JP2020165381A - 浮体基礎および浮体式風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】潮流による推力の影響を受けにくく高い風向追従性を発揮可能な浮体式基礎及び一点係留式の浮体式風力発電装置を提供すること。【解決手段】本発明の浮体基礎は、平面視における設計上の風向に沿った第一方向と第一方向と直交する第二方向を有し、第一方向軸に線対称な環状構造からなる外周部と外周部に付設した複数のフロートと外周部の第一方向風上側に付設した係留継手とを備え、外周部の第一方向における最大幅が外周部の第二方向における最大幅より小さいことを特徴とする。本発明の浮体式風力発電装置は、浮体基礎と浮体基礎に設置した発電機構と発電機構と電気的に接続した送電ケーブルと係留継手と接続した係留機構とを備え、発電機構は浮体基礎上に立設した支柱と支柱の頂部に付設したナセルとナセルに回転可能に付設した複数のブレードとを有し、係留機構は海底に設置可能なアンカーと係留継手とアンカーを連結する係留索とを有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は浮体基礎および浮体式風力発電装置に係り、特に潮流による推力の影響を受けにくく高い風向追従性を発揮可能な浮体式基礎と、この浮体基礎を用いてなる一点係留式の浮体式風力発電装置に係る。

近年の地球環境において、温室効果ガスの排出量は増加の一途をたどっており、化石燃料や原子力による枯渇性エネルギーから、太陽光・風力・地熱・バイオマス等による再生可能エネルギーへのシフトが喫緊の課題となっている。
我が国の再生可能エネルギー政策では、領海や排他的経済水域の広さから、洋上風力発電の普及に期待がよせられている。
洋上風力発電には、海底に基礎を設置する「着床式」と、海上に基礎を係留する「浮体式」の二種類が存在する。我が国の海域には海底地形が急峻な場所が多いことから、近年では、比較的深い海域にも設置可能な浮体式洋上風力発電の導入が有望視されている。
特許文献１には、３本のアームを略Ｙ字状に結合した浮体基礎の中央に風車のタワーを立設した、ダウンウインド型の浮体式風力発電装置が開示されている。特許文献２には、平行に配置した２本の浮体基礎の中央に風車のタワーを立設した、双胴船タイプの浮体式風力発電装置が開示されている。
特許文献１及び２のいずれも、係留点を中心に風向に自律的に追従することで、ヨー装置を用いずに高い発電効率を得ることを目的としている。

特表２０１６−５２９４３０号公報 国際公開第２００１／０７３２９２号

従来の浮体式風力発電装置には以下のような問題点がある。
＜１＞風向が潮流と一致しない場合、潮流の推力により浮体が風向に対して水平方向に傾斜し、風車の受風面が風向からずれてしまう。特に従来技術のような風向側に長い浮体は、風向直交方向からの潮流の影響を受けやすいため、風向に対して最適な姿勢を保ちにくく、十分な発電効率を発揮できない。
＜２＞風向が変化すると、浮体は風向に倣って水平方向に回転しようとする。しかし従来技術のような風向側に長い浮体は、回転モーメントに対する抵抗が大きいため、浮体の向きが風向と一致するまでに時間がかかる。このため、風向の変化に適時に対応することができず、十分な発電効率を発揮できない。

本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決可能な浮体基礎および浮体式風力発電装置を提供することにある。

上記のような課題を解決するための本発明の浮体基礎は、平面視における設計上の風向に沿った第一方向と、第一方向と直交する第二方向とを有し、第一方向軸に線対称な環状構造からなる外周部と、外周部に付設した複数のフロートと、外周部の第一方向風上側に付設した係留継手と、を備え、外周部の第一方向における最大幅が、外周部の第二方向における最大幅より小さいことを特徴とする。

本発明の浮体基礎は、外周部が第二方向両側に突起した２つの側角部を有する多角形状からなっていてもよい。

本発明の浮体基礎は、外周部が平面視において略菱形形状を呈していてもよい。

本発明の浮体基礎は、外周部が外側に突起した断面形状を有していてもよい。

本発明の浮体基礎は、外周部が海中における第一方向風下側への傾斜を防止するための水平調整手段を有していてもよい。

本発明の浮体基礎は、水平調整手段が外周部における第一方向の少なくとも一側に設けた浮力調整タンクであり、浮力調整タンクの内部への海水の注入及び排出の制御により外周部の第一方向風下側への傾斜を防止可能であってもよい。

本発明の浮体式風力発電装置は、浮体基礎と、浮体基礎に設置した発電機構と、発電機構と電気的に接続した送電ケーブルと、係留継手と接続した係留機構と、を備え、発電機構は、浮体基礎上に立設した支柱と、支柱の頂部に付設したナセルと、ナセルに回転可能に付設した複数のブレードと、を有し、係留機構は、海底に設置可能なアンカーと、係留継手とアンカーを連結する係留索と、を有することを特徴とする。

本発明の浮体式風力発電装置は、発電機構がブレードの向きを風向に自動追従させるヨー装置を有していてもよい。

本発明の浮体式風力発電装置は、浮体基礎と支柱頂部の間を複数の支持索で連結してもよい。

以上の構成より、本発明の浮体基礎および浮体式風力発電装置は次の効果の少なくともひとつを備える。
＜１＞風向方向の最大幅を風向直交方向の最大幅より小さく構成したことにより、風向直交方向からの潮流に対する形状抵抗を低減し、潮流による推力の影響を軽減することができる。これによって、潮流による浮体基礎の回転を防ぎ、発電機構の受風面が風向からずれるのを防止することで、発電効率の向上を図ることができる。
＜２＞風向方向の最大幅が相対的に小さいため、風向変化時の回転モーメントに対する抵抗が小さい。このため、風向に追従するための回転が早く、風向の変化に適時に対応することができる。

本発明の浮体式風力発電装置の説明図。 本発明の浮体基礎の説明図。 本発明の浮体基礎の説明図。 図３におけるＡ−Ａ矢視断面図。 風向追従機能の説明図。 実施例２の説明図。

以下、図面を参照しながら本発明の浮体基礎および浮体式風力発電装置について詳細に説明する。なお、浮体基礎については浮体式風力発電装置の説明内において記載する。
本発明において、浮体式風力発電装置の平面視における設計上の風向に沿った方向を浮体基礎の「第一方向」、第一方向と直交する方向を浮体基礎の「第二方向」と定義する。
また、本発明において、浮体式風力発電装置の「風上側」「風下側」とは、供用時における実際の風向ではなく、設計上の風向に基づく方向を意味する。さらに、本発明において、浮体式風力発電装置の「前（前方）」とは浮体基礎の第一方向における風下側を、「後（後方）」とは浮体基礎の第一方向における風上側を意味する。

[浮体式風力発電装置]
＜１＞全体の構成（図１）。
本発明の浮体式風力発電装置１は、風向の変化に追従して自律的に浮体基礎１０の向きを変更することで効率的に発電可能な、一点係留式の風力発電装置である。
浮体式風力発電装置１は、浮体基礎１０と、浮体基礎１０上に立設した発電機構２０と、発電機構２０と電気的に接続した送電ケーブル３０と、浮体基礎１０と風上側の一点で接続した係留機構４０と、を少なくとも備える。
浮体式風力発電装置１は、供用時に浮体基礎１０の大部分が没水する半潜水（セミサブ）構造を採用する。半潜水構造は、海水面に係る断面積が小さいため潮流の影響を受けにくく安定性が高い。

＜２＞浮体基礎（図２）。
浮体基礎１０は、発電機構２０を海水面上に支持するための構成要素である。
浮体基礎１０は、外周部１１と、外周部１１に付設した複数のフロート１４と、外周部１１の第一方向Ｄ^１風上側に付設した係留継手１５と、を少なくとも備える。
外周部１１は、第一方向Ｄ^１軸に線対称な環状構造からなる。
本例では、外周部１１として、第一方向Ｄ^１及び第二方向Ｄ^２に対角線を有する平面視略菱形の鋼構造体を採用する。ただし外周部１１は鋼製に限らず、所定の耐久性を備えていればＦＲＰ製やコンクリート製等であってもよい。
外周部１１は中空構造であることが望ましい。外周部１１を中空構造とすることで、内部へのバラスト水の注入及び排出によって浮体基礎１０の水深調整や水平調整を図ることが可能となる。
本例では、外周部１１内の第一方向Ｄ^１の対角間を基礎部１２で連結し、外周部１１の各辺と基礎部１２の間を補強部１３で連結する。
係留継手１５は、外周部１１を係留機構４０に対し水平回動可能に接続する。

＜２．１＞浮体基礎の寸法比（図３）。
本発明の浮体基礎１０は、その平面視における寸法比に特徴を有する。
浮体基礎１０は、外周部１１における第一方向Ｄ^１の最大幅Ｗ^１と、第二方向Ｄ^２の最大幅Ｗ^２が、[Ｗ^２＞Ｗ^１]の関係を満たす。すなわち、第一方向Ｄ^１の最大幅Ｗ^１が第二方向Ｄ^２の最大幅Ｗ^２より小さい。
第一方向Ｄ^１の最大幅Ｗ^１が相対的に小さいことにより、第二方向Ｄ^２からの潮流に対する形状抵抗が小さくなるため、海中における第二方向Ｄ^２の潮流による推力の影響を受けにくい。これによって、潮流による浮体基礎１０の第二方向Ｄ^２への回転を防ぎ、発電機構２０の受風面が風向からずれるのを防止することができる。
また、本例の浮体基礎１０は、平面視略菱形であるため、外周部１１が第二方向Ｄ^２両側に突起した２つの側角部１１ａを有する。この側角部１１ａが海中における潮流を小さな抵抗で第二方向Ｄ^２両側に受け流すことで、第二方向Ｄ^２の潮流による推力の影響を更に低減することができる。

＜２．２＞外周部の断面形状（図４）。
本発明の浮体基礎１０は、外周部１１の断面形状（図３におけるＡ−Ａ矢視断面）を、浮体基礎１０の外側に突起した形状とすることが望ましい。本例では、外周部１１の断面形状を幅広の横向き五角形状とする（ａ）。
外周部１１の断面形状を外側に突起した形状とすることで、潮流による形状抵抗を低減して海中における安定性を高めることができる。
なお外周部１１の断面形状は本例に限られず、菱形形状（ｂ）、横向き三角形状（ｃ）、六角形状（ｄ）等を採用してもよい。要は浮体基礎１０の外側に突起した形状であればよい。

＜２．３＞水平調整手段。
浮体式の風力発電装置は、発電機構が風力を受けることにより、風下側への傾斜モーメントが生じ、浮体基礎が風下側へ傾斜する。これは、ブレードの受風面積を減らして発電効率を低下させる。
そこで本例では、浮体基礎１０が、第一方向Ｄ^１風下側への沈下を防止するための水平調整手段１６（不図示）を備える。
本例では、水平調整手段１６として、外周部１１の第一方向Ｄ^１前後両側に設けた浮力調整タンクを採用する。
発電機構２０への風力により浮体基礎１０に風下側への傾斜モーメントが加わった場合、前方の浮力調整タンクの内部から海水を排水すると同時に後方の浮力調整タンクの内部へ海水を注水することで、浮体基礎１０の重心を風上側へ移動させて、浮体基礎１０の前傾を防ぐことができる。
また、前方の浮力調整タンクと後方の浮力調整タンクを送水管で連結し、ポンプで前方から後方へ海水を送水する構成とすれば、前後の浮力調整タンクを同期して稼働させることができる。
なお、水平調整手段１６の構造は上記に限られない。たとえば浮力調整タンクを浮体基礎１０の前方又は後方のいずれか一方のみに設けてもよい。あるいは、外周部１１前方のフロート１４の数を、外周部１１後方のフロート１４の数より多くして風下側への前傾を防止してもよい。

＜３＞発電機構。
発電機構２０は、風力を電気エネルギーに変換する構成要素である。
発電機構２０は、浮体基礎１０上に立設した支柱２３と、支柱２３の頂部に付設した発電用のナセル２１と、ナセル２１に付設した複数のブレード２２と、を有する。
本例では発電機構２０として、支柱２３を第一方向Ｄ^１風下側に傾斜し、２枚のブレード２２をナセル２１の第一方向Ｄ^１風下側に付設した、２枚翼ダウンウインド方式の風力発電装置を採用する。発電機構２０をダウンウインド方式とすることで、風向追従性を向上させて発電効率を高めることができる。
ナセル２１は、内部に発電機、増速機、ブレードピッチ制御装置等を内蔵し、送電ケーブル３０と電気的に接続する。
ブレード２２は、ハブを介してナセル２１に回転可能に接続する。
支柱２３は、本例では浮体基礎１０の基礎部１２中央から斜め上方に起立する。
支柱２３は、風向の変化への追従を高めるため、第一方向Ｄ^１側に長い円弧状の断面形状とすることが望ましい。
なお、発電機構２０の構成は本例に限られない。例えば、支柱２３は風下側に傾斜せず直立していてもよい。また、ブレード２２が風上側を向くアップウインド方式であってもよい。さらに、ブレード２２は３枚翼タイプであってもよい。

＜４＞送電ケーブル。
送電ケーブル３０は、発電機構２０のナセル２１が発電した電力を供給先へ送電するための構成要素である。
送電ケーブル３０は、ナセル２１内の発電機から支柱２３内を経由して浮体基礎１０内を通り、係留継手１５付近から海中へ延出する。
送電ケーブル３０には、浮体基礎１０の水平回動による損傷を避けるため、係留継手１５と同軸に回転可能なスリップリング（回転コネクタ）を介在させることが望ましい。
送電ケーブル３０のその他の構造は公知なのでここでは詳述しない。

＜５＞係留機構。
係留機構４０は、浮体基礎１０を所定の海域に係留するための構成要素である。
係留機構４０は、海底に設置可能なアンカー４２と、係留継手１５とアンカー４２を連結する係留索４１と、を有する。
係留索４１は、所定の強度と柔軟性を兼備する索状体である。本例では係留索４１としてスタッドレスチェーンを採用する。ただしこれに限られず、ワイヤロープ等であってもよい。
アンカー４２は、自重や海底への係合によって海底へ定位する構成要素である。
本例ではアンカー４２として高把駐力アンカーを採用する。ただしこれに限らず、その他のアンカーであってもよい。

＜６＞支持索。
支持索５０は、支柱２３の頂部と浮体基礎１０とを連結することで、浮体基礎１０と発電機構２０の一体性を強化するための構成要素である。
本例では支持索５０として３本のワイヤロープ（ガイワイヤ）を採用する。
３本の支持索５０の内１本を、支柱２３頂部から外周部１１の第一方向Ｄ^１後端部へ、他の２本を支柱２３頂部から外周部１１の第一方向Ｄ^１前方両側へ、それぞれ掛け渡して連結する。
連結後に支持索５０に緊張を付与することで、浮体基礎１０と発電機構２０が強固に拘束され、両者の構造的一体性が高まることで、支柱２３の強度と剛性が向上する。これによって、支柱２３の断面積を縮小して軽量化を図ることができる。
なお、支持索５０は本発明の浮体式風力発電装置１の必須の構成要素ではない。

＜７＞風向追従機能（図５）。
本発明の浮体式風力発電装置１は、高い風向追従性に特徴を有する。
風Ｗの向きが変化して風向が浮体基礎１０の第一方向Ｄ^１軸からずれると、発電機構２０の受風面に作用する風荷重が偏ることによって、浮体基礎１０が係留継手１５を中心に風向方向に向かって自律的に回頭する。これによって、発電機構２０が係留継手１５を中心に円軌道を描き、受風面を最適な水平角度に自動調整する。
この際、外周部１１における第一方向Ｄ^１の最大幅Ｗ^１が相対的に小さい構造であり、回転モーメントに対する抵抗が小さいため、浮体基礎１０が風向の変化に追従して迅速に回頭可能である。このため発電効率が非常に高い。

[浮体基礎のその他の形状]
実施例１では、浮体基礎１０を平面視略菱形形状としたが、浮体基礎１０の形状はこれに限られない。
例えば、浮体基礎１０の平面形状を、風上側を頂点とした二等辺三角形状、長方形状、六角形状等の多角形状としてもよい（図６）。あるいは楕円形状であってもよい。
要は外周部１１の第一方向Ｄ^１における最大幅Ｗ^１と第二方向Ｄ^２における最大幅Ｗ^２が[Ｗ^２＞Ｗ^１]の関係を満たしていればよい。

[ヨー装置を備える実施例]
本例では、浮体式風力発電装置１がヨー装置６０を備える。
ヨー装置６０は、自動制御式の風向追随装置である。
風向と発電機構２０の受風面がずれた場合、支柱２３に設けたヨー装置６０が自律的にリングギアを回転させ、ナセル２１を風下（風上）に向けて略水平に旋回させる。
ヨー装置６０の詳細な構造は公知なのでここでは詳述しない。
従来の一点係留式の浮体式風力発電装置は、自律的な風向追従機能に期待して、ヨー装置を備えなかった。
然るに前述の通り、実際には浮体基礎は潮流の推力の影響を受けるため、自律的な風向追従のみでは発電効率のロスが生じるおそれがある。そこで本例では一点係留式において敢えてヨー装置６０を備えることによって、風向と浮体基礎１０の姿勢のギャップを吸収して発電効率の向上を図ることができる。

１ 浮体式風力発電装置
１０ 浮体基礎
１１ 外周部
１１ａ 側角部
１２ 基礎部
１３ 補強部
１４ フロート
１５ 係留継手
１６ 水平調整手段
２０ 発電機構
２１ ナセル
２２ ブレード
２３ 支柱
３０ 送電ケーブル
４０ 係留機構
４１ 係留索
４２ アンカー
５０ 支持索
６０ ヨー装置
Ｄ^１ 第一方向
Ｄ^２ 第二方向
Ｗ 風

Claims (9)

1. 一点係留式の浮体式風力発電装置の浮体基礎において、平面視における設計上の風向に沿った第一方向と、前記第一方向と直交する第二方向とを有する、浮体基礎であって、
   前記第一方向軸に線対称な環状構造からなる外周部と、
   前記外周部に付設した複数のフロートと、
   前記外周部の前記第一方向風上側に付設した係留継手と、を備え、
   前記外周部の前記第一方向における最大幅が、前記外周部の前記第二方向における最大幅より小さいことを特徴とする、
   浮体基礎。
2. 前記外周部が、前記第二方向両側に突起した２つの側角部を有する多角形状からなることを特徴とする、請求項１に記載の浮体基礎。
3. 前記外周部が、平面視において略菱形形状を呈することを特徴とする、請求項２に記載の浮体基礎。
4. 前記外周部が、外側に突起した断面形状を有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の浮体基礎。
5. 前記外周部が、海中における前記第一方向風下側への傾斜を防止するための水平調整手段を有することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の浮体基礎。
6. 前記水平調整手段が、前記外周部における前記第一方向の少なくとも一側に設けた浮力調整タンクであり、前記浮力調整タンクの内部への海水の注入及び排出の制御により前記外周部の前記第一方向風下側への傾斜を防止することを特徴とする、請求項５に記載の浮体基礎。
7. 一点係留式の浮体式風力発電装置であって、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の浮体基礎と、
   前記浮体基礎に設置した発電機構と、
   前記発電機構と電気的に接続した送電ケーブルと、
   前記係留継手と接続した係留機構と、を備え、
   前記発電機構は、前記浮体基礎上に立設した支柱と、前記支柱の頂部に付設したナセルと、前記ナセルに回転可能に付設した複数のブレードと、を有し、
   前記係留機構は、海底に設置可能なアンカーと、前記係留継手と前記アンカーを連結する係留索と、を有することを特徴とする、
   浮体式風力発電装置。
8. 前記発電機構が、前記ブレードの向きを風向に自動追従させるヨー装置を有することを特徴とする、請求項７に記載の浮体式風力発電装置。
9. 前記浮体基礎と前記支柱頂部の間を複数の支持索で連結したことを特徴とする、請求項７又は８に記載の浮体式風力発電装置。

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