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特表2024-534324水素の発生、回収、および分配のための装置、システム、および方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-09-20
(54)【発明の名称】水素の発生、回収、および分配のための装置、システム、および方法
(51)【国際特許分類】
F03B 13/26 20060101AFI20240912BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20240912BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240912BHJP
B63B 35/44 20060101ALI20240912BHJP
B63B 35/00 20200101ALI20240912BHJP
B63H 25/04 20060101ALI20240912BHJP
B63B 25/16 20060101ALI20240912BHJP
B63B 22/02 20060101ALI20240912BHJP
【ＦＩ】
F03B13/26
C25B1/04
C25B9/00 A
B63B35/44 C
B63B35/00 T
B63H25/04 D
B63B25/16
B63B22/02
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024514094
(86)(22)【出願日】2022-08-30
(85)【翻訳文提出日】2024-04-19
(86)【国際出願番号】 US2022041996
(87)【国際公開番号】W WO2023034270
(87)【国際公開日】2023-03-09
(31)【優先権主張番号】63/238,538
(32)【優先日】2021-08-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】524079007
【氏名又は名称】オーシャナ エナジー カンパニー
(74)【代理人】
【識別番号】110000888
【氏名又は名称】弁理士法人山王坂特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】パワー，ダニエル イー．，三世
(72)【発明者】
【氏名】ウェーレン，マーク イー．
【テーマコード（参考）】
3H074
4K021
【Ｆターム（参考）】
3H074AA06
3H074AA08
3H074AA12
3H074CC16
4K021AA01
4K021BA02
4K021DC03
(57)【要約】
本開示の１つの態様によれば、水素を発生するための方法が提供される。前記方法は、沖合現場において水中に設置された水力発電タービンからＡＣ電流を生成することを含む。前記方法は、ＡＣ電流をＤＣ電流に変換することと、ＤＣ電流を、水力発電タービンの沖合現場において水面よりも上に位置する電解装置に印加することも含む。前記方法は、さらに、電解装置によって水素を発生することを含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水素を発生するための方法であって、前記方法が、沖合現場において水中に設置された水力発電タービンからＡＣ電流を生成すること、
前記ＡＣ電流をＤＣ電流に変換すること、
前記ＤＣ電流を、前記水力発電タービンの前記沖合現場において水面よりも上に位置する電解装置に印加すること、及び、
前記電解装置によって水素を発生すること、
を含む、方法。
【請求項2】
前記水素を発生することが、水から水素ガスを放出することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
さらに、極低温プロセスによって前記水素ガスを液化することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
さらに、前記水力発電タービンの前記沖合現場において前記液化水素を回収することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項5】
さらに、前記回収された液化水素を１つ以上の陸上現場に分配することを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項6】
前記回収された液化水素を分配することが、前記回収された液化水素を１つ以上の極低温タンカーによって輸送することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
さらに、前記沖合現場において前記水素ガスを回収すること、及び
前記水素ガスを前記沖合現場から陸上現場に輸送すること、
を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項8】
水素を発生および分配するための方法であって、前記方法が、１つ以上のエネルギー回収自律水上航行船を沖合現場においてプラットフォームに接続すること、ここで前記１つ以上のエネルギー回収自律水上航行船のそれぞれは電気エネルギー発生システムを支持し、前記プラットフォームは電解装置を支持しており、
前記１つ以上のエネルギー回収自律水上航行船の各電気エネルギー発生システムによって電気エネルギーを発生すること、
前記発生した電気エネルギーを使用して、前記プラットフォーム上で前記電解装置を作動すること、及び、
前記電解装置によって水素ガスを発生すること、
を含む、方法。
【請求項9】
さらに、前記プラットフォームによって支持された極低温液化システムによって前記発生した水素ガスを液化すること、及び、
前記液化水素を前記プラットフォームから陸上現場に輸送すること、
を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
前記プラットフォームが半潜水プラットフォームを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
前記プラットフォームが自律水上航行船を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項12】
さらに、前記自律水上航行船を水面係留ブイに取り外し可能に接続することを含み、前記水面係留ブイは前記沖合現場に投錨されている、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
さらに、前記自律水上航行船を前記水面係留ブイから切り離し、前記水面係留ブイの前記沖合現場以外の地点まで前記自律水上航行船を動かすことを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記１つ以上のエネルギー回収自律水上航行船を前記プラットフォームに接続することが、複数のエネルギー回収自律水上航行船を前記プラットフォームに接続することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項15】
さらに、前記複数のエネルギー回収自律水上航行船をチェーンとして互いに接続することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
前記電気エネルギー発生システムが水力発電タービン、風力タービン、またはソーラーパネルの少なくとも１つを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項17】
さらに、前記プラットフォームから前記エネルギー回収自律水上航行船の１つ以上を切り離し、前記プラットフォームの前記沖合現場以外の地点に前記１つ以上のエネルギー回収自律水上航行船を動かすことを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項18】
沖合現場から水素を発生、回収、および分配するためのシステムであって、前記システムが、沖合現場において水体中で設置され、前記沖合現場において水面よりも上に機器を支持するように構成されたプラットフォームと、
前記プラットフォームによって支持された電解装置と、
電気エネルギーを伝送するように構成されたケーブルによって前記プラットフォームに接続されるように構成された１つ以上のエネルギー回収自律水上航行船であって、前記１つ以上のエネルギー回収自律水上航行船のそれぞれは、前記ケーブルによる前記電解装置への伝送のための電気エネルギーを発生するように構成された電気エネルギー発生システムを含む、１つ以上のエネルギー回収自律水上航行船と、
を含み、
前記電解装置は前記電気エネルギーから水素ガスを発生するように構成される、システム。
【請求項19】
前記１つ以上のエネルギー回収自律水上航行船が、ともに接続されたエネルギー回収自律水上航行船のチェーンとして互いに接続するように構成された複数のエネルギー回収自律水上航行船を含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項20】
前記電気エネルギー発生システムが水力発電タービン、風力タービン、またはソーラーパネルの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項21】
さらに、前記プラットフォームによって支持された極低温液化システムを含み、前記極低温液化システムは前記水素ガスを液化するように構成される、請求項１８に記載のシステム。
【請求項22】
さらに、前記プラットフォームによって支持された貯蔵タンクを含み、前記貯蔵タンクは前記液化水素を回収するように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項23】
さらに、前記貯蔵タンクを前記プラットフォームから陸上現場に輸送するように構成された極低温タンカーを含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項24】
前記プラットフォームが半潜水プラットフォームを含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項25】
前記プラットフォームが自律水上航行船を含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項26】
さらに水面係留ブイを含み、前記水面係留ブイは前記沖合現場において投錨し、前記自律水上航行船と接続するように構成される、請求項２５に記載のシステム。
【請求項27】
投錨構造体に船舶を自律的に接続するためのシステムであって、前記システムが、前記船舶上に取り付けられた第１の接続装置であって、インターロックシステムの第１の部分を含む第１の接続装置と、
前記投錨構造体上に取り付けられた第２の接続装置であって、前記第２の接続装置は前記インターロックシステムの第２の部分を含み、前記インターロックシステムの前記第２の部分は、人間の介入なしに前記投錨構造体に前記船舶を固定するために前記インターロックシステムの前記第１の部分と係合するように構成される、第２の接続装置と、
を含む、システム。
【請求項28】
前記船舶が自律水上航行船である、請求項２７に記載のシステム。
【請求項29】
前記投錨構造体が海面係留ブイである、請求項２７に記載のシステム。
【請求項30】
前記海面係留ブイが海軍海洋気象自動装置（ＮＯＭＡＤ）、ディスカス、または沿岸ブイである、請求項２９に記載のシステム。
【請求項31】
前記インターロックシステムが機械的インターロックシステムを含み、前記機械的インターロックシステムの前記第１の部分は２軸関節式接続ストラットを含み、前記機械的インターロックシステムの前記第２の部分は２軸関節式レセプタクルを含む、請求項２７に記載のシステム。
【請求項32】
前記第１および第２の接続装置のそれぞれが機械的アクチュエータを含み、前記機械的アクチュエータは前記関節式接続ストラットおよび前記関節式レセプタクルのそれぞれの高度および方位角を制御するように構成される、請求項３１に記載のシステム。
【請求項33】
前記第１および第２の接続装置のそれぞれが位置センサを含む、請求項３２に記載のシステム。
【請求項34】
前記第１および第２の接続装置のそれぞれがプロセッサを含み、各プロセッサは、前記位置センサからの信号を受信し、前記信号に基づいて前記船舶に速度および方向のガイダンスを提供するように構成される、請求項３３に記載のシステム。
【請求項35】
前記第１および第２の接続装置のそれぞれが短距離無線トランシーバを含み、各無線トランシーバは、前記位置センサからのデータおよび前記プロセッサからの指示を前記機械的アクチュエータに転送するように構成される、請求項３４に記載のシステム。
【請求項36】
前記第２の接続装置が、電池、ソーラーパネル、風力タービン発電機、および／または水力発電タービン発電機を含む電力貯蔵装置を備える、請求項３５に記載のシステム。
【請求項37】
前記船舶は、１つ以上の水力発電タービンが搭載および設置されように構成される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項38】
前記船舶が電解装置を支持するように構成される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項39】
投錨構造体に船舶を自律的に接続する方法であって、前記方法が、前記船舶を前記投錨構造体に自律的に航行させること、
前記船舶上の第１の接続装置を前記投錨構造体上の第２の接続装置と接続すること、
前記第１および第２の接続装置の間で位置データを交換すること、及び、
前記第１の接続装置上のインターロックシステムの第１の部分を前記第２の接続装置上のインターロックシステムの第２の部分と係合して、人間の介入なしに前記投錨構造体に前記船舶を固定すること、
を含む、方法。
【請求項40】
前記投錨構造体に前記船舶を自律的に航行させることが、海面係留ブイに前記船舶を自律的に航行させることを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項41】
前記第１の接続装置を前記第２の接続装置と接続することが、前記第１および第２の接続装置の間の短距離無線接続を確立することを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項42】
前記第１および第２の接続装置の間で位置データを交換することが、前記船舶の接近速度、距離、および方向を監視することを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項43】
前記インターロックシステムの前記第１の部分を前記インターロックシステムの前記第２の部分と係合することが、前記第１の接続装置上の接続ストラットを前記第２の接続装置上のレセプタクルと係合することを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項44】
前記接続ストラットを前記レセプタクルと係合することが、前記接続ストラットの端部のプランジャを前記レセプタクルのばね付勢ラッチ機構に挿入することを含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項45】
前記船舶は、１つ以上の水力発電タービンが搭載および設置されるように構成される、請求項３９に記載の方法。
【請求項46】
前記船舶が電解装置を支持するように構成される、請求項３９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本願は、「水素の発生、回収、および分配のための装置、システム、および方法（Devices, Systems, and Methods for Hydrogen Generation, Collection, and Distribution）」という名称の２０２１年８月３０日出願の米国仮特許出願第６３／２３８，５３８号の優先権を主張し、その内容全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
本願は、「水素の発生、回収、および分配のための装置、システム、および方法（Devices, Systems, and Methods for Hydrogen Generation, Collection, and Distribution）」という名称の２０２１年８月３０日出願の米国仮特許出願第６３／２３８，５３８号の優先権を主張し、その内容全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【0002】
本開示は、一般的に、最終生成物として電気を生成するために有用な水素の発生、回収、および分配のためのシステムおよび方法に関する。より具体的には、本開示は、水素を発生、回収、および分配するための堅牢なシステムを達成するために種々の水利用技術を使用する水力発電エネルギーシステムの設置に関する。
【背景技術】
【0003】
序論
本明細書において使用される項の見出しは、単に構成上の目的のものであり、記載された主題を何ら限定するものではない。
本明細書において使用される項の見出しは、単に構成上の目的のものであり、記載された主題を何ら限定するものではない。
【0004】
現在、再生可能エネルギー源を利用し、炭素ベースのエネルギー生成への依存を低下させることについて、世界中で関心が高まっている。例えば、風または水流などの流体流から変換される発電など、化石燃料への依存を低減するための種々のエネルギー生成技術が開発されている。このようなエネルギー変換システムは多くの場合にタービンに依存しており、ブレードが（例えば風または水からの）流体の流動と相互作用し、ロータを回転させ、発電機を回転させて発電する。
【0005】
水力発電エネルギーシステムにおいては、動く水体（例えば、河川、海、または他の流動源）または他の流体源の流動から発電するために水力発電タービンが用いられる。潮汐電力は、例えば、潮汐流動による水の動き、または潮汐による水位の上昇および低下を利用する。水が上昇した後に下降すると、流れまたは流体の流動が発生する。例えば河川からの一方向流も、発電に利用可能な流動を発生する。
【0006】
電力系統への配電のための電気の生成以外に、流体流エネルギー変換システム等の再生可能エネルギー源は、これらのシステムで生成された電気で電解機器（電解装置）を動作させることにより、水素を生成するために使用できる。電解プロセスによって発生する水素は、非炭素ベースの燃料として貯蔵して使用できる。電解は、一般に、水素を生成する効率的な方法とみなされる。例えば、現在利用可能な技術を使用すると、電解は約７５パーセントの効率で水素を生成する。そのため、約３９．４ｋＷｈのエネルギーを保有する１キロの純粋な水素燃料を生成するには、約５２．５ｋＷｈの電気が必要となる。電解効率を約９５パーセントまで改善すると、１キロの水素燃料を発生するのに必要な電気は約４１．５ｋＷｈのみとなる。電解効率を増大させるために、本開示の実施形態は、例えば高温電解装置を利用することを想定する。
【0007】
水力発電エネルギーシステムは、大きい水体に依存して共存するため、電解を使用する水素の生成に特に好適な場合がある。しかしながら、このような技術を実装し、費用対効果が高く、堅牢な、かつ確実な水素の発生、回収、および分配を達成するには、様々な課題がある。例えば、一般的な水環境、および陸地から比較的遠い水環境における水力発電エネルギーシステムの設置においては、過酷な環境条件からの機器の保護、システムを設置するための現場へのアクセス、現場からの水素の回収、および／または回収現場から離れている場所へ水素を供給して直接分配することなどが困難である。
【0008】
よって、上述の課題を解決し、水力発電エネルギーシステムなどの再生可能エネルギー源を使用して水素の発生、回収、および分配を可能にし、コスト効率がよく、堅牢かつ確実であり、かつ比較的低い均等化発電原価を達成する装置、システム、および方法を開発する必要がある。
【発明の概要】
【0009】
本開示の例示的な実施形態は、上述の望ましい特徴の１つ以上を示す。他の特徴および／または利点は以下の記載から明らかになるであろう。
【0010】
付加的な目的および利点は以下の説明において部分的に記載され、その一部は説明から明らかになるか、または本教示を実施することにより分かり得る。本開示の目的および利点の少なくとも一部は、特に添付の特許請求の範囲において明示された要素および組み合わせによって実現および達成できる。
【0011】
本開示の１つの態様によれば、水素を発生するための方法が提供される。前記方法は、沖合現場において水中に設置された水力発電タービンからＡＣ電流を生成することを含む。前記方法は、ＡＣ電流をＤＣ電流に変換することと、ＤＣ電流を、水力発電タービンの沖合現場において水面よりも上に位置する電解装置に印加することとも含む。前記方法は、さらに、電解装置によって水素を発生することを含む。
【0012】
本開示の別の態様によれば、沖合現場から水素を発生、回収、および分配するためのシステムが提供される。前記システムは、沖合現場において水体中に設置し、沖合現場において水面よりも上に機器を支持するように構成されたプラットフォームを含む。前記システムは、プラットフォームによって支持された電解装置も含む。前記システムは、さらに、電気エネルギーを伝送するように構成されたケーブルによってプラットフォームに接続するように構成された１つ以上のエネルギー回収自律水上航行船（Automonous surface energy collection vessels）を含む。１つ以上のエネルギー回収自律水上航行船のそれぞれは、ケーブルによる電解装置への伝送のための電気エネルギーを発生するように構成された電気エネルギー発生システムを含み、電解装置は電気エネルギーから水素ガスを発生するように構成される。
【0013】
本開示のさらに別の態様によれば、投錨構造体に船舶を自律的に接続するためのシステムが提供される。前記システムは、船舶上に取り付けられた第１の接続装置を含む。第１の接続装置はインターロックシステムの第１の部分を含む。前記システムは、投錨構造体上に取り付けられた第２の接続装置も含む。第２の接続装置はインターロックシステムの第２の部分を含む。インターロックシステムの第２の部分は、人間の介入なしに投錨構造体に船舶を固定するためにインターロックシステムの第１の部分と係合するように構成される。
【0014】
本開示のさらなる態様によれば、投錨構造体に船舶を自律的に接続する方法が提供される。前記方法は、投錨構造体まで船舶を自律的に航行させることを含む。前記方法は、船舶上の第１の接続装置を投錨構造体上の第２の接続装置と接続することも含む。前記方法は、第１および第２の接続装置の間で位置データを交換することも含む。前記方法は、さらに、第１の接続装置上のインターロックシステムの第１の部分を第２の接続装置上のインターロックシステムの第２の部分と係合して、人間の介入なしに投錨構造体に船舶を固定することを含む。
【0015】
上述の一般的な記載および以下の詳細な記載はいずれも例示的かつ説明的であって、均等物を含む本開示および特許請求の範囲を制限しないことは理解されるべきである。本開示および特許請求の範囲は、例示的な態様および実施形態の１つ以上の特徴を有することなしに最も広い意味で実施され得ることは理解されるべきである。例えば、当業者であれば、水素の発生、回収、および分配に関係する以下の詳細な記載が例示であり、開示される装置、システム、および方法が種々の構成要素を有することができ、これらが種々の半潜水プラットフォーム、水力発電エネルギーシステム、エネルギー回収自律水上航行船（ＡＳＥＣＶ）、ウォータークラフト（例えばタンカー）、および陸上の車両を利用して、再生可能エネルギー源として使用される水素を発生、回収、および分配することを理解するであろう。
【0016】
本明細書に組み込まれかつその一部を構成する添付の図面は、本開示の種々の非限定的な実施形態を示し、その説明とともに、ある原理を説明する。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本開示による水素の生成、回収、および分配のシステムおよび方法の要素を示す概略的なフロー図である。
【図2A】本開示の実施形態による改造前における石油掘削のための半潜水プラットフォームの上面図である。
【図6】本開示の実施形態によるエネルギー回収自律水上航行船（ＡＳＥＣＶ）の前面図である。
【図11】自律水上航行船（ＡＳＶ）の側面図であり、本開示の別の実施形態によるモジュール式ユニットおよび接続バーを含む。
【図14】本開示の実施形態によるモジュール式ユニットの例示的な実施形態の斜視図である。
【図21】本開示の実施形態による自律的接続システムの上面図であり、自律航行バージに接続する自律的接続ブイを示す。
【発明を実施するための形態】
【0018】
水中タービンなどの水力発電システムを使用するエネルギーの生成においては、発電施設がさらに沖合に位置するため、課題がある。このような課題としては、タービンを設置させるための比較的複雑な係留システムの使用や、電力を発生源から陸上地点に伝送するための長いケーブル敷設などがある。このような課題を解決するために、本開示の実施形態による方法およびシステムは、化石燃料に基づく技術のエネルギー生成代替を提供しながら、水中タービンを利用して発電し、水中タービンが設置された場所に設けられた電解装置を稼働させて水素を発生する。これにより、比較的効率的かつ経済の陸上輸送し、下流のエネルギー生成に利用できる。
【0019】
１つ以上の水力発電タービンによって電気を発生し、発生した電力を水素燃料源に変換する（すなわち、ある形態の水素を電気から発生する）ためのシステムおよび方法の１つの実施形態の概略的なフロー図である図１を参照する。フロー図では、１つ以上の洋上タービン（図１の概略図に図示されているもの）、例えば水中水力発電タービンが設置および使用されて、タービンの発電機によってＡＣ（交流）電気を発生する。当業者であれば、種々の水力発電タービンが使用できることを理解するであろう。図１のシステムおよび方法に使用できる水力発電タービンの非限定的な実施形態は、「流体の流れから発電するためのシステム（System for Generating Electricity from Fluid Currents）」という名称の米国特許第７，４５３，１６６号、「エネルギー変換システムおよび方法（Energy Conversion Systems and Methods）」という名称の米国特許第９，３５９，９９１号、「水力発電タービン、投錨構造、及び関連する組み立て方法（Hydroelectric Turbines, Anchoring Structures, and Related Methods of Assembly）」という名称の米国特許第１０，３８９，２０９号、「水力発電エネルギーシステム、及び関連する構成要素及び方法（Hydroelectric Energy Systems, and Related Components and Methods）」という名称の米国特許第１０，５４４，７７５号、「水力発電エネルギーシステムおよび方法（Hydroelectric Energy Systems and Methods）」という名称の米国特許出願公開第２０２１／０１９００３２号、および「環状磁性ギヤおよび関係するシステム（Orbital Magnetic Gears and Related Systems）」という名称の国際特許出願公開第ＷＯ／２０２０／１１８１５１号に開示され、これらは参照によって本明細書に組み込まれる。当業者であれば理解できるように、図１に示されるシステムおよび方法は、電解という工程により、水力発電タービンによって発生する電流によって動力供給される電解装置を使用して、水の水素原子および酸素原子の間の結合を分断し、水素ガスおよび酸素ガスを放出することができる。種々の実施形態においては、電解装置を水力発電タービンの現場に設けることによって、エネルギーの損失は、特に伝送ケーブルを介してより離れた陸上地点に送電する場合に比べて、比較的最小限に抑えられる。電解工程の電流は再生可能エネルギー源から発生するので、電解工程で生成された水素をゼロエミッション燃料源として、大気中にさらに炭素を放出することなく全工程を行うことができる。
【0020】
化石燃料などの炭素ベースのエネルギー源と同様に、水素は、特に液体状態では比較的容易に貯蔵および輸送可能なエネルギーである。図１に示されるように、システムおよび方法は、さらに、電解装置から生成された水素（例えば液体水素）を例えば貯蔵タンクに回収および貯蔵することを含み、水素は沖合の水素発生施設から例えば極低温タンカーによって陸上施設に輸送可能で、燃料源として分配される。発生した水素燃料は、例えば、水素エンジンおよび／または燃料電池に使用することができ、（例えば住居を暖房および照明するために）ローカルな電力系統に集約されて自動車もしくはジェット燃料源として、または当業者には周知の他の燃料源としてそのまま使用することができる。
【0021】
沖合に位置する水力発電タービンなどの再生可能エネルギー源を使用して水素の発生、回収、および分配を効率的に実施できるようにするために、本開示のシステムおよび方法では、エネルギー回収自律水上航行船（ＡＳＥＣＶ）を利用して、水力発電タービン（例えば図６～１０参照）および発生プラットフォーム、例えば、転用された半潜水プラットフォーム（例えば図２～５参照）および／または係留された自律水上航行船（例えば図１１～２２参照）を、沖合の水素発生施設としての役割を果たすように配備することを想定する。これらについては、以下で詳細に説明する。
【0022】
１つの実施形態によれば、図２Ａ～図４に示されるように、種々の半潜水プラットフォームを使用できるが、石油掘削産業において従来から使用されている半潜水プラットフォーム２０を利用することが有益かつより低コストな場合があり、その場合、電解プラント（電解装置１１）、（電解装置１１によって生成された水素ガスを液化する）極低温液化システム１６、および液体水素貯蔵タンク１２を含むように転用および改修される。図３Ａおよび図３Ｂの改修された半潜水プラットフォーム２０の図において示されるように、半潜水プラットフォーム２０は、さらに、液体水素を半潜水プラットフォーム２０上の貯蔵タンク１２からタンカー３０上の液体水素貯蔵タンク１２’に、半潜水プラットフォーム２０から遠い方への（例えば陸地へ）液体水素を輸送するために移送するように構成される。図４に示されるように、例えば、海底２５に埋め込まれ、半潜水プラットフォーム２０に錨索２１を介して繋げられている錨２２によって、半潜水プラットフォーム２０は沖合に投錨し得る。このようにして、半潜水プラットフォーム２０は（例えば動力船によって）牽引され、周辺環境に対する影響を最小限に抑えた状態で選択された沖合現場に設置できるとともに、必要に応じて新たな地点に容易に移設できる。
【0023】
当業者であれば、図２Ａ～図４に示される半潜水プラットフォーム２０は例示であり、本システムおよび方法が想定する半潜水プラットフォームは、本開示および特許請求の範囲から逸脱することなく種々の構成および構成要素を有することができることを理解するであろう。本システムおよび方法が想定する半潜水プラットフォームは、開示される投錨システムを含むがこれに限定されない選択された沖合現場に半潜水プラットフォーム２０を設置するための種々の技術および方法を利用してもよい。当業者であれば、さらに、半潜水プラットフォーム２０上で発生および貯蔵される液体水素が、半潜水プラットフォームを離れて（例えば再度陸地に）、当分野において公知の輸送車両、システム、および／または方法によっても移送できるということを理解するであろう。本開示の種々の追加の実施形態は、発生した水素を再度陸地に直接的にそのガス形態で輸送することも想定する。このような実施形態においては、半潜水プラットフォーム２０は極低温プラント１６の設置を省くことができる。
【0024】
図５に示されるように、本開示の種々の実施形態によれば、単一の係留された半潜水プラットフォーム２０を使用し、１つ以上のエネルギー回収自律水上航行船（ＡＳＥＣＶ）１００の連続チェーン（連結体）１４０を連結し、これらがＤＣ電力を連続的に発生し、この電力を電力／係留ケーブル１０２によって半潜水プラットフォーム２０に伝送する。ＡＳＥＣＶ１００の各連続チェーン１４０は１つ以上のＡＳＥＣＶ１００を含み、これらは電力／係留ケーブル１０２およびカプラ１２５によってともに連結される。図５に示されるように、種々の実施形態によれば、１つのＡＳＥＣＶ１００からのケーブル１０２は、別のＡＳＥＣＶのカプラ１２５と係合して２つのＡＳＥＣＶ１００をともに連結し得る。同様に、ＡＳＥＣＶの各チェーン１４０は、半潜水プラットフォーム２０のデッキ１上のカプラ１２５によって半潜水プラットフォーム２０のデッキ１に連結し得る。種々の実施形態は、さらに後述のように、当業者に周知のウェットメイトコネクタを利用して２つのＡＳＥＣＶをともに連結することおよび／またはＡＳＥＣＶのチェーンを半潜水プラットフォーム２０に接続することを想定することができる。
【0025】
各ＡＳＥＣＶ１００は、例えば、水力発電タービン１１１を搭載および設置されるように構成でき、これは、半潜水プラットフォーム２０が設置されている水体の流動（例えば、海流または水体からの他の流動）から電気を発生するように構成される。種々の実施形態によれば、そのような水力発電タービンは、動かない部材（例えばステータ）と、ステータの外側周縁表面から半径方向外向きに配設され（例えば、ステータの周りに同心的に配設され）かつ回転軸を中心としてステータの周りを回転するように構成されている回転部材（例えばロータ）とを含むことができる。そのようなタービンは、例えば、ロータに対して半径方向内向きにおよび半径方向外向きの両方に延びる複数のブレード部分を有することができる。このように、タービンは、ロータの回転軸と全体的に平行な指向性の成分の流れを有する流体流がブレード部分に対して作用して回転軸を中心としてロータを回転させ得るようにして流体中に位置しなければならない。使用され得る非限定的な実施形態の水力発電タービンは、例えば、「流体の流れから発電するためのシステム（System for Generating Electricity from Fluid Currents）」という名称の米国特許第７，４５３，１６６号、「エネルギー変換システムおよび方法（Energy Conversion Systems and Methods）」という名称の米国特許第９，３５９，９９１号、「水力発電タービン、投錨構造、及び関連する組み立て方法（Hydroelectric Turbines, Anchoring Structures, and Related Methods of Assembly）」という名称の米国特許第１０，３８９，２０９号、「水力発電エネルギーシステム、及び関連する構成要素及び方法（Hydroelectric Energy Systems, and Related Components and Methods）」という名称の米国特許第１０，５４４，７７５号、「水力発電エネルギーシステムおよび方法（Hydroelectric Energy Systems and Methods）」という名称の米国特許出願第２０２１－０１９００３２号、および「環状磁性ギヤおよび関係するシステム（Orbital Magnetic Gears and Related Systems）」という名称の国際特許出願公開第ＷＯ／２０２０／１１８１５１号に記載され、これらの内容それぞれはその全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【0026】
上述したように、ＡＳＥＣＶ１００によって支持された水力発電タービン１１１が使用されて、ＤＣ（直流）電力を連続的に発生させ、この電力を半潜水プラットフォーム２０に電力／係留ケーブル１０２によって伝送し、ＤＣ電力は電解装置によって使用されて水素ガスを発生する。種々の実施形態においては、例えば、ＡＣ電流が水力発電タービン１１１によって直接的に発生する（例えば、当業者に周知の発電機を回すことによる）。そして、ＡＣ電流が整流器（図示せず）を通して流されて、ＡＣ電流をＤＣ電流に変換し、これが電解装置に供給される。このように、整流器（図示せず）も各ＡＳＥＣＶ１００上に設け、電流を電力／係留ケーブル１０２によって電解装置１１に伝送することに先立って、各タービン１１１の内部で発生するＡＣ電流をＤＣ電流に変換し得る。それから、電解装置によって生成された水素ガスは、極低温液化システム１６によって液体状態に極低温冷却され、分配のために半潜水プラットフォーム２０にドッキング可能なタンカー３０などの船舶によって陸地に輸送されるまで、液体水素貯蔵タンク１２に貯蔵される。
【0027】
水力発電エネルギーシステムおよびそれらの関連部品の上述の実施形態は非限定的であり、本システムおよび方法は様々な種類および構成の水力発電エネルギーシステムに使用できる。さらに、本開示は、水力発電、風、およびソーラーエネルギー源を含むがこれらに限定されない種々の再生可能エネルギー源によって発生したＤＣ電流を利用して水素を発生、回収、および分配するための開示されるシステムおよび方法を利用することを想定し、本明細書において詳細に説明される例示的な水力発電タービンに限定されるものではない。このような再生可能エネルギー発生システムであれば、ＡＳＥＣＶによって半潜水プラットフォームにおいて水力発電タービンの代えて同様に配備することができる。
【0028】
図５～図１０に示されるように、本開示の実施形態は、１つ以上のエネルギー回収自律水上航行船（ＡＳＥＣＶ）１００を利用して、オンボード水力発電タービン１１１、例えば上述のものを搭載および設置することを想定する。各ＡＳＥＣＶ１００は、例えば、タービン支持構造１１２を有するハル１１０を含むことができる。ある実施形態では、ハル１１０はカタマランハルであり得るが、他のハル構成が本開示の範囲内で想定される。種々の実施形態によれば、タービン支持構造１１２は、ハル１１０が浮かぶ流体１３５中において水力発電タービン１１１を支持するように構成され、その結果、ロータ１２６の回転軸Ａと全体的に平行な指向性の成分の流れＦを有する流体流がブレード部分１２７に対して作用して、回転軸Ａを中心にしてロータ１２６を回転させ得る（図７および図８参照）。しかしながら、本開示のタービンは種々の変化する方向の流体流によって運転するように構成でき、例えば潮汐流動の干満両方、ならびに例えば河川流などの一方向のみから来る流動によって運転するように構成されるということは、当業者であれば理解するであろう。
【0029】
ある実施形態によれば、タービン支持構造１１２は、さらに、タービン１１１がエネルギーを回収するためにハル１１０の下にかつ流体流中に位置する第１の設置位置（図６～図９参照）と、水力発電タービン１１１がＡＳＥＣＶ１００の自律的操船を可能にするように流体から外に（すなわち喫水線よりも上に）上昇させられる第２の格納位置（図１０参照）との間において、水力発電タービン１１１を上昇および下降させるように構成される。
【0030】
種々の実施形態によれば、各ＡＳＥＣＶ１００は、半潜水プラットフォーム２０におよびそれから自律的に航行するように、半潜水プラットフォーム２０から接続および切り離すように、ならびにそのそれぞれの連続チェーン１４０から連結および連結解除するように構成される。このようにして、いずれかのＡＳＥＣＶ１００をチェーン１４０から連結解除し、メンテナンスのために所定の地点に自律的に航行しながら、残りのＡＳＥＣＶ１００およびいずれかの取り換え用ＡＳＥＣＶは必要に応じて自律的にともに再連結し得る。さらにまた、ＡＳＥＣＶ１００およびそれらのペイロード（例えば水力発電タービン１１１）の損傷を防止するために、全てのＡＳＥＣＶ１００は、各連続チェーン１４０から順番に連結解除し、嵐または損傷を引き起こし得る他の事象の予測された経路から遠い方に所定の安全な地点まで自律的に航行し得る。これにより、事象の脅威が過ぎ去ると、ＡＳＥＣＶ１００は順番に再連結して、各連続チェーン１４０を再形成し得る。
【0031】
種々の実施形態によれば、本開示のシステムおよび方法は、半潜水プラットフォーム２０に自律的に接続し／切り離し、別のＡＳＥＣＶ１００に（すなわち連続チェーン１４０として）連結する／連結解除するための、オンボードセンサ１１９および１２０ならびに制御システム（コントローラ１０９に収められている）を含むＡＳＥＣＶ１００を利用してもよい。自動化された接続／連結のために、ＡＳＥＣＶ１００は、例えば、（半潜水プラットフォーム２０または別のＡＳＥＣＶ１００どちらかの上の）カプラ１２５のケーブルレセプタクル１１５に接近し得る。例えばカプラ１２５上のビデオカメラ１０５によるオンボードビデオカメラ映像が使用されて、制御信号をリニアアクチュエータ１０６およびスラストベクタリング推進システム（例えば、プロペラ１１７およびサイドスラスタ１１８）に提供し得る。リニアアクチュエータ１０６は、互いに対して９０度で取り付けられ、鉛直／水平よりもむしろカタマランハルなどのハルへ取り付やすい角度で配置され得る。関節式ケーブルストラット１０３の前部は、ストラット１０３およびアクチュエータ１０６の形状によって設定される半径内に動的に位置して、接続／連結を補助する。ひとたび接続／連結されると、ウェットメイトコネクタ１０１が電力、データ、および機械的接続を電力／係留ケーブル１０２に提供し得る。電力／係留ケーブル１０２は、それから、ウインチ／リールシステム１０８を使用して所望の離間距離まで繰り出され得る。同様に、ＡＳＥＣＶ１００が別のＡＳＥＣＶ１００に連結しているときには、「受け取り側の」ＡＳＥＣＶ１００はビデオカメラ１０５およびスラストベクタリング推進システムを使用して、連結中における少なくとも水平軸上の整列を補助し得る。
【0032】
切り離す／連結解除するときに、ウェットメイトコネクタ１０１は機械的に解除され、ウインチ／リールシステム１０８はケーブル１０２をストラット１０３に引き入れ、その結果、ＡＳＥＣＶ１００は自律的操船、航行、および最終的な再接続／連結ができる。
【0033】
当業者であれば、図６～図１０を参照して示され記載されるＡＳＥＣＶ１００は例示であり、本開示によるＡＳＥＣＶが、水力発電タービン１１１を支持し、半潜水プラットフォーム２０に／からおよび互いに／から接続し／連結し、切り離す／連結解除するための種々の構成ならびに種々のコンプライアンス（要請）および公差を有する種々の構成要素を有することができることを理解するであろう。種々の実施形態において、例えば、アクチュエータ１０６は、波上で接続／連結するときの半径方向のショック荷重を最小化するための何らかの内蔵のコンプライアンス（例えば、アクチュエータ１０６はばね付きかつ軽度にダンパー付きである）を有し、係留中にはそのコンプライアンスを保って、風および海の状態を原因とするＡＳＥＣＶ１００に対する動的なケーブル荷重を最小化できる。同様に、「固定された」ケーブルレセプタクル１１５は接続／連結荷重を最小化するための何らかの軸方向のコンプライアンスを有することができ、必要な場合には、ウインチ１０８も風および海の状態を原因とするケーブル荷重を最小化するために繰り出すことができる。
【0034】
当業者であれば理解できるように、各ＡＳＥＣＶ１００は、指定の地点間を自動的に移動するように（例えば汎地球測位システム（ＧＰＳ）座標によって）プログラムされ得る。ＡＳＥＣＶの自律的な性質は、船が半潜水プラットフォーム２０と例えば陸地、追加のエネルギー回収地点、メンテナンス地点、および／または避難港地点を含む指定の種々の二次地点との間を動くことを可能にしながら、運転が陸地、半潜水プラットフォーム２０、または他の沖合地点から制御および監視することを可能にし得る。その結果、人間の運転者はＡＳＥＣＶの運転を要求されない。種々の実施形態においては、ＡＳＥＣＶ１００上に収められたコントローラ１０９と半潜水プラットフォーム２０上に収められたコントローラ１４との間のデータリンク伝送が、ＡＳＥＣＶ１００上のトランスミッタ１２２と半潜水プラットフォーム２０上のアンテナ１５との間で送信される高周波数無線信号によって行われてもよい。これにより、作業員が物理的に水力発電タービン１１１の設置地点に居合わせたり、メンテナンスのために設置地点に出向いたりする必要がなくなり、設置の安全性やメンテナンスの容易性が高まる。
【0035】
本開示の種々の実施形態によるＡＳＥＣＶは、様々な種類および配置の自律的な船の構成要素を含み、様々な種類および構成の自律的制御・監視ユニットを採用し、種々のシステムおよび方法を利用して、自律的な船を例えば制御室に接続し得る。さらに、当業者であれば、上記の例示的なＡＳＥＣＶはその自律的運転のためにＧＰＳ座標を利用するが、本開示のシステムおよび方法は、所望の地点の間において船を自律的に往復案内するための公知の方法を使用することを想定するということを理解するであろう。
【0036】
その上、種々の実施形態においては、ＡＳＥＣＶの遠隔制御された運転が想定され、その結果、地点を検知することなどに基づいて種々の運転作業を自動的に始めるようにプログラムされるよりもむしろ、ロボット制御システム技術と同様に、運転者が遠隔制御入力装置を利用し、無線で船と通信して、船を位置修正し、船を移行させて、種々の作業（例えば、タービン支持構造１１３を上昇および下降させる）を行ない得る。そのような遠隔制御された運転は、より完全に自動化された運転と組み合わせて使用できる。
【0037】
ここで図１１～図２２を参照すると、本開示の種々の追加の実施形態は、ＡＳＥＣＶ１００によって発生するＤＣ電力を回収し、回収された電力から水素を発生させ、および／または後の陸上輸送のための水素を貯蔵するために、半潜水プラットフォームと組み合わせて、またはその代わりに、１つ以上の自律水上航行船（ＡＳＶ）２００を利用することも想定する。そのような自律的プラットフォームは、例えば、半潜水プラットフォーム（例えば、改造のための既存のプラットフォーム）が利用可能もしくは現実的でない地域、および／または異なる地点に機器を動かす能力を有することが望ましい変わりやすい天候もしくは他の条件の影響を受けやすい地域での使用に有利である。種々の実施形態によれば、各ＡＳＶ２００は、沖合現場におよびそれから自律的に航行するように構成される。各ＡＳＶ２００は、さらに後述のように、現場において例えば水面係留ブイ（例えば、自律的接続ブイ体（ＡＣＢ））などの投錨構造体に自律的に接続し得る。このように、ＡＳＶ２００は、また、ブイから自律的に切り離され、メンテナンスのためおよび／または悪天候を避けるために所定の地点に（例えば、嵐または船の損傷を引き起こし得る他の事象の予測された経路から遠い方の所定の安全な地点に）航行し得る。これにより、事象の脅威が過ぎ去ると、ＡＳＶ２００は、再度沖合現場に航行してブイと再接続し得る。
【0038】
種々の自律水上航行船のいずれかが使用できるが、図１１～図１３に示されるように、個別のモジュール式ユニット２０８を含むモジュール式水素生成プラントを備えている浮体プラットフォーム２３０を有する自律航行バージ（自律航行船）２００を利用することが有益な場合がある。おそらく図１３および図１４の概略図および拡大図に最もよく示されるように、モジュール式ユニットは、それぞれ（例えば、パイプ２１４から海水を引き込み、海水を脱塩するように構成された）浄水プラント２１０、電解プラント（電解装置２１１）、（電解装置２１１によって生成される水素ガスを液化する）極低温プラント２１６、および液体水素貯蔵タンク２１２を含むコンテナ２０７を含むことができる。このように、水素生成プラントの各ユニット２０８は独立しており可搬であるため、その結果、必要に応じて容易に取り換え、新たなユニットに交換できる。よって、ユニット２０８のモジュール性により、水素生成プラントの効率的なメンテナンスが容易となる。当業者であれば、各コンテナ２０７は上記で列挙した構成要素の全てを貯蔵する必要はなく、種々のそのような機器は、具体的な用途に応じて異なるコンテナの間で分配され、および／または省略できるということを理解するであろう。
【0039】
図１１および図１２のバージ２００の図において示されるように、自律航行バージ２００は、さらに、液体水素をバージ２００上の貯蔵タンク２１２から液体水素貯蔵タンカー３０に、例えば移送装置２０６によって、バージ２００から遠い方への（例えば陸地への）液体水素の輸送のために移送するように構成される。または、バージ２００の自律的な性質は、バージ２００が貯蔵タンカーおよび／または他の回収／貯蔵施設（例えば陸上の）まで自律的に航行して液体水素をその貯蔵タンク２１２から移送することも可能にする。本開示の種々の追加の実施形態は、発生した水素を再度陸地に直接的にガス形態で輸送することも想定する。図２３に示されるように、バージ２００はある地点まで自律的に航行し、そこで、発生した水素ガスは再度陸上地点２４５まで例えばパイプライン２４０によって移送される。このような実施形態では、バージ２００は、極低温プラント２１６および液体水素貯蔵タンク２１２を搭載するモジュールの設置を省くことができ、これらのモジュールは代わりに陸上地点２４５に設ける。種々の実施形態においては、例えば、陸上極低温プラント２１６によって生成され、陸上貯蔵タンク２１２に貯蔵された液体水素は、さらなる輸送のためにタンカートラック２５０上の貯蔵タンク２５２に移送される。当業者であれば理解できるように、このような実施形態では、水素発生プロセスの他の構成要素も陸上地点２４５に設ける。例えば、別の実施形態においては、バージ２００上の浄水プラント２１０およびパイプ２１４（海水を脱塩する）を搭載するモジュールの設置を省くためにも、純粋な水が、代わりに、陸上地点２４５からバージ２００上の電解装置２１１まで圧送される。
【0040】
船の自律的構成要素の例示の便宜のためにＡＳＶ２００を概略的に図示する図１５Ａおよび図１５Ｂを参照すると、上で記載されたＡＳＥＣＶ１００と同様に、想定されるＡＳＶ２００は、図１６に図示されるように、沖合地点に／から自律的に航行するためにおよび沖合地点における投錨構造体３００に接続する／切り離すために、ＡＳＶ２００上に収められたオンボードセンサ２１９および２２０ならびに制御システム２０９を含むことができる。ＡＳＶは、例えば、指定の地点間を自動的に移動するように（例えば汎地球測位システム（ＧＰＳ）座標によって）プログラムされ得る。よって、ＡＳＶ２００の自律的な性質は、投錨構造体３００と例えば追加の投錨構造体３００、陸地、メンテナンス地点、および／または避難港地点を含む種々の指定の二次地点との間を船が動くことを可能にしながら、運転が陸地からまたは別の沖合地点から制御および監視されることを可能にする。その結果、人間の運転者がＡＳＶ２００の運転に要求されない。種々の実施形態においては、ＡＳＶ２００上のコントローラ２０９および制御地点の制御室におけるコントローラ（図示せず）の間のデータリンク伝送が、ＡＳＶ２００上のトランシーバ２２２および制御地点におけるアンテナ（図示せず）の間で送信される高周波数無線信号によって行われ得る。ＡＳＶ２００上のコントローラは、制御地点から受信したデータに基づいてＡＳＶ２００上の自己推進システムによってＡＳＶ２００を推進および位置修正もできる。１つの実施形態において、自己推進システムは１つ以上のポッドプロペラ２１７および１つ以上のサイドスラスタ２６０を含み、各プロペラ２１７は電気モーター（図示せず）によって動力供給され得る。電気モーターは、例えば、当業者であれば理解できるように、ＡＳＶ２００上のコンテナ２０７の上面に取り付けられたソーラーパネル２５１によってまたは水素によって稼働する発電機によって充電される電池（図示せず）によって供給される電気によって動力供給され得る。
【0041】
当業者であれば、図１１～図１５に示されるＡＳＶ２００は例示であり、本システムおよび方法によって想定されるＡＳＶは、本開示および特許請求の範囲から外れることなしに、様々な構成および種類の水素生成構成要素ならびに様々な構成および種類の自律的構成要素を含む種々の構成ならびに構成要素を有することができることを理解するであろう。
【0042】
図１６に示されるように、ＡＳＶ２００を沖合地点に設置するために、種々の実施形態によれば、ＡＳＶ２００は投錨構造体、例えば海面係留ブイ３００などに接続され、海面係留ブイ３００は錨２２に連結され、錨２２は海底２５に埋め込まれ、錨索２１によって海面ブイ３００に繋げられている。以下でさらに説明するように、本開示の種々の実施形態は、自律的接続ブイ（ＡＣＢ）３００として備えられた海面ブイとＡＳＶ２００を自律的に接続するための自律的接続システム（ＡＣＳ）を利用することを想定する。しかしながら、本システムおよび方法によって想定されるＡＳＶは、選択された沖合現場においてＡＳＶ２００を投錨させるための公知の技術および方法を利用してもよい。
【0043】
図１７～図２０に示すように、指定の沖合現場に投錨すると、一つの係留されたＡＳＶ２００を用いて、ＤＣ電力を連続的に発生しかつこの電力を伝送する１つ以上のエネルギー回収自律水上航行船（ＡＳＥＣＶ）１００を、ＡＳＶ２００上のモジュール式水素生成プラントに電力／係留ケーブル２０２によって連結し得る（図２０参照）。１つの実施形態では、上述の半潜水プラットフォーム２０と同様に、ＡＳＶ２００は、ＡＳＥＣＶ１００の電力／係留ケーブル２０２と係合するように構成されている１つ以上のカプラ２２５を含むことができる。ＡＳＶ２００は、例えば、１つ以上の接続バー２２３に沿って配置された複数のカプラ２２５を含むことができる。図１７～２０に段階的に示されるように、種々の実施形態において、接続バー２２３は、接続バー２２３がＡＳＶ２００の両側に折り畳まれている未展開位置（図１７参照）と接続バー２２３の１つ以上がＡＳＶ２００の両側から外向きに延ばされてＡＳＥＣＶ１００のための直線的なドッキング構造を形成する展開位置（図２０参照）との間で展開可能である。図１８および図１９に示されるように、１つの実施形態においては、ケーブル２７０がＡＳＶ２００および接続バー２２３の間に延在し、その結果、接続バー２２３の完全な展開によって、ケーブルは張られて接続バー２２３を支持することを補助する。図示されていないが、図５を参照して上述したように、ＡＳＥＣＶ１００は、ＡＳＥＣＶ１００の１つ以上の連続チェーン（すなわち、電力／係留ケーブル２０２およびカプラ２２５によってともに連結されている１つ以上のＡＳＥＣＶ１００を含むＡＳＥＣＶ１００の各連続チェーン）としてＡＳＶ２００に連結されてもよい。
【0044】
当業者は、図１７～図２０に示されるＡＳＶ２００は例示であり、開示されるＡＳＶ２００は、展開可能な接続バー２２３上に位置したカプラ２２５を含むがこれに限定されないＡＳＥＣＶ１００と接続するための公知の方法および／または技術を採用し得ることを理解するであろう。さらに、想定されるＡＳＶ２００では、様々な数、種類、および構成のカプラ２２５を有するいずれかの数および構成の接続バー２２３を利用してもよく、示される実施形態に限定されるものではない。本開示はさらに、例えば、さらに後述のように、ＡＳＶ２００にＡＳＥＣＶ１００を接続するための自律的接続システム（ＡＣＳ）を採用してもよい。
【0045】
さらに、本開示の実施形態は、例えば、人間の介入なしに例えば投錨構造体（例えば海面係留ブイ）、別のＡＳＶ、および１つ以上のＡＳＥＣＶなどの別の船に自律水上航行船（ＡＳＶ）が自律的に接続し切り離すことを可能にする自律的接続システム（ＡＣＳ）を想定することができる。想定されるＡＣＳは、ともに接続されるべき船（例えばＡＳＶおよび投錨構造体）のそれぞれに取り付けられた自律的接続サブシステムを含む。ＡＣＳは、例えば、船上に取り付けられた第１の接続装置と、投錨構造体上に取り付けられた第２の接続装置とを含むことができる。１つの実施形態において、第１の接続装置はインターロックシステムの第１の部分を含み、第２の接続装置はインターロックシステムの第２の部分を含む。その結果、繋げられたときには、インターロックシステムの第１および第２の部分が一緒にロックして、投錨構造体に船を固定する。
【0046】
図２１および２２を参照して、ここで、投錨構造体、例えば改変された海面ブイ３００にＡＳＶ２００を自律的に接続するためのＡＣＳ４００を説明する。本開示の実施形態は、例えば、国立データブイセンターによって使用される例えば海面ブイなどの既存のブイをＡＣＳ４００の自律的接続サブシステムを含むように改変すること（または改造すること）を想定する。そのようなブイは例えば海軍海洋気象自動装置（ＮＯＭＡＤ）、ディスカス、または沿岸ブイを含むことができる。設置された自律的接続サブシステムを有する改変された海面ブイを自律的接続ブイ（ＡＣＢ）と称する。種々の実施形態において、ＡＣＢは、風力羽根および／または水力羽根も利用して、ＡＣＢ接続装置を直接的に主風向から遠い方におよび／または水流方向の下流に配置し、風および／または水流動条件におけるより容易な接続を円滑にし得る。ＡＳＶ２００は、例えば、最初の組み立て中にまたは既存のＡＳＶへの組み込み部品としてＡＳＶ２００の前端に設置された相似の自律的接続サブシステムを有することができる。ＡＣＳ４００は、ブイ（ＡＣＢ）および船（ＡＳＶ）の両方に設置された自律的接続サブシステムの組み合わせである。
【0047】
図２１および図２２に示されるように、ＡＣＳ４００は、ＡＳＶ２００上に取り付けられた第１の接続装置４１０と、ＡＣＢ３００上に取り付けられた第２の接続装置４３０とを含む。第１の接続装置４１０および第２の接続装置４３０は、２つの間の係合を提供するように相補的である。１つの実施形態において、ＡＣＳは機械的インターロックシステム４００を含み、その場合、第１の接続装置４１０はＡＳＶ２００の前端２１５に取り付けられている２軸関節式接続ストラット４１２を含み、第２の接続装置４３０はＡＣＢ３００に取り付けられた２軸関節式レセプタクル４３２を含む。１つの実施形態において、接続ストラット４１２はストラット４１２の前端４１１にプランジャ４１４を含み、レセプタクル４３２はばね付勢ラッチ機構４３４を含み、これは、最終接続においてレセプタクル４３２内にプランジャ４１４をロックするためにプランジャ４１４のスロット４１６と係合するように構成される。別の実施形態においては、プランジャ４１４はケーブル４１８に繋げられ、接続ストラット４１２を介して展開して、ＡＳＶ２００がＡＣＢからの所望の離間距離を達成することを可能にする一方、繋げられたままの状態で様々な風および波条件におけるＡＳＶ２００およびＡＣＢ３００の間のより多くの相対的な動きを可能にし、繋がりの応力を低減し得る。レセプタクル４３２のラッチ機構４３４に繋げられたソレノイド（図示せず）は、当業者であれば理解できるように、切り離しのためにロックラッチ４３５を引き込むように指示することができる。
【0048】
ＡＣＳ４００はそれぞれＡＳＶ２００およびＡＣＢ３００上の機械的アクチュエータ４２０および４４０も含むことができ、これらは接続ストラット４１２およびレセプタクル４３２の高度および方位角の動的なかつ連続的な制御を提供するように構成されて、最終接続中の（例えば、風、波、および水表面の流動の存在下における）構成要素の相互整列を容易にする。当業者であれば理解できるように、機械的アクチュエータ４２０および４４０は電気的または油圧的に動力供給され得る。単純化された実施形態においては、機械的アクチュエータ４２０および４４０は受動ばねおよび油圧式ダンパーまたは可撓性ゴム取り付け部と取り換えられ得る。これらも、構成要素の鉛直のおよび水平の角変位が最終接続中の相互整列を容易にすることを可能にし得る。
【0049】
ＡＣＳ４００は、さらに、位置センサ４２２および４４２を含むことができ、これらはそれぞれ、ＡＳＶ２００上の接続ストラット４１２の前端４１１におよびＡＣＢ３００上のレセプタクル４３２に隣接して取り付けられる。位置センサ４２２および４４２は、ＡＣＢ３００への最終接続前におけるＡＳＶ２００の接近中に接続ストラット４１２の前端４１１に対するレセプタクル４３２の相対位置を連続的に監視するように構成される。ＡＳＶ２００およびＡＣＢ３００上の位置センサ４２２および４４２は、動的干渉測位処理（ＲＴＫ）を有するＧＰＳ、３Ｄオブジェクト認識を有するビデオカメラ、プラス赤外線、超音波、静電容量、誘導型、光電、および／またはＬＩＤＡＲ近接センサを含むことができるが、これらに限定されない。加えて、ダイナミックモーションセンサ、例えば３軸加速度計およびジャイロスコープが利用され得る。１つの実施形態においては、複数の位置センサがＡＳＶ２００およびＡＣＢ３００の両方に利用されて、冗長性および相互相関によって接続の確実性を改善し得る。
【0050】
それぞれＡＳＶ２００およびＡＣＢ３００上に収められた制御システムプロセッサ２０９および３０９が、例えば、位置センサ４２２および４４２からのデータを制御アルゴリズムと共に利用して、最終接近中のＡＳＶ２００に速度および方向のガイダンスを提供し、かつＡＳＶ２００およびＡＣＢ３００の両方の上の機械的アクチュエータ４２０および４４０に方向の制御を提供して、最終接近中の接続ストラット４１２およびレセプタクル４３２の連続的な角度合わせを容易にする。種々の実施形態によれば、以下で詳細に説明するように、ＡＳＶ２００およびＡＣＢ３００のそれぞれの上の制御システムプロセッサは、スタンバイモード（デフォルト）、接続モード、および切り離しモードの３つの基本的な運転モードを有することができる。
【0051】
種々の実施形態において、例えば、制御システムプロセッサ２０９および３０９のそれぞれはメモリを含む。メモリは、情報を記憶および／または読み出すように構成された構成要素を含む。いくつかの例においては、メモリは、１つ以上の記憶素子、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、メモリ回路、光学記憶ドライブおよび／またはディスク、磁気記憶ドライブおよび／またはテープ、ハードディスク、フラッシュメモリ、取り外し可能な記憶媒体などであり得るか、またはそれを含むことができる。メモリは、ＡＣＳ４００の運転およびアルゴリズムの実装に使用可能なソフトウェアを記憶できる。ソフトウェアは、コンピュータプログラム、ファームウェア、または他の形態の機械読み取り可能な命令を含み、オペレーティングシステム、ユーティリティ、ドライバ、ネットワークインターフェース、アプリケーションなどを含むことができる。
【0052】
プロセッサ２０９および３０９は、例えば、ＡＣＳ４００の他の素子および／またはそれぞれのＡＳＶ２００およびＡＣＢ３００を制御するためのマイクロプロセッサまたは他の回路要素を含み、記憶素子または他のソースから取り出された命令を処理し、（本開示に記載されるものを含むがこれに限定されない種々の方法の演算を行なうためのソフトウェア命令を実行し、データを分析するための信号処理および／または機械学習アルゴリズムを適用し、計算および／または予測などを行う。いくつかの例では、プロセッサは、１つ以上の中央演算処理装置（ＣＰＵ）、算術論理演算装置（ＡＬＵ）、浮動小数点演算装置（ＦＰＵ）、または他のマイクロコントローラであるか、またはそれを含むことができる。
【0053】
ＡＣＳ４００、ＡＳＶ２００、およびＡＣＢ３００の各構成要素は、専用のハードウェアコンポーネント、ソフトウェアコンポーネント、ファームウェア、またはそれらの組み合わせによって実装され得る。ハードウェアコンポーネントは、専用回路、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などを含むことができる。ソフトウェアコンポーネントは、メモリに記憶されたソフトウェアモジュール、非一時的なコンピュータ読み取り可能な媒体（例えば内部メモリまたは外部メモリ）に記憶され、プロセッサ（例えばコントローラ）によって実行される命令、外部ソースから（例えば通信回路によって）受信される遠隔の命令などを含むことができる。
【0054】
本明細書に記載される例示的な装置、システム、および方法は、例えば、コンピュータ読み取り可能な記録媒体または一時的媒体によって伝送される通信信号上に具現化されたコンピュータ読み取り可能なコードを実行するプロセッサの制御下で行なわれ得る。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、処理システムによって読み取り可能なデータを記憶し得るデータ記憶装置であり、揮発性および不揮発性媒体の両方、取り外し可能なおよび非取り外し可能な媒体を含み、データベース、コンピュータ、および種々の他のネットワーク装置によって読み取り可能な媒体を想定する。コンピュータ読み取り可能な記録媒体の例は、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、消去可能な電気的にプログラム可能なＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、または他のメモリ技術、ホログラフィック媒体または他の光ディスクストレージ、磁気テープおよび磁気ディスクを含む磁気ストレージ、ならびにソリッドステート記憶装置を含むが、これらに限定されない。
【0055】
例えば短距離無線トランシーバなどの無線トランシーバもＡＣＳ４００によって利用され得る。１つの実施形態において、ＡＣＳ４００はＡＳＶ２００上のトランシーバ２２２およびＡＣＢ３００上の第２のトランシーバ４４４を利用してもよい。トランシーバ２２２および４４４は、それぞれが、ひとたびＡＳＶ２００がＡＣＢ３００にごく近接すると、位置センサデータならびに制御システムプロセッサからの指示および制御情報を機械的アクチュエータ４２０および４３０に転送するように構成できる。
【0056】
ＡＳＶ２００上の既存のオンボードパワーシステムは、ＡＳＶ２００上の自律的接続サブシステムに電力を提供するために利用され、ＡＣＢ３００は、その自律的接続サブシステムに動力供給するためのパワーサブシステム３５０を備え付けられる。パワーシステムは、機械的アクチュエータ４２０および４３０、位置センサ４２２および４４２、制御システムプロセッサ（すなわち、制御ボックス２０９および制御ボックス３０９内に設ける）、ならびにトランシーバ２２２および４４４に動力供給する。種々の実施形態において、パワーサブシステムは、例えば、電力貯蔵装置、例えば、電池、ソーラーパネル、および／またはタービン発電機、関連する電池充電コントローラ、ならびにいずれかの要求される電力分配コントローラおよび配線を、機械的アクチュエータ４２０および４４０、位置センサ４２２および４４２、制御システムプロセッサ、ならびにトランシーバ２２２および４４４のために含むことができる。１つの実施形態において、電力貯蔵装置は、水素またはディーゼルなどの燃料を含み、関連する電力変換機器を有することができる。別の実施形態においては、機械的インターロックシステムはＡＳＶ２００およびＡＣＢ３００の間の電力移送を可能にするように改変されてもよい。
【0057】
上述のＡＣＳ４００は、次の例示的な方法を使用してＡＣＢ３００（例えばこれは沖合地点において投錨する）にＡＳＶ２００を自律的にドッキングするために実装され得る。ＡＳＶ２００がＡＣＢ３００の沖合地点に航行するときに、制御システムプロセッサの接続コンポーネントがスタンバイモードにある間に、ＡＳＶ２００のオンボードの自律的航行・制御システムは制御システムプロセッサ２０９および無線トランシーバ２２２を利用することができる。ＡＳＶ２００が沖合地点に近くに近接し（例えば沖合地点からおよそ１００メートル）、その結果、ＡＳＶ２００上のトランシーバ２２２がＡＣＢ３００上のトランシーバ４４４と接続することができるようになると、ＡＳＶ２００およびＡＣＢ３００上の制御システムプロセッサは接続モードになり、これにより接続装置４１０および４３０の各部（例えば、位置センサ４２２および４４２、機械的アクチュエータ４２０および４４０、ならびに接続ストラット４１２およびレセプタクル４３２）を起動する。
【0058】
このように、ＡＳＶ２００がＡＣＢ３００に接近すると、制御システムプロセッサ２０９および３０９は位置センサ４２２および４４２のそれぞれからの信号を連続的に受信し、第１および第２の接続装置４１０および４３０の間の位置データを交換してＡＳＶ２００の接近を監視することができる。種々の実施形態において、例えば、制御システムプロセッサ２０９および３０９は、位置センサ４２２および４４２からの信号に基づいて、接近するＡＳＶ２００の接近速度、距離、および方向を連続的に監視するように構成される。
【0059】
最終的な接近において、各部の最終接続中に（例えば、風、波、および／または水表面の流動の存在下において）ＡＳＶ２００の接続ストラット４１２およびＡＣＢ３００のレセプタクル４３２の間の相互整列を容易にするために、制御システムプロセッサ２０９および３０９は、接続ストラット４１２およびレセプタクル４３２のそれぞれの高度角および方位角を連続的に制御するようにも構成される。これにより、最終接続時には、制御システムプロセッサ２０９および３０９が協働してＡＳＶ２００を前方に航行させ、接続ストラット４１２のプランジャ４１４がレセプタクル４３２に進入し、ばね付勢ラッチ機構４３４によってロックされるまで、接続ストラット４１２およびレセプタクル４３２の間の整列を調整する。ＳＶ２００およびＡＣＢ３００が繋げられると、制御システムプロセッサ２０９および３０９はスタンバイモードに復帰する。
【0060】
後でＡＣＢ３００から切断するために、ＡＳＶ２００上の制御システムプロセッサ２０９は、ラッチ機構４３４を解除するための指示（例えば無線トランシーバ２２２によって）をＡＣＢ３００のプロセッサ３０９に送ることによって切り離しモードに入る。１つの実施形態においては、例えば、レセプタクル４３２上の電動式ソレノイド（図示せず）は、プロセッサ３０９からの制御プロンプトを受け取るときにラッチ機構４３４を解除し得る。それから、ＡＳＶ２００は接続ストラット４１２および展開したケーブルをレセプタクル４３２から引き込んで、ＡＣＢ３００から遠い方の別の所望の地点まで自律的に航行し得る。
【0061】
当業者は、図２１および２２を参照して記載および例示された自律的接続システム（ＡＣＳ）４００、接続装置（すなわちサブシステム）４１０および４３０、ならびに全ての関係する構成要素は例示であり、本開示が、当業者に公知の様々な種類、構成、および／または数の接続システムおよび構成要素を利用して、沖合現場において投錨構造体にＡＳＶ２００を自律的に接続することを想定することを理解するであろう。
【0062】
さらに、上記の自律的接続システム（ＡＣＳ）および方法は自律水上航行船（ＡＳＶ）を自律的接続ブイ（ＡＣＢ）に接続することを参照して記載されているが、当業者であれば、開示されるシステム、サブシステム、および方法が、本開示に基づいて、例えばＡＳＥＣＶ１００をＡＳＶ２００に接続することを含む船対船の接続に同様に採用できることを理解するであろう。
【0063】
本明細書および例示的な実施形態を示す添付図面は、本開示を限定するものと解釈されるべきではない。本明細書および特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の機械的、組成的、構造的、電気的、および動作上の変更を加えたり、均等物で置換したりすることができる。本開示を曖昧にすることを避けるため、周知の構造および技術については、図示や詳細な説明を省略している場合がある。さらに、ある実施形態で詳細に説明された構成要素およびそれに関連する特徴は、現実的な場合であれば、特にそれらが図示または説明されていない他の実施形態にも含まれ得る。例えば、ある構成要素がある実施形態で詳細に説明され、第２の実施形態では説明されていない場合でも、その構成要素は第２の実施形態に包まれ得る。
【0064】
なお、本明細書において、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」ならびに任意の単語の単数形での使用は、明確かつ明示的に１つの指示対象に限定されない限り、複数の指示対象を含む。本明細書において使用される用語「含む」およびその文法上の変形は、非限定的であることを意図しており、列記された項目の記載は、列記された項目に置換または追加可能な他の同様の項目を排除するものではない。
【0065】
さらに、本明細書の用語は本開示を限定するものではない。例えば、空間的に相対的な用語、例えば「上流」、「下流」、「下（beneath）」、「下（below）」、「下（lower）」、「上（above）」、「上（upper）」、「前（forward）」、「前（front）」、「後（behind）」などは、図の向きに例示されるように、１つの要素または特徴に対する別の要素または特徴の関係性を記載するために用いられてもよい。これらの空間的に相対的な用語は、図で示された位置および向きに加えて、使用または運転中の装置の異なる位置および向きを含むことを意図している。例えば、図中の装置が反転される場合には、他の要素または特徴の「下（below）」または「下（beneath）」と記載された要素は他の要素または特徴の「上（above）」または「上（over）」であろう。したがって、例示的な用語「下（below）」は上および下の位置および向き両方を含むことができる。装置はその他の向き（９０度回転させた向きなど）であってもよく、本明細書において使用される空間的に相対的な記述（用語等）は然るべく解釈される。
【0066】
さらなる変更および代替的な実施形態は、本明細書の開示から当業者には明らかであろう。例えば、システムは、動作を明確にするために図面および説明では省略した構成要素が追加されてもよい。したがって、本明細書は、例示と解釈されるべきであり、本開示のシステムおよび方法を実行する一般的な態様を当業者に教示する目的である。本明細書において示された種々の実施形態は例示的なものである。本明細書の記載から当業者には明らかなように、構成要素および材料ならびにそれらの構成要素および材料の配置は、本明細書において示されるものと置換されてもよく、部品および工程は逆であってもよく、本教示の特定の特徴は独立して利用されてもよい。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、ここに記載された構成要素を変更することができる。
【0067】
本明細書において記載される特定の例および実施形態は非限定的なものであり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構造、寸法、材料、および方法を変更することができる。本開示による他の実施形態は、本明細書に開示された発明の説明および実施形態から当業者には明らかであろう。説明および実施例は例示的なものであり、均等物を含む全範囲の権利を有することを意図する。
【符号の説明】
【0068】
２０ 半潜水プラットフォーム
３０ タンカー
１００ エネルギー回収自律水上航行船（ＡＳＥＣＶ）
１０２ ケーブル
１１１ 水力発電タービン
１２５ カプラ
１４０ チェーン
２００ 自律水上航行船（ＡＳＶ）
２１０ 浄水プラント
２１１ 電解装置
２１２ 液体水素貯蔵タンク
２１６ 極低温プラント
３００ 投錨構造体
３０ タンカー
１００ エネルギー回収自律水上航行船（ＡＳＥＣＶ）
１０２ ケーブル
１１１ 水力発電タービン
１２５ カプラ
１４０ チェーン
２００ 自律水上航行船（ＡＳＶ）
２１０ 浄水プラント
２１１ 電解装置
２１２ 液体水素貯蔵タンク
２１６ 極低温プラント
３００ 投錨構造体
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【国際調査報告】