JP2018538783A - 再生可能エネルギー源からエネルギーを生成する方法および装置 - Google Patents

Abstract

自然フローの少なくとも１つの形式から電気を起こすように配置された発電機アレイであって、該発電機は、自然エネルギー・フローからのエネルギーによって駆動され、駆動機構に接続された駆動シャフトを有し、該発電機はさらに、一体化された電動機、および駆動機構に切断可能に接続された個々の発電機を含み、該個々の発電機は一連のタイによって接続され、接続されている発電機アレイを形成し、該アレイは、発電するために、駆動機構に接続されている時は駆動機構により回転され、該駆動機構と切断されているときは一体化された電動機により回転される、発電機アレイ。該発電機は一体化された電動機に動力を供給するように配置された電気貯蔵装置をさらに含む。少なくとも１つの自然エネルギー・フローから発電する方法であって、前記の発電機アレイを使用して、電気貯蔵装置に、ローカルな使用に、電気グリッドに電気を供給するための方法。【選択図】 図２

Description

本発明は、再生可能な自然フローエネルギー源（renewable natural flow energy sources）からエネルギーを生成する方法、貯蔵する方法、および装置に関する。本発明は特に、自然により生じるエネルギーフローまたは源、たとえば風、太陽、水力、潮汐エネルギーによるエネルギー生成および貯蔵に関係する。

世界の電力需要に供給するための代替えの、ゼロエミッションの再生可能エネルギーへの需要は常に増加している。輸送手段が電気的に駆動された技術の使用の方へ変化するとともに、ゼロエミッション電力への要求は増加するだろう。世界の一部では水道設備は基本的な要求であり、ある場合には、水の供給は海からであり、水の脱塩が必要である。水の脱塩は、上水を提供するために大量の電気を要求する。

輸送、料理、水の加熱、家庭用途、そして産業とビジネスにおける増加する使用のために、清浄なゼロエミッション電力が不可欠である。電力を生成するための石炭およびガスの持続的な使用は、長期的に持続可能ではない。追加の必要性は、炭素に基づいた化石燃料の燃焼を低減し、かつ気候変化を低減するために、田舎および極貧の場所に電気を提供することである。自然フローにより生成されたエネルギーは、どんな炭素排出にも帰着せず、化石燃料の継続的な使用およびそれに対する依存の必要を低減する実行可能な選択肢である再生可能エネルギーである。用語「自然フロー」は直接の炭素放射に帰着しない再生可能エネルギー源を意味するために以下に使用され、たとえば風、水力、太陽および潮汐エネルギー・フローである。

電気を起こすために陸および沖での多数の風で駆動される解決策が存在するが、これらは自然な風の出力に制限される。そしてさらに大容量の単一の発電機および風フロー駆動ギアを収容し回転させるのに必要な構造への要求がある。現在、ブレードの長さは、高容量８ＭＷの発電機を駆動するのに必要な各ブレードについて８０ｍを超過する。１０ＭＷの風力タービンは、現在テスト下にある。また、最新の設計および技術を使用する２０ＭＷの風力タービンの可能性がある。これらも大きなブレードの使用を要求するだろう。風フローが低い場合、無い場合、または風速が大きすぎて安全限界に到達している場合、これらの「タービン」は休止する。休止している場合、電気はタービンによって生産されない。

太陽エネルギーは日中時間にのみ生産することができる。また、最高出力は吸収された直射日光の量、または電気を生産するために反射された量により決定される。太陽電池は、電気を提供するために土地および／または屋上スペースの広大なエリアを消費する。平均の太陽エネルギーは、雲がない日の正午でおよそ１，０００ワット毎平方メートルを生産する。

多数の設計および試みにもかかわらず、潮汐エネルギーは大成功していない。この自然エネルギー・フローの利用が効果的になるために、潮が流入し、流出する時の自然な変化により、エネルギー生産のピークと谷を提供するだろう。しかしながら、これは、予測可能性と管理可能な形式を提供するだろう。

制御可能な再生可能エネルギー電気生産の最も成功した形式は水力である。それによって電気は、ダムに格納される水からの水フローによって駆動された発電機から生産される。低い要求期間には、発生した電気はダムに水を戻すために使用される。

風、潮、太陽の再生可能エネルギー技術の、現状での基本的欠陥は、それらが発電する自然フローにのみ頼っているということである。これらの自然フローは常に利用可能であり、安定し、一貫しているわけではなく、水力、風および太陽の場合には最適な場所はしばしば居住場所、都市および産業センターから遠くに位置する。従って配電網が、電力が必要なエリアおよび場所に電力を供給するために、既存の発電所から電力を集めるために拡張されなければならない。

本発明の第１の態様では、
自然のフローの少なくとも１つの形式から電気を起こすように配置された発電機が提供され、
該発電機は、自然エネルギー・フローからのエネルギーによって駆動され、駆動機構に接続された駆動シャフトを有し、
該発電機はさらに、一体化された電動機（integrated electric motor）、および駆動機構に切断可能に（disengageably)接続された個々の発電機（individual generators）をさらに含み、
個々の発電機は一連のタイ(ties)によって接続され、接続されている発電機アレイ（generator array）を形成し、
該アレイは、発電するために、駆動機構に接続されている時は駆動機構により回転され、駆動機構と切断されているときは一体化された電動機により回転される。

好ましくは少なくとも２、より好ましくは３から８、およびさらに好ましくは４個のタイが、発電機のシリーズを接続するために使用され、アレイを形成する。タイは発電機のアレイのまわりに等しい間隔で配置してもよい。

好ましくは、タイはそれぞれ、少なくとも本質的に堅い。

好ましくは、タイはそれぞれ、少なくとも本質的に発電機アレイの各発電機に堅く接続される。

好ましくは、駆動機構の回転によって発生した電気は、電気供給グリッドに供給され、ローカルに使用されるか、またはオンサイトまたはオフサイトである電気的な貯蔵装置に貯蔵されることができる。

電気的な貯蔵装置は１つ以上のバッテリであることができる。好ましくは、バッテリーはオンサイトにある。１つまたは個々の電気的な貯蔵装置は、余分のエネルギーがバッテリーに与えられる場合に充電され、必要に応じてエネルギーを放出することができるようにされた従来型であることができる。

好ましくは、個々の発電機はそれぞれローターとステーターを含む、ブラシレスタイプ発電機である。タイによる駆動シャフトへの個々の発電機の接続は、使用条件およびユーザの必要に適するサイズとなるようにすることができるアレイを形成する。

発電機の駆動シャフトは、風、潮または水のフロー、またはそれらのフローの組み合わせによって駆動されてもよい。他のタイプの自然のフローも利用されてもよい。発電機は風力により駆動されても良く、羽根の運動は駆動シャフトを駆動するために回転運動に変換されることができる。他の実施態様では、発電機アレイはソーラーパワーにより駆動することができ、ソーラーパネルによって生成された電気エネルギーは、接続している発電機アレイを回転させるか一体化された１または複数の電動機を駆動するために利用されることができる。川の水を流すことにより、または潮の流れによる水の流れにより、発電機アレイが駆動されてもよいことが理解されるだろう。自然エネルギー・フローの他の形式も使用されてもよい。

発電機アレイが一体化された電動機を組み込む場合、発電が必要な時にアレイは遠隔でオン／オフを切り替えることができる。したがって、自然フローが十分な場合、この発電機アレイは有効に自然フロー手段によって連続的に発電することができる。または自然フローが不十分な場合に、アレイを駆動するために局所的に貯蔵されたエネルギーを使用することができる。したがって、アレイはより効率的で、信頼でき、コスト効率が良く安定した電気供給を生産し、全体的な投資効率を増加させることができる。

任意に、アレイは、１つまたは複数のアレイに望ましくは取り付けられる機械装置を駆動するように配置することができる。

好ましくは、個々の発電機のそれぞれは、１Ｗから５０ＭＷ、より好ましくは１Ｗから１０ＭＷ、より好ましくは１Ｗから５ＭＷのキャパシティーを有する。好ましい実施態様では、個々の発電機のそれぞれは、１ｋＷから５ＭＷのキャパシティーを有する。

好ましくは、それぞれの発電機アレイは、１Ｗから５０ＭＷ、好ましくは１Ｗから１００ＭＷ、より好ましくは５Ｗから５０ＭＷのキャパシティーを有する。

個々の発電機が接続している発電機アレイを形成し、発電機の全キャパシティーの能力が小さなマルチワット発電機から大きなマルチメガワット発電機となるようにすることは望ましい。個々の発電機の各々は「積み重ねることができるか」または中央のサポートシャフト上に配置され、タイによって駆動機構に接続され、発電機が全体として増加したキャパシティーを持つことを可能にすることができる。タイは中央のサポートシャフトと平行であることができる。

発電機アレイは、２から１００の個々の発電機または２から５０の個々の発電機、または２から２０の個々の発電機を含んでもよい。

利点はより小さな構造で工場内に個々の発電機を組み立てることができるということ、および個々の発電機を組み合わせ、オンサイトで積み重ねることができ、したがって輸送のコストおよび複雑さを最小限にすることである。個々の発電機がそれぞれより小さな構造の中で組み立てられるので、これらは発電機アレイの希望の位置へ道路または海路によって輸送するのがより簡単である。

あるいはまたはさらに、発電機の小さなスタックが製造され輸送されてもよい。また、ユーザの所要電力を満たすために、これらの小さなスタックはより大きなスタックに組み立てられてもよい。例えば、２−１０の発電機のサブスタックを製造することができ、ついで必要に応じ、組み合わされてより大きなスタックにしてもよい。そのような場合、各々のサブスタックのタイエレメントは互いに連結され、完成したスタックのタイを形成することができる。

「タイ」と「タイエレメント」の用語は交換可能に使用される。

いくつかの実施態様では、発電機アレイは、発電機アレイを収容する構造用支持タワーをさらに含む。構造用支持タワーはさらに、自然フローと相互に作用し、かつ中心ドライブシャフト、そしてその結果駆動機構を駆動するように配置されたブレードを支持することができる。支持タワーは、さらにソーラーパネルまたはソーラーパネルアレイのマウントの場所を提供することができる。

好ましい実施態様では、発電機アレイはさらに電気的な貯蔵装置を含む。望ましくは、電気的な貯蔵装置はバッテリーである。また、バッテリーは自然のフローエネルギーによって充電されるように配置される。いくつかの実施態様では、バッテリーはソーラーパワーによって充電されてもよい。他の実施態様では、バッテリーは発電機アレイによって発生した電気によって充電されてもよい。それぞれのバッテリーによって貯蔵されたエネルギーは比較的小さいので、従来のバッテリーおよびストレージ手段（それは既に利用可能である）を使用することが可能である。それにより自然エネルギーから生成された再生可能エネルギーの大規模貯蔵に関連した問題のうちの１つである、ピーク時にグリッドに供給することを克服できる。

好ましくは、発電機アレイは、グリッドからのエネルギーおよび／または電気的な貯蔵装置によって動力が供給されるように配置される１つまたは複数の一体化された電動機をさらに含む。一体化された電動機は、一旦電磁気カプラーが活性化され、発電機アレイが自然フロー駆動機構から切断されれば、発電機アレイを回転させるためにバッテリーに貯蔵されたエネルギーを使用することができる。駆動シャフトと駆動機構を駆動するエネルギーの自然フローがない場合、または運用上の安全限界により自然フローを使用することができない場合に、これは起こるだろう。例えば、バッテリーは、発電機アレイと離れているソーラーパワー・ユニットからのエネルギーを貯蔵するために使用されるか、または発電機アレイからの余分のエネルギーを貯蔵してもよい。したがって、発電機アレイ、貯蔵装置および電動機はロードのバランスをとるために使用されてもよい。

電動機は発電機アレイと一体化され、発電機アレイが、たとえば電磁気カプラーによって自然フロー駆動機構から切断される場合にのみ活性化される。ローカルにまたはグリッドからの電力の必要がない場合、電動機を接続する必要はない。望ましくは、一体化された電動機が接続され発電機アレイを駆動する場合、電磁気カプラーは、自然フロー駆動機構から解放される。電磁気カプラーを接続するか切断する場合、自然フロー駆動機構は摩擦ブレーキによって好ましくは適所に保持される。自然フロー駆動機構は、自然フローが存在しないか低すぎるか、高すぎる時に、中心ドライブシャフトとの接続を切って、適所におかれることができる。自然フロー駆動機構が解放されている場合、発電機アレイは一体化された電動機によって駆動され、もっと制御された一貫した電気供給を提供することができる。さらに、故障したモータのスタンバイのために、アレイへ統合されたより多くの電動機を備えることが可能である。

さらに、自然フローの少なくとも１つの形式からの電気を起こすように配置された発電機であって、自然フロー駆動機構に接続された駆動シャフトを有し、駆動機構に切断可能に接続された複数の個々の発電機をさらに含み、個々の発電機は電気を起こすために自然フロー駆動機構の回転を使用するように適合され、ここで、該発電機は、自然フローからのエネルギーによって充電される電気的な貯蔵装置をさらに含み、駆動機構を駆動するために自然フローを利用することができない場合には、電動機を作動させて発電機アレイを駆動することができる発電機が提供される。

いくつかの実施態様では、アレイは機械的装置に接続されてもよい。アレイの回転は取り付けられた機械的装置を駆動することができる。いくつかの実施態様では、自然フローは、電力貯蔵装置を充電するためにアレイを駆動する。貯蔵された電気は、一体化された電動機を駆動するために使用されることができる。またアレイの回転は、取り付けられた機械的装置を駆動するために使用されることができる。

好ましくは、発電機のアレイは、電磁気カプラーによって自然フロー駆動機構に切断可能に接続される。

個々の発電機はともに接続され、発電機アレイを形成する。好ましい実施態様では、個々の発電機はそれぞれ一連のタイによって接続されアレイを形成する。好ましくは、少なくとも２、より好ましくは少なくとも３つのタイが使用される。

望ましくは、電動機は発電機アレイと一体化される。いくつかの実施態様では、バックアップ・モータとして少なくとも１つの追加の電動機があってもよい。

好ましくは、電動機は発電機アレイとの接続されることができる。好ましい実施態様では、これは電気磁気カプラーによる。望ましくは、電動機を接続することが望まれる場合、自然フロー駆動機構を発電機アレイから切断するか解放することができる。駆動機構の切断は電磁気カプラーによってよい。駆動ギアボックスも利用されてもよい。不十分な自然フローしか利用できない時、または運転制限値に到達している場合には、摩擦ブレーキが、自然フロー駆動シャフトを遅くするか保持するために使用されることができる。また発電機アレイが一体化された電動機によって駆動されるために自然フロー駆動機構からの解放を要求する場合に、摩擦ブレーキが使用できる。

電機モーターとの接続の前に自然フロー駆動機構からアレイを切断することは効率を改良する。一体化されたモータがアレイおよび自然フロー機構（例えばタービン・ブレード）を回転させなければならないし、それにより、本質的により強力なモータを必要とし、著しく大きな貯蔵された電気を消費する必要があるからである。

発電機アレイおよび／または取り付けられたかまたは局所的なソーラーパネルにより生成される電気は、全国グリッドに供給することができ、または局所的に使用することができ、または、要求が高いが再生可能資源フローが低い場合に電動機を駆動するのに必要な１つまたは複数の電気的な貯蔵装置に充電することができる。発電機はこのように、排出物の無い再生可能エネルギーからの、より連続的で制御可能な電気を供給する。

自然フローがそれらの最適にある時生産されたエネルギーの、大規模グリッドでの貯蔵に関する困難があることが分かった。これは、発電についてのエネルギーの自然フローの使用にとって不利であると考えられた。大規模貯蔵技術が営利上利用可能ではないので、最適のフロー中に生成された電力は現在では貯蔵することができず、要求が高いが自然エネルギー・フローが低い場合に、電機グリッドへの供給をコントロールすることができない。

本発明の第１の態様による発電機アレイを含む発電機は、自然フローまたは太陽エネルギーからの過剰エネルギーによって充電される局所的なバッテリー・アレイであることができる電気的な貯蔵装置に貯蔵し、または放電することにより、これらの欠点を克服すると信じられている。その後、発電機アレイの中で一体化された電動機を駆動するために、この貯蔵された電力は放出される。

好ましくは、発電機からの電気のフローはモニターされコントロールされる。コントローラーは遠隔であることができる。好ましくは、そのコントロールは、設置位置に収容されたコントローラー回路による。コントローラーは、発電機をモニターしコントロールするようにされたコンピューターであることができる。コントローラーは、好ましくは少なくとも１つの発電機出力；バッテリー・チャージ・レベル；グリッドからのエネルギー需要；アイランディング(islanding)；回転速度；自然フロー速度；モーター接続；フロー駆動機構からの発電機の切断；および発電機内に収容された他のセンサーをモニターすることができる。

発電機が再生可能エネルギーのフローに全面的には依存しない、より安定してコントロールされた供給からの著しく高められた効率での発電を提供することが認識されるだろう。システムは完全に排出物が無く、全ての化石または人造の燃料にも依存しない。発電機アレイ中の一体化された電動機にエネルギーを供給し、次いで低い供給および高い要求の際に電気グリッドにエネルギーを提供するための自然エネルギー・フローによって生成され貯蔵された電力の使用は、燃料による発電所であって、炭素あるいは核残渣を排出する発電所における、エネルギーを提供する際の環境および長期財務コストにおける重要な危険を低減する。

有利に、発電機アレイは容易かつ低コストで、必要に応じて小容量から大容量のグリッド接続またはオフグリッドに形成することができ、垂直または水平の構造で組み立てることができる。発電機のスケール設定は発電機について個々の発電機を増すかまたは除去することにより実行されることができる。

望ましくは、太陽、風、水力、潮により駆動される自然フローを使用する発電機アレイとして発電機が使用されることを許容する、自然フローと相互作用する多くの設計を利用してもよい。いくつかの実施態様では、中央シャフトは風、水力または潮力により駆動されることができ、水平または垂直に取り付けられブレードを駆動することができる。ブレードまたは翼は小規模であることができる。大規模ブレードは、現在の大容量風力タービンの場合のように、発電機アレイから高い効率で発電を得るために自然フロー駆動機構を駆動するようには必ずしも要求されない。

別の実施態様では、発電機アレイはソーラーパネル・アレイによって生成された太陽エネルギーを使用して、一体化された電動機によって回転されてもよい。ソーラーパネル・アレイからの太陽エネルギーは、グリッドに直接供給されるか、あるいはオンサイトのバッテリーに貯蔵することができる。別法として、ソーラーアレイからの電気は一体化された電動機と出力を駆動するために使用され、発電機アレイからの出力はグリッドに供給されることができる。発電機アレイからの出力はソーラーアレイからの出力よりも大きく、効率を高めることが達成される。例えば、ソーラーアレイ出力が５ｋＷで、これがバッテリーのアレイを充電するために使用される。このバッテリー・アレイが１ＭＷの発電機アレイの中で一体化された電動機を駆動することができ、充電、放電および送信によって５ＫＷの操作損失を仮定すると９５０ｋＷの出力ゲインがある。いくつかの好ましい実施態様では、縦ブレードが利用されてもよい。

ソーラーパネルは支持タワーに固定されて、グリッドに補足エネルギーを提供するか、または１つまたは複数のバッテリーであることができる局地的な電気的貯蔵装置に補足エネルギーを提供することができる。

風フローの場合には、ブレードおよび駆動ギアボックスを支持するために使用されるタワーが、大規模、単一タービンの風で駆動される発電機の場合のように、発電機アレイを回すために高速の風をつかむために著しく高くする必要がないことが分かった。有利には、発電機アレイは、さらに発電機アレイおよびモータの制限された回動抵抗により比較的低い風速の中で作動することができる。タワーの比較的低い高さは、発電機アレイの陸上に作られたものが既存のグリッド・インフラストラクチャーの近くに位置できることを意味する。したがって長い伝送路に起因する非能率を減少させることができる。

好ましくは、個々の発電機はそれぞれのブラシレス発電機中のシールされたセラミックベアリングの長いライフサイクルを有する。一体化された電動機も、長いライフサイクルのシートルされたセラミックベアリングを含んでもよい。

有利には、単一の長いライフサイクルのシールされたセラミックベアリングの使用は、個々の発電機の寿命を大きく増加させ、維持費と休止時間を低減する。自然フロー駆動機構と発電機アレイの間に位置するギアボックスは、好ましくは長いライフサイクルの潤滑剤を含む。望ましくは、要求される他のすべてのベアリングはセラミックベースのものである。

本発明の第１または第２の態様による発電機アレイの使用は、タワー、ブレードおよび発電機アレイのより小さな要素サイズにより、輸送および組み立て費用を特に低減する。

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様による発電機を使用して、電気的貯蔵装置への充電、局所での使用、または電気グリッドへの供給のための供給用電気を発電する方法が提供される。

好ましくは、自然フローからのエネルギーは電気的な貯蔵装置に貯蔵される。貯蔵装置からの自然エネルギーは、なんらかの理由で自然フローを利用することができない場合に、発電機アレイを駆動する一体化された電動機に動力を供給するために使用することができる。

好ましくは電動機を使用することが望まれる場合、発電機アレイは自然フロー駆動機構から切断される。これは電磁気カプラーによることができる。

本発明の第３の態様によれば、ローター、およびシャフト部分上のサポート・ブラケット上に取り付けられた対応するステーターを含む個々の発電機であって、該シャフト部分は、別の個々の発電機の対応するシャフト部分に接続可能であり、ローターが複数のタイエレメントに接続可能であり、発電機アレイを形成することができる。

本発明の第４の態様によれば、サポートシャフト、および少なくとも１つの自然フローによって回転可能な自然フロー駆動シャフトを提供することを含む発電機の製造方法であって、さらに少なくとも２つの個々の発電機をサポートシャフト上にマウントすることを含み、複数のタイを使用して発電機を接続してアレイを形成し、自然フロー駆動シャフトによって駆動される駆動機構とアレイを接続することを含む方法を提供する。

好ましくは、方法はギアボックス、および任意にさらに電磁気カプラーによって発電機アレイに自然な駆動フローシャフトを接続することを含む。

個々の発電機はともに接続されて発電機アレイを形成する。好ましい実施態様では、個々の発電機はそれぞれ一連のタイによって接続されアレイを形成する。本発明は、図面を参照して例示の目的のために説明される。

図１は、本発明に従う発電機アレイについての概要の図であり、電気駆動モータが組込まれている。 図２は、垂直の駆動ブレードを備えた発電機アレイについての概要図である。 図３は、水平の駆動ブレードを備えた発電機アレイについての概要図である。 図４は、垂直のフロー・ギヤーを備えたハイブリッドの風および潮力発電機アレイについての概要図である。 図５は、垂直の駆動ブレード、および発電機アレイを囲む支持タワーに取り付けられたソーラーパネルを備えた発電機アレイについての概要図である。 図６Ａは、本発明に従う発電機アレイの概要の側面図である。 図６Ｂは、図６Ａの発電機アレイの概要の透視図である。 図６Ｃは、図６Ａの発電機アレイの概要の側面図である。

図１は、本発明に従う発電機１についての概要図である。自然フローの少なくとも１つの形式から電気を起こすように配置される。発電機は中心ドライブシャフト２を含み、これは自然エネルギー・フローによって駆動され、複数のタイ４により接続され、次いで多くの個々の発電機６に接続され、かくしてアレイ８の駆動機構を形成する。駆動機構の回転は次にはアレイを回転させて、電気を起こす。発電機アレイ８は複数の個々の発電機６を含む。それらのそれぞれはさらに電気を起こすために電磁気カプラーにより駆動機構２に接続され、個々の発電機は駆動機構または一体化された電動機の回転のために使用するように配置される。

個々の発電機６および一体化された電動機はタイに接続され、アレイを形成する。その後、タイはスプライン結合により駆動シャフトに接続される。それは電磁気カプラーに接続され、次に自然フロー駆動機構に直接接続される。

個々の発電機６はそれぞれローター１０およびステーター１２を含む。個々の発電機の各々はサポート・ブラケット１６によって中央のサポートシャフト１４上に支持される。

サポート・ブラケット１６は各々中央のサポートシャフト１４に取り付けられ、外側にそこから伸びる。

中央のサポートシャフト１４は、中央のサポートシャフト上のサポート・ブラケットにボルトで締められた多くのステーター１０を支持する。使用の際にステーター１２とそれぞれのローター１０の間に位置するように、セラミックベアリングが固着される。その後、ローター１０はステーター１２上に、またはそのステーターに沿って配置される。

ローター１０は互いに接続され、スプライン結合された駆動シャフト２に、一連のタイ４により接続され、長さ方向に伸びる一連の接続タイ４のアレイを含む駆動機構を形成する。駆動シャフト２が、一連の接続タイ４により形成された発電機アレイ８を回転する時、中央のサポートシャフト１４およびステーター１２のまわりにローターを回転させる。

ローター１０はそれぞれ一連の極性化された磁石（図示せず）を含んでいる。ローターが一連のエナージングポール(energising poles)および銅線を含むステーター１２の回りを回転する時、ポールは磁石によってエネルギーを与えられ、電気が発電される。

中央のサポートシャフト１４は中空で、個々の発電機の接続に必要なワイヤリング１８のすべてを含む。

ブラシレス電動機２０も提供され、中央のサポートシャフトのまわりのブラケット上に取り付けられて、アレイタイに接続される。モータ２０のためのワイヤリングも中央のサポートシャフト内に位置する。

この実施態様では、発電機は４つのローターおよびステーターを含み、各ローター・ステーター・ペアは個々の発電機６を形成し、さらに電動機２０を含む。個々の発電機および一体化されたモータの数は、発電機に全体として要求される発電出力の規模に応じて増加または減少することができる。２から１００の個々の発電機が、発電機を形成するために使用されることができる。

個々の発電機６の各々はオフサイトで作り上げて発電機の位置へ輸送され、オンサイトでともに接続することができる。個々の発電機６は従来の風力タービンに必要な大きな発電機と比較してそれぞれ非常に小さく、輸送するのがより簡単である。個々の発電機によって発生した電気は、電気供給グリッドに供給されるか、あるいはローカルに使用されるか、電気的な貯蔵装置に貯蔵される。

図２を参照する。図２は発電機アレイ８と垂直に配置されたブレード２２を示し、発電機が構造用支持タワー２４に収容されている。ブレード２２は、フロー駆動ギアボックス２６および電磁気カプラー２８を介して中心ドライブシャフト２に接続される。図２および３に示されるように、ブレード配置は垂直の構造または水平の構造のいずれかであることができる。発電機アレイも水平か垂直の構造の中で配置することができる。

図３の実施態様では、フロー駆動ギアボックス２６は、垂直の自然フロー駆動シャフト３６と発電機アレイ８の間に、電磁気カプラー２８を介して配置される。ブレードおよび自然フロー垂直駆動シャフト３６は、電磁気カプラー２８を介してフロー駆動ギアボックス２６へ、次いでアレイ駆動シャフト２に接続される。フロー駆動ギアボックスへの駆動シャフト２の接続は、図２および３に最もはっきり示される電気磁気カプラー２８によってコントロールすることができる。自然フローが低い場合、または自然フローが運用上の安全性限界より上にあるが、エネルギー需要が高い場合、発電機アレイ８は電気磁気カプラー２８によって接続することができるか、または自然フロー駆動ギアボックス２６から切断される。自然フローを利用することができないが、要求が高い場合、駆動シャフト２はフロー駆動ギアボックス２６から切断され、一体化された電動機２０を発電機アレイを駆動するために接続することができる。

接続および切断中に、自然フロー駆動ギアボックス２６は摩擦ブレーキ３０で適度に遅くされ保持される。切断し自然フロー駆動ギアを静止した状態で保持することは、支持タワーの近くで、または支持タワー内にオンサイトで収容されたバッテリー・パワーによって動力が供給される電動機２０によって発電機アレイが駆動されることを可能にする。

駆動ギアが自然フロー駆動ギアボックス２６から切断されると、一体化された電動機２０は接続され発電機アレイを駆動することができる。

発電機アレイを駆動するためのバッテリー中の蓄積エネルギーの使用は、グリッドまたはオフグリッドのいずれかの必要な場所への電気のより連続的で制御可能な供給を提供する。

制御回路が提供され、コントローラーに接続される。コントローラーは、発電機からの電気のフローをモニターし、遠隔にまたは設置位置でコントロールされる。コントローラーは発電機出力；バッテリー・チャージ・レベル；グリッドからのエネルギー需要、アイランディング、発電機アレイ回転速度、自然フロー速度、モータ接続、フロー駆動ギアからの発電機アレイの接続と切断、アレイ内に収容された他のセンサーをモニターする。

図３は図２に類似するが、ブレード３４がフロー駆動ギアボックス２６に水平に接続される駆動シャフト３６を回転させるように配置される異なる実施態様を示す。同じ参照番号は同じ要素に使用される。空気ブレードはプロペラのように回転するように配置され、自然フロー駆動シャフト３６は本質的に水平である。駆動シャフト３６は、垂直の回転へ動きを変換するフロー駆動ギアボックス２６に接続される。先のように、電磁気カプラー２８が提供される；これは、フロー駆動ギアボックス２６と駆動シャフト３６を接続し、または切断することができる。

先のように、フロー駆動ギアボックスからの駆動力は、駆動シャフトに伝わり、それがステーターの数々の対応する多くのローターを回転させる。この実施態様では、１つの電動機と、９つの個々の発電機がある。

図４は、他のプラットフォームおよび／または海底または河床に拘束されることができる浮桟橋３８上に取り付けられた、風および潮のハイブリッド構造の例の概要図である。ハイブリッド発電機アレイは、風力から電気を起こすように配置された第１の発電機アレイ４０を含む。ハイブリッド発電機は、潮汐水フローから電気を起こすように配置された第２の発電機４２を含む。ブレード配置は、垂直構造または水平構造、または両方の組み合わせのいずれかであることができるが、この例においては、両方のブレードは垂直駆動構造にある。支援タワー４４；４４’は浮桟橋３８に接続された。この構造または同様の構造は水力および風力フロー、および／または深海流および海流フローによる解決ができる場所に設けることができる。支持タワー４４は上方へ伸びて風力フローに接続され、潮力フローのための支持タワー’４４’はプラットフォームから下方へ伸びて、防水性とされる。

図５を参照する。図５はブレード４６が垂直に配置され、ソーラーパネル４８が支持タワー２４の外部表面に取り付けられている実施態様を示す。ソーラーパネルは、タワーのまわり３６０度に取り付けることができるか、または日光への暴露を最大限にするように配置することができる。この構造はすべてのサイトに適するだろうが、スペースの１平方メートル当たりで最大の再生可能エネルギーを得るために、都市環境、小さな場所、屋根上、遠隔場所またはモバイルか一時的な場所および水性の容器について特に役立つだろう。ソーラーパネル・アレイは、グリッドまたはローカルの電力量貯蔵装置に電気を直接供給してもよい。

ソーラーパネル・アレイは、発電機アレイを操作するために一体化された電動機を駆動するように配置することができる。

図６Ａ−６Ｃは、５つの個々の発電機６６および１つの一体化されたモータ８０を備えた代替発電機アレイ６１を示す。

図６Ａは、本発明に従う代替発電機６１についての概要図であり、自然フローの少なくとも１つの形式から電気を起こすように配置され、発電機は自然エネルギー・フローによって駆動される中心ドライブシャフト６２を有し、多くのタイ６４に接続され、タイは多くの個々の発電機６６に接続されて、アレイ６８の駆動機構を形成する。駆動機構の回転はアレイ６８を回転させて、電気を起こす。発電機アレイ６８は複数の個々の発電機６６を含み、その各々は電磁気カプラーを介して駆動機構６２に接続され、個々の発電機のそれぞれはさらに電気を起こすために駆動機構の回転または一体化された電動機の回転を利用するように配置される。

個々の発電機６６および一体化された電動機８０はタイに接続されアレイを形成する。その後、タイはスプラインされた駆動シャフトに接続される。それは電磁気カプラーに接続され、次に、自然フロー駆動機構に直接接続する。

個々の発電機６６はそれぞれローター７０およびステーター７２を含む。個々の発電機の各々はサポート・ブラケット７６によって中央のサポートシャフト７４上で支持される。

サポート・ブラケット７６は各々中央のサポートシャフト７４に取り付けられ、外側にそこから伸びる。

中央のサポートシャフト７４は、中央のサポートシャフト上のサポート・ブラケットにボルトで締められる多くのステーター７０を支持する。セラミックベアリングが固定され、それがステーター７２とそれぞれのローター７０の間に位置するようにされる。その後、ローター７０はステーター７２上に、またはそのステーターに沿って配置される。

ローター７０は互いに接続され、さらに一連のタイ６４によりスプラインされた駆動シャフトに接続され、長さ方向に伸びる接続タイ６４のアレイを含む駆動機構を形成する。駆動シャフト６２が回転すると、一連の接続タイ６４によって形成された発電機アレイ６８は、中央のサポートシャフト６４およびステーター７２のまわりにローターを回転させる。

接続マウント６５が各ローター７０上に提供され、電動機８０のローターを含み、発電機とモータを連結する各ローターへのタイ６４の接続を促進する。

他の実施態様では、１つを超える一体化された電動機８０が単一のアレイ６８内に提供されてもよい。

図６Ａ−６Ｃの中で示される例において、４本のタイが発電機アレイを接続するために提供される。タイは堅く、ローターがそれぞれ各タイに接続されるように、アレイに沿って長さ方向に配置される。

他の実施態様の中で、異なる数のタイが提供されることができ、例えば、３、５、６、７、８、９または１０のタイが提供されることができる。異なるかまたは追加の実施態様の中で、すべてのローターがすべてのタイに接続される必要は無く、たとえば各ローターは、交互にタイに接続されるか、またはタイのサブセットにのみ接続されることができる。異なるかまたは追加の実施態様では、タイは長さ方向で無く、たとえば発電機アレイのまわりで曲がっていてもよい。

１つの端で、タイ６４はベアリング６７に接続される。ベアリングは、中央のサポートシャフト６４上に保持され、その上を自由に回転し、ローターがステーターに関して回転することを可能にする。

もう１つの端で、タイ６４は電磁気カプラーまたは中心ドライブシャフト上のクラッチ６２を介して駆動機構に接続される。したがって、所望により、アレイは自然フローから分断することができる。

当業者は、モータ８０は、異なる例ではアレイ６８に沿っていかなる場所にも位置することができ、図６Ａ−Ｃに示されるようにアレイの片端にあるように制限されないことを理解するだろう。

図１から５に示される例に関して議論された特徴のいずれも、図６Ａ−Ｃに示される例に適用することができる。

この実施態様中の発電機アレイは自然フローによって少なくとも一部分が駆動されると記述されたが、多くの他の用途で利用されるようにアレイのデザインが利用できることが認識されるだろう。例えば、アレイは１つまたは複数のエネルギー蓄積装置に充電するに十分な電気を起こすために利用されてもよい。貯蔵された電気は、一体化された電動機を駆動し、かつアレイを回転させるために利用することができる。アレイの回転がさらに１つまたは複数のアレイに取り付けられることができる機械的装置を駆動することができることが認識されるだろう。

Claims (23)

1. 自然フローの少なくとも１つの形式から電気を起こすように配置された発電機アレイであって、
   該発電機は、自然エネルギー・フローからのエネルギーによって駆動され、駆動機構に接続された駆動シャフトを有し、
   該発電機はさらに、一体化された電動機、および駆動機構に切断可能に接続された個々の発電機を含み、
   該個々の発電機は一連のタイによって接続され、接続されている発電機アレイを形成し、
   該アレイは、発電するために、駆動機構に接続されている時は駆動機構により回転され、該駆動機構と切断されているときは一体化された電動機により回転され、発電する発電機アレイ。
2. 該駆動機構の回転により発生された電気は、電気供給グリッドに供給されるか、ローカルで使用されるか、または電気貯蔵装置に貯蔵される、請求項１記載の発電機アレイ。
3. 該電気貯蔵装置が１つ以上のバッテリーを含む、請求項１または２記載の発電機アレイ。
4. 該個々の発電機のそれぞれが、ローターおよびステーターを含むブラシレスタイプの発電機である、請求項１から３のいずれか１項記載の発電機アレイ。
5. 該発電機の駆動シャフトは、風、太陽、潮または水のフロー、またはそれらのフローの組み合わせによって駆動される、請求項１から４のいずれか１項記載の発電機アレイ。
6. 該個々の発電機のそれぞれが、中央サポートシャフト上に配置され、該駆動機構のタイによって接続され、発電機の全能力を増加させる、請求項１から５のいずれか１項記載の発電機アレイ。
7. 発電機アレイが２から１００の個々の発電機、または２から５０の個々の発電機、または２から２０の個々の発電機を含む、請求項１から６のいずれか１項記載の発電機アレイ。
8. 該発電機が一体化された電動機に動力を供給するように配置された電気貯蔵装置をさらに含む、請求項１から７のいずれか１項記載の発電機アレイ。
9. 一体化された電動機が駆動機構に連結されるように配置され、電気貯蔵装置に貯蔵されたエネルギーを使用して発電機アレイを回転させ、自然フロー駆動機構からドライブシャフトが切断されている時に個々の発電機を駆動し、任意にアレイがさらに機械的装置を駆動する、請求項１から８のいずれか１項記載の発電機アレイ。
10. 発電機アレイが電磁気カプラーにより自然フロー駆動機構と切断／接続される、請求項９記載の発電機アレイ。
11. 中心ドライブシャフトと駆動機構との間に配置された駆動ギアが、切断可能に配置される、請求項１０記載の発電機アレイ。
12. 駆動ギアが摩擦ブレーキによって保持されるか遅くされる、請求項１１記載の発電機アレイ。
13. 発電機がさらにエネルギーの自然フローにより充電されることができ、自然フローが発電機アレイを回転させるのに使用できない時に一体化された電動機を駆動できるように配置された電気貯蔵装置をさらに含む、請求項１から１２のいずれか１項記載の発電機アレイ。
14. 発電機アレイがさらに機械的装置を駆動するように配置される、請求項１３記載の発電機アレイ。
15. 少なくとも３つのタイが提供される、請求項１から１４のいずれか１項記載の発電機アレイ。
16. 発電機アレイからの電気フローがモニターされコントロールされる、請求項１から１５のいずれか１項記載の発電機アレイ。
17. コントローラーは、発電機をモニターしコントロールするようにされたコンピューターであり、コントローラーは、好ましくは少なくとも１つの発電機出力；バッテリー・チャージ・レベル；グリッドからのエネルギー需要；アイランディング；回転速度；自然フロー速度；モーター接続；フロー駆動機構からの発電機の切断；および発電機内に収容された他のセンサーをモニターすることができる、請求項１６記載の発電機アレイ。
18. 中央シャフトは風、水力または潮力により駆動されるブレードにより駆動されることができ、該ブレードは水平または垂直に取り付けられることができ、または発電機アレイはソーラーパネル・アレイによって生成された太陽エネルギーを使用して、一体化された電動機によって回転される、請求項１から１７のいずれか１項記載の発電機アレイ。
19. 発電機タワー上に取り付けられたソーラーパネル・アレイからの太陽エネルギーがグリッドに直接供給されるか、またはオンサイトの電気貯蔵装置に貯蔵される、請求項１から１８のいずれか１項記載の発電機アレイ。
20. 個々の発電機のそれぞれはローターとステーターを含み、ベアリングがそれぞれのローターおよびステーターの間に提供され、ベアリングのそれぞれが単一の長いライフサイクルを有するシールされたセラミックベアリングである、請求項１から１９のいずれか１項記載の発電機アレイ。
21. 少なくとも１つの自然エネルギー・フローから発電する方法であって、請求項１から２０のいずれか１項記載の発電機アレイを使用して、電気貯蔵装置に、ローカルな使用に、電気グリッドに電気を供給する方法。
22. ローター、およびシャフト部分上のサポート・ブラケット上に取り付けられた対応するステーターを含む個々の発電機であって、該シャフト部分は、別の個々の発電機の対応するシャフト部分に接続可能であり、ローターが複数のタイエレメントに接続可能であり、発電機アレイを形成することができる発電機。
23. サポートシャフト、および少なくとも１つの自然フローによって回転可能な自然フロー駆動シャフトを提供することを含む発電機の製造方法であって、さらに少なくとも２つの個々の発電機をサポートシャフト上にマウントすることを含み、複数のタイを使用して発電機を接続してアレイを形成し、自然フロー駆動シャフトによって駆動される駆動機構とアレイを接続することを含む方法。

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