水中発電機
水流から電力を生成するための発電装置が記載されている。発電装置は、発電機、選択された方向からの流水に応じて選択された方向に回転するように発電機に動作可能に取り付けられた第１ブレードセットと、回転するように発電機に動作可能に取り付けられ、第１ブレードセットに動作可能に接続した第２ブレードセットであって、第１ブレードセットと同軸上であり、第１ブレードの下流又は後流領域に配置される第２ブレードセットと、を備え、発電機は、ブレードセットの少なくとも１つにより駆動されるように適用され、発電機は第１ブレードセットと第２ブレードセットとの間で概ね同軸上に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、河川の流れ、海流、水中潮流及び水流から使用可能な電力を生成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
河川の流れ、海流、潮流といった水流から、通常は電気電力等の使用可能な電力へと変換、生成するための機械が提供されてきた。この様な周知の機械により変換され、生成された電力を増加させるために、より規模の大きい機械を製造する試みがなされてきた。この様な試みにより、機械の一部又は全体をより大きな機械応力に晒すこととなり、結果として逆効果になってしまう。
【０００３】
ブレードの長さが増し、ブレード、支柱及び他の部分への荷重試験が非常に複雑な疲労問題となった。結果として、部品自体が高価で複雑になり、一方でモデリングも高価で時間がかかるようになった。また、製品寿命も低減しメンテナンスサイクルも短くなっている。
【０００４】
本発明者らは、特に潮流及び海流から電力を生成することに適した水中発電装置を開発した。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の１つの態様によると、水流から電力を生成するための発電装置が提供され、発電装置は、
発電機と、
選択された方向からの流水に応じて選択された方向に回転するように発電機に動作可能に取り付けられた第１ブレードセットと、
回転するように発電機に動作可能に取り付けられ、第１ブレードセットに動作可能に接続した第２ブレードセットであって、第１ブレードセットと同軸上であり、第１ブレードの下流又は後流領域に配置される第２ブレードセットと、を備え、
発電機はブレードセットの少なくとも１つにより駆動されるように適用され、発電機は第１ブレードセットと第２ブレードセットとの間で概ね同軸上に配置される。
【０００６】
いくつかの構成では、同軸上に配置された第１及び第２セットブレードは、第１及び第２ロータ上にそれぞれ取り付けられている。この構成では、第２ロータが第１ロータと同じ方向に回転するように、互いに動作可能に連結又は結合したローターシャフトを備えるシャフトアセンブリ上に第１及び第２ロータが取り付けられていることが好ましい。
【０００７】
他の構成では、第１ブレードセットを第２ブレードセットから切り離すために、クラッチ又はブレーキ構成が設けられている。従って、この様な構成では、運転中、第２ブレードセットはブレーキ装置により停止位置でロックされる、又は、完全に切り離されて自由に回転するようにし得る。
【０００８】
代替構成では、連結装置はブレードセットの間に設けられ、第１ブレードセットと反対方向に第２ブレードセットを駆動し得る。
【０００９】
更なる実施形態では、発電機は、回転シャフトに動作可能に連結した独立する発電機により駆動され得る。発電機シャフトは、ローターシャフトよりも高い又は低い率で回転するようにギアボックスに動作可能に接続している。
【００１０】
しかし、好適には、第１及び第２ロータが発電機を直接駆動し、これにより第１及び第２ロータが同じ率で回転するように、共有のローターシャフト上に取り付けられている。好適には、ロータはハブを介して干渉はまり(interference fit)又はスプライン接続(splined connection)によりシャフト上に取り付けられている。
【００１１】
好適には、ブレードセット毎に設けられた複数のブレードが存在する。例えば、２〜１０個といった任意の好適な数のブレードが設けられ得る。好適な形式では、ブレードセット毎に３つのブレードが設けられる。好適な構成では、第２セットのブレードが共通シャフト上で回転する際に、直接第１セットのブレードの影になることがないように、第１セットに対する角度位置に関して交互に配置されている。回転方向を選択するための好適要素は、ブレードの配置であり、好適な実施形態ではブレードの迎角が固定されるが、いくつのかの実施形態ではブレードのピッチは可変である。
【００１２】
より好ましい形式では、２つのブレードセットは実質的に同一の特徴及びサイズを有する同じ数のブレードを含む。従って、使用中、１つのブレードセットはもう一方のブレードセットを覆い隠す。
【００１３】
任意選択的に、１つのロータ上のブレードセットのブレードは、別のロータのブレードセット上のブレードとは異なる形状を持ち得るが、どちらのブレードセットのブレードもその数、長さ、断面及び他の主な特徴が一致していることが好ましい。
【００１４】
好適には、第１及び第２ロータは、任意の好適な分離距離で隔てられている。好適な実施形態では、分離距離は、少なくともブレード同士が隣接するよりも距離を置いて配置されていると考えら得る距離である。
【００１５】
好適には、ブレードセットは、有効距離、後流フィールド又は後流領域、及びブレードのほぼ直径の長さで離れて配置されている。後流領域検査及びモデリングでは、最適な運転のための分離距離は、約０．５ｄから１０ｄの間で変化し得ることが示される。
【００１６】
好都合には、本発明の好適な実施形態のモデリング及び検査では、直径が大きい単一のブレードセットと比較すると、より小さい直径の複数のブレードセットから増加した電力を得ることができることが示される。これらの実施形態では、ｃｏｓｔ／ｋＷＨが著しく低減し得る。
【００１７】
好適には、本発電装置は水中及び海中での取り付け及び使用に適する。
【００１８】
ロータは、好適にはロータ上の抵抗及び水乱流を低減させるために、ロータの前面に取り付けられたノーズコーンを含む。好適には、ノーズコーンは空洞になっており、制御システムなどの補助システム又は主要システムのリザーバのための空間を提供している。
【００１９】
双方向ブレードと同様に単方向ブレードを含む実施形態は、迎角又は流れの方向を変え得る潮流に随時ブレードセットの位置を合わせるための回転システムを含み得る。
【００２０】
従って、１つの実施形態では、少なくとも１つの発電機及び縦軸に沿って間隔を空けて配置された、上述する２つの回転可能に取り付けられたブレードセットを備えたタービンヘッドユニットについて、その縦軸が潮流又は迎角の流れと平行するように、自動又は手動（電気駆動又は他の手段を介して）実質的に位置合わせするようにタービンヘッドユニットが取り付けられた構成になり得る。従って、この実施形態ではタービンヘッドユニットは、パイロンの上に回転可能に取り付けられている。
【００２１】
好適には、パイロンは実質的に垂直であるが、ブレードがロータを中心として回転する際に、ブレードが海底から離れるのに十分な選択された距離で、パイロンがナセルを海底から離して配置するような配置であれば、パイロンがあらゆる選択された好適な方向にあってよい。回転装置は、タービンヘッドユニットから離れてパイロン上に配置されるか、タービンヘッドユニットに隣接して配置されている。
【００２２】
発電装置はモジュレータであり得る。つまり、好適なステージで組み合わせ得る着脱可能又は取り外し可能なモジュールの形式であってよい。モジュールは、タービンヘッドユニット、パイロンユニット及び基部又は支持ユニットを含み得る。タービンヘッドユニットは、着脱可能及び取り外し可能にパイロンユニットに取り付けられ得る。更に、パイロンは、海底又は他の水底でパイロンを支持するための基部又は支持ユニットに着脱可能及び取り外し可能に取り付けられ得る。
【００２３】
好適には、発電機は１つ以上のブレードセット又はローターシャフトに直接接続されている。好適には、発電機はスプライン接続によって各ブレードセット又はローターシャフトに接続されている。
【００２４】
カウリング又はハウジングは、水をブレードに向けるために設けられ得る。カウリング又はハウジングは、使用中にブレードセットが配置される流路を含み、ブレード先端が中空円筒の内壁に隣接して配置されるような構成であり得る。ハウジングは、効率向上を促進するために、ブレードの第１セットの外又は上流又はこれを越える位置まで、及び、ブレードの第２セットに対して対応する位置まで延在し得る。
【００２５】
好適には、流量制限が流路内に設けられる。好都合には、この構成は流路の制限されてない部分に対して、流路の制限されている部分における、流路を流れる液体の速度を増加させる。
【００２６】
流量制御は、流路の一部又は全体を形成するベンチュリを備えることが好ましい。特に、ベンチュリは、流路の一端の開口から流路の内側部分に向かって次第に細くなる、中細ベンチュリ（divergent-convergent-divergent）ベンチュリを備え得る。
【００２７】
ベンチュリは、第１の切頭円錐状（frusto-conical）の本体、階段状のピラミッド形（frusto-pyramid）本体、又は角状本体、任意選択的に円柱状の本体の少なくとも１つ、及び、第２の切頭円錐状の本体、階段状のピラミッド形本体、又は角状本体の少なくとも１つを備え得る。
【００２８】
好適には、第１／第２の切頭円錐状の本体、階段状のピラミッド形本体、又は角状（horn shaped）本体の広がる端は、更なる第１／第２の切頭円錐状の本体、階段状のピラミッド形本体、又は角状本体の収束端と実質的に縦方向に一致する。
【００２９】
好適な実施形態では、ハウジングはロータの後方に延在し、拡散機として機能しており、ハウジングは、スロートからロータ後方の後部開口に向って広がる。
【００３０】
好適には、支持支柱はロータと発電機とハウジングとの間に設けられる。好適には、支柱は、ダクト又はリザーバを設けるために中空である。１つの構成では、支持支柱は、ロータと発電機との間に実質的に放射状に延在する。好適な実施形態では、支柱の発電機側の端は、支柱が発電機に実質的に接線方向に延在するように取り付けられている。これは、発電機とハウジングとの間のトルク伝達を向上させるためであり、より軽い支持支柱を容易にするする。更に、この好適な構成の利点は、接線方向に取り付けられた支持支柱が、使用中に半径方向に取り付けられたブレードの完全に後ろ、又はブレードの完全に「影になる」ように配置されることがないため、支持支柱上の疲労荷重が低減されることである。
【００３１】
好適には、ブレーキは使用中に第１及び／又は第２ロータ及び／又はローターシャフトの回転を抑制する。好適には、ブレーキはフェイルセーフ機構である。好適には、使用中、ブレーキアクチュエータに力が印加されると、ブレーキアクチュエータは作動力に反してブレーキ素子をロータから離して保持する。使用中、力がブレーキアクチュエータから取り除かれると、ばね又は適する他の種類の付勢力からなり得る作動力が、ブレーキアクチュエータの力を克服し、ブレーキ素子をロータに適用し、ロータの回転を遅くする又は停止させ得る。
【００３２】
好適には、ブーツ又はプラグがブレード付け根に設けられ、この領域における干渉抗力を最小化するために間隙もしくはバンプ又はボルトヘッドなどを覆う。
【００３３】
いくつかの構成では、ブレード付根又は基部からブレード先端に延在するブレードの縦軸が、ロータの縦中心軸に垂直なラジアル平面から約１度から約２０度の傾斜、扇状、又は傾斜角度で後方に扇状に広がり得る。好適には、ブレードの縦軸は、約２度から１０度の傾斜角度、より好適にはラジアル平面から４度から６度でブレード付根からブレード先端に向けて後方に扇状に広がっている。更に好適には、ブレードは、中心軸に垂直な平面から約５度の傾斜角度でブレード付根からブレード先端に向けて後方に扇状に広がる。他の構成では、ブレードの縦軸は、ラジアル平面の方向に向いている。これらの実施形態では、ブレードの前縁が、ラジアル平面から約１度から約２０度の傾斜、扇状、又は傾斜角度により後方に扇状に広がる。これは、第１及び第２ブレードセットの両方に当てはまり得る。つまり、両方のブレードセットが後方に扇状に広がり得るということである。下流（又は第２）ブレードセットのブレードは、上流又は第１ブレードセットのブレードよりも激しく扇状に広がる又は捻り得る。
【００３４】
更に、ブレードの後縁は、前縁が後ろに扇状に広がるのとほぼ同じ量だけ前方に扇状に広がり得る。この構成の利点は、この構成によりテーパが付けられ、ブレード付根における曲げモーメントを低減させることである。
【００３５】
ブレードは、単（双）方向であってよい。ブレードは、例えばフラットパドル、翼形、レンズ形、テーパ又は台形、長方形、平行、湾曲又は捻れといったあらゆる好都合な断面形状であってよい。いくつかの構成では、翼形状はＮＡＣＡ４４１２シリーズの断面形状である。提供するブレードは単方向であるが、好適な実施形態では、ブレードは双方向であり、ロータ及びブレードセットの回転のための回転台に対する認識される必要性は不要になる。
【００３６】
単（双）方向ブレードは、ブレード付根、ブレード先端、ブレード付根からブレード先端へと延在する前縁、ブレード付根からブレード先端へと延在する後縁、ブレード付根で前縁と後縁との間の直線として定義されるブレード付根弦（blade root chord）、及びブレード先端で前縁と後縁との間の直線として定義されるブレード先端弦を含み、ブレード先端弦は５０度から９０度の捻れ角度でブレード付根弦から角をなして配置されている。
【００３７】
好適には、単方向又は双方向ブレード先端弦は、６０度から８０度の捻れ角度でブレード付根弦から角をなして配置されている。更に好適には、ブレード先端弦は６５度から７５度の捻れ角度でブレード付根弦から角をなして配置されている。更に好適には、ブレード先端弦は約７０度の捻れ角度でブレード付根弦から角をなして配置されている。
【００３８】
ブレードは、繊維強化プラスチック又は他の化合物を使用して、鋳造法を利用するあらゆる好適な材料から製造することができるが、代替的に鋼鉄、非鉄合金又は繊維強化プラスチックから構造リブ及びシート膜を使用して作ることができる。好適には、ブレードは複合材料から作られる。
【００３９】
いくつかの実施形態では、ブレードは双方向タービンブレードであり得る。好適には、ブレードはブレード付根及びブレード先端、ブレード付根とブレード先端との間を通る第１フェース及び第２フェース、ブレード縦端の間に延在する弦線を中心として対称的である断面形状、及び弦線から約５度から３５度の捻れを備え、ブレードは第１フェース又は第２フェースで流水から水中タービンを駆動することができる。
【００４０】
双方向のブレードは、平ら、二重楔型及び六角形（改良型二重楔型）を含むあらゆる好適な対称断面形状であってよい。好適な実施形態では、揚力増加及び抗力低減を促進するために、断面形状は、楕円形形状をなす両凸である。
【００４１】
好適には、双方向ブレードの捻りは、ブレードの中心縦軸を中心としている、又は、捻れたブレードの全体形状が対称であるようにブレードの長さに沿った弦線の中間点にある。
【００４２】
好適には、双方向のブレード全体の捻れは約１０度から２０度の範囲内である。１つの好適な実施形態では、捻れはブレード付根から先端まで約１４度である。発明者による試験及びモデリングによると、約５度から３５度の範囲の捻れが発明の他の好適な特徴に効果的であり有用である。
【００４３】
好適には、ブレードフェースは、縦端が後方に扇状に広がるように、すなわち、中央縦軸に向って内向きになるように、テーパが付けられている。好適な実施形態では、テーパはブレード先端弦の長さがブレード付根弦の長さよりもおよそ１０％短くなるようにしている。発明者による試験及びモデリングによると、テーパの範囲は、このブレード設計においては、例えば２％から３０％の範囲で有用かつ有効であり得る。
【００４４】
双方向ブレードをタービンに設置する場合、双方ブレードは、ブレードの中間部分をおよそ４５度でタービンの中心軸に傾けるように配置される。これは、好適なブレードを設置する場合、ブレードは付根又は近位ブレード領域において流入する水流に向って数度捻れ、先端又は遠位ブレード領域において流れから離れて、又は後方にもしくは下流に数度捻れることを意味する。
【００４５】
好適には、双方向ブレードは、縦軸を中心として回転して水流への迎角を変えることができないようにピッチが固定されている。ブレードは、水流の方向によっていずれの方向にも回転することができ、発電機はブレードセットが任意の方向に回転すると電気を生成し得る。制御システムは、発電装置を制御するために設けられ、発電装置は、発電装置の運転に影響を与える活動(activity)を測定するための手段と、タービンの運転を変更するための手段と、中央処理装置（ＣＰＵ）を備えるデータ処理装置と、ＣＰＵに動作可能に接続したメモリとを備え、メモリはＣＰＵによって実行されるように適応されたプログラムを含み、ＣＰＵ及びメモリは測定手段から情報を受け取り、発電装置の運転を変更するように変更手段に命令を実行させるように動作可能に適応されている。
【００４６】
好適には、制御システムは一定の流水量で発電を最適化するようにタービンを制御する。通常、流量は約１０ノット未満、約８ノット未満、約６ノット未満又は１から５ノットの間である。流水量は、潮、河流、流出又は海洋もしくは海の海流であってよい。システムは、約５ノット未満の低流量の環境に設置された水タービンを制御し、最適な発電又は電気生成を提供するために使用することができる。システムは、タービンを約８ノットまで制御するために使用することができる。
【００４７】
好適には、タービンの出力に影響を及ぼす活動は、水速（量）、水流方向、水流への相対位置、荷重、トルク、水中の高さ又は位置、ローターブレード又はフォイルスピード、ローターブレード又はフォイルリフト、ローターブレード又はフォイルドラッグ、トルク、電力出力、生成した電気、電力荷重等から選択される。
【００４８】
タービンは、測定された入力に応えるために、水流方向に対する姿勢を位置決めすること、高さ又は深さ方向を調節すること、ローターブレード又はフォイル速度を変更すること、上流又は下流ブレードセットの回転速度、電力荷重を変更すること、トルク、電力伝達等を変更することを含む、１つ以上の方法で変更される。好適には、上流又は下流のブレードセットのいずれかの回転速度、もしくはその電力荷重又はその上にかかる電力荷重は、タービン又はシステムに関連して位置決めされた変則駆動（ＶＳＤ）を使用して変更される。１つの好適な実施形態では、ＶＳＤは、パイロンの上又は発電システムの取り付け構造の上に位置する。ＶＳＤは、発電機からの出力荷重又はトルクに影響を与えるために、発電機に対して無効電力等を含む様々な方法で電力を制御又は監視することが好ましい。
【００４９】
最適な発電を保証にするために、最小速度又は所望の速度でロータの回転を開始又は継続させるように外部電源を使用することができる場合もある。タービンシステムが送電網に取り付けられているので、必要があれば、制御システムはタービンに電源を投入するために、送電網からの電力の引き出しを開始することができる。
【００５０】
好適には、活動の測定手段は、潜在的又は実際の障害を検出するためのソナー装置、活動の測定のための流速計形式の手段、周囲空気もしくは周囲水温の温度又はモーター温度もしくは油圧オイル温度の測定のための熱電対、タービンのヨー又は線形位置に関する角度又は高さの測定値を受け取るトランスデューサ、潜在的又は実際の障害を検出するための１つ以上の水中又は水上カメラ、タービン速度又は生成された電力、生成された電圧、生成された位相を測定する１つ以上のトランスデューサ、潮汐情報、ヒューズ、接続又はリレーの検査ルーチン、及び、これらの組合せのうち１つ以上又はこれらの組合せであってよい。
【００５１】
本発明の好適な実施形態による発電装置は、第１ロータ及び第２ロータが流入する潮流及び出て行く潮流の両者によって駆動されるように、第１ロータは流入する潮流の方向に面し、第２ロータは出て行く潮流の方向に面した海洋環境において取り付けることができる。発電装置は、潮流に対して反対の構成で位置決めされると理解されよう。この様な実施形態では、流入する潮流及び出て行く潮流からの発電を可能にするために発電装置を回転させるために回転ユニットを設ける必要がない。
【００５２】
本発明の別の態様では、水流から電気を生成するための方法が提供されており、この方法は、
本発明の第１に定義された態様による発電装置を海洋又は河川環境に設けることと、
発電装置を通る水の動きでブレードのロータを回転させるようにすることと、
発電装置から使用可能な電力を引き出すことと、を含む。
【００５３】
好適には、パイロン又はサポートは、発電装置及びタービンが上に取り付けられ、設けられている。いくつかの好適な実施形態では、パイロンは、いずれかのロータに最初に当たった時の水への干渉を低減させるために、ロータの間に取り付けられている。パイロンは、流線形であることが好ましい。いくつかの代替構成では、パイロンは生成する電力を増加させるため、上述するように並んで２つ以上の発電装置を取り付けるために、好ましくは水平に延在するアームを含む。
【００５４】
本発明のまた別の態様によると、水流から電気を生成するための発電システムが提供され、システムは本発明の第１に定義された態様による複数の発電装置を含む。
【００５５】
本明細書を通して、文脈が別途指示しない限り、「含む（comprise）」又は「含む（comprises）」、「含んでいる（comprising）」などの変形は、述べられた要素、整数、ステップ、又は要素、整数もしくはステップのグループの包括を示すものであり、他の要素、整数又はステップ又は要素、整数もしくはステップのグループを除外するものではないことが理解されよう。
【００５６】
本明細書に含まれている文書、行為、素材、装置、物品その他の議論は、本発明の文脈（context）を提供する目的のためのみになされる。これらの事項のいずれか又は全てが、本明細書の各請求項の優先日以前に存在する、先行技術の基礎の一部をなすか、又は本発明にかかる技術分野における常識であることを容認するものと理解されるものでない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
本発明がより明確に理解されるよう、以下の図面と例を参照して、好適な実施形態が記述される。
【００５８】
【図１】図１は、本発明の好適な実施形態による発電装置の上方の一端から側面への斜視図である。
【図２】図２は、図１の発電装置の正面図である。
【図３】図３は、図１の発電装置の側面斜視図である。
【図４】図４は、図１の発電装置の底面図である。
【図５】図５は、図１発電装置上に取り付けら得る第１ブレードセットの斜視図である。
【図６】図６は、図１の第１ブレードセット上に取り付けられ得るブレードの斜視図である。
【図７】図７は、図６のブレードの別の斜視図である。
【図８】図８は、図６及び図７のブレードに沿った複数の断面である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
図を参照すると、通常１０で示される電力交換又は発電装置が示され、発電装置１０は水流を使用可能な電力へと変換するためのものであって、運転中は水中に沈められている。
【００６０】
発電装置１０は、中心縦軸１１を有するタービンヘッドユニット５を含み、発電装置１０の第１端１３に配置され、入射水流に応じて回転するために回転可能に取り付けられた第１ブレードセット又はロータ１２、及び同様に回転可能に取り付けられた発電装置１０の第２端にある第２ブレードセット又はロータ１４備えるタービンを更に備える。発電機３４は、第１ブレードセットと第２ブレードセットとの間に配置されている。発電装置１０は、通常、中心縦軸１１が水流方向と平行な方向に延在するように設置される。
【００６１】
使用中、第２ロータ１４は、第１ロータ１２に対して下流位置に配置されている。更に、第２ロータ１４は、第１ロータ１２の下流、かつ、第１ロータ１２の後流領域に同軸上に直接配置される。
【００６２】
第１及び第２ブレードセット又はロータ１２、１４は、一体化する又は取り付けられるブレード構成又はブレードセット１６を含み、複数のブレード１８を備える。ブレード１８は、あらゆるタイプのブレードであってよく、１つの構成では、ブレード１８は（図６に示すように）一方向である。これらのブレードは、上述するような高度な捻れを示す。図６に示されるロータは、図示するようにブレードセットが各端で外側に向くか、又は内側に向くように使用され得る。代替的に、ブレードのピッチは可変であり、完全に入れ替え可能である。
【００６３】
しかし、好適には、いずれかの側面から水がブレードに当たる場合、ブレードが同様に機能することができるように、ブレード１８は双方向である（全ての図を参照。また、図６〜図８に詳細が示される）。
【００６４】
運転中、後流領域は乱流地帯であるが、第２ブレードセットは、その後流領域から得られるエネルギーの効率を向上させるために好都合に利用することができる。しかし、発電装置１０が逆流の中に位置する場合、発電装置１０は、第１及び第２ブレードセットが上流ブレードセットに適用できるように、配置され得る。単方向ブレードの場合、ブレードが互いに対して逆に取り付けられるような配置であってよいになる。従って、１つの構成では、上述するように各ブレードが発電機に向かって選択された傾斜角度で傾斜されるようになっている。この様な場合、ブレードセットは後方に効率的に動くと、発電機械全体の効率が向上しないため、後縁ブレードセットは固定されるか、自由に回転するようになる。しかし、第２のブレードセットが常に下流ブレードセットとして設計されて、上流ブレードセットに同様に配置されるように、両方のブレードセットが配置されることも可能であり、考えられる。（つまり、傾斜する場合、それが最も効果的であるとすると、どちらの傾斜も互いに対応する角度に向けられ、つまり、同じ方向に傾斜する。）後者の構成では、回転タービンヘッドが必要となる。
【００６５】
ブレード１８は各ロータの上に取り付けられ、等角間隔でロータを中心として配置される。各ロータにつき３つのブレード１８が設けられている。使用中、１つのブレードがもう一方のブレードの影にならないように、ロータが共通のシャフト（図示せず）上に取り付けられる際に、第２ロータ１４上のブレード１８は、第１ロータ１２上のブレードに対してねじれた位置になるように配置される。
【００６６】
ロータ１２、１４は、上述するように共通のシャフト上に取り付けられるか、独立しているか、動作可能に連結されたシャフト上に取り付けられてよい。シャフトは、効率向上のために必要であれば、第１ロータ１２に対する第２ロータ１４の相対速度を上げる又は落とすために、ギアボックスにより連結され得る。しかし、図示されるロータ１２、１４は、タービン１０の好適な実施形態において使用されており、干渉はまり又はスプライン接続（図示せず）により同一のシャフト上に配置されているが、いずれの場合、また、どのような場合でも、ロータ１２、１４の回転速度を互いに共通に固定し、ロータ１２と１４の間のブレードの角度のねじれを維持している。
【００６７】
ブレードセット又はロータ１２、１４は、１つのブレードセットがもう一方に対して自由に回転するために選択的に切り離され、１つのブレードセット又はもう一方を選択的にロックするために、ブレーキが設けられ得る。２つのブレードセット又はロータは、お互いに反対方向に回転するように動作可能に接続することも可能である。
【００６８】
発電装置１０には回転ユニット（図示せず）が設けられ、ユニットを１８０度まで回転させることが可能であり、これはタービン１０に一方向ブレード１８が設置される場合により有益となるが、双方向ブレード１８がはめられる場合も役に立つ。例えば、効率向上のために、サイクル間又はサイクル中に数度移動し得る水流又は海流に中央軸を位置合わせするために、中央軸が４５度まで数度移動し得るように、発電装置１０は向きを変え得る。
【００６９】
第１及び第２ブレードセット又はロータ１２、１４は、適した下流距離で離れており、試験ではブレード１８の直径とほぼ同じ距離であることが示される。他の下流分離距離はモデリングされており、分離距離が約０．１ｄから１０ｄの間であると、有用な効率性が結果として生じている。
【００７０】
ノーズコーン３０は、流れ付着を促進又は補助するために設けられている。
【００７１】
発電装置１０は、発電機３４を含むタービンヘッドユニット５が取り付けられているパイロン３２を含み得る。パイロン３２は、パイロンにかかる水流圧を低減させるために流線形であってよい。パイロン３２は、タービンヘッドユニット５を解放可能に支持するために、解放可能な台を含み得る。パイロン３２は、ベースプラットホーム形式であり、海底に基部を安定させるために、捨石、コンクリート又は他の塊を受け取るための凹みを含む支持基部に、パイロンの底が解放可能に配置され得る。
【００７２】
タービン１８からの使用可能な電力は、発電機ロータ及び発電機ステータを備え、これらを含む発電機による電気である。発電機ロータは、電気を生成するためにタービンシャフト（図示せず）上に取り付けられている。電気は、電気を処理する電気キャビネット（図示せず）に送られ、処理は、パワーネットワークを実質的に効果的な方法で接続するために、処理の中でも逆変換、変換、フィルタリング、変圧のステップを含む。
【００７３】
発電機は、電流が高い場合にロータの速度を落とすためにブレーキを備え得る。
【００７４】
タービンは、上述することに含まれる特徴を含み得る制御システムを含む。更に、タービンは、ハウジングならびに異なるブレードスタイル、形状、及び姿勢を含み、これらの特徴は上述することに含まれる。
【００７５】
発電機は、ロータがステータの内部で回転する種類であってよい。発電機は、標準電磁石型又は永久磁石型であってよい。
【００７６】
ブレードをロータに接続するために、ブレードの協働穴の中に挿入され得る円筒がブレード付根に存在し得る。穴は、ブレード自体のピッチを回転させるために縦軸を中心として回転可能であり得る。代替的に、穴はロータに対して固定され得る。
【００７７】
広範に記載された本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、多数の変形及び／又は変更が、特定の実施形態において示された発明になされ得ることが当業者には理解されよう。本発明の実施形態は、それゆえ、あらゆる面で、例示的であり、制限的でないと理解される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、河川の流れ、海流、水中潮流及び水流から使用可能な電力を生成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
河川の流れ、海流、潮流といった水流から、通常は電気電力等の使用可能な電力へと変換、生成するための機械が提供されてきた。この様な周知の機械により変換され、生成された電力を増加させるために、より規模の大きい機械を製造する試みがなされてきた。この様な試みにより、機械の一部又は全体をより大きな機械応力に晒すこととなり、結果として逆効果になってしまう。
【０００３】
ブレードの長さが増し、ブレード、支柱及び他の部分への荷重試験が非常に複雑な疲労問題となった。結果として、部品自体が高価で複雑になり、一方でモデリングも高価で時間がかかるようになった。また、製品寿命も低減しメンテナンスサイクルも短くなっている。
【０００４】
本発明者らは、特に潮流及び海流から電力を生成することに適した水中発電装置を開発した。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の１つの態様によると、水流から電力を生成するための発電装置が提供され、発電装置は、
発電機と、
選択された方向からの流水に応じて選択された方向に回転するように発電機に動作可能に取り付けられた第１ブレードセットと、
回転するように発電機に動作可能に取り付けられ、第１ブレードセットに動作可能に接続した第２ブレードセットであって、第１ブレードセットと同軸上であり、第１ブレードの下流又は後流領域に配置される第２ブレードセットと、を備え、
発電機はブレードセットの少なくとも１つにより駆動されるように適用され、発電機は第１ブレードセットと第２ブレードセットとの間で概ね同軸上に配置される。
【０００６】
いくつかの構成では、同軸上に配置された第１及び第２セットブレードは、第１及び第２ロータ上にそれぞれ取り付けられている。この構成では、第２ロータが第１ロータと同じ方向に回転するように、互いに動作可能に連結又は結合したローターシャフトを備えるシャフトアセンブリ上に第１及び第２ロータが取り付けられていることが好ましい。
【０００７】
他の構成では、第１ブレードセットを第２ブレードセットから切り離すために、クラッチ又はブレーキ構成が設けられている。従って、この様な構成では、運転中、第２ブレードセットはブレーキ装置により停止位置でロックされる、又は、完全に切り離されて自由に回転するようにし得る。
【０００８】
代替構成では、連結装置はブレードセットの間に設けられ、第１ブレードセットと反対方向に第２ブレードセットを駆動し得る。
【０００９】
更なる実施形態では、発電機は、回転シャフトに動作可能に連結した独立する発電機により駆動され得る。発電機シャフトは、ローターシャフトよりも高い又は低い率で回転するようにギアボックスに動作可能に接続している。
【００１０】
しかし、好適には、第１及び第２ロータが発電機を直接駆動し、これにより第１及び第２ロータが同じ率で回転するように、共有のローターシャフト上に取り付けられている。好適には、ロータはハブを介して干渉はまり(interference fit)又はスプライン接続(splined connection)によりシャフト上に取り付けられている。
【００１１】
好適には、ブレードセット毎に設けられた複数のブレードが存在する。例えば、２〜１０個といった任意の好適な数のブレードが設けられ得る。好適な形式では、ブレードセット毎に３つのブレードが設けられる。好適な構成では、第２セットのブレードが共通シャフト上で回転する際に、直接第１セットのブレードの影になることがないように、第１セットに対する角度位置に関して交互に配置されている。回転方向を選択するための好適要素は、ブレードの配置であり、好適な実施形態ではブレードの迎角が固定されるが、いくつのかの実施形態ではブレードのピッチは可変である。
【００１２】
より好ましい形式では、２つのブレードセットは実質的に同一の特徴及びサイズを有する同じ数のブレードを含む。従って、使用中、１つのブレードセットはもう一方のブレードセットを覆い隠す。
【００１３】
任意選択的に、１つのロータ上のブレードセットのブレードは、別のロータのブレードセット上のブレードとは異なる形状を持ち得るが、どちらのブレードセットのブレードもその数、長さ、断面及び他の主な特徴が一致していることが好ましい。
【００１４】
好適には、第１及び第２ロータは、任意の好適な分離距離で隔てられている。好適な実施形態では、分離距離は、少なくともブレード同士が隣接するよりも距離を置いて配置されていると考えら得る距離である。
【００１５】
好適には、ブレードセットは、有効距離、後流フィールド又は後流領域、及びブレードのほぼ直径の長さで離れて配置されている。後流領域検査及びモデリングでは、最適な運転のための分離距離は、約０．５ｄから１０ｄの間で変化し得ることが示される。
【００１６】
好都合には、本発明の好適な実施形態のモデリング及び検査では、直径が大きい単一のブレードセットと比較すると、より小さい直径の複数のブレードセットから増加した電力を得ることができることが示される。これらの実施形態では、ｃｏｓｔ／ｋＷＨが著しく低減し得る。
【００１７】
好適には、本発電装置は水中及び海中での取り付け及び使用に適する。
【００１８】
ロータは、好適にはロータ上の抵抗及び水乱流を低減させるために、ロータの前面に取り付けられたノーズコーンを含む。好適には、ノーズコーンは空洞になっており、制御システムなどの補助システム又は主要システムのリザーバのための空間を提供している。
【００１９】
双方向ブレードと同様に単方向ブレードを含む実施形態は、迎角又は流れの方向を変え得る潮流に随時ブレードセットの位置を合わせるための回転システムを含み得る。
【００２０】
従って、１つの実施形態では、少なくとも１つの発電機及び縦軸に沿って間隔を空けて配置された、上述する２つの回転可能に取り付けられたブレードセットを備えたタービンヘッドユニットについて、その縦軸が潮流又は迎角の流れと平行するように、自動又は手動（電気駆動又は他の手段を介して）実質的に位置合わせするようにタービンヘッドユニットが取り付けられた構成になり得る。従って、この実施形態ではタービンヘッドユニットは、パイロンの上に回転可能に取り付けられている。
【００２１】
好適には、パイロンは実質的に垂直であるが、ブレードがロータを中心として回転する際に、ブレードが海底から離れるのに十分な選択された距離で、パイロンがナセルを海底から離して配置するような配置であれば、パイロンがあらゆる選択された好適な方向にあってよい。回転装置は、タービンヘッドユニットから離れてパイロン上に配置されるか、タービンヘッドユニットに隣接して配置されている。
【００２２】
発電装置はモジュレータであり得る。つまり、好適なステージで組み合わせ得る着脱可能又は取り外し可能なモジュールの形式であってよい。モジュールは、タービンヘッドユニット、パイロンユニット及び基部又は支持ユニットを含み得る。タービンヘッドユニットは、着脱可能及び取り外し可能にパイロンユニットに取り付けられ得る。更に、パイロンは、海底又は他の水底でパイロンを支持するための基部又は支持ユニットに着脱可能及び取り外し可能に取り付けられ得る。
【００２３】
好適には、発電機は１つ以上のブレードセット又はローターシャフトに直接接続されている。好適には、発電機はスプライン接続によって各ブレードセット又はローターシャフトに接続されている。
【００２４】
カウリング又はハウジングは、水をブレードに向けるために設けられ得る。カウリング又はハウジングは、使用中にブレードセットが配置される流路を含み、ブレード先端が中空円筒の内壁に隣接して配置されるような構成であり得る。ハウジングは、効率向上を促進するために、ブレードの第１セットの外又は上流又はこれを越える位置まで、及び、ブレードの第２セットに対して対応する位置まで延在し得る。
【００２５】
好適には、流量制限が流路内に設けられる。好都合には、この構成は流路の制限されてない部分に対して、流路の制限されている部分における、流路を流れる液体の速度を増加させる。
【００２６】
流量制御は、流路の一部又は全体を形成するベンチュリを備えることが好ましい。特に、ベンチュリは、流路の一端の開口から流路の内側部分に向かって次第に細くなる、中細ベンチュリ（divergent-convergent-divergent）ベンチュリを備え得る。
【００２７】
ベンチュリは、第１の切頭円錐状（frusto-conical）の本体、階段状のピラミッド形（frusto-pyramid）本体、又は角状本体、任意選択的に円柱状の本体の少なくとも１つ、及び、第２の切頭円錐状の本体、階段状のピラミッド形本体、又は角状本体の少なくとも１つを備え得る。
【００２８】
好適には、第１／第２の切頭円錐状の本体、階段状のピラミッド形本体、又は角状（horn shaped）本体の広がる端は、更なる第１／第２の切頭円錐状の本体、階段状のピラミッド形本体、又は角状本体の収束端と実質的に縦方向に一致する。
【００２９】
好適な実施形態では、ハウジングはロータの後方に延在し、拡散機として機能しており、ハウジングは、スロートからロータ後方の後部開口に向って広がる。
【００３０】
好適には、支持支柱はロータと発電機とハウジングとの間に設けられる。好適には、支柱は、ダクト又はリザーバを設けるために中空である。１つの構成では、支持支柱は、ロータと発電機との間に実質的に放射状に延在する。好適な実施形態では、支柱の発電機側の端は、支柱が発電機に実質的に接線方向に延在するように取り付けられている。これは、発電機とハウジングとの間のトルク伝達を向上させるためであり、より軽い支持支柱を容易にするする。更に、この好適な構成の利点は、接線方向に取り付けられた支持支柱が、使用中に半径方向に取り付けられたブレードの完全に後ろ、又はブレードの完全に「影になる」ように配置されることがないため、支持支柱上の疲労荷重が低減されることである。
【００３１】
好適には、ブレーキは使用中に第１及び／又は第２ロータ及び／又はローターシャフトの回転を抑制する。好適には、ブレーキはフェイルセーフ機構である。好適には、使用中、ブレーキアクチュエータに力が印加されると、ブレーキアクチュエータは作動力に反してブレーキ素子をロータから離して保持する。使用中、力がブレーキアクチュエータから取り除かれると、ばね又は適する他の種類の付勢力からなり得る作動力が、ブレーキアクチュエータの力を克服し、ブレーキ素子をロータに適用し、ロータの回転を遅くする又は停止させ得る。
【００３２】
好適には、ブーツ又はプラグがブレード付け根に設けられ、この領域における干渉抗力を最小化するために間隙もしくはバンプ又はボルトヘッドなどを覆う。
【００３３】
いくつかの構成では、ブレード付根又は基部からブレード先端に延在するブレードの縦軸が、ロータの縦中心軸に垂直なラジアル平面から約１度から約２０度の傾斜、扇状、又は傾斜角度で後方に扇状に広がり得る。好適には、ブレードの縦軸は、約２度から１０度の傾斜角度、より好適にはラジアル平面から４度から６度でブレード付根からブレード先端に向けて後方に扇状に広がっている。更に好適には、ブレードは、中心軸に垂直な平面から約５度の傾斜角度でブレード付根からブレード先端に向けて後方に扇状に広がる。他の構成では、ブレードの縦軸は、ラジアル平面の方向に向いている。これらの実施形態では、ブレードの前縁が、ラジアル平面から約１度から約２０度の傾斜、扇状、又は傾斜角度により後方に扇状に広がる。これは、第１及び第２ブレードセットの両方に当てはまり得る。つまり、両方のブレードセットが後方に扇状に広がり得るということである。下流（又は第２）ブレードセットのブレードは、上流又は第１ブレードセットのブレードよりも激しく扇状に広がる又は捻り得る。
【００３４】
更に、ブレードの後縁は、前縁が後ろに扇状に広がるのとほぼ同じ量だけ前方に扇状に広がり得る。この構成の利点は、この構成によりテーパが付けられ、ブレード付根における曲げモーメントを低減させることである。
【００３５】
ブレードは、単（双）方向であってよい。ブレードは、例えばフラットパドル、翼形、レンズ形、テーパ又は台形、長方形、平行、湾曲又は捻れといったあらゆる好都合な断面形状であってよい。いくつかの構成では、翼形状はＮＡＣＡ４４１２シリーズの断面形状である。提供するブレードは単方向であるが、好適な実施形態では、ブレードは双方向であり、ロータ及びブレードセットの回転のための回転台に対する認識される必要性は不要になる。
【００３６】
単（双）方向ブレードは、ブレード付根、ブレード先端、ブレード付根からブレード先端へと延在する前縁、ブレード付根からブレード先端へと延在する後縁、ブレード付根で前縁と後縁との間の直線として定義されるブレード付根弦（blade root chord）、及びブレード先端で前縁と後縁との間の直線として定義されるブレード先端弦を含み、ブレード先端弦は５０度から９０度の捻れ角度でブレード付根弦から角をなして配置されている。
【００３７】
好適には、単方向又は双方向ブレード先端弦は、６０度から８０度の捻れ角度でブレード付根弦から角をなして配置されている。更に好適には、ブレード先端弦は６５度から７５度の捻れ角度でブレード付根弦から角をなして配置されている。更に好適には、ブレード先端弦は約７０度の捻れ角度でブレード付根弦から角をなして配置されている。
【００３８】
ブレードは、繊維強化プラスチック又は他の化合物を使用して、鋳造法を利用するあらゆる好適な材料から製造することができるが、代替的に鋼鉄、非鉄合金又は繊維強化プラスチックから構造リブ及びシート膜を使用して作ることができる。好適には、ブレードは複合材料から作られる。
【００３９】
いくつかの実施形態では、ブレードは双方向タービンブレードであり得る。好適には、ブレードはブレード付根及びブレード先端、ブレード付根とブレード先端との間を通る第１フェース及び第２フェース、ブレード縦端の間に延在する弦線を中心として対称的である断面形状、及び弦線から約５度から３５度の捻れを備え、ブレードは第１フェース又は第２フェースで流水から水中タービンを駆動することができる。
【００４０】
双方向のブレードは、平ら、二重楔型及び六角形（改良型二重楔型）を含むあらゆる好適な対称断面形状であってよい。好適な実施形態では、揚力増加及び抗力低減を促進するために、断面形状は、楕円形形状をなす両凸である。
【００４１】
好適には、双方向ブレードの捻りは、ブレードの中心縦軸を中心としている、又は、捻れたブレードの全体形状が対称であるようにブレードの長さに沿った弦線の中間点にある。
【００４２】
好適には、双方向のブレード全体の捻れは約１０度から２０度の範囲内である。１つの好適な実施形態では、捻れはブレード付根から先端まで約１４度である。発明者による試験及びモデリングによると、約５度から３５度の範囲の捻れが発明の他の好適な特徴に効果的であり有用である。
【００４３】
好適には、ブレードフェースは、縦端が後方に扇状に広がるように、すなわち、中央縦軸に向って内向きになるように、テーパが付けられている。好適な実施形態では、テーパはブレード先端弦の長さがブレード付根弦の長さよりもおよそ１０％短くなるようにしている。発明者による試験及びモデリングによると、テーパの範囲は、このブレード設計においては、例えば２％から３０％の範囲で有用かつ有効であり得る。
【００４４】
双方向ブレードをタービンに設置する場合、双方ブレードは、ブレードの中間部分をおよそ４５度でタービンの中心軸に傾けるように配置される。これは、好適なブレードを設置する場合、ブレードは付根又は近位ブレード領域において流入する水流に向って数度捻れ、先端又は遠位ブレード領域において流れから離れて、又は後方にもしくは下流に数度捻れることを意味する。
【００４５】
好適には、双方向ブレードは、縦軸を中心として回転して水流への迎角を変えることができないようにピッチが固定されている。ブレードは、水流の方向によっていずれの方向にも回転することができ、発電機はブレードセットが任意の方向に回転すると電気を生成し得る。制御システムは、発電装置を制御するために設けられ、発電装置は、発電装置の運転に影響を与える活動(activity)を測定するための手段と、タービンの運転を変更するための手段と、中央処理装置（ＣＰＵ）を備えるデータ処理装置と、ＣＰＵに動作可能に接続したメモリとを備え、メモリはＣＰＵによって実行されるように適応されたプログラムを含み、ＣＰＵ及びメモリは測定手段から情報を受け取り、発電装置の運転を変更するように変更手段に命令を実行させるように動作可能に適応されている。
【００４６】
好適には、制御システムは一定の流水量で発電を最適化するようにタービンを制御する。通常、流量は約１０ノット未満、約８ノット未満、約６ノット未満又は１から５ノットの間である。流水量は、潮、河流、流出又は海洋もしくは海の海流であってよい。システムは、約５ノット未満の低流量の環境に設置された水タービンを制御し、最適な発電又は電気生成を提供するために使用することができる。システムは、タービンを約８ノットまで制御するために使用することができる。
【００４７】
好適には、タービンの出力に影響を及ぼす活動は、水速（量）、水流方向、水流への相対位置、荷重、トルク、水中の高さ又は位置、ローターブレード又はフォイルスピード、ローターブレード又はフォイルリフト、ローターブレード又はフォイルドラッグ、トルク、電力出力、生成した電気、電力荷重等から選択される。
【００４８】
タービンは、測定された入力に応えるために、水流方向に対する姿勢を位置決めすること、高さ又は深さ方向を調節すること、ローターブレード又はフォイル速度を変更すること、上流又は下流ブレードセットの回転速度、電力荷重を変更すること、トルク、電力伝達等を変更することを含む、１つ以上の方法で変更される。好適には、上流又は下流のブレードセットのいずれかの回転速度、もしくはその電力荷重又はその上にかかる電力荷重は、タービン又はシステムに関連して位置決めされた変則駆動（ＶＳＤ）を使用して変更される。１つの好適な実施形態では、ＶＳＤは、パイロンの上又は発電システムの取り付け構造の上に位置する。ＶＳＤは、発電機からの出力荷重又はトルクに影響を与えるために、発電機に対して無効電力等を含む様々な方法で電力を制御又は監視することが好ましい。
【００４９】
最適な発電を保証にするために、最小速度又は所望の速度でロータの回転を開始又は継続させるように外部電源を使用することができる場合もある。タービンシステムが送電網に取り付けられているので、必要があれば、制御システムはタービンに電源を投入するために、送電網からの電力の引き出しを開始することができる。
【００５０】
好適には、活動の測定手段は、潜在的又は実際の障害を検出するためのソナー装置、活動の測定のための流速計形式の手段、周囲空気もしくは周囲水温の温度又はモーター温度もしくは油圧オイル温度の測定のための熱電対、タービンのヨー又は線形位置に関する角度又は高さの測定値を受け取るトランスデューサ、潜在的又は実際の障害を検出するための１つ以上の水中又は水上カメラ、タービン速度又は生成された電力、生成された電圧、生成された位相を測定する１つ以上のトランスデューサ、潮汐情報、ヒューズ、接続又はリレーの検査ルーチン、及び、これらの組合せのうち１つ以上又はこれらの組合せであってよい。
【００５１】
本発明の好適な実施形態による発電装置は、第１ロータ及び第２ロータが流入する潮流及び出て行く潮流の両者によって駆動されるように、第１ロータは流入する潮流の方向に面し、第２ロータは出て行く潮流の方向に面した海洋環境において取り付けることができる。発電装置は、潮流に対して反対の構成で位置決めされると理解されよう。この様な実施形態では、流入する潮流及び出て行く潮流からの発電を可能にするために発電装置を回転させるために回転ユニットを設ける必要がない。
【００５２】
本発明の別の態様では、水流から電気を生成するための方法が提供されており、この方法は、
本発明の第１に定義された態様による発電装置を海洋又は河川環境に設けることと、
発電装置を通る水の動きでブレードのロータを回転させるようにすることと、
発電装置から使用可能な電力を引き出すことと、を含む。
【００５３】
好適には、パイロン又はサポートは、発電装置及びタービンが上に取り付けられ、設けられている。いくつかの好適な実施形態では、パイロンは、いずれかのロータに最初に当たった時の水への干渉を低減させるために、ロータの間に取り付けられている。パイロンは、流線形であることが好ましい。いくつかの代替構成では、パイロンは生成する電力を増加させるため、上述するように並んで２つ以上の発電装置を取り付けるために、好ましくは水平に延在するアームを含む。
【００５４】
本発明のまた別の態様によると、水流から電気を生成するための発電システムが提供され、システムは本発明の第１に定義された態様による複数の発電装置を含む。
【００５５】
本明細書を通して、文脈が別途指示しない限り、「含む（comprise）」又は「含む（comprises）」、「含んでいる（comprising）」などの変形は、述べられた要素、整数、ステップ、又は要素、整数もしくはステップのグループの包括を示すものであり、他の要素、整数又はステップ又は要素、整数もしくはステップのグループを除外するものではないことが理解されよう。
【００５６】
本明細書に含まれている文書、行為、素材、装置、物品その他の議論は、本発明の文脈（context）を提供する目的のためのみになされる。これらの事項のいずれか又は全てが、本明細書の各請求項の優先日以前に存在する、先行技術の基礎の一部をなすか、又は本発明にかかる技術分野における常識であることを容認するものと理解されるものでない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
本発明がより明確に理解されるよう、以下の図面と例を参照して、好適な実施形態が記述される。
【００５８】
【図１】図１は、本発明の好適な実施形態による発電装置の上方の一端から側面への斜視図である。
【図２】図２は、図１の発電装置の正面図である。
【図３】図３は、図１の発電装置の側面斜視図である。
【図４】図４は、図１の発電装置の底面図である。
【図５】図５は、図１発電装置上に取り付けら得る第１ブレードセットの斜視図である。
【図６】図６は、図１の第１ブレードセット上に取り付けられ得るブレードの斜視図である。
【図７】図７は、図６のブレードの別の斜視図である。
【図８】図８は、図６及び図７のブレードに沿った複数の断面である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
図を参照すると、通常１０で示される電力交換又は発電装置が示され、発電装置１０は水流を使用可能な電力へと変換するためのものであって、運転中は水中に沈められている。
【００６０】
発電装置１０は、中心縦軸１１を有するタービンヘッドユニット５を含み、発電装置１０の第１端１３に配置され、入射水流に応じて回転するために回転可能に取り付けられた第１ブレードセット又はロータ１２、及び同様に回転可能に取り付けられた発電装置１０の第２端にある第２ブレードセット又はロータ１４備えるタービンを更に備える。発電機３４は、第１ブレードセットと第２ブレードセットとの間に配置されている。発電装置１０は、通常、中心縦軸１１が水流方向と平行な方向に延在するように設置される。
【００６１】
使用中、第２ロータ１４は、第１ロータ１２に対して下流位置に配置されている。更に、第２ロータ１４は、第１ロータ１２の下流、かつ、第１ロータ１２の後流領域に同軸上に直接配置される。
【００６２】
第１及び第２ブレードセット又はロータ１２、１４は、一体化する又は取り付けられるブレード構成又はブレードセット１６を含み、複数のブレード１８を備える。ブレード１８は、あらゆるタイプのブレードであってよく、１つの構成では、ブレード１８は（図６に示すように）一方向である。これらのブレードは、上述するような高度な捻れを示す。図６に示されるロータは、図示するようにブレードセットが各端で外側に向くか、又は内側に向くように使用され得る。代替的に、ブレードのピッチは可変であり、完全に入れ替え可能である。
【００６３】
しかし、好適には、いずれかの側面から水がブレードに当たる場合、ブレードが同様に機能することができるように、ブレード１８は双方向である（全ての図を参照。また、図６〜図８に詳細が示される）。
【００６４】
運転中、後流領域は乱流地帯であるが、第２ブレードセットは、その後流領域から得られるエネルギーの効率を向上させるために好都合に利用することができる。しかし、発電装置１０が逆流の中に位置する場合、発電装置１０は、第１及び第２ブレードセットが上流ブレードセットに適用できるように、配置され得る。単方向ブレードの場合、ブレードが互いに対して逆に取り付けられるような配置であってよいになる。従って、１つの構成では、上述するように各ブレードが発電機に向かって選択された傾斜角度で傾斜されるようになっている。この様な場合、ブレードセットは後方に効率的に動くと、発電機械全体の効率が向上しないため、後縁ブレードセットは固定されるか、自由に回転するようになる。しかし、第２のブレードセットが常に下流ブレードセットとして設計されて、上流ブレードセットに同様に配置されるように、両方のブレードセットが配置されることも可能であり、考えられる。（つまり、傾斜する場合、それが最も効果的であるとすると、どちらの傾斜も互いに対応する角度に向けられ、つまり、同じ方向に傾斜する。）後者の構成では、回転タービンヘッドが必要となる。
【００６５】
ブレード１８は各ロータの上に取り付けられ、等角間隔でロータを中心として配置される。各ロータにつき３つのブレード１８が設けられている。使用中、１つのブレードがもう一方のブレードの影にならないように、ロータが共通のシャフト（図示せず）上に取り付けられる際に、第２ロータ１４上のブレード１８は、第１ロータ１２上のブレードに対してねじれた位置になるように配置される。
【００６６】
ロータ１２、１４は、上述するように共通のシャフト上に取り付けられるか、独立しているか、動作可能に連結されたシャフト上に取り付けられてよい。シャフトは、効率向上のために必要であれば、第１ロータ１２に対する第２ロータ１４の相対速度を上げる又は落とすために、ギアボックスにより連結され得る。しかし、図示されるロータ１２、１４は、タービン１０の好適な実施形態において使用されており、干渉はまり又はスプライン接続（図示せず）により同一のシャフト上に配置されているが、いずれの場合、また、どのような場合でも、ロータ１２、１４の回転速度を互いに共通に固定し、ロータ１２と１４の間のブレードの角度のねじれを維持している。
【００６７】
ブレードセット又はロータ１２、１４は、１つのブレードセットがもう一方に対して自由に回転するために選択的に切り離され、１つのブレードセット又はもう一方を選択的にロックするために、ブレーキが設けられ得る。２つのブレードセット又はロータは、お互いに反対方向に回転するように動作可能に接続することも可能である。
【００６８】
発電装置１０には回転ユニット（図示せず）が設けられ、ユニットを１８０度まで回転させることが可能であり、これはタービン１０に一方向ブレード１８が設置される場合により有益となるが、双方向ブレード１８がはめられる場合も役に立つ。例えば、効率向上のために、サイクル間又はサイクル中に数度移動し得る水流又は海流に中央軸を位置合わせするために、中央軸が４５度まで数度移動し得るように、発電装置１０は向きを変え得る。
【００６９】
第１及び第２ブレードセット又はロータ１２、１４は、適した下流距離で離れており、試験ではブレード１８の直径とほぼ同じ距離であることが示される。他の下流分離距離はモデリングされており、分離距離が約０．１ｄから１０ｄの間であると、有用な効率性が結果として生じている。
【００７０】
ノーズコーン３０は、流れ付着を促進又は補助するために設けられている。
【００７１】
発電装置１０は、発電機３４を含むタービンヘッドユニット５が取り付けられているパイロン３２を含み得る。パイロン３２は、パイロンにかかる水流圧を低減させるために流線形であってよい。パイロン３２は、タービンヘッドユニット５を解放可能に支持するために、解放可能な台を含み得る。パイロン３２は、ベースプラットホーム形式であり、海底に基部を安定させるために、捨石、コンクリート又は他の塊を受け取るための凹みを含む支持基部に、パイロンの底が解放可能に配置され得る。
【００７２】
タービン１８からの使用可能な電力は、発電機ロータ及び発電機ステータを備え、これらを含む発電機による電気である。発電機ロータは、電気を生成するためにタービンシャフト（図示せず）上に取り付けられている。電気は、電気を処理する電気キャビネット（図示せず）に送られ、処理は、パワーネットワークを実質的に効果的な方法で接続するために、処理の中でも逆変換、変換、フィルタリング、変圧のステップを含む。
【００７３】
発電機は、電流が高い場合にロータの速度を落とすためにブレーキを備え得る。
【００７４】
タービンは、上述することに含まれる特徴を含み得る制御システムを含む。更に、タービンは、ハウジングならびに異なるブレードスタイル、形状、及び姿勢を含み、これらの特徴は上述することに含まれる。
【００７５】
発電機は、ロータがステータの内部で回転する種類であってよい。発電機は、標準電磁石型又は永久磁石型であってよい。
【００７６】
ブレードをロータに接続するために、ブレードの協働穴の中に挿入され得る円筒がブレード付根に存在し得る。穴は、ブレード自体のピッチを回転させるために縦軸を中心として回転可能であり得る。代替的に、穴はロータに対して固定され得る。
【００７７】
広範に記載された本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、多数の変形及び／又は変更が、特定の実施形態において示された発明になされ得ることが当業者には理解されよう。本発明の実施形態は、それゆえ、あらゆる面で、例示的であり、制限的でないと理解される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水流から電力を生成するための発電装置であって、
発電機と、
選択された方向からの流水に応じて選択された方向に回転するように前記発電機に動作可能に取り付けられた第１ブレードセットと、
回転するように前記発電機に動作可能に取り付けられ、前記第１ブレードセットに動作可能に接続され、第１ブレードセットと同軸上であり、第１ブレードの下流又は後流領域に配置される第２ブレードセットと、を備え、
前記発電機は前記ブレードセットの少なくとも１つにより駆動されるように適用され、前記発電機は前記第１ブレードセットと前記第２ブレードセットとの間で概ね同軸上に配置される、
発電装置。
【請求項２】
前記第２ブレードセットは、前記第１ブレードセットに動作可能に取り付けられる、請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記第１及び第２ブレードセットは、前記第２ブレードセットが前記第１ブレードセットと同じ方向に回転するように、互いに動作可能に連結している、請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
クラッチ又はブレーキ構成は、前記第１ブレードセットを前記第２ブレードセットから選択的に切り離す、又は動作可能に切断するために設けられている、請求項２又は３に記載の発電装置。
【請求項５】
ブレーキ装置は、前記ブレードセットの１つの回転を抑制するために設けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項６】
前記ブレーキ装置は、フェイルセーフ機構である、請求項５に記載の発電装置。
【請求項７】
使用中、ブレーキアクチュエータに力が印加されると、前記ブレーキアクチュエータは、作電力に反してブレーキ素子を前記ロータから離して保持する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
連結装置は、前記第１ブレードセットと反対方向への前記第２ブレードセットの駆動を促進するために、前記第１ブレードセットと前記第２ブレードセットとの間に設けられている、請求項１、２、４又は５に記載の発電装置。
【請求項９】
前記ブレードセットは回転するようにロータ上に取り付けられ、前記ロータはローターシャフトを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１０】
ギアボックス出力シャフトを含むギアボックスは、発電機ロータの速度を上げるために、使用中の前記ローターシャフトの回転速度を上げることができるように設けられている、請求項９に記載の発電装置。
【請求項１１】
前記第１及び第２ブレードセットは、発電機を直接駆動し、同率で回転するように共通の回転シャフト上に取り付けられている、請求項１から９のいずれかの一項に記載の発電装置。
【請求項１２】
前記第１及び第２ブレードセット上の前記ブレードは、交互に装置されている、請求項１１に記載の発電装置。
【請求項１３】
前記ブレードの迎角は固定されている、請求項１から１２のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１４】
前記ブレードの前記迎角は可変である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１５】
両方のブレードセットの前記ブレードは、数、断面図、及び長さが一致する、請求項１から１４のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１６】
前記発電機は、海底に装置された基部から延在する支持パイロン上に取り付けられている、請求項１から１５のいずれか一項に記載の発電装置である。
【請求項１７】
前記発電機は、前記ブレードセットの前記迎角を変えるために支持を中心として回転可能である、請求項１から１６のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１８】
１つ以上の前記ブレードの前記縦軸は、約１度から２０度で後方に扇状に広がる、請求項１から１７のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１９】
前記ブレードは双方向である、請求項１から１７のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項２０】
水流から電力を生成するための方法であって、
請求項１から１８のいずれか一項に記載の発電装置を海洋環境又は河川環境に設けることと、
前記発電装置を介する水の動きにより前記ブレードを回転させることと、
前記発電装置から電力を取り出すことと、
を含む、方法。
【請求項２１】
水流から電力を生成するための発電システムであって、前記システムは請求項１から１７のいずれか一項による複数の発電装置を含むシステム。
【請求項１】
水流から電力を生成するための発電装置であって、
発電機と、
選択された方向からの流水に応じて選択された方向に回転するように前記発電機に動作可能に取り付けられた第１ブレードセットと、
回転するように前記発電機に動作可能に取り付けられ、前記第１ブレードセットに動作可能に接続され、第１ブレードセットと同軸上であり、第１ブレードの下流又は後流領域に配置される第２ブレードセットと、を備え、
前記発電機は前記ブレードセットの少なくとも１つにより駆動されるように適用され、前記発電機は前記第１ブレードセットと前記第２ブレードセットとの間で概ね同軸上に配置される、
発電装置。
【請求項２】
前記第２ブレードセットは、前記第１ブレードセットに動作可能に取り付けられる、請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記第１及び第２ブレードセットは、前記第２ブレードセットが前記第１ブレードセットと同じ方向に回転するように、互いに動作可能に連結している、請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
クラッチ又はブレーキ構成は、前記第１ブレードセットを前記第２ブレードセットから選択的に切り離す、又は動作可能に切断するために設けられている、請求項２又は３に記載の発電装置。
【請求項５】
ブレーキ装置は、前記ブレードセットの１つの回転を抑制するために設けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項６】
前記ブレーキ装置は、フェイルセーフ機構である、請求項５に記載の発電装置。
【請求項７】
使用中、ブレーキアクチュエータに力が印加されると、前記ブレーキアクチュエータは、作電力に反してブレーキ素子を前記ロータから離して保持する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
連結装置は、前記第１ブレードセットと反対方向への前記第２ブレードセットの駆動を促進するために、前記第１ブレードセットと前記第２ブレードセットとの間に設けられている、請求項１、２、４又は５に記載の発電装置。
【請求項９】
前記ブレードセットは回転するようにロータ上に取り付けられ、前記ロータはローターシャフトを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１０】
ギアボックス出力シャフトを含むギアボックスは、発電機ロータの速度を上げるために、使用中の前記ローターシャフトの回転速度を上げることができるように設けられている、請求項９に記載の発電装置。
【請求項１１】
前記第１及び第２ブレードセットは、発電機を直接駆動し、同率で回転するように共通の回転シャフト上に取り付けられている、請求項１から９のいずれかの一項に記載の発電装置。
【請求項１２】
前記第１及び第２ブレードセット上の前記ブレードは、交互に装置されている、請求項１１に記載の発電装置。
【請求項１３】
前記ブレードの迎角は固定されている、請求項１から１２のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１４】
前記ブレードの前記迎角は可変である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１５】
両方のブレードセットの前記ブレードは、数、断面図、及び長さが一致する、請求項１から１４のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１６】
前記発電機は、海底に装置された基部から延在する支持パイロン上に取り付けられている、請求項１から１５のいずれか一項に記載の発電装置である。
【請求項１７】
前記発電機は、前記ブレードセットの前記迎角を変えるために支持を中心として回転可能である、請求項１から１６のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１８】
１つ以上の前記ブレードの前記縦軸は、約１度から２０度で後方に扇状に広がる、請求項１から１７のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１９】
前記ブレードは双方向である、請求項１から１７のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項２０】
水流から電力を生成するための方法であって、
請求項１から１８のいずれか一項に記載の発電装置を海洋環境又は河川環境に設けることと、
前記発電装置を介する水の動きにより前記ブレードを回転させることと、
前記発電装置から電力を取り出すことと、
を含む、方法。
【請求項２１】
水流から電力を生成するための発電システムであって、前記システムは請求項１から１７のいずれか一項による複数の発電装置を含むシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２０１２−５２５５３５（Ｐ２０１２−５２５５３５Ａ）
【公表日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５０７８５１（Ｐ２０１２−５０７８５１）
【出願日】平成２２年４月２８日（２０１０．４．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２０１０／００１３４６
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１２５４７６
【国際公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（５１０１４２０５８）アトランティス リソーセズ コーポレーション ピーティーイー リミテッド (7)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２８日（２０１０．４．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２０１０／００１３４６
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１２５４７６
【国際公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（５１０１４２０５８）アトランティス リソーセズ コーポレーション ピーティーイー リミテッド (7)
【Ｆターム（参考）】
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