(57)【要約】      （修正有）【課題】発電効率の良い海流発電装置を提供する。【解決手段】発電ユニットはタービンと、内ダクトと、外ダクトを含む。タービンはシャフトボックスを有する。タービン１１０は内ダクト１２０の内部に位置する。内ダクト１２０の流入側の外径は、内ダクト１２０の流出側の外径よりも小さい。内ダクト１２０の流出側は外ダクト１３０の内部に位置する。外ダクト１３０の流入側の外径は、外ダクト１３０の流出側の外径よりも小さい。【選択図】図３
2015102090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置であって、少なくとも１つの発電ユニットを備え、
前記発電ユニットが、
シャフトボックスを有するタービンと、
前記タービンが内部に位置する、流入側の外径が流出側の外径よりも小さい内ダクトと、
前記内ダクトの流出側が内部に位置する、流入側の外径が流出側の外径よりも小さい外ダクトと
を含む境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置。
【請求項２】
前記外ダクトが、中空構造であるか、単板構造であるか、または内部を発泡材料で充填されている、請求項１に記載の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置。
【請求項３】
前記内ダクトの流入側が、前記外ダクトの内部または前記外ダクトの外部に位置するか、または前記外ダクトの流入側と位置が同一になるように設けられている、請求項１または２に記載の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置。
【請求項４】
前記内ダクトの流出側と前記外ダクトとの間の距離が、前記内ダクトの流入側と外ダクトとの間の距離よりも短い、請求項１から３の何れか１項に記載の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置。
【請求項５】
前記シャフトボックスと前記内ダクトとに接続する支柱、
前記内ダクトと前記外ダクトとに接続する支柱、
前記シャフトボックスと前記外ダクトとに接続する支柱、
これら複数の支柱をさらに含む、請求項１から４の何れか１項に記載の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置。
【請求項６】
少なくとも１つの前記発電ユニットの数が２つであり、前記発電ユニットの前記外ダクトと接続する接続部をさらに含む、請求項１から５の何れか１項に記載の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置。
【請求項７】
前記発電ユニットを連結するプラットフォームをさらに含む、請求項６に記載の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置。
【請求項８】
前記プラットフォームが、尾翼部と、側方翼部と、中央機体とを含み、
前記中央機体の後端が前記尾翼部に接続され、
前記側方翼部が前記中央機体の中間部分に位置し前記発電ユニットに接続されている、
請求項７に記載の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置。
【請求項９】
前記中央機体が中空構造であるか、または内部を発泡材料で充填されている、請求項８に記載の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置。
【請求項１０】
前記シャフトボックスに接続されたハブ部と、
前記ハブ部に接続された複数のブレードと
をさらに含む、請求項１から９の何れか１項に記載の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置。
【請求項１１】
前記シャフトボックス内部に配置された、発電機と、メカニカルシールと、ギヤボックスとをさらに含み、
前記タービンが前記メカニカルシールと前記ギヤボックスを介して前記発電機に接続される、
請求項１０に記載の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置。
【請求項１２】
前記内ダクトが、中空構造であるか、単板構造であるか、または内部を発泡材料で充填されている、請求項１から１１の何れか１項に記載の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海流発電装置に関するものであり、特に、二重ダクト(dual-duct)を用いた海流発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油、石炭といったエネルギーは再生不可能であるため、再生可能な自然のエネルギーを人々の生活や、科学と技術の発展の双方に利用する傾向にある。特に、海流は広い分布範囲と高いエネルギーを提供し、従って海流はエネルギー利用の点で大変有益である。
【０００３】
従来の海流発電装置においては、流体がタービンを通過し、この流れが発電のため発電機を回転させる。しかし、このような海流発電装置は、効果的な発電のためにはやはり充分な流速および流量を必要とする。さらに、海流発電装置の発電効率は、タービンの流入速度（inflow velocity）の３乗に比例する。言い換えると、タービンへの流入速度が高いとき、海流発電装置の発電効率も高められる。従って、タービンの流入速度を如何に増加させるかが海流発電装置の効率を決定する重要な指標となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、より好ましい発電効率を提供する、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置は、少なくとも1つの発電ユニットを含む。発電ユニットは、タービンと、内ダクトと、外ダクトとを含む。タービンはシャフトボックスを含み、内ダクトの内部に位置する。内ダクトの流入側外径は、内ダクトの流出側外径よりも小さい。内ダクトの流出側は外ダクトの内部に位置する。外ダクトの流入側外径は、外ダクトの流出側外径よりも小さい。
【０００６】
本発明の１つの実施形態において、外ダクトは中空構造か、単板構造か、または内部に発泡材料が充填される。
【０００７】
本発明の１つの実施形態において、内ダクトの流入側は、外ダクトの内部に位置する。
【０００８】
本発明の１つの実施形態において、内ダクトの流入側は、外ダクトの外部に位置する。
【０００９】
本発明の１つの実施形態において、内ダクトの流入側は、外ダクトの外流入側と位置が同一になるように延伸されている。
【００１０】
本発明の１つの実施形態において、内ダクトの流出側と外ダクトとの間の距離は、内ダクトの流入側と外ダクトとの間の距離よりも短い。
【００１１】
本発明の１つの実施形態において、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置は、シャフトボックスと内ダクトとに接続する複数の支柱を含む。
【００１２】
本発明の１つの実施形態において、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置は、内ダクトと外ダクトとに接続する複数の支柱をさらに含む。
【００１３】
本発明の１つの実施形態において、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置は、シャフトボックスと外ダクトとに接続する複数の支柱をさらに含む。
【００１４】
本発明の１つの実施形態において、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置は、接続部をさらに含む。少なくとも１つの発電ユニットの数量は２つである。接続部は外ダクトと発電ユニットとに接続する。
【００１５】
本発明の１つの実施形態において、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置は、プラットフォーム（platform）をさらに含む。プラットフォームは発電ユニットに接続する。
【００１６】
本発明の１つの実施形態において、プラットフォームは、尾翼部と、側方翼部と、中央機体とを含む。中央機体の後端は尾翼部に接続し、側方翼部は中央機体の中間部分に位置し、発電ユニットに接続する。
【００１７】
本発明の１つの実施形態において、中央機体は中空構造か、または内部に発泡材料が充填される。
【００１８】
本発明の１つの実施形態において、タービンはハブ部と、複数のブレードと、外輪をさらに含む。ハブ部はシャフトボックスに接続される。ブレードはハブ部と外輪とに接続される。
【００１９】
本発明の１つの実施形態において、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置は、コイル部と複数の磁石をさらに含む。コイル部は内ダクトに配置される。磁石は外輪に配置される。外輪はコイル部の内部に位置し、コイル部からの所定の間隙を保つ。
【発明の効果】
【００２０】
上述に基づき、本発明にて提供される境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置において、外ダクトは内ダクトの周囲に配置される。境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置が海流中に配置されたとき、外ダクトの存在は流体が内ダクトと外ダクトとの間の間隙を通過し難くし、ほとんどの流体が内ダクトの内部へと導かれタービンを通過するよう強いられ、これによりタービンの流入速度を増加させる。その結果、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の発電効率が効果的に向上できる。
【００２１】
本開示の上述の特徴と利点をより理解し易くするため、図面を伴ういくつかの実施形態を以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】海流水槽テスト区域に配置された従来のディフューザ拡張タービンの概要図である。
【図２Ａ】海流水槽テスト区域に配置された図１のディフューザ拡張タービンの流れ場ベクトル図である。
【図２Ｂ】外洋に配置された図１のディフューザ拡張タービンの流れ場ベクトル図である。
【図３】本発明の１つの実施形態による、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の概要図である。
【図４】図３の内ダクトと外ダクトの断面図である。
【図５】図３の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の別の視点から見た概要図である。
【図６】本発明の別の実施形態による、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の概要図である。
【図７】図６の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の発電ユニットのうちの１つの流れ場ベクトル図である。
【図８】本発明の別の実施形態による、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の概要図である。
【図９】境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の別の視点から見た概要図である。
【図１０】本発明の別の実施形態による、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の概要図である。
【図１１Ａ】図１０の内ダクトと外ダクトの断面図である。
【図１１Ｂ】本発明のまた別の実施形態による、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の断面図である。
【図１２】図１１Ａの海流発電装置の流れ場ベクトル図である。
【図１３】本発明のまた別の実施形態による、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の概要図である。
【図１４】本発明のまた別の実施形態による、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
いわゆるディフューザ拡張風力タービン（Diffuser Augmented Wind Turbine, ＤＡＷＴ）は、風力発電の早期世代にて提供されており、発電効率を高めるために用いられることができる。海流水槽テスト区域にて用いる前記ディフューザ拡張風力タービンの設計思想は、図１に符号を伴い示される。図１は、海流水槽テスト区域に置かれた従来のディフューザ拡張タービンの概要図である。図１について、図１のディフューザ拡張タービン５０は、タービン５２とダクト５４とを含む。前記ディフューザ拡張タービンを海流水槽テスト区域に配置し、海流水槽テスト区域を人為境界Ｂとする。外洋に置かれたディフューザ拡張タービンと比較し、同一の流入および動作状態において、海流水槽テスト区域に置かれたディフューザ拡張タービン５０により生み出されたトルクは、外洋に置かれたディフューザ拡張タービンより生み出されたものよりも大きいことが判明した。さらに、これらの差異を比較するため、以下の流れ場のシミュレーション計算を実施した。
【００２４】
図２Ａは、海流水槽テスト区域に置かれた図１のディフューザ拡張タービンの流れ場ベクトル図である。図２Ｂは、外洋に置かれた図１のディフューザ拡張タービンの流れ場ベクトル図である。図２Ａと図２Ｂについて、図２Ａと図２Ｂにおける矢印方向は流れ場の方向を示し、矢印の長さは流速の規模を示している。外洋に置かれたディフューザ拡張タービンと比較し、海流水槽テスト区域に置かれたダクト５４の外径と海流水槽テスト区域により構成される境界との間隙は減少されている。両者の流れ場の計算結果を比較すると、図２Ａに示される海流水槽テスト区域を境界として有するものは、ダクト５４の外径と海流水槽テスト区域により構成される境界との間隙が減少されるため、流体は容易に通過することができず、そのためほとんどの流体はダクト５４の内部へ向かい移動するよう強いられることを見出すことができる。従って、タービン５２の流速は大幅に増加し、トルクと発電効率が向上する。本発明者は、下記の実施形態を提案し、前述の分析結果を外洋（open ocean）（境界を有さない）におけるディフューザ拡張タービン（diffuser augmented turbine）に適用して、トルクと発電効率を向上させる。
【００２５】
図３は本発明の１つの実施形態による、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の概要図である。図３について、本発明の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置１００は、発電ユニットＡ１を含む。発電ユニットＡ１は、タービン１１０と、内ダクト１２０と、外ダクト１３０とを含む。タービン１１０はシャフトボックス１１２を含む。タービン１１０は内ダクト１２０の内部に位置する。内ダクト１２０は外ダクト１３０の内部に位置する。
【００２６】
図４は、図３の内ダクトと外ダクトの断面図である。図４について、注意すべきこととして、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置１００が海流中に配置されたとき、流体は流入側Ｆ１とＦ３から外ダクト１３０と内ダクト１２０へと進入し、その流体は流出側Ｆ２とＦ４から外ダクト１３０と内ダクト１２０を離れる。従って、本実施形態の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置１００において、海流中における境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置１００の流入方向が制限なく変化することがないよう確実にするため、流体は流入側Ｆ１とＦ３から外ダクト１３０と内ダクト１２０へと一方向に進入するのみである。本実施形態において、内ダクト１２０の流入側Ｆ３の外径Ｄ３は、内ダクト１２０の流出側Ｆ４の外径Ｄ４よりも小さく、外ダクト１３０の流入側Ｆ１の外径Ｄ１は、外ダクト１３０の流出側Ｆ２の外径Ｄ２よりも小さい。言い換えると、本実施形態の内ダクト１２０と外ダクト１３０は、どちらも拡散型ダクトを採用している。加えて、内ダクト１２０の流出側Ｆ４は外ダクト１３０の内部に位置しており、従って、外ダクト１３０の尾部は、機能性の観点から内ダクト１２０の拡散尾部と接続してもよい。その結果、外ダクト１３０は内ダクト１２０の拡散効果を高めることができる。加えて、内ダクト１２０と外ダクト１３０との間には間隙が存在し、具体的に述べると、内ダクト１２０の流出側Ｆ４と外ダクト１３０との間の距離Ｄ６は、内ダクト１２０の流入側Ｆ３と外ダクト１３０との距離Ｄ５よりも短い。内ダクト１２０の流出側Ｆ４と外ダクト１３０との間の距離Ｄ６が内ダクト１２０の流入側Ｆ３と外ダクト１３０との距離Ｄ５よりも短いため、流体は流出側を通過する際に例外なく加速されることから、内ダクト１２０尾部の境界層の運動エネルギーが増加する。従って、内ダクト１２０の尾部において、過度に大きな拡散により生ずる分離の発生を避けることができ、つまり、外ダクト１３０も同時に境界層制御に用いることができる。注意すべきこととして、外ダクトと内ダクトは、実用的応用における要件に基づき、異なる形状と厚みを有してもよい。
【００２７】
本発明の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置１００において、外ダクト１３０は内ダクト１２０の周囲に配置されている。内ダクトを有さない発電ユニットと比較し、そのような外ダクト１３０は内ダクト１２０の境界として用いることができることから、内ダクト１２０の尾部の外径Ｄ４と境界との距離は制限されうる。境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置１００が海流中に配置されたとき、外ダクト１３０の存在は流体が外ダクト１３０と内ダクト１２０との間隙を通過し難くし、ほとんどの流体が内ダクト１２０内へと導かれタービン１１０を通過することを強いられることにより、タービン１１０の流入速度が増加する。その結果、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置１００の発電効率を効果的に高めることができる。
【００２８】
本実施形態において、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置１００は、コイル部１６０と複数の磁石１７０とをさらに含む。コイル部１６０は固定子に属し、磁石１７０は回転子に属する。コイル部１６０は内ダクト１２０に配置され、コイル部１６０のコイル数は実際の製品により調整されうる。タービン１１０は、ハブ部１１４と、複数のブレード１１６と、外輪１１８とをさらに含む。ハブ部１１４はシャフトボックス１１２に接続される。ブレード１１６はハブ部１１４と外輪１１８との間に接続され、ブレード１１６の一端はハブ部に接続され、ブレード１１６の他端は外輪１１８により囲まれる。磁石１７０は外輪１１８に配置され、外輪１１８はコイル部１６０内部に位置し、コイル部１６０から所定の間隙を保つ。境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置１００は、例えば、海流中に配置され、流体がタービン１１０のブレード１１６を通過することにより、タービン１１０のハブ部１１４をシャフトボックス１１２内のシャフトに伴い回転するよう駆動させ、これにより流体の運動エネルギー（kinetic energy）が機械的エネルギーに変換される。タービン１１０の回転は、外輪１１８の磁石１７０と内ダクト１２０上のコイル部１６０とに対し、コイル部１６０に誘導電流を発生させるため磁力線を切る相互動作を発生させることで、機械的エネルギーを所望の電気エネルギーに変換する。
【００２９】
より具体的に述べると、ハブ部１１４がシャフトボックス１１２内のシャフトに対し回転するとき、外輪１１８はブレード１１６に対し回転し、外輪１１８に配置された磁石１７０とコイル部１６０との間に相互動作が提供されることで、コイル部１６０は磁界の変動により誘導され、誘導電流を発生する。加えて、誘導電流の強度はコイル部１６０の磁界の変動率に比例する。従って、タービン１１０のハブ部１１４がシャフトボックス１１２内のシャフトに対し高速で回転するとき、磁石１７０を回転させる旋回速度も増加し、コイル部１６０により生み出される電流も大きくなる。注意すべきこととして、磁石とコイル部の位置は本発明において特に限定されない。その他の実施形態において、流体の運動エネルギーは、磁石とコイル部をシャフトボックスの内部に配置することによっても、機械的エネルギーに変換されることができ、電磁誘導原理を利用することにより、機械的エネルギーはその後所望の電気エネルギーに変換されることができる。
【００３０】
加えて、本実施形態の内ダクト１２０は、一例として、完全に外ダクト１３０内部に位置するよう示されている。そのとき、内ダクト１２０の流入側Ｆ３は外ダクト１３０の内部に位置する。一方、本発明のその他の実施形態において、内ダクトの流入側は外ダクトの流入側と位置が同一になるように延伸される、または外ダクトの外側へ突出することもできる。しかし、内ダクトの流出側はやはり外ダクトの内部に位置し、これにより外ダクト１３０は内ダクト１２０の拡散効果を高めることができる。その結果、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の発電効率を効果的に高めることができる。
【００３１】
本実施形態において、外ダクト１３０は中空構造か、または内部に発泡材料が充填され、海流発電装置１００に必要とされる浮力を提供するため、外ダクト１３０の総合密度は海水のものよりも小さい。つまり、海流発電装置１００は、漂流を避けるため綱と錨を用いて海に固定される。同時に、海流発電装置１００は、外ダクト１３０により提供される浮力を介して海中に浮くことができる。つまり、外ダクト１３０により海流発電装置１００に提供される浮力は、海流発電装置１００の重量よりも大きいことから、海流発電装置１００は海中に浮くことができる。上記から、本実施形態の外ダクト１３０は、海流発電装置１００の発電効率を高めるためタービン１１０の流入速度を増加させる以外に、海流発電装置１００を海中に浮かべるのに充分な浮力を提供することもできる。その他の実用的応用（例えば浅海域における使用）において、海流発電装置１００は漂流を避けるため海底に直接固定することもできる。加えて、外ダクト１３０が内部を発泡材料またはその他の物質で充填される場合、外ダクト１３０の耐水圧機能も向上される。
【００３２】
図５は、図３の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の別の視点から見た概要図である。図４と図５について、本実施形態の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置１００のタービン１１０、内ダクト１２０、外ダクト１３０の固定方法は特に限定されない。
【００３３】
例として、本実施形態の海流発電装置１００は、複数の支柱１４０と複数の支柱１５０とをさらに含む。支柱１４０は、例えば、シャフトボックス１１２と内ダクト１２０とに接続し、内ダクト１２０に対するシャフトボックス１１２の相対位置を固定する。支柱１５０は、例えば、内ダクト１２０と外ダクト１３０とに接続し、外ダクト１３０に対する内ダクト１２０の相対位置を固定する。
【００３４】
図６は本発明の別の実施形態による、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の概要図である。図６について、注意すべきこととして、図６の海流発電装置２００と図３の海流発電装置１００との間の差異は、発電ユニットＡ２の数が２つであることである。例えば、発電ユニットＡ２のうちの１つのタービン１１０は時計回りに回転することができ、そのとき発電ユニットＡ２のうちの他方のタービン１１０は反時計回りに回転することができ、海中にて海流発電装置２００のトルクを容易につり合せることができる。加えて、図６に示されるタービン１１０、内ダクト１２０、外ダクト１３０の形状は、図３に図示されるタービン１１０、内ダクト１２０、外ダクト１３０の形状と類似しており、ここでタービン１１０、内ダクト１２０、外ダクト１３０の固定方法は特に限定されない。当然ながら、図６に図示されるタービン１１０、内ダクト１２０、外ダクト１３０の固定方法については、図３に図示されるタービン１１０、内ダクト１２０、外ダクト１３０の固定方法を参照できる。
【００３５】
本実施形態において、海流発電装置２００は接続部２５０をさらに含む。接続部２５０は発電ユニットＡ２の外ダクト１３０に接続する。つまり、発電ユニットＡ２は接続部２５０を用いて互いに結合され、海流発電装置２００を構成する。接続部２５０の形状は一般的な翼に類似し、接続部２５０により提供されるこの翼は、装置に必要とされる浮力を満たす大きな昇力を海流において発生させることができる。しかし、本発明はこれに限定されない。その他の実施形態において、発電ユニットの数は実用的応用と設計要件に基づき増加させることができ、発電ユニットは接続部またはその他の方法により結合されることができる。
【００３６】
図７は、図６の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の１つの発電ユニットの流れ場ベクトル図である。注意すべきこととして、図７は発電ユニットＡ２のうちの１つを例として用い示される。そのうち、図７の矢印方向は流れ場の方向を示し、矢印の長さは流速の規模を示している。先ず図２Ｂを参照すると、従来のダクト５４の尾部の放水口は比較的大きく、流体にタービン１１０を通過させ外部へと流出させることができる。これがタービン５２を通過する流体の速度を効率的に増加させるとはいえ、ダクト５４の尾部は過大な拡散によりダクト５４の内部表面において境界層剥離を引き起こす可能性があり、これは拡散効果とダクト５４の導流能力を低下させる。
【００３７】
図７を参照すると、外ダクト１３０が配置された場合、内ダクト１２０と外ダクト１３０との間に間隙が存在することから、該間隙を通過する流体の速度は境界層制御効果を生成するため加速され、内ダクト１２０の尾部の内部表面における境界層に流体の運動量不足による境界層剥離が発生することを防ぐ。言い換えると、外ダクト１３０は内ダクト１２０の拡散効果を向上させ、従って、タービン１１０を通過する流体の速度を増加させるため、より多くの流体がタービン１１０へと導かれ、発電ユニットＡ２の発電効率を効果的に向上させることができる。
【００３８】
図８は本発明の別の実施形態による、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の概要図である。図９は、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の別の視点から見た概要図である。図８と図９について、注意すべきこととして、図８の海流発電装置３００と図７の海流発電装置２００との間の差異は、海流発電装置３００がプラットフォーム３６０をさらに含むことにある。プラットフォーム３６０は発電ユニットＡ２に接続する。
【００３９】
本実施形態において、プラットフォーム３６０は尾翼部３６２と、側方翼部３６４と、中央機体３６６とを含む。中央機体３６６の前端は、発電ユニットＡ２の外ダクト１３０の間に位置するか、または必要とされる浮力に基づき突出し、中央機体３６６の後端は尾翼部３６２に接続する。側方翼部３６４は中央機体３６６の中間部分に位置し、発電ユニットＡ２に接続する。前述の構成において、側方翼部３６４は発電ユニットＡ２とそれぞれ結合され、発電ユニットＡ２は尾翼部３６２により常に流体の流れ方向へ向くよう維持される。
【００４０】
加えて、中央機体３６６は、例えば、中空構造か、または内部に発泡材料が充填され、海流発電装置３００に必要とされる浮力を提供するため、中央機体３６６の総合密度は海水のものよりも小さい。当然ながら、外ダクト１３０も、浮力を提供するため中空構造を選択的に採用することができる。さらに、海流発電装置の長手方向における浮力配分は、中空構造の中央機体の異なる形状の設計により提供されることもでき、長手方向において海流発電装置に前端と後端の両方で適切な姿勢を達成する。
【００４１】
図１０は本発明のまた別の実施形態による、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の概要図である。図１１Ａは、図１０の内ダクトと外ダクトの断面図である。図１０と図１１Ａに関して、本実施形態の海流発電装置４００は図３に図示された海流発電装置に類似する。これら２つの間の主要な差異は、流れ場方向上の内ダクト４２０の全長が流れ場方向上の外ダクト４３０の全長よりもかなり短いことと、内ダクト４２０の流出側Ｆ５が外ダクト４３０の中間部分に近い場所に位置することと、内ダクト４２０の流入側Ｆ６が外ダクト４３０の流出側Ｆ７の外部へ突出していることである。図示されない１つの実施形態において、内ダクトの流入側は外ダクトの流入側と位置が同一になるように設けられることもできる。図１１Ｂは本発明のまた別の実施形態による、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の断面図である。図１１Ｂについて、本実施形態の海流発電装置４０２は図１１Ａに図示された海流発電装置に類似し、図１１Ａに図示された外ダクト４３０が単板構造の外ダクト４３２に置き換えられているのみである。境界層制御効果は主に外ダクト４３２の内部壁から提供され、従って外ダクト４３０から図１１Ａの外ダクト４３２への置き換えは境界層制御効果に影響しない。加えて、補強リブが単板構造の外ダクト４３２の内部表面または外部表面に配置されることができる。補強リブは、例えば、流れ場方向に沿って延びる、Ｉ字形の断面を有する棒鋼である。
【００４２】
図１２は、図１１Ａの海流発電装置４００の流れ場ベクトル図である。図１２を見ると、本実施形態の海流発電装置４００の発電効率も非常に高い。加えて、本実施形態の海流発電装置４００も、外ダクト４３０に対するシャフトボックス４１２の相対位置を固定するため、シャフトボックス４１２と外ダクト４３０とに接続する支柱４５０を含む。
【００４３】
図１３は本発明の別の実施形態による、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の概要図である。図１３の海流発電装置５００は図８の海流発電装置３００に類似する。これら２つの差異は、図１３の海流発電装置５００が図１１Ａの海流発電装置を適用し、より翼に近い形状を有する接続部５５０を採用していることにある。接続部５５０の尾部はフラップ翼５２２を含むよう設計され、フラップ翼５２２の角度を調整することにより昇力を増加または減少できることにより、海流発電装置５００が異なる水深に浮かぶよう制御する効果を達成する。さらに、中央機体３６６と発電ユニットＡ２との間に接続された翼５６０が存在する。
【００４４】
図１４は本発明のまた別の実施形態による、境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置の断面図である。図１４について、本実施形態の海流発電装置７００は図１１Ｂに図示された海流発電装置に類似するが、図１１Ｂに図示された内ダクト４２０が単板構造の内ダクト７２０に置き換えられている。単板構造の内ダクト７２０は図１１Ｂに図示された内ダクト４２０よりも安価である。加えて、図４に図示されたタービン１１０はタービン７１０に置き換えられている。タービン７１０は、シャフトボックス７１２と、ハブ部７１４と、複数のブレード７１６とを含み、ブレードに接続する外輪は削除されている。タービン７１０は、メカニカルシール７５０とギヤボックス７７０とを介して発電機７６０と結合される。発電機７６０とギヤボックス７７０の両方がシャフトボックス７１２の内部に配置される。タービン７１０と、発電機７６０と、ギヤボックス７７０の取り付けは単純で、安価で、信頼性が高い。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
まとめると、本発明の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置は内ダクトと外ダクトを含み、外ダクトは内ダクトの境界としての役割を務める。海流発電装置が海流中に置かれたとき、内ダクトと、外ダクトにより構成された境界との間の間隙は制限されるため、流体は内ダクトと、外ダクトにより構成された境界との間の間隙を通過し難く、ほとんどの流体が内ダクトに導かれタービンを通過するよう強いられることにより、タービンの流入速度が増加する。結果として、海流発電装置の発電効率は効果的に向上される。
【００４６】
加えて、本発明の内ダクトと外ダクトは、内ダクトの拡散効果を向上させ、内ダクトを通過する流体の流速を増加させるため、拡散型ダクトの形状に設計されている。さらに、内ダクトと外ダクトとの間の間隙も境界層制御に用いることができ、内ダクトの内部表面において過大な拡散による流れの分岐が発生することを防ぐ。そのほか、本発明の境界層制御効果を生成する二重ダクトを用いた海流発電装置は、海流発電装置の中空構造を有する異なる部材を介して、海中に浮くことが可能である。
【００４７】
本発明の技術思想から離れることなく、説明された実施形態への多様な改変や変形がされうることは、当業者にとって明白である。上述から、本開示の改変や変形が後述の請求項の範囲およびその同等な領域に含まれるならば、本発明はこれらを包含することを意図している。
【符号の説明】
【００４８】
５０：ディフューザ拡張タービン
５２：タービン
５４：ダクト
１００、２００、３００、４００、４０２、５００、７００：海流発電装置
１１０、７１０：タービン
１１２、４１２、７１２：シャフトボックス
１１４、７１４：ハブ部
１１６、７１６：ブレード
１１８：外輪
１２０、４２０、７２０：内ダクト
１３０、４３０、４３２：外ダクト
１４０：支柱
１５０、４５０：支柱
１６０：コイル部
１７０：磁石
２５０、５５０：接続部
３６０：プラットフォーム
３６２：尾翼部
３６４：側方翼部
３６６：中央機体
５２２：フラップ翼
５６０：翼
７５０：メカニカルシール
７６０：発電機
７７０：ギヤボックス
Ａ１、Ａ２：発電ユニット
Ｂ：人為境界
Ｄ１：外ダクトの流入側の外径
Ｄ２：外ダクトの流出側の外径
Ｄ３：内ダクトの流入側の外径
Ｄ４：内ダクトの流出側の外径
Ｄ５：内ダクトの流入側と外ダクトとの間の距離
Ｄ６：内ダクトの流出側と外ダクトとの間の距離
Ｆ１、Ｆ７：外ダクトの流入側
Ｆ２：外ダクトの流出側
Ｆ３、Ｆ６：内ダクトの流入側
Ｆ４：内ダクトの流出側
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【外国語明細書】
2015102090000001.pdf