特開 2022-123981 水中発電および給電浮力体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022123981

(43)【公開日】2022-08-25

(54)【発明の名称】水中発電および給電浮力体

(51)【国際特許分類】

   F03B 13/10 20060101AFI20220818BHJP

   F03B 17/02 20060101ALI20220818BHJP

【ＦＩ】

F03B13/10

F03B17/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021021479

(22)【出願日】2021-02-15

(71)【出願人】

【識別番号】721001258

【氏名又は名称】瀧本 朋樹

(72)【発明者】

【氏名】瀧本 朋樹

【テーマコード（参考）】

3H074

【Ｆターム（参考）】

3H074AA06

3H074AA08

3H074AA10

3H074AA12

3H074BB19

3H074CC02

3H074CC03

3H074CC16

(57)【要約】

【課題】水力タービンを有した浮力制御可能な浮力体が沈降および浮上を繰り返すことで発電と外部へ電力供給が可能とする。
【解決手段】浮力体は、浮力制御可能な浮力体１０の筐体１１が作動流体を用いてバルーン１７の体積を変化させ沈降および浮上を行い、筐体１１に対して発生する相対的な水流を用いて筐体に装備したタービンローター１３とタービンブレード１２の回転にて発電を行い、その電力を筐体内部の蓄電池５１に貯蓄を行い、筐体に装備された電力の供給手段５２を用いて外部へ電力供給する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

筐体を軸の中心として回転するように動作可能なタービンローターを装備した浮力体であり、かつタービンローターはタービンブレード端に永久磁石を装備しており、かつ筐体から支持されタービンブレード端を円周上に覆うシュラウドを有しており、かつシュラウド内または筐体内に励磁コイルを有しておりタービンブレードが回転するにつれて発電するように配置される発電システムへ連通可能式に結合される、回転可能なタービンブレードセットと、
前記浮力体へ正浮力及び負浮力を制御可能式に与えるように配置され、かつ作動流体により駆動する浮力制御システムと、
１つまたは複数の浮力制御システムを浮力体の上昇速度に依存して選択的に作動させるための制御システムとを備え、
前記浮力体は、潜水に適し、かつ前記タービンブレードセットは、前記浮力体による水中での移動に伴って回転するように配置される、浮力体。

【請求項2】

前記浮力制御システムは、１つまたは複数の流体動力学的に成形された収縮可能なバルーンを備える、請求項１に記載の浮力体。

【請求項3】

前記浮力制御システムは、収縮可能なバルーン、かつ作動流体を移動させるポンプ、かつ作動流体を加圧して貯蓄可能な蓄圧器を閉鎖式に接続した流体回路を備える、請求項１に記載の浮力体。

【請求項4】

前記１つまたは複数の第１の流体回路は、水面から離れて方向づけられる１つまたは複数の第１の回路を備え、前記１つまたは複数の第１の蓄圧器から放出される作動流体は、前記浮力体の上昇速度を高める、請求項１～３のいずれか一項に記載の浮力体。

【請求項5】

請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の浮力体が備える、位置エネルギーかつ圧力エネルギーを貯蔵するためのシステムであって、
前記浮力体は、移動の下限において負浮力であり、かつ浮力制御システムは、液体を用いてバルーンを膨張及び収縮するように蓄圧器および液体ポンプが配置され、
これにより、前記浮力体へ正浮力が与えられ、かつ前記システム内に位置エネルギーかつ圧力エネルギーが貯蔵されるように動作可能である、システム。

【請求項6】

請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のタービンブレードセットかつ蓄電池を有する浮力体が備える、電気エネルギーを生成および貯蔵するためのシステムであって、
前期浮力体は、外部への電気エネルギー供給を可能とする接触式または非接触式の給電手段が配置され、
これにより、外部から電気エネルギーが要求されると、前記給電手段から解放されるように動作可能である、システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、リム式水力タービン発電システムと電力供給システムを装備した制御可能な浮力体に関する。

【背景技術】

【0002】

従来技術のいくつかのＵＵＶは、水深約２０００メートル以下の水深を時速２ノット未満の速さで移動している。水深約２０００メートル以下を低速で移動するＵＵＶは深海環境では電力エネルギーが不足する。

【0003】

海水の密度は、空気の８３２倍であり、これは、５ノットの流れが３５０ｋｍ／時の風より多い運動エネルギーを有することを意味する。水中タービンを潮流の強い沿岸地域に置くスキームは、英国ブリストルのＭａｒｉｎｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ社によって北アイルランドのストラングフォード湖で実行されているスキーム等が知られている。ここでは、１５～２０メートル幅のタービンブレードが、潮流作用によって毎分１０～２０回転で回転させられる。北アイルランドのストラングフォード海峡では、あるプロトタイプが稼働していて、直径１６メートルのツインロータを用いて、流速２．４ｍ／秒で定格１．２ＭＷを発電している。この場合、このタービンシステム全体で、水の運動エネルギーを電気に変える実行効率は、４３％になる。

【0004】

しかしながら、このようなプロジェクトの配備は、適切な潮流を生み出す現地沿岸の状態に依存し、かつ例えば、沖合の深海では不適である。したがって、水力駆動タービンを用いて発電するための、１ ） 自然による強力な流れなしでも水中に配備することができ、かつ、２ ） 利用される海洋空間１ 立方メートルにつき高いパワー出力を有する、海中ソリューションが必要とされている。

【0005】

かつ、燃料補給するために、ＵＵＶを水上艦船との衝突もしくは進路中断の潜在的リスクに置くために頻繁に浮上しなければならないため、浮上することなく電力エネルギーを補給できる、海中ソリューションが必要とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１８－１１２１９１号公報

【特許文献2】国際公開第２００９／０２６６１０号パンフレット

【特許文献3】英国特許第２４５６７９８号明細書

【特許文献4】米国特許第２００６／０１７２９２号明細書

【特許文献5】英国特許第５０７０９３号明細書

【特許文献6】米国特許第２００５１８８６９１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の一態様は、電気を貯蔵しかつ発電するための水力タービンを有した可変浮力体の提供によって上述の課題に対処する。この浮力体は、浮力により水中から水面へ動作し得るように、また重力により下方へ動作し得るように、水深を有する水域において動作可能である。浮力体は、その沈降を促進するために負浮力であるが、必要に応じて浮力体に正浮力を与えることができるように、調節可能な浮力手段が浮力体にさらに装備されている。正浮力が与えられると、浮力体は、浮力によって上へと浮かせる。負浮力が与えられると重力によって下へと沈降する。移動する際に、浮力体と水の相対動作によって有効な人工流が生成されてタービンローターを回し、タービンブレード端に設けた永久磁石がシュラウドまたは筐体に設けた励磁コイルを通じて電気を生成する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

制御可能な浮力を提供するために、実施形態によっては、浮力体に設けられる、かつ設定水深に達すると油やガスといった比重が１．０未満の作動流体を適切な圧力で供給する蓄圧器が装備される。浮力体は、浮力体へ全体的な正浮力を与えるために油またはガスといった比重が１．０未満の作動流体を貯蓄することができるバルーン等の類似の浮力調節手段を装備している。
かつ浮力体に全体的な負浮力を与えるためにバルーン等の類似の浮力調節手段から作動流体を蓄圧器に移送することができるポンプを装備している。

【0009】

蓄圧器が正浮力を与えるに足る作動流体を加圧するために要するエネルギーかつ負浮力を与えるに足る油またはガスといった作動流体をポンプで圧縮するために要するエネルギーは、浮力体において発生されるエネルギーより少なく、よって装置は、発電に関してエネルギーポジティブになることが前提であることから、ポンプの実行に要するエネルギーは重要である。

【0010】

ある典型的な構成では、タービンブレードの直径は、０．５メートルから１５メートルの範囲内であってもよく、かつ浮力体および付属の発電機器およびバルーンの重量は、約０．１トンから１５トンであることが想定されている。下降と浮上の距離が、１００メートル単位から１０００メートル単位までの範囲であることが想定されている。例えば、水深２０００メートルの水域上の１０トンタービンは、１９６ＭＪのポテンシャルエネルギーを有する。これが、２．４ｍ／秒で沈降するとすれば、効率１００％を想定すると、最大４７１ｋＷのポテンシャル電力が入手可能となる。このような効率は不可能であるが、効率を僅か３０％であると控えめに見込んだとしても、１４０ｋＷを超える電力出力が生成される。従来技術によるタービンと同じ効率（４３％）であれば、８３２秒（浮力体が２０００メートル下降する所要時間）で２００ｋＷを超える電力が生成される。

【0011】

２０００ｍにおける水圧は、約２９００ｐｓｉ（２０ＭＰａ）であるが、日本アキュムレーター社から入手可能なもの等の蓄圧器は、約３０００ｐｓｉ（２１ＭＰａ）の吐出し圧力を生成し、例えば、このような圧力において蓄圧器から毎分１１００リットルの比重１．０未満の作動流体を供給することができる（具体的には、例示として、型式番号ＨＮ－Ｎ２１ＭＰ－Ｌ２９－ＡＡＡ参照）。海底から５トンの質量を上昇させるためには、１０ｍ３を超える水を押しのけて正浮力を生成する必要があるが、このような蓄圧器を用いれば、この作動流体容量を、適切な圧力で、浮力体が沈降する所要時間に満たない時間で正浮力を供給することができる。浮力体は、上昇途中でも発電することから、システムは、エネルギーポジティブである。

【0012】

前記蓄圧器の吐出圧力は、約２９００ｐｓｉ（２０ＭＰａ）であるが、不二越社から入手可能なもの等の高圧ポンプは、４５００ｐｓｉ（３０ＭＰａ）の吐出し圧力を生成し、例えば、このような圧力において４５ｋＷのポンプ出力から毎時１１１正規立方メートルを蓄圧器に作動流体を貯蓄することができる（具体的には、例示として、型式番号ＩＰＨ－４Ｂ－３２－２０参照）。このようなポンプを用いれば、この作動流体容量を、適切な圧力で、浮力体が浮上する所要時間に満たない時間で負浮力を供給することができる。浮力体は、沈降途中でも発電することから、システムは、エネルギーポジティブであって、生成される電力の一部は、ポンプの作動に必要とされるものの、これは、タービンによりその昇降時に生成される電力量より遙かに少ない。

【0013】

上記に鑑みて、ある態様によれば、本発明は、タービンブレードの回転に伴って発電するように配置される発電システムへ連通可能式に結合される回転可能な一連のタービンローターを備える浮力体を提供し、前記浮力体は、さらに、浮力体へ正浮力と負浮力を制御可能式に与えるように配置される浮力制御システムを装備し、前記浮力体は、さらに、内部蓄電池より浮力体外部へ電力解放を行うための手段を装備し、前記浮力体は、水中に沈めるためのものであり、前記浮力体は、浮力体の水中での移動に伴うように配置される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明の一実施形態における浮力体を示す略側面図である。

【図2】図２は、図１の浮力体を示す略平面図である。

【図3】図３は、本発明の一実施形態における典型的な配備シナリオを示す図である。

【図4】図４は、本発明の一実施形態の動作方法を示すフロー図である。

【図5】図５は、本発明の別の実施形態による浮力体を示す略側面図である。

【図6】図６は、ロータピッチ調節機構を示す略側面図である。

【図7】図７は、バルーンの制御に関するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明のさらなる特徴および優位点は、単なる例示として提示されるその実施形態のさらなる説明から、かつ添付の図面の参照により、さらに明らかとなるであろう。諸図を通じて、類似の参照数字は、類似のパーツを指す。

【0016】

図１および図２は、本発明の一実施形態を形成する浮力体の一例を示す。浮力体１０は、発電機器かつ蓄電池かつ蓄圧器かつポンプを含む筐体１1を軸受けとされるタービンブレード１２を装備するタービンローター１３を装備している。

【0017】

ある実施形態では、筐体１４は、励磁用コイル１６を内装したシュラウド１４をフレーム１５で支持されかつタービンブレード１２端に励磁用コイル１６を励磁する永久磁石１７を含んでもよい。タービンブレード１２は、浮力体１０による水中での上下移動に伴って筐体１１を中心にタービンローター１３に従って回転するように配置してもよい。

【0018】

浮力体１０は、筐体１１に外殻１６を装備し、本実施形態において、これは、浮力体１０へ正浮力を与えることが所望される場合に蓄圧器またはポンプにて加圧された作動油または空気または他のガスを受け入れるように配置されるバルーン１７を含む。ある実施形態において、バルーン１７は、海難救助作業において使用され得るもの等の拡張可能なリフティングバッグである。しかしながら、好ましくは、バッグが一旦浮力体を浅深度まで持ち揚げると、ポンプがバルーンから作動流体を蓄圧器に移送を行い、よって浮力体が重力によって再び沈むことができるように、バルーンには、作動流体の供給バルブと排出バルブが装備される。

【0019】

さらに、タービンローター１３と装備されたタービンブレード１２は、各々がフレーム１５によって中央の浮力体本体へ付着され励磁コイル１６を備えるシュラウド１４を装備している。タービンブレード１２の移動速度より高速で案内するためのベンチュリとして作用するように湾曲している。これにより、タービンを介する水流速度は増し、取得される電力は、増加され得る。

【0020】

浮力体は、バルーン１７がポンプにて作動流体が排出されかつ収縮することで外殻１６が海水で満たされると海水面に対して僅かに負浮力であるように重み付けされる。これは、浮力体が設定水深または設定条件において浮力体の浮力が増大されると最低量の作動流体で浮力体に正浮力を作り出すことができ、これにより、エネルギーの効率が最大化することを保証する。

【実施例0021】

ある実施形態では、浮力体１０がエネルギー貯蔵ユニットとして使用される。電気エネルギーは、水中に機械的に保持される正浮力または負浮力または浮力体の何れにおいても、ポテンシャルエネルギーとして貯蔵される。位置エネルギーが保持される間、浮力体のタービンにはエネルギーが入力されず、またタービンがエネルギーを出力することもない。しかしながら、浮力体が保持位置から解放されると、その浮力が、電気エネルギーを発生するための上向きまたは下向きの力の何れかを生成する。

【0022】

上向きの力は、浮力体１０が正浮力である場合に生成される。浮力体は、その最下点（即ち、海底や設定水深）で保持されてもよく、かつバルーンは、作動流体で満たされて、浮力体を正浮力にしてもよい。正浮力により生成される上向きの力は、周囲の水を介する浮力体の上方移動を生成し、かつ周囲の水を介して進むタービンブレード１２の動作によって浮力体が有するタービンローター１３に対する回転力が提供される。浮力体は、移動の上限に達するまで電気エネルギー出力を提供する。この上限において、浮力体は、水中で正浮力のままであり、よって、水中で浮力体による動作はなく、発電もされない。

【0023】

この位置では、浮力体１０によって、重力による位置エネルギーが貯蔵され、これは、作動流体を満たされたバルーンからポンプにて排出することでバルーンが収縮し、外殻との間の空間を水で満たして浮力体を負浮力にすることにより電気エネルギーを発生すべく解放されることが可能である。負浮力の浮力体は、周囲の水を介して沈降し、かつタービンブレード１２は、筐体が進行することで発生する相対的な水流を電気エネルギーに変換するためタービンローター１３に回転動作を提供する。浮力体１０は、周囲の水を介して下降しながら発電を続け、下側の動作領域に達した時点で発電が止む。

【実施例0024】

図３は、５つの作動形態の浮力体１０Ａ－１０Ｆは、各々がその昇降デューティサイクルの異なる段階において示されている。例えば、浮力体１０Ａは、そのデューティサイクルの下方レグを介する上部の水深に存在している。よって、重力の効果による水中移動に伴って電気を生成していく。同様に、浮力体１０Cもそのデューティサイクルの下降段階に存在するが、設定水深または底部に位置し静止した状態にある。

【0025】

浮力体１０Ｃおよび浮力体１０Ｄは、共にその個々のデューティサイクルの上昇段階にあるが、浮力体１０Ｄの方が浮力体１０Ｃより時間的に先行している。本例において、浮力体１０Ｃおよび浮力体１０Ｄは共に、正浮力を有するために外殻１６内部に設けられたバルーン１８を膨張させていることに留意されたい。他の実施形態では、圧力調整バルブを有するバルーンが使用されてもよい。さらに他の実施形態では、外殻とバルーンとの組合せが使用されてもよい。バルーンおよび／または外殻により提供される正浮力に依存して、浮力体１０Ｅは、所定の速度で水中を移動または浮上し、よって、この動作によるタービンブレードとタービンローターの回転に伴って電気を生成する。ある実施形態において、浮力体の上昇速度は、沈降速度と略一致され、よって、異なる浮力体の個々のデューティサイクルの容易な管理が達成される。しかしながら、これは必須ではなく、よって、上昇段階の持続時間が下降段階とは異なること、例えば下降段階より長いことも可能である。

【0026】

浮力体１０Ｃは、その下降段階を終了していて、静止している。筐体１４内には、蓄圧器およびポンプをバルーン１７Ｃへ作動流体を提供するために装備されている。図示されているように、浮力体１０Ｄのバルーン１７Ｄは、部分的に作動流体が充填されているだけであって、蓄圧器およびポンプによる充填の過程にある。浮力体１０Ｅのバルーン１７Ｅは浮上するに足る正浮力を得る量にまで作動流体が蓄圧器よりバルーンが充填されると、浮力体は、海面へと浮上することができ、その上昇に伴って電気が生成される。

【0027】

浮力体１０Ｆは、その上昇段階を終了していて、静止している。図示されているように、浮力体１０Ｆのバルーン１７Ｆは、部分的に作動流体が充填されているだけであって、ポンプによるバルーン１７Ｆから作動流体がポンプにより蓄圧器に移送されバルーン１７Ｆが収縮する過程にある。沈降するに足る負浮力を得る量にまでバルーンが収縮されると、浮力体１０Ｆは、浮力体１０Ａとして水中へ沈降することができ、その下降に伴って電気が生成される。

【0028】

浮力体のデューティサイクルは、図４のフロー図に示されている。まず、浮力体は、上昇段階の頂上にあるものとする。ここで、バルブが開かれバルーンからポンプを経て蓄圧器間の流体回路が形成されてバルーンから全ての作動流体がポンプによって排出され、かつバルーンが収縮され、よって、浮力体は、重力によって沈降する（ｆ．４．１）。沈降する間に、タービンブレード相対的な水流を受け接続しているタービンローターと共に回転し、電気が生成される（ｆ．４．２）。沈降段階の底で浮力体が到着すると（ｆ．４．３）、バルブが解放されバルーンから蓄圧器間の新たな流体回路が形成されバルーンへ作動流体が充填されかつバルーンが膨張を開始する（ｆ．４．４）。浮上に十分な正浮力を得るための作動流体が充填されると、浮力体は、バルーンにより与えられる正浮力によって上昇し始める（ｆ．４．５）。上昇する間、浮力体は、タービンブレードと接続しているタービンローターを回転し、電気が生成される（ｆ．４．６）。上昇段階は、浮力体が水面に接近するまで続き、接近すると、バルーンから作動流体がポンプによって蓄圧器に移送され（ｆ．４．７）、次いでサイクルが再開される。