特開2017-109528(P2017-109528A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特開2017-109528風力発電機を備えた係留気球及びその制御方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2017-109528(P2017-109528A)
(43)【公開日】2017年6月22日
(54)【発明の名称】風力発電機を備えた係留気球及びその制御方法
(51)【国際特許分類】
   B64B 1/42 20060101AFI20170526BHJP
   F03D 9/30 20160101ALI20170526BHJP
   F03D 7/04 20060101ALI20170526BHJP
   B64B 1/50 20060101ALI20170526BHJP
【FI】
   B64B1/42
   F03D9/00 G
   F03D7/04 K
   B64B1/50
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
【全頁数】14
(21)【出願番号】特願2015-243367(P2015-243367)
(22)【出願日】2015年12月14日
(71)【出願人】
【識別番号】593006630
【氏名又は名称】学校法人立命館
【住所又は居所】京都府京都市中京区西ノ京東栂尾町8番地
(71)【出願人】
【識別番号】504150450
【氏名又は名称】国立大学法人神戸大学
【住所又は居所】兵庫県神戸市灘区六甲台町1−1
(74)【代理人】
【識別番号】110000280
【氏名又は名称】特許業務法人サンクレスト国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】深尾 隆則
【住所又は居所】滋賀県草津市野路東一丁目1番1号 立命館大学 びわこ・くさつキャンパス内
(72)【発明者】
【氏名】大澤 輝夫
【住所又は居所】兵庫県神戸市灘区六甲台町1−1 国立大学法人神戸大学内
(72)【発明者】
【氏名】末次 憲一郎
【住所又は居所】兵庫県神戸市灘区六甲台町1−1 国立大学法人神戸大学内
【テーマコード(参考)】
3H178
【Fターム(参考)】
3H178AA03
3H178AA21
3H178AA43
3H178BB31
3H178DD42X
(57)【要約】      (修正有)
【課題】それが備える風力発電機を風が吹いてくる向きに向けられる係留気球を提供する。
【解決手段】係留気球10は、浮力を得るためのエンベロープ20と、エンベロープ20に設けられた風力発電機30と、係留気球10の姿勢制御のための可動翼42,43,46と、係留気球10の姿勢を検出する姿勢検出器と、係留気球10に作用する風を検出する風検出器と、姿勢検出器及び風検出器の出力に基づいて、風が吹いてくる向きに風力発電機30が向くように可動翼42,43,46をフィードバック制御するコントローラと、を備える。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
係留気球であって、
浮力を得るためのエンベロープと、
前記エンベロープに設けられた風力発電機と、
前記係留気球の姿勢制御のための可動翼と、
前記係留気球の姿勢を検出する姿勢検出器と、
前記係留気球に作用する風を検出する風検出器と、
前記姿勢検出器及び前記風検出器の出力に基づいて、風が吹いてくる向きに前記風力発電機が向くように前記可動翼をフィードバック制御するコントローラと、
を備える係留気球。
【請求項2】
前記コントローラは、前記風検出器の出力に基づく値をスケジューリングパラメータとしたゲインスケジューリング制御によって、前記可動翼を制御する
請求項1記載の係留気球。
【請求項3】
前記ゲインスケジューリング制御は、ゲインスケジュールドH制御である
請求項2記載の係留気球。
【請求項4】
前記風力発電機は、前記エンベロープの下方に配置され、
前記可動翼は、前記係留気球のロール運動を制御する可動翼を含み、
前記ロール運動を制御する前記可動翼は、前記風力発電機に設けられている
請求項1〜3のいずれか1項に記載の係留気球。
【請求項5】
前記風検出器の出力は、前記係留気球に作用する風の予測値を含む
請求項1〜4のいずれか1項に記載の係留気球。
【請求項6】
風力発電機を備えた係留気球の制御方法であって、
前記係留気球の姿勢の検出値と前記係留気球に作用する風の検出値とに基づいて、風が吹いてくる向きに前記風力発電機が向くように、前記係留気球が備える可動翼をフィードバック制御すること
を有する係留気球の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、風力発電機を備えた係留気球及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
係留気球とは、ロープなどのテザー(tether)によって地上に係留される気球である。係留気球は、例えばカメラを搭載することで、監視用に用いられる。係留気球は、地上に固定されているため、一般的には、制御・操縦は行われない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特表2015−506869号公報
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】石森祐基,深尾隆則,佐伯一夢,河野敬,”屋外型飛行船ロボットの自動着陸制御”,日本機械学会論文集(C編)76巻772号(2010−12),一般社団法人日本機械学会,2010
【発明の概要】
【0005】
大規模地震などの災害後においては、発電機を被災地において迅速に設置・運用することが求められる。かかる観点において、風力発電機を備えた係留気球は、非常に有用である。また、風力発電機を備えた係留気球は、災害後の利用に限られず、平常時における風力発電のためにも有用である。
【0006】
風力発電機は、発電効率を考慮すると、風が吹いてくる向きに向くことが望まれる。そこで、係留気球に搭載された風力発電機も、風向きに応じて向きを変えられることが望まれる。
【0007】
ここで、カメラを搭載した監視用係留気球においては、カメラが比較的小型である。したがって、監視対象の向きに応じて、係留気球の向きとは独立して、カメラだけの向きを変えるのが容易である。
【0008】
しかし、風力発電機を備えた係留気球においては、風力発電機が比較的大型である。このため、風向きに応じて、係留気球の向きとは独立して、風力発電機だけの向きを変えようとすると、風力発電機の向きを変えるための大型の機構が必要となる。そのような大型の機構の存在は、係留気球の重量を増加させるため、できるだけ避けるべきである。
【0009】
そこで、本発明者らは、風が吹いてくる向きに風力発電機を向けるために、係留気球自体の向きを可動翼により制御するという新規な着想を得た。すなわち、係留気球は、地上に固定されて運用されるものであるため、一般的には、制御・操縦が行われるようなものではない。
【0010】
従来の係留気球は、非可動の翼(例えば、非可動の尾翼)を有することはあっても、可動翼(例えば、補助翼、方向舵、昇降舵などの舵面)を有していない。例えば、特許文献1には、エアロスタット(係留気球)の制御が開示されているが、この制御は、テザー群の繰り出し・巻き取りによるものであり、可動翼による制御ではない。また、特許文献1は、尾翼を有するエアロスタットを図示しているが、可動翼や可動翼によるエアロスタットの制御を開示していない。このように、係留気球自体の向きを可動翼により制御することは、新規な着想である。しかも、特許文献1のエアロスタットは、風力発電機を備えていない。風力発電機は重量物であるため、仮にエアロスタットに具備させると、安定性が損なわれ易く、非可動の尾翼だけでは、エアロスタットを安定的に所望の向きに向けることは容易ではない。
【0011】
一方、推進装置を有して飛行可能な飛行船の場合、飛行船の向きを変えるために可動翼を有している。例えば、非特許文献1は、飛行船の方向舵を開示している。しかし、飛行船の向きは、飛行船の目的地の方向に向けられるべきものであり、風が吹いてくる向きに飛行船を向けるために可動翼である方向舵が制御されるわけではない。このように、風が吹いてくる向きに向けるために可動翼を制御することは、新規な着想である。
【0012】
以上のように、本発明は、風が吹いてくる向きに風力発電機を向けるために、係留気球自体の向きを可動翼により制御するという新規な着想に基づくものである。
【0013】
上記の着想に基づく本発明の一の観点は、風力発電機を備えた係留気球である。実施形態において、係留気球は、風が吹いてくる向きに風力発電機が向くように可動翼をフィードバック制御するコントローラを備える。
【0014】
本発明の他の観点は、風力発電機を備えた係留気球の制御方法である。実施形態において、制御方法は、風が吹いてくる向きに風力発電機が向くように、係留気球が備える可動翼をフィードバック制御することを有する。
【図面の簡単な説明】
【0015】
図1】(a)は係留気球の正面図、(b)は係留気球の側面図である。
図2】制御システムのブロック図である。
図3】一般化プラントGのブロック図である。
図4】一般化プラントG(p)のブロック図である。
図5】スケジューリングパラメータ算出部112のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
[1.実施形態の概要]
[第1項]
係留気球であって、
浮力を得るためのエンベロープと、
前記エンベロープに設けられた風力発電機と、
前記係留気球の姿勢制御のための可動翼と、
前記係留気球の姿勢を検出する姿勢検出器と、
前記係留気球に作用する風を検出する風検出器と、
前記姿勢検出器及び前記風検出器の出力に基づいて、風が吹いてくる向きに前記風力発電機が向くように前記可動翼をフィードバック制御するコントローラと、
を備える係留気球。
【0017】
第1項によれば、係留気球に備わった風力発電機を、風が吹いてくる向きに向けることができる。
【0018】
[第2項]
前記コントローラは、前記風検出器の出力に基づく値をスケジューリングパラメータとしたゲインスケジューリング制御によって、前記可動翼角を制御する
第1項記載の係留気球。
【0019】
第2項によれば、コントローラの利得が風検出器の出力値に基づいて変化するため、より安定的に、風力発電機を風が吹いてくる向きに向けることができる。
【0020】
[第3項]
前記ゲインスケジューリング制御は、ゲインスケジュールドH制御である
第2項記載の係留気球。
【0021】
第3項によれば、さらに安定的に、風力発電機を風が吹いてくる向きに向けることができる。
【0022】
[第4項]
前記風力発電機は、前記エンベロープの下方に配置され、
前記可動翼は、前記係留気球のロール運動を制御する可動翼を含み、
前記ロール運動を制御する前記可動翼は、前記風力発電機に設けられている
第1項〜第3項のいずれか1項に記載の係留気球。
【0023】
エンベロープ下方に配置された風力発電機は、係留気球にロール運動を生じさせ易いが、重量物である風力発電機にロール運動を制御する可動翼を設けることで、ロール運動を抑制するのが容易となる。
【0024】
[第5項]
前記風検出器の出力は、前記係留気球に作用する風の予測値を含む
第1項〜第4項のいずれか1項に記載の係留気球。
【0025】
風の予測値を用いることで、将来の風の変動に対処するのが容易となる。
【0026】
風力発電機を備えた係留気球の制御方法であって、
前記係留気球の姿勢の検出値と前記係留気球に作用する風の検出値とに基づいて、風が吹いてくる向きに前記風力発電機が向くように、前記係留気球が備える可動翼をフィードバック制御すること
を有する係留気球の制御方法。
【0027】
[2.実施形態の詳細]
【0028】
[2.1 風力発電機を備えた係留気球]
図1に示す係留気球10は、エンベロープ20と風力発電機30を備えている。エンベロープ20はガス袋とも呼ばれ、空気より比重の小さい気体が充填され、浮力を得る。図1のエンベロープ20は、飛行船のエンベロープと同様に、前後方向に長く形成されている。エンベロープ20の全長は、例えば、50m以下、好ましくは30m以下である。エンベロープの形状は、他の形状、例えば球状であってもよい。エンベロープ20は、ロープ50などのテザーによって地上に係留される。ロープ50の一端は、エンベロープ20の前部20aに取り付けられ、ロープ50の他端は、例えば、地上の構造物に取り付けられる。ロープ50の他端は、自動車などの陸上における移動装置、船舶などの水上における移動装置に取り付けられても良い。地上又は係留気球10側からのロープ50の繰り出し・巻き取りによって、係留気球10の高度調整が可能である。係留気球10は、例えば、700mまで上昇可能であり、好ましくは1000mまで上昇可能である。なお、ロープ50の一端は、風力発電機30などエンベロープ20以外の位置に取り付けられても良い。
【0029】
風力発電機30は、例えば、風の運動エネルギーによって回転するロータ31を有して構成される。発電機30は、定格出力が、例えば、30kw以上である。発電機30は、その重量が、例えば、100kg以下であり、好ましくは70kg以下である。ロータ31の径は、例えば、15m以下、好ましくは10m以下である。風力発電機30は、ロータ31の正面から風を受けることで、効率的に回転し、発電効率が高まる。実施形態において、風力発電機30は、ロータ31の正面が、エンベロープ20の前方に向くようにエンベロープ20に設けられている。したがって、エンベロープ20の前部20aが、風が吹いてくる方向に向くことで、風力発電機30は正面から風を受けることができる。
【0030】
風力発電機30によって発生した電力は、図示しない送電線を介して地上に送られる。送電線は、テザーと一体的に設けられていてもよいし、テザーとは別体であってもよい。係留気球10からの送電は、無線送電であってもよい。無線送電は、例えば、マイクロ波又はレーザ波を用いて行われる。
【0031】
エンベロープ20の後部には、尾翼41が設けられている。図1の尾翼41は、垂直尾翼41aと水平尾翼41bとを有する十字翼である。垂直尾翼41aに設けられた可動翼42は、方向舵として機能する。方向舵は、係留気球10のヨー・コントロール(yaw control)に用いられる。水平尾翼41bに設けられた可動翼43は、昇降舵として機能する。昇降舵は、係留気球20のピッチ・コントロール(pitch control)に用いられる。
【0032】
係留気球10は、係留気球10のロール・コントロール(roll control)に用いられる可動翼46も備えている。可動翼42,43,46によって、係留気球10におけるヨー・ロール・ピッチの各運動に対する制御が可能である。可動翼42,43,46は、係留気球10におけるロール・ピッチ・ヨーの各運動に対する制御が可能なものであれば、形態・数・配置は図示のものに限定されない。例えば、尾翼41は、X字翼、逆Y字翼であってもよく、X字翼又は逆Y字翼である尾翼41に可動翼42,43が設けられていても良い。
【0033】
図1に示すように、ロール・コントロール用の可動翼46は、発電機30に設けられている。可動翼46は、発電機30の左右にそれぞれ配置されている。可動翼46は、発電機30から左右側方に延びるアーム(主翼)45を介して、発電機30に取り付けられている。
【0034】
発電機30は、エンベロープ20の下方に配置されている。発電機30は、ジョインタ21を介して、エンベロープ20に取り付けられている。ジョインタ21は、例えば、第1接続部21aと、第2接続部21bと、を有する。第1接続部21aは、エンベロープ20の下部と発電機30の上部とを接続する。第2接続部21bは、エンベロープ20及び発電機30の側部同士を接続する。発電機30とエンベロープ20との間にジョインタ21a,21bを介在させることで、発電機30とエンベロープ20とが離れて位置する。発電機30とエンベロープ20とを離すことで、発電機30近傍に発生する乱流がエンベロープ20側に影響するのを抑制できる。発電機30とエンベロープ20とは、例えば、0.5m以上離れているのが好ましい。発電機30は、重量物であるため、係留気球の重心Aは、係留気球10の浮心Bに対して、下方に大きく離れる。例えば、図1に示すように、係留気球10の浮心Bは、エンベロープ20の内部に位置する一方、係留気球の重心Aは、エンベロープ20の下方に位置し、多くの場合、発電機30の内部に位置する。このように、重心Aと浮心Bとが離れると、風の変動などによって、係留気球10のローリング及びピッチングが生じ易くなる。しかし、本実施形態では、可動翼43,46によってローリング抑制及びピッチング抑制が可能である。
【0035】
ここで、一般的な気球や飛行船では、ローリングは問題とならないため、一般的な気球や飛行船ではロール・コントロールが行われることはなく、ロール・コントロール用の可動翼46は必要ではない。これに対して、本実施形態の係留気球は、発電機30を備えることにより、ローリングが生じ易くなっているが、可動翼46によってローリングが抑制される。
【0036】
本実施形態のロール・コントロール用の可動翼46は、発電機30の左右に設けられているため、力学的に安定し、ローリングを抑制し易くなる。つまり、図1(a)に示すように、可動翼46を発電機30の左右に装着すると、振り子の形状(根元が浮心、質量のある先端が重心)となり、ローリングが抑制される。可動翼46をアーム45の左右先端に設けることで、可動翼46を重心Aから左右に大きく離すことができ、係留気球10はさらに安定する。また、風力発電機30の左右に設けられた可動翼46の位置においては、風力発電機30の後方に設けられた可動翼42,43の位置に比べて、風力発電機30による気流の乱れが少なく、可動翼46による効果(舵の効き)を発揮し易い。なお、ロール・コントロール用の可動翼46は、エンベロープ20など発電機30以外の箇所に設けてもよく、この場合も、ローリング抑制は可能ではある。
【0037】
また、図1(b)に示すように、エンベロープ20は、前後方向に長く形成され、エンベロープ20の前後方向中途に発電機30が配置されているため、尾翼41に設けられた可動翼43を、重心Aから後方に大きく離すことができ、ピッチング抑制効果が高い。
【0038】
[2.2 係留気球の姿勢制御]
図2は、係留気球10の制御システム100を示している。なお、図2では、ヨー・コントロール用の可動翼42を「第1舵」42といい、ロール・コントロール用の可動翼46を「第2舵」46といい、ピッチコントロール用の可動翼43を「第3舵」43という。制御システム100は、舵42,46,43を制御するためのコントローラ110を備えている。コントローラ110は、係留気球10に搭載されている。なお、コントローラ110は、係留気球10とは別に設けられ、遠隔操作によって係留気球10を制御するものであってもよい。
【0039】
コントローラ110は、係留気球10の姿勢を制御する。姿勢制御のため、コントローラ110は、各舵42,46,43の角度(第1舵角,第2舵角,第3舵角)の指令値を、各舵42,46,43に与える。各舵42,46,43の舵角がゼロで維持されている場合においても、係留気球10は風が向いてくる向きに自然と向くものの、風向きの変化、風速の変化などの外乱によって、係留気球10の向きは安定しない。そこで、コントローラ110は、風が吹いてくる向きに風力発電機30が向くような姿勢を係留気球10にとらせるべく、各舵42,46,43を制御する。例えば、係留気球10に作用する風が、北から南へ吹く場合、係留気球10を北向きの姿勢にすることで、風力発電機30は風が吹いてくる向き(北向き)になる。
【0040】
実施形態において、コントローラ110が行う制御は、風が吹いてくる向きに風力発電機30が向いた状態で、係留気球10の姿勢を安定させるロバスト制御である。重量物である風力発電機30を備えた係留気球10は、一般的な係留気球に比べて、外乱(風の変動、ロープ50による影響)によって不安定になり易く、ヨー運動、ロール運動、ピッチ運動が生じる。しかし、コントローラ110は、舵42,46,43を制御し、風が吹いてくる向きに風力発電機30を向けた姿勢にある係留気球10のヨー運動、ロール運動、ピッチ運動を抑制する。これにより、係留気球10が重量物である風力発電機30を備えていても、係留気球10を安定させることができる。係留気球10の安定化により、風力発電機30の発電効率が向上する。
【0041】
コントローラ110は、係留気球10に作用する風及び係留気球10の姿勢に基づいて、各舵42,46,43をフィードバック制御する。図2(a)に示すように、コントローラ110は、係留気球10に作用する風を検出する風検出器120と、係留気球10の姿勢を検出する姿勢検出器140の出力と、を入力として受け取り、係留気球10を風が吹いてくる方向に向けるように各舵42,46,43を制御する。
【0042】
風検出器120としては、例えば、3次元風速計(風向風速計)が用いられる。3次元風速計は、3次元風速(風の3次元ベクトル)を計測する。風検出器120は、係留気球10に搭載されて、係留気球10に作用する風を計測し、計測値(3次元風速)をコントローラ110に出力する。
【0043】
風検出器は、係留気球10に作用する風の実測値を出力するものに限られず、係留気球10に作用する風の予測値を出力するもの又は風の予測値を演算するために必要な情報を出力するものであってもよい。風の予測値は、例えば、ドップラーレーダ130を用いることで得られる。ドップラーレーダ130は遠隔地の3次元風速を計測できるため、遠隔地の風速から、将来、係留気球10の位置での3次元風速風の予測値を求めることができる。風の予測値を用いて係留気球10の姿勢を制御することで、風向きの変化等への素早い応答が可能となる。なお、コントローラ110は、風の実測値と予測値のいずれか一方だけを用いても良いし、双方を用いても良い。
【0044】
姿勢検出器140としては、例えば、ジャイロスコープが用いられる。姿勢検出器140は、係留気球10に搭載されて、係留気球10の姿勢角(ヨー角、ロール角、ピッチ角)をコントローラ110に出力する。姿勢検出器140は、係留気球10の姿勢角速度(ヨー角速度(ヨーレート)、ロール角速度(ロールレート)、ピッチ角速度(ピッチレート))も出力する。実施形態に係るコントローラ110は、姿勢角及び姿勢角速度の双方を用いるが、姿勢角だけを用いても良い。
【0045】
実施形態のコントローラ110は、ゲインスケジュールドH制御器(GSH制御器)111としての機能を有している。ゲインスケジュールドH制御は、スケジューリングパラメータpが導入されたH制御である。H制御は、ロバスト安定化、外乱抑圧性能、周波数整形可能などの利点を有する。コントローラ110は、スケジューリングパラメータpの算出部112としての機能も有している。また、コントローラ110は、目標値決定部113としての機能も有している。目標値決定部113は、係留気球10の姿勢の目標値(目標姿勢)を決定する。本実施形態において、係留気球10の目標姿勢は、係留気球10が、風が吹いてくる向きに係留気球10(風力発電機30)の正面が向いている状態となる姿勢である。目標値決定部113は、風検出器120,130から出力された3次元風速に基づいて、風向きを把握し、目標姿勢を決定する。目標姿勢に用いられる風向きは、例えば、所定時間内における風向きの時間平均とすることができる。目標姿勢は、制御器111に目標値として与えられる。図2(b)に示すように、制御器111は、係留気球10の姿勢が目標姿勢となるように、各舵42,46,43のフィードバック制御を行う。なお、フィードバック制御のため、姿勢検出器140の出力(姿勢角及び姿勢角速度)が、フィードバック信号として、制御器111に与えられる。
【0046】
制御器(固定H制御器)は、一般化プラントGに基づいて設計される。係留気球10を制御対象Pとする一般化プラントGは、図3に示すように定義される。
【0047】
図3において、Pは制御対象(係留気球10)であり、W,Wは重み関数であり、KはH制御器である。また、図3において、制御入力は舵角であり、重み関数Wから出力される制御量は係留気球10の姿勢角(ヨー角・ロール角・ピッチ角)であり、フィードバック信号は観測量(係留気球の姿勢角(ヨー角・ロール角・ピッチ角)、係留気球の姿勢角速度(ヨー角速度、ロール角速度、ピッチ角速度))である。
【0048】
制御対象Pの状態方程式は、以下のように表される。
【数1】
ここで、
は、状態であり、係留気球10の係留気球の姿勢角(ヨー角・ロール角・ピッチ角)及び姿勢角速度(ヨー角速度、ロール角速度、ピッチ角速度)である。上に「・」が付いたxは、制御入力u及び外乱wが与えられた後の状態を示す。
は、制御量であり、姿勢角(ヨー角・ロール角・ピッチ角)である。
は、観測量であり、姿勢角(ヨー角・ロール角・ピッチ角)及び姿勢角速度(ヨー角速度、ロール角速度、ピッチ角速度)である。
は、制御入力で、舵角(第1舵角、第2舵角、第3舵角)である。
wは、外乱であり、風速などである。
,BP1,BP2,CP1,DP11,DP12,CP2,DP21,DP22は、係数(行列)である。
【0049】
図3に示す一般化プラントGに基づいて設計されたH制御器によれば、風の周波数成分を考慮した係留気球10の姿勢安定化制御が行える。しかも、実施形態の係留気球10は、大型の構造物である風力発電機30を備えているため、風力発電機30よりも後方の気流が乱れやすい。気流の乱れは、風力発電機30よりも後方の可動翼42,43による効果(舵の効き)に悪影響を与える。舵の効きの不確かさは、制御対象Pの状態方程式の入力uに対する係数BP1に現れる。H制御器は、そのような不確かさがあっても安定化制御を行えるため、風力発電機30による気流の乱れに対処できる。
【0050】
制御器としては、図3の一般化プラントGから設計される固定H制御器でもよいが、実施形態では、風速又は風速の微分などの風に関する値をスケジューリングパラメータpとして採用したゲインスケジュールドH制御器111が採用されている。これにより、風から受ける影響の変動(風速の変化など)にかかわらず、係留気球10のヨー運動・ロール運動・ピッチ運動を低減できる。つまり、留気球10が風から受ける影響は、風速や風の強弱(周波数成分)によって異なるが、実施形態のコントローラ110は、風速や風の強弱(周波数成分)に応じて、制御ゲインを変更して、風の変動に対応して係留気球10を安定化させることができる。
【0051】
ゲインスケジュールドH制御器(GSH制御器)111は、線形パラメータ変動システムの一般化プラントG(p)に基づいて設計される。風に関する値をスケジューリングパラメータpとする一般化プラントG(p)は、図4に示すように定義される。
【0052】
図4に示す一般化プラントG(p)では、図3に示す一般化プラントGに、符号112で示されるSPを付加したものである。SPは、風速(及び/又は風速の微分)に基づくスケジューリングパラメータpの算出部である。
【0053】
図4において、重み関数W(p)とゲインスケジュールドH制御器K(p)は、算出部SPによって算出したパラメータpに依存して変化する。
【0054】
K(p)の状態方程式は、以下のように表される。
【数2】
ここで、
は、状態である。上に「・」が付いたxは、入力yが与えられた後の状態を示す。 yは、ゲインスケジュールドH制御器の入力、つまり、制御対象Pから見た観測量である。
は、ゲインスケジュールドH∞制御器の出力、つまり、制御対象Pから見た制御入力である。
,B,C,Dは、係数(行列)であり、AとCは、パラメータpに依存して変化する。
【0055】
(p)の状態方程式は、以下のように表される。
【数3】
ここで、
は、状態である。上に「・」が付いたxは、入力uが与えられた後の状態を示す。
は、重み関数W(p)の入力である。
は、重み関数W(p)の出力である。
,B,C,Dは、係数(行列)であり、AとCは、パラメータpに依存して変化する。
【0056】
図5に示すように、スケジューリングパラメータ算出部112は、3次元風速から、スケジューリングパラメータpを算出する。スケジューリングパラメータ算出部112は、例えば、ローパスフィルタ151と、絶対値変換部152と、移動平均値演算部153と、パラメータ出力部154と、を備えている。ローパスフィルタ151からパラメータ出力部154までの各処理は、3次元ベクトル量(x,y,z)である3次元風速の各ベクトル要素であるx成分,y成分,z成分それぞれに対して行われる。したがって、実施形態において、パラメータ出力部154から出力されるパラメータpも3次元ベクトル量(p,p,p)である。
【0057】
ローパスフィルタ151は、3次元風速(x成分,y成分,z成分)の各成分の低周波数成分を取り出す。絶対値変換部152は、ローパスフィルタ151の出力それぞれの絶対値を求める。移動平均値演算部153は、絶対値変換部152の出力それぞれについて、移動平均値qを演算する。パラメータ出力部154は、各成分の移動平均値qに基づいて、パラメータpを演算し出力する。
【0058】
パラメータ出力部154は、各成分の移動平均値qの上限と下限を制限した制限値qを出力する制限処理部154aと、制限値qを正規化する正規化処理部154bと、を備えている。制限処理部154aは、移動平均値qが、上限値qmaxよりも大きければ、制限値q=qmaxとし、移動平均値qが、下限値qminよりも小さければ、制限値q=qminとし、移動平均値qが上限値qmaxと下限qminとの間であれば、移動平均値qをそのまま制限値qとする。正規化処理部154bは、各成分の制限値qを、(q−qmin)/(qmax−qmin)の演算で正規化し、各成分p,p,pの値が0〜1の範囲で正規化された3次元ベクトルパラメータp=(p,p,p)にして出力する。なお、パラメータpの算出法は、上記のものに限られるわけではない。
【0059】
ゲインスケジュールドH制御器111は、出力されたパラメータpに応じて、利得を変化させる。このため、風速に応じた適切な利得での舵角の制御が可能となる。
【0060】
さて、風は高度によって異なるため、風力発電機を備えた係留気球10は、発電に適切な風を求めて、高度変化することが望まれる。係留気球10の高度調整は、ロープ50の繰り出し又は巻き取りによって行われる。このような係留気球10の高度変化は、係留気球10の安定性に大きな影響を与える。また、係留気球10は、ロープ50によって運動を拘束されているため、かかる観点からもロープ50は係留気球10の安定性に影響を与える。そこで、以下では、ロープ(テザー)50の特性を制御対象Pに入れて一般化プラントを定義する。
【0061】
ロープ50の特性が考慮された制御対象Pの状態方程式は、以下のとおりである。
【数4】
ここで、
は、状態であり、係留気球10の係留気球の姿勢角(ヨー角・ロール角・ピッチ角)、姿勢角速度(ヨー角速度、ロール角速度、ピッチ角速度)、係留気球10の3次元位置(水平位置(x,y),高度z)、及びロープ50と係留気球10のなす角θ(図1(b)参照)である。
は、制御量であり、姿勢角(ヨー角・ロール角・ピッチ角)及び高度zである。
は、観測量であり、姿勢角(ヨー角・ロール角・ピッチ角)、姿勢角速度(ヨー角速度、ロール角速度、ピッチ角速度)、係留気球10の3次元位置(水平位置(x,y),高度z)、ロープ50と係留気球10のなす角θ、及び角θの角速度である。
は、制御入力で、舵角(第1舵角、第2舵角、第3舵角)及びロープ50の長さ(又はロープ50の出し入れ速度)
wは、外乱であり、風速などである。
,BP1,BP2,CP1,DP11,DP12,CP2,DP21,DP22は、係数(行列)である。
【0062】
ロープ50の特性が考慮された制御対象Pを有する一般化プラントに基づいて設計された制御器によれば、高度変化による影響(外乱)も考慮した高精度の振動抑制が可能である。
【0063】
[3 運用方法]
上記の係留気球10を所望の場所に係留させることで、安定した風力発電を行うことができる。また、係留気球10は、エンベロープ20にガスが充填されていない状態で、自動車又は船舶に積載され、自動車又は船舶によって被災地等の目的地へ搬送されてもよい。また、係留気球10を自動車又は船舶に係留させることで、自動車又は船舶の移動によって、係留気球10を所望の場所へ移動させ、その移動した場所において風力発電を行うこともできる。
【0064】
また、本実施形態の係留気球10は、推進装置を備えていないが、推進装置を備える飛行船型係留気球10として構成されていてもよい。飛行船型係留気球10は、推進装置及び可動翼によって目的地まで自力で飛行することができる。目的地に到着した飛行船型係留気球を目的地において係留することで、その目的地において風力発電を行うことができる。この場合、係留気球や風力発電機を地上で運搬する必要がなくなる。例えば、風力発電機を備えた飛行船型係留気球10は、大規模地震などの災害後において、被災地へ自律飛行し、被災地にて係留され、被災地にて発電をすることができる。また、風力発電機を備えた飛行船型係留気球10は、農村部、島嶼部、山間部、洋上基地など、発電機の運搬が困難な場所へも容易に自律飛行できるため有利である。
【符号の説明】
【0065】
10 係留気球
20 エンベロープ
30 風力発電機
42 可動翼(第1舵)
43 可動翼(第3舵)
46 可動翼(第2舵)
100 制御システム
110 コントローラ
120 3次元風速計(風検出器)
130 ドップラーライダー(風検出器)
140 ジャイロスコープ(姿勢検出器)
図1
図2
図3
図4
図5