JP2014101792A

JP2014101792A - ジンバルマウント付き風車装置

Info

Publication number: JP2014101792A
Application number: JP2012253844A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Ueno; 康男上野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2014-06-05

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、特に浮体の基部に直交する２軸方向に揺動可能なジンバルマウントを設けることで基部の揺れが風車に伝わるのを防止することと、逆に風車の振動が基部に伝わるのを防止することで風車装置全体の安全性、耐久性を大幅に改善するとともに製造上のコストダウンと保守性も向上させることが出来るジンバルマウント付き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と浮体を有する基部との結合部に直交する２軸方向に揺動可能なジンバルマウントを設け、ポール下端に取り付けた索をアンカーと結合したごとく構成した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(基部)の揺れが風車に伝わるのを防止するジンバルマウント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、上記のごとき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ジンバルマウント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、風車のポール部と浮体を有する基部との結合部に、直交する２軸方向の揺動運動を可能にするジンバルマウント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ジンバルマウント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１０メートルから１００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はジンバルマウント付き風車装置の１実施形態を示した側面図である。図２はジンバルマウント付き風車装置の１実施形態を示した部分上断面図である。図３はジンバルマウント付き風車装置の他の実施形態を示した側面図である。

本発明のジンバルマウント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、本発明のジンバルマウント付き風車装置の１実施形態を示した側面図であり、説明の便宜上一部を断面図としている。図２はジンバルマウント付き風車装置の１実施形態を示した部分上断面図、図３はジンバルマウント付き風車装置の他の実施形態を示した側面図であり、説明の便宜上一部を断面図としている。
図１及び図２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の中央部には水平方向の軸７が固着され、該軸７にはリング８の穴９が回動自在に嵌め合わされている。リング８には水平面内で軸７と直交する方向の軸１０が固着され基部１１の穴１２に回動自在に嵌め合わされている。この状態でポール６と基部１１は相互に直交する２軸方向に揺動自在に結合された状態となる。ポール６の下端は水中まで伸びて横方向に伸びた複数の腕１３が固着され、該腕１３の先端は夫々複数の鎖状の索１４で水底の複数のアンカー１５に結合されている。

基部１１は水平方向に張り出した腕の先に複数の球状フロート１６を有し、海面上に安定的に浮かんでいるが波が有れば容易に揺れるものである。また、回転軸１、プロペラ式の回転翼２、増速機構３、発電機４が、回動機構（ヨー機構）５を含むポール６の重心は腕１２の植設部の重量によってジンバル部の軸７及び１０の位置よりも下にあることが望ましい。さらに腕１３の先端に取り付けた鎖状の索１４は、腕１３から取り外して図示しない設置位置表示用のブイに結合できるごとき着脱機構１７を有する。
［作用］

上記実施形態に示す本発明のジンバルマウント付き風車装置の作用について説明する。本発明のジンバルマウント付き風車装置は、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、球状フロート１６は、移動する場合の流体抵抗が小さく移動は容易である。また、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。設置状態では球状フロート１６は水平方向に張り出した腕の先にあり、その中間部まで水中に沈だ状態であるので大きな波でも揺れる角度は極端に大きなものとはならない

一方、ジンバルマウントで支持されたポール６の下端にある複数の腕１３はアンカー１５に鎖状の索１４で結合されているので、波による揺れの影響は小さくまた，風車に風が当たって風下に傾くモーメントが働いた時に、風上側の鎖状の索１４に張力が加わり、このモーメントを相殺する方向の力が働く。したがってポール６は常に垂直に近い状態を維持することができる。鎖状の索１４自体の重量は、常に張力が加わった時に引き上げられることになり、その反力が鎖状の索１４を常に撓んだ状態を形成せしめ、衝撃的な張力の変化を防止する効果を持つ。

このように設置された本発明のジンバルマウント付き風車装置は風や波による揺れが大きく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ジンバルマウントが回転翼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本発明のジンバルマウント付き風車装置で防止することができる。

図３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支持部２６はその下部で図１に示す実施形態と同様のジンバルマウントを介して基部１１と組み合わせられている。以下の部分は支持部２６をポール６と読み替えれば図１及び図２に示す実施形態と同様である。

図３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、仮に基部１１が風向きと並行な方向に揺れた場合、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揺れを風向きと直角な方向の揺れに変換する力を生じさせる。この力を基部１１に伝えないようにすることが必要であり、ジンバルマウントによってこれを防止することができる。また、図３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２１が破損する場合がある。このような時、ジンバルマウントでその振動を基部１１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３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。

ジンバルマウント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水平方向の軸
８リング
９穴
１０軸
１１基部
１２穴
１３腕
１４鎖状の索
１５アンカー
１６球状フロート
１７着脱機構
２１回転軸
２２腕部材
２３回転翼
２４増速機構
２５発電機
２６支持部

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と浮体を有する基部との結合部に、直交する２軸方向に揺動可能なジンバルマウントを設け、ポール下端に取り付けた索をアンカーと結合したごとく構成したことを特徴とするジンバルマウント付き風車装置。
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支持部と浮体を有する基部との結合部に、直交する２軸方向に揺動可能なジンバルマウントを設け、支持部下端に取り付けた索をアンカーと結合したごとく構成したことを特徴とするジンバルマウント付き風車装置。