福島県沖浮体式洋上ウィンドファームの気象・海象・浮体動揺の観測について*
About measurement of a metocean and the floater motion of Fukushima floating offshore wind farm

川東 龍則**

山口 敦**

石原 孟**

Tatsunori KAWAHIGASHI Atsushi YAMAGUCHI Takeshi ISHIHARA

台で観測されているデータを信頼性確認のために参考

１.はじめに東日本大震災および福島第一原子力発電所の事故でにすることはできない。そのため、浮体式サブステー

被災した福島県の復興のために、政府は福島県沖合のションでは観測データの信頼性を確保するため、1 つ海域で世界初の浮体式洋上ウィンドファームの実証研の観測項目に対して、複数種類の観測機器を配置する究を開始した。本稿では、第 1 期工事にあたる世界初こととした。複数種類の観測機器を配置することで、の浮体式サブステーションに構築した気象・海象・浮データの相互確認を行い、データの信頼性を確保する。

体動揺観測システムを紹介するとともに、福島県沖のまた、いずれかの機器に不具合が生じても他の機器で気象・海象および浮体動揺の観測結果の一例を報告す

補い、欠損無くデータを連続取得することができる。
浮体式サブステーションに搭載された観測機器の配る。

置と外観を図 2 に示す。
２.観測システムの設計方針
浮体式サブステーションおよび 2MW 風車搭載の浮体式風力発電設備の設置位置を図 1 に示す。地図上の設
置位置は海岸から約 20km、水深は約 120m である。
浮体式サブステーション

約20km

2MW風車搭載
浮体式洋上風力発電設備

図 1 実証研究海域
図 2 浮体式サブステーション
実証研究海域での気象・海象・浮体動揺の観測は、浮体式洋上風力発電設備の設計建造、および運用に関風況観測については、マスト高度(稼働喫水からの高する技術基盤を確立するために行うものであり、得ら度)40m、50m、60m の 3 高度で、計 3 本のブームを方位れた成果は、国際的設計基準の策定などに重要な役割

角 120°間隔で水平に張出し、その先端に三杯式風速を果たす。従って、浮体式サブステーションの観測シ計、矢羽根式風向計、超音波式風向風速計を設置してステムには「観測データの信頼性確保」と、「欠損無くいる。また、デッキ上にはリモートセンシング技術のデータを連続取得すること」が求められた。ここで、１つであり、近年風力発電分野での導入が進みつつあ浮体式サブステーションが設置されている沖合 20km

るドップラーライダーを設置している。ドップラーラと陸上とでは気象データの相関が小さく、陸上の気象イダーは 40m から 290m の高度までの風向風速を観測で*平成 26 年 11 月 28 日第 36 回風力エネルギー利用シンポジウムにて講演** 会員

東京大学大学院工学系研究科〒113-8656 東京都文京区本郷 7-3-1

きる。
設置した風況観測機器を図 3 および表 1 に示す。
表 1 に示すように風速、風向に対してそれぞれ 3 種類の観測機器による相互確認を行っている。

- 197 -

三杯式風速計の配置としている。

矢羽根式風向計

超音波式風向風速計

RTK－GPS

サテライトコンパス

ドップラーライダー

図 4 浮体動揺観測機器
表 3 浮体動揺観測機器の仕様

図 3 風況観測機器
表 1 風況観測機器の仕様
観測機器
ドップラーライダー(Leosphere社製
WINDCUBEv2)

風速

三杯式風速計(ソニック社製
SOW21-1)

超音波式風向風速計(ソニック社製
SAT-600B)

0~55m/s

加速度1~60m/s

20Hz

0~60m/s

20Hz

0~350°

20Hz

超音波式風向風速計

0~540°20Hz

雨量計

日射(クリマテック社製
CHF-LP02)

温度(ソニック社製
DMT-624)

全天日射計

温度差計

ジャイロ

±45°

20Hz

－10Hz

－20Hz

(Trimble社製
SPS852)

海象観測については、ミドルハルに超音波式海象計
観測データの相互確認のため、浮体式サブステーショ
ンから約 2km 離れた海域(2MW 風車搭載の浮体式洋上風観測範囲 サンプリング

力発電設備近傍)に波浪ブイを設置している。海象観測機器を図 5 および表 4 に示す。

現在天気計

(クリマテック社製
CYG-50202)

20Hzと流速プロファイラ－(ADCP)を設置している。また、

表 2 気象観測機器の仕様

雨量±19.62m/s(古野電気㈱社製
SC-30)

機器を設置してる。

(VAISALA社製
PWD12)(日本航空電子工業㈱社製
JCS7402-A)

サテライトコンパス

また、風況以外の気象観測として、表 2 に示す観測

天気20Hz

RTK-GPS
動揺(ソニック社製
SOW24-1)

観測機器

±19.6
2m/s

(日本航空電子工業㈱社製
JA-5V)

ジャイロ

1Hz

矢羽根式風向計

観測範囲 サンプリング

加速度計

1Hz

0~360°

ドップラーライダー
風向観測機器

観測範囲 サンプリング

4/分

－

波浪ブイ

50mm

1/10分

22000W/m

1/10分-50℃~200℃

1Hz

超音波式海象計

流速プロファイラ－

図 5 海象観測機器
表 4 海象観測機器の仕様観測された風況データは、浮体動揺の影響を受けるため、浮体動揺の影響を高精度に除去し、補正する必観測機器

要がある。従って、浮体式サブステーションにはマス

超音波式海象計ト高度 40m、50m、60m の 3 高度に 2 軸加速度計、上部

波高
波周期構造中央部(B デッキ)に 3 軸加速度計とジャイロ、上部構造上面(C デッキ)に 3 台の RTK－GPS とサテライト(ソニック社製
TU-100A)

波浪ブイ(Datawell社製
DWR-G)コンパスを設置し、浮体動揺を観測している。図 4 に浮体動揺観測機器を示す。また、浮体動揺観測につい流速
波向ても、表 3 に示すように相互確認を考慮した観測機器- 198 -

流速プロファイラ－(TeledyneRDInstruments社製
ワークホースADCP)

観測範囲 サンプリング±15m

2Hz±20m－±5.0m/s

1Hz超音波式海象計と流速プロファイラ－(ADCP)の設置

図 7 には浮体式サブステーションに設置した超音波

位置は浮体最下部(ロワーハル)も候補に挙げられたが、式海象計と、浮体式サブステーションから約 2km 離れ機器のメンテナンスが可能なようにミドルハルに設置た海域(2MW 風車搭載の浮体式洋上風力発電設備近傍)した。ミドルハルは曳航喫水まで浮体を浮上させた際に設置した波浪ブイによって観測した有義波高の 10には大気中に露出するため、観測機器に直接アクセス分間平均値を示した。超音波式海象計と波浪ブイの観してメンテナンスを行うことができる。

測結果はよく一致している。
6

合数十 km での洋上観測システム構築に関する注意事

5有義波高(海象計)項」を以下に示す。洋上での気象・海象・浮体動揺観4

有義波高(波浪ブイ)

波高(m)

今回の観測システムを構築する過程で検討した「沖測の標準化に向けて重要な知見であると考える。
・観測データの信頼性を確保するため、１つの観測項32目に対して、複数種類の観測機器を設置し、相互確1認を行う必要がある。また、複数種類の観測機器を010/5設置することで、いずれかの機器に不具合が生じて10/610/710/810/9
日付10/1010/1110/12

図 7 有義波高の時刻歴データの一例も他の機器で補い、欠損無くデータを連続取得することができる。

浮体動揺の並進 3 成分(サージ、スウェイ、ヒーブ)

・観測機器の設置位置は、メンテナンスの作業性を考と回転 3 成分(ロール、ピッチ、ヨー)は、「3 台の GPS慮して決定する必要がある。

から求める方法」と、「1 台の GPS とジャイロ、サテライトコンパスから求める方法」の 2 種類の方法を用い３.観測結果
図 6 と図 7 に浮体式サブステーションで観測した 1て求めた。GPS は衛星との通信状況が不安定になると週間(2014 年 10 月 5 日～11 日)の時刻歴データを示す。

観測データが欠損する。従って、設置した全ての GPS(3図 6 にはマスト高度 40m における三杯式風速計、矢台)が欠損無く観測できなかった場合の、バックアップ羽根式風向計、超音波風向風速計およびドップラーラ

として「1 台の GPS とジャイロ、サテライトコンパスイダーによって観測した 10 分間の平均水平風速、平均から求める方法」を用いることとした。

風向を示した。2014 年 10 月 6 日には台風 18 号の通過

「3 台の GPS から求める方法」は、未知数である並に伴い、10 分間平均水平風速 34m/s を記録した。
なお、

進 3 成分と回転 3 成分、浮体の動揺中心座標(x、y、z)

各観測機器による観測データの差異は小さく、正常にを、9 つの観測データ(緯度、経度、高度×3 台分)を用観測が行われていると判断できる。

いて求める方法である。
また、「1 台の GPS とジャイロ、サテライトコンパスから求める方法」は以下の通りで

40水平風速(m/s)

三杯式ある。ロールとピッチはジャイロで観測した角速度を超音波式

30積分して求める。ヨ－はサテライトコンパスで観測すライダーる(ジャイロで観測されるヨー方向の角速度はドリフ20トするため)。ジャイロとサテライトコンパスから求め10た回転 3 成分と、1 台の GPS の観測データ(緯度、経度、010/510/6

10/710/810/9
日付10/1010/1110/12高度)から並進 3 成分を求める。
図 8 に台風 18 号通過時の 2014 年 10 月 6 日 13：30～13：40(10 分間)の浮体動揺の算出結果を示す。
「3 台

360の GPS から求める方法」と「1 台の GPS とジャイロ、風向(deg)270

サテライトコンパスから求める方法」の浮体動揺の算
矢羽根式

180

超音波式

出結果は良く一致しており、「1 台の GPS とジャイロ、ライダー

サテライトコンパスから求める方法」が GPS の観測デ90ータに欠損があった場合のバックアップとして有効で
010/5

10/6

10/7

10/810/9
日付10/1010/1110/12あることを確認した。

図 6 風向・風速の時刻歴データの一例- 199 -

スウェイ(m)20

GPS3台の 2 種類の方法を用いて求めた。2 種類の方法による

GPS1台＋ジャイロ＋コンパス

15

算出結果はよく一致しており、GPS が欠損無く観測で10きなかった場合の、バックアップとして「1 台の GPS5とジャイロ、サテライトコンパスから求める方法」が00200

サージ(m)

10時間(s)
GPS3台

400600有効であることを確認した。

GPS1台＋ジャイロ＋コンパス

5

謝辞

0

本研究は、経済産業省エネルギー庁の浮体式洋上ウ-5ィンドファーム実証研究事業の一環として行ったもの-100200

ヒーブ(m)

10時間(s)
GPS3台

400600です。福島洋上風力コンソーシアムのみなさまに記して感謝の意を表します。

GPS1台＋ジャイロ＋コンパス

50

参考文献

-51) ドップラーライダー製品情報(英弘精機株式会社)，-100200

ロール角(deg)

10時間(s)
GPS3台

400600

http://eko.co.jp/windpower/win_products/0321.html，
アクセス 2014/10/31

GPS1台＋ジャイロ＋コンパス

2) 風向風速計製品情報(ソニック株式会社)，

5

http://www.u-sonic.co.jp/product/meteorology.html，ア0

クセス 2014/10/31-50200ピッチ角(deg)

10時間(s)
GPS3台

4006003) 現在天気計製品情報(VAISALA)，
http://www.vaisala.co.jp/jp/products/presentweathersen

GPS1台＋ジャイロ＋コンパス

5sors/Pages/default.aspx，アクセス 2014/10/31

04) 雨量計、全天日射計製品情報(クリマテック株式会社)，http://www.weather.co.jp/，アクセス 2014/10/31-50200ヨー角(deg)10時間(s)GPS3台

4006005) 加速度計、ジャイロ製品情報(日本航空電子株式会社)，https://www.jae.co.jp/product/index.html，アクGPS1台＋ジャイロ＋コンパス

セス 2014/10/3156) RTK-GPS 製品情報(Trimble)，0

http://www.trimble.com/construction/heavy-civil/site-p-5
0200時間(s)

400

600

ositioning-systems/sps852_gnss_modular_receiver.aspx?dtID=overview，アクセス 2014/10/31

図 8 浮体動揺算出結果の一例

7) サテライトコンパス製品情報(古野電気株式会社)，
http://www.furuno.com/jp/products/compass/SC-30，４.まとめ

アクセス 2014/10/31

福島県沖浮体式洋上ウィンドファーム実証研究にお8) 超音波式海象計製品情報(ソニック株式会社)，

いて、世界初の浮体式サブステーションに気象・海象・浮体動揺観測システムを構築した。得られた知見を以

http://www.u-sonic.co.jp/pdf/033_usw1000.pdf，アク下にまとめる。

セス 2014/10/319) 波浪ブイ製品情報(Datawell)，

・沖合数十 km での観測システムでは「観測データの信http://ageotec.com/cms/index.php/products/oceanograp

頼性確保」と、「欠損無くデータを連続取得する」た

hy/wave-meters/82-datawell-directional-waverider-mk

めに１つの観測項目に対して、複数種類の観測機器を-iii，アクセス 2014/10/3110) 流速プロファイラ－製品情報(teledyne rd

設置し、相互確認を行う必要がある。

instruments)，http://www.rdinstruments.com/rio.aspx，・観測機器の設置位置は、維持管理に配慮して決定する

アクセス 2014/10/31

必要がある。
・浮体動揺は、「3 台の GPS から求める方法」と「1 台のGPS とジャイロ、サテライトコンパスから求める方法」- 200 -