JP6627292B2 - 浮遊式水中発電装置の姿勢制御システムおよび姿勢制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、浮遊式水中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。

浮遊式水中発電装置として、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、浮遊式水中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、浮遊式水中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、浮遊式水中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浮遊式水中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、水中発電用タービンがそれぞれ設けられた一対のポッドと、一対のポッドの間に延在して一対のポッドを連結する連結部と、を備える浮遊式水中発電装置の姿勢制御システムであって、水中発電用タービンは、それぞれ、ピッチ角度が可変な２枚のブレードを含み、一対の水中発電用タービンは、水流を受けて互いに逆向きに回転するように構成されており、浮遊式水中発電装置を係留するための係留ロープであって、係留ロープの一端は連結部の延在方向に離間する２つの係留点で浮遊式水中発電装置に接続されている、係留ロープと、浮遊式水中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、それぞれの水中発電用タービンに設けられ、２枚のブレードのピッチ角度を調整可能なピッチ角度調整装置と、検出部によって検出された傾斜角度が所定の閾値以上である場合に、ピッチ角度調整装置を制御し、少なくとも１つの水中発電用タービンにおける２枚のブレードのピッチ角度を変更し、その後傾斜角度の増大が止まった場合に２枚のブレードのピッチ角度を元のピッチ角度に戻す制御部と、を備える。

この姿勢制御システムでは、係留ロープによって係留された浮遊式水中発電装置が水中を浮遊し、水中発電用タービンのブレードが回転することで、発電が行われる。制御部は、浮遊式水中発電装置のロール方向の傾斜角度に応じて、２枚のブレードのピッチ角度を変更する。２枚のブレードのピッチ角度が変更されると、２つの水中発電用タービンに作用するスラスト力に、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浮遊式水中発電装置の全体に対して、ロール方向のモーメントが生じる。これにより、浮遊式水中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水中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、制御部は、傾斜角度が所定の閾値以上である場合に、一対のポッドのうち深度が相対的に低い方のポッドに対応する２枚のブレードのピッチ角度を、２枚のブレードが流体力を受けにくい方向に変更する。ブレードが流体力を受けにくい方向とは、言い換えれば、ブレードに作用する流体力が減少する方向である。このような制御は、単純であるため、容易な制御が可能である。制御部によってこのような制御を行うことにより、ロール方向の姿勢を効率的かつ容易に修正することができる。

いくつかの態様において、制御部は、傾斜角度が所定の閾値以上である場合に、一対のポッドのうち深度が相対的に高い方のポッドに対応する２枚のブレードのピッチ角度を、２枚のブレードが流体力を受けやすい方向に変更する。ブレードが流体力を受けやすい方向とは、言い換えれば、ブレードに作用する流体力が増大する方向である。このような制御は、単純であるため、容易な制御が可能である。制御部によってこのような制御を行うことにより、ロール方向の姿勢を効率的かつ容易に修正することができる。

本発明の他の態様は、水中発電用タービンがそれぞれ設けられた一対のポッドと、一対のポッドの間に延在して一対のポッドを連結する連結部と、を備える浮遊式水中発電装置の姿勢制御方法であって、水中発電用タービンは、それぞれ、ピッチ角度が可変な２枚のブレードを含み、一対の水中発電用タービンは、水流を受けて互いに逆向きに回転するように構成されており、浮遊式水中発電装置を係留するための係留ロープの一端は、連結部の延在方向に離間する２つの係留点で浮遊式水中発電装置に接続されており、浮遊式水中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、傾斜角度が所定の閾値以上である場合に、少なくとも１つの水中発電用タービンにおける２枚のブレードのピッチ角度を変更するピッチ角度変更ステップと、ピッチ角度変更ステップの後、傾斜角度の増大が止まった場合に２枚のブレードのピッチ角度を元のピッチ角度に戻すステップと、を含む。

この姿勢制御方法によれば、上述した理由から、浮遊式水中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、浮遊式水中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浮遊式水中発電装置の概略構成を示す図である。 図１の浮遊式水中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。 水流に対するブレードのピッチ角度と、その回転のしやすさを説明するための図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、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、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。 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。 ブレードのピッチ角度ごとに、ブレードの周速比に対するスラスト力の相関を示す図である。

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。さらに、「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。

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が適用された浮遊式水中発電装置１について説明する。図１に示されるように、浮遊式水中発電装置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。浮遊式水中発電装置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の後部には、水中発電用タービン４Ａが設けられている。第２ポッド２Ｂの後部には、水中発電用タービン４Ｂが設けられている。以下の説明では、浮遊式水中発電装置１を水中発電装置１という。また、水中発電用タービン４Ａ，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、浮遊する水中発電装置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の中央に、ポッドと同様の円筒状の物体が設けられてもよい。

水中発電装置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と水中発電装置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。

水中発電装置１は、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に対し、上流側から見て左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に対し、上流側から見て右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、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。

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。

水中発電装置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、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水中発電装置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。これにより、第１タービン４Ａおよび第２タービン４Ｂで発生する回転トルクが相殺され、水中発電装置１の姿勢が安定する。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。なお、上記とは逆に、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。

続いて、図１〜図３を参照して、水中発電装置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、水中発電装置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ブレード６Ａおよび第２ブレード６Ｂのピッチ角度を調整可能なピッチ角度調整装置２０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が、第２ポッド２Ｂも、同様の構成を備える。

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ブレード６Ａ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。

水中発電装置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。上記したピッチ角度調整装置２０は、油圧式駆動装置２１と、ブレード軸２２とを備える。より詳細には、各第１ブレード６Ａの基端部には、ブレード軸２２が設けられている。このブレード軸２２に、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。油圧式駆動装置２１は、制御部２５によって制御されて、第１ブレード６Ａのピッチ角度を任意の角度に調整可能である。２枚の第１ブレード６Ａのピッチ角度は、ブレード軸２２の軸線を基準として、逆向きである。油圧式駆動装置２１によって一方の第１ブレード６Ａがブレード軸２２を中心に回転させられると同時に、他方の第１ブレード６Ａが、ブレード軸２２を中心に、逆向きに同じ角度だけ回転させられる。これと同様にして、第２ブレード６Ｂのピッチ角も、可変になっている。すなわち、第２タービン４Ｂにも、ピッチ角度調整装置２０が設けられている。

第１ポッド２Ａには、第１タービン４Ａの回転数を計測するレゾルバが搭載されている。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。センサによって計測された駆動量に基づいて、油圧式駆動装置２１は、第１ブレード６Ａのピッチ角度を算出する。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。

さらに、第１ポッド２Ａ内には、水中発電装置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、水中発電装置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、水中発電装置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。

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水中発電装置１全体の重量を変化させる浮力調整装置３０を備えている。浮力調整装置３０は、第１ポッド２Ａ内に設けられたタンク３１と、タンク３１と第１ポッド２Ａの外部とを接続する注排水管３３と、注排水管３３に設けられたポンプ３２とを含む。タンク３１は、所定の容量を有する貯水タンクである。ポンプ３２は、タンク３１に水を注排水する。

水中発電装置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、水中発電装置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水中発電装置１のロール方向の傾斜角度に応じて、ピッチ角度調整装置２０を制御する。また、制御部２５は、浮力調整装置３０のポンプ３２および弁類等を制御して、タンク３１と外部との注排水を行わせ、水中発電装置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は、たとえば第１ポッド２Ａ内に設けられる。

制御部２５には、水中発電装置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、水中発電装置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。

続いて、姿勢制御システムＳによる、水中発電装置１の姿勢制御方法について説明する。まず、水中発電装置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（ａ）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水中発電装置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、水中発電装置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）。

水中発電装置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、水中発電装置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３０による姿勢制御を実施してもよい。浮力調整装置３０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、水中発電装置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）、ピッチ角度調整装置２０を制御して、第１ブレード６Ａおよび第２ブレード６Ｂのいずれか一方のピッチ角度を変更する（ステップＳ０３；ピッチ角度変更ステップ）。なお、制御部２５は、水中発電装置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。

水中発電装置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Ｔ_Ｂは、第１係留ロープ１１Ａの張力Ｔ_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Ｔ_Ｂの鉛直成分は、張力Ｔ_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、浮遊式水中発電装置１に対してロール方向のモーメントがはたらき、浮遊式水中発電装置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Ｆに起因するメカニズムにより、水中発電装置１がロール方向に傾斜する場合もある。

そこで、制御部２５は、ピッチ角度調整装置２０を制御して、第１ポッド２Ａおよび第２ポッド２Ｂのうち深度が相対的に低い方のポッド（図７に示される例では第２ポッド２Ｂ）に対応する第２ブレード６Ｂのピッチ角度を、第２ブレード６Ｂがスラスト力Ｆを受けにくい方向にたとえば数度だけ、変更する。図４に、ピッチ角度と、スラスト力Ｆを受けやすい方向およびスラスト力Ｆを受けにくい方向との関係を示す。流れＦＬに対して第１ブレード６Ａの向きがなす角度が大きいほど、第１ブレード６Ａは回転方向Ｒ_Ａに回転しやすく、スラスト力Ｆを受けやすい。流れＦＬに対して第１ブレード６Ａの向きがなす角度が小さいほど、第１ブレード６Ａは回転方向Ｒ_Ａに回転しにくく、スラスト力Ｆを受けにくい。

図９に、ブレードのピッチ角度ごとに、周速比に対するスラスト力の相関を示す。周速比とは、流速に対するブレードの周速の比、すなわち、ブレードの周速を流速で除した値である。図９において、翼ピッチＡ＞翼ピッチＢ＞翼ピッチＣである。図９に示されるように、流れＦＬに対するピッチ角度が大きいほど、スラスト力Ｆは大きくなる。流れＦＬに対するピッチ角度が小さいほど、スラスト力Ｆは小さくなる。よって、翼ピッチＡとした場合のスラスト力＞翼ピッチＢとした場合のスラスト力＞翼ピッチＣとした場合のスラスト力、なる関係が成り立つ。また、周速比には、スラスト力Ｆが最大となる最適値がある。この最適値は、ブレードのピッチ角度ごとに変わる。

このように、ブレード６Ａ，６Ｂがスラスト力Ｆ（流体力）を受けにくい方向とは、言い換えれば、ブレード６Ａ，６Ｂに作用するスラスト力が減少する方向である。ブレード６Ａ，６Ｂが流体力を受けやすい方向とは、言い換えれば、ブレード６Ａ，６Ｂに作用するスラスト力が増大する方向である。

第２ブレード６Ｂがスラスト力Ｆ_Ｂを受けにくい方向に第２ブレード６Ｂのピッチ角度を変更するということは、第２ブレード６Ｂの向きを流れＦＬの方向に近づける（図４の方向Ｃ２）ことを意味する。すなわち、第２ブレード６Ｂがスラスト力Ｆ_Ｂを受けにくい方向とは、第２ブレード６Ｂに流れＦＬが当たる面積が小さくなる方向であり、第２ブレード６Ｂを流れＦＬ方向に投影した場合の投影面積が小さくなる方向である。なお、これとは逆に、第２ブレード６Ｂがスラスト力Ｆ_Ｂを受けやすい方向に第２ブレード６Ｂのピッチ角度を変更するということは、第２ブレード６Ｂの向きを流れＦＬの方向から遠ざける（図４の方向Ｃ１）ことを意味する。すなわち、第２ブレード６Ｂがスラスト力Ｆ_Ｂを受けやすい方向とは、第２ブレード６Ｂに流れＦＬが当たる面積が大きくなる方向であり、第２ブレード６Ｂを流れＦＬ方向に投影した場合の投影面積が大きくなる方向である。

図５（ａ）に戻り、ステップＳ０３では、制御部２５は、ピッチ角度調整装置２０を制御して、流れＦＬの方向に近づくように、第２ブレード６Ｂの向きを変更させる。そうすると、図８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Ｔ_Ｂが減少する。これと同時に、発電機１７が第２タービン４Ｂの回転を止めないよう、第２タービン４Ｂに対する負荷を下げる。そして、水中発電装置１のロール方向の傾斜が止まり、姿勢を戻す方向に水中発電装置１が動き始めるのに伴って、第２ブレード６Ｂのピッチ角度を元の角度に戻す。

制御部２５は、水中発電装置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、水中発電装置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３０のみによる姿勢の修正を実施する。一方、制御部２５は、水中発電装置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のピッチ角度の変更処理を実施する。制御部２５は、ピッチ角度調整装置２０を制御して、第２ブレード６Ｂのピッチ角度を変更する。

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、制御部２５は、浮遊式水中発電装置１のロール方向の傾斜角度に応じて、２枚のブレード６Ａまたは６Ｂのピッチ角度を変更する。２枚のブレード６Ａまたは６Ｂのピッチ角度が変更されると、２つの水中発電用タービン４Ａまたは４Ｂに作用するスラスト力Ｆ_ＡまたはＦ_Ｂに差が生じる。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１２Ａ，１２Ｂに接続された２本の係留ロープ１１Ａ，１１Ｂにおける張力Ｔ_Ａ，Ｔ_Ｂに差が生じる。２本の係留ロープ１１Ａ，１１Ｂの張力Ｔ_Ａ，Ｔ_Ｂ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とを含む浮遊式水中発電装置１の全体に対して、ロール方向のモーメントが生じる。これにより、浮遊式水中発電装置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水中発電用タービン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３０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。また、姿勢制御システムＳを用いることで、浮力調整装置３０によるロール方向の姿勢制御を不要とできる場合もある。

また、第２ブレード６Ｂのピッチ角度を、流体力を受けにくい方向に変更するといった制御は単純であるため、制御部２５による容易な制御が可能である。制御部２５によってこのような制御を行うことにより、ロール方向の姿勢を効率的かつ容易に修正することができる。

また、図５（ｂ）に示されるように、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（ステップＳ１２，Ｓ１３）。この場合、制御部２５は、水中発電装置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）、浮力調整装置３０における貯水量を変更する（ステップＳ１１）。その後、制御部２５は、水中発電装置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）、水中発電装置１の傾斜角度が第２閾値未満であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。制御部２５は、水中発電装置１の傾斜角度が第２閾値未満であると判断すると（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、ステップＳ１１の処理に戻り、浮力調整装置３０における貯水量を変更する。制御部２５は、水中発電装置１の傾斜角度が第２閾値以上であると判断すると（ステップＳ１２：ＮＯ）、ステップＳ０３のピッチ角度の変更制御を実施する。そして、制御部２５は、水中発電装置１の傾斜角度が第２閾値未満であるか否かを判断し（ステップＳ１３）、その傾斜角度が第２閾値以上であると判断すると、再び、ステップＳ０３のピッチ角度の変更制御を実施し、その傾斜角度が第２閾値未満であると判断すると、ステップＳ０１の処理に戻る。なお、ステップＳ１３の判断では、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３０による姿勢制御とを併用してもよい。ロール方向の姿勢を修正するのに必要な浮力調整装置３０のサイズを小さくすることができる。また、ステップＳ１１においてピッチ角度の変更制御を実施し、その場合に傾斜角度が第２閾値以上になる場合には、ステップＳ１３でピッチ角度をさらに数度変更する制御を行ってもよい。

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、制御部２５は、傾斜角度が所定の閾値以上である場合に、複数のポッド２Ａ，２Ｂのうち深度が相対的に高い方のポッドに対応する２枚のブレードのピッチ角度を、２枚のブレードが流体力を受けやすい方向に変更してもよい。このような制御は、単純であるため、容易な制御が可能である。制御部２５によってこのような制御を行うことにより、ロール方向の姿勢を効率的かつ容易に修正することができる。

さらには、上記実施形態のように深度が相対的に低い方のポッドにおけるブレードのピッチ角度を変更する方法と、深度が相対的に高い方のポッドにおけるブレードのピッチ角度を変更する方法とを併用してもよい。

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、ブレード６Ａ，６Ｂのピッチ角度の変更に対する、上記のスラスト力Ｆ_Ａ，Ｆ_Ｂの差および張力Ｔ_Ａ，Ｔ_Ｂの差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。水中発電装置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 水中発電装置
２Ａ、２Ｂ ポッド
３ クロスビーム（連結部）
４Ａ、４Ｂ 水中発電用タービン
６Ａ、６Ｂ ブレード
１１Ａ、１１Ｂ 係留ロープ
１２Ａ、１２Ｂ 係留点
２０ ピッチ角度調整装置
２３ ジャイロセンサ（検出部）
２５ 制御部
Ｓ 姿勢制御システム

Claims (4)

1. 水中発電用タービンがそれぞれ設けられた一対のポッドと、前記一対のポッドの間に延在して前記一対のポッドを連結する連結部と、を備える浮遊式水中発電装置の姿勢制御システムであって、
   前記水中発電用タービンは、それぞれ、ピッチ角度が可変な２枚のブレードを含み、一対の前記水中発電用タービンは、水流を受けて互いに逆向きに回転するように構成されており、
   前記浮遊式水中発電装置を係留するための係留ロープであって、前記係留ロープの一端は前記連結部の延在方向に離間する２つの係留点で前記浮遊式水中発電装置に接続されている、係留ロープと、
   前記浮遊式水中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、
   それぞれの前記水中発電用タービンに設けられ、前記２枚のブレードのピッチ角度を調整可能なピッチ角度調整装置と、
   前記検出部によって検出された前記傾斜角度が所定の閾値以上である場合に、前記ピッチ角度調整装置を制御し、少なくとも１つの前記水中発電用タービンにおける前記２枚のブレードのピッチ角度を変更し、その後前記傾斜角度の増大が止まった場合に前記２枚のブレードのピッチ角度を元のピッチ角度に戻す制御部と、を備える浮遊式水中発電装置の姿勢制御システム。
2. 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、前記一対のポッドのうち深度が相対的に低い方の前記ポッドに対応する前記２枚のブレードのピッチ角度を、前記２枚のブレードが流体力を受けにくい方向に変更する、請求項１に記載の浮遊式水中発電装置の姿勢制御システム。
3. 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、前記一対のポッドのうち深度が相対的に高い方の前記ポッドに対応する前記２枚のブレードのピッチ角度を、前記２枚のブレードが流体力を受けやすい方向に変更する、請求項１に記載の浮遊式水中発電装置の姿勢制御システム。
4. 水中発電用タービンがそれぞれ設けられた一対のポッドと、前記一対のポッドの間に延在して前記一対のポッドを連結する連結部と、を備える浮遊式水中発電装置の姿勢制御方法であって、
   前記水中発電用タービンは、それぞれ、ピッチ角度が可変な２枚のブレードを含み、一対の前記水中発電用タービンは、水流を受けて互いに逆向きに回転するように構成されており、
   前記浮遊式水中発電装置を係留するための係留ロープの一端は、前記連結部の延在方向に離間する２つの係留点で前記浮遊式水中発電装置に接続されており、
   前記浮遊式水中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、
   前記傾斜角度が所定の閾値以上である場合に、少なくとも１つの前記水中発電用タービンにおける前記２枚のブレードのピッチ角度を変更するピッチ角度変更ステップと、
   前記ピッチ角度変更ステップの後、前記傾斜角度の増大が止まった場合に前記２枚のブレードのピッチ角度を元のピッチ角度に戻すステップと、を含む、浮遊式水中発電装置の姿勢制御方法。

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