JP2010025100A - 水流発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】環境に優しい形で大量の電力を発生し中継局へ輸送する、安全で信頼性のある水流発電システムを提供すること。
【解決手段】本水流発電システムは、本体構造によって結合された複数の浮揚管と、本体構造によって結合された複数のバラスト・チャンバと、浮揚チャンバ、バラスト・チャンバ、及び本体構造のうちの１つ又は複数に付随するハウジング内に配置された複数の誘導型発電ユニットと、誘導型発電ユニットの各々と機械的に連結して配置された複数のプロペラとを備える。また、速度の速い水流から動力を得るために使用される新規の誘導型発電機と、関連する海底に配置された水中投錨システムに抗してシステムに張力を与えるための浮揚タンクと、システムの精度制御及び連続的な調整機能に役立つ複数のサブ・チャンバを備え、流体を充填したバラスト・チャンバとについて詳細な説明をすることによって、システムの配置、位置決め、保守、制御、及び運転をするための方法と手段も提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に再生可能なエネルギーの発電システムに関し、非限定的であるが特定の実施形態において、誘導型発電機を用いた、高速で移動する水流から発電する水中又は水上のシステムに関する。

化石燃料の高騰する価格と、世界経済と産業におけるエネルギー需要の増大に伴い、別のより効率的なエネルギー源開発の方法が、常に探求されている。特に注目されているのは、蓄電器及び太陽エネルギー装置、風力発電ファーム、並びに分離した水素から電力を取り出すシステムなどの、いわゆる再生可能な代替エネルギー源である。

しかし、このようなエネルギー源は、未だ広範な地域に商業規模で電力を配電することができていない。さらに、海水の改質を含む水素電力システムなどのいくつかの提案されている技術は、現実にはシステムの終段で出力される電力よりも多くの電力を変換過程で消費する。他の技術、メタン由来の水素などは、代替しようとしている従来の石油ベースの技術による化石燃料の放出以上の量を放出し、また、蓄電池、太陽ベース及び風車ベースのシステムなどのその他の技術も、かなり多くの太陽光又は風を一貫して受ける必要があるので、それらの商業効率は本質的に制限される。

１つの提案されている代替エネルギー・システムは、例えば２ｍ／ｓ以上のピーク流速を有する流れなどの、速く移動する水流から取り出される水力の利用を含む。

しかし実際には、既存の水中発電装置は、流速が常に非常に速い場所に設置された場合でも不十分であることが実証されている。これは少なくとも部分的には、発電するため、及び水中発電システムで得られた電力を、中継ランド又は水上発電中継局へ適合性よく輸送するための効率的な手段がいずれも欠けていることが原因となっている。

既存のプロペラ設計及び水上発電機構も、十分なエネルギーの発生ができず、又は最大速度の流れに対して十分な安定性を実現することができず、不十分であることが実証されている。

その他の重要な問題は、リーフ、水草の葉、魚群等などの周囲の水生生物を損傷せずに、水流からエネルギーを得ることに付随する環境問題である。

したがって、当技術分野に現在存在する問題点を解決し、安全で信頼性があり環境に優しい形で大量の電力を発生し中継局へ輸送する水流発電システムに対する、重要で未だ満足されていない必要性が存在する。

本体構造によって結合された複数の浮揚管と、本体構造によって結合された複数のバラスト・チャンバと、前記浮揚チャンバ、バラスト・チャンバ、及び本体構造のうちの１つ又は複数に付随するハウジング内に配置された複数の誘導型発電ユニットと、前記誘導型発電ユニットの各々と機械的に連結して配置された複数のプロペラと、を含む水流発電システムが提供される。

本明細書に開示する実施例は、添付する図面を参照することにより、よりよく理解され、多くの対象物、特徴、及び利点が当業者に対して明らかにされるであろう。

以下の説明には、本発明の主題の利点を具体化する複数の例示的システムの設計と使用方法が含まれる。しかし、開示された実施例は、本明細書に示された具体的な詳細事項がいくつか欠けても実行できることが、当業者によって理解されるであろう。他の例では、よく知られている海面下の発電装置、手順、構造、及び技術は、本発明を混乱させることを避けるために、詳細には説明又は示されていない。

図１は、水流発電システム１０１の第１の実施例を示す。本システムは最も簡単な形式において、浮揚管１０２、バラスト管１０３、及びプロペラ１０５を有する、誘導型発電ユニット１０４を備える。

図１は、単一の浮揚管１０２、バラスト・ユニット１０３、及び発電機コンポーネント１０４のみを示しているように見えるが、これは実際にはより大きなシステムの側面図であり、複数の管と発電機コンポーネントとを備える商用実施例をここで検討し、以下に説明する。それでもなお、当業者は、単一の要素を備えた限定されたシステムの説明が例示的なものであり、本明細書に開示される発明の主題の範囲を限定しないことを、容易に理解するであろう。

本システムの新規性は、誘導型発電ユニット１０４にあり、それによって運転の簡潔性と信頼性が増し、交流（ＡＣ）として変圧なしで付随するリレー局（図示せず）へ出力できる電力を発生する。したがって本システムは、隣接する電力網に容易に売電でき使用され得るＡＣ電力を、商業的に実行可能な規模で発生できる。

一般に誘導発電機は、他のタイプの同期発電機又は直流（ＤＣ）発電機よりも、機械的、電気的に簡単である。誘導発電機はまた、より頑丈で耐久性があり、ブラッシも整流子も通常必要としない。

例えば三相電気非同期型（例：かご巻線型）誘導機は、その同期速度より低速で運転されるときは電動機として機能するが、同じ装置がその同期速度より高速で運転されるときは、誘導発電機として機能する。

要約すれば、誘導発電機は内部シャフトが同期周波数よりも速く回転されるとき、交流電力を発生するために使用できる。本発明では、シャフトの回転は、比較的速く移動する水流中に配置された、付随するプロペラ１０５によって達成される。

本システムから発生した電力は、多くの場合、隣接する電力網システムに補給することが意図されており、したがって、電力網の運用周波数が発電システムの運用周波数を決定することになる。例えば、現在多くの大型電力網システムは、およそ５０又は６０ヘルツの運用周波数を採用している。

しかし、誘導発電機は自励式ではないので、初期回転磁束を作るために、外部電源（水中を通すか、又はその下の海底下を通す供給配線を用いて、隣接する電力網から容易に得られるような）、又は低電圧スタータによる「ソフト始動」が必要とされる。低電圧スタータを使用することにより、適切な運用周波数を迅速に決定すること、及び、例えばハリケーンによって生じた損傷結果のような、何らかの理由によって付随する送電網が停電された場合に、無動力の再スタートが可能であること、などの重要な利点を本システムに付け加えることができる。

大型水上発電システムに対するその他の重要な考慮事項は、周囲の流速にかかわらず、連続的な動的位置決めが可能な、バランスよい浮揚平衡を確立することである。周囲流速が所定の運転可能な速度の範囲内に留まっていることを仮定した場合でも、特に強力なハリケーンなどによってシステムの平衡が損なわれることがある。しかし、システムを典型的な波力のラインより十分下、すなわち深さ約３０．５から４５．８ｍ（１００から１５０フィート）程度、に配置すればそのような障害は著しく低減される。重力、浮力、抗力、及び保持力の様々なオフセット力もまた、連続的な水流エネルギー発生システムの全体的な安定性に寄与する。

図１に例示する浮揚管１０２は、前述した誘導発電機を内蔵する少なくとも１つの端部キャップ・ユニット１０４と機械的に連結して配置された、円筒状本体部分を有する。発電機及び付随する端部キャップ・ハウジングは駆動シャフトを含み、プロペラ１０５に関連する遊星歯車を含む実施例もある。

浮揚管１０２が立方体状又は六角柱状の形を有する実施例もあり、本発明を有効に実施するには他の形状も同様に認められる。現在好ましい実施例において、浮揚管１０２はほぼ円筒状であり、気体（例えば、空気、又は他の安全な浮揚性の気体）で加圧されているので、本システムが錨の付いた係留綱１０６によって拘束されているとき、組合せ力は、海洋流エネルギー発生システムに対して１次吊上げ力を構成することになる。

したがって、発電機を停止してシステムへの抗力を低下させることにより、本システムを水面に向かってやや上昇させることが可能となり、本システムを保守又は検査のために水面に引き上げることができる。浮揚管を開き、及び／又はバラスト管から流体を排出することにより、本ユニットは安全に、且つ信頼性を有して水面に浮揚されることが可能となり、それによって保守又は検査が実施できる。

本システムを移動させる方法によれば、係留綱１０６もまた解放されることが可能であり、それによって浮揚構造物を島又は別の運用場所に向けて、曳航し又は動かすことが可能となる。

図２に示す実施例は、誘導発電ユニット２０４及び２０５のシャフト部材と機械的に連結して配置された、比較的大型でゆっくり動く複数のプロペラ２０６を備える発電システム２０１の正面図である。図４Ａにより詳細に示すように、発電ユニットは浮揚管１０２内に収納された端部キャップ・ユニット内に配置されると共に、浮揚管の間に配置されたシステムの格子状の本体部分全体にわたって配置される。

プロペラ２０６は、それぞれの具体的な運転のための仕様に対して設計されており、誘導発電機、周囲の水流の速度、環境配慮（例えば、プロペラは、魚類又は他の水生生物が通過できる、開口又は空孔を有すべきか）などから要求される運用周波数に基づいて、各プロペラの寸法と曲率等を調整することにより効率の改善が実現されることになる。同様に隣接するプロペラの組は、プロペラの前部に渦流又は淀み域の生成を促進するように、反対方向（例えば、時計回り又は反時計回りのどちらか）に回転させられてよく、それによって、海洋生物を追い返し、又はその保護を助け、プロペラの回転効率の向上等を可能にする。

最終的に、プロペラに対する確定的な運転要件は、プロペラが、発電機の運用周波数を得るために必要とされる速度で、付随する発電機のシャフトを回転させ得ることのみである。しかし、システムが全体として、その地域の海洋生物との相互作用に関して受動的であり続け、最適性能の結果を達成することができ、しかも環境面で中立的な運転環境を維持することが極めて望ましい。

ここで図３を参照すると、前に項目１０３として図１に示されたバラスト管の内部の詳細図が示されており、そこでは種々の気体と液体の分離及び混合が、浮揚管１０２によって得られるシステムに生ずるバランス力及び浮力を、より精密に制御するために使用され得るように、複数のラビリンス型隔離チャンバが結合されている。

例示された実施例に示すように、バラスト管内に形成された内部バラスト・システム３０１は、過圧逆止弁と流体連通して配置された空気源制御部３０２と第１の隔離チャンバ３０３とを有する。第１の隔離チャンバ３０３は、チャンバの上部に存在する乾燥気体（例えば、周囲の外部水圧と等しい圧力を有する空気）と、チャンバの下部に存在する液体（例えば、隔離チャンバの外部から引き込まれた海水）の両方を含む。

第１の隔離チャンバ３０３はまた、気体を充満した構造物の他のコンパートメントに空気を分配するための２次空気供給ライン３０５と共に、第１の隔離チャンバ３０３から第２の隔離チャンバ３０４に至る、気体と液体の混合物のためのラインも備えている。次に第２の隔離チャンバ３０４は、空気を含む上部と、水などを含む下部を備え、空気と水は隔離シリンダによって分離される。別の実施例では、隔離シリンダは海水を含み、海水の上には障壁流体が浮かんで、空気と海水の隔離をより確実にする。

さらに別の実施例では、第１の隔離チャンバ３０３、又は第２の隔離チャンバ３０４のいずれかは、計装設備（例えば、圧力センサ又は差圧センサ）を備え、システムの特定キャビティに流体又は空気が存在するか判定する。さらに別の実施例では、それらのセンサは、バランス及びスラスト関連測定の検出と制御を支援するために使用される論理制御システム（図示せず）への入力とされる。

タンクの上部にあるシステムを通して空気を送る工程は、水又は他の液体が確実に下部に留まるようにして、所望のバランス特性及び制御特性が得られるまで続けられる。最終的に、最終隔離チャンバ３０６が設けられており、図示された実施例においてこのチャンバは、システムから空気を排出し、場合によっては水をシステム内に導入するために使用される、空気出口弁３０９を有する。

内圧がかなり高くなって、システム制御の信頼性を維持するために圧力放出が必要とされる場合のために、圧力安全弁３０７が設けられており、また、誤って海洋生物が入ることを防止するためにスクリーンが取り付けられた開放水流弁３０８が、隔離タンク３０６の下部に配置されている。

さらに、空気と水の間の相互作用を低減するために、障壁流体などを使用することが可能であり、海水面に浮かんでいるフロート制御装置がシステムに取り付けられている場合は、全ての海水が排出されるまで障壁流体が保持され得る。

図４Ａは、システム４０１の１つの実施例の上面図を示しており、この例ではシステムは、第１及び第２の浮揚管４０２、４０３と、それらの間に配置されて連結する格子状の本体部分４０４と、浮揚管及び本体部分の周りに戦略的に位置決めされた複数の誘導発電機４０５、４０６と、発電機と機械的に連結して配置された複数のプロペラ４０７と、浮揚管４０２、４０３と機械的に連結して配置された複数の係留部材４０８、４０９とを備える。

図４Ｂに示す実施例において、係留部材４０８及び４０９はつなぎ合わされて、投錨部材４１１に既知の態様で取り付けられる、単一の投錨係留綱４１０を形成する。

種々の実施例において、投錨係留綱４１０は、システムの拘束と解放とを変更可能とする手段をさらに含む。別の種々の実施例において、投錨係留綱４１０は係留綱終結部材（図示せず）を備える投錨部材４１１で終端となる。投錨部材４１１は、動きの速い流れの中で定位置を保持するために適した、任意の既知の型式の錨（例えば、デッド・ウェイト・アンカーなど）を備えており、これらは通常、動きの速い流れが原因となった土壌浸食による岩石の多い海底部を有する場所に設けられる。

さらに別の実施例において、発電所のこの部分は、海面の船舶、又はその他の海洋流エネルギー発生装置、或いは動的浮揚位置決めブイなどのその他の中央係留地のどれかに、投錨係留綱４１０を取り付けることにより安定にされる。

本発明のさらに別の態様は、本質的に、概ね水中エネルギー発生に付随する既知の装置で作られた設備（例えば、補助電源、光学ファイバー制御及び通信システム、発電所の業務に使用される付属の遠隔操作車両等）を備え、それらは、システムの配置、位置決め、制御、及び運転に使用可能な周辺装置として確実に考慮されており、それらのシステム及びサブ・システムは、当業者には既に知られているであろうから、それらの事項を極めて詳しく説明する必要はないと考えられる。

本発明について、いくつかの代表的な実施例に関して、上記で詳細に示し説明したが、説明に対する小さな変更、並びに他の様々な修正、省略及び追加が、その精神と範囲から離れることなく行われ得ることも、当業者は理解するであろう。

本発明の１つの実施例による水流発電システムの側面図である。 本発明の第２の実施例による水流発電システムの前面図である。 本発明の第３の実施例による複数のラビリンス型隔離チャンバを有するバラスト管の平面図である。 本発明の第４の実施例による水流発電システムの上面図である。 付随する係留綱投錨システムをさらに含む、図４Ａに示された実施例の上面図である。

符号の説明

１０１ 水流発電システム
１０２ 浮揚管
１０３ バラスト管
１０４ 発電ユニット
１０５ プロペラ
１０６ 係留綱
２０１ 発電システム
２０４，２０５ 誘導発電ユニット
２０６ プロペラ
３０１ バラスト・システム
３０２ 空気源制御部
３０３ 第１の隔離チャンバ
３０４ 第２の隔離チャンバ
３０５ ２次空気供給ライン
３０６ 最終隔離チャンバ
３０７ 圧力安全弁
３０８ 開放水流弁
３０９ 空気出口弁
４０１ システム
４０２ 第１の浮揚管
４０３ 第２の浮揚管
４０４ 本体部分
４０５，４０６ 誘導型発電機
４０７ プロペラ
４０８，４０９ 係留部材
４１０ 投錨係留綱
４１１ 投錨部材

Claims (20)

1. 浮揚チャンバと、
   前記浮揚チャンバに付随するハウジング内に配置された誘導型発電ユニットと、
   前記誘導型発電ユニットと機械的に連結して配置されたプロペラとを備える水流発電システム。
2. 本体構造によって結合された複数の浮揚チャンバをさらに含む、請求項１に記載の水流発電システム。
3. １つのバラスト・チャンバをさらに含む、請求項１に記載の水流発電システム。
4. 複数のバラスト・チャンバをさらに含む、請求項３に記載の水流発電システム。
5. 前記複数のバラスト・チャンバが本体構造によって結合されている、請求項４に記載の水流発電システム。
6. 前記本体構造が１つ又は複数の誘導型発電ユニットを収納している、請求項２に記載の水流発電システム。
7. 前記１つ又は複数の誘導型発電ユニットと機械的に連結して配置された複数のプロペラをさらに含む、請求項６に記載の水流発電システム。
8. 前記バラスト・チャンバが１つ又は複数のラビリンス型隔離チャンバをさらに備える、請求項３に記載の水流発電システム。
9. 前記１つ又は複数のラビリンス型隔離チャンバのうちの少なくとも１つが、気体を収納する上部をさらに備える、請求項８に記載の水流発電システム。
10. 前記１つ又は複数のラビリンス型隔離チャンバのうちの少なくとも１つが、液体を収納する下部をさらに備える、請求項８に記載の水流発電システム。
11. 前記１つ又は複数のラビリンス型隔離チャンバのうちの少なくとも１つが、障壁流体と流体連通して配置された中間シリンダによって分離された、上部及び下部をさらに備える、請求項８に記載の水流発電システム。
12. １つ又は複数のラビリンス型隔離チャンバのうちの少なくとも１つが、気体源制御弁をさらに備える、請求項８に記載の水流発電システム。
13. １つ又は複数のラビリンス型隔離チャンバのうちの少なくとも１つが、気体出口弁をさらに備える、請求項８に記載の水流発電システム。
14. １つ又は複数のラビリンス型隔離チャンバのうちの少なくとも１つが圧力安全弁をさらに備える、請求項８に記載の水流発電システム。
15. １つ又は複数のラビリンス型隔離チャンバのうちの少なくとも１つが、海洋生物が前記チャンバに入ることを防止するためのスクリーンを有する流体吸込み／排出弁をさらに備える、請求項８に記載の水流発電システム。
16. １つ又は複数のラビリンス型隔離チャンバのうちの少なくとも１つが、それが過圧されたときに前記１つ又は複数の隔離チャンバから水の排出を始める逆止弁をさらに備える、請求項８に記載の水流発電システム。
17. 少なくとも１つの係留部材をさらに備える、請求項１に記載の水流発電システム。
18. 前記少なくとも１つの係留部材が係留綱終結部材と連結して配置された、請求項１７に記載の水流発電システム。
19. 前記係留綱終結部材が投錨部材と連結して配置された、請求項１８に記載の水流発電システム。
20. 本体構造によって結合された複数の浮揚管と、
    本体構造によって結合された複数のバラスト・チャンバと、
    前記浮揚チャンバ、バラスト・チャンバ、及び本体構造のうちの１つ又は複数に付随するハウジング内に配置された複数の誘導型発電ユニットと、
    前記誘導型発電ユニットと機械的に連結して配置された複数のプロペラとを備える水流発電システム。
    
    

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