JP2005520984A - 流体流れからの電力の抽出 - Google Patents

Abstract

流体流れから電力を抽出するための装置であって、この装置は、流体駆動式エンジン（３００）、一次流体の流れにおいてチャンネルを規定するように形成された流体方向付け配置（１００）、駆動流体の流れを方向付けるための導管（２００）を備える。上記チャンネルは、一次流体が流れ加速くびれ部を通過するにつれて一次流体が加速されるように成形された、流れ加速くびれ部を有し、上記流体方向付け配置（１００）は、流れ加速くびれ部に入る一次流体に、回転流れ成分を付与するように形成され、これによって、一次流体が流れ加速くびれ部を通過するにつれて、一次流体に半径方向の圧力勾配を生じる。上記駆動流体と一次流体とは異なる流体であり、上記導管は、流体駆動式エンジン（３００）と流体連絡している。上記チャンネルの一部は、加速された流体流れを有する。

Description

本発明は、流体流れ（例えば、潮流）から電力を抽出するための装置に関する。

電力に対する世界的な需要は、増大している。しかし、伝統的な電力源（例えば、化石燃料の燃焼）により引き起こされる環境汚染への意識もまた、増大している。従って、再生可能なエネルギー源（例えば、海流または川の流れおよび潮流中の利用可能なエネルギー）を利用すること、およびこの抽出したエネルギーを使用して、より環境に優しい方法で電気を生成することが、望ましい。

従来の潮流エネルギーの抽出装置は、海底のプロペラ駆動式タービンを伴う。これらは、機械的な部分および電気的な部分さえも、壊れやすい厳しい条件において、水中に置かれなければならず、接近することは困難であり、そのため修理には費用がかかるという欠点を有する。さらに、そのようなタービンは、しばしば、必要水頭（すなわち、エネルギー抽出機構中の流入流れと流出流れとの間の水位の差）を提供するために、バレッジの中に取り込まれなければならず、そして、バレッジは、高価であり、環境に優しくない。

これらの欠点に対する解決法が、ＷＯ９９／６６２０によって提供された。この出願は、流体駆動式エンジン（例えば、タービン）が、水上に配置されるデバイスを開示する。流入する潮流の一部が、流れ加速くびれ部を有するチャンネルの方へ指向させられ、この流体流れが、導管（流体駆動式エンジンを、加速された流体流れを有するチャンネルの一部に接続する）を通り、流体駆動式エンジンを駆動する。しかし、流れ加速くびれ部への流体の流入流れの速さは、かなり低く（約５ｍ／ｓ）、このデバイスでは、低速の水タービンしか駆動し得ない。くびれ部は、摩擦に起因するひどい電力損失をもたらすことなく、直径をさらに減少させて、流れ加速を増大させ得ない。

同時係属中である特許出願第ＧＢ０２０６６２３．１号は、タービンを同様に水上に配置するデバイスを開示するが、このタービンは、流れ加速くびれ部を通る流体流れ中に存在する流体の代替的な流体によって駆動される。このシステムは、流体駆動エンジンが、水よりもむしろ、圧縮空気（伝達流体）によって駆動され得るという利点を有する。圧縮空気（２気圧または３気圧）によって駆動されるターボ発電機は、その小さい直径および高速さに起因して、同様の出力容量を有する低水頭水タービンよりも、構築および維持がはるかに安価である。そのような空気駆動式ターボ発電機の使用により、巨大な水密ベアリングおよびギヤーボックスの必要性がなくなる。同時係属中の出願のシステムは、代替的流体を流体駆動式エンジンへ循環させる回路に加えて、一次駆動回路および二次駆動回路の両方を使用する（２段階圧力増幅システム）。

気体の伝達流体（例えば、空気）を一次駆動回路（すなわち、流れ加速くびれ部を通る流体流れ回路）に直接的に導入することは、公知のエネルギー抽出システムでは不可能である。これは、空気の流れ加速チャンネルへの直接的な送達を達成するためおよび、タービンが満足できるように作動するために十分な大きさの差圧を発生させるために、高い吸引圧を発生させることが必要であることに起因する。仕事は、駆動流体（空気）を、下の水表面から流れ加速くびれ部の入口点へと引張るようになされなければならない。特に、吸引圧は、深度ｈ（流れ加速チャンネルが配置される）での静水圧を超えなければならない。要求される高い吸引圧は、運動エネルギーが抽出されるべき比較的遅い潮流を用いる標準的流れ加速くびれ部を使用して達成する（ベルヌーイ効果に依存する）ことが困難である。

本発明は、流体流れから電力を抽出するための装置を提供する。本装置は、以下：
流体駆動式エンジン；
一次流体の流れにおいてチャンネルを規定するように形成された流体方向付け配置であって、このチャンネルは、一次流体が、流れ加速くびれ部を通過するについて加速するように成形された、流れ加速くびれ部を有し、この流体方向付け配置は、流れ加速くびれ部に入る一次流体に、回転流れ成分を付与し、これによって、この一次流体が流れ加速くびれ部を通過するにつれて、一次流体に半径方向の圧力勾配を生じるように形成されている、流体方向付け配置；
駆動流体の流れを方向付けるための導管であって、この駆動流体と一次流体とは異なる流体であり、この導管は、流体駆動式エンジンおよび加速された流体流れを有するチャンネルの一部分と流体連絡している、導管；
を備え、ここで、流れ加速くびれ部における、一次流体の回転流れを介する、導管を通るこの駆動流体の流れは、流体駆動式エンジンを駆動するように機能し、そしてこの導管は、駆動流体を、流体方向付け配置に送達し、その結果、この駆動流体が、回転流れの中心軸に実質的に沿って排液される。

本発明の装置は、深い静水深さであっても、駆動流体（一次流体とは異なる流体）を流れ加速くびれ部に直接的に導入し得るシステムを提供することにより、以前の技術の欠点を軽減する。これは、一次流体が、流れ加速くびれ部に入る際に、一次流体に角運動量（すなわち、回転流れ）を与えるように作動可能な流体方向付け配置の提供によって、達成される。流体方向付け配置によって与えられる回転流れは、流れ加速くびれ部によって作製される圧力低下と協調して、一次流体にポジティブフィードバック効果を生じ、ベルヌーイ効果単独で実現可能な圧力低下よりも、実質的に大きな圧力低下が、くびれ部中の流体の回転軸に対応する低圧経路に沿って、生じる。駆動流体は、この低圧経路に沿って導入され、流れ加速くびれ部を介するその伝達を生じる。流れ加速くびれ部を通過した駆動流体は、流体駆動式エンジンを駆動するように機能する。

好ましくは、流体方向付け配置は、流れ加速くびれ部の上流に配置された少なくとも１つの流体デフレクターを備える。これは、所望の位置での渦の形成を促進するという利点および、流れ加速チャンネル中での回転流れを増強し、それによって達成される吸引を改善するという利点を有する。有利には、少なくとも１つの流体デフレクターは、静的構造である。これにより、水面下に移動部分を有する必要性および、それに対応して高い維持費が避けられる。

好ましい実施形態は、流れ加速くびれ部の流出流れから駆動流体を収集するための空気収集タンクを備える。この単純な空気収集機構は、流れ加速くびれ部を通過する際の一次流体の回転流れにより促進される。この空気収集機構により、エネルギーの抽出が、より複雑でない回路を使用することで行われることが可能となる。また、空気収集機構により、流れ加速くびれ部の出口から流体駆動式エンジンへの駆動流体を通り、そして、流れ加速くびれ部の入口への直接的に回帰する単純な流体経路を介した、駆動流体の再循環が可能となる。

ここでは、本発明の実施形態は、添付した図面の参照によって、単なる例示として説明される。

図１は、本発明の第１の実施例の実施形態による、流体流れから電力を抽出するための装置の概略図である。この装置は、流体方向付け配置１００、導管２００、流体駆動式エンジン３００、流体収集タンク４００および一対の流体デフレクター５００を備える。

この流体方向付け配置１００は、円筒形の構造である。図１に示される円筒形構造の断面図から、流体方向付け配置の内壁のプロフィールは、翼に似ていることが観察され得る。この内壁は、流体が流れるチャンネルを形成する。このチャンネルは、狭められて流れ加速くびれ部を形成し、流入する流体は、流体収集タンク４００の近位方向にある流れ方向付け配置のテールにおける下流排除の前にそれを通過する。このような流れ加速くびれ部を有する流体方向付け配置１００は、「ベンチュリ管」として知られている。なぜなら、その作動の一般的原理は、流体流れの速度を測定するために用いられているベンチュリメーターのそれに似ているからである。

連続性に起因して、単位時間あたりに流体方向付け配置１００の相対的に広い口を通過する流体の容量は、単位時間あたりにチャンネルの狭い部分（すなわち、流れ加速くびれ部）を通過する流体の容量に等しい。それは、流体がこのくびれ部を通過するとき流体の速度が、流体が流体方向付け配置１００の口に進入するときの流体の速度より大きいことをともなう。ベルヌーイの理論に従えば、Ｐ＋１／２ρｖ^２＋ρｇｈ＝一定であり、ここでＰは静圧、vは流体速度、ρは流体密度、gは重力加速度およびhは参照表面（この場合水面）下の高さである。それは、流体速度における増加が、流体速度が増加するくびれ部における有効圧力ρｇｈにおける減少を生じることをともなう。流体方向付け配置１００を通る流体流れは、一次流体流れと表示される。

ベルヌーイの理論は、一般に、流線（層状）流れが存在する系に適用される。層流は、小直径を有するチャンネル中の低流速で起こり、その一方、乱流は、高流速を有するチャンネル中で起こる。しかし、たとえ、チャンネル中のくびれ部を通る流れが乱流であるとしても、ベルヌーイの理論によって記載されるように、体積速度が上昇するとき圧力は低下する。これは、流体容量を保存するために、流れは、チャンネルがくびれるとき加速しなれければならないからである。それは、計算によって、および、ベルヌーイの理論が、丁度、流線流れに対するように乱流流れに適用可能である直接実験によって示され得る。

導管２００は、駆動流体を方向付けるためのさらなる異なった流体流れ経路を提供する。この駆動流体（これは、この特定の実施形態では空気である）は、駆動されて導管の部分２００ａを、流体方向付け配置の口に近接する入口２００ｃまで下る。入口２００ｃは、空気を、流れ加速くびれ部を通る軸方向に向ける。導管によって形成されるこの入口２００ｃは、水面下の最高の高さｈにある。空気は、流れ方向付け配置１００によって形成されるチャンネルを通って流れ、それが、流れ加速くびれ部の減少圧力領域を通過するとき、膨張する。くびれ部中のこの膨張する空気は、周辺の水の圧力を増加する。膨張する空気の増加する抵抗に対してこの一次流体により行われる仕事は、空気にエネルギーを与え、そして流れ方向付け形成１００を横切る圧力水頭を生成する。流体加速くびれ部から出現する空気は、この流体加速くびれ部を出た後、しばらく、うずの軸に沿って通過し続け、そしてそれ故、流体収集タンク４００に向かって移動し、そこで、流体駆動式エンジン３００を通過する次の循環のために収集される。流体加速くびれ部を既に通過した一次流体の回転流れは、最終的には、流体方向付け配置中の乱流に巻き込まれる。

圧縮空気が、一次流体（この場合水）とともに、この流体加速くびれ部を通過し、そして流体収集タンク４００によって収集される。この特定の実施形態では、この流体収集タンクは、流体方向付け配置１００の出口テールに隣接して位置し、そして流体加速くびれ部の下流の駆動流体を収集する。この流体収集タンクは、入来する駆動流体の回転流れを少なくとも部分的に取り除くために供される半径方向プレートを有している。

流体方向付け配置のテールが十分に長い代替の実施形態では、駆動流体は、流体方向付け配置のテールの上部分にあるスロットを経由して収集され得、これは、この駆動流体を、スロットを収集タンクに接続する排出テールパイプを経由して上にある流体収集タンクに供給する。さらなる代替の実施形態では、収集トレーのカスケードが、異なるレベルで（すなわち、流体方向付け配置の中央軸からの距離を異ならせる）提供され、上昇する駆動流体（例えば、空気）を、それが流れを駆動するくびれ部から出現するときに中断する。各収集トレーは、狭い穴の垂直パイプを供給し、これは、収集トレーから共通流体収集タンクまで上昇する。

図１の実施形態に戻り、流体収集タンク４００からの圧縮空気は、導管の部分２００ｂを通り上昇して流れ、そして次にタービン３００に提供される。このタービン３００は、空気収集タンク４００から入口２００ｃまで流れ加速くびれ部を経由する空気の流れによって駆動される。流体方向付け配置１００の入口における空気は、圧力Ｐ_１＝Ｐ_０＋ρｇｈ−ｐにあり、ここで、Ｐ_０は大気圧であり、そしてｐは流れ加速くびれ部によって生じた吸引圧力である。対照的に、流れ方向付け配置の出口での圧力は、Ｐ_２＝Ｐ_０＋ρｇｈである。従って、タービンを横切る空気圧力は、ρｇｈ−（ρｇｈ−ｐ）＝ｐである。空気は、入口２００ｃに圧力Ｐ_１で下にポンプ輸送され、そして流体方向付け配置から圧力Ｐ_２で再出現する。Ｐ_２＞Ｐ_１であると仮定すると、流体駆動式エンジン３００は、この圧力差によって駆動され得る。しかし、このタービンの性能は、圧力差よりもむしろ圧力比Ｐ_２／Ｐ_１に依存する。効率はより大きな比で改善され得るが、比Ｐ_２／Ｐ_１＝４が適切である。

図１に示されるように、圧力水頭は、ベンチュリ管を横切って生成される。このような圧力水頭は、水中に障害物を配置することにより生成される。この生成物は、（以下に記載の図８の実施形態におけるように）流体方向付け配置１００それ自身によって生成され得る。しかし、図１の実施形態では、圧力水頭は、ベンチュリ管の上流に位置決めされたダム（示さず）によって生成される。

入口２００ｃにおける圧力Ｐ_１は、空気が溶液から出ないように十分高い。入口２００ｃにおける圧力は、吸引圧力Ｐに起因して大気圧Ｐ_０（Ｐ_０は水の１０メートルにほぼ等しい）より小さくあり得る。大気圧では、所定量の空気が水中の溶液中に存在し得る。しかし、圧力が約０．２５大気圧まで減少すると、溶存空気の少なくとも所定比率が溶液から出る。圧力が約０．１５大気圧までさらに減少し、そして温度が約２０℃であると、そのときは水は沸騰する。気泡が自然に形成する（キャビテーションとして知られるプロセス）可能性を減少するために、圧力は、少なくとも０．２大気圧（２メートルの水に等しい）であるべきである。これは、Ｐ_１が少なくとも２メートルの水に等しくあるべきであることを意味し、この場合、ｐ＝（Ｐ_０＋ρｇｈ−２ρｇ）であり、ここで、Ｐ_０＝１．０１３×１０^５Ｎ／ｍ^２；ρ_{ｗａｔｅｒ}＝１０００ｋｇ／ｍ^３；ｇ＝９．８ｍ／ｓ^２；そこで、ｈ_{１ａｔｏｍｓ}＝Ｐ_０／ρｇ＝１０．３４ｍの水である。満足するタービン操作は、少なくとも４の圧力比を必要とする。この条件が満足されると仮定すると、より高い圧力比がタービン効率を改善するけれども、ベンチュリ管システムの深さにかかわらず、電力が抽出され得る。

吸引は負圧であり、そこで、−０．６バールの吸引は、この吸引がそうでなければ大気圧であり得る特定の容量に付与されるとき、１〜０．６の圧力に対応し得ることに注目のこと。この吸引が−０．７５バール（ここで、１バールはほぼ１大気圧である）であり、そしてベンチュリ管がｈ＝７．５ｍに位置するとき、そのときは、空気は、ベンチュリ管中に吸引され得るが、この吸引は、静水圧正確にキャンセルし得、そこで、（空気がベンチュリ管１００のテールで失われるとして）入力において中に入る空気によって行われ得る仕事がないであろう。しかし、ベンチュリ管が水の表面直下に配置されると、静水圧は無視され得る。この場合、空気がタービンを通り、そして次に入力としてベンチュリ管の口にフィードバックされるように向けられるとき、１／０．２５の圧力比（Ｐ_２／Ｐ_１）が得られ得る。

ｈ＝１２ｍであれば、吸引は、１９．５ｍより小さな大きさでなければならず、そうでなければ、空気は溶液から出る（なぜならＰ_１が小さすぎるからである）。この場合、入力における空気は０．２５バール（または０．２５大気圧もしくは水の２．５ｍに等しい）であり、その一方、出力における空気は、Ｐ_２＝１０ｍ（大気圧）＋１２ｍ（深さｈ）＝２２ｍである。従って、圧力比は、２２／２．５であり得る。

ベルヌーイ効果単独により達成可能な吸引圧力に関するベンチュリ管操作を考慮する。チャンネルの最も広い点におけるベンチュリ管直径のチャンネルの最も狭い点（喉）におけるベンチュリ管直径に対する比を、代表的であるように４に等しいとする。このとき、水が、５ｍ／ｓ（潮流としては高速度である）の流れ速度ｖでベンチュリ管の口に侵入するとき、喉を通る水の速度は２０ｍ／ｓである。吸引は、０．０５ｖ^２＝０．０５×４００＝２０ｍで与えられ、これは、２大気圧にほぼ等しい。５ｍ／ｓが潮流について高速度であるとすると、ベンチュリ管によって潮の流れに提示される障害が流れ速度を減少する傾向にある。それ故、２大気圧の吸引圧力がベルヌーイ効果単独を開拓することによって達成可能な吸引圧力の上限であることが認識される。良好な電力伝達効率を達成するために、２大気圧より高い吸引圧力が必要とされる。明らかに、これは、ベルヌーイ効果単独により達成可能な吸引圧力よりも高い吸引圧力を必要とする。

高吸引圧力は、図１の配置において、デフレクター５００を用い、入来する潮流が流体方向付け配置１００に侵入する直前にその一部分に角運動量を与えることにより達成される。図２は、角速度ωの成分が与えられたｚ軸に沿った潮流速度を有する流体のシリンダーを概略的に示す。図２では、図１におけるように、デフレクター５００を用いて流体に角運動量を与える。しかし、このデフレクター５００は任意である。なぜなら、回転流れが、流体流れにおける小さな不安定性に起因してベンチュリ管のチャンネル中に自然に生じ得ることが認識されるからである。以下に記載の図３は、自然のうず形成に依存する例の実施形態である。

図１の例の実施形態では、デフレクター５００は、図４に概略的に示されるような固定された角度のブレードの静的アレイを有するステータに対応する。このステータは、ステータはより少ないブレードを有しているが、ジェットエンジン上のターボファンに構造が類似している。各ブレードは、非常に小さな頂点角度の形状がほぼ三角形であり、そして先導エッジ６１０とテーリングエッジ６２０を有している。空気パイプ２２０ｃは、ステータ中の中央アパーチャ６３０を経由して侵入する。図４Ｂは、上記三角形の底部から見たときの単一のブレードを概略的に示し、頂点は眼から離れた方向を向いている。この図から、ブレードは、大きな円の短弧として見え、この弧は、所定のブレードの先導エッジ６１０からテーリングエッジ６２０まで形成されている。接近する一次流体は、初期にはブレードの表面に平行であるが、次に、弧の湾曲により１つの面に偏向される。従って、このデフレクターは、それを横切る一次流体に角運動量を与える。これらブレートは、入来する水に角運動量ｒω（ここで、ｒは、流体の円形断面の半径である）を与え、それを実質的に固形物のように（すなわち、角速度が、系に侵入するすべての水に対して一定であるような干渉様式で）回転させる。タービンに取り付けられたブレードではなく静的ブレードを用いる利点は、固定されたブレードは、洗浄のために、簡単にフックを外し、そして水から取り出し得ることである。洗浄は、エネルギー抽出装置が設置される代表的な水中環境におけるこのような構造のファウリングに起因して必要とされる可能性がある。代替の実施形態では、ブレードなしの適切な形状のデフレクターが用いられる。１つのこのような代替の実施形態では、固体が、一次流体が流れ方向付け配置１００に侵入するときそれが一次流体を妨害するように配置されている。このような固体が、流れ方向付け配置の口の半分を妨害するが、口からある距離（すなわち、口から上流のある距離）離れて位置するとき、流れは、流れ加速くびれ部中に、そのくびれ部の中央軸に平行であるが、１つの面のみから、流れる傾向にある。これは、一次流体に、それが流れ加速くびれ部に侵入するとき回転成分を与える。うずは、北半球では時計方向に自然に回転するので（地球の回転方向に起因する）、ブロックされる口の面は、このようにして決定され得る。

図２では、入来する潮の流れは、ｚ軸に沿って線速度ｖを有している。摩擦損失がないと仮定すると、速度ｖ_ｒｚの軸方向成分は減少し、そして速度ｖ_ｒｔの接線方向成分が水のシリンダーに付与されるけれども、偏向前後の水のシリンダーの運動エネルギー（そしてそれ故、得られる速度ｖ）は同じである。エネルギーは保存されるので、それは、ｖ^２＝ｖ_ｒｚ ^２＋ｖ_ｒｔ ^２に従う。流体のシリンダーの角回転は、流体の非慣性系において遠心力を生じる。この遠心力は、圧力格差を生成し、それによって圧力は、シリンダーの中心と周縁との間で増加する。

遠心力に起因する圧力増加は、半径ｒでｖ_ｒｔ ^２／２ｇ＝ｒ^２ω^２／２ｇに等しいことは容易に示され得る。デフレクター５００は、流体方向付け配置１００に侵入するすべての水を、流体方向付け配置１００の口への侵入に際し少なくとも初期には、実質的に一定の角速度ωを有するようにする。従って、遠心力に起因する圧力増加は、周縁、すなわち、流体方向付け配置１００の入口ホーンによって形成されるチャンネルの内壁の近位部で最大である。流体が、ｖ_ｒｚの影響下で、チャンネルの流れ加速部分を通って進行するとき、遠心力に起因する半径方向に従属する圧力増加は、（ベルヌーイ効果にともなう）圧力減少を少なくとも部分的にずらし、これは、流れ加速くびれ部によって誘導されるｖ_ｒｚにおける増加に起因して発生する。結果として、流れ加速くびれ部中で水に付与される加速は、対応する半径における遠心力の大きさに従って、半径方向に依存する様式で減少する。

遠心力にともなう圧力勾配と、流れ加速くびれ部中のベルヌーイ効果にともなう圧力減少の競合する作用は、くびれ部の領域中のチャンネルを人工的に狭くする効果を有する。従って、うずの中心軸の領域中のｖ_ｒｚは、チャンネルの壁に近接するｖ_ｒｚより有意に大きい。

ここで、図２中の回転する流体のシリンダーに、それが流れ方向付け編成１００の流れ加速くびれ部を通過するとき何が起こるかを考慮する。このシリンダーが、実質的に固形物のように回転し、そして形成され得る任意の二次的なうずの影響を無視すると仮定すると、角運動量は、チャンネルが狭くなるとき保存されなければならない。角速度ωで回転する固形物については、角運動量はｒ^２ωに比例し、その結果、角運動量が保存されるならば、ｒ_１ ^２ω_１＝ｒ_２ ^２ω_２である。半径ｒは、流体が、流れ加速くびれ部の最も狭い点に向かって流れるとき減少するので（ｒ_２＜ｒ_１）、角速度は、角運動量を保存するために増加しなければならない（ω_２＞ω_１）。

しかし、遠心圧力が半径方向に増加し、それによって流体運動に対する抵抗を生成するので、チャンネルの外側領域からの流体は、チャンネルが狭くなるとき中心に向かって流れるように強制される。流体塊の内方向流れに起因する慣性モーメントにおける減少はまた、角運動量を保存するために（より早いスピンを行うために腕を引き寄せるアイススケーターに類似して）角速度の増加を引き起こす。ｒ^２ωが一定であると仮定し、そして遠心圧力がｒ^２ω^２／２ｇによって与えられるとすると、それは、遠心圧力はｋωに等しいということになる。ここで、ｋは定数である。従って、ωは、より小さなｒについて、より大きなｒについてよりますます増加するので、遠心圧力はまた、小さなｒについてより増加するということになる。

従って、流体方向付け配置への侵入の際に一次流体に角速度を与えることで、ポジティブフィードバック機構に起因して、チャンネル中で渦が形成され、それによって、回転水流が大きな半径でブロック効果を生じる。言い換えると、このブロック効果は、流体を流れの中央に向かわせ、それによって、慣性のモーメントが低下し、そして角運動量の保存のために角速度の上昇を駆動する。この角速度の上昇はさらに、流れ加速くびれ部の壁付近で（すなわち、大きな半径で）の遠心圧を上昇させる。

このポジティブフィードバック機構は、軸に沿った圧力が、（少なくとも理論的に）実質的にゼロになり、その結果、さらなる圧力の減少が達成され得なくなるまで進行する。流体方向付け配置１００の入口に侵入する流入流体に角速度を与えることにより誘導されるポジティブフィードバック機構により、大きな吸引圧が、流れ加速くびれ部の軸に沿って生成する。この大きな吸引圧は、流れ加速くびれ部が生じる一次流速ｖおよび深度ｈに関わらず達成可能である。図１の第１例の実施形態において、流体流デフレクター５００が、ベンチュリの入口への侵入の際に一次流体に角運動量を与えるのに使用される。

ベンチュリ１００の入口に侵入する流体に角運動量を与えることにより、ベルヌーイ効果のみを活用することにより（すなわち、一次流体を回転させずに）達成可能な吸引力よりも吸引力が有意に上昇する。侵入する流体が回転動作を有する場合、入口２００ｃでの静水圧がより容易に打ち勝ち得、その結果、ベンチュリ１００は、予備ポンプを用いて導管の入口２００ｃに空気を下降させることによらないで、より深いｈに存在し得る。駆動流体（例えば、空気）を、ベンチュリ１００の入口で、一次流体（例えば、水）の非回転流に直接導入した場合、空気は、ベンチュリの軸の方に駆動されず、従って、それは水流をかき乱し、水流をより荒れ狂わせ、そしてベンチュリ１００の喉部および尾部において大きく上昇した損失を与える。

上述のように、デフレクター５００は、流れ加速くびれ部においてポジティブフィードバック機構を活用することにより渦の形成を故意に誘導するよう作用するが、デフレクターは、渦を得るのに必須ではない。なぜならば、ベンチュリ１００を通る一次流体の流れのわずかな不均衡でさえも、ポジティブフィードバック機構を誘導するのに十分であり得るからである。従って、本発明の代替の実施形態は、流体流デフレクター５００を除いて図１の全ての構造要素を含む。このような実施形態において、導管の空気入口部分２００ｃは、ベンチュリ１００内で形成される渦の中心軸と実質的に一致するように位置する。自然に形成される渦の中心軸は、必ずしも、ベンチュリの流れ加速くびれ部の中心軸と一致しない。しかし、ベンチュリチャンネルの釣り合いは、渦がどのようにして自然に形成されるかを大まかに決定し、その結果、そのチャンネルは回転対称性の断面領域を有する場合、渦の中心軸およびチャンネル自体の中心軸は、実質的に一致する可能性がある。さらに、導管入口２００ｃの位置は、渦の中心軸と導管入口２００ｃを実質的に整列させるように、インサイチュで調整され得、それによって、ベンチュリを通じた駆動流体の流れを可能にする。しかし、導管空気入口２００ｃが、一次流体の回転軸と正確に一致しない場合でさえも、空気は常に、軸にむかって「圧迫」される（圧迫効果が、空気の浮力に打ち勝つ限り）。この理由は、水が回転する場合、最低の圧力が常に軸上にあるからである。

図３は、第２の例示の実施形態において、この例示の実施形態に従い流体流から電力を抽出するための装置の概略図である。この第２の実施形態は、流体デフレクターが回転流を生成するのに使用されないさらなる実施形態の例である。さらに、この実施形態において、駆動流体（空気）は、タービン３００からの流出から供給される導管（図１の２００ａ、２００ｃ）の一部分によりベンチュリの入口に提供されない。むしろ、駆動流体入口は、ベンチュリ１００の入口より下の水面からのびる自然に形成される渦１２０である。空気は、水面で周囲から渦の核に吸引され、そして気泡は、渦の渦巻き水中に引き込まれ、渦は、それらを、ベンチュリ１００の入口より下に駆動し、そこで、空気は、空気回収タンク４００への流れ加速くびれ部を通して吸引される。水面での渦の半径Ｒ_ｖが、ベンチュリの入口での渦の半径よりずっと大きいことが、図３から見てとれる。ベンチュリ１００の排出口の空気回収タンクから導管２００の一部分を通じたタービン３００への圧縮空気の流れは、タービンを駆動するよう作用する。しかし、図３の実施形態は、タービン３００からの膨張空気の流出がベンチュリ１００の入口へと戻って再循環されない点で、図１の実施形態と異なる。

本発明の実施形態において、例えば、図１および３に図示されるように、ベンチュリ１００の流れ加速くびれ部における軸方向圧力（すなわち、渦の中心軸付近での圧力）は、流れ方向形成および入口ノズル２００ｃの水面以下の深さｈに関わらず回転流体流の結果としてゼロに向かって駆動される可能性がある。従って、このデバイスは、深水操作に適している。本発明の実施形態は、高い吸引圧（タービンの排出圧が低いことを意味する）を達成するためにベンチュリにおける水の回転流を使用する。達成可能な高い吸引圧は、深水操作についてさえも圧力比（Ｐ_２／Ｐ_１）４が実現可能であることを意味し、その結果、効果が保持される。

本発明の実施形態は、代表的に、一段階の圧力増幅を使用し、圧力増幅は、流れ加速くびれ部により提供される。駆動流体（例えば、空気）は、ベンチュリ１００に直接送達される。ベンチュリ１００は、効率的に操作するのにいかなるノズルも入口も必要としない。このことは、流体抵抗が低下していることを意味する。一次流体は、ベンチュリを通して迅速に流れるので、これらの系においてファウリングが問題である可能性が低い。

流体方向付け配置により与えられる流れ加速くびれ部および回転流の組み合わせにより誘導されるポジティブフィードバック機構は、効果的なタービン操作に必要な吸引圧を現実的に達成可能とする。流体方向付け配置１００が、十分な深さに位置する場合、伝送流体（この場合は空気）は十分に圧縮され、タービン３００を駆動するのに使用され得る。他方、流体方向付け配置が、水面のわずかな距離だけ下に位置する場合、空気タービン３００は、生成する圧縮空気ではなく生成する吸引力により効果的に駆動される。吸引力を通じて達成可能な圧力差は、比較的低い（なぜならば、水は、０．７５×１０^５Ｎ／ｍ^２付近の吸引圧で発砲し始めるからである）。このような空気タービンは、約１気圧の圧力差で作用する必要があり、これは、あまり効果的でないかもしれない。従って、水面レベルよりも有意に深くに（ｈ＞＞１２）位置する場合、このデバイスの操作は、水中作業を浅くすることが好ましい。

一般的に、流体方向付け配置１００の効果は、その面積比に関連する。その面積比は、流れ加速くびれ部の最も細い点（すなわち、喉部）での断面積に対する、流体方向形成１００により形成されるチャンネルの断面領域での断面積の比である。代表的な面積比は、例えば、３．５であり、喉部の直径は、０．７５ｍである。この面積比は、エンジニアリング、重量、および費用に対する考慮に照らして適切に選択される。一般に、流体方向付け配置の面積比が小さいほど効果的である。しかし、最も可能性のある効果について選択される面積比は、流体の水流が入ってくる速度に依存する。流体デフレクター５００により誘導されるポジティブフィードバック機構に起因して、最も広い点での断面積に対する流れ加速くびれ部の喉部での断面積の間の差は、大きい必要がない。喉部が広くなると、一次流体の流れに対する抵抗が小さくなり、その結果、ポジティブフィードバック機構が使用されるデバイスは、既知デバイスに対して改善された効果を提供する。

流れ加速くびれ部により形成されるチャンネルの軸に沿った低圧領域は、理論的に、非常に小さな半径の断面積を有するという事実を考慮すると、駆動流体が流体方向形成に侵入する入口ノズル２００ｃはまた、小さい半径（０．１ｍまたはそれ以下をいう）を有するはずである。小さい直径の出口を介した流体の放出を容易にするために、駆動流体は低い粘度を有するべきである。駆動流体（例えば、空気）は、水が高すぎる粘度を有する場合、小さい直径の出口からの発射に適している。タービンにより送達される力は、単位時間あたりにそれを通過する駆動流体の量に関連するので、空気の密度は、エネルギー出力を決定する上で重要な因子である。空気の密度はより深い水でより高いので、ベンチュリ１００への空気入口２００ｃは、ベンチュリ１００がより深くに位置する場合、より小さい直径を有し得る。駆動流体を最も効果的に作用させるエネルギー抽出デバイスは、それが、渦の中心軸に沿った定圧領域に直接侵入するように放出されるべきである。駆動流体が軸から外れて供給される場合、それは、回転により生じる圧力差により軸方向に駆動されるはずである。

図５は、図１のデフレクター５００のさらなる可能な構造の平面図を概略的に示す。この場合、このデフレクターは、水の入ってくる流れ（この図において、左から入る）を妨害する静的壁部５１０、５１２により形成される。この壁５１０の一方は、Ｌ字型構成であり、他方はまっすぐな壁部５１２である。この入ってくる流れからの水は、Ｌ字型壁部５１０とまっすぐな壁部５１２との間の溝部を通過し、そしてこれらの壁によって提供される流れに対する妨害は、これらの壁によって規定される空間内での渦流の形成１２０を促進する。この渦流の回転の方向は、この場合、時計回りであり、矢印によって示される。図６は、図５の静的壁部デフレクター構造の側面図を示す。この場合、第１の流体の回転の方向は、バツ印（壁部５１２に最も近い）（これはこの紙面への第１の流体の流れを示す）、および点印（壁部５１０に最も近い）（これはこの紙面から離れる第１の流体の流れを示す）によって示される。図５および６に示される静的壁部デフレクターは、比較的浅い水における用途に適している。

図７Ａは、エネルギー抽出装置の第３の例示的な実施形態を概略的に示す。この実施形態において、流体収集タンク４００が、ベンチュリの尾部に配置される。この流体収集タンク４００は、収集トレイ４１２を備え、この収集トレイ４１２は、ベンチュリのチャンネルまで延び、そして狭いチャンネル４１４を介してタンク４１０に連結され、この狭いチャンネル４１４は、このベンチュリの尾部分の本体中のスロットを通ってベンチュリチャンネルまで下に延びる。この装置は、ベンチュリの口部に配置された第１デフレクター５２０を備え、この第１デフレクター５２０は、流体が流体加速くびれ部１１０および第１デフレクター５２０とタンク４１０との間にこの流体加速くびれ部１１０を越えて配置された回転抑止部材１２０に入った場合、この流体に回転を提供する。この回転抑止部材１２０は、流体加速くびれ部を出て駆動流体収集トレイ４１２に向かって通過する流体の回転流れを抑止するように働く。図７Ｂは、第１デフレクター５２０の前断面図を概略的に示す。デフレクターブレードは、図４Ａおよび４Ｂに関して記載されるデフレクターブレードと構造的に同一である。図７Ｃは、回転抑止部材１２０の断面図を概略的に示し、この回転抑止部材１２０は、垂直フィンを備え、流体がベンチュリ１００の尾部に沿って流体収集トレイ４１２までさらに通過する前に、流体加速くびれ部から出てくる流体の回転を少なくとも部分的に止める。水表面からの空気は、空気入口パイプ２１０に至る導管を介してベンチュリの口部に供給される。

ベンチュリの口部における空気入口パイプ２１０は、一般に、大気圧Ｐ_０であり、一方、深さＨ_ｔａｎｋに配置される空気タンク４１０は、（Ｐ_０＋ρｇＨ_ｔａｎｋ）の圧力である。小さな陽圧ｐ_{ｉｎｌｅｔ}（ここで、ｐ_{ｉｎｌｅｔ}＜＜ρｇＨ_ｔａｎｋである）は、空気を入口パイプに、そしてベンチュリ１００を通して進めるために、入口２１０において適用される必要があり得る。タンク４１０から空気入口パイプ２１０までの空気流は、タービン３００を駆動させるように働く。

図８は、本発明の第４の例示的な実施形態に従う、流体流れから電力を抽出するための装置を概略的に示す。この実施形態において、流体方向付け配置１００は、流れ加速くびれ部の上流のベルマウス１１２、１１４を形成するように延びる中心チャンネル１１６を有する。ベンチュリ１００は、軸方向に対称であり、そして空気入口２００ｃは、このベルマウス１１２、１１４の実質的に軸上に配置される。同一のブレード５２２、５２４が、このベルマウス内に配置され、その結果、水がベンチュリ１００に入る場合、この入ってくる水はこのブレードを通過する。これらのブレード５２２、５２４は、これらが配置されるチャンネルの半径からわずかにオフセットされ、その結果、これらのブレードは、水がベンチュリの主要チャンネルの流れ加速くびれ部に入る前に、この水に角運動を与える。空気入口２００ｃにおける圧力は、ベンチュリのチャンネルで生成される吸引に起因して、大気圧未満（ほぼ、０．２５Ｐ_０）である。

図８の実施形態において、ベンチュリチャンネルは、くびれ部１１６から尾部１１８まで水表面に向かって上に延び、このチャンネルの直径は尾部に向かって増加する。入ってくる水に対してベンチュリによって示される妨害は、ベンチュリの上流と下流の水位の差異をもたらす。この水位の差異ΔＨは、圧力水頭として知られている。大気圧Ｐ_０の空気は、タービン３００に入り、そして導管２２０から空気入口２２０ｃに流れ落ち、この空気入口２２０において、この空気は水中に同伴され、そしてベンチュリチャンネル１１６に吸引される。この同伴気泡は、これらがベンチュリチャンネルを通って上昇する場合に膨張し、そして流れ加速くびれ部を通る空気および水の流れを促進する。膨張する空気は、ベンチュリチャンネルを通して水を引くのを助ける。流れ加速くびれ部を通る空気の流れは、タービン３００を駆動する。

本発明の実施形態において、流体駆動式エンジン３０は、タービン（例えば、ロータリーバーンタービン）、またはピストンエンジン（例えば、シリンダー中のピストン）であり得る。１つの例示的な実施形態において、熱交換器は、流体駆動式エンジンの排気口に配置され、そしてこの流体駆動式エンジンを通ることによる膨張によって生成される冷却空気を収容する。空気を流体駆動式エンジンに循環させる前に、この熱交換器は、流体収集タンクに収容された潜在的に湿った空気（流体方向付け配置を通る経路で水流に同伴されている）を少なくとも部分的に凍結乾燥するために使用される。空気を流体駆動式エンジンに供給物（ｉｎｐｕｔ）として供給する前の空気の乾燥は、海上設備において特に有用である。このタービンの例を考慮すると、空気がタービンを通って膨張する場合、この流入空気中に存在する任意の水蒸気が膨張し、そして冷え、その結果、この水蒸気は凍結して、海水の水蒸気からの塩を溶液から取り出し得る。作動（例えば、空気の予備乾燥）が行われない場合、高速タービンブレードにも同様に、氷および塩の結晶が衝突し、これは速い侵食を生じ得る。

さらなる例示的な実施形態において、熱交換器は、近くのプラント（例えば、空調プラント）の熱交換器回路（例えば、冷却水回路）に接続される。この実施形態において、流体駆動式エンジンの膨張は、冷却を提供し、この冷却は近くのプラントにおいて利用され得る。これは、流体駆動式エンジンから生成される電力に加えての利点である。

図１は、本発明の第１の例示的実施形態に従う、流体流れから電力を抽出するための装置の概略図である。 図２は、角速度の成分が与えられるｚ軸に沿う潮汐流れの速度を有する流体の円柱による概略図である。 図３は、本発明の第２の例示的実施形態に従う、流体流れから電力を抽出するための装置の概略図である。 図４Ａは、図１の装置での使用に適した第１のデフレクター配置に対応する固定したアングルブレードを有する固定子の概略図である。 図４Ｂは、図４Ａの固定子の単一ブレードの形状を、概略的に例示する。 図５は、第２のデフレクター配置の平面図を例示する概略図である。 図６は、図５の第２のデフレクター配置の側立面図を例示する概略図である。 図７Ａは、流体方向付け配置のスロートを超える回転運動を抑止するために垂直フィンが使用されている、本発明の第３の例示的実施形態の概略図である。 図７Ｂは、図７Ａの装置の流体デフレクターの断面的正面図を、概略的に例示する。 図７Ｃは、図７Ａの実施形態の部材を抑止する回転の断面図を、概略的に例示する。 図８は、流体方向付け配置が、空気入口のいずれかの側面にデフレクターを有する流入流れを含む、本発明の第４の実施形態の概略図である。

Claims (19)

1. 流体流れから電力を抽出するための装置であって、該装置は、以下：
   流体駆動式エンジン；
   一次流体の流れにおいてチャンネルを規定するように形成された流体方向付け配置であって、該チャンネルは、該一次流体が流れ加速くびれ部を通過するにつれて加速するように成形された、流れ加速くびれ部を有し、該流体方向付け配置は、該流れ加速くびれ部に入る該一次流体に、回転流れ成分を付与し、これによって、該一次流体が該流れ加速くびれ部を通過するにつれて、該一次流体に半径方向の圧力勾配を生じるように形成されている、流体方向付け配置；
   駆動流体の流れを方向付けるための導管であって、該駆動流体と該一次流体とは異なる流体であり、該導管は、該流体駆動式エンジン、および加速された流体流れを有する該チャンネルの一部分と流体連絡している、導管；
   を備え、ここで、該流れ加速くびれ部における、該一次流体の回転流れを介する、該導管を通る駆動流体の流れは、該流体駆動式エンジンを駆動するように働き、そして該導管は、該駆動流体を、該流体方向付け配置に送達し、その結果、該駆動流体が、該回転流れの中心軸に実質的に沿って排液される、装置。
2. 前記流体方向付け配置が、少なくとも１つの流体デフレクターを、前記流れ加速くびれ部の上流に備え、該少なくとも１つの流体デフレクターが、前記一次流体に角モーメントを付与するように作動可能である、請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも１つのデフレクターが、前記流体加速くびれ部に入る一次流体の全てに、回転流れの実質的に一定の角速度を付与するように作動可能である、請求項２に記載の装置。
4. 前記少なくとも１つのデフレクターが、静止構造体である、請求項２または請求項３に記載の装置。
5. 前記少なくとも１つのデフレクターが、ブレードを横切って通る流体に角モーメントを付与するように配置されたブレードを備える固定子である、請求項２〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記流れ加速くびれ部の下流で駆動流体を収集するための、少なくとも１つの流体収集タンクを備え、該流体収集タンクは、前記流体駆動式エンジンと流体連絡している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記少なくとも１つの流体収集タンクが、前記流体方向付け配置の壁を通って前記チャンネルへと延びる穴を介して流体を収集する、請求項６に記載の装置。
8. 前記流体収集タンクが、流入する流体の回転を少なくとも部分的に止めるための回転抑止部材を備える、請求項６または請求項７に記載の装置。
9. 前記流れ加速くびれ部と前記流体収集タンクとの間に配置された回転抑止部材を備える、請求項６または請求項７に記載の装置。
10. 前記流体流れの圧力増幅の単一段階が存在し、該圧力増幅が、前記流れ加速くびれ部によって提供される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記一次流体が水を含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記駆動流体が空気を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記流体方向付け配置が、前記一次流体の表面より下に位置しており、そして前記流体駆動式エンジンが、該一次流体の表面より上に位置している、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記流体駆動式エンジンがタービンを備える、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記駆動流体の流路において、前記タービンの駆動流体排出口に、熱交換器を備える、請求項１４に記載の装置。
16. 前記熱交換器が、前記駆動流体を冷却するように配置されている、請求項１５に記載の装置。
17. 前記熱交換器が、外部プラントと連絡するさらなる駆動流体を冷却するように配置されている、請求項１５に記載の装置。
18. 前記流体方向付け配置を横切る一次流体レベルの差を生じるための障壁を備える、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置。
19. 流体流れから電力を抽出するための装置であって、該装置は、実質的に添付の図面を参照して、以下に記載される通りである、装置。

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