JP6967224B2 - 波力発電システム - Google Patents

Description

本発明は、波の力を利用して発電する波力発電システムに関する。

風力エネルギーや太陽光エネルギー等の様々な自然エネルギーを利用する自然エネルギー発電システムが実用に供されており、この自然エネルギー発電システムの１つとして波力発電システムが知られている。波力発電システムは、波のエネルギーを一度機械エネルギーに変換し、更に機械エネルギーから電気エネルギーへと変換するようになっている。波力発電システムとしては、例えば特許文献１に記載される波力発電システムがある。

特許文献１の波力発電システムでは、波受部材が波のエネルギーを受けて揺動し、それに連動してラムシリンダ式のポンプが作動する。この際、ポンプは、波受部材が受ける波のエネルギーに応じた液圧及び流量の作動液を吐出し、吐出された作動液は、アキュムレータによって平準化された後、液圧モータに供給される。また、液圧モータの出力軸には、発電機が連結されており、液圧モータは、供給される作動液の流量及び液圧に応じた出力にて発電機を駆動する。発電機は、液圧モータの出力に応じた電力を発電する。このように、波力発電システムは、波受部材が受けた波力エネルギーを電気エネルギーに変換する、即ち波のエネルギーを受けて電力を発電することができる。

特開２０１５−１０８３４４号公報

特許文献１の波力発電システムでは、高い発電効率が得られる回転数にて発電機を作動させるべく、波のエネルギーに応じてトルクが調整される。他方、特許文献１の波力発電システムでは、以下のようなことが実際の課題としてある。即ち、波力発電システムは、防波堤付近に配置されており、波受部材が沖側から伝わる入射波を前面に受け、また防波堤付近にて反射される反射波を背面に受ける。そして、波受部材は、入射波及び反射波を交互に受けることによって前後に揺動している。

このように入射波及び反射波は、波受部材を前後に揺動させているが、それらの持つエネルギーは必ずしも一致していない。例えば、防波堤は押し寄せる波のエネルギーを減少させる役割も担っている。それ故、波受部材が反射波から受けるエネルギーもまた入射波から受けるエネルギーより小さくなる場合がある。発電機のトルク指令は前述の通り波のエネルギーに応じて設定されるが、入射波の波エネルギーに合せて設定すると反射波を受けた際に波受部材の抵抗が大きすぎて動かいない等の不具合が生じることがある。逆に、発電機のトルク指令を反射波の波エネルギーに合せて低く設定すると、入射波を受けた際に十分な発電ができずに発電効率が下がることになる。

そこで本発明は、発電効率を向上することができる波力発電システムを提供することを目的としている。

本発明の波力発電システムは、押し寄せる入射波を反射する仮想反射面周辺に設置され、前記入射波の力を受けると揺動方向一方に揺動し且つ前記仮想反射面にて反射された反射波の力を受けると揺動方向他方に揺動する波受部材と、前記波受部材の揺動運動を直動運動に変換して作動液を主通路に吐出するラムシリンダ式の液圧ポンプ装置と、前記波受部材の揺動量に応じて変化する変化値を検出する変化値センサと前記液圧ポンプ装置から吐出される作動液を蓄圧し、前記主通路の圧力が低下すると蓄圧した作動液を排出するアキュムレータ装置と、前記主通路を流れる作動液が供給され、供給された作動液の液圧及び流量に応じた出力値にて出力軸を駆動する液圧モータと、前記液圧モータの出力軸に与えられる出力値に応じた電力を発生し、発電時のトルク指令を変更可能な発電機と、前記トルク指令を設定する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記変化値センサで検出される値の微分値に基づいて前記波受部材が前記揺動方向一方及び他方の何れに揺動しているかを判定し、前記波受部材が前記揺動方向他方に揺動していると判定すると、前記波受部材が前記揺動方向一方に揺動していると判定する場合に対して前記トルク指令を変化させるものである。

本発明に従えば、入射波及び反射波の各々のエネルギーに応じてトルク指令を設定することができる。これにより、例えば、波受部材が入射波及び反射波の何れからエネルギーを受けた際にも発電機に効率よく発電させることができるので、波力発電システムの発電効率を向上させることができる。

上記発明において、前記液圧ポンプ装置は、前記波受部材に連結され且つ前記波受部材の揺動に連動して直線往復運動するロッドを有し、前記変化値センサは、前記波受部材の角変位量に応じた値として前記ロッドのストローク量を検出するストロークセンサであり、前記制御装置は、前記ストロークセンサで検出されるストローク量の微分値である前記ロッドの速度に基づいて前記波受部材の揺動方向を判定してもよい。

上記構成に従えば、波受部材の揺動方向を容易に判定することができ、波力発電システムの発電効率を向上させることを容易に実現することができる。

上記発明において、前記液圧ポンプ装置は、前記波受部材に連結され且つ前記波受部材の揺動に連動して直線往復運動するロッドと、前記ロッドの両端部が往復運動可能に挿入されている一対のシリンダとを有し、前記ロッドが前記一対のシリンダのうちの一方の前記シリンダに向かう第１方向に移動すると前記一方のシリンダから作動液を吐出すると共に他方の前記シリンダに作動液を吸引し、前記ロッドが前記他方の前記シリンダの方に向かう第２方向に移動すると前記他方のシリンダから作動液を吐出すると共に前記一方のシリンダに作動液を吸引し、前記波受部材は、前記第１及び第２方向の各々への最大ストローク量が同じとなる中立位置に前記ロッドが位置する状態において、垂下される位置に対してオフセットされるように前記ロッドに連結されていてもよい。

入射波と反射波とのエネルギーが異なる状態において、波受部材は垂下された位置と異なる位置を中心にして揺動する。上記構成に従えば、予めオフセットすることによって、入射波と反射波とのエネルギーが異なっていても、波受部材の揺動中心に位置する際にロッドが中立位置付近に位置するようにすることができる。これにより、ロッドの中立位置から第１方向及び第２方向の各々へのストローク量を略同一にすることができる、即ちロッドの第１方向及び第２方向へのストローク範囲を均等にすることができる。それ故、ロッドが持つストロークを有効に使用することができる。

上記発明において、前記制御装置は、前記波受部材が前記揺動方向他方に揺動していると判定すると、前記波受部材が前記揺動方向一方に揺動していると判定する場合に対して前記トルク指令を小さくしてもよい。

上記構成に従えば、入射波に対して反射波が小さい場合において発電機に効率よく発電させることができるので、波力発電システムの発電効率を向上させることができる。

上記発明において、前記入射波の波高を検出する波高センサと、前記制御装置は、前記波高センサの検出結果に基づいて前記出力値を推定し、前記発電機の回転数が所定回転数となるように推定される前記出力値に基づいて前記トルク指令を設定してもよい。

上記構成に従えば、事前に液圧ポンプの出力値を推定し、推定した出力値に基づいてトルク指令を設定する。これにより、波受部材がその際に受けている入射波のエネルギーに応じたトルクにトルク指令を設定することができるので、より高い効率にて発電機に発電させることができる。

上記発明において、前記制御装置からの指令に応じて前記主通路とタンクとを開放する、リリーフ弁と、を更に備え前記制御装置は、前記波高センサの検出結果に基づいて前記波のエネルギーを推定し、推定される前記波のエネルギーが所定の許容エネルギーを越える場合に前記リリーフ弁によって前記主通路とタンクとを開放してもよい。

上記構成に従えば、台風時等のように波が高くてそのエネルギーが大きい場合において、発電機に入力される出力が発電機の最大出力を上回って波力発電システムが損傷することを抑制することができる。

上記発明において、前記波高センサは、前記波受部材に対して前記仮想反射面と反対側に所定距離Ｘ以上離して配置され、前記所定距離Ｘは、前記波受部材に入射する様々な周期の前記入射波のうち頻度の高い周期の前記入射波の波長であってもよい。

上記構成に従えば、頻度の高い周期の入力波のエネルギーを精度良く推定することができ、より高い発電効率にて波力発電システムを作動させることができる。

上記発明において、前記発電機の回転数を検出する回転数検出器と、前記液圧モータに供給される作動液の液圧を検出する液圧検出器と、前記液圧モータに供給される作動液の流量を検出する流量検出器と、前記液圧モータの出力軸に与えられる出力トルクを検出するトルク検出器とを更に有し、前記制御装置は、設定される前記トルク指令と前記回転数検出器で検出される回転数検出値とに基づいて演算される発電量と、前記液圧検出器で検出される液圧検出値と前記流量検出器で検出される流量検出値とに基づいて演算される第１出力値と、前記トルク検出器で検出される出力トルクと前記回転数検出器で検出される回転数検出値とに基づいて演算される第２出力値とを比較し、互いに不整合があると、不具合があると判定してもよい。

上記構成に従えば、整合性に基づいて不具合を判断するので、不具合の誤判断の発生を抑えることができる。

上記発明において、前記主通路を流れる作動液の液圧を検出する液圧検出器と、前記アキュムレータ装置は、複数のアキュムレータと、複数の切換弁とを有し、前記複数のアキュムレータは、蓄圧可能な作動液の蓄圧圧力が互いに異なっており、前記切換弁は、前記複数のアキュムレータに対応させて設けられ、対応する前記アキュムレータと前記主通路との接続状態を切換え、前記制御装置は、前記液圧検出器にて検出される液圧検出値に応じて前記複数の切換弁の各々における動作を制御して前記複数のアキュムレータの各々と前記主通路との接続状態を切換えてもよい。

上記構成に従えば、制御装置が主通路と繋がるアキュムレータを作動液の液圧に応じて切換えるので、前記主通路を流れる作動液の液圧を精度良く平準化することができる。

本発明によれば、発電効率を向上することができる。

波力発電システムの側方から見た概略側面図である。 図１の波力発電システムを正面から見た概略正面図である。 図１の波力発電システムの構成を示す液圧回路図である。 波力発電システムの制御装置が実行する発電制御処理の手順について説明するフローチャートである。

以下、本発明に係る実施形態の波力発電システム１について上述の図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる方向の概念は、説明する上で便宜上使用するものであって、発明の構成の向き等をその方向に限定するものではない。また、以下に説明する波力発電システム１は、本発明の一実施形態に過ぎない。従って、本発明は実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除、変更が可能である。

＜波力発電システム＞
図１に示す波力発電システム１は、海岸に打ち寄せる波の力、即ち波のエネルギーを電気エネルギーに変換することによって発電する発電システムであり、海岸に設けられている防波堤２の前方に設置されている。具体的に説明すると、防波堤２付近の海底３には、コンクリートシンカー４が設置されており、このコンクリートシンカー４には、複数（例えば、４本）の支柱５が立設されている。複数の支柱５の上には、平面視で大略矩形状の床板６が載せられて固定されており、床板６には、防水カバー７が被せられている。防水カバー７の中には、波力発電システム１の一部分が収容されており、図１及び２に示すように波力発電システム１は、振子式の波受機構１０を備えた鋼製海洋ジャケット構造物として構成されている。

［波受機構］
波力発電システム１に備わる波受機構１０は、シャフト１１と、一対の取付部１２と、波受部材１３とを有している。シャフト１１は、防水カバー７内において左右方向に延在する軸であり、シャフト１１の中間部分が一対の軸受部材１４によって回動可能に支持されている。また、シャフト１１には、軸線方向両端部に一対の取付部１２が夫々固定されており、取付部１２は、シャフト１１の軸線方向両端部から下方に夫々降ろされている。取付部１２は、床板６に形成される溝（図示せず）を通って床板６の下方まで延在しており、取付部１２の下端部は、海面９より上方に位置している。取付部１２の下端部には、波受部材１３が一体的に設けられている。

波受部材１３は、前方（即ち、沖側）から見て大略矩形状の板であり、その上側部分を除く大半の部分が海面９より下に位置している。このような配置されている波受部材１３は、それよりも沖側から伝わる波（入射波）を前面で受け、また防波堤２及びその付近で反射された波（反射波）の力を受けるようになっている。波の力を受けた波受部材１３は、シャフト１１の軸線を中心に前後（即ち、沖側及び防波堤２側）に揺動し、シャフト１１もまた波受部材１３と共にその軸線周りに回動する。また、シャフト１１には、前述するように一対の軸受部材１４が左右に離されて配置されており、その間に一対のチラー１５，１５が左右に離して設けられている。一対のチラー１５，１５は、シャフト１１に相対回動不能に固定され、シャフト１１から上方に延在している。また、チラー１５の上端部は、波力発電システム１の液圧ポンプ装置２０に連結されている。

［ポンプ装置］
液圧ポンプ装置２０は、一対のポンプ２１，２１を有している。ポンプ２１は、ラムシリンダ式のポンプであって、一対のシリンダ２２，２３及びロッド２４を有している。一対のシリンダ２２，２３は、大略有底筒状に形成されており、各々の開口が対向し且つそれらの軸線方向（本実施形態では、前後方向）に互いに間隔をあけて配置されている。また、各シリンダ２２，２３には、１本のロッド２４の一端部及び他端部が夫々挿通されており、ロッド２４の一端部及び他端部は、シリンダ２２，２３内をその軸線に沿って夫々往復運動できるようになっている。

また、ロッド２４の軸線方向中央部分には、その軸線に直交する方向（即ち、本実施形態において左右方向）に延在するピン２５が一体的に設けられており、このピン２５にチラー１５の上端部が連結されている。これによって、チラー１５が揺動する（図１の１点鎖線及び２点鎖線参照）とロッド２４が往復運動する、即ちチラー１５によって波受部材１３の揺動運動がロッド２４の往復運動（直動運動）に変換される。

このように構成されている液圧ポンプ装置２０では、図３に示すように各シリンダ２２，２３の中に液室２６，２７が夫々形成されており、各液室２６，２７がポートを介して液圧ポンプ装置２０の２つのポンプ通路３１，３２の各々に夫々繋がっている。即ち、一対のポンプ２１，２１の第１液室２６の各々が第１ポンプ通路３１に繋がり、一対のポンプ２１，２１の第２液室２７の各々が第２ポンプ通路３２に繋がっている。２つのポンプ通路３１，３２は、その下流側及び上流側で夫々合流しており、上流側では合流した先で主止弁３５を介してタンク３３に繋がり、下流側では合流した先で後述する液圧駆動回路４０の主通路４１に繋がっている。更に、２つのポンプ通路３１，３２には、２つの逆止弁３６，３７が夫々設けられている。

このように構成されている液圧ポンプ装置２０では、ロッド２４が軸線方向一方に移動すると、第１液室２６の作動液が第１ポンプ通路３１に吐出され、吐出された作動液が第２逆止弁３７を通って主通路４１に導かれる。また、第２ポンプ通路３２では、第１逆止弁３６が開き、タンク３３から第２液室２７に作動液が吸入される。他方、ロッド２４を軸線方向他方に移動させると、第２液室２７の作動液が第２ポンプ通路３２に吐出され、吐出された作動液が第２逆止弁３７を通って主通路４１に導かれる。また、第１ポンプ通路３１では、第１逆止弁３６が開き、タンク３３から第１液室２６に作動液が吸入される。このように液圧ポンプ装置２０では、ロッド２４が往復運動することで、液圧駆動回路４０の主通路４１に作動液が吐出されるようになっている。

［液圧駆動回路］
液圧駆動回路４０は、前述する主通路４１を備えており、主通路４１には、アキュムレータ装置４２が接続されている。アキュムレータ装置４２は、複数（本実施形態では２つ）のアキュムレータ４３，４４と、複数（本実施形態では２つ）の切換弁４５，４６を有している。アキュムレータ４３，４４は、作動液を蓄圧可能に構成され、且つ互いに蓄圧できる作動液の蓄圧圧力が異なっている。このように構成されるアキュムレータ４３，４４の各々は、切換弁４５，４６が互いに対応させて設けられており、対応する切換弁４５，４６を介して主通路４１に接続されている。切換弁４５，４６は、そこに入力される切換指令に基づいて対応するアキュムレータ４３，４４と主通路４１との接続状態を切換え可能に構成されている。また、主通路４１には、アキュムレータ装置４２より下流側に流量センサ３８及び液圧センサ３９が取り付けられている。流量センサ３８は、主通路４１を流れる作動液の流量を検出し、また液圧センサ３９は、主通路４１を流れる作動液の圧力を検出する。

また、主通路４１には、流量センサ３８の上流側にリリーフ通路４７が繋がっており、リリーフ通路４７は、タンク通路４８を介してタンク３３に繋がっている。また、リリーフ通路４７には、リリーフ弁４９が介在しており、リリーフ弁４９は、主通路４１を流れる作動液が設定されるリリーフ圧以上になるとリリーフ通路４７を開いて作動液をタンク３３に逃がすことができる。これにより、主通路４１を流れる作動液の圧力をリリーフ圧以下に制限することができる。また、タンク通路４８には、オイルクーラー５０が介在しており、タンク通路４８を流れる作動液を冷却するようになっている。

更に、主通路４１には、フィルタ５１、逆止弁５２及び流量調整弁５３が介在している。フィルタ５１、逆止弁５２、及び流量調整弁５３は、２つのセンサ３８，３９より下流側に配置され、上流側（即ち、液圧ポンプ装置２０側）からこの順序で並んでいる。逆止弁５２は、上流側から下流側への作動液の流れを許容し、その逆方向の流れを阻止するようになっている。また、流量調整弁５３は、いわゆる可変流量の絞りであり、そこに入力される流量指令に応じて作動液の流量を制限するようになっている。このような機能を有する流量調整弁５３の下流側には、更に液圧モータ６０が設けられている。

［液圧モータ］
液圧モータ６０は、例えば斜板モータであり、主通路４１を介して供給される作動液によって駆動されてその出力軸６１を回転させる。更に詳細に説明すると、液圧モータ６０は、供給される作動液の流量及びその吸入容量に応じた回転速度で出力軸６１を回転させる。また、液圧モータ６０は、いわゆる可変容量型の斜板モータであり、そこに備わる斜板６０ａの傾転角を変えることによって吸入容量を切替えることができる、即ち出力軸６１の回転速度を調整することができる。このように構成される液圧モータ６０には、その斜板６０ａの傾転角を変えるべくサーボ機構６２が設けられている。

サーボ機構６２は、入力されるサーボ指令に応じて直動機構（例えば、ピストン及びボールねじ）を動かして斜板６１ａの傾転角を調整するようになっている。即ち、サーボ機構６２は、入力されるサーボ指令に応じて液圧モータ６０の吸入容量を変更し、それをもって出力軸６１の回転速度を調整することができる。また、出力軸６１には、クラッチ６３を介して発電機６５が取り付けられている。

［発電機］
発電機６５は、いわゆる同期発電機であり、例えば永久磁石発電機によって構成されている。発電機６５は、出力軸６１の回転速度に応じた周波数の交流電力（以下、単に「電力」ともいう）を発生するようになっている。それ故、出力軸６１が定格回転数（例えば、１５００ｒｐｍ又は１８００ｒｐｍ）以下で回転したり、また出力軸６１の回転速度が安定していなかったりしても発電機６５は発電することができる。なお、本実施形態では、発電機６５に同期発電機を採用しているが発電機６５として誘導発電機を用いてもよい。このように構成されている発電機６５は、パワーコンディショナ６６に接続されており、発電機６５で発生した電力は、パワーコンディショナ６６に伝送される。

［パワーコンディショナ］
周波数変換機であるパワーコンディショナ６６は、電力系統（図示せず）に接続されており、電力の電圧及び周波数を商用電源から供給される電力と略同じ電圧、周波数、及び位相を調整して電力系統に伝送するようになっている。発電機６５には、回転数センサ６８が設けられており、回転数センサ６８は、出力軸６１の回転速度、即ち回転数を検出する。回転数センサ６８は、前述する流量センサ３８及び液圧センサ３９と共に制御装置７０に接続されており、検出結果を制御装置７０に出力する。

［制御装置］
制御装置７０は、３つのセンサ３８，３９，６８の他に、波高センサ１６、ストロークセンサ２８、及びトルクセンサ６９に接続されている。波高センサ１６は、波の高さ、主に沖から押し寄せる入射波の高さを計測するためのセンサである。波高センサ１６は、例えば波受部材１３から距離Ｘ以上離して配置されている。ここで、距離Ｘとは、防波堤２に押し寄せる波に含まれる様々な周波数の波のうち頻度の高い周波数（本実施形態では、もっとも頻度の高い周波数）の波の波長と同一である。ストロークセンサ２８は、一対のシリンダ２２，２３のうちの少なくとも一方のロッド２４に設けられ、往復運動する際のロッド２４のストローク量を検出する。更に、トルクセンサ６９は、液圧モータ６０の出力軸６１に設けられ、液圧モータ６０から出力されるトルクを検出する。また、制御装置７０は、２つの切換弁４５，４６、リリーフ弁４９、流量調整弁５３、サーボ機構６２及びパワーコンディショナ６６の各種機器に電気的に接続されている。即ち、制御装置７０は、各種センサ１６，２８，３８，３９，６８の検出結果に基づいて各種機器の動作を制御するようになっている。以下では、制御装置７０の機能及び制御動作を含め、波力発電システム１の動作について詳細に説明する。

［波力発電システムの動作］
波力発電システム１では、波受部材１３が波の力を受けて揺動すると、シャフト１１が回動し、液圧ポンプ装置２０から主通路４１に作動液が吐出される。液圧ポンプ装置２０から吐出される作動液は、液圧ポンプ装置２０がラムシリンダ式のポンプである故にその流れ（流量及び液圧）が脈動している。このように脈動する作動液の流れを平準化すべく、アキュムレータ装置４２は主通路４１を流れる作動液を蓄えたり（即ち、蓄圧したり）、また蓄えた作動液を排出したりしている。脈動する作動液の液圧は、波受部材１３が受ける波のエネルギーに応じて変動する。また、アキュムレータ装置４２に備わる２つのアキュムレータ４３，４４は、夫々充填可能な圧力範囲が異なっており、制御装置７０は、脈動する作動液の液圧に応じて主通路４１に接続されるアキュムレータ４３，４４を選択する。

即ち、制御装置７０は、液圧センサ３９の検出結果に基づいて主通路４１を流れる作動液の液圧を判定し、その判定結果に基づいて切換弁４５，４６を以下のように制御する。例えば、制御装置７０は、液圧が第１切換圧力以上であると判定すると第１切換弁４５に切換指令を出力して比較的蓄圧圧力が大きい第１アキュムレータ４３を主通路４１に接続する。

他方、制御装置７０は、前記液圧が第２切換圧力（＞第１切換圧力）未満であると判定すると、第２切換弁４６に切換指令を出力して第１アキュムレータ４３より蓄圧圧力が小さい第２アキュムレータ４４を主通路４１に接続する。また、制御装置７０は、液圧が第１切換圧力未満であって第２切換圧力以上であると判定すると、２つの切換弁４５，４６の両方に切換指令を出力して２つのアキュムレータ４３，４４の両方を主通路４１に接続する。

このように制御装置７０は、主通路４１を流れる作動液の液圧に応じて主通路４１に接続するアキュムレータ４３，４４を変える、即ち波受部材１３が受ける波エネルギーに応じて蓄圧させるアキュムレータ４３，４４を変えることができる。これにより、前記主通路を流れる作動液の液圧を精度良く平準化することができる。その結果、液圧モータ６０の出力軸６１を安定的に回転させることができる。このように回転する液圧モータ６０では、その出力軸６１を発電機６５と共有しているので、出力軸６１の回転速度を回転数センサ６８によって検出することができ、その検出結果が回転数センサ６８から制御装置７０に出力される。

制御装置７０は、回転数センサ６８の検出結果に基づいて、サーボ機構６２の動作を制御する。即ち、制御装置７０は、回転数センサ６８の検出結果に基づいて斜板６１ａの傾転角を調整し、出力軸６１の回転数を所定の範囲内（例えば、前述する定格回転数及びその付近の値）に維持する。同時に制御装置７０は、パワーコンディショナ６６を介して発電時における発電機６５のトルク（以下、「トルク指令」という）を設定し、そのトルク指令にて発電機６５に発電動作を行わせる。これにより、発電機６５を一定速度で回転させることができる。このように一定速度にて回転させることによって安定した周波数の電力を発電機６５から出力することができる。このようにして出力された電力は、発電機６５からパワーコンディショナ６６に伝送され、パワーコンディショナ６６から電力系統に電力を伝送することができる。なお、パワーコンディショナ６６によって発生した電力の電圧、位相、及び周波数が調整される。

このように構成されている波力発電システム１では、制御装置７０が更に以下のような発電制御処理を行っており、その発電制御処理について図４に示すフローチャートを参考にしながら説明する。即ち、制御装置７０は、そこに電力が投入されると共に発電制御処理を実行し、ステップＳ１に移行する。推測工程であるステップＳ１では、波高センサ１６の検出結果に基づいて、次回以降に波受部材１３が受ける入射波のエネルギーを制御装置７０が推定する。即ち、波のエネルギーは、波の振幅の２乗に比例しており、波の振幅は、波の１周期分の波高を計測することで演算することができる。波高センサ１６は、前述の通り、波受部材１３から距離Ｘ以上離して配置されている。それ故、制御装置７０は、次回以降に波受部材１３が受けるはずの入射波の全容を把握することができ、そのエネルギーを精度良く推定することができる。そして、入射波のエネルギーが推定されると、ステップＳ２に移行する。

発電可否判定工程であるステップＳ２では、入射波のエネルギーに基づいて発電の可否を制御装置７０が判定する。即ち、制御装置７０は、ステップＳ１で推定された入射波のエネルギーが所定の許容エネルギー以下であるか否かを判定する。ここで、許容エネルギーとは、波力エネルギーから機械エネルギーを介して電気エネルギーへとエネルギー変換される際の変換効率、及び発電機６５の許容発電最大容量に基づいて予め設定される値であり、許容エネルギーを波受部材１３が受けて発電機６５にて発電した際に発電機６５が損傷しないように設定されている。入射波のエネルギーがこの許容エネルギー以下であると判定されると、ステップＳ３に移行する。閉弁工程であるステップＳ３では、制御装置７０がリリーフ弁４９によってリリーフ通路４７を閉じる、又はリリーフ通路４７を閉じた状態を維持し、ステップＳ４に移行する。

設定工程であるステップＳ４では、推定される入射波のエネルギーに基づいて発電機６５のトルク指令を設定する。即ち、制御装置７０は、推定される入射波のエネルギー及び波力エネルギーから機械エネルギーへの変換効率に基づいて液圧モータ６０の出力値（＝出力トルク×回転数）を演算する。更に、制御装置７０では、発電機６５を所定の回転数（本実施形態では、上述する定格回転数）にて回転させるべく、この所定の回転数と前記出力トルクにてトルク指令を演算して設定する。

このように制御装置７０は、液圧モータ６０の出力値を推定し、それに基づいてトルク指令を設定している。そもそも、入射波のエネルギーは時々刻々と変化し、また液圧ポンプ装置２０及び液圧モータ６０等の液圧機器の応答性が低いので、現在の出力値に基づいて次回の動作を制御する（即ち、フィードバック制御する）と、制御自体が後手に回り、発電機６５にて効率よく発電できない可能性がある。これを勘案して、波力発電システム１では、前述の通り、制御装置７０が出力値を事前に推定し、それに基づいてトルク指令を設定している。これにより、波受部材１３がその際に受けている入射波のエネルギーに応じたトルクにトルク指令を設定することができるので、より高い効率にて発電機６５に発電させることができる。

なお、演算されるトルク指令が発電機６５において設定可能な範囲を超える場合、以下のようにして液圧モータ６０の出力が抑えられている。即ち、主通路４１を流れる作動液は、その液圧がリリーフ弁４９によってリリーフ圧未満に制限され、且つ流量調整弁５３によって流量が制限されている。このようにして液圧モータ６０の出力を抑えるようにし、且つ設定可能な範囲内にてトルク指令を収め且つ前述する所定の回転数にて発電機６５が回転するようにしている。このようにしてトルク指令が設定されると、ステップＳ５に移行する。

発電工程であるステップＳ５では、ステップＳ４にて設定されたトルク指令によって発電機６５に発電させる。このようにして発電機６５にて発電された電力は、前述の通り、パワーコンディショナ６６を介して電力系統に伝送される。発電を行うと、次の入射波に備えてステップＳ１に戻る。

他方、ステップＳ２にて、入射波のエネルギーがこのように設定される許容エネルギーを超えると判定されると、ステップＳ６に移行する。開弁工程であるステップＳ６では、制御装置７０がリリーフ弁４９によってリリーフ通路４７を開く、又はリリーフ通路４７を開いた状態を維持する。これにより、液圧ポンプ装置２０がアンロード状態となり、ステップＳ７に移行する。トルク指令ゼロ工程であるステップＳ７では、トルク指令を制御装置７０がゼロに設定することによって、発電機６５における発電が行われなくなり、液圧駆動回路４０及び発電機６５に対して過度の負荷がかかることを抑制することができる。即ち、台風時等のように波が高くてそのエネルギーが大きい場合において、発電機６５に入力される出力が発電機６５の最大出力を上回って波力発電システム１が損傷することを抑制することができる。また、液圧ポンプ装置２０をアンロード状態にすることによって波受部材１３の揺動抵抗を小さくすることができる。これにより、波受部材１３が波を受けた際、それを回避するように揺動させることができるので、波受部材１３に大きな荷重が作用して損傷することを抑制することができる。

このような発電制御処理では、発電効率を更に高めるべくステップＳ４（設定工程）においてトルク指令が、以下のようにして設定されている。即ち、制御装置７０は、波受部材１３の揺動方向に応じてトルク指令を変化させるようになっている。具体的に説明すると、制御装置７０は、ストロークセンサ２８からロッド２４のストローク量を検出する。ストローク量は、例えばロッド２４の軸線方向一方のストローク量（即ち、沖側へのストローク量）を正、その逆方向（本実施形態では、防波堤２側へのストローク量）を負として検出される。また、制御装置７０は検出されるストローク量の時間微分を行う、即ちロッド２４の速度を演算する。そして、制御装置７０は演算されるロッド２４の速度における正負の符号に基づいて波受部材１３の揺動方向を判断する。即ち、制御装置７０は、ロッド２４の速度の符号が正の場合、波受部材１３が入射波を受けて防波堤２側に向かって揺動していると判断し、ロッド２４の速度の符号が負の場合、波受部材１３が反射波を受けて沖側に向かって揺動していると判断する。

更に、制御装置７０は、波受部材１３が入射波を受けて防波堤２側に向かって揺動していると判断すると、ステップＳ４に記載されるようにトルク指令を演算してそれを設定する。他方、制御装置７０は、波受部材１３が反射波を受けて沖側に向かって揺動していると判断すると、上記演算されるトルク指令に予め定められた係数（１未満の値であって、本実施形態では０．５）が乗算したものを新たなトルク指令とする。なお、係数は、防波堤２において吸収される波のエネルギーに基づいて設定される値である。このようにトルク指令を小さくすることによって、波受部材１３が入射波及び反射波の何れからエネルギーを受けた際にも発電機６５にて効率よく発電させることができるので、波力発電システム１の発電効率を向上させることができる。

また、波力発電システム１では、入射波と反射波とのエネルギーが異なる状態において、波受部材１３は垂下された位置と異なる位置を中心にして揺動する。それ故、波受部材１３は、図１の二点鎖線に示される鉛直状態から防波堤２側に角変位して配置されている、即ちオフセットされている（図１二点鎖線）。このようにオフセットすることで、波受部材１３が揺動中心に位置する際に、ロッド２４を中立位置付近に位置させることができる。ここで中立位置は、ロッド２４のピン２５が一対のシリンダ２２，２３の略真ん中に配置される位置であって、その位置からロッド２４を沖側（第１方向）及び防波堤２側（第２方向）に夫々移動させた際の最大ストローク量が同じとなる位置である。それ故、入射波と反射波とのエネルギーが異なる状態においても、ロッド２４の中立位置からの沖側及び防波堤２側へのストローク量を略同一にすることができ、ロッド２４の第１方向及び第２方向へのストローク範囲を均等にすることができる。これにより、ロッド２４が持つストロークを有効に使用することができる、液圧ポンプの吐出量の安定化を図ることができる。

また、制御装置７０は、波力発電システム１における不具合を検出すべく、以下のような不具合診断を行っている。即ち、制御装置７０は、流量センサ３８、液圧センサ３９、回転数センサ６８、及びトルクセンサ６９の検出値を取得する。次に、制御装置７０は、流量センサ３８で検出される流量、及び液圧センサ３９で検出される液圧に基づいて液圧モータ６０の出力値（即ち、第１出力値）を演算する。他方で、制御装置７０は、回転数センサ６８で検出される回転数、及びトルクセンサ６９で検出されるトルクとに基づいて液圧モータ６０の出力値（即ち、第２出力値）を演算する。そして、制御装置７０は、これら第１出力値及び第２出力値を比較し、それらが整合しているか否かを判定する。整合している場合には、波力発電システム１、より詳細には液圧駆動回路４０において不具合が生じていないと判定する。他方、第１出力値及び第２出力値が整合していない場合、制御装置７０は、波力発電システム１において何らかの不具合が生じていると判定し、図示しない警報機などによってその旨を報知する。

また、制御装置７０では、回転数センサ６８で検出される回転数、及びトルク指令に基づいて電動機の発電量を演算し、これを第１出力値及び第２出力値と比較する。それらが整合している場合には、波力発電システム１、より詳細には液圧モータ６０と発電機６５との間の動力伝達において不具合が生じていないと判定する。他方、第１出力値及び第２出力値が整合していない場合、制御装置７０は、波力発電システム１において何らかの不具合が生じていると判定し、図示しない警報機などによってその旨を報知する。なお、発電量、第１出力値及び第２出力値との整合性は、発電機６５における発電効率等を考慮し、第１出力値及び第２出力値に対して、発電量が所定の範囲（例えば、各出力値に対して７５％以上９８％以下）に収まっているか否かに基づいて判断される。第１出力値と第２出力値との整合性についても、同一であることに限定されず予め定められた範囲内に収まれば整合するという判定であってもよい。

このように制御装置７０では、複数のセンサ３８、３９、６８、６９の検出値に基づいて不具合を判断するので、不具合の誤判断の発生を抑えることができる。

［その他の実施形態について］
本実施形態の波力発電システム１では、一対のポンプ２１，２１が平面視で左右方向に並んでいるが、必ずしもその方向である必要はない。一対のポンプ２１，２１は、上下方向に並んでいてもよく、また前後方向に並んでいてもよい。また、波力発電システム１では、波受部材１３の揺動方向を判定すべくストロークセンサ２８を用いているが、必ずしもストロークセンサ２８によって判定する必要はない。例えば、シャフト１１に角変位センサを設けてシャフト１１の角変位から波受部材１３の揺動方向を判定してもよい。また、角変位に限らず、ポンプ２１が吐出する作動液の流れに基づいて求めてもよい。この場合には、２つのポンプ通路３１，３２の各々に流量センサ及び圧力センサを設けることによって実現することができる。

また、本実施形態の波力発電システム１では、ロッド２４が中立位置に位置する際に、波受部材１３がオフセットされているが必ずしもオフセットされている必要はない。また、入射波のエネルギーは、必ずしも１周期分の波のエネルギーを検出して推定する必要はなく、別の方法であってもよい。即ち、波高センサ１６によって入射波の一部分の波高を検出し、この検出結果と蓄積データによって得られる波のトレンド（傾向）とに基づいて入射波のエネルギーを推定してもよい。

また、本実施形態の波力発電システム１では、２つのアキュムレータ４３，４４しか備えていないが、１つ又は３つ以上のアキュムレータを備えていてもよい。また、３つ以上のアキュムレータを備える場合、各々のアキュムレータには、夫々対応する切換弁が設けられ、各々のアキュムレータは対応する切換弁を介して主通路４１に接続される。そして、制御装置７０は、主通路４１に流れる作動液の液圧に応じて、少なくとも１つ以上のアキュムレータを主通路４１に接続する。

更に、本実施形態の波力発電システム１では、入射波を受ける場合におけるトルク指令に対して反射波を受ける場合のトルク指令を小さくしているが、必ずしもこのように設定される必要はない。即ち、何らかの作用により入射波のエネルギーに対して反射波のエネルギーの方が大きい場合、入射波を受ける場合におけるトルク指令に対して反射波を受ける場合のトルク指令を大きくしてもよい。この際、波受部材１３は、防波堤２側ではなく沖側にオフセットされることが好ましい。

１ 波力発電システム
２ 防波堤（仮想反射面）
１３ 波受部材
１６ 波高センサ
２０ 液圧ポンプ装置
２２ シリンダ
２３ シリンダ
２４ ロッド
２８ ストロークセンサ
３８ 流量センサ（流量検出器）
３９ 液圧センサ（液圧検出器）
４１ 主通路
４２ アキュムレータ装置
４３ 第１アキュムレータ
４４ 第２アキュムレータ
４５ 第１切換弁
４６ 第２切換弁
６０ 液圧モータ
６１ 出力軸
６５ 発電機
６８ 回転数センサ（回転数検出器）
６９ トルクセンサ（トルク検出器）
７０ 制御装置

Claims (9)

1. 押し寄せる入射波を反射する仮想反射面周辺に設置され、前記入射波の力を受けると揺動方向一方に揺動し且つ前記仮想反射面にて反射された反射波の力を受けると揺動方向他方に揺動する波受部材と、
   前記波受部材の揺動運動を直動運動に変換して作動液を主通路に吐出するラムシリンダ式の液圧ポンプ装置と、
   前記波受部材の揺動量に応じて変化する変化値を検出する変化値センサと
   前記液圧ポンプ装置から吐出される作動液を蓄圧し、前記主通路の圧力が低下すると蓄圧した作動液を排出するアキュムレータ装置と、
   前記主通路を流れる作動液が供給され、供給された作動液の液圧及び流量に応じた出力値にて出力軸を駆動する液圧モータと、
   前記液圧モータの出力軸に与えられる出力値に応じた電力を発生し、発電時のトルク指令を変更可能な発電機と、
   前記トルク指令を設定する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記変化値センサで検出される値の微分値に基づいて前記波受部材が前記揺動方向一方及び他方の何れに揺動しているかを判定し、前記波受部材が前記揺動方向他方に揺動していると判定すると、前記波受部材が前記揺動方向一方に揺動していると判定する場合に対して前記トルク指令を変化させる、波力発電システム。
2. 前記液圧ポンプ装置は、前記波受部材に連結され且つ前記波受部材の揺動に連動して直線往復運動するロッドを有し、
   前記変化値センサは、前記波受部材の角変位量に応じた値として前記ロッドのストローク量を検出するストロークセンサであり、
   前記制御装置は、前記ストロークセンサで検出されるストローク量の微分値である前記ロッドの速度に基づいて前記波受部材の揺動方向を判定する、請求項１に記載の波力発電システム。
3. 前記液圧ポンプ装置は、前記波受部材に連結され且つ前記波受部材の揺動に連動して直線往復運動するロッドと、前記ロッドの両端部が往復運動可能に挿入されている一対のシリンダとを有し、前記ロッドが前記一対のシリンダのうちの一方の前記シリンダに向かう第１方向に移動すると前記一方のシリンダから作動液を吐出すると共に他方の前記シリンダに作動液を吸引し、前記ロッドが前記他方の前記シリンダの方に向かう第２方向に移動すると前記他方のシリンダから作動液を吐出すると共に前記一方のシリンダに作動液を吸引し、
   前記波受部材は、前記第１及び第２方向の各々への最大ストローク量が同じとなる中立位置に前記ロッドが位置する状態において、垂下される位置に対してオフセットされるように前記ロッドに連結されている、請求項１又は２に記載の波力発電システム。
4. 前記制御装置は、前記波受部材が前記揺動方向他方に揺動していると判定すると、前記波受部材が前記揺動方向一方に揺動していると判定する場合に対して前記トルク指令を小さくする、請求項１乃至３の何れか１つに記載の波力発電システム。
5. 前記入射波の波高を検出する波高センサと、
   前記制御装置は、前記波高センサの検出結果に基づいて前記出力値を推定し、前記発電機の回転数が所定回転数となるように推定される前記出力値に基づいて前記トルク指令を設定する、請求項１乃至４の何れか１つに記載の波力発電システム。
6. 前記制御装置からの指令に応じて前記主通路とタンクとを開放する、リリーフ弁と、を更に備え
   前記制御装置は、前記波高センサの検出結果に基づいて前記入射波のエネルギーを推定し、推定される前記入射波のエネルギーが所定の許容エネルギーを越える場合に前記リリーフ弁によって前記主通路とタンクとを開放する、請求項５に記載の波力発電システム。
7. 前記波高センサは、前記波受部材に対して前記仮想反射面と反対側に所定距離Ｘ以上離して配置され、
   前記所定距離Ｘは、前記波受部材に入射する様々な周期の前記入射波のうち頻度の高い周期の前記入射波の波長である、請求項５又は６に記載の波力発電システム。
8. 前記発電機の回転数を検出する回転数検出器と、
   前記液圧モータに供給される作動液の液圧を検出する液圧検出器と、
   前記液圧モータに供給される作動液の流量を検出する流量検出器と、
   前記液圧モータの出力軸に与えられる出力トルクを検出するトルク検出器とを更に有し、
   前記制御装置は、設定される前記トルク指令と前記回転数検出器で検出される回転数検出値とに基づいて演算される発電量と、前記液圧検出器で検出される液圧検出値と前記流量検出器で検出される流量検出値とに基づいて演算される第１出力値と、前記トルク検出器で検出される出力トルクと前記回転数検出器で検出される回転数検出値とに基づいて演算される第２出力値とを比較し、互いに不整合があると、不具合があると判定する、請求項１乃至７の何れかに記載の波力発電システム。
9. 前記主通路を流れる作動液の液圧を検出する液圧検出器と、
   前記アキュムレータ装置は、複数のアキュムレータと、複数の切換弁とを有し、
   前記複数のアキュムレータは、蓄圧可能な作動液の蓄圧圧力が互いに異なっており、
   前記複数の切換弁の各々は、前記複数のアキュムレータに対応させて設けられ、対応する前記アキュムレータと前記主通路との接続状態を切換え、
   前記制御装置は、前記液圧検出器にて検出される液圧検出値に応じて前記複数の切換弁の各々恩動作を制御して前記複数のアキュムレータの各々と前記主通路との接続状態を切換える、請求項１乃至８の何れか１つに記載の波力発電システム。

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