JP2005313665A - 浮体構造物の姿勢制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型の浮体構造物の姿勢を長期的に安定して制御する際に、電力消費量が少ない浮体構造物の姿勢制御装置を提供する。
【解決手段】海面上に浮遊する中央浮力体の周囲に等角度おきに６個の調整浮力体１２を配置すると共に、各調整浮力体を、それぞれバラスト水を取込み及び放出可能な下部容器２１及び上部容器２２にて構成し、各調整浮力体において、下部容器２１内のバラスト水を揚水管３３及び揚水ポンプ３２により上部容器２２内に移送させるようになし、さらに各調整浮力体の上部容器から、その内部に貯溜されたバラスト水を反対側に設けられた調整浮力体の下部容器内に重力にて移送し得る接続管３４〜３６を設けるとともに、これら各接続管途中に開閉弁４４〜４７を設け、且つ浮体の姿勢を検出する姿勢検出手段からの検出値に応じて、上記開閉弁を制御して各調整浮力体におけるバラスト水量を調整する姿勢制御部を設けたものである。
【選択図】 図５

Description

本発明は、洋上に配置されて風力発電装置などを搭載した浮体構造物の姿勢制御装置に関するものである。

従来、浮体構造物の短周期の揺動を制御するものとしては、特許文献１および特許文献２に示すものがある。特許文献１に開示された浮遊体の減揺方法は、浮体の周囲に配置した減揺タンク（エアポケット）にエア抜きバルブをそれぞれ設け、波の大小に応じて上記バルブを開閉して浮体の傾斜を防止するものである。また、特許文献２に開示された浮体の動揺低減装置は、浮体の周囲に配置した対称位置の減揺タンク（空気タンク）をダクトにより連通させるとともに、波浪情報に応じて、上記ダクトに設けられたバルブを開閉するものである。
特開平９−２７７９８３号公報（図１〜図４） 実開平７−４２９１号公報（図２）

例えば、風力発電装置を浮体を介して陸地から遠く離れた洋上に設置する場合、陸上や近海に比べて、風向き、風力および潮流についても比較的安定しているため、浮体の姿勢、すなわち風車の姿勢が安定するため、効率の良い風力発電が可能となる。

しかし、浮体が傾斜すると風車を支持しているタワーも傾斜するため、風に対する風車の姿勢が傾き（適正にならず）発電効率が低下することになる。
ところで、上述した特許文献１および特許文献２に開示されたものは、短周期の揺動の抑制を目的としたもので、例えば風力発電装置が設置されるような大型の浮体構造物の揺動の抑制には適しておらず、また、減揺タンクの底部は開放されて海水の出入が自由に行われるため、波浪の影響により減揺タンク内の空気の一部が流出するおそれも生じ、したがって長期間の姿勢制御には適していない。

これを解決するものとして、本発明者等は、浮体構造物の姿勢を長期的に安定して制御し得る浮体構造物の姿勢制御装置を発明し出願している。
この出願に係る姿勢制御装置は、浮体構造物の周囲に、例えば６個の円柱状の浮力容器を同一円周上に等角度おきに配置するとともに、互いに１８０度対称位置に配置される両浮力容器同士間で、浮体構造物の姿勢を修正するようにポンプ装置により、バラスト水を移送可能に構成したものである。

しかし、この構成によると、互いに１８０度対称に配置されたる一対の浮力容器同士間でバラスト水を移送させるようにしているが、例えば浮体構造物に風力発電装置が配置されている場合には、発電効率の点からその姿勢を迅速に修正する必要があり、すなわちバラスト水を短時間で移動させる必要があるため、ポンプ装置としては大型で且つ性能が良いものを用いる必要があり、自然に、電力消費量が大きくなってしまうが、浮体構造物が洋上に係留されている場合には、風力発電装置で発生した電力が用いられることになり、当該風力発電装置を設置した意味から、できるだけ、電力消費量が少ないことが望まれる。また、風力発電に限らず、陸上からの送電が困難な浮体構造物上においても、電力消費量が少ないことが望まれる。

そこで、上記課題を解決するために、本発明は、大型の浮体構造物の姿勢を長期的に安定して制御する際に、電力消費量が少ない浮体構造物の姿勢制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る浮体構造物の制御装置は、
水面（海面も含む）上に浮遊する浮体構造物の周囲複数箇所に調整浮力体を配置するとともに、これら各調整浮力体を、それぞれバラスト液を取込みおよび放出可能な下部容器および上部容器にて構成し、
上記各調整浮力体において、下部容器内のバラスト液を上部容器内に移送させる揚液手段を設け、
上記各調整浮力体の上部容器に、その内部に貯溜されたバラスト液を放出する放出手段を設け、
且つ上記浮体構造物の姿勢を検出する姿勢検出手段からの検出値に応じて、上記放出手段を制御して各調整浮力体におけるバラスト液量を調整する姿勢制御部を設けたものである。

また、請求項２に係る浮体構造物の姿勢制御装置は、水面（海面も含む）上に浮遊する浮体構造物の周囲の４箇所以上で且つ偶数箇所にしかも同一円周上で等角度おきに調整浮力体を配置するとともに、これら各調整浮力体を、それぞれバラスト液を取込みおよび放出可能な下部容器および上部容器にて構成し、
上記各調整浮力体において、下部容器内のバラスト液を上部容器内に移送させる揚液手段を設け、
上記各調整浮力体の上部容器から、その内部に貯溜されたバラスト液を、他の調整浮力体の下部容器内に重力にて移送し得る液移送用配管を設けるとともに、この液移送用配管途中に開閉弁を設け、
且つ上記浮体構造物の姿勢を検出する姿勢検出手段からの検出値に応じて、上記開閉弁を制御して各調整浮力体におけるバラスト液量を調整する姿勢制御部を設けたものである。

また、請求項３に係る浮体構造物の姿勢制御装置は、請求項２に記載の姿勢制御装置における各調整浮力体の下部容器内のバラスト液を、当該調整浮力体の揚液手段により、他の調整浮力体の上部容器内に移送し得る液移送用配管を設けたものである。

また、請求項４に係る浮体構造物の姿勢制御装置は、請求項２または３に記載の姿勢制御装置の各調整浮力体における上部容器と下部容器とに亘って、当該上部容器内のバラスト液を下部容器内に移送し得る液移送用配管を設けるとともに、この液移送用配管の途中に開閉弁を設けたものである。

また、請求項５に係る浮体構造物の姿勢制御装置は、水面（海面も含む）上に浮遊する浮体構造物の周囲複数箇所にしかも同一円周上で等角度おきに調整浮力体を配置するとともに、これら各調整浮力体を、それぞれバラスト液を取込みおよび放出可能な下部容器および上部容器にて構成し、
上記各調整浮力体において、下部容器内のバラスト液を上部容器内に移送させる揚液手段を設け、
上記各調整浮力体の下部容器に、水面下に配置されて水（海水も含む）をバラスト液として取込み可能な取込用開口部を設けるとともに、上部容器に、その内部に貯溜れさたバラスト液を放出可能な放出用開口部を設け、
上記取込用開口部および放出用開口部にそれぞれ開閉弁を設け、
且つ上記浮体構造物の姿勢を検出する姿勢検出手段からの検出値に応じて、上記各開閉弁を制御して各調整浮力体におけるバラスト液量を調整する姿勢制御部を設けたものである。

また、請求項６に係る浮体構造物の姿勢制御装置は、請求項５に記載の姿勢制御装置において、
取込用開口部および放出用開口部からのバラスト液の流入出量をそれぞれ計測する流量計を設けるとともに、これら流量計からの検出値に基づき、全ての調整浮力体におけるバラスト液の総量が略一定となるように、姿勢制御部により各開閉弁を制御するようにしたものである。

上記各請求項に係る姿勢制御装置によれば、浮体構造物の姿勢を制御するために周囲に配置された複数個の調整浮力体を、下部容器と上部容器とで構成するとともに、下部容器から上部容器へは揚液手段にて移送させて貯溜しておき、姿勢制御の際には、上部容器に貯溜されたバラスト液を放出し、または他の調整浮力体の下部容器内に液移送用配管を介して重力により移送させるようにしたので、姿勢制御の際には揚液手段を駆動する必要がない。

すなわち、下部容器から上部容器へのバラスト液の移送については、風が急に強くなったり、風向きが急に大きく変わるなどして、浮体構造物が急激に傾くような場合を除いて、常に、行うようにすればよく、したがって姿勢制御時に必要な大流量ではなく、小流量でゆっくりとバラスト液を移送すればよいため、揚液手段として、例えば電動機により駆動される揚液ポンプを用いた場合には、その駆動に要する電力消費量は少なくて済む。例えば、洋上の浮体構造物に風力発電装置を設置して発電を行う場合の姿勢制御装置において、発電電力の消費量を抑制することができるので発電効率を向上させることができる。

また、請求項３の構成によると、揚液手段により、一方の調整浮力体の下部容器から他方の調整浮力体の上部容器にバラスト液を移送し得るようにしたので、浮体構造物の急な姿勢変化に対処することができる。

さらに、請求項４の構成によると、上述したように浮体構造物の急な姿勢変化に対処するために、揚液手段により、一方の調整浮力体の下部容器から他方の調整浮力体の上部容器にバラスト液を移送させる際に、下部容器内のバラスト液が不足する場合には、一方の調整浮力体における上部容器から下部容器にバラスト液を降下させることができるので、姿勢制御を続行することができる。

以下、本発明の浮体構造物の姿勢制御装置の実施の形態について説明する。なお、以下に示す各実施の形態においては、浮体構造物に風力発電装置が設置されてなる風力発電設備における姿勢制御装置について説明する。
［実施の形態１］
以下、本発明の実施の形態１に係る風力発電装置を支持する浮体構造物の姿勢制御装置を、図１〜図８に基づき説明する。

まず、風力発電設備の全体構成を図面に基づき説明する。
この風力発電設備は、図１〜図３に示すように、所定海域の海面上（洋上であり、また湖水上であってもよい）に浮遊されるとともに複数本の係留索１を介して係留された浮体（浮体構造物の一例である）２と、この浮体２上に設置された風力発電装置３とから構成され、またこの浮体２には、当該浮体２の揺れを抑制するための姿勢制御装置４が設けられている。勿論、各係留索１の先端はアンカー５が取り付けられて海底に固定されている。

上記浮体２は、その中央（中心部）に浮力室と機械室を有する中央浮力体１１が配置されるとともに、この中央浮力体１１の中心を通る直線上で且つ中央浮力体１１を挟んで１８０度対称位置に設けられる２個を一組とする姿勢調整用の調整浮力体１２が、中央浮力体１１を中心とする同一半径の円周上に等角度おきに３組（合計６個）でもって配置されたものであり、また各調整浮力体１２と中央浮力体１１とが、および隣り合う調整浮力体１２同士が、それぞれ連結材１３により互いに六角形状に連結されている。

そして、本発明に係る姿勢制御装置４においては、上記調整浮力体１２の構造的機能を利用して、浮体２の姿勢制御を行うようにするもので、まず、この調整浮力体１２の構造について説明する。

すなわち、各調整浮力体１２は、図５に示すように、海面上に浮遊する円筒形状でタンク構造にされてバラスト水（バラスト液の一例）を貯溜可能な下部容器２１と、この下部容器２１に連結材２３を介してその上方位置で固定されるとともに円筒形状でタンク構造にされてバラスト水を貯溜可能な上部容器２２とから構成され、また下部容器２１の底部にはバラスト水を取り出すための取出用ノズル（取出用開口部）２１ａが設けられ、さらに上部容器２２の上壁部にはバラスト水を注入するための注入用ノズル（注入用開口部）２２ａおよび側壁部下部（または底部）にはバラスト水を放出するための放出用ノズル（放出手段の一例で、放出用開口部でもある）２２ｂが設けられている。なお、下部容器２１と上部容器２２の貯溜容量は同一にされている。

上記風力発電装置３は、中央浮力体１１に立設された支柱体であるタワー３ａの上端部に、風向きに応じて垂直軸心回りに旋回する風車支持体３ｂを介して、風車３ｃが水平軸心周りで回転自在に設けられたもので、勿論、この風車３ｃに発電機が連結されている。

なお、上記各調整浮力体１２の外周には、短い周期での波浪による揺動を減衰させるための揺動抑制板（フィン）１４がそれぞれ放射方向に突設されている。
上記姿勢制御装置４は、上述したように、各調整浮力体１２の構造的機能を利用するもので、具体的に説明すれば、下部容器２１と上部容器２２との間でバラスト水を移送（移動）させることにより姿勢制御を行うものである。

すなわち、この姿勢制御装置４は、図４および図５に示すように、各調整浮力体１２における下部容器２１の上部と上部容器２２の底部とに亘って設けられた降水管（液移送用配管）３１と、各調整浮力体１２を構成する下部容器２１の取出用ノズル２１ａと上部容器２２の注入用ノズル２２ａとに亘って設けられるとともに途中に揚水ポンプ（揚液手段の一例で、電動機により駆動される）３２が配置された揚水管（液移送用配管）３３と、互いに１８０度対称に配置された一組の両調整浮力体１２（１２Ａ，１２Ｂ）における下部容器２１Ａ，２１Ｂの取出用ノズル２１ａ同士すなわち両揚水管３３の下部途中同士を接続する下部接続管（液移送用配管）３４と、同じく上部容器２２Ａ，２２Ｂの放出用ノズル２２ｂ部同士を接続する上部接続管（液移送用配管）３５と、これら両接続管３４，３５の中間部同士を接続する中間部接続管（液移送用配管）３６と、両揚水管３３における揚水ポンプ３２より下流側である上方部途中同士を接続する揚水用接続管（液移送用配管）３７と、上記降水管３１の途中に設けられた第１開閉弁４１と、各揚水管３３における揚水用接続管３７との接続箇所の上流側および下流側に配置された第２および第３開閉弁４２，４３と、下部接続管３４における中間部接続管３６の接続箇所の両側に配置された第４および第５開閉弁４４，４５と、上部接続管３５における中間部接続管３６の接続箇所の両側に配置された第６および第７開閉弁４６，４７と、揚水用接続管３７の途中に設けられた第８開閉弁４８と、浮体２の姿勢を検出する姿勢検出手段５１と、各調整浮力体１２における下部容器２１および上部容器２２内のバラスト水の水位（液位）を、具体的には満水若しくは空状態または水位を検出し得る水位計（レベルセンサともいう）５２，５３と、上記姿勢検出手段５１からの検出値および各水位計５２，５３からの各検出信号に基づいて上記揚水ポンプ３２および各開閉弁４１〜４８を制御する姿勢制御部５４とから構成されている。なお、上記各開閉弁４１〜４８としては、流量制御が可能な電磁開閉弁が用いられている。上記満水状態については、容器内に略隙間なくバラスト水が満たされる状態でもよく、また隙間なく満たされるのではなく「満水」とみなす水位を設定しておき、この水位に達した場合に満水状態であると判断するようにしてもよい。

上記姿勢検出手段５１は、図３に示すように、タワー３ａの基部（または中央浮力体１１）に配置されてｘ軸回りでの浮体２の傾き（ピッチ角φ）を検出するピッチ角検出センサ６１、およびｙ軸回りでの浮体２の傾き（ロール角θ）を検出するロール角検出センサ６２により構成され、また図示しないが、必要に応じて係留索１の許容範囲でｚ軸回りでの浮体２の傾き（ヨー角）を検出するヨー角検出センサ（コンパス、ジャイロなどの方位センサが用いられる）が設けられる。また、外乱検出手段６３として、風向計６４および風速計６５がタワー３ａに設けられるとともに、潮流の向きおよび潮流の速度（潮速）を検出する潮流計６６が中央浮力体１１の底部に設けられている。なお、図３には、液移送用配管である各接続管については、各組における一方の調整浮力体から他方の調整浮力体にバラスト水を移送するための配管系統だけを図示している。

上記姿勢制御部５４は、図４に示すように、ピッチ角検出センサ６１にて検出されたピッチ角φおよびロール角検出センサ６２にて検出されたロール角θを入力して所定の演算式に基づき傾斜角αおよび修正方位角βを求める傾き状態演算部７１と、目標とする浮体２の姿勢、タワー３ａについて言えばその傾き（具体的には、傾斜角αが０度である）を設定する目標傾き設定部７２と、目標傾き設定部７２の設定値と傾き演算部７１からの傾斜角αとの偏差を求める偏差演算部７３と、この偏差演算部７３にて求められた偏差値並びに風向計６４、風速計６５および潮流計６６からの各検出値を入力して当該偏差値がゼロとなるように、すなわちタワー３ａを修正方位角βの方向に傾けるためのバラスト水の総移動量を求めるバラスト水移動量演算部（バラスト液移動量演算部ともいう）７４と、上記各水位計５２，５３からの検出信号を入力して各調整浮力体１２における上部容器２２内のバラスト水が満水または空になったか否かを検出する貯溜状態検出部７５と、上記バラスト水移動量演算部７４で演算されたバラスト水移動量および貯溜状態検出部７５からの検出結果を入力して各調整浮力体１２に対するバラスト水の配分量すなわち各移動量（以下、個別移動量ともいう）を演算する配分演算部７６と、この配分演算部７６の演算値に基づいて各ポンプ３２および各開閉弁４１〜４８に制御信号を出力する制御指令部７７とから構成されている。

上記バラスト水移動量演算部７４は、偏差演算部７３からの偏差信号をＰＩＤ制御回路に入力してフィードバック系の出力ｍｂ（ｔ）を求めるとともに外乱検出手段６３である風向計６４等で検出された風速、風向、潮向および潮速をフィードフォワード制御回路に入力してフィードフォワード系出力ｍｆ（ｔ）を求めた後、これらを加算することによりバラスト水の総移動量Ｍ（ｔ）［ｍｂ（ｔ）＋ｍｆ（ｔ）］を求めるように構成されている（なお、ｔはある時間において求められた値であることを示している）。

また、上記配分演算部７６には、上記バラスト水移動量演算部７４にて求められたバラスト水の総移動量、並びに調整浮力体１２の位置および修正方位角βに基づき、各調整浮力体１２に対する個別移動量［一組における一方の調整浮力体の上部容器から他方の調整浮力体における下部容器への放出量（移送量）］を求めるためのデータテーブルが具備されている。

さらに、貯溜状態検出部７５では、各調整浮力体１２の下部容器２１および上部容器２２内に設けられた水位計５２，５３からの検出信号を入力するとともに、バラスト水が満水または空になった下部容器２１または上部容器２２を配分演算部７６に知らせるものである。

ここで、上記各調整浮力体１２同士間でのバラスト水の移送動作について説明する。
まず、各調整浮力体１２においては、各揚水ポンプ３２が駆動されて、揚水管３３を介して、下部容器２２内に貯溜されたバラスト水がそれぞれ上部容器２２内に移送される。なお、初期状態としては、上部容器２２内に、満水になるようにバラスト水が貯溜される。

このバラスト水の移送については、風が急に強くなったり、風向きが急に大きく変わるなどして、浮体構造物が急激に傾くような場合を除いて、常に、行われる。但し、全ての揚水ポンプ３２で均等に移送（揚水）するため、いずれか一つの上部容器２２が満水になるか、またはいずれか一つの下部容器２１の水位が所定量以下（空状態も含む）になった時には、全てのバラスト水の移送（揚水）が停止される。すなわち、揚水ポンプ３２は、台風時などの傾きが大きくなる非常時を除いて、最大能力ではない小さい能力で運転されるため、揚水ポンプ３２駆動時の電力消費量は少なくて済む。

そして、気象条件の変化による風向き、風速の変化などにより、浮体２の姿勢（バランス）が崩れたとき、すなわち傾きが生じた場合には、姿勢制御部５４からの制御指令により、その姿勢を修正すべくバラスト水を移送させる制御指令が出力される。制御指令が出力されると、当該制御指令に係る一組の調整浮力体１２，１２同士を接続している各接続管３５，３４に設けられた開閉弁４４〜４７が適宜開かれて、一方の調整浮力体１２の上部容器２２から他方の調整浮力体１２の下部容器２１にバラスト水が移送される。

例えば、図６に示すように、一方の調整浮力体１２Ａが下位となるように傾斜した場合には、第６開閉弁４６および第５開閉弁４５だけが開かれて、一方の調整浮力体１２Ａの上部容器２２Ａから上部接続管３５、中間部接続管３６および下部接続管３４を介して、矢印ａで示すように、バラスト水が重力により自然に他方の調整浮力体１２Ｂの下部容器２１Ｂ内に移送される（なお、図６中、開閉弁の黒印は閉状態であることを示しており、以下、同じ。）。

ところで、浮体２が、一方の調整浮力体１２の上部容器２２から他方の調整浮力体１２の下部容器２１へ重力（自然の力）で移送できないほど急激に傾いた場合（非常時）、例えば急な強風で重力によるバラスト水の移動が困難なほど大きく傾いた（想定外傾斜）場合、またはバラスト分布が大きく偏った状態で平衡状態（傾きがゼロ）にある時に急激に風向きが大きく変わりバラスト分布が悪い方に傾く場合などには、迅速に、姿勢制御を行う必要があるため、バラスト水の移送に際して揚水ポンプ３２が用いられる。

すなわち、図７に示すように、他方の調整浮力体１２Ｂにバラスト水をできるだけ早く移送させる場合、第２開閉弁４２（４２Ａ）、第８開閉弁４８および第３開閉弁４３（４３Ｂ）が開かれるとともに、揚水ポンプ３２（３２Ａ）が駆動されて、強制的に、一方の調整浮力体１２Ａの下部容器２１Ａ内のバラスト水が揚水用接続管３７を介して他方の調整浮力体１２Ｂの上部容器２２Ｂ内に移送される。この場合、バラスト水をできるだけ早く移送させる必要があるため、揚水ポンプ３２（３２Ａ）はフル運転でもって駆動される。場合によっては、例えば上述したように風向きが急に大きく変わったが、想定内傾斜である場合など、重力でバラスト水の移動が可能な場合で、迅速に姿勢を回復したい場合には、揚水ポンプ３２（３２Ａ）と併用して、第６および第５開閉弁４６，４５を開き接続管３５，３６，３４からもバラスト水を、一方の調整浮力体１２Ａから他方の調整浮力体１２Ｂに移送させるようにしてもよい。

また、急激な姿勢変化を修正する際には、上述したように、一方の調整浮力体１２Ａの下部容器２１Ａから他方の調整浮力体１２Ｂの上部容器２２Ｂにバラスト水が移送されるが、下部容器２１Ａ内のバラスト水が不足するような場合には、上部容器２２Ａから下部容器２１Ａに降水管３１を介してバラスト水を降下させることができるので、姿勢制御を続行することができる。このとき、他方の調整浮力体１２Ｂの上部容器２２Ｂが満水状態になった場合でも、同様に、降水管３１を介して、下部容器２１Ｂ内にバラスト水を降下させることができるので、姿勢制御を続行することができる。

次に、姿勢制御装置４の全体動作について説明する。
上記構成において、ピッチ角検出センサ６１にて検出されたピッチ角φおよびロール角検出センサ６２にて検出されたロール角θが傾き状態演算部７１に入力されると、ここで、ロール角θおよびピッチ角φに基づき傾斜角αと修正方位角βとが演算される。次に、この傾斜角αおよび目標傾き設定部７２からの設定値が偏差演算部７３に入力されて、設定値すなわち目標との偏差角が求められる。そして、外乱検出手段６３からの風向、風力、潮向および潮流と偏差演算部７３からの偏差角がバラスト水移動量演算部７４に入力され、ここで、偏差値をＰＩＤ制御演算の入力とするとともに、風向、風力、潮向および潮流に基づくフィードフォワード制御演算を行い、バラスト水の総移動量が演算される。

次に、バラスト水移動量演算部７４で演算されたバラスト水の総移動量、傾き状態演算部７１からの修正方位角βおよび貯溜状態検出部７５からの検出結果が配分演算部７６に入力されて、各調整浮力体１２に対するバラスト水の個別移動量が演算される。但し、本実施の形態１においては、一組の調整浮力体１２Ａ，１２Ｂ同士間でバラスト水を移動させるため、実際のバラスト水の総移動量としては、演算された総移動量［Ｍ（ｔ）］の１／２の値が用いられる。

そして、この演算結果が制御指令部７７に入力されて、その演算結果に基づき、揚水ポンプ３２および開閉弁４１〜４８に制御信号が出力されて、浮体２の姿勢制御が行われる。

例えば、図８に示すように、修正方位（修正方位角がβ）が第１調整浮力体１２Ａと第２調整浮力体１２との間の大エリア内で且つ第１調整浮力体１２Ａ側に少しずれている場合（大エリアの半分の小エリア内にある場合）には、第１調整浮力体１２Ａおよび第２調整浮力体１２Ｂ側に、接続管３４〜３６を介して、反対側の第４調整浮力体１２Ｄおよび第５調整浮力体１２Ｅ側にバラスト水が移送されるとともに、第１調整浮力体１２Ａ側に少しずれている分を修正するために、第６調整浮力体１２Ｆに対しても、第３調整浮力体１２Ｃ側からバラスト水が、そのずれている角度に応じたバラスト水量が移送されて、浮体２の姿勢が修正される。

そして、姿勢修正時に、移動させる下部容器２１内のバラスト水量が不足する場合、または上部容器２２内が満水状態になった場合には、水位計５２，５３からの検出信号を受けて貯溜状態検出部７５からの出力信号が配分演算部７６に出力されるとともに、この配分演算部７６からの指令により降水管３１に設けられた第１開閉弁４１が開かれて、上部容器２２から下部容器２１内にバラスト水が移送される。

ところで、この姿勢制御を行う際に、配分演算部７６においては、修正方位角βに基づき、どの調整浮力体１２に対してバラスト水を移送させるかが求められるとともに、バラスト水を移送させるべく調整浮力体１２が求められた場合には、どの開閉弁４１〜４８に対してどのような制御（例えば、全開、ずれた角度に応じた開度）を行うかが、例えばデータテーブルとして数値化されており、このデータテーブルを参照することにより姿勢制御が行われる。

上記の構成によると、浮体２すなわち風力発電装置３の姿勢を制御するのに、周囲に且つ等角度おきに配置された複数組の調整浮力体１２を、バラスト水を注入および放出（給排出）し得る容器としたので、すなわち密閉状の容器としたので、例えば底部が開放された減揺タンクを用いるものに比べて、波浪の影響をそれ程受けることがないとともに空気が流出する心配もないため、長期間に亘って安定した姿勢制御を行うことができる。

しかも、各調整浮力体１２を、下部容器２１と上部容器２２とで構成するとともに、下部容器２１から上部容器２２へは揚水管３３を介して揚水ポンプ３２により、バラスト水を移送させて貯溜しておき、姿勢制御の際には、上部容器２２に貯溜されたバラスト水を反対側に配置された調整浮力体１２の下部容器２１内に、接続管３４〜３６を介して重力により自然に移送させるようにしたので、上述したように急激な傾きに対して迅速に姿勢を回復させる場合などの姿勢回復に揚水ポンプ３２を使用する場合（非常時）を除いては、姿勢制御のために揚水ポンプ３２をフル駆動（消費電力大）させる必要がない。

すなわち、下部容器２１から上部容器２２へのバラスト水の移送については、姿勢回復に揚水ポンプ３２を使用しない常時のときに（常のときに）最大能力ではない消費電力が少ない能力で、揚水管３３に設けられた揚水ポンプ３２を用いて行われるので（小流量でゆっくりとバラスト水を移送させればよく）、揚水ポンプ３２を駆動する際の電力消費量は少なくて済み、延いては、風力発電装置による発電電力の消費量を抑制することができるので、発電効率を向上させることができる。

さらに、バラスト水については、例えば一組の調整浮力体１２，１２同士間で循環されるため、容器を劣化させにくい液体を用いることにより、装置の長寿命化、保守点検作業の容易化および作業時間の短縮化を図ることができる。

上記説明においては、調整浮力体１２を６箇所に配置した場合について説明したが、４箇所および８箇所に配置した場合についても、同様に、浮体２の姿勢制御を行うことができる。なお、４箇所に配置する場合には、例えば平面視が４角形状の頂点に対応するように配置してもよい。

また、上部容器２２における放出用ノズル２２ｂの位置については、浮体２が傾斜した際に、バラスト水が集る側に設けるのが好ましい。すなわち、バラスト水を放出する側が下方に傾くため、放出用ノズル２２ｂの容器側接続箇所を上部容器２２の中央浮力体１１とは反対側である外側で且つ底部に配置するのがよく、またこの放出用ノズル２２ｂを複数箇所に設けるとともに最終的には１本に纏めることもできる。

さらに、水位計５２，５３については、各容器２１，２２内で制御に必要な水位（例えば、満水、空状態、任意の水位）を計測できる位置に配置しておけばよいが、例えば容器の底部および上部の複数箇所に設けておき、これら複数箇所で計測した水位から、制御に必要となる水位を求めるようにしてもよい。
［実施の形態２］
以下、本発明の実施の形態２に係る浮体構造物の姿勢制御装置を、図９および図１０に基づき説明する。

上記実施の形態１においては、互いに１８０度対称な位置に配置された一組の調整浮力体同士間でバラスト水を移送（移動）させるようにしたクローズ式（循環式）として説明したが、本実施の形態２においては、各調整浮力体において、バラスト水を外界である海水との間で、その取込みおよび放出を行うようにしたオープン式を採用したものである。

なお、本実施の形態２と実施の形態１との異なる箇所は、バラスト水の移送経路がクローズ式であるかオープン式であるかだけであり、したがって本実施の形態２においては、この調整浮力体に着目して説明するとともに、実施の形態１で説明した構成部材と同一のものについては、同一の部品番号を用いて説明する。

すなわち、図９に示すように、姿勢制御装置４を構成するための同一円周上で且つ等角度おきに配置された６個の各調整浮力体１２は、海面上に浮遊する円筒形状でタンク構造にされてバラスト水（バラスト液の一例）を貯溜可能な下部容器２１と、この下部容器２１の上方位置で且つ連結材２３を介して固定されるとともに円筒形状でタンク構造にされてバラスト水を貯溜可能な上部容器２２とから構成され、また下部容器２１の底部にはバラスト水を取り出すための取出用ノズル２１ａが設けられるとともにその上部にはバラスト水としての海水を取り込むための取込用ノズル（取込用開口部）２１ｂが設けられ、また上部容器２２の上壁部にはバラスト水を注入するための注入用ノズル２２ａが設けられるとともにその底部にはバラスト水を放出するための放出用ノズル（放出用開口部）２２ｂが設けられ、さらに両容器２１，２２間には途中に第１開閉弁４１が介装された降水管３１が設けられている。なお、実施の形態１にて説明した下部容器同士および上部容器同士を接続する下部接続管３４および上部接続管３５並びにこれら両接続管３４，３５同士および揚水用接続管３７については設けられていない。なお、図９においては、互いに１８０度対称位置に設けられた一対の調整浮力体１２を示している。

そして、さらに姿勢制御装置４には、図９および図１０に示すように、各調整浮力体１２を構成する下部容器２１の取出用ノズル２１ａと上部容器２２の注入用ノズル２２ａとに亘って設けられるとともに途中に揚水ポンプ（揚液手段の一例で、電動機により駆動される）３２が配置された揚水管（液移送管でもある）３３と、上記各揚水管３３の途中に設けられた第２開閉弁４２と、下部容器２１の取込用ノズル２１ｂに設けられた第１１開閉弁８１と、上部容器２２の放出用ノズル２２ｂに設けられた第１２開閉弁８２と、浮体２の姿勢を検出する姿勢検出手段５１と、各調整浮力体１２における各容器２１，２２内のバラスト水の水位（液位）を検出する水位計（レベルセンサともいう）５２，５３と、下部容器２１の取込用ノズル２１ｂに設けられた流量計５６と、上部容器２２の放出用ノズル２２ｂに設けられた流量計５７と、上記姿勢検出手段５１からの検出値並びに水位計５２，５３からの検出信号および各流量計５６，５７からの検出値に基づいて上記揚水ポンプ３２および各開閉弁４１，４２，８１，８２を制御する姿勢制御部５４とから構成されている。なお、第１１および第１２開閉弁８１，８２についても、流量制御が可能な電磁開閉弁が用いられている。また、放出用ノズル２２ｂおよび第１２開閉弁８２により放出手段が構成される。

この構成によると、姿勢制御部５４の配分演算部７６にて姿勢を修正すべき修正量が制御指令部７７に出力されると、当該制御指令部７７から各開閉弁８１，８２に制御指令が出力されて、例えばバラスト水を増やす場合には、その調整浮力体１２Ａに係る下部容器２１の取込用ノズル２１ｂの第１１開閉弁８１だけが開かれて、下部容器２１内に海水を自然に取り込む。そして、このとき、反対側に位置する調整浮力体１２においては、同一量のバラスト水が減らされて、浮体２の姿勢制御が行われる。勿論、バラスト水を減らす場合には、放出用ノズル２２ｂの第１２開閉弁８２が開かれて、重力により自然にバラスト水が海面に放出される。

なお、バラスト水の取込量および放出量については、流量計５６，５７からの検出値が貯溜状態検出部７５に入力され、配分演算部７６にて、全ての調整浮力体１２におけるバラスト水の総量が、常に、略一定となるように配分が行われている。

上述した実施の形態１と同様に、常時に、第２開閉弁４２が開かれるとともに揚水ポンプ３２が駆動されて、比較的ゆっくりと、バラスト水が揚水管３３を介して下部容器２１から上部容器２２に移送される。

すなわち、本実施の形態２の構成においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
勿論、浮体２の姿勢が変動した場合でも、取込用ノズル２１ｂの開口部は常に海面下に位置するようにされるとともに、放出用ノズル２２ｂの開口部も常に海面上に位置するようにされている。

ところで、上記各実施の形態においては、各貯溜浮力体を、下部容器の上面に上部容器を連結材を介して連結した構造として説明したが、例えば両容器全体を浮体内に収納させるような構造にしてもよい。この場合、両容器が海面下に位置してもよく、少なくとも、上部容器の放出用ノズルが海面上に開口するとともに下部容器の取込用ノズルが海面下に開口していればよい。

また、上記実施の形態２においては、貯溜浮力体を４個以上の複数で且つ偶数箇所に配置したが、奇数箇所であってもよい。この場合、バラスト水を減らす貯溜浮力体およびバラスト水を増やす貯溜浮力体については、必ずしも、１対１ではなく、適宜、増やすことにより（例えば、１対２）、より最適な姿勢制御を行うことができる。

本発明の実施の形態１に係る姿勢制御装置を具備した風力発電設備の全体側面図である。 同風力発電設備の斜視図である。 同風力発電設備の姿勢制御装置の概略構成を示す図である。 同姿勢制御装置の構成を示すブロック図である。 同姿勢制御装置における調整浮力体の構成および配管系統を示す図である。 同調整浮力体による制御方法を説明する図である。 同調整浮力体による制御方法を説明する図である。 同姿勢制御装置における制御方法を説明するための調整浮力容器の配置図である。 本発明の実施の形態２に係る姿勢制御装置における調整浮力体の構成を示す図である。 同姿勢制御装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

２ 浮体
３ 風力発電装置
４ 姿勢制御装置
１１ 中央浮力体
１２ 調整浮力体
２１ 下部容器
２１ａ 取出用ノズル
２１ｂ 取込用ノズル
２２ 上部容器
２２ａ 注入用ノズル
２２ｂ 放出用ノズル
３１ 降水管
３２ 揚水ポンプ
３３ 揚水管
３４ 下部接続管
３５ 上部接続管
３６ 中間部接続管
３７ 揚水用接続管
４１〜４８ 開閉弁
５１ 姿勢検出手段
５２，５３ 水位計
５４ 姿勢制御部
６１ ピッチ角傾斜センサ
６２ ロール角傾斜センサ
６３ 外乱検出手段
７１ 傾き状態演算部
７２ 目標傾き設定部
７３ 偏差演算部
７４ バラスト水移動量演算部
７５ 貯溜状態検出部
７６ 配分演算部
７７ 制御指令部
８１ 第１１開閉弁
８２ 第１２開閉弁

Claims (6)

1. 水面（海面も含む）上に浮遊する浮体構造物の周囲複数箇所に調整浮力体を配置するとともに、これら各調整浮力体を、それぞれバラスト液を取込みおよび放出可能な下部容器および上部容器にて構成し、
   上記各調整浮力体において、下部容器内のバラスト液を上部容器内に移送させる揚液手段を設け、
   上記各調整浮力体の上部容器に、その内部に貯溜されたバラスト液を放出する放出手段を設け、
   且つ上記浮体構造物の姿勢を検出する姿勢検出手段からの検出値に応じて、上記放出手段を制御して各調整浮力体におけるバラスト液量を調整する姿勢制御部を設けたことを特徴とする浮体構造物の姿勢制御装置。
2. 水面（海面も含む）上に浮遊する浮体構造物の周囲の４箇所以上で且つ偶数箇所にしかも同一円周上で等角度おきに調整浮力体を配置するとともに、これら各調整浮力体を、それぞれバラスト液を取込みおよび放出可能な下部容器および上部容器にて構成し、
   上記各調整浮力体において、下部容器内のバラスト液を上部容器内に移送させる揚液手段を設け、
   上記各調整浮力体の上部容器から、その内部に貯溜されたバラスト液を、他の調整浮力体の下部容器内に重力にて移送し得る液移送用配管を設けるとともに、この液移送用配管途中に開閉弁を設け、
   且つ上記浮体構造物の姿勢を検出する姿勢検出手段からの検出値に応じて、上記開閉弁を制御して各調整浮力体におけるバラスト液量を調整する姿勢制御部を設けたことを特徴とする浮体構造物の姿勢制御装置。
3. 各調整浮力体の下部容器内のバラスト液を、当該調整浮力体の揚液手段により、他の調整浮力体の上部容器内に移送し得る液移送用配管を設けたことを特徴とする請求項２に記載の浮体構造物の姿勢制御装置。
4. 各調整浮力体における上部容器と下部容器とに亘って、当該上部容器内のバラスト液を下部容器内に移送し得る液移送用配管を設けるとともに、この液移送用配管の途中に開閉弁を設けたことを特徴とする請求項２または３に記載の浮体構造物の姿勢制御装置。
5. 水面（海面も含む）上に浮遊する浮体構造物の周囲複数箇所にしかも同一円周上で等角度おきに調整浮力体を配置するとともに、これら各調整浮力体を、それぞれバラスト液を取込みおよび放出可能な下部容器および上部容器にて構成し、
   上記各調整浮力体において、下部容器内のバラスト液を上部容器内に移送させる揚液手段を設け、
   上記各調整浮力体の下部容器に、水面下に配置されて水（海水も含む）をバラスト液として取込み可能な取込用開口部を設けるとともに、上部容器に、その内部に貯溜れさたバラスト液を放出可能な放出用開口部を設け、
   上記取込用開口部および放出用開口部にそれぞれ開閉弁を設け、
   且つ上記浮体構造物の姿勢を検出する姿勢検出手段からの検出値に応じて、上記各開閉弁を制御して各調整浮力体におけるバラスト液量を調整する姿勢制御部を設けたことを特徴とする浮体構造物の姿勢制御装置。
6. 取込用開口部および放出用開口部からのバラスト液の流入出量をそれぞれ計測する流量計を設けるとともに、これら流量計からの検出値に基づき、全ての調整浮力体におけるバラスト液の総量が略一定となるように、姿勢制御部により各開閉弁を制御するようにしたことを特徴とする請求項５に記載の浮体構造物の姿勢制御装置。

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