JP2015155660A - スパー型浮体構造物及びスパー型浮体構造物の作動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダウンウインド型風車又はアップウインド型風車の何れの風車を搭載する場合にも容易に対応できるスパー型浮体構造物及びスパー型浮体構造物の作動方法を提供する。
【解決手段】スパー型浮体構造物２の下部１０に、係留手段３に対して回転可能に連結されるパッシブヨー機構を設けることによって、スパー型浮体構造物２の上部に別途パッシブヨー機構を設けることなくダウンウインド型風車１をそのまま搭載するのを可能とし、一方、パッシブヨー機構の回転部を拘束手段により拘束し回転不能とすることによって、従来技術と同様にアクティブヨー機構を介してアップウインド型風車を搭載するのを可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、スパー型浮体構造物及びスパー型浮体構造物の作動方法に関する。

近年、環境問題等への配慮から風力発電への関心が高まっている。この風力発電では、所謂水平軸風車が広く用いられている。水平軸風車は、複数枚のブレード（羽根）を有し回転可能なロータと、このロータの回転軸を水平状態で回転可能に支持する所謂ナセルと、を備え、当該ナセルをタワー等の構造物の上部に支持するものが一般的に知られている。

風車の型式としては、ロータを風上側に配置するアップウインド型風車と、ロータを風下側に配置するダウンウインド型風車とがある。これらの風車では、ロータを効率良く回転させるべく、ロータを風向きに正対させる必要があり、アップウインド型風車では、ナセルをタワー等の構造物に対して回転（旋回）自在に支持すると共に、駆動モータ等の動力によってナセルを回転（旋回）可能とするアクティブヨー機構を介在させたアクティブヨー制御が専ら採用される。このアクティブヨー制御は、アップウインド型風車のロータが風上側を向くように、アクティブヨー機構の動力によって能動的にナセルをタワーに対して回転制御するものである。

一方、ダウンウインド型風車では、ナセルをタワー等の構造物に対して回転（旋回）自在に支持するパッシブヨー機構を介在させたフリーヨーが専ら採用される。このパッシブヨー機構（フリーヨー）は、ダウンウインド型風車のロータを、風の力によって風見鶏のように回転させて受動的に風下側に向かせるものである。

ここで、最近にあっては、洋上での風力発電が注目されてきている。この洋上風力発電には着床式と浮体式とがあり、着床式は、比較的浅い海底に風車を固定するタイプで既に実用化されている。一方、浮体式は、比較的深い水深の洋上に風車を浮かべるタイプであり、着床式が建設困難である海域に設けることができるため、注目が集まり、現在、研究・開発が進められている。

以下の特許文献１には、スパー型と呼ばれる電柱のような細長い浮体構造物（円筒タワー）を釣りの浮きのようにほぼ直立させて海面に浮かべ、その上に風車を搭載する方式の風力発電設備が記載されている。そして、風車のナセル（機械室）は、浮体構造物の上方部分に配置されており、これは、既に知られている技術によって風の方向に連係して回転させることが可能であり、また、通常の動作状態である間に、ロータ（回転翼）が風下側となるように向きが変えられるとの記載があることから、ダウンウインド型風車がスパー型浮体構造物上にパッシブヨー機構を介して回転可能に搭載されていると考えられる。

特表２００５−５２６２１３号公報

ここで、スパー型浮体構造物上に、特許文献１のようにダウンウインド型風車を搭載するか、又は、前述したアップウインド型風車を搭載するかは、客先の要望により決定されるが、何れの風車を搭載する場合にも容易に対応できる新規なスパー型浮体構造物が求められている。

そこで、本発明の目的は、ダウンウインド型風車又はアップウインド型風車の何れの風車を搭載する場合にも容易に対応できるスパー型浮体構造物及びスパー型浮体構造物の作動方法を提供することにある。

本発明のスパー型浮体構造物は、その上部にアップウインド型風車又はダウンウインド型風車を搭載可能であり、その下部が係留手段を介して水底に係留可能とされるスパー型浮体構造物であって、下部に設けられ当該下部を係留手段に対して回転可能に連結するパッシブヨー機構と、パッシブヨー機構の回転部の回転を拘束可能とする拘束手段と、を備えたことを特徴としている。

本発明のスパー型浮体構造物によれば、スパー型浮体構造物の下部にパッシブヨー機構が設けられるため、ダウンウインド型風車を搭載する場合には、スパー型浮体構造物の上部に別途パッシブヨー機構を設けることなくダウンウインド型風車のナセルをそのまま搭載すれば良い。これにより、スパー型浮体構造物の下部のパッシブヨー機構によるダウンウインド型風車のフリーヨーが可能となり、ダウンウインド型風車を搭載する場合に容易に対応できる。一方、アップウインド型風車を搭載する場合には、従来と同様にスパー型浮体構造物の上部にアクティブヨー機構を介してアップウインド型風車のナセルを搭載すると共に、前述したスパー型浮体構造物の下部のパッシブヨー機構の回転部を拘束手段により拘束し係留手段に対するスパー型浮体構造物の回転を不能とすれば良い。これにより、スパー型浮体構造物の上部側のアクティブヨー機構によるアップウインド型風車のアクティブヨー制御が可能となり、アップウインド型風車を搭載する場合にも容易に対応できる。すなわち、ダウンウインド型風車又はアップウインド型風車の何れの風車を搭載する場合にも容易に対応できる。

ここで、スパー型として細長い筒状体を呈し、筒状体内が、係留手段を構成するシングルテンションレグを収容可能な空間とされる構成であると、スパー型浮体構造物内にシングルテンションレグを収容した状態で、設置場所まで輸送でき、輸送が容易となる。

また、上記スパー型浮体構造物を作動する方法として、具体的には、アップウインド型風車を搭載する場合、若しくは、ダウンウインド型風車を搭載する場合においてもパッシブヨー機構を有する場合には、拘束手段により当該スパー型浮体構造物下部のパッシブヨー機構の回転部の回転を拘束し、ダウンウインド型風車を搭載する場合には、拘束手段による拘束を行わない作動方法が挙げられる。

本発明によれば、ダウンウインド型風車又はアップウインド型風車の何れの風車を搭載する場合にも容易に対応できる。

本発明の実施形態に係るスパー型浮体構造物を備えたダウンウインド型風力発電装置を示す概略構成図である。 図１中のスパー型浮体構造物の下部のパッシブヨー機構及びシングルテンションレグを示す断面図である。 図２のIII-III矢視図である。 本発明の実施形態に係るスパー型浮体構造物を備えたアップウインド型風力発電装置を示す概略構成図である。 図４中のアクティブヨー機構を示す断面図である。 図５のVI-VI矢視図である。 図４中のスパー型浮体構造物の下部のパッシブヨー機構及び拘束手段を示す断面図である。 図７中の拘束手段とは別の拘束手段を示す断面図である。 図８のIX-IX矢視図である。

以下、本発明によるスパー型浮体構造物及びスパー型浮体構造物の作動方法の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１及び図４は、本発明の実施形態に係るスパー型浮体構造物を備えた風力発電装置を示す各図であり、先ず、図１に示すダウンウインド型風力発電装置について説明する。

ダウンウインド型風力発電装置１００は、概略、ダウンウインド型風車１と、ダウンウインド型風車１を搭載するスパー型浮体構造物２と、スパー型浮体構造物２を海底に係留する係留手段３と、を備える。

ダウンウインド型風車１は、複数枚のブレード（羽根）４がハブ５から放射状に突出するロータ６と、ハブ５に連結され略水平方向に延びる主軸（水平軸）７を回転可能に軸支するナセル８と、を備える。

ブレード４及びナセル８は、矢印で示す風向きに対し風下側を向くことで、風を効率的に捉えることができる形状とされている。

ナセル８は、その内部に、主軸７の回転を増速する増速機や、主軸７の回転を電気に変換し発電する発電機等を収容し、発電機で発電した電力を送電する。このナセル８は、スパー型浮体構造物２の上部に搭載される。

スパー型浮体構造物２を海底に係留するための係留手段３は、シングルテンションレグ９を備えた所謂緊張係留方式のものである。シングルテンションレグ９は、例えば鋼製パイプやワイヤー等より構成され、その一端がスパー型浮体構造物２の下部１０に連結されると共に、その他端がアンカー１１に連結される。このシングルテンションレグ９には、その両端側の軸線方向の途中にユニバーサルジョイント１２が介在している。

ユニバーサルジョイント１２は、当該ユニバーサルジョイント１２を間に挟んだ２軸のその接合する角度を自由に変化させ得る自在継手のことであり（図２参照）、スパー型浮体構造物２が、例えば図１に示すように洋上で様々に漂う際に、当該スパー型浮体構造物２にシングルテンションレグ９が追従することを可能とするものである。

ここで、ユニバーサルジョイント１２としては、例えば、十字型や球を用いたもの等種々採用され得るが、耐久性の面からは、十字型（各軸を同一平面内に配置しない２軸分離型を含む）を採用するのが好ましい。

また、ここでは、アンカー１１として、重力式のグラビティアンカーを用いているが、内部を負圧にして押し込んで海底に固定するサクションアンカー等を用いることもできる（図４参照）。

ダウンウインド型風車１を搭載すると共に係留手段３により海底に係留されるスパー型浮体構造物２は、細長い円筒形状の構造物であり、その上部に、ダウンウインド型風車１のナセル８を固定して搭載すると共に、その下部１０に、図２に示すように、パッシブヨー機構１３が設けられる。なお、スパー型浮体構造物２としては、角筒形状等の筒状体を用いることもできる。

パッシブヨー機構１３は、スイベルとも呼ばれる互いに自由に回転できるようにした接続部のことであり、スパー型浮体構造物２の下部１０を、シングルテンションレグ９に対して回転可能に連結するものである。

パッシブヨー機構１３は、ここでは、下部１０内に位置しシングルテンションレグ９に連結されたテンションレグ受け台１４と、下部１０の底部上に固定されテンションレグ受け台１４を受けるメタルベアリング１５，１６と、を備える。

テンションレグ受け台１４は、円錐台状筒体に構成され、この円錐台状筒体の底部に、円環平板状のメタル部１７を有する。メタル部１７は、径方向に幅広に構成される。そして、テンションレグ受け台１４の天板１８を、シングルテンションレグ９が貫き、シングルテンションレグ９の上端の頭部１９が、天板１８上にテンションレグ受け台１４とシングルテンションレグ９との回転を拘束した状態で載置される。

メタルベアリング１５は、テンションレグ受け台１４のメタル部１７の底面をスラスト方向に受けるものであり、メタル部１７の形状に対応する円環平板状に構成される。なお、メタルベアリング１５に代えて、例えばスラスト転がり軸受等を用いることもできる。

メタルベアリング１６は、テンションレグ受け台１４のメタル部１７の外周面をラジアル方向に受けるものであり、メタル部１７及びメタルベアリング１５を囲繞するように円筒状に構成される。

そして、これらのメタルベアリング１５，１６が、パッシブヨー機構１３の回転部２０を構成する。なお、メタルベアリング１５，１６は、オイルレスとするのが好ましい。

ここで、図１に示すように、スパー型浮体構造物２が海面に浮かぶ状態では、スパー型浮体構造物２には浮力（図２の上方へ向かう矢印）が作用するため、シングルテンションレグ９には張力（図２の下方に向かう矢印）が作用し、スパー型浮体構造物２は釣りの浮きのようにほぼ直立した状態で、パッシブヨー機構１３の回転部２０を介してシングルテンションレグ９（テンションレグ受け台１４）に対して回転可能に連結される。

なお、スパー型浮体構造物２の内部には、風車の安定性を維持するための液体バラスト又は固体バラスト材が収容されるのが好ましい。

ここで、本実施形態においては、必要に応じて、回転部２０の回転を拘束することができる拘束手段２１が付設される。

拘束手段２１は、図２、図３及び図７に示すように、テンションレグ受け台１４の外周面から外側へ張り出す張出部２２と、下部１０の底部に立設され張出部２２を取り囲むように配置された円筒部２３と、円筒部２３の内周面から内側へ張り出す張出部２４と、張出部２２，２４に通されるロックピン２５（図７参照）と、を備える。

張出部２２は、テンションレグ受け台１４の下部側の外周面に固定され円環平板状に張り出す鍔部である。この張出部２２には、周方向に沿ってピン孔２６が複数個等間隔に離間して設けられる。

円筒部２３は、メタルベアリング１６を囲繞するように配置され、当該メタルベアリング１６より上方へ延びる。

張出部２４は、その基端が円筒部２３の内周面に固定されると共に、その先端が円筒部２３の軸心に向かって張り出す平板状の部材であり、周方向に沿って複数個が配置される。張出部２４は、その先端部が張出部２２の上方に位置し、ピン孔２６と同様な形状のピン孔２７を有する。そして、各張出部２４は、それぞれのピン孔２７が、張出部２２の各ピン孔２６と上下方向において重なることが可能に配置される。なお、張出部２４は、張出部２２の下方に設けられていても良い。

ロックピン２５は、図７に示すように、頭部２８が軸部２９に対して拡径された形状を呈し、張出部２２，２４のピン孔２６，２７に上方から軸部２９が通され、頭部２８が張出部２４上に載置されることで、張出部２２，２４同士は回転方向に拘束され、回転部２０は回転不能となる。

ここで、図１に示すダウンウインド型風力発電装置１００にあっては、図２に示すように、拘束手段２１による拘束を行わない、すなわち、ロックピン２５はピン孔２６，２７にセットされていない（挿入されていない）ため、パッシブヨー機構１３の回転部２０はシングルテンションレグ９（テンションレグ受け台１４）に対して回転可能である。

従って、図１に示すダウンウインド型風力発電装置１００によれば、風向きに応じてロータ６が受動的に風下側を向くように、ダウンウインド型風車１及びスパー型浮体構造物２がパッシブヨー機構１３によりシングルテンションレグ９に対して回転（旋回）し、ダウンウインド型風力発電装置としての機能を発揮させることができる。

次に、図４に示すアップウインド型風力発電装置について説明する。

アップウインド型風力発電装置２００は、概略、アップウインド型風車３１と、アップウインド型風車３１をアクティブヨー機構３３を介して搭載する上記と同様なスパー型浮体構造物２と、係留手段３と、を備える。

アップウインド型風車３１のロータ３６では、矢印で示す風向きに対し風上側を向くことで、風を効率的に捉えることができる形状のブレード３４及びナセル８が用いられる。

アクティブヨー機構３３は、ナセル８をスパー型浮体構造物２の上部に対して回転（旋回）可能に支持すると共に、駆動モータ等の動力（不図示）によってナセル８を回転（旋回）可能とするものであり、ここでは、図５及び図６に示すように、ナセル８の下部に設けられて下方に突出する複数個（ここでは４個）のメタル軸４０と、スパー型浮体構造物２の上部に、複数のメタル軸４０を囲繞するように設置された円環状のメタルベアリング４１と、を備える。

各メタル軸４０は、円環状のメタルベアリング４１の内周面に沿って等間隔に離間配置され、当該メタル軸４０の外周面がメタルベアリング４１の内周面に接触するように配置される。これにより、ナセル８は、スパー型浮体構造物２の上部に対して回転可能に支持される。

ここで、スパー型浮体構造物２の下部１０にあっては、図７に示すように、拘束手段２１による拘束を行う、すなわち、ロックピン２５がピン孔２６，２７にセットされているため、パッシブヨー機構１３の回転部２０は回転が拘束され、シングルテンションレグ９（テンションレグ受け台１４）に対して回転不能であり、スパー型浮体構造物２とシングルテンションレグ９とは一体化される。

従って、図４に示すアップウインド型風力発電装置２００によれば、アップウインド型風車３１のロータ３６が風上側を向くように、アクティブヨー機構３３の動力によってアップウインド型風車３１を能動的にスパー型浮体構造物２に対して回転（旋回）するアクティブヨー制御を行うことができ、アップウインド型風力発電装置としての機能を発揮させることができる。

このように、本実施形態のスパー型浮体構造物２によれば、スパー型浮体構造物２の下部１０にパッシブヨー機構１３が設けられるため、ダウンウインド型風車１を搭載する場合には、スパー型浮体構造物２の上部に別途パッシブヨー機構を設けることなくダウンウインド型風車１のナセル８をそのまま搭載すれば良く、これにより、スパー型浮体構造物２の下部１０のパッシブヨー機構１３によるダウンウインド型風車１のフリーヨーが可能となり、ダウンウインド型風車１を搭載する場合に容易に対応できる。一方、アップウインド型風車３１を搭載する場合には、従来と同様にスパー型浮体構造物２の上部にアクティブヨー機構３３を介してアップウインド型風車３１のナセル８を搭載すると共に、前述したスパー型浮体構造物２の下部１０のパッシブヨー機構１３の回転部２０を拘束手段２１により拘束し係留手段３に対するスパー型浮体構造物２の回転を不能とすれば良く、これにより、スパー型浮体構造物２の上部側のアクティブヨー機構３３によるアップウインド型風車３１のアクティブヨー制御が可能となり、アップウインド型風車３１を搭載する場合にも容易に対応できる。すなわち、ダウンウインド型風車１又はアップウインド型風車３１の何れの風車を搭載する場合にも容易に対応できる。

また、本実施形態のスパー型浮体構造物２によれば、スパー型として細長い筒状体を呈しているため、筒状体内が、係留手段３を構成するシングルテンションレグ９を収容可能な空間とすることができ、スパー型浮体構造物２内にシングルテンションレグ９を収容した状態で、設置場所まで輸送できる。このため、輸送が容易である。

なお、アップウインド型風力発電装置２００においては、前述のように、通常はアクティブヨー機構３３によりアクティブヨー制御を行うが、暴風時にはアクティブヨー制御を解除してフリーヨーとするアップウインド型風力発電装置に対しても適用できる。

図８は、図７中の拘束手段とは別の拘束手段を示す断面図、図９は、図８のIX-IX矢視図である。

ここで用いられる拘束手段５１は、ディスクブレーキであり、前述した張出部２２、円筒部２３、張出部２４に加えて、張出部２２，２４の間に配置されるアクチュエータ５５を備える。アクチュエータ５５は、例えばエアーシリンダやオイルシリンダ等であり、シリンダチューブ５６の底面が張出部２４の下面に固定されると共に、ピストンロッドの頭部５７が張出部２２の上面に対向した状態とされる。

なお、ここでは、ロックピン２５は用いられず、これに伴い張出部２２，２４にピン孔は設けられていない。

このように構成された拘束手段５１によれば、ダウンウインド型風車１を搭載する場合には、アクチュエータ５５のピストンロッドを引き込み、頭部５７を張出部２２の上面から離間させることにより、回転部２０を回転可能とする。一方、アップウインド型風車３１を搭載する場合には、ピストンロッドを突出させ、頭部５７を張出部２２の上面に圧接させることにより、回転部２０を回転不能とする。

このような拘束手段５１であっても、拘束手段２１と同様な効果を得ることができる。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、上記実施形態においては、ダウンウインド型風車１をスパー型浮体構造物２に搭載する場合、当該ダウンウインド型風車１のナセル８をスパー型浮体構造物２の上部に固定搭載しているが、図４に示したのと同様に、ダウンウインド型風車１のナセル８をスパー型浮体構造物２の上部にアクティブヨー機構３３を介して搭載することもできる。この場合には、アクティブヨー機構３３が作動しないようにし、このように不作動とすることにより、ダウンウインド型風車１のナセル８がスパー型浮体構造物２に対して回転（旋回）しないようにする必要がある。また、ダウンウインド型風車１を搭載する場合においても公知のパッシブヨー機構（ナセル８をスパー型浮体構造物２に対して回転自在に支持する機構）を有する場合には、拘束手段２１，５１によりスパー型浮体構造物２下部のパッシブヨー機構１３の回転部２０の回転を拘束し、公知のパッシブヨー機構によるフリーヨーとすれば良い。

また、上記実施形態においては、海洋を対象としているが、湖や河川を対象とすることもできる。

１…ダウンウインド型風車、２…スパー型浮体構造物、３…係留手段、９…シングルテンションレグ、１０…下部、１１…アンカー、１２…ユニバーサルジョイント、１３…パッシブヨー機構、２０…回転部、２１，５１…拘束手段、３１…アップウインド型風車、３３…アクティブヨー機構。

Claims (3)

1. その上部にアップウインド型風車又はダウンウインド型風車を搭載可能であり、その下部が係留手段を介して水底に係留可能とされるスパー型浮体構造物であって、
   前記下部に設けられ当該下部を前記係留手段に対して回転可能に連結するパッシブヨー機構と、
   前記パッシブヨー機構の回転部の回転を拘束可能とする拘束手段と、を備えたことを特徴とするスパー型浮体構造物。
2. スパー型として細長い筒状体を呈し、
   前記筒状体内が、前記係留手段を構成するシングルテンションレグを収容可能な空間とされることを特徴とする請求項１記載のスパー型浮体構造物。
3. 請求項１又は２記載のスパー型浮体構造物の作動方法であって、
   前記アップウインド型風車を搭載する場合、若しくは、前記ダウンウインド型風車を搭載する場合においてもパッシブヨー機構を有する場合には、前記拘束手段により当該スパー型浮体構造物下部の前記パッシブヨー機構の前記回転部の回転を拘束し、
   前記ダウンウインド型風車を搭載する場合には、前記拘束手段による拘束を行わないことを特徴とするスパー型浮体構造物の作動方法。

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