JP5102779B2 - 電気エネルギーを水流から生成するための水中機械設備及びこれを操作する方法 - Google Patents

Description

技術範囲

本発明は、少なくとも１つのタービンを備えるエネルギーを生成するための水中機械設備に関する。

従来技術の説明

解決されるべき主要な地球的問題の１つは、世界の人口にエネルギーを供給する方法である。化石燃料の使用は削減され、再生可能なエネルギー源に取って代わられる必要がある。

再生可能なエネルギー源を使用する努力のかなりのパーセンテージが、風力システムに集中してきた。風力発電システムは、風エネルギーが本質的に間欠的である点に問題がある。

今日、海流から電気を生成する水中機械設備が存在する。これらの機械装置はワイヤで海底に係留され、潮汐水によって駆動されるように配置されたタービンを備える。

しかし、水中機械設備から生成されたパワーは、商用に魅力あるものであるために実質的に費用を増やさずに増加させる必要がある。

発明の説明

本発明の１つの目的は、水中機械設備から出力されるパワーを増加させることである。

この目的は、少なくとも１つのタービンを備え、このタービンが流水駆動式ビークルに取り付けられることを特徴とし、流水駆動式ビークルが少なくとも１つのワイヤによって構造体に係留されることを特徴とする、エネルギーを生成するための水中機械設備によって達成された。この構造体は、海底、川底、湖底などの係留設備又は風力機械設備又は海若しくは湖に位置する固定式水中機械設備などのように静止することができる。この構造体はまた、船舶などのように移動することもできる。

本発明による機械設備のビークルは、水の流速よりも何倍も（特徴的に１０〜２０倍の間）速い速度で動く。したがって、搭載されたタービン装置の効率は、固定式回転子装置の効率よりもはるかに高い。

機械装置は、川の中、潮汐に影響される領域及び海流内などの、方向及び速度に関して明確で、予測可能な流れを有する環境内に取り付けられることが好ましい。

本発明による機械設備によって環境に優しくすることができ、沿岸近傍の場所に接する相対的に弱い海流及び潮流から合理的で費用対効果のある、例えば電気エネルギーなどのエネルギーの生成を可能にする。本発明による機械設備は、競合する技術がほとんど利用できない比較的深度が深い沖でもまた使用可能である。

本発明の好ましい一実施形態によれば、流水駆動式ビークルは翼、すなわち揚力体である。

別の好ましい実施形態によれば、ビークルは少なくともピッチ方向に実質的に回転自在である。ビークルはピッチ方向の最適な作動位置に適合する。ビークルはまた、タービンに対してロール方向に回転自在であることが好ましい。したがって、タービンは相対的な流れ方向に向き、すなわち水流はタービン翼によって画成される平面に垂直な方向からタービンの上に押し上げられることになる。

ビークルが上記の通りに回転自在である好ましい一実施形態では、タービンの少なくとも１つがロッドを介してビークルに取り付けられており、スイベル結合部が、タービン又はビークルのいずれかをロッドに枢動可能に結合するためにロッドの一端部に取り付けられている。スイベル結合部は例えば一般的な軸受を備える。

ビークルが上記の通りに回転自在である好ましい別の一実施形態では、タービンの少なくとも１つがスイベル結合部によってビークルに直接取り付けられている。

本発明の別の好ましい実施形態では、流水駆動式ビークルには操舵手段が備え付けられており、制御装置が所定の軌道にビークルを操舵するための操舵手段に制御信号を提供するように配置されている。その場合、操舵手段は１つ又は複数の制御面を含む。

さらに、ワイヤは伸びていることが好ましく、したがって、所定の軌道は球面に形成される。流水駆動を提供するために、所定の軌道は少なくとも部分的に流れ方向を横切ることになる。

本発明の一実施形態によれば、タービンは電気エネルギーを生成するように配置された発電機に動作可能に接続されている。発電機は、この電気エネルギーを分配するように配置された電気ケーブルに動作可能に接続されることができる。電気ケーブルは、例えば少なくとも部分的にワイヤと一体となっている。しかし、ビークルに接続されている電気ケーブルが望ましくないならば、生成された電気エネルギーは、例えば水を電解し、ビークルで直接水素ガスを発生するために使用されることができる。

好ましい実施形態

図１ａ、１ｂ及び１ｃでは、水中機械設備１が例えば海の水面２の下に配置されている。水中機械設備１は、ワイヤ６によって海底５の係留設備４に係留された流水駆動式ビークル３を備える。ワイヤ６の長さは例えば５０〜２００メートルである。図１ａでは、ｚが水平流れ方向を画定し、ｘが流れ方向に垂直な水平方向を画定し、ｙが垂直方向を画定する。ビークルはワイヤの範囲内を自由に移動することができる。しかし、図１ａ、１ｂ及び１ｃでは、ビークルは、ワイヤの長さに等しい曲げ半径を有する球面で数字の８を形成する終わりなき軌道７をたどる。軌道は、ビークルが常に海面下にあるように選択されることが好ましい。例えば、軌道は、ワイヤが常に１０〜２０メートル海面下で終了するように選択されることができる。したがって、ビークルは、通常海面近傍に存在する乱流を受けず、タービンのキャビテーションの危険は最小化されることができる。数字の８を形成する軌道を有することの利点は、その場合、ワイヤは絡むことなく、したがって、ワイヤ６をスイベル装置によって係留設備４に結合する必要がないことである。

図２では、流水駆動式ビークル３は翼、すなわち揚力体である。翼は、例えば約１５メートルの翼全長ｓ及び例えば２〜３メートルの幅（コード：ｃｏｒｄ）ｃを有する。翼の厚みは幅の１０〜２０％であることができる。翼は表面構造体を支える円材によって形成されることが好ましい。円材は、一実施形態では炭素繊維複合材料でできている。表面構造体は、例えばガラス繊維複合材料でできている。

タービン装置９は、１つのタービンを備える図示された実施形態では、ロッド１０によってビークル構造体に取り付けられている。タービン９及びロッド１０は金属又は金属化合物、例えばステンレス鋼で作成されることができる。一実施形態ではタービン９は調節可能なブレードであり、別の実施形態ではタービン９のブレードは固定式に取り付けられている。タービンの直径は例えば１〜１．５メートルである。ワイヤ６はタービン９に固定されている。タービン９は電気エネルギーを生成するように配置された発電機（図示せず）に動作可能に接続されており、電気エネルギーはワイヤ内部に一体化された、又はワイヤに固定された電気ケーブルを介して分配される。一実施形態では発電機は速度制御され、別の実施形態では発電機は速度制御されない。電気は配電網を介して係留設備４からさらに分配される。

タービン９、ロッド１０及びワイヤ６を有するビークル３の密度は水の密度よりも多少小さいことが好ましい。

図３では、ワイヤ６は例えば炭素繊維材料でできている２つの支持ねじれケーブル１１ａ、１１ｂ及び電線１２を備える。ワイヤは、さらに、ビークル３とのデータ通信用の追加の低電圧電気ケーブル又は光ケーブル１３を備える。支持ケーブル１１ａ、１１ｂ、電気ケーブル１２及び低電圧ケーブル又は光ケーブル１３は、例えばゴム材料又はプラスチックでできているカバー１４内に密閉されている。

ビークル３は流れからのみ電力を供給されることが好ましい。しかし、ある状況では、例えばエラー状態が出現したときは、電気発電機が、ビークルに取り付けられた１つ又は複数の電池（図示せず）によって電力を供給される電気エンジンとして使用されることができる。その場合、発電機／エンジンは操業場所までの運搬のためにビークルを海面に駆動することができる。もちろん、これはまずビークルがワイヤから解除されることを前提とする。発電機は、エンジンとして他の目的、例えば、ビークルを海底の係留位置まで駆動するために使用することもできる。

図４では、ロッド１０が、ビークルが少なくともピッチ方向に、しかし好ましくはロール方向にも回転自在であるように軸受装置８によってビークル３に取り付けられている。好ましくは、タービンとビークルとの間の関係はヨー方向に固定されている。ビークルがタービンに対して回転自在であることにより、タービン装置は常に相対的流れ方向に実質的に向かい、すなわち流れ方向はタービンブレードによって画成される平面に垂直であることが確実になる。図４では、軸受装置は一般的な軸受である。一般的な軸受は、ピッチ方向及びロール方向に回転自在である特徴を提供する。図４に示す実施形態では、タービンはロッドに固定式に取り付けられ、又はロッドと一体化されているが、ビークルに面するロッドの他端部は、軸受装置８によってビークルに取り付けられている。しかし、代替実施形態（図示せず）では、軸受装置８はタービンに面するロッドの端部に取り付けられている。別の実施形態（図示せず）では、タービンはロッドに固定式に取り付けられ、又はロッドと一体化され、ビークルに面するロッドの他端部は固定式にビークルに取り付けられ、又はビークルと一体化されている。

図５では、ビークルに取り付けられた制御システム１５が、ビークル及びタービンへの構造負荷限界、並びにタービンへの電気負荷限界を超えずに、所定の軌道７にビークルを案内するように配置されている。制御システム１５の他の機能的要求は、ビークル３を安定させ、終わりなき軌道７の装置の出力を最適化又は制御することである。

制御システム１５は、図示の実施形態では、誘導及び追跡のための４つの入力信号を有する。第１の入力信号、すなわち現在の傾斜角α（図１ｂ参照）及び第２の入力信号、すなわち現在の回転角β（図１ｃ参照）は、ワイヤ６の係留設備４に取り付けられ、例えば前述のワイヤ６内の電気ケーブル１３を介して制御システム１５に入力される角度検出装置（図示せず）から提供される。第１に、傾斜角信号αはワイヤ６と水平平面との間の角度を画成する。第２に、回転角信号βはワイヤ６と水平流れ方向との間の角度を画成する。２つの角度測定装置がさらにビークル軸受装置８に取り付けられている。これらの２つの角度測定装置は、制御システムにビークル３とロッド１０との間のロール角を示す第３の入力信号を提供し、ビークル３とロッド１０との間のピッチ角を示す第４の入力信号を提供するように配置されている。さらにセンサデータが、例えば、制御システム１５の演算を改良するためのビークルの慣性計測装置から提供されることができる。さらにセンサデータは、水深に関係することもできる。

傾斜角データα、回転角データβ、ロール角データ及びピッチ角データは、制御システムにより処理され、ビークル３の第１の制御面１６（図２）用の指令角が出力され、ビークル３の第２の制御面１７用の指令角が出力される。処理中に、所定の軌道をたどるために、値がビークルによって要求されるピッチ運動及びヨー運動のために計算される。次いで、制御システムは第２のステップで、相当する制御面１６及び１７に取り付けられた各サーボアクチュエータ（図示せず）に指令角を提供する。次いで、制御面上の流体力が、所定の軌道をたどるためにビークル及びタービンにヨー及びロールを起させる。第１の面１６及び第２の面１７用の指令角を計算するアルゴリズムは本発明の一部を形成しない。当業者にとって、所与の物理的状況下で上記の通りにビークルを所定の軌道に案内するためのアルゴリズムを用意することは、通常の作業であろう。しかし、ワイヤ内の力及び張力は、ビークルがその軌道内で動作するとき非常に強いと言うことができる。したがって、制御面１６及び１７用の指令角を決定する際に、ワイヤ６は線状のロッドに近似させることができる。

図６ａ、６ｂ及び６ｃでは、ビークル３の代替の終わりなき軌道７の実施形態が図１と同じ座標システムで示されている。図６ａ、６ｂ及び６ｃに示された軌道は楕円の形状である。図示された終わりなき軌道は、ワイヤのねじれを避けるために係留設備４にスイベル装置が必要である。

図７では、ビークルは、ビークルの各端部に１つずつ、２つの追加タービン１８及び１９を備える。タービンは軸受によってビークルに取り付けられており、タービンがピッチ方向に回転自在であることができる。電気エネルギーを生成するように配置された電気発電機は、各タービンに接続されている。ケーブルが、各追加タービン発電機をワイヤ６の電気ケーブル１２にさらに分配するために接続されている。

図示された実施形態ではビークルは翼である。しかし、本発明は翼の形態のビークルに限定されない。例えば、ビークルは互いの上部に配置され、離隔構成要素によって分離された２つ以上の翼の形態であることができる。

ｘが流れ方向に垂直な水平方向を示し、ｙが垂直方向を示すｘｙ平面内の本発明の第１の実施形態による水中機械設備の配置の実施形態を示す図である。 ｚが水平流れ方向を示すｙｚ平面内の図１ａの水中機械設備の配置を示す図である。 ｘｚ平面内の図１ａの水中機械設備の配置を示す図である。 図１の水中機械設備の流水駆動式ビークルの第１の実施形態を示す図である。 図１の水中機械設備のワイヤの実施形態の横断面を示す図である。 図１の水中機械設備のビークルのタービン取付け部の実施形態を示す図である。 図１の水中機械設備の制御装置の実施形態を示す図である。 ｘが流れ方向に垂直な水平方向を示し、ｙが垂直方向を示すｘｙ平面内の本発明の第２の実施形態による水中機械設備の配置の実施形態を示す図である。 ｚが水平流れ方向を示すｙｚ平面内の図６ａの水中機械設備の配置を示す図である。 ｘｚ平面内の図６ａの水中機械設備の配置を示す図である。 図１の水中機械設備の流水駆動式ビークルの第２の実施形態を示す図である。

Claims (17)

1. 電気エネルギーを水流から生成するための水中機械設備（１）であって、
   ワイヤ（６）によって構造体（４）に係留された少なくとも１つのタービン装置（９；１８、１９）を備え、
   前記タービン装置（９；１８、１９）は、少なくとも１つの翼により形成されて前記ワイヤ（６）の範囲内を自由に移動することができる流水駆動式ビークル（３）に取り付けられており、
   前記流水駆動式ビークル（３）には操舵手段（１６、１７）及び制御装置（１５）が備え付けられており、前記制御装置（１５）は、少なくとも部分的に前記水流の方向を横切る軌道（７）上に前記流水駆動式ビークル（３）を操舵するための前記操舵手段（１６、１７）に制御信号を提供するよう構成されており、
   前記流水駆動式ビークル（３）は、前記軌道（７）上に操舵されて、水の流速よりも速い速度で前記水流によって動かされることができることを特徴とする、水中機械設備。
2. 現在の傾斜角αすなわち前記ワイヤ（６）と水平面との間に画成される角度と、現在の回転角βすなわち前記ワイヤ（６）と水平流れ方向との間に画成される角度とに関する入力信号を前記制御装置（１５）に提供する手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の水中機械設備。
3. 前記軌道（７）が無終端の軌道であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の水中機械設備。
4. 前記軌道（７）が数字の８の字状に形成されることを特徴とする、請求項３に記載の水中機械設備。
5. 前記軌道（７）は、前記ワイヤ（６）の長さに実質的に等しい曲げ半径を有する球面に形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の水中機械設備。
6. 前記軌道（７）の大部分は、前記流水駆動式ビークル（３）が前記軌道（７）を動く際に、変動する回転角βが前記ワイヤ（６）と前記水流の水平方向との間で得られるように、前記水流の方向に対して実質的に垂直に向けられていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の水中機械設備。
7. 少なくとも１つのタービン装置（９；１８、１９）は、電気エネルギーを生成するように構成された発電機に動作可能に接続されたタービンを備えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の水中機械設備。
8. 前記操舵手段（１６、１７）が少なくとも１つの制御面を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の水中機械設備。
9. 前記発電機が、前記電気エネルギーを分配するように配置された電気ケーブル（１２）に動作可能に接続されていることを特徴とする、請求項７に記載の水中機械設備。
10. 前記電気ケーブル（１２）が少なくとも部分的に前記ワイヤ（６）と一体となっていることを特徴とする、請求項９に記載の水中機械設備。
11. 請求項１に記載の水中機械設備を操作する方法であって、
    前記流水駆動式ビークル（３）が水の流速よりも速い速度で前記水流によって動かされることを許容するよう、少なくとも部分的に前記水流の方向を横切る軌道（７）上に前記流水駆動式ビークルを操舵するステップを備えることを特徴とする、方法。
12. 前記制御装置（１５）を用いて、前記流水駆動式ビークル（３）の前記操舵手段（１６、１７）に制御信号を提供するステップを更に備えることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 現在の傾斜角αすなわち前記ワイヤ（６）と水平面との間に画成される角度と、現在の回転角βすなわち前記ワイヤ（６）と水平流れ方向との間に画成される角度とに関する入力信号を前記制御装置（１５）に提供するステップを更に備えることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 前記軌道（７）が無終端の軌道であることを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記軌道（７）が数字の８の字状に形成されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記軌道（７）は、前記ワイヤ（６）の長さに実質的に等しい曲げ半径を有する球面に形成されることを特徴とする、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 操作の間、変動する回転角βが前記ワイヤ（６）と前記水流の水平方向との間で得られるように、前記水流の方向に対して実質的に垂直な方向に前記流水駆動式ビークル（３）を操舵するステップを備えることを特徴とする、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の方法。

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