JP5688472B2 - 波力発電所用電気装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明の第一の側面は、巻線と、当該巻線に電流を誘導するための手段と、コンデンサ手段を備えた電気ブリッジ回路とを含む電気装置に関する。また、本発明は、このような電気装置を複数備えた波力発電所、及び、このような電気装置の少なくとも１つに接続された電力ネットワークに関する。

本発明の第二の側面は、このような電気装置の使用に関する。

本発明の第三の側面は、電流が誘導される電気巻線の制御方法に関する。

海及び大きな内陸湖での波の動きは、潜在的なエネルギー源であるが、今までのところほとんど利用されていない。その一方で、これまでも海水の上下運動を利用して発電機に電力を生成するための様々な提案がなされている。海面上の一点は垂直方向に往復移動するため、電力の生成にはリニア発電機の使用が適している。

国際公開第０３／０５８０５５号は、このような波力発電装置の一例を開示している。この波力発電装置では、発電機の可動部、すなわち、回転発電機における回転子に相当する部分であり、本出願においては並進部材と呼ぶ部分が、発電機の固定子に対して往復移動するようになっている。開示された構成では、固定子は海底に固定されている。また、並進部材は、海面に浮かぶ浮体に対して、ワイヤ、ケーブル、又はチェーンによって連結されている。

このようなタイプの波力発電装置においては、最大限の波エネルギーを波力発電装置によって吸収し、電気エネルギーとして供給することが重要である。そのためには、システムの機械的側面だけではなく、電気的側面についても考慮する必要がある。波力発電装置が吸収するエネルギーの量は、当該エネルギーシステムの流体力学的パラメータ及び減衰率に依存する。浮体は流体力学的パラメータを決定し、負荷は、発電機及び海底ケーブルと共に、減衰率を発生させる。

パワー捕捉率は、抽出したパワー量を浮体の断面にかかるパワー量でわった商として定義されるが、波力発電装置の固有周波数が波の周波数に一致したときに、高くなる。従って、このような機械的共振が得られるように波力発電装置を設計することが望ましい。しかし、様々なパラメータを考慮しなければならず、また、他の様々な要件をシステムが満たす必要があるため、システムの機械的要素の設計によって最大のパワー捕捉率を達成することは非常に難しい。

本発明は、システムの電気的要素に注目したものである。コンデンサとインダクタとを含む電気回路における電気的共振が、高電圧及び無効電力とよばれる高電力を生み出すことはよく知られている。しかし、これは従来の発電機及びその他の電力部品にダメージを与えるため、電気システム及び電気ネットワークにおいて、電気的共振は一般に避けられてきた。換言すれば、電気回路における電気的共振の悪影響を克服することができれば、エネルギー変換効率を向上させることができる可能性が大きい。従って、本発明の目的は、電気エネルギーを生成するための波力発電装置として利用可能な電気装置におけるパワー捕捉率を向上させることである。

国際公開第０３／０５８０５５号

本発明の目的は、冒頭部分に記載したタイプの電気装置が以下の特徴を有することによって達成される。すなわち、電気供給回路が、巻線のインダクタンスとの共振を得るように設定された静電容量を有するコンデンサ手段を備える。なお、以下の記載においては、電気供給回路を、電気ブリッジ回路、あるいは単にブリッジ回路という。

電気的共振は、

の場合に起こる。しかし、当該ブリッジ回路について述べる共振は、このような正確な共振だけでなく、１０％までの値の偏差を含めるものとする。また、共振によって発電機のダンピングが高くなる。部品寸法を適切に設定すれば、この共振によってシステムのパワー捕捉率を向上させることができる。従って、本発明による電気的共振は、機械的手段に代えて用いることができる、波の周波数との共振を実現するための効果的且つより単純な手段であり、あるいは、そのような機械的手段に対する補助手段としても採用することができる。

好ましい実施形態によれば、当該ブリッジ回路は、１つ又はそれ以上の半導体素子を有する半導体手段をさらに含む。

これによれば、共振の際に生成される大きな無効電力の少なくとも一部を、有効電力として用いることができる。通常、共振回路における無効電力は、インダクタンスとキャパシタンスとの間を単に行き来するだけである。しかし、半導体をブリッジ回路に設けて位相制御を行うことによって、この無効電力の一部を負荷に向け、利用することができる。これによって電気装置の出力エネルギーをさらに増大させることができる。

別の実施形態によれば、半導体手段は、１つ又はそれ以上のダイオードを含む。

別の好ましい実施形態によれば、半導体手段は、１つ又はそれ以上のサイリスタを含む。

別の好ましい実施形態によれば、半導体手段は１つ又はそれ以上の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含む。

このように、ブリッジ回路には、受動素子又は能動素子のどちらを用いることもできる。どちらの種類を用いるかは、費用及び性質の面から決定することができる。もちろん、ダイオード、サイリスタ、ＩＧＢＴを組み合わせて用いることもできる。

別の好ましい実施形態によれば、ブリッジ回路は、負荷に接続された第１分岐、第２分岐、及び、第３分岐を含む。第１分岐は、負荷に並列に接続されたコンデンサを有する。第２分岐及び前記第３分岐は、それぞれ２つの半導体素子を有し、これらは全て同じ方向に配置されている。巻線は、上記２つの半導体素子の間で第２分岐に接続されており、且つ、上記２つの半導体素子の間で前記第３分岐に接続されている。

別の好ましい実施形態によれば、ブリッジ回路は、負荷に接続された第１分岐及び第２分岐を含む。第１分岐は、第１コンデンサ及び第１半導体素子を有する。第２分岐は、第２コンデンサ及び第２半導体素子を有する。巻線は、第１コンデンサと第１半導体素子との間で第１分岐に接続されており、且つ、第２コンデンサと第２半導体素子との間で第２分岐に接続されている。第１コンデンサ及び第２半導体素子は、第３半導体素子を介して負荷に接続されている。第１半導体素子及び第２コンデンサは、第４半導体素子を介して負荷に接続されている。

別の好ましい実施形態によれば、ブリッジ回路はＩＧＢＴを含み、当該ＩＧＢＴを介して巻線が負荷に接続されている。ブリッジ回路は、ＩＧＢＴに並列の第１分岐、及び、巻線に並列の第２分岐をさらに含む。第１分岐及び第２分岐はそれぞれコンデンサを含む。第１分岐と前記第２分岐との間には半導体素子が設けられている。

上記実施形態は、ブリッジ回路の設計に関するものであり、これらのいずれによっても、無効電力としてロスになっていた電力を、負荷における有効電力に非常に効果的に変換することができる。

別の好ましい実施形態によれば、巻線は、三相巻線などの多相巻線である。

これによれば、当該電気装置によって、エネルギーをグリッドに容易に供給することができるようになる。

別の好ましい実施形態によれば、ブリッジは、電気的負荷に接続されている。

別の好ましい実施形態によれば、電気装置は、変圧器、発電機、高電圧直流（ＨＶＤＣ）ケーブルの少なくとも１つを含む。

別の好ましい実施形態によれば、巻線は、発電機の固定子の巻線であり、巻線に電流を誘導するための手段は、発電機の可動部に設けられた磁石である。

別の好ましい実施形態によれば、電気装置は、風力又は波力を利用する駆動源を含み、駆動源は、発電機の可動部に駆動接続されている。

別の好ましい実施形態によれば、発電機は、往復移動する並進部材を可動部として有するリニア発電機である。

別の好ましい実施形態によれば、駆動源は、可撓性の接続手段によって並進部材に機械的に連結された浮体である。

また、本発明は、本発明による電気装置を複数含む波力発電所に関し、特に、その好適な実施形態に関する。

また、本発明は、本発明による電気装置に対する接続手段を含む電力ネットワークに関し、特に、その好適な実施形態に関する。

本発明の第２の側面において、本発明による電気装置は、電力を生成し、且つ、当該電力を電力ネットワークに供給するために用いられる。

本発明の第３の側面において、冒頭部分で述べた方法は、ブリッジ回路にコンデンサ手段を特定の態様で設けることを含み、これによって、本発明の目的が達成される。すなわち、このコンデンサ手段の静電容量は、巻線のインダクタンスと共振を得るように設定されている。

本発明の方法の好ましい実施形態によれば、上記方法は本発明による電気装置を用いて行われ、特にその好適な実施形態による電気装置を用いて行われる。

本発明による波力発電所、本発明による電力ネットワーク、本発明による使用、及び、本発明による方法は、いずれも、本発明による電気装置及びその実施形態による上述した効果と同様の効果を有する。

上述した本発明の好ましい実施形態は、従属クレームに記載されている。また、上述の好ましい実施形態を様々な方法で組み合わせることによって、又は、これら実施形態と以下に述べる例の特徴とを組み合わせることによって、別の好ましい実施形態を構成することも、もちろん可能である。

以下、添付図面を参照して例を述べることによって、本発明をより詳細に説明する。

本発明による電気装置の一例である波力発電装置の側面図である。 図１の電気装置における発電機の一部の詳細を示す断面図である。 本発明の一例によるブリッジ回路を示す。 本発明の別の例によるブリッジ回路を示す。 本発明の別の例によるブリッジ回路を示す。 本発明による波力発電所の概略図である。

図１は、海中で使用される波力発電装置として構成された、本発明による電気装置の概略側面図である。浮体１は海面に浮いており、ケーブル、ワイヤ、ロープ、チェーン等の連結手段３によって、海底に固定されたリニア発電機２に連結されている。同図の例では、発電機は、海底に固定されている。これとは異なり、発電機は、海底より上方に位置させて他の方法で固定してもよい。

リニア発電機２は、巻線を備えた固定子５と、磁石を備えた並進部材６とを有する。並進部材６は固定子５内で上下に往復移動可能であり、この往復移動により固定子の巻線に電流が発生する。この電流は、電気ケーブル１１を介して電力ネットワークに送られる。

並進部材６はロッド７を備えており、このロッドにワイヤ３が取り付けられている。浮体１は、海面の波の動きによって押し上げられると、並進部材６を上方に引き上げる。次に浮体１が下がると、並進部材６は重力によって下方に移動する。任意の構成として、並進部材６に作用するバネ（図示せず）等を設けると、下方向への力を増すことができ、好ましい。

図２は、並進部材６と固定子５との協働部分を示す。同図は、並進部材６及び固定子５のそれぞれの一部のみを示す。並進部材６には複数の永久磁石１４が設けられている。これらの磁石は、並進部材６の表面に、垂直方向に延びる複数の列状に設けられており、固定子５に対向している。同図には、複数列のうちの１つの列の磁石の一部のみが示されている。

固定子５には複数の巻線スロット１５が設けられている。これらの巻線スロットは磁石１４に対向しており、巻線１２を収容している。

並進部材６が上下に移動すると、磁石１４が巻線１２に対して移動し、磁束φの変化によって電流が誘導される。この際の電圧は

となる。ここで、nはスロット１５内における巻線の巻き数である。２つの隣接するマグネット１４の中心間の垂直方向の距離に相当する距離をマグネット１４が移動するのに要する時間によって、電圧の周波数が決まる。

固定子５の巻線にはブリッジ回路が設けられており、このブリッジ回路はケーブル１１によって負荷に接続されている。このブリッジ回路は、当該ブリッジ回路に共振を発生させるように構成された部品を有する。図３〜図７は、このようなブリッジ回路の設計例を示す。

図３に示した第１の例は、本発明の基礎となる参考としてのブリッジ回路１００の最も単純な形態である。抵抗Ｒ及びインダクタンスＬを有する固定子巻線１２は、２つのダイオード１０２、１０３を介して負荷１３に接続されている。コンデンサ１０１は、固定子巻線１２に並列に接続されている。コンデンサ１０１の静電容量は、並進部材６の隣接する２つのマグネット１４間の距離だけ並進部材６が移動するのに要する時間によって決まる周波数における、巻線１２のインダクタンスＬと共振するように調整されている。

共振によって起こる無効電力を減らすためには、ブリッジ回路は実際には図３示した例よりも複雑なものにする必要がある。このようなブリッジ回路の例を図４に示す。この例におけるブリッジ回路は、負荷１３に接続された３つの分岐２０６、２０７、２０８を有する。これらの分岐のうち、第１分岐２０６は、共振を起こすためのコンデンサ２０１を有する。他の２つの分岐２０７、２０８は、それぞれ、２つのダイオード２０２、２０３又は２０４、２０５を有する。これらによって無効電力は減少し、負荷１３に利用できるものとなる。巻線は、第２分岐２０７の２つのダイオード２０２、２０３の間、及び、第３分岐２０８の２つのダイオード２０３、２０４の間において、これらの分岐に接続されている。

図５は別の例を示す。同図のブリッジ回路３００は、ＩＧＢＴ３０４を有し、このＩＧＢＴを介して、巻線１２が負荷１３に接続されている。第１コンデンサ３０１が、第１分岐３０５において、ＩＧＢＴ３０４に並列に接続されている。第２コンデンサ３０２が、第２分岐３０６において、巻線１２にに並列に接続されている。ダイオード３０３は、当該ブリッジ回路における、２つの分岐３０５、３０６の間に設けられている。

図６はさらに別の例を示す。同図のブリッジ回路４００は、２つの分岐４０７、４０８を有する。第１分岐４０７は、第１コンデンサ４０１及び第１ダイオード４０３を有する。第２分岐４０８は、第２コンデンサ４０２及び第２ダイオードを有する。巻線１２は、第１分岐４０７におけるコンデンサ４０１とダイオード４０３との間で当該第１分岐に接続されており、且つ、第２分岐４０８におけるコンデンサ４０２とダイオード４０４との間で当該第２分岐に接続されている。第１分岐４０７のコンデンサ４０１及び第２分岐４０８のダイオード４０４は、第３ダイオード４０５を介して、負荷１３に接続されている。第２分岐４０８のコンデンサ４０２及び第１分岐４０７のダイオード４０３は、第４ダイオード４０６を介して、負荷１３に接続されている。

なお、上述の例におけるダイオードの一部又はすべてに代えて、別の種類の半導体受動素子又は能動素子を用いることができる。また、図示のブリッジ回路の設計は単なる例であり、本発明の範囲において、他の様々な設計を採用することが可能である。たとえば、図示の例よりも多くの数のコンデンサ又は半導体素子を備えた設計とすることも可能である。各コンデンサは単一のコンデンサとすることもできるが、ここでのコンデンサという言葉は、コンデンサのバッテリを意味する場合もある。また、ブリッジ回路は、測定、制御、調節、変換などを行うための追加の構成要素を含んでいてもよい。

上記のすべての例では、説明をわかりやすくするために一相のみを示しているが、実際には、ブリッジ回路は通常は三相用に構成される。図７は、ブリッジ回路５００の三相用の構成の一例を示す。

図７は、上述のタイプの電気装置を複数備えた波力発電所を上から見た状態の概略図である。これらの電気装置の発電機２はいずれも水中のスイッチギア３０に連結されており、このスイッチギアが電力ネットワーク４０に連結されている。

共振を発生させるブリッジ回路を有する、本発明の電気装置の機能性を、テストによって確認した。このテストについて以下に簡単に述べる。当該テストは、重力３２０００Ｎの並進部材を備える波力発電装置として構成された電気装置を用いて行われた。したがって、並進部材の力は、引き上げ力マイナス３２０００Ｎである。参考として、抵抗性のみを有する負荷についてもテストを行ったところ、次のような結果が得られた。なお、値はすべて最大値である。

静電容量が８．５ｍＦである、図６に示したブリッジ回路を備える波力発電装置についてテストを行ったところ、次のようなデータが得られた。

静電容量が１１．８ｍＦである場合について、同様のテストを行ったところ、次のようなデータが得られた。

Claims (22)

1. 巻線と、前記巻線に電流を誘導するための手段と、電気ブリッジ回路とを含み、前記電気ブリッジ回路は、前記巻線のインダクタンスとの共振を得るようにされた静電容量を有するコンデンサ手段を含む、電気装置であって、
   前記ブリッジ回路（４００）は、電気的負荷（１３）に接続された第１分岐（４０７）及び第２分岐（４０８）を含み、前記第１分岐（４０７）は第１コンデンサ（４０１）及び第１半導体素子（４０３）を有し、前記第２分岐（４０８）は第２コンデンサ（４０２）及び第２半導体素子（４０４）を有し、前記巻線（１２）は、前記第１コンデンサ（４０１）と前記第１半導体素子（４０３）との間で前記第１分岐（４０７）に接続されており、且つ、前記第２コンデンサ（４０２）と前記第２半導体素子（４０４）との間で前記第２分岐（４０８）に接続されており、
   前記第１コンデンサ（４０１）及び前記第２半導体素子（４０４）は、第３半導体素子（４０５）を介して前記負荷（１３）に接続されており、前記第１半導体素子（４０３）及び前記第２コンデンサ（４０２）は、第４半導体素子（４０６）を介して前記負荷（１３）に接続されている、電気装置。
2. 前記第１〜第３半導体素子は、１つ又はそれ以上のダイオードを含む、請求項１に記載の電気装置。
3. 前記第１〜第３半導体素子は、１つ又はそれ以上のサイリスタを含む、請求項１又は２に記載の電気装置。
4. 前記第１〜第３半導体素子は、１つ又はそれ以上の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含む、請求項１〜３のいずれか１つに記載の電気装置。
5. 巻線と、前記巻線に電流を誘導するための手段と、電気ブリッジ回路とを含み、前記電気ブリッジ回路は、前記巻線のインダクタンスとの共振を得るようにされた静電容量を有するコンデンサ手段を含む、電気装置であって、
   前記ブリッジ回路（３００）はＩＧＢＴ（３０４）を含み、前記ＩＧＢＴを介して前記巻線（１２）が電気的負荷（１３）に接続されており、前記ブリッジ回路は、前記ＩＧＢＴ（３０４）に並列の第１分岐（３０５）、及び、前記巻線（１２）に並列の第２分岐（３０６）をさらに含み、前記第１分岐（３０５）及び前記第２分岐（３０６）はそれぞれコンデンサ（３０１、３０２）を含み、前記第１分岐（３０５）と前記第２分岐（３０６）との間には半導体素子（３０３）が設けられている、電気装置。
6. 前記半導体素子は、１つ又はそれ以上のダイオードを含む、請求項５に記載の電気装置。
7. 前記半導体素子は、１つ又はそれ以上のサイリスタを含む、請求項５又は６に記載の電気装置。
8. 前記半導体素子は、１つ又はそれ以上の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含む、請求項５〜７のいずれか１つに記載の電気装置。
9. 前記巻線（１２）は多相巻線である、請求項１〜８のいずれか１つに記載の電気装置。
10. 前記巻線（１２）は三相巻線である、請求項９に記載の電気装置。
11. 前記ブリッジは、電気的負荷に接続されている、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の電気装置。
12. 前記電気装置は、変圧器、発電機、ＨＶＤＣケーブルの少なくとも１つを含む、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の電気装置。
13. 前記電気装置は発電機を含み、前記巻線は、前記発電機の固定子の巻線であり、前記巻線に電流を誘導するための前記手段は、前記発電機の可動部に設けられた磁石である、請求項１２に記載の電気装置。
14. 前記電気装置は、波力を利用する駆動源を含み、前記駆動源は、前記発電機の前記可動部に駆動接続されている、請求項１３に記載の電気装置。
15. 前記発電機は、往復移動する並進部材を前記可動部として有するリニア発電機である、請求項１４に記載の電気装置。
16. 前記駆動源は、可撓性の接続手段によって前記並進部材に機械的に連結された浮体である、請求項１５に記載の電気装置。
17. 請求項１５又は１６に記載の電気装置を複数含む波力発電所。
18. 請求項１４〜１６のいずれか１つに記載の少なくとも１つの電気装置を含む、電力ネットワーク。
19. 前記電気装置を、電気エネルギーを生成し、且つ、当該電気エネルギーを電力ネットワークに供給するために用いる、請求項１〜１６のいずれか１つに記載の電気装置の使用。
20. 電流が誘導される電気巻線を制御するための方法であって、コンデンサ手段を含む電気ブリッジに前記巻線を接続し、前記巻線のインダクタンスと共振を得るように前記コンデンサ手段の静電容量を設定する、制御方法であって、
    前記ブリッジ回路（４００）は、電気的負荷（１３）に接続された第１分岐（４０７）及び第２分岐（４０８）を含み、前記第１分岐（４０７）は第１コンデンサ（４０１）及び第１半導体素子（４０３）を有し、前記第２分岐（４０８）は第２コンデンサ（４０２）及び第２半導体素子（４０４）を有し、前記巻線（１２）は、前記第１コンデンサ（４０１）と前記第１半導体素子（４０３）との間で前記第１分岐（４０７）に接続されており、且つ、前記第２コンデンサ（４０２）と前記第２半導体素子（４０４）との間で前記第２分岐（４０８）に接続されており、
    前記第１コンデンサ（４０１）及び前記第２半導体素子（４０４）は、第３半導体素子（４０５）を介して前記負荷（１３）に接続されており、前記第１半導体素子（４０３）及び前記第２コンデンサ（４０２）は、第４半導体素子（４０６）を介して前記負荷（１３）に接続されている、制御方法。
21. 電流が誘導される電気巻線を制御するための方法であって、コンデンサ手段を含む電気ブリッジに前記巻線を接続し、前記巻線のインダクタンスと共振を得るように前記コンデンサ手段の静電容量を設定する、制御方法であって、
    前記ブリッジ回路（３００）はＩＧＢＴ（３０４）を含み、前記ＩＧＢＴを介して前記巻線（１２）が電気的負荷（１３）に接続されており、前記ブリッジ回路は、前記ＩＧＢＴ（３０４）に並列の第１分岐（３０５）、及び、前記巻線（１２）に並列の第２分岐（３０６）をさらに含み、前記第１分岐（３０５）及び前記第２分岐（３０６）はそれぞれコンデンサ（３０１、３０２）を含み、前記第１分岐（３０５）と前記第２分岐（３０６）との間には半導体素子（３０３）が設けられている、制御方法。
22. 請求項１〜１６のいずれか１つに記載の電気装置を用いて行われる、請求項２０又は２１に記載の方法。

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