JP4636783B2

JP4636783B2 - 浮体式風況調査方法およびその装置

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Publication number: JP4636783B2
Application number: JP2003147347A
Authority: JP
Inventors: 聡上田; 憲一井上; 日出雄小林
Original assignee: 株式会社アイ・エイチ・アイマリンユナイテッド
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2023-05-26
Also published as: JP2004347550A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば洋上の風力エネルギー利用の実用化に向けて風況（風向・風速）を計測する浮体式風況調査方法と、浮体式風況調査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、広大な海洋の風力エネルギーを利用するには、事業採算性、信頼性、安全性を精度よく評価することが重要で、そのためには設置場所の風況（風向・風速）を通年に亘り計測・調査する必要がある。
【０００３】
従来、陸上で風況（風向・風速）を計測するには、図４に示すように、例えば地上２０〜５０ｍ程度の連結式タワー支柱１０１を建ててガイワイヤ１０２で固定し、このタワー支柱１０１の地上２０〜３０ｍの高さに三杯式風速計および風向計などの計測機器１１０を設置し、これらの計測機器１１０を用いて風況（風向・風速）の計測を行っている。
【０００４】
また、従来、洋上で風況（風向・風速）を計測するには、図５に示すように、例えば１７００ｍｍφ程度のパイル２０１を海底に設置して海上に露出したパイル頂部に観測塔２０２を搭載し、この観測塔２０２の海上６２ｍ，４５ｍ，３０ｍ，１５ｍの高さに三杯式風速計および超音波式風向風速計などの計測機器２１０を設置し、これらの計測機器２１０を用いて風況（風向・風速）の計測を行っている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２８１１３１号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平８−１７８９４３号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開平１０−１９７５４９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４に示すようなタワー支柱１０１に計測機器１１０を設置する方式は、陸上専用であって海上に設置することは不可能である。
【０００９】
また、図５に示すような海底固定式の観測塔２０２に計測機器２１０を設置する方式は、風力エネルギーの利用可能性を探る観点から比較的強風が吹く場所に観測塔２０２を建設する場合、充分な風荷重対策を施した丈夫な観測塔が必要となるため、高額の建設費をかけても海面から３０ｍ〜６０ｍ程度の高さが目安であってそれ以上は困難であり、しかも、水深が深くなると海底からの高さで考えなければならないため、建設費用は莫大な額となる。
【００１０】
風力エネルギーの利用可能性を探る観点から風況計測に要求される条件は、例えば、水深１００〜５００ｍ程度の海域において海面から高さ２００ｍ程度までの風向・風速分布を計測することが必要であり、このように海底から最大７００ｍもの高さがあり、しかも海面上だけで２００ｍもの高さの観測塔２０２を建設することは、費用の点からも安全性の点からも現実的な意味で不可能であるという問題があった。
【００１１】
この発明の課題は、上記従来のもののもつ問題点を排除して、洋上に係留される浮体構造物にドップラー式風況計測装置を搭載し、このドップラー式風況計測装置を用いることで、洋上の風況（風向・風速）をその高さ方向分布まで含めて安全かつ安価に計測することのできる浮体式風況調査方法と、浮体式風況調査装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、洋上に係留される浮体構造物に、風況を計測するドップラー式風況計測手段と、当該浮体構造物の動揺を計測する動揺計測手段と、動揺計測手段による浮体構造物の動揺計測データに基づいてドップラー式風況計測手段のビーム発射時の発射方向を制御するビーム発射方向制御手段と、動揺計測手段による浮体構造物の動揺計測データに基づいてドップラー式風況計測手段の動揺を推定する動揺推定手段と、動揺推定手段によるドップラー式風況計測手段の動揺データに基づいてドップラー式風況計測手段のデータ受信時の動揺データを記録する動揺データ記録手段と、動揺データ記録手段によるドップラー式風況計測手段のデータ受信時の動揺データを用いてドップラー式風況計測手段による風況計測データを補正する動揺補正手段とを備え、動揺推定手段によるビーム発射時のドップラー式風況計測手段の動揺データに基づくビーム発射方向制御手段によるビーム発射時の発射方向の制御（発射方向の補正）、ビーム発射時のドップラー式風況計測装置の動揺データを用いた動揺補正手段による補正、及び、動揺推定手段によるドップラー式風況計測手段の動揺データに基づいて動揺データ記録手段により記録されたドップラー式風況計測手段のデータ受信時のドップラー式風況計測装置の動揺データを用いた動揺補正手段による補正の３種類の補正を組み合わせ、ビーム発射のタイミング及びデータ受信のタイミングの２段階のタイミングで３種類の補正を実行することにより、補正後の風況計測データとして、浮体式でなく固定式の場合に得られるデータと相違しない風況計測データを得ることを特徴とする浮体式風況調査装置である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、この発明による浮体式風況調査装置の一実施の形態を示す概略的構成図であり、この浮体式風況調査装置１は、洋上に係留される浮体構造物１０に、少なくとも、風況を計測するドップラー式風況計測装置（手段）２０と、浮体構造物１０の動揺を計測する動揺計測装置（手段）３０とを搭載したものである。
【００２２】
ドップラー式風況計測装置２０は、音波などのビームを上空に向けて発射し、大気の密度の揺らぎなどに起因して発生する反射波を受信し、この受信した反射波に含まれる周波数のドップラーシフト量から、反射箇所の大気の移動速度すなわち風向・風速を計測するものである。
【００２３】
浮体構造物１０は、ワイヤ・チェーンなどの係留索１１により位置保持されるものである。また、ドップラー式風況計測装置２０は、波からの騒音の影響や飛沫による塩害の影響を回避できるように海面からできるだけ高い位置に搭載する必要があり、そのため、浮体構造物１０は、ドップラー式風況計測装置２０を海面からかなり高い位置に搭載した場合でも転倒することなく安定した姿勢を保てるように、海中部の形状が複雑な形状に構成される。例えば、浮体構造物１０は、適宜の直径を有する扁平な円柱状の浮体１２と、浮体１２よりやや小径の円柱状のプラットフォーム１３とを、両者の中心部を結ぶ細い円柱状の連結部材１４で一体に連結して構成される。これらの浮体１２、プラットフォーム１３および連結部材１４はいずれも、断面円形に形成されることで、海面のさまざまな動きによる特定方向の動揺をできるだけ受けにくく、またその動揺をできるだけ軽減して、風況計測への影響を小さくするように構成してあるが、必要に応じて、例えば、断面八角形、六角形または四角形など適宜の形状に構成することも可能である。
【００２４】
浮体構造物１０のプラットフォーム１３には、実質的に中央位置に動揺計測装置３０が配置され、これから上方へ延びた支柱１５の内部に図示しない電源設備および信号処理設備が配置され、また、支柱１５の上端にドップラー式風況計測装置２０が設置されて浮体構造物１０の実質的に最上位置に配置されている。その他、プラットフォーム１３には、ドップラー式風況計測装置２０による風況（風向・風速）計測の参照とするためのリファレンスデータ取得用の風向風速計１６、および、通信用アンテナ１７が設置される。
【００２５】
このような浮体構造物１０のプラットフォーム１３に設置されたドップラー式風況計測装置２０は、浮体構造物１０が保持される位置（設置場所）の鉛直上方において海面上２０ｍから２００ｍ程度の範囲で風況（風向・風速）データを計測することができる。そのため、風力エネルギーの利用可能性を探る観点から風況計測に要求される条件である例えば海面上２００ｍもの高さの観測塔を建設する必要がなく、また、例えば水深５００ｍもの深さの海域であっても係留索１１の長さを調節するだけで、海上にこの浮体式風況調査装置１を容易に設置することができるものである。
【００２６】
図２は、浮体式風況調査装置１が有する浮体動揺補正装置の一例を示すブロック図であり、この浮体動揺補正装置２は、ドップラー式風況計測装置２０および動揺計測装置３０と協働して、動揺計測装置３０による浮体構造物１０の動揺計測データに基づいてドップラー式風況計測装置２０による風況計測データを補正する動揺補正装置（手段）４０を備えているものである。このような動揺補正装置４０は、例えば、プラットフォーム１３の支柱１５に配置された前記信号処理設備の一部として設置される。ドップラー式風況計測装置２０および動揺計測装置３０を含めた浮体動揺補正装置２全体について説明する。
【００２７】
ドップラー式風況計測装置２０は、風況計測のためのビーム（例えば音波）を鉛直上方から所定の広がりをもって発射するビーム発射部２１と、計測領域内の大気（風）で反射してきたビームに含まれるドップラー式風況計測データを受信するデータ受信部２２とを備えている。また、ドップラー式風況計測装置２０には、ビーム発射部２１にビーム発射のタイミングを指令する発射タイミング指令部２５と、データ受信部２２によるデータ受信のタイミングを検出する受信タイミング検出部２６とを設けてある。
【００２８】
動揺計測装置３０は、浮体構造物１０の動揺を計測する動揺計測センサ３１を備えている。洋上に係留される浮体構造物１０は、波浪により上下揺れ、左右揺れ、前後揺れ、縦揺れ、横揺れ、船首揺れの６モードの動揺をするが、これらすべての動揺を計測することが可能な適宜の種類および個数の動揺計測センサ３１を備える。また、動揺計測装置３０には、動揺計測センサ３１による浮体構造物１０の動揺計測データに基づいてドップラー式風況計測装置２０の動揺を推定する動揺推定部３５を設けてある。
【００２９】
動揺補正装置４０は、発射タイミング指令部２５によるビーム発射のタイミングに応じて、動揺推定部３５によるドップラー式風況計測装置２０の動揺データを記録するビーム発射時の動揺データ記録部４１と、受信タイミング検出部２６によるデータ受信のタイミングに応じて、動揺推定部３５によるドップラー式風況計測装置２０の動揺データを記録するデータ受信時の動揺データ記録部４２とを備えている。また、動揺補正装置４０は、ビーム発射時の動揺データ記録部４１に記録されたドップラー式風況計測装置２０の動揺データ、および、データ受信時の動揺データ記録部４２に記録されたドップラー式風況計測装置２０の動揺データを用いて、データ受信部２２による風況計測データを補正する動揺補正部４３と、動揺補正部４３により補正された風況計測データを記録する補正後データ記録部４４とを備えている。
【００３０】
上記のように構成された浮体動揺補正装置２を有する浮体式風況調査装置１は、ドップラー式風況計測装置２０を用いて風況を計測し、動揺計測装置３０（動揺計測センサ３１）による浮体構造物１０の動揺計測データに基づいて動揺推定部３５によりドップラー式風況計測装置２０の動揺を推定し、動揺補正装置４０によって、計測して得られた風況計測データを、推定したドップラー式風況計測装置２０の動揺データに基づいて補正することができる。しかも、ビーム発射時のドップラー式風況計測装置２０の動揺データを用いた補正と、データ受信時のドップラー式風況計測装置２０の動揺データを用いた補正と２段階で補正するため、補正後の風況計測データは、浮体式でなく固定式の場合に得られるデータと実質的に相違しない真の風況計測データが得られることとなる。
すなわち、本発明において、動揺補正装置４０による風況計測データの補正は、計測して得られた風況計測データを、浮体式でなく固定式の場合に得られるデータと実質的に相違しない真の風況計測データとする補正である。
【００３１】
浮体構造物１０において、動揺計測センサ３１の設置位置とドップラー式風況計測装置２０の設置位置とは通常かなり離れているため、ドップラー式風況計測装置２０を用いて計測した風況計測データを補正するに際し、動揺計測センサ３１による浮体構造物１０の動揺計測データに基づく場合に比べて、動揺推定部３５によるドップラー式風況計測装置２０の動揺データに基づく方がずっと高精度に補正することが可能である。
【００３２】
しかし、例えば動揺計測センサ３１の設置位置とドップラー式風況計測装置２０の設置位置とがわりと接近している場合など、必要に応じて、この浮体式風況調査装置１は、ドップラー式風況計測装置２０を用いて風況を計測し、得られた風況計測データを動揺計測装置３０（動揺計測センサ３１）による浮体構造物１０の動揺計測データに基づいて補正することもできる。
【００３３】
図３は、浮体式風況調査装置１が有する浮体動揺補正装置の他の例を示すブロック図であり、図２と同様の部分には同一符号を付して重複した説明は省略する。この浮体動揺補正装置３は、少なくとも、ドップラー式風況計測装置２０および動揺計測装置３０と協働して、動揺計測装置３０による浮体構造物１０の動揺計測データに基づいてドップラー式風況計測装置２０のビーム発射時の発射方向を制御するビーム発射方向制御装置（手段）５０を備えているものである。このようなビーム発射方向制御装置５０は、動揺補正装置４０と同様に、例えば、プラットフォーム１３の支柱１５に配置された前記信号処理設備の一部として設置される。
【００３４】
ビーム発射方向制御装置５０は、発射タイミング指令部２５によるビーム発射のタイミングに応じて、かつ、動揺推定部３５によるドップラー式風況計測装置２０の動揺データ（すなわちビーム発射時のドップラー式風況計測装置２０の動揺データ）に基づいて、ドップラー式風況計測装置２０のビーム発射部２１の発射方向を制御するビーム発射方向制御部５１を備えている。これにより、ドップラー式風況計測装置２０のビーム発射部２１は、浮体構造物１０がどのように動揺しても、風況計測のためのビーム（例えば音波）を鉛直上方から所定の広がりをもって発射することが可能となる。
【００３５】
動揺補正装置４０は、受信タイミング検出部２６によるデータ受信のタイミングに応じて、動揺推定部３５によるドップラー式風況計測装置２０の動揺データを記録するデータ受信時の動揺データ記録部４２と、データ受信時の動揺データ記録部４２に記録されたドップラー式風況計測装置２０の動揺データを用いて、データ受信部２２による風況計測データを補正する動揺補正部４３と、動揺補正部４３により補正された風況計測データを記録する補正後データ記録部４４とを備えている。
【００３６】
上記のように構成された浮体動揺補正装置３を有する浮体式風況調査装置１は、動揺計測装置３０（動揺計測センサ３１）による浮体構造物１０の動揺計測データに基づいて動揺推定部３５によりドップラー式風況計測装置２０の動揺を推定し、ビーム発射方向制御装置５０によって、この推定した動揺データに基づいてドップラー式風況計測装置２０のビーム発射時の発射方向を制御することができる。これにより、浮体構造物１０がどのように動揺しても、ドップラー式風況計測装置２０のビーム発射部２１は、風況計測のためのビームを所定方向（鉛直上方から所定の広がりをもつ方向）に発射することができる。
【００３７】
浮体構造物１０において、動揺計測センサ３１の設置位置とドップラー式風況計測装置２０の設置位置とは通常かなり離れているため、ドップラー式風況計測装置２０のビーム発射時の発射方向を制御するに際し、動揺計測センサ３１による浮体構造物１０の動揺計測データに基づく場合に比べて、動揺推定部３５によるドップラー式風況計測装置２０の動揺データに基づく方がずっと高精度に発射方向を制御することが可能である。
【００３８】
しかし、必要であれば、動揺計測センサ３１による浮体構造物１０の動揺計測データに基づいてドップラー式風況計測装置２０のビーム発射時の発射方向を制御することもできる。
【００３９】
また、浮体動揺補正装置３を有する浮体式風況調査装置１は、動揺補正装置４０によって、データ受信時のドップラー式風況計測装置２０の動揺データを用いて風況計測データを補正することができる。これにより、ビーム発射時には所定の発射方向に向いていたドップラー式風況計測装置２０の姿勢がデータ受信時には動揺した場合でも、その動揺分を解消した真の風況計測データを得て補正後データ記録部４４に記録することができる。しかも、ビーム発射時のドップラー式風況計測装置２０の動揺データを用いた発射方向の制御（発射方向の補正）と、データ受信時のドップラー式風況計測装置２０の動揺データを用いた補正と２段階で補正するため、補正後の風況計測データは、浮体式でなく固定式の場合に得られるデータと実質的に相違しない真の風況計測データが得られることとなる。
【００４０】
しかし、例えばドップラー式風況計測装置２０が風況計測のためのビームとして音波に比べてはるかに高速の電波などを用いる場合は、そのビームの発射からデータの受信までに実質的に時間を要しないから、動揺補正装置４０を用いず、ビーム発射時の発射方向の制御（発射方向の補正）だけで、実質的に真の風況計測データが得られることとなる。
【００４１】
以上のように、この浮体式風況調査装置１によれば、洋上に係留される浮体構造物１０を採用することで、水深に関係なく海面上にプラットフォーム１３を確保できるので、水深１００〜５００ｍ程度の海域に、特別の固定式足場なしで容易にドップラー式風況計測装置２０を設置することができる。また、ドップラー式風況計測装置２０を採用することで、高い観測塔を設置しないで、海面上高さ２００ｍ程度までの風況（風向・風速）を、多層にわたり精度よく計測することができる。
【００４２】
これにより、洋上の風力エネルギー利用の実用化に向けてさまざまな設置場所の風況（風向・風速）を通年に亘り計測・調査することが可能となり、適地における風力発電量を具体的に予測可能となり、事業採算性、信頼性、安全性の予測精度が飛躍的に向上し、風力発電の事業化への機運が急速に高まることが期待される。しかも、水深１００〜５００ｍの海域に観測塔を海底から建てる場合や、観測塔付きの船舶を使用する場合に比べて、費用をはるかに削減することができる。
【００４３】
上記の実施の形態では、浮体式風況調査装置１が有する浮体動揺補正装置として、図２に示す浮体動揺補正装置２と、図３に示す浮体動揺補正装置３とを例示したが、これに限定するものでない。すなわち、図２の浮体動揺補正装置２による２段階補正、すなわち、ビーム発射時のドップラー式風況計測装置２０の動揺データを用いた補正、および、データ受信時のドップラー式風況計測装置２０の動揺データを用いた補正と、図３に示す浮体動揺補正装置３による２段階補正、すなわち、ビーム発射時のドップラー式風況計測装置２０の動揺データを用いた発射方向の制御（発射方向の補正）、および、データ受信時のドップラー式風況計測装置２０の動揺データを用いた補正とを組み合わせて、（１）ビーム発射時のドップラー式風況計測装置２０の動揺データを用いた発射方向の制御（発射方向の補正）、（２）ビーム発射時のドップラー式風況計測装置２０の動揺データを用いた補正、および、（３）データ受信時のドップラー式風況計測装置２０の動揺データを用いた補正、の実質的に２段階のタイミングで行う３種類の補正を実行することが可能である。このような３種類の補正を組み合わせて実行することで、図２の浮体動揺補正装置２による２段階補正に比べてより高精度の補正が実現できるし、また、図３の浮体動揺補正装置３による２段階補正に比べてもより高精度の補正が実現できるから、これらの中で最高精度の補正が実現でき、その結果、得られる風況計測データは最も真値を表すこととなる。
【００４４】
【発明の効果】
この発明は以上のように、洋上に係留される浮体構造物に、風況を計測するドップラー式風況計測手段と、浮体構造物の動揺を計測する動揺計測手段と、動揺計測手段による浮体構造物の動揺計測データに基づいてドップラー式風況計測手段による風況計測データを補正する動揺補正手段とを備えた構成としたので、洋上の風況（風向・風速）をその高さ方向分布まで含めて安全かつ安価に計測することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による浮体式風況調査装置の一実施の形態を示す概略的構成図である。
【図２】浮体式風況調査装置が有する浮体動揺補正装置の一例を示すブロック図である。
【図３】浮体式風況調査装置が有する浮体動揺補正装置の他の例を示すブロック図である。
【図４】従来の風況調査装置の一例を示す概略的構成図である。
【図５】従来の風況調査装置の他の例を示す概略的構成図である。
【符号の説明】
１浮体式風況調査装置
２，３浮体動揺補正装置
１０浮体構造物
１１係留索
１２浮体
１３プラットフォーム
１４連結部材
１５支柱
１６風向風速計
１７通信用アンテナ
２０ドップラー式風況計測装置（手段）
２１ビーム発射部
２２データ受信部
２５発射タイミング指令部
２６受信タイミング検出部
３０動揺計測装置（手段）
３１動揺計測センサ
３５動揺推定部
４０動揺補正装置（手段）
４１ビーム発射時の動揺データ記録部
４２データ受信時の動揺データ記録部
４３動揺補正部
４４補正後データ記録部
５０ビーム発射方向制御装置（手段）
５１ビーム発射方向制御部

Claims

洋上に係留される浮体構造物に、
風況を計測するドップラー式風況計測手段と、
当該浮体構造物の動揺を計測する動揺計測手段と、
前記動揺計測手段による浮体構造物の動揺計測データに基づいて前記ドップラー式風況計測手段のビーム発射時の発射方向を制御するビーム発射方向制御手段と、
前記動揺計測手段による浮体構造物の動揺計測データに基づいて前記ドップラー式風況計測手段の動揺を推定する動揺推定手段と、
前記動揺推定手段によるドップラー式風況計測手段の動揺データに基づいて、前記ドップラー式風況計測手段のデータ受信時の動揺データを記録する動揺データ記録手段と、
前記動揺データ記録手段による前記ドップラー式風況計測手段のデータ受信時の動揺データを用いて、前記ドップラー式風況計測手段による風況計測データを補正する動揺補正手段と、
を備え、
前記動揺推定手段によるビーム発射時のドップラー式風況計測手段の動揺データに基づく前記ビーム発射方向制御手段による前記ビーム発射時の発射方向の制御（発射方向の補正）、ビーム発射時のドップラー式風況計測装置の動揺データを用いた前記動揺補正手段による補正、及び、前記動揺推定手段によるドップラー式風況計測手段の動揺データに基づいて動揺データ記録手段により記録された前記ドップラー式風況計測手段のデータ受信時のドップラー式風況計測装置の動揺データを用いた前記動揺補正手段による補正の３種類の補正を組み合わせ、ビーム発射のタイミング及びデータ受信のタイミングの２段階のタイミングで前記３種類の補正を実行することにより、補正後の風況計測データとして、浮体式でなく固定式の場合に得られるデータと相違しない風況計測データを得る
ことを特徴とする浮体式風況調査装置。