特許 6358927 海中浮遊式海流発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6358927

(24)【登録日】2018年6月29日

(45)【発行日】2018年7月18日

(54)【発明の名称】海中浮遊式海流発電装置

(51)【国際特許分類】

   F03B 13/10 20060101AFI20180709BHJP

   F03B 13/26 20060101ALI20180709BHJP

【ＦＩ】

   F03B13/10

   F03B13/26

【請求項の数】8

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2014-219942(P2014-219942)

(22)【出願日】2014年10月29日

(65)【公開番号】特開2016-84793(P2016-84793A)

(43)【公開日】2016年5月19日

【審査請求日】2017年2月23日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２６年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 風力等自然エネルギー技術研究開発／海洋エネルギー技術研究開発／次世代海洋エネルギー発電技術研究開発（海中浮体式海流発電）事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100092978

【弁理士】

【氏名又は名称】真田 有

(72)【発明者】

【氏名】二橋 謙介

(72)【発明者】

【氏名】小野寺 祥

(72)【発明者】

【氏名】浅野 伸

(72)【発明者】

【氏名】小林 哲平

【審査官】 所村 陽一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−００５７６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｂ １３／１０

Ｆ０３Ｂ １３／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ナセル内に収納された発電機のロータを前記ナセルの外部に突出した回転翼により駆動する海流発電装置本体が構造物の左右に結合されて、海中を浮遊可能な双胴型の浮体として構成され、前記構造物の左右中間部を係留索によって海底に係止されて使用される海中浮遊式海流発電装置であって、
前記海流発電装置本体には、前記回転翼を前記ナセルよりも海流方向の下流側に配置したダウンウィンド方式が用いられ、
前記回転翼のブレードが海流方向の上流側の前記構造物の影の領域に進入した際の海流の流速低下に伴うスラスト力の減少によって前記浮体に発生するモーメントを抑制するモーメント抑制手段を備え、
前記モーメント抑制手段は、前記ブレードが前記構造物の影の領域に進入した際の海流の前記スラスト力の減少を抑制するスラスト力減少抑制手段である
ことを特徴とする海中浮遊式海流発電装置。

【請求項2】

前記スラスト力減少抑制手段は、前記ブレードが前記構造物の影の領域に進入した際の海流の流速低下に伴って前記回転翼の回転速度を上昇させてスラスト力の減少を抑制することを特徴とする請求項１記載の海中浮遊式海流発電装置。

【請求項3】

ナセル内に収納された発電機のロータを前記ナセルの外部に突出した回転翼により駆動する海流発電装置本体が構造物の左右に結合されて、海中を浮遊可能な双胴型の浮体として構成され、前記構造物の左右中間部を係留索によって海底に係止されて使用される海中浮遊式海流発電装置であって、
前記海流発電装置本体には、前記回転翼を前記ナセルよりも海流方向の下流側に配置したダウンウィンド方式が用いられ、
前記回転翼のブレードが海流方向の上流側の前記構造物の影の領域に進入した際の海流の流速低下に伴うスラスト力の減少によって前記浮体に発生するモーメントを抑制するモーメント抑制手段を備え、
前記モーメント抑制手段は、左右の前記海流発電装置本体の各々の前記回転翼の前記ブレードが前記構造物の影の領域に同期して進入するように前記ブレードの回転位相を制御する回転位相制御手段である
ことを特徴とする海中浮遊式海流発電装置。

【請求項4】

前記回転位相制御手段は、左右の前記海流発電装置本体の一方の前記回転翼の前記ブレードの回転位相を基準位相とし前記基準位相に他方の前記回転翼の前記ブレードの回転位相が追従して同期するように前記ブレードの回転位相を制御する
ことを特徴とする請求項３記載の海中浮遊式海流発電装置。

【請求項5】

前記回転位相制御手段は、予め設定された基準位相に基づいて、左右の前記海流発電装置本体の各々の前記回転翼の前記ブレードの回転位相を制御する
ことを特徴とする請求項３記載の海中浮遊式海流発電装置。

【請求項6】

前記基準位相は、前記発電機のロータの目標回転速度に基づいて設定されている
ことを特徴とする請求項４又は５記載の海中浮遊式海流発電装置。

【請求項7】

前記スラスト力減少抑制手段は、
前記ブレードが前記構造物の影の領域に入っているか否かを判定するブレード回転領域判定部と、
前記ブレードが前記構造物の影の領域に入っていない場合に、前記ブレードの回転速度を目標回転速度に制御する目標回転制御部と、
前記ブレードが前記構造物の影の領域に入っている場合に、海流の流速低下によるスラスト力の減少を抑制するように回転増加させたブレードのスラスト力減少抑制回転速度を設定し、前記ブレードの回転速度を前記スラスト力減少抑制回転速度に制御する回転増加制御部と、を有している
ことを特徴とする請求項２記載の海中浮遊式海流発電装置。

【請求項8】

前記回転位相制御手段は、
前記基準位相と制御対象の前記ブレードの回転位相との位相差を演算する角位相差演算部と、
演算された前記位相差から制御対象の前記ブレードの回転位相が前記基準位相と同期した同期状態であるか否かを判定する角位相差判定部と、
前記同期状態であると判定されたら前記同期状態を保持する同期保持制御部と、
前記同期状態でないと判定されたら前記位相差を低減して前記同期状態になるように制御する位相差低減制御部と、を有している
ことを特徴とする請求項３〜６の何れか１項に記載の海中浮遊式海流発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、海流エネルギーを利用して発電を行なう海流発電装置に関し、特に、発電装置を海中に浮遊させて使用する海中浮遊式海流発電装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、様々な自然エネルギーを利用した発電技術が開発されている。例えば黒潮等の巨大な海流もエネルギー資源であり、この海流エネルギーを利用して発電を行なう海流発電装置も開発されている。この海流発電装置では、海流エネルギーによって回転翼を回転し、回転翼の軸に接続された発電機を回転させることにより発電を行なう。

【0003】

このような海流発電装置の一つの方式として、海中浮遊式海流発電装置（水中浮遊式海流発電装置）があり、例えば、特許文献１に開示されている。この海中浮遊式海流発電装置は、ある一定の浮力を持った浮体として構成した海流発電装置を海底から延びる係留索と繋ぐことによって、海流発電装置が係留索によって許容される範囲で海中を浮遊するようにしながら発電を行なうものである。海中浮遊式海流発電装置は、地上に設置する風力発電装置のような巨大な支柱が不要であり簡素な構成とすることができる。

【0004】

図１４は特許文献１に開示された海中浮遊式海流発電装置を示す斜視図である。図１４に示すように、この海中浮遊式海流発電装置は、浮体１として構成され、この浮体１の姿勢安定化を図るために、２つの海流発電装置本体２，２とこれらを接続する構造物３とから一つの浮体１を構成した双胴型を採用している。海流発電装置本体２は、ナセル（ポッドとも呼ぶ）４内に図示しない発電機を装備し、この発電機のロータに回転翼５の回転軸が接続されている。

【0005】

ナセル４は構造物３の左右両端に結合されている。構造物３の左右方向中央には係留索６の先端が結合され、係留索６の基端は海底に係止されている。浮体１は、係留索６に拘束された範囲で水平方向及び鉛直方向に海中を浮遊する。浮体１の浮力は左右でバランスしており、浮体１の構造物３は海流方向に対向するような翼形状に形成されている。これにより、浮体１は、その正面（回転翼５の正面）が海流方向に正対するように海流に応じて方向を変えて発電を実施する。

【0006】

また、回転翼５をナセル４の後方（海流の下流側）に配置したダウンウィンド方式が採用されている。このように回転翼５をナセル４よりも下流側に配置することにより、浮体１の正面（回転翼５の正面）を海流方向に向けやすくなる。海中浮遊式海流発電装置の場合、浮体１の方向制御（海流の方向にロータ回転軸を合わせる制御）を能動的に実施する駆動装置の実装は難しいので、ダウンウィンド方式を採用すると共に、浮体１のナセル４や構造物３の形状を海流の方向に向かうように形成し、浮体１の正面方向が海流方向に受動的に向くように設定されている。

【0007】

また、係留索６に係止された浮体（海流発電装置）１は海中において浮遊するが、このとき、浮体１は、浮体１に加わる海流の作用力と、浮体１に生じる浮力と、係留索６の張力とがバランスした位置をとる。つまり、浮体１に対して、浮力は鉛直上方に作用し、海流の作用力は、海流方向（水平方向）に作用し、係留索の張力は浮力及び海流の作用力と対向するように作用する。したがって、海流の作用力が弱ければ（つまり、海流の流速が低ければ）、浮体１は海中で比較的浅い深度まで上昇し、海流の作用力が強ければ（つまり、海流の流速が高ければ）、浮体１は海中で比較的深い深度まで下降する。

【0008】

一方、海流の深さ方向の流速分布は、海底付近では海底に接近するほど低速となり海底から離隔するほど高速となる。このため、海流の流速が強まれば、浮体１は海中で下降して、深さ方向の流速分布で流速が適当に弱まった深度でバランスする。また、海流の流速が弱まれば、浮体１は海中で上昇して、深さ方向の流速分布で流速が適当に強まった深度でバランスする。

【0009】

特許文献１には、このように海流発電装置が流速に応じて昇降する特性に着目して、海流発電装置の水深方向の位置を受動的に自動で調整する制御［ＰＤＣ（＝Passive Depth Control）とも言う］を適用することで、能動的な制御（Active Depth Control）を不要とする旨も記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１３／０１０６１０５号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

上述のように、海中浮遊式海流発電装置の場合、浮体１の姿勢安定化を図るために、図１４に示すように、２つの海流発電装置本体２，２を構造物３により接続して一つの浮体１を構成した双胴型を採用することが好ましい。また、特別な装置を要さずに浮体１の正面（回転翼５の正面）が海流方向に向くようにするために、回転翼５をナセル４の後方（海流の下流側）に配置したダウンウィンド方式を採用することが好ましい。

【0012】

浮体１に双胴型を採用する場合、当然ながら左右対称に構成すると共に、図１６（ａ）に示すように、左右の回転翼５に加わる海流の作用力（スラスト力）が常に等しくなるようにすることが好ましい。しかし、浮体１に双胴型を採用したものにダウンウィンド方式を採用すると、図１５に示すように、回転翼５の前方正面の海流の流入領域の一部に構造物３が存在するため、構造物３後方に流速が低下する構造物の影の領域が発生する。回転翼５のブレード５ａがこの構造物３の影の領域を通過する際には、ブレード５ａに加わる海流のスラスト力が減少する。

【0013】

左右のうち片方の回転翼５のブレード５ａへのスラスト力のみが減少すると、図１６（ｂ）に示すように、浮体１の左右に加わるスラスト力のバランスが崩れて、図１６（ｃ）に示すように、浮体１にモーメントＭが生じる。このモーメントは、スラスト力変化のタイミングにより、ロール・ピッチ・ヨーのいずれの方向にも発生しうるものである。なお、このようにブレード５ａが構造物の影の領域を通過する際のスラスト力のアンバランスに起因して浮体１に生じるモーメントをシャドウモーメントと称し、この原因となる構造物の影の領域をシャドウモーメント領域と称する。

【0014】

このシャドウモーメントが、左右の回転翼５でずれて交互に発生すると、浮体１がアンバランスになり、浮体１に周期的な振動が生じる。このような浮体１の振動の発生は、浮体の構造体やブレードや係留索等に損傷を及ぼす原因となるため、このような振動発生を低減する必要がある。風力発電装置の主流となっている、単胴型且つアップウィンド方式［回転翼５をナセル４の前方（流体の流れの上流側）に配置した方式］を海流発電装置に採用できればシャドウモーメントは発生しないためこうした課題は生じない。したがって、かかる課題は，海流発電装置、特に海中浮遊式海流発電装置に特有のものと言える。

【0015】

本発明は上記の課題に鑑み創案されたもので、シャドウモーメントに起因した海流発電装置の浮体の周期的な方向振動を抑制することができるようにした、海中浮遊式海流発電装置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】

【0016】

（１）上記の目的を達成するために、本発明の海中浮遊式海流発電装置は、ナセル内に収納された発電機のロータを前記ナセルの外部に突出した回転翼により駆動する海流発電装置本体が構造物の左右に結合されて、海中を浮遊可能な双胴型の浮体として構成され、前記構造物の左右中間部を係留索によって海底に係止されて使用される海中浮遊式海流発電装置であって、前記海流発電装置本体には、前記回転翼を前記ナセルよりも海流方向の下流側に配置したダウンウィンド方式が用いられ、前記回転翼のブレードが海流方向の上流側の前記構造物の影の領域（シャドウモーメント領域）に進入した際の海流の流速低下に伴うスラスト力の減少によって前記浮体に発生するモーメントを抑制するモーメント抑制手段を備え、前記モーメント抑制手段は、前記ブレードが前記構造物の影の領域に進入した際の海流の前記スラスト力の減少を抑制するスラスト力減少抑制手段であることを特徴としている。なお、このモーメントとは、ロール，ピッチ，ヨーのいずれの方向のモーメントも含むものとする。

【0017】

（２）前記スラスト力減少抑制手段は、前記ブレードが前記構造物の影の領域に進入した際の海流の流速低下に伴って前記回転翼ロータの回転速度を上昇させてスラスト力の減少を抑制することが好ましい。

【0018】

（３）また、本発明のもう一つの海中浮遊式海流発電装置は、ナセル内に収納された発電機のロータを前記ナセルの外部に突出した回転翼により駆動する海流発電装置本体が構造物の左右に結合されて、海中を浮遊可能な双胴型の浮体として構成され、前記構造物の左右中間部を係留索によって海底に係止されて使用される海中浮遊式海流発電装置であって、前記海流発電装置本体には、前記回転翼を前記ナセルよりも海流方向の下流側に配置したダウンウィンド方式が用いられ、前記回転翼のブレードが海流方向の上流側の前記構造物の影の領域（シャドウモーメント領域）に進入した際の海流の流速低下に伴うスラスト力の減少によって前記浮体に発生するモーメントを抑制するモーメント抑制手段を備え、前記モーメント抑制手段は、左右の前記海流発電装置本体の各々の前記回転翼の前記ブレードが前記構造物の影の領域に同期して進入するように前記ブレードの回転位相を制御する回転位相制御手段であることを特徴としている。なお、このモーメントとは、ロール，ピッチ，ヨーのいずれの方向のモーメントも含むものとする。

【0019】

（４）前記回転位相制御手段は、左右の前記海流発電装置本体の一方の前記回転翼の前記ブレードの回転位相を基準位相とし前記基準位相に他方の前記回転翼の回転位相が追従して同期するように前記ブレードの回転位相を制御することが好ましい。

【0020】

（５）あるいは、前記回転位相制御手段は、予め設定された基準位相に基づいて、左右の前記海流発電装置本体の各々の前記回転翼の前記ブレードの回転位相を制御することが好ましい。
（６）前記基準位相は、前記発電機のロータの目標回転速度に基づいて設定されていることが好ましい。

【0021】

（７）前記スラスト力減少抑制手段は、前記ブレードが前記構造物の影の領域に入っているか否かを判定するブレード回転領域判定部と、前記ブレードが前記構造物の影の領域に入っていない場合に、前記ブレードの回転速度を目標回転速度に制御する目標回転制御部と、前記ブレードが前記構造物の影の領域に入っている場合に、海流の流速低下によるスラスト力の減少を抑制するように回転増加させたブレードのスラスト力減少抑制回転速度を設定し、前記ブレードの回転速度を前記スラスト力減少抑制回転速度に制御する回転増加制御部と、を有していることが好ましい。

【0022】

（８）前記回転位相制御手段は、前記基準位相と制御対象の前記ブレードの回転位相との位相差を演算する角位相差演算部と、演算された前記位相差から制御対象の前記ブレードの回転位相が前記基準位相と同期した同期状態であるか否かを判定する角位相差判定部と、前記同期状態であると判定されたら前記同期状態を保持する同期保持制御部と、前記同期状態でないと判定されたら前記位相差を低減して前記同期状態になるように制御する位相差低減制御部と、を有していることが好ましい。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、モーメント抑制手段が、回転翼のブレードが海流方向の上流側の構造物の影の領域に進入した際の海流の流速低下に伴うスラスト力の減少によって浮体に発生するモーメントを抑制するので、このモーメントに起因した浮体の周期的な振動の発生を抑制することができる。この振動が発生すると浮体の構造体やブレードや係留索等に損傷を及ぼすおそれがあるが、これが回避される。

【0024】

かかるモーメントの抑制の具体的な手法として、ブレードが構造物の影の領域に進入した際の海流のスラスト力の減少自体を抑制する手法を適用すれば、左右の回転翼を独立して制御しながら、浮体の周期的な振動の発生を抑制することができる。この場合、例えば、ブレードが構造物の影の領域に進入した際の海流の流速低下に伴ってロータ回転翼の回転速度を上昇させるように操作すれば、流速低下に応じたスラスト力の減少を、ロータ回転翼の回転速度の上昇に応じたスラスト力の増大により相殺することができ、スラスト力の減少自体を確実に抑制することができる。

【0025】

また、モーメントの抑制の具体的な手法として、左右の海流発電装置本体の各々の回転翼のブレードが構造物の影の領域に同期して進入するようにブレードの回転位相を制御して、左右のスラスト力の低下を同時に発生させる手法を適用すれば、スラスト力の減少を生じさせたままでもモーメントの発生を抑制でき、浮体の周期的な振動の発生を抑制することができる。この場合、例えば、左右の海流発電装置本体の一方の回転翼のブレードの回転位相を基準位相としこの基準位相に他方の回転翼のブレードの回転位相が追従して同期するようにブレードの位相を制御してもよく、左右の海流発電装置本体の各々の回転翼のブレードの回転位相を予め設定された基準位相に基づいて制御してもよい。また、基準位相を発電機のロータの目標回転速度に基づいて設定すれば、効率よく発電量を得ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】第１実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置の制御系を示す構成図である。

【図2】各実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置を海中での使用状態で示す斜視図である。

【図3】各実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置の水深方向位置の受動的制御（ＰＤＣ）を説明する海中における側面図である。

【図4】第１実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置のモーメント抑制制御の原理を説明する図であり、（ａ）はスラスト力と流速との関係を示す図、図（ｂ）はスラスト力と回転翼の回転速度との関係を示す図である。

【図5】第１実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置のモーメント抑制制御にかかるパラメータを説明する浮体の要部斜視図である。

【図6】第１実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置のモーメント抑制制御にかかるパラメータを説明する浮体の模式的な平面図である。

【図7】第１実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置のモーメント抑制制御を説明するフローチャートである。

【図8】第１実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置のモーメント抑制制御の効果を示すタイムチャートであり、（ａ）は回転翼の回転数（回転速度）に関し、（ｂ）はスラスト力に関している。

【図9】第２実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置の制御系を示す図であり、（ａ）は２つの海流発電装置本体の関係を示す構成図、（ｂ）は制御系を示すブロック図である。

【図10】第２実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置の各海流発電装置本体に装備された油圧回路及びその周辺構成を示す図である。

【図11】第２実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置のモーメント抑制制御を説明するフローチャートである。

【図12】第２実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置のモーメント抑制制御の効果を示すタイムチャートである。

【図13】第３実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置の制御系を示す図である。

【図14】背景技術にかかる海中浮遊式海流発電装置を示す斜視図である。

【図15】海中浮遊式海流発電装置にかかる課題を説明する海中浮遊式海流発電装置の要部斜視図である。

【図16】海中浮遊式海流発電装置にかかる課題を説明する海中浮遊式海流発電装置の平面図であり、（ａ）は正常状態を示し、（ｂ）はモーメントが発生した状態を示し、（ｃ）はモーメントの発生による浮体の挙動を示している。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、図面を参照して本発明にかかる実施形態を説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。

【0028】

［各実施形態の海中浮遊式海流発電装置の概略構成］
まず、各実施形態の海中浮遊式海流発電装置の概略構成を説明すると、海中浮遊式海流発電装置の概略は、背景技術において説明したもの（図１４参照）と同様である。説明が重複するが、この海中浮遊式海流発電装置は浮体１として構成され、浮体１は、図２に示すように、２つの海流発電装置本体２，２とこれらを接続する構造物３とから一つの浮体１を構成した双胴型を採用している。海流発電装置本体２は、ナセル（ポッドとも呼ぶ）４内に発電機９を装備し、この発電機９のロータに回転翼５の回転軸５Ａが接続されている（図１，図９参照）。

【0029】

ナセル４は構造物３の左右両端に結合されている。構造物３の左右方向中央には係留索６の先端が結合され、係留索６の基端は海底７ａ（この例では、海底７ａのアンカーウェイト６Ａ）に係止されている。浮体１は、係留索６に拘束された範囲で水平方向及び鉛直方向に海中を浮遊する。浮体１の浮力は左右でバランスしており、浮体１の構造物３は海流方向に対向するような翼形状に形成されている。これにより、浮体１は、その正面（回転翼５の正面）が海流方向に正対するように海流に応じて方向を変えて海流を正面に受けながら発電を実施する。

【0030】

また、各海流発電装置本体２は、回転翼５をナセル４の後方（海流の下流側）に配置したダウンウィンド方式が採用されている。このように回転翼５をナセル４よりも下流側に配置することにより、浮体１の正面（回転翼５の正面）を海流方向に向けやすくなる。海中浮遊式海流発電装置の場合、浮体１の方向制御（海流の方向にロータ回転軸を合わせる制御）を能動的に実施する駆動装置の実装は難しいので、ダウンウィンド方式を採用すると共に、浮体１のナセル４や構造物３の形状を海流の方向に向かうように形成し、浮体１の正面方向が海流方向に受動的に向くように設定されている。

【0031】

係留索６に係止された浮体（海中浮遊式海流発電装置）１は海中において浮遊するが、このとき、浮体１は、浮体１に加わる海流の作用力Ｆwfと、浮体１に生じる浮力Ｆｂと、浮体１を係止する係留索６の張力Ｆｔとがバランスした位置をとる。つまり、浮体１に対して、浮力Ｆｂは鉛直上方に作用し、海流の作用力Ｆwfは、海流方向（水平方向）に作用し、係留索６の張力Ｆｔは浮力Ｆｂ及び海流の作用力Ｆwfと対向するように作用する。

【0032】

したがって、図３に示すように、海流の作用力Ｆwfが弱ければ（つまり、海流の流速Ｖwfが低ければ）、浮体１は海中で比較的浅い深度まで上昇し、海流の作用力Ｆwfが強ければ（つまり、海流の流速Ｖwf´が高ければ）、浮体１は符号１´で示すように海中７で比較的深い深度まで下降する。また、海流の流速Ｖwf，Ｖwf´の深さ方向分布は、海底７ａ付近では海底７ａに接近するほど低速となり海底７ａから離隔するほど高速となる。

【0033】

このため、海流の流速が強まった場合、浮体１は、図３に実線で示す状態から二点鎖線及び符号１´で示す状態へと海中７で下降して、深さ方向の流速分布で流速が適当に弱まった深度でバランスする。また、図示しないが、図３に実線で示す状態よりも海流の流速が弱まれば、浮体１は実線で示す状態から海中を上昇して、深さ方向の流速分布で流速が適当に強まった深度でバランスする。こうして、浮体１として構成された海中浮遊式海流の水深方向の位置が受動的に自動で調整される制御をＰＤＣ（＝Passive Depth Control）とも呼ぶ。このＰＤＣにより、回転翼５が受ける海流の流速は過不足ない状態の保持することができ、安定した海流の流速を受けて発電を行なうことができる。

【0034】

また、各海流発電装置本体２は、図１，図２，図９に示すように、ナセル４の後方（海流の下流側）に回転翼５が配置され、ナセル４の内部に、回転翼５の回転軸（主軸）５Ａと、主軸５Ａの回転速度を増速する増速機８，１０８と、増速機８，１０８により増速された回転力を受けて作動する発電機９とが装備されている。主軸５Ａと増速機８，１０８と発電機９とから、各流発電装置本体２のドライブトレーン１０，１１０が構成されている。

【0035】

ナセル４の外形は、前端及び後端が滑らかな曲面で構成され、中間部が円筒状に形成され、ナセル４の外形の軸心ＣＬ_１上に主軸５Ａの軸心が配置されている。ナセル４の外形は、紡錘形状など、他の形状も採用しうる。また、回転翼５は２枚のブレード５ａが１８０度の位相差で装備された２枚翼が採用されている。回転翼５のブレード５ａの数はこの限りでなく、３枚翼など他の枚数のものも適用しうる。さらに、ブレード５ａはシンプルでメンテナンスが不要な固定ピッチのものが適用されている。

【0036】

前述のように、海中浮遊式海流発電装置の場合、浮体１に双胴型を採用し、回転翼５をナセル４の後方（海流の下流側）に配置したダウンウィンド方式を採用することが好適であるが、この場合、回転翼５のブレード５ａが構造物３の影の領域（シャドウモーメント領域）を通過する際には、海流の流速低下に伴ってブレードに加わる海流のスラスト力が減少し、この際のスラスト力の左右のアンバランスに起因して浮体１にモーメント（シャドウモーメント）が生じる。

【0037】

各実施形態の海中浮遊式海流発電装置は、何れも回転翼５のブレード５ａがシャドウモーメント領域に進入した際のかかるスラスト力の減少によって浮体１にモーメントが発生するのを抑制する機能（モーメント抑制手段）を有する制御装置２０，１２０を備えている。各実施形態では、モーメント抑制制御に関する具合的な構成が異なっており、以下、各実施形態のモーメント抑制制御に関する構成を説明する。なお、このモーメントはロール，ピッチ，ヨーのいずれの方向のモーメントも含む。

【0038】

〔第１実施形態〕
〔モーメント抑制制御系の構成〕
本実施形態の制御装置２０は、ブレード５ａが構造物３の影の領域（シャドウモーメント領域）に進入した際の海流のスラスト力Ｆthの減少自体を抑制して、浮体１にロールもしくはピッチもしくはヨーモーメントＭが発生することを抑制するので、モーメント抑制手段としてのスラスト力減少抑制手段の機能を有する。制御装置２０は、海流の流速Ｕｃの減少に伴って回転翼５の回転速度を上昇させてスラスト力の減少を抑制するようにしている。

【0039】

図４（ａ）はブレード５ａが一定の回転数（回転速度）ωで回転している場合に海流から受けるスラスト力Ｆthと海流の流速Ｕｃとの関係を示す特性図であり、ブレード５ａが一定の回転数ωで回転している場合には、海流の流速Ｕｃが高くなるほど海流から受けるスラスト力Ｆthは大きくなる。図４（ｂ）はブレード５ａが一定の流速Ｕｃの海流を受けている場合に海流から受けるスラスト力Ｆthとブレード５ａの回転数（回転速度）ωとの関係を示す特性図であり、ブレード５ａが一定の流速Ｕｃの海流を受けている場合には、ブレード５ａの回転数ωが高くなるほど海流から受けるスラスト力Ｆthは大きくなる。

【0040】

この特性に着目すれば、ブレード５ａが受ける海流の流速Ｕｃが低下することでスラスト力Ｆthが減少したら、ブレード５ａの回転数ωを上昇させてスラスト力Ｆthを増大させれば、スラスト力Ｆthの減少を抑制することができる。つまり、ブレード５ａがシャドウモーメント領域に入っている間はブレード５ａが受ける海流の流速Ｕｃは低下するので、この間だけ、ブレード５ａの回転数ωを上昇させれば、シャドウモーメント領域での海流の流速低下によるスラスト力Ｆthの減少をブレード５ａの回転速度上昇によるスラスト力Ｆthの増大で相殺することができる。

【0041】

このようにしてスラスト力Ｆthの減少を抑制するために、本実施形態の制御装置２０は、図１に示すように、ブレード回転領域判定部２１と、目標回転制御部２２と、回転増加制御部２３と、ドライブトレーン制御部２４とを機能要素として有している。なお、ここでは、制御装置２０は、各海流発電装置本体２に個別に設けられ、各海流発電装置本体２を独立して制御するものとするが、各海流発電装置本体２で制御装置２０を共用しながら、各海流発電装置本体２を独立して制御するようにしてもよい。

【0042】

ブレード回転領域判定部２１は、ブレード５ａがシャドウモーメント領域に入っているか否かを判定する。具体的には、ブレード回転領域判定部２１は、海流発電装置本体２に装備されたブレード回転角度センサ３３で所定の微小周期で検出されたブレード５ａの回転角度（位相角度）θ_Ｂを読み込んで、ブレード５ａがシャドウモーメント領域に対応する回転角度領域θ_０〜θ_１に入っているか否かを判定する。

【0043】

図５に示すように、ブレード５ａの回転角度θ_Ｂは図示しない基準角度から回転方向へ変位した角度量であり、シャドウモーメント領域に対応する回転角度領域を規定する角度θ_０，θ_１（ただし、θ_０＜θ_１）も基準角度からの角度量である。ブレード５ａの回転角度θ_Ｂが、シャドウモーメント領域への進入角度θ_０とシャドウモーメント領域からの脱出角度θ_１との間（θ_０≦θ_Ｂ≦θ_１）の大きさであるか否かを判定する。

【0044】

ブレード５ａの回転角度θ_Ｂがシャドウモーメント領域の角度θ_０〜θ_１の範囲内（θ_０≦θ_Ｂ≦θ_１）ならばブレード５ａがシャドウモーメント領域に入っていると判定し、ブレード５ａの回転角度θ_Ｂがシャドウモーメント領域の角度θ_０〜θ_１の範囲外（θ_Ｂ＜θ_０又はθ_Ｂ＞θ_１）ならばブレード５ａがシャドウモーメント領域に入っていないと判定する。

【0045】

ブレード回転領域判定部２１によりブレード５ａがシャドウモーメント領域に入っていないと判定されたら、目標回転制御部２２によりブレード５ａ（即ち、回転翼５）の回転速度（以下、ブレード回転数とも言う）を制御し、ブレード回転領域判定部２１によりブレード５ａがシャドウモーメント領域に入っていると判定されたら回転増加制御部２３によりブレード回転数ωを制御する。

【0046】

目標回転制御部２２は、負荷トルク制御部２２ａとスラスト力演算部２２ｂとを有している。目標回転制御部２２では、負荷トルク制御部２２ａによって、海流発電装置本体２に装備された回転速度センサ３１で検出されたブレード回転数ωが目標回転数（目標回転速度）ω_０となるようにドライブトレーン１０の負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴを演算し出力する。スラスト力演算部２２ｂでは常にブレード５ａ（即ち、回転翼５）に作用するスラスト力Ｆthを把握するために演算する。

【0047】

ドライブトレーン１０の負荷トルクＴ_Ｄとは、発電機９の発電負荷トルクであり、発電機９のインバータを操作することにより負荷トルクＴ_Ｄを制御することができる。なお、目標回転数ω_０は、発電機９が最も効率よく発電しうる回転数として予め設定されている。負荷トルク制御部２２ａは、ブレード回転数ωが目標回転数ω_０よりも高ければ負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴを所定量（又は、ωとω_０との差分＝｜ω−ω_０｜に応じた量だけ）増大し、ブレード回転数ωが目標回転数ω_０よりも低ければ負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴを所定量（又は、ωとω_０との差分＝｜ω−ω_０｜に応じた量だけ）減少することにより、ブレード回転数ωが目標回転数ω_０となるように制御する。

【0048】

スラスト力演算部２２ｂは、海流発電装置本体２に装備された流速センサ３２で検出された浮体１の周りの流速Ｕ_Ｃと、回転速度センサ３１で検出されたブレード回転数ωと、ブレード回転角度センサ３３で検出されたブレード回転角度θ_Ｂと、海流発電装置本体２に装備された浮体回転角度センサ３４で検出された浮体１の回転角度θ_Ｆとに基づいて、予め記憶されたテーブル，マップ或いは演算式（下式（１）参照）を用いて、スラスト力Ｆthを演算する。
Ｆth＝ｆ（Ｕ_Ｃ，ω，θ_Ｂ，θ_Ｆ）・・・（１）

【0049】

流速センサ３２は浮体１周り（特に、回転翼５周り）の海流の流速Ｕ_Ｃを検出する。浮体回転角度センサ３４は、図６に示すように、海流の方向に対する浮体１の方向角度（浮体１の中心線ＣＬ_０の方向角度）を検出する。浮体回転角度センサ３４は浮体１に対する海流の方向を検出することで浮体１の方向角度を検出する。なお、これらの流速センサ３２及び浮体回転角度センサ３４は、浮体１に対する海流方向とその海流の流速とを同時に検知する海流センサを適用してもよい。また、図６に示すように、左右のスラスト力Ｆthを区別する場合には、左側のスラスト力をＦth_Ｌ、右側のスラスト力をＦth_Ｒとして区別する。

【0050】

回転増加制御部２３は、低下流速演算部２３ａと、回転速度演算部２３ｂと、負荷トルク制御部２３ｃとを有している。回転増加制御部２３は、ブレード５ａがシャドウモーメント領域に入っている時に低下する海流の流速Ｕ_Ｃ´を演算し、この流速Ｕ_Ｃ´におけるスラスト力Ｆth´が、直近に目標回転制御部２２のスラスト力演算部２２ｂで演算されたスラスト力Ｆthと等しくなるようにするブレード回転数ω´を演算し、回転速度センサ３１で検出されたブレード回転数ωが演算したブレード回転数ω´となるようにドライブトレーン１０の負荷トルクＴ_Ｄを制御する。

【0051】

つまり、低下流速演算部２３ａは、流速センサ３２により検出された流速Ｕ_Ｃにシャドウモーメント係数αを乗算することにより、ブレード５ａがシャドウモーメント領域に入っている時の海流の流速Ｕ_Ｃ´を演算する［下式（２）参照］。シャドウモーメント係数αは、構造物３の形状とブレード５ａの形状とによって決まる。ここでは、シャドウモーメント領域内では一様なシャドウモーメント係数αを適用するが、シャドウモーメント領域において、領域の境界部分（進入角度θ_０，脱出角度θ_１の付近）では海流の流速Ｕ_Ｃの低下が少なく、領域の中央部分（進入角度θ_０と脱出角度θ_１との中間付近）では海流の流速Ｕ_Ｃの低下が大きいので、これを考慮して、ブレード回転角度θ_Ｂに応じてシャドウモーメント係数αの値を設定してもよい。
ＵＣ´＝ＵＣ×α・・・（２）

【0052】

回転速度演算部２３ｂでは、上記の式（１）に示すように、スラスト力Ｆthが、海流の流速Ｕ_Ｃ´と、ブレード回転数ωと、ブレード回転角度θ_Ｂと、浮体１の回転角度θ_Ｆと、に相関する点に着目し、海流の流速Ｕ_Ｃ´として低下流速演算部２３ａで演算された海流の流速Ｕ_Ｃ´を与えた場合のスラスト力Ｆth´が、直近に目標回転制御部２２のスラスト力演算部２２ｂで演算されたスラスト力Ｆthと等しくなるようにするブレード回転数（スラスト力低下抑制回転数或いはスラスト力低下抑制回転速度）ω´を、テーブルデータ等を用いて演算する［下式（３）参照］。
Ｆth´＝ｆ（Ｕ_Ｃ´，ω´，θ_Ｂ，θ_Ｆ）＝Ｆth・・・（３）

【0053】

シャドウモーメント領域内での海流の流速Ｕ_Ｃ´は、シャドウモーメント領域外での海流の流速Ｕ_Ｃよりも低くスラスト力Ｆthが低下するので、シャドウモーメント領域内でのブレード回転数ω´は、スラスト力Ｆthを回復するためシャドウモーメント領域外で目標回転数ω_０に制御されるブレード回転数ωよりも高くする（図４参照）。

【0054】

負荷トルク制御部２３ｃでは、海流発電装置本体２に装備された回転速度センサ３１で検出されたブレード回転数ωがスラスト力低下抑制回転数ω´となるようにドライブトレーン１０の負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴを演算し出力する。例えば、負荷トルク制御部２２ａは、ブレード回転数ωがスラスト力低下抑制回転数ω´よりも高ければ負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴを所定量（又はωとω_０との差分＝｜ω−ω_０｜に応じた量だけ）増大し、ブレード回転数ωがスラスト力低下抑制回転数ω´よりも低ければ負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴを所定量（又はωとω_０との差分＝｜ω−ω_０｜に応じた量だけ）減少することにより、ブレード回転数ωがスラスト力低下抑制回転数ω´となるように制御する。

【0055】

ただし、ブレード５ａがシャドウモーメント領域に入っている時の海流の流速Ｕ_Ｃ´は、シャドウモーメント領域の中央部分の値であり、シャドウモーメント領域に進入する際や脱出する際（ブレード５ａの回転角度θ_Ｂが進入角度θ_０や脱出角度θ_１に近い場合）には、海流の流速は演算値Ｕ_Ｃ´までは下がらない点、及び、制御切り替え時に負荷トルクＴ_Ｄの急変を回避する点、を考慮し、負荷トルク制御部２３ｃでは、制御ゲインＫにより処理して負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴを求めるようにしている。

【0056】

ドライブトレーン制御部２４は、負荷トルク制御部２２ａ，２３ｃの何れかで演算された負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴに基づいてドライブトレーン１０の負荷トルク（発電負荷トルク）Ｔ_Ｄを制御する。目標回転制御部２２の負荷トルク制御部２２ａで演算された負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴに基づいて負荷トルクＴ_Ｄを制御すれば、発電機９が最も効率よく発電しうる目標回転数ω_０にブレード回転数ωが制御される。回転増加制御部２３の負荷トルク制御部２３ｃで演算された負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴに基づいて負荷トルクＴ_Ｄを制御すれば、ブレード５ａがシャドウモーメント領域に入ってもスラスト力Ｆthが変動しないスラスト力低下抑制回転数ω´にブレード回転数ωが制御される。

【0057】

〔作用及び効果〕
第１実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置は、上述のように構成されているので、制御装置２０により、例えば図７のフローチャートに示すように、浮体１にモーメントが発生するのを抑制するモーメント抑制制御を実施することができる。なお、図７のフローチャートは所定の制御周期で実施される。

【0058】

図７に示すように、まず、スラスト力Ｆth，海流の流速Ｕ_Ｃ，ブレード回転数ω，ブレード５ａの回転角度θ_Ｂ，浮体１の回転角度θ_Ｆを読み込む（ステップＡ１０）。スラスト力Ｆthについては、直近の制御周期で目標回転制御部２２のスラスト力演算部２２ｂで演算され記憶されたものを読み込む。海流の流速Ｕ_Ｃ，ブレード回転数ω，ブレード５ａの回転角度θ_Ｂ，浮体１の回転角度θ_Ｆについては、流速センサ３２，回転速度センサ３１，ブレード回転角度センサ３３，浮体回転角度センサ３４で検出された直近の検出値を読み込む。

【0059】

そして、ブレード回転領域判定部２１によりブレード５ａがシャドウモーメント領域に入っているか否か、即ち、ブレード５ａの回転角度θ_Ｂがシャドウモーメント領域の角度範囲θ_０〜θ_１内（θ_０≦θ_Ｂ≦θ_１）であるか否かを判定する（ステップＡ２０）。ここで、ブレード５ａがシャドウモーメント領域に入っていないと判定されたらステップＡ３０へ進み、ブレード５ａがシャドウモーメント領域に入っていると判定されたらステップＡ５０へ進む。

【0060】

ブレード５ａがシャドウモーメント領域外（θ_Ｂ＜θ_０又はθ_Ｂ＞θ_１）ならば、目標回転制御部２２がドライブトレーン１０の負荷トルクＴ_Ｄを制御し、スラスト力Ｆthを演算する。すなわち、負荷トルク制御部２２ａで、ブレード回転数ωが目標回転数ω_０となるようにドライブトレーン１０の負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴを演算し出力し、ドライブトレーン制御部２４で、演算された負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴに基づいてドライブトレーン１０の負荷トルクを制御する（ステップＡ３０）。

【0061】

そして、スラスト力演算部２２ｂで、前記式（１）により、海流の流速ＵＣと、ブレード回転数ωと、ブレード５ａの回転角度θ_Ｂと、浮体１の回転角度θ_Ｆとに基づいて、ブレード５ａに作用するスラスト力Ｆthを演算する（ステップＡ４０）。この演算したスラスト力Ｆthは制御装置２０のメモリに記憶され、次回以降の制御周期で適宜利用される。

【0062】

一方、ブレード５ａがシャドウモーメント領域内（θ_０≦θ_Ｂ≦θ_１）ならば、回転増加制御部２３がドライブトレーン１０の負荷トルクＴ_Ｄを制御する。つまり、低下流速演算部２３ａが、流速Ｕ_Ｃにシャドウモーメント係数αを乗算することにより、ブレード５ａがシャドウモーメント領域に入っている時の海流の流速Ｕ_Ｃ´を演算する（上記式（２））（ステップＡ５０）。回転速度演算部２３ｂでは、上記の式（１）に、海流の流速Ｕ_Ｃとして演算した流速Ｕ_Ｃ´を与えた場合のスラスト力Ｆth´が、直近に目標回転制御部２２のスラスト力演算部２２ｂで演算されたスラスト力Ｆthと等しくなるようにするブレード回転数ω´を演算する（上記の式（３）参照）（ステップＡ６０）。

【0063】

そして、負荷トルク制御部２３ｃが、ブレード回転数ωがスラスト力低下抑制回転数ω´となるようにドライブトレーン１０の負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴを演算する。ただし、シャドウモーメント領域に進入する際や脱出する際（ブレード５ａの回転角度θ_Ｂが進入角度θ_０や脱出角度θ_１に近い場合）には、海流の流速は演算値Ｕ_Ｃ´までは下がらない点、及び、制御切り替え時に負荷トルクＴ_Ｄの急変を回避する点、を考慮し、制御ゲインＫにより処理して負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴを求める。

【0064】

つまり、ブレード５ａがシャドウモーメント領域に入ると、ブレード回転数ωは目標回転数ω_０からスラスト力低下抑制回転数ω´へと上昇させる。このため、負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴはステップＡ３０で演算し設定した値から低減させることになる。この低減をランプ状に行なうように制御ゲインＫにより処理して負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴを求めている。なお、ブレード５ａがシャドウモーメント領域から脱出する際には、ブレード回転数ωはスラスト力低下抑制回転数ω´から目標回転数ω_０へと減少させるため、負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴは増大させるが、この増大もランプ状に行なうように制御ゲインＫにより処理して負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴを求めている。

【0065】

これにより、図８（ａ）に実線で示すように、ブレード５ａがシャドウモーメント領域に入るとブレード５ａの回転数ωが徐々に上昇してスラスト力低下抑制回転数ω´に達して、ブレード５ａがシャドウモーメント領域から脱出する際にはブレード５ａの回転数ωが徐々に下降して目標回転数ω_０に戻る。本制御を実施しない場合には、図８（ａ）に破線で示すように、ブレード５ａがシャドウモーメント領域内にあるかないかに限らず、ブレード５ａの回転数ωは目標回転数ω_０に保持される。

【0066】

ドライブトレーン制御部２４では、こうして演算された負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴに基づいてドライブトレーン１０の負荷トルクを制御する（ステップＡ７０）。
これにより、ブレード５ａがシャドウモーメント領域内（θ_０≦θ_Ｂ≦θ_１）にある場合にブレード５ａ（回転翼５）に作用するスラスト力Ｆth´が、ブレード５ａがシャドウモーメント領域外（θ_Ｂ＜θ_０又はθ_Ｂ＞θ_１）にある場合のスラスト力Ｆthと等しくなり、図８（ｂ）に実線で示すようにスラスト力Ｆthの減少自体を抑制することができる。本制御を実施しない場合には、図８（ｂ）に破線で示すようにスラスト力Ｆthは減少する。

【0067】

このようにして、シャドウモーメント領域での海流の流速低下によるスラスト力Ｆthの減少を相殺するようにブレード５ａの回転速度上昇によるスラスト力Ｆthの増大を行ないスラスト力Ｆthの減少自体を抑制するので、スラスト力Ｆthの減少に起因して浮体１にモーメントＭが発生することを抑制することができ、このモーメントに起因した浮体の方向への周期的な振動の発生を抑制することができる。この振動が発生すると浮体１の構造体１３やブレード５ａや係留索６等に損傷を及ぼすおそれがあるが、これが回避される。

【0068】

〔第２実施形態〕
〔モーメント抑制制御系の構成〕
本実施形態では、左右の海流発電装置本体２の各々の回転翼５のブレード５ａが構造物３の影のシャドウモーメント領域に同期して進入するようにブレード５ａの回転位相を制御して、左右のスラスト力Ｆth_Ｌ，Ｆth_Ｒ（図６参照）の低下を同時に発生させることにより、モーメントの発生を抑制するので、モーメント抑制手段としての回転位相制御手段の機能を有する。特に、本実施形態では、図９（ａ）に示すように、左右の海流発電装置本体２の一方をマスタ機とし他方をスレイブ機として、マスタ機の回転翼５のブレード５ａの回転位相を基準位相としてこの基準位相にスレイブ機の回転翼５のブレード５ａの回転位相が追従して同期するようにスレイブ機のブレード５ａを制御する。

【0069】

このため、本実施形態の制御装置１２０は、図９（ｂ）に示すように、角位相差演算部１２１と、角位相差判定部１２２と、同期保持制御部１２３と、位相差低減制御部１２４と、ドライブトレーン制御部１２５とを機能要素として有している。なお、ここでは、制御装置１２０をマスタ機の側に設け、マスタ機側からマスタ信号（制御量）を出力し、スレイブ機側で位相応答するものとしているが、マスタ機側のブレード５ａの回転位相を主体としスレイブ機側のブレード５ａの回転位相をこれに追従させればよく、制御装置１２０自体はスレイブ機の側に設けてもよい。

【0070】

角位相差演算部１２１は、マスタ機及びスレイブ機の海流発電装置本体２にそれぞれ装備されたブレード回転角度センサ３３ａ，３３ｂで検出されたマスタ機のブレード回転角度θｍ及びスレイブ機のブレード回転角度θｓの差（位相差）δθを下式（４）のように演算する。
δθ＝θｍ−θｓ・・・（４）

【0071】

角位相差判定部１２２は、マスタ機のブレード回転角度θｍとスレイブ機のブレード回転角度θｓとの位相差δθからマスタ機のブレード５ａとスレイブ機のブレード５ａとが同期状態であるか否かを判定する。つまり、位相差δθが０又は０に近い微小値である許容値δθ_０以内である（δθ≦δθ_０）か否かを判定し、位相差δθが許容値δθ_０以内ならば同期状態（位相差なし）であると判定し、そうでなければ非同期状態（位相差あり）であると判定する。

【0072】

角位相差判定部１２２により、マスタ機のブレード回転角度θｍとスレイブ機のブレード回転角度θｓが同期状態である判定されたら、同期保持制御部１２３によりスレイブ機のブレード５ａをマスタ機のブレード５ａと同期状態に保持する同期保持制御を行なう。位相差判定部１２２により、マスタ機のブレード回転角度θｍとスレイブ機のブレード回転角度θｓが非同期状態である判定されたら、位相差低減制御部１２４によりスレイブ機のブレード回転角度θｓをマスタ機のブレード５ａに近づけて同期させる位相差低減制御を行なう。

【0073】

同期保持制御部１２３は、負荷トルク制御部１２３ａを有している。同期保持制御部１２３では、負荷トルク制御部１２３ａによって、マスタ機及びスレイブ機の海流発電装置本体２にそれぞれ装備された回転速度センサ３１ａ，３１ｂで検出されたマスタ機のブレード回転数ω_ｍ及びスレイブ機のブレード回転数ω_ｓに基づいて、スレイブ機のブレード回転数ω_ｓがマスタ機のブレード回転数ωと等しくなるようにスレイブ機のドライブトレーン１１０の負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ１を演算し出力する。

【0074】

この場合、位相差δθが許容値δθ_０以内ではあるが微小量だけ生じたら、位相差δθを０に近づける（スレイブ機のブレード回転数ω_ｓがマスタ機のブレード回転数ω_ｍと等しくなる）ように、負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ１を増減するが、負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ１が緩やかにランプ状に変更されるように、負荷トルク制御部１２３ａでは、制御ゲインＫ_１により処理して負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ１を求めるようにしている。

【0075】

位相差低減制御部１２４は、スレイブ回転数演算部１２４ａと、負荷トルク制御部１２４ｂとを有している。
スレイブ回転数演算部１２４ａは、位相差δθを０にするためのスレイブ機のブレード回転数の目標値ω_ｓ´を演算する。この場合も、スレイブ機のブレード回転数ωが緩やかにランプ状に変更されるように、スレイブ回転数演算部１２４ａでは、制御ゲインＫ_２により処理してブレード回転数の目標値ω_ｓ´を求めるようにしている。

【0076】

負荷トルク制御部１２４ｂでは、回転速度センサ３１ａで検出されたマスタ機のブレード回転数ω_ｍ及びスレイブ回転数演算部１２４ａで演算されたスレイブ機のブレード回転数の目標値ω_ｓ´に基づいて、スレイブ機のブレード回転数ω_ｓがスレイブ機のブレード回転数の目標値ω_ｓ´と等しくなるようにスレイブ機のドライブトレーン１１０の負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ２を演算し出力する。この場合も、負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ２が緩やかにランプ状に変更されるように、負荷トルク制御部１２３ａでは、制御ゲインＫ_１により処理して負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ２を求めるようにしている。

【0077】

ドライブトレーン制御部１２５は、同期保持制御部１２３の負荷トルク制御部１２３ａで演算された負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ１又は位相差低減制御部１２４の負荷トルク制御部１２４ｂの何れかで演算された負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ２に基づいてドライブトレーン１１０の負荷トルク（発電負荷トルク）Ｔ_Ｄを制御する。

【0078】

本実施形態では、ドライブトレーン１１０が、回転翼５の回転軸（主軸）５Ａと、主軸５Ａの回転速度を増速する増速機１０８と、増速機１０８により増速された回転力を受けて作動する発電機９とを備えているが、増速機１０８に油圧式動力伝達機構が適用されており、油圧式動力伝達機構の要素を操作することにより、増速機１０８による変速比を変更できるようになっている。

【0079】

図１０は増速機としても機能する油圧式動力伝達機構１０８を示す油圧回路図であり、油圧回路１１１は、油路１１２内に回転翼５の回転軸５Ａにより駆動される油圧ポンプ１１３と、油圧ポンプ１１３から吐出された作動油を受けて回転する油圧モータ１１４と、油路１１２における油圧ポンプ１１３から油圧モータ１１４に向かう部分に介装された開閉弁１１５と、油路１１２の油圧ポンプ１１３から油圧モータ１１４に向かう部分に装備された圧力センサ１１６とをそなえている。

【0080】

油圧モータ１１４は、斜板角を調整することにより入力油圧が変わらなくても回転速度を変更可能な斜板式油圧モータが適用され、回転速度センサ３６により検出された油圧モータ１１４の回転軸５Ｂの回転速度（回転数）をフィードバックして斜板角調整部４２により斜板角を調整することにより油圧モータ１１４を所望の回転速度状態に調整することができる。この油圧モータ１１４の回転軸５Ｂは発電機９に接続されている。

【0081】

また、油圧モータ１１４の斜板角を調整することにより、油圧モータ１１４の負荷トルクを調整することができ、油圧モータ１１４の負荷トルクは圧力センサ１１６で検出される作動油の圧力によって把握することができる。つまり、油圧モータ１１４の斜板角の調整によって、ドライブトレーン１１０の負荷トルクを調整することができ、負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ１，Ｔ_ＤＴ２に応じて油圧モータ１４の斜板角が調整され、ドライブトレーン１１０の負荷トルク（発電負荷トルク）Ｔ_Ｄが制御される。

【0082】

なお、図１０に示す構成では、回転翼５の回転軸５Ａに、調速機３５とメカブレーキ４１とが装備され、調速機３５によって回転翼５の回転速度が安定化され、メカブレーキ４１によって回転翼５の回転を規制できるようになっている。

【0083】

〔作用及び効果〕
第２実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置は、上述のように構成されているので、制御装置１２０により、例えば図１１のフローチャートに示すように、浮体１にモーメントが発生するのを抑制するモーメント抑制制御を実施することができる。なお、図１１のフローチャートは所定の制御周期で実施される。

【0084】

図１１に示すように、まず、ブレード回転角度センサ３３ａ，３３ｂで検出されたマスタ機のブレード回転角度θｍ及びスレイブ機のブレード回転角度θｓを読み込む（ステップＢ１０）。そして、角位相差演算部１２１により、マスタ機のブレード回転角度θｍ及びスレイブ機のブレード回転角度θｓの差（位相差）δθを演算する［前記の式（４）参照］（ステップＢ２０）。

【0085】

次に、角位相差判定部１２２により、ステップＢ２０の演算された位相差δθを予め設定された許容値δθ_０と比較してマスタ機のブレード５ａとスレイブ機のブレード５ａとが同期状態である（｜δθ｜≦δθ_０）か否（非同期状態である）かを判定する（ステップＢ３０）。ステップＢ３０で、同期状態であると判定されたら同期保持制御部１２３により同期保持制御を行ない（ステップＢ４０）、非同期状態である判定されたら位相差低減制御部１２４により位相差低減制御を行なう（ステップＢ５０，Ｂ６０）。

【0086】

ステップＢ４０の同期保持制御では、スレイブ機のブレード回転数ω_ｓがマスタ機のブレード回転数ω_ｍと等しくなるようにスレイブ機のドライブトレーン１１０の負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ１を演算し出力する。この場合、制御ゲインＫ_１により処理して負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ１を求めて、負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ１が緩やかにランプ状に変更されるようにする。そして、ドライブトレーン制御部１２５が、この負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ１に基づいてドライブトレーン１１０の負荷トルク（発電負荷トルク）Ｔ_Ｄを制御する。

【0087】

ステップＢ５０，Ｂ６０の位相差低減制御では、まず、スレイブ回転数演算部１２４ａにより、位相差δθを０にするためのスレイブ機のブレード回転数の目標値ω_ｓ´を演算する。この場合も、スレイブ機のブレード回転数ω_ｓが緩やかにランプ状に変更されるように、スレイブ回転数演算部１２４ａでは、制御ゲインＫ_２により処理してブレード回転数の目標値ω_ｓ´を求める（ステップＢ５０）。

【0088】

次に、負荷トルク制御部１２４ｂにより、検出されたマスタ機のブレード回転数ω_ｍ及び演算されたスレイブ機のブレード回転数の目標値ω_ｓ´に基づいて、スレイブ機のブレード回転数ω_ｓがスレイブ機のブレード回転数の目標値ω_ｓ´と等しくなるようにスレイブ機のドライブトレーン１１０の負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ２を演算し出力する。この場合も、負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ２が緩やかにランプ状に変更されるように、負荷トルク制御部１２３ａでは、制御ゲインＫ_１により処理して負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ２を求める。そして、ドライブトレーン制御部１２５が、この負荷トルク目標値Ｔ_ＤＴ２に基づいてドライブトレーン１１０の負荷トルク（発電負荷トルク）Ｔ_Ｄを制御する（ステップＢ６０）。

【0089】

図１２は、位相差低減制御及び同期保持制御を説明するためのブレード回転角度（ブレード角度）θ_Ｂの変遷を示すタイムチャートであり、実線はマスタ機のブレード回転角度θ_Ｂを示し、破線はスレイブ機のブレード回転角度θ_Ｂを示す。図１１に示すように、角位相差判定部１２２により非同期状態である判定されたら、位相差低減制御によってスレイブ機のブレード回転角度θ_Ｂがマスタ機のブレード回転角度θ_Ｂに次第に接近して位相差が解消され、その後は、同期保持制御を位相差のない状態（同期状態）が保持される。

【0090】

このようにして、スレイブ機のブレード回転角度θ_Ｂがマスタ機のブレード回転角度θ_Ｂに同期するように制御されるので、ブレード５ａが構造物の影のシャドウモーメント領域に進入し。海流の流速低下からスラスト力の減少が生じても、左右の海流発電装置本体２でスラスト力Ｆth_Ｌ，Ｆth_Ｒの低下が同時に発生するため、スラスト力の減少が生じてもモーメントの発生を抑制でき、浮体１の方向への周期的な振動の発生を抑制することができる。この振動が発生すると浮体１の構造体１３やブレード５ａや係留索６等に損傷を及ぼすおそれがあるが、これが回避される。

【0091】

〔第３実施形態〕
〔モーメント抑制制御系の構成〕
本実施形態では、第２実施形態と同様に、左右の海流発電装置本体２の各々の回転翼５のブレード５ａが構造物３の影のシャドウモーメント領域に同期して進入するようにブレード５ａの回転位相を制御して、左右のスラスト力の低下を同時に発生させることにより、モーメントの発生を抑制するので、モーメント抑制手段としての回転位相制御手段の機能を有する。本実施形態では、図１３に示すように、海流発電装置本体２を何れもスレイブ機として、マスタ信号（制御量）は別途設けたマスタ機２００から出力され、左右の海流発電装置本体２のブレード５ａを制御する。スレイブ機（左右の海流発電装置本体２）ではブレード５ａの回転角度の位相調整でこれ応答するようになっている。

【0092】

マスタ機２００には、左右の海流発電装置本体２をそれぞれ制御するために、第２実施形態のもの［図９（ｂ）参照］と同様の制御装置１２０が装備されている。制御装置１２０は、角位相差演算部１２１と、角位相差判定部１２２と、同期保持制御部１２３と、位相差低減制御部１２４と、ドライブトレーン制御部１２５とを、各海流発電装置本体２毎に、機能要素として有している。なお、制御装置１２０自体は、マスタ機２００に限らずスレイブ機の流発電装置本体２に設けてもよい。

【0093】

マスタ機２００には、スレイブ機の各流発電装置本体２のブレード５ａ（回転翼５）の回転位相や回転速度（回転数）を操作する基準となる基準位相が記憶されている。この基準位相は、ブレード５ａの回転角度（位相）の目標値を時間軸に応じて規定したもので、特に、基準位相は、発電機９のロータの目標回転速度に基づいて設定されている。発電機９のロータの目標回転速度は、効率よく発電量が得られる理想的な発電状態から求められる。

【0094】

〔作用及び効果〕
第３実施形態にかかる海中浮遊式海流発電装置は、上述のように構成されているので、スレイブ機である各流発電装置本体２のブレード５ａの回転が、第２実施形態のスレイブ機と同様に制御されて、第２実施形態のものと同様の作用及び効果を得ることができる。なお、各流発電装置本体２のブレード５ａの制御は、図１１のフローチャートに示すように実施することができる。

【0095】

本実施形態の場合、スラスト力の減少が生じてもモーメントの発生を抑制でき、浮体１の方向への周期的な振動の発生を抑制することができ、振動発生による浮体１の構造体１３やブレード５ａや係留索６等に損傷を及ぼすおそれ回避されるうえに、各流発電装置本体２のブレード５ａの回転を制御するための基準位相が、発電機９のロータの目標回転速度に基づいて設定されるので、発電機９を理想的な発電状態として効率よく発電量が得られるようにすることができる効果もある。

【0096】

〔その他〕
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、かかる実施形態を適宜変更したり、組み合わせたりして実施することができる。
例えば、第２実施形態ではマスタ機の回転翼５のブレード５ａの回転位相を基準位相としているが、この基準位相についても第３実施形態と同様に、発電機９のロータの目標回転速度（効率よく発電量が得られる理想的な発電状態から求められる）に基づいて設定してもよい。

【0097】

また、第１実施形態においては、ドライブトレーンの負荷トルクＴ_Ｄを制御してブレード５ａの回転速度を制御してスラスト力の減少抑制をしているが、メンテナンス性等を考慮する必要がなければ、ブレード５ａを可変ピッチ型に構成し、ピッチの変更でブレード５ａの回転速度を制御してスラスト力の減少抑制をしてもよい。

【0098】

さらに、第１実施形態においては、油圧式動力伝達機構１０８の油圧モータ１１４の斜版制御によりドライブトレーンの負荷トルクＴ_Ｄを制御しているが、油圧モータには、斜版制御以外の負荷調整可能なものを適用してもよく、また、油圧式動力伝達機構によらず、第１実施形態と同様に、発電機の発電負荷トルクを通じてドライブトレーンの負荷トルクＴ_Ｄを制御してもよい。

【符号の説明】

【0099】

１ 浮体（海中浮遊式海流発電装置）
２ 海流発電装置本体
３ 構造物
４ ナセル（ポッド）
５ 回転翼
５Ａ （回転翼５の回転軸）
５ａ ブレード
６ 係留索
６Ａ アンカーウェイト
７ 海中
７ａ 海底
８ 増速機
９ 発電機
１０，１１０ ドライブトレーン
２０ 制御装置（モーメント抑制手段としてのスラスト力減少抑制手段）
２１ ブレード回転領域判定部
２２ 目標回転制御部
２２ａ 負荷トルク制御部
２２ｂ スラスト力演算部
２３ 回転増加制御部
２３ａ 低下流速演算部
２３ｂ 回転速度演算部
２３ｃ 負荷トルク制御部
２４ ドライブトレーン制御部
３１，３１ａ，３１ｂ 回転速度センサ
３２ 流速センサ
３３，３３ａ，３３ｂ ブレード回転角度センサ
３４ 浮体回転角度センサ
１０８ 増速機としての油圧式動力伝達機構
１１１ 油圧回路
１１２ 油路
１１３ 油圧ポンプ
１１４ 油圧モータ
１１５ 開閉弁
１１６ 圧力センサ
１２０ 制御装置（モーメント抑制手段としての回転位相制御手段）
１２１ 角位相差演算部
１２２ 角位相差判定部
１２３ 同期保持制御部
１２３ａ 負荷トルク制御部
１２４ 位相差低減制御部
１２４ａ スレイブ回転数演算部
１２４ｂ 負荷トルク制御部
１２５ ドライブトレーン制御部
Ｆth スラスト力
Ｆwf 海流の作用力
Ｆｂ 浮体１の浮力
Ｆｔ 係留索６の張力
Ｍ モーメント
Ｔ_Ｄ 負荷トルク
Ｔ_ＤＴ，Ｔ_ＤＴ１、Ｔ_ＤＴ２ 負荷トルク目標値
Ｕｃ 海流の流速
ω ブレード５ａの回転数（回転速度）
ω_０ 目標回転数（目標回転速度）
ω´ スラスト力低減抑制回転数（スラスト力低減抑制回転速度）
θ_Ｂ ブレード５ａの回転角度（位相角度）
θ_０〜θ_１ シャドウモーメント領域に対応する回転角度領域
θ_Ｆ 浮体１の回転角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】