大限受けるように構成されたエネルギーセル５２の単一積層部５０を示す。水流は、左向き及び右向き矢印５４で示されるようにエネルギーセル５２を横切って流れるので、エネルギーセル５２は運動エネルギーを受け取り、これが、電力を生成する。水流は、引き潮と上げ潮とを二方向に有する潮汐作用を介するものなので、水の動きの両方向から恩恵を得るよう構成され且つ位置決めされたセルを駆動させることができる。図５は、図３に示すような、より大きなアレイに於けるセル５２の１つの積層部５０の側面図を示し、ここで、セルは図４に示すのと同じような態様で陽極/陰極部５６により電気的に相互接続されている。

図６は、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する複数のフィン（図７参照）を有する単一のセルの羽根車６０の側面図である。個々のセルは、他のセルと並列に電気接続６４されて累積的に発電するよう構成されている。羽根車６０（又はタービン）は、発電するよう適切に構成されたハウジング内に設けられている。ハウジングは十字状支柱（図７参照）を有し、安定性が付加されている。発電装置は、ブレードのためにハウジング内に磁石又は磁性材を配置すると共に、羽根車６０を取り巻くハウジング内に巻線を配置することにより形成されている。羽根車６０は水の動作により回転するので、電磁力が生成されて、巻線に電流を与え、これにより、電気が生成される。並列接続状態にセルを構成することにより、個々のセルにより生成される少量のエネルギーは一体化されて大容量の電気エネルギーを生成する。

従来技術に於いて周知の、従来型ポリマー製造手段を使用する好ましい実施形態に於いて、タービンとハウジングとを、磁性ポリマー又は磁気ポリマーを使用して製造して、標準的な磁石と銅線とを置き換えてもよい。使用される磁気ポリマー又は磁性ポリマーの量と、その適切な位置とは、個々の使用例に対して求められる磁性吸引力の程度の関数である。ここで望まれるワット数を生成するのに十分な磁力と導電性とは、このような材料を使用して達成可能であり、結果として、軽量で、水の浸食（腐食）作用に耐性を有する発電装置が得られる。

単一のタービンは、長手軸に沿う最大の仕事（仕事量）を抽出することが出来るように独立したブレードリング６６に取り付けられていてもよく、そして、タービンは、タービンに於けるノズルの制限の故に流速を増大させるよう外周６８に沿ってテーパ状に形成してもよい。
図７は、単一のタービンハウジング７０と、複数のファンブレード７４を有する羽根車７２とを示す端面図であり、水の動きから最大エネルギ量を有利に捕獲するような構成になっている。十字状支柱７６が安定性を付加している。

図８は、複数のセル積層部を固定して図３に示す、より大きなアレイを生成するための電気接続トレイ８０を示している。トレイ８０は、電気的ポストチャンネル陽極部８２と陰極部８４とを有して、セル積層部への電気接続を行う。垂直に積層されたセルの各グループはトレイ上に載置される。第１の垂直積層部８５、第２の垂直積層部８６、ないし第Ｎ番目の垂直積層部８８は、隣接して載置され、電気的に並列接続８２，８４され、そして、隣接するセル積層部は、積層ベースを介して電気的に相互接続されている。容易に理解されるように、トレイ８０は、電気的に全て相互接続された複数の垂直積層部を収容してもよい。かくして、この状態に所望の数の垂直積層部を配置してもよいし、各積層部は、個々の適用例に於いて望まれる数のセルを積層していてもよい。このようなポリマー移送プレートは、付加積層のために複数セルの頂部に装着されてもよく、これにより、電気接続をおこない、これにより、アレイから整流器/インバータへ、次に電力供給網へと、電力伝達を可能にしている。この構成により、設置を容易にすると共に修理を簡単にすることが出来る。

図９Ａ図は、セルアレイ９２の斜視図であり、このアレイは、外洋側９４から水流を受けるか又は海岸側９５から水流を受けるように整列された複数のセルを有している。セルをこのような状態に配置することにより、水の干満から運動エネルギーを最大限に変換するように個々のセルは位置決められている。本実施形態に於いて、個々のセルはいずれか１つの方向に整列されるとともに、その発電タービンは、設計上の方向の水流を受けると最適に回転するよう構成されている。

図９Ｂは、ここに記載されているように電気的に相互接続されたセルの積層部に於いて二方向流れを受けるよう構成されたセルの全体構成の側面図である。セル積層部は、海洋水の流れに耐性を有し且つ荒天候に於いて安定性を維持する頑丈であるが軽量のハウジング９５に設けるのが好ましい。セルアレイは、錨９７により海洋床へ固定してより大きな安定性を提供するようにしてもよい。方向と位置とのために、浮揚装置９８を使用してもよい。セルは、積層部トレイ上に装着されてアレイを形成し、次に、電気接続動作を介して電気的に合計されて電力を生成し、この電力を更に次へ伝達するよう構成されていることが好ましい。セルアレイから生成された累積エネルギーは、超伝導ケーブルや他の従来技術の周知の電気伝送手段により、従来の電線９９を介して電力供給網へ伝達されてもよい。

図１０Ａ、図１０Ｂ，図１０Ｃ、及び図１０Ｄは、中心軸（シャフト）１００を有する円錐タービン発電機の図であり、軸１００の周囲には、ステージ１０２のような複数ステージに複数の羽根車ブレードが設けられている。或る実施形態に於いては、単一のステージが設けられることが好ましいかもしれない。羽根車のハウジングは、その内部に挿入された磁石１０４又はハウジングに埋設された磁性ポリマーを有している。タービンの外部ハウジング１０８は、電気接続部１０６と剛性支持部材１０７とを通る端子通路を有し、これにより個々のユニットの積層を可能にしている。図１０Ｄは、セルアレイを生成する電気収集トレイ１１１を示す。トレイは、銅線又は導電ポリマー１０９を介して電気接続部を有している。

タービンの革新的構造は、個々のタービンを大量生産するためにポリマー成型に於いてポリマーを使用することにある。タービンの磁性部材としては、タービン内には、種々の材料の１つ、例えば鉄、セラミック、又は磁性ポリマー（磁気ポリマー希土類磁石ＮｄＦｅＢ）タイプであるタービンの磁性部材が埋設されている。装置及び装置アレイに於いて埋設された伝達システム内部の陰極及び陽極に導電ポリマーを使用すると、重量を低減すると共に小型タービンの製造を効率よく且つ経済的に行うことが出来る。更に、このようなタービンの使用により、発電中に、ＣＯ_２、ＣＯ、ＮＯｘ、ＳＯｘ又はオゾン前駆体を生成することがなくなる。図１０に示す羽根車は、収束ハウジング又はノズルと共働するように使用した場合に最大仕事を引き出すようにポリマーに於いて設計されている。

耐食性、低コスト製造、大量生産用のポリマーの使用、及び、羽根車ブレード又は複数の独立した羽根車に対するポリマーの使用。大量生産用のポリマー鋳型に於けるポリマーの使用、及び、海洋から発電する場合に使用されるポリマー発電装置に於ける下記磁石タイプの使用：鉄、セラミック、磁性ポリマー（磁気ポリマー希土類磁石ＮｄＦｅＢ）タイプの使用。更に、装置及び装置アレイに於ける埋設伝達システム内部での陰極及び陽極用電導ポリマーの使用。

図１１Ａ及び図１１Ｂとは、いくつかのステージで複数の羽根車を有するタービン発電機の側面図、及び前／後面図である。或る実施形態に於いては、エネルギーを抽出するために単一のステージが好ましい場合がる。タービンは、電気的相互接続可能ベース１１１内に収容されて、より大きなアレイの一部として垂直に複数のセルを積層することが可能である。十字状支柱１１２は付加支持部材となっている。銅線巻線又は導電ポリマー巻線は、羽根車ハウジング内部に埋設されている磁石又は磁性材がタービン羽根車と共に回転して磁束を形成すると、電流を生成するように、羽根車の周りに形成されている。

図１２は、電力供給網１２２に電気的に接続された発電セルのアレイグループ１２０を示す。アレイは、海洋の潮の流れに直角になるよう整列されていると共に、並列に電気接続されている。浮揚部材１２４は、整列と、位置決めと、追跡とのためにアレイ頂部に設けられている。好ましい実施形態に於いて、アレイは防波堤地点付近に設けられて、海岸付近の最大エネルギー量を捕獲する。

本発明は好ましい実施形態と関連させて説明してきたが、本発明の範囲を、記載された特定の実施形態に限定することを意図するものではなく、本発明の精神と範囲内に含められうる変更、改変、均当物は包含されていることは理解されよう。

海洋の深海領域に於ける水深を関数とする平均流速を示すグラフである。 海洋の防波堤領域に於ける水深を関数とする流速を示すグラフである。 商業的規模の発電所用電力セルのアレイを示す概略図である。 深海領域における一方向流れに向けられたアレイの一部分の垂直積層セルを示す概略図である。 深海領域における二方向流れに向けられたアレイの一部分の垂直積層セルを示す概略図である。 アレイに於ける電気接続用ハウジングに設けられた単一ステージセットでの複数のファンブレードを有する円錐羽根車の側面図である。 複数のブレードを供えた羽根車の前端面図である。 積層セルを電気的に装着する電気接続トレイを示す概略図である。 海洋水流に直角に向けられた二方向セルアレイを示す概略図である。 錨と浮遊マーカと電気接続部とを備えた二方向セルアレイを示す概略図である。 セルアレイを形成するための電気収集トレイと円錐タービン発電機の図を示している。 セルアレイを形成するための電気収集トレイと円錐タービン発電機の図を示している。 セルアレイを形成するための電気収集トレイと円錐タービン発電機の図を示している。 セルアレイを形成するための電気収集トレイと円錐タービン発電機の図を示している。 複数の羽根車を有するタービン発電機の側面図である。 複数の羽根車を有するタービン発電機の前／後面図である。 電力供給網に電気的に接続された発電セルアレイのグループを示す。

Claims (10)

1. 発電用の複数のセルと、
   前記複数の発電用のセルを、積層されて相互接続されたモジュールアレイの状態で保持する手段とを含み、
   前記セルは、前記積層されたモジュールアレイ内で相互に独立に作動し、かつ、前記積層されたモジュールアレイ内の複数の位置で相互に取り換え可能であり、
   前記セルは、水の動きから運動エネルギーを受けるよう配置され、前記セルは、各セル内部に於いてタービンの動きにより前記エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、
   各セルは、前記セルを電気的に相互接続する接続手段であって、当該接続手段によって、前記セルを、前記保持する手段に装着可能である接続手段を備えていることを特徴とする水の動きを介して発電する装置。
2. 前記タービンは、その羽根車に設けられ、その羽根車とともに回転する磁性ポリマーを備えていることを特徴とする請求項１に記載の水の動きを介して発電する装置。
3. 前記セルは、複数のセルを保持することが出来るトレイを介して、電力供給網へ電気的に相互接続されていることを特徴とする請求項１に記載の水の動きを介して発電する装置。
4. 二方向から水の動きを受けるために反対方向に配置されたセルを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の水の動きを介して発電する装置。
5. 前記セルは、個々に５０００ワット未満の電力を生成することを特徴とする請求項１に記載の水の動きを介して発電する装置。
6. 羽根車に配置された希土類磁石を有する複数のタービンを含み、
   前記羽根車は、前記羽根車の周りでハウジングに配置された導電性巻線により包囲されており、
   前記タービンは、モジュール構成のアレイ状にされており、且つ電気的に相互接続されており、
   前記羽根車は水の動きにより起動されて電気を生成するものであり、
   トレイを更に含み、このトレイ上で前記セルが電気的に相互接続されており、且つ、このトレイを介して電力が伝達されることを特徴とする水の動きを介して発電するシステム。
7. 前記羽根車は、前記羽根車および対応する前記導電性巻線の少なくとも１組に、複数の回転ブレードを有することを特徴とする請求項６に記載の水の動きを介して発電するシステム。
8. それぞれが５０００ワット未満の電力を個々に生成する複数のエネルギーセルと、
   １つ又は複数の前記セルと導通して、前記セルを保持するトレイとを含み、
   前記セルは、海洋に於いて垂直に積層されたアレイ状に、且つ、海洋の潮汐動きに対して横切るように配置されており、
   前記セルは、独立に作動し、かつ、前記アレイ内で相互に取り換え可能であり、
   前記アレイは電力供給網に電気的に接続されていることを特徴とする水の動きを介して発電するシステム。
9. 前記アレイは海洋床に係留されていることを特徴とする請求項８に記載の水の動きを介して発電するシステム。
10. 海洋に於いて鉛直整列を維持するために、
    複数の浮揚部材であって、各々が、各アレイの一端に取り付けられている浮揚部材と、
    複数の錨であって、各々が、各アレイの他端に取り付けられている錨とを更に含むことを特徴とする請求項８に記載の水の動きを介して発電するシステム。

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