JP6926932B2 - 水中浮遊式発電装置の姿勢制御システム - Google Patents

Description

本発明は、水中浮遊式発電装置の姿勢制御システムに関する。

特許文献１に記載されるように、水中水流駆動タービンの発電デバイスにおいて、係留ロープの長さを調整することでヨーイングを抑制する技術が知られている。また特許文献２に記載されるように、浮揚式水上風力発電システムにおいて、基礎上に設けられた方位調整翼により、プロペラを風上へ向けるヨー制御を行う技術が知られている。

特許第４９２０８２３号公報 特開２００４-２５１１３９号公報

水中浮遊式発電装置が、たとえば装置にとって望ましくない領域に位置する場合、または当該領域に侵入しそうな場合、装置のヨー方向の姿勢を制御して装置を望ましい領域に維持することが考えられる。上記した特許文献１に記載の技術では、３本の係留ロープによってデバイスが拘束されているため、ヨー方向の姿勢の自由度は比較的低い。すなわち、デバイスはヨー方向に対して安定な構造となっている。特許文献２に記載の技術では、ヨー方向の姿勢の安定性の観点においては、風に対する受動的な制御が行われている。したがって、水上機器の位置は、係留ロープに依存している。従来の技術では、装置のヨー方向の姿勢を積極的に制御することは難しかった。

本発明は、水中浮遊式発電装置のヨー方向の姿勢を積極的に制御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、発電用タービンは、２枚のブレードを含み、水中浮遊式発電装置を係留するための係留ロープであって、係留ロープの一端が水中浮遊式発電装置に接続されている係留ロープと、係留ロープの他端が接続され、他端を水底に固定するための固定部と、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、水中浮遊式発電装置に搭載されて、固定部に対する水中浮遊式発電装置の位置を検出する位置検出手段と、回転数調整手段を制御して少なくとも１つの発電用タービンの回転数を変更し、水中浮遊式発電装置のヨー方向の姿勢を制御する制御部と、を備え、制御部は、水中浮遊式発電装置が正常な状態にある運用領域と、運用領域外の危険領域と、運用領域との間の境界線との平面的な位置情報を記憶しており、制御部は、水中浮遊式発電装置が運用領域内であって境界線から所定距離の範囲内に位置すると判断した場合に、水中浮遊式発電装置のヨー方向の姿勢を制御して水中浮遊式発電装置を境界線から遠ざかる方向に動かす。

この水中浮遊式発電装置の姿勢制御システムによれば、制御部が回転数調整手段を制御して少なくとも１つの発電用タービンの回転数を変更することで、その発電用タービンのブレードに作用するスラスト力が変化する。すなわち、複数の発電用タービンの間で、スラスト力のバランスを変化させることができる。これにより、水中浮遊式発電装置のヨー方向の姿勢を積極的に制御することができる。なお、水中浮遊式発電装置においてヨー方向とは、少なくとも２つのポッドの軸線を含む平面に垂直な軸（たとえば上下方向の軸）を中心として、その平面内で水中浮遊式発電装置が回転する回転方向を意味する。

本発明の別の態様は、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システムであって、発電用タービンは、ピッチ角度が可変な２枚のブレードを含み、水中浮遊式発電装置を係留するための係留ロープであって、係留ロープの一端が水中浮遊式発電装置に接続されている係留ロープと、係留ロープの他端が接続され、他端を水底に固定するための固定部と、それぞれの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、水中浮遊式発電装置に搭載されて、固定部に対する水中浮遊式発電装置の位置を検出する位置検出手段と、ピッチ角度調整装置を制御して少なくとも１つの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、水中浮遊式発電装置のヨー方向の姿勢を制御する制御部と、を備え、制御部は、水中浮遊式発電装置が正常な状態にある運用領域と、運用領域外の危険領域と、運用領域との間の境界線との平面的な位置情報を記憶しており、制御部は、水中浮遊式発電装置が運用領域内であって境界線から所定距離の範囲内に位置すると判断した場合に、水中浮遊式発電装置のヨー方向の姿勢を制御して水中浮遊式発電装置を境界線から遠ざかる方向に動かす。

この水中浮遊式発電装置の姿勢制御システムによれば、制御部がピッチ角度調整装置を制御して少なくとも１つの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ことで、その発電用タービンのブレードに作用するスラスト力が変化する。すなわち、複数の発電用タービンの間で、スラスト力のバランスを変化させることができる。これにより、水中浮遊式発電装置のヨー方向の姿勢を積極的に制御することができる。

この姿勢制御システムによれば、水中浮遊式発電装置が望ましくない領域に位置する場合、または当該領域に侵入しそうな場合に、水中浮遊式発電装置のヨー方向の姿勢を積極的に制御して、係留ロープの張力を利用して水中浮遊式発電装置を望ましい領域に維持することができる。

いくつかの態様において、姿勢制御システムは、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、複数のポッドのうち異なる２つのポッドに設けられて液体を収容可能な第１タンクおよび第２タンクと、第１タンクおよび第２タンクを接続する配管と、第１タンクと第２タンクとの間で液体を移送可能な移送手段と、を含む姿勢調整装置と、を更に備え、制御部は、検出部によって検出された傾斜角度に応じて姿勢調整装置を制御し、水中浮遊式発電装置のロール方向の姿勢を制御する。ブレードに作用するスラスト力を変化させると、内力に不均等さが生じ、結果として、水中浮遊式発電装置のロール方向の変動が生じ得る。そのような場合でも、姿勢調整装置によって水中浮遊式発電装置のロール方向の姿勢を制御することで、ロール方向の変動を打ち消すことができる。したがって、水中浮遊式発電装置の安定を保ちつつ、ヨー方向の姿勢を制御することができる。

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ヨー方向の姿勢を積極的に制御することができる。

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複数の水中浮遊式発電装置からなる発電ファームを示す図である。 図１中の水中浮遊式発電装置の概略構成を示す図である。 ポッドに設けられた機器類の概略構成を示す図である。 固定部に対する複数の領域を説明するための平面図である。 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）〜（ｅ）は、姿勢制御システムによるヨー方向の姿勢制御の一例を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、スラスト差の算出に用いられるグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、変形例に係る水中浮遊式発電装置におけるヨー方向の姿勢制御の一例を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、他の変形例に係る水中浮遊式発電装置におけるヨー方向の姿勢制御の一例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ヨー方向の姿勢制御が行われない従来のシステムにおける水中浮遊式発電装置の位置および姿勢の変化を示す図である。 （ａ）〜（ｈ）は、姿勢制御システムによるヨー方向の姿勢制御の他の例を示す図である。

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。「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。「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して用いられる。水中浮遊式発電装置１の姿勢に関する「ヨー」との語は、少なくとも２つのポッドの中心軸線を含む平面に垂直な軸線、たとえば上下方向の軸線を中心とする回転を意味する。「ロール」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の運用形態について説明する。図１に示されるように、複数の水中浮遊式発電装置１が、海水中に設置されて、発電ファーム１００を構成している。複数の水中浮遊式発電装置１は、たとえば、水平な第１方向および水平な第２方向に並ぶように設定される。第２方向は、第１方向に直交する（交差する）。隣り合う水中浮遊式発電装置１の間には、所定の間隔が設けられる。複数の水中浮遊式発電装置１は、平面視において、千鳥状に配置されてもよい。

続いて、図２および図３を参照して、各水中浮遊式発電装置１について説明する。図２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は左側に配置されたポッドであり、第２ポッド２Ｂは右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（すなわち左右に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（すなわち左右方向）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（固定部）１４に対して、係留ロープ１１、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。１本の係留ロープ１１の途中で第１係留ロープ１１Ａおよび第２係留ロープ１１Ｂが分岐しており、これらのロープがＹ字状をなしている。なお、第１係留ロープ１１Ａおよび第２係留ロープ１１Ｂの分岐点がシンカー１４に設けられてＶ字状をなしてもよい。係留ロープ１１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に対する係留ロープ１１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、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、左側に位置する第１ポッド２Ａに接続されている。第２係留ロープ１１Ｂの上端（一端）は、右側に位置する第２ポッド２Ｂに接続されている。第１係留ロープ１１Ａの係留点１２Ａと、第２係留ロープ１１Ｂの係留点１２Ｂとは、左右方向に所定の長さ離間している。

図２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Ｌ１，Ｌ２（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。

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２参照）。

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。たとえば、第１タービン４Ａは、上流側から見て時計回りの回転方向に回転し、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に回転する。

続いて、海流発電装置１の姿勢（特に、ピッチ方向の姿勢）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、係留ロープ１１、第１係留ロープ１１Ａおよび第２係留ロープ１１Ｂと、係留ロープ１１の下端（他端）を海底に固定するためのシンカー１４と、シンカー１４に対する海流発電装置１の位置を検出するための位置検出手段と、海流発電装置１の少なくともヨー方向および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、係留ロープ１１、第１係留ロープ１１Ａおよび第２係留ロープ１１Ｂを総称して、係留ロープ１１と呼ぶ。

姿勢制御システムＳは、回転数調整手段に代えて、または回転数調整手段に加えて、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を備えてもよい。以下の説明では、姿勢制御システムＳが回転数調整手段およびピッチ角度調整装置２０を備える場合について説明する。また、以下の説明では、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２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。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。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。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。なお、第１ブレード６Ａおよび第２ブレード６Ｂ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。回転数調整手段のみによって海流発電装置１の姿勢が調整される場合、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。この駆動量によって、第１ブレード６Ａおよび第２ブレード６Ｂのピッチ角度が算出される。

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を調整可能である。発電機１７は、負荷トルクの調整により、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。また、本実施形態において、発電機１７は、外部からの通電によってモータとして利用されてもよい。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、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。

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）。浮力調整装置には、海水の注排水の流量を計測する流量計が搭載される。

さらに、姿勢制御システムＳは、ロール方向の姿勢を調整するための姿勢調整装置（図示せず）を備える。この姿勢調整装置は、第１ポッド２Ａに設けられた第１タンクと、第２ポッド２Ｂに設けられた第２タンクと、これらの第１タンクおよび第２タンクに接続された配管と、配管に設けられたポンプ等の移送手段とを含む（いずれも図示せず）。第１タンクおよび第２タンクは、油等の液体を収容可能であり、移送手段は、配管を介して、第１タンクおよび第２タンクの間で液体を移送可能である。移送手段による液体の移送により、海流発電装置１における重心が左右に移動し得る。

本実施形態の姿勢制御システムＳは、海流発電装置１の位置情報に基づいて、海流発電装置１のヨー方向およびロール方向の姿勢を制御し、海流発電装置１を適切な位置に維持する。そのため、姿勢制御システムＳは、たとえば第１ポッド２Ａに搭載された音響通信機４０を備える。たとえば、シンカー１４にも音響通信機（図示せず）が搭載される。アンカーに搭載された音響通信機と音響通信機４０とは、音響通信によって、お互いの位置関係を把握することができる。すなわち、音響通信機４０は、シンカー１４に対する相対位置を検知することができる。シンカー１４側の音響通信機には、それが設置された時点において、ＧＰＳデータに基づく絶対位置情報が格納されている。これにより、音響通信機４０で検知された相対位置に基づいて、海流発電装置１の絶対位置が算出され得る。たとえば、制御部２５が、海流発電装置１の絶対位置を算出してもよい。

なお、発電ファーム１００（図１参照）においては、各シンカー１４と各音響通信機４０との間、および、隣り合うシンカー１４の間において、音響通信ネットワークを構築することが可能である。その場合、情報を一括管理するための音響通信用の集中管理局が設けられてもよい。

本実施形態の姿勢制御システムＳにおいては、海流発電装置１の位置に複数の領域が設定されている。図４を参照して、これらの領域について説明する。図４は、シンカー１４に対する複数の領域を説明するための平面図である。まず、シンカー１４の位置と、係留ロープ１１の長さとに基づいて、海流発電装置１の物理的存在可能領域Ｒ１、および物理的存在不可能領域Ｒ２が設定され得る。物理的存在可能領域Ｒ１の内、流れＦＬを基準として下流側に、運用領域Ｒ３が設定され得る。この運用領域Ｒ３は、いわば、海流発電装置１が正常な状態にある場合の領域である。

物理的存在可能領域Ｒ１の内、流れＦＬを基準として上流側に、装置損傷可能性領域Ｒ５が設定され得る。この装置損傷可能性領域Ｒ５は、たとえば、海流発電装置１をつなげている係留ロープ１１が第１ブレード６Ａや第２ブレード６Ｂと接触する可能性がある領域である。また、運用領域Ｒ３の付近において、不安定環境領域Ｒ４および装置接触領域Ｒ６が設定され得る。この不安定環境領域Ｒ４は、たとえば、局部的に海流が変化している領域である。装置接触領域Ｒ６は、海流発電装置１同士、または海流発電装置１と他の装置が接触する可能性がある領域である。

制御部２５は、上記した各領域の位置情報（座標情報）を記憶している。上記の不安定環境領域Ｒ４、装置損傷可能性領域Ｒ５、および装置接触領域Ｒ６のいずれか１つを満たす領域は、「危険領域」とされる。また、その「危険領域」付近の領域、すなわち「危険領域」ではないが「危険領域」から所定距離の範囲内にある領域は、「準危険領域」とされ得る。

続いて、図５を参照して、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。以下の処理は、たとえば所定時間ごとに、制御部２５によって実行される。図５に示されるように、制御部２５は、音響通信機４０からの出力信号を取得し、海流発電装置１の位置情報を取得する（ステップＳ１）。次に、制御部２５は、取得した位置情報と、海流発電装置１が危険領域または準危険領域に位置するか否かを判断する（ステップＳ２）。

制御部２５は、海流発電装置１が危険領域にも準危険領域にも位置しないと判断すると（ステップＳ２；ＮＯ）、処理を終了する。制御部２５は、海流発電装置１が危険領域または準危険領域に位置すると判断すると（ステップＳ２；ＹＥＳ）、その危険領域または準危険領域を脱出するための経路を算出する（ステップＳ３）。このステップＳ３では、制御部２５は、たとえばそれまでの移動履歴から今後の海流発電装置１の動きを予測し、危険領域または準危険領域の脱出のための実現可能な経路および装置姿勢を算出する。

たとえば、図６（ａ）に示されるように、海水中を浮遊している海流発電装置１が、外乱Ｄとしての外力を受ける。図６（ａ）において、領域Ｒａは、上記した運用領域Ｒ３であっていずれの危険領域にも該当しない領域を意味する。一方、領域Ｒｂは、上記した危険領域を意味する。これらの間に、境界線Ｘが存在する。図６（ｂ）に示されるように、海流発電装置１がこれまでの動きから領域Ｒｂに侵入しそうだと判断すると（この状態は海流発電装置１が準危険領域に位置する状態に相当する）、制御部２５は、次の経路を算出する。

すなわち、第１ブレード６Ａおよび第２ブレード６Ｂにおけるスラスト差を出力し、海流発電装置１の進行方向を危険領域と反対に向くように、姿勢を変化させる（図６（ｃ）参照）。姿勢を傾けた際には、係留ロープ１１の張力Ｔ（図２参照）によりロール方向の姿勢の変動が発生するが、それは多少許容し（あるいは許容範囲内に収まるように姿勢調整装置によって制御し）、第１タービン４Ａおよび第２タービン４Ｂにおけるスラスト力を発生させ、発電機を危険領域から遠ざかる方向に動かす（図６（ｄ）参照）。そして、領域Ｒｂから十分に離れたと判断された場合に、再びスラスト差と姿勢制御を利用し、発電機の安定を保つ（図６（ｅ）参照）。このように、姿勢制御システムＳは、海流発電装置１を危険領域から回避させる。

制御部２５は、実現可能な経路および装置姿勢を算出したら、ロール方向、ピッチ方向、およびヨー方向における姿勢制御を行う（ステップＳ４）。制御部２５は、ロール方向およびピッチ方向に関しては、上記した姿勢調整装置または他の公知の姿勢制御装置を用いて、姿勢を制御する。制御部２５は、ヨー制御に関しては、現在の第１ブレード６Ａおよび第２ブレード６Ｂのピッチ角度と回転数、および、現在の海流の流速から、現在のスラスト力を予測し、ヨー方向の姿勢を任意の位置にまで移動させるスラスト差を算出し、逆算により第１ブレード６Ａおよび第２ブレード６Ｂの回転数（またはピッチ角度）を決定する。

ここで、「スラスト差」は、より詳細には、以下の手順で算出される。まず、制御部２５は、海流発電装置１に搭載されている流速センサからの信号を入力し、水流の速度を取得する。制御部２５は、モータドライバの出力情報またはエンコーダやレゾルバのような回転数センサからの信号を入力し、第１ブレード６Ａおよび第２ブレード６Ｂの回転速度を取得する。ブレード半径（Half Diameter）、水流速度（Current Velocity）、ブレード回転数（Rotation Speed）に基づいて、下記式（１）に基づいて周速比（ＴＳＲ）が計算される。

周速比（ＴＳＲ）とブレードの性能の関係は、ピッチ角度に依存し、ある任意のピッチ角度において、図７（ａ）および図７（ｂ）に示されるグラフのように求めることができる。スラスト力（Ｔ）の計算は、下記式（２）で計算され、タービンごと（この場合、ブレード一対ごと）に計算を行うことで、スラスト差を算出することができる。トルクＱは、下記式（３）で計算される。

ここで、ρは流体密度であり、Ｒはブレード半径であり、Ｖは対水流速である。

制御部２５は、算出された回転数になるように、回転数調整手段を制御する（または、算出されたピッチ角度になるようにピッチ角度調整装置２０を制御する）。この回転数制御では、制御部２５は、海流発電装置１の姿勢の安定維持のため、発電機としての役割を一時的に放棄し、モータとして能動的にブレードを動かす。なお、制御部２５は、スラスト差に起因して変動する海流発電装置１の姿勢もしくは位置については、姿勢調整装置または浮力調整装置を制御することによって調整を行う。

より詳細には、制御部２５は、海流発電装置１の姿勢もしくは位置を次のようにして把握することができる。すなわち、制御部２５は、海流発電装置１に搭載されているジャイロセンサ２３の値によって、海流発電装置１の姿勢を把握する。制御部２５は、音響通信機４０を用いた音響通信によって、海流発電装置１の位置を把握する。なお、音響通信はサンプリング時間幅が長いので、微小な動きに関しては、ジャイロセンサ２３（加速度センサ）の積分値で海流発電装置１の速度を算出し、その積分値を音響通信情報に補正することで、現在位置をより正確に把握することもできる。

制御部２５は、海流発電装置１が危険域を脱出するためのヨー方向の姿勢になると、その姿勢を保つように、上記の制御を随時行う。図５に示されるように、制御部２５は、ステップＳ２の判断処理を再び実行する。

本実施形態の姿勢制御システムＳによれば、制御部２５が回転数調整手段を制御して少なくとも１つの発電用タービンの回転数を変更することで、その発電用タービンのブレードに作用するスラスト力が変化する。または、制御部２５がピッチ角度調整装置２０を制御して少なくとも１つの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ことで、その発電用タービンのブレードに作用するスラスト力が変化する。すなわち、複数の発電用タービンの間で、スラスト力のバランスを変化させることができる。これにより、水中浮遊式発電装置１のヨー方向の姿勢を積極的に制御することができる。特に、本実施形態では、海流発電装置１の姿勢の安定維持のため、発電機としての役割を一時的に放棄し、モータとして能動的にブレードを動かしている。このような制御は、メンテナンスのための浮上時前に任意の場所に浮上させることを目的として、海流発電装置１の姿勢と位置を調整して浮上させる際にも利用可能である。

従来のヨー方向の姿勢制御が行われない海流発電装置１では、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示されるように、海流発電装置１が準危険領域に位置する場合に、海流発電装置１は、さらに危険領域に移動してしまう可能性があった。本実施形態の姿勢制御システムＳによれば、図６（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示されるように、準危険領域から運用領域への移動が容易になっている。

水中浮遊式発電装置１が危険領域に位置する場合、または危険領域に侵入しそうな場合（準危険領域に位置する場合）に、水中浮遊式発電装置１のヨー方向の姿勢を積極的に制御して、係留ロープ１１の張力を利用して水中浮遊式発電装置を望ましい領域に維持することができる（図６（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）参照）。

ブレードに作用するスラスト力を変化させると、内力に不均等さが生じ、結果として、水中浮遊式発電装置１のロール方向の変動が生じる場合がある。そのような場合でも、姿勢調整装置によって水中浮遊式発電装置１のロール方向の姿勢が制御されるので、ロール方向の変動を打ち消すことができる。したがって、水中浮遊式発電装置１の安定を保ちつつ、ヨー方向の姿勢を制御することができる。

以上、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、３つ以上の発電用タービンを備えた海流発電装置１に対しても、本発明は適用可能である。プロペラ（ブレード）数が増えることにより、ヨー制御用プロペラ、発電用プロペラ、推進用プロペラなどと役割を分けることができ、より安定した運用が可能である。図８（ａ）および（ｂ）に示されるように、中央の第３ポッド２Ｃおよび第３タービン４Ｃを更に備える３連の海流発電装置１Ａでは、左右の第１タービン４Ａおよび第３タービン４Ｃにおける制御を行うことにより、海流発電装置１と同様の制御が可能となる。

また、図９（ａ）および（ｂ）に示されるように、中央に２つ並んだ第３ポッド２Ｄ、第４ポッド２Ｅ、第３タービン４Ｄ、および第４タービン４Ｅを更に備える４連の海流発電装置１Ｂでは、第１タービン４Ａと第３タービン４Ｄ、および、第２タービン４Ｂと第４タービン４Ｅとで線対称にプロペラを設置してもよい。この場合も、海流発電装置１の場合と同様に、片側のスラスト力を大きくすることでヨー方向のモーメントを発生することができる。

また、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。

制御部２５は、回転数の変更制御と、ブレードのピッチ角度の変更制御との両方を実施してもよい。制御部２５が回転数の変更制御を実施する場合に、ブレードのピッチ角度は可変でなく固定されていてもよい。制御部２５がブレードのピッチ角度の変更制御を実施する場合に、回転数調整手段が省略されてもよい。

複数の発電用タービンは、アップウィンド型のタービンであってもよい。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。

制御部２５は、ヨー方向の姿勢を最適に制御することで、発電効率が最も高い領域への移動や姿勢が実現されるような制御を行ってもよい。

姿勢制御システムＳは、危険領域等からの回避だけではなく、水中浮遊式発電装置のその場での旋回を行うこともできる。水中浮遊式発電装置は、流速の流れの方向に向く性質を持つが、流速が極端に遅い場合や流速方向が変わる境界点においては、水中浮遊式発電装置に対するヨー方向の力が発生し、その場での旋回が発生することがある。たとえば、図１１（ａ）〜図１１（ｄ）に示されるように、第１タービン４Ａに対して後ろ向きの流れＦＬ１がはたらき、第２タービン４Ｂに対して前向きの流れＦＬ２がはたらくと、水中浮遊式発電装置がその場で旋回し得る。また、これと同時に、水中浮遊式発電装置を係留している係留ロープ１１（ケーブル）に対して大きなねじれが発生する。そこで、図１１（ｅ）〜図１１（ｈ）に示されるように、ブレードスラスト差を利用したヨー制御により、ケーブル許容ねじれ量内に、水中浮遊式発電装置（浮体）のヨー方向の姿勢を制御し、水中浮遊式発電装置の姿勢を元の状態に戻すことが可能である。なお、このように姿勢が修正される間において、たとえば第１タービン４Ａ（図１１（ｅ）参照）に発生するスラスト力が、ピッチ角度や流速によっては負の値を持つこともある。

１ 海流発電装置（水中浮遊式発電装置）
２Ａ 第１ポッド
２Ｂ 第２ポッド
３ クロスビーム（連結部）
４Ａ 第１タービン
４Ｂ 第２タービン
６Ａ 第１ブレード
６Ｂ 第２ブレード
１１ 係留ロープ
１１Ａ 第１係留ロープ
１１Ｂ 第２係留ロープ
１４ シンカー（固定部）
１６ 回転軸
１７ 発電機（回転数調整手段）
１７ａ インバータ（回転数調整手段）
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
３０ ブレーキ装置（回転数調整手段）
１００ 発電ファーム
Ｌ１ 第１回転軸線（回転軸線）
Ｌ２ 第２回転軸線
Ｓ 姿勢制御システム

Claims (3)

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、
   前記発電用タービンは、２枚のブレードを含み、
   前記水中浮遊式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が前記水中浮遊式発電装置に接続されている係留ロープと、
   前記係留ロープの他端が接続され、前記他端を水底に固定するための固定部と、
   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、
   前記水中浮遊式発電装置に搭載されて、前記固定部に対する前記水中浮遊式発電装置の位置を検出する位置検出手段と、
   前記回転数調整手段を制御して少なくとも１つの前記発電用タービンの回転数を変更し、前記水中浮遊式発電装置のヨー方向の姿勢を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記水中浮遊式発電装置が正常な状態にある運用領域と、前記運用領域外の危険領域と、前記運用領域との間の境界線との平面的な位置情報を記憶しており、
   前記制御部は、前記水中浮遊式発電装置が前記運用領域内であって前記境界線から所定距離の範囲内に位置すると判断した場合に、前記水中浮遊式発電装置のヨー方向の姿勢を制御して前記水中浮遊式発電装置を前記境界線から遠ざかる方向に動かす、水中浮遊式発電装置の姿勢制御システム。
2. 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、
   前記発電用タービンは、ピッチ角度が可変な２枚のブレードを含み、
   前記水中浮遊式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が前記水中浮遊式発電装置に接続されている係留ロープと、
   前記係留ロープの他端が接続され、前記他端を水底に固定するための固定部と、
   それぞれの前記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、
   前記水中浮遊式発電装置に搭載されて、前記固定部に対する前記水中浮遊式発電装置の位置を検出する位置検出手段と、
   前記ピッチ角度調整装置を制御して少なくとも１つの前記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、前記水中浮遊式発電装置のヨー方向の姿勢を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記水中浮遊式発電装置が正常な状態にある運用領域と、前記運用領域外の危険領域と、前記運用領域との間の境界線との平面的な位置情報を記憶しており、
   前記制御部は、前記水中浮遊式発電装置が前記運用領域内であって前記境界線から所定距離の範囲内に位置すると判断した場合に、前記水中浮遊式発電装置のヨー方向の姿勢を制御して前記水中浮遊式発電装置を前記境界線から遠ざかる方向に動かす、水中浮遊式発電装置の姿勢制御システム。
3. 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、
   前記複数のポッドのうち異なる２つのポッドに設けられて液体を収容可能な第１タンクおよび第２タンクと、前記第１タンクおよび前記第２タンクを接続する配管と、前記第１タンクと前記第２タンクとの間で前記液体を移送可能な移送手段と、を含む姿勢調整装置と、を更に備え、
   前記制御部は、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姿勢調整装置を制御し、前記水中浮遊式発電装置のロール方向の姿勢を制御する、請求項１または２に記載の水中浮遊式発電装置の姿勢制御システム。

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