JP2018530708A - 波、風または水流からの運動エネルギーを機械的回転エネルギーに変換する装置 - Google Patents

Abstract

この装置は、複数のクロスフロータービン（９）を備える。各タービンは、回転軸（Ａ）の周りにスクワレルゲージ構成で配置された固定湾曲ブレード（５、６）を含む。タービン（９）は、水上のフローティング支持体（１０）に取り付けられ、流体流（１８）に直接置かれ、互いに平行で、かつ流れ（１８）に対して垂直な軸（Ａ）に次々に連続して配置されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、一般に、低コストの装置に関する。その低コスト装置は、クロスフロータービンを使用して、かつデフレクター（deflectors）の必要性なしに、波または水流または風流からエネルギーの効率的な使用を提供する。特に、それは、海水をポンピングするのに適し、海の波からのエネルギーを利用して発電するのに適している。

波、風または水流からの運動エネルギーを機械的回転エネルギー（発電用）に変換する装置が知られている。この装置は、クロスフロータービンを含む。このタービンには、回転軸の周りにスクワレルケージ構成（squirrel cage configuration）で配置された固定湾曲ブレードが設けられている。

これらの装置は、例えば、韓国特許第１００１９１６３６号および韓国特許第１０１４９２７６８号に記載されている。

韓国特許第１００１９１６３６号は、タービンの下半分を浸漬した状態を維持する２つのフロータに取り付けられたタービンを開示する。これにより、フロータの間を通過する流れがタービンを回転させている。

韓国特許第１０１４９２７６８号は、フローティング装置に取り付けられたタービンを開示する。しかし、タービンの配置は、完全に沈んでいる。この装置は複雑である。なぜなら、それは、タービンの下部に水を向かわせるように設計された包囲ケースを有するからである。

一般に、液体流体（liquid fluids）で動作する固定ブレードを有するスクワレル構成のタービンには、タービンの外側部分を通り、かつ、タービンの片側のみを通って流体を流すことを目的としたデフレクターが設けられている。

従って、一般に、スクワレル構成のタービンで動作する公知の装置は、入射流（incident flow）のエネルギーを最大限に利用することができない複雑な装置である。特に、これらの装置は、水面のレベルで、波エネルギーからエネルギーを最適に抽出することができない。そして、一般に、それらの装置の構造は、複雑で厄介である。

従来技術の欠点を克服するために、本発明は、波、風または水流からの運動エネルギーを機械的回転エネルギー（発電用）に変換するための装置を提供する。その装置は、複数のクロスフロータービンを含む。各クロスフロータービンは、回転軸の周りに、スクワレルケージ構成で配置された固定湾曲ブレードを備える。本発明によれば、タービンは、水上のフローティング支持体に取り付けられ、流体流に直接置かれ、互いに平行でかつ流体流に垂直な軸で次々に連続して配置されている。

この装置は、具体的に、波、風および水流からのエネルギーの効率的な使用をするように適合されている（これは非常に堅牢で経済的である）。なぜなら、その装置は、高価なデフレクター、バッフルまたはタービンの一部のみに流れを送るようになっている流路手段（flow channeling means）を必要とせずに、低コストのクロスフロータービンを使用するからである。連続したタービンは、流れのエネルギーを連続的に弱める。その後、タービンを介してジェネ（gene）を有する流れの後に残っているエネルギーは、次のタービンで利用される。

特に、本発明は、波エネルギーを利用する際のその使用に非常に有利である。波面は、タービンに到達すると、主に、粒子（particles）の垂直方向の動きを含む。それは、タービンによって利用される。波面が連続するタービンを進むにつれて、波面は壊れる。これは、流れの動きが、徐々に水平方向になることを意味し、次のタービンで利用されることができる。

波装置の場合において、水の粒子は、垂直に振動し、トロコイド軌道を描き、砕け散る波（breakers）の形で強力な表面流を生成する。本発明で使用されるタービンは、常に、入射流と同じ回転方向に独立して回転する。そのタービンは、最終的にタービンに接続される電気エレメントまたは下流パワーエレクトロニクスを単純化することができる。これは、沖合のタービンの岩礁（reef）または陸上のブレーカーとして機能する。

技術的に可能な限り、互いに組み合わせることができるいくつかの任意の特徴によれば：

−波のデバイスとして動作するとき、タービンの軸は、フローティングハル（hulls）構造支持体に平行かつ水平に取り付けられる。特に、これは、装置が水中に置かれたときに、軸が水平に配置されるように、タービンの軸がフローティング支持体に取り付けられると理解される。この配置は、水の垂直・水平流の表面エネルギーを利用するのに特に適している。この配置はまた、鉛直方向の空間占有率の低下を示す。これにより、波のデバイスを浅い水域でまたは防波堤として使用することができる。また、タグボートで水を出し入れすることもできる。

−タービンの軸は、同じ平面に含まれている。そのため、波の流れエネルギーを最適に連続的に利用することができる。

−フローティング支持体は、チャネル（例えば、底部ハルまたは底壁と、２つの側部ハルまたは２つの側壁）を形成するＵ字断面形状を有する。タービンの軸は、２つの側部ハルの間に回転可能に支持されている。この構造により、タービンを同時に支持するハルがそれらを下方に保護し、水をタービンに送るだけでなく、上方からタービンに容易にアクセスすることができる。

この構造は、タービンが完全に沈んだ下部位置と、タービンが水位より完全に上に配置された上部位置との間で、装置が移動できるように、フローティング制御手段を含む。したがって、タービンは、メンテナンスのためにアクセスされることができ、装置は、変化する水深に沿って移動することができる。したがって、波に置くと、装置は、岩礁または防波堤として機能する。そして、性能を最適化するために、または、嵐の影響を最小限にするために、垂直位置を調整することができる。

−フローティング制御手段は、フローダブルフロート（floodable floats）である。

本発明の別の変形例において、タービンの軸は、フローティング支持体に対して垂直に取り付けられている。この変形例では、タービンの軸は、風力エネルギーを利用するためのフローティング支持体の上方に配置することができる。または、水流発電プラントとして動作するためのにフローティング構造のレベルの下に配置することができる。

記載されている全ての変形例において、次のことが任意に予想される：

−タービンの軸は、規則的な間隔で配置される。

−タービンのブレードは、円筒形のエンベロープ（envelope）を有する。

−フローティング支持体は、それを海底に固定するための手段を有する。その手段は、発進を防止するが、アンカーの回りにある程度の回転を許容する。

説明を完成するために、そして本発明のより良い理解を提供するために、一組の図面が提供される。前記図面は、詳細な説明の一体的な部分であり、本発明の実施形態を説明するものである。そしてそれは、本発明の範囲を限定して解釈すべきではなく、本発明をどのように実施することができるかの例として解釈される。図面は、以下の図を含む。

図１は、従来の理論による円柱の表面の理論的な圧力分布を示す。

図２は、円柱の表面の実験的な圧力分布を示す。

図３は、船外の空気力学的形状の円柱の理論的な圧力分布を示す。

図４は、湾曲したシートブレードを有するクロスフロータービンの断面を示す。

図５は、空気力学的ブレードを有するクロスフロータービンの断面を示す。

図６は、波面のエネルギーを利用するために、固定されたハルフローティングベース上に支持されたいくつかのタービンの配置を示す。

図７は、波の存在下での水の振動レベルを示すための横断面図またはプロファイル図における上記構成を示す。

図８は、本発明に係る研究による空気力学的形状の船外エッジ円柱によって影響される流れ特性を示す。これは、均一な外側流れと、変化したゾーンとの間の境界ゾーンまたは固体によって影響された境界ゾーンを強調する。

図９ａは、水流からエネルギーを抽出するためのフローティング支持体およびタービンの配置を示す。

図９ｂは、波からエネルギーを抽出するために、同一平面の軸で取り付けられた一連のタービンを示すプロファイルである。

図９ｃは、図９ａと同様であるが、風に適用した場合の例である。上部にタービンを有する。

図１０は、本発明の好ましい実施形態の側面図を示す。 図１１は、本発明の好ましい実施形態の平面図を示す。 図１２は、本発明の好ましい実施形態の正面図を示す。

図１に示すように、従来の理論によれば、完全流体の場合には、固体１の表側および裏側における圧力の平衡のために、動く流体中に置かれた固体に抵抗または効力（drag）はない。したがって、この理論は、Ｄ’Ａｌｅｍｂｅｒｔのパラドックスを生じさせ、理論的に、抵効力（drag force）は、流体に対して一定の速度で動く本体でゼロである。これは、流体に対して動く本体の実質的な抵抗力の観測と直接的に矛盾している。

その結果、従来の理論によれば、固体が円筒であれば、円筒の２つの半分の間に圧力差は常にない。これは、タービンスクワレルケージ（そのエンベロープは円筒形である）に適用する。その結果、この理論によれば、流れに完全に対向して配置されたタービンから、すなわち、従来技術の文献に開示されているようなタービン９の半分にデフレクターや水路手段（water channeling means）なしで、エネルギーを抽出する可能性はない。

その代り、本発明の実際的な実施は、工業的に十分に試験された実験結果をもたらした。特に、下流の流れによって存在する吸引作用（action）は、図３に示されるような船外エッジシリンダまたはシリンダーの図２に示されるように、シリンダー１の後部に正の圧力の理論的な存在を防止する。

シリンダーのために開発されたこの構成および他の単純な形状は、図３の２に示されるような圧力分布が、外側流れ方向３に圧力勾配を有することを明確に述べている。外側流れ方向３は、デフレクターまたはディストリビュータなしで円筒型タービンに流体流を強制することができる

図４の８に示されるように、円筒型のタービン領域を通過する流体は、ブレードの湾曲によって偏向される。従って、同じ符号（sign）の軸に対してブレードの反応を生じさせている。結果として、タービン９は、流れの同じ方向に独立に常に回転する。これは、回転ポンプや発電機と組み合わせてその実用的な実装を容易にする、実際には代替のものよりもよい。

本発明のエネルギー回収装置１９は、最も一般的な形態で、図４および図５に示されるように、軸平行で離間して，いくつかのクロスフロー型円筒型タービン９を配置することからなる。これにより、図７に示すように水流を介在させている（上述した物理的原理に基づいている）。そして、水流は、図４の５および図５の６の湾曲ブレード５に衝突する。その結果、タービンは、図４の流れ８の方向または特性にかかわらず、図４の同じ方向７に常に回転する。特に、図９ｂの波１３の場合において、全てのタービンは、同じ回転方向で回転する。この場合、エネルギーの正面は、水位１８で表される。

本発明の実施は、図８に示されるすように、解析的に得られた速度分布を用いてインスパイアされた。特に、図８のシリンダー１７によって影響を受ける流体領域は、活性流体フロント３が密閉有限環境として規定されていることを示している。

円筒型クロスフロータービン９（相互に好ましくない干渉を起こさない）は、図６に示されるように、その軸に平行に配置される。また、円筒型クロスフロータービン９は、図７、図９ａ、図９ｃに示されるように、エネルギーフロー１６の間に入れられる。

次いで、低角速度および高トルクを有するタービン内の回転エネルギーは、従来の手段によって電気エネルギー、油圧エネルギーまたは機械的エネルギーに変換される。

流体の衝撃に対してタービン９の最大の抵抗を維持するために、波エネルギー回収システム（垂直および水平流）の場合において、アンカー１４および水平安定器もまた必要である。サイドハル１２Ａ、１２Ｂに配置されたフラッディングチューブは、垂直位置を調整することができる。具体的には、嵐の場合にタービン９を沈めることができ、またはメンテナンスのために水からそれらを取り出すこができる。流れからエネルギーを回収する場合、既知の固定システムが使用可能である。

このフローティング支持体１０は、タービンの効果と共に波を不安定化させ、波を破壊する水通過スリットを有する。

設置場所、設置費および設置容量で見つけられる波の種類は、タービンのサイズ、数、配置の条件、および資金調達を調整する。その物理的効果は、沿岸に設置されて浮遊している岩礁の物理的効果である。その場所が海岸の防波堤によって作られていると、その効果は防波堤のようになる。

波によってもたらされる高いトルクと不均一な回転を与えると、陸上のリザーバに高圧下で海水を汲み上げること、または、それからクルクル回転することは、非常に有用で経済的である。または、逆浸透によって淡水化ユニットに海水を汲み上げることは、非常に有用で経済的である。または、エネルギー変換の段階を避ける他の既知のタイプの使用であることは、非常に有用で経済的である。補助装置は、図７のフローティング支持体１０内または陸上に配置される。その補助装置に、脱塩水、圧縮空気圧、水圧または油圧または電力が、選択された設計に従って進む。

すべての場合において、好ましくは、円筒型タービン９は、図４、５、６、７のように、クロスフロータービンに使用されるタイプの装置１９内に配置される。それらは、好ましくは、図４および図６に示されるように、スクワレルケージ内に配置された一連の湾曲ブレードからなる。そして、そのタービン９は、ブレードで流れの方向が変化しても、常に同じ符号（sign）のトルクを有する流体の通過に反応する。

プロファイルの好ましい形状は、図５に示されるプロファイルのように、同じ発明者による特許ＥＳ２０７４０１０号に記載されているようなものである。または、経済的な目的のために、図４の任意の曲面５または単純な湾曲板であってもよい。

円筒型タービンは、２つのディスク（ブレードと機械的軸を支持する）と流れに対して閉じられたシリンダーの側面またはベースを有する。それは、ブレードを補強するための他の中間ディスクを含む。これは、この種のタービンにおいて通常である。円筒型タービンの直径および高さは、流れ特性および動力要件および利用可能な空間に依存する。その計算は、例えば、Doria J.J., Granero F. TEORIA INNOVADORA EN AERODINAMICA. PROTOTIPOS Y PATENTES Actas III Congreso Internacional de Ingenieria de Proyectos. 1.996 Barcelonaに記載されている方程式（equations）を通して好ましく発展した。

上述されたようなシャフトは、予見可能で可変の流れ方向に対して垂直に配置され、既知の動力伝達手段１５（ポンプ、発電機、コンプレッサー、ギア．．．）に接続される。

図９ａは、長方形の前部１８として示されるように、水流を利用するための装置１９の実施形態を示す。ここでは、タービンは、２つのハル（船体）によって順に支持されるフローティング支持体１０の下に垂直な軸で配置されている。各列の第１のタービンのみが示され、連続したタービンが後に配置される。

図９ｃは、図９ａに示される装置に類似する装置１９の実施形態を示す。これは、風の流れのエネルギーを利用することを目的としている。したがって、タービンは、フローティング支持体の上の軸に配置される。

図１０から図１２は、４つの列を含む本発明の実施形態を示している。各列は、６つの連続したタービン９を備えている。各列は、水平軸で同一平面内に配置されている。フローティング支持体１０は、基本的にカタマラン（双胴船）である。２つのハル１０Ａ、１０Ｂは、タービン９の軸を支持する。ハル１０Ａ、１０Ｂの端部に固定された４つの剛性のセイル／ウイング１０Ｃは、ベースの向きを定める働きをする。ハル１０Ａ、１０Ｂは、ウイングの内部に配置されたリザーバ内に延在することができる、内部に浸水可能な空間を有する。それは、水位の制御に貢献する。各列に６つのタービンがあるが、波または流れから最大エネルギーを利用するために、より多くのタービンを提供できることは明らかである。

本明細書において、用語「含む（comprises）」およびその派生語（「含む（comprising）」など）は、排他的な意味で理解されるべきではない。すなわち、これらの用語は、記載および定義されたものがさらなる要素、ステップなどを含む可能性を排除すると解釈されるべきではない。

本発明は、本明細書に記載された特定の実施形態に明らかに限定されない。しかし、特許請求の範囲に規定される本発明の一般的な範囲内で、当業者によって考慮されるあらゆる変形形態（例えば、材料、寸法、コンポーネント、構成などの選択に関して）を包含する。

（１）ブレードなしの円柱
（２）圧力分布
（３）シリンダーが水没する均一速度流
（４）船外シリンダー
（５）ベントシートブレード
（６）空気力学的ブレード
（７）回転方向
（８）ブレード間の流れ方向
（９）クロスフロー円筒型タービン
（１０）フローティング支持体
（１０Ａ、１０Ｂ）ハル
（１０Ｃ）リジッドセイル
（１１）タービンに対する水面の振動（波）
（１２）底部ハル
（１２Ａ、１２Ｂ）側部ハル
（１３）装置に接近する波
（１４）固定具（アンカー）
（１５）軸からのエネルギーを別の動力タイプのエネルギーに運ぶ手段
（１６）到来波
（１７）外部限界面
（１８）有用な前部流体フラックス
（１９）発電用装置
（２０）ハル

Claims (13)

1. 波、風または水流（１６、１８）からの運動エネルギーを機械的回転エネルギーに変換するための装置（１９）であって、
   前記装置（１９）は、複数のクロスフロータービン（９）を含み、
   各前記複数のクロスフロータービン（９）は、回転軸（Ａ）の回りにスクワレルゲージ構成で配置された固定湾曲ブレード（５、６）を含み、
   前記タービン（９）は、水上のフローティング支持体（１０）に取り付けられ、その結果、流体流（１８）に直接置かれ、互いに平行で、かつ流れ（１８）に対して垂直な前記軸（Ａ）に次々と連続して配置されることを特徴とする装置。
2. 前記タービン（９）の前記軸（Ａ）は、前記フローティング支持体（１０）に水平に取り付けられている請求項１に記載の装置。
3. 前記タービンの前記軸（Ａ）は、同一平面内に含まれる請求項１または２に記載の装置。
4. 前記フローティング支持体（１０）は、底部ハル（１２）と、２つの側部ハル（１２Ａ、１２Ｂ）とが画定されるように、チャネルを形成するＵ字断面形状を有し、
   前記タービン（９）の前記軸（Ａ）は、前記２つの側部ハル（１２Ａ、１２Ｂ）の間に回転可能に支持されている請求項２に記載の装置。
5. 前記フローティング支持体（１０）は、前記タービン（９）が完全に沈んだ下部位置と、前記タービン（９）が水位より完全に上に配置されている上方位置との間で、前記装置が移動可能なように、フローティング制御手段を含む、前記波からエネルギーを抽出する請求項１ないし４のいずれかに記載の装置。
6. 前記フローティング制御手段は、フローダブルフロートである請求項５に記載の装置。
7. 前記タービン（９）の前記軸（Ａ）は、前記フローティング支持体（１０）に対して垂直に取り付けられている請求項１に記載の装置。
8. 前記タービン（９）の前記軸（Ａ）は、風力エネルギーを利用するために、前記支持体（１０）の上方に配置される請求項７に記載の装置。
9. 前記タービン（９）の前記軸（Ａ）は、水流発電プラントとして動作するように前記支持体（１０）のレベルの下に配置される請求項７に記載の装置。
10. 前記タービン（９）の前記軸（Ａ）は、規則的な間隔で配置されている請求項１ないし９のいずれかに記載の装置。
11. 前記タービン（９）のブレードセットは、円筒型のエンベロープを有する請求項１ないし１０のいずれかに記載の装置。
12. 前記支持体（１０）は、海底に固定するための手段を含む請求項１ないし１１のいずれかに記載の装置。
13. デフレクターまたはバッフルを備えていない請求項１ないし１２のいずれかに記載の装置。

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