JP2014522936A - 水流発電所およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、揚力ロータとして形成された複数のロータブレードを有する水力タービンと、該水力タービンによって少なくとも間接的に駆動される発電機とを備え、水力タービンが、出力を制限すべく、出力最適先端速度比を上回る過回転数範囲へ導かれる、水流発電所を運転する方法に関する。本発明は、過回転数範囲において、無拘束速度比に割り当てられた先端速度比を下回るキャビテーション先端速度比閾値から、少なくとも１つのロータブレード部分領域にキャビテーションが発生し、水力タービンが、負荷を制限すべく、キャビテーション先端速度比閾値を上回る先端速度比で運転されるように、水力タービンが水流発電所の没水深度に合わせて調整されることを特徴とする。

Description

本発明は、特に潮力発電所として使用される、独立請求項の前提部の特徴による水流発電所およびその運転方法に関する。

自立したユニットとして水域の流れによって駆動される発電機と共に揚力ロータとして形成されたプロペラ形状の水力タービンを備えた水流発電所が公知である。そこでは水平方向の回転軸を用いる軸流タービン設計が好ましい。その際、河川または海流からエネルギーを取り出すこのような水流発電所は、大規模なダムを築くことができないような場所での使用に向いている。潮汐からエネルギーを取り出すために、双方向に流入可能な断面を有する水力タービンが使用されてもよいし、または、流れ方向が変化した場合に水流発電所全体がそれに合わせて調整されてもよい。

通常、ダム構造において水力タービンに通じる流路に設けられる閉鎖機構なしに、同種の水流発電所に過負荷が生じた場合に周囲の流れから切り離す可能性はない。従って、流入が激しい場合に設備を保護するための措置が講じられなければならない。

出力および負荷を下方制御する可能性は、ハブ部材に回転可能に固定されたロータブレードを水力タービンに備えることである。この形式では、下方制御するために、ロータブレードがブレードピッチ（Ｆａｈｎｅｎｓｔｅｌｌｕｎｇ）に導かれる。しかしながら、このために必要な回転可能なロータブレードホルダは、特に、ゆっくりと流れる流れから効率的にエネルギーを取り出すために必要な大型の設備の場合には構造が複雑である。さらに、ブレード角度を調整するために用いられる軸受部の構成要素およびアクチュエータ、ならびに関連する制御器は故障の危険が高い。なぜなら、同種の設備は、通常、完全に水没しているので、設備の保守を実行することは極めて困難だからである。従って、相対回動不能（ｄｒｅｈｓｔａｒｒ）に取り付けられたロータブレードを用いて設備コンセプトを簡素化することによって設備の寿命が長くなる。

特に相対回動不能に固定されたロータブレードを有する水力タービンに用いられる下方制御のための代替措置は、所定の出力または負荷閾値に達した場合に出力最適先端速度比を上回る先端速度比で水流発電所を運転することである。例示として、特許文献１を参照されたい。この場合、先端速度比は、翼端速度とロータ回転面にわたる平均流入速度との比である。

下方制御のために用いられる過回転数範囲は、出力最適先端速度比から無拘束速度比に割り当てられ、制動する発電機トルクのない先端速度比にまで及ぶ。その場合、流入が激しい場合に下方制御するために用いられる先端速度比は、設備に大きい負担をかける遠心力をもたらす。高い先端速度比に対して、水力タービンが受ける出力が効果的に低減されるが、水力タービンが受ける推力は同じように小さくはならない。その結果、無拘束速度比において、平均流入速度が引き続き増加した場合、設備に致命的なスラスト負荷を及ぼし得る推力係数が生じる。

独国特許出願公開第１０２００８０５３７３２号明細書

本発明が基礎とする課題は、水流発電所、および先端速度比が小さいうちに、出力および負荷、特に軸方向スラスト負荷に関して効果的に低減する、制御過回転数範囲で水力タービンを作動させる方法を提供することである。特に、無拘束速度比に割り当てられた先端速度比よりも十分に小さい先端速度比にするための下方制御が行われなければならない。

本発明が基礎とする課題は、独立請求項の特徴によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項から明らかになる。

本発明は、同種の水流発電所、特に潮力発電所を出発点とする。これは、揚力ロータとして形成された複数のロータブレードを有する水力タービンを備えた水流発電所に該当する。特に好ましいのは水平ロータタービンである。この水力タービンは少なくとも間接的に発電機を駆動し、その場合、直接駆動、すなわち、発電機と水力タービンとが駆動軸を介して相対回動不能に結合されることが好ましい。これに代えて、発電機と水力タービンとの結合は、例えば流体継手を介在させて間接的に行われてもよい。

従って、発電機によって生成された発電機トルクが水力タービンに制動作用し、その際、開ループ制御または閉ループ制御することによって発電機のステータ電圧成分（ｄ、ｑ）を適応させるべく、従って特定の発電機トルクを設定すべく負荷電流を調整することができる。発電機用のこの制御装置は、例えば、直流電圧中間回路、発電機側整流器、および発電機の電源供給のための電源網側インバータを有する周波数変換器によって実現される。その場合、発電機側整流器は発電機ステータに負荷電流を設定する。流れから取り込まれた電力を制限するために、水力タービンが所定の公称出力から誘導によって過回転数範囲へ下方制御される。このために、出力最適先端速度比λ_optに対する水力タービンの先端速度比λはより大きい値へシフトされる。その場合、水力タービンの高速回転は、制動トルクとして摩擦損失のみが水力タービンに作用する無拘束速度比まで行われ、すなわち発電機トルクが完全になくなる。この場合、無拘束速度比は平均流入速度に依存し、ここで、無拘束速度比に割り当てられた先端速度比λ_dは実質的に一定のままである。

本発明では、同種の水流発電所の下方制御が、無拘束速度比に割り当てられた先端速度比λ_dからさらに低い先端速度比λの方向に十分に離れた範囲で行われる。その結果、発電機トルクが完全になくなることにより水力タービンが解放されるまで安全リザーブ（Ｓｉｃｈｅｒｈｅｉｔｓｒｅｓｅｒｖｅ）が生じる。この目的のために、本発明では、水力タービンの特性曲線がキャビテーション時の運転に適応される。なぜなら、キャビテーションの発生時に先端速度比λの増加とともに出力係数および推力係数の曲線が急激に低下するからである。

それゆえ、水力タービンは、過回転数範囲、すなわち、出力最適先端速度比λ_optの上方に、無拘束速度比に割り当てられた先端速度比λ_dを十分に明確に下回るキャビテーション先端速度比閾値λ_kが規定されるように水流発電所の没水深度に合わせて調整される。その場合、制御装置には負荷制限手段が設けられており、この負荷制限手段は、流入が激しい場合にλの値がキャビテーション先端速度比閾値λ_kの上方に続くように水力タービンの先端速度比λを調整する。その結果、次のことがもたらされる：
キャビテーションの発生時の水力タービンの出力係数の急激な低下によって、先端速度比λがまだ比較的小さいうちに下方制御が行われ、水流発電所の回転ユニットではわずかな遠心力が受け止められる。それによって、ノーマル運転のために、すなわち出力最適先端速度比λ_optでの出力最適運転において、比較的高い先端速度比λを使用することができ、その結果、軸受部が簡素化される。特に、滑り軸受を使用することができる。さらに、出力最適運転における回転数が十分に高いために、小さいサイズの発電機が可能になる。

水力タービンがキャビテーション範囲で回転する流入が激しい条件下では、ブレード先端速度が高くなる。その場合、キャビテーションの気泡が破裂すると騒音が発生し、この場合に高速で回転するロータブレードから海洋生物を遠ざける。さらに、キャビテーションは、ロータブレード上に付着した海洋植物を除去する。

この場合、水流発電所の下方制御は、水力タービンが受ける出力の制限と並んで、好適にも水力タービンの推力を回転方向に制限することに関係する。ロータにおける推力は、所定の負荷閾値を上回ると、より高い先端速度比λへの移行によって低減することができる。本発明では、本発明によるロータ特性曲線から生じる推力係数Ｃ_Fの急激な低下がキャビテーションの発生時に利用される。そうでない場合は、下方制御のためにはるかに高い回転数が必要であるので、無拘束速度比が達成される恐れがあり、この場合、平均流入速度が引き続き増加して水力タービンによってもたらされるスラスト負荷を連続的に上昇させる。

ロータをキャビテーションに耐え得るように設計するために、キャビテーションに見舞われるロータブレードの部分が保護コーティングを備えることが好ましい。この目的のために、エラストマが塗布されてもよい。これに代えて、キャビテーションが予想されるロータブレード表面の個所にキャビテーションに耐え得るカバー、例えばプラスチックエレメントが、負荷を受ける構造体に固定される。その場合、ロータ特性曲線は、キャビテーションがブレード先端部において極所的に限定されるように没水深度に合わせて調整される。あるポジションにおいてロータ回転面の頂点にキャビテーションが生じ得るロータブレードの領域が、ブレードの長手方向の径方向外側の３分の１の部分に制限されることが好ましい。

図１は、従来技術による実施形態と比較した、本発明による水流発電所の水力タービンの出力係数の例示的プロファイルを示す。 図２は、本発明による水流発電所を示す。 図３は、本発明による水流発電所の出力制御および負荷制御運転を示す。

以下、実施例を用いて、かつ以下に詳しく示す図を参照して本発明をより詳しく説明する。

図２は、タワー５と重力式基礎８とにより海底面９に支持された本発明による水流発電所１を模式的に簡略化した図を示す。この場合、水流発電所１は完全に海面１０下にある。

水流発電所１の回転ユニット２は、ロータブレード４．１、４．２、４．３を有するプロペラ形状の水力タービン３を備えている。各ロータブレード４．１、４．２、４．３は、径方向外側半分の部分に、エラストマコーティングとして形成されたキャビテーションに耐え得るコーティング６．１、６．２、６．３を有している。さらに、発電機１１は、水力タービン３と相対回動不能に接続されていることが好ましい。発電機には、発電機トルクを調整するために用いられる制御装置１２が割り当てられており、水力タービン３の回転数の誘導が所定の先端速度比λをもとにして行われる。その場合、制御装置１２は、キャビテーション先端速度比閾値λ_kを上回るまで先端速度比λを調整する負荷制限手段１３を備えている。

さらに、図２は、過回転数範囲での、すなわち流入が激しい場合に出力最適先端速度比λ_optを上回る先端速度比λでの運転時の本発明による水流発電所を示す。ロータブレード４．１、４．２、４．３の先端部のロータブレード部分領域７．１、７．２、７．３にはキャビテーションの気泡が形成されており、この場合、キャビテーションは頂点Ｓの通過時に最も著しく、それぞれのロータブレード４．１、４．２、４．３上での空間的広がりが最大である。その場合、ロータ特性曲線は、キャビテーションがキャビテーションに耐え得るコーティング６．１、６．２、６．３の領域に制限されるように、水流発電所１の没水深度Ｔに依存して形成されている。

図１は、キャビテーョン運転用に設計された水力タービン３の作用を示す。ここには、先端速度比λに対する出力係数Ｃ_pおよび推力係数Ｃ_Fのプロファイルが示されている。この場合、出力係数Ｃ_pは、水力タービン３が受ける出力Ｐ、流動媒体の密度ρ、平均流入速度ｖ、およびロータ半径ｒから次のように算出される：

出力係数Ｃ_pは、出力最適先端速度比λ_optに対して最大値を有する。

さらに、推力係数Ｃ_Fは、水力タービン３の回転軸の方向の推力Ｆ、流動媒体の密度ρ、平均流入速度ｖ、およびロータ半径ｒから次のように算定される：

図１における実線での曲線は、本発明の実施形態での水力タービン３の特性曲線を示す。この場合、キャビテーション先端速度比閾値λ_kが設定され、この閾値を上回るとキャビテーションが発生する。先端速度比λがキャビテーション先端速度比閾値λ_kを上回ると出力係数Ｃ_pおよび推力係数Ｃ_Fが急激に低下することが見て取れる。キャビテーションが発生しないときには水力タービン３にこうした低下は見られない。このことは、キャビテーション運転用に設計されていない水力タービンに関する破線で示された曲線ＩおよびＩＩを用いて示されている。これらの曲線は、はるかに高い出力係数Ｃ_pと推力係数Ｃ_Fを示すので、キャビテーションが発生しない（ｎｉｃｈｔ ｋａｖｉｔｉｅｒｅｎｄ）潮力発電所の下方制御は、本発明による実施形態と比べて無拘束速度比ｎ_dに割り当てられた先端速度比λ_dの範囲ではるかに高い先端速度比λをもたらす。水力タービンは、そのロータ設計、特に選択されたロータ断面が、没水深度に対して、キャビテーション先端速度比閾値λ_kに関してλ_k＜０．９λ_d、そして特に好ましくはλ_k＜０．８λ_dであるように設計されていることが特に好ましい。

本発明により利用されるキャビテーション現象によって、先端速度比λが比較的低いうちに制御が行われるので、十分に高い出力最適先端速度比λ_optで運転することができる。このことによって、高速回転する水力タービン３を用いた設備ノーマル運転が可能になるので、軸受の設計が簡素化され、比較的小さいサイズの発電機で十分である。

図３は、本発明による水流発電所１の平均流入速度ｖに対する軸方向のスラスト負荷Ｆの負荷プロファイルを示す。第１出力最適運転範囲Ｂ₁において、水力タービン３は出力最適先端速度比λ_optで作動する。平均流入速度ｖ₀で公称出力に達すると出力制限運転範囲Ｂ₂へ移行し、その場合、出力制限先端速度比λ_rが用いられる。運転状態のさらなる変化は所定のスラスト負荷閾値Ｆ_Lで行われ、その場合、水力タービンは、負荷制限先端速度比λ_Fの所定のプロファイルに基づいて、従ってスラスト負荷制限運転範囲Ｂ₃で運転される。これによって、スラスト負荷Ｆに関して、激しい流入に対する設備の制御がｖ₁を上回る平均流速ｖで行われる。

ｖ₂を上回る平均流速ｖは、無拘束速度比ｎ_dが達成される範囲を示す。これに対応して、先端速度比λは、無拘束速度比ｎ_dに割り当てられた一定の先端速度比λ_dのままである。従って、平均流入速度ｖが過負荷範囲Ｂ₄において上昇すると、設備の設計を越え得るスラスト負荷Ｆが新たに増加する。それゆえ、先行する負荷制限運転範囲Ｂ₃において、まだ十分に小さい先端速度比λのための効果的な下方制御が達成されなければならない。このような下方制御は、調整された負荷制限先端速度比λ_Fのための負荷制限運転範囲Ｂ₃における本発明によるキャビテーション運転から実線の曲線に沿って行われる。これに対して、一点鎖線の曲線ＩＩＩは、キャビテーションが発生しないプロファイルを示す。

以下に続く請求の範囲内で本発明の他の実施形態が考えられ、本発明は、上記の水平ロータとして形成された設備と並んで垂直軸ロータにも転用することができる。さらに、ハウジング付きタービン（Ｍａｎｔｅｌｔｕｒｂｉｎｅ）を備えた実施形態も考えられる。

Claims (9)

1. 揚力ロータとして形成された複数のロータブレード（４．１、４．２、４．３）を有する水力タービン（３）と、
   該水力タービン（３）によって少なくとも間接的に駆動される発電機（１１）とを備え、
   前記水力タービン（３）が、出力を制限すべく、出力最適先端速度比（λ_opt）を上回る過回転数範囲へ導かれる、水流発電所（１）を運転させる方法であって、
   前記過回転数範囲において、無拘束速度比（ｎ_k）に割り当てられた先端速度比（λ_d）を下回るキャビテーション先端速度比閾値（λ_k）から、少なくとも１つのロータブレード部分領域（７．１、７．２、７．３）にキャビテーションが発生し、前記水力タービン（３）が、負荷を制限すべく、前記キャビテーション先端速度比閾値（λｋ）を上回る先端速度比（λ）で運転されるように、前記水力タービン（３）が前記水流発電所（１）の没水深度（Ｔ）に合わせて調整されることを特徴とする、方法。
2. 負荷を制限すべく、前記水力タービン（３）を制動する発電機トルクを開ループ制御または閉ループ制御によって前記先端速度比（λ）が調整される、請求項１に記載の方法。
3. 前記負荷を制限すべく調整可能な先端速度比（λ）のために、前記キャビテーションが発生するロータブレード部分領域（７．１、７．２、７．３）が空間的に制限されている、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記キャビテーションが発生するロータブレード部分領域（７．１、７．２、７．３）は、前記ロータブレード（４．１、４．２、４．３）の長手方向の径方向外側の３分の１の部分に制限されている、請求項３に記載の方法。
5. 前記無拘束速度比に割り当てられる先端速度比（λ_d）は、設備設計が基づく最大流入速度を越える流入速度のために達成される、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 揚力ロータとして形成された複数のロータブレード（４．１、４．２、４．３）を有する水力タービン（３）と、
   該水力タービン（３）によって少なくとも間接的に駆動される発電機（１１）と、
   前記水力タービン（３）を出力最適先端速度比（λ_opt）を上回る過回転数範囲へ導く発電機（１１）用の制御装置（１２）とを備えた、水流発電所であって、
   前記過回転数範囲において、無拘束速度比（ｎ_d）に割り当てられた先端速度比（λ_d）を下回るキャビテーション先端速度比閾値（λ_k）から、少なくとも１つのロータブレード部分領域（７．１、７．２、７．３）にキャビテーションが発生するように、前記水力タービン（３）が前記水流発電所（１）の没水深度（Ｔ）に合わせて調整されており、前記制御装置（１２）は、前記キャビテーション先端速度比閾値（λ_k）を上回るように前記水力タービンの先端速度比（λ）を調整する負荷制御手段（１３）を備えていることを特徴とする、水流発電所。
7. 前記ロータブレード（４．１、４．２、４．３）は、キャビテーションに耐え得るコーティング（６．１、６．２、６．３）および／またはキャビテーションに耐え得る部材を備える、請求項６に記載の水流発電所。
8. 前記キャビテーションに耐え得るコーティング（６．１、６．２、６．３）はエラストマ層を備えることを特徴とする、請求項７に記載の水流発電所。
9. 前記キャビテーションに耐え得るコーティング（６．１、６．２、６．３）および／または前記キャビテーションに耐え得る部材は、前記ロータブレード（４．１、４．２、４．３）の長手方向の径方向外側の３分の１の部分に設けられる、請求項７または８に記載の水流発電所。

Images