JP2013503994A

JP2013503994A - 発電機

Info

Publication number: JP2013503994A
Application number: JP2012527158A
Authority: JP
Inventors: ブラックスランド，ドリュー; キアー，ジョン
Original assignee: アトランティスリソーセズコーポレーションピーティーイーリミテッド
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2013-02-04
Also published as: CN102482858A; CL2012000602A1; AU2010292974A1; WO2011029138A1; EP2475822A1; KR20120076355A; CA2772764A1; US20120267895A1

Abstract

発電装置を記載する。装置は、回転軸線回りに回転する回転子であって、回転子に動作可能に取り付けられ、回転子から延在し、回転軸線にほぼ直角な方向からの流水に作用を受けて回転子を回転させる複数のブレードを含むブレードアセンブリを備える、回転子を有し、回転子は、回転子に対して内部に配置された固定子本体の周りを回転して使用可能な電力を生成する一体型回転子本体を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、例えば海流、潮流、又は河川の流れ等の水流を含む水流から使用可能な電力を生成するための水中発電機に関する。

水中発電機が知られている。しかしながら、現在の多くの設計は、高額の初期製造コスト及び配備コストが掛かるとともに、継続した信頼性の課題を有する複雑な機構及び部品を含んでいる。この様な高コスト及び課題は、公知の発電機が水流の方向に影響を受けやすいことに一部原因がある。また、公知の設計に関連した効率の問題及び電力の出力の問題も存在する。他の問題は、公知の発電機が設置の不正確さに影響を受けやすいことに起因する。

本発明は、上述の１以上の欠点を改善すること、又は、少なくとも新たな発電機を提供することを目的とする。

本発明の第１態様によれば、
水中発電装置であって、
回転軸線回りに回転する回転子であって、当該回転子に動作可能に取り付けられて回転子から延びるとともに回転軸線にほぼ直角な方向からの流水の作用を受けて回転子を回転させる複数のブレードを有するブレードアセンブリを備える、回転子を含み、
回転子は、回転子に対して内部に配置された固定子本体周りに回転して使用可能な電力を生成する一体型の回転子本体を有する、水中発電装置が提供される。

本体は回転子本体及び固定子本体を有してよい。回転子本体及び固定子本体が設けられる場合、回転子本体は、発電機械に見られるような、適切な電気巻き線、及び／又は、様々な種類の電磁石若しくは永久磁石を有することが好ましく、及び、回転子と共に回転するように回転子と一体化していることが好ましい。固定子本体が設けられる場合、固定子本体は、回転子本体に対して半径方向内側に配置されることが好ましく、及び、電気を生成する目的で任意の適切な種類の磁石又は電気巻き線を有してよい。

電気の生成を容易にするために回転子本体及び／又は固定子本体に永久磁石が組み込まれてもよい。

いくつかの構成では、本体は、ポンプ機構又は他の種類の電力変換装置を有してよい。

本体及び回転子は円筒形状であってよい。一体型の回転子本体は中空円筒又は環状体又はケーシングの形状であってよく、中空円筒の外周壁に沿ってブレードが取り付けられてよい。本体及び回転子は、パイロンの一部であることが好ましく、海底から上方に延び、円筒の遠位端でタービンを支持するために構造的に十分に剛性を有することが好ましい。

ブレードアセンブリの構成は任意の適切な形状であり得る。例えば、円筒の外周壁に沿って外周壁周りに個々のブレードの螺旋ブレード構成があってよい。ケーシングの外周壁上に配列されたブレードのバンド又は段を有する、任意の数のブレードアセンブリ及びブレードセットがあってもよい。必要であれば、１〜２千以上におよぶ任意の適切な数のバンド又は段があってよい。ブレードの各段又は各バンドは、円筒又は回転子の円周周りに配置された任意の適切な数、好適には４つ又は６つのブレードを有してよい。

ブレードは、適切なねじれ、及び、断面フォイル形状を有する、双方向を含むあらゆる適切なタイプであり得るが、好適な実施形態では、ブレードはＮＡＣＡの外形であり、単一方向である。しかしながら、別の実施形態では、ブレードは、Ｕ字断面、又は、Ｖ字断面、又は山形断面であり、凹部形状の留め具部分、及び、凸部形状のヘッド部分、又は前側部分を含む。ブレードはその長さに沿って先細ってよい。

ブレードのバンドは、個々に又は円周壁上に取り付けられたバンドアセンブリとして取り外し可能であってよい。バンドアセンブリはカートリッジ構成で構成され得るため、いくつかのブレードは、カートリッジアセンブリの取り外しによる単一の取り外し動作において取り外し可能であってよい。

ブレードは、迎角が変動し得るように取り付けられ得る。しかしながら、好適な実施形態では、迎角は固定されている。しかしながら、迎角は、回転軸線に沿った入射潮流の方向及び速度の変動を活用してブレードの効率を高めるために、回転軸線の長さに沿った位置と共に変動し得る。

ブレードアセンブリは任意の方向に回転し得るが、好適な実施形態では、ブレードアセンブリは、ブレードへの潮流入射の方向に無関係に一方向にのみケーシングを回転させる。

ブレードは任意の適切な長さであってよく、及び、各ブレードの長さは、回転軸線に沿った入射潮流の方向及び速度の変動を活用してブレード効率を高めるために、回転軸線の長さに沿ったブレード位置と共に変動し得る。

使用時、水中発電装置は、回転軸線が海底及び海流の流れ、又は河川や他の水体の潮流にほぼ直角であるように、水体の底からほぼ直角に、又は垂直に延在するパイロン上に取り付けられることが好ましい。しかしながら、いくつかの構成では、装置は、底に取り付けられて底から延在するパイロン又はパイロンアセンブリから延在するアーム上に水平に取り付けられ得る。後者の構成では、装置は、海流又は潮流等の流れにほぼ直角に取り付けられることが好ましい。

装置は、パイロンの遠端上に支持され得る選択された種類のメイン水中発電機を支持するために十分な構造強度を有することが好ましい。

固定子は、本体の両端から延在する固定シャフト上に取り付けられることが好ましい。そして固定シャフトは、プラットフォーム内に設置されてプラットフォームから延在する脚部に取り付けられることが好ましい。脚部は、海底から延在し、海底に取り付けられる又は直接固定されることが好ましい。これらの実施形態では、固定シャフトは海底にほぼ水平に又は平行に配置される。

いくつかの構成では、脚部は、固定シャフトが海底に鋭角で取り付けられるように、異なる長さであり得る。

いくつかの構成では、脚部は、ヨー軸、ピッチ軸、又は更にロール軸回りの回転のための回転板上に取り付けられ得る。

他の構成では、固定シャフトは、本体が海又は水体の様々な深さで流れの中に配置され得るように、ケーブル又は他の延在可能な脚部若しくは延在可能な構成に取り付けられ得る。

本体は、様々な高さで様々な流れにアクセスすることを容易にする調整可能な浮力を有し得る。

ケーブルは、ウインチ又は海底に取り付けられた他の巻取り展開装置により延在し得る。

本発明の別の態様によると、
回転軸線回りに回転するケーシングを備える本体であって、少なくとも１つのブレードアセンブリが、ケーシングに動作可能に取り付けられてケーシングから延在する１以上のブレードを有し、ブレードは使用時に回転軸線にほぼ直角な方向からの水流内に配置され、少なくとも１つのブレードアセンブリは、そのほぼ直角な方向からの流水により作用を受けて使用可能な電力を生成する本体を有する、水中発電装置が提供される。

本発明のまた別の態様によると、
回転軸線回りに回転するケーシングを備える本体であって、ブレードアセンブリが、ケーシングに動作可能に取り付けられてケーシングから水流へと延在するとともに流水により作用を受けてケーシングを回転させる１以上のブレードを有する本体と、
ケーシング内部に配置され、同じくケーシング内に配置された固定子回りの回転軸線回りの回転のためにケーシングと一体化又はケーシングに接続されて使用可能な電力を生成する回転子と、を有する、水中発電装置が提供される。

本発明のまた別の態様によると、水中発電方法であって、方法は、
回転軸線回りに回転するケーシングを備える本体を提供する工程であって、本体は、ケーシングに動作可能に取り付けられてケーシングから水流へと延在するとともに流水により作用を受けてケーシングを回転させる１つ以上のブレードを有し、本体は、ケーシング内部に配置され、同じくケーシング内に配置された固定子回りの回転軸線回りの回転のためにケーシングと一体化又はケーシングに接続されて使用可能な電力を生成する回転子を更に有する、本体を提供する工程と、
水が本体に対して流れるように、本体を水体内に置く工程と、
本体の回転エネルギを使用可能な電力へと変換する工程と、を有する、水中発電方法が提供される。

本発明の更にまた別の態様によると、水中発電方法であって、
回転軸線回りに回転するケーシングを備える本体を提供することと、ケーシングに動作可能に取り付けられてケーシングから延在する１つ以上のブレードを含む少なくとも１つのブレードアセンブリを提供することであって、ブレードは使用時に回転軸線にほぼ直角な方向からの水流内に配置され、少なくとも１つのブレードアセンブリは、そのほぼ直角な方向からの流水により作用を受けて使用可能な電力を生成する、提供する工程と、
水が本体に対して流れるように、本体を水体内に置く工程と、本体の回転エネルギを使用可能な電力へと変換する工程と、を含む、水中発電方法が提供される。

本明細書を通して、文脈が別途指示しない限り、「備える（comprise）」又は「備える（comprises）」、「備えている（comprising）」などの変形は、述べられた要素、整数若しくはステップ、又は、要素、整数若しくはステップのグループの包括を示すものであり、他の要素、整数若しくはステップ、又は、要素、整数若しくはステップのグループを除外するものではないことが理解されよう。

本明細書に含まれている文書、行為、素材、装置、物品その他の議論は、本発明のコンテクストを提供する目的のためのみになされる。これらの事項のいずれか又は全てが、本明細書の各請求項の優先日以前にオーストラリアに存在する、先行技術の基礎の一部をなすか、又は本発明にかかる技術分野における常識であることを容認するものと理解されるものでない。

本発明がより明確に理解されるよう、以下の図面と例を参照して、好ましい実施形態を記載する。

スタブマウント上に設置された、本発明の好適な実施形態に係る発電装置の側面図である。明確にするためにマウント及び他の発電装置から切り離された、本発明の好適な実施形態に係る発電装置の斜視図である。一端に延在するメインシャフトを有する、図２に示す発電装置の断面図である。本発明の別の好適な実施形態による発電装置の概略側面図である。また別の好適な実施形態に係る概略斜視図である。本発明の好適な実施形態のための別の取り付け構成の概略側面図である。本発明の好適な実施形態のためのさらに別の取り付け構成の概略側面図である。

図１〜３を参照すると、全体として１０で示される発電機又は発電装置が示される。装置１０は、回転軸線１５回りに回転するようになされた回転子１３を有する本体１２を有しており、回転子１３は、環状体又は中空シリンダ又はケーシング１７を備える一体型回転子本体１４を有している。本体１２は、一体型回転子本体１４に対して内側に配置された固定子本体６２を有している。

環状体又は中空シリンダ又はケーシング１７の外周壁上に動作可能に取り付けられるとともに外周壁から実質的に放射状に延びて使用時に水中に延びる複数のブレード１８を有するブレードアセンブリ１６が提供される。ブレード１８は、段又はバンド１９状に配置され、図で示される実施形態ではブレードアセンブリ１６内に４段のブレード１８がある。様々な実施形態では、あらゆる適切な数のブレードのバンド又は段が提供されてよく、適切な数は、２、４、６、８、１０、１２、１５、２０、２５、３０、４０、５０、７５、１００、１５０、２００、５００、７５０、１０００、１２５０、１５００、２０００、又は５０００段のブレード含む。１２段のブレードが設けられることが好ましい。回転子本体の軸線に沿って長手方向にブレードカセットが配置され、ブレードカセットは長手方向の群内で取り付け及び取り外されることが可能であり、構成は図示されていないものの当業者に理解され得る。

図示しているブレード１８は、全て互いに同じ長さ、すなわち、０．５ｍ〜１ｍの長さである。いくつかの実施形態では、この長さは、他の発電機５のブレード３といった他の構造要素への近接度、及び、ブレード１８及び装置１０全体の所望の効率及び強度に応じて、約３ｍ以上にわたって延びてよい。別の実施形態では、ブレード１８の長さは、例えば図１に示される実施形態にあるように、タービンブレード３への近接度に部分的に基づいて、下から２段のブレードよりも上から１段又は２段のブレードの方が短くなるように、回転軸線１５に沿った配置に応じて変動してよく、図中ではブレードの長さが変動するようには示されていないが、ブレードはそのような特徴を有してよい。水の剪断流の概念に基づき、海流の入射方向及び速度が海底からの高さ及び従って回転軸線１５に沿った位置と共に変化することが理解されよう。従って、ブレードアセンブリ及びブレードの長さ、ねじれ、翼弦長さ、翼弦湾曲、及び厚さ、迎角、並びに他のパラメータは適宜変更されてよい。

ブレード１８は両方向であってよく、及び、間隔は、搭載されたサーボモータ又は他の装置（図示せず）により変動し得る。しかしながら、好適な実施形態では、ブレード１８は単一方向であり、間隔は固定され、及び、全て互いに同じ長さである。図示されるブレード１８は、Ｕ字形状、Ｖ字形状、又は山形形状であり、及び、上記の図１から時計回りの方向に回転子及びケーシングを駆動するキャッチ部（図では凹部として示される）を有している。好都合には、装置がほぼ垂直に取り付けられる時、ブレード１８はあらゆる水平方向からの海流又は水流により作用を受け、及び、入射海流の方向及び速さに関らず常に同じ方向に回転するようになされている。流れの水平成分がない場合、回転子は回転するのが困難でる。装置がいかなる向きに取り付けられる時でも、ブレードは、選択された方向で回転子を回転させる。

ブレード１８は、ブレードの効率及び能力を高めるために、それらの端部に向ってテーパを有しており、及び、移動方向と反対の方向に湾曲してよく(sweep)又は傾斜してよい。

本体１２及び／又は回転子１３は、パイロンアセンブリ８の遠位端又は遠端に取り付けられた補助発電機５を支持することに構造上適している。補助発電機５は、回転軸線２回りに回転するように回転可能に取り付けられた複数のブレード３を有するブレードセット４を有している。パイロンアセンブリ８上にタービンハウジング１が回転可能に取り付けられており、その結果、変化する入射海流Ｗを最も効果的に捕らえるためにタービンハウジング１が（図１の回転軸線１５と一致する）回転軸線２回りで調整されることが可能である。

発電機１０は、海底上に取り付けられてほぼ又は実質的に上方に延びるスタンドアロン型発電機であり、及び、生成された電力は水圧管又は電気ケーブルにより海岸線の貯蔵箇所又は配電ネットワークへと伝送されてよい。代替の実施形態では、発電機１０は、補助発電機械５を構造上支持するとともに、水力及び／又は配水を補助発電機５に供給する、又は、電力を発電機５に供給し得る。また、本発明の及び本願明細書で詳細に説明した発電機５及び発電機１０は、同一の配電ネットワークを共有してよいと考えられ得る。

いくつかの構成では（図５〜図７）、発電機はスタンドアロン型装置であり、及び、本体１２及び回転子１３は、海流Ｗの流れに直角になるように水平に延びてよい。これらの構成では、１つの本体又は複数の本体は、パイロンアセンブリ８から延びる水平アーム上に取り付けられる。

図１の説明及び全ての図面に戻ると、本体１２及び回転子１３は、回転子本体６０及び固定子本体６２を有している。固定子本体６２は、回転子本体６０及び一体型の回転子本体１４に対して内側に配置される。回転子本体６０は、ケーシング１７が回転する時にケーシング１７と同じ割合で回転するように、ケーシング１４の内面に対して取り付けられる、又は、内面と一体化している。回転子本体６０及び固定子本体６２は、発電機及びモータによく見られるように電気巻き線を有しており、及び、これらの相対回転は、使用又はその後の蓄電のために送電網又は蓄電所のいずれかに伝送され得る電力を発生させる。

発電装置１０を設置するために、基部又はパイロン基部５０が水体５４の底５２上に配置される。スタブ又はボス５６が基部５０に取り外し可能に挿入されてよく、又は、基部５０と一体化されてよい。そして、本体１２は、スタブ又はボス５６上に回転可能に取り付けられる。そして、パイロンアセンブリ８の遠部５８は本体１２の遠端上に取り付けられる。遠部５８は、発電機５の回転のための回転ユニット５９を有している。そして、発電機５は、パイロンアセンブリ８の遠端７上に取り外し可能に取り付けられる。入射流Ｗからの電力は、消費者による使用のために利用されて電力ネットワークに伝送される、又は、その後の使用のために蓄電所へと伝送されてよい。

図３は、回転子本体巻き線６０及び固定された固定子本体巻き線６２を概略的に示す。回転子６０は非常に薄く示されているが、この図は概略的であり、主な部品の概念的な構成を示しているに過ぎない。固定子本体巻き線６２にも固定された固定シャフト７０が両端から延びる。

この説明の部分では、一実施形態の部品に関連する同一の符号が、別途に示さない限り別の実施形態の同一の部品を指している。

図４は、シャフト１７０により駆動される従来の構成（固定子の内側に回転子）において、回転子本体１６０及び固定子本体１６２を有する本体１１２に隣接して配置された従来の発電機１８０を示す、別の好適な実施形態の概略的な構成を示す。

図５は、脚部又はアーム８２上に取り付けられた固定シャフト７０を有する図３の発電装置を示す。脚部又はアームは、海底取り付けプラットフォーム（図示せず）に取り付けられる、又は、海底９４上に直接取り付けられる。

図６は、本体１２及び回転子１３がヨー軸線９１回りに回転することができるように、回転板装置９０上に取り付けられた固定シャフト７０を有する図３の発電装置を示す。回転は、ロール又はピッチを含む他の軸線回りに生じ得る。

図７は、浮力チャンバ９５、及び、固定メインシャフト９７に取り付けられたケーブル９８および９９を有する取付装置を有する、図３の発電装置を示す。海底９４上に取り付けられたウインチ９６は使用時に延び、その結果、本体１２及び回転子１３が、チャンバ９５内の浮力（いくつかの実施形態において可変である）の影響下で、海底９４上の様々な深さで、変動する強度の海流にアクセスするために持ち上がる。脚部及びアーム並びにケーブルは、回転子本体の姿勢を斜め又は水平から垂直へと調整するように、異なる長さ又は可変の長さで伸張可能であり得る。

監視及び制御システム（図示せず）は、様々な環境のパラメータ及び発電機の性能を監視して、本体１２及び回転子１３に対する最も効果的な高さを示すために提供され得る。

ブレードを過度の急流から保護するようにブレーキが提供されてよい。

広範に記載された本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、多数の変形及び／又は変更が、特定の実施形態において示すような本発明になされ得ることが当業者には理解されよう。本発明の実施形態は、それゆえ、あらゆる態様で例示的であって制限的でないと理解されるべきである。

Claims

回転軸線回りに回転する回転子であって、前記回転子に動作可能に取り付けられて前記回転子から延在し、前記回転軸線にほぼ直角な方向からの流水に作用を受けて前記回転子を回転させる複数のブレードを有するブレードアセンブリを備える、回転子を有し、
前記回転子は、前記回転子に対して内部に配置された固定子本体回りに回転して使用可能な電力を生成する一体型回転子本体を含む、水中発電装置。
前記回転子本体及び固定子本体は、前記回転子本体及び前記固定子本体の各々が電気巻線を有する発電素子の形状である、請求項１に記載の水中発電装置。
前記回転子本体及び／又は固定子本体はポンプ機構を有する、請求項１に記載の水中発電装置。
前記回転子本体は、環状体若しくは中空円筒、又は使用時に前記回転軸線と一致する中央軸を備えるケーシングの形状である、請求項１から３のいずれかに記載の水中発電装置。
前記ブレードアセンブリは、前記環状体又は中空円筒の外周壁上に取り付けられる、請求項４に記載の水中発電装置。
前記円筒は、使用時に、海底上に取り付けられたパイロン基部から延在するパイロンに動作可能に、又は、別の方法で接続する、請求項４又は５に記載の水中発電装置。
前記回転子本体は、前記回転子本体の遠位端又はヘッド端に配置された補足発電機に動作可能に、又は、別の方法で接続する、請求項１から６のいずれかに記載の水中発電装置。
前記ブレードアセンブリは、前記回転子本体の円周外壁上に配列された複数のブレードのバンド又は段の形態である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の水中発電装置。
約２〜２千のブレードのバンド又は段が提供される、請求項８に記載の水中発電装置。
約４〜１２のブレードのバンド又は段が提供される、請求項９に記載の水中発電装置。
前記ブレードは、Ｕ字断面、Ｖ字断面、又は、山形断面であり、及び、凹断面形状のキャッチ部分、及び、凸部形状のヘッド、又は前側部分を有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の水中発電装置。
前記ブレードは、根元での断面よりも先端で小さな断面を有するように先細りする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の水中発電装置。
前記ブレードのバンドは取り外し可能である、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の水中発電装置。
前記ブレードは、カートリッジ構成といった構成において取り外し可能であり、及び従って、いくつかのブレードは、カートリッジアセンブリの取り外しによる単一の取り外し動作において取り外し可能であり得る、請求項１２に記載の水中発電装置。
前記ブレードの迎角及び／又は長さは、入射潮流の方向及び速度の変動を活用してブレード効率及び／又は電力出力を高めるために、前記回転子の長さに沿った位置と共に変動する、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の水中発電装置。
回転軸線回りに回転する回転子であって、前記回転子に動作可能に取り付けられて前記回転子から延在するとともに前記回転軸線にほぼ直角な方向からの流水に作用を受けて前記回転子を回転させる複数のブレードを有するブレードアセンブリを備える、回転子を有し、
前記回転子は、回転子に対して内部に配置された固定子本体回りに回転して使用可能な電力を生成する一体型回転子本体を有し、
回転子装置は、海底上のマウントから延在する１以上のアーム又はケーブル上にほぼ水平に取り付けられる、水中発電装置。
前記アーム又はケーブルは、固定シャフトが海底に鋭角に取り付けられるように異なる長さであり得る、請求項１５に記載の水中発電装置。
前記アーム又はケーブルは、回転板に取り付けられる、若しくは、ヨー軸、ピッチ軸、又はロール軸回りの回転のための他の装置上に取り付けられる、請求項１５又は１６に記載の水中発電装置。
前記ケーブル又はアームは、前記本体が海又は水体の様々な深さで流れの中に配置され得るように、延在可能であり得る又は延在し得る、請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の水中発電装置。
前記回転子本体は、様々な高さで異なる流れにアクセスすることを容易にする調整可能な浮力を有する、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の水中発電装置。
前記ケーブルは、ウインチ、又は、海底に取り付けられた巻取り及び展開装置により延在され得る、請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の水中発電装置。