JP5559811B2 - 水力タービン発電機を設置する方法 - Google Patents

Description

本発明は、海中潮流水力タービン発電機を安全に設置する方法に関する。

環境意識に対する興味の高まり、および再生不可能なエネルギー源への依存に対する抵抗感により、再生可能エネルギーシステム、たとえば、太陽熱発電、風力発電、火力発電および潮流発電がより多く使用されるようになってきた。潮流発電は、潮流区域にタービン発電機を設置することを含み、潮のエネルギーを電力に変換する。

図１を参照すると、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＥＰ２００７／００６２５８号のダイレクトドライブシャフトレス永久磁石水力タービン発電機が記載されている。発電機１０は環状のステータ１２とロータ１４とを備え、ステータ１２は、ステータ１２の外周の周りに配置された複数のコイル（図示せず）を有する。ロータ１４は、オープンセンターを規定するインナーリム１６を備える。ロータ１４はさらに、インナーリム１６とアウターリム２０との間を占める概ね半径方向に延びるブレード１８のアレイを備える。ロータ１４はさらに、アウターリム２０の周りに設けられた磁石（図示せず）のアレイを含む。ステータ１２はロータ１４を同心円状に取り囲み、複数のコイルが磁石の磁束戻り経路を提供する。

発電機１０は、発電機１０を通る海水の動きがブレード１８に作用して、ステータ１２内のロータ１４の回転を引き起こすように潮流区域に置かれる。ステータ１２のコイルに対する磁石の動きにより、磁石によって発生した磁界が、それぞれのコイルのＥＭＦを誘起させる。これらの誘起されたＥＭＦは、タービン発電機１０からの電力出力を提供する。

許容される良好な実施のために、高圧電気設備の設置および接続を行うときに、たとえば、設備を全ての可能な電源ポイントから切り替えて外す、全ての可能な電源ポイントから絶縁する、スイッチポイントにかけられた南京錠で保護する、回路の主アースに接続する、ある特定の安全性規則を理解されたい。

海上の電気設備で対処するときには上記の基準に容易に従うことができるが、水中タービン発電機の絶縁に関する問題は、大抵、スイッチギヤにアクセスできないことと、かなり離れたところから（たとえば、陸上変電所から）タービン発電機の通電をオンオフする必要性とから生じる。

したがって、この方法特許の目的は、確実性および安全性を提供し、かつ潜在的に危険な状況における操作を減らす、水力タービン発電機を設置し、接続する方法を提供する。

したがって、海中潮流水力タービン発電機を設置し、海底電力ケーブルを使用してタービン発電機を電源グリッドに接続する方法が提供され、水力タービン発電機は、制御信号の遮断時にタービンに電気ブレーキを印加するように動作可能な電気ブレーキシステムを備え、制御信号は、接続ポイントにあるコントローラから前記海底電力ケーブルを介して前記電源グリッドに送信され、方法は、
（ｉ）海底電力ケーブルを定位置に敷設するステップであって、海底電力ケーブルが、接続ポイントにある第１の端部から電源グリッドへ、さらに海中潮流水力タービン発電機を設置することが望まれる設置サイトにある第２の端部へと延びる、ステップと、
（ｉｉ）海底電力ケーブルを接続ポイントに接続するステップと、
（ｉｉｉ）電源スイッチを使用して電源グリッドから海底電力ケーブルを切り替えるステップと、
（ｉｖ）絶縁スイッチを使用して電源グリッドから海底電力ケーブルを絶縁し、電力ケーブルをアースに接続するステップと、
（ｖ）電源スイッチおよび絶縁スイッチに南京錠をかけるステップと、
（ｖｉ）制御スイッチを開けることによって、前記コントローラにおいて制御信号を遮断し、タービン発電機に電気ブレーキを印加するステップと、
（ｖｉｉ）制御スイッチに南京錠をかけるステップと、
（ｖｉｉｉ）前記設置サイトに前記水力タービン発電機を配備するステップと、
（ｉｘ）海底電力ケーブルを前記水力タービン発電機に接続するステップと、
（ｘ）電源スイッチおよび絶縁スイッチから南京錠を外すステップと、
（ｘｉ）絶縁スイッチを使用して、アースから電力ケーブルを接続解除するステップと、
（ｘｉｉ）電源スイッチを使用して、電源グリッドへの電力ケーブルのスイッチをオンするステップと、
（ｘｉｉｉ）制御スイッチから南京錠を外すステップと、
（ｘｉｖ）タービン発電機から電気ブレーキを取り除き、発電機が発電を開始できるように、制御スイッチを閉じるステップと、
を含む。

タービン発電機がサイト上の定位置に下げられるにつれて、設置中にタービンが回転し始めることができなくなる。これは、ラッチ接触器が、海底電力ケーブルを介してのみ印加される電源信号なしに状態を変更できず、ケーブルは、発電機が配備されるまでタービン発電機に接続されないままでいるからである。また、タービン発電機の電気ブレーキシステムは、電気ブレーキが解除される前には制御信号の受信を必要とする。制御信号は、海底電力ケーブルを介して送信されるので、電力ケーブルが発電機に接続していないと、ブレーキを解除することができない。従って、設置担当者は、発電機を設置している間にタービンが回転し始めないことを保証することができる。さらに、海底電力ケーブルのスイッチが切られ、主電源グリッドから絶縁されているので、設置担当者は、設置操作中に、電源が入っていない電力ケーブルを安全に取り扱うことができる。

好ましくは、本方法は、ステップ（ｉｘ）の前に、全ての海中回路が停止していることを検査するステップをさらに含む。

安全面から、全ての海中回路が停止し、発電機の配備の前に電源から確実に遮断されていることを確かめ、設置中に電気ショックおよび／またはタービンの運動の危険性が全くないことが保証されることが重要である。

好ましくは、ステップ（ｉｉ）〜（ｖｉｉｉ）および（ｘｉ）〜（ｘｖｉ）が前記接続ポイントで実行される．

ステップの大部分をタービン発電機の設置サイトから遠隔で実装することができるので、これは、海上サイトで実行しなければならないステップの数を減らし、それに応じて、様々な天候における操作に関連するリスクが低減される。

好ましくは、本方法は、
（ａ）電力ケーブルのスイッチが切られ、絶縁した後で、海底電力ケーブルの第２の端部に関連するロケーション指定を記録するステップと、
（ｂ）ステップ（ｉｘ）の前に、タービン配備が、前記特定の海底電力ケーブルの第２の端部に関連するロケーション指定において行われていることを確証するステップと、
をさらに含む。

示された確証ステップの実装は、タービン発電機が正しいロケーションにのみ配備され、設置作業者が、タービン発電機を潜在的に導通している海底電力ケーブルに接続していないことを保証することを意味する。

好ましくは、前記ロケーション指定はＧＰＳ座標を含む。

好ましくは、本方法は、
（ａ）前記水力タービン発電機を前記設置サイトに配備する前に、水力タービン発電機の正出力端子および負出力端子をアースに接続するために、水力タービン発電機上のラッチ接触器を閉じるステップと、
（ｂ）前記水力タービン発電機を前記設置サイトに配備した後で、水力タービン発電機の出力端子をアースから接続解除するために、ラッチ接触器を開けるステップと、
をさらに備える。

好ましくは、ステップ（ｉｘ）は、タービンの軸が、前記設置サイトの卓越潮流の方向と整合するように、前記水力タービン発電機を前記設置サイトに配備するステップをさらに含む。

タービン発電機が潮流と整合するので、これにより、設置サイトにおけるタービンのパフォーマンスが最適になる。

好ましくは、発電機を海底電力ケーブルに接続するための発電機ケーブルを備え、ステップ（ｘ）は、接続のために前記海底電力ケーブルの第２の端部および前記発電機ケーブルを設置ベッセルに回収するステップをさらに含み、海底電力ケーブルおよび発電機ケーブルは、前記設置サイトの定位置に設置ベッセルを固定するように作用する。

海底電力ケーブルおよび設置された発電機の発電機ケーブルは、設置ベッセルのための係留施設を提供し、海上ロケーションにおける設置サイトを安定させるのに役立つ。

また、上述の単一の水力タービン発電機を設置するステップを含む、水力タービン発電機のアレイを設置する方法が提供され、水力タービン発電機が、複数の水力タービン発電機をデージーチェーン方式で１つに結束できるように、さらなる水力タービン発電機に接続するための延長ケーブルをさらに備え、本方法が、
（ａ）次の水力タービン発電機を次の設置サイトに配備するステップと、
（ｂ）前の水力タービン発電機の延長ケーブルを次の水力タービン発電機の発電機ケーブルに接続するステップと、
（ｃ）アレイの水力タービン発電機のそれぞれに対して、ステップ（ａ）および（ｂ）を反復するステップであって、ステップ（ｘｉ）〜（ｘｖｉ）の前にステップ（ａ）〜（ｃ）を実行する、ステップと、
をさらに含む。

水力タービン発電機がデージーチェーン方式で結束して一連にできるので、タービンのストリング全体を絶縁し、アース接続し、ロックして、タービンのアレイの設置が実行される。次いで、タービンのアレイ全体に、一緒に電流が流される。

次に、添付の図面を参照し単に例として、本発明の一実施形態について説明する。

先行技術の水力タービン発電機の等角図である。 水力タービン発電機を電源グリッドに設置し、接続するための例示的な構造の概略図である。 設置サイトに配備する前の設置ベッセルおよび水力タービン発電機を示す図である。 設置サイトに配備した後の設置ベッセルおよび水力タービン発電機を示す図である。

図２を参照すると、水力タービン発電機１０の設置に関する例示的な回路スキームの全体図が示されている。発電機１０は潮流区域内の設置サイトに設置され、海底に装着された支持構造２２上に発電機１０が設けられる。発電機１０はさらに、海底電力ケーブルで発電機１０に接続するように動作可能な発電機ケーブル２４を備え、発電機ケーブル２４は発電機１０の出力端子に接続するための適当な電力線を備える。

発電機１０はさらに、延長ケーブル２６を備えることができ、延長ケーブル２６は、発電機ケーブル２４の電力線に結合された電力線のさらなるセットを備え、延長ケーブル２６により、一連の別個の発電機１０をデージーチェーン方式で１つに結束できるようになり、それによって一連の発電機１０の出力を単一の海底電力ケーブルに接続することができる。

発電機１０は、機械式ラッチ２極ＤＣ接触器２８のセットを備え、接触器２８は、発電機１０の正出力とアースとの間に、および発電機１０の負出力とアースとの間に接続される。接触器２８はＤＣ制御ワイヤ３０によって制御され、ＤＣ制御ワイヤ３０への入力は発電機ケーブル２４から受信される。

発電機１０はまた、電気ブレーキシステム（図示せず）を備え、電気ブレーキシステムは、タービンに電気ブレーキを印加し、タービンの回転を防止するために、発電機１０内のコイルの少なくとも一部分にわたって短絡回路を提供するように動作可能である。電気ブレーキシステムは、電気ブレーキが印加された制御信号の供給が中断されるような場合には、発電機ケーブル２４から受信した制御信号によってアクチュエートされる。

陸上変電所が全体的に３２で示される。変電所３２は、電圧源、たとえば、電源グリッドへの接続３４を備える。変電所はまた、複数のコントローラ３６を備え、コントローラ３６は、発電機１０に対する制御信号を発生させるように動作可能である。

変電所３２は、海底電力ケーブル３８に接続している。変電所３２の第１のポイントから、発電機１０を設置することが望まれる第２のポイントまでケーブルが敷設されている。ケーブル３８は、発電機１０によって発生された電力を伝達するための電力コア線と、変電所３２からの制御信号を発電機１０に送信するための少なくとも１つの制御ワイヤとを備える。電力ケーブル３８は変電所３２に接続しされている。

変電所３２はさらに、ケーブル３８の電力線を電圧源接続３４と接続する電源スイッチ４０と、ケーブル３８の電力線をアースに接続する絶縁スイッチ４２とを備える。

変電所３２はさらに、コントローラ３６に電力を提供するように動作可能なコントローラ電圧源４４を備え、コントローラ電圧源４４は、コントローラ電源スイッチ４６を介してコントローラ３６に接続されている。

タービンンの配備および接続に備えて、機械式ラッチ接触器２８が閉位置に設定され、発電機１０の正出力端子および負出力端子をアースに接続する。この接触器のラッチ係合された位置は、以後に行われる海上の電気作業を担当することになる、設置操作に関するシニア電気委託業者（ＳＡＥＰ：ｓｅｎｉｏｒ ａｕｔｈｏｒｉｓｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｅｒｓｏｎ）によって検査および確証される。

配備の前に、電源スイッチ４０を開け、絶縁スイッチ４２を閉じなければならない。この操作は、ＳＡＥＰによって確認される。これらの２スイッチ構成は、次いで、南京錠を用いて固定され、鍵はＳＡＥＰによって保管される。

配備の前に、コントローラ３６のコントローラ電源スイッチ４６も開けられ、定位置で南京錠をかける。この南京錠の鍵もＳＡＥＰによって保管される。

ＳＡＥＰは、陸上変電所にある間に較正電圧検査デバイスを使用して、全ての海中回路を確実に停止させる。

ＳＡＥＰが、（接触器２８の閉鎖およびコントローラ３６の電源の切断による）タービン発電機の絶縁構成、（電源スイッチ４０の開放および絶縁スイッチ４２の閉鎖による）陸上変電所の絶縁に満足し、南京錠の全ての鍵を持っているときにのみ、海上操作が開始することができる。ＳＡＥＰは、上記に満足すると、出発許可を与えるように求められる。

出発の前に、ＳＡＥＰは、電源から切断解除され、絶縁されたばかりの海底電力ケーブル３８の端部に関するロケーション情報を記録する。

図３を参照すると、設置サイト５２に到着すると、ＳＡＥＰは、設置ベッセル５０のＧＰＳ座標が上記の絶縁された特定のケーブルの記録された位置の座標に一致することを確証する責任を負う。これが確証されると、設置サイト５２におけるタービン発電機１０の配備を開始することができる。

タービン発電機１０は、機械式ラッチ接触器２８を用いて閉位置に配備される。海底電力ケーブル３８が接続されていないという事実に起因して、タービン発電機１０が、配備中に回転し始めることができない、したがって、接触器２８は状態を変化させることができず、あるいは、電気ブレーキが開放できないという観点から、ＳＡＥＰおよび作業グループは安全であり得る。これは、陸上の南京錠と同様に機能する。

図４を参照すると、発電機１０および支持構造２２は、図３に示すタービン配備ベッセル５０のデッキから張力を受けている発電機ケーブル２４および延長ケーブル２６を用いて海底５４まで下げられている。タービン発電機１０が海底５４に置かれると、ベッセル５０は、２本のケーブルテール２４、２６を展開し始める。ケーブル２４、２６の端部は、クランプウェイト（図示せず）を用いて配備される。ケーブルの端部は、電源なしではラッチ接触器２８は位置を変えることができず、あるいは、電気ブレーキシステムが係合解除することができないので、電気的に導通しているリスクが全くない状態で取り扱うことができる。ケーブル３８が発電機ケーブル２４に相補的に接続され、陸上変電所３２で再びロック解除されるまで、電源は利用できない。接触器２８はまた、発電機ケーブル２４（したがって、延長ケーブル２６）を局所的アースポイントに接続し、それにより、ケーブル２４、２６はうまくアース接続される。

海底電力ケーブル３８の端部および発電機ケーブル２４の端部は、次いで、ケーブル設置ベッセル５０のデッキへと回収され、発電機ケーブル２４を陸上変電所３２に接続するために接合される。この接合手順の間、ケーブルの接合が完了するまで、発電機ケーブル２４を導通させることはできないので、発電機ケーブル２４は安全に取り扱われる。海底電力ケーブル３８への電源が開位置（電源スイッチ４０）に南京錠で施錠され、このロックの鍵は、ケーブル接続を担当するＳＡＥＰによって保管されるという事実により、さらに再保証される。

ケーブル接合操作の間、タービン発電機の軸が電流と整合するので、ベッセル５０は電流と整合し、ベッセルのステムから２ケーブルカテナリーが拡がっている。発電機ケーブル２４と潮流タービン支持構造２２へのその取り付けは、かなりの係留力を与えるために、使用することができる十分な強度のものとなる。ケーブルに対する最大許容張力を超えることなく、発電機ケーブル３０および海底電力ケーブル２４の２ケーブルカテナリーは、潮のエネルギーが高いサイトにおいて接合操作を実行するときに、一般的には高いリスク因子となるベッセル配置を補助するための、基準となる固定効果を提供することになる。

ケーブル接合が完了すると、２本のケーブル３８、２４の端部が海底５４まで下げられる。

次に、海上操作が完了する。次に、タービン発電機１０が作動し、陸上変電所３２から導通される。ＳＡＥＰは陸上変電所３２に戻り、全ての南京錠が取り除かれる。

絶縁スイッチ４２が開き、電力ケーブル３８がアースから接続解除される。電源スイッチ４０が閉じ、電力ケーブル３８が負荷に接続される。コントローラ電源スイッチ４６のスイッチが入れられる。次に、適当なコントローラ３６を使用して、海中の機械式ラッチ接触器２８を解除することができる。海中のスイッチ２８の状態が変わると、電気的絶縁が解放され、発電が開始される。

接触器２８の制御コイル上の単線回路の利用することによって、タービン発電機１０ごとに１つの制御ワイヤしか必要ではなくなる。海底電力ケーブル３８中の制御ワイヤの数が制限され、したがって、単一の海底電力ケーブル３８上に嵌合され得るタービン発電機１０の数が制限されることを留意されたい。制御のために単線回路を使用することによって、効果的にも、単一の電力ケーブル３８によって制御できるタービン発電機１０の数が２倍になる。また、海中に大型の支持構造２２を沈めることにより、単線回路の抵抗が非常に小さくなるので、電圧降下が半分になる。制御電流を継続的に流すことによって、経時的な腐食、または航行干渉につながることがある。ラッチ接触器２８の使用は、アースを介して制御信号をパルス化することができ、したがって、腐食または環境に対する影響が全くないことを意味する。

後日、上述された方法と同じ方法を使用して、第２のタービンをアレイに追加することができる。第２のタービンが追加され得る前に、タービンストリング全体を絶縁し、アース接続し、ロックする必要がある。次いで、タービンのストリング全体に電流を流す。

Claims (9)

1. 海中潮流水力タービン発電機を設置し、海底電力ケーブルを使用して前記タービン発電機を電源グリッドに接続する方法であって、前記水力タービン発電機が、制御信号の遮断時に前記タービンに電気ブレーキを印加するように動作可能な電気ブレーキシステムを備え、前記制御信号が、接続ポイントにあるコントローラから前記海底電力ケーブルを介して前記電源グリッドに送信され、前記方法が、
   （ｉ）海底電力ケーブルを定位置に敷設するステップであって、前記海底電力ケーブルが、接続ポイントにある第１の端部から電源グリッドへ、さらに海中潮流水力タービン発電機を設置することが望まれる設置サイトにある第２の端部へと延びる、ステップと、
   （ｉｉ）前記海底電力ケーブルを前記接続ポイントに接続するステップと、
   （ｉｉｉ）電源スイッチを使用して前記電源グリッドから前記海底電力ケーブルを切り替えるステップと、
   （ｉｖ）絶縁スイッチを使用して前記電源グリッドから前記海底電力ケーブルを絶縁し、前記海底電力ケーブルをアースに接続するステップと、
   （ｖ）前記電源スイッチおよび前記絶縁スイッチに南京錠をかけるステップと、
   （ｖｉ）制御スイッチを開けることによって、前記コントローラにおいて制御信号を遮断し、前記タービン発電機に電気ブレーキを印加するステップと、
   （ｖｉｉ）前記制御スイッチに南京錠をかけるステップと、
   （ｖｉｉｉ）前記設置サイトに前記水力タービン発電機を配備するステップと、
   （ｉｘ）前記海底電力ケーブルを前記水力タービン発電機に接続するステップと、
   （ｘ）前記電源スイッチおよび前記絶縁スイッチから前記南京錠を外すステップと、
   （ｘｉ）前記絶縁スイッチを使用して、アースから前記海底電力ケーブルを接続解除するステップと、
   （ｘｉｉ）前記電源スイッチを使用して、前記電源グリッドへの前記海底電力ケーブルのスイッチをオンするステップと、
   （ｘｉｉｉ）前記制御スイッチから前記南京錠を外すステップと、
   （ｘｉｖ）前記タービン発電機から前記電気ブレーキを取り除き、前記発電機が発電を開始できるように、前記制御スイッチを閉じるステップと、
   を含む、方法。
2. 前記方法が、ステップ（ｉｘ）の前に、全ての海中回路が停止していることを検査するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. ステップ（ｉｉ）〜（ｖｉｉｉ）および（ｘｉ）〜（ｘｉｖ）が前記接続ポイントで実行される、請求項１に記載の方法。
4. 前記方法が、
   （ａ）前記電力ケーブルのスイッチが切られ、絶縁した後で、前記海底電力ケーブルの前記第２の端部に関連するロケーション指定を記録するステップと、
   （ｂ）ステップ（ｉｘ）の前に、前記タービン配備が、前記特定の海底電力ケーブルの前記第２の端部に関連する前記ロケーション指定において行われていることを確証するステップと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記ロケーション指定がＧＰＳ座標を備える、請求項４に記載の方法。
6. 前記方法が、
   （ｃ）前記水力タービン発電機を前記設置サイトに配備する前に、前記水力タービン発電機の正出力端子および負出力端子をアースに接続するために、前記水力タービン発電機上のラッチ接触器を閉じるステップと、
   （ｄ）前記水力タービン発電機を前記設置サイトに配備した後で、前記水力タービン発電機の前記出力端子をアースから接続解除するために、前記ラッチ接触器を開けるステップと、
   をさらに含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. ステップ（ｉｘ）が、前記タービンの軸が、前記設置サイトの卓越潮流の方向と整合するように、前記水力タービン発電機を前記設置サイトに配備するステップをさらに含む、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 前記水力タービン発電機が、前記発電機を海底電力ケーブルに接続するための発電機ケーブルを備え、ステップ（ｘ）が、接続のために前記海底電力ケーブルの前記第２の端部および前記発電機ケーブルを設置ベッセルに回収するステップをさらに含み、前記海底電力ケーブルおよび前記発電機ケーブルが、前記設置サイトの定位置に前記設置ベッセルを固定するように作用する、請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の単一の水力タービン発電機を設置するステップを含む、水力タービン発電機のアレイを設置する方法であって、前記水力タービン発電機が、複数の水力タービン発電機をデージーチェーン方式で１つに結束できるように、さらなる水力タービン発電機に接続するための延長ケーブルをさらに備え、前記方法が、
   （ａ）次の水力タービン発電機を次の設置サイトに配備するステップと、
   （ｂ）前の水力タービン発電機の延長ケーブルを前記次の水力タービン発電機の発電機ケーブルに接続するステップと、
   （ｃ）前記アレイの前記水力タービン発電機のそれぞれに対して、ステップ（ａ）および（ｂ）を反復するステップであって、ステップ（ｘｉ）〜（ｘｉｖ）の前にステップ（ａ）〜（ｃ）が実行される、ステップと、
   をさらに含む、方法。

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