JP2013509522A - バッテリユニットを備えた風力発電機 - Google Patents

Abstract

水上または水辺に適用される風力発電機（１）が、風力ロータ（２）と、風力ロータ（２）と動力伝達可能に接続された発電機（４）と、少なくとも１つの電気化学的電池を有するバッテリユニット（１０）とを備えている。

Description

本発明は風力発電機、特に水源の水上または水辺に適用される風力発電機に関する。ここで、水源は海、川、湖、池などを含み、水上は洋上、水辺は海辺を含む語句として用いられている。

この種の風力発電機は、沖合に立地するいわゆる洋上施設で使用される。陸地との直接のアクセスは通例存在しない。とりわけ、この種の風力発電機が洋上で使用される場合には、中でも塩水に起因する環境要因がこの種の風力発電機の設計に大きな問題をもたらす。加えて、発電電気エネルギーを需要家まで送電するのに、特別な配慮が必要である。

ただし、この種の風力発電機は内陸水源特に大きな湖沼の近辺でも、同所に強い風が発生しうるので、使用可能である。

再生可能エネルギーたとえば風力エネルギーまたは太陽エネルギーは発生出力が変動するという短所を有している。気象条件が適切であれば、風力発電装置または太陽発電装置は高い出力を発生しうるが、気象状況が相応して変動する場合には、発生出力は短時間の間に極めて低いレベルに低下してしまうことがある。この種の変動を考慮すると、好適な気象条件時に発電される電気エネルギーを蓄積しておくことが不可欠である。これにより、風力発電機または太陽発電機がわずかな出力しかもたらさないときには、蓄積されたエネルギーによって発生出力の低下を補うことが可能である。

特許文献１には、フローティング風力発電機が開示されている。この風力発電機は水面を浮遊するフロートを有している。このフローティング風力発電機は沿岸区域に据え付けることが可能である。フロート・エリアには非常給電用のバッファバッテリが収容可能である。

特許文献２には、再生可能エネルギーを発電、蓄積および消費するための洋上発電機がその製造プロセスと共に開示されている。複数基の風力エネルギーコンバータが搭載配置されたフローティングキャリア構造が設けられている。

特許文献３には、電流バッファリングのために蓄電池バンクが接続されたエネルギータワーが開示されている。このエネルギータワーでたとえば電気自動車はエネルギー供給を受けることが可能である。

ドイツ登録実用新案第２０２０６２３４号明細書 ドイツ特許第１９７１４５１２号明細書 ドイツ登録実用新案第２０２００９００６６４７号明細書

本発明の目的は改善された風力発電機を提供することである。

本発明の上記目的は、風力ロータと、該風力ロータと動力伝達可能に接続された発電機と、少なくとも１つの電気化学電池を有するバッテリユニットとを備えた、特に水上または水辺に適用される風力発電機によって解決される。

本発明の範囲内において、本願での風力発電機とは、風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置として理解されるべきである。ここでいう電気エネルギーとは、化学的な形で蓄積された電気エネルギーも含まれている。この場合、風の運動エネルギーは、特に、ベルヌーイ効果を利用して、風力ロータの運動エネルギーに変換される。風力ロータが発電機と動力伝達可能連結されていれば、風力ロータの回転によって発電機が駆動され、電気エネルギーを発生させることができる。

本発明の範囲内において、バッテリユニットとは、少なくとも１つの電気化学電池を有する装置として理解されるべきである。ここでいうバッテリユニットは構造手段、特に、電気化学電池を位置安定的に担持可能なハウジングを含むことができる。バッテリユニットは電気化学電池の接触手段を有していてもよい。ハウジングは周囲環境に対して電気化学電池を封鎖してもよい。

本発明の範囲内において、電気化学電池とは、化学的エネルギーを蓄積すると共に電気エネルギーを出力するために使用することもできる装置として理解されるべきである。そのため、電気化学電池は、ジャケットによって周囲環境に対してほぼ気密・液密封止されて境界付けられた少なくとも１つの電極スタック（コイル形電極も含まれる）を有することが一般的である。また、電気化学電池は、充電時に電気エネルギーを受容するように形成することも可能である。この場合、この電気化学電池は、二次電池または蓄電池とも称される。

この場合、バッテリユニットは好ましくは、少なくとも場合によっては、この発電機によって発電された電気エネルギーの大半を受け入れるように設計されている。これの意味するところは、バッテリユニットは、この発電機によって発電可能な最大電力の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７５％、さらに好ましくは９０％、できれば１００％を受け入れて、化学的エネルギーに変換可能であるということである。このことから、このバッテリユニットは、好ましくは、電気エネルギーを化学的エネルギーに変換するために、たとえば非常用電源ユニットとして機能するバッテリつまりバッファバッテリが備えている蓄電容量に較べて著しく高い蓄電容量を有することになる。このようなバッテリユニットであるがため、一方では、風力発電機が電気エネルギーを大量に出力できる時に電気エネルギーを貯蔵しておくことが可能となり、他方では、風がほとんど発生しないことから発電機による電気エネルギーの出力がごくわずかであるときでも、このバッテリユニットから、電気エネルギーを供給することが可能となる。

好ましくは、バッテリユニットのハウジングまたは電気化学電池のジャケットあるいはそれら両方は水源（海、川、湖など）の水に直接に曝露されてよい。この場合、水源の水として想定されているのは、好ましくは海水または、当該風力発電機が川や湖などの内部または周辺に設置されている場合は、真水である。その際、前記水源の水は、バッテリユニットまたは電気化学電池あるいはそれら両方の温度制御に使用することができる。たとえば、北海は冬季には約１０℃の海水温を、夏季には約２５℃の海水温を有している。通年にわたって生ずる約１５℃の温度差は、電気化学電池の稼動中に生じ得る温度変動に比較して、非常にわずかな温度変動を表しているにすぎない。その限りで、海水は、ほぼ一定の外的条件にて電気化学電池の温度制御を行うのに、非常に好適である。その際、バッテリユニットのハウジングまたは電気化学電池のジャケットあるいはそれら両方は直接に水と接触可能であるため、冷却対策のための構造的コストを低く抑えることが可能である。この場合、バッテリユニットは少なくとも部分的に、好ましくは全面的に、前記水源の水面下に配置される。バッテリユニットまたは電気化学電池あるいはそれら両方はいかなる潮位条件に際しても少なくとも水の一部と接触するように構成することが好ましい。

別な実施形態としてまたは上述した実施形態と組み合わせるものとして、前記水源の水をバッテリユニットに向けて送出する手段を設けることも提案される。これにより、前記水源の水位に依存しない独立性、特に干満差に依存しない独立性を得ることができる。このような送出手段はポンプで構成することができる。

別な実施形態としてまたは上述した実施形態と組み合わせるものとして、一方で少なくとも１つの電気化学電池と、他方で前記水源の水とそれぞれ熱交換可能に接触する別個の熱循環系を設けることも好適である。その際、このような熱的接触は、電気化学電池との間で直接に形成されてもよいし、バッテリユニットの一部を経て間接的に形成されていてもよい。この種のシステムにおいて、好ましくは、バッテリユニットまたは電気化学電池と前記水源の水との空間的分離が実施されてもよい。特に、前記水源の水が塩分を含有している場合、塩分を含有した水は電気化学電池のジャケットまたはバッテリユニットあるいはそれら両方のハウジングを化学的に傷つける可能性があるので、上述した分離は有益である。さらに、バッテリユニットは、前記水源の水が自然現象的には到達できない箇所に組み付けられるとよい。

バッテリユニットは風力発電機のハウジング内に着脱可能に取り付けられているのが好ましい。ここでは、着脱式結合（クランプ結合など）は、風力発電機の通常運転時にたびたび取り外しないし再取り付けができるように構成された結合形態として理解されるべきである。バッテリユニットの交換は風力発電機の所期の日常的利用の一部を表している。ただし、単なる保守点検目的のためのバッテリユニットの取り外しは風力発電機の予め定まった日常的利用を意味するものではない。着脱式結合は、特に、風力発電機のハウジング内部におけるバッテリユニットの自動取り外し・取り付けに好適である。特に、これにより、風力発電機によって発電された電気エネルギーの一部をバッテリユニットによって風力発電機から取り出すようにすることが可能になる。この場合、着脱式結合は嵌め込み機構によって実現されるとよい。その際、バッテリユニットは適切な安全手段たとえばボルトによって、勝手に外れることがないよう安全確保されると好都合である。このように着脱式に取り付けられるバッテリユニットは、取り付け・取り外しを容易に行えるよう、風力発電機のハウジングの外部に取り付けられているのが好ましい。

好ましくは、バッテリユニットは風力発電機ハウジングの外部に取り付けられている。ここで、風力発電機ハウジングとは、風力発電機の一部に実質的に定位置に取り付けされて、風力発電機の少なくとも一部を周囲環境影響因子から保護することのできる装備品として理解されるとよい。さらに、風力発電機ハウジングは風力発電機の構成要素の保護機能を引き受けることができる。バッテリユニットが風力発電機ハウジングの外部に取り付けられていることにより、風力発電機からバッテリユニットを容易に取り外すことが可能である。このことは、風力発電機ハウジングから取り外し可能であって、特に風力発電機から頻繁に取り外されて再び取り付けられることが予定されているバッテリユニットが使用される場合に、好適である。

好ましくは、風力発電機は電気エネルギーを出力するための装置として、バッテリユニットを備える。このようなバッテリユニットは、特に、風力発電機に着脱式に取り付けられると好都合である。電気エネルギーを出力するためにバッテリユニットが設けられている場合、風力発電ブラントとのケーブル接続は不要である。したがって、電気エネルギーはバッテリユニットと共に風力発電機から取り出すことができる。取り出されたバッテリユニットはクレーンを用いて直接、船舶に搭載することが可能である。その際、こうしたバッテリユニットは船舶に駆動エネルギーまたは電源エネルギーを供給するために使用することも可能である。その限りで、取り外し式バッテリユニットを備えた風力発電機は電気駆動船舶用の一種のガソリンスタンドとしての機能を果たす。これは、特に、陸地から遠く離れて設置されている風力発電機の場合に好適である。

別の実施形態としてとして、または上述した可能性と組み合わせて、バッテリユニットは風力発電機の土台中に配置されていてよい。その際、特に、バッテリユニットの重量を風力発電機の固定のための土台重量として利用することが可能である。これには、特に、保守不要なリチウムイオンバッテリが適している。さらに、風力発電機のハウジングのほぼいかなる箇所も電気化学電池を収納することが可能である。

本発明は、さらに、バッテリユニットが上述した風力発電機から取り外され、続いて、船舶に搭載されるようにして、船舶に駆動エネルギーまたは電源エネルギーあるいはそれら両方を供給する方法にも関している。この場合、駆動エネルギーとは、船舶を推進するために使用されるエネルギーとして理解されるものである。通例、駆動エネルギーは原動機によってプロペラまたはスクリューを経て変換される。機器利用エネルギーとは、船舶の駆動に使用されるのではなく、船舶のその他の技術設備たとえば制御装置または空調装置への給電に使用されるエネルギーを主に意図している。通例、そのような機器利用エネルギーは船舶または航空機においては補助電源装置（ＡＰＵ）によって供給される。この発明によれば、船舶に電源エネルギーを供給するバッテリユニットはこの種のＡＰＵに代替することが可能である。

本発明は、さらに、電気化学電池と周囲環境の少なくとも一部とのエネルギー交換が熱交換装置を介して行われるようにする電気化学電池の温度制御方法であって、水源の水特に海洋または内陸水源の水との熱交換が行われることを特徴とする方法も含んでいる。熱交換装置とは熱交換器として理解されてよい。ただし、熱交換装置は単にハウジングによっても形成可能である。この場合、ハウジングの外面が前記水源の水と接触すればよい。ハウジングの内面は電気化学電池のエネルギーを吸収することが可能である。

好ましくは、前記水源の水は電気化学電池を収容するハウジングまたは電気化学電池のジャケットと直接に接触する。これによって、構造的に簡易に形成される熱交換装置が実現することになる。水源の水の温度がほぼ一定であることにより、安定した温度制御が保証される。

別な実施形態として、電気化学電池は冷却液循環系と熱伝導接触し、その際、冷却液循環系自体は水源の水と熱伝導接触するようにしてもよい

第一の実施形態による風力発電機を示す図である。 第二の実施形態による風力発電機を示す図である。 第三の実施形態による風力発電機を示す図である。 第四の実施形態による風力発電機を示す図である。 第五の実施形態による風力発電機を示す図である。 第六の実施形態による風力発電機を示す図である。 バッテリユニットが挿設された風力発電機ハウジングの断面を示す図である。 冷却循環系をそれぞれ概略的に示す図であり、図８のａ）は第一の実施形態による冷却循環系を概略的に示す図であり、図８のｂ）は第二の実施形態による冷却循環系を概略的に示す図である。 風力発電機ハウジングの外部に取り付けられたバッテリユニットを示す図である。

図１は、洋上で使用するための、第一の実施形態による風力発電機を示している。風力発電機１は、風力発電機ハウジング３に取り付けられた風力ロータ２を有している。風力発電機ハウジング３の上部には、風力ロータ２と動力伝達可能に連結された発電機４が設けられている。水面５の下方には、風力発電機１の全体の位置ならびに姿勢を保持するための土台６が設けられている。土台６は、３本の鋼製杭７によって形成された三脚架の形を有している。鋼製杭７は海底８に打ち込まれている。中央の支持パイプ９は土台６と風力発電機ハウジング３の上部とを連結している。発電機４を収容するハウジング４と、支持パイプ９ならびに土台６とはこの風力発電機ハウジング３の構成要素である。

それぞれ１つのバッテリユニット１０が１本以上の鋼製杭７の内部に配置され、支持パイプ９の内部にはさらに別のバッテリユニット１０が配置されている。ここでは、バッテリユニット１０は風力発電機ハウジング３の内部に配置されている。バッテリユニット１０に代えて個別の電気化学電池を使用することも可能であり、これは以下に述べる一連の実施形態についても同様である。

その際、一方では、鋼製杭７と支持パイプ９とによって作り出される空間はバッテリユニット１０によって効率的に利用され、他方では、バッテリユニット１０の重力は土台の安定化に利用することが可能である。

図２は、前記第一の実施形態に実質的に類似する第二の実施形態による風力発電機１を示している。以下に、両者間の相違のみ説明することとする。風力発電機１の土台６は鋼製要素１１からなるトラス構造を有し、このトラス構造の下面には、互いに矩形状に配置された４本の鋼製杭７が設けられている。鋼製要素１１からなるトラス構造の側部には、バッテリユニット１０を取り付けることのできる突き出し台座形状の支持機構が形成されている。ここでは、バッテリユニット１０は風力発電機ハウジング３の外部に取り付けられている。

図３は、前記第一の実施形態に実質的に同一である第三の実施形態による風力発電機１を示している。以下では、両者間の相違のみ説明する。風力発電機ハウジング３は実質的に、同時に土台６も兼ねるように形成されている支持パイプ９を備えている。支持パイプ９はその全長にわたって異なった直径を有しており、基部は海底８に打ち込まれている。支持パイプ９の下部には、バッテリユニット１０が海面下の位置で配置されている。

図４は、前記第三の実施形態に実質的に同一な第四の実施形態による風力発電機１を示している。以下では、両者間の相違のみ説明する。支持パイプ９の下端には、海底８に設置された重力沈設体１３が設けられている。重力沈設体１３の重力の大半は内蔵バッテリユニット１０による。

図５は、前記第四の実施形態に実質的に同一な第五の実施形態による風力発電機１を示している。以下では、両者間の相違のみ説明する。土台６は実質的に、内部にバラストが配置されたバケット１４によって形成される。バラストの一部はバッテリユニット１０によって形成される。支持パイプ９はバケット１４と固定結合されている。

図６は、前記第四の実施形態に実質的に同一である第六の実施形態による風力発電機１を示している。以下では、両者間の相違のみ説明する。支持パイプ９は実質的にフローティング式に形成されている。ロープ１５は、支持パイプ９と、内部にバッテリユニット１０の配置された重力沈設土台１３とを連結している。

図７は、例示的に、支持パイプ９内のバッテリユニット１０の配置を示している。ここでは、ほぼ水面５の領域に位置する凹状穴１６が形成されている。バッテリユニット１０は凹状穴１６内に保持されて、水と直接に接触している。バッテリユニット１０のハウジングには、バッテリハウジングから水への放熱を向上させるために、冷却フィン１７が設けられている。冷却フィン１７は消波目的としても機能する。バッテリユニット１０は支持パイプの内部に着脱式に保持されている。

図８のａ）は熱交換装置の構造を概略的に示している。バッテリユニット１０は配管１８を経て別個の熱交換器１９と連結されている。補助配管２０は熱交換器１９に配置されており、熱交換器１９に海水２１を送り込むために利用される。他方、図８のｂ）に示した態様においては、図８のａ）のものとは異なり、熱交換器１９は直接、海水２１中に配置されている。したがって、補助配管２０は不要となる。

図９は、突き出し台座（側部プラットフォーム）１２へのバッテリユニット１０の設置を概略的に示している。突き出し台座１２は風力発電機ハウジング３の外部に配置されている。バッテリユニット１０は、さらに図中不図示のさらなるハウジングによって、周囲環境影響因子から保護される構成を採用してもよい。そのようなハウジングは取り外し式に設けられるかまたはその他の方法でバッテリユニット１０への容易なアクセスを可能とするように構成される。このようなさらなるハウジングは風力発電機ハウジング３の必須の構成要素ではない。バッテリユニット１０は導線２２を経て図中不図示の発電機４と接続されている。風力発電機ハウジングの外部に突き出し台座１２が配置されていることにより、図中不図示のクレーンによってバッテリユニット１０を風力発電機から取り外して、たとえば船舶に移すことが可能である。

１ 風力発電機
２ 風力ロータ
３ 風力発電機ハウジング
４ 発電機
５ 水面
６ 土台
７ 鋼製杭
８ 海底
９ 支持パイプ
１０ バッテリユニット
１１ 鋼製要素からなるトラス構造
１２ 支持機構
１３ 重力沈設体
１４ バケット
１５ ロープ
１６ 凹状穴
１７ 冷却フィン
１８ 配管
１９ 熱交換器
２０ 配管
２１ 海水
２２ 導線

Claims (13)

1. 風力ロータ（２）と、前記風力ロータ（２）と動力伝達可能に接続された発電機（４）と、少なくとも１つの電気化学電池を有するバッテリユニット（１０）とを備えた、水源の水上または水辺に適用される風力発電機。
2. 前記バッテリユニット（１０）のハウジングまたは電気化学電池のジャケットあるいはそれら両方が前記水源（２１）の水に直接晒されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電機。
3. 前記風力発電機（１）は前記バッテリユニット（１０）に向けて前記水源（２１）の水を送出するための手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電機。
4. 前記バッテリユニット（１０）または電気化学電池は、少なくとも部分的に、好ましくは全面的に、前記水源の水面（５）下に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の風力発電機。
5. 一方で少なくとも１つの電気化学電池と、他方で前記水源（２１）の水とそれぞれ熱交換可能に接触する熱循環系が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の風力発電機。
6. 前記バッテリユニット（１０）は前記風力発電機に着脱式に取り付けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の風力発電機。
7. 前記バッテリユニット（１０）は風力発電機ハウジング（３）の外部に配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の風力発電機。
8. 電気エネルギーを出力するための装置としてバッテリユニット（１０）が用いられることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の風力発電機。
9. 前記バッテリユニット（１０）は前記風力発電機の土台（６）中に配置されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の風力発電機。
10. 駆動エネルギーまたは機器利用電気エネルギーあるいはそれら両方のエネルギーを船舶に供給するための方法であって、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の風力発電機（１）からバッテリユニット（１０）が取り外され、この取り外されたバッテリユニット（１０）が船舶に搭載されることを特徴とする方法。
11. 電気化学電池と周囲環境の少なくとも一部との熱エネルギー交換が熱交換装置を介して行われる電気化学電池の温度制御方法であって、
    海洋または内陸水源を水源（２１）とする水との熱交換（１９）が行われることを特徴とする方法。
12. 前記水源（２１）の水は前記電気化学電池を収容するハウジングまたは前記電気化学電池のジャケットと直接に接触することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記電気化学電池は冷却液循環系と熱伝導接触し、前記冷却液循環系は水源（２１）の水と熱伝導接触することを特徴とする請求項１１または１２に記載の方法。

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