(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体流からエネルギーを取り出すための装置であって、
空気圧縮チャンバと、
対応する弁孔を介して前記液体流を調整するために開閉動作可能な弁の配列と、を備え、
前記配列内の前記弁孔が、前記液体流の方向において上向きの斜面に広がり、
前記液体流が流入するときは前記弁が段階的に閉じるように動作可能であることによって前記液体流を前記空気圧縮チャンバの方に集中させて空気を圧縮し、前記圧縮チャンバから液体流が戻るときは前記弁が開くように動作可能である、装置。
【請求項２】
前記空気圧縮チャンバで圧縮された圧縮空気を貯蔵するための蓄積チャンバをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記空気圧縮チャンバで圧縮された空気によって駆動されるように動作可能なタービンをさらに備える、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記圧縮チャンバから前記液体流が戻る間に前記タービンの両端間の圧力差を高めるために、前記タービンの下流に配置された減圧チャンバを備える、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記配列内の前記弁がフラップ弁である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記フラップ弁がそれぞれ浮き要素を備える、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記浮き要素が、前記フラップ弁を閉じるために必要な角変位を有し、前記角変位が前記斜面の上方ほど大きくなる、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記浮き要素の浮力が前記斜面の上方ほど大きくなる、請求項６または７に記載の装置。
【請求項９】
前記浮き要素がタイヤを備える、請求項６〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記弁が、前記上向きの斜面に沿った前記液体流の偏向を容易にするために且つ／又は前記液体流が戻る間に前記弁の開きを補助するためにスポイラ要素を備える、請求項６〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記装置を所定の位置に保持するための安定装置をさらに備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記液体流が潮汐流である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記液体流が河川流である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記液体流が海洋流である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記装置により取り出されたエネルギーが水力タービンを駆動することに使用されるよう構成された、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記装置により取り出されたエネルギーがより高所の容器へ水をポンプで汲み上げることに使用されるよう構成された、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の複数の装置を有する装置網であって、前記複数の装置は前記装置網を形成するために共に組み合わされて配置またはリンクされている装置網。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体流からエネルギーを取り出すための装置に関し、より詳細には、空気タービンの駆動に使用できる空気圧の変化を発生させる流体発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素排出が環境へ与える影響についての懸念が大きくなるにつれ、再生可能なエネルギー源の開発への関心が高まってきている。主に風力および太陽光発電の開発に焦点が当てられてきたが、これらの技術には様々な不利益がある。風力発電は、タービンの駆動に十分な速度でプロペラを動かすための所与の閾値の駆動風の有無に依存する。風力発電はまた、エネルギー生成専用の広大な土地を必要とするが、こういった広大な「ウィンドファーム」はしばしば美観を損ね、周囲の野生動物に危険をもたらす可能性がある。太陽光発電にもやはり電気源に信頼性がないという不利益があり、効率も低く、コストも高い。
【０００３】
波または潮汐エネルギー装置は、上に挙げた不利益の多くを克服することができる。こういった装置は、潮汐波や海洋波に本来備わっている力によって駆動されることから、信頼性があるエネルギー源をもたらす。こういった装置はさらに、多数の領域、特にヨーロッパの西海岸などの吹送距離が長い沿岸域に配置できる可能性がある。
【０００４】
波、潮汐または海流の力を利用するため、様々な技術が用いられてきている。従来の潮汐エネルギー装置は障壁構成を中心としていた。この障壁構成は、潮汐系内に配置されて、満潮時に水を充填し、干潮時にタービンを介してその水を放出し、電気を発生させる。従来の障壁型潮汐エネルギー装置は、使用により野生動物および船舶に害をもたらす可能性が懸念されてきた。さらに、こういった装置は高潮の後にしか使用できないため、エネルギーの供給が一定に行われない。
【０００５】
波エネルギー収集器の一例が特許文献１に開示されている。この装置は、油圧モータの駆動に、複数のセグメント間における相対的な回転運動を利用する。
【０００６】
１つの代替技術として、所定体積の空気の圧縮に波の振動する性質を用いる技術がある（振動水柱装置）。空気チャンバおよび水中開口部を備える構造体を水没させることによって、流入する表面波により空気チャンバ内部の流体水位が高まり、その空気チャンバ内部の空気の体積が圧縮される。これでこの（断熱的に）圧縮された空気を、タービンの駆動に使用することができ、そのタービンの回転を発電機への動力供給に利用することができる。水位が低下すると空気圧が低下し、空気はタービンを介してチャンバ内に引き戻される。このタイプの装置例は、特許文献２に示されている。この装置では、放物面状の波をチャンバ内に集中させ、そのチャンバで空気が圧縮されて一方向タービンの駆動に使用される。振動水柱装置の他の例として、ウェイブジェン（Ｗａｖｅｇｅｎ）社によって開発された「リンペット（Ｌｉｍｐｅｔ）」という名の装置がある。
【０００７】
こういった装置に特有の問題の一つとして、流入する波の大きさ／強度が変動する性質に伴い、エネルギー変換効率が比較的低く、エネルギー出力が一定に定まらないという点がある。また、上記装置は、沿岸でのより高い放物面状の波を利用するために、沿岸またはその近傍に配置される。これにより、やはり、満潮と干潮の間においてエネルギー生成量が変動する。さらに上記装置は、例えば上向きに傾斜した土台または全般に直立した壁などの構造的な特徴によって、放物面状の海洋波を集中させる。こういった装置は、例えば潮汐流や、北大西洋海流やメキシコ湾流等の熱塩により引き起こされる海流、河川等内の重力により引き起こされる流体流などの一定の流れや潮流に適さない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】欧州特許第１１１５９７６号
【特許文献２】欧州特許第０９４８７１６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、流体流からエネルギーを取り出すための改良型の装置を提供することによって上記問題を克服することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、改良型の水力発電機を提供することである。本発明の他の目的は、メンテナンスをほとんど必要としない水力装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によると、流体流からエネルギーを取り出すための装置が提供される。上記装置は、空気圧縮チャンバと、対応する弁孔を介して上記流体流を調整するために開閉動作可能な弁の配列と、を備える。上記弁は、流体流が流入するときは段階的に閉じることによって液体の流れを空気圧縮チャンバの方に集中させ、そこで空気を圧縮するように動作可能であり、圧縮チャンバからの戻り液体流のときは開くように動作可能である。
【００１２】
上記装置が空気圧縮チャンバ内の空気を圧縮させるために液体流のエネルギーを集中させるよう構成されていることが利点である。上記装置はこれが周期的な形で行われるように構成される。弁が段階的に閉じることによって流体流が集中し、空気圧縮チャンバ内の空気が圧縮される。次いで、その液体は空気圧縮チャンバから逆流するが、弁が開くことによって各孔を通過できるようになる。これで新たな、段階的に弁を閉じる圧縮サイクルを開始することができる。したがって上記装置は、河川または潮の流れや海流など任意の液体の流体において、圧縮空気の形でエネルギーを取り出すために使用することができる。
【００１３】
本発明の実施形態は、上記空気圧縮チャンバで圧縮された圧縮空気を貯蔵するための蓄積チャンバをさらに備えることができる。
【００１４】
上記装置は、上記圧縮された空気によって駆動されるように動作可能なタービンをさらに備えることができると有利である。そのタービンの下流に、上記圧縮チャンバからの上記戻り液体流の期間中に上記タービンの両端間の圧力差を高めるための減圧チャンバを配置してもよい。
【００１５】
本発明の実施形態では、上記配列内の上記弁が、上向き斜面において上記流体流の方向に広がる。
【００１６】
上記弁はフラップ弁であってもよい。上記フラップ弁はそれぞれ浮き要素を備えることができる。上記浮き要素は、上記フラップ弁を閉じるために必要な角変位を有することができ、この角変位は上記斜面の上方ほど大きくなる。上記浮き要素の浮力が上記斜面の上方ほど大きくなっていてもよく、上記浮き要素はタイヤを備えることもできる。
【００１７】
本発明の実施形態では、上記弁が、上記上向きに傾斜した斜面に沿った上記流体流の偏向を容易にするために、かつ／または上記戻り流の間中の上記弁の開きを補助するために、スポイラ要素を備える。
【００１８】
他の実施形態は、上記装置を所定の位置に保持するための安定装置または係留手段を備える。この安定装置は錨、繋索、鎖またはその他任意の固定具の形をとることができる。
【００１９】
本発明の実施形態は、水力タービンを駆動するため、またはより高所の容器（reservoir  リザーバ）へ水をポンプで汲み上げるための、潮汐エネルギー装置としての上記装置の使用をさらに含む。追加の実施形態は、海洋流または河川流の装置としての上記装置の使用を含む。
【００２０】
最後の実施形態では、複数の装置が、上記流体流の利用を最適化するように配置された装置網を形成するように組み合わせて配置またはリンクされる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】流体に水没させる前の、流体流からエネルギーを取り出すための装置の斜視図である。
【図２】孔と弁の配列を詳細に示す、図１の装置の側面図である。
【図３】流体流に水没させた後の、図２のＡ−Ａ線を通る断面図である。
【図４】流入する流体流によって弁が一部分だけ閉じた、図３による断面図である。
【図５】流入する流体流によって弁が完全に閉じた状態と、その後の流体の圧縮空間内へのサージを示す、図３、図４による断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、例として添付の図面を参照して本発明について説明する。
【００２３】
図１に、エネルギーを液体流から取り出すための装置１０の概略斜視図が示されている。この装置は、屋根１２と、流れ方向の開口部１６を形成する側壁１４と、を備える。装置１０の、屋根１２の下にある上部分２０が、下記に詳細に説明するように空気チャンバの構成を収容する。屋根１２、側壁１４および追加の構造部品はコンクリートにより建造できるが、例えば鋼鉄を含む金属など、安定した水密構造を形成できる任意の材料を利用してもよい。土台部分３０は開口部１６の下端縁部から延びるが、これについては下記で詳細に説明する。効率および／または流体の取り込みを最適化するように、この装置のサイズは最適化できる。この装置のサイズは、下記で詳細に説明するように、流入する流れの特性に基づいて決めることもできる。
【００２４】
装置１０の土台部分３０は、傾斜した背壁３４と水平床３３を交互に備える。図２に、開口部１６から見たこの装置の側面図が示されている。背壁３４上の孔３２の配列は、対応する弁４０の配列によって覆われている（この配列のうち、１列のみが図２に示されている）。さらに、６×７に構成された孔３２の配列が示されているが、この配列の行数および列数は、この装置に必要な集中効果およびサイズに応じて様々な値をとり得ることが理解されるだろう。例えば、海流または潮流を利用するために、装置１０は２００列以上かつ２０００行以上もの配列を特徴とすることができる。さらに、複数の装置１０を互いに連結して、より大きな構造を形成することもできる。
【００２５】
図を簡略化して孔３２を表示するため、各図において弁４０は１列のみ示されている。弁４０はフラップ弁として示されているが、その他の弁のタイプを用いてもよいことは理解されるだろう。フラップ弁４０の構造については、図３〜５を参照して下記に詳細に説明する。これらの弁４０の目的は、下記に詳細に説明するような形態で液体の流れを導き、調整することである。各行が下側の行の後方上に位置するように液体流の方向へ上向きに広がる斜面に沿って延びる弁４０の列が示されている。段構成（stepped arrangement）の配列が示されているが、流入する液体流または必要な液体流路に対するこの装置の向きに応じて、上向きに延びる斜面を形成する任意の構造を用いることができる。
【００２６】
図３に、図２のＡ−Ａ線を通る断面図が示されている。この図では、この装置は液体に水位６０まで浸漬されている。弁４０は開いており、この装置内部の液位６５は外部の水位６０とほぼ同じである。上部分２０は、液面６５により内部に空気を捕捉（trap）するように下端が開いている空気圧縮チャンバ２４と、蓄圧チャンバ２２ａと、減圧チャンバ２２ｂと、を含む。屋根１２、側壁１４、後壁１８、チャンバ２２ａ、２２ｂと液体６５との間において圧縮チャンバ２４の内部に捕捉された空気の空気圧もまた、外部の空気圧とほぼ同じである。この空間２４の面積および容積は、水位６５の高さと制限部品（１２、１４、１８、２０、２２）と相対寸法に応じて様々な値をとり得ることが理解されるだろう。
【００２７】
示された実施形態の内部では、２つのチャンバ２０、２２は、装置１０の屋根１２および側壁１４に連結される。これらのチャンバは、異なる圧力の空気を貯蔵するように機能し、タービン５０および配管５２、５４を介して互いに連結される。圧縮チャンバは、フラップ弁２１、２３により、蓄圧チャンバ２２ａ、減圧チャンバ２２ｂとそれぞれ相互連結される。圧縮チャンバ２４の内部の空気圧がチャンバ２２ａ内の圧力よりも高くなると、チャンバ２２ａと圧縮チャンバ２４の内部の圧力が等しくなるまでの間、この空気圧によって弁２１が開かれる。逆に、チャンバ２２ｂの内部の圧力が圧縮チャンバ２４の内部の圧力よりも高くなると、この２つの圧力が等しくなるまでの間、弁２３が開く。これらのチャンバ２２ａ、２２ｂはまた、水中でこの装置が浮かんでいる状態を保つための浮力タンクとして機能する。図１に示されるように、装置１０を定位置に固定し、流入する液体流の方に向かせるために係留手段１１を用いてもよい。この係留手段１１は錨、繋索、鎖またはその他任意の固定具の形をとることができる。
【００２８】
次に、上記装置の動作について図３、４および５を参照して説明する。流れ経路は参考目的のみで示されている。図３には、圧力緩和位置すなわち初期位置にある装置が示されている。この位置では、各弁４０は開いており、水位６０、６５はほぼ等しく、圧縮チャンバ２４の内部の空気圧と装置外側の空気圧はほぼ等しい。装置１０に流入する液体または潮流は各流れ経路１００で示されており、開口部１６を通過して弁４０の配列に作用する。流れる液体１００は装置に入り、弁４０に作用する。これらの弁は、液体流１００の衝撃により孔３２に接して閉じる最初の弁が最下行の弁であるように配置されている。弁４０が閉じると、流入する液体流１００が上向き方向に逸らされることによって第２の行の弁に対する液体流の衝撃が増大し、次いで第２の行の弁も流れ１００の力によって閉じられる。この弁の段階的な閉鎖により、液体流（各図の流れ経路１００で示されている）が圧縮チャンバ２４に集中し、チャンバ２４内部の水位６５が上昇し、その内部の空気が圧縮される。このプロセスは、弁４０が完全に閉じる（図５）まで続く。中間の状態（図４）に戻ると（この図では７行の弁のうち３行が閉じている）、装置１０の圧縮チャンバ２４の内部の流体の水位６５が外部の平均水位６０より上の高さまで上昇していることがはっきり分かる。これにより、圧縮チャンバ２４の内部の空気圧が上昇し、圧縮チャンバ２４と減圧チャンバ２２ｂとの間にある弁２３（場合により複数）が閉じ、圧縮チャンバ２４と蓄圧チャンバ２２ａとの間にある弁２１が開く。
【００２９】
図４から分かるように、弁４０は、弁配列の上向きに傾斜した斜面に沿って順次閉じる。この順次的な閉鎖は、配列内部の各行（row）の間で弁の浮力および閉角度を変化させることによって実現される。この場合、下側の弁の浮力は、直ぐ上の行にある弁の浮力よりも低い。この実施形態では、上記弁は、タイヤ空気圧が異なる自動車タイヤ４２を備える。さらに、背壁３４の垂直に対する角度は、上向き斜面に沿って圧縮空間２４に向かうほど大きくなる。タイヤ空気圧４２”および背壁３４”を有する弁４０”より、弁４０’が有するタイヤ４２’は圧力が低く、背壁３４’と垂直との間の角度が小さい。
【００３０】
図５に、全ての弁４０が完全に閉じる装置の最終状態が示されている。弁４０の段階的な閉鎖により、圧縮チャンバ２４内部の水位６５が上昇している。この水位６５の上昇程度は、弁４０の数および流入する流体の衝撃に応じて決まる。この実施形態は７行の弁を特徴とするが、用いる行数は流体の深さおよび必要なサージ（surge  波動）の程度に応じて任意のものであってよい。このとき、流入する流体流は一点に集められ、圧縮チャンバ２４の方に方向付けられる（流れ経路１００で示される）。上昇する水位６５に伴い、圧縮チャンバ２４の容積は減少している。容積の減少に応じて、圧縮チャンバ２４および蓄圧チャンバ２２ａ内部の空気圧が高まる。
【００３１】
水の上向きのサージが最大に達すると、圧縮チャンバ２４内部の空気圧は急速に低下し、蓄圧チャンバ２２ａへの入口弁２１が閉じる。この時点で、装置１０の内部には実質的な流体流が無くなる。このように装置１０が流れのない平衡位置にあるときは、圧縮チャンバ２４とチャンバ２２ａ、２２ｂとの間にある弁２１、２３は両方とも閉じる。装置１０の種々の動作段階における弁２１、２３の動作とチャンバ２４の相対空気圧とにより、２つのチャンバ２２ａ、２２ｂは異なる空気圧を有している。示されている実施形態では、蓄圧チャンバ２２ａは、減圧チャンバ２２ｂよりも大きい空気圧を有する。
【００３２】
２つのチャンバ２２ａ、２２ｂは、タービン５０、入口カップリング５２および出口カップリング５４によってリンク（link）されている。タービン５０への入口カップリング５２および出口カップリング５４を開くことによって、２つの空気塊の間の圧力差により、蓄圧チャンバ２０における正圧の空気がカップリング５２からタービン５０、カップリング５４を通って減圧チャンバ２２へと引き込まれる。この過程によりタービン５０は駆動され、発電機（図示せず）による発電に利用することができる。このチャンバ２２ａ、２２ｂの構造とタービン５０への結合方法とにより、これらのチャンバを使用して、水位６５の振動の数周期にわたって変化する加圧空気を貯蔵し、周期ごとに圧力差を高めることができる。圧力差の閾値に達したら、タービン５０へのカップリングを開き、タービン５０を介して空気を移動させることができる。
【００３３】
装置１０が流れなしの位置にあるときは、弁４０の前面に作用する水圧とその後面に作用する水圧とは同じである。したがって、弁４０はタイヤの浮力により開き始める。空気圧縮空間に最も近い弁が、最高の圧力すなわち浮力を有するために最初に開く。これにより水位６５が低下し始め、弁の上方（over）に逆向き、すなわち下向きの水の流れが引き起こされる。全ての弁が開くまでの間、弁の上端にあるスポイラ４４によって水の下向きの力が弁を開くように作用し、図３に示されている状態に装置がセットされる。弁４０が所定の角度を超えて開くのを防止するために、レール１２０またはその他任意の手段を利用してもよい。したがって、装置１０は実質的にリセットされ、上記で説明したプロセスが繰り返される（すなわち、流入する流体流が弁の配列に作用して閉じ始める）。
【００３４】
上述した単一方向のタービン５０の代替として、チャンバ２２ａおよび２２ｂを省略して、例えば流入する空気の流れ方向に関係なく同じ方向に回転できるウェルズタービンなどの双方向流のタービンを圧縮チャンバ２４に直結することもできる。
【００３５】
装置１０について、独立して運転する単一の装置を参照して説明したが、複数の装置を組み合わせてリンク、配置し、より大量のエネルギーを供給できるセル方式の装置網を形成できることが予想できるだろう。これら複数の装置のそれぞれは独立して機能することも、装置の効率を最大限にするために例えば空気圧縮チャンバおよび減圧チャンバやタービンおよび発電機などの要素を共有することもできる。さらに、この装置を通過する流体流を最大にするために、装置網を「Ｕ」または「Ｖ」字形に配置して、装置網外側周辺における流体流の漏れを防止することもできる。あるいは、この装置を、その構造の背後に液体圧力が低い領域を作り出す「ステルス爆撃機」と同種の形状の内部に配置してもよい。流れの状態に応じて流体流の利用を最適化するように複数のネットワークを組み合わせてリンクまたは配置することもできる。上述の向きにある装置網について説明したが、特定の流れの状態に適するように任意の向きを利用することもできる。さらに、取り出すエネルギー量を増やすために、この装置を直列に配置しても積み重ねてもよい。層内の装置数は、取り出すエネルギーに関する利得を建造コストに対して最適化するように選択することができる。また、一方向の流れを受けるように一連の装置を向け、他の一連の装置を戻り方向で流れを受けるように向けて、層を配置することもできる。この構成は潮流での使用に特に適しており、潮汐が方向を変えたときにも装置の向きを変える必要がなくなる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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