JP6529113B2 - Vibratory water column type wave power generator and method for obtaining control law for deriving air chamber volume used therein - Google Patents
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Description
本発明は、振動水柱型波力発電装置及びそれに用いられる空気室容積導出用の制御則を求める方法に関する。 The present invention relates to a vibrating water column type wave power generator and a method of determining a control law for deriving an air chamber volume used therein.
近年、海洋等での波のエネルギーを利用して発電を行う波力発電装置が注目されている。波力発電装置としては、没水部の一部が開放された空気室を設置し、ここから入射した波によって空気室内の水面を上下させ、空気室の空気容積の変化に伴う空気の流動によって空気口に設置した空気タービンを回転させることによって発電を行う振動水柱型波力発電装置が挙げられる。空気タービンには、往復空気流中で同一方向に回転するウェルズタービンが使用されることもある。 BACKGROUND ART In recent years, a wave power generation apparatus that generates power using energy of waves in the ocean or the like attracts attention. As a wave power generation device, an air chamber in which a part of the submerged portion is opened is installed, and the water surface in the air chamber is moved up and down by waves incident from there, and the air flow accompanying the change of the air volume in the air chamber. An oscillating water column type wave power generation device which generates electric power by rotating an air turbine installed in an air port is mentioned. Air turbines sometimes use Wells turbines that rotate in the same direction in a reciprocating air flow.
このような波力発電装置において、空気タービンに出入りする空気の流路内に非常用の絞り弁を設けて、空気タービンの速度又は波高が設定値以上となったときに絞り弁を動作させて空気タービンに流入する空気の流量を制御する構成が開示されている(特許文献1)。また、シリンダと、シリンダ内に嵌合された浮力を有するピストンを備え、ピストンの上下動によって空気の流れを生み出すエネルギー変換装置において、シリンダの上部に逆止め弁と電磁弁を備えた送気管を設け、ピストンがシリンダの空気室の上限位置に接近したことを検出する第1センサの出力により電磁弁を閉じる構成が開示されている(特許文献2)。
In such a wave power generation apparatus, an throttling valve for emergency is provided in the flow path of air entering and exiting the air turbine, and the throttling valve is operated when the speed or wave height of the air turbine reaches a set value or more. An arrangement for controlling the flow rate of air flowing into an air turbine is disclosed (Patent Document 1). In addition, in an energy conversion device including a cylinder and a floating piston fitted in the cylinder and generating air flow by the vertical movement of the piston, an air pipe provided with a non-return valve and a solenoid valve at the top of the
また、空気室内の空気容積の増大にともなって空気室内への空気の流入を許容する吸気弁と、空気容積の減少にともなって空気室外への空気の流出を許容する排気弁と、空気を貯蔵して所定圧力以上となったときに発電機へ空気を供給する圧力調整弁を備える波力発電装置が開示されている(特許文献3)。 In addition, an intake valve that allows air to flow into the air chamber as the air volume in the air chamber increases, an exhaust valve that allows air to flow out of the air chamber as the air volume decreases, and air are stored. There is disclosed a wave power generation apparatus provided with a pressure control valve that supplies air to a generator when the pressure exceeds a predetermined pressure (Patent Document 3).
ところで、振動水柱型波力発電装置では、入射する波面の上下動の周期(波周期)や波の高さ(波高)によって発電機における発電効率が変化する。したがって、波周期や波高に応じて、発電効率を最大化することが望まれる。 By the way, in the oscillating water column type wave power generation device, the power generation efficiency in the generator changes depending on the period (wave period) of the vertical movement of the incident wavefront and the height (wave height) of the wave. Therefore, it is desirable to maximize the power generation efficiency according to the wave period and the wave height.
従来、空気室の容積(空気ばね)が振動水柱型波力発電装置の全体挙動に有意な影響を持つとの認識が無く、水による復原力のみの調整で発電の効率化を図っていた。しかしながら、振動水柱型波力発電装置の製造後に、水の復原力を調整するために水面下の形状を変更することは難しく、運転中の波の状態に応じて水の復原力を制御するということは困難である。 Heretofore, there has been no recognition that the volume of the air chamber (air spring) has a significant influence on the overall behavior of the oscillating water column type wave power generator, and the generation efficiency has been improved by adjusting only the recovery force by water. However, it is difficult to change the shape under the water surface to adjust the stability of water after manufacturing the oscillating water column type wave power generator, and the stability of water is controlled according to the state of the wave during operation. It is difficult.
本発明は、空気室の容積(空気ばね)を調整することによって波条件に応じて水柱の動揺固有周期を変更して発電を高効率化する振動水柱型波力発電装置及びそれに用いられる空気室容積導出用の制御則を求める方法を提供する。 The present invention relates to a vibrating water column type wave power generation apparatus which changes the oscillation natural period of a water column according to wave conditions by adjusting the volume (air spring) of the air chamber to enhance power generation efficiency, and an air chamber used therefor Provides a method of determining a control law for volume derivation.
本発明の請求項1に係る振動水柱型波力発電装置は、入射する波の上下動により空気室内の水柱を振動させて空気の流れを起こし、空気の流れを利用して発電機で発電を行う振動水柱型波力発電装置であって、前記水柱の動揺固有周期を調整する動揺固有周期調整手段と、前記波の波周期を検出する波状態検出手段と、前記波状態検出手段で検出された前記波周期と前記水柱の動揺固有周期が共振を起こすときの空気流速に基づいて前記発電機を回転させるタービンの等価減衰を求め、前記等価減衰に基づいて前記共振を起こすように前記動揺固有周期調整手段を制御する動揺固有周期制御手段を備えたことを特徴とする振動水柱型波力発電装置である。
In the vibrating water column type wave power generator according to
また、前記動揺固有周期調整手段は、前記空気室の容積を変更する容積変更手段を備えたことが好適である。前記動揺固有周期制御手段は、前記波状態検出手段において検出された前記波周期に前記水柱の動揺固有周期を合わせるための空気室容積導出用の制御則に適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することが好適である。また、前記波状態検出手段は、さらに前記波の高さを検出し、前記動揺固有周期制御手段は、前記波状態検出手段において検出された前記高さを前記水柱の動揺固有周期を合わせるための前記空気室容積導出用の前記制御則にさらに適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することが好適である。 Further, it is preferable that the oscillation natural period adjustment means includes volume change means for changing the volume of the air chamber. Before SL upset the natural period control means applies a control law for air chamber volume derivation for adjusting the upset the natural period of the water column in the wave period detected in the wave state detecting means, the volume of the air chamber It is preferable to control the oscillation natural period adjusting means so as to obtain a volume derived by the control law. Further, the wave state detecting means further detecting the height of the wave, the upset the natural period control means the detected said height in the wave state detecting means for adjusting the upset the natural period of the water column wherein further applied to the air chamber said control law for the volume derivation, it is preferable that the volume of the air chamber to control the upset natural period adjusting means so as to volume derived by the control law.
このとき、前記波状態検出手段は、前記波周期を常時又は一定時間間隔で自動検出し、前記動揺固有周期制御手段は、前記自動検出された前記波周期を前記制御則に適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することが好適である。 At this time, the wave state detecting means automatically detects the wave cycle at all times or at fixed time intervals, and the oscillation natural cycle control means applies the wave cycle automatically detected to the control law, and the air It is preferable to control the motion natural period adjusting means so that the volume of the chamber is the volume derived by the control law.
具体的には、例えば、前記容積変更手段は、前記空気室に連通した補助空気室と、前記補助空気室の容積を変更するピストンを備えることが好適である。また、例えば、前記容積変更手段は、前記空気室に連通した補助空気室と、前記補助空気室への連通通路を開閉する開閉バルブを備えることが好適である。なお、前記補助空気室と前記開閉バルブは複数組設けてもよい。また、例えば、前記容積変更手段は、前記空気室の一部を間仕切りする可動式の隔壁と、前記隔壁を移動させる隔壁移動手段を備えることが好適である。なお、前記隔壁と前記隔壁移動手段は複数組設けてもよい。 Specifically, for example, the volume changing unit preferably includes an auxiliary air chamber in communication with the air chamber, and a piston for changing the volume of the auxiliary air chamber. Further, for example, the volume changing unit preferably includes an auxiliary air chamber in communication with the air chamber, and an open / close valve for opening and closing a communication passage to the auxiliary air chamber. The auxiliary air chamber and the on-off valve may be provided in plural sets. In addition, for example, the volume changing unit preferably includes a movable partition that partitions a part of the air chamber, and a partition moving unit that moves the partition. Note that a plurality of sets of the partition walls and the partition wall moving means may be provided.
また、前記動揺固有周期制御手段は、前記発電機の発電機負荷を制御することが好適である。 Preferably, the oscillation natural period control means controls a generator load of the generator.
本発明の請求項10に係る空気室容積導出用の制御則を求める方法は、入射する波の上下動により空気室内の水柱を振動させて空気の流れを起こし、空気の流れを利用して発電機で発電を行う振動水柱型波力発電装置において、前記波の状況に応じて前記水柱の動揺固有周期を調整する際に前記空気室の容積を算出するための制御則を求める方法であって、前記波の波周期を設定するステップ1と、前記波周期と前記水柱の動揺固有周期が共振を起こすときの空気流速を求めるステップ2と、前記発電機の負荷を設定するステップ3と、前記空気流速に基づいて前記発電機を回転させるタービンの等価減衰を求めるステップ4と、前記等価減衰に基づいて前記共振を起こす前記空気室の容積を求めるステップ5を備えたことを特徴とする方法である。
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a method of obtaining a control law for deriving a volume of an air chamber, wherein the water column in the air chamber is vibrated by the vertical movement of incident waves to cause air flow, and power generation using air flow. A vibrating water column type wave power generator that generates electric power by an aircraft, wherein the control law for calculating the volume of the air chamber is calculated when adjusting the oscillation natural period of the water column according to the condition of the wave; The
ここで、前記ステップ5で求められた前記共振に必要な前記空気室の容積を前記振動水柱型波力発電装置の全体系に適用して全体系の挙動を推定し、前記ステップ2にフィードバックすることによって、前記挙動の推定から得られる前記共振を起こすときの前記空気流速を求めることが好適である。
Here, the volume of the air chamber necessary for the resonance determined in the step 5 is applied to the whole system of the oscillating water column type wave power generator to estimate the behavior of the whole system, and is fed back to the
また、前記ステップ2では、前記波の上下動による前記空気室内の空気の応答倍率を平均的な前記等価減衰に対応する値として定めて前記空気流速の初期値を求めることが好適である。
Further, in the
本発明の請求項1に係る振動水柱型波力発電装置によれば、入射する波の上下動により空気室内の水柱を振動させて空気の流れを起こし、空気の流れを利用して発電機で発電を行う振動水柱型波力発電装置であって、前記水柱の動揺固有周期を調整する動揺固有周期調整手段と、前記波の波周期を検出する波状態検出手段と、前記波状態検出手段で検出された前記波周期と前記水柱の動揺固有周期が共振を起こすときの空気流速に基づいて前記発電機を回転させるタービンの等価減衰を求め、前記等価減衰に基づいて前記共振を起こすように前記動揺固有周期調整手段を制御する動揺固有周期制御手段を備えたことによって、前記空気室内の空気を調整して前記空気室内の水柱の動揺固有周期を前記波の波周期にできるだけ近づけることができ、空気の流れによる発電効率を向上させることができる。 According to the vibrating water column type wave power generation device according to the first aspect of the present invention, the water column in the air chamber is vibrated by the vertical movement of the incident wave to cause the air flow, and the generator is generated using the air flow. The vibration water column type wave power generation apparatus for generating power, comprising: motion natural period adjustment means for adjusting the motion natural period of the water column, wave state detection means for detecting the wave period of the wave, and the wave state detection means The equivalent damping of the turbine for rotating the generator is determined based on the detected wave period and the air flow velocity when the oscillation natural period of the water column causes resonance, and the resonance is generated based on the equivalent damping. By providing the oscillation natural period control means for controlling the oscillation natural period adjustment means, it is possible to adjust the air in the air chamber to make the oscillation natural period of the water column in the air chamber as close as possible to the wave period of the wave. , It is possible to improve the power generation efficiency by the air flow.
また、前記動揺固有周期調整手段は、前記空気室の容積を変更する容積変更手段を備えたことによって、前記空気室内の容積(空気ばね)をより容易に調整して前記空気室内の水柱の動揺固有周期を前記波の波周期にできるだけ近づけることができる。したがって、空気の流れによる発電効率を容易に向上させることができる。 Further, the oscillation natural period adjustment means is provided with a volume changing means for changing the volume of the air chamber, thereby more easily adjusting the volume (air spring) in the air chamber to oscillate the water column in the air chamber. The natural period can be as close as possible to the wave period of the wave. Therefore, the power generation efficiency by the flow of air can be easily improved.
また、前記動揺固有周期制御手段は、前記波状態検出手段において検出された前記波周期に前記水柱の動揺固有周期を合わせるための空気室容積導出用の制御則に適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することによって、前記波の波周期に応じて前記水柱の動揺固有周期を前記波の波周期にできるだけ近づけることができ、前記波の波周期に応じて発電効率を向上させることができる。 The front Symbol upset the natural period control means applies a control law for air chamber volume derivation for adjusting the upset the natural period of the water column to the detected the wave period was in the wave state detecting means, said air chamber According to the wave period of the wave, the oscillation natural period of the water column is made as close as possible to the wave period of the wave by controlling the fluctuation natural period adjusting means so that the volume is the volume derived by the control law. Power generation efficiency according to the wave period of the wave.
また、前記波状態検出手段は、さらに前記波の高さを検出し、前記動揺固有周期制御手段は、前記波状態検出手段において検出された前記高さを、前記水柱の動揺固有周期を合わせるための前記空気室容積導出用の前記制御則にさらに適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することによって、前記波の波高に応じて前記水柱の動揺固有周期を前記波の波周期にできるだけ近づけることができ、前記波の波高に応じて発電効率を向上させることができる。 Further, the wave state detecting means further detects the height of the wave, the upset the natural period control means the detected said height in the wave state detecting means, for adjusting the upset the natural period of the water column wherein further applied to the air chamber said control law for the volume derived by the volume of the air chamber to control the upset natural period adjusting means so as to volume derived by the control law, the wave height of the waves Accordingly, the oscillation natural period of the water column can be made as close as possible to the wave period of the wave, and the power generation efficiency can be improved according to the wave height of the wave.
このとき、前記波状態検出手段は、前記波周期を常時又は一定時間間隔で自動検出し、前記動揺固有周期制御手段は、前記自動検出された前記波周期を前記制御則に適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することによって、時間的に変化する前記波の波周期に応じて発電効率を容易に向上させることができる。 At this time, the wave state detecting means automatically detects the wave cycle at all times or at fixed time intervals, and the oscillation natural cycle control means applies the wave cycle automatically detected to the control law, and the air It is possible to easily improve the power generation efficiency according to the wave period of the wave which changes with time by controlling the oscillation natural period adjusting means so that the volume of the chamber is the volume derived by the control law. it can.
また、前記容積変更手段は、前記空気室に連通した補助空気室と、前記補助空気室の容積を変更するピストンを備えることによって、前記波の条件に応じて前記ピストンを移動させることで水柱の動揺周期を容易に変更することが可能となる。また、前記容積変更手段は、前記空気室に連通した補助空気室と、前記補助空気室への連通通路を開閉する開閉バルブを備えることによって、前記波の条件に応じて前記開閉バルブを開閉させることで水柱の動揺周期を容易に変更することが可能となる。また、前記容積変更手段は、前記空気室の一部を間仕切りする可動式の隔壁と、前記隔壁を移動させる隔壁移動手段を備えることによって、前記波の条件に応じて前記隔壁を移動させることで水柱の動揺周期を容易に変更することが可能となる。 Further, the volume changing means includes an auxiliary air chamber in communication with the air chamber and a piston for changing the volume of the auxiliary air chamber, thereby moving the piston according to the condition of the wave. It becomes possible to easily change the shaking cycle. Further, the volume changing means opens and closes the on-off valve according to the condition of the wave by providing an auxiliary air chamber in communication with the air chamber and an on-off valve for opening and closing a communication passage to the auxiliary air chamber. This makes it possible to easily change the oscillation period of the water column. Further, the volume changing means moves the partition according to the condition of the wave by providing a movable partition which partitions a part of the air chamber, and a partition moving unit which moves the partition. It becomes possible to easily change the oscillation period of the water column.
また、前記動揺固有周期制御手段は、前記発電機の発電機負荷を制御することによって、前記発電機のタービンの等価減衰を調整して前記空気室内の水柱の動揺固有周期を前記波の波周期にできるだけ近づけることができ、空気の流れによる発電効率を向上させることができる。 Further, the oscillation natural period control means adjusts the equivalent attenuation of the turbine of the generator by controlling the generator load of the generator to adjust the oscillation natural period of the water column in the air chamber to the wave period of the wave. As a result, the power generation efficiency by the flow of air can be improved.
本発明の請求項10に係る空気室容積導出用の制御則を求める方法によれば、入射する波の上下動により空気室内の水柱を振動させて空気の流れを起こし、空気の流れを利用して発電機で発電を行う振動水柱型波力発電装置において、前記波の状況に応じて前記水柱の動揺固有周期を調整する際に前記空気室の容積を算出するための制御則を求める方法であって、前記波の波周期を設定するステップ1と、前記波周期と前記水柱の動揺固有周期が共振を起こすときの空気流速を求めるステップ2と、前記発電機の負荷を設定するステップ3と、前記空気流速に基づいて前記発電機を回転させるタービンの等価減衰を求めるステップ4と、前記等価減衰に基づいて前記共振を起こす前記空気室の容積を求めるステップ5を備えたことによって、前記空気室内の水柱の動揺固有周期を前記波の波周期にできるだけ近づけるための制御則を求めることができ、その制御則に則って空気の流れによる発電効率を向上させることができる。
According to the method for obtaining the control law for deriving the air chamber volume according to
ここで、前記ステップ5で求められた前記共振に必要な前記空気室の容積を前記振動水柱型波力発電装置の全体系に適用して全体系の挙動を推定し、前記ステップ2にフィードバックすることで、前記挙動の推定から得られる前記共振を起こすときの前記空気流速を求めることによって、空気の流れによる発電効率をより向上させるための制御則を求めることができる。
Here, the volume of the air chamber necessary for the resonance determined in the step 5 is applied to the whole system of the oscillating water column type wave power generator to estimate the behavior of the whole system, and is fed back to the
また、前記ステップ2では、前記波の上下動による前記空気室内の空気の応答倍率を平均的な前記等価減衰に対応する値として定めて前記空気流速の初期値を求めることによって、適切な初期値に基づいて前記空気室内の水柱の動揺固有周期を前記波の波周期にできるだけ近づけるための制御則を求めることができ、その制御則に則って空気の流れによる発電効率を向上させることができる。
Further, in the
本発明の実施の形態における振動水柱型波力発電装置100は、図1に示すように、空気室10、空気連通室12、空気タービン14、発電機16、弁18(18a,18b,18c,18d)、補助空気室20、ピストン22、アクチュエータ24、制御部26、波周期センサ28、波高センサ30及び負荷調整部32を含んで構成される。
As shown in FIG. 1, the vibrating water column type wave
空気室10は、図2に示すように、海洋等の水中に開口しており、入射する波により水(水柱)を振動させて、その水柱の上下動により内部の空気の容積の相対的な変化による空気の流れを生み出す。空気連通室12は、弁18(18a,18b)を介して空気室10に連通すると共に、弁18(18c,18d)を介して外気に連通している。空気室10内の水柱が上昇して、内部の空気の容積が減少したときは、図2(a)に示すように、空気室10内の空気が弁18bを介して空気連通室12に流入し、弁18cを介して空気連通室12から外部へ排出される。一方、空気室10内の水柱が低下して、内部の空気の容積が増加したときは、図2(b)に示すように、弁18dを介して空気連通室12へ外部から空気が吸引され、弁18aを介して空気連通室12から空気室10へ流入する。
As shown in FIG. 2, the
空気連通室12内には、空気タービン14及び発電機16が配置され、弁18を介して空気連通室12内に流通する空気によって空気タービン14が回転させられ、空気タービン14によって発電機16が駆動される。このとき、図2に示したように、弁18によって空気タービン14に対して常に同一方向に空気の流れが生じて、発電が安定的に行われる。
An
振動水柱型波力発電装置100は、図3に示す力学モデルで表わすことができる。従来、空気室10の空気ばねが振動水柱型波力発電装置100の全体挙動に有意な影響を持つとの認識が無く、水による復原力のみの調整で回収するエネルギーの最大化を行っていた。しかしながら、上記課題において示したように、振動水柱型波力発電装置100の水面下の形状を運転中に変更することは困難であり、振動水柱型波力発電装置100の設計時に調整された状態に固定されていた。そこで、本実施の形態では、発電運転中に空気室10の空気容積を変えて力学モデルにおける空気ばねの強さを調整することによって空気室10における水柱に対する動揺固有周期を調整して回収できるエネルギーの最大化を波条件に応じて行う。
The oscillating water column type wave
そこで、本実施の形態における振動水柱型波力発電装置100は、波の状態を検出する波状態検出手段、空気室10内の水柱の動揺固有周期を調整する動揺固有周期調整手段及び波状態検出手段で検出された波の状態に応じて動揺固有周期調整手段を制御する動揺固有周期制御手段を備える。
Therefore, the vibrating water column type wave
本実施の形態では、波状態検出手段は、波周期センサ28及び波高センサ30を含んで構成される。波周期センサ28は、振動水柱型波力発電装置100が設置された場所における波の周期を測定するセンサである。波周期センサ28において測定された波周期は制御部26に入力される。波高センサ30は、振動水柱型波力発電装置100が設置された場所における波の高さを測定するセンサである。波高センサ30において測定された波高は制御部26に入力される。波周期センサ28及び波高センサ30は、例えば、水に対して感度を有する近接センサによって水面までの距離及び水面までの距離の時間的な変化を測定することによって実現することができる。
In the present embodiment, the wave state detection means is configured to include the
なお、本実施の形態では、波周期センサ28及び波高センサ30をそれぞれ別に設けた構成としたが、波周期センサ28及び波高センサ30を1つのセンサで実現することもできる。また、波周期センサ28及び波高センサ30は、振動水柱型波力発電装置100に内蔵する構成としたが、振動水柱型波力発電装置100とは別に設置してもよい。この場合、波周期センサ28及び波高センサ30で測定される波周期及び波高は外部信号として振動水柱型波力発電装置100に入力される。
Although the
また、本実施の形態では、動揺固有周期調整手段は、補助空気室20、ピストン22及びアクチュエータ24を含んで構成される。ここでは、補助空気室20、ピストン22及びアクチュエータ24は容積変更手段として使用される。補助空気室20は、空気室10に連通した筒状の筐体であり、その内部に空気で占められた空間を有する。補助空気室20は、空気室10内と組み合わされて空気部分の容積を変更するために用いられる。ピストン22は、補助空気室20内に嵌め込まれ、補助空気室20内を移動することにより補助空気室20内の空間を空気室10に連通する部分と連通しない部分の容積を調整するために設けられる。アクチュエータ24は、補助空気室20内においてピストン22を移動させるための駆動手段である。アクチュエータ24は、制御部26からのピストン制御信号を受けて、ピストン制御信号で定められるピストン位置にピストン22を移動させる。アクチュエータ24は、例えば、ピストン22の軸に連結されたボールネジ等を回転させるモータ等で実現することができる。
Further, in the present embodiment, the oscillation natural period adjustment means is configured to include the
さらに、本実施の形態では、動揺固有周期調整手段は、発電機16の負荷調整部32を含んで構成される。負荷調整部32は、制御部26からの負荷制御信号を受けて、負荷制御信号で定められる発電機16の負荷に設定する。発電機16の負荷を調整することにより、図3における空気タービン14の等価減衰が変化する。
Furthermore, in the present embodiment, the oscillation natural period adjustment means is configured to include the
動揺固有周期制御手段は、制御部26を含んで構成される。制御部26は、波周期センサ28及び波高センサ30からそれぞれ波周期及び波高の測定結果を受けて、波周期及び波高を制御則に当て嵌めて動揺固有周期調整手段を制御して水柱に対する動揺固有周期を設定する。
The oscillation natural period control means is configured to include the
上記のように、動揺固有周期は、空気室10に連通する補助空気室20の容積及び発電機16の負荷を調整することによって設定される。すなわち、制御則は、数式(1)及び数式(2)のように波周期T及び波高Hを引数とする補助空気室20の容積V及び発電機16の負荷Lの関数として表わされる。
[数1]
補助空気室20の容積V=V(T,H)・・・(1)
[数2]
発電機16の負荷L=L(T,H)・・・(2)
As described above, the oscillation natural period is set by adjusting the volume of the
[Equation 1]
Volume V of
[Equation 2]
Load L of
制御則は、図4のフローチャートに沿って求められる。まず、ステップS1として、波周期T及び波高Hを設定する。そして、ステップS2として、波周期Tと空気室10内に形成されたる水柱の動揺固有周期が共振を起こすときの空気流速を求める。このとき、波の上下動による空気室10内の空気の応答倍率を発電機16の負荷による平均的な等価減衰に対応する値として定めて空気流速の初期値を求めることが好適である。ステップS3として、ステップS2で求められた空気流速に応じて発電機16の負荷Lを設定する。ステップS4として、空気流速に基づいて発電機16を回転させる空気タービン14の等価減衰を求める。ステップS5として、ステップS4で求められた等価減衰に基づいて空気室10の水柱と共振を起こす空気室10と補助空気室20の空気部の容積Vを求める。
The control rule is obtained in accordance with the flow chart of FIG. First, as step S1, the wave period T and the wave height H are set. Then, as step S2, an air flow velocity when the wave period T and the oscillation natural period of the water column formed in the
このようにして、波周期T及び波高Hに応じて、空気室10内に形成されたる水柱の動揺固有周期が共振を起こすように補助空気室20の容積V及び発電機16の負荷Lを調整するための制御則を求めることができる。
Thus, according to the wave period T and the wave height H, the volume V of the
このとき、図5に示すように、空気室10及び補助空気室20によって形成される空気部の容積Vと発電機16の負荷Lによって定まる空気タービン14の等価減衰との両方に応じて水柱振動の固有周期は変化する。すなわち、同じ動揺固有周期とするための空気部の容積Vと空気タービン14の等価減衰の組み合わせは等周期線上の様々な組み合わせとして表わされる。そこで、ステップS4で求められた空気タービン14の等価減衰(発電機16の負荷L)、又は、ステップS5で求められた空気部の容積Vの少なくとも1つをステップS2にフィードバックして制御則を求めてもよい。すなわち、ステップS5で求められた共振に必要な空気部の容積Vを振動水柱型波力発電装置100の全体系に適用して全体系の挙動を推定し、ステップS2にフィードバックすることによって挙動の推定から得られる共振を起こすときの空気流速を求めることが好適である。その際に、図6に示すように、空気タービン14の等価減衰に応じて発電機16よって回収できるエネルギー量が変化するので、できるだけ高い回収エネルギー量となる空気タービン14の等価減衰とすることが好適である。
At this time, as shown in FIG. 5, the water column vibration according to both the volume V of the air portion formed by the
このようにして設定された制御則に則って振動水柱型波力発電装置100の制御が行われる。具体的には、図7に示すフローチャートに沿って制御が行われる。ステップS10では、波周期センサ28及び波高センサ30によって波周期T及び波高Hが測定される。測定された波周期T及び波高Hは制御部26へ入力される。ステップS11では、波周期T及び波高Hを制御則に導入して空気室10の水柱の動揺固有周期が入力された波周期Tとなるように空気部の容積V及び発電機16の負荷Lを導出する。制御則は、上記制御則を求める方法に基づいて、振動水柱型波力発電装置100の系毎に予め求めておけばよい。なお、制御則自体を波周期T及び波高Hを引数とする関数として記憶させておいてもよいし、波周期T及び波高Hの組み合わせ毎に制御則で求められた値をテーブルとして記憶させておいてもよい。ステップS12では、ステップS11において求められた空気部の容積V及び発電機16の負荷Lとなるよう、またはステップS11において求められた空気部の容積V及び発電機16の負荷Lに最も近づくように指令信号(ピストン制御信号及び負荷制御信号)を生成する。ステップS13では、ステップS12で生成された指令信号に基づいてアクチュエータ24及び負荷調整部32を実際に制御する。具体的には、制御部26は、アクチュエータ24へピストン制御信号を出力し、アクチュエータ24を駆動させて空気室10とそれに連通する補助空気室20の空気部の容積をステップS11において求められた空気部の容積Vとなる、又はそれに最も近づくように変化させる。また、制御部26は、負荷調整部32へ負荷制御信号を出力し、発電機16の負荷をステップS11において求められた発電機16の負荷Lとなる、またはそれに最も近づくように変化させる。
Control of the oscillating water column type
以上のように、本実施の形態における振動水柱型波力発電装置100では、空気室10に連通する補助空気室20を設けることによって、補助空気室20を利用して空気室10の空気部の容積を調整することで波条件に応じて水柱の動揺固有周期を変更して発電を高効率化することができる。さらに、発電機16に負荷調整部32を設けることによって、発電機16の負荷を調整することで波条件に応じて水柱の動揺固有周期を変更して発電を高効率化することができる。すなわち、振動水柱型波力発電装置100の設置後に運転中の波の状態に応じて発電機16による発電効率が最適化された状態で運転を行うことが可能となる。
As described above, in the vibrating water column type wave
なお、振動水柱型波力発電装置100を海洋に設置した場合、波の条件は数時間から数日の時間で変化するので、それに合わせて数時間に一回から数日に一回の程度で水柱の動揺固有周期を調整する制御を行えばよい。すなわち、波周期T及び波高Hは、波の状況に応じて時間的に変化するので、常時又は一定時間間隔で測定されることが好適である。
When the oscillating water column type
<変形例1>
上記実施の形態における振動水柱型波力発電装置100では、空気室10に連通する補助空気室20、ピストン22及びアクチュエータ24を設けることによって空気室10及び補助空気室20によって形成される空気部の容積を調整する構成とした。ただし、これに限定されるものではない。
<
In the vibrating water column type wave
本変形例の振動水柱型波力発電装置102では、図8に示すように、空気室10に対して弁42(42a〜42d)を介して連通する補助空気室40(40a〜40d)を設けている。本変形例では、各弁42を開閉することによって、空気室10に連通する補助空気室40の数を変更することによって空気部の容積を調整する。より具体的には、制御部26は、波条件に応じて制御則に則って求められた空気部の容積Vとなるよう、またはその値に最も近づくように指令信号(弁制御信号)を生成する。そして、生成された指令信号(弁制御信号)によって開状態とする弁42(42a〜42d)の数を調整することによって、空気室10とそれに実際に連通する補助空気室20の空気部の容積を最適な空気部の容積Vとなる、又はそれに最も近づくようにする。
In the vibrating water column type wave
図9は、振動水柱型波力発電装置102における補助空気室40の具体的な配置例を示す図である。図9(a)は上面図であり、図9(b)は側面図である。本例では、円筒状の空気室10の周囲に90°の等間隔で4つの補助空気室40(40a〜40d)を配置している。
FIG. 9 is a view showing a specific arrangement example of the auxiliary air chamber 40 in the oscillating water column type wave
<変形例2>
本変形例の振動水柱型波力発電装置104では、図10に示すように、空気室10の内部空間を仕切る可動式の仕切り板(隔壁)44を設けている。仕切り板44を空気室10内において移動させることによって空気連通室12に連通する空気室10内の空気部の容積を変更することができる。仕切り板44には、アクチュエータ(図示しない)を設けて移動させるようにすればよい。より具体的には、制御部26は、波条件に応じて制御則に則って求められた空気部の容積Vとなるよう、またはその値に最も近づくように指令信号(弁制御信号)を生成する。そして、生成された指令信号(弁制御信号)に応じて仕切り板44の位置を変更することによって、空気室10内の空気部の容積を最適な空気部の容積Vとなる、又はそれに最も近づくようにする。
<
In the vibrating water column type wave
なお、本変形例における振動水柱型波力発電装置104には1つの仕切り板44を設けたが、これに限定されるものではなく、複数の仕切り板44を設けてもよい。また、複数の仕切り板44によって仕切られる方向も適宜変更してもよい。この場合、例えば、複数の仕切り44を開ける数により、空気室10内の空気部の容積を最適な空気部の容積Vとなるよう、又はそれに最も近づくようにすることができる。
In addition, although the one
なお、上記実施の形態、変形例1及び2においては、空気室10の容積(空気ばね)を変更して空気室10内の水柱の動揺固有周期を波の波周期に近づける例を示したが、空気の流れによる減衰効果(空気ダンパー)を利用しても同様な調整が可能であり、またこれらを組み合わせて使用することもできる。
In the above embodiment and the first and second modifications, an example has been shown in which the volume (air spring) of the
本発明は、液体の動きによって生ずる気体の流れを利用するシステムであれば適用することができる。例えば、振動水柱型波力発電装置のみならず、可動物体型波力発電装置等の他の型の発電装置に適用することができる。また、海洋の波を利用した発電のみならず、水位の変化が発生する湖沼等における波を利用した発電に利用することができる。 The present invention can be applied to any system that utilizes the flow of gas generated by the movement of liquid. For example, the present invention can be applied not only to the oscillating water column type wave power generation device but also to other types of power generation devices such as a movable object type wave power generation device. In addition to power generation using ocean waves, it can be used for power generation using waves in lakes and marshes where water level changes occur.
10 空気室、12 空気連通室、14 空気タービン、16 発電機、18(18a〜18d) 弁、20 補助空気室、22 ピストン、24 アクチュエータ、26 制御部、28 波周期センサ、30 波高センサ、32 負荷調整部、40(40a〜40d) 補助空気室、42(42a〜42d) 弁、44 仕切り板、100,102,104 振動水柱型波力発電装置。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記水柱の動揺固有周期を調整する動揺固有周期調整手段と、
前記波の波周期を検出する波状態検出手段と、
前記波状態検出手段で検出された前記波周期と前記水柱の動揺固有周期が共振を起こすときの空気流速に基づいて前記発電機を回転させるタービンの等価減衰を求め、前記等価減衰に基づいて前記共振を起こすように前記動揺固有周期調整手段を制御する動揺固有周期制御手段を備えたことを特徴とする振動水柱型波力発電装置。 An oscillating water column type wave power generation apparatus that generates a flow of air by vibrating a water column in an air chamber by vertical movement of an incident wave, and generates electric power with a generator using the flow of air,
An oscillation natural period adjustment means for adjusting the oscillation natural period of the water column;
Wave state detection means for detecting the wave period of the wave;
The equivalent damping of the turbine for rotating the generator is determined based on the air flow velocity when the wave period detected by the wave state detecting means and the oscillation natural period of the water column cause resonance, and the equivalent damping of the turbine is calculated based on the equivalent damping. An oscillating water column type wave power generator comprising oscillation natural period control means for controlling the oscillation natural period adjusting means so as to cause resonance .
前記動揺固有周期調整手段は、前記空気室の容積を変更する容積変更手段を備えたことを特徴とする振動水柱型波力発電装置。 An oscillating water column type wave power generator according to claim 1, wherein
The vibration water column type wave power generator according to claim 1, wherein said oscillation natural period adjustment means comprises volume changing means for changing the volume of said air chamber.
前記動揺固有周期制御手段は、前記波状態検出手段において検出された前記波周期に前記水柱の動揺固有周期を合わせるための空気室容積導出用の制御則に適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することを特徴とする振動水柱型波力発電装置。 The vibrating water column type wave power generator according to claim 2, wherein
Before SL upset the natural period control means applies a control law for air chamber volume derivation for adjusting the upset the natural period of the water column in the wave period detected in the wave state detecting means, the volume of the air chamber An oscillating water column type wave power generator comprising: controlling the oscillation natural period adjusting means so as to obtain a volume derived by the control law.
前記波状態検出手段は、さらに前記波の高さを検出し、
前記動揺固有周期制御手段は、前記波状態検出手段において検出された前記高さを、前記水柱の動揺固有周期を合わせるための前記空気室容積導出用の前記制御則にさらに適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することを特徴とする振動水柱型波力発電装置。 An oscillating water column type wave power generator according to claim 3 , wherein
The wave state detection means further detects the height of the wave,
The upset the natural period control means the detected said height in the wave state detecting means further applied to the control law for the air chamber volume derivation for adjusting the upset the natural period of the water column, said air chamber The vibration water column type wave power generation device characterized in that the motion natural period adjusting means is controlled such that the volume of the volume is a volume derived by the control law.
前記波状態検出手段は、前記波周期を常時又は一定時間間隔で自動検出し、
前記動揺固有周期制御手段は、前記自動検出された前記波周期を前記制御則に適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することを特徴とする振動水柱型波力発電装置。 It is an oscillating water pillar type wave power generator according to claim 3 or 4,
The wave state detection means automatically detects the wave cycle at all times or at fixed time intervals,
The oscillation natural period control means applies the automatically detected wave period to the control law, and controls the oscillation natural period adjustment means so that the volume of the air chamber is a volume derived by the control law. An oscillating water column type wave power generator characterized by having.
前記動揺固有周期制御手段は、前記発電機の発電機負荷を制御することを特徴とする振動水柱型波力発電装置。 It is an oscillating water pillar type wave power generator according to any one of claims 2 to 5,
The vibration water column type wave power generation device characterized in that the oscillation natural period control means controls a generator load of the generator.
前記容積変更手段は、前記空気室に連通した補助空気室と、前記補助空気室の容積を変更するピストンを備えることを特徴とする振動水柱型波力発電装置。 It is an oscillating water pillar type wave power generator according to any one of claims 2 to 6,
The oscillating water pillar type wave power generator characterized in that the volume changing means comprises an auxiliary air chamber in communication with the air chamber, and a piston for changing the volume of the auxiliary air chamber.
前記容積変更手段は、前記空気室に連通した補助空気室と、前記補助空気室への連通通路を開閉する開閉バルブを備えることを特徴とする振動水柱型波力発電装置。 It is an oscillating water pillar type wave power generator according to any one of claims 2 to 6,
The vibrating water column type wave power generator according to claim 1, wherein said volume changing means comprises an auxiliary air chamber communicated with said air chamber, and an open / close valve for opening / closing a communication passage to said auxiliary air chamber.
前記容積変更手段は、前記空気室の一部を間仕切りする可動式の隔壁と、前記隔壁を移動させる隔壁移動手段を備えることを特徴とする振動水柱型波力発電装置。 It is an oscillating water pillar type wave power generator according to any one of claims 2 to 6,
The vibrating water column type wave power generation device characterized in that the volume changing means includes a movable partition which partitions a part of the air chamber, and a partition moving unit which moves the partition.
前記波の波周期を設定するステップ1と、
前記波周期と前記水柱の動揺固有周期が共振を起こすときの空気流速を求めるステップ2と、
前記発電機の負荷を設定するステップ3と、
前記空気流速に基づいて前記発電機を回転させるタービンの等価減衰を求めるステップ4と、
前記等価減衰に基づいて前記共振を起こす前記空気室の容積を求めるステップ5を備えたことを特徴とする空気室容積導出用の制御則を求める方法。 The oscillating water column in the air chamber is vibrated by the up and down movement of the incident wave to generate the flow of air, and the oscillating water column type wave power generator that generates electric power with the generator using the flow of air, according to the condition of the wave A method of determining a control law for calculating the volume of the air chamber when adjusting the oscillation natural period of the water column,
Setting the wave period of the wave;
A step 2 of determining an air flow velocity when the wave period and the oscillation natural period of the water column cause resonance;
Step 3 of setting the load of the generator
Determining an equivalent damping of a turbine for rotating the generator based on the air flow rate;
A method of determining a control law for deriving an air chamber volume, comprising the step 5 of determining the volume of the air chamber that causes the resonance based on the equivalent damping.
前記ステップ5で求められた前記共振に必要な前記空気室の容積を前記振動水柱型波力発電装置の全体系に適用して全体系の挙動を推定し、前記ステップ2にフィードバックすることによって、前記挙動の推定から得られる前記共振を起こすときの前記空気流速を求めることを特徴とする空気室容積導出用の制御則を求める方法。 A method of determining a control law for deriving an air chamber volume according to claim 10, wherein
By applying the volume of the air chamber required for the resonance determined in the step 5 to the whole system of the oscillating water column type wave power generator to estimate the behavior of the whole system and feeding it back to the step 2, A method of determining a control law for deriving an air chamber volume, characterized in that the air flow rate at the time of causing the resonance obtained from the estimation of the behavior is determined.
前記ステップ2では、前記波の上下動による前記空気室内の空気の応答倍率を平均的な前記等価減衰に対応する値として定めて前記空気流速の初期値を求めることを特徴とする空気室容積導出用の制御則を求める方法。 A method of determining a control law for deriving an air chamber volume according to claim 11, wherein
In the step 2, an initial value of the air flow velocity is determined by determining a response magnification of air in the air chamber due to the vertical movement of the wave as a value corresponding to the average equivalent attenuation. How to find control rules for
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