JP2017008807A - 浮体式洋上風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成による風向の追従性の高い洋上風力発電装置を提供する。
【解決手段】浮体式洋上風力発電装置１は、浮体２が係留管７に保持アーム１６及び緩衝保持アーム２８を介して連結されている。浮体２には支柱３が立設され、支柱３の上端にはナセル５を有し、このナセル５に風車４が取り付けられている。支柱３の下端には発電装置６が設けられている。発電装置６で発電した電力はスリップリング１３を介して係留管７内の配線に送られる。係留管７と保持アーム１６とは回転機構部８内に設けた調心ベアリング１４により回転自在に連結されると共に揺動可能となっている。係留管７の下方と緩衝保持アーム２８とは、緩衝機構部２０を介して連結されている。緩衝機構部２０は、緩衝材を介して係留管７を遊貫状態で保持している。
【選択図】図１

Description

本発明は、洋上に浮遊した状態で設置される浮体式の風力発電装置に関する。

人家から離れた洋上では騒音公害を心配する必要がなく、また、平均して陸上よりも大きな風力が得られる等の利点が多いため、洋上風力発電が注目されている。

洋上風力発電装置では、海底に基礎を建設する着床式の形態と、係留状態で水面に浮遊させる浮体式の形態とが知られている。

このうち、着床式については、現状では、水深３０ｍ程度が建設上の限界となっているため、設置場所が浅い海に限られる。

これに対して、浮体式については、安定した係留が可能であれば、水深による制約が殆どない。このため、遠浅の少ない海域には浮体式が適している。

ここで、従来の浮体式の洋上風力発電装置（以下、単に「風力発電装置」と呼ぶ。）の例を図８に示す。図８の風力発電装置１００では、風車１０１を用いた発電システムを支える基体部１０２が複数の浮体１０３、１０４によって水上に浮上配置されている。この風力発電装置１００では、支柱１０５に回動可能に配置され、風車１０１が取り付けられているナセル部１０６を風の方向に対応して回動させることにより発電効率の向上が図られている。このような風力発電装置１００については特許文献１に記載がある。

特開２００２−２８５９５１号公報

ところで、大型の風力発電装置は受風位置を高い位置に設定することができるので、上空の強い風を安定的に受けることができ、発電効率が高い。これに対して小型の風力発電装置では、受風位置が低くなるので、上空の安定した強い風を受けることができないことに加えて、受風面積が小さくなる分だけ発電効率が低下する。このため、浮体式の小型の風力発電装置においては、風況に応じて素早く風向に追従させることにより可動効率を上げる必要がある。

しかし、大型の装置のようなメリットの得られない小型の装置に対して、大型の装置と同様の複雑な回転機構を採用するとコスト面で不利となる。

そこで、本発明は、簡易な構成による風向の追従性の高い洋上風力発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の浮体式洋上風力発電装置は、
水深方向に延び、下方側が係留索によって水底と連結される係留管と、
前記係留管の海上側に調心ベアリングを介して連結され、相対回動可能に水平方向に延びる第１アームと、
前記第１アームの回動端と連結された浮体と、
前記浮体に立設された支柱と、
前記支柱に支えられた風車と、
前記浮体上に設置された発電装置と、
前記浮体から延び、前記係留管の海中側を、偏心可能となるように緩衝材を介して遊貫状態で保持する前記第１アームと前記係留管が作る平面内に設けられた第２アームと、
を備えたことを特徴とする。

また、本発明の浮体式洋上風力発電装置は、上記構成に加えて、前記緩衝材は、中央に前記係留管の下方側を遊貫状態で保持可能な貫通孔が形成されたゴム板であることを特徴とする。

また、本発明の浮体式洋上風力発電装置は、上記構成に加えて、前記係留索は、前記係留管の下方から拡径方向に延び、かつ、周方向に均等に複数設けられた連結杆に連結されていることを特徴とする。

以上のように、本発明の浮体式洋上風力発電装置によれば、第１アームと係留管とが調心ベアリングを介して連結されているので、係留管は、調心ベアリングを中心として浮体に対して揺動可能となる。また、係留管は、浮体から延びる第２アームによって遊貫状態で偏心可能に保持されているので、浮体に対して揺動を伴って相対回動可能となる。

また、本発明の浮体式洋上風力発電装置によれば、上記効果に加えて、第２アームがゴム板を介して係留管の下方側を遊貫保持するので、簡易な構成によって偏心作用及び緩衝作用が可能となる。

また、本発明の浮体式洋上風力発電装置によれば、上記効果に加えて、係留管の下方から拡径方向に延びる連結杆に係留索が連結されるので、係留管が係留索に対して捩じれた場合であっても、係留索に働く張力が連結杆を元の位置に回動させる力として作用する。これにより、係留管の回転位置を一定の範囲に安定させ、係留索の大きな捩じれを防止できる。

本発明の実施の形態に係る浮体式洋上風力発電装置の全体斜視図である。 図１の浮体式洋上風力発電装置の回転機構部の一部破断による拡大斜視図である。 図１の浮体式洋上風力発電装置の回転機構部の作用を示す拡大中央縦断面図である。 図１の浮体式洋上風力発電装置の緩衝機構部の一部破断による拡大斜視図である。 係留管の回転動作と係留索との関係を示した平面図である。 浮体と係留管が傾いた様子を示す図である。 浮体式洋上風力発電装置と風の関係を示す図である。 従来の浮体式洋上風力発電装置を示す全体図である。

以下、本発明の実施の形態に係る浮体式洋上風力発電装置（以下、単に風力発電装置と呼ぶ。）について図を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る風力発電装置１の全体斜視図である。本実施の形態に係る風力発電装置１は、円筒形状の本体２ａの下方に本体２ａより径が小さい円筒形状の下方体２ｂが形成された浮体２を有している。下方体２ｂは、本体２ａより縦方向（深さ方向）の長さが長く、また重量も重く構成されている。このようにすることで、本体２ａの波に対する復元力を大きくしている。この浮体２の上には支柱３が立設されている。

支柱３の上端にはナセル５が設けられ、このナセル５には回転軸４ａを水平方向に向けた風車４が取り付けられている。また、支柱３の下端には、発電装置６が備えられている。このように、本実施の形態に係る風力発電装置１では、発電装置６をナセル５ではなく浮体２部分に搭載することにより浮体２の安定性の向上を図っている。

また、発電装置６を浮体２に設けたことで、発電装置６のメンテナンスが容易に行える。ナセル５内に発電装置６を設けると、波で揺れる支柱３上のナセル５まで登ってメンテナンスを行うこととなり、メンテナンスが容易でなくなる。この浮体２を水面に設置した際の水面の大凡の位置は、浮体２の大径部分の側面に点線で示されている。

上記の浮体２の近傍には、水深方向に延びる係留管７が並設されている。係留管７と浮体２とは上下２箇所で繋がっている。このうち、上方の連結構造には、浮体２の本体２ａから水平方向に延びる保持アーム（第１アーム）１６を有している。保持アーム１６は、上面視をした時に、風車４が取付けられた風車４の回転軸４ａと同じ軸上に浮体２に固定して設けられている。言い換えると、浮体２の保持アーム１６の取り付け方向１６ａと、風車４の回転軸４ａは、上面視したときに一致する。

この保持アーム１６は、係留管７に対して回転機構部８を介して相対回転可能に連結されている。保持アーム（第１アーム）１６が係留管７で繋がっている箇所は、水面より上である。回転機構部８は機械部品であるので、海中よりも海上にある方が劣化の程度が小さいからである。第１アーム１６は係留管７の海上側にあるといってもよい。

また、係留管７の下方側の連結構造では、浮体２の下方体２ｂの下端から係留管７へ向かって緩衝保持アーム２８（第２アーム）が延びている。この緩衝保持アーム２８は、緩衝材を介して係留管７の下方側を遊貫状態で保持している。緩衝保持アーム２８と係留管７との接続点は海中にある。第２アーム２８は海中側にあるといってもよい。

また、緩衝保持アーム２８の浮体２への取り付け方向２８ａは、保持アーム１６の取り付け方向１６ａと同じ方向である。したがって、風車４の回転軸４ａと保持アーム１６の取り付け方向１６ａと、緩衝保持アーム２８の取り付け方向２８ａは同じ平面内にある。また、保持アーム１６と緩衝保持アーム２８は、係留管７の回転軸９と同じ平面内にある。つまり、緩衝保持アーム２８は保持アーム１６と係留管７が作る平面内にある。

係留管７の下端には、連結アーム３４が固定的に設けられている。そして連結アーム３４は、係留索３６によって海底に固定される。ここでは、連結アーム３４は３本の場合を示したが、１本以上であれば本数に限定はされない。

このように浮体２は、係留管７との間で、保持アーム１６と緩衝保持アーム２８とで支持されているので、浮体２は、係留管７の中心に一点鎖線で示した回転軸９の周りに相対的に旋回可能となる（旋回方向は図１中に水平面内に延びる湾曲した矢印で示されている。）。また、浮体２は保持アーム１６および緩衝保持アーム２８の回動端に連結されているといっても良い。

風力発電装置１は、浮体２上の風車４が回転すると、図示しないシャフトなどの伝達手段によって、浮体２上の発電装置６に回転力を伝える。これによって発電装置６は発電する。発電装置６で発電された電力は、保持アーム１６中に配されたケーブルを伝って、スリップリング１３に伝わる。電力は、スリップリング１３から係留管７中に配設したケーブルに伝わり、海中に配設された埋設ケーブル（図示していない）に伝えられる。このようにして、浮体式洋上風力発電装置１は電力を送信する。

次に、浮体式洋上風力発電装置１の望ましい動作を簡単に説明する。図２は、浮体式洋上風力発電装置１を上方から見た図を示す。係留管７、浮体２、風車４、連結アーム３４および係留索３６は図２（ａ）の関係にあったとする。

図２（ｂ）を参照して、風Ｗが吹いたとする。浮体２上の風車４は風を受けるため、風車４が固定された浮体２は、係留管７の周囲で旋回する力Ｆｒが生じる。風車４の回転軸は、係留管７と浮体２を接続している保持アーム１６（緩衝保持アーム２８）と同じ軸上に設けられているからである。結果、ナセル５が風上を向くまで浮体２が係留管７の周囲を旋回する。このようにして、風車４は常に風の方向を向いて回転し、発電を行うことができる。

ここで問題になるのは、係留管７と浮体２との間の回動時の摩擦係数である。この摩擦係数が大きいと、浮体２は係留管７の周囲を旋回することができず、図２（ａ）の状態のままとなってしまう。つまり、風車４を常に風に向けることができない。

係留管７と浮体２との回転摩擦係数の原因としては、次のようなことが考えられる。係留管７と浮体２は互いに波によって揺動している。そのため、係留管７に対する浮体２の傾きは常に変化する。すると、図１の回転機構部８の部分で摩擦係数が高くなり、係留管７の周囲をスムーズに浮体２が回転できなくなる。そこで本発明に係る風力発電装置１は、係留管７と浮体２との傾きが変化しても互いに回動可能になるような係留管７と浮体２の連結構造を有している。

この連結構造は、係留管７との間の連結構造体である保持アーム１６の回転機構部８と、緩衝保持アーム２８の緩衝機構部２０に設けられている。

図３を用いて回転機構部８の詳細な構成について説明する。図３には、図１の丸で囲んだ部分Ｘについての一部破断した拡大図が示されている。なお、ここでは、説明の便宜のため、保持アーム１６に付随する細かな支持部材については図示を省略し、保持アーム１６と係留管７との関係が明確になるように表わしている。また、係留管７の内部の配線等の構造も図示を省略している。

保持アーム１６はカバー体１０の側面に接合されている。このカバー体１０の上面には、ベアリング載置台１７にスラストベアリング１２が設けられていてもよい。スリップリング１３の重量を支えるのに有効だからである。

スラストベアリング１２は、係留管７とカバー体１０の上面（ベアリング載置台１７）と間の軸方向の摩擦を低減するので好ましい。上側の軌道盤１２ａはフランジブッシュ１１（図４参照）を介して係留管７の側面に固定されている。また、下側の保持器１２ｂはベアリング載置台１７に接合されたドーナツ状の枠板１７ａの枠内に載置されている。スラストベアリング１２が、このように構成されているので、係留管７は保持アーム１６に繋がる浮体２（図１を参照）に対して回転自在となっている。

ベアリング載置台１７の下面側には、ベアリング固定枠１８がボルトにより固定されている。このベアリング固定枠１８は上枠１８ａと下枠１８ｂとが接合されて構成されている。調心ベアリング１４は、これら上枠１８ａと下枠１８ｂとの間に固定されている。

調心ベアリング１４の外輪１４ａはベアリング固定枠１８の上枠１８ａと下枠１８ｂとの間に挟持され、内輪１４ｂは係留管７の側面に固定されている。このように構成されているので、係留管７と保持アーム１６（浮体２）が相対的に揺動した場合（相対的に傾斜した場合）であっても、係留管７と保持アーム１６（浮体２）の回転を妨げることなく、調心ベアリング１４を中心に傾くことができる。

ここで、図４に、回転機構部８を含む構造の中央縦断面図を拡大して示す。係留管７の上端には、浮体２の発電装置６から送られてきた電力を係留管７内の配線等に送るためのスリップリング１３が設けられている（図１を併せて参照）。図４では、係留管７が調心ベアリング１４を中心に下端側が揺動した状態が示されている。

保持アーム１６（図３参照）と固定されたカバー体１０の中心線を二点鎖線５４で示すと共に、傾斜した係留管７の中心位置を一点鎖線５２で示している。つまり、２点鎖線５４は、カバー体１０（保持アーム１６）の傾きを表し、１点鎖線５２は図１で示した係留管７の回転軸９を表す。２点鎖線５４と１点鎖線５２のなす角５０が、係留管７とカバー体１０（これと結合した保持アーム１６および浮体２）とのなす傾きとなる。

この傾き５０は、調心ベアリング１４を中心として傾く。したがって、浮体２と係留管７が波によって揺動しても、調心ベアリング１４によって、浮体２は係留管７の周囲を回動することができる。

なお、カバー体１０と係留管７の傾きは相対的なものなので、カバー体１０は水平（二点鎖線５４は垂直）になっている。また、図４で符号Ｂの部分より上は、係留管７が傾いていない場合を示し、符号Ｂの部分より下は、係留管７が傾いている場合を示している。傾きがよく理解できるように、符合Ｂの部分を連続して記載している。したがって、係留管７が符号Ｂの部分で曲がっているわけではない。

図３に戻って、スリップリング１３の下端は係留管７の上端に対してゴム管１９によって接続されている。このため、上述のように、係留管７が調心ベアリング１４を中心に揺動した場合であっても、上端の動きはゴム管１９の変形により吸収され、スリップリング１３との接続関係を良好に保つことが可能である。

続いて、図５に浮体２と係留管７の海中での接続部である緩衝機構部２０の詳細な構成を示す。図５には、図１において係留管７の下方側（海中）にて二点鎖線で囲んだ部分Ｙについて、一部破断した拡大図が示されている。

緩衝機構部２０は筒状のカバー体２２と、このカバー体２２の上方を塞ぐように配置されたゴム板２４（緩衝材）とから構成されている。カバー体２２の側面には図１に示したように、浮体２の下端から延びる緩衝保持アーム２８が接合されている。ゴム板２４の中央には、係留管７が遊貫状態で配置可能な穴が貫通して形成されている。係留管７とゴム板２４との間にはフランジブッシュ２６が介在しており、係留管７とゴム板２４との摺動摩擦を低減する構成となっている。

つまり、フランジブッシュ２６によって緩衝保持アーム２８（浮体２）は、係留管７の周囲を回動することができる。また、緩衝保持アーム２８と係留管７が傾いたとしても、ゴム板２４（緩衝材）が変形し、傾斜した状態を保持する。その結果、緩衝保持アーム２８（浮体２）と係留管７が傾きを持っても、互いに回動可能となる。

以上のように浮体２と係留管７との間の連結構造体である保持アーム１６の回転機構部８と、緩衝保持アーム２８の緩衝機構部２０は、浮体２から見て係留管７が傾斜したとしても、回転摩擦係数を低く維持することができる。

図６には、浮体２と係留管７の関係を示す。なお、浮体２上の支柱３等の構造物は省略している。風力発電装置１（図１を参照）は、風車４が風にあおられたり、係留管７の下方が係留索３６により引張られたり、波で浮体２と係留管７が揺動する、係留管７と浮体２は互いに傾く。図６では浮体２だけが傾いたように示す。１点鎖線５２は、係留管７の回転軸９（図１参照）と平行な線を表す。２点差線５４は、浮体２の中心軸を表す。

係留管７の下方で浮体２と接続する緩衝保持アーム２８は、この傾きをゴム板２４の変形によって保持する。したがって、浮体２に対して係留管７は調心ベアリング１４を中心に傾く。しかし、調心ベアリング１４とフランジブッシュ２６によって、浮体２と係留管７が傾いても、互いに回動することができる。言い換えると、浮体２は係留管７との間の角度が変化しても（揺動しても）、係留管７の周囲を旋回することができる。

図５を再び参照して、係留管７の下端には連結部３０が取り付けられている。連結部３０の中央には、係留管７の下端を受ける軸端受部３２が設けられている。そして、軸端受部３２の下方位置から係留管７の拡径方向へ拡がるように３本の連結アーム３４が延びている。これら連結アーム３４は互いに１２０度の角度を設けて配置されている。また、連結アーム３４の先端下方には、係留索３６が連結されている。これら係留索３６は、一端が水底に固定される。

次に係留索３６と係留管７や浮体２の関係について説明する。図２で述べたように、浮体式洋上風力発電装置１が常に風車４を風の方向に向けることができるためには、浮体２が係留管７の周囲を旋回できることが必要である。しかし、係留管７と浮体２との間の回転摩擦係数が大きいと、浮体２は係留管７の周囲を旋回することができない。一方、係留管７と浮体２との間の回転摩擦係数はゼロにはできない。

図７には、図２同様に浮体式洋上風力発電装置１の上面視の図を示す。図７（ａ）は、風Ｗに向いて風車４が向いている状態を示している。図７（ｂ）を参照して、風向きがＷ１に変わったとする。浮体２は風車４が風から受ける力によって、風の方に向こうとする。つまり、係留管７に対して浮体２が回転しようとする力Ｆｒが生じる。その結果、連結アーム３４と係留索３６のなす角度が変わる。

係留索３６は、重さのある紐状体（鎖）であるので、連結アーム３４と海底の固定点との間で懸垂曲線を描いている。図７（ａ）では、連結アーム３４と係留索３６のなす角度は１８０°であり、係留索３６と係留管７はつりあった状態にある。つまり、この時に係留索３６が描く懸垂曲線が図７(ａ)の拘束条件での係留索３６の最小エネルギー状態であるといえる。

一方、図７（ｂ）のように、浮体２と係留管７との角度が変化せずに、係留管７が浮体２によって回転されると、係留索３６は全体として持上げられ、上面視では伸びたようになる。係留索３６は、重力によって、最小エネルギー状態に戻ろうとするため、係留索３６には復元力Ｆｔが生じる。上面視では、あたかも係留索３６が縮もうとする力に見える。

浮体２と係留管７の間には回転摩擦係数が存在する。係留索３６の復元力Ｆｔがこの回転摩擦係数より大きければ、浮体２は係留管７の周囲で旋回し、風車４は風向Ｗ１を向く（図７（ｃ）参照）。

回転摩擦係数が大きいと、係留管７と浮体２は固定された状態となり、係留索３６による復元力Ｆｔと、浮体２が係留管７の周囲に回転しようとする力Ｆｒがつりあった状態で浮体２は止まる（図７（ｄ）参照）。

つまり、浮体式洋上風力発電装置１の風車４を常に風に向かせるためには、係留管７と浮体２との間の回転摩擦係数を小さくすると共に、係留索３６の復元力Ｆｔを大きくすることも効果がある。

係留索３６の復元力Ｆｔを大きくするには、係留索３６の単位長さ当たりの重量を上げる、本数を増やす。吊り合い時の張力を大きくするといった方策を採用することができる。

以上のように、本実施の形態に係る風力発電装置１は、係留管７のような長尺部材を用いることにより顕著となる撓みを緩衝機構部２０で緩衝すると共に、回転機構部８に傾動可能な調心ベアリング１４を用いることにより浮体２の係留管７の周囲を旋回する回転動作を妨げることなく風向追従機能を安定した状態に維持することを可能とする。

なお、上記の実施の形態では、回転機構部８に調心ベアリング１４とスラストベアリング１２とを組み合わせた構成を例として示した。しかし、少なくとも調心ベアリング１４を設けていれば、係留管７は揺動可能となるので、スラストベアリング１２は必須の構成ではない。また、調心ベアリング１４の代わりにスラスト自動調心ベアリング等を用いても構わない。さらに、スラストベアリング１２の代わりにアキシャル荷重に対して摩擦を低減することができれば、樹脂ベアリングであっても構わない。

上記の実施の形態では、係留管７の下端から拡径方向へ延びる連結アーム３４は、周方向に互いに１２０度の角度を設けて３本設けられた構成を例として示した。しかし、複数本設けられていれば、２本でも４本以上でも構わない。少なくとも２本設けられていると、係留索３６は開いた状態で保持することができるので、それぞれの係留索３６から連結アーム３４に働く回転力成分を大きく設定することが可能である。

また、上記の実施の形態では、係留索３６を連結する連結部３０を、拡径方向へ延びる棒状部材（連結アーム３４）で構成する例を示した。しかし、係留管７から拡径方向へ離間した位置に係留索３６を連結することができる形状であれば、板状部材でも構わない。

また、上記の実施の形態では、連結アーム３４は、係留管７の拡径方向において同一水平面上に配置される構成を例として示した。しかし、これら複数の連結アーム３４は異なる水平面上に設けられていても構わない。

また、上記の実施の形態では、緩衝機構部２０の緩衝材としてゴム板２４が用いられた構成を例として示した。しかし、係留管７を遊貫状態で保持できると共に、緩衝機能を有する構成であれば、スプリング等を緩衝材として用いても構わない。

また、上記の実施の形態では、緩衝保持アーム２８が浮体２の下端から延びている構成を例として示した。しかし、緩衝機構部２０が係留管７の下端側を保持できる構成であれば、浮体２側には下端以外の位置に連結されていても構わない。

本発明は、洋上風力発電に好適に利用できる。

１ 浮体式洋上風力発電装置
２ 浮体
３ 支柱
４ 風車
５ ナセル
６ 発電装置
７ 係留管
８ 回転機構部
９ 回転軸
１０ カバー体
１１ フランジブッシュ
１２ スラストベアリング
１２ａ 軌道盤
１２ｂ 保持器
１３ スリップリング
１４ 調心ベアリング
１４ａ 外輪
１４ｂ 内輪
１６ 保持アーム（第１アーム）
１７ ベアリング載置台
１７ａ 枠板
１８ ベアリング固定枠
１８ａ 上枠
１８ｂ 下枠
１９ ゴム管
２０ 緩衝機構部
２２ カバー体
２４ ゴム板（緩衝材）
２６ フランジブッシュ
２８ 緩衝保持アーム（第２アーム）
３０ 連結部
３２ 軸端受部
３４ 連結アーム（連結杆）
３６ 係留索
１００ 風力発電装置
１０１ 風車
１０２ 基体部
１０３、１０４ 浮体
１０５ 支柱
１０６ ナセル部

Claims (3)

1. 水深方向に延び、下方側が係留索によって水底と連結される係留管と、
   前記係留管の海上側に調心ベアリングを介して連結され、相対回動可能に水平方向に延びる第１アームと、
   前記第１アームの回動端と連結された浮体と、
   前記浮体に立設された支柱と、
   前記支柱に支えられた風車と、
   前記浮体上に設置された発電装置と、
   前記浮体から延び、前記係留管の海中側を、偏心可能となるように緩衝材を介して遊貫状態で保持する前記第１アームと前記係留管が作る平面内に設けられた第２アームと、
   を備えたことを特徴とする浮体式洋上風力発電装置。
2. 前記緩衝材は、中央に前記係留管の海中側を遊貫状態で保持可能な貫通孔が形成されたゴム板であることを特徴とする請求項１に記載の浮体式洋上風力発電装置。
3. 前記係留索は、前記係留管の下方から拡径方向に延び、かつ、周方向に均等に複数設けられた連結杆に連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の浮体式洋上風力発電装置。