(57)【要約】  浮体式ヒートポンプシステムは、風力タービンおよび風力タービンと機械的に接続されている少なくとも１つの発電機を支持している上部構造を含む。風力タービンの風誘導回転により、発電機を発電させる。発電された電気は、送配電網に供給されるか、または発電された電気の一部は上部構造によって少なくとも部分的に支持されているヒートポンプに動力供給するために使用され、海洋または別の大量の水から熱を抽出することができる。熱は可搬型蓄熱媒体中に保存されてよい。蓄熱媒体中に保存された熱は、システムにてまたは地方のもしくは地域の加熱および冷却、産業的目的のために遠方で使用されてよい。または電気を発電するために使用されてよい。【選択図】図２
2021533320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートポンプシステムであって、
上部構造と、
前記上部構造によって支持されている風力タービンと、
前記上部構造によって支持され、かつ前記風力タービンに機械的に接続されている発電機であって、前記風力タービンの風誘導回転によって前記発電機に発電させる、発電機と、
前記上部構造によって少なくとも部分的に支持されているヒートポンプであって、前記ヒートポンプが、熱源と熱接触した状態にある冷却路の熱交換器を備え、前記発電機によって発電された電気によって動力を供給されるように構成されている、ヒートポンプと、を備える、ヒートポンプシステム。
【請求項２】
前記上部構造が、相互接続された複数のスペースフレームモジュールを備える、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項３】
前記上部構造が、
基盤部分と、
前記基盤部分から上方に延在しているタワー部分と、を更に備える、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項４】
前記上部構造が、浮体式上部構造を備え、前記熱源が海洋水である、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項５】
前記上部構造が陸地に備え付けられており、前記熱源が地下にある、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項６】
前記上部構造が、
前記基盤から下方にかかっている複数の脚部と、
前記基盤と反対側の前記複数の脚部に取り付けられている複数のポンツーンと、を備える浮力システムによって支持されている、請求項４に記載のヒートポンプシステム。
【請求項７】
前記浮力システムが、少なくとも１つの脚部に動作的に関連づけられている１つまたは複数の縦揺れ抵抗リングを更に備える、請求項６に記載のヒートポンプシステム。
【請求項８】
前記浮力システムが、前記基盤と動作的に関連づけられている１つまたは複数の補助浮力タンクを更に備える、請求項６に記載のヒートポンプシステム。
【請求項９】
前記複数の前記上部構造、前記脚部、前記複数のポンツーン、縦揺れ抵抗リング、および前記補助浮力タンクの少なくとも１つが、グラフェン複合材料を含む、請求項８に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１０】
前記上部構造によって支持されている風力タービンのアレイを更に備える、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１１】
前記風力タービンのアレイの風上に動作的に位置付けられている集風機のアレイを更に備える、請求項１０に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１２】
１つまたは複数の集風機が、平面図において楔形状の断面を含み、前記風力タービンのアレイの各風力タービンが、隣接する集風機の風下側によって画定されているスロート部分に隣接して位置付けられている、請求項１１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１３】
前記集風機のアレイの少なくとも１つの集風機が、グラフェン複合材料を含む、請求項１１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１４】
前記上部構造によって支持されている翼帆のアレイを更に備える、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１５】
前記翼帆のアレイの少なくとも１つの翼帆が、翼状の断面を備える、請求項１４に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１６】
前記翼帆のアレイの少なくとも１つの翼帆が、グラフェン複合材料を含む、請求項１４に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１７】
前記上部構造が、
基盤部分と、
前記基盤部分から上方に延在しているタワー部分と、を備え、前記タワー部分が、
風力タービンの列と、
前記風力タービンの列から分けられている翼帆の列と、を支持している、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１８】
前記ヒートポンプが、スターリングヒートポンプである、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１９】
前記ヒートポンプと熱連通しており、かつ蓄熱物質と更に熱連通している加熱路の熱交換器を更に備える、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項２０】
前記蓄熱物質が相変化物質である、請求項１９に記載のヒートポンプシステム。
【請求項２１】
前記蓄熱物質が塩である、請求項１９に記載のヒートポンプシステム。
【請求項２２】
前記加熱路の熱交換器が、可搬型コンテナ内部に位置付けられている、請求項１６に記載のヒートポンプシステム。
【請求項２３】
可搬型コンテナが、前記ヒートポンプから離れて個別に移動可能である移送機構上に位置付けられている、請求項２２に記載のヒートポンプシステム。
【請求項２４】
風力タービン発電システムであって、
上部構造であって、
基盤部分および
前記基盤部分から上方に延在しているタワー部分を備える、上部構造を備え、前記タワー部分が、
風力タービンのアレイと、
前記上部構造によって支持され、かつ前記風力タービンのアレイの少なくとも１つの風力タービンに機械的に接続されている少なくとも１つの発電機と、を支持しており、前記風力タービンの風誘導回転により、前記発電機に発電させる、風力タービン発電システム。
【請求項２５】
前記風力タービンのアレイの風上に動作的に位置付けられている集風機のアレイを更に備える、請求項２４に記載の風力タービン発電システム。
【請求項２６】
１つまたは複数の集風機が、平面図において楔形状の断面を備え、かつ前記風力タービンのアレイの各風力タービンが、隣接する集風機の風下側によって画定されているスロート部分に隣接して位置付けられている、請求項２５に記載の風力タービン発電システム。
【請求項２７】
前記集風機のアレイの少なくとも１つの集風機が、グラフェン複合材料を含む、請求項２５に記載の風力タービン発電システム。
【請求項２８】
前記上部構造の前記タワー部分によって支持されている翼帆のアレイを更に備え、翼帆のアレイが前記風力タービンのアレイと分けられている、請求項２４に記載の風力タービン発電システム。
【請求項２９】
前記翼帆のアレイの少なくとも１つの翼帆が、翼状の断面を備える、請求項２８に記載の風力タービン発電システム。
【請求項３０】
前記翼帆のアレイの少なくとも１つの翼帆が、グラフェン複合材料を含む、請求項２８に記載の風力タービン発電システム。
【請求項３１】
発電システムであって、
上部構造と、
前記上部構造によって支持されている風力タービンと、
前記上部構造によって支持され、かつ前記風力タービンに機械的に接続されている発電機と、を備え、前記風力タービンの風誘導回転によって前記発電機に発電させ、前記上部構造は相互接続された複数のスペースフレームモジュールを備える、発電システム。
【請求項３２】
電気エネルギーが、転換され、
蓄熱媒体中の熱と、
電池中の化学エネルギーと、
質量を持ち上げることにより保存される位置エネルギーのうちの少なくとも１つとして保存される、請求項３１に記載の発電システム。
【請求項３３】
前記上部構造によって支持されている前記風力タービンが、ダリウス型タービンである、請求項３１に記載の発電システム。
【請求項３４】
発電方法であって、
請求項１〜３３の装置のいずれか１つを提供することと、
風の強い箇所に前記装置を配置し、少なくとも１つの風力タービンに発電するよう発電機を動作させることと、を含む、方法。
【請求項３５】
熱源から熱を抽出する方法であって、
請求項１〜２３の装置のいずれか１つを提供することと、
風の強い箇所に前記装置を配置し、少なくとも１つの風力タービンに発電するよう発電機を動作させることと、
ヒートポンプへと前記発電された電気の一部を連通させることと、
前記ヒートポンプと熱連通している冷却ループにより熱源から熱を抽出することと、を含む、方法。
【請求項３６】
前記熱源が海洋である、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記熱源が地下にある、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
熱エネルギーを保存する方法であって、
請求項１〜２３の装置のいずれか１つを提供することと、
風の強い箇所に前記装置を配置し、少なくとも１つの風力タービンに発電するよう発電機を動作させることと、
ヒートポンプへと前記発電された電気の一部を連通させることと、
前記ヒートポンプと熱連通している冷却ループにより熱源から熱を抽出することと、
前記ヒートポンプと熱連通している加熱ループと連通している熱エネルギー保存媒体を加熱することと、を含む、方法。
【請求項３９】
熱エネルギーを移送する方法であって、
請求項１〜２３の装置のいずれか１つを提供することと、
風の強い箇所に前記装置を配置し、少なくとも１つの風力タービンに発電するよう発電機を動作させることと、
ヒートポンプへと前記発電された電気の一部を連通させることと、
前記ヒートポンプと熱連通している冷却ループにより熱源から熱を抽出することと、
前記ヒートポンプと熱連通している加熱ループと連通している熱エネルギー保存媒体を加熱することと、
前記ヒートポンプから離して前記熱エネルギー保存媒体を移送することと、を含む、方法。
【請求項４０】
エネルギーを保存する方法であって、
請求項１〜３３の装置のいずれか１つを提供することと、
風の強い箇所に前記装置を配置し、少なくとも１つの風力タービンに発電機を動作させて、発電することと、
電池と、
重量を持ち上げるように構成されている電気モータのうちの少なくとも１つを備える、エネルギー保存装置に、前記発電された電気の一部を通すことと、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
著作権表示
[0001]本特許文書の開示の一部は、著作権保護を対象とする内容を含有している。著作権所有者は、特許商標庁の特許ファイルまたは特許記録にて表示される何人かによる本特許文書または本特許開示の複写に異議がないが、それ以外全ての著作を留保する。
【０００２】
[0002]本明細書にて開示されている実施形態は、オーシャンヒートポンプシステムおよび風力タービンシステムおよび方法に関する。特に、ヒートポンプを動作させて海水から熱エネルギーを抽出するための、外洋風力タービンを用いる発電するためのシステムおよび方法、ならびに抽出した熱エネルギーを保存、移送および使用するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]過去一世紀にわたり、海洋は人間による現在のエネルギー年間使用総量の１２５年間分に相当する熱エネルギーを保存してきた。文書で十分裏付けられたこのエネルギー蓄積は、少なくとも部分的には、ＣＯ２といった温室効果ガス濃度の増加を含むがこれに限定されない大気の変化によるものである。海洋中に保存されている熱エネルギーの年間増加量は、社会で使用しているエネルギー年間使用量の２０倍を超えている。全体で生じた海温上昇は、潜在的には深刻な環境的かつ社会的な重要性を多数有している。公知のシステムは、この保存された熱を効果的に収集、移送、低減または使用するには有効でない。気候変動により、風や太陽、他の代替的なエネルギー源を利用した無放出エネルギー生産の開発が進んでいる。これらのクリーンエネルギー源は、風が吹き太陽が照射した際に効果的となる。ただしこれは必ずしもエネルギーが必要となる際ではない。
【０００４】
[0004]従来型の風力タービン発電施設が知られている。大半の風力タービン発電施設は陸上に備え付けられ、エネルギー保存のための付属的な装置は含まれていない。浮体式風力タービンシステムは、従来型の船に備え付けられた巨大風力タービンが元来不安定であることによって制限されている可能性がある。したがって、大半の海上設置型風力タービンシステムは、比較的浅瀬の海底へと備え付けられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
[0005]本発明は、上記にて説明した１つまたは複数の課題を解決することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[0006]本開示は海洋または地下熱からのクリーンエネルギーの収集、および風力エネルギー収集の向上した方法に関する。本開示はまた、必要な場合に使用するための、風および／または海洋もしくは地下熱から収集されたエネルギーの貯蔵について記載している。本明細書に開示されたある特定の実施形態は、電気を生成するための１つまたは複数の風力タービンシステムを利用する。実施形態の１つのクラスは、浮体式風力タービンシステムを含む。この電気は、ヒートポンプを動作させて海洋もしくは他の大量の水、陸地または別の熱源から熱を抽出するために使用されてよい。抽出された熱は蓄熱媒体に通電することによって保存されてよい。蓄熱媒体は、補助移送船、沿岸、またはその他の場所にて、風力タービンシステムを支持するような同様の構造物上、補助移送船上に位置付けられてよい。蓄熱および移送システムを特徴としている実施形態では、移送システムは牽引可能であり、自身の電力下で駆動可能である。そうでない場合には、大きなまたは小さな地域の加熱システムおよび冷却システム、淡水化プラント、他の産業用プラントなどに熱エネルギーを供給するために選択された箇所へと移送される。代替的には、抽出または保存された熱は、蒸気駆動タービン／発電システム、スターリング熱エンジン駆動発電機、または、風力タービンシステムにて、もしくはそこから離れて位置付けられている別の熱充填発電装置を用いて、発電するために使用され得る。
【０００７】
[0007]ある特定の実施形態は、従来型の風力タービンと比べて著しく異なっている洋上風力タービンを利用している。ある特定の開示されたタービンの実施形態は、垂直軸周りに回転するブレードを有する、縦長であるが相対的に小径のダリウス型タービンの上にて、風を加速させるための集風機を用いている。これは大型の浮体式構造物上に全て備え付けられている。風によるエネルギーはその速度の３乗に比例し、そのため、ある特定の実施形態は、風がより大きな速度で変わらずに最大で吹くような最大レベルに到達させるために縦長モジュール状のスペースフレームタワー構造物を利用する。風力タービンによって発生した電気は任意の方法で使用されることができるが、ある特定の実施形態は、ヒートポンプ技術を用いて海から熱を収集するのに使用されている。
【０００８】
[0008]本明細書に開示されたある特定の実施形態は、熱をエネルギー源とする発電機アセンブリを用いて、海洋から抽出された熱を電気に転換する。他の実施形態は、海洋または他の大量の水から抽出された熱エネルギーを直接熱として使用し、例えば沿岸の建造物または地域を加熱または冷却する。国際エネルギー機関によれば、発電されかつ送電線より利用されている電力の約５０％は、建造物および水を加熱または冷却するために使用されている。一部の実施形態は、追加的な発電および直接の加熱または冷却が含まれるがこれに限定されない複数の目的のために海洋から抽出された熱を使用してよい。
【０００９】
[0009]具体的な一実施形態は、風力タービンおよびこの風力タービンに機械的に接続された少なくとも１つの発電機を支持する上部構造を含むヒートポンプシステムである。風力タービンの風誘導回転により、発電機を発電させる。発電された電気は、任意の目的のために使用されてよい。ただし一実施形態では、電気の一部分はヒートポンプまたは上部構造によって少なくとも部分的に支持もされている、補助加熱装置に動力供給するために使用される。
【００１０】
[0010]上部構造は、任意選択的には相互接続された複数のスペースフレームモジュールから製造されてよい。一部の実施形態では、上部構造は基盤部分、および基盤部分から上方に延在しているタワー部分を含んでよい。上部構造は浮体式上部構造であってよく、この場合、ヒートポンプと連通している熱源は海洋水、海水、湖水または別の大量の水である。代替的には、上部構造は陸地を基盤とすることができ、ヒートポンプと連通している熱源は地下熱である。
【００１１】
[0011]浮体式ヒートポンプの実施形態では、上部構造は浮力システムによって支持されてよい。浮力システムは、基盤から下方にかかっている複数の脚部、基盤に対向する複数の脚部に取り付けられている複数のポンツーン、少なくとも１つの脚部に関連づけられている１つまたは複数の縦揺れ抵抗リング、または動作的に基盤に関連づけられている１つまたは複数の補助浮力タンクの一部もしくは全てを含む。上部構造、脚部、複数のポンツーン、縦揺れ抵抗リングまたは補助浮力タンクの一部は、グラフェン複合材料から製造されてよい。
【００１２】
[0012]ある特定のシステムの実施形態は、上部構造によって支持されている風力タービンのアレイを更に含む。任意選択的には、システムの実施形態は、風力タービンのアレイの風上に動作的に位置付けられている集風機のアレイを含んでよい。１つまたは複数の集風機は、平面図において楔形状の断面を有してよく、風力タービンのアレイのうち、各風力タービンは、隣接する集風機の風下側によって画定されているスロート部分に隣接して位置付けられている。集風機のアレイのうち、一部の集風機は、グラフェン複合材料から製造されてよい。
【００１３】
[0013]実施形態はまた、上部構造によって支持されている翼帆のアレイを含んでよい。翼帆は翼状の断面を有し、タービンおよび上部構造に、風誘導された空気抵抗に対向する前方向の力を提供してよい。翼帆のアレイのうち、一部または全ての翼帆は、グラフェン複合材料から製造されてよい。
【００１４】
[0014]ヒートポンプを含む、システムのヒートポンプの実施形態は、例えば従来型のヒートポンプまたはスターリングヒートポンプといった任意のヒートポンプ技術を実装してよい。提供された任意のヒートポンプは、ヒートポンプと熱連通している状態にあり、更には蓄熱物質と熱連通している状態にある通常加熱路の熱交換器を含む。蓄熱物質は相変化物質であってよい。蓄熱物質は塩であってよい。一部の実施形態では、加熱路の熱交換器は、ヒートポンプから離れて個別に移動可能である移送機構上に位置付け可能である可搬型コンテナ内に位置付けられている。
【００１５】
[0015]代替的な実施形態は、開示された装置を用いて、発電方法、熱源から熱を抽出する方法、熱エネルギーを保存する方法、電気エネルギーまたは位置エネルギーを保存する方法、および熱エネルギーを移送する方法を含む。
【００１６】
[0016]特定の実施形態の性質および利点の更なる理解は、明細書の残りの部分および類似の参照数字が同様の構成要素を指す目的で使用されている図面に対する参照によって得られる。一部の例では、下位ラベルは複数の同様の構成要素のうち１つを意味する参照数字に関連づけられている。現存している下位ラベルに対して説明のない参照数字を参照する際には、こうした複数の同様の構成要素を指すことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本明細書に開示されているオーシャンヒートポンプシステムのブロック図を表したものである。
【図２】オーシャンヒートポンプシステムの一実施形態の投影図である。
【図３】図２のオーシャンヒートポンプシステムの正面図である。
【図４】図２のオーシャンヒートポンプシステムの平面図である。
【図５】タービンモジュール列の投影図である。
【図６】図５のタービンモジュール列の正面図である。
【図７】図５のタービンモジュール列の平面図である。
【図８】タービンモジュールの投影図である。
【図９】図８のタービンモジュールの正面図である。
【図１０】図８のタービンモジュールの平面図である。
【図１１】タービン／発電機システムの投影図である。
【図１２】代替的なタービン／発電機システムの投影図である。
【図１３】翼帆列の投影図である。
【図１４】図１３の翼帆列の正面図である。
【図１５】図１３の翼帆列の平面図である。
【図１６】翼帆モジュールの投影図である。
【図１７】図１６の翼帆モジュールの正面図である。
【図１８】図１６の翼帆モジュールの平面図である。
【図１９】スターリングヒートポンプの概略図である。
【図２０】従来型ヒートポンプの概略図である。
【図２１】搭載蓄熱装置を有するオーシャンヒートポンプシステムの投影図である。
【図２２】図２１のオーシャンヒートポンプシステムの平面図である。
【図２３】特定目的用蓄熱媒体移送装置を有するオーシャンヒートポンプシステムの正面図である。
【図２４】図２３のオーシャンヒートポンプシステムおよび熱媒体移送装置の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
[0041]ある特定の実施形態の、種々の態様および特徴は上記にて要約されているが、以下の詳細な説明では、更に詳細ないくつかの実施形態を、こうした実施形態を当業者が実践することができるよう、例示している。記載の実施例は例示目的のために提供されており、発明の範囲を限定することを意図していない。
【００１９】
[0042]以下の説明では、説明目的のために、記載の実施形態の十分な理解を提供する目的で多くの具体的詳細が示されている。ただし、当業者には、本発明の他の実施形態はこれらの具体的な一部の詳細なしで実践されてよいことが理解されるであろう。いくつかの実施形態が本明細書にて記載および請求されており、種々の特徴は異なる実施形態に起因するものの、一実施形態に対して記載されている特徴は、他の実施形態に同様に組み入れられてよいことも理解されるべきである。ただし、同様の理由から、任意の記載または請求された実施形態の１つまたは複数の特徴が本発明の全ての実施形態に必須であると考えられるべきではなく、本発明の他の実施形態はそのような特徴を省略することができる。
【００２０】
[0043]特段指定して指示されない限り、本明細書にて使用され、使用されている量、大きさなどを表す全ての数は、用語「約」によって全ての例にて修飾されているものとして理解されるべきである。本出願において、特段具体的に表さない限りは単数形の使用は複数形を含み、用語「および」および「または」の使用が、特段指定して指示しない限り「および／または」を意味する。更には、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、ならびに「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および「含んだ（ｉｎｃｌｕｄｅｄ）」といった他の形態の使用は、非排他的なものであると考えられるべきである。また、「要素」または「構成要素」といった用語は、特段具体的に表さない限り、１つの単位を含む要素および構成要素、ならびに１つを超える単位を含む要素および構成要素の両方を包含する。
【００２１】
[0044]図１のブロック図、および図２の投影図に表されるように、本明細書に開示されている一実施形態は、１つまたは複数の発電機１６に機械的に接続され、かつこれを駆動している１つまたは複数の風力タービン１４を支持している上部構造１２を有する、オーシャンヒートポンプシステム１０である。風力タービン１４と発電機１６アセンブリは、一括して本明細書では風力タービンシステム１８またはタービン１８と呼ばれる。オーシャンヒートポンプシステム１０は、本開示では一括して「海」と呼ばれる、所望により海洋、海、湖または他の大量の水上で操縦および位置付けられ得る、浮体式外洋船として実装され得る。したがって、選択された実施形態では、上部構造１２は、オーシャンヒートポンプシステム１０に浮力および安定性を提供するために装置を支持または画定する。代替的には、オーシャンヒートポンプシステム１０に関して本明細書にて記載の、大半の同様の機能を有するヒートポンプシステムは、種々の動作的要素に対して剛性および構造的支持を提供する上部構造１２を伴った、陸地を基盤とするものであり得る。
【００２２】
[0045]タービンシステム１８によって提供された電気エネルギーは、任意の目的のために使用されてよい。例えば、タービンシステム１８によって提供された電気エネルギーは、搭載電気誘導および推進システム２０に電気を供給することができる。代替的には、発電した電力は送配電網２２、淡水化プラント２４または他の産業用、住宅用または商業用使用目的へと伝達され得る。オーシャンヒートポンプシステム１０の一実施形態では、タービン１８によって発電された電力の一部は、海洋と熱連通している１つまたは複数のヒートポンプ２６に動力供給するために使用されている。
【００２３】
[0046]以下にて記載されるように、ヒートポンプ２６は海洋から熱を抽出するように構成された、電力供給装置を含む。海洋から抽出された熱は、搭載蓄熱装置２８中に位置付けられた蓄熱媒体を加熱すること、独立可搬型移送機構３０上またはその中に位置付けられた蓄熱媒体を加熱すること、または遠方の蓄熱箇所３２にて蓄熱媒体を加熱することを含むが、これに限定されない任意の目的のために使用されてよい。より多大なまたは少ない距離を移送される熱は、汽力発電３４で使用され、そうでない場合には、例えば遠方の箇所３６にて建造物、道路または他の構造物を加熱または冷却するために利用されてよい。陸地を基盤としたヒートポンプは陸上に設置され、地下または隣接する海洋熱源と熱連通しているように配置されてよい。
【００２４】
[0047]オーシャンヒートポンプシステム１０または同様の陸地を基盤としたシステムは、強風および荒海に適した発電施設として動作することを含むがこれに限定されない複数の目的のために使用または構成されてよい。したがって、一部の実施形態は送配電網に直接接続または間接的に接続されてよい。ヒートポンプ２６を含む他の実施形態は、海洋または別の熱源から熱を抽出し、搭載型、最適な移送、または遠方の箇所に位置付けられた蓄熱媒体中に抽出された熱エネルギーを保存する。保存された熱は、熱エネルギーとして地域の加熱および冷却システム、淡水化プラントまたは同様の産業ユーザへと供給されることができる。代替的には、保存された熱エネルギーは従来型の蒸気タービンプラント、スターリング熱エンジン駆動発電機、または送配電網に電気を供給するための同様の発電装置を駆動するために利用され得る。単独のオーシャンヒートポンプシステム１０は、システム構成によってこうした目的の一部または全てを充足することができる。
【００２５】
[0048]浮体式オーシャンヒートポンプシステム１０の代表的な一実施形態は、図２〜図４に例示されている。オーシャンヒートポンプシステム１０は、複数の風力タービンシステム１８、および海洋と熱連通している状態にある１つまたは複数のヒートポンプ２６を支持している上部構造１２を含む。浮体式オーシャンヒートポンプシステム１０の上部構造１２は、少なくともタワー３８および基盤４０を画定している。多くの実施形態では、タワー３８は比較的縦長の構造であり得る。風力エネルギーは、風速の３乗に比例している。風速は通常、海面よりも上の高さとともに増加する。したがって、縦長のタワー３８とともにオーシャンヒートポンプシステム１０を実装することによって、タービン１８はより高い速度であり、更にエネルギーが大きい空気中へと上向きに配置されてよい。
【００２６】
[0049]浮体式オーシャンヒートポンプシステム１０の上部構造１２は、モジュール式であり得る。具体的には、オーシャンヒートポンプシステム１０を構成するサブシステムの大半は、開放式の比較的軽量で繰り返しのモジュール式スペースフレーム構造によって支持され得る。図２〜図４のオーシャンヒートポンプシステム１０は、ほぼ全面を同様のまたはほぼ同一の立方体スペースフレームモジュール４２で構成されている。代替的な実施形態は異なる形状を有するモジュール４２を含む。個別のモジュール４２は、任意の望ましいサイズで、かつ任意の望ましい材料から製造されてよい。例えば、モジュール４２は、アルミニウム、鋼、チタンまたはそれらの合金といった従来の構成材料を用いて製造されてよい。代替的には、モジュール４２は、ガラス繊維、炭素繊維複合材、グラフェン複合材または高強度プラスチックおよび同様の材料を含むがこれに限定されない、複合材またはポリマー材料から製造されてよい。モジュール４２は、種々の同様のまたは異なる材料から製造されてよい。同様のサイズのモジュール４２は、異なる壁厚を伴って製造されてよい。したがって、より重量があり、かつ比較的厚みのある壁のモジュール４２は、負荷が最大である構造物の底に配置されてよい。
【００２７】
[0050]各モジュール４２は、造船所にて製造され、作り上げられ、クレーンによりつり上げられて所定位置へと移動され、隣接するモジュール４２とボルトで固定され得る。例えば水平ケーブルといった追加の支持体は、任意選択的にはレベル４６を画定している隣接するモジュールに通され、引っ張られ得る。ボルトおよびケーブルは構造冗長性を提供する。
【００２８】
[0051]モジュール４２のフレームジョイントは、任意の適した技術を用いて作製され得る。例えばフレームジョイントは、個別のフレーム部材がボルト固定される挿入物とともに作製されてよい。それぞれの例示されたモジュール４２は、その底面に少なくとも４つの縦型カラム、８つの水平部材、および水平Ｘブレースを有する。他のスペースフレーム構造および構成は、本開示の範囲内にある。タワー３８の一部のモジュール４２は、例えば中心部分に追加のカラムを含んでよい。または基盤４０へと風力負荷を下方向に運ぶ縦型Ｘブレースを含んでよい。基盤構造で使用されているモジュール４２は、全ての側面にてＸブレースを有し得る。
【００２９】
[0052]基盤４０は、それぞれの側面に比較的長いトラス安定装置４４を含む。トラス安定装置４４は、前面および背面に任意の望ましい距離だけ延在してよく、任意の望ましい距離間隔が空けられており、強風および大きな波浪での安定性を提供することができる。図２〜図４の実施形態では、各レベル４６は、全体的に堅く、荷重支持プレート４８として機能するＸブレース面を含む。レベル４６は、本明細書にて使用される場合、水平に隣接する複数のモジュール４２を含む。プレート４８は、大半のモジュール４２の末端で縦型Ｘブレース５０へと横方向の風力を移送する。この縦型Ｘブレース５０はまた、堅い縦型プレートとしても機能し、次いでタワー３８から基盤４０へと風力を伝達する。例示的な実施形態では、タワー３８は、前側および背側に補助Ｘブレース５４を有する中央アクセスシャフト５２を含み、基盤４０へと横方向の力を伝達する。荷重は、折れを避けるため引っ張り状態および圧縮状態で作用している、種々の構造的ブレース４８、５０、５４によって支持される。
【００３０】
[0053]上部構造１２の基盤４０は、ヒートポンプ装置２６を収容または支持している。また、オーシャンヒートポンプシステム１０に対して安定性を提供するシステムアウトリガーとして機能するトラス安定装置４４を画定している。例示的な実施形態では、基盤４０の比較的長いトラス安定装置４４は長いレバーアームを提供する。これにより、大幅な復原力を生じる。開放スペースフレームからのトラス安定装置４４および他の基盤４０要素を構築することで、異常に高い波状態でも比較的妨害されずに波は基盤４０を通り、かつ通過することが可能となる。陸地を基盤とする実施形態は、より小さな基盤を用いて十分に安定化することができ、任意選択的には地面または他の支持体に取り付けられている補助ケーブルを用いて安定化することができる。オーシャンヒートポンプシステム１０は浮動し、タワー３８、タービンシステム１８および関連装置、更に推進機構の空気力学の連係は、このオーシャンヒートポンプシステム１０が動作中に風と実質的に対峙することを確かなものとするために使用され得る。陸地を基盤とする実施形態は、機械的ベアリング、浮体式ベアリングなどを含むがこれに限定されない、タワーベアリングまたはタワーベアリングシステムを含んでよく、これによりタワーが枢動し、風に対峙することが可能となる。代替的には、陸地を基盤とする実施形態は、個別枢動タービン１８またはタービンモジュールを含んでよい。
【００３１】
[0054]図２〜図４に表されるように、オーシャンヒートポンプ１０は基盤４０下方で一般的には延在する複数の脚部５６およびポンツーン５８を含んでよく、オーシャンヒートポンプシステム１０に対する浮力と、この船の制御を提供する。同様の脚部および足部は、代替的な海岸を基盤とするヒートポンプシステムの実施形態の基盤から延在してよい。オーシャンヒートポンプシステム１０はまた、基盤４０の種々の選択されたスペースフレームモジュール４２に接続され、またはその内部に位置付けられている、１つまたは複数の補助浮力タンク６０を含んでよい。通常、脚部５６およびポンツーン５８は、海洋面の上にいくらかの距離分上昇されている基盤４０を有するオーシャンヒートポンプシステム１０を浮遊させるのに十分な排水量を有するようにサイズ決めおよび製造される。仮にオーシャンヒートポンプシステム１０が例外的に強風の前に傾いた場合、風下に位置付けられている大きい径の脚部５６はより深く沈み、より水はより多く排水され、復原力が提供される。一方で風上側の脚部は上へと持ち上がり、風上側にシステム１０の有効重量を増し、これもまた復原力を提供する。更には、水と接触する風下側の任意の補助浮力タンク６０は、必要な場合に追加の排水量および追加の復原力を提供する。必要に応じて、ジャイロスコープ、スラスタ、エンジン、翼帆（以下で詳細に記載される）などを含むがこれに限定されない補助的な安定装置は、強風状態下での安定性を保証するため、オーシャンヒートポンプシステム１０に関連づけられてよい。
【００３２】
[0055]選択された、例えば図２〜図４の実施形態では基盤４０の角に位置付けられている４つのポンツーン５８といったポンツーン５８は、通常、電気モータによって駆動されるプロペラ、スラスタまたは他の駆動システム６２を含んでよい。したがって、駆動システム６２は風力タービン１８で発電された電気によって動力供給された、全体の搭載電気システム２０の一部であってよい。代替的には、駆動システム６２はディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、または電気などの別の供給源によって動力を供給された電気モータによって駆動されてよい。代替的には、駆動システム６２は、選択された実施形態ではポンツーン５８から離れて位置付けられてよい。駆動システム６２の各モータまたはスラスタは、回り継手またはジンバルで支えられた基盤に備え付けられ、高度の操作性を提供することができる。したがって、オーシャンヒートポンプシステム１０は好適な風の中に対峙し、海上機構への衝突を避け、ドックし、または以下にて詳細に記載されるように、使用時には浸水状態であるヒートポンプシステムの熱交換器要素２６上で、一定の水流を維持するように船をゆっくりと前方に移動させ続けるよう、動的に位置付けられてよい。
【００３３】
[0056]ある特定の実施形態では、実質的に中空のポンツーン５８は個々のポンツーンの質量に合わせて水量を搭載し、かつこれを保存するように構成され得、これにより通路を提供し、または変化する天候条件を考慮して、海洋面の上へと基盤４０の高さを低下または上昇させる。
【００３４】
[0057]オーシャンヒートポンプシステム１０の図２〜図４の構成は、波が最小の衝撃でシステム１０の基盤４０の下で回転できる脚部５６を利用している。縦揺れ抵抗リング６４は、任意選択的には脚部５６と関連づけられ、任意の実質的な垂直縦揺れ動作を減らし、これを減衰させてよい。縦揺れ抵抗リング６４は、浸漬の影響を受けにくい機械的安定装置として機能させることができ、個別に浮力を示すこともできる。補助浮力タンク６０は、基盤４０の構造が過度に浸水するのを防ぐ追加の浮力を更に提供する。
【００３５】
[0058]脚部５６、ポンツーン５８、補助浮力タンク６０、縦揺れ抵抗リング６４、または同様の構造は、アルミニウム、鋼、チタンまたはそれらの合金を含むがそれらに限定されない、従来の船舶建造材料から製造されてよい。代替的には、脚部５６、ポンツーン５８、補助浮力タンク６０、縦揺れ抵抗リング６４、または同様の構造は、ガラス繊維、炭素繊維複合材、グラフェン複合材または高強度プラスチックおよび同様の材料を含むがこれに限定されない、複合材またはポリマー材料から製造されてよい。グラフェン複合材は脚部５６、ポンツーン５８および縦揺れ抵抗リング６４に特に良好に適している。これは、グラフェン複合材が生来防汚である極めて滑りやすい表面を示しているからである。こうした構造的要素は、少なくとも大半の時間浸水状態にあることを意図されており、生来防汚であるグラフェン複合材表面は、オーシャンヒートポンプシステム１０の浸水部分でのフジツボ、海藻または他の生命の付着および成長を妨害する。
【００３６】
[0059]図２〜図４の実施形態では、タワー３８内部でモジュール４２が画定している中央アクセスシャフト５２は密閉され、全体システム１０の種々のサブシステムへの立ち入りを提供するよう機能することができる。中央アクセスシャフト５２は、保守点検の立ち入り、スペア部品の保存を提供し、かつ来訪者の立ち入りを提供するために、エレベータ、階段または他の通路を含有してよい。
【００３７】
[0060]タワー３８のレベル４６の大半は、以下で詳細に記載されるように、タービンシステム１８を収容し、または支持安定性を増強している翼帆を支持する。１つまたは複数のレベル４６は、代替的には保守点検の立ち入り、職員の居住地または他の目的に割り当てられてよい。
【００３８】
[0061]上で説明したように、オーシャンヒートポンプシステム１０の種々の実施形態は、１つまたは複数の発電機１６を駆動させる、１つまたは複数の風力タービン１４を含む。ある特定の実施形態では、図１１に例示されるように、風力タービン／発電機構造は一体型であり、タービンシステムまたはタービン１８と本明細書にて呼ばれる。オーシャンヒートポンプシステム１０、または類似の陸地を基盤としたシステムは、単独または少数の大型風力タービン１４で実装することができるが、例示的な実施形態は、比較的小型のタービン１８をいくつか含む。オーシャンヒートポンプシステム１０に含まれているタービンの数は、限定されない。例えば、図２〜図４の実施形態は、単独のタワー３８に１２８個の個別のタービン１８を含む。この実施形態は、タービンシステム１８を支持するために本来機能する独立した複数のレベル４６を含む。上で説明したように、通常の海洋上の風速の鉛直プロファイルは、高さとともに風速の増加を示す。したがって、オーシャンヒートポンプシステム１０の全体のエネルギー生産量は、最も縦長な実用的タワー３８を用いて風力エネルギーを収集することで増加されることができる。図２〜図４で例示されている非限定的実施形態は、タービン１８の８つのレベルを含む。これは図３にてＢ〜ＥおよびＧ〜Ｊのレベルとして表される。
【００３９】
[0062]図５〜図１０に最も良く表されているように、ある特定の実施形態では、タービンシステム１８にて風量を加速および集風するため、集風機６６のアレイがタービン１８のそれぞれの側に配列されている。集風機６６は、例えばアルミニウムまたは鋼といった任意の好適な材料から製造されてよい。一部の実施形態では、集風機は例えば、炭素繊維複合材またはグラフェン複合材といった軽量高強度複合材から製造される。適切に形成された集風機６６は、風をタービン位置での現行の速度の最大３倍加速させることができる。
【００４０】
[0063]例示された実施形態では、風力タービン１４は、以下に記載のある特定の利点を有するダリウス型タービンとして実装されている。ダリウス型風力タービン１４は垂直軸の周りで回転し、湾曲または直線形の複数の翼状ブレードを含む。ダリウス型タービン１４の垂直方向の向きおよび風力操縦能力の両方により、このタービン構成は良好に適したものとなる。ただし、非排他的なタービン型はオーシャンヒートポンプシステム１０または同様の陸地を基盤とするシステムに実装するのに好適である。
【００４１】
[0064]例示された実施形態では、集風機６６によって加速された風は、ダリウス型タービンの翼状ブレードを通過する。回転軸のダリウス型タービン１４の直径は、任意の好適な径であり得る。ただし好ましくは、これは隣接する集風機６６の間の水平スロート部分６８を充足するか、またはほぼ充足する。
【００４２】
[0065]通常、機能的に制限され、比較的小さな径である発明者らによるダリウス型タービンは、加速された風速の最大５００％であるタービンブレードの最高先端速度を有する。これは、従来の風力タービンでは顕著な望ましくない振動音を生成する速度をはるかに上回る。
【００４３】
[0066]上で説明したように、各風力タービン１４は、適切にサイズ決めされた発電機１６に取り付けられてよい。例えば、ダリウス型タービンは３００ｋＷの発電機に取り付けられてよい。したがって、代表的ではあるが非限定的な一実施例において、１２８個の個別のタービンを有するオーシャンヒートポンプシステム１０は、３８．４ＭＷの電気を発電する。これは公知の陸地または海洋を基盤とする風力タービンの能力を超えている。本明細書にて開示されている実施形態は、任意の好適な発電機に取り付けられてよい。開示された実施形態にて使用するのに良好に適している発電機１６のある分類は、完全密閉された、非換気型の永久磁石発電機である。これは例えば、「ＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＭＡＣＨＩＮＥ  ＣＯＯＬＩＮＧ  ＡＮＤ  ＳＴＡＢＩＬＩＺＡＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ」と題され、本明細書に開示の全ての事項が参照として本明細書に組み入れられている、共有ＰＣＴ出願であるＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０１３６２２、国際特許公開第２０１９／０７４５３５号に記載されている。
【００４４】
[0067]従来型タービンはある特定の欠点を有している。それらの１つは、強風状態下にて、ブレードが過剰に高速に回転し、ブレードまたはタービン構成部品の破壊を生じないように、操作者はブレードを長軸周りに動かすか、または停止させなければならない場合もあるということである。例えば、Ｖｅｓｔａｓの３ＭＷタービン用の最大維持風速は１５ｍ／ｓ（３３ｍｐｈ）であり、カットアウト速度は２５ｍ／ｓ（５６ｍｐｈ）である。更には、多くの海洋または海岸線箇所は、定期的に大きな嵐を経験する。従来型タービンは、嵐の最中、または風がより高いレベルのエネルギーを伝達するといった他の場合では封鎖状態に配置されなければならない。１年あたりの風力エネルギーの半分以上は、従来型タービンが封鎖されなければならない時の嵐の間に発生すると推定されている。開示された実施形態のダリウス型タービン１４は、従来型タービンを安全に操作するために許可されている速度を風速が超える場合であってもエネルギーを収集することができる。例えば、ダリウス型タービンは、ブレードを長軸周りに動作させることが何らなく、４５ｍ／ｓの風（１００ｍｐｈ）にて動作することができる。
【００４５】
[0068]一部の実施形態は多くの冗長なより小さなタービン１８を特徴とし、例えば図２〜図４の実施形態は、１２８個のタービン／発電機システム１８を含む。したがって、１つのタービンおよび／または１つの発電機が機能しないまたは保守点検のためにオフライン状態である場合、電力生成能力はわずか０．７８％のみ失われる。
【００４６】
[0069]更に上にて説明したように、ある特定の実施形態は、タービンシステム１８全体で風を加速させる集風機６６のアレイを含んでよい。具体的には、図７および図１０に表されるように、集風機６６は、ダリウス型タービン１８が動作する、隣接する集風機６６の間のスロート部分６８へと風を向け、加速させるよう機能する。集風機６６の形状は、翼状形状の圧力効果により、および比較的くびれた状態のスロート部分６８をある空気量が通り抜けるのに必要な加速度を理由に、スロート部分６８にて空気の速度を加速させることができる。集風機の口は、動物の殺害を防ぐため、鳥用およびコウモリ用の網で覆われていてよい。
【００４７】
[0070]一実施形態では、ダリウス型タービンが位置付けられているスロートにて集風機の口における風速の３倍である風速を経験させるため、集風機は風を加速させる。スロートを高速で移動する風は口での風よりも密度が小さいことから、スロートは風力エネルギーを増加させていない。集風機の目的は、例示の実施形態では比較的小径であるダリウス型タービンが、タービンブレード全体にわたって、タワー３８の表面にて全気流を誘導することにより、風中の全エネルギーのうち最大で４０％の捕捉が可能となることである。
【００４８】
[0071]例示された代表的ではあるが非限定的なダリウス型タービン１４は、３つの直線形の翼を含んでおり、これらは任意の好適な長さであり得る。この翼により、揚力が提供され、風から収集され得るエネルギー量を大幅に増大させる。タービン１４は、風速の最大５倍の先端速度で動作させることができる。この速度で、ダリウス型タービン１４は風中のエネルギーのうち４０％を収集することになる。図１１にて表されているように、一部の実施形態では、タービン１４は好適な動力伝達装置を用いて風力タービン１４と連結された発電機を直接駆動させてよい。代替的には、図１２で表されるように、発電機１６は、タービン１８シャフトから離れたところで備え付けられ、かつ例えば歯形状のベルトを用いて発電機１６のシャフト上に取り付けられた歯形状の歯車へと接続されてよい。一部の実施形態では、複数の風力タービン１４は単独の比較的大型の発電機１６へと接続されてよい。他の実施形態は、風力タービン１４につき１台の発電機１６を有する。
【００４９】
[0072]タービン１４は高速で動作する。全ての風力タービンは音を生成するが、これはある特定の例では好ましくない可能性がある。ダリウス型風力タービンは通常、タービン回転速度とほぼ同じ周波数で低周波数のハム音を放つ。例えば、５０ｍｐｈの風にて動作しているダリウス型風力タービンは５３８７ｒｐｍで通常は回転するが、これは約９０Ｈｚにて聞こえるハム音をもたらす。これを消音および相殺するために、例示されたタービン１４は、それらの回転のうち１８０度にわたり集風機６６によって遮蔽されている。加えて、集風機６６の背面７０は、音吸収材料でコーティングされてよい。アクティブ・ノイズ・キャンセリングシステムは、任意選択的にはタービンのハム音を相殺する目的で、各タービン１８の背後に設置されてよい。
【００５０】
[0073]オーシャンヒートポンプシステム１０は、記載された技術が陸地への備え付けであったとしても、浮体式構造物としての実装に良好に適している。いずれかの取り付けシナリオでは、集風機６６、タービン１８、および上部構造１２における風により引き起こされる空気抵抗により、風下にて構造物を傾斜または曲げる傾向がある力が印加される。上記の上部構造１２に関連した種々の要素および浮力提供要素５６、５８、６０および６４は、風下にて構造物を傾斜または曲げる傾向がある力を相殺する。加えて、本明細書にて開示されているある特定の実施形態は、反作用的な上方向の力を供給する翼帆７２を含む。図２〜図４に例示された実施形態では、例えば図３においてレベルＡ、ＦおよびＫとして認識されている翼帆７２の３つのレベル４６は、タワー３８におけるタービンレベル４６間に点在されている。翼帆７２は、例えばアルミニウムまたは鋼といった任意の好適な材料から製造されてよい。一部の実施形態では、翼帆７２は例えば炭素繊維複合材またはグラフェン複合材といった軽量高強度複合材から製造される。代表的な翼帆７２、レベル４６およびモジュール４２は図１３〜図１８に例示されている。翼帆７２は、構造物を風の方へ前方に引き込むように機能し、こうすることでタービンの空気抵抗を相殺し、本明細書に記載の他の安定性増強装置とともに、浮体式オーシャンヒートポンプシステム１０は暴風の中でも実質的に垂直状態を維持することができる。
【００５１】
[0074]翼帆７２は、現在の高度技術競技用帆艇を推進させるのに使用される帆と同様に機能する。翼帆７２の翼形状およびその向きは、前方のタワー３８を風の方へ前方に引き込む。更にはより高い風速は、集風機６６、タービン１８および上部構造１２によって生じる空気抵抗のレベルおよび風下のモーメントを増加させるものの、これは、翼帆７２によって生成された前方向への揚力をも増加させ、風下のオーシャンヒートポンプシステム１０を傾ける風の傾向を相殺する。翼帆７２のトリムは手動または自動で調整され得る。こうすることで、翼帆７２によって生じた前方向の揚力は、任意の風速での空気抵抗とほぼ等しくなる。翼帆７２は、前方向の揚力を提供するのに加えて実質的に横方向の揚力をも供給する。図１５は、タワー３８の片側での翼帆７２からの横方向の揚力がタワーの反対側で翼帆７２と反対側の揚力によって相殺されている、翼帆７２の配置を表している。
【００５２】
[0075]オーシャンヒートポンプシステム１０の種々の実施形態は、ヒートポンプ装置２６を含む。オーシャンヒートポンプシステム１０は任意の公知のヒートポンプ構成または将来的に開発される可能性がある新規ヒートポンプ技術で実装することができる。２つの代表的なヒートポンプ装置構成は、図１９および図２０に概略的に表している。図１９は、第１および第２のピストン７６および７８を有するスターリングヒートポンプ７４を概略的に例示している。第１および第２のピストン７６、７８は、オーシャンヒートポンプシステム１０の実施形態、または同様の陸地を基盤とする実施形態では、タービンシステム１８からの電気によって動力を供給されることができる電気モータ８０によって駆動されている。第１および第２のピストン７６および７８は、代替的に膨張または圧縮される作動流体で充填された膨張領域および圧縮領域を生成する。
【００５３】
[0076]スターリングヒートポンプの膨張側は、熱源に熱的に連結されている。図１９の概略的な実施形態では、この熱連結は冷却路８２として認識されている。オーシャンヒートポンプシステム１０において、熱源は海洋水であり、ヒートポンプ７４は浸水された熱交換コイル８４のアレイを備える冷却路８２を用いて海洋と連結されている。陸地を基盤とするシステムでは、地面は熱源として機能することができる。スターリングヒートポンプ７４の圧縮側は、熱源から抽出された熱を受容することができる物質と熱連結されている。図１９の概略的な実施形態では、この熱連結は加熱路８６として認識されている。オーシャンヒートポンプシステム１０の多くの実施形態では、加熱路は蓄熱媒体９０と熱接触した状態である加熱路熱交換コイル８８を含む。したがって、より詳細に以下で記載されているように、オーシャンヒートポンプシステム１０に関連づけられているヒートポンプ２６の動作は、タービンシステム１８によって発電された電気を利用して、海洋から熱を抽出し、蓄熱媒体９０に抽出された熱エネルギーを保存する。
【００５４】
[0077]図２０は代替的なヒートポンプ２６構成、従来型のヒートポンプ９２を例示している。従来型のヒートポンプ９２は、圧縮器９４および膨張弁９６を利用し、作動流体を圧縮し作動流体の膨張を可能にする。圧縮器９４は動作するためにエネルギー入力を必要とし、オーシャンヒートポンプシステム１０の実施形態では、圧縮器９４はタービンシステム１８からの電気によって動力供給された電気モータ９８によって駆動されてよい。スターリングヒートポンプ７４と同様、従来型ヒートポンプ９２は熱源と熱接触した状態である冷却路１００を含む。オーシャンヒートポンプシステム１０において、熱源は海洋水であり、ヒートポンプ９２は浸水された熱交換コイル８４のアレイを備える冷却路１００を用いて海洋へと連結されている。従来型ヒートポンプ９２はまた、加熱路１０２を含む。オーシャンヒートポンプシステム１０の多くの場合では、これは蓄熱媒体９０と熱接触した状態である加熱路熱交換コイル８８を含む。
【００５５】
[0078]モータ８０、９８、ピストン７６、７８、圧縮器９４、膨張弁９６および同様の装置を含むがこれに限定されない全てのヒートポンプ構成要素は、通常、オーシャンヒートポンプシステム１０の基盤４０上に備え付けられるか、格納されている。図２〜図４の具体的な実施形態では、ヒートポンプ構成要素は、熱交換コイル８４、８８と接続するための好適なパイプまたは配管を伴った状態で基盤４０の上部構造１２内部に位置付けられている、実質的には水密なハウジング１０３内部に格納されている。浸水された熱交換コイル８４は、海洋水中に浸水されている。浮体式オーシャンヒートポンプシステム１０では、浸水された冷却路の熱交換コイル８４は、図２〜図４に例示されているように、システム１０の基盤４０下に浸水されていてよい。海岸を基盤とするシステムでは、冷却路の熱交換コイル８４は、沖合に浸水され、好適な管で基盤４０およびタワー３８と接続されてよい。陸地を基盤とする実施形態では、冷却路の熱交換コイルは選択された深さまで地面に埋められてよい。
【００５６】
[0079]浸水された冷却路の熱交換コイル８４の一実施形態は、基盤４０下で海洋中に備え付けられた、一連の相互接続された熱導管を含む。浸水された冷却路の熱交換コイル８４は、アルミニウム、銅、アルミニウム合金もしくは銅合金、またはグラフェン複合材といった材料から作製されてよい。好適な熱交換コイル８４材料は、十分な強度および高い熱透過率の両方を有する。冷却路の熱交換コイル８４は、オーシャンヒートポンプシステム１０が遠方の箇所へと迅速な運搬を行う場合、水の外側に持ち上げられることができるフレーム中に備え付けられ得る。
【００５７】
[0080]図２１〜図２４の実施形態はまた、蓄熱媒体９０に曝露された表面領域を最大化するように構成された管またはコイルのネットワークによって画定されている、加熱路の熱交換コイルシステム８８を含む。以下に詳細に記載されるように、加熱路の熱交換コイル８８は、搭載蓄熱装置２８、可搬型蓄熱装置３０または遠方の蓄熱装置３２内部に位置付けられている蓄熱媒体９０内部に通常は埋設されている。加熱路の熱交換コイル８８は、十分な強度および高い熱透過率の両方を有する好適な材料から製造されてよい。例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金またはグラフェン複合材を含むがこれに限定されない複合材材料である。
【００５８】
[0081]従来型の陸地を基盤とした風力タービン発電施設は、通常発電したエネルギーを保存する能力を含んでいない。したがって、十分ではあるが異常ではない速度で風が吹いた場合、従来型風力タービンは発電してエネルギーを送達する。そうでない場合にはタービンは停止状態となる。上に記載したように、オーシャンヒートポンプシステム１０または同様の陸地を基盤とするシステムは、タービンシステム１８によって発電された電気の一部を利用し、ヒートポンプ２６を駆動して海洋または地面からの熱エネルギーを抽出することができ、その後蓄熱媒体９０内部に保存されることができる。蓄熱媒体９０は、蓄熱に高い許容量を有する加熱塩、加熱油、金属または別の物質であり得る。材料を加熱した際、固体から液体へと相変化される加熱塩および金属は、蓄熱装置に部分的に良好に適している。本明細書にて開示されている実施形態は、ヒートポンプ２６によって生成された温度差が蓄熱媒体９０において相変化を引き起こすのに十分であろうとなかろうと、任意の加熱塩または他の蓄熱材料を使用することができる。単一段階ヒートポンプ２６が望ましい温度差を生成するのに不十分である場合、一連のヒートポンプは望ましい温度差を生成するのに使用されてよい。代替的には、タービンによって提供された電気を用いた抵抗加熱、集約された太陽熱加熱などが含まれるがこれに限定されない補助熱源は、ヒートポンプまたは一連のヒートポンプを補うまたはこれを置換するために使用され、蓄熱媒体９０を加熱することができる。上で説明したように、蓄熱媒体９０は、搭載蓄熱装置２８、個別に可搬型蓄熱装置３０または遠方の蓄熱装置３２に格納され得る。蓄熱装置システムの任意の型は、例えばステンレス鋼といった、絶縁され、蓄熱媒体で充填され、また、加熱路の熱交換コイル８８のアレイも収容する、好適な材料から製造された複数のコンテナ１０４を含んでよい。
【００５９】
[0082]非限定的な一実施形態では、コンテナ１０４は６７．７３ｍ３の容量を有する４０フィートの海上コンテナを実装してよい。好適なコンテナ１０４は、溶融塩または他の蓄熱媒体９０を保持するコンテナ内部にステンレス鋼製容器を含むがこれに限定されない複数の層を有してよく、これは絶縁膜により熱的に絶縁されている。加熱路の熱交換コイル８８のアレイは、蓄熱媒体９０をと熱接触した状態でコンテナ１０４内部に位置付けられている。加熱路の熱交換コイル８８は、ヒートポンプ２６の作用を通じて加熱された蒸気または別の作動流体を運搬して、蓄熱媒体９０へと熱を移送する。加熱路の熱交換コイル８８はまた、遠方の熱利用箇所３２、局地または遠隔での汽力発電プラント３４または他の移送先にて蓄熱媒体９０から熱が抽出される場合、好適な熱移送流体を輸送するのに使用される。
【００６０】
[0083]一実施形態では、加熱路の熱交換コイル８８をヒートポンプ２６に接続する、または代替的には遠方の移送先にて加熱路の熱交換コイル８８を接続するために使用されている連結構造は、各コンテナのドアの後方である隔壁構造または同様の構造内に位置付けられている。これにより、各コンテナ１０４にて、簡単に接近しかつ蓄熱媒体９０の量を最大化することができる。長手方向の塩撹拌装置を駆動させるために補助撹拌モータは隔壁上に備え付けられ、蓄熱媒体として相転換塩を使用する場合には、塩分離を減少させ、またはこれを防ぐ。
【００６１】
[0084]図２１〜図２２に表されるように、蓄熱コンテナ１０４はオーシャンヒートポンプシステム１０の基盤４０上、その内部、またはその近傍に収容されてよい。オーシャンヒートポンプシステム１０は、熱を海洋からヒートポンプ２６によってコンテナ１０４内部にて蓄熱媒体９０と熱接触した状態である熱交換コイル８８へと移送させるためにある期間動作されてよい。好適な動作期間後に蓄熱媒体９０は十分加熱されるか、または仮に蓄熱媒体９０が相変化物質である場合、これは固相から液相へと溶融される。次いで、熱充填された蓄熱媒体９０を保持しているコンテナ１０４は、オーシャンヒートポンプシステム１０からバージ船、船、船渠または陸地へと、クレーンまたは他の好適な機器を用いて移送されてよく、および使用のため、遠方または近隣の移送先へと移送されてよい。例えば、加熱されたコンテナは、熱的に動作される局地的なまたは遠方の発電所３４、遠隔で直接熱利用するための箇所３６、淡水化プラント２４などへ移送されてよい。
【００６２】
[0085]代替的には、図２３〜図２４に表されるように、熱交換コイル８８および蓄熱媒体９０を保持しているコンテナ１０４は、オーシャンヒートポンプシステム１０と同様の方法で構築された補助移送専用船１０６上に位置付けられてよい。コンテナ１０４内部の熱交換コイル８８は、任意の好適な管を用いてオーシャンヒートポンプシステム１０上のヒートポンプ２６に選択的に接続されてよい。一部の実施形態では、補助移送船１０６はまた、基となるオーシャンヒートポンプシステム１０に使用されているサイズ、形状および材料と同様の上部構造１１２に取り付けられている、脚部１０８およびポンツーン１１０を含む。こうした実施形態では、同様に構成された浮体装置を有する、補助移送船１０６およびオーシャンヒートポンプシステム１０は、オーシャンヒートポンプシステム１０上のヒートポンプ２６と、移送船１０６上のコンテナ１０４内部の加熱路の熱交換コイル８８との間の連結を助長しつつ、波と一緒に上下する傾向がある。
【００６３】
[0086]補助移送船１０６上のコンテナ１０４内の蓄熱媒体９０が完全に充填される場合、補助移送船１０６はオーシャンヒートポンプシステム１０から取り外され、海岸または他の使用箇所へと加熱されたコンテナ１０４を移送する。
【００６４】
[0087]代替的には、移送船１０６は、コンテナ１０４内部の蓄熱媒体９０を充填している間、オーシャンヒートポンプシステム１０の傍らに一時的に固定されている、従来型のバージ船、貨物船、または他の船であってよい。所与の専用または従来型の移送船１０６上のコンテナ１０４の多くは、高性能の相変化塩で充填されていてよい。例えばこれは塩化マグネシウム六水和物（ＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏ）である。ヒートポンプシステムは、海の温度および塩を溶融するのに必要とされる温度に依存して、相対的に高い成績係数（ＣＯＰ）、例えば、４のＣＯＰを有する。したがって、タービン１８によって発電され、スターリングヒートポンプを用いて海洋から熱を収集するのに用いられる１ｋＷｈの電気ごとに対し、４ｋＷｈの熱が収集され得る。代表的な一実施例では、各コンテナは溶融時４．３６ＭＷｈの熱を保存する、９４，０００ｋｇの塩を保持する。グラフェンは、蓄熱媒体９０の熱伝導性を増加させるために、相変化蓄熱媒体または従来型の蓄熱媒体９０へと加えられてよい。追加のグラフェンまたは同様の添加剤は、蓄熱媒体９０を完全に充填するのに必要な時間を減少させ、熱利用箇所にて蓄熱媒体９０を放出するのに必要とされる時間を減少させる。
【００６５】
[0088]移送船１０６上の１つまたは複数の追加のコンテナ１０４は、相対的に高温で溶融する一般的な加熱塩で充填されてよい。こうしたコンテナ１０４は、他のコンテナを、相変化物質が熱利用箇所へと移送する間、高温かつ溶融された状態を保持した状態を維持するのに使用されてよい。
【００６６】
[0089]熱利用する移送地では、海洋から収集された熱エネルギーは熱として直接使用されてよい。例えば、一部の都市は、より大きな規模またはより小さな規模である、地域のまたは地方の加熱システムおよび冷却システムを有する。米国における最大の熱配送システムは、ニューヨークのマンハッタンに存在する。マンハッタンのシステムは、冬には建造物を加熱し、夏には吸収式冷却装置を用いてそれらを冷却するために使用される、道路下の蒸気路を特徴としている。
【００６７】
[0090]この現在の熱配送システムは、開示されたオーシャンヒートポンプシステム１０によって増強され得る。開示されたシステム１０は、例えばニューヨーク港内またはその近隣にて採用され、ニューヨーク市街に蒸気を供給する、現存するＣｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ  Ｅｄｉｓｏｎ製のヒートグリッドへと熱を投入することができる。開示された装置は、海洋上にて容易に移動させることが可能であり、風力によって動力を供給されたヒートポンププラントは、港から、風がより強くより十分な箇所へと、海岸の更に上方で採用され得る。本明細書にて開示されている実施形態はまた、通常は、既に存在している地域または局地的な熱配送システムよりは新規に建設されたものへと熱を供給するのに使用されることができる。ただしこれは沿岸の都市である必要性はない。代替的には、移送船１０６またはオーシャンヒートポンプシステム１０からの直接の管は、加熱された蓄熱媒体を、局地的なまたは遠方の汽力発電所３４、淡水化プラント２４、または保存された熱エネルギーを利用するように構成された同様のプラントもしくは工場へと移送してよい。局地的なまたは遠方の汽力発電所３４は、従来型の蒸気駆動型タービン、スターリング熱エンジン、または入力エネルギー源として熱を用いる発電機を駆動させるよう構成されている他の装置を含んでよい。
【００６８】
[0091]電気駆動されたヒートポンプからの熱エネルギーを直接利用することで、拡大効果を生じる。海洋からの熱を用いる、海洋を基盤としたシステムによって、このシステムがニューヨーク港に位置付けられるとする場合、風力エネルギー１ｋＷｈごとに、２．７３ｋＷｈの熱エネルギーを生み出す。この２．７３ｋＷｈの熱エネルギーが５０％の能率を有する発電機を駆動している、近隣または遠方のスターリングエンジンへと供給される場合、次いで生じる電気エネルギー量は１．３６５ｋＷｈであり、これは３６．５％の増加である。地下熱を使用する陸地を基盤とするシステムによって、風力エネルギー１ｋＷｈごとに、地下熱の熱交換コイルの温度が通常１０℃である箇所において２．７５ｋＷｈの熱を生じる。仮にこの２．７５ｋＷｈの熱が、５０％の能率を有する発電機を駆動しているスターリングエンジンへと供給される場合、生じる電気エネルギー量は１．３７５ｋＷｈであり、３７．５％の増加である。出力エネルギーにおけるこうした増加は、具体的には海洋または陸地といった熱源から利用された熱エネルギーの効果的な利用から生じる。ヒートポンプシステムの基礎的な物理学は、当業者には周知であり、例えばＭａｃｏｍｂｅｒにおける「Ｔｈｅ  Ｂａｓｉｃ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｈｅａｔ  Ｐｕｍｐｓ」（２００２）に記載されており、これは上記の電力拡大効果を支持するために本明細書に参照として組み入れられている。
【００６９】
[0092]本明細書に詳細に記載されたエネルギー保存方法の１つは、蓄熱媒体に直接熱を貯えることを含む。他のエネルギー保存方法は、本明細書に記載のシステムの実施形態を使用するために適合され得る。例えば、タービン１８は電池を充電するのに使用され得る。陸地または海洋を基盤にする実施形態によって生成された電気は、電気ポンプを駆動して高所の貯蔵タンクまたはリザーバへと水を注入し、位置エネルギーを保存するのに使用されてよい。同様に、風力タービンシステムは、送配電網の需要を超える大量のエネルギーが存在する場合に後で電力が必要となる場合に使用するため、過剰なエネルギーを位置エネルギーへと転換するために重量を持ち上げることでエネルギーを保存することができる。必要な場合に、重量はゆっくりと低下し、これにより、重量が持ち上げられた場合にケーブルを巻き付けるために使用されている回転ケーブルドラムへと機械的に接続されている発電機を動かすことができる。
【００７０】
[0093]開示された実施形態の追加の利点は、環境への肯定的な効果である。熱エネルギーは、気候変動の影響を相殺しつつ海洋から抽出され得る。加えて、収集された熱は、化石燃料を燃焼させることなく住宅、仕事場の建造物、または他の構造物を温めたり冷却したりするのに使用されることができる。したがって、オーシャンヒートポンプシステム１０は、排出物ゼロの、熱エネルギーによる電力を発生させつつ、気候変動によって生じた海洋の熱を相殺するように機能する。
【００７１】
[0094]代替的な実施形態は、本明細書に記載の装置を用いて、発電し、海洋から熱を抽出する方法を含む。他の実施形態は、本明細書に記載の浮体式タービンシステムを支持、移動および安定させる方法を含む。更に他の実施形態は、本明細書に記載の装置を使用して、海洋から熱を抽出し、抽出された熱を保存または移送する方法を含む。
【００７２】
[0095]種々の実施形態の説明は、例示と説明を目的として提示されており、網羅的または本発明を開示された形態に限定することを意図したものではない。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ制限される。多くの修正および変更は、当業者には明らかであるだろう。図面に記載および示された実施形態は、発明の原理、実際の適用を説明し、熟考された特定の使用に適するよう種々の修正を伴った種々の実施形態に関して、他の当業者が本発明を理解できるように選択および記載される。本明細書にて引用された全ての参照は、参照としてその全体が組み入れられている。
【図１】
2021533320.tif 000003
【図２】
2021533320.tif 000004
【図３】
2021533320.tif 000005
【図４】
2021533320.tif 000006
【図５】
2021533320.tif 000007
【図６】
2021533320.tif 000008
【図７】
2021533320.tif 000009
【図８】
2021533320.tif 000010
【図９】
2021533320.tif 000011
【図１０】
2021533320.tif 000012
【図１１】
2021533320.tif 000013
【図１２】
2021533320.tif 000014
【図１３】
2021533320.tif 000015
【図１４】
2021533320.tif 000016
【図１５】
2021533320.tif 000017
【図１６】
2021533320.tif 000018
【図１７】
2021533320.tif 000019
【図１８】
2021533320.tif 000020
【図１９】
2021533320.tif 000021
【図２０】
2021533320.tif 000022
【図２１】
2021533320.tif 000023
【図２２】
2021533320.tif 000024
【図２３】
2021533320.tif 000025
【図２４】
2021533320.tif 000026
【国際調査報告】
2021533320.tif 000027