JP5213860B2 - 水流発電装置のための向き調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、水流からエネルギーを抽出するための装置設計に関する。とくに、本発明は、水流発電装置を水の流れに整列させ、流れの向きの周期的な変化に対処できる手段を提供する。

河口域または潮汐流における水流の方向は、通常、規定された周期的パターンで変化する。たとえば、潮汐流は、典型的には、満潮または干潮に入れ替わるとき、おおまかに６時間毎に約１８０゜方向を逆転する。潮汐が転向するとき、水流速度は、憩潮前後の短時間にわたり極めて緩慢になるまたは静止する。本発明は、このような緩慢または静止流時期を利用して、水流発電装置の向きを再調整することを意図ものである。

水流発電装置が周期的に流れの方向の大きな変化に対処できるようにする提案された方法として、以下のものがある。

・機械的なヨー駆動装置
この装置は、風力発電業界において使用される技術であり、任意の方向から吹いてくる風に対面させるためのロータを必要とするが、水流タービンにも採用できる。このタービンロータは、タービンナセルに搭載した機械的摩擦式またはギア式の駆動装置（ヨードライブ）を使用して首振り（ヨー）動作し、このヨー動作は支持タワーに対して反作用する（またはその逆）。一般的にヨードライブを取り付ける半径が比較的小さいために（通常、支持タワーの半径と等しい）、タービンの向きを再調整する適切なトルクを生ずるために大きな反作用力が必要となる。このような駆動装置を外部環境にさらさないような封止処理（この処理は大きな半径のヨー軸受に対しては高額な費用がかかる）をしない限り、水中で発生する粒子および破片によって駆動装置を汚したり、または摩耗させたりすることになる。また設計には動いているギア式または摩擦式の駆動ユニットと、静止している反作用ギア／表面との間における、機械的的な公差範囲について厳密な制御を必要とする。

・全長にわたるピッチ制御装置を備えた固定ロータ
この技術は、各水流れサイクル毎に、約１８０゜水流方向が変化する場合に使用することができる。水流方向が変化するとき、各ロータブレードはそれぞれの長手方向軸線の周りに１８０゜回転する。流体力学的な意味においては、このことはロータが１８０゜首振りヨー運動するのと同一の効果を有する。この仕組みには、支持構の体伴流が水流の一方向をとる状態でロータを作動させなければならないという欠点がある。さらに、これは２つの流れの方向が１８０゜ではない角度にわたり転向する場合、効率損失および非対称ロータ負荷をも生ずる。

・固定ピッチリバースフローブレードを使用した固定ロータ
このロータブレードの翼は、ブレードが、なんらのピッチ調整またはロータ転回をすることなく、反対方向から流れてくる流れにより動作できるよう設計する。このことは、局所の弦方向軸線と鉛直軸線の双方の周りに対称であるブレード翼断面輪郭（例えば平坦な楕円輪郭が考えられる）を用いることによって実現できる。このブレード断面設計には大きな効率損失がある。このような固定ブレードピッチロータは流体力学的な失速制御に頼り、出力電力に制限を生じ、それは極めて制御しやすい電力調整手段を提供するものではない。

・海底係留した正浮力ロータ
完全に沈めて正浮力を受けるロータ（または剛結合したロータ群）を海底に係留する。ロータが発電しているとき、ロータは、タービンのスラスト力、浮力、および係留索により生じる合成張力のバランスをとることで、水柱の中間に支持される。ロータの水柱におけるレベルは、水流の速度および生ずるスラスト力に応じて、変化する。流れの方向が逆転するとき、ロータは垂直方向に反転して逆方向に指向する。このシステムの主な欠点は、可撓性係留により水流発電装置の本体全体が望ましくない動力学的応答を起こしてしまう可能性がある点である。このことは、水流に乱流または津波で誘発される変動があった場合に特に問題となる。海底係留装置は、さらに、タービンから海底まで布設する電力ケーブルを保護するのがより一層困難にする。

本発明は、従来技術の欠点を克服する、水流発電装置が向かってくる水流に対面するよう向きを調整する手段を提供することを目的とする。

本発明は、向きを変えるスラスト装置を用いる。

本発明装置は、以下のものを有する。すなわち、
・水流発電装置の本体に恒久的に装着した１個またはそれ以上の流体力学的スラスト装置。
・水流発電装置の本体を海底もしくは河床に設置した剛体の支持構体に連結し、所望の回転軸線周りの自由度を付与する軸受または取付装置。

スラスト装置を水流発電装置の本体部に配置し、所望の回転軸線周りの十分なトルクを付与して、水流発電装置の向きを再調整し、水流の新たな方向に対面させる。スラスト装置は、電気的、液圧的、または空気圧的に作動させる。スラスト装置の動力は、水流発電装置に搭載されたシステムから、別個の海底または河床に設置したユニットから、または供給ライン／ケーブルを介して陸地から直接的に、供給する。

スラスト装置は、典型的には、流れが静止するまたは緩慢に流れ、これによって、水流に起因して水流発電装置の本体に作用する流体力学的な力を減少する期間中に使用する。これにより、スラスト装置に課される要件を減少し、したがって、軸受の摩擦、慣性、また場合によって水流発電装置に作用する重量および浮力にのみ打ち勝つような設計することができる。

好適な実施形態においては、水流発電装置は、水平軸線に沿うロータを使用する。

好適な実施形態においては、水流発電装置の本体部を、垂直軸線に沿う単独のヨー軸受を介して支持構体に取り付ける。

好適な実施形態においては、スラスト装置を１個以上使用し、スラスト装置を各個にヨー軸受の両側に取り付け、ヨーモーメントを発生するとともに、最小の正味サイドフォースを生ずるようにする。

好適な実施形態においては、使用するスラスト装置は、船舶または潜水艦で使用される船首タイプおよび船尾タイプとする。

好適な実施形態においては、水流発電装置の本体を新しい向きにロックおよびロック解除する個別の手段を設ける。このロック装置は、スラスト装置を使用してタービンの向きを再調整するときはいつでも解除し、またロック装置を再係合させて新しい向きにタービンを保持する。

好適な実施形態においては、機械的位置停止体を設け、向きの正確なフィードバック制御をする必要なしに、タービンの向きを所望角度に再調整することを確実にする。

本発明の主な利点は次の通りである。すなわち、
・水流発電装置の本体は、常に支持基礎の上流側で発電でき、メインロータの支持構体の乱流的な後流の影響を最小限に抑えることができる。
・水流発電装置の本体は、支持基礎に対して構造的一体性の高い回転軸受を使用して堅牢に取り付けることができる。これにより発電装置の寿命が向上する。
・水流発電装置の本体の端部に配置したスラスト装置は、回転軸受の相当減少した半径に作用する機械的ヨー駆動装置よりも、極めて大きなモーメントアームを有する。そのため、機械的ヨー駆動装置に比べて回転軸線周りの正味トルクを発生するのに必要な反作用力が少なくて済む。
・開放ギア式または摩擦式の、機械的ヨー駆動装置に破片が溜まるという潜在的に問題を、本発明により克服することができる。
・流体力学的スラスト装置はコンパクトである。水に比べ空気の密度は低いために、例えば風力タービンに用いる空力学的ヨー（首振り）スラスト装置のコンセプトは、実用的ではない。

本発明のいくつかの異なる実施形態を、以下に添付図面につき説明するが、これら実施形態は例示的なものであり、本発明を限定するものではない。

最も単純な形式の向き再調整装置の側面図であり、水流発電装置の本体を、垂直軸線に沿うヨー軸受に取り付け、単独のスラスト装置を使用した実施形態を示す。 向き再調整装置の他の実施形態における側面図であり、水流発電装置の本体を、水平軸線に沿うピッチ軸受に取り付け、単独のスラスト装置を使用した実施形態を示す。 向き再調整装置の他の実施形態における正面図であり、水流発電装置の本体を環状ハウジングとし、この環状ハウジングを水平軸線に沿う２個のピッチ軸受に取り付け、１対のスラスト装置を使用した実施形態を示す。 最も簡単な形式の向き再調整装置の側面図であり、水流発電装置の本体を、垂直軸線に沿うヨー軸受に取り付け、ヨー軸線の両側に各１個のスラスト装置を使用した実施形態を示す。 最も簡単な形式の向き再調整装置の側面図であり、水流発電装置の本体を、垂直軸線に沿うヨー軸受に取り付け、３個のスラスト装置を使用した実施形態を示す。

図１につき説明すると、水平軸線に沿うロータ５を水流発電装置の本体３の端部に取り付ける。この本体を、固定支持構体１に対して垂直軸線に沿うヨー軸受２によって取り付ける。水流は、紙面左から右、または右から左に水平方向に横切って流れる。流体力学的スラスト装置４を作動させるとき、本体は水平面内でヨー軸受の周りに回転して、所望の方向に対面する。

図２につき説明すると、水平軸線に沿うロータ５を水流発電装置の本体３の端部に取り付ける。この本体は、固定支持構体１に対して水平軸線に沿うピッチ軸受２によって取り付ける。水流は、紙面左から右、または右から左に水平方向に横切って流れる。流体力学的スラスト装置を作動させるとき、本体は垂直平面内でピッチ軸受の周りに回転して、反対方向に対面する。この構成によれば、装置の向きは±１８０゜の変化を生ずるのみである。スラスト装置は十分強力であり、浮力により本体およびロータに作用する回転軸線の周りのいかなる重量または浮力モーメントにも打ち勝つ。

図３につき説明すると、水平軸線に沿うロータ５を環状ハウジング内に取り付け、この環状ハウジングが水流発電装置の本体を形成する。この本体を、固定支持構体１に水平軸線に沿う２個のピッチ軸受２によって取り付ける。水流は、紙面手前から奥または奥から手前に流れる。流体力学的スラスト装置４を作動させるとき、本体は垂直平面内でピッチ軸受の周りに回転して、反対方向に対面する。この構成においては、装置の向きは±１８０°の変化を生ずるのみである。

図４につき説明すると、水平軸線に沿うロータ５を、水流発電装置の本体３の端部に取り付ける。本体を、固定支持構体１に垂直軸線に沿うヨー軸受２によって取り付ける。水流は紙面左から右、または右から左水平に横切って流れる。流体力学的スラスト装置４を作動させるとき、本体は水平面内でヨー軸受の周りに回転して、所要の方向に対面する。この構成において、２個のスラスト装置は、正味のサイドフォースが加わることなく、ヨー軸受の周りに純粋なヨーモーメントを生ずるよう構成できる。

図５につき説明すると、水平軸線に沿うロータ５を、水流発電機本体３の端部に取り付ける。本体を、固定支持構体に垂直軸線に沿うヨー軸受２によって取り付ける。水流は紙面左から右、または右から左に水平方向に横切って流れる。流体力学的スラスト装置４を作動させるとき、本体は水平面内でヨー軸受の周りに回転して、所望の方向に対面する。この構成においては、３個のスラスト装置は、水流タービンの本体に純粋なヨーモーメントを生ずるのみならず、保守復旧作業中に支持構体から分離するとき水中での向きを制御することもできるよう構成する。

Claims (12)

1. 水流発電装置を向き調整して流れてくる水流に対面させる装置において、
   水流発電装置本体の適切な位置に装着した流体力学的スラスト装置であって、所望の回転軸線周りのトルクを前記本体に加える、該力学的スラスト装置と、
   水流発電装置の前記本体と海底または河床に設けた剛体の支持構体との間における機械的連結部であって、所望の回転軸線周りの自由度を付与することができる該機械的連結部と
   を備えた装置。
2. 請求項１記載の装置において、前記水流発電装置の本体と前記支持構体との間における機械的連結部を、回転軸受とした装置。
3. 請求項１または２に記載の装置において、複数個のスラスト装置の代わりに単独のスラスト装置を使用した装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置において、前記スラスト装置の動力源を、搭載水流発電装置から、または水上艦艇から、または別個の海底もしくは河床設置したユニットから、または陸上から直接的に、供給する装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置において、位置停止体を使用して、前記水流発電装置の本体の前記支持構体に対する最終的な向きを制御する装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置において、前記水流発電装置の本体の向きは、前記本体の向きを再調整した後に、前記支持構体に対してクランプまたは機械的にロックできる構成とした装置。
7. 添付図面につき説明したような、水流発電装置の向きをほぼ再調整するための装置。
8. 向かってくる水流に対面するよう水流発電装置の向きを再調整する向き再調整方法であって、その水流発電機は、流体力学的スラスト装置、および水流発電装置の本体と支持構造体との間で所望の回転軸線周りの自由度を付与できる機械的結合を有するものとした、該向き再調整方法において、この方法は、さらに、
   水流発電装置の本体に対して水流によって加わる、所望の回転軸線周りの流体力学的モーメントが、前記同一の本体に対して同一の回転軸線周りに前記スラスト装置によって加わるモーメントよりも小さくなるほど十分に水流の速度が遅くなるまで待機するステップと、
   つぎに、これら水流の条件の下で、前記スラスト装置を作動させるステップであって、前記水流発電装置の前記本体に対して前記所望の回転軸線周りの向きを再調整する十分な正味トルクを発生し、最終的に前記本体が新たな水流方向に対面するまで作動させる該スラスト装置作動ステップと
   を有する向き再調整方法。
9. 請求項８に記載の向き再調整方法において、さらに、前記水流発電装置の本体が、前記新たな水流方向以上に移動するのを阻止する位置停止体に衝合するまで前記スラスト装置を作動させるステップを有する方法。
10. 請求項８または９に記載の向き再調整方法において、さらに、
    前記水流発電装置の本体を前記支持構体に対して、前記向き再調整完了後にクランプまたは機械的にロックし、一定の向きに維持して発電するようにするステップと、
    再び前記水流発電装置の本体をクランプ解除または機械的ロック解除をし、その後の向き変更を行うステップと
    を有する方法。
11. 請求項８〜１０のいずれか一項に記載の向き再調整方法において、さらに、前記スラスト装置を使用して、保守作業中に前記水流発電装置の本体を部分的にまたは完全に支持構体から取り外すことがあるとき、前記本体の向きを制御するステップを有する方法。
12. 請求項８〜１１のいずれか一項に記載し、本明細書に記載され実質的に請求される方法。
    

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