(57)【要約】  水中翼に一体化されたタービンは、流動性作動流体からエネルギを抽出する。好ましい実施形態では、タービンは、水中翼の幅と同軸のランナブレードをともなうクロスフロータイプである。水中翼の最前端は、タービンによって及ぼされる全体抗力を制御するための連続調整可能なゲートで覆われるスロットを含む。水中翼は、船体に付けられた構造上にあるジンバルによって帆船に取り付けられ、タービンが流動性作動流体の方向の変化に最適に応答することを可能にするとともに、船の誘導性および安定性を促進する。ジンバルの両軸は、補助発電機と、ロックメカニズム付きモータとの組み合わせを有する。モータとロックメカニズムとの係合は、船全体の誘導性および安定性、ならびに水中翼のピッチを制御する。ロックメカニズムとモータとの非係合は、作動流体の方向のあらゆる変化をジンバルに影響させることによって、補助発電機を介したエネルギ抽出を可能にする。流速範囲にわたって抗力および出力電力を更に制御するため、好ましいタービンは、励起を制御する電圧フィードバックをともなうＤＣ発電機を含み、これは、水素燃料を生成するために水の電気分解を実施する電圧および電流の調節回路に結合される。水素燃料タンクは、その満タン度に応じてドラフトを調整可能な船のバラストとしても機能する。統合遠隔制御は、船の誘導性、速度、抗力、安定性、バラストの深さ、および電気分解プロセスを同時に最適化する。
2009506262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電装置であって、
複数の作動流体から同時にエネルギを抽出するための手段と、
前記エネルギを同時に生成して蓄えつつ、前記エネルギを中央の貯蔵および分配の地点へと配送するための手段と、
を備える発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、
前記複数の作動流体は、流体動力媒体および空気圧媒体を含む、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、更に、
前記複数の作動流体を扱いつつ可制御式に抗力を低減させるための手段を備える装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置であって、
抗力を制御する前記手段は、更に、前記装置の機械的安定性および熱的安定性を制御する、装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって、更に、
前記複数の作動流体の方向の任意の変化に応答して補助エネルギを抽出するための手段を備える装置。
【請求項６】
複数の流動性作動流体に対して応答性のある発電手段を有する帆船であって、
前記帆船は、水中翼を備え、
前記水中翼は、エネルギを抽出するための一体型タービンを含む、帆船。
【請求項７】
請求項６に記載の装置であって、
前記タービンは、クロスフロータイプである、装置。
【請求項８】
請求項６に記載の装置であって、
前記タービン一体型水中翼は、更に、入手可能な様々な化学的特性のうちの任意の電池を充電するための手段を含む、装置。
【請求項９】
請求項６に記載の装置であって、
前記タービン一体型水中翼は、更に、水の電気分解のための電解槽の電極を含む内部フィンを含む、装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置であって、
前記電解槽は、前記水中翼に一体化され、前記電解槽の出力ガスは、前記水中翼内において浮遊性を高めるために隔離される、装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の装置であって、
電気分解のための前記電極は、更に、塩水中で動作している間の塩素系副産物を低減させるために、二酸化マンガンで構成されたまたは二酸化マンガンをめっきされたアノードを含む、装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の装置であって、
電気分解のための前記電極は、更に、制御された強制対流冷却による温度安定性のために、熱的カップリングを含む、装置。
【請求項１３】
請求項９に記載の装置であって、
前記タービンの前記作動流体は、前記電解槽の電解質および強制対流冷却流体としても機能する、装置。
【請求項１４】
請求項６に記載の装置であって、
前記水中翼の最前端は、前記タービンによって及ぼされる全体抗力を制御するための連続調整可能なゲートによって覆われるスロットを含む、装置。
【請求項１５】
請求項６に記載の装置であって、
前記タービンは、
所定の負荷に対して一定の電圧を生成するために、または
そのインペラにかかる限られたトルクに対し、前記作動流体の様々な運動エネルギレベルにわたって抵抗するために、または
前記タービンによって及ぼされる抗力を制限するために
電位をスケーリングする、発電機を含む、装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の装置であって、
電位をスケーリングする前記発電機は、電機子巻線の両端からの電圧フィードバックによって決定される平均界磁コイル励磁電流を制御することによって励磁されるＤＣ発電機である、装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の装置であって、
前記平均界磁コイル励磁電流は、スイッチモード電流制御の手段を使用して制御される、装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の装置であって、
前記スイッチモード電流制御は、前記電機子巻線の両端からの前記電圧フィードバックに加えて、パルススキップ機能、および入力パラメータとしての前記船の速度をともなう、パルス幅変調回路またはパルス周波数変調回路を含む、装置。
【請求項１９】
請求項１６に記載の装置であって、
前記電圧フィードバック制御システムは、デジタルサンプリング技術の手段を使用して実装される、装置。
【請求項２０】
請求項１５に記載の装置であって、
前記電位は、自動変速をともなうロータ速度変換器およびギアの手段を使用してスケーリングされる、装置。
【請求項２１】
請求項６に記載の装置であって、
前記水中翼は、前記帆船に付けられた構造上にあるジンバルによって前記帆船に取り付けられ、前記タービンが、
前記流動性作動流体の方向の任意の変化に応答して最適に補助エネルギを抽出すること、または
前記帆船の誘導性および安定性を促進すること
を可能にする、装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の装置であって、
前記水中翼は、更に、
前記流動性作動流体の方向の前記変化に応答して前記ジンバルを加速するために、または
前記帆船の誘導性を促進するための竜骨板を形成するために、
外部フィンを含む、装置。
【請求項２３】
請求項２１に記載の装置であって、
安定性を促進する前記手段は、更に、
前記水中翼の最前端に沿ってスロットを覆う連続調整可能なゲートを制御する手段、または
前記タービン内においてＤＣ発電機の電機子巻線の両端からの電圧フィードバックによって決定される平均界磁コイル励磁電流を制御する手段
によって抗力を調整することを含む、装置。
【請求項２４】
請求項２１に記載の装置であって、
前記ジンバルは、更に、前記ジンバルの各軸にロータを結合された補助発電機を、前記流動性作動流体の方向の任意の変化に応答して補助エネルギを抽出するための手段とともに含む、装置。
【請求項２５】
請求項２１に記載の装置であって、
前記ジンバルは、更に、前記ジンバルの各軸に結合されたモータおよびロックメカニズムを、前記船の誘導性および安定性、ならびに前記水中翼のピッチを制御するための手段として含む、装置。
【請求項２６】
請求項２１に記載の装置であって、
前記ジンバルの前記取り付け構造は、安定性を促進するために、前記船の重心からの前記ジンバルの距離を調整するための手段を含む、装置。
【請求項２７】
請求項２６に記載の装置であって、
前記船の重心からの前記ジンバルの距離を調整するための前記手段は、更に、前記距離調整手段に作用する圧縮力および張力からエネルギを抽出する手段を含む、装置。
【請求項２８】
請求項２７に記載の装置であって、
前記距離調整手段に作用する圧縮力および張力からエネルギを抽出する前記手段は、更に、ピストン駆動式タービンの電気−水圧エネルギ抽出手段を含む、装置。
【請求項２９】
請求項２７に記載の装置であって、
前記距離調整手段に作用する圧縮力および張力からエネルギを抽出する前記手段は、更に、発電機ロータに結合されたピニオンを回転させるラックギアの電気ー機械エネルギ抽出手段を含む、装置。
【請求項３０】
請求項６に記載の装置であって、
前記タービンは、更に、電機子電流を逆転させるための手段をともない、ゆえに前記船の誘導性および安定性を制御するためのモータとして動作する、発電機を含む、装置。
【請求項３１】
請求項６に記載の装置であって、
前記帆船は、更に、水の電気分解のプロセスにおいて出力燃料タンクの目的にかなうバラストの手段を含む、装置。
【請求項３２】
請求項３１に記載の装置であって、
前記帆船は、更に、抗力を最小限に抑えつつ安定性を最適化するために、前記バラストの深さを可制御式に調整する手段を含む、装置。
【請求項３３】
請求項２３に記載の装置であって、
前記安定性制御のプロセスおよび前記速度制御は、更に、
複数の発電機から電機子の電圧フィードバックを感知し、
風速、水流、燃料の満タン度、正味エネルギ効率、船の重量、位置、速度、および加速度を感知し、
平均発電機励磁電流、前記水中翼内における前記タービンゲートの開放度、前記水中翼のピッチ、バラストの深さ、および前記船の重心からの前記ジンバルの距離を調整する、
統合ループを含む、装置。
【請求項３４】
請求項３３に記載の装置であって、
前記統合制御ループは、更に、
電気分解に使用される電極および膜の温度を測定し、次いで、
全体温度の安定性のために、冷却流体の入口ゲートを調整して強制対流冷却を制御する、
手段を含む、装置。
【請求項３５】
請求項３３に記載の装置であって、
前記プロセスは、中央演算処理装置によって制御され、更に、無人操作のために、遠隔地への通信手段を含む、装置。
【請求項３６】
請求項３５に記載の装置であって、
前記遠隔制御通信手段は、更に、最大の天候条件を追跡するための手段を含む、装置。
【請求項３７】
請求項３６に記載の装置であって、
前記船は、更に、避雷針と、雷雨のエネルギを蓄えるための手段と、をともなうマストを含む、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、発電所の分野に関するものである。より具体的には、本発明は、流動性作動流体の流線の方向および大きさの変化に適応するための手段をともなう流体動力発電機の分野に関する。最も重要なことに、本発明は、海上帆船に取り付けられその船にかかる抗力を可制御式に制限する流体動力発電機の使用によって、正味エネルギを最大化する。
【０００２】
現在における人類の主要エネルギ源を考えると、化石燃料は、今世紀中に大幅に減少し、ごく僅かな正味エネルギ量になる恐れがある。したがって、容易に入手可能な既知のエネルギ源の更なる活用を含む、再生可能でかつ持続可能なエネルギ源の開発が、基本的なニーズとして存在している。より具体的に言うと、環境に対する影響が最も小さくかつ都市インフラ費用が低いことを保証することによって、エネルギ投資を最速で回収可能にするような、新規のアプローチが必要とされている。とりわけ、地球のおよそ４分の３を超えるいたる場所で得られ、したがって膨大な産業成長の可能性を秘めている、海洋エネルギを最適に利用するには、このような広大なエネルギ源からの配送が、主な障害として存在している。
【０００３】
空気圧源および水圧源からのエネルギを生かすための特許は、数多く存在しているが、エネルギ配送を容易にする移動構造、ならびに同構造の維持管理および保守整備を考慮したものは、比較的少なかった。例えば、放棄された沖合いの油田採掘機上に取り付けられた風力タービンや、深海ブイに似た基本構造上に取り付けられた風力タービンおよび流体動力タービンが、急速に増えつつある。これらのタイプの構造は、実際の集散地である岸からの距離を考えると、エネルギの配送に適切に対処できていないことが明らかである。これらの構造は、また、海上交通を妨げるうえ、特に、厳しい天候条件下では、維持管理の困難を引き起こす。本発明によって克服される、この先行技術のもう１つの制限は、水の密度が、空気のおよそ７７５倍の大きさであるため、風力タービンが、同じ所定速度の作動流体から等価の電力を得るためには、流体動力タービンの７７５倍の場所を占有する必要があることである。流体動力タービンを用いた先行技術の構造が得る電力は、波の運動のみから変換され、これは、作動流体の速度によって制限される。これに対し、抗力に限りがある帆船は、風速より速い速度を達成することができるので、これは、本発明において、水圧媒体と空気圧媒体とを組み合わせることによる利点を最適に活用する１つの方法を例示している。これまでの特許のうち、作動流体を扱いつつ移動構造によって生じる抗力を低減させるというニーズに対処してきたものは、更に僅かである。
【０００４】
抗力の低減、水圧エネルギ媒体と空気圧エネルギ媒体との併用、および媒体の速度変化に対して可制御式に最適に応答する手段をともなう単一の移動型生成および配送複合システムへの一体化は、本発明が先行技術に対して有する特許可能な新規性を実証するものである。
【０００５】
本発明は、先行技術による海洋性の流体動力および空気圧発電システムの制限を克服するという目標を、先ず、流動性の海水から電力を抽出しつつ同時に風力エネルギを活用する単一の生成および配送システムへの一体化を通じて実現する。水または風の流動体内で機能する先行技術は存在しているが、本発明の新規性は、風および水の媒体内を任意の方向に移動することによって生じる抗力を制御しつつ、複数の流動性作動流体の流線の大きさおよび方向の任意の変化に応答および適応するという、その能力にある。風速、海流の速度、船の実際の速度に影響する船の重さおよび抗力、ならびに発電機出力電圧のフィードバックなどの入力パラメータを踏まえて船の速度を制御するシステムの実装を通じて、
本発明は、空気圧源および流体動力源の両方から最適なエネルギを抽出することが可能になる。抗力の制御は、また、船の全体的な安定性および誘導性を維持することを容易にする。
【０００６】
第２に、複数の流動性作動流体の流線の大きさおよび方向の両方の変化に最適に適応する一体型の生成および配送システムを開発することが、本発明の基本概念の基礎を形成するので、これは、本発明を、あらゆる場所の任意の水体に対して容易に適応可能にする。このため、本発明は、大規模なインフラを必要とせず、したがって、実装の早い段階で正の正味エネルギを達成し、環境への影響を大幅に解消する。
【０００７】
統合制御ループ内における、抗力、バラストの深さ、船の安定性および速度、ならびに水の電気分解を含む、全プロセスの制御のエネルギ効率を最適化することによって、本発明は、水素燃料および燃料電池の技術に代表される、新たな電力輸送システムのためのエネルギ収集を実施する望ましい形態として位置づけられる。
【０００８】
本発明は、流れの方向および大きさを絶えず変化させる複数の流動性作動流体からエネルギを適応的に抽出するための、タービン一体型水中翼に関する。以下の説明は、本発明の様々な実施形態および実装形態に関する具体的情報を含む。当業者であれば、本発明が、本明細書において具体的に示されたものと異なる形態で実装可能であることを認識することができる。更に、簡潔性を維持するとともに、本発明を不明瞭にしないために、本発明の詳細の一部は説明されない。本明細書において説明されない詳細は、当業者の知識の範囲内である。明らかに、本発明は、その特徴の一部を省略されたりあるいは部分的にのみ実装されたりしてよく、それでもなお、本発明の範囲および趣旨の内にとどまることができる。
【０００９】
以下の図面および付随する詳細な説明は、単に、本発明の代表的な実施形態と見なされる。簡潔性を維持するため、本発明の原理を使用する本発明のその他のいくつかの実施形態は、具体的に説明されてはいるが、添付の図面に具体的に例示されてはおらず、したがって、これらの図面は、本発明の範囲および趣旨の内として考えられるあらゆる実施形態を余すところなく示すことを意図していない。
【００１０】
図１は、本発明の１つの好ましい実施形態にしたがった代表的な装置を実装した船１００の概略斜視図である。図１は、船１００の方向に係合された３つのタービン一体型水中翼１０１を示している。本発明は、任意の数の複数のタービン一体型水中翼１０１を実装することができる。タービン一体型水中翼１０１は、船１００の船体１０２に取り付けられた対応する梁１０５を通じて船１００に結合される。図１には、１つの船体１０２のみが描かれているが、多船体構造の実装でも、本発明の範囲からの実質的逸脱は構成しない。タービン一体型水中翼１０１を適切な浮遊性に設計することは、いかなる種類の船体を実装することにも優先する。タービン一体型水中翼１０１内の浮遊手段、および船体１０１の代替の形状に関しては、後続の段落ならびに図２および図６で更に説明される。梁１０５の長さは、船１００の速度および安定性に応じ、可変拡張手段１０４を通じて、船の重心から様々な距離に拡張することができる。可変拡張手段１０４は、図示されない制御式の安定化ロックモータメカニズムを通じて、または図示されない水圧ピストン駆動式のタービンシステムを通じて、長さを変化させることができる。水圧ピストン駆動式のタービンシステムは、複数のタービン一体型水中翼１０１を扱う船１００の安定化プロセスにおいて、水中翼１０１ごとに抗力が異なる場合に、可変拡張手段１０４にかかる張力および圧縮力から補助エネルギを抽出する。梁１０５は、後続の段落および図３で更に説明されるジンバル取り付け手段１０３を終端とする。水位線の下では、出力燃料タンク１０６が、可変拡張手段１０７を通じて船体１０２に取り付けられ、この可変拡張手段１０７は、船の速度および安定性と、満タン度の影響を受けてバラストを提供する出力燃料タンク
１０６の質量と、に応じて拡張長さを変化させることによって、出力燃料タンク１０６のドラフトを変化させる。帆１０８は、空気圧源からエネルギを抽出する一般的手段を提供する。水中翼１０１は、可変長の梁拡張手段１０４に取り付けられるので、帆１０８は、図１では必ずしも縮尺とおりに描かれてはいないものの、図１に示されるように、所定の船体サイズの船の通常の帆面積を大幅に上回ることが可能である。更に、本明細書で明確に指定されていないいかなる面積および材料の帆１０８の実装でも、本発明の範囲からの逸脱を構成しない。メインマスト１０９は、当該分野で通常なされる手段を用いて帆１０８を取り付ける。繰り返しになるが、水中翼を取り付ける梁の可変拡張手段１０４によって提供される追加の安定化効果ゆえに、メインマスト１０９は、図１に示されるように、所定の船体サイズの船の通常のメインマスト１０９の高さを大幅に上回ることが可能である。避雷針１１０は、雷雨の作用から追加のエネルギを抽出するために、メインマスト１０９の頂上に取り付けられる。メインマスト１０９が、図示された船体サイズの船の通常のメインマストを超える高さに達することを踏まえ、更に、最適な空気圧エネルギおよび水圧エネルギを抽出するために、船１００は、電気的作用を含むと考えられる最大の天候条件に向かって軌道を描く。こうして、本発明は、避雷針１１０への落雷を通じて更にエネルギを抽出する。
【００１１】
図２は、先行技術からの根本的でかつ重大な転換と、本発明における著しい新規性とを提供するタービン一体型水中翼１０１の詳細な斜視図である。点線２００ー２０１は、水中翼１０１のアセンブリ全体の回転軸２１６を表している。効率を低下させるとともに応力を誘発させる望ましくない機械的振動運動を最小にするため、点線は、タービン一体型水中翼の重心を通って横切っている。回転手段２１５は、円形軸受けを含み、２つの目的にかなうと考えられる。第１に、図示されていないモータおよびロック手段を通じて直接に結合された状態において、回転手段２１５は、水中翼１０１のピッチ角度を調整することによって、船１００の可変速度に対して動的揚力を最適化することができる。第２に、回転手段２１５に結合された図示されていないロック手段が切り離されると、回転手段２１５に結合された図示されていないモータは、流動性作動流体の方向の変化によって引き起こされる回転運動２１６から補助エネルギを抽出する発電機として動作することができる。当業者ならば、回転手段２１５がジンバルの一方の軸を形成することを容易に認識できるであろう。第２の軸は、図３に示されるとともに後続の段落で説明されるジンバル取り付け手段１０３によって形成される。本発明は、したがって、流動性作動流体の流線２０２の方向のあらゆる変化に適応する。
【００１２】
図２は、更に、流動性作動流体の流線２０２が、タービン一体型水中翼１０１のゲート２０４に入り、流体カプラ手段２０５の外形伝いに進み、流入流線２０２と大きさおよび形状の異なるタービンドラフト部位の流線２０３によって示されるように、圧力および速度を変化させる様子を示している。好ましい実施形態では、流体カプラ手段２０５は、図５に示されるとともに後続の段落で説明されるように、クロスフローインペラの設計を必要とする。流れは、流体カプラ手段２０５を通過する際に、タービンのドラフト部位の下面２０６にぶつかる。この下面２０６上には、電解槽に至るゲートがある。タービンゲート２０４および下面２０６上の電解槽ゲートは、ともに、図４において詳細に例示される。電解槽は、タービンのドラフト部位の下面２０６と、水中翼１０１自体の外側の下面２０８との間の領域２０９内に位置することが好ましい。図には、複数の電極のうちの１つの電極２１１と、電解膜２１０とが示され、更には、電解槽ゲートの開放度を一部決定する不図示の温度センサも備わっている。領域２０９内の入口ゲートから領域２１２内の出口ゲートを通って流れることによって、タービンの作動流体は、電解質としてはもちろん、電解膜２１０および電極２１１のための強制対流冷却流体としても機能する。電解槽ゲートおよびタービンゲート２０４の開放度は、水中翼１０１の全体抗力に影響を及ぼすので、電解膜２１０および電極２１１の温度だけでなく、船１００の抗力、安定性、および速度もまた、電解槽ゲートおよびタービンゲート２０４を開くための制御アルゴリズムへ
の入力変数を表す。好ましい実施形態では、アノード電極２１１は、塩水中で動作している間にアノード２１１に集まる塩素酸ナトリウムまたは塩素系漂白剤としても知られる次亜塩素酸ナトリウムすなわちＮａＯＣｌの量を最小にするために、二酸化マンガンで構成される、または二酸化マンガンをめっきされる。電解槽から出力される水素ガスは、貯蔵タンク２０７内または領域２１３内に隔離される。水素ガスは、更に、水中翼１０１全体の浮遊性を高める。この好ましい実施形態において、水中翼１０１内でゲートが占める位置および電解槽が占有する領域のいかなる変更も、本発明の範囲からの実質的逸脱を構成しないことが明らかである。
【００１３】
図２に示された残りの特徴は、外部フィン２１４、およびメイン支柱２１８に直接結合された支持ブレース２１７を含む。メイン支柱２１８は、図３に示される回転部材３００に直接結合する。図３は、ジンバル取り付け手段１０３に付けられた回転部材３００が許す回転の方向３０１を示している。主軸に関して上述されたように、ジンバル取り付け手段１０３に付けられた図３に示された回転部材３００は、ジンバルの第２の軸を形成する、回転部材３００は、円形軸受けを含み、２つの目的にかなうと考えられる。第１に、図示されていないモータおよびロック手段を通じて直接に結合された状態において、回転部材３００は、水中翼１０１の迎え角を調整することができ、したがって、船１００の竜骨板としてふるまう外部フィン２１４とあいまって、船１００の誘導性および安定性を制御することができる。第２に、回転部材に結合された図示されていないロック手段が切り離されると、回転部材３００に結合された図示されていないモータは、外部フィン２１４にぶつかる流動性作動流体の方向の変化によって引き起こされる回転運動３０１から補助エネルギを抽出する発電機として動作することができる。本発明は、したがって、流動性作動流体の流線２０２の方向のあらゆる変化に更に適応する。更に、可変拡張手段１０４にかかる張力および圧縮力から補助エネルギを抽出する手段、ならびに外部フィン２１４および回転部材３００の使用を踏まえると、方向が一定の流動性作動流体内における船１００の利用は、帆１０８およびメインマスト１０９を完全に不要にできることがわかる。
【００１４】
図４は、電解槽ゲートまたはタービンゲートのためのメカニズムの適切な一実施形態の２つの位置を示している。点線４００−４０１の左側は、閉位置にあるゲートを描いており、点線４００−４０１の右側は、開位置にあるゲートを描いている。矢印４０２，４０３は、タービン一体型水中翼１０１自体にぶつかる流動性作動流体２０２、またはタービンのドラフト部位内の下面２０６上の電解槽ゲートを通過する作動流体２０３の、いずれかの流線を示している。矢印４０２は、閉じられたゲートの上を衰えることなく通過する流れを意味しており、矢印４０３は、開いたゲートの上を通過しつつ部分的に内向きに迂回する流れを意味している。ゲートのブレード４０４は、必要とされる調整に応じ、軸４０５を中心に同期的に回転する。矢印４０６は、閉じられたゲートをより開いた位置へと調整する様子を示しており、矢印４０７は、開いたゲートをより閉じられた位置へと調整する様子を示している。図８および後続の段落は、各ゲートの開放度を決定するアルゴリズムについて更に詳細に説明している。本明細書において提示されるゲートメカニズムは、最適でなくとも適切な機能性を提供すると考えられるが、本明細書において明確に説明されていないその他のいかなるゲート手段の使用も、本発明の範囲からの実質的逸脱を構成しない。
【００１５】
図５は、タービン内の流体カプラすなわちクロスフローインペラをロータの軸に沿って示した斜視図である。点線２００−２０１は、前述のとおり、そして流体カプラ２０５の外形領域を初めて明らかにした図２において示されるように、回転の軸を示している。ここで、図５は、作動流体２０２が、複数のランナブレード５０１を通過し、ブレード５０１にぶつかる際の衝撃力およびブレード５０１を後にする際の反力の両方の形で大部分のエネルギを投入した後、最終的にドラフトフロー２０３として出ていく様子を示した、ロータ５００の断面図である。このクロスフローインペラの曲面状の形態は、最適なエネル
ギ抽出のためのペルトン水車の概念から得られる公有財産において周知であるので、本明細書において、更なる説明は不要である。以上に照らすと、この好ましい実施形態におけるペルトンランナブレードの変更形態は、純粋に代表的、例示的なものであり、限定的なものではない。上述されたように、本発明の基本的目標は、最も単純な設計によって、可能な限り多くの正味エネルギを得ること、すなわちエネルギに関して可能な限り高い投資収益率を達成することにある。本明細書において提示されるインペラは、最適な機能性を提供すると考えられるが、これ以降は、流動性作動流体の流線の方向および大きさの変化に応答するタービン一体型水中翼内のいかなるインペラであれ、それが衝撃力および反力に対して応答性であるか否かによらず、本発明の範囲からの実質的逸脱を構成しないということに留意せよ。
【００１６】
本明細書は、次に、船体および取り付けシステムの代替の一実施形態の外形を上から示した俯瞰図である図６を参照する。前述のように、船１００は、単船体構造もしくは多船体構造をとってもよいし、または、タービン一体型水中翼１０１の適切な浮遊性を踏まえて全く船体がなくてもよい。図６において線６００によって示された船体１０２の外形は、タービン一体型水中翼１０１に関連して上述されたジンバル取り付け手段１０３を踏まえ、操縦性、誘導性、ならびに空気圧作動流体および水圧作動流体の方向の変化への適応性に関して最も機敏な構造を表している。線６０１は、船体の竜骨板を表し、主に、図６の船体１０２の構造の姿を明確にするために示されており、図２に示されたタービン一体型水中翼１０１の外部フィン２１４を付与された場合はそれ以外の実用的な目的は担わない。線６０２，６０３は、上述された梁１０５および可変拡張手段１０４の代替の実施形態を表している。したがって、線６０３は、線６０２の中央においてラックギアに作用することによって線６０２の長さを増減させるピニオン部材を表している。任意の１本の線６０２の長さの増大は、複数の線６０２によって形成される三角形６０２の面積を増大させ、したがって、三角形６０２の頂点に位置するタービン一体型水中翼１０１のジンバル取り付け手段１０３を、船１００の重心から離れる方向に移動させる。線６０３によって表されるピニオン部材は、切り離されると可変拡張手段に作用する張力および圧縮力から補助エネルギを抽出するロックモータメカニズムまたは発電機のように、図１の可変拡張手段１０４と同じ特徴および特性を保持している。ここで、線６０２によって形成される三角形の複数の側辺は、同期的にふるまわなければならないことがわかる。これは、複数の部材間で力を分散させるので、どれか１つの部材にかかる負荷が少なくてすむという利点がある。また、この好ましい実施形態において、図１および図６に提示された船体および取り付けシステムは、純粋に代表的、例示的なものであり、限定的なものではなく、いかなる代替の船体および取り付けシステムであれ、本発明の範囲からの実質的逸脱を表すことはないことに留意せよ。
【００１７】
図７は、インペラから発電機の出力調整回路に到る間の結合構成およびエネルギ抽出手段を描いたものである。図７は、ＤＣ発電機７００に直接結合する発電機ロータシャフト５００を示している。ＤＣ発電機７００は、電機子電流を逆転させる手段によってモータとしても機能し、また、外部フィン２１４および回転部材３００の使用によって、船１００の誘導性および安定性を可能にすることができる。簡略化のため図７には図示されていないが、インペラは、タービン一体型水中翼１０１内の外形領域２０５を物理的に占有し、シャフト５００は、回転軸、すなわち図２および図５に示された線２００−２０１に沿って伸びる。ＤＣ発電機７００は、転流式または半導体整流式の発電機を含むがこれらに限定されない任意の入手可能な形態をとるＤＣ発電機であってよく、図に示されるように、単純性と、負荷電流に依存しない比較的一定の電圧とをあわせ持つゆえに選択された、他励式の、さもなくば好ましくは自励式の分路界磁巻線７２１の構成をともなう。したがって、ＤＣ発電機７００は、パワーフィルタリング素子すなわちインダクタ７０３およびコンデンサ７０５に供給する速度依存性のＤＣ電圧を、電機子リード、すなわち正のリード７０１および負のリード７０２の両端に生成する。２本の電機子リード７０１，７０２
は、単相マシンを示唆しているが、これは、純粋に代表的なものであり、この好ましい実施形態では、マシンの相数は、事前に決定されない。インダクタ７０３およびコンデンサ７０５によって実施されるフィルタリングは、転流によって引き起こされる電気波形の突出を最小限に抑える。本発明の好ましい実施形態は、負の電機子リード７０２の基準をローカル接地７０７としたインダクタ７０３およびコンデンサ７０５によってフィルタリングされたノード７０４におけるフィルタリングＤＣ波形をサンプリングすることによって、界磁巻線７２１を流れる平均電流を制御するフィードバックを形成する。平均界磁巻線７２１電流を制御するフィードバックは、したがって、インペラの回転に対抗するトルクを制御することによって、船１００の抗力を制御し、最終的に、インペラの回転速度および負荷電流に応じて電機子電圧を制御する。
【００１８】
前述のように、この形態のフィードバック調節は、船１００の抗力に粗く影響するタービンゲート２０４の開放度などの機械的パラメータの相対的スケーリングを可能にし、最終的には、所定のエネルギレベルの空気圧作動流体および水圧作動流体から抽出可能な電力に影響する。一定の負荷電流を引き込む電力出力手段においては、界磁巻線電流のこのフィードバック制御は、流動性作動流体２０２の速度および圧力の微細な瞬間的変動を相殺し、比較的一定した電機子電圧を生成することができる。このフィードバック制御は、また、船１００の抗力に細かく影響する様々なレベルのトルクをインペラに及ぼす流動性作動流体２０２内の変化に対し、相応にかつ最も素早く応答することができる。したがって、タービン一体型水中翼１０１に様々な力を作用させる船首の緊急浮上や急落などの動きによって特徴付けられる極限条件中に、疲労を誘発する可能性があるトルクがインペラに作用する事態を回避する。例えば、ノード７０４における、サンプリングされたフィルタリングＤＣ波形の平均電圧が、所定の閾値を超えると、フィードバック制御は、界磁コイル７２１を通って流れる平均電流を低減させる。これは、ひいては、平均電機子電圧を下げつつ、インペラにかかるトルクを減少させる。同様に、ノード７０４における、サンプリングされたフィルタリングＤＣ波形の平均電圧が所定の閾値を下回ると、フィードバック制御は、界磁コイル７２１を通って流れる平均電流を増大させる。これは、ひいては、平均電機子電圧を引き上げるべく、インペラにかかるトルクを増大させる。負荷電流または電機子電流、すなわちフィルタリングノード７０４を後にして出力調整手段７２４に入る電流は、変動の可能性がある一方で、負荷電流の変化に対する応答は、インペラにかかる疲労を回避するため、作動流体２０２の圧力の変化に対する応答と比べて優先度を低くされる。１つのケースでは、流動性作動流体２０２から抽出可能なエネルギまたは船１００の相対速度の増大が、負荷電流に対する要求の増大と一致するので、界磁コイル７２１を通って流れる平均電流は、ほとんど変化を必要としない。同様に、流動性作動流体２０２から抽出可能なエネルギまたは船１００の相対速度の減少は、負荷電流に対する要求の減少と十分に一致するので、界磁コイル７２１から引き込まれる平均電流は、やはりほとんど変化を必要としない。しかしながら、流動性作動流体２０２から抽出可能なエネルギが、負荷電流に対する要求の減少または増大に反して増大または減少する場合は、これらの状況は、制御ループ応答に制限を加える可能性がある。これらの制限は、遅延応答時間として現れる可能性がある。すなわち、主に安定性に関するループ帯域幅および減衰係数などの制御ループパラメータによって、応答時間が遅くされ、より小さい帯域幅または不正確な減衰係数を前提とした不適切な過渡出力電圧、さもなくば過剰な過渡出力電圧を生成する可能性がある。また、このような状況では、システム要求を満たすために、設計の際に全体のヘッドルームを注意深く考慮しなくてはならないので、負荷の変動は、より複雑な設計を必要とする。したがって、本発明の好ましい実施形態は、出力手段に電力を供給し、電解槽などの負荷に対する最適な電力調整のために一定の電流を引き込み、後続の段落および図８で説明されるように、船１００の相対速度を、やはり完成システムのための制御ループ全体の入力パラメータとして使用する。
【００１９】
ローカルフィードバックループの経路に沿って更に進むと、図７は、フィルタリングノ
ード７０４上の、サンプリングを生じる２つの地点を示している。抵抗器７１０，７１２およびコンデンサ７１１を含む経路は、周波数補償付きの代表的フィードバックループの電圧サンプリングノードを構成する。これらの抵抗器７１０，７１２およびコンデンサ７１１のネットワークは、誤差増幅器７０９、ならびにコンデンサ７１４，７１５および抵抗器７１６によって表される誤差増幅器７０９自身のフィードバックループとともに、先行技術のスイッチモード電源のフィードバックセクションを形成する。誤差増幅器７０９の非反転入力に、固定の内部基準電圧７１３が入力されると、抵抗器７１０は、この制御ループが作動流体２０２の速度の変化に応答する間に、抵抗器７０８とともに、出力調整手段７２４に供給されるフィルタリングノード７０４上の最適な電圧を設定する分圧器を構成する。抵抗器７１０に対する抵抗器７０８の比に１を加算した量を乗じた基準電圧７１３は、フィルタリングノード７０４の出力電圧の最適値を決定する。この最適値は、入力エネルギの変化によらず、制御ループによって維持される値である。その他のサンプリングノードは、サンプリングノード７０４における過電圧条件に対する応答を速くするツェナーダイオード７０６を含む。この過電圧条件下でダイオード７０８にツェナー電流を流れさすには、抵抗器７０８が正しい値でなければならない。この誤差増幅器の周波数補償の設計は、ツェナーダイオード７０６の両端にかつ抵抗器７１０に平行に生じる接合キャパシタンスを考慮に入れる必要がある。ただし、このような接合キャパシタンスは、多くの場合、無視できるほど小さい。抵抗器７１２，７１６およびコンデンサ７１１，７１４，７１５は、先行技術のスイッチモード電源のフィードバックループ内で誤差増幅器７０９の周波数補償を形成する。これらの周波数補償素子の調整は、本発明の詳細に密接に関係しておらず、随所において詳細に取り上げられているので、本明細書では、それに関するいくらかの一般的所見を開示することにする。フィルタ素子、すなわちインダクタ７０３およびコンデンサ７０５は、補償されないと、１を２×π×インダクタンスの平方根×キャパシタンスで割った自身の共振周波数において複素極対数を生成する。フィルタコンデンサ７０５は、また、１を２×π×キャパシタンスおよびコンデンサ７０５の等価直列抵抗すなわち「ＥＳＲ」で割って得られる周波数における極対数の上に、ゼロを設ける。一般に、補償の目標としては、フィルタ共振周波数近くにおける相の激しい変化を補正するために、その周波数近くに２つのゼロを加え、共振周波数の約１０倍の大きさであるがスイッチング周波数の約１０％未満である周波数において存在するものとして、開ループユニティゲイン周波数が選択される。誤差増幅器７０９、インダクタ７０３およびコンデンサ７０５を含むフィルタ素子、ならびに加えられた２つのゼロの全体ゲインに、開ループユニティゲイン周波数を設定する補償ネットワークによって形成される積分器のゲインを加えた合計は、ユニティゲイン周波数においてゼロとなることが好ましい。積分器のゲインは、１／（２（π)(Ｆｏ）（Ｒ７１０（Ｃ７１４＋Ｃ７１５）））によって与えられる。ここで、Ｆｏは、開ループユニティゲイン周波数である。出力フィルタを補償するゼロの周波数は、１／（２（π）（Ｒ７１６）（Ｃ７１５））および１／（２（π）（Ｒ７１０＋Ｒ７１２）（Ｃ７１１））に等しく、これらのゼロは、４０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅに加わることが理解される。補償ネットワーク内にも極が存在し、その周波数は、出力コンデンサ７０５およびその等価直列抵抗「ＥＳＲ」によって形成されるゼロと一致するように選択される。この補償極周波数は、１／（２（π）（Ｒ７１２）（Ｃ７１１））に等しい。補償ネットワーク内の最終の極は、１／（２（π）（Ｒ７１６）（Ｃ７１４）（Ｃ７１５））の周波数に存在し、誤差増幅器７０９に入るスイッチングノイズを低減させるため、約３／４Ｆｓ、すなわちスイッチング周波数の４分の３となるように選択される。極周波数、積分器周波数、およびゼロ周波数の正確な配置は、最重要ではないと理解される一方で、上述されたフィードバックループ周波数補償の手法にしたがい、流動性作動流体内での広範囲のエネルギ変動の結果として生じる様々に変化するロータ５００角速度にわたって最も優れた電源応答および安定性を得るためには、そして、とりわけ、比較的一定の出力電圧を得るためには、依然として、注意を払う必要がある。これまでは、カスケードスイッチモード電源によって形成される負抵抗発振器が原因で、安定性の問題が生じていた。例えば、図７の第２のスイッチモード電源、すなわち出力調整手段７２４は、そ
の入力電流が入力電圧の増大とともに実際に減少するので、負抵抗をあらわしている。これは、ひいては、制御ループの特性方程式において、ｓ平面上の右半平面に極を追加することによって、不安定性を引き起こす可能性がある。この形態の不安定性を阻止するためには、設計は、インダクタ７０３およびコンデンサ７０５のパワーフィルタリング素子をともなう電源、すなわちＤＣ発電機７００の複素インピーダンスの大きさが、出力調整手段７２４のフィードバックループのＤＣからユニティゲイン周波数に及ぶ対象周波数帯全域にわたって、出力調整手段７２４の入力インピーダンスの大きさより大幅に小さくなることを保証しなければならない。上記の全ての安定性基準を慎重に考慮することによって、作動流体２０２の速度として考えられる最も広い範囲にわたって、長期的な信頼性および最適なエネルギ抽出が保証される。
【００２０】
図７に示されたフィードバック経路に沿って更に進むと、誤差増幅器７０９の後に、主に誤差増幅器７０９のアナログ誤差信号の出力をパルスに変換するパルス幅変調またはパルス周波数変調コントローラ７１７が存在する。該パルスは、大きな電流インパルスを調達して減少させるようにゲートドライババッファ７１８によって調整された後、界磁電流スイッチング電界効果トランジスタ７１９のゲートを駆動し、最終的に、ＤＣ発電機７００の界磁巻線７２１を通って引き込まれる平均電流を決定する。パルス幅変調またはパルス周波数変調コントローラ７１７の設計は、サンプリング電圧７０４を固定基準と比較した値にしたがってロジックをセットおよびリセットする図示されていないアナログ比較器を実装することが好ましい。この場合、ブロック７１７内に図示されていないアナログ比較器は、その反転入力において、誤差増幅器７０９から出力された電圧信号を受信する。この図示されていないアナログ比較器の非反転入力は、誤差増幅器７０９と同様の方法で、電圧基準７１３のそれと等しいＤＣ電圧信号を受信する。パルス幅変調またはパルス周波数変調コントローラ７１７内のアナログ比較器は、したがって、誤差増幅器７０９の反転出力を、ＤＣ基準７１３に等しい電圧と比較する。パルス幅変調またはパルス周波数変調コントローラ７１７内の比較器は、電圧基準７１３を基準とした反転増幅器であり、フィルタリング出力電圧７０４は、抵抗器７１０，７０８によって分圧された後、誤差増幅器７０９を通じて反転され、この出力が、上記の比較器によって反転される。したがって、パルス幅変調またはパルス周波数変調コントローラ７１７内の比較器の出力は、フィルタリング出力電圧７０４が設定電圧より高い場合はロジックハイ信号であり、フィルタリング出力電圧７０４が設定電圧より低い場合はロジックロー信号である。この比較器出力ロジック信号は、最後に信号を反転させてゲートドライバ７１８に送り込むロジック手段を通って送出される。したがって、フィルタリング出力電圧７０４が設定電圧を超えると、ロジック手段はリセットされ、変調コントローラ７１７の出力およびゲートドライバ７１８への入力とともにローになり、界磁コイル電流スイッチングトランジスタ７１９を流れる電流の流れを不可にする。パルス幅変調またはパルス周波数変調コントローラ７１７内のロジック手段は、コントローラ７１７を省エネの「パルススキップ」モードで動作可能にすることが好ましい。出力電圧７０４が設定電圧を超えると、スキップパルスは、界磁コイル電流スイッチングトランジスタ７１９のゲートを充放電するために必要とされるエネルギを節約する。上述されたように、船１００の相対速度は、船１００の全体制御への入力パラメータを表している。ここで、パルス幅変調またはパルス周波数変調コントローラ７１７内では、入力パラメータとしての船１００の相対速度が、パルススキップ動作を導くことができる。船１００の相対速度が所定の閾値を下回ると、パルス幅変調またはパルス周波数変調コントローラ７１７は、それによって、界磁コイル７２１電流から失われるエネルギを最小に抑えるとともに、船１００にかかる抗力を低減させることができる。以下では、スイッチモード技術を使用して平均界磁コイル電流を制御するこの手段が、厳密に代表的なものであって、限定的なものではないこと、したがって、パルス幅変調もしくはパルス周波数変調の選択、または出力ロジックの極性の選択、およびそれにしたがった界磁コイル電流スイッチングトランジスタ７１９のＮ型もしくはＰ型のチャンネル材料の選択を非限定的に含むいかなる構成変更であれ、本発明の範囲および趣旨からの実質
的逸脱を構成しないことに留意せよ。
【００２１】
図７は、界磁コイルの励起手段として、他励式の界磁コイルを示しているが、自励式の分路界磁巻線も、等しく効果的であろうことがわかっており、少なくとも、コイルを通って流れる電流の量、および別途の電源７２２によって占有される物理的空間を必要としない利便性ゆえに、より容易に実現可能である。また、図７は、キャッチ整流器７２０をショッキーダイオードとして図示しているが、その場所には、同期スイッチングトランジスタを実装してもよい。このようなスイッチングトランジスタを使用すると、コントローラ７１７のロジックの更なる複雑化、およびゲートドライババッファ７１８に似たゲート駆動バッファの追加という犠牲をともなう一方で、出力効率を高められるという利点もある。当業者にとって周知であるように、界磁コイル７２１は誘導的であるので、電流が切り替わると、界磁コイル電圧は、電流の経時変化で乗じたインダクタンスに比例して逆転される。単純なキャッチ整流器７２０の使用は、スイッチングトランジスタ７１９を過電圧から保護しつつ、蓄えられたそのエネルギを、他励式界磁巻線の電源７２２を再充電するために戻す、または自励式分路界磁巻線の場合は電機子端末７０１に戻すことによって、界磁コイル７２１に蓄えられたエネルギをシステムに戻し、システムの出力効率を高めることができる。ドレインソース間オン抵抗および整流電流に依存して、両端に低めの電圧降下を有する同期スイッチング整流器は、キャッチ整流器７２０と比べて、更に効率を稼ぐことができる。同期整流器の複雑性は、ゲートキャパシタンスを含む界磁コイル電流スイッチングトランジスタ７１９が、キャッチダイオード７２０に取って代わるゲートキャパシタンスを含むトランジスタのオンタイムと一致するオンタイムを有さないようにするために必要とされる、その精密性にある。オンタイムの事実上の一致は、界磁巻線のリードを大きく短絡させ、したがって、界磁巻線の励起源を短絡させる。反対に、同期整流トランジスタをオンにする際の遅延が長めであると、効率の増進が低減される。コントローラ７１７内のデジタルタイミング回路構成は、スイッチングトランジスタのゲートキャパシタンスの許容誤差が既知であることを受けて、必要とされる正確なタイミングという目標を達成することができる。平均界磁コイル電流を制御するシステムが、単純なキャッチダイオードまたは同期整流回路のいずれを実装するかによらず、いずれも回路も、本発明の範囲内にとどまる。
【００２２】
この明細書では、好ましい実施形態として、チョップ界磁コイル電流制御式ＤＣ発電機を先に提示したが、等価の発電機構成も、本発明の範囲内である。１つの実施形態では、発電機７００は、代わりに、適切な数の極を有するＡＣ誘導発電機として存在している。このＡＣ誘導発電機の極の数は、該発電機の同期速度、すなわち、ＡＣマシンが発電機領域またはモータ領域のいずれで動作しているかをトルク−スリップ曲線にしたがって決定するとともに、極の数に反比例する同期速度が、ロータ５００の平均回転速度を大幅に下回り、したがって、ＡＣマシンが、発電機として正のスリップで動作するような数である。ＡＣ誘導発電機が望ましいのは、その経済的でかつ信頼性の構成、およびその広範な用途であり、これが、このタイプの発電機を容易に実現可能にするとともにその費用効果を高くしている。ロータ５００の平均回転速度を受けて正のスリップで動作するのに適した低い同期速度を実現するのに十分な極数のＡＣ誘導発電機を入手できない場合は、ＡＣ誘導発電機をインペラに直接結合せずに、ギアシステムを介在させる。このギアシステムは、インペラに対するロータシャフト５００の回転速度を増大させる。ギアシステムは、発電機７００の付近において、流体カプラ２０５の外形領域を占有すると考えられる。ＡＣ誘導発電機からの電圧をワイヤ７２５，７２６を通じて負荷に直接印加するため、出力調整手段７２４によって表される電気回路は、流体カプラ２０５の外形領域内においてロータ５００の回転を感知する速度変換器から入力信号を受信する速度依存性のスイッチを含んでいる。速度変換器の出力信号は、したがって、自身の導体上であれ、電機子コイル電流について変調されたうえであれ、やはり、リード７０１，７０２と同じ経路を物理的に横切る必要がある。この速度依存性のスイッチは、例えば、カプラのシャフトが正のスリ
ップに適さない速度を有する場合、または出力調整手段７２４のいずれかの側に故障状態が存在する場合などに、ＡＣ発電機が負荷から切り離されるように、最も高い効率および保護を提供する。インペラ対ロータのギア比を変化させ、様々な流体速度にわたって一定の出力電圧振幅を実現する自動変速と、回転速度変換器と、速度依存性スイッチと、を含むこのギアシステムは、フィルタリング素子７０３，７０５に効率よく取って代わり、その全体の界磁電流は、上述されたＤＣ発電機システムのフィードバックループを制御する。出力調整手段７２４は、したがって、船体１０２内において、発電機ユニットから物理的に離れて配置されてよく、リード７０１，７０２を、発電機７００から支持構造２１７，２１８，１０３伝いに伸ばし、ビーム１０５に沿って拡張手段１０４を通らせ、船体１０２内の出力調整手段７２４の位置へと導くことができる。リードに関して上述されたように、出力調整手段７２４は、１対のワイヤ７２５，７２６のみを図示され、単相システムであることを示唆されているが、これは、純粋に代表的なものであり、ユーティリティ電力網に適用される相の数は、事前に決定されない。
【００２３】
ＤＣ発電機の実装形態では、エンドユーザのニーズに応じ、様々な負荷をリード７０２，７０４に接続して使用することができる。負荷の例としては、入手可能な様々な化学的特性のうちの任意の電池を充電すること、または水素燃料の生成を目的とした水の電気分解のプロセスにおいてリード７２５，７２６自体を電極として終端処理するなどが含まれる。いずれの場合も、出力手段７２４は、図７においてツェナーダイオードとして示される過度電圧サプレッサ７２３を、転流によって引き起こされる誘導的スパイクから保護する必要があると考えられる。上述された随所の説明にあるような出力負荷のこれらの例では、リード７０２に取り付けられたローカル接地７０７は、純粋に、発電機７００の負の差動電圧出力の基準となっており、界磁コイル電流を制御するフィードバックシステム内のその他の全ての関連の基準は、通常は真の接地を基準としておらず、したがって、タービン一体型水中翼１０１のシャーシ接地電位ではなく、より具体的に言うと、真の接地電位を基準としているかどうかわからない出力調整手段７２４からの負の差動電圧リード７２６から完全に絶縁されていると考えることができる。
【００２４】
負荷が充電電池であり、なおかつその電池が別のＤＣ発電機７００用の励起源７２２である場合は、出力調整手段７２４は、タービン一体型水中翼１０１内の物理的位置を占有することができる。しかしながら、その他の用途では、電池を充電するプロセスは、一般に、電池の端子において低誤差電圧を検出し、正確な基準で動くセルパッケージング内のサーミスタから低誤差温度を検出する必要があるので、設計は、出力調整手段７２４の充電器セクションを、船体１０２内で充電される電池ユニットの近くに配置することが、より好都合でかつより経済的である。したがって、リード７２５，７２６は、出力調整手段７２４からの高圧を、支持構造２１７，２１８，１０３伝いに、ビーム１０５に沿って拡張手段１０４を通らせ、船体１０２内の電池および関連の充電器の位置へと導くと考えられる。
【００２５】
この好ましい実施形態では、負荷は、水に対して電気分解を実施して水素燃料を生成するために必要とされる電流である。このプロセスは、本発明の好ましい実施形態に備わった利点ゆえに、高効率を実現する。海水は、生来電解質であることによって、化学処理費用を低減させ、高度な電気分解方法は、電極の両端に、わずか１．５〜２ボルトの電圧を印加することを可能にする。これは、自励式の分路界磁巻線構成の発電機７００が、広範囲のロータ５００回転速度にわたって提供できる大きさの電圧である。電気分解のためのこのようなシステムに対する要件を踏まえ、出力調整手段７２４は、ある場合には、単純に、何らかの形態の電圧調節機能をともなう非常に高効率の同期スイッチモードバック、すなわち降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータで構成されることによって、電極７２５，７２６に適切な電圧を印加して電気分解を実施する。この場合、同期スイッチモードＤＣ／ＤＣ変換は、ローカル接地７０７を真の接地から絶縁することができず、これは、実装されるＤ
Ｃ発電機７００の構成にとって許容可能であるかどうかわからないが、その単純性および最適な効率ゆえに、望ましいとされる。もし、ＤＣ発電機７００が、接地の絶縁を絶対的に必要とするならば、出力調整手段７２４内に、同期整流機能をともなうフライバックまたはフォワードＤＣ／ＤＣコンバータを設けることによって、次善の高効率が実現される。この出力調整手段７２４は、比較的単純でかつコンパクトであるので、タービン一体型水中翼１０１内において、発電機７００に隣接する領域を占有し、調整ＤＣ電力を、電解槽の適切なセクション内に含まれる電極へとリード７２５，７２６によって引くことができる。簡単のため、システムは、銅帯７２５，７２６を通じて低電圧および高電流を電解槽へと導く距離を最小にすることによって、配線による損失を低減させることが好ましい。電解槽に達した低電圧および高電流は、その位置で、電極２１１に直接印加される。リード７２５，７２６は、電極として、具体的には電解槽用のアノードおよびカソードとしてそれぞれ終端処理されるので、アノード７２５は、カソード７２６に水素が集まる間、真の接地を基準とし、その一方で、システムは、カソード７２６におけるガスおよび電位の両方を周囲の環境から絶縁する。水素の電気分解用に海水を使用する１つの手段は、脱塩のための逆浸透法において海水をフィルタ膜に通らせること、次いで、電解槽の効率を高めるために電解質として水酸化カリウムを加えることからなる。この好ましい手段では、フィルタ膜は、シリカ微粒子より小さい塩を含む海水を通過させるのに十分な粗さであり、アノード７２５は、アノード７２５に集まる塩素酸ナトリウムまたは漂白剤としても知られる次亜塩素酸ナトリウムすなわちＮａＯＣｌの量を最小にするために、二酸化マンガンをめっきされる。この好ましい電気分解法は、逆浸透法による脱塩を実施する際のエネルギ費用を節約するとともに、さもなければ環境汚染物となる副産物である塩素酸ナトリウムを処理する。
【００２６】
あるいは、出力調整手段７２４は、ＤＣ発電機７００の代わりにＡＣ誘導発電機によって生成されたＡＣ電圧をリード７０１，７０２から受け取り、そのＡＣ電圧をＤＣ電圧に全波整流し、次いで、ＤＣ発電に関して先の段落で説明されたように、負荷に対する最適な電力調整のためにその電圧および電流をフィルタリングしかつ更に調節することができる。
【００２７】
図８は、流れの方向および大きさを絶えず変化させる流動性作動流体から適応的にエネルギを抽出するための完成されたタービン一体型水中翼についてこれまでに説明されてきた全ての構成素子の全体的制御を示している。図８に示されたフローチャートは、ソフトウェアとして実行されるコンピュータプログラムと通常関連付けられているが、図示されたアルゴリズムは、線形もしくはアナログの回路、または離散デジタル回路、または統合中央演算処理装置、またはマイクロプロセッサなど、ハードウェアとソフトウェアとを任意に組み合わせて実装することが可能である。中央演算処理装置またはマイクロプロセッサは、機能性、誘導性、安定性、抗力、速度、または電池もしくは水素燃料タンクの満タン度を非限定的に含むシステムの任意の部分またはプロセスの状態を、測定し、評価し、かつ明確に定められた既存のワイヤレス規格を使用して中央のサービスロギングおよびエネルギ分配の地点へと遠隔通信する、便利な手段を有利に提供することができる。更に、ローカルな中央演算処理装置またはマイクロプロセッサは、船１００を最大の天候条件へと誘導する制御信号を、天候条件の追跡手段をともなう遠隔制御およびサービスの設備から受信することができる。このような遠隔制御手段は、船１００の無人操作を可能にすることができる。開始（８００）から、コントローラは、船の位置、速度、加速度、重量、およびレベル、作動流体の速度、電機子電圧、燃料タンクの満タン度、電解槽の温度、ならびにエネルギ効率などの変数を、連続的にサンプリングおよび格納する（８０１）。システム制御アルゴリズムは、サンプリングおよび格納のプロセス（８０１）以降の残りのフローチャートでは、同時進行する２つの進路を進む。ブロック８０１では具体的に述べられていないが、ブロック８０１の右上隅から出てそのまま戻るループ矢印によって示唆されるように、電機子電圧を含む各種の入力パラメータを表す信号を含む全てのサンプリ
ング変数も、同様に、連続的にかつ同時進行的にサンプリングされ格納されると考えることができる。好ましい実施形態において、作動流体の速度をサンプリングする周期は、機械的プロセスに対応しかつ同機械的プロセスを制御するために必要な時間分解能を有し、通常は、およそ１００回／秒の周波数で、すなわち約１０ミリ秒の周期でサンプリングし、このサンプリングクロック周波数の元となるローカルな非整数多周波数デジタルクロックの利便性ゆえに、小さい偏差が許容されると考えられる。このアルゴリズムは、次いで、５〜１０サンプルの間隔でサンプルの平均をとる。この平均は、ノイズ効果を低減させるため、単一のサンプルを表している。ブロック８０２における、タービンゲートの開放性など作動流体関連の調整を制御するプロセスは、１秒あたり１０〜２０回以下の頻度で生じる必要がある、あるいはより具体的に言うと、１秒あたり１０〜２０回以下の頻度で最も効率よく生じると妥当である。次いで、複数の作動流体の速度のベクトル和が計算され、船１００の相対速度ベクトルを最大にするように方向付けることによって最適なエネルギ抽出を得られるような船１００の軌道が決定される。船１００のこの最大の相対速度ベクトルは、次いで、もし装備されているならば中央の遠隔制御設備に転流され戻される。
【００２８】
実際的に考えられるどの実施形態でも、インペラに作用する必要なトルクおよび船１００にかかる抗力を流動性作動流体２０２の相対速度の範囲にわたって最小限に抑えつつ、発電機７００の電機子電圧を最適にするべく界磁コイル７２１の電流を調整する働きをする進路が常に存在する。したがって、図８のフローチャートでは、この進路は、サンプリングブロック８０１からプロセスブロック８０２へと進み、そこで、サンプリングされた発電機電機子電圧の瞬時振幅が、上限閾値と比較される。この上限閾値は、発電機７００の定格電圧の１００％を越えるが２倍未満の大きさに等しいと考えられる。この比較は、デジタルサンプリングおよびそれに続く数値比較を通じて、または図７において上述された制御フィードバックループなど平均界磁コイル７２１電流を制御するためのアナログ手段を通じて、様々なタイプの回路によって実施することができる。このため、ブロック８０２におけるこの比較の結果は、それに応じて平均界磁電流を増大させるかまたは減少させるかを決定する。前述されかつ図８にアルゴリズム的に示された手段を使用すると、このブロック８０２は、流動性作動流体から最適にエネルギを抽出するために適用されるフィードバック制御プロセスによって、サンプリング出力電圧の瞬時振幅を処理し、平均界磁コイル７２１励磁電流を決定するために存在している。もしデジタル方式で行う場合は、前述されたユニティゲインループ帯域幅の２倍を僅かに上回る数に適切に対応する１秒あたりのサンプル数が、ナイキスト基準あたりのサンプリング周期を決定する。このデジタルアルゴリズムは、先行するアナログ回路構成と同様に、使用可能フローの両極限間にわたってインペラ２０５の疲労のリスクを軽減しつつ、また、船１００の相対速度の範囲全体にわたって船１００にかかる抗力を最小限に抑えつつ、発電機が最大電圧を生成することを可能にする。
【００２９】
図８のフローチャートを通る前述の進路は、適切な手順を決定するために、センサのサンプリング出力電圧に対して数学的な操作を実施する。制御アルゴリズム全体を向上させるため、これらの数学的機能の出力は、全ての進路で共有することができる。前述の例では、これは、船１００の相対速度が所定の閾値を下回るまで減少したときに、パルス幅変調またはパルス周波数変調コントローラ７１７が、発電機の平均界磁コイル７２１励磁電流を決定するパルスをスキップし、界磁コイル７２１電流から失われるエネルギを最小限に抑えるとともに船１００にかかる抗力を低減させられることを指している。図８は、更に、船１００の相対速度の大きさが他の大部分のプロセスの制御にどのように供給されるかを、判断ブロック８０３によって示している。ブロック８０４は、船１００の速度の大きさが不十分である場合に対処している。船１００の抗力の減少は、速度を増大させるため、または船１００の極限の瞬間的不安定性を最小限に抑えるためであり、したがって、平均界磁コイル７２１を低減させ、インペラ２０５にかかるトルクを減少させるとともに
、温度に応じて、タービンゲート２０４および電解槽へのゲートを閉じる。ブロック８０４は、また、船１００の安定性に応じて船１００の抗力を低減させることによって速度を増大させる他の２つの手段を提案しており、これは、バラスト１０６の持ち上げとともに船１００の重心からの水中翼の距離を短くすることを含む。ブロック８０４は、また、船１００の速度がより低い場合の動的揚力を高めるために、水中翼１０１のピッチを調整することを提案している。ブロック８０５は、船１００が十分な速度に達し、水中翼１０１が最大の動的揚力を提供可能になった際における、抽出可能エネルギの最適化に対処している。この働きは、タービンゲート２０４を開くこと、および平均界磁コイル７２１励磁電流を増大させることを含み、その結果、発電機７００からの電機子電圧が増大する。このブロック８０５へのもう１つの入力パラメータは、船１００の安定性を含み、これは、加速度計、ジャイロスコープ、カメラベースのパターン認識手段、または現在入手可能なその他の任意の慣性変位検出手段を用いて多くのサンプルについて計算されたレベルの標準偏差からなる。ブロック８０５では、船１００の安定性および速度が、船１００の重心からの水中翼１０１の距離の制御への入力パラメータを形成し、バラストの抗力自体の制御は、燃料タンク１０６の満タン度を第３の入力変数として有する。判断ブロック８０６は、船１００の軌道に影響を及ぼすハイレベルな判断を、タンク１０６の満タン度に基づいて下す。ブロック８０７に示されるように、もしタンクの満タン度が所定の閾値を下回るならば、船１００は、ブロック８０１において計算される最大の天候条件または最大の相対速度ベクトルを目指して現行の進路にとどまる。もしタンクの満タン度が所定の閾値を上回るならば、船１００は、そのペイロードをドックに入れるため、中央の分配目的地に戻る軌道を描くことが望ましく、その間ずっと、上述された安定性の計算にしたがってバラスト１０６のドラフトを調整する。明瞭を期するため、図８のフローチャートでは明確に示されていないが、判断ブロックにおけるこれらの関数出力変数の追加使用を含むように、あるいはより具体的には電池の充電、電気分解の実施、エネルギ効率の最大化、または船１００の速度、抗力、安定性、もしくは誘導性を制御する電子的手段、またはロギング通信を非限定的に含むこれらのおよび明記されていないその他の制御タスクをやはり同時進行的に実施するための単一の中央処理装置の使用を含むように、アルゴリズムに加えられるいかなる変更も、本発明の範囲からの実質的逸脱を構成しないことが推察される。
【００３０】
以上の詳細な説明から、各種の実現形態が、本発明の範囲から逸脱することなく本発明の概念を使用できることは、明らかである。更に、本発明は、特に特定の実施形態に関連して説明されてきたが、当業者ならば、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく形態および詳細に対し大幅な変更が可能であることがわかる。説明された実施形態は、あらゆる点において例示的であり限定的ではないと見なされる。また、本発明は、本明細書において説明された具体的な実施形態に限定されず、本発明の範囲から逸脱することなく多くの再構成、変更、省略、および置き換えを可能であることも理解されるべきである。
【００３１】
こうして、流れの方向および大きさを絶えず変化させる流動性作動流体から適応的にエネルギを抽出するためのタービン一体型水中翼が説明された。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の好ましい一実施形態にしたがった代表的な装置を実装した船の概略斜視図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態にしたがったタービン一体型水中翼の詳細斜視図である。
【図３】本発明の好ましい一実施形態にしたがった、図２のタービン一体型水中翼用の取り付け梁と平行するジンバル取り付け手段の底面図である。
【図４】本発明の一実施形態にしたがった、タービン用または電解槽用のゲートのとる２つの位置を示した斜視断面図である。
【図５】本発明の好ましい一実施形態にしたがった、タービン内のランナブレード付きインペラをロータの軸に沿って示した斜視図である。
【図６】本発明の代替の一実施形態にしたがった、船体および船の取り付けの外形を上から示した俯瞰図である。
【図７】本発明の好ましい一実施形態にしたがった、スイッチモード励磁制御を実装するＤＣ発電機であって、流体カプラの出力シャフトに直接結合されたＤＣ発電機の概略図である。
【図８】本発明の好ましい一実施形態にしたがった、完成システムの制御のためのフローチャートである。
【図１】
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【図２】
2009506262.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年7月28日(2008.7.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動流体に応答して電気を生成する発電機を含む帆船であって、
浮揚性を提供するように構成された船体と、
前記船体に結合されたマストと、
前記マストに結合されるように構成され、前記船体を所望の方向に移動させるために風力を生かすように構成された、１つまたは複数の帆と、
前記船体に結合され、前記船体にかかる抗力を低減させるように構成された水中翼であって、動流体からエネルギを抽出するためのタービンを含む、水中翼と、
を備える帆船。
【請求項２】
請求項１に記載の帆船であって、
前記タービンは、クロスフロータービンである、帆船。
【請求項３】
請求項１に記載の帆船であって、更に、
前記タービンによって生成された電気を蓄えるように構成された電池を備える帆船。
【請求項４】
請求項１に記載の帆船であって、
前記タービンは、ＤＣ発電機を含む、帆船。
【請求項５】
請求項４に記載の帆船であって、
前記ＤＣ発電機の平均界磁コイル励磁電流は、スイッチモード電流制御を使用して制御される、帆船。
【請求項６】
請求項１に記載の帆船であって、
前記水中翼は、ジンバルを使用して前記船体に結合される、帆船。
【請求項７】
請求項１に記載の帆船であって、
前記マストは、電気エネルギを生かすように構成された避雷針を含む、帆船。
【請求項８】
船にかかる抗力を低減させるとともに電気を生成するように構成された抗力低減装置であって、
船に結合されるように構成された水中翼であって、前記水中翼は、発電機に可動作式に
結合されたタービンを含み、前記発電機は、前記水中翼を通過して流れる動流体に応答して電気を生成するように構成される、水中翼を備える抗力低減装置。
【請求項９】
請求項８に記載の水中翼であって、更に、
水の電気分解を通じてガスを生成するように構成された電極を備える水中翼。
【請求項１０】
請求項９に記載の水中翼であって、
前記ガスは、前記水中翼の浮遊性を高めるために、前記水中翼のチャンバ内に隔離される、水中翼。
【請求項１１】
請求項８に記載の水中翼であって、
前記ガスは、水素ガスである、水中翼。
【請求項１２】
請求項８に記載の水中翼であって、更に、
前記タービンに接触する流体の量を制御するためのゲートであって、開位置と閉位置との間で漸増的に調整されるように構成された、ゲートを備える水中翼。
【請求項１３】
請求項１２に記載の装置であって、
前記抗力の量は、前記ゲートを開位置と閉位置との間で漸増的に調整することによって調整される、装置。
【請求項１４】
請求項８に記載の水中翼であって、更に、
前記動流体の方向の変化に応答するように構成された外部フィンを備える水中翼。
【請求項１５】
船において、前記船を水中翼に結合するように構成されたジンバルであって、
前記ジンバルの１本または複数の軸に結合され、前記動流体の方向の変化に応答してエネルギを抽出するように構成された、発電機を備える、ジンバル。
【請求項１６】
請求項１５に記載のジンバルであって、更に、
前記ジンバルの１本または複数の軸に結合され、前記船の誘導性および安定性を制御するように構成された、モータおよびロックメカニズムを備えるジンバル。
【請求項１７】
請求項１６に記載のジンバルであって、
前記モータおよびロックメカニズムは、更に、前記水中翼のピッチを制御するように構成される、ジンバル。
【請求項１８】
請求項１５に記載のジンバルであって、
前記ジンバルの取り付け構造は、安定性を制御するために、前記船の重心からの前記ジンバルの距離を調整するための、システムを含む、ジンバル。
【請求項１９】
請求項１８に記載のジンバルであって、
前記船の重心からの前記ジンバルの距離を調整するための前記システムは、更に、前記ジンバルに作用する圧縮力および張力からエネルギを抽出するように構成されたシステムを含む、ジンバル。
【請求項２０】
請求項１９に記載のジンバルであって、
エネルギを抽出するように構成された前記システムは、ピストン駆動式のタービンを含む、ジンバル。
【請求項２１】
帆船であって、
船体と、
梁によって前記船体に結合され、前記船体に対して揚力を提供するように構成された水中翼を形成するハウジングであって、少なくとも第１および第２の開口を含み、前記第１および第２の開口は、前記第１の開口から流体が流れ込み、前記第２の開口から流体が流れ出すことを可能にするように構成される、ハウジングと、
タービンと、
前記タービンに結合された発電機と、
を備え、前記タービンおよび前記発電機は、電力を生成するために前記流体に対する応答性を有する、帆船。
【請求項２２】
請求項２１に記載の帆船であって、
前記タービンは、クロスフロータービンである、帆船。
【請求項２３】
請求項２１に記載の帆船であって、更に、
電池を充電するように構成されたリードを備える帆船。
【請求項２４】
請求項２１に記載の帆船であって、
前記ハウジングは、更に、前記流体を電気分解するための電解槽を含む、帆船。
【請求項２５】
請求項２４に記載の帆船であって、
前記ハウジングは、更に、前記電解槽によって生成された水素を蓄えるように構成された貯蔵領域を含む、帆船。
【請求項２６】
請求項２４に記載の帆船であって、
前記電解槽は、二酸化マンガンよりなるアノードを含む、帆船。
【請求項２７】
請求項２１に記載の帆船であって、
前記ハウジングは、更に、少なくとも前記第１の開口の大きさを調整するためのゲートを含む、帆船。
【請求項２８】
請求項２１に記載の帆船であって、更に、
前記発電機と通信するフィードバックシステムであって、一定の電圧を生成するために平均界磁巻線電流を制御するように構成された、フィードバックシステムを備える帆船。
【請求項２９】
請求項２１に記載の帆船であって、更に、
前記ハウジングを前記梁に結合するジンバルを備える帆船。
【請求項３０】
請求項２９に記載の帆船であって、
前記梁は、可調整式に拡張可能である、帆船。
【請求項３１】
請求項３０に記載の帆船であって、
前記可調整式に拡張可能な梁は、前記可調整式に拡張可能な梁に作用する圧縮力および張力からエネルギを抽出する手段を含む、帆船。
【請求項３２】
請求項２１に記載の帆船であって、更に、
雷からのエネルギを蓄えるように構成された避雷針を含むマストを備える帆船。
【請求項３３】
帆船であって、
船体と、
梁によって前記船体に結合され、水中翼を形成する、少なくとも２つのハウジングと、
少なくとも第１および第２の開口を含む、前記ハウジングの少なくとも１つであって、前記第１および第２の開口は、前記第１の開口から流体が流れ込み、前記第２の開口から流体が流れ出すことを可能にするように構成される、ハウジングと、
タービンと、
前記タービンに結合された発電機と、
を備え、前記タービンおよび前記発電機は、電力を生成するために前記流体に対する応答性を有する、帆船。
【請求項３４】
請求項３３に記載の帆船であって、
前記ハウジングの少なくとも１つは、前記船体の右舷側に結合され、前記ハウジングの少なくとも１つは、前記船体の左舷側に結合される、帆船。
【請求項３５】
請求項３３に記載の帆船であって、
前記ハウジングは、動作中に前記船体に対して揚力を提供する、帆船。
【国際調査報告】
2009506262.tif 000011
2009506262.tif 000012
2009506262.tif 000013