JP2005201194A

JP2005201194A - 風力発電設備

Info

Publication number: JP2005201194A
Application number: JP2004010148A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Katsuyama; 範之勝山
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】風力発電機を水上に固定式で支持しながら水面変化に追従できるようにして水面から一定の高さに保持できるようにする。
【解決手段】風力発電機Ｉを設置した鉄塔底盤４を浮体構造物とする。該鉄塔底盤４の複数個所に、上下方向に貫通させた円筒状ガイド７を固定する。各円筒状ガイド７内に挿通させた杭９の下端を海底８に打ち込んで固定して、該各杭９に沿って各円筒状ガイド７が上下方向へ移動することにより鉄塔底盤４が水位の変動で上下動できるようにする。各円筒状ガイド７の下端部と杭９の下端側の位置との間を伸縮カバー１２で水密に保持して、この部分への貝等の付着を防止するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は風力発電機の鉄塔底盤を浮体構造物とした風力発電設備に関するものである。

風力発電機は、図４に示す如く、全長を長くして高さを高くした鉄塔１の頂部に、発電機本体２を周方向に旋回できるように設置し、該発電機本体２の回転軸に風車としての大きい羽根３を複数枚（図では３枚）取り付け、風力により各羽根３を同時に回転させることにより回転軸を回転させて発電するようにしてある。

かかる構成の風力発電機は、山頂、高台、岬等の如き強い風がほぼ定常的に吹いている地域に鉄塔１を建てることにより設置され、風が吹いて来る方向に発電機本体２が旋回しながら羽根３が回転駆動させられることにより発電し、必要な電力が得られるようにしてある。

近年では、風力発電機の設置場所として、上記した山頂等のほかに、設置場所の確保や建設資材の運搬等が山頂等への設置に比して容易で且つ比較的安定した風が得られる海上、湖上等の水上に風力発電機を設置するようにすることが提案されている。

水上に風力発電機を設置するものとしては、浮力を有して水面上に浮くようにしてある浮体構造物上に風力発電機を設置して、該浮体構造物を係留索で係留するようにした浮体式のもの、あるいは、風力発電機の鉄塔１を、水底に構成した基礎上に固定して、風力発電機が水面よりも高い位置に突出しているようにした固定式のもの、等がある。

前者の浮体式のものの一例を示すと、管体をトラス状に組んで水面に浮くように浮力を付与させた浮体構造物上に、複数の風力発電機を配設するようにし、上記浮体の四隅部に結着させた係留索を介して浮体構造物を海底に係留させるようにしたものがある（たとえば、特許文献１参照）。

又、上記のような浮体構造物を係留索を介して係留させるものとしては、浮体構造物の複数個所に滑車を取り付けて、該各滑車に通して掛け回わした各係留索の一端を海底に固定したアンカーに結着させると共に、該各係留索の他端をウエイトに結着させ、水位の変動に応じて浮体が上下に変位するとき、ウエイトが浮体に対して上下に追従することにより、係留索に作用する張力を一定に保つようにしたものがある（たとえば、特許文献２参照）。

特開平３−５７８８５号公報特開２００２−１６６８７６号公報

ところが、風力発電機を水面浮上式として係留索で係留させるようにしてある特許文献１に示される如きものでは、水位の変動に追従して浮体構造物が上下動することにより、風力発電機も一緒に上下に変位できて、所定の発電能力を維持できると共に、羽根が冠水するということもないものであるが、固定式ではないため、波浪等による浮体の動揺により風力発電機自体の横揺れが避けられない。

一方、海底の基礎に鉄塔を固定して風力発電機を水面より上方へ突出させたものでは、上記水面浮上式の難点は解消できるが、風力発電機の高さが固定されていることにより、水位の変動が生じたときの風力発電機の相対高度の変化が生じ、この風力発電機の相対高度の変化により発電能力の低下、羽根の冠水のおそれがある。又、水位の上昇時に羽根が冠水する状態のときは、風力発電機を船舶から確認しずらくなることから、船舶が衝突する問題もある。

なお、特許文献２に示される浮体構造物上に風力発電機を設置した場合は、係留索の張力を一定に保持した状態で浮体構造物とともに風力発電機を上下に変位させることはできるが、波浪等により浮体構造物の揺れは抑えられないことから、風力発電機自体の横揺れによる発電能力の低下は避けられないものと考えられる。

そこで、本発明は、波浪等により横揺れすることを防止できると共に羽根は水面から一定の高さに保持できるようにして、安定した電力の供給、羽根の寿命の延長等が図れるような風力発電設備を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、浮体構造物上に風力発電機を設置し、且つ上記浮体構造物の複数個所に、上下方向へ延びるように筒状ガイドを取り付け、該各筒状ガイド内に通した杭を水底に固定して上記浮体構造物を固定式に支持し、更に、該杭と筒状ガイドを上下方向に相対変位できるようにして、上記浮体構造物を水位の変動に追従させて上下方向に変位できるようにした構成を有するものとする。

又、上記構成において、各筒状ガイドの内側の上下２個所に滑動体を組み込んで内側に突出させ、各筒状ガイドの内側に挿通されている杭の外周面に上記滑動体を接触するようにしたり、各筒状ガイドの下端部外周面に上端部を水密に取り付けた伸縮カバーの下端部を、杭の所要位置に水密に取り付け、各杭に沿い各筒状ガイドが上下方向へ移動するとき各伸縮カバーが伸長、収縮を繰り返して上記各杭の一部を覆って水密に保持するようにする。

更に、上記構成において、各杭の上端部を各筒状ガイドの上方へ突出させて、該各杭の上端にストッパを取り付けた構成とする。

本発明の風力発電設備によれば、以下のような優れた効果を有する。
（１）浮体構造物上に風力発電機を設置し、且つ上記浮体構造物の複数個所に、上下方向へ延びるように筒状ガイドを取り付け、該各筒状ガイド内に通した杭を水底に固定して上記浮体構造物を固定式に支持し、更に、該杭と筒状ガイドを上下方向に相対変位できるようにして、上記浮体構造物を水位の変動に追従させて上下方向に変位できるようにした構成を有するものとしてあるので、水面変化に伴い浮体構造物と共に風力発電機の風車が上下動することができて、該風車を水面から一定の高さで保持することができ、これにより、安定した風力を受けて発電能力を低下させることなく安定した電力を供給させることができる。
（２）浮体構造物の支持が固定式としてあるので、波浪等によって浮体構造物がはげしく揺動することはない上に、風車は常に水面から一定の高さで保持できるように上下方向へ変位できるようにしてあることから、風車が冠水するおそれをなくすことができて、寿命の延長を図ることができる。
（３）各筒状ガイドの内側の上下２個所に滑動体を組み込んで内側に突出させ、各筒状ガイドの内側に挿通されている杭の外周面に上記滑動体を接触するようにした構成としてあるので、浮体構造物が揺動するような作用を受けても、各杭に対して各筒状ガイドが上下２個所で受けられているため、各杭に対して各筒状ガイドが斜めになることが防止されて、杭と筒状ガイドは円滑に相対変位でき、浮体構造物は安定して上下移動できる。
（４）各筒状ガイドの下端部外周面に上端部を水密に取り付けた伸縮カバーの下端部を、杭の所要位置に水密に取り付け、各杭に沿い各筒状ガイドが上下方向へ移動するとき各伸縮カバーが伸長、収縮を繰り返して上記各杭の一部を覆って水密に保持するようにした構成とすることにより、杭に沿って筒状ガイドが上下動する範囲において常時没水している杭の外面に貝等が付着することを防止でき、貝等が杭に付着して剥れないことに起因する筒状ガイドの変位を阻害するということを未然に防止できる。
（５）各杭の上端部を各筒状ガイドの上方へ突出させて、該各杭の上端にストッパを取り付けた構成とすることにより、浮体構造物が水位の変化で上方へ移動するときに、各筒状ガイドが杭の上端から抜け出ることを防止できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１乃至図３は本発明の実施の一形態を示すもので、図４に示す場合と同様に、高さを高くした鉄塔１の頂部に発電機本体２を水平旋回可能に取り付けて、該発電機本体２の回転軸に、風車としての羽根３を放射方向に複数枚取り付けて、風力により羽根３が回転して回転軸を回転させることにより発電するようにしてある風力発電機Ｉを、所要大きさの鉄塔底盤４上に、鉄塔１の下端を固定して設置するようにする。上記鉄塔底盤４は、たとえば、上下２枚の板４ａ，４ｂと周辺部を覆う板４ｃとからなり且つ風力発電機Ｉの鉄塔１を載せる中央部分や後述する円筒状ガイドを通す各コーナ部を図示しない補強材で補強して充分な強度を有する構造物としてあり、更に、周縁部の下面には、鉄塔底盤４に浮力を付与させるための複数の浮き具５を取り付けて、風力発電機Ｉと鉄塔底盤４の荷重に打ち勝つ浮力が付与されている浮体構造物としてある。

上記浮体構造物としての鉄塔底盤４のたとえば四隅部には、上下方向へ貫通する孔６を設けて、該各孔６に、所要の長さと太さを有する円筒状ガイド７をそれぞれ垂直方向に貫通し、該各円筒状ガイド７は、鉄塔底盤４の上方への突出長さよりも下方への突出長さが長くなるようにして、各々鉄塔底盤４に固定し一体化させる。

上記各円筒状ガイド７の内側には、下端が海底８に打ち込まれるようにすると共に、上端が海面（水面）が最高水位ＨＷＬに達したときでも水面より上方へ突出する長さとしてある鋼管製の杭９を挿通させて、各円筒状ガイド７の両端より突出させ、該杭９の下端部を海底に固定し、上端にストッパ１０を取り付けるようにし、各円筒状ガイド７と各杭９が上下方向に相対変位できるようにする。これにより、各杭９を各円筒状ガイド７の内側に通して下端を海底８に垂直に打ち込んで固定すると、浮力を有する鉄塔底盤４が各円筒状ガイド７とともに杭９に沿って上下方向に変位できるようにしてある。この際、鉄塔底盤４が波浪等により傾斜させられるような作用を受けたときに、円筒状ガイド７と杭９との相対変位が阻害されることがないようにする。そのために、図３に示す如く、円筒状ガイド７の内側の上下両端部の２個所に、各々周方向に複数個の滑動体としてのボール又はコロ１１をベアリングの機能を有するように組み込み、各ボール又はコロ１１を、円筒状ガイド７の内周面よりも僅かに内側へ突出させて杭９の外周面に当接するようにする。これにより、鉄塔底盤４が杭９に対して斜めになるような作用を受けても、円筒状ガイド７の上下の２個所で防止でき、無理なく杭９に沿い移動できるようにする。

更に、上記各円筒状ガイド７の下端部の外側には、たとえば、蛇腹式等とした金属製、樹脂製の円筒状の伸縮カバー１２の上端部を水密が保持できるように取り付ける。一方、上記各伸縮カバー１２の下端部は、それぞれ杭９の途中の所要位置に水密状に取り付けて、該各伸縮カバー１２で覆われる円筒状ガイド７の下端部から杭９の途中位置までは水密状態に保たれるようにする。そのために、上記各伸縮カバー１２の伸長時の長さは、水位変動時の最高水位ＨＷＬと最低水位ＬＷＬの差分、すなわち、水位の変動に伴い浮体構造物としての鉄塔底盤４が上下方向に変位するときの円筒状ガイド７と杭９の相対変位量に合わせた寸法よりも長くしてあり、鉄塔底盤４が最高水位ＨＷＬまで達したときは、各伸縮カバー１２は伸長し、鉄塔底盤４が最低水位ＬＷＬまで下がったときは、各伸縮カバー１２は収縮できるように、各伸縮カバー１２の下端部は、杭９の所要位置に取り付けるようにする。

本発明の風力発電設備は、風力発電機Ｉが設置してある鉄塔底盤４が浮き具５の装着により浮体構造物としてあるので、海上に設置するときは、洋上へ輸送し、設置場所に到達すると、各杭９を海底８に垂直に打ち込んで固定させ、該固定した各杭９に沿い円筒状ガイド７を介して浮体構造物としての鉄塔底盤４を水位変動で自由に上下動できるように水面上に浮上させる。これにより浮体構造物としての鉄塔底盤４は海底に固定された固定式でありながら、水位の変動に追従して上下方向に変位して、常に水面上の所要高さ位置に風力発電機Ｉが突出位置している状態を実現することができる。

これに伴い、本発明の風力発電設備では、風力発電機Ｉの風車としての羽根３が水面変化で上下することにより、羽根３は水面から一定の高さで保持されることになり、安定した風力で回転することにより発電し、安定した電力を地上等へ供給することができる。又、羽根３は水面変化時に冠水することもなく、損傷することなく安定した運転を持続させることができる。

水面変化で鉄塔底盤４が上昇して、水面が最高水位ＨＷＬに達しても、各杭９の上端にはストッパ１０が取り付けてあり、各円筒状ガイド７の上端が該ストッパ１０より上方へは移動できないようにしてあるので、各円筒状ガイド７が杭９との相対変位で上方へ移動しても、各杭９の上端より抜け出るようなことはない。

上記鉄塔底盤４が水面変化に伴い上下方向に変位するとき、該鉄塔底盤４に固定されている各円筒状ガイド７は、海底８に固定されている各杭９に沿い上下方向にガイドされるので、鉄塔底盤４は円滑に上下移動できるが、何等かの原因で鉄塔底盤４が傾斜するような動きを受けて各円筒状ガイド７が各杭９と平行が保てないような事態になろうとしても、各円筒状カバー７の内側には、上下の２個所にボール又はコロ１１が組み込まれていて、円筒状ガイド７の上下２点で杭９に支持させて斜めになりにくいようにしてあるので、円筒状ガイド７が杭９に引掛って動かなくなるというおそれはない。これにより、鉄塔底盤４はローリングやピッチングの如き揺動をすることなく円滑に上下動することができることになる。

又、上記鉄塔底盤４よりも下方位置となるように下方へ突出している円筒状ガイド７や杭９のほとんどの部分は、没水状態にあるので、円筒状ガイド７や杭９の外表面に貝等が付着するおそれがある。特に、杭９の表面に貝等が付着した場合に、水位の変動で円筒状ガイド７が下降するときに該円筒状ガイド７の下端で貝等を剥して除去できるものであればよいが、杭９の表面への貝等の付着力が強くて、上記円筒状ガイド７の下降時に除去されないような場合には、該円筒状ガイド７の下端が付着した貝等に当って下降できず、途中で止まって鉄塔底盤４がロックされてしまうことが考えられる。又、一部の杭９にだけ貝等が付着して当該杭９に沿う円筒状ガイド７が下降できなくても、鉄塔底盤４は全体として下降できない状態になってしまう。

本発明では、各円筒状ガイド７の下端部と該各円筒状ガイド７が杭９に沿って最大移動量下降したときの下端が位置する部分の杭９の外周面との間に、円筒状の伸縮カバー１２を水密状態に取り付けているので、水位が最高水位ＨＷＬに達して鉄塔底盤４とともに各円筒状ガイド７が上昇したときの該円筒状ガイド７の下端より露出する部分の杭９の表面は伸縮カバー１２で覆われて水密に保持されている。そのため、伸縮カバー１２で覆われている部分の杭９の表面に貝等が付着するおそれは全くなくなり、杭９と円筒状ガイド７の相対変位を長期間に亘って安定に維持することができる。

上記各伸縮カバー１２は、各円筒状ガイド７の下端部に取り付けてあるので、浮体構造物としての鉄塔底盤４が最高水位ＨＷＬまで上昇するときは、図２に実線で示す如く、円筒状ガイド７の上昇に従い伸長させられて杭９を所要長さに亘って覆うようになり、鉄塔底盤４が最低水位ＬＷＬまで下降するときは、図２に二点鎖線で示す如く円筒状ガイド７の下降に従い収縮させられて折りたたまれる。

なお、上記実施の形態では、１つの鉄塔底盤４に１基の風力発電機Ｉを設置してある場合を示したが、風力発電機Ｉを所定の間隔を隔てて複数設置するようにしてもよいこと、浮き具５の取付位置は、図示の如く周辺部でなくてもよいこと、鉄塔底盤４を角形としてコーナ部に円筒状ガイド７を貫通させて固定した場合を示したが、これに限られるものではないこと、円筒状ガイド７、伸縮カバー１２は円筒状のものとして示したが、筒状であれば、断面形状は任意であること、本発明の風力発電設備は、海上に設置する場合以外に湖上にも設置できること、等は勿論である。

本発明の風力発電設備の実施の一形態を示す概略斜視図である。本発明の風力発電設備の部分を示す一部切断側面図である。鉄塔底盤に固定した円筒状ガイドと杭の関係を示す切断側面図である。風力発電機の一例の概要を示す斜視図である。

符号の説明

Ｉ風力発電機
１鉄塔
２発電機本体
３羽根（風車）
４鉄塔底盤（浮体構造物）
５浮き具
７円筒状ガイド（筒状ガイド）
８海底（水底）
９杭
１０ストッパ
１１ボール又はコロ（滑動体）
１２伸縮カバー

Claims

浮体構造物上に風力発電機を設置し、且つ上記浮体構造物の複数個所に、上下方向へ延びるように筒状ガイドを取り付け、該各筒状ガイド内に通した杭を水底に固定して上記浮体構造物を固定式に支持し、更に、該杭と筒状ガイドを上下方向に相対変位できるようにして、上記浮体構造物を水位の変動に追従させて上下方向に変位できるようにした構成を有することを特徴とする風力発電設備。
各筒状ガイドの内側の上下２個所に滑動体を組み込んで内側に突出させ、各筒状ガイドの内側に挿通されている杭の外周面に上記滑動体を接触するようにした請求項１記載の風力発電設備。
各筒状ガイドの下端部外周面に上端部を水密に取り付けた伸縮カバーの下端部を、杭の所要位置に水密に取り付け、各杭に沿い各筒状ガイドが上下方向へ移動するとき各伸縮カバーが伸長、収縮を繰り返して上記各杭の一部を覆って水密に保持するようにした請求項１又は２記載の風力発電設備。
各杭の上端部を各筒状ガイドの上方へ突出させて、該各杭の上端にストッパを取り付けた請求項１、２又は３記載の風力発電設備。