JP6248017B2 - 海流発電装置の起動方法及び起動制御装置 - Google Patents

海流発電装置の起動方法及び起動制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、海流エネルギーを利用して発電を行なう海流発電装置の起動方法及び海流発電装置の起動制御装置に関するものである。
近年、様々な自然エネルギーを利用した発電技術が開発されている。例えば黒潮等の巨大な海流もエネルギー資源であり、この海流エネルギーを利用して発電を行なう海流発電装置も開発されている。この海流発電装置では、海流エネルギーによって回転翼を回転し、回転翼の軸に接続された発電機を回転させることにより発電を行なう。
このような海流発電装置の一つの方式として、海中浮遊式海流発電装置（水中浮遊式海流発電装置）があり、例えば、特許文献１に開示されている。この海中浮遊式海流発電装置は、ある一定の浮力を持った浮体として構成した海流発電装置を海底から延びる係留索と繋ぐことによって、海流発電装置が係留索によって許容される範囲で海中を浮遊するようにしながら発電を行なうものである。海中浮遊式海流発電装置は、地上に設置する風力発電装置のような巨大な支柱が不要であり簡素な構成とすることができる。
図１２は特許文献１に開示された海中浮遊式海流発電装置を示す斜視図である。図１２に示すように、この海中浮遊式海流発電装置は、浮体１として構成され、この浮体１の姿勢安定化を図るために、２つの海流発電装置本体２，２とこれらを接続する構造物３とから一つの浮体１を構成した双胴型を採用している。海流発電装置本体２は、ナセル（ポッドとも呼ぶ）４内に図示しない発電機を装備し、この発電機のロータに回転翼５のロータ軸（回転軸）が接続されている。
ナセル４は構造物３の左右両端に結合されている。構造物３の左右方向中央には係留索６の先端が結合され、係留索６の基端は海底に係止されている。浮体１は、係留索６に拘束された範囲で水平方向及び鉛直方向に海中を浮遊する。浮体１の浮力は左右でバランスしており、浮体１の構造物３は海流方向に対向するような翼形状に形成されている。これにより、浮体１は、その正面（回転翼５の正面）が海流方向に正対するように海流に応じて方向を変えて発電を実施する。
また、回転翼５をナセル４の後方（海流の下流側）に配置したダウンストリーム方式が採用されている。このように回転翼５をナセル４よりも下流側に配置することにより、浮体１の正面（回転翼５の正面）を海流方向に向けやすくなる。海中浮遊式海流発電装置の場合、浮体１のヨー方向制御（海流の方向に回転翼５のロータ軸を合わせる制御）を能動的に実施する駆動装置の実装は難しいので、ダウンストリーム方式を採用すると共に、浮体１のナセル４や構造物３の形状を海流の方向に向かうように形成し、浮体１の正面方向が海流方向に受動的に向くように設定されている。
また、係留索６に係止された浮体（海流発電装置）１は海中において浮遊するが、このとき、浮体１は、浮体１に加わる海流の作用力と、浮体１に生じる浮力と、係留索６の張力とがバランスした位置をとる。つまり、浮体１に対して、浮力は鉛直上方に作用し、海流の作用力は、海流方向（水平方向）に作用し、係留索の張力は浮力及び海流の作用力と対向するように作用する。したがって、海流の作用力が弱ければ（つまり、海流の流速が低ければ）、浮体１は海中で比較的浅い深度まで上昇し、海流の作用力が強ければ（つまり、海流の流速が高ければ）、浮体１は海中で比較的深い深度まで下降する。
一方、海流の深さ方向の流速分布は、海底付近では海底に接近するほど低速となり海底から離隔するほど高速となる。このため、海流の流速が強まれば、浮体１は海中で下降して、深さ方向の流速分布で流速が適当に弱まった深度でバランスする。また、海流の流速が弱まれば、浮体１は海中で上昇して、深さ方向の流速分布で流速が適当に強まった深度でバランスする。
特許文献１には、このように海流発電装置が流速に応じて昇降する特性に着目して、海流発電装置の水深方向の位置（深度）を受動的に自動で調整する制御［受動的深度制御、ＰＤＣ（＝Passive Depth Control）とも言う］を適用することで、能動的な制御（Active Depth Control）を不要とする旨も記載されている。
ところで、回転翼５は複数（多くの場合、２枚または３枚）のブレード５ａを有する。海流発電装置の多くは、ブレード５ａの翼ピッチ角が可変のピッチ角可変翼にて提案されている（例えば、非特許文献１）。起動時に翼ピッチ角を立てて翼投影面積を小さくしてロータ軸に入力されるトルクを小さくし、その後翼投影面積を次第に大きくすることによりロータ軸の回転数（回転速度）や動力を徐々に上昇させて行くことにより、滑らかに起動を行える点が、ピッチ角可変翼を採用する理由のひとつである［図１３（ａ）参照］。
米国特許出願公開第２０１３／０１０６１０５号明細書
日本船舶海洋工学論文集第17 号P107 2013 年6 月
上記のように、海流発電装置にピッチ角可変翼を適用するには、ピッチ角可変機構、駆動源を備えねばならず、機構が複雑化してしまう。海流発電装置は、ひとたび海中に設置すると、容易にはメンテナンスを実施することができないので、可能な限りシンプルな構成にして、できるだけメンテナンスを不要にすることが好ましい。
この点、翼ピッチ角を固定したピッチ角固定翼の場合、ピッチ角可変翼に比べて機器構成を簡略化できるため、ピッチ角可変翼で必要になるピッチ角可変機構や駆動源のメンテナンスが不要になる。しかし、一方で、ピッチ角固定翼の場合、ピッチ角可変翼に比べて起動時の被制御性が悪い点がデメリットとして挙げられている。
つまり、ピッチ角固定翼では、起動時でも翼投影面積が大きく、回転翼のロータ軸に入力されるトルクも大きいため、ピッチ角固定翼が海流を受けるとロータ軸の回転数が瞬時に上昇してしまう。例えば、図１３（ｂ）はピッチ角固定翼翼を用いた場合の海流発電装置の起動時における事象を回転数とトルクのグラフで示すものである。図１３（ｂ）に示すように、ロータ軸の回転数の立ち上がり領域に、翼回転数の上昇とともに海流の作用トルクも増大してしまう不安定域をもっている。このため、ピッチ角固定翼では、一定流速下で起動する際にこの不安定域を通り、一気に加速してしまうため翼が壊れるリスクがある。
また、翼の強度を十分に確保したとしても、安定域に入って電力系統を併入するまで待機させると、回転翼を冷却するための大型の冷却装置を要する点も課題となる。つまり、電力系統の併入までの待機時には、ロータ軸から入力される動力（回転数×トルク）を電気エネルギーとしては消費できず、熱エネルギーとして外部に放出しなくてはならず、このときの放熱量が大量であるため、大型の冷却装置が必要になるのである。設置スペースが限られた海流発電装置に大型の冷却装置を設置すると、サイジングの面から海流発電装置のシステムが成立困難となってしまう。
本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、回転翼にピッチ角固定翼を用いた海流発電装置において、装置を滑らかに起動させることができるようにした、海流発電装置の起動方法及び海流発電装置の起動制御装置に関するものである。
（１）上記の目的を達成するために、本発明の海流発電装置の起動方法は、ナセル内に収納された発電機のロータを前記ナセルの外部に突出したピッチ角固定の回転翼により駆動する海流発電装置を、海中において起動させる方法であって、前記海流発電装置は、前記回転翼のロータ軸の回転を規制するメカニカルブレーキと、前記回転翼のロータ軸と前記発電機のロータとの間に介装された動力伝達機構とを備え、前記動力伝達機構は、動力伝達状態と動力遮断状態とを切り替える切替手段と、前記動力遮断状態のときに前記回転翼のロータ軸に回転負荷を与える負荷付与手段と、前記動力伝達状態のときに前記回転翼のロータ軸の回転速度を変速して前記発電機のロータに伝達する変速手段と、を有し、前記切替手段により前記動力伝達機構を前記動力遮断状態として、前記メカニカルブレーキを作動状態から解除状態に切り替えるブレーキ解除工程と、前記負荷付与手段により前記回転翼のロータ軸に回転負荷を与えつつ前記回転翼のロータ軸の回転速度を上昇させる回転翼昇速工程と、前記切替手段により前記動力伝達機構を前記動力伝達状態に切り替えて、前記発電機のロータの回転を開始する発電機始動工程と、前記変速手段により前記発電機のロータの回転速度を上昇させる発電機昇速工程と、前記発電機を系統電源へ併入して発電を開始する発電開始工程と、を順次実施することを特徴としている。
（２）前記ブレーキ解除工程，前記回転翼昇速工程，前記発電機始動工程，前記発電機昇速工程及び前記発電開始工程は、前記海流発電装置を海面近傍に位置させて実施し、前記発電開始工程の後に、前記海流発電装置を海面下の流速の高い所定の深度領域に沈下させていき、前記回転翼のロータ軸を昇速させる回転翼昇速工程を実施し、前記海流発電装置が前記所定の深度領域に沈下したら、発電効率が最大となるように前記発電機のロータの回転速度を制御しながら通常の発電を行なう通常発電工程を実施することが好ましい。
（３）前記動力伝達機構は、作動油を用いて動力を伝達する油圧式動力伝達機構であって、前記油圧式動力伝達機構は、前記回転翼のロータ軸により駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される作動油により回転して前記発電機のロータを駆動し前記変速手段として機能する回転制御機構付きの油圧モータと、作動油を前記油圧ポンプから前記油圧モータへ送る供給油路と、作動油を前記油圧モータから前記油圧ポンプへ戻す返送油路と、前記供給油路を開閉し前記切替手段として機能する切替弁と、前記供給油路における前記油圧ポンプと前記切替弁との中間部から前記返送油路に作動油をバイパスさせ前記油圧ポンプを前記負荷付与手段として機能させるバイパス油路と、前記バイパス油路を開閉するバイパス弁と、を有し、前記ブレーキ解除工程では、前記切替弁及び前記バイパス弁を閉にして、前記メカニカルブレーキを解除し、前記回転翼昇速工程では、前記バイパス弁を開に切り替えて、前記油圧ポンプの作動負荷により前記回転翼のロータ軸に回転負荷を与えつつ前記回転翼のロータ軸の回転速度を上昇させ、前記発電機始動工程では、前記切替弁を開に切り替えて前記発電機の回転を開始し、前記発電機昇速工程では、前記回転制御機構により前記油圧モータの回転速度を上昇させて前記発電機のロータの回転速度を上昇させることが好ましい。
（４）前記回転翼昇速工程までは、前記バイパス弁を開に保持して、前記回転翼昇速工程後で前記通常発電工程の前に、前記バイパス弁を閉に切り替えるバイパス流路閉鎖工程を有することが好ましい。
（５）前記海流発電装置は、浮体として構成されて、係留索によって海底に係止されて海中を浮遊しながら発電する海中浮遊式海流発電装置であって、前記浮体は、海中で拘束を解除すると、前記浮体に作用する浮力と前記浮体に加わる海流の作用力と前記係留索の張力とのバランスによって、常に一定流速域の深度に自動調整される受動的深度制御が働くようになっており、前記ブレーキ解除工程，前記回転翼昇速工程，前記発電機始動工程，前記発電機昇速工程及び前記発電開始工程は、前記海流発電装置を海中で拘束して海面近傍に位置させて実施し、前記回転翼昇速工程では、前記海流発電装置の拘束を解除して受動的深度制御を作動可能にすることが好ましい。
（６）また、本発明の海流発電装置の起動制御装置は、ナセル内に収納された発電機のロータを前記ナセルの外部に突出したピッチ角固定の回転翼により駆動する海流発電装置を海中において起動させる起動制御装置であって、前記海流発電装置は、前記回転翼のロータ軸の回転を規制するメカニカルブレーキと、前記回転翼のロータ軸と前記発電機のロータとの間に介装された動力伝達機構とを備え、前記動力伝達機構は、動力伝達状態と動力遮断状態とを切り替える切替手段と、前記動力遮断状態のときに前記回転翼のロータ軸に回転負荷を与える負荷付与手段と、前記動力伝達状態のときに前記回転翼のロータ軸の回転を変速して前記発電機のロータに伝達する変速手段と、を有し、前記起動制御装置は、起動指令を受けると、前記切替手段を操作して前記動力伝達機構を前記動力遮断状態として、前記メカニカルブレーキを作動状態から解除状態に切り替えてブレーキ解除するブレーキ制御手段と、前記ブレーキ解除が完了したら、前記負荷付与手段により前記回転翼のロータ軸に回転負荷を与えつつ前記回転翼のロータ軸の回転速度を上昇させる回転翼昇速制御手段と、前記回転翼のロータ軸の回転速度が上昇し安定したら、前記切替手段を操作して前記動力伝達機構を前記動力伝達状態に切り替えて、前記発電機のロータの回転を開始する発電機始動制御手段と、前記発電機のロータの回転が開始したら、前記変速手段を操作して前記発電機のロータの回転速度を上昇させる発電機昇速制御手段と、前記発電機のロータの回転速度が所定回転速度域に上昇したら前記発電機を系統電源へ併入して発電を開始する発電開始制御手段と、を有することを特徴としている。
（７）前記動力伝達機構は、作動油を用いて動力を伝達する油圧式動力伝達機構であって、前記油圧式動力伝達機構は、前記回転翼のロータ軸により駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される作動油により回転して前記発電機のロータを駆動し前記変速手段として機能する回転制御機構付きの油圧モータと、作動油を前記油圧ポンプから前記油圧モータへ送る供給油路と、作動油を前記油圧モータから前記油圧ポンプへ戻す返送油路と、前記供給油路を開閉し前記切替手段として機能する切替弁と、前記供給油路の前記油圧ポンプと前記切替弁との中間部から前記返送油路に作動油をバイパスさせ前記油圧ポンプを前記負荷付与手段として機能させるバイパス油路と、前記バイパス油路を開閉するバイパス弁と、を有し、前記ブレーキ解除制御手段は、前記切替弁及び前記バイパス弁を閉に操作して、前記メカニカルブレーキを解除し、前記回転翼昇速制御手段は、前記バイパス弁を開に操作して、前記油圧ポンプの作動負荷により前記回転翼のロータ軸に回転負荷を与えつつ前記回転翼のロータ軸の回転速度を上昇させ、前記発電機始動制御手段は、前記切替弁を開に操作して前記発電機の回転を開始し、前記発電機昇速制御手段は、前記回転制御機構により前記油圧モータの回転速度を上昇させて前記発電機のロータの回転速度を上昇させることが好ましい。
本発明によれば、メカニカルブレーキを解除すると、回転翼のロータ軸が回転を開始するが、このとき、回転翼のロータ軸が回転負荷を与えられながら回転速度を上昇させるので、回転速度の急上昇が抑えられ、回転翼のロータ軸は緩やか昇速する。したがって、回転翼が起動時でも翼投影面積が大きいピッチ角固定ではあるが、回転翼が回り勝手となる正帰還域において回転翼のロータ軸回転速度の上昇と回転翼への海流の作用トルクの増大とを緩やかに安定させることができ、回転翼のロータ軸が一気に加速する不具合を回避できる。そして、動力伝達機構を動力伝達状態に切り替えて発電機のロータの回転を開始する際にも円滑に開始することができる。これにより、回転翼にピッチ角固定翼を用いた海流発電装置において、装置を滑らかに起動させることができるようになる。
また、その後、変速手段により発電機のロータの回転速度を制御しながら上昇させて、発電機を系統電源へ併入するので、系統電源へ併入するまでの発電機の待機時における発熱量を抑えることができ、海流発電装置の冷却装置を小型化できる利点もある。
一実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置及びその起動制御装置を示す構成図である。 一実施形態にかかる油圧式動力伝達機構を示す構成図である。 一実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置を海中での使用状態で示す斜視図である。 一実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置の受動的深度制御（ＰＤＣ）を説明する海中における側面図である。 一実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置の起動特性を示す図である。 一実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置の起動方法を示すフローチャートである。 一実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置の起動方法の各工程に対応した油圧式動力伝達機構の状態を順に示す図であり、（ａ）はブレーキ解除工程後の回転翼昇速工程を、（ｂ）は発電機始動工程後の発電機昇速工程を、（ｃ）は発電開始工程後の回転翼昇速工程を、（ｄ）はバイパス流路閉鎖工程後の通常発電工程をそれぞれ示す。なお、各図において閉鎖状態の油路は省略している。 一実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置の起動方法を説明するためのタイムチャートであり、海中浮遊式海流発電装置の起動時の深度変化を示す。 一実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置の起動方法を説明するためのタイムチャートであり、回転翼のロータ軸及び発電機のロータの回転数（回転速度）の変化を示す。 一実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置の起動方法を説明するためのタイムチャートであり、回転翼のロータ軸への入力動力及び発電機出力の変化を示す。 一実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置の起動方法を説明するためのタイムチャートであり、（ａ）はメカニカルブレーキの状態を、（ｂ）はバイパス弁の状態及びロータ軸回転数［回転翼のロータ軸の回転数（回転速度）］の状態を、（ｃ）は切替弁の状態を、（ｄ）は油圧モータの状態及び発電機回転数の状態を、（ｅ）は油圧モータの状態及び発電機トルクの状態を、（ｆ）は発電機の系統電源への併入及び解列の状態を、（ｇ）はＰＤＣの状態を、それぞれ示す。 背景技術にかかる海中浮遊式海流発電装置を示す斜視図である。 本発明の課題を説明する図であって、図１３（ａ）は背景技術にかかるピッチ角可変翼を用いた海流発電装置の起動特性を示す図であり、図１３（ｂ）はピッチ角固定翼を用いた海流発電装置の起動特性を示す図である。
以下、図面を参照して本発明にかかる実施形態を説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
〔海中浮遊式海流発電装置の概略構成〕
まず、本実施形態の海中浮遊式海流発電装置の概略構成を説明すると、海中浮遊式海流発電装置の概略は、背景技術において説明したもの（図１２参照）と同様である。説明が重複するが、この海中浮遊式海流発電装置は浮体１として構成され、浮体１は、図３に示すように、２つの海流発電装置本体２，２とこれらを接続する構造物３とから一つの浮体１を構成した双胴型を採用している。海流発電装置本体２は、ナセル（ポッドとも呼ぶ）４内に発電機９を装備し、この発電機９のロータに回転翼５のロータ軸（回転軸，主軸）５Ａが接続されている（図１参照）。
ナセル４は構造物３の左右両端に結合されている。構造物３の左右方向中央には係留索６の先端が結合され、係留索６の基端は海底７ａ（この例では、海底７ａのアンカーウェイト６Ａ）に係止されている。浮体１は、係留索６に拘束された範囲で水平方向及び鉛直方向に海中を浮遊する。浮体１の浮力は左右でバランスしており、浮体１の構造物３は海流方向に対向するような翼形状に形成されている。これにより、浮体１は、その正面（回転翼５の正面）が海流方向に正対するように海流に応じて方向を変えて海流を正面に受けながら発電を実施する。
また、各海流発電装置本体２は、回転翼５をナセル４の後方（海流の下流側）に配置したダウンストリーム方式が採用されている。このように回転翼５をナセル４よりも下流側に配置することにより、浮体１の正面（回転翼５の正面）を海流方向に向けやすくなる。海中浮遊式海流発電装置の場合、浮体１のヨー方向制御（海流の方向に回転翼５のロータ軸５Ａを合わせる制御）を能動的に実施する駆動装置の実装は難しいので、ダウンストリーム方式を採用すると共に、浮体１のナセル４や構造物３の形状を海流の方向に向かうように形成し、浮体１の正面方向が海流方向に受動的に向くように設定されている。
係留索６に係止された浮体（海中浮遊式海流発電装置）１は海中において浮遊するが、このとき、浮体１は、浮体１に加わる海流の作用力Ｆwfと、浮体１に生じる浮力Ｆｂと、浮体１を係止する係留索６の張力Ｆｔとがバランスした位置をとる。つまり、浮体１に対して、浮力Ｆｂは鉛直上方に作用し、海流の作用力Ｆwfは、海流方向（水平方向）に作用し、係留索６の張力Ｆｔは浮Ｆｂ力及び海流の作用力Ｆwfと対抗するように作用する。
したがって、図４に示すように、海流の作用力Ｆwfが弱ければ（つまり、海流の流速Ｖwfが低ければ）、浮体１は海中で比較的浅い深度まで上昇し、海流の作用力Ｆwfが強ければ（つまり、海流の流速Ｖwf´が高ければ）、浮体１は符号１´で示すように海中７で比較的深い深度まで下降する。また、海流の流速Ｖwf，Ｖwf´の深さ方向分布は、海底７ａ付近では海底７ａに接近するほど低速となり海底７ａから離隔するほど高速となる。
このため、海流の流速が強まった場合、浮体１は、図４に実線で示す状態から二点鎖線及び符号１´で示す状態へと海中７で下降して、深さ方向の流速分布で流速が適当に弱まった深度でバランスする。また、図示しないが、図４に実線で示す状態よりも海流の流速が弱まれば、浮体１は実線で示す状態から海中を上昇して、深さ方向の流速分布で流速が適当に強まった深度でバランスする。こうして、浮体１として構成された海中浮遊式海流の水深方向の位置（深度）が受動的に自動で調整される制御をＰＤＣ（＝Passive Depth Control、受動的深度制御）とも呼ぶ。このＰＤＣにより、回転翼５が受ける海流の流速は過不足ない状態の保持することができ、安定した海流の流速を受けて発電を行なうことができる。
海流発電装置本体２は、図１，図３に示すように、ナセル４の後方（海流の下流側）に回転翼５が配置され、ナセル４の内部には、回転翼５のロータ軸５Ａと、発電機９と、ロータ軸５Ａと発電機９のロータ（図示略）との間に介装された動力伝達機構８とが装備されている。ロータ軸５Ａと動力伝達機構８と発電機９とから流発電装置本体２のドライブトレーン１０が構成されている。ロータ軸５Ａには、ロータ軸５Ａの回転を規制するメカブレーキ（メカニカルブレーキ）４１が装備されている。動力伝達機構８は本発明の起動方法及び起動制御装置に必要な特有の機能を有しており、これについては後述する。
ナセル４の外形は、前端及び後端が滑らかな曲面で構成され、中間部が円筒状に形成され、ナセル４の外形の軸心ＣＬ１上にロータ軸５Ａの軸心が配置されている。ナセル４の外形は、紡錘形状など、他の形状も採用しうる。また、回転翼５は２枚のブレード５ａが１８０度の位相差で装備された２枚翼が採用されている。回転翼５のブレード５ａの数はこの限りでなく、３枚翼など他の枚数のものも適用しうる。
そして、回転翼５には、ブレード５ａのピッチ角が固定のピッチ角固定翼が用いられている。ピッチ角固定翼は、シンプルでメンテナンスが不要な固定ピッチのものが適用されている。ピッチ角可変翼の場合、必要になるピッチ角可変機構や駆動源が必要であり、これらのメンテナンスが必要になるが、ピッチ角固定翼の場合、こうしたメンテナンスは不要になる。
〔動力伝達機構の構成〕
動力伝達機構８は、ロータ軸５Ａと発電機９とを動力伝達状態及び動力遮断状態の何れかに切り替える機能（切替手段）と、動力遮断状態のときに回転翼５のロータ軸５Ａに回転負荷を与える機能（負荷付与手段）と、動力伝達状態のときに回転翼５のロータ軸５Ａの回転速度を変速して発電機９のロータに伝達する機能（変速手段）と、を有している。動力伝達機構８には、油圧を利用した油圧式動力伝達機構が用いられている。
図２は、本実施形態にかかる油圧式動力伝達機構８を示す構成図である。図２に示すように、この油圧式動力伝達機構８は、供給油路１１２ａと返送油路１１２ｂとからなる循環油路１１２内に、油圧ポンプ１１３と、油圧モータ１１４と、切替弁１１５と、バイパス油路１１６と、バイパス弁１１７とをそなえている。また、ロータ軸５Ａにはメカニカルブレーキ４１が装備されている。
油圧ポンプ１１３は、回転翼５のロータ軸５Ａにより駆動される。
油圧モータ１１４は、油圧ポンプ１１３から吐出されて供給油路１１２ａを通じて供給される作動油を受けて回転する。油圧モータ１１４の回転軸５Ｂは発電機９のロータに結合されていて、発電機９を駆動する。
この油圧モータ１１４には、斜板角を調整することにより入力油圧とは関係なく回転速度を変更可能な斜板式油圧モータが適用され、後述の回転数センサ（回転速度センサ）３６により検出された油圧モータ１１４の回転軸５Ｂの回転数（回転速度）をフィードバックして斜板角調整部４２により斜板角調整機構（図示略）を操作して斜板角（図示略）の角度を調整することにより油圧モータ１１４を所望の回転速度状態に調整することができる。これにより、斜板角調整機構は回転制御機構として機能する。また、この回転制御機構は、油圧ポンプ１１３に対して油圧モータ１１４を大幅に増速する増速機としての機能も有する。
切替弁１１５は、電磁弁であって、供給油路１１２ａのバイパス油路１１６との分岐部よりも下流に介装され、電気信号によって供給油路１１２ａを開閉し、動力伝達状態及び動力遮断状態の何れかに切り替える。
バイパス油路１１６は、供給油路１１２ａと返送油路１１２ｂとの間に介装され、供給油路１１２ａにおける切替弁１１５よりも上流（油圧ポンプ１１３と切替弁１１５との中間部）から返送油路１１２ｂに作動油をバイパスさせる。
バイパス弁１１７は、電磁弁であって、バイパス油路１１６に介装され、電気信号によってバイパス油路１１６を開閉する。
なお、切替弁１１５は、上記の切替手段として機能する。
油圧ポンプ１１３は、切替弁１１５が閉（動力遮断状態）にセットされて、バイパス弁１１７が開にセットされ、作動油が供給油路１１２ａの上流部，バイパス油路１１６及び返送油路１１２ｂの下流部を循環している状態で作動すると、上記の負荷付与手段として機能する。
油圧モータ１１４の回転制御機構は、上記の変速手段として機能する。
また、回転翼５のロータ軸５Ａには、ロータ軸５Ａの回転数（回転速度）ωＡを検出する回転数センサ（回転速度センサ）３５が、油圧モータ１１４の回転軸５Ｂには、回転軸５Ｂの回転数（回転速度）ωＢを検出する回転数センサ（回転速度センサ）３６が、それぞれ装備される。さらに、循環油路１１２の供給油路１１２ａ内の作動油の油圧を検出する油圧センサ３７が装備されている。これらのセンサ３５〜３７による検出信号は、制御装置２０に入力される。
〔起動制御装置の構成〕
本実施形態では、海流発電装置を海中において起動させる際に、制御装置２０に割り付けられた起動制御部（起動制御装置）としての機能構成を通じて、起動処理の前段工程を実施するようになっている。
つまり、制御装置２０の起動制御部には、ブレーキ制御部（ブレーキ制御手段）２１と、回転翼昇速制御部（回転翼昇速制御手段）２２と、発電機始動制御部（発電機始動制御手段）２３と、発電機昇速制御部（発電機昇速制御手段）２４と、発電開始制御部（発電開始制御手段）２５と、発電制御部（発電制御手段）２６と、が機能要素として備えられている。
ブレーキ制御部２１は、起動指令を受けると、切替弁１１５を閉（動力遮断状態）に操作して、メカブレーキ４１を作動状態から解除状態に切り替えてブレーキを解除する。このとき、ブレーキ制御部２１は、バイパス弁１１７も閉に操作しておく。
回転翼昇速制御部２２は、ブレーキ解除が完了したら、バイパス弁１１７を開に操作して、作動油が供給油路１１２ａの上流部，バイパス油路１１６及び返送油路１１２ｂの下流部を循環するバイパス回路を形成させて、油圧ポンプ１１３を作動させる。油圧ポンプ１１３は、回転翼５のロータ軸５Ａの回転を受けて作動し、作動油をバイパス回路内で循環させる。なお、ブレーキ解除の完了は、例えば、ブレーキ解除指令後、所定時間が経過したこと等により判定することができる。
この作動油の循環駆動がロータ軸５Ａの回転負荷となるので、図５に示すように、回転翼５が回り勝手となる正帰還域において、回転翼５のロータ軸５Ａの回転数は徐々に上昇し、回転翼５のロータ軸５Ａの回転数ωＡの上昇と回転翼５への海流の作用トルクの増大とを緩やかに安定させることができる。
発電機始動制御部２３は、回転翼５のロータ５Ａの回転数ωＡが上昇し安定したら、切替弁１１５を開（動力伝達状態）に操作して、発電機９のロータの回転を開始する。なお、ロータ５Ａの回転数ωＡは回転数センサ３５から入力され、例えば、この回転数ωＡが設定値以上になって且つ回転数ωＡの変化率が設定値以下になったら回転数ωＡが上昇し安定したと判定することができる。
発電機昇速制御部２４は、発電機９のロータの回転が開始したら、油圧モータ１１４の回転制御機構を操作して発電機９のロータの回転速度を上昇させる。つまり、油圧モータ１１４の斜板の傾斜を制御して、発電機９のロータを昇速する。なお、発電機９のロータの回転は、油圧モータ１１４の回転軸５Ｂの回転に相当するので、回転数センサ３６から入力される油圧モータ１１４の回転軸５Ｂの回転数ωＢから発電機９のロータの回転開始を判定することができる。
発電開始制御部２５は、発電機９のロータの回転数（回転速度）が所定回転数域（所定回転速度域）に上昇したら発電機９を系統電源へ併入して発電を開始する。なお、系統電源への併入は、スイッチ４３にて行われ、スイッチ４３は併入指令を受けると、発電機９を系統電源に接続する。この際、系統電源に急激な突入電流が送られないようにスイッチ４３にはソフトスタータ機能が装備され、これが使用される。なお、発電機９のロータの回転数の上昇判定は、回転数センサ３６から入力される油圧モータ１１４の回転軸５Ｂの回転数ωＢを設定値と比較するこで実施することができる。
発電制御部２６は、海流発電装置の通常発電時の制御を実施する。発電開始後に、ＰＤＣが作動したら、バイパス弁１１７を閉に操作し、これにより回転翼５のロータ軸５Ａの回転数制御を終え、発電機９のトルク制御のみに移行する。発電制御部２６は、発電機９のトルク制御によって発電を制御する。
〔海流発電装置の起動方法〕
本実施形態にかかる海流発電装置及びその起動制御装置は、上述のように構成されており、かかる装置を用いて、図６，図７に示すように、本実施形態にかかる海流発電装置の起動方法を実施することができる。なお、海流発電装置の起動の前段階は、海流発電装置を海面近傍に位置させて浮体１の深度を拘束しながら実施する。
〔フローチャート〕
図６に示すように、海流発電装置の起動に当たっては、まず、切替弁１１５を閉（動力遮断状態）に操作して、メカブレーキ４１を作動状態から解除状態に切り替えてブレーキを解除する（ステップＳ１０、ブレーキ解除工程）。
ブレーキの解除が完了したら、次に、バイパス弁１１７を開に操作して、図７（ａ）に示すように、バイパス回路を形成して油圧ポンプ１１３を作動させて、回転翼５のロータ軸５Ａの回転数を制御する（ステップＳ２０、回転翼昇速工程）。油圧ポンプ１１３による作動油の循環駆動がロータ軸５Ａの回転負荷となるので、回転翼５が回り勝手となる正帰還域において、回転翼５のロータ軸５Ａの回転数ωＡの上昇と回転翼５への海流の作用トルクの増大とが緩やかに安定して行われ、回転翼５のロータ軸５Ａが一気に加速する不具合を回避できる。
回転翼５のロータ軸５Ａの回転数ωＡが上昇し安定したら、次に、切替弁１１５を開（動力伝達状態）に操作して、図７（ｂ）に示すように、油圧ポンプ１１３から吐出された作動油を油圧モータ１１４に導いて、油圧モータ１１４によって発電機９のロータの回転を開始する（ステップＳ３０、発電機始動工程）。
発電機９のロータの回転が開始したら、次に、油圧モータ１１４の回転制御機構を操作して発電機９のロータの回転速度を上昇させる（ステップＳ４０、発電機昇速工程）。
発電機９のロータの回転数が所定回転数域に上昇したら、次に、図７（ｃ）に示すように、スイッチ４３をオフからオンに切り替えて発電機９を系統電源へ併入して発電を開始する（ステップＳ５０、発電開始工程）。この際、ソフトスタート機能を適用する。
発電を開始したら、海流発電装置の浮体１の深度の拘束を解除して、浮体１を海面下の流速の高い所定の深度領域に沈下させていき、回転翼５のロータ軸５Ａを昇速させると同時に、ＰＤＣを機能させる（ステップＳ６０、回転翼昇速工程）。
浮体１が所定の深度領域に沈下し、ＰＤＣが機能するようになったら、バイパス弁１１７を閉に切り替えて、作動油の不要な循環を停止する（ステップＳ７０、バイパス流路閉鎖工程）。
バイパス弁１１７が閉にされたら、図７（ｄ）に示すように、通常発電を実施する（ステップＳ８０、通常発電工程）。通常発電では、発電効率が最大となるように発電機９のロータの回転数を制御する。
〔タイムチャート〕
図８〜図１１は海流発電装置の起動時の各部の状態を示すタイムチャートである。図８〜図１１において、横軸は共通する時間軸であり、時点ｔ１〜時点ｔ１１は時系列的に各イベントを示す。これらのタイムチャートを参照しながら本起動方法を実施する際の各部の状態の変遷の具体例を説明する。
図１１（ａ）に示すように、時点ｔ１でメカブレーキがオンからオフに解除され（ブレーキ解除工程）、その後、図１１（ｂ）に示すように、時点ｔ２〜ｔ３でバイパス弁１１７が開に切り替えられると、図９に示すように、回転翼５のロータ軸５Ａが回転を開始する（ブレーキ解除工程）。これにより、油圧ポンプ１１３が作動するため、回転翼５のロータ軸５Ａの回転数が緩やかに上昇するように制御される（回転翼昇速工程）。
次に、図１１（ｃ）に示すように、時点ｔ４〜ｔ５で切替弁１１５が閉から開に切り替えられると、図９に示すように、発電機９も始動する（発電機始動工程）。
その後、図１１（ｄ）に示すように、発電機９の回転数制御に基づいて油圧モータが制御され発電機９のロータの回転数を上昇させる（発電機昇速工程）。
発電機９の回転数が上昇したら、時点ｔ６で、図１１（ｄ），（ｅ）に示すように、油圧モータ１１４を通じた発電機９の制御を、回転数制御からトルク制御に移行して、その後、図１１（ｆ）に示すように、時点ｔ７で、発電機９を系統電源へ併入して発電を開始する（発電開始工程）。
発電を開始したら、海面付近に位置していた海流発電装置の浮体１が、回転翼５が海流からの流体力を受けて回転翼５及びそのロータ軸５Ａが昇速され、図８に示すように、時点ｔ８で、浮体１の深度を拘束していた鉛直方向の係留索が解除されることにより、図１１（ｇ）に示すように、ＰＤＣが機能し、時点ｔ８〜ｔ９で、浮体１が所定の深度領域に沈下する（回転数昇速工程）。
その後、浮体１が所定の深度領域に沈下したら、図１１（ｂ）に示すように、時点ｔ１０〜ｔ１１で、バイパス弁１１７が閉に切り替えられ、回転翼５のロータ軸５Ａの回転数制御が終了される。これにより、図１１（ｅ）に示すように、発電機９のトルクは上昇し、通常発電に移行することができる。
図１０は、ロータ軸５Ａへの入力される動力（ロータ軸入力動力）と、発電機９から出力される動力（発電機出力）の変遷を示しており、ロータ軸入力動力と発電機出力との差分（斜線部）が熱量として放出しなければならない発熱エネルギー（放熱エネルギー）分であるが、発熱は、時点ｔ８〜ｔ１１で、浮体１が所定の深度まで沈下し、通常発電に移行するまでに限られ、発熱が抑制されることがわかる。
〔効果〕
以上のように、本実施形態にかかる起動方法及び起動制御装置によれば、回転翼５のロータ軸５Ａの回転開始時に、ロータ軸５Ａに回転負荷を与えられながら回転速度を上昇させるので、回転速度の急上昇が抑えられ、ロータ軸５Ａは緩やか昇速する（図５参照）。このため、回転翼５が起動時でも翼投影面積が大きいピッチ角固定ではあっても、回転翼５が回り勝手となる正帰還域において回転翼５のロータ軸回転速度の上昇と回転翼５への海流の作用トルクの増大とを緩やかに安定させることができ、回転翼５のロータ軸５Ａが一気に加速する不具合を回避できる。
そして、その後、発電機９のロータの回転を開始する際にも円滑に開始することができる。これにより、回転翼５にピッチ角固定翼を用いた海流発電装置において、装置を滑らかに起動させることができるようになる。
また、その後、発電機９のロータの回転速度を制御しながら上昇させて、発電機９を系統電源へ併入するので、系統電源へ併入するまでの発電機９の待機時における発熱量を抑えることができ（図１０参照）、海流発電装置の冷却装置を小型化できる利点もある。
〔その他〕
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、かかる実施形態を適宜変更したり、組み合わせたりして実施することができる。
例えば、上記実施形態では、浮体１を海面付近に深度拘束して行なうブレーキ解除工程，回転翼昇速工程，発電機始動工程及び発電開始工程を制御装置２０によって起動指令信号をトリガーとして自動で実施するように構成しているが、本発明の起動方法については、これに限るものではなく、各工程を人為的に操作して行なってもよい。
また、上記実施形態では、海中浮遊式海流発電装置を例示したが、本発明は海中浮遊式海流発電装置に好適ではあるが、本発明を適用できる海流発電装置はこれに限るものではない。
また、上記実施形態では、動力伝達機構に油圧式動力伝達機構を適用しているので、作動油のエネルギー吸収機能を利用して、より円滑な軌道を実施することができるが、動力伝達機構は、これに限るものではない。
つまり、動力伝達機構は、動力伝達状態と動力遮断状態とを切り替える手段（切替手段）と、動力遮断状態のときに回転翼のロータに回転負荷を与える手段（負荷付与手段）と、動力伝達状態のときに回転翼のロータの回転速度を変速して発電機のロータに伝達する手段（変速手段）と、を有するものであれば、これに限らない。
また、本方法の工程のうち、ブレーキ解除工程、回転翼昇速工程、発電機始動工程、発電機昇速工程、発電開始工程の各工程のみを実施しても一定の効果を得ることができる。
１ 浮体（海中浮遊式海流発電装置）
２ 海流発電装置本体
３ 構造物
４ ナセル（ポッド）
５ 回転翼
５Ａ ロータ軸（回転翼５の回転軸，主軸）
５Ｂ 油圧モータ１１４の回転軸
５ａ ブレード
６ 係留索
６Ａ アンカーウェイト
７ 海中
７ａ 海底
８ 油圧式動力伝達機構
９ 発電機
１０ ドライブトレーン
２０ 制御装置（起動制御装置）
２１ ブレーキ制御部（ブレーキ制御手段）
２２ 回転翼昇速制御部（回転翼昇速制御手段）
２３ 発電機始動制御部（発電機始動制御手段）
２４ 発電機昇速制御部（発電機昇速制御手段）
２５ 発電開始制御部（発電開始制御手段）
２６ 発電制御部（発電制御手段）
３５，３６ 回転数センサ（回転速度センサ）
３７ 圧力センサ
１１１ 油圧回路
１１２ 油路
１１２ａ 供給油路
１１２ｂ 返送油路
１１３ 油圧ポンプ
１１４ 油圧モータ
１１５ 開閉弁
１１６ バイパス油路
１１７ バイパス弁

Claims (7)

  1. ナセル内に収納された発電機のロータを前記ナセルの外部に突出したピッチ角固定の回転翼により駆動する海流発電装置を、海中において起動させる方法であって、
    前記海流発電装置は、
    前記回転翼のロータ軸の回転を規制するメカニカルブレーキと、
    前記回転翼のロータ軸と前記発電機のロータとの間に介装された動力伝達機構とを備え、
    前記動力伝達機構は、動力伝達状態と動力遮断状態とを切り替える切替手段と、前記動力遮断状態のときに前記回転翼のロータ軸に回転負荷を与える負荷付与手段と、前記動力伝達状態のときに前記回転翼のロータ軸の回転速度を変速して前記発電機のロータに伝達する変速手段と、を有し、
    前記切替手段により前記動力伝達機構を前記動力遮断状態として、前記メカニカルブレーキを作動状態から解除状態に切り替えるブレーキ解除工程と、
    前記負荷付与手段により前記回転翼のロータ軸に回転負荷を与えつつ前記回転翼のロータ軸の回転速度を上昇させる回転翼昇速工程と、
    前記切替手段により前記動力伝達機構を前記動力伝達状態に切り替えて、前記発電機のロータの回転を開始する発電機始動工程と、
    前記変速手段により前記発電機のロータの回転速度を上昇させる発電機昇速工程と、
    前記発電機を系統電源へ併入して発電を開始する発電開始工程と、を順次実施する
    ことを特徴とする海流発電装置の起動方法。
  2. 前記ブレーキ解除工程，前記回転翼昇速工程，前記発電機始動工程，前記発電機昇速工程及び前記発電開始工程は、前記海流発電装置を海面近傍に位置させて実施し、
    前記発電開始工程の後に、前記海流発電装置を海面下の流速の高い所定の深度領域に沈下させていき、前記回転翼のロータ軸を昇速させる回転翼昇速工程を実施し、
    前記海流発電装置が前記所定の深度領域に沈下したら、発電効率が最大となるように前記発電機のロータの回転速度を制御しながら通常の発電を行なう通常発電工程を実施する
    ことを特徴とする請求項１記載の海流発電装置の起動方法。
  3. 前記動力伝達機構は、作動油を用いて動力を伝達する油圧式動力伝達機構であって、
    前記油圧式動力伝達機構は、前記回転翼のロータ軸により駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される作動油により回転して前記発電機のロータを駆動し前記変速手段として機能する回転制御機構付きの油圧モータと、作動油を前記油圧ポンプから前記油圧モータへ送る供給油路と、作動油を前記油圧モータから前記油圧ポンプへ戻す返送油路と、前記供給油路を開閉し前記切替手段として機能する切替弁と、前記供給油路における前記油圧ポンプと前記切替弁との中間部から前記返送油路に作動油をバイパスさせて前記油圧ポンプを前記負荷付与手段として機能させるバイパス油路と、前記バイパス油路を開閉するバイパス弁と、を有し、
    前記ブレーキ解除工程では、前記切替弁及び前記バイパス弁を閉にして、前記メカニカルブレーキを解除し、
    前記回転翼昇速工程では、前記バイパス弁を開に切り替えて、前記油圧ポンプの作動負荷により前記回転翼のロータ軸に回転負荷を与えつつ前記回転翼のロータ軸の回転速度を上昇させ、
    前記発電機始動工程では、前記切替弁を開に切り替えて前記発電機の回転を開始し、
    前記発電機昇速工程では、前記回転制御機構により前記油圧モータの回転速度を上昇させて前記発電機のロータの回転速度を上昇させる
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の海流発電装置の起動方法。
  4. 前記回転翼昇速工程までは、前記バイパス弁を開に保持して、
    前記回転翼昇速工程後で前記通常発電工程の前に、前記バイパス弁を閉に切り替えるバイパス流路閉鎖工程を有する
    ことを特徴とする請求項２を引用する請求項３記載の海流発電装置の起動方法。
  5. 前記海流発電装置は、浮体として構成されて、係留索によって海底に係止されて海中を浮遊しながら発電する海中浮遊式海流発電装置であって、
    前記浮体は、海中で拘束を解除すると、前記浮体に作用する浮力と前記浮体に加わる海流の作用力と前記係留索の張力とのバランスによって、常に一定流速域の深度に自動調整される受動的深度制御が働くようになっており、
    前記ブレーキ解除工程，前記回転翼昇速工程，前記発電機始動工程，前記発電機昇速工程及び前記発電開始工程は、前記海流発電装置を海中で拘束して海面近傍に位置させて実施し、
    前記回転翼昇速工程では、前記海流発電装置の拘束を解除して受動的深度制御を作動可能にする
    ことを特徴とする請求項２を引用する請求項３又は４記載の海流発電装置の起動方法。
  6. ナセル内に収納された発電機のロータを前記ナセルの外部に突出したピッチ角固定の回転翼により駆動する海流発電装置を海中において起動させる起動制御装置であって、
    前記海流発電装置は、
    前記回転翼のロータ軸の回転を規制するメカニカルブレーキと、
    前記回転翼のロータ軸と前記発電機のロータとの間に介装された動力伝達機構とを備え、
    前記動力伝達機構は、動力伝達状態と動力遮断状態とを切り替える切替手段と、前記動力遮断状態のときに前記回転翼のロータ軸に回転負荷を与える負荷付与手段と、前記動力伝達状態のときに前記回転翼のロータ軸の回転を変速して前記発電機のロータに伝達する変速手段と、を有し、
    前記起動制御装置は、
    起動指令を受けると、前記切替手段を操作して前記動力伝達機構を前記動力遮断状態として、前記メカニカルブレーキを作動状態から解除状態に切り替えてブレーキ解除するブレーキ制御手段と、
    前記ブレーキ解除が完了したら、前記負荷付与手段により前記回転翼のロータ軸に回転負荷を与えつつ前記回転翼のロータ軸の回転速度を上昇させる回転翼昇速制御手段と、
    前記回転翼のロータ軸の回転速度が上昇し安定したら、前記切替手段を操作して前記動力伝達機構を前記動力伝達状態に切り替えて、前記発電機のロータの回転を開始する発電機始動制御手段と、
    前記発電機のロータの回転が開始したら、前記変速手段を操作して前記発電機のロータの回転速度を上昇させる発電機昇速制御手段と、
    前記発電機のロータの回転速度が所定回転速度域に上昇したら前記発電機を系統電源へ併入して発電を開始する発電開始制御手段と、を有する
    ことを特徴とする海流発電装置の起動制御装置。
  7. 前記動力伝達機構は、作動油を用いて動力を伝達する油圧式動力伝達機構であって、
    前記油圧式動力伝達機構は、前記回転翼のロータ軸により駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される作動油により回転して前記発電機のロータを駆動し前記変速手段として機能する回転制御機構付きの油圧モータと、作動油を前記油圧ポンプから前記油圧モータへ送る供給油路と、作動油を前記油圧モータから前記油圧ポンプへ戻す返送油路と、前記供給油路を開閉し前記切替手段として機能する切替弁と、前記供給油路の前記油圧ポンプと前記切替弁との中間部から前記返送油路に作動油をバイパスさせ前記油圧ポンプを前記負荷付与手段として機能させるバイパス油路と、前記バイパス油路を開閉するバイパス弁と、を有し、
    前記ブレーキ解除制御手段は、前記切替弁及び前記バイパス弁を閉に操作して、前記メカニカルブレーキを解除し、
    前記回転翼昇速制御手段は、前記バイパス弁を開に操作して、前記油圧ポンプの作動負荷により前記回転翼のロータ軸に回転負荷を与えつつ前記回転翼のロータ軸の回転速度を上昇させ、
    前記発電機始動制御手段は、前記切替弁を開に操作して前記発電機の回転を開始し、
    前記発電機昇速制御手段は、前記回転制御機構により前記油圧モータの回転速度を上昇させて前記発電機のロータの回転速度を上昇させる
    ことを特徴とする請求項６記載の海流発電装置の起動制御装置。
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