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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】P2022117496
(43)【公開日】2022-08-10
(54)【発明の名称】洋上風力発電システム
(51)【国際特許分類】
F03D 13/10 20160101AFI20220803BHJP
F03D 13/25 20160101ALI20220803BHJP
【ＦＩ】
F03D13/10
F03D13/25
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022012482
(22)【出願日】2022-01-29
(31)【優先権主張番号】P 2021012712
(32)【優先日】2021-01-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】597118061
【氏名又は名称】株式会社 セテック
(74)【代理人】
【識別番号】100106954
【弁理士】
【氏名又は名称】岩城 全紀
(72)【発明者】
【氏名】瀬戸 弘
【テーマコード（参考）】
3H178
【Ｆターム（参考）】
3H178AA03
3H178AA26
3H178AA43
3H178AA53
3H178BB31
3H178BB33
3H178BB73
3H178BB77
3H178CC02
3H178CC22
3H178DD61X
3H178DD68X
(57)【要約】
【課題】 自然エネルギーによる電力供給において、その大容量化には洋上風力発電が期待される。一方、国内においては地理的条件により、洋上風力発電は浮上式が適するが、そのコスト低減が求められている。
【解決手段】 洋上における平面視多角形の頂点となる位置に、複数台の風力発電装置（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）を各々設置してなる洋上風力発電システムであって、頂点のうち一つを、洋上に設けられた固定端浮上部（３）とし、前記複数台の風力発電装置（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）のうち、一つの風力発電装置（１Ａ）は該固定端回転浮上部に設置されているとともに、多角形の他の頂点となる該連結部（５Ａ，５Ｂ）の他端側は可動端浮上部（４，４）とされて、該可動端浮上部（４，４）には他の風力発電装置（１Ｂ，１Ｃ）が設置され、固定端回転浮上部（３１）の動きに連結部（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）が風下側へ追従して動作するように構成した。
【選択図】 図２
【解決手段】 洋上における平面視多角形の頂点となる位置に、複数台の風力発電装置（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）を各々設置してなる洋上風力発電システムであって、頂点のうち一つを、洋上に設けられた固定端浮上部（３）とし、前記複数台の風力発電装置（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）のうち、一つの風力発電装置（１Ａ）は該固定端回転浮上部に設置されているとともに、多角形の他の頂点となる該連結部（５Ａ，５Ｂ）の他端側は可動端浮上部（４，４）とされて、該可動端浮上部（４，４）には他の風力発電装置（１Ｂ，１Ｃ）が設置され、固定端回転浮上部（３１）の動きに連結部（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）が風下側へ追従して動作するように構成した。
【選択図】 図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
洋上における平面視多角形の頂点となる位置に、複数台(Ｎ台)の風力発電装置を各々設置してなる洋上風力発電システムであって、当該頂点の１点を海底に固定された固定端浮上部とし、該固定端浮上部は固定端静止浮上部と、該固定端静止浮上部に対して相対的に回転可能に設置された固定端回転浮上部とを有し、前記複数台の風力発電装置のうち、一つの風力発電装置は該固定端回転浮上部に設置されているとともに、多角形の他の頂点は可動端浮上部として他の風力発電装置（Ｎ－１）台が設置され、多角形各頂点を結ぶ辺に相当する連結部により多角形浮上体を構成し，
前記固定端静止浮上部には電力ケーブルを含む電力連係設備が設けられ、前記可動端浮上部に設置されている複数台(Ｎ―１台)の風力発電装置の発電電力を、該固定端静止浮上部の該電力連係設備に集合させて、前記固定端回転浮上部の風力発電装置の発電電力とともに一括して送電可能とし、
洋上に設置した際、前記固定端回転浮上部は風上側に位置する一方、他の頂点の前記可動端浮上部は風下側に追従して動作するように構成したことを特徴とする洋上風力発電システム。
前記固定端静止浮上部には電力ケーブルを含む電力連係設備が設けられ、前記可動端浮上部に設置されている複数台(Ｎ―１台)の風力発電装置の発電電力を、該固定端静止浮上部の該電力連係設備に集合させて、前記固定端回転浮上部の風力発電装置の発電電力とともに一括して送電可能とし、
洋上に設置した際、前記固定端回転浮上部は風上側に位置する一方、他の頂点の前記可動端浮上部は風下側に追従して動作するように構成したことを特徴とする洋上風力発電システム。
【請求項2】
洋上における平面視多角形の頂点となる位置に、複数台(Ｎ台)の風力発電装置を各々設置してなる洋上風力発電システムであって、当該頂点の１点を海底に固定された固定端浮上部とし、該固定端浮上部は固定端静止浮上部と、該固定端静止浮上部に対して相対的に回転可能に設置された固定端回転浮上部とを有し、前記複数台の風力発電装置のうち、一つの風力発電装置は該固定端回転浮上部に設置され、
前記多角形は二等辺三角形を基本として構成し、二等辺の長さをＬ１、他の辺の長さをＬ２とした場合に、（Ｌ２/Ｌ１）＝1.0～1.8 の関係とするとともに、多角形の他の頂点は可動端浮上部として他の風力発電装置（Ｎ－１）台が設置され、多角形各頂点を結ぶ辺に相当する連結部により多角形浮上体を構成し，
洋上に設置した際、前記固定端回転浮上部は風上側に位置する一方、他の頂点の前記可動端浮上部は風下側に追従して動作するように構成したことを特徴とする洋上風力発電システム。
前記多角形は二等辺三角形を基本として構成し、二等辺の長さをＬ１、他の辺の長さをＬ２とした場合に、（Ｌ２/Ｌ１）＝1.0～1.8 の関係とするとともに、多角形の他の頂点は可動端浮上部として他の風力発電装置（Ｎ－１）台が設置され、多角形各頂点を結ぶ辺に相当する連結部により多角形浮上体を構成し，
洋上に設置した際、前記固定端回転浮上部は風上側に位置する一方、他の頂点の前記可動端浮上部は風下側に追従して動作するように構成したことを特徴とする洋上風力発電システム。
【請求項3】
前記複数台の風力発電装置の各風力発電装置支持柱には、風向に自動追従するための垂直尾翼が直接取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の洋上風力発電システム。
【請求項4】
前記固定端浮上部には、複数台の風力発電装置によって発電された電力を送電するために風向変動に対応する可捻電線が配設されているとともに、前記連結部の他端側の可動端浮上部には電線捻れ復元用に復元用水中推進スクリュ－を設置したことを特徴とする請求項１～３のうち、何れか１項に記載の洋上風力発電システム。
【請求項5】
前記固定端回転浮上部に設置されている風力発電装置は、風下側となる前記可動端浮上部に設置されている風力発電装置よりも発電出力が40～７0％に設定され、風上側となる該固定端回転浮上部の風力発電装置のプロペラ先端部によって生じる後流の風の乱れを避けるようにしたことを特徴とする請求項１～４のうち、何れか１項に記載の洋上風力発電システム。
【請求項6】
前記固定端回転浮上部に設置されている風力発電装置のプロペラの一方側の翼端、及び前記可動端浮上部に設置されている風力発電装置のプロペラの一方側の翼端を結ぶ線分と、各プロペラ径方向に対して垂直方向へ延びる垂線とのなす角度は、３２°以上であることを特徴とする請求項１～４のうち、何れか１項に記載の洋上風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複数の洋上風力発電装置を多角形に配置した洋上発電装置群とし、特に深海域に適した洋上風力発電システムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、電力需要の増加に対しては水力、火力、原子力発電などの大容量電源に依存してきたが、我が国の水力発電は自然的地勢により立地上の適地は既に開発済みであり、原子力発電は社会的合意性に問題がある。一方で、地球環境大気圏のCO2を始めとする温暖化ガス低減のため、自然エネルギーの活用が重要課題となってきている。
【0003】
かような状況下、自然エネルギーの開発が急務となってきているが、大容量電源として洋上風力発電への期待が大きくなっている。しかし、その発電コストは火力発電の２～３倍になることから、そのコスト低減は喫緊の緊急課題となっている。
特に我が国における列島沿岸海域は、大陸棚の浅海域が少なく海洋浮上式の風力発電が期待されるが、海洋浮上式の風力発電装置は、浅海部の海底固定柱状タワー型に比較してコスト高になるという課題がある。
特に我が国における列島沿岸海域は、大陸棚の浅海域が少なく海洋浮上式の風力発電が期待されるが、海洋浮上式の風力発電装置は、浅海部の海底固定柱状タワー型に比較してコスト高になるという課題がある。
【0004】
大規模風力発電への期待は大なるものであるが、日本列島沿岸部の大陸棚の深度２００ｍ以浅は455,000ｋｍ２であり、日本国土面積377,900ｋｍ２の1.2倍に相当する。一方、排他的経済水域（EEZ）4,480,000ｋｍ２は11.9倍であり、これらの点からも洋上風力発電が期待される。海外では、深度２０～４０ｍの浅海部での着床式風力発電が普及しているが、日本列島の周辺沿岸部は浅海部が少なく、着床式風力発電はコスト高となることから海洋浮上式の風力発電のコスト低減が求められるところである。
【0005】
洋上風力発電は、通常、以下の二つの方式により設置される。
（方式１）
海底に風力発電装置の柱状タワー部の底部を海底に着床させるとともに、柱状タワー部を海面上に突出させ、柱状タワー部の頂部に風力発電装置を設置する方式。
（方式１）
海底に風力発電装置の柱状タワー部の底部を海底に着床させるとともに、柱状タワー部を海面上に突出させ、柱状タワー部の頂部に風力発電装置を設置する方式。
【0006】
（方式２）
海底に３箇所以上のアンカー（錨固定部）を設置し、各アンカーを、海面上に浮上する浮体構造体に鉄鎖で連結し、海面上の定位置に固定した浮体構造体に風力発電装置を設置する方式。
海底に３箇所以上のアンカー（錨固定部）を設置し、各アンカーを、海面上に浮上する浮体構造体に鉄鎖で連結し、海面上の定位置に固定した浮体構造体に風力発電装置を設置する方式。
【0007】
以上の二つの方式のうち、海底の深度が２０～４０ｍ程度以内であれば、方式１の風力発電装置のように、一基毎に柱状タワー部を海底に着床させて設置するのは経済的であるが、海底深度が４０ｍ程度を超えると柱状タワーの底部を海底に埋設固定する工事費が割高になる場合がある。そこで、アンカー部を海底に着床埋設し、風力発電装置を海面上の浮体構造体に設置する方式２によるのが有利になる。
浮体式の洋上風力発電に関する発明の先行技術としては、以下の特許文献が存在する。
浮体式の洋上風力発電に関する発明の先行技術としては、以下の特許文献が存在する。
【0008】
特許文献１には、浮体式洋上風力発電装置の基礎構造に関する発明が開示されているが、同文献記載の発明は一つの浮体と、この浮体を中心として配置されている外周浮体とを有し、この外周浮体に、その半径外側方向へ突出する復元力補強部を設けることで、浮体の傾斜並びに平面的な回転を抑制するとされている。
また、特許文献２には、風車が設置される支柱が立設された浮体と、海底と連結される係留管と、この係留管に対して回転可能に設けられ、且つ回動端に浮体が連結された第１アーム（保持アーム）と、さらに係留管の下端は緩衝機構部を介して浮体下部に対し第２アーム（緩衝保持アーム）によって連結されてなる浮体式洋上風力発電装置が開示されている。同発明は、風向きに対する追従性に優れ、且つ緩衝機構部によって係留管の不用意な回転・回動動作を抑制し得るとされ、係留索の捩じれを効果的に防止し得るとされている。
また、特許文献２には、風車が設置される支柱が立設された浮体と、海底と連結される係留管と、この係留管に対して回転可能に設けられ、且つ回動端に浮体が連結された第１アーム（保持アーム）と、さらに係留管の下端は緩衝機構部を介して浮体下部に対し第２アーム（緩衝保持アーム）によって連結されてなる浮体式洋上風力発電装置が開示されている。同発明は、風向きに対する追従性に優れ、且つ緩衝機構部によって係留管の不用意な回転・回動動作を抑制し得るとされ、係留索の捩じれを効果的に防止し得るとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特開２０１０－２１６２７３号公報
【特許文献2】特開２０１７－８８０７号公報
【非特許文献】
【0010】
【非特許文献1】国立環境研究所；セイリング型洋上風力発電研究成果報告会より、 「浮上体での風車の基本コンセプト：風車間隔と出力の関係」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
前述した洋上風力発電の海底着床固定式（方式１）、または洋上浮上式（方式２）のいずれの場合も陸上風力発電の設置コストよりも割高になるが、我が国での風力発電施設の大規模化を考慮すると、陸上風力発電は地勢・立地的に制約されるが、洋上風力発電については開発促進の可能性がある。
また、前述した特許文献１記載の発明は、１基の風力発電装置を設置するに際し、複数の浮体を構成要件としていることから、構造が複雑化しコスト高となる可能性があった。
さらに、特許文献２記載の発明は、あくまで１基の風力発電装置を設置することを目的としている。つまり、上記文献記載の発明は、複数基の発電装置からなる洋上風力発電装置群に適用することは想定されていない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、洋上風力発電の大規模化に適し、建設並びに運用コストの低減を図ることが可能な洋上風力発電システムを提供することを目的とする。
また、前述した特許文献１記載の発明は、１基の風力発電装置を設置するに際し、複数の浮体を構成要件としていることから、構造が複雑化しコスト高となる可能性があった。
さらに、特許文献２記載の発明は、あくまで１基の風力発電装置を設置することを目的としている。つまり、上記文献記載の発明は、複数基の発電装置からなる洋上風力発電装置群に適用することは想定されていない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、洋上風力発電の大規模化に適し、建設並びに運用コストの低減を図ることが可能な洋上風力発電システム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】
【0012】
請求項１記載の発明は、洋上における平面視多角形の頂点となる位置に、複数台(Ｎ台)の風力発電装置を各々設置してなる洋上風力発電システムであって、当該頂点の１点を海底に固定された固定端浮上部とし、該固定端浮上部は固定端静止浮上部と、該固定端静止浮上部に対して相対的に回転可能に設置された固定端回転浮上部とを有し、前記複数台の風力発電装置のうち、一つの風力発電装置は該固定端回転浮上部に設置されているとともに、多角形の他の頂点は可動端浮上部として他の風力発電装置（Ｎ－１）台が設置され、多角形各頂点を結ぶ辺に相当する連結部により多角形浮上体を構成し，前記固定端静止浮上部には電力ケーブルを含む電力連係設備が設けられ、前記可動端浮上部に設置されている複数台(Ｎ―１台)の風力発電装置の発電電力を、該固定端静止浮上部の該電力連係設備に集合させて、前記固定端回転浮上部の風力発電装置の発電電力とともに一括して送電可能とし、洋上に設置した際、前記固定端回転浮上部は風上側に位置する一方、他の頂点の前記可動端浮上部は風下側に追従して動作するように構成したことを特徴としている。
【0013】
請求項２記載の発明は、洋上における平面視多角形の頂点となる位置に、複数台(Ｎ台)の風力発電装置（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）を各々設置してなる洋上風力発電システムであって、当該頂点の１点を海底に固定された固定端浮上部（３）とし、該固定端浮上部（３）は固定端静止浮上部（３２）と、該固定端静止浮上部（３２）に対して相対的に回転可能に設置された固定端回転浮上部（３１）とを有し、前記複数台の風力発電装置（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）のうち、一つの風力発電装置（１Ａ）は該固定端回転浮上部（３１）に設置され、前記多角形は二等辺三角形を基本として構成し、二等辺の長さをＬ１、他の辺の長さをＬ２とした場合に、（Ｌ２/Ｌ１）＝1.0～1.8 の関係とするとともに、多角形の他の頂点は可動端浮上部（４）として他の風力発電装置（Ｎ－１）台が設置され、多角形各頂点を結ぶ辺に相当する連結部（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）により多角形浮上体を構成し，洋上に設置した際、前記固定端回転浮上部（３１）は風上側に位置する一方、他の頂点の前記可動端浮上部（４）は風下側に追従して動作するように構成したことを特徴としている。
【0014】
請求項２記載の発明では、建設コスト、運用コスト低減の解決策として、洋上の風力発電装置の複数台を多角形浮上体の頂点に各１台ずつ設置し、風力発電装置群を構成する。即ち、風力発電装置Ｎ台をＮ角形の頂点に設置する。多角形の頂点のうち、１点のみを固定端とし、固定端を風上として、他の頂点は風向により風下側で追従するが、多角形は二等辺三角形を基本として構成し、二等辺の長さをＬ１、他の底辺の長さをＬ２とした場合に、Ｌ２/Ｌ１＝1.0～1.8 の関係とし頂角Ｌ２/Ｌ１＝1.8の頂角は128度以内として風向による追従の安定性と、風上側と風下側の風力プロペラの重複を避ける場合、風上側と風下側のプロペラ間隔の縮小を考慮し、コスト低減を図ることを特徴とした風力発電システムである。
【0015】
請求項３記載の発明は、上記１項又は２項において、前記複数台の風力発電装置の各支持柱材には、風向に自動追従するための垂直尾翼（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ）が設けられていることを特徴としている。
【0016】
請求項４記載の発明は、上記１項～３項のうち何れか１項において、前記固定端浮上部（３）には、複数台の風力発電装置によって発電された電力を送電するために風向変動に対応する可捻電線（６３）が配設されているとともに、前記連結部の他端側の可動端浮上部（４，４）には電線捻れ復元用に復元用水中推進スクリュ－（４１）を設置したことを特徴としている。
【0017】
請求項５記載の発明は、上記１項～４項のうち何れか１項において、前記固定端回転浮上部に設置されている風力発電装置は、風下側となる前記可動端浮上部に設置されている風力発電装置よりも発電出力が40～７0％に設定され、風上側となる該固定端回転浮上部の風力発電装置のプロペラ先端部によって生じる後流の風の乱れを避けるようにしたことを特徴としている。
【0018】
請求項６記載の発明は、上記１項～４項のうち何れか１項において、前記固定端回転浮上部に設置されている風力発電装置のプロペラの一方側の翼端、及び前記可動端浮上部に設置されている風力発電装置のプロペラの一方側の翼端を結ぶ線分と、各プロペラ径方向に対して垂直方向へ延びる垂線とのなす角度は、３２°以上であることを特徴としている。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、浮上体の各頂点に配置した風力発電機Ｎ台を１群として、そのうち１台のみを海底に固定した固定端として海底工事の削減を図り、又、洋上より陸上部へ送電するための風向捩れ部、電力開閉・変電装置は風力発電装置Ｎ台分を一括して固定端１台のみに設置するとともに、可動端には風向捩れ復元装置を設置していることから、建設コストの低減に寄与する。
また、洋上発電機群は多角形配置を形成し、各頂点を連結する連結構造体は、小型船舶の暴風時の避難繋留に利用しうることなど、風力発電以外の利用に供することも可能である。
また、洋上発電機群は多角形配置を形成し、各頂点を連結する連結構造体は、小型船舶の暴風時の避難繋留に利用しうることなど、風力発電以外の利用に供することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明に係る洋上風力発電システムの風洞実験による風下側の風力発電装置による出力低減率（国立環境研究所、マリンフロート推進機構研究成果報告より抜粋）を示す説明図である。
【図2】本発明に係る洋上風力発電システムの一例を示す平面図で、洋上風力発電装置を３基で構成した例を示している。
【図5】同じく、本発明に係る洋上風力発電システムの一例を示す図で、洋上風力発電システムの固定端浮上部が、海中に設置されている状態の要部を示す側面図である。
【図6】同じく、本発明に係る洋上風力発電システムの一例を示す図で、洋上発電機群の連結部における可動端浮上部の平面図である。
【図7】同じく、本発明に係る洋上風力発電システムの一例を示す図で、洋上発電機群の連結部における可動端浮上部の側面図である。
【図9】本発明に係る洋上風力発電システムの他の実施例を示す図で、連結部に太陽光発電装置が設置された場合の平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
以下、添付図面にしたがって本発明に係る洋上風力発電システムについて、詳細に説明する。
図２乃至図５に示される本発明の洋上風力発電システムは、洋上風力発電装置Ｎ台（本実施形態では３台）を一群として構成され、洋上の平面視多角形の頂点となる位置に、３台の風力発電装置１Ａ～１Ｃが各々設置されている。
図２及び図５に示されるように、３台の風力発電装置１Ａ～１Ｃのうち、１Ａは洋上の浮上構造体の固定端浮上部３に設置されている。固定端浮上部３は、水密構造で浮力を備える固定端回転浮上部３１、固定端静止浮上部３２を具備し、固定端静止浮上部３２の側面には、固定端アンカー連結鎖３４の上端部が、固定端アンカー接続部３５により取り付けられている。
図２乃至図５に示される本発明の洋上風力発電システムは、洋上風力発電装置Ｎ台（本実施形態では３台）を一群として構成され、洋上の平面視多角形の頂点となる位置に、３台の風力発電装置１Ａ～１Ｃが各々設置されている。
図２及び図５に示されるように、３台の風力発電装置１Ａ～１Ｃのうち、１Ａは洋上の浮上構造体の固定端浮上部３に設置されている。固定端浮上部３は、水密構造で浮力を備える固定端回転浮上部３１、固定端静止浮上部３２を具備し、固定端静止浮上部３２の側面には、固定端アンカー連結鎖３４の上端部が、固定端アンカー接続部３５により取り付けられている。
【0022】
風力発電装置Ｎ台を集合化して多角形配置する場合、多角形面積を極力縮小化することは建設コストなどの低減となるが、反面風下側の発電装置１Ｂ，１Ｃが風力低下の影響を受けて、システム全体としての発電出力は低下する。
図１は、風力発電装置を集合化した場合の風下側の出力低減率を示している。同図は、国立環境研究所で行われた風洞実験（「浮上体での風車の基本コンセプト：風車間隔と出力の関係」）の結果から引用した図である。
この図では、Ｄがプロペラ径であり、基準点が風上側となる風力発電装置１Ａの位置に相当し、横軸は基準点より風下側へ水平に変位した値、縦軸は基準点から風下側へ直角方向に変位した値に相当する。
図１に示される実験値から、風下側２台の風力発電装置１Ｂ，１Ｃの出力低減率を90％以内とするには風下側間隔が約0.6Ｄ以上、風下直角方向間隔が約0.75Ｄ以上となる。
図１は、風力発電装置を集合化した場合の風下側の出力低減率を示している。同図は、国立環境研究所で行われた風洞実験（「浮上体での風車の基本コンセプト：風車間隔と出力の関係」）の結果から引用した図である。
この図では、Ｄがプロペラ径であり、基準点が風上側となる風力発電装置１Ａの位置に相当し、横軸は基準点より風下側へ水平に変位した値、縦軸は基準点から風下側へ直角方向に変位した値に相当する。
図１に示される実験値から、風下側２台の風力発電装置１Ｂ，１Ｃの出力低減率を90％以内とするには風下側間隔が約0.6Ｄ以上、風下直角方向間隔が約0.75Ｄ以上となる。
【0023】
図２は、本発明の洋上風力発電システムの一実施形態を平面的に示し、洋上風力発電装置を３基で構成した例を示している。同図の洋上風力発電システムでは、二等辺長さをＬ１、他の辺の長さをＬ２とした場合に、出力低減率を少なくするには以下のように設定するのが望ましい。
（Ｌ２/Ｌ１）＝1.0～1.8～（１）
上式（１）の（Ｌ２/Ｌ１）＝1.0のときは、二等辺三角形の角度θは６０°、つまり正三角形配置となる。（Ｌ２/Ｌ１）＝1.73のときは、角度θは１２０°である。
（Ｌ２/Ｌ１）＝1.0～1.8～（１）
上式（１）の（Ｌ２/Ｌ１）＝1.0のときは、二等辺三角形の角度θは６０°、つまり正三角形配置となる。（Ｌ２/Ｌ１）＝1.73のときは、角度θは１２０°である。
【0024】
一例として、三角形配置にて、風下側２台の出力低減率を90％以内とすることを念頭に、３台の風力発電装置１Ａ～１Ｃ間の間隔割合を図１より求めた。つまり、図２に示す三角形配置で、二等辺長をＬ１、他の辺長をＬ２としたとき、下記の関係が成立する。
Ｌ１＝１．０，Ｌ２＝１．５のとき、（Ｌ２/Ｌ１）＝1.5
この場合は、図１から、風下側における発電出力の低減率は０．９となり、発電システム全体として十分な性能を発揮することが可能である。
以上より風力発電の集合化による搖動対策を図る場合、風下側の発電出力低減をある程度許容して多角形面積の縮小化を図ることは、経済性、及び水産漁業との協調性、海上交通の安全性確保の面から有効である。
Ｌ１＝１．０，Ｌ２＝１．５のとき、（Ｌ２/Ｌ１）＝1.5
この場合は、図１から、風下側における発電出力の低減率は０．９となり、発電システム全体として十分な性能を発揮することが可能である。
以上より風力発電の集合化による搖動対策を図る場合、風下側の発電出力低減をある程度許容して多角形面積の縮小化を図ることは、経済性、及び水産漁業との協調性、海上交通の安全性確保の面から有効である。
【0025】
本実施形態の洋上風力発電システムでは以下の構成が採用されている。図５に示されるように、固定端アンカー連結鎖３４の下端部は海底に設置された固定端アンカー海底固定部３６と接続されて、固定端浮上部３は洋上の一定位置に固定されている。固定端静止浮上部３２の上部には、固定端回転浮上部３１が回転軸ベアリング３３を、介して当該固定端静止浮上部３２に対し、摺動しながら相対的に回転可能に設けられている。
また、風力発電装置の支持部材としての風力発電支持柱２Ａには、垂直尾翼２１Ａが取り付けられており、これによって固定端回転浮上部３１に取り付けられた風力発電装置支持柱２Ａは、垂直尾翼２１Ａの作用により風力発電装置１Ａのプロペラ１１を、風上側に向かう方向へ動かすようになっている。
また、風力発電装置の支持部材としての風力発電支持柱２Ａには、垂直尾翼２１Ａが取り付けられており、これによって固定端回転浮上部３１に取り付けられた風力発電装置支持柱２Ａは、垂直尾翼２１Ａの作用により風力発電装置１Ａのプロペラ１１を、風上側に向かう方向へ動かすようになっている。
【0026】
図４に示されるように、固定端回転浮上部３１には連結部５Ａ，５Ｂの一端側がそれぞれ取り付けられている。一方、該連結部５Ａ，５Ｂの他端側を可動端浮上部４とし、図３に示されるように、その可動端浮上部４には、立設した支持柱２Ｂ，２Ｃ（２Ｂの陰となって不図示）によって、風力発電装置１Ｂ，１Ｃ、垂直尾翼２１Ｂ，２１Ｃが設置されている。
【0027】
また、連結部５Ａ，５Ｂの他端間（可動端浮上部４，４間）は、連結部５Ｃによって連結されている。このような構成により、３基の風力発電装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、固定端となる風力発電装置１Ａを中心として、風向きや波浪の状況にあわせて回転可能となり、この結果、風力発電装置１Ａが固定端の風上側となる一方、他の頂点の風力発電装置１Ｂ，１Ｃは、風下側へ移動して追従する可動端浮上部として機能する。
なお、本システムは、電力関連の設備が設置される他、暴風時における中小型船舶の避難繋留施設として利用することも可能である。
さらに、連結部５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、直線状、円状の棒材若しくは角パイプ、丸パイプ等の構造材を採用して浮体構造としても良いし、浮力の生じない構造を採用することも可能である。浮力が生じない構造の場合は、波浪による影響を受けにくいという利点がある。これらの連結部，５Ｂ，５Ｃの内部側或いは外部側に沿って、風力発電装置１Ｂ，１Ｃの発電電力を送電するケーブル（不図示）を設置し、これらの各ケーブルを後述の固定端浮上部３の電力連係設備に接続する。
なお、本システムは、電力関連の設備が設置される他、暴風時における中小型船舶の避難繋留施設として利用することも可能である。
さらに、連結部５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、直線状、円状の棒材若しくは角パイプ、丸パイプ等の構造材を採用して浮体構造としても良いし、浮力の生じない構造を採用することも可能である。浮力が生じない構造の場合は、波浪による影響を受けにくいという利点がある。これらの連結部，５Ｂ，５Ｃの内部側或いは外部側に沿って、風力発電装置１Ｂ，１Ｃの発電電力を送電するケーブル（不図示）を設置し、これらの各ケーブルを後述の固定端浮上部３の電力連係設備に接続する。
【0028】
また、固定端浮上部３における固定端静止浮上部３２の内部には、電力ケーブル導入管６１が上下方向に挿通され、その内部に電力ケーブル６が設けられている。電力ケーブル６は、その上端が電力ケーブルヘッド６２と接続されて、各風力発電装置１Ａ～１Ｃによって発電された電力の送電線となるとともに、電力ケーブル６の下端は海底へ導かれて陸上の送電施設と接続されている。また、風力発電装置１Ａに接続されている電力ケーブル６３には、可捻電線が使用されており、回転時に生じる捻じれによって破断しないように配慮されている。
【0029】
即ち、多角形の頂点に配置した風力発電装置Ｎ台（本実施形態では３台）のうち、固定端となるのは１台となり、その固定端浮上部３には、風力発電装置３台の出力を一括して外部に送電するための電力連係設備が設置されている。固定端浮上部３、連結部５Ａ，５Ｂは、風向により固定端浮上部３を中心として方位変動するため、可捻電線６３を介して、電力ケーブル（海底ケーブル）６と接続されて外部へ送電するようになっている。
【0030】
風向により可捻電線６３には捻れを生じるが、電線の捻れは３回転程度を限度として、捻じれ解消のため、図６，図７，図９に示されるように、連結部５Ａ，５Ｂの可動端浮上部４，４に設置した捻じれ復元用水中推進スクリュ－４１により、固定端浮上部３、可動端浮上部４，４を、電力ケーブル６３の捻じれ方向の反対方向に回転移動させて、その捻じれを解消させる。つまり、復元用水中推進スクリュ－４１は正逆回転し得るものとし、運用時に固定端浮上部３、可動端浮上部４，４を電力ケーブル６３の回転方向と逆回転させることによって捩れを復元させる。
【0031】
図８（ａ）は風力発電装置のプロペラのロータに対する風の流れを示しており、国立環境研究所で行われた洋上風力発電研究成果報告会より引用した図である。
同図に示されるように、風力発電装置のロータにあたって後方へ流れる後流は、プロペラ径方向に対して垂直方向へ延びる垂線に対し、１４°まで非常に大きな乱れが生じる。また、乱流の影響は、１８°程度まで残存して後方に配置されている発電装置に影響することが、同図より理解される。
同図に示されるように、風力発電装置のロータにあたって後方へ流れる後流は、プロペラ径方向に対して垂直方向へ延びる垂線に対し、１４°まで非常に大きな乱れが生じる。また、乱流の影響は、１８°程度まで残存して後方に配置されている発電装置に影響することが、同図より理解される。
【0032】
そこで、図８（ｂ）に示されるように、その後流の乱れを回避すべく、風上側の固定端回転浮上部３１に設置されている風力発電装置１Ａのプロペラの翼端及び可動端浮上部４の一方側の翼端を結ぶ線分と、各プロペラ径方向に対して垂直方向へ延びる垂線とのなす角度を３２°としたものである。即ち、固定端回転浮上部３１に設置される風力発電装置１Ａのプロペラのロータ径Ｄ１を短くし、可動端浮上部４に設置される風力発電装置１Ｂ，１Ｃのプロペラのロータ径Ｄ２を長くするように構成している。これによって、風上側の単機出力は風下側単機出力に比較して、40～７0％程度まで低減することになるが、風上側のプロペラ先端部から生じる後流の風の乱れを避けることができることから、全体としての発電出力の低下は抑制できる。
なお、この実施例では角度を３２°としているが、それを超えるように、各発電装置のロータ径を設定することも可能である。
なお、この実施例では角度を３２°としているが、それを超えるように、各発電装置のロータ径を設定することも可能である。
【0033】
このように構成した洋上風力発電システムに使用される風力発電装置１Ａ～１Ｃの設計例を以下に示す。設計例は三角形配置とした5,000ＫＷの洋上風力発電装置群である。
洋上発電設備
定格出力 1,000 KW ＋2,000KW×２台＝5,000KW
配置構成 二等辺三角形配置：頂点に接続する２辺は各８０ｍ、底辺１２５ｍ
１端固定点，２端自由点
定格風速 12ｍ
カットイン風速 3.5ｍ、カットアウト風速 25ｍ
ロ－タ直径 前列（１Ａ）56ｍ、後列（１Ｂ，１Ｃ）80ｍ
プロペラブレード ３枚
プロペラ配置 アップウインド(ハブ風上設置)
発電機駆動方式 ダイレクトドライブ(プロペラ軸直結)
発電機型式 横軸永久磁石励磁同期発電機
風力発電支持部 海面上部：鋼製中空円筒型垂直尾翼付
海底固定部：三角形配置一端固定部のアンカー部６箇所
洋上発電設備
定格出力 1,000 KW ＋2,000KW×２台＝5,000KW
配置構成 二等辺三角形配置：頂点に接続する２辺は各８０ｍ、底辺１２５ｍ
１端固定点，２端自由点
定格風速 12ｍ
カットイン風速 3.5ｍ、カットアウト風速 25ｍ
ロ－タ直径 前列（１Ａ）56ｍ、後列（１Ｂ，１Ｃ）80ｍ
プロペラブレード ３枚
プロペラ配置 アップウインド(ハブ風上設置)
発電機駆動方式 ダイレクトドライブ(プロペラ軸直結)
発電機型式 横軸永久磁石励磁同期発電機
風力発電支持部 海面上部：鋼製中空円筒型垂直尾翼付
海底固定部：三角形配置一端固定部のアンカー部６箇所
【0034】
このように、本実施形態の洋上風力発電システムによれば、洋上に固定する風力発電装置は３基のうち、海底に着床、又は錨により固定するのは１基で済むことから、設置に要する建設コストを低減することが可能である。
【0035】
また、図９に示されるように、連結部５Ａ，５Ｂ，５Ｃによって構成される多角形の浮体の上に太陽光発電装置７を設置することも可能であり、風力発電に加え、洋上の更なる有効活用が可能となる。この場合は、連結部５Ａ，５Ｂ，５Ｃの補強として連結部５Ａ，５Ｂ，５Ｃ間に、補助連結体５ＡＢ ５ＢＣ ５ＣＡを架設すれば、全体としての強度向上に寄与する。太陽光発電装置を設置する場合は二等辺三角形より正三角形が、面積を広く確保できるという点では有効である。
【0036】
以上の実施形態では、連結部５Ａ，５Ｂ，５Ｃによって形成される多角形を二等辺三角形とした場合について説明したが、これに限られるものではなく、四角形や六角形など他の多角形でも可能である。或いは、連結部の一部を平面視曲線状に形成することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【0037】
洋上風力発電装置は、本来であれば沿岸部の大陸棚浅海部に設置することが経済的であるが，洋上風力発電装置１基毎の多数設置は沿岸周辺の漁業、海上交通に障害をもたらすことがある。また、沿岸より離隔すると海底深度は深くなり、海底基礎固定部の工事費増となる。
以上より、洋上深海部においては洋上浮上式風力発電装置Ｎ基を１群として多角形配置により集合化し、建設コストは電力連係設備、海底固定端は１／Ｎとして、コスト低減を図る。本発明は、電力事業分野に利用可能性を有する。
以上より、洋上深海部においては洋上浮上式風力発電装置Ｎ基を１群として多角形配置により集合化し、建設コストは電力連係設備、海底固定端は１／Ｎとして、コスト低減を図る。本発明は、電力事業分野に利用可能性を有する。
【符号の説明】
【0038】
洋上風力発電機群を構成する部材番号の説明
１Ａ １Ｂ １Ｃ 風力発電装置
１１ 風力発電装置用プロペラ
２Ａ ２Ｂ ２Ｃ 風力発電装置支持柱
２１Ａ ２１Ｂ ２１Ｃ 支持柱取付け垂直尾翼
３ 固定端浮上部
３１ 固定端回転浮上部
３２ 固定端静止浮上部
３３ 固定端回転軸ベアリング
３４ 固定端アンカー連結鎖
３５ 固定端アンカー接続部
３６ 固定端アンカー海底固定部
４ 可動端浮上部
４１ 捻じれ復元用推進スクリュ－
５Ａ ５Ｂ ５Ｃ 連結部
５ＡＢ ５ＢＣ ５ＣＡ 補助連結体
６ 電力ケーブル（海底ケーブル）
６１ 電力ケーブル導入管
６２ 電力ケーブルヘッド
６３ 可捻電線
７ 太陽光発電装置
１Ａ １Ｂ １Ｃ 風力発電装置
１１ 風力発電装置用プロペラ
２Ａ ２Ｂ ２Ｃ 風力発電装置支持柱
２１Ａ ２１Ｂ ２１Ｃ 支持柱取付け垂直尾翼
３ 固定端浮上部
３１ 固定端回転浮上部
３２ 固定端静止浮上部
３３ 固定端回転軸ベアリング
３４ 固定端アンカー連結鎖
３５ 固定端アンカー接続部
３６ 固定端アンカー海底固定部
４ 可動端浮上部
４１ 捻じれ復元用推進スクリュ－
５Ａ ５Ｂ ５Ｃ 連結部
５ＡＢ ５ＢＣ ５ＣＡ 補助連結体
６ 電力ケーブル（海底ケーブル）
６１ 電力ケーブル導入管
６２ 電力ケーブルヘッド
６３ 可捻電線
７ 太陽光発電装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】