(57)【要約】【課題】流体または水の流路で使用するための電力発電フリュームを提供すること。【解決手段】このフリュームは、費用効果の高い方式で電力を発電するために電力発電システムが加速された流れの中で使用され得る加速ゾーンを有する。この水路は様々な寸法を有することが可能であり、上流の流れの状態に影響を及ぼすことなく流路に沿って、または流路を横切って１つまたは複数の場所に使用されることが可能である。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低速移動する流体の流れを含む流体流路で使用するための動的水力発電システムであって、集束用入口と散開用出口の間に配置された流体流加速ゾーンを有する流体流方向付けフリュームと、上流環境流速を増大させ、それによって前記加速ゾーン内の流体移動から電力を発生する運動エネルギーを作り出すために前記加速ゾーン中に配置された電力発電アセンブリとを備える動的水力発電システム。
【請求項２】
前記加速ゾーンが、側壁によって境界を定められる実質的に水平なプラットホームを有する請求項１に記載の動的水力発電システム。
【請求項３】
開水路構造を有する請求項１に記載の動的水力発電システム。
【請求項４】
前記開水路が四角形の断面形状を有する請求項３に記載の動的水力発電システム。
【請求項５】
前記開水路が台形の断面形状を有する請求項３に記載の動的水力発電システム。
【請求項６】
前記加速ゾーンが下方向に傾斜した入口、実質的に平坦な水平区画、傾斜した出口で構成され、前記傾斜した入口が前記傾斜した出口よりも約１０％大きい傾斜を有し、境界設定用の対向する側壁を備えた側壁が前記平坦な水平区画の両側に沿って延びる請求項１に記載の動的水力発電システム。
【請求項７】
前記流路が、前記流路に沿った少なくとも１つの所定の場所に流体流方向付けフリュームを有する請求項１に記載の動的水力発電システム。
【請求項８】
前記流路が、前記流路に沿って間隔を置かれた複数の場所に複数の流体流方向付けフリュームを有する請求項１に記載の動的水力発電システム。
【請求項９】
前記複数の流体流方向付けフリュームが前記流路に沿って直列に設置される請求項８に記載の動的水力発電システム。
【請求項１０】
前記流路が別々の流路へと分割され、前記複数の流体流方向付けフリュームが前記別々の流路の各々に沿って並列の配置で設けられる請求項８に記載の動的水力発電システム。
【請求項１１】
前記複数のフリュームが前記流路の幅を横切って互いに隣り合って配置される請求項８に記載の動的水力発電システム。
【請求項１２】
低速移動する水のための動的な水力電力発電のメカニズムであって、入口、出口、水路内の流速を上流の環境流速よりも上に増大させるための流動加速区画、前記流速加速区画の中に配置された電力発電アセンブリを有するフリュームを含むメカニズム。
【請求項１３】
前記電力発電アセンブリが増大速度区画の中で流動流体と相互作用して流動流体によって駆動されるように配置されたローター部材を有し、前記ローターが増大速度区画の上で動作するように支持された発電機に接続されて発電機を駆動する請求項１２に記載のメカニズム。
【請求項１４】
前記加速ゾーンが第１の下方向に傾斜した床部材と第１の水平床部材によって形成される第１の加速ゾーンと、前記第１の加速ゾーンの下流に配置され、第２の傾斜した床部材と第２の水平床部材を含む第２の加速ゾーンとで構成される請求項１に記載の動的水力発電システム。
【請求項１５】
前記第２の加速ゾーンが前記第１の加速ゾーンの下流に連結される請求項１４に記載の動的水力発電システム。
【請求項１６】
前記加速ゾーン内の増大した流速が超臨界範囲内に維持される請求項１に記載の動的水力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電の分野に関し、特に低速移動する流体流からの電力の発電に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は２００５年９月２２日に提出され、本出願と共通に所有される米国特許仮出願番号６０／７１９１８１号に関連し、優先権を主張するものである。その出願の全内容は本願明細書に参照で組み入れられる。
【０００３】
本発明は、低速移動する流体流の中で電力を発電する、特に自由流、ダムなしの水力発電システムの一部としての装置と方法の両方に関連する。
【０００４】
過去数年間、英国Ｍａｒｉｎｅ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｔｕｒｂｉｎｅｓ  Ｌｔｄ．の研究者達は潮汐水から電力を発電する実証を展開してきた。イタリアでは、交差軸式タービンを使用した試みがメッシナ海峡の潮汐から電力を発電する実現可能性を実証した。しかしながら商業的設備はまだ配備されていない。
【０００５】
電力に関するニーズは増大中であり、このニーズは費用効率の高い技術を使用して様々な水源から電気を発生させる実現可能性に影響を及ぼし、特に潮汐以外の人工の運河、送水路、放水路、排水路、または他の流体の流路の直接流れる水から電力を発生することが極めて望ましい。この事業のための駆動推進力は、運河、送水路、放水路、排水路、または他の流体の流路中で移動する水に存在する運動エネルギーの有用な水力発電電力への変換に関して膨大で全世界的な可能性が存在することの認識である。現時点で、電力発電のためのこの可能性は未開発で残っている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、特に人工の搬送システム中で低速で移動する水からの費用効果の高い水力発電電力の抽出に固有の独特の課題に取り組む。第１の課題および最重要課題として、これら水搬送システムの主要な機能は飲用または灌漑目的の水の搬送であるので、これら低速で移動する水路内での発電施設の設置と運転は望まれる流量と期待される水質で水を供給するこれらの能力に悪影響を有してはならないことが必須である。過去には、流路内の洗い流しまたは渦流を妨げないように動作するように設計された相対的に低流量または低速の流体流路からの電力発電または電力出力は費用効果を得るには小さ過ぎると見られていた。本発明が認識することは、別の方法で遅い流速が水路内で下限閾値よりも上に加速されることが、水路沿いの特に設計された場所または電力発電ゾーンで可能であり、そこに動的水力電力システムが設置されることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、費用効果を有してこの目的を達成し、これらの水路の主要な機能すなわち飲用または灌漑目的の水を搬送することに悪影響を伴わないフリューム・システムの設計哲学と基準に基づいている。
【０００８】
運河、送水路、放水路、排水路、または他の流体の流路のフリューム強化流れにおける潜在的な配備のために垂直軸タービンを利用した候補技術が確認され、簡潔に評価された。例えば、本発明に従ったフリュームに配備される垂直軸で直径６フィート（約１．８３ｍ）のシステムは通常の２０フィート（約６ｍ）幅の開水路環境中で２０ＫＷよりも多く発電することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
開水路の水理学
開水路の水搬送系では、重力が水を移動させる駆動力であり、その一方で水路の濡れ縁に沿った摩擦力がこの移動に対抗する。この対抗する摩擦力を克服するにはわずかな下方向の傾斜（概して１０度未満）で十分である。流路の基底または側部は漏水防止処理されなくても適切な材料で裏打ちされてもよく、裏打ちされると、流れを遅らせる摩擦力が削減される。これらのタイプの開水路における全体的な流速は普通では、水路内の渦流条件を妨げないように、または水路の濡れ縁に沿った洗い流しを妨げないように比較的小さくなるように設計される。開流路内の環境流速は概して毎秒５フィート（約１．５ｍ）未満である。
【００１０】
したがって、流れている流れから入手可能な電力の量は速度の３乗に比例するので、そのような低速では旧来の電力発電技術からの電力発電は費用効果がなかった。この問題は、新規の動的水力電力システムが配備される水路の長さに沿った設計された場所で水路の断面を変更して流速を増大させることによって対処できることを出願人は見出した。水路の断面に対するいずれのそのような変更も水路の基本的な機能すなわち飲用または灌漑目的で水を搬送する機能に悪影響を与えないはずであり、本発明は別の場所では低速で移動する流体流から、水路の主要な目的に対してどのような望ましくない影響も伴わずに電力を作り出す。
【００１１】
概してのどと称される水路断面の収縮はのどを通る流速の増大に結果としてつながる。この現象は管内流におけるベンチュリー効果と類似しており、管内流と開水路の流れの間の著しい違い（管内流は圧力によって駆動されるのに対して開水路の流れは重力によって引き起こされる）にかかわらない。
【００１２】
開水路内の環境流速は概して亞臨界範囲にある。低速で移動する水からの電力出力は普通では費用効果を得るには小さ過ぎるので、動的水力電力システムが配備される水路に沿った場所で流速は下限閾値よりも上に水路内で加速されなければならない。
【００１３】
小さい傾斜、一様または徐々に変化する流れ、および無視できるエネルギー損失を備えた開水路に対して、流れの水理学はベルヌーイの式によって支配され、これは流れの長さに沿ったエネルギー保存が以下で表わされる。
Ｙ1＋Ｖ12／２ｇ＝Ｙ2＋Ｖ22／２ｇ            （１）
ここでＹは流れの深さであり、Ｖは流速であり、ｇは重力に起因する加速度であり、下付き文字１と２は区域１（上流）と区域２（下流、またはこのケースではのど）を示す。
【００１４】
定義によって、水路の底に対する開水路流の比エネルギーＥは上記のベルヌーイの式１の一方の側の２つの項の和である。
Ｅ＝Ｙ＋Ｖ2／２ｇ                          （２）
【００１５】
概して比エネルギー曲線と呼ばれる式２のプロットが、縦軸に沿った流れの深さＹと横軸に沿った比エネルギーＥでもって図１に示されている。
【００１６】
図１に示されるように、比エネルギーの所定の値について、水路に２つの可能な流れの深さがある。大きい方または深い方の深さでは速度は小さく（亞臨界値）、小さい方の値の深さでは流速は大きい（超臨界値）。亞臨界速度から超臨界速度への移行は比エネルギーの最小値で起こる。
【００１７】
主に水搬送目的に使用される開水路では速度は概して亞臨界範囲にある。言い換えると、所定の値の比エネルギーに対して可能な２つの流れの深さのうちの大きい方の値が利用可能であって流速は相対的に小さい。水路の断面が狭いとき、流れの深さは減少し、流速は増大する。臨界深さで流速は亞臨界から超臨界へと変わる。
【００１８】
一定の放出量Ｑに対して、式２は以下のように書き換えられる。
Ｅ＝Ｙ＋Ｑ2／２ｇＡ2                        （３）
ここでＡは水路の断面積である。幅ｂを備えた四角形の水路に対する式３は以下となる。
Ｙ3−２Ｅｇｂ2Ｙ2＋Ｑ2＝０                  （４）
【００１９】
式４は徐々に幅を変える水路に沿って流速を計算するために使用できる。具体的に示す目的で、表１は水路幅で２０フィート（約６．１ｍ）から６．５５フィート（約２ｍ）への徐々に縮小させた水路において、６５６ｃｆｓの一定の放出量Ｑ値で、流速と他の関連するパラメータのこれらの計算を要約している。臨界速度１４．７７ｆｐｓは６．５５フィートの水路幅で達成される。このようにして、本来の幅の約１／３ののどへの水路の縮小は流速を本来の速度の約４．５倍に増大させる。６．５５フィート未満ののど幅は超臨界速度へとつながるであろう。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
減少するのど幅に伴う流れの深さと流速の変化のグラフによる表現が図２に示されている。
【００２２】
表１はまた、様々な流速に関して以下で定義されるフルード数Ｆの値も示している。
Ｆ＝Ｖ／（ｇＤ）1/2                        （５）
【００２３】
式５で、Ｄは水力半径であり、四角形の水路についてはＤは流れの深さＹに等しいであろう。台形の水路については、Ｄは（ｂ＋ｚＹ）Ｙ／（ｂ＋２ｚＹ）で定義され、ここでｂは基底の水路幅であり、ｚは水路の側部の傾斜の逆数である。フルード数は亞臨界に関しては１よりも小さく、超臨界については１よりも大きく、臨界流速で１に等しい。のどの幅に伴うフルード数の変化は図３に示されている。
【００２４】
流れの深さＹが使用される場合、フルード数に関する式５の分母は浅い水域の基本重力波の位相速度である。
ｃ＝（ｇＹ）1/2                            （６）
したがって式５を以下のように書き換えることが可能である。
Ｆ＝Ｖ／ｃ                                （７）
【００２５】
ここで式７に定義されるフルード数でもって以下の観察がなされることが可能である。
１．Ｆ＜１である場合、特定の水路内の流れは亞臨界である。重力が慣性力を上回って支配的であり、流れの速度は基本重力波の位相速度よりも小さい。したがって、そのような波動は流れに逆らって上流へと伝搬することが可能である。結果として、上流の領域は下流領域で起こる事柄によって影響を受け、水路幅を下流で狭めることが上流で流れの深さに影響を与える。
２．Ｆ＞１である場合、流れは超臨界である。ここでは、慣性力が重力を上回って支配的であり、流れの速度は基本重力波の位相速度よりも大きい。したがって、そのような波動は流れに逆らって上流へと伝搬し、上流の領域は下流領域で起こる事柄によって影響を受けない。このケースでは水路幅を下流で狭めることが上流で流れの深さに影響を与えることはないであろう。
【００２６】
１９２０年代以来、世界中で様々なタイプのフリュームが開水路内で使用されてきた。これらのフリュームの主な機能は水路内の流れのいずれかの加速を達成することではなく、開水路の流体の流量を測定することであった。これらの中でも最も広範に使用されるものはパーシャル・フリュームであり、その範例は図４、５に示されている。ＡＳＴＭ規格Ｄ１９４１と国際規格ＩＳＯ９８２６がパーシャル・フリュームによる水の開水路流量測定に関する詳細な使用を含んでいることも同様に気付かれるであろう。
【００２７】
ＩＳＯ９８２６によると、図４および５に示されるようなパーシャル・フリュームは集束用入口区画１００を有し、これに続いて図４に示すように側壁１０３、１０５が集束し続けるレベル・フロア１０２があり、その後方に、約３：８の勾配で下方向に傾斜を付けられる床面によって短いのど区画１０４が形成され、この直後に１：６の勾配で上方向に傾斜を付けられる上方向床面１０８があり、これが散開用出口１０６の中へと開口する。
【００２８】
パーシャル・フリュームは概して四角形の断面と極小（１インチ（約２５．４ｍｍ））から大形（５０フィート（約１５ｍ）以上）まで変わる広範囲ののど幅を有する。１０フィート（約０．３ｍ）と５０フィートの間ののど幅を備えた大形のパーシャル・フリュームは２５ｃｆｓから３３００ｃｆｓの範囲で放出量を測定するために適している。
【００２９】
パーシャル・フリュームの最も望ましい特徴の１つは、これらが低いヘッドロスで十分に高い沈水比で動作することである。これは小さい底勾配を備えた水路における流量測定にとって特に興味を引く。水路は穏やかな固体運搬のために自浄性である。
【００３０】
パーシャル・フリュームは経験則に基づくデバイスである。ＡＳＴＭ規格Ｄ１９４１とＩＳＯ９８２６に指定されるような寸法やその他の詳細は２％以内に維持されなければならず、なぜならば規格外の幾何学形状に関する補正は推定値に過ぎないからである。
【００３１】
パーシャル・フリュームはコンクリート、木材、金属、またはプラスチックを含めた様々な材料で建造される。この水路の内側表面は少なくとも良質コンクリート仕上げのように滑らかでなければならない。この構造物はまた、剛体で防水性であり、回り込みまたは下流の浸食からの損傷を伴うことなく洪水条件に耐えることが可能でなければならず、その軸は上流の水路の流れの方向と一線になっていなければならない。
【００３２】
パーシャル・フリュームの中への流れの滑らかな進入を確実にするため、およびフリュームの出口における表面撹乱を最少にするために、入口と出口の断面はフリュームの軸に４５度にそれぞれ配置された図４、５の壁１１０、１１２のような垂直の袖壁によって水路の側部傾斜に接続されなければならない。
【００３３】
パーシャル・フリュームの１つの特徴は、フリュームが自由流動条件下で運転されるＡＳＴＭ  Ｄ１９４１とＩＳＯ９８２６の仕様の１〜２％以内に推奨される設計と寸法が維持されれば上流の流れに影響を与えないことである。したがって、パーシャル・フリュームは本発明の開発と、費用効果の高い電力発電が達成される充分な量まで開水路内で流れの加速を作り出すフリューム設計の開発の出発点を提供する。本発明は、低速で移動する水流からの動的な水力電力の費用効果の高い発電を可能にするレベルまで流体の流路内の流速を加速するという主要な目的を達成する。
【００３４】
本発明の例の実施形態として、本発明の設計は約２０フィート（約６ｍ）の運河幅、３６０ｃｆｓの放出速度、６．０フィート（約１．８ｍ）の上流深さ、および約３．０ｆｐｓであると計算されるフリュームの上流での流速を想定することが可能である。約１２フィート（約３．６ｍ）の中央のど幅ｂを備えたＡＳＴＭ規格Ｄ１９４１のパーシャル・フリュームは約１８．４０フィート（約５．６ｍ）の上流幅ｂ１を有する。のどに続く散開用フリューム区画の幅ｂ2は出口区画で１４．６７フィート（約４．４ｍ）である。このフリュームの様々な区画の軸方向の長さは集束用区画ｌ1＝１６．０フィート（約４．９ｍ）、のど区画ｌ＝３．０フィート（約０．９ｍ）、散開用区画ｌ2＝８．０フィート（約２．４ｍ）を含む。
【００３５】
このフリュームに関する流れの深さ、速度、その他のパラメータは表２に集計されており、このフリュームに関する流れの深さと流速は図６にプロットされている。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
ＡＳＴＭ  Ｄ１９４１によると、１０〜５０フィート（約３ｍ〜１５ｍ）の範囲ののどを備えたパーシャル・フリュームに対してはＨaに対するＨbの比（ここでＨbおよびＨaはそれぞれゲージ・ポイントｂおよびａでの流れの深さである、図４）が０．８よりも大きければ流動は水没型になる。このパーシャル・フリュームについては上記の比は０．４であり、水没はなく、フリュームは自由流動条件下で動作している。ＡＳＴＭ  Ｄ１９４１では、このフリュームを設計するために自由流動の値が使用されなければならない。
【００３８】
パーシャル・フリュームにおける流れの深さと流速の間の関係は図５に明確に示されており、ここでは集束用フリューム区画からの結果として速度が高くなると流れの深さが減少する。パーシャル・フリュームののど内の床面の下傾１０４は流れを超臨界段階へとさらに加速し、ここではフルード数Ｆはのどの終端部（床面１０４の終端部）で２．１９の値に達する。このポイントを越えると、フリュームの側壁１０７、１０９が外方向にそれ、床面１０８が上方向に傾斜させられる。したがって、散開用区画の終端部によって流速は亞臨界段階に落とされてフルード数は１未満である。その結果、１２フィート（約３．６ｍ）ののどを備えたパーシャル・フリュームを使用することは流速が環境の３ｆｐｓからのどの開始点での６．６７ｆｐｓへ、のどの末端の下傾での１６．６６ｆｐｓへと加速される。もちろん、速度の増大は上記の速度の値に相当して６フィート（約１．８ｍ）から１．８フィート（約０．５ｍ）へと減少する流れの深さを犠牲にしている。
【００３９】
速度増大フリューム
本発明によるフリュームを詳述する建造物の例の実施形態は図７、８に示されている。
【００４０】
図７の平面図では、左から右への流れの方向が図の左端の矢印によってラベル付けされて示される。流れは入口端部１９０で始まり、反対側の出口端部１９２で完結する。フリュームを作り上げるいくつかの区画に関して様々な長さの標示が示され、図中の最も上の線に沿って書き留められている。これらはそれぞれＬ、Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3、Ｌ4である。フリュームの幅は「Ｂ」の標示によって示され、Ｂc、Ｂ1、Ｂ、Ｂ2、Ｂ3（散開用終端部のＢ３は図７には記されていない）を含む。底の断面図、図８では、同様にいくつかの高さが書き留められ、これらはＤc、Ｈc、Ｈp1で標示される。区画Ｌ2の中に１つの追加の寸法が寸法「Ｄ」として標示されているが、これはこれ以降で検討される発電機２０４のタービン・ブレード２１６の直径を示す。
【００４１】
図８の断面図を参照すると、いくつかの角度のある底または床構造があり、これらが側壁と一体になってフリュームを作り上げる。入口端部１９０が区画Ｂ1から始まり、ここでは上方向に傾斜の付いた床部材２２０の傾斜は０°から約２０°の範囲である。床部材２２４の区画Ｂの下方向の傾斜は約１５°から約３０°で、床部材２２６の区画Ｂ2の上方向の傾斜は約５°から約２０°の範囲である。下記でさらに検討されるように、床２２４の下方向の傾斜は床２２６の上方向の傾斜よりも大きい。したがって、床２２４と２２６の傾斜の間に関係があることは理解できるであろう。付け加えると、四角形と台形の両方のフリュームと水路の設計は本発明の範囲内にあると意図され、本発明はこれらの水路のタイプの各々で機能するであろう。本発明の構造体によれば、例えば水などの流体がフリュームを通って移動するときに流体が正に加速され、かつ電力発電が極めて効率的になる速度にその流速が加速されるのを確実にする。
【００４２】
上記で言及したように、このフリュームはフリュームを通る流体の流量を制御することを有効化し、補助する側壁を含む。図７に最もよく示される側壁２３０と２３２は入口端部１９０の隣接する区画Ｂ1で始まり、区画Ｂへと延びる。壁２３０と２３２は曲率のある入口端部で始まり、次いで、それらが区画ｂに近付くにつれて互いに向かって集束してもよい。これらは、例えば、中心軸Ａに相対して約５°から約２０°の範囲にわたる角度で集束してもよい。壁２３０と２３２の少なくとも一部の間、および床２２０と２２４の間に位置して相対的に平坦な床２２２が区画Ｌ1で存在する。
【００４３】
本発明による設計は改造された中央部分を有し、ここではフリュームの流路が、例えば、角度の付いた床２２４とこれに続く角度の付いた側壁２３０と２３２によって作り出される下傾によって輪郭を描かれるのどの端部で、平坦で概して正方形で水平の床区画またはプラットホーム２０２の形態であってもよい加速ゾーン２００を有するように再設計されている。床またはプラットホーム２０２の端部では上方向に角度の付いた床区画２２６が設けられ、フリュームの出口１９２の一部へと開口して出口の一部を形成する。
【００４４】
加速ゾーン２００は四角形の水路構造の一部であってもよく、または場合によっては台形の水路構造の一部であってもよい。水路構造が四角形の断面を示す場合では、流路と加速ゾーン２００は底面と底面に相対して約９０°の角度に配置される２つの垂直の側部で構成されるであろう。水路構造が台形の断面を示す場合では、流路と加速ゾーン２００は底面と底面に相対して複数の角度の範囲で傾斜している２つの傾斜付きまたは角度付きの側部で構成され、この角度範囲は約４５°から約９０°で変わることが好ましい。図９はそのような台形水路の断面または構造を示しており、ここでは水路の側部２４６は垂直から遠ざかる外方向に角度を付けられ、フリュームの側壁２３８’と２４０’が平坦な床２０２’に隣接して相当する角度で配置される。流体または水の流れは床２０２’全域にわたり、側壁２３８’と２４０’の間にあることが示される。
【００４５】
したがって、本発明がいずれかの特定の水路サイズ、水路形状または水路構造に限定されることはない。重要な事項は、電力発電システムが加速された流れの中で使用されることで電力を発生することが可能となるように流体の流速がフリュームの一部に沿って上げられることである。
【００４６】
加速ゾーン２００は床２２４と２２６の間に配置された実質的に平坦で水平の床２０２によって形成される。付け加えると、加速ゾーン２００は側壁２３８と２４０によって境界を定められる。下方向に傾けられた床２２４もやはり側壁２３４と２３６によって境界を定められ、その一方で上方向に傾けられた床２２６は側壁２４２と２４４によって境界を定められる。側壁２３４と２３６もやはり軸Ａと実質的に平行であり、その一方で側壁２４２と２４４は５°から３０°の範囲にわたる角度で分かれ、出口端部１９２で終結する。
【００４７】
角度を付けられた床２２４と２２６は、パーシャル・フリュームに使用される図４、５の床１０４と１０８の長さ、角度またはサイズと同じではない。そうではなく、床２２４と２２６は床２０２と共に、これらを通って移動する流体の望ましい流れの加速を達成するように、および加速ゾーン２００内で上流の環境流速の速度の約３倍から約１０倍の速度増倍を達成するように設計される。この流量加速は、上記の式（１）から（７）で具現化され、かつ例えば上記の表２に含まれる情報に基づいて形成される水力学的分析と設計から決定される。
【００４８】
最大の効率で電力の発生を行うために加速ゾーン２００の中、および全域にわたって流速を超臨界範囲内に維持することが好ましいが、しかし超臨界よりも上の速度を有することが電力の発生に決定的な意味を持つわけではない。そうではなく、速度が超臨界条件よりも下に低下するにつれて合計の電力と電力を発電する効率が比例して減少する。
【００４９】
水平なプラットホーム内の流速の増大は床２２４の傾斜で始まる加速ゾーンとその床２０２との交点によって達成されて維持される。流量加速は床２２４の高度の低下および側壁２３０と２３２で決まる流れの区画の狭まりの両方によって引き起こされる。この加速は、タービン・ブレード２１６によっておよび床２２６の上方向の角度によって取り出されるいくらかの運動エネルギーを持つことによって引き起こされる流れの低速化を許容するのに十分であるが、フルード数は上流の渋滞を引き起こさない範囲内に保たれるであろう。
【００５０】
１５°から３０°の範囲にわたることが好ましい床２２４と傾斜が約５°から約２０°の範囲にわたる床２２６の間の傾斜の差異が流速を十分な範囲内に維持し、床２２４の傾斜は床２２６の傾斜よりも約１０°大きいことが好ましい。
【００５１】
加速ゾーン２００は、フリュームが使用または設置される流路の中に最良適合するであろうフリューム設計の全体的寸法に応じて決まる例えば約４×４から約５０×５０の範囲にわたってもよい多様なサイズを有し得る水平の床区画２０２で構成される。さらに好ましい範囲は約６フィート（約１．８ｍ）×６フィートから約１２フィート（約３．６ｍ）×１２フィートの寸法の水平のプラットホーム２０２である。実際面では、約２０フィート（約６ｍ）の幅を有する水路内では１２フィート×１２フィートの区画が適合し、または最も有用であろう。さらに小さい加速ゾーン、例えば７．５フィート（約２ｍ）×７．５フィートの領域は約１２フィートから１５フィート（約４．５ｍ）の幅を有する水路で最も有用であろう。上述の間の水路サイズ、ならびにさらに大きいかまたはさらに小さい水路サイズにとって適切な加速ゾーンのサイズは上記の範囲に相対して比例的に大きく、または小さくなるであろう。これらのフリューム寸法については、電力は約０．５ＫＷから約５００ＫＷの範囲内である可能性が高い。
【００５２】
好ましい実施形態では、Ｌ2およびｂに関する寸法は同じであるが、変更がある。上記で言及したように、約１２フィートから２０フィートの範囲にわたる水路の幅に関するとＬ2によって示されるような加速ゾーンのための好ましい寸法は約７．５フィートから約１２フィートの範囲に及ぶ。
【００５３】
図７と８もやはり、ローター・シャフト２１２によってギヤボックス／発電機２１０へと接続されるタービン・ブレード２１６のセットを有する電力発電アセンブリ２０４を示している。タービン・ブレード２１６は相対的に小さく、平らに垂直方向を向いていて、水平区画「Ｌ2」によって決まる加速ゾーン２００内に配置される。さらに、垂直向きのタービン・ブレードは図１０に示されたブレードと同様に、水平方向に延びる支柱２１５によってブレード２１６が中央のハブ２１３に接続されるものでもよい。一体型ローター構造を形成するために、ハブ２１３自体がギヤボックス／発電機２１０のローター・シャフト２１２に滑り嵌合して接続される。電力発電アセンブリ２０４は、例えば高架タービン支持構造または架台２１４によって支えられ、他方で図１１に示されるように概して２５０で示される水平梁とトラスのアセンブリに取り付けられる。水平梁とトラスのアセンブリ２５０は一組の底部水平梁２５２、トラス区画２５４とつなぎ小梁２５６で構成されてもよい。水路構造のそれぞれの側２７０と２７２の各々にアセンブリ２５０全体を取り付けるために支持ブロック２５８と２６０が使用される。このタイプの支持構造は電力発電アセンブリ２０４全体に対して必要とされる支持と安定性を与えるために使用される。高架タービン支持構造２１４は片持ち方式で水路の側壁のうちの一方に取り付けられてもよい。必要とされることは、電力発電アセンブリ２０４が加速ゾーン２００の上に位置決めされて支えられるようにこれを支える安定な取り付けがあることである。
【００５４】
加速の量をさらに強くすることが望ましい、あるいは流れがさらに広い範囲にわたって維持されることが望ましい箇所に、第２の加速ゾーン、例えば段になった、例えば図８に仮想図で示されるような加速ゾーンを使用できることもやはり理解されるはずである。この状況では、第２の加速ゾーンで第２の電力発電ユニットを使用することもできる。
【００５５】
本発明によるフリュームの寸法や、他の重要な寸法と流れの容量が以下の表３に述べられている。前に言及されたように、および実証されるように、フリュームの様々な寸法とサイズは変わることがありえる。同様に、特定の立地条件（例えば水路の幅、断面、流れの深さ、環境流速、その他のそのような因子）に適合するように本フリュームの寸法を変えてもよいことは理解されるはずである。
【００５６】
【表３】
2007278297.tif 000005
【００５７】
流動する流れから入手可能な電力は以下の式から決定できる。
Ｐ＝１／２ρηＡＶ3                          （８）
ここでρ＝水の密度であり、η＝システムの効率であり、Ａ＝水路内の水の断面積であり、Ｖ＝流速である。
【００５８】
本発明の使用によって発電される電力の潜在的な範囲は約０．５ＫＷから約５００ＫＷの範囲にあり、ここでは加速ゾーンは１２フィート（約３．６ｍ）×１２フィートの水平に展開されたプラットホームであるが、動的な水力電力システムの効率２５％を仮定すると見込まれる入手可能な電力は
Ｐ＝３８７１１ｆｔ−ｌｂ／ｓｅｃ＝３３ＫＷ
である。
【００５９】
本願明細書に述べられるようなこの流動加速フリュームまたはデバイスは加速ゾーンを主として含むが、各々がタービン／発電機アセンブリまたはいくつかのそのようなアセンブリを収容して電力供給することが可能であるいくつかの加速ゾーンを含むことも同様に可能である。各々のそのようなタービン／発電機アセンブリが電力の式（８）に従って発電される電力の量を増進し、電気エネルギーの代替源を提供する。本発明はまた、主要な加速ゾーンまたはゾーン群の前段に予備加速ゾーンまたは複数の予備加速ゾーンを含むことも見込まれ、特にここでは流速の促進は水路断面の縮小、水路河床の高さの低下、または両方の組合せを通じて達成できる。付け加えると、本発明は主要な加速ゾーンまたはゾーン群に続いて加速後ゾーンまたはいくつかの加速後ゾーンを含むこともやはり可能であり、ここでは水路の断面の拡張、水路河床の高度の上昇または両方の組合せを通じて流れが低速化され、望ましい環境条件に復元される。
【００６０】
本発明のフリューム設計はフリュームを通って流れる流体に関する流動加速を達成し、電力出力を最大にするためにこの流れをスピードアップするが、流体のこの加速は上流の流動状態に悪影響を及ぼさないであろう（例えば、運河の堤防越えにつながりかねない上流の水深の増大を引き起こさない流動加速フリューム）。それよりもむしろこの設計はフリュームの中央部分に、流速が上流の環境流速の多数倍に上げられることが可能であって動的な水力電力システムが電力を発電するために配備され得る加速ゾーンを供給する。知られているフリュームが流量の測定という単独の目的を有することは理解されるはずである。パーシャル・フリュームまたはいずれの他の既にあるフリュームも電力発電用途のために決して使用されず、また使用されることは不可能であった。
【００６１】
本発明によるフリュームのための製造材料は繊維強化プラスチック、木材、石、強化コンクリート、金属、または他の同様の材料、またはこれらの組合せを含めた様々な材料タイプを含むことが可能である。本発明によるフリュームは自浄作用を持続し、自由流動または水没流動の条件で運転されることが可能であり、運転の好ましいモードは自由流動モードである。
【００６２】
本発明によるフリュームは、上流の流れの深さの増大を引き起こすことなく、または別の場合に特定の目的が何であっても水路の主要な機能に悪影響を及ぼすことなく様々なタイプの水路に沿って適切な地点、一様な多数の地点に設置されて運転されることが可能である。それは主に、この動的な水力電力システムが水平方向のプラットホームによって規定される加速ゾーン内に配備されることが理由である。
【００６３】
複数のフリュームの使用が図１２に示されており、ここでは各々が本発明に従って形成される一組のフリューム３００と４００は流路５００の長さに沿って直列に配備されるように示されている。複数のフリュームが、例えば図１３に示されるように並列の様式で組み入れられることもやはり可能であることは理解されるはずであり、ここでは主流が幅広であり、流路６０２の幅を横切って複数の水路６００が互いに隣り合って供給される。主流は各々のフリュームに動力供給するために十分の流量を有し、各々が独自の電力供給を作り出すであろう。図１４に示される別の代替例として、主流路７００がそれ自体複数で並列の流路７０２、７０４へと分割され、別々のフリューム７０６、７０８が結果として生じる各々の水路に設けられる。図１２に示されるように、これらの代替選択肢のフリューム設計の各々は、流量が設計をサポートするのに十分である場合、複数のフリュームを直列に組み入れることもやはり可能である。各々の分割された水路７０２、７０４は独自の別々の流路を有し、各々が適切な流量を有し、別々の経路の各々の中に組み入れられたフリュームまたは複数のフリュームが各々電力を作り出すであろう。その後、これらの流れは一体に戻されてもよく、または別々に保たれてもよい。フリューム３００、４００、６００または７００の各々の間、またはどれほど多くのフリュームが使用されてもそれらの間の横方向または縦方向の間隔は、フリュームの断面と傾斜、フリューム内に存在する流動パラメータ、標高差、各々のフリューム内で達成される流動加速の量、タービンの下流での望ましい流速などを含めた立地に特異的な条件によって決まる。フリュームの間隔はまた、発電された電力の見込まれるユーザの敷地の要求条件に合致するように設計される。例えばいくつかのケースでは、運河の所有者／運転者がフリューム／タービン・システムによって発電される電力のエンドユーザである。これらの状況では、フリュームの場所と間隔は所望の場所で電力に関する所有者の要求条件を満たすように調節される。
【００６４】
水流の各々のタイプで加速ゾーンが形成できるので、本発明がどのようなサイズのフリュームで形成されてもよく、同様に台形のフリューム、四角形のフリューム、Ｕ字型または他の断面形状を有する一様なフリュームであってもよいことは理解されるはずである。
【００６５】
交差軸式タービン
本発明で使用される電力発電機の１つのタイプは交差軸式タービンである。このタービンは図８にシャフト２１２で表わされるような垂直軸のシステムである。これは、運河の幅の橋渡しをすることができる高架式横軸支持構造２１４にタービンを添えることによる包括的構造内へのタービンの配備にとって極めて有用であり、または片側から支えられることが可能であって加速ゾーン２００に存在するような浅い水深での使用にとって価値あるものである。この交差軸式タービンは床２２４によって作り出された下傾の直ぐ後方の領域の水平プラットホーム２０２内に配備されるであろう。これは、完全に水没させられる必要がないという追加的な利点を有する。それら自体垂直方向で極めて小さいブレード２１６のみが水位線よりも下でなければならない。ギヤボックス／発電機２１０は水よりも上に設置されることが可能であり、防水シールの使用や水中システムの据え付けと運転に付随するその他の問題を回避する。５つの垂直ブレードを備えた直径１０フィート（約３ｍ）の垂直軸の機械、１．５フィート（約０．４５ｍ）のブレード高さ、および３３％の効率を仮定すると、この機械によって発電される電力は次のように計算され、すなわちＰ＝１／２ρηＡＶ3であり、ここでρ＝水の密度、η＝システムの効率（０．３３）、Ａ＝断面積（１０フィート×１．５フィート＝１５フィート2（約１．３５ｍ2））、Ｖ＝流速（１５．００ｆｐｓ）、Ｐ＝２２１７６ｆｔ−ｌｂ／ｓｅｃ＝２１ＫＷである。
【００６６】
交差軸式タービンの効率は流速で除算されたブレード先端の速度の比である先端速度比（ＴＳＰ）によって決まり、
ＴＳＰ＝ΩＲ／Ｖ                            （９）
ここでΩはラジアン／秒による回転速度であり、Ｒはタービンの半径である。最大効率が２〜３の範囲のＴＳＰで生じると仮定し、２．５のＴＳＰと１５．００ｆｐｓの流速を仮定すると、ブレードの先端速度は３７．５ｆｐｓである。直径１０フィートの機械に関すると、これは７．５ラジアン／秒の回転速度または７２ＲＰＭに相当する。電力はトルクと回転ブレード速度の積であるので、機械の設計基準はＲＰＭ、電力、トルクによって決まる。
【００６７】
表４は本発明によるフリュームの加速ゾーン内に配備される交差軸式タービンの電力出力を要約している。表４は様々な加速ゾーンまたはのどの寸法と流れの深さ、ならびに３３％のタービン効率と加速ゾーン内の１５ｆｐｓの流束に関する電力出力を示している。
【００６８】
【表４】
2007278297.tif 000006
【００６９】
前記は、電力発電が効率的に実施されることが可能な流体流量加速ゾーンを有する電力発電フリュームおよび１つまたは複数のフリュームを作り、使用する方法を述べてきた。本発明は現在最も実践的であると考えられる物や好ましい実施形態と結び付けて述べられてきたが、本発明が開示された実施形態に限定されず、逆に添付の特許請求項の精神と範囲内に含まれる様々な改造例および同等の配列を網羅するように意図されることは理解されるはずである。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】比エネルギーｖｓ流れの深さを相関させる比エネルギー曲線を示すグラフである。
【図２】水路の幅と深さに相関させられたベンチュリー効果を示すグラフである。
【図３】フルード数を流路の幅と相関させるグラフである。
【図４】先行技術によるパーシャル・フリュームの平面図である。
【図５】線５−５に沿ってとった図４の水路の断面図である。
【図６】パーシャル・フリュームの深さと流速を相関させるグラフである。
【図７】本発明による水路の平面図である。
【図８】図７の水路の線８−８に沿ってとった断面図である。
【図９】台形の流路と水路の線図である。
【図１０】本発明の電力発電システムで使用するためのタービンの透視図である。
【図１１】水路および電力発電システム支持構造の概略断面図である。
【図１２】流路に沿った複数の水路の使用を示す概略平面図である。
【図１３】水路を横切って一定の間隔を置かれた複数の水路の概略平面図である。
【図１４】分割された流れの中の水路の使用を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１００  集束用入口区画
１０３、１０５、１０７、１０９、２３０、２３２、２３４、２３６、２３８、２４０、２３８’、２４０’、２４２、２４４  側壁
１０４、１０８、２２０、２２２、２２４、２２６  床
１１０、１１２  壁
１９０  入口端部
１９２  出口端部
【図１】
2007278297.tif 000007
【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】
2007278297.tif 000013
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2007278297.tif 000019
【図１４】
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【外国語明細書】
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