JP2014517190A - 海の波のエネルギを利用するタービン設備 - Google Patents

Abstract

本発明は、海の波のエネルギを利用するタービン設備に関するものであって、
−その下方の端部と上方の端部にそれぞれ開口部を備えたチャンバを有し；
−空気流を案内するための、両端が開放したパイプラインを有し；
−チャンバの下方の端部が、海水内へ沈めるように定められており、かつ上方の端部の開口部がパイプラインの端部の１つに接続されており；
−パイプラインによって包囲され、それに対して同軸に配置されたエネルギユニットを有し；
−エネルギユニットが、ロータブレードを備えた少なくとも１つのタービンロータおよびロータに対して同軸かつそれと駆動結合されたジェネレータを有しており；
−チャンバとエネルギユニットの間のパイプライン内に配置された、緩衝装置を有している。
本発明は、以下の特徴：
−緩衝装置が、少なくとも２枚のプレートを有する、ジャルージ装置であって、プレートがパーフォレーションを有し、かつパイプラインの横断面を少なくとも部分的に充填する、
ことを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明は、海の波を利用して、その中に含まれるエネルギを電気エネルギに変換するためのタービン設備に関する。

この種の設備は、たとえば特許文献１と２から知られている。

この種の設備は、以下のように構築されている：設備は、チャンバを有し、そのチャンバの下方の端部が開放されており、この開放した端部が海の中へ潜っている。チャンバは、その上方の端部にも同様に開口部を有している。さらに、空気流を案内するために用いられる、パイプラインが設けられている。パイプラインは、その開放した端部においてチャンバの上方の開口部に接続されている。パイプラインの他方の端部には、軸方向、半軸方向あるいは径方向の構造の、タービンロータおよび場合によっては、ロータと駆動接続された電気的なジェネレータとを有するエネルギユニットが設けられている。

チャンバ内の海水の水面は、海の波によって常に上下している；従って波の運動が、チャンバ内へ作用する。水面が上昇する毎に、チャンバ内に存在する空気量の排除が行なわれる。空気は、水面が上昇する際に排除されて、チャンバの上方の開口部を通り、それに伴ってパイプラインも通って流れ、そのパイプライン内にタービンが設けられている。この原理は、ＯＷＣ（Oscillating Water Column”）の概念で知られている。空気流がタービンを駆動し、従って電気的なジェネレータも駆動し、そのジェネレータがそのものとして電気エネルギを発生させる。

チャンバ内の水面が下降する場合に、空気流のみが反転して、同じプロセスが行なわれる。空気流の方向を顧慮せずに、タービンロータを１つの同じ方向に回転させる、機械的可能性がある。この種の可能性−いわゆるウェーブタービン−が、たとえば特許文献３に記載されている。

世界の海に含まれる波エネルギは、汲み尽くせない。年平均の波エネルギは、１０ｍの深さにおいて１０ｋＷ／ｍの規模であり、４０ｍの深さにおいては、５０ｋＷ／ｍである。しかし、問題は、豊富に存在するエネルギを経済的なやり方で利用し尽くすことにあるので、キロワット時間当たりのコストが競争力になる。これは、自然において生じるような、再生可能なエネルギを、経済的に活用し得るエネルギに変換するための多数の設備において、受容れ可能なコストにおいては、しばしば不可能である。従って説明した種類の設備の経済性は、効率に著しく依存している。影響を及ぼす可能性は、制限されている。

海面は、単位時間において異なる強さの程度で上昇する。荒れた海において特に高い波が発生した場合に過度に激しい上昇が生じると、パイプライン内の空気流の速度とそれに伴ってタービンに供給される体積流も、上昇する。

これは、タービン内の流れを途切れさせるので、欠点となり得る。それは、タービンのパワーの下降、騒音の発生、ロータ回転の乱れ、そして極端な場合にはタービンの機械的損傷をもたらす。

対策として、チャンバとタービンの間のパイプライン内に緩衝装置が設けられた。チャンバ内の圧力を制限する、圧力制限弁を設けることも、知られている。

これらすべての苦労は、所望の結果をもたらさなかった。圧力制限弁においては、チャンバ内の、従ってパイプライン内の圧力は、圧力下にある空気の泡立ちによって減少する。これは、それ自体利用可能なはずのエネルギの損失とそれに伴って設備の全効率の減少を意味する。さらに、圧力を制限するための既知の装置は、働きが比較的鈍い。

言及されている種類の設備における緩衝の問題は、特に北大西洋において生じる。海岸領域における波の力の約５０パーセントは、１５パーセントの暴風の荒波を含む。

パーフェクトな緩衝装置の理想機能が、図１０を用いて説明される：タービンがチャンバの全空気圧を吸収できる限りにおいて、ライン（ａ）に示すように空気圧がタービンへ完全かつ全部供給される。

上昇するチャンバ圧によってタービンが最大回転数に達した場合に、チャンバ圧の各上昇は、流れを途切れさせる；従って、タービンを通る最大所望の圧力降下が生じる−ライン（ｂ）を参照。

その時のチャンバ圧とタービンを通る最大許容される圧力降下の間の差が、ライン（ｃ）に示されている。緩衝装置の理想的な特性が、ライン（ｂ）の超過を阻止する。

過度に高い波の現象が、図１１を用いて示されている：縦軸にチャンバ圧ｐｋが示され、横軸には時間ｔが示されている。

破線は、タービンによって流れの途切れなしに処理することができる、最大許容される圧力を意味している。破線の上の圧力ピークは、緩衝によって除去されなければならない。

欧州特許公開公報ＥＰ００００４４１Ａ１ 英国特許公開公報ＧＢ２２５０３２１Ａ 英国特許公報ＧＢ１５９５７００Ｂ

本発明の課題は、請求項１の前文に記載されたタービン設備を次のように、すなわち、特に、体積流のピークにおいて迅速に反応し、かつ構造が簡単な緩衝装置によって、タービンのロータ上に過度に高い体積流が発生することが防止されるように、形成することである。

この課題は、請求項１の特徴によって解決される。

本発明によって、有害な圧力脈動が阻止されるだけではない。むしろ、エネルギが失われることも、回避される。チャンバ内に許容されない高さの空気圧が発生した場合に、本発明に基づくジャルージ装置が阻止すると、「過度に高い」エネルギが保たれて、作業サイクルを延長する。それはまず、チャンバ内の水レベルを低下させるが、水面が戻る際に再び完全かつすべて提供される。

本発明の本質は、パイプラインの横断面の少なくとも一部を覆う２つの部材を有する、ジャルージの形式の緩衝装置を使用することにある。２つの部材は、ジャルージの形式に従ってパーフォレーションを有する。パーフォレーションは、各形状、たとえば孔、矩形の切欠きなどを有することができる。それらが互いに対して摺動される。その場合に、摺動運動のストロークは、最小にするだけでよい。上述した摺動運動によって、パイプラインの横断面の極めて小さい部分、少し大きい部分を遮断することができ、あるいは横断面を全部遮断することができる。より激しい遮断またはより穏やかな遮断が、無段階に行なわれる。

本発明に基づくジャルージの操作は、自動的に行なうことも、機械的、電気的、空気式または油圧で操作することもできる。

２つの部材の移動可能なものの移動に拮抗作用するために、たとえば非線形のばねなどを設けることができる。ばね特性を然るべく選択することによって、各チャンバ圧のために、移動可能な部材の均衡位置が求められる。

その代りに、ばねの付勢を次のように、すなわち最大許容されるタービン圧力を上回るまでの間、移動可能な部材が移動しないように、調節することもできる。

２つの部材の摺動運動は、水平方向にも、垂直方向にも（その場合に自重がばね作用を支援する）行なうことができ、たとえば網分離または電流欠落の場合に、閉鎖プロセスももたらす（安全遮断機構）。

通常、ジャルージの２つの部材は、鋼または他の材料からなる平坦なプレートである。

図面を用いて本発明を詳細に説明する。図面には、詳細には以下のものが示されている。

従来技術に基づく波エネルギ発電所を示す斜視図である。 図１に示す波エネルギ発電所を垂直断面で示している。 従来技術に基づくエネルギ発生ユニットとしての、いわゆる波タービンを示す斜視図である。 本発明に基づくタービン設備を図式的に示している。 本発明に基づくジャルージ装置を示す上面図である。 図５に示すジャルージ装置を、遮断位置において、パイプラインを通る垂直軸断面で示している。 図５に示すジャルージ装置を、他の遮断位置において、パイプラインを通る垂直軸断面で示している。 図５に示すジャルージ装置を、さらに他の遮断位置において、パイプラインを通る垂直軸断面で示している。 ジャルージを、組み込んだ状態において再度示している。 パーフェクトな緩衝装置の理想機能を示している。 過度に高い波の現象を示している。

図１に示す波エネルギ発電所は、海岸領域内に、最も良いのは、高いエネルギ密度が支配する、漏斗形状の湾内にある。湾は、開放した海と接続されている。水は、常に移動している−波２を参照。発電所のうち、実質的にチャンバ１のみが見られる。

チャンバは、図２から認識されるように、下方が開放している。波２は、チャンバ１へ達する。波によって、チャンバ１内のレベルは、下方のレベルと上方のレベルの間で垂直方向に上下する−２つの垂直矢印を参照。

水面が上昇する場合に、チャンバ１内に封じ込められた空気が上方へ押しやられる。空気は、彎曲した矢印に沿って流れる。空気は、上方の開口部３を通してチャンバ１を去る。上方の開口部３には、パイプライン４が接続されている。これは、エネルギ発生ユニット５を有している。エネルギ発生ユニット５は、軸方向、半軸方向または径方向の構造のタービンを有し、そのタービンにそれに対して同軸のジェネレータが設けられている。

図３から認識されるように、主として使用されるパイプタービン５がさらに２つのロータ５．２、５．３を有している。これらはパイプライン４に対して同軸に配置され、かつそれによって包囲されている。２つのロータ５．２、５．３は、ジェネレータ５．４に作用する。その場合に、２つのロータ５．２、５．３は、空気流がどの方向からパイプライン４内へ流入するかを顧慮せずに、常に１つの同じ方向に回転するように形成され、かつ配置されている。従ってこのことは必要であり、かつ好ましい。というのは、チャンバ１内の空気は、水面が上昇する際には内陸へ向って、下降する際には内陸から離れるように流れるからである。

ジェネレータ５．４は、電気エネルギをここには図示されない電流網へ放出する。

図４に示す本発明に基づくタービン設備は、ここでも、下が開放したチャンバ１を有しており、その中で海面が上下運動を実施する。

ここでもチャンバ１には、パイプライン４が接続されている。その中に、波タービンとジェネレータとを有するエネルギユニット５が設けられている。

エネルギユニット５の前段に、本発明に基づく緩衝装置６が接続されている。同装置は２枚のプレートを有し、それらが互いに対して平行かつ空気流の方向に対して垂直に配置されており、かつこの場合においてパイプライン４の全横断面を充填している。

彎曲した矢印によって認識されるように、それぞれチャンバ１内の水面の上昇と下降に従って、チャンバ１からエネルギユニット５へ、そしてまた逆方向に空気流が生じる。

緩衝装置６は、ジャルージの形式に従って構築されている。同装置は２枚のプレート６．１、６．２を有している。これらは、互いに対し、かつ互いに接して滑り移動することができる。その場合に、一般に、２枚のプレートの一方が固定されており、他方は移動することができる。

図５は、ジャルージ装置６を、もっと正確に言うとその一方のプレート６．１を、上面で示している。プレートは多数のスロット６．１．１を有しており、それらは互いに並べて、かつ互いに重ねて配置されている。

ここには図示されない、第２のプレート６．１．２は、構造において同一である。

さらに説明するために、図６、７および８を参照するよう指示する。そこにおいても、パイプライン４内に組み込まれた、２枚のプレート６．１と６．２が認識される。なお、プレートは、パイプライン４の横断面に従って円形、方形または矩形とすることができる。

図６において、プレート６．１が固定であることが認識される。それに対してプレート６．２は、とくにプレート６．１に対して平行に、摺動可能であって、その場合にプレートの相対移動は、水平にも垂直にも行なうことができる。

図６の表示において、プレート６．２は、スロット６．１．１がスロット６．２．１と重なり合う位置にある。２つのプレートのスロットは、同一の輪郭を有し、かつ同一の大きさである。図６．１において、流れの緩衝は行なわれない。

図７の表示において、プレート６．２はその初期位置に対して摺動されており、かつ図６からわずかに上方へ持ち上がっている。２枚のプレートのスロットの部分的な重なりのみが行なわれる。従ってここでは、より強い緩衝が発生する。

図８の表示においては、そもそも両側のスロットの重なり合いまたは一致は行なわれない。むしろ、ジャルージ装置６はパイプライン４の横断面を完全に遮断する。

図６、７および８の３つの表示において、タービンはそれぞれジャルージ装置６の左側にある。

特に興味深い実施形態を示すのが、図９である。ここではジャルージ装置６は、３枚のプレート６．１、６．２および６．３を有している。中央のプレート６．３は常に固定であって、外側の２枚のプレート６．１と６．２は、流れ方向に対して垂直に摺動することができる。ジャルージ装置６の左側に、ここには図示されないエネルギユニットがあり、従ってチャンバは右にある。

２つの外側のディスク６．１と６．３が、ここでもスロット６．１．１と６．２．１を有している。スロットを形成するエッジは、丸くされており（楕円形状の参照）、スロットの（それぞれ流れ方向に応じた）適切な緩やかな拡幅ないし狭まりが、完全に開放された状態における流れ損失の減少をもたらす。

チャンバ１の側にあるプレート６．２は、特に波の強さに従って、閉鎖位置へ移動可能である。

エネルギユニット５の側にあるプレート６．１は、ここでも波の強さに従って、エネルギユニット５へ供給される流量を制御するために用いられる。

プレート６．１用のアクチュエータ７は、重力閉鎖装置と共に作動し、かつ安全装置として用いられる。

プレート６．２に対応づけられたアクチュエータ８は、空気式の制御シリンダである。

上述した駆動は、それぞれタービン設備の大きさと出力に応じて、純粋に機械的、電気的または油圧式とすることができる。

Claims (4)

1. 海の波（２）のエネルギを利用するタービン設備であって、
   １．１ その下方の端部とその上方の端部にそれぞれ開口部（３）を備えた、チャンバ（１）を有し；
   １．２ 空気流を供給するための、両端が開放したパイプライン（４）を有し；
   １．３ 前記チャンバ（１）の下方の端部が、海水内へ沈めるように定められており、かつ前記上方の端部の開口部（３）が前記パイプライン（４）の端部の１つに接続されており；
   １．４ 前記パイプライン（４）によって包囲された、それに対して同軸に配置されたエネルギユニット（５）を有し；
   １．５ 前記エネルギユニット（５）が、ロータブレードを備えた少なくとも１つのタービンロータ（５．２、５．３）と、前記ロータ（５．２、５．３）に対して同軸かつそれと駆動結合されたジェネレータ（５．４）とを有しており；
   １．６ 前記チャンバ（１）と前記エネルギユニット（５）の間の前記パイプライン（４）内に配置されている、緩衝装置（６）を有する；
   前記タービン設備において、以下の特徴：
   １．７ 前記緩衝装置（６）が、少なくとも２枚のプレート（６．１、６．２）を有する、ジャルージ装置（６）であって、前記プレートがパーフォレーション（６．１．１、６．１．２）を有し、かつ前記パイプライン（４）の横断面を少なくとも部分的に充填することを特徴とする海の波のエネルギを利用するタービン設備。
2. 前記ジャルージ装置（６）が、固定の中央のプレート（６．３）および前記固定のプレート（６．３）の両側にそれぞれ摺動可能なプレート（６．１、６．２）を有していることを特徴とする請求項１に記載のタービン設備。
3. 前記パーフォレーションが、スロット（６．１．１、６．１．２）からなることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン設備。
4. 前記パーフォレーション（６．１、６．２）を画成するエッジが、丸くされていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のタービン設備。

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