JP2024065150A - 浮体式風車のヨー運動低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】浮体式風車に発生する長周期のヨー運動を低下して浮体式風車を構成する構造物の疲労寿命が低下するのを抑制する。【解決手段】本開示に係る浮体式風車のヨー運動低減装置の一態様は、水面に浮かぶ浮体と、浮体に設置された風力発電装置と、浮体を係留する係留索と、を備えた浮体式風車のヨー運動低減装置であって、浮体のヨー角の基準位置に対するヨー方向の変位を検出するヨー角検出部と、浮体にヨー方向の旋回力を加えることが可能なヨー角抑制機構と、ヨー角検出部で検出されるヨー方向の変位のうちの長周期変位を低減する方向の旋回力を浮体に加えるように、ヨー角抑制機構を制御するように構成されたヨー角制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、浮体式風車のヨー運動低減装置に関する。

洋上に設置される浮体式風車は、水面に浮かぶように浮力を発生させる浮体と、この浮体に設置された風力発電装置と、浮体を係留するための係留索等を備えている。浮体構造の一例として、本発明者等は、風力発電装置が設置される１本の第１コラムと、２本の第３コラムと、第１コラム部と２本の第２コラム部間を夫々接続する２つの中空のロワーハルと、を備え、２つのロワーハルが梁部材によって接続された構成を有し、潮流や海流から受ける力に対して浮体に発生する抗力を抑制可能な浮体を提案している（特許文献１）。

国際公開第２０２２／００４６９０号

最近の浮体式風力発電装置は、浮体式風車の超大型化に伴い、浮体式風車に発生するヨー運動（浮体の重心を中心とした垂直線回りの回転運動）のうち、長周期のヨー運動が過大となる傾向にある。発電時に長周期のヨー運動が発生すると、幾何学的にロータの向きを風向きに対して最適化できなくなるため、発電量が低下すると共に、ロータのヨー角度を調整するヨー駆動装置やタワーに加わる負荷が増大し、さらには、暴風時などにおいて浮体式風車を係留する係留索に加わる最大係留力が増大するという問題がある。そのため、浮体式風車を構成する構造物の疲労寿命を低下させるという問題がある。

本開示は、上述する事情に鑑み、浮体式風車に発生するヨー方向の長周期変位を低減することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示に係る浮体式風車のヨー運動低減装置は、水面に浮かぶ浮体と、該浮体に設置された風力発電装置と、該浮体を係留する係留索と、を備えた浮体式風車のヨー運動低減装置であって、前記浮体のヨー角の基準位置に対するヨー方向の変位を検出するヨー角検出部と、前記浮体にヨー方向の旋回力を加えることが可能なヨー角抑制機構と、前記ヨー角検出部で検出される前記ヨー方向の変位のうちの長周期変位を低減する方向の前記旋回力を前記浮体に加えるように、前記ヨー角抑制機構を制御するように構成されたヨー角制御部と、を備える。

本開示に係る浮体式風車のヨー運動低減装置の一態様によれば、浮体式風車に発生するヨー方向の長周期変位を低減できるため、風向きに対するロータの角度を発電効率上最適に維持でき、これによって、発電量の低下を抑制できると共に、浮体式風車を構成する構造物の疲労寿命が低下するのを抑制でき、かつ暴風時などで係留索に加わる最大係留力の増加を抑制できる。

一実施形態に係るヨー運動低減装置を備える浮体式風車の斜視図である。 一実施形態に係るヨー角抑制機構を備える浮体の平面図である。 一実施形態に係るヨー角制御部のブロック線図である。 一実施形態に係るヨー角制御部の制御ステップを示すフロー図である。 一実施形態に係るヨー角制御部のブロック線図である。 一実施形態に係るヨー角抑制機構を備える浮体の平面図である。 一実施形態に係るヨー角抑制機構を備える浮体の平面図である。 図７Ａに図示されたヨー角抑制機構の一部を拡大した斜視図である。 一実施形態に係るヨー角抑制機構を備える浮体の平面図である。 図８Ａに図示されたヨー角抑制機構の一部を拡大した斜視図である。 一実施形態に係るヨー運動低減装置のブロック線図である。 浮体に発生するヨー方向の変位の解析値を時系列で示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、これらの実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的にヨー角変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

（浮体式風車の構成）
図１は、浮体式風車の一構成例を示す斜視図である。浮体式風車１は、浮力を有して水面Ｓｗに浮かぶ浮体１０と、浮体１０に設置され、浮体１０によって水面上に支持される風力発電装置４０と、浮体１０を係留するための係留索２０と、を備えている。

風力発電装置４０は、タワー４４の頂部に設けられるナセル４２と、ナセル４２を下方から支持するタワー４４と、ナセル４２に回転可能に取り付けられたロータ４６と、を備えている。ナセル４２は、タワー４４に軸受を介してヨー方向に旋回可能に取り付けられ、風向きに応じてロータ４６の向きを調整することで、発電効率を向上できる。ロータ４６は、少なくとも１つのブレード４６ａを有し、ブレード４６ａは風Ｗを受けて回転し、ロータ４６の回転エネルギは発電機（不図示）によって電力に変換される。

（浮体の構成）
図１に示されている浮体１０は、１本の第１コラム１２と、２本の第２コラム１４ａ、１４ｂと、第１コラム１２と第２コラム１４ａ、１４ｂの各々とを接続する２本のロワーハル１６ａ及び１６ｂと、２本のロワーハル１６ａ及び１６ｂ間に接続される梁部材１８と、を備えている。このような浮体１０は平面視でほぼＡ字状を有する。ロワーハル１６ａ及び１６ｂ及び梁部材１８は水面Ｓｗに沿って延在する。第１コラム１２及び第２コラム１４ａ、１４ｂには夫々複数の係留索２０の各々の一端が接続され、各係留索２０の他端は海底に固定されたアンカに連結されている。ロワーハル１６ａ及び１６ｂは、内部に空洞部２２が形成されており、空洞部２２にバラスト水が注入されることにより潜水可能に構成されている。そして、空洞部２２にバラスト水が注入された状態でロワーハル１６ａ及び１６ｂは完全に水没し、その上面は喫水線より下方に位置することができる。

図１に例示されている実施形態では、第１コラム１２及び第２コラム１４ａ、１４ｂは、平面視において、仮想三角形の各頂点を形成している。そして、第２コラム１４ａ及び１４ｂは、軸線方向長さがほぼ同一であり、第１コラム１２は、第２コラム１４ａ及び１４ｂが形成する仮想二等辺三角形の頂部に位置している。第２コラム１４ａ及び１４ｂが形成する頂角は、浮体１０の安定性を考慮した角度範囲で設定されており、例えば、９０度に設定される。

浮体１０の別な実施形態では、例えば、第２コラム１４ａ及び１４ｂが２本ではなく、３本で構成され、３本の第２コラム間の角度は、平面視で等角度をなすように構成される。そして、これら３本の第２コラムと第１コラムとは夫々３本のロワーハルで接続され、３本のロワーハルの接続部に第１コラムが設けられる。

（ヨー運動低減装置）
図１に示されているように、一実施形態に係るヨー運動低減装置５０は、浮体１０のヨー角の基準位置に対するヨー方向の変位を検出するヨー角検出部５２を備えている。ここで言う基準位置とは、ヨー方向の変位が発生していないと想定されるヨー方向の位置として設定されるものである。後述する図１０においては、基準位置は０度とされたヨー方向の位置である。

ヨー運動低減装置５０は、さらに、浮体１０にヨー方向の旋回力を加えることが可能なヨー角抑制機構５４と、ヨー角抑制機構５４を制御するためのヨー角制御部５６と、を備えている。ヨー角制御部５６は、ヨー角検出部５２で検出されるヨー方向の変位のうちの長周期変位を低減する方向の旋回力を浮体１０に加えるように、ヨー角抑制機構５４を制御するように構成されている。

ヨー角制御部５６は、例えば、タワー４４内部の電気室内などに設けられ、中央演算部ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）及びＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリを備えている。ＲＯＭに格納された情報をＣＰＵが読み出して実行することによって、ソフトウェアとハードウェアとが協働して各処理を実行する。また、ＲＡＭは、ＣＰＵがプログラムを実行する際のワークエリアとして用いられる。

図２は、一実施形態に係るヨー角抑制機構を備える浮体の平面図である。
図２において、点Ｇは浮体１０の重心（浮心）である。浮体１０の重心Ｇの位置は、浮体の構造によって異なる。ヨー方向の旋回力とは、矢印Ｔで示すように、重心Ｇを中心にヨー方向の正負（＋－）のどちらかの方向へ浮体１０を旋回させる旋回力である。

図１０は、浮体に発生するヨー方向の変位の解析値を時系列で示すグラフであり、具体的には、浮体に加わるヨー方向の粘性減衰力（ψ）を０％、２０％及び４０％と系統的に変化させて、浮体のヨー方向の変位を求めた計算結果を時系列的に示したグラフである。横軸は時間（秒）を示し、縦軸はヨー方向の変位角を示している。

図１０に示されるヨー方向の変位は、周期ｘが約６０秒程度の波形を示す長周期成分と、周期ｙが約１０秒程度の波形を示す短周期成分とを含む波形パターンで表されている。浮体式風車の発電量の低下や疲労寿命の低下を招き、かつ最大係留力を増加させるのは長周期成分である。一般に、疲労寿命は構造物に加わる変動荷重の振幅の３乗に反比例するため、変動荷重の振幅が約２割程度低減すれば疲労寿命は約２倍に延び、変動荷重の振幅が約３割程度低減すれば疲労寿命は約３倍に延びることになる。

ヨー角検出部５２で検出されるヨー方向の変位のうちの長周期変位とは、図１０に示されている波形パターンのうち、所定周期以上の波周期成分に対応する変位である。

ヨー運動低減装置５０によれば、ヨー角制御部５６がヨー角抑制機構５４の作動を制御して、ヨー角検出部５２で検出された浮体１０のヨー方向の変位のうち、所定周期以上の波周期成分に対応する長周期変位を低減する方向の旋回力Ｔを浮体１０に加えることができる。これによって、風向きに対してロータ４６が発電効率上最適角を維持できるため、浮体式風車１の発電量の低下を抑制できると共に、浮体式風車１を構成する構造物の疲労寿命が低下するのを抑制でき、かつ暴風時などに係留索２０に加わる最大係留力の増加を抑制できる。

（ヨー角検出部の一実施形態）
図１に例示されているヨー角検出部５２は、第１コラム１２の頂部に設けられた方位センサ５８及び処理部６２を含む。処理部６２は例えば方位センサ５８に内蔵される。方位センサ５８は複数のアンテナを内蔵し、これら複数のアンテナは夫々ＧＰＳ衛星６０から送られてくる搬送波をキャッチする。処理部６２は、各アンテナ間の該搬送波の行路差と、各アンテナの位置を結ぶように設定される基線ベクトルとから、浮体１０のヨー角方向の変位を求めるように構成されている。処理部６２で得られた浮体１０のヨー角方向の変位などのデータは表示器（不図示）を経由し、外部機器に出力される。

図３は、一実施形態に係るヨー角制御部５６のブロック線図である。ヨー角検出部５２で検出されるヨー方向の変位は、図１０のように時系列変化で表される場合、短周期波成分と、所定周期以上の長周期波成分とが含まれる波形パターンとなる。
図３に示されているヨー角制御部５６は、上記波形パターンに含まれる波周期成分のうち、所定周期以上の長周期波成分Ｌｄを取り出すように構成されたフィルタ部６６と、フィルタ部６６によって取り出された長周期波成分Ｌｄに対応する長周期変位Ｌｄ_０を算出する長周期変位算出部６８と、を備えている。

ヨー角検出部５２で検出されたヨー方向の変位Ｄｊは、長周期変位算出部６８に入力される前に、フィルタ部６６で予め所定周期以上の長周期波成分Ｌｄが取り出され、長周期変位算出部６８では、フィルタ部６６で取り出された長周期波成分Ｌｄに対応する長周期変位Ｌｄ_０を算出する。長周期変位算出部６８で算出された長周期変位Ｌｄ_０に基づいて、浮体１０に発生した長周期変位を低減するために浮体１０に加えられるべき旋回力が設定される。フィルタ部６６及び長周期変位算出部６８を備えることで、浮体１０に発生した長周期変位を低減するための旋回力の設定を精度良く行うことができる。

フィルタ部６６では、長周期波成分Ｌｄとして、例えば、周期が３０秒以上のものを取り出す。ただし、長周期波成分Ｌｄを精度良く取り出したいときは、周期が４５～７５秒の波周期成分を取り出す。なお、短周期波成分を極力排除して長周期波成分Ｌｄのみをさらに精度良く取り出したいときは、周期が５５～６５秒の波周期成分を取り出すようにする。

一実施形態では、フィルタ部６６では、ヨー角検出部５２で検出されたヨー方向の変位Ｄｊに対して高速フーリェ変換を用いた処理を行う。この処理によって、ヨー角検出部５２で検出されたヨー方向の変位Ｄｊは、長周期波成分と短周期波成分とが明確に識別されるようになるため、ヨー方向の変位Ｄｊからの長周期波成分Ｌｄの取り出しが容易になる。

一実施形態では、図３に示されているように、ヨー角制御部５６は、ヨー角検出部５２で検出したヨー方向の変位Ｄｊから取り出された長周期変位が目標変位Ｄｔに近づくようにヨー角抑制機構５４を作動させるフィードバック制御を行うように構成されている。ヨー角制御部５６によって、ヨー角検出部５２で検出したヨー方向の変位Ｄｊから取り出された長周期変位が目標変位Ｄｔに近づくようにフィードバック制御が行われるため、浮体１０に発生した長周期変位を目標変位Ｄｔへ迅速に収束させることができる。

図３に例示されている実施形態では、長周期変位算出部６８で算出された長周期変位Ｌｄ_０が比較器６４に入力される。比較器６４では、目標変位Ｄｔと長周期変位Ｌｄ_０との差分Δが出力される。ヨー角制御部５６は、差分Δがゼロに近づくようにヨー角抑制機構５４の作動を制御する。

図４は、図３に示されているヨー角制御部５６の制御ステップを示すフロー図である。
図４において、ヨー角検出部５２が浮体１０に発生したヨー方向の変位Ｄｊを検出すると（ステップＳ１０）、フィルタ部６６では、ヨー方向の変位Ｄｊから長周期波成分Ｌｄを取り出すフィルタリングが行われる（ステップＳ１２）。次に、長周期変位算出部６８では、後述するステップＳ１６で目標変位Ｄｔと比較するための長周期変位として、長周期波成分Ｌｄに対応する長周期変位Ｌｄ_０を算出する（ステップＳ１４）。算出された長周期変位Ｌｄ_０は比較器６４に入力され、目標変位Ｄｔと比較される（ステップＳ１６）。そして、比較器６４から、目標変位Ｄｔと長周期変位Ｌｄ_０との差分Δが出力され、ヨー角制御部５６は、差分Δがゼロとなるように、ヨー角抑制機構５４が浮体１０に発生した長周期変位が低減する旋回力Ｔを浮体１０に加えるように、ヨー角抑制機構５４の作動を制御する。

ヨー角制御部５６による制御方法の一例として、例えば、図１０において、目標変位Ｄｔを±３度と設定したときを例に取ると、長周期変位算出部６８で算出した長周期変位Ｌｄ_０が＋５度であるとき、ヨー角制御部５６は、長周期変位Ｌｄ_０が＋３度に近づくように、ヨー角抑制機構５４を制御する。長周期変位算出部６８で算出した長周期変位Ｌｄ_０が－５度であるとき、ヨー角制御部５６は、長周期変位Ｌｄ_０が－３度に近づくように、ヨー角抑制機構５４を制御する。

図３及び図４に例示されている実施形態によれば、ヨー角制御部５６は、ヨー角検出部５２で検出したヨー方向の変位Ｄｊからフィルタ部６６で長周期波成分Ｌｄを取り出し、さらに、長周期変位算出部６８で長周期波成分Ｌｄに対応して算出された長周期変位Ｌｄ_０が目標変位Ｄｔに近づくようにフィードバック制御を行うため、浮体１０に発生するヨー方向の長周期変位を目標変位Ｄｔに近づける制御を迅速に行うことができる。

図５は、別な実施形態に係るヨー角制御部５６のブロック線図であり、具体的には、ヨー角制御部５６が、フィードバック制御としてＰＩＤ制御を行う場合の実施形態である。
図５において、Ｐ制御（比例制御）は、目標変位Ｄｔと長周期変位Ｌｄ_０との差分Δに比例ゲインＫｐを乗算したものを加算器７０に出力する。Ｉ制御（積分制御）は、差分Δを時間で積分することで、Ｐ制御では埋めることができない目標変位Ｄｔと長周期変位Ｌｄ_０との偏差を埋めるために、差分Δを積分ゲインＫｉで処理した出力値を加算器７０に出力する。Ｄ制御（微分制御）は、オーバシュートが発生しないように、差分Δを微分ゲインＫｄで処理した負成分の出力値を加算器７０に出力する。これらの処理によって、ヨー角制御部５６は、浮体１０に発生した長周期変位を迅速にかつ安定して目標変位Ｄｔに近づけることができる。

（第１の実施形態に係るヨー角抑制機構）
図２に図示されている実施形態では、浮体１０に対して夫々異なる方向に係留力Ｆｍを発揮する６本の係留索２０（２０ａ～２０ｆ）が設けられている。係留索２０ａ、２０ｃ及び２０ｆは、夫々浮体１０に対して浮体１０の重心Ｇを中心とする負（－）方向の旋回力Ｔに抗する係留力Ｆｍを加えることができ、係留索２０ｂ、２０ｄ及び２０ｅは、夫々浮体１０に対して浮体１０の重心Ｇを中心とする負方向とは反対方向の正（＋）方向の旋回力Ｔに抗する係留力Ｆｍを加えることができる。

一実施形態に係るヨー角抑制機構５４ａは、係留索２０ａ（第２係留索）と浮体１０との接続部に設けられた油圧シリンダ７２ａ（第２油圧シリンダ）と、係留索２０ｂ（第１係留索）と浮体１０との接続部に設けられた油圧シリンダ７２ｂ（第１油圧シリンダ）と、を備えている。油圧シリンダ７２ａ及び７２ｂは、該接続部において夫々浮体１０に対して係留力Ｆｍが加わる方向にピストンが摺動可能に配置されている。即ち、油圧シリンダ７２ａ及び７２ｂは、夫々係留力Ｆｍが加わる方向に沿って伸縮可能に配置されている。ヨー角抑制機構５４ａは、油圧シリンダ７２ａ及び７２ｂの各々の２つの油室に給排する作動油給排部７４を備えている。ヨー角制御部５６は、浮体１０に発生するヨー方向の変位に合わせて、作動油給排部７４が油圧シリンダ７２ａ及び７２ｂの２つの油室に作動油を給排するタイミングを制御するように構成されている。

なお、油圧シリンダ７２ａ及び７２ｂは、浮体１０と係留索２０ａ又は２０ｂとの接続部において、浮体１０の水中又は水上に位置する部位の内部に収納されるように配置されてもよい。別な実施形態では、油圧シリンダ７２ａ及び７２ｂは、浮体１０と係留索２０との接続部ではなく、係留索２０の長手方向の所定の位置に設けられてもよい。
また、作動油給排部７４は第２コラム１４ａ及び１４ｂの内部に設けることができる。

本実施形態では、ヨー角制御部５６によって、浮体１０に発生するヨー方向の変位に合わせて油圧シリンダ７２ａ及び７２ｂの動作を制御することで、浮体１０のヨー方向の変位を低減できる。例えば、浮体１０に正方向のヨー方向の変位が発生した時に、該変位が発生するタイミングに合わせて油圧シリンダ７２ｂを伸長させることで、係留索２０ｂに加わる係留力Ｆｍの増大を抑制しつつ、正方向のヨー方向の変位を抑制することができる。逆に、浮体１０に負方向のヨー方向の変位が発生した時に、該変位が発生するタイミングに合わせて油圧シリンダ７２ａを伸長させることで、係留索２０ａに加わる係留力Ｆｍの増大を抑制しつつ、負方向のヨー方向の変位を抑制することができる。

このように、本実施形態によれば、油圧シリンダ７２ａ及び７２ｂを備えるだけの簡素な構成で、浮体１０に正負両方向のヨー方向の変位を低減可能な旋回力を付加できる。

なお、図２において、係留索２０ａ及び２０ｂではなく、係留索２０ｃ及び２０ｄ又は係留索２０ｅ及び２０ｆに油圧シリンダを設けるようにしてもよい。ただし、浮体１０に加わる旋回力Ｔの大きさは、油圧シリンダ７２ａ及び７２ｂを例に取る場合、平面視で、重心Ｇを通る中心線Ｏ上において、係留索２０ａから油圧シリンダ７２ａを介して又は係留索２０ｂから油圧シリンダ７２ｂを介して浮体１０に加わる係留力Ｆｍの方向に沿う直線Ｌ_１と重心Ｇとの距離Ｄと係留力Ｆｍとの積で決まるため、距離Ｄを大きく取ることができる係留索２０ａ及び２０ｂに油圧シリンダを設けることが好ましい。

さらに、別な実施形態では、係留索２０ａ～２０ｆのすべてに油圧シリンダを設けるようにしてもよい。これによって、浮体１０に加える正負両方向の旋回力を最大にでき、かつ各油圧シリンダの作動を夫々独自に調整することで、浮体１０に発生するヨー方向の変位を精度良く低減できる旋回力Ｔを発生できる。

（第２の実施形態に係るヨー角抑制機構）
図６は、ヨー角抑制機構５４の別な実施形態を備える浮体１０の平面図である。なお、図６及び後述する図７Ａ及び図８Ａでは、係留索２０の図示は省略されている。
この実施形態では、ヨー角抑制機構５４ｂは、水流噴射口が水面より上方の浮体１０に設けられ、浮体１０に発生する長周期変位を低減する方向に水流を噴射可能な少なくとも１つのウォータジェット推進器７６を備えている。ヨー角制御部５６は、浮体１０にヨー方向の長周期変位が発生するタイミングに合わせて、ウォータジェット推進器７６の水流噴射口から噴射される水流の噴射量及び噴射方向を制御する。

本実施形態によれば、ヨー角抑制機構５４ｂは、少なくとも１つのウォータジェット推進器７６を備えるだけの簡素な構成が可能になる。即ち、１個のウォータジェット推進器７６の水流噴射口の向きを正負両方向の旋回力が可能なように可変とすることにより、１個のウォータジェット推進器７６により、浮体１０に正負両方向のヨー方向の変位を低減可能な旋回力を付加できる。

図６に例示されている実施形態では、水流噴射口が水面より上方に位置するようにロワーハル１６ａの先端部にウォータジェット推進器７６ａが設けられ、かつ水流噴射口が水面より上方に位置するようにロワーハル１６ｂの先端部にウォータジェット推進器７６ｂが設けられている。図中、矢印ａ及び矢印ｂは、ウォータジェット推進器７６ａ又は７６ｂの水流噴射口から噴射される水流の噴射方向を示している。ウォータジェット推進器７６ａの水流噴射口から噴射される水流の噴射方向ａと、ウォータジェット推進器７６ｂの水流噴射口から噴射される水流の噴射方向ｂとは、平面視で互いに正負の方向となるように構成されている。水流の噴射方向が互いに正負の方向である２個のウォータジェット推進器７６ａ及び７６ｂを備えているため、浮体１０に発生する正負両方向のヨー角変位を低減可能な旋回力を付加できる。

なお、図６において、ウォータジェット推進器７６ａ又は７６ｂの水流噴射口の水流噴射方向は、重心Ｇとウォータジェット推進器７６ａ又は７６ｂが設置された位置とを結ぶ直線Ｌ_２に対して直交する方向にすることで、旋回力を増大できる。

図６に例示されている実施形態では、一対のウォータジェット推進器７６ａ及び７６ｂを設けているが、別な実施形態では、水流噴射口の方向をａ方向及びｂ方向を含む方向に変更可能な１個のウォータジェット推進器を設けるようにしてもよい。

（第３の実施形態に係るヨー角抑制機構）
図７Ａは、ヨー角抑制機構５４のさらに別な実施形態を備える浮体１０の平面図である。図７Ｂは、図７Ａに図示されたヨー角抑制機構の一部を拡大した斜視図であり、浮体１０の第２コラム１４ｂ付近の斜視図である。

この実施形態に係るヨー角抑制機構５４ｃは、水面Ｓｗより上方の浮体１０に設けられ、翼形状の横断面を有する少なくとも１つのフィン７８と、垂直方向に沿って配置され、フィン７８を回動可能に支持する回動軸８０と、フィン７８を回動軸８０を中心に回動させるフィン駆動部８２と、を有する。フィン７８は横断面（回動軸８０と直交する方向の断面）が翼形状の断面を有するため、風Ｗがフィン７８に当たると、翼弦（フィン７８の前縁と後縁とを結ぶ線分）に対して直交し、背面方向へ向かう揚力Ｃが発生する。ヨー角制御部５６は、フィン駆動部８２の作動を制御してフィン７８の向きを調整し、揚力Ｃが浮体１０に発生したヨー方向の長周期変位を低減する方向へ発生するように構成されている。このようにヨー角制御部５６がフィン駆動部８２の作動を制御することによって、浮体１０に発生したヨー方向の長周期変位を低減する旋回力Ｔを浮体１０に加えることができる。

本実施形態によれば、ヨー角抑制機構５４ｃは、少なくとも１つのフィン７８及びフィン７８の向きを調整可能なフィン駆動部８２を備えるだけの簡素な構成が可能になる。また、風Ｗの向きに対応してフィン７８の向きを変えるだけで、フィン７８に発生する揚力Ｃの向きを変えることができるため、１個のフィン７８で浮体１０に発生するヨー方向の正負両方向の長周期変位を低減可能な旋回力Ｔを浮体１０に付加できる。

図７Ａに例示されている実施形態では、フィン７８ａは第２コラム１４ａの頂面に設けられ、フィン７８ｂは第２コラム１４ｂの頂面に設けられている。これによって、前述のように定義した距離Ｄを大きく取れるので、浮体１０に加えるヨー方向の旋回力を大きくすることができる。また、フィン７８ａ及び７８ｂの各々の向きを独立して変えることができるように構成すれば、浮体１０に発生する長周期変位をさらに効率良く低減できる。

また、図７Ａに例示されている実施形態では、２個のフィン７８ａ及び７８ｂが設けられているが、１個のフィンをフィン駆動部８２によって３６０度任意の角度に回転可能となるように構成すれば、１個のフィンで浮体１０に正負両方向の旋回力Ｔを加えることができる揚力Ｃを発生できる。

（第４の実施形態に係るヨー角抑制機構）
図８Ａは、ヨー角抑制機構５４のさらに別な実施形態を備える浮体１０の平面図である。図８Ｂは、図８Ａに図示されたヨー角抑制機構の一部を拡大した斜視図であり、浮体１０の第２コラム１４ｂ付近の斜視図である。
この実施形態に係るヨー角抑制機構５４ｄは、水面Ｓｗより上方の浮体１０に立設された少なくとも１つのロータセイル８４と、ロータセイル８４の中心に垂直方向に沿って配置され、ロータセイル８４を回転可能に支持する回転軸８６と、ロータセイル８４を回転軸８６を中心に回転させるロータセイル駆動部８８と、を有する。

ヨー角抑制機構５４ｄは、マグナス効果を利用するもので、風Ｗの中に置かれたロータセイル８４が回転軸８６を中心として回転することで、ロータセイル８４の横断面上において両側領域に風速が異なる領域が発生し、風速が大きい領域は風速が小さい領域より低圧となるため、高圧域から低圧域に向かって揚力Ｃが発生する。揚力Ｃはロータセイル８４の回転速度が大きいほど増加する。ヨー角制御部５６は、ロータセイル８４の回転方向及び回転速度を制御することで、発生する揚力Ｃの向き及び大きさを制御し、揚力Ｃによって浮体１０に発生した長周期変位を低減する旋回力Ｔが発生するように構成されている。そのため、ヨー角制御部５６ｄによってロータセイル８４の回転方向及び回転速度を制御することで、浮体１０の長周期変位を低減する方向に揚力Ｃを発生させることができる。

本実施形態によれば、ヨー角抑制機構５４ｄは、１個のロータセイル８４を備えるだけの簡素な構成が可能となり、１個のロータセイル８４によって、浮体１０に発生するヨー方向の正負両方向の長周期変位を低減可能な旋回力を付与できる。

図８Ｂに例示されているロータセイル８４ｂは、横断面が円形の柱状体で構成されている。そのため、この柱状体に当たる風Ｗに対する抵抗を少なく抑えることができるため、この柱状体の両側領域の圧力差を大きくすることができる。これによって、発生する揚力Ｃを増加できる。
なお、ロータセイル８４の横断面は円形以外の形状、例えば、楕円形をしていてもよい。

図８Ａに例示されている実施形態では、ロータセイル８４ａは第２コラム１４ａの頂面に設けられ、ロータセイル８４ｂは第２コラム１４ｂの頂面に設けられている。これによって、前述のように定義した距離Ｄを大きく取れるので、浮体１０に加えるヨー方向の旋回力を大きくすることができる。

（第５の実施形態に係るヨー角抑制機構）
図９は、ヨー運動低減装置５０の別な実施形態を示すブロック線図である。
図１に示されているように、風力発電装置４０は、ピッチ角度Ａｐを変更可能な少なくとも１つのブレード４６ａを備えている。図９に示されているように、本実施形態に係るヨー角抑制機構５４ｅは、ロータ４６の内部にブレード４６ａのピッチ角度Ａｐを可変とするための、モータや油圧シリンダ等のアクチュエータを備えるピッチ駆動部９４を備えている。

ヨー角制御部５６は、ピッチ駆動部９４の作動を制御してブレード４６ａのピッチ角度Ａｐを調整可能なピッチ調整部９２を備えている。即ち、ピッチ調整部９２は、浮体１０にヨー方向の変位が発生したとき、風Ｗを受けたブレード４６ａがヨー方向の変位のうちの長周期変位を低減する方向の旋回力Ｔを浮体１０に加えることが可能なように、ピッチ駆動部９４の作動を制御して、ブレード４６ａのピッチ角度Ａｐを調整する。ヨー角制御部５６がこのような制御を行うことで、浮体１０に発生する長周期変位を低減する旋回力Ｔを加えることができる。

本実施形態は、風力発電装置４０が発電運転中で、ブレード４６ａのピッチ角度Ａｐが発電可能なピッチ角度Ａｐになっているとき、又はブレード４６ａが発電を停止したピッチ角度になっているときでも、実行可能である。

本実施形態によれば、ピッチ調整部９２によって、ブレード４６ａのピッチ角度Ａｐを調整するだけで、浮体１０に発生した長周期変位を低減する方向の旋回力Ｔを浮体１０に加えることができるため、ヨー角抑制機構５４ｅとして動力を必要とする新たな装置を設ける必要がない。従って、ヨー角抑制機構５４ｅを低コスト化できる。
なお、ロータ４６が複数のブレード４６ａを備えている場合、各ブレード４６ａの回転方向及び回転速度を夫々独立して制御可能と構成することで、浮体１０に発生した長周期変位を低減する方向の十分な旋回力Ｔを精度良く発生させることができる。

図９に例示されている実施形態では、ヨー角制御部５６には、ヨー角検出部５２で検出された長周期成分の検出値と、発生した長周期成分を低減できる旋回力Ｔとの相関関係について、浮体式風車１の過去の実測データに基づいて取得した相関マップ９０が記憶されている。ヨー角検出部５２から浮体１０に発生したヨー方向の変位の検出値がヨー角制御部５６に入力されたとき、ピッチ調整部９２は、相関マップ９０に基づいてピッチ駆動部９４を制御する。これによって、浮体１０に発生した長周期変位を自動的に精度良く低減できる。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

１）一態様に係る浮体式風車のヨー運動低減装置（５０）は、水面（Ｓｗ）に浮かぶ浮体（１０）と、該浮体（１０）に設置された風力発電装置（４０）と、該浮体（１０）を係留する係留索（２０）と、を備えた浮体式風車のヨー運動低減装置であって、前記浮体（１０）のヨー角の基準位置に対するヨー方向の変位（Ｄｊ）を検出するヨー角検出部（５２）と、前記浮体（１０）にヨー方向の旋回力（Ｔ）を加えることが可能なヨー角抑制機構（５４）と、前記ヨー角検出部（５２）で検出される前記ヨー方向の変位（Ｄｊ）のうちの長周期変位を低減する方向の前記旋回力（Ｔ）を前記浮体（１０）に加えるように、前記ヨー角抑制機構（５４）を制御するように構成されたヨー角制御部（５６）と、を備える。

上記構成によれば、ヨー角制御部（５６）は、ヨー角検出部（５２）で検出した浮体（１０）のヨー方向の変位のうちの長周期変位を低減する方向の旋回力（Ｔ）を浮体（１０）に加えるように、ヨー角抑制機構（５４）の作動を制御することで、浮体（１０）に加わるヨー方向の長周期変位を低減できる。これによって、ロータ（４６）の向きを発電効率上風向きに対して最適な角度に維持できるため、発電量の低下を抑制できると共に、浮体式風車（１）を構成する構造物の疲労寿命が低下するのを抑制でき、かつ暴風時などで係留索（２０）に加わる最大係留力の増加を抑制できる。

２）別な一態様に係る浮体式風車のヨー運動低減装置（５０）は、１）に記載の浮体式風車のヨー運動低減装置であって、前記ヨー角制御部（５６）は、前記ヨー角検出部（５２）で検出される前記ヨー方向の変位（Ｄｊ）の時系列変化で表される波形パターンのうち、所定周期以上の長周期波成分（Ｌｄ）を取り出すように構成されたフィルタ部（６６）と、前記フィルタ部（６６）によって取り出された前記長周期波成分（Ｌｄ）に対応する前記長周期変位（Ｌｄ_０）を算出する長周期変位算出部（６８）と、を含む。

ヨー角検出部（５２）で検出されたヨー方向の変位（Ｄｊ）が上記長周期変位算出部（６８）に入力される前に、上記フィルタ部（６６）で予め所定周期以上の長周期波成分（Ｌｄ_０）を取り出して長周期変位算出部（６８）に入力する。長周期変位算出部（６８）では、フィルタ部（６６）が取り出した長周期波成分（Ｌｄ）に対応して長周期変位（Ｌｄ_０）を算出する。こうして算出された長周期変位（Ｌｄ_０）に基づいて、浮体（１０）に発生した長周期変位を低減するために浮体（１０）に加えられるべき旋回力（Ｔ）が設定される。上記構成によれば、フィルタ部（６６）及び長周期変位算出部（６８）を備えるため、浮体（１０）に発生した長周期変位を低減するための旋回力（Ｔ）の設定を精度良く行うことができる。

３）さらに別な態様に係る浮体式風車のヨー運動低減装置は、１）又は２）に記載の浮体式風車のヨー運動低減装置であって、前記ヨー角制御部（５６）は、前記長周期変位が目標変位（Ｄｔ）に近づくように前記ヨー角抑制機構（５４）を作動させるフィードバック制御を行うように構成されている。

このような構成によれば、ヨー角制御部（５６）は、ヨー角検出部（５２）で検出したヨー方向の変位（Ｄｊ）に含まれる長周期変位が目標変位（Ｄｔ）に近づくようにフィードバック制御を行うため、浮体（１０）に発生した長周期変位（Ｌｄ_０）を目標変位（Ｄｔ）へ迅速に収束させることができる。

４）さらに別な態様に係る浮体式風車のヨー運動低減装置（５０）は、１）乃至３）のいずれかに記載の浮体式風車のヨー運動低減装置であって、前記係留索（２０）は、前記浮体（１０）に対して正方向の前記ヨー方向の変位（Ｄｊ）に抗する係留力（Ｆｍ）を付加可能な第１係留索（２０ｂ）と、前記浮体（１０）に対して前記正方向と逆方向の負方向の前記ヨー方向の変位（Ｄｊ）に抗する係留力（Ｆｍ）を付加可能な第２係留索（２０ａ）と、を含み、前記ヨー角抑制機構（５４ａ）は、前記第１係留索（２０ｂ）又は前記第１係留索（２０ｂ）と前記浮体（１０）との接続部に設けられた第１油圧シリンダ（７２ｂ）と、前記第２係留索（２０ａ）又は前記第２係留索（２０ａ）と前記浮体（１０）との接続部に設けられた第２油圧シリンダ（７２ａ）と、を含む。

このような構成によれば、ヨー角抑制機構（５４ａ）は、第１油圧シリンダ（７２ｂ）及び第２油圧シリンダ（７２ａ）を備えるだけの簡素な構成が可能となる。これら油圧シリンダを作動させることで、浮体（１０）に発生する正負両方向のヨー方向変位を低減可能な旋回力（Ｔ）を付加できる。

５）さらに別な態様に係る浮体式風車のヨー運動低減装置（５０）は、１）乃至３）のいずれかに記載の浮体式風車のヨー運動低減装置であって、前記ヨー角抑制機構（５４ｂ）は、水流噴射口が水面（Ｓｗ）より上方の前記浮体（１０）に設けられ、前記長周期変位を低減する方向に水流を噴射可能な少なくとも１つのウォータジェット推進器（７６）を含む。

このような構成によれば、ヨー角抑制機構（５４ｂ）は、少なくとも１つのウォータジェット推進器（７６）を備えるだけの簡素な構成が可能になる。即ち、１つのウォータジェット推進器（７６）の水流噴射口の向きを正負両方向に可変とすることにより、１つのウォータジェット推進器（７６）により、浮体（１０）に正負両方向のヨー方向変位を低減可能な旋回力（Ｔ）を付加できる。

６）さらに別な態様に係る浮体式風車のヨー運動低減装置（５０）は、１）乃至３）のいずれかに記載の浮体式風車のヨー運動低減装置であって、前記ヨー角抑制機構（５４ｃ）は、水面（Ｓｗ）より上方の前記浮体（１０）に設けられ、翼形状の横断面を有する少なくとも１つのフィン（７８）と、前記フィン（７８）を軸中心に回動させるフィン駆動部（８２）と、を含む。

風（Ｗ）が翼形状の横断面を有するフィン（７８）を通過すると、フィン（７８）の背面側と腹面側とで圧力差が発生し、フィン（７８）の翼弦に対して直交し、低圧となる背面側に向かう揚力（Ｃ）が発生する。
上記構成によれば、ヨー角抑制機構（５４ｃ）は、少なくとも１つの上記フィン（７８）を備えるだけの簡素な構成が可能になる。即ち、上記フィン駆動部（８２）によって１つのフィン（７８）の向きを変えるだけで、フィン（７８）に発生する揚力（Ｃ）の向きを変えることができる。これによって、浮体（１０）に発生するヨー方向の正負両方向の長周期変位を低減可能な旋回力（Ｔ）を付加できる。

７）さらに別な態様に係る浮体式風車のヨー運動低減装置（５０）は、１）乃至３）のいずれかに記載の浮体式風車のヨー運動低減装置であって、前記ヨー角抑制機構（５４ｄ）は、前記水面（Ｓｗ）より上方の前記浮体（１０）に軸中心に回転可能に立設された少なくとも１つのロータセイル（８４）と、前記ロータセイル（８４）を軸中心に回転させるロータセイル駆動部（８８）と、を含む。

上記ロータセイル（８４）を軸中心に回転させることで、ロータセイル（８４）の横断面上においてロータセイル（８４）の一方側領域と他方側領域とで圧力差が生じ、ロータセイル（８４）に対して低圧力側へ向かう揚力（Ｃ）が発生する。
上記構成によれば、ヨー角抑制機構（５４ｄ）は、少なくとも１つのロータセイル（８４）を備えるだけの簡素な構成が可能になる。即ち、上記ロータセイル駆動部（８８）によって１つのロータセイル（８４）の回転速度及び回転方向を変えるだけで、ロータセイル（８４）に発生する揚力（Ｃ）の向きを変えることができる。これによって、浮体（１０）に発生するヨー方向の正負両方向の長周期変位を低減可能な旋回力を付加できる。

８）さらに別な態様に係る浮体式風車のヨー運動低減装置（５０）は、１）乃至３）のいずれかに記載の浮体式風車のヨー運動低減装置であって、前記風力発電装置（４０）は、ピッチ角度（Ａｐ）が変更可能な少なくとも１つのブレード（４６ａ）を含み、前記ヨー角抑制機構（５４ｅ）は、前記ブレード（４６ａ）のピッチ角度（Ａｐ）を変更可能なピッチ駆動部（９４）を含み、前記ヨー角制御部（５６）は、風（Ｗ）を受けた前記ブレード（４６ａ）が前記浮体（１０）に前記旋回力（Ｔ）を加えることが可能なように前記ブレード（４６ａ）のピッチ角度（Ａｐ）を調整するピッチ調整部（９２）を含む。

このような構成によれば、上記ピッチ調整部（９２）によって、ブレード（４６ａ）のピッチ角度（Ａｐ）を調整するだけで、浮体（１０）に発生した長周期変位を低減する方向の旋回力（Ｔ）を浮体（１０）に加えることができる。そのため、ヨー運動低減装置（５０）として動力を必要とする新たな装置を設ける必要がなく、ヨー運動低減装置（５０）を低コスト化できる。

１ 浮体式風車
１０ 浮体
１２ 第１コラム
１４ａ、１４ｂ 第２コラム
１６ａ、１６ｂ ロワーハル
１８ 梁部材
２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ） 係留索
２２ 空洞部
４０ 風力発電装置
４２ ナセル
４４ タワー
４６ ロータ
４６ａ ブレード
５０ ヨー運動低減装置
５２ ヨー角検出部
５４（５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅ） ヨー角抑制機構
５６ ヨー角制御部
５８ 方位センサ
６０ ＧＰＳ衛星
６２ 処理部
６４ 比較器
６６ フィルタ部
６８ 長周期変位算出部
７０ 加算器
７２ａ 油圧シリンダ（第２油圧シリンダ）
７２ｂ 油圧シリンダ（第１油圧シリンダ）
７４ 作動油給排部
７６（７６ａ、７６ｂ） ウォータジェット推進器
７８（７８ａ、７８ｂ） フィン
８０ 回動軸
８２ フィン駆動部
８４（８４ａ、８４ｂ） ロータセイル
８６ 回転軸
８８ ロータセイル駆動部
９０ 相関マップ
９２ ピッチ調整部
９４ ピッチ駆動部
Ａｐ ピッチ角度
Ｃ 揚力
Ｄ 距離
Ｄｊ ヨー方向の変位
Ｄｔ 目標変位
Ｆｍ 係留力
Ｋｄ 比例ゲイン
Ｋｉ 積分ゲイン
Ｋｐ 微分ゲイン
Ｌ_１、Ｌ_２ 直線
Ｌｄ 長周期波成分
Ｌｄ_０ 長周期変位
Ｓｗ 水面
Ｔ 旋回力
Ｗ 風

Claims (8)

1. 水面に浮かぶ浮体と、該浮体に設置された風力発電装置と、該浮体を係留する係留索と、を備えた浮体式風車のヨー運動低減装置であって、
   前記浮体のヨー角の基準位置に対するヨー方向の変位を検出するヨー角検出部と、
   前記浮体にヨー方向の旋回力を加えることが可能なヨー角抑制機構と、
   前記ヨー角検出部で検出される前記ヨー方向の変位のうちの長周期変位を低減する方向の前記旋回力を前記浮体に加えるように、前記ヨー角抑制機構を制御するように構成されたヨー角制御部と、
   を備える浮体式風車のヨー運動低減装置。
2. 前記ヨー角制御部は、
   前記ヨー角検出部で検出される前記ヨー方向の変位の時系列変化で表される波形パターンのうち、所定周期以上の長周期波成分を取り出すように構成されたフィルタ部と、
   前記フィルタ部によって取り出された前記長周期波成分に対応する前記長周期変位を算出する長周期変位算出部と、
   を含む請求項１に記載の浮体式風車のヨー運動低減装置。
3. 前記ヨー角制御部は、前記長周期変位が目標変位に近づくように前記ヨー角抑制機構を作動させるフィードバック制御を行うように構成された請求項１に記載の浮体式風車のヨー運動低減装置。
4. 前記係留索は、
   前記浮体に対して正方向の前記ヨー方向の変位に抗する係留力を付加可能な第１係留索と、
   前記浮体に対して前記正方向と逆方向の負方向の前記ヨー方向の変位に抗する係留力を付加可能な第２係留索と、
   を含み、
   前記ヨー角抑制機構は、
   前記第１係留索又は前記第１係留索と前記浮体との接続部に設けられた第１油圧シリンダと、
   前記第２係留索又は前記第２係留索と前記浮体との接続部に設けられた第２油圧シリンダと、
   を含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の浮体式風車のヨー運動低減装置。
5. 前記ヨー角抑制機構は、水流噴射口が水面より上方の前記浮体に設けられ、前記長周期変位を低減する方向に水流を噴射可能な少なくとも１つのウォータジェット推進器を含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の浮体式風車のヨー運動低減装置。
6. 前記ヨー角抑制機構は、
   水面より上方の前記浮体に設けられ、翼形状の断面を有する少なくとも１つのフィンと、
   前記フィンを軸中心に回動させるフィン駆動部と、
   を含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の浮体式風車のヨー運動低減装置。
7. 前記ヨー角抑制機構は、
   前記水面より上方の前記浮体に軸中心に回転可能に立設された少なくとも１つのロータセイルと、
   前記ロータセイルを軸中心に回転させるロータセイル駆動部と、
   を含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の浮体式風車のヨー運動低減装置。
8. 前記風力発電装置は、ピッチ角度が変更可能な少なくとも１つのブレードを含み、
   前記ヨー角抑制機構は、前記ブレードのピッチ角度を変更可能なピッチ駆動部を含み、
   前記ヨー角制御部は、風を受けた前記ブレードが前記浮体に前記旋回力を加えることが可能なように前記ブレードのピッチ角度を調整するピッチ調整部を含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の浮体式風車のヨー運動低減装置。

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