KR20170065601A

KR20170065601A - 해중 부유식 해류 발전 장치

Info

Publication number: KR20170065601A
Application number: KR1020177011532A
Authority: KR
Inventors: 겐스케 후타하시; 쇼 오노데라; 신 아사노; 데츠헤이 고바야시
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2017-06-13
Also published as: US10584675B2; WO2016067971A1; JP2016084793A; CN107076103A; GB2545871A; JP6358927B2; CN107076103B; GB201706444D0; US20170314525A1; DE112015004928T5; BR112017008793A2

Abstract

섀도 모멘트에서 기인한 해류 발전 장치의 부체의 주기적인 방향 진동을 억제할 수 있는 해중 부유식 해류 발전 장치를 제공한다. 나셀(4) 내에 수납된 발전기(9)의 로터를 외부로 돌출한 회전 날개(5)에 의해 구동하는 해류 발전 장치 본체(2)가 구조물의 좌우에 결합되어, 바다 속을 부유 가능한 쌍동형 부체(1)로서 구성되고, 계류삭에 의해 해저에 록킹되고, 해류 발전 장치 본체(2)에는 회전 날개(5)를 나셀(4)보다도 해류 방향의 하류 측에 배치한 다운윈드 방식이 이용되고, 회전 날개(5)의 블레이드(5a)가 해류 방향의 상류 측의 구조물의 그림자 영역(섀도 모멘트 영역)에 진입했을 때의 해류 유속 저하에 따른 스러스트력의 감소에 의해 부체(1)에 발생하는 모멘트를 억제하는 모멘트 억제 수단(20)을 구비한다.

Description

해중 부유식 해류 발전 장치{UNDERWATER FLOATING-TYPE OCEAN CURRENT POWER GENERATION DEVICE}

본 발명은 해류 에너지를 이용하여 발전(發電)을 하는 해류 발전 장치(海流發電裝置)에 관한 것이고, 특히 발전 장치를 해중에 부유시켜서 사용하는 해중 부유식 해류 발전 장치에 관한 것이다.

최근, 여러 가지 자연 에너지를 이용한 발전 기술이 개발되고 있다. 예를 들면, 흑조(黑潮) 등의 거대한 해류도 에너지 자원이고, 이 해류 에너지를 이용하여 발전을 하는 해류 발전 장치도 개발되고 있다. 이 해류 발전 장치에서는, 해류 에너지에 의해 회전 날개를 회전하고, 회전 날개의 축에 접속된 발전기를 회전시킴으로써 발전을 한다.

이러한 해류 발전 장치의 하나의 방식으로서, 해중 부유식 해류 발전 장치(수중 부유식 해류 발전 장치)가 있고, 예를 들면 특허문헌 1에 개시되어 있다. 이 해중 부유식 해류 발전 장치는 어떤 일정한 부력을 가진 부체(浮體)로서 구성한 해류 발전 장치를 해저로부터 연장되는 계류삭(係留索)과 연결함으로써, 해류 발전 장치가 계류삭에 의해 허용되는 범위에서 바다 속을 부유하도록 하면서 발전을 하는 것이다. 해중 부유식 해류 발전 장치는 지상에 설치하는 풍력 발전 장치와 같은 거대한 지주가 불필요하여 간소한 구성으로 할 수가 있다.

도 14는 특허문헌 1에 개시된 해중 부유식 해류 발전 장치를 나타내는 사시도다. 도 14에 나타내는 바와 같이, 이 해중 부유식 해류 발전 장치는 부체(1)로서 구성되고, 이 부체(1)의 자세 안정화를 도모하기 위해서, 2개의 해류 발전 장치 본체(2, 2)와 이들을 접속하는 구조물(3)로부터 하나의 부체(1)를 구성한 쌍동형(雙胴型)을 채용하고 있다. 해류 발전 장치 본체(2)는 나셀(nacelle)(포드(pod)라고도 부른다)(4) 내에 도시하지 않은 발전기를 장비하고, 이 발전기의 로터에 회전 날개(5)의 회전축이 접속되어 있다.

나셀(4)은 구조물(3)의 좌우 양단에 결합되어 있다. 구조물(3)의 좌우 방향 중앙에는 계류삭(6)의 선단이 결합되고, 계류삭(6)의 기단(基端)은 해저에 록킹되어 있다. 부체(1)는 계류삭(6)에 구속된 범위에서 수평 방향 및 연직 방향으로 바다 속을 부유한다. 부체(1)의 부력은 좌우로 균형을 이루고 있고, 부체(1)의 구조물(3)은 해류 방향에 대향하는 날개 형상으로 형성되어 있다. 이것에 의해, 부체(1)는 그 정면(회전 날개(5)의 정면)이 해류 방향에 정면으로 마주 대하도록 해류에 따라서 방향을 바꾸어서 발전을 실시한다.

또한, 이 해류 발전 장치는, 회전 날개(5)를 나셀(4)의 후방(해류의 하류 측)에 배치한 다운윈드 방식(downwind method)이 채용되어 있다. 이렇게 회전 날개(5)를 나셀(4)보다 하류 측에 배치함으로써, 부체(1)의 정면(회전 날개(5)의 정면)을 해류 방향으로 향하게 하기 쉬워진다. 해중 부유식 해류 발전 장치의 경우, 부체(1)의 방향 제어(해류의 방향에 로터 회전축을 맞추는 제어)를 능동적으로 실시하는 구동 장치의 실장은 어려우므로, 다운윈드 방식을 채용하는 동시에, 부체(1)의 나셀(4)이나 구조물(3)의 형상을 해류의 방향으로 향하도록 형성하여, 부체(1)의 정면 방향이 해류 방향으로 수동적으로 향하도록 설정되어 있다.

또한, 계류삭(6)에 록킹된 부체(해류 발전 장치)(1)는 바다 속에서 부유하지만, 이때 부체(1)는 부체(1)에 가해지는 해류의 작용력과, 부체(1)에 발생하는 부력과, 계류삭(6)의 장력이 균형을 이룬 위치를 취한다. 즉, 부체(1)에 대하여 부력은 연직 위쪽으로 작용하고, 해류의 작용력은 해류 방향(수평 방향)으로 작용하고, 계류삭의 장력은 부력 및 해류의 작용력과 대향하도록 작용한다. 따라서, 해류의 작용력이 약하면(즉, 해류의 유속이 낮으면), 부체(1)는 바다 속에서 비교적 얕은 심도까지 상승하고, 해류의 작용력이 강하면(즉, 해류의 유속이 높으면), 부체(1)는 바다 속에서 비교적 깊은 심도까지 하강한다.

한편, 해류의 깊이 방향의 유속 분포는, 해저 부근에서는 해저에 접근할수록 저속이 되고 해저로부터 이격할수록 고속이 된다. 이 때문에, 해류의 유속이 강해지면, 부체(1)는 바다 속에서 하강하여, 깊이 방향의 유속 분포에서 유속이 적당히 약해진 심도에서 균형을 이룬다. 또한, 해류의 유속이 약해지면, 부체(1)는 바다 속에서 상승하여, 깊이 방향의 유속 분포에서 유속이 적당히 강해진 심도에서 균형을 이룬다.

특허문헌 1에는, 이렇게 해류 발전 장치가 유속에 따라서 승강하는 특성에 착안하여, 해류 발전 장치의 수심 방향의 위치를 수동적으로 자동으로 조정하는 제어[PDC(=Passive Depth Control)라고도 한다]를 적용함으로써, 능동적인 제어(Active Depth Control)를 불필요로 하는 취지도 기재되어 있다.

미국 특허출원 공개 제2013/0106105호 명세서

상술한 바와 같이, 해중 부유식 해류 발전 장치의 경우, 부체(1)의 자세 안정화를 도모하기 위해서, 도 14에 나타내는 바와 같이, 2개의 해류 발전 장치 본체(2, 2)를 구조물(3)에 의해 접속하여 하나의 부체(1)를 구성한 쌍동형을 채용하는 것이 바람직하다. 또한, 특별한 장치를 필요로 하지 않고 부체(1)의 정면(회전 날개(5)의 정면)이 해류 방향으로 향하도록 하기 위해서, 회전 날개(5)를 나셀(4)의 후방(해류의 하류 측)에 배치한 다운윈드 방식을 채용하는 것이 바람직하다.

부체(1)에 쌍동형을 채용하는 경우, 당연히 좌우 대칭으로 구성하는 동시에, 도 16a에 흰 화살표로 나타내는 바와 같이, 좌우의 회전 날개(5)에 가해지는 해류의 작용력(스러스트력(thrust force))이 항상 동일해지도록 하는 것이 바람직하다. 그러나, 부체(1)에 쌍동형을 채용한 것에 다운윈드 방식을 채용하면, 도 15에 나타내는 바와 같이, 회전 날개(5)의 전방 정면의 해류 유입 영역의 일부에 구조물(3)이 존재하기 때문에, 구조물(3) 후방에 유속이 저하하는 구조물의 그림자 영역이 발생한다. 회전 날개(5)의 블레이드(5a)가 이 구조물(3)의 그림자 영역을 통과할 때에는, 블레이드(5a)에 가해지는 해류의 스러스트력이 감소한다.

좌우 중 한쪽의 회전 날개(5)의 블레이드(5a)에 대한 스러스트력만이 감소하면, 도 16b에 검은 화살표로 나타내는 바와 같이, 부체(1)의 좌우에 가해지는 스러스트력의 밸런스가 붕괴되어, 도 16c에 흰 화살표로 나타내는 바와 같이, 부체(1)에 모멘트(M)가 발생한다. 이 모멘트는 스러스트력 변화의 타이밍에 따라, 롤·피치·요(roll·pitch·yaw)의 어느 방향으로도 발생할 수 있는 것이다. 또한, 이렇게 블레이드(5a)가 구조물의 그림자 영역을 통과할 때의 스러스트력의 언밸런스에서 기인하여 부체(1)에 발생하는 모멘트를 섀도 모멘트(shadow moment)라고 칭하고, 이 원인이 되는 구조물의 그림자 영역을 섀도 모멘트 영역(shadow moment area)이라고 칭한다.

이 섀도 모멘트가 좌우의 회전 날개(5)에서 번갈아 발생하면, 부체(1)가 언밸런스하게 되고, 부체(1)에 주기적인 진동이 발생한다. 이러한 부체(1)의 진동 발생은 부체의 구조체나 블레이드나 계류삭 등에 손상을 미치는 원인이 되기 때문에, 이러한 진동 발생을 저감할 필요가 있다. 풍력 발전 장치의 주류가 되고 있는, 단동형 또한 업윈드 방식[회전 날개(5)를 나셀(4)의 전방(유체 흐름의 상류 측)에 배치한 방식]을 해류 발전 장치에 채용할 수 있으면 섀도 모멘트는 발생하지 않기 때문에 이러한 과제는 생기지 않는다. 따라서, 이러한 과제는 해류 발전 장치, 특히 해중 부유식 해류 발전 장치에 특유한 것이라고 말할 수 있다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 창안된 것으로, 섀도 모멘트에서 기인한 해류 발전 장치의 부체의 주기적인 방향 진동을 억제할 수 있도록 한 해중 부유식 해류 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

(1) 상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 해중 부유식 해류 발전 장치는 나셀 내에 수납된 발전기의 로터를 상기 나셀의 외부로 돌출한 회전 날개에 의해 구동하는 해류 발전 장치 본체가 구조물의 좌우에 결합되어, 바다 속을 부유 가능한 쌍동형 부체로서 구성되고, 상기 구조물의 좌우 중간부를 계류삭에 의해 해저에 록킹되어 사용되는 해중 부유식 해류 발전 장치로서, 상기 해류 발전 장치 본체에는 상기 회전 날개를 상기 나셀보다도 해류 방향의 하류 측에 배치한 다운윈드 방식이 이용되고, 상기 회전 날개의 블레이드가 해류 방향 상류 측의 상기 구조물의 그림자 영역(섀도 모멘트 영역)에 진입했을 때의 해류의 유속 저하에 따른 스러스트력의 감소에 의해 상기 부체에 발생하는 모멘트를 억제하는 모멘트 억제 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 이 모멘트란, 롤, 피치, 요의 어느 방향의 모멘트도 포함하는 것으로 한다.

(2) 상기 모멘트 억제 수단은, 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 진입했을 때의 해류의 상기 스러스트력의 감소를 억제하는 스러스트력 감소 억제 수단인 것이 바람직하다.

(3) 상기 스러스트력 감소 억제 수단은, 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 진입했을 때의 해류의 유속 저하에 따라 상기 회전 날개 로터의 회전 속도를 상승시켜 스러스트력의 감소를 억제하는 것이 바람직하다.

(4) 상기 모멘트 억제 수단은, 좌우의 상기 해류 발전 장치 본체의 각각의 상기 회전 날개의 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 동기(同期)하여 진입하도록 상기 블레이드의 회전 위상을 제어하는 회전 위상 제어 수단인 것이 바람직하다.

(5) 상기 회전 위상 제어 수단은 좌우의 상기 해류 발전 장치 본체의 한쪽의 상기 회전 날개의 상기 블레이드의 회전 위상을 기준 위상으로 하고 상기 기준 위상에 다른 쪽의 상기 회전 날개의 회전 위상이 추종하여 동기하도록 상기 블레이드의 회전 위상을 제어하는 것이 바람직하다.

(6) 혹은, 상기 회전 위상 제어 수단은 미리 설정된 기준 위상에 기초하여, 좌우의 상기 해류 발전 장치 본체의 각각의 상기 회전 날개의 상기 블레이드의 회전 위상을 제어하는 것이 바람직하다.

(7) 상기 기준 위상은 상기 발전기 로터의 목표 회전 속도에 기초하여 설정되어 있는 것이 바람직하다.

(8) 상기 스러스트력 감소 억제 수단은, 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 들어가 있는지의 여부를 판정하는 블레이드 회전 영역 판정부와, 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 들어가 있지 않은 경우에, 상기 블레이드의 회전 속도를 목표 회전 속도로 제어하는 목표 회전 제어부와, 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 들어가 있는 경우에, 해류의 유속 저하에 의한 스러스트력의 감소를 억제하도록 회전 증가시킨 블레이드의 스러스트력 감소 억제 회전 속도를 설정하고, 상기 블레이드의 회전 속도를 상기 스러스트력 감소 억제 회전 속도로 제어하는 회전 증가 제어부를 갖고 있는 것이 바람직하다.

(9) 상기 회전 위상 제어 수단은, 상기 기준 위상과 제어 대상인 상기 블레이드의 회전 위상과의 위상차를 연산하는 각위상차 연산부(角位相差演算部)와, 연산된 상기 위상차로부터 제어 대상인 상기 블레이드의 회전 위상이 상기 기준 위상과 동기한 동기 상태인지의 여부를 판정하는 각위상차 판정부와, 상기 동기 상태라고 판정되면 상기 동기 상태를 유지하는 동기 유지 제어부와, 상기 동기 상태가 아니라고 판정되면 상기 위상차를 저감하여 상기 동기 상태가 되도록 제어하는 위상차 저감 제어부를 갖고 있는 것이 바람직하다.

(10) 본 발명의 해중 부유식 해류 발전 장치의 제어 방법은, 나셀 내에 수납된 발전기의 로터를 상기 나셀의 외부로 돌출한 회전 날개에 의해 구동하는 해류 발전 장치 본체가 구조물의 좌우에 결합되어, 바다 속을 부유 가능한 쌍동형 부체로서 구성되고, 상기 구조물의 좌우 중간부를 계류삭에 의해 해저에 록킹되어 사용되고, 상기 해류 발전 장치 본체에는 상기 회전 날개를 상기 나셀보다도 해류 방향의 하류 측에 배치한 다운윈드 방식이 이용된 해중 부유식 해류 발전 장치의 제어 방법으로서, 상기 회전 날개의 블레이드가 해류 방향 상류 측의 상기 구조물의 그림자 영역에 진입했을 때에, 상기 그림자 영역의 해류 유속 저하에 따른 스러스트력의 감소에 의해 상기 부체에 발생하는 모멘트를 억제하는 모멘트 억제 처리를 실시하는 것을 특징으로 하고 있다.

(11) 상기 모멘트 억제 처리는, 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 진입했을 때에, 상기 그림자 영역의 해류의 상기 스러스트력의 감소를 억제함으로써 실시하는 것이 바람직하다.

(12) 상기 스러스트력의 감소 억제는, 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 진입했을 때에, 상기 그림자 영역의 해류 유속 저하에 따라 상기 회전 날개의 회전 속도를 상승시킴으로써 실시하는 것이 바람직하다.

(13) 상기 모멘트 억제 처리는, 좌우의 상기 해류 발전 장치 본체의 각각의 상기 회전 날개의 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 동기하여 진입하도록 상기 블레이드의 회전 위상을 제어함으로써 실시하는 것이 바람직하다.

(14) 상기 회전 위상의 제어는, 좌우의 상기 해류 발전 장치 본체의 한쪽의 상기 회전 날개의 상기 블레이드의 회전 위상을 기준 위상으로 하고 상기 기준 위상에 다른 쪽의 상기 회전 날개의 상기 블레이드의 회전 위상이 추종하여 동기하도록 하여 실시하는 것이 바람직하다.

(15) 혹은, 상기 회전 위상의 제어는, 미리 설정된 기준 위상에 기초하여, 좌우의 상기 해류 발전 장치 본체의 각각의 상기 회전 날개의 상기 블레이드의 회전 위상을 제어함으로써 실시하는 것이 바람직하다.

(16) 상기 기준 위상은 상기 발전기의 로터의 목표 회전 속도에 기초하여 설정되어 있는 것이 바람직하다.

(17) 상기 스러스트력의 감소 억제는, 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 들어가 있는지의 여부를 판정하고, 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 들어가 있지 않다고 판정되면, 상기 블레이드의 회전 속도를 목표 회전 속도로 제어하는 목표 회전 제어부와, 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 들어가 있는 경우에, 해류의 유속 저하에 의한 스러스트력의 감소를 억제하도록 회전 증가시킨 블레이드의 스러스트력 감소 억제 회전 속도를 설정하고, 상기 블레이드의 회전 속도를 상기 스러스트력 감소 억제 회전 속도로 제어하는 것이 바람직하다.

(18) 상기 회전 위상의 제어는, 상기 기준 위상과 제어 대상인 상기 블레이드의 회전 위상의 위상차를 연산하고, 연산된 상기 위상차로부터 제어 대상인 상기 블레이드의 회전 위상이 상기 기준 위상과 동기한 동기 상태인지의 여부를 판정하고, 상기 동기 상태라고 판정되면 상기 동기 상태를 유지하고, 상기 동기 상태가 아니라고 판정되면 상기 위상차를 저감하여 상기 동기 상태가 되도록 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 모멘트 억제 수단이, 회전 날개의 블레이드가 해류 방향 상류 측의 구조물의 그림자 영역에 진입했을 때의 해류의 유속 저하에 따른 스러스트력의 감소에 의해 부체에 발생하는 모멘트를 억제하므로, 이 모멘트에서 기인한 부체의 주기적인 진동의 발생을 억제할 수 있다. 이 진동이 발생하면 부체의 구조체나 블레이드나 계류삭 등에 손상을 미칠 우려가 있지만, 이것이 회피된다.

이러한 모멘트 억제의 구체적인 수법으로서, 블레이드가 구조물의 그림자 영역에 진입했을 때의 해류의 스러스트력의 감소 자체를 억제하는 수법을 적용하면, 좌우의 회전 날개를 독립하여 제어하면서 부체의 주기적인 진동의 발생을 억제할 수 있다. 이 경우, 예를 들면 블레이드가 구조물의 그림자 영역에 진입했을 때의 해류의 유속 저하에 따라 로터 회전 날개의 회전 속도를 상승시키도록 조작하면, 유속 저하에 따른 스러스트력의 감소를 로터 회전 날개의 회전 속도 상승에 따른 스러스트력의 증대에 의해 상쇄할 수 있어, 스러스트력의 감소 자체를 확실하게 억제할 수 있다.

또한, 모멘트 억제의 구체적인 수법으로서, 좌우의 해류 발전 장치 본체 각각의 회전 날개의 블레이드가 구조물의 그림자 영역에 동기하여 진입하도록 블레이드의 회전 위상을 제어하여, 좌우의 스러스트력 저하를 동시에 발생시키는 수법을 적용하면, 스러스트력의 감소를 일으키게 한 채로도 모멘트의 발생을 억제할 수 있어, 부체의 주기적인 진동의 발생을 억제할 수 있다. 이 경우, 예를 들면 좌우의 해류 발전 장치 본체의 한쪽의 회전 날개의 블레이드의 회전 위상을 기준 위상으로 하고 이 기준 위상에 다른 쪽의 회전 날개의 블레이드의 회전 위상이 추종하여 동기하도록 블레이드의 위상을 제어해도 좋고, 좌우의 해류 발전 장치 본체의 각각의 회전 날개의 블레이드의 회전 위상을 미리 설정된 기준 위상에 기초하여 제어해도 좋다. 또한, 기준 위상을 발전기 로터의 목표 회전 속도에 기초하여 설정하면, 효율 좋게 발전량을 얻는 것이 가능해진다.

도 1은 제1 실시형태에 관련되는 해중 부유식 해류 발전 장치의 제어계를 나타내는 구성도이다.
도 2는 각 실시형태에 관련되는 해중 부유식 해류 발전 장치를 바다 속에서의 사용 상태로 나타내는 사시도이다.
도 3은 각 실시형태에 관련되는 해중 부유식 해류 발전 장치의 수심 방향 위치의 수동적 제어(PDC)를 설명하는 바다 속에서의 측면도이다.
도 4a, 도 4b는 제1 실시형태에 관련된 해중 부유식 해류 발전 장치의 모멘트 억제 제어의 원리를 설명하는 도면이고, 도 4a는 스러스트력과 유속과의 관계를 나타내는 도면, 도 4b는 스러스트력과 회전 날개의 회전 속도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 제1 실시형태에 관련되는 해중 부유식 해류 발전 장치의 모멘트 억제 제어에 관련된 파라미터를 설명하는 부체의 요부 사시도이다.
도 6은 제1 실시형태에 관련되는 해중 부유식 해류 발전 장치의 모멘트 억제 제어에 관련되는 파라미터를 설명하는 부체의 모식적인 평면도이다.
도 7은 제1 실시형태에 관련되는 해중 부유식 해류 발전 장치의 모멘트 억제 제어를 설명하는 플로우 차트이다.
도 8a, 도 8b는 제1 실시형태에 관련되는 해중 부유식 해류 발전 장치의 모멘트 억제 제어의 효과를 나타내는 타임 차트이고, 도 8a는 회전 날개의 회전수(회전 속도)에 관계되고, 도 8b는 스러스트력에 관계되어 있다.
도 9a, 도 9b는 제2 실시형태에 관련되는 해중 부유식 해류 발전 장치의 제어계를 나타내는 도면이고, 도 9a는 2개의 해류 발전 장치 본체의 관계를 나타내는 구성도, 도 9b는 제어계를 나타내는 블록도이다.
도 10은 제2 실시형태에 관련되는 해중 부유식 해류 발전 장치의 각 해류 발전 장치 본체에 장비된 유압 회로 및 그 주변 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 제2 실시형태에 관련되는 해중 부유식 해류 발전 장치의 모멘트 억제 제어를 설명하는 플로우 차트이다.
도 12는 제2 실시형태에 관련되는 해중 부유식 해류 발전 장치의 모멘트 억제 제어의 효과를 나타내는 타임 차트이다.
도 13은 제 3 실시형태에 관련되는 해중 부유식 해류 발전 장치의 제어계를 나타내는 도면이다.
도 14는 배경 기술에 관련되는 해중 부유식 해류 발전 장치를 나타내는 사시도이다.
도 15는 해중 부유식 해류 발전 장치에 관련되는 과제를 설명하는 해중 부유식 해류 발전 장치의 요부 사시도이다.
도 16a~도 16c는 해중 부유식 해류 발전 장치에 관련되는 과제를 설명하는 해중 부유식 해류 발전 장치의 평면도이고, 도 16a는 정상 상태를 나타내고, 도 16b는 모멘트가 발생한 상태를 나타내며, 도 16c는 모멘트의 발생에 의한 부체의 거동을 나타내고 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 관련되는 실시형태를 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실시형태는 어디까지나 예시에 지나지 않고, 이하의 실시형태에서 명시하지 않은 여러 가지 변형이나 기술의 적용을 배제할 의도는 없다. 이하의 실시형태의 각 구성은, 그것들의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변형하여 실시할 수 있는 동시에, 필요에 따라 취사 선택할 수 있고, 혹은 적당히 조합시키는 것이 가능하다.

[각 실시형태의 해중 부유식 해류 발전 장치의 개략 구성]

먼저, 각 실시형태의 해중 부유식 해류 발전 장치의 개략 구성을 설명하면, 해중 부유식 해류 발전 장치의 개략은 배경 기술에서 설명한 것(도 14 참조)과 마찬가지다. 설명이 중복되지만, 이 해중 부유식 해류 발전 장치는 부체(1)로서 구성되고, 부체(1)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 2개의 해류 발전 장치 본체(2, 2)와 이들을 접속하는 구조물(3)로부터 하나의 부체(1)를 구성한 쌍동형을 채용하고 있다. 해류 발전 장치 본체(2)는 나셀(포드라고도 부른다)(4) 내에 발전기(9)를 장비하고, 이 발전기(9)의 로터에 회전 날개(5)의 회전축(5A)이 접속되어 있다(도 1, 도 9b 참조).

나셀(4)은 구조물(3)의 좌우 양단에 결합되어 있다. 구조물(3)의 좌우 방향 중앙에는 계류삭(6)의 선단이 결합되고, 계류삭(6)의 기단은 해저(7a)(이 예에서는 해저(7a)의 앵커 웨이트(6A))에 록킹되어 있다. 부체(1)는 계류삭(6)에 구속된 범위에서 수평 방향 및 연직 방향으로 바다 속을 부유한다. 부체(1)의 부력은 좌우에서 균형을 이루고 있고, 부체(1)의 구조물(3)은 도 2 중에 흰 화살표로 나타내는 해류 방향에 대향하는 날개 형상으로 형성되어 있다. 이로 인해, 부체(1)는 그 정면(회전 날개(5)의 정면)이 해류 방향에 정면으로 마주 대하도록 해류에 따라서 방향을 바꾸어서 해류를 정면으로 받으면서 발전을 실시한다.

또한, 각 해류 발전 장치 본체(2)는 회전 날개(5)를 나셀(4)의 후방(해류의 하류 측)에 배치한 다운윈드 방식이 채용되고 있다. 이렇게 회전 날개(5)를 나셀(4)보다 하류 측에 배치함으로써, 부체(1)의 정면(회전 날개(5)의 정면)을 해류 방향으로 향하게 하기 쉬워진다. 해중 부유식 해류 발전 장치의 경우, 부체(1)의 방향 제어(해류 방향에 로터 회전축을 맞추는 제어)를 능동적으로 실시하는 구동 장치의 실장은 어려우므로, 다운윈드 방식을 채용하는 동시에, 부체(1)의 나셀(4)이나 구조물(3)의 형상을 해류 방향으로 향하도록 형성하여, 부체(1)의 정면 방향이 해류 방향으로 수동적으로 향하도록 설정되어 있다.

계류삭(6)에 록킹된 부체(해중 부유식 해류 발전 장치)(1)는 바다 속에서 부유하지만, 이때 부체(1)는 부체(1)에 가해지는 해류의 작용력(F_wf)과, 부체(1)에 발생하는 부력(F_b)과, 부체(1)를 록킹하는 계류삭(6)의 장력(F_t)이 균형을 이룬 위치를 취한다. 즉, 부체(1)에 대하여 부력(F_b)은 연직 위쪽으로 작용하고, 해류의 작용력(F_wf)은 해류 방향(수평 방향)으로 작용하고, 계류삭(6)의 장력(F_t)은 부력(F_b) 및 해류의 작용력(F_wf)과 대향하도록 작용한다.

따라서, 도 3에 나타내는 바와 같이, 해류의 작용력(F_wf)이 약하면(즉, 해류의 유속(V_wf)이 낮으면), 부체(1)는 바다 속에서 비교적 얕은 심도까지 상승하고, 해류의 작용력(F_wf)이 강하면(즉, 해류의 유속(V_wf')이 높으면), 부체(1)는 부호 1'로 나타내는 바와 같이 바다 속(7)에서 비교적 깊은 심도까지 하강한다. 또한, 해류의 유속(V_wf, V_wf')의 깊이 방향 분포는 해저(7a) 부근에서는 해저(7a)에 접근할수록 저속이 되고 해저(7a)로부터 이격할수록 고속이 된다.

이 때문에, 해류의 유속이 강해졌을 경우, 부체(1)는 도 3에 실선으로 나타내는 상태에서 이점 쇄선 및 부호 1'로 나타내는 상태로 바다 속(7)에서 하강하여, 깊이 방향의 유속 분포에서 유속이 적당히 약해진 심도에서 균형을 이룬다. 또한, 도시하지 않지만, 도 3에 실선으로 나타내는 상태보다도 해류의 유속이 약해지면, 부체(1)는 실선으로 나타내는 상태에서 바다 속을 상승하여, 깊이 방향의 유속 분포에서 유속이 적당히 강해진 심도에서 균형을 이룬다. 이렇게 하여, 부체(1)로서 구성된 해중 부유식 해류 발전 장치의 수심 방향의 위치가 수동적으로 자동으로 조정되는 제어를 PDC(=Passive Depth Control)라고도 부른다. 이 PDC에 의해, 회전 날개(5)가 받는 해류의 유속은 과부족 없는 상태를 유지할 수 있고, 안정된 해류의 유속을 받아서 발전을 할 수 있다.

또한, 각 해류 발전 장치 본체(2)는, 도 1, 도 2, 도 9b에 나타내는 바와 같이, 나셀(4)의 후방(해류의 하류 측)에 회전 날개(5)가 배치되고, 나셀(4)의 내부에 회전 날개(5)의 회전축(주축)(5A)과, 주축(5A)의 회전 속도를 증속하는 증속기(8, 108)와, 증속기(8, 108)에 의해 증속된 회전력을 받아서 작동하는 발전기(9)가 장비되어 있다. 주축(5A)과 증속기(8, 108)와 발전기(9)로부터, 각 해류 발전 장치 본체(2)의 드라이브 트레인(10, 110)이 구성되어 있다.

나셀(4)의 외형은, 전단(前端) 및 후단(後端)이 매끄러운 곡면으로 구성되고, 중간부가 원통상으로 형성되며, 나셀(4)의 외형의 축심(CL1) 상에 주축(5A)의 축심이 배치되어 있다. 나셀(4)의 외형은 방추 형상 등 다른 형상도 채용할 수 있다. 또한, 회전 날개(5)는 2장의 블레이드(5a)가 180도의 위상차로 장비된 2장 날개가 채용되어 있다. 회전 날개(5)의 블레이드(5a)의 수는 이것에 한정되지 않고, 3장 날개 등 다른 매수(枚數)의 것도 적용할 수 있다. 또한, 블레이드(5a)는 심플하고 메인터넌스가 불필요한 고정 피치인 것이 적용되어 있다.

전술한 바와 같이, 해중 부유식 해류 발전 장치의 경우, 부체(1)에 쌍동형을 채용하고, 회전 날개(5)를 나셀(4)의 후방(해류의 하류 측)에 배치한 다운윈드 방식을 채용하는 것이 적합하지만, 이 경우, 회전 날개(5)의 블레이드(5a)가 구조물(3)의 그림자 영역(섀도 모멘트 영역)을 통과할 때에는, 해류의 유속 저하에 따라 블레이드에 가해지는 해류의 스러스트력이 감소하고, 이때의 스러스트력의 좌우의 언밸런스에서 기인하여 부체(1)에 모멘트(섀도 모멘트)가 발생한다.

각 실시형태의 해중 부유식 해류 발전 장치는 모두 회전 날개(5)의 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 진입했을 때의 이러한 스러스트력의 감소에 의해 부체(1)에 모멘트가 발생하는 것을 억제하는 기능(모멘트 억제 수단)을 갖는 제어 장치(20, 120)를 구비하고 있다. 각 실시형태에서는, 모멘트 억제 제어에 관한 상태적인 구성이 상이하고, 이하 각 실시형태의 모멘트 억제 제어에 관한 구성을 설명한다. 또한, 이 모멘트는 롤, 피치, 요의 어느 방향의 모멘트도 포함한다.

[제1 실시형태]

[모멘트 억제 제어계의 구성]

본 실시형태의 제어 장치(20)는, 블레이드(5a)가 구조물(3)의 그림자 영역(섀도 모멘트 영역)에 진입했을 때의 해류의 스러스트력(F_th) 감소 자체를 억제하여, 부체(1)에 롤 혹은 피치 혹은 요 모멘트(M)가 발생하는 것을 억제하므로, 모멘트 억제 수단으로서의 스러스트력 감소 억제 수단의 기능을 갖는다. 제어 장치(20)는 해류의 유속(U_C) 감소에 따라 회전 날개(5)의 회전 속도를 상승시켜 스러스트력의 감소를 억제하도록 하고 있다.

도 4a는 블레이드(5a)가 일정한 회전수(회전 속도)(ω)로 회전하고 있는 경우에 해류로부터 받는 스러스트력(F_th)과 해류의 유속(U_C)과의 관계를 나타내는 특성도이고, 블레이드(5a)가 일정한 회전수(ω)로 회전하고 있는 경우에는, 해류의 유속(U_C)이 높아질수록 해류로부터 받는 스러스트력(F_th)은 커진다. 도 4b는, 블레이드(5a)가 일정한 유속(U_C)의 해류를 받고 있는 경우에 해류로부터 받는 스러스트력(F_th)과 블레이드(5a)의 회전수(회전 속도)(ω)의 관계를 나타내는 특성도이고, 블레이드(5a)가 일정한 유속(U_C)의 해류를 받고 있는 경우에는, 블레이드(5a)의 회전수(ω)가 높아질수록 해류로부터 받는 스러스트력(F_th)은 커진다.

이 특성에 착안하면, 블레이드(5a)가 받는 해류의 유속(U_C)이 저하함으로써 스러스트력(F_th)이 감소하면, 블레이드(5a)의 회전수(ω)를 상승시켜서 스러스트력(F_th)을 증대시키면, 스러스트력(F_th)의 감소를 억제할 수 있다. 즉, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 들어가 있는 동안은 블레이드(5a)가 받는 해류의 유속(U_C)은 저하하므로, 이 동안만 블레이드(5a)의 회전수(ω)를 상승시키면, 섀도 모멘트 영역에서의 해류의 유속 저하에 의한 스러스트력(F_th)의 감소를 블레이드(5a)의 회전 속도 상승에 의한 스러스트력(F_th)의 증대로 상쇄할 수 있다.

이렇게 하여 스러스트력(F_th)의 감소를 억제하기 위해서, 본 실시형태의 제어 장치(20)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 블레이드 회전 영역 판정부(21)와, 목표 회전 제어부(22)와, 회전 증가 제어부(23)와, 드라이브 트레인 제어부(24)를 각각 기능 요소로서 갖고 있다. 또한, 여기에서는 제어 장치(20)는 각 해류 발전 장치 본체(2)에 개별로 설치되어, 각 해류 발전 장치 본체(2)를 독립하여 제어하는 것으로 하지만, 각 해류 발전 장치 본체(2)에서 제어 장치(20)를 공용하면서, 각 해류 발전 장치 본체(2)를 독립하여 제어하도록 해도 좋다.

블레이드 회전 영역 판정부(21)는 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 들어가 있는지의 여부를 판정한다. 구체적으로는, 블레이드 회전 영역 판정부(21)는 해류 발전 장치 본체(2)에 장비된 블레이드 회전 각도 센서(33)에서 소정의 미소 주기로 검출된 블레이드(5a)의 회전 각도(위상 각도)(θ_B)를 읽고, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 대응하는 회전 각도 영역(θ₀~θ₁)에 들어가 있는지의 여부를 판정한다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 블레이드(5a)의 회전 각도(θ_B)는 도시하지 않은 기준 각도로부터 회전 방향으로 변위한 각도량이고, 섀도 모멘트 영역에 대응하는 회전 각도 영역을 규정하는 각도(θ₀, θ₁)(단, θ₀<θ₁)도 기준 각도로부터의 각도량이다. 블레이드(5a)의 회전 각도(θ_B)가 섀도 모멘트 영역으로의 진입 각도(θ₀)와 섀도 모멘트 영역으로부터의 탈출 각도(θ₁) 사이(θ₀≤θ_B≤θ₁)의 크기인지의 여부를 판정한다.

블레이드(5a)의 회전 각도(θ_B)가 섀도 모멘트 영역의 각도(θ₀~θ₁)의 범위 내(θ₀≤θ_B≤θ₁)이면 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 들어가 있다고 판정하고, 블레이드(5a)의 회전 각도(θ_B)가 섀도 모멘트 영역의 각도(θ₀~θ₁)의 범위 밖(θ_B<θ₀ 또는 θ_B>θ₁)이면 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 들어가 있지 않다고 판정한다.

블레이드 회전 영역 판정부(21)에 의해 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 들어가 있지 않다고 판정되면, 목표 회전 제어부(22)에 의해 블레이드(5a)(즉, 회전 날개(5))의 회전 속도(이하, 블레이드 회전수라고도 한다)를 제어하고, 블레이드 회전 영역 판정부(21)에 의해 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 들어가 있다고 판정되면 회전 증가 제어부(23)에 의해 블레이드 회전수(ω)를 제어한다.

목표 회전 제어부(22)는 부하 토크 제어부(22a)와 스러스트력 연산부(22b)를 갖고 있다. 목표 회전 제어부(22)에서는 부하 토크 제어부(22a)에 의해, 해류 발전 장치 본체(2)에 장비된 회전 속도 센서(31)에서 검출된 블레이드 회전수(ω)가 목표 회전수(목표 회전 속도)(ω₀)가 되도록 드라이브 트레인(10)의 부하 토크 목표값(T_DT)을 연산하여 출력한다. 스러스트력 연산부(22b)에서는 항상 블레이드(5a)(즉, 회전 날개(5))에 작용하는 스러스트력(F_th)을 파악하기 위해서 연산한다.

드라이브 트레인(10)의 부하 토크(T_D)란 발전기(9)의 발전 부하 토크이고, 발전기(9)의 인버터를 조작함으로써 부하 토크(T_D)를 제어할 수 있다. 또한, 목표 회전수(ω₀)는 발전기(9)가 가장 효율적으로 발전할 수 있는 회전수로서 미리 설정되어 있다. 부하 토크 제어부(22a)는 블레이드 회전수(ω)가 목표 회전수(ω₀)보다도 높으면 부하 토크 목표값(T_DT)을 소정량(또는, ω와 ω₀의 차분 =|ω-ω₀|에 따른 양만큼) 증대하고, 블레이드 회전수(ω)가 목표 회전수(ω₀)보다도 낮으면 부하 토크 목표값(T_DT)을 소정량(또는, ω와 ω₀의 차분 =|ω-ω₀|에 따른 양만큼) 감소함으로써, 블레이드 회전수(ω)가 목표 회전수(ω₀)가 되도록 제어한다.

스러스트력 연산부(22b)는, 해류 발전 장치 본체(2)에 장비된 유속 센서(32)에서 검출된 부체(1) 주변의 유속(U_C)과, 회전 속도 센서(31)에서 검출된 블레이드 회전수(ω)와, 블레이드 회전 각도 센서(33)에서 검출된 블레이드 회전 각도(θ_B)와, 해류 발전 장치 본체(2)에 장비된 부체 회전 각도 센서(34)에서 검출된 부체(1)의 회전 각도(θ_F)에 기초하여, 미리 기억된 테이블, 맵 혹은 연산식(하기 식(1) 참조)을 이용하여, 스러스트력(F_th)을 연산한다.

F_th=f(U_C, ω, θ_B, θ_F) …(1)

유속 센서(32)는 부체(1) 주위(특히, 회전 날개(5) 주위)의 해류의 유속(U_C)을 검출한다. 부체 회전 각도 센서(34)는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 해류의 방향에 대한 부체(1)의 방향 각도(부체(1)의 중심선(CL0)의 방향 각도)를 검출한다. 부체 회전 각도 센서(34)는 부체(1)에 대한 해류의 방향을 검출함으로써 부체(1)의 방향 각도를 검출한다. 또한, 이들 유속 센서(32) 및 부체 회전 각도 센서(34)는 부체(1)에 대한 해류 방향과 그 해류의 유속을 동시에 검지하는 해류 센서를 적용해도 좋다. 또한, 도 6에 나타내는 바와 같이, 좌우의 스러스트력(F_th)을 구별하는 경우에는 좌측의 스러스트력을 F_thL, 우측의 스러스트력을 F_thR로 하여 구별한다.

회전 증가 제어부(23)는 저하 유속 연산부(23a)와, 회전 속도 연산부(23b)와, 부하 토크 제어부(23c)를 갖고 있다. 회전 증가 제어부(23)는, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 들어가 있을 때에, 저하하는 해류의 유속(U_C')을 연산하고, 이 유속(U_C')에 있어서의 스러스트력(F_th')이 최근에 목표 회전 제어부(22)의 스러스트력 연산부(22b)에서 연산된 스러스트력(F_th)과 동일해지도록 하는 블레이드 회전수(ω')를 연산하고, 회전 속도 센서(31)에서 검출된 블레이드 회전수(ω)가 연산한 블레이드 회전수(ω')가 되도록 드라이브 트레인(10)의 부하 토크(T_D)를 제어한다.

즉, 저하 유속 연산부(23a)는 유속 센서(32)에 의해 검출된 유속(U_C)에 섀도 모멘트 계수 α를 곱셈함으로써, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 들어가 있을 때의 해류의 유속(U_C')을 연산한다[하기 식(2) 참조]. 섀도 모멘트 계수 α는 구조물(3)의 형상과 블레이드(5a)의 형상에 의해 정해진다. 여기에서는, 섀도 모멘트 영역 내에서는 동일한 섀도 모멘트 계수 α를 적용하지만, 섀도 모멘트 영역에 있어서 영역의 경계 부분(진입 각도(θ₀), 탈출 각도(θ₁)의 부근)에서는 해류의 유속(U_C)의 저하가 적고, 영역의 중앙 부분(진입 각도(θ₀)와 탈출 각도(θ₁)의 중간 부근)에서는 해류의 유속(U_C)의 저하가 크므로, 이것을 고려하여 블레이드 회전 각도(θ_B)에 따라서 섀도 모멘트 계수 α의 값을 설정해도 좋다.

U_C'=U_C×α …(2)

회전 속도 연산부(23b)에서는, 상기 식(1)에 나타내는 바와 같이, 스러스트력(F_th)이 해류의 유속(U_C')과, 블레이드 회전수(ω)와, 블레이드 회전 각도(θ_B)와, 부체(1)의 회전 각도(θ_F)에 상관하는 점에 착안하여, 해류의 유속(U_C')으로서 저하 유속 연산부(23a)에서 연산된 해류의 유속(U_C')을 부여한 경우의 스러스트력(F_th')이 최근에 목표 회전 제어부(22)의 스러스트력 연산부(22b)에서 연산된 스러스트력(F_th)과 동일해지도록 하는 블레이드 회전수(스러스트력 저하 억제 회전수 혹은 스러스트력 저하 억제 회전 속도)(ω')를 테이블 데이터 등을 이용하여 연산한다[하기 식(3) 참조].

F_th'=f(U_C', ω' ,θ_B, θ_F)=F_th …(3)

섀도 모멘트 영역 내에서의 해류의 유속(U_C')은 섀도 모멘트 영역 밖에서의 해류의 유속(U_C)보다 낮아 스러스트력(F_th)이 저하하므로, 섀도 모멘트 영역 내에서의 블레이드 회전수(ω')는 스러스트력(F_th)을 회복하기 위해서 섀도 모멘트 영역 밖에서 목표 회전수(ω₀)로 제어되는 블레이드 회전수(ω)보다 높게 한다(도 4a, 도 4b 참조).

부하 토크 제어부(23c)에서는, 해류 발전 장치 본체(2)에 장비된 회전 속도 센서(31)에서 검출된 블레이드 회전수(ω)가 스러스트력 저하 억제 회전수(ω')가 되도록 드라이브 트레인(10)의 부하 토크 목표값(T_DT)을 연산하여 출력한다. 예를 들면, 부하 토크 제어부(22a)는, 블레이드 회전수(ω)가 스러스트력 저하 억제 회전수(ω')보다 높으면 부하 토크 목표값(T_DT)을 소정량(또는 ω와 ω₀의 차분 =|ω-ω₀|에 따른 양만큼) 증대하고, 블레이드 회전수(ω)가 스러스트력 저하 억제 회전수(ω')보다 낮으면 부하 토크 목표값(T_DT)을 소정량(또는 ω와 ω₀의 차분 =|ω-ω₀|에 따른 양만큼) 감소시킴으로써, 블레이드 회전수(ω)가 스러스트력 저하 억제 회전수(ω')가 되도록 제어한다.

단, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 들어가 있을 때의 해류의 유속(U_C')은 섀도 모멘트 영역의 중앙 부분의 값이고, 섀도 모멘트 영역에 진입할 때나 탈출할 때(블레이드(5a)의 회전 각도(θ_B)가 진입 각도(θ₀)나 탈출 각도(θ₁)에 가까운 경우)에는 해류의 유속은 연산값(U_C')까지는 내려가지 않는 점, 및 제어 전환 시에 부하 토크(T_D)의 급변을 회피하는 점을 고려하여, 부하 토크 제어부(23c)에서는 제어 게인 K에 의해 처리하여 부하 토크 목표값(T_DT)을 구하도록 하고 있다.

드라이브 트레인 제어부(24)는, 부하 토크 제어부(22a, 23c)의 어디에서 연산된 부하 토크 목표값(T_DT)에 기초하여 드라이브 트레인(10)의 부하 토크(발전 부하 토크)(T_D)를 제어한다. 목표 회전 제어부(22)의 부하 토크 제어부(22a)에서 연산된 부하 토크 목표값(T_DT)에 기초하여 부하 토크(T_D)를 제어하면, 발전기(9)가 가장 효율적으로 발전할 수 있는 목표 회전수(ω₀)로 블레이드 회전수(ω)가 제어된다. 회전 증가 제어부(23)의 부하 토크 제어부(23c)에서 연산된 부하 토크 목표값(T_DT)에 기초하여 부하 토크(T_D)를 제어하면, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 들어가도 스러스트력(F_th)이 변동하지 않는 스러스트력 저하 억제 회전수(ω')로 블레이드 회전수(ω)가 제어된다.

[작용 및 효과]

제1 실시형태에 관련되는 해중 부유식 해류 발전 장치는 상술한 바와 같이 구성되어 있으므로, 제어 장치(20)에 의해, 예를 들면, 도 7의 플로우 차트에 나타내는 바와 같이, 부체(1)에 모멘트가 발생하는 것을 억제하는 모멘트 억제 제어를 실시할 수 있다. 또한, 도 7의 플로우 차트는 소정의 제어 주기로 실시된다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 먼저, 스러스트력(F_th), 해류의 유속(U_C), 블레이드 회전수(ω), 블레이드(5a)의 회전 각도(θ_B), 부체(1)의 회전 각도(θ_F)를 읽는다(스텝 A10). 스러스트력(F_th)에 대해서는 최근의 제어 주기에서 목표 회전 제어부(22)의 스러스트력 연산부(22b)에서 연산되어 기억된 것을 읽는다. 해류의 유속(U_C), 블레이드 회전수(ω), 블레이드(5a)의 회전 각도(θ_B), 부체(1)의 회전 각도(θ_F)에 대해서는 유속 센서(32), 회전 속도 센서(31), 블레이드 회전 각도 센서(33), 부체 회전 각도 센서(34)에서 검출된 최근의 검출값을 읽는다.

그리고, 블레이드 회전 영역 판정부(21)에 의해 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 들어가 있는지의 여부, 즉 블레이드(5a)의 회전 각도(θ_B)가 섀도 모멘트 영역의 각도 범위(θ₀~θ₁) 내(θ₀≤θ_B≤θ₁)인지의 여부를 판정한다(스텝 A20). 여기에서, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 들어가 있지 않다고 판정되면 스텝 A30으로 진행하고, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 들어가 있다고 판정되면 스텝 A50으로 진행한다.

블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역 밖(θ_B<θ₀ 또는 θ_B>θ₁)이라면, 목표 회전 제어부(22)가 드라이브 트레인(10)의 부하 토크(T_D)를 제어하고, 스러스트력(F_th)을 연산한다. 즉, 부하 토크 제어부(22a)에서 블레이드 회전수(ω)가 목표 회전수(ω₀)가 되도록 드라이브 트레인(10)의 부하 토크 목표값(T_DT)을 연산하여 출력하고, 드라이브 트레인 제어부(24)에서 연산된 부하 토크 목표값(T_DT)에 기초하여 드라이브 트레인(10)의 부하 토크를 제어한다(스텝 A30).

그리고, 스러스트력 연산부(22b)에서 상기 식(1)에 의해 해류의 유속(U_C)과, 블레이드 회전수(ω)와, 블레이드(5a)의 회전 각도(θ_B)와, 부체(1)의 회전 각도(θ_F)에 기초하여, 블레이드(5a)에 작용하는 스러스트력(F_th)을 연산한다(스텝 A40). 이 연산한 스러스트력(F_th)은 제어 장치(20)의 메모리에 기억되고, 차회 이후의 제어 주기에서 적당히 이용된다.

한편, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역 내(θ₀≤θ_B≤θ₁)라면, 회전 증가 제어부(23)가 드라이브 트레인(10)의 부하 토크(T_D)를 제어한다. 즉, 저하 유속 연산부(23a)가 유속(U_C)에 섀도 모멘트 계수 α를 곱셈함으로써, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 들어가 있을 때의 해류의 유속(U_C')을 연산한다(상기 식(2))(스텝 A50). 회전 속도 연산부(23b)에서는 상기 식(1)에 해류의 유속(U_C)으로서 연산한 유속(U_C')을 부여한 경우의 스러스트력(F_th')이, 최근에 목표 회전 제어부(22)의 스러스트력 연산부(22b)에서 연산된 스러스트력(F_th)과 동일해지도록 하는 블레이드 회전수(ω')를 연산한다(상기 식(3) 참조)(스텝 A60).

그리고, 부하 토크 제어부(23c)가, 블레이드 회전수(ω)가 스러스트력 저하 억제 회전수(ω')가 되도록 드라이브 트레인(10)의 부하 토크 목표값(T_DT)을 연산한다. 단, 섀도 모멘트 영역에 진입할 때나 탈출할 때(블레이드(5a)의 회전 각도(θ_B)가 진입 각도(θ₀)나 탈출 각도(θ₁)에 가까운 경우)에는, 해류의 유속은 연산값(U_C')까지는 내려가지 않는 점, 및 제어 전환 시에 부하 토크(T_D)의 급변을 회피하는 점을 고려하여, 제어 게인 K에 의해 처리하여 부하 토크 목표값(T_DT)을 구한다.

즉, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 들어가면, 블레이드 회전수(ω)는 목표 회전수(ω₀)로부터 스러스트력 저하 억제 회전수(ω')로 상승시킨다. 이를 위해, 부하 토크 목표값(T_DT)은 스텝 A30에서 연산하여 설정한 값으로부터 저감시키게 된다. 이 저감을 램프상으로 하도록 제어 게인 K에 의해 처리하여 부하 토크 목표값(T_DT)을 구하고 있다. 또한, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역으로부터 탈출할 때에는, 블레이드 회전수(ω)는 스러스트력 저하 억제 회전수(ω')로부터 목표 회전수(ω₀)로 감소시키기 위해, 부하 토크 목표값(T_DT)은 증대시키지만, 이 증대도 램프상으로 하도록 제어 게인 K에 의해 처리하여 부하 토크 목표값(T_DT)을 구하고 있다.

이로 인해, 도 8a에 실선으로 나타내는 바와 같이, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역에 들어가면 블레이드(5a)의 회전수(ω)가 서서히 상승하여 스러스트력 저하 억제 회전수(ω')에 도달하고, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역으로부터 탈출할 때에는, 블레이드(5a)의 회전수(ω)가 서서히 하강하여 목표 회전수(ω₀)로 돌아간다. 본 제어를 실시하지 않는 경우에는, 도 8a에 파선으로 나타내는 바와 같이, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역 내에 있는지 없는지에 관계 없이, 블레이드(5a)의 회전수(ω)는 목표 회전수(ω₀)로 유지된다.

드라이브 트레인 제어부(24)에서는, 이렇게 하여 연산된 부하 토크 목표값(T_DT)에 기초하여 드라이브 트레인(10)의 부하 토크를 제어한다(스텝 A70).

이로 인해, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역 내(θ₀≤θ_B≤θ₁)에 있는 경우에 블레이드(5a)(회전 날개(5))에 작용하는 스러스트력(F_th')이, 블레이드(5a)가 섀도 모멘트 영역 밖(θ_B<θ₀ 또는 θ_B>θ₁)에 있는 경우의 스러스트력(F_th)과 동일해져, 도 8b에 실선으로 나타내는 스러스트력(F_th)의 감소 자체를 억제할 수 있다. 본 제어를 실시하지 않는 경우에는 도 8b에 파선으로 나타내는 바와 같이 스러스트력(F_th)은 감소한다.

이렇게 하여, 섀도 모멘트 영역에서의 해류의 유속 저하에 의한 스러스트력(F_th)의 감소를 상쇄하도록 블레이드(5a)의 회전 속도 상승에 의한 스러스트력(F_th)의 증대를 행하여 스러스트력(F_th)의 감소 자체를 억제하므로, 스러스트력(F_th)의 감소에서 기인하여 부체(1)에 모멘트(M)가 발생하는 것을 억제할 수 있고, 이 모멘트에서 기인한 부체 방향으로의 주기적인 진동 발생을 억제할 수 있다. 이 진동이 발생하면 부체(1)의 구조체(13)나 블레이드(5a)나 계류삭(6) 등에 손상을 미칠 우려가 있지만, 이것이 회피된다.

[제2 실시형태]

[모멘트 억제 제어계의 구성]

본 실시형태에서는, 좌우의 해류 발전 장치 본체(2)의 각각의 회전 날개(5)의 블레이드(5a)가 구조물(3)의 그림자인 섀도 모멘트 영역에 동기하여 진입하도록 블레이드(5a)의 회전 위상을 제어하여, 좌우의 스러스트력(F_thL, F_thR)(도 6 참조)의 저하를 동시에 발생시킴으로써 모멘트의 발생을 억제하므로, 모멘트 억제 수단으로서의 회전 위상 제어 수단의 기능을 갖는다. 특히, 본 실시형태에서는, 도 9a에 나타내는 바와 같이, 좌우의 해류 발전 장치 본체(2)의 한쪽을 마스터기로 하고 다른 쪽을 슬레이브기로 하여, 마스터기의 회전 날개(5)의 블레이드(5a)의 회전 위상을 기준 위상으로 하고 이 기준 위상에 슬레이브기의 회전 날개(5)의 블레이드(5a)의 회전 위상이 추종하여 동기하도록 슬레이브기의 블레이드(5a)를 제어한다.

이를 위해, 본 실시형태의 제어 장치(120)는, 도 9b에 나타내는 바와 같이, 각위상차 연산부(121)와, 각위상차 판정부(122)와, 동기 유지 제어부(123)와, 위상차 저감 제어부(124)와, 드라이브 트레인 제어부(125)를 기능 요소로서 갖고 있다. 또한, 여기에서는 제어 장치(120)를 마스터기 측에 설치하고, 마스터기 측으로부터 마스터 신호(제어량)를 출력하고, 슬레이브기 측에서 위상 응답하는 것으로 하고 있지만, 마스터기 측의 블레이드(5a)의 회전 위상을 주체로 하고 슬레이브기 측의 블레이드(5a)의 회전 위상을 이것에 추종시키면 되고, 제어 장치(120) 자체는 슬레이브기 측에 설치해도 된다.

각위상차 연산부(121)는 마스터기 및 슬레이브기의 해류 발전 장치 본체(2)에 각각 장비된 블레이드 회전 각도 센서(33a, 33b)에서 검출된 마스터기의 블레이드 회전 각도(θ_m) 및 슬레이브기의 블레이드 회전 각도(θ_s)의 차(위상차)(δθ)를 하기 식(4)와 같이 연산한다.

δθ =θ_m-θ_s …(4)

각위상차 판정부(122)는 마스터기의 블레이드 회전 각도(θ_m)와 슬레이브기의 블레이드 회전 각도(θ_s)의 위상차(δθ)로부터 마스터기의 블레이드(5a)와 슬레이브기의 블레이드(5a)가 동기 상태인지의 여부를 판정한다. 즉, 위상차(δθ)가 0 또는 0에 가까운 미소값인 허용값(δθ₀) 이내(δθ≤δθ₀)인지의 여부를 판정하고, 위상차(δθ)가 허용값(δθ₀) 이내라면 동기 상태(위상차 없음)라고 판정하고, 그렇지 않으면 비동기 상태(위상차 있음)라고 판정한다.

각위상차 판정부(122)에 의해 마스터기의 블레이드 회전 각도(θ_m)와 슬레이브기의 블레이드 회전 각도(θ_s)가 동기 상태라고 판정되면, 동기 유지 제어부(123)에 의해 슬레이브기의 블레이드(5a)를 마스터기의 블레이드(5a)와 동기 상태로 유지하는 동기 유지 제어를 한다. 위상차 판정부(122)에 의해 마스터기의 블레이드 회전 각도(θ_m)와 슬레이브기의 블레이드 회전 각도(θ_s)가 비동기 상태라고 판정되면, 위상차 저감 제어부(124)에 의해 슬레이브기의 블레이드 회전 각도(θ_s)를 마스터기의 블레이드(5a)에 가깝게 하여 동기시키는 위상차 저감 제어를 행한다.

동기 유지 제어부(123)는 부하 토크 제어부(123a)를 갖고 있다. 동기 유지 제어부(123)에서는 부하 토크 제어부(123a)에 의해 마스터기 및 슬레이브기의 해류 발전 장치 본체(2)에 각각 장비된 회전 속도 센서(31a, 31b)에서 검출된 마스터기의 블레이드 회전수(ω_m) 및 슬레이브기의 블레이드 회전수(ωs)에 기초하여, 슬레이브기의 블레이드 회전수(ω_s)가 마스터기의 블레이드 회전수(ω)와 동일해지도록 슬레이브기의 드라이브 트레인(110)의 부하 토크 목표값(T_DT1)을 연산하여 출력한다.

이 경우, 위상차(δθ)가 허용값(δθ₀) 이내이지만 미소량만 생기면, 위상차(δθ)를 0에 가깝(슬레이브기의 블레이드 회전수(ω_s)가 마스터기의 블레이드 회전수(ω_m)와 동일해지)도록 부하 토크 목표값(T_DT1)을 증감하지만, 부하 토크 목표값(T_DT1)이 완만하게 램프상으로 변경되도록 부하 토크 제어부(123a)에서는 제어 게인 K₁에 의해 처리하여 부하 토크 목표값(T_DT1)을 구하도록 하고 있다.

위상차 저감 제어부(124)는 슬레이브 회전수 연산부(124a)와, 부하 토크 제어부(124b)를 갖고 있다.

슬레이브 회전수 연산부(124a)는 위상차(δθ)를 0으로 하기 위한 슬레이브기의 블레이드 회전수의 목표값(ω_s')을 연산한다. 이 경우도, 슬레이브기의 블레이드 회전수(ω)가 완만하게 램프상으로 변경되도록, 슬레이브 회전수 연산부(124a)에서는 제어 게인 K₂에 의해 처리하여 블레이드 회전수의 목표값(ω_s')을 구하도록 하고 있다.

부하 토크 제어부(124b)에서는, 회전 속도 센서(31a)에서 검출된 마스터기의 블레이드 회전수(ω_m) 및 슬레이브 회전수 연산부(124a)에서 연산된 슬레이브기의 블레이드 회전수의 목표값(ω_s')에 기초하여, 슬레이브기의 블레이드 회전수(ω_s)가 슬레이브기의 블레이드 회전수의 목표값(ω_s')과 동일해지도록 슬레이브기의 드라이브 트레인(110)의 부하 토크 목표값(T_DT2)을 연산하여 출력한다. 이 경우도, 부하 토크 목표값(T_DT2)이 완만하게 램프상으로 변경되도록, 부하 토크 제어부(123a)에서는 제어 게인 K₁에 의해 처리하여 부하 토크 목표값(T_DT2)을 구하도록 하고 있다.

드라이브 트레인 제어부(125)는 동기 유지 제어부(123)의 부하 토크 제어부(123a)에서 연산된 부하 토크 목표값(T_DT1) 또는 위상차 저감 제어부(124)의 부하 토크 제어부(124b)의 어디에서 연산된 부하 토크 목표값(T_DT2)에 기초하여 드라이브 트레인(110)의 부하 토크(발전 부하 토크)(T_D)를 제어한다.

본 실시형태에서는, 드라이브 트레인(110)이 회전 날개(5)의 회전축(주축)(5A)과, 주축(5A)의 회전 속도를 증속하는 증속기(108)와, 증속기(108)에 의해 증속된 회전력을 받아서 작동하는 발전기(9)를 구비하고 있지만, 증속기(108)에 유압식 동력 전달 기구가 적용되어 있고, 유압식 동력 전달 기구의 요소를 조작함으로써 증속기(108)에 의한 변속비를 변경할 수 있도록 되어 있다.

도 10은 증속기로서도 기능하는 유압식 동력 전달 기구(108)를 나타내는 유압 회로도이고, 유압 회로(111)는 유로(112) 내에 회전 날개(5)의 회전축(5A)에 의해 구동되는 유압 펌프(113)와, 유압 펌프(113)로부터 토출된 작동유를 받아서 회전하는 유압 모터(114)와, 유로(112)에 있어서의 유압 펌프(113)로부터 유압 모터(114)를 향하는 부분에 개장(介裝)된 개폐 밸브(115)와, 유로(112)의 유압 펌프(113)로부터 유압 모터(114)를 향하는 부분에 장비된 압력 센서(116)를 구비하고 있다.

유압 모터(114)는 사판각(斜板角)을 조정함으로써 입력 유압이 변하지 않아도 회전 속도를 변경 가능한 사판식 유압 모터가 적용되고, 회전 속도 센서(36)에 의해 검출된 유압 모터(114)의 회전축(5B)의 회전 속도(회전수)를 피드백하여 사판각 조정부(42)에 의해 사판각을 조정함으로써 유압 모터(114)를 소망의 회전 속도 상태로 조정할 수 있다. 이 유압 모터(114)의 회전축(5B)은 발전기(9)에 접속되어 있다.

또한, 유압 모터(114)의 사판각을 조정함으로써 유압 모터(114)의 부하 토크를 조정할 수 있고, 유압 모터(114)의 부하 토크는 압력 센서(116)에서 검출되는 작동유의 압력에 의해 파악할 수 있다. 즉, 유압 모터(114)의 사판각 조정에 의해 드라이브 트레인(110)의 부하 토크를 조정할 수 있고, 부하 토크 목표값(T_DT1, T_DT2)에 따라서 유압 모터(14)의 사판각이 조정되어, 드라이브 트레인(110)의 부하 토크(발전 부하 토크)(T_D)가 제어된다.

또한, 도 10에 나타내는 구성에서는 회전 날개(5)의 회전축(5A)에 조속기(35)와 매커니컬 브레이크(41)가 장비되고, 조속기(35)에 의해 회전 날개(5)의 회전 속도가 안정화되고, 매커니컬 브레이크(41)에 의해 회전 날개(5)의 회전을 규제할 수 있도록 되어 있다.

[작용 및 효과]

제2 실시형태에 관련되는 해중 부유식 해류 발전 장치는 상술한 바와 같이 구성되어 있으므로, 제어 장치(120)에 의해, 예를 들면, 도 11의 플로우 차트에 나타내는 바와 같이, 부체(1)에 모멘트가 발생하는 것을 억제하는 모멘트 억제 제어를 실시할 수 있다. 또한, 도 11의 플로우 차트는 소정의 제어 주기로 실시된다.

도 11에 나타내는 바와 같이, 먼저, 블레이드 회전 각도 센서(33a, 33b)에서 검출된 마스터기의 블레이드 회전 각도(θ_m) 및 슬레이브기의 블레이드 회전 각도(θ_s)를 읽는다(스텝 B10). 그리고, 각위상차 연산부(121)에 의해 마스터기의 블레이드 회전 각도(θ_m) 및 슬레이브기의 블레이드 회전 각도(θ_s)의 차(위상차)(δθ)를 연산한다[상기 식(4) 참조](스텝 B20).

다음에, 각위상차 판정부(122)에 의해 스텝 B20의 연산된 위상차(δθ)를 미리 설정된 허용값(δθ₀)과 비교하여 마스터기의 블레이드(5a)와 슬레이브기의 블레이드(5a)가 동기 상태(|δθ|≤δθ₀)인지 아닌지(비동기 상태이다)를 판정한다(스텝 B30). 스텝 B30에서 동기 상태라고 판정되면 동기 유지 제어부(123)에 의해 동기 유지 제어를 행하고(스텝 B40), 비동기 상태인 판정되면 위상차 저감 제어부(124)에 의해 위상차 저감 제어를 행한다(스텝 B50, B60).

스텝 B40의 동기 유지 제어에서는, 슬레이브기의 블레이드 회전수(ω_s)가 마스터기의 블레이드 회전수(ω_m)와 동일해지도록 슬레이브기의 드라이브 트레인(110)의 부하 토크 목표값(T_DT1)을 연산하여 출력한다. 이 경우, 제어 게인 K₁에 의해 처리하여 부하 토크 목표값(T_DT1)을 구하여, 부하 토크 목표값(T_DT2)이 완만하게 램프상으로 변경되도록 한다. 그리고, 드라이브 트레인 제어부(125)가 이 부하 토크 목표값(T_DT2)에 기초하여 드라이브 트레인(110)의 부하 토크(발전 부하 토크)(T_D)를 제어한다.

스텝 B50, B60의 위상차 저감 제어에서는, 먼저, 슬레이브 회전수 연산부(124a)에 의해 위상차(δθ)를 0으로 하기 위한 슬레이브기의 블레이드 회전수의 목표값(ω_s')을 연산한다. 이 경우도, 슬레이브기의 블레이드 회전수(ω_s)가 완만하게 램프상으로 변경되도록, 슬레이브 회전수 연산부(124a)에서는 제어 게인 K₂에 의해 처리하여 블레이드 회전수의 목표값(ω_s')을 구한다(스텝 B50).

다음에, 부하 토크 제어부(124b)에 의해, 검출된 마스터기의 블레이드 회전수(ω_m) 및 연산된 슬레이브기의 블레이드 회전수의 목표값(ω_s')에 기초하여, 슬레이브기의 블레이드 회전수(ω_s)가 슬레이브기의 블레이드 회전수의 목표값(ω_s')과 동일해지도록 슬레이브기의 드라이브 트레인(110)의 부하 토크 목표값(T_DT2)을 연산하여 출력한다. 이 경우도, 부하 토크 목표값(T_DT2)이 완만하게 램프상으로 변경되도록, 부하 토크 제어부(123a)에서는 제어 게인 K₁에 의해 처리하여 부하 토크 목표값(T_DT2)을 구한다. 그리고, 드라이브 트레인 제어부(125)가 이 부하 토크 목표값(T_DT2)에 기초하여 드라이브 트레인(110)의 부하 토크(발전 부하 토크)(T_D)를 제어한다(스텝 B60).

도 12는 위상차 저감 제어 및 동기 유지 제어를 설명하기 위한 블레이드 회전 각도(블레이드 각도)(θ_B)의 변천을 나타내는 타임 차트이고, 실선은 마스터기의 블레이드 회전 각도(θ_B)를 나타내고, 파선은 슬레이브기의 블레이드 회전 각도(θ_B)를 나타낸다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 각위상차 판정부(122)에 의해 비동기 상태라고 판정되면, 위상차 저감 제어에 의해 슬레이브기의 블레이드 회전 각도(θ_B)가 마스터기의 블레이드 회전 각도(θ_B)에 점차로 접근하여 위상차가 해소되고, 그 후는 동기 유지 제어를 위상차가 없는 상태(동기 상태)가 유지된다.

이렇게 하여, 슬레이브기의 블레이드 회전 각도(θ_B)가 마스터기의 블레이드 회전 각도(θ_B)에 동기하도록 제어되므로, 블레이드(5a)가 구조물의 그림자인 섀도 모멘트 영역에 진입하고, 해류의 유속 저하로부터 스러스트력의 감소가 발생해도, 좌우의 해류 발전 장치 본체(2)에서 스러스트력(F_thL, F_thR)의 저하가 동시에 발생하기 때문에 스러스트력의 감소가 생겨도 모멘트의 발생을 억제할 수 있고, 부체(1) 방향으로의 주기적인 진동의 발생을 억제할 수 있다. 이 진동이 발생하면 부체(1)의 구조체(13)나 블레이드(5a)나 계류삭(6) 등에 손상을 미칠 우려가 있지만, 이것이 회피된다.

[제 3 실시형태]

[모멘트 억제 제어계의 구성]

본 실시형태에서는, 제2 실시형태와 마찬가지로 좌우의 해류 발전 장치 본체(2)의 각각의 회전 날개(5)의 블레이드(5a)가 구조물(3)의 그림자인 섀도 모멘트 영역에 동기하여 진입하도록 블레이드(5a)의 회전 위상을 제어하여, 좌우의 스러스트력의 저하를 동시에 발생시킴으로써 모멘트의 발생을 억제하므로, 모멘트 억제 수단으로서의 회전 위상 제어 수단의 기능을 갖는다. 본 실시형태에서는, 도 13에 나타내는 바와 같이, 해류 발전 장치 본체(2)를 모두 슬레이브기로 하고, 마스터 신호(제어량)는 별도 설치한 마스터기(200)로부터 출력되어, 좌우의 해류 발전 장치 본체(2)의 블레이드(5a)를 제어한다. 슬레이브기(좌우의 해류 발전 장치 본체(2))에서는 블레이드(5a)의 회전 각도의 위상 조정으로 이것에 응답하도록 되어 있다.

마스터기(200)에는, 좌우의 해류 발전 장치 본체(2)를 각각 제어하기 위해서, 제2 실시형태의 것[도 9b 참조]과 마찬가지의 제어 장치(120)가 장비되어 있다. 제어 장치(120)는 각위상차 연산부(121)와, 각위상차 판정부(122)와, 동기 유지 제어부(123)와, 위상차 저감 제어부(124)와, 드라이브 트레인 제어부(125)를 각 해류 발전 장치 본체(2)마다에 기능 요소로서 갖고 있다. 또한, 제어 장치(120) 자체는 마스터기(200)에 한정하지 않고 슬레이브기의 류 발전 장치 본체(2)에 설치해도 된다.

마스터기(200)에는, 슬레이브기의 각 류 발전 장치 본체(2)의 블레이드(5a)(회전 날개(5))의 회전 위상이나 회전 속도(회전수)를 조작하는 기준이 되는 기준 위상이 기억되어 있다. 이 기준 위상은 블레이드(5a)의 회전 각도(위상)의 목표값을 시간축에 따라서 규정한 것이고, 특히 기준 위상은 발전기(9) 로터의 목표 회전 속도에 기초하여 설정되어 있다. 발전기(9) 로터의 목표 회전 속도는 효율적으로 발전량이 얻어지는 이상적인 발전 상태로부터 구해진다.

[작용 및 효과]

제 3 실시형태에 관련되는 해중 부유식 해류 발전 장치는 상술한 바와 같이 구성되어 있으므로, 슬레이브기인 각 류 발전 장치 본체(2)의 블레이드(5a)의 회전이 제2 실시형태의 슬레이브기와 마찬가지로 제어되어서, 제2 실시형태의 것과 마찬가지의 작용 및 효과를 얻을 수 있다. 또한, 각 류 발전 장치 본체(2)의 블레이드(5a)의 제어는 도 11의 플로우 차트에 나타내는 바와 같이 실시할 수 있다.

본 실시형태의 경우, 스러스트력의 감소가 생겨도 모멘트의 발생을 억제할 수 있고, 부체(1) 방향으로의 주기적인 진동의 발생을 억제할 수 있으며, 진동 발생에 의한 부체(1)의 구조체(13)나 블레이드(5a)나 계류삭(6) 등에 손상을 미칠 우려가 회피되는 동시에, 각 류 발전 장치 본체(2)의 블레이드(5a)의 회전을 제어하기 위한 기준 위상이 발전기(9) 로터의 목표 회전 속도에 기초하여 설정되므로, 발전기(9)를 이상적인 발전 상태로 하여 효율적으로 발전량이 얻어지도록 할 수 있는 효과도 있다.

[기타]

이상, 본 발명의 실시형태를 설명했지만, 본 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 이러한 실시형태를 적당히 변경하거나, 조합시키거나 하여 실시할 수 있다.

예를 들면, 제2 실시형태에서는 마스터기의 회전 날개(5)의 블레이드(5a)의 회전 위상을 기준 위상으로 하고 있지만, 이 기준 위상에 대해서도 제 3 실시형태와 마찬가지로 발전기(9) 로터의 목표 회전 속도(효율적으로 발전량이 얻어지는 이상적인 발전 상태로부터 구해진다)에 기초하여 설정해도 된다.

또한, 제1 실시형태에 있어서는 드라이브 트레인의 부하 토크(T_D)를 제어하여 블레이드(5a)의 회전 속도를 제어하여 스러스트력의 감소 억제를 하고 있지만, 메인터넌스성 등을 고려할 필요가 없으면 블레이드(5a)를 가변 피치형으로 구성하고, 피치의 변경으로 블레이드(5a)의 회전 속도를 제어하여 스러스트력의 감소 억제를 해도 좋다.

또한, 제1 실시형태에 있어서는 유압식 동력 전달 기구(108)의 유압 모터(114)의 사판 제어에 의해 드라이브 트레인의 부하 토크(T_D)를 제어하고 있지만, 유압 모터에는 사판 제어 이외의 부하 조정 가능한 것을 적용해도 되고, 또한 유압식 동력 전달 기구에 의하지 않고, 제1 실시형태와 마찬가지로 발전기의 발전 부하 토크를 통하여 드라이브 트레인의 부하 토크(T_D)를 제어해도 좋다.

1: 부체(해중 부유식 해류 발전 장치)
2: 해류 발전 장치 본체
3: 구조물
4: 나셀(포드)
5: 회전 날개
5A: 주축(회전 날개(5)의 회전축)
5a: 블레이드
6: 계류삭
6A: 앵커 웨이트
7: 해중
7a: 해저
8: 증속기
9: 발전기
10, 110: 드라이브 트레인
20: 제어 장치(모멘트 억제 수단으로서의 스러스트력 감소 억제 수단)
21: 블레이드 회전 영역 판정부
22: 목표 회전 제어부
22a: 부하 토크 제어부
22b: 스러스트력 연산부
23: 회전 증가 제어부
23a: 저하 유속 연산부
23b: 회전 속도 연산부
23c: 부하 토크 제어부
24: 드라이브 트레인 제어부
31, 31a, 31b: 회전 속도 센서
32: 유속 센서
33, 33a, 33b: 블레이드 회전 각도 센서
34: 부체 회전 각도 센서
108: 증속기로서의 유압식 동력 전달 기구
111: 유압 회로
112: 유로
113: 유압 펌프
114: 유압 모터
115: 개폐 밸브
116: 압력 센서
120: 제어 장치(모멘트 억제 수단으로서의 회전 위상 제어 수단)
121: 각위상차 연산부
122: 각위상차 판정부
123: 동기 유지 제어부
123a: 부하 토크 제어부
124: 위상차 저감 제어부
124a: 슬레이브 회전수 연산부
124b: 부하 토크 제어부
125: 드라이브 트레인 제어부
F_th: 스러스트력
F_wf: 해류의 작용력
F_b: 부체(1)의 부력
F_t: 계류삭(6)의 장력
M: 모멘트
T_D: 부하 토크
T_DT, T_DT1, T_DT2: 부하 토크 목표값
U_C: 해류의 유속
ω: 블레이드(5a)의 회전수(회전 속도)
ω₀: 목표 회전수(목표 회전 속도)
ω': 스러스트력 저감 억제 회전수(스러스트력 저감 억제 회전 속도)
θ_B: 블레이드(5a)의 회전 각도(위상 각도)
θ₀~θ₁: 섀도 모멘트 영역에 대응하는 회전 각도 영역
θ_f: 부체(1)의 회전 각도

Claims

나셀 내에 수납된 발전기의 로터를 상기 나셀의 외부로 돌출하는 회전 날개에 의해 구동하는 해류 발전 장치 본체가 구조물의 좌우에 결합되어, 바다 속을 부유 가능한 쌍동형 부체로서 구성되고, 상기 구조물의 좌우 중간부를 계류삭에 의해 해저에 록킹되어 사용되는 해중 부유식 해류 발전 장치로서,
상기 해류 발전 장치 본체에는, 상기 회전 날개를 상기 나셀보다도 해류 방향의 하류 측에 배치한 다운윈드 방식이 이용되고,
상기 회전 날개의 블레이드가 해류 방향의 상류 측의 상기 구조물의 그림자 영역에 진입했을 때의 해류의 유속 저하에 따른 스러스트력의 감소에 의해 상기 부체에 발생하는 모멘트를 억제하는 모멘트 억제 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 모멘트 억제 수단은, 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 진입했을 때의 해류의 상기 스러스트력의 감소를 억제하는 스러스트력 감소 억제 수단인 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치.
제2항에 있어서,
상기 스러스트력 감소 억제 수단은, 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 진입했을 때의 해류의 유속 저하에 따라 상기 회전 날개의 회전 속도를 상승시켜 스러스트력의 감소를 억제하는 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 모멘트 억제 수단은, 좌우의 상기 해류 발전 장치 본체의 각각의 상기 회전 날개의 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 동기하여 진입하도록 상기 블레이드의 회전 위상을 제어하는 회전 위상 제어 수단인 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치.
제4항에 있어서,
상기 회전 위상 제어 수단은, 좌우의 상기 해류 발전 장치 본체의 한쪽의 상기 회전 날개의 상기 블레이드의 회전 위상을 기준 위상으로 하고 상기 기준 위상에 다른 쪽의 상기 회전 날개의 상기 블레이드의 회전 위상이 추종하여 동기하도록 상기 블레이드의 회전 위상을 제어하는 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치.
제4항에 있어서,
상기 회전 위상 제어 수단은, 미리 설정된 기준 위상에 기초하여, 좌우의 상기 해류 발전 장치 본체의 각각의 상기 회전 날개의 상기 블레이드의 회전 위상을 제어하는 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 기준 위상은 상기 발전기 로터의 목표 회전 속도에 기초하여 설정되어 있는 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치.
제3항에 있어서,
상기 스러스트력 감소 억제 수단은,
상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 들어가 있는지의 여부를 판정하는 블레이드 회전 영역 판정부와,
상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 들어가 있지 않은 경우에, 상기 블레이드의 회전 속도를 목표 회전 속도로 제어하는 목표 회전 제어부와,
상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 들어가 있는 경우에, 해류의 유속 저하에 의한 스러스트력의 감소를 억제하도록 회전 증가시킨 블레이드의 스러스트력 감소 억제 회전 속도를 설정하고, 상기 블레이드의 회전 속도를 상기 스러스트력 감소 억제 회전 속도로 제어하는 회전 증가 제어부를 갖고 있는 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치.
제7항에 있어서,
상기 회전 위상 제어 수단은,
상기 기준 위상과 제어 대상인 상기 블레이드의 회전 위상의 위상차를 연산하는 각위상차 연산부와,
연산된 상기 위상차로부터 제어 대상인 상기 블레이드의 회전 위상이 상기 기준 위상과 동기한 동기 상태인지의 여부를 판정하는 각위상차 판정부와,
상기 동기 상태라고 판정되면 상기 동기 상태를 유지하는 동기 유지 제어부와,
상기 동기 상태가 아니라고 판정되면 상기 위상차를 저감하여 상기 동기 상태가 되도록 제어하는 위상차 저감 제어부를 갖고 있는 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치.
나셀 내에 수납된 발전기의 로터를 상기 나셀의 외부로 돌출한 회전 날개에 의해 구동하는 해류 발전 장치 본체가 구조물의 좌우에 결합되어, 바다 속을 부유 가능한 쌍동형 부체로서 구성되고, 상기 구조물의 좌우 중간부를 계류삭에 의해 해저에 록킹되어 사용되고, 상기 해류 발전 장치 본체에는 상기 회전 날개를 상기 나셀보다도 해류 방향의 하류 측에 배치한 다운윈드 방식이 이용된 해중 부유식 해류 발전 장치의 제어 방법으로서,
상기 회전 날개의 블레이드가 해류 방향의 상류 측의 상기 구조물의 그림자 영역에 진입했을 때에, 상기 그림자 영역의 해류 유속 저하에 따른 스러스트력 감소에 의해 상기 부체에 발생하는 모멘트를 억제하는 모멘트 억제 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치의 제어 방법.
제10항에 있어서,
상기 모멘트 억제 처리는, 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 진입했을 때에, 상기 그림자 영역의 해류의 상기 스러스트력 감소를 억제함으로써 실시하는 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치의 제어 방법.
제11항에 있어서,
상기 스러스트력의 감소 억제는, 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 진입했을 때에, 상기 그림자 영역의 해류 유속 저하에 따라 상기 회전 날개의 회전 속도를 상승시킴으로써 실시하는 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치의 제어 방법.
제10항에 있어서,
상기 모멘트 억제 처리는, 좌우의 상기 해류 발전 장치 본체의 각각의 상기 회전 날개의 상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 동기하여 진입하도록 상기 블레이드의 회전 위상을 제어함으로써 실시하는 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치의 제어 방법.
제13항에 있어서,
상기 회전 위상의 제어는, 좌우의 상기 해류 발전 장치 본체의 한쪽의 상기 회전 날개의 상기 블레이드의 회전 위상을 기준 위상으로 하고 상기 기준 위상에 다른 쪽의 상기 회전 날개의 상기 블레이드의 회전 위상이 추종하여 동기하도록 하여 실시하는 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치의 제어 방법.
제13항에 있어서,
상기 회전 위상의 제어는, 미리 설정된 기준 위상에 기초하여, 좌우의 상기 해류 발전 장치 본체의 각각의 상기 회전 날개의 상기 블레이드의 회전 위상을 제어함으로써 실시하는 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치의 제어 방법.
제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 기준 위상은, 상기 발전기 로터의 목표 회전 속도에 기초하여 설정되어 있는 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치의 제어 방법.
제12항에 있어서,
상기 스러스트력의 감소 억제는,
상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 들어가 있는지의 여부를 판정하고,
상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 들어가 있지 않다고 판정되면, 상기 블레이드의 회전 속도를 목표 회전 속도로 제어하는 목표 회전 제어부와,
상기 블레이드가 상기 구조물의 그림자 영역에 들어가 있는 경우에, 해류의 유속 저하에 의한 스러스트력의 감소를 억제하도록 회전 증가시킨 블레이드의 스러스트력 감소 억제 회전 속도를 설정하고, 상기 블레이드의 회전 속도를 상기 스러스트력 감소 억제 회전 속도로 제어하는 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치의 제어 방법.
제16항에 있어서,
상기 회전 위상의 제어는,
상기 기준 위상과 제어 대상인 상기 블레이드의 회전 위상의 위상차를 연산하고,
연산된 상기 위상차로부터 제어 대상인 상기 블레이드의 회전 위상이 상기 기준 위상과 동기한 동기 상태인지의 여부를 판정하고,
상기 동기 상태라고 판정되면 상기 동기 상태를 유지하고,
상기 동기 상태가 아니라고 판정되면 상기 위상차를 저감하여 상기 동기 상태가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는
해중 부유식 해류 발전 장치의 제어 방법.