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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-05-02
(45)【発行日】2022-05-13
(54)【発明の名称】環境熱エネルギー変換
(51)【国際特許分類】
F03G 7/05 20060101AFI20220506BHJP
B63B 35/00 20200101ALI20220506BHJP
B63B 35/44 20060101ALI20220506BHJP
B63B 21/50 20060101ALI20220506BHJP
F01K 25/10 20060101ALI20220506BHJP
【ＦＩ】
F03G7/05
B63B35/00 T
B63B35/44 N
B63B21/50 Z
F01K25/10 F
F01K25/10 E
【請求項の数】
18
(21)【出願番号】P 2019545693
(86)(22)【出願日】2017-11-01
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-05-28
(86)【国際出願番号】 US2017059485
(87)【国際公開番号】W WO2018085361
(87)【国際公開日】2018-05-11
【審査請求日】2020-01-20
(31)【優先権主張番号】62/415,839
(32)【優先日】2016-11-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/479,667
(32)【優先日】2017-03-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】15/799,384
(32)【優先日】2017-10-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】519152722
【氏名又は名称】シートレック インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＳＥＡＴＲＥＣ，ＩＮＣ．
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(74)【代理人】
【識別番号】100142907
【弁理士】
【氏名又は名称】本田 淳
(72)【発明者】
【氏名】フラタントニ、デイビッド エム．
(72)【発明者】
【氏名】ゼデルマイアー、マイケル マーティン
(72)【発明者】
【氏名】ジョーンズ、ジャック エイ．
(72)【発明者】
【氏名】チャオ、イー
(72)【発明者】
【氏名】ウィリス、ロビン エドワード
(72)【発明者】
【氏名】リーランド、ロバート スコット
【審査官】小林 勝広
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１２０１２６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－０５８９１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２６４３４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０４３１４７８２（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ６３Ｂ １／００－６９／００
Ｂ６３Ｊ １／００－９９／００
Ｆ０１Ｋ ２３／００－２７／０２
Ｆ０３Ｇ １／００－ ７／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
水熱エネルギーを使用した発電方法において、密封された作動流体を、閉ループ内で、水体の第２の深度まで上昇させ、その後、前記水体の第１の深度まで下降させるために、前記密封された作動流体を前記第１の深度で圧縮する工程であって、前記第２の深度の水は、前記密封された作動流体が前記第１の深度における液相と前記第２の深度における気相との間で移行するように、前記第１の深度の水よりも高い温度を有し、前記圧縮はバッテリからの電力を使用する、密封された作動流体を圧縮する工程と、
前記バッテリを充電するための電気を生成するために、前記密封された作動流体を前記第２の深度で膨張させる工程と、
前記閉ループを収容する装置を、前記バッテリからの電力を使用して前記水体を通して推進させる工程とを備える、方法。
【請求項2】
前記装置は、前記装置が前記水体を通って推進されるときに、固定構成から、前記固定構成に比べて抗力が低減される可動構成に移行するように動作可能である、請求項１に記載の発電方法。
【請求項3】
水熱エネルギーを使用した発電方法において、密封された作動流体を、閉ループ内で、水体の第２の深度まで上昇させ、その後、前記水体の第１の深度まで下降させるために、前記密封された作動流体を前記第１の深度で圧縮する工程であって、前記第２の深度の水は、前記密封された作動流体が前記第１の深度における液相と前記第２の深度における気相との間で移行するように、前記第１の深度の水よりも高い温度を有し、前記圧縮はバッテリからの電力を使用する、密封された作動流体を圧縮する工程と、
前記バッテリを充電するための電気を生成するために、前記密封された作動流体を前記第２の深度で膨張させる工程と、
配置場所への輸送をより容易にするために、又は前記水の中での動きをより容易にするために、巻き付け、折り畳み、又は折り曲げ動作可能な装置内に前記閉ループを収容する工程とを備える、発電方法。
【請求項4】
水熱エネルギーを使用することによって、水体を通して装置を推進させる方法において、密封された作動流体を水体の第１の深さから、閉ループ内で第２の深度まで上昇させ、その後、前記水体の第１の深度まで下降させるために、前記密封された作動流体を加圧する工程であって、前記第２の深度の水は、前記密封された作動流体が前記第１の深度における前記閉ループのコンデンサ部分での液相から前記第２の深度における前記閉ループのボイラ部分での気相に移行するように、前記第１の深度の水よりも高い温度を有し、加圧はバッテリからの電力を使用するポンプによって行う、密封された作動流体を加圧する工程と、
前記バッテリを充電するための電気を生成するために、前記密封された作動流体をタービンによって前記第２の深度で膨張させる工程と、
前記閉ループ、前記ポンプ、及び前記タービンを格納する装置を、前記閉ループの垂直方向の範囲が少なくとも前記第１の深さから前記第２の深さまで延びる固定構成から、前記閉ループの前記垂直方向の範囲が前記固定構成に相対して少ない可動構成まで移行させる工程と、
前記装置が前記可動構成にある間に前記バッテリからの電力を使用して前記水体を通して前記装置を推進させる工程とを備える、方法。
【請求項5】
前記水体内に前記装置を完全に沈める工程をさらに備え、前記装置は、水面下フロートを含んでなる、請求項４に記載の方法。
【請求項6】
前記水体内に前記装置を部分的に沈める工程をさらに備え、前記装置は前記水体の表面に配置された水面フロートを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項7】
前記水体内に前記装置を完全に沈める工程をさらに備え、前記装置は中立浮力装置を有する、請求項４に記載の方法。
【請求項8】
前記装置は、前記密封された作動流体が上昇液体チューブの中を前記第１の深度から前記第２の深度へ上昇する前記上昇液体チューブと、前記密封された作動流体が下降蒸気チューブの中を前記第２の深度から前記第１の深度へ下降する前記下降蒸気チューブとを備え、前記上昇液体チューブ及び前記下降蒸気チューブは、前記第１の深度における前記水体の圧力、及び前記第１の深度と前記第２の深度との間の前記水体内において変化する海流、のうちの少なくとも一方による座屈又はクリンピングを回避するために十分な耐久性を有する、請求項４に記載の方法。
【請求項9】
前記装置は、前記密封された作動流体が上昇液体チューブの中を前記第１の深度から前記第２の深度へ上昇する前記上昇液体チューブと、前記密封された作動流体が下降蒸気チューブの中を前記第２の深度から前記第１の深度へ下降する前記下降蒸気チューブとを備え、前記上昇液体チューブ及び前記下降蒸気チューブは、前記第１の深度と前記第２の深度との間の前記水体内において変化する海流による圧力を緩和するように撓むことができる、請求項４に記載の方法。
【請求項10】
ＡＵＶ、調査プラットフォーム、又は他の電力使用デバイス内に設置された外部バッテリを充電するために、生成された電力を断続的に使用する工程をさらに備える、請求項４に記載の方法。
【請求項11】
前記移行させる工程は、前記装置を、巻き付け、折り畳み、又は折り曲げることからなる、請求項４に記載の方法。
【請求項12】
前記装置は、前記密封された作動流体が上昇液体チューブの中を前記第１の深度から前記第２の深度へ上昇する前記上昇液体チューブと、前記密封された作動流体が下降蒸気チューブの中を前記第２の深度から前記第１の深度へ下降する前記下降蒸気チューブとを備え、前記方法は、前記装置に含まれる作動流体リザーバを使用して、前記上昇液体チューブ及び前記下降蒸気チューブ、又はそのいずれかにおける作動流体の量又は高度を制御する工程とをさらに備える、請求項４に記載の方法。
【請求項13】
前記装置は、前記密封された作動流体が前記第１の深度から前記第２の深度に上昇する上昇液体チューブと、前記密封された作動流体が前記第２の深度から前記第１の深度へ下降する下降蒸気チューブとを備え、前記移行させる工程は、前記上昇液体チューブと前記下降上記チューブとを前記バッテリに給電される１つ以上のアクチュエータを用いて折り曲げることからなる、請求項１１に記載の方法。
【請求項14】
前記１つ以上のアクチュエータは、前記装置の対向する端にケーブルによって接続され、電気的に作動されるウィンチを含んでなる、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記可動構成における前記装置は前記固定構成における前記装置の約半分の長さである、請求項１３に記載の方法。
【請求項16】
前記移行させる工程は、前記閉ループの水平方向の範囲が最小となる水平な配置に前記装置を配備することからなる、請求項４に記載の方法。
【請求項17】
前記コンデンサ部分は一連のチューブを備えたコンデンサを備える、請求項４に記載の方法。
【請求項18】
前記ボイラ部分は一連のチューブを備えたボイラを備える、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、概して、遠隔海洋発電に関し、より具体的には、海洋温度差発電（ＯＴＥＣ：ｏｃｅａｎ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）システムなどの熱エネルギー変換システムに関する。
【背景技術】
【0002】
遠隔海洋電力は、商業的、科学的、及び防衛の目的にとってますます重要になりつつある。現在、ほとんどの無人潜水艇（ＵＵＶ：Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）／自律型潜水艇（ＡＵＶ：Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）及び遠隔海洋発電ステーションは、バッテリで電力供給され、寿命が限られている。これにより、発電可能な電力量も、ＡＵＶが走行可能な距離も、大幅に制限される。
【0003】
ほとんどの海洋温度差発電（ＯＴＥＣ）システムは、海洋からの熱を使用して、高圧で揮発性冷媒を沸騰させる。得られた高圧蒸気は、タービンを通過するときに発電し、部分的に凝縮された流出する蒸気は、冷気又は冷水によって完全に凝縮される。従来のＯＴＥＣシステムは、冷却を行うために、深い深度から水面に大量の冷たい海洋水を搬送する。これは、垂直方向の長い距離にわたる冷水の汲み上げに伴う機械的及び熱的損失のため、（たとえば、数キロワットを下回る電力の）小規模発電には実用的ではない。
【0004】
その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる特許文献１では、相変化材料（ＰＣＭ：Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）が、たとえば摂氏１５度の暖かい温度で溶融（膨張）され、たとえば摂氏１０度のより低い温度で凍結（収縮）されるシステムが開示されている。ペンタデカン等のパラフィンである可能性のあるＰＣＭを収容するチューブが、油圧油が充填された容器内に挿入されている。ＰＣＭが溶融（膨張）されると、それによりオイルが約２０．６９ＭＰａ（３０００ｐｓｉ）に加圧された容器内に押し出される。バルブが開かれると、高圧油が油圧モータを通過し、それにより発電機が回転してバッテリが充電される。ＰＣＭチューブが凍結（収縮）されると、低圧油は最終的にＰＣＭキャニスタに再吸収される。生成された電気の一部は、非常に長期間にわたる深部循環が継続されるように、テザーラインに対する外部ブラダ又はモータの制御に使用され得る。あるいは、ブラダを充填することでＡＵＶが上昇し、ブラダを空にすることでＡＵＶが降下するように、油圧モータから流出する低圧油はＡＵＶ上の外部ブラダに直接排出され得る。これは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換して機械的エネルギーに変換することの非効率性が回避されるという点で、はるかにエネルギー効率が高い。
【0005】
このシステムは、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる特許文献１及び特許文献２において、製造され、試験され、特許を受けているが、０．５ワット未満の平均電力を供給する間、（中立浮揚性であるが、典型的には１００ｋｇを超える）大量の海水を変位させる多数の機器を必要とする。たとえば、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる、非特許文献１を参照されたい。
【0006】
浮遊ブイ上の波によって生成された電気を使用し、浮遊ブイ上の太陽光バッテリからの電気を使用する、遠隔海洋充電ステーション及びＡＵＶも開発されている。しかし、かかるブイの露出部は、暴風害、不慮の海洋船の衝突、及び敵の探知又は妨害行為の影響を受けやすい。
【0007】
風力、波、又は太陽エネルギーの使用による、極地における遠隔電力が提案されている。しかし、これらのシステムはすべて、厳しい高緯度の天候状態で動作することが困難である。
【0008】
したがって、当技術分野において、関連技術に伴う上述の欠点を克服する遠隔海洋発電のシステム及び方法に対する需要がある。本開示の様々な態様は、以下でより詳細に説明するように、これらの特定の需要に対処するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】米国特許第７９８７６７４号明細書
【文献】米国特許第８１１７８４３号明細書
【非特許文献】
【0010】
【文献】イー・チャオ（Ｃｈａｏ，Ｙｉ）「Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｃｈａｒｇｉｎｇ Ｂａｔｔｅｒｙ ｆｏｒ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ」、２０１３ ＯＢＳ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ
【発明の概要】
【0011】
本開示の１つ以上の態様によると、無人調査ステーション又は自律車両などの固定又は可動装置による、水熱エネルギーを使用した発電方法が提供される。海洋における２つの深度の間の温度差、又は冷気とより暖かい海洋水との間の温度差が、ランキンサイクル（Ｒａｎｋｉｎｅ ｃｙｃｌｅ）に応じて作動流体を沸騰させて凝縮させることによる電気の生成に使用される。電気は、作動流体を駆動するポンプに電力を供給するために使用され得るバッテリに貯蔵される。２つの海洋水深間の温度差が使用される場合、装置は、上方から見えないようにするために、ならびに暴風及び外洋航行船舶による損傷を回避するために、水面下のブイ又はＡＵＶへの接続によって完全に水中に沈められ得る。たとえば、極地において、空気と水との間の温度差が使用される場合は、装置はフロート、バージ、又は氷に取り付けられ得る。
【0012】
本開示の実施形態の一態様は、水熱エネルギーを使用した発電方法である。この方法は、密封された作動流体を、閉ループ内で、水体の第２の深度まで上昇させ、その後、水体の第１の深度まで下降させるために、密封された作動流体を第１の深度で圧縮することを含む。第２の深度の水は、密封された作動流体が第１の深度における液相と第２の深度における気相との間で移行するように、第１の深度の水よりも高い温度を有する。圧縮は、バッテリからの電力を使用する。この方法はさらに、バッテリを充電するための電気を生成するために、密封された作動流体を第２の深度で膨張させることを含む。
【0013】
方法は、水体内に完全に沈められた装置内に閉ループを収容することを含み得、装置は、水面下フロートと水体の底部に配置されたアンカーとを含む。
方法は、水体の表面に配置された水面フロートを含む装置内に閉ループを収容することを含み得る。装置は、水体の底部に配置されたアンカーを含み得る。
方法は、水体の表面に配置された水面フロートを含む装置内に閉ループを収容することを含み得る。装置は、水体の底部に配置されたアンカーを含み得る。
【0014】
方法は、水体内に完全に沈められた中立浮力装置内に閉ループを収容することを含み得る。
方法は、密封された作動流体がその中を第１の深度から第２の深度へ上昇する上昇液体チューブと、密封された作動流体がその中を第２の深度から第１の深度へ下降する下降蒸気チューブと、を含む装置内に閉ループを収容することを含み得る。上昇液体チューブ及び下降蒸気チューブは、第１の深度における水体の圧力、及び第１の深度と第２の深度との間の水体内において変化する海流、のうちの少なくとも一方による座屈又はクリンピングを回避するのに十分な耐久性を有し得る。上昇液体チューブ及び下降蒸気チューブは、第１の深度と第２の深度との間の水体内の変化する海流による圧力を緩和するように撓むことができ得る。方法は、装置内に含まれる作動流体リザーバを使用して、上昇液体チューブ及び下降蒸気チューブ、又はそのいずれかにおける作動流体の量又は高度を制御することを含み得る。
方法は、密封された作動流体がその中を第１の深度から第２の深度へ上昇する上昇液体チューブと、密封された作動流体がその中を第２の深度から第１の深度へ下降する下降蒸気チューブと、を含む装置内に閉ループを収容することを含み得る。上昇液体チューブ及び下降蒸気チューブは、第１の深度における水体の圧力、及び第１の深度と第２の深度との間の水体内において変化する海流、のうちの少なくとも一方による座屈又はクリンピングを回避するのに十分な耐久性を有し得る。上昇液体チューブ及び下降蒸気チューブは、第１の深度と第２の深度との間の水体内の変化する海流による圧力を緩和するように撓むことができ得る。方法は、装置内に含まれる作動流体リザーバを使用して、上昇液体チューブ及び下降蒸気チューブ、又はそのいずれかにおける作動流体の量又は高度を制御することを含み得る。
【0015】
方法は、閉ループを収容する装置を、バッテリからの電力を使用して水体を通して推進させることを含み得る。装置は、装置が水体を通って推進されるときに、固定構成から、固定構成に比べて抗力が低減される可動構成に移行するように動作可能であり得る。
【0016】
方法は、ＡＵＶ、調査プラットフォーム、又は他の電力使用デバイス内に設置された外部バッテリを充電するために、生成された電力を断続的に使用することを含み得る。
方法は、配置場所への輸送をより容易にするために、又は水の中での動きをより容易にするために、巻き付け、折り畳み、又は折り曲げ動作可能な装置内に閉ループを収容することを含み得る。
方法は、配置場所への輸送をより容易にするために、又は水の中での動きをより容易にするために、巻き付け、折り畳み、又は折り曲げ動作可能な装置内に閉ループを収容することを含み得る。
【0017】
本開示の実施形態の別の態様は、地球の極地における水熱エネルギーを使用した発電方法である。この方法は、密封された作動流体を、閉ループ内で、水体の第１の深度まで降下させ、その後、水体の上方の大気の第１の高度まで上昇させるために、密封された作動流体を第１の高度で圧縮することを含み得る。第１の深度の水は、密封された作動流体が第１の高度における液相と第１の深度における気相との間で移行するように、第１の高度の大気よりも高い温度を有する。圧縮は、バッテリからの電力を使用する。方法はさらに、バッテリを充電するための電気を生成するために、密封された作動流体を第１の深度で膨張させることを含む。
【0018】
方法は、強制対流によって、密封された作動流体を第１の高度で冷却することを含み得る。
方法は、強制対流によって、密封された作動流体を第１の深度で加熱することを含み得る。
方法は、強制対流によって、密封された作動流体を第１の深度で加熱することを含み得る。
【0019】
方法は、バッテリからの電力を使用してＡＵＶ又は他の沖合の電力供給デバイスを断続的に充電することを含み得る。
この方法では、膨張のための熱は、地球の内部の熱エネルギーから、核エネルギーから、又は別の種類の熱源からのものであり得る。方法は、水体の第２の深度から第１の深度まで水を汲み上げることを含み得、第２の深度の水は第１の深度の水よりも高い温度を有する。
この方法では、膨張のための熱は、地球の内部の熱エネルギーから、核エネルギーから、又は別の種類の熱源からのものであり得る。方法は、水体の第２の深度から第１の深度まで水を汲み上げることを含み得、第２の深度の水は第１の深度の水よりも高い温度を有する。
【0020】
方法は、密封された作動流体がその中を第１の高度から第１の深度へ下降する下降液体チューブと、密封された作動流体がその中を第１の深度から第１の高度へ上昇する上昇蒸気チューブと、を含む装置内に閉ループを収容することを含み得る。方法は、装置内に含まれる作動流体リザーバを使用して、下降液体チューブ及び上昇蒸気チューブ、又はそのいずれかにおける作動流体の量又は高度を制御することを含み得る。
【0021】
本開示の実施形態の別の態様は、水熱エネルギーを使用した発電方法である。この方法は、密封された作動流体を、閉ループ内で、水体の表面に対する第２の垂直位置に移動させ、その後、水体の表面に対する第１の垂直位置に移動させるために、密封された作動流体を第１の垂直位置で圧縮することを含む。第２の垂直位置における外部環境は、密封された作動流体が第１の垂直位置における液相と第２の垂直位置における気相との間で移行するように、第１の垂直位置における外部環境よりも高い温度を有する。圧縮は、バッテリからの電力を使用する。方法はさらに、バッテリを充電するための電気を生成するために、密封された作動流体を第２の垂直位置で膨張させることを含む。
【0022】
本開示は、添付の図面とあわせて以下の詳細な説明を参照することにより、最もよく理解されるであろう。
本明細書に開示された様々な実施形態のこれら及び他の特徴及び利点は、以下の説明及び図面によってよりよく理解されるであろう。
本明細書に開示された様々な実施形態のこれら及び他の特徴及び利点は、以下の説明及び図面によってよりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】典型的なランキンパワーサイクルの概略図である。
【図2】水熱エネルギーを使用した、開示された発電のシステム及び方法で使用するための装置の例示的な実施形態を示す。
【図3】熱帯、中緯度、及び極地における海洋温度と深度との関係を示す。
【図4A】水熱エネルギーを使用した、開示された発電のシステム及び方法で使用するための可動型中立浮力装置の例示的な実施形態を示す。
【図4C】水熱エネルギーを使用した、開示された発電のシステム及び方法で使用するための可動型中立浮力装置の別の例示的な実施形態を示す。
【図4D】水熱エネルギーを使用した、開示された発電のシステム及び方法で使用するための可動型中立浮力装置の別の例示的な実施形態を示す。
【図5A】水熱エネルギーを使用した、開示された発電のシステム及び方法で使用するための可動型中立浮力装置の別の例示的な実施形態を示し、固定した垂直方向の構成を示す。
【図5B】水熱エネルギーを使用した、開示された発電のシステム及び方法で使用するための可動型中立浮力装置の別の例示的な実施形態を示し、折り曲げた構成を示す。
【図5C】水熱エネルギーを使用した、開示された発電のシステム及び方法で使用するための可動型中立浮力装置の別の例示的な実施形態を示し、完全に水平方向のコンパクトな構成を示す。
【図6】極地における、水熱エネルギーを使用した、開示された発電のシステム及び方法で使用するための装置の例示的な実施形態を示す。
【図7】様々な極地における海洋温度（及び塩度）と深度との関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【0024】
同じ要素を示すために、図面及び詳細な説明を通して共通の参照番号を使用する。
添付の図面に関して以下に記載する詳細な説明は、水熱エネルギーを使用した発電のシステム及び方法の特定の実施形態の説明を意図するものである。説明される実施形態は、開発又は使用され得る形態のみを表すことを意図するものではない。説明は、図示される実施形態に関して様々な構造及び機能又は構造もしくは機能を記載しているが、同じ又は同等の構造及び機能又は構造もしくは機能は、本開示の範囲内に包含されることが意図される異なる実施形態によっても達成され得ることが理解されるべきである。さらに、第１及び第２などの相関的な用語の使用は、１つの実体を別の実体から、かかる実体の間の事実上のかかる関係又は順序を必ずしも要求又は暗示することなく、区別するためにのみ使用されていることが理解される。
添付の図面に関して以下に記載する詳細な説明は、水熱エネルギーを使用した発電のシステム及び方法の特定の実施形態の説明を意図するものである。説明される実施形態は、開発又は使用され得る形態のみを表すことを意図するものではない。説明は、図示される実施形態に関して様々な構造及び機能又は構造もしくは機能を記載しているが、同じ又は同等の構造及び機能又は構造もしくは機能は、本開示の範囲内に包含されることが意図される異なる実施形態によっても達成され得ることが理解されるべきである。さらに、第１及び第２などの相関的な用語の使用は、１つの実体を別の実体から、かかる実体の間の事実上のかかる関係又は順序を必ずしも要求又は暗示することなく、区別するためにのみ使用されていることが理解される。
【0025】
本開示の様々な態様は、多くの蒸気発電機、及びほとんどの既存の海洋温度差発電（ＯＴＥＣ）システムで使用されている、典型的なランキンパワーサイクルを使用している。ランキンサイクルによれば、図１に示すように、（たとえば、化石燃料の燃焼や海洋からの）熱ｑｉｎを使用して冷媒（たとえば、水）をボイラ内で高圧で沸騰させる。得られた高圧蒸気（たとえば、スチーム）はタービンを通って膨張する際に電力を生成し、部分的に凝縮された流出する蒸気は（たとえば、冷気又は冷水によって）コンデンサ内で完全に凝縮され、熱ｑｏｕｔを除去する。コンデンサを出る飽和液冷媒は、その後、サイクルを再開するためにボイラへ汲み上げられる。
【0026】
ランキンサイクルを使用した従来のＯＴＥＣシステムは、冷媒を冷却して凝縮させるために、深い深度から水面へ大量の冷たい海洋水を搬送する。これは、生成される電力量よりはるかに多くの汲み上げ電力が消費されない限り、冷水への熱漏洩が大きすぎるため、非常に低い発電量（たとえば、１キロワット未満）では実用的ではない。このような従来のＯＴＥＣシステムとは異なり、本明細書で説明する開示された方法は、冷媒自体を深い深度へ（又は極地における水面の上方の冷たい大気へ）移動させることを含み、効率的な低電力システムのための冷却及び凝縮を可能にする。生成された電力はバッテリを充電し得、同バッテリは、サイクルを駆動する液体ポンプに電力を供給するために使用され得る。バッテリはさらに、ＡＵＶに電力を供給することを含む他の目的のために使用され得る。
【0027】
図２は、水熱エネルギーを使用した、開示されたシステム及び方法で使用するための装置２００の例示的な実施形態を示す。装置２００は、密封された作動流体１０がその中を水体２０の第１の深度Ｄ１から第２の深度Ｄ２へ装置２００の液体ポンプ２３０の動作によって上昇する上昇液体チューブ２１０、及び密封された作動流体１０がその中を第２の深度Ｄ２から第１の深度Ｄ１へ液体ポンプ２３０の動作によって下降する下降蒸気チューブ２２０を含む。ポンプ２３０は、図２に曲線の矢印で概略的に示すように、密封された作動流体１０を、閉ループ内で、第２の深度Ｄ２へ上昇させ、その後、第１の深度Ｄ１へ下降させるために、密封された作動流体１０を第１の深度Ｄ１で圧縮する。液体ポンプ２３０は、上昇液体チューブ２１０と下降蒸気チューブ２２０との間に、それらのそれぞれの下限位置又はその近傍に配置され得る。コンデンサ２２５は、下降蒸気チューブ２２０の下限位置に、下降蒸気チューブ２２０と流体接続するように設けられ得る。接続チューブ２４０は、コンデンサ２２５をポンプ２３０の入口に流体接続し得、別の接続チューブ２４０は、ポンプ２３０の出口を上昇液体チューブ２１０に流体接続し得る。
【0028】
図２に示す装置２００はさらに、上昇液体チューブ２１０と下降蒸気チューブ２２０との間に、それらのそれぞれの上限位置又はその近傍に配置されたタービン２５０を含む。ボイラ２１５は、上昇液体チューブ２１０の上限位置に、上昇液体チューブ２１０と流体接続するように設けられ得る。接続チューブ２４０は、ボイラ２１５をタービン２５０の入口に流体接続し得、別の接続チューブ２４０は、タービン２５０の出口を下降蒸気チューブ２２０に流体接続し得る。このように、上昇液体チューブ２１０、ボイラ２１５、下降蒸気チューブ２２０、コンデンサ２２５、ポンプ２３０、タービン２５０、及び接続チューブ２４０は、密封された作動流体１０がポンプ２３０の作動によりその中を流れる閉ループを形成し得る。
【0029】
装置２００が、図２に示すように、水体２０内に垂直に配置される場合、第２の深度Ｄ２の水は、（たとえば、太陽光により水体２０の表面が暖まることによって）第１の深度Ｄ１の水よりも高い温度を有し得る。その結果、密封された作動流体１０は、第１の深度Ｄ１における液相１０ａと第２の深度Ｄ２における気相１０ｂとの間を移行し得る。液相１０ａから気相１０ｂへの移行は、ボイラ２１５によって支援され得、ボイラは、第２の深度Ｄ２における密封された作動流体１０と水体２０との間の熱伝達を促進するために（たとえば、一連のチューブなどの）公知の原理に従って構成され得る。同様に、気相１０ｂから液相１０ａへの移行は、コンデンサ２２５によって支援され得、コンデンサは、第１の深度Ｄ１における密封された作動流体１０と水体２０との間の熱伝達を促進するために（たとえば、一連のチューブなどの）公知の原理に従って構成され得る。タービン２５０の入口において、密封された作動流体１０は、飽和蒸気となり得、その後、タービン２５０を通って膨張し、バッテリ２６０を充電するための電力を（たとえば、タービンシャフトの回転によって）生成し、次いで、ポンプ２３０に電力を供給する。バッテリ２６０はさらに、図２に概略的に示すように、他のデバイスに電力を供給し得る。バッテリ２６０がポンプ２３０に電力を供給するため、装置２００に電力を供給するために、ランキンパワーサイクルの従来の大規模「発電プラント」の実施態様で典型的であり得るような、外部又は燃料に依存する電源（たとえば、陸上電力、ディーゼル発電機）を使用する必要はない。その結果、装置２００は、以下でより詳細に説明するように、完全に自給自足型で、長期間の浸水に適し、かつ完全に移動可能なＡＵＶの実施形態であり得る。
【0030】
上昇液体チューブ２１０及び下降蒸気チューブ２２０は、加圧された作動流体を密封するのに適した任意の材料で作成され得る。好ましくは、上昇チューブ２１０及び下降蒸気チューブ２２０は、第１の深度Ｄ１における水体２０の圧力、及び第１の深度Ｄ１と第２の深度Ｄ２との間の水体２０内の変化する海流、のうちの少なくとも一方による座屈又はクリンピングを回避するのに十分な耐久性を有する。あるいは、又はさらに、チューブ２１０，２２０は、水体２０内の変化する海流による圧力を緩和するように撓むことができ得る。この点については、チューブ２１０，２２０は、それらの長さに沿って、蛇腹、ジョイント、又は他の可撓性構成要素を含み得る。
【0031】
図２の装置２００はさらに、ブイ２７０及びアンカー２８０を含む。ブイ２７０は、水面下フロートであり得、この場合、装置２００は、たとえば、海底などの、水体２０の底部に配置されたアンカー２８０を用いて水体２０内に完全に沈められ得る。あるいは、ブイ２７０は、水体２０の表面に配置された水面フロートであり得、この場合、アンカー２８０は、水体２０の底部に配置され得、又は、装置２００を水体２０の底部に接触させることなく垂直方向に方向付けるように作用し得る。以下でより詳細に説明するように、たとえば、ブイ２７０が水面下フロートであり、アンカー２８０が水体２０の底部に接触しない場合、完全に沈められた中立浮揚性の構成もまた想定される。アンカー２８０は、図２において方向付けられているように、上昇液体チューブ２１０、下降蒸気チューブ２２０、及びポンプ２３０のうちの１つ以上などの装置２００の任意の部分に、装置２００の底部で、アンカーラインによって取り付けられ得る。たとえば、アンカー２８０は、図示のように、上昇液体チューブ２１０及び下降蒸気チューブ２２０に取り付けられ得、あるいはポンプ２３０のみに取り付けられ得る。ブイ２７０も同様に、図２において方向付けられているように、上昇液体チューブ２１０、下降蒸気チューブ２２０、及びタービン２５０のうちの１つ以上などの装置２００の任意の部分に、装置２００の上部で、ブイラインによって取り付けられ得る。たとえば、ブイ２７０は、図示のように、上昇液体チューブ２１０及び下降蒸気チューブ２２０に取り付けられ得、あるいはタービン２５０のみに取り付けられ得る。装置２００を適切に方向付けるために、ブイ２７０の取り付け位置は、アンカー２８０の取り付け位置よりも装置２００の上部に近接していることが好ましいが、他の構成も可能である。
【0032】
図２に示すような固定装置２００の場合、バッテリ２６０による他のデバイスの電力供給は、装置２００に関連付けられた調査機器、通信機器又は保守機器などのローカルデバイスを含み得る。別の実施例として、バッテリ２６０による他のデバイスの電力供給は、装置２００に一時的に結合する可動デバイス（たとえば、ＡＵＶ）などの沖合の電力供給デバイスを含み得る。このように、装置２００は、沖合の電力供給デバイスのための充電ステーションとして作用し得、バッテリ２６０に貯蔵された（又はタービン２５０が直接出力する）生成された電力は、ＡＵＶ、調査プラットフォーム、又は他の電力使用デバイス内に設置された外部バッテリを断続的に充電するために使用され得る。
【0033】
装置２００はさらに、それにより上昇液体チューブ２１０及び下降蒸気チューブ２２０内又は上昇液体チューブ２１０もしくは下降蒸気チューブ２２０内の作動流体１０の量又は高度を制御し得る、作動流体リザーバ２８５を含み得る。作動流体リザーバ２８５は、作動流体１０が（たとえば、ポンプ２３０の前に接続チューブ２４０においてバルブを介して）その中を流れる閉ループに接続され得る。バルブは、所定の規則に従って、（たとえば、保守要員によって）手動で、又はオンボード制御デバイス（たとえば、プロセッサ及びメモリ又はプログラマブルもしくは専用回路）によって自動で制御され得る。かかるオンボード制御デバイスは、バッテリ２６０によって電力供給され得る。
【0034】
密封された作動流体１０がアンモニア（ＮＨ３）である場合の例示的な圧力及び温度を図２に示す。アンモニアは、一般的な非ＣＦＣ作動流体である。図２の数値で示す特定の実施例では、ポンプ２３０は、深度Ｄ１とＤ２との間の４００メートルの差に対して、液圧を０．５７ＭＰａ（５．７バール）から３．４２ＭＰａ（３４．２バール）に上昇させる。タービン２５０を通って膨張すると、密封された作動流体１０は、ボイラ２１５から流出する摂氏２３度で０．９５ＭＰａ（９．４５バール）から、タービン２５０から流出する摂氏７度で０．５５ＭＰａ（５．５バール）に移行する。直径１．２７センチメートル（１／２インチ）の上昇液体チューブ２１０及び直径２．５４センチメートル（１インチ）の下降蒸気チューブ２２０を用いると、ＮＨ３流は、約０．００８８ｋｇ／秒であり得、理想的なタービンの電力出力は約５４２ワットに等しく、理想的なポンプの所要入力電力は約６２．３ワットに等しい。これにより、電力入力に対する電力出力の比率、約８．７がもたらされ、この比率は、現実的非効率性を考慮すると、４．０の高さの有効比率に達し得る。かかるシステムは、１００ワットの電力入力に対して連続した４００ワットの電力、したがって、３００ワットの連続した正味出力を生成できることが期待される。タービン２５０及びポンプ２３０は、それぞれ約１～２ｋｇの変位水量質量を有する。総変位質量は、約２００ｋｇ（ブイ２７０、アンカー２８０、ボイラ２１５、コンデンサ２２５などを含む）であり、これは、以前のＰＣＭ型のＳＯＬＯ‐ＴＲＥＣ設計（非特許文献１）の約２倍であり、約１０００倍、あるいはそれ以上の電力を生成することが可能である。上述の特定の実施例では、ボイラ２１５内のアンモニアを沸騰させるために、約１０ｋＷの海洋熱が必要であり、約１０ｋＷの熱がコンデンサ２２５で海洋に排出されることが要求される。
【0035】
他の冷媒及び組み合わせも可能である。たとえば、アンモニアの代わりに、密封された作動流体１０としてＣＯ２を使用する場合、ポンプ２３０は、液体ＣＯ２の重量を考慮して、深度Ｄ１とＤ２との間の４００メートルの差に対して、液圧を４．３ＭＰａ（４３バール）から９．５ＭＰａ（９５バール）まで上昇させ得る。タービン２５０を通って膨張すると、密封された作動流体１０は、ボイラ２１５から流出する摂氏２３度で６．１４ＭＰａ（６１．４バール）から、タービン２５０から流出する摂氏３．１度で３．８ＭＰａ（３８バール）に移行し得る。直径１．２７センチメートル（１／２インチ）の上昇液体チューブ２１０及び直径２．５４センチメートル（１インチ）の下降蒸気チューブ２２０を用いると、ＣＯ２流は、約０．００８８ｋｇ／秒であり得、理想的なタービンの電力出力は約１２０ワットに等しく、理想的なポンプの所要入力電力は約５０ワットに等しい。これにより、電力入力に対する電力出力の比率、約２．４がもたらされる。（たとえば、数キロワット未満の発電などの）小システムを除いて、このタイプのＯＴＥＣシステムは、実際に、この増大した汲み上げに必要とされる余分な電力のため、従来のＯＴＥＣシステムよりも高価であり得る。現実的非効率性を考慮すると、かかるシステムは、実際には正味の正エネルギーを生成しない可能性がある。作動流体１０として使用可能なさらなる冷媒としては、ＣＦＣ（Ｒ‐１１，Ｒ‐１２など）、ＨＣＦＣ（Ｒ‐２２，Ｒ１２３など）、ＨＦＣ（Ｒ１３４ａ，Ｒ２４５ｆａなど）、ＨＣ（ブタン、ペンタン、プロパンなど）、ＦＣ（フルオロカーボン）、及び許容可能な圧力を有する任意の他の低凝固点流体を含み得る。
【0036】
図３は、熱帯、中緯度、及び極地における海洋温度と深度との関係を示す。かかる経験的データは、装置２００の最も効率的な配置及び垂直方向の長さを決定するために使用され得る。図示のように、熱帯及び中緯度の領域において（特に、中緯度の領域では夏において）、海面下約５０メートルから４５０メートルの間で比較的大きな温度差が見られる。したがって、コンデンサ２２５及びポンプ２３０を約４５０メートルの第１の深度Ｄ１に、ボイラ２１５及びタービン２５０を約５０メートルの第２の深度Ｄ２に配置するように装置２００を配置することによって、少なくとも熱帯及び中緯度の領域において、海洋温度勾配の非常に効率的な使用を実現することができる。装置２００の上端部（ボイラ２１５及びタービン２５０）を図２に示すように水面下（たとえば、５０メートル下方）に配置することにより、暴風害、不慮の海洋船の衝突、及び敵の探知又は妨害行為を回避することができる。
【0037】
図４Ａ～図４Ｄは、水熱エネルギーを使用した、開示された発電のシステム及び方法で使用するための可動型中立浮力装置４００ａ，４００ｃ，４００ｄの例示的な実施形態を示す。図４Ａ～図４Ｄに示す装置４００ａ，４００ｃ，４００ｄの実施例は、図２の装置２００の実施例と略同じであり得、たとえば、装置２００の上昇液体チューブ２１０、ボイラ２１５、下降蒸気チューブ２２０、コンデンサ２２５、ポンプ２３０、接続チューブ２４０、タービン２５０、バッテリ２６０、ブイ２７０、アンカー２８０、及び作動流体リザーバ２８５に対応しかつ略同じである、上昇液体チューブ４１０ａ，４１０ｃ，４１０ｄ、ボイラ４１５ａ，４１５ｃ，４１５ｄ、下降蒸気チューブ４２０ａ，４２０ｃ，４２０ｄ、コンデンサ４２５ａ，４２５ｃ，４２５ｄ、ポンプ４３０ａ，４３０ｃ，４３０ｄ、接続チューブ４４０ａ，４４０ｃ，４４０ｄ、タービン４５０ａ，４５０ｃ，４５０ｄ、バッテリ４６０ａ，４６０ｃ，４６０ｄ、ブイ４７０ａ，４７０ｃ，４７０ｄ、アンカー４８０ａ，４８０ｃ，４８０ｄ、及び作動流体リザーバ４８５ａ，４８５ｃ，４８５ｄを含み得る。しかし、図４Ａ～図４Ｄは、図２の固定構成の実施形態よりもむしろ、可動構成の実施形態に関連し得る特徴をさらに示す。この点については、たとえば、密封された作動流体１０及び他の設計材料を適切に選択し、装置４００ａ，４００ｃ，４００ｄを図２に示すように約５０メートルから約４５０メートルに垂直に延在するように配置することによって、装置４００ａ，４００ｃ，４００ｄの中立浮揚性が達成され得るため、ブイ４７０ａ，４７０ｃ，４７０ｄ及びアンカー４８０ａ，４８０ｃ，４８０ｄ又はブイ４７０ａ，４７０ｃ，４７０ｄもしくはアンカー４８０ａ，４８０ｃ，４８０ｄを含んでも含まなくてもよい。
【0038】
装置４００ａ，４００ｃ，４００ｄは、タービンによって充電される同じバッテリ（たとえば、図４Ａ～図４Ｄに図示しない、バッテリ４６０ａ，４６０ｃ，４６０ｄ）によって電力を供給することができる、可動性のための１つ以上のプロペラ４９０ａ，４９０ｃ，４９０ｄをさらに含み得る。１つ以上のプロペラ４９０ａ，４９０ｃ，４９０ｄによって、装置４００ａ，４００ｃ，４００ｄは、前方推進、後方推進、旋回及び／又は深度調節を含む運動能力を有し得る。装置４００ａ，４００ｃ，４００ｄの所望の可動性に応じて、プロペラ４９０ａ，４９０ｃ，４９０ｄは、方向の範囲内の推進のためにプロペラ４９０ａ，４９０ｃ，４９０ｄを方向付けるために装置４００ａ，４００ｃ，４００ｄに対して１つ以上の軸上で傾斜可能、回転可能、又はその他の動きが可能であり得る。かかる方向付けもまた、タービンによって充電される同じバッテリ（たとえば、図４Ａ～図４Ｄに図示しない、バッテリ４６０ａ，４６０ｃ，４６０ｄ）によって電力を供給され得る。
【0039】
図４Ａに示すように、１つ以上のプロペラ４９０ａが装置４００ａの端部上に配置され得、１つのプロペラ４９０ａはタービン４５０ａ近傍の上端に配置され、別のプロペラ４９０ａはポンプ４３０ａ近傍の下端に配置される。図４Ｂは、図４ＡのＡ‐Ａ線に沿った装置４００ａの概略断面図である。図４Ｂに示すように、下降蒸気チューブ４２０ａは、上昇液体チューブ４１０ａの約２倍の直径（たとえば、上述のように２．５４センチメートル（１インチ）及び１．２７センチメートル（１／２インチ））を有し得る。プロペラ４９０ａは、図示のように、装置４００ａを推進させるために、下降蒸気チューブ４２０ａと同じ側に配置され得る。このように、チューブ４１０ａ，４２０ａの相対的な大きさが、装置４００ａを、抗力の低減を支援する翼形状にし得る。さらに抗力を低減するために、１つ以上のフェアリング４１１を含み得る。フェアリング４１１は、たとえば、図示のように、チューブ４１０ａ，４２０ａの両側の長さ方向に沿って延び、より大きな下降蒸気チューブ４２０ａの湾曲した外面によって（運動方向の）前方で分離された細長い垂直板であり得る。フェアリング４１１は、図示のように、後方（より小さい上昇液体チューブ４１０ａの後方）で合流し得る。
【0040】
あるいは、図４Ｃに示すように、単一のプロペラ４９０ｃが装置４００ｃの中央近傍に配置され得、上昇液体チューブ４１０ｃ及び下降蒸気チューブ４２０ｃは、装置４００ｃの垂直方向中央近傍のプロペラハブで可撓ジョイントにより折り畳み可能である。上昇液体チューブ４１０ｃ及び下降蒸気チューブ４２０ｃの折り畳みは、タービンによって充電される同じバッテリ（たとえば、図４Ｃに図示しない、バッテリ４６０ｃ）によって電力が供給される１つ以上のアクチュエータによって行われ得る。図示のように、折り畳んだチューブ４１０ｃ，４２０ｃを、その長さ方向に沿った１つ以上の位置で支持するために、ストラット４９２が延在し得る。たとえば、ストラット４９２は、図示のように、まず、チューブ４１０ｃ，４２０ｃと平行に整列され得、チューブ４１０ｃ，４２０ｃの２つの折り畳んだ端部を接続するためにチューブ４１０ｃ，４２０ｃから離れる方向に延びるようにヒンジ結合され得る。整列位置と延伸位置との間のストラット４９２の作動は、タービンによって充電される同じバッテリ（たとえば、図４Ｃに図示しない、バッテリ４６０ｃ）によって電力が供給される１つ以上のアクチュエータによって行われ得る。このように、装置４００ｃは、固定の展開された構成から、装置が水体を通って推進されるときに、固定構成に比べて抗力が低減される可動の折り畳み構成へ移行するように動作可能である。図４Ｃの構成などの、巻き付け、折り畳み、又は折り曲げ構成はまた、装置４００ｃの配備位置への輸送を容易にし得る。
【0041】
別の代替例としては、図４Ｄに示すように、単一のプロペラ４９０ｄが装置４００ｄの垂直方向一端部、たとえば、図示のようにボイラ４１５ｄ及びタービン４５０ｄ近傍の上端部（又は代替的に／さらにコンデンサ４２５ｄ及びポンプ４３０ｄ近傍の下端部）に、配置され得る。かかる構成では、装置４００ｄは、それ自体を水平位置に回転させ、装置４００ｄ全体を略同じ深度で長手方向に移動させ得る。装置４００ｄの回転は、プロペラ４９０ｄによって、たとえば、上述のようにプロペラ４００ｄを１つ以上の軸上で傾斜させることによって、達成され得る。このように、装置４００ｄは、固定の垂直方向の構成から、装置が水体を通って推進されるときに、固定構成に比べて抗力が低減される可動の水平方向の構成へ移行するように動作可能である。
【0042】
図５Ａ～図５Ｃは、水熱エネルギーを使用した、開示された発電のシステム及び方法で使用するための可動型中立浮力装置５００の別の例示的な実施形態を示す。図５Ａ～図５Ｃに示す装置５００の実施例は、図２の装置２００の実施例と略同じであり得、たとえば、装置２００の上昇液体チューブ２１０、ボイラ２１５、下降蒸気チューブ２２０、コンデンサ２２５、ポンプ２３０、接続チューブ２４０、タービン２５０、バッテリ２６０、ブイ２７０、アンカー２８０、及び作動流体リザーバ２８５に対応しかつ略同じである、上昇液体チューブ５１０、ボイラ５１５、下降蒸気チューブ５２０、コンデンサ５２５、ポンプ５３０、接続チューブ５４０、タービン５５０、バッテリ５６０、ブイ５７０、アンカー５８０、及び作動流体リザーバ５８５を含み得る。しかし、図５Ａ～図５Ｄは、図２の固定構成の実施形態よりもむしろ、可動構成の実施形態に関連し得る特徴をさらに示す。この点については、たとえば、密封された作動流体及び他の設計材料を適切に選択し、装置５００を図２に示すように約５０メートルから約４５０メートルに垂直に延在するように配置することによって、装置５００の中立浮揚性が達成され得るため、ブイ５７０及びアンカー５８０、又はそのいずれかを含んでも含まなくてもよい。
【0043】
装置５００は、タービンによって充電される同じバッテリ（たとえば、図５Ａ～図５Ｃに図示しない、バッテリ５６０）によって電力を供給することができる、可動性のためのプロペラ５９０をさらに含み得る。プロペラ５９０によって、装置５００は、前方推進、後方推進、旋回及び／又は深度調節を含む運動能力を有し得る。装置５００の所望の可動性に応じて、プロペラ５９０は、方向の範囲内の推進のためにプロペラ５９０を方向付けるために装置５００に対して１つ以上の軸上で傾斜可能、回転可能、又はその他の動きが可能であり得る。かかる方向付けもまた、タービンによって充電される同じバッテリ（たとえば、図５Ａ～図５Ｃに図示しない、バッテリ５６０）によって電力を供給され得る。
【0044】
図５Ａ～図５Ｃに示すように、プロペラ５９０は、図４Ｃに関して上述した装置４００ｃのプロペラ４９０ｃと同様、装置５００の中心近傍に配置され得る。また、装置４００ｃと同様に、上昇液体チューブ５１０及び下降蒸気チューブ５２０は、装置５００の垂直方向中央近傍のプロペラハブで可撓ジョイントにより折り畳み可能であり得る。装置５００の場合、電気的に作動されるウィンチ５９２が、上端部（ボイラ５１５及びタービン５５０近傍）及び下端部（コンデンサ５２５及びポンプ５３０近傍）にケーブルによって接続されて、設けられ得る。タービンによって充電される同じバッテリ（たとえば、図５Ａ～図５Ｃに図示しない、バッテリ５６０）によって電力を供給されると、ウィンチ５９２は、図５Ｂに下向き及び上向きの矢印で概略的に示すように、ケーブルを引き込み得る。ケーブルは、たとえば、ウィンチ５９２のハウジング内の１つ以上のスプールに巻き付き得る。図５Ｃは、ウィンチ５９２の動作が完了した後の、装置５００の完全に折り畳まれた状態を示す。図示のように、折り畳まれた状態の装置４００は、展開された状態の約半分の長さである。装置５００が使用中であるとき、ユニットが図５Ａに示すように固定かつ垂直状態で、ポンプ５３０及びタービン５５０が冷水中及び温水中でそれぞれ動作されている間、電力が生成されてバッテリ５６０（図示せず）内に貯蔵され得る。バッテリ５６０が充電されると、装置５００は、図５Ｃに示す完全に水平かつコンパクトな位置になるまで図５Ｂに示すように折れ曲がり得、その後、（プロペラ５９０は、装置５００が図５Ｂに示すように折れ曲がるときにゆっくり始動し得るが）装置５００はプロペラ５９０によって任意の所望の方向に推進されることができる。このように、装置５００は、固定の展開された構成から、装置が水体を通って推進されるときに、固定構成に比べて抗力が低減される可動の折り畳み構成へ移行するように動作可能である。図４Ｃの構成などの、巻き付け、折り畳み、又は折り曲げ構成はまた、装置５００の配備位置への輸送を容易にし得る。
【0045】
図４Ａ～図４Ｄ及び図５Ａ～図５Ｃに関して上述した、装置４００ａ，４００ｃ，４００ｄ，５００などの可動装置の場合、バッテリ４６０ａ，４６０ｃ，４６０ｄ，５６０は、ポンプ４３０ａ，４３０ｃ，４３０ｄ，５３０に加えて、プロペラ４９０ａ，４９０ｃ，４９０ｄ，５９０及び上述のような可動性に関連付けられた他のローカルデバイス（たとえば、巻き付け、折り畳み、又は折り曲げデバイス）に電力を供給するために使用され得る。このように、バッテリ４６０ａ，４６０ｃ，４６０ｄ，５６０は、ＡＵＶ、すなわち、装置４００ａ，４００ｃ，４００ｄ，５００を含むＡＵＶに電力を供給し得る。さらに、固定装置２００の場合と同様に、バッテリ４６０ａ，４６０ｃ，４６０ｄ，５６０はさらに、装置４００ａ，４００ｃ，４００ｄ，５００に関連付けられた調査機器、通信機器、又は保守機器などの他のローカルデバイス、及び可動デバイス（たとえば、第２のＡＵＶ）などの外部の沖合の電力供給デバイスに電力を供給し得る。
【0046】
図６は、地球の極地において、水熱エネルギーを使用した、開示された発電のシステム及び方法で使用するための装置６００の例示的な実施形態を示す。図３に関して上述したように、地球の熱帯及び中緯度の領域は、本明細書に開示する装置２００，４００ａ，４００ｃ，４００ｄ，５００のランキンサイクルによって使用され得る大きな海洋温度勾配を示し得るが、極地はより小さな海洋温度勾配を示す。装置６００は、極地における海水温と大気温との間のより大きな差を使用することにより、この難点に対処している。
【0047】
装置６００は、密封された作動流体１０がその中を水体２０の上方の大気４０の第１の高度Ｈ１から水体の第１の深度Ｄ３へ装置６００の液体ポンプ６３０の動作によって下降する下降液体チューブ６１０、及び密封された作動流体１０がその中を第２の深度Ｄ３から第１の高度Ｈ１へ液体ポンプ６３０の動作によって上昇する上昇蒸気チューブ６２０を含む。ポンプ６３０は、密封された作動流体１０を、閉ループ内で、第１の深度Ｈ１から第１の深度Ｄ３へ下降させ、その後、第１の高度Ｈ１へ上昇させるために、密封された作動流体１０を圧縮する。液体ポンプ６３０は、下降液体チューブ６１０の上部に配置され、上昇蒸気チューブ６２０の上部の高度Ｈ１に配置されたコンデンサ６２５の出力を受けるように構成され得る。接続チューブ６４０は、コンデンサ６２５の出口をポンプ６３０の入口に流体接続し得る。上昇蒸気チューブ６２０は、その上限位置で、コンデンサ６２５の入口に接続し得る。
【0048】
図６に示す装置６００はさらに、上昇蒸気チューブ６２０の底部に配置され、下降液体チューブ６１０の底部の深度Ｄ３に配置されたボイラ６１５の出力を受けるように構成されたタービン６５０をさらに含む。接続チューブ６４０は、ボイラ６１５の出口をタービン６５０の入口に流体接続し得る。下降液体チューブ６１０は、その下限位置で、ボイラ６１５の入口に接続し得る。このように、下降液体チューブ６１０、ボイラ６１５、上昇蒸気チューブ６２０、コンデンサ６２５、ポンプ６３０、タービン６５０、及び接続チューブ６４０は、密封された作動流体１０がポンプ６３０の動作によりその中を流れる閉ループを形成し得る。
【0049】
図６に示すように、装置６００は、たとえば、下降液体チューブ６１０及び上昇蒸気チューブ６２０を支持するシース６９４によって貫通された１つ以上のボアホールを介して、氷又は浮遊バージ３０内に垂直に配置され得る。極地において典型的であるように、第１の深度Ｄ３の水は（たとえば、わずかに暖かい、塩分を含む水のより高い比重のため）第１の高度Ｈ１の空気よりも高い温度を有し得る。その結果、密封された作動流体１０は、第１の高度Ｈ１における液相と第１の深度Ｄ３における気相との間で移行し得る。液相１０ａから気相１０ｂへの移行はボイラ６１５によって支援され得、ボイラは、第１の深度Ｄ３における密封された作動流体１０と水体２０との間の熱伝達を促進するように公知の原理（たとえば、一連のチューブなど）に従って構成され得る。同様に、気相１０ｂから液相１０ａへの移行はコンデンサ６２５によって支援され得、コンデンサは、第１の高度Ｈ１における密封された作動流体１０と大気４０との間の熱伝達を促進するように公知の原理（たとえば、一連のチューブなど）に従って構成され得る。タービン６５０の入口において、密封された作動流体１０は、飽和蒸気となり得、その後、タービン６５０を通って膨張し、バッテリ６６０を充電するための電力を（たとえば、タービンシャフトの回転によって）生成し、次いで、ポンプ６３０に電力を供給する。バッテリ６６０はさらに、他のデバイスに電力を供給し得る。図６に概略的に示すように、タービン６５０とバッテリ６６０との間の接続は、シース６９４のうちの１つを介して行われ得る。
【0050】
バッテリ６６０による他のデバイスの電力供給は、装置６００に関連付けられた調査機器、通信機器又は保守機器などのローカルデバイスを含み得る。別の実施例として、バッテリ６６０による他のデバイスの電力供給は、装置６００に一時的に結合する可動デバイス（たとえば、ＡＵＶ）などの沖合の電力供給デバイスを含み得る。このように、装置６００は、沖合の電力供給デバイスのための充電ステーションとして作用し得、バッテリ６６０に貯蔵された（又はタービン６５０が直接出力する）生成された電力は、ＡＵＶ、調査プラットフォーム、又は他の電力使用デバイス内に設置された外部バッテリを断続的に充電するために使用され得る。
【0051】
装置６００はさらに、それにより下降液体チューブ６１０及び上昇蒸気チューブ６２０内又は下降液体チューブ６１０もしくは上昇蒸気チューブ６２０内の作動流体１０の量又は高度を制御し得る、作動流体リザーバ６８５を含み得る。作動流体リザーバ６８５は、作動流体１０が（たとえば、ポンプ６３０の前に接続チューブ６４０においてバルブを介して）その中を流れる閉ループに接続され得る。バルブは、所定の規則に従って、（たとえば、保守要員によって）手動で、又はオンボード制御デバイス（たとえば、プロセッサ及びメモリ又はプログラマブルもしくは専用回路）によって自動で制御され得る。かかるオンボード制御デバイスは、バッテリ６６０によって電力供給され得る。
【0052】
密封された作動流体１０がアンモニア（ＮＨ３）である場合の例示的な圧力及び温度を図６に示す。図６の数値で示す特定の実施例では、チューブがコンデンサ６２５内で冷たい極地の空気の自然対流に晒されるとき、アンモニアは、０．１８ＭＰａ（１．７５バール）で摂氏マイナス２２度（－２２℃）で凝縮する。作動流体１０は、第１の高度Ｈ１で、たとえば、バッテリ６６０によって電力供給されるファンによって、強制対流によってさらに冷却され得る。（たとえば、直径１．２７センチメートル（１／２インチ）の下降液体チューブ６１０及び直径２．５４センチメートル（１インチ）の上昇蒸気チューブ６２０を使用して）約０．０１キログラム／秒で流れるアンモニアの使用により、液体アンモニアがポンプ６３０によって約０．４ＭＰａ（４．０バール）まで汲み上げられ、摂氏約マイナス２度（－２℃）で海洋からの熱を使用してボイラ６１５内で沸騰させられ、その後、タービン６５０を介して０．１８ＭＰａ（１．７５バール）に膨張させられるとき、約９５８ワットの理想的なタービン電力が可能となる。実際のタービン効率及びポンプ効率を用いると、ほんの約１０ワットの電動ポンプの電力及び海洋水からの多数キロワットの熱を使用することにより、約６６０ワットの電気を生成することが期待される。
【0053】
いくつかの実施形態では、水の凍結防止を助けるためにボイラ６１５（たとえば、ボイラフィン）で、（たとえば、バッテリ６６０によって電力が供給される）強制対流が採用され得る。このように、密封された作動流体は、強制対流によって第１の深度Ｄ３で加熱され得る。あるいは、又はさらに、第１の深度Ｄ３の下方の第２の深度Ｄ４からのより暖かい（たとえば、摂氏０度）の海洋水を、バッテリ６６０によって電力が供給される二次ポンプ（図示せず）を使用して、図６に示すように、温水入力チューブ６９６及び冷水出力チューブ６９８によってボイラ６１５へ循環させ得る。あるいは、沸騰自体を氷の少し下方（たとえば、第２の深度Ｄ４）で行うことができる。このように、氷３０直下の、そうでなければほとんど凍結する海水から熱が除去されるため、ボイラ６１５上に氷が形成されることを防止できる。
【0054】
図７は、様々な極地における海洋温度（及び塩度）と深度との関係を示す。図７に示すような経験的データは、ボイラ６１５の最も効率的な配置又は冷水入力チューブ６９６及び冷水出力チューブ６９８の汲み上げ深度を決定するために使用することができる。図７に示すように、約２００メートルから約９００メートルの間の深度の水は、水面に氷が存在するため、極地の水面近傍の水よりも暖かい可能性がある。したがって、たとえば、チューブ６９６，６９８は、約２００メートルから９００メートルの間の水を循環させ得、あるいは、ボイラ６１５及びタービン６５０は、約２００メートルから９００メートルの間の深度に配置され得る（チューブ６９６，６９８を省略する）。
【0055】
下降液体チューブ６１０及び上昇蒸気チューブ６２０は、加圧された作動流体を密封するのに適した任意の材料で作成され得る。温水入力チューブ６９６及び冷水出力チューブ６９８を追加的に使用する場合、又は下降液体チューブ６１０及び上昇蒸気チューブ６２０自体が上述のようにより深い第２の深度Ｄ４まで延在する場合、チューブは、好ましくは、第２の深度Ｄ４における水体２０の圧力、及び水体内の第２の深度Ｄ４と第１の深度Ｄ３との間もしくは第２の深度Ｄ４と水体２０の表面との間において変化する海流、のうちの少なくとも一方による座屈又はクリンピングを回避するのに十分な耐久性を有する。あるいは、又はさらに、チューブ６１０，６２０，６９６，６９８は、水体２０内の変化する海流による圧力を緩和するように撓むことができ得る。この点については、チューブ６１０，６２０，６９６，６９８は、それらの長さに沿って、蛇腹、ジョイント、又は他の可撓性構成要素を含み得る。
【0056】
本明細書に示す詳細は、説明のみを目的とする例示のためのものであり、本開示の様々な実施形態の原理及び概念的な態様の最も有用で容易に理解されると信じるものを提供するために提示されるものではない。この点で、様々な実施形態の異なる特徴、それらがどのように実際に実施され得るかを当業者に明らかにする図面を参照した説明の基本的な理解のために必要とされる以上の詳細を示す試みは行わない。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【図7】
