JPH09287546A

JPH09287546A - 波力発電用タービン

Info

Publication number: JPH09287546A
Application number: JP8139370A
Authority: JP
Inventors: Yoshikuni Okayama; 義邦岡山; Koji Ishizuka; 浩次石塚
Original assignee: UNYUSHO KOWAN GIJUTSU KENKYUSH; UNYUSHO KOWAN GIJUTSU KENKYUSHO
Current assignee: UNYUSHO KOWAN GIJUTSU KENKYUSH; UNYUSHO KOWAN GIJUTSU KENKYUSHO
Priority date: 1996-04-24
Filing date: 1996-04-24
Publication date: 1997-11-04

Abstract

(57)【要約】【課題】波力発電用タービンの発電効率の向上を図
る。【解決手段】波の上下動により変換された空気の往復
流によって、同一方向に回転される複数の回転翼３，３
を有するタービンであって、それら回転翼３，３をその
軸回りに同時に回転させるモータ７及びベベルギヤ８，
１０よりなる機構を設ける。また、回転翼３の上下両側
の空気の流速を検知する流速計１２，１２と、回転翼３
の回転数を検知する回転計を設けるとともに、流速計１
２，１２と回転計１１の計測値に応じて、回転翼３，３
をその軸回りに回動して、回転翼３を常に適正な角度に
制御できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体の往復流によって
回転する波力発電用タービンの制御装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】波の上下動によるエネルギーを空気エネ
ルギーに変換し、タービンを回転させて発電する装置
は、現在、防波堤用波エネ発電装置や灯標用波エネ発電
装置として実用化されている。波力発電に使用されてい
るタービンは、一般に、ロータの周辺に複数の固定した
翼を持ち、翼と直角方向の往復流によって同一方向に回
転する方式のウエルズタービンが用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】空気等の気体の往復流
によって同一方向に回転させる複数の回転翼を有するタ
ービンは、従来、ウエルズタービンのように翼が固定さ
れているため、気体の流速によって空気エネルギーの変
換効率が大きく変動する。タービンのエネルギー変換効
率は、空気の流速とタービンの回転数によって決まる
が、その効率を表す翼の迎え角αは、３゜〜１２゜の範
囲で最大効率（約５０％）となるが、その範囲以外の角
度では効率が大きく低下する特性を有している。

【０００４】波エネルギー（上下動）は、空気エネルギ
ーに変換され脈動流となるため、翼の迎え角αは絶えず
変化し、したがって、タービンの最大変換効率点の付近
で運転できる範囲は少なく、波エネルギーの発電効率が
十分でなかった。そこで、このタービン効率の変動を少
なくするため、タービン翼の入り口に案内羽根を設ける
ようにしているが、従来はタービン翼、案内羽根ともに
固定されているため、大きな効率の改善には至っていな
い。

【０００５】本発明は、上記のような従来タービンにお
ける欠点を解決するためになされたもので、脈動する気
体の流速に応じて、タービンの翼を適正な角度に制御
し、或は、案内羽根を適正な角度に制御できるように
し、高いタービン効率で運転できる範囲を拡大して、波
エネルギー利用による発電効率の向上を図ろうとするも
のである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の構成について、実施例に対応する図面を参
照して説明すると、請求項１の波力発電用タービンは、
気体の往復流によって同一方向に回転させる複数の回転
翼３，３を有するタービンにおいて、上記回転翼３，３
を、その取り付け軸９回りに同時に回動可能に設けると
ともに、気体の往復流を検知する手段１２，１３と、回
転翼３の回転数を検知する手段１１と、それらの手段１
１，１２，１３より得られた気体の流速及び回転翼３の
回転数に応じて、上記複数の回転翼３，３の軸回りの回
動角度を制御する制御手段１４を設けたことを特徴とす
るものである。

【０００７】また、請求項２の波力発電用タービンは、
気体の往復流によって同一方向に回転させる複数の回転
翼３，３を固定して設けたタービンにおいて、回転翼３
の上下両側に、気体の流向を可変にする可動案内羽根１
５，１５を設けるとともに、気体の往復流を検知する手
段１２，１３と、回転翼３の回転数を検知する手段１１
と、それらの手段１１，１２，１３より得られた気体の
流速及び回転翼３の回転数に応じて、上記案内羽根１
５，１５の角度を制御する制御手段１８を設けたことを
特徴とするものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】タービンの翼に対して気体が相対
流速Ｕがある角度で作用するとき、相対流速方向には抗
力Ｄが、また直角方向には揚力Ｌが働く。その際の相対
流速の翼に向う迎角は気体の速度Ｖと翼の回転速度Ｗに
より決まる（ｔａｎα＝Ｖ／ｗ）。また、翼に働く揚力
Ｌ及び抗力Ｄは、次式で表される。

【０００９】Ｌ＝ρ／２Ｕ^２ＡＣ_Ｌ，Ｄ＝ｐ／２Ｕ^２ＡＣ_Ｄ……（１）ここで、ρ：流体の密度、Ａ：翼面積、Ｃ_Ｌ：揚力係
数、Ｃ_Ｄ：抗力係数そして、翼の回転力Ｆは、次式で求
められる。Ｆ＝Ｌｓｉｎ α−Ｄｃｏｓ α……（２）

【００１０】波力発電用タービンの翼には、気体の往復
流が作用するので、上下対象の翼型が用いられており、
その翼型の迎え角と揚力係数、抗力係数との関係は図５
に示すようになっている。この図の揚力係数Ｃ_Ｌ、抗力
係数Ｃ_Ｄから、回転力と迎角との関係を求めると、図６
に示すようになる。すなわち、迎角＝６〜１８゜の範囲
で回転力は正となる。

【００１１】本発明は、上記のようなタービンの基本特
性をもとに、脈動（往復動）する気体の速度および翼の
回転速度による決まる迎角に応じて、回転力が最大とな
るようにタービンの翼角を制御するのである。この翼を
制御した場合のイメージを示すと図７のようになる。こ
の制御した状態での回転力は、次式で求められる。制御時の翼の回転力：Ｆ＝Ｌｓｉｎ（α＋θ）−Ｄｃｏｓ（α＋θ）…（３）

【００１２】回転力が正となる範囲６〜１８゜で、迎角
を一定にして翼を制御した場合の上記（３）式により求
められる回転力の計算結果を図８に示す。この図では、
実際の迎角＋制御角＝定められた迎角と回転力との関係
を示す制御曲線が示されており、定められた迎角以上の
状態で大きな制御効果が得られるものであり、α＝１２
゜が最も効果的になる。一方、定められた迎角１２゜以
下の実際の迎角状態では回転力が減少する。

【００１３】そのため、本発明においては、定められた
迎角α＝１２゜以上の迎角状態のときにおいて翼の迎角
を制御するようにし、それ以下の迎角状態のときには制
御を行わないものとする。これを具体的に示せば、具体
的な制御：実際の迎角（ｔａｎ（Ｖ／ｗ））−定められ
た迎角（１２゜）＝制御角θ…（４）。

【００１４】また、波エネルギーから得られるタービン
内のタービンの回転速度と気体の最大流速はタービン回転速度：Ｖ＝２πＮ／６０×ｒ…（５）Ｎ：回転数（ｒ，ｐ，ｍ）、ｒ：タービン半径タービン内最大流速：Ｗ＝２πη／（εＴ）…（６） η：空気室内の水位変動の最大値（＝０．５Ｈ，Ｈ＝波
高） ε：タービンの開口率（＝１／２８）、Ｔ：波の周期
（秒）

【００１５】（５），（６）式をもとに、タービン半径
と迎角との関係を示すと図９のようになる。この図に
は、回転力が最も効果的に得られる迎角＝１２゜での制
御範囲、非制御範囲を併せて示している。この図からわ
かるように、タービン半径および回転数が小さくなるに
したがって、翼角の制御範囲が大きくなる。また、翼の
制御角が大きくなるにしたがって、（３）式はＬｓｉｎ
（α＋θ）》Ｄｃｏｓ（α＋θ）となり、回転力はより
増大するようになる。計算上では、翼の制御角θ＝９°
−１２゜＝７８゜の状態が最大の回転力が得られること
になる。

【００１６】本発明は、上述のような基本的な構想にも
とづき、脈動する気体の流速とタービンの回転数に応じ
て、タービンの翼角を制御する。翼角の制御には、翼自
体を回動制御する方法と、固定した翼に対し案内羽根を
設け、その案内羽根の翼に対する角度を制御する方法と
がある。

【００１７】図１は、翼を回動制御する第１の方法の実
施例を示したもので、１はタービンの円筒風胴で、その
中に、複数の回転翼３，３を突設した中空なローターハ
ブ２が、円筒風胴１と同芯に配置され、円筒風胴と結合
した支柱４，４に軸支されて回転自在に設けられてい
る。そして、ローターハブ２の一端は、回転軸５を介し
て発電機６に接続されている。

【００１８】ローターハブ２内には、回転翼３，３をそ
の軸回りに回動制御するためのモータ７が設置され、そ
の回転軸には原動ベベルギヤ８が設けられている。ま
た、各回転翼３はその基端部に設けられた回動軸９によ
りロータハブ２に軸着され、回動軸９に設けられた受動
ベベルギヤ１０が原動ベベルギヤ８と噛合され、モータ
７の正逆回転により回動され、図２に示すように、その
翼角が変化できるようになっている。

【００１９】また、ロータハブ２に接続して、その回転
数を検知する回転計１１が設けられているとともに、円
筒風胴１内のタービン翼３の上側及び下側の位置に、流
入する気体の流速を検知するセンサー１３，１３を突入
させた流速計１２，１２が設けられている。そして、上
記回転計１１及び流速計１２，１２よりの計測値から、
気体の流速に応じて、タービン翼３，３を適正な角度に
制御するために、モータ７への駆動信号を発する翼回動
制御器１４が設けられている。

【００２０】上記の装置において、波の上下動によって
生じた気体の流れは、円筒風胴、１に、図１、図２の実
線及び鎖線で示すように、往復流となって交互に流入す
る。その気体の流れを受けて、回転翼３，３には揚力
（回転力）が生じ、回転翼３，３は図２の矢印方向に回
転を継続し、発電が行われる。

【００２１】その際、往復動する気体の流速が流速計に
より検知されるとともに、回転翼３の回転数が回転計に
より検知されて、それぞれ翼回動制御器１４に入力され
る。翼回転制御器１４では、入力された気体の流速とタ
ービンの回転数から、さきの（５），（６）式をもとに
算出された迎角に対して、翼の制御を（４）式になるよ
うに、モーター７を駆動する信号が出力される。それに
よって、モーター７は所定の状態に回転し、ベベルギヤ
８，１０，１０を介してタービン翼３は、所定の翼角と
なるように制御される。

【００２２】図３、図４は、翼の上流側に設けた案内羽
根を回動して、翼への気体の流入角を制御する第２の方
法の実施例を示したものである。この実施例の場合は、
複数の回転翼３，３はロータハブ２に非回動に固定して
設けられている。なお、回転軸５を介して発電機６に接
続されていることは、さきの実施例と同様である。

【００２３】また、本実施例では、回転翼３，３が非回
動である代わりに、回転翼３，３の上下両側に、気体の
流通方向を規制する可動案内羽根１５，１５の多数が所
定の間隔をおいて設けられている。それらの可動案内羽
根１５，１５は、それぞれ、円筒風胴１外に設置された
モータ１６，１６の回転軸１７と接続され、モータ１６
の回転によって、図４に示すように、回転翼３に対して
の傾斜角（気体の流入角）を一連に制御できるようにさ
れている。

【００２４】回転翼３の上下両側にある可動案内羽根１
５，１５のそれぞれ外側（気体流入側）には、センサー
１３を有する流速計１２，１２が設けられているととも
に、ロータハブ２に接続して回転計１１が設けられてい
る。そして、さきの実施例におけると同様に、回転計１
１及び各流速計１２，１２と各可動案内羽根駆動用モー
ター１６，１６と接続した可動案内羽根１５，１５の傾
斜角を規制する翼角制御器１８が設けられている。

【００２５】気体は、円筒風胴１に、図３，図４の実線
及び鎖線で示すように、往復流となって交互に流入し、
それぞれ可動案内羽根１５，１５に誘導されて回転翼
３，３にあたる。回転翼３，３には揚力（回転力）が生
じてタービンのロータハブ２は図４の矢印方向に回転さ
れ、発電が行われる。

【００２６】その際、さきの実施例におけると同様に、
回動案内羽根１５，１５に流入する気体の流速と回転翼
３の回転数が検知されて角度制御器１８に入力され、そ
の各値から回動案内羽根１５の制御角が算出されて、回
動案内羽根１５，１５の各モーター１６，１６に駆動す
る信号が出力される。それによって、各モーター１６，
１６は所定の状態に回転し、回転翼３，３に気体が所定
の迎角αで送られるように、その傾斜角が制御されるよ
うになる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
往復流する気体流速と回転翼の回転数に対応して、回転
翼の角度が制御され、或は、回転翼にあたる流向が制御
され、それによって、回転翼が気体の流れに対して、常
に最大の回転力を得られる翼角で回転され、気体エネル
ギーの変換効率が絶えず高い状態で運転できることにな
り、波エネルギーの発電効率が著しく向上される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す概略図である。

【図２】同回転翼の作動説明図である。

【図３】同他の実施例を示す概略図である。

【図４】同可動案内羽根の作動説明図である。

【図５】回転翼の迎角と揚力係数、抗力係数との関係図
である。

【図６】回転翼の迎角と回転力との関係図である。

【図７】翼制御のイメージ図である。

【図８】翼制御と回転力との関係図である。

【図９】翼の制御範囲の実際を示す図である。

【符号の説明】

１円筒風胴２ロータハブ３回転翼６発電機７モータ８，１０ベベルギヤ９翼回動軸１１回転計１２流速計１３センサー１４翼回動制御器１５可動案内羽根１６モータ１７回転軸１８角度制御器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気体の往復流によって同一方向に回転さ
せる複数の回転翼を有するタービンにおいて、上記回転
翼を、その取り付け軸回りに同時に回動可能に設けると
ともに、気体の往復流を検知する手段と、回転翼の回転
数を検知する手段と、それらの手段より得られた気体の
流速及び回転翼の回転数に応じて、上記複数の回転翼の
軸回りの回動角度を制御する制御手段を設けたことを特
徴とする、波力発電用タービン。
【請求項２】気体の往復流によって同一方向に回転さ
せる複数の回転翼を固定して設けたタービンにおいて、
回転翼の上下両側に、気体の流向を可変にする可動案内
羽根を設けるとともに、気体の往復流を検知する手段
と、回転翼の回転数を検知する手段と、それらの手段よ
り得られた気体の流速及び回転翼の回転数に応じて、上
記案内羽根の角度を制御する制御手段を設けたことを特
徴とする、波力発電用タービン。