特開 2023-72587 水上風力発電システム、水上風力発電方法および水上風力発電プログラム

(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】P2023072587

(43)【公開日】2023-05-24

(54)【発明の名称】水上風力発電システム、水上風力発電方法および水上風力発電プログラム

(51)【国際特許分類】

   F03D 7/04 20060101AFI20230517BHJP

   F03D 9/30 20160101ALI20230517BHJP

【ＦＩ】

F03D7/04 Z

F03D9/30

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021185256

(22)【出願日】2021-11-12

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】藤田 真史

(72)【発明者】

【氏名】深谷 侑輝

(72)【発明者】

【氏名】山田 敏雅

(72)【発明者】

【氏名】谷山 賀浩

(72)【発明者】

【氏名】菅沼 直孝

【テーマコード（参考）】

3H178

【Ｆターム（参考）】

3H178AA03

3H178AA26

3H178AA43

3H178AA51

3H178BB31

3H178BB33

3H178DD12Z

3H178DD42X

3H178DD52X

3H178DD54X

3H178DD61X

3H178DD68X

3H178EE02

3H178EE11

3H178EE15

3H178EE23

3H178EE34

(57)【要約】

【課題】風車ウエイクの影響で生じる発電出力の低下を抑制することができる水上風力発電技術を提供する。
【解決手段】水上風力発電システム１は、浮体８により水上に浮かべられた複数の風力発電装置２の位置を計測する位置計測機器１３から風力発電装置２の位置を示す位置情報を取得する位置情報取得部３６と、水上の風向を計測する少なくとも１つの風向計２４から風向を示す風向情報を取得する風向情報取得部３７と、水上の風速を計測する少なくとも１つの風速計２５から風速を示す風速情報を取得する風速情報取得部３８と、位置情報と風向情報と風速情報に基づいて、風車ウエイクがそれぞれの風力発電装置２に与える影響を評価する風車ウエイク評価部４０と、風車ウエイクの評価に応じて少なくとも一部の風力発電装置２のレイアウトを変更するためのレイアウト情報を生成するレイアウト生成部４２とを備える。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

浮体により水上に浮かべられた複数の風力発電装置の位置を計測する位置計測機器から前記風力発電装置の位置を示す位置情報を取得する位置情報取得部と、
水上の風向を計測する少なくとも１つの風向計から前記風向を示す風向情報を取得する風向情報取得部と、
水上の風速を計測する少なくとも１つの風速計から前記風速を示す風速情報を取得する風速情報取得部と、
前記位置情報と前記風向情報と前記風速情報に基づいて、風車ウエイクがそれぞれの前記風力発電装置に与える影響を評価する風車ウエイク評価部と、
前記風車ウエイクの評価に応じて少なくとも一部の前記風力発電装置のレイアウトを変更するためのレイアウト情報を生成するレイアウト生成部と、
を備える、
水上風力発電システム。

【請求項2】

前記風車ウエイクの影響を受けた場合のそれぞれの前記風力発電装置の発電出力を計算する発電出力計算部を備え、
前記レイアウト生成部は、それぞれの前記風力発電装置の前記発電出力の減少量の合計が最小になる前記レイアウト情報を生成する、
請求項１に記載の水上風力発電システム。

【請求項3】

前記レイアウト情報に応じて少なくとも一部の前記風力発電装置を移動させる移動装置を備える、
請求項１または請求項２に記載の水上風力発電システム。

【請求項4】

前記風向情報と前記風速情報に基づいて、後に生じる前記風向と前記風速とを予測する風況予測部を備え、
前記風車ウエイク評価部は、予測される前記風向と前記風速に基づいて、前記風車ウエイクがそれぞれの前記風力発電装置に与える影響を評価する、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水上風力発電システム。

【請求項5】

前記位置情報と前記風向情報と前記風速情報に基づいて、少なくとも１つの前記風力発電装置の下流側の乱流強度を計算する乱流強度計算部を備え、
前記風車ウエイク評価部は、前記位置情報と前記風向と前記風速と前記乱流強度に基づいて、前記風車ウエイクがそれぞれの前記風力発電装置に与える影響を評価する、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水上風力発電システム。

【請求項6】

前記乱流強度の評価は、上流側の前記風力発電装置により生じる乱流領域の上方の層から下方に向かって流れ込み、下流側の前記風力発電装置に当たる気流の運動エネルギーの評価を含む、
請求項５に記載の水上風力発電システム。

【請求項7】

位置情報取得部が、浮体により水上に浮かべられた複数の風力発電装置の位置を計測する位置計測機器から前記風力発電装置の位置を示す位置情報を取得するステップと、
風向情報取得部が、水上の風向を計測する少なくとも１つの風向計から前記風向を示す風向情報を取得するステップと、
風速情報取得部が、水上の風速を計測する少なくとも１つの風速計から前記風速を示す風速情報を取得するステップと、
風車ウエイク評価部が、前記位置情報と前記風向情報と前記風速情報に基づいて、風車ウエイクがそれぞれの前記風力発電装置に与える影響を評価するステップと、
レイアウト生成部が、前記風車ウエイクの評価に応じて少なくとも一部の前記風力発電装置のレイアウトを変更するためのレイアウト情報を生成するステップと、
を含む、
水上風力発電方法。

【請求項8】

コンピュータに、
浮体により水上に浮かべられた複数の風力発電装置の位置を計測する位置計測機器から前記風力発電装置の位置を示す位置情報を取得するステップと、
水上の風向を計測する少なくとも１つの風向計から前記風向を示す風向情報を取得するステップと、
水上の風速を計測する少なくとも１つの風速計から前記風速を示す風速情報を取得するステップと、
前記位置情報と前記風向情報と前記風速情報に基づいて、風車ウエイクがそれぞれの前記風力発電装置に与える影響を評価するステップと、
前記風車ウエイクの評価に応じて少なくとも一部の前記風力発電装置のレイアウトを変更するためのレイアウト情報を生成するステップと、
を実行させる、
水上風力発電プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、水上風力発電技術に関する。

【背景技術】

【0002】

上流側の風力発電装置の影響で下流側の風力発電装置の発電出力が低下する風車ウエイクという現象がある。従来、浮体で風力発電装置を洋上に浮かべた洋上ウインドファームにおいて、風力発電装置の係留索を巻取装置で巻き取ってその位置を調整し、上流側の風力発電装置の真後ろに下流側の風力発電装置が設置されないようにする技術が知られている。しかし、流体が関与する現象は複雑であり、複数の風車ウエイクが相互に干渉する場合もある。そのため、単に上流側の風力発電装置の真後ろに下流側の風力発電装置が設置されているか否かだけで発電出力が決まるものではない。例えば、下流側の風力発電装置を、上流側の風力発電装置の真後ろから、ずらすことによって、発電出力がより著しく低下する場合もある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５４１０１７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明が解決しようとする課題は、風車ウエイクの影響で生じる発電出力の低下を抑制することができる水上風力発電技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の実施形態に係る水上風力発電システムは、浮体により水上に浮かべられた複数の風力発電装置の位置を計測する位置計測機器から前記風力発電装置の位置を示す位置情報を取得する位置情報取得部と、水上の風向を計測する少なくとも１つの風向計から前記風向を示す風向情報を取得する風向情報取得部と、水上の風速を計測する少なくとも１つの風速計から前記風速を示す風速情報を取得する風速情報取得部と、前記位置情報と前記風向情報と前記風速情報に基づいて、風車ウエイクがそれぞれの前記風力発電装置に与える影響を評価する風車ウエイク評価部と、前記風車ウエイクの評価に応じて少なくとも一部の前記風力発電装置のレイアウトを変更するためのレイアウト情報を生成するレイアウト生成部と、を備える。

【発明の効果】

【0006】

本発明の実施形態により、風車ウエイクの影響で生じる発電出力の低下を抑制することができる水上風力発電技術が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態の水上風力発電システムの全体構成を示す斜視図。

【図2】水上風力発電装置と風況観測装置を示す側面図。

【図3】水上風力発電装置のレイアウトを示す平面図。

【図4】風車ウエイクが生じている水上風力発電システムを示す側面図。

【図5】第１実施形態の管理コンピュータを示すブロック図。

【図6】第１実施形態の水上風力発電方法を示すフローチャート。

【図7】第２実施形態の管理コンピュータを示すブロック図。

【図8】第２実施形態の水上風力発電方法を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0008】

（第１実施形態）
以下、図面を参照しながら、水上風力発電システム、水上風力発電方法および水上風力発電プログラムの実施形態について詳細に説明する。まず、第１実施形態について図１から図６を用いて説明する。

【0009】

図１の符号１は、第１実施形態の水上風力発電システムである。この水上風力発電システム１は、沖合の海洋３上に浮かべられた複数の水上風力発電装置２を備える。水上風力発電装置２とは、風Ｗの力を利用して風車を回し、その回転運動により発電を行うものである。多数の水上風力発電装置２が林立して設けられることで、洋上ウインドファームが構築されている。例えば、それぞれの水上風力発電装置２の間の距離が、等間隔になるように平面視で格子状に配置されている。

【0010】

ここで、上流側（風上側）の水上風力発電装置２の影響で下流側（風下側）の水上風力発電装置２の発電出力が低下する風車ウエイクという現象がある。洋上ウインドファームでは、風車ウエイクによる発電損失の影響が大きく、発電出力が低下してしまう。特に、日本国内で計画されている洋上ウインドファームでは、欧州の洋上ウインドファームと比較して、水上風力発電装置２同士の間の距離が短く、風車ウエイクのリスクが高い。

【0011】

本実施形態の水上風力発電システム１では、少なくとも一部の水上風力発電装置２が移動し、水上風力発電装置２の平面視のレイアウト（図３）が適宜変更可能となっている。風況に応じて最適なレイアウトとすることで、風車ウエイクの影響で生じる発電出力の低下を抑制することができる。また、発電計画に沿った発電出力が得られるようになる。

【0012】

図２に示すように、水上風力発電装置２は、水上設備として、ハブ４を中心軸として回転する複数枚のブレード５を備える。これらのブレード５に風Ｗが当たることでハブ４を中心軸として回転し、ナセル６の内部に設けられた発電機（図示略）が発電を行う。本実施形態では、揚力型風車であり、かつ水平軸風車であるアップウインド型のプロペラ型風車を例示する。

【0013】

なお、ハブ４の内部には、ブレード５のピッチ角を変更する可変ピッチ機構（図示略）が設けられている。また、ナセル６の内部には、ブレーキ装置（図示略）などが設けられている。さらに、ナセル６の方位を変更する方位変更機構（図示略）なども設けられている。また、増速機（図示略）が設けられる場合もある。このナセル６は、海洋３上に立つタワー７の上部に設けられている。

【0014】

また、水上風力発電装置２は、水中設備として、タワー７を海洋３上に浮かべるための浮体８と、浮体８を係留する係留索９と、発電した電力を陸地まで送るための送電ケーブル１０とを備える。

【0015】

なお、係留索９は、浮体８を海底に繋ぎとめる巨大な金属製のチェーンである。１つの浮体８に対して複数本の係留索９が設けられている。これらの係留索９の下端は、海底に固定されており、水上風力発電装置２が、浮体８により浮かんでいる状態であっても海流で流されずに済む。

【0016】

また、水上風力発電装置２は、係留索９で定位置に完全に固定されているものではなく、所定の範囲内であれば水平方向に移動が可能である。つまり、係留索９は、水上風力発電装置２の移動が可能な程度の長さに調整されている。なお、水上風力発電装置２は、係留索９の巻き取りと送り出しを行う捲揚機（図示略）を備えても良い。

【0017】

また、水上風力発電装置２は、水上風力発電装置２を水平方向に移動させる移動装置１１を備える。この移動装置１１は、浮体８の下部に取り付けられている。なお、移動装置１１は、浮体８の側部に取り付けられても良い。さらに、複数の移動装置１１が、浮体８に取り付けられても良い。

【0018】

移動装置１１は、例えば、水中で推進力を得るためのスクリュー１２と、このスクリュー１２を駆動させるモータ（図示略）と、スクリュー１２の向きを変更する推力変更機構（図示略）などで構成されている。なお、移動装置１１は、スクリュー１２以外の他の機構を用いて水上風力発電装置２を移動させるものでも良い。例えば、浮体８の上部または側部に、風Ｗを受けて浮体８を移動させるための帆または翼のような移動装置１１が取り付けられても良い。

【0019】

また、移動装置１１は、水上風力発電装置２を水平方向に移動させるのみならず、水上風力発電装置２をヨー回転させても良い。

【0020】

また、１つの浮体８が１つの水上風力発電装置２に対応して設けられているが、１つの浮体８で複数の水上風力発電装置２を浮かべるものでも良い。

【0021】

また、水上風力発電装置２は、現在の位置を計測する位置計測機器１３を備える。例えば、位置計測機器１３は、ナセル６の上部に設けられており、衛星測位システムから受信した電波に基づいて、水上風力発電装置２の現在の位置を計測する。

【0022】

また、水上風力発電装置２は、風車制御装置１４を備える。この風車制御装置１４は、例えば、ナセル６の方位の制御、ブレード５のピッチ角の制御、移動装置１１の制御を行うために設けられている。さらに、風車制御装置１４は、通信機器（図示略）を備えている。そして、風車制御装置１４は、位置計測機器１３で計測した水上風力発電装置２の現在の位置を示す位置情報を遠隔地（地上局）の本部にある管理コンピュータ３０（図５）に送信する。

【0023】

なお、本実施形態では、風車制御装置１４が自動的に水上風力発電装置２を制御する態様を例示するが、その他の態様であっても良い。例えば、風車制御装置１４は、水上風力発電システム１の管理者（ユーザ）の入力操作を受け付けて水上風力発電装置２を制御するようにしても良い。つまり、風車制御装置１４は、管理者の手動操作により水上風力発電装置２を制御するための遠隔操作装置でも良い。

【0024】

図１に示すように、水上風力発電システム１は、海洋３上に浮かべられた複数の風況観測装置２０を備える。これらの風況観測装置２０は、海洋３上の風向と風速を観測するために設けられている。

【0025】

図２に示すように、風況観測装置２０は、海洋３上に立つタワー２１と、タワー２１を海洋３上に浮かべるための浮体２２と、浮体２２を係留する係留索２３とを備える。さらに、風況観測装置２０は、海洋３上の風向を計測する風向計２４と、海洋３上の風速を計測する風速計２５とを備える。風向計２４と風速計２５は、タワー２１の上部に設けられている。

【0026】

なお、本実施形態では、風向計２４と風速計２５が風況観測装置２０に設けられているが、その他の態様であっても良い。例えば、風向計２４と風速計２５が水上風力発電装置２に設けられていても良い。

【0027】

風況観測装置２０は、通信機器（図示略）を備えている。そして、風況観測装置２０は、風向計２４で計測した風向を示す風向情報と、風速計２５で計測した風速を示す風速情報を、遠隔地（地上局）の本部にある管理コンピュータ３０（図５）に送信する。

【0028】

本実施形態の水上風力発電システム１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤなどのハードウェア資源を有し、ＣＰＵが各種プログラムを実行することで、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源を用いて実現される管理コンピュータ３０で構成される。さらに、本実施形態の水上風力発電方法は、各種プログラムを管理コンピュータ３０に実行させることで実現される。

【0029】

次に、管理コンピュータ３０のシステム構成を図５に示すブロック図を参照して説明する。この管理コンピュータ３０は、水上風力発電装置２と風況観測装置２０を統括的に管理する。

【0030】

管理コンピュータ３０は、通信部３１と入力部３２と出力部３３と記憶部３４と制御部３５とを備える。なお、管理コンピュータ３０の各構成は、必ずしも１つのコンピュータに設ける必要はない。例えば、これらの構成が、ネットワークで互いに接続された複数のコンピュータで実現されても良い。

【0031】

通信部３１は、インターネットなどの通信回線を介して他のコンピュータと通信を行う。例えば、通信部３１は、水上風力発電装置２および風況観測装置２０と通信を行う。なお、本実施形態では、管理コンピュータ３０と他のコンピュータがインターネットを介して互いに接続されているが、その他の態様であっても良い。例えば、管理コンピュータ３０と他のコンピュータがＷＡＮ（Wide Area Network）または携帯通信網を介して互いに接続されても良い。

【0032】

入力部３２には、管理コンピュータ３０を使用する管理者（ユーザ）の操作に応じて所定の情報が入力される。この入力部３２には、マウスまたはキーボードなどの入力装置が含まれる。つまり、これら入力装置の操作に応じて所定の情報が入力部３２に入力される。

【0033】

出力部３３は、所定の情報の出力を行う。管理コンピュータ３０には、解析結果の出力を行うディスプレイなどの画像の表示を行う装置が含まれる。つまり、出力部３３は、ディスプレイに表示される画像の制御を行う。なお、ディスプレイはコンピュータ本体と別体であっても良いし、一体であっても良い。

【0034】

なお、本実施形態の管理コンピュータ３０は、ネットワークを介して接続される他のコンピュータが備えるディスプレイに表示される画像の制御を行っても良い。その場合には、他のコンピュータが備える出力部３３が、本実施形態の解析結果の出力の制御を行っても良い。

【0035】

なお、本実施形態では、画像の表示を行う装置としてディスプレイが例示されるが、その他の態様であっても良い。例えば、紙媒体に情報を印字するプリンタがディスプレイの替りとして用いられても良い。つまり、出力部３３が制御する対象として、プリンタが含まれても良い。

【0036】

記憶部３４は、水上風力発電システム１の制御に必要な各種情報を記憶する。例えば、記憶部３４には、位置情報、風向情報、風速情報、レイアウト情報などが記憶される。ここで、レイアウト情報は、水上風力発電装置２のレイアウトを変更するための情報である。

【0037】

制御部３５は、管理コンピュータ３０を統括的に制御する。この制御部３５は、位置情報取得部３６と風向情報取得部３７と風速情報取得部３８と乱流強度計算部３９と風車ウエイク評価部４０と発電出力計算部４１とレイアウト生成部４２とを備える。これらは、メモリまたはＨＤＤに記憶されたプログラムがＣＰＵによって実行されることで実現される。

【0038】

図３に示すように、まず、それぞれの水上風力発電装置２の基準位置２Ａがあるものとする。ここで、所定の方向から風Ｗが吹いているものとし、この風Ｗの風向と風速を風況観測装置２０（図１）が観測する。これに基づいて、管理コンピュータ３０（図５）は、風車ウエイクの影響で生じる発電出力の低下を抑制するための最適な位置２Ｂを解析する。

【0039】

例えば、管理コンピュータ３０は、風車ウエイクの影響および風車ウエイクの相互作用を計算する。なお、この計算のために所定の工学モデル（モデルの数式）を予め設定しておき、風向と風速に応じて所定の解析結果が出力されるものでも良い。さらに、大気安定度と風向の変動が解析されても良い。

【0040】

また、基準となる水上風力発電装置２に与える風車ウエイクの影響を解析するときに、基準となる水上風力発電装置２の上流側の水上風力発電装置２から受ける風車ウエイクの影響のみならず、基準となる水上風力発電装置２の下流側の水上風力発電装置２に与える風車ウエイクの影響も解析される。そして、基準となる水上風力発電装置２の最適な位置２Ｂが解析される。なお、基準となる水上風力発電装置２は、基準位置２Ａに固定しつつ、その周囲の水上風力発電装置２を最適な位置２Ｂに移動させるものでも良い。

【0041】

そして、管理コンピュータ３０は、それぞれの水上風力発電装置２の最適な位置２Ｂを示すレイアウト情報を出力する。それぞれの水上風力発電装置２は、レイアウト情報に基づいて移動装置１１（図２）を制御して最適な位置２Ｂまで移動する。

【0042】

図４に示すように、管理コンピュータ３０は、水平方向の風Ｗの流動のみならず、垂直方向（上下方向）の風Ｗの流動についても解析する。例えば、所定の水上風力発電装置２の後方側には、風車ウエイクの原因となる乱流領域Ｔが形成される。

【0043】

ここで、上流側の水上風力発電装置２により生じる乱流領域Ｔの上方の層Ｌから下方に向かって流れ込む気流Ｆが生じる場合がある。管理コンピュータ３０は、この気流Ｆが有する運動エネルギーが下流側の水上風力発電装置２に与える影響も解析する。例えば、この気流Ｆの乱流強度が高い領域を利用することができれば、風車ウエイクの影響が低減されるばかりか、下流側の水上風力発電装置２の発電出力を高められる場合がある。

【0044】

次に、第１実施形態の水上風力発電方法について図６のフローチャートを用いて説明する。なお、前述の図面を適宜参照する。以下のステップは、水上風力発電方法に含まれる少なくとも一部の処理であり、他のステップが水上風力発電方法に含まれていても良い。

【0045】

まず、ステップＳ１において、それぞれの水上風力発電装置２の位置計測機器１３（図２）は、現在の位置を計測する。ここで、風車制御装置１４（図２）は、位置計測機器１３が計測した現在の位置を示す位置情報を管理コンピュータ３０（図５）に送信する。そして、ステップＳ４に進む。

【0046】

ステップＳ１と並列に実行されるステップＳ２において、それぞれの風況観測装置２０の風向計２４（図２）は、海洋３上の風向を計測する。ここで、風況観測装置２０は、この風向を示す風向情報を管理コンピュータ３０に送信する。そして、ステップＳ５に進む。

【0047】

ステップＳ１と並列に実行されるステップＳ３において、それぞれの風況観測装置２０の風速計２５（図２）は、海洋３上の風速を計測する。ここで、風況観測装置２０は、この風速を示す風速情報を管理コンピュータ３０に送信する。そして、ステップＳ６に進む。

【0048】

ステップＳ４において、管理コンピュータ３０の位置情報取得部３６（図５）は、それぞれの水上風力発電装置２から位置情報を取得する。そして、ステップＳ８に進む。

【0049】

ステップＳ５において、管理コンピュータ３０の風向情報取得部３７（図５）は、それぞれの風況観測装置２０から風向情報を取得する。そして、ステップＳ７とステップＳ８に進む。

【0050】

ステップＳ６において、管理コンピュータ３０の風速情報取得部３８（図５）は、それぞれの風況観測装置２０から風速情報を取得する。そして、ステップＳ７とステップＳ８に進む。

【0051】

ステップＳ７において、管理コンピュータ３０の乱流強度計算部３９（図５）は、風向情報と風速情報に基づいて、それぞれの水上風力発電装置２の下流側の乱流強度を計算する。そして、ステップＳ８に進む。

【0052】

ステップＳ８において、管理コンピュータ３０の風車ウエイク評価部４０（図５）は、それぞれの水上風力発電装置２の位置情報に加えて、少なくとも風向情報と風速情報に基づいて、風車ウエイクがそれぞれの水上風力発電装置２に与える影響を評価する。

【0053】

追加的または代替的に、風車ウエイク評価部４０は、それぞれの水上風力発電装置２の位置情報に加えて、風向情報と風速情報と乱流強度に基づいて、風車ウエイクがそれぞれの水上風力発電装置２に与える影響を評価する。このようにすれば、乱流強度を含めて風車ウエイクの評価を行うことができる。

【0054】

この乱流強度の評価は、下流側の水上風力発電装置２に当たる気流Ｆ（図４）の運動エネルギーの評価を含む。このようにすれば、乱流強度が高い領域を利用して下流側の水上風力発電装置２の発電出力が高められる。

【0055】

次のステップＳ９において、管理コンピュータ３０の発電出力計算部４１（図５）は、風車ウエイクの影響を受けた場合のそれぞれの水上風力発電装置２の発電出力を計算する。ここで、発電出力計算部４１は、風車ウエイクの影響を受けた場合の水上風力発電装置２の発電出力の状態を模擬する。

【0056】

次のステップＳ１０において、管理コンピュータ３０のレイアウト生成部４２（図５）は、風車ウエイクの評価に応じて少なくとも一部の水上風力発電装置２のレイアウト（位置）を変更するためのレイアウト情報を生成する。

【0057】

次のステップＳ１１において、レイアウト生成部４２は、生成されたレイアウト情報に基づいて少なくとも一部の水上風力発電装置２が移動した場合に、それぞれの水上風力発電装置２の発電出力の減少量の合計が最小になるか否かを判定する。ここで、発電出力の減少量の合計が最小になる場合（ステップＳ１１でＹＥＳの場合）は、ステップＳ１２に進む。一方、発電出力の減少量の合計が最小にならない場合（ステップＳ１１でＮＯの場合）は、ステップＳ１３に進む。

【0058】

つまり、レイアウト生成部４２は、それぞれの水上風力発電装置２の発電出力の減少量の合計が最小になるレイアウト情報を生成する。なお、ステップＳ１１の判定は、いくつかのパターン（例えば、１００パターン）のレイアウト情報を生成し、その中で発電出力の減少量の合計が最小になるレイアウト情報を選択するものでも良い。また、発電出力の減少量の合計が最小になるレイアウト情報が生成されるまで、ステップＳ８からステップＳ１１を繰り返すものでも良い。

【0059】

なお、レイアウト生成部４２でレイアウト情報が生成される場合には、係留索９によって規定される水上風力発電装置２の移動可能な範囲、または水上風力発電装置２同士が干渉しない範囲などを制約条件として計算が行われる。

【0060】

ステップＳ１２において、レイアウト生成部４２は、発電出力の減少量の合計が最小になるレイアウト情報を出力する。ここで、管理コンピュータ３０は、このレイアウト情報をそれぞれの水上風力発電装置２に送信する。そして、ステップＳ１４に進む。

【0061】

一方、ステップＳ１３において、レイアウト生成部４２は、レイアウト情報における水上風力発電装置２の位置を修正する。そして、ステップＳ８に戻る。ここで、風車ウエイク評価部４０は、修正後の水上風力発電装置２の位置に基づいて、再び風車ウエイクの評価を行う。

【0062】

ステップＳ１４において、それぞれの水上風力発電装置２の風車制御装置１４（図２）は、風車移動処理を実行する。ここで、それぞれの風車制御装置１４は、移動装置１１を制御し、水上風力発電装置２の位置をレイアウト情報に応じた適切な位置に移動させる。このようにすれば、発電出力の低下が抑制される位置に水上風力発電装置２を移動させることができる。

【0063】

なお、風車移動処理は、少なくとも一部の水上風力発電装置２を移動させる処理である。また、風車移動処理には、ナセル６の方位の制御と、ブレード５のピッチ角の制御が含まれる。そして、ステップＳ１からステップＳ３に戻る。

【0064】

第１実施形態では、ステップＳ１からステップＳ１４を繰り返すことで、風車ウエイクの影響で発電出力が減少したときの減少量を最小にすることができる。

【0065】

なお、第１実施形態の水上風力発電方法では、管理コンピュータ３０が出力したレイアウト情報に基づいて、風車制御装置１４が水上風力発電装置２を移動させているが、その他の態様であっても良い。例えば、管理コンピュータ３０が出力したレイアウト情報に基づいて、ユーザが遠隔操作で水上風力発電装置２を移動させても良い。つまり、第１実施形態の水上風力発電方法は、管理コンピュータ３０が、少なくともステップＳ４からステップＳ１３までの処理を実行するものであれば良い。

【0066】

なお、第１実施形態では、風向情報と風速情報と乱流強度に基づいて、風車ウエイクの評価が行われているが、その他の態様であっても良い。例えば、風向情報と風速情報のみに基づいて、風車ウエイクの評価が行われても良い。

【0067】

なお、水上風力発電装置２が動く方向は、風向と直交する方向が良い。このようにすれば、最低限の移動距離で風車ウエイクを回避することができる。また、上流側の水上風力発電装置２を移動させる場合において、下流側の水上風力発電装置２は、上流側の水上風力発電装置２と逆の方向に移動させるようにしても良い。このようにすれば、最低限の移動距離で上流側の水上風力発電装置２に起因する風車ウエイクを回避することができる。

【0068】

なお、所定の水上風力発電装置２を移動させると、水上風力発電システム１の全体の発電出力が減少する場合は、所定の水上風力発電装置２を移動させないようにしても良い。

【0069】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図７から図８を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

【0070】

図７に示すように、第２実施形態の管理コンピュータ３０は、前述の第１実施形態の構成（図５）に加えて、風況予測部４３を備える。この風況予測部４３は、管理コンピュータ３０が取得した風向情報と風速情報に基づいて、後に生じる風向と風速とを予測する。

【0071】

次に、第２実施形態の水上風力発電方法について図８のフローチャートを用いて説明する。第２実施形態の水上風力発電方法は、前述の第１実施形態のステップ（図６）に加えて、ステップＳ５ＡとステップＳ６Ａが追加されている。他のステップは、第１実施形態と同様である。なお、図７に示すブロック図を適宜参照する。

【0072】

図８に示すように、ステップＳ５の次に進むステップＳ５Ａにおいて、管理コンピュータ３０の風況予測部４３は、将来の風向を予測する。そして、ステップＳ７とステップＳ８に進む。

【0073】

ステップＳ６の次に進むステップＳ６Ａにおいて、風況予測部４３は、将来の風速を予測する。そして、ステップＳ７とステップＳ８に進む。

【0074】

ステップＳ７において、管理コンピュータ３０の乱流強度計算部３９は、予測された風向と風速に基づいて、それぞれの水上風力発電装置２の下流側の乱流強度を計算する。つまり、将来の乱流強度が予測される。そして、ステップＳ８に進む。

【0075】

ステップＳ８において、管理コンピュータ３０の風車ウエイク評価部４０は、それぞれの水上風力発電装置２の位置情報に加えて、予測される風向と風速と乱流強度に基づいて、風車ウエイクがそれぞれの水上風力発電装置２に与える影響を評価する。このようにすれば、実際に水上風力発電装置２に当たる風Ｗの影響が事前に予測されるため、発電出力の低減をさらに抑制することができる。

【0076】

例えば、水上風力発電装置２がレイアウト情報に基づいて適切な位置まで移動する場合に、その移動時間に１０分かかるとする。ここで、風況予測部４３は、この移動時間に相当する１０分後の風向と風速を予測する。この予測に基づいてレイアウト情報が生成され、水上風力発電装置２が移動を開始したとすると、その移動が完了する時点（１０分後）に、丁度予測通りの風向と風速になる。そのため、発電出力の低減を充分に抑制することができる。また、風況予測と組み合わせたレイアウトの変更により、発電出力の予測もできる。特に、発電計画に合わせた発電出力が得られる。

【0077】

なお、所定の閾値に応じてレイアウトを変更するか否かの判定が行われても良い。例えば、風車ウエイクの影響が無い場合の発電出力と比較して、風車ウエイクの影響が有る場合の発電出力が５０％以下になる場合に、水上風力発電装置２を移動させるようにしても良い。このようにすれば、水上風力発電装置２が頻繁に移動される事態を抑制し、水上風力発電装置２の移動にかかるエネルギーを節約することができる。

【0078】

第２実施形態では、風向と風速の予測に応じて水上風力発電装置２が移動することにより、発電計画通りの発電出力を得ることができる。

【0079】

なお、第２実施形態では、風向の予測と風速の予測と乱流強度に基づいて、風車ウエイクの評価が行われているが、その他の態様であっても良い。例えば、風向の予測のみに基づいて、風車ウエイクの評価が行われても良い。

【0080】

水上風力発電システム、水上風力発電方法および水上風力発電プログラムを第１実施形態から第２実施形態に基づいて説明したが、いずれか１の実施形態において適用された構成を他の実施形態に適用しても良いし、各実施形態において適用された構成を組み合わせても良い。

【0081】

なお、前述の実施形態のフローチャートにおいて、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと直列に実行されても良いし、並列に実行されても良い。

【0082】

なお、前述の実施形態では、水上風力発電装置２が海洋３上に設けられる態様を例示しているが、その他の態様であっても良い。例えば、水上風力発電装置２が湖上に設けられて良い。つまり「水上」という用語は、海上と湖上の意味を含む。

【0083】

なお、前述の実施形態では、水上風力発電装置２として、揚力型風車であり、かつ水平軸風車であるアップウインド型のプロペラ型風車を例示しているが、その他の態様であっても良い。例えば、水上風力発電装置２が、ダウンウインド型のプロペラ型風車であっても良い。また、水上風力発電装置２が、揚力型風車であり、かつ垂直軸風車であるダリウス型風車、ジャイロミル型風車、垂直翼型風車であっても良い。また、水上風力発電装置２が、抗力型風車であり、かつ垂直軸風車であるサボニウス型風車、パドル型風車、クロスフロー型風車、Ｓ字ロータ型風車であっても良い。また、水上風力発電装置２が、揚力型風車であり、かつ水平軸風車または垂直軸風車であるマグナス型風車であっても良い。

【0084】

なお、前述の実施形態では、風況観測装置２０が海洋３上の風向と風速を観測しているが、その他の態様であっても良い。例えば、水上風力発電システム１が複数の空中ドローン（図示略）を備えるものであり、これらの空中ドローンが海洋３上の風向と風速を観測しても良い。

【0085】

なお、前述の実施形態では、風車ウエイクの影響を受ける場合に水上風力発電装置２のレイアウトが変更されているが、その他の態様であっても良い。例えば、夜間などの電力消費が少ない時間帯では、風車ウエイクの影響を受ける場合であってもレイアウトの変更が行われなくても良い。また、予め定められた発電計画に基づいて、充分に発電出力を得られる場合には、風車ウエイクの影響を受ける場合であってもレイアウトの変更が行われなくても良い。

【0086】

前述の実施形態のシステムは、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、またはＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）またはＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスまたはキーボードなどの入力装置と、通信インターフェースとを備える。このシステムは、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。

【0087】

なお、前述の実施形態のシステムで実行されるプログラムは、ＲＯＭなどに予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）などのコンピュータで読み取り可能な非一過性の記憶媒体に記憶されて提供するようにしても良い。

【0088】

また、このシステムで実行されるプログラムは、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしても良い。また、このシステムは、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワークまたは専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。

【0089】

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、風車ウエイクの評価に応じて少なくとも一部の風力発電装置のレイアウトを変更するためのレイアウト情報を生成するレイアウト生成部を備えることにより、風車ウエイクの影響で生じる発電出力の低下を抑制することができる。

【0090】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態またはその変形は、発明の範囲と要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0091】

１…水上風力発電システム、２…水上風力発電装置、３…海洋、４…ハブ、５…ブレード、６…ナセル、７…タワー、８…浮体、９…係留索、１０…送電ケーブル、１１…移動装置、１２…スクリュー、１３…位置計測機器、１４…風車制御装置、２０…風況観測装置、２１…タワー、２２…浮体、２３…係留索、２４…風向計、２５…風速計、３０…管理コンピュータ、３１…通信部、３２…入力部、３３…出力部、３４…記憶部、３５…制御部、３６…位置情報取得部、３７…風向情報取得部、３８…風速情報取得部、３９…乱流強度計算部、４０…風車ウエイク評価部、４１…発電出力計算部、４２…レイアウト生成部、４３…風況予測部、Ｆ…気流、Ｌ…層、Ｔ…乱流領域、Ｗ…風。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】