(57)【要約】【課題】暴風雨等のような極端な現象により起こり得る著しく上昇した流体流速度下で水力発電タービンに対して物理的又は電気的な保護を与える。【解決手段】ロータを横切る流体流によって加えられる軸方向の推力に対抗する推力を発生させるため、水力発電タービンのロータを能動的に駆動するために、水力発電タービンを発電機としての動作からモータとしての動作に切り換える。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、前記ロータの回転に応じて電力を発生するように動作可能である発電機と、を備えた水力発電タービンの制御方法であって、
前記ロータの速さ又は前記ロータを駆動する流体の速度を示す前記水力発電タービンの１つ以上の動作パラメータを監視するステップと、
前記速さ又は前記速度が閾値を超えた場合、前記流体の流れによって発生される前記ロータ上の推力を低減させるために、前記発電機を、前記ロータを駆動させるモータとして動作させるステップと、
を含む制御方法。
【請求項２】
前記水力発電タービンの１つ以上の動作パラメータを監視する前記ステップにおいて、前記発電機の出力電圧を監視することを含む、請求項１に記載の制御方法。
【請求項３】
前記水力発電タービンの１つ以上の動作パラメータを監視する前記ステップにおいて、前記ロータによって生成されるトルクを監視することを含む、請求項１に記載の制御方法。
【請求項４】
前記水力発電タービンの１つ以上の動作パラメータを監視する前記ステップにおいて、前記ロータのブレードの先端速度を監視することを含む、請求項１に記載の制御方法。
【請求項５】
前記水力発電タービンの１つ以上の動作パラメータを監視する前記ステップにおいて、前記ロータを駆動する流体の速度を監視することを含む、請求項１に記載の制御方法。
【請求項６】
前記ロータ上の全推力を所定の範囲内に維持するために、前記発電機に供給される電力を制御するステップを含む、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の制御方法。
【請求項７】
前記発電機を前記モータとして動作させるために、前記発電機に電力を供給するステップを含む、請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の制御方法。
【請求項８】
前記発電機によって再充電可能であるローカル電源から前記発電機に電力を供給することを含む、請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の制御方法。
【請求項９】
一定期間、前記発電機を前記モータとして動作させることを含む、請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の制御方法。
【請求項１０】
前記ロータ上の推力を監視し、前記ロータ上の推力が閾値未満に低下した場合に前記発電機を前記モータとして動作させるのを停止するステップを含む、請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の制御方法。
【請求項１１】
水力発電タービンのシステムであって、ロータと、前記ロータが流体の流れによって駆動されることに応答して電力を発生するように動作可能である発電機と、前記ロータの速さ又は前記流体の速度を示す前記水力発電タービンの１つ以上の動作パラメータを監視するように動作可能である制御システムと、を備え、
前記制御システムは更に、前記速さ又は前記速度が閾値を超えた場合、前記流体の流れによって発生される前記ロータ上の推力を低減させるために、モータとして動作する前記発電機に対して電力供給を容易にするように動作可能である、水力発電タービンのシステム。
【請求項１２】
前記ロータを通って流れる前記流体の速度を監視するように、更に、前記流体の速度が閾値未満に低下した場合に前記制御システムへ信号を送信するように動作可能である速度センサを備える、請求項１１に記載の水力発電タービンのシステム。
【請求項１３】
前記ロータ上の前記推力を監視するように、更に、前記推力が閾値未満に又は前記流体の速度が閾値未満に低下した場合に前記制御システムへ信号を送信するように動作可能である推力センサを備える、請求項１１又は請求項１２に記載の水力発電タービンのシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力発電タービンのシステム及び水力発電タービンの制御方法に関し、具体的には、暴風雨等の際に起こり得る異常な高潮（ｔｉｄａｌ  ｓｕｒｇｅ）のような極端な現象下において水力発電タービンを損傷から保護することを意図した、水力発電タービンのシステム及び水力発電タービンの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、再生可能エネルギは大きな進展を見せており、太陽エネルギ、風力エネルギ、及び潮力に関して多くのプロジェクトが進められている。これらの代替的な形態のエネルギのうち潮力は、相対的に間欠的でそれゆえ信頼性の低い風力エネルギ又は太陽エネルギとは違って、完全に予測可能であると共に一定していることを考えると、おそらく最も魅力的なものである。
【０００３】
しかしながら潮力エネルギの利用は、特に、例えば水力発電タービンのような潮力発電機の設置及び保守に関して課題がある。水力発電タービンは、動作の性質上、比較的高速で流れる潮流内に配置しなければならず、高い確率で海底に配置しなければならない。設置の１つの形態として、タービンを上部に搭載する「重力式基礎（ｇｒａｖｉｔｙ  ｂａｓｅ）」が採用される。重力式基礎は、杭打ち又はその他の複雑な固定機構を必要とすることなくタービンシステムの位置及び安定性を維持するために、基礎とタービンとを合わせた重量を利用して、複数の脚を介して海底に向けて押し付けられる。
【０００４】
しかしながら、充分な安定性を与えるため、基礎とタービンとの重量は著しく大きくなければならず、極端な潮汐現象に耐えることも考慮しなければならない。ところが、一般にそういった現象は極めてまれにしか起こらない。結果的に、システムの様々なコンポーネントは、通常の動作条件では基本的に過剰性能である（ｏｖｅｒ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ）。このため、タービンとそれに関連する基礎は大型で扱いにくいコンポーネントであり、保守の目的で配備と回収を行うために、超重量物の巻き上げ機器及び輸送機器を必要とする。そのような重量物の巻き上げ機器の使用は通常危険な仕事であり、この機器が海上において困難かつ不安定な条件下で動作する場合にはいっそう危険となる。また、システムにおけるコンポーネントの過剰性能、例えば、ブレードを、比較的細い寸法で完全に潮流にさらされるために、損傷を受けやすいコンポーネントの１つとして保証することは、極端でない通常の条件下ではタービンの動作が非効率となり、結果的に望ましくない機構となる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このため、本発明は、上記の問題に対処することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、ロータと、ロータの回転に応じて電力を発生するように動作可能である発電機と、を備えた水力発電タービンの制御方法であって、
ロータの速さ（ｓｐｅｅｄ）又はロータを駆動する流体の速度（ｖｅｌｏｃｉｔｙ）を示すタービンの１つ以上の動作パラメータを監視するステップと、
速さが閾値を超えた場合、流体流によって発生されるロータ上の推力を低減させるために、ロータを駆動させるモータとして発電機を動作させるステップと、
を含む制御方法が提供される。
【０００７】
好ましくは、水力発電タービンの制御方法は、タービンの１つ以上の動作パラメータを監視するステップにおいて、発電機の出力電圧を監視することを含む。
【０００８】
好ましくは、水力発電タービンの制御方法は、タービンの１つ以上の動作パラメータを監視するステップにおいて、ロータによって生成されるトルクを監視することを含む。
【０００９】
好ましくは、水力発電タービンの制御方法は、タービンの１つ以上の動作パラメータを監視するステップにおいて、ロータのブレードの先端速度を監視することを含む。
【００１０】
好ましくは、水力発電タービンの制御方法は、タービンの１つ以上の動作パラメータを監視するステップにおいて、ロータを駆動する流体の速度を監視することを含む。
【００１１】
好ましくは、水力発電タービンの制御方法は、ロータ上の全推力を所定の範囲内に維持する等のために、発電機に供給される電力を制御するステップを含む。
【００１２】
好ましくは、水力発電タービンの制御方法は、発電機をモータとして動作させるために、発電機に電力を供給するステップを含む。
【００１３】
好ましくは、水力発電タービンの制御方法は、発電機によって再充電可能であるローカル電源から発電機に電力を供給することを含む。
【００１４】
好ましくは、水力発電タービンの制御方法は、一定期間、発電機をモータとして動作させることを含む。
【００１５】
好ましくは、水力発電タービンの制御方法は、ロータ上の推力を監視し、ロータ上の推力が閾値未満に低下した場合に発電機をモータとして動作させるのを停止するステップを含む。
【００１６】
本発明の第２の態様によれば、水力発電タービンのシステムであって、ロータと、ロータが流体流によって駆動されることに応答して電力を発生するように動作可能である発電機と、ロータの速さ又は流体流の速度を示すタービンの１つ以上の動作パラメータを監視するように動作可能である制御システムと、を備え、制御システムは更に、速さ又は速度が閾値を超えた場合、流体流によって発生されるロータ上の推力を低減させるために、モータとして動作する発電機に対して電力供給を容易にするように動作可能である、
水力発電タービンのシステムが提供される。
【００１７】
好ましくは、水力発電タービンのシステムは、ロータを通って流れる流体の速度を監視し、かつ、流体の速度が閾値未満に低下した場合に制御システムへ信号を送信するように動作可能である速度センサを備える。
【００１８】
好ましくは、水力発電タービンのシステムは、ロータ上の推力を監視し、かつ、推力又は流体の速度が閾値未満に低下した場合に制御システムへ信号を送信するように動作可能である推力センサを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による制御システムを組み込んだ水力発電タービンの斜視図を示しており、タービンのロータを駆動する潮流の速度の模式的な表現を含む。
【図２】図１の水力発電タービンの設置を示し、この場合、潮流の速度は損傷の可能性が生じる閾値レベルまで増大している。
【図３】図１の水力発電タービンの設置を示し、この場合、極端な潮流の結果としてタービンに加えられた推力に対抗するため本発明の制御システムが起動されている。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明について説明する。ここで添付図面を参照すると、概略的に１０で示された水力発電タービンが図示されている。これは、例えば暴風雨等の極端な現象下で起こり得るように、潮流速度が極めて大きいときにタービン１０に対して物理的な保護を与えるように動作可能である制御システム（図示省略）を組み込んでいる。
【００２１】
水力発電タービン１０は、ステータ（図示省略）を組み込んだ筐体１２と、筐体１２内で回転するように搭載されたロータ１４と、を含む。ロータ１４は円形配列（ｃｉｒｃｕｌａｒ  ａｒｒａｙ）の複数のブレード１６を含み、使用時には、ロータ１４の回転を生じさせるために、潮流による水がこれら複数のブレード１６間を通過する。タービン１０は更に、ステータ及びロータ１４の双方の上に配置された共働コンポーネント（ｃｏｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）を有する発電機（図示せず）を含む。これは、当該技術分野において周知のように、潮水流に応じてロータ１４が回転させられる際の相対運動を介して電気を発生させる。このため、発電機のコンポーネント及びそれらの動作についての更なる説明を省略する。
【００２２】
水力発電タービン１０は、潮流方向とは無関係に潮水流からの電力の抽出を可能とするために、双方向で動作するように設計されているが、以下で詳しく記載される本発明の制御システム及び制御方法が一方向タービン（図示省略）等において使用され得ることが理解されよう。また、タービン１０は、速度が様々な時点で又は様々な環境条件に応じて変化し得る潮流又はその他の水流によって駆動されるように設計されたロータ又は機能的に代替となる回転コンポーネントを組み込んでいれば、他の適切な形態で設計されてもよいことが理解されよう。
【００２３】
使用時、水力発電タービン１０は、流速が変動する水域、特に、潮流を受ける水域に配置される。タービン１０は、好ましくは、海底の適切な場所に位置が定められ、適切な手段によって、例えば重力式基礎（図示省略）等に搭載してからこれを海底に着座させることで、所定の場所に維持される。タービン１０は、好ましくは、最大電力の抽出を容易にするために、ロータ１４の回転軸が支配的な潮流の方向と実質的に一致するように、位置合わせがなされている。
【００２４】
使用時、潮水流はロータ１４を通るように動かされる。筐体１２は、好ましくはファンネル効果（ｆｕｎｎｅｌ  ｅｆｆｅｃｔ）を発生させるような形状及び寸法であり、このファンネル効果がロータ１４を横切る水を加速させ、次いで、関連する発電機コンポーネントによって電気を発生させるために、ロータ１４は筐体１２に対して回転する。通常の潮流速度は図１において模式的にＶ１として示されている。この通常の潮流速度Ｖ１によって、タービン１０の設計パラメータ内の先端速度比が生じ、タービン１０の物理的コンポーネント、特にブレード１６にいかなる損傷も与えず、また、タービン１０の電気的コンポーネント又は制御コンポーネント（図示省略）にいかなる損傷も与えない。そのような通常動作中、ロータ１４は、ロータ１４を横切る潮水流の結果として軸方向の推力を受け、タービン１０は、この軸方向の負荷に耐えるように設計されたジャーナル及び対応するプレート（図示省略）等の任意の適切な軸受システム（図示省略）を含み得る。
【００２５】
しかしながら、図２を参照すると、極端な潮汐現象下では、潮流速度は図２に示すように速度Ｖ２まで著しく増大する可能性がある。その結果、ロータ１４に許容できないレベルの推力が生じるとともに極端に高い先端速度比が生じる。これらは発電能力の面で問題となり、最終的にはタービン１０に対して物理的損傷と電気的損傷の双方を与え得る。そのような極端な潮汐現象下でタービン１０に対してあるレベルの保護を与えるために、タービン１０は、タービン１０の１つ以上の動作パラメータを監視するように動作可能な制御システム（図示省略）を組み込んでいる。この動作パラメータは、例えばロータ１４のトルクもしくはパワー出力、又はタービン１０によって発生している電圧であり、これらは全てロータ１４の回転速さを示す。制御システム（図示省略）は、この速さが閾値に達した場合、タービン１０の動作を発電機としての機能からモータとしての機能に切り換えるように動作可能である。モータは、タービン１０に電力が供給されたときに、ロータ１４を能動的に駆動することができ、ロータ１４が流体流によって駆動されるのとは対照的である。モータとして機能させるためには、タービン１０に電力を供給しなければならない。これは、通常の使用時にタービン１０によって充電又は再充電され得るローカル電源（図示省略）から、又は離れた場所の電源（ｒｅｍｏｔｅ  ｐｏｗｅｒ  ｓｕｐｐｌｙ）から、又は他の任意の適切な手段によって実行され得る。このようにしてロータ１４は、図３にＴ１で示すように、ロータ１４に作用する潮流の方向とは反対の方向に推力を発生させるため駆動され、これによってロータ１４上の軸方向の推力に対抗するか又はこれを低減することができる。このようにして、全体的なシステム負荷を大幅に軽減することができ、これはタービン１０、特に、そのような極端な潮流速度の下において最大の応力を受けるブレード１６の製造では、対応するコスト削減を容易にすることができる。同様の削減や低減は、ステータ及びこれを取り囲む筐体１２、更に、タービン１０を海底又は他の水中の基板に固定するため用いられる基礎（図示省略）又は他の土台（ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）の設計及び製造においても達成できる。
【００２６】
一般に、そのような極端な流速は、例えば秒のオーダーのように、極めて短い時間単位で起こるので、発生した力に対抗するために、これらの現象下でロータ１４を駆動するのに必要な電力は、特にコストの面からは無視することができ、このため、好ましくは、通常の動作中にロータ１４によって充電されるコンデンサの形態であり得るローカル電源（図示省略）から供給される。短期間の極端な潮汐現象の下で保護機能を提供した制御システムは、電源が一度使い果たされると、タービン１０を発電機としての機能に戻す。次いでローカル電源（図示省略）は、タービン１０によってその通常動作中に再充電することができる。
【００２７】
したがって、本発明の制御システム及び制御方法によれば、そのような極端な現象に耐えるためにタービン１０に過剰性能を持たせて一般的な通常の条件下ではタービン１０の動作が非効率になってしまうということがなく、そのような極端な現象に対して組み込みレベル（ｉｎ  ｂｕｉｌｔ  ｌｅｖｅｌ）の保護を水力発電タービン１０に与えることができると理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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