JPS58588B2

JPS58588B2 - 波力発電機の過速防止装置

Info

Publication number: JPS58588B2
Application number: JP52120859A
Authority: JP
Inventors: 益田善雄; 宮崎武晃; 中西幸一; 萩原良樹
Original assignee: Fuji Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1977-10-11
Filing date: 1977-10-11
Publication date: 1983-01-07
Also published as: JPS5455251A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は波力発電機の過速防止装置に関するものである
。

従来、海の波を電力に変換する波力発電には各種の方式
があるが、実用化されている方式は、波力を空気力とし
該空気力により空気タービンを回転させて発電する空気
タービン方式である。

また波力発電が、ブイ用電源に多数実用されており、そ
の細大型の波力発電を目指す方式としても採用されてい
る。

これらは、いずれも波力発電機の下面を開放した空気室
に入ってくる波の上下動により空気室の空気が押し引き
されて該空気室内に空気の往復動を生じさせ、該往復動
する空気をノズルで絞って空気の高速流として空気ター
ビンを回転させて発電する。

ところで、現在多く実用化されている小型ブイ用の空気
タービン式波力発電機の場合には、発電機のローターに
永久磁石を用いて過速回転に極めて強い形式を利用して
いるので、大波による空気タービンの過速度は問題とな
らなかった。

しかしながら昭和４８年特許願第１４４６９３号大型波
力発電兼消波装置（発明者益田善雄）に示すように数千
ｋＷ以上の波力発電を実施する場合においては発電機と
して通常の形式を採用する関係上設計された最高回転数
に対し許容される最大回転数は普通３０％増し程度であ
る。

また、海波の変動範囲は極めて広く、例えば大型波力発
電機の設計波高を３ｍとした場合にも、そうぐうするこ
とが予想される波は１〜１０ｍ程度である。

従って通常の波である２〜３ｍ波高に設計された波力発
電機の回転速度は、設計回転数の３倍以上の最大回転数
を生ずることがある。

しかし、通常の発電機では、この過速で、過電圧または
過負荷となり遠心力により破損するという問題がある。

日本海で観測された波のデータをもとにしても波高は平
均では２〜３ｍであるが、年に２〜３回は１０ｍの大波
があるので、空気タービン発電機の過速を如何にして防
止するかということは、大きな技術上の問題である。

海洋科学技術センターで試作中の消波発電装置は、長さ
８０ｍ、巾１２ｍ１高さ４．１〜７．８ｍ。

ブイ自重が５００トンであり、この上に１１個の空気タ
ービンユニットが取り付けられる。

弁機構は前述の昭和４８年特許願第１４４６９３号に示
すように２枚弁機構を採用している。

この場合、空気タービンは直径約１，８ｍで波高３ｍで
の回転速度は約８０ＯＲＰＭ程度である。

発電機は、出力２００ｋＷ程度のものが、空気タービン
軸に直結されている。

この空気タービンの回転機は負荷および波により変動す
るが、一般的に無負荷時には、負荷時の２倍となり、ま
た波高に比例した回転数となる。

ところで、今、２枚弁方式の弁機構をもった空気タービ
ン式波力発電機において、従来の過速防止装置をつけな
い場合について、その１例を説明する。

第１図は、波面が下降する時の作動を示しており、波面
が下方向矢印９に動けば吸気側の空気ピストン室１内の
波面も下方向矢印１０に動く。

この時、弁７は空気圧力差により開き、外気は２つの空
気流１７と空気流１８とに分かれ、一方の空気流１８は
、空気ピストン室１へ流れ込み、他方の空気流１７は空
気連通室３の空気通路４に自由に流入する。

この時、排気側の空気ピストン室２の中の波面も下方向
矢印１１の方向に動くが弁８が閉じるので、負圧となり
、流入した空気が矢印１２の方向に流れノズル１４を通
り、タービン翼１５を回し、発電機１６を回転させて矢
印１３のように空気通路を通過する。

なお、５および６は、それぞれ空気遮断用仕切板である
。

また、第２図は波面が上昇する時の作動を示しており、
波面が上方向矢印１９に動けば空気ピストン室１内の波
面も上方向矢印２０に動く。

この時弁７は閉じ、空気流２１．２２が、ノズル１４を
通り、タービン翼１５を回転させ空気通路を矢印２３の
方向に流れる。

一方空気ピストン室２では、波面は上方向矢印２４の方
向に動くが、弁８が開くので、矢印２３方向からの空気
と波面上昇により上昇する空気の両方ともそれぞれ矢印
２５゜２６の方向に流れて外部へ放出される。

波が大きくなった時、波面の動きは波高にほぼ比例して
増大する。

これにより高い空気圧力差が生じ、ノズル１４を通る空
気速度は高速化され、タービン翼１５および発電機１６
は制限速度以上になる恐れがある。

上記の問題を防止するため、海洋科学技術センターで当
初考えたのは逃気弁方式である。

これは、第３図に示すように空気ピストン室１の上面に
逃気孔２７が設けられ、逃気孔２７は、重量弁２８によ
り閉止されている。

大波で波面が矢印２９の上方向に動き空気ピストン室１
の中の圧力が過大になった時には第４図に示すように空
気は重量弁２８を押し上げ、空気を矢印３０方向の外部
に逃がすことにより、空気タービンの過速を防止すると
いう考え方がとられた。

この装置の実験結果は、重量弁２８の開閉動作が確かに
ピーク的な波による圧力を減少させうるが、逃気孔２７
の必要とする面積が過大となること、および、空気を逃
がすことにより空気ピストン室１の中の波運動が無負荷
状態になるので激しく動き、空気ピストン室１の上面に
激突し、強い力を与える恐れがあるという問題点が認め
られた。

本発明は上記問題点を解決し、これらの過速時に遠心力
による発電機破損を防止し、かつタービン発電機を停止
することなく最大密事で発電できる波力発電過速防止装
置を提供せんとすることを目的とするものである。

以下第５図ないし第７図について本発明の実施の１例を
説明する。

第５図は非常用絞り弁の開閉装置を示し、非常用絞り弁
３２、弁軸３３、駆動装置３４および速度検出装置３７
（例えばタコジェネレータなど）から構成され、タービ
ン発電機の過速および過負荷を防止するために排気側の
空気ピストン室２より空気タービン３１に通ずる空気通
路に空気流３５を制御する非常用絞り弁３２を設け、該
弁３２の開閉をタービン発電機１６の直上に直結の検出
装置３７により発信される回転速度を検出し、その検出
制御条件に従って、駆動装置３４により弁軸３３を回転
させて空気量３６の流量を制御し、該非常用絞り弁３２
の開閉を行ない、空気タービン３１ならびに発電機１６
を制御し、過速によって生ずる遠心力による破損防止を
図るものである３例えば定格回転速度をＮＯ１運転時の
回転速度をＮ、回転速度の制限上限値をＮＵ、回転速度
の制限下限値をＮＬとし、回転速度が次の関係にある場
合は、非常用絞り弁３２を次のように開閉作動させるの
である。

（１）Ｎ＞ＮＵ（ＮＵ＞１．５ＮＯ）の場合には、駆動
モータ４３が作動し、非常開閉弁３２は、閉動作する。

（２）ＮＬ＜Ｎ＜ＮＵの場合には、駆動モータ４３が作
動せず、したがって非常用絞り弁３２は開閉動作せず。

（３）Ｎ＜ＮＬ（ＮＬ＜１．２ＮＯ）の場合には駆動モ
ータ４３が作動し非常用絞り弁３２は開動作する。

タービン発電機の回転速度は、絶えずタービン発電機軸
に直結の速度検出装置３７により検知され、検出信号は
絶えず駆動装置３４内の制御装置４４へ送られる。

上記（１）、（２）、（３）の場合に、波力発
電過速防止装置を次の通りに作動させる。

（１）Ｎ＞ＮＵの場合には、速度検出装置３７の検出信
号を受けて制御装置４４から信号を出し、駆動モータ４
３を駆動し駆動モータ４３に直結のギヤー４２からギヤ
ー４１を経て、非常用絞り弁３２を閉作動方向へ回転さ
せる。

（２）ＮＬ＜Ｎ＜ＮＵの場合には、制御装置４４から信
号を出さない。

従って、駆動モータ４３は作動せず非常用絞り弁３２も
作動しない。

（３）Ｎ＜ＮＬの場合には、（１）項と同様に駆動モー
タ４３を駆動して、非常用絞り弁３２を開作動方向へ回
転させる。

なお４５は制御装置４４にバイアスをかけるためのバッ
テリを示す。

空気ピストン室１は、波面が上昇し、該ピストン室１内
の空気が押圧される時に空気動力を空気タービン３１に
伝えるが、波高が低い時には、Ｎ＜ＮＬの場合となり、
非常開閉弁３２は、第６図に示すように全開の状態を維
持している。

しかし、普通の状態では波高は１〜３ｍであるが、特別
のおおじけにおいては１０ｍ位の波高も起こり、空気ピ
ストン室１．２の外と内との波面水位差３８゜３９は増
大し、該空気ピストン室１，２内の空気が非常に押圧さ
れる。

このような時には空気タービンの回転数は８００ＲＰ
Ｍ附近で運転されず、その３倍以上を越す高速回転が起
こる恐れがある。

その場合には、第７図に示すようにＮ＞ＮＵの場合とな
り、非常用絞り弁３２は、閉方向に動作するが、弁３２
を閉じるに従って、空気流量が減少するので、タービン
出力は低下し、発電機の回転数が抑制され、ＮＬ＜
Ｎ＜ＮＵになった時に弁３２の閉動作は停止して、そ
の時の弁開度が維持される。

従って、発電機は正常な運転状態を保持するようになる
。

本発明は以上の如く構成されるため波高の高低のいかん
を問わずタービン発電機を過速および停止させることな
く、常に正常な運転状態を保つことができ、また次の如
き優れた効果を奏するものである。

（１）運転時の回転速度が上限回転速度を越す場合には
、非常用絞り弁を閉じるに従って空気流量が減少するの
で、タービン出力は低下し、発電機の回転数を抑制する
。

その結果タービンならびに発電機の過速によって起こる
遠心力による破損が防止できる。

（２）非常開閉弁の適度な開度を保持することにより、
タービン発電機を停止することなく最大容量で発電でき
る。

（３）高速回転は予防され、タービンならびに発電機の
設計が容易となる。

このことはメリットが犬であるばかりでなく大型波力発
電システムの一番の問題を解消するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来の空気タービン式波力発電装置の
１例を示すもので、第１図は波面下降時の説明用断面図
、第２図は波面上昇時の説明用断面図である。第３図、第４図は、逃気弁方式を採用する波力発電機の
弁閉時および弁開時のそれぞれを示す説明用断面図であ
る。第５図ないし第７図は、本発明の実施の１例を示すもの
で、第５図は非常開閉弁の開閉装置の説明図、第６図は
波面下降時の説明用断面図、第７図は波面上昇時の説明
用断面図を示す。図中の符号は次のものを示す。１．２・・・・・・空気
ピストン室、３・・・・・・空気連通室、４・・・・・
・空気通路、５，６・・・・・・空気遮断用仕切板、７
．８・・・・・・弁、９，１０，１１．１２，１３・・
・・・・矢印、１４・・・・・・ノズル、１５・・・・
・・タービン翼、１６・・・・・・発電機、１７．１８
・・・・・・空気流、１９゜２０・・・・・・矢印、２
Ｌ２２・・・・・・空気流、２３゜２４・・・・・・矢
印、２５，２６・・・・・・空気流、２７・・・・・・
逃気孔、２８・・・・・・重量弁、２９．３０・・・・
・・矢印、３１・・・・・・空気タービン、３２・・・
・・・非常用絞り弁、３３・・・・・・弁軸、３４・・
・・・・駆動装置、３５、３６・・・・・・空気流、３
７・・・・・・速度検出装置、３８、３９・・・・・・
水位差、４１，４２・・・・・・ギヤー、４３・・・・
・・駆動モータ、４５・・・・・・バッテリー、４４・
・・・・・制御装置。

Claims

【特許請求の範囲】

１海波力を電力に変換する空気タービン式の波力発電
機において、下部が海中に開口して設置されている上部
開放のピストン室とその上方に接続される下部開放上部
密閉の空気連通室とを設け、これら画室を上部を残し仕
切板により区画して吸入側と排出側を形成し、該吸入側
の空気連通室の外壁における吸入弁よりも上方の内部に
空気タービン直結の発電機を設けるとともに該排出側の
空気連通室の外壁における排気弁よりも上方の内部に非
常用の絞り弁を設け、さらに該絞り弁を開閉する駆動モ
ータとその制御装置を設け、該制御装置は前記発電機直
上に直結した速度検出装置の発する信号を入力として該
信号が制限上限値以上のときは駆動モータに絞り弁の閉
方向の動作信号を出力し、また制限下限値以下のときは
駆動モータに絞り弁の開方向の動作信号を出力し、両割
限値の中間のときは駆動モータに絞り弁の動作信号を出
力しないような制御装置であることを特徴とする波力発
電機の過速防止装置。