JP6954675B2 - 浮体式垂直軸型風車システム - Google Patents

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Description

本発明は、複数の垂直軸型風車を備えた浮体式垂直軸型風車システムに関する。
従来、海洋などの水面に浮体を係留し、この浮体に風車を搭載した浮体式風車システムが知られている。浮体式風車システムはおもに風力発電を目的として設置されている。風力発電を目的とした浮体式風車システムでは、発電コストを抑制するため、浮体式風車システムの設置やメンテナンスに掛かるコストを抑制しつつ、発電効率を向上させることが求められている。
浮体式風車システムは、おもに風車、浮体、および係留装置から構成されている。浮体式風車システムに用いられる風車は、回転軸が水平方向に設置される水平軸型風車と、回転軸が上下方向に設置される垂直軸型風車がある。浮体は浮力によって風車を水面上に支持する。一基の浮体には、通常一基の風車が搭載される。浮体によって支持された風車は、係留装置によって水底に繋ぎ止められて水面に係留される。
しかしながら、この構成では、一基の風車ごとに浮体と係留装置が必要になり、浮体と係留装置のコストが嵩む。その結果、発電量に対して浮体式風車システムの設置コストが嵩むことになり、発電コストを抑制することが難しくなる。
浮体式風車システムの設置コストを抑制するため、一基の浮体に複数基の風車を搭載した浮体式風車システムも提案されている。
しかしながら、一基の浮体に複数基の風車を搭載すると、風向によっては風車同士の干渉が発生し、発電効率が低下する場合がある。例えば、複数基の風車の列が風向に対して直交するように配置され、複数基の風車が均等に風を受けている状態では、風車同士の干渉は発生しにくい。ところが、風向が変化して、複数基の風車のうち、ある風車の風下側に別の風車が位置する状態になると、風下側の風車は風上側の風車によって乱された風を受けることとなり、風下側の風車の発電効率が低下する。
このような風向変化による発電効率の低下に対応するため、風向の変化に応じて浮体を回転させ、複数基の垂直軸型風車の列を風向に対して直交させる浮体式風車システムが提案されている（たとえば、特表２０１３−５０８６０９号公報参照）。
特表２０１３−５０８６０９号公報に開示された浮体式風車システムでは、一基の浮体に複数基の風車が搭載されているとともに、浮体の２個所以上に係留装置の係留索が連結される多点係留システムを採用している。また、浮体の回転を許容するよう、係留装置の係留索を長くしたり、係留索の長さを調節可能としている。
特表２０１３−５０８６０９号公報
しかしながら、特表２０１３−５０８６０９号公報に開示された浮体式風車システムでは、係留索を長くすることで浮体の回転を許容しているが、係留索を長くした状態で浮体が回転すると係留索が絡むおそれがあり、係留索の長さには限度がある。このため、風向の大きな変化、例えば、海風と陸風が入れ替わる場合のように風向が大きく変化する状況には対応できず、複数の風車同士の干渉が発生する場合がある。
また、係留索の長さを制御することで風向の変化に応じて浮体の向きを制御することも可能であるが、係留装置の構成が複雑になって浮体式風車システムの設置コストやメンテナンスコストが嵩む問題がある。
また、係留索を長くした状態では、風力等によって浮体が水面上を移動しやすくなり、浮体式風車システムの設置に必要な水域面積が広大になる。このため、この浮体式風車システムを設置する場合には、他の浮体式風車システムや他の構造物等から離して設置しなければならず、浮体式風車システムの設置場所が制限される場合がある。
本発明は、複数の垂直軸型風車を備える浮体式垂直軸型風車システムであって、風向の大きな変化に対応して複数基の垂直軸型風車の列を風向に対して直交させ、複数の垂直軸型風車同士の干渉を抑制することができるとともに、設置に必要な水域面積を抑制することができ、かつ、簡易な構成の係留装置を用いて設置コストを抑制することができる、浮体式垂直軸型風車システムを提供することを目的とする。
本発明の浮体式垂直軸型風車システムは、上下方向に延びる回転軸を有する複数の垂直軸型風車と、前記複数の垂直軸型風車を浮力によって水面上に支持する浮体と、を有し、水平方向に延びる仮想の直線に対して、前記複数の垂直軸型風車が実質的に前記直線上に配列された、風車列と、
前記風車列の一方の端部である第１端部と他方の端部である第２端部の間であって、かつ、前記仮想の直線上またはその近傍に設定された回転中心位置において、前記風車列を水面に対して回転可能に係留する係留装置と、
を備え、
前記回転中心位置は、前記風車列に作用する風に対して直交する状態で、前記回転中心位置まわりの回転モーメントが相殺されるように設定されている。
本発明の浮体式垂直軸型風車システムによれば、風向の大きな変化に対応して複数基の垂直軸型風車の列を風向に対して直交させ、複数の垂直軸型風車同士の干渉を抑制することができるとともに、設置に必要な水域面積を抑制することができ、かつ、簡易な構成の係留装置を用いて設置コストを抑制することができる。
図１は、本発明の実施形態１に係る浮体式垂直軸型風車システムの斜視図である。 図２は、浮体式垂直軸型風車システムの平面図である。 図３は、浮体式垂直軸型風車システムの動作を示す平面図である。 図４は、浮体式垂直軸型風車システムの動作を示す平面図である。 図５は、浮体式垂直軸型風車システムの動作を示す平面図である。 図６は、浮体式垂直軸型風車システムの動作を示す平面図である。 図７は、浮体式垂直軸型風車システムの動作を示す平面図である。 図８は、比較例に係る浮体式風車システムの斜視図である。 図９は、比較例に係る浮体式風車システムの動作を示す平面図である。 図１０は、比較例に係る浮体式風車システムの動作を示す平面図である。 図１１は、比較例に係る浮体式風車システムの動作を示す平面図である。 図１２は、比較例に係る浮体式風車システムの動作を示す平面図である。 図１３は、比較例に係る浮体式風車システムの動作を示す平面図である。 図１４Ａは、本実施形態に係る浮体式垂直軸型風車システムの移動範囲を示す平面図である。 図１４Ｂは、比較例に係る浮体式風車システムの移動範囲を示す平面図である。 図１５は、浮体式垂直軸型風車システムの変形例を示す正面図である。 図１６は、浮体式垂直軸型風車システムの変形例を示す正面図である。 図１７は、浮体式垂直軸型風車システムの変形例を示す平面図である。
本発明の一実施形態にかかる浮体式垂直軸型風車システムは、
上下方向に延びる回転軸を有する複数の垂直軸型風車と、前記複数の垂直軸型風車を浮力によって水面上に支持する浮体と、を有し、水平方向に延びる仮想の直線に対して、前記複数の垂直軸型風車が実質的に前記直線上に配列された、風車列と、
前記風車列の一方の端部である第１端部と他方の端部である第２端部の間であって、かつ、前記仮想の直線上またはその近傍に設定された回転中心位置において、前記風車列を水面に対して回転可能に係留する係留装置と、
を備え、
前記回転中心位置は、前記風車列に作用する風に対して直交する状態で、前記回転中心位置まわりの回転モーメントが相殺されるように設定されている（第１の構成）。
上記構成によれば、複数の垂直軸型風車が浮体によって水面上に支持された風車列は、回転中心位置で回転可能に一点係留されている。回転中心位置は、風車列が風向に対して直交する状態、すなわち風車列が風に正対する状態で、回転中心位置まわりの回転モーメントが相殺されるように設定されている。風車列が風向に正対している状態から風向のみが変化した場合には、風車列の第１端部側に生じる回転中心位置まわりの回転モーメントと、風車列の第２端部側に生じる回転中心位置まわりの回転モーメントに差異が生じ、回転中心位置まわりの回転モーメントが不釣り合いの状態となる。これにより、風車列は、回転中心位置まわりの第１端部側と第２端部側の回転モーメントが釣り合って相殺される状態、すなわち、風向に対して正対する状態まで回転する。
また、風車列は、回転中心位置において回転可能に一点係留されているため、風向の変化が大きい場合であっても、風車列は、風向の変化に対応して風向に正対するように回転する。
このため、駆動力や制御機構を用いることなく、風車列を風向に正対する状態を保つことができ、複数基の垂直軸型風車同士の干渉を抑制することができる。
また、風車列は、回転中心位置において回転可能に一点係留されているため、風車列の回転範囲は回転中心位置を中心とする円内となり、浮体式垂直軸型風車システムの設置に必要な水域面積を抑制することができる。
また、係留装置と風車列は回転可能に連結されているため、係留装置は風車列の回転に影響を与えにくい。このため、係留装置を簡易な構成とすることができ、浮体式垂直軸型風車システムの設置コストを抑制することができる。
上記第１の構成において、
前記回転中心位置に対して前記風車列の前記第１端部側を第１風車列とし、前記回転中心位置に対して前記風車列の前記第２端部側を第２風車列として、
前記第１風車列の側面積と、前記第２風車列の側面積とを同等としてもよい（第２の構成）。
上記構成によれば、回転中心位置に対して第１風車列と第２風車列の側面積が同等であるため、風車列に風が作用した場合に、第１風車列と第２風車列に作用する風圧が同等となり、風車列を風向に対して正対させやすくなる。
上記第２の構成において、
前記第１風車列および前記第２風車列を構成する前記垂直軸型風車は、同形状かつ同数であるとともに、前記回転中心位置に対して対称に配置されており、
前記第１風車列を構成する前記垂直軸型風車の翼の回転方向と、前記第２風車列を構成する前記垂直軸型風車の翼の回転方向が互いに反対方向であり、
前記回転中心位置は、前記風車列の重心位置に設定されてもよい（第３の構成）。
上記構成によれば、風車列を構成する第１風車列と第２風車列は、回転中心位置（重心位置）に対して対称であるため、風車列に風が作用した場合に、第１風車列と第２風車列に作用する風圧が同等となって、風車列を風向に対して正対させやすくなる。また、第１風車列および第２風車列を構成する垂直軸型風車の翼の回転方向を互いに反対方向にすることにより、翼の回転によって発生する回転モーメントを利用して、風車列を風向に対して正対させやすくなる。
上記第１から第３のいずれかの構成において、
前記浮体は、前記垂直軸型風車ごとに設けられていてもよい（第４の構成）。
上記構成によれば、複数の垂直軸型風車は、垂直軸型風車ごとに設けられた浮体によって水面上に支持される。このため、風車列を容易に構成することができる。また、多数の垂直軸型風車を用いる場合や、垂直軸型風車の設置数を増加させる場合でも、容易に対応することができる。
上記第１から第３のいずれかの構成において、
前記風車列は、複数の垂直軸型風車を支持する支持部材を備え、
前記支持部材は前記浮体に支持されていてもよい（第５の構成）。
上記構成によれば、複数の垂直軸型風車が共通の支持部材に設置され、支持部材が浮体に支持されるため、垂直軸型風車の数に対して浮体の設置数を減らすことができ、浮体式垂直軸型風車システムの構成を簡易にすることができる。
上記第１から第５のいずれかの構成において、
前記係留装置は、
係留索と、
前記係留索に連結される係留浮体と、
を備え、
前記風車列は、前記回転中心位置において、前記係留浮体に対して回転可能に係留されてもよい（第６の構成）。
上記構成によれば、係留装置に設けられた係留浮体に対して風車列が係留されるため、係留装置を設置した後に風車列を係留することが容易となり、係留装置を設置した状態のまま、風車列を分離することも可能となる。このため、浮体式垂直軸型風車システムの設置およびメンテナンスが容易となる。
［実施形態１］
以下、図面を参照し、本発明の実施形態１に係る浮体式垂直軸型風車システム１００を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。
［全体構成］
まず、浮体式垂直軸型風車システム１００の全体構成について説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る浮体式垂直軸型風車システム１００の斜視図である。以下の図では、矢印Ｆは浮体式垂直軸型風車システム１００の前方向を示し、矢印Ｂは後方向を示す。矢印Ｒは右方向、矢印Ｌは左方向を示す。矢印Ｕは上方向、矢印Ｄは下方向を示す。
浮体式垂直軸型風車システム１００は、風車列１０および係留装置５０を有している。風車列１０は、複数の垂直軸型風車２０（第１風車２１および第２風車２２）と、複数の垂直軸型風車２０を支持する浮体３０（第１支持浮体３１および第２支持浮体３２）とを備えている。第１風車２１は第１支持浮体３１に搭載され、第２風車２２は第２支持浮体３２に搭載されている。風車列１０は、係留装置５０に回転可能に接続されている。
浮体式垂直軸型風車システム１００が海洋等に設置された状態では、第１風車２１および第２風車２２は、それぞれ第１支持浮体３１および第２支持浮体３２によって水面上に支持される。風車列１０は、係留装置５０によって水面に対して回転可能に係留される。第１支持浮体３１、第２支持浮体３２、および係留装置５０の係留浮体５１に付した二点鎖線は、浮体式垂直軸型風車システム１００を海洋等に設置した状態におけるおおよその喫水線ＷＬである。以下、浮体式垂直軸型風車システム１００の各構成について詳細に説明する。
風車列１０は、垂直軸型風車２０（第１風車２１、第２風車２２）、連結部材２４、および浮体３０（第１支持浮体３１、第２支持浮体３２）を有している。
第１風車２１および第２風車２２は、いわゆる直線翼型の垂直軸型風車である。第１風車２１および第２風車２２は、略同等の構成を有しており、側方から風を受けた場合における第１風車２１の翼２１２の回転方向と、第２風車２２の翼２２２の回転方向のみが異なっている。第１風車２１の翼２１２は、平面視で時計回りであるのに対し、第２風車２２の翼２２２の回転方向は平面視で反時計回りである。
第１風車２１は、回転軸２１１および翼２１２を有している。回転軸２１１は上下方向に延びている。回転軸２１１の周囲には、３枚の翼２１２が等間隔に配置されている。各翼２１２は、上下方向に延びており、回転軸２１１に対して平行に配置されている。回転軸２１１と各翼２１２は、回転軸２１１から半径方向に延びるブラケット２１３で接続されている。各翼２１２は、回転軸２１１を中心として平面視で時計回りに回転可能である。回転軸２１１の下端部は、ケーシング２１７の内部で軸受けに支持されており、増速機構を介して発電機（図示省略）に接続されている。
第２風車２２は、第１風車２１と略同等の構成を有しており、回転軸２２１および翼２２２を有している。回転軸２２１は上下方向に延びている。回転軸２２１の周囲には、３枚の翼２２２が等間隔に配置されている。各翼２２２は、上下方向に延びており、回転軸２２１に対して平行に配置されている。回転軸２２１と各翼２２２は、回転軸２２１から半径方向に延びるブラケット２１３で接続されている。各翼２２２は、第１風車２１とは逆に、回転軸２２１を中心として平面視で反時計回りに回転可能である。回転軸２２１の下端部は、ケーシング２１７の内部で軸受けに支持されており、増速機構を介して発電機（図示省略）に接続されている。
第１風車２１および第２風車２２の回転軸２１１，２２１の高さ、および、翼２２１，２２２の形状、枚数および回転半径はそれぞれ等しく設定されている。つまり、第１風車２１および第２風車２２は、側面積が同等で、翼２１２と翼２２２の回転方向のみが異なっている。
第１風車２１および第２風車２２は、側方から風を受けると、各翼２１２，２２２に揚力が生じ、回転軸２１１，２２１を中心として回転する。回転軸２１１，２２１の回転力は、増速機構を介して発電機に伝達されて電力に変換される。発電された電力は、ケーブル（図示省略）を介して外部に送電されたり、ケーシング２１７の内部に備えられたバッテリ（図示省略）に蓄電される。
なお、本実施形態では、第１風車２１および第２風車２２として、いわゆる直線翼型の垂直軸型風車を用いたが、垂直軸型風車であれば、その形式は問わない。例えば、ダリウス型、サボニウス型、クロスフロー型などであってもよい。
連結部材２４は、第１風車２１および第２風車２２を連結する部材である。連結部材２４に水平方向に延びる仮想の直線Ｌが設定されているとすると、第１風車２１および第２風車２２は、仮想の直線Ｌ上に配列されている。具体的には、第１風車２１および第２風車２２の回転軸２１１，２２１が、仮想の直線Ｌ上に配列されている。なお、回転軸２１１，２２１は、厳密に仮想の直線Ｌ上でなくてもよく、実質的に仮想の直線Ｌ上に配置されていればよい。
また、本実施形態では、第１風車２１および第２風車２２と連結部材２４は、ケーシング２１７において連結されているが、ケーシング２１７以外で連結されていてもよい。例えば、第１風車２１および第２風車２２を支持する浮体３０（第１支持浮体３１、第２支持浮体３２）が連結部材２４に連結されるようにしてもよい。
浮体３０は、浮力によって風車列１０を水面上に支持する部材である。本実施形態では、浮体３０は、第１風車２１および第２風車２２に対して個別に設けられており、第１支持浮体３１および第２支持浮体３２を有する。第１支持浮体３１は第１風車２１を支持し、第２支持浮体３２は第２風車２２を支持する。
第１支持浮体３１および第２支持浮体３２は、略同等の形状を有しており、それぞれ、下部浮体３１１、上部浮体３１２、および中間浮体３１３を有している。下部浮体３１１および上部浮体３１２は、直径が同等の円柱体で構成されている。中間浮体３１３は、下部浮体３１１および上部浮体３１２よりも直径が大きい円柱体で構成されている。第１支持浮体３１および第２支持浮体３２は、浮体式垂直軸型風車システム１００を海洋等に設置した状態において、喫水線ＷＬが中間浮体３１３に位置するように浮力が設定されている。なお、第１支持浮体３１および第２支持浮体３２の形状は、本実施形態の形状に限定されない。
風車列１０の第１風車２１側の端部を第１端部１０１とし、風車列１０の第２風車２２側の端部を第２端部１０２として、第１端部１０１と第２端部１０２の間であって、かつ仮想の直線Ｌ上に回転中心位置ＣＰを設定する。回転中心位置ＣＰは、係留装置５０に対して回転可能に接続される位置である。
回転中心位置ＣＰは、風車列１０に風が作用した場合において、風に対して直交する状態で、回転中心位置ＣＰまわりの回転モーメントが相殺されるような位置に設定される。回転中心位置ＣＰまわりの回転モーメントは、回転中心位置ＣＰに対して右側部分と左側部分にそれぞれ作用する風圧力による回転モーメントと、第１風車２１および第２風車２２の翼２１２，２２２が回転することにより生じる反トルクによる回転モーメントに分けられる。このため、風車列１０が風に対して直交（正対）する状態において、風圧力による回転モーメントと反トルクによる回転モーメントがそれぞれ相殺されるような位置に回転中心位置ＣＰが設定される。
風圧力による回転モーメントが相殺されるようにするには、風車列１０の第１端部１０１側を第１風車列１１とし、風車列１０の第２端部１０２側を第２風車列１２とすると、第１風車列１１の喫水線ＷＬ上の側面積と、第２風車列１２の喫水線ＷＬ上の側面積とが、回転中心位置ＣＰに対して対称となるように回転中心位置ＣＰを設定すればよい。
本実施形態では、第１風車列１１を構成する第１風車２１、および第２風車列１２を構成する第２風車２２は、同形状かつ同数（各１基）である。また、第１風車２１および第２風車２２を支持する第１支持浮体３１および第２支持浮体３２も略同等の形状を有している。このため、第１風車２１および第２風車２２から等距離の位置であって、かつ、連結部材２４に設定された仮想の直線Ｌ上に回転中心位置ＣＰが設定されることで、回転中心位置ＣＰまわりの風圧力による回転モーメントが相殺されることとなる。
つぎに反トルクによる回転モーメントがそれぞれ相殺されるようにするには、風車列１０が風に対して直交（正対）する状態において、第１風車２１および第２風車２２の反トルクがそれぞれ同等の大きさ、かつ反対方向となるようにすればよい。
本実施形態では、第１風車２１および第２風車２２は同等であり、翼２１２，２２２の回転方向のみが互いに異なっている。このため、風車列１０が風に対して直交（正対）する状態では、第１風車２１および第２風車２２の反トルクがそれぞれ同等の大きさ、かつ反対方向となって相殺されることとなる。
以上より、本実施形態では、回転中心位置ＣＰは、側面視で風車列１０の中央であって、かつ仮想の直線Ｌ上に設定される。言い換えると、本実施形態では、回転中心位置ＣＰは、風車列１０の重心位置に設定されている。
係留装置５０は、回転中心位置ＣＰにおいて、風車列１０を水面に対して回転可能に係留する。係留装置５０は、係留浮体５１、接続部５３、および係留索５５を有する。
係留浮体５１は、円柱体で構成されており、浮体式垂直軸型風車システム１００を海洋等に設置した状態において、喫水線ＷＬが側面に位置するように浮力が設定されている。係留浮体５１の下部には、下方にむけて係留軸５１１が設けられており、係留軸５１１の下部には係留索支持体５１２が設けられている。なお、係留浮体５１の形状は、本実施形態の形状に限定されない。
接続部５３は、係留浮体５１に対して風車列１０を回転可能に接続する部分である。接続部５３は、風車列１０が回転中心位置ＣＰを中心として回転可能となるように連結部材２４に接続されている。接続部５３の回転機構は限定されず、従来公知の回転機構を用いることができるが、水分や塩分に対する耐性を有することが好ましい。また、第１風車２１および第２風車２２で発電した電力を外部に送電する場合は、接続部５３にスリットリングが備えられていることが好ましい。
係留索５５は、係留浮体５１を水底に対して繋ぎ止める部材である。係留索５５の一方の端部は係留索支持体５１２に連結されている。係留索５５の他方の端部には、アンカー等（図示せず）が連結されている。アンカー等が水底に投下され、水底に対して係止されることで、係留索５５は、係留浮体５１を水面上の一定範囲に繋ぎ止めることができる。なお、本実施形態では、係留索５５は３本としたが、本数は限定されない。
図２は、浮体式垂直軸型風車システム１００の平面図である。図２に示すように、連結部材２４上には、水平方向に延びる仮想の直線Ｌが設定されている。第１風車２１および第２風車２２は、連結部材２４の両端付近において、仮想の直線Ｌ上に配列されている。風車列１０の第１端部１０１と第２端部１０２の間であって、かつ仮想の直線Ｌ上に回転中心位置ＣＰが設定されている。本実施形態では、回転中心位置ＣＰは、風車列１０の重心位置に設定されている。係留装置５０の接続部５３は、回転中心位置ＣＰにおいて連結部材２４に接続されている。第１風車２１の翼２１２の回転方向は、平面視で時計回りであるのに対し、第２風車２２の翼２２２の回転方向は平面視で反時計回りである。
［動作］
続いて、浮体式垂直軸型風車システム１００が海洋等に設置され、風向が変化した場合における浮体式垂直軸型風車システム１００の動作について説明する。図３から図７は、浮体式垂直軸型風車システム１００の動作を示す平面図である。
図３は、浮体式垂直軸型風車システム１００が、前方から後方に向かう風Ｗ１を受けている状態を示している。風車列１０は、風Ｗ１に対して直交する状態、すなわち風車列１０が風Ｗ１に正対する状態となっている。
この状態では、風Ｗ１を受けることによって第１風車列１１に生じる風圧力Ｆ１１と、第２風車列１２に生じる風圧力Ｆ１２は大きさが等しい。このため、風圧力Ｆ１１によって生じる回転中心位置ＣＰまわりの回転モーメントＭ１１と、風圧力Ｆ１２によって生じる回転中心位置ＣＰまわりの回転モーメントＭ１２は、大きさが等しく反対向きであるため、相殺される。
また、第１風車２１および第２風車２２は互いに干渉を受けずに風Ｗ１を受けており、第１風車２１および第２風車２２の各翼２１２，２２２は同等の速度で反対方向に回転している。このため、第１風車２１の回転によって生じる反トルクＴ１１と、第２風車２２の回転によって生じる反トルクＴ１２は、大きさが等しく反対向きであるため、相殺される。
よって、風車列１０は、図３の状態では、回転中心位置ＣＰまわりに回転することなく、風Ｗ１に正対する状態が維持される。
図４は、図３の風Ｗ１から風向が変化し、浮体式垂直軸型風車システム１００が、左斜め前方から右斜め後方に向かう風Ｗ２を受けた状態を示している。
この状態では、風Ｗ２を受けることによって第１風車列１１に生じる風圧力Ｆ２１と、第２風車列１２に生じる風圧力Ｆ２２は大きさが等しい。このため、風圧力Ｆ２１によって生じる回転中心位置ＣＰまわりの回転モーメントＭ２１と、風圧力Ｆ２２によって生じる回転中心位置ＣＰまわりの回転モーメントＭ２２は、大きさが等しく反対向きであるため、相殺される。
一方、風Ｗ２に対して、第２風車２２は第１風車２１の風下側になっており、風下側の第２風車２２は風上側の第１風車２１によって乱された風を受けることになる。その結果、第２風車２２は第１風車２１の干渉を受け、第２風車２２の各翼２２２の回転速度は、第１風車２１の各翼２１２の回転速度よりも低くなる。このため、第２風車２２の回転によって生じる反トルクＴ２２は、第１風車２１の回転によって生じる反トルクＴ２１よりも小さくなり、差異が生じる。
よって、図４の状態では、第１風車２１による反トルクＴ２１と第２風車２２による反トルクＴ２２の差異によって、回転中心位置ＣＰまわりに、平面視で時計回りの回転モーメントが生じ、風車列１０は、風Ｗ２に正対する状態になるように回転を開始する。
図５は、図４の状態から風車列１０が回転し、風車列１０が風Ｗ２に対して直交する状態、すなわち風車列１０が風Ｗ２に正対した状態を示している。
この状態では、図３に示した状態と同様に、風Ｗ２を受けることによって第１風車列１１に生じる風圧力Ｆ２１´と第２風車列１２に生じる風圧力Ｆ２２´は大きさが等しい。このため、風圧力Ｆ２１´によって生じる回転中心位置ＣＰまわりの回転モーメントＭ２１´と、風圧力Ｆ２２´によって生じる回転中心位置ＣＰまわりの回転モーメントＭ２２´は、大きさが等しく反対向きであるため、相殺される。
また、第１風車２１および第２風車２２は互いに干渉を受けずに風Ｗ２を受ける状態になっており、第１風車２１および第２風車２２の各翼２１２，２２２は同等の速度で回転している。このため、第１風車２１の回転によって生じる反トルクＴ２１´と、第２風車２２の回転によって生じる反トルクＴ２２´は、大きさが等しく反対向きであるため、相殺される。
よって、風車列１０は、図５の状態では、回転中心位置ＣＰまわりに回転することなく、風Ｗ２に正対する状態で安定する。
図６は、図３の風Ｗ１から風向が大きく変化し、浮体式垂直軸型風車システム１００が、左斜め後方から右斜め前方に向かう風Ｗ３を受けた状態を示している。このような風向の大きな変化は、例えば、海風と陸風が入れ替わる場合などに起こり得る。この場合、図４および図５と同様の作用により、風車列１０は、風Ｗ３に正対する状態で安定する（図７参照）。
まず図６に示すように、この状態では、風Ｗ３を受けることによって第１風車列１１に生じる風圧力Ｆ３１と、第２風車列１２に生じる風圧力Ｆ３２は大きさが等しい。このため、風圧力Ｆ３１によって生じる回転中心位置ＣＰまわりの回転モーメントＭ３１と、風圧力Ｆ３２によって生じる回転中心位置ＣＰまわりの回転モーメントＭ３２は、大きさが等しく反対向きであるため、相殺される。
一方、風Ｗ３に対して、第２風車２２は第１風車２１の風下側になっており、風下側の第２風車２２は風上側の第１風車２１によって乱された風を受けることになる。その結果、第２風車２２は第１風車２１の干渉を受け、第２風車２２の各翼２２２の回転速度は、第１風車２１の各翼２１２の回転速度よりも低くなる。このため、第２風車２２の回転によって生じる反トルクＴ３２は、第１風車２１の回転によって生じる反トルクＴ３１よりも小さくなり、差異が生じる。
よって、図６の状態では、第１風車２１による反トルクＴ３１と第２風車２２による反トルクＴ３２との差異によって、回転中心位置ＣＰまわりに、平面視で反時計回りの回転モーメントが生じ、風車列１０は、風Ｗ３に正対する状態になるように回転を開始する。
図７は、図６の状態から風車列１０が回転し、風車列１０が風Ｗ３に対して直交する状態、すなわち風車列１０が風Ｗ３に正対した状態を示している。
この状態では、図３および図５に示した状態と同様に、風Ｗ３を受けることによって第１風車列１１に生じる風圧力Ｆ３１´と第２風車列１２に生じる風圧力Ｆ３２´は大きさが等しい。このため、風圧力Ｆ３１´によって生じる回転中心位置ＣＰまわりの回転モーメントＭ３１´と、風圧力Ｆ３２´によって生じる回転中心位置ＣＰまわりの回転モーメントＭ３２´は、大きさが等しく反対向きであるため、相殺される。
また、第１風車２１および第２風車２２は互いに干渉を受けずに風Ｗ３を受ける状態になっており、第１風車２１および第２風車２２の各翼２１２，２２２は同等の速度で回転している。このため、第１風車２１の回転によって生じる反トルクＴ３１´と、第２風車２２の回転によって生じる反トルクＴ３２´は、大きさが等しく反対向きであるため、相殺される。
よって、風車列１０は、図７の状態では、回転中心位置ＣＰまわりに回転することなく、風Ｗ３に正対する状態で安定する。
このように浮体式垂直軸型風車システム１００は、風Ｗ１から風Ｗ３のように風向が大きく変化した場合であっても、風車列１０が風向に正対する状態となって安定する。このため、第１風車２１および第２風車２２が互いに干渉せずに高効率で回転し、高い発電効率を得ることができる。
［比較例］
つぎに、本実施形態に係る浮体式垂直軸型風車システム１００の効果を明らかにするため、本発明とは異なる構成を有する浮体式風車システム１００Ｘを比較例として説明する。なお、以下で説明する浮体式風車システム１００Ｘは、本実施形態の浮体式垂直軸型風車システム１００の構成を一部変更したものである。以下の説明は、浮体式風車システム１００Ｘを従来公知の技術として説明するものではない。
図８は、比較例に係る浮体式風車システム１００Ｘの斜視図である。説明を簡単にするため、本実施形態に係る浮体式垂直軸型風車システム１００と同等の構成については、浮体式垂直軸型風車システム１００と同じ符号を付して説明を省略する。
図８に示すように、浮体式風車システム１００Ｘの構成上の相違点は、風車列１０Ｘの回転の中心となる回転中心ＣＰＸが、第１風車２１と第２風車２２を結ぶ仮想の直線ＬＸから離れた位置にある点である。第１風車２１および第２風車２２を連結する連結部材２４Ｘには、側方に突出する突出部材２５Ｘが形成されている。突出部材２５Ｘの自由端部に回転中心ＣＰＸが設定され、回転中心ＣＰＸに係留装置５０の接続部５３が接続されている。
［比較例の動作］
続いて、浮体式風車システム１００Ｘが海洋等に設置され、風向が変化した場合における浮体式風車システム１００Ｘの動作について説明する。図９から図１３は、浮体式風車システム１００Ｘの動作を示す平面図である。図９から図１１に示すように、浮体式風車システム１００Ｘが、前方からの風（風Ｗ１，Ｗ２）を受けている状態では、本実施形態に係る浮体式垂直軸型風車システム１００と同様に、風向に対して正対するように動作する（図３から図５参照）。一方、図１２および図１３に示すように、浮体式風車システム１００Ｘが、後方からの風（風Ｗ３）を受けている状態では、本実施形態に係る浮体式垂直軸型風車システム１００とは異なり、風向に対して安定した姿勢を維持しにくく、不安定になりやすい。この不安定性は、風車列１０Ｘの回転の中心となる回転中心ＣＰＸが、第１風車２１と第２風車２２を結ぶ仮想の直線ＬＸ上に対して風上側に位置している状態で顕著になる。
図９は、浮体式風車システム１００Ｘが、前方から後方に向かう風Ｗ１を受けている状態を示している。風車列１０Ｘは、風Ｗ１に対して直交する状態、すなわち風車列１０Ｘが風Ｗ１に正対する状態となっている。
この状態では、風Ｗ１を受けることによって第１風車列１１Ｘに生じる風圧力ｆ１１と、第２風車列１２Ｘに生じる風圧力ｆ１２は大きさが等しい。このため、風圧力ｆ１１によって生じる回転中心ＣＰＸまわりの回転モーメントｍ１１と、風圧力ｆ１２によって生じる回転中心ＣＰＸまわりの回転モーメントｍ１２は、大きさが等しく反対向きであるため、相殺される。
また、第１風車２１および第２風車２２は互いに干渉を受けずに風Ｗ１を受けており、第１風車２１および第２風車２２の各翼２１２，２２２は同等の速度で反対方向に回転している。このため、第１風車２１の回転によって生じる反トルクｔ１１と、第２風車２２の回転によって生じる反トルクｔ１２は、大きさが等しく反対向きであるため、相殺される。
図９の状態では、回転中心ＣＰＸが風車列１０Ｘの仮想の直線ＬＸに対して風上側に位置しているため、風向に対する風車列１０Ｘの姿勢は、安定しやすい。よって、風車列１０Ｘは、図９の状態では、回転中心ＣＰＸまわりに回転することなく、風Ｗ１に正対する状態が維持される。
図１０は、図９の風Ｗ１から風向が変化し、浮体式風車システム１００Ｘが、左斜め前方から右斜め後方に向かう風Ｗ２を受けた状態を示している。
この状態では、風Ｗ２を受けることによって第１風車列１１Ｘに生じる風圧力ｆ２１と、第２風車列１２Ｘに生じる風圧力ｆ２２は大きさが等しい。このため、風圧力ｆ２１によって生じる回転中心ＣＰＸまわりの回転モーメントｍ２１と、風圧力ｆ２２によって生じる回転中心ＣＰＸまわりの回転モーメントｍ２２は、大きさが等しく反対向きであるため、相殺される。
一方、風Ｗ２に対して、第２風車２２は第１風車２１の風下側になっており、風下側の第２風車２２は風上側の第１風車２１によって乱された風を受けることになる。その結果、第２風車２２は第１風車２１の干渉を受け、第２風車２２の各翼２２２の回転速度は、第１風車２１の各翼２１２の回転速度よりも低くなる。このため、第２風車２２の回転によって生じる反トルクｔ２２は、第１風車２１の回転によって生じる反トルクｔ２１よりも小さくなり、差異が生じる。
よって、図１０の状態では、第１風車２１による反トルクｔ２１と第２風車２２による反トルクｔ２２の差異によって、回転中心ＣＰＸまわりに、平面視で時計回りの回転モーメントが生じ、風車列１０Ｘは、風Ｗ２に正対する状態になるように回転を開始する。
図１１は、図１０の状態から風車列１０Ｘが回転し、風車列１０Ｘが風Ｗ２に対して直交する状態、すなわち風車列１０Ｘが風Ｗ２に正対した状態を示している。
この状態では、図９に示した状態と同様に、風Ｗ２を受けることによって第１風車列１１Ｘに生じる風圧力ｆ２１´と第２風車列１２Ｘに生じる風圧力ｆ２２´は大きさが等しい。このため、風圧力ｆ２１´によって生じる回転中心ＣＰＸまわりの回転モーメントｍ２１´と、風圧力ｆ２２´によって生じる回転中心ＣＰＸまわりの回転モーメントｍ２２´は、大きさが等しく反対向きであるため、相殺される。
また、第１風車２１および第２風車２２は互いに干渉を受けずに風Ｗ２を受ける状態になっており、第１風車２１および第２風車２２の各翼２１２，２２２は同等の速度で回転している。このため、第１風車２１の回転によって生じる反トルクｔ２１´と、第２風車２２の回転によって生じる反トルクｔ２２´は、大きさが等しく反対向きであるため、相殺される。
図１１の状態では、回転中心ＣＰＸが風車列１０Ｘの仮想の直線ＬＸに対して風上側に位置しているため、風向に対する風車列１０Ｘの姿勢は、安定しやすい。よって、風車列１０Ｘは、図１１の状態では、回転中心ＣＰＸまわりに回転することなく、風Ｗ２に正対する状態で安定する。
図１２は、図９の風Ｗ１から風向が大きく変化し、浮体式風車システム１００Ｘが、左斜め後方から右斜め前方に向かう風Ｗ３を受けた状態を示している。このような風向の大きな変化は、例えば、海風と陸風が入れ替わる場合などに起こり得る。図１２の状態では、図９から図１１の状態と異なり、回転中心ＣＰＸが風車列１０Ｘの仮想の直線ＬＸに対して風下側に位置しており、風車列１０Ｘの風向に対する姿勢が不安定化しやすい。このため、本実施形態に係る浮体式垂直軸型風車システム１００とは異なり、浮体式風車システム１００Ｘは風向に対して安定した姿勢を維持しにくく、不安定になりやすい。
まず図１２に示す状態では、風Ｗ３を受けることによって第１風車列１１Ｘに生じる風圧力ｆ３１と、第２風車列１２Ｘに生じる風圧力ｆ３２は大きさが等しい。このため、風圧力ｆ３１によって生じる回転中心ＣＰＸまわりの回転モーメントｍ３１と、風圧力ｆ３２によって生じる回転中心ＣＰＸまわりの回転モーメントｍ３２は、大きさが等しく反対向きであるため、相殺される。
一方、風Ｗ３に対して、第２風車２２は第１風車２１の風下側になっており、風下側の第２風車２２は風上側の第１風車２１によって乱された風を受けることになる。その結果、第２風車２２は第１風車２１の干渉を受け、第２風車２２の各翼２２２の回転速度は、第１風車２１の各翼２１２の回転速度よりも低くなる。このため、第２風車２２の回転によって生じる反トルクｔ３２は、第１風車２１の回転によって生じる反トルクｔ３１よりも小さくなり、差異が生じる。
よって、図１２の状態では、第１風車２１による反トルクｔ３１と第２風車２２による反トルクｔ３２の差異によって、回転中心ＣＰＸまわりに、平面視で反時計回りの回転モーメントが生じ、風車列１０Ｘは、風Ｗ３に正対する状態になるように回転を開始する。
しかしながら、風車列１０Ｘの不安定性があるため、風車列１０Ｘは、風Ｗ３に対して正対する位置まで回転しても安定せず、正対する位置を越えるまで回転する。図１３は、図１２の状態から風車列１０Ｘが回転し、風車列１０Ｘが風Ｗ３に対して正対する位置を超えている状態を示している。
この状態では、図１２に示した状態と逆の状態になっている。風Ｗ３を受けることによって第１風車列１１Ｘに生じる風圧力ｆ３１´と第２風車列１２Ｘに生じる風圧力ｆ３２´は大きさが等しい。このため、風圧力ｆ３１´によって生じる回転中心ＣＰＸまわりの回転モーメントｍ３１´と、風圧力ｆ３２´によって生じる回転中心ＣＰＸまわりの回転モーメントｍ３２´は、大きさが等しく反対向きであるため、相殺される。
一方、風Ｗ３に対して、第１風車２１は第２風車２２の風下側になっており、風下側の第１風車２１は風上側の第２風車２２によって乱された風を受けることになる。その結果、第１風車２１は第２風車２２の干渉を受け、第１風車２１の各翼２１２の回転速度は、第２風車２２の各翼２２２の回転速度よりも低くなる。このため、第１風車２１の回転によって生じる反トルクｔ３１´は、第１風車２１の回転によって生じる反トルクｔ３２´よりも小さくなり、差異が生じる。
よって、図１３の状態では、第１風車２１による反トルクｔ３１´と第２風車２２による反トルクｔ３２´の差異によって、回転中心ＣＰＸまわりに、平面視で時計回りの回転モーメントが生じ、風車列１０Ｘは、風Ｗ３に正対する状態になるように回転を開始する。しかしながら、風車列１０Ｘの不安定性により、風車列１０Ｘは、風Ｗ３に対して正対する位置を超えるまで回転してしまい、図１２に示す状態に戻る。そして、図１２の状態と図１３の状態を繰り返す不安定な状態になりやすい。
このように浮体式風車システム１００Ｘでは、風Ｗ１から風Ｗ３のように風向が大きく変化し、回転中心ＣＰＸが仮想の直線ＬＸ上に対して風上側に位置する状態になった場合には、風車列１０Ｘが風向に対して安定した姿勢を維持できず、不安定な動作を繰り返しやすくなる。この状態では、第１風車２１および第２風車２２が互いに干渉し、高効率で回転させることができないため、発電効率が低下することとなる。
［設置に要する水域面積］
図１４Ａは、本実施形態に係る浮体式垂直軸型風車システム１００の移動範囲を示す平面図である。図１４Ａは、浮体式垂直軸型風車システム１００の風車列１０が回転中心位置ＣＰを中心として回転した場合の移動範囲１００ＡＲを示している。図１４Ｂは、比較のため、上述した浮体式風車システム１００Ｘの風車列１０Ｘが回転中心ＣＰＸを中心として回転した場合の移動範囲１００ＸＡＲを示している。
図１４Ａに示すように、浮体式垂直軸型風車システム１００は、第１風車２１、第２風車２２、および回転中心位置ＣＰが仮想の直線Ｌ上に配置されているため、移動範囲１００ＡＲは小さくなっている。一方、浮体式風車システム１００Ｘは、第１風車２１、第２風車２２、および回転中心ＣＰＸが仮想の直線Ｌから離れた位置にあるため、移動範囲１００ＸＡＲは、移動範囲１００ＡＲより大きくなっている。
浮体式垂直軸型風車システム１００が受ける風向が変化した場合には、風車列１０は移動範囲１００ＡＲの範囲で移動する可能性がある。このため、浮体式垂直軸型風車システム１００を複数設置する場合や、他の構造物（例えば、風力発電による電力を必要とする洋上施設）に隣接して設置する場合には、移動範囲１００ＡＲに他の浮体式垂直軸型風車システム１００や構造物が干渉しないようにする必要がある。
浮体式垂直軸型風車システム１００は、移動範囲１００ＡＲが小さいため、浮体式垂直軸型風車システム１００を複数設置する場合には、浮体式垂直軸型風車システム１００を設置する密度を高くして、浮体式垂直軸型風車システム１００を設置するのに必要な水域面積を小さくすることができる。また、他の構造物等に隣接して浮体式垂直軸型風車システム１００を設置する場合には、浮体式垂直軸型風車システム１００を他の構造物等に近接させることができ、浮体式垂直軸型風車システム１００を設置するのに必要な水域面積を小さくすることができる。
［実施形態１の効果］
複数の垂直軸型風車２０（第１風車２１および第２風車２２）が浮体３０（第１支持浮体３１および第２支持浮体３２）によって水面上に支持された風車列１０は、回転中心位置ＣＰで回転可能に一点係留されている。回転中心位置ＣＰは、風車列１０が風向に対して直交する状態、すなわち風車列１０が風に正対する状態で、回転中心位置ＣＰまわりの回転モーメントが相殺されるように設定されている。風車列１０が風向に正対している状態から風向のみが変化した場合には、風車列１０の第１端部１０１側に生じる回転中心位置ＣＰまわりの回転モーメントと、風車列１０の第２端部１０２側に生じる回転中心位置ＣＰまわりの回転モーメントに差異が生じ、回転中心位置ＣＰまわりの回転モーメントが不釣り合いの状態となる。これにより、風車列１０は、回転中心位置ＣＰまわりの第１端部１０１側と第２端部１０２側の回転モーメントが釣り合って相殺される状態、すなわち、風向に対して正対する状態まで回転する。
また、風車列１０は、回転中心位置ＣＰにおいて回転可能に一点係留されているため、風向の変化が大きい場合であっても、風車列１０は、風向の変化に対応して風向に正対するように回転する。
このため、駆動力や制御機構を用いることなく、風車列１０を風向に正対する状態を保つことができ、複数基の垂直軸型風車２０（第１風車２１および第２風車２２）同士の干渉を抑制することができる。
また、風車列１０は、回転中心位置ＣＰにおいて回転可能に一点係留されているため、風車列１０の回転範囲は回転中心位置ＣＰを中心とする円内となり、浮体式垂直軸型風車システム１００の設置に必要な水域面積を抑制することができる。
また、係留装置５０と風車列１０は回転可能に連結されているため、係留装置５０は風車列１０の回転に影響を与えにくい。このため、係留装置５０を簡易な構成とすることができ、浮体式垂直軸型風車システム１００の設置コストを抑制することができる。
回転中心位置ＣＰに対して第１風車列１１と第２風車列１２の側面積が同等であるため、風車列１０に風が作用した場合に、第１風車列１１と第２風車列１２に作用する風圧が同等となり、風車列１０を風向に対して正対させやすくなる。
風車列１０を構成する第１風車列１１と第２風車列１２は、回転中心位置ＣＰ（重心位置）に対して対称であるため、風車列１０に風が作用した場合に、第１風車列１１と第２風車列１２に作用する風圧が同等となって、風車列１０を風向に対して正対させやすくなる。また、第１風車列１１および第２風車列１２を構成する垂直軸型風車２０（第１風車２１および第２風車２２）の翼２１２，２２２の回転方向を互いに反対方向にすることにより、翼２１２，２２２の回転によって発生する回転モーメントを利用して、風車列１０を風向に対して正対させやすくなる。
複数の垂直軸型風車２０（第１風車２１および第２風車２２）は、垂直軸型風車２０（第１風車２１および第２風車２２）ごとに設けられた浮体３０（第１支持浮体３１および第２支持浮体３２）によって水面上に支持される。このため、風車列１０を容易に構成することができる。また、多数の垂直軸型風車２０を用いる場合や、垂直軸型風車２０の設置数を増加させる場合でも、容易に対応することができる。
係留装置５０に設けられた係留浮体５１に対して風車列１０が係留されるため、係留装置５０を設置した後に風車列１０を係留することが容易となり、係留装置５０を設置した状態のまま、風車列１０を分離することも可能となる。このため、浮体式垂直軸型風車システム１００の設置およびメンテナンスが容易となる。
［変形例］
本発明に係る浮体式垂直軸型風車システムは、上記説明した本実施形態に限定されない。例えば、浮体式垂直軸型風車システムを構成する垂直軸型風車、浮体、および係留装置等の形状、基数、配置等は、本実施形態に限定されない。
図１５に示す浮体式垂直軸型風車システム１００Ａは、風車列１０Ａに４基の垂直軸型風車２０を備えている。４基の垂直軸型風車２０は、支持部材２６に支持されている。支持部材２６は、２基の浮体３０Ａに支持されている。
この場合、複数の垂直軸型風車２０が共通の支持部材２６に設置され、支持部材２６が浮体３０Ａに支持されるため、垂直軸型風車２０の数（４基）に対して浮体３０Ａの設置数（２基）を減らすことができ、浮体式垂直軸型風車システム２００の構成を簡易にすることができる。
また、図１６に示す浮体式垂直軸型風車システム１００Ｂは、垂直軸型風車２０を搭載した浮体３０が４基設けられており、これらが連結部材２４で連結されている。この構成によれば、多数の垂直軸型風車２０を用いる場合や、垂直軸型風車２０の設置数を増加させる場合でも、容易に対応することができる。
上記実施形態の説明では、複数の垂直軸型風車２１，２２の配列として、各回転軸２１１，２２１が仮想の直線Ｌ上に配列される場合を説明したが、これに限定されない。本発明における複数の垂直軸型風車は、実質的に仮想の直線上に配列されればよく、例えば、図１７に示すように、各風車（２１Ｃ，２２Ｃ，２３Ｃ，２４Ｃ）の翼の回転半径内に仮想の直線Ｌが通るように各風車（２１Ｃ，２２Ｃ，２３Ｃ，２４Ｃ）が配列されていればよい。翼の回転半径内に仮想の直線が通るように各風車が配列されていれば、複数の垂直軸型風車は、実質的に仮想の直線上に配列されているといえる。
また、上記実施形態の説明では、回転中心位置ＣＰが仮想の直線Ｌ上であって風車列の重心位置に設定される場合を説明したが、これに限定されない。本発明における回転中心位置は、仮想の直線上またはその近傍であって、風車列に作用する風に対して直交する状態で、回転中心位置まわりの回転モーメントが相殺されるように設定される。このため、回転中心位置ＣＰが風車列の流体力中心に設定されるようにしてもよい。風車列の流体力中心は、例えば、図１７に示すように、浮体（３１Ｃ，３２Ｃ，３３Ｃ，３４Ｃ）の接線のうち、仮想の直線Ｌから最も離れた２本の接線（直線ＣＰＬ１および直線ＣＰＬ２）で挟まれる範囲内に存在しうる。
各風車と浮体の組み合わせについての流体力中心（風車が空気から受ける力と、浮体が受ける流体力（空気および水から受ける力）との合力の中心）は、平面視で少なくとも浮体上に存在する。このため、風車列の流体力中心は、直線ＣＰＬ１および直線ＣＰＬ２で挟まれる範囲内に存在する。
すなわち、平面視における各風車の空力中心（空気から受ける力の中心）は、風車の機械的および構造的なバラつきによって必ずしも回転軸上ではないが、少なくとも各風車の翼の回転半径内に存在する。また、平面視における浮体の流体力中心（喫水線より上の部分が空気から受ける力と、喫水線以下の部分が水から受ける力の合力の中心）も浮体の構造的なバラつきによって必ずしも浮体の中心ではないが、少なくとも浮体上に存在する。このため、各風車と浮体の組み合わせについての流体力中心（風車が空気から受ける力と、浮体が空気および水から受ける流体力との合力の中心）も、少なくとも浮体上に存在し、風車列の流体力中心も直線ＣＰＬ１および直線ＣＰＬ２で挟まれる範囲内に存在する。このため、風車列に作用する風に対して直交する状態で、回転モーメントが相殺されるように設定される回転中心位置ＣＰは、仮想の直線Ｌから最も離れた浮体の接線で挟まれた領域内に存在する、流体力中心に設定することができる。
なお、回転中心位置ＣＰが風車列の仮想の直線Ｌ上でなくとも、仮想の直線Ｌの近傍に設定されれば、浮体式垂直軸型風車システムの設置に必要な水域面積の増大は抑制される。例えば、仮想の直線Ｌから回転中心位置ＣＰまでの距離が風車列の全長の５％である場合、水域面積の増大率は、仮想の直線Ｌ上に回転中心位置ＣＰが設定された場合と比較して、１％の増大であり、設置に必要な水域面積の増大は抑制されている。
以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。
本発明は、複数の垂直軸型風車を備えた浮体式垂直軸型風車システムに適用可能である。
１００ 浮体式垂直軸型風車システム
１０ 風車列
２０ 垂直軸型風車
２１ 第１風車
２２ 第２風車
２４ 連結部材
３０ 浮体
３１ 第１支持浮体
３２ 第２支持浮体
５０ 係留装置
５１ 係留浮体
５３ 接続部
５５ 係留索

Claims (6)

  1. 上下方向に延びる回転軸を有する複数の垂直軸型風車と、前記複数の垂直軸型風車を浮力によって水面上に支持する浮体と、を有し、水平方向に延びる仮想の直線に対して、前記複数の垂直軸型風車が実質的に前記直線上に配列された、風車列と、
    前記風車列の一方の端部である第１端部と他方の端部である第２端部の間であって、かつ、前記仮想の直線上またはその近傍に設定された回転中心位置において、前記風車列を水面に対して回転可能に係留する係留装置と、
    を備え、
    前記回転中心位置は、前記風車列に作用する風に対して直交する状態で、前記回転中心位置まわりの回転モーメントが相殺されるように設定されている、
    浮体式垂直軸型風車システム。
  2. 前記回転中心位置に対して前記風車列の前記第１端部側を第１風車列とし、前記回転中心位置に対して前記風車列の前記第２端部側を第２風車列として、
    前記第１風車列の側面積と、前記第２風車列の側面積とを同等とした、
    請求項１に記載の浮体式垂直軸型風車システム。
  3. 前記第１風車列および前記第２風車列を構成する前記垂直軸型風車は、同形状かつ同数であるとともに、前記回転中心位置に対して対称に配置されており、
    前記第１風車列を構成する前記垂直軸型風車の翼の回転方向と、前記第２風車列を構成する前記垂直軸型風車の翼の回転方向が互いに反対方向であり、
    前記回転中心位置は、前記風車列の重心位置に設定される、
    請求項２に記載の浮体式垂直軸型風車システム。
  4. 前記浮体は、前記垂直軸型風車ごとに設けられている、
    請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の浮体式垂直軸型風車システム。
  5. 前記風車列は、複数の垂直軸型風車を支持する支持部材を備え、
    前記支持部材は前記浮体に支持されている、
    請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の浮体式垂直軸型風車システム。
  6. 前記係留装置は、
    係留索と、
    前記係留索に連結される係留浮体と、
    を備え、
    前記風車列は、前記回転中心位置において、前記係留浮体に対して回転可能に係留される、
    請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の浮体式垂直軸型風車システム。
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