JP5678391B2 - 浮体式洋上風力発電施設 - Google Patents

Description

本発明は、ローターの回転軸を収容するナセルの回動揺動（ヨーイング回転、偏揺れ回転）及び浮体の回動揺動を効率的に抑制することができる浮体式洋上風力発電施設に関する。

従来、風力発電施設においては、風向の変化に対応して風車の向きを変化させるため、風向センサーと組み合わせた能動的制御装置が用いられている。例えば、風向センサーの測定結果に応じて動力装置により風車を回動させて、風向に合わせた位置で風車を保持する構成が採用されている。また、風力発電施設全体のシステムを簡便化するための方策として、能動的制御装置を省略することがある。能動的制御装置を省略する場合、風車のローターの回転軸を水平面上で自由に回動可能な状態で支持し、風見鶏効果により風車の向きを変化させることにより風向の変化に対応させている。
風力発電施設は、ローターが風を受けて回転することによって発電するものである。そして、ローターの回転の自転軸に対して鉛直方向のモーメントが加えられると、いわゆるジャイロ効果によって、当該モーメントの方向及びローターの自転軸の両方と直交する方向にジャイロモーメントが発生する。たとえば、水に浮かんだ浮体上に設けられた浮体式洋上風力発電施設においては、波浪の影響によって鉛直方向のモーメントが発生する。このため、ジャイロ効果によって、ローターの回転の自転軸に直交する水平方向にジャイロモーメントが発生する。
能動的制御装置を備えた浮体式洋上風力発電施設では、風向に合わせた位置においてナセルが浮体に保持されている。このため、風車のローターの回転軸を収容するナセルに生じたジャイロ効果に起因するジャイロモーメントにより、鉛直軸を回転軸とする浮体の回転運動が生じる。ここで、波の運動は反復運動であるから、浮体はナセルと共に反復運動（回動揺動）することとなる。
また、能動的制御装置を省略した浮体式洋上風力発電施設においては、風車のローターの回転軸は浮体に対して自由に回動可能な状態で支持されている。このため、ナセルに生じたジャイロ効果に起因するジャイロモーメントにより、ナセルの回動揺動が生じることとなる。
発明者は、このジャイロ効果に起因するモーメントが、浮体式洋上風力発電施設の発電効率や機器の耐久性に悪影響を及ぼす原因となっていることを見いだした。

風力発電装置において発生する振動の防止を目的として、種々の構成を採用することが提案されている（特許文献１〜３）。
特許文献１には、ナセルの能動的制御装置として、タワーの上端部に水平方向に回動可能に支持されたプラットフォームを旋回する旋回駆動源と旋回方向の固定手段とを備えた風力発電装置が記載されている。そして、この風力発電装置において、ブレードの共振や共振風速によりタワー等に発生する振動を抑制することを目的として、制振装置を設ける構成が記載されている。
特許文献２には、風力タービンにおいて、ローターの羽根の縁部方向の揺動作用を減衰させることを目的として、ナセルに揺動作用減衰手段を配置する構成が記載されている。
特許文献３には、風力発電機において、増速ギアボックスを介してナセルフレームに伝達される振動を防止すること及びナセルフレームから増速度ギアボックスに伝達される振動を防止することを目的として、増速ギアボックスとナセルフレームとの間に防振ダンパーを設ける構成が記載されている。

特開２００３−１７６７７４号公報 特表２００２−５１７６６０号公報 特表２００８−５４６９４８号公報

このように、風力発電施設において、従来、ローター等の回転自体によって発生する振動は問題とされていたものの、ジャイロ効果に起因するジャイロモーメントにより生じるナセルの揺動について着目したものは存在しない。このため、これら特許文献に記載の風力発電装置に用いられている振動抑制手段では、浮体式洋上風力発電施設が波浪の影響を受ける際、ジャイロ効果に起因するジャイロモーメントによって発生するナセルや浮体の回動揺動を防止することはできない。

そこで、本発明は、ジャイロ効果に起因するジャイロモーメントによって発生するナセルや浮体の回動揺動を防止して風力発電施設の発電効率や機器の耐久性に対する悪影響を抑制することができる浮体式洋上風力発電施設を提供することを目的としている。

請求項１に記載の本発明の浮体式洋上風力発電施設は、洋上で構造体の一部として浮体を用いて発電を行う浮体式洋上風力発電施設において、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、前記ナセルを水面に対して回動自在に支持する回動手段を有した前記構造体と、前記ナセルの水面に対する回動揺動を抑制する揺動抑制手段とを備え、前記揺動抑制手段として前記構造体の形状または構造と周囲の流体との相互干渉により回動揺動を抑制する流体力学的ダンパーを用いたことを特徴とする。
この構成によれば、ジャイロ効果に起因するナセルの回動揺動を揺動抑制手段により抑制することができる。また、洋上における浮体のピッチング動揺に起因するジャイロ効果により誘起されるナセルの回動揺動を揺動抑制手段により抑制することができる。また、水中の流体力学的ダンパーの水への抵抗によりナセルまたは浮体の回動速度に応じて、回動への抵抗を変化させ回動揺動を抑制することができる。
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の浮体式洋上風力発電施設において、前記ナセルを前記ローターに対して風上側に設けたことを特徴とする。
この構成によれば、いわゆる風見鶏効果によってナセルを水面に対して回動させて、回転軸の向きを風向と合せることができる。
請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の浮体式洋上風力発電施設において、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。
この構成によれば、いわゆる風見鶏効果をさらに向上させることができる。
請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３のうちの1項に記載の浮体式洋上風力発電施設において、前記揺動抑制手段として油圧ダンパーを更に備えたことを特徴とする。
請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項３のうちの1項に記載の浮体式洋上風力発電施設において、前記揺動抑制手段として摩擦ダンパーを更に備えたことを特徴とする。
振動抑制手段として油圧ダンパー又は摩擦ダンパーを用いることにより、ナセルの回動を抑制するための抵抗をナセルの回動の早さに応じて変化させることができる。

請求項６に記載の本発明は、請求項１から請求項５のうちの１項に記載の浮体式洋上風力発電施設において、前記浮体を係留索で係留したことを特徴とする。
請求項７に記載の本発明は、請求項６に記載の浮体式洋上風力発電施設において、前記浮体を略円筒形状に形成し、前記浮体を水平面に投影した際に、前記略円筒形状における円の円周上の２点をそれぞれの一端として接続される２本の前記係留索からなる係留索対が用いられ、前記２本の前記係留索は、それぞれが前記円の略接線となる形状とされ、同一側に延びる形態としたことを特徴とする。
この構成により、浮体の円筒中心軸回りの回転を抑制することができる。
請求項８に記載の本発明は、請求項１から請求項７のうちの1項に記載の浮体式洋上風力発電施設において、風を受けて傾いた状態における前記ローターの前記回転軸が風向に対して平行になるように、風を受けていない状態における前記ローターの前記回転軸を前記水面に対して所定角を持たせて前記ナセルを前記構造体に支持したことを特徴とする。
この構成により、ローターが風を受けたときに風力発電施設が傾くことを考慮して所定角を設定できるから、発電時においてローターの回転軸が風向に対して平行となるようにすることができる。なお、ここで「風を受けて傾いた状態」とは、風力発電施設が設置される場所において想定される代表的な風速の風を受けることによって傾いた状態のことをいう。また、代表的な風速としては、例えば年間の平均風速や発電効率が最大となる風速等が挙げられる。

本発明の浮体式洋上風力発電施設は、ジャイロ効果に起因する回動揺動を揺動抑制手段により抑制できるから、回動揺動による風力発電施設の発電効率や機器の耐久性に対する悪影響を抑制することが可能となる。
また、ナセルをローターに対して風上側に設けた構成やローターにコーニング角を付与した構成とすれば、いわゆる風見鶏効果によりナセルを回動させてローターの回転軸を風向に合せて、ローターを風向に正対させることができるから、風力発電施設の発電効率を向上させることが可能となる。
また、揺動制御手段として油圧ダンパーや摩擦ダンパーを用いた構成を採用すれば、ナセルの回動速度に応じて揺動制御手段の抵抗を変化させることができるから、風見鶏効果による速度の遅いナセルの回動を抑制することなく、ジャイロ効果による速度の速いナセルの回動揺動を抑制することが可能となる。

本発明の浮体式洋上風力発電施設は、揺動抑制手段を備えているから、ジャイロ効果によるナセルの回動揺動を抑制することにより、発電効率及び機器の耐久性を向上させることが可能となる。また、ジャイロ効果の逆作用により浮体のピッチング揺動も抑制することができる。
また、浮体を、前記浮体の中心軸回りの回転運動を抑制する係留索で係留した構成とすれば、ジャイロ効果に起因するナセルの回動揺動および浮体のピッチング揺動を効果的に抑制することができ、発電効率及び機器の耐久性を向上させることが可能となる。
また、風を受けていない状態におけるローターの回転軸と水平面との間に所定角を持たせた構成とすれば、発電時においてローターの回転軸の向きと風向とを略平行として略一致させることができるから、ローターの回転面を風向に対して略直角として発電効率を向上させることが可能となる。
また、揺動制御手段として水中の前記構造体に設けられた流体力学的ダンパーを用いた構成とすれば、ナセルの回動速度に応じて抵抗を変化させることができ、ジャイロ効果に起因してナセルあるいは浮体に生じる回動揺動を抑制し、また浮体のピッチング揺動を抑制して、発電効率及び機器の耐久性を向上させることが可能となる。

本発明の第１の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す斜視図 本発明の第１の実施形態による風力発電施設の回動揺動抑制装置の構造を示す要部側面図 海上における風向の変化と波浪の影響による水上の浮体の揺れ角度との関係を示しており、（ａ）は風向の変化を示すグラフ、（ｂ）は揺れ角度の変化を示すグラフ 油圧ダンパーの概略構成を示しており、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ｂ）のＡＡ矢視断面図 摩擦ダンパーの概略構成を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図 本発明の第１の実施形態となる浮体の係留装置の構成を示しており、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図 本発明の第１の実施形態における一つの係留索対の構成を示す図 従来の緊張係留方式の構成を示しており、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図 本発明の第２の実施形態による風力発電施設の回動揺動抑制装置の構造を示す要部側面図 本発明の第２の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の備えている回動揺動抑制装置の概略構成を示しており、（ａ）は風を受けた状態における側面図、（ｂ）は風を受けていない状態における側面図 本発明の第３の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す斜視図 本発明の第３の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す斜視図 本発明の第４の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す斜視図

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について、図１〜図８を参酌して以下に説明する。本実施形態では、本発明を浮体式洋上風力発電施設として実施する場合について説明する。
図１は本実施形態による浮体式洋上風力発電施設１０の概略構成を示す斜視図である。同図に示すように浮体式洋上風力発電施設１０は、回動揺動抑制装置２０が設けられた浮体３１が係留索３２を介して海底Ｂのアンカー３３に係留されたものである。なお、浮体３１の下から出ている線は送電線３４を示している。本実施形態の浮体式洋上風力発電施設１０が備えている回動揺動抑制装置２０の構造について、図２を参照して説明する。
図２は、本実施形態による浮体式洋上風力発電施設１０の回動揺動抑制装置２０の構造を示す要部側面図である。同図に示すように、回動揺動抑制装置２０は、風により回転するローター１１と、ローター１１の回転軸１２を収容するナセル１３と、ナセル１３を水面または地面に対して回動自在に支持する回動座軸受（回動手段）１４を有したタワー（構造体）１５と、ナセル１３の水面に対する回動揺動を抑制する揺動抑制手段１６を備えて構成されている。

ローター１１は、複数の羽根１８が放射状に設けられているハブ１７と、ハブ１７に連結された回転軸１２とを備えている。回転軸１２は、ナセル１３内に回転可能に軸支されており、ローター１１が風を受けることにより回転軸１２が回転して、ナセル１３内に設けられている発電機（図示しない）によって発電を行う。図２における白抜き矢印Ｗは風向を示している。本実施形態の回動揺動抑制装置２０では、ローター１１がナセル１３よりも風下側に設けられている。これにより、回動座軸受１４に設けられているナセル１３の回転による風見鶏効果を効果的に生じさせることができる。

ナセル１３は風Ｗを受けて回転する回転軸１２をその内部に収容している。また、図示しないが、回転軸１２の回転速度を増加させて発電機に伝達するギアボックス等、風力発電機が備えている発電のための手段をも備えている。そして、ナセル１３は、タワー１５の上部に設けられている回動座軸受１４により、海面Ｐに対して回動自在に支持されている。これにより、ナセル１３の回動によって風向Ｗの変化に応じて回転軸１２の方向を変化させて、ローター１１の羽根１８の回転面を風に正対させることができる。

揺動抑制手段１６は、ローター１１が回転している際、波浪により鉛直方向の力が加わったときにジャイロ効果により生じるナセル１３の回動揺動を抑制するためのものである。このジャイロ効果によるナセル１３の回動揺動に着目して設けられた揺動抑制手段１６によりナセル１３の回動揺動を抑制することができるから、浮体式洋上風力発電施設１０の発電効率や機器の耐久性を向上させることが可能となる。なお、本実施形態ではタワー１５に揺動抑制手段１６を設けているが、ナセル１３側に揺動抑制手段１６を設けることとしても良い。

なお、回動揺動抑制装置２０を浮体式洋上風力発電施設１０ではなく、陸上の風力発電装置に設ける場合、ナセル１３は、回動座軸受１４により地面に対して回動自在に支持されることとなる。そして、何らかの理由により鉛直方向のモーメントが加わった場合に揺動抑制手段１６でナセル１３の回動揺動を抑制することができる。

つづいて、洋上において、浮体式洋上風力発電施設１０のナセル１３にジャイロ効果による回動揺動が発生する機構について、図１及び図３を参照して説明する。自転している物体が、自転軸と直交する方向に回転運動すると、それぞれに直交する方向にモーメントが働き、これをジャイロモーメントと呼ぶ。このジャイロモーメントが生じる効果をジャイロ効果という。
Ω×Ｌ＝Ｔ
Ω：自転軸を振る回転速度
Ｌ：自転軸角運動量
Ｔ：ジャイロモーメント
ローター１１が回転運動Ｌをしている場合において、海面Ｐの波浪によって浮体３１に復元力を伴う運動であるピッチング揺動Ωが生じると、ローター１１は自転軸Ｓに直交する鉛直方向に回転運動することとなる。これにより、ローター１１の自転軸Ｓと鉛直方向の両方に直交する水平方向にジャイロモーメントが働くこととなる。浮体式洋上風力発電施設１０では、回動座軸受１４によりナセル１３が回動自在となっているから、このジャイロモーメントにより、図１中にＴで示した方向にナセル１３の回動が生じる。

図３は、海上における風向の変化と、波浪の影響による水上の浮体の揺れ角度との関係を示すものであり、（ａ）は風向の変化を示すグラフであり、（ｂ）は揺れ角度の変化を示すグラフである。（ａ）のグラフ中の破線で囲んだ部分と（ｂ）のグラフは、いずれも１時間の間の変化を示している。図３（ａ）（ｂ）のグラフの比較によれば、風向の変化は長い時間をかけて生じ、波浪の影響による揺れ角の変化は短い時間に生じることが分かる。すなわち、風向の変化に伴うナセル１３の回動の速度は遅く、波浪の影響などに起因するジャイロ効果によるナセル１３の回動揺動の速度は速い。
このように、波浪の影響による揺れ角の角度は短い周期で変化することから、ジャイロ効果によってナセル１３の回動揺動が誘起されることとなる。このナセル１３の回動揺動が、風力発電施設の発電効率や機器の耐久性に対する悪影響の原因となる。
したがって、風向の変化に伴うナセル１３の回動を可能としつつ、ジャイロ効果によるナセル１３の回動揺動を選択的に抑制するためには、揺動抑制手段１６として、ナセル１３の回動の速度に応じて抵抗が変化するものを用いることが好ましい。これにより、比較的長時間をかけて変化する風向変化に起因する回動座軸受１４に支持されているナセル１３の遅い回動に対しては減衰効果を生じさせないで、いわゆる風見鶏効果を発揮させることができる。また、波浪によって起こる周期が回転速度の短いナセル１３の回動揺動に対しては減衰効果を生じさせて、選択的に抑止することができる。
本実施形態の浮体式洋上風力発電施設１０は、揺動抑制手段１６によりナセル１３の回動揺動を抑制することができるから、上記の悪影響を抑制することが可能となる。
揺動抑制手段１６を備えた回動揺動抑制装置２０を用いることにより、波浪に起因する浮体３１のピッチング動揺によるジャイロ効果によってナセル１３に回動揺動が生じることを抑制することができる。さらに、ナセル１３の回動揺動を抑制することにより、ジャイロ効果の逆作用による浮体３１のピッチング揺動をも抑制することが可能となる。

図４は油圧ダンパーの概略構成を示しており、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ｂ）のＡＡ矢視断面図である。これらの図に示すように、油圧ダンパー１６０は、本体ケース１６１とキャップ１６２により囲まれた内部に回転体１６３とオイル１６４とを備えている。油圧ダンパー１６０は、オイル１６４の粘性抵抗によって生じる制動力を利用したダンパーであり、本体ケース１６１と回転体１６３との間隙、オイル１６４の接触面積、オイル１６４の粘性などを調整することにより、回転体１６３の回転に対する制動トルク（抵抗）を変化させることができる。また、回転体１６３の回転速度と制動トルクの間には、回転速度が上がると制動トルクは上がり、回転速度が下がると制動トルクも下がるという関係がある。
油圧ダンパー１６０を用いた場合、オイル１６４の粘性抵抗を利用しているので、磨耗など経時的な特性の変化が少なくて済む利点を有している。
図５は摩擦ダンパーの概略構成を示しており、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。これらの図に示すように、摩擦ダンパー１６５は、回転軸１６６の外側面に接するように設けられている摩擦材１６７と、摩擦材１６７を囲むように設けられている回転軸繋ぎ材１６８を所定方向に押す弾性体１６９とを備えている。摩擦ダンパー１６５は、回転軸１６６と摩擦材１６７との間の摩擦抵抗によって生じる制動力を利用したダンパーであり、回転軸１６６と摩擦材１６７との間の摩擦抵抗、接触面積などを調整することにより、制動トルク（抵抗）を変化させることができる。また、回転軸１６６の回転速度と制動トルクの間には、回転速度が上がると制動トルクは上がり、回転速度が下がると制動トルクも下がるという関係がある。
摩擦ダンパー１６５を用いた場合は、シール部などが不要で構成が簡略化でき、周囲温度の変化が大きい環境下では比較的安定して特性を維持できる利点を有している。

浮体３１は水中において、係留索３２により海底Ｂに設けられているアンカー３３に浮体３１の中心軸回りの回転運動を抑制する係留方式で係留されている。このため、浮体３１の水中における回転が抑制される。この係留方式については、後で説明する。
ナセルを風向に合わせるためのナセルの回転運動を能動的に制御する装置を備えた浮体式洋上風力発電施設では、風向に合わせた位置において風車が浮体に一時的に固定されて保持されている。このため、風車のローターのジャイロ効果に起因するジャイロモーメントにより、鉛直方向を回転軸とする浮体の回転運動が生じようとするが、これを拘束する係留がこの回動揺動を抑制することで、浮体式洋上風力発電施設の発電効率や機器の耐久性への悪影響を抑制することができる。
しかし、ナセルの回転運動を能動的に制御する装置を省略して風見鶏効果によってナセルを風向に合わせる方式の浮体式洋上風力発電施設においては、風車のローターの回転軸は浮体に対して自由に回動可能な状態で支持されている。このため、浮体の回動揺動を抑制しても、ナセルに生じたジャイロ効果による回動揺動を抑制することはできない。そこで、本実施形態の浮体式洋上風力発電施設１０では、揺動抑制手段１６を設けることにより、ジャイロ効果によりナセル１３に生じる回動揺動を抑制している。

浮体３１の中心軸回りの回転運動を抑制する係留方式について、図６および図７を参酌して以下に説明する。
図６は、本実施形態に係る浮体の係留装置の構成を示す上面図（ａ）、側面図（ｂ）である。ここで、上面図（ａ）は、この浮体の係留装置を水平面上に投影した図となっている。浮体３１には、複数の係留索３２の一端が接続される。各係留索３２の他端は、水中に設けられたアンカー３３に接続されている。

浮体３１は略円筒形状に形成されており、浮体３１を水平面に投影した際に、略円筒形状における円の円周上の２点をそれぞれの一端として接続される２本の係留索３２からなる係留索対が用いられ、前記２本の係留索３２は、それぞれが前記円の略接線となる形状とされ、同一側に延びる形態となるように構成されている。これにより、揺動抑制手段１６が回動揺動を抑制した際、浮体３１に力が加わることにより浮体３１に回動揺動が生じることを防ぐことができる。

ここで、右下のアンカー３３に接続された２本の係留索３２と浮体３１との関係を、図６（ａ）の上面図（水平面上の投影図）において示したものが図７である。２本の係留索３２の一端は、それぞれ浮体３１の円周上の点Ａ、Ｂに接続される。各係留索３２は、点Ａ、Ｂにおける接線Ｌ１、Ｌ２の形態をなし配置されている。
この構成において、浮体３１においてその中心Ｃの回りの回転運動が生じた場合、この２本の係留索３２のうちの一方が伸び、張力が働く。浮体３１の半径をｒ、浮体３１の回転角度を△θとした場合、下面図におけるこの伸びた側の係留索３２の伸び量△Ｌは、（１）式で与えられる。
△Ｌ＝ｒ×△θ ……（１）
フックの法則により、この場合に浮体３１の接線方向における張力Ｔは、係留索３２のばね係数をｋとすると（２）式で与えられ、この伸びにより発生するトルクＮは（３）式で与えられる。
Ｔ＝ｋ・△Ｌ ……（２）
Ｎ＝Ｔ・ｒ ……（３）
２本の係留索３２の構成を図７の通りとすれば、どちらの回転方向であっても、回転運動に反発するトルクを生じさせることができるため、この浮体３１の回転運動が抑制される。

なお、図６においては、各係留索３２が図７における接線Ｌ１、Ｌ２の形態をなすように設定したが、各係留索３２を図７におけるＬ３、Ｌ４（破線）の形態としても、同様の効果を奏することは明らかである。
これに対して、単純な従来の緊張係留方式における構成を図８に示す。同図に示す３方向に放射状に延びた係留索３２によって、浮体３１の水平方向の運動（浮遊）が抑制されることは明らかである。しかしながら、その上面図（図８（ａ））においては、浮体３１の回転方向（円周方向）と係留索３２とのなす角度はほぼ垂直となるため、その回転運動を抑制することは困難である。このため、図８に示した係留方式は、浮体３１の中心軸回りの回転運動を抑制しない係留方式にあたるものである。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について、図９を参酌して以下に説明する。本実施形態の風力発電施設の回動揺動抑制装置は、ローターにコーニング角を付与した構成において、第１の実施形態の回動揺動抑制装置と相違している。なお、第１の実施形態において説明した部材については、同じ番号を付して本実施形態では説明を省略する。

図９は、本実施形態による風力発電施設の回動揺動抑制装置３０の構造を示す要部側面図である。同図に示すように、本実施形態の回動揺動抑制装置３０は、ナセル１３がローター１１よりも風上側に設けられている。また、ローター１１にコーニング角αが付与されている。ここで、コーニング角αとは、羽根１８のハブ１７接続部１８Ａと先端部１８Ｂとを結んだ一点鎖線で示した直線と、図中に一点鎖線で示した鉛直線Ｖとの角度をいう。
この構成によれば、風向Ｗの変化に応じて、水平方向に自由回動可能な状態で回動座軸受１４に支持されているナセル１３が自動的に回動してローター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。なお、回転軸１２の軸方向と風向とが一致しているときには、ローター１１の回転面すなわち羽根１８の先端部１８Ｂの軌跡により形成される平面が風向に対して略直角となっている。

本発明を、回動揺動抑制装置３０を備えた浮体式洋上風力発電施設（図１参照）として実施する場合、風を受けて傾いた発電状態におけるローター１１の回転軸１２が水平面Ｈ上に位置するように構成することが好ましい。この構成について、図１０を参酌して説明する。
図１０は、本実施形態の浮体式洋上風力発電施設に備えられた回動揺動抑制装置３０の概略構成を示しており、（ａ）は風を受けた状態における側面図であり、（ｂ）は風を受けていない状態における側面図である。本実施形態の回動揺動抑制装置３０は、図１０（ａ）に示すように、風を受けて傾いた発電状態におけるローター１１の回転軸１２（軸方向の直線をＳで示す）を水平面Ｈ上に位置させることにより、回転軸１２の回転軸の方向を風向Ｗに一致させること（両者を平行にすること）ができる。このため、図１０（ｂ）に示すように、風を受けていない状態においては、ローター１１の回転軸１２（直線Ｓ）が水平面Ｈに対して所定角βを持つようにしてナセル１３はタワー１５に支持されている。
所定角βは、浮体式洋上風力発電施設による発電効率が良好になるよう、最も一般的な風速に基づいて設定すればよい。また、風速に応じて所定角βが最適な角度になるように、所定角βを変化させる所定角β制御手段を備えた構成としてもよい。
図７を参照して説明した上記の構成は、第１の実施形態において説明した回動揺動抑制装置２０を用いた浮体式洋上風力発電施設においても用いることができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について、図１１及び図１２を参酌して以下に説明する。本実施形態では、本発明を浮体式洋上風力発電施設として実施する場合について説明する。なお、第１または第２の実施形態において説明した部材については、同じ番号を付して本実施形態では説明を省略する。
図１１は、本実施形態による浮体式洋上風力発電施設４０の概略構成を示す斜視図である。同図に示すように浮体式洋上風力発電施設４０は、ナセル１３と構造体４１とを一体にして、ナセル１３が構造体４１に対して回動しないように構成したものである。構造体４１は、水に浮くものであって、その上端にはナセル１３が固定されており、その下端が回動手段４２を介して海底Ｂのアンカー４３に繋がれている。この回動手段４２は、構造体４１が風向Ｗの変化に応じて回動可能となるように構造体４１をアンカー４３に繋ぐものであって、構造体４１に風見鶏効果を発揮させるものである。
構造体４１の外側には流体力学的ダンパー４４が設けられている。係留構造体４１は中心軸回りの回転運動を抑制しない係留方式により係留されたものであるが、この流体力学的ダンパー４４を水中に位置させることにより、揺動抑制手段としての機能を果たすことができる。すなわち、羽根形状の流体力学的ダンパー４４の水に対する抵抗は、構造体４１の遅い回動に対しては小さくなり、速い回動に対しては大きくなる。このため、速い回動であるジャイロ効果による構造体４１の回動を選択的に減衰させて抑制することができる。このように構造体４１に流体力学的ダンパー４４を設けることにより構造体４１のジャイロ効果による回動揺動を抑制することができる。なお、構造体４１の回動揺動を抑制するために油圧ダンパー１６０（図４参照）や摩擦ダンパー１６５（図５参照）を併せて、構造体４１に設けることとしてもよい。

図１２は、本実施形態による上述した浮体式洋上風力発電施設４０とは別の構成を備えた浮体式洋上風力発電施設５０の概略構成を示す斜視図である。同図に示すように、浮体式洋上風力発電施設５０は、構造体５１の上部５１Ａとナセル１３とを一体にし、構造体上部５１Ａと構造体下部５１Ｂとの間に回動手段４２を設けたものである。また、構造体５１は回動手段４２よりも下方に位置する構造体下部５１Ｂにおいて、複数の係留索５４により海底Ｂのアンカー４３に固定されている。
この構成により、回動手段４２により構造体上部５１Ａが風向Ｗの変化に応じて回動可能となるから、風見鶏効果を発揮することができる。そして、構造体５１内部に備えられている揺動抑制手段１６によりジャイロ効果によるナセル１３の回動揺動を抑制することができる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について、図１３を参酌して以下に説明する。本実施形態では、浮体の中心軸回りの回転運動を抑制しない係留方式で浮体式洋上風力発電施設を係留する構成について説明する。なお、第１〜３の実施形態において説明した部材については、同じ番号を付して本実施形態では説明を省略する。
図１３は、本実施形態による浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態の浮体式洋上風力発電施設６０の浮体３１は、いわゆるカテナリー方式で係留索３２により海底Ｂに係留されているから、浮体３１は中心軸回りにある程度の範囲で回動揺動することができる。すなわち、浮体３１はその中心軸回りの回転運動を抑制しない係留方式で係留されている。このため、ジャイロ効果によって生じるナセル１３の浮体３１に対する回動揺動を揺動抑制手段１６によって拘束しても浮体３１は中心軸回りにある程度の範囲で回動揺動することができるので、ナセル１３の回動揺動を抑制することはできない。しかし、浮体式洋上風力発電施設６０の浮体３１には、羽根状の流体力学的ダンパー６４が複数設けられているから、浮体３１に回動揺動が生じることを抑制できる。
このように、浮体の中心軸回りの回転運動を抑制しない係留方式で浮体式洋上風力発電施設を係留する構成とする場合、回動座軸受１４におけるナセル１３の回動揺動を抑制するための揺動抑制手段１６と、浮体３１の回動揺動を抑制するための流体力学的ダンパー６４とを組み合わせた構成とすることは、ジャイロ効果に起因するナセル１３と浮体３１の回動揺動を抑制するために有効である。

本実施形態の浮体式洋上風力発電施設６０では、２枚の流体力学的ダンパー６４が浮体３１を介して対向するように、すなわち２枚の流体力学的ダンパー６４の浮体３１への取付け部を結んだ線が浮体３１の水平面に平行な断面の略中心を通るように配置されている。これは、流体力学的ダンパー６４が浮体３１のピッチング揺動ではなく回転揺動を抑制するために設けられたものであることによる。すなわち、浮体式洋上風力発電施設６０の流体力学的ダンパー６４は、外部の水との相互干渉により浮体３１の回転揺動の抵抗となるように設けられたものであるから、ピッチング揺動の抑制を目的とするもののように３枚以上を設ける必要がない。このため、流体力学的ダンパー６４は１枚であってもその機能を果たす。ただし、その数を３枚以上としても上記の機能を果たすから、流体力学的ダンパー６４の数を３枚以上としても良い。
この実施形態においては、揺動抑制手段１６に代えて、ナセルの回転運動を能動的に制御する装置を具備した際にも、流体力学的ダンパー６４によって、浮体３１に回動揺動が生じることを抑制できる。

本発明は、風力発電施設における発電効率や機器の耐久性を向上させるための装置として利用することができる。特に、浮体式洋上風力発電施設の発電効率や機器の耐久性を向上させるために有用である。

１０、４０、５０、６０ 浮体式洋上風力発電施設
１１ ローター
１２ 回転軸
１３ ナセル
１４ 回動座軸受（回動手段）
１５ タワー（構造体）
１６ 揺動抑制手段
１６０ 油圧ダンパー
１６５ 摩擦ダンパー
２０、３０ 回動揺動抑制装置
３１ 浮体
３２ 係留索
４１ 構造体
４２ 回動手段
４４、６４ 流体力学的ダンパー
５１Ａ 構造体上部
５１Ｂ 構造体下部
α コーニング角
β 所定角

Claims (8)

1. 洋上で構造体の一部として浮体を用いて発電を行う浮体式洋上風力発電施設において、
   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、前記ナセルを水面に対して回動自在に支持する回動手段を有した前記構造体と、前記ナセルの水面に対する回動揺動を抑制する揺動抑制手段とを備え、前記揺動抑制手段として前記構造体の形状または構造と周囲の流体との相互干渉により回動揺動を抑制する流体力学的ダンパーを用いたことを特徴とする浮体式洋上風力発電施設。
2. 前記ナセルを前記ローターに対して風上側に設けたことを特徴とする請求項１に記載の浮体式洋上風力発電施設。
3. 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２に記載の浮体式洋上風力発電施設。
4. 前記揺動抑制手段として油圧ダンパーを更に備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの1項に記載の浮体式洋上風力発電施設。
5. 前記揺動抑制手段として摩擦ダンパーを更に備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの1項に記載の浮体式洋上風力発電施設。
6. 前記浮体を係留索で係留したことを特徴とする請求項１から請求項５のうちの１項に記載の浮体式洋上風力発電施設。
7. 前記浮体を略円筒形状に形成し、前記浮体を水平面に投影した際に、前記略円筒形状における円の円周上の２点をそれぞれの一端として接続される２本の前記係留索からなる係留索対が用いられ、前記２本の前記係留索は、それぞれが前記円の略接線となる形状とされ、同一側に延びる形態としたことを特徴とする請求項６に記載の浮体式洋上風力発電施設。
8. 風を受けて傾いた状態における前記ローターの前記回転軸が風向に対して平行になるように、風を受けていない状態における前記ローターの前記回転軸を前記水面に対して所定角を持たせて前記ナセルを前記構造体に支持したことを特徴とする請求項１から請求項７のうちの１項に記載の浮体式洋上風力発電施設。