海中漂浮式海流发电装置及其控制方法

申请号 CN201580058652.3 申请日 2015-10-20 公开(公告)号 CN107076103B 公开(公告)日 2019-07-09
申请人 三菱重工业株式会社; 发明人 二桥谦介; 小野寺祥; 浅野伸; 小林哲平;
摘要 本 发明 的目的是提供一种海中漂浮式海流发电装置,其能抑制由投影 力 矩引起的海流发电装置的浮体的周期性方向振动。该海中漂浮式海流发电装置构成为:使通过突出于外部的旋转翼(5)驱动容纳于 机舱 (4)内的发 电机 (9)的 转子 的海流发电装置主体(2)结合于构造物的左右,并可漂浮于海中的双体式的浮体(1),并且通过系留索卡定于海底,该海流发电装置主体(2)采用将旋转翼(5)配置于机舱(4)的海流方向的下游侧的顺 风 方式,具备力矩抑制单元(20),该力矩抑制单元(20)抑制由于随着旋转翼(5)的 叶片 (5a)进入海流方向的上游侧的构造物的投影区域(投影力矩区域)时的海流的流速降低的推力减小而产生于浮体(1)的力矩。
权利要求

1.一种海中漂浮式海流发电装置,所述海中漂浮式海流发电装置构成为:使通过突出于机舱的外部的旋转翼驱动容纳于所述机舱内的发电机转子的海流发电装置主体结合于构造物的左右,并可漂浮于海中的双体式的浮体,所述构造物的左右方向中间部通过系留索卡定于海底而被使用,其特征在于,
所述海流发电装置主体采用将所述旋转翼配置于所述机舱的海流方向的下游侧的顺方式,
具备:矩抑制单元,所述力矩抑制单元抑制由于随着所述旋转翼的叶片进入海流方向的上游侧的所述构造物的投影区域时的海流的流速降低的推力减小而产生于所述浮体的力矩,
所述力矩抑制单元是推力减小抑制单元,其抑制所述叶片进入所述构造物的投影区域时的海流的所述推力的减小,
所述推力减小抑制单元随着所述叶片进入所述构造物的投影区域时的海流的流速降低,使所述旋转翼的转速上升,抑制推力的减小。
2.根据权利要求1所述的海中漂浮式海流发电装置,其特征在于,
所述推力减小抑制单元具有:
叶片旋转区域判断部,判断所述叶片是否进入所述构造物的投影区域;
目标旋转控制部,在所述叶片未进入所述构造物的投影区域的情况下,将所述叶片的转速控制为目标转速;以及
旋转增加控制部,在所述叶片进入所述构造物的投影区域的情况下,设定旋转增加的叶片的推力减小抑制转速,将所述叶片的转速控制为所述推力减小抑制转速,以便抑制由海流的流速降低引起的推力减小。
3.一种海中漂浮式海流发电装置,所述海中漂浮式海流发电装置构成为:使通过突出于机舱的外部的旋转翼驱动容纳于所述机舱内的发电机的转子的海流发电装置主体结合于构造物的左右,并可漂浮于海中的双体式的浮体,所述构造物的左右方向中间部通过系留索卡定于海底而被使用,其特征在于,
所述海流发电装置主体采用将所述旋转翼配置于所述机舱的海流方向的下游侧的顺风方式,
具备:力矩抑制单元,所述力矩抑制单元抑制由于随着所述旋转翼的叶片进入海流方向的上游侧的所述构造物的投影区域时的海流的流速降低的推力减小而产生于所述浮体的力矩,
所述力矩抑制单元是旋转相位控制单元,其控制所述叶片的旋转相位,以使左右的所述海流发电装置主体的各自的所述旋转翼的所述叶片同步进入所述构造物的投影区域,所述旋转相位控制单元控制所述叶片的旋转相位,以便将左右的所述海流发电装置主体的一个所述旋转翼的所述叶片的旋转相位设为基准相位,另一个所述旋转翼的所述叶片的旋转相位追随所述基准相位并同步。
4.一种海中漂浮式海流发电装置,所述海中漂浮式海流发电装置构成为:使通过突出于机舱的外部的旋转翼驱动容纳于所述机舱内的发电机的转子的海流发电装置主体结合于构造物的左右,并可漂浮于海中的双体式的浮体,所述构造物的左右方向中间部通过系留索卡定于海底而被使用,其特征在于,
所述海流发电装置主体采用将所述旋转翼配置于所述机舱的海流方向的下游侧的顺风方式,
具备:力矩抑制单元,所述力矩抑制单元抑制由于随着所述旋转翼的叶片进入海流方向的上游侧的所述构造物的投影区域时的海流的流速降低的推力减小而产生于所述浮体的力矩,
所述力矩抑制单元是旋转相位控制单元,其控制所述叶片的旋转相位,以使左右的所述海流发电装置主体的各自的所述旋转翼的所述叶片同步进入所述构造物的投影区域,所述旋转相位控制单元基于预先设定的基准相位,控制左右的所述海流发电装置主体的各自的所述旋转翼的所述叶片的旋转相位。
5.根据权利要求3或4所述的海中漂浮式海流发电装置,其特征在于,
所述基准相位基于所述发电机的转子的目标转速而设定。
6.根据权利要求5所述的海中漂浮式海流发电装置,其特征在于,
所述旋转相位控制单元具有:
相位差运算部,对所述基准相位与控制对象的所述叶片的旋转相位的相位差进行运算;
角相位差判断部,根据运算出的所述相位差判断控制对象的所述叶片的旋转相位是否为与所述基准相位同步的同步状态;
同步保持控制部,如果判断为是所述同步状态,则保持所述同步状态;以及相位差减少控制部,如果判断为不是所述同步状态,则以减少所述相位差变成所述同步状态的方式进行控制。
7.一种海中漂浮式海流发电装置的控制方法,所述海中漂浮式海流发电装置构成为:
使通过突出于机舱的外部的旋转翼驱动容纳于所述机舱内的发电机的转子的海流发电装置主体结合于构造物的左右,并可漂浮于海中的双体式的浮体,所述构造物的左右方向中间部通过系留索卡定于海底而被使用,所述海流发电装置主体采用将所述旋转翼配置于所述机舱的海流方向的下游侧的顺风方式,其特征在于,
在所述旋转翼的叶片进入海流方向的上游侧的所述构造物的投影区域时,实施力矩抑制处理,抑制由于随着所述投影区域的海流的流速降低的推力减小而产生于所述浮体的力矩,
所述力矩抑制处理通过如下方式实施:在所述叶片进入所述构造物的投影区域时,抑制所述投影区域的海流的所述推力的减小,
所述推力的减小抑制通过如下方式实施:在所述叶片进入所述构造物的投影区域时,随着所述投影区域的海流的流速降低,使所述旋转翼的转速上升。
8.根据权利要求7所述的海中漂浮式海流发电装置的控制方法,其特征在于,所述推力的减小抑制通过如下方式进行:判断所述叶片是否进入所述构造物的投影区域,如果判断为所述叶片未进入所述构造物的投影区域,则将所述叶片的转速控制为目标转速,在所述叶片进入所述构造物的投影区域的情况下,设定旋转增加的叶片的推力减小抑制转速,将所述叶片的转速控制为所述推力减小抑制转速,以便抑制由海流的流速降低而引起的推力减小。
9.一种海中漂浮式海流发电装置的控制方法,所述海中漂浮式海流发电装置构成为:
使通过突出于机舱的外部的旋转翼驱动容纳于所述机舱内的发电机的转子的海流发电装置主体结合于构造物的左右,并可漂浮于海中的双体式的浮体,所述构造物的左右方向中间部通过系留索卡定于海底而被使用,所述海流发电装置主体采用将所述旋转翼配置于所述机舱的海流方向的下游侧的顺风方式,其特征在于,
在所述旋转翼的叶片进入海流方向的上游侧的所述构造物的投影区域时,实施力矩抑制处理,抑制由于随着所述投影区域的海流的流速降低的推力减小而产生于所述浮体的力矩,
所述力矩抑制处理通过如下方式实施:控制所述叶片的旋转相位,以便左右的所述海流发电装置主体的各自的所述旋转翼的所述叶片同步进入所述构造物的投影区域,所述旋转相位的控制通过如下方式实施:将左右的所述海流发电装置主体的一个所述旋转翼的所述叶片的旋转相位设为基准相位,另一个所述旋转翼的所述叶片的旋转相位追随所述基准相位并同步。
10.一种海中漂浮式海流发电装置的控制方法,所述海中漂浮式海流发电装置构成为:
使通过突出于机舱的外部的旋转翼驱动容纳于所述机舱内的发电机的转子的海流发电装置主体结合于构造物的左右,并可漂浮于海中的双体式的浮体,所述构造物的左右方向中间部通过系留索卡定于海底而被使用,所述海流发电装置主体采用将所述旋转翼配置于所述机舱的海流方向的下游侧的顺风方式,其特征在于,
在所述旋转翼的叶片进入海流方向的上游侧的所述构造物的投影区域时,实施力矩抑制处理,抑制由于随着所述投影区域的海流的流速降低的推力减小而产生于所述浮体的力矩,
所述力矩抑制处理通过如下方式实施:控制所述叶片的旋转相位,以便左右的所述海流发电装置主体的各自的所述旋转翼的所述叶片同步进入所述构造物的投影区域,所述旋转相位的控制通过如下方式实施:基于预先设定的基准相位,控制左右的所述海流发电装置主体的各自的所述旋转翼的所述叶片的旋转相位。
11.根据权利要求9或10所述的海中漂浮式海流发电装置的控制方法,其特征在于,所述基准相位基于所述发电机的转子的目标转速而设定。
12.根据权利要求11所述的海中漂浮式海流发电装置的控制方法,其特征在于,所述旋转相位的控制以如下方式进行:对所述基准相位与控制对象的所述叶片的旋转相位的相位差进行运算,
根据运算出的所述相位差判断控制对象的所述叶片的旋转相位是否为与所述基准相位同步的同步状态,
如果判断为是所述同步状态,则保持所述同步状态,
如果判断为不是所述同步状态,则以降低所述相位差变成所述同步状态的方式进行控制。

说明书全文

海中漂浮式海流发电装置及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用海流进行发电的海流发电装置,特别是涉及一种使发电装置漂浮于海中来使用的海中漂浮式海流发电装置。

背景技术

[0002] 近年来,开发出利用各种自然能的发电技术。例如黑潮等巨大的海流也是一种能源,还开发出利用该海流进行发电的海流发电装置。在该海流发电装置中,通过海流使旋转翼旋转,使连接于旋转翼的轴的发电机旋转,由此进行发电。
[0003] 作为这样的海流发电装置的一个方式,有海中漂浮式海流发电装置(中漂浮式海流发电装置),例如专利文献1中所公开。该海中漂浮式海流发电装置将构成为具有一定浮的浮体的海流发电装置与从海底延伸的系留索相连,由此海流发电装置一边通过系留索在容许的范围漂浮于海中一边进行发电。海中漂浮式海流发电装置无需如地面上设置的力发电装置那样的巨大的支柱,可以采用简单的构成。
[0004] 图14是表示专利文献1中公开的海中漂浮式海流发电装置的立体图。如图14所示,该海中漂浮式海流发电装置构成为浮体1,为了谋求该浮体1的姿势稳定,采用由两个海流发电装置主体2、2和将它们连接的构造物3构成一个浮体1的双体式。海流发电装置主体2在机舱(也称作吊舱)4内装备有未图示的发电机,在该发电机的转子连接有旋转翼5的旋转轴
[0005] 机舱4结合于构造物3的左右两端。系留索6的顶端结合于构造物3的左右方向中央,系留索6的底端卡定于海底。浮体1在系留索6束缚的范围沿着水平方向以及铅垂方向漂浮于海中。浮体1的浮力左右平衡,浮体1的构造物3形成为与海流方向对置的翼形。由此,浮体1以其正面(旋转翼5的正面)正对海流方向的方式根据海流改变方向来实施发电。
[0006] 此外,该海流发电装置采用将旋转翼5配置于机舱4的后方(海流的下游侧)的顺风(Down wind)方式。如此,通过将旋转翼5配置于机舱4的下游侧,使浮体1的正面(旋转翼5的正面)易于朝向海流方向。在海中漂浮式海流发电装置的情况下,难以安装主动地实施浮体1的方向控制(使转子旋转轴对准海流方向的控制)的驱动装置,因此采用顺风方式,并且设定为:以朝向海流方向的方式形成浮体1的机舱4、构造物3的形状,浮体1的正面方向被动地朝向海流方向。
[0007] 此外,卡定于系留索6的浮体(海流发电装置)1漂浮于海中,此时,浮体1采取施加于浮体1的海流的作用力、产生于浮体1的浮力、以及系留索6的张力平衡的位置。就是说,对于浮体1而言,浮力作用于铅垂上方,海流的作用力作用于海流方向(水平方向)、系留索的张力以与浮力以及海流的作用力对置的方式发挥作用。因此,如果海流的作用力弱(就是说,海流的流速低),则浮体1在海中上升至较浅的深度,如果海流的作用力强(就是说,海流的流速高),则浮体1在海中下降至较深的深度。
[0008] 另一方面,对于海流的深度方向的流速分布,在海底附近越接近海底速度越低,越远离海底速度越高。因此,如果海流的流速提高,则浮体1在海中下降,并在深度方向的流速分布中流速适当降低的深度平衡。此外,如果海流的流速降低,则浮体1在海中上升,并在深度方向的流速分布中流速适当提高的深度平衡。
[0009] 专利文献1中还记载了以下内容:如此,着眼于海流发电装置根据流速进行升降的特性,通过应用被动地自动调整海流发电装置的水深方向的位置的控制(PDC,也称作“被动深度控制”),从而无需主动控制(主动深度控制)。
[0010] 现有技术文献
[0011] 专利文献
[0012] 专利文献1:美国专利申请公开第2013/0106105号说明书

发明内容

[0013] 发明要解决的问题
[0014] 如上所述,如图14所示,在海中漂浮式海流发电装置的情况下,为了谋求浮体1的姿势稳定,优选采用通过构造物3将两个海流发电装置主体2、2连接而构成一个浮体1的双体式。此外,为了使浮体1的正面(旋转翼5的正面)朝向海流方向,而无需特殊装置,优选采用将旋转翼5配置于机舱4的后方(海流的下游侧)的顺风方式。
[0015] 在浮体1采用双体式的情况下,当然优选的是,如图16A中白色箭头所示,构成为左右对称,并且施加于左右的旋转翼5的海流的作用力(推力)始终相等。但是,如图15所示,当采用了双体式的浮体1采用顺风方式时,由于在旋转翼5的前方正面的海流的流入区域的局部存在构造物3,因此在构造物3后方产生流速降低的构造物的投影区域。在旋转翼5的叶片5a从该构造物3的投影区域通过时,施加于叶片5a的海流的推力减小。
[0016] 当左右中只有向一侧的旋转翼5的叶片5a的推力减小时,如图16B中黑色箭头所示,施加于浮体1的左右的推力失去平衡,如图16C中白色箭头所示,在浮体1产生力矩M。根据推力变化的时机,该力矩在滚动、俯仰偏航的任一方向都能产生。需要说明的是,如此,将由于叶片5a从构造物的投影区域通过时的推力的不平衡而产生于浮体1的力矩称作投影力矩(Shadow moment),将作为该原因的构造物的投影区域称作投影力矩区域。
[0017] 当该投影力矩在左右的旋转翼5错开并交替产生时,浮体1变得不平衡,在浮体1产生周期性振动。这种浮体1的振动的产生成为损坏浮体的构造体、叶片、系留索等的原因,因此需要减少产生这样的振动。如果海流发电装置能采用作为风力发电装置的主流的、单体式且逆风(Up wind)方式[将旋转翼5配置于机舱4的前方(流体流动的上游侧)的方式],则不会产生投影力矩,因此不会产生这样的问题。因此,该问题可以说是海流发电装置、特别是海中漂浮式海流发电装置特有的问题。
[0018] 本发明是鉴于上述问题而完成的发明,其目的在于提供一种海中漂浮式海流发电装置,其能抑制由投影力矩引起的海流发电装置的浮体的周期性方向振动。
[0019] 技术方案
[0020] (1)为了达到上述目的,本发明的海中漂浮式海流发电装置,该海中漂浮式海流发电装置构成为:使通过突出于机舱的外部的旋转翼驱动容纳于所述机舱内的发电机的转子的海流发电装置主体结合于构造物的左右,并可漂浮于海中的双体式的浮体,所述构造物的左右中间部通过系留索卡定于海底而被使用,其特征在于,所述海流发电装置主体采用将所述旋转翼配置于所述机舱的海流方向的下游侧的顺风方式,具备力矩抑制单元,该力矩抑制单元抑制由于随着所述旋转翼的叶片进入海流方向的上游侧的所述构造物的投影区域(投影力矩区域)时的海流的流速降低的推力减小而产生于所述浮体的力矩。需要说明的是,该力矩包含滚动、俯仰、偏航的任一方向的力矩。
[0021] (2)优选所述力矩抑制单元是推力减小抑制单元,其抑制所述叶片进入所述构造物的投影区域时的海流的所述推力的减小。
[0022] (3)优选所述推力减小抑制单元随着所述叶片进入所述构造物的投影区域时的海流的流速降低,使所述旋转翼转子的转速上升,抑制推力的减小。
[0023] (4)优选所述力矩抑制单元是旋转相位控制单元,其控制所述叶片的旋转相位,以便左右的所述海流发电装置主体的各自的所述旋转翼的所述叶片同步进入所述构造物的投影区域。
[0024] (5)优选所述旋转相位控制单元控制所述叶片的旋转相位,以便将左右的所述海流发电装置主体的一个所述旋转翼的所述叶片的旋转相位设为基准相位,另一个所述旋转翼的旋转相位追随所述基准相位并同步。
[0025] (6)或者,优选所述旋转相位控制单元基于预先设定的基准相位,控制左右的所述海流发电装置主体的各自的所述旋转翼的所述叶片的旋转相位。
[0026] (7)优选所述基准相位基于所述发电机的转子的目标转速而设定。
[0027] (8)优选所述推力减小抑制单元具有:叶片旋转区域判断部,判断所述叶片是否进入所述构造物的投影区域;目标旋转控制部,在所述叶片未进入所述构造物的投影区域的情况下,将所述叶片的转速控制为目标转速;以及旋转增加控制部,在所述叶片进入所述构造物的投影区域的情况下,设定旋转增加的叶片的推力减小抑制转速,将所述叶片的转速控制为所述推力减小抑制转速,以便抑制由海流的流速降低引起的推力减小。
[0028] (9)优选所述旋转相位控制单元具有:相位差运算部,对所述基准相位与控制对象的所述叶片的旋转相位的相位差进行运算;角相位差判断部,根据运算出的所述相位差,判断控制对象的所述叶片的旋转相位是否为与所述基准相位同步的同步状态;同步保持控制部,如果判断为是所述同步状态,则保持所述同步状态;以及相位差减少控制部,如果判断为不是所述同步状态,则以减少所述相位差变成所述同步状态的方式进行控制。
[0029] (10)本发明的海中漂浮式海流发电装置的控制方法,该海中漂浮式海流发电装置通过构成为:使通过突出于机舱的外部的旋转翼驱动容纳于所述机舱内的发电机的转子的海流发电装置主体结合于构造物的左右,并可漂浮于海中的双体式的浮体,所述构造物的左右中间部通过系留索卡定于海底而被使用,所述海流发电装置主体采用将所述旋转翼配置于所述机舱的海流方向的下游侧的顺风方式,其特征在于,在所述旋转翼的叶片进入海流方向的上游侧的所述构造物的投影区域时,实施力矩抑制处理,该力矩抑制处理抑制由于随着所述投影区域的海流的流速降低的推力减小而产生于所述浮体的力矩。
[0030] (11)优选所述力矩抑制处理通过如下方式实施:在所述叶片进入所述构造物的投影区域时,抑制所述投影区域的海流的所述推力的减小。
[0031] (12)优选所述推力的减小抑制通过如下方式实施:在所述叶片进入所述构造物的投影区域时,随着所述投影区域的海流的流速降低,使所述旋转翼的转速上升。
[0032] (13)优选所述力矩抑制处理通过如下方式实施:控制所述叶片的旋转相位,以便左右的所述海流发电装置主体的各自的所述旋转翼的所述叶片同步进入所述构造物的投影区域。
[0033] (14)优选所述旋转相位的控制通过如下方式实施:将左右的所述海流发电装置主体的一个所述旋转翼的所述叶片的旋转相位设为基准相位,另一个所述旋转翼的所述叶片的旋转相位追随所述基准相位并同步。
[0034] (15)或者,优选所述旋转相位的控制通过如下方式实施:基于预先设定的基准相位,控制左右的所述海流发电装置主体的各自的所述旋转翼的所述叶片的旋转相位。
[0035] (16)优选所述基准相位基于所述发电机的转子的目标转速而设定。
[0036] (17)优选所述推力的减小控制通过如下方式进行:判断所述叶片是否进入所述构造物的投影区域,如果判断为所述叶片未进入所述构造物的投影区域,则将所述叶片的转速控制为目标转速,在所述叶片进入所述构造物的投影区域的情况下,设定旋转增加的叶片的推力减小抑制转速,将所述叶片的转速控制为所述推力减小抑制转速,以便抑制由海流的流速降低引起的推力减小。
[0037] (18)优选所述旋转相位的控制通过如下方式进行:对所述基准相位与控制对象的所述叶片的旋转相位的相位差进行运算,根据运算出的所述相位差,判断控制对象的所述叶片的旋转相位是否为与所述基准相位同步的同步状态,如果判断为是所述同步状态,则保持所述同步状态,如果判断为不是所述同步状态,则以减少所述相位差变成所述同步状态的方式进行控制。
[0038] 有益效果
[0039] 根据本发明,力矩抑制单元抑制由于随着旋转翼的叶片进入海流方向的上游侧的构造物的投影区域时的海流的流速降低的推力减小而产生于浮体的力矩,因此能抑制由该力矩引起的浮体的周期性振动的产生。当产生该振动时,恐怕会损坏浮体的构造体、叶片、系留索等,但这可避免。
[0040] 作为抑制这样的力矩的具体方法,如果应用对叶片进入构造物的投影区域时的海流的推力的减小本身进行抑制的方法,则可以一边独立地控制左右的旋转翼,一边抑制浮体的周期性振动的产生。在该情况下,例如,如果以随着叶片进入构造物的投影区域时的海流的流速降低使转子旋转翼的转速上升的方式操作,则可以通过与转子旋转翼的转速的上升对应的推力增大来抵消与流速降低对应的推力减小,能可靠地抑制推力的减小本身。
[0041] 此外,作为抑制力矩的具体方法,如果应用如下方法:控制叶片的旋转相位,以便左右的海流发电装置主体的各自的旋转翼的叶片同步进入构造物的投影区域,使左右的推力降低同时产生,则即使在产生了推力减小的状态下也能抑制力矩的产生,能抑制浮体的周期性振动的产生。在该情况下,例如,既可以控制叶片的相位,以便将左右的海流发电装置主体的一个的旋转翼的叶片的旋转相位设为基准相位,另一个的旋转翼的叶片的旋转相位追随该基准相位并同步,也可以基于预先设定的基准相位控制左右的海流发电装置主体的各自的旋转翼的叶片的旋转相位。此外,如果基于发电机的转子的目标转速设定基准相位,则能高效地获得发电量。附图说明
[0042] 图1是表示第一实施方式的海中漂浮式海流发电装置的控制系统的构成图。
[0043] 图2是表示在海中使用的状态下各实施方式的海中漂浮式海流发电装置的构成图。
[0044] 图3是对各实施方式的海中漂浮式海流发电装置的水深方向位置的被动控制(PDC)进行说明的海中的侧视图。
[0045] 图4A、图4B是对第一实施方式的海中漂浮式海流发电装置的力矩抑制控制的原理进行说明的图,图4A是表示推力与流速的关系的图,图4B是表示推力与旋转翼转速的关系的图。
[0046] 图5是对第一实施方式的海中漂浮式海流发电装置的力矩抑制控制的参数进行说明的浮体的主要部分立体图。
[0047] 图6是对第一实施方式的海中漂浮式海流发电装置的力矩抑制控制的参数进行说明的浮体的示意性俯视图。
[0048] 图7是对第一实施方式的海中漂浮式海流发电装置的力矩抑制控制进行说明的流程图
[0049] 图8A、图8B是表示第一实施方式的海中漂浮式海流发电装置的力矩抑制控制的效果的时间图,图8A关于旋转翼的转数(转速),图8B关于推力。
[0050] 图9A、图9B是表示第二实施方式的海中漂浮式海流发电装置的控制系统的图,图9A是表示两个海流发电装置主体的关系的构成图,图9B是表示控制系统的框图
[0051] 图10是表示第二实施方式的海中漂浮式海流发电装置的装备于各海流发电装置主体的液压回路及其周边构成的图。
[0052] 图11是对第二实施方式的海中漂浮式海流发电装置的力矩抑制控制进行说明的流程图。
[0053] 图12是表示第二实施方式的海中漂浮式海流发电装置的力矩抑制控制的效果的时间图。
[0054] 图13是表示第三实施方式的海中漂浮式海流发电装置的控制系统的图。
[0055] 图14是表示背景技术的海中漂浮式海流发电装置的立体图。
[0056] 图15是对海中漂浮式海流发电装置的问题进行说明的海中漂浮式海流发电装置的主要部分立体图。
[0057] 图16A~图16C是对海中漂浮式海流发电装置的问题进行说明的海中漂浮式海流发电装置的俯视图,图16A表示正常状态,图16B表示产生了力矩的状态,图16C表示由力矩的发生而引起的浮体的举动。

具体实施方式

[0058] 以下,参照附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是,以下所示的实施方式终究仅是举例示出,并非意在排除以下实施方式中未明示的各种变形、技术的应用。以下实施方式的各构成在不脱离其主旨的范围可以进行各种变形来实施,并且可以根据需要进行取舍选择,或者可以适当地组合。
[0059] [各实施方式的海中漂浮式海流发电装置的概略构成]
[0060] 首先,当对各实施方式的海中漂浮式海流发电装置的概略构成进行说明时,海中漂浮式海流发电装置的概略与背景技术中说明的(参照图14)相同。重复说明的话,该海中漂浮式海流发电装置构成为浮体1,如图2所示,浮体1采用由两个海流发电装置主体2、2和将它们连接的构造物3构成一个浮体1的双体式。海流发电装置主体2在机舱(也称作吊舱)4内装备发电机9,在该发电机9的转子连接有旋转翼5的旋转轴5A(参照图1、图9B)。
[0061] 机舱4结合于构造物3的左右两端。系留索6的顶端结合于构造物3的左右方向中央,系留索6的底端卡定于海底7a(在该例子中,海底7a的锚重6A)。浮体1在系留索6束缚的范围沿着水平方向以及铅垂方向漂浮于海中。浮体1的浮力左右平衡,浮体1的构造物3形成为与图2中白色箭头所示的海流方向对置的翼形。由此,浮体1以其正面(旋转翼5的正面)正对海流方向的方式根据海流改变方向,从正面接受海流的同时实施发电。
[0062] 此外,各海流发电装置主体2采用将旋转翼5配置于机舱4的后方(海流的下游侧)的顺风方式。如此,通过将旋转翼5配置于机舱4的下游侧,使浮体1的正面(旋转翼5的正面)易于朝向海流方向。在海中漂浮式海流发电装置的情况下,难以安装主动地实施浮体1的方向控制(使转子旋转轴对准海流方向的控制)的驱动装置,因此采用顺风方式,并且设定为:以朝向海流方向的方式形成浮体1的机舱4、构造物3的形状,浮体1的正面方向被动地朝向海流方向。
[0063] 卡定于系留索6的浮体(海中漂浮式海流发电装置)1漂浮于海中,此时,浮体1采取施加于浮体1的海流的作用力Fwf、产生于浮体1的浮力Fb、以及卡定浮体1的系留索6的张力Ft平衡的位置。就是说,对于浮体1而言,浮力Fb作用于铅垂上方,海流的作用力Fwf作用于海流方向(水平方向)、系留索6的张力Ft以与浮力Fb以及海流的作用力Fwf对置的方式发挥作用。
[0064] 因此,如图3所示,如果海流的作用力Fwf弱(就是说,海流的流速Vwf低),则浮体1在海中上升至较浅的深度,如果海流的作用力Fwf强(就是说,海流的流速Vwf′高),则如附图标记1′所示浮体1在海中7下降至较深的深度。此外,对于海流的流速Vwf、Vwf′的深度方向的分布,在海底7a附近越接近海底7a速度越低,越远离海底7a速度越高。
[0065] 因此,在海流的流速提高的情况下,浮体1从图3中实线所示的状态向双点划线以及附图标记1′所示的状态在海中7下降,并在深度方向的流速分布中流速适当降低的深度平衡。此外,虽然未图示,但如果海流的流速比图3中实线所示的状态低,则浮体1从实线所示的状态在海中上升,并在深度方向的流速分布中流速适当提高的深度平衡。如此,也将被动地自动调整构成为浮体1的海中漂浮式海流发电装置的水深方向的位置的控制称作PDC(被动深度控制)。通过该PDC,旋转翼5接受的海流的流速能保持没有余缺的状态,能接受稳定的海流的流速来进行发电。
[0066] 此外,如图1、图2、图9B所示,各海流发电装置主体2在机舱4的后方(海流的下游侧)配置有旋转翼5,在机舱4的内部装备有旋转翼5的旋转轴(主轴)5A、对主轴5A的转速进行增速的增速机8、108、以及接受由增速机8、108增速的旋转力而工作的发电机9。由主轴5A、增速机8、108以及发电机9构成各海流发电装置主体2的传动系统10、110。
[0067] 对于机舱4的外形,前端以及后端由平滑的曲面构成,中间部形成为圆筒状,在机舱4的外形的轴心CL1上配置有主轴5A的轴心。机舱4的外形也可采用纺锤形等其他形状。此外,旋转翼5采用以180°的相位差装备有两个叶片5a的两个翼。旋转翼5的叶片5a的数量并不限定,也可应用三个翼等其他个数的叶片。而且,叶片5a可应用简单且无需维护的固定间隔的叶片。
[0068] 如前所述,在海中漂浮式海流发电装置的情况下,优选浮体1采用双体式,采用将旋转翼5配置于机舱4的后方(海流的下游侧)的顺风方式,但在该情况下,在旋转翼5的叶片5a从构造物3的投影区域(投影力矩区域)通过时,随着海流的速度降低,施加于叶片的海流的推力减小,由于此时的推力的左右不平衡而在浮体1产生力矩(投影力矩)。
[0069] 各实施方式的海中漂浮式海流发电装置均具备控制装置20、120,该控制装置20、120具有抑制由于旋转翼5的叶片5a进入投影力矩区域时的推力减少而在浮体1产生力矩的功能(力矩抑制单元)。在各实施方式中,关于力矩抑制控制的具体构成不同,以下对各实施方式的关于力矩抑制控制的构成进行说明。需要说明的是,该力矩包含滚动、俯仰、偏航的任一方向的力矩。
[0070] [第一实施方式]
[0071] [力矩抑制控制系统的构成]
[0072] 本实施方式的控制装置20抑制叶片5a进入构造物3的投影区域(投影力矩区域)时海流的推力Fth的减小本身,抑制在浮体1产生滚动或俯仰或偏航力矩M,因此具有作为力矩抑制单元的推力减小抑制单元的功能。控制装置20随着海流的流速UC的减小使旋转翼5的转速上升,从而抑制推力的减小。
[0073] 图4A是表示叶片5a以固定转数(转速)ω旋转的情况下从海流接受的推力Fth与海流的流速UC的关系的特性图,在叶片5a以固定转数ω旋转的情况下,海流的流速UC越高,从海流接受的推力Fth越大。图4B是表示叶片5a接受固定流速UC的海流的情况下从海流接受的推力Fth与叶片5a的转数(转速)ω的关系的特性图,在叶片5a接受固定流速UC的海流的情况下,叶片5a的转数ω越高,从海流接受的推力Fth越大。
[0074] 着眼于该特性的话,如果推力Fth因叶片5a接受的海流的流速UC降低而减小,则只要使叶片5a的转数ω上升来增大推力Fth,就能抑制推力Fth的减小。就是说,在叶片5a进入投影力矩区域的期间,叶片5a接受的海流的流速UC降低,因此只要在该期间使叶片5a的转数ω上升,就能通过由叶片5a的转速上升引起的推力Fth的增大来抵消由投影力矩区域中的海流的流速降低引起的推力Fth的减小。
[0075] 如此,为了抑制推力Fth的减小,如图1所示,本实施方式的控制装置20分别具有叶片旋转区域判断部21、目标旋转控制部22、旋转增加控制部23以及传动系统控制部24作为功能元件。需要说明的是,在此,控制装置20单独地设于各海流发电装置主体2,并独立地控制各海流发电装置主体2,但也可以在各海流发电装置主体2共用控制装置20,同时独立地控制各海流发电装置主体2。
[0076] 叶片旋转区域判断部21判断叶片5a是否进入投影力矩区域。具体而言,叶片旋转区域判断部21读取由装备于海流发电装置主体2的叶片旋转角度传感器33以规定的微小周期检测出的叶片5a的旋转角度(相位角度)θB,并判断叶片5a是否进入与投影力矩区域对应的旋转角度区域θ0~θ1。
[0077] 如图5所示,叶片5a的旋转角度θB是从未图示的基准角度向旋转方向位移的角度量,对与投影力矩区域对应的旋转角度区域进行规定的角度θ0、θ1(其中,θ0<θ1)也是来自基准角度的角度量。判断叶片5a的旋转角度θB是否为向投影力矩区域的进入角度θ0与从投影力矩区域的脱离角度θ1之间(θ0≤θB≤θ1)的大小。
[0078] 如果叶片5a的旋转角度θB在投影力矩区域的角度θ0~θ1的范围内(θ0≤θB≤θ1),则判断为叶片5a进入投影力矩区域,如果叶片5a的旋转角度θB在投影力矩区域的角度θ0~θ1的范围外(θB<θ0或者θB>θ1),则判断为叶片5a未进入投影力矩区域。
[0079] 如果通过叶片旋转区域判断部21判断为叶片5a未进入投影力矩区域,则通过目标旋转控制部22控制叶片5a(即、旋转翼5)的转速(以下,也称作叶片转数),如果通过叶片旋转区域判断部21判断为叶片5a进入投影力矩区域,则通过旋转增加控制部23控制叶片转数ω。
[0080] 目标旋转控制部22具有负荷扭矩控制部22a和推力运算部22b。在目标旋转控制部22中,通过负荷扭矩控制部22a,以由装备于海流发电装置主体2的转速传感器31检测出的叶片转数ω为目标转数(目标转速)ω0的方式运算并输出传动系统10的负荷扭矩目标值TDT。为了掌握作用于叶片5a(即、旋转翼5)的推力Fth,在推力运算部22b中始终进行运算。
[0081] 所谓的传动系统10的负荷扭矩TD是指发电机9的发电负荷扭矩,能通过对发电机9的逆变器进行操作来控制负荷扭矩TD。需要说明的是,目标转数ω0预先设定为发电机9能最高效地发电的转数。负荷扭矩控制部22a以如下方式进行控制:如果叶片转数ω比目标转数ω0高,则将负荷扭矩目标值TDT增大规定量(或者,对应于ω与ω0的差分=|ω-ω0|的量),如果叶片转数ω比目标转数ω0低,则将负荷扭矩目标值TDT减小规定量(或者,对应于ω与ω0的差分=|ω-ω0|的量),由此叶片转数ω变为目标转数ω0。
[0082] 推力运算部22b基于由装备于海流发电装置主体2的流速传感器23检测出的浮体1的周围的流速UC、由转速传感器31检测出的叶片转数ω、由叶片旋转角度传感器33检测出的叶片旋转角度θB、以及由装备于海流发电装置主体2的浮体旋转角度传感器34检测出的浮体1的旋转角度θF,使用预先存储的表、映射图或运算式(参照以下算式(1))对推力Fth进行运算。
[0083] Fth=f(UC,ω,θB,θF)……(1)
[0084] 流速传感器32检测浮体1周围(特别是旋转翼5周围)的海流的流速UC。如图6所示,浮体旋转角度传感器34检测浮体1相对于海流方向的方向角度(浮体1的中心线CL0的方向角度)。浮体旋转角度传感器34通过检测相对于浮体1的海流方向来检测浮体1的方向角度。需要说明的是,这些流速传感器32以及浮体旋转角度传感器34可以应用同时检测相对于浮体1的海流方向及其海流流速的海流传感器。此外,如图6所示,在区别左右推力Fth的情况下,将左侧的推力设为FthL、将右侧的推力设为FthR进行区别。
[0085] 旋转增加控制部23具有降低流速运算部23a、转速运算部23b以及负荷扭矩控制部23c。旋转增加控制部23以如下方式控制传动系统10的负荷扭矩TD:对叶片5a进入投影力矩区域时降低的海流的流速UC′进行运算,对使该流速UC′下的推力Fth′与最近一次由目标旋转控制部22的推力运算部22b运算出的推力Fth相等的叶片转数ω′进行运算,使由转速传感器31检测出的叶片转数ω为运算出的叶片转数ω′。
[0086] 就是说,降低流速运算部23a通过使投影力矩系数α与由流速传感器32检测出的流速UC相乘,对叶片5a进入投影力矩区域时的海流的流速UC′进行运算[参照以下算式(2)]。投影力矩系数α取决于构造物3的形状和叶片5a的形状。在此,在投影力矩区域内应用同样的投影力矩系数α,但在投影力矩区域中,在区域边界部分(进入角度θ0、脱离角度θ1的附近)海流的流速UC的降低小,在区域的中央部分(进入角度θ0与脱离角度θ1的中间附近)海流的流速的降低大,因此考虑到这一点,也可以根据叶片旋转角度θB设定投影力矩系数α的值。
[0087] UC′=UC×α……(2)
[0088] 在转速运算部23b中,如上述的算式(1)所示,着眼于推力Fth与海流的流速UC′、叶片转数ω、叶片旋转角度θB、浮体1的旋转角度θF相关这一点,使用表数据等对使推力Fth′与推力Fth相等的叶片转数(推力降低抑制转数或者推力降低抑制转速)ω′进行运算(参照以下算式(3)),其中,所述推力Fth′是作为海流的流速UC′赋予了由降低流速运算部23a运算出的海流的流速UC′的情况下的推力,所述推力Fth是最近一次由目标旋转控制部22的推力运算部22b运算出的推力。
[0089] Fth′=f(UC′,ω′,θB,θF)=Fth……(3)
[0090] 投影力矩区域内的海流的流速UC′比投影力矩区域外的海流的流速UC低,推力Fth降低,因此,为了恢复推力Fth,投影力矩区域内的叶片转数ω′比在投影力矩区域外控制为目标转数ω0的叶片转数ω高(参照图4A、图4B)。
[0091] 在负荷扭矩控制部23c中,以由装备于海流发电装置主体2的转速传感器31检测出的叶片转数ω为推力降低抑制转数ω′的方式运算并输出传动系统10的负荷扭矩目标值TDT。例如,负荷扭矩控制部22a以如下方式进行控制:如果叶片转数ω比推力降低抑制转数ω′高,则使负荷扭矩目标值TDT增大规定量(或者对应于ω与ω0的差分=|ω-ω0|的量),如果叶片转数ω比推力降低抑制转数ω′低,则使负荷扭矩目标值TDT减小规定量(或者对应于ω与ω0的差分=|ω-ω0|的量),由此叶片转数ω变为推力降低抑制转数ω′。
[0092] 其中,叶片5a进入投影力矩区域时的海流的流速UC′是投影力矩区域的中央部分的值,在进入或脱离投影力矩区域时(叶片5a的旋转角度θB接近进入角度θ0或脱离角度θ1的情况下),考虑到海流的流速不会降低到运算值UC′这一点以及避免负荷扭矩TD在控制切换时突变这一点,在负荷扭矩控制部23c中,通过控制增益K进行处理,求出负荷扭矩目标值TDT。
[0093] 传动系统控制部24基于由负荷扭矩控制部22a、23c的任一个运算出的负荷扭矩目标值TDT,控制传动系统10的负荷扭矩(发电负荷扭矩)TD。如果基于由目标旋转控制部22的负荷扭矩控制部22a运算出的负荷扭矩目标值TDT控制负荷扭矩TD,则叶片转数ω控制为发电机9能最高效发电的目标转数ω0。如果基于由旋转增加控制部23的负荷扭矩控制部23c运算出的负荷扭矩目标值TDT控制负荷扭矩TD,则即使叶片5a进入投影力矩区域,叶片转数ω也控制为推力Fth不发生变动的推力降低抑制转数ω′。
[0094] [作用以及效果]
[0095] 由于第一实施方式的海中漂浮式海流发电装置以上述方式构成,因此,例如如图7的流程图所示,通过控制装置20,能实施抑制浮体1产生力矩的力矩抑制控制。需要说明的是,图7的流程图按照规定的控制周期实施。
[0096] 如图7所示,首先,读取推力Fth、海流的流速UC、叶片转数ω、叶片5a的旋转角度θB、以及浮体1的旋转角度θF(步骤A10)。关于推力Fth,读取在最近一次的控制周期中由目标旋转控制部22的推力运算部22b运算并存储的值。关于海流的流速UC、叶片转数ω、叶片5a的旋转角度θB、以及浮体1的旋转角度θF,读取由流速传感器32、转速传感器31、叶片旋转角度传感器33、以及浮体旋转角度传感器34检测出的最近一次的检测值。
[0097] 然后,通过叶片旋转区域判断部21判断叶片5a是否进入投影力矩区域,即判断叶片5a的旋转角度θB是否在投影力矩区域的角度范围θ0~θ1内(θ0≤θB≤θ1)(步骤A20)。在此,如果判断为叶片5a未进入投影力矩区域,则进入步骤A30,如果判断为叶片5a进入投影力矩区域,则进入步骤A50。
[0098] 如果叶片5a在投影力矩区域外(θB<θ0或者θB>θ1),则目标旋转控制部22控制传动系统10的负荷扭矩TD,对推力Fth进行运算。即,在负荷扭矩控制部22a中,以叶片转数ω为目标转数ω0的方式运算并输出传动系统10的负荷扭矩目标值TDT,在传动系统控制部24中,基于运算出的负荷扭矩目标值TDT控制传动系统10的负荷扭矩(步骤A30)。
[0099] 然后,在推力运算部22b中,通过所述算式(1),基于海流的流速UC、叶片转数ω、叶片5a的旋转角度θB、以及浮体1的旋转角度θF,对作用于叶片5a的推力Fth进行运算(步骤A40)。该运算出的推力Fth存储于控制装置20的存储器,并在下一次之后的控制周期中适当利用。
[0100] 另一方面,如果叶片5a在投影力矩区域内(θ0≤θB≤θ1),则旋转增加控制部23控制传动系统10的负荷扭矩TD。就是说,降低流速运算部23a通过使投影力矩系数α与流速UC相乘,对叶片5a进入投影力矩区域时的海流的流速UC′进行运算(上述算式(2))(步骤A50)。在转速运算部23b中,对上述的算式(1)中使推力Fth′与推力Fth相等的叶片转数ω′进行运算,其中,所述推力Fth′是作为海流的流速UC赋予了运算出的流速UC′的情况下的推力,所述推力Fth是最近一次由目标旋转控制部22的推力运算部22b运算出的推力。
[0101] 然后,负荷扭矩控制部23c以叶片转数ω为推力降低抑制转数ω′的方式对传动系统10的负荷扭矩目标值TDT进行运算。其中,进入或脱离投影力矩区域时(叶片5a的旋转角度θB接近进入角度θ0或脱离角度θ1的情况下),考虑到海流的流速不会降低到运算值UC′这一点以及避免负荷扭矩TD在控制切换时突变这一点,通过控制增益K进行处理,求出负荷扭矩目标值TDT。
[0102] 就是说,当叶片5a进入投影力矩区域时,叶片转数ω从目标转数ω0向推力降低抑制转数ω′上升。因此,负荷扭矩目标值TDT从步骤A30运算并设定的值降低。以呈斜坡状进行该降低的方式通过控制增益K进行处理,求出负荷扭矩目标值TDT。需要说明的是,在叶片5a从投影力矩区域脱离时,叶片转数ω从推力降低抑制转数ω′向目标转数ω0减小,因此虽然负荷扭矩目标值TDT增大,但也以呈斜坡状进行该增大的方式通过控制增益K进行处理,求出负荷扭矩目标值TDT。
[0103] 由此,如图8A中实线所示,当叶片5a进入投影力矩区域时,叶片5a的转数ω缓慢上升并达到推力降低抑制转数ω′,当叶片5a从投影力矩区域脱离时,叶片5a的转数ω缓慢下降并返回至目标转数ω0。如图8A中虚线所示,在不实施该控制的情况下,无论叶片5a是否在投影力矩区域内,叶片5a的转数ω都保持为目标转数ω0。
[0104] 在传动系统控制部24中,基于如此运算出的负荷扭矩目标值TDT控制传动系统10的负荷扭矩(步骤A70)。
[0105] 由此,在叶片5a位于投影力矩区域内(θ0≤θB≤θ1)的情况下,作用于叶片5a(旋转翼5)的推力Fth与叶片5a位于投影力矩区域外(θB<θ0或者θB>θ1)的情况下的推力Fth相等,如图8B中实线所示,能抑制推力Fth的减小本身。在不实施该控制的情况下,如图8B中虚线所示,推力Fth减小。
[0106] 如此,进行由叶片5a的转速上升引起的推力Fth的增大,以便抵消由投影力矩区域中的海流的流速降低引起的推力Fth的减小,抑制推力Fth的减小本身,因此能抑制由于推力Fth的减小而在浮体1产生力矩M,能抑制因该力矩而引起的向浮体方向的周期性振动的产生。当产生该振动时,恐怕会损坏浮体1的构造体13、叶片5a、系留索6等,但这可避免。
[0107] [第二实施方式]
[0108] [力矩抑制控制系统的构成]
[0109] 在本实施方式中,控制叶片5a的旋转相位,以便左右的海流发电装置主体2的各自的旋转翼5的叶片5a同步进入构造物3的投影的投影力矩区域,使左右的推力FthL、FthR(参照图6)的下降同时产生,由此来抑制力矩的产生,因此具有作为力矩抑制单元的旋转相位控制单元的功能。特别是,在本实施方式中,如图9A所示,将左右的海流发电装置主体2的一个设为主机,将另一个设为从机,以如下方式控制从机的叶片5a:将主机的旋转翼5的叶片5a的旋转相位设为基准相位,从机的旋转翼5的叶片5a的旋转相位追随该基准相位并同步。
[0110] 因此,如图9B所示,本实施方式的控制装置120具有角相位差运算部121、角相位差判断部122、同步保持控制部123、相位差减少控制部124、以及传动系统控制部125作为功能元件。需要说明的是,在此,将控制装置120设于主机侧,从主机侧输出主信号(控制量),在从机侧进行相位响应,但只要将主机侧的叶片5a的旋转相位设为主体并使从机侧的叶片5a的旋转相位追随主机侧的叶片5a的旋转相位即可,控制装置120本身可以设于从机侧。
[0111] 角相位差运算部121通过以下算式(4)对由分别装备于主机以及从机的海流发电装置主体2的叶片旋转角度传感器33a、33b检测出的主机的叶片旋转角度θm与从机的叶片旋转角度θs之差(相位差)δθ进行运算。
[0112] δθ=θm-θs……(4)
[0113] 角相位差判断部122根据主机的叶片旋转角度θm与从机的叶片旋转角度θs的相位差δθ判断主机的叶片5a与从机的叶片5a是否是同步状态。就是说,判断相位差δθ是否在0或者接近0的微小值的容许值δθ0以内(δθ≤δθ0),如果相位差δθ在容许值δθ0以内,则判断为是同步状态(无相位差),否则判断为是非同步状态(有相位差)。
[0114] 如果通过角相位差判断部122判断为主机的叶片旋转角度θm与从机的叶片旋转角度θs是同步状态,则通过同步保持控制部123进行将从机的叶片5a与主机的叶片5a保持为同步状态的同步保持控制。如果通过角相位差判断部122判断为主机的叶片旋转角度θm与从机的叶片旋转角度θs是非同步状态,则通过相位差减少控制部124进行使从机的叶片旋转角度θs接近主机的叶片5a并同步的相位差减少控制。
[0115] 同步保持控制部123具有负荷扭矩控制部123a。在同步保持控制部123中,以如下方式运算并输出从机的传动系统110的负荷扭矩目标值TDT1:通过负荷扭矩控制部123a,基于由分别装备于主机以及从机的海流发电装置主体2的转速传感器31a、31b检测出的主机的叶片转数ωm以及从机的叶片转数ωs,使从机的叶片转数ωs与主机的叶片转数ω相等。
[0116] 在该情况下,虽然相位差δθ在容许值δθ0以内,但如果产生微小量,则对负荷扭矩目标值TDT1进行增减,以便相位差δθ接近0(从机的叶片转数ωs与主机的叶片转数ωm相等),但在负荷扭矩控制部123a中,通过控制增益K1进行处理,求出负荷扭矩目标值TDT1,以便负荷扭矩目标值TDT1呈斜坡状缓慢地变更。
[0117] 相位差减少控制部124具有从转数运算部124a和负荷扭矩控制部124b。
[0118] 从转数运算部124a对用于使相位差δθ为0的从机的叶片转数的目标值ωs′进行运算。该情况下,在从转数运算部124a中,也通过控制增益K2进行处理,求出叶片转数的目标值ωs′,以便从机的叶片转数ω呈斜坡状缓慢地变更。
[0119] 在负荷扭矩控制部124b中,以如下方式运算并输出从机的传动系统110的负荷扭矩目标值TDT2:基于由转速传感器31a检测出的主机的叶片转数ωm以及由从转数运算部124a运算出的从机的叶片转数的目标值ωs′,使从机的叶片转数ωs与从机的叶片转数的目标值ωs′相等。该情况下,在负荷扭矩控制部123a中,也通过控制增益K1进行处理,求出负荷扭矩目标值TDT2,以便负荷扭矩目标值TDT2呈斜坡状缓慢地变更。
[0120] 传动系统控制部125基于由同步保持控制部123的负荷扭矩控制部123a运算出的负荷扭矩目标值TDT1或者由相位差减少控制部124的负荷扭矩控制部124b的任一个运算出的负荷扭矩目标值TDT2,控制传动系统110的负荷扭矩(发电负荷扭矩)TD。
[0121] 在本实施方式中,传动系统110具备旋转翼5的旋转轴(主轴)5A、对主轴5A的转速进行增速的增速机108、以及接受由增速机108增速的旋转力而工作的发电机9,但在增速机108中应用液压式动力传递机构,通过操作液压式动力传递机构的元件,能变更增速机108的变速比。
[0122] 图10是表示也作为增速机发挥功能的液压式动力传递机构108的液压回路图,液压回路111具备:液压113,在流道112内通过旋转翼5的旋转轴5A驱动;液压达114,接受从液压泵113排出的工作油而旋转;开关115,夹装于从流道112中的液压泵113朝向液压马达114的部分;以及压力传感器116,装备于从流路112的液压泵113朝向液压马达114的部分。
[0123] 液压马达114应用斜盘式液压马达,其通过调整斜盘角,即使输入液压不发生变化也能变更转速,对由转速传感器36检测出的液压马达114的旋转轴5B的转速(转数)进行反馈并利用斜盘角调整部42调整斜盘角,由此能将液压马达114调整为所希望的转速状态。该液压马达114的旋转轴5B连接于发电机9。
[0124] 此外,通过调整液压马达114的斜盘角,能调整液压马达114的负荷扭矩,液压马达114的负荷扭矩能通过由压力传感器116检测出的工作油的压力来掌握。就是说,通过调整液压马达114的斜盘角,能调整传动系统110的负荷扭矩,根据负荷扭矩目标值TDT1、TDT2调整液压马达14的斜盘角,控制传动系统110的负荷扭矩(发电负荷扭矩)TD。
[0125] 需要说明的是,在图10所示的构成中,在旋转翼5的旋转轴5A装备有调速器35和机械制动器41,通过调速器35来稳定旋转翼5的转速,通过机械制动器41能限制旋转翼5的旋转。
[0126] [作用以及效果]
[0127] 由于第二实施方式的海中漂浮式海流发电装置以上述方式构成,因此,例如如图11的流程图所示,通过控制装置120,能实施抑制浮体1产生力矩的力矩抑制控制。需要说明的是,图11的流程图按照规定的控制周期实施。
[0128] 如图11所示,首先,读取由叶片旋转角度传感器33a、33b检测出的主机的叶片旋转角度θm以及从机的叶片旋转角度θs(步骤B10)。然后,通过角相位差运算部121对主机的叶片旋转角度θm与从机的叶片旋转角度θs之差(相位差)δθ进行运算[参照所述算式(4)](步骤B20)。
[0129] 接着,通过角相位差判断部122,将步骤B20中运算出的相位差δθ与预先设定的容许差δθ0比较,判断主机的叶片5a与从机的叶片5a是同步状态(|δθ|≤δθ0)还是非同步状态(步骤B30)。在步骤B30中,如果判断为是同步状态,则通过同步保持控制部123进行同步保持控制(步骤B40),如果判断为是非同步状态,则通过相位差减少控制部124进行相位差减少控制(步骤B50、B60)。
[0130] 在步骤B40的同步保持控制中,以从机的叶片转数ωs与主机的叶片转数ωm相等的方式运算并输出从机的传动系统110的负荷扭矩目标值TDT1。在该情况下,通过控制增益K1进行处理,求出负荷扭矩目标值TDT1,以使负荷扭矩目标值TDT2呈斜坡状缓慢地变更。然后,传动系统控制部125基于该负荷扭矩目标值TDT2来控制传动系统110的负荷扭矩(发电负荷扭矩)TD。
[0131] 在步骤B50、B60的相位差减少控制中,首先,通过从转数运算部124a对用于使相位差δθ为0的从机的叶片转数的目标值ωs′进行运算。该情况下,在从转数运算部124a中,也通过控制增益K2进行处理,求出叶片转数的目标值ωs′(步骤B50),以便从机的叶片转数ωs呈斜坡状缓慢地变更。
[0132] 接着,以如下方式运算并输出从机的传动系统110的负荷扭矩目标值TDT2:通过负荷扭矩控制部124b,基于检测出的主机的叶片转数ωm以及运算出的从机的叶片转数的目标值ωs′,使从机的叶片转数ωs与从机的叶片转数的目标值ωs′相等。该情况下,在负荷扭矩控制部123a中,也通过控制增益K1进行处理,求出负荷扭矩目标值TDT2,以便负荷扭矩目标值TDT2呈斜坡状缓慢地变更。然后,传动系统控制部125基于该负荷扭矩目标值TDT2来控制传动系统110的负荷扭矩(发电负荷扭矩)TD(步骤B60)。
[0133] 图12是表示用于说明相位差减少控制以及同步保持控制的叶片旋转角度(叶片角度)θB的变化的时间图,实线表示主机的叶片旋转角度θB,虚线表示从机的叶片旋转角度θB。如图11所示,如果通过角相位差判断部122判断为是非同步状态,则通过相位差减少控制使从机的叶片旋转角度θB逐渐接近主机的叶片旋转角度θB以消除相位差,之后将同步保持控制保持为无相位差的状态(同步状态)。
[0134] 如此,由于控制为从机的叶片旋转角度θB同步于主机的叶片旋转角度θB,因此,即使叶片5a进入构造物的投影的投影力矩区域,因海流的流速降低而产生推力的减小,在左右的海流发电装置主体2也同时产生推力FthL、FthR的降低,因此即使产生推力的减小也能抑制力矩的产生,能抑制向浮体1方向的周期性振动的产生。当产生该振动时,恐怕会损坏浮体1的构造体13、叶片5a、系留索6等,但这可避免。
[0135] [第三实施方式]
[0136] [力矩抑制控制系统的构成]
[0137] 在本实施方式中,与第二实施方式相同,控制叶片5a的旋转相位,以便左右的海流发电装置主体2的各自的旋转翼5的叶片5a同步进入构造物3的投影的投影力矩区域,使左右的推力降低同时产生,由此来抑制力矩的产生,因此具有作为力矩抑制单元的旋转相位控制单元的功能。在本实施方式中,如图13所示,将海流发电装置主体2均作为从机,主信号(控制量)从另外设置的主机200输出,控制左右的海流发电装置主体2的叶片5a。在从机(左右的海流发电装置主体2)中,通过调整叶片5a的旋转角度的相位对此进行应答。
[0138] 为了分别控制左右的海流发电装置主体2,在主机200装备有与第二实施方式(参照图9B)相同的控制装置120。在各海流发电装置主体2的每一个中,控制装置120具有角相位差运算部121、角相位差判断部122、同步保持控制部123、相位差减少控制部124、以及传动系统控制部125作为功能元件。需要说明的是,控制装置120本身并不限于主机200,也可以设于从机的流发电装置主体2。
[0139] 在主机200存储有作为对从机的各流发电装置主体2的叶片5a(旋转翼5)的旋转相位、转速(转数)进行操作的基准的基准相位。该基准相位根据时间轴来规定叶片5a的旋转角度(相位)的目标值,特别是基准相位基于发电机9的转子的目标转速而设定。发电机9的转子的目标转速根据可高效地获得发电量的理想发电状态求出。
[0140] [作用以及效果]
[0141] 由于第三实施方式的海中漂浮式海流发电装置以上述方式构成,因此,能与第二实施方式的从机同样地控制作为从机的各流发电装置主体2的叶片5a的旋转,能得到与第二实施方式相同的作用以及效果。需要说明的是,各流发电装置主体2的叶片5a的控制能以图11的流程图所示的方式实施。
[0142] 在本实施方式的情况下,即使产生推力的减小,也能抑制力矩的产生,能抑制向浮体1方向的周期性振动的产生,可避免由产生振动引起的损坏浮体1的构造体13、叶片5a、系留索6等,并且用于控制各流发电装置主体2的叶片5a的旋转的基准相位基于发电机9的转子的目标转速而设定,因此还具有如下效果:能使发电机9在理想发电状态下高效地获得发电量。
[0143] [其他]
[0144] 以上对本发明的实施方式进行了说明,在不脱离本发明的主旨的范围能适当变更、组合实施该实施方式。
[0145] 例如,在第二实施方式中,将主机的旋转翼5的叶片5a的旋转相位作为基准相位,但对于该基准相位,也可以与第三实施方式相同,基于发电机9的转子的目标转速(根据可高效地获得发电量的理想发电状态求出)来设定。
[0146] 此外,在第一实施方式中,控制传动系统的负荷扭矩TD并控制叶片5a的转速来抑制推力的减小,但如果无需考虑维护性等,则也可以使叶片5a构成为可变间隔式,通过间隔的变更控制叶片5a的转速来抑制推力的减小。
[0147] 而且,在第一实施方式中,通过液压式动力传递机构108的液压马达114的斜盘控制来控制传动系统的负荷扭矩TD,但可以对液压马达应用斜盘控制以外的能调整负荷的控制,此外也可以不利用液压式动力传递机构,而与第一实施方式相同,通过发电机的发电负荷扭矩控制传动系统的负荷扭矩TD。
[0148] 符号说明
[0149] 1浮体(海中漂浮式海流发电装置)
[0150] 2海流发电装置主体
[0151] 3构造物
[0152] 4机舱(吊舱)
[0153] 5旋转翼
[0154] 5A主轴(旋转翼5的旋转轴)
[0155] 5a叶片
[0156] 6系留索
[0157] 6A锚重
[0158] 7海中
[0159] 7a海底
[0160] 8增速机
[0161] 9发电机
[0162] 10、110传动系统
[0163] 20控制装置(作为力矩抑制单元的推力减小抑制单元)
[0164] 21叶片旋转区域判断部
[0165] 22目标旋转控制部
[0166] 22a负荷扭矩控制部
[0167] 22b推力运算部
[0168] 23旋转增加控制部
[0169] 23a降低流速运算部
[0170] 23b转速运算部
[0171] 22c负荷扭矩控制部
[0172] 24传动系统控制部
[0173] 31、31a、31b转速传感器
[0174] 32流速传感器
[0175] 33、33a、33b叶片旋转角度传感器
[0176] 34浮体旋转角度传感器
[0177] 108作为增速机的液压式动力传递机构
[0178] 111液压回路
[0179] 112流道
[0180] 113液压泵
[0181] 114液压马达
[0182] 115开关阀
[0183] 116压力传感器
[0184] 120控制装置(作为力矩抑制单元的旋转相位控制单元)
[0185] 121角相位差运算部
[0186] 122角相位差判断部
[0187] 123同步保持控制部
[0188] 123a负荷扭矩控制部
[0189] 124相位差减少控制部
[0190] 124a从转数运算部
[0191] 124b负荷扭矩控制部
[0192] 125传动系统控制部
[0193] Fth推力
[0194] Fwf海流的作用力
[0195] Fb浮体1的浮力
[0196] Ft系留索6的张力
[0197] M力矩
[0198] TD负荷扭矩
[0199] TDT、TDT1、TDT2负荷扭矩目标值
[0200] UC海流的流速
[0201] ω叶片5a的转数(转速)
[0202] ω0目标转数(目标转速)
[0203] ω′推力减少抑制转数(推力减少抑制转速)
[0204] θB叶片5a的旋转角度(相位角度)
[0205] θ0~θ1与投影力矩区域对应的旋转角度区域
[0206] θF浮体1的旋转角度
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