JP7209987B2 - 係留システム及び方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2016年10月21日に、米国特許商標庁に出願する米国仮特許出願第62/410881号の優先権を主張し、その全開示を参照により本明細書に組み入れることとする。
黒潮と湾流の流速は、1~2m/sを超えることがある。黒潮の断面積エネルギーは4~10GWの間で変動し、年間平均は約6GWであり、湾岸の断面積エネルギーは5~25GWで変動し、年間平均は約12GWである。しかし、海流のエネルギーを利用することは多くの困難がある。海流発電には大きな発展性があっても、実用的かつ経済的なシステムの実現にはいくつか重大な困難に直面する。もう一つの問題は、海流発電システムの効率に影響を及ぼす水流速度コア(current velocity cores)のトラックの変化(又は蛇行と称される)である。また、地理的位置に関連するもう一つの問題は、これらの海域で台風又はハリケーンが頻繁に発生することである。
水中帆HSの迎角のみにより決定される。そのため、水中帆HSの迎角の調整は、システムの幾何学的フォーメーションを変更し、発電タービンGTUの位置を変更することができる。
ブイ上の抗力の影響は、式(18)及び式(25)により、ブイなしのテザー上の抗力との比較により評価することができ、
wc =11.02kgw/m x12=132.24kgw/mである。
上記の情報及び表1からの張力データにより、いくつかの典型的な場合における隣接するブイの間のスパンは、式(34)により算出され、表2に示される。システムが定格流量の1.5m/sの流れで最も外側の位置に延出される場合、テザーはほぼ直線状であることが分かる。システムが内側位置に移動し、より低い水流速度にある場合にのみ、張力の減少によりスパンが減少し始める。しかし、0.5m/sの遅い流れの場合でも、有効テザー長さの全体的な損失は、最も外側の位置で10kmのうち324mだけである。最も内側の位置でのみ、有効テザー長さの全体的な損失は、最も外側の位置で、10km外で、わずか324mである。最内位置のみにおいて、有効テザー長さの損失は10%に達する。しかし、システムはほぼ下流に分布されるので、この損失はあまり重要ではない。
b:乱流中の4:1以上のアスペクト比を有する2次元楕円輪郭
図24(b)に示すように、斜面上の死荷重アンカーの場合、アンカーがちょうど斜面上に移動するように引っ張れる状況において、最大耐力はアンカーラインの張力を推定することによって算出される。斜面表面に垂直する力による摩擦は、
例示的な線形アレイ全体が操作し、展開角度γb、mが小さい場合、図12の位置3に示すように、流れがテザーを流れる。横方向流動抵抗(cross flow drag)は以下のように表す:
水中帆について、(図3に基づいて)迎角が最小に設定される場合、α=4°であり、例示的な水中帆CDsの抗力係数は約0.02である。Dttに対する「フェザリング」状態でのすべての帆の抗力の比率は、
上記のすべての結果を式(57)に挿入して、例示的な線形アレイ上の総流動抵抗を以下のように与える:
As:水中帆の平面面積
AAN_1~AAN_4:補助アンカー
At:ロータ掃引面積
AR:アスペクト比
ANCB、ANB_L、ANB_R、BUOY:ブイ
AAL:アンカーライン
APMP:空気ポンプ
AVA:空気抜き弁
ANC:アンカー連結具
ANC_M:雄部
ANC_F:雌部
CLs:水中帆の揚力係数
CDs:水中帆の抗力係数
CDt:発電タービンの抗力係数
CSE:尾部
CSF:帆
CF:外側フレーム
CPS:連結具機構
CLK:重量クランプ
CPB:連結ボール
CA:係留ライン
Dt、Ds:抗力
DA:ドリフトアンカー
FCB:前接続板
FSL、CMA3:機体
FAB:織物
FCR:高速コア
FM1~FM3:2次元フォーメーション
GTU:発電タービン
HS、HSa1、HSa2、HSm1、HSm2...:水中帆
HRK、HRS:フック周縁
HSB、CMA1、CMA2:帆体
Ha:アンカーブロックの高さ
IF:内側フレーム
LB:昇降ブイ
LB1~LB3:小型ブイ
LBa、LB2a、LB3a:高浮力位置
La:アンカーブロックの長さ
Ls:流体力学的揚力
LA1~LA3:線形アレイ
LS:先行部分
LSS:陸上変電所
LG:陸上電力網
ML:係留ライン
MLH:水平部分
MBA:バラストウエイト
NET:張力網
PUL:滑車
R:半径
RW:ウィンチ
RS:索具システム
RIB:リブ
S:水平変位
SPAR:金属トラス構造
TA、TM、TM1:主テザー
TJ、TJa1、TJa2...、TJm1、TJm2、TJm3:マルチラインジョイント
TS:帆テザー
TB1、TB2、TB3:曳船
Tb、Ta、Tal:張力
TG:タービン
TR、SR:索条
V0:流速
WEP:エンドプレート
W:重力
γb、…γb,m:主要な展開角度
γa、γb,a:展開角度
ρ:流動流体の密度
α:迎角
5001、5002:水位
Claims (26)
- ペイロードに対して移動する流体に前記ペイロードを展開し、前記ペイロードをアンカーポイントから前記流体の移動経路にわたる位置に設置するための係留システムであって、
主テザーと、
前記主テザーの第1端に取り付けられ、前記アンカーポイントに固定されるアンカー手段と、
前記主テザーの第2端に取り付けられ、前記流体に浸した主帆手段と、
を備え、
前記ペイロードは、前記主テザーの前記第2端に取り付けられ、
前記主帆手段に対して移動する前記流体は前記主帆手段に流体力学的揚力を生成して、前記ペイロードを前記流体の前記移動経路に対して横方向に引っ張り、
前記主帆手段は、前記ペイロードの位置を前記アンカーポイントに対して横方向に変更するように、前記流体力学的揚力の大小及び方向の変更を引き起こす揚力調整手段をさらに備え、
前記主帆手段上に位置される重心調整手段をさらに備え、
前記主帆手段は、前記ペイロード上の前記主帆手段の後ろの後流の影響を最小にするため、1組の主帆テザーで前記主テザーに取り付けられることにより、前記主帆手段を前記ペイロードと一定の距離で保持することを特徴とする、係留システム。 - 前記重心調整手段は、ウィンチと、滑車と、バラストウエイト及び1組のブイが取り付けられるエンドレスロープとを備える調整可能なバラスト機構であることを特徴とする、請求項1に記載の係留システム。
- 前記主帆手段は、前記主帆手段の形状を支持するための内側フレーム及び複数の外側フレームを有するリブシステムをさらに備えることを特徴とする、請求項2に記載の係留システム。
- 前記ペイロードは、流体力学的パワーを変換するための少なくとも1つの発電タービンを備えることを特徴とする、請求項1に記載の係留システム。
- 前記ペイロードは、アレイテザーと、複数のペイロードユニットを備え、各前記ペイロードユニットは前記アレイテザー上の異なる位置に取り付けられることを特徴とする、請求項1に記載の係留システム。
- 複数のアレイ帆手段をさらに備え、各前記アレイ帆手段は、前記アレイテザー上の異なる位置に取り付けられ、前記アレイ帆手段の流体力学的揚力は、前記ペイロードユニットを前記流体の前記移動経路に対して横方向に引っ張ることにより、前記主テザー及び前記アレイテザーは、前記主帆手段上及び前記アレイ帆手段上の流体力学的揚力の相対的大小関係の調整により前記流体の経路に対して異なる角度で展開されることを特徴とする、請求項5に記載の係留システム。
- 各前記ペイロードユニットは、流体力学的パワーを変換するための少なくとも1つの発電タービンを備えることを特徴とする、請求項6に記載の係留システム。
- 前記主帆手段は、1組の主帆テザーにより前記主テザーに取り付けられ、
各前記アレイ帆手段は、前記ペイロード上の前記主帆手段及び前記アレイ帆手段の後ろの後流の影響を最小にするため、1組のアレイ帆テザーにより前記アレイテザーに取り付けられ、
前記主帆手段は、前記主帆テザーによりタンデムに接続され、又は前記主帆テザーにより前記主テザーに連続的に接続される複数の主帆をさらに備え、
各前記アレイ帆手段は、少なくとも1つのアレイ帆を備え、
各前記アレイ帆手段は、前記流体を通る前記アレイ帆手段により生成される流体力学的揚力の大小及び方向の変更を引き起こし、複数の調整可能な制御面を有する揚力調整手段をさらに備えることを特徴とする、請求項7に記載の係留システム。 - 前記主帆テザー及び前記アレイ帆テザーのそれぞれは、前記主帆テザー及び前記アレイ帆テザーのそれぞれの張力を対応の帆の異なる部分に平均に分布するように、前記主帆及び前記アレイ帆のそれぞれに複数の位置に接続される索具システムをさらに備えることを特徴とする、請求項8に記載の係留システム。
- 前記主帆及び前記アレイ帆のそれぞれは、位置で組み立てられる複数の独立な帆部分を備え、
各前記帆部分は、桁構造と、リブ構造とを備え、
前記リブ構造は、帆輪郭の形状を支持する内側フレーム及び外側フレームを備え、前記帆部分の内部には前記流体を含み、
前記アレイ帆は、複数の調整可能なバラスト機構を備える重心調整手段をさらに備え、
各前記調整可能なバラスト機構は、ウィンチと、滑車と、バラストウエイト及び1組のブイが取り付けられるエンドレスロープとを備えることを特徴とする、請求項9に記載の係留システム。 - 前記アンカーポイントは、前記流体の流れ方向に面する斜面に位置され、
前記アンカー手段は、死荷重アンカーを備え、
前記死荷重アンカーは、第1グループの大型死荷重を形成するように、共に連動且つ積層可能な複数のアンカーブロックを備えることを特徴とする、請求項7に記載の係留システム。 - 前記死荷重アンカーは、複数の連動アンカーブロックを備える第2グループの大型死荷重をさらに備え、
前記第2グループの大型死荷重は、前記第1グループの大型死荷重に対して一定の角度で配向され、
前記第1グループの大型死荷重及び前記第2グループの大型死荷重は、前記主テザーの展開角度の変化に適応するように、前記主テザーを共に保持することを特徴とする、請求項11に記載の係留システム。 - 前記アンカーポイントは、岩表面上に位置され、
前記アンカー手段は、第1死荷重アンカーと、前記岩表面に構成される第1ノッチ構造とを備え、前記第1死荷重アンカーは、前記第1ノッチ構造に合わせるように設計される突出部を有することを特徴とする、請求項7に記載の係留システム。 - 前記アンカー手段は、第2死荷重アンカーと、前記岩表面に構成されて前記第1死荷重アンカーに対して一定の角度で配向される第2ノッチ構造とを備え、前記第1死荷重アンカー及び前記第2死荷重アンカーは、前記主テザーの展開角度の変化に適応するように、前記主テザーを共に保持することを特徴とする、請求項13に記載の係留システム。
- 前記アンカーポイントは、自然な階段構造を有する岩表面に位置され、
前記アンカー手段は、前記自然な階段構造に適合し、接触面積を最大にするための崩壊可能端を有するアンカーを備えることを特徴とする、請求項7に記載の係留システム。 - 流れ方向が大幅に変化する場合、前記アレイテザーに取り付けられるアレイ帆手段及び前記ペイロードユニットの線形フォーメーションを維持するための補助アンカーシステムをさらに備え、前記補助アンカーシステムは、前記アレイテザーに沿って異なる位置に分布される複数の補助係留ユニットを備え、
各前記補助係留ユニットは、前記流体の固体底上の補助アンカーに位置される補助アンカーラインと、前記アレイテザーに沿って異なる位置の1つに位置される伸縮可能な補助係留ラインと、前記補助アンカーラインと前記伸縮可能な補助係留ラインとを接続する着脱可能な連結システムとを備えることを特徴とする、請求項7に記載の係留システム。 - 前記アンカー手段は、前記アンカーポイントに固定されるアンカーと、前記アンカーに取り付けられるアンカーラインと、取り外し且つ再接続可能な第1部分及び第2部分を有するアンカー連結具機構とを備え、
前記第1部分は前記アンカーラインに取り付けられ、前記第2部分は前記主テザーの第1端に取り付けられることを特徴とする、請求項7に記載の係留システム。 - 垂直方向の力をバランスするように、前記主テザーの第2端に取り付けられる昇降ブイをさらに備え、前記昇降ブイは、流動抵抗の変化に適応するための浮力調整手段をさらに備えることを特徴とする、請求項7に記載の係留システム。
- 前記アンカー手段は、前記アンカーポイントに固定されるアンカーと、前記アンカーに取り付けられるアンカーラインと、取り外し且つ再接続可能な第1部分及び第2部分を有するアンカー連結具機構とを備え、
前記第1部分は前記アンカーラインに取り付けられ、前記第2部分は前記主テザーの前記第1端に取り付けられ、
前記係留システムは、前記ペイロードの位置決めの許容範囲を拡大するため、一距離で分布される複数の付加的なアンカーポイントと、前記付加的なアンカーポイントで前記アンカーライン及び前記アンカー連結具機構の前記第1部分を有する前記アンカーの複数の付加的な組とをさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の係留システム。 - 前記ペイロードは、流体力学的パワーを変換するための発電手段を備えることを特徴とする、請求項19に記載の係留システム。
- 望ましくない流れパターン期間中に前記アレイ帆、前記主帆及び前記発電タービンの過回転を防止するように、前記係留システムに沿う複数の拘束索具システムをさらに備え、前記拘束索具システムは、ウィンチと、対応の前記アレイ帆、前記主帆及び前記発電タービンに取り付けられる索条とを備えることを特徴とする、請求項8に記載の係留システム。
- 少なくとも1つのペイロードを前記ペイロードに向かって移動する流動流体に展開し、前記ペイロードを第1アンカーポイントから前記流動流体の移動経路にわたって目標位置に設置するための係留方法であって、
第1アンカーを主テザーの第1端に取り付けて、前記第1アンカーを前記第1アンカーポイントに固定するステップと、
前記ペイロードを前記主テザーの第2端に取り付けるステップと、
流体力学的揚力生成手段を前記主テザーの前記第2端に取り付けるステップと、
前記流動流体からの揚力を得るように、前記流体力学的揚力生成手段を調整して、前記揚力を前記流動流体の流動経路に対して横方向に作用することにより、前記ペイロードを前記目標位置に引っ張るステップと、
前記主テザーに取り付けられた主帆手段上に位置される重心調整手段を用いて、前記主帆手段が安定に維持するように、前記主帆手段の重心を調整するステップと、を含み、
前記流体力学的揚力生成手段は、前記ペイロード上の前記流体力学的揚力生成手段の後ろの後流の影響を最小にするため、1組のテザーで前記主テザーに取り付けられることにより、前記流体力学的揚力生成手段を前記ペイロードと一定の距離で保持することを特徴とする、係留方法。 - 前記流動流体は、蛇行速度コアを有する水流であり、
前記ペイロードは、流体力学的パワーを変換するための発電手段を備え、
前記流体力学的揚力生成手段の調整のステップは、
(i)前記目標位置を蛇行速度コア内の移動目標位置とするステップと、
(ii)前記ペイロードを前記移動目標位置に再配置するように、前記流体力学的揚力生成手段を一定に調整することにより、前記発電手段をほとんどの場合に速度コア内に配置するステップと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項22に記載の係留方法。 - 一距離にわたって分布される複数の付加的なアンカーポイントを設定し、付加的なアンカーをそれぞれの前記付加的なアンカーポイントに固定するステップと、
前記主テザーの第1端を前記第1アンカーから取り外して、前記付加的なアンカーポイントの1つに移動して、前記付加的なアンカーポイントに対応する前記付加的なアンカーに取り付けることにより、前記ペイロードを有する前記主テザー及び前記流体力学的揚力生成手段を前記第1アンカーポイントから前記付加的なアンカーポイントの1つに移転するステップと、
前記ペイロードの位置決めの範囲を拡大するステップと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項23に記載の係留方法。 - 流体力学的パワーを変換するための発電手段を前記発電手段に向かって移動する流動流体に展開し、前記発電手段を第1アンカーポイントから前記流動流体の移動経路にわたって目標位置に設置するための係留方法であって、
第1アンカーを主テザーの第1端に取り付けて、前記第1アンカーを前記第1アンカーポイントに固定するステップと、
前記発電手段を前記主テザーの第2端に取り付けるステップと、
流体力学的揚力生成手段を前記主テザーの前記第2端に取り付けるステップと、
前記流動流体からの揚力を得るように、前記流体力学的揚力生成手段を調整して、前記揚力を前記流動流体の流動経路に対して横方向に作用することにより、前記発電手段を前記目標位置に引っ張るステップと、
一距離にわたって分布される複数の付加的なアンカーポイントを設定し、付加的なアンカーをそれぞれの前記付加的なアンカーポイントに固定するステップと、
前記主テザーの前記第1端を前記第1アンカーから取り外して、前記付加的なアンカーポイントの1つに移動して、前記付加的なアンカーポイントに対応する前記付加的なアンカーに取り付けることにより、前記発電手段を有する前記主テザー及び前記流体力学的揚力生成手段を前記第1アンカーポイントから前記付加的なアンカーポイントの1つに移転するステップと、
前記発電手段の位置決めの範囲を拡大するステップと、
移転のステップの期間、少なくとも1つの動力船を使用して、前記主テザー上の張力を緩めるように、前記主テザーの前記第2端で又は付近で前記発電手段及び前記流体力学的揚力生成手段を牽引して保持して、第2動力船を使用して、前記主テザーの前記第1端を移動するステップをさらに含むことを特徴とする係留方法。 - 流体力学的パワーを変換するための発電手段を前記発電手段に向かって移動する流動流体に展開し、前記発電手段を第1アンカーポイントから前記流動流体の移動経路にわたって目標位置に設置するための長距離移転方法であって、
第1アンカーを主テザーの第1端に取り付けて、前記第1アンカーを前記第1アンカーポイントに固定するステップと、
前記発電手段を前記主テザーの第2端に取り付けるステップと、
流体力学的揚力生成手段を前記主テザーの前記第2端に取り付けるステップと、
前記流動流体からの揚力を得るように、前記流体力学的揚力生成手段を調整して、前記揚力を前記流動流体の流動経路に対して横方向に作用することにより、前記発電手段を前記目標位置に引っ張るステップと、
一距離にわたって分布される複数の付加的なアンカーポイントを設定し、付加的なアンカーをそれぞれの前記付加的なアンカーポイントに固定するステップと、
前記主テザーの前記第1端を前記第1アンカーから取り外して、前記付加的なアンカーポイントの1つに移動して、前記付加的なアンカーポイントに対応する前記付加的なアンカーに取り付けることにより、前記発電手段を有する前記主テザー及び前記流体力学的揚力生成手段を前記第1アンカーポイントから前記付加的なアンカーポイントの1つに移転するステップと、
前記発電手段の位置決めの範囲を拡大するステップとを含み、
前記発電手段を有する前記主テザー及び前記流体力学的揚力生成手段を移転する前記ステップは、長距離移転のための1グループの動力船を使用して、前記主テザーの前記第1端及び前記第2端で又は付近で牽引するステップをさらに含むことを特徴とする長距離移転方法。
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