JP2018112191A - 可変浮力を用いる水力タービン - Google Patents

Abstract

【課題】自然による強力な流れなしでも水中に配備することができ、利用される海底１平方メートルにつき高いパワー出力を有する、深海ソリューションを提供する。【解決手段】タービンがガイド（２０）に沿って重力により下方へ動作し得るように、略垂直に配向されるガイド上で動作可能である、浮揚式タービンについて記述する。タービン機器は、その沈降を促進するために負浮力であるが、必要に応じてタービン装置に正浮力を与えることができるように、調節可能な浮力手段がさらに装備されている。正浮力が与えられると、タービン機器は、浮力によって、垂直に配向されたガイドを上へと浮き上がる。重力によってガイドを下へと移動し、かつ浮力によって再びガイドを上へと移動する際に、タービンブレードを介する動作によって有効な人工流が生成されてブレードを回し、これにより、典型的には適切な歯車装置によって、発電機が電気を生成する。【選択図】図３

Description

本発明は、発電用の浮揚式タービンに関し、このようなタービンを用いる発電システムに関する。

海水の密度は、空気の８３２倍であり、これは、５ノットの流れが３５０ｋｍ／時の風より多い運動エネルギーを有することを意味する。水中タービンを潮流の強い沿岸地域に置くスキームは、英国ブリストルのＭａｒｉｎｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ社によって北アイルランドのストラングフォード湖で実行されているスキーム等が知られている。ここでは、１５〜２０メートル幅のタービンブレードが、潮流作用によって毎分１０〜２０回転で回転させられる。北アイルランドのストラングフォード海峡では、あるプロトタイプが稼働していて、直径１６メートルのツインロータを用いて、流速２．４ｍ／秒で定格１．２ＭＷを発電している。この場合、このタービンシステム全体で、水の運動エネルギーを電気に変える実行効率は、４３％になる。

しかしながら、このようなプロジェクトの配備は、適切な潮流を生み出す現地沿岸の状態に依存し、かつ例えば、沖合の深海では不適である。したがって、水力駆動タービンを用いて発電するための、
１）自然による強力な流れなしでも水中に配備することができ、かつ、
２）利用される海底１平方メートルにつき高いパワー出力を有する、深海ソリューションが必要とされている。

浮力発電機は、国際公開第２００９／０２６６１０号パンフレット、英国特許第２４５６７９８号明細書、米国特許第２００６／０１７２９２号明細書、英国特許第５０７０９３号明細書および米国特許第２００５１８８６９１号明細書から知られている。

国際公開第２００９／０２６６１０号パンフレット 英国特許第２４５６７９８号明細書 米国特許第２００６／０１７２９２号明細書 英国特許第５０７０９３号明細書 米国特許第２００５１８８６９１号明細書

本発明の一態様は、電気を貯蔵しかつ発電するための浮揚式タービンの提供によって上述の課題に対処する。この浮揚式タービンは、タービンがガイドに沿って重力により下方へ動作し得るように、略垂直に配向されるガイド上で動作可能である。タービン機器は、その沈降を促進するために負浮力であるが、必要に応じてタービン装置に正浮力を与えることができるように、調節可能な浮力手段がさらに装備されている。正浮力が与えられると、タービン機器は、浮力によって、垂直に配向されたガイドを上へと浮かせる。重力によってガイドを下へと移動し、かつ浮力によって再びガイドを上へと移動する際に、タービンブレードを介する水の相対動作によって有効な人工流が生成されてブレードを回し、ブレードにより、発電機が電気を生成する。

制御可能な浮力を提供するために、実施形態によっては、ガイドの下端に設けられる、かつタービン機器がガイドの端に達するとドック入りするドッキング部分へ圧縮空気を適切な圧力で供給するコンプレッサが提供される。タービン機器は、タービン機器へ全体的な正浮力を与えるために圧縮空気または他のガスをポンピングして入れることができるバラストタンク、または浮袋等の類似の浮力調節手段を装備している。

コンプレッサが正浮力を与えるに足る空気またはガスを圧縮するために要するエネルギーは、タービン機器によりその下方経路およびこれに続く上方経路の双方において発生される合計エネルギーより少なく、よって装置は、発電に関してエネルギーポジティブになることが前提であることから、コンプレッサの実行に要するエネルギーは重要である。

ある好ましい配備シナリオでは、複数のこのようなタービンおよびガイドユニットが「ファーム」として配備され、これらのユニットへの圧縮空気は、単一のコンプレッサによって供給される。これらのタービンが上昇および下降する「デューティサイクル」は、時間的にずらされ、よって、任意の一時には、タービンのうちの１つ、または１つの部分集合のみに圧縮空気が供給され、残りのタービン、または大部分のタービンは、その個々のデューティサイクルに従事し、よって、発電を行う。

ある典型的な配備では、タービンブレードの直径は、１０メートルから２０メートルの範囲内であってもよく、かつタービンおよび付属の発電機器およびバラストタンクの重量は、約８トンから１５トンであることが想定されている。ガイド手段の長さは、１００メートル単位から１０００メートル単位までの範囲であることが想定されている。例えば、長さ１０００メートルのガイド手段上の１０トンタービンは、９８ＭＪのポテンシャルエネルギーを有する。これが、２．４ｍ／秒で沈降するとすれば、効率１００％を想定すると、最大２３５．５ｋＷのポテンシャル電力が入手可能となる。このような効率は不可能であるが、効率を僅か３０％であると控えめに見込んだとしても、７０ｋＷを超える電力出力が生成される。従来技術によるタービンと同じ効率（４３％）であれば、４１６秒（タービンがガイドに沿って１０００メートル下降する所要時間）で１００ｋＷを超える電力が生成される。

１０００ｍにおける水圧は、約１００ａｔｍ（〜１４７０ｐｓｉ）であるが、Ｈｙｄｒｏ−Ｐａｃ社から入手可能なもの等の高圧コンプレッサは、１５００ｐｓｉ（１０ＭＰａ）の吐出し圧力を生成し、例えば、このような圧力において４５ｋＷのモータ出力から毎時１１１正規立方メートルを供給することができる（具体的には、例示として、型式番号Ｃ１．５６−７０／１４０ＬＸ参照）。海底から１０トンの質量を上昇させるためには、１０ｍ^３を超える水を押しのけて正浮力を生成する必要があるが、このようなコンプレッサを用いれば、この空気容量を、適切な圧力で、タービンがガイドに沿って沈降する所要時間に満たない時間で供給することができる。具体的には、毎時１１１正規立方メートルの速度では、４１６秒で、合計１２．８２ｃｍ立方メートルの空気を、周囲の水圧より高い、タービンを上昇させるに余りある圧力で供給することができる。タービンは、上昇途中でも発電することから、システムは、エネルギーポジティブであって、生成される電力の一部は、コンプレッサの作動に必要とされるものの、これは、タービンによりその昇降時に生成される電力量より遙かに少ない。

上記に鑑みて、ある態様によれば、本発明は、タービンブレードの回転に伴って発電するように配置される発電システムへ連通可能式に結合される回転可能な一連のタービンブレードを備える浮揚式タービンを提供し、前記浮揚式タービンは、さらに、浮揚式タービンへ正浮力を制御可能式に与えるように配置される浮力制御システムを装備し、前記タービンは、さらに、前記タービンが沿って移動し得るガイドに従うように配置されるガイドフォロアを装備し、前記浮揚式タービンは、水中に沈めるためのものであり、前記タービンブレードは、タービンの水中での移動に伴って回転するように配置される。

本発明の別の態様は、水中に吊り下げられる空気塔を提供する。塔は、水面上から水面下の深さまで延びる管を備える。管は、水面上からの比較的温かくかつ湿った空気に開放され、かつこの空気で満たされる。水深が増すにつれて、水温は低下する。例えば海洋は、複数の特徴的な層を有し、最上位の層が表層と称される。この層は、水面下約２５０メートルまで広がる場合があり、摂氏約２２度の水温を有する。これより下には、温度の境界層であるサーモクラインが存在する。サーモクラインの範囲は、海面下２５０メートルから１０００メートルまでである場合があり、水温は、サーモクラインを経て摂氏約２２度から約５度まで降下する。

吊り下げられる空気塔は、周囲の水温によって冷却され、かつ海水のサーモクラインを横断して延びてもよい。周囲の水温が塔に与える冷却効果は、水深が増加して水温が低下するにつれて顕著になる。冷却された塔は、内部に含まれる空気を冷却するように作用し、かつ温かく湿った空気は、その飽和限度を超えて冷却される。飽和限度を下回ると、塔の内側および塔内部の双方で空気から水が凝縮し、雨となって落下する。

水は、塔内に集められ、非塩水によるリザーバを形成する。この水は、塔内からポンピングによって汲み上げられ、例えば、人または動物による消費用または灌漑用に利用される。これにより、空気塔内から非塩水をポンピングによって汲み上げるために極く少量のエネルギーしか必要としない非塩水生成システムが提供される。これに比べて、逆浸透を採用するもの等の現行の浄水システムは、非塩水を提供するために多量のエネルギーを必要とする。

貯水塔内の空気の冷却は、塔周囲の水と塔壁自体および／または塔内空気との間のアクティブまたはパッシブな熱交換システムの何れかを用いて促進されてもよい。

水が凝縮した冷気は、塔からポンピングされて冷却目的で使用されてもよい。ポンプは、冷たく湿っていない空気を、それが温度調節用に使用され、よって例えばエアコンの必要性が減じられる居住用または商業用施設へポンピングするために、塔の内側または外側の何れに位置決めされてもよい。ポンピングされた冷気を用いる温度調節は、そうでなければエアコン装置の一部として暖気を冷却するために使用されるはずのエネルギーを節約する。さらに、空気塔から冷気がポンピングして出されるにつれて、水面から塔内へ温かく湿った空気が引き込まれ、塔内の凝縮プロセスが保持される。

空気塔は、空気塔が形成される水域の底まで延びても、単に部分的に、構造物またはテザーの何れかによって空気塔が固定され得る底まで延びてもよい。

本発明のさらなる特徴および態様は、添付の請求の範囲から明らかとなるであろう。

図１は、本発明の一実施形態におけるタービン機器を示す略側面図である。 図２は、図１のタービン機器を示す略平面図である。 図３は、本発明の一実施形態における典型的な配備シナリオを示す図である。 図４は、本発明の一実施形態において使用されるガイドの一変形例を示す図である。 図５は、本発明の一実施形態の動作方法を示すフロー図である。 図６は、本発明の別の実施形態によるタービン機器を示す略側面図である。 図７ａは、第１のガイドレール・システムを示す断面図である。 図７ｂは、第２のガイドレール・システムを示す断面図である。 図８は、空気塔の下部を示す略図である。 図９は、ロータピッチ調節機構を示す略側面図である。 図１０は、圧力解放バルブの制御に関するフローチャートである。 図１１は、ロータブレードを示す略側面図である。

本発明のさらなる特徴および優位点は、単なる例示として提示されるその実施形態のさらなる説明から、かつ添付の図面の参照により、さらに明らかとなるであろう。諸図を通じて、類似の参照数字は、類似のパーツを指す。

図１および図２は、本発明の一実施形態を形成する浮揚式タービンの一例１０を示す。浮揚式タービン１０は、発電機器を含む発電機ハウジング１４へ連接される複数のタービンブレード１２を装備している。例えば、発電機ハウジング１４は、適切な歯車装置と、歯車装置へ連結されかつタービンブレードの回転に伴って電力を生成するように配置される発電機またはオルタネータとを含んでもよい。タービンブレードは、浮揚式タービン１０による水中での上下移動に伴って発電機ハウジング１４を中心にして回転するように配置される。

浮揚式タービンは、ガイド２０上を上下移動するように配置され、本実施形態において、ガイド２０は、ブレードの回転の中心であるタービンの中心軸を通って延びる。他の実施形態において、ガイドは、異なる形式をとってもよく、よって中心軸上に存在する必要はない。例えば、ある代替実施形態において、ガイドは、注水式の多孔管、または、浮揚式タービンが通って移動する管状本体の形式をとってもよい。

浮揚式タービン１０は、バラストボックス１６を装備し、本実施形態において、これは、浮揚式タービン１０へ正浮力を与えることが所望される場合に圧縮された空気または他のガスを受け入れるように配置されるバラストタンク１８を含む。ある実施形態において、バラストタンク１８は、海難救助作業において使用され得るもの等の拡張可能なリフティングバッグである。しかしながら、好ましくは、バッグが一旦浮揚式タービンを浅深度まで持ち揚げると、バッグから空気が解放され、よってタービンが重力によって再びガイドの端まで沈むことができるように、バッグには、バルブが装備される。

別の実施形態において、バラストボックス１６は、輪環面形状のバラストタンク１８である。輪環面形状のバラストタンク１８は、ガイド２０を取り囲み、ガイドは、環の中心を通って延びる。

タービンは、バラストタンク１８が海水で満たされると海水面に対して僅かに負浮力であるように重み付けされる。これは、ドッキングステーション３６においてタービンの浮力が増大されると最低量の空気でタービン浮力を作り出すことができ、これにより、タービンの効率が最大化することを保証する。

ある実施形態では、浮揚式タービン１０がエネルギー貯蔵ユニットとして使用される。電気エネルギーは、水中に機械的に保持される正浮力または負浮力揚式タービンの何れにおいても、ポテンシャルエネルギーとして貯蔵される。タービンが保持される間、タービンにはエネルギーが入力されず、またタービンがエネルギーを出力することもない。しかしながら、タービンが保持位置から解放されると、その浮力が、電気エネルギーを発生するための上向きまたは下向きの力の何れかを生成する。

上向きの力は、浮揚式タービン１０が正浮力である場合に生成される。浮揚式タービンは、その最下点（即ち、海底に位置決めされるドッキングステーション）で保持されてもよく、かつバラストボックスは、空気で満たされて、タービンを正浮力にしてもよい。電気エネルギーが要求される場合、適切なクランプ、電磁石などにより印加される保持力が解放され、正浮力により生成される上向きの力は、周囲の水を介するタービンの上方移動を生成し、かつ周囲の水を介して進むブレード１２の動作によってタービンに対する回転力が提供される。タービンは、移動の上限に達するまで電気エネルギー出力を提供する。この上限において、浮揚式タービンは、水中で正浮力のままであり、よって、水中で浮揚式タービンによる動作はなく、発電もされない。

この位置では、浮揚式タービン１０によって、重力によるエネルギーが貯蔵され、これは、空気のバラストボックスをパージしてこれを水で満たして浮揚式タービンを負浮力にすることにより電気エネルギーを発生すべく解放されることが可能である。負浮力の浮揚式タービンは、周囲の水を介して沈降し、かつブレード１２は、タービンが電気エネルギーに変換するための回転動作を提供する。浮揚式タービン１０は、周囲の水を介して下降しながら発電を続け、下側の動作領域に達した時点で発電が止む。

ガイド２０は、好ましくは、タービンが全体としてガイドを中心に回転し得ないように成形される。タービン１０は、タービンを通じて対応する形状の穴を装備していて、ガイドは、この穴を通して受け入れられる。図２に示されているように、楕円形のガイドが使用されてもよいが、長方形、正方形、または円形以外の他のあらゆる形状等の他の形状も好ましい。円形断面のガイドが使用される場合、タービン機器が全体としてその昇降に伴って単純にガイドの回りで空回りしないように、ガイド内に、タービン上のラグが嵌まるガイドまたは溝またはこれらに類似するもの等の機構が設けられてもよい。例えば、Ｔ字形のランナまたはガイドが突き出ている円形の管が使用されてもよい。

この実施形態において、ガイド２０は、水面から、海底に位置決めされたドッキングステーションまで延びる。このようなガイドの実装は、タービンをドッキングステーションまたは水面上に位置決めされる任意選択のプラットフォームの何れかに固定するためのケーブルが不要であることを意味する。また、このガイドは、開放水流が存在する場合であっても、タービンが同じ経路に沿って昇降し、同じ水域内で複数のタービンが動作する場合の安全上の懸念を減らすことも意味する。

場合により、ポンプ（不図示）は、バラストタンク１８から水を放出するために、タービン１０の一部として、またはタービン１０の下側の動作領域におけるドックにおいて、の何れかで設けられてもよい。バラストタンク１８からポンプで水が汲み上げられるにつれて、バラストタンク内に捕捉される空気の膨張により、バラストタンク内に部分的な真空が生成される。バラストタンク１８内の部分的な真空は、バラストタンクの浮力を高め、タービン１０を浮かせる。

図３は、数セットの浮揚式タービン１０Ａ〜１０Ｅを備える「ファーム」が提供される、ある典型的なシナリオを示し、前記浮揚式タービンは各々、この事例では海底から海面へと延びて示されている個々の固有ガイド２０を有する。各ガイド２０の底端には、ドッキングポート３６が存在し、ドッキングポート３６には、個々の接続ホース３８を介してガスコンプレッサ３２へ連通可能式に結合されるドッキングバルブ（不図示）が装備される。コンプレッサ３２には、海面まで延びる空気取入れ口３４が装備される。コンプレッサ３２は、Ｈｙｄｒｏ−Ｐａｃ社から入手可能なＬＸシリーズのコンプレッサであっても、先に言及したコンプレッサであってもよい。

図３の配備において、５つの浮揚式タービン１０Ａ−１０Ｅは、各々がその昇降デューティサイクルの異なる段階において示されている。例えば、タービン１０Ａは、そのデューティサイクルの下方レグを介するほぼ真ん中に存在し、よって、重力の効果による水中移動に伴って電気を生成していく。同様に、タービン１０Ｂもそのデューティサイクルの下降段階に存在するが、水中における高さはタービンＡより高く、よって、タービン１０Ａより下降段階の早期にある。この点で、タービン１０Ｂのデューティサイクルは、タービン１０Ｂのそれに遅れるようにずらされている。

タービン１０Ｃおよびタービン１０Ｄは、共にその個々のデューティサイクルの上昇段階にあるが、タービン１０Ｄの方がタービン１０Ｃより時間的に先行している。本例において、タービン１０Ｃおよびタービン１０Ｄは共に、正浮力を有するためにバラストタンク１６に設けられたリフティングバッグ１８を膨張させていることに留意されたい。他の実施形態では、圧力調整バルブを有するバラストタンクが使用されてもよい。さらに他の実施形態では、バラストタンクとリフティングバッグとの組合せが使用されてもよい。リフティングバッグおよび／またはバラストタンクにより提供される力に依存して、タービン１０Ｃおよびタービン１０Ｄは、所定の速度で水中を移動し、よって、この動作による個々のタービンブレードの回転に伴って電気を生成する。ある実施形態において、タービンの上昇速度は、沈降速度と略一致され、よって、異なるタービンの個々のデューティサイクルの容易な管理が達成される。しかしながら、これは必須ではなく、よって、上昇段階の持続時間が下降段階とは異なること、例えば下降段階より長いことも可能である。

タービン１０Ｅは、その下降段階を終了していて、その固有のドッキングポート３６にドッキングされている。先に述べたように、ドッキングポート３６には、コンプレッサからバラストタンク１６および／またはリフティングバッグ１８へ圧縮ガスを提供するために、タービン本体に設けられたバルブ入口と接続するドッキングバルブまたはクイック・カプラ・バルブが装備されている。図示されているように、タービン１０Ｅのリフティングバッグ１８は、部分的に充填されているだけであって、コンプレッサによる充填の過程にある。ドッキング機構を解除するに足る量にまで充填されると、タービンは、海面へと浮上することができ、その上昇に伴って電気が生成される。

第１の浮揚式タービンのブレードによる水中での回転動作によって生成される伴流は、周囲の水中に渦巻流を作り出す。渦巻流は、第１の浮揚式タービンのブレードから拡散し、よって、同じ周囲の水を介して進む第２のタービンがこの渦巻流を通過することがある。タービンブレードは、層流水を通って進む場合に最も効率が高くなり、よって、渦巻流は、第２のタービンの効率を下げる。

ファーム配列を形成する複数の浮揚式タービンの相対間隔は、何れかの浮揚式タービンの伴流によって引き起こされる、別の浮揚式タービンの効率に悪影響を与えるタービン間の乱流を最小限に抑えるように計画される。

さらに、タービン間の乱流は、隣接する複数のタービンが静止している間に１つのタービンのみを動作させる、またはこの逆によって低減されてもよい。

任意の１つのタービンのデューティサイクルは、図５のフロー図に示されている。まず、タービンは、上昇段階の頂上にあるものとする。ここで、バルブが開かれてバラストタンクおよび／またはリフティングバッグから全てのガスが解放され、よって、タービンは、重力によって沈降する（ｓ．５．２）。沈降する間に、タービンブレードが回転し、電気が生成される（ｓ．５．４）。上昇段階の底でタービンが底部ドッキングインタフェースとドッキングすると（ｓ．５．６）、底部インタフェースは、次に、リフティングバッグの膨張かつ／またはバラストタンクへの圧縮ガスの充填を開始する（ｓ．５．８）。所望される量が充填されると、ドッキングインタフェースがタービンを解放し、タービンは、リフティングバッグおよび／またはバラストタンクにより与えられる正浮力によって上昇し始める（ｓ．５．１０）。上昇する間、タービンは、（典型的には、ピッチが一定であれば、下降とは反対方向へ）回転し、電気が生成される。上昇段階は、タービンが水面に接近するまで続き、接近すると、リフティングバッグ／バラストタンクからリフティングガスが解放され（ｓ．５．１４）、次いでサイクルが再開される。

記述しているように、ファーム内の複数のタービンのデューティサイクルは、好ましくは、任意の一時において、１つのタービンのみがドック入りしてコンプレッサから圧縮空気を受け入れ、かつ他のタービンは、コンプレッサを運転するための電力を供給できるように上昇または下降位相にあるように、ずらされるべきである。デューティサイクルの正確な位相調整は、主として、タービンガイドの長さに依存し、これが、単一の利用率１００％のエアコンプレッサから運転されることが可能なタービンの数を決定する。ある代替実施形態において、位相調整は、タービン上に取り付けられる様々なセンサによって監視され、かつさらに、ＣＰＵ／ＰＬＣによって制御されることも可能である。

図３の浮揚式タービンアレイは、エネルギーを、制御された解放を可能にする方法で貯蔵するために使用されてもよい。１つまたは複数の浮揚式タービン１０Ａ−１０Ｅは、ドッキング機構によって保持される間に、電気エネルギーにより駆動されるコンプレッサによって圧縮ガスを充填される。これらのタービンは、保持される間にポテンシャルエネルギーを貯蔵するが、ドッキング機構によって解放される際に、貯蔵されたポテンシャルエネルギーを電気エネルギーに変換する。

図４は、生成された電力が水面へ供給される方法に関連して、ガイド２０をさらに詳しく示している。ここでは、ガイド２０が、水面に浮かぶ浮揚性の上部リング４２を備え得ることが分かる。よって、ガイドの本体は、浮揚性の上部リング４２から垂れ下がる幾つかの個々のワイヤ４２から形成され、タービンは、これらのワイヤに沿って移動する。タービンには、生成された電流を供給するためにワイヤのうちの少なくとも１つに接触するブラシ接点を装備し、ワイヤは、次に、電流を底部へ、あるいは水面へ運び、電流は、そこから陸上の配電網システムに引き出されることが可能である。

上述の実施形態には、さらなる実施形態を提供するために様々な変更が行われてもよい。例えば、タービンは、固定ピッチのブレードを有してもよく、あるいは、可変ピッチのブレードを装備してもよい。可変ピッチブレードの優位点は、タービンブレード上のドラグ、延いては下降および上昇速度、延いては電力出力を変えるようにピッチを制御し得ることにある。さらに、最低限でも、ブレードのピッチは、タービンがサイクルの両位相で同様に回転するように、上昇位相および下降位相間で逆転されてもよく、逆もまた同様である。これにより、歯車装置を反転させる必要がなくなる。

さらに、各浮揚式タービンは、２セット以上のブレードを装備してもよく、例えば、二重反転のブレードセットを装備してもよい。このような二重反転のプロペラ型システムは、単一のブレードセットより効率的であることが証明されている。

図９は、タービンブレードに使用するためのブレードピッチ制御機構を示す。歯車装置チャンバ９６は、バラストタンク１６内に形成される。前面９０は、バラストタンク１６による周囲の水を介する上方／または下方移動が前面９０上の圧力を変えるように、バラストタンク１６の上側および／または下側の何れかに露出される。前面９０は、バラストタンク１６と相対的に移動可能であり、前面９０と共に移動可能なピストン９１へ連結される。ピストン９１は、線形ギヤ９２によって、例えば機械的ばねであるバイアス手段へ接続される。バイアス手段は、前面９０上の圧力によって引き起こされる動作に抵抗する力を提供する。はめ歯９４は、線形ギヤ９２へ連結され、かつ線形ギヤ（およびピストン）の動作と共に回転する。ある実施形態において、タービンブレード（不図示）は、はめ歯９４の回転軸の辺りに直に連結される。別の実施形態において、ブレードは、ギヤを含み得る中間コンポーネントによってはめ歯へ連結される。上述の双方の実施形態において、ピストン９１の動作によるはめ歯９４の回転は、タービンブレードのピッチを変更する。

単一のブレードピッチ制御機構は、単一のタービンブレードのピッチを制御してもよく、あるいは、単一の機構は、機械的なリンク仕掛けによって複数のブレードのピッチを制御してもよい。

さらに別の実施形態において、電気制御ユニットは、ブレードピッチ制御機構によって生成される捻れを用いて、上昇および／または下降速度を監視し、かつタービンブレードの角度を制御する。

図１１は、回転可能なタービンブレード１２ａのブレードの回転軸１２ｒに沿った斜視図を示す。３つの平行する中空矢印は、ブレードに対する水の動きを表し、単一のブロック陰影付き矢印は、エネルギー生成目的で所望されるブレードの動作を表す。

ブレード１２ａは、実線を用いて描かれた第１の配向で示されている。ブレード１２ｂは、破線を用いて描かれた第２の配向で示され、本ブレードは、第１の配向から第２の配向に到達すべく回転軸１２ｒを中心として角度αだけ回転している。

このブレードは、ｉ．（図１１において、実線を用いて描かれたタービンブレードで示されている）タービンブレード１２ａが角度α＝０度で位置合わせされたときの上昇および／または下降に対する最小抵抗、および、ｉｉ．（図１１には示されていない）タービンブレードが角度α＝９０度で位置合わせされたときの上昇および／または下降に対する最大抵抗を提供する。

本発明を用いて発電するための最も効率的なブレードピッチは、タービン内で使用されるオルタネータの特性、およびタービンブレードの数、サイズ、形状およびレーキに関連する。ピッチ角（α）は、ピッチ（ｐｉｔｃｈ）および半径（ｒ）から、公式、
ｔａｎ α ＝ ｐｉｔｃｈ／２ πｒ ［公式１］
を用いて計算されてもよい。

ある実施形態において、タービンブレードの長さに沿った平均角度は、４５度から６０度までの間である。別の実施形態において、タービンブレードの長さに沿った平均角度は、５５度から６０度までの間である。

図９において、バラストタンク１６内の歯車装置チャンバ９６内へ部分的に含まれるブレードピッチ制御機構が示されている。あるいは、ブレードピッチ制御機構は、タービンの他の構造体内に配置される。

別の変形において、コンプレッサは、海底に位置決めされる必要はなく、代わりに、海面に浮かんでいる可能性、または陸上において圧縮空気タンクファームの近くに存在する可能性もあり、その場合、供給ホースは、ガイド底部のインタフェースドックまで延びる。

さらなる変形では、コンプレッサをタービンファームに設ける代わりに、圧縮ガスタンク等の圧縮ガス供給装置が、海底または海面上の何れかに設けられてもよい。これは、コンプレッサを局所で給電する必要をなくする。しかしながら、それでも、タンクに入れるべくガスを圧縮するためにどこかでコンプレッサに給電する必要はある。但し、このようなコンプレッサを運転し、次いでタンクをタービンファームへ輸送するために要するエネルギーは、タービンによって生成される総エネルギーより少なく、よって、装置全体としては依然としてエネルギーポジティブとなることが前提である。

さらなる変形において、コンプレッサは、風力または太陽エネルギーにより給電されるもの等の再生可能エネルギー手段によって給電されてもよい。この方法では、エネルギー生成ネットワークが過剰運転をしていれば、エネルギーは、圧縮空気内に貯蔵され、続いて浮揚式タービンへその浮力を変更するために与えられるべく使用されてもよい。これは、本発明による浮揚式タービンを再生可能なエネルギー源に依存するネットワーク内で実装することにより、ネットワークの出力が容易に平滑化され、かつ消費者の要件に依存して調節され得ることを意味する。

さらなる変形では、バラストタンクまたはリフティングバッグを設ける代わりに、タービンの何らかの他のパーツが、上昇位相を開始するために浮揚性流体で充填されてもよい。例えば、タービンブレードは、中空であって、下降位相において水で充填されてもよく、この水は、次にはポンプで汲み上げられて、上昇段階の前に浮揚性流体で置換される。

さらに別の変形において、タービンは、例えば制御誘導電子機器を装備することによる、自己案内性で小型の操舵スラスタであってもよく、よって、その場合には、ガイド２０を撤廃することが可能である。このような場合、タービンは、自由に昇降してもよいが、タービンが底部インタフェースとドッキングできるように、操舵スラスタ（例えば、タービン本体に取り付けられる電動機により動力を得る小型プロペラ）を介してその横方向位置を制御してもよい。

図６は、タービン機器１０のさらなる実施形態を示す。ここでは、バラストタンク１６が、タービンの水中進行に伴う両方向のドラグを低減するために、水力動力学的に成形される。さらに、バラストタンク１６は、発電システム１４の上下双方に設けられることも分かるであろう。

さらに、タービンブレードは、各々がストラット６６によって中央のタービン本体へ付着される左および右のシールド６２および６４を備えるシュラウドを装備している。シールド６２および６４は、水をタービンブレードへ向かって、ガイドに沿ったタービンの移動速度より高速で案内するためのベンチュリとして作用するように湾曲している。これにより、タービンを介する水流速度は増すが、ガイドに沿ったタービンの速度は増大せず、よって取得される電力は、増加され得る。

シールド６２および６４は、シールドに対するストラット６６の近位端へ付着されるシールドホルダ内で、制御可能式に上下へ滑動してもよく、よって、シールドにより形成されるベンチュリの有効入力スロート幅は、増加または減少されるように変更されてもよい。

また、シールド６２および６４は、屈曲し得る硬質材料から製造されてもよい。これは、シールドの他端を圧縮状態に、かつより狭く保ちながら、自己膨張式のベンチュリがタービンの進行方向に生成されることを可能にする。これは、電力を消費することなく、要求されるベンチュリの効果を達成することができる。また、この機構は、タービンの下降／上昇速度を変えるために、ＥＣＵにより電子機械的に、電気的に、または電子液圧式に制御されてもよい。

図７ａは、発電機ハウジング１４によって包囲される球形ガイド２０を示す。４ペアのホイール７０は、４ペアの軸７２によって発電機ハウジング１４の内面へ回転可能式に付着されている。ホイール７０のペア同士は、発電機ハウジング１４の内面を中心にして等間隔である。各ホイール７０は、球形ガイド２０の外壁へ第２のアームより遠くへ延びるＵ字形ガイドレール７４の第１のアームによって付着されるその固有のＵ字形ガイドレール７４内を走る。あるいは、ガイド２０は、非球形、おそらくは楕円形であってもよく、かつ／またはより多い、またはより少ないホイールペアが存在してもよい。

図７ｂは、球形の発電機ハウジング１４によって包囲される楕円形のガイドシステム２０を示す。ガイドシステムは、ガイドシステムの長さに沿って内側へ延びる２ペアのガイドレール７６を備え、これらのペアは、反対側面に沿って延びる。発電機ハウジング１４の２側面の内側には、単一のガイドレール７８が取り付けられ、外側へ延びる。単一のガイドレール７８は各々、単一ペアのガイドレール７６間に延びて、ガイドレール７６のペアの長さに沿って滑動可能である。あるいは、ガイドシステム７６、７８は、さらなるガイドレールセットを含んでもよく、かつ／または、単一のガイドレール７８は、二重のガイドレール７６によって置換されてもよく、逆もまた同様である。

図８は、空気取入れ口の一部分を示し、この空気取入れ口は、図３の空気取入れ口３４であっても、図３に示されているものとは別の実施形態であってもよい。図８に示されている空気取入れ口３４の部分は、下端であるが、図８に示されている特徴部は、空気取入れ口３４におけるより高い位置に、かつ図示されている相対位置以外で提供されてもよい。

空気で満たされる空気取入れ口３４は、空気が暖かくかつ湿ってもいる水面まで達する。水面近くでは、水もやはり比較的温かいが、水温は、水深が増加するにつれて低下する。空気取入れ口３４の本体が周囲の水によって冷却される程度は、水深が増加するにつれて大きくなる。水面からの温かく湿った空気は、空気取入れ口３４の本体によって冷却され、空気取入れ口内の空気から空気取入れ口内の冷却器表面上へ水蒸気が凝縮する。

最も冷たい空気は、水温が最も低い底部における空気取入れ口３４内の空気である。サーモクラインより下では、海水温度が０℃に向かって降下する。このシステムは、かなり深い海洋深度を利用するように設計されることから、この温度差は、本システムが空気カラム内の空気の冷却に有効であることを意味する。この下部領域では、空気取入れ口３４の壁内に空気取り出しポート８０が存在する。空気取り出しポート８０は、空気取入れ口３４から断熱性の冷気管８１を介して冷気を引き出す。冷気管８１は、冷気を居住用または商業用構造物の何れかへ輸送し、冷気はここで地域の冷房目的で使用される。冷気は、空気ポンプ８２を用いて冷気管沿いに移動される。図８において、空気ポンプは、冷気管８１に沿って空気取入れ口３４に近い位置に示されているが、冷気ポンプ８２は、空気取入れ口３４の内部に位置決めされても、冷気管８１に沿ってさらに遠くに、かつ陸上にも位置決めされてもよい。

空気取入れ口３４は、図３において、システム内に存在する浮揚式タービンから分離されて示されている。ある実施形態（図３には示されていない）において、空気取入れ口は、ガイド手段２０内に収容されてもよい。空気取入れ口３０は、水面から延びる空気塔を形成し、表面温度の空気は、水面において塔内へ引き込まれる。空気塔は、浮揚式タービン上に設置されるガイド手段と共働するトラックを有する。

海洋で冷却される空気の居住用または商業用構造物における使用は、エネルギー集約的なプロセスである空調の必要性をなくし、または低減する。

水面から引き込まれる湿った空気から凝縮する水は、重力によって空気取入れ口の底部へ移動し、ここで集められて、水取り出しポート８４を介して取り出しされる。水は、送水管８６沿いに水ポンプ８５によってポンピングされる。水ポンプ８５は、空気取入れ口３４の近くに位置決めされて示されているが、これは、空気取入れ口の内部または送水管８６に沿ったさらに遠い場所の何れかに位置決めされてもよい。

凝縮水は、非塩水であり、飲料水として使用されることが可能である。凝縮およびポンピングプロセスに必要なエネルギーは、従来の浄水方法より遙かに少なかった。

空気取入れ口３４内には、熱交換システム８７が設けられている。熱交換システムは、ラジエータとして示されていて、冷たい塩水は、下部のラジエータ開口を介して空気取入れ口内へ引き込まれる。冷たい塩水は、空気取入れ口３４を介して引き込まれ、空気取入れ口３４内の空気を冷却する。ラジエータからの冷却効果は、空気取入れ口３４内の水の凝縮を増加させる。冷たい塩水は、空気取入れ口３４内の空気によって間接的に加熱されることから、その密度は下がり、温かい塩水は、ラジエータ内を上へ流れた後に上側のラジエータ開口から出る。水は、ポンプ（不図示）を使用して熱交換システム８７からポンピングされてもよく、これにより、その冷却効果が高められる。

効果的には、水蒸気が液体の水へと凝縮するにつれて、その体積は減り、これにより、空気取入れ口３４内の空気圧が下がり、これが空気を水面から空気取入れ口３４の下部へと引き込む。故に、大気をシャフト内へポンピングするためのエアコンプレッサの必要性が省かれる。

ある実施形態では、図３のガスコンプレッサ３２が図８の空気ポンプ８２として使用される。

図６は、上側および下側の圧力調整バルブ６８、６９のセットを示す。タービンが上昇するにつれて、バラストボックス１６内に含まれる空気は膨張し、その密度は減少する（デバイスの浮力が増大し、よって上昇速度が高まる）。膨張する空気は、上側または下側の圧力解放バルブの何れかを介して選択的に解放可能である。

下側の圧力解放バルブ６８は、開放されると、タービン・バラスト・タンクから膨張空気の噴射を放出し、上向きの力を提供してタービンによる上昇速度の増加を加速させる。上側の圧力解放バルブ６９は、膨張する空気の噴射を上向きに方向づけ、タービンの上昇速度を遅らせる。

上下圧力調整バルブ双方の数および位置合わせは、タービンの流体力学的性質を調節するために変えられてもよい。実施形態によっては、タービンは、１つまたは複数の上側の圧力解放バルブ６９、または１つまたは複数の下側の圧力解放バルブ６８を備える。

１つまたは複数の下側の圧力解放バルブ６８を介して放出される流体は、空気以外の流体であってもよく、例えば、水または他の任意の豊富なガスである可能性もある。

図１０は、図６の圧力解放バルブを制御するための方法を示す。本方法は、バルブを選択的に開閉してタービンの上昇速度を増加または減少させることにより、上昇速度を制御する。

本方法は、ステップｓ．１０．０で開始され、ステップｓ．１０．１へ進む。ステップｓ．１０．１において、本方法は、タービンがその関連するガイドに沿って進行の上限に達しているかどうかをチェックする。上限に達していれば、本方法は、ステップｓ．１０．２へ進み、ここで終了する。上限に達していなければ、本方法は、ステップｓ．１０．３へ進み、ここで、タービンの瞬間的な上昇速度が測定される。上昇速度が第１の既定速度を下回れば、上向きのバルブが閉止されて（ステップｓ．１０．４）下向きのバルブが開放され（ステップｓ．１０．５）、本方法は、ステップｓ．１０．６へ進む。これにより、上昇速度は増加する。測定された瞬間的な上昇速度が第１の既定速度以上であれば、本方法は、ステップｓ．１０．６へ進み、上下バルブは変更されない。ｓ．１０．６において、上昇速度が第２の既定速度（第１の既定速度以上）を上回れば下向きのバルブが閉止されて（ｓ．１０．７）上向きのバルブが開放され（ｓ．１０．８）、本方法は、ステップｓ．１０．１へ戻る。これにより、上昇速度は下がる。測定された瞬間的な上昇速度が第２の既定速度以下であれば、本方法は、ステップｓ．１０．１へ戻る。

図１０の方法は、所定の深度における圧力が既知であることから、測定値が、上昇速度ではなくタービンの水深であるように適合化されることが可能である。したがって、バルブの制御は、タービンが水面から移動した距離に依存する。バルブの制御には、固定点から上の高度も使用されてもよく、固定点は、水域の底、またはガイド２０により画定される浮揚式タービンの移動の下限の何れかである。

上述の実施形態に対しては、さらなる実施形態を提供すべく、追加、置換または削除の何れかによってさらなる改変が行われてもよいが、それらは全て、添付のクレームの範囲に含まれることが意図されている。

図１は、本発明の一実施形態におけるタービン機器を示す略側面図である。 図２は、図１のタービン機器を示す略平面図である。 図３は、本発明の一実施形態における典型的な配備シナリオを示す図である。 図４は、本発明の一実施形態において使用されるガイドの一変形例を示す図である。 図５は、本発明の一実施形態の動作方法を示すフロー図である。 図６は、本発明の別の実施形態によるタービン機器を示す略側面図である。 図７ａは、第１のガイドレール・システムを示す断面図である。 図７ｂは、第２のガイドレール・システムを示す断面図である。 図８は、空気塔の下部を示す略図である。 図９は、ロータピッチ調節機構を示す略側面図である。 図１０は、圧力解放バルブの制御に関するフローチャートである。

Claims (21)

1. 浮揚式タービンであって、
   共通の軸を中心として回転するように動作可能であり、かつタービンブレードが回転するにつれて発電するように配置される発電システムへ連通可能式に結合される、回転可能なタービンブレードセットと、
   前記浮揚式タービンへ正浮力を制御可能式に与えるように配置される浮力制御システムと、
   前記タービンをその移動に伴って前記共通の軸沿いに案内するためのガイド手段とを備え、
   前記浮揚式タービンは、潜水に適し、かつ前記タービンブレードは、前記タービンによる水中での移動に伴って回転するように配置される、浮揚式タービン。
2. 前記浮力制御システムは、１つまたは複数の流体動力学的に成形されたバラストタンクを備える、請求項１に記載のタービン。
3. 前記１つまたは複数の流体動力学的に成形されたバラストタンクは、中心カラムのない錐台であり、前記ガイド手段は、前記中心カラム内に設けられる、請求項２に記載のタービン。
4. 前記ガイド手段は、前記共通の軸と同軸である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のタービン。
5. 前記ガイド手段は、前記浮揚式タービン上に取り付けられた、固定トラックに沿って走るように配置される１つまたは複数のホイールセットを備える、請求項４に記載のタービン。
6. 前記ガイド手段は、固定トラックから延びる１つまたは複数の突起と係合可能な突起を備える、請求項４に記載のタービン。
7. 水面から離れて方向づけられる１つまたは複数の第１の空気噴射をさらに備え、前記１つまたは複数の第１の空気噴射から放出される空気は、前記タービンの上昇速度を高める、請求項１〜６のいずれか一項に記載のタービン。
8. 水面へ向かって方向づけられる１つまたは複数の第２の空気噴射をさらに備え、前記１つまたは複数の第２の空気噴射から放出される空気は、前記タービンの上昇速度を下げる、請求項１〜７のいずれか一項に記載のタービン。
9. １つまたは複数の噴射を前記上昇速度に依存して選択的に作動させるための制御システムをさらに備える、請求項７または請求項８に記載のタービン。
10. １つまたは複数の噴射を前記タービンの水深に依存して選択的に作動させるための制御システムをさらに備える、請求項７または請求項８に記載のタービン。
11. 前記デバイスが水中で移動する速度を検出するための速度検出手段と、
    前記タービンブレードのうちの１つまたはそれ以上のピッチ角を調節するためのタービンブレード調節手段と、をさらに備え、
    前記タービンブレードのうちの前記１つまたはそれ以上の前記ピッチ角は、前記速度検出手段によって検出される速度に依存する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のタービン。
12. 前記タービンブレード調節手段は、水圧を１つまたは複数のロータブレードのピッチ制御に変換するように動作可能な機械的デバイスを備える、請求項１１に記載のタービン。
13. 前記機械的デバイスは、
    所定の位置にバイアスされる線形ギヤへ連結されるプレートと、
    前記線形ギヤと係合して回転可能式に取り付けられるはめ歯であって、前記１つまたは複数のタービンブレードへ連結されるはめ歯とを備え、
    前記プレートは、前記プレートへの水圧印加によって動作可能であって、前記１つまたは複数のタービンブレードの対応する回転を引き起こす、請求項１２に記載のタービン。
14. 前記タービンブレード調節手段は、
    上昇速度を検出するように配置される電子検出手段と、
    前記電子検出手段へ連結されるプロセッサと、
    前記１つまたは複数のタービンブレードへ連結されるアクチュエータであって、前記プロセッサによって制御され、前記１つまたは複数のタービンブレードのピッチを調節するように動作可能なアクチュエータとを備える、請求項１１に記載のタービン。
15. 前記電子検出手段は、電子圧力センサを備え、前記プロセッサは、前記電子圧力センサによって収集されるデータを解釈するように配置される、請求項１４に記載のタービン。
16. 前記プロセッサは、さらに、最適上昇速度の計算値を提供するために、最適上昇速度を計算しかつ前記１つまたは複数のロータブレードのピッチを調整するように配置される、請求項１４または請求項１５に記載のタービン。
17. 前記第１の回転可能なタービンブレードセットの前記ピッチ角および前記第２の回転可能なタービンブレードセットの前記ピッチ角は、共に、前記タービンブレード調節手段を用いて調節可能である、請求項１１に従属する任意の請求項に記載のタービン。
18. 請求項１から請求項１７までのいずれか一項に記載の浮揚式タービンを備える、エネルギーを貯蔵するためのシステムであって、
    前記浮揚式タービンは、移動の下限において負浮力であり、かつドックによって所定の位置に保持されるように配置され、
    前記浮揚式タービンの浮力制御システムは、空気の流入を許容するように配置され、これにより、前記浮揚式タービンへ正浮力が与えられ、かつ前記システム内にエネルギーが貯蔵され、
    前記浮揚式タービンは、前記システムからエネルギーが要求されると、前記ドックから解放されるように動作可能である、システム。
19. 空気塔をさらに備え、
    前記空気塔は、水面上から前記水面より下の深さまで延びる管を備え、
    前記管は、前記水面より上の空気に開放されていて前記空気を充填され、かつ、
    前記管は、塔の空胴を画定する、請求項１８に記載のエネルギーを貯蔵するためのシステム。
20. 前記浮力制御システムは、前記空気塔の空気ポンプによってポンピングされる空気を受け入れるように配置される、請求項１９に記載のエネルギーを貯蔵するためのシステム。
21. 前記空気塔は、固定トラックを備え、前記浮揚式タービンの前記ガイド手段は、前記固定トラックと共働する、請求項１９または２０に記載のエネルギーを貯蔵するためのシステム。

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