(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する波の上下動により空気室内の水柱を振動させて空気の流れを起こし、空気の流れを利用して発電機で発電を行う振動水柱型波力発電装置であって、
前記水柱の動揺固有周期を調整する動揺固有周期調整手段と、
前記波の波周期を検出する波状態検出手段と、
前記波状態検出手段で検出された前記波周期と前記水柱の動揺固有周期が共振を起こすときの空気流速に基づいて前記発電機を回転させるタービンの等価減衰を求め、前記等価減衰に基づいて前記共振を起こすように前記動揺固有周期調整手段を制御する動揺固有周期制御手段を備えたことを特徴とする振動水柱型波力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の振動水柱型波力発電装置であって、
前記動揺固有周期調整手段は、前記空気室の容積を変更する容積変更手段を備えたことを特徴とする振動水柱型波力発電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の振動水柱型波力発電装置であって、
前記動揺固有周期制御手段は、前記波状態検出手段において検出された前記波周期に前記水柱の動揺固有周期を合わせるための空気室容積導出用の制御則に適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することを特徴とする振動水柱型波力発電装置。
【請求項４】
請求項３に記載の振動水柱型波力発電装置であって、
前記波状態検出手段は、さらに前記波の高さを検出し、
前記動揺固有周期制御手段は、前記波状態検出手段において検出された前記高さを、前記水柱の動揺固有周期を合わせるための前記空気室容積導出用の前記制御則にさらに適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することを特徴とする振動水柱型波力発電装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の振動水柱型波力発電装置であって、
前記波状態検出手段は、前記波周期を常時又は一定時間間隔で自動検出し、
前記動揺固有周期制御手段は、前記自動検出された前記波周期を前記制御則に適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することを特徴とする振動水柱型波力発電装置。
【請求項６】
請求項２から５のいずれか１項に記載の振動水柱型波力発電装置であって、
前記動揺固有周期制御手段は、前記発電機の発電機負荷を制御することを特徴とする振動水柱型波力発電装置。
【請求項７】
請求項２から６のいずれか１項に記載の振動水柱型波力発電装置であって、
前記容積変更手段は、前記空気室に連通した補助空気室と、前記補助空気室の容積を変更するピストンを備えることを特徴とする振動水柱型波力発電装置。
【請求項８】
請求項２から６のいずれか１項に記載の振動水柱型波力発電装置であって、
前記容積変更手段は、前記空気室に連通した補助空気室と、前記補助空気室への連通通路を開閉する開閉バルブを備えることを特徴とする振動水柱型波力発電装置。
【請求項９】
請求項２から６のいずれか１項に記載の振動水柱型波力発電装置であって、
前記容積変更手段は、前記空気室の一部を間仕切りする可動式の隔壁と、前記隔壁を移動させる隔壁移動手段を備えることを特徴とする振動水柱型波力発電装置。
【請求項１０】
入射する波の上下動により空気室内の水柱を振動させて空気の流れを起こし、空気の流れを利用して発電機で発電を行う振動水柱型波力発電装置において、前記波の状況に応じて前記水柱の動揺固有周期を調整する際に前記空気室の容積を算出するための制御則を求める方法であって、
前記波の波周期を設定するステップ１と、
前記波周期と前記水柱の動揺固有周期が共振を起こすときの空気流速を求めるステップ２と、
前記発電機の負荷を設定するステップ３と、
前記空気流速に基づいて前記発電機を回転させるタービンの等価減衰を求めるステップ４と、
前記等価減衰に基づいて前記共振を起こす前記空気室の容積を求めるステップ５を備えたことを特徴とする空気室容積導出用の制御則を求める方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の空気室容積導出用の制御則を求める方法であって、
前記ステップ５で求められた前記共振に必要な前記空気室の容積を前記振動水柱型波力発電装置の全体系に適用して全体系の挙動を推定し、前記ステップ２にフィードバックすることによって、前記挙動の推定から得られる前記共振を起こすときの前記空気流速を求めることを特徴とする空気室容積導出用の制御則を求める方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の空気室容積導出用の制御則を求める方法であって、
前記ステップ２では、前記波の上下動による前記空気室内の空気の応答倍率を平均的な前記等価減衰に対応する値として定めて前記空気流速の初期値を求めることを特徴とする空気室容積導出用の制御則を求める方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動水柱型波力発電装置及びそれに用いられる空気室容積導出用の制御則を求める方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、海洋等での波のエネルギーを利用して発電を行う波力発電装置が注目されている。波力発電装置としては、没水部の一部が開放された空気室を設置し、ここから入射した波によって空気室内の水面を上下させ、空気室の空気容積の変化に伴う空気の流動によって空気口に設置した空気タービンを回転させることによって発電を行う振動水柱型波力発電装置が挙げられる。空気タービンには、往復空気流中で同一方向に回転するウェルズタービンが使用されることもある。
【０００３】
このような波力発電装置において、空気タービンに出入りする空気の流路内に非常用の絞り弁を設けて、空気タービンの速度又は波高が設定値以上となったときに絞り弁を動作させて空気タービンに流入する空気の流量を制御する構成が開示されている（特許文献１）。また、シリンダと、シリンダ内に嵌合された浮力を有するピストンを備え、ピストンの上下動によって空気の流れを生み出すエネルギー変換装置において、シリンダの上部に逆止め弁と電磁弁を備えた送気管を設け、ピストンがシリンダの空気室の上限位置に接近したことを検出する第１センサの出力により電磁弁を閉じる構成が開示されている（特許文献２）。
【０００４】
また、空気室内の空気容積の増大にともなって空気室内への空気の流入を許容する吸気弁と、空気容積の減少にともなって空気室外への空気の流出を許容する排気弁と、空気を貯蔵して所定圧力以上となったときに発電機へ空気を供給する圧力調整弁を備える波力発電装置が開示されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５４−５５２５１号公報
【特許文献２】特開２０１１−２１５５９号公報
【特許文献３】特開２００３−３９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、振動水柱型波力発電装置では、入射する波面の上下動の周期（波周期）や波の高さ（波高）によって発電機における発電効率が変化する。したがって、波周期や波高に応じて、発電効率を最大化することが望まれる。
【０００７】
従来、空気室の容積（空気ばね）が振動水柱型波力発電装置の全体挙動に有意な影響を持つとの認識が無く、水による復原力のみの調整で発電の効率化を図っていた。しかしながら、振動水柱型波力発電装置の製造後に、水の復原力を調整するために水面下の形状を変更することは難しく、運転中の波の状態に応じて水の復原力を制御するということは困難である。
【０００８】
本発明は、空気室の容積（空気ばね）を調整することによって波条件に応じて水柱の動揺固有周期を変更して発電を高効率化する振動水柱型波力発電装置及びそれに用いられる空気室容積導出用の制御則を求める方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１に係る振動水柱型波力発電装置は、入射する波の上下動により空気室内の水柱を振動させて空気の流れを起こし、空気の流れを利用して発電機で発電を行う振動水柱型波力発電装置であって、前記水柱の動揺固有周期を調整する動揺固有周期調整手段と、前記波の波周期を検出する波状態検出手段と、前記波状態検出手段で検出された前記波周期と前記水柱の動揺固有周期が共振を起こすときの空気流速に基づいて前記発電機を回転させるタービンの等価減衰を求め、前記等価減衰に基づいて前記共振を起こすように前記動揺固有周期調整手段を制御する動揺固有周期制御手段を備えたことを特徴とする振動水柱型波力発電装置である。
【００１０】
また、前記動揺固有周期調整手段は、前記空気室の容積を変更する容積変更手段を備えたことが好適である。前記動揺固有周期制御手段は、前記波状態検出手段において検出された前記波周期に前記水柱の動揺固有周期を合わせるための空気室容積導出用の制御則に適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することが好適である。また、前記波状態検出手段は、さらに前記波の高さを検出し、前記動揺固有周期制御手段は、前記波状態検出手段において検出された前記高さを前記水柱の動揺固有周期を合わせるための前記空気室容積導出用の前記制御則にさらに適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することが好適である。
【００１１】
このとき、前記波状態検出手段は、前記波周期を常時又は一定時間間隔で自動検出し、前記動揺固有周期制御手段は、前記自動検出された前記波周期を前記制御則に適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することが好適である。
【００１２】
具体的には、例えば、前記容積変更手段は、前記空気室に連通した補助空気室と、前記補助空気室の容積を変更するピストンを備えることが好適である。また、例えば、前記容積変更手段は、前記空気室に連通した補助空気室と、前記補助空気室への連通通路を開閉する開閉バルブを備えることが好適である。なお、前記補助空気室と前記開閉バルブは複数組設けてもよい。また、例えば、前記容積変更手段は、前記空気室の一部を間仕切りする可動式の隔壁と、前記隔壁を移動させる隔壁移動手段を備えることが好適である。なお、前記隔壁と前記隔壁移動手段は複数組設けてもよい。
【００１３】
また、前記動揺固有周期制御手段は、前記発電機の発電機負荷を制御することが好適である。
【００１４】
本発明の請求項１０に係る空気室容積導出用の制御則を求める方法は、入射する波の上下動により空気室内の水柱を振動させて空気の流れを起こし、空気の流れを利用して発電機で発電を行う振動水柱型波力発電装置において、前記波の状況に応じて前記水柱の動揺固有周期を調整する際に前記空気室の容積を算出するための制御則を求める方法であって、前記波の波周期を設定するステップ１と、前記波周期と前記水柱の動揺固有周期が共振を起こすときの空気流速を求めるステップ２と、前記発電機の負荷を設定するステップ３と、前記空気流速に基づいて前記発電機を回転させるタービンの等価減衰を求めるステップ４と、前記等価減衰に基づいて前記共振を起こす前記空気室の容積を求めるステップ５を備えたことを特徴とする方法である。
【００１５】
ここで、前記ステップ５で求められた前記共振に必要な前記空気室の容積を前記振動水柱型波力発電装置の全体系に適用して全体系の挙動を推定し、前記ステップ２にフィードバックすることによって、前記挙動の推定から得られる前記共振を起こすときの前記空気流速を求めることが好適である。
【００１６】
また、前記ステップ２では、前記波の上下動による前記空気室内の空気の応答倍率を平均的な前記等価減衰に対応する値として定めて前記空気流速の初期値を求めることが好適である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の請求項１に係る振動水柱型波力発電装置によれば、入射する波の上下動により空気室内の水柱を振動させて空気の流れを起こし、空気の流れを利用して発電機で発電を行う振動水柱型波力発電装置であって、前記水柱の動揺固有周期を調整する動揺固有周期調整手段と、前記波の波周期を検出する波状態検出手段と、前記波状態検出手段で検出された前記波周期と前記水柱の動揺固有周期が共振を起こすときの空気流速に基づいて前記発電機を回転させるタービンの等価減衰を求め、前記等価減衰に基づいて前記共振を起こすように前記動揺固有周期調整手段を制御する動揺固有周期制御手段を備えたことによって、前記空気室内の空気を調整して前記空気室内の水柱の動揺固有周期を前記波の波周期にできるだけ近づけることができ、空気の流れによる発電効率を向上させることができる。
【００１８】
また、前記動揺固有周期調整手段は、前記空気室の容積を変更する容積変更手段を備えたことによって、前記空気室内の容積（空気ばね）をより容易に調整して前記空気室内の水柱の動揺固有周期を前記波の波周期にできるだけ近づけることができる。したがって、空気の流れによる発電効率を容易に向上させることができる。
【００１９】
また、前記動揺固有周期制御手段は、前記波状態検出手段において検出された前記波周期に前記水柱の動揺固有周期を合わせるための空気室容積導出用の制御則に適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することによって、前記波の波周期に応じて前記水柱の動揺固有周期を前記波の波周期にできるだけ近づけることができ、前記波の波周期に応じて発電効率を向上させることができる。
【００２０】
また、前記波状態検出手段は、さらに前記波の高さを検出し、前記動揺固有周期制御手段は、前記波状態検出手段において検出された前記高さを、前記水柱の動揺固有周期を合わせるための前記空気室容積導出用の前記制御則にさらに適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することによって、前記波の波高に応じて前記水柱の動揺固有周期を前記波の波周期にできるだけ近づけることができ、前記波の波高に応じて発電効率を向上させることができる。
【００２１】
このとき、前記波状態検出手段は、前記波周期を常時又は一定時間間隔で自動検出し、前記動揺固有周期制御手段は、前記自動検出された前記波周期を前記制御則に適用し、前記空気室の容積を前記制御則によって導出された容積とするように前記動揺固有周期調整手段を制御することによって、時間的に変化する前記波の波周期に応じて発電効率を容易に向上させることができる。
【００２２】
また、前記容積変更手段は、前記空気室に連通した補助空気室と、前記補助空気室の容積を変更するピストンを備えることによって、前記波の条件に応じて前記ピストンを移動させることで水柱の動揺周期を容易に変更することが可能となる。また、前記容積変更手段は、前記空気室に連通した補助空気室と、前記補助空気室への連通通路を開閉する開閉バルブを備えることによって、前記波の条件に応じて前記開閉バルブを開閉させることで水柱の動揺周期を容易に変更することが可能となる。また、前記容積変更手段は、前記空気室の一部を間仕切りする可動式の隔壁と、前記隔壁を移動させる隔壁移動手段を備えることによって、前記波の条件に応じて前記隔壁を移動させることで水柱の動揺周期を容易に変更することが可能となる。
【００２３】
また、前記動揺固有周期制御手段は、前記発電機の発電機負荷を制御することによって、前記発電機のタービンの等価減衰を調整して前記空気室内の水柱の動揺固有周期を前記波の波周期にできるだけ近づけることができ、空気の流れによる発電効率を向上させることができる。
【００２４】
本発明の請求項１０に係る空気室容積導出用の制御則を求める方法によれば、入射する波の上下動により空気室内の水柱を振動させて空気の流れを起こし、空気の流れを利用して発電機で発電を行う振動水柱型波力発電装置において、前記波の状況に応じて前記水柱の動揺固有周期を調整する際に前記空気室の容積を算出するための制御則を求める方法であって、前記波の波周期を設定するステップ１と、前記波周期と前記水柱の動揺固有周期が共振を起こすときの空気流速を求めるステップ２と、前記発電機の負荷を設定するステップ３と、前記空気流速に基づいて前記発電機を回転させるタービンの等価減衰を求めるステップ４と、前記等価減衰に基づいて前記共振を起こす前記空気室の容積を求めるステップ５を備えたことによって、前記空気室内の水柱の動揺固有周期を前記波の波周期にできるだけ近づけるための制御則を求めることができ、その制御則に則って空気の流れによる発電効率を向上させることができる。
【００２５】
ここで、前記ステップ５で求められた前記共振に必要な前記空気室の容積を前記振動水柱型波力発電装置の全体系に適用して全体系の挙動を推定し、前記ステップ２にフィードバックすることで、前記挙動の推定から得られる前記共振を起こすときの前記空気流速を求めることによって、空気の流れによる発電効率をより向上させるための制御則を求めることができる。
【００２６】
また、前記ステップ２では、前記波の上下動による前記空気室内の空気の応答倍率を平均的な前記等価減衰に対応する値として定めて前記空気流速の初期値を求めることによって、適切な初期値に基づいて前記空気室内の水柱の動揺固有周期を前記波の波周期にできるだけ近づけるための制御則を求めることができ、その制御則に則って空気の流れによる発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態における振動水柱型波力発電装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における振動水柱型波力発電装置による発電を説明する図である。
【図３】振動水柱型波力発電装置の力学モデルを示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における気室容積導出用の制御則を求める方法のフローチャートである。
【図５】空気部の容積及び空気タービンの等価減衰と水柱振動の動揺固有周期との関係を示す図である。
【図６】空気タービンの等価減衰と回収エネルギー量との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態における振動水柱型波力発電装置の制御方法のフローチャートである。
【図８】変形例１における振動水柱型波力発電装置の構成を示す図である。
【図９】変形例１における振動水柱型波力発電装置の具体的な構成を示す図である。
【図１０】変形例２における振動水柱型波力発電装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の実施の形態における振動水柱型波力発電装置１００は、図１に示すように、空気室１０、空気連通室１２、空気タービン１４、発電機１６、弁１８（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ）、補助空気室２０、ピストン２２、アクチュエータ２４、制御部２６、波周期センサ２８、波高センサ３０及び負荷調整部３２を含んで構成される。
【００２９】
空気室１０は、図２に示すように、海洋等の水中に開口しており、入射する波により水（水柱）を振動させて、その水柱の上下動により内部の空気の容積の相対的な変化による空気の流れを生み出す。空気連通室１２は、弁１８（１８ａ，１８ｂ）を介して空気室１０に連通すると共に、弁１８（１８ｃ，１８ｄ）を介して外気に連通している。空気室１０内の水柱が上昇して、内部の空気の容積が減少したときは、図２（ａ）に示すように、空気室１０内の空気が弁１８ｂを介して空気連通室１２に流入し、弁１８ｃを介して空気連通室１２から外部へ排出される。一方、空気室１０内の水柱が低下して、内部の空気の容積が増加したときは、図２（ｂ）に示すように、弁１８ｄを介して空気連通室１２へ外部から空気が吸引され、弁１８ａを介して空気連通室１２から空気室１０へ流入する。
【００３０】
空気連通室１２内には、空気タービン１４及び発電機１６が配置され、弁１８を介して空気連通室１２内に流通する空気によって空気タービン１４が回転させられ、空気タービン１４によって発電機１６が駆動される。このとき、図２に示したように、弁１８によって空気タービン１４に対して常に同一方向に空気の流れが生じて、発電が安定的に行われる。
【００３１】
振動水柱型波力発電装置１００は、図３に示す力学モデルで表わすことができる。従来、空気室１０の空気ばねが振動水柱型波力発電装置１００の全体挙動に有意な影響を持つとの認識が無く、水による復原力のみの調整で回収するエネルギーの最大化を行っていた。しかしながら、上記課題において示したように、振動水柱型波力発電装置１００の水面下の形状を運転中に変更することは困難であり、振動水柱型波力発電装置１００の設計時に調整された状態に固定されていた。そこで、本実施の形態では、発電運転中に空気室１０の空気容積を変えて力学モデルにおける空気ばねの強さを調整することによって空気室１０における水柱に対する動揺固有周期を調整して回収できるエネルギーの最大化を波条件に応じて行う。
【００３２】
そこで、本実施の形態における振動水柱型波力発電装置１００は、波の状態を検出する波状態検出手段、空気室１０内の水柱の動揺固有周期を調整する動揺固有周期調整手段及び波状態検出手段で検出された波の状態に応じて動揺固有周期調整手段を制御する動揺固有周期制御手段を備える。
【００３３】
本実施の形態では、波状態検出手段は、波周期センサ２８及び波高センサ３０を含んで構成される。波周期センサ２８は、振動水柱型波力発電装置１００が設置された場所における波の周期を測定するセンサである。波周期センサ２８において測定された波周期は制御部２６に入力される。波高センサ３０は、振動水柱型波力発電装置１００が設置された場所における波の高さを測定するセンサである。波高センサ３０において測定された波高は制御部２６に入力される。波周期センサ２８及び波高センサ３０は、例えば、水に対して感度を有する近接センサによって水面までの距離及び水面までの距離の時間的な変化を測定することによって実現することができる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、波周期センサ２８及び波高センサ３０をそれぞれ別に設けた構成としたが、波周期センサ２８及び波高センサ３０を１つのセンサで実現することもできる。また、波周期センサ２８及び波高センサ３０は、振動水柱型波力発電装置１００に内蔵する構成としたが、振動水柱型波力発電装置１００とは別に設置してもよい。この場合、波周期センサ２８及び波高センサ３０で測定される波周期及び波高は外部信号として振動水柱型波力発電装置１００に入力される。
【００３５】
また、本実施の形態では、動揺固有周期調整手段は、補助空気室２０、ピストン２２及びアクチュエータ２４を含んで構成される。ここでは、補助空気室２０、ピストン２２及びアクチュエータ２４は容積変更手段として使用される。補助空気室２０は、空気室１０に連通した筒状の筐体であり、その内部に空気で占められた空間を有する。補助空気室２０は、空気室１０内と組み合わされて空気部分の容積を変更するために用いられる。ピストン２２は、補助空気室２０内に嵌め込まれ、補助空気室２０内を移動することにより補助空気室２０内の空間を空気室１０に連通する部分と連通しない部分の容積を調整するために設けられる。アクチュエータ２４は、補助空気室２０内においてピストン２２を移動させるための駆動手段である。アクチュエータ２４は、制御部２６からのピストン制御信号を受けて、ピストン制御信号で定められるピストン位置にピストン２２を移動させる。アクチュエータ２４は、例えば、ピストン２２の軸に連結されたボールネジ等を回転させるモータ等で実現することができる。
【００３６】
さらに、本実施の形態では、動揺固有周期調整手段は、発電機１６の負荷調整部３２を含んで構成される。負荷調整部３２は、制御部２６からの負荷制御信号を受けて、負荷制御信号で定められる発電機１６の負荷に設定する。発電機１６の負荷を調整することにより、図３における空気タービン１４の等価減衰が変化する。
【００３７】
動揺固有周期制御手段は、制御部２６を含んで構成される。制御部２６は、波周期センサ２８及び波高センサ３０からそれぞれ波周期及び波高の測定結果を受けて、波周期及び波高を制御則に当て嵌めて動揺固有周期調整手段を制御して水柱に対する動揺固有周期を設定する。
【００３８】
上記のように、動揺固有周期は、空気室１０に連通する補助空気室２０の容積及び発電機１６の負荷を調整することによって設定される。すなわち、制御則は、数式（１）及び数式（２）のように波周期Ｔ及び波高Ｈを引数とする補助空気室２０の容積Ｖ及び発電機１６の負荷Ｌの関数として表わされる。
［数１］
補助空気室２０の容積Ｖ＝Ｖ（Ｔ，Ｈ）・・・（１）
［数２］
発電機１６の負荷Ｌ＝Ｌ（Ｔ，Ｈ）・・・（２）
【００３９】
制御則は、図４のフローチャートに沿って求められる。まず、ステップＳ１として、波周期Ｔ及び波高Ｈを設定する。そして、ステップＳ２として、波周期Ｔと空気室１０内に形成されたる水柱の動揺固有周期が共振を起こすときの空気流速を求める。このとき、波の上下動による空気室１０内の空気の応答倍率を発電機１６の負荷による平均的な等価減衰に対応する値として定めて空気流速の初期値を求めることが好適である。ステップＳ３として、ステップＳ２で求められた空気流速に応じて発電機１６の負荷Ｌを設定する。ステップＳ４として、空気流速に基づいて発電機１６を回転させる空気タービン１４の等価減衰を求める。ステップＳ５として、ステップＳ４で求められた等価減衰に基づいて空気室１０の水柱と共振を起こす空気室１０と補助空気室２０の空気部の容積Ｖを求める。
【００４０】
このようにして、波周期Ｔ及び波高Ｈに応じて、空気室１０内に形成されたる水柱の動揺固有周期が共振を起こすように補助空気室２０の容積Ｖ及び発電機１６の負荷Ｌを調整するための制御則を求めることができる。
【００４１】
このとき、図５に示すように、空気室１０及び補助空気室２０によって形成される空気部の容積Ｖと発電機１６の負荷Ｌによって定まる空気タービン１４の等価減衰との両方に応じて水柱振動の固有周期は変化する。すなわち、同じ動揺固有周期とするための空気部の容積Ｖと空気タービン１４の等価減衰の組み合わせは等周期線上の様々な組み合わせとして表わされる。そこで、ステップＳ４で求められた空気タービン１４の等価減衰（発電機１６の負荷Ｌ）、又は、ステップＳ５で求められた空気部の容積Ｖの少なくとも１つをステップＳ２にフィードバックして制御則を求めてもよい。すなわち、ステップＳ５で求められた共振に必要な空気部の容積Ｖを振動水柱型波力発電装置１００の全体系に適用して全体系の挙動を推定し、ステップＳ２にフィードバックすることによって挙動の推定から得られる共振を起こすときの空気流速を求めることが好適である。その際に、図６に示すように、空気タービン１４の等価減衰に応じて発電機１６よって回収できるエネルギー量が変化するので、できるだけ高い回収エネルギー量となる空気タービン１４の等価減衰とすることが好適である。
【００４２】
このようにして設定された制御則に則って振動水柱型波力発電装置１００の制御が行われる。具体的には、図７に示すフローチャートに沿って制御が行われる。ステップＳ１０では、波周期センサ２８及び波高センサ３０によって波周期Ｔ及び波高Ｈが測定される。測定された波周期Ｔ及び波高Ｈは制御部２６へ入力される。ステップＳ１１では、波周期Ｔ及び波高Ｈを制御則に導入して空気室１０の水柱の動揺固有周期が入力された波周期Ｔとなるように空気部の容積Ｖ及び発電機１６の負荷Ｌを導出する。制御則は、上記制御則を求める方法に基づいて、振動水柱型波力発電装置１００の系毎に予め求めておけばよい。なお、制御則自体を波周期Ｔ及び波高Ｈを引数とする関数として記憶させておいてもよいし、波周期Ｔ及び波高Ｈの組み合わせ毎に制御則で求められた値をテーブルとして記憶させておいてもよい。ステップＳ１２では、ステップＳ１１において求められた空気部の容積Ｖ及び発電機１６の負荷Ｌとなるよう、またはステップＳ１１において求められた空気部の容積Ｖ及び発電機１６の負荷Ｌに最も近づくように指令信号（ピストン制御信号及び負荷制御信号）を生成する。ステップＳ１３では、ステップＳ１２で生成された指令信号に基づいてアクチュエータ２４及び負荷調整部３２を実際に制御する。具体的には、制御部２６は、アクチュエータ２４へピストン制御信号を出力し、アクチュエータ２４を駆動させて空気室１０とそれに連通する補助空気室２０の空気部の容積をステップＳ１１において求められた空気部の容積Ｖとなる、又はそれに最も近づくように変化させる。また、制御部２６は、負荷調整部３２へ負荷制御信号を出力し、発電機１６の負荷をステップＳ１１において求められた発電機１６の負荷Ｌとなる、またはそれに最も近づくように変化させる。
【００４３】
以上のように、本実施の形態における振動水柱型波力発電装置１００では、空気室１０に連通する補助空気室２０を設けることによって、補助空気室２０を利用して空気室１０の空気部の容積を調整することで波条件に応じて水柱の動揺固有周期を変更して発電を高効率化することができる。さらに、発電機１６に負荷調整部３２を設けることによって、発電機１６の負荷を調整することで波条件に応じて水柱の動揺固有周期を変更して発電を高効率化することができる。すなわち、振動水柱型波力発電装置１００の設置後に運転中の波の状態に応じて発電機１６による発電効率が最適化された状態で運転を行うことが可能となる。
【００４４】
なお、振動水柱型波力発電装置１００を海洋に設置した場合、波の条件は数時間から数日の時間で変化するので、それに合わせて数時間に一回から数日に一回の程度で水柱の動揺固有周期を調整する制御を行えばよい。すなわち、波周期Ｔ及び波高Ｈは、波の状況に応じて時間的に変化するので、常時又は一定時間間隔で測定されることが好適である。
【００４５】
＜変形例１＞
上記実施の形態における振動水柱型波力発電装置１００では、空気室１０に連通する補助空気室２０、ピストン２２及びアクチュエータ２４を設けることによって空気室１０及び補助空気室２０によって形成される空気部の容積を調整する構成とした。ただし、これに限定されるものではない。
【００４６】
本変形例の振動水柱型波力発電装置１０２では、図８に示すように、空気室１０に対して弁４２（４２ａ〜４２ｄ）を介して連通する補助空気室４０（４０ａ〜４０ｄ）を設けている。本変形例では、各弁４２を開閉することによって、空気室１０に連通する補助空気室４０の数を変更することによって空気部の容積を調整する。より具体的には、制御部２６は、波条件に応じて制御則に則って求められた空気部の容積Ｖとなるよう、またはその値に最も近づくように指令信号（弁制御信号）を生成する。そして、生成された指令信号（弁制御信号）によって開状態とする弁４２（４２ａ〜４２ｄ）の数を調整することによって、空気室１０とそれに実際に連通する補助空気室２０の空気部の容積を最適な空気部の容積Ｖとなる、又はそれに最も近づくようにする。
【００４７】
図９は、振動水柱型波力発電装置１０２における補助空気室４０の具体的な配置例を示す図である。図９（ａ）は上面図であり、図９（ｂ）は側面図である。本例では、円筒状の空気室１０の周囲に９０°の等間隔で４つの補助空気室４０（４０ａ〜４０ｄ）を配置している。
【００４８】
＜変形例２＞
本変形例の振動水柱型波力発電装置１０４では、図１０に示すように、空気室１０の内部空間を仕切る可動式の仕切り板（隔壁）４４を設けている。仕切り板４４を空気室１０内において移動させることによって空気連通室１２に連通する空気室１０内の空気部の容積を変更することができる。仕切り板４４には、アクチュエータ（図示しない）を設けて移動させるようにすればよい。より具体的には、制御部２６は、波条件に応じて制御則に則って求められた空気部の容積Ｖとなるよう、またはその値に最も近づくように指令信号（弁制御信号）を生成する。そして、生成された指令信号（弁制御信号）に応じて仕切り板４４の位置を変更することによって、空気室１０内の空気部の容積を最適な空気部の容積Ｖとなる、又はそれに最も近づくようにする。
【００４９】
なお、本変形例における振動水柱型波力発電装置１０４には１つの仕切り板４４を設けたが、これに限定されるものではなく、複数の仕切り板４４を設けてもよい。また、複数の仕切り板４４によって仕切られる方向も適宜変更してもよい。この場合、例えば、複数の仕切り４４を開ける数により、空気室１０内の空気部の容積を最適な空気部の容積Ｖとなるよう、又はそれに最も近づくようにすることができる。
【００５０】
なお、上記実施の形態、変形例１及び２においては、空気室１０の容積（空気ばね）を変更して空気室１０内の水柱の動揺固有周期を波の波周期に近づける例を示したが、空気の流れによる減衰効果（空気ダンパー）を利用しても同様な調整が可能であり、またこれらを組み合わせて使用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、液体の動きによって生ずる気体の流れを利用するシステムであれば適用することができる。例えば、振動水柱型波力発電装置のみならず、可動物体型波力発電装置等の他の型の発電装置に適用することができる。また、海洋の波を利用した発電のみならず、水位の変化が発生する湖沼等における波を利用した発電に利用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０  空気室、１２  空気連通室、１４  空気タービン、１６  発電機、１８（１８ａ〜１８ｄ）  弁、２０  補助空気室、２２  ピストン、２４  アクチュエータ、２６  制御部、２８  波周期センサ、３０  波高センサ、３２  負荷調整部、４０（４０ａ〜４０ｄ）  補助空気室、４２（４２ａ〜４２ｄ）  弁、４４  仕切り板、１００，１０２，１０４  振動水柱型波力発電装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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