JP2016517924A - 潮力発電システムおよびその方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、水域における水面下の水の流れからエネルギィ抽出するシステムを提供する。このシステムは、当該支持フレーム上に機能モジュールを取り付けるための複数受け部を具える支持フレームを具える。複数受け部は、支持フレーム上に水平に配置した二次元アレイを形成するよう配置される。複数縦軸型タービンは受け部に交換可能に装填されるよう構成される。【選択図】図１Ａ

Description

本出願は発電用システムおよびその使用方法に関し、具体的には潮の運動エネルギィを電気またはその他のエネルギィ形態または貯蔵エネルギィへ変換する発電システムに関する。本発明は、限定的するものではないが、低速潮流への特定のアプリケーションを含む。

再生可能なエネルギィ源は、温室効果ガス放出を低減して、世界中に不規則に分散されている化石燃料への現在の高依存性を軽減する必要性により、将来必ず増大していく役割を担うと考えられている。

様々な再生可能なエネルギィのうちソーラーエネルギィおよび風力エネルギィがスペイン、アメリカまたはドイツといった国で、現在広く利用されている。しかしながら潮力エネルギィは、おそらく最も利用されていない形態の１つであり、潮力エネルギィはいくつかの商業的利用があるものの、関連する技術の殆どは未だ実際の応用への道を常にみながら新しい改良を伴う開発段階にある。多くの国は、海流速度の低い場所が豊富な海岸を有しており、潮力エネルギィの利用を増大して、化石燃料への依存を低減させる可能性がある。

米国特許第７，９０２，６８７（Ｂ２）号には、 複数の横軸型タービンベースの発電システムが記載されている。各タービンは、海底のテザーによって海底に置かれたまたは表面下に係留された構造フレーム内に支持されている。米国特許第７，９０２，６８７号のシステムは、指向性が高く、本来の正面方向から僅かに流れが逸脱すると、このシステムのエネルギィ出力が大幅に減少してしまう。

米国特許第７，４７０，０８６（Ｂ２）号には、共通構造支持体に配置された数個の横軸型タービンを具える海流発電システムが記載されている。アセンブリ全体は、当然浮遊しており、海底および海面の間の中間距離に位置する。このシステムは、アセンブリの角に装填された索を係留することで適所に保持される。米国特許第７，４７０，０８６Ｂ２号のシステムに関連する問題は、係留索がトロール船のような船で多く使用されている設備に簡単に絡まってしまうことである。

米国特許出願公開第２０１１／００８４４９０号には、深いところを流れる海流の力から電力を発生させるための縦軸型タービンシステムが提案されている。このタービンシステムは、破棄された油田の構造基盤を支持することができ、適切な改良を加えて、海中タービンを海底に展開させるコストを減らす。しかしながら米国特許出願公開第２０１１／００８４４９０号のシステムは、現存する油田がある位置でのみ利用できるか、あるいは油田型の基礎の復元が必要であるため、このシステムの経済的および物流的な利点は低減してしまう。

米国特許第８，２２２，７６１（Ｂ２）号には、海底に配置できる、海中電力を発生させるシステムが記載されており、これは、潮流内のデブリスからタービンを保護するフレームに整列支持された縦軸型タービンのリニアアレイを具えている。米国特許第８，２２２，７６１号のシステムは、支持フレーム構造体が原因で配置および取り付けが比較的難しい。さらに、タービンのメンテナンスおよび修理作業が複雑になる。

国際公開ＷＯ００／２８２１０号には、狭窄部を規定するシュラウド中に配置された１またはそれ以上のタービンで構成される潮力または水力発電システムが記載されている。タービンは、トランスバーサル領域が最小であり、流量が最大に達する狭窄部に位置している。この概念によって、浮遊物中や釣り用品から適切にタービンを保護することができ、改良エネルギィ出力が達成できる一方、シュラウドがタービンユニットへ簡単に接続できないため、これらのタービンのメンテナンス、修理、交換が困難である。

一般的に、上述したシステムを含めて従来のシステムに関連する１またはそれ以上の問題の解決に取り組んだ潮力発電装置および使用方法が必要である。

とりわけ本発明の主旨および目的は、配置とメンテナンスが容易に可能な潮力発電方法および／または装置を提供することであり、この方法および装置によれば潮流に伴う物質または釣り用具に対して適切に保護でき、潮流速度が遅い位置でエネルギィを経済的に発生させることができる。この位置では潮流の方向が、連続的にシフトしており、および／または、従来技術の一またはそれ以上の技術的な欠点および利点を除去するまたは軽減する。

特に、本発明の様態の一目的は、潮流速度が遅い位置で高エネルギィ出力を発生するように構成されたまたは最適化された方法および／または装置を提供し、潮流エネルギィを最終使用地点により近いところで発生して、初期費用および運転費用を低減することである。

本発明の第１様態では、ある水域において水面下の水の流れからエネルギィを抽出するためのシステムが提供されており、このシステムは、支持フレームであって、
その支持フレーム上に機能モジュール装着用の複数受け部を具え、この複数受け部が支持フレーム上で水平に配置した二次元アレイを形成するよう配置されている支持フレームと；および、
この受け部に交換可能に構成して装填された複数の縦軸型タービンユニットと、を具える。

好ましくは、このシステムは、受け部内に交換可能に装填するように構成された少なくとも１つの機能モジュールを具えていてもよい。

好ましくは、複数の縦軸型タービンユニットは、実質的に水平面に配置されていてもよい。

この複数の縦軸型タービンは、複数の縦軸型タービンのその他のタービンに対して縦方向にオフセットした縦軸型タービンのサブセットと共に配置してもよい。

１またはそれ以上の受け部は、エネルギィ貯蔵モジュール、蓄電池モジュール、水素電池モジュールもしくは制御モジュールのグループから選択される機能モジュールを具えていてもよい。

支持フレームおよび複数の縦軸型タービンユニットは、取り付け装置へけん引される、および／または、水域の底へ沈めるよう構成した一体型アセンブリを形成してもよい。

好ましくは、各タービンユニットが、タービンシャフトを具えていてもよい。より好ましくは、各タービンシャフトは、タービンシャフト下端部に位置した加圧区画を具えていてもよい。

好ましくは、加圧区画は流体密封されている、および／または、発電機ユニットを収容していてもよい。加圧区画はギアボックスを収容することができる。

好ましくは、加圧区画は支持フレームの受け部内に取り付けることができる。

好ましくは、各タービンユニットは、クイックコネクタによって受け部内に装填できる。クイックコネクタは流体圧によって操作可能である。

システムは、縦軸型タービンアレイの内へ入るまたはアレイから出て行く流れを制御可能に調節するよう操作できる少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリを具えていてもよい。好ましくは、少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリが、タービンアレイ中の所望の領域へ流れを向かわせるよう操作可能であってもよい。

この少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリは、制御モジュールからの制御信号に応じて、アレイへ入るまたはアレイから出て行く流れを停止させるために操作可能である。

少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリは、フェイルセーフクローズ機構を具え、これは、流れが速度閾値を上回った場合に作動するよう操作可能である。

好ましくは少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリは、水平指向性の流れデフレクタアセンブリであってもよい。より好ましくは、少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリが、垂直指向性の流れデフレクタアセンブリであってもよい。

少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリは、装置の制御モジュールからの制御信号に応じて作動するように構成できる。

好ましくは、制御モジュールは、取得した流れ状態データおよび／または操作データに応じて制御信号を生成するように構成できる。取得した流れ状態データおよび／または操作データは、流速、回転速度、トルク、振動データ、およびエネルギィ出力うちの１またはそれ以上から選択されたデータを含んでいてもよい。

好ましくは、取得した流れ状態データおよび／または操作データは、温度データを含んでいてもよい。

本発明の第２の様態によれば、ある水域で水面下の水の流れからエネルギィ抽出するシステムを組み立てる方法が提供されており、この方法は：
支持フレーム上に機能モジュールを取り付ける複数受け部を具える支持フレームを提供するステップであって、この複数受け部が支持フレーム上で水平に配置した二次元アレイを形成するように配置されているステップと；
複数の縦軸型タービンユニットまたは複数の縦軸型タービンユニットと１またはそれ以上の機能モジュールとを受け部に装填するステップと；
を具え、
複数の縦軸型タービンユニットおよび／または複数の機能モジュールが受け部内に交換可能に装着できることを特徴とする。

本発明の第２の様態の実施例は、本発明の第１様態またはその実施例の、１またはそれ以上の特徴を含んでもよく、その逆であってもよい。

本発明の第３の様態によれば、本発明の第１の様態によるシステムを用いて、ある水域で水面下の水の流れからエネルギィを抽出する方法が提供されている。

本発明の第３の様態の実施例は、本発明の第１または第２の様態またはその実施例の、１またはそれ以上の特徴を含んでもよく、その逆であってもよい。

本発明の第４の様態によれば、ある水域の水面下の水の流れからエネルギィを抽出するシステムを使用する方法が提供されており、その方法は：
ある水域の水底に本発明の第１の様態によるシステムを提供するステップと；
支持フレーム上の受け部にアクセスするステップと；
その受け部から縦軸型タービンユニットまたは機能モジュールを取り外すステップと；
を具える。

この方法は、受け部上方に配置したハッチを通して受け部にアクセスするステップを具えていてもよい。

この方法は、手動または機能モジュールを介して受け部から縦軸型タービンユニットまたは制御モジュールを取り外すステップを具えていてもよい。

この方法は、受け部に縦軸型タービンユニットまたは機能モジュールを取り付ける方法を具えていてもよい。

本発明の第４の様態の実施例は、本発明の第１から第３の様態またはその実施例の、１またはそれ以上の特徴を含んでもよい。

本発明の第５の様態によれば、ある水域における水面下の水の流れからエネルギィを抽出するモジュールシステムが提供されており、このシステムは：
支持フレームであって、その上に機能モジュールを取り付けるための複数受け部を具え、複数の受け部が、この支持フレーム上に水平に配置した二次元アレイを形成するように配置されている、支持フレームと；
複数の縦軸型タービンユニットと；
複数の機能モジュールと；を具え、
複数の縦軸型タービンユニットおよび複数の機能モジュールが、受け部に交換可能に装填されている。

本発明の第５の様態の実施例は、本発明の第１から第４の様態またはその実施例の、１またはそれ以上の特徴を含んでもよく、その逆であってもよい。

本発明の第６の様態によれば、ある水域における水面下の水の流れからエネルギィを抽出する装置が提供されており、この装置は；
支持フレームと；
支持フレームに装填された複数の縦軸型タービンと；を具え
支持フレームおよび複数の縦軸型タービンが、取り付け装置へけん引される、および／または、水域の底へ沈めるように構成した一体型アセンブリを形成し、
複数の縦軸型タービンユニットが、支持フレーム上に水平に配置した二次元アレイを形成している。

複数の縦軸型タービンは、実質的に水平面へ配置してもよい。代替的に、複数の縦軸型タービンは、複数の縦軸型タービンのその他のタービンに対して縦方向にオフセットした縦軸型タービンのサブセットと共に配置してもよい。複数の縦軸型タービンの第１のサブセットは、実質的に第１の水平面に配置してもよく、複数の縦軸型タービンの第２のサブセットは、第１の水平面からオフセットされている第２の水平面に実質的に配置してもよい。水平にオフセットされた縦軸型タービンのサブセットの軸の寸法は、縦軸型タービンのその他のタービンの軸の寸法と一致するように配置することができる、言い換えると、オフセットされた２つのサブセットは、同一水平面で交わってもよい。代替的に、オフセットされたタービンは軸が重ならないように配置してもよい。

好ましくは、この装置は、縦軸型タービンアレイへ流れるまたはこのアレイから出て行く流れを制御可能に調節するよう操作可能な少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリを具える。

本発明の第６の様態の実施例は、本発明の第１から第５の様態またはその実施例の、１またはそれ以上の特徴を含んでもよく、その逆であってもよい。

本発明の第７の様態によれば、本発明の第６の様態に係る装置を用いて、ある水域における水面下の水の流れからエネルギィを抽出する方法が提供されている。

本発明の第７の様態の実施例は、本発明の第１から第６の様態またはその実施例の、１またはそれ以上の特徴を含んでもよく、その逆であってもよい。

本発明の第８の様態によれば、ある水域における水面下の水の流れからエネルギィを抽出する装置を取り付ける方法が提供されており、その方法が；
支持フレームと、この支持フレーム上の二次元アレイ内でこの支持フレームに装填された複数の縦軸型タービンとを有する一体型アセンブリを具える装置を提供するステップと、
この水域の底に設置するように構成された、一体型アセンブリを沈めて二次元アレイが水面下の水の流れの中に実質的に水平に配置されるようにこの装置を海底に配置するステップと、を具える。

本発明の第８の様態の実施例は、本発明の第１から第７の様態またはその実施例の、１またはそれ以上の特徴を含んでもよく、その逆であってもよい。

本発明の第９の様態によれば、ある水域における水面下の水の流れからエネルギィを抽出する装置が提供されており、この装置は；
支持フレームと；
支持フレームに装填された複数の縦軸型タービンと；を具え、
複数の縦軸型タービンが、支持フレーム上に水平に配置した二次元アレイを形成しており；
この装置が、縦軸型タービンアレイの内に入るまたはこのアレイから出て行く流れを制御可能に調節するよう操作可能な少なくとも１つの流れデフレクタのアセンブリを具える。

この装置は、支持フレームの複数の側部に亘って指向されている複数の流れデフレクタアセンブリを具え、および／または、少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリが、支持フレームの一側部に実質的に平行に指向されていてもよい。少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリは閉位置と開位置との間の複数の中間点または中間点レンジに移動可能であってもよい。

好ましくは、少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリは、装置の制御モジュールからの制御信号に応じて作動する。制御モジュールは、取得した流れ状態データおよび／または操作データに応じて制御信号を生成できる。取得した流れ状態データおよび／または操作データは、流速、回転速度、トルク、振動データ、およびエネルギィ出力うちの１またはそれ以上から選択されたデータを具えてもよい。

好ましくは、少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリは、複数のデフレクタ部材を具える。この複数のデフレクタ部材は、支持フレーム側部に実質的に平行な方向をむいたデフレクタ部材を具えていてもよい。複数のデフレクタ部材は、実質的に水平に指向されたデフレクタ部材を具えてもよい。

複数のデフレクタ部材は、別のデフレクタ部材から独立して動くように操作可能なデフレクタ部材を具える、および／または、反対に動くように操作可能なデフレクタ部材を具えていてもよい。

代替的または付随的に、複数のデフレクタ部材は、同じように動くように操作可能なデフレクタ部材を具えていてもよい。

好ましくは、複数のデフレクタ部材は、移動可能な水平方向の角度位置を有する。

代替的または付随的に、少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリが、アレイへ入るまたはアレイから出て行く流れを、別の垂直方向の流れの位置へ向けるように操作可能であってもよい。

好ましくは、少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリは、アレイへ入るまたはアレイから出て行く流れを止めるように操作可能であり、制御モジュールからの制御信号に応じて、アレイへ入るまたはアレイから出て行く流れを止めるよう操作できる。

少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリは、フェイルセーフクローズ機構を具え、この機構は、水の流れが速度閾値を上回った場合に作動する。

好ましくは、支持フレームおよび複数の縦軸型タービンは、取り付け装置へけん引される、および／または、水域の底へ沈めるよう構成した一体型アセンブリを形成する。より好ましくは、複数の縦軸型タービンは実質的に水平面に配置されている。

複数の縦軸型タービンは、複数の縦軸型タービンのその他のタービンから垂直にオフセットした縦軸型タービンのサブセットと共に配置されてもよい。

この支持フレームは、支持フレームに機能モジュールを取り付けるための複数の受け部を具え、および／または複数の縦軸型タービンユニットが受け部内に交換可能に装填されるように構成できる。

本発明の第９の様態の実施例は、本発明の第１から第８の様態またはその実施例の、１またはそれ以上の特徴を含んでもよく、その逆であってもよい。

本発明の第１０の様態によれば、ある水域において水面下の水の流れからエネルギィ抽出する方法が提供されており、この方法は：
支持フレームおよび支持フレーム上に水平に配置した二次元アレイ中の支持フレームに装填された複数縦軸型タービンを具える装置を提供するステップと；
装置の上に配置した少なくとも１つの流れデフレクタのアセンブリを操作して縦軸型タービンアレイの内へ入るまたはこのアレイから出て行く流れを制御可能に調節するためにステップと；を具える。

この方法は、少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリを閉位置と開位置との間で動かすステップを具え、閉位置と開位置との間の複数の中間点または中間点レンジのうち少なくとも１つに、この少なくとも１つの流れデフレクタセンブリを動かすステップを具えていてもよい。

この方法は、装置の制御モジュールからの制御信号に応じて少なくとも１つの流れデフレクタを操作するステップを具え、さらに取得した流れ状態および／または操作データに応じて制御信号を生成するステップを具えていてもよい。

取得した流れ状態データおよび／または操作データには、流速、回転速度、トルク、振動データ、およびエネルギィ出力うちの１またはそれ以上から選択されるデータが含まれる。

取得した流れ状態データおよび／または操作データは、温度データを含んでいてもよい。

好ましくは、少なくとも１つの流れデフレクタアセンブリが、複数のデフレクタ部材を具え、この方法は、独立した複数のデフレクタ部材を操作するステップを具える。

この方法は、複数デフレクタ部材を反対に動かすステップを具えていてもよい。

この方法は、複数のデフレクタ部材の水平角度の位置を動かすステップを具えていてもよい。

好ましくは、この方法は、アレイへ入るまたはアレイから出る流れを別の垂直方向の流れ位置へ向けるステップを具えていてもよい。

この方法は、アレイへ流れが入るまたはアレイから出るのを停止させるステップを具え、制御モジュールからの制御信号に応じて、流れがアレイへ入るまたは出るのを停止するステップを具えていてもよい。この方法は、フェイルセーフクローズ機構を駆動することによって流れがアレイへ入るまたはアレイから出るのを停止させるステップを具えていてもよい。

本発明の第１０の様態の実施例は、本発明の第１から第９の様態またはその実施例の、１またはそれ以上の特徴を含んでもよく、その逆であってもよい。

例示によって、図を参照して本発明の様々な実施例を以下に記載する。
図１Ａは、本発明の実施例による潮力発電装置を第１の高さから見た側面図である。図１Ｂは、図１Ａに示す潮力発電装置の第２の高さから見た側面図である。図１Ｃは、図１Ａおよび図１Ｂに示す潮力発電装置の平面図である。図１Ｄは、図１Ａないし図１Ｃに示す潮力発電装置の斜視図である。 図２は、わかりやすくするために、図１の潮力発電装置を上板および流れシャッターを除いて示す斜視図である。 図３は、図１の潮力発電装置のベースフレームおよび保護フレームの斜視図である。 図４は、図１の潮力発電装置の縦軸型タービンユニットの斜視図である 図５は、図１の実施例によるタービンユニットの上部ベアリングアセンブリの断面図である。 図６は、装置１０の等角拡大図であり、デフレクタアセンブリを詳細に示す図である。

始めに、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｄおよび図２を参照すると、符号１０で示す潮力発電装置が示される。図１Ａから１Ｄは、それぞれ、装置１０の第１の側面図、第２の側面図、平面図、および等角図である。図２は、装置１０の他の構成要素の明確性を向上させるために、上板およびデフレクタアセンブリを取り除いた装置１０の等角図である。

装置１０は、３つの吸引管１１によって海底に固定されている。これらの吸引管は装置を固定し、作動時にシステムによって生じる負荷（けん引力、流体力学的および水力学的力）に必要な抵抗力を提供するよう設計されている。その他の基本システムは、例えばこの分野で知られているパイル、マッドマット（mudmats）、 海底貫通スカート、または重力ベースを含めて、本発明の原理（代替的、または吸引管との組み合わせ）から逸脱することなく使用できることは自明である。

３つの吸引管１１は、モジュール縦軸型タービンユニット２０の二次元アレイ１３が装着されているフレーム１２用の支持体を提供する。図３に最も明確に示すように、フレーム１２は、吸引管１１にボルトで締結されたスチールパイプセグメントでできたベースフレーム１４を具える（溶接または鋲締などのその他の固定方法も使用できる）。ベースフレーム１４は、対向する側部と平行に、頂部が切れている正三角形の一般的形状を有しており、モジュラー式の垂直型タービンユニット２０が装着された１０個の環状受け部またはハブ１６を支持している。３個の受け部またはハブ１６が、三角形状のベースの各辺に隣接しており、頂部が切れている三角形ベースの中央に、一の受け部１６がある。これらの受け部は、受け部に溶接されたスチールパイプセグメントによって相互に連結されている。その他のベースフレームの形状、数、または受け部の配置および組み立て方法は、本発明の原理から逸脱せずに実行可能であることが理解される。

トロール船設備への装置１０の抵抗を改善するため（すなわち、装置を容易にオーバートロール（overtrawlable）させる）、フレーム１２は更に、保護フレーム１８を具えている。このフレームも溶接されたスチールパイプセグメントでできており（図３で示すように）、ベースフレーム１４の外周に溶接されている。保護フレームの上部１９は、ベースフレーム１４とほぼ同じ形であり、ベースフレーム１４と同心であるが、サイズはより小さい。保護フレーム１８の外側垂直部材２２は、ベースフレームから保護フレームの上部１９に向けて上方向に、内側に角度が付いている。保護フレーム１８の上部１９は、スチールパイプセグメントで連結されたスチールパイプの中央リング２４を具える。従って使用時に、フレーム１２は、モジュラー式垂直型タービンユニット２０の二次元アレイ１３用の支持構造体および保護用の囲いを具える。フレーム１２は、頂部が切られている角から外見に延在すると共に、フレーム１２に直接取り付けたほぼ垂直な平面である流れデフレクタ３４用の支持体を具える。流れデフレクタ３４は、タービンアレイ１３へ入ってくる潮流を方向付ける。デフレクタ３４は、海底を指すスパイク付きの端部を有し、これは装置１０を海底に固定するときに海底に刺さる。デフレクタ３４の上端は、トロール漁船のギアがタービンにダメージを与えたりこのシステムに絡まったりすることなく潮力発電システム１０の上を容易にスライドして通過する面を提供している。従って、潮力発電システム１０は、漁業海域にも配設することができ、漁業設備と適合できる。デフレクタ３４の１つは、強化部分２２にけん引用の穴またはけん引ポイント２４を具える。

本例では、３個の流れデフレクタが設けられているが、代替実施例では流れデフレクタの数を増減させてもよい。別の形状の流れデフレクタを、代替実施例で使用してもよい。例示的に、代替のスパイクは、土壌条件、貫通の容易さ、洗堀の可能性に応じて使用することがある。本発明の代替実施例は、例えば、吸引管またはその他の基礎ポイントの上に平坦な縦型流れデフレクタ３４用のピボットマウントを具えており、このマウントによってアレイの特定側部への水の流れを選択的にチャネリングできる。

この装置１０は、更に、落下物および釣り具に対してタービンアレイを更に保護する上板３０と追加のタービン支持体を具えている。上板３０は、垂直型タービンユニット２０にアクセスできるタービンハッチ３２を各タービン上方に具えている。選択的に、フレーム１８の上面にはタービンの設置、修繕、メンテナンスを支援するツールパッケージ用のインターフェイス（図示せず）が設けられている。

水平指向性のデフレクタアセンブリ４０が、フレーム１２の外側に装着されており、これはベースフレーム１４の外周にほぼ平行なデフレクタ部材４２を具える。デフレクタ部材４２は、閉構成と開構成との間で移動可能であり、後述するように、装置に入る流量を変えることができる。

装置１０は、沖へ装置をけん引している間に必ず浮力が与えられる。浮力は、フレーム１２を形成する中空パイプセグメントによって提供され、必要があれば、あふれる浮力チャンバ（図示せず）によって追加の浮力が提供される。シンタクチックフォームの浮きなどのその他の取り外し可能な浮力要素を設けてもよい。海底技術の分野に知られているように、装置の浮力特性によって、けん引と沈める手順で１回の船旅で潮力発電システム１０を配設位置により簡単に配置することができる。特に装置１０の設置は、重量物起重機を必要とせずに実行できる。

図４は、図１および図２の装置で使用されるモジュラー式垂直型タービンユニット２０の等角図である。図４のタービンユニット２０は、らせん状のダリウス型である。この実施例のタービンユニットは、垂直に延びる３枚のブレード５２を有し、それぞれ非対称の水中翼プロファイルを有し、このプロファイルがそれぞれ６０度のらせん状のねじれを有する。ブレード５２は、互いに１２０度の位置にある。このブレードの構成は、バルスの影響を減らすためにタービンの回転全体に亘ってトルクが同様に分布するように選択されている。ブレード５２は、三等分に垂直に間隔を空けて配置したラジアルアーム５６のセットでタービンシャフト５４に連結されている。これは、本発明に使用できるタービンのタイプの一例にすぎないことは自明である。

タービンシャフト５４の下端部には、水の進入を防ぐために流体密封した加圧区画５８がある。この区画５８は、ギアボックスと発電機ユニット（図示せず）を収納しおり、タービンシャフト５４に連結されている。 従って各タービンユニットは自身の発電装置とギアボックスを具えている（ここでは必須である）。

加圧区画は、装置のベースフレーム１２の受け部１６内に適合する形状およびサイズである。従って各受け部は、タービンの境界セルを提供している。タービンユニット２０は、好ましくは受け部１６のどれにでも適合する標準モジュールであり、従ってユニットは交換可能でシステムの要求に従ってフレーム内に配置できるモジュールである。

各タービンユニットは、ベースフレーム受け部１６へ／受け部１６からタービンを速く確実な取り付け／取り外しができる適切なクイックコネクタ（図示せず）によってベースフレームの受け部１６へ装填される。代替実施例では機械コネクタを使用してもよいが、クイックコネクタは流体圧によって操作される。クイックコネクタは、タービンユニットと受け部にそれぞれ固定された上側および下側のコネクタアセンブリを具える。上側および下側のコネクタアセンブリを一つにして結合すると、このコネクタアセンブリが、上側および下側のコネクタアセンブリの間に配置した流体チャンバを規定する。吸引ポンプ３３に連結した流体コンジットシステム（図１Ｂ）と、各受け部に連絡したバルブ制御流動経路の構成により、流体チャンバへ入るおよび／またはこれから出て行く制御された流れが連結システムの圧力と負荷を共に減少させる。従って、吸引ポンプ３３は、受け部へユニットを固定する低圧容量を提供する。流体は、上側および下側の連結アセンブリ間にある流体チャンバに送り戻されて、タービンユニット２０を受け部から解放または取り外すことができる。

タービンユニット２０の上端部５９で、シャフト５４は、環状ベアリングアセンブリ６０に連結しており、これは装置のフレーム１２と上板３０とに装着されるように構成されている。図５は、装置内部のベアリングの配置６０を通る断面図である（フレーム１８の上側部分の要素を示している）。シャフト５４は、タービンの上板６２へ延在しており、ベアリングリング６４は、シャフトとタービンの上板の間に位置している。シャフト５４はタービンの上板６２に対して回転し、この上板はフレーム１８と上板３０に対して固定されている。負荷リング６６は、装置を介してタービンユニット２０の負荷を分散する。

受け部１６に装填されたタービンユニット２０とともに、区画５８は、電気ペネトレータによって装置１０の導電体システム（図示せず）へ電気的に接続されている。この導電体は、各ユニットから図１Ａに符号３５で示す、共通の水中着脱コネクタへ電気エネルギィを送るように構成されている。この水中着脱コネクタ３５によって、単一供給パイプライン（図示せず）と陸上の変電所を介して装置を配電網に接続することができる。

陽極３７が装置１０に設けられており、この分野で公知の腐食保護システムの一部を形成している。

図６は、デフレクタアセンブリ４０の特徴をより詳細に示す装置１０の等角図である。各デフレクタアセンブリ４０は、ベースフレーム１４の外周にほぼ平行なデフレクタ部材を具える。このデフレクタ部材４２は閉構造と開構造との間を移動可能であり、装置に入る流量を変更させる。デフレクタ部材４２は、フレーム１２の直立部材２２に固定されたピボットを中心に回転可能に装着されている。デフレクタアセンブリ４０ａはフレームのほぼ全長辺に亘って延在しており、デフレクタアセンブリ４０ｂは、直立部材２２とデフレクタ３４との間でフレーム１２の短辺に配置されている。

デフレクタ部材の動きは、装置７０上の制御モジュールから操作される電気サーボモータによって制御される。デフレクタ部材の位置は、特定の流れ状態でシステムからのエネルギィの生成に応じて制御モジュール７０により最適化される。制御モジュール７０は、各モジュラー式の各垂直型タービンから回転スピードおよび／またはエネルギィ出力といったデータを受け取り、各デフレクタ部材の角度変位を調整して、エネルギィ出力を改善する。

各デフレクタ部材４２は、互いに独立して調整することができ、同じアセンブリ内の他のデフレクタと同様に、または反対に回転する。逆回転は垂直方向で流体の集束が生じやすく、一方でその他の流れ状態では分散または層状に偏向することが好ましい。

デフレクタアセンブリの水平方向の角度位置を調整することで、装置の流入および流出の縦位置を調整して、タービンの適切な縦位置へ流れを向けて、システムの好ましい操作を行う。流れは、流体が当たる特定の水平面においてタービンへ向けられる。これは多くの場合に最適なエネルギィを出力する一方で、本システムのすべてのタービンユニットに最適であるというわけではない。アレイのタービンユニット周辺の流れの形は複雑で、流れの状態に応じて、全体としてアレイからより多くのエネルギィを出力するためには、特定のタービンユニットからのエネルギィ出力を低減させることが好ましい。例えば、大流量および／または必要な流量条件の上側動作閾値以下で作動するようタービンを維持するには、流れを制御するまたは制限するという考え方がある。

デフレクタ部材は、タービンアレイ中の所望の領域へ流れを向けるように自動的に配置される。例えば、制御モジュール７０が作動しない場合は、シャッターの位置は自動に制御することなく手動で制御できる。

デフレクタ部材を完全に閉じて、装置の１またはそれ以上の側部に沿って装置へ入るまたは装置から出て行く流れを停止することができる。例えば、装置を保護するためには、急流または乱流の状況で流れを止めることが必要である。タービンのスペースに入る流量を緩和するまたは減らすことで、タービンにブレーキ装置をかける必要が少なくなるか或いはなくなる。完全に流体を止める代わりに、１またはそれ以上のデフレクタ部材を部分的に閉じて、装置を通る流れを制限または阻止することができる。一実施例では、デフレクタアセンブリは、受動的なフェイルセーフクローズの特性を有するように構成されており、これは流れが速度閾値を超えた場合に作動する。流量状態が極めて高い場合、流れデフレクタが閉じて流れを止めて、タービンアレイをダメージから保護する。

上述のデフレクタアセンブリの変形例は、本発明の範囲内にある。例えば、装置１０は水平方向に指向性のある流れデフレクタアセンブリを具えているが、代替の実施例では、この装置が、水平デフレクタアセンブリと同様の原理によって作動して、タービンアレイ中の所望の領域へ流れを向ける１またはそれ以上の垂直指向性の流れデフレクタアセンブリを具えていてもよい。代替的または付随的に、デフレクタアセンブリの配置は、上述の電気サーボモータではなく、水力または機械的手段で制御できる。デフレクタ部材の形は、直線状かつ規制的である必要はなく、曲がったあるいはその他の複雑な形でデフレクタアセンブリを形成してもよい。

デフレクタアセンブリを設けることによって、装置はより広い範囲の潮流速度で操作することができる。例えば、低い潮流速度では、シャッターを特定の水平面での潮流速度を集束させて高めるように配置することができる。高い潮流速度となったときは、流れデフレクタが装置の高さ全体にその流れを広げて、タービンのある空間から離して流体の一部を偏向させることができ、その結果、タービンは、動作パラメータを超えて回転することがない（従って、タービンを制動する必要がなくなる）。この動作フレキシビリティの高さによって、例えば、エネルギィの需要が最も高いところに近い川や河口において、装置１０を広い範囲の場所に配置することが可能となる。エネルギィ需要に近い沖位置に装置を設置することで、高価で長い電力パイプラインの必要性も減らすことができる。装置は低速の潮域でも機能し、その配置は操作上より簡単（流れ状態が好ましいため）でコストがかからない。流れデフレクタアセンブリは、開状態にあるとき、（流れデフレクタ間の間隔よりも大きい物体に対して）または閉状態で（例えば、デブリのダメージのリスクがあると知られている、考えられている場合にあるとき）、流れの中のデブリに対する保護を具えている。

使用に先立ち、装置は、基盤構造およびタービンユニット２０を具えるフレーム１２を組み立てることで陸上にまたは海上施設に設定される。装置は、配置されるべき特定の位置の条件に従って設計され、組み立てられる。タービンユニット２０は、装置を取り付け位置にけん引して設置する前に、フレーム１２の受け部１６に装填され、電気ペネトレータが接続されて各タービンユニットを装呈の電送基盤に連結する。タービンユニット２０は、受け部１６内で交換可能であり、従って装置は、支持構造体およびタービンユニットを具えるモジュラー式のシステムを形成する。

装置１０のフレーム１２は１０個の受け部を具えているが、各受け部がそれに取り付けたタービンユニットを有する必要はない。いくつかのアプリケーションでは、１またはそれ以上の受け部１６が、エネルギィ貯蔵機能を実行するまたはその他のタイプの海底装置を含むモジュールを具えてもよい。例えば、タービンユニットの代わりに装置の受け部に蓄電池モジュールを配置してもよい。蓄電池は、装置のタービンユニットによって生じるエネルギィでチャージされ、海底設備の近くにエネルギィ源を提供するのに使用できる。代替的に（または付随的に）受け部は、水素燃料電池用のための取り装着ポイントを具えていてもよく、タービンユニットの操作で駆動して、これは、次に使用するエネルギィを保存する。代替的に（または付随的に）受け部は、海底制御モジュール用装着ポイントを具えていてもよい。

モジュールがどのように機能しようとも、装置１０に交換可能なモジュールとして都合よく取り付けられる。

所望する構成に装置を組み立てた後に、装置は確実にまたは中立的に浮力のある状態にし、沖位置へけん引され、取り付ける海底位置へ沈めることができる。海底に固定された装置とともに、海底パイプラインの水中着脱コネクタができて、装置を電極供給基盤に接続する。代替的に、装置の思い通りの配置が妨げられない場合は、電気的接続は、海面で完全に実行できたであろう。代替の構成では、複数の装置１０を互いに連結させて、装置１０をより大きいアレイとしてもよい。

使用の際、装置のデフレクタアセンブリ４０を開いて、装置のタービンユニットを潮流の流れに露出させて、タービンを回転させ、流れからエネルギィを抽出する。上記のように、装置で発生したエネルギィは制御モジュールによって監視されており、デフレクタアセンブリの位置をサーボモータによって操作して、装置に入るおよび装置から出て行く流れを最適化する。このモジュールの特性と装置１０の柔軟な構造は、異なるアプリケーションで装置の二次元アレイが異なる構造であってもよいことを意味する。（すなわち、異なる配置のタービンモジュールと、アレイ内で位置が異なるエネルギィ保存モジュールがある）。デフレクタアセンブリ４０によって、特定の流れ状態、および装置の特定の構成に従って流体を最適な状態にできる。

使用後は、装置１０からモジュールを取り外すか、交換するか、あるいは修理する必要がある。上述の実施例の構成は、受け部１６の上方に配置されたハッチ３２を介して装置１０の個々のモジュールへのアクセスが容易である。ハッチ３２は、ドライバーまたは遠隔作業機（ＲＯＶ）によって開き、タービンユニット（またはその他のモジュール）は、タービンユニットが手動または制御モジュール７０（制御モジュール７０で受けた遠隔信号で駆動される）を介して配置されている受け部から取り外される。取り外すモジュールはハッチを介して装置から容易に取り出される。モジュールは、例えば、ＲＯＶまたは海面からケーブルを使ってそれを持ち上げる、またはモジュールを制御可能な浮力装置に取り付けることによって海面に戻すことができる。モジュール（例えば、新しいまたは最近修理したタービンユニット）はハッチ３２を通して装置１０へ装填できる。有利なことに、個別モジュールは、装置の一部を形成するその他のモジュールの設置または操作を妨害せずに、取り外しおよび／または装着できる。選択的に、取り外しおよび／または交換が完了する間にデフレクタアセンブリを閉じて、周囲の海流から操作を分離して、タスク実行のための操作可能な範囲を増やすことができる。

本発明は、ある水域における水面下の水の流れからエネルギィを抽出するシステムを提供する。このシステムは、支持フレームを具え、この支持フレームはその上に機能モジュールを取り付けるための複数の受け部を具える。複数の受け部は、支持フレーム上に水平に配置した二次元アレイを形成するように配置される。複数の縦軸型タービンユニットは、これらの受け部に交換可能に装填されるように構成されている。

本発明はまた、ある水域において水面下の水の流れからエネルギィを抽出するための装置および使用方法を提供する。この装置は、支持フレームおよび支持フレームに装着された複数の縦軸型タービンを具える。支持フレームと縦軸型タービンは、装置をけん引しおよび／または水域の底へ沈めるよう構成した一体型アセンブリを形成しており、複数の縦軸型タービンは、支持フレーム上で水平に配置した二次元アレイを形成している。好ましい実施例では、装置は縦軸型タービンアレイの内または外への流れを制御可能に調節するよう操作可能な少なくとも１つの流れデフレクタのアセンブリを具える。

上述された実施例の様々な改変は、本発明の範囲内でなされており、本発明は、本明細書で明確に請求されているもの以外の特徴の組合せにまで及ぶ。

Claims (32)

1. 水域において水面下の水の流れからエネルギィを抽出するためのシステムであって、前記システムが：
   支持フレームであって、当該支持フレーム上に機能モジュール装着用の複数受け部を具え、前記複数受け部が前記支持フレーム上で水平に配置した二次元アレイを形成するよう配置されている前記支持フレームと；および、
   前記受け部に交換可能に構成して装填された複数の縦軸型タービンユニットと；
   を具えることを特徴とするシステム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記受け部内に交換可能に装填するように構成された１以上の機能モジュールを具えることを特徴とするシステム。
3. 請求項１または２に記載のシステムにおいて、前記複数の縦軸型タービンユニットが、ほぼ水平面に配置されることを特徴とするシステム。
4. 請求項１または２に記載のシステムにおいて、前記複数の縦軸型タービンが、前記複数の縦軸型タービンのその他のタービンに対して縦方向にオフセットした縦軸型タービンのサブセットと共に配置されることを特徴とするシステム。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載のシステムにおいて、１またはそれ以上の前記受け部が、エネルギィ貯蔵モジュールを具えることを特徴とするシステム。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載のシステムにおいて、１またはそれ以上の前記受け部が、蓄電池モジュールを具えることを特徴とするシステム。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載のシステムにおいて、１またはそれ以上の前記受け部が、水素燃料電池モジュールを具えることを特徴とするシステム。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載のシステムにおいて、１またはそれ以上の前記受け部が、制御モジュールを具えることを特徴とするシステム。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記支持フレームおよび前記複数の縦軸型タービンユニットが、取り付け装置へけん引され、および／または水域の底へ沈めるよう構成される一体型アセンブリを形成することを特徴とするシステム。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記各タービンユニットが、タービンシャフトを具え、当該タービンシャフトの下端部に位置した加圧区画を具えることを特徴とするシステム。
11. 請求項１０に記載のシステムにおいて、前記加圧区画が、流体密封され、発電機ユニットを収容することを特徴とするシステム。
12. 請求項１１に記載のシステムにおいて、前記加圧区画が、ギアボックスを収容することを特徴とするシステム。
13. 請求項１１または１２に記載のシステムにおいて、前記加圧区画が、前記支持フレームの前記受け部内に取り付けられること特徴とするシステム。
14. 請求項１乃至１３の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記各タービンユニットが、クイックコネクタによって受け部内に装填されることを特徴とするシステム。
15. 請求項１４に記載のシステムにおいて、前記クイックコネクタが、流体圧によって操作可能であることを特徴とするシステム。
16. 請求項１乃至１５の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記システムが、前記縦軸型タービンアレイの内へ入るまたはアレイから出て行く流れを制御可能に調節するよう操作できる１以上の流れデフレクタアセンブリを具えることを特徴とするシステム。
17. 請求項１乃至１６の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記システムが、前記タービンアレイ中の所望の領域へ流れを向けるように操作可能な１以上の流れデフレクタアセンブリを具えることを特徴とするシステム。
18. 請求項１６または１７に記載のシステムにおいて、前記１以上の流れデフレクタアセンブリが、制御モジュールからの制御信号に応じて、前記アレイへ入るまたはアレイから出て行く流れを停止させるために操作可能であることを特徴とするシステム。
19. 請求項１６乃至１８の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記１以上の流れデフレクタアセンブリが、フェイルセーフクローズ機構を具え、当該機構は、流れが閾値速度を上回った場合に作動するよう操作可能であることを特徴とするシステム。
20. 請求項１６乃至１９の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記１以上の流れデフレクタアセンブリが、水平指向性の流れデフレクタアセンブリであることを特徴とするシステム。
21. 請求項１６乃至１９の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記１以上の流れデフレクタアセンブリが、垂直指向性の流れデフレクタアセンブリであることを特徴とするシステム。
22. 請求項１６乃至２１の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記１以上の流れデフレクタアセンブリが、前記装置の制御モジュールからの制御信号に応じて作動するように構成されることを特徴とするシステム。
23. 請求項２２に記載のシステムにおいて、前記制御モジュールが、取得した流れ状態データおよび／または操作データに応じて前記制御信号を生成するように構成されることを特徴とするシステム。
24. 請求項２３に記載のシステムにおいて、前記取得した流れ状態データおよび／または操作データが、流速、回転速度、トルク、振動データ、およびエネルギィ出力のうちの１またはそれ以上から選択されたデータを具えることを特徴とするシステム。
25. 請求項２３または２４に記載のシステムにおいて、前記取得した流れ状態データおよび／または操作データが、温度データを具えることを特徴とするシステム。
26. 水域で水面下の水の流れからエネルギィを抽出するシステムを組み立てる方法であって、前記方法が：
    支持フレーム上に機能モジュールを取り付ける複数受け部を具える支持フレームを提供するステップであって、前記複数受け部が前記支持フレーム上で水平に配置した二次元アレイを形成するように配置されているステップと；
    複数の縦軸型タービンユニットまたは複数の縦軸型タービンユニットと１またはそれ以上の機能モジュールとを前記受け部に装填するステップと；
    を具え、
    前記複数の縦軸型タービンユニットおよび／または前記複数の機能モジュールが前記受け部内に交換可能に装着できることを特徴とする方法。
27. 請求項１乃至２５の何れか１項に記載のシステムを用いて、水域で水面下の水の流れからエネルギィを抽出することを特徴とする方法。
28. 水域で水面下の水の流れからエネルギィを抽出するシステムを提供する方法において、前記方法が：
    請求項１乃至２５の何れか１項に記載のシステムを提供するステップと；
    支持フレーム上の受け部にアクセスするステップと；
    前記受け部から縦軸型タービンユニットまたは機能モジュールを取り外すステップと；
    を具えることを特徴する方法。
29. 請求項２８に記載の方法において、前記受け部上方に配置するハッチを通して当該受け部にアクセスすることを特徴とする方法。
30. 請求項２８または２９に記載の方法において、手動または機能モジュールを介して前記受け部から縦軸型タービンユニットまたは制御モジュールを取り外すことを特徴とする方法。
31. 請求項２８乃至３０の何れか１項に記載の方法において、前記受け部に縦軸型タービンユニットまたは機能モジュールを取り付けることを特徴とする方法。
32. 水域における水面下の水の流れからエネルギィを抽出するモジュールシステムにおいて、前記システムが：
    支持フレームであって、当該支持フレーム上に機能モジュールを取り付けるための複数受け部を具え、当該複数の受け部が、前記支持フレーム上に水平に配置した二次元アレイを形成するように配置されている、支持フレームと；
    複数の縦軸型タービンユニットと；および、
    複数の機能モジュールと；を具え、
    前記複数の縦軸型タービンユニットおよび前記複数の機能モジュールが、前記受け部に交換可能に装填されていることを特徴とするシステム。

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