(57)【要約】システムは、ブイ内に配置された燃料バーナーと、燃料バーナーに結合された少なくとも１つの燃料タンクとを備える。燃料タンクは、好ましくは、エタノール又はプロパンを収容する。本システムは、熱電発電機、又は熱機関に機械的に結合された発電機のいずれかを備える。エタノール又はプロパンは、電力を発生させるために燃焼する。発生する電力の少なくとも一部は、バッテリーシステムに貯蔵され、それにより、本システムは、相対的に大きいピークレベルの電力消費を提供することができる。本システムは、自律型海洋用途で使用することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
海洋環境において発電及び蓄電するシステムであって、
浮遊線を有するブイと、
前記ブイ内に配置された燃料バーナーと、
温度差を電圧に変換する手段であって、高温側及び低温側を有する熱電発電機、又は、高温側及び低温側を有する熱機関に機械的に結合された発電機を含む、手段と、
前記手段に電気的に結合されたバッテリーシステムと、
を備え、
前記高温側は、前記ブイの内側で前記燃料バーナーと熱接触して配置されており、
前記低温側は、前記ブイの外側で前記浮遊線の下方に配置されており、又は、前記低温側は、ヒートパイプ又は熱交換器に熱的に結合され、該ヒートパイプ又は熱交換器は前記ブイの外側で前記浮遊線の下方に配置された部分を含む、システム。
【請求項２】
前記燃料バーナーは、電子点火装置及び失火検知器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記低温側の温度がおよそ摂氏６０度〜摂氏８０度であるように、前記手段を動作させるようにプログラムされたコントローラーを更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記燃料バーナーが配置されている燃焼室と、
前記燃焼室から液体を排出するように構成されたポンプアセンブリと、
を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記燃料バーナーが配置されている燃焼室と、
前記燃焼室内に空気を送り込むように構成された吸気システムと、
を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記吸気システムは送風機を備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記燃焼室の少なくとも一部、又は前記燃焼室に接続された排気パイプの少なくとも一部を包囲する回収熱交換器室を更に備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記排気パイプは自己封止フラップ弁を備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記排気パイプは、前記吸気システムの一部に並んで配置されるとともに、該吸気システムの該一部と位置合せされ、該吸気システムは自己封止フラップ弁を備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記燃料バーナーに結合された燃料タンクを更に備え、該燃料タンクはエタノールを含み、又は、該燃料タンクはプロパンを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記バッテリーシステムに電気的に結合されたソーラーパネルを更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記手段は、熱機関に機械的に結合された発電機を含み、該発電機は、交流電源とＡＣ−ＤＣ変換器とを備え、前記熱機関は外燃熱機関を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記外燃熱機関はスターリングサイクル機関である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記手段は熱電発電機を含み、該熱電発電機は、ゼーベック効果によって電圧を発生させるように構成された異なる半導体の対のアレイを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記低温側は、ヒートパイプ又は熱交換器に熱的に結合され、前記システムは、
ポンプと、
前記手段の前記低温側に熱的に結合された第１の熱交換器を通して、且つ前記ブイの外側で前記浮遊線の下方に配置された第２の熱交換器を通して、作動流体を循環させる回路と、
前記ポンプを駆動するコントローラーであって、前記作動流体の循環流量を調整することにより前記第２の熱交換器の温度を調節するようにプログラムされている、コントローラーと、
を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ブイは、平板を用いて構成されている外殻を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記ブイは外殻を備え、該外殻は、対応する複数の空洞を閉鎖する複数のハッチを備え、各空洞は燃料タンクを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記ソーラーパネルの下方に発泡ブイを更に備える、請求項１１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、自律型海洋用途で使用される発電及び蓄電に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠隔地において電力を提供するために、海上でブイ又はバージにおいてディーゼルエンジンが使用されてきており、海洋ディーゼルエンジン技術は成熟している。ディーゼルエンジンは、十分に保護され且つ適切に保守される場合、海洋環境で信頼性が高い。しかしながら、ディーゼルエンジンは、自律型の長期間の用途での使用に対して、特に、荒海のリスクが高い場合、適していないことがある。例えば、ディーゼルエンジンは、オイル交換等、頻繁な保守が必要である。運転の数週間ごとのディーゼルエンジン保守は、過剰なコストを招く。さらに、ディーゼルエンジンは内燃を用いるため、燃焼室は、海洋大気及び塩害に直接晒される。荒海中にエンジン吸気口から海水が流入する場合、エンジンは浸水し永久的に損傷を受ける可能性がある。さらに、燃料漏れ（すなわち、ディーゼル漏れ）により、油膜が残るか、又は環境ハザードがもたらされる可能性がある。最後に、ディーゼル燃料は、経時的に劣化し、ゲル化し、又は噴射ノズルを詰まらせる可能性があるため、長期の配備には適していない。バイオディーゼルはまた、長期間貯蔵される場合、細菌増殖問題も起こりやすい。
【０００３】
遠隔地において電力を提供するために、海上でブイ又はパージにおいてソーラーパネルもまた使用されてきた。しかしながら、ソーラーパネルによって発生する電力は、曇天の期間中及び夜間は制限される。
【０００４】
波力エネルギー変換装置（ＷＥＣ）は、不十分な波力エネルギーポテンシャル又は季節変動により、配備場所において生成する電力が非常にわずかである可能性がある。
【０００５】
したがって、本技術分野において、自律型海洋用途において使用することができる発電及び蓄電のシステムが引き続き必要とされている。そうしたシステムは、好ましくは、遠隔海洋環境においてクリーンな環境に配慮した方法で電力を発生させることができる。また、本システムは、好ましくは、信頼性が高く、必要な保守が最小限である。
【０００６】
本開示の実施形態のより詳細な説明のために、ここで、添付図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】複数の発電機を備えた大型垂直スパーの図である。
【図２】単一の発電機のみを備えた小型ブイの一例の図である。
【図３】図２に示す小型ブイ及び単一の発電機の断面図である。
【図４】複数の発電機を備えた艇体の側面図である。
【図５】図４に示す艇体及び複数の発電機の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下の開示は、本発明の異なる特徴、構造又は機能を実施するいくつかの例示的な実施形態を記載することが理解されるべきである。開示を簡略化するように、構成要素、配置及び構成の例示的な実施形態を以下に記載するが、これらの例示的な実施形態は、単に例として提供されており、本発明を限定するようには意図されていない。さらに、本開示は、本明細書に提供する様々な例示的な実施形態において且つ図にわたって参照番号及び／又は文字を繰り返す場合がある。この繰返しは、簡単及び明確にすることを目的とし、それ自体、様々な図において考察する様々な例示的な実施形態及び／又は構成の間の関係を指示するものではない。最後に、以下に提示する例示的な実施形態は、本開示の範囲から逸脱することなく、方法の任意の組合せで組み合わせることができ、すなわち、１つの例示的な実施形態からの任意の要素を他の任意の例示的な実施形態において用いることができる。
【０００９】
本開示における全ての数値は、特に別段の定めのない限り、概算値とすることができる。したがって、本開示の様々な実施形態は、意図される範囲から逸脱することなく、本明細書に開示する数、値及び範囲から外れる場合がある。さらに、以下の記載において、第１の特徴部を第２の特徴部の上方に又は上に形成することは、第１の特徴部と第２の特徴部とが直接接触して形成される実施形態を含むことができるとともに、第１の特徴部と第２の特徴部とが直接接触し得ないように、第１の特徴部と第２の特徴部との間に介在する更なる特徴部が形成され得る実施形態も含むことができる。
【００１０】
本開示は、自律型海洋用途で使用することができる、発電及び蓄電のシステムを記載する。本システムは、送電網へのアクセスがない遠隔海域に配備することができる。
【００１１】
本システムは、機器プラットフォームを備える発電ブイを備え、機器プラットフォームには、発電ブイの頂部に設置される種々の通信機器及びセンサーを設けることができる。ブイは、非常に単純な一点係留を用いることができ、又は、ブイに、位置保持システムを取り付けることができる。
【００１２】
本システムは、温度差を電圧に変換する手段を備える。本明細書で用いる場合の上記手段は、高温側及び低温側を有する熱電発電機、又は高温側及び低温側を有する熱機関に機械的に結合された発電機、又は上記熱機関に機械的に結合された上記発電機との上記熱電発電機の組合せのいずれかを含む。いくつかの実施形態では、熱電発電機は、ゼーベック効果によって電圧を発生させるように構成された異なる半導体の対のアレイを備えることができる。いくつかの実施形態では、発電機は、交流電源とＡＣ−ＤＣ変換器とを備えることができる。いくつかの実施形態では、熱機関は、外燃熱機関を含むことができる。いくつかの実施形態では、外燃熱機関は、スターリングサイクル機関を含むことができる。
【００１３】
いくつかの好ましい実施形態では、本システムは、発電機に結合されたスターリングサイクル機関又は熱電発電機を用いて電力を発生させる。スターリングサイクル機関及び熱電発電機は、燃焼室内の燃料燃焼によって発生する熱を用いる。暴風雨中の不測の水の流入の場合、又は更には外部燃焼室の浸水の場合、燃焼室は、損傷を招くことなく自動的に排水し再点火することができる。燃料はタンクに貯蔵される。
【００１４】
いくつかの好ましい実施形態では、本システムは、エタノール又はプロパン等、環境に配慮した燃料から電力を発生させ、発生した電力をバッテリーシステムに貯蔵することができる。任意選択で、本システムはまた、熱電発電を太陽エネルギー電力で補うためにソーラーパネルも用いる。
【００１５】
動作時、本システムは、バッテリーシステムを用いて、本システムによって発生する電力の最大レベルよりも高いピークレベルの電力消費を可能にするか、又は、海況により外部燃焼室の吸気口及び／又は排気口を閉鎖する必要があるときに電力消費を可能にし、それにより熱の発生を防止することができる。また、スターリングサイクル機関は外部環境から完全に封止され、熱電発電機は可動部品を有していないため、動作中、オイル交換は不要であり得る。
【００１６】
本明細書に記載する発電及び蓄電ブイは、配備後に数か月から２年以上（通常、１２か月以上）の範囲の期間、５０ワット〜１０００ワットほどの平均電力を提供することができる。例えば、発電及び蓄電ブイは、電話（例えば、４Ｇ）及び／又は衛星通信トランスポンダー、カメラシステム、セキュリティセンサー、自律型無人潜水機（ＡＵＶ）に電力を供給する、海中バッテリーを充電する、及び／又はデータ伝送をサポートする用途において使用することができる。さらに、いくつかの発電及び蓄電ブイは、１０００ワットを超える電力が必要とされる場合、例えば、最大１０００００ワットが必要とされる場合、アレイで設置することができる。
【００１７】
ＷＥＣと比較すると、本明細書に記載する発電及び蓄電ブイによって発生する電力は、配備場所状況に対する依存性を低くすることができる。特に、発電及び蓄電ブイは、太陽エネルギー又は波力エネルギーのみでは用途の電力要件を満たすために不十分である環境において電力を提供することができる。燃料及びバッテリーの組合せにより大量の貯蔵エネルギーを提供することができ、それにより、発電及び蓄電ブイは、高度な稼働時間可用性で全ての季節及び海況にわたって確実に動作することができる。
【００１８】
本明細書に記載する発電及び蓄電ブイは、電力を発生させるためにエタノール又はプロパン燃焼に依拠することができる。エタノール及びプロパンは、漏れた場合に非毒性であり、油膜をもたらさない。エタノールは通常のガソリンよりも安全であると考えられ、その理由は、エタノールは、通常のガソリンと比較して、より毒性が低く、より高い引火点、より高い自己発火温度を有し、汲み上げた海水を用いて希釈により火災を消すことができ、その一方で、ガソリンによる火災は消すために消火泡が必要であるとともに水面で浮遊及び燃焼する可能性があるためである。ディーゼルとは異なり、エタノールは、貯蔵寿命限界がなく、バイオディーゼルに関連するいかなる細菌増殖問題もない。エタノールはまた、クリーンな／再生可能なエネルギーと考えられている。エタノールの炎は可視であり、メタノール等の他のアルコールは、淡青色又は不可視の炎で燃焼するためより危険である。回復後、燃料システムは、蒸留水でフラッシングするか又は単に排気して、輸送の前にいかなる残りのエタノールも蒸発させることができる。対照的に、ディーゼル又はガソリン等の燃料は、排気後であってもタンク及び燃料ラインに可燃性化合物の残留物を残す可能性がある。これらの残留物により、燃料システムの詰まり又は略空のタンクを移送しているときの燃料−空気爆発のリスクが増大する可能性がある。長期間劣化なしに貯蔵することができる容易に入手可能なクリーンな燃焼の燃料として、プロパンも使用することができる。
【００１９】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載する発電及び蓄電ブイは、小型にすることができ、水中において抗力は非常にわずかであり得る。したがって、ブイは、位置保持を実現性のある選択肢とするために十分な電力を発生させることができる。また、ブイは、比較的容易に移送することができる。例えば、標準的な輸送用コンテナに複数のブイが収まることができる。代替的に、ブイの外殻が艇体のような形状である場合、ブイを配備場所まで牽引することもでき、したがって海洋クレーンが不要になる。
【００２０】
場合によっては、全て比較的小型でありしたがって輸送が容易である比較的多数の発電及び蓄電ブイを配備することが、費用効率が高い可能性がある。他の場合では、全て比較的大型でありしたがって輸送が困難な可能性がある比較的少数の発電及び蓄電ブイを配備することが、費用効率が高い可能性がある。
【００２１】
いくつかの実施形態では、発電ブイの外殻は、発泡フロートの底部に付加された比較的大型の垂直スパーを備えることができる。発泡フロートの外殻は、任意選択で切頭縁部を有する、本質的に、小型の中実円筒体のような形状とすることができる。燃料タンクは、スパー内に封入することができる。温度差を電圧に変換する手段もまた、燃料タンクの上方等、スパーに封入することができる。発泡フロート内にバッテリーシステムを封入することができる。
【００２２】
他の実施形態では、垂直スパーを省略することができ、発電ブイの外殻は、本質的に発泡フロートからなることができる。こうした実施形態では、燃料タンクもまた、バッテリーシステムの下方等、発泡フロート内に封入することができる。温度差を電圧に変換する手段は、発泡フロートの最も内側の部分に配置することができる。
【００２３】
更に他の実施形態では、発電ブイの外殻は、艇体のような形状とすることができる。例えば、発電ブイは、水平面における長さ及び幅（長さは幅よりも大きい）と垂直方向における高さとを有する、直方体の外殻のような形状である中央部分を含むことができる。高さは好ましくは幅よりも短い。発電ブイはまた、２つの側方部分も含むことができ、それらはそれぞれが中央部分の２つの両端部のうちのそれぞれの端部に結合され、それにより、側方部分は、中央部分の長さ方向に本質的に位置合せされる。少なくとも一方の側方部分、任意選択で両方の側方部分は、本質的に、切頭である１つの先端の（distal）下縁部を有する直方体の外殻のような形状とすることができる。切頭縁部は、水平方向に対して鋭角で傾斜している下側面によって形成される。こうした実施形態では、燃料タンクは中央部分に封入することができる。バッテリーシステムと、温度差を電圧に変換する手段とは、側方部分のうちの一方に配置することができる。
【００２４】
ブイの外殻の他の形状を用いることができ、ブイの外殻の形状は、好ましくは、ブイが配備される方法に、及び／又は用途の電力要件を満たすために必要な容積に適合される。
【００２５】
図１を参照すると、発電及び蓄電ブイの実施形態例が示されている。このブイは、吸気システム１と、機器取付プラットフォーム２と、排気パイプ３と、ソーラーパネル取付領域４と、電子機器及びペイロード筐体５と、発泡フロート６と、燃料バーナーを備える燃焼室７と、スターリングサイクル機関又は熱電発電機アレイ８と、排液ポンプアセンブリ９と、ブイスパー構造体１０と、燃料タンク１１と、燃料ポンプ１２と、バラストタンク１３と、バラストポンプ及び弁アセンブリ１４と、バラスト質量１５と、係留点１６と、係留及び電力供給ケーブル１７とを備える。
【００２６】
本システムは、ブイスパー構造体１０が完全に潜水し、浮遊線が発泡フロート６の中間点に位置するように、海洋で垂直に浮遊することによって機能する。
【００２７】
吸気システム１は、例えば、吸気システム１の内側端部に配置される強制送風機２１を使用することにより、燃焼室７内に空気を引き込んでいる。燃料ポンプ１２を用いて、エタノール、プロパン又は同様の炭化水素燃料が、燃料タンク１１から燃焼室７内に配置された燃料バーナーまで供給される。燃料バーナーは、スターリングサイクル機関又は熱電発電機アレイ８に熱源を提供する。
【００２８】
スターリングサイクル機関が使用される場合、この機関は、ＡＣ−ＤＣ変換器に結合された交流電源を機械的に駆動し、したがって、熱が燃料バーナーからスターリングサイクル機関を通って周囲の海水まで流れる際に、電気を発生させることができる。スターリングサイクル機関の高温側は、ブイスパー構造体１０の内側で燃料バーナーと熱接触して配置される。スターリングサイクル機関の低温側は、ブイスパー構造体１０の外側で浮遊線の下方に配置することができる。代替的に、スターリングサイクル機関の低温側は、ブイスパー構造体１０の内側に配置して、ヒートパイプ又は熱交換器に接続することができる。ヒートパイプ又は熱交換器は、ブイスパー構造体１０の外側で浮遊線の下方に配置された部分を含む。この代替形態により、ブイスパー構造体１０内での市販のスターリングサイクル機関の実装を容易にし、及び／又はスターリングサイクル機関を衝撃及び海洋生物付着からより適切に保護することができる。スターリングサイクル機関は、比較的高い発電効率を提供することができ、機関アセンブリ全体が海洋大気の影響から封止されているため、保守なしに長期間動作することができる。
【００２９】
熱電発電機アレイが使用される場合、アレイは、熱が燃料バーナーからアレイの各発電機を通って周囲の海水まで流れる際に、ゼーベック効果によって直接電力を発生させる。この場合もまた、各熱電発電機の高温側はブイスパー構造体１０の内側で燃料バーナーと熱接触して配置され、各熱電発電機の低温側は、ブイスパー構造体１０の外側で浮遊線の下方に配置することができる。代替的に、熱電発電機の低温側は、ブイスパー構造体１０の内側に配置し、ブイスパー構造体１０の外側で浮遊線の下方に配置された部分を含むヒートパイプ又は熱交換器に接続することができる。熱電発電機アレイは、可動部品がなく、単純であるとともに信頼性が高いが、スターリングサイクル選択肢よりも実質的に効率が低い可能性がある。
【００３０】
いくつかの好ましい実施形態では、スターリングサイクル機関又は熱電発電機アレイ８に接続されているヒートパイプ又は熱交換器は、ポンプを備えることができ、ポンプは、スターリングサイクル機関の低温側に熱的に結合された第１の熱交換器を通して、且つ、ブイスパー構造体１０の外側の浮遊線の下方に（使用するときは海水と接触して）配置された第２の熱交換器を通して、回路内で作動流体を循環させる。ポンプ、作動流体回路及び熱交換器は、コストを増大させるとともに、ブイによって発生する電力の幾分かを消費する可能性がある。しかしながら、作動流体の流量の制御を可能にすることにより、このシステムは、海水と接触する排熱面の温度の調節を容易にすることができ、この温度は、理想的には、海洋生物付着を抑制するために十分高温であるべきであるが、表面孔食、又はスターリングサイクル機関若しくは熱電発電機アレイ８の動作効率の低下をもたらすように過度に高温であってはならない。
【００３１】
場合によっては、スターリングサイクル機関及び熱電発電機アレイは、ともに使用することができる。
【００３２】
スターリングサイクル機関が使用されるか又は熱電発電機アレイが使用されるかにかかわらず、燃焼ガスは、燃焼室７から排気パイプ３を通して排出される。排液ポンプアセンブリ９は、燃焼ガスからの任意の凝縮物又は吸気システム１若しくは排気パイプ３のいずれかからの流入海水を排液するために設けられている。
【００３３】
ソーラーパネル取付領域４には、任意選択で、燃焼する燃料から発生する電力を補うためにソーラーパネルを取り付けることができる。
【００３４】
発生した電力は、電子機器及びペイロード筐体５内に配置することができるバッテリーアレイ２６に貯蔵される。次いで、電力は、通信システム、センサー、カメラ、レーダー及び／又は他の海洋ペイロードを含むことができる、機器取付プラットフォーム２に配置された機器に送出される。
【００３５】
燃料タンク１１から燃料が消費されると、バラストポンプ及び弁アセンブリ１４を用いて、消費された燃料質量を補償するためにバラストタンク１３を水で充填することができる。この充填により、ブイスパー構造体１０は、比較的一定の高さで垂直に浮遊し続けることができる。
【００３６】
発泡フロート６の外殻は、任意選択で切頭縁部を有する、本質的に、比較的小型の中実円筒体のような形状である。発泡フロート６は、追加の浮遊浮力を提供し、一方で、バラスト質量１５が、ブイスパー構造体１０が安定した垂直向きを維持するのを確実にする。
【００３７】
係留点１６は、システムを海底に固定するとともに水面下のペイロードに電力及びデータ接続性を提供するために使用することができる、係留及び電力供給ケーブル１７に接続する。
【００３８】
図１に示す実施形態は、多数のスターリングサイクル機関又は熱電発電機アレイ８を設置することにより、１０００ワットを十分に超える平均電力を生成することができるが、燃料が持つのは相対的に短い期間である。
【００３９】
図２及び図３を参照すると、発電及び蓄電ブイの別の実施形態例が示されている。このブイは、燃料タンク１１と、バッテリーアレイ２６と、電子機器と、スターリングサイクル機関又は熱電発電機８とを収容する金属カートリッジインサートを支持する発泡フロート６から構成されている。発泡フロート６の外殻は、任意選択で切頭縁部を有する、本質的に、比較的小型の中空円筒体のような形状である。安定性のためにブイの底部からバラスト質量１５が吊り下げられている。ブイの頂部は、全ての障害物のない、機器取付プラットフォーム２を支持する。スターリングサイクル機関又は熱電発電機８の低温側１９は、発泡フロート６の外側で浮遊線の下方に配置することができる。代替的に、スターリングサイクル機関又は熱電発電機８の低温側は、発泡フロート６の内側に配置し、発泡フロート６の外側に配置された部分を含むヒートパイプ又は熱交換器（図示せず）に接続することができる。ヒートパイプ又は熱交換器は、上述したように、ポンプ、作動流体回路及び熱交換器を備えることができる。
【００４０】
ブイが海底ペイロードを支持するように用いられる場合、係留及び電力供給ケーブル（図示せず）にブイを固定するために、単一の係留点（図示せず）を用いることができる。最大６か月配備するための選択肢として、自動位置保持も利用可能である。位置保持モジュールは、下方のバラストプレート面に取り付ける小型の潜水可能なスラスターのアレイを含むことができる。この実施形態では、ブイドラフトは、燃料タンク１１が満杯であるときから燃料タンク１１が空であるときまで、０．１５メートルしか変化しないため、水バラストシステムは不要であり得る。  
【００４１】
燃焼ループ（すなわち、吸気システム１、燃焼室７及び排気パイプ３）は、発泡フロート６の内部区画内に配置されている。燃焼ループは、完全に封止され、浸水及び浸漬に耐性がある。エタノールは、燃料タンク１１から燃焼室７内に配置された燃料バーナー内に圧送される。燃料バーナーは、好ましくは、電子点火装置及び失火検知器を備える。防水電動送風機２１が、空気流を提供し、燃焼ガスを自己封止フラップ弁から追い出す。
【００４２】
吸気システム１及び排気パイプ３は、互いに並んで配置し、軸方向に位置合せすることができる。さらに、回収熱交換器室２２が、排気パイプ３内の燃焼ガスから回収熱交換器室２２内の空気流に熱を伝導することにより、空気流を加温するためにある。この熱伝導により、排気パイプ３内の燃焼ガスの温度を低下させるとともに、排気パイプ３の近くでセンサー及びペイロードを過熱するリスクを低下させることもできる。例えば、発泡フロート６の外側で、吸気システム１及び排気パイプ３は別個のパイプとして示されている。吸気システム１及び排気パイプ３を発泡フロート６の外側で別個に維持することにより、水流入に対する保護を、封止フラップ弁による等、より容易に実施することができる。発泡フロート６の内部区画の内側で、吸気システム１は、燃焼室７及び／又は排気パイプ３を包囲する回収熱交換器室２２に通じている。排気パイプ３を包囲する回収熱交換器室２２内で下向きに流れる、送風機２１によって引き込まれている空気への熱伝導を促進するために、燃焼室７及び／又は排気パイプ３に、熱交換器フィン（図示せず）を設けることができる。代替的に、吸気システム１及び排気パイプ３の完全同軸配置（図示せず）を用いることができる。こうした完全同軸配置では、燃焼室７及び排気パイプ３は、回収熱交換器室２２及び吸気システム１の中心に配置することができる。したがって、空気は、排気パイプ３の頂部よりも下方に凹んでいる、排気パイプ３を包囲するチューブ内に引き込まれる。完全同軸配置により、熱伝導効率を向上させることができ、図２及び図３に示す実施形態よりも占有する空間を小さくすることができるが、吸気システム１における水流入に対する保護は、実施がより複雑である可能性がある。しかしながら、排気パイプ３内の水流入に対する保護は、上述したように、排気パイプ３の頂部の封止フラップ弁を用いて実施することができる。また、外燃機関の全体的な効率を増大させるために、完全同軸配置は、上述したように熱交換器フィンを含むことができる。
【００４３】
好ましい実施形態では、燃焼室７内で発生する熱を用いて、封止されたリニアスターリングサイクル機関に電力が供給され、そうした熱は、海水によって受動的に冷却される。任意の海洋生物付着蓄積を抑制するために６０℃〜８０℃の温度で機関低温側１９を動作させるように、コントローラーをプログラムすることができる。代替的に、コントローラーは、ヒートパイプ又は熱交換器の発泡フロート６の外側で浮遊線の下方に配置される部分が、６０℃〜８０℃の温度であるように、機関低温側１９を動作させるようにプログラムすることができる。いくつかの実施形態では、機関低温側１９は、１５００ワット〜３０００ワットの熱を海水内に排出することができ、機関は、最大１０００Ｗの電力を発生させることができる、ＡＣ−ＤＣ変換器に結合された交流電源を駆動する。機関及び発電機は、２０％〜４０％の正味効率で電気を発生させることができる。
【００４４】
図４及び図５に、艇体のような形状の外殻を有する発電及び蓄電ブイの一実施形態を示す。いくつかの実施形態では、艇体ブイは、プロパンからおよそ１５００ｋＷｈの電気エネルギーを送出することができる。配備期間に応じて、配備中に１００ｋＷｈ〜５００ｋＷｈが消費される可能性があるため、上記エネルギーは、現場でペイロードに対して完全に利用可能なエネルギーではない可能性があることに留意されたい。
【００４５】
図４及び図５を参照すると、ブイは、吸気システム１と、機器取付プラットフォーム２と、排気パイプ３と、ソーラーパネル取付領域４と、電子機器及びペイロード筐体５と、スターリングサイクル機関又は熱電発電機アレイ８と、複数の燃料タンク１１と、バラスト質量１５と、係留点１６と、係留及び電気供給ケーブル１７とを備える。上述したように、スターリングサイクル機関又は熱電発電機アレイ８は、排液ポンプ９及び点火装置を収容することができる燃焼室７を備える。燃料タンク１１は、燃料ポンプ１２を介して発電機アレイ８に可燃物を供給することができる。
【００４６】
図４及び図５に示すブイの吸気システム１及び排気パイプ３の設計は、図１又は図２及び図３に示す吸気システム１及び排気パイプ３の設計とは大幅には異なっていない可能性がある。特に、吸気システム１及び／又は排気パイプ３は、自己封止フラップ弁を備えることができる。
【００４７】
追加の特徴は、係留ヨーク２４と、牽引突起２５と、搭載バッテリーアレイ２６と、バッテリー結合器システム２７と、制御システム２８と、スターリングサイクル機関又は熱電発電機アレイ８の低温側に熱的に結合された熱交換器２９と、燃料タンクカバー３０と、ペイロード及び電子機器カバー３１と、船体３２と、ペイロードコネクターハッチ３３と、ソーラーパネルコネクターハッチ３４と、リリーフ弁３５と、パージ弁３６とを含む。発泡ブイ（図示せず）は、好ましくは、ソーラーパネル取付領域４のソーラーパネルの下方に設けられる。
【００４８】
図４及び図５に示すブイは、平板艇体を用いて構成することができ、それにより、コストを削減するとともにリードタイムを短縮することができる。例えば、船体３２は、直方体のような形状である中央部分を含むことができる。船体３２はまた、２つの側方部分も含むことができ、それぞれ、中央部分の２つの両側端部のそれぞれの端部に結合され、それにより、側方部分は、本質的に、中央部分の長さ方向と位置合せされる。少なくとも一方の側方部分、及び任意選択で両方の側方部分を、切頭である１つの先端の下縁部を有する直方体のような形状とすることができる。切頭縁部は、水平方向に対して鋭角で傾斜している下側面によって形成される。したがって、配備のためにブイを牽引することができ、クレーンが不要になる。
【００４９】
さらに、図４及び図５に示すブイは、構成選択肢がより限られている可能性がある図１に示すブイよりも、燃料タンクサイジング及びバッテリーモジュール設置のより良好なモジュール性を可能にすることができる。例えば、ブイの外殻を形成する船体３２は、ブイの対応する複数の空洞を閉鎖するために用いることができる、６つの燃料タンクカバー３０又はハッチを備える。各空洞は燃料タンクを備える。燃料タンク１１は、好ましくは、船体３２の中央部分で、バラスト質量１５の上方に封入される。図４及び図５に示す実施形態では、燃料タンク１１はプロパンを収容する６つの大型燃料タンクからなるが、ブイは、代替的に、種々の異なる燃料を収容する燃料タンク、及び／又は他の任意の数、形状若しくは構成の燃料タンクを含むように構成することができる。任意選択で、スターリングサイクル機関又は熱電発電機アレイ８は、さらに、船体３２の側方部分のうちの一方における等、ブイ内に直接入れられるように設計することができる。バッテリーアレイ２６及び／又は結合器システム２７もまた、例えば、スターリングサイクル機関又は熱電発電機アレイ８の周囲において、側方部分のうちの一方に配置することができる。
【００５０】
図示する例では、例えば、少なくとも２５ｋＷｈの蓄電容量を有する、搭載バッテリーアレイ２６が含まれる。搭載バッテリーアレイ２６に電力を貯蔵することができる。代替的に又は更に、電力は、搭載ペイロードに、且つ海底への結合された係留／電力／データ供給ケーブル１７に提供することができる。
【００５１】
図４及び図５に示す発電及び蓄電ブイは、例えば、市販のプロパンタンクを用いる大容量の燃料貯蔵を可能にする。中央部分の長さを延長するとともに燃料タンクを追加することにより、より大きい容量に対してブイの規模を拡大することができる。ブイは、好ましくは、任意選択で、ばらで／空で積まれるか又は配備場所の位置的に近くで購入される燃料タンクとともに、輸送用コンテナ内に収まることができるサイズである。燃料タンク１１は、好ましくは、充填及びブイ内での設置のために垂直なままである。燃料タンク１１は、海上で交換又は補充することができる可能性がある。
【００５２】
ブイは、単純な通信マストを備えることができるが、代替的に、完全な警備艇ペイロードを支持することができる。ブイは、ペイロード及び電子機器カバー３１並びにペイロードコネクターハッチ３３が設けられるアクセスハッチを備えた内部ペイロード機器のための空間を、電子機器及びペイロード筐体５内等に有することができる。
【００５３】
図４及び図５に示すブイは、スターリング機関及び発電機に加えてソーラーパネルを備えることができる。例えば、６つの高効率な可撓性の海洋グレードパネルを設置することができる。好都合な場所（例えば、メキシコ湾、アドリア海）で使用される場合、ソーラーパネルは、一次電源となることができ、プロパン燃料をバックアップとすることができる。ソーラーパネルは、送出される総電気エネルギーに対して３０％〜１００％を追加することができる。
【００５４】
荒海では、幾分かの水が吸気システム１に流れ込む可能性がある。受動逆止弁及び能動ボール弁の組合せを用いて、水侵入のリスクを低下させることができる。図の全てを参照すると、燃焼室７の底部に配置された排液ポンプアセンブリ９を用いて、流入水及び燃焼ガスからの凝縮物を除去することができる。燃焼室７が浸水した場合、ブイの制御システム２８は、動作を一時停止し、燃焼室７が汲み干されるまで、燃料ポンプ１２、送風機２１及び点火装置を止めることができる。発電機が止められている間、電力は、バッテリーアレイ２６からペイロードに提供することができる。燃焼室７が汲み干され、海況が静穏であるとき、動作は再開することができる。エタノールの極度の溶媒性質は、任意の燃料噴射器ノズルの詰まり、塩堆積物、又は浸水事象の後の燃焼室７内の他の汚染物質を取り除くのに役立つように用いることができる。さらに、例えば、ブイの水線の上方に非占有空間を追加することにより、ブイの浮力を増大させることができる。浮力の増大により、深海潜水のリスクが低下し、吸気システム１及び／又は排気パイプ３を通る水流入の可能性が低下し、こうした流入が発生した場合のその重力が低減する。また、十分な浮力を有するブイを、一点係留で使用することができ、１０年に１回の暴風雨事象の間であっても水没を防止することができる。
【００５５】
図１、図４及び図５に示す実施形態は、１０００キロワット時を超える、ペイロードに対する正味エネルギー送出の目標容量を有する。比較のために、こうした正味送出が可能であるバッテリーブイは、何十トンもの重量となり、大部分の用途に対して法外に費用がかかる。このサイズのバッテリーブイに対する係留及び配備コストもまた、大部分の用途に対して法外に費用がかかり、一方、発電及び蓄電ブイのこれらの実施形態は、最小限の相対コストで、容易に、移送し、配備し、係留させることができる。
【００５６】
この発電及び蓄電ブイは、市販のバッテリースレッドとの組合せで役立つように用いることができる。例えば、５００キロワット時〜１０００キロワット時の範囲の容量を有する大型且つ高価なバッテリーを設置する代わりに、はるかに小型且つ低コストの海底バッテリーモジュールを配備することができ、ブイは、海底から海面に連続的な細流充電及びデータ接続を提供する。この組合せにより、同じ容量を、ただしより低コスト、より小型サイズ及びより軽量で提供することができる。
【００５７】
本開示は、様々な変更形態及び代替形態が可能であるが、その特定の実施形態を例として図面及び明細書に示している。しかしながら、図面及び詳細な説明は、特許請求の範囲を開示する特定の形態に限定するように意図されておらず、請求項の範囲内にある全ての変更形態、均等物及び代替形態を包含することが意図されていることが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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