JP2005520985A - 流体流れからの電力の抽出 - Google Patents

Abstract

流体流れ（１１０）から電力を抽出するための装置は、流体駆動可能エンジン（１２０）、流体流れ（１１０）の一部と、流体駆動可能エンジン（１２０）と伝達流体との間の流体連絡を可能にするように配置されているコンジット（１４０）を備え、上記流体流れにおける流体および上記伝達流体は、異なる流体であり、上記流体流れの一部は、その流速に起因して、上記伝達流体より低い圧力である。従って、上記コンジットを通して上記伝達流体が引き込まれて、上記流体流れ中に混入され、上記流体駆動可能エンジンは、上記コンジットに沿った上記伝達流体の流れが、流体駆動可能エンジン（１２０）を駆動するように作動するように配置される。

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。

環境汚染の公的な認識が増し、特に、地球温暖化が増大するにつれ、再生可能エネルギー源についての関心が増大してきている。英国付近の海または河川の流れおよび潮流において利用可能なエネルギーをＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｒａｄｅ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙの再生可能エネルギー課がＨａｒｗｅｌｌで１９９４年に調査したところ、このエネルギーが利用され得る場合に、英国のエネルギー需要のかなりの部分が満たされ得ることが分かった。

流動におけるエネルギーは、位置的（potential）であるというよりむしろ運動的（kinetic）であり、このことは、このエネルギーが、従来の水力発電スキームにおいて使用されていた様式とは異なる様式で抽出されなければならないことを意味する。代表的には、潮流設備において、タービンは、エネルギーを抽出するために、潮流において水面下に配置され得る（風力発電機の水面下の等価物）。例えば、欧州連合（その後、欧州共同体）によって資金協力された開発において、海流が、急速に流れるような選択された位置で潜水艦プロペラ駆動タービンを設置することが計画された。

これらの従来の水面下システムの欠点は、流体流れのエネルギーを入手するために、可動部分が、都合の悪い環境で水面下に配置され、この可動部分に損傷を与えやすく、不都合であり、接近および修復するのに費用がかかることである。さらに、水があまりにも減速されると（すなわち、あまりにも大きく、運動エネルギーの一部が抽出されると）、可動部分を駆動するために必要な水頭（head）が、増大する。必要な水頭を最小にし、それによって、河口堰の必要性を回避するために、ストリームに配置される任意のタービンは、その翼の空気抵抗を非常に低くしなければならず、不経済になる。

これらの不足に対する解決策は、ＷＯ９９／６６２００によって提供されており、これは、流体流れからエネルギーを抽出し、それによって、流体が、水面下の流体流れから遠い位置に設置された流体駆動可能エンジン（例えば、タービン）に導かれ得るように、流体を流れから離れるように流体がポンプでくみ出されるためのデバイスを開示する。この解決法は、水面下の可動部分の必要性を回避し、それに応じて高い維持費を回避した。

しかし、上記の解決法は、比較的低圧のデバイスであり、このデバイスにおいて、流体駆動可能エンジンを駆動する水は、代表的な水力発電設備においてありふれたものと比較して、かなりゆっくり（約５ｍ／ｓ）流れる。この速度は、懲罰的（punitive）電力損失を導入することなく、パイプ直径を収縮することにより有意に増大させることができず、よって、低速水タービンのみが、このデバイスによって駆動され得る。このようなタービンは、発電機（これは、代表的には１５００ｒｐｍで作動し得る）の必要条件には十分には適合しない。有用な電気出力を供給するためには、大きくかつ高価なギアボックスが必要である。

ＷＯ９９／６６２００は、上記の発明の実施形態を開示し、この発明において、その流体流れに存在するものに代わる流体が使用されて、流体駆動可能エンジンが駆動され、これらの問題に対する解決法を提供している。しかし、この装置の複雑さを増大させるということを顧みず、かつ流体流れ近辺の水面下にある密封したコンテナを含めることを必要とする。

本発明の種々のそれぞれの局面および特徴は、添付の特許請求の範囲に規定される。

本発明の一局面に従って、流体流れから電力を抽出するための装置が提供され、この装置は、流体駆動可能エンジン、およびコンジットを備え、このコンジットは、流体流れの一部と、流体駆動可能エンジンと、伝達流体（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｆｌｕｉｄ）との間での流体連絡を可能にするように配置されている。上記流体流れにおける流体および伝達流体は、異なる流体であり、上記流体流れの一部は、その流速に起因して、上記伝達流体より低圧である。従って、上記コンジットを通して上記伝達流体が引き込まれて、上記流体流れ中に混入され、上記流体駆動可能エンジンは、上記コンジットに沿った上記伝達流体の流れが、流体駆動可能エンジンを駆動するように作用するように配置される。

本発明の装置は、さらなる作動要素（例えば、バルブ）および大きな水面下構造体（例えば、コンテナ）を必要とすることなく、流体流れに存在するものに代わる流体が、流体駆動可能エンジンを駆動することを可能にすることにより、先行技術の欠点を解決する。駆動流体として、代わりの流体を使用することは、適切な流体が、利点（例えば、摩擦喪失の低下および／またはデバイスが被る腐食または浸食の低下）を提供するように選択されることを可能にする。

本発明の一実施形態において、その伝達流体は空気を含む。このことの利点は、大きな距離にわたって圧力下での空気の伝達に関与する摩擦喪失が、水の伝達に関与するものより遙かに低いことである。伝達流体として空気を使用する別の利点は、汚染問題を引き起こすことなく、空気が、（例えば）海水中に混入され得ることである。さらに、流速の増大は、伝達流体を、有意な乱流損失なしに、狭い狭窄部（constriction）を通って流し出すことにより達成され得る。ここで伝達流体は、高速タービンを駆動するために使用され得、ギアボックスの必要性を回避する。さらに、このシステムが、ガスタービンを駆動している場合、この配置は、ガスタービンについての低下した排気圧を生成するように作動するその効率を増大させる。このシステムは、ガスタービン発電機と非常に適合し、ガスタービン発電機において、炭化水素が、例えば、潮流エネルギーを補充するために使用されることに注意すべきである。

ここで図１を参照すると、ベンチュリ装置が示され、ここで流体流れ１１０（例えば、河川の流れまたは海流）は、流体流れの経路において狭窄部を形成する流体方向付け構造体（ｆｌｕｉｄ ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）１６０に方向付けられる。図１の例において、この流体方向付け構造体は、２つの部分にあり、これは、流体の経路をベンチュリ寸法Ｇになめらかに狭窄する。この２つの部分（そのうちの一方は、支持体１６５の上に河床または海底から支持されていることを模式的に示す）は、断面が、かなり飛行機の翼のような形状にされており、これは、この配置が、この図において左から右への流体流れのために十分に働くようにする傾向がある。しかし、多くの他の形状（左右対称の狭窄部を与える形状を含む）（すなわち、いずれかの流れ方向と等しく十分に働くもの）が、使用され得る。この流速は、ベンチュリ外側でｖおよび内側でｕとして表される。

流体方向付け構造体１６０は、ベルヌーイ効果によって狭窄部などを通る流れを高速化し、狭窄部における流体圧力を低下するように作用する。

空気入り口コンジット１４５は、空気が大気から流体流れ１１０における狭窄部へと流れるようにする。狭窄部における減少した圧力は、混入した泡１５５の形態において、コンジット１４５からの空気を流体流れへと引き込む傾向がある。

流体表面の下にコンジット１４５を通って空気が引き込まれる場合、吸引圧Ｐは、水の表面と、コンジット１４５の底部での深さとの間の圧力差を超えなければならない。

吸引圧Ｐは、約５ρｇｈであると予測され得、ここでρｇｈは、その流れに対する抵抗性によって、このベンチュリ配置にわたって生成される水の水頭に起因する圧力である。深さに起因する圧力差が、ρｇＨである。川または海の水面が、通常の事象の過程で上昇または低下すると、Ｈおよびｈの両方が増大し、その結果、そのシステムは、流体面（ｆｌｕｉｄ ｌｅｖｅｌ）の妥当な範囲にわたって働き得る。

この例は、以下に記載される種々の実施形態において使用される一般的原理を例示する。しかし、この一般的原理は、例えば、水生生物の健康状態を改善するために川が曝気され得る様式を例示する場合、それ自体有用である。

図２は、この技術を一段階さらに到達させ、第１流体流れから電力を抽出するための装置を模式的に例示する。図２において、流体流れ１１０（繰り返すと、川の流れまたは海流は、有意な例である）は、混入出口１５０で第２流体を混入する。圧力差は、例えば、ノズル１５０を含むサイホン配置を維持することによって、地点１３０と１５０との間で維持される。このノズル１５０は、例えば、１インチの直径を有し得る。

第２流体は、明確に空気であり得る。なぜなら、これは、天然水路に混入される、安価でかつ環境的に都合のよい流体であるからである。しかし他の混入流体が、使用され得る。これは、第１流体よりも密度が低くてもそうでなくてもよい。概して、第１流体が動き、第２流体がその流れに駆動されているか、またはいくらかの圧力差により吸引されれば、任意の流体が、任意の他のものと混入され得る。空気以外の第２流体が使用される場合、第２流体源１３０（例えば、タンクまたは加圧容器）が提供され得る。空気が使用され、混入の地点が、大気圧より低い場合、この供給源１３０は、大気圧へのちょうど通気口として与えられ得る。

第２流体が、第１流体流れに混入される場合、この第２流体は、矢印によって示される方向に、コンジット１４０から形成される第２の回路に沿って通過する。このように通過する際に、その流れは、流体駆動可能エンジン１２０（例えば、タービン）を駆動し得る。このようにして、有用な仕事が、第２回路中の第２流体の混入（および従って、移動）によって第１流体流れから抽出され得る。明らかに、流体駆動可能エンジンは、例えば、発電機、ファン、ポンプ、ウィンチなど（示さず）を駆動し得る。

図３は、流体方向付け構造体１６０（この図において、左右対称な構造体として示される）が、第１流体を加速し混入出口における第１流体圧力を低下させるために、第１流体の流れ経路を狭窄するように作用する類似の配置を模式的に例示する。このことは、第２流体の混入を増大させる傾向があり、従って、第２回路を通る流速を増大させる傾向がある。次に、増大した流速は、より有用な電力が、流体駆動可能エンジン１２０によって抽出されることを可能にする。例えば、第１流体流れは、１．５ｍの断面積を通って流れ得、これは、流体方向付け構造体によって引き起こされるベンチュリ狭窄部において０．７５ｍまで狭くなる。

図４は、図３に示される装置の別の例を模式的に例示する。このコンジット１４０は、マニホルド１７０に連結され、このマニホルドから、多くのより小さなコンジットが通る。多くのこれらのより小さなコンジットは、対応する数の混入出口１５０、１５１を形成する。これは、混入出口サイズ（例えば、＜１ｍｍ）を、実際の泡のサイズにより近く適合させることによって、混入の効率を改善し得る。マニホルド１７０からのさらなる数のより小さなコンジットは、他のベンチュリの作動に並行に接続に接続し得る。複数のマニホルドが使用され得るか、またはマニホルド１５１が、ベンチュリ配置を分離するために連結され、そのマニホルド１５１の全てが、単一の流体駆動可能エンジン１２０に連結され得る。

出口に送り込むコンジットは、全ての出口領域の合計とほぼ同じ断面積を有する。この出口は、円筒状ベンチュリの場合、約１インチ離れた環の中にあり得る。

空気を流れに入れる目的が曝気である場合、空気は、大量の小さなオリフィスを介して最もよく入れられるか、または多孔性の石のような多孔性材料を通してさえも入れられる。これは、泡のサイズを小さく維持する。この目的が、空気（ａｉｒ）（空気（ｐｎｅｕｍａｔｉｃ））力を生成することである場合、この泡は、より大きくあり得るが、小さな泡は、概して、大きな泡より良好である。なぜなら、小さい泡が上昇する速度は、小さいからである。全ての場合において、混入される第２流体の量は、第１流体が乱されている場合、その地点に達するまで、入り口コンジットの数およびサイズとともに増大する。

図５は、電力を抽出するため、および空気回路中の空気を脱湿するための装置を模式的に例示する。

図５において、第１流体（この例においては、海）は、流れ方向２１０に流れる。第１流体はまた、入り口２５０、コンジット２５５、タンク２７０および出口２７５から形成される第１流体回路を通って流れる。出口２７５は、その速度を増大させ、その圧力を減少させるために、第１流体の流れ経路を狭窄する流体方向付け構造体（示されず）から形成されるベンチュリ配置４１０中に配置される。よって、第１流体回路を通る第１流体の流れは、入り口２５０での（より高い）圧力と、出口２７５での（より低い）圧力との間の圧力差によって駆動される。このことはまた、出口２５０は、好ましくは、第１流体の接近する流れに面するという事実によって補助され得る。

第２流体（例えば、空気）は、コンジット２６５、熱交換器２９０、流体駆動可能エンジン（例えば、タービン）２３０、およびノズル３８０を備える第２流体回路の周りを流れる。ノズル３８０は、第１流体回路における第１流体の流れ経路中に配置される。よって、第２流体の流れは、以下の通りである。この第２流体は、サイホン配置の内部の地点での負の静水圧ρ_０ｇｈ_ｃによって、ノズル３８０において第１流体の流れに引き込まれ、この流れ中に混入される。第２流体は、混入される泡の形態で、タンク２７０へともたらされる。タンク２７０において、これらの混入される泡が、第１流体から出る機会がある。このようにして解放された第２流体は、熱交換器２９０まで、そこから流体駆動可能エンジン２３０へと通過する。流体駆動可能エンジン２３０の排気端部（左側）において、第２流体は、バルブ３５０を介して、ノズル３８０へ戻るように通過する。

よって、基本的な点において、このシステムは、流体駆動可能エンジン２３０が、第２流体の流れによって駆動されて、第１流体の主要流れ２１０から有用な電力が抽出されるという点で、上記と類似の様式において稼働する。第２流体は、それ自体、サイホン配置によって効率的に第１流体回路を通る第１流体の流れによって駆動される。

排気バルブ（ｖｅｎｔ ｖａｌｖｅ）３１０、３３０および３９０は、過剰な空気または水が、周囲へと排出されることを可能にするか、あるいは余分な空気が、システム中の種々の地点に導入されることを可能にする。

混入される泡は、流れが０．２ｍ／ｓより大きい限り、第１流体流れによって下向きに運ばれ得る。これは、水中でなお泡が上昇する速度が、約０．２ｍ／ｓであることが原因である。実際に、数ｍ／ｓという下向きの第１流体速度が予測され得る。この下向きの流れの速度は、コンジットの壁付近で低下すると予測され得るので、軸から離れて散らばった泡は、もはや下向きに運ばれないかもしれない。この問題を回避するために、泡は、下向きに流れる流体を長手軸（垂直）軸の周りにわずかに回転させるために、内部翼または類似の流体方向付け構造体を使用することによってコンジットの軸に対してより近くに保持され得る。

この配置が作動するために、ベンチュリ配置によって提供される吸引は、静水圧差ｇ（ｈ_１＋ｈ_２）×（ρ_１−ρ_２）（ここでρ_１は、水の密度であり、ρ_２は、混入した泡を有する水柱の平均密度である）を超えなければならない。第２流体が流入する速度を調節することによって、良好な適合が、水圧差と、ベンチュリ配置からの吸引との間で得られ得、効率的な電力伝達を提供する。

理想的（理論的損失無しの）状況において、ベンチュリ配置にわたる水ΔＨ（約５ｈ）の水頭は、泡が充填される水を引き下げることによって水に対して付与される負荷に完全に起因する。

しかし、この装置の別の有益な効果もまた存在する。このことは、タンク２７０から通り過ぎる空気（これは、水の流れに混入されている湿った空気である）は、流体駆動可能エンジン（例えば、回転翼タービンのようなタービン、シリンダ中のピストンのようなピストン機関または液体リング膨張装置（ｌｉｑｕｉｄ ｒｉｎｇ ｅｘｐａｎｄｅｒ））を介した膨張によって生成される冷却空気によって、少なくとも部分的に凍結乾燥される。空気を乾燥する目的は、その投入点で水を除去することによって、流体駆動可能エンジンの寿命を増大させることである。その水は、海洋設備の場合に塩分があり得る。タービンの例を考えると、空気が、タービンを通して膨張する場合に空気温度が低下するにつれて、空気中のあらゆる水蒸気が凍結し、溶液を塩析する。措置（例えば、予め空気を乾燥させること）が何らとられなければ、高速タービンの翼は、氷の結晶および塩分の結晶によって衝撃が加えられ、急速な腐食をもたらし得る。

図６は、熱交換器２９０’が近くのプラント（例えば、空気調節プラント）の熱交換回路（例えば、冷却した水回路）に接続されることを除いて、非常に類似するシステムを模式的に例示する。よって、流体駆動可能エンジン２３０を通した膨張が、近くのプラントにおいて利用され得る冷却を提供する。流体駆動可能エンジン２３０から生成される電力に加えて、この利益が存在する。

図７は、これらの原理のいくつかを使用する脱塩プラントを模式的に例示する。図７と図５との間の主要な差異は、コンプレッサ４２０およびファン４３０が、流体駆動可能エンジン２３０によって（理想的には、発電機のような任意の他の負荷の代わりに）駆動されることである。このコンプレッサ４２０は、下向きの第１流体流れに混入されるように空気を圧縮して、混入効率を増大する傾向がある。ファン４３０は、温かい潮風またはソーラーポンドから湿った空気を熱交換器２９０”に対して引き込み、流体駆動可能エンジンの排気から冷却空気を運ぶ。温かい湿った空気が、熱交換器２９０”上を通過するにつれて、水分の少なくとも一部が運ばれ、出口４４０において現れる新鮮な水を形成するように凝集する。

本発明の実施形態は、ここで添付の図面を参照して例示のみのために記載される。
図１は、流体流れに空気が混入されるベンチュリ装置を模式的に示す。 図２は、流体流れから電力を抽出するための装置を模式的に例示する。 図３は、１つ以上の流体方向付け構造体が、流体流れに形成されるベンチュリ狭窄部を生じる、本発明の実施形態を模式的に例示する。 図４は、図３の装置の別の形態を模式的に例示する。 図５は、本発明の実施形態に従って、電力を抽出し、空気回路における空気を脱湿するための装置を模式的に例示する。 図６は、空気タービンからの冷排気が、代わりに、隣接する空気コンディショナーなどを駆動するために使用されることを除いて、図５の実施形態に類似する実施形態を模式的に例示する。 図７は、脱塩プラントを模式的に例示する。

Claims (12)

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：
   流体駆動可能エンジン、
   該流体流れの一部と、該流体駆動可能エンジンと、伝達流体との間の流体連絡を可能にするように配置されている、コンジットであって、該流体流れにおける流体および該伝達流体は、異なる流体であり、該流体流れの該一部は、その流速に起因して、該伝達流体より低い圧力であり、従って、該コンジットを通して該伝達流体が引き込まれて、該流体流れ中に混入され、該流体駆動可能エンジンは、該コンジットに沿った該伝達流体の流れが、該流体駆動可能エンジンを駆動するように作用するように配置される、装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、該装置は、以下：
   前記流体流れにおいてチャネルを規定するように形成された、少なくとも１つの流体方向付け構造体であって、形成された流れ加速狭窄部を有し、その結果、前記チャネル中の前記流体は、該チャネルの流れ加速狭窄部を通して流れるときに、加速させるようにされている、少なくとも１つの流体方向付け構造体を備える、装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、前記流体流れは、流体ストリームにおける２つの位置の間にコンジットに沿った流れを含み、コンジット入り口位置は、コンジット出口位置でのより速いストリーム速度に起因して、該コンジット出口位置より高い流体圧力である、装置。
4. 請求項３に記載の装置であって、該装置は、前記入り口位置での前記流体ストリームに関して、前記コンジット出口位置での前記流体ストリームを狭窄するための流体方向付け構造体を備える、装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置であって、前記流体流れは、水の流れを含む、装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置であって、前記伝達流体は、空気を含む、装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置であって、前記流体駆動可能エンジンは、タービンを含む、装置。
8. 請求項７に記載の装置であって、該装置は、前記タービンの伝達流体排気において前記伝達流体流れ経路中に熱交換器を備える、装置。
9. 請求項８に記載の装置であって、前記熱交換器は、前記伝達流体を冷却するように配置されている、装置。
10. 請求項８に記載の装置であって、前記熱交換器は、外部プラントと連絡しているさらなる伝達流体を冷却するように配置されている、装置。
11. 請求項８に記載の装置であって、前記熱交換器は、周囲空気からの水蒸気を凝縮するように配置されている、装置。
12. 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、添付の図面に関して本明細書中に実質的に記載されている、装置。

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