JP2017505401A - 水中発電プラント - Google Patents

Abstract

本発明は水中発電プラント（１）に関する。当該発電プラント（１）は構造体（２）およびビークル（３）を備える。ビークル（３）は少なくとも一つのテザー（４）によって構造体（２）に取り付けられるように配置される。ビークル（３）は、このビークル（３）を通過する流体の流れによって所定の軌道で移動するよう配置される。ビークル（３）は第１のウイング（５）および第２のウイング（６）を備え、第１のウイング（５）は長手方向に第２のウイング（６）から第１の距離だけ離れて配置され、かつ、第１のウイング（５）は横方向に第２のウイング（６）から第２の距離だけ離れて配置される。

Description

本発明は水中発電プラントに関する。発電プラントは構造体およびビークルを備える。ビークルは少なくとも一つのテザーを用いて構造体に取り付けられるように配置される。ビークルは、ウイングを通過する流体の流れにより、所定の軌道で移動するように配置される。

水中発電プラントは特許文献１から当技術分野において知られている。特許文献１に開示された発電プラントは、ウイングに取り付けられたタービンおよび発電機を含むナセルを備えた一つのウイングを含むビークルを備える。発電プラントは、ウイングを通過する流体の流れにより所定の軌道で移動するように配置される。

流体を通って移動するウイング付き物体は誘導抗力を受ける。誘導抗力はウイングの効率を低下させ、揚力を減少させる。ウイングのチップにおいて、流体は、ウイングの下側からウイングチップ渦を発生させるウイングの上面側へと流れ、ウイングの有効迎え角を減少させる。ウイングの上を流れる流体からのウイングの誘導抗力によって、ウイングは所望の揚力を発生させるために大きな面積を持たなければならない（誘導抗力はウイングの全体的な効率を低下させる）。引用文献１に記載の発電プラントのビークルは、速度が大きく変化し得る潮の流れで動作する。流体の流れが低速流でビークルを推進させるために、引用文献１に記載された発電プラントのビークルのウイングは、所望のビークル速度を達成するのに必要な揚力を発生させるために大きな平面図形面積を必要とする。これによって、発電プラントは製造および取り扱いの両方が困難になる。

引用文献１は、スペーサ要素によって分離された、一方が他方の上に配置された二つ以上のウイングを備えたビークルを有する可能性を論じている。一方が他方の上に配置された二つのウイングを持つことは、そうした解決策はウイングの有効性を低下させるウイング上の大きな圧力勾配を生じるために、上記の問題の全てを解決しない。したがって改良された水中発電プラントが求められている。

欧州特許第１８１６３４５号明細書

本発明の一つの目的は、上述した問題が少なくとも部分的に回避される新規な水中発電プラントを提供することである。この目的は、請求項１の特徴部分の機能によって達成される。

本発明は水中発電プラントに関する。当該発電プラントは構造体およびビークルを備える。ビークルは、少なくとも一つのテザーを用いて構造体に固定されるように配置される。ビークルは、当該ビークルを通過する流体の流れにより、所定の軌道で移動するように配置される。ビークルは第１のウイングおよび第２のウイングを備え、第１のウイングは長手方向に第２のウイングから第１の距離を置いて配置され、かつ、第１のウイングは横方向に第２のウイングから第２の距離を置いて配置される。

二つのウイングを使用し、かつ、ウイングを長手方向および横方向の両方に分離することにより、依然として同じ効率を維持しながら各ウイングの面積を小さくすることができる。代替的に、先行技術のビークルのウイングと同じ総面積を持つ二つのウイングは、動力比に対して増大した揚力を、そしてこれにより向上した効率を有する。

二つのウイングを一方を他方の上に直接配置することによって、各ウイングの周りに形成される圧力領域はウイング周りの低圧および高圧領域を増幅することによって互いに相互作用するようになる。大きな圧力勾配がこれによって形成され、渦の生成および流れの分離を伴う問題につながる。本発明では、この代わりに、横方向に距離を置いてウイングを配置し、これによって、異なる圧力領域は圧力勾配を減衰させることによって相互作用させられる。

一つの代替的解決策は、本質的に同じ長手方向の平面内で順次長手方向に配置された二つのウイングを有することであってもよい。この場合、第１のウイングによって生成されるウイング端渦は、第２のウイングハンドによって生成されるウイング端渦と一致する。ウイング端渦は、これによって、総誘導抗力は、ビークルが唯一つのウイングを備えるかのように本質的に同じになるように増幅される。この形態は、したがって、さほど効率的でないウイング形態をもたらす。

横方向だけでなく長手方向にウイングを分離させることにより、第１のウイングおよび第２のウイングによって生成される渦はそれぞれ分離される。これによって、上述したように、二つのウイングを一方を他方の上に直接配置すること、あるいは二つのウイングを本質的に同じ長手方向の平面内で順次長手方向に配置することによる作用は著しく低減される。第１のウイングは、好ましくは、横方向において上方に、かつ、長手方向において第２のウイングの前方に配置される。この形態は、反対の場合よりも高い度合の渦分離を生じさせる。

誘導抗力は、以下の式によって数学的に記述できる。
C_Di = C_Ltan(α_i) = C_L²/πA （１）
D_i = W²/(πqb²) （２）
ここでC_Diは流れの方向における揚力成分の最小係数であり、C_Lは揚力係数であり、α_iは誘導角度であり、Aはウイングのアスペクト比であり、D_iは誘導抗力であり、Wは揚力Lとも等しいウイングの重量であり、qは動圧であり、ｂはウイングのスパンである。より詳細な説明は、Fluid-Dynamic Drag、Practical Information on Aerodynamic Drag and Hydrodynamic resistance、Sighard F. Hoerner(1965,1992); Hoerner Fluid Dynamics、Bakersfield、米国; LCCN 64-019666に見出すことができる。

半分だけ揚力を低減させることは、四分の一への誘導抗力の低減を生じる。一つのウイングの揚力に対応する揚力を備えた二つのウイングを有する（すなわち各ウイングが本来のウイングの半分の揚力を有する）ビークルは、例えばＥＰ１８１６３４５のビークルと比べて、一つのウイングのみを有するビークルの誘導抗力の半分の誘導抗力を有する。

第１のウイングの第１の右側端部と第２のウイングの第２の右側端部とは第１の流体力学的要素によって接続され、かつ、第１のウイングの第１の左側端部と第２のウイングの第２の左側端部とは第２の流体力学的要素によって接続され、これによって閉じたウイングを形成する。閉じたウイングは、ウイングチップ渦を生成するウイングチップを持たない。この形態は全体的な抗力を低減し、これによって効率の向上をもたらす。閉じたウイング形態によって、ウイングの面積は、ウイングスパンを減少させることによって小さくすることができる。これによって、ビークルはよりコンパクトになり、したがって設置およびメンテナンス時の取り扱いが容易になる。効率を維持しながらウイングの面積を小さくすることができるという事実は、改善された発電プラントのためのビークルのさまざまな設計のための可能性をもたらす。唯一つのウイングを備えたビークルと同じ総平面図形面積を有する閉じたウイングは僅かな誘導抗力しか受けず、これは、より効率的なビークルに、すなわちより多くのパワーおよびスピードを生み出すより大きな揚力につながる。唯一つのウイングを備えたビークルと同じ総揚力を生じる閉じたウイングは、低減された誘導抗力による、より小さな平面図形面積を有することができ、これは低い摩擦あるいは粘性抵抗につながる。

短いウイングスパンはさらに、内側ウイングチップ失速のリスクを増大させることなく、ビークルがよりシャープにターンすることを可能とする。小さなターン半径によって、これまで可能であったよりも小さな深さの場所に発電プラントを設置できるようになる。と言うのは、表面および底から軌道の最深および最浅ポイントまでの距離を低減できるからである。

ウイングを閉じる流体力学的要素は流体力学的に形成されてもよい。それらが流体力学的に形成される場合、横方向に延びる流体力学的要素は横方向のウイングとして使用することができる。これはビークルのより容易なターンを可能とする。発電プラントのビークルがテザーによって取り付けられるために、ビークルは飛行機のようにバンクしないが、その代わりに所定の軌道に沿って方向を変えるときにヨーイングする。

横方向に延びる流体力学的要素、例えば横方向ウイングは、ビークルがヨーイングによってターンするために必要な揚力を生成する横方向操舵面を備えたビークルを提供する。

さらに、流体力学的な形状とされた流体力学的要素を持つ閉じたウイングを持つことで、水平ウイングと同様の効果が達成され、すなわちウイングチップ渦が垂直面から生成されないが、それはウイングを閉じないウイングレットが使用された場合には事実であろう。

ビークルは発電機を含むナセルを備えることができ、発電機はタービンに取り付けられ、この場合、ナセルは第１のウイングと第２のウイングとの間に配置される。タービンに取り付けられた発電機を含むナセルビークルを備えるビークルを装備することによって、ビークルが流体を通って移動し、これによって発電機を回転させるときに回転するタービンによってビークルは電力を発生させることができる。本発明に係るウイング形態を備えたビークルを有することによって、ビークルは効率を維持しながらより小さくすることができ、あるいは電力生成の効率をビークルのサイズを維持することによって増大させることができる。例えばリニア発電機あるいはウィンチをテザーに取り付けることによって発電プラントの別な部分から電力を抽出することも可能である。電力は、この場合、軌道中のビークルと基礎との間の距離の変化から生み出される。本発明に係るビークルはさらに、ラダーの大部分または全体がウイング間に配置されるのでラダーのためのさらなる保護を可能とする。

第１のウイングおよび第２のウイングは同じ形状を有しても異なる形状を有してもよい。第１のウイングおよび第２のウイングが同じウイング形状を有する場合、ウイングのいずれに関しても専用化は必要とされないので製造方法は簡単かつ安価なものとなる。交換用ウイングを保持することもまた費用を抑える。と言うのは、単一のタイプのウイングは第１のウイングおよび第２のウイングの両方と置き換わることができるからである。第１のウイングおよび第２のウイングが異なるウイング形状を有する場合、特定の現場条件のためにビークルの流体力学的特性を調整することが可能であり、これによってビークルの効率がさらに増大する。ターン半径を低減できるので、従来技術の発電プラントよりも浅い深さの場所に発電プラントを設置できるようにビークルを調整することも可能である。同じまたは異なる形状を有することに加えて、第１のウイングおよび第２のウイングは、調整可能性をさらに高める同じ平面図形面積あるいは異なる平面図形面積を有することができる。

第１のウイングおよび第２のウイングのピッチ角度は互いに調整することができる。これはビークルのピッチ方向の操舵を可能にする。ビークルの増大した操舵能力を可能とする他に、ウイングはまた、ビークルが流体の流れによって推進されていない緊急制動位置へと回動させられてもよい。緊急制動位置では、ウイングのピッチ角度は、やって来る流体の流れによって各ウイングに作用する力が相殺されるかあるいは相殺状態へと閉じられる位置へと調整され、ビークルは水中で実質的に静止したままとなる。緊急制動は、ビークルが故障し、修理が必要になった場合、あるいはビークルの速度が設計速度を超えた場合（これはビークルあるいは発電プラントのその他の部分に構造的な損傷を引き起こす可能性がある）に使用できる。

テザーはストラットを介してビークルに取り付けることができる。フロントストラットは第１のウイングに取り付けられ、リアストラットは第２のウイングに取り付けられる。長手方向にウイングを分割することにより、ビークルに対してテザーを取り付けるストラットを両方のウイングに対して取り付けることができる。長手方向にウイング面積を分配することによってピッチング慣性の増大が生じるが、ピッチングはウイングスパンと平行な軸線周りの回転である。ピッチング慣性の増大は二つの現象によって引き起こされる。質量が重心から離れるように移動させられることで慣性の増大が引き起こされる。これは剛体力学から誘導することができる。慣性のさらなる増大は、水を通って移動する表面が増大することから生じる。流体中で物体を加速させることは多くの流体を変位させる必要があるので慣性を付加する。これは付加質量として知られている。長手方向に第１のウイングおよび第２のウイングを分離させることは、ビークルをピッチングさせるとき、付加質量のかなりの増大を生じる。この形態の一つの利点は、テザーからの安定トルクの必要性が減少することである。これは、ストラットからの抗力を低減する、より短いストラットの使用を可能にする。第１のウイングに対してフロントストラットを、そして第２のウイングに対してリアストラットを取り付けることによって、フロントおよびリアストラット間の距離が増大することによって、ビークルはさらに増大したピッチング安定性を獲得する。フロントおよびリアストラットのための取り付けポイント間の距離の増大は、ストラットがテザーに結合するポイント周りの慣性モーメントを増大させる。これは、この形態で使用される、より短いストラットの使用を可能とする。短いストラットは、ビークルの設置およびメンテナンスを簡素化する。抗力の減少は、短いストラットの減少した面積によって生じる。

ウイングは、例えば、金属、各種のラミネートまたはこれらの組み合わせから形成できる。炭素繊維ラミネートおよびガラス繊維ラミネートは二つの可能なラミネートの選択肢である。その他の材料も考えられる。ウイングスパンを短くすることによって、ラミネートといった軽量材料の使用が可能となる。より小さなウイングはまたビークルのためのより低い材料コストをもたらすが、これは、例えば、より薄い壁またはビームは、ガラス繊維ラミネート等の、より安価な材料から形成できるからである。ガラス繊維ラミネートの使用は、従来技術のビークルにおける取り付けられ／組み込まれた金属部品の異種金属接触／ガルバニック腐食に関するリスクおよび設計コストをさらに減少させ得る。

ビークルは操舵手段を備え、制御ユニットは所定の軌道でビークルを操舵するために操舵手段に制御信号を提供するよう構成される。操舵手段は、第１および第２のウイングの一方または両方に配置された一つ以上の制御面を含むことができる。

本発明に係る発電プラントのビークルは緊急位置をとることができる。緊急位置では、ビークルのウイングを通過する流体の流れによって生成される正味の揚力がゼロまたはゼロに近くなるように、第１のウイングおよび第２のウイングのピッチ角度が互いに調整される。これは、ビークルが流体の流れによって推進されず、ビークルがその所定の軌道に沿って留まらないことを意味する。

本発明に係る発電プラントを示す概略図である。 本発明に係る発電プラントのビークルの概略側面図である。 本発明に係る発電プラントのビークルの概略正面図である。

図１は本発明に係る発電プラント１を示している。発電プラント１は構造体２とビークル３とを備える。ビークル３は、少なくとも一つのテザー４によって構造体２に固定されるように配置される。ビークル３は、第１のウイング５および第２のウイング６を備える。ビークル３は、当該ビークル３のウイングを通過する流体の流れにより所定の軌道で移動するように配置されている。ビークル３はさらに、発電機を含むナセル７を備える。ナセル７はタービン８に取り付けられる。ナセル７は第１のウイング５と第２のウイング６との間に配置される。図１においてビークル３は閉じたウイングを備える。閉じたウイングは以下でさらに詳細に説明する。ビークル３が、ウイングレットを持たない二つの別個のウイングを、または一方または両方のウイングがウイングレットを有する二つの別個のウイングを有することもまた可能である。図１において、構造体２はビークル３の下方に配置されるように見えるが、これは、例えば、大洋あるいは大海の底であってもよい。構造体２をビークル３の上方に配置することも可能である。構造体２は、この場合、ボート、ブリッジ、ドックまたは類似の構造体であってもよい。

図２は、本発明に係る発電プラント１のビークル３を側面視で大まかに示している。ビークル３は基準系内に配置され、かつ、基準系のｙ軸に沿った横方向の広がりと、基準系のｘ軸に沿った長手方向の広がりとを有する。ｘ軸は、ビークル３の後方からビークル３の前方に至る方向に延びる。ｙ軸は、ビークルの底部からビークルの上端に至る、ｘ軸に直交する方向に延びる。図２から分かるように、第１のウイング５は、第１のウイング５の前縁５ａから第２のウイング６の前縁６ａへと測定して、長手方向に第２のウイング６から第１の距離Ｄ１だけ離れて配置される。第１のウイング５はさらに、第１のウイング５の底面５ｂから第２のウイング６の底面６ｂへと測定して、第２のウイング６から横方向に第２の距離Ｄ２だけ離れて配置される。第１および第２の距離Ｄ１およびＤ２は０〜ｂの間、特にｃ〜ｂ／２の間であり、ここでｂはスパン幅であり、ｃはウイングの弦長である。

第１および第２の距離Ｄ１，Ｄ２は、もちろん、第１および第２のウイング５，６上のその他の点から測定することができる。

流体力学的要素１４，１７は、所望の特性を得るために、適切な平面図形形状を取ることができる。

フロントストラット９は第１のウイング５に取り付けられ、そしてリアストラット１０は第２のウイング６に取り付けられる。フロントストラット９およびリアストラット１０はテザーカップリング１１によってテザー４に取り付けられる。

図３は、本発明に係る発電プラントのビークル３を正面視で大まかに示している。図３は、第１のウイング５の第１の右側端部１２および第２のウイング６の第２の右側端部１３が第１の流体力学的要素１４によって接続され、かつ、第１のウイング５の第１の左側端部１５および第２のウイング６の第２の左側端部１６が第２の流体力学的要素１７によって接続され、第１のウイング５および第２のウイング６が、これによって閉じたウイングを形成することを示している。ナセル７はさらに、当該ナセル７の後端に配置されたラダー１８を備える。図３から分かるように、ラダー１８は閉じたウイングによって部分的に遮蔽される。これは、破片からの舵の保護を強化する。流体力学的要素１４，１７は、所望の特性を得るために、適切なエアフォイル形状を取ることができる。閉じたウイングは、図３から分かるように、ウイング５，６と流体力学的要素１４，１７との間に正方形の接続を有する。ウイング５，６と流体力学的要素１４，１７との間の接続は、より輪に近い形状が得られるように丸くすることもできる。ウイング５，６と流体力学的要素１４，１７との間の別な種類のその他の接続もまた考えられる。

特許請求の範囲の参照数字は、それによって保護される事項の範囲を限定するものと考えるべきではなく、その唯一の機能は特許請求の範囲の記載をより理解しやすくすることである。

容易に理解されるように、本発明は、全く特許請求の範囲から逸脱することなく、さまざまな明白な点において変更が可能である。したがって、図面およびそれに対する記述は、本質的に例示であり、限定と見なされるべきではない。

１ 水中発電プラント
２ 構造体
３ ビークル
４ テザー
５ 第１のウイング
５ａ 前縁
５ｂ 底面
６ 第２のウイング
６ａ 前縁
６ｂ 底面
７ ナセル
８ タービン
９ フロントストラット
１０ リアストラット
１１ テザーカップリング
１２ 第１の右側端部
１３ 第２の右側端部
１４ 第１の流体力学的要素
１５ 第１の左側端部
１６ 第２の左側端部
１７ 第２の流体力学的要素
１８ ラダー

Claims (10)

1. 水中発電プラント（１）であって、この発電プラント（１）は構造体（２）およびビークル（３）を備え、前記ビークル（３）は少なくとも一つのテザー（４）によって前記構造体（２）に取り付けられるように配置されており、前記ビークル（３）は、このビークル（３）を通過する流体の流れによって所定の軌道で移動するよう配置されており、前記ビークル（３）は第１のウイング（５）および第２のウイング（６）を備え、前記第１のウイング（５）は長手方向に前記第２のウイング（６）から第１の距離だけ離れて配置され、かつ、前記第１のウイング（５）は横方向に前記第２のウイング（６）から第２の距離だけ離れて配置されることを特徴とする水中発電プラント（１）。
2. 前記第１のウイング（５）の第１の右側端部（１２）および前記第２のウイング（６）の第２の右側端部（１３）は第１の流体力学的要素（１４）によって接続され、かつ、前記第１のウイング（５）の第１の左側端部（１５）および前記第２のウイング（６）の第２の左側端部（１６）は第２の流体力学的要素（１７）によって接続され、前記第１のウイング（５）および第２のウイング（６）は、これによって閉じたウイングを形成する、請求項１に記載の水中発電プラント（１）。
3. 前記流体力学的要素（１４，１７）は流体力学的な形状とされる、請求項２に記載の水中発電プラント（１）。
4. 前記ビークル（３）は発電機を備えたナセル（７）を備え、前記ナセル（７）はタービン（８）に取り付けられ、前記ナセル（７）は前記第１のウイング（５）と前記第２のウイング（６）との間に配置される、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の水中発電プラント（１）。
5. 前記第１のウイング（５）および前記第２のウイング（６）は同じ形状を有する、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の水中発電プラント（１）。
6. 前記第１のウイング（５）および前記第２のウイング（６）は異なる形状を有する、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のの水中発電プラント（１）。
7. 前記第１のウイング（５）および前記第２のウイング（６）は同じ平面図形面積を有する、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の水中発電プラント（１）。
8. 前記第１のウイング（５）および前記第２のウイング（６）は異なる平面図形面積を有する請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の水中発電プラント（１）。
9. 前記第１のウイング（５）および前記第２のウイング（６）のピッチ角度は互いに対して調整可能である、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の水中発電プラント（１）。
10. 前記テザー（４）はストラット（９，１０）によって前記ビークル（３）に対して取り付けられており、フロントストラット（９）は前記第１のウイング（５）に対して取り付けられ、かつ、リアストラット（１０）は前記第２のウイング（６）に対して取り付けられる、請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の水中発電プラント（１）。

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