JP2019019733A - Floating body type offshore wind power generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、浮体式洋上風力発電施設に関する。 The present invention relates to a floating offshore wind power generation facility.
風力発電施設は、風況(風の吹き方)の良好な場所に設置される。特に、周りに高い構築物が無い洋上は風力発電施設を設ける場所として適している。そこで、浮体構造体を設けて、ブレードや発電装置を水上に浮かせた状態で発電を行う浮体式風力発電施設が提案されている。 The wind power generation facility is installed in a place with good wind conditions (wind blowing). In particular, the offshore where there are no high structures around is suitable as a place where wind power generation facilities are provided. Thus, a floating wind power generation facility has been proposed in which a floating structure is provided and power is generated in a state where the blades and the power generation device are floated on water.
浮体式洋上風力発電施設では、波によって浮体構造体が傾くことがある。このとき、ブレード(翼)が風上に傾斜すると、ブレードに対する相対風速が大きくなり、発電機のロータの回転数が増加することになる。風力発電施設では発電量を時間的に一定に維持したいため、ロータの回転数を一定に保持するためにブレードのピッチを調整して回転数を低下させる制御を行う。そうすると、ブレードに対する風の抵抗が小さくなり、さらに浮体構造体が風上に傾斜することになる。反対に、ブレードが風下に傾斜すると、ブレードに対する相対風速が小さくなり、発電機のロータの回転数が低下することになるので、ロータの回転数を一定に保持するためにブレードのピッチを調整して回転数を増加させる制御を行う。そうすると、ブレードに対する風の抵抗が大きくなり、さらに浮体構造体が風下に傾斜することになる。このような現象をネガティブダンピングという。 In floating offshore wind power generation facilities, the floating structure may be tilted by waves. At this time, when the blade (blade) is inclined to the windward, the relative wind speed with respect to the blade is increased, and the rotational speed of the rotor of the generator is increased. In a wind power generation facility, since it is desired to maintain the power generation amount constant over time, in order to keep the rotor rotational speed constant, control is performed to adjust the blade pitch and reduce the rotational speed. If it does so, the resistance of the wind with respect to a braid | blade will become small, and also a floating body structure will incline to the windward. On the other hand, if the blade tilts leeward, the wind speed relative to the blade will decrease, and the rotational speed of the rotor of the generator will decrease, so the blade pitch should be adjusted to keep the rotor rotational speed constant. To increase the rotation speed. If it does so, the resistance of the wind with respect to a braid | blade will become large, and also a floating body structure will incline leeward. Such a phenomenon is called negative damping.
このようなネガティブダンピングは、浮体式洋上風力発電施設における安定した発電の妨げとなるおそれがある。したがって、ネガティブダンピングを抑制する技術が開発及び開示されている。 Such negative damping may interfere with stable power generation in a floating offshore wind power generation facility. Therefore, techniques for suppressing negative damping have been developed and disclosed.
浮体構造物又は海底に据え付けられるタワーの先端に設けられる風力タービンが備える発電機のロータ軸の回転数に基づいて、風力タービンの翼ピッチ角に対してPI演算を含むピッチ角基本制御を施し、補正制御部において、発電機の出力や風力タービンの揺動等に基づきピッチ角基本制御に補正を加える技術が開示されている(特許文献1)。また、ナセルの振動の加速度に基づいて、ナセルの振動を打ち消すようなスラスト力を風車ブレードに発生させるアクティブ制振手段を備える風力発電装置が開示されている(特許文献2)。 Based on the number of rotations of the rotor shaft of the generator provided in the wind turbine provided at the tip of the floating structure or the tower installed on the sea floor, the pitch angle basic control including PI calculation is performed on the blade pitch angle of the wind turbine, In the correction control unit, a technique for correcting the pitch angle basic control based on the output of the generator, the swing of the wind turbine, and the like is disclosed (Patent Document 1). Further, a wind turbine generator is disclosed that includes active vibration damping means for generating a thrust force in a wind turbine blade that cancels the nacelle vibration based on the acceleration of the nacelle vibration (Patent Document 2).
ところで、ネガティブダンピングを抑制する技術において、エネルギーをより効果的に発電に利用することが望まれている。しかしながら、従来技術では、ネガティブダンピングを抑制すると共に、風力と波力のエネルギーを複合的に有効利用することができていなかった。 By the way, in the technology for suppressing negative damping, it is desired to use energy for power generation more effectively. However, in the prior art, negative damping is suppressed and energy of wind power and wave power cannot be effectively used in combination.
請求項1に対応した浮体式洋上風力発電施設は、風により回転するロータと、少なくとも前記ロータの回転軸を収容するナセルと、前記ロータと前記ナセルを支持する水に浮かぶタワー状の浮体構造体を備えた浮体式洋上風力発電施設であって、前記浮体構造体は、互いに基準状態となるように付勢手段により付勢された上部浮体構造体と下部浮体構造体とを含み、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体の相対的な揺動運動により発電を行う揺動発電手段を備える。 A floating offshore wind power generation facility corresponding to claim 1 includes a rotor that rotates by wind, a nacelle that accommodates at least a rotating shaft of the rotor, and a tower-like floating structure that floats on water that supports the rotor and the nacelle. A floating offshore wind power generation facility, wherein the floating structure includes an upper floating structure and a lower floating structure that are biased by biasing means so as to be in a reference state, and the upper floating body A oscillating power generation means for generating power by relative oscillating motion of the structure and the lower floating structure is provided.
ここで、相対的な前記揺動運動として、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体の屈曲運動により発電を行うことが好適である。ただし、これに限定されるものでなく、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体の間の相対運動を利用するものであればよく、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体の伸縮運動やねじれ運動により発電を行う態様としてもよい。 Here, it is preferable that power is generated by a bending motion of the upper floating structure and the lower floating structure as the relative swinging motion. However, the present invention is not limited to this, and it is only necessary to use a relative motion between the upper floating structure and the lower floating structure, and the expansion and contraction motion of the upper floating structure and the lower floating structure. Alternatively, power generation may be performed by twisting motion.
また、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体との間はピッチング運動とローリング運動を許容するユニバーサルジョイントにより繋がれていることが好適である。 Further, it is preferable that the upper floating structure and the lower floating structure are connected by a universal joint that allows pitching motion and rolling motion.
また、前記付勢手段は、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体を上下方向に付勢するばね手段であることが好適である。ただし、これに限定されるものではなく、前記付勢手段は、油圧や空気圧により付勢力を得るものやゴム等の弾性体としてもよい。 Further, it is preferable that the biasing means is a spring means for biasing the upper floating structure and the lower floating structure in the vertical direction. However, the urging means is not limited to this, and the urging means may be one that obtains an urging force by hydraulic pressure or air pressure, or an elastic body such as rubber.
また、前記揺動発電手段は、前記付勢手段により押圧される圧電素子発電機であることが好適である。ただし、これに限定されるものでなく、油圧や空気圧を利用した発電機やコイル及び磁石の電磁気的な相互作用を利用した発電機等にしてもよい。 Further, it is preferable that the oscillating power generation means is a piezoelectric element generator pressed by the urging means. However, the present invention is not limited to this, and a generator using hydraulic pressure or air pressure or a generator using electromagnetic interaction between coils and magnets may be used.
また、前記揺動発電手段を複数個有し、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体の相対的な揺動運動により複数個の前記揺動発電手段のうちのいずれかが発電を行うことが好適である。なお、複数個の揺動発電手段は、揺動運動の想定される方向に対していずれの
方向であっても発電が行なえるように配置されることが好適である。
A plurality of the oscillating power generation means, and any one of the plurality of oscillating power generation means generates power by a relative oscillating motion of the upper floating structure and the lower floating structure; Is preferred. In addition, it is preferable that the plurality of oscillating power generation means be arranged so that power generation can be performed in any direction with respect to the direction in which the oscillating motion is assumed.
また、前記揺動発電手段の発電電力を蓄える蓄電手段を備え、負荷に対して前記蓄電手段を介して電力供給を行うことが好適である。また、前記揺動発電手段と前記蓄電手段の間に蓄電電圧を調整する蓄電電圧調整手段を備えることが好適である。また、前記蓄電手段と前記負荷の間に電力を変換する電力変換手段を備えることが好適である。 In addition, it is preferable that a power storage unit that stores power generated by the oscillating power generation unit is provided, and power is supplied to the load via the power storage unit. In addition, it is preferable that a storage voltage adjusting unit that adjusts a storage voltage between the oscillating power generation unit and the storage unit is provided. In addition, it is preferable that power conversion means for converting power between the power storage means and the load is provided.
なお、蓄電手段は、対象とする負荷の負荷変動に応じてキャパシタや蓄電池、またそれらを組み合わせて使用することができる。また、蓄電電圧調整手段は、ダイオードや昇圧器等の蓄電のために必要な部品や回路を含み、複数個の揺動発電手段に対応して個別に設けることが好適である。また、電力変換手段は、負荷に応じてインバータやDC/DCコンバータ等を用いることができる。 The power storage means can be used as a capacitor, a storage battery, or a combination thereof according to the load fluctuation of the target load. The storage voltage adjusting means preferably includes parts and circuits necessary for power storage such as a diode and a booster, and is individually provided corresponding to a plurality of oscillation power generation means. Moreover, an inverter, a DC / DC converter, etc. can be used for a power conversion means according to load.
また、前記浮体構造体を係留する係留手段を備えることが好適である。例えば、前記係留手段は、前記下部浮体構造体を係留索により係留するものであり、前記係留索が水底のアンカー手段に係止されることが好適である。なお、係留手段は、上部浮体構造体と下部浮体構造体の相対的な揺動運動を促進するために下部浮体構造体の下部を係止して係留することが好適である。 In addition, it is preferable that a mooring means for mooring the floating structure is provided. For example, it is preferable that the mooring means moor the lower floating structure by a mooring line, and the mooring line is locked to an anchor means on the bottom of the water. The mooring means is preferably anchored by locking the lower part of the lower floating structure in order to promote relative swinging motion of the upper floating structure and the lower floating structure.
請求項1に対応した浮体式洋上風力発電施設によれば、風により回転するロータと、少なくとも前記ロータの回転軸を収容するナセルと、前記ロータと前記ナセルを支持する水に浮かぶタワー状の浮体構造体を備えた浮体式洋上風力発電施設であって、前記浮体構造体は、互いに基準状態となるように付勢手段により付勢された上部浮体構造体と下部浮体構造体とを含み、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体の相対的な揺動運動により発電を行う揺動発電手段を備えることによって、波等によって生ずるネガティブダンピングに至る揺動を電気エネルギーに変換することができる。また、揺動の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することによって、発電時の抵抗を制動力として利用して揺動を抑制することができる。すなわち揺動発電手段が、発電機能とプラスのダンピング機能の双方の機能を果たすことができる。 According to the floating offshore wind power generation facility corresponding to claim 1, a rotor that rotates by wind, a nacelle that accommodates at least the rotating shaft of the rotor, and a tower-like floating body that floats on water that supports the rotor and the nacelle A floating offshore wind power generation facility including a structure, the floating structure including an upper floating structure and a lower floating structure that are biased by biasing means so as to be in a reference state with each other, By providing an oscillating power generation means for generating electric power by the relative oscillating motion of the upper floating structure and the lower floating structure, the oscillation that results in negative damping caused by waves or the like can be converted into electrical energy. Moreover, by converting the kinetic energy of the swing into electric energy, the swing can be suppressed using the resistance during power generation as a braking force. That is, the oscillating power generation means can perform both the power generation function and the positive damping function.
ここで、相対的な前記揺動運動として、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体の屈曲運動により発電を行うことによって、ネガティブダンピングによる前記浮体構造体の屈曲運動を有効に利用することができる。 Here, as the relative oscillating motion, it is possible to effectively utilize the bending motion of the floating structure by negative damping by performing power generation by the bending motion of the upper floating structure and the lower floating structure. it can.
また、前記係留手段は、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体との間のピッチング運動とローリング運動を許容するユニバーサルジョイントとすることによって、ネガティブダンピングのトリガーとなる様々の方向からの波の運動を、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体との間のピッチング運動とローリング運動として屈曲運動に変換し、これらの運動エネルギーを電気エネルギーに変換して利用することができる。 In addition, the mooring means is a universal joint that allows pitching motion and rolling motion between the upper floating structure and the lower floating structure, thereby allowing waves from various directions to trigger negative damping. The motion can be converted into a bending motion as a pitching motion and a rolling motion between the upper floating structure and the lower floating structure, and the kinetic energy can be converted into electric energy for use.
また、前記付勢手段は、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体を上下方向に付勢するばね手段とすることによって、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体の揺動運動による例えば屈曲を基準状態に復元するような作用をもたらすことができる。 Further, the biasing means is a spring means for biasing the upper floating structure and the lower floating structure in the vertical direction, for example, by swinging motion of the upper floating structure and the lower floating structure. It is possible to bring about an effect of restoring the bending to the reference state.
また、前記揺動発電手段は、前記付勢手段により押圧される圧電素子発電機とすることによって、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体の間に生ずる圧力を効率的に電力に変換することができ、圧電素子発電機のダンピング機能を利用することができる。 Further, the oscillating power generation means is a piezoelectric element generator that is pressed by the biasing means, thereby efficiently converting the pressure generated between the upper floating structure and the lower floating structure into electric power. And the damping function of the piezoelectric element generator can be utilized.
また、前記揺動発電手段を複数個有し、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体の相対的な揺動運動により複数個の前記揺動発電手段のうちのいずれかが発電を行うことによって、様々な方向への揺動の運動エネルギーを効果的に電気エネルギーに変換することができる。 A plurality of the oscillating power generation means, and any one of the plurality of oscillating power generation means generates power by a relative oscillating motion of the upper floating structure and the lower floating structure; Thus, the kinetic energy of swinging in various directions can be effectively converted into electric energy.
また、前記揺動発電手段の発電電力を蓄える蓄電手段を備え、負荷に対して前記蓄電手段を介して電力供給を行うことによって、電力を蓄電して有効に利用することができる。また、前記揺動発電手段と前記蓄電手段の間に蓄電電圧を調整する蓄電電圧調整手段を備えることによって、前記揺動発電手段と前記蓄電手段の間の電圧を適切に調整して蓄電することができる。また、前記蓄電手段と前記負荷の間に電力を変換する電力変換手段を備えることによって、前記蓄電手段から前記負荷へ適切に電力を供給することができる。 In addition, power storage means for storing the power generated by the oscillating power generation means is provided, and by supplying power to the load via the power storage means, the power can be stored and used effectively. In addition, by storing a storage voltage adjusting unit that adjusts a storage voltage between the swing power generation unit and the power storage unit, the voltage between the swing power generation unit and the power storage unit is appropriately adjusted and stored. Can do. Further, by providing power conversion means for converting power between the power storage means and the load, power can be appropriately supplied from the power storage means to the load.
また、前記浮体構造体を係留する係留手段を備えることによって、浮体式洋上風力発電施設の洋上の位置を固定することができ、相対的な揺動運動を適切な範囲で促進することができる。 Further, by providing mooring means for mooring the floating structure, the position of the floating offshore wind power generation facility on the ocean can be fixed, and the relative rocking motion can be promoted within an appropriate range.
本発明の実施の形態における浮体式洋上風力発電施設100は、図1に示すように、浮体構造体102、ナセル104、ロータ106、係留手段108及び揺動発電手段110を含んで構成される。
As shown in FIG. 1, the floating offshore wind
浮体構造体102は、浮体式洋上風力発電施設100の構造物を水上(洋上)において浮かせるためのタワー状の構造体である。浮体構造体102は、ナセル104及びロータ106を水上に浮かせた状態で保持する構造とされる。浮体構造体102は、例えば、柱状の上部浮体構造体102a及び下部浮体構造体102bを組み合わせて構成することができる。上部浮体構造体102a及び下部浮体構造体102bは、中空として、その内部に電力供給用の回路盤等を収容するようにしてもよい。
The
ナセル104は、増速機、発電機及び制御部を収容する構造体である。ナセル104は、柱状の上部浮体構造体102aの先端部において、上部浮体構造体102aの軸に対して回動可能に設置される。ナセル104には、ロータ106を備え、風向計による風向の測定結果に基づいてロータ106を回転させることによってブレードが風向きに応じた方向に向くように回転する。
The
ロータ106を構成するブレードは、浮体式洋上風力発電施設100において風を受けて、風力をロータ106のロータ軸(回転軸)に対する回転力に変換する翼である。浮体式洋上風力発電施設100には、例えば、ナセル104内に配置された発電機のロータ軸の周りに3枚のブレードを等角度で配置する。ブレードは、例えば、ガラス繊維強化プラステッチ(GFRP)等の絶縁体から構成される。ブレードは、軽量化を図るために中空構造としてもよい。ブレードによって得られた回転力は、ナセル104内に配置された増速機を介して発電機のロータ軸に伝達され、当該回転力によって発電機のロータ106が回転させられて発電が行われる。発電された電力は、浮体式洋上風力発電施設100の外部へ出力される。
The blades constituting the
係留手段108は、浮体構造体102を所望の位置に係留するための手段である。係留手段108は、下部浮体構造体102bの下端部に一端が取り付けられた係留索108aと、当該係留索の他端に取り付けられて水底に置かれるアンカー手段(錘)108bと、を含んで構成される。なお、係留手段108は、上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bの相対的な揺動運動を促進するために、下部浮体構造体102bの下端部を含む下部を係止して係留することが好適である。係留手段108は、浮体構造体102を洋上において所定の位置に係留するだけでなく、浮体構造体102の軸に対する回転揺動(ヨー運動:図1においてZ軸(浮体構造体102の軸方向)周りの回転運動)を抑制する機能を果たす。
The mooring means 108 is means for mooring the floating
揺動発電手段110は、上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bの相対的な搖動運度により発電を行う手段である。揺動発電手段110は、図2の構成概念図に示すように、上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bとの間に挟まれるように設けられ、波等によって上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bとが相対的に搖動するときの揺動運度に伴うエネルギーを電力に変換する手段を含む。
The oscillating power generation means 110 is a means for generating power based on the relative peristaltic mobility of the upper floating
揺動発電手段110は、ユニバーサルジョイント10、弾性体12、台座14、発電手段16及びカバー18を含んで構成することができる。
The oscillating power generation means 110 can include the
ユニバーサルジョイント10は、相対的にピッチング運動及びローリング運動できるように上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bとを接続する部材である。ピッチング運動及びローリング運動は、浮体構造体102の軸(Z軸)に直交する軸(X軸,Y軸)の周りの回転運動である。具体的には、ピッチング運動は、図1においてX軸周りの回転運動であり、ローリング運動は、図1においてY軸周りの回転運動である。ユニバーサルジョイント10によって上部浮体構造体102a及び下部浮体構造体102bを接続することによって、波等によって上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bとが相対的に屈曲運動することが可能となる。なお、ユニバーサルジョイント10は、相対的にピッチング運動及びローリング運動を可能とするものであれば、種類を問わなく利用が可能である。
The
弾性体12は、上部浮体構造体102a及び下部浮体構造体102bとの間に配置され、上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bとが基準状態となるように付勢する部材である。ユニバーサルジョイント10は、弾性体12により上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bとが基準状態となるように付勢されるに当り、上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bが揺動自在に係止される係止手段の役割も果たす。弾性体12は、例えば、ばね、ゴム等の弾性部材によって構成することができる。本実施の形態では、基準状態は、それぞれ柱状の上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bとが正立、すなわち上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bの中心軸が同軸上に位置する状態とする。この場合、弾性体12は、上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bを上下方向(Z軸方向)に付勢するものとすればよい。ただし、基準状態は、これに限定されるものではなく、例えば、風を受けて傾いた状態におけるロータ軸が風向に対して平行になるように、風を受けていない状態におけるロータ軸を水平面に対して所定角を持たせてナセル104を上部浮体構造体102aに支持する等、浮体式洋上風力発電施設100に外力が加わっていない状態において上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bとが示す姿勢の状態とする。
The
台座14は、弾性体12と後述する発電手段16との間に挟まれる部材である。台座14は、弾性体12から発電手段16に対して圧力が適切に加わるように設けられる。例えば、発電手段16が圧電素子(ピエゾ素子)を含む場合、弾性体12から圧電素子に対して均一に圧力が加わるように剛性を有する板状の台座14とすることが好適である。
The
発電手段16は、上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bとの間の揺動運動に応じて電力を発生させる手段である。本実施の形態では、発電手段16は、圧電素子発電機としている。発電手段16は、図3の機能ブロック図に示すように、圧電素子(ピエゾ素子)20(20a〜20d)、電圧調整器22、バッテリ24、電力変換器26及び発電制御手段28を含んで構成される。発電手段16は、負荷30に接続され、負荷30に対して発電した電力を供給する。負荷30は、浮体式洋上風力発電施設100の外部にあってもよいし、浮体式洋上風力発電施設100の内部の補機等としてもよい。発電手段16は、相対的な揺動運動による発電機能に加えてダンピング機能を有しており、波等によって生ずるネガティブダンピングによる揺動に対抗するプラスのダンピング機能の双方の機能を果たすことができる。
The power generation means 16 is a means for generating electric power according to the swinging motion between the upper floating
圧電素子(ピエゾ素子)20は、圧電体に加えられた押圧力を電圧に変換する素子である。圧電素子20は、水晶やセラミック等の圧電体を電極で挟み込んで構成することができる。圧電素子20によって発生した電圧は、電圧調整器22へ入力される。圧電素子(ピエゾ素子)20は、応力や変位、電気機械変換効率の面から積層型圧電素子が好適である。また、圧電素子(ピエゾ素子)20は、ヒステリシスを有しているところ、発電機能に加えてプラスのダンピング機能を果たすことができる。
The piezoelectric element (piezo element) 20 is an element that converts a pressing force applied to a piezoelectric body into a voltage. The piezoelectric element 20 can be configured by sandwiching a piezoelectric material such as crystal or ceramic between electrodes. The voltage generated by the piezoelectric element 20 is input to the
なお、本実施の形態では、上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bが様々な方向にピッチング運動又はローリング運動したときに発電が行えるように、図4に示すように、上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bの間に4つの圧電素子20(20a〜20d)を配置した例について説明する。当該例では、圧電素子20を等角度間隔(90°間隔)で配置している。これに伴って、圧電素子20毎に弾性体12及び台座14を設ける。これによって、上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bの相対的な揺動運動に伴って圧電素子20のいずれかが発電することになる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the upper floating
ただし、圧電素子20の形状や配置は、これに限定されるものではなく、上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bとの揺動を効果的に発電に利用できる配置とすればよい。例えば、上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bとの間の領域に圧電素子20を敷き詰めるように圧電素子20を配置してもよい。密に敷き詰めるには、角形や三角形等を基本とした形状とした方がより敷き詰め易い。
However, the shape and arrangement of the piezoelectric element 20 are not limited to this, and the arrangement may be such that the swinging of the upper floating
電圧調整器22は、発電制御手段28からの制御によって制御され、圧電素子20で発電した電力の逆流を防止するダイオード、入力される電圧を昇降圧してバッテリ24に対して出力する蓄電電圧調整手段を含む。圧電素子20a〜20dで発電される電圧は、相対的な揺動運動の方向やタイミングによって電圧状態が異なるところ、個別にダイオードや電圧調整器22を設けることが好適である。
The
電圧調整器22は、DC/DCコンバータを含んで構成することができる。圧電素子20が複数設けられている場合、それぞれの出力電圧をバッテリ24の端子電圧に一致させるように電圧調整する。
The
バッテリ24は、圧電素子20において発電された電力を蓄電する蓄電手段である。蓄電手段は、一般的な二次電池やキャパシタ等から構成することができる。バッテリ24の端子電圧や電池容量(SOC)は、発電制御手段28に入力され、電圧調整器22や電力変換器26の制御に利用される。また、電圧調整器22の電圧調整状況、バッテリ24の蓄電状況、電力変換器26の変換状況は、それぞれに設けたセンサの情報を発電制御手段28に伝え、発電制御手段28の制御に役立てられる。また、負荷30の情報を発電制御手段28に伝えて制御に役立てることも可能である。
The
電力変換器26は、バッテリ24から供給される電力を負荷30に応じた態様で出力する電力変換手段を含む。電力変換器26は、負荷30に応じて、バッテリ24の出力電圧の電圧、電流、周波数、位相、相数等を変換して出力する。例えば、負荷30が交流負荷であれば、電力変換器26は、バッテリ24から出力される直流電力を所望の電圧、電流、周波数、位相、相数の交流電力に変換するインバータ回路を含む。また、電力変換器26は、バッテリ24の出力電圧を昇降圧するDC/DCコンバータを含んでもよい。
The
発電制御手段28は、電圧調整器22、電力変換器26を制御する。発電制御手段28は、バッテリ24の端子電圧に応じて、電圧調整器22を制御して圧電素子20からの出力電圧を昇降圧させる。また、発電制御手段28は、バッテリ24の端子電圧やSOC及び負荷30の要求電力に応じて、電力変換器26を制御してバッテリ24から負荷30への電力を調整する。
The power
なお、図3に示すように、発電制御手段28を浮体式洋上風力発電施設100の発電設定手段32を制御するように構成してもよい。発電設定手段32は、ナセル104内に設置されている発電機の特性等を調整して発電の制御を行う。当該制御は、従来の制御と同様であるのでここでは特に言及しない。
As shown in FIG. 3, the power
カバー18は、上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bとの間に配置される圧電素子20、電圧調整器22、バッテリ24、電力変換器26及び発電制御手段28を覆う部材である。上部浮体構造体102a及び下部浮体構造体102bの接続部は水中に位置するので、カバー18は、これらの部材が濡れないような構成とすることが好適である。また、上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bは相対的に揺動できる必要があるので柔軟な構造とする。
The
また、浮体式洋上風力発電施設100を水域に設置した場合に、相対的な揺動運動の観点から、上部浮体構造体102aの中間位置に水面が来るように浮力調節をして設置することが最も好適あり、中間位置の±10%の位置がより好適であり、中間位置の±20%の位置が好適である。また、係留に当たって下部浮体構造体102bの浮力により、係留手段108に多少のテンションが係ることが好適であり、上部浮体構造体102aの浮力はこれとバランスをして上記水面の位置が得られるように設定されることが好適である。
In addition, when the floating offshore wind
また、発電手段16は、圧電素子発電機に限定されるものではなく、上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bの相対的な揺動によって発電ができるものであればよい。例えば、上部浮体構造体102aと下部浮体構造体102bの相対的な揺動をコイルと磁石の相対的な運動に変換し、コイルと磁石との間の電磁気的な相互作用により発電するような構成としてもよい。
Further, the power generation means 16 is not limited to the piezoelectric element generator, and any power generation means may be used as long as it can generate power by relative swinging of the upper floating
また、付勢手段を油圧や空気圧により付勢力を得るように構成し、相対的な揺動運動を油圧や空気圧に変換し、油圧や空気圧を利用して揺動発電手段で発電を行う構成としてもよい。 Further, the biasing means is configured to obtain a biasing force by hydraulic pressure or air pressure, and the relative swing motion is converted into hydraulic pressure or air pressure, and the power generation is performed by the swing power generation means using the hydraulic pressure or air pressure. Also good.
これらの場合においても発電手段16は、相対的な揺動運動による発電機能に加えて発電手段16自身によるダンピング機能を有し、波等によって生ずるネガティブダンピングに対抗するプラスのダンピング機能を果たすことができる。 Even in these cases, the power generation means 16 has a damping function by the power generation means 16 itself in addition to the power generation function by the relative swinging motion, and can perform a positive damping function to counter negative damping caused by waves or the like. it can.
以上のように、本実施の形態における浮体式洋上風力発電施設100によれば、波等によって生ずるネガティブダンピングに至る揺動を電気エネルギーに変換し、ネガティブダンピングを抑制したうえ発電をすることができる。また、揺動の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する際の発電時の抵抗をダンピング要素として利用して揺動を抑制することができる。
As described above, according to the floating offshore wind
すなわち、浮体式洋上風力発電施設100は、ブレードをアクチュエータとしたシンプルなロータ106の速度一定制御が可能となり、 ロータ106の速度変動が抑えられ、ネガティブダンピングが励起されても揺動発電手段110で吸収することにより、全体の発電量が増大する。
In other words, the floating offshore wind
以上のように、この浮体式洋上風力発電施設100は、風力と波力エネルギーを複合的に利用することができる。
As described above, the floating offshore wind
なお、水面からの最高高さ96m、浮体構造体直径4.8m、ロータ直径80m、定格出力2MWの浮体式洋上風力発電施設では、圧電素子(ピエゾ素子)20を敷き詰めて用い、傾き速度を1度/秒とした屈曲揺動発電によって、0.9MWの電力が得られると試算される。 In a floating offshore wind power generation facility having a maximum height of 96 m from the water surface, a floating structure diameter of 4.8 m, a rotor diameter of 80 m, and a rated output of 2 MW, a piezoelectric element (piezo element) 20 is used and an inclination speed of 1 is used. It is estimated that an electric power of 0.9 MW can be obtained by bending / oscillating power generation at degrees / second.
本発明は、様々なタイプの浮体式洋上風力発電施設に適用することができる。例えば、浮体構造体は柱状に限定されるものでなく、揺動部分を有するあらゆる態様の浮体構造体に適用することができる。 The present invention can be applied to various types of floating offshore wind power generation facilities. For example, the floating body structure is not limited to a columnar shape, and can be applied to a floating body structure of any aspect having a swinging portion.
10 ユニバーサルジョイント、12 弾性体、14 台座、16 発電手段、18 カバー、20 圧電素子、22 電圧調整器、24 バッテリ、26 電力変換器、28 発電制御手段、30 負荷、32 発電設定手段、100 浮体式洋上風力発電施設、102 浮体構造体、102a 上部浮体構造体、102b 下部浮体構造体、104 ナセル、106 ロータ、108 係留手段、108a 係留索、108b 錘、110 揺動発電手段。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
少なくとも前記ロータの回転軸を収容するナセルと、
前記ロータと前記ナセルを支持する水に浮かぶタワー状の浮体構造体を備えた浮体式洋上風力発電施設であって、
前記浮体構造体は、互いに基準状態となるように付勢手段により付勢された上部浮体構造体と下部浮体構造体とを含み、
前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体の相対的な揺動運動により発電を行う揺動発電手段を備えることを特徴とする浮体式洋上風力発電施設。 A rotor rotating by wind,
A nacelle that houses at least the rotating shaft of the rotor;
A floating offshore wind power generation facility provided with a tower-like floating structure floating in water supporting the rotor and the nacelle,
The floating structure includes an upper floating structure and a lower floating structure that are biased by biasing means so as to be in a reference state with each other,
A floating offshore wind power generation facility, characterized by comprising oscillating power generation means for generating power by a relative oscillating motion of the upper floating structure and the lower floating structure.
相対的な揺動運動として、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体の屈曲運動により発電を行うことを特徴とする浮体式洋上風力発電施設。 The floating offshore wind power generation facility according to claim 1,
A floating offshore wind power generation facility characterized in that power generation is performed by a bending motion of the upper floating structure and the lower floating structure as a relative swinging motion.
前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体との間はピッチング運動とローリング運動を許容するユニバーサルジョイントにより繋がれていることを特徴とする浮体式洋上風力発電施設。 The floating offshore wind power generation facility according to claim 1 or 2,
A floating offshore wind power generation facility characterized in that the upper floating structure and the lower floating structure are connected by a universal joint that allows pitching motion and rolling motion.
前記付勢手段は、前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体を上下方向に付勢するばね手段であることを特徴とする浮体式洋上風力発電施設。 The floating offshore wind power generation facility according to any one of claims 1 to 3,
The floating offshore wind power generation facility, wherein the biasing means is a spring means for biasing the upper floating structure and the lower floating structure in the vertical direction.
前記揺動発電手段は、前記付勢手段により押圧される圧電素子発電機であることを特徴とする浮体式洋上風力発電施設。 The floating offshore wind power generation facility according to any one of claims 1 to 4,
The floating offshore wind power generation facility, wherein the oscillating power generation means is a piezoelectric element generator pressed by the urging means.
前記揺動発電手段を複数個有し、
前記上部浮体構造体と前記下部浮体構造体の相対的な揺動運動により複数個の前記揺動発電手段のうちのいずれかが発電を行うことを特徴とする浮体式洋上風力発電施設。 A floating offshore wind power generation facility according to any one of claims 1 to 5,
A plurality of the oscillating power generation means,
A floating offshore wind power generation facility, wherein any one of the plurality of swing power generation means generates power by relative swinging motion of the upper floating structure and the lower floating structure.
前記揺動発電手段の発電電力を蓄える蓄電手段を備え、
負荷に対して前記蓄電手段を介して電力供給を行うことを特徴とする浮体式洋上風力発電施設。 The floating offshore wind power generation facility according to any one of claims 1 to 6,
A power storage means for storing the generated power of the swing power generation means;
A floating offshore wind power generation facility characterized in that power is supplied to a load via the power storage means.
前記揺動発電手段と前記蓄電手段の間に蓄電電圧を調整する蓄電電圧調整手段を備えることを特徴とする浮体式洋上風力発電施設。 The floating offshore wind power generation facility according to claim 7,
A floating offshore wind power generation facility comprising storage voltage adjustment means for adjusting a storage voltage between the oscillating power generation means and the power storage means.
前記蓄電手段と前記負荷の間に電力を変換する電力変換手段を備えることを特徴とする浮体式洋上風力発電施設。 The floating offshore wind power generation facility according to claim 7 or 8,
A floating offshore wind power generation facility comprising power conversion means for converting electric power between the power storage means and the load.
前記浮体構造体を係留する係留手段を備えることを特徴とする浮体式洋上風力発電施設。 A floating offshore wind power generation facility according to any one of claims 1 to 9,
A floating offshore wind power generation facility comprising mooring means for mooring the floating structure.
前記係留手段は、前記下部浮体構造体を係留索により係留するものであり、
前記係留索が水底のアンカー手段に係止されることを特徴とする浮体式洋上風力発電施設。 The floating offshore wind power generation facility according to claim 10,
The mooring means mooring the lower floating structure by a mooring line,
The floating offshore wind power generation facility, wherein the mooring line is locked to an anchor means at the bottom of the water.
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