特許 7574234 波力発電装置および洋上風力発電システム

(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】

(24)【登録日】2024-10-18

(45)【発行日】2024-10-28

(54)【発明の名称】波力発電装置および洋上風力発電システム

(51)【国際特許分類】

   F03B 13/14 20060101AFI20241021BHJP

【ＦＩ】

F03B13/14

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2022001905

(22)【出願日】2022-01-07

(65)【公開番号】P2023101330

(43)【公開日】2023-07-20

【審査請求日】2024-03-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【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】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100150717

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 和也

(72)【発明者】

【氏名】吉水 謙司

(72)【発明者】

【氏名】一文字 正幸

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 孝洋

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 和

【審査官】北村 一

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５７－１２９９７５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００２－２５７０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０９４９４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１８７６４４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１３０２１８５８（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｂ １３／００－１３／２６；１７／００－１７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水上に浮かぶ第１構造体と、
水上に浮かぶ、前記第１構造体に対して相対変位可能な第２構造体と、
前記第１構造体および前記第２構造体のそれぞれに弾性的に接続され、前記第１構造体および前記第２構造体のそれぞれに対して相対変位可能な中間構造体と、
第１変換回転子を含み、前記第１構造体と前記中間構造体との間の相対変位を前記第１変換回転子の回転変位に変換する第１変換機構と、
第１発電機回転子を含み、前記第１変換回転子の回転変位で前記第１発電機回転子が回転して発電を行う第１装置発電機と、を備え、
前記第１発電機回転子および前記第１変換回転子は、前記中間構造体から前記第１構造体への振動伝播を低減する慣性質量要素として機能する第１回転体を構成している、波力発電装置。

【請求項2】

前記第１装置発電機および前記第１変換回転子は、前記中間構造体に支持されている、請求項１に記載の波力発電装置。

【請求項3】

前記中間構造体は、中心軸線に沿って延びる中間空洞部を含み、
前記第１構造体は、前記中心軸線に沿って延びる、前記中間空洞部に挿入された第１ロッドを含み、
前記第１変換機構は、前記第１ロッドに設けられた、前記中心軸線に沿う軸方向に延びる第１ラックを含み、
前記第１変換回転子は、前記第１発電機回転子に連結された、前記第１ラックに噛み合う第１ピニオン歯車を含む、
請求項２に記載の波力発電装置。

【請求項4】

前記第１装置発電機および前記第１変換回転子は、前記第１構造体に支持されている、請求項１に記載の波力発電装置。

【請求項5】

前記第１構造体は、中心軸線に沿って延びる第１空洞部を含み、
前記中間構造体は、前記中心軸線に沿って延びる、前記第１空洞部に挿入された第１中間ロッドを含み、
前記第１変換機構は、前記第１中間ロッドに設けられた、前記中心軸線に沿う軸方向に延びる第１ラックを含み、
前記第１変換回転子は、前記第１発電機回転子に連結された、前記第１ラックに噛み合う第１ピニオン歯車を含む、請求項４に記載の波力発電装置。

【請求項6】

前記第１変換回転子は、前記第１ラックと前記第１ピニオン歯車との間に介在された、第１変速歯車を含む、請求項３または５に記載の波力発電装置。

【請求項7】

第２変換回転子を含み、前記第２構造体と前記中間構造体との間の相対変位を前記第２変換回転子の回転変位に変換する第２変換機構と、
第２発電機回転子を含み、前記第２変換回転子の回転変位で前記第２発電機回転子が回転して発電を行う第２装置発電機と、を備え、
前記第２発電機回転子および前記第２変換回転子は、前記中間構造体から前記第２構造体への振動伝播を低減する慣性質量要素として機能する第２回転体を構成している、請求項５または６に記載の波力発電装置。

【請求項8】

前記第２装置発電機および前記第２変換回転子は、前記第２構造体に支持されている、請求項７に記載の波力発電装置。

【請求項9】

前記第２構造体は、前記中心軸線に沿って延びる第２空洞部を含み、
前記中間構造体は、前記中心軸線に沿って延びる、前記第２空洞部に挿入された第２中間ロッドを含み、
前記第２変換機構は、前記第２中間ロッドに設けられた、前記中心軸線に沿う軸方向に延びる第２ラックを含み、
前記第２変換回転子は、前記第２発電機回転子に連結された、前記第２ラックに噛み合う第２ピニオン歯車を含む、請求項７または８に記載の波力発電装置。

【請求項10】

前記第２変換回転子は、前記第２ラックと前記第２ピニオン歯車との間に介在された、第２変速歯車を含む、請求項９に記載の波力発電装置。

【請求項11】

複数の前記第２構造体と、
前記第１構造体および対応する前記第２構造体のそれぞれに弾性的に接続され、前記第１構造体および対応する前記第２構造体のそれぞれに対して相対変位可能な複数の前記中間構造体と、
前記第１構造体と対応する前記中間構造体との間の相対変位を前記第１変換回転子の回転変位に変換する複数の前記第１変換機構と、
対応する前記第１変換回転子の回転変位で前記第１発電機回転子が回転して発電を行う複数の前記第１装置発電機と、を備えた、請求項１～１０のいずれか一項に記載の波力発電装置。

【請求項12】

上方から見たときに、前記第１構造体を中心とする周方向に沿って、前記第２構造体および前記中間構造体がそれぞれ配置されている、請求項１１に記載の波力発電装置。

【請求項13】

複数の前記第２構造体は、互いに連結されている、請求項１１または１２に記載の波力発電装置。

【請求項14】

複数の前記中間構造体は、互いに連結されている、請求項１１～１３のいずれか一項に記載の波力発電装置。

【請求項15】

請求項１～１４のいずれか一項に記載の波力発電装置と、
前記波力発電装置に支持された風力発電設備と、を備えた、洋上風力発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施の形態は、波力発電装置および洋上風力発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

洋上で風力発電を行う洋上風力発電システムは、洋上の安定した風を用いて発電を行うことができるという利点を有している。例えば、沖合で水深が急に深くなる場合には、海底に基礎を設けて風力発電設備を固定することが困難であることから、浮体式の洋上風力発電設備が有効な選択肢であると考えられている。洋上風力発電設備は、波により上下するため、波の固有周期から離調するように設計される。このことにより、振動による機器の損傷防止を図っている。また、台風等による高波浪時に振動を抑えることが設備の維持に重要と考えられている。

【0003】

洋上風力発電設備は、風を受けることによって発電を行うことができるが、浮体の制御などには外部電源を用いている。外部電源が電力系統から電力を引き込む場合には、台風などの災害時に電力系統が遮断される恐れがある。外部電源を喪失すると浮体の制御が行われないため、場合によっては浮体が倒壊するなどの危険性が指摘されている。このため、電力系統が遮断されるなどの非常時においても、電源の確保が望まれている。

【0004】

このような電源の例としては、蓄電池が挙げられる。しかしながら、蓄電池の容量は限られている。このため、外部電源の喪失が長期に及ぶ場合には、電力が不足する恐れがある。

【0005】

他の例としては、波力発電を行って得られた電力を電源として用いることが考えられる。波力発電は、波による振動を運動エネルギに変換することにより発電を行う発電方式である。波力発電は、振動発電と言うこともできる。波力発電装置は、洋上風力発電設備の浮体に、相対振動可能に発電用の浮体を取り付けることにより構成することができる。相対振動が大きくなるほど、発電量が増大する。

【0006】

しかしながら、相対振動が大きい場合、振動が大きい浮体から他方の浮体に振動が伝播し、振動が増幅する恐れがある。相対振動が小さい場合には、振動伝播の恐れは低いが、発電量が低下し得る。このため、必要な電力の確保が困難になる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特許第５４９５１１７号公報

【文献】特許第３７１８６８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の実施の形態は、このような点を考慮してなされたものであり、振動を抑制することができるとともに、波力による発電量を増大させることができる波力発電装置および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】

【0009】

実施の形態による波力発電装置は、水上に浮かぶ第１構造体と、水上に浮かぶ、第１構造体に対して相対変位可能な第２構造体と、中間構造体と、第１変換機構と、第１装置発電機と、を備えている。中間構造体は、第１構造体および第２構造体のそれぞれに弾性的に接続され、第１構造体および第２構造体のそれぞれに対して相対変位可能になっている。第１変換機構は、第１変換回転子を含み、第１構造体と中間構造体との間の相対変位を第１変換回転子の回転変位に変換する。第１装置発電機は、第１発電機回転子を含み、第１変換回転子の回転変位で第１発電機回転子が回転して発電を行う。第１発電機回転子および第１変換回転子は、中間構造体から第１構造体への振動伝播を低減する慣性質量要素として機能する第１回転体を構成している。

【0010】

実施の形態による洋上風力発電システムは、上述した波力発電装置と、波力発電装置に支持された風力発電設備と、を備えている。

【発明の効果】

【0011】

本発明の実施の形態によれば、振動を抑制することができるとともに、波力による発電量を増大させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、第１の実施の形態による洋上風力発電システムを示す概略図である。

【図2】図２は、図１に示す波力発電装置を示す概略断面図である。

【図3】図３は、図１の波力発電装置の力学モデルを示す図である。

【図4】図４は、一般的な波力発電装置を示す概略断面図である。

【図5】図５は、図４の波力発電装置の力学モデルを示す図である。

【図6】図６は、図４の波力発電装置における振動数応答を示すグラフである。

【図7】図７は、図２の波力発電装置における振動数応答を示すグラフである。

【図8】図８は、第２の実施の形態による波力発電装置を示す概略断面図である。

【図9】図９は、図８の上面図である。

【図10】図１０は、図９の変形例を示す上面図である。

【図11】図１１は、第３の実施の形態による波力発電装置を示す概略断面図である。

【図12】図１２は、第４の実施の形態による波力発電装置を示す概略断面図である。

【図13】図１３は、図１２の波力発電装置の力学モデルを示す図である。

【図14】図１４は、図１２の波力発電装置における振動数応答を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態による波力発電装置および洋上風力発電システムについて説明する。

【0014】

（第１の実施の形態）
図１～図７を用いて、本実施の形態による波力発電装置および洋上風力発電システムについて説明する。ここでは、洋上風力発電システムに適用される波力発電装置の例について説明する。しかしながら、波力発電装置の適用例はこれに限られることはない。

【0015】

まず、本実施の形態による波力発電装置が適用される洋上風力発電システム１について図１を用いて説明する。図１には、一例として、スパー型洋上風力発電システムが示されている。

【0016】

図１に示す洋上風力発電システム１は、風力発電設備２と、波力発電装置１０と、を備えている。風力発電設備２は、第１浮体２１と、塔構造体３と、風力発電機本体４と、を含んでいる。

【0017】

第１浮体２１は、洋上に浮かんでいる。第１浮体２１は、第１中心軸線Ｌ１を有しており、第１中心軸線Ｌ１に沿って延びるように円筒状に形成されている。第１浮体２１が横揺れしていない状態では、第１中心軸線Ｌ１は、垂直方向に沿っている。第１浮体２１の一部は水面下に位置しており、周囲の海水に浸漬している。水面は、図１等において符号Ｗで示す。第１浮体２１は、水圧に耐えるように構成されている。

【0018】

第１浮体２１の下部には、コンクリート等の重量物またはバラスト水等が充填された重錘部（図示せず）が設けられている。このことにより、第１浮体２１の重心を低くするとともに、第１浮体２１の浮力と洋上風力発電システム１の重力が平衡する。このようにして、洋上に浮かぶ第１浮体２１の安定性を高めている。

【0019】

塔構造体３は、第１浮体２１の上方に位置しており、第１浮体２１から上方に延びている。塔構造体３は、第１浮体２１に支持されており、垂直方向に細長に延びるように柱状に形成されている。

【0020】

風力発電機本体４は、塔構造体３の上端に設置されている。風力発電機本体４は、塔構造体３を介して第１浮体２１に支持されている。風力発電機本体４は、風向等に応じて塔構造体３に対して水平面内で回転可能になっている。風力発電機本体４は、塔構造体３に回転可能に支持されたナセル４ａと、ナセル４ａに回転可能に設けられた発電用回転翼４ｂと、を含んでいる。ナセル４ａ内に、発電用回転翼４ｂの回転によって発電を行う風力発電機４ｃが内蔵されている。発電用回転翼４ｂは、複数のブレード４ｄを含んでいる。

【0021】

このような風力発電設備２は、波の加振力を受けて、垂直方向に振動する。この振動は、ヒーブとも称する。

【0022】

次に、図２を用いて、本実施の形態による波力発電装置１０について説明する。図２は図１に示す波力発電装置の概略断面図である。なお、図２では風力発電設備２を省略して示している。

【0023】

図２に示す波力発電装置１０は、第１構造体２０と、第２構造体３０と、中間構造体４０と、第１弾性体５０と、第２弾性体６０と、第１変換機構７０と、第１装置発電機８０と、を備えている。

【0024】

第１構造体２０は、洋上に浮かぶ構造体である。第１構造体２０は、上述した第１浮体２１と、スポーク２２と、第１ロッド２３と、を含んでいる。第１浮体２１は、風力発電設備２の構成要素でもあり、波力発電装置１０の構成要素でもある。第１浮体２１は、後述する第２浮体３１よりも大きな断面積を有していてもよい。この場合、第１浮体２１の安定性を、第２浮体３１よりも向上させることができる。

【0025】

第１浮体２１は、上述したように洋上に浮かんでいる。このため、第１浮体２１は、波の加振力を受けて垂直方向に振動する。第１浮体２１は、静止系に対して弾性的に支持されているとみなすことができる。このことを模式化するために、図２では、ばね定数ｋ_４を有する第１仮想弾性体１１によって、第１浮体２１が静止系に対して弾性的に支持されている。第１仮想弾性体１１は、ばね部材が存在していることを示しているのではなく、周囲の水から受ける浮力によって第１浮体２１が垂直方向に運動することを模式的に示すために用いている。第１浮体２１の固有振動数は、波の振動数に対して十分に離調するように設計されていてもよい。

【0026】

スポーク２２は、第１浮体２１の上部に連結されている。スポーク２２は、第１浮体２１から水平方向に、中間構造体４０の上方位置まで延びている。

【0027】

第１ロッド２３は、スポーク２２から下方に延びている。第１ロッド２３は、後述する第２中心軸線Ｌ２に沿って延びるように円筒状に形成されている。第１ロッド２３は、後述する中間空洞部４２に挿入されて、中間空洞部４２を貫通している。第１ロッド２３に、第１弾性体５０が連結される弾性体連結部２４が固定されている。

【0028】

第２構造体３０は、第１構造体２０に対して相対変位可能な構造体である。第２構造体３０は、第１構造体２０とは異なる位置で洋上に浮かんでいる。第２構造体３０は、第２浮体３１と、第２空洞部３２と、を含んでいる。

【0029】

第２浮体３１は、洋上に浮かんでいる。第２浮体３１は、第２中心軸線Ｌ２を有しており、第２中心軸線Ｌ２に沿って延びるように円筒状に形成されている。第２浮体３１が横揺れしていない状態では、第２中心軸線Ｌ２は、垂直方向に沿っている。第２浮体３１の一部は、水面下に位置して、周囲の海水に浸漬している。第２浮体３１は、水圧に耐えるように構成されている。第２浮体３１は、上述した第１浮体２１よりも小さな断面積を有していてもよい。第２浮体３１の下部には、第１浮体２１と同様にして重錘部（図示せず）が設けられている。

【0030】

第２浮体３１は、上述したように洋上に浮かんでいる。このため、第２浮体３１は、波の加振力を受けて垂直方向に振動する。第２浮体３１は、上述した第１仮想弾性体１１と同様に、ばね定数ｋ_１を有する第２仮想弾性体１２によって静止系に対して弾性的に支持されているとみなすことができる。第２浮体３１の固有振動数は、波の振動数に対して十分に離調するように設計されていてもよい。

【0031】

第２空洞部３２は、第２浮体３１に形成されている。第２空洞部３２は、第２浮体３１の上面から下方に延びている。第２空洞部３２は、第２中心軸線Ｌ２に沿って延びるように円筒状に形成されている。第２空洞部３２は、第２浮体３１を貫通してもよいが、図２に示す例では、第２空洞部３２は、第２浮体３１を貫通しておらず、途中位置で終端している。第２空洞部３２は、後述する中間空洞部４２の下方に位置している。

【0032】

第２空洞部３２に、上述した第１ロッド２３の下部が挿入されている。第２空洞部３２の直径は、第１ロッド２３の外径よりも大きくなっている。

【0033】

第２浮体３１の内周面に、複数のローラ３３が取り付けられていてもよい。複数のローラ３３は、第２中心軸線Ｌ２に沿う軸方向ｄに離間して配置されていてもよく、周方向に離間して配置されていてもよい。ローラ３３は、第１ロッド２３の外周面に対して転動可能になっている。このことにより、第２浮体３１に対する第１ロッド２３の相対変位を円滑に行うことができる。第１ロッド２３の外周面には、軸方向ｄに延びるガイドレール（図示せず）が取り付けられていてもよい。このことにより、第２構造体３０が第１構造体２０に対して、第２中心軸線Ｌ２を中心とする回転運動を行うことを抑制している。また、第２浮体３１に対する第１ロッド２３の相対変位を軸方向ｄに案内することができる。

【0034】

中間構造体４０は、第１構造体２０および第２構造体３０のそれぞれに弾性的に接続されるとともに、第１構造体２０および第２構造体３０のそれぞれに対して相対変位可能になっている。中間構造体４０は、スリーブ４１と、中間空洞部４２と、支持架台４３と、を含んでいる。

【0035】

スリーブ４１は、第２浮体３１の上方であって、スポーク２２の下方に位置している。スリーブ４１は、第２中心軸線Ｌ２に沿って延びるように円筒状に形成されている。

【0036】

中間空洞部４２は、中間構造体４０を貫通していてもよい。より具体的には、中間空洞部４２は、スリーブ４１に形成されており、スリーブ４１を貫通している。中間空洞部４２は、第２中心軸線Ｌ２に沿って延びるように円筒状に形成されている。中間空洞部４２は、第２空洞部３２の上方に位置している。

【0037】

中間空洞部４２に、上述した第１ロッド２３が挿入されている。第１ロッド２３は、中間空洞部４２を貫通して、上述した第２空洞部３２に延びて挿入されている。このことにより、第２中心軸線Ｌ２に直交する方向における第２構造体３０の移動を、第１ロッド２３で規制することができる。中間空洞部４２の直径は、第１ロッド２３の外径よりも大きくなっている。

【0038】

スリーブ４１の内周面に、複数のローラ４４が取り付けられていてもよい。複数のローラ４４は、第２中心軸線Ｌ２に沿う軸方向ｄに離間して配置されていてもよく、周方向に離間して配置されていてもよい。ローラ４４は、第１ロッド２３の外周面に対して転動可能になっている。このことにより、スリーブ４１に対する第１ロッド２３の相対変位を円滑に行うことができる。また、第１ロッド２３の外周面には、軸方向ｄに延びるガイドレール（図示せず）が取り付けられていてもよい。このことにより、中間構造体４０が第１構造体２０に対して、第２中心軸線Ｌ２を中心とする回転運動を行うことを抑制している。また、スリーブ４１に対する第１ロッド２３の相対変位を軸方向ｄに案内することができる。

【0039】

支持架台４３は、スリーブ４１の上端に位置しており、スリーブ４１に支持されている。支持架台４３は、水平方向（軸方向ｄに垂直な方向）に延びている。

【0040】

第１弾性体５０は、第１構造体２０と中間構造体４０とを弾性的に接続している。より具体的には、第１弾性体５０は、第１ロッド２３に固定された弾性体連結部２４とスリーブ４１または支持架台４３とを連結している。図２に示す例においては、１つの第１弾性体５０が、弾性体連結部２４とスリーブ４１または支持架台４３とを連結しているが、第１弾性体５０の個数は任意である。第１弾性体５０は、ばね定数ｋ_３を有している。第１弾性体５０は、例えば、コイルばねなどのばね部材によって構成されていてもよい。

【0041】

第２弾性体６０は、第２構造体３０と中間構造体４０とを弾性的に接続している。より具体的には、第２弾性体６０は、第２浮体３１とスリーブ４１とを連結している。図２に示す例においては、１つの第２弾性体６０が、第２浮体３１とスリーブ４１とを連結しているが、第２弾性体６０の個数は任意である。第２弾性体６０は、ばね定数ｋ_２を有している。第２弾性体６０は、例えば、コイルばねなどのばね部材によって構成されていてもよい。

【0042】

第１変換機構７０は、第１変換回転子７１を含んでいる。本実施の形態による第１変換機構７０は、第１構造体２０と中間構造体４０との間の相対変位を、第１変換回転子７１の回転変位に変換するように構成されている。

【0043】

より具体的には、第１変換機構７０は、上述した第１変換回転子７１と、第１ラックレール７２とを含んでいる。

【0044】

第１ラックレール７２は、第１ラックの一例である。第１ラックレール７２は、第１ロッド２３に設けられている。より具体的には、第１ラックレール７２は、第１ロッド２３の外周面に取り付けられている。第１ラックレール７２は、軸方向ｄに延びている。第１ラックレール７２は、中間構造体４０の中間空洞部４２内に挿入可能になっている。上述したように、中間構造体４０は、第１ロッド２３の外周面に軸方向ｄに延びるガイドレール（図示せず）に規制されていることから、中間構造体４０は第２中心軸線Ｌ２を中心とする回転運動が抑止されている。このため、第１ラックレール７２は、後述する第１ピニオン歯車７３と噛み合うことができる。

【0045】

第１変換回転子７１は、第１ピニオン歯車７３と、第１変速歯車７５と、を含んでいる。

【0046】

第１ピニオン歯車７３は、第１変速歯車７５ともに、上述した第１変換回転子７１を構成している。第１ピニオン歯車７３は、第１変速歯車７５を介して第１ラックレール７２の歯に噛み合っており、第１構造体２０と中間構造体４０との間の軸方向ｄの並進相対変位を、回転変位に変換する。

【0047】

第１ピニオン歯車７３は、中間構造体４０に支持されている。より具体的には、第１ピニオン歯車７３は、支持架台４３に軸受（図示せず）によって回転可能に支持されている。

【0048】

第１ピニオン歯車７３は、後述する第１発電機回転子８１に同軸で連結されていてもよい。第１ピニオン歯車７３の回転軸線は、第１発電機回転子８１の回転軸線に一致していてもよい。あるいは、第１ピニオン歯車７３の回転軸線は、上方から見たときに、後述する第１変速歯車７５の回転軸線に直交する方向に配置されていてもよい。

【0049】

第１変速歯車７５は、第１ラックレール７２と第１ピニオン歯車７３との間に介在されている。第１変速歯車７５は、第１構造体２０と中間構造体４０との間の軸方向ｄの相対変位を、第１ラックレール７２を介して回転変位に変換して、この回転変位を第１ピニオン歯車７３に伝達可能に構成されている。第１変速歯車７５は、第１ピニオン歯車７３とともに第１変換回転子７１を構成している。

【0050】

第１変速歯車７５の歯数は、第１ピニオン歯車７３の歯数と異なっている。このことにより、第１変速歯車７５の回転速度と第１ピニオン歯車７３の回転速度が異なる。図２に示す例では、第１変速歯車７５のピッチ円半径が、第１ピニオン歯車７３のピッチ円半径よりも大きくなっている。このことにより、第１変速歯車７５の歯数が、第１ピニオン歯車７３の歯数よりも多くなっており、第１変速歯車７５は、第１ピニオン歯車７３の回転を増速する。

【0051】

第１変速歯車７５の歯数をＺ_１とし、第１ピニオン歯車７３の歯数をＺ_２とすれば、第１変速歯車７５と第１ピニオン歯車７３の回転数比、すなわち第１変速装置７４の増速率ε_１は

【数1】

で表される。

【0052】

ところで、第１変速歯車７５の歯数は、第１変速装置７４によって可変であってもよい。第１変速装置７４は、第１ピニオン歯車７３の回転を変速可能に構成されている。第１変速装置７４は、歯数が異なる複数の第１変速歯車７５を含んでいてもよい。図示しない切替部によって、第１ラックレール７２および第１ピニオン歯車７３のそれぞれに噛み合う第１変速歯車７５が切り替わるように構成されていてもよい。第１変速歯車７５を異なる歯数の歯車に切り替えることによって第１変速装置７４は上述の増速率ε_１を変更することができる。複数の第１変速歯車７５は、後述する第１発電機回転子８１の回転軸線に沿う方向（図２の紙面に直交する方向）に並列配置されていてもよい。第１変速装置７４は、第１変速歯車７５を覆う第１保護カバー７６を含んでいてもよい。第１変速装置７４は、中間構造体４０に支持されている。より具体的には、第１変速装置７４は、支持架台４３に支持されている。第１変速歯車７５は、支持架台４３に軸受（図示せず）によって回転可能に支持されている。第１変速歯車７５の回転軸線は、第１ピニオン歯車７３の回転軸線に平行になっていてもよい。

【0053】

第１装置発電機８０は、第１発電機回転子８１を含んでいる。第１装置発電機８０は、第１変換回転子７１の回転変位で第１発電機回転子８１が回転して発電を行うように構成されている。第１装置発電機８０は、中間構造体４０の支持架台４３に支持されている。図２に示す例においては、第１発電機回転子８１は、水平方向に沿う回転軸線を有している。図２に示す例においては、支持架台４３に１台の第１装置発電機８０が設置されている。１台の第１変換機構７０によって第１構造体２０と中間構造体４０との相対変位から変換された回転変位が、第１装置発電機８０の第１発電機回転子８１に伝達される。第１発電機回転子８１には同軸のフライホイール（図示せず）が取り付けられていてもよい。この場合、フライホイールの慣性モーメントを第１発電機回転子８１の慣性モーメントに含めてもよい。このことにより、第１発電機回転子８１の慣性モーメントを調節してもよい。

【0054】

上述した第１発電機回転子８１および第１変換回転子７１は、中間構造体４０から第１構造体２０への振動伝播を低減する慣性質量要素として機能する第１回転体９０を構成している。本実施の形態においては、第１回転体９０は、第１発電機回転子８１、第１ピニオン歯車７３および第１変速歯車７５によって構成されている。

【0055】

このように構成された本実施の形態による波力発電装置１０は、図３に示す力学モデルに模式化される。

【0056】

図３に示すｍ_１は、第２構造体３０の質量であり、ｍ_２は中間構造体４０の質量であり、ｍ_３は、第１構造体２０の質量である。より具体的には、ｍ_１は、第２構造体３０の質量に、水による付加質量などの流体的効果が加えられた質量である。ｍ_２は、中間構造体４０の質量に、第１装置発電機８０の固定子の質量と、第１変速装置７４の固定側の質量とが加えられた質量である。ｍ_３は、第１構造体２０の質量に、風力発電機設備２の質量と、水による付加質量など流体的効果が加えられた質量である。Ｘは波の変位であり、ｘ_１は第２構造体３０の変位であり、ｘ_２は中間構造体４０の変位であり、ｘ_３は第１構造体２０の変位である。ｋ_１は第２仮想弾性体１２のばね定数であり、ｋ_２は第２弾性体６０のばね定数であり、ｋ_３は第１弾性体５０のばね定数であり、ｋ_４は第１仮想弾性体１１のばね定数である。ｃ_１は波に対する第２構造体３０の減衰係数であり、ｃ_２は第２構造体３０と中間構造体４０との間の相対変位に対する減衰係数であり、ｃ_３は第１構造体２０と中間構造体４０との間の相対変位に対する減衰係数であり、ｃ_４は波に対する第１構造体２０の減衰係数である。ｍ_ｓ３は第１回転体９０の慣性質量、すなわち第１変換回転子７１および第１発電機回転子８１による慣性質量である。

【0057】

図３に示す力学モデルの運動方程式は、３自由度系の運動方程式となり、以下の式（２）に示すように表される。

【数2】

ここで、ｃ_ｓは第１装置発電機８０の反抗トルクによる減衰係数であり、第１装置発電機８０の仕様によって決定される。

【0058】

一般的な構造物では、運動方程式の左辺の質量行列は対角行列となる。これに対して式（２）においては、非対角項に、“－ｍ_Ｓ３”が入っている。このことは、第１構造体２０と中間構造体４０との間に質量の連成が生じることを意味している。

【0059】

慣性質量ｍ_Ｓ３は以下の式で表される。

【数3】

ここで、ε_１は上述した第１変速装置７４の増速率であり、Ｉ_ｓ３は第１発電機回転子８１の慣性モーメントと第１変換回転子７１の慣性モーメントの合成値である。ｒ_３は、第１変速歯車７５のピッチ円半径である。このように、第１発電機回転子８１および第１変換回転子７１は、第１構造体２０と中間構造体４０との間の相対変位による振動を低減する慣性質量要素として機能する第１回転体９０を構成している。すなわち、第１発電機回転子８１の慣性モーメントと第１変換回転子７１の慣性モーメントは、第１構造体２０と中間構造体４０との間の並進運動に対して質量の連成を生じる。

【0060】

慣性質量ｍ_Ｓ３は、質量ｍ_２から質量ｍ_３に伝わる運動エネルギを蓄積する。この運動エネルギＴは、以下の式で表される。

【数4】

【0061】

したがって、第１装置発電機８０は、蓄積された運動エネルギＴを電気エネルギに変換するとともに、運動エネルギＴで質量ｍ_２と質量ｍ_３との間の振動伝達を遮断する。減衰を無視して式（２）を解くと、ｘ_３が最小となる遮断振動数ｆ_ｓ３は、以下のように表される。

【数5】

【0062】

ただし、α_３、β_３、γ_３は、以下の式で表される。

【数6】

【数7】

【数8】

【0063】

式（５）～式（８）に示すように、遮断振動数ｆ_ｓ３は、慣性質量ｍ_Ｓ３により調整することができる。慣性質量ｍ_Ｓ３は、式（３）に示すように、第１変速装置７４の増速率ε_１で調整することができる。

【0064】

次に、このように構成された本実施の形態による波力発電装置１０の振動数応答について説明する。

【0065】

まず、比較例として、一般的な波力発電装置２１０の振動数応答について説明する。

【0066】

図４に示すように、一般的な波力発電装置２１０は、洋上に浮かぶ第１構造体２２０と、第２構造体２３０と、弾性体２４０と、装置発電機２５０と、を備えている。図４は、一般的な波力発電装置を示す概略断面図である。

【0067】

第１構造体２２０は、第１浮体２２１と、スポーク２２２と、第１空洞部２２３と、を含んでいる。第１浮体２２１は、図２に示す第１浮体２１と同様に構成されていてもよい。ばね定数ｋ_４を有する第１仮想弾性体２１１によって、第１浮体２２１が静止系に対して弾性的に支持されている。スポーク２２２は、第１浮体２２１に連結されている。スポーク２２２は、第１浮体２２１から水平方向に、第２構造体２３０の上方位置まで延びている。スポーク２２２は、装置発電機２５０の円筒支柱２５１を支持可能な支持架台として構成されている。スポーク２２２には、スリーブ２２４が固定されている。第１空洞部２２３は、スリーブ２２４に形成されている。第１空洞部２２３は、第２中心軸線Ｌ２に沿って延びるように円筒状に形成されている。第１空洞部２２３は、スリーブ２２４を貫通している。第１空洞部２２３は、第２構造体２３０の上方に位置している。第１空洞部２２３に、後述する第２ロッド２３２が挿入されている。第１空洞部２２３の直径は、第２ロッド２３２の外径よりも大きくなっている。

【0068】

スリーブ２２４の内周面に、複数のローラ２２５が取り付けられていてもよい。ローラ２２５は、第２ロッド２３２の外周面に対して転動可能になっている。このことにより、スリーブ２２４に対する第２ロッド２３２の相対変位を円滑に行うことができる。第２ロッド２３２の外周面に、第２中心軸線Ｌ２に沿う軸方向ｄに延びるガイドレール（図示せず）が取り付けられていてもよい。

【0069】

第２構造体２３０は、図２に示す第２構造体３０と同様に、第１構造体２２０に対して相対変位可能になっている。第２構造体２３０は、第２浮体２３１と、第２ロッド２３２と、を含んでいる。第２浮体２３１は、図２に示す第２浮体２３１と同様に構成されていてもよい。ばね定数ｋ_１を有する第２仮想弾性体２１２によって、第２浮体２３１が静止系に対して弾性的に支持されている。図４に示す第２浮体２３１には、空洞部は形成されていない。第２ロッド２３２は、第２浮体２３１から上方に延びている。第２ロッド２３２は、第２中心軸線Ｌ２に沿って延びるように円筒状に形成されている。第２ロッド２３２は、上述した第１空洞部２２３に挿入されて貫通している。

【0070】

弾性体２４０は、第１構造体２２０と第２構造体２３０とを弾性的に接続している。より具体的には、弾性体２４０は、スリーブ２２４と第２浮体２３１とを連結している。弾性体２４０は、ばね定数ｋ_２を有している。

【0071】

装置発電機２５０は、電磁誘導方式のリニア発電機として構成されている。装置発電機２５０は、円筒支柱２５１と、複数のコイル２５２と、第２ロッド２３２に設置された複数の永久磁石２５３と、を含んでいる。円筒支柱２５１は、スポーク２２２に支持されており、スポーク２２２から上方に延びている。円筒支柱２５１は、第２中心軸線Ｌ２に沿って延びるように円筒状に形成されており、円筒支柱２５１の内側の空間に、第２ロッド２３２が挿入されている。コイル２５２は、円筒支柱２５１に巻き付けられている。永久磁石２５３は、第２ロッド２３２に取り付けられている。永久磁石２５３は、外周面を覆うようにリング状に形成されている。各永久磁石２５３は、コイル２５２に対応する位置に位置づけられている。図４に示す波力発電装置２１０は、図２に示すような慣性質量要素として機能する変換回転子および発電機回転子を含んでいない。

【0072】

図４に示す波力発電装置２１０において、第１浮体２２１と第２浮体２３１とが相対変位すると、各コイル２５２を通過する磁束が変化し、誘導起電力が生じる。このようにして、装置発電機２５０は発電を行うことができる。誘導起電力の大きさは、第１浮体２２１と第２浮体２３１との間の相対速度に比例する。

【0073】

図４に示す波力発電装置２１０は、図５に示す力学モデルに模式化される。

【0074】

図５に示すｍ_１は第２構造体２３０の質量であり、ｍ_２は第１構造体２２０の質量である。より具体的には、ｍ_１は、第２構造体２３０の質量と、装置発電機２５０の永久磁石２５３の質量と、水による付加質量などの流体的効果とが加えられた質量である。ｍ_２は、第１構造体２２０の質量に、装置発電機２５０の円筒支柱２５１およびコイル２５２の質量と、風力発電設備２の質量と、水による付加質量などの流体的効果とが加えられた質量である。Ｘは波の変位であり、ｘ_１は第２構造体２３０の変位であり、ｘ_２は第１構造体２２０の変位である。ｋ_１は第２仮想弾性体２１２のばね定数であり、ｋ_２は弾性体２４０のばね定数であり、ｋ_４は第１仮想弾性体２１１のばね定数である。ｃ_１は波に対する第２構造体２３０の減衰係数であり、ｃ_２は第１構造体２２０と第２構造体２３０との間の相対変位に対する減衰係数であり、ｃ_４は波に対する第１構造体２２０の減衰係数である。

【0075】

図４に示す波力発電装置２１０の振動数応答結果を図６に示す。横軸は加振振動数（または波浪振動数）を示し、縦軸は応答倍率を示している。第２構造体２３０の応答倍率がｘ_１／Ｘで表され、第１構造体２２０の応答倍率がｘ_２／Ｘで表されている。

【0076】

図６に示すように、加振振動数が０．０５Ｈｚ～０．５Ｈｚの範囲において、第１構造体２２０と第２構造体２３０との間の相対変位が大きくなっている。海洋における波の変位Ｘの振動数はおおむね０．０５Ｈｚ～０．５Ｈｚの範囲にあるため、図４の波力発電装置２１０は、発電量を増大できることがわかる。加振振動数が、固有振動数に相当する０．５Ｈｚ付近で、相対変位が最も大きくなっている。しかしながら、第１構造体２２０の応答倍率（ｘ_２／Ｘ）も大きくなっている。

【0077】

これに対して、本実施の形態による波力発電装置１０の振動数応答結果を図７に示す。横軸は加振振動数を示し、縦軸は応答倍率を示している。第２構造体３０の応答倍率がｘ_１／Ｘで表され、中間構造体４０の応答倍率がｘ_２／Ｘで表され、第１構造体２０の応答倍率がｘ_３／Ｘで表されている。

【0078】

図７に示すように、加振振動数が０．０５Ｈｚ～０．５Ｈｚの範囲において、第１構造体２０の応答倍率（ｘ_３／Ｘ）が、図６に示す第１構造体２２０の応答倍率（ｘ_２／Ｘ）よりも小さくなっている。このことにより、中間構造体４０から第１構造体２０への振動の伝播が抑制されていることがわかる。このため、第１構造体２０の振動が抑制されて、第１構造体２０の変位が小さくなる。

【0079】

同じ加振振動数範囲で中間構造体４０の応答倍率（ｘ_２／Ｘ）は大きくなっているため、第１構造体２０と中間構造体４０との間の相対変位を大きくすることができる。このことにより、発電量を増大させることができ、発電量を効果的に増大させることができる。

【0080】

ところで、上述した式（２）の質量行列においては、非対角項に、第１発電機回転子８１および第１変換回転子７１による慣性質量を示す“－ｍ_Ｓ３”が入っている。このことにより、上述した式（５）に示すように遮断振動数ｆ_ｓ３が求められ、遮断振動数ｆ_ｓ３が存在する振動系が得られる。加振振動数が遮断振動数である場合、第１構造体２０の振動をより一層抑制できるとともに、発電量をより一層増大させることができる。

【0081】

より具体的には、図７に示すように、加振振動数が、上述した遮断振動数ｆ_ｓ３に相当する０．６２Ｈｚ付近で、第１構造体２０の応答倍率が小さくなっている。このことにより、中間構造体４０から第１構造体２０への振動の伝播を抑制でき、第１構造体２０の振動をより一層抑制することができる。また、第１構造体２０と中間構造体４０との間の相対変位をより一層大きくすることができる。このため、発電量をより一層増大させることができる。

【0082】

遮断振動数は、第１変速装置７４の上述した増速率ε_１を変更することにより、加振振動数に応じて調整することができる。また、第１発電機回転子８１にフライホイールが取り付けられた場合には、フライホイールの慣性モーメントを変更することによっても遮断振動数を加振振動数に応じて調整することができる。このことにより、第１構造体２０の振動を効果的に抑制することができる。

【0083】

このように本実施の形態によれば、洋上に浮かぶ第１構造体２０および第２構造体３０のそれぞれに弾性的に接続された中間構造体４０が、第１構造体２０および第２構造体３０のそれぞれに対して相対変位可能になっている。第１構造体２０と中間構造体４０との間の相対変位が、第１変換機構７０の第１変換回転子７１の回転変位に変換される。第１変換回転子７１の回転変位で、第１発電機回転子８１が回転して第１装置発電機８０が発電を行う。第１発電機回転子８１および第１変換回転子７１は、中間構造体４０から第１構造体２０への振動伝播を低減する慣性質量要素として機能する第１回転体９０を構成している。このことにより、第１構造体２０の振動を抑制することができる。このため、第１構造体２０と中間構造体４０との間の相対変位を大きくすることができ、発電量を増大させることができる。また、上述したように、中間構造体４０から第１構造体２０への振動の伝播が抑制されるため、第１構造体２０の振動を抑制することができる。この結果、風力発電機本体４の制御に悪影響を及ぼす振動を抑制することができるとともに、波力による発電量を増大させることができる。

【0084】

また、本実施の形態によれば、第１装置発電機８０および第１変換回転子７１が、中間構造体４０に支持されている。このことにより、波力発電装置１０の振動系において、中間構造体４０の質量を含む上述した質量ｍ_２を増大させることができる。このため、中間構造体４０の応答倍率を大きくすることができ、第１構造体２０と中間構造体４０との間の相対変位を大きくすることができる。この結果、波力による発電量を増大させることができる。

【0085】

また、本実施の形態によれば、第１構造体２０が、中間構造体４０の中間空洞部４２に挿入された第１ロッド２３を含み、第１変換機構７０が、第１ロッド２３に設けられた、軸方向ｄに延びる第１ラックレール７２と、第１ラックレール７２の歯に噛み合う第１ピニオン歯車７３と、を含んでいる。このことにより、第１構造体２０と中間構造体４０の相対並進変位を第１変換回転子７１および第１発電機回転子８１の回転変位に変換することができる。また、第１ラックレール７２が設けられた第１ロッド２３を、第１構造体２０の構成要素とすることができる。第１構造体２０は、第２構造体３０よりも安定性を有している場合には、第１ロッド２３が傾倒することを抑制でき、波力発電装置１０が損傷することを抑制できる。

【0086】

また、本実施の形態によれば、第１変換回転子７１は、第１ラックレール７２と第１ピニオン歯車７３との間に介在された第１変速歯車７５を含んでいる。このことにより、第１変速歯車７５によって、第１ピニオン歯車７３の回転速度を調整することができ、第１装置発電機８０の発電量を調整することができる。また、第１変速歯車７５の歯数を調整することにより、第１変速歯車７５と第１ピニオン歯車７３の回転数比である増速率を、加振振動数に応じて調整することができ、遮断振動数を調整することができる。このため、第１構造体２０の振動を効果的に抑制することができるとともに、波力による発電量を効果的に増大させることができる。

【0087】

なお、上述した本実施の形態においては、第１変換機構７０が、第１構造体２０と中間構造体４０との間の相対変位を第１変換回転子７１の回転変位に変換する例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、第１変換機構７０が、第２構造体３０と中間構造体４０との間の相対変位を第１変換回転子７１の回転変位に変換するようにしてもよい。この場合の第１変換機構７０は、後述する図１２に示す第２変換機構１００と同様に構成することができる。

【0088】

また、上述した本実施の形態においては、第１ピニオン歯車７３が、第１変速歯車７５を介して第１ラックレール７２に噛み合っている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、第１ピニオン歯車７３と第１ラックレール７２との間に第１変速歯車７５は介在されていなくてもよい。この場合、第１ピニオン歯車７３が第１ラックレール７２に直接的に噛み合う。

【0089】

（第２の実施の形態）
次に、図８～図１０を用いて、第２の実施の形態による波力発電装置および洋上風力発電システムについて説明する。

【0090】

図８～図１０に示す第２の実施の形態においては、波力発電装置が、複数の第２構造体と、複数の中間構造体と、複数の第１変換機構と、複数の第１装置発電機と、を備えている点が主に異なり、他の構成は、図１～図３および図７に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図８～図１０において、図１～図３および図７に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。図８は、第２の実施の形態による波力発電装置を示す概略断面図であり、図９は、図８の上面図である。図８および図９では風力発電設備２を省略して示している。

【0091】

図８および図９に示すように、本実施の形態による波力発電装置１０は、複数の第２構造体３０と、複数の中間構造体４０と、複数の第１変換機構７０と、複数の第１装置発電機８０と、を備えている。本実施の形態においては、第２構造体３０の台数、中間構造体４０の台数、第１変換機構７０の台数および第１装置発電機８０の台数はそれぞれ４つである。

【0092】

各第２構造体３０は、対応する中間構造体４０を介して第１構造体２０に弾性的に接続されている。各第２構造体３０は、第１構造体２０に対して独立して相対変位可能に構成されている。第２構造体３０は、別々に構成されており、独立して振動する。第２構造体３０は、図９に示すように上方から見たときに、第１構造体２０の第１浮体２１を中心とする周方向に沿って、均等に配置されていてもよい。

【0093】

各中間構造体４０は、第１構造体２０および対応する第２構造体３０のそれぞれに弾性的に接続されている。各中間構造体４０は、第１構造体２０および対応する第２構造体３０のそれぞれに対して相対変位可能に構成されている。中間構造体４０は別々に構成されており、独立して振動する。中間構造体４０は、図９に示すように上方から見たときに、第１浮体２１を中心とする周方向に沿って均等に配置されていてもよい。中間構造体４０は、対応する第２構造体３０の上方に配置されている。

【0094】

各第１変換機構７０は、第１構造体２０と対応する中間構造体４０との間の相対変位を第１変換回転子７１の回転変位に変換するように構成されている。各第１変換機構７０の第１変換回転子７１は、対応する中間構造体４０に支持されている。

【0095】

各第１装置発電機８０は、対応する第１変換機構７０の第１変換回転子７１の回転変位で第１発電機回転子８１が回転して発電を行うように構成されている。各第１装置発電機８０は、対応する第１変換回転子７１とともに、対応する中間構造体４０に支持されている。

【0096】

図９に示すように、上方から見たときに、第１構造体２０を中心とする周方向に沿って、第２構造体３０および中間構造体４０がそれぞれ配置されている。より具体的には、第２構造体３０および中間構造体４０は、周方向に均等に配置されている。

【0097】

例えば、上方から見たときに、第１構造体２０の第１中心軸線Ｌ１を中心にして点対称となる位置に、第２構造体３０および中間構造体４０が位置していてもよい。本実施の形態による波力発電装置１０は、４台の第２構造体３０および中間構造体４０を備えている。この場合、図９に示すように、第２構造体３０および中間構造体４０は、９０°ピッチで均等に配置されていてもよい。４台の第２構造体３０のうちの２台の第２構造体３０は、対角上に、すなわち第１構造体２０に対して反対側に配置されている。すなわち、対角上に配置された２台の第２構造体３０を１つの対としたときに、二対の第２構造体３０が、第１構造体２０の周囲に配置されている。

【0098】

第１変換機構７０および第１装置発電機８０は、対応する中間構造体４０に支持されている。第１変換機構７０および第１装置発電機８０は、対応する第１ロッド２３に対して半径方向外側に配置されている。図９に示すように、第１装置発電機８０は、対応する第１ピニオン歯車７３に対して時計回りに進む方向に配置されている。より具体的には、図９において右側に配置された第１装置発電機８０は、対応する第１ピニオン歯車７３の下側に配置され、下側に配置された第１装置発電機８０は、対応する第１ピニオン歯車７３に対して左側に配置されている。左側に配置された第１装置発電機８０は、対応する第１ピニオン歯車７３の上側に配置され、上側に配置された第１装置発電機８０は、対応する第１ピニオン歯車７３の右側に配置されている。

【0099】

上述したように、第１装置発電機８０は、点対称に配置されている。各第１装置発電機８０の第１発電機回転子８１で発生する偶力は、大きさは同一で作用方向が反対になる。このことにより、波力発電装置１０に発生するローリング（波力発電装置１０の第１中心軸線Ｌ１を中心とする回転振動）およびピッチング（波力発電装置１０の第１中心軸線Ｌ１に対して直交する軸を中心とする回転振動）を抑制することができる。すなわち、各第１発電機回転子８１で発生する偶力によって生じる回転力の回転方向は、対角上に位置する２つの第１発電機回転子８１の間で互いに反対方向になる。このため、各第１発電機回転子８１で発生する偶力によって生じる回転力を相殺することができ、ローリングおよびピッチングが波力発電装置１０に励起されることを抑制できる。

【0100】

このように本実施の形態によれば、波力発電装置１０が、複数の第２構造体３０と、複数の中間構造体４０と、複数の第１変換機構７０と、複数の第１装置発電機８０と、を備えている。中間構造体４０は、第１構造体２０および対応する第２構造体３０のそれぞれに対して相対変位可能になっている。第１変換機構７０は、第１構造体２０と対応する中間構造体４０との間の相対変位を第１変換回転子７１の回転変位に変換し、対応する第１装置発電機８０で発電が行われる。このことにより、複数の第１装置発電機８０で発電を行うことができる。このため、波力による発電量を増大させることができる。

【0101】

また、本実施の形態によれば、上方から見たときに、第１構造体２０を中心とする周方向に沿って、第２構造体３０、中間構造体４０、第１変換機構７０および第１装置発電機８０がそれぞれ配置されている。このことにより、各第１装置発電機８０の第１発電機回転子８１で発生する偶力によって生じる回転力を、相殺することができる。このため、波力発電装置１０にローリングやピッチングが励起されることを抑制でき、風力発電機本体４の制御に悪影響が及ぼされることを抑制できる。

【0102】

なお、上述した本実施の形態においては、第２構造体３０の台数、中間構造体４０の台数、第１変換機構７０の台数および第１装置発電機８０の台数がそれぞれ４つである例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない、第２構造体３０の台数、中間構造体４０の台数、第１変換機構７０の台数および第１装置発電機８０の台数は、複数であれば２つでも３つでもよく、任意である。これらの台数が例えば３つのような奇数である場合であっても、第１浮体２１を中心とする周方向に沿って均等に配置されている場合には、各第１発電機回転子８１で発生する偶力によって生じる回転力を相殺することができる。

【0103】

また、上述した本実施の形態においては、第２構造体３０が別々に構成され、各第２構造体３０が独立して振動する例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、図１０に示すように、複数の第２構造体３０が、互いに連結されて、一体化されていてもよい。図１０は、図９の変形例を示す上面図である。このように複数の第２構造体３０を連結することにより、振動数が小さい波に対する機械的強度を向上させることができる。例えば、周方向に互いに隣り合う第２構造体３０の第２浮体３１が、構造体連結部９５によって連結されていてもよい。この場合、上方から見たときに、複数の第２構造体３０および複数の構造体連結部９５が全体として、リング状に形成されていてもよい。あるいは、図示しないが、第２構造体３０の代わりに中間構造体４０を互いに連結してもよい。さらに周方向に互いに隣り合う第２構造体３０の第２浮体３１が構造体連結部９５によって連結され、かつ中間構造体４０が互いに連結されてもよい。

【0104】

（第３の実施の形態）
次に、図１１を用いて、第３の実施の形態による波力発電装置および洋上風力発電システムについて説明する。

【0105】

図１１に示す第３の実施の形態においては、第１変換回転子および第１装置発電機が、第１構造体に支持されている点が主に異なり、他の構成は、図１～図３および図７に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１１において、図１～図３および図７に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。図１１は、第３の実施の形態による波力発電装置を示す概略断面図である。図１１では風力発電設備２を省略して示している。

【0106】

図１１に示すように、本実施の形態においては、第１構造体２０が、第１空洞部２５を含んでいる。第１空洞部２５は、スポーク２２に固定されたスリーブ２６に形成されており、スリーブ２６を貫通している。スリーブ２６は、スポーク２２から下方に突出している。第１空洞部２５は、第２中心軸線Ｌ２に沿って延びるように円筒状に形成されている。第１空洞部２５は、中間構造体４０の後述する中間本体部４５の上方に位置している。第１空洞部２５に、後述する第１中間ロッド４６が挿入されている。第１空洞部２５の直径は、第１中間ロッド４６の外径よりも大きくなっている。

【0107】

スリーブ２６の内周面に、複数のローラ２７が取り付けられていてもよい。複数のローラ２７は、第２中心軸線Ｌ２に沿う軸方向ｄに離間して配置されていてもよく、周方向に離間して配置されていてもよい。ローラ２７は、第１中間ロッド４６の外周面に対して転動可能になっている。このことにより、スリーブ２６に対する第１中間ロッド４６の相対変位を円滑に行うことができる。第１中間ロッド４６の外周面には、軸方向ｄに延びるガイドレール（図示せず）が取り付けられていてもよい。このことにより、中間構造体４０が第１構造体２０に対して、第２中心軸線Ｌ２を中心とする回転運動を行うことを抑制している。また、スリーブ２６に対する第１中間ロッド４６の相対変位を軸方向ｄに案内することができる。

【0108】

図２に示す第１の実施の形態と同様に、第２構造体３０の第２浮体３１に、第２空洞部３２が形成されている。第２空洞部３２は、後述する中間本体部４５の下方に位置している。第２空洞部３２に、後述する第２中間ロッド４７が挿入されている。第２空洞部３２の直径は、第２中間ロッド４７の外径よりも大きくなっている。

【0109】

第２浮体３１の内周面に、図２に示す第１の実施の形態と同様に複数のローラ３３が取り付けられていてもよい。ローラ３３は、第２中間ロッド４７の外周面に対して転動可能になっている。第２中間ロッド４７の外周面には、軸方向ｄに延びるガイドレール（図示せず）が取り付けられていてもよい。

【0110】

中間構造体４０は、中間本体部４５と、第１中間ロッド４６と、第２中間ロッド４７と、を含んでいる。中間本体部４５は、第１空洞部２５の下方であって、第２空洞部３２の上方に位置している。中間本体部４５は、第１中間ロッド４６および第２中間ロッド４７よりも水平方向に延び出ている。

【0111】

第１中間ロッド４６は、中間本体部４５から上方に延びている。第１中間ロッド４６は、第２中心軸線Ｌ２に沿って延びるように円筒状に形成されている。第１中間ロッド４６は、第１空洞部２５に挿入されて、第１空洞部２５を貫通している。

【0112】

第２中間ロッド４７は、中間本体部４５から下方に延びている。第２中間ロッド４７は、第２中心軸線Ｌ２に沿って延びるように円筒状に形成されている。第２中間ロッド４７は、第２空洞部３２に挿入されている。このことにより、第２中心軸線Ｌ２に直交する方向における第２構造体３０の移動を、第２中間ロッド４７で規制することができる。

【0113】

第１弾性体５０は、第１弾性体５０は、スリーブ２６と中間本体部４５とを連結している。第２弾性体６０は、第２浮体３１と中間本体部４５とを連結している。

【0114】

第１変換機構７０の第１ラックレール７２は、第１中間ロッド４６に設けられている。より具体的には、第１ラックレール７２は、第１中間ロッド４６の外周面に取り付けられている。第１ラックレール７２は、軸方向ｄに延びており、第１空洞部２５内に挿入可能になっている。

【0115】

第１ピニオン歯車７３は、第１構造体２０に支持されている。より具体的には、第１ピニオン歯車７３は、スポーク２２に回転可能に支持されている。第１変速装置７４は、第１構造体２０のスポーク２２に支持されている。第１変速歯車７５は、スポーク２２に回転可能に支持されている。

【0116】

第１装置発電機８０は、第１構造体２０に支持されている。より具体的には、第１装置発電機８０は、スポーク２２に支持されている。第１発電機回転子８１は、スポーク２２に回転可能に支持されている。

【0117】

このように本実施の形態によれば、第１装置発電機８０および第１変換回転子７１が、第１構造体２０に支持されている。このことにより、第１ピニオン歯車７３および第１装置発電機８０を、振動の抑制を図っている第１構造体２０に支持させることができる。このため、第１装置発電機８０への振動の伝播を抑制することができ、第１装置発電機８０の信頼性および保守性を向上させることができる。

【0118】

また、本実施の形態によれば、第１構造体２０が、第２中心軸線Ｌ２に沿って延びる第１空洞部２５を含み、中間構造体４０が、第２中心軸線Ｌ２に沿って延びる第１中間ロッド４６を含んでいる。第１中間ロッド４６が、第１空洞部２５に挿入されている。第１変換機構７０の第１ラックレール７２は、第１中間ロッド４６に設けられている。このことにより、第１構造体２０と中間構造体４０の相対並進変位を第１変換回転子７１および第１発電機回転子８１の回転変位に変換することができる。

【0119】

（第４の実施の形態）
次に、図１２～図１４を用いて、第４の実施の形態による波力発電装置および洋上風力発電システムについて説明する。

【0120】

図１２～図１４に示す第４の実施の形態においては、波力発電装置が、第２変換回転子を含む第２変換機構と、第２変換回転子の回転変位で発電を行う第２装置発電機と、を備えている点が主に異なり、他の構成は、図１１に示す第３の実施の形態と略同一である。なお、図１２～図１４において、図１１に示す第３の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。図１２は、第４の実施の形態による波力発電装置を示す概略断面図である。図１２では風力発電設備２を省略して示している。

【0121】

図１２に示すように、本実施の形態による波力発電装置１０は、第２変換機構１００と、第２装置発電機１１０と、を更に備えている。

【0122】

第２変換機構１００は、第２変換回転子１０１を含んでいる。本実施の形態による第２変換機構１００は、第２構造体３０と中間構造体４０との間の相対変位を、第２変換回転子１０１の回転変位に変換するように構成されている。

【0123】

より具体的には、第２変換機構１００は、上述した第２変換回転子１０１と、第２ラックレール１０２と、を含んでいる。

【0124】

第２ラックレール１０２は、第２ラックの一例である。第２ラックレール１０２は、第２中間ロッド４７に設けられている。より具体的には、第２ラックレール１０２は、第２中間ロッド４７の外周面に取り付けられている。第２ラックレール１０２は、軸方向ｄに延びている。第２ラックレール１０２は、第２浮体３１の第２空洞部３２内に挿入可能になっている。

【0125】

第２変換回転子１０１は、第２ピニオン歯車１０３と、第２変速歯車１０５と、を含んでいる。

【0126】

第２ピニオン歯車１０３は、第２変速歯車１０５とともに、上述した第２変換回転子１０１を構成している。第２ピニオン歯車１０３は、第２変速歯車１０５を介して、第２ラックレール１０２の歯に噛み合っており、第２構造体３０と中間構造体４０との間の軸方向ｄの並進相対変位を、回転変位に変換する。第２ピニオン歯車１０３は、後述する第２発電機回転子１１１に同軸で連結されていてもよい。

【0127】

第２ピニオン歯車１０３は、第２構造体３０に支持されている。より具体的には、第２ピニオン歯車１０３は、第２浮体３１に回転可能に支持されている。第２浮体３１に、支持架台３４が取り付けられて、第２ピニオン歯車１０３が、軸受（図示せず）によって支持架台３４に回転可能に支持されていてもよい。第２ピニオン歯車１０３の回転軸線は、第２発電機回転子１１１の回転軸線に一致していてもよい。あるいは、第２ピニオン歯車１０３の回転軸線は、上方から見たときに、後述する第２変速歯車１１５の回転軸線に直交する方向に配置されていてもよい。支持架台３４は、第２浮体３１の上端に位置しており、第２浮体３１に支持されている。支持架台３４は、水平方向（軸方向ｄに垂直な方向）に延びている。

【0128】

第２変速歯車１０５は、第２ラックレール１０２と第２ピニオン歯車１０３との間に介在されている。第２変速歯車１０５は、第２ピニオン歯車１０３とともに第２変換回転子１０１を構成している。第２変速歯車１０５の歯数は、第２変速装置１０４によって可変であってもよい。第２変速装置１０４は、図２等に示す第１変速装置７４と同様に構成することができるため、ここでは詳細な説明は省略する。第２変速装置１０４は、第２変速歯車１０５を覆う保護カバー１０６を含んでいてもよい。第２変速装置１０４は、第２構造体３０に支持されている。より具体的には、第２変速装置１０４は、第２浮体３１または支持架台３４に支持されている。第２変速歯車１０５は、支持架台３４に軸受（図示せず）によって回転可能に支持されている。第２変速歯車１０５の回転軸線は、第２ピニオン歯車１０３の回転軸線に平行になっていてもよい。

【0129】

第２装置発電機１１０は、第２発電機回転子１１１を含んでいる。第２装置発電機１１０は、第２変換回転子１０１の回転変位で第２発電機回転子１１１が回転して発電を行うように構成されている。第２装置発電機１１０は、第２構造体３０の第２浮体３１または支持架台３４に支持されている。第２発電機回転子１１１は、水平方向に沿う回転軸線を有している。

【0130】

上述した第２発電機回転子１１１および第２変換回転子１０１は、中間構造体４０から第２構造体３０への振動伝播を低減する慣性質量要素として機能する第２回転体１２０を構成している。本実施の形態においては、第２回転体１２０は、第２発電機回転子１１１、第２ピニオン歯車１０３および第２変速歯車１０５によって構成されている。

【0131】

図１２に示すように、第２中間ロッド４７に、第２弾性体６０が連結される弾性体連結部４８が固定されていてもよい。この場合、第２弾性体６０は、第２中間ロッド４７に固定された弾性体連結部４８と第２浮体３１とを連結している。このことにより、中間本体部４５を第２浮体３１から遠ざけることができ、第２ラックレール１０２の取り付けスペースを確保することができる。第１構造体２０のスポーク２２は、第１浮体２１の上部に連結するようにしてもよい。

【0132】

このように構成された本実施の形態による波力発電装置１０は、図１３に示す力学モデルに模式化される。図１３に示すｍ_ｓ２は、第２回転体１２０の慣性質量、すなわち第２変換回転子１０１および第２発電機回転子１１１による慣性質量である。本実施の形態においては、ｍ_１は、第２構造体３０の質量に、水の付加質量などの流体的効果と、第２装置発電機１１０の固定子の質量と、第２変速装置１０４の固定側の質量とが加えられた質量である。

【0133】

図１３に示す力学モデルの運動方程式は、以下の式（９）に示すように表される。

【数9】

ここで、ｃ_ｓ３は第１装置発電機８０の反抗トルクによる減衰係数であり、第１装置発電機８０の仕様によって決定される。ｃ_ｓ２は第２装置発電機１１０の反抗トルクによる減衰係数であり、第２装置発電機１１０の仕様によって決定される。

【0134】

慣性質量ｍ_Ｓ２は以下の式で表される。

【数10】

ここで、ε_２は第２変速装置１０４の増速率であり、Ｉ_ｓ２は第２発電機回転子１１１の慣性モーメントと第２変換回転子１０１の慣性モーメントの合成値である。ｒ_２は、第２変速歯車１０５のピッチ円半径である。このように、第２発電機回転子１１１および第２変換回転子１０１は、第２構造体３０と中間構造体４０との間の相対変位による振動を低減する慣性質量要素として機能する第２回転体１２０を構成している。すなわち、第２発電機回転子１１１の慣性モーメントと第２変換回転子１０１の慣性モーメントは、第２構造体３０と中間構造体４０との間の並進運動に対して質量の連成を生じる。

【0135】

慣性質量ｍ_Ｓ３は、上述した式（３）で表される。上述したように、第１発電機回転子８１および第１変換回転子７１は、第１構造体２０と中間構造体４０との間の相対変位による振動を低減する慣性質量要素として機能する第１回転体９０を構成している。すなわち、第１発電機回転子８１の慣性モーメントと第１変換回転子７１の慣性モーメントは、第１構造体２０と中間構造体４０との間の並進運動に対して質量の連成を生じる。

【0136】

第２装置発電機１１０の第２発電機回転子１１１による慣性質量ｍ_Ｓ２は、質量ｍ_１から質量ｍ_２に伝わる運動エネルギＴ_１を蓄積する。この運動エネルギＴ_１は、以下の式で表される。

【数11】

【0137】

第１装置発電機８０の第１発電機回転子８１による慣性質量ｍ_Ｓ３は、質量ｍ_２から質量ｍ_３に伝わる運動エネルギＴ_２を蓄積する。この運動エネルギＴ_２は、以下の式で表される。

【数12】

【0138】

第１装置発電機８０は、蓄積された運動エネルギＴ_２を電気エネルギに変換するとともに、運動エネルギＴ_２で質量ｍ_２と質量ｍ_３との間の振動伝達を遮断する。第２装置発電機１１０は、蓄積された運動エネルギＴ_１を電気エネルギに変換するとともに、運動エネルギＴ_１で質量ｍ_１と質量ｍ_２との間の振動伝達を遮断する。減衰を無視して式（９）を解くと、ｘ_３が最小となる遮断振動数ｆ_ｓ３は、以下のように表される。

【数13】

【0139】

ただし、α_３、β_３、γ_３は、以下の式で表される。

【数14】

【数15】

【数16】

【0140】

式（１３）～式（１６）に示すように、遮断振動数ｆ_ｓ３は、慣性質量ｍ_Ｓ２およびｍ_Ｓ３により調整することができる。慣性質量ｍ_Ｓ２は、式（１０）に示すように、第２変速装置１０４の増速率ε_２で調整することができる。慣性質量ｍ_Ｓ３は、式（３）に示すように、第１変速装置７４の増速率ε_１で調整することができる。

【0141】

本実施の形態による波力発電装置１０の振動数応答結果を図１４に示す。図１４に示すように、第１構造体２０の応答倍率（ｘ_３／Ｘ）が小さくなっている。このことにより、中間構造体４０から第１構造体２０への振動の伝播が、図７に示す応答倍率よりも、より一層抑制されていることがわかる。このため、第１構造体２０の振動がより一層抑制されて、第１構造体２０の変位がより一層小さくなる。

【0142】

このように本実施の形態によれば、第１構造体２０と中間構造体４０との間の相対変位が、第１変換機構７０の第１変換回転子７１の回転変位に変換される。第１変換回転子７１の回転変位で、第１発電機回転子８１が回転して第１装置発電機８０が発電を行う。第１発電機回転子８１および第１変換回転子７１は、中間構造体４０から第１構造体２０への振動伝播を低減する慣性質量要素として機能する第１回転体９０を構成している。このことにより、第１構造体２０の振動を抑制することができる。このため、第１構造体２０と中間構造体４０との間の相対変位を大きくすることができ、発電量を増大させることができる。また、上述したように、中間構造体４０から第１構造体２０への振動の伝播が抑制されるため、第１構造体２０の振動を抑制することができる。この結果、風力発電機本体４の制御に悪影響を及ぼす振動を抑制することができるとともに、波力による発電量を増大させることができる。

【0143】

また、本実施の形態によれば、第２構造体３０と中間構造体４０との間の相対変位が、第２変換機構１００の第２変換回転子１０１の回転変位に変換される。第２変換回転子１０１の回転変位で、第２発電機回転子１１１が回転して第２装置発電機１１０が発電を行う。第２発電機回転子１１１および第２変換回転子１０１は、中間構造体４０から第２構造体３０への振動伝播を低減する慣性質量要素として機能する第２回転体１２０を構成している。このことにより、第２構造体３０の振動を抑制することができる。このため、第２構造体３０と中間構造体４０との間の相対変位を大きくすることができ、発電量を増大させることができる。また、上述したように、中間構造体４０から第２構造体３０への振動の伝播が抑制されるため、第２構造体３０の振動を抑制することができる。この結果、風力発電機本体４の制御に悪影響を及ぼす振動を抑制することができるとともに、波力による発電量を増大させることができる。

【0144】

また、本実施の形態によれば、第２装置発電機１１０および第２変換回転子１０１は、第２構造体３０に支持されている。このことにより、波力発電装置１０の振動系において、第２構造体３０の質量を含む上述した質量ｍ_１を増大させることができる。このため、第２構造体３０の応答倍率を大きくすることができ、第２構造体３０と中間構造体４０との間の相対変位を大きくすることができる。この結果、波力による発電量を増大させることができる。

【0145】

また、本実施の形態によれば、第２構造体３０が、第２中心軸線Ｌ２に沿って延びる第２空洞部３２を含み、中間構造体４０が、第２中心軸線Ｌ２に沿って延びる第２中間ロッド４７を含んでいる。第２中間ロッド４７が、第２空洞部３２に挿入されている。第２変換機構１００の第２ラックレール１０２は、第２中間ロッド４７に設けられている。このことにより、第２構造体３０と中間構造体４０との間の並進相対変位を、回転変位に変換することができる。

【0146】

また、本実施の形態によれば、第２変換回転子１０１は、第２ラックレール１０２と第２ピニオン歯車１０３との間に介在された第２変速歯車１０５を含んでいる。このことにより、第２変速歯車１０５によって、第２ピニオン歯車１０３の回転速度を調整することができ、第２装置発電機１１０の発電量を調整することができる。また、第２変速歯車１０５の歯数を調整することにより、第２変速歯車１０５と第２ピニオン歯車１０３の回転数比である増速率を、加振振動数に応じて調整することができ、遮断振動数を調整することができる。このため、第１構造体２０の振動を効果的に抑制することができるとともに、波力による発電量を効果的に増大させることができる。

【0147】

また、上述した本実施の形態においては、第２ピニオン歯車１０３が、第２変速歯車１０５を介して第２ラックレール１０２に噛み合っている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、第２ピニオン歯車１０３と第２ラックレール１０２との間に第２変速歯車１０５は介在されていなくてもよい。この場合、第２ピニオン歯車１０３が第２ラックレール１０２に直接的に噛み合う。

【0148】

以上述べた実施の形態によれば、振動を抑制することができるとともに、波力による発電量を増大させることができる。

【0149】

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。これら新規な実施形態は、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、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、適宜組み合わせることも可能である。

【0150】

また、上述した実施形態においては、スパー型洋上風力発電システムを例にとって説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、セミサブマーシブル（semi-submersible）型、テトラ・スパー（TetraSpar）型、バージ型、テンションレグプラットフォーム（TLP）型などの他の浮体方式の洋上風力発電システムにも本実施の形態を適用可能である。この場合、第１浮体２１は、複数の浮体によって構成されていてもよい。

【0151】

また、上述した実施の形態においては、波力発電装置が、海水域に設置される洋上風力発電システムに適用される例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、波力発電装置は、淡水域または汽水域に設置される水上風力発電システムに適用されてもよい。この場合、第１浮体２１および第２浮体３１は、水上に浮かぶ。

【符号の説明】

【0152】

１：洋上風力発電システム、２：風力発電設備、１０：波力発電装置、２０：第１構造体、２３：第１ロッド、２５：第１空洞部、３０：第２構造体、３２：第２空洞部、４０：中間構造体、４６：第１中間ロッド、４７：第２中間ロッド、７０：第１変換機構、７１：第１変換回転子、７２：第１ラックレール、７３：第１ピニオン歯車、７４：第１変速装置、８０：第１装置発電機、８１：第１発電機回転子、１００：第２変換機構、１０１：第２変換回転子、１０２：第２ラックレール、１０３：第２ピニオン歯車、１０４：第２変速装置、１１０：第２装置発電機、１１１：第２発電機回転子、ｄ：軸方向、Ｌ２：第２中心軸線

【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】