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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】P2024031066
(43)【公開日】2024-03-07
(54)【発明の名称】風力・波力複合発電装置
(51)【国際特許分類】
F03B 13/16 20060101AFI20240229BHJP
F03D 13/25 20160101ALI20240229BHJP
F03D 7/04 20060101ALI20240229BHJP
【ＦＩ】
F03B13/16
F03D13/25
F03D7/04 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022134370
(22)【出願日】2022-08-25
(71)【出願人】
【識別番号】504145342
【氏名又は名称】国立大学法人九州大学
(74)【代理人】
【識別番号】100095407
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 満
(74)【代理人】
【識別番号】100168114
【弁理士】
【氏名又は名称】山中 生太
(74)【代理人】
【識別番号】100133592
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 浩一
(74)【代理人】
【識別番号】100162259
【弁理士】
【氏名又は名称】末富 孝典
(74)【代理人】
【識別番号】100146916
【弁理士】
【氏名又は名称】廣石 雅紀
(72)【発明者】
【氏名】朱 洪忠
【テーマコード（参考）】
3H074
3H178
【Ｆターム（参考）】
3H074AA02
3H074AA12
3H074BB10
3H074BB19
3H074CC03
3H074CC36
3H178AA03
3H178AA24
3H178AA43
3H178AA61
3H178BB01
3H178BB42
3H178DD61X
(57)【要約】 （修正有）
【課題】波浪エネルギーにより風力発電機の動揺を低減し、全体の発電量を平滑化できる風力・波力複合発電装置を提供する。
【解決手段】第１浮体２は風力発電ユニット２０を備え、第２浮体３Ａ～３Ｃは波力発電ユニット３１を備え、第２浮体３Ａ～３Ｃと、上下方向に延び、上端でそれぞれが第２浮体３Ａ～３Ｃのいずれかと接続され、下端でそれぞれ第１浮体２の異なる箇所に連結されるワイヤ６Ａ～６Ｃを備える。波力発電ユニット３１は、外殻体３０に対して上下方向に相対変位可能で第１浮体２とワイヤ６Ａ～６Ｃを介して連結された内部構造体３２と、外殻体３０と内部構造体３２とを上下方向に接続する減衰係数可変の減衰要素として動作するとともに外殻体３０と内部構造体３２との上下方向の相対運動により発電された電力を取り出すＰＴＯ３３と、外殻体３０と内部構造体３２とを上下方向に接続する弾性要素を有する接続体３４と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】第１浮体２は風力発電ユニット２０を備え、第２浮体３Ａ～３Ｃは波力発電ユニット３１を備え、第２浮体３Ａ～３Ｃと、上下方向に延び、上端でそれぞれが第２浮体３Ａ～３Ｃのいずれかと接続され、下端でそれぞれ第１浮体２の異なる箇所に連結されるワイヤ６Ａ～６Ｃを備える。波力発電ユニット３１は、外殻体３０に対して上下方向に相対変位可能で第１浮体２とワイヤ６Ａ～６Ｃを介して連結された内部構造体３２と、外殻体３０と内部構造体３２とを上下方向に接続する減衰係数可変の減衰要素として動作するとともに外殻体３０と内部構造体３２との上下方向の相対運動により発電された電力を取り出すＰＴＯ３３と、外殻体３０と内部構造体３２とを上下方向に接続する弾性要素を有する接続体３４と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
風力発電を行う風力発電ユニットが設けられ、波面に浮かぶ第１浮体と、
波面に浮かぶ少なくとも３つの第２浮体と、
上下方向に延び、上端でそれぞれが前記第２浮体のいずれかと接続され、下端でそれぞれ前記第１浮体の異なる箇所に連結される３本のワイヤと、を備え、
前記第２浮体は、
波面に浮かぶ外殻体と、
波力発電を行う波力発電ユニットと、を備え、
前記波力発電ユニットは、
前記外殻体に対して上下方向に相対変位可能で前記第１浮体と前記ワイヤを介して連結された内部構造体と、
前記外殻体と前記内部構造体との上下方向の相対運動により発電された電力を取り出すとともに前記外殻体と前記内部構造体とを接続する減衰係数可変な減衰要素として機能するパワーテイクオフと、
前記外殻体と前記内部構造体とを上下方向に接続する弾性要素を有する接続体と、
を備える風力・波力複合発電装置。
波面に浮かぶ少なくとも３つの第２浮体と、
上下方向に延び、上端でそれぞれが前記第２浮体のいずれかと接続され、下端でそれぞれ前記第１浮体の異なる箇所に連結される３本のワイヤと、を備え、
前記第２浮体は、
波面に浮かぶ外殻体と、
波力発電を行う波力発電ユニットと、を備え、
前記波力発電ユニットは、
前記外殻体に対して上下方向に相対変位可能で前記第１浮体と前記ワイヤを介して連結された内部構造体と、
前記外殻体と前記内部構造体との上下方向の相対運動により発電された電力を取り出すとともに前記外殻体と前記内部構造体とを接続する減衰係数可変な減衰要素として機能するパワーテイクオフと、
前記外殻体と前記内部構造体とを上下方向に接続する弾性要素を有する接続体と、
を備える風力・波力複合発電装置。
【請求項2】
前記第１浮体の姿勢情報を検出する第１センサと、
前記外殻体と前記内部構造体との相対変位情報を検出する第２センサと、
前記第１センサの出力と、前記第２センサの出力とに基づいて、前記パワーテイクオフに発生する力を制御する制御部と、
を備える請求項１に記載の風力・波力複合発電装置。
前記外殻体と前記内部構造体との相対変位情報を検出する第２センサと、
前記第１センサの出力と、前記第２センサの出力とに基づいて、前記パワーテイクオフに発生する力を制御する制御部と、
を備える請求項１に記載の風力・波力複合発電装置。
【請求項3】
前記制御部は、
前記第１浮体の風向きに対するピッチ方向の回転角度及び回転速度が大きくなるにつれて大きくなる第１項と、
前記第１浮体の風向きに対するロール方向の回転角度及び回転速度が大きくなるにつれて大きくなる第２項と、
前記外殻体と前記内部構造体との相対変位及び相対速度が大きくなるにつれて大きくなる第３項と、が加算された目的関数を最小化するように、前記パワーテイクオフに発生する力を制御する、
請求項２に記載の風力・波力複合発電装置。
前記第１浮体の風向きに対するピッチ方向の回転角度及び回転速度が大きくなるにつれて大きくなる第１項と、
前記第１浮体の風向きに対するロール方向の回転角度及び回転速度が大きくなるにつれて大きくなる第２項と、
前記外殻体と前記内部構造体との相対変位及び相対速度が大きくなるにつれて大きくなる第３項と、が加算された目的関数を最小化するように、前記パワーテイクオフに発生する力を制御する、
請求項２に記載の風力・波力複合発電装置。
【請求項4】
前記目的関数の制約条件には、状態方程式が第１条件として含まれ、
前記状態方程式は、
前記第１浮体のピッチ方向の回転角度及び回転速度と、前記第１浮体のロール方向の回転角度及び回転速度と、前記外殻体と前記内部構造体との相対変位及び相対速度と、を状態ベクトルの要素とし、前記パワーテイクオフに発生する力を入力ベクトルの要素とするように線形近似された状態方程式である、
請求項３に記載の風力・波力複合発電装置。
前記状態方程式は、
前記第１浮体のピッチ方向の回転角度及び回転速度と、前記第１浮体のロール方向の回転角度及び回転速度と、前記外殻体と前記内部構造体との相対変位及び相対速度と、を状態ベクトルの要素とし、前記パワーテイクオフに発生する力を入力ベクトルの要素とするように線形近似された状態方程式である、
請求項３に記載の風力・波力複合発電装置。
【請求項5】
前記目的関数の制約条件には、
前記パワーテイクオフに発生する力の絶対値が、可能な大きさを超えないとする第２条件が含まれる、
請求項４に記載の風力・波力複合発電装置。
前記パワーテイクオフに発生する力の絶対値が、可能な大きさを超えないとする第２条件が含まれる、
請求項４に記載の風力・波力複合発電装置。
【請求項6】
前記第２条件には、
前記パワーテイクオフに発生する力の向きと、前記外殻体と前記内部構造体との相対速度の向きとが同じであることと、
前記パワーテイクオフに発生する力の絶対値が、前記外殻体と前記内部構造体との相対速度の絶対値と前記パワーテイクオフの減衰係数との積を超えないことと、
前記パワーテイクオフに発生する力の絶対値が、波力発電が可能な最大許容値を超えないことと、を全て満たすことが含まれる、
請求項５に記載の風力・波力複合発電装置。
前記パワーテイクオフに発生する力の向きと、前記外殻体と前記内部構造体との相対速度の向きとが同じであることと、
前記パワーテイクオフに発生する力の絶対値が、前記外殻体と前記内部構造体との相対速度の絶対値と前記パワーテイクオフの減衰係数との積を超えないことと、
前記パワーテイクオフに発生する力の絶対値が、波力発電が可能な最大許容値を超えないことと、を全て満たすことが含まれる、
請求項５に記載の風力・波力複合発電装置。
【請求項7】
前記少なくとも３つの第２浮体は、鉛直方向に見て前記第１浮体の中心を基準としてｎ（ｎは、２以上の整数）回回転対称、前記中心を通る直線に対して線対称又は非対称に配置されている、
請求項１に記載の風力・波力複合発電装置。
請求項１に記載の風力・波力複合発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、風力・波力複合発電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
波の力で発電する波力発電を行う波力発電装置には、洋上に浮かぶ浮体式のものがある（例えば特許文献１、２参照）。浮体に設けられた波力発電装置を洋上風力発電機に組み込むことで、平準化エネルギーコストの削減を狙った浮体式風力・波力複合発電装置が開示されている（例えば特許文献３、４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開平２－２３０９６９号公報
【特許文献2】特開２０２０－１３３４６０号公報
【特許文献3】特表２０１３－５１５９０３号公報
【特許文献4】特表２０２２－５００５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
浮体式の風力・波力複合発電装置では、波が大きくなると、波力発電の発電量が大きくなる一方、風力発電機の姿勢が不安定となって風力発電の発電量及び疲労寿命が低下するという不都合がある。
【0005】
本発明は、上記実情の下になされたものであり、波の大きさに関わらず、波浪エネルギーを利用して、風力発電機の動揺を低減しつつ、全体の発電量を平滑化することができる風力・波力複合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】
【0006】
上記目的を達成するために、本発明に係る風力・波力複合発電装置は、
風力発電を行う風力発電ユニットが設けられ、波面に浮かぶ第１浮体と、
波面に浮かぶ少なくとも３つの第２浮体と、
上下方向に延び、上端でそれぞれが前記第２浮体のいずれかと接続され、下端でそれぞれ前記第１浮体の異なる箇所に連結される３本のワイヤと、を備え、
前記第２浮体は、
波面に浮かぶ外殻体と、
波力発電を行う波力発電ユニットと、を備え、
前記波力発電ユニットは、
前記外殻体に対して上下方向に相対変位可能で前記第１浮体と前記ワイヤを介して連結された内部構造体と、
前記外殻体と前記内部構造体との上下方向の相対運動により発電された電力を取り出すとともに前記外殻体と前記内部構造体とを接続する減衰係数可変な減衰要素として機能するパワーテイクオフと、
前記外殻体と前記内部構造体とを上下方向に接続する弾性要素を有する接続体と、
を備える。
風力発電を行う風力発電ユニットが設けられ、波面に浮かぶ第１浮体と、
波面に浮かぶ少なくとも３つの第２浮体と、
上下方向に延び、上端でそれぞれが前記第２浮体のいずれかと接続され、下端でそれぞれ前記第１浮体の異なる箇所に連結される３本のワイヤと、を備え、
前記第２浮体は、
波面に浮かぶ外殻体と、
波力発電を行う波力発電ユニットと、を備え、
前記波力発電ユニットは、
前記外殻体に対して上下方向に相対変位可能で前記第１浮体と前記ワイヤを介して連結された内部構造体と、
前記外殻体と前記内部構造体との上下方向の相対運動により発電された電力を取り出すとともに前記外殻体と前記内部構造体とを接続する減衰係数可変な減衰要素として機能するパワーテイクオフと、
前記外殻体と前記内部構造体とを上下方向に接続する弾性要素を有する接続体と、
を備える。
【0007】
この場合、前記第１浮体の姿勢情報を検出する第１センサと、
前記外殻体と前記内部構造体との相対変位情報を検出する第２センサと、
前記第１センサの出力と、前記第２センサの出力とに基づいて、前記パワーテイクオフに発生する力を制御する制御部と、
を備える、
こととしてもよい。
前記外殻体と前記内部構造体との相対変位情報を検出する第２センサと、
前記第１センサの出力と、前記第２センサの出力とに基づいて、前記パワーテイクオフに発生する力を制御する制御部と、
を備える、
こととしてもよい。
【0008】
また、前記制御部は、
前記第１浮体の風向きに対するピッチ方向の回転角度及び回転速度が大きくなるにつれて大きくなる第１項と、
前記第１浮体の風向きに対するロール方向の回転角度及び回転速度が大きくなるにつれて大きくなる第２項と、
前記外殻体と前記内部構造体との相対変位及び相対速度が大きくなるにつれて大きくなる第３項と、が加算された目的関数を最小化するように、前記パワーテイクオフに発生する力を制御する、
こととしてもよい。
前記第１浮体の風向きに対するピッチ方向の回転角度及び回転速度が大きくなるにつれて大きくなる第１項と、
前記第１浮体の風向きに対するロール方向の回転角度及び回転速度が大きくなるにつれて大きくなる第２項と、
前記外殻体と前記内部構造体との相対変位及び相対速度が大きくなるにつれて大きくなる第３項と、が加算された目的関数を最小化するように、前記パワーテイクオフに発生する力を制御する、
こととしてもよい。
【0009】
前記目的関数の制約条件には、状態方程式が第１条件として含まれ、
前記状態方程式は、
前記第１浮体のピッチ方向の回転角度及び回転速度と、前記第１浮体のロール方向の回転角度及び回転速度と、前記外殻体と前記内部構造体との相対変位及び相対速度と、を状態ベクトルの要素とし、前記パワーテイクオフに発生する力を入力ベクトルの要素とするように線形近似された状態方程式である、
こととしてもよい。
前記状態方程式は、
前記第１浮体のピッチ方向の回転角度及び回転速度と、前記第１浮体のロール方向の回転角度及び回転速度と、前記外殻体と前記内部構造体との相対変位及び相対速度と、を状態ベクトルの要素とし、前記パワーテイクオフに発生する力を入力ベクトルの要素とするように線形近似された状態方程式である、
こととしてもよい。
【0010】
前記目的関数の制約条件には、
前記パワーテイクオフに発生する力の絶対値が、可能な大きさを超えないとする第２条件が含まれる、
こととしてもよい。
前記パワーテイクオフに発生する力の絶対値が、可能な大きさを超えないとする第２条件が含まれる、
こととしてもよい。
【0011】
前記第２条件には、
前記パワーテイクオフに発生する力の向きと、前記外殻体と前記内部構造体との相対速度の向きとが同じであることと、
前記パワーテイクオフに発生する力の絶対値が、前記外殻体と前記内部構造体との相対速度の絶対値と前記パワーテイクオフの減衰係数との積を超えないことと、
前記パワーテイクオフに発生する力の絶対値が、波力発電が可能な最大許容値を超えないことと、を全て満たすことが含まれる、
こととしてもよい。
前記パワーテイクオフに発生する力の向きと、前記外殻体と前記内部構造体との相対速度の向きとが同じであることと、
前記パワーテイクオフに発生する力の絶対値が、前記外殻体と前記内部構造体との相対速度の絶対値と前記パワーテイクオフの減衰係数との積を超えないことと、
前記パワーテイクオフに発生する力の絶対値が、波力発電が可能な最大許容値を超えないことと、を全て満たすことが含まれる、
こととしてもよい。
【0012】
前記少なくとも３つの第２浮体は、鉛直方向に見て前記第１浮体の中心を基準としてｎ（ｎは、２以上の整数）回回転対称、前記中心を通る直線に対して線対称又は非対称に配置されている、
こととしてもよい。
こととしてもよい。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、風力発電を行う第１浮体と、波力発電を行う第２浮体とが、ワイヤで連結された構成となっているので、第１浮体と第２浮体とを互いに独立した姿勢をとらせることができ、第２浮体により、第１浮体の姿勢制御を行うことができる。このため、波の大きさに関わらず、波浪エネルギーを利用して、風力発電機の動揺を低減しつつ、全体の発電量を平滑化することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】（Ａ）は、本発明の実施の形態に係る風力・波力複合発電装置の全体構成を示す斜視図である。（Ｂ）は、風力・波力複合発電装置における第１浮体と第２浮体との連結部分の構成を示す模式図である。（Ｃ）は、第２浮体の内部構成を示す模式図である。
【図2】（Ａ）は、リニア式パワーテイクオフ（ＰＴＯ）の構成を示す模式図である。（Ｂ）は、油圧式ＰＴＯの構成を示す模式図である。
【図4】図１の風力・波力複合発電装置のフルモデルのピッチ自由度のパルス応答及びパワーテイクオフの相対変位のパルス応答と、状態方程式で表す線形モデルのピッチ自由度のパルス応答及びパワーテイクオフの相対変位のパルス応答とを比較して示すグラフである。
【図5】（Ａ）及び（Ｂ）は、風力・波力複合発電装置の制御系の構成を示すブロック図である。
【図6】制約条件の第２条件を示すグラフである。
【図7】（Ａ）は、様々な海象条件の下で様々なモデルで制御した場合のロール自由度の標準偏差を示すグラフである。（Ｂ）は、様々な海象条件の下で様々なモデルで制御した場合のピッチ自由度の標準偏差を示すグラフである。
【図8】様々な海象条件の下での波力発電ユニットの発電電力を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。各図面においては、同一又は同等の部分に同一の符号を付す。
【0016】
［全体構成］
図１（Ａ）に示すように、本実施の形態に係る風力・波力複合発電装置１は、全体として海面等の水面、すなわち波面に浮かぶ浮体であり、風力発電と波力発電とを両方行う。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、風力・波力複合発電装置１は、波面に浮かぶ第１浮体２と、同じ波面に浮かぶ３つの第２浮体３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、を備える。
図１（Ａ）に示すように、本実施の形態に係る風力・波力複合発電装置１は、全体として海面等の水面、すなわち波面に浮かぶ浮体であり、風力発電と波力発電とを両方行う。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、風力・波力複合発電装置１は、波面に浮かぶ第１浮体２と、同じ波面に浮かぶ３つの第２浮体３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、を備える。
【0017】
上から見て、３つの第２浮体３Ａ～３Ｃは、第１浮体２を中心に放射状の位置に配置されている。すなわち、上から見て、３つの第２浮体３Ａ～３Ｃは、正三角形の頂点に配置され、その正三角形の重心の位置に第１浮体２が配置される。第１浮体２は、海底等に固定されたアンカー（不図示）が先端に接続された３本の係留ロープ４で連結されており、その漂流が防止されている。
【0018】
より詳細には、第１浮体２は、中央浮体１０と、円柱浮体１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃと、を備える。中央浮体１０及び円柱浮体１１Ａ～１１Ｃは、それぞれカラム、すなわち柱状型の浮体である。中央浮体１０と、円柱浮体１１Ａ～１１Ｃとは、棒状の剛性部材１２で連結されており、それらの位置関係が固定されている。円柱浮体１１Ａ～１１Ｃは、上から見て、正三角形の頂点に配置されている。円柱浮体１１Ａ～１１Ｃの底面には、中央浮体１０の逆方向に向かって張り出す棒状の支持レバー１３が形成されている。このように、第１浮体２は、中央浮体１０、円柱浮体１１Ａ～１１Ｃ、剛性部材１２及び支持レバー１３を備え、これらが一体となって波面に浮かぶ構造体である。
【0019】
図１（Ｂ）に示すように、第１浮体２と第２浮体３Ａとは、ワイヤ６Ａで連結され、第１浮体２と第２浮体３Ｂとは、ワイヤ６Ｂで連結され、第１浮体２と第２浮体３Ｃとは、ワイヤ６Ｃで連結されている。ワイヤ６Ａ～６Ｃは、例えば金属製であり、切断されにくい素材で構成されているのが望ましい。
【0020】
ワイヤ６Ａ～６Ｃは、それぞれ上下（ヒーブ）方向に延びている。ワイヤ６Ａ～６Ｃの上端は、第２浮体３Ａ～３Ｃのいずれかと接続される。すなわち、ワイヤ６Ａの上端は、第２浮体３Ａと接続され、ワイヤ６Ｂの上端は、第２浮体３Ｂと接続され、ワイヤ６Ｃの上端は、第２浮体３Ｃと接続される。また、ワイヤ６Ａの下端は、波面下の円柱浮体１１Ａから延びる支持レバー１３に接続され、ワイヤ６Ｂの下端は、波面下の円柱浮体１１Ｂから延びる支持レバー１３に接続され、ワイヤ６Ｃの下端は、波面下の円柱浮体１１Ｃから延びる支持レバー１３に接続される。すなわち、第２浮体３Ａ～３Ｃの下端は、ワイヤ６Ａ～６Ｃで第１浮体２のそれぞれ異なる箇所と連結されている。
【0021】
図１（Ａ）に戻り、第１浮体２には、風力発電を行う風力発電ユニット２０が設けられている。風力発電ユニット２０は、中央浮体１０の上端に設けられている。風力発電ユニット２０は、中央浮体１０に支持された柱部２１と、柱部２１の先端に設けられたナセル２２と、ナセル２２に対して回転可能に設けられた複数枚の回転翼（ブレード）２３と、を備える。ナセル２２内には、ブレード２３の回転によって発電を行う風力発電機（不図示）が内蔵されている。ナセル２２内には、風力発電機の発電電力を風力・波力複合発電装置１の外部に送電する送電ケーブル（不図示）が配設されている。なお、風力発電ユニット２０は、図１（Ａ）～図１（Ｃ）に示す構成のものには限られず、風力で発電可能な発電機であればどのような構成であってもよい。
【0022】
第２浮体３Ａ～３Ｃは、それぞれ波面に浮かぶ外殻体３０と、波力発電を行う波力発電ユニット３１と、を備える。図１（Ｃ）に示すように、波力発電ユニット３１は、内部構造体３２と、ＰＴＯ３３と、接続体３４と、を備える。内部構造体３２は、外殻体３０に内包され外殻体３０に対してヒーブ方向に相対変位可能で第１浮体２とワイヤ６Ａ～６Ｃを介して連結されている。ＰＴＯ３３は、外殻体３０と内部構造体３２との上下方向の相対運動により発電された電力を取り出すとともに外殻体３０と内部構造体３２との上下方向の相対速度と同じ向きの力を外殻体３０と内部構造体３２との間に発生させる減衰係数可変の減衰要素として機能する。接続体３４は、外殻体３０と内部構造体３２とをヒーブ方向に接続する弾性要素３４ａ及び減衰要素３４ｂを備える。
【0023】
ＰＴＯ３３は、図２（Ａ）に示すように、外殻体３０に固定された固定子３３ａと、内部構造体３２としての永久磁石で構成された可動子３３ｂと、を有するリニア式ＰＴＯであってもよい。このリニア式ＰＴＯであれば、固定子３３ａと可動子３３ｂとの上下方向の相対運動により発電された電力を取り出すとともに固定子３３ａと内部構造体３２との上下方向の相対速度と同じ向きの力を固定子３３ａと内部構造体３２との間に発生させる減衰要素として機能する。
【0024】
また、ＰＴＯ３３は、図２（Ｂ）に示すように、外殻体３０に対し外側が固定され内部のピストンが内部構造体３２となる油圧シリンダ３３ｃと、油圧モータ３３ｄと、ジェネレータ３３ｅと、で構成される油圧式ＰＴＯであってもよい。この油圧式ＰＴＯであれば、油圧シリンダ３３ｃの筐体とピストンとの上下方向の相対運動により発電された電力をジェネレータ３３ｅから取り出すとともに、油圧モータ３３ｄを用いた油圧シリンダ３３ｃの筐体とピストンとの上下方向の相対速度と同じ向きの力を両者の間に発生させる減衰要素として機能する。
【0025】
第２浮体３Ａ、３Ｂの構成も図１（Ｃ）に示す第２浮体３Ｃの構成と同じである。第２浮体３Ａ～３Ｃには、ＰＴＯ３３で取り出された発電電力を風力・波力複合発電装置１の外部に送電する送電ケーブル（不図示）が配設されている。
【0026】
なお、接続体３４は、弾性係数が固定の弾性要素３４ａと、減衰係数が固定の減衰要素３４ｂと、を備える。
【0027】
上述のように、ワイヤ６Ａ～６Ｃは、一端がそれぞれ第１浮体２の円柱浮体１１Ａ～１１Ｃから延びる支持レバー１３と接続され、他端が第２浮体３Ａ～３Ｃの内部構造体３２と接続されている。３つの第２浮体３Ａ～３Ｃの内部構造体３２がワイヤ６Ａ～６Ｃを介して円柱浮体１１Ａ～１１Ｃを引っ張る力を調整することにより、第１浮体２の姿勢を制御することが可能となる。
【0028】
［座標系］
風力・波力複合発電装置１の位置及び姿勢は、図３に示すｘ，ｙ，ｚ３軸の直交座標系に基づいて規定される。この座標系は右手座標系とし、静水位面（波がないときの海面）がｘｙ平面として規定されている。ｘ軸は、平均の風向きと一致する（＋ｘ方向が風上）。本実施の形態では、風向きがほぼ一定であるものとする。ｚ軸は、円柱状の中央浮体１０の軸心を通る中心線に沿って規定されている。すなわち、風力発電ユニット２０を基準として、風上の方向を前方としたときにｘ軸方向がサージ方向となり、ｙ軸方向がスウェイ方向となり、ｚ軸方向がヒーブ方向となる。また、ｘ軸周りのθｘがロール方向となり、ｙ軸回りのθｙがピッチ方向となり、ｚ軸回りθｚがヨー方向となる。以下では、この６自由度の座標系で説明を行う。
風力・波力複合発電装置１の位置及び姿勢は、図３に示すｘ，ｙ，ｚ３軸の直交座標系に基づいて規定される。この座標系は右手座標系とし、静水位面（波がないときの海面）がｘｙ平面として規定されている。ｘ軸は、平均の風向きと一致する（＋ｘ方向が風上）。本実施の形態では、風向きがほぼ一定であるものとする。ｚ軸は、円柱状の中央浮体１０の軸心を通る中心線に沿って規定されている。すなわち、風力発電ユニット２０を基準として、風上の方向を前方としたときにｘ軸方向がサージ方向となり、ｙ軸方向がスウェイ方向となり、ｚ軸方向がヒーブ方向となる。また、ｘ軸周りのθｘがロール方向となり、ｙ軸回りのθｙがピッチ方向となり、ｚ軸回りθｚがヨー方向となる。以下では、この６自由度の座標系で説明を行う。
【0029】
［風力・波力複合発電装置のフル数学モデル］
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、風力・波力複合発電装置１は、第１浮体２と、３つの第２浮体３Ａ～３Ｃと、を備え、第１浮体２と第２浮体３Ａ～３Ｃとが、ワイヤ６Ａ～６Ｃで連結されている。第１浮体２と、３つの第２浮体３Ａ～３Ｃとが、それぞれ剛体であるとすると、風力・波力複合発電装置１を、４体構造とみなすことができる。第１浮体２と、３つの第２浮体３Ａ～３Ｃとをそれぞれｉ＝１～４の物体であるとすると、それぞれの剛体の運動を表すフルモデルである運動方程式（流体－記憶モデル）は、以下の式で表される。
上記式（１ａ）、式（１ｂ）を構成する行列及び関数は、以下の通りである。なお、添え字ｉ，ｊは、ｊ番目の物体の運動によるｉ番目の物体の特性を表す。
ηｉ；ｘｙｚ座標系で表現されたｉ番目の剛体の上記６自由度の位置及び姿勢ベクトル
ｖｉ：ｘｙｚ軸直交座標系で表されるｉ番目の剛体の６自由度の速度ベクトル
Ｊ：フレーム変換行列
ＭＲＢｉ：ｉ番目の物体の剛体イナーシャ行列
ＣＲＢｉ、ＣAｉ：慣性質量と付加質量によるコリオリ・センチュペール（求心）行列
Ａｉｊ（∞）：無限周波数付加質量行列
Ｋｉｊ：メモリ関数又は遅延関数、Ｋｉｊを含む畳み込み積分の項は、浮体が自由表面上に発生する波に関係した流体力であり、過去から現在までに運動の履歴の全てが現在の流体力に関与していることを表している。
Ｄｉｖｉ、Ｄｑｉｖｉ｜ｖｉ｜：減衰力
ｇｉ（ηｉ）：復元力
τｍｉ：係留力
τｗｉ：波浪加振荷重（波浪強制力）
τａｉ：空力荷重
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、風力・波力複合発電装置１は、第１浮体２と、３つの第２浮体３Ａ～３Ｃと、を備え、第１浮体２と第２浮体３Ａ～３Ｃとが、ワイヤ６Ａ～６Ｃで連結されている。第１浮体２と、３つの第２浮体３Ａ～３Ｃとが、それぞれ剛体であるとすると、風力・波力複合発電装置１を、４体構造とみなすことができる。第１浮体２と、３つの第２浮体３Ａ～３Ｃとをそれぞれｉ＝１～４の物体であるとすると、それぞれの剛体の運動を表すフルモデルである運動方程式（流体－記憶モデル）は、以下の式で表される。
【数1】
上記式（１ａ）、式（１ｂ）を構成する行列及び関数は、以下の通りである。なお、添え字ｉ，ｊは、ｊ番目の物体の運動によるｉ番目の物体の特性を表す。
ηｉ；ｘｙｚ座標系で表現されたｉ番目の剛体の上記６自由度の位置及び姿勢ベクトル
ｖｉ：ｘｙｚ軸直交座標系で表されるｉ番目の剛体の６自由度の速度ベクトル
Ｊ：フレーム変換行列
ＭＲＢｉ：ｉ番目の物体の剛体イナーシャ行列
ＣＲＢｉ、ＣAｉ：慣性質量と付加質量によるコリオリ・センチュペール（求心）行列
Ａｉｊ（∞）：無限周波数付加質量行列
Ｋｉｊ：メモリ関数又は遅延関数、Ｋｉｊを含む畳み込み積分の項は、浮体が自由表面上に発生する波に関係した流体力であり、過去から現在までに運動の履歴の全てが現在の流体力に関与していることを表している。
Ｄｉｖｉ、Ｄｑｉｖｉ｜ｖｉ｜：減衰力
ｇｉ（ηｉ）：復元力
τｍｉ：係留力
τｗｉ：波浪加振荷重（波浪強制力）
τａｉ：空力荷重
【0030】
また、遅延関数Ｋｉｊ（ｔ）は、以下の式で表される。
ここで、Ｂｉｊは、ポテンシャル減衰係数である。
【数2】
ここで、Ｂｉｊは、ポテンシャル減衰係数である。
【0031】
計算負荷を軽減するために、上述の遅延関数は、以下の線形システムで近似される。
ここで、ｘｒ（ｔ）は状態ベクトルである。行列Ａｒ、Ｂｒ、Ｃｒは、システム行列であり、システム同定により得ることができる。波浪強制力τｗｉは、以下のように計算される。
ここで、｜Γｉ（ωｊ）｜と∠Γｉ（ωｊ）は、それぞれ波浪強制力τωｉの周波数応答の振幅と位相である。Ｓ（ωｊ）は波スペクトルを示す。ωｊは波の周波数を示す。κｊは波数を示す。εｊは、ランダム位相角、Δωは連続する周波数間の一定の差を示す。Ｎは、数値計算のために波スペクトルを分割するために適用する周波数の数を示す。
【数3】
ここで、ｘｒ（ｔ）は状態ベクトルである。行列Ａｒ、Ｂｒ、Ｃｒは、システム行列であり、システム同定により得ることができる。波浪強制力τｗｉは、以下のように計算される。
【数4】
ここで、｜Γｉ（ωｊ）｜と∠Γｉ（ωｊ）は、それぞれ波浪強制力τωｉの周波数応答の振幅と位相である。Ｓ（ωｊ）は波スペクトルを示す。ωｊは波の周波数を示す。κｊは波数を示す。εｊは、ランダム位相角、Δωは連続する周波数間の一定の差を示す。Ｎは、数値計算のために波スペクトルを分割するために適用する周波数の数を示す。
【0032】
一方、風力発電ユニット２０において、発電機のロータにかかる推力Ｆｔと空力トルクＴＲは、無次元推力係数Ｃｔと出力係数Ｃｐで次のように表される。
ここで、ｖｗｘは風力発電ユニット２０の発電機のロータに接続されるハブ軸方向の風速成分である。また、ｖｈｘはハブ軸方向のハブ速度成分である。ρａは空気密度、Ｒは、風力発電ユニット２０の発電機のロータの半径である。また、βは、複数のブレード２３のピッチ角であり、λは翼端の接線速度と風速の比として定義される周速比である。
【数5】
ここで、ｖｗｘは風力発電ユニット２０の発電機のロータに接続されるハブ軸方向の風速成分である。また、ｖｈｘはハブ軸方向のハブ速度成分である。ρａは空気密度、Ｒは、風力発電ユニット２０の発電機のロータの半径である。また、βは、複数のブレード２３のピッチ角であり、λは翼端の接線速度と風速の比として定義される周速比である。
【0033】
係数Ｃｔ、Ｃｐはピッチ角βと周速比λの関数で、定常シミュレーションによるルックアップテーブルとして得られる。上記（１）式の空力荷重τａは、ハブの高さを考慮して推力Ｆｔと空力トルクＴＲから計算することができる。
【0034】
さらに、風力発電ユニット２０と波力発電ユニット３１とを連結するワイヤ６Ａ～６Ｃに発生する力Ｆｍは、以下の式のように、ばねとダンパのハイブリッドの系としてモデル化される。
ここで、ｍ＝１、２、３である。ＫｓとＤｓはそれぞれワイヤ６Ａ～６Ｃの弾性係数と減衰係数である。ｄｍは支持レバー１３上の係留点Ｐ１と波力発電ユニット３１のＰＴＯ３３の位置Ｐ２との距離を示し、ｌｍは、すなわちワイヤ６Ａ～６Ｃの自然長を示す。ワイヤ６Ａ～６Ｃの自然長ｌｍが距離ｄｍ以上であれば、ワイヤ６Ａ～６Ｃに発生する力Ｆｍは０となり、ワイヤ６Ａ～６Ｃの自然長ｌｍが距離ｄｍ未満であれば、ワイヤ６Ａ～６Ｃに、弾性係数Ｋｓと減衰係数Ｄｓによる力Ｆｍが発生する。
【数6】
ここで、ｍ＝１、２、３である。ＫｓとＤｓはそれぞれワイヤ６Ａ～６Ｃの弾性係数と減衰係数である。ｄｍは支持レバー１３上の係留点Ｐ１と波力発電ユニット３１のＰＴＯ３３の位置Ｐ２との距離を示し、ｌｍは、すなわちワイヤ６Ａ～６Ｃの自然長を示す。ワイヤ６Ａ～６Ｃの自然長ｌｍが距離ｄｍ以上であれば、ワイヤ６Ａ～６Ｃに発生する力Ｆｍは０となり、ワイヤ６Ａ～６Ｃの自然長ｌｍが距離ｄｍ未満であれば、ワイヤ６Ａ～６Ｃに、弾性係数Ｋｓと減衰係数Ｄｓによる力Ｆｍが発生する。
【0035】
ここで、第２浮体３Ａ～３ＣのＰＴＯ３３及び接続体３４で発生する力ｆｐｉは、次式で表される。
ここで，ｚｐｉは外殻体３０と内部構造体３２との相対変位である。ｚｐｉは、ｆｐｉが０となり、上記式（７）のＦｍ＝０となる位置を原点０としている。ｋとｃはそれぞれ接続体３４の弾性要素３４ａの復元係数と減衰要素３４ｂの減衰係数であり、ｆｉは、第１浮体２の姿勢を制御する駆動力であり、ＰＴＯ３３に発生させる力である。
【数7】
ここで，ｚｐｉは外殻体３０と内部構造体３２との相対変位である。ｚｐｉは、ｆｐｉが０となり、上記式（７）のＦｍ＝０となる位置を原点０としている。ｋとｃはそれぞれ接続体３４の弾性要素３４ａの復元係数と減衰要素３４ｂの減衰係数であり、ｆｉは、第１浮体２の姿勢を制御する駆動力であり、ＰＴＯ３３に発生させる力である。
【0036】
［制御器設計のための線形モデル］
後述する制御部４０の設計の複雑さを軽減するために、風力・波力複合発電装置１の平衡状態付近の線形近似モデル（線形モデル）を定義する。この場合、第１浮体２のロール自由度θｘ、ピッチ自由度θｙをφ，θで示す。第２浮体３Ａ～３Ｃにおける外殻体３０のヒーブ自由度ｚｉ（ｉ＝１、２、３）の動きを考慮すると、全体の運動方程式は、以下のように表される。
ここで、ξ=［φ，θ，ｚ１，ｚ２，ｚ３］Ｔは、風力・波力複合発電装置１の状態ベクトルである。Ｍは、対角行列であり、その成分が、第２浮体３のロールおよびピッチ方向の慣性モーメント（ＩｒおよびＩｐ）と、３つの第２浮体３Ａ～３Ｃの質量（ｍ）となる。Ａａは、付加質量行列である。τｅｘｔは式（１ｂ）の左辺で考慮されていない流体力と空力を含む外力であり、ｆｐ＝［ｆｐ１，ｆｐ２，ｆｐ３］Ｔは、３つの第２浮体３Ａ～３ＣのＰＴＯ３３及び接続体３４に生じる力ベクトルである。ΛとＧは、それぞれ減衰係数の行列と復元係数の行列であり、△は次式で表される力の変換行列である。
ここで、Ｌは、図３に示すように、３つの第２浮体３Ａ～３Ｃの間の距離である。
後述する制御部４０の設計の複雑さを軽減するために、風力・波力複合発電装置１の平衡状態付近の線形近似モデル（線形モデル）を定義する。この場合、第１浮体２のロール自由度θｘ、ピッチ自由度θｙをφ，θで示す。第２浮体３Ａ～３Ｃにおける外殻体３０のヒーブ自由度ｚｉ（ｉ＝１、２、３）の動きを考慮すると、全体の運動方程式は、以下のように表される。
【数8】
ここで、ξ=［φ，θ，ｚ１，ｚ２，ｚ３］Ｔは、風力・波力複合発電装置１の状態ベクトルである。Ｍは、対角行列であり、その成分が、第２浮体３のロールおよびピッチ方向の慣性モーメント（ＩｒおよびＩｐ）と、３つの第２浮体３Ａ～３Ｃの質量（ｍ）となる。Ａａは、付加質量行列である。τｅｘｔは式（１ｂ）の左辺で考慮されていない流体力と空力を含む外力であり、ｆｐ＝［ｆｐ１，ｆｐ２，ｆｐ３］Ｔは、３つの第２浮体３Ａ～３ＣのＰＴＯ３３及び接続体３４に生じる力ベクトルである。ΛとＧは、それぞれ減衰係数の行列と復元係数の行列であり、△は次式で表される力の変換行列である。
【数9】
ここで、Ｌは、図３に示すように、３つの第２浮体３Ａ～３Ｃの間の距離である。
【0037】
第１浮体２の動揺を考慮して、第２浮体３の外殻体３０のヒーブ方向の絶対座標の変位ｚi（ｉ＝１、２，３）を、外殻体３０と内部構造体３２との相対変位ｚｐｉ（ｉ＝１、２，３）に変換することができる。
【数10】
【0038】
式（９）、式（１０）より、風力・波力複合発電装置１全体の状態方程式は次のように書き直すことができる。
ここで、状態ベクトルｘ（ｔ）は、制御対象の状態を示すベクトルであり、その要素は、以下の通りになる。
ｘ（ｔ）＝［φ，θ，ｚｐ１，ｚｐ２，ｚｐ３，φ’，θ’，ｚｐ１’，ｚｐ２’，ｚｐ３’］Ｔ
φ’，θ’，ｚｐ１’，ｚｐ２’，ｚｐ３’は、それぞれの速度である。
【数11】
ここで、状態ベクトルｘ（ｔ）は、制御対象の状態を示すベクトルであり、その要素は、以下の通りになる。
ｘ（ｔ）＝［φ，θ，ｚｐ１，ｚｐ２，ｚｐ３，φ’，θ’，ｚｐ１’，ｚｐ２’，ｚｐ３’］Ｔ
φ’，θ’，ｚｐ１’，ｚｐ２’，ｚｐ３’は、それぞれの速度である。
【0039】
また、ベクトルｆ（ｔ）は、第２浮体３Ａ～３ＣのＰＴＯ３３に発生する力を要素とする力ベクトルであり、以下の通りになる。
ｆ（ｔ）＝［ｆ１，ｆ２，ｆ３］Ｔ
行列Ａ，Ｂ１，Ｂ２は、状態方程式のシステム行列である。
ｆ（ｔ）＝［ｆ１，ｆ２，ｆ３］Ｔ
行列Ａ，Ｂ１，Ｂ２は、状態方程式のシステム行列である。
【0040】
このように、式（１１）の状態方程式は、第１浮体２のロール方向の回転角度φ及び回転速度φ’と、第１浮体２のピッチ方向の回転角度θ及び回転速度θ’と、外殻体３０と内部構造体３２との相対変位ｚｐ１，ｚｐ２，ｚｐ３及び相対速度ｚｐ１’，ｚｐ２’，ｚｐ３’と、を状態ベクトルの要素とし、ＰＴＯ３３に発生する力を入力ベクトルの要素とするように線形近似された状態方程式である。
【0041】
制御系が、サンプリング周期Ｔｓで離散化される場合、状態方程式（１１）は、以下のように表現することができる。
行列Ａｄ、Ｂ１ｄ、Ｂ２ｄは、上述の行列Ａ，Ｂ１，Ｂ２及びＴｓにより求められる。
【数12】
行列Ａｄ、Ｂ１ｄ、Ｂ２ｄは、上述の行列Ａ，Ｂ１，Ｂ２及びＴｓにより求められる。
【0042】
式（９）にある減衰係数の行列Λは、上述したフルモデルでのシステム同定アプローチによって求めることができる。なお，海洋環境は複雑であり、波浪強制力や空力などの推定が困難であるため、制御器設計には、外部負荷τｅｘｔは無視される。
【0043】
上述のフルモデルと線形モデルにおいて、第２浮体３Ａ～３ＣのＰＴＯ３３に発生する力を要素とする力ｆ１としてパルス入力（１０秒にパルス入力し、１５秒にパルス出力停止）を加えたときのピッチ自由度θと相対変位ｚｐ１の応答が図４に示されている。図４に示すように、フルモデルと線形モデルとでは、ピッチ自由度θの応答と相対変位ｚｐ１の応答は、ほぼ一致している。この結果は、線形モデルで系の入出力特性が再現でき、制御器設計には差し支えないことを示している。
【0044】
［混合整数計画問題を用いたモデル予測制御］
図５（Ａ）に示すように、風力・波力複合発電装置１は、制御部４０を備える。図５（Ａ）では、上述の、第１浮体２及び３つの第２浮体３Ａ～３Ｃを備える構成を、制御部４０と制御対象４１として１つにまとめている。制御部４０は、混合整数計画問題を用いたモデル予測制御を行って制御対象４１を制御する。
図５（Ａ）に示すように、風力・波力複合発電装置１は、制御部４０を備える。図５（Ａ）では、上述の、第１浮体２及び３つの第２浮体３Ａ～３Ｃを備える構成を、制御部４０と制御対象４１として１つにまとめている。制御部４０は、混合整数計画問題を用いたモデル予測制御を行って制御対象４１を制御する。
【0045】
第１浮体２のロール自由度φ、ピッチ自由度θと、３つの第２浮体３Ａ～３Ｃにおける外殻体３０と内部構造体３２との相対変位ｚｐ１，ｚｐ２，ｚｐ３は、センサにより常時観測されている。図５（Ｂ）に示すように、ロール自由度φ、ピッチ自由度θは、第１浮体２に取り付けられその姿勢情報を検出する第１センサとしてのジャイロセンサ４１Ａで検出される。相対変位ｚｐ１，ｚｐ２，ｚｐ３は、第２浮体３Ａ～３Ｃにそれぞれ取り付けられ外殻体３０と内部構造体３２との相対変位情報を検出する第２センサとしての変位センサ４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄで検出される。制御対象４１からは、ｘ（ｋ）＝［φ，θ，ｚｐ１，ｚｐ２，ｚｐ３，φ’，θ’，ｚｐ１’，ｚｐ２’，ｚｐ３’］Ｔが出力される。速度ベクトル［φ’，θ’，ｚｐ１’，ｚｐ２’，ｚｐ３’］Ｔの各要素については、制御部４０において算出するようにしてもよい。制御部４０は、状態ベクトルｘ（ｋ）に基づいて、第２浮体３Ａ～３ＣにおけるＰＴＯ３３に発生する力ｆｉの指令値をＰＴＯ３３に出力する。このように、制御部４０は、式（１２）の状態方程式を、制約条件のうち、第１条件として、制御を行う。
【0046】
制御部４０では、外殻体３０と内部構造体３２との相対変位により生じる力、すなわち波力発電ユニット３１での発電に用いられる力ｆｉがとり得る範囲内で、制御対象４１を制御する。このため、例えば、以下の制約条件が設定される。
この条件は、相対変位ｚｐｉの速度と力ｆｉの方向が同じであること、すなわちＰＴＯ３３に発生させる力の向きと、外殻体３０と内部構造体３２との相対速度の向きとが同じであることを意味する。この制約条件は、図６の座標系における第１象限と第３象限の領域に対応する。式（１３）の制約条件の範囲内で制御することにより、第２浮体３Ａ～３ＣにおけるＰＴＯ３３の受動性が維持され、第２浮体３Ａ～３Ｃに、外殻体３０と内部構造体３２との相対変位ｚｐｉによりＰＴＯ３３に発生する力以外の力を加える必要がなくなる。第２浮体３Ａ～３Ｃに他の動力電源等を備える必要はない。
【数13】
この条件は、相対変位ｚｐｉの速度と力ｆｉの方向が同じであること、すなわちＰＴＯ３３に発生させる力の向きと、外殻体３０と内部構造体３２との相対速度の向きとが同じであることを意味する。この制約条件は、図６の座標系における第１象限と第３象限の領域に対応する。式（１３）の制約条件の範囲内で制御することにより、第２浮体３Ａ～３ＣにおけるＰＴＯ３３の受動性が維持され、第２浮体３Ａ～３Ｃに、外殻体３０と内部構造体３２との相対変位ｚｐｉによりＰＴＯ３３に発生する力以外の力を加える必要がなくなる。第２浮体３Ａ～３Ｃに他の動力電源等を備える必要はない。
【0047】
また、制御系の制約上、ＰＴＯ３３に発生する力ｆｉは、その最大荷重以内に制限する必要があるため、制御部４０による制御に、以下の制約条件が加えられる。
ここで、ｄｃは制御系の制約を表すＰＴＯ３３の定数である。ｆｍａｘは、ＰＴＯ３３に発生する最大の力である。式（１４ａ）は、ＰＴＯ３３に発生する力ｆｉの絶対値が、外殻体３０と内部構造体３２との相対変位ｚｐｉの速度の絶対値と定数ｄｃとの積を超えないことを示している。また、式（１４ｂ）は、ＰＴＯ３３に発生する力ｆｉの絶対値が、波力発電が可能な最大許容値を超えないことを示している。式（１３）、式（１４ａ）、式（１４ｂ）で決定される力の適用領域が図６に示されている。第１条件に加え、図６に示す適用領域内とすることが第２条件となる。ＰＴＯ３３に発生する力がこの適用領域内にあれば、ＰＴＯ３３に発生する力の絶対値が、可能な大きさを超えない範囲内に維持することができる。
【数14】
ここで、ｄｃは制御系の制約を表すＰＴＯ３３の定数である。ｆｍａｘは、ＰＴＯ３３に発生する最大の力である。式（１４ａ）は、ＰＴＯ３３に発生する力ｆｉの絶対値が、外殻体３０と内部構造体３２との相対変位ｚｐｉの速度の絶対値と定数ｄｃとの積を超えないことを示している。また、式（１４ｂ）は、ＰＴＯ３３に発生する力ｆｉの絶対値が、波力発電が可能な最大許容値を超えないことを示している。式（１３）、式（１４ａ）、式（１４ｂ）で決定される力の適用領域が図６に示されている。第１条件に加え、図６に示す適用領域内とすることが第２条件となる。ＰＴＯ３３に発生する力がこの適用領域内にあれば、ＰＴＯ３３に発生する力の絶対値が、可能な大きさを超えない範囲内に維持することができる。
【0048】
制御部４０は、風力発電ユニット２０のロール自由度φおよびピッチ自由度θにおける動きを最小化するために、上述の制約条件（第１条件、第２条件）を満たすとともに、以下の式で表される目的関数Ｊを最小化するように、制御対象４１を制御する。
この目的関数Ｊは、第１浮体２の風向きに対するロール方向の回転角度φ及び回転速度φ’が大きくなるにつれて大きくなる第１項と、第１浮体２の風向きに対するピッチ方向の回転角度θ及び回転速度θ’が大きくなるにつれて大きくなる第２項と、外殻体３０と内部構造体３２との相対変位ｚｐ１，ｚｐ２，ｚｐ３及び相対速度ｚｐ１’，ｚｐ２’，ｚｐ３’が大きくなるにつれて大きくなる第３項と、が加算された関数となる。制御部４０は、目的関数Ｊを最小化するように、ＰＴＯ３３に発生する力の指令値を制御する。離散時間系では、上述の目的関数Ｊは、以下のように表現される。
ここで、ｘ（ｋ＋ｊ｜ｋ）は、制御対象４１への入力系列ｆ（ｋ＋ｉ）（ｉ＝０，１，…，ｊ－１）と初期状態ｘ（ｋ｜ｋ）＝ｘ（ｋ）が与えられたときに、式（１２）で示す状態方程式によって予測される状態を表す。ＮｐとＮｃは、それぞれ予測範囲と制御範囲（Ｎｃ≦Ｎｐ）である。また、Ｑ＝ＱＴ，ＱＮ＝ＱＮ Ｔ，Ｒ＝ＲＴは正定値行列である。入力ｆ（ｋ）、ｆ（ｋ＋１）、・・・ｆ（ｋ＋Ｎｃ－１）がこれの目的関数Ｊが最小となるように最適化手法により求められる。
【数15】
この目的関数Ｊは、第１浮体２の風向きに対するロール方向の回転角度φ及び回転速度φ’が大きくなるにつれて大きくなる第１項と、第１浮体２の風向きに対するピッチ方向の回転角度θ及び回転速度θ’が大きくなるにつれて大きくなる第２項と、外殻体３０と内部構造体３２との相対変位ｚｐ１，ｚｐ２，ｚｐ３及び相対速度ｚｐ１’，ｚｐ２’，ｚｐ３’が大きくなるにつれて大きくなる第３項と、が加算された関数となる。制御部４０は、目的関数Ｊを最小化するように、ＰＴＯ３３に発生する力の指令値を制御する。離散時間系では、上述の目的関数Ｊは、以下のように表現される。
【数16】
ここで、ｘ（ｋ＋ｊ｜ｋ）は、制御対象４１への入力系列ｆ（ｋ＋ｉ）（ｉ＝０，１，…，ｊ－１）と初期状態ｘ（ｋ｜ｋ）＝ｘ（ｋ）が与えられたときに、式（１２）で示す状態方程式によって予測される状態を表す。ＮｐとＮｃは、それぞれ予測範囲と制御範囲（Ｎｃ≦Ｎｐ）である。また、Ｑ＝ＱＴ，ＱＮ＝ＱＮ Ｔ，Ｒ＝ＲＴは正定値行列である。入力ｆ（ｋ）、ｆ（ｋ＋１）、・・・ｆ（ｋ＋Ｎｃ－１）がこれの目的関数Ｊが最小となるように最適化手法により求められる。
【0049】
制御部４０は、サンプリング周期の度に、以下の制約最適化問題を解いて、すなわち目的関数Ｊを最小とするｆ（ｋ＋ｊ）を求めて、制御対象４１に指令値として出力する。
【数17】
【0050】
（評価結果）
下の表Ｉに示すように、風力発電ユニット２０の発電機のタービンの運転状況が異なる海象条件ＥＣ１～ＥＣ６を適用して、風力・波力複合発電装置１の制御性能をシミュレーションにより評価した。
上述の表中、ｕ∞（ｚｈ）は、風力発電ユニット２０のハブ高さでの平均風速である。Ｉｕは乱流強度を示し、Ｈｓは有義波高を示し、Ｔｚは波の平均ゼロクロス周期を示す。条件としては、定格以下、定格、定格以上の各運転モード（ＥＣ１～ＥＣ４）と、荒天時、極荒天時の駐機モード（ＥＣ５，ＥＣ６）とを設定した。なお、乱流強度ＩｕはＩＥＣ（International Electrotechnical Commission）第２版の規格に従って設定した。
ここでは、Ｉｒｅｆ＝０．１４とした。ｕ∞（ｚｈ）は、ハブ高さでの平均風速で与えられる。風波のずれ角は６０度とし、第１浮体２が６自由度で応答できるようにした。予測範囲と制御範囲はそれぞれＮｐ＝１５とＮｃ＝３とした。式（１４）におけるＰＴＯ３３において、相対変位ｚｐｉと力ｆｉとの関係を示す定数ｄｃは１０３ｋＮ／（ｍ／ｓ）とした。上記式（８）のパラメータは、ｋ＝１００ｋＮ／ｍ、ｃ＝１０ｋＮ／（ｍ／ｓ）とした。
下の表Ｉに示すように、風力発電ユニット２０の発電機のタービンの運転状況が異なる海象条件ＥＣ１～ＥＣ６を適用して、風力・波力複合発電装置１の制御性能をシミュレーションにより評価した。
【表1】
上述の表中、ｕ∞（ｚｈ）は、風力発電ユニット２０のハブ高さでの平均風速である。Ｉｕは乱流強度を示し、Ｈｓは有義波高を示し、Ｔｚは波の平均ゼロクロス周期を示す。条件としては、定格以下、定格、定格以上の各運転モード（ＥＣ１～ＥＣ４）と、荒天時、極荒天時の駐機モード（ＥＣ５，ＥＣ６）とを設定した。なお、乱流強度ＩｕはＩＥＣ（International Electrotechnical Commission）第２版の規格に従って設定した。
【数18】
ここでは、Ｉｒｅｆ＝０．１４とした。ｕ∞（ｚｈ）は、ハブ高さでの平均風速で与えられる。風波のずれ角は６０度とし、第１浮体２が６自由度で応答できるようにした。予測範囲と制御範囲はそれぞれＮｐ＝１５とＮｃ＝３とした。式（１４）におけるＰＴＯ３３において、相対変位ｚｐｉと力ｆｉとの関係を示す定数ｄｃは１０３ｋＮ／（ｍ／ｓ）とした。上記式（８）のパラメータは、ｋ＝１００ｋＮ／ｍ、ｃ＝１０ｋＮ／（ｍ／ｓ）とした。
【0051】
制御部４０の性能を調べるために、シミュレーションを行った。以下の３つのモデルを設定して比較を行った。
モデルＭ１：波力発電ユニット３１を含まない風力発電ユニット２０及び第１浮体２のみの個別モデル
モデルＭ２：波力発電ユニット３１を含んで、セミアクティブ制御を用いないフルモデル
モデルＭ３：波力発電ユニット３１を含んで、セミアクティブ制御を適用したフルモデル
モデルＭ１：波力発電ユニット３１を含まない風力発電ユニット２０及び第１浮体２のみの個別モデル
モデルＭ２：波力発電ユニット３１を含んで、セミアクティブ制御を用いないフルモデル
モデルＭ３：波力発電ユニット３１を含んで、セミアクティブ制御を適用したフルモデル
【0052】
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）には、海象条件ＥＣ１～ＥＣ６の下で、モデルＭ１～Ｍ３でシミュレーションを行った場合の第１浮体２のロール自由度φ、ピッチ自由度θの標準偏差が示されている。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、中程度の海況（ＥＣ１，ＥＣ２など）において、モデルＭ２～Ｍ３はモデルＭ１よりもロール自由度φ、ピッチ自由度θの標準偏差が小さくなっている。また、海が荒れているとき（ＥＣ５）や非常に荒れているとき（ＥＣ６）、セミアクティブ制御を用いないモデルＭ２では、モデルＭ１よりも大きくなる。提案のセミアクティブ制御器を実装するモデルＭ３の場合、ロール自由度φ、ピッチ自由度θの標準偏差が小さくなり、制御の有効性が示された。海が非常に荒れている場合（ＥＣ６）、提案の制御器により、第１浮体２のロール自由度φおよびピッチ自由度θの標準偏差を１６％低減することができた。
【0053】
図８には、波力発電ユニット３１で発電された１次変換電力をプロットしたものが示されている。図８に示すように、波力発電ユニット３１は、ＥＣ１～ＥＣ４における風力・波力複合発電装置１の電力変換量の７％程度になる。また、波力発電ユニット３１では、荒天時の運転状態や非常に厳しい海象条件ＥＣ５、ＥＣ６下でも一定の発電量が確保され、ウインドファームの発電能力の安定化にも寄与できることがわかった。
【0054】
以上詳細に説明したように、本実施の形態に係る風力・波力複合発電装置１によれば、風力発電を行う第１浮体２と、波力発電を行う第２浮体３Ａ～３Ｃとが、ワイヤ６Ａ～６Ｃで連結された構成となっているので、第１浮体２と第２浮体３Ａ～３Ｃとを互いに独立した姿勢をとらせることができ、第２浮体３Ａ～３Ｃにより、第１浮体２の姿勢制御を行うことができる。このため、波の大きさに関わらず、波浪エネルギーを利用して、全体の発電量を平滑化することができる。
【0055】
また、本実施の形態によれば、第１浮体２と第２浮体３Ａ～３Ｃとをヒーブ方向に延びるワイヤ６Ａ～６Ｃで接続する。これにより、波が大きい場合には、ワイヤ６Ａ～６Ｃを介して、複数の第２浮体３Ａ～３Ｃからの力を及ぼして第１浮体２の姿勢をバランス良く保つことができる。これにより、風力発電ユニット２０の発電電力が大きく損なわれるのを防止することができる。
【0056】
また、本実施の形態によれば、第１浮体２のロール自由度φ、ピッチ自由度θが大きくなるにつれて大きくなる項と、外殻体３０と内部構造体３２との相対変位ｚｐｉ等が大きくなるにつれて大きくなる項の線形和である目的関数Ｊを最小化する最適制御を行う。これにより、第１浮体２の姿勢の変化と、第２浮体３Ａ～３Ｃにおける外殻体３０と内部構造体３２との相対変位とのバランスをとった制御が可能となる。これにより、最適な力で第１浮体２の姿勢を制御することが可能となる。
【0057】
また、本実施の形態によれば、状態ベクトルｘ（ｋ）の要素を、第１浮体２のロール自由度φ及びピッチ自由度θと、第２浮体３Ａ～３Ｃにおける外殻体３０と内部構造体３２との上下方向の相対変位ｚｐ１，ｚｐ２，ｚｐ３とに、絞り込んでいる。これにより、制御に用いるセンサ出力を必要最小限とすることができるので、制御に必要な計算量を軽減することが可能となる。計算量を軽減することにより、制御のサンプリング時間を短くして、制御精度を向上することができる。
【0058】
また、本実施の形態によれば、第１浮体２の姿勢制御を行うのに、外殻体３０と内部構造体３２との相対変位によりＰＴＯ３３に生じる力のみを用いる。これにより、外部からの電力供給を不要とすることができる。
【0059】
なお、第２浮体３Ａ、３Ｂ、３Ｃをまとめて第２浮体３とする。上記実施の形態では、第２浮体３の数を３つとしている。しかしながら、これには限られない。第２浮体３の数は、４つ以上でもよい。すなわち風力・波力複合発電装置１は、第２浮体３を、少なくとも３つ備えていればよい。少なくとも３つの第２浮体３が、鉛直方向に見て第１浮体２の中心を基準としてｎ（ｎは、２以上の整数）回回転対称に配置されているのが望ましい。このようにすれば、第１浮体２の姿勢制御の計算が容易になる。風力・波力複合発電装置１を、図９（Ａ）に示す構成を有するものとすることができる。この構成では、第１浮体２は上面視三角形の構造を有しており、その三角形の辺の下方に第２浮体３が配置されている。第２浮体３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、・・・は、第１浮体２の中心を基準として二重、三重、又は格子点上に配置されていてもよい。また、図９（Ｂ）に示すように、第１浮体２の中心を通る直線Ｌに対して線対称に第２浮体３を配置するようにしてもよい。もっとも、図９（Ｃ）に示すように、第１浮体２の中心Ｏに対して、第２浮体３を非対称に配置するようにしてもよい。このようにすれば、周辺に障害物がある場合にも第２浮体３を無理なく配置することができる。第２浮体３は、風力・波力複合発電装置１の設置場所の特徴に応じて決定されるのが望ましい。第２浮体３の配置に特に制限はなく、自由である。
【0060】
この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【産業上の利用可能性】
【0061】
本発明は、風力発電及び波力発電を複合式に行う浮体式の発電装置に適用可能である。
【符号の説明】
【0062】
１ 風力・波力複合発電装置、２ 第１浮体、３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 第２浮体、４ 係留ロープ、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ ワイヤ、１０ 中央浮体、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ 円柱浮体、１２ 剛性部材、１３ 支持レバー、２０ 風力発電ユニット、２１ 柱部、２２ ナセル、２３ 回転翼（ブレード）、３０ 外殻体、３１ 波力発電ユニット、３２ 内部構造体、３３ パワーテイクオフ（ＰＴＯ）、３３ａ 固定子、３３ｂ 可動子、３３ｃ 油圧シリンダ、３３ｄ 油圧モータ、３３ｅ ジェネレータ、３４ 接続体、３４ａ 弾性要素、３４ｂ 減衰要素、４０ 制御部、４１ 制御対象、４１Ａ ジャイロセンサ（第１センサ）、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄ 変位センサ（第２センサ）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】