JP2018001821A - 水中浮遊式発電装置の姿勢制御システムおよび姿勢制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水中浮遊式発電装置がロール方向に傾斜した場合に、その姿勢を効率的に修正することができる水中浮遊式発電装置の姿勢制御システムおよび姿勢制御方法を提供する。【解決手段】発電用タービン４Ａ，４Ｂがそれぞれ設けられた複数のポッド２Ａ，２Ｂと、複数のポッド２Ａ，２Ｂの間に延在して複数のポッド２Ａ，２Ｂを連結するクロスビーム３と、を備える水中浮遊式発電装置１の姿勢制御システムＳであって、水中浮遊式発電装置１の少なくともロール方向の傾斜角度を検出するジャイロセンサと、それぞれの発電用タービン４Ａ，４Ｂに対して設けられ、発電用タービン４Ａ，４Ｂの回転数を調整可能な回転数調整手段と、ジャイロセンサによって検出された傾斜角度に応じて回転数調整手段を制御し、少なくとも１つの発電用タービン４Ａ，４Ｂの回転数を変更する制御部と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、水中浮遊式発電装置の姿勢制御システムおよび姿勢制御方法に関する。

水中浮遊式発電装置として、特許文献１，２に記載された装置が知られている。特許文献１に記載された装置（プラットフォーム）は、発電のための機器をそれぞれ含んだ４つのポッドを有している。４つのポッドは、横断翼によって結合されている。潮流によって影響されるプラットフォームの動きは、横断翼に連結された２本の前方係留線および１本の垂直係留線によって制限される。前方係留線および垂直係留線は、アンカーによって海底に固定される。特許文献２に記載された装置は、２つのナセルを有しており、２つのナセルが水中翼構造体によって接続されている。この装置も、海底に対して垂直な係留ロープと、海底に対してある角度で配置された２本の係留ロープによって保持されている。

これらの装置では、水中における姿勢制御が検討されている。特許文献１に記載された装置では、前方係留線が横断翼の中央に取り付けられることにより、装置の自由旋回を可能としており、装置の能動的（ピッチ、ロールおよびヨー）な制御の必要性を低減している。特許文献２に記載された装置では、ロータブレードのピッチが可変とされており、この機構によって、水中翼で生じる揚力を調整している。上記以外にも、水中航走体等の海中機器では、水中スラスタと舵による姿勢制御を実施する技術等が知られている。

特表２０１４−５３４３７５号公報 特許第４９２０８２３号公報

上記のように、水中浮遊式発電装置の姿勢制御について検討されている。しかしながら、水中浮遊式発電装置がロール方向に傾斜した場合に、その姿勢を修正することに関しては、十分に検討されていない。従来の手法を用いてロール方向の姿勢を制御しようとしても、効率的な姿勢制御を実現することは難しい。たとえば、垂直係留方式を採用すると、水流の向きに沿って発電装置が追従できないため、発電設備の稼働率が下がってしまう。また、スラスタを用いる場合も、発電装置の大型化に伴ってスラスタのサイズが大きくなる。よって、消費電力の観点から、スラスタの採用も現実的ではない。

本発明は、水中浮遊式発電装置がロール方向に傾斜した場合に、その姿勢を効率的に修正することができる水中浮遊式発電装置の姿勢制御システムおよび姿勢制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、発電用タービンがそれぞれ設けられた複数のポッドと、複数のポッドの間に延在して複数のポッドを連結する連結部と、を備える水中浮遊式発電装置の姿勢制御システムであって、水中浮遊式発電装置の少なくともロール方向の傾斜角度を検出する検出部と、それぞれの発電用タービンに対して設けられ、発電用タービンの回転数を調整可能な回転数調整手段と、検出部によって検出された傾斜角度に応じて回転数調整手段を制御し、少なくとも１つの発電用タービンの回転数を変更する制御部と、を備える。

この姿勢制御システムでは、発電用タービンが回転することで発電が行われる。制御部は、水中浮遊式発電装置のロール方向の傾斜角度に応じて、発電用タービンの回転数を変更する。発電用タービンの回転数が変更されると、２つの発電用タービンに作用する反トルクに、差が生じる。反トルクに差が生じることにより、水中浮遊式発電装置の全体に対して、ロール方向のモーメント（トルク）が生じる。これにより、水中浮遊式発電装置のロール方向の姿勢が修正され得る。この姿勢制御システムは、発電を行うために元々設けられている発電用タービンを用いて姿勢を制御しているため、従来検討されていたスラスタ等の別途の手段を要さず、効率的である。

いくつかの態様において、複数のポッドは、第１発電用タービンが設けられた第１ポッドと第２発電用タービンが設けられた第２ポッドとを含み、第１発電用タービンと第２発電用タービンとは互いに逆向きに回転するように構成されており、制御部は、傾斜角度が所定の閾値以上である場合に、傾斜角度が小さくなるような水中浮遊式発電装置の修正回転方向とは逆向きの回転方向を有する一方の発電用タービンの回転数が、当該修正回転方向と同じ向きの回転方向を有する他方の発電用タービンの回転数よりも大きくなるように、回転数調整手段を制御する。この態様によれば、水中浮遊式発電装置の姿勢がロール方向に傾斜した場合に、水中浮遊式発電装置を回転させるべき方向すなわち修正回転方向とは逆向きに回転する発電用タービンの回転数が、相対的に大きくなる。発電用タービンの回転方向と、発生し得る反トルクの回転方向とは、同じである。回転数が相対的に大きくなった一方の発電用タービンでは、ポッドに作用する反トルクは小さくなる。よって、他方の発電用タービンが設けられたポッドに作用する反トルクは、相対的に大きくなる。これにより、修正回転方向と同じ向きの大きな反トルクが得られる。したがって、水中浮遊式発電装置の全体に対して、修正回転方向のモーメント（トルク）が生じ、水中浮遊式発電装置のロール方向の姿勢が適切に修正され得る。

いくつかの態様において、連結部の延在方向に離間する２つの係留点に接続された係留ロープを備え、第１発電用タービンと第２発電用タービンとは、それぞれのブレードが第１ポッドおよび第２ポッドの間の領域で上から下に向けて通過するような回転方向で回転する。この態様によれば、発電用タービンの回転数が変更されることより、２つの発電用タービンに作用するスラスト力にも差が生じる。スラスト力に差が生じることにより、離間する２つの係留点に接続された２本の係留ロープにおける張力に、差が生じる。２本の係留ロープの張力に差が生じることにより、２つのポッドと連結部とを含む水中浮遊式発電装置の全体に対して更なるロール方向のモーメントが生じる。スラスト力の差に基づくモーメントと、反トルクの差に基づくモーメントとの協同によって、より一層効率的な姿勢の制御が可能である。

いくつかの態様において、回転数調整手段は、発電用タービンに接続された発電機であり、発電機における負荷トルクの調整により、発電用タービンの回転数が調整される。この態様によれば、元々設けられている発電機を用いて回転数を調整し姿勢を制御するため、別途の手段を要さず、効率的な姿勢の制御が可能である。

いくつかの態様において、回転数調整手段は、発電用タービンに接続されたブレーキ装置であり、ブレーキ装置におけるブレーキ力の調整により、発電用タービンの回転数が調整される。この態様によれば、発電用タービンにブレーキ装置が設けられている場合に、そのブレーキ装置を用いて回転数を調整し姿勢を制御するため、別途の手段を要さず、効率的な姿勢の制御が可能である。

本発明の他の態様は、発電用タービンがそれぞれ設けられた複数のポッドと、複数のポッドの間に延在して複数のポッドを連結する連結部と、を備える水中浮遊式発電装置の姿勢制御方法であって、水中浮遊式発電装置の少なくともロール方向の傾斜角度を検出する検出ステップと、傾斜角度に応じて、少なくとも１つの発電用タービンの回転数を変更する回転数変更ステップと、を含む。

この姿勢制御方法によれば、上述した理由から、水中浮遊式発電装置のロール方向の姿勢を効率的に修正することができる。

本発明のいくつかの態様によれば、水中浮遊式発電装置のロール方向の姿勢を効率的に修正することができる。

本発明の一実施形態に係る姿勢制御システムが適用された水中浮遊式発電装置の概略構成を示す図である。 図１の水中浮遊式発電装置の正面図である。 ポッドに設けられた機器類の概略構成を示す図である。 ポッドに作用するトルクおよび反トルクを説明するための図である。 制御部によって実施される姿勢制御の処理手順を示すフロー図である。 （ａ）および（ｂ）は、スラスト力のバランスによるロール方向の姿勢変化メカニズムを説明するための図である。 スラスト力のバランスによって水中浮遊式発電装置がロール方向に傾斜した状態を示す正面図である。 発電用タービンの回転数によるロール方向の姿勢変化メカニズムを説明するための図である。 発電用タービンの回転数によって水中浮遊式発電装置がロール方向に傾斜した状態を示す正面図である。 ロール方向に傾斜した姿勢が修正された状態を示す正面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

以下の説明において、「上流」または「下流」との語は、水の流れを基準として用いられる。また、「前」との語は、水の流れの上流側を意味し、「後」との語は、水の流れの下流側を意味する。たとえば、ダウンウィンド型のタービンが用いられる場合には、ポッドの後部側にブレード（翼）が配置される。「ロール」や「ローリング」との語は、ポッドの中心軸線に平行な軸線、すなわち前後方向の軸線を中心とする回転を意味する。また、「左」または「右」との語は、水の流れに対して垂直で且つ水平な方向を意味し、後方すなわち下流側から見た場合を基準として用いられる。「上」または「下」との語は、水中浮遊式発電装置１の姿勢が安定した状態における鉛直方向線を基準とする。

図１および図２を参照して、本実施形態の姿勢制御システムＳが適用された水中浮遊式発電装置１について説明する。図１に示されるように、水中浮遊式発電装置１は、たとえば海水中に設置されて浮遊し、海流を利用して発電を行う。水中浮遊式発電装置１は、左右に離間して配置された一対のポッドである第１ポッド２Ａおよび第２ポッド２Ｂと、第１ポッド２Ａおよび第２ポッド２Ｂを連結するクロスビーム（連結部）３とを備える。第１ポッド２Ａは右側に配置されたポッドであり、第２ポッド２Ｂは左側に配置されたポッドである。第１ポッド２Ａの後部には、第１発電用タービン４Ａが設けられている。第２ポッド２Ｂの後部には、第２発電用タービン４Ｂが設けられている。以下の説明では、水中浮遊式発電装置１を海流発電装置１という。また、第１発電用タービン４Ａおよび第２発電用タービン４Ｂを、それぞれ、第１タービン４Ａおよび第２タービン４Ｂという。

第１ポッド２Ａは、第１タービン４Ａを回転可能に支持しつつ、第１タービン４Ａに適正な浮力を付与する。第２ポッド２Ｂは、第２タービン４Ｂを回転可能に支持しつつ、第２タービン４Ｂに適正な浮力を付与する。第１ポッド２Ａおよび第２ポッド２Ｂは、円筒状をなしており、たとえば、同じ大きさおよび構造を有している。

第１ポッド２Ａおよび第２ポッド２Ｂの間には、これらを連結する構造体であるクロスビーム３が延在している（すなわち横断するように延びている）。クロスビーム３は、前後方向に所定の長さを有し、所定の厚みを有する。クロスビーム３は、浮遊する海流発電装置１の姿勢を安定させるべく、たとえば翼形状をなしている。クロスビーム３の左右の両端は、たとえば、第１ポッド２Ａおよび第２ポッド２Ｂの胴部の略中央にそれぞれ固定されている。なお、クロスビーム３が固定される位置は、上記の位置に限られない。クロスビーム３は、ポッドの上部または下部に固定されてもよいし、ポッドの前部または後部に固定されてもよい。クロスビーム３は、その延在方向（すなわち横断方向）において等しい断面形状を有してもよく、延在方向において変化する断面形状を有してもよい。クロスビーム３の中央付近に、１又は複数の物体が設けられてもよい。また、この物体から係留索が接続されていてもよい。

海流発電装置１は、海底に固定されたシンカー１４に対して、第１係留ロープ１１Ａおよび第２係留ロープ１１Ｂを介して接続されている。第１係留ロープ１１Ａおよび第２係留ロープ１１Ｂは、これらの分岐点１３（図２参照）がシンカー１４に設けられた、いわゆるＶ字状の係留索である。第１係留ロープ１１Ａの下端（他端）および第２係留ロープ１１Ｂの下端（他端）は、たとえば、シンカー１４に対して３６０度回転可能であるように接続されている。シンカー１４に対する第１係留ロープ１１Ａおよび第２係留ロープ１１Ｂの接続部は、たとえばシャックル等を用いた締結構造であってもよい。なお、分岐点１３がシンカー１４と海流発電装置１との間の途中部分に設けられることで、第１係留ロープ１１Ａおよび第２係留ロープ１１ＢがＹ字状をなしてもよい。なお、係留ロープの他端を海底に固定する固定部として、シンカー１４に代えて、アンカーが用いられてもよい。

海流発電装置１は、たとえば、第１係留ロープ１１Ａおよび第２係留ロープ１１Ｂによって、異なる２点で係留されている。より詳細には、第１係留ロープ１１Ａの上端（一端）は、クロスビーム３の右側に接続されている。第２係留ロープ１１Ｂの上端（一端）は、クロスビーム３の左側に接続されている。クロスビーム３に対する第１係留ロープ１１Ａの係留点１２Ａと、クロスビーム３に対する第２係留ロープ１１Ｂの係留点１２Ｂとは、たとえば、クロスビーム３の延在方向（図２の左右方向）に所定の長さ離間している。クロスビーム３の中央付近に、１又は複数の物体が設けられる場合、この物体から係留索が接続されていてもよい。

図１に示されるように、第１係留ロープ１１Ａおよび第２係留ロープ１１Ｂに沿うようにして、第１タービン４Ａおよび第２タービン４Ｂにおいて発電された電力を送電するための送電ケーブル１０が設けられている。より詳細には、第１タービン４Ａで発電された電力を送電する第１ケーブル１０Ａが、第１係留ロープ１１Ａに沿って設けられており、第２タービン４Ｂで発電された電力を送電する第２ケーブル１０Ｂが、第２係留ロープ１１Ｂに沿って設けられている。第１ケーブル１０Ａの一端は、第１ポッド２Ａ内の発電機１７（図３参照）に接続されている。第２ケーブル１０Ｂの一端は、第２ポッド２Ｂ内の発電機に接続されている。送電ケーブル１０の他端は、たとえばシンカー１４内に設けられた中継器（または変圧器等）に接続されている。中継器には、海底に敷設されて地上まで延びる送電ケーブルが接続されており、これらの送電ケーブルを介して、第１タービン４Ａおよび第２タービン４Ｂにおいて発電された電力が地上に送電されるようになっている。

なお、各ケーブルが設けられる形態は上記形態に限られない。たとえば、送電ケーブル１０、第１ケーブル１０Ａおよび第２ケーブル１０Ｂが、始動時のための給電ケーブルと一体になっていてもよい。第１タービン４Ａに接続された第１ケーブル１０Ａが給電ケーブルであり、第２タービン４Ｂに接続された第２ケーブル１０Ｂが送電ケーブルであってもよい。中継器は、シンカー１４外の海底に設定されてもよい。

海流発電装置１に適用される第１タービン４Ａおよび第２タービン４Ｂは、いわゆるダウンウィンド型のタービンである。第１ポッド２Ａおよび第２ポッド２Ｂは、海流の向きに対向した姿勢で浮遊する。この浮遊状態において、第１タービン４Ａおよび第２タービン４Ｂの回転軸線（図３に示される回転軸１６の軸線）は、互いに平行をなしており、略水平に維持される。なお、第１タービン４Ａおよび第２タービン４Ｂは、アップウィンド型のタービンであってもよい。

第１タービン４Ａは、第１ハブ５Ａと、第１ハブ５Ａに設けられた２枚の第１ブレード６Ａとを含んでいる。第２タービン４Ｂは、第２ハブ５Ｂと、第２ハブ５Ｂに設けられた２枚の第２ブレード６Ｂとを含んでいる。第１ハブ５Ａは、第１ポッド２Ａの後端部に配置されている。第２ハブ５Ｂは、第２ポッド２Ｂの後端部に配置されている。ダウンウィンド型のタービンを採用した海流発電装置１においては、海流の向きを基準として、第１ポッド２Ａの下流側に第１ブレード６Ａが配置され、第２ポッド２Ｂの下流側に第２ブレード６Ｂが配置される（図１参照）。

第１タービン４Ａと第２タービン４Ｂとにおいて、ブレードのピッチは逆向きとされている。すなわち、第２ブレード６Ｂのピッチは、第１ブレード６Ａのピッチとは逆向きである。これにより、第１タービン４Ａと第２タービン４Ｂとは、海流を受けて互いに逆向きに回転する。図２に示されるように、第１タービン４Ａは、上流側から見て時計回りの回転方向Ｒ_Ａに回転し、第２タービン４Ｂは、上流側から見て反時計回りの回転方向Ｒ_Ｂに回転する。

言い換えれば、第１タービン４Ａと第２タービン４Ｂとは、第１ブレード６Ａおよび第２ブレード６Ｂが第１ポッド２Ａおよび第２ポッド２Ｂの間の領域（クロスビーム３が配置された領域）で上から下に向けて通過するような回転方向で回転する。すなわち、第１ブレード６Ａおよび第２ブレード６Ｂは、上流側から見て、クロスビーム３を上から下に向けて通過する。なお、１つのタービンに対して、３枚以上のブレードが設けられてもよい。

続いて、図１〜図３を参照して、海流発電装置１の姿勢（特に、ロール方向の姿勢）を制御する姿勢制御システムＳについて説明する。姿勢制御システムＳは、上記した第１係留ロープ１１Ａおよび第２係留ロープ１１Ｂと、海流発電装置１の少なくともロール方向の傾斜角度を検出するジャイロセンサ（検出部）２３と、第１タービン４Ａおよび第２タービン４Ｂの回転数を調整可能な回転数調整手段と、を備えている。以下、第１ポッド２Ａが備える構成を主に説明する。第２ポッド２Ｂも第１ポッド２Ａと同様の構成を備えるため、第２ポッド２Ｂに関する説明を省略する。

図３に示されるように、第１ポッド２Ａの後端部の第１ハブ５Ａには、第１ブレード６Ａが取り付けられており、第１ブレード６Ａは、第１ハブ５Ａと一体的に回転可能になっている。第１タービン４Ａの回転は、回転軸１６を介して発電機１７に伝達される。回転軸１６は、たとえば第１ポッド２Ａの中心軸線に沿って設けられている。

海流発電装置１において、第１ブレード６Ａのピッチ角度は可変になっている。各第１ブレード６Ａの基端部のブレード軸には、油圧式駆動装置２１が連結されている。油圧式駆動装置２１は、たとえば第１ハブ５Ａ内に搭載される。油圧式駆動装置２１は、たとえば、歯車機構を含んでいる。油圧式駆動装置２１としては、公知の機構を用いることができる。なお、第１ブレード６Ａのピッチ角度を変化させる機構として、油圧式駆動装置２１に限られず、サーボモータ等が用いられてもよい。第１ブレード６Ａ（および第２ブレード６Ｂ）のピッチ角度は可変でなく、固定されていてもよい。

第１ポッド２Ａには、第１タービン４Ａの回転数を検出するレゾルバが搭載されている。第１タービン４Ａの回転数を検出するための検出機構として、レゾルバに限られず、エンコーダ等のセンサが用いられてもよい。レゾルバや回転数センサ等は、検出した第１タービン４Ａの回転数（第１ブレード６Ａの回転数）を制御部２５に逐次出力する。また、油圧式駆動装置２１には、駆動量を計測するセンサが搭載されている。

第１ポッド２Ａ内には、海流発電装置１の姿勢の傾斜を検出するジャイロセンサ２３が設けられている。ジャイロセンサ２３は、海流発電装置１のロール方向、ピッチ方向、およびヨー方向の傾斜角度を検出する。ジャイロセンサ２３は、検出した各傾斜角度を、制御部２５に逐次出力する。なお、第１ポッド２Ａ内に、海流発電装置１の深度を計測する深度センサ（圧力センサ）が設けられてもよい。

第１ポッド２Ａ内には、上記した回転数調整手段としての発電機１７およびブレーキ装置３０が設けられている。発電機１７は、たとえばインバータ１７ａを備えている。発電機１７は、インバータ１７ａが電気的に制御されることにより、回転軸１６に対する負荷トルクＴ_Ｌを調整可能である。発電機１７は、負荷トルクＴ_Ｌの調整により、第１タービン４Ａの回転数（第１ブレード６Ａの回転数）を調整する。発電機１７は、油圧ドライブトレイン等であってもよい。ブレーキ装置３０は、たとえば回転軸１６に接続されている。ブレーキ装置３０は、たとえば摩擦力を用いて第１タービン４Ａの回転数を低減させるパッド等を備えており、第１タービン４Ａにブレーキ力を作用させ得る。ブレーキ装置３０は、たとえば油圧ブレーキ装置等であってもよい。ブレーキ装置３０は、ブレーキ力の調整により、第１タービン４Ａの回転数（第１ブレード６Ａの回転数）を調整する。なお、回転数調整手段として、発電機１７およびブレーキ装置３０のいずれか一方が用いられてもよい。

なお、姿勢制御システムＳは、第１ポッド２Ａの外部との間で海水を注排水して海流発電装置１全体の重量を変化させる浮力調整装置（図示せず）を備えてもよい。浮力調整装置は、第１ポッド２Ａ内に設けられたタンクと、タンクと第１ポッド２Ａの外部とを接続する注排水管と、注排水管に設けられたポンプとを含んでもよい（いずれも図示せず）。

上記構成を有する第１ポッド２Ａにおいては、図４に示される各種のトルクが作用し得る。すなわち、回転軸１６には、第１タービン４Ａの回転により、軸トルクＴ_Ｓが作用し得る。発電機１７では、軸トルクＴ_Ｓに対応して、負荷トルクＴ_Ｌが生じ得る。この負荷トルクＴ_Ｌは、回転軸１６の回転すなわち第１タービン４Ａの回転に影響を及ぼす。一方で、第１タービン４Ａの回転に対応して、第１ポッド２Ａには、反トルクＴ_Ｒが生じ得る。この反トルクＴ_Ｒは、上記した回転方向Ｒ_Ａと同じ向きの回転力である。

海流発電装置１には、各センサからの情報を得て各アクチュエータ等を制御し、海流発電装置１全体を制御する制御部２５が設けられている。この制御部２５は、姿勢制御システムＳの一部を構成している。制御部２５は、ジャイロセンサ２３によって検出された海流発電装置１のロール方向の傾斜角度に応じて、発電機１７のインバータ１７ａおよび／またはブレーキ装置３０を制御する。また、制御部２５は、浮力調整装置を制御して、海流発電装置１全体の浮力を調整する。制御部２５は、たとえば、第１ポッド２Ａ内に設けられている。制御部２５は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、およびＲＡＭ(Random Access Memory)等のハードウェアと、ＲＯＭに記憶されたプログラム等のソフトウェアとから構成されたコンピュータである。

制御部２５には、海流発電装置１の姿勢制御に用いられる、ロール方向の傾斜角度に関する２つの閾値が予め記憶されている。制御部２５は、ピッチ方向の閾値を記憶していてもよい。制御部２５は、ロール方向の閾値として、第１閾値および第２閾値を記憶している。第２閾値は、第１閾値よりも大きい。第１閾値および第２閾値は、たとえば、海流発電装置１が有している、重心および浮心に基づく復原力の許容モーメントに基づいて決められ得る。制御部２５は、第１ポッド２Ａにおける回転方向Ｒ_Ａと第２ポッド２Ｂにおける回転方向Ｒ_Ｂとを記憶している。

続いて、姿勢制御システムＳによる、海流発電装置１の姿勢制御方法について説明する。まず、海流発電装置１は、海水中に浮遊しており、海水の流れを受けて、通常運転状態にある。図５に示されるように、制御部２５は、ジャイロセンサ２３によって検出された海流発電装置１のロール方向の傾斜角度を取得する（ステップＳ０１；検出ステップ）。そして、制御部２５は、海流発電装置１の傾斜角度が第１閾値未満であるか否かを判断する（ステップＳ０２）。

海流発電装置１の運転中においては、流れの変化や何らかの外力（浮遊物や水棲生物の衝突等）によって、海流発電装置１のロール方向またはピッチ方向の姿勢が変化することがある。ここで、浮力調整装置による姿勢制御を実施してもよい。浮力調整装置による姿勢制御は、公知の方法に従って行うことができる。制御部２５は、海流発電装置１の傾斜角度が第１閾値以上であると判断すると（ステップＳ０２：ＮＯ）、インバータ１７ａおよび／またはブレーキ装置３０を制御して、第１タービン４Ａおよび第２タービン４Ｂのいずれか一方の回転数を変更する（ステップＳ０３；回転数変更ステップ）。なお、制御部２５は、海流発電装置１の傾斜角度が第１閾値未満であると判断すると（ステップＳ０２：ＹＥＳ）、ステップＳ０１の処理に戻る。

海流発電装置１の姿勢変化メカニズムは、上記したような外力に起因するもの以外にも考えられる。たとえば、図６（ａ）および（ｂ）に示されるように、第１ポッド２Ａおよび第２ポッド２Ｂのそれぞれには、流体力であるスラスト力Ｆ（図１も参照）が作用している。スラスト力Ｆは、後方に向けて作用する。たとえば、第１ポッド２Ａに作用するスラスト力Ｆ_Ａよりも、第２ポッド２Ｂに作用するスラスト力Ｆ_Ｂの方が大きくなった場合、図６に示されるように、第２係留ロープ１１Ｂに作用する張力ＴＥ_Ｂは、第１係留ロープ１１Ａの張力ＴＥ_Ａよりも大きくなる。図６（ｂ）からも理解されるように、その場合、張力ＴＥ_Ｂの鉛直成分は、張力ＴＥ_Ａの鉛直成分よりも大きくなる。

したがって、その結果として、図７に示されるように、海流発電装置１に対してロール方向のモーメントがはたらき、海流発電装置１全体が、第２ポッド２Ｂが沈み込む方向（図７の方向Ｄ１参照）に傾斜する。このような、スラスト力差に起因するメカニズムにより、海流発電装置１がロール方向に傾斜する場合もある。

さらには、別の姿勢変化メカニズムとして、図８に示されるように、第１ポッド２Ａに作用する反トルクＴ_Ａと、第２ポッド２Ｂに作用する反トルクＴ_Ｂとの差である反トルク差に基づくものがある。たとえば、第１タービン４Ａの回転数と第２タービン４Ｂの回転数とに起因して、第２ポッド２Ｂにおける反トルクＴ_Ｂよりも第１ポッド２Ａにおける反トルクＴ_Ａの方が大きくなった場合、図８に示されるように、水中浮遊式発電装置１に対してロール方向のモーメントがはたらく。すなわち、海流発電装置１全体に対して、反トルク差に基づくトルクＴが作用する。このトルクＴは、小さい方の反トルクＴ_Ｂを持つ第２ポッド２Ｂの回転方向と逆向きであり、大きい方の反トルクＴ_Ａを持つ第１ポッド２Ａの回転方向とは同じ向きである。

その結果として、図９に示されるように、海流発電装置１全体が、第２ポッド２Ｂが沈み込む方向（図９の方向Ｄ１参照）に傾斜する。このような、反トルク差に起因するメカニズムにより、海流発電装置１がロール方向に傾斜する場合もある。

そこで、図５に示されるステップＳ０３では、制御部２５は、インバータ１７ａおよび／またはブレーキ装置３０を制御して、傾斜角度が小さくなるような海流発電装置１の修正回転方向とは逆向きの回転方向を有する第１タービン４Ａの回転数を増大させる。より具体的には、制御部２５は、ステップＳ０１で取得した傾斜角度に基づいて、海流発電装置１の修正回転方向を算出する。制御部２５は、当該修正回転方向と、第１タービン４Ａの回転方向Ｒ_Ａおよび第２タービン４Ｂの回転方向Ｒ_Ｂとを比較し、いずれのタービンの回転数を変更するかを決定する。制御部２５は、発電機１７の負荷トルクＴ_Ｌ（またはブレーキ力）を小さくすることにより、第１タービン４Ａの回転数を増大させる。ここで、修正回転方向とは、図７，９における方向Ｄ１とは逆の方向である。したがって、この場合、修正回転方向とは逆の方向Ｄ１と同じ回転方向を有する第１タービン４Ａの回転数が増大させられる。なお、制御部２５は、第１タービン４Ａの回転数を増大させるのに代えて、第２タービン４Ｂの回転数を減少させてもよい。すなわち、制御部２５は、発電機１７の負荷トルクＴ_Ｌ（またはブレーキ力）を大きくすることにより、第２タービン４Ｂの回転数を減少させてもよい。これらの制御により、第１タービン４Ａの回転数は、第２タービン４Ｂの回転数よりも大きくなる。また、第１タービン４Ａの回転数を増大させる制御と、第２タービン４Ｂの回転数を減少させる制御とを併用してもよい。

そうすると、図１０に示されるように、第２タービン４Ｂのスラスト力Ｆ_Ｂが減少し、これに伴って張力ＴＥ_Ｂが減少する。張力ＴＥ_Ｂの減少に伴い、海流発電装置１に対して、スラスト力差に基づくトルクＴ_１が作用する。これと同時に、第１タービン４Ａの回転数の相対的な増大（第２タービン４Ｂの回転数の相対的な減少）に伴い、海流発電装置１に対して、反トルク差に基づくトルクＴ_２が作用する。ここで、トルクＴ_１とトルクＴ_２とは同じ方向に作用するため、トルクＴ_１とトルクＴ_２との協同により、海流発電装置１のロール方向の傾斜が止まり、姿勢を戻す方向に海流発電装置１が動き始める。なお、発電機１７は、第２タービン４Ｂの回転を止めないような制御を行ってもよい。

制御部２５は、海流発電装置１の傾斜角度が第１閾値未満であるか否かを再び判断する（ステップＳ０４）。制御部２５は、海流発電装置１の傾斜角度が第１閾値未満であると判断すると（ステップＳ０４：ＹＥＳ）、ステップＳ０１の処理に戻り、浮力調整装置のみによる姿勢の修正を実施する。一方、制御部２５は、海流発電装置１の傾斜角度が第１閾値以上であると判断すると（ステップＳ０４：ＮＯ）、再びステップＳ０３の回転数の変更処理を実施する。

以上説明した姿勢制御システムＳおよび姿勢制御システムＳによる姿勢制御方法によれば、第１タービン４Ａおよび第２タービン４Ｂが回転することで発電が行われる。制御部２５は、海流発電装置１のロール方向の傾斜角度に応じて、第１タービン４Ａおよび第２タービン４Ｂの少なくとも一方の回転数を変更する。発電用タービン４Ａ，４Ｂの回転数が変更されると、２つの発電用タービン４Ａ，４Ｂに作用する反トルクに、差が生じる。反トルクに差が生じることにより、海流発電装置１の全体に対して、ロール方向のモーメント（図１０に示されるトルクＴ_２）が生じる。これにより、海流発電装置１のロール方向の姿勢が修正され得る。この姿勢制御システムＳは、発電を行うために元々設けられている発電用タービン４Ａ，４Ｂを用いて姿勢を制御しているため、従来検討されていたスラスタ等の別途の手段を要さず、効率的である。さらには、浮力調整装置を用いて水の注排水によって姿勢制御を行う場合に比して、応答性に優れている。優れた応答性により、急激な姿勢変化にも追従して、速やかに姿勢を修正することができる。なお、姿勢制御システムＳを用いることで、浮力調整装置によるロール方向の姿勢制御を不要としてもよい。

海流発電装置１の姿勢がロール方向に傾斜した場合に、海流発電装置１を回転させるべき方向すなわち修正回転方向とは逆向きに回転する発電用タービン（たとえば図１０における第１タービン４Ａ）の回転数が、相対的に大きくなる。この第１タービン４Ａの回転方向と、第１タービン４Ａに発生し得る反トルクの回転方向とは、同じである。回転数が相対的に大きくなった第１タービン４Ａでは、第１ポッド２Ａに作用する反トルクは小さくなり、第２タービン４Ｂが設けられた第２ポッド２Ｂに作用する反トルクは、相対的に大きくなる。これにより、修正回転方向と同じ向きの大きな反トルクが得られる。したがって、海流発電装置１の全体に対して、修正回転方向のモーメント（図１０に示されるトルクＴ_２）が生じ、海流発電装置１のロール方向の姿勢が適切に修正され得る。

発電用タービン（たとえば図１０における第１タービン４Ａ）の回転数が変更されることより、２つの発電用タービン４Ａ，４Ｂに作用するスラスト力Ｆ_Ａ，Ｆ_Ｂにも差が生じる。スラスト力Ｆ_Ａ，Ｆ_Ｂに差が生じることにより、離間する２つの係留点１２Ａ，１２Ｂに接続された２本の係留ロープ１１Ａ，１１Ｂにおける張力ＴＥ_Ａ，ＴＥ_Ｂに、差が生じる。２本の係留ロープ１１Ａ，１１Ｂの張力に差が生じることにより、２つのポッド２Ａ，２Ｂとクロスビーム３とを含む水中浮遊式発電装置１の全体に対して更なるロール方向のモーメント（図１０に示されるトルクＴ_１）が生じる。スラスト力の差に基づくモーメントと、反トルクの差に基づくモーメントとの協同によって、より一層効率的な姿勢の制御が可能である。

姿勢制御システムＳでは、元々設けられている発電機１７を用いて回転数を調整し姿勢を制御するため、別途の手段を要さず、効率的な姿勢の制御が可能である。

姿勢制御システムＳでは、第１タービン４Ａおよび第２タービン４Ｂに設けられたブレーキ装置３０を用いて回転数を調整し姿勢を制御するため、別途の手段を要さず、効率的な姿勢の制御が可能である。

本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。たとえば、第１閾値による判断に加えて、さらに大きい第２閾値による判断を付加してもよい。その場合、制御部２５は、海流発電装置１の傾斜角度が第１閾値以上であると判断すると、浮力調整装置における貯水量を変更する。その後、制御部２５は、海流発電装置１の傾斜角度が第１閾値以上であると判断すると、海流発電装置１の傾斜角度が第２閾値未満であるか否かを判断する。制御部２５は、海流発電装置１の傾斜角度が第２閾値未満であると判断すると、浮力調整装置における貯水量を変更する。制御部２５は、海流発電装置１の傾斜角度が第２閾値以上であると判断すると、回転数の変更制御を実施する。そして、制御部２５は、海流発電装置１の傾斜角度が第２閾値未満であるか否かを判断し、その傾斜角度が第２閾値以上であると判断すると、再び回転数の変更制御を実施する。制御部２５は、海流発電装置１の傾斜角度が第２閾値未満であると判断すると、再び傾斜角度を取得する。なお、上記の第２閾値に代えて、第１閾値を用いてもよい。このように、姿勢制御システムＳによる姿勢制御と浮力調整装置による姿勢制御とを併用してもよい。

制御部２５は、第１タービン４Ａおよび第２タービン４Ｂの両方の回転数を変更する制御を実施してもよい。

また、姿勢制御システムＳは、２つの係留点１２Ａ，１２Ｂの間隔を調整可能な係留点移動機構を備えてもよい。係留点１２Ａ，１２Ｂの間隔を調整することにより、回転数の変更に対する、上記のトルクＴ_１とトルクＴ_２が生じる際の応答性を変更することができる。したがって、姿勢制御の応答性を変更することができる。

係留点の調整は、制御部による自動調整でもよいし、手動による設定でもよい。係留点は、クロスビーム３ではなくて、ポッド２Ａおよび２Ｂに設けられてもよい。制御部がポッド内には設けらず、海上に設けられてもよい。海流発電装置１は、海水中に設置される場合に限られず、淡水中に設置されてもよい。

１本の係留ロープが海流発電装置１に接続されていてもよい。すなわち、係留点は１つであってもよい。その場合、反トルク差に基づくトルクのみが姿勢制御に利用され得る。

上記実施形態とは逆に、第１タービン４Ａが、上流側から見て反時計回りに回転し、第２タービン４Ｂが、上流側から見て時計回りに回転してもよい。言い換えれば、第１タービン４Ａと第２タービン４Ｂとは、第１ブレード６Ａおよび第２ブレード６Ｂが第１ポッド２Ａおよび第２ポッド２Ｂの間の領域（クロスビーム３が配置された領域）で下から上に向けて通過するような回転方向で回転してもよい。すなわち、第１ブレード６Ａおよび第２ブレード６Ｂは、上流側から見て、クロスビーム３を下から上に向けて通過してもよい。その場合、スラスト力によるモーメントと、反トルクによるモーメントとの大小関係を調整することにより、姿勢を修正することができる。係留点が２点の場合であっても（上記実施形態よりも応答性は多少低くなるが）、姿勢の修正が可能である。

回転数調整手段として、たとえば減速比を変更するギヤ機構等が用いられてもよい。

１ 海流発電装置
２Ａ、２Ｂ ポッド
３ クロスビーム（連結部）
４Ａ 第１タービン（第１発電用タービン）
４Ｂ 第２タービン（第２発電用タービン）
６Ａ 第１ブレード
６Ｂ 第２ブレード
１１Ａ 第１係留ロープ
１１Ｂ 第２係留ロープ
１２Ａ 係留点
１２Ｂ 係留点
１７ 発電機（回転数調整手段）
１７ａ インバータ（回転数調整手段）
２３ ジャイロセンサ（検出部）
２５ 制御部
３０ ブレーキ装置（回転数調整手段）
Ｓ 姿勢制御システム

Claims (6)

1. 発電用タービンがそれぞれ設けられた複数のポッドと、前記複数のポッドの間に延在して前記複数のポッドを連結する連結部と、を備える水中浮遊式発電装置の姿勢制御システムであって、
   前記水中浮遊式発電装置の少なくともロール方向の傾斜角度を検出する検出部と、
   それぞれの前記発電用タービンに対して設けられ、前記発電用タービンの回転数を調整可能な回転数調整手段と、
   前記検出部によって検出された前記傾斜角度に応じて前記回転数調整手段を制御し、少なくとも１つの前記発電用タービンの回転数を変更する制御部と、を備える水中浮遊式発電装置の姿勢制御システム。
2. 前記複数のポッドは、第１発電用タービンが設けられた第１ポッドと第２発電用タービンが設けられた第２ポッドとを含み、前記第１発電用タービンと前記第２発電用タービンとは互いに逆向きに回転するように構成されており、
   前記制御部は、前記傾斜角度が所定の閾値以上である場合に、前記傾斜角度が小さくなるような前記水中浮遊式発電装置の修正回転方向とは逆向きの回転方向を有する一方の前記発電用タービンの回転数が、当該修正回転方向と同じ向きの回転方向を有する他方の前記発電用タービンの回転数よりも大きくなるように、前記回転数調整手段を制御する、請求項１に記載の水中浮遊式発電装置の姿勢制御システム。
3. 前記連結部の延在方向に離間する２つの係留点に接続された係留ロープを備え、
   前記第１発電用タービンと前記第２発電用タービンとは、それぞれのブレードが前記第１ポッドおよび前記第２ポッドの間の領域で上から下に向けて通過するような回転方向で回転する、請求項２に記載の水中浮遊式発電装置の姿勢制御システム。
4. 前記回転数調整手段は、前記発電用タービンに接続された発電機であり、前記発電機における負荷トルクの調整により、前記発電用タービンの回転数が調整される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水中浮遊式発電装置の姿勢制御システム。
5. 前記回転数調整手段は、前記発電用タービンに接続されたブレーキ装置であり、前記ブレーキ装置におけるブレーキ力の調整により、前記発電用タービンの回転数が調整される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水中浮遊式発電装置の姿勢制御システム。
6. 発電用タービンがそれぞれ設けられた複数のポッドと、前記複数のポッドの間に延在して前記複数のポッドを連結する連結部と、を備える水中浮遊式発電装置の姿勢制御方法であって、
   前記水中浮遊式発電装置の少なくともロール方向の傾斜角度を検出する検出ステップと、
   前記傾斜角度に応じて、少なくとも１つの前記発電用タービンの回転数を変更する回転数変更ステップと、を含む、水中浮遊式発電装置の姿勢制御方法。
   

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