TWI599515B - 水中機器及水中機器的姿勢控制方法 - Google Patents

Description

水中機器及水中機器的姿勢控制方法

本發明係關於一種具備發電部之能夠浮起及沉降的水中浮式之海流發電裝置以及海流發電裝置等的水中浮式之水中機器及其姿勢控制方法，該發電部係具有承受海流(潮流)而旋轉的渦輪機(turbine)。

本案係根據2013年4月22日在日本提出申請之特願2013-89438號而主張優先權，且將其內容援用於此。

近年來，已有開發出利用海流(潮流)等海水之流動進行發電的海流發電裝置。

作為如此之利用海水流動進行發電的海流發電裝置，例如有專利文獻1所記載的裝置。該海流發電裝置為雙引擎(twin-engine)的水中浮式發電裝置，其係將具有承受海流而旋轉之水平軸型渦輪機的一對發電部彼此藉由連結梁(connection beam)來並聯連結，且將該一對發電部繫泊於海中。

在該海流發電裝置的一對發電部之各渦輪機中，係採用可變螺距渦輪機葉片(variable pitch turbine blade)。藉由將渦輪機葉片皆設為可變螺距渦輪機葉片，就可以調整螺距以免各渦輪機之流體阻力及輸出超過預定值。

又，該海流發電裝置係將藉由連結梁所連結的一對發電部，透過深度控制用之浮力賦予支柱及三根繫泊索(mooring cable)而繫泊於海底。然後，藉由配置於浮力賦予支柱的長度控制部，來控制將浮力賦予支柱和海底予以連結的三根繫泊索中之至少一根繫泊索的長度，藉此控制一對發電部之深度或姿勢。

〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕

專利文獻1：日本特表2010-531956號公報

如上述的水中浮式之海流發電裝置中，當從其在海中進行發電的情況考量時，要求儘可能簡化裝置之構成或控制系統。

然而，對於將一對發電部透過浮力賦予支柱及三根繫泊索而繫泊於海底的上述海流發電裝置而言，難謂其構成及要變更姿勢之姿勢控制系統為簡單者。

本發明係著眼於上述之習知課題而開發完成者，其目的在於提供一種除了能夠簡化構成或控制系統，還能夠確實地進行包含渦輪機之裝置本體的滾動 方向(rolling direction)之姿勢控制的水中浮式之水中機器及其姿勢控制方法。

為了達成上述目的，本發明提供一種水中機器，係具備：複數個渦輪機，係在水中旋轉；以及姿勢控制部，藉由控制此等複數個渦輪機之旋轉，來控制滾動方向之姿勢，前述姿勢控制部係藉由控制伴隨前述複數個渦輪機之旋轉而在前述複數個渦輪機分別產生的轉矩，來控制滾動方向之姿勢。

在此，前述複數個渦輪機亦可分別具備可變螺距渦輪機葉片，前述姿勢控制部係藉由進行前述可變螺距渦輪機葉片之螺距控制來控制分別產生在前述複數個渦輪機的轉矩。

又，前述水中機器為具備複數個發電部的水中繫泊式之海流發電裝置，該複數個發電部係具有承受海流而旋轉的前述複數個渦輪機，且藉由前述複數個渦輪機之旋轉而發電，前述複數個發電部中的各渦輪機，係分別具備可變螺距渦輪機葉片，進而亦可具備：傾斜檢測手段，用以檢測在前述複數個發電部發生的滾動方向之姿勢偏移；以及前述姿勢控制部，係為了消除由前述傾斜檢測手段所檢測出之在前述複數個發電部發生的滾動方向之姿勢偏移，而進行前述複數個發電部中的各渦輪機之可變螺距渦輪機葉片的螺距控制。

在此，亦可在繫泊於海底的前述複數個發 電部之上游側，配置用以掌握朝向前述複數個發電部側的海流之流動狀況並輸出至前述姿勢控制部的流動狀況計測手段，前述姿勢控制部係根據來自前述流動狀況計測手段之計測結果，為了預先避免前述複數個發電部中的滾動方向之姿勢變化，而進行前述複數個發電部中的各渦輪機之可變螺距渦輪機葉片的螺距控制。

更且，亦可將能夠計測深度方向之流速分布的超音波都卜勒(Doppler)流速計作為前述流動狀況計測手段，且將該超音波都卜勒流速計配置複數個於前述複數個發電部之上游側。或是，亦可將計測流速或流向等流況的浮標(buoy)作為前述流動狀況計測手段，且將該浮標配置複數個於前述複數個發電部之上游側。

又，本發明亦提供一種水中機器的姿勢控制方法，係藉由控制伴隨在水中旋轉的複數個渦輪機之旋轉而在此等複數個渦輪機分別產生的轉矩(torque)，來控制前述複數個渦輪機之旋轉，且控制滾動方向之姿勢。

在此情況下，前述複數個渦輪機亦可分別具備可變螺距渦輪機葉片，且藉由進行前述可變螺距渦輪機葉片之螺距控制來控制在前述複數個渦輪機分別產生的轉矩。

又，前述水中機器為具備複數個發電部的水中繫泊式之海流發電裝置，該複數個發電部係具有承受海流而旋轉的前述複數個渦輪機，且藉由前述複數個渦輪機之旋轉而發電，亦可將前述複數個發電部中的各渦輪機 之渦輪機葉片分別設為可變螺距渦輪機葉片，為了消除在前述複數個發電部發生的滾動方向之姿勢偏移，而進行前述複數個發電部中的各渦輪機之可變螺距渦輪機葉片的螺距控制。

在本發明之水中機器及其姿勢控制方法中，不用將裝置之構成及控制系統複雜化，就可獲得能夠確實地控制包含渦輪機之裝置本體中的滾動方向之姿勢的非常優異效果。

1‧‧‧海流發電裝置

2‧‧‧裝置本體

3‧‧‧渦輪機

3a‧‧‧輪轂

3b‧‧‧可變螺距渦輪機葉片

3c‧‧‧輪機軸

4‧‧‧吊艙(發電部)

5‧‧‧連結梁

6‧‧‧繫泊索

7‧‧‧深度計(傾斜檢測手段)

8‧‧‧沉錘

9‧‧‧姿勢控制部

10‧‧‧超音波流速計(流動狀況計測手段)

11‧‧‧浮標(流動狀況計測手段)

12‧‧‧索(第4圖)

12‧‧‧發電機(輸出機器)(第5圖)

13‧‧‧轉矩計

B‧‧‧海底

E‧‧‧超音波

第1圖係顯示本發明之一實施形態的海流發電裝置之整體構成的立體圖。

第2A圖係第1圖所示之海流發電裝置中的渦輪機之可變螺距渦輪機葉片之阻力較小的狀態之局部俯視圖。

第2B圖係第1圖所示之海流發電裝置中的渦輪機之可變螺距渦輪機葉片之阻力較大的狀態之局部俯視圖。

第3圖係顯示本發明之另一實施形態的海流發電裝置之整體構成的立體圖。

第4圖係顯示本發明之更另一實施形態的海流發電裝置之整體構成的立體圖。

第5圖係例示本發明之海流發電裝置中的轉矩計(torque meter)之設置狀況的概略圖。

第6圖係例示本發明之海流發電裝置中的輪機軸 (turbine shaft)與發電機之連結狀況的概略圖。

第7圖係顯示本發明之海流發電裝置中藉由渦輪機葉片之螺距控制所進行的轉矩平衡控制之例的流程圖。

第8圖係顯示本發明之海流發電裝置中藉由從發電機施加於輪機軸的負載之調節所進行的轉矩平衡控制之例的流程圖。

以下，根據圖式說明本發明。

第1圖、第2A圖及第2B圖係顯示作為本發明的水中機器之一實施形態的海流發電裝置。

如此等圖所示的雙引擎之浮式發電裝置，重要的是使其在海中浮沉、亦即使一對發電部一邊保持成大致水平一邊在海中浮沉，以免在一對發電部之各深度發生較大的差異。在本發明之海流發電裝置中，所謂「在一對發電部發生的滾動方向之姿勢偏移」，係指因一對發電部之水平狀態崩毀而傾斜之意。

又，在利用海流旋轉而發電的水平軸型渦輪機係採用直徑數十m的渦輪機，而具有該渦輪機的發電部係繫泊在水深數十m左右的位置，在其為雙引擎之水中浮式發電裝置的情況時，發電容量大約數MW。另外，該發電容量係依規格等之差異而有所不同。

如第1圖所示，該海流發電裝置1係具備：裝置本體2，其具備左右一對吊艙(pod)4、4及連結梁5，該左右一對吊艙4、4係具有承受鏤空箭頭所示之海流而旋 轉的水平軸型渦輪機3，該連結梁5係並聯連結此等吊艙4、4彼此；沉錘8，係設置於海底；以及二根繫泊索6、6，用以連結該沉錘8和裝置本體2，且將裝置本體2繫泊於海底B。

又，一對吊艙4、4，係藉由內建有與輪機軸連結的發電機(皆未圖示)來構成發電部。又，二根繫泊索6、6，係分別連結於裝置本體2之一對吊艙4、4，並纏繞成一根而連結於沉錘8，且整體形成Y字狀。

渦輪機3係配置於沿著海流之流動的一對吊艙4、4之各下游側(圖示左側)，該渦輪機3係在與輪機軸之後端部結合的輪轂(hub)3a安裝二片葉片3b、3b所構成。此等的渦輪機3、3，係構成為為了抵銷各個旋轉轉矩而彼此朝向相反方向旋轉。

在此情況下，渦輪機3之二片葉片3b、3b為可改變相對於輪轂3a之螺距的可變螺距葉片3b、3b。又，在一對吊艙4、4係分別配置有：傾斜檢測手段，用以檢測在一對吊艙4、4發生的滾動方向之姿勢偏移；以及姿勢控制部9，係為了消除由該傾斜檢測手段所檢測出之在吊艙4、4發生的滾動方向之姿勢偏移，而進行渦輪機3、3中的可變螺距渦輪機葉片3b、3b之螺距控制。

在此，作為檢測在一對吊艙4、4發生的滾動方向之姿勢偏移的傾斜檢測手段，係可採用陀螺儀感測器(gyro sensor)(陀螺儀(gyroscope))或深度計，在本實施例中，係採用深度計7作為傾斜檢測手段。

亦即，在本實施例中，係將深度計7、7分別設置於一對吊艙4、4，且依據由兩深度計7、7所測得的深度之差異，來檢測在一對吊艙4、4發生的滾動方向之姿勢偏移。

另外，為了謀求傾斜之檢測系統的冗餘化，亦可併用陀螺儀感測器及深度計。

在此姿勢控制部9中，係當由深度計7、7檢測出吊艙4、4(裝置本體2)中的滾動方向之姿勢偏移的情況時，例如就會在左右渦輪機3中的一方渦輪機3，如第2A圖及第2B圖所示，將可變螺距渦輪機葉片3b之螺距從阻力較小的狀態改變成阻力較大的狀態，並在左右渦輪機3間產生轉矩不平衡，藉此可消除在一對吊艙4、4中的滾動方向之姿勢偏移。

在本實施形態之海流發電裝置1中，例如當在一對吊艙4、4(裝置本體2)發生微妙的滾動方向之姿勢偏移並使裝置本體2朝向滾動方向開始旋轉時，深度計7、7就會檢測出該旋轉並將信號輸出至姿勢控制部9。

在姿勢控制部9中，為了消除由深度計7、7檢測出之在一對吊艙4、4中的滾動方向之姿勢偏移，係例如使左右渦輪機3中的一方渦輪機3進行：將可變螺距渦輪機葉片3b之螺距，從第2A圖所示之阻力較小的狀態，改變成第2B圖所示之阻力較大的狀態之螺距控制。結果，一對吊艙4、4之左右位置可控制成水平，且可抑制裝置本體2朝向滾動方向之旋轉。

換句話說，除了能夠謀求裝置之構成及控 制系統的簡化，還能夠控制一對吊艙4、4的滾動方向之姿勢。

第3圖係顯示本發明之海流發電裝置的另一實施形態。

如第3圖所示，該海流發電裝置1之構成，係在繫泊於海底B的一對吊艙4、4之上游側(圖示例中為沉錘8之附近)，配置作為流動狀況計測手段的超音波都卜勒流速計(ADCP)10，該超音波都卜勒流速計10係掌握朝向此等吊艙4、4的海流之流動狀況並輸出至姿勢控制部9。其他的構成係與前述之實施形態的海流發電裝置1相同。

作為流動狀況計測手段的超音波都卜勒流速計10，係藉由從海底B側朝向上方發出超音波E，來計測深度方向之流速分布，且將該超音波都卜勒流速計10配置複數台(在本實施例中為二台)，藉此可計測通過一對吊艙4、4的流動之流速變化。

在該海流發電裝置1之姿勢控制部9中，係根據來自二台超音波都卜勒流速計10、10的流速分布之計測結果，為了預先避免一對吊艙4、4中的滾動方向之姿勢變化，而使一對渦輪機3、3進行可變螺距渦輪機葉片3b、3b之螺距控制。

在本實施形態之海流發電裝置1中，係即便發生在一對吊艙4、4之上游側，海流之深度方向的流速分布會變化，並在一對吊艙4、4會有滾動方向之姿勢發生變化的可能性，姿勢控制部9仍能根據來自計測該流速分布 之變化的超音波都卜勒流速計10、10之計測結果，使各渦輪機3、3進行可變螺距渦輪機葉片3b、3b之螺距控制。結果，能避免一對吊艙4、4的姿勢在滾動方向崩毀。

第4圖係顯示本發明之海流發電裝置的更另一實施形態。

如第4圖所示，在本實施形態中，係將計測流速或流動方向等之流況的浮標11作為流動狀況計測手段，且將該浮標11配置複數個於一對吊艙4、4之上游側。又，複數個浮標11皆是透過索12而繫泊於沉錘8。

另外，海流之流速，既可使用上述的超音波都卜勒流速計來計測，又可使用電磁流量計等流體計測機器來計測。

在本實施形態之海流發電裝置1中，即便在一對吊艙4、4之上游側有海流之流況發生變化，並在一對吊艙4、4有滾動方向之姿勢發生變化的可能性，姿勢控制部9仍能根據來自掌握該流況變化的複數個浮標11之計測結果，使各渦輪機3、3進行可變螺距渦輪機葉片3b、3b之螺距控制。結果，能避免一對吊艙4、4的姿勢在滾動方向崩毀。

在上述實施形態之海流發電裝置1中，由於將超音波都卜勒流速計10、10或計測流況的浮標11作為流動狀況計測手段，所以不用使裝置之構成及控制系統複雜化，就能預先避免在一對吊艙(發電部)4、4中的滾動方向之姿勢變化。

又，只要一對吊艙4、4所具備的各渦輪機 3、3間之轉矩平衡為固定，則即便一對吊艙4、4周圍的海流之流況發生變化，仍不會使一對吊艙4、4的姿勢在滾動方向崩毀。因此，即便分別計測在各渦輪機3、3產生的轉矩，且姿勢控制部9為了將此等的轉矩維持成固定而使各渦輪機3、3進行可變螺距渦輪機葉片3b、3b之螺距控制，亦可藉此消除在一對吊艙4、4中的滾動方向之姿勢偏移。

在此情況下，就計測在各渦輪機3、3發生之轉矩的方法而言，係有例如第5圖所示，在渦輪機3之輪機軸3c，設置用以測定在輪機軸3c產生之轉矩的轉矩計13，或是如第6圖所示，由與輪機軸3c連結的輸出機構(發電機12)之輸出、及此時的輪機軸3c之旋轉數來算出轉矩的方法。

再者，即便藉由調節從連結於輪機軸3c之發電機12施加於輪機軸3c的負載，亦可調節一對吊艙4、4所具備的各渦輪機3、3間的轉矩平衡。在此情況下，係以上述第5圖及第6圖所例示的方法來計測在各渦輪機3、3產生的轉矩，且姿勢控制部9為了將此等的轉矩維持成固定，而會調節從發電機12施加於輪機軸3c的負載。因而，不需要藉由姿勢控制部9進行各渦輪機3、3中的可變螺距渦輪機葉片3b、3b之螺距控制。

第7圖及第8圖係顯示具備複數個渦輪機之海流發電裝置中藉由渦輪機之轉矩平衡調節而進行的姿勢控制之例的流程圖。

第7圖係顯示藉由渦輪機之螺距控制所進行的轉矩平衡控制之例，第8圖係顯示藉由從發電機施加於輪機軸的負載之調節所進行的轉矩平衡控制之例。

在第7圖所示之例中，係分別計測複數個(n個)渦輪機之轉矩，且根據其等的結果，檢測各渦輪機間的轉矩平衡。然後，控制部(相當於姿勢控制部9)，係調節各個渦輪機所具備的可變螺距渦輪機葉片之螺距，且控制各渦輪機間的轉矩平衡。結果，各渦輪機間的轉矩平衡能維持成固定，且可消除滾動方向的裝置之姿勢偏移。

在第8圖所示之例中，係分別計測複數個(n個)渦輪機之轉矩，且根據其等的結果，檢測各渦輪機間的轉矩平衡。然後，控制部(相當於姿勢控制部9)，係調節從連結於各個渦輪機之發電機透過輪機軸施加於渦輪機的負載，藉此控制各渦輪機間的轉矩平衡。結果，各渦輪機間的轉矩平衡能維持成固定，且可消除滾動方向的裝置之姿勢偏移。

另外，在第1圖所示之實施形態中，係採用所謂反饋(feedback)控制，其係以傾斜檢測手段(深度計7)檢測出在一對吊艙4、4發生的滾動方向之姿勢偏移，且根據該結果來控制裝置本體之姿勢。相對於此，在第3圖以後所示的實施形態中，係採用所謂前饋(feedforward)控制，其係利用以流動狀況計測手段(超音波都卜勒流速計10或浮標11)所計測的海流之流況變化、或在各渦輪機3、3中產生的轉矩之計測結果等，以在一對吊艙4、4發生滾 動方向之姿勢偏移之前，避免該姿勢之偏移。亦即，第3圖以後所示的實施形態係與第1圖所示的實施形態相比較，具有可迅速地控制裝置本體2之姿勢的優點。

又，亦可根據利用流動狀況計測手段(超音波都卜勒流速計10或浮標11)所測得的海流之流況，預測並算出在各渦輪機3、3產生的轉矩，且根據該結果來調節各渦輪機3、3間的轉矩平衡。

本發明之海流發電裝置及海流發電裝置的姿勢控制方法之構成，並非被限定於上述之實施形態。只要在未脫離本發明之宗旨的範圍內均能進行構成之附加、省略、替換及其他的更換。又，本發明並不是由上述之說明所限定，而是僅由另附之申請專利範圍所限定。

例如，上述各實施形態中的渦輪機3雖具有二片的可變螺距渦輪機葉片3b、3b，但渦輪機葉片之片數並未受限於此。各個吊艙4中的渦輪機3之設置位置，亦不僅為吊艙4之尾部，亦可為吊艙4之前部(沉錘8側)或中央部，或是此等之組合。又，在上述各實施形態中，雖然左右一對吊艙4、4是藉由連結梁5所連接，但是三個以上之吊艙4、4亦可透過連結梁5等來配置。

並且，複數個吊艙4、4亦可配置於上下或是上下左右。

又，各個吊艙4中的傾斜檢測手段(深度計7)之位置及數目，亦未被限定於上述各實施形態。

繫泊索6係除了構成從各吊艙4、4延伸並在途中合在一起的Y字形以外，亦可為一端從各吊艙4、4 延伸而另一端連接於同一沉錘8的V字形。或是，一根或複數根的繫泊索6亦可從各個吊艙4、或連結梁5延伸。在複數個吊艙4、4配置於上下左右的情況時，從此等吊艙4、4分別延伸的繫泊索6，亦可立體地配置成例如從前方來看為X字形等。又，繫泊索6之另一端所連接的沉錘8之數目，亦可為一個或複數個。或是亦可採用繫泊索6以外的公知繫泊方法。

又，在上述各實施形態中，雖然已就將本發明應用於海流發電裝置1的情況加以說明，但是本發明亦能夠應用於海流發電裝置以外之具備複數個渦輪機且進行使用此等渦輪機之姿勢控制的水中機器。例如，本發明亦能夠應用於有人或無人之自走式水中航行體或拖曳物、留置於水中的構造物(浮體等)。

〔產業上之可利用性〕

依據本發明，則能夠提供一種除了能夠簡化構成及控制系統，還能夠確實地進行裝置本體的滾動方向之姿勢控制的水中浮式之水中機器海流及其姿勢控制方法。

1‧‧‧海流發電裝置

2‧‧‧裝置本體

3‧‧‧渦輪機

3a‧‧‧輪轂

3b‧‧‧可變螺距渦輪機葉片

3c‧‧‧輪機軸

4‧‧‧吊艙(發電部)

5‧‧‧連結梁

6‧‧‧繫泊索

7‧‧‧深度計(傾斜檢測手段)

8‧‧‧沉錘

9‧‧‧姿勢控制部

B‧‧‧海底

Claims (7)

1. 一種水中機器，係水中繫泊式之水中機器，且具備承受海流而旋轉的複數個渦輪機，該水中機器包括：傾斜檢測手段，係藉由陀螺儀感測器或深度計檢測滾動方向之姿勢偏移；以及姿勢控制部，係控制滾動方向之姿勢，前述複數個渦輪機係分別具備可變螺距渦輪機葉片；前述姿勢控制部，係為了消除由前述傾斜檢測手段檢測出之滾動方向之姿勢偏移，藉由將前述複數個渦輪機中至少一個渦輪機所具備之前述可變螺距渦輪機葉片的螺距予以變更，而在伴隨前述複數個渦輪機之旋轉而在前述複數個渦輪機分別產生的轉矩間產生轉矩不平衡，從而控制滾動方向之姿勢。
2. 如申請專利範圍第1項所述之水中機器，其中，前述水中機器為具備複數個發電部的海流發電裝置，該複數個發電部係藉由前述複數個渦輪機之旋轉而發電，前述傾斜檢測手段係檢測在前述複數個發電部發生的滾動方向之姿勢偏移。
3. 如申請專利範圍第2項所述之水中機器，其中，在繫泊於海底的前述複數個發電部之上游側，配置測量海流的流速之流速計或流量計，作為用以掌握朝向前述複數個發電部側的海流之流動狀況並輸出至前述姿勢控制部的流動狀況計測手段， 在前述姿勢控制部中，係根據來自前述流動狀況計測手段之計測結果，為了預先避免前述複數個發電部中的滾動方向之姿勢變化，而將前述複數個發電部中之至少一個渦輪機所具備之前述可變螺距渦輪機葉片的螺距予以變更。
4. 如申請專利範圍第3項所述之水中機器，其中，將能夠計測深度方向之流速分布的超音波都卜勒流速計作為前述流動狀況計測手段，且將該超音波都卜勒流速計配置複數個於前述複數個發電部之上游側。
5. 如申請專利範圍第3項所述之水中機器，其中，將計測流況的浮標作為前述流動狀況計測手段，且將該浮標配置複數個於前述複數個發電部之上游側。
6. 一種水中機器的姿勢控制方法，係為了消除滾動方向之姿勢偏移，藉由將在水中旋轉之複數個渦輪機之至少一個渦輪機所具備之可變螺距渦輪機葉片的螺距予以變更，而在伴隨前述複數個渦輪機之旋轉而在此等複數個渦輪機分別產生的轉矩間產生轉矩不平衡，從而控制前述複數個渦輪機之旋轉，且控制滾動方向之姿勢。
7. 如申請專利範圍第6項所述之水中機器的姿勢控制方法，其中，前述水中機器為具備複數個發電部的水中繫泊式之海流發電裝置，該複數個發電部係具有承受海流而旋轉的前述複數個渦輪機，且藉由前述複數個渦輪機之旋轉而發電。