JP2013160109A

JP2013160109A - 吸振機構付き風車装置

Info

Publication number: JP2013160109A
Application number: JP2012021525A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Ueno; 康男上野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-08-19

Abstract

【課題】
本発明は、主に水深の深い洋上に設置する風車装置に関するものであり、特に浮体のベース部分の揺れが風車に伝わるのを防止する吸振機構を有することと、逆に風車の振動がベース部分に伝わるのを防止することで安全性、耐久性を大幅に改善するとともにコストダウンと保守性も向上させることが出来る風車装置を提供するものである。
【解決手段】
回転軸に取り付けた回転翼の回転面を風向きに正対させるべき回動機構を有するポールの基部において複数のフロートを有し、海底に係留されているベース部材との結合部に吸振機構を設けた吸振機構付き風車装置を提供する。また、垂直方向の回転軸を有する風車にも同様な構造で対応可能としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に水深の深い洋上に設置する風車装置に関するものであり、特に浮体ベース部の揺れが風車に伝わるのを防止する吸振機構を有することで安全性、耐久性を大幅に改善するとともにコストダウンと保守性も向上させることが出来る風車装置に関するものである。

再生可能な自然エネルギーの内最も有効とされている風力も地上での設置は騒音、景観等の制約から大きく発展することに制限が掛かっている。今後は広い洋上への設置が問題解決の早道とされている。特に水深の深い海でも設置可能な浮体式とすれば充分な広さと安定した風に恵まれ上記の騒音や景観の制約も少ない。しかし、気象状況によって大きな波が発生する為に現在は浮体自体の形状に工夫を凝らして揺れを防止する対策をとっている。

特開２００９−０１８６７１号公報代表的なものとしては上記文献が示すとおりスパー型と呼ばれ、縦に長い形状の浮体の多くの部分が水中にあるごとく浮かべ、下部を鎖や鋼索等で海底に固定する方式のものである。

しかるに、このような構造にした場合は海上を移動するのが極めて困難な為、製造時には分割したものとして設置場所にて洋上での組立作業が必要となり、作業は波のない静かなときに限られ、それでも多くの危険をはらんだ作業となる。また、一旦設置した後は保守作業時にも移動が困難な為に危険な洋上作業となり両方における作業コストが嵩む欠点が有る。

本来、不安定な洋上での組立や保守作業は出来るだけ少なくしてドック内で完成したものを設置場所に移送して設置し、保守作業もドック内に移送して安全な状態で行えるものが望まれている。

一方、移送に容易なフロートタイプの浮体は波によって大きく揺れる。プロペラ型の風車ではその回転中に揺れが生じるとジャイロ効果によって羽根やヨー機構などに大きな荷重が加わり、一瞬にして破損する事故を誘発することになる。垂直軸タイプの風車は、プロペラ型に比べるとこのような事故を起こす可能性は低いが、縦揺れを横揺れに変換するような力が働くので回転軸周りへの荷重が増加することになる。

本発明が解決しようとする課題は風車のベース部と浮体との結合部に吸振機構を設けることによって上記のごとき欠点を廃し、ドックで完成した装置を容易に設置場所まで曳航し、係留索と結合するだけで設置できるものとし、また保守の時にもドックまで曳航して安全に行えるごとくし、更にフロート部分が波で揺れてもその揺れを風車に悪影響を及ぼさない程度に抑えることを可能とすることで破損や事故を防止し、結果的に大幅なコストダウンを可能にする風車装置を提供することである。

本発明の上記課題を解決するための手段は、風車のベース部と浮体との結合部に吸振機構を設けることによって波による浮体の揺れの風車への伝達量を軽減することで、浮体自体の揺れは許容し、風車の破損を防止することが出来る吸振機構付き風車装置を提供することである。

本発明の第１の効果は、浮体の揺れを許容することによってその構造を大幅に簡略化できるので装置としての大幅なコストダウンを可能とすることである。現在主流とされているスパー型の浮体の場合その形状は数十メートルに及ぶ縦方向の長さが必要となり製作には特殊な設備と技術が必要であり、結果的にコストアップの原因となっている。

本発明の第２の効果は、浮体の長さを短くすることが出来る為ドック内で完成品としてから設置場所まで曳航していくことが出来る為、洋上での組立作業が無く設置作業が大幅に簡略化できることである。

本発明の第３の効果は、保守点検においてドックまで曳航して安全な環境・設備の下に能率良く行えることである。ここでコストダウンの重要性は自然エネルギーの利用設備においては一般の製品とは異なり、燃料などのランニングコストが掛からないので初期及び保守点検の費用を削減することが運用上極めて重要なことであることを認識しなくてはならない。

図１は吸振機構付き風車装置の１実施形態を示した側面図である。図２は吸振機構付き風車装置の他の実施形態を示した側面図である。図３は吸振機構付き風車装置の１実施形態を示した部分側面図である。

本発明の吸振機構付き風車装置をその性能を損なわない範囲で簡略化して実現するための実施形態を示す。

図１は、本発明の吸振機構付き風車装置の１実施形態を示した側面図であり、図２は吸振機構付き風車装置の他の実施形態を示した側面図、図３は吸振機構付き風車装置の１実施形態を示した部分側面図である。
図１及び図３において、水平方向を向く回転軸１にはプロペラ式の回転翼２と増速機構３を介して発電機４が接続されており、これらの部材が回動機構（ヨー機構）５によって風向きに正対するごとく構成されている。図１においてはアップウインドーと呼ばれる回動機構（ヨー機構）５の風上側に回転翼２が位置する方式が描かれているが、ダウンウインドーと呼ばれる回動機構（ヨー機構）５の風下側に回転翼２が位置する方式であっても差し支えない。６は先端に回動機構５を支持するポールであり一般に回転翼２の半径より長く設定されている。ポール６の下部は平面的な広がりをもつ基部７が形成され、複数のコイル状圧縮スプリング８と複数の弾力性バルーン９を介してベース部分１０と組み合わせられている。ベース部分１０は複数の腕１１とその先端に縦型の筒状のフロート１２がその上端部で取り付けられている。フロート１２の水平断面は楕円状に形成されていることが望ましい。また、フロート１２の下端部には係留索１３の一端が取り付けられており、その他端は海底のアンカー１４に固定されている。また、該係留索１３の中間部には海水より比重の大きい干渉球１５が取り付けられ、フロート１２とアンカー１４の間で係留索１３が直線状に張るのを防ぎ、波によるフロー１２の動きで係留索１３に過大な張力が生じるのを防止している。１６は基部７とベース部材１０との位置関係を維持する為の位置決め部材である。
[作用]

上記実施形態に示す本発明の吸振機構付き風車装置の作用について説明する。本発明の吸振機構付き風車装置は基本的にドック内で完全に組み立てられた状態で設置場所まで曳航用船舶によって運ばれる。この時水平断面が楕円状のフロート１２は、その長手方向に移動する場合は流体抵抗が小さく移動は容易である。また、上下寸法もスパー型のフロートのように極端に長いものではないので水深の浅いところでも海底に接触することがなく移動時の障害はない。設置状態ではフロート１２はその中間部まで水中に沈んだ状態であり多少の波ではベース部分１０に発生する可能性のある大きな揺れを防止できる形状となっている。また、フロート１２の下端部に取り付けられた係留索１３は複数のアンカー１４によって海底に係留され、海流や波によって移動するのを防止されている。また、係留索１３の中間部に設けられた海水より比重の大きい干渉球１５は係留索１３がフロート１２とアンカー１４の間で係留索１３が直線状に張るのを防ぎ、干渉球１５の移動時に働く海水の抵抗は係留索１３に適度の伸縮性と減衰性を備えた特性を付加するものである。

このように設置されたベース部分１０は複数のコイル状圧縮スプリング８と複数の弾力性バルーン９を介して基部７と組み合わされているのでベース部分１０の揺れは基部７では更に減衰されてものとなっている。特に周波数の高い振動は回転中の風車の回転翼２及び回動機構５に大きな負荷を発生するのでこれを減衰することができる複数のコイル状圧縮スプリング８と複数の弾力性バルーン９の組み合わせ機構が回転翼２及び回動機構５を保護する効果は極めて大きい。

すなわち、回転中の回転翼２には大きな慣性モーメントがあるためこれに外部から揺れ運動が加わるといわゆるジャイロ効果により回転翼２には回転方向に９０°位相のずれた方向の力が加わり、回転面を変化させようとする。仮に回転面を横方向に振る揺れが加わった場合には回転翼２の回転面は上下に変化しようとする。しかし、上記の回動機構５には上下方向の自由度はないので変化できず回転翼には大きな荷重が加わって破損する可能性がある。また、仮に回転面を縦方向に振る揺れが加わった場合には回転翼２の回転面は左右に変化しようとする。アップウインドータイプであれば揺機構５にはアクティブに回転軸１を風上に向ける駆動機構があるが、この部分に予想を越えた荷重が加わり破損する可能性がある。ダウンウインドータイプの場合、回動機構５は一般にフリー回転なので回転翼２の回転面は左右に大きく振れて横を向き、風を捉えることが出来なくなる。そんなことは無いと思われるかもしれないが発明者が再三経験した事実である。これらの異常事態が複数のコイル状圧縮スプリング８と複数の弾力性バルーン９を組み合わせた吸振機構で防止することができる。

図２において、垂直な回転軸２１には腕部材２２によって回転軸２１とほぼ並行な複数の回転翼２３が取り付けられている。回転軸２１には増速機構２４を介して発電機２５が接続されており、風向きに関係なく回転するように細部の工夫がなされている。回転軸２１を回転自在に支持する基部２６はその下部で図１に示す実施形態と同様の複数のコイル状圧縮スプリング８と複数の弾力性バルーン９を介してベース部分１０と組み合わせられている。以下の部分は図１に示す実施形態と同様である。

図２に示す構造の風車においては図１に示す構造の風車のごとき異常事態が発生することはないが、仮にベース部分１０がＸ方向に揺れた場合、風車の回転軸２１は前述と同様のジャイロ効果によりこのＸ方向の揺れを直交するＹ方向の揺れに変換する力を生じさせる。この揺れをベース部分１０に伝えないようにすることが必要であり、複数の弾力性バルーン９と複数のコイル状圧縮スプリング８を組み合わせた吸振機構がこれを防止することができる。また、図２に示す構造の風車の場合、洋上での風速の急激な変化によって回転数が大きく変化するようなときに生じる回転力及び半径方向の力の周期的な変化によって回転軸２１に過大な曲げ荷重が発生し、振動の原因となることがある。ひどい場合はこの振動によって回転軸２３が破損する場合がある。このような時、複数のコイル状圧縮スプリング８と複数の弾力性バルーン９を組み合わせた吸振機構でその振動をベース部分１０に伝えないようにすると、回転軸２１に加わる荷重は大幅に減少して破損を免れることができる。このように図２に示す構造の風車においては洋上に設置する場合に風速の急激な変化による事故を防止する効果があるが、この効果は洋上設置状態に限定するものではないのでフロートなどを持たない地上に固定して設置する場合にも有効であることは云うまでもない。

図３は複数のコイル状圧縮スプリング８と複数の弾力性バルーン９を組み合わせた吸振機構の詳細を示す部分側面図である。コイル状圧縮スプリング８で復元力を維持し、弾力性バルーン９で振動の減衰力を発生させることが出来る。弾力性バルーン９の材質は内部に気体を詰めたゴム製のものか、スポンジ状の可撓性の材料で構成するのが望ましい。

複数のコイル状圧縮スプリング８と複数の弾力性バルーン９を組み合わせた吸振機構を有する風車装置は波など外部からの揺れから水平軸型（プロペラ型）風車の破損を防止することを可能とする効果と垂直軸風車自体の振動を吸収して回転軸その他の破損を防ぐ効果を有し、特に洋上風車においては製造・運用コストを大幅に削減することができるものであり、その産業状の利用可能性は極めて広くその効果は著しい。

１回転軸
２回転翼
３増速機構
４発電機
５回動機構（ヨー機構）
６ポール
７基部
８圧縮スプリング
９弾力性バルーン
１０ベース部分
１１腕
１２フロート
１３係留索
１４アンカー
１５干渉球
１６位置決め部材
２１回転軸
２２腕部材
２３回転翼
２４増速機構
２５発電機
２６基部

Claims

回転軸に取り付けた回転翼の回転面を風向きに正対させるべき回動機構を有するポールの基部においてベース部材との結合部に吸振機構を設けたことを特徴とする吸振機構付き風車装置。
垂直に回転する回転軸に腕部材を介して該回転軸にほぼ並行な複数の回転翼を設け、該回転軸を回転自在に支持する基部においてベース部材との結合部に吸振機構を設けたことを特徴とする吸振機構付き風車装置。