(57)【要約】【課題】水上の荒天に耐え、輸送及び配備が容易であり、海底の泥地にはまり難く又は砂地に埋まり難く、かなりの深海に設置可能な海洋バッテリーパックを提供する。【解決手段】水面下バッテリーシステムは、海底におけるバラスト質量と、海底ペイロードに対するインターフェースを備える深海電子モジュールと、バッテリーを含む水面下浮遊性圧力容器とを備える。バラスト質量は、深海電子モジュールに取り付けられる。深海電子モジュールは、バッテリーに接続される。水面下浮遊性圧力容器は、およそ５０メートル〜５００メートルの水深に沈められる。このシステムは、海底ペイロードに給電するのに使用される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
海洋環境において海底ペイロードに給電する水面下バッテリーシステムであって、
バッテリーを含む隔室を有する水面下浮遊性圧力容器と、
前記海底ペイロードに対するインターフェースを備える深海電子モジュールであって、緊張係留式係留テザーによって前記バッテリーに接続される、深海電子モジュールと、
係留ケーブルによって前記深海電子モジュールに取り付けられるバラスト質量と、
を備える、水面下バッテリーシステム。
【請求項２】
水上アンビリカルテザーによって前記水面下浮遊性圧力容器に連結される水上ブイを更に備える、請求項１に記載の水面下バッテリーシステム。
【請求項３】
前記水上ブイは、通信設備又はセンサーを備える設備プラットフォームを備える、請求項２に記載の水面下バッテリーシステム。
【請求項４】
前記水上アンビリカルテザーは、浮き及び重りを備える、請求項２に記載の水面下バッテリーシステム。
【請求項５】
前記係留ケーブルを前記深海電子モジュールから接続解除する遠隔解放モジュールを更に備える、請求項１に記載の水面下バッテリーシステム。
【請求項６】
水上アンビリカルテザーによって前記水面下浮遊性圧力容器に連結される水上ブイを更に備え、前記遠隔解放モジュールは、前記水上アンビリカルテザー及び前記緊張係留式係留テザーを介して前記水上ブイに接続されるセキュア通信インターフェースを通して作動される、請求項５に記載の水面下バッテリーシステム。
【請求項７】
前記緊張係留式係留テザーは、海水中で略中性浮力を有する、請求項１に記載の水面下バッテリーシステム。
【請求項８】
係留ケーブルによって深海電子モジュールに取り付けられたバラスト質量を海底に準備することと、
緊張係留式係留テザーを用いて前記深海電子モジュールを水面下浮遊性圧力容器に係留することと、
バッテリーを海底ペイロードに対するインターフェースに接続することであって、前記海底ペイロードに対するインターフェースは、前記深海電子モジュールに含まれ、前記バッテリーは、前記水面下浮遊性圧力容器の隔室に含まれることと、
前記水面下浮遊性圧力容器をおよそ５０メートル〜５００メートルの水深まで沈めることと、
前記バッテリーによって前記海底ペイロードに給電することと、
を含む、方法。
【請求項９】
水上ブイを水上アンビリカルテザーによって前記水面下浮遊性圧力容器に連結することを更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記水上アンビリカルテザーは、浮き及び重りを備える、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
遠隔解放モジュールを作動させることによって、前記係留ケーブルを前記深海電子モジュールから接続解除することを更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記遠隔解放モジュールは、水上ブイを前記水面下浮遊性圧力容器に連結する水上アンビリカルテザー及び前記緊張係留式係留テザーを介して前記水上ブイに接続されるセキュア通信インターフェースを通して作動される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記緊張係留式係留テザーは、海水中で略中性浮力を有する、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、海中海洋用途に使用される浮遊性水面下バッテリーパックの設計及び使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリーパックは、広範囲の海洋用途に給電するために使用される。バッテリーパックは、特にディーゼルエンジン等の発電機器を動作させることが困難であるか又は妨げられる可能性のある厳しい環境でも、信頼性があり、効率が良く、保守又は充電が必要となる前に長期間動作することができる。
【０００３】
海に配備されるように意図された海洋バッテリーパックには、主に３つの設計がある。第１のタイプは、浮体式バッテリーである。浮体式バッテリーは、多くの場合、バージ（barge：はしけ）上に設置されて、アンカー及びチェーンを用いて海底に繋ぎ留められる。このタイプのバッテリーは、低費用であり、容易に牽引して配備することができるが、かなりの深海における使用、又は、バッテリーバージが転覆し得る若しくは係留具が非常な高負荷を受け得るような荒天が発生する可能性の高い海域における使用には適していない場合がある。
【０００４】
第２のタイプのバッテリーは、重量のある圧力容器の中で海底に設置される。このバッテリーは、水上の荒天を免れるという利点を有するが、特に深海では、圧力容器は、圧力容器が収容するバッテリーの数倍費用がかかるとともに数倍重い場合があり、非常に高価である可能性がある。また、このバッテリーの輸送及び配備も非常に高費用である可能性があるが、その原因は、圧力容器の極端な重量、圧力容器を海底に対して昇降するのに必要とされるクレーンのサイズ、並びに、場合によっては、バッテリーを海底へと戻すガイドと許容可能な平坦度及び組成の設置場所の選択とを支援するために、遠隔操作無人潜水機（ＲＯＶ）を備える必要があることである。これらの極端な重量の圧力容器バッテリーは、場所によっては泥地にはまり込む又は砂地に埋まるリスクがあり、回収が困難かつ高費用である可能性がある。
【０００５】
第３のタイプの海中バッテリーパックは、圧力補償設計である。セル及び支援電子部品は、高圧に耐えるように設計されており、非導電性のオイル又はポリマーの槽に包囲される。水圧の負荷は、僅かに可撓性の外容器を通して内部の非圧縮性オイル及びバッテリーパックへと直接伝達され、圧力を均衡させる。この設計は、比較的軽量であり、輸送及び配備が比較的容易である傾向を有するが、非常に複雑であるとともに構築に費用がかかり、全ての構成部品が割れ又は劣化を生じることなく極端な圧力に対処するように特に設計されていなければ、破損する場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、当該技術分野では、水上の荒天に耐え、輸送及び配備が容易であり、海底の泥地にはまり難く又は砂地に埋まり難く、かなりの深海に設置可能な海洋バッテリーパックが必要とされ続けている。また、バッテリーシステムは、信頼性があり、費用対効果が高く、軽量であり、容易に回収可能であることが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、海洋環境において海底ペイロードに給電する水面下バッテリーシステムを記載する。
【０００８】
水面下バッテリーシステムは、水面下浮遊性圧力容器を備えることができる。水面下浮遊性圧力容器は、隔室を有することができる。隔室は、バッテリーを含むことができる。
【０００９】
水面下バッテリーシステムは、深海電子モジュールを備えることができる。深海電子モジュールは、海底ペイロードに対するインターフェースを備えることができる。深海電子モジュールは、緊張係留式係留テザーによってバッテリーに接続することができる。緊張係留式係留テザーは、海水中で略中性浮力を有することができる。
【００１０】
水面下バッテリーシステムは、バラスト質量を備えることができる。バラスト質量は、係留ケーブルによって深海電子モジュールに取り付けることができる。係留ケーブルは、海水中で略中性浮力を有することができる。
【００１１】
水面下バッテリーシステムは、水上ブイを備えることができる。水上ブイは、通信設備又はセンサーを備える設備プラットフォームを備えることができる。水上ブイは、水上アンビリカルテザーによって水面下浮遊性圧力容器に連結することができる。水上アンビリカルテザーは、浮き及び重りを備えることができる。
【００１２】
水面下バッテリーシステムは、係留ケーブルを深海電子モジュールから接続解除するように作動可能な遠隔解放モジュールを備えることができる。遠隔解放モジュールは、水上アンビリカルテザー及び緊張係留式係留テザーを介して水上ブイに接続されるセキュア通信インターフェースを通して作動させることができる。
【００１３】
本開示は、海洋環境において海底ペイロードに給電する水面下バッテリーシステムを使用する方法を記載する。
【００１４】
上記方法は、バラスト質量を海底に準備するステップを含むことができる。バラスト質量は、係留ケーブルによって深海電子モジュールに取り付けることができる。係留ケーブルは、海水中で略中性浮力を有することができる。
【００１５】
上記方法は、深海電子モジュールを水面下浮遊性圧力容器に係留するステップを含むことができる。深海電子モジュールは、緊張係留式係留テザーを用いて水面下浮遊性圧力容器に係留することができる。緊張係留式係留テザーは、海水中で略中性浮力を有することができる。
【００１６】
上記方法は、バッテリーを海底ペイロードに対するインターフェースに接続するステップを含むことができる。海底ペイロードに対するインターフェースは、深海電子モジュールに含むことができる。バッテリーは、水面下浮遊性圧力容器の隔室に含むことができる。
【００１７】
上記方法は、水面下浮遊性圧力容器をおよそ５０メートル〜５００メートルの水深まで沈めるステップを含むことができる。
【００１８】
上記方法は、深海電子モジュールに含むことができる海底ペイロードに対するインターフェースを介して、バッテリーによって海底ペイロードに給電するステップを含むことができる。
【００１９】
上記方法は、水上ブイを水面下浮遊性圧力容器に連結するステップを含むことができる。水上ブイは、水上アンビリカルテザーによって水面下浮遊性圧力容器に連結することができる。水上アンビリカルテザーは、浮き及び重りを備える。
【００２０】
上記方法は、係留ケーブルを深海電子モジュールから接続解除するステップを含むことができる。係留ケーブルは、遠隔解放モジュールを作動させることによって深海電子モジュールから接続解除することができる。遠隔解放モジュールは、セキュア通信インターフェースを通して作動させることができる。セキュア通信インターフェースは、水上アンビリカルテザー及び緊張係留式係留テザーを介して水上ブイに接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】水上ブイと、水上アンビリカルテザーと、バッテリー隔室を有する浮遊性水面下圧力容器と、緊張係留式係留テザーと、深海電子モジュールと、バラスト質量及び係留ケーブルを含むアンカーシステムとを示す、システムレベル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本開示の実施形態のより詳細な説明のために、以下では添付図面を参照する。
【００２３】
以下の開示には、本発明の様々な特徴、構造又は機能を実施するための例示的な実施形態が記載されていることが理解される。開示を平易にするように構成要素、配置及び構成の例示的な実施形態が以下に記載されているが、これらの例示的な実施形態は、単に例として提供されており、本発明の範囲を限定するように意図されていない。また、以下に提示される例示的な実施形態は、任意の方式の組合せで組み合せることができ、すなわち、本開示の範囲から逸脱することなく、１つの例示的な実施形態による任意の要素を任意の他の実施形態において用いることができる。
【００２４】
本開示における全ての数値は、別途特記されていない限り、概算値とすることができる。したがって、本開示の種々の実施形態は、意図される範囲から逸脱することなく、本明細書に開示される数、値及び範囲から外れることができる。また、以下の記載において、第１の形状部を第２の形状部に覆い被さるように又は第２の形状部の上に形成することは、第１の形状部と第２の形状部とが直接接触する状態に形成される実施形態を含むこともできるし、第１の形状部と第２の形状部とが直接接触し得ないように、第１の形状部と第２の形状部との間に介在する更なる形状部が形成され得る実施形態を含むこともできる。
【００２５】
本開示は、自律海洋用途において使用することができる、電気エネルギーをバッテリー内に貯蔵する水面下バッテリーシステムを記載する。このシステムは、送電網へのアクセスがない遠隔海域に配備することができる。
【００２６】
いくつかの実施形態において、水面下バッテリーシステムは、設備プラットフォームを備える小型水上ブイとともに使用することができ、設備プラットフォームには、様々な通信設備及びセンサーを設けることができる。また、水上ブイは、いくつかの実施形態において、発電と、水上ブイが繋がれたバッテリーパックの充電とを可能とし得るが、他の実施形態では、遠隔の外部充電装置のための接続部のみを備えてもよいし、場合によっては充電設備を全く備えなくてもよい。
【００２７】
本明細書に記載の水面下バッテリーシステムは、配備後数週間から２年を超える範囲の期間にわたって１０ワット〜１００００ワット程度の平均電力を供給することができ、高キロワットのピーク負荷を短期間サポートすることもできる。例えば、水面下バッテリーシステムは、電話（例えば、４Ｇ）及び／又は衛星通信トランスポンダー、カメラシステム、セキュリティセンサー、海底センサー、バルブツリー（valve trees）、ウェルヘッド監視装置に給電するために、及び自律型無人潜水機（ＡＵＶ）に充電するために使用することができる。
【００２８】
水上バージバッテリーに比べて、本明細書に記載の水面下バッテリーシステムは、圧力容器内又は圧力補償設計の海底固定ユニットよりも、輸送、配備及び回収が容易かつ低費用であるままで、荒天及び深海での設置に耐えることができる。
【００２９】
他の実施形態において、水面下バッテリーは、ＰＢ３  ＰｏｗｅｒＢｕｏｙ等の比較的大型の水上ブイ、又は大型の艇体式ハイブリッドブイとともに使用することができる。
【００３０】
水面下バッテリーは、水上浮きが存在していなくても使用することができる。このことは、海中ハイドロフォンアレイ若しくは海洋監視等の、水面下バッテリーシステムが隠れたままであるべき用途、又は船舶の交通渋滞及び衝突の危険がある用途に関して有利である。
【００３１】
図１を参照すると、水面下バッテリーシステムの例示的な一実施形態が示されている。この設計は、水上センサーを備えることができる設備プラットフォーム１と、バッテリーの充電に使用される任意の発電システム２と、小型水上ブイ３と、水上テザー取付け具４と、データ、電力及び係留ケーブルを供給する水上アンビリカルテザー５と、水上テザーインターフェース６と、昇降及び輸送手段７と、バッテリーを含む隔室を有する水面下浮遊性圧力容器８と、緊張係留式テザーインターフェース９と、データ、電力及び係留ケーブルを供給する緊張係留式係留テザー１０と、深海テザーインターフェース１１と、深海電子モジュール１２と、遠隔解放モジュール１３と、係留ケーブル１４と、バラスト質量１５とを含む。
【００３２】
上記システムは、小型水上ブイ３が海面に配置され、バッテリーを含む隔室を有する水面下浮遊性圧力容器８全体が、およそ５０メートル〜５００メートルの深さまで沈められるように、海中で鉛直方向に浮動することによって機能する。深海電子モジュール１２は、海底付近に又はかなりの深さに配置され、バラスト質量１５は、海底に配置されて、砂地又は泥地に数メートル埋まることができる。係留ケーブル１４は、バラスト質量１５が時間とともに沈下するにつれて深海電子モジュール１２が泥地に沈むのを防止するために、典型的には長さ５メートル〜２０メートルである。ＡＵＶドッキングステーションを、ＲＯＶ結合可能コネクタ及び深海電気ペイロードに対する他のインターフェースとともに深海電子モジュール１２に統合することができる。
【００３３】
水面下浮遊性圧力容器８は、圧力に耐えるように設計されてはいるが、数千メートルの海深に関連付けられる圧力に対処する必要はなく、結果として得られる容器は、海底に配備されるように意図されたバッテリー圧力容器よりもはるかに軽量かつ低費用である。緊張係留式係留テザー１０及び深海電子モジュール１２は、バッテリーパックが海底の数千メートル上方で浮動することができながらも、海中バッテリーパックと同じ海底ペイロードに対する電力インターフェースを提供する。
【００３４】
上記システムは、バラスト質量１５を配備船の側部から下降させ、バラスト質量１５によって係留ケーブル１４及び深海電子モジュール１２を船から水中に引っ張ることによって配備される。次に、緊張係留式係留テザー１０は、制御された速度で船の側部を越えて供給され、ついには、緊張係留式係留テザー１０は、水面下浮遊性圧力容器８を引っ張り始め、その後、水面下浮遊性圧力容器８は、配備ランプを転げ下るか、又はクレーンを用いて水中に下降される。水面下浮遊性圧力容器８は僅かに正浮力を有するが、バラスト質量１５が、バッテリー隔室によって得られる浮力よりも著しく大きな潜水正味重量を有するので、水面下浮遊性圧力容器８は、水中に引っ張られる。深海電子モジュール１２及び緊張係留式係留テザー１０は、海水中で略中性浮力を有する。水面下浮遊性圧力容器８が潜水すると、バラスト質量１５の下降速度が落ち、係留ケーブル１４と深海電子モジュール１２と緊張係留式係留テザー１０とが真っ直ぐに伸びて、水柱内で鉛直に向きを定める。水上アンビリカルテザー５は、軽量かつ可撓性であるが、システムの他の部分が海底へと下降を続ける際に配備船の側部上で引っ張られる海面への強固な接続部である。バラスト質量１５は、海底に到達し、システムの他の部分に影響を与えることなく砂地又は泥地に部分的に埋まることができる。バラスト質量１５が設置されると、小型水上ブイ３を船の側部から下降させることができ、配備プロセスは完了する。
【００３５】
緊張係留式係留テザー１０及び係留ケーブル１４の長さは、意図される配備場所のために事前構成され、水深よりも短い合計５０メートル〜５００メートルの長さを有する。水上アンビリカルテザー５は、水上テザーインターフェース６から海面までの距離よりも長く、また、浮き及び重りを備え、係留テザーに過剰な負荷を加えることも大波又は満潮時に小型水上ブイ３を沈ませることもなく、テザーが予想される波高及び干満差に対処することができるようになっている。
【００３６】
水面下浮遊性圧力容器８は、その僅かな浮力によって、緊張係留式係留テザー１０の一定の張力を維持する。バッテリー隔室は、かなりの水深に配置されるので、水上で浮動バッテリーが対処するように設計される必要のある高い係留負荷及び加速度を受けない。水面下浮遊性圧力容器８は、深海の海流によっていくらかの負荷を受けるが、これらの力は、水上で受ける力よりも数倍小さく、水上の荒天による負荷よりもはるかに容易に予測される。このように負荷、加速度又は力が比較的小さいことによって、緊張係留式係留テザー１０のサイズ及び費用を大幅に低減することができ、また、システム全体を係留するために、大型バッテリーパックの水上での負荷に対処するのに必要とされるはるかに大きなアンカーではなく、単純かつ低費用のバラスト質量１５を使用することができるようになる。小型水上ブイ３は、荒天による負荷を受け、水上アンビリカルテザー５は、これらの負荷に対処するように設計されるが、小型水上ブイ３は、浮遊性圧力容器８よりも数倍小さく軽量でもあるので、結果として受ける負荷は、バッテリー質量全体が海面に設置されるものよりもはるかに小さい。
【００３７】
従来の海底固定バッテリーは、圧力容器内に設置されるか又は耐圧設計であるかに関わらず、いずれも長期の配備を経て泥地にはまり込む又は砂地に埋まるリスクがある。これらのバッテリーのいくつかは、海面の数千メートル下方に設置され得るので、回収のためのバッテリーパックの移動を潜水士によって支援することは不可能である。昇降ケーブルをバッテリーパックに取り付けるために深海ＲＯＶと大型重量昇降クレーンとの組合せが使用され得るが、これは、バッテリーパックが完全に埋まっていないことを想定している。このプロセスは、非常に高価である場合があり、バッテリーパックがあまりに深く埋まって又ははまり込んでいて回収を経済的に行うことができないリスクがある。これとは対照的に、図１に記載の実施形態は、海底条件に影響されず、高価な高性能クレーン又はＲＯＶを必要としない、自動回収の選択肢を特徴とすることができる。バッテリーシステムが意図されたミッションを完了し、回収及び再配置の準備が整ったら、セキュア通信インターフェースを通して、海面への有線接続を介して、ＲＯＶによって、又は無線（例えば、音響）接続によって、遠隔解放モジュール１３が作動される。この作動によって、係留ケーブル１４及びバラスト質量１５が深海電子モジュール１２の基部から分離され、バッテリーシステム全体が僅かな正浮力を再び得て、海面へと自動的に上昇し始める。係留ケーブル１４及びバラスト質量１５は回収されず、低費用な消耗品とみなされる。係留ケーブル１４及びバラスト質量１５は、毒性のない鋼及びコンクリート材料から作製することができ、海底環境に被害を与えることなく時間とともに腐朽する。浮遊性圧力容器８は、最終的に海面に到達し、水上回収船が小型インフレータブルボート及び乗組員を送り出して、昇降及び輸送手段７に昇降装置を取り付け、ＲＯＶ又は潜水士を必要とすることなくシステムを水中から持ち上げることができるようにする。バッテリー隔室が船上に揚げられたら、緊張係留式係留テザー１０を深海電子モジュール１２とともに巻き取ることができる。バッテリーシステムの次の配備の前に、係留ケーブル１４及びバラスト質量１５を交換してもよい。
【００３８】
大型の浮体式発電源が取り付けられることになる実施形態において、水面下バッテリーモジュールの設計は著しく変更しなくてもよいが、バッテリーシステムの異なる地点（基部等）に接続する別個の係留及び給電アンビリカルを備える等、発電源を水面下バッテリーに接続する代替的な方法を用いてもよい。この代替的な接続方法では、係留負荷と水面下バッテリーに必要なテザーサイズとを低減することができるが、一式の係留索及び給電アンビリカルが必要となる。しかしながら、比較的大型のブイのほとんどの係留設計は水面下浮きも含むので、大型水上ブイに関しても、浮体式バッテリーを係留具として使用することは、依然として費用対効果がより高い場合がある。また、浮体式バッテリーを係留具として使用することで、絡み合いのリスクを低減することができる。
【００３９】
本開示は、種々の変更形態及び代替形態が可能であり、その特定の実施形態が例として図面及び明細書に示されている。しかしながら、図面及び詳細な説明は、特許請求の範囲を開示の特定の形態に限定するように意図されておらず、むしろ、特許請求の範囲の範囲内にある全ての変更形態、均等物及び代替形態を包含することが意図されていることが理解されるべきである。
【００４０】
本願は、２０１８年１１月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／７６８４２４号明細書の利益を主張する。この米国仮特許出願の開示は、引用することによりその全体が本明細書の一部をなす。
【図１】
2020083315.tif 000003
【外国語明細書】
2020083315.tif 000004
2020083315.tif 000005
2020083315.tif 000006
2020083315.tif 000007
2020083315.tif 000008
2020083315.tif 000009
2020083315.tif 000010
2020083315.tif 000011
2020083315.tif 000012
2020083315.tif 000013
2020083315.tif 000014
2020083315.tif 000015