JP2012149531A - 浮体式風力発電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水上に浮かべられる浮体と、浮体から上方へ突き出したタワーと、タワーの上端部に設けられ、ロータ及び発電機が設けられるナセルとを備える浮体式風力発電装置を、タワーの中心軸からナセル及びタワーの空力中心までの距離をc、浮体の動揺中心から空力中心までの高さをH、浮体の傾斜角をα、仰角がαであるときにナセル及びタワーに生じる揚力Lと抗力Dとの合力Fがタワーの中心軸となす角度をβとしたときに、c−H・tanβ<0を満たす構成とする。
【選択図】図1
Description
近年このような風車タワーを水上に浮かべられる浮体に設けた浮体式風力発電装置が提案されている。浮体式風力発電装置は、例えば、係留された浮体から上方へ突き出したタワーの上端部にナセルを設けて構成される。
従来、浮体式風力発電装置に関する従来技術として、例えば特許文献1には、風車タワーの傾斜を抑制するために、サブ浮体等を設けて風車の傾倒を防止する技術が記載されている。
また、制御機構を設けて風車タワーの傾斜を抑制することも考えられるが、この場合にも装置の複雑化は避けることができない。
本発明の課題は、風車タワーの形状によって傾斜を抑制した浮体式風力発電装置を提供することである。
請求項1の発明は、水上に浮かべられる浮体と、前記浮体から上方へ突き出したタワーと、前記タワーの上端部に設けられ、ロータ及び発電機が設けられるナセルとを備える浮体式風力発電装置であって、前記タワーの中心軸から前記ナセル及び前記タワーの空力中心までの距離をc、前記浮体の動揺中心から前記空力中心までの高さをH、前記浮体の傾斜角をα、仰角がαであるときに前記ナセル及び前記タワーに生じる揚力Lと抗力Dとの合力Fが前記タワーの中心軸となす角度をβとしたときに、c−H・tanβ<0を満たすことを特徴とする浮体式風力発電装置である。
これによれば、ナセル及びタワーが風を受けたときに生じる流体力が浮体式風力発電装置の傾斜を復元させる方向に作用することによって、サブ浮体や複雑な制御機構等を設けることなく、風車タワーを構成するナセル、タワー等の形状のみによって安定性を高め、傾斜を抑制することができる。
これによれば、ロータが風下側に配置されることによって、ナセルが受ける流体力がロータの影響を受けにくくなることから、上述した効果をより確実に得ることができる。
請求項3の発明は、前記ナセルの通常運転時における風上側の端部は、風下側から風上側にかけて断面積が縮小する先細り形状となっていることを特徴とする請求項2に記載の浮体式風力発電装置である。
これによれば、ナセルの揚抗比L/Dを大きくすることができ、上述した効果を確実に得ることができる。
図1は、実施例1の浮体式風力発電装置の模式的側面図である。
浮体式風力発電装置1は、ナセル10、ロータ20、タワー30、浮体40等を備えて構成されている。
ナセル10は、フレーム状のナセル架台に上述した各種機器類を搭載し、その周囲にカバーを配置して構成されている。
また、ナセル10の外部(例えば上部)には、ナセル10の揚抗比を向上するための空力的付加物である付帯部品11が設けられている。
ロータ20は、ブレード21、ハブ22等を有して構成されている。
ブレード21は、風力を受けたときに生ずる揚力によってロータを回転させる翼部であって、放射状に複数設けられている。
ハブ22は、ロータ20の中心部に配置され、ブレード21が取り付けられる基部であって、ナセル10に設けられた軸受によって回転可能に支持されている。
また、ハブ22は、ブレード21の仰角を変化させるピッチ可変機構等を備えている。
実施例1においては、ロータ20が通常使用時におけるナセル10の風下側の端部に取り付けられるいわゆるダウンウインド型の風力発電装置となっている。
タワー30の上端部は、ナセル20をヨー方向に回転可能に支持するヨーベアリングを介してナセル20の下部に接続されている。
また、タワー30は、ナセル20をヨー方向に回転駆動する駆動機構を備えている。
浮体40は、一端部が例えば海底等に固定された係留索41によって係留されている。
図2に示すように、タワー30の中心軸からナセル10及びタワー30の空力中心CA(実質的にナセル10の空力中心と等しい)までの距離をc、装置の動揺中心CRから、上述した空力中心CAまでのタワー30の中心軸に沿った高さをH、浮体40の傾斜角(=ナセル10の仰角)をα、ナセル10の仰角がαであるときにナセル10及びタワー30に生じる揚力L(鉛直方向力)と抗力D(水平方向力)との合力Fがタワー30の中心軸に対してなす角度をβとしたときに、c−H・tanβ<0を充足すると、ナセル10等に空力的に作用する力Fが、浮体式風力発電装置1の傾斜を復元させる復元力として作用することになる。
なお、上述したc,α,βは、風速、風車形状等に依存する変数であり、装置の設計上においては、使用上想定される風速の範囲内で上述した関係式が充足されるよう、風車形状の選定を行なうことが重要となる。
具体例A,Bに共通する前提として、c=1m、H=60m、α=10degとする。
先ず具体例Aとして、L=5、D=1(揚抗比L/D=5)であるとする。
このとき、β=α−tan(D/L)=−1.3degである。
c−H・tanβ=1−60・tan−1.3=2.4>0であり、復元力は発生しない。
このとき、β=α−tan(D/L)=4.3degである。
c−H・tanβ=1−60・tan4.3=−3.5<0であり、復元力は発生する。
ナセル10の揚抗比を高める具体的手法として、実施例1では、図1に示すように、ナセル10の風上側(ロータ20と反対側)の端部を、先端側(風上側)ほどロータ20の主軸方向から見たときの断面積が絞り込まれる先細りの形状としている。このナセル10の突端部は、球面状の凸面とされている。
ナセル10をこのような形状とした場合、揚抗比L/D=10以上は、十分に実現が可能である。
なお、以下説明する各実施例、比較例において、従前の実施例等と実質的に共通する箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図3及び図4は、比較例1、2の浮体式風力発電装置の模式的側面図である。
また、図4に示す比較例2の浮体式風力発電装置1Cは、実施例1と同様にダウンウインド型ではあるが、ナセル10は実施例1のような先細りの形状ではなく、揚抗比は比較例1と同様に小さくなっている。
特に、比較例1のようなアップウインド型の場合には、ブレード21の位置によってナセル10の周囲の気流が変化することから、安定した流体力を得ることができない。
また、図4のようにダウンウインド型風車を用いた場合であっても、ナセル10の揚抗比が小さい場合、強風を受けて角度α傾いた際に、揚力Lを十分に得ることができず、抗力Dが大きくなり、結果として生ずる流体力Fの空力中心CAからの作用線は、浮体の動揺中心から引いた作用線よりも風上側に位置し、結果として浮体の傾斜角αを増大させてしまう。
この場合、例えばサブ浮体や複雑な制御機構等を設けて、装置の姿勢を維持することが必要となり、浮体式風力発電装置の構成が複雑となり、コストも増加してしまう。
図5は、実施例2におけるナセル部の拡大模式的側面図である。
図5に示すように、実施例2においては、ナセル10の風上側の端部を、テーパ状に先細りとするとともに、突端部を鋭利に形成したことを特徴とする。
以上説明した実施例2においても、上述した実施例1の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。
図6は、実施例3におけるナセル部の拡大模式的側面図である。
図6に示すように、実施例3においては、ナセル10の上面部における風上側の端部を、先端部側が下がるように斜めにカットした斜面として形成したことを特徴とする。
以上説明した実施例3においても、上述した実施例1の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。
図7は、実施例4におけるナセル部の拡大模式的側面図である。
図7に示すように、実施例4においては、ナセル10の上面部における風上側の端部を、先端部側が下がるように斜めにカットした斜面として形成するとともに、ナセル10の下面部における風上側の端部を、先端部側が上がるように斜めにカットした斜面として形成したことを特徴とする。
以上説明した実施例4においても、上述した実施例1の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
(1)浮体式風力発電装置を構成する各部の形状、構造、配置等は、上述した各実施例に限定されず、適宜変更することができる。特に、ナセルの形状は、上述した実施例のものに限らず、c−H・tanβ<0を充足し得る、高い揚抗比L/Dが得られるいかなる形状であってもよい。
例えば、実施例4のようにナセルの風上端をカットする場合、上下面をカットする代わりに、側面をカットするようにしてもよい。また、上下面及び側面をともにカットしてもよい。
(2)各実施例では、主にナセルの揚抗比を大きくすることによって復元力を得ているが、本発明はこれに限らず、タワーの形状や、タワーに空力的付加物を設けることによって復元力を得るようにすることもできる。
11 付帯部品 20 ロータ
21 ブレード 22 ハブ
30 タワー 40 浮体
41 係留索 SL 海面
CR 動揺中心 CA 空力中心
Claims (3)
- 水上に浮かべられる浮体と、
前記浮体から上方へ突き出したタワーと、
前記タワーの上端部に設けられ、ロータ及び発電機が設けられるナセルと
を備える浮体式風力発電装置であって、
前記タワーの中心軸から前記ナセル及び前記タワーの空力中心までの距離をc、
前記浮体の動揺中心から前記空力中心までの高さをH、
前記浮体の傾斜角をα、
仰角がαであるときに前記ナセル及び前記タワーに生じる揚力Lと抗力Dとの合力Fが前記タワーの中心軸となす角度をβとしたときに、
c−H・tanβ<0
を満たすことを特徴とする浮体式風力発電装置。 - 前記ロータは通常運転時において前記ナセルの風下側に設けられること
を特徴とする請求項1に記載の浮体式風力発電装置。 - 前記ナセルの通常運転時における風上側の端部は、風下側から風上側にかけて断面積が縮小する先細り形状となっていること
を特徴とする請求項2に記載の浮体式風力発電装置。
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