JP6618920B2 - 流体動力学的エネルギー変換システムおよびその使用 - Google Patents

Description

本発明は、流体動力学的エネルギー変換システム、即ち、流動液体からエネルギーを抽出するシステムに関する。流動液体は、流水、例えば海水（例えば、潮汐流または海流）または淡水（例えば、河川を流れる水）とすることができる。流動液体は、代替的には、流動汽水、流動廃水、または抽出され／利用される運動エネルギーを保持する他の任意の液体とすることができる。

特に、本発明は、回転軸を示すローターを備えるタービン装置を備え、タービン装置は、回転軸が流入する水（流入水）に対して傾斜した向きにある状態で作動するように構成され、ローターは、回転エネルギーがローターに与えられるように、流入水と相互作用するように構成された少なくとも１つの螺旋ブレードを備え、少なくとも１つの螺旋ブレードは、第１の凸状面と、第２の凹状面と、第１の面および第２の面がぶつかる自由な末端縁とを備える、流体動力学的エネルギー変換システムに関する。

本発明はまた、潮汐流、海流および河川のうちの任意の１つからエネルギーを抽出するためのこうしたシステムの使用に関する。

本発明は、流体動力学的エネルギー変換システムであって、システムのタービン装置が流入水に対して傾斜した向きを示す、システムに関する。こうしたシステムの例は、引用することにより本明細書の一部をなす特許文献１に開示されている。

流入水流に対して直交するローター軸を有するクロスフロータービン、および流入水流に対して平行な平面で作動するローター軸を有する軸流タービンと比較して、傾斜タービンは、ローターの回転軸が流入水に対して傾斜した向きにある状態で作動するように構成されている。こうした傾斜タービンでは、ローターの形状は、システムのエネルギー変換効率に多大な影響を与え、効率的なブレード形状を見つけることが困難であることが分かった。本発明は、この問題に対処し、ローターの回転軸が流入水に対して傾斜した向きにある状態で作動するシステムに特によく適合されるブレード形状を提供しようとするものである。

国際公開第２０１３／００６０６１号

したがって、一態様によれば、本発明の目的は、従来技術による傾斜流タービンに比較してエネルギー変換効率が向上した傾斜流流体動力学的タービンを備える流体動力学的エネルギー変換システムを生み出すことである。

本発明によるシステムは、回転軸に対して直交する平面において見た場合、第２の面の曲率は、回転軸および末端縁と交差する直線から測定された場合の第２の面の最大深さが、回転軸と末端縁との間の距離の少なくとも３５％、より好ましくは少なくとも４０％、最も好ましくは少なくとも５０％であるように構成されていることを特徴とする。

最大深さの位置における少なくとも１つの螺旋ブレードが、回転軸と末端縁との間の距離の１５％未満、より好ましくは１０％未満である厚さを示すように、少なくとも１つのブレードの厚さを構成することもまた有利である可能性がある。

回転軸に対して直交する平面において見た場合、第２の面の断面は、有利には、最大深さの位置と末端縁との間に一定曲率を示すことができる。

少なくとも１つの螺旋ブレードは、有利には、最大深さの位置から末端縁まで連続的に低減する厚さを示すことができる。

少なくとも１つの螺旋ブレードは、有利には、１〜４の範囲内のピッチ比を示すことができる。

ローターは、有利には、０．１〜０．７の範囲内の直径−長さ比を示すことができる。

上記少なくとも１つの螺旋ブレードは、有利には、第１の螺旋ブレードと、第１の螺旋ブレードに対して１８０度の角度をなしている第２の螺旋ブレードとを備えることができる。第２の螺旋ブレードは、有利には、第１の螺旋ブレードと同一とすることができる。

ローターは、代替的に、３つ、４つ、または、さらにそれより多くのブレードを有することができ、それらは、有利にはローターの回転方向に均一に分散される。

本システムは、有利には、タービン装置を支持する支持装置を備えることができ、タービン装置は、有利には、第１の端部である基端部および第２の端部である末端部を備えることができ、基端部は枢支軸を中心に支持装置に枢動可能に接続されている。枢支軸は、有利には、回転軸に対して直交することができる。枢支軸は、有利には、水平、垂直および斜め方向のうちの任意の１つである向きを有することができる。

代替的に、本システムは、有利には、タービン装置の第１の端部を支持する第１の支持装置と、タービン装置の第２の端部を支持する第２の支持装置とを備えることができ、第１の端部および第２の端部は、支持装置に固定して接続されている。

システムが作動中であるとき、回転軸が、流入水に対し、８０度〜２０度、より好ましくは７０度〜３０度、最も好ましくは６０度〜４０度の範囲内の角度を形成するように、システムを構成することが有利である可能性がある。

システムの作動中、ローターは、有利には、流入水内に浸漬される。

以下、本発明について、添付図面を参照してより詳細に記載する。

本発明の１つの実施形態による潮汐駆動流体動力学的変換システムの概略側面図である。 異なる作動位置にある図１によるシステムの側面図である。 本発明の１つの実施形態による河川に基づく流体動力学的変換システムの概略上面図である。 本発明による流体動力学的変換システムのローターの一実施形態の斜視図である。 図４によるローターの側面図である。 図５にＶＩ−ＶＩと記された部分に沿ったローターの断面図である。

図１は、本発明による流体動力学的変換システム１の第１の実施形態の側面図を開示している。システム１は、第１の端部である基端部８と第２の端部である末端部９とを備えたタービン装置２を備えている。タービン装置２は、支持装置４に取り付けられる螺旋ローター３をさらに備えている。ローター３は、回転軸Ｏを備えている。システムの作動中、軸Ｏは、図１に開示するように、流入する水Ｗ（流入水Ｗ）に対して傾斜した向きを有している。作動中、ローターは、流入水Ｗ内に浸漬され、それにより、ローター３は、回転エネルギーがローター３にかけられるように、その軸Ｏを中心に回転する。

ローター３は、発電機とすることができるエネルギー変換器６に接続されている。代替の実施形態では、エネルギー変換器６は、例えば加圧空気を提供するポンプとすることができる。一般的に言えば、エネルギー変換器６は、流動する水Ｗ（流動水Ｗ）の運動エネルギーによって提供されるローターの回転エネルギーを、異なる形態のエネルギーに変換する、任意のタイプのエネルギー変換装置とすることができる。

回転軸Ｏは、流入水に対し、８０度〜２０度の範囲内にある角度αを形成することができる。しかし、より好ましくは、角度αは、７０度〜３０度の範囲内、最も好ましくは、６０度〜４０度の範囲内にあり、例えば５０度である。

タービン装置２は、枢支軸Ａを中心に支持装置４に枢動可能に取り付けられており、それにより、流入水Ｗに対して角度αを調整することができる。枢支軸Ａは、回転軸Ｏに対して直交している。この構成は、潮汐流からエネルギーを抽出するシステムにおいて特に有利であり、それは、図２に開示するように、タービン装置２が枢支軸Ａに対して直交する平面において回転して、例えば潮流の変化によってもたらされる、流入水の速度および方向の変化に適応するのを可能にするためである。こうした構成では、タービン装置２が、例えば流入水の種々の速度に適応するように、流入水Ｗに対して常に正確な角度αであるように、ローター３が周囲の水Ｗ未満の密度を有するように、ローター３を構成することが有利である可能性がある。代替的にまたはさらに、タービン装置２の末端部９に浮力装置またはハイドロフォイル１７を配置することが有利である場合がある。こうした浮力装置は、上述した特許文献１に開示されている。周囲の水Ｗ未満の密度を有するようにローター３を構成し、および／または、タービン装置２の末端部９に浮力装置またはハイドロフォイル１７を配置することにより、流入水の特性および速度に応じて、角度αが所定範囲、例えば６０度〜４０度内にある状態で作動するように、装置２を構成することができる。しかし、潮流が切り替わる時、システムは、既に９０度を僅かに下回る角度α、例えば８５度または８０度でエネルギーを生成し始めることができる。

図１および図２に開示する実施形態では、枢支軸Ａは、水平、もしくは、少なくとも実質的に水平である。しかし、枢支軸Ａは、代替的に垂直、または少なくとも実質的に垂直とすることができ、または斜め方向とすることができる。

図１および図２に開示する実施形態では、支持装置４は、水Ｗの底部Ｂに位置している。しかし、代替的に、支持構造体４が、ローター３が流入水Ｗ内に浸漬されるのを可能にする限り、支持装置４は、水Ｗの表面Ｓに、または、さらに水の外側、例えば狭い直線部分に橋をかける構造体の上に位置することができる。

図３は、本発明による流体動力学的変換システム１８の第２の実施形態の上面図を開示している。この実施形態では、支持装置４’内に、タービン装置２の第２の端部９もまた固定して取り付けられている。この構成は、システムが河川内に取り付けられる場合に有利である可能性があり、その場合、流入水の方向は概して一定である。このように、支持装置４、４’によって、タービン装置２は、流入水Ｗに対して一定角度αを維持することができる。河川内に配置される場合、システムは、有利には回転軸Ｏが概して川床に対して平行であるように配置することができる。

支持構造体４、４’は、有利には川床に配置することができる。しかし、代替的に、支持構造体４、４’が、ローター３が流入水Ｗ内に浸漬されるのを可能にする限り、川岸にまたは河川に橋をかける構造体に配置することができる。

開示する実施形態では、流体動力学的変換システム１、１８は、エネルギー変換器６に接続される１つのローター３を備えている。しかし、代替の実施形態では、流体動力学的変換システムは、２つ、３つ、４つ、または、他の任意の数のローターを備えることができる。また、ローターは、共通のエネルギー変換器に接続することができ、または２つ以上のローターが同じエネルギー変換器に接続されるように、グループでエネルギー変換器に接続することができる。

図４〜図６は、本発明による流体動力学的エネルギーシステムの螺旋ローター３の一実施形態を開示している。ローター３は、互いに同一であるが、１８０度の角度をなしている（図６を参照）第１の螺旋ブレード１０および第２の螺旋ブレード１１を備えている。各螺旋ブレード１０、１１は、第１の凸状面１２と第２の凹状面１３とを備えている。第１の面１２は低圧面を形成し、第２の面１３は高圧面を形成している。各螺旋ブレード１０、１１はまた、第１の面１２および第２の面１３がぶつかる自由な末端縁Ｅ（図６を参照）を備えている。末端縁Ｅは、ローター３の外径Ｄを規定しまたは描く。

回転軸Ｏに対して直交する平面で見た場合、第２の面１３の曲率は、回転軸Ｏおよび末端縁Ｅと交差する直線から測定した場合の第２の面１３の最大深さＤ_ｍａｘが、回転軸Ｏと末端縁Ｅとの間の距離ＯＥのおよそ４９％であるように構成されている。最大深さの位置で、ブレードは、回転軸Ｏと末端縁Ｅとの間の距離ＯＥのおよそ９％である厚さｔを有している。

回転軸Ｏに対して直交する平面で見た場合、第２の面１３の断面は、最大深さＤ_ｍａｘの位置と末端縁Ｅとの間に一定曲率を有し、ブレード１０は、最大深さＤ_ｍａｘの位置から末端縁Ｅまで連続的に低減する厚さを有している。

開示する実施形態では、最大深さは、回転軸Ｏと末端縁Ｅとの間のおよそ中間点、即ち、０．５ＯＥである位置に配置されている。しかし、最大深さは、回転軸Ｏの方により近い、例えば０．３ＯＥ〜０．５ＯＥ内、または末端縁の方により近い、例えば０．５ＯＥ〜０．８ＯＥ内である位置に配置することができる。

ローター３は、軸Ｏからローター３の半径のおよそ１／４まで延在する内側中心部分１４と、内側部分１４から末端縁Ｅの半径まで延在する外側部分１５とを備えている。内側部分１４は、長手方向軸１６に適応するように増大する厚さを示す。外側部分１５では、面１２および１３は、略一定の曲率を有し、末端縁Ｅでぶつかるように徐々に先細りになっている。

各ブレード１０、１１は、およそ１．４であるピッチ比Ｐ／Ｄを示し、ピッチ比は、ブレード１０、１１のピッチＰとローター３の直径Ｄとの比として定義される。ピッチＰは、ブレード１０、１１の１回の完全な捩れまたは回転の長さとして定義される（図５を参照）。

ローター３は、およそ０．３である直径−長さ比Ｄ／Ｌを示す。

上記実施形態では、パラメーターＤ／ＬおよびＰ／Ｄの値は、具体的な実施形態に対して与えられている。しかし、これらのパラメーターは、特に、システムが内部で作動する水の深さおよび主な速度を考慮して、システムの作動場所に対して調整される必要があることが理解される。

上述した記載では、本発明による装置の様々な態様が、例示的な実施形態を参照して記載されている。説明の目的で、装置およびその作用が完全に理解されるために、具体的な参照符号、システムおよび構成を示した。しかし、この説明は、限定する意味で解釈されるように意図されてはいない。例示的な実施形態の様々な変更および変形と共に、開示する主題が関連する技術分野の当業者には明らかである装置の他の実施形態は、本発明の範囲内にあると見做される。

Claims (16)

1. 回転軸（Ｏ）を示すローター（３）を備えるタービン装置（２）を備え、該タービン装置（２）は、前記回転軸（Ｏ）が流入水（Ｗ）に対して傾斜した向きにある状態で作動するように構成され、前記ローター（３）は、回転エネルギーが該ローター（３）に与えられるように、前記流入水（Ｗ）と相互作用するように構成された少なくとも１つの螺旋ブレード（１０、１１）を備え、該少なくとも１つの螺旋ブレード（１０、１１）は、第１の凸状面（１２）と、第２の凹状面（１３）と、該第１の面（１２）および該第２の面（１３）がぶつかる自由な末端縁（Ｅ）とを備える、流体動力学的エネルギー変換システム（１）であって、
   前記回転軸（Ｏ）に対して直交する平面において見た場合、前記第２の面（１３）の曲率は、前記回転軸（Ｏ）および前記末端縁（Ｅ）と交差する直線から測定された場合の第２の面（１３）の最大深さ（Ｄ_ｍａｘ）が、前記回転軸（Ｏ）と前記末端縁（Ｅ）との間の距離の少なくとも３５％であるように構成されており、
   前記最大深さ（Ｄ_ｍａｘ）の位置における前記少なくとも１つの螺旋ブレード（１０、１１）は、前記回転軸（Ｏ）と前記末端縁（Ｅ）との間の距離の１５％未満である厚さを示し、
   前記少なくとも１つの螺旋ブレード（１０、１１）は、１〜４の範囲内のピッチ比（Ｐ／Ｄ）を示す、ことを特徴とする、流体動力学的エネルギー変換システム。
2. 請求項１に記載のシステム（１）であって、前記最大深さ（Ｄ_ｍａｘ）は、前記回転軸（Ｏ）と前記末端縁（Ｅ）との間の距離の少なくとも４０％である、ことを特徴とするシステム。
3. 請求項２に記載のシステム（１）であって、前記最大深さ（Ｄ_ｍａｘ）は、前記回転軸（Ｏ）と前記末端縁（Ｅ）との間の距離の少なくとも５０％である、ことを特徴とするシステム。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム（１）であって、前記最大深さ（Ｄ_ｍａｘ）の位置における前記少なくとも１つの螺旋ブレード（１０、１１）は、前記回転軸（Ｏ）と前記末端縁（Ｅ）との間の距離（ＯＥ）の１０％未満の厚さ（ｔ）を示す、ことを特徴とするシステム。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム（１）であって、前記回転軸（Ｏ）に対して直交する平面において見た場合、前記第２の面（１３）の断面は、前記最大深さ（Ｄ_ｍａｘ）の位置と前記末端縁（Ｅ）との間に一定曲率を示す、ことを特徴とするシステム。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム（１）であって、前記少なくとも１つの螺旋ブレード（１０、１１）は、前記最大深さ（Ｄ_ｍａｘ）の位置から前記末端縁（Ｅ）まで連続的に低減する厚さを示す、ことを特徴とするシステム。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム（１）であって、前記ローター（３）は、０．１〜０．７の範囲内の直径（Ｄ）−長さ（Ｌ）比（Ｄ／Ｌ）を示す、ことを特徴とするシステム。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム（１）であって、前記少なくとも１つの螺旋ブレード（１０、１１）は、第１の螺旋ブレード（１０）と、該第１の螺旋ブレード（１０）に対して１８０度の角度をなしている第２の螺旋ブレード（１１）とを備える、ことを特徴とするシステム。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム（１）であって、前記タービン装置（２）を支持する支持装置（４）を備え、該タービン装置（２）は、第１の端部である基端部（８）および第２の端部である末端部（９）を備え、該基端部（８）は枢支軸（Ａ）を中心に前記支持装置（４）に枢動可能に接続されている、ことを特徴とするシステム。
10. 請求項９に記載のシステム（１）であって、前記枢支軸（Ａ）は前記回転軸（Ｏ）に対して直交する、ことを特徴とするシステム。
11. 請求項１０に記載のシステム（１）であって、前記枢支軸（Ａ）は、水平、垂直および斜め方向のうちの任意の１つである向きを有する、ことを特徴とするシステム。
12. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム（１）であって、前記タービン装置（２）の第１の端部（８）を支持する第１の支持装置（４）と、前記タービン装置（２）の第２の端部（９）を支持する第２の支持装置（４’）とを備え、該第１の端部（８）および該第２の端部（９）は、該支持装置（４、４’）に固定して接続されている、ことを特徴とするシステム。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシステム（１）であって、該システムが作動中であるとき、前記回転軸（Ｏ）は、前記流入水（Ｗ）に対し、８０度〜２０度の範囲内の角度（α）を形成する、ことを特徴とするシステム。
14. 請求項１３に記載のシステム（１）であって、該システムが作動中であるとき、前記回転軸（Ｏ）は、前記流入水（Ｗ）に対し、７０度〜３０度の範囲内の角度（α）を形成する、ことを特徴とするシステム。
15. 請求項１４に記載のシステム（１）であって、該システムが作動中であるとき、前記回転軸（Ｏ）は、前記流入水（Ｗ）に対し、６０度〜４０度の範囲内の角度（α）を形成する、ことを特徴とするシステム。
16. 潮汐流、海流および河川のうちの任意の１つからエネルギーを抽出するための請求項１〜１５のいずれか一項に記載のシステム（１）の使用。

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