JP2024024579A - 浮体式洋上風力発電システム - Google Patents
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Abstract
Description
自然エネルギーの開発における大容量電源として、洋上風力発電が期待される。しかし、発電コストは火力発電の2~3倍になることより、そのコスト低減は緊急課題となっている。
(特許文献1)
特許文献1記載の発明は、「浮体式洋上風力発電装置の基礎構造」に関し、風力発電装置1台を洋上設置するために、洋上に浮かぶ円筒型浮体を基礎構造とし、円筒型浮体を中心としてその外周部に補助的円筒浮体を配置・連結して搖動対策とする方式である。
一方、本願に係る洋上風力発電システムでは、浮上体1組に発電装置を2台設置する方式であることから、構成が基本的に相異する。
(特許文献2)
特許文献2記載の発明は、「浮体式洋上風力発電装置」に関するもので、洋上発電装置を支持する発電装置用浮体部を、洋上に固定された繋留浮体部に連結して洋上設置する方式である。
一方、本願に係る洋上風力発電システムでは、発電装置用の浮上体と繋留浮体部とは一体構造であるため、その構造は基本的に相異する。
(特許文献3)
特許文献3記載の発明は、「浮体式洋上風力発電設備」に関するもので、同発明では風力発電装置を支持する浮体、1点係留機構等を有し、当該浮体に3つの半潜水型カラム部材を相互に連結して、それらの頂点が三角形をなすよう平面上に配置され、カラム部材の1つが前記の1点係留機構に係留される構成である。
これに対し、本願に係る洋上風力発電システムは、浮上体の形状は問わない構成であり、仮に浮上体の形状を平面視多角形とした場合は、浮上体の頂点の1点を固定端浮上部とし、浮上体を構成する他の頂点は、風下側の自由端となる可動端浮上部として一体化した構造で、且つ当該浮上体1組に風力発電装置2台を搭載した方式であり、基本的な構造が相異している。
(特許文献4)
特許文献4記載の発明は、「浮楊式水上風力発電装置」に関するが、当該方式は環状浮体の中心部に風力発電装置1台を搭載し、環状中心を固定点として風向制御したもので、垂直尾翼を風向追従性に利用している。
一方、本願に係る洋上風力発電システムでは、浮上体の形状は限定しておらず、仮に浮上体として多角形浮上体を採用した場合、三角形又は四角形などの多角形外周部の頂点の1点を風上側の固定端浮上部としたものである。また、垂直尾翼は風向追従性としての機能に加え、プロペラ後流域の乱れから隣接プロペラへの干渉を避ける隔壁板としての機能を備え、文献4記載の発明と技術的な構成が相異している。
(特許文献5)
特許文献5記載の発明は、「風力発電・回転半潜水型風力発電用ラフト及びその建設方法」についてのもので、当該方式は三角形ラフトの各頂点に3台の風力発電装置を搭載したものである。
一方、本願に係る洋上風力発電システムでは平面視三角形などからなる浮上体に風力発電装置用の支持柱(タワー部)を立設して、この支持柱に風力発電装置2台を設置しており、基本構造が相異する。
(課題1)
洋上の風力発電は海深30~40m以内であれば海底に風力発電装置の柱状タワー底部を着床し、柱状タワー部を海面上に突出させタワー頂部に設置する方式は海外にて普及しているが、海深30~40m以上になると海底着床式はコスト高になる課題を有する。
浮体式洋上発電方式は強風時に浮上体の搖動防止が課題となる。搖動対策として浮上体を単一円筒の半潜水浮体方式(スパー型)とした場合、潜水部の重錘を海中深部に設置することで搖動復元力を大きくし得るが、その際は、柱状タワーの重錘部深度は発電装置の海面上高さに対し、海面からの深度は1.3~1.5倍になり、例えば5MW級の発電装置を1台設置する場合は、海深度120m程度になる。
請求項1記載の発明は、浮力を備える浮上体(10)を具備し、
該浮上体(10)に、風力発電装置支持用の支持柱(2)を搭載し、該支持柱(2)は左右方向へ延出する一対の片持支持部(21A,21B)を備え、これらの一対の片持支持部(21A,21B)の端部に風力発電装置(1,1)を各1台(計2台)毎設置するとともに、
前記支持柱(2)と片持支持部(21A,21B)との間に、前記風力発電装置(1,1)の垂直荷重を負担する風力発電装置引張索(22,22)を左右一対設置して固縛することを特徴としている。
前記複数の浮上部のうち、頂点の一点である固定端浮上部(3)は、固定端アンカー連結鎖(34)及び固定端アンカー海底錨アンカー部(35)を介して海上の所定位置に保持され、他の頂点を可動端浮上部(4)とすることにより、前記固定端浮上部(3)を風上側へ位置させる一方、該可動端浮上部(4)を風下側へ自由端として追従させて、風力発電装置(1,1)個別の風向制御を不要としたことを特徴としている。
同時に前記風力発電装置(1,1)における風力発電用プロペラ(11,11)は、各々正逆回転制御して隣接プロペラ(11,11)への後流乱れの干渉を抑制し、
前記固定端浮上部(3)に、前記風力発電装置(1,1)によって発電された電力を外部に送電するための電力連係設備(36)を設置したことを特徴としている。
また、請求項2及び3に記載の発明によれば、浮上体(10)の海底からの錨アンカーにより設置されている頂点の1点である固定端浮上部(3)を、電力ケーブル引込部とし、且つ、洋上からの陸上部への送電端として風力発電装置2台分の電力連係設備(変圧器・開閉器)を設置することができる。
さらに、請求項2及び3に記載の発明によれば、風力発電装置それぞれ毎の風向制御設備は不要となり、イニシャルコスト及びランニングコストの低減に寄与しうる。
(第一の実施例)
第一の実施例に係る洋上風力発電システムにおける特徴は、「浮上体」として平面視多角形の多角形浮上体10を用い、当該多角形浮上体10に風力発電装置2台を搭載するとともに、当該多角形浮上体10の頂点のうち、一点は固定端アンカー連結鎖(34)及び固定端アンカー海底錨アンカー部(35)を介して海底に連結することにより、海上の略所定位置に保持される固定端浮上部3とし、他の頂点は風向により風下側に追従する自由端となる可動端浮上部4,4として構成したことである。
図4に示されるように、固定端浮上部3は、浮力を備える固定端回転浮上部31、固定端静止浮上部32を具備し、固定端静止浮上部32の側面には固定端アンカー連結鎖34の上端部が取り付けられ、その下端部が海底に設置された固定端アンカー海底固定部35と接続され、これにより固定端浮上部3は洋上の一定位置に保持されている。
図5にも示されるように、固定端静止浮上部32の上部には、固定端回転浮上部31が、固定端回転軸ベアリング33を介して上方より嵌合した形で、固定端静止浮上部32に対し相対的に回転可能に設けられている。
また、固定端浮上部3には、風力発電装置2台の出力を一括して外部に送電するための電力連係設備36が設置されている。
洋上発電設備
・定格出力 2.5MW×2台=5MW
・浮体構成 多角形浮上体:円形浮体(固定端及び可動端浮上部~三角形配置
連結部材:辺長50m、水中トラス構造
・柱状塔体部(風力発電装置支持柱)
上部:浮体部鋼製中空円筒構造、十字構成による水平梁両端部に発電装置設置 下部:鋼製トラス構造、垂直隔壁板設置
・定格風速 12m/秒
・カットイン風速 3.5m/秒、カットアウト風速25m/秒
・ロ-タ直径 90m
・プロペラブレード 3枚
・プロペラ配置 ダウンウインド(発電機風下側設置)
・発電機駆動方式 ダイレクトドライブ(プロペラ軸直結)
・発電機型式 横軸永久磁石励磁同期発電機
・海底固定部 三角形浮上体の固定端アンカー部6箇所
本願発明に係る洋上風力発電システムの第二の実施例は以下のように構成されている。第二の実施例に係る洋上風力発電システムは、「浮上体」として、単一円筒型(スパー型)浮上体7を用いている点が、第一の実施例と相違する。
以下の説明にて前述した第一の実施例と同様な部材には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
同図に示される洋上風力発電システムでは、単一円筒型浮上体7及び、該単一円筒型浮上体7に立設して支持される十字型の風力発電装置支持柱2を備え、これらの浮上体7及び風力発電装置支持柱2は2基の風力発電装置1,1を支えるための強度を備えている。
また、単一円筒型浮上体7は、その下方位置に浮体水中部71及び浮体水中重錘部72が設けられている。
スパー型の浮上体は、構造がシンプルで製造が容易でコスト的に安価である一方、浅い海域での設置にやや不向きであるという面があるが、システムの設計に際しては設置される海域や発電出力などを考慮して最適な浮上体を選択する。
1 :風力発電装置
10:多角形浮上体
11:風力発電用プロペラ
2 :風力発電装置支持柱
21A,21B:片持支持部(風力発電装置支持梁)
22:風力発電装置引張索(安定化部材)
23:支持柱取付け垂直隔壁板
3 :固定端浮上部
31:固定端回転浮上部
32:固定端静止浮上部
33:固定端回転軸ベアリング
34:固定端アンカー連結鎖
35:固定端アンカー海底錨アンカー部
36:電力連係設備
4 :可動端浮上部
41:捻じれ復元用水中推進スクリュー
5 :連結部材
51:浮体水中部
52:浮体水中重錘部
6 :電力ケーブル
61:電力ケーブルヘッド
62:可捻電線
7 :単一円筒型浮上体
71:浮体水中部
72:浮体水中重錘部
請求項1記載の発明は、洋上における平面視多角形の頂点となる位置に、浮力を備える複数の浮上部(3,4,4)を設けるとともに、これらの各浮上部(3,4,4)との間を、それぞれ連結部材(5)によって接続することにより多角形浮上体(10)を形成し、
前記多角形浮上体(10)に、タワー状の塔体として形成された支持柱(2)の脚部を接続することにより、該支持柱(2)を該多角形浮上体(10)に搭載・立設して、該支持柱(2)と該多角形浮上体(10)とを一体化し、
前記支持柱(2)の上部に、風力発電装置(1,1)支持用の柱状部を設け、該柱状部は左右方向へ延出する一対の片持支持部(21A,21B)を備え、これらの一対の片持支持部(21A,21B)に風力発電装置(1,1)を各1台(計2台)設置するとともに、
前記支持柱(2)と片持支持部(21A,21B)との間に、前記風力発電装置(1,1)の垂直荷重を負担する風力発電装置引張索(22,22)を左右一対設置して固縛し、
前記複数の浮上部(3,4,4)のうち、頂点の一点である固定端浮上部(3)は海上の略所定位置に保持され、他の頂点を可動端浮上部(4,4)とすることにより、前記固定端浮上部(3)を風上側へ位置させる一方、該可動端浮上部(4,4)を風下側へ自由端として追従する構成として、風力発電装置(1,1)個別の風向制御を不要とすることを特徴としている。
同時に前記風力発電装置(1,1)における風力発電用プロペラ(11,11)は、各々正逆回転制御して隣接プロペラ(11,11)への後流乱れの干渉を抑制したこと特徴としている。
Claims (3)
- 浮力を備える浮上体(10)を具備し、
該浮上体(10)に、風力発電装置支持用の支持柱(2)を搭載し、該支持柱(2)は左右方向へ延出する一対の片持支持部(21A,21B)を備え、これらの一対の片持支持部(21A,21B)の端部に風力発電装置(1,1)を各1台(計2台)毎設置するとともに、
前記支持柱(2)と片持支持部(21A,21B)との間に、前記風力発電装置(1,1)の垂直荷重を負担する風力発電装置引張索(22,22)を左右一対設置して固縛することを特徴とする洋上風力発電システム。 - 前記浮上体(10)は平面視多角形に形成され、その頂点となる位置に、浮力を備えた複数の浮上部を有し、
前記複数の浮上部のうち、頂点の一点である固定端浮上部(3)は、固定端アンカー連結鎖(34)及び固定端アンカー海底錨アンカー部(35)を介して海上の所定位置に保持され、他の頂点を可動端浮上部(4)とすることにより、前記固定端浮上部(3)を風上側へ位置させる一方、該可動端浮上部(4)を風下側へ自由端として追従させて、風力発電装置(1,1)個別の風向制御を不要としたことを特徴とする請求項1に記載の洋上風力発電システム。 - 前記支持柱(2)に垂直隔壁板(23)を取り付け、該垂直隔壁板(23)により、隣接する2台の前記風力発電装置(1,1)の風力発電用プロペラ(11,11)の後流乱れによる干渉の回避機能、並びに固定端浮上部(3)を風上側へ位置させて風に対し前記風力発電装置(1,1)の風力発電用プロペラ(11,11)を正対させる風向追従性の向上機能を付与し、
同時に前記風力発電装置(1,1)における風力発電用プロペラ(11,11)は、各々正逆回転制御して隣接プロペラ(11,11)への後流乱れの干渉を抑制し、
前記固定端浮上部(3)に、前記風力発電装置(1,1)によって発電された電力を外部に送電するための電力連係設備(36)を設置したことを特徴とする請求項2に記載の洋上風力発電システム。
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