JP2005240785A - 浮体式風力発電装置の設計方法及び浮体式風力発電装置の設計用プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】浮体式風力発電装置の設計において、風と波浪とによる繰り返し荷重の影響を精度よく見積もること。
【解決手段】浮体式風力発電装置を設計するにあたり、波浪条件と風条件との組合せを設定し（ステップＳ３０１）、ある前記組合せにおける、波浪荷重による波浪応力スペクトルを求める（ステップＳ３０３）とともに、風荷重による風応力スペクトルを求める（ステップＳ３０５）。次に、前記波浪応力スペクトルと前記風応力スペクトルとを加算して、合算応力スペクトルを求め（ステップＳ３０６）、この合算応力スペクトルから、応力振幅の確率密度分布を求める（ステップＳ３０７）。そして、応力振幅の確率密度分布から、すべての前記組合せにおける疲労被害度を求め（ステップＳ３１０）、前記組合せの発生頻度を考慮して、それぞれの前記組合せにおける疲労被害度の総和を求めて（ステップＳ３１１）、疲労被害度を評価する。
【選択図】 図１１

Description

本発明は、浮体式の風力発電装置に関し、さらに詳しくは、浮体式風力発電装置の疲労強度の設計に関する。

風により回転する風車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電は、石油、石炭その他の燃料を必要としない発電方法として近年注目を集めている。風力発電には、安定した風が必要になるため、陸上において風力発電装置を設置する場所は限られる。一方、湖上や海上においては、風力発電に適した安定した風が得られる場所が多いため、水上に風力発電装置を設置する試みが検討されている。

水上に風力発電装置を設置する場合、水深が浅い場合には水底に基礎を建設し、その基礎に風力発電装置を建設する。しかし、例えば沖合の海洋上のように、水深が深い場所では、風力発電装置を設置するための基礎建設が困難であり、建設費用も上昇するため、このような方式の風力発電装置は現実的ではない。このため、浮力を持った構造物上へ風力発電装置を設置する、浮体式風力発電装置が検討されており、例えば特許文献１や特許文献２には、浮体式風力発電装置の例が開示されている。

特開２００２−１８８５５７号公報 特開２００２−２８５９５１号公報

ところで、浮体式風力発電装置には、設置後、風による荷重と波浪による荷重とが繰り返して作用する。このため、浮体式風力発電装置の設計においては、前記繰り返し荷重を考慮して疲労強度を設計する必要がある。しかし、上記特許文献１、２には、この点については言及されていない。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、風と波浪とによる繰り返し荷重の影響を精度よく見積もって、疲労強度設計に反映させることできる浮体式風力発電装置の設計方法及び浮体式風力発電装置の設計プログラムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る浮体式風力発電装置の設計方法は、浮体式風力発電装置を設計するにあたり、複数の波浪条件の下で、波浪による応力の統計値から波浪による疲労被害度を求めるとともに、複数の風条件の下で、風による応力の時系列から風による疲労被害度を求める手順と、各波浪条件の発生頻度を考慮して、各波浪条件における波浪による疲労被害度をすべて加算した総合波浪疲労被害度を求めるとともに、各風条件の発生頻度を考慮して、各風条件における風による疲労被害度をすべて加算した総合風疲労被害度を求める手順と、前記総合波浪疲労被害度と、前記総合風疲労被害度とを合算した合算疲労被害度を求める手順と、を含むことを特徴とする。

この浮体式風力発電装置の設計方法は、波浪による応力の統計値から応力振幅の確率分布を求め、この応力振幅の確率密度分布から波浪による疲労被害度を求めるとともに、風による応力の時系列から風による疲労被害度を求める。そして、想定したすべての海象及び風条件における波浪による疲労被害度と風による疲労被害度とを合算した合算疲労被害度により浮体式風力発電装置の疲労被害度を求め、設計に反映させる。これにより、風と波浪とによる繰り返し荷重の影響を精度よく見積もって、疲労強度設計に反映させることできる。また、風による疲労被害度と波浪による疲労被害度とをそれぞれ別個に求めて合算するので、計算を容易にできる。

次の本発明に係る浮体式風力発電装置の設計方法は、浮体式風力発電装置を設計するにあたり、波浪条件と風条件との組合せを設定する手順と、ある前記組合せにおける、波浪荷重による波浪応力スペクトルを求めるとともに、風荷重による風応力スペクトルを求める手順と、前記波浪応力スペクトルと前記風応力スペクトルとを加算して、合算応力スペクトルを求める手順と、前記合算応力スペクトルから、応力振幅の確率密度分布を求める手順と、前記応力振幅の確率密度分布から、すべての前記組合せにおける疲労被害度を求める手順と、前記組合せの発生頻度を考慮して、それぞれの前記組合せにおける疲労被害度の総和を求める手順と、を含むことを特徴とする。

この浮体式風力発電装置の設計方法は、波浪荷重による応力スペクトルと、風荷重による応力スペクトルとを合算し、この応力スペクトルの合算値を用いて浮体式風力発電装置の各部における疲労被害度を予測する。これにより、風と波浪との相互作用も十分に考慮できるので、風と波浪とによる繰り返し荷重の影響をさらに精度よく見積もって、疲労強度設計に反映させることできる。

次の本発明に係る浮体式風力発電装置の設計方法は、浮体式風力発電装置を設計するにあたり、波浪による荷重に基づいて応力変化の時系列を求めるとともに、風による荷重に基づいて応力変化の時系列を求める手順と、前記波浪荷重による応力変化の時系列と前記風荷重による応力変化の時系列とを加算した合算応力時系列を求める手順と、前記合算応力時系から、応力振幅の確率密度分布を求める手順と、前記応力振幅の確率密度分布から疲労被害度を求める手順と、波浪条件と風条件との発生頻度に応じて各条件における疲労被害度の総和を求める手順と、を含むことを特徴とする。

この浮体式風力発電装置の設計方法は、波浪荷重による応力変化の時系列と、風荷重による応力変化の時系列とを合算し、この応力変化の時系列の合算値を用いて浮体式風力発電装置の各部における疲労被害度を予測する。これにより、風と波浪との相互作用を十分に考慮しつつ、風と波浪とによる繰り返し荷重の影響をさらに精度よく見積もって、疲労強度設計に反映させることできる。

次の本発明に係る浮体式風力発電装置の設計方法は、上記浮体式風力発電装置の設計方法において、さらに、前記浮体式風力発電装置が受ける風と、波浪による前記浮体式風力発電装置の揺動による動きとの速度差を算出することにより相対風速を求め、この相対風速用いて、風による荷重を求めることを特徴とする。

この浮体式風力発電装置の設計方法は、前記浮体式風力発電装置の設計方法と同様の構成を備えるので、前記浮体式風力発電装置の設計方法と同様の作用、効果を奏する。さらに、この浮体式風力発電装置の設計方法では、浮体式風力発電装置の受ける風の速度が、波浪による浮体式風力発電装置の揺動で相対的に変化する影響を考慮する。これにより、波浪と風との相互作用をさらに考慮できるので、より実際の稼動条件に近い状態における評価が可能となる。これにより、風と波浪とによる繰り返し荷重の影響をさらに精度よく見積もって、疲労強度設計に反映させることできる。

次の本発明に係る浮体式風力発電装置の設計方法は、浮体式風力発電装置を設計するにあたり、風による荷重を求める際には、前記浮体式風力発電装置が受ける風と、波浪による前記浮体式風力発電装置の揺動による動きとの速度差を算出することにより求めた相対風速を用いることを特徴とする。

この浮体式風力発電装置の設計方法では、浮体式風力発電装置の受ける風の速度が、波浪による浮体式風力発電装置の揺動で相対的に変化する影響を考慮する。これにより、波浪と風との相互作用をさらに考慮できるので、より実際の稼動条件に近い状態における評価が可能となる。これにより、風と波浪とによる繰り返し荷重の影響をさらに精度よく見Ｔもって、疲労強度設計に反映させることできる。

次の本発明に係る浮体式風力発電装置の設計用プログラムは、前記いずれか１つの浮体式風力発電装置の設計方法を、コンピュータに実行させることを特徴とする。これにより、前述の浮体式風力発電装置の設計方法が、コンピュータを利用して実現できる。

この発明に係る浮体式風力発電装置の設計方法及び浮体式風力発電装置の設計プログラムでは、風と波浪とによる繰り返し荷重の影響を精度よく見積もって、疲労強度設計に反映させることできるという効果を奏する。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明の具体的な実施例を説明する前に、浮体式風力発電装置の概略を説明する。図１は、浮体式風力発電装置の一例を示す全体図である。図１に示す浮体式風力発電装置１０ａは、浮体１の上に風力発電装置２を設置して構成される。風力発電装置２は、羽根３とハブ４とで構成される風車を備えており、発電機７をこの風車によって駆動して、風車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。発電機７は、タワー５の頂部に取り付けられており、風車の回転面が常に風上に向くように、発電機７の角度が調整できるようになっている。また、風車の羽根３のピッチは変化させることができるように構成されている。風力発電装置２のタワー５の付け根部は、浮体１上に固定されており、これにより、風力発電装置２は浮体１上に設置される。

この浮体式風力発電装置１０ａが備える浮体１は、３個の中空四角柱状構造体を組み合わせて構成されている。この浮体１をタワー５の長手方向と平行な方向から見た場合、浮体１の形状は三角形状になるように中空四角柱状構造体が組み合わされる。風力発電装置２のタワー５は、三角形状をした浮体１を構成する中空四角柱状構造体の交差部分に取り付けられている。浮体１は、浮体式風力発電装置１０ａの総重量よりも大きい浮力を発生するように設計されており、浮体式風力発電装置１０ａ全体を水面Ｗに浮かべることができる。

図２は、浮体式風力発電装置の他の例を示す全体図である。この浮体式風力発電装置１０ｂは、中空筒状の浮体１ａに風力発電装置２を取り付けて構成される。浮体１は、ケーブル６によって水底Ｂに設置したアンカー７と連結されている。これにより、水面Ｗに浮体式風力発電装置１０ｂを浮かべるとともに、海洋や湖の所定の水域に設置することができる。ここで説明した浮体式風力発電装置１０ａ、１０ｂは、浮体式風力発電装置の例であり、本発明が適用できる浮体式風力発電装置はこれらに限られるものではない。以下、浮体式風力発電装置１０ａ、１０ｂは、便宜上浮体式風力発電装置１０として説明する。次に、浮体式風力発電装置１０に作用する風と波浪との影響について説明する。

図３は、浮体式風力発電装置に作用する風と波浪との影響を示す説明図である。図４は、浮体式風力発電装置が備える風車の羽根の付け根に作用する荷重を説明する概念図である。図３に示すように、浮体式風力発電装置１０は、風（Ｗｉｎｄ）による荷重（以下風荷重という）を受ける。風は、時間によって風速が変化するため、風荷重は時間とともに変化する。また、浮体式風力発電装置１０は、波浪（Ｗａｖｅ）による荷重（以下波浪荷重という）も受ける。

波浪は、波向き、波高、波周期等が時間により変化するため、波浪荷重も時間とともに変化する。このように、浮体式風力発電装置１０は、波浪荷重と風荷重との変化により、これらを繰り返し受けることになる。例えば図４に示すように、浮体式風力発電装置１０が備える風車の羽根３の付け根３ｂは、波浪荷重Ｆａと風荷重Ｆｂとを繰返し受ける。本発明では、以下の実施例で説明するように、波浪荷重Ｆａと風荷重Ｆｂとを考慮して浮体式風力発電装置１０の各部の疲労強度設計をする。

実施例１に係る浮体式風力発電装置の設計方法は、波浪による荷重と、風による荷重とをそれぞれ別個に作用させて求めた浮体式風力発電装置の各部における疲労被害度をそれぞれ加算することにより、浮体式風力発電装置の疲労被害度を予測する点に特徴がある。図５は、実施例１に係る浮体式風力発電装置の設計装置を示す説明図である。浮体式風力発電装置の設計装置（以下設計装置）２０は、処理部２０ｐと記憶部２０ｍとを備えて構成される。処理部２０ｐと記憶部２０ｍとは、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）２９を介して接続してある。

処理部２０ｐは、波浪荷重処理部２２と、風荷重処理部２３と、ＤＦ（疲労被害度）算出部２４とを含んで構成される。これらが実施例１に係る浮体式風力発電装置の設計方法を実行する。波浪荷重処理部２２と、風荷重処理部２３と、ＤＦ算出部２４とは入出力ポート（Ｉ／Ｏ）２９に接続されており、相互にデータをやり取りできるように構成されている。また、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）２９にはデータサーバ３０が接続されている。そして、浮体式風力発電装置の設計方法を実行するにあたっては、処理部２０ｐがデータサーバ３０内に格納されている各種データベースＤＢ₁、ＤＢ₂等を利用できるように構成されている。

記憶部２０ｍには、実施例１に係る浮体式風力発電装置の設計方法の処理手順を含むコンピュータプログラムや、各種データベースＤＢ₁、ＤＢ₂等から取得した、浮体式風力発電装置の設計方法を実行する際に用いる材料物性等のデータが格納されている。ここで、記憶部２０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組合せにより構成することができる。また、処理部２０ｐは、メモリ及びＣＰＵにより構成することができる。

上記コンピュータプログラムは、処理部２０ｐが備える波浪荷重処理部２２や風荷重処理部２３等へすでに記録されているコンピュータプログラムとの組合せによって、実施例１に係る浮体式風力発電装置の設計方法の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この設計装置２０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、処理部２０ｐが備える波浪荷重処理部２２、風荷重処理部２３及びＤＦ算出部２４の機能を実現するものであってもよい。なお、この設計装置２０は、コンピュータプログラムを変更することによって、実施例１に係る浮体式風力発電装置の設計方法のみならず、実施例２移以降に係る浮体式風力発電装置の設計方法を実行することもできる。次に、この設計装置２０を用いて、実施例１に係る浮体式風力発電装置の設計方法を実現する手順を説明する。なお、次の説明では、適宜図３〜５を参照されたい。

図６は、実施例１に係る浮体式風力発電装置の設計方法の手順を示すフローチャートである。実施例１に係る浮体式風力発電装置の設計方法を実行するにあたっては、風荷重及び波浪荷重の疲労被害度を求める必要があるが、いずれを先に処理してもよいし、両者を同時に処理してもよく、さらには、ある処理単位毎に、波浪荷重によるものと風荷重によるものとを交互に処理してもよい（以下の実施例でも同様）。なお、以下の説明においては、便宜上、波浪荷重を処理してから風荷重を処理する。

波浪荷重を処理するにあたり、波浪荷重処理部２２は、波浪の平均周期ｆ、有義波高ｈ、波向きｄから、波浪荷重の統計値を求め（ステップＳ１０１）、これから浮体式風力発電装置１０の各部（例えばタワーの付け根部や羽根の付け根部）における応力の統計値を求める（ステップＳ１０２）。波浪荷重は、これらをパラメータとして変化するからである。ここで、統計値とは、短期海象における標準偏差である。

ある海象における波浪荷重や浮体式風力発電装置１０の各部における応力の極値の分布は、レーレー分布に従う。このため、波浪の平均周期ｆ、有義波高ｈ、波向きｄが分かれば、その波浪の条件における応力の統計値を求めることができる。そして、波浪の平均周期ｆ、有義波高ｈ、波向きｄの発生頻度を考慮すれば、波浪による浮体式風力発電装置１０の疲労被害度を求めることができる。ここで、波浪の平均周期ｆ、有義波高ｈ、波向きｄの条件を波浪条件という。

図７−１は、ある波浪条件での浮体式風力発電装置のある部分における波浪荷重による応力を表す説明図である。図７−２は、ある波浪条件での浮体式風力発電装置のある部分における波浪荷重による応力の標準偏差を表す説明図である。波浪荷重は、平均周期ｆ、有義波高ｈ、波向きｄをパラメータとするが、説明を簡単にするため、平均周期ｆと有義波高ｈとをパラメータとして説明する。しかし、厳密には、平均周期ｆと、有義波高ｈと、波向きｄとをパラメータとして、それぞれの組合せについて応力Ｓａやその標準偏差σａを求める。

前記ステップＳ１０１、Ｓ１０２において、波浪荷重処理部２２は、ある平均周期ｆと有義波高ｈとの組合せ（ある波浪条件）における波浪荷重から、浮体式風力発電装置１０のある部分における応力Ｓａ及びその標準偏差σａを求める。この例では、有義波高ｈがｋ通りで、平均周期ｆがｌ通りの組合せすべてについて求める。有義波高ｈ_kで平均周期ｆ_lであるときの応力Ｓａ_klは、例えばその条件において有限要素法等の構造解析シミュレーションにより求めることができる。

図７−３は、ある波浪条件の確率密度を表す説明図である。図７−３は、ある有義波高で、ある平均周期の波浪が発生する頻度を表している。例えば、有義波高ｈ₁で平均周期ｆ₂の波浪が発生する確率密度はＰａ₁₂であり、有義波高ｈ_kで平均周期ｆ_lの波浪が発生する確率密度はＰ_klである。すなわち、確率密度は、ある条件の波浪の発生頻度を表している。これは、ある地域における波浪条件を所定期間観測することにより、予め知ることができる。図７−３の表に示す、すべての波浪条件における確率密度Ｐａの総和ΣＰ_kl、すなわち、Ｐ₁₁からＰ_klまでをすべて加算すると、１になる。次に、波浪荷重処理部２２は、浮体式風力発電装置１０のある部分における応力Ｓａ及びその標準偏差σａから、前記部分における疲労被害度を求める（ステップＳ１０３）。この手順について説明する。

図８−１は、ある波浪条件での浮体式風力発電装置のある部分における波浪荷重による応力変動を表す説明図である。図８−１では、有義波高ｈ₁で平均周期ｆ₁での波浪条件における応力振幅を示している。波浪は発生周期があるため、浮体式風力発電装置１０のある部分（例えば羽根の付け根部分）における波浪荷重による応力Ｓａ₁₁は、図８−１に示すように時間ｔの経過とともに変動する。すなわち、浮体式風力発電装置１０のある部分は、波浪により繰り返し応力を受けることになる。このとき、前記応力Ｓａ₁₁の平均値はＳａｍ₁₁で、標準偏差はσａ₁₁で、応力振幅はΔＳａ₁₁で表される。なお、標準偏差σａ₁₁は、図７−２に示す標準偏差σａ₁₁と同じものである。また、前記応力Ｓａ₁₁は時間とともに変化するので、応力振幅ΔＳａ₁₁も時間とともに変化して、複数の値を持つ。そして、応力振幅をΔＳａ₁₁は極値同士の差で表され、標準偏差と相関を持つ。

前記応力Ｓａ₁₁の平均値Ｓａｍ₁₁からの標準偏差はσａ₁₁が分かれば、前記応力Ｓａ₁₁の応力振幅ΔＳａ₁₁の確率密度ρａを求めることができる。図８−２は、ある条件の波浪による応力振幅と、その確率密度との関係を示す説明図である。例えば、前記標準偏差がσａ₁₁である場合、応力Ｓａ₁₁の応力振幅ΔＳａ₁₁と確率密度ρａとの関係は、図８−２に示すようになる。なお、確率密度ρａを、応力振幅が０〜無限大まで積分すると、その値は１になる。

図８−２に示すように、有義波高ｈ₁で平均周期ｆ₁の波浪条件において、ある応力振幅をΔｓａｉとすると、その応力振幅Δｓａの確率密度はρａ（Δｓａｉ）となる。ここから、浮体式風力発電装置１０のある部分において、ある波浪条件における応力振幅Δｓａｉの繰り返し数ｎ（Δｓａｉ）は、ρａ（Δｓａｉ）×Ｎで表すことができる。ここでＮは、すべての波浪条件で、浮体式風力発電装置１０のある部分が、その一生の間に受ける繰返し応力の総繰り返し数である。例えば、Ｎ＝１×１０⁸回程度である。

図８−３は、ある材料の応力−繰り返し数線図である。一般に材料は、ある大きさの応力振幅を繰り返し与え続けた場合、ある繰り返し数で破壊する。応力振幅と、破壊する繰り返し数との関係を表したものが応力−繰り返し数線である。応力−繰り返し数線図は、応力振幅を縦軸に、繰り返し数を横軸にとって描かれており、繰り返し数は対数表示される。

例えば、図８−２に示すΔｓａｉの応力振幅を与えた場合、破壊繰り返し数ｍ（Δｓａｉ）でこの材料は破断する。有義波高ｈ₁で平均周期ｆ₁の波浪条件において応力振幅Δｓａｉのときの波浪による疲労被害度ΔＤＦａは、浮体式風力発電装置１０のある部分に着目した場合、その部分に前記波浪条件における応力振幅Δｓａｉの繰り返し数ｎ（Δｓａｉ）を、その部分を構成する材料が前記応力振幅Δｓａｉで破壊する破壊繰り返し数ｍ（Δｓａｉ）で除した値である。すなわち、ΔＤＦａｉ＝ｎ（Δｓａｉ）／ｍ（Δｓａｉ）となる。

このΔＤＦａｉは、応力振幅Δｓａｉが発生する場合についてのものである。図８−２に示すように、有義波高ｈ₁で平均周期ｆ₁の波浪条件においては、応力振幅は、発生頻度を変えながら０〜ΔＳａ_11maxまで変化する。したがって、有義波高ｈ₁で平均周期ｆ₁の波浪条件における応力振幅Δｓａｉを０〜ΔＳａ_11maxまで変化させて、それぞれの応力振幅Δｓａｉに対して繰り返し数ｎ（Δｓａｉ）を求め、それぞれの繰り返し数に対してΔＤＦａｉを求める。このΔＤＦａｉを０〜ΔＳａ_11maxまで加算したもの［Σ（ΔＤＦａｉ）］が、有義波高ｈ₁で平均周期ｆ₁の波浪条件における疲労被害度ＤＦａ₁₁となる。そして、すべての波浪条件（有義波高ｈと平均周期ｆとの組合せ）における、波浪による疲労被害度ＤＦａ₁₁〜ＤＦａ_klを求めるまで上記手順を繰り返す（ステップＳ１０４；Ｎｏ）。

すべての条件で波浪による疲労被害度ＤＦａ₁₁〜ＤＦａ_klを求めたら（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）、波浪荷重処理部２２は、波浪条件の発生頻度を考慮して、波浪による疲労被害度ＤＦａを求める。図８−４は、各波浪条件に対する疲労被害度を示す説明図である。図８−４に示す表には、有義波高ｈ₁〜ｈ_kで、平均周期ｆ₁〜ｆ_lのすべての組合せに対する波浪による疲労被害度ＤＦａ₁₁〜ＤＦａ_klが求められている。

すでに説明したように、ある有義波高ｈで、ある平均周期ｆの波浪が発生する頻度は、波浪条件毎に異なる（図７−３）。このため、波浪による疲労被害度ＤＦａの発生頻度も波浪条件によって異なる。したがって、波浪による疲労被害度（総合波浪疲労被害度）ＤＦａを求めるためには、波浪条件の発生頻度を考慮する必要がある（ステップＳ１０５）。より具体的には、有義波高ｈ_kで、ある平均周期ｆ_lの波浪が発生する確率密度Ｐａ_klと、有義波高ｈ_kで、ある平均周期ｆ_lの波浪による疲労被害度ＤＦａ_klとを乗ずる。これを全波浪条件について求めることにより、波浪条件の発生頻度を考慮した、それぞれの波浪条件における補正疲労被害度ＣＤＦａ_klを求めることができる。波浪による疲労被害度ＤＦａは、全波浪条件における補正疲労被害度ＣＤＦａ_klの総和なので、ＤＦａ＝Σ（ＣＤＦａ_kl）＝Σ（Ｐａ_kl×ＤＦａ_kl）で求めることができる。波浪荷重処理部２２は、全波浪条件に対して上記補正疲労被害度ＣＤＦａ_klを求め、波浪による疲労被害度ＤＦａを求める（ステップＳ１０６）。

ここで、波浪による疲労被害度ＤＦａは、浮体式風力発電装置１０のある部分Ａの一生に着目した場合、ある波浪条件における応力振幅ΔＳｘの繰り返し数Ｎを、前記部分Ａを構成する材料が前記応力振幅ΔＳｘで破壊する破壊繰り返し数Ｍで除した値Ｎ／Ｍである。したがって、波浪による疲労被害度ＤＦａが１以上である場合、ある部分Ａは疲労破壊することになる。浮体式風力発電装置１０において、このような部分Ａを浮体式風力発電装置１０が持つ以上、浮体式風力発電装置１０の設計としては不適格と判断する。一方、波浪による疲労被害度ＤＦａが１よりも小さい場合、浮体式風力発電装置１０の一生において、ある部分Ａは疲労破壊することはない。浮体式風力発電装置１０の構成部がすべてこのような部分Ａであれば、浮体式風力発電装置１０の一生において安全に運転できる。実際には、浮体式風力発電装置１０を構成する部分の重要度やメンテナンスの頻度その他の条件を勘案して、波浪による疲労被害度ＤＦａを設計に反映させる。

次に、風荷重について説明する。風荷重を処理するにあたり、風荷重処理部２３は風荷重の時系列を得る（ステップＳ１０７）。これは、例えば、ある地域における風の観測データに基づき、時間領域で数値シミュレーションすることにより求めることができる。次に、風荷重処理部２３は、求めた荷重の時系列に対する浮体式風力発電装置１０を構成する部分（例えば羽根やタワー等）の応答を求める。これは、荷重の時系列に基づいて、時間領域で数値シミュレーションすることにより求めることができる。これにより、浮体式風力発電装置１０を構成する各部分に作用する応力振幅の確率密度を求める（ステップＳ１０８）。

このようにして求めた応力の時系列から、平均応力及び平均応力に対する応力振幅の標準偏差を求める。なお、風荷重やこれに基づく応力の時系列は、複数の平均風速の風条件に対して求め、風による疲労被害度（総合風疲労被害度）ＤＦｂを求める際に、平均風速の発生頻度を考慮する。次に、風荷重処理部２３は、風荷重に起因する応力及びその統計値に基づいて、風による疲労被害度ＤＦｂを求める。この手順を説明する。

図９−１は、平均風速Ｖと浮体式風力発電装置のある部分における風荷重に起因する応力Ｓｂとの関係を表す説明図である。図９−２は、平均風速と浮体式風力発電装置のある部分における風荷重に起因する応力の標準偏差σｂとの関係を表す説明図である。図９−３は、ある平均風速の発生頻度Ｐｂを表す説明図である。風による疲労被害度ＤＦｂは、波浪による疲労被害度ＤＦａを求める手順と同様の手順で求めることができる。

図１０−１は、風による応力の時間に対する変化を示す説明図である。風は強さが変化するため、浮体式風力発電装置１０のある部分における風荷重による応力Ｓｂ₁は、図１０−１に示すように時間ｔの経過とともに変動する。すなわち、浮体式風力発電装置１０のある部分は、風により繰り返し応力を受けることになる。このとき、前記応力Ｓｂ₁の平均値はＳｂｍ₁で、標準偏差はσｂ₁で、応力振幅はΔＳｂ₁で表される。なお、標準偏差σｂ₁は、図９−２に示す標準偏差σｂ₁と同じものである。

図１０−２は、浮体式風力発電装置に作用する波浪による相対風速の変化を示す説明図である。浮体式風力発電装置１０は、風による荷重を受けるとともに、波浪により揺動する。そして、波浪による揺動により、浮体式風力発電装置１０が受ける相対風速が変動する。図１０−２に示す例は、波浪による揺動により、浮体式風力発電装置１０が風上方向に揺動している状態を示している。このときには、浮体式風力発電装置１０がｖａの速度で風上方向に動いている。風速ｖｂに対して、浮体式風力発電装置１０がｖａの速度で風下方向に動いている場合、両者の速度差は（ｖｂ＋ｖａ）となる。この速度差（ｖｂ＋ｖａ）を相対風速ｖｒとする。そして、相対風速ｖｒを用いて、風荷重による応力Ｓｂの時系列、及びその標準偏差σｂを求めてもよい。このようにすれば、波浪による浮体式風力発電装置１０の揺動を考慮できるので、風と波浪との相互作用をより正確に評価することができる。なお、風荷重による応力Ｓｂの時系列及びその標準偏差σｂを求める際に相対風速ｖｒを用いることは任意に選択することができる（以下の実施例でも同様）。

応力Ｓｂ₁の時系列を分析（例えばレインフロー分析）することにより、応力Ｓｂ₁の応力振幅ΔＳｂ₁の確率密度ρｂを求めることができる。図１０−３は、ある条件の風による応力振幅と、その発生頻度との関係を示す説明図である。なお、確率密度ρｂを、応力振幅が０〜無限大まで積分すると、その値は１になる。

図１０−３に示すように、平均風速Ｖ₁の風条件において、ある応力振幅をΔｓｂｉとすると、その応力振幅Δｓｂｉの発生頻度は、ρｂ（Δｓｂｉ）となる。ここから、浮体式風力発電装置１０のある部分において、ある風条件における応力振幅Δｓｂｉに繰り返し数ｎ（Δｓｂｉ）は、ρｂ（Δｓｂｉ）×Ｎで表すことができる。ここでＮは、すべての風条件により、浮体式風力発電装置１０のある部分が、その一生の間に受ける繰返し応力の総繰り返し数である。例えば、Ｎ＝２×１０⁸回程度である。

次に、図８−３に示す応力振幅−繰り返し数線図に、図１０−３に示すΔｓｂｉの応力振幅を与え、破壊繰り返し数ｍ（Δｓｂｉ）を求める。そして、平均風速Ｖ₁の風条件において応力振幅Δｓｂｉのときの波による疲労被害度ΔＤＦｂは、浮体式風力発電装置１０のある部分に着目した場合、その部分に前記波条件における応力振幅Δｓｂの繰り返し数ｎ（Δｓｂｉ）を、その部分を構成する材料が前記応力振幅Δｓｂで破壊する破壊繰り返し数ｍ（Δｓｂｉ）で除した値である。すなわち、ΔＤＦｂｉ＝ｎ（Δｓｂｉ）／ｍ（Δｓｂｉ）となる。

このΔＤＦｂｉは、応力振幅Δｓｂｉが発生する場合についてのものである。図１０−３に示すように、平均風速Ｖ₁の風条件において、応力振幅は、発生頻度を変えながら０〜ΔＳｂ_1maxまで変化する。したがって、平均風速Ｖ₁の風条件における応力振幅を０〜ΔＳｂ_1maxまで変化させて、それぞれの応力振幅に対して繰り返し数ｎ（Δｓｂｉ）を求め、それぞれの繰り返し数に対してΔＤＦｂｉを求める。このΔＤＦｂｉを０〜ΔＳｂ_1maxまで加算したもの［Σ（ΔＤＦｂｉ）］が、平均風速Ｖ₁の風条件における疲労被害度ＤＦｂ₁となる。すべての波条件（すべての平均風速Ｖ）における、風による疲労被害度ＤＦｂ₁〜ＤＦｂ_jを求めるまで上記手順を繰り返す（ステップＳ１１０；Ｎｏ）。

すべての条件で、風による疲労被害度ＤＦｂ₁〜ＤＦｂ_jを求めたら（ステップＳ１１０；Ｙｅｓ）、風荷重処理部２３は、風条件の発生頻度を考慮して、風による疲労被害度（総合風疲労被害度）ＤＦｂを求める。図１０−４は、各風条件に対する疲労被害度を示す説明図である。図１０−４に示す表には、平均風速Ｖに対する風による疲労被害度ＤＦｂ₁〜ＤＦｂ_jが求められている。

すでに説明したように、ある平均風速Ｖの風が発生する頻度は、風条件毎に異なる（図９−３）。したがって、風による疲労被害度ＤＦｂを求めるためには、風条件の発生頻度を考慮する必要がある（ステップＳ１１１）。より具体的には、ある平均風速Ｖ_jの風が発生する確率密度Ｐｂ_jと、ある平均風速Ｖ_jの風による疲労被害度ＤＦｂ_jとを乗ずる。これをすべての風条件について求めることにより、風条件の発生頻度を考慮した、それぞれの風条件における補正疲労被害度ＣＤＦｂ_jを求めることができる。風による疲労被害度（総合風疲労被害度）ＤＦｂは、すべての風条件における補正疲労被害度ＣＤＦｂ_jの総和なので、ＤＦｂ＝Σ（ＣＤＦｂ_j）＝Σ（Ｐｂ_j×ＤＦｂ_j）で求めることができる。風荷重処理部２３は、すべての風条件に対して上記補正疲労被害度ＣＤＦｂ_jを求め、風による疲労被害度ＤＦｂを求める（ステップＳ１１２）。

波浪による疲労被害度（総合波浪疲労被害度）ＤＦａと、風による疲労被害度（総合風疲労被害度）ＤＦｂとが求まったら、ＤＦ算出部２４は、浮体式風力発電装置１０の疲労被害度ＤＦを求める。この疲労被害度ＤＦは、浮体式風力発電装置１０のある部分が、その一生の間に波浪及び風によって受ける応力振幅の総和によるものである。実施例１においては、波浪による疲労被害度（総合波浪疲労被害度）ＤＦａと風による疲労被害度（総合風疲労被害度）ＤＦｂとの合算疲労被害度（ＤＦａ＋ＤＦｂ）を、浮体式風力発電装置１０のある部分の疲労被害度ＤＦとする（ステップＳ１１３）。この疲労被害度ＤＦを浮体式風力発電装置１０の各部について求め、ＤＦが１以上であるか１未満であるかによって、浮体式風力発電装置１０の各部における疲労強度を推定する。実際には、浮体式風力発電装置１０を構成する部分の重要度やメンテナンスの頻度その他の条件を勘案して、疲労被害度ＤＦを設計に反映させる。

以上、実施例１に係る浮体式風力発電装置の設計方法によれば、風と波浪とによる繰り返し荷重の影響を精度よく見積もって、疲労強度設計に反映させることできる。また、風による疲労被害度と波浪による疲労被害度とをそれぞれ別個に求めて合算するので、計算を容易にできる。さらに、波浪による疲労被害度は、応力の統計値を用いて統計手法により求めるので、計算量を低減することができる。これにより、ハードウェア資源を有効に利用することができる。なお、実施例１の構成は以下の実施例においても適宜適用できる。また、実施例１と同様の構成を備える以上、実施例１の奏する作用、効果と同様の作用、効果を奏する。

実施例２に係る浮体式風力発電装置の設計方法は、波浪荷重による応力のスペクトルと、風荷重による応力のスペクトルとを合算し、この合算値から応力振幅の確率密度分布を求め、これを用いて浮体式風力発電装置の各部における疲労被害度を予測する点に特徴がある。実施例３において、実施例１、２と共通する部分については説明を省略するとともに、同様の構成については同一の符号を付す。次に、実施例２に係る浮体式風力発電装置の設計方法の手順について説明する。次の説明においては、適宜図１〜図３、図５を参照されたい。

図１１は、実施例２に係る浮体式風力発電装置の設計方法の手順を示すフローチャートである。実施例２に係る浮体式風力発電装置の設計方法を実行するにあたり、まず、波浪と風との組合せ条件を設定する（ステップＳ３０１）。説明を簡単にするため、実施例２おいて、波浪条件と風条件との組合せについては、有義波高ｈと平均風速Ｖとの組合せで組合せ条件を設定する。なお、波浪荷重は、平均周期ｆ、有義波高ｈ、波向きｄをパラメータとする。したがって、実際には平均周期ｆと、有義波高ｈと、波向きｄとを波浪荷重のパラメータとし、これらと平均風速Ｖとの組合せについて、波浪による応力Ｓａ、風による応力Ｓｂやそれらの標準偏差σａ、σｂを求める。

波浪荷重処理部２２は、有義波高ｈ₁〜ｈ_kまでの波浪荷重の統計値を求め（ステップＳ３０２）、これから浮体式風力発電装置１０の各部（例えばタワーの付け根部や羽根の付け根部）における応力の時間に対する変化を求める。図１２−１は、波浪荷重による応力の時間に対する変化の一例を示す説明図である。波浪荷重処理部２２は、図１２−１に示すような応力の時間に対する変化から、波浪荷重による応力スペクトルを求める（ステップＳ３０３）。

また、風荷重処理部２３は、平均風速Ｖ₁〜Ｖ_kまでの風荷重の時系列を求め（ステップＳ３０４）、これから浮体式風力発電装置１０の各部（例えばタワーの付け根部や羽根の付け根部）における応力の時系列を求める。図１２−２は、風荷重による応力の時系列の一例を示す説明図である。風荷重処理部２３は、図１２−２に示すような応力の時系列から、風荷重による応力スペクトルを求める（ステップＳ３０５）。

図１３−１は、応力スペクトルを示す説明図である。図１３−２は、応力スペクトルの合算値から求めた確率密度分布と応力振幅との関係を示す説明図である。図１３−１は、有義波高ｈ₁かつ平均風速Ｖ₁の条件における、振動数ωに対する応力スペクトルを示している。図１３−１中の一点鎖線は、ステップＳ３０３で求めた前記条件における波浪荷重の応力スペクトルＳａｓ₁₁である。図１３−１中の破線は、ステップＳ３０５で求めた風荷重の応力スペクトルＳｂｓ₁₁である。有義波高ｈ₁かつ平均風速Ｖ₁の条件における疲労被害度を求めるにあたって、実施例３においては波浪荷重の応力スペクトルＳａｓ₁₁と風荷重の応力スペクトルＳｂｓ₁₁とを加算した、合算応力スペクトルＳｓ₁₁を用いる。このため、ＤＦ算出部２４は、波浪荷重の応力スペクトルＳａｓ₁₁と風荷重の応力スペクトルＳｂｓ₁₁とを加算する（ステップＳ３０６）。すなわち、合算応力スペクトルＳｓ₁₁＝Ｓａｓ₁₁＋Ｓｂｓ₁₁となる。

次に、ＤＥ算出部２４は、合算応力スペクトルＳｓ₁₁を用い、統計理論に従って応力振幅ΔＳ₁₁の確率密度ρ₁₁の分布を求める（ステップＳ３０７）。例えば、合算応力スペクトルＳｓ₁₁が大きなピークを持つとみなせる場合、この合算応力スペクトルＳｓ₁₁の応力振幅の確率密度分布はレーレー分布に従う。このような規則に基づいて、応力振幅の確率密度分布を求める。

応力振幅の確率密度分布を求めたら（ステップＳ３０７）、ＤＥ算出部２４は、この確率密度分布を用いて、ある波浪条件（例えば有義波高ｈ₁）とある風条件（例えば平均風速Ｖ₁）との組合せにおける、応力振幅Δｓｉの繰り返し数ｎ（Δｓｉ）を求める。この繰り返し数ｎ（Δｓｉ）は、確率密度ρ（Δｓ）×Ｗｍで求めることができる。ここで、Ｗｍは平均振動数であり、合算応力スペクトルＳｓ₁₁における振動数ωの平均値である。このように、実施例３で求めた応力振幅Δｓの繰り返し数ｎ（Δｓｉ）は、単位時間あたりにおける繰り返し数なので、定数ｑを乗じることによって、浮体式風力発電装置１０の一生における繰り返し数へ容易に変換できる。変換後の繰り返し数ｎ_q（Δｓ）は、ρ（Δｓｉ）×Ｗｍ×ｑとなる。

その後、ＤＥ算出部２４は、有義波高ｈ₁で平均風速Ｖ₁の組合せにおける応力振幅Δｓｉを、材料の応力振幅−繰り返し数線図（例えば図８−３に示すもの）に与える。そして、応力振幅Δｓｉでこの材料が破断する破壊繰り返し数ｍ（Δｓｉ）を求める。この破壊繰り返し数ｍ（Δｓｉ）と、変換後の繰り返し数ｎ_q（Δｓｉ）とにより、有義波高ｈ₁で平均風速Ｖ₁の組合せにおいて、応力振幅Δｓｉのときの疲労被害度ΔＤＦｉ［＝ｎ_q（Δｓｉ）／ｍ（Δｓｉ）］を求める（ステップＳ３０８）。

このΔＤＦｉは、応力振幅Δｓｉが発生する場合についてのものである。図１３−２に示すように、有義波高ｈ₁で平均風速Ｖ₁の条件においては、応力振幅Δｓｉは、確率密度ρ（Δｓ）を変えながら変化する。したがって、有義波高ｈ₁で平均風速Ｖ₁の組合せにおいて発生するすべての応力振幅に対して繰り返し数ｎ（Δｓｉ）を求め、それぞれの繰り返し数に対してΔＤＦｉを求める。このΔＤＦｉをすべて加算したもの［Σ（ΔＤＦｉ）］が、有義波高ｈ₁で平均風速Ｖ₁の組合せにおける疲労被害度ＤＦ₁₁となる（ステップＳ３０９）。上記ステップＳ３０１〜ステップＳ３０９を繰り返して、すべての波浪条件及び風条件（実施例３においては有義波高ｈと平均風速Ｖとの組合せ）における疲労被害度ＤＦ₁₁〜ＤＦ_klを求める（ステップＳ３１０）。

すべての波浪及び風条件における疲労被害度ＤＦ₁₁〜ＤＦ_klを求めたら（ステップＳ３１０）、ＤＦ算出部２４は、波浪条件と風条件との組合せの発生頻度を考慮して、疲労被害度ＤＦを求める。この手法は、実施例１で説明したとおりであり、有義波高ｈ_kで平均風速Ｖ_lの条件が発生する確率密度Ｐ_klと、当該条件における疲労被害度ＤＦ_klとを乗じ、これを、波浪条件と風条件とのすべての組合せについて求める。これにより、波浪及び波条件の発生頻度を考慮した、それぞれの波浪及び波条件における補正疲労被害度ＣＤＦ_klを求めることができる。浮体式風力発電装置１０のある部分における疲労被害度ＤＦは、すべての波浪条件及びすべての波条件における補正疲労被害度ＣＤＦ_klの総和なので、ＤＦ＝Σ（ＣＤＦ_kl）＝Σ（Ｐ_kl×ＤＦ_kl）
で求めることができる。ＤＦ算出部２４は、すべての波浪条件及びすべての波条件に対して上記補正疲労被害度ＣＤＦ_klを求め、浮体式風力発電装置１０のある部分における疲労被害度ＤＦを求める。これにより、波浪及び波条件の発生頻度を考慮して、浮体式風力発電装置１０のある部分における疲労被害度ＤＦを求めることができる（ステップＳ３１１）。

以上、実施例２に係る浮体式風力発電装置では、風荷重による応力スペクトルと、波浪荷重による応力スペクトルとを合算し、この応力スペクトルの合算値を用いて浮体式風力発電装置の各部における疲労被害度を予測する。これにより、風と波浪との相互作用をより十分に考慮できるので、風と波浪とによる繰り返し荷重の影響をさらに精度よく見積もって、疲労強度設計に反映させることできる。また、風条件と海条件との組合せを予め設定するので、計算量を低減しつつ、風と波浪とによる繰り返し荷重の影響をさらに精度よく見積もることができる。さらに、波浪による疲労被害度は、応力の統計値を用いて統計手法により求めるので、計算量を低減することができる。これにより、ハードウェア資源を有効に利用することができる。なお、実施例２の構成は以下の実施例においても適宜適用できる。また、実施例３と同様の構成を備える以上、実施例２の奏する作用、効果と同様の作用、効果を奏する。

実施例３に係る浮体式風力発電装置の設計方法は、波浪荷重による応力変化の時系列と、風荷重による応力変化の時系列とを合算し、この応力変化合算値を用いて浮体式風力発電装置の各部における疲労被害度を予測する点に特徴がある。実施例３において、実施例１〜３と共通する部分については説明を省略するとともに、同様の構成については同一の符号を付す。次に、実施例３に係る浮体式風力発電装置の設計方法の手順について説明する。次の説明においては、適宜図１〜図３、図５を参照されたい。

図１４は、実施例３に係る浮体式風力発電装置の設計方法の手順を示すフローチャートである。図１５−１は、波浪による応力の時間変化を示す説明図である。図１５−２は、風による応力の時間変化を示す説明図である。図１５−３は、波浪による応力の時間変化と風による応力の時間変化とを合算した応力の時系列を示す説明図である。まず、波浪荷重処理部２２は、波浪荷重の時系列を求め（ステップＳ４０１）、これから波浪による各部の応力の時系列を求める（ステップＳ４０２）。この応力変化は、例えば、図１５−１に示すようになり、平均値がＳａｍ、標準偏差がσａとなる。

次に、風荷重処理部２３は、風荷重の時系列を求め（ステップＳ４０３）、これから風による各部の応力の時系列を求める（ステップＳ４０４）。この応力変化は、例えば、図１５−２に示すようになり、平均値がＳｂｍ、標準偏差がσｂとなる。ＤＦ算出部２４は、波浪による応力変化と風による応力変化とを合算した、合算応力時系列（図１５−３参照）を求める（ステップＳ４０５）。この合算応力時系列は、平均値がＳｍで、標準偏差がσである。ＤＦ算出部２４は、この合算応力時系列を用いて、ある条件における疲労被害度ＤＦを求める（ステップＳ４０６）。これは、例えば、上記実施例１で説明した手法を適用し、合算応力時系列を分析（例えばレインフロー分析）して、応力振幅ΔＳの確率密度ρを求める。これにより、設定したある波浪条件及び風条件（例えば、ある波浪とある風との組合せ）の疲労被害度ＤＦを求めることができる。

設定したすべての条件で疲労被害度ＤＦを求めたら（ステップＳ４０７）、波浪及び風条件の発生頻度を考慮して、疲労被害度ＤＦを処理し、評価する（ステップＳ４０８）。この発生頻度の考慮も、実施例１〜３で説明した方法を適用できる。

以上、実施例３に係る浮体式風力発電装置では、風荷重による応力変化の時系列と、波浪荷重による応力変化の時系列とを合算し、この応力変化の時系列の合算値を用いて浮体式風力発電装置の各部における疲労被害度を予測する。これにより、風と波浪との相互作用を十分に考慮しつつ、風と波浪とによる繰り返し荷重の影響をさらに精度よく評価して、疲労強度設計に反映させることできる。なお、実施例３と同様の構成を備える以上、実施例３奏する作用、効果と同様の作用、効果を奏する。

ここで、上記実施例１〜３に係る浮体式風力発電装置の設計方法は、予め用意されたプログラムをパーソナル・コンピュータやワークステーションなどのコンピュータシステムで実行することによって実現することができる。このプログラムは、インターネットなどのネットワークを介して配布することができる。また、このプログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤなどのコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行することもできる。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器などのハードウェアを含むものとする。

また、「コンピュータで読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭなどの可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスクなどの記録装置のことをいう。さらに、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネットなどのネットワークや電話回線などの通信回線を解してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものを含むものとする。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであって良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組合せで実現できるものであってもよい。

以上のように、本発明に係る浮体式風力発電装置の設計方法及び浮体式風力発電装置の設計プログラムは、疲労設計に有用であり、特に、風と波浪とが同時に作用する環境下において両者の影響を精度よく見積もることに適している。

浮体式風力発電装置の一例を示す全体図である。 浮体式風力発電装置の他の例を示す全体図である。 浮体式風力発電装置に作用する風と波浪との影響を示す説明図である。 浮体式風力発電装置が備える風車の羽根の付け根に作用する荷重を説明する概念図である。 実施例１に係る浮体式風力発電装置の設計装置を示す説明図である。 実施例１に係る浮体式風力発電装置の設計方法の手順を示すフローチャートである。 ある波浪条件での浮体式風力発電装置のある部分における波浪荷重による応力を表す説明図である。 ある波浪条件での浮体式風力発電装置のある部分における波浪荷重による応力の標準偏差を表す説明図である。 ある波浪条件の確率密度を表す説明図である。 ある波浪条件での浮体式風力発電装置のある部分における波浪荷重による応力変動を表す説明図である。 ある条件の波浪による応力振幅と、その確率密度との関係を示す説明図である。 ある材料の応力−繰り返し数線図である。 各波浪条件に対する疲労被害度を示す説明図である。 平均風速Ｖと浮体式風力発電装置のある部分における風荷重に起因する応力Ｓｂとの関係を表す説明図である。 平均風速と浮体式風力発電装置のある部分における風荷重に起因する応力の標準偏差σｂとの関係を表す説明図である。 ある平均風速の発生頻度Ｐｂを表す説明図である。 風による応力の時間に対する変化を示す説明図である。 浮体式風力発電装置に作用する波浪による相対風速の変化を示す説明図である。 ある条件の風による応力振幅と、その発生頻度との関係を示す説明図である。 各風条件に対する疲労被害度を示す説明図である。 実施例２に係る浮体式風力発電装置の設計方法の手順を示すフローチャートである。 波浪荷重による応力の時間に対する変化の一例を示す説明図である。 風荷重による応力の時系列の一例を示す説明図である。 応力スペクトルを示す説明図である。 応力スペクトルの合算値から求めた確率密度分布と応力振幅との関係を示す説明図である。 実施例３に係る浮体式風力発電装置の設計方法の手順を示すフローチャートである。 波浪による応力の時間変化を示す説明図である。 風による応力の時間変化を示す説明図である。 波浪による応力の時間変化と風による応力の時間変化とを合算した応力の時系列を示す説明図である。

符号の説明

１、１ａ 浮体
２ 風力発電装置
３ 羽根
４ ハブ
５ タワー
７ 発電機
１０、１０ａ、１０ｂ 浮体式風力発電装置
２０ 浮体式風力発電装置の設計装置
２０ｐ 処理部
２０ｍ 記憶部
２２ 波浪荷重処理部
２３ 風荷重処理部
２４ ＤＦ算出部

Claims (6)

1. 浮体式風力発電装置を設計するにあたり、
   複数の波浪条件の下で、波浪による応力の統計値から波浪による疲労被害度を求めるとともに、複数の風条件の下で、風による応力の時系列から風による疲労被害度を求める手順と、
   各波浪条件の発生頻度を考慮して、各波浪条件における波浪による疲労被害度をすべて加算した総合波浪疲労被害度を求めるとともに、各風条件の発生頻度を考慮して、各風条件における風による疲労被害度をすべて加算した総合風疲労被害度を求める手順と、
   前記総合波浪疲労被害度と、前記総合風疲労被害度とを合算した合算疲労被害度を求める手順と、
   を含むことを特徴とする浮体式風力発電装置の設計方法。
2. 浮体式風力発電装置を設計するにあたり、
   波浪条件と風条件との組合せを設定する手順と、
   ある前記組合せにおける、波浪荷重による波浪応力スペクトルを求めるとともに、風荷重による風応力スペクトルを求める手順と、
   前記波浪応力スペクトルと前記風応力スペクトルとを加算して、合算応力スペクトルを求める手順と、
   前記合算応力スペクトルから、応力振幅の確率密度分布を求める手順と、
   前記応力振幅の確率密度分布から、すべての前記組合せにおける疲労被害度を求める手順と、
   前記組合せの発生頻度を考慮して、それぞれの前記組合せにおける疲労被害度の総和を求める手順と、
   を含むことを特徴とする浮体式風力発電装置の設計方法。
3. 浮体式風力発電装置を設計するにあたり、
   波浪による荷重に基づいて応力変化の時系列を求めるとともに、風による荷重に基づいて応力変化の時系列を求める手順と、
   前記波浪荷重による応力変化の時系列と前記風荷重による応力変化の時系列とを加算した合算応力時系列を求める手順と、
   前記合算応力時系から、応力振幅の確率密度分布を求める手順と、
   前記応力振幅の確率密度分布から疲労被害度を求める手順と、
   波浪条件と風条件との発生頻度に応じて各条件における疲労被害度の総和を求める手順と、
   を含むことを特徴とする浮体式風力発電装置の設計方法。
4. さらに、前記浮体式風力発電装置が受ける風と、波浪による前記浮体式風力発電装置の揺動による動きとの速度差を算出することにより相対風速を求め、この相対風速を用いて、風による荷重を求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の浮体式風力発電装置の設計方法。
5. 浮体式風力発電装置を設計するにあたり、風による荷重を求める際には、前記浮体式風力発電装置が受ける風と、波浪による前記浮体式風力発電装置の揺動による動きとの速度差を算出することにより求めた相対風速を用いることを特徴とする浮体式風力発電装置の設計方法。
6. 前記請求項１〜５のいずれか１項に記載された浮体式風力発電装置の設計方法を、コンピュータに実行させることを特徴とする浮体式風力発電装置の設計用プログラム。

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