JP5244822B2 - 水流からエネルギを生成するためのフローティング装置 - Google Patents

Description

本発明は、添付の特許請求の範囲の請求項１及び６の導入部分に記載されている水の流れからエネルギを生成するための装置に関する。当該装置は、海、湖、川及びその他の貯水域の水面下の流れを利用している。このような流れは、例えば、海水の流れ、干満差及び／又は水面下の地形（例えば、海峡、河床又はその他の水面下の狭い流路）によって形成され得る。

海水の流れからエネルギを生成するための多くの公知の装置及び方法が存在する。

ノルウェー特許出願第１９９ １９８４号には、海流及び川の流れから電気エネルギを生成するための装置が記載されている。当該装置は、完全に水面下に配置され、羽根、支持装置、張り網装置及び発電機を備えた幾つかのタービンを備えている。タービン軸は水の動く方向に直角に向けられ、羽根はタービンが水の動く方向に関係なく同じ方向に回転するような翼形状とされている。タービン軸は、支持及び軸受け装置上に取り付けられている浮力タンクを備えた構造物内に支持されており、装置はモジュールによって構成されている。当該装置は、浮力タンクと水中に固定される張り網装置とによって調整される正の浮力を有し、その結果、当該装置は張り網装置によって水中に保持される。当該装置は伝統的な羽根を使用している。（特許文献１）

米国特許第４ ８６４ １５２号には、ボラード（係船柱）を使用して底部のアンカーに係留されるリング状の浮きからなるフローティング水流発電装置が記載されている。タービンは、交換可能であり且つ共通の梁上に取り付けられ、リング状の浮きによって画成される領域内で１つのユニットとして枢動して水面まで上昇することができる。当該発電装置は、ボラードの周りを回ることができ、当該ボラードの頂端は前方の浮きに結合されており、下端はアンカーに固定されている。（特許文献２）

米国特許第５，４４０，１７６号には、テンションレグ方式の水中プラットホームの下方に懸垂している種々の組み合わせからなるタービン／発電機を備えた水中タービン装置が記載されている。（特許文献３）

フローティング潮力発電装置の別の例が、本願の出願人による国際特許出願第ＰＣＴ／ＮＯ０２／００２４９号（国際公開第ＷＯ０３／００６８２５ Ａ１号）に記載されている。この装置は、多数好ましくはプラットホームの各コーナーに１つずつ浮き要素を備えており、それによって、横方向及び長手方向の両方向における動きが最も小さい安定性要件を満たしている。多数の支持アームがプラットホームから各側部へと伸長しており、当該支持アームの各々が発電機ハウジングを保持している。当該支持アームは、プラットホーム内の取り付け箇所にヒンジ結合されている。（特許文献４）

これらの公知の装置は、実質的には、外洋上よりも風力及び波力が比較的穏やかな沿岸水域に配置するために設計されている。しかしながら、海その他の需要環境に発電装置を配置した場合には、実質的なエネルギ回収ポテンシャルが存在する。従って、今日までに知られている装置よりも大きな環境的影響力に耐えることができる水流からエネルギを生成するための装置が必要とされている。ノルウェー特許出願第２００７／０２２８号には、水流からエネルギを生成するための装置が記載されており、当該装置は、水中に沈めるための構造と、当該構造に結合された複数のタービンモジュールとを備えている。当該装置は、それらの各々の端部において前記構造に結合されており且つ更に浮き要素に対して摺動可能に結合されている複数の柱を備えており、各柱は、浮き要素に選択的に且つ解放可能に取り付けられている。（特許文献５）

ノルウェー特許出願第１９９１９８４号 米国特許第４ ８６４ １５２号 米国特許第５，４４０，１７６号 国際特許出願第ＰＣＴ／ＮＯ０２／００２４９号（国際公開第ＷＯ０３／００６８２５ Ａ１号） ノルウェー特許出願第２００７／０２２８号

しかしながら、海に配置される装置は、波及び風によって惹き起こされるかなりの動荷重に曝される。海中に配置するための上記の装置においては、浮き要素のうちの水面上に配置される部分は、波及び風に曝されるかも知れず、このことにより、装置全体が特に当該装置の横軸を中心に比較的大きな動きをするように設置させられる。これは、構造的な問題をもたらすと共にタービンの効率に望ましくない作用をもたらす。従って、実質的な環境的影響力による影響が少ない装置が必要とされている。

従って、本発明により、水の流れからエネルギを生成するための装置が提供される。当該装置は、第一の部材と、第二の部材と、前記第一の部材に結合された複数のタービンモジュールとを備えており、前記第二の部材が前記第一の部材上にほぼ垂直に取り付けられており、前記第一の部材は水面下に沈むようになされており、前記第二の部材の上方部分は、当該装置が稼働状態にあるときに水面から上方へ突出していることを特徴としている。

前記第一の部材には、バラストタンクとキールとが備えられているのが好ましい。好ましくは、前記第一の部材の２つの端部にスタビライザを配備することも有利かも知れない。

本発明に従って、フローティング装置のための係留装置も設けられ、当該係留装置は、各々の端部のうちの一方がフローティング装置に接続される係留索を備えており、当該係留索は、それら自体の第二の端部が、各々の取り付け箇所及び水面下の索によってブイに結合され、それによって、係留索がフローティング装置と各々のブイとの間でほぼ水平に伸長せしめられることを特徴としている。

ブイは、係留索（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ）を介して水面下にある底部に設けられた各々のアンカーに結合されるのが有利である。

本発明の実施形態は、特許請求の範囲及び添付図面を参考にした以下の説明から明らかとなるであろう。図面は単に典型的な実施形態を示していることが理解されるべきであり、本発明を限定するものと考えられるべきではない。図中、同様の部品は同様の参照符号によって示されており、当該参照符号は以下の説明においても使用されるであろう。

図１は、本発明による装置の一実施形態の斜視図である。 図２は、本発明による装置の一実施形態の端面図である。 図３は、図２に示した装置の側面図である。 図４は、本発明による装置の一実施形態の上方から見た原理図である。 図５は、本発明による係留装置の原理図である。 図６は、図５に示したものに対応する係留装置の原理図であり、幾つかの装置が直列に接続されている。

本発明による装置は、部分的に水面Ｓの下方の水中に沈められるようになされている。当該装置は、水中構造であるのが好ましい第一の本体１０と、図１に示されているように上方へ突出している構造であるのが好ましい第二の本体２０とを備えており、当該図において、当該装置が水中での作動状態に配置されているときに、第二の本体２０の一部分が、水面Ｓから上方へ突出していることがわかる。図１は、構造１０、２０が船体形状の本体である実施形態を示している。

以下においてタワー２０と称される第二の本体２０はまた、制御室３１並びにバラストタンク（図示せず）及び水中構造１０へのアクセスチャネル（図示せず）を含む装置の作動のためのその他の設備及び機構をも備えていても良い。

構造１０には、突出している支持アーム４０が取り付けられている。図面に示されているように、支持アームは、水中構造１０の個々の対向側面に取り付けられているのが好ましい。図面においては、支持アーム４０はトラス構造として示されているが、当業者は、他の構造も可能であることを理解するであろう。各々の支持アーム４０の個々の外方端部には、各々のタービンモジュール７５０が設けられている。

本明細書において、“タービンモジュール”は、１以上のタービン４００と、水流からエネルギが生成できるようにするのに必要とされる他の構成要素と共に、恐らく、タービンに結合するための軸、ハブ、縦揺れ制御装置等を備えている機械ハウジング７５２とを含んでいるモジュールを指すものと理解されるべきである。

タービン４００は、当業者が理解するように、１つ、２つ又は３つ以上の個々のタービンの羽根を備えていても良い。以下において、“タービン”は、タービンの羽根の数に関係なく、共通の参照符号として使用されるであろう。

図１、３及び４は、好ましくは各機械ハウジング７５２の各端部に１個ずつ配置された２つのタービン４００を備えたタービンモジュール７５０を示している。この構造においては、２つのタービンが逆回転するように配置することができる。

選択された発電機の設計方式に応じて、機械ハウジング７５２は、とりわけ、索（ロープ）を介して各々の水車発電機を作動させる水車（ポンプ）を備えていても良い。当該発電機は、例えば、タワー２０又は水中構造１０内に配置することができる。別の変形例においては、機械ハウジング７５２は、当業者に知られている方法で回転させることによって電力が生成される一般的な発電機を備えていても良い。更に別の変形例においては、機械ハウジング７５２は、例えば、ノルウェー特許出願第２００２ ０８００号に記載されている逆回転式発電機を備えていても良い。

タワー２０は、装置の長手軸線に沿って互いに反対方向に向けられたテーパー部分２２を備えたほぼ筒状の部材として示されている。しかしながら、他のタワー断面形状（例えば、矩形）及び構造（例えば、トラス構造）も、これらが同様の機能を果たす場合には、本発明に含まれると考えられるべきである。テーパー部分２２は、当該装置に向かって漂流する物を撥ねつける補助となることに加えて、当該装置が水流に曝されるときに抵抗を減らす作用を果たす。

図１は、水中構造１０にキール１４が設けられている本発明の実施形態を示している。キール１４には、特別な錘が備えられていることが有利であるかも知れない。水中構造１０にはまた、図１及び４に示されているように、構造１０の各々の端部に対をなして配置されるスタビライザ１２も備えられていても良い。スタビライザ１２は、構造１０に固定するか又は回転可能に取り付けることができる。キール１４及びスタビライザのいずれもが図２及び３には示されていない。

当該装置が水中にあるときには、それ自体公知の方法で当該装置に取り付けられているアンカーチェーン（又は、索、ケーブル若しくはロープ等；以下、係留索と称する）によって、例えば、海底に係留することができる。図面においては、索２４ａ、２４ｂは、水中構造１０の各端部に取り付けられている。図１、３及び４には、係留索２４ａ、２４ｂの一部分が示されている。装置に対する係留索の操作及び係止に関する更なる詳細は、明確化のために且つ当業者に公知であるので省略した。同様に、電力送出のためのケーブルの取り付け及び装置の制御も、当業者に公知の方法でなされるので省略した。

水中構造１０及びタワー２０は、両方とも、バラストタンク（図示せず）を備えていて、これらのタンクのバラストを追加或いは除去することによって、装置の上昇、下降及び位置決めを制御できるようにするのが好ましい。

図面に示されているように、支持アーム４０は、水中構造１０にほぼ垂直に取り付けられるのが好ましい。しかしながら、たとえこれが好ましい構造であるとしても、本発明は、支持アームと水中構造との間の厳密に直角な関係に限定されるべきではない。当業者は、支持アームはまた、程良い二面体構造内に取り付けても良いこともわかるであろう。この二面体構造は、水中構造１０が水面Ｓまで又は水面より上方へと上昇せしめられるときに、稼働中の装置を傾ける必要性を減じることができる。しかしながら、これは、タービンモジュールを水面Ｓまで持ち上げるために、支持アームに比較的大きな強度を必要とし且つ装置内に特別な浮揚能力を必要とするであろう。

次いで、水中に配置されているときの装置のための新しい係留装置を示している図５を参照する。装置１０、２０は稼働状態で示されており、当該稼働状態においては、水中構造１０は水中に沈められており、タワー２０は部分的に水面Ｓの上方へ突出している。

係留索２４ａ、２４ｂは、上記したように、その第一の端部が水中構造１０の各々の端部に結合されている。係留索２４ａ、２４ｂは、その第二の端部が、共に水面Ｓに浮かんでいる状態で示されている個々のブイ５０、５２に結合されている。これらのブイは、各々のアンカー２９ａ、２９ｂ、２９ｃに結合されている下方の係留索２６ａ、２６ｂ、２６ｃによって海底Ｂに係留されている。図５に示されているように、係留索２４ａ、２４ｂは、適当な結合箇所２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ及び適当な長さの索２８を介してブイ５０、５１に結合されるのが有利である。このようにして、係留索２４ａ、２４ｂは、各々の第二の端部が、係留索２４ａ、２４ｂの第一の端部が水中構造１０に結合されている水面Ｓ下の深さにほぼ対応する水面Ｓ下の深さにおいて結合箇所２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄに結合されている。

この種の係留装置は、係留索２４ａ、２４ｂが水中で出来るだけ水平に伸長することを確保する。これによって、装置１０、２０は、ほぼ水平の引っ張り荷重を受け、当該装置は、水中において出来る限り水平な状態に位置したままとなる。これによって、一般的な係留が使用されるときに通常受ける垂直力成分を避けることができる。タワー１０の概略形状と組み合わせると、この係留装置は、荒れた海においてさえ水中での装置の縦揺れを減じる補助となる。

ここに提案されているブイ係留装置の重要な特徴は、当該装置が稼働状態（例えば、生産負荷／抵抗がおよそ１６０〜１８０トンの静的プラス付加的な動的荷重）にあるときに当該装置を定位置に保持する係留索によって、ほぼ垂直方向の荷重成分が装置１０、２０にかからないことである。例えば、下方の係留索２６ａ又は２６ｂ，ｃと海底との間の角度が約２０度で約１５０メートルの全長を有する約２００トンの係留索２４ａ、２４ｂの張力は、ブイ内に約７０トンの浮力要件を課すであろう。例えば、ブイ５０、５２は、水面Ｓ下に入るときに７０トンの浮力を有するように設計することができる。更に、ブイが例えば水面下３メートルまで沈んでいる場合でさえ、常にほぼ同じ浮力を有することに注目することは極めて重要である。しかしながら、例えば、力の増加が、仮定されている最大値よりも大きいときにこのことが生じた場合には、これと同時に、装置内への係留索と海底Ｂとの間の角度は恐らく約１６度まで小さくなるであろう。これによって、ブイ内の浮力の必要度もまた約６０トンまで低下するであろう。装置とブイとの間の距離が約１００メートルであるならば、装置への角度は、ほんの約１．２５度だけ変えられるであろう。従って、ブイ内の浮力要件が角度の減少に応じて小さくなるので、当該装置は独特である。

図６は、一列に結合された図５の一連の装置を示している。装置１０’、２０’は、上記した装置１０、２０の上流又は下流に直列に配置されている。装置１０’、２０’は、係留索２４ａ’を介して下方の係留索２６ｂ’に結合されており、結合箇所２７ａを介してブイ５２に結合されている。装置１０、２０の左側に設けられた係留索２４ｂ”は、対応する装置が装置１０、２０の左側に取り付けられることを示している。このようにして、各装置の側部の各々に最小限１つのブイが設けられ且つ各方向に最小限１つのアンカーが設けられることにより、幾つかの装置が直列に結合されている。別の方法として、ブイから各方向に幾つかのアンカーを使用しても良い。これは横方向の変位を少なくするであろう。

流れの方向にのみ張力がかかり、流れはほぼ６時間毎に逆になるので、別の方法として、列状の幾つかの発電装置を発電装置間に設けられる１つだけのブイと組み合わせても良い。このような装置内で係留索が相互に擦れるのを避けるために、アンカーを一つの方向に１つだけ使用し、もう一方の方向に恐らく２つのアンカーを使用することが理想的であるかも知れない（斜視図を参照のこと）。

係留索としては、チェーン、鋼線及び合成繊維ロープの組み合わせを使用しても良い。

１０ 水中構造、
１２ スタビライザ、
１４ キール、
２０ タワー、
２２ テーパー部分、
２４ａ、２４ｂ 係留索、
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、 下方の係留索
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ 結合箇所、
２８ 索、
２９ａ、２９ｂ、２９ｃ アンカー、
３１ 制御室、
４０ 支持アーム、
５０、５２ ブイ、
４００ タービン、
７５０ タービンモジュール、
７５２ 機械ハウジング、
Ｓ 水面、
Ｂ 海底

Claims (6)

1. 第一の部材（１０）と、タワー（２０）と、前記第一の部材（１０）に結合された複数のタービンモジュール（７５０）とを備えた、水面を含む貯水域内の水流から電気エネルギを生成するフローティング装置であり、
   前記第一の部材（１０）と前記タービンモジュールとが水面下へ沈むようになされており、前記タワー（２０）は、前記第一の部材（１０）上に取り付けられており且つ前記第一の部材（１０）が水中に沈んでいるときに当該第一の部材（１０）から上方へ伸長しており、前記タワー（２０）の上方部分は、当該フローティング装置が稼働状態にあるときに水面から上方へ突出していて、
   前記第一の部材（１０）と前記タワー（２０）とは船体形状であり、且つバラストタンクを備え、前記タワー（２０）は、制御室と前記第一の部材（１０）へのアクセスチャネルとを更に備えることを特徴とする装置。
2. 前記第一の部材にキール（１４）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記第一の部材（１０）の好ましくは２つの端部にスタビライザ（１２）が設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記フローティング装置は、前記第一の部材（１０）の個々の対向側面に取り付けられている２つの突出している支持アーム（４０）を更に有し、前記タービンモジュール（７５０）が、各々の支持アーム（４０）の個々の外方端部に設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
5. 前記支持アーム（４０）は、該支持アーム（４０）が静水の水面に平行になるように、前記第一の部材（１０）に取り付けられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
6. 前記フローティング装置は、前記第一の部材（１０）の各々の端部に取り付けられている係留索（２４ａ、２４）を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。

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