JP2015222024A - 水上発電装置及び水上風力発電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、このような発電装置を設置する陸上の適地が少なくなっているため、そして発電装置の大型化に対応するために、水上に発電装置を設けた水上発電装置が検討されている。
この水上発電装置は、下部工としての海底固定式の基礎と、上部工としての風車とタワー(塔部)が一体となった風車タワーから構成されている。
ロータが風を受けることで軸状部材とともに回転し、発電部が発電する。
従来の水上発電装置では、発電部はナセル内に設けられたコンバータを介して系統に接続されている。コンバータでは、系統の周波数に合うように制御される。
本発明の水上発電装置は、水中に配置された第一浮体部及び第二浮体部と、前記第一浮体部から上方に立設する塔部と、前記塔部の上端部に設けられ、軸状部材が回転することで内部に収容された作動流体を加圧する加圧部と、前記加圧部に接続され、内部を前記作動流体が流れる第一配管部及び第二配管部と、前記第二浮体部上に配置されるとともに前記第一配管部及び前記第二配管部に接続され、前記作動流体により発電を行う発電部と、を備えることを特徴としている。
また、上記の水上発電装置において、前記第二配管部に、前記第二配管部内を流れる前記作動流体を冷却する冷却部が設けられていることがより好ましい。
また、上記の水上発電装置において、前記加圧部が設けられた加圧側補助配管部を備え、前記第一浮体部、前記塔部、前記加圧部、及び前記加圧側補助配管部を組にして複数備え、複数の前記加圧側補助配管部は、前記第一配管部及び前記第二配管部に並列に接続されていることがより好ましい。
また、上記の水上発電装置において、前記第二浮体部は、係留部を介して水底に係留されていることがより好ましい。
また、本発明の水上風力発電装置は、上記に記載の水上発電装置と、前記軸状部材に固定され、風力を受けることで前記軸状部材を回転させる羽部と、を備えることを特徴としている。
図1及び図2に示すように、本水上風力発電装置1は、本実施形態の水上発電装置10と、水上発電装置10の後述する軸状部材39A、39Bに固定され、風を受けることで軸状部材39A、39Bを回転させるロータ(羽部)90A、90Bとを備えている。
水上発電装置10は、風車タワーユニット20A、20Bと、少なくとも一部が水中に配置された第二浮体部50と、第二浮体部50上に配置された発電ユニット60A、60B、60Cと、風車タワーユニット20A、20Bと発電ユニット60A、60B、60Cとを接続する第一配管部71及び第二配管部72と、後述する開閉弁61A、61B、61Cを制御する制御部80とを有している。
風車タワーユニット20Aは、少なくとも一部が水中に配置された第一浮体部21Aと、第一浮体部21Aから上方に立設するタワー(塔部)22Aと、タワー22Aの上端部に設けられたナセル23A内に配された油圧ポンプ(加圧部)24Aとを有している。
浮体本体27Aの内部には、例えば空気等の気体が収容されていて、浮体本体27Aの内部には外部からの水の侵入が規制されている。本実施形態では、浮体本体27Aの上端は、鉛直方向において水面Sと同等の位置に配置されている。
浮体本体27Aの下端部には、棒状部材30Aを介して重錘31Aが取付けられている。
タワー側係留部28Aは、一端部が浮体本体27Aに固定された線材33Aと、線材33Aの他端部に固定された重量体34Aとを有している。重量体34Aは、海底Bに沈んでいる。重量体34Aが海底Bに沈むことで、線材33Aを介して浮体本体27Aが海底Bに固定されている。
タワー側係留部28Aは、風車タワーユニット20Aの軸線36A周りに複数設けられている。
ナセル23Aは、油圧ポンプ24A等を収容するケーシングである。図2示すように、油圧ポンプ24Aは、加圧側補助配管部37Aに設けられている。
油圧ポンプ24Aは、公知の構成のものであり、ポンプ本体38Aに対して軸状部材39Aが自身の軸線周りに回転可能に設けられている。ポンプ本体38Aと軸状部材39Aとの間には図示しないシール部材が設けられている。
加圧側補助配管部37Aの一端部からポンプ本体38A内に供給されポンプ本体38Aの内部に収容された図示しない油(作動流体)は、公知の機構により軸状部材39Aが回転することで加圧され、加圧側補助配管部37Aの他端部に向かって流れる。
風車タワーユニット20Aが第一浮体部21A、タワー22A、油圧ポンプ24A、及び加圧側補助配管部37Aを有することで、風車タワーユニット20A、20Bを備える水上発電装置10は、第一浮体部21、タワー22、油圧ポンプ24、及び加圧側補助配管部37を組にして複数備えている。
すなわち、加圧側補助配管部37A、37Bは、第一配管部71の一端部及び第二配管部72の一端部に並列に接続されている。
第一配管部71及び第二配管部72は、加圧側補助配管部37A、37Bを介して油圧ポンプ24A、24Bに接続されている。
この例では、各風車タワーユニット20A、20Bは、油を圧縮することで、油に最大で定格値の6MW(メガワット)の電力に相当するエネルギーを与えられるものとする。すなわち、2基の風車タワーユニット20A、20Bで、最大12MWの電力に相当するエネルギーを油に与えられるものとする。
油を圧縮する圧力が高くなるのにしたがって、後述する流速検出部77で検出される油の流速が速くなる。
図1に示すように、第二浮体部50には、一端部が第二浮体部50に固定された線材52aと、線材52aの他端部に固定された重量体52bとを有する補助係留部(係留部)52が取付けられている。重量体52bは、海底Bに沈んでいる。
第二浮体部50は、補助係留部52を介して海底Bに係留されている。第二浮体部50が係留されることで、水面Sにおける第二浮体部50の位置を安定させることができる。
開閉弁61Aは、発電側補助配管部63A内を油が流れない閉状態と、発電側補助配管部63A内を油が流れる開状態という2つの状態の間で切替え可能である。この例では、開閉弁61Aは、油圧モータ62Aを流れる油の流量を閉状態と開状態との間で調整する。しかし、発電側補助配管部63A内を油が流れている状態で、開閉弁61Aにより油の流速を調整することはできない。
油圧モータ62A内には、油が流れることで回転する図示しない回転部材が設けられている。発電機64A内には、図示はしないがロータの外周面を覆うようにステータが配置されている。発電機64Aのロータは、油圧モータ62Aの回転部材に接続されている。
発電部65Aは、油により回転部材が回転することで、ロータとステータとの間で発電を行う。
発電部65A、65B、65Cは、発電側補助配管部63A、63B、63Cを介して第一配管部71及び第二配管部72に接続されている。すなわち、発電側補助配管部63A、63B、63Cは、第一配管部71の他端部及び第二配管部72の他端部に並列に接続されている。
なお、各風車タワーユニット20A、20Bが油に与えるエネルギー、及び、各発電部65A、65B、65Cの発電能力は説明を分かりやすくするための一例であり、これらの値に限定されない。
この例では、第一配管部71に複数のアキュムレータ74が設けられている。
なお、アキュムレータ74は第二配管部72に設けられていてもよい。
第二配管部72には、第二配管部72内を流れる油を冷却する冷却部76が設けられていることが好ましい。第二配管部72には、第二配管部72内の油の流速を検出する流速検出部77が設けられている。
流速検出部77としては、プロペラ式や電磁式等の流速計を適宜選択して用いることができる。流速検出部77は、検出した油の流速を信号に変換し、制御部80にこの信号を送信する。
なお、流速検出部77は、第二配管部72内を流れる油の質量流量を検出するセンサであってもよい。
制御部80のメモリには、流速検出部77で検出された油の流速と圧縮された油に与えられたエネルギーとの関係を表すテーブル(表)、各発電ユニット60A、60B、60Cの発電能力等が記憶されている。
制御部80の演算素子は、流速検出部77から送信された信号、及びメモリに記憶されたテーブルに基づいて、開閉弁61A、61B、61Cを閉状態と開状態との間で切替える。
制御部80の制御内容の詳細については、後で詳しく述べる。
図1及び図2に示すように、ロータ90Aは、円柱状のハブ92Aと、ハブ92Aから径方向外側に延びる複数のブレード93Aとを有している。ハブ92Aの基端部は、軸状部材39Aの先端部に取付けられている。
複数のブレード93Aは、公知のピッチコントロール(ピッチ角制御)ができるようになっていることが好ましい。この場合、ピッチコントロールは制御部80により制御される。
風車タワーユニット20Aを立てた状態で曳航しないことで、この場合の船Tとして専用船を用いる必要がない。
発電部65A、65B、65Cが第二浮体部50上に配置されているため、水上風力発電装置1を施工するときに、発電部65A、65B、65Cをタワー22Aの上端部まで持ち上げる必要が無く、発電部65A、65B、65Cの設置が容易である。
初期状態として、開閉弁61A、61B、61Cの全てが開状態であるとする。
図2示すように、ロータ90Aの複数のブレード93Aが風Wを受けると、ロータ90Aは、油圧ポンプ24Aの軸状部材39Aと一体となってハブ92A周りに回転する。これにより、ポンプ本体38Aの内部に収容された油が圧縮され、加圧側補助配管部37Aの他端部に向かって流れる。なお、加圧側補助配管部37Aにアキュムレータ42Aが設けられていることで、加圧側補助配管部37A内の油圧が急激に変化して生じるサージ圧力を低減させることができる。
同様に、ロータ90Bが回転することで、ポンプ本体38Bの内部に収容された油が圧縮され、加圧側補助配管部37Bの他端部に向かって流れる。
第一配管部71に複数のアキュムレータ74が設けられているため、ロータ90A、90Bの回転速度の変化による油の流速の変化を抑えることができる。
開閉弁61Aを通過した油は、油圧モータ62A内の回転部材を回転させる。油圧モータ62Aの回転部材が回転することで、回転部材に接続された発電機64Aのロータが回転する。ステータに対してロータが回転することで、発電部65Aで発電が行われる。
発電部65Aを通過した油は、発電側補助配管部63Aの他端部に向かって流れる。
同様に、発電側補助配管部63Bの一端部に流れ込んだ油により発電部65Bで発電が行われ、発電側補助配管部63Cの一端部に流れ込んだ油により発電部65Cで発電が行われる。
第二配管部72内を流れる油は冷却部76により冷却される。これにより、油が劣化するのが抑えられる。
一般的に、ロータ90A、90Bが圧縮する油の圧力は、風Wの強さや向き等により時間の経過とともに変化する。ロータ90A、90Bが圧縮する油の圧力が高くなれば流速検出部77で検出される油の流速が速くなり、ロータ90A、90Bが圧縮する油の圧力が低くなれば流速検出部77で検出される油の流速が遅くなる。
制御部80は、流速検出部77で検出された油の流速が速くなるのにしたがって、開閉弁61A、61B、61Cのうち閉状態である開閉弁61A、61B、61Cの数を減らすとともに開状態である開閉弁61A、61B、61Cの数を増やす。
同様に、算出したエネルギーが発電部65A、65B、65Cの2基分以下で1基分よりも大きい場合、すなわち4MWより大きく8MW以下の場合には、3つの開閉弁61A、61B、61Cのうち2つを開状態にし、1つを閉状態にする。例えば、開閉弁61A、61Bを開状態にし、開閉弁61Cを閉状態にする。
算出したエネルギーが発電部65A、65B、65Cの3基分以下で2基分よりも大きい場合、すなわち8MWより大きく12MW以下の場合には、3つの開閉弁61A、61B、61Cの全てを開状態にする。例えば、各風車タワーユニット20A、20Bが定格値で運転し合計で12MWのエネルギーを油に与えている場合には、3つの開閉弁61A、61B、61Cは全て開状態になり、3基の発電部65A、65B、65Cはそれぞれ定格値で運転し、発電部65A、65B、65Cは合計で12MW発電する。
流速検出部77で検出された油の流速が速くなるのにしたがって、開状態である開閉弁61A、61B、61Cの数を増やす。これにより、圧縮した油を流している発電部65A、65B、65Cにおける発電量が定格値に近づく。したがって、発電部65A、65B、65Cで効率良く発電を行うことができる。
例えば、前記実施形態では、第一浮体部21A、21B、及び第二浮体部50は互に別体に構成されているとした。しかし、複第一浮体部21A、21B、及び第二浮体部50を一体に構成してもよい。
弁部は開閉弁61A、61B、61Cであるとしたが、弁部は油の流速を調整可能な流量調整弁であるとしてもよい。
流速検出部77は第二配管部72内の油の流速を検出するとしたが、流速検出部77が第一配管部71に設けられることで、第一配管部71内の油の流速を検出するとしてもよい。
水上発電装置10が備える発電ユニットの数が1基である場合には、開閉弁や制御部80は備えられなくてもよい。
水底は海底Bであるとしたが、水底は湖底であるとしてもよい。
10 水上発電装置
21A、21B 第一浮体部
22A、22B タワー(塔部)
24A、24B 油圧ポンプ(加圧部)
37A、37B 加圧側補助配管部
39A、39B 軸状部材
42A、42B アキュムレータ(加圧側流体収容部)
50 第二浮体部
52 補助係留部(係留部)
61A、61B、61C 開閉弁(弁部)
63A、63B、63C 発電側補助配管部
65A、65B、65C 発電部
71 第一配管部
72 第二配管部
74 アキュムレータ(配管側流体収容部)
76 冷却部
77 流速検出部
80 制御部
90A、90B ロータ(羽部)
B 海底(水底)
Claims (8)
- 水中に配置された第一浮体部及び第二浮体部と、
前記第一浮体部から上方に立設する塔部と、
前記塔部の上端部に設けられ、軸状部材が回転することで内部に収容された作動流体を加圧する加圧部と、
前記加圧部に接続され、内部を前記作動流体が流れる第一配管部及び第二配管部と、
前記第二浮体部上に配置されるとともに前記第一配管部及び前記第二配管部に接続され、前記作動流体により発電を行う発電部と、
を備えることを特徴とする水上発電装置。 - 前記発電部は、前記発電部を流れる前記作動流体の流量を調整する弁部が設けられた発電側補助配管部を介して前記第一配管部及び前記第二配管部に接続され、
前記発電部、前記弁部、及び前記発電側補助配管部を組にして複数備え、
複数の前記発電側補助配管部は、前記第一配管部及び前記第二配管部に並列に接続され、
前記第一配管部又は前記第二配管部内の前記作動流体の流速を検出する流速検出部と、
前記流速検出部が検出した前記流速に基づいて複数の前記弁部を制御する制御部と、
を備え、
複数の前記弁部は、前記発電側補助配管部内を前記作動流体が流れない閉状態と、前記発電側補助配管部内を前記作動流体が流れる開状態との間で切替え可能であり、
前記制御部は、前記流速検出部で検出された前記作動流体の前記流速が速くなるのにしたがって、複数の前記弁部のうち前記閉状態である前記弁部の数を減らすとともに前記開状態である前記弁部の数を増やすことを特徴とする請求項1に記載の水上発電装置。 - 前記第一配管部に、前記第一配管部に連通するとともに前記作動流体を収容する配管側流体収容部が設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の水上発電装置。
- 前記第二配管部に、前記第二配管部内を流れる前記作動流体を冷却する冷却部が設けられていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の水上発電装置。
- 前記加圧部が設けられた加圧側補助配管部を備え、
前記第一浮体部、前記塔部、前記加圧部、及び前記加圧側補助配管部を組にして複数備え、
複数の前記加圧側補助配管部は、前記第一配管部及び前記第二配管部に並列に接続されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の水上発電装置。 - 前記加圧側補助配管部に、前記加圧側補助配管部に連通するとともに前記作動流体を収容する加圧側流体収容部が設けられていることを特徴とする請求項5に記載の水上発電装置。
- 前記第二浮体部は、係留部を介して水底に係留されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の水上発電装置。
- 請求項1に記載の水上発電装置と、
前記軸状部材に固定され、風を受けることで前記軸状部材を回転させる羽部と、
を備えることを特徴とする水上風力発電装置。
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