(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れ（５０）からのエネルギー変換のためのシステム（１）であって、流体駆動装置（２００）と、テザー（３００）およびベースステーション（４００）とを備え、前記流体駆動装置（２００）は前記テザー（３００）に結合されており、前記テザー（３００）は前記ベースステーション（４００）に結合されており、前記流体駆動装置（２００）は少なくとも２つの調節可能なベーン（２４０）である第１のベーン（２５５）および第２のベーン（２５６）を有しており、前記ベーンはお互いに独立して任意に調節可能であり、使用中および流体の流れ（５０）を受ける間、前記第１のベーン（２５５）および前記第２のベーン（２５６）はお互いに追随した位置を占めるシステムにおいて、
ａ）各ベーン（２４０）は、前縁（２４６）および後縁（２４７）を有し、
ｂ）前記システム（１）は仕事モードと引き戻しモードとを有し、
ｃ）前記ベーン（２４０）がフレーム（２２０）に沿って一列に配置され、前記引き戻しモードにおいては前記第１のベーン（２５５）の前縁（２４６）が前記第１のベーン（２５５）に隣接する前記第２のベーン（２５６）の後縁（２４７）の方を向くこと
を特徴とするシステム。
【請求項２】
前記システム（１）が、ベーン位置決めシステム（２６０）を備えており、前記ベーン位置決めシステムが以下のものを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム：
ａ)前記調節可能なベーン（２４０）の近傍の流体方向の見かけの流れを判定するための流体流れ方向表示センサ（２６１）と、
ｂ）受信を行うように前記流体流れ方向表示センサ（２６１）と接続されたコントローラ（２６２）と、
ｃ）受信を行うように前記コントローラ（２６２）と接続されたアクチュエータ（２６３）であって、前記調節可能なベーン（２４０）の近傍にある流体流れ方向表示センサ（２６１）によって測定される流体の見かけの流れの方向に依存する前記コントローラの制御動作によって引き起こされる流体の見かけの流れを参照して前記調節可能なベーン（２４０）の向きを変更するアクチュエータ。
【請求項３】
少なくとも１つの調節可能なベーン（２４０）が以下のものを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシステム：
ａ）本体（２４３）。この本体（２４３）には前方部（２４４）および後方部（２４５）が設けられており、前記後方部（２４５）は前記前方部（２４４）の先端部との比較において相対的に鋭く端部へ延びている。
ｂ）前記前方部（２４４）の最前縁である前縁（２４６）。
ｃ）前記後方部（２４５）の最後縁である後縁（２４７）。
ｄ）前縁（２４６）と後縁（２４７）とを結ぶ仮想的直線の翼弦線（２４８）。
ｅ）前記前縁（２４６）と前記後縁（２４７）とを結ぶ仮想的キャンバ線（２４９）。これは前記前縁（２４６）と前記後縁（２４７）との間で前記本体（２４３）の上面（２５０）および下面（２５１）から等しい距離に位置する任意の点を通り、前記前縁（２４６）よりも前記後縁（２４７）に近い点で前記翼弦線（２４８）と交差するように配置されている。
【請求項４】
少なくとも１つの調節可能なベーン（２４０）が第１の部分（２４１）および第２の部分（２４２）を有し、それによって両部分がそれぞれ互いに独立して調節可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
流体駆動装置（２００）には、調整可能なベーン（２４０）のためのフレーム（２２０）が設けられており、フレーム（２２０）は本体（２２１）を備え、本体（２２１）は前方部（２２２）および後方部（２２３）を備え、前記後方部（２２３）は、前記前方部（２２２）の先端部との比較において相対的に鋭く端部へ延びていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記ベースステーション（４００）は、変換装置（４１０）と、前記変換装置（４１０）の接続のための手段を備えたベース構造体（４５０）とを備え、前記変換装置は水圧流体を変位させるための少なくとも１つの水圧シリンダ（４１０）を備えており、テザー（３００）がピストンロッド（４１３）を介して前記水圧シリンダのピストン（４１２）に接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記ベースステーション（４００）が、変換装置（４１０）と、前記変換装置（４１０）の接続のための手段を備えたベース構造体（４５０）とを備え、前記変換装置（４１０）が、テザー（３００）が接続可能なピストンロッド（４１３）と、ピストンロッド回転制御システム（４３０）とを備えた水圧シリンダを備えており、ピストンロッド回転制御システムが以下のものを有することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のシステム：
ａ）流体駆動装置（２００）の向きを監視するための向きセンサ（２７１）と、
ｂ）受信を行うように前記向きセンサ（２７１）に接続されたコントローラ（４３２）と、
ｃ）受信を行うように前記コントローラ（４３２）に接続されていて、ピストンロッド（４１３）およびこれに連結されたテザー（３００）が流体駆動装置（２００）の向きに従うようにピストンロッド（４１３）を駆動するアクチュエータ（４３４）。
【請求項８】
前記ベースステーション（４００）が、変換装置（４１０）と、前記変換装置（４１０）の接続のための手段を備えたベース構造体（４５０）とを備え、前記ベース構造体（４５０）が以下のものを有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のシステム：
ａ）輸送可能なエネルギーを伝達するための少なくとも１つの伝導路（７００）に連結された固定内側体（４５１）と、
ｂ）前記固定内側体（４５１）上に回転可能に取り付けられた外側体（４５２）であって、前記外側体（４５２）は、輸送可能なエネルギーを前記変換装置（４１０）とやりとりするための少なくとも１つの伝導路（７００）と、前記輸送可能なエネルギーが前記固定内側体（４５１）へ自由に流出入可能に流れるよう配置されるように前記固定内側体（４５１）と連通する囲繞部（４６４）とが設けられている。
【請求項９】
前記ベースステーションが、脈動ダンパー（４５４）を備えたベース構造体（４５０）を有することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ベースステーション（４００）は係留手段（４８０）を備え、前記ベース構造体（４５０）は内側部（４５１）を備え、前記係留手段（４８０）は上側部（４８１）を備え、内側部（４５１）がこの上側部（４８１）の周りに嵌合することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ベースステーション（４００）は、輸送可能なエネルギーの輸送のための可撓性伝導路（７００）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１２】
流体の流れ（５０）からのエネルギー変換のための方法であって、流体駆動装置（２００）、テザー（３００）およびベースステーション（４００）が設けられており、前記流体駆動装置（２００）がテザー（３００）に接続され、テザー（３００）がベースステーション（４００）に結合されていて、以下のステップを含む方法：
ｃ）少なくとも２つの調節可能なベーン（２４０）である第１のベーン（２５５）および第２のベーン（２５６）を前記流体駆動装置（２００）に設け、
ｄ）仕事モードと引き戻しモードとを用意し、ここで前記仕事モード中および流体の流れ（５０）を受ける間、前記第１のベーン（２５５）および前記第２のベーン（２５６）は互いに追随する位置を占め、前記第１のベーン（２５５）および前記第２のベーン（２５６）は流体の流れに対して所望の迎え角に配置されるようにし、
以下のステップを特徴とする：
ｅ）調節可能なベーン（２４０）を有する流体駆動装置（２００）を設け、ここでベーン（２４０）のそれぞれは前縁（２４６）と後縁（２４７）とを備えるものとし、
ｆ）ベーン（２４０）をフレーム（２２０）に沿って一列に配置し、これにより前記ベーン（２４０）を、前記引き戻しモードの一部において第１のベーン（２５５）の前縁（２４６）が前記第１のベーン（２５５）に隣接する第２のベーン（２５６）の後縁（２４７）の方を向くように設定する。
【請求項１３】
水圧シリンダを含む変換装置（４１０）を前記ベースステーション（４００）に設け、前記テザーを前記水圧シリンダに接続して、前記水圧シリンダから前記水圧シリンダが部分を成す水圧システム内へと水圧流体を変位させるようにすることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
ピストンロッド回転システム（４３０）が設けられた水圧シリンダを備えた変換装置（４１０）を前記ベースステーション（４００）に設けるステップと、前記テザー（３００）を前記水圧シリンダのピストンロッド（４１３）に取り付けるステップと、流体駆動装置の向きを測定し、それに応じてテザー（３００）における捻れおよび抗力の損失を防止するようにピストンロッド（４１３）を回転させることによって流体駆動装置（２００）の動きにテザー（３００）を合わせるステップと、を特徴とする請求項１２または請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
ベースステーション（４００）に、変換装置（４１０）およびベース構造体（４５０）を設け、ここでベース構造体は、固定内側体（４５１）および前記固定内側体（４５１）に回転可能に取り付けられた外側体（４５２）と、前記内側体（４５１）および前記外側体（４５２）と連通していて内側体（４５１）と外側本体（４５２）との間で輸送可能なエネルギーが自由に流れることができるようになっている囲繞部（４６４）とを有するものとし、これにより前記流体駆動装置（２００）が、ベース構造体の周りを自由に回転し、また時間とともに変化する流体の流れの方向に追従するようにすることを特徴とする請求項１２ないし請求項１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１６】
輸送可能なエネルギーの輸送のための可撓性伝導路（７００）を前記ベースステーション（４００）に設けることを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れから輸送可能なエネルギーへのエネルギー変換のためのシステムであって、テザーに接続された流体駆動装置を備え、テザーがベースステーションに結合されているものに関する。
【背景技術】
【０００２】
過去数十年間で、人類の消費に係るエネルギー需要は顕著に増加しており、世界人口の増加によりエネルギー需要はさらに拡大すると予測されている。エネルギーは、物理学者の定義によれば、創造することも消滅させることもできない。しかし、エネルギーは異なる形態に変換されたり伝達されたりすることはある。その形態は、例えば機械的エネルギーであったり電気的エネルギーであったりする。現代においては、供給される機械的エネルギーおよび電気的エネルギーの大部分は、化石燃料の燃焼によるエネルギー変換を基礎としている。こうした化石燃料は数十億年前に生じたものであり、人類はこれらの化石燃料を数百年にわたって利用すると予測されている。ある時点で化石燃料が使い果たされてしまうという問題のほかに、化石燃料の燃焼が大気汚染と温室効果ガスの発生に大きく寄与していることが調査によって示されている。温室効果ガスの発生により、地球の表面温度は、地球上のほとんどの生態系に影響を及ぼす歴史的類推域を超える可能性があると予測されている。
【０００３】
将来に向けて、貴重な化石資源を節約することが提案されており、化石燃料に完全に依存しているものはエネルギーの代替形態、好ましくは風力、太陽、潮汐エネルギーなどの再生可能エネルギーが、化石燃料の直接需要を低くするために、例えば、電力の発生に用いられる。
【０００４】
再生可能エネルギーは、世界のエネルギー需要のための資源として認識されてきたが、再生可能エネルギーの性質上、取り組むべきいくつかの問題がある。その一つは、利用可能なエネルギーの量が限られていることである。さらに、再生可能エネルギーを得るために利用可能な場所の数は限られている。このことから、再生可能エネルギーが世界のエネルギー需要に対し大きく貢献しなければならないのであれば、利用可能な場所において可能な限り高い変換率で再生可能エネルギーの変換を行う必要があると結論づけることができる。さらなる課題は、再生可能エネルギーの価格が、市場が従来のエネルギーから再生可能エネルギーへの移行を実行できる程度のものでなければならないことである。これは、変換が費用対効果の高いものでなければならないという追加要件をもたらす。
【０００５】
人類は流体の流れ、例えば風や流水からエネルギーの変換を行ってきた。流水からのエネルギー変換は、風からのエネルギー変換と多くの類似点がある。しかし違いもあり、水の密度は空気密度の約１０００倍であり、一般に流水の速度は風の速度よりも小さく、潮流や湾岸流のような水の流れは風のものより予測性が高い。さらに、風と水の流れの速度プロファイルにも違いが見られる。例えば、潮流の流体の流れは均質ではなく、その流れはいくつかのプロセスの複雑な相互作用であることが知られている。海面での波動渦と海底によって形成された渦は、潮流の速度プロファイルに大きな影響を与え、こうした種類の流水域からのエネルギーを変換行うにあたっての実用上の問題を引き起こす。
【０００６】
発明者ゲイリー・ディーン・ラグナー（Gary Dean Ragner）による２００２年４月１１日の特許文献１は、複数の翼カイトを直列に配置して、制御ラインおよび支持ラインによって制御ハウジングに取り付ける。制御ラインは、翼カイトの迎え角、ピッチ角、飛行方向、および飛行速度を制御するために長さを変えることができる。制御ラインの長さは地上ステーションから制御され、翼の方向を特定の飛行経路に従うように調節する。制御ラインおよび支持ラインは、制御ハウジング内の動力シャフトに巻かれてもいる。この既知のシステムの制御は複雑であり、長い制御ケーブルのためにシステムを制御することは困難である。それらを巻き取る必要があるため、ケーブルは激しい裂けや摩耗を受け、検査やメンテナンスの作業が頻繁に行われる。さらに、この既知のシステムが短い半径方向のターンを行うことができないため、このシステムは、数字の８または楕円形の軌道で動作し、大きなエネルギー漏れを起こす。また、翼カイトを直列させて制御するため、各翼カイトの迎え角を個別に調節することはできない。カイトの列が長いため、個々のカイトが受ける見かけの流れの方向が互いに異なるので、このことは不都合である。
【０００７】
前述のシステムの他にも、エネルギーを変換することができる他のタイプのシステムが知られているが、あらゆる既知のシステムには多くの欠点がある：
ａ）既知のシステムの変換効率は低く、その結果、得られるエネルギーの大部分は変更のないままである。現在、この欠点を緩和する一般的な方法は、複数のシステムを直列に設置することである。第１のシステムの下流に設置されたシステムの機能は、単に第１のシステムの弱い性能を補うだけである。このようなひと繋がりのシステムを開発するコストは、一度に利用可能なエネルギーを変換できる単一システムの導入よりもはるかに高いことは言うまでもない。
ｂ）既知のシステムは、変換されたエネルギーの変換および輸送中に著しい損失を原因とする低効率という問題点を抱える。ほとんどの場合、変換されたエネルギーは遠隔地で消費されるので、エネルギーの輸送中の損失はシステムの性能に大きな影響を与える。
ｃ）既知のシステムで使用されている構成要素は、広範囲にわたって裂けや摩耗を受けたり、検査とメンテナンスが複雑で高価なシステムが設計されていたりする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／００４０９０９４８Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、このシステムおよび他の既知のシステムの代替を提供することである。本発明のさらなる目的は、従来技術を改良し、相対的に効率的なエネルギー変換のためのシステムおよび方法を提供することである。本発明のさらに別の目的は、制御および維持が容易なエネルギー変換のためのシステムおよび方法を提供することである。
【００１０】
以下の開示から明らかになる本発明のこれらの目的および他の目的および利点は、添付の特許請求の範囲のいずれか１つによるシステム、ベースステーション、および方法によって提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様では、流体の流れからのエネルギー変換のためのシステムであって、流体駆動装置と、テザーおよびベースステーションとを備え、前記流体駆動装置は前記テザーに結合されており、前記テザーは前記ベースステーションに結合されており、前記流体駆動装置は少なくとも２つの調節可能なベーンである第１のベーンおよび第２のベーンを有しており、使用中および流体の流れを受ける間、前記第１のベーンおよび前記第２のベーンはお互いに追随した位置を占めるシステムにおいて、
ａ）各ベーンは、前縁および後縁を有し、
ｂ）前記システムは仕事モードと引き戻しモードとを有し、
ｃ）前記ベーンがフレームに沿って一列に配置され、前記引き戻しモードにおいては前記第１のベーンの前縁が前記第１のベーンに隣接する前記第２のベーンの後縁の方を向くことを特徴とする。
【００１２】
好ましくは、前記ベーンはお互いに独立して任意に調節可能である。少なくとも２つの調節可能なベーンを用いることで、特に好ましい構成において、エネルギーは流体の流れから最大の伸びまでエネルギーを変換することができ、調節可能なベーンは、流体の見かけの流れの方向に対して個々に、適切な迎え角で流れを受ける。
【００１３】
調節可能なベーンを最適な迎え角に配置するためには、システムが、好ましくは調節可能なベーンがベーン位置決めシステム備えていることが望ましく、このベーン位置決めシステムは以下のものを有する：前記調節可能なベーンの近傍の流体方向の見かけの流れを判定するための流体流れ方向表示センサと、受信を行うように前記流体流れ方向表示センサと接続されたコントローラと、受信を行うように前記コントローラと接続されたアクチュエータであって、前記調節可能なベーンの近傍にある流体流れ方向表示センサによって測定される流体の見かけの流れの方向に依存する前記コントローラの制御動作によって引き起こされる流体の見かけの流れを参照して前記調節可能なベーンの向きを変更するアクチュエータ。
【００１４】
ベーン位置決めシステムがベーンの内側に位置することが好ましいが、流体駆動装置のフレームに一体化して設けてもよい。
【００１５】
ベーン位置決めシステムの代替として、調節可能なベーンが以下のものを備えてもよい：本体。この本体には前方部および後方部が設けられており、前記後方部は前記前方部の先端部との比較において相対的に鋭く先端部へ延びている。前記前方部の最前縁である前縁。前記後方部の最後縁である後縁。前縁と後縁とを結ぶ仮想的直線の翼弦線。前記前縁と前記後縁とを結ぶ仮想的キャンバ線。これは前記前縁と前記後縁との間で前記本体の上面および下面から等しい距離に位置する任意の点を通り、前記前縁よりも前記後縁に近い点で前記翼弦線と交差するように配置されている。こうした自己位置決め式のベーンを用いると、特に、自己位置決め式のベーンが流体の見かけの流れに対して所望の迎え角に位置するように配置することによって、システムの変換率が最適化される。
【００１６】
流体駆動装置を所定の経路に沿って操舵するためには、システムの流体駆動装置に少なくとも１つの調節可能なベーンを設け、それにより、少なくとも１つの調節可能なベーンが第１の部分および第２の部分を有し、それによって両部分がそれぞれ互いに独立して調節可能であることが好ましい。第１の部分と第２の部分は実質的に等しい寸法を有し、第１の部分と第２の部分は互いに一直線上に位置することが好ましい。
【００１７】
これに関連して、流体駆動装置は操舵システムを備えることが好ましく、操舵システムは向き表示センサと、この向き表示センサと受信を行うように接続されたコントローラと、コントローラと受信を行うように接続されるアクチュエータであって、向き表示センサで測定されたフレームの向きに依存する前記コントローラの制御動作によって引き起こされる流体の流れを参照して調節可能なベーンの第１の部分と第２の部分の向きを変更するアクチュエータを有する。流体駆動装置のフレームまたはフレームの少なくとも一部が本体を有し、本体に前方部および後方部が設けられ、後方部が前方部の先端と比べて相対的に鋭く先端へ伸びていることが好適である。
【００１８】
このような調節可能なベーン、フレームおよび操舵システムを用いることで、流体駆動装置を、流体の流れからのエネルギー変換が最大限に引き出され且つエネルギー損失が最小の予め定められた経路に沿って容易に案内することができ、特に、流体駆動装置はベーンの第１の部分と第２の部分の位置をお互いに変更するだけで短い半径の転回を行うことができる。
【００１９】
本発明の別の態様では、システムのベースステーションは、変換装置と、前記変換装置の接続のための手段を備えたベース構造体とを備え、前記変換装置は水圧シリンダを備えている。流体駆動装置をベースステーションに接続するテザーは、次いで、ピストンロッドを介して水圧シリンダ内で移動可能なピストンに接続されてもよく、ピストンの移動により水圧シリンダが部分を成す水圧システム内へと水圧流体を変位させるようにすることができる。この水圧流体は、例えば、発電機を駆動する水圧モータを駆動するために使用することができ、あるいは水圧流体の変位に係るエネルギーを利用可能にするために使用することができる。
【００２０】
テザーのねじれおよびシステム使用中の抗力によって生じるエネルギー損失を防止するために、変換装置は、テザーが接続可能なピストンロッドと、ピストンロッド回転制御システムとを備えた水圧シリンダを有しており、ピストンロッド回転制御システムは、流体駆動装置の向きを監視するための向きセンサと、受信を行うように前記向きセンサに接続されたコントローラと、受信を行うように前記コントローラに接続されていて、ピストンロッドおよびこれに連結されたテザーが流体駆動装置の向きに従うようにピストンロッドを駆動するアクチュエータとを有する。
【００２１】
ピストンロッド回転制御システムのアクチュエータは、好ましくは、第１の側方部および第２の側方部を備え、第１の側方部はピストンロッドまたはピストンに取り付けられ、第２の側方部は、シリンダ底部またはシリンダバレルに、伸縮自在管を用いて接続される。これに代えて、ピストンロッド回転制御システムは、水圧シリンダバレルの外側に配置されたアクチュエータを備えてもよい。
【００２２】
テザーを介してベースステーションから信号および電力を流体駆動装置に伝達するためには、水圧シリンダに中空のピストンロッドと内側部品とを含む回転可能な継手が設けられていることが好ましく、内側部品は中空ピストンロッドに取り付けられ、内側部品は、内側部品との間で輸送可能媒体を輸送するための伝導路の接続用の少なくとも１つのコネクタと、外側部品とを備え、外側部品は、内側部品上に回転可能に取り付けられ、外側部品は、外側部品との間で輸送可能媒体を輸送するための伝導路の接続用の少なくとも１つのコネクタと、内側部品と連通して輸送可能媒体が内側部品に自由に流れることができるようにする囲繞部が設けられている。外側部品を水圧シリンダバレルに対して固定位置に保持するために、外側部品は、伸縮自在管によってシリンダ底部またはシリンダバレルに接続されることが好ましい。
【００２３】
本発明の別の態様では、システムのベースステーションは、変換装置と、変換装置の接続のための手段が設けられたベース構造体とを備え、ベース構造体が、輸送可能なエネルギーを伝達するための伝導路に連結された固定内側体と、前記固定内側体上に回転可能に取り付けられた外側体とを有し、前記外側体には、輸送可能なエネルギーを前記変換装置とやりとりするための伝導路と、前記輸送可能なエネルギーが前記固定内側体へ自由に流出入可能となるよう配置されるように前記固定内側体と連通する囲繞部とが設けられている。このようなベース構造体により、システムは、特に、流体駆動装置がベース構造体の周りを自由に回転することができることによって、その方向を時間の経過とともに変化させる流体の流れの内に配備することができ、それにより変換されたエネルギーを連続的に輸送することができ、このシステムは、流体の流れの方向が時間の経過と共に変化したときでも、稼働状態を維持することができる。
【００２４】
ベースステーションがその一部を成す水圧システムにおけるピーク圧力を低減するためには、ベースユニットに脈動ダンパーを設けることが好ましい。脈動ダンパーは、チャンバの底部またはその近くに接続部が設けられたチャンバを備え、チャンバの上部がガスで満たされることが好ましい。
【００２５】
ベースステーションが水没したベースステーションである場合、ベースステーションに係留手段が設けられ、前記ベース構造体は内側体を備え、前記係留手段は上側部を備え、内側体がこの上側部の周りに嵌合することが好ましい。これに関連して、ベースステーションは輸送可能なエネルギーを輸送するための可撓性伝導路を備えていることが好ましい。このようなタイプのエネルギー伝導路は、ベースステーションの移動を容易にするために望ましいものである。これは、水没したベースステーションを検査および保守のために水面に持ち上げるときに特に重要である。特にこの状況では、水没した伝導路が底部の上方に浮遊した状態に保つ浮力手段が設けられ、ベースステーションの一部が異なる位置に移動する間でも伝導路の取り扱いを容易にすることが好ましい。
【００２６】
好ましい構成は、水圧シリンダと可撓性パイプまたはホースとを備えた変換装置を含むベースステーションであるが、変形装置は、力を輸送可能なエネルギーに変換することができる任意のタイプの装置、例えば電気ケーブルを含むエネルギー伝導路と組み合わせてケーブルスプールに結合される発電機でもよい。
【００２７】
システムが流水を実体とする流体の流れに使用される場合、水没した流体駆動装置には浮力チャンバが設けられているのが好ましく、浮力チャンバは浮力物質を内包するベーンの閉じた部分である。流体駆動装置に浮力チャンバを設けることにより、流体駆動装置の浮力係数は、浮力物質を追加または放出することによって容易に調節することができる。特に、ある瞬間に流体の流れの速度がゼロであり、流体駆動装置の位置を能動的に制御する必要がある状況では、流体駆動装置に、浮力制御システムが設けられていることが好ましく、この浮力制御システムは、位置表示センサと、前記位置表示センサと受信可能に接続されたコントローラと、ポンプ装置に接続された少なくとも１つの浮力チャンバとを備え、ポンプ装置は、位置表示センサで測定された流体駆動装置の位置に依存する前記コントローラの制御動作によって引き起こされる、使用中において底部または水面に対する流体駆動装置の位置の変更のために前記コントローラと受信可能に接続されている。
【００２８】
本発明はまた、流体の流れからのエネルギー変換のための方法としても実現され、この方法では、流体駆動装置、テザーおよびベースステーションが設けられており、前記流体駆動装置がテザーに接続され、テザーがベースステーションに結合されていて、以下のステップを含む：
ａ）少なくとも２つの調節可能なベーンである第１のベーンおよび第２のベーンを前記流体駆動装置に設け、
ｂ）仕事モードと引き戻しモードとを用意し、ここで前記仕事モード中および流体の流れを受ける間、前記第１のベーンおよび前記第２のベーンは互いに追随する位置を占め、前記第１のベーンおよび前記第２のベーンは流体の流れに対して所望の迎え角に配置されるようにする。
【００２９】
本発明において、この方法は、調節可能なベーンを有する流体駆動装置を設け、ここでベーンのそれぞれは前縁と後縁とを備えるものとするステップと、ベーンをフレームに沿って一列に配置し、これにより前記ベーンを、前記引き戻しモードの一部において第１のベーンの前縁が前記第１のベーンに隣接する第２のベーンの後縁の方を向くように設定するステップと、を特徴とする。
【００３０】
本発明の方法の別の態様によれば、流体駆動装置は、第１の部分と第２の部分とを有する少なくとも１つの調節可能なベーンを備え、それにより、両方の部分が互いに独立して調節可能である。本発明の方法の１つの特定の態様は、引き戻しモード中の特定の瞬間に、ベーンの第１の部分および第２の部分が互いに予め定められた位置に設定され、流体の流れに対して流体駆動装置が最適な予め定められた経路に追随することを可能にする短い半径の転回を行うようにして、それにより流体の流れから最小のエネルギー漏れで最大のエネルギーが変換されるようにする。
【００３１】
仕事モードおよび引き戻しモード中にベーンを好ましい位置に設定することにより、仕事モード中にシステムによって行われる仕事は、引き戻しモード中にシステムに供給される仕事よりも大きく、そうした正味出力が供給される。仕事モードから引き戻しモードへの切り替え、およびその逆の切り替えの制御は、ベーンの位置を変更することによって簡単に行うことができる。
【００３２】
好ましくは、仕事モードでは、流体駆動装置のベースステーションへの距離は増加するが、引き戻しモードにあるときは流体駆動装置のベースステーションまでの距離は減少する。ベーンを仕事モードおよび引き戻しモードで適切な位置に設定することと組み合わせて、仕事モードおよび引き戻しモードを連続的かつ迅速に交替させることができる。
【００３３】
本発明の別の態様によれば、この方法は、水圧シリンダを含む変換装置をベースステーションに設け、水圧シリンダのピストンにテザーを接続して、水圧流体を水圧シリンダから水圧シリンダが一部を成す水圧システムへと変位させるようにすることを特徴とする。
【００３４】
本発明の別の態様によれば、この方法は、ピストンロッド回転システムが設けられた水圧シリンダを備えた変換装置を前記ベースステーションに設けるステップと、前記テザーを前記水圧シリンダのピストンロッドに取り付けるステップと、流体駆動装置の向きを測定し、それに応じてテザーにおける捻れおよび抗力の損失を防止するようにピストンロッドを回転させることによって流体駆動装置の動きにテザーを合わせるステップと、を含むことを特徴とする。
【００３５】
本発明の別の態様によれば、本発明の方法は、ベースステーションに、変換装置およびベース構造体を設け、ここでベース構造体は、固定内側体および前記固定内側体に回転可能に取り付けられた外側体と、前記内側体および前記外側体と連通していて内側体と外側本体との間で輸送可能なエネルギーが自由に流れることができるようになっている囲繞部とを有するものとし、これにより前記流体駆動装置が、ベース構造体の周りを自由に回転し、また時間とともに変化する流体の流れの方向に追従するようにすることを特徴とする。
【００３６】
本方法の別の態様によれば、この方法は、輸送可能なエネルギーの輸送のための可撓性伝導路を前記ベースステーションに設けるようにすることを特徴とする。
【００３７】
本発明のシステムおよび方法では、エネルギーが流体の流れから最大限に変換され、変換されたエネルギーがベースステーションから離れた場所に効率的に輸送される。離れた場所は、例えば、得られたエネルギーを電気エネルギーに変換するための補助設備を配置することができる人工島や自然島であり、電気エネルギーは、大きな損失なしに、これに限定するわけではないが特に直流電流で輸送することができる。さらに、電気エネルギーは、適切な電圧レベルを用意することによって、あるいは交流から直流または直流から交流に変換することによって、使用されている輸送手段にできるだけ適合させることが容易に可能である。
【００３８】
以下、本発明に係るシステムの例示的な実施形態であって添付の特許請求の範囲を限定するものではない図面を参照して、本発明をさらに説明する。
図面において、同じ参照番号が適用される場合、これらの符号は同じ部分を指す。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明によるエネルギー変換のためのシステムを示す。
【図２】流体駆動装置の斜視図を示す。
【図３】自己位置決めしているベーンの断面図を示す。
【図４】引き戻しモードの間の流体駆動装置の斜視図および上面図を示す。
【図５】ベースステーションの斜視図を示す。
【図６】ベースステーションの断面図であり、水圧流体が変換装置から外されたときの流体流れの経路を示している。
【図７】ピストンロッド回転制御システムを備えた変換装置を示す。
【図８】回転可能な継手を備えた変形装置を示す。
【図９】本発明によるシステムの流体駆動装置の典型的な軌道を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下の説明において、Ｚは流体方向に対する水平方向の流れを規定し、Ｘは流体方向の流れに対して直交する水平方向を規定し、Ｙは流体方向の流れに対して直交する上下方向を規定する。
【００４１】
図１は、エネルギーを流体の流れ５０から輸送可能なエネルギーに変換するために用いられるシステムを、参照番号１で示している。システム１は、テザー３００に接続された流体駆動装置２００を備え、テザー３００は、ベースステーション４００に結合されている。ベースステーション４００は、海、河川、湖などの底部４０に位置する係留装置４８０に取り付けられているか、取り付け可能になっている。
【００４２】
好ましくは、ベースステーション４００には、少なくとも１つの水圧シリンダを含む変換装置４１０が設けられる。これに関連して、テザー３００は、好ましくは、水圧シリンダ内で移動可能なピストン４１２に接続されており、ピストン４１２の移動により、水圧シリンダがその一部を成す水圧システム内で水圧流体を変位させる。言うまでもないが、接続されたテザー３００および流体駆動装置２００を有し並列に動作する複数の水圧シリンダがあってもよい。
【００４３】
この、またはこれらの水圧シリンダは、この例示的な実施形態ではプラットフォーム８００が配置されている離れた場所に吸いある流体を送るための伝導路７００に接続可能である。水圧シリンダは、水圧エネルギーを電気エネルギーに変換するための水圧システム（図示せず）に接続可能であるか、または接続されていて、そのため必要な手段は、好ましくはプラットフォーム８００上に配置される。
【００４４】
伝導路７００は、水圧流体を移送するための可撓性パイプまたはホースを含み、伝導路７００には浮力手段７１０が設けられることが好ましい。
【００４５】
水圧シリンダおよび可撓性パイプまたはホースが好ましい特徴であるが、変換装置４１０は、力を運搬可能エネルギーに変換することができる任意のタイプの装置、例えば電気ケーブルを含むエネルギー伝導路と組み合わせてケーブルスプールに結合される発電機であってもよい。
【００４６】
次に図２を参照すると、流体駆動装置２００の斜視図が示されており、この流体駆動装置には調節可能なベーンが設けられている。流体駆動装置２００には少なくとも２つの調節可能なベーン２４０である第１のベーン２５５および第２のベーン２５６が設けられており、このベーン２４０はお互いに対して独立して任意に調節可能であり、使用中および流体の流れ５０を受けているときには、第１のベーン２５５および第２のベーン２５６は、お互いに追随する位置を占める。ベーンがフレーム２２０に沿って一列に配置されていることが好ましいが、これらの構造によってベーンを連携して作動させることができる限り、調節可能なベーン２４０を互いに好ましい場所に位置させるような代替構成も可能である。
【００４７】
調節可能なベーン２４０を流体の流れ５０に対して所望の迎え角に配置するためには、システム全体、好ましくは調節可能なベーン２４０にベーン位置決めシステム２６０を設けることが好ましく、この位置決めシステムは流体流れ方向表示センサ２６１と、受信を行うように流体流れ方向表示センサ２６１に接続されたコントローラ２６２と、受信を行うようにコントローラに接続され調節可能なベーン２４０の向きを変更するアクチュエータ２６３を有しており、アクチュエータは流体流れ方向表示センサ２６１が測定した流体の見かけの流れに依存するコントローラの制御動作によって引き起こされる流体の見かけの流れを参照する。図示をわかりやすくするために、ベーン位置決めシステム２６０は１つだけ示している。
【００４８】
流体駆動装置を予め定められた経路に沿って操舵するために、システム１の流体駆動装置２００は、第１の部分２４１と第２の部分２４２とを有する少なくとも１つの調節可能なベーン２４０を備えていることが好ましく、両方の部分は互いに独立して調節可能である。第１の部分２４１と第２の部分２４２は実質的に等しい寸法を有し、第１の部分２４１と第２の部分２４２は互いに一直線に位置することが好ましい。
【００４９】
これに関連して、流体駆動装置は、操舵システム２７０を備えており、操舵システムは向き表示センサ２７１と、受信を行うようにこの向き表示センサに接続されたコントローラ２７２と、受信を行うようにコントローラに接続されたアクチュエータ２７３とを有しており、アクチュエータは、向き表示センサ２７１で測定されたフレーム２２０の向きに依存するコントローラの制御動作によって引き起こされる流体の見かけ上の流れを参照して、調節可能なベーン２４０の第１の部分２４１および第２の部分２４２の向きを変更する。流体駆動装置のフレーム２２０またはフレーム２２０の少なくとも一部は、本体２２１を備え、本体２２１は前方部２２２および後方部２２３を備え、後方部２２３は、前方部２２２の先端との比較において相対的に鋭く端部へ延びていると好適である。
【００５０】
好ましくは、水没した流体駆動装置２００は、浮力チャンバ２９３を備えており、浮力チャンバ２９３は、浮力物質を内包するベーン２４０の囲繞部であることが好ましい。
【００５１】
流体の流れの速度がゼロである場合に流体駆動装置の位置を制御するために、流体駆動装置２００は浮力制御システム２９０を有しており、浮力制御システムは、位置表示センサ２９１と、受信を行うようにこの位置表示センサ２９１に接続されたコントローラ２９２と、ポンプ装置２９４に接続された少なくとも１つの浮力チャンバ２９３とを備えており、ポンプ装置２９４は、受信を行うようにコントローラに接続されており、位置表示センサ２９１で測定された流体駆動装置２００の位置に依存するコントローラ２９２の制御動作によって、使用時に底部４０または水面４２に対して流体駆動装置２００の位置を変更する。
【００５２】
先に述べたベーン位置決めシステム２６０の代替として、流体駆動装置に自己位置決めをする調節可能なベーン２４０を設けてもよい。ここで図３を参照すると、本体２４３を含む調節可能なベーン２４０の断面図が示されており、本体２４３には、前方部２４４と後方部２４５とが設けられており、後方部２４５は、前方部２４４の先端部との比較において相対的に鋭く端部へ延びており、本体部は、前方部２４４の先端部である前縁２４６と、後方部２４５の最後端である後縁２４７と、前縁２４６と後縁２４７とを結ぶ仮想的直線の翼弦線２４８と、前縁２４６と後縁２４７とを結ぶ仮想的キャンバ線２４９と、を有し、この仮想的キャンバ線は前縁２４６と後縁２４７との間で本体２４３の上面２５０および下面２５１から等しい距離に位置する任意の点を通り、前縁２４６よりも後縁２４７に近い点で翼弦線２４８と交差し、ベーンが自己位置決めするように配置されている。
【００５３】
システム１は、仕事モードおよび引き戻しモードを備えることが好ましい。ここで図４を参照すると、流体駆動装置２００の斜視図および上面図が示されており、流体駆動装置は調節可能なベーン２４０を備え、ベーンのそれぞれは、前縁２４６および後縁２４７を備え、ベーン２４０は、引き戻しモードにおいて、第１のベーン２５５の前縁２４６は、第１のベーン２５５に隣接する第２のベーン２５６の後縁２４７の方を向いている。
【００５４】
ここで図５および図６を参照すると、変換装置４１０と、変換装置４１０の接続を行うための手段が設けられたベース構造体４５０とを含む前述のベースステーション４００の斜視図および断面図が示されており、ここで、ベース構造体４５０は、輸送可能なエネルギーを伝達するための少なくとも１つの伝導路７００に連結された固定内側体４５１と、内側固定体４５１に回転可能に取り付けられた外側体４５２と、を有し、外側体４５２は輸送可能なエネルギーを変換装置４１０とやりとりするための少なくとも１つの伝導路７００と、輸送可能なエネルギーが固定内側体４５１へ自由に流出入可能となるよう配置されるように前記固定内側体４５１と連通する囲繞部４６４とが設けられている。
【００５５】
ベースステーション４００には係留手段４８０が設けられていることが好ましい。これにより、ベース構造体４５０の内側部４５１が係留手段４８０の上側部４８１の周りに嵌合することが好適である。
【００５６】
ベース構造体４５０に脈動ダンパー４５４が設けられていると好適であり、脈動ダンパー４５４は、チャンバ４５５の底部４５７またはその近傍に接続部４６０を備えたチャンバ４５５を有することが好ましく、チャンバ４５５の上部４５８には、脈動ダンパー４５４が一部を成す水圧システムにおけるピーク圧力を低減するためのガスが充填される。
【００５７】
図６は、水圧流体が変換装置４１０からベースユニット４５０を介してプラットフォーム８００へと動かされる場合の流体流路を示す。
【００５８】
次に図７を参照すると、変換装置４１０が示されており、変換装置は、テザー３００が接続可能なピストンロッド４１３と、流体駆動装置２００の向きを監視する向きセンサ２７１を有するピストンロッド回転制御システム４３０と、受信を行うように向きセンサ２７１と接続されたコントローラ４３２と、受信を行うようにコントローラ４３２と接続されたアクチュエータ４３４とを備えており、アクチュエータは、ピストンロッド４１３が流体駆動装置２００およびそこに接続されたテザー３００の向きに追従するようにピストンロッド４１３を駆動する。アクチュエータ４３４は第１の側方部および第２の側方部を備え、第１の側方部はピストンロッド４１３またはピストン４１２に取り付けられ、第２の側方部は変換装置４１０のシリンダ底部４１４またはシリンダバレル４１１に、伸縮自在管４３６によって接続されることが好ましい。
【００５９】
次に図８を参照すると、変換装置４１０が示されており、変換装置は中空のピストンロッド４１３と内側部品４４１とを含む回転可能な継手４４０を有する水圧シリンダを備えており、内部部品４４１は中空ピストンロッド４１３に取り付けられ、内側部品４４１は輸送可能媒体を内側部品４４１との間で輸送するための伝導路４４３の接続を行うための少なくとも１つのコネクタ４４２と、外側部品４４４とを備え、外側部品４４４が内側部品４４１に回転可能に取り付けられ、外側部品４４４には、輸送可能媒体を外側部品４４４との間で輸送するための伝導路（図示せず）の接続用の少なくとも１つのコネクタ４４５と、内側部品４４１と連通して輸送可能媒体が内側部品４４１に自由に流れることができるようにする囲繞部４４７が設けられている。外側部品４４４は、伸縮自在管４３６によってシリンダ底部４１４またはシリンダバレル４１１に接続されることが好ましい。
【００６０】
図１および図２に戻ると、本発明のシステム１は、流体の流れ５０からの発電のための方法を実行するのに特に適しており、流体駆動装置２００には少なくとも２つの調節可能なベーンである第１のベーン２５５および第２のベーン２５６が設けられている。この方法は仕事モードと引き戻しモードを折衷させるものであり、仕事モードでは、ベーン２４０は流体の見かけの流れに対して第１の所定の位置に設定され、引き戻しモードではベーン２２０は第２の所定の位置に設定される。
【００６１】
ベーン２４０を第１の所定の位置に配置すると、仕事モードの間、流体駆動装置２００のベースステーション４００までの距離が増加する。同様に、引き戻しモードでは、流体駆動装置２００のベースステーション５００までの距離が減少する。この方法は、好ましくは、仕事モードと引き戻しモードが交互に実行される。
【００６２】
図９は、ベーン２４０が流体の流れ５０に対して第１の所定の位置に設定された流体駆動装置２００が辿る第１の軌道１４を示しており、好ましくは、ベーン２４０がフレーム２２０に沿って一列に配列されており、仕事モードの間および流体の流れを受けるときは、第１のベーン２５５と第２のベーン２５６とが互いに追随する位置を占めており、第１のベーン２５５と第２のベーン２５６が流体の見かけの流れに対する所望の迎え角に位置付けられている。
【００６３】
その結果、テザー３００を介して変換装置４１０のピストン４１２と接続する流体駆動装置２００は、ベースステーション４００から離れるように徐々に距離を増加して移動する。対応するピストン４１２の移動は、変換装置４１０内の水圧流体が、最終的に例えばプラットフォーム８００上に配置された水圧モータを駆動するために伝導路７００内に伝播する。水圧モータは、電気エネルギーを発生するための発電機に接続されてもよい。
【００６４】
流体駆動装置２００が、ベースステーション４００から離れた最大の偏位となり得る所定の地点に到達すると、ベーン２４０は、第２の所定の位置に設定され、それにより、図４にさらに示されるように、前縁２４６および後縁２４７を備えた少なくとも２つの調節可能なベーン２４０は、フレーム２２０に沿って一列に配置され、これにより、引き戻しモードでは、第１のベーン２５５の前縁２４６が、第１のベーンに隣接する第２のベーン２５６の後縁２４７の方を向く。引き戻しモードの一部の間、調節可能なベーン２４０の第１の部分２４１および第２の部分２４２は、流体駆動装置が短い半径の転回を行うことができる予め定められた位置に設定されることが好ましい。
【００６５】
引き戻しモードの間に、ピストン４１２は、流体駆動装置２００を元の位置に引き戻し、それにより、流体駆動装置２００とベースステーション５００との間の距離が、最短距離となり得る所定の距離に減少される。引き戻しモードの間、流体駆動装置２００は、ベースステーション５００に対する予め定められた距離に達するまでは軌跡１５を辿り、ベーン２２０が第１の所定の位置に再び設定される時点で流体駆動装置２００が仕事モードの第２の軌道１６を辿ることができる。仕事モードの第１の軌道１４から引き戻しモードの軌道１５への移行と同様に、仕事モードの第２の軌道１６は、一定時間で、流体駆動装置２００の引き戻しモードのもう１つの軌道１７に続く。軌道１７はその完了後に仕事モードの軌道１４に再び続き、流体駆動装置２００の連続的な往復運動のプロセスを繰り返す。これに対応して、水圧シリンダ４１０のピストン４１２は、繰り返し行き戻りして、水圧シリンダ４１０に接続された伝導路７００を含む水圧システムに対して水圧流体を繰り返し排出および受け入れすることにより、仕事モード中に行われる仕事は、引き戻しモード中に供給される仕事よりも大きい。
【００６６】
以上の説明から、流体の流れからのエネルギー変換のための改良された方法およびシステムの多くの利点が明らかになる：
- このシステムは、流体の流れからの再生可能エネルギーの変換を信頼性がありコスト効率の良い方法で可能にし、複雑でメンテナンスが集中する設備の必要性をなくす。
- 変換されたエネルギーは最小損失で中央電力ステーションに輸送され、効率的に電気エネルギーに変換される。変換と輸送の損失が最小限に抑えられるので、最大量の再生可能エネルギーを消費に供することができる。
- このシステムの変換率は高く、流体の流れの運動エネルギーを最大限に、かつ一度に取り入れることができ、したがって追加の変換ユニットを直列に設置する必要がなくなる。
- 環境にやさしい水圧流体を使用しており、もしも運用しない場合には設備の全体を周囲に損傷を与えることなく取り除くことができるという特徴があり、このシステムは環境に非常にやさしい。
【００６７】
したがって、本発明のシステムは、信頼性がありコスト効率の良い流体の流れからのエネルギー変換に使用でき、簡単に設置でき、環境に損傷を与えることなく簡単に取り除くことができ、困難な水中活動を必要とせずに検査および保守することができる。さらに、システムの流体駆動装置は、非常に操作が容易であり、エネルギー漏れを起こすことなく、終わることのない所定の軌道に沿って案内されることができる。さらなる利点は以下の通り：
- 水中土台の困難な建設を必要とすることなく、浅水域および深水域の水流からのクリーンエネルギーの発生を可能にする。
- 複雑な再設計を必要とせずに、任意の場所のローカル条件に合わせて適合可能な拡張性のあるシステムを提供する。
- エネルギー密度の低い流体の流れから費用対効果の高いエネルギー変換を可能にし、市場が負担できる原価で再生可能エネルギーの採取を行える場所の数を大きくする。
【００６８】
以上、本発明による流体の流れからのエネルギー変換のためのシステムおよび方法の例示的な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は、この特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明から逸脱することなく様々に変形することが可能である。したがって、説明した例示的な実施形態は、添付の特許請求の範囲を厳密にこの形態に従って解釈するために使用されるべきではない。この実施形態はむしろ、添付の特許請求の範囲の文言をこうした例示的な実施形態に限定する意図なく説明することを目的としたものに過ぎない。したがって、本発明の保護の範囲は、添付の特許請求の範囲のみに従って解釈されるべきであり、この例示的な実施形態を用いて特許請求の範囲の文言に含まれ得る多義性が解消されるべきである。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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