JP6164975B2 - 越波式波力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、越波式波力発電装置に係り、特に、水槽内に流入する海水の量が変化する環境下において、水槽内の海水のエネルギを効率良く利用して、発電効率の向上を図ることができるように工夫したものに関する。

越波式波力発電装置の構成を開示するものとして、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３等がある。

特開２０１１−１５３５６７号公報 特開平４−１９３６２号公報 特開昭５７−４９０７５号公報

上記従来の構成によると次のような問題があった。
特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示されている越波式波力発電装置の場合は、何れも、水槽内に海水を貯留し、その貯留した海水のエネルギを利用してタービンひいては発電機を回転させ、それによって、発電する構成になっているが、水槽内に貯留される海水のエネルギを必ずしも効率良く利用しているとはいえず、その改善が要求されていた。

本発明は、このような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、水槽内の海水のエネルギを効率良く利用して、発電効率の向上を図ることができる越波式波力発電装置を提供することにある。

上記目的を達成するべく本願発明の請求項１による越波式波力発電装置は、 海水が導入される開口部と海水が放出される放出口を備えた水槽と、上記放出口に設置されたタービンと、上記タービンに連結された発電機と、上記発電機により発電された電力の制御を行う電力制御部と、上記電力制御部に接続された擬似負荷部と、上記水槽内の水位を直接又は間接に測定する水位測定器と、上記タービンの動作状態を測定するタービン動作状態測定器と、上記水位測定器からの測定信号及び上記タービン動作状態測定器からの測定信号に基づいて
上記発電機又は上記擬似負荷部の負荷量を制御して上記タービンのタービン回転数を変更し上記水槽内の海水の放出量を制御することにより上記水槽内の水位が水槽の最大値を超えない範囲内で水槽内の海水のエネルギを最大限有効に利用できるようにする発電制御部と、を具備したことを特徴とするものである。
又、請求項２による越波式波力発電装置は、請求項１記載の越波式波力発電装置において、上記発電制御部は、上記タービンのタービン回転数を一定制御するように上記発電機又は上記擬似負荷部の負荷量を制御するものであることを特徴とするものである。
又、請求項３による越波式波力発電装置は、請求項２記載の越波式波力発電装置において、上記発電制御部は、水槽内の水位が予め設定された設定範囲内に収まるように制御するものであることを特徴とするものである。
又、請求項４による越波式波力発電装置は、請求項１記載の越波式波力発電装置において、上記発電制御部は、水槽内の水位を一定制御するように上記発電機又は上記擬似負荷部の負荷量を制御するものであることを特徴とするものである。
又、請求項５による越波式波力発電装置は、請求項１〜請求項４の何れかに記載の越波式波力発電装置において、上記発電制御部は、上記発電機の起電力係数を電気的又は機械的に変更してその負荷量を制御するものであることを特徴とするものである。
又、請求項６による越波式波力発電装置は、請求項１〜請求項４の何れかに記載の越波式波力発電装置において、上記発電制御部は、上記発電機の磁路抵抗を機械的に変更してその負荷量を制御するものであることを特徴とするものである。

以上述べたように本発明の請求項１による越波式波力発電装置によると、海水が導入される開口部と海水が放出される放出口を備えた水槽と、上記放出口に設置されたタービンと、上記タービンに連結された発電機と、上記発電機により発電された電力の制御を行う電力制御部と、上記電力制御部に接続された擬似負荷部と、上記水槽内の水位を直接又は間接に測定する水位測定器と、上記タービンの動作状態を測定するタービン動作状態測定器と、上記水位測定器からの測定信号及び上記タービン動作状態測定器からの測定信号に基づいて上記発電機又は上記擬似負荷部の負荷量を制御して上記タービンのタービン回転数を変更し上記水槽内の海水の放出量を制御することにより上記水槽内の水位が水槽の最大値を超えない範囲内で水槽内の海水のエネルギを最大限有効に利用できるようにする発電制御部と、を具備した構成になっているので、まず、水槽内に流入する海水の量が変化する環境下において、水槽内の海水のエネルギを効率良く利用して、発電効率の向上を図ることができる。又、上記のような制御を行うための構成は簡単であり、装置としての構成を複雑化させることもない。
又、請求項２による越波式波力発電装置によると、請求項１記載の越波式波力発電装置において、上記発電制御部は、上記タービンのタービン回転数を一定制御するように上記発電機又は上記擬似負荷部の負荷量を制御するものであるので、上記効果をより確実なものとすることができる。
又、請求項３による越波式波力発電装置は、請求項２記載の越波式波力発電装置において、上記発電制御部は、水槽内の水位が予め設定された設定範囲内に収まるように制御するものであるので、上記効果をより確実なものとすることができる。
又、請求項４による越波式波力発電装置は、請求項１記載の越波式波力発電装置において、上記発電制御部は、水槽内の水位を一定制御するように上記発電機又は上記擬似負荷部の負荷量を制御するものであるので、上記効果をより確実なものとすることができる。
又、請求項５による越波式波力発電装置は、請求項１〜請求項４の何れかに記載の越波式波力発電装置において、上記発電制御部は、上記発電機の起電力係数を電気的又は機械的に変更してその負荷量を制御するものであるので、上記効果をより確実なものとすることができる。
又、請求項６による越波式波力発電装置は、請求項１〜請求項４の何れかに記載の越波式波力発電装置において、上記発電制御部は、上記発電機の磁路抵抗を機械的に変更してその負荷量を制御するものであるので、上記効果をより確実なものとすることができる。

本発明の一実施の形態を示す図で、越波式波力発電装置の全体の構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、越波式波力発電装置の一部の構成を抽出して模式的に示す図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、越波式波力発電装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、作用を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施の形態を示す図で、作用を説明するためのフローチャートである。

以下、図１乃至図５を参照して本発明の一実施の形態を説明する。
まず、図１を参照して、越波式波力発電装置１の全体の構成を説明する。本実施の形態による越波式波力発電装置１は、例えば、海岸からさほど遠くない比較的浅い場所に設置されている。以下、具体的に説明すると、まず、図示しない構造体が設置されていて、この構造体には水槽群５が設置されている。この水槽群５は、複数個（この実施の形態の場合には４個）の水槽７が階段状に連設された構成になっている。

上記水槽群５の図１中右上には傾斜板９が設置されている。又、各水槽７相互間の上にも小さな傾斜板１１が設置されている。これら傾斜板９、１１を介して、波１２が各水槽５内に入り込み、それによって、各水槽５内に海水１４が供給されることになる。

上記各水槽７の下部の放出口１９には、タービン１３が設置されていて、このタービン１３の上には回転軸１５を介して発電機１７が同軸上に配置されている。又、上記放水口１９には放水管２１が接続されている。これら放水管２１は放水管２３に集合されていて、この放水管２３は海中に開口されている。上記放水口１９を介して海水１４が放水され、それによって、タービン１３が回転される。このタービン１３の回転により、発電機１７が回転されて発電されることになる。

次に、図２を参照して、上記水槽７の近傍の構成をより詳しく説明する。図２は、１個の水槽７及びその近傍の構成を示す図で、水槽７には、水槽７内の海水１４の水位を測定するための水位測定器３１が設置されている。この種の水位測定器としては、例えば、フロート式水位計、ディスプレーサ式水位計、圧力式水位計、巻圧式水位計、気泡式水位計、超音波式水位計、静電容量式水位計、放射線式水位計、等、公知の様々な方式の水位計があり、何れの使用も可能である。
又、回転軸１５には回転数／トルク測定器３３が設置されている。この種の回転数／トルク測定器としては、例えば、電磁式、等、公知の様々なものの使用が想定される。
又、上記放水口１９には流量／水圧測定器３５が設置されている。この種の流量／水圧測定器としては、電磁式流量計、超音波式流量計、等、公知の様々なものの使用が想定される。又、圧力測定器としては、例えば、歪ゲージを使用したタイプ、等、公知の様々なものの使用が想定される。
又、発電制御装置４１が設置されていて、上記水位測定器３１、回転数／トルク測定器３３、流量／水圧測定器３５からの測定信号は、この発電制御装置４１に入力されるようになっている。又、発電制御装置４１から発電機１７、後述する擬似負荷部４４には制御信号が出力されるようになっている。
尚、図２は、１個の水槽７のみを示しているが、図１に示した４個の水槽７の全てについて同様の構成になっている。

次に、図３を参照して、上記発電制御装置４１の構成を説明する。上記発電制御装置４１には、まず、電力制御部４３が設置されているとともに、擬似負荷部４４が設置されている。この擬似負荷部４４は、例えば、可変抵抗を備えたものであって、その抵抗値を変化させることにより、擬似負荷の大きさを適宜調整することができるものである。又、センサ情報収集部４５が設置されていて、既に説明した水位測定器３１、回転数／トルク測定器３３、流量／水圧測定器３５からの測定信号はこのセンサ情報収集部４５に収集されることになる。又、制御量演算部４７、データ格納部４９が設置されていて、制御量演算部４７は、上記センサ情報収集部４５に収集された水位測定器３１、回転数／トルク測定器３３、流量／水圧測定器３５からの各測定信号と、データ格納部４９に格納されている各種データに基づいて、発電機１７の負荷制御量又は擬似負荷部４４の擬似負荷制御量を演算するものである。又、制御部５１が設置されていて、この制御部５１から発電機１７又は擬似負荷部４４に制御信号が出力されることになる。
上記センサ情報収集部４５、制御量演算部４７、データ格納部４９、制御部５１によって、発電制御部を構成している。
尚、本実施の形態の場合には、上記水位測定器３１、回転数／トルク測定器３３、流量／水圧測定器３５からの測定信号に基づいて、擬似負荷部４４の擬似負荷量を制御し、それによって、上記タービン１３のタービン回転数を変更し上記水槽７内の海水の放出量を制御することにより、水槽７内の水位が水槽７の最大値を超えない範囲内で水槽７内の海水のエネルギを最大限有効に利用できるようにしたものである。

上記データ格納部４９には、水位、流量、水圧の関係を示したテーブル、水位の設定範囲（上限値／下限値）、タービン１３の目標回転数、水槽７の目標水位、擬似負荷部４４の擬似負荷量の上限値／下限値、等のデータが予め記憶されている。

以上の構成を基にその作用を説明する。
まず、タービン１３のタービン回転数を任意の値に保持することを前提とした制御について、図４のフローチャートを参照して説明する。
尚、タービン回転数とはタービン１３の回転数を意味している。
ステップＳ１において、流量／水圧測定器３５からの測定信号が読み込まれる。次いで、ステップＳ２に移行して、上記読み込まれたデータがデータ格納部４９に格納される。次に、ステップＳ３に移行して、読み込まれたデータから水槽７の水位が推定される。
この推定は、次のような方法により行われる。まず、データ格納部４９には、水槽７の水位、流量、水圧の関係を示したテーブルが格納されている。そして、上記読み込まれた流量／水圧のデータを上記テーブルに照らし合わせることにより、水位が推定されるものである。
尚、読み込まれた流量／水圧のデータに対しては、平均化処理、ノイズ除去処理が施され、そのうえで上記テーブルに照らし合わされることになる。

次に、ステップＳ４に移行する。ステップＳ４においては、推定水位と予め設定されている設定範囲（上限値／下限値）との比較が行われる。すなわち、上記データ格納部４９には、水位に関する設定範囲（上限値／下限値）が予め格納されている。具体的には、水槽７のオーバーフロを規制するための上限値、水槽７内が空になることを規制するための下限値、が設定されていて、上記推定水位がこれら上限値／下限値の範囲内に入っているか否かが確認されることになる。

そして、ステップＳ５に移行して、上記推定水位が予め設定された設定範囲内に入っているか否かが判別される。そして、設定範囲内に入っていないと判別された場合には、ステップＳ６に移行する。このステップＳ６において、推定水位より擬似負荷制御量（Ｓｔｅｐ量）が決定される。すなわち、推定水位と上限値又は下限値との差に基づいて、擬似負荷部４４に対する１回の擬似負荷制御量（Ｓｔｅｐ量）が決定されるものである。
尚、推定水位と上限値又は下限値との差が大きいほど、擬似負荷部４４に対する１回の擬似負荷制御量（Ｓｔｅｐ量）は多くなる。

一方、ステップＳ５において、設定範囲内に入っていると判別された場合には、ステップＳ７に移行する。ステップＳ７においては、回転数／トルク測定器３３からの測定信号が取り込まれる。次いで、ステップＳ８に移行して、その取り込まれたデータがデータ格納部４９に格納される。次いで、ステップＳ９に移行する。このステップＳ９においては、現在のタービン回転数とデータ格納部４９に格納されている目標回転数との比較が行われる。次いで、ステップＳ１０に移行する。ステップＳ１０においては、現在のタービン回転数が目標回転数に収束しているか否かが判別される。
上記目標回転数であるが、例えば、タービン１３のエネルギ変換効率が最も良くなるタービン回転数を目標回転数として設定することもできるし、エネルギ変換量が最も良くなるタービン回転数を目標回転数として設定することも可能である。
尚、読み込まれた回転数／トルクのデータに対しても、平均化処理、ノイズ除去処理が施される。

上記判別は、予め設定されている「コアリング値」との比較により行われる。ここでいう「コアリング値」とは、現在の値（回転数や水位）と目標値とのずれの許容値を示したものである。例えば、仮に、目標回転数を１５０ｒｐｍとし、コアリング値を１０ｒｐｍとした場合、現在の回転数が１４０ｒｐｍ〜１６０ｒｐｍの間に入っていれば、目標値に収束していると判断される。
本実施の形態の場合には、次の式（Ｉ）、（ＩＩ）に示すような判別がなされる。
|現在のタービン回転数−目標回転数|≦コアリング値⇒収束している
―――（Ｉ）
|現在のタービン回転数−目標回転数|＞コアリング値⇒収束していない
―――（ＩＩ）

上記判別の結果、「収束している」と判別された場合には、ステップＳ１に戻り、以下、同様の処理が繰り返される。これに対して、「収束していない」と判別された場合には、ステップＳ１１に移行する。このステップＳ１１においては、現在のタービン回転数より擬似負荷部４４に対する１回の擬似負荷制御量（Ｓｔｅｐ量）が決定される。すなわち、現在のタービン回転数と目標回転数との差に基づいて、擬似負荷部４４に対する１回の擬似負荷制御量（Ｓｔｅｐ量）が決定される。そして、現在のタービン回転数と目標回転数との差が大きいほど、擬似負荷部４４に対する１回の擬似負荷制御量（Ｓｔｅｐ量）は多くなる。

そして、既に説明したステップＳ６の場合、上記ステップＳ１１の場合、何れの場合もステップＳ１２に移行する。ステップＳ１２においては、擬似負荷部４４の負荷値演算が行われる。

上記擬似負荷部４４の負荷値演算は次の式（ＩＩＩ）に示すようなものである。
擬似負荷＝現在の擬似負荷±Ｓｔｅｐ量―――（ＩＩＩ）
また、その制御の方向は次の式（ＩＶ）、（Ｖ）に示すようなものとなる。
現在のタービン回転数−目標回転数＞０⇒擬似負荷値を増やす方向に制御
（タービン回転数を減らす方向）
―――（ＩＶ）
現在のタービン回転数−目標回転数＜０⇒擬似負荷値を減らす方向に制御
（タービン回転数を増やす方向）
―――（Ｖ）

次いで、ステップＳ１３に移行して、バルブ開度クリップ処理が行われる。これは、ステップＳ１２において演算された擬似負荷値が予め設定された上限値より大きい場合、又は、下限値より小さい場合に、擬似負荷値を上限値又は下限値に設定する処理を意味する。

次いで、ステップＳ１４に移行して、擬似負荷部４４の制御が実行される。すなわち、制御部５１から擬似負荷部４４に対して制御信号が出力されるものである。このような処理によって、擬似負荷部４４の擬似負荷値が制御されることになる。
尚、図４に示した制御の場合には、擬似負荷部４４の擬似負荷値を制御するようにしているが、発電機１７の負荷値を制御するようにすることも考えられる。

次に、水槽７内の水位を任意の値に保持することを前提とした制御について、図５のフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップＳ２１において、流量／水圧測定器３５からの測定信号が読み込まれる。次いで、ステップＳ２２に移行して、読み込まれたデータがデータ格納部４９に格納される。次に、ステップＳ２３に移行して、読み込まれたデータから水槽７の水位が推定される。
この推定は、前述した内容と同様であり、まず、データ格納部４９には、水槽７の水位、流量、水圧の関係を示したテーブルが格納されている。そして、上記読み込まれた流量／水圧のデータを上記テーブルに照らし合わせることにより、水位が推定されるものである。
尚、読み込まれた流量／水圧のデータに対しては、平均化処理、ノイズ除去処理が施され、そのうえで上記テーブルに照らし合わされることになる。

次に、ステップＳ２４に移行する。ステップＳ２４においては、推定水位と予め設定されている目標水位との比較が行われる。すなわち、上記データ格納部４９には、水位に関する目標水位が予め格納されており、この目標水位との比較が行われるものである。

そして、ステップＳ２５に移行して、上記推定水位が予め設定された目標水位に収束しているか否かが判別される。この判別は、次に示す式（ＶＩ）、（ＶＩＩ）に示すようなものである。
|現在の推定水位−目標水位|≦コアリング値⇒収束している
―――（ＶＩ）
|現在の推定水位−目標水位|＞コアリング値⇒収束していない
―――（ＶＩＩ）
尚、上記目標水位であるが、例えば、タービン１３のエネルギ変換効率が最も良くなる水位を目標水位として設定することもできるし、エネルギ変換量が最も良くなる水位を目標水位として設定することも可能である。

ステップＳ２５において、「収束している」と判別された場合には、ステップＳ２１に戻り、以下、同様の処理が繰り返される。これに対して、「収束していない」と判別された場合には、ステップＳ２６に移行する。このステップＳ２６においては、推定水位より擬似負荷部４４の擬似負荷制御量（Ｓｔｅｐ量）が決定される。すなわち、現在の水位と目標水位との差により擬似負荷部４４に対する１回の擬似負荷制御量（Ｓｔｅｐ量）が決定される。現在の推定水位と目標水位との差が大きいほど、擬似負荷部４４に対する１回の擬似負荷制御量（Ｓｔｅｐ量）が多くなる。

次いで、ステップＳ２７に移行する。このステップＳ２７においては、擬似負荷部４４の擬似負荷値演算が行われる。

上記擬似負荷部４４の擬似負荷値演算は次の式（ＶＩＩＩ）に示すようなものである。
擬似負荷＝現在の擬似負荷±Ｓｔｅｐ量―――（ＶＩＩＩ）
また、その制御の方向は次の式（ＩＸ）、（Ｘ）に示すようなものとなる。
現在の推定水位−目標水位＞０⇒擬似負荷値を減らす方向に制御
（タービン回転数を増やし放水口からの放水量を増やす方向）
―――（ＩＸ）
現在の推定水位−目標水位＜０⇒擬似負荷値を増やす方向に制御
（タービン回転数を減らし放水口からの放水量を減らす方向）
―――（Ｘ）

次いで、ステップＳ２８に移行して、擬似負荷値クリップ処理が行われる。これは、ステップＳ２７において演算された擬似負荷値が予め設定された上限値より大きい場合、又は、下限値より小さい場合には、擬似負荷部４４の擬似負荷量を上限値又は下限値に設定する処理を意味する。

次いで、ステップＳ２９に移行して、擬似負荷値制御が実行される。すなわち、制御部５１から擬似負荷部４４に対して制御信号が出力されるものである。このような処理によって、擬似負荷部４４の擬似負荷値が制御されることになる。
尚、図５に示した制御の場合にも、擬似負荷部４４の擬似負荷値を制御するようにしているが、発電機１７の負荷値を制御するようにすることも考えられる。

以上、本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、水槽７内に流入する海水１４の量が変化する環境下において、水槽７内の海水１４のエネルギを効率良く利用して、発電効率の向上を図ることができる。これは、タービン１３のタービン回転数を一定に維持する、又は、水槽７内の水位を一定に維持することを前提として、測定された流量／水圧のデータ、トルク／回転数のデータに基づいて、擬似負荷部４４の擬似負荷量を制御するようにしたからである。
又、上記のような制御を行うための構成は簡単であり、装置としての構成を複雑化させることもない。

尚、本発明は前記一実施の形態に限定されるものではない。
例えば、前記一実施の形態の場合には、擬似負荷部４４の擬似負荷値を制御するように構成した場合を例に挙げて説明したが、発電機１７の負荷値を制御するように構成することも可能である。
発電機１７の負荷値を制御する場合には、発電機１７の起電力係数を電気的又は機械的に変更することにより負荷値を制御する構成、発電機１７の磁路抵抗を変更することにより負荷値を制御する構成、等が考えられる。
又、前記一実施の形態の場合には、流量／水圧測定器３５からの測定信号に基づいて、水槽７内の水位を推定するようにしたが、水位測定器３１からの信号に基づいて、水槽７内の水位を推定するようにしてもよい。
又、水位測定器３１、回転数／トルク測定器３３、流量／水圧測定器３５の構成としては、公知の様々な構成のものが想定される。
又、前記一実施の形態の場合には、図１に示すような構成の越波式波力発電装置を例に挙げて説明したが、それに限定されるものではない。
その他、図示した構成はあくまで一例である。

本発明は、越波式波力発電装置に係り、特に、水槽内に流入する海水の量が変化する環境下において、水槽内の海水のエネルギを効率良く利用して、発電効率の向上を図ることができるように工夫したものに関し、例えば、海岸付近に設置される波力発電装置に好適である。

７ 水槽
１３ タービン
１７ 発電機
３１ 水位測定器
３３ 回転数／トルク測定器
３５ 流量／水圧測定器
４１ 発電制御装置
４３ 電力制御部
４４ 擬似負荷部
４５ センサ情報収集部
４７ 制御量演算部
４９ データ格納部
５１ 制御部

Claims (6)

1. 海水が導入される開口部と海水が放出される放出口を備えた水槽と、上記放出口に設置されたタービンと、上記タービンに連結された発電機と、上記発電機により発電された電力の制御を行う電力制御部と、上記電力制御部に接続された擬似負荷部と、上記水槽内の水位を直接又は間接に測定する水位測定器と、上記タービンの動作状態を測定するタービン動作状態測定器と、上記水位測定器からの測定信号及び上記タービン動作状態測定器からの測定信号に基づいて上記発電機又は上記擬似負荷部の負荷量を制御して上記タービンのタービン回転数を変更し上記水槽内の海水の放出量を制御することにより上記水槽内の水位が水槽の最大値を超えない範囲内で水槽内の海水のエネルギを最大限有効に利用できるようにする発電制御部と、を具備したことを特徴とする越波式波力発電装置。
2. 請求項１記載の越波式波力発電装置において、
   上記発電制御部は、上記タービンのタービン回転数を一定制御するように上記発電機又は上記擬似負荷部の負荷量を制御するものであることを特徴とする越波式波力発電装置。
3. 請求項２記載の越波式波力発電装置において、
   上記発電制御部は、水槽内の水位が予め設定された設定範囲内に収まるように制御するものであることを特徴とする越波式波力発電装置。
4. 請求項１記載の越波式波力発電装置において、
   上記発電制御部は、水槽内の水位を一定制御するように上記発電機又は上記擬似負荷部の負荷量を制御するものであることを特徴とする越波式波力発電装置。
5. 請求項１〜請求項４の何れかに記載の越波式波力発電装置において、
   上記発電制御部は、上記発電機の起電力係数を電気的又は機械的に変更してその負荷量を制御するものであることを特徴とする越波式波力発電装置。
6. 請求項１〜請求項４の何れかに記載の越波式波力発電装置において、
   上記発電制御部は、上記発電機の磁路抵抗を機械的に変更してその負荷量を制御するものであることを特徴とする越波式波力発電装置。
   

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