JP2005351087A - 水上風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 浮体構造物の揺動、振動を抑え、発電効率の変動を抑えた水上風力発電装置を提供するものである。
【解決手段】 本発明に係る水上風力発電装置１０は、水上に浮かぶ浮体構造物１１に風力発電機２１を設けたものであって、
浮体構造物１１と、
その浮体構造物１１に設けられる複数の風力発電機２１と、
浮体構造物１１に揺動、振動を生じさせる各種要因の値を計測する計測手段３１と、
その計測手段３１により得られた各計測値を基に、浮体構造物１１全体に生じた揺動、振動を減衰する制御信号Ｓ２を出力する制御手段３６と、
その制御信号Ｓ２を基に、浮体構造物１１全体に生じた揺動、振動を減衰させる調整手段とを備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、海上や湖上などの水上に設置される浮体式の風力発電装置に関するものである。

近年、クリーンエネルギーの一つである風力エネルギーを利用した風力発電が注目されている。風力発電には、陸上設置型と水上設置型の２種類があるが、発電に適した良質な風が安定して得られるという点、風力発電装置の設置スペース確保が容易であるという点から、水上設置型の風力発電装置が特に注目されている。

水上設置型の風力発電には、水底に固定した基礎構造物に風車（風力発電機）を設けた固定式のものと、水上に浮かぶ浮体構造物に風車を設けた浮体式（浮遊式）のものとがある。遠浅の沿岸域においては、装置コストが安価な固定式風力発電装置が一般的に使用される。しかし、水深が急激に増す沿岸域において固定式風力発電装置を使用すると、基礎構造物の装置コストが著しく増大することから、水深が急激に増す沿岸域においては、浮体式風力発電装置が使用される。

浮体式風力発電装置における浮体構造物は、例えば、中空の構造材をトラス状に組んでなる浮体を水面に浮かべてなるポンツーン型（例えば、特許文献１，２参照）と、例えば、中空の構造材をトラス状に組んでなる浮体を水面下に沈めたセミサブ型（半潜水型）とがある。

一方、風力発電においては、風の状況によって運転条件が変化するため、発電効率が変動する。このため、発電効率の変動を防ぐための発電設備が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特許第２７７０４４９号公報 特開２００１−１６５０３２号公報 特開２００３−８８１９０号公報

特許文献３記載の発電設備は、風速などの変化に伴って運転条件が変わった時に発電効率が変動するのを防ぐものであって、風車が固定された陸上設置型の風力発電装置や、水上設置型の固定式風力発電装置に適用することができる。

ところが、浮体式風力発電装置では、浮体構造物が揺動することによって風車自体も揺れ動く。このため、風速、風力が一定であっても、風車の揺動に伴って発電効率の変動が生じる。よって、特許文献３記載の発電設備は、浮体構造物の揺動に伴う発電効率の変動が生じる浮体式風力発電装置に適用することができない。そこで、発電効率の変動を抑えた浮体式風力発電装置が求められている。

また、浮体式風力発電装置において、セミサブ型の浮体構造物は、ポンツーン型の浮体構造物と比べて波による揺動が小さい。このため、一般的に、セミサブ型の浮体式風力発電装置の発電効率は、ポンツーン型の浮体式風力発電装置のそれと比較して良好である。

しかし、浮体構造物に揺動、振動を生じさせる要因は波の他にも存在し、例えば、風車のロータが回転することにより生じる起振力（振動、揺動を生じせしめる力）がある。よって、浮体式風力発電装置では、発電を行う限り、浮体構造物に揺動、振動が生じるのを防ぐことは困難であった。風車の推力で浮体の姿勢が大きく変化すると、浮体式風力発電装置において高い発電効率を得ることは困難になる。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、浮体構造物の揺動、振動を抑え、発電効率の変動を抑えた水上風力発電装置を提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係る水上風力発電装置は、水上に浮かぶ浮体構造物に風力発電機を設けた水上風力発電装置において、
浮体構造物と、
その浮体構造物に設けられる複数の上記風力発電機と、
浮体構造物に揺動、振動を生じさせる各種要因の値を計測する計測手段と、
その計測手段により得られた各計測値を基に、浮体構造物全体に生じた揺動、振動を減衰する制御信号を出力する制御手段と、
その制御信号を基に、浮体構造物全体に生じた揺動、振動を減衰させる調整手段とを備えたものである。

ここで、調整手段は、各風力発電機のロータの位相、回転数を調整するロータブレーキを備えたものや、各風力発電機のロータの傾角を調整するアクチュエータを備えたものである。

一方、本発明に係る水上風力発電装置の運転方法は、水上に浮かぶ浮体構造物に複数の風力発電機を設けた水上風力発電装置の運転方法において、
波や、上記各風力発電機のロータ回転によって、浮体構造物に揺動、振動が生じた際、その揺動、振動を生じさせる各種要因の値を計測器やセンサなどの計測手段を用いてそれぞれ計測し、
その計測手段により得られた各計測値を制御手段に入力して、浮体構造物全体に生じた揺動、振動を減衰する制御信号を出力させ、
その制御信号を調整手段に入力し、浮体構造物全体に生じた揺動、振動を減衰させるものである。

ここで、制御信号を調整手段であるロータブレーキに入力して各風力発電機のロータの位相、回転数を調整し、浮体構造物全体に生じた揺動、振動を減衰させることが好ましい。また、制御信号を調整手段である傾角制御アクチュエータに入力して傾角制御アクチュエータを駆動させ、各風力発電機のロータの傾角を調整し、浮体構造物全体に生じた揺動、振動を減衰させることが好ましい。

本発明によれば、常に安定して発電可能な水上風力発電装置を得ることができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の好適一実施の形態に係る水上風力発電装置の正面図を図１に、図１における水上風力発電装置の上面図を図２に示す。

図１に示すように、本実施の形態に係る水上風力発電装置１０は、主に水上に半潜水状態で浮かぶ浮体構造物１１と、風力発電機（風車）２１とで構成される。

浮体構造物１１は、海水Ｗ中に水没させて（潜水状態で）設けられる浮体本体部１２と、浮体本体部１２と接続して設けられ、海面Ｒから柱状に突出するポート部（図１中では５個を図示）１３とを有する。浮体本体部１２は、中空部材（例えば、鋼管部材）をトラス状に組んでなるものである。この中空部材内部に、図示しないポンプなどを用いて海水Ｗを注入することで浮体構造物１１の浮力が調整され、浮体本体部１２を海水Ｗ中に潜水状態で沈めることが可能となる。

浮体構造物１１のポート部１３に、それぞれ風車２１が載置される。風車２１は、発電機を備えた筒状の本体部２２と、少なくとも１枚のロータブレードで構成されるロータ２３とで構成される。ロータ２３が回転することで風力発電が行われる。

浮体構造物１１は、係合部材１５と係合、接続され、矢印Ａの方向に回転自在に設けられる。この係合部材１５は係留手段２４と接続される。係留手段２４は、索状の係留部材２５ａと、海底Ｓｆに着床されたウェイト２５ｂとで構成されるアンカー部材２６を、放射状に複数個（図２中では１２個を図示）配置してなるものである。

各風車２１の発電によって得られた電力は、浮体本体部１２内に設けたケーブル（図示せず）を介して１箇所に集合され、電力ケーブル２７を介して陸地や島しょ部などの電力消費地に送電される。

各風車２１の本体部２２には、後述する電力計（回転数計）３２、風速・風向計３３などの計測手段３１が設けられる（図３参照）。また、浮体構造物１１の浮体本体部１２には、後述する波高・波力計３４、複数個の浮体センサ３５などの計測手段３１が設けられる（図３参照）。

浮体本体部１２における係合部材１５の近傍には、計測手段３１と電気的に接続された後述する制御手段３６が設けられる（図３参照）。制御手段３６は、浮体本体部１２に設置することに特に限定するものではなく、水上風力発電装置１０から離れた箇所（例えば、陸地）に設けてもよい。この場合、電力ケーブル２７に併設した通信・制御ケーブルを介して、後述する水上風力発電装置１０の調整手段が遠隔制御される。

各風車２１の本体部２２には、制御手段３６と電気的（又は機械的）に接続された後述する調整手段（図示せず）が設けられる。

風力発電装置１０の装置サイズは、要求される発電能力に応じて適宜決定されるものであり、特に限定するものではない。例えば、装置サイズの一例は、浮体本体部１２の横幅が約330ｍ，縦幅が約150ｍ、浮体本体部１２の最大深度（浮体本体部１２の底部の海面Ｒからの距離）が約10ｍ、本体部２２の高さが約80ｍ、ロータ２３の回転半径が約40ｍとされる。

次に、本実施の形態の作用を説明する。

海上に設置された浮体構造式の水上風力発電装置１０は、図３に示すように、常時、風３７や波３８に晒される。

これらの風３７や波３８によって、計測手段３１の１つである電力計（回転数計）３２では、各風車２１におけるロータ２３の電力値（回転数）及び位相が計測される。また、各風車２１においては、ロータ２３の回転によって推力が生じる。この推力は、ロータ２３の回転数と推力との関係を予め求めておくことで算出される。

また、風３７によって、計測手段３１の１つである風速・風向計３３では、風力、風向きが計測される。

さらに、波３８によって、計測手段３１の１つである波高・波力計３４では、波の伝播方向、波の伝播速度、波の高さが計測される。

また、これらの風３７や波３８によって、計測手段３１の１つである浮体センサ３５では、浮体構造物１１の姿勢が計測される。一方、各風車２１により生じた推力、風力、及び波力の合力（起振力）と、それらのモーメント成分とにより、浮体構造物１１全体に傾斜モーメントや浮体構造物１１に捩れモーメントが作用する。これらのモーメントは、合力と傾斜及び合力と捩れとの関係を予め求めておくことで算出される。

先ず、図３に示した風車２１１，風車２１２，…，風車２１Ｎ（Ｎは自然数）及び図１に示した浮体構造物１１に、風３７や波３８が作用すると、浮体構造物１１に揺動や捩れが生じたり、各風車２１が共振して浮体構造物１１に振動が生じたりする。

セミサブ式の浮体構造物１１は、傾きに対する復元力が弱いことから、一旦揺動が生じると、傾斜が大きく進行してしまう。浮体構造物１１の傾斜は、風力発電装置１０における発電効率の低下、各構成機器に作用する加速度の増大をもたらすことから、好ましくない現象である。また、浮体構造物１１の捩れや振動も、金属疲労の原因となることから、好ましくない現象である。よって、浮体構造物１１の傾斜や捩れを復元させる制御が必要となる。

ここで、浮体構造物１１に、風３７や波３８が作用すると、図４に示すように、計測手段３１である電力計３２、風速・風向計３３、波高・波力計３４、及び浮体センサ３５においては、それぞれ所定の計測値が計測される。これらの計測値は、計測信号Ｓ１として制御手段３６にそれぞれ入力される。

制御手段３６においては、図４に示す制御ステップＡにより、風力発電装置１０の発電効率変動を抑制する制御がなされる。具体的には、制御ステップＡは、
浮体構造物１１の姿勢が許容範囲（正常値）であり、かつ、浮体構造物１１に作用する各モーメントの値が許容範囲（正常値）であるかの判断を行うステップＡ１と、
浮体構造物１１に傾斜、捩れ、振動を生じさせる原因となる風車２１を特定するステップＡ２と、
浮体構造物１１に生じた傾斜、捩れ、振動を解消すべく、ステップＡ２で特定された風車２１のブレーキ制動をＯＮにする制御信号Ｓ２を出力するステップＡ３とで構成される。

ステップＡ１において浮体構造物１１の姿勢及び各モーメントの値が許容範囲内の場合、つまり、図４におけるステップＡ１において判断結果がｙｅｓの場合、風力発電装置１０の運転は正常になされているということである。この場合は、制御手段３６による制御はなされない。

これに対して、ステップＡ１において浮体構造物１１の姿勢又は各モーメントの値のいずれかが許容範囲を超えている場合、つまり、図４におけるステップＡ１において判断結果がｎｏの場合、浮体構造物１１に大きな傾斜、捩れ、振動が生じてしまい、風力発電装置１０の発電効率が低下してしまう。

この場合、先ず、ステップＡ２において、浮体構造物１１に傾斜や捩れ等を生じさせる原因となる風車２１を特定する。この特定は、計測手段３１で計測された各計測値を基にしてなされる。

次に、ステップＡ３において、ステップＡ２で特定された風車２１のロータ２３を、浮体構造物１１に生じた傾斜や捩れ等を打ち消すように回転させるべく、ロータブレーキ（調整手段）の制動制御がなされる（ブレーキ制動ＯＮ）。この時、自動車のＡＢＳ（Antiskid Brake System）のように、ブレーキ制動の制御を行う。これによって、この特定された風車２１による発電を大きく損なうことなく、短時間で、風車２１全体のロータ２３の位相、回転数が調整される。その結果、浮体構造物１１の傾斜や捩れが徐々に収束、減衰し、浮体構造物１１全体への影響を最小限に抑制することができる。ここで、ロータブレーキとしては、電気自動車や電車などに採用されている回生ブレーキが適用可能である。また、強風時における各風車２１のロータ２３の回転を停止させるために元々備えられているブレーキを、ロータブレーキとして用いてもよい。

例えば、各風車の制御の仕組みをわかりやすく説明するために、図５に示すように、３基の風車１、風車２、風車３を用いた場合、風車１〜３の位相がバラバラだと、各風車の推力が互いに干渉し合い、全体の振幅（推力）が大きくなってしまう。その結果、浮体構造物１１に大きな傾斜や捩れ等が生じてしまう。そこで、浮体構造物１１の傾斜や捩れ等を抑制すべく、風車１を基準にして（固定したまま）、風車２，３のロータ回転の制御がなされる。

この制御の結果、図６に示すように、風車１に対して、風車２，３の位相が２π／３ずつずれるように位相制御がなされる。これによって、各風車が、その推力を互いに打ち消し合うように干渉し合い、全体の振幅がゼロ（又はほぼゼロ）となる。その結果、浮体構造物１１の傾斜や捩れが、徐々に収束、減衰し、ほぼ完全に抑制される。

以上より、本実施の形態に係る水上風力発電装置１０は、風３７や波３８によって浮体構造物１１に揺動、捩れ、振動が生じたとしても、浮体構造物１１の揺動や捩れ等が収束、減衰するように制御がなされる。このため、水上風力発電装置１０の発電効率の変動が抑制され、常に安定した発電を行うことができる。

また、本実施の形態に係る水上風力発電装置１０に対して前述した制御を行うことで、浮体構造物１１に許容範囲を超えた揺動や捩れ等は生じない。その結果、悪天候時（例えば、風が強い時や波が高い時）に水上風力発電装置１０が転倒したりするおそれはなく、安全に発電を行うことができる。

さらに、本実施の形態に係る水上風力発電装置１０における浮体構造物１１の浮体本体部１２は、係合部材１５に対して矢印Ａの方向に回転自在に設けられているが、浮体本体部１２又は係合部材１５に、浮体本体部駆動アクチュエータを設けてもよい。そして、制御手段３６の制御信号Ｓ２により、この浮体本体部駆動アクチュエータの制御も同時に行い、浮体構造物１１全体を矢印Ａの方向に回転させるようにしてもよい。具体的には、波３８による浮体構造物１１の揺れが最小となるように、浮体構造物１１全体を矢印Ａの方向に回転させる。これによって、浮体構造物１１は、波３８の伝搬方向による影響を最小に抑えた姿勢を常に保つことができる。

また、浮体構造物１１の各ポート部１３に載置される各風車２１の本体部２２を、その中心軸周りに回転自在に設け、各ポート部１３又は本体部２２に風車駆動アクチュエータを設けてもよい。そして、制御手段３６の制御信号Ｓ２により、この風車駆動アクチュエータの制御も同時に行い、各風車２１自体を個別に回転させるようにしてもよい。具体的には、風３７による発電効率が最大となるように、つまり各風車２１が最大限に風を受けるように、各風車２１を中心軸周りに回転させる。これによって、各風車２１は、風向きに影響されることなく、常に最大の発電効率で運転可能となる。

次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

前実施の形態に係る水上風力発電装置１０は、各風車２１のロータ２３の回転を制御することで、浮体構造物１１の揺動や捩れ等を抑制するものであった。

これに対して、本実施の形態に係る水上風力発電装置は、各風車２１のロータ２３の根本部に、制御手段３６と電気的に接続された傾角アクチュエータ（調整手段）を設け、各風車２１のロータ２３の傾角を制御するものである。より具体的には、図４に示したステップＡ２で風車２１が特定されると、その特定された風車２１の傾角アクチュエータ駆動をＯＮにする制御信号Ｓ２が制御手段３６から出力される。この制御信号Ｓ２に基づいて、特定された風車２１のロータ２３の傾角が制御される。その結果、浮体構造物１１の揺動や捩れ等が収束、減衰され、水上風力発電装置の発電効率の変動が抑制される。ここで言うロータ２３の傾角とは、ロータの回転面とブレード面とがなす角度のことである。

本実施の形態に係る水上風力発電装置においても、前実施の形態に係る水上風力発電装置１０と同様の作用効果が得られる。

また、風車２１におけるロータ２３の傾角制御は、前実施の形態に係る水上風力発電装置１０に対して適用してもよい。つまり、前実施の形態に係る水上風力発電装置１０において、特定された風車２１のロータ２３の制動制御と、ロータ２３の傾角制御の両方を行うようにしてもよい。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

本発明の好適一実施の形態に係る水上風力発電装置の正面図である。 図１における水上風力発電装置の上面図である。 本発明の好適一実施の形態に係る水上風力発電装置の運転方法を説明するための概略図である。 図３における運転方法のフローチャートである。 ブレーキ制動制御を行う前の、風車による推力のモデル図である。 ブレーキ制動制御を行った後の、風車による推力のモデル図である。

符号の説明

１０ 水上風力発電装置
１１ 浮体構造物
１２ 浮体本体部
１３ ポート部
２１ 風力発電機
３１ 計測手段
３６ 制御手段
Ｓ２ 制御信号

Claims (6)

1. 水上に浮かぶ浮体構造物に風力発電機を設けた水上風力発電装置において、
   浮体構造物と、
   その浮体構造物に設けられる複数の上記風力発電機と、
   浮体構造物に揺動、振動を生じさせる各種要因の値を計測する計測手段と、
   その計測手段により得られた各計測値を基に、浮体構造物全体に生じた揺動、振動を減衰する制御信号を出力する制御手段と、
   その制御信号を基に、浮体構造物全体に生じた揺動、振動を減衰させる調整手段とを備えたことを特徴とする水上風力発電装置。
2. 上記調整手段が、各風力発電機のロータの位相、回転数を調整するロータブレーキを備えた請求項１記載の水上風力発電装置。
3. 上記調整手段が、各風力発電機のロータの傾角を調整するアクチュエータを備えた請求項１又は２記載の水上風力発電装置。
4. 水上に浮かぶ浮体構造物に複数の風力発電機を設けた水上風力発電装置の運転方法において、
   波や、上記各風力発電機のロータ回転によって、浮体構造物に揺動、振動が生じた際、その揺動、振動を生じさせる各種要因の値を計測器やセンサなどの計測手段を用いてそれぞれ計測し、
   その計測手段により得られた各計測値を制御手段に入力して、浮体構造物全体に生じた揺動、振動を減衰する制御信号を出力させ、
   その制御信号を調整手段に入力し、浮体構造物全体に生じた揺動、振動を減衰させることを特徴とする水上風力発電装置の運転方法。
5. 上記制御信号を調整手段であるロータブレーキに入力して各風力発電機のロータの位相、回転数を調整し、浮体構造物全体に生じた揺動、振動を減衰させる請求項４記載の水上風力発電装置の運転方法。
6. 上記制御信号を調整手段である傾角制御アクチュエータに入力して傾角制御アクチュエータを駆動させ、各風力発電機のロータの傾角を調整し、浮体構造物全体に生じた揺動、振動を減衰させる請求項４又は５記載の水上風力発電装置の運転方法。
   

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