JP6118566B2 - 波力発電装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、海上に浮かべたフロートの運動により、波からエネルギを取り出し発電を行う波力発電装置及びその制御方法に関するものである。

従来、波力発電装置として、海上又は海水中にフロートを浮かべたものがある（例えば特許文献１参照）。この波力発電装置は、フロートが波から受けた外力を、電気に変換して発電を行う発電機を有している。図４に、波力発電装置の１例を示す。この波力発電装置１Ｘは、胴体３と、胴体３に沿って上下運動するフロート４と、フロート４の上下運動を回転運動に変換する伝達機構８と、伝達機構８に連結された発電機５を有している。この伝達機構８は、例えば、ボールねじ６とボールナット７の組み合わせで構成されている。なお、胴体３は、係留ワイヤ１１で海底に固定される浮体式、又は海底から直立する着床式により設置される。

次に、波力発電装置１Ｘの作動について説明する。まず、波力発電装置１Ｘのフロート４が、波から外力を受け、上下運動する。フロート４の上下運動に伴い、フロート４に固定されたボールナット７が上下に移動する。このボールナット７の上下運動により、ボールねじ６が回転し、連結された発電機５に回転運動を伝達する。ここで、図４左方は、ボールナット７の上昇によりボールねじ６が矢印の方向に回転している様子を示し、図４右方は、ボールナット７の下降によりボールねじ６が前述と反対方向に回転する様子を示している。

この構成により、波力発電装置１Ｘは、波の運動エネルギで発電機５を回転させ、発電を行うことができる。ここで、フロート４の上下運動を、波の周期に共振（同調ともいう）させ、適切な発電負荷を与えると、発電効率を向上できることが知られている。そのため、フロート４は、その固有周期が、波力発電装置１Ｘを設置する海域の波の周期で共振（同調）するように設計される。ここで、フロート４の上下運動を波の周期で共振（同調）させるためには、波の周期におけるフロート４の慣性力と復元力を等しくすればよい。

以下に、フロート４の固有周期Ｔが決定される過程について説明する。まず、一般的に、バネ定数ｋ_０（Ｎ／ｍ）のばねの片端を固定し、片端に質量Ｍ_０（ｋｇ）をつけた単振動系の固有周期Ｔ_０（ｓｅｃ）は、以下の式で表すことができる。

次に、フロート４が水面に浮いている場合、フロートにかかる復元力（浮力から重量を引いたもの）は、バネ力として働く。今、フロート４を円柱形状と仮定すると、このバネ定数ｋは、円柱断面積Ｓを用いて以下の式で表すことができる。

ここで、ρは水の密度（１０００ｋｇ／ｍ^３）、ｇは重力加速度（９．８ｍ／ｓｅｃ^２）を示す。また、フロート４の質量Ｍ（ｋｇ）は、喫水（水没深さ）をｄ_ｆ（ｍ）とすると以下の式で表すことができる。

以上より、フロート４の固有周期Ｔ（ｓｅｃ）は、以下の式で表すことができる。なお、フロート４は、水上にあることから、質量比αの付加質量を考慮している。この付加質量とは、フロート４が上下運動を行う際に、周辺の水が共に動くことにより、見かけ上増加した質量をいう。

上記の式より、円柱のように断面積が一定のフロート４の固有周期Ｔは、フロート４の直径とは無関係であり、その喫水ｄ_ｆにのみ依存することがわかる。つまり、波力発電装置１Ｘを設計する時点で、フロート４の固有周期Ｔは、設置海域の発電設計波（発電効率を最大としたい波）の周期に固定される。他方で、波の周期Ｔｓは、例えば４〜１０秒で常時変化する。

次に、波力発電装置１Ｘが、波のエネルギを吸収し、発電を行う原理について説明する。まず、発電機５のみを積んだ波力発電装置１Ｘのフロート４の上下運動は、以下の式で表すことができる。

ここで、Ｍはフロートの質量、ｍは付加質量、Ｎはフロートの造波減衰、ｄは発電機の負荷減衰、Ｃはフロートの復元力係数、Ｆ_ｚは波による強制力を示す。ｚ、ｚ’及びｚ’’は、それぞれフロートの上下変位、速度、及び加速度を示す。波が、規則波の場合、上記数５の式は、以下の式で表わすことができる。

ここで、ωは、規則波の円周波数を示す。また、フロートで吸収される波のエネルギは、（ｄｚ’）×ｚ’の時間平均で計算される。従って、上記数６の式の左方第１項のかっこ内の値が０となるように調整すれば、フロートの上下運動を波の周期に共振させることができ、発電機の負荷減衰ｄを適切な数値に調整すれば、発電効率を向上することができる
。

しかし、上記の波力発電装置１Ｘは、いくつかの問題を有している。第１に、波力発電装置１Ｘの発電効率の向上は困難であるという問題を有している。これは、フロート４の固有周期Ｔが、設計及び製造された時点で決定されるのに対して、波の周期Ｔｓは季節や時間帯により変化するからである。

この問題に対して、フロート４の質量や復元力を調整する調整機構により、フロート４の固有周期Ｔを調整することも考えられる。具体的には、フロート４にバラスト水を入れて質量を変化させたり、フロート４の水中部分に薄板等を設置し、付加質量を変化させたりする調整機構が考えられる。また、フロート４の水線面積を変化させたり、フロート４と胴体３の間にバネ等を設置したりする調整機構が考えられる。

しかし、上記の調整機構を採用した場合は、第２の問題点として、波力発電装置の製造コストが増加してしまうという問題が生じてしまう。これは、調整機構を新たに付加することにより、そのコストが増加するからである。また、調整機構を構成する機器等の設置に伴い、フロートの重量が増加し、その強度計算等が必要となり、設計が複雑になるからである。

第３に、調整機構の採用により、故障やメンテナンス頻度が増加するという問題を有している。これは、調整機構を構成する機器等が故障等を引き起こす可能性が増加するからである。特に、波力発電装置１Ｘを、過酷な環境である外洋に設置した場合は、メンテナンス頻度が更に増加する。

特開２００７−１３２３３６号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、フロートへの質量や形状の変化に係る調整機構や波高計等の外部センサの追加を不要として、波力発電装置の製造コストを抑制しながら、あらゆる波の周期に対してフロートの上下運動を同調させ、発電効率を向上することのできる波力発電装置及びその制御方法を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明に係る波力発電装置は、胴体と、前記胴体に沿って上下運動するフロートと、前記フロートの上下運動を回転運動に変換する伝達機構と、前記伝達機構に連結された発電機と、を有する波力発電装置において、前記波力発電装置が、前記発電機のトルクを制御する制御装置を有しており、前記制御装置が、前記発電機の回転数又は回転速度のデータから前記フロートの変位ｚ及び速度ｚ’を推定し、前記変位ｚ及び前記速度ｚ’から波の周期を推定し、予め記憶しているデータテーブルから、前記波の周期に対応する変位係数Ａを決定する構成と、前記変位係数Ａと前記変位ｚの積を算出したものを前記発電機にトルク指令Ｔｑ１として送信し、前記発電機のトルクを制御する構成と、を有していることを特徴とする。

この構成により、波力発電装置の発電効率を向上することができる。これは、発電機を
トルク制御する構成により、フロートに付加質量力相当の力を与えることができ、フロートの上下運動を波に同調できるからである。また、波力発電装置の製造コストを抑制することができる。これは、調整機構等を付加することなく、フロートの上下運動を波に同調できるからである。更に、波力発電装置に発生する故障等を抑制することができる。これは、波高計等の外部センサや調整機構等を設置する必要がないからである。

上記の波力発電装置において、前記制御装置が、前記データテーブルから、前記波の周期に対応する変位係数Ａに加えて、速度係数Ｂを決定する構成と、前記変位係数Ａと前記変位ｚの積に、前記速度係数Ｂと前記速度ｚ’の積を加えたものを前記発電機にトルク指令Ｔｑ２として送信し、前記発電機のトルクを制御する構成と、を有していることを特徴とする。

この構成により、更に波力発電装置の発電効率を向上することができる。これは、フロートの上下運動を波の周期に同調させた状態で、フロートの速度ｚ’に比例する負荷減衰ｄを適切な数値に調整し、発電効率を向上できるからである。

上記の目的を達成するための本発明に係る波力発電装置の制御方法は、胴体と、前記胴体に沿って上下運動するフロートと、前記フロートの上下運動を回転運動に変換する伝達機構と、前記伝達機構に連結された発電機と、前記発電機のトルクを制御する制御装置と、を有する波力発電装置の制御方法であって、前記制御装置が、前記発電機の回転数又は回転速度を取得するデータ取得ステップと、前記データ取得ステップで取得したデータから、前記フロートの変位ｚ及び速度ｚ’を推定するフロート状態推定ステップと、前記変位ｚ及び前記速度ｚ’から波の周期を推定する波状態推定ステップと、予め記憶しているデータテーブルから前記波の周期に対応する変位係数Ａを決定する係数決定ステップと、前記変位係数Ａと前記変位ｚの積を算出したものを前記発電機にトルク指令Ｔｑ１として送信し、前記発電機のトルクを制御するトルク制御ステップと、を有していることを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。

上記の波力発電装置の制御方法において、前記制御装置が、予め記憶しているデータテーブルから前記波の周期に対応する前記変位係数Ａに加えて、速度係数Ｂを決定する係数決定ステップと、前記変位係数Ａと前記変位ｚの積に、前記速度係数Ｂと前記速度ｚ’の積を加えたものを前記発電機にトルク指令Ｔｑ２として送信し、前記発電機のトルクを制御するトルク制御ステップと、を有していることを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。

上記の波力発電装置の制御方法において、前記制御装置が、波の周期に加え、波高を推定する前記波状態推定ステップと、予め記憶しているデータテーブルから前記波の周期及び前記波高に対応する少なくとも変位係数Ａを決定する前記係数決定ステップと、を有することを特徴とする。この構成により、更に波力発電装置の発電効率を向上することができる。これは、波の周波数に加え、異なる波高ごとに最適な変位係数Ａ及び速度係数Ｂを決定することができるからである。

本発明に係る波力発電装置及びその制御方法によれば、フロートへの質量や形状の変化に係る調整機構や波高計等の外部センサの追加を不要として、波力発電装置の製造コストを抑制しながら、あらゆる波の周期に対してフロートの上下運動を同調させ、発電効率を向上することのできる波力発電装置及びその制御方法を提供することができる。

本発明に係る実施の形態の波力発電装置の断面概略図である。 本発明に係る実施の形態の波力発電装置の制御の概略図である。 波力発電装置の制御に使用するデータテーブルの１例を示す。 従来の波力発電装置の断面概略図である。

以下、本発明に係る実施の形態の波力発電装置について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明の実施の形態の波力発電装置１の断面概略図を示す。波力発電装置１は、胴体３と、胴体３に沿って上下運動するフロート４と、フロート４の上下運動を回転運動に変換する伝達機構８と、伝達機構８に連結された発電機（以下、モータという）５と、を有している。この伝達機構８は、例えば、ボールねじ６とボールナット７の組み合わせで構成されている。なお、胴体３は、係留ワイヤ１１で海底に固定される（単索緊張係留方式）、又は海底から直立するように固定される（着床式）。

また、波力発電装置１は、モータ５のトルクを制御する制御装置２を有している。更に、波力発電装置１は、波高計等の外部センサを有していない。

次に、波力発電装置１の制御について説明する。図２に、波力発電装置１の制御の概略図を示す。まず、波力発電装置１の制御装置２は、フロート４の上下運動により回転するモータ５から、モータ５の回転数又は回転速度を取得する（データ取得ステップＳ０１）。このデータ取得ステップは、連続且つ継続的に行われることが望ましい。

次に、制御装置２は、取得したモータ５の回転数又は回転速度の連続するデータからフロートの上下運動の状態（変位ｚ、及び速度ｚ’）を推定する（フロート状態推定ステップＳ０２）。更に制御装置２は、推定したフロートの変位ｚ及び速度ｚ’から、波の状態（周期Ｔｓ）を推定する（波状態推定ステップＳ０３）。その後、制御装置２は、予め記憶しているデータテーブルから、この波の周期Ｔｓに対応する変位係数Ａを決定する（係数決定ステップＳ０４）。

次に、制御装置２は、以下の式に示すように、フロート４の変位ｚと変位係数Ａの積をトルクＴｑ１として算出し、このトルクＴｑ１をトルク指令としてモータ５に送信し、モータ５のトルクを制御する（トルク制御ステップＳ０５）。

つまり、制御装置２は、フロート４の変位ｚに比例するトルクＴｑ１を、トルク指令としてモータ５を制御する構成を有している。以上を繰り返して、波力発電装置１は、モータ５のトルク制御により、フロート４の上下運動と波の同調を実現する。

なお、フロートの変位ｚ及び速度ｚ’は、フロートに設置された加速度センサ等を利用して取得してもよい。この加速度センサは、安価であるため波力発電装置の製造コストを増加させない。また、加速度センサは、フロートの内部に容易に設置することができるため、故障等の問題をほとんど引き起こすことがない。

次に、波力発電装置１の制御の異なる実施形態について図２を参照しながら説明する。この実施形態においては、まず、係数決定ステップＳ０４で、制御装置２は、予め記憶しているデータテーブルから、この波の周期Ｔｓに対応する変位係数Ａに加えて、速度係数Ｂを決定する。

最後に、トルク制御ステップＳ０５では、制御装置２は、以下の式に示すように、フロート４の変位ｚと変位係数Ａの積に、速度ｚ’と速度係数Ｂの積を加算したものをトルクＴｑ２として算出し、このトルクＴｑ２をトルク指令としてモータ５に送信し、モータ５のトルクを制御する。

つまり、制御装置２は、フロート４の変位ｚに比例するトルクと、フロート４の速度ｚ’に比例するトルクを加算して求めたトルクＴｑ２を、トルク指令としてモータ５を制御する構成を有している。

次に、制御装置２に予め記憶されているデータテーブルについて詳しく説明する。図３に、データテーブルの１例を示す。データテーブルは、波の周期Ｔｓごとに対応する変位係数Ａ及び速度係数Ｂを格納している。つまり、例えば波の周期Ｔｓが５ｓｅｃの場合の最適な変位係数はＡ_５であり、速度係数はＢ_５となる。この変位係数Ａ及び速度係数Ｂは、フロート４の質量、浮力、形状等と、波の周期Ｔｓに依存する値であり、以下の複数の方法によって決定することができる。

第１の方法として、変位係数Ａ及び速度係数Ｂを実験により予め求めておく方法がある。具体的には、実験水槽等に、予め製作した波力発電装置を配置し、ある周期Ｔｓを有する波を発生させる。この間に、変位係数Ａ及び速度係数Ｂを変化させながら、波力発電装置による発電量をデータとして取得していく。発電量が最も高かった場合の変位係数Ａ及び速度係数Ｂを、最適な係数としてデータテーブルに記憶する。波の周期Ｔｓを変えながら、以上を繰り返し、データテーブルを作成することができる。このとき、フロートの質量や復元力等を正確に把握する必要がないため、容易に最適な係数Ａ及びＢを決定することができる。この方法は、特に、フロートと共に上下する発電装置内の機構の質量や摩擦力等の推定が複雑となる場合に、有利な効果を奏する。

第２の方法として、シミュレーション（計算）により、変位係数Ａ及び速度係数Ｂを予め求めておく方法がある。具体的には、製造予定のフロートや発電装置の設計データ（質量や復元力）を基に、前述の実験と同様の内容のシミュレーションを行い、発電量が最も高くなる場合の変位係数Ａ及び速度係数Ｂを、最適な係数としてデータテーブルに記憶する。波の周期Ｔｓを変えながら、以上を繰り返し、データテーブルを作成することができ
る。このとき、実験水槽等が不要であるため、時間的及び金銭的コストを抑制しながら、最適な係数Ａ及びＢを決定することができる。この方法は、特に発電装置内の機構の質量や摩擦力等の推定が容易である場合に、有利な効果を奏する。

第３の方法として、変位係数Ａ及び速度係数Ｂを、波力発電装置１が発電を行った際のフィードバックで決定又は調整する方法がある。具体的には、海に設置された波力発電装置１において、発電量をモニターし、この発電量をフィードバックして、発電量が最も高かった場合の変位係数Ａ及び速度係数Ｂを、最適な係数としてデータテーブルに記憶する。この構成により、波力発電装置１の発電効率を長期間にわたり維持することができる。これは、フロート４の固有周期Ｔが、経年劣化や付着物等により変化した場合であっても、発電量の減少等から係数Ａ及びＢの更新制御を開始し、データテーブルを更新することができるからである。

なお、上記の方法を複数組み合わせて採用してもよい。例えば、フロート４を設計する段階では、第２の方法のシミュレーションにより、データテーブルを作成し、海に波力発電装置１を設置して発電を開始した後には、第３の方法のフィードバックにより、係数Ａ及びＢを調整するように構成してもよい。

ここで、波力発電装置１を複数基設置する場合は、１つの波力発電装置１で上記のデータテーブルの作成を行い、他の波力発電装置の制御装置には、作成したデータテーブルの共有を行うように構成することができる。この構成により、複数の波力発電装置において、容易に高い発電効率を得ることができる。

上記の構成により、波力発電装置１は、以下の作用効果を得ることができる。第１に、波力発電装置１の発電効率を向上することができる。これは、制御装置２でモータ５のトルク制御を行う構成により、フロート４の上下運動を絶えず変化する波の周期Ｔｓに同調（共振）できるからである。

また、トルクＴｑ２をトルク指令として制御に利用する構成により、更に波力発電装置の発電効率を向上することができる。これは、フロートの上下運動を波の周期に同調させた状態で、フロート速度ｚ’に比例する負荷減衰ｄを適切な数値に調整し、発電効率を向上できるからである。

第２に、波力発電装置１の製造コストを抑制することができる。これは、波力発電装置１にフロートの質量や形状の調整機構等の新たな機器等を付加することなく、フロート４の同調制御を実現することができるからである。また、いかなる海域、いかなる季節であっても、同一設計のフロート４の上下運動を波の周期に同調させ、発電効率を向上できるからである。

第３に、波力発電装置１に発生する故障等を抑制することができる。これは、外部センサや、フロートの質量や形状の調整機構等を設置する必要がないからである。

なお、制御装置２は、異なる波高Ｈｓごとに作成された複数のデータテーブル（以下、データテーブル群という）を記憶されるように構成してもよい。この場合、制御装置２は、まず、波状態推定ステップで、波の周期Ｔｓに加えて、波高Ｈｓを推定する。次に、制御装置２は、データテーブル群から推定された波高Ｈｓに対応するデータテーブルを選択し、このデータテーブルから周期Ｔｓに対応する変位係数Ａ、又は変位係数Ａ及び速度係数Ｂを決定する。最後に、制御装置２は、トルク指令Ｔｑ１又はＴｑ２をモータ５に送信する。また、データテーブルを作成する際には、波高Ｈｓを変化させながら、前述のいずれかの方法を実行する。

この構成により、例えば、波の波高が小さく波のエネルギが小さいとき（小波高）に作成したデータテーブルを、波の波高が大きく波のエネルギが大きいとき（大波高）に利用してフロートの制御を行った際に、フロートが波面から離れかえって発電効率が低下したり、モータに負荷がかかり過ぎるという事態を回避できる。つまり、波力発電装置の発電効率を更に向上することができる。これは、波の周期Ｔｓに加え、異なる波高Ｈｓごとに最適な変位係数Ａ及び速度係数Ｂを決定することができるからである。

また、小波高から大波高まで、あらゆる波高の波に対して、フロートの制御が可能となるため、波力発電装置を設置する海域のさまざまな海象条件に対して、高い発電効率を実現することができる。

更に、本発明における制御装置２及びその制御は、他の波力発電装置にも採用することができる。具体的には、例えば、伝達機構が、発電機に設置されたピニオンギアと、フロートに固定されたラックで構成された波力発電装置や、発電機がリニアモータで構成され、伝達機構がリニアモータを直動させるためのロッドで構成された波力発電装置等にも、採用することができる。

１ 波力発電装置
２ 制御装置
３ 胴体
４ フロート
５ 発電機（モータ）
６ ボールねじ
７ ボールナット
８ 伝達機構
Ａ 変位係数
Ｂ 速度係数
ｚ （フロートの）変位
ｚ’ （フロートの）速度

Claims (6)

1. 胴体と、前記胴体に沿って上下運動するフロートと、前記フロートの上下運動を回転運動に変換する伝達機構と、前記伝達機構に連結された発電機と、を有する波力発電装置において、
   前記波力発電装置が、前記発電機のトルクを制御する制御装置を有しており、
   前記制御装置が、前記発電機の回転数又は回転速度のデータから前記フロートの変位ｚ及び速度ｚ’を推定し、前記変位ｚ及び前記速度ｚ’から波の周期を推定し、予め記憶しているデータテーブルから、前記波の周期に対応する変位係数Ａを決定する構成と、
   前記変位係数Ａと前記変位ｚの積を算出したものを前記発電機にトルク指令Ｔｑ１として送信し、前記発電機のトルクを制御する構成と、を有していることを特徴とする波力発電装置。
2. 前記制御装置が、前記データテーブルから、前記波の周期に対応する前記変位係数Ａに加えて、速度係数Ｂを決定する構成と、
   前記変位係数Ａと前記変位ｚの積に、前記速度係数Ｂと前記速度ｚ’の積を加えたものを前記発電機にトルク指令Ｔｑ２として送信し、前記発電機のトルクを制御する構成と、を有していることを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。
3. 前記制御装置が、
   異なる波高ごとに作成された複数の前記データテーブルからなるデータテーブル群を備えていて、
   前記変位ｚ及び前記速度ｚ’から前記波の周期および前記波高を推定し、前記データテーブル群から推定された前記波高に対応する前記データテーブルを選択し、このデータテーブルから前記波の周期に対応する前記変位係数Ａを決定する構成を備える請求項１または２に記載の波力発電装置。
4. 胴体と、前記胴体に沿って上下運動するフロートと、前記フロートの上下運動を回転運動に変換する伝達機構と、前記伝達機構に連結された発電機と、前記発電機のトルクを制御する制御装置と、を有する波力発電装置の制御方法であって、
   前記制御装置が、前記発電機の回転数又は回転速度を取得するデータ取得ステップと、
   前記データ取得ステップで取得したデータから、前記フロートの変位ｚ及び速度ｚ’を
   推定するフロート状態推定ステップと、
   前記変位ｚ及び前記速度ｚ’から波の周期を推定する波状態推定ステップと、
   予め記憶しているデータテーブルから前記波の周期に対応する変位係数Ａを決定する係数決定ステップと、
   前記変位係数Ａと前記変位ｚの積を算出したものを前記発電機にトルク指令Ｔｑ１として送信し、前記発電機のトルクを制御するトルク制御ステップと、を有していることを特徴とする波力発電装置の制御方法。
5. 前記制御装置が、
   予め記憶しているデータテーブルから前記波の周期に対応する前記変位係数Ａに加えて、速度係数Ｂを決定する係数決定ステップと、
   前記変位係数Ａと前記変位ｚの積に、前記速度係数Ｂと前記速度ｚ’の積を加えたものを前記発電機にトルク指令Ｔｑ２として送信し、前記発電機のトルクを制御するトルク制御ステップと、を有していることを特徴とする請求項４に記載の波力発電装置の制御方法。
6. 前記制御装置が、
   波の周期に加え、波高を推定する前記波状態推定ステップと、
   予め記憶しているデータテーブルから前記波の周期及び前記波高に対応する少なくとも前記変位係数Ａを決定する前記係数決定ステップと、を有することを特徴とする請求項４または５に記載の波力発電装置の制御方法。

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