(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸水力タービンの形式である水中発電機の運転を制御するためのシステムであって、前記水中発電機は、
発電機と、
選択された方向からの水流に応じて、選択された方向における回転のために前記発電機に動作可能に取り付けられた第１のブレードセットと、
回転のために前記発電機に動作可能に取り付けられ、かつ、前記第１のブレードセットに動作可能に接続された第２のブレードセットであって、前記第１のブレードセットと同軸上に、かつ、その下流又は後流領域内に配置される前記第２のブレードセットと、を含み、
前記発電機は、少なくとも１つの前記ブレードセットによって駆動されるよう適合され、前記第１及び第２のブレードセットの間に概ね同軸上に配置され、
前記システムは、
水中発電機のブレード速度及び流入水流に関連付けられた選択された特性を測定するためのメータ又は装置と、
前記水中発電機の運転の１つ以上の選択された態様を変更するためのドライブと、
中央処理装置（ＣＰＵ）、及び該ＣＰＵに動作可能に接続され、該ＣＰＵによって実行されるように適合されたプログラムを含むメモリを備えるデータ処理装置と、を備え、
前記ＣＰＵ及び／又は前記メモリは、先端速度比（ＴＳＲ又はλ）を計算するために前記メータからの情報を受け取り、計算されたＴＳＲ又はλに応じて、前記水中発電機の前記１つ以上の選択された運転パラメータを変更する命令を前記ドライブに実行するよう動作可能に適合される、システム。
【請求項２】
前記メータは、タコメータ、流量計、電流計、電圧計、電力計、オーム計、ドップラー流速分布計、歪みゲージ、トランスデューサ及び熱電対からなる一群から選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記システムが、トラックベース（track-based）、回転リング（slew-ring）であるタービン又は中心軸型のタービンを含む、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ドライブは、ブレード回転速度を変更するための可変速駆動、海底からのタービンのヨー角度又は高さを変更するための油圧モーター、タービンの速度に影響を与えるタービンへのトルク入力を変更する発電機又はインバータ、及びアラームからなる一群から選択される、請求項１、２又は３に記載のシステム。
【請求項５】
クラッチ又はブレーキ構成が、前記第１のブレードセットを前記第２のブレードセットから切り離すか、又は、選択的に、ロックするように設けられている、請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
連結装置が、前記ブレードセット間に設けられえて、前記第１ブレードセットの方向とは反対の方向に前記第２ブレードセットを駆動する、請求項１から５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
作動中、前記ブレード又はフォイル回転速度が、前記タービン又はシステムと関連して配置される可変速駆動（ＶＳＤ）を使用して前記発電機における電源負荷を変更することによって、変更される、請求項１から６のいずれかに記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、水中発電ユニットの運転を制御するために好適なシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水流から電力を生成することは知られている。しかし、水流から電力を生成するための多くの既知のシステムは、制御が容易でない。送電網に接続し、これに電力を供給するためには、予測可能で制御可能な電力出力を有することが有益である。
【０００３】
特定の場所における水流は、通常は潮が満ち引きする際に予測可能な態様で一般に変動するが、これらの変動で、いくつかの構成要素が特定の方法で無限に可変でないか又は全く可変でない場合、水中発電ユニットから取り出せる電力及び電力を取り出す効率が変化する。また、前線、月又はその他の予期せぬ出来事などによって、予測不能な態様で流れが変わる時もある。これは、水流を振動及び／又は振幅の変動のいずれかについて望ましくない態様で増加させ、その結果、効率又は構成部品が悪影響を受ける。
【０００４】
さらに、水環境は、大小の海洋生物、泥、シルト、生長物（growths）、その他の複雑性要因などの予測不可能な要素を含む。これまでの制御システムは、この種の出力リスク要因に対処できていない。
【０００５】
本発明は、上述の不都合の１つ以上を改善しようとするものである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の態様では、本発明は、水中発電機の運転を制御するためのシステムであって、
水中発電機のブレード又はフォイル速度及び流入水流（inward water flow）と関連付けられた選択された特性を測定又は表示するためのメータと、
水中発電機の運転を変更するためのドライブと、
中央処理装置（ＣＰＵ）を備えるデータ処理装置であって、メモリがＣＰＵに動作可能に接続され、ＣＰＵによって実行されるよう適合されたプログラムを含み、ＣＰＵ及び／又はメモリがメータからの情報を受取り、先端速度比（ＴＳＲ又はλ）を計算し、計算されたＴＳＲ又はλに応じて、水中発電機の運転パラメータを変更する命令をドライブに実装するよう動作可能に適合される、データ処理装置と、を備えるシステムを提供する。
【０００７】
好ましくは、メータは、タコメータ、流量計、電流計、電圧計、電力計、オーム計などを含む、ブレード速度及び流入水流を直接又は間接的に測定又は表示するための好適なメータを含む。
【０００８】
ドライブによって変更される動作パラメータは、ブレードの回転速度を含みうる。
【０００９】
システムの動作においては、最適な電力生成を確実にするため、最小又は所望の速度でロータの回転を開始又は継続するために外部電源及び／又はＶＳＤが使用されることがある。制御システムは、必要があれば、タービンの出力を上げるために、送電網からの電力の引き出しを開始することができる。
【００１０】
好ましくは、システムは、所定の水流速度での電力生成を最適化するようにタービンを制御する。典型的には、流速（flow rate）は約１０ノット未満、約８ノット未満、約６ノット未満又は約１乃至５ノットの間である。水流速度は、潮流、河川流、流出又は大洋中又は海中の流れでありうる。本発明は、約５ノット未満の低流速の環境に設置された水力タービンを制御し、最適な電力又は電気生成を提供することにとりわけ好適である。システムは、約８ノットまでタービンを制御するために使用することができる。
【００１１】
タービンは、トラックベース（track-based）タービン又は回転リング（slew-ring）タービンであってよく、ＷＯ２００５／０２８８５７、ＷＯ２００５／１１９０５２及びＷＯ２００７／０７０９３５（Atlantis Resources Corporation Pte Limited）に開示されているようなものであってよい。
【００１２】
タービンは、トラックベースである場合、１つ以上の発電機を作動させる１つの動力取り出し機又は複数の発電機を作動させる複数の動力取出し機を有しうる。
【００１３】
好ましくは、水流方向、水流に対する相対位置、負荷、トルク、水中での高さ又は位置、ロータブレード又はフォイル揚力、ロータブレード又はフォイル抗力、トルク、電力出力、生成された電気、電源負荷といったアクティビティ及び量を測定するよう、その他のメータが提供される。
【００１４】
好ましくは、更なるメータが提供され、これらは、潜在的又は実際の障害を検出するソナー装置、アクティビティの測定のための流速分布計形式の手段、周囲気温若しくは周囲水温又はモーター温度若しくは油圧オイル温度の測定のための熱電対、タービンのヨー又は線形位置に関する角度又は高さの測定値を受け取るトランスデューサ、潜在的又は実際の障害を検出するための１つ以上の水中又は水上カメラ、タービン速度又は生成された電力、生成された電圧、生成された位相を測定する１つ以上のトランスデューサ、潮汐情報、ヒューズ、接続又はリレーチェックルーチン、及び、これらの組合せを含む。
【００１５】
好ましい実施形態では、ドライブは、ブレードのピッチ角又は迎え角、海底からのタービンのヨー角度又は高さを変更するための油圧モータ、タービンの回転速度に影響を与えるタービンへのトルク入力を変更する発電機又はインバータ、アラーム、及びこれらの１つ以上であり得る。
【００１６】
好ましくは、水中発電機は、中心軸を有するタービン本体と、該中心軸を中心として回転する、タービン本体に取付けられ、複数のブレードを支持する中央ハブを備えるロータとを含み、それぞれのブレードはハブに取付けられたブレード付け根からブレード端に向かって延在しており、さらに、該ロータによって駆動される発電機を含む、中心軸推力タービンの形をしており、これは該ロータを囲み、水流をブレードに誘導するよう適合されたハウジングを含みうる。
【００１７】
好ましくは、発電装置は、
発電機と、
選択された方向からの水流に応じて、選択された方向における回転のために発電機に動作可能に取付けられた、第１のブレードセットと、
回転のために発電機に動作可能に取付けられ、かつ、第１のブレードセットに動作可能に接続された第２のブレードセットと、を含み、第２のブレードセットは、第１のブレードセットと同軸上に、かつ、その下流又は後流領域（wake zone）内に配置され、発電機は、少なくとも１つのブレードセットによって駆動されるよう適合され、第１及び第２のブレードセットの間に概ね同軸上に配置される。
【００１８】
いくつかの構成では、同軸上に配置された第１及び第２のブレードセットは、それぞれ、第１及び第２のロータに取付けられている。この構成では、第１および第２のロータは好ましくは、第２ロータが第１ロータと同じ方向に回転するように、互いに動作可能に連結または結合したロータシャフトを備えるシャフトアセンブリ上に取り付けられる。
【００１９】
他の構成では、第１のブレードセットを第２のブレードセットから切り離すために、クラッチ又はブレーキ構成が設けられている。それゆえ、このような構成では、運転中、第２のブレードセットはブレーキ装置により停止位置でロックされるか又は完全に切り離されて自由に回転することができる。
【００２０】
代替的な構成では、第２のブレードセットを第１のブレードセットの方向とは反対の方向に駆動する連結装置が、ブレードセット間に設けられてもよい。
【００２１】
またさらなる実施形態では、発電機は、ロータシャフトに動作可能に連結された別個の発電機によって駆動されてもよい。発電機シャフトは、ロータシャフトよりも高いまたは低い率で回転するように変速機に動作可能に接続されうる。
【００２２】
しかしながら、第１及び第２のロータは好ましくは、発電機を直接駆動し、それゆえ、共通のロータシャフトに取付けられているため、同じ率で回転する。好ましくは、ロータは、ハブを介して干渉嵌り(interference fit)又はスプライン接続(splined connection)でシャフトに取り付けられる。
【００２３】
好ましくは、一つのブレードセットにつき複数のブレードが設けられる。例えば２から１０の間の好適な任意の数のブレードが設けられてよい。好ましい形式では、一つのブレードセットにつき３つのブレードが設けられる。好ましい構成では、第２のブレードセットのブレードは、第１のブレードセットに対する角度位置に関して互い違いに（staggered）配置されているので、第２セットのブレードは、共通のシャフト上で回転するときに、直接第１セットのブレードによって影になる(shadowed)ことがない。回転方向を選択する際の好ましい要因は、ブレードの配置であり、好ましい実施形態では、ブレードの迎え角は固定であるが、いくつかの実施形態では、ブレードは、ピッチは可変である。
【００２４】
より好ましい形式では、２つのブレードセットは、実質的に同一の形状及びサイズを有する同数のブレードを含む。それゆえ、使用中、１つのブレードセットが他方のブレードセットを覆い隠す（eclipse）。
【００２５】
任意選択的に、１つのロータ上の１つのブレードセットのブレードは、他方のロータのブレードセットのブレードとは異なる形状を有しうるが、どちらのブレードセットのブレードも、その数、長さ、断面及び他の主要な特徴においては同一であることが好ましい。
【００２６】
好ましくは、第１及び第２のロータは、任意の好適な分離距離によって隔てられている。好ましい実施形態では、少なくともブレード同士が隣接するよりも距離を置いて配置されていると考えられる距離である。
【００２７】
好ましくは、ブレードセットは、有効距離だけ離れて配置され、後流フィールド又は後流領域にあり、およそブレードの直径（ｄ）の長さである。試験及びモデリングは、最適な運転のための効果的な分離距離は約０．５ｄから１０ｄの間で変動しうることを示す。
【００２８】
利点として、本発明の好ましい実施形態のモデリング及び試験は、より大きな直径の単一のブレードセットユニットと比較すると、より小さな直径の複数のブレードセットユニットから増可した電力が得られることを示す。これらの実施形態では、コスト／ｋＷＨが著しく低減し得る。
【００２９】
好ましくは、発電装置は、水中及び海中での取付け及び使用に適する。
【００３０】
ロータは、好ましくは、ロータへの抗力を低減させ、乱水流を低減するため、ロータの前部に取付けられるノーズコーンを含む。好ましくは、ノーズコーンは、補助の制御システム又はリザーバなどの補助システム又は主要なシステムのためのスペースを提供するよう空洞である。
【００３１】
単方向性ブレードを含む実施形態及び双方向ブレードの実施形態は、随時迎え角又は流れ方向が変わりうる潮流に対してブレードセットの位置を合わせるための回転システムを含みうる。
【００３２】
それゆえ、一つの実施形態では、少なくとも１つの発電機及び長手方向軸にそって間隔をあけて配置された回転可能に取付けられた上述した２つのブレードセットを備えるタービンヘッドユニットが、タービンヘッドユニットの長手方向軸が潮流又は迎え角の流れと平行であるように、自動又は手動で（電気駆動又は他の手段を介して）実質的に位置合わせするように取付けられる構成である。それゆえ、この実施形態では、タービンヘッドユニットは、パイロンに回転可能に取付けられる。
【００３３】
好ましくは、パイロンは、実質的に垂直であるが、ブレードがロータを中心として回転するときに、ブレードが海底から離すのに十分な選択された距離でパイロンがナセルを海底から離す構成である限り、選択された任意の好適な方向にあってよい。回転装置は、タービンヘッドユニットから離れるか又はタービンヘッドユニットに隣接してパイロン上に配置される。
【００３４】
発電装置は、モジュール式であってよい。すなわち、好適なステージで互いに組み立てられうる離脱可能又は取り外し可能なモジュールの形式であってよい。モジュールは、タービンヘッドユニット、パイロンユニット及び基部又は支持ユニットを含みうる。タービンヘッドユニットは、離脱可能又は取り外し可能にパイロンユニットに取付けられる。さらに、パイロンは、海中又は他の水塊の底にパイロンを支持するための基部又は支持ユニットに離脱可能又は取り外し可能に取付けられる。
【００３５】
好ましくは、発電機は、１つ以上のブレードセット又はロータシャフトに直接接続されている。好ましくは、発電機は、スプライン接続で、各ブレードセットまたはロータシャフトに接続されている。
【００３６】
好ましくは、タービン又はシステムと関連して配置される可変速駆動（ＶＳＤ）を使用して発電機における電源負荷を変更することによって、ブレード又はフォイル速度は変更される。１つの好ましい構成では、ＶＳＤは、発電システムのパイロン又は取付け構造に配置される。ＶＳＤは、負荷又はトルクに影響を与えるために、発電機への電力を制御又はモニタすることが好ましい。
【００３７】
好ましくは、命令は、トルクを増大させること、トルクを減少させること、タービンの方向を変更させること、タービンの高さを変更させること、タービンの向きを変更させること、ブレード又はフォイル角を変更させること、迎え角を変更させること、ドライブ又はＶＳＤ活動を変更させること、発電機を連結すること又は切り離すこと、送電網から電流を引き出すこと、送電網へ電流を送ることなどからなる一群から選択される。
【００３８】
ブレードは、中心軸に垂直な面から約１度乃至２０度の傾きで、ブレード付け根からブレード端へ後方に広がり（splayed）うる。
【００３９】
好ましくは、ブレードは、中心軸に垂直な面から約２度乃至１０度の傾きで、より好ましくは４度から６度の傾きで、ブレード付け根からブレード端へ後方に広がる。さらに好ましくは、ブレードは、中心軸に垂直な面から約５度の傾きで、ブレード付け根からブレード端へ後方に広がる。
【００４０】
ロータは、好ましくは、ロータへの抗力を低減させ、ハウジングへの乱水流を低減するためロータの前部に取付けられるノーズコーンを含む。好ましくは、ノーズコーンは、補助の制御システム又はリザーバなどの補助システム又は主要なシステムのためのスペースを提供するための空洞である。
【００４１】
好ましい実施形態では、発電機はロータと共にハウジングされており、発電機は、ロータの回転から電力を生成するよう適合されている。好ましくは、発電機は、シャフトに直接接続されている。好ましくは、発電機はスプライン接続でシャフトに接続されている。
【００４２】
好ましくは、発電機は、ロータによって直接的に駆動されており、この構成は、多極発電機又は高極発電機などの選択された発電機が要求する入力速度に適しうる。しかしながら、いくつかの構成では、発電機に入力されるシャフトの回転速度が他のタイプの発電機に適する回転速度に変換されるように、変速機をシャフト又は発電機に接続することが好適でありうる。
【００４３】
さらに、任意のブレード形状が好適であり、１度から２０度の角度の下流若しくは後方への傾き又は傾斜(rake)角度が、好適なハウジングを有する中心軸タービンの電力出力を、傾斜角０度（すなわち、傾斜又は傾きがない）の同一のタービンと比較して、向上させることができることが理解されるだろう。ブレードは、翼形、テーパが付けられているか若しくは台形、矩形、平行若しくはねじれていることができる。好ましい実施形態では、翼形の形状は、ＮＡＣＡ４４１２シリーズの断面形状である。
【００４４】
ブレードは、わずかな対称ねじれを有する、断面が対称である双方向ブレードありうる。好ましくは、ねじれは５から３５度の間であり、好ましくは１４度である。
【００４５】
好ましくは、ロータの回転を抑制するため使用されるブレーキが設けられる。好ましくは、ブレーキは、フェイルセーフ機構である。好ましくは、使用中、ブレーキングアクチュエータは、ブレーキ要素に力が印加された場合、作動力に反してブレーキ要素をロータから離れた状態に保つ。使用中、力がブレーキングアクチュエータから取り除かれた場合、バネからの作用力又は他の適切な種類の付勢力を使用する作用力が、ブレーキングアクチュエータの力を克服し、ブレーキ要素をロータに適用することでロータの回転が遅くなるか又は停止する。
【００４６】
好ましくは、ブーツ又はプラグがブレード付け根に備えられ、この領域における干渉抗力を最小化するために間隙若しくはバンプ又はボルト頭部などを覆う。
【００４７】
好ましくは、ハウジングは、ロータの前方の開口からタービン本体に隣接する細いスロートへ流量制限を有する流路を画定する。利点としては、この構成は、流路の制限された部分の流路を流れる液体の速度を、流路の制限されていない部分に対して増加させる。流量制限は好ましくは、流路の一部又は全体を形成しうるベンチュリを備える。特にベンチュリは、流路の両端における開口から流路の内部に向かってテーパがついた中細ベンチュリ（divergent-convergent-divergent venturi）を備えうる。
【００４８】
好ましくは、ハウジングは、ロータに対して実質的に対称である。
【００４９】
ベンチュリは、第１の円錐台形、角錐台形又は角状の本体、任意選択的に円筒形の本体のうち少なくとも１つ、及び、少なくとも１つの第２の円錐台形、角錐台形又は角状の本体を備えうる。
【００５０】
好ましい実施形態では、ハウジングは、ロータの後方に延在し、ディフューザとして機能し、ハウジングは、スロートからロータ後方の後部開口に向かって広がる。
【００５１】
好ましくは、ロータは少なくとも２つのブレードを支持する。さらに好ましくは、タービンは、３又は６つのブレードを有する。しかし、２、３、４、５、６又はこれ以上の任意の数のブレードをタービンで使用することができることが理解されるだろう。
【００５２】
第２の態様では、本発明は、水流に応じて動く複数のブレード又はフォイルを有する水中発電機の運転を制御するための方法であって、
水中発電機のブレード又はフォイル速度及び流入水流と関連付けられた発電機又は周囲水流の選択された特性を測定するステップと、
先端速度比（ＴＳＲ又はλ）を計算するために測定値を処理するステップと、
計算されたＴＳＲ又はλに応じて、ブレード又はフォイル速度を変更するようドライブに命令するステップと、を含む方法を提供する。
【００５３】
第３の態様では、本発明は、水力タービンの運転を制御するためのデータ処理装置であって、
中央処理装置（ＣＰＵ）と、
ＣＰＵ動作可能に接続されたメモリであり、ＣＰＵによって実行されるよう適合されたプログラムを含むメモリと、を備え、ＣＰＵとメモリが、水中発電機のブレード速度及び流入水流と関連付けられた選択された特性を測定又は表示するためのメータから情報を受取り、先端速度比（ＴＳＲ）を計算し、ブレード又はフォイルの速度を変更する命令をドライブに送信するよう動作可能に適合される、データ処理装置を提供する。
【００５４】
好ましくは、データ処理装置は、タービンの運転に影響する活動に関する受信された情報、タービンの出力又は運転に関する受信された情報及び／又はタービンの出力又は運転に関する情報をさらに記憶する。
【００５５】
好ましくは、データ処理装置は、プログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）である。
【００５６】
第４の態様では、本発明は、水中発電機の運転を制御するためのデータ処理装置であって、
中央処理装置（ＣＰＵ）及びＣＰＵに動作可能に接続されたメモリを含む中央制御装置と、
水中発電機のブレード又はフォイル速度及び流入水流と関連付けられた選択された特性を測定又は表示するためのメータからの情報を伝搬するため、中央制御装置と通信するよう適合された少なくとも１つの端末とを備え、
中央制御装置内のメモリが、タコメータ出力及び流量計出力に関する情報の受信、先端速度比（ＴＳＲ又はλ）の計算、及び計算されたＴＳＲ又はλに応じて、ブレード速度を変更する命令の端末への送信のために、ＣＰＵによって実行されるよう適合されたプログラムを含む、データ処理装置を提供する。
【００５７】
好ましくは、装置は、各端末が、個々のタービン又はタービンの集合と通信している複数の端末を備える。
【００５８】
好ましくは、中央制御装置は、複数のタービンの運転に関する受信された情報をさらに記憶する。
【００５９】
中央制御装置は、端末に配線で接続されてもよく、又は、電話、無線などによって遠隔アクセスされてもよい。
【００６０】
第５の態様では、本発明は、コンピュータの助力を得て、水中発電機の運転を制御するための方法であって、
水中発電機のブレード速度及び流入水流と関連付けられた選択された特性を測定するためのメータから情報を受け取ることと、
先端速度比（ＴＳＲ又はλ）を計算するために受け取った情報を分析することと、
計算されたＴＳＲ又はλに基づき、ブレード速度を変更するようドライブに命令を送信することと、を含む、方法を提供する。
【００６１】
第６の態様では、本発明は、プログラマブル装置を表現するデータがエンコードされたコンピュータ可読メモリであって、
水中発電機のブレード速度及び流入水流と関連付けられた選択された特性を測定又は表示するためのメータから情報を受け取るための手段と、
先端速度比（ＴＳＲ又はλ）を計算するために受け取った情報を分析するための手段と、
計算されたＴＳＲ又はλに基づき、ブレード速度を変更する命令をドライブに送信するための手段と、
を備える、コンピュータ可読メモリを提供する。
【００６２】
第７の態様では、本発明は、プログラマブル装置に、
水中発電機のブレード速度及び流入水流と関連付けられた選択された特性を測定又は表示するためのメータから情報を受け取らせ、
先端速度比（ＴＳＲ又はλ）を計算するために受け取った情報を分析させ、
計算されたＴＳＲ又はλに基づき、ブレード速度を変更する命令を送信させる、
コンピュータプログラムコードを備えるコンピュータプログラム要素を提供する。
【００６３】
第８の態様では、本発明は、水流から電力を生成する方法であって、
水中発電機を、水流を有する領域に設置することと、
本発明の第１又は第２の態様に従う水中発電機の運転を制御するためのシステムを水中発電機のために提供することと、
水流が水中発電機を回転させることを可能にすることと、
水中発電機から電気を生成するため、制御システムを使用して、水中発電機の電力出力を変更することと
を含む、方法を提供する。
【００６４】
本明細書を通して、文脈が別途指示しない限り、「含む（comprising）」又は「含む（comprises）」、「含んでいる（comprising）」などの変形は、述べられた要素、整数、ステップ、又は要素、整数若しくはステップのグループの包括を示すものであり、他の要素、整数又はステップ又は要素、整数若しくはステップのグループを除外するものではないことが理解されよう。
【００６５】
本明細書に含まれている文書、行為、素材、装置、物品その他の議論は、本発明のコンテクストを提供する目的のためのみになされる。これらの事項のいずれか又は全てが、本明細書に開示される本発明の優先日以前にオーストラリアに存在する、先行技術の基礎の一部をなすか、又は本発明にかかる技術分野における常識であることを容認するものと理解されるものでない。
【００６６】
本発明がより明確に理解されるよう、以下の図面と例を参照して、好ましい実施形態が記述される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施形態形による水力タービンのための制御システムを示す概略図である。
【図２】図２は、本発明の好ましい実施形態による、水力タービンのための別の制御システムを示す概略図である。
【図３】図３は、本発明の好ましい一実施形態の制御システムの構成要素を示す概略図である。
【図４】図４は、本発明の好ましい実施形態の制御システムの構成要素を示す概略図である。
【図５】図５は、処理システムの構成要素を示す概略図である。
【図６】図６は、本発明の好ましい実施形態と共に使用するのに適した好適な水中発電機の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
水中発電システムは、典型的には、多数のブレード又はフォイルを有するタービンを備える。システムは、通常、電力を生成するために発電機又はポンプなどの電力抽出装置を含み、水圧又は揚力の影響下でのブレード又はフォイルの回転又は運動が、電力抽出装置を介して電力の生成を引き起こす。最も単純な形式では、タービンの運動率又は回転率は、タービンを通り越すか又はタービンを通る水の運動又は流速に比例する。流速が低すぎる場合、タービンは機能せず、電力が生成されない。同様に、流速が不規則又は一貫性がない場合には、電力生成率も不規則になるか又は一貫性がなくなる。
【００６９】
本発明の好ましい実施形態に係る水力タービンの運転を制御するためのシステムの例を図１に示す。水中発電機４０は、送電網７０に接続されており、電気を生成すること、及び、リンク６０を介して送電網７０に電気を伝送することが可能である。水中発電機又はタービン４０は、水の運動の影響下でも動作可能である好適な構成のいずれであってもよい。例としては、本明細書に記載する中心軸タービン及びＷＯ２００５／０２８８５７、ＷＯ２００５／１１９０５２及びＷＯ２００７／０７０９３５（Atlantis Resources Corporation Pte Limited）に開示されるようなトラックベースタービン並びに回転リングタービンを含むがこれらに限定されない。
【００７０】
本発明の好ましい実施形態では、複数のブレードがタービン４０と関連付けられており、これらのブレードは、迎え角又はピッチが多様であってよいが、システムの製造の単純化及び信頼性の増大のために、所定の位置に（ピッチ又は迎え角に関して）固定されることが好ましいことに留意されたい。それゆえ、運転効率は他の方法では容易に影響を受けないので、本発明の好ましい実施形態形の制御システムは重要である。
【００７１】
タービン４０の運転は、多数のメータ２２、２４、２６、２８からの情報を受け取り処理する制御システム３０によって実行される。メータ２２、２４、２６、２８の例は、流量計、水流方向計、タービン負荷又は出力を測定するための電流計及び電圧計、タービン速度及び／又はブレード速度を測定するためのタコメータ、タービンのブレード又はフォイルの迎え角などを測定するためのトランスデューサなどを含む。ブレード速度は、発電機、タービン、ハブ又は他の機械に配置される電流計、電圧計、電力計又はオーム計を含む多様な手段によって測定又は表示されうることに留意されたい。測定を行う特定のメータ又は装置は、タービン４０の周辺環境に配置されることができ、これらの測定値又は情報を制御システムにリレーすることができる。装置又はメータ２２、２４、２６、２８からの情報は、制御システム３０に与えられ、タービン４０の出力は、処理された情報に基づき制御される。所与の環境で情報が処理されること、及びタービン４０に送られた信号又は命令がタービンの出力を最適化することを可能にする特定のソフトウェアが、開発されてきた。
【００７２】
特に、ソフトウェアは、タコメータ及び流量計又は他のメータ（タービン又は発電機又はロータに関連付けられた電流計又は電圧計など）から情報を取得し、先端速度比（ＴＳＲ又はλ）を計算する。ＴＳＲは、水流速度に対するブレードの先端速度の比である。ブレードの回転（中心軸タービンの場合）又は（例えばトラックに沿う）移動が遅すぎる場合、水のエネルギを利用することなく水の大部分はブレードを通過する。ブレードの回転又は移動が速すぎる場合、ブレードが、ブレードを通過した水流を妨げ、それゆえ、水のエネルギを効率よく利用することができない。本発明の発明者らは、ＴＳＲを計算し、水中発電機のために選択された範囲に水流量（flow-by quantity）を維持することが、流速の幅広い範囲にわたり発電機の効率を向上させることを発見した。ＴＳＲは、中心軸水力タービンのためのブレード数を含む様々な要因に従い変動するが、３翼の水中タービンに対して２から６、好ましくは４．２であることが想定される。
【００７３】
１つの例では、好ましい制御システム３０は、最適な電力出力を提供するように、タービンのモーター／発電機ユニットの回転速度を制御するよう適合された可変速駆動（ＶＳＤ）の形式のドライブを含むタービン４０と関連付けられたプログラマブル論理制御（ＰＬＣ）を有する。所与の水流速について最適な電力出力が維持されるように、ＰＬＣは、ＶＳＤを使用してタービン４０の運転速度及びトルクを調整するよう適合される。
【００７４】
システムは、流速が低い場合にタービンの回転を開始又は増大させるため、又は、入力が高い又は低い状況下でのタービンの回転に対する抵抗を克服するために、キック始動機能をさらに含みうる。
【００７５】
図２は、図１のシステムに類似しているが、タービン４０についての外部ドライブ又は変更手段５２及び５４の他の例をさらに含む構成を示す。変更手段５２及び５４の例は、水流方向に対してタービン４０の位置決め、タービン４０の高さ又は深さの調節、タービン４０のロータブレード又はフォイルの速度の変更、タービン４０に印加される電力負荷又はトルクの変更のため装置及びドライブを含む。上述したとおり、可変速駆動（ＶＳＤ）は、最適なＴＳＲに対して計算されたＴＳＲに概ね基づき、電力生成を最適化するために、所望の運動を維持するようタービン４０にトルク又は反トルクを印加するために使用されることができる。
【００７６】
例えばトラックベースのシステムなどの、水流方向に関する特定の位置決めを要するタービンについては、変更手段は、水流方向に対してタービン４０をフォーカスするか又は向ける回転構成（slewing arrangement）でありうる。
【００７７】
システムは、流速が低い場合にタービンの回転を開始又は増大させるため、又は、入力が高い又は低い状況下でタービンの回転に対する抵抗を克服するために、キック始動機能をさらに含みうる。この場合、モーター構成によりタービン４０を回転させるために、送信網７０から電力が引かれる。いくつかの形式の発電機は、タービン４０の回転から電力を生成することができるが、送電網７０から受け取った電力によりタービン４０を回転させるモーターとしても使用することができる。制御システム３０は、要求に応じて、発電機への又は発電機からの電力供給を制御することができる。
【００７８】
制御システム３０は、システム１０に近接して配置され、装置若しくはメータ又は測定手段２２、２４、２６、２８、ドライブ又は変更手段５２、５４及びタービン４０に配線接続されることができる。代替的には、制御システム３０は、無線ネットワーク又はインターネットなどの他の通信ネットワークによって遠隔通信されることができる。制御システム３０は、単一のタービンを制御することができるか、又は、水力タービンファームにある一連のタービンを操作することができる。
【００７９】
制御システム３０は、分散アーキテクチャを含む処理システム５０を含み、後者の例が図３、図４及び図５に示されている。本例では、ベースステーション１は、例えばインターネット、有線／ワイヤレス（wireless）及び／又は無線（radio）ネットワークなどの通信ネットワーク２を介して、及び／又は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）４などの通信ネットワーク４を介して多数のエンドステーション３及び５に接続されている。それゆえ、ＬＡＮ４が特定の位置で内部ネットワークを形成しうることが理解されよう。
【００８０】
使用中、処理システム５０は、少なくともメータ２２乃至２６及び／又はウェブサイト又は制御入力などの他の手段からの情報を受け取り、ユーザ又はコントローラの端末の形式であるエンドステーション３、５にこれを供給するよう適合されている。そのエンドステーション５又はエンドステーション５のそれぞれは、ベースステーション１に情報を提供するように適合されている。
【００８１】
したがって、好適な処理システム５０のいかなる形態が使用されてもよい。一例が図３に示される。本例では、処理システム５０は、図示されるとおり、バス１１を介して共に連結されるプロセッサ６、メモリ７、例えばキーボード及びディスプレイなどの入力／出力装置８、及び外部インターフェース９を少なくとも含む。
【００８２】
したがって、処理システム５０が例えば適切にプログラムされたＰＣ、ＰＬＣ、インターネット端末、ラップトップ、ハンドヘルドＰＣなどの、通常はデータ転送を、ある場合にはウェブブラウザを可能にするアプリケーションソフトウェアを実行する任意の好適な処理システムから形成されうることが理解できよう。
【００８３】
同様にそのエンドステーション３又はエンドステーション３のそれぞれは、ベースステーション１に位置する処理システム５０と通信するよう適合されなくてはならない。このことにより、多様な形態のエンドステーション３が使用可能となる、ということが理解できよう。
【００８４】
好ましい実施形態は、運転の３つのバンドがあるように運転される。
【００８５】
まず、バンド１は、ブレードを通過する水流が遅すぎるため、タービンを運転するに値しないバンドである。一般的に言えば、このバンドでは、水流量計によって測定される水流が１ノットより低い。タコメータ及び流量計からの出力を測定し、これらの数値をＣＰＵを用いて処理してＴＳＲを得て、これを最適ＴＳＲと比較することが可能であることに留意されたい。このように低い流速では、最適ＴＳＲは、算出されたものよりも高いことが多い。ついで、ＶＳＤが、ハブの回転又はブレード速度を増加させるために使用されうるが、回転又はブレード速度を増加させるために要するエネルギは、生成されるエネルギよりも大きいだろう。それゆえ、バンド１では、発電機がタービンから切断されているか、若しくはブレーキが適用さてれるか、又はブレードを有するロータが取付けられたタービン本体が、水流から外れるように迎え角を変更するように、回転するか又は向きが変えられうる（yawed）。
【００８６】
バンド２は、タービンが運転されるバンドである。一般的に言えば、このバンドでは、流量計は、１−８ノットを示す。このバンドでは、上述したとおりタービンを運転するために同じステップが取られるが、ＶＳＤは、ＴＳＲがシステムにとっての最適比に最も近くなるまでブレードの速度を増加又は減少させる。つまり、このバンドでは、ＶＳＤは、システムの効率を向上し、この向上のためのエネルギコストは、ＶＳＤがブレード速度を増加させなくてはならないか又は減少させなくてはならないかにかかわらず、生成されたエネルギ又は生成されたエネルギの増加量よりも少ない。
【００８７】
バンド３は、流量計が例えば８−１５ノットを示す場合の運転のバンドである。ＶＳＤが採用され、ブレードの速度を減少させることによってシステムの効率を減少させる。この状況では、システムは、効率の観点では貧弱な動作で駆動されている。これは、もしシステムがこの測定値でうまく動作するならば、ブレード及び関連付けられたタービンが、定格以上の電力を出力するよう強制することによって発電機を実際に破壊しうるからである。
【００８８】
例えば１５ノットを超える流れについては、緊急ブレーキが適用され全ての構成要素への破損の可能性を低減させる。
【００８９】
メータ又は入力２２、２４、２６、２８は、カメラ、又はソナーといった他の検出手段及び本明細書に記載される入力も含みうる。ソナー並びに水中及び水上カメラを使用することができ、これらの出力は、通信ネットワークを介して遠隔モニタされることができる。このようにして、ある種の障害は、適切な態様で遠隔からタービンを停止させるか、タービンの動作を変更させることができるオペレータ又はコンピュータによって検出されることができる。検出手段、ソナー又はカメラはまた、アラーム及び緊急自動停止に接続されてもよい。潜在的障害が、自動的に検出されることができ、ついで制御システム３０が、応答してある他の装置を自動的に起動することができるよう、例えば、形状認識ソフトウェアなどのソフトウェアが使用されてもよい。ある状況では、アラームの作動、又はタービン４０の運転速度又は角度若しくは高さの変化といったある潜在的危険要因に応答して、その潜在的又は実際の障害が取り除かれるか又は消失するまで、制御システム３０によって措置が取られることができる。このとき、障害が存在しないことも、カメラ若しくはソナー又は他の検出手段によって検出され、タービン４０は、自動的に起動し、電力生成を再開することができる。
【００９０】
さらに、カメラの映像又はソナーの事象は、メモリによって記憶することができる。データ記憶の効率を高めるために、障害の前後の選択された期間は、後の検査のためにメモリ内に残されるが、事象が発生しない他の期間はメモリから削除されうる。
【００９１】
入力２２、２４、２６、２８はまた、ドップラー流速分布計（ＡＤＣＰ）の形式の流速分布計も含み、これは、以下の情報を制御システム３０に報告する。
流速度の１０層の水流（10 laminar water layers）
流方向の１０層の水流（10 laminar water layers）
平均流速度
平均水流方向
潮流の深さ
【００９２】
上述の情報は、ＳＱＬサーバデータベースに記録される。
【００９３】
ＡＤＣＰは、ＰＬＣ制御システムと一体化され、それらの出力は、プロセッサで使用され、それにより、ＰＬＣ制御システムが、起動信号を通して、油圧モーターなどの要素を起動させ、それにより、出力を最適化するようタービン３０の高さ又はヨー角度が変更されうる。電力出力を最適化するため、潮流の方向が反転した場合、制御システムは、メジャームーブメント（Major movement）（１８０度回転）として知られるものを行い、潮流が、数度だけ方向を変えた場合、制御システムは、マイナームーブメント（Minor movement）として知られるものを行う。
【００９４】
制御システムはまた、全ての出力へのアクセスを確実に保つ。制御システムへのアクセスは、パスワード保護されており、これは、通信ネットワークが、インターネット又はその他の衛星による通信装置が配置されるあらゆる場所からのアクセスを促進するので、好ましい実施形態において有益である。
【００９５】
制御システム３０は、送電網７０に入る電力の位相角及び振幅を制御するために、多様な装置、ヒューズ、及びスイッチについてのリレーへのＰＬＣリンクを含む多様なレベルの電力をモニタし制御し、また、高電圧出力を制御及びモニタする。
【００９６】
信頼性を高めるために、２４Ｖ回路が、演算回路、ＵＰＳ、センサ及びＩ／Ｏ制御において使用されることが好ましい。さらに、冗長電源が制御システム３０に設置されている。各電源は、ダイオードモジュールに接続され、電源のうち1つの電源が故障するか又は欠陥がある場合、この欠陥状態は、ダイオードモジュールで阻止され、他の電源が作動し続けることが可能となる。各電源は、ＰＬＣＩ／Ｏに接触配線されている故障信号伝達を有するので、故障の通知が検出され修復される。
【００９７】
ヒューズは、ＰＬＣ出力によって遠隔からリセットされることができる。このことは、ヒューズが、通常、沖合の遠隔位置にあるパイロン上のキャビネット又はタービン又は生成ユニット（generating unit）に隣接するナセルに位置するので、好ましい実施形態において有益である。
【００９８】
電源は、ソーラーパネル又はタービン４０からの潮力を利用する（tapping）などの他の方法によって充電ができる電池の形式で備えられる。
【００９９】
制御システムは、要請があれば、潮流、潮の角度、生成された電力、事象記録に関連する報告の生成も行う。
【０１００】
ＰＬＣに接続される他の測定手段は、浸水モータチャンバ検出器、モーター温度用熱電対、空気温度用熱電対、タービン用タコメータ、モータートルク、振動数、電圧、電流、電力、ＲＰＭを測定するための装置を含む。ＰＬＣはまた、パイロンに沿って、及びパイロンの周りにタービンを動かす油圧モーターにも接続される。位置決め測定装置もまた、正確な読み取り及び位置決めが得られるよう、接続される。
【０１０１】
発電からのデータ、トルク設定のマニュアルオーバーライド、タービン４０の高さ及び角度のマニュアルオーバーライド、実時間の発電統計のビュー、発電の従前の期間のビュー、カメラ画像のビュー、潮汐表のビュー、実時間の潮汐層流（tidal laminae）、アラーム記録の情報及び機能を、全世界のユーザ又は制御装置位置にも提供するように、ソフトウェアはグラフィカルインターフェースを提供する。
【０１０２】
この制御システムは任意の好適な種類の水中発電機と共に使用されることが可能である。しかしながら、理解を深める目的のため、これ以降は、１つの適切な発電装置を説明する。上述した制御システムと共に使用するために多様な異なる種類の水中発電機が考えられ、好適であることが理解されるべきである。
【０１０３】
１１０として示される水中発電機は、長手方向中心軸１１１を有するタービンヘッドユニット１０５を含み、発電装置１１０の第１端１１３に配置され、入射水流に応じて回転するために回転可能に取り付けられた第１のブレードセット又はロータ１１２及び同様に回転可能に取り付けられた、発電装置１１０の第２端における第２のブレードセット又はロータ１１４を備えるタービンをさらに備える。発電機１３４は、第１及び第２のブレードセットの間に配置される。発電装置１１０は、一般に、長手方向中心軸１１１が、水流方向と平行な方向に延在するように設置される。
【０１０４】
使用中、第２のロータ１１４は、第１のロータ１１２に対して下流位置に配置される。さらに、第２のロータ１１４は、第１のロータ１１２と同軸上で直接的に下流に、かつ、第１のロータ１１２の後流領域（wake zone）に配置される。
【０１０５】
第１及び第２のブレードセット又はロータ１１２、１１４は、これに一体化される又は取付けられたブレード構成又はブレードセット１１６を含み、複数のブレード１１８を備える。ブレード１１８は、任意のタイプのブレードであってよく、ある構成では、ブレード１１８は、（図６に示すとおり）単方向性である。これらのブレードは、上述したとおり、高い度数のねじれを示す。図６に示すロータは、図示されるとおりブレードセットが各端において外側を向くか又は１つが内側を向くように使用されうる。代替的には、ブレードのピッチは、可変であり、完全に可逆である。
【０１０６】
しかしながら、ブレード１１８は、好ましくは、いずれの側面から水がブレードに当たる場合でも、ブレードが同様に機能することができるように、ブレード１１８は双方向性である（全ての図を参照。また、図６に詳細が示される）。
【０１０７】
作動中、後流領域は、乱流領域であるが、第２のブレードセットは、後流領域から利用されるエネルギの効率を高めるために有利に使用されうる。しかしながら、逆流に設置された場合、生成装置１１０は、第１及び第１のブレードセットの両方が、上流のブレードセットであるよう適合されるように構成される。単方向ブレードである場合、この構成は、ブレードが互いに対して逆に取付けられるような構成でありうる。それゆえ、ある構成では、上述したとおりブレードは、それぞれのブレードが発電機に向かって選択された傾斜角で傾くような構成である。このような場合、ブレードセットは後方に効率的に動くと、発電機械全体の効率が向上しないため、後縁ブレードセットは固定されるか、自由に回転するようになる。しかし、第２のブレードセットが常に下流ブレードセットとして設計され、それゆえ上流ブレードセットに同様に配置されるように、両方のブレードセットは構成される（つまり、傾斜（rake）の場合であって、これが最も効果的である場合、どちらの傾斜も互いに対応する角度にある。すなわち、両者は同じ方向に傾斜する）ことも可能であり、考えられる。後者の構成では、回転タービンヘッドが必要となる。
【０１０８】
ブレード１１８は各ロータの上に取り付けられ、等角間隔でロータを中心として配置される。各ロータにつき３つのブレード１１８が設けられている。使用中、１つのブレードがもう一方のブレードの影にならないように(shadowed)、ロータが共通のシャフト（図示せず）上に取り付けられる場合、第２ロータ１１４上のブレード１１８は、第１ロータ１１２上のブレードに対して互い違いの位置になるように配置される。
【０１０９】
ロータ１１２、１１４は上述したように共通のシャフト上に取り付けられるか、別個の又は動作可能に結合したシャフト上に取り付けられうる。シャフトは、効率向上のために必要であれば、第１のロータ１１２に対する第２のロータ１１４の相対速度を増大又は低減するために、変速機により結合され得る。しかし、図示されるロータ１１２、１１４は、タービン１１０の好ましい実施形態において使用され、干渉嵌り又はスプライン接続（図示せず）により同一のシャフト上に取付けられているが、いずれの場合又はいかなる場合でも、ロータ１１２、１１４の回転速度を互いに共通に固定し、ロータ１１２と１１４との間のブレード１１８の角度の互い違いを維持している。
【０１１０】
ブレードセット又はロータ１１２、１１４は、１つのブレードセットがもう一方に対して自由に回転するように選択的に切り離され、１つのブレードセット又は他方を選択的にロックするためにブレーキが設けられうる。２つのブレードセット又はロータが、互いに反対方向に回転するように動作可能に接続することも可能である。
【０１１１】
発電装置１１０には回転ユニット（図示せず）が設けられ、ユニットを１８０度まで回転させることが可能であり、これはタービン１０に単方向ブレード１１８が設置される場合により有益であるが、双方向ブレード１１８がはめられる場合も役に立つ。例えば、効率向上のために、サイクル間又はサイクル中に数度移動し得る水流又は海流に中心軸を位置合わせするために、中心軸が例えば４５度まで数度移動し得るように、発電装置１１０は回りうる。
【０１１２】
第１及び第２ブレードセット又はロータ１１２、１１４は、適した下流距離で離れており、これまでの試験ではブレード１１８の直径（ｄ）とほぼ同じ距離であると示される。他の下流分離距離はモデリングされており、分離距離が約０．１ｄから１０ｄの間であると、有用な効率性が得られる。
【０１１３】
ノーズコーン１３０は、流れ付着を促進又は補助するために設けられている。
【０１１４】
発電装置１１０は、発電機１３４を含むタービンヘッドユニット１０５が取り付けられているパイロン１３２を含みうる。パイロン１３２は、パイロンにかかる水流圧を低減させるために流線形でありうる。パイロン１３２は、タービンヘッドユニット１０５を解放可能に支持するために、解放可能な台を含みうる。パイロン１３２は、ベースプラットホーム形式であり、海底に基部を安定させるために捨石、コンクリート又は他の塊を受け取るための凹みを含む支持基部に、パイロンの底が解放可能に取り付けられうる。
【０１１５】
本発明者は、例えば上述したような水力タービン及び単一のパイロン上に１つのブレードセットを有するタービンの電力出力を大々的にモデリングしており、この情報に基づき、好適な制御システム１０を開発した。環境因子のわずかな又は微妙な操作であっても、低水流速からも最適な電力生成を可能にすることがわかっている。所与の流速及びタービンの種類についての設定点を計算することができるので、制御システム１０は、その流速における出力を最大化するためにタービンの速度を維持するようプログラムされることができる。
【０１１６】
本発明の好ましい実施形態は、送電網に接続されたトラックベース水力タービンの発電の制御及び最適化に成功するよう、本出願人によって使用された。
【０１１７】
広範に記載された本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、多数の変形及び／又は変更が、特定の実施形態において示された発明になされうることが当業者には理解されよう。本発明の実施形態は、それゆえ、あらゆる面で、例示的であり、制限的でないと理解される。
【図１】
0005613761.tif 000002
【図２】
0005613761.tif 000003
【図３】
0005613761.tif 000004
【図４】
0005613761.tif 000005
【図５】
0005613761.tif 000006
【図６】
0005613761.tif 000007