JP2013002399A - 風力の一部を風上への推進力に利用することで、海底に係留しなくても風に流されない洋上風力発電用風車。 - Google Patents

Abstract

【課題】風力の一部を風上への推進力に利用することで、海底に係留しなくても風に流されない、洋上風力発電用風車を提供することにある。
これにより、騒音、景観、安全性、漁業、航路等の制限を受けないが、水深が深く、海底への係留が困難な外洋に、洋上風力発電装置を多数、安価に配置することができる。
【解決手段】洋上に安定して浮遊する浮体を基礎として、浮体の上部に風車を設け、浮体の下部に推進器を設け、風車の回転軸と推進器の回転軸を連結して風車の回転力の一部で推進器を直接駆動する。
風車の回転によって推進器に発生する風上への推進力で風車が受ける風下への抗力を打ち消し、洋上の一定位置に留まって発電できることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力の一部を風上への推進力に利用することで、海底に係留しなくても風に流されない為、水深の深い外洋にも安価に多数配置できる洋上風力発電用風車に関するものである。

風力発電の為、海上に風車を設置することは、陸上に比べて、立地、振動、騒音、景観、人間及び生物への安全性等の問題が無く、風力も一定で、望ましい。
従来の洋上風力発電用風車は、海底に基礎を打つ、又は海底に置いた基礎や、海上に浮かべた浮体を、風に流されないよう海底の基礎に係留する等の方法がとられている。
水深が浅い沿岸部であればいずれの方法も可能であるが、沿岸部は面積が少ないことに加え、陸地に近い為、景観、漁業、航路等の問題から立地がさらに限られ、設置の候補地に限界があった。
その為、水深の深い外洋で海底に係留する方式が検討されているが、水深に比例して係留索の自重、慣性が増大する等の問題があり、工法、経費等の面で水深の深い外洋での設置は非常に困難であった。
一部に浮体下部に推進器を設けた先行技術があるが、風向きに合わせて浮体をヨー運動をさせることが目的で、浮体自体は従来の技術同様に海底に係留されており、浮体が独立して移動する方式ではなかった。

特許公開２００８−１１１４０６ 特許公開２００５−２６４８６５

解決しようとする課題は、振動、騒音、景観、安全性、及び航路等の制限を受けないが、水深が深く、施工上、海底への係留が困難な外洋に、洋上風力発電装置を多数、安価に配置する為、風力の一部を風上への推進力に利用することで、海底に係留しなくても風に流されない、洋上風力発電用風車を提供することにある。
海底に係留する必要が無い為、景観等の制限がある沿岸を離れた外洋に安価に多数配置できる点が課題であり、配置場所は海水には限定されず、水深の深い湖等での配置も含まれる。

洋上に安定して浮遊する浮体を基礎として、浮体の上部に風車を設け、浮体の下部に推進器を設け、風車の回転軸と推進器の回転軸を連結して風車の回転力の一部で推進器を直接駆動する。
風車の回転によって推進器に発生する風上への推進力で風車が受ける風下への抗力を打ち消し、洋上の一定位置に留まって発電できることを特徴とする。

本発明の、風力の一部を風上への推進力に利用することで、海底に係留しなくても風に流されない洋上風力発電用風車は、風力を利用して洋上の一定位置に留まって発電できる為、海底に係留する必要が無く、立地制限のない広い外洋に多数、安価に配置できるという利点がある。
又、海底の基礎に固定や係留をしない為、洋上風力発電設備として、台風等の瞬間的に大きな風波に対しては適度に揺れ、流されることで、係留する方式に比べ、風車や浮体が損傷を受けにくいという利点もある。

風力の一部を風上への推進力に利用することで、海底に係留しなくても風に流されない洋上風力発電用風車の１実施例の斜視図である。

洋上に安定して浮遊する浮体を基礎とし、浮体の上部にプロペラ型の風車を配し、浮体の下部にスクリュー型の推進器を配し、風車と推進器の回転軸を連結する。風車と推進器は風上に向くよう配する。
用語として、プロペラ型風車とスクリューは構造が似ており、それぞれ羽根に抗力と揚力が働くが、受動的に回転するプロペラ型風車の羽根が風から受ける風下へ向かう力が風車の抗力であり、能動的に回転するスクリューの羽根に発生する風上に向けた力がスクリューの揚力である。以下、プロペラ型風車を風車、推進器をスクリューとして説明する。
図では、風車とスクリューの回転軸の連結を印象付ける為、回転力伝達軸を傾けて一直線上に表現しているが、実際には回転力伝達軸を複数に分割し、継手で繋ぐことで、風車、スクリューの回転軸はほぼ水平に配する。

この発明の要点は、適度な性能の風車とスクリューの回転軸を連結した場合、空中で回転する風車が風から受ける抗力、つまり浮体が風下に流される力と、水中にあるスクリューを回転させることで発生する揚力、つまり浮体を風上に推進させる力を比較すると、比重の大きな水中でスクリューに発生する揚力の方が大きく、原理的に、ヨットと同じく風力だけで風上に向かって進む船を作ることができることにある。
ヨットの場合、帆に働く推進力で船体下部にある舵とキールを角度を持って水中移動させることで風上への揚力を得て、斜めではあるが風上に向けて航行する。
回転軸の連結という単純安価な構造で、スクリューに発生する揚力は風車が受ける抗力つまり風力にほぼ比例する為、適度に設計すれば浮体は風に流されることなく洋上の一定位置に留まることができる。
航行するヨットと異なり、洋上風力発電用風車は一定位置に留まればよいので、スクリューは低速、高トルクの形状となり、スクリューを駆動した残りのエネルギーを発電に利用できる。
発電効率は、海底に係留する方式に比べれば、スクリューの駆動分がエネルギーロスとなるが、発電装置単体での効率は劣っても、係留する為の初期工事費や維持費がかからず、ほぼ無限に広い洋上に安価に多数配置できることが特徴である。

浮体については、洋上で風車を安定して支えるに足る浮力と復元、安定力を持つ、容積、構造のものとなるが、既存の技術であり、詳細は省略する。
風車の回転軸が水平で回転軸の方向が固定の場合は、浮体を風車とともに風の向きにあわせてY軸回転させる必要があり、一例としては図１のように、風車とスクリューを浮体の両端に配することで、風車が受ける風下への抗力とスクリューに発生する揚力が浮体の両端で働いて浮体は風上に向く、当て舵を働かせることも有効である。
風車の回転軸が垂直な場合、又は回転軸が水平で回転軸の方向が風向きを追って回転する場合は、浮体自体は風上へ回転する必要はないが、水面下のスクリューは風上へ方向を変える必要がある。
又、浮体を縦に長い円柱状の構造として、最下部にバラストを置く方法は、水面近くで波を受ける面積を小さくして安定させる既存の技術である。
後述するように、発電した電力で海水を電気分解してエネルギーを水素、及び酸素ガスで貯蔵する方式の場合は、貯蔵タンクを応力によるガス漏れが無い強度の構造にした上で浮体として利用する方法もある。

浮体の下部構造については、ヨットのキールのように、風と直行する方向に浮体の水面下に垂直にフィンを伸ばして風の抗力に抵抗することもできる。
これだけでは、ある程度風下に流されるが、逆風で戻る事を計算に入れれば、位置を修正する為の推進器の使用を必要最低限にする運用も可能である。
その場合、スクリューによって、水面下に垂直に伸ばしたフィンの前面から後面に水を送ってフィンの前後での水圧差を作ることで風への抗力とする方法もある。
具体的には浮体の下方に２枚の垂直フィンを９０度交差して吊り下げ、中央でフィンが交差する部分に設けた切欠きにスクリューを置いて、スクリューの方向を回転することでフィンで仕切られた４つの区画の間の水圧を調整するものである。

風車については、風力から回転力が取り出せれば良く、基本構造や強風対策等は既存の技術であり、詳細は省略するが、一部を挙げれば、風車は、水平軸のプロペラ型でも、ダリウス型やジャイロミル型等の垂直軸型でも風力で回転する風車であれば種類は問わない。
垂直軸型の風車の場合は、浮体下部のスクリューを浮体中心から変心して配置したり、２基の浮体を連結する等、浮体の共回転を防ぐ手段が必要となる。
陸上のような騒音、振動、安全等の問題は無く、固定、係留された風車に比べれば、適度に揺れ、流されることで瞬間的な強風や高波による損傷を受けにくい利点はあるが、一般的に強風、揺動等、海洋気象に耐える必要からブレードを含めて所要の形状、大きさとなる。
風車に向けて風を集める、又は風を整流するフィンやダクトを風車自体又は浮体上に設けることも有効である。

浮体と風車の関係としては、浮体の上にユニットとしての各種風車を設置する形には限定されない。
極端な例としては、浮体上部に垂直にタワーを立て、浮体周囲の海面に同心円状にヨットを配し、浮体と各ヨットの船体を浮体を中心とした放射状のリンクで連結し、円周上に並ぶヨットの船体をリンクで中心から等距離の同心円状に順次連結し、各ヨットのマストの先端を浮体のタワーの先端に連結し、各ヨットのブームを、同心円上の各々の位置で、ヨットを円周の接線方向に駆動する角度に制御する。上記方法によって、浮体の浮力を超えた大規模なジャイロミル風車を構成することもできる。
この場合、浮体も共回転するので、回転力の取り出しには、２つのユニットを水中で繋ぐ、あるいは各ヨットから水中にプロペラを曳航して回転力を得る等の方法が必要となる。
このヨットは、説明上ヨットとしているが、キャットリグのような形状のヨット状ユニットを傾けて使用するものである。
円周上で、風上に向かう一点だけは推進力を失うが、連結された他の位置のヨットが推進力を補う。
実際には、浮体と各ヨットとの間は自由度のあるリンクで連結して、波による揺れを吸収する。
又、上記構成の場合、風上への推進器は中心の浮体下部には設けず、各ヨットのキールと舵と使い、円周の風上と風下に当たる位置で当て舵を取ることによって自由な方向へ、自由な推進力を得ることができる、例えて言えば、各々のヨットのキールがフィンとなり、円周全体でひとつのフォイトシュナイダー型プロペラを構成するものである。

推進器については、水中で推進力が得られれば良く、既存の技術である為、詳細は省略する。
一部を挙げれば、通常船舶用の推進器で良く、代表的なスクリューを例に説明しているが、船舶のように航行せず一定位置に留まれば良い為、通常船舶用より低速，高トルクの形状となる。
その形はスクリューに限定されず、アジマスラスターやフォイトシュナイダー型等でも可能で、回転軸の方向が回転する水平回転軸の風車や、垂直回転軸の風車と組み合わせると、浮体の中央部の上下に風車と推進器を集中配置して、垂直方向に短い距離で回転を伝達できる。
風車と推進器の回転軸を連結するとは、風車の回転力で推進器を駆動することであり、図１では説明上わかりやすく、一本の回転力伝達軸で直結しているが、実際には、回転数の制御や角度の調整、回転振動、強度等の問題で、所要の継手と回転数変換用のギア、断続用のクラッチ等を介して連結する等、広くは途中でエネルギーを変換するものまで含むが、風車で発電した電力を使ってスクリューをモーター駆動する方法は、制御が容易である反面エネルギー効率が悪い為、軸を直結して回転トルクをそのまま利用する方式で効率を上げている。
フォイトシュナイダー型を含め、スクリュー側に羽角度を調整できる機能があれば、回転数変換用のギアやクラッチを省略することもできる。

発電については、風力による風車の回転エネルギーから推進器で消費するエネルギーを引いた残りのエネルギーを取り出して利用することになるが、回転の増速装置や発電機等のエネルギーを電力として取り出す装置や、エネルギーの貯蔵、利用方法等は、本発明の特徴ではなく、既存の技術であり詳細は省略する。
一部を挙げれば、外洋の為、風車で発電しても、ケーブルでの直接送電はコスト、技術の両面から困難である。
浮体上の蓄電池に充電する、その電力で海水を電気分解して水素と酸素をタンクに貯蔵し、それをガスタンカーで定期的に回収する等の方法が想定される。
洋上での配置についても、発電とエネルギー貯蔵設備を持つ同一構造の浮体を多数独立配置する方法や、風車だけの簡単な構造の浮体を複数繋いで、中央にエネルギーを貯蔵装置を持つ母船を置く集団配置等の方法が想定される。

浮体を洋上の一定位置に留める為の制御方法については、本発明の基本的特徴を超えるので詳細は省略するが、実際には単なる風車とスクリューの回転軸の連結だけではなく、洋上での位置認識と、より高度な制御システムが必要となる。
通常は、あらかじめ計算された性能の風車とスクリューを連結回転させておけば、風に流されることによる位置の移動をほぼ打ち消すことができる。
しかし、常に変化する風向や長時間の運用による誤差の蓄積、無風時の潮流による漂流等を補正して、洋上の一定位置に留まり、エネルギー収集船と落ち合う為には、より積極的な位置の補正が必要となる。
単純な機能としては、GPSで位置を確認して、舵を取り、スクリューのピッチ変更やクラッチの断続によって推進力と推進方向を制御しながら積極的に風に向かう、当て舵をとる、あるいは流されることで一定位置からのずれを補正することができる。
さらに高度な機能としては、気象情報等を元に積極的に一定位置を離れ、より風力を利用できる海域に移動する、計画的に風力を利用しながら一定期間で目的の位置まで回遊する等の運用も可能である。
回遊制御が可能な場合は、浮体下部に風力と直行方向に制動板を配し、この制動板の抵抗のみで風の抗力に抵抗する方法もある。
推進器を働かせない為、時間と共に風下に流されるが、後に逆風を利用して戻ればよく、推進器は位置の補正のみに最小限使用することになる。

風上への移動制御については、位置の制御とは別に、発電効率の点から有効になる場合がある。
風上への高速移動は造波抵抗が大きくなって当然エネルギーロスとなるが、低速での風上への移動は風車の受ける相対風速を増速することになり、速度を適正に制御すれば、内燃エンジンが出力の一部で過給器を駆動して出力を上げるのと同じ原理で発電効率を向上させる可能性がある。
又、前述のように推進器を止めて風に流されながら発電する方法もあり、風力の強弱により、効率の良い方法を使い分ける可能性も想定される。

図１は、原理の説明を主目的とした模式的な実施例であり、部分的に省略や誇張がある。
浮体１は楕円状の船であり、その後部甲板上にタワーを設置し、その上端に回転力伝達軸５を回転自在に配し、回転力伝達軸５の一端に３枚のブレードで構成される風車２の回転軸を取り付け、他端を浮体１を貫通して水面下まで延長して、その先端にスクリュー３の回転軸を取り付け、浮体１の下部に舵４を設けたものである。
浮体１の内部に、回転力伝達軸５に連結した発電機６と、その電力で動作する海水の電気分解装置７を納め、円筒状のタンク８、９に電気分解した水素と酸素を貯蔵し、定期的にガスタンカーで収集する方法を想定している。

１．浮体
２．風車
３．スクリュー
４．舵
５．回転力伝達軸
６．発電機
７．電気分解装置
８．水素タンク
９．酸素タンク

Claims (1)

1. 少なくとも１つ以上の羽根を回転自在に保持することにより風力から回転力を発生させて発電等に利用される風車において、
   前記風車と、
   前記風車を空中に支持する支持部材と、
   前記風車及び前記支持部材を水面上に保持する浮体と、
   前記浮体を水面上において推進させる推進器から成り、
   前記支持部材及び風車は前記浮体上部に配され、
   前記推進器は前記浮体下部に配されると共に、
   前記風車の回転軸と前記推進器の回転軸を連結したことを特徴とする、
   風力の一部を風上への推進力に利用することで、アンカーで係留しなくても風に流されない洋上風力発電用風車。

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