JP4571134B2 - 潮流により駆動されたエネルギー生成装置 - Google Patents

Description

本発明は開放的に流れる水塊、主として狭く浅い海峡の潮流から電力を発生するための施設に関する。より特定すれば、本発明は、タービン(turbine)室の中で実質的に垂直な軸の廻りに回転するようにタービン室内に取付けられたタービンから成っていて、潮流により駆動されるエネルギー(energy)生成装置に関する。

本発明は道路及び（又は）橋梁接続も必要となる場合に特に関係する。

海中の潮流は月及び太陽の引力による。大量の水が出入りして、干潮と満潮を形成する。これらの波は地球の回転の結果として西の方に動き、大洋中で１メートル未満の波高になる。これらの潮流が閉鎖領域に入ると、干満の差が大きくなる。この一例はイギリス海峡で、満潮と干潮の間で最高１５メートルの差になる。他の場所では、例えば、オスロ・フィヨルド(Oslo Fjord)では満潮と干潮の差が小さい。これは地理的条件による。

天体の引力に支配された海面の周期的な上昇及び下降は事前に長期的計算ができる。そのような計算は特に利用されている海について潮位表として示されている。この潮流の予想可能な要素は天文学的潮位の差で、発電に利用できる。さらに、風と大気圧による気象学的要素がある。この一例はオスロ・フィヨルドで長期間の低気圧と南風がこのフィヨルド地形に追加の水塊を押し込むことができる。この要素は発電に利用できない。しかしながら、計画段階で、気象学的要素と天文学的要素の両方が同時に生じる場合があることを考慮しなければならない。

ＥＵでの研究では、主として英国とフランスの海岸付近で１００ＴＷｈを越える潮位エネルギーの可能性があると結論を出している。 ノルウエーで潮力発電所の適当な場所は西ノルウエーの北部からロシア国境までの海岸に沿って見いだされている。不安定な地形的過程で制御された風と波とは異なり、潮流の天文学的要素は安定していて、予測可能なエネルギー源である。

潮流のエネルギーは、満潮と干潮の間の水位差（位置エネルギー）を用いることにより、水流内の運動エネルギーを制御することにより、又は、これらの形のエネルギーの組合わせにより抽出できる。

潮流のエネルギー利用は十一世紀より前のフランスとスペインでの特別な製粉装置に辿ることができる。今日利用されている潮力発電所は少ない。最も良く知られているのはフランスのLa Ranceの大型設備で２４基のタービンを用いている。又、ロシアのKislogurskに小規模施設がある。これらの施設に共通した特徴は可変ガイドベーン(guide vanes)と可変タービン翼を用いたカプラン(Kaplan)形タービンを固定的に取付けて用いていることである。潮流が変わると、水流はタービンを通過した後で最初にガイドベーンに当たる。これがタービンの効率低下を生じる。

特許文献１は、タービン発電装置が全体として水没していて、底部に杭状の固定を行うためのシステムを教示している。同文献はその杭の基礎に結合し、又、切離すシステムを示している。

特許文献２は個々に上昇、下降、回転ができるタービン発電装置を有する水没形の枠構造から成る発電施設を示している。

さらに、特許文献３は上部に道路を有するダム又は地峡内の流路にタービンを設置した潮力発電所を示している。特許文献４は両方向の潮流を利用できるように方向転換可能にしたタービンを有する潮力発電所を示している。特許文献５及び特許文献６の両方が流水特に潮流を利用するように製作した水車を示している。そのタービンは方向転換できる杭又は柱に取付けられている。

それゆえ、費用効果が高い方法で潮流から電力を発生する装置の必要性があり、その場合、機械は迅速かつ効率的に海から引き上げて、例えばサービス(service)施設に持ち込めて、潜水夫や高価なクレーン(crane)船を必要としない装置の必要性がある。さらに、水流の方向とは無関係に高効率で単純なタービン構造とすることも望ましい。さらに、実際の発電機及び他の電気機器を最高水位の記録値よりも上方に配置することにより保護し、運転と保守のために容易に接近できるように配置した発電装置を提供することも望ましい。
ノルウエー特許出願第2001/0737号明細書 米国特許第5,440,176号明細書 英国特許第2,298,004号明細書 米国特許第4,468,153号明細書 国際特許出願第WO 00/50768号明細書 英国特許第2,311,566号明細書

本発明はタービン室内で実質的に垂直な軸の廻りに回転するようにタービン室内に取付けられたタービンから成っていて、そのタービンが支柱に取付けられ、その支柱の下部がタービン室の下部に旋回可能に支持され、かつ、上部ではタービン室の内壁の一部に係合した複数の回転要素により水平面内で支持され、それにより、前記タービンが前記タービン室内で選択的に回転して、そのタービンが常に優勢な水流方向に対して二者択一的に配置されることを特徴とする装置を提供することにより、これらの問題を解決している。

本発明に基づく装置の好ましい実施例は添付した従属請求項２から９に開示されている。

本発明の別の目的はタービンの鋼構造とタービン室の内面を粗に成形したコンクリートの間で強固で振動減衰性の接続を得ることである。その実施例によれば、タービン室のコンクリート面と内部形状の必要条件を緩和し、可能性のある不規則性はシール(seal)により吸収される。

ここで、本発明の実施例を添付図面を参照して詳細に説明するが、類似部分には類似の参照番号を与えている。

図１に示されているように、本発明に基づく装置はタービン室３０内で支柱２２に取付けられ、タービン翼１２を有するタービン１０から成っている。タービン室はコンクリート製及び事前加工された要素で、それは所定の場所まで浮上して、最上部｛道路４０）が最高水位の記録値より上方になるように海底の希望の地点に設置される。図１に示されているタービン室３０は潮流が通過する流れ用開口部３２から離れた部分は閉じている。図１の最も右のタービン室では、タービン室のカバー(cover)が取外されて、室の内部構造とタービンの取付を示している。タービンが（前記道路４０の高さにある発電機室３９内に適切に位置している）発電機３８に接続されていることが図面から見ることができる。この利点は発電機３８が最高水位の記録値よりも上方に安全に配置されていることであり、かつ、運転と保守のために容易に接近できることである。

図２は上記に示された配置を示し、タービン室３０が通常カバー４４によりカバーされている出入り用開口部４５を有している。発電機・タービンの全装置の設置、広範囲の保守及び回収が行われる際、車両のような設置手段４２を出入り用開口部４５の上方に容易に配置し、発電機・タービンの全装置を回収し、又は、下げることが容易にできる。

それゆえ、本発明に基づく装置は、既に示したように支柱２２に取付けられたタービン１０を含んでいる。その上端で、支柱は発電機３８に接続し、下端で、タービン室の底部の位置２４で支持される。その下部の支持点は例えばゴムの水潤滑旋回接続部に有利になっていて、それにより、タービン・支柱の配置全体を垂直軸の廻りに回転できる。

図１及び３は発電機の下で、支柱に取付けられた実質的に円形の要素２８を示している。この要素はタービンの方に先細になっていて、タービン室の流れ用開口部３２を低減して、タービン翼１２により形成される直径とほぼ等しい寸法にする。もちろん、このいわゆるベンチュリ(venturi)の原理を用いて、流量を増加すること及び水塊からできるだけ多くのエネルギーを抽出することの両方が良く知られている。

この要素２８より上方のタービン室内の領域は好ましくは乾燥させるべきである。このことはこの空間に水が流入すべきでないことを意味する。前記支柱２２を水平方向に支持するために、支柱の上部に複数の回転要素３６を設けて、施設が運転しているとき、タービン室の内壁の一部に係合する。これらの回転要素（図面ではそのうちの３個を示している）は、好ましくは、流体的に、又は、電気的に操作されるゴム車輪である。水平の支持を与えることに加えて、これらの回転要素ないし車輪３６は、それにより、水流の方向に対してタービンを回転した方が望ましいときに、タービンの実際の回転を行うことができる。潮流の変化によりタービンの向きを変えることが望ましいとき、車輪３６を動作させるだけである。そして、車輪とタービン室の内壁の間の摩擦により、支柱２２が回転する。車輪３６には好ましくは空気及び（又は）他の気体及び（又は）液体のような１以上の流体を充填する。

円形要素２８より上方の部分に流れの領域から漏洩するのを防ぐために、円形要素２８の最大周縁部の廻りにシールを設けることができる。このシール３４は例えばゴム・チューブ(rubber tube)で良く、液圧又は空圧を用いて選択的に膨張及び収縮ができ、かつ、上記の機能に加えて支柱を希望の位置に維持するのに役立ち（言い換えると、一種の固定機構）、又、運転中にタービン室へ伝わるタービンからの振動（及びそれによる騒音）を防止する。さらに、シール３４は効果的な方法によりタービン室の内壁の不規則性を吸収する。シールの剛性も実際の荷重と振動の関数として有利に調節できる。タービンが回転するときシールは有利に収縮し、タービンが新規の望ましい位置を向いたときに膨張する。そのような膨張と収縮は潮流の方向変化によって、自動的に、かつ、タービンの回転とステップ(step)状に同期している。

知られているように、水塊からのエネルギーをできるだけ多くタービン翼に伝えることは重要である。このことは、タービン翼を通過した後で、水ができるだけ回転しないことが望ましいことを意味する。このことはガイドベーン(guide vane)による公知の方法で、水塊がタービン翼に当たる前にタービンの回転方向と反対の方向に一定の回転を水塊に加えることで実現する。本発明に基づく装置では、これは、支柱２２自体をガイドベーンの形に作ることにより解決する。図３はこのことを示していて、断面Ａ−Ａ及び断面Ｂ−Ｂから見ると支柱の断面形状が、タービン翼１２を通過するときに水流に与えられる回転方向と反対の方向となる回転を与える。

図１及び２に示すように、道路４０の基礎を形成するように、本発明に基づく装置を希望の数だけ直列に配置できる。示されているように、タービン室３０はその場所まで浮上できる事前加工された要素としうる。それゆえ、本発明は潮流から費用効果が高い電力を調達するための装置を提供できる。機械は迅速かつ効果的に海から引き上げて、サービス施設に持ち込めて、潜水夫と高価なクレーン船を必要としない。装置の吊り上げと設置の際に、回転要素（ゴム車輪）３６が収縮して装置の持ち上げ又は下降を容易にする。 装置がタービン室内に置かれたとき、内壁３１との希望の接触になるまで車輪が膨張する。

前述のように、回転要素とシールの両方の制御が好ましくはコンピューター制御により、潮流の方向が変わったとき、自動的に行われる。非運転位置を選択する場合、シール（例えば平坦なチューブ）３４内の内部圧力媒体が引き出されて、コンクリート壁から全体的に離れる。次ぎに、回転モーターの運転を開始し、タービンが１８０°回転するまで回転要素３６を動かす。その後、圧力媒体がシールに圧送されて、シールが膨張状態になって、タービンとタービン室の間で固定しているが弾性がある結合を行う。

本発明は両方向の水流に対して、高効率で単純なタービン構造を提供している。発電機及び他の電気機器のような問題を生じやすい機器は通常の最高水位より上方で保護されるように配置されている。さらに、タービン発電機装置とタービン室の間で費用効果が高く、かつ、騒音を減衰する結合を行っている。

本発明に基づく３台の装置の断面図で、直列に取付けられて、道路を形成し、装置の一台を切断面で示している。 上記の図１に示す配置の略図である。 図１の面Ｃ−Ｃの断面である。

Claims (9)

1. タービン室（３０）の中で実質的に垂直な軸の廻りを回転するためにタービン室内に設置されたタービン（１０）から成っている潮流を動力とするエネルギー生成装置において、
   該タービン（１０）が支柱（２２）に結合していて、その支柱の下部はタービン室の下部で旋回可能に支持され（２４）、かつ、その支柱の上部はタービン室の内壁の一部と係合している複数の回転要素（３６）により水平面内での支持をされていて、それにより、前記タービンが前記タービン室の中で、そのタービンが優勢な水流方向に対して常に最適な位置であるように選択的に回転できることを特徴とするエネルギー生成装置。
2. 前記回転要素（３６）が操作可能であり、それにより、タービンの前記の選択的回転を生じることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. その回転要素が流体的に又は電気的に操作される車輪であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. タービン（１０）と回転要素（３６）の間の支柱に要素（２８）があり、その一部が前記タービンの方向に先細になっていることにより、タービン室の流れ用開口部（３２）をタービン翼（１２）により形成される直径にほぼ等しい寸法に低減することを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 支柱よりも大きな外周を有して、支柱に取付けられた水平面内の要素（２８）に流体の漏洩を防止するためのシール（３４）が設けられ、その場合、前記要素がタービン（１０）と回転要素（３６）の間に配置され、前記シールが該要素（２８）の最大周縁部に沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記シール（３４）がタービン室の内壁（３１）の周縁部分と選択的に接触して、前記支柱を希望の位置に支持し、前記要素（２８）より上方の空間に水が入るのを防ぎ、運転中にタービンからの振動がタービン室（３０）に伝わるのを防ぐことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 運転中の水流がタービン翼（１２）を通過するときに与えられる回転方向と反対の回転方向を与えられるように前記支柱（２２）の少なくとも一部分がガイドベーンの形に作られていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. タービン（１０）と発電機（３８）の間のエネルギー伝達が前記支柱（２２）内の内部通路を通って与えられること、かつ、前記発電機が前記円形の要素（２８）より上方の高さに、好ましくは、前記タービン室（３０）より上方の高さに配置されることを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. 前記タービン室（３０）は、電力を発生する場所まで、かつ、海底に設置される場所まで浮上できる事前加工された要素であり、タービン室の上部が通常水位の記録値より上方の高さになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。

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