(57)【要約】      （修正有）【課題】発電効率の高い洋上風力発電装置及び洋上風力発電設備を提供することを目的とする。【解決手段】洋上風力発電装置１０は、風車１を支持する浮体２と、浮体２上に設置された風車１とを備え、前記風車１が設置された際の前記浮体２の重心が前記浮体２の中心と異なり、前記風車２が前記風の主方向に向かって傾斜させる。風車１の傾斜は、風の主方向と対向する側に重しを配置し、かつ風車１を設置した洋上での発電効率が９０％以上となるように、風車１の傾斜角を設定する。【選択図】図１
2016182876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車を支持する浮体と、
前記浮体上に設置された風車とを備え、
前記風車が設置された際の前記浮体の重心が前記浮体の中心と異なり、
前記風車が前記風の主方向に向かって傾斜していることを特徴とする洋上風力発電装置。
【請求項２】
所定の風速の風が有する風力エネルギーと前記洋上風力発電装置を設置する領域の風速分布の積から算出される、前記洋上風力発電装置を設置する領域における最大風力エネルギーを得ることができる風速に基づいて、前記風車の傾斜角が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の洋上風力発電装置。
【請求項３】
風速分布に基づき設定される風車のカットイン風速からカットアウト風速の範囲において、前記風車を傾斜角０°で陸上に設置した際の発電量を基準とした発電効率に対して、前記風車を洋上に設置した際の発電効率が９０％以上となるように、前記風車の傾斜角が設定されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の洋上風力発電装置。
【請求項４】
前記風の主方向であって前記風に対向する側に重しを有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の洋上風力発電装置。
【請求項５】
前記重しの重量が可変であることを特徴とする請求項４に記載の洋上風力発電装置。
【請求項６】
前記風車が垂直軸型の風車であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の洋上風力発電装置。
【請求項７】
前記風車を複数備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の洋上風力発電装置。
【請求項８】
前記複数の風車において、隣接する風車の回転方向が異なることを特徴とする請求項７に記載の洋上風力発電装置。
【請求項９】
前記複数の風車が、風の主方向に対して交差する方向に並列していることを特徴とする請求項７または８のいずれかに記載の洋上風力発電装置。
【請求項１０】
前記複数の風車の数が偶数個であり、その半分の風車の回転方向と、残り半分の風車の回転方向が異なることを特徴とする請求項７〜請求項９のいずれか一項に記載の洋上風力発電装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の洋上風力発電装置と、前記洋上風力発電装置を洋上で固定する係留索とを有し、
前記係留索が前記浮体の中央に接続されていることを特徴とする洋上風力発電設備。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の洋上風力発電装置と、前記洋上風力発電装置を洋上で固定する係留設備とを有し、
前記係留設備が、前記洋上風力発電装置と平面視異なる位置に設けられた支持設備と、前記支持設備と前記浮体のいずれか一部を繋ぐ係留索とを有することを特徴とする洋上風力発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、洋上風力発電装置及び洋上風力発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
地下資源価格の高騰、枯渇性資源の有限性への対策、地球温暖化への対策等の目的で再生可能エネルギーに注目が集まっている。再生可能エネルギーの一つとして風力発電が知られている。風力発電は、風のエネルギーを発電機等により電気的なエネルギーに変換する発電方式である。そのため、大きな風力が得られる場所に設置することが好ましく、近年洋上での洋上風力発電に注目が集まっている。中でも、水深が深い所でも設置が可能であり、環境負荷の小さい浮体式洋上風力発電に高い注目が集まっている。
【０００３】
例えば、特許文献１及び２には、２対の風車を備え、洋上に設置できる浮体式洋上浮力発電装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１１９２８９号公報
【特許文献２】特表２０１３−５０８６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１及び２に記載された浮体式洋上風力発電装置では、十分な発電効率を実現することができなかった。
【０００６】
一般に、風車の発電効率を高めるために、風車を構成する羽根と風車が受ける主方向の風は、一定の関係を満たしていることが好ましい。ここで、「風車を受ける主方向の風」とは、「風上から風車に吹き付ける風」を意味する。例えば、垂直軸型の風車であれば、風車が受ける主方向の風に対して羽根が正対するように設定することが好ましい。また水平軸型の風車であれば、風車が受ける主方向の風に正対する向きに対して、羽根が僅かに傾いていることが好ましい。陸上であれば、風車自体が地面に固定されているため、この風車が受ける主方向の風の向きと、風車を構成する羽根の向きは固定される。そのため、最初に設置する段階で設定された関係は維持される。
【０００７】
一方で、浮体式洋上風力発電装置では、風や波により風車が揺動するため、この関係を満たすことが難しい。特に、風車が受けた風自体により、風車が傾斜することも生じる。そのため、浮体式洋上風力発電装置では、設置時に風車を構成する羽根と風車が受ける主方向の風が一定の関係を満たしていたとしても、風により風車が傾斜するため、この関係を維持することができないと言う問題があった。
【０００８】
そこで、例えば特許文献１及び２に記載された浮体式洋上風力発電装置では、係留索によって浮体を固定することで、浮体の揺動を抑えることが行われている。しかしながら、洋上で風車を完全に固定することはできず、必ず揺れや傾斜が発生する。そのため、風車が効率的に風を受けることができず、十分に発電効率を高めることができなかった。
【０００９】
なお、例え完全に係留索によって浮体が揺れないように固定することができたとしても、洋上では風や波によるエネルギーが大きいため、風力発電装置の故障や沈没の原因となる。実際に、例えば特許文献２の浮体式洋上浮力発電装置は、海面と平行な方向に二つの風車の位置関係が変動できる機構を設け、この風や波のエネルギーを受け流しながら発電効率を高めることが記載されている。しかしながら、特許文献１及び２には、海面と垂直な方向の風車の傾きを制御することについては記載も示唆もない。
【００１０】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、発電効率の高い洋上風力発電装置及び洋上風力発電設備を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、発電効率の高い洋上風力発電装置を実現するために鋭意検討を行った。その結果、浮体を固定するのではなく、逆に設置の段階で所定の方向に向けて所定の角度傾けておくことにより、実際に風を受けた際に高い発電効率を実現できることを見出した。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【００１２】
本発明の一態様に係る洋上風力発電装置は、風車を支持する浮体と、前記浮体上に設置された風車とを備え、前記風車が設置された際の前記浮体の重心が前記浮体の中心と異なり、前記風車が前記風の主方向に向かって傾斜している。
【００１３】
本発明の一態様に係る洋上風力発電装置において、所定の風速の風が有する風力エネルギーと前記洋上風力発電装置を設置する領域の風速分布の積から算出される、前記洋上風力発電装置を設置する領域における最大風力エネルギーを得ることができる風速に基づいて、前記風車の傾斜角が設定されていてもよい。
【００１４】
本発明の一態様に係る洋上風力発電装置において、風速分布に基づき設定される風車のカットイン風速からカットアウト風速の範囲において、前記風車を傾斜角０°で陸上に設置した際の発電量を基準とした発電効率に対して、前記風車を洋上に設置した際の発電効率が９０％以上となるように、前記風車の傾斜角が設定されていてもよい。
【００１５】
本発明の一態様に係る洋上風力発電装置において、前記風の主方向であって前記風に対向する側に重しを有していてもよい。
【００１６】
本発明の一態様に係る洋上風力発電装置において、前記重しの重量が可変であってもよい。
【００１７】
本発明の一態様に係る洋上風力発電装置において、前記風車が垂直軸型の風車であってもよい。
【００１８】
本発明の一態様に係る洋上風力発電装置において、前記風車を複数備えてもよい。
【００１９】
本発明の一態様に係る洋上風力発電装置における前記複数の風車において、隣接する風車の回転方向が異なっていてもよい。
【００２０】
本発明の一態様に係る洋上風力発電装置において、前記複数の風車が、風の主方向に対して交差する方向に並列していてもよい。
【００２１】
本発明の一態様に係る洋上風力発電装置において、前記複数の風車の数が偶数個であり、その半分の風車の回転方向と、残り半分の風車の回転方向が異なっていてもよい。
【００２２】
本発明の一態様に係る洋上風力発電設備は、本発明の一態様に係る洋上風力発電装置と、前記洋上風力発電装置を洋上で固定する係留索とを有し、前記係留索が前記浮体の中央に接続されている。
【００２３】
本発明の一態様に係る洋上風力発電設備は、本発明の一態様に係る洋上風力発電装置と、前記洋上風力発電装置を洋上で固定する係留設備とを有し、前記係留設備が、前記洋上風力発電装置と平面視異なる位置に設けられた支持設備と、前記支持設備と前記浮体のいずれか一部を繋ぐ係留索とを有する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、発電効率の高い洋上風力発電装置及び洋上風力発電設備を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる洋上浮力発電装置の斜視模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる洋上浮力発電装置の平面模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる洋上浮力発電装置の断面模式図である。
【図４】中心と重心が一致する洋上風力発電装置の断面模式図であり、（Ａ）は風を受ける前の状態であり、（Ｂ）は風を受けたときの状態である。
【図５】中心と重心が異なり、重心が中心より風車が受ける風の主方向であって風と対向する側に存在する洋上風力発電装置の断面模式図であり、（Ａ）は風を受ける前の状態であり、（Ｂ）は風を受けたときの状態である。
【図６】ある海域における風の主方向の風速分布である。
【図７】風速と、その風速の風が有する風力エネルギーの関係を示したグラフである。
【図８】ある海域において最も効率的にエネルギーが得られる風速を算出した風速分布図である。
【図９】風車の回転方向に対する浮体に加わる力の向きを模式的に示した平面図である。
【図１０】本発明の洋上風力発電装置を係留索で係留した洋上風力発電設備の一例の断面の断面模式図である。
【図１１】本発明の洋上風力発電装置を係留索で係留した洋上風力発電設備の別の例の平面模式図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る洋上風力発電装置の斜視模式図である。
【図１３】構造体に風が吹き付ける際の受圧面積を示した図である。
【図１４】実施例１、実施例２、比較例１および参考例１それぞれの風速に対する発電効率を示したグラフである。
【図１５】風車の回転方向がそれぞれ異なる二つの風車に対して風を加えた際の、それぞれの風車の回転数と、一つの風車に対して風を加えた際の風車の回転数を比較した結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を適用した洋上風力発電装置及び洋上風力発電設備について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００２７】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る洋上風力発電装置の斜視模式図である。洋上風力発電装置１０は、風車１と、浮体２とを備える。
【００２８】
風車１は、垂直軸方式の風車である。垂直軸方式の風車１は、風を受ける羽根１１と、羽根を回転させる回転軸１２と、回転軸１２と羽根１１を繋ぐ接続部１３を備える。回転軸１２は、浮体２に接続され、風車１の支持部を兼ねる。
【００２９】
垂直軸方式の風車１は羽根１１が風を受けると、回転軸１２を中心に回転する。この回転による運動エネルギーを発電装置（図視略）により電気的なエネルギーに変換することで、風力を電力に変換する。
【００３０】
風車１は、一般に公知のものを用いることができる。風車１は、垂直軸方式の風車に限られず、水平軸方式の風車を用いることもできる。水平軸方式の風車は、支持部の上部に地面と水平方向に設定された回転軸があり、この回転軸を中心に羽根が風の入射方向と垂直な面内で回転する。一般に垂直軸方式の風車より、水平軸方式の風車の方が発電効率は高い。
一方で、メンテナンスコストを考慮すると、垂直軸方式の風車が好ましい。上述のように水平軸方式の場合、風車の上方に回転軸や羽根が存在する。洋上では、風車自体が揺動するため、風車の上方における揺れは大きい。このような環境下でのメンテナンスは非常に困難である。これに対し、垂直軸方式の風車の場合、羽根が界面と垂直な方向に存在するため、全体の高さを抑えることができる。また増速機や発電機等の主要機器の配置位置の融通がきき、浮体下部に設けることもできる。したがって、メンテナンスが容易であり、メンテナンスコストを下げることができる。
【００３１】
浮体２は、浮力により風車１を海上に保持する。浮体２は、全体が水中に存在する全没型の浮体でも、その一部が海上に露出している半没型の浮体でもよい。浮体２は、いずれの場合でも公知の物を用いることができる。波の影響を避けるという観点からは、全没型の浮体が好ましい。
また全没型の場合は、猛烈な強風等により傾斜が進んだ場合、水中に沈んでいた浮体２の一部が水面に露出する。このとき、浮体には、海中に戻す方向に強い復元力が係るため、完全な転倒転覆を避けることができる。
【００３２】
図２は、本発明の第１実施形態に係る洋上風力発電装置の平面図である。図３は、本発明の第１実施形態に係る洋上風力発電装置の断面図である。
【００３３】
浮体２は、外枠２Ａと風車載置部２Ｂからなり、内部に空間を有することが好ましい。内部が空間になっていることにより、浮体２が半没型の場合は浮体上面に水が溜まることを避けることができ、全没型の場合は浮体全体に過剰な力が加わることを避けることができる。
【００３４】
浮体２は風車１を設置した状態で、その平面視における重心Ｇが、浮体２の平面視における中心Ｃと異なる位置にある。そのため、図３に示すように、洋上風力発電装置１０を洋上に設置すると、洋上風力発電装置１０は重心Ｇ側に傾く。
【００３５】
この重心Ｇのずれは、種々の方法で設けることができる。例えば、風車１の一方に重し３を設置することで重心Ｇのずれを実現してもよい。重し３としては、一般の風車１を用いて発電する際に用いられる発電機、バッテリー等を用いてもよい。バッテリーは、風力発電により発生した電力を蓄電するために、通常の風力発電装置に設けられており、非常に重いため好ましい。また重し３は、風力発電に用いられる機材以外の物を用いてもよい。例えば、重い石等を設置してもよい。またタンクに水を取り込んで、バラストとして用いてもよい。
【００３６】
重し３の重量は可変であることが好ましい。重し３の重量を可変にするためには、重し３としてバラスト水を用いることが考えられる。タンクに貯留されるバラスト水の量を増減させることで、重し３の重量を可変にすることができる。この重し３の重量によって風車１の傾きは変化する。後述するが風車の傾きは、風速によって適宜設定するため、風速が時期によって変化するような場合に、重し３の重量が可変であることは有用性が高い。
【００３７】
また例えば、浮体２に対する風車１の設置位置を、中心Ｃからずらすことで洋上風力発電装置１０の重心をずらすこともできる。ただし、実使用時には、回転駆動する風車１には最も負荷がかかる。そのため、この負荷がかかる風車１は、浮体２の中心に配置することが安定性の面から好ましい。
【００３８】
次いで、洋上風力発電装置１０の機能について説明する。
洋上風力発電装置１０は、羽根１１が風を受け回転し、この回転による運動エネルギーを電力に変換する。
【００３９】
図４は、中心と重心が一致する洋上風力発電装置の断面模式図であり、（Ａ）は風を受ける前の状態であり、（Ｂ）は風を受けたときの状態である。
図４（Ａ）に示すように、中心と重心が一致する洋上風力発電装置２０を洋上に設置すると、浮体２２が海面Ｓと平行になる。そのため、風車２１は、海面Ｓに鉛直方向に起立する。なお、ここでは簡単のため、海面Ｓに波はないものとする。
【００４０】
この洋上風力発電装置２０に風Ｆを当てると、風Ｆの風力により洋上風力発電装置２０は、風を受けた側と反対側に傾く。洋上風力発電装置２０が傾けば、風車２１を構成する羽根２３も海面Ｓの鉛直方向から傾斜角θの傾きを有して傾くこととなる。そのため、風車２１に入射した風Ｆ１のうちの一部は、羽根２３の傾斜角θに沿って一部上方に風Ｆ２として流れる。すなわち、洋上風力発電装置２０は、風Ｆ２分のエネルギーをロスしたこととなる。このエネルギーロス分は、ｃｏｓ３θに比例することが知られ、傾斜角が大きくなればロス分は大きくなる。
【００４１】
一方、図５は、中心と重心が異なり、重心が中心より風車が受ける風の主方向であって風と対向する側に存在する洋上風力発電装置の断面模式図であり、（Ａ）は風を受ける前の状態であり、（Ｂ）は風を受けたときの状態である。
図５（Ａ）に示すように、中心と重心が異なるため洋上風力発電装置１０を洋上に設置すると、浮体２が海面Ｓに対して傾斜角θで傾く。このとき傾く向きは、風車が風を受ける主方向に向かう。そのため、洋上風力発電装置１０の風車１も傾斜角θで風の主方向に向かって傾斜する。この洋上風力発電装置１０が風Ｆ３を受けると、傾斜角θが小さくなる方向に洋上風力発電装置１０が傾く。このように傾くことで、羽根１１が海面Ｓの鉛直方向に近い方向になり、風車１に入射した風Ｆ３を効率的に利用することができる。
【００４２】
次いで、この傾斜角θの設定方法について説明する。
図５（Ｂ）に示すように、洋上風力発電装置１０は、風Ｆ３を受けることで立ちあがる。洋上風力発電装置１０の重量は一定なので、この風Ｆ３により立ち上がる角度は、風Ｆ３の風速によって変化する。そのため、この風Ｆ３の風速によって、洋上風力発電装置１０を洋上に設置段階（初期段階）での傾斜角θを決めることができる。
【００４３】
まず、風Ｆ３の風速を調べる。風速の出現率は、以下の式（１）で表記されるワイブル（Ｗｅｉｂｉｌｌ）分布で近似できることが知られている。
【００４４】
【数１】
2016182876.tif 000003
【００４５】
ここでｆ（Ｖ）は風速Ｖの出現率、ｃは尺度係数、ｋは形状係数である。ｃ、ｋは海域ごとに異なる。これらｃ、ｋの値は洋上風力発電装置１０を設置する海域（湖域）における平均風速量等を計測することで調べることができる。またＮＥＤＯの局所風況マップを用いてもよい。この際、風が最も吹きやすい向き（風の主方向）も同時に確認する。図６は、ある海域における風の主方向の風速分布である。横軸は風速であり、縦軸はその風速の発生頻度（風速分布）である。なお、縦軸の発生頻度は、全ての風の出現率を合せたものを１として規格化した値であり、０．１であれば１０％の割合でその風速の風が吹くことを意味する。
【００４６】
ここで、ある海域における風速分布を確認できた。次いで、この海域における最も大きなエネルギーを得ることができる風速を算出する。
図７は、風速と、その風速の風が有する風力エネルギーの関係を示したグラフである。横軸は風速であり、縦軸は、その風速の風が有する風力エネルギーである。風車が得られる風力エネルギーＰ（Ｗ）は、以下の式（２）で表すことができる。
【００４７】
【数２】
2016182876.tif 000004
【００４８】
ここでＡは、受風面積（ｍ２）、Ｖは風速（ｍ／ｓ）、Ｃｐはパワー係数である。ベッツの法則よりパワー係数Ｃｐは最大で１６／２７＝０．５９３と定義されている。これは流体の運動エネルギーの５９．３％を機械的なエネルギーとして取り出すことができることを意味している。実際の風車では、Ｃｐは０．３５〜０．４５程度であることが分かっている。図７はＣｐ＝０．４とした際の結果である。
【００４９】
図７に示すように、風速が大きくなれば、得られる風力エネルギーが大きくなる。そのため、低速の風は得られる風力エネルギーが小さい。したがって、ある海域においてもっと頻繁に吹く風が低速の風だった場合に、その風速に合せて傾斜角を設定することは適切ではない。
【００５０】
そこで、図８に示すように、図６の風速分布と、図７の所定の風速の風から得られる風力エネルギーを掛け合わせる。掛け合わせることで、その海域における最も効率的に風力エネルギーを得ることができる風速を算出することができる。図８の横軸は風速であり、縦軸は所定の海域における所定の風速から得られる年間発電量（ＭＷｈ）である。
【００５１】
そして最も効率的に風力エネルギーを得ることができる風速に適した傾斜角θを設定する。風速と傾斜角θの関係は、事前に検討することで導くことができる。
【００５２】
上述の方法で、最も適切な傾斜角θを求めることができる。一方で、傾斜角θは必ずしも所定の風力を受けた際に最大限の風力エネルギーが得られるように設定しなければいけないわけではない。すなわち、図９の場合において、必ずしも風速１２ｍ／ｓの風を受けた際に風車が水面に対して直立するように設定しなければいけないわけではない。例えば図９の場合において、風速１５ｍ／ｓの風を受けた際に風車が水面に対して直立するように設定しておいても、十分な効果を得ることはできる。
【００５３】
すなわち、この傾斜角θはある程度の幅をもって設定してもよい。
陸上の風車は、発電効率の面では洋上の風車より優れる。これは洋上では陸上と比較して、風や波による影響を受け、風車自体が揺動するためである。そこで、風車を傾斜角０°で陸上に設置した際の発電量を基準として規格化した際に、洋上の風車の発電効率が所定の閾値以上を超えるように傾斜角θを設定しておけば、十分に効率の高い発電を実現することができる。ここで所定の閾値は、陸上の発電効率を１とした際にその０．９０倍以上に設定することが好ましく、０．９５倍以上に設定することがさらに好ましい。また風速は分布を有するため、全ての風速で陸上の発電効率に対して０．９０倍以上の発電効率を実現することは難しい。そのため、風速分布に基づき設定される風車のカットイン風速からカットアウト風速の範囲において陸上の発電効率に対して０．９０倍以上の発電効率を得られることが好ましい。ここで、「カットイン風速」は、風車が発電を開始する風速を意味し、「カットアウト風速」とは、風速が大きくなりすぎ危険防止のために発電を停止する風速を意味する。
【００５４】
図９は、風車１の回転方向に対する浮体２に加わる力の向きを模式的に示した平面図である。
風車１が所定の方向に回転すると、浮体２には、その回転と反対の方向に反作用の力が加わる。そのため、浮体２上に、単に風車１を設置した場合、浮体２が回転方向と逆方向に回転してしまう。図５（Ｂ）に示すように、本発明の洋上風力発電装置１０は、主方向からの風を受け傾斜角θだけ傾いていた羽根１１を立ち上げることで発電効率を高めている。これに対し、浮体２が回転してしまうと、主方向に対して所定の向きに傾けることが難しい。そのため、この回転を抑制する必要が有る。
【００５５】
例えば、浮体２の４つの角に係留索を設けることで、回転を抑制することができる。
また洋上風力発電装置１０内で回転駆動するギア（例えば、増速機のギア）等を、風車の回転方向と逆方向にすることで、浮体２の回転を抑制することもできる。この方法では、係留索を用いる場合と違い、浮体２の向きを自由に変更できる。そのため、時間と共に、風の主方向が変化する場合において、特に有用に用いることができる。
【００５６】
図１０は、本発明の洋上風力発電装置を係留索で係留した洋上風力発電設備の一例の断面の断面模式図である。洋上風力発電設備１００は、洋上風力発電装置１０と、係留索１０１を備える。図１０では、係留索１０１は、洋上風力発電装置１０の中央Ｃに接続されている。係留索１０１が洋上風力発電装置１０の中央に接続されているため、洋上風力発電装置１０は重心Ｇ方向に傾く。例えば、時期によって風の主方向が変化する海域等では、時期に合せて洋上風力発電装置１０の向きを変化できることが好ましい。
図１０に示す洋上風量発電装置１００は、洋上風力発電装置１０の中央Ｃに係留索１０１が接続されているため、海面Ｓと平行な面内方向に回転自在である。すなわち、洋上風力発電装置１０に向かって吹く風の変化に合せて、自在に洋上風力発電装置１０の向きを変えることができる。
【００５７】
このとき、洋上風力発電装置１０が回転自在となると、風を受けた際に風車が立ち上らずに、風を受け流す方向に洋上風力発電装置１０自体が回転してしまうおそれがある。そのため、時期によって主方向を設定したら、洋上風力発電装置１０自体が回転しない様に、回転方向に対する動作を制限する機構を設けておくことが好ましい。例えば、係留索１０１の洋上風力発電設備１００の接続部を嵌めこみ構造とし、回転させたい際は嵌めこみを緩めることで回転自在としてもよい。
係留索１０１はそのままアンカーとして海底に接続してもよいが、間にフロート１０２を介して接続することが好ましい。図１０に示すようにフロート１０２を複数の係留索１０３で強固に係留することで、フロート１０２を固定しつつ、係留索１０１を支点に洋上風力発電装置１０を回転自在とすることができる。また係留索１０１の長さを短くできるため、潮流、波、風等によって洋上風力発電装置１０が激しく動くことを抑制できる。
【００５８】
図１１は、本発明の洋上風力発電装置１０を係留索２０１で係留した洋上風力発電設備２００の別の例の平面模式図である。図１１に示す洋上風力発電設備２００は、平面視洋上風力発電装置１０と洋上の異なる位置に設けられた支持設備２０２と、支持設備２０２と洋上風力発電装置１０を繋ぐ係留索２０１を備える。係留索２０１は、支持設部２０２を中心に、放射状に形成されている。このように洋上に別途設けた支持設備２０２に対して洋上風力発電装置１０を係留するため、一つの支持設備２０２に対して複数の洋上風力発電装置１０を接続することができる。そのため、より風力発電設備を高密集することができ、単位面積当たりの発電量を高めることができる。また支持設備２０２を中心に、洋上風力発電装置１０は回転自在である。そのため、風の主方向が変化する場合に、洋上風力発電装置１０の向きを変更することができる。
【００５９】
このとき洋上風力発電設備１０の傾斜方向は、支持設備２０２の方向に傾いていることが好ましい。洋上風力発電設備１０が支持設備２０２方向に傾いていると、風を受けた洋上風力発電設備１０が立ち上る際に加わる力と、支持設備２０２から係留索２０１により引っ張られる力が互いに打ち消し合う方向となる。そのため、洋上風力発電装置１０が急激に立ち上がることにより、転覆等が生じることを抑制することができる。
【００６０】
（第２実施形態）
図１２は、本発明の第２実施形態に係る洋上風力発電装置の斜視模式図である。洋上風力発電装置３０は、複数の風車３１と、浮体２とを備える。その他の構成について、第１実施形態と同様の構成を用いることができ、その場合は説明を省略する。
図１２では、複数の風車３１は、重し３により風の主方向に対して傾いている。
【００６１】
複数の風車３１は、隣接する風車３１同士でその羽根の回転方向が異なる。隣接する風車３１の回転方向が異なると、互いの風車３１で発生する風の干渉を抑制することができ、洋上風量発電装置３０全体としての発電効率を高めることができる。
一般に複数の風車が隣接すると、その互いの干渉の影響を十分抑制するためには、風の流れ方向と垂直な方向に対しては直径の３倍以上、風の流れ方向に対しては直径の１０倍以上離す必要が有ると言われている。しかしながら、隣接する風車３１の回転方向を互いに逆とすることで、風の流れ方向と垂直な方向に対して隣接する風車３１間の距離を直径の１．６５倍まで縮めることができる。
【００６２】
また複数の風車３１が、風の主方向に対して交差する方向に並列していることが好ましい。風の主方向に並列して風車３１が並ぶことで、互いの風車３１の干渉を避けることができる。また風を風車３１が設置された浮体３２の長手方向に対して垂直な方向から受けることになるため、風を受けやすくなり、初期状態で傾斜している風車を立ち上げやすくなる。
【００６３】
複数の風車３１の数は偶数個であり、その半分の風車の回転方向と、残り半分の風車の回転方向が異なることが好ましい。第１実施形態でも述べたように、風車３１が回転すると風車３１の回転方向と逆方向に反作用の力が加わる。この力のバランスが崩れると、洋上風力発電装置３０が回転してしまう。風車３１の数が偶数個で、一方の方向に回転する風車と、その回転方向と逆方向に回転する風車の数が等しければ、互いの反作用の力が相殺される。したがって、洋上風力発電装置３０が回転してしまうことをさけることができる。
【００６４】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【実施例】
【００６５】
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【００６６】
（実験例１）
まず、風車として以下の風車を設定した。
ブレード枚数：３枚
ブレード形状：直線翼
ブレード重量（３枚）：７４．７３ｔｏｎ
ブレード長：４６．０ｍ
ブレード幅：５．０ｍ
ブレード厚さ：１．０ｍ
ブレードサポーター重量：１２．５４ｔｏｎ
ブレードサポーター長さ：２０．０ｍ
ブレードサポーター幅：２．０ｍ
ブレードサポーター厚さ：０．５ｍ
タワー重量：２９．８６ｔｏｎ
タワー半径：１．２ｍ
タワー高さ：３９．５ｍ
ここで、ブレードは図１における羽根１１に対応し、ブレードサポーターは図１における接続部１３に対応し、タワーは図１における回転軸１２に対応する。
【００６７】
この風車が２基、浮体上に設置された洋上風力発電装置を設定した。このとき、２基の風車の間隔は、風車の直径の１．６５倍とした。
この風車が並列に並ぶ方向と垂直な方向から風を当てて、風力に対する発電効率をシミュレーションにより算出した。
【００６８】
風車の羽根に加える風荷重と、風荷重により洋上風力発電装置が傾斜する傾斜角は以下のように、日本海事協会鋼船規則Ｐ編（ＮＫ  Ｒｕｌｅｓ  ｐａｒｔ．Ｐ）に基づき算出した。
図１３に示すように、直立時における風上方向に対する構造部分の投影面積を受圧面積Ａとし、風荷重の作用点をＡの図心ＡＣを構造部分の中心に投影した点とした。水面からＡの図心までの距離Ｌ（ｍ）を垂直高さとし、高度係数Ｃｈを設定する。また構造部分の形状に応じて決定される形状係数Ｃｓを設定する。
高度係数Ｃｈ及び形状係数Ｃｓは以下の表１及び表２から求める。
【００６９】
【表１】
2016182876.tif 000005
【００７０】
【表２】
2016182876.tif 000006
【００７１】
この際、風圧Ｐは次式によってあらわすことができる。
Ｐ＝０．６１１ＣｈＣｓＶｗ２
ここで、Ｖｗは風速（ｍ／ｓ）である。またこの風圧Ｐによる風荷重Ｆは、以下の式で算出できる。
Ｆ＝ＰＡ（Ｎ）
したがって、風荷重Ｆから重心まわりのモーメントＳＯＭを求めると、風荷重による浮体の傾斜角θは以下の式（３）となる。ここでρは水の密度（ｋｇ／ｍ３）であり、Ｖは排水容積（ｍ３）であり、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ２）であり、ＧＭはＧＭ値であり復元力の指標である。
【００７２】
【数３】
2016182876.tif 000007
【００７３】
この式に基づき、２０ｍ／ｓの風で風車が海面に対し直立するように初期傾斜角を設定したもの（実施例１）と、２５ｍ／ｓの風で風車が海面に対し直立するように初期傾斜角を設定したもの（実施例２）と、洋上風力発電装置の重心と中心が一致する従来の洋上風力発電装置の風速に対する発電効率（比較例１）と、陸上に風車を設置したもの（参考例１）の風速に対する発電効率を計算した。陸上の風車は、風車自体が地面に固定されているため、風により風力発電設備が傾斜することはない。そのため、参考例１の発電効率を１として規格化した。
【００７４】
図１４は、実施例１、実施例２、比較例１および参考例１それぞれの風速に対する発電効率を示したグラフである。
図１４に示すように、実施例１の風車は、風速２０ｍ／ｓで界面に対して直立するため、風速２０ｍ／ｓで最大の発電効率を得ることができる。同様に実施例２の風車は、風速２５ｍ／ｓで界面に対して直立するため、風速２５ｍ／ｓで最大の発電効率を得ることができる。これに対して比較例１の風車は、風速が大きくなるにつれ発電効率が低下している。これは、風速が大きくなるにつれ、風車が風の流れる方向に傾斜し、ロスする風Ｆ２分のエネルギー量が多くなるためである。洋上では、陸上と比較して揺動するため、どうしても発電効率は陸上より劣る。一方で、洋上の方が広い面積を有効に利用できることを考慮すると、陸上の０．９０倍程度の発電効率を実現できることが好ましい。すなわち、実施例１のように初期傾斜角を設定した場合は、風速０ｍ／ｓ〜３５ｍ／ｓの風を有効に利用することができ、実施例２のように初期傾斜角を設定した場合は、風速７．５ｍ／ｓ〜４２．５ｍ／ｓの風を有効に利用することができる。すなわち、適宜使用する海域に合せて初期傾斜角を設定することで洋上でも高い発電効率を実現することができる。
【００７５】
（実験例２）
実験例１でシミュレーションした１／１００縮尺した模型を作製した。
この模型を長さ１００ｍ、幅８ｍ、水深３．５ｍの水槽に浮かべた。そして、２基の風車の並列方向に対して垂直な方向から送風機を用いて風を送風した。送風機は、各辺７５ｃｍの送風機を３台、横一列に並べて使用した。
送風機の出力と、発生する風速の関係及び実サイズ（１００倍）換算した際の風速を以下に示す。
【００７６】
【表３】
2016182876.tif 000008
【００７７】
このとき、送風機の出力に対する風車の回転数を計測した。また同様に、風車が１基のみからなる模型を作製し、同様の実験を行った。
図１５は、風車の回転方向がそれぞれ異なる二つの風車に対して風を加えた際の、それぞれの風車の回転数と、一つの風車に対して風を加えた際の風車の回転数を比較した結果を示す。縦軸は、風車の回転数であり、横軸は風を供給する送風機の回転数を示す。
図１５に示すように、風を供給する送風機の回転数が、２５Ｈｚ，３０Ｈｚ，５０Ｈｚでは、２つの風車を並列に並べた場合と１つの風車のみの場合とで、それぞれの風車の回転数はほぼ等しかった。さらに、４０Ｈｚでは、２つの風車を並列に並べた場合の方が、風車の回転数が上回る（１．０８倍）結果となった。
すなわち、互いの風車が干渉によりその発電効率が劣化していない。風車の間隔を狭くしつつ、各風車の発電効率が劣化しないことは、単位体積当たりの発電効率を高めることに繋がる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の洋上風力発電装置を用いることで、発電効率の高い風力発電を行うことができる。また複数の風車を隣接して設けることができ、集合型風力発電所（ウィンドファーム）を実現することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１，２１，３１…風車、２，２２，３２…浮体、２Ａ…外枠、２Ｂ…風車載置部、３…重し、１０，２０，３０…洋上風力発電装置、１１，２３…羽根、１２…回転軸、１３…接続部、１００，２００…洋上風力発電設備、１０１，１０３，２０１…係留索、１０２…フロート、２０２…支持設備
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2016182876.tif 000018
【図１１】
2016182876.tif 000019
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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