JP6106188B2 - 水力発電タービンシステム及びその運用方法 - Google Patents

Description

本発明は、水力発電タービンシステムに関し、特に、水力発電タービンシステムにおいて、そのシステムの配備、復旧及び／又は保守に対し、より柔軟な取組みを容易にする。

水力発電タービンは、タービンを通る海水の潮流から電力を発生するために海底上での設置が知られており、これにより、連続的且つ予測可能な発電を効果的に可能にする。しかし、このような水力発電タービンの設置及び保守、いくつかの実例における運転について、これらを取り巻く多くの問題が存在する。

このような問題の主な原因は、これらのタービンが、効果的かつ効率的になるために、タービンの日々の運転に対して、高潮流の場所に配備されなければならないという避けられない事実から生じる。しかし、これらの場所では、タービンの設置、保守及び復旧の際に重大な困難がある。
配備の工程を例にして取りあげると、水力発電タービンが取り付けられる海底への設置のシーケンスでは、時間がかかり、天候に依存し、タービンの配備場所を獲得して海底に降下させ、配備場所へ適切な海底ケーブルを順次設置し、タービンとケーブルとを互いに接続して、使用時に、陸上又は任意の他の適切な場所に電気エネルギーを伝達するステップを含む。
これらのステップは、当然のことながら、特定の設置に応じて、任意の順序で起こり得ることを認識すべきである。配備場所での海底上におけるタービン位置に従って、タービンが海底ケーブルから電気的に非接続の状態を維持している時期が通常存在することが理解される。しかし、この期間中、潮がまだ流れている。したがって、潮は、例えば、タービンのロータに駆動力を加えるために該タービンの中を流れる。

設置段階に加えて、グリッド（grid）への接続がグリッド障害のために失われたとき、又は、保守作業が海岸の受信局で実施されているときに、タービンの動作寿命の間、上記の期間が存在し得る。

タービンは、回転自在とされており、これは、タービン発電機が開回路の時には電気的観点から良い。しかし、この取組みは、タービンが高速で動作し、そして、このため、軸受けやおそらくタービンの他の構成要素をすり減らすので、機械的に有害の可能性がある。それに加えて、それは、発電機（一般的な構成であるので、永久磁石により励起された場合）が異常に高い電圧を発生させる原因になる。
あるいは、機械式ロックをロータに適用することが可能であり、そして、そのことは、タービンの発電装置の構成要素に影響を及ぼさないが、タービンの信頼性とコストに悪影響を及ぼすおそれのある、付加的な機械装置を必要とする。
さらなる代替として、所定の位置でロータを電気的にロックすることができるが、これは、発電機が短絡しているので、電気的に悪影響を有する。この取組みは、タービンが電気的にロックされている間、軸受けは動作せず、又は、摩耗されていないので、機械的には良い。

したがって、本発明は、上述の問題を克服することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、水中に水力発電タービンを配備するステップと、上記タービンを通過する水の流れに応じて、上記タービンを回転させ、電力を発生させるステップと、上記水力発電タービンシステムに搭載され、上記タービンと電気的に接続された負荷バンク（load bank）に上記電力の少なくとも一部を吸収させるステップと、電気ケーブルを設置して、上記タービンから遠隔地へ電力を移送するステップと、上記ケーブルを上記タービンに対して電気的に接続する前に、上記タービンにより発生する電力を前記負荷バンクに吸収させるステップと、を含んで構成される。

好ましくは、本方法は、上記負荷バンクとして、抵抗負荷バンクと誘導負荷バンクとの少なくとも一方を提供するステップを含んで構成される。

好ましくは、本方法は、上記負荷バンクとして、１つ以上の加熱素子を提供するステップと、熱を発生させるために上記電力を上記加熱素子に通すステップと、上記水力発電タービンシステムを通過して流れる上記水に上記熱を散逸させる（dissipating）ステップと、を含んで構成される。

好ましくは、本方法は、上記タービンの電気出力をグリッドに接続するステップ及び上記タービンから上記負荷バンクを電気的に切断するステップを含んで構成される。

好ましくは、本方法は、上記負荷バンクが上記タービンに電気的に接続されている間、上記タービンシステムの１つ以上の運転パラメータを監視するステップを含んで構成される。

好ましくは、本方法は、上記ケーブルを上記タービンに電気的に接続して上記タービンを運転するステップと、上記タービンの保守と除去との少なくとも一方を可能にするために、上記タービンから上記ケーブルを電気的に切断するステップと、上記タービンの保守と除去との少なくとも一方に先立って、上記タービンにより発生する電力を上記負荷バンクに吸収させるステップと、を含んで構成される。

好ましくは、本方法は、上記タービンを配備するステップにおいて、船の下方に上記タービンをつるし、上記船を使用して、上記水を介して上記タービンを牽引し、上記タービンの回転を生じさせて電力を発生させ、上記負荷バンクに上記電力を吸収させる処理を含んで構成される。

好ましくは、本方法は、上記負荷バンクに、上記タービンの通常運転中に発生した、余分な電力を吸収させるステップを含んで構成される。

本方法は、上記電気ケーブルが上記タービンに電気的に接続すると、上記タービンにより発電された電気負荷を上記負荷バンクから上記電気ケーブルに切り替えるステップを含んで構成される。

本発明の第２の態様によれば、水力発電タービンシステムは、基部と、上記基部に搭載された水力発電タービンと、上記基部と上記タービンとの少なくとも一方に搭載され、上記タービンの電気出力に電気的に接続されている負荷バンクとを含んで提供され、電気ケーブルを設置して、上記タービンから遠隔地へ電力を移送し、上記ケーブルを上記タービンに対して電気的に接続する前に、上記タービンにより発生する電力を上記負荷バンクに吸収させる。

好ましくは、上記負荷バンクは、抵抗負荷バンクと誘導負荷バンクとの少なくとも一方を備える。

好ましくは、上記負荷バンクは、作動中に、周囲の上記水に対し、熱を散逸させるように構成される１つ以上の加熱素子を含んで構成される。

好ましくは、上記負荷バンクは、上記基部と上記タービンとの少なくとも一方に着脱可能に搭載される。

本明細書で使用される「吸収」という用語は、発電機から抵抗負荷を加熱するために、該抵抗負荷に電力を直接移送することと、発電機に負う電圧を減らすために無効電力（reactive power）を誘導負荷に引き入れることの少なくとも一方を意味することを意図する。

本発明の実施形態に係るタービンシステムの一部を形成する水力発電タービンシステムの概略図を示す。 タービンシステムの一部を形成する負荷バンクを構成する一対の加熱素子の概略図を示す。 水力発電タービンシステムの負荷スイッチング能力を示す、タービンシステムの電気回路図を示す図である。 プレ配備牽引テストを受けている水力発電タービンシステムを示す図である。 負荷バンクのためのシステムについて、代替可能な位置を例示している。 負荷バンクのためのシステムについて、代替可能な位置を例示している。

添付図面を参照すると、符号１０を付して示される水力発電タービンシステムを示す図があり、それは、潮流から電気を発生させるために、高潮の速度の場所となる海底上で配備されるように、設計されている。

タービンシステム１０は、タービン１２に既知の方法で電気を発生させるために、海底上にて正しい向きで支持する基部１４に搭載された水力発電タービン１２を含んで構成される。図１を特に参照すると、タービンシステム１０は、さらに、そのシステム１０に搭載された負荷バンク１６を備えていることがわかる。そして、図示の実施形態では、負荷バンク１６は、タービン１２の一部を形成するステータ１８の外周リムに固定されている。そして、ロータ２０の中のステータ１８が回転するように取り付けられている。ステータ１８は、基部１４に搭載され、そして、タービン１２を用いて電気を発生するために、ロータ２０が海水の潮汐流により駆動されている間、このような使用中、基部１４は静止したままである。

図２を参照すると、負荷バンク１６は、１つ以上の巻線２２を含み、以下でより詳細に説明するように、巻線２２は、抵抗性又は誘導性の巻線であってよく、タービン１２の発電機の出力（図示せず）に電気的に接続されていてもよい。このようにして、巻線２２は、グリッド等に接続されることなく、タービン１２に電気を発生させることを可能とし、そして以下に詳細に説明するように、放熱用の負荷バンク１６に発生する電流を通過させることが可能である。これは、タービン１２にグリッド接続を必要とせずに、通常通りに動作できるので、例えば、タービンシステム１０を設置するか、回復するとき、より大きな柔軟性を提供する。このようにタービンシステム１０は、グリッド接続なしで適当な場所で配備されることができ、大幅に設置手順を単純化できる。タービン１２は、それから、通常通りに動作させることができ、電気を発生させ、その電気は負荷バンク１６の巻線２２に供給され、したがって、巻線２２を加熱する。それから、この熱は、負荷バンク１６を通り越して流れている海水に散逸される。タービン１２が自由に回転しているか、機械的に又は電気的にロックされているよりはむしろ、何らかの負荷が加わって動作するのは、海底上でタービンシステム１０を位置決めすることと、グリッド接続することの間の期間中が好ましい。

同様に、タービンがメンテナンス等のために廃棄されることになっているか、取り外されることになっているならば、負荷バンク１６の供給は、再度、より大きな柔軟性を運転に提供する。したがって、グリッド接続が切断されることができ、その一方で、タービン１２に運転と発電を継続させながら、負荷バンク１６に渡され、周囲の海水への熱として散逸される。グリッドからの切断とタービンシステム１０の復旧との間に、ほとんど又はまったく時間的な制約がない。

図３を参照すると、タービン１２と負荷バンク１６との間の電気的接続、及び、タービン１２とグリッドＧとの間の電気的接続を、各々模式的に示している。タービン１２と負荷１６との間で提供されるのは、負荷スイッチ２４であり、タービン１２とグリッドＧとの間で提供されるのは、グリッドスイッチ２６である。各スイッチは、それぞれの負荷へのタービン１２の電気的接続又は絶縁をもたらすために各々動作させることができる。このようにして、例えば、設置手順の間、タービンシステム１０は、最初に、グリッドＧに接続せずに海底に配備されており、負荷スイッチ２４は、タービン１２と負荷バンク１６との間の電気的接続を提供するために閉じられ、タービン１２で発生された電気エネルギーが負荷バンク１６を通して散逸されることを可能にする。タービン１２へのグリッドＧの接続が確立されると、グリッドスイッチ２６は、その時点で閉じることができ、負荷スイッチ２４は開くことができる。負荷バンク１６は、その後、タービン１２から電気的に絶縁される。そして、その結果、タービン１２で発生された電気エネルギーは、その後、グリッドＧに供給される。タービンシステム１０は、例えば、メンテナンス等のために回収される前に、グリッドＧから切断される場合、このプロセスは、その後反転させることができる。

さらに、例えば、嵐や高潮等の極端な現象を通じて、タービン１２は、通常よりも高い潮の流れを経験する可能性があり、その結果、より大きな電力を発生する。このような事象が希少であれば、それは、このより高いレベルへのグリッド接続配線及び電力変換装置（図示せず）を評価する経済的意味を成さないかもしれない。そして、このように、これらの稀な出来事を通じて、余分な電力が負荷バンク１６で散逸されることができる。この場合、負荷スイッチ２４とグリッドスイッチ２６との両方は、閉じられることが必要である。タービン１２で発生された電力が、所定の上限値を超えた場合、スイッチ２４、２６は、遠隔操作することができ、及び/又は、負荷スイッチ２４を自動的に閉じることができる。

図４を参照すると、負荷バンク１６は、また、タービン１２が最終的な設置の前に試験されることを可能にするのに有益である。例えば、タービン１２が完全に浸漬されるように、タービン１２は、船Ｖの下方に固定されることができる。それから、船Ｖは、タービン１２の正常な動作をシミュレートするため、海水を介してタービン１２を引っ張ることができる。この手順の間、タービン１２は、負荷バンク１６に電気的に接続されており、このように、タービン１２に電気を発電させることを可能とし、負荷バンク１６を介して同じ熱を放熱する。これは、試験の手順の間、タービン１２が通常通りに効果的に動作することを可能とし、そして、有益な情報が試験中に収集されることを可能にする。このような負荷バンク１６の試験中、特に巻線２２は、タービン１２の発電能力を実証するために、抵抗巻線として提供されてもよい。しかし、他の目的のために、そのようなタービン１２の発電機巻線（図示せず）がオーバーヒートすることなく電流を流すことができることを示す、又は、特定の電気的パラメータを検証することを示すなど、それは単に、タービン１２が誘導負荷バンク１６内に無効電力を発生させることを可能にするのに十分であり得る。これは、インダクタが海水と直接接触する必要がないという利点を有する。このため、負荷バンク１６は、抵抗負荷バンクと誘導負荷バンクとの少なくとも一方であってよい。

図５を参照すると、負荷バンク１６は、当然のことながら、タービンシステム１０についての任意の適切な位置に配備することができ、そして、例えば、一つ以上の位置で基部１４の骨組みに取り付けられてもよい。また、複数の負荷バンク１６は、当然のことながら、単一のタービンシステム１０に用いることができる。

Claims (13)

1. 水中に水力発電タービンを配備するステップと、
   前記タービンを通過する水の流れに応じて、前記タービンを回転させ、電力を発生させ
   るステップと、
   前記水力発電タービンシステムに搭載され、前記タービンと電気的に接続された負荷バ
   ンクに前記電力を吸収させるステップと、
   電気ケーブルを設置して、前記タービンから遠隔地へ電力を移送するステップと、
   前記ケーブルを前記タービンに対して電気的に接続する前に、前記タービンにより発生する電力を前記負荷バンクに吸収させるステップと、
   を含んで構成される水力発電タービンシステムの運用方法。
2. 前記負荷バンクとして、抵抗負荷バンクと誘導負荷バンクとの少なくとも一方を提供するステップを含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の水力発電タービンシステムの運用方法。
3. 前記負荷バンクとして、１つ以上の加熱素子を提供するステップと、
   熱を発生させるために前記電力を前記加熱素子に通すステップと、
   前記水力発電タービンシステムを通過して流れる前記水に前記熱を散逸させるステップと、
   を含んで構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水力発電タービンシステムの運用方法。
4. 前記タービンの電気出力をグリッドに接続するステップと、
   前記負荷バンクを前記タービンから電気的に切断するステップと、
   を含んで構成されることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の水力発電タービンシステムの運用方法。
5. 前記負荷バンクが前記タービンに電気的に接続されている間、前記タービンシステムの１つ以上の運転パラメータを監視するステップを含んで構成されることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の水力発電タービンシステムの運用方法。
6. 前記ケーブルを前記タービンに電気的に接続して前記タービンを運転するステップと、
   前記タービンの保守と除去との少なくとも一方を可能にするために、前記タービンから前記ケーブルを電気的に切断するステップと、前記タービンの保守と除去との少なくとも一方に先立って、前記タービンにより発生する電力を前記負荷バンクに吸収させるステップと、
   を含んで構成される請求項１に記載の水力発電タービンシステムの運用方法。
7. 前記タービンを配備するステップは、
   船の下方に前記タービンをつるすステップと、
   前記船を使用して、前記水を介して前記タービンを牽引し、前記タービンの回転を生じさせて電力を発生させるステップと、
   前記負荷バンクに前記電力を吸収させるステップと、
   を含んで構成される請求項１から請求項６の何れか１項に記載の水力発電タービンシステムの運用方法。
8. 前記負荷バンクに、前記タービンの通常運転中に発生した、余分な電力を吸収させるステップを含んで構成される請求項１、６、７の何れか１項に記載の水力発電タービンシステムの運用方法。
9. 前記電気ケーブルが前記タービンに電気的に接続されると、前記タービンにより発電された電気負荷を前記負荷バンクから前記電気ケーブルに切り替えるステップを含んで構成される請求項１、６、７の何れか１項に記載の水力発電タービンシステムの運用方法。
10. 基部と、前記基部に搭載された水力発電タービンと、前記基部と前記タービンとの少な
    くとも一方に搭載され、前記タービンの電気出力に電気的に接続されている負荷バンクとを含んで構成され、
    電気ケーブルを設置して、前記タービンから遠隔地へ電力を移送し、
    前記ケーブルを前記タービンに対して電気的に接続する前に、前記タービンにより発生する電力を前記負荷バンクに吸収させる、
    水力発電タービンシステム。
11. 前記負荷バンクは、抵抗負荷バンクと誘導負荷バンクとの少なくとも一方を含んで構成されることを特徴とする請求項１０に記載の水力発電タービンシステム。
12. 前記負荷バンクは、作動中に、周囲の水に対し、熱を散逸するように構成される１つ以上の加熱素子を含んで構成されることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の水力発電タービンシステム。
13. 前記負荷バンクは、前記基部と前記タービンとのうち少なくとも一方に着脱可能に搭載されることを特徴とする請求項１０から請求項１２の何れか１項に記載の水力発電タービンシステム。

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