(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に流動する流れを有する流体の運動エネルギーを回転運動に変換するシステムであって、
長手方向軸の周りを回転可能な少なくとも１つの螺旋形タービンと、
前記少なくとも１つの螺旋形タービンに動作可能に接続された、前記少なくとも１つの螺旋形タービンの回転を回転運動として伝達する少なくとも１つの回転シャフトと、
前記流体中に前記少なくとも１つの螺旋形タービンを支持し、前記少なくとも１つの螺旋形タービンの前記長手方向軸と前記流れの前記方向との間の動作可能な角度を約２７°〜約３９°の範囲に維持する構造と、
前記構造と前記流れの方向とを実質上位置合わせするように、前記流れの中で方向付けられた前記構造および前記少なくとも１つの螺旋形タービンを維持することによって、前記動作可能な角度を維持する、前記構造に支持された操縦舵面と、
前記少なくとも１つの螺旋形タービンが動作可能に接続される少なくとも１つの発電機とを備えるシステム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの螺旋形タービンが、１対または複数対の螺旋形タービンを備え、
各対が、
第１の方向に長手方向軸の周りを回転可能に前記構造によって支持された第１の螺旋形
タービンと、
前記第１の方向とは反対の第２の方向に長手方向軸の周りを回転可能に前記構造によって支持された第２の螺旋形タービンとを有し、
前記回転運動を電力に変換する請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１および第２の螺旋形タービンが水平であり、前記構造から前記動作可能な角度で横方向に角度をなしてＶ字形状に構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記流体が水であり、前記構造に正の浮力が提供される、請求項２又は３に記載のシステム。
【請求項５】
前記操縦舵面として、前記第１および第２の螺旋形タービンを前記動作可能な角度で維持するように前記構造と前記流れの前記方向とを実質上位置合わせするための、前記構造から支持され、前記長手方向軸に対して固定の前記動作可能な角度で位置決めされる竜骨と、
水域の底に取り付けられるアンカと、
前記竜骨内または前記竜骨付近に設けられる固定線導管と、
前記アンカから前記竜骨まで前記固定線導管に沿って延びる固定線と、
前記固定線を延ばすことで、前記構造を水面へ持ち上げることができ、前記固定線を巻き直すことで、前記構造を前記流れの中へ引き下ろすウィンチとを備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記操縦舵面として、前記動作可能な角度で、前記第１および第２の螺旋形タービンを維持する昇降舵を備え、
前記昇降舵は、前記第１および第２の螺旋形タービン上に支持された少なくとも１つの第１の昇降舵と、前記第１および第２の螺旋形タービン上に支持された少なくとも１つの第２の昇降舵とを含み、
該少なくとも１つの第２の昇降舵は、前記少なくとも１つの第１の昇降舵に対して後方に位置し、
前記少なくとも１つの第１の昇降舵および前記少なくとも１つの第２の昇降舵は、船首と船尾がそれぞれ交互に代わる挙動を提供するように制御され、または受動的に枢動されることによって、前記動作可能な角度で、前記第１および第２の螺旋形タービンを維持する、請求項４又は５に記載のシステム。
【請求項７】
前記１対または複数対の螺旋形タービンの前記第１および第２の螺旋形タービン間に延在して設けられる少なくとも１つの水平安定化部材をさらに備え、
前記操縦舵面として、少なくとも２つのエルロンを備え、
前記エルロンは、前記少なくとも１つの水平安定化部材の両端付近にそれぞれ設けられ、前記流れの中で実質上水平の面に沿って前記動作可能な角度を維持するように、互いに反対方向に作動可能である、請求項４から６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１および第２の螺旋形タービン間に延在して設けられる少なくとも１つの水平安定化部材をさらに備え、
前記操縦舵面が、
前記第１および第２の螺旋形タービンを前記動作可能な角度で維持するように前記構造と前記流れの前記方向とを実質上位置合わせするための、前記構造から支持され、前記前記第１および第２の螺旋形タービン間の等距離に位置し、前記長手方向軸に対して固定の前記動作可能な角度で位置決めされる竜骨と、
前記竜骨の底面から延び、前記竜骨の前記底面に沿って隔置された２つの固定デバイスであって、各固定デバイスが、水域の底に取り付けられるアンカと、前記竜骨内または前記竜骨付近に設けられる固定線導管と、前記アンカから前記竜骨まで前記固定線導管に沿って延びる固定線と、前記固定線を延ばすことで、前記構造を前記水面へ持ち上げることができ、前記固定線を巻き直すことで、前記構造を前記流れの中へ引き下ろすウィンチとを備える、２つの固定デバイスと、
前記動作可能な角度で、前記第１および第２の螺旋形タービンを維持する昇降舵と、
少なくとも２つのエルロンとを備え、
前記昇降舵は、前記第１および第２の螺旋形タービン上に支持された少なくとも１つの第１の昇降舵と、前記第１および第２の螺旋形タービン上に支持された少なくとも１つの第２の昇降舵とを含み、
該少なくとも１つの第２の昇降舵は、前記少なくとも１つの第１の昇降舵に対して後方に位置し、
前記少なくとも１つの第１の昇降舵および前記少なくとも１つの第２の昇降舵は、船首と船尾がそれぞれ交互に代わる挙動を提供するように制御され、または受動的に枢動されることによって、前記動作可能な角度で、前記第１および第２の螺旋形タービンを維持し、
前記エルロンは、前記少なくとも１つの水平安定化部材の両端付近にそれぞれ設けられ、前記流れの中で実質上水平の面に沿って前記動作可能な角度を維持するように、互いに反対方向に作動可能である、請求項４に記載のシステム。
【請求項９】
前記少なくとも１つの螺旋形タービンが、１対または複数対の螺旋形タービンを備え、
各対が、
第１の方向に長手方向軸の周りを回転可能に前記構造によって支持され、前記少なくとも１つの発電機のうちの第１の発電機に動作可能に接続された第１の螺旋形タービンと、
前記第１の方向とは反対の方向に長手方向軸の周りを回転可能に前記構造によって支持され、前記少なくとも１つの発電機のうちの第２の発電機に動作可能に接続された第２の螺旋形タービンとを有し、
前記第１および第２の発電機が前記構造によって支持され、前記第１の螺旋形タービンによる反作用トルクに対して、前記第２の螺旋形タービンによって生成される反作用トルクが反対に作用する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの発電機を前記流体の水面より上で支持する浮動式のプラットホームをさらに備え、
前記少なくとも１つの螺旋形タービンが、前記浮動式のプラットホームから前記動作可能な角度で前記流れの中へ下方に傾斜する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの発電機が、前記少なくとも１つの螺旋形タービンのそれぞれに対する発電機である、請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記長手方向軸と前記流れの前記方向との間の前記動作可能な角度が約２８°〜約３４°の範囲である、請求項１から１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記長手方向軸と前記流れの前記方向との間の前記動作可能な角度が約２９°〜約３２°の範囲である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記長手方向軸と前記流れの前記方向との間の前記動作可能な角度が約３０°である、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記長手方向軸と前記流れの前記方向との間の前記動作可能な角度が約３１°である、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの螺旋形タービンが、前記少なくとも１つの螺旋形タービンの長さに沿って延びる少なくとも１つの螺旋形ブレードをさらに備え、前記少なくとも１つの螺旋形ブレードのピッチ比が約０．３〜約０．９の範囲内である、請求項１から１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの螺旋形タービンが、前記少なくとも１つの螺旋形タービンの長さに沿って延びる少なくとも１つの螺旋形ブレードをさらに備え、前記少なくとも１つの螺旋形ブレードのピッチ比が約０．５〜約０．７５の範囲内である、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記螺旋形ブレードが約０．６のピッチ比をさらに含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの螺旋形ブレードが、少なくとも１つの弓形ウィングレットを有する外縁部をさらに備える、請求項１６から１８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２０】
一方向に流動する流れを有する流体から発電するシステムであって、
長手方向軸の周りを回転可能な少なくとも１つの螺旋形タービンと、
前記少なくとも１つの螺旋形タービンに動作可能に接続された、前記少なくとも１つの螺旋形タービンの回転を電力に変換する少なくとも１つの発電機と、
前記少なくとも１つの螺旋形タービンを支持し、前記長手方向軸と前記流れの前記方向との間の動作可能な角度を維持する構造と、
前記構造と前記流れの方向とを実質上位置合わせするように前記構造に支持されることによって、前記動作可能な角度を維持するように前記流れの中で方向付けられた前記構造および前記少なくとも１つの螺旋形タービンを維持する操縦舵面とを備えるシステム。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの螺旋形タービンが、１対または複数対の螺旋形タービンを備え、各対が、
第１の方向に長手方向軸の周りを回転可能に前記構造によって支持された第１の螺旋形タービンと、
前記第１の方向とは反対の第２の方向に長手方向軸の周りを回転可能に前記構造によって支持された第２の螺旋形タービンとを有する、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの螺旋形タービンが、１対または複数対の螺旋形タービンを備え、各対が、
第１の方向に長手方向軸の周りを回転可能に前記構造によって支持され、前記少なくとも１つの発電機のうちの第１の発電機に動作可能に接続された第１の螺旋形タービンと、
前記第１の方向とは反対の方向に長手方向軸の周りを回転可能に前記構造によって支持され、前記少なくとも１つの発電機のうちの第２の発電機に動作可能に接続された第２の螺旋形タービンとを有し、
前記第１および第２の発電機が前記構造によって支持され、前記第１の螺旋形タービンによる反作用トルクに対して、前記第２の螺旋形タービンによって生成される反作用トルクが反対に作用する、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記長手方向軸と前記流れの前記方向との間の前記動作可能な角度が約２７°〜約３９°の範囲である、請求項２１又は２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの螺旋形タービンが、前記少なくとも１つの螺旋形タービンの長さに沿って延びる少なくとも１つの螺旋形ブレードをさらに備え、前記少なくとも１つの螺旋形ブレードのピッチ比が約０．３〜約０．９の範囲内である、請求項２１から２３のいずれか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一方向に流動する流れを有する流体からの発電に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、流動流内に位置決めされ、流動流の方向に対してある角度に方向付けられた螺旋形タービンを有するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
機械エネルギーからの発電は、水または空気などの流動流体の流れから電気エネルギーを生成できる場所でよく見られる代替エネルギーの一種である。例には、水力発電用のダムおよび風車によって電気を起こすことが含まれる。
【０００３】
通常、流動流体から電気を起こすシステムは、回転シャフトまたは可撓ケーブルによって発電機に動作可能に接続されたタービンを有する。タービンは、水または風などの流動流体の流れの中に配置されることが多く、この流れがタービン付近を通ると、タービンが回転する。タービンの回転運動は、回転シャフトまたは可撓ケーブルを通じて発電機へ機械的に伝達され、そこで機械エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
【０００４】
次いで、生成された電気エネルギーは、商用電力網へ伝達することができ、電動機器へ直接伝達することができ、または将来使用するために電池内に蓄積することができる。
【０００５】
複数のタービンを単一の発電機に動作可能に接続すること、または複数のタービンをそれぞれ発電のために独自の発電機に動作可能に接続することが知られている。
【０００６】
水力発電機は通常、水の流動体内に配置されたプロペラなどの水中または半水中タービンを有し、普通は水または流れの流動方向に対してまっすぐ一直線に方向付けられる。すなわち、タービンの回転軸は、流れの流動方向に対して実質上平行かつ一直線である。
【０００７】
水の流動から発電するために、螺旋形の表面を有するロータが知られている。Ａｎｔｚの米国特許第１，３７１，８３６号は、流動方向に対して斜めの位置を占めるように流れの中に位置決めされたロータを開示している。このロータは、シャフトに沿って互いに隔置された複数の羽根またはブレードを有し、回転シャフトの周りを水が流動できるように、それぞれのブレード間に複数の通路を設けている。Ｅｉｅｌｓｅｎの国際特許出願公開第２００４／０６７９５７号（Ｅｉｅｌｓｅｎ'９５７）は、中心軸の周りを回転可能な１条螺旋形ブレードを有するスクリュー・タービン・デバイスを開示している。Ｅｉｅｌｓｅｎ'９５７は、中心軸（またはタービンの回転軸）に対する流れの流動方向の角度を、中心軸に対する螺旋形ブレードの外縁部の角度であるピッチ角にほぼ等しくしなければならないと教示している。
【０００８】
Ｂｏｗｉｅの国際特許出願公開第２００６／０５９０９４号は、水または風などの流動流体から発電する装置を開示している。Ｂｏｗｉｅの装置は１つまたは複数の螺旋形ブレード部を有し、これらの螺旋形ブレード部は、ケーブルまたは他の固定手段によって流れの中で定位置に保持されており、螺旋形ブレードの回転軸と流体の流動方向との間の角度が好ましくは３０度未満で保たれるように方向付けられる。Ｅｉｅｌｓｅｎの国際特許出願公開第２００９／０９３９０９号（Ｅｉｅｌｓｅｎ'９０９）は、Ｅｉｅｌｓｅｎ'９５７のタービン・スクリュー・デバイスを教示しているが、流動する水の利用を改善するために互いに隣接する２つの螺旋形スクリューを有する。
【０００９】
同様に、風車は通常、風が風車付近を吹くと長手方向軸（または回転軸）の周りを回転するタービンを有する。タービンの回転運動は、回転シャフトによって発電機へ機械的に伝達され、電気エネルギーを作り出す。一部の従来技術の風車は、ロータ、回転シャフト、および発電機を収納するナセルを有する。他の従来技術の風車は、タービンとタービンから隔置された発電機とを動作可能に接続する延長式の回転シャフトを有する。
【００１０】
通常、風車は、タービンの回転軸の向きに従って分類される。より一般的には、水平な回転軸を有する風車がＨＡＷＴ（水平軸風車）として知られているが、垂直な回転軸を有する風車はＶＡＷＴ（垂直軸風車）として知られている。ＨＡＷＴは通常、回転軸すなわち長手方向軸が風の方向に対して平行または一直線に方向付けられることを特徴とするが、ＶＡＷＴは通常、タービンの長手方向軸が風の方向に直交するように方向付けられることを特徴とする。
【００１１】
ＶＡＷＴは、１）中心の垂直タワーが２つ以上の湾曲したロータ・ブレードを有するダリウス形風車（より一般には、エッグビータ・タービン（ｅｇｇ−ｂｅａｔｅｒ  ｔｕｒｂｉｎｅ）として知られている）と、２）風速計で使用されるような２つ以上のスクープが中心の垂直タワーから放射状に延びる抗力形風車であるサボニウス形風車との２つの主な種類にさらに分類することができる。ジャイロミルは、特殊なタイプのダリウス風車であり、湾曲したブレードではなくまっすぐな平面のロータ・ブレードを有し、ツイスト・サボニウス風車は、小さいスクープではなくより長い螺旋形のスクープを有する改良型のサボニウス風車である。
【００１２】
Ｂｕｒｇｄｏｒｆの英国特許出願第２，０５７，５８４号は、少なくとも１つの２条螺旋形タービンを有するツイスト・サボニウス風車の一変形形態を開示している。Ｂｕｒｇｄｏｒｆは、螺旋形タービンの回転軸が風に対して４５°の角度をなし、ピッチ角が約４５°であることが重要であると教示している。Ｂｕｒｇｄｏｒｆは、Ｅｉｅｌｓｅｎ'９５７によって教示されているように、中心軸に対する流れの流動方向をピッチ角の方向にほぼ等しくしなければならないと教示している。しかし、Ｂｕｒｇｄｏｒｆは、その角度が４５°であると具体的に教示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
依然として、ロータ・タービンをより効率よく利用する余地があり、潮力、風力、および一方向の流動環境で使用することが可能なシステムが必要とされていると考えられる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
一般に、流れから電気エネルギーを生成するシステムが提供され、このシステムは、流れに対して動作角度に動作可能に方向付けられ、回転シャフトまたは可撓ケーブルなどによって発電機に接続された少なくとも１つの螺旋形タービンを有することができる。螺旋形タービンは流動流内に配置され、その結果得られる回転運動は、流体エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機へ機械的に伝達される。
【００１５】
潮力システムの一実施形態では、動作可能な角度で固定された１つまたは複数の螺旋形タービンを有する浮力構造が、流れの中で位置合わせされる。それぞれ中間の中心線から動作可能な角度で実質上水平の面内にＶ字形状で構成された１対のタービンが、対称性を提供し、反作用トルクに対して反対に作用する。竜骨、昇降舵、およびエルロンなどの操縦舵面が、構造をほぼ水平の面内で維持する。竜骨から延びるアンカが、水平面内での位置決めに悪影響を与えることなく、構造を定位置に維持する。他の実施形態では、アンカを使用して、構造を上下させることができる。水域の底の固定デバイスと構造上のウィンチとの間には、竜骨に沿ってガイドを通じて、ケーブルなどの固定線が延びることができる。固定線を延ばすことで、システムを水面へ持ち上げることができ、固定線を巻き直すことで、浮力構造を流れの中へ引き下ろす。それぞれタービン対を有する複数のシステムを、ファームまたはアレイの形で構成することができ、可能な場合、底の固定点が共用される。
【００１６】
海流が実質上一方向である環境の一実施形態では、浮動式のプラットホームまたは平底船上に支持された発電機から、１対のタービンを下方へぶら下げることができる。１対のタービンは、昇降舵などの操縦舵面を含む構造内に並んで支持される。流れが変動すると、昇降舵は、タービンを動作角度で維持するように、タービンの運動に対して反対に作用する。
【００１７】
風力の実施形態では、浮力および固定は要因ではないが、風の方向が変動しうることが、より大きな要因である。タービンを支持する構造は回転可能であり、タービンを動作角度に方向付けるように自由に回転可能とすることができる。自由に回転する台上でＶ字形状に構成された１対の螺旋形タービンを有する一実施形態では、その形状は本質的に、タービンを動作角度に方向付ける。方向舵または風向計を使用して、風向きの変化に対する反応を助けることができる。
【００１８】
次いで、発電機によって作られる電気エネルギーは、典型的な伝送線によって商用電力網または蓄積設備へ伝達または接続することができる。
【００１９】
本発明の概略的な態様では、一方向に流動する流れを有する流体から発電するシステムが提供され、システムは、長手方向軸の周りを回転可能な少なくとも１つの螺旋形タービンを備える。少なくとも１つの螺旋形タービンには、タービンの回転を電力に変換する少なくとも１つの発電機が動作可能に接続される。構造が、長手方向軸と流れ方向との間の動作可能な角度を維持するように、少なくとも１つの螺旋形タービンを支持する。一実施形態では、構造は、発電機で収束するＶ字形状に構成された１対のタービンを含む。
【００２０】
風力の実施形態では、Ｖ字形状構成は、風の流れに方向付けられるように台上で自由に回転可能である。水域内の潮力の構成では、構造は実質上水平であり、Ｖ字形状は、タービンを接続して、竜骨を含む操縦舵面を流れの方向に沿って支持する安定化部材を含む。昇降舵およびエルロンが、構造を水平面内で維持する。水域内の一方向の流れに対する一実施形態では、２つ以上の実質上平行なタービンが、浮動式のプラットホーム上で支持され、プラットホームにある発電機に接続される。タービンは、動作可能な角度で流れの中へ延びる。タービンに沿って配置された操縦舵面は、システムを動作可能な角度で維持する。
【００２１】
別の概略的な態様では、一方向に流動する流れを有する流体から発電するシステムが提供され、システムは、長手方向軸の周りを回転可能な少なくとも１つの螺旋形タービンを備える。少なくとも１つの螺旋形タービンには、タービンの回転を電力に変換する少なくとも１つの発電機が動作可能に接続される。構造が、長手方向軸と流れ方向との間の最適化された動作可能な角度を約２９°〜約３２°で維持しながら、少なくとも１つの螺旋形タービンを支持する。さらに、タービンは、タービンの長さに沿って延びるブレードを有し、最適化されたピッチ比は、約０．５〜約０．７５の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】回転シャフトによって発電機に動作可能に接続され、流体の流動方向に対して角度的に方向付けられた１条螺旋形ロータを示す、本発明の一実施形態の概略図である。
【図２Ａ】回転軸が流動流方向に対してまっすぐ一直線で平行な螺旋形タービンを示し、螺旋形タービン上に水がエネルギーを与えてタービンを回す概略図である。
【図２Ｂ】回転軸が流動流の方向に直交する螺旋形タービンを示し、螺旋形タービン上に水がエネルギーを与えてタービンを回す概略図である。
【図２Ｃ】流動流の方向に対して角度的に方向付けられた螺旋形タービンを示し、螺旋形タービン上に水がエネルギーを与えてタービンを回す、本発明の一実施形態の概略図である。
【図３】河川の流動方向に対して角度的に方向付けられ、回転シャフトによって陸上発電機に動作可能に接続された螺旋形タービンを示す、河川環境で適用される本発明の一実施形態の平面概略図である。
【図４】実施形態を川底に固定するための支持部を示す、図３による実施形態の側面概略図である。
【図５】川底に位置する枠上に支持され、従来の送電線によって電力網に接続された螺旋形タービンおよび水中発電機を示す、河川環境に適用される本発明の一実施形態の側面概略図である。
【図６Ａ】発電機筐体が、筐体内に収納された発電機に回転シャフトによってそれぞれ動作可能に接続された、筐体から延びる１対の螺旋形タービンと、筐体から離れて延びる竜骨と、２つの螺旋形タービンを互いに動作可能な角度で接続する１つまたは複数の横方向に延びる安定化部材とを有することを示す、潮力の実施形態の平面概略図である。
【図６Ｂ】図６Ａの対をなすタービンの潮力の実施形態のファームまたはアレイの平面概略図である。
【図７Ａ】流れの中でシステムを固定および位置決めするように竜骨を通る２本のケーブルと、実施形態の両端に位置する水平舵とを示す、図６Ａによる実施形態の側面概略図である。
【図７Ｂ】および
【図７Ｃ】構造を水平面内で維持し（図７Ｂ）、水平面からの差を補正するように反応する（図７Ｃ）垂直センサを有する、図７Ａの潮力構造上のエルロンの実装形態の端面図である。
【図８】それぞれ回転シャフトによって発電機に動作可能に接続された２つの螺旋形タービンを支持する２つの浮舟と、２つの螺旋形タービン間に延びる水平舵とを有する浮動式の平底船を示す、海洋環境で適用される本発明の一実施形態の平面概略図である。
【図９】図８による実施形態の側面概略図である。
【図１０】発電機筐体内に収納された少なくとも１つの発電機に動作可能に接続された少なくとも２つの螺旋形タービンと方向舵とを支持する回転台を示す、風力環境で適用される本発明の一実施形態の平面概略図である。
【図１１】螺旋形タービンおよび少なくとも１つの発電機を回転台より上で風流の中に位置決めする支持部を示す、図１０による実施形態の側面概略図である。
【図１２Ａ】外縁部を有する螺旋形ブレードの斜視概略図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａによる弓形ウィングレットを有する螺旋形ブレードの外縁部を線Ｉ−Ｉに沿って示す横断面図である。
【図１３Ａ−１３Ｅ】それぞれ３、４．２５、５．５、６．７５、および８インチ（８、１１、１４、１７、および２０．５ｃｍ）のピッチを有する直径９インチ（２３ｃｍ）のタービンに対する回転速度と動作可能な角度との関係の試験結果を示すグラフである。
【図１３Ｆ】回転速度と様々なピッチ比との関係の試験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
水または空気などの流体の流れを受ける１つまたは複数の螺旋形ロータまたはタービンを使用して電力または電気を起こすシステムが開示されている。タービンの回転は、流動流体の運動エネルギーを電力または電気に変換する。一実施形態では、システムは、直接接続、シャフト、または可撓ケーブルなどによって発電機に動作可能に接続されたタービンを備えることができる。タービンは、流動流内に配置され、付近で流動する流体によって回転する。
【００２４】
図１に概略的に示すように、水または空気などの流動流Ｃから電気エネルギーまたは電力を起こすタービン・システム１０の一実施形態が提供される。システム１０は、流れＣ内に配置または位置決めされ、発電機３０に動作可能に接続された、スクリューまたはオーガーなどの少なくとも１つの螺旋形タービン２０を備える。タービン２０は、タービン２０の回転軸すなわち長手方向軸４０を流動流Ｃの方向に対して角度的にずらし、または非平行にするように方向付けられるように位置決めされる。すなわち、流動流Ｃの方向と螺旋形タービン２０の長手方向軸４０との間の動作可能な角度は、０〜９０度の範囲である（すなわち、０＜α＜９０）。
【００２５】
流れの流動がタービン２０付近を通ると、螺旋形タービン２０の回転運動を引き起こす。一実施形態では、螺旋形タービン２０の回転運動は、可撓ケーブルまたは回転シャフト５０などを通じて、発電機３０へ機械的に伝達することができる。
【００２６】
出願人は、螺旋形タービンの最適の性能の成功が、付近を通る流れに露出させるために利用可能な表面積、動作可能な角度、およびピッチ比を含む要因に依存すると考える。
【００２７】
露出させるために利用可能な表面積に関係する要素は、タービンの長さ、タービンの外径、タービンの内径、螺旋形ブレードのピッチ、および螺旋形ブレードの回転またはねじれの数を含むことができる。
【００２８】
出願人は、流れＣに露出されるタービンの表面積の量を増大させることで、螺旋形タービンをその長手方向軸の周りで回転させる力がタービンに作用すると考える。表面積の量は、タービンのピッチを変動させることによって変動させることができる。
【００２９】
図２Ａ〜２Ｃを参照すると、螺旋形タービン２０は、シャフト５５の長さ全体に沿って延びる少なくとも１つの螺旋形ブレード６０を有する長さＬのシャフト５５を備えることができる。少なくとも１つの螺旋形ブレード６０は、外径ＯＤおよびピッチＰを画定する。ピッチＰは、螺旋形ブレード６０の１回のねじれまたは回転の長さである。螺旋形ブレード６０の各ねじれまたは回転は、流れＣに露出される表面積７０を示す。ピッチ比ＰＲと外径ＯＤとの間の関係をピッチ比ＰＲと定義することができ、したがってＰＲ＝Ｐ／ＯＤである。
【００３０】
螺旋形タービンの最適でない構成を、図２Ａおよび図２Ｂに示す。図２Ａでは、螺旋形タービン２０の長手方向軸４０が流れＣの方向に対して一直線および／または実質上平行に位置決めされる結果、螺旋形ブレード６０の先頭のねじれ６０Ａで最も大きい表面積７０Ａが流れＣに露出され、それに続くねじれのそれに続く回転６０Ｂ、６０Ｂでは、露出される表面積７０Ｂ、７０Ｂの程度がより小さくなる。したがって、螺旋形ブレード６０の利用可能な表面の合計最大量が、タービン２０を回転させるために完全には利用されていない。図２Ｂでは、螺旋形タービン２０の長手方向軸４０が流れＣの方向に実質上直交するため、流れＣはタービン２０上のタービン６０付近を通り、力を無効にする結果、螺旋形タービン２０には、長手方向軸４０の周りを回転するための運動量がほとんど提供されない。
【００３１】
図２Ｃに示すように、出願人は、螺旋形タービン２０の最も速い回転速度は、流れＣに露出される螺旋形ブレード６０の表面積７０の量を最適にすることで得られると考える。これは、タービン２０が流れＣの方向に対して角度的にずれるように方向付けられたとき、実現することができる。すなわち、長手方向軸４０と流れＣの方向との間の角度αが、約０度より大きいが約９０度より小さいとき、流れＣに露出される表面積７０の量は、長手方向軸４０と流れＣの方向との間の角度が約０度または９０度であるときより大きくなる。
【００３２】
たとえば、出願人は、いくつかの異なる螺旋形タービンを使用していくつかの試験を行った。各螺旋形タービンは、実質的に同じ長さＬ（約６フィート（１．８ｍ））および実質上同じ外径ＯＤ（約９インチ（２２．９ｃｍ））を有し、ピッチＰのみが異なった。第１の螺旋形タービンのピッチは約３インチ（８ｃｍ）であり、対応するピッチ比は約０．３３であった。第２のタービンのピッチは約４・１／４インチ（１１ｃｍ）であり、対応するピッチ比は約０．４７であった。第３のタービンのピッチは約５・１／２インチ（１４ｃｍ）であり、ピッチ比は約０．６１であった。第４の螺旋形タービンのピッチは約６・３／４インチ（１７ｃｍ）であり、ピッチ比は約０．７５であった。第５の最後の螺旋形タービンのピッチは約８インチ（２０．５ｃｍ）であり、ピッチ比は約０．８９であった。
【００３３】
各螺旋形タービンは、ＤＴ  ６２３４Ｂ  ＲＰＭという回転計（中国のＨａｎａｄａから入手可能）など、タービンの回転速度を測定する手段に動作可能に接続され、水流および深さ約１８インチ（４６ｃｍ）の十分な深さを有するコンクリート製の灌漑水路内に配置された。各螺旋形タービンは、流動流内に位置決めされ、長手方向軸４０と流れの方向との間の角度αが０度より大きいが９０度より小さくなるように方向付けられた。角度の異なるそれぞれの螺旋形タービンの回転速度（毎分回転数、すなわちｒｐｍ単位）を記録し、以下の表１および図１３Ａ〜１３Ｅに示した。灌漑水路を通る流れの流量は、試験全体にわたって実質上一定のままであった。
【００３４】
【表１】
0006014591.tif 000002
【００３５】
図１３Ａに示すように、表１を参照すると、長さ６フィート（１．８ｍ）、外径約９インチ（２３ｃｍ）、およびピッチ約３インチ（８ｃｍ）（ＰＲ０．３３）の螺旋形スクリューの場合、タービンの最も速い回転速度は約１２５ｒｐｍであることが観察された。この最適とはいえない回転速度は、長手方向軸４０と流れＣの方向との間の角度αが約３０°〜約３５°の範囲であるときに生じた。
【００３６】
図１３Ｂに示すように、表１を参照すると、長さ６フィート（１．８ｍ）、外径約９インチ（２３ｃｍ）、およびピッチ約４・１／４インチ（１１ｃｍ）（ＰＲ０．４７）の螺旋形スクリューの場合、タービンの最も速い回転速度は約１４３ｒｐｍであることが観察され、これは、長手方向軸４０と流れＣの方向との間の角度αが約３０°〜約３２°の範囲であるときに生じた。
【００３７】
図１３Ｃに示すように、表１を参照すると、長さ６フィート（１．８ｍ）、外径９インチ（２３ｃｍ）、およびピッチ約５・１／２インチ（１４ｃｍ）（ＰＲ０．６１）の螺旋形スクリューの場合、タービンの最も速い回転速度は約１５９ｒｐｍであることが観察され、これは、長手方向軸４０と流れＣの方向との間の角度αが約３１°であるときに生じた。約２９°〜約３２°の範囲の平均回転速度は、約１５８ｒｐｍであった。
【００３８】
図１３Ｄに示すように、表１を参照すると、長さ６フィート（１．８ｍ）、外径約９インチ（２３ｃｍ）、およびピッチ約６・３／４インチ（１７ｃｍ）（ＰＲ０．７５）の螺旋形スクリューの場合、タービンの最も速い回転速度は約１５１であることが観察され、これは、長手方向軸４０と流れＣの方向との間の角度αが約３１°であるときに生じた。約３０°〜約３２°の範囲の平均回転速度は、約１５０ｒｐｍであった。
【００３９】
図１３Ｅに示すように、表１を参照すると、長さ６フィート（１．８ｍ）、外径約９インチ（２３ｃｍ）、およびピッチ約８インチ（２０．５ｃｍ）（ＰＲ０．８９）の螺旋形スクリューの場合、最も速い回転速度は、最適とはいえない約１３５ｒｐｍであることが観察され、これは、長手方向軸４０と流れＣの方向との間の角度αが約２９°であるときのものである。約２８°〜約３０°の範囲の平均回転速度は、約１３４ｒｐｍであった。
【００４０】
表１および図１３Ａ〜１３Ｅを参照すると、螺旋形タービンの回転速度は、ピッチにかかわらず、約２９°〜約３２°の範囲で最も大きくなると考えられる。すなわち、最も速い回転速度を提供する最適の角度は、約２９°〜約３２°である。
【００４１】
出願人はさらに、螺旋形タービンの長さＬが一定である場合、螺旋形ブレードの回転またはねじれの数を増大させる（すなわち、ピッチＰを低減させる）と、流れに露出される螺旋形ブレードの総表面積が増大し、したがって回転効率がより大きくなると考える。
【００４２】
図１３Ｆは、上記と同じ５つの螺旋形タービンが、約３１°の動作可能な角度で配置されたときの回転速度を示す。図示のように、最も速い回転速度は約１５８ｒｐｍであることが観察され、螺旋形タービンのピッチ比は約０．６であった。ピッチ比が約０．５〜約０．７５のタービンの場合、回転速度はすべて約１４０ｒｐｍより速かった。
【００４３】
河川の実施形態
図３および図４を参照すると、河川環境で適用される本発明の一実施形態が示されている。図示のように、螺旋形タービン２０は、タービン２０を河川の流れＣＲの中で位置決めし、流れＣＲの方向に対して角度的にずれるようにタービン２０の長手方向軸４０を方向付ける支持部８０を有することができる。タービン２０は、回転シャフト５０の第１の端部９０に動作可能に接続され、回転シャフトの第２の反対側の端部１００は、陸上に位置する発電機３０に動作可能に接続される。
【００４４】
河川の流動方向は川岸に沿って特定の位置で実質上一定であるため、長手方向軸４０の角度方向が変化する可能性は低く、したがって、タービン２０の定期的な位置合わせを必要とする可能性は低いはずである。したがって、支持部８０は、タービン２０から離れて延びることができ、川底に直接永久的に固定することができる。
【００４５】
図５に示すように、河川で適用する別の実施形態では、螺旋形タービン２０、回転シャフト５０、および発電機は枠１１０内に支持することができ、枠１１０は川底Ｂ上に位置決めすることができる。枠１１０は、長手方向軸４０を流れＣＲの方向に対して角度的に方向付けるように方向付けることができる。発電機は、水中発電機１２０などの水中へ沈めることが可能な発電機とするべきであることが、当業者には理解されるであろう。水中発電機１２０は、陸上電力網（図示せず）および／または他の蓄積設備もしくはデバイス（図示せず）に、典型的な送電線１３０で接続することができる。
【００４６】
海洋または潮力の実施形態
図６Ａおよび図７Ａを参照すると、本発明の実施形態は、海岸線沿いの小湾、入り江、および湾などの一方向の流れもしくは双方向の潮流を有する沖合の海洋環境、またはメキシコ湾流などの海流を有する海洋環境で適用することができる。図示のように、海洋環境で適用される実施形態は、河川で適用される実施形態に類似している。実施形態は、第１の螺旋形タービン２０Ａおよび第２の螺旋形タービン２０Ｂを有することができ、各タービン２０、２０は、少なくとも１つの発電機１２０または発電機１２０、すなわち第１の発電機１２０Ａおよび第２の発電機１２０Ｂに動作可能に接続される。
【００４７】
出願人は、長手方向軸４０の周りの単一の螺旋形タービン２０の回転運動に関連する反作用トルクが、発電機２０と、１つの発電機１２０または複数の発電機１２０、１２０を支持する構造とに作用して、回転負荷を与えることに注目した。したがって、本発明の実施形態は、第１の方向に長手方向軸４０Ａの周りを回転可能な第１の螺旋形タービン２０Ａと、第１の方向とは反対の第２の方向に長手方向軸４０Ｂの周りを回転可能な第２の螺旋形タービン２０Ｂとを備えることができる。第２の螺旋形タービン２０Ｂが反対方向に回転することで、第１の螺旋形タービン２０Ａの反作用トルクに対して実質上反対に作用する平衡化トルクが生じる。
【００４８】
海洋の実施形態では、システムを定位置に保持する全体的なシステムおよび手段の浮力を含むいくつかの要因が考慮される。少なくとも１つの螺旋形タービン２０を支持し、長手方向軸４０と流れＣの方向との間の動作可能な角度を維持する構造が提供される。
【００４９】
図６Ａを参照すると、システム１０の水中の実施形態は、Ｖ字形状を有する構造内に構成された２つの螺旋形タービン２０Ａ、２０Ｂを有することができ、各螺旋形タービンは、流れＣの方向に対して動作可能な角度で流れＣの中に位置決めされる。この角度は、長手方向軸４０Ａ、４０Ｂと流れの方向との間の角度である。２つの螺旋形タービンはそれぞれ、発電機筐体１３０内に支持された水中発電機１２０に動作可能に接続される。水中発電機は、当業者には知られている適当な水潤滑式封止技術を適用する。この構造は、発電機筐体１３０に収束する螺旋形タービン２０ａ、２０ｂと、螺旋形タービン２０Ａ、２０Ｂ間に延びる１つまたは複数の水平安定化部材１８０とを備える。発電機筐体１３０で浮力が提供され、この浮力は、構造内の他の場所、または螺旋形タービン２０Ａ、２０Ｂの遠位端部もしくはその付近で、浮力を平衡化する。固定されていない場合、システム１０が水面に浮かぶように、正の浮力が提供される。
【００５０】
流れＣに係合し、動作可能な角度を維持するように流れＣの中で方向付けられた構造および少なくとも１つの螺旋形タービン２０を維持する操縦舵面が提供される。操縦舵面は、竜骨、昇降舵、およびエルロンの１つまたは複数を含むことができる。操縦舵面は、長手方向軸４０、４０と流れＣの方向との間の動作可能な角度、および水域Ｃ内のシステム１０の深さを維持するように配置される。操縦舵面は、発電機筐体１３０、安定化部材１８０付近などで構造から支持することができ、または螺旋形タービン２０Ａ、２０Ｂに沿って配置することができる。安定化部材１８０および操縦舵面では、軸受カラーなどを通じて、タービンが安定化部材１８０および操縦舵面に対して適宜回転できることに留意されたい。
【００５１】
図６Ａおよび図７Ａに示すように、長手方向軸４０、４０と流れの方向との間の動作可能な角度を維持する１つの操縦舵面は、方向舵または竜骨１７０である。２つの螺旋形タービン２０Ａ、２０Ｂ間の等距離に位置する竜骨１７０は、発電機筐体１３０から離れて延び、タービン２０Ａ、２０Ｂの長手方向軸４０、４０に対して固定の動作可能な角度で位置決めされる。竜骨１７０は、螺旋形タービンに沿って螺旋形タービン間を部分的または完全に延びることができる。
【００５２】
システム１０は、少なくとも１つのケーブル２２０によって海底に固定または拘束することができる。図示のように、ケーブル２２０、２２０などの１対の固定線はそれぞれ、２つの固定デバイスを使用して固定点Ａ、Ａで水域の底に取り付けられる。図６Ｂを参照すると、システム１０、１０．．．のファームまたはアレイを提供することができ、これらのシステム１０は固定点Ａを共用すると好都合である。ケーブル２２０、２２０は、竜骨の底面の周りから延び、システム１０を固定および安定化させる。竜骨は、さらなる安定性のために、竜骨の底面に沿って重くすることができる。
【００５３】
システム１０を上下させるために、ケーブル２２０、２２０は、竜骨１７０の上側に支持されたそれぞれのウィンチ２３０、２３０に取り付けられる。ケーブルは、竜骨１７０内または竜骨１７０付近を、導管２４０、２４０に沿って延びることができる。ウィンチ２３０、２３０は、ケーブル２２０、２２０の長さを増大または低減させることで、システム１０を水面での回収もしくは保守のために引き上げ、または動作のために水域内へ沈める。ケーブル開口または導管２４０、２４０、およびそれぞれの固定線２２０、２２０は、竜骨１７０に沿って長手方向に隔置される。
【００５４】
流れＣが竜骨１７０付近を通るとき、竜骨１７０は流れＣと位置合わせされたまま維持される。したがって、竜骨１７０が長手方向軸４０、４０に対して固定の関係で位置決めされるため、長手方向軸４０、４０もまた、流れＣの方向に対して１つの角度で維持される。一実施形態では、竜骨１７０とタービン２０、２０の長手方向軸４０、４０との間の固定の角度は、長手方向軸と流れＣの方向との間の角度と実質上同じである。
【００５５】
図６Ａおよび図７Ａでは、水平舵または昇降舵などのさらなる操縦舵面が、構造を実質上水平の面内で維持するのを助ける。流れＣの方向が交互に代わる潮力の実施形態では、竜骨１７０の船首および船尾に昇降舵２００が提供される。図示のように、昇降舵２００は、船首と船尾がそれぞれ交互に代わる挙動を提供するように制御することができ、または受動的に枢動することができ、船首の昇降舵は傾斜して沈降を防止し、船尾の昇降舵は水平巡航に移る。実施形態では、昇降舵２００は、システム１０のあらゆる潜在的な沈降運動をさらに制御するように、発電機筐体１３０上または発電機筐体１３０の周り、および２つの螺旋形タービン２０Ａ、２０Ｂのそれぞれの遠位端部２１０、２１０で支持することができる。
【００５６】
図７Ｂおよび図７Ｃを参照すると、２つの螺旋形タービン２０、２０間に延びる安定化部材１８０などで構造に嵌合できる少なくとも２つのエルロン１９０、１９０を含むさらなる操縦舵面が、横揺れを制御することができる。エルロン１９０、１９０は、流れに係合して実質上安定した水平面内でシステム１０を維持するように、反対方向に作動可能である。図７Ｂに概略的に示すように、簡単なシステムで、気球１９２などの浮力デバイスを示す。システム１０の横揺れ作用の結果、図７Ｃでは、エルロンが反対に作用している（強調した運動を示す）。
【００５７】
一方向の流れ
図８および図９を参照すると、海洋環境に適用されるシステム１０の浮動式の実施形態は、水面上に浮いている浮動式のプラットホーム、平底船、または浮舟２９０上で支持された少なくとも１つの螺旋形タービン２０を含むことができる。浮舟２９０は、少なくとも１つの発電機を水面より上で支持し、少なくとも１つの螺旋形タービンを水面より下で支持することができる。
【００５８】
反対方向に回転する螺旋形タービンを対２０Ａ、２０Ｂの形で設けて、この場合も反作用トルクに対して反対に作用するのを助けることができる。１対を示すが、浮動式のプラットホーム間の平底船または構造などの延長した構造に沿って、複数の螺旋形タービン２０、２０．．．を設けることができる。
【００５９】
浮動式のプラットホームの浮舟２９０は、少なくとも１つの螺旋形タービンを流れの中に配置するために、流動する海流より上に位置決めされる。浮動式のプラットホームは通常、螺旋形タービンを流れＣに対して一直線に方向付けるためのアンカを提供する構造である。図示のように、１対の発電機３０、３０および１対の螺旋形タービン２０、２０が、水面または水面より上で支持され、螺旋形タービン２０、２０は互いに対して平行であり、浮動式のプラットホームから動作可能な角度で流れの中へ下方に傾斜する。２つの平行な螺旋形タービン２０、２０に沿って、１つまたは複数の昇降舵２００、２００を配置することができる。昇降舵２００は、螺旋形タービン２０、２０を持ち上げようとする流れの反応に対して反対に作用する。さらに、昇降舵２００はまた、システム構造の一部としてタービン２０、２０間に延びて、タービン２０、２０間の平行な関係を維持することもできる。昇降舵２００は、受動的なものとすることができ、または螺旋形タービン２０、２０の長手方向軸４０、４０と流れＣの方向との動作可能な角度を維持するように作動可能とすることができる。
【００６０】
図１０および図１１を参照すると、風力環境で適用される本発明の一実施形態が示されている。システム１０は、少なくとも１つの螺旋形タービン２０、筐体１３０内の発電機を支持し、風ＣＷ内で少なくとも１つの螺旋形タービンを制御するための自由に回転可能な台３１０を有する構造を含む。
【００６１】
図示のように、Ｖ字形状で構成された２つの螺旋形タービン２０、２０は、２つの螺旋形タービン２０、２０を回転台３１０より上に十分な高さまで持ち上げて、タービン２０、２０を空気流または風ＣＷ内に配置するように、剛性の支持部８０によって支持される。螺旋形タービン２０、２０は、風ＣＷの方向に対して動作可能な角度で対称に構成される。このＶ字形状は狭い先縁部を有し、自由に回転可能な台は自然に方向付けられると予期される。任意選択で、台３１０上に方向舵３２０が支持され、タービン２０、２０の長手方向軸４０、４０に対して固定の角度で位置決めされる。Ｖ字形状または方向舵３２０の上に風ＣＷが吹くと、システム１０は、風ＣＷと位置合わせされたまま維持される。したがって、方向舵３２０が長手方向軸４０、４０に対して固定の関係で位置決めされるため、長手方向軸４０、４０もまた、風ＣＷの方向に対して動作可能な角度で維持される。
【００６２】
一実施形態では、図１２Ａおよび図１２Ｂを参照すると、螺旋形ブレード６０の外縁部３３０は、現在の飛行機の翼の技術の先端部に位置する直立型抗力低減ウィングレットのものに類似の少なくとも１つの弓形ウィングレット３４０を備えることができる。出願人は、弓形ウィングレット３４０が螺旋形ブレードの有効性を増大させ、螺旋形タービン２０の回転速度を増大させると考える。双方向の潮流を有する海洋環境に適用される一実施形態では、螺旋形ブレード６０の外縁部３３０は、反対方向に延びる２つの弓形ウィングレット３４０、３４０を有することができる。
【００６３】
本発明の実施形態はまた、適当な深さでシステムを維持するのに十分で、水上の天候から安全な、特定の流れに対してある深さでシステムを位置決めように最適化された、システムの浮力を実現または変化させる浮力手段を有することができる。浮力手段は、浮き袋および／または水平舵を含めて、当業界で知られている任意のタイプのものとすることができる。
【００６４】
排他的所有権または特権を主張する本発明の実施形態について、以下のように定義する。
【図１】
0006014591.tif 000003
【図２Ａ】
0006014591.tif 000004
【図２Ｂ】
0006014591.tif 000005
【図２Ｃ】
0006014591.tif 000006
【図３】
0006014591.tif 000007
【図４】
0006014591.tif 000008
【図５】
0006014591.tif 000009
【図６Ａ】
0006014591.tif 000010
【図６Ｂ】
0006014591.tif 000011
【図７Ａ】
0006014591.tif 000012
【図７Ｂ】
0006014591.tif 000013
【図７Ｃ】
0006014591.tif 000014
【図８】
0006014591.tif 000015
【図９】
0006014591.tif 000016
【図１０】
0006014591.tif 000017
【図１１】
0006014591.tif 000018
【図１２Ａ】
0006014591.tif 000019
【図１２Ｂ】
0006014591.tif 000020
【図１３Ａ】
0006014591.tif 000021
【図１３Ｂ】
0006014591.tif 000022
【図１３Ｃ】
0006014591.tif 000023
【図１３Ｄ】
0006014591.tif 000024
【図１３Ｅ】
0006014591.tif 000025
【図１３Ｆ】
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