JP2013508601A - 水中発電機 - Google Patents

Abstract

水中発電機（１０）は、支柱（２２）の上端部に雄ボス（２４）を有する支柱（２２）を含む支持構造（１４）を含む。発電ユニット（１２）は、ハウジング（１５）と、ブレードセット（１６）とを有する。雌ソケット（２８）は、発電ユニット（１２）上に設けられ、雄ボス（２４）を受容するように構成される。回転ユニット（３０）は、上部分（５０）上に取付けられる電動ピニオン（５６）と、下部分（５２）上に取付けられる固定リングギア（５８）とを含み、電動ピニオン（５６）の動作が上部分（５０）を下部分（５２）に対してヨー軸を中心に回転させる。シール機構（６０）が上部分と下部分（５０、５２）の間に設けられ、回転ユニット（３０）内への水の侵入を阻止する。

Description

本発明は、全般的に、海流および潮流または川流などの水流から電力を発生させるための水中発電機に関する。

公知の水中発電機は、海流および潮流の力を利用してタービンブレードの回転を駆動し、それがさらにはジェネレータを駆動し電力を発生させる。

水中発電機の運転に最適な、適切な海流および潮流を有する場所は、水中発電機の配置には最適な環境でないことが多い。腐食環境、海洋生物への暴露、海洋生成物、遠隔位置および起伏のある底の地形のすべてが水中発電機の配置の成功に対して顕著な問題を生じさせる。

多くの場所には潮の変化とともに方向が逆転する、周期的に変動する流れがあり、他の場所には方向が異なる流れがある。水中発電機には典型的に単一のまたは狭い範囲の最適な水流方向があるため、特定の位置において発生させる電力を最大化するために、水の方向の変化を再指定（ｒｅａｄｄｒｅｓｓ）するために水中発電機が回転可能であることが望ましい場合がある。潮の位置のため、これは典型的に１８０°の回転を必要とする。

しかしながら、水中発電機を回転するために必要とされる複雑な機械は、厳しい水中環境においてすぐに汚損することが多い。これが頻繁な保守を必要とすることとなり、発電機は典型的には保守作業のために水上に引き上げなければならないため、費用がかかるとともに困難である。

起伏のある底の地形、浮遊バージから配置する際の波の動きおよび水中の流れにより、水中発電機の正確な配置は困難であることが多い。水の流れ方向に対する水中発電機のわずかなミスアライメント、または水平ミスアライメントでさえも、水中発電機の効率および効果的な運転にとって有害となりうる。

（毎時５海里程度の）ゆっくりと流れる海流からの電力出力を最大化するために、効率的なブレード設計もまた重要である。

本発明の目的は、上記の短所の１つ以上を実質的に克服するかまたは少なくとも改善する、あるいは有用な代替案を提供することである。

第１の態様では、本発明は、流水から電力を発生させるように構成されている水中発電装置を提供し、装置は、
支柱を含み、支柱の上端部に雄ボスを有する支持構造と、
ハウジングと、ハウジングに対する回転のために取付けられるブレードセットとを有する発電ユニットであって、ブレードセットは、発電装置が流水内に沈められると回転するように構成されている、発電ユニットと、
発電ユニット上に設けられる雌ソケットであって、雌ソケットは雄ボスを受容するように構成されている、雌ソケットと、
発電装置の上部分と発電装置の下部分の間に配置される回転ユニットであって、回転ユニットは、上部分に取付けられる電動ピニオンおよび下部分に取付けられる固定リングギアを含み、ピニオンがリングギアと噛合しており、電動ピニオンの動作が上部分を下部分に対してヨー軸を中心に回転させる、回転ユニットと、を含む。

好適な実施形態では、上部分はハウジングであり、下部分は雌ソケットである。代替的に、上部分および下部分は支柱の２つの部品である。

好ましくは、発電装置は、上部分と下部分の間に配置されるチルトユニットをさらに含み、チルトユニットは、上部分と下部分の間のピッチまたはロール軸を中心とする傾斜を調整し、発電ユニットを水平位置に維持するように構成されている。さらに好ましくは、チルトユニットは回転ユニットと一体である。

好適な実施形態では、好意的な係合構成が、雄ボスと雌ソケットの表面上に形成され、雄ボスと雌ソケットの間の回転運動を阻止する。好ましくは、係合構成は好意的なスプラインである。

好ましくは、雌ソケットは、拘束されずに雄ボス上に重力下で載り、かつ発電ユニットを単に持ち上げることにより雄ボスから解放することが可能である。

任意選択で、発電装置は、回転ユニットを制御し、発電性能のパラメータの変化に応じて発電ユニットの向きを調節する制御システムをさらに含む。

好適な実施形態では、ブレードセットは複数のブレードを含み、各ブレードは、ブレードの前縁からブレードの後縁までの寸法である弦を有し、翼弦は、ブレードルートから中間点まで長さが増加し、次いで、中間点からブレード先端まで長さが減少し、中間点はブレードのブレードルートからブレード先端までの長手方向の約３０％である。好ましくは、ブレードはブレードの長さに沿っていくらかのねじりを有する。

好ましくは、封止機構が上部分と下部分の間に設けられ、回転ユニット内への水の侵入を阻止する。

第２の態様では、本発明は、水中発電装置の発電ユニットを回転させるための回転ユニットを提供し、回転ユニットは、
第１の半径方向に突出する複数の歯および第２の逆半径方向に突出するリブを備えた固定リングギアを有する下部分と、
リングギアの歯と噛合した電動ピニオンおよびリングギアのリブを受容するよう構成される軸受溝を有する上部分と、を含む。

好適な実施形態では、歯は内側に突出し、リブは外側に突出する。

好ましくは、回転ユニットは封止機構をさらに含み、封止機構は、
下部分と上部分のうちの一方に設けられるチャンネルフランジと、
下部分と上部分のうちのもう一方に設けられ、かつシールフランジの半径方向の表面に設けられる１つ以上のシールを有するシールフランジと、を含み、
シールフランジは、チャンネルフランジ内に受容され、シールはチャンネルフランジの表面に係合し、回転ユニット内への水の侵入を阻止する。

好適な実施形態では、チャンネルフランジは下部分上に設けられ、シールフランジは上部分上に設けられる。

好ましくは、シールはリップシールである。

第３の態様では、本発明は、水中発電装置の発電ユニットを回転させるための回転ユニットを提供し、
下方向に突出する雄ボスと、下部分内に取付けられるリングギアとを有する下部分と、
上向きに突出する雄ボスと、上部分内に取付けられ、かつ下部分内に下方向に突出する電動ピニオンとを有し、ピニオンはリングギアと噛合している上部分と、
上部分と下部分の間に設けられ、回転ユニット内への水の侵入を阻止する封止機構と、を含み、
下部分と上部分の雄ボスは、発電装置の対応する雌ソケット内に受容されるように構成されている。

本発明の好適な実施形態がここで添付の図面を参照して特定の例によって記載される。

支柱上に取付けられる水中発電機を示す。 支柱上に取付けられる代替の水中発電機を示す。 水中発電機の発電ユニットを示す。 図３の発電ユニットの立面図である。 図３の発電ユニットの断面図である。 図５の発電ユニットの詳細な断面図である。 水中発電機の代替の発電ユニットの断面図である。 水中発電機の別の代替の発電ユニットの断面図である。 水中発電機の回転ユニットを示す。 図９のＡ−Ａに沿って切った断面図である。 図１０のＢ−Ｂに沿って切った断面図である。 水中発電機のための代替の回転ユニットの部分断面図である。 水中発電機の支柱の基部における回転ユニットの概略図である。 水中発電機の支柱の基部における代替の回転ユニットの概略図である。

図１は、発電ユニット１２と、支持構造１４とを含む水中発電装置１０を示す。

発電ユニット１２は、ハウジング１５と、ロータまたはブレードセット１６とを含み、ブレードセット１６は、中心ロータハブ１８上に取付けられる３つのブレード１７を有する。ブレードセット１６は、回転軸２０に対して略平行な流れの方向Ａの流水流に応答し、水平回転軸２０を中心として回転するように設計される。

支持構造１４は、上端部に雄ボス２４を有し、かつ下端部において基部プラットフォーム２６に取付けられる支柱２２を含む。基部プラットフォーム２６は、典型的には、捨石、コンクリートまたは他の安定用集塊を受容するための凹部を含む。基部プラットフォーム２６と支柱２２は互いに着脱可能であってもよい。代替的に、いくつかの実施形態では、支柱２２は海底に単に直に据え付けられる。

発電ユニット１２には、雄ボス２４を受容するように構成されている雌ソケット２８が設けられる。雌ソケット２８は、雄ボス２４上に下ろされ、重力下でその上に載るように設計される。雄ボス２４に対する雌ソケット２８の回転を防ぐためにスプライン２９が設けられる。重力が発電ユニット１２を適所に保持するため、発電ユニット１２を支持構造１４上に保持するためのロッキング機構、クランプまたは他の固定機構は必要ない。これが、発電ユニット１２を単に持ち上げることにより、雌ソケット２８を雄ボス２４から解放し、保守のために発電ユニット１２を引き上げることを可能にする。

いくつかの実施形態では、雌ソケット２８は、発電ユニット１２を単に持ち上げることにより雄ボス２４からの解放をなお可能にする一方で、重力連結を増すための機械的な拘束部を含む。これが時折の衝撃荷重に対してさらなる安全要素を付与する。

発電ユニット１２が支柱２２上に取付けられる際、雌ソケット２８は雄ボス２４に重なり、重なった部分は長さ約２メートルである。

支柱２２の上端部上に雄ボス２４を有することの１つの利点は、雌ソケットよりも支柱２２を保守することがより容易であり、泥砂および海洋生成物で目詰まりになる可能性がより低いことである。

発電ユニット１２には、ハウジング１５と雌ソケット２８の間に配置されるヨー回転ユニット３０もまた設けられる。回転ユニット３０はハウジング１５を雌ソケット２８に対して回転させるように構成されている。これは水の流れの流れ方向に面するためにハウジング１５とブレードセット１６を回転させることを可能にする。

ピッチ軸およびロール軸を中心とした発電ユニット１２のアライメントの調節を可能にするように構成されている、支柱２２上の中間位置に配置されるピッチおよびロールチルトユニット３１が示される。代替的に、ヨー回転ユニット３０は、ピッチおよびロールチルトユニット３１と一体であってもよい。

通常操作時、支柱２２上の上述の構成要素のすべておよび発電ユニット１２はブレードセット１６の下流側に配置される。

図２に示されるのは、発電装置１１０の代替実施形態であり、発電ユニット１１２は、ハウジング１１５と、ブレードセット１１６と、雌ソケット１２８とを含む。しかしながら、回転ユニット１３０は雌ソケット１２８の下に配置される。

この代替実施形態では、回転ユニット１３０には上部雄ボス１２４が設けられ、上部雄ボス１２４は、図１を参照して上述された実施形態と同じ手法で上部雄ボス１２４上に下ろされる雌ソケット１２８を受容するように構成されている。これは発電ユニット１１２を、回転ユニット１３０から独立して配置するとともに、保守のために引き上げることを可能にする。

支持構造１１４は、上端部に雌ソケット１２３を有する支柱１２２を含む。回転ユニット１３０には、回転ユニット１３０を支柱１２２上に取付けるために支柱１２２の雌ソケット１２３内に受容されるように構成されている下部雄ボス１２５もまた設けられる。

図３および図４に示されるように、発電ユニット１２は、単方向となるように設計された３つのブレード１７を備えるブレードセット１６を有する。単方向とは、それらが逆方向に流れる水ではなく、方向Ａに流れる水に応答してブレードセット１６の回転を駆動するように設計されることを意味する。各ブレード１７は、ブレード１７の前縁から後縁までの寸法であるブレード１７の弦３２がブレード１７の長さに沿って変化するように設計される。特に、弦３２は、ブレードルート３４から中間点３６まで長さが増加し、次いで、ブレード先端３６に向かって長さが減少する。中間点はブレード１７のブレードルート３４からブレード先端３６までの長手方向の約３０％である。ブレード１７は、また、リフト効率を向上するためにブレード１７の長さに沿っていくらかのねじりを有する。

図５およびより詳細に図６を参照すると、発電ユニット１２は断面図で示される。ブレードセット１６は、ロータハブ１８を介して、軸受アセンブリ４１とブレーキアセンブリ４２とを通って変速機４４まで延在するロータシャフト４０に取付けられる。ジェネレータユニット４８を駆動するためのドライブシャフト４６が変速機４４から延在する。

図７を参照すると、発電ユニット２１２の代替実施形態が示され、ロータハブ２１８は、軸受アセンブリ２４１を通って変速機２４４まで延在するロータシャフト２４０に取付けられる。ドライブシャフト２４６が変速機２４４から延在するとともに、ブレーキアセンブリ２４２を通って延在し、ジェネレータユニット２４８を駆動する。ブレーキアセンブリ２４２をロータシャフト２４０ではなくドライブシャフト２４６上に配置することにより、ブレードセットを停止するために必要とされるブレーキトルクが低減する。

図８は、変速機のない発電ユニット３１２のダイレクトドライブ実施形態を示す。軸受アセンブリ３４１とブレーキアセンブリ３４２とを通って延在し、ジェネレータユニット３４８を駆動するロータシャフト３４０に、ロータハブ３１８が取付けられる。

図１０は図９の線Ａ−Ａに沿った断面図であり、図１１は図１０の線Ｂ−Ｂに沿った断面図であり、回転ユニット３０は、図９から図１１により詳細に示される。下部分５２に対する回転のために、上部分５０が回転ユニット３０により取付けられる。モータ５４が上部分５０に取付けられ、ピニオン５６を駆動する。ピニオン５６は下部分５２に取付けられる固定リングギア５８に係合する。モータ５４により駆動されると、ピニオン５６は固定リングギア５８の周りを移動し、上部分５０を下部分５２に対して回転させる。

シール機構６０は、上部分５０上の外側フランジ６２と、下部分上の内側フランジ６４と、シール６６とを含む。外側フランジ６２は、２つのフランジ６２，６４が垂直に重なるように内側フランジ６４上に下方向に突出する。一連のシール６６が外側フランジ６２の内部表面と内側フランジ６４の外部表面との間の凹部内に配置される。シール機構６０は上部分５０と下部分５２との間の水の侵入を阻止する。

また、内部領域への水の侵入をさらに阻止するためにダイアフラム板６８が設けられる。

任意選択で、フラッド状態の摩擦軸受が使用されうる。さらなる任意の配置では、ピニオンギアはリングギアの外側に設けられ、リングギアの歯は外側に面する。

上部分７２と下部分７４の間の代替の回転ユニット７０が図１２に示される。回転ユニット７０は、ピニオン７６がプレート７８の下に突出するように、上部分７２のプレート７８上に取付けられる２つの電動ピニオン７６を含む。内側に面するリングギア８０は、ピニオン７２を取り囲んで、かつそれと噛合して下部分７４の上部に取付けられる。

プレート７８は、プレート７８から下方向に、リングギア８０の半径方向外側に突出する、下方向に下がる軸受フランジ８２を有する。軸受フランジ８２は、リングギア８０の外部表面から外側に向かって突出し、かつ軸受フランジ８２内に受容される円形のリブ８６を支持する、内側に面する円形の軸受溝を画定する。

ピニオン７６が駆動されると、それらはリングギア８０の内周周りを移動し、強制的にプレート７８を回転させる。軸受フランジ８２の円形のリブ８６周りの動きがプレート７８の回転を可能にする。

封止機構８８は、下部分７４上に設けられる外側チャンネルフランジ９０と、上部分７２から突出するシールフランジ９２とを含む。シールフランジ９２は、チャンネルフランジ９０内に受容され、シールフランジ９２上のリップシール９６は下部分７４の外部表面９４を封止する。これは回転ユニット７０への水の侵入を阻止する信頼性の高い封止形態を提供する。

図１３は、基部プラットフォーム１０４に対する軸方向の回転のために支柱１０２が取付けられる基部回転ユニット１００を示す。スカート１０６が支柱１０２から下がり、基部プラットフォーム１０４内の駆動機構１０８に係合し、基部プラットフォーム１０４に対する支柱１０２の回転を駆動する。軸受１０３は、支柱１０２が基部プラットフォーム１０４に対して回転することを可能にする。

図１４は、別の基部回転ユニット２００を示し、支柱２０２が、基部プラットフォーム２０４上に設けられる、上向きに突出する支柱ソケット２０５内に、基部プラットフォーム２０４に対する回転のために取付けられる。駆動機構２０８が支柱ソケット２０５内に設けられ、支柱２０２に係合し、その回転を駆動する。

本発明は特定の実施例を参照して記載されたが、当業者には本発明が多くの他の形態で具現化されてもよいことが認識される。

Claims (18)

1. 流水から電力を発生させるように構成されている水中発電装置であって、
   支柱を含み、前記支柱の上端部に雄ボスを有する支持構造と、
   ハウジングと、前記ハウジングに対する回転のために取付けられるブレードセットとを有する発電ユニットであって、前記ブレードセットは、前記発電装置が前記流水内に沈められると回転するように構成されている、発電ユニットと、
   前記発電ユニット上に設けられる雌ソケットであって、前記雌ソケットは前記雄ボスを受容するように構成されている、雌ソケットと、
   前記発電装置の上部分と前記発電装置の下部分の間に配置される回転ユニットであって、前記回転ユニットは、前記上部分に取付けられる電動ピニオンと前記下部分に取付けられる固定リングギアとを含み、前記ピニオンが前記リングギアと噛合しており、前記電動ピニオンの動作が前記上部分を前記下部分に対してヨー軸を中心に回転させる、回転ユニットと、
   を含む、発電装置。
2. 前記上部分は前記ハウジングであり、前記下部分は前記雌ソケットである、請求項１に記載の発電装置。
3. 前記上部分と前記下部分は前記支柱の２つの部品である、請求項１に記載の発電装置。
4. 前記上部分と前記下部分の間に配置されるチルトユニットをさらに含み、前記チルトユニットは、前記上部分と下部分の間のピッチまたはロール軸を中心として傾斜を調節し、前記発電ユニットを水平位置に維持するように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電装置。
5. 前記チルトユニットは前記回転ユニットと一体である、請求項４に記載の発電装置。
6. 好意的な係合構成が前記雄ボスと雌ソケットの表面上に形成され、前記雄ボスと雌ソケットの間の回転運動を阻止する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発電装置。
7. 前記係合構成は好意的なスプラインである、請求項６に記載の発電装置。
8. 前記雌ソケットは、拘束されずに前記雄ボス上に重力下で載り、かつ前記発電ユニットを単に持ち上げることにより前記雄ボスから解放することが可能である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発電装置。
9. 前記回転ユニットを制御し、発電性能のパラメータの変化に応じて前記発電ユニットの前記向きを調節する制御システムをさらに含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の発電装置。
10. 前記ブレードセットは複数のブレードを含み、各ブレードは、前記ブレードの前縁から前記ブレードの後縁までの寸法である弦を有し、前記翼弦は、ブレードルートから中間点まで長さが増加し、次いで、前記中間点からブレード先端まで長さが減少し、前記中間点は、前記ブレードの、前記ブレードルートから前記ブレード先端までの長手方向の約３０％である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の発電装置。
11. 前記ブレードは前記ブレードの長さに沿っていくらかのねじりを有する、請求項１０に記載の発電装置。
12. 封止機構が前記上部分と前記下部分の間に設けられ、前記回転ユニット内への水の侵入を阻止する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の発電装置。
13. 水中発電装置の発電ユニットを回転させるための回転ユニットであって、
    第１の半径方向に突出する複数の歯と、第２の逆半径方向に突出するリブとを備えた固定リングギアを有する下部分と、
    前記リングギアの前記歯と噛合した電動ピニオンと、前記リングギアの前記リブを受容するよう構成される軸受溝とを有する上部分と、を含む、回転ユニット。
14. 前記歯は内側に突出し、前記リブは外側に突出する、請求項１３に記載の回転ユニット。
15. 封止機構をさらに含み、前記封止機構は、
    前記下部分と上部分のうちの一方に設けられるチャンネルフランジと、
    前記下部分と上部分のうちのもう一方に設けられ、かつ前記シールフランジの半径方向の表面に設けられる１つ以上のシールを有するシールフランジと、を含み、
    前記シールフランジは、前記チャンネルフランジ内に受容され、前記シールは前記チャンネルフランジの表面に係合し、前記回転ユニット内への水の侵入を阻止する、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の回転ユニット。
16. 前記チャンネルフランジは前記下部分上に設けられ、前記シールフランジは前記上部分上に設けられる、請求項１５に記載の回転ユニット。
17. 前記シールはリップシールである、請求項１５または１６のいずれか１項に記載の回転ユニット。
18. 水中発電装置の発電ユニットを回転させるための回転ユニットであって、
    下方向に突出する雄ボスと、前記下部分内に取付けられるリングギアとを有する下部分と、
    上向きに突出する雄ボスと、前記上部分内に取付けられ、かつ前記下部分内に下方向に突出する電動ピニオンとを有し、前記ピニオンは前記リングギアと噛合している、上部分と、
    前記上部分と前記下部分の間に設けられ、前記回転ユニット内への水の前記侵入を阻止する封止機構と、を含み、
    前記下部分と上部分の前記雄ボスは、前記発電装置の対応する雌ソケット内に受容されるように構成されている、回転ユニット。

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