JP6056967B2

JP6056967B2 - 海流発電装置及び海流発電装置の姿勢制御方法

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Publication number: JP6056967B2
Application number: JP2015513755A
Authority: JP
Inventors: 典久半田; 茂樹長屋; 善行山根; 章雄伊東
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2034-04-21
Also published as: US10451026B2; JPWO2014175227A1; WO2014175227A1; TWI599515B; TW201505911A; US20160201641A1; BR112015026524A2

Description

本発明は、海流（潮流）を受けて回転するタービンを有する発電部を備えた浮上及び沈降可能な水中浮遊式の海流発電装置及び海流発電装置等の、水中浮遊式の水中機器及びその姿勢制御方法に関する。
本願は、２０１３年４月２２日に日本に出願された特願２０１３−８９４３８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、海流（潮流）等の海水の流れを利用して発電を行う海流発電装置が開発されている。
このような海水の流れを利用して発電を行う海流発電装置としては、例えば、特許文献１に記載された装置がある。この海流発電装置は、海流を受けて回転する水平軸型のタービンを有する一対の発電部同士を連結ビームにより並列に連結し、海中に係留した、双発の水中浮遊式発電装置である。

この海流発電装置において、一対の発電部の各タービンには、可変ピッチタービンブレードが採用されている。タービンブレードをいずれも可変ピッチタービンブレードとすることで、各タービンの流体抵抗及び出力が所定値を超えないようにピッチを調整することができる。

また、この海流発電装置では、連結ビームにより連結された一対の発電部を、深度制御用の浮力付与支柱及び３本の係留ケーブルを介して海底に係留している。そして、浮力付与支柱に配置される長さ制御部によって、浮力付与支柱と海底とを結ぶ３本の係留ケーブルのうちの少なくとも１本の係留ケーブルの長さをコントロールすることで、一対の発電部の深度や姿勢を制御する。

日本国特表２０１０‐５３１９５６号

上記したような水中浮遊式の海流発電装置では、海中において発電を行う都合上、装置の構成や制御系を可能な限りシンプルにすることが求められる。
しかしながら、一対の発電部を浮力付与支柱及び３本の係留ケーブルを介して海底に係留する上述の海流発電装置では、その構成や姿勢を変更する姿勢制御系がシンプルであるとは言い難い。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、構成や制御系をシンプルなものとしたうえで、一対のタービンを含む装置本体のロール方向の姿勢制御を確実に行うことが可能である、水中浮遊式の水中機器及びその姿勢制御方法を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するために、本発明では、水中で回転する複数のタービンと、これら複数のタービンの回転を制御することにより、ロール方向の姿勢を制御する姿勢制御部とを備え、前記姿勢制御部が、前記複数のタービンの回転に伴い前記複数のタービンにそれぞれ発生するトルクを制御することにより、ロール方向の姿勢を制御する水中機器を提供する。

ここで、前記複数のタービンが、可変ピッチタービンブレードをそれぞれ備え、前記姿勢制御部が、前記複数のタービンにそれぞれ発生するトルクを、前記可変ピッチタービンブレードのピッチコントロールを行うことにより制御してもよい。

また、前記水中機器が、海流を受けて回転する前記複数のタービンを有し、前記複数のタービンの回転により発電する複数の発電部を備えた水中係留式の海流発電装置であって、前記複数の発電部における各タービンが、可変ピッチタービンブレードをそれぞれ備え、さらに、前記複数の発電部に生じるロール方向の姿勢のずれを検出する傾き検出手段と、前記傾き検出手段で検出された前記複数の発電部に生じるロール方向の姿勢のずれを打ち消すべく、前記複数の発電部における各タービンの可変ピッチタービンブレードのピッチコントロールを行う前記姿勢制御部とを備えていてもよい。

ここで、海底に係留される前記複数の発電部の上流側に、前記複数の発電部側に向かう海流の流れの状況を把握して前記姿勢制御部に出力する流れ状況計測手段を配置し、前記姿勢制御部が、前記流れ状況計測手段からの計測結果に基づいて、前記複数の発電部におけるロール方向の姿勢変化を未然に回避するべく、前記複数の発電部における各タービンの可変ピッチタービンブレードのピッチコントロールを行ってもよい。

さらに、深さ方向の流速分布を計測可能な超音波ドップラー流速計を前記流れ状況計測手段とし、この超音波ドップラー流速計を前記複数の発電部の上流側に複数配置してもよい。あるいは、流速や流れの向き等の流況を計測するブイを前記流れ状況計測手段とし、このブイを前記複数の発電部の上流側に複数配置してもよい。

また、本発明は、水中で回転する複数のタービンの回転に伴いこれら複数のタービンにそれぞれ発生するトルクを制御することにより、前記複数のタービンの回転を制御し、ロール方向の姿勢を制御する水中機器の姿勢制御方法をも提供する。

この場合、前記複数のタービンが、可変ピッチタービンブレードをそれぞれ備え、前記複数のタービンにそれぞれ発生するトルクを、前記可変ピッチタービンブレードのピッチコントロールを行うことにより制御してもよい。

また、前記水中機器が、海流を受けて回転する前記複数のタービンを有し、前記複数のタービンの回転により発電する複数の発電部を備えた水中係留式の海流発電装置であって、前記複数の発電部における各タービンのタービンブレードをそれぞれ可変ピッチタービンブレードとし、前記複数の発電部に生じるロール方向の姿勢のずれを打ち消すべく、前記複数の発電部における各タービンの可変ピッチタービンブレードのピッチコントロールを行ってもよい。

本発明に係る水中機器及びその姿勢制御方法では、装置の構成や制御系を複雑化することなく、一対のタービンを含む装置本体におけるロール方向の姿勢を確実に制御することが可能であるという非常に優れた効果が得られる。

本発明の一実施形態による海流発電装置の全体構成を示す斜視図である。図１に示した海流発電装置におけるタービンの可変ピッチタービンブレードの抗力が小さい状態の部分的な平面図である。図１に示した海流発電装置におけるタービンの可変ピッチタービンブレードの抗力が大きい状態の部分的な平面図である。本発明の他の実施形態による海流発電装置の全体構成を示す斜視図である。本発明のさらに他の実施形態による海流発電装置の全体構成を示す斜視図である。本発明に係る海流発電装置におけるトルク計の設置状況を例示する概略図である。本発明に係る海流発電装置におけるタービンシャフトと発電機との連結状況を例示する概略図である。本発明に係る海流発電装置における、タービンブレードのピッチコントロールによるトルクバランス制御の例を示すフローチャートである。本発明に係る海流発電装置における、発電機からタービンシャフトにかかる負荷の調節によるトルクバランス制御の例を示すフローチャートである。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１、図２Ａ及び図２Ｂは、本発明に係る水中機器の一実施形態としての、海流発電装置を示している。

これらの図に示すような双発の浮遊式発電装置は、一対の発電部の各深度に大きな差が生じないように海中で浮沈させる、すなわち、一対の発電部をほぼ水平に保ちつつ海中で浮沈させることが重要である。本発明に係る海流発電装置において、「一対の発電部に生じるロール方向の姿勢のずれ」とは、一対の発電部の水平状態が崩れて傾くことを意味している。

また、海流により回転して発電する水平軸型のタービンには、直径数十ｍのものが用いられ、このタービンを有する発電部は、水深数十ｍ程度の位置にて係留され、双発の水中浮遊式発電装置の場合、発電容量はおおよそ数ＭＷである。なお、この発電容量は仕様等の違いに応じて上下する。

図１に示すように、この海流発電装置１は、白抜き矢印で示す海流を受けて回転する水平軸型のタービン３を有する左右一対のポッド４，４及びこれらのポッド４，４同士を並列に連結する連結ビーム５を具備した装置本体２と、海底に設置したシンカー８と、このシンカー８と装置本体２とを連結し、装置本体２を海底Ｂに係留する２本の係留索６，６を備えている。

一対のポッド４，４は、タービンシャフトと連結する発電機（いずれも図示せず）を内蔵することで発電部を構成している。また、２本の係留索６，６は、装置本体２の一対のポッド４，４にそれぞれ連結されて、シンカー８に対しては１本に纏められて連結され、全体としてＹ字状をなしている。

タービン３は、海流の流れに沿う一対のポッド４，４の各下流側（図示左側）に配置されており、このタービン３は、タービンシャフトの後端部に結合されるハブ３ａに２枚のブレード３ｂ，３ｂを取り付けて構成されている。これらのタービン３，３は、各々の回転トルクを相殺するべく互いに反対方向に回転するよう構成されている。

この場合、タービン３の２枚のブレード３ｂ，３ｂは、ハブ３ａに対するピッチが変えられる可変ピッチブレードである。また、一対のポッド４，４には、一対のポッド４，４に生じるロール方向の姿勢のずれを検出する傾き検出手段と、この傾き検出手段で検出されたポッド４，４におけるロール方向の姿勢のずれを打ち消すべく、タービン３，３における可変ピッチタービンブレード３ｂ，３ｂのピッチコントロールを行う姿勢制御部９がそれぞれ配置されている。

ここで、一対のポッド４，４に生じるロール方向の姿勢のずれを検出する傾き検出手段としては、ジャイロセンサ（ジャイロスコープ）や深度計を採用することができ、この実施例では、傾き検出手段として深度計７を採用している。
すなわち、この実施例では、深度計７，７を一対のポッド４，４にそれぞれ設置し、両深度計７，７で得られる深度の差に基づいて、一対のポッド４，４に生じるロール方向の姿勢のずれを検出している。
なお、傾きの検出システムの冗長化を図るために、ジャイロセンサ及び深度計７，７を併用してもよい。

姿勢制御部９では、深度計７，７がポッド４，４（装置本体２）におけるロール方向の姿勢のずれを検出した場合に、例えば、左右のタービン３のうちの一方のタービン３において、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、可変ピッチタービンブレード３ｂのピッチを抗力が小さい状態から抗力が大きい状態に変えて、左右のタービン３間にトルクアンバランスを生じさせることで、一対のポッド４，４におけるロール方向の姿勢のずれをなくすことができる。

この実施形態に係る海流発電装置１では、例えば、一対のポッド４，４（装置本体２）に微妙なロール方向の姿勢のずれが生じて装置本体２がロール方向に回転を始めると、この回転を深度計７，７が検出して姿勢制御部９に信号を出力する。

姿勢制御部９では、深度計７，７で検出された一対のポッド４，４におけるロール方向の姿勢のずれを解消するべく、例えば、左右のタービン３のうちの一方のタービン３に、可変ピッチタービンブレード３ｂのピッチを、図２Ａに示す抗力が小さい状態から、図２Ｂに示す抗力が大きい状態に変えるピッチ制御を行わせる。その結果、一対のポッド４，４の左右の位置が水平に制御され、装置本体２におけるロール方向の回転が抑えられる。

つまり、装置の構成や制御系のシンプル化を図ったうえで、一対のポッド４，４のロール方向の姿勢を制御することが可能となる。

図３は本発明に係る海流発電装置の他の実施形態を示している。
図３に示すように、この海流発電装置１は、海底Ｂに係留される一対のポッド４，４の上流側（図示例ではシンカー８の近傍）に、これらのポッド４，４に向かう海流の流れの状況を把握して姿勢制御部９に出力する流れ状況計測手段としての超音波ドップラー流速計（ＡＤＣＰ）１０を配置した構成を成している。他の構成は、先の実施形態に係る海流発電装置１と同じである。

流れ状況計測手段としての超音波ドップラー流速計１０は、海底Ｂ側から上方に向けて超音波Ｅを発することで、深さ方向の流速分布を計測しており、この超音波ドップラー流速計１０を複数（この実施例では２台）配置することで、一対のポッド４，４を通過する流れの流速の変化を計測することができる。

この海流発電装置１の姿勢制御部９では、２つの超音波ドップラー流速計１０，１０からの流速分布の計測結果に基づいて、一対のポッド４，４におけるロール方向の姿勢の変化を未然に回避するべく、一対のタービン３，３に可変ピッチタービンブレード３ｂ，３ｂのピッチコントロールを行わせる。

この実施形態に係る海流発電装置１では、一対のポッド４，４の上流側において、海流の深さ方向の流速分布が変化して、一対のポッド４，４にロール方向の姿勢が変化する可能性が生じたとしても、この流速分布の変化を計測した超音波ドップラー流速計１０，１０からの計測結果に基づいて、姿勢制御部９が、各タービン３，３に可変ピッチタービンブレード３ｂ，３ｂのピッチコントロールを行わせる。その結果、一対のポッド４，４がロール方向に姿勢を崩すことが回避される。

図４は本発明に係る海流発電装置のさらに他の実施形態を示している。
図４に示すように、この実施形態では、流速や流れの向き等の流況を計測するブイ１１を流れ状況計測手段として、このブイ１１を一対のポッド４，４の上流側に複数配置している。また、複数のブイ１１は、いずれも索１２を介してシンカー８に係留されている。
なお、海流の流速は、上記した超音波ドップラー流速計を用いて計測してもよいし、電磁流量計等の流体計測機器を用いて計測してもよい。

この実施形態の海流発電装置１においても、一対のポッド４，４の上流側において、海流の流況が変化して、一対のポッド４，４にロール方向の姿勢が変化する可能性が生じたとしても、この流況の変化を把握した複数のブイ１１からの計測結果に基づいて、姿勢制御部９が、各タービン３，３に可変ピッチタービンブレード３ｂ，３ｂのピッチコントロールを行わせる。その結果、一対のポッド４，４がロール方向に姿勢を崩すことが回避される。

上記実施形態に係る海流発電装置１では、超音波ドップラー流速計１０，１０や流況を計測するブイ１１を流れ状況計測手段としているので、装置の構成や制御系を複雑化させることなく、一対のポッド（発電部）４，４におけるロール方向の姿勢変化が未然に回避される。

また、一対のポッド４，４が備える各タービン３，３間のトルクバランスが一定であれば、一対のポッド４，４の周囲における海流の流況が変化しても、一対のポッド４，４がロール方向に姿勢を崩すことはない。そこで、各タービン３，３において発生するトルクをそれぞれ計測し、姿勢制御部９が、これらのトルクを一定に維持するよう、各タービン３，３に可変ピッチタービンブレード３ｂ，３ｂのピッチコントロールを行わせることによっても、一対のポッド４，４におけるロール方向の姿勢のずれをなくすことができる。

この場合、各タービン３，３において発生するトルクを計測する方法としては、例えば図５に示すように、タービン３のタービンシャフト３ｃに、タービンシャフト３ｃに発生するトルクを測定するトルク計１３を設置するか、図６に示すように、タービンシャフト３ｃに連結された出力機器（発電機１２）の出力と、その際のタービンシャフト３ｃの回転数とからトルクを算出する方法がある。

さらに、タービンシャフト３ｃに連結された発電機１２からタービンシャフト３ｃにかかる負荷を調節することによっても、一対のポッド４，４が備える各タービン３，３間のトルクバランスを調節することができる。この場合、上記図５及び図６に例示するような方法で各タービン３，３において発生するトルクを計測し、姿勢制御部９が、これらのトルクを一定に維持するよう、発電機１２からタービンシャフト３ｃにかかる負荷を調節する。従って、姿勢制御部９による各タービン３，３における可変ピッチタービンブレード３ｂ，３ｂのピッチコントロールは不要となる。

図７及び図８は、複数のタービンを備える海流発電装置における、タービンのトルクバランスの調節による姿勢制御の例を示すフローチャートである。
図７は、タービンブレードのピッチコントロールによるトルクバランス制御の例を示し、図８は、発電機からタービンシャフトにかかる負荷の調節によるトルクバランス制御の例を示している。

図７で示す例では、複数（ｎ個）のタービンのトルクがそれぞれ計測され、それらの結果から、各タービン間のトルクバランスが検知される。そして、制御部（姿勢制御部９に相当）は、個々のタービンが備える可変ピッチタービンブレードのピッチを調節し、各タービン間のトルクバランスを制御する。その結果、各タービン間のトルクバランスが一定に維持され、ロール方向における装置の姿勢のずれをなくすことができる。

図８で示す例では、複数（ｎ個）のタービンのトルクがそれぞれ計測され、それらの結果から、各タービン間のトルクバランスが検知される。そして、制御部（姿勢制御部９に相当）は、個々のタービンに連結された発電機からタービンシャフトを介してタービンにかかる負荷を調節し、各タービン間のトルクバランスを制御する。その結果、各タービン間のトルクバランスが一定に維持され、ロール方向における装置の姿勢のずれをなくすことができる。

なお、図１に示す実施形態では、一対のポッド４，４に生じたロール方向の姿勢のずれを傾き検出手段（深度計７）で検出し、その結果に基づき装置本体２の姿勢を制御する、所謂フィードバック制御が用いられている。これに対し、図３以降に示す実施形態では、流れ状況計測手段（超音波ドップラー流速計１０またはブイ１１）を用いて計測した海流の流況の変化や、各タービン３，３において発生するトルクの計測結果等を用い、一対のポッド４，４にロール方向の姿勢のずれが生じる前に、この姿勢のずれを回避する、所謂フィードフォワード制御が用いられている。すなわち、図３以降に示す実施形態は、図１に示す実施形態と比較して、装置本体２の姿勢を迅速に制御できるという利点がある。
また、流れ状況計測手段（超音波ドップラー流速計１０またはブイ１１）を用いて得た海流の流況に基づき、各タービン３，３において発生するトルクを予測、算出し、この結果に基づき各タービン３，３間のトルクバランスを調節してもよい。

本発明に係る海流発電装置及び海流発電装置の姿勢制御方法の構成は、上記した実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で構成の付加、省略、置換、及びその他の交換が可能である。また、本発明は、上記の説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。
例えば、上記各実施形態におけるタービン３は２枚の可変ピッチタービンブレード３ｂ，３ｂを有するが、タービンブレードの枚数はこれに限られない。個々のポッド４におけるタービン３の設置位置も、ポッド４の尾部のみならず、ポッド４の前部（シンカー８側）や中央部でもよく、あるいはこれらを組み合わせてもよい。また、上記各実施形態では、左右一対のポッド４、４が連結ビーム５により接続されているが、３個以上のポッド４，４が連結ビーム３等を介して配置されていてもよい。
さらに、複数のポッド４，４が上下もしくは上下左右に配置されていてもよい。
また、個々のポッド４における傾き検出手段（深度計７）の位置及び数も、上記各実施形態に限定されない。

また、係留索６は、各ポッド４，４から延びて途中で合流するＹ字状をなすものの他、一端が各ポッド４，４から延びて他端が同一のシンカー８に接続されるＶ字状であってもよい。あるいは、個々のポッド４、あるいは連結ビーム５から１本または複数本の係留索６が延びてもよい。複数のポッド４、４が上下左右に配置されている場合、これらのポッド４，４からそれぞれ延びる係留索６が、例えば前方から見てＸ字状等、立体的に配置されていてもよい。また、係留索６の他端が接続されるシンカー８の数が、１または複数であってもよい。あるいは係留索６以外の公知の係留方法を採用してもよい。

また、上記各実施形態では、本発明を海流発電装置１に適用した場合について説明したが、本発明は、海流発電装置１以外の、複数のタービンを備え、これらのタービンを用いた姿勢制御を行う水中機器にも適用可能である。例えば、本発明は、有人もしくは無人の自走式水中航走体や曳航物、水中に留置される構造物（浮体等）にも適用可能である。

本発明によれば、構成や制御系をシンプルなものとしたうえで、装置本体のロール方向の姿勢制御を確実に行うことが可能である、水中浮遊式の水中機器海流及びその姿勢制御方法を提供することが可能となる。

１海流発電装置
３タービン
３ｂ可変ピッチタービンブレード
４ポッド（発電部）
７深度計（傾き検出手段）
９姿勢制御部
１０超音波ドップラー流速計（流れ状況計測手段）
１１ブイ（流れ状況計測手段）
１２発電機（出力機器）

Claims

海流を受けて回転する複数のタービンを有し、前記複数のタービンの回転により発電する複数の発電部を備えた水中係留式の海流発電装置であって、
前記複数のタービンが可変ピッチタービンブレードをそれぞれ備え、
前記複数の発電部に生じるロール方向の姿勢のずれを検出する傾き検出手段と、
前記傾き検出手段で検出された前記複数の発電部に生じるロール方向の姿勢のずれを打ち消すべく、前記複数のタービンの前記可変ピッチタービンブレードのピッチコントロールを行う前記姿勢制御部と
を備える海流発電装置。
海底に係留される前記複数の発電部の上流側に、前記複数の発電部側に向かう海流の流れの状況を把握して前記姿勢制御部に出力する流れ状況計測手段を配置し、
前記姿勢制御部では、前記流れ状況計測手段からの計測結果に基づいて、前記複数の発電部におけるロール方向の姿勢変化を未然に回避するべく、前記複数の発電部における各タービンの可変ピッチタービンブレードのピッチコントロールを行う請求項１に記載の海流発電装置。
深さ方向の流速分布を計測可能な超音波ドップラー流速計を前記流れ状況計測手段とし、
この超音波ドップラー流速計を前記複数の発電部の上流側に複数配置した請求項２に記載の海流発電装置。
流況を計測するブイを前記流れ状況計測手段とし、このブイを前記複数の発電部の上流側に複数配置した請求項２に記載の海流発電装置。
海流を受けて回転する複数のタービンを有し、前記複数のタービンの回転により発電する複数の発電部を備えた水中係留式の海流発電装置の姿勢制御方法であって、
前記複数のタービンのタービンブレードをそれぞれ可変ピッチタービンブレードとし、
前記複数の発電部に生じるロール方向の姿勢のずれを打ち消すべく、前記複数のタービンの前記可変ピッチタービンブレードのピッチコントロールを行う海流発電装置の姿勢制御方法。