(57)【要約】【課題】ローターの回転面が風の流れの方向に対して出来るだけ垂直となるように維持して、発電効率を良好にすることができる洋上風車の水平維持装置及び浮体式洋上風力発電施設を提供する。【解決手段】  水平維持装置１０は、風により回転するローター１１と、少なくともローター１１の回転軸１２を収容するナセル１３と、ローター１１とナセル１３を支持する水面Ｈに浮かぶ浮体構造体１４と、ナセル１３を浮体構造体１４の上に水面Ｈに対して垂直をなす鉛直面に対して平行に回動可能に支持する回動支持手段１５と、浮体構造体１４の傾斜時にナセル１３を略水平に維持するリンク機構１６を備えている。【選択図】  図１
2014025434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風により回転するローターと、
少なくとも前記ローターの回転軸を収容するナセルと、
前記ローターと前記ナセルを支持する水面に浮かぶ浮体構造体と、
前記ナセルを前記浮体構造体の上に前記水面に対して垂直をなす面に対して平行に回動可能に支持する回動支持手段と、
前記浮体構造体の傾斜時に前記ナセルを略水平に維持する水平維持手段とを備えたことを特徴とする浮体式洋上風車の水平維持装置
【請求項２】
前記水平維持手段は、前記浮体構造体の近傍に設けた水平維持用浮体の前記浮体構造体に対する相対的な位置変化をリンク機構で前記ナセルに伝えて前記ナセルを略水平に維持させたことを特徴とする請求項１に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置。
【請求項３】
前記リンク機構の一部が、前記浮体構造体に可動的に係止されて構成されたことを特徴とする請求項２に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置。
【請求項４】
前記リンク機構が、
前記水面近傍で前記浮体構造体と前記水平維持用浮体を連結する第１アームと、
前記水平維持用浮体と前記浮体構造物の前記水面と前記ナセルの間の部分を連結する第２アームと、
前記第２アームに連結され前記回動支持手段に直接あるいは間接的に係止される第３アームを備えて成ることを特徴とする請求項３に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置。
【請求項５】
前記第２アームの途中に前記浮体構造体の揺動による前記リンク機構への影響を低減するダンパーを設けたことを特徴とする請求項４に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置。
【請求項６】
前記水平維持手段は、前記回動支持手段に固定され垂下する重錘機構であることを特徴とする請求項１に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置。
【請求項７】
前記水平維持手段は、前記回動支持手段を回動させるワイヤー付き重錘を有した回動機構であることを特徴とする請求項１に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置。
【請求項８】
前記水平維持手段は、前記浮体構造体に設けた傾斜センサあるいは前記ナセルに設けた水平センサの信号に基づき駆動手段により前記回動支持手段を回動させる回動駆動制御手段であることを特徴とする請求項１に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置。
【請求項９】
前記ナセルを前記水面に対して平行に回動自在に支持する水平回動手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項８のうちの１項に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置。
【請求項１０】
前記ナセルを前記ローターに対して風上側に設け、前記ローターにコーニング角を付与したことを特徴とする請求項１から請求項９のうちの１項に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のうちの１項に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置を、洋上で風力発電を行う風力発電施設に適用したことを特徴とする本発明の浮体式洋上風力発電施設。
【請求項１２】
前記浮体構造体を係留索により係留したことを特徴とする請求項１１に記載の浮体式洋上風力発電施設。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は浮体式洋上風車の水平維持装置及び浮体式洋上風力発電施設に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、浮体式洋上風力発電施設の傾斜に対する復元性や安定性を確保することを目的とした、風力発電用浮体装置や（例えば、特許文献１）、緊張係留浮体の傾斜調整方法（例えば、特許文献２）が提案されている。また、風力駆動型発電所のタワーが傾斜しているときであっても回転子軸を水平な配置に保つことを目的とした風力駆動型発電所も提案されている（例えば、特許文献３）。
【０００３】
特許文献１には、メインフロータの下端部から外周方向に向けて複数の連結部材を延設し、各連結部材の先端部にそれぞれサブフロータを傾動可能に支持させた風力発電用浮体装置が開示されている。特許文献２には、重錘又は浮力体を移動機構により水平方向に関する位置を移動することにより、浮体の傾斜を調整する緊張係留浮体の傾斜調整方法が開示されている。しかし、これら特許文献１、２に開示されている装置及び方法はいずれも、浮体自体の復元性や安定性を通じての水平維持を目的としており、浮体の傾斜とは別に洋上風車の水平を維持するものではない。
【０００４】
特許文献３には、風力駆動型発電所のタワーの傾斜とは別に回転子軸の水平配置を維持するために、機械室とタワーとの間における伝達手段の中に傾斜継手を配置する風力駆動型発電所が開示されている。同文献には、傾斜継手を回転子軸の水平配置を維持する手段として用いることが記載されている。しかし、従来、浮体式洋上風力発電施設において、タワーの傾斜とは別に回転子軸の水平配置を維持することは行われていない。このため、技術常識を参酌したとしても特許文献３の記載から傾斜継手をどのように構成すれば回転子軸の水平配置を維持できるのかが不明である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−８５１６７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１８１２９号公報
【特許文献３】特表２００５−５２６２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のとおり、従来の浮体式洋上風力発電施設は、ローターの回転子の水平を維持するための手段を備えていない。このため、浮体式洋上風力発電施設では、波、風、潮流等によりタワーが傾くと、ナセルも一緒に傾いて水平を維持できなくなる。そして、ナセルが傾斜すると、ローターの回転面が風の流れ方向に対して垂直ではなくなって発電効率が落ちるという問題が生じる。
そこで、本発明は、ローターの回転面が風の流れ方向（風向）に対して出来るだけ垂直となるように維持して、発電効率を良好にすることができる洋上風車の水平維持装置及び浮体式洋上風力発電施設の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の本発明の浮体式洋上風車の水平維持装置は、風により回転するローターと、少なくとも前記ローターの回転軸を収容するナセルと、前記ローターと前記ナセルを支持する水面に浮かぶ浮体構造体と、前記ナセルを前記浮体構造体の上に前記水面に対して垂直をなす面に対して平行に回動可能に支持する回動支持手段と、前記浮体構造体の傾斜時に前記ナセルを略水平に維持する水平維持手段とを備えたことを特徴とする。
上記構成により、水平維持手段がナセルを略水平に維持することにより、風向に正対しているローターの回転面が浮体構造体の傾斜に起因して傾くことを抑制することができる。ナセルの傾斜はナセル内に収容されているローターに直交した回転軸の軸方向の傾斜を意義する。したがって、「浮体構造体の傾斜時に前記ナセルを略水平に維持する」とは、浮体構造体の傾斜に起因して生じるローターの回転軸の水平面に対する傾きが小さくなるようにすることをいう。また「水面に対して垂直をなす面」とは鉛直面をいい、この面に対して「平行に回動可能」とはナセルの回動に伴う回転軸の軌跡により鉛直面が形成されるように構成されていることをいう。
【０００８】
請求項２の本発明は、請求項１に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置において、前記水平維持手段は、前記浮体構造体の近傍に設けた水平維持用浮体の前記浮体構造体に対する相対的な位置変化をリンク機構で前記ナセルに伝えて前記ナセルを略水平に維持させたことを特徴とする。
上記の構成により、浮体構造体の傾斜に伴って生じる浮体構造体と水平維持用浮体との相対的な位置変化（以下「相対位置変化」という。）をナセルに伝達し、ナセルを略水平に維持することができる。なお「リンク機構」とは、相対位置変化に連動して水平維持用浮体の浮力をナセルに伝達する装置をいう。また。浮体構造体の「近傍」とは相対位置変化が生じ、かつ相対位置変化をリンク機構によってナセルに伝達できる程度に近接した位置をいう。
【０００９】
請求項３の本発明は、請求項２に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置において、前記リンク機構の一部が、前記浮体構造体に可動的に係止されて構成されたことを特徴とする。
請求項４の本発明は、請求項３に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置において、前記リンク機構が、前記水面近傍で前記浮体構造体と前記水平維持用浮体を連結する第１アームと、前記水平維持用浮体と前記浮体構造物の前記水面と前記ナセルの間の部分を連結する第２アームと、前記第２アームに連結され前記回動支持手段に直接あるいは間接的に係止される第３アームを備えて成ることを特徴とする。
上記の構成により、浮体構造体の傾斜に伴って生じる浮体構造体と水平維持用浮体との相対位置変化に連動させて、浮体構造体の傾斜による影響を打ち消す方向にナセルを回動することができる。
【００１０】
請求項５の本発明は、請求項４に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置において、前記第２アームの途中に前記浮体構造体の揺動による前記リンク機構への影響を低減するダンパーを設けたことを特徴とする。
上記の構成により、浮体構造体の揺動のうち発電効率の低下に及ぼす影響が小さい揺動をダンパーにより選択的に吸収し、リンク機構への影響を低減することができる。
【００１１】
請求項６の本発明は、請求項１に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置において、前記水平維持手段は、前記回動支持手段に固定され垂下する重錘機構であることを特徴とする。
請求項７の本発明は、請求項１に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置において、前記水平維持手段は、前記回動支持手段を回動させるワイヤー付き重錘を有した回動機構であることを特徴とする。
上記の構成によれば、浮体構造体が傾斜した場合、重錘にはたらく重力によってナセルを回動させて、ナセルを略水平に維持することができる。
【００１２】
請求項８の本発明は、請求項１に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置において、前記水平維持手段は、前記浮体構造体に設けた傾斜センサあるいは前記ナセルに設けた水平センサの信号に基づき駆動手段により前記回動支持手段を回動させる回動駆動制御手段であることを特徴とする。
上記の構成によれば、傾斜センサ又は水平センサからの信号に基づいて、駆動手段により回動支持手段を回動させて、ナセルを略水平に維持することができる。
【００１３】
請求項９の本発明は、請求項１から請求項８のうちの１項に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置において、前記ナセルを前記水面に対して平行に回動自在に支持する水平回動手段を備えたことを特徴とする。
上記構成により、風向の変化に対応してナセルを水平方向に回動させて、ローターの回転面を風向に正対させることができる。
【００１４】
請求項１０の本発明は、請求項１から請求項９のうちの１項に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置において、前記ナセルを前記ローターに対して風上側に設け、前記ローターにコーニング角を付与したことを特徴とする。
上記の構成によれば、いわゆる風見鶏効果によりナセルを支持する回動支持手段を回動させてローターの回転軸を略水平としてローターの回転面を風向に正対させることに寄与させることができる。
【００１５】
請求項１１の本発明の浮体式洋上風力発電施設は、請求項１から請求項１０のうちの１項に記載の浮体式洋上風車の水平維持装置を、洋上で風力発電を行う風力発電施設に適用したことを特徴とする。
請求項１２の本発明は、請求項１１に記載の浮体式洋上風力発電施設において、前記浮体構造体を係留索により係留したことを特徴とする。
上記の構成により、風向に正対しているローターの回転面が浮体構造体の傾斜に起因して傾くことを、係留索による係留によって抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の浮体式洋上風車の水平維持装置によれば、浮体構造体の傾斜に起因するローターの回転面の傾きを浮体構造体とは別に抑制して、発電効率を良好にすることができる。
浮体構造体と水平維持用浮体との相対位置変化をリンク機構によりナセルに伝える構成とすれば、水平維持用浮体に働く浮力または重力により、浮体構造体の傾斜に伴って生じる相対位置変化をナセルに伝達することができる。このように、相対位置変化に連動して水平維持用浮体の相対位置変化をナセルに伝達することによって、浮体構造体の傾斜による影響を抑制してナセルを略水平に維持することができる。この結果として、発電効率を良好にすることできる。
リンク機構にダンパーを設ける構成とすれば、浮体構造体の揺動によるリンク機構への負荷を抑えて、リンク機構を長寿命化してコストを抑制することができる。
【００１７】
重錘機構又はワイヤー付き重錘を有した回動機構により水平維持手段を構成すれば、重力を用いて簡単な構成によりナセルを略水平に維持することが可能となる。
また、回動駆動制御手段により水平維持手段を構成すれば、ナセルを略水平に維持する回転駆動をより精密に制御することが可能となる。
水平回動手段でローターの回転面方向を風向に正対させる構成や、ローターにコーニング角を付与してローターの回転面を風向に正対させる構成とすれば、発電効率をさらに良好にすることが可能となる。
【００１８】
本発明の浮体式洋上風力発電施設によれば、浮体構造体の傾斜に起因してローターの回転面が風向に正対した状態から傾くことを抑制できるから、発電効率を良好にした風力発電施設を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施形態の浮体式洋上風車の水平維持装置及びこれを備えた洋上風力発電施設（例その１）の概略を示す模式側面図
【図２】図１の浮体式洋上風車の水平維持装置のリンク機構を説明する模式側面図（ａ）浮体構造体が直立した状態、（ｂ）浮体構造体が傾いた状態、（ｃ）浮体構造体が（ｂ）と反対方向に傾いた状態
【図３】第１の実施形態の浮体式洋上風車の水平維持装置及びこれを備えた洋上風力発電施設（例その２）の概略を示す模式側面図（ａ）浮体構造体が直立した状態、（ｂ）浮体構造体が傾いた状態
【図４】第１の実施形態の浮体式洋上風車の水平維持装置及びこれを備えた洋上風力発電施設（例その３）の概略を示す模式側面図
【図５】第２の実施形態の浮体式洋上風車の水平維持装置及びこれを備えた洋上風力発電施設（例その１）の概略を示す（ａ）模式側面図、（ｂ）矢印Ａから見た要部正面図
【図６】第２の実施形態の浮体式洋上風車の水平維持装置及びこれを備えた洋上風力発電施設（例その２）の概略を示す（ａ）模式側面図、（ｂ）要部側面図
【図７】第３の実施形態の浮体式洋上風車の水平維持装置及びこれを備えた洋上風力発電施設の概略を示す（ａ）模式側面図、（ｂ）浮体構造体内における要部構造の側面図
【図８】図７の浮体式洋上風車の水平維持装置の要部機能ブロック図
【図９】実施例における座標系を説明する浮体式洋上風車の水平維持装置の模式側面図
【図１０】実施例１の溝の概略形状を示す模式図
【図１１】実施例２の溝の概略形状を示す模式図
【図１２】ナセルの鉛直からの傾斜角と発電出力との関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について、以下、図１〜図４に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の浮体式洋上風車の水平維持装置（以下、適宜「水平維持装置」という。）及びこれを備えた洋上風力発電施設（例その１）の概略を示す模式側面図である。同図に示すように、本実施形態の水平維持装置１０は、ローター１１、ローター１１の回転軸１２を収容するナセル１３、浮体構造体１４、回動支持手段１５、リンク機構（水平維持手段）１６、水平維持用浮体１７、支持台１８及び水平回転軸（水平回動手段）１９を備えている。また、洋上風力発電施設３０は水平維持装置１０を備えてなるものである。
【００２１】
ローター１１は、風により回転するものであり、例えば、複数のブレードがハブに取り付けられて構成される。通常、ブレードの取付け角は可変な構成となっている。受ける風の速度に応じて取付け角を調整することにより、ローター１１の回転速度を適切な範囲に調整することができる。また、ローター１１は、その回転面ＲＰが回転軸１２と直交するように構成されている。このため、回転面ＲＰが風向Ｗに正対（風向Ｗに対して直交）しているときは、回転軸１２の伸長方向（以下、適宜「回転軸の方向」という。）が風向と一致し、両者が平行になる。なお、回転面ＲＰとは、ローター１１の回転にともないブレード先端により形成される軌跡により規定される面（軌跡により形成される円が位置する平面）をいう。
【００２２】
回転軸１２は、ナセル１３に収容されており、ローター１１の回転を発電機（図示せず）に伝達するものである。ナセル１３内には、発電機の他、風力発電機が一般に備えている部材も設けられている（図示せず）。このような部材としては、例えば、倍速機（増速機）やブレーキ等が挙げられる。
【００２３】
浮体構造体１４は、水面Ｈに浮かぶローター１１とナセル１３を支持する、細長い円筒形状のものであって、一般にタワーといわれるものがこれにあたる。浮体構造体１４は複数の係留索３１によって海底に係留されている。本実施形態では、浮体構造体１４が係留索３１により係留されたいわゆるスパー型洋上風力発電施設３０について説明するが、本発明を適用可能な洋上風力発電施設は、これに限られるものではない。スパー型以外のものとしては、例えば、ＴＬＰ(テンション・リグ・プラットホーム)等が挙げられる。
【００２４】
回動支持手段１５は、浮体構造体１４の上に水面Ｈに対して垂直をなす面に対して平行に回動可能にナセル１３を支持するものである。本実施形態では、ナセル１３は支持台１８および水平回転軸１９を介して回動支持手段１５に支持されている。また、ナセル１３は、他の部材を介して回動支持手段１５に取り付けられているが、回動支持手段１５に直接取り付ける構成としてもよい（図３参照）。
【００２５】
回動支持手段１５は、洋上風力発電施設３０が設置された状態において、浮体構造体１４の上端となる部分の近傍に、支持台１８を回動可能に支持している。本実施形態では、浮体構造体１４の先端に支持台１８を回動可能に支持する回動軸１５１により、回動支持手段１５が構成されている。回動支持手段１５により支持された支持台１８は、図１にＶＲを付した矢印の方向、すなわち鉛直Ｖと水平（水面Ｈ）を含む面内で回動可能となっている。ナセル１３は、水平回転軸１９により支持台１８に取り付けられており、回動支持手段１５による支持台１８の回動に連動して、ナセル１３およびナセル１３内の回転軸１２が鉛直Ｖと水平（水面Ｈ）を含む面内で回動する。このように、ナセル１３は、回動支持手段１５（回動軸１５１)を中心として、水面Ｈに対して垂直をなす面に対して平行に回動可能に構成されている。
【００２６】
リンク機構１６は、浮体構造体１４の傾斜時にナセル１３を水面Ｈに対して略水平に維持する水平維持手段として機能する。本実施形態では、浮体構造体１４の傾斜により、その近傍に設けた水平維持用浮体１７の浮体構造体１４に対する相対的な位置変化（相対位置変化）が生じる。リンク機構１６によりこの相対位置変化をナセル１３に伝えて、相対位置変化と連動するように回動させ、ナセル１３を略水平に維持する。なお、ここで、ナセル１３が水平であるとは、その内部の回転軸１２の伸長方向が水平（水面Ｈと平行）であることをいう。また、「ナセル１３が略水平に維持」されるとは、浮体構造体１４の傾斜に起因する回転軸１２の水面Ｈに対する傾きを抑制することをいう。具体的には、単位時間当たりの発電量が、浮体構造体１４の傾斜前の９５％以上となるように、ナセル１３の鉛直Ｖからの傾きを１０゜以内に抑制することをいう。
【００２７】
図１２はナセルの鉛直からの傾斜角と発電出力との関係を示すグラフであり、傾斜角を変化させて発電出力を測定した結果を示している。同図に示す実験結果によれば、浮体構造体１４が直立しナセル１３の傾斜角が０°である状態における洋上発電施設３０の発電出力を１とすると、ナセル１３の傾斜角がθ°のときに得られる発電出力は、ｃｏｓ３θで表される。したがって、ナセル１３の鉛直Ｖからの傾きを１０°以内に抑制することにより、洋上発電施設３０の発電出力を、ローター１１の回転面ＲＰが傾いていない状態における発電出力の９５％以上に維持することができる。これにより、浮体構造体１４の傾きによるローター１１の回転面ＲＰの傾きが発電に及ぼす影響を抑制して、洋上発電施設３０による発電を安定的かつ効率が良いものとすることができる。
【００２８】
リンク機構１６は、第１アーム１６１、第２アーム１６２及び第３アーム１６３を備えている。第１アーム１６１は、水面Ｈの近傍に位置しており、浮体構造体１４の水面部１４Ｈと水平維持用浮体１７とを連結する。第１アーム１６１は、その一端が第１ヒンジ１６４と接合されており、他端が第２ヒンジ１６５と接合されている。第１ヒンジ１６４は浮体構造体１４の水面部１４Ｈに設けられている。第１アーム１６１は第１ヒンジ１６４及び第２ヒンジ１６５を介して、その両側の各端部がこの順に浮体構造体１４の水面部１４Ｈ及び水平維持用浮体１７と連結されている。
【００２９】
第２アーム１６２は、水平維持用浮体１７と浮体構造体１４の溝１４１とを連結する。第２アーム１６２は、その一端が第２ヒンジ１６５と接合されており、他端が第３ヒンジ１６６と接合されている。第２ヒンジ１６５は、第１アーム１６１と第２アーム１６２とを接合する関節様の働きをしている。
【００３０】
第３ヒンジ１６６は、浮体構造体１４が設置された状態において想定される傾斜（例えば、鉛直Ｖに対する３０度の傾斜）が生じた場合でも、水面部１４Ｈよりも高くなる位置に設けられた溝１４１に沿って可動的に係止されている。すなわち、第３ヒンジ１６６は、溝１４１に係止された状態で、溝１４１の形状に沿って移動可能に構成されている。第２アーム１６２は、第２ヒンジ１６５及び第３ヒンジ１６６を介して、その両側の各端部がこの順に水平維持用浮体１７及び浮体構造体１４の溝１４１と連結されている。なお、図１には三日月形の溝１４１を示したが、他の形状とすることもできる。溝１４１は、リンク機構１６を構成する第１アーム１６１、第２アーム１６２及び第３アーム１６３の長さ、想定される浮体構造体１４の傾斜に基づいて計算により求めることができる（実施例参照）。
【００３１】
第３アーム１６３は、第３ヒンジ１６６を介して第２アーム１６２・溝１４１に連結され、回動支持手段１５により鉛直Ｖと水平（水面Ｈ）を含む面内で回動可能な支持台１８に第４ヒンジ１６７を介して係止されている。第３ヒンジ１６６は、第２アーム１６２と第３アーム１６３とを接合する関節様の働きをしている。第３アーム１６３は、支持台１８を介して間接的にナセル１３と連結されている。しかし、第３アーム１６３が直接ナセル１３に連結される構成としてもよい（図３参照）。
【００３２】
上述したリンク機構１６は、浮体構造体１４の傾斜に伴う浮体構造体１４と水平維持用浮体１７との相対的な位置変化を支持台１８に伝えるものである。より具体的には、相対的な位置変化によって水平維持用浮体１７に働く力（浮力、重力）を支持台１８に伝達して、支持台１８を回動支持手段１５の周りを回動させて、ナセル１３を回動させる。これにより、浮体構造体１４が傾斜した場合に、ナセル１３を略水平に維持する。したがって、ローター１１の回転面ＲＰが風向Ｗに正対した状態を維持し、洋上風力発電施設３０の発電効率を良好なものとすることができる。
【００３３】
第２アーム１６２の途中には、ダンパー１６８が設けられている。ダンパー１６８は、浮体構造体１４の揺動により生じる浮体構造体１４と水平維持用浮体１７との相対的な位置の変化のうち、発電効率の低下への影響が小さいものを選択的に吸収して、リンク機構１６への影響を低減させる。より具体的には、ダンパー１６８により第２アーム１６２が伸縮することによるエネルギーを吸収し、第１アーム１６１から第３アーム１６３に伝達される変位の変動を抑制することができる。このように、このダンパー１６８が第１アーム１６１の変位を吸収することで、リンク機構１６を構成する第２ヒンジ１６５、第３ヒンジ１６６及び第４ヒンジ１６７への負荷を低減することができる。例えば、風や潮流に比べて周期が短い波の影響による浮体構造体１４の揺動をダンパー１６８により吸収すれば、リンク機構１６の耐用年数を長くして経済性を向上させることができる。
【００３４】
水平維持用浮体１７は、浮体構造体の近傍に位置しており、浮体構造体１４の水面部１４Ｈと第１アーム１６１により連結されている。また、上述したように、第１アーム１６１の両端には第１ヒンジ１６４及び第２ヒンジ１６５が設けられている。このため、浮体構造体１４が傾斜すると、水平維持用浮体１７は第１ヒンジ１６４を原点として回動する。この回動が第２アーム１６２及び第３アーム１６３を介して支持台１８に伝えられる。これにより、浮体構造体１４の傾斜に起因して生じる水平維持用浮体１７の回動と連動して、回動支持手段１５により浮体構造体１４に取り付けられている支持台１８が、浮体構造体１４の傾斜を打ち消す方向および大きさで回動する。この回動により、浮体構造体１４が傾斜した場合にも、ナセル１３は略水平を維持することができる。
【００３５】
支持台１８は浮体構造体１４の上端付近に回動支持手段１５に支持されて設けられている。そして、ナセル１３が、水平回転軸１９を介してこの支持台１８上に取り付けられている。図１にＨＲを付した矢印で示したように、水平回転軸１９は、その回転軸が鉛直方向となるよう回転自在に構成されている。このため、ナセル１３は水面Ｈに対して平行に自在に回転可能に構成されている。
【００３６】
したがって、風向Ｗが変化した場合、いわゆる風見鶏効果により、ナセル１３が水平回転軸１９を中心軸として回転することで（ＨＲを付した矢印参照）、ローター１１の回転面ＲＰを風向Ｗに正対させることができる。そして、浮体構造体１４が傾斜したときには、傾斜によるローター１１の回転面ＲＰへの影響を打ち消す方向に支持台１８が回動する（ＶＲを付した矢印参照）。これにより、ローター１１の回転面ＲＰが風向Ｗに正対した状態を維持して、洋上風力発電施設３０の発電効率の低下を防止することができる。なお、回転軸１２が回動支持手段１５の回動軸１５１と平行となった場合、支持台１８の回動に連動してローター１１の回転面の傾きは変化しないが、このような状態となることは設置海域を考慮しても極めて稀となる。
【００３７】
図２は、図１の水平維持装置のリンク機構を説明する模式側面図であり、（ａ）は浮体構造体が直立した状態を示し、（ｂ）は浮体構造体が傾いた状態を示し、（ｃ）は浮体構造体が（ｂ）とは反対方向に傾いた状態を示している。
【００３８】
図２（ａ）に示すように、洋上風力発電施設３０は、浮体構造体１４が鉛直方向に直立した状態で、ローター１１の回転面ＲＰが風向Ｗと略直交しているから、効率良く発電することができる。しかし、従来の洋上風力発電施設は、浮体構造体が傾斜するとナセルも一緒に傾いてローターの回転面が風向Ｗに垂直ではなくなる（図２（ｂ）の破線参照）。この結果、発電効率が悪くなる。
【００３９】
しかし、本実施形態の洋上風力発電施設３０は、鉛直方向に回動可能にナセル１３を支持する回動支持手段１５及び、浮体構造体１４の傾斜と連動してナセル１３を浮体構造体１４の傾斜による影響を打ち消すように回動させるリンク機構１６（図１参照）を備えている。この構成により、浮体構造体１４が傾斜した場合にナセル１３を略水平に維持し、ローター１１の回転面ＲＰが風向Ｗに正対した状態を維持することができる。この結果、洋上風力発電施設３０の発電効率が従来よりも良好になる。
【００４０】
第１アーム１６１に連結されている水平維持用浮体１７は、浮体構造体１４の傾斜運動に連動して、第１ヒンジ１６４を原点として回動する。図２（ｂ）では、浮体構造体１４が直立した状態における水平維持用浮体１７及び第１アーム１６１の浮体構造体１４に対する相対的な位置（図２（ａ）参照）を破線で示している。同図に示すように、水平維持用浮体１７は、浮体構造体１４の傾斜に連動して下方向に回動する。この回動はリンク機構１６を介して、支持台１８に伝えられる。これにより、支持台１８及びその上のナセル１３は、浮体構造体１４の傾斜運動と連動して、浮体構造体１４の傾斜の影響を打ち消す方向に回動する。したがって、ナセル１３の水平を維持し、ローター１１の回転面ＲＰを風向Ｗに正対させて、浮体構造体１４の傾斜による発電施設３０の発電効率の低下を抑制することができる。
【００４１】
図２（ｃ）に示すように、風向Ｗが反対になった場合、浮体構造体１４が図２（ｂ）とは反対方向に傾く。この場合、水平維持用浮体１７に働く浮力により、水平維持用浮体１７が上方向に回動する。そして、図２（ｂ）を参照して説明したリンク機構１６により、支持台１８及びナセル１３が浮体構造体１４の傾斜運動を打ち消すように回動する。また、洋上風力発電施設３０では、ナセル１３がローター１１に対して風上側に設けられているから、いわゆる風見鶏効果によってナセル１３が１８０度回転する。
【００４２】
図３は、本実施形態の浮体式洋上風車の水平維持装置及びこれを備えた洋上風力発電施設（例その２）の概略を示す模式側面図であり、（ａ）は浮体構造体が直立した状態を示し、（ｂ）は浮体構造体が傾いた状態を示している。同図に示す水平維持装置４０及びこれを備えた洋上風力発電施設４５は、（１）リンク機構１６の第１アーム１６３がナセル１３に直接係止されている点、及び（２）回動支持手段１５に直接ナセル１３が設けられており、支持台１８及び水平回転軸１９を備えていない点において、図１の水平維持装置１０及び洋上風力発電施設３０と異なっている。
【００４３】
図３に示す水平維持装置４０は、水平回転軸１９を備えていないため風見鶏効果によりナセル１３が水平方向に回転しない。しかし、同じ番号を付した各部材の機能は同じであり、浮体構造体１４の傾斜による影響を抑制して効率の良い発電を実現する点は洋上風力発電施設３０と同様である。
【００４４】
図４は、本実施形態の浮体式洋上風車の水平維持装置及びこれを備えた洋上風力発電施設（例その３）の概略を示す模式側面図である。同図に示す水平維持装置５０及びこれを備えた洋上風力発電施設５５は、ローター５１にコーニング角が付与されている点において、図１に示した水平維持装置１０及び洋上風力発電施設３０と異なっている。
【００４５】
ここで、コーニング角αとは、ローター５１のブレードのハブ接続部と先端部とを結んだ二点鎖線で示した直線と、図中二点鎖線で示した鉛直Ｖとの角度をいう。ローター５１にコーニング角αを付与することにより、いわゆる風見鶏効果（水面に対して垂直をなす面に対して平行に回動支持手段１５周りに回動させる）を利用してローター５１の回転面を風向に正対させる水平維持装置５０の機能を補助することができる。また、コーニング角による風見鶏効果(水平回転軸１９回りに水面に対して平行に回動させる)により、風向Ｗの変化に応じて、ローター１１の回転軸１２を風向と一致させる風見鶏効果を向上させることができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について、以下、図５及び図６に基づいて説明する。
本実施形態の水平維持装置及びそれを備えた洋上風力発電施設は、リンク機構に代わる水平維持手段として、重錘又はワイヤー付き重錘を備えている構成において、第１の実施形態とは異なっている。なお、上述した実施形態において説明した部材と機能が同じ部材については、同じ番号を付して説明を省略する。この点、後の実施形態においても同様である。
【００４７】
図５は、本実施形態の浮体式洋上風車の水平維持装置及びこれを備えた洋上風力発電施設（例その１）の概略を示しており、（ａ）は模式側面図であり、（ｂ）は矢印Ａから見た要部正面図である。同図に示すように、本実施形態の水平維持装置６０は、水平維持手段として回動支持手段１５に固定され垂下する重錘（重錘機構）６１を備えている。
【００４８】
ナセル１３は、ローター１１を備えた状態で、図中に二点鎖線で示した回動支持手段１５の回動軸の中心線Ｃでバランスをとり、かつ、ナセル１３が水平となった状態において、重錘６１の重心が最も低くなるように構成されている。また、重錘６１が回動支持手段１５の回動軸１５１から垂下するように、すなわち、重錘６１の重心が回動軸１５１の鉛直下方に位置するように固定されている。このため、図５（ａ）中に破線で示した浮体構造体１４が傾斜した場合も、重錘６１に働く重力により、ナセル１３の水平を維持する方向にナセル１３を回動させることができる。したがって、浮体構造体１４が傾斜した場合でも、ナセル１３を水平に保ち、発電効率を良好にすることができる。
【００４９】
重錘６１は、図５（ｂ）に実線で示すように、浮体構造体１４外側の回動軸１５１の両端に固定したり、図５（ｂ）に破線で示すように、浮体構造体１４の内側の回動軸１５１の中心部に固定したりすることができる。なお、重錘６１は、浮体構造体１４の外側のみ（片方又は両方）、内側のみ、あるいは外側及び内側に設けることとしてもよい。
【００５０】
図６は、本実施形態の浮体式洋上風車の水平維持装置及びこれを備えた洋上風力発電施設（例その２）の概略を示している。図６（ａ）は模式側面図であり、図６（ｂ）は要部側面図である。同図に示す水平維持装置７０は、水平維持手段として、ナセル１３が水平となった状態において、ナセル１３を回動させる重錘６１の重心が最も低くなるように構成されている点において、水平維持装置６０と同様である。しかし、重錘６１が回動支持手段１５の回動軸１５１に直接設けられているのではなく、回動軸１５１に接続された車輪７１の外周面にワイヤー７２を介して接続されている点、ワイヤー７２のガイド７３・７３を備えている点において水平維持装置６０と相違している。
【００５１】
水平維持装置７０は、車輪７１にワイヤー７２を巻くことにより、重錘６１に至るワイヤー７２の長さを調節している。ワイヤー７２は、タワー１４が直立の状態において車輪７１の再下端となる部分に固定的に支持されている。ワイヤー７２を車輪７１に固定的に支持する手段としては、例えば、車輪７１に連結されているガイド７３・７３を利用してワイヤー７２を固定するクランプ機構等を用いればよい。この構成により、タワー１４が傾いた場合、図６（ｂ）に破線で示したように、ガイド７３に矢印方向のトルクが掛かる。これによってナセル１３を回動させ、図６（ａ）に示したように、ナセル１３を略水平に維持することが可能となる。また、ワイヤー７２の長さを調節することにより、重錘６１の揺れの周期を変えてナセル１３の周期的な揺動を抑制することができる。超強風時には、重錘６１をガイド７３・７３近傍にまで引き上げることにより、重錘６１が浮体構造体１４に当たって損傷すること等を防止することができる。
【００５２】
車輪７１は回動軸１５１の両端に取り付けられており、回動軸１５１と同じように回動する。タワー１４が傾いた場合、重錘６１によりガイド７３に力が加えられる。そして、車輪７１表面と重錘６１とを接続するワイヤー７２が、ガイド７３に作用してトルクを掛ける構造となっている。回動軸１５１の中心からガイド７３までの距離は、回動軸１５１の中心からその軸表面までの距離よりも大きい。これにより、重錘６１の重力により回動軸１５１を回動させる力が大きくなる。したがって、ナセル１３が水平から傾いたとき、ナセル１３を水平に戻す方向へ回動する力を増大させることができる。
【００５３】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について、以下、図７に基づいて説明する。本実施形態の水平維持装置及び洋上風力発電施設は、水平維持手段として、リンク機構の代わりに傾斜センサあるいは水平センサの信号に基づいて、駆動手段により回動支持手段を回動させる回動駆動制御手段を備えている点において、第１の実施形態と異なっている。
【００５４】
図７は、本実施形態の浮体式洋上風車の水平維持装置及びこれを備えた洋上風力発電施設の概略を示しており、（ａ）は模式側面図であり、（ｂ）は浮体構造体内における要部構造の側面図である。図８は、図７の浮体式洋上風車の水平維持装置の要部機能ブロック図である。これらの図に示すように、本実施形態の水平維持装置８０は、浮体構造体１４の傾斜を検出する傾斜センサ８１、水平センサ８２、駆動手段８３、及び回動制御手段８４を備えている。
【００５５】
傾斜センサ８１は、浮体構造体１４の傾斜、すなわち鉛直方向からの角度変化を検出する。水平センサ８２は、ナセル１３の傾きすなわち水平からの角度変化を検出する。駆動手段８３は、傾斜センサ８１及び／又は水平センサ８２の検出結果に対応した信号Ｓに基づいて、ナセル１３の角度変化に見合った量だけ、回動支持手段１５を回動させる。これによって、浮体構造体１４が傾斜した場合に、ナセル１３（回転軸１２）を水平に維持することができる。駆動手段８３は、演算装置などで構成される回動制御手段８４によって制御される。
【００５６】
傾斜センサ８１及び水平センサ８２としては、測定対象の傾斜角度の検出を目的として一般に用いられるものを用いることができる。また、駆動手段８３としては、例えば、モータや油圧シリンダなどを用いることができる。
【００５７】
図７（ｂ）は、浮体構造体内における要部構造の側面図である。同図には、駆動手段８３としてモータ８３１を用いた場合を示している。モータ８３１の回転軸８３２にはウォームギア８３３が設けられている。また、回動支持手段１５の回動軸１５１の周りに歯車１５２を備えている。この歯車１５２がウォームギア８３３と嵌り合っている。この構成により、モータ８３１の回転を回転軸８３２、ウォームギア８３３及び歯車１５２を介して回動軸１５１に伝達して、ナセル１３の角度変化に見合った量だけ、回動支持手段１５を回動させることができる。
【実施例】
【００５８】
本発明の浮体式洋上風車の水平維持装置の溝（図１参照）の形状（以下、適宜「溝形状」という）の求め方について以下に説明する。
図９は、実施例における座標系を説明する浮体式洋上風車の水平維持装置の模式側面図である。同図に示すように、第１ヒンジ１６４を原点０とし、空間座標として、水平右向きにｘ軸、鉛直上向きにｙ軸をとり、物体座標として、第１ヒンジ１６４から回動軸１５１に向かう直線をη軸、ｘ−ｙ平面上のη軸に垂直な方向にξ軸をとる。また、ｘ軸とξ軸（ｙ軸とη軸）の成す角をθ（反時計回りを正）とする。第１ヒンジ１６４から第２ヒンジ１６５までの距離（第１アーム１６１の長さ）をＬ１、第２ヒンジ１６５から第３ヒンジ１６６までの距離（第２アーム１６２の長さ）をＬ２、第３ヒンジ１６６から第４ヒンジ１６７までの距離（第３アーム１６３の長さ）をＬ３、第４ヒンジ１６７から回動軸１５１までの距離をＬ４、第１ヒンジ１６４から回動軸１５１までの距離をＨとすると、ｘ−ｙ平面における、第２ヒンジ１６５の座標は（−Ｌ１，０）、第４ヒンジ１６７の座標は（−Ｈｓｉｎθ−Ｌ４，Ｈｃｏｓθ）、回動軸１５１の座標は（−Ｈｓｉｎθ，Ｈｃｏｓθ）となる。
【００５９】
溝１４１との係合により浮体構造体１４に可動的に係止される第３ヒンジ１６６の座標を（ｘ，ｙ）とおくと、下記の（１）式が成り立つ。
【数１】
2014025434.tif 000003
今、空間座標の点（ｘ，ｙ）を物体座標上で（ξ，η）とすれば、下記の（２）式が成り立つ。
【数２】
2014025434.tif 000004
この（２）式を、（１）式に代入すれば、下記の（３）式が得られる。
【数３】
2014025434.tif 000005
（３）式の連立方程式から、θの関数としてξとηを求めれば、零を中心にθを振った場合の点（ξ，η）の軌跡が、第３ヒンジ１６６が浮体構造体１４上を動く軌跡の形状となる。ここで、（３）式からは（ξ，η）の解が２セット求まるが、片方の解は浮体構造体１４に無い。実装が容易なのは、浮体構造体１４に位置する解（軌跡）にそって溝１４１を作ることである。
【００６０】
（実施例１）
Ｌ１＝２、Ｌ２＝３、Ｌ３＝２、Ｌ４＝１、Ｈ＝４（各長さは相対的な長さを表している）、−π／６≦θ≦π／６とした場合に得られる（ξ，η）の解を図１０に示す。
（実施例２）
Ｌ１＝２、Ｌ２＝３、Ｌ３＝２、Ｌ４＝０．７、Ｈ＝４（各長さは相対的な長さを表している）、−π／６≦θ≦π／６とした場合に得られる（ξ，η）の解を図１１に示す。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の浮体式洋上風車の水平維持装置によれば、浮体構造体であるタワーの傾きに関わらずナセルを略水平に維持して、ローターの回転面を風向に対して垂直にすることができる。このため、本発明は、浮体構造体を係留索により係留したいわゆるスパー型等の洋上で風力発電を行う風力発電施設に用いてその発電効率を向上させることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１０、４０、５０、６０、７０、８０  水平維持装置
１１、５１ローター
１２  回転軸
１３  ナセル
１４  浮体構造体
１５  回動支持手段
１６  リンク機構（水平維持手段）
１６１  第１アーム
１６２  第２アーム
１６３  第３アーム
１７  水平維持用浮体
１９  水平回転軸（水平回転手段）
３０、４５、５５、６５、７５、９０  洋上風力発電施設
３１  係留索
６１  重錘(重錘機構、水平維持手段、回動機構)
７２  ワイヤー（水平維持手段、回動機構)
８１  傾斜センサ
８２  水平センサ
８３  駆動手段
８４  回動制御手段(水平維持手段)
【図１】
2014025434.tif 000006
【図２】
2014025434.tif 000007
【図３】
2014025434.tif 000008
【図４】
2014025434.tif 000009
【図５】
2014025434.tif 000010
【図６】
2014025434.tif 000011
【図７】
2014025434.tif 000012
【図８】
2014025434.tif 000013
【図９】
2014025434.tif 000014
【図１０】
2014025434.tif 000015
【図１１】
2014025434.tif 000016
【図１２】
2014025434.tif 000017