JP2024083158A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンスが容易で、軽量化を図った風力発電装置を得る。【解決手段】風を受けて回転するローターを備えた風車と、ローターの回転力を受けて発電する発電機と、風車を支持する支持部材と、支持部材を取り囲むように支持部材から離間して配置され、金属よりも比重の小さい材料で中空に形成された複数の浮体と、支持部材に連結され、浮体が着脱可能に取り付けられる浮体保持部材と、を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、風力発電装置に関する。

風力発電装置として、例えば、特許文献１に記載の風力発電装置がある。

特開２０２１－１７２２１１号公報

特許文献１の風力発電装置は、いわゆる浮体式洋上風力発電装置である。この浮体式洋上風力発電装置は、浮力を有する鋼鉄製の基礎を備えており、製造、設置、イニシャルコスト、メンテナンス等に課題を抱えている。
特に、メンテナンスに関しては、洋上での実施が困難な為、大型船等を用い、港まで曳航し、陸揚げする必要があり、多くの作業を必要としている。

本開示は上記事実を考慮し、メンテナンスが容易で、軽量化を図った風力発電装置の提供を目的とする。

第１の態様に係る風力発電装置は、風を受けて回転するローターを備えた風車と、前記ローターの回転力を受けて発電する発電機と、前記風車を支持する支持部材と、前記支持部材を取り囲むように前記支持部材から離間して配置され、金属よりも比重が小さい材料で中空に形成された複数の浮体と、前記支持部材に連結され、前記浮体が着脱可能に取り付けられる浮体保持部材と、を有する。

第１の態様に係る風力発電装置は、ローターが風を受けて回転すると、ローターの回転力を受けて発電機が発電を行う。

第１の態様に係る風力発電装置は、金属よりも比重が小さい材料で中空に形成された浮体で浮力を得ているため、浮力を有する鋼製の浮体を備えた風力発電装置よりも全体の質量を軽量化できる。

複数の浮体は、夫々が浮体保持部材に着脱可能に取り付けられているため、部分単位、言い換えれば、浮体毎にメンテナンス（修理、交換）を行うことができる。また、浮体は、金属よりも比重の小さい材料で形成されているので、金属で形成された浮体よりもメンテナンス（修理、交換）が容易になる。

なお、浮体保持部材に対し、複数の浮体を着脱可能としているので、浮体の数を調整して、浮力の調整を行うことも容易にでき、風車を搭載する基礎部材が水平となるように浮力のバランスをとることも容易にできる。

第２の態様に係る風力発電装置は、第１の態様に係る風力発電装置において、前記浮体保持部材は、水面よりも上に配置され、前記浮体は、上部分が水面上に露出するように前記浮体保持部材に取り付けられている。

第２の態様に係る風力発電装置では、各浮体は、少なくとも一部が水面上に位置し、かつ水面よりも上に配置された浮体保持部材に着脱可能に取り付けられているため、洋上にて、浮体のメンテナンス、及び交換を容易に行うことができ、曳航、及び陸揚げによるメンテナンス、及び交換に比較して作業が容易になる。

第３の態様に係る風力発電装置は、第１の態様、または第２の態様に係る風力発電装置において、前記浮体保持部材は、環状部材と、前記支持部材と前記環状部材とを連結する連結部材と、を含んで構成されている。

第３の態様に係る風力発電装置では、浮体を、環状部材、及び連結部材に取り付けることができる。

第４の態様に係る風力発電装置は、第３の態様に係る風力発電装置において、前記浮体保持部材は、径の異なる複数の環状部材を有している。

第４の態様に係る風力発電装置では、径の異なる複数の環状部材を有しており、各々の環部材に浮体が取り付けられているため、大きな浮力を得ることができる。

第５の態様に係る風力発電装置は、第１の態様～第４の態様の何れか一つの態様に係る風力発電装置において、前記浮体は、拡縮可能であり、前記浮体には、上部分に空気バルブが取り付けられている。

第５の態様に係る風力発電装置では、空気バルブを介して浮体の内部に空気を充填したり、内部の空気を排出することができる。浮体は、内部の空気を抜くことで縮小させることができ、これにより、浮体の運搬、着脱作業が容易になる。
また、空気バルブが、浮体の上部分に取り付けられているため、水上にて空気バルブへ空気ポンプのホース等を接続する作業が容易になる。

第６の態様に係る風力発電装置は、第５の態様に係る風力発電装置において、前記浮体を形成する前記材料は、加硫ゴムまたはエラストマー樹脂である。

第６の態様に係る風力発電装置では、浮体を形成する材料が加硫ゴムまたはエラストマー樹脂であるため、金属材料で形成された浮体に比較して軽量化でき、また、内部に空気を充填したり内部の空気を排出することで容易に拡縮できる。

さらに、加硫ゴムまたはエラストマー樹脂は弾性変形するので、浮体に何らかの物体が当たったとしても塑性変形し難く、また、物体（波、浮遊物など）が当たった際の衝撃を吸収することもできる。

第７の態様に係る風力発電装置は、第１の態様に係る風力発電装置において、前記浮体は、前記支持部材の下面側にも取り付けられている。

第７の態様に係る風力発電装置では、浮体が、支持部材の下面側にも取り付けられているため、支持部材の下面側に取り付けられていない場合に比較して大きな浮力を得ることができる。

以上説明したように本開示の風力発電装置によれば、メンテナンスが容易となり、軽量化を図ることができる。

本開示の第１の実施形態に係る風力発電装置を示す正面図である。 本開示の第１の実施形態に係る風力発電装置のタワー上部側を示す側面図である。 本開示の第１の実施形態に係る風力発電装置の支持部材、及び骨格を示す平面図である。 浮体の上部を示す側面図である。 本開示の第２の実施形態に係る風力発電装置のタワー基部周辺を示す断面図である。 本開示の第２の実施形態に係る風力発電装置の滑り支承周辺を示す一部を断面にした斜視図である。 本開示の第２の実施形態に係る風力発電装置に用いた滑り支承を示す断面図である。 振動吸収体の水平変位と水平荷重曲線を示した説明図である。

［第１の実施形態］
図１乃至図４を用いて、本開示の第１の実施形態に係る風力発電装置１０について説明する。

図３に示すように、風力発電装置１０は、一例として、平面視で円形の鋼製またはコンクリート製の支持部材１２を備えている。

図1、及び図３に示すように、支持部材１２の中心部には、タワー１４が立設されている。支持部材１２とタワー１４とは、一例としてボルト、溶接等で固定されている。

図２に示すように、タワー１４の上部にはナセル１６が設けられており、ナセル１６には、ローター１８の回転で発電する発電機２０が収容されている。タワー１４は、一例として中空構造であり、鋼材等で形成されている。タワー１４の内部は、雨水、海水等が進入しないように密閉されている。

上記タワー１４、ナセル１６、ローター１８、発電機２０に関しては、従来一般の構造のものを用いることができる。本実施形態では、ハブ１８Ａ、及びブレード１８Ｂでローター１８が構成されており、タワー１４、ナセル１６、ローター１８で風車１１が構成されている。

図１、及び図２に示すように、本実施形態の風車１１は、一例として、プロペラ型と呼ばれる風車である。

図３に示すように、支持部材１２には、浮体保持部材２４が取り付けられている。支持部材１２と浮体保持部材２４とは、一例としてボルト、溶接等で固定されている。

浮体保持部材２４は、支持部材１２から放射方向（径方向外側）へ向けて延びる複数本（本実施形態では５本）の連結部材２４Ａを備え、各連結部材２４Ａの端部には円環状の大径環状部材２４Ｂが固定されている。大径環状部材２４Ｂの内側には、大径環状部材２４Ｂよりも小径の小径環状部材２４Ｃが配置されている。小径環状部材２４Ｃは、連結部材２４Ａの長手方向中間部に固定されている。

本実施形態では、支持部材１２の中心と、大径環状部材２４Ｂの中心と、小径環状部材２４Ｃの中心とを一致させている。

浮体保持部材２４を構成する連結部材２４Ａ、大径環状部材２４Ｂ、及び小径環状部材２４Ｃは、一例として、鋼材等で形成することができる。浮体保持部材２４は、鋼鉄製骨格、浮体支持部材、補強材などと呼ぶことができる。

図１、及び図３に示すように、本実施形態では、支持部材１２の下部の中心に、鋼製の中空構造とされた浮体２６が取り付けられている。

支持部材１２の下部、大径環状部材２４Ｂの下部、及び小径環状部材２４Ｃの下部には、周方向に沿って複数の弾性浮体２８が配置されている。これらの弾性浮体２８は、支持部材１２の下部、大径環状部材２４Ｂの下部、及び小径環状部材２４Ｃの下部において、周方向に沿って等間隔に配置されている。

弾性浮体２８は、中空体であり、使用時の形状（空気を充填した状態の形状）は、一例として球形である。なお、弾性浮体２８の使用時の形状は球形に限定されず、円柱形状、中央部が膨らんだ樽形状、立方体形状等であってもよい。

弾性浮体２８を構成する材料は、弾性材料、一例として、加硫ゴム、ウレタン樹脂等の弾性を有する合成樹脂（エラストマー樹脂）であり、金属よりも比重の小さい材料である。弾性浮体２８を構成する弾性材料には、補強用のコードや織物シート等が埋設されていてもよい。

各弾性浮体２８は、個別に交換が可能なように、支持部材１２、及び浮体保持部材２４に対して、一例として、チェーン、ロープ、バンド等の取付部材３２を用いて着脱可能に取り付けられている。図示は省略するが、弾性浮体２８は、チェーン、ロープ、バンド等に限らず、ボルト等を用いて取り付けられていてもよい。
なお、取付部材３２は、弾性浮体２８の着脱作業が、水上、例えば、支持部材１２や浮体保持部材２４の上で出来るように設けることが好ましい。

弾性浮体２８は、空気の充填量により拡縮可能、言い換えれば体積を変更することが可能である。

図４に示すように、弾性浮体２８には空気バルブ３０が取り付けられており、空気バルブ３０を介して弾性浮体２８に空気を充填したり、弾性浮体２８の内部の空気を外部に排出することができる。作業性を考慮し、空気バルブ３０は、弾性浮体２８の水面ＷＦの上に露出している部分に設けることが好ましい。

支持部材１２、及び浮体保持部材２４に取り付ける弾性浮体２８の数、及び位置は、図１、及び図３に示す例に限らず、必要に応じて適宜変更可能である。
本実施形態では、洋上での風力発電装置１０の使用状態において、弾性浮体２８の少なくとも一部が水面ＷＦより上側に露出するように、弾性浮体２８の数、言い換えれば、浮力が決められている。

図１に示すように、本実施形態の風力発電装置１０は、従来の浮体式洋上風力発電装置と同様に、係留ライン３４によって海底（図示省略）に係留することができる。

なお、発電機２０で発電された電力は、一例として、送電線３６を介して陸地へ送電することができる。

（作用、効果）
本実施形態の弾性浮体２８は、構成する材料が、金属よりも比重の小さいゴム、合成樹脂等の弾性体であるため、金属材料を用いた浮体より軽量になる。本実施形態の風力発電装置１０では、金属製の浮体で浮力を得ている風力発電装置に比較して、全体の重量を軽量化できる。これにより、ローターのサイズアップ、及び大型化が可能となり、発電量を増加させることも可能となる。

単一の金属製の浮体が固定されている風力発電装置では、浮体のメンテナンスを行う場合や、浮体に不具合（例えば、亀裂、孔が空く等）が生じた場合は、曳航し、陸揚げしてメンテナンス、または修理する必要があり、メンテナンス、及び修理に多大な手間、及びコストが掛かる。また、金属製の浮体内に水が入った場合、浮力のバランスが崩れ、タワーが必要以上に傾く虞がある。

一方、本実施形態の風力発電装置１０では、複数の弾性浮体２８を用いているので、フェイルセ―フが可能となる。例えば、何れかの弾性浮体２８に不具合が生じた場合でも、浮力のバランスが大きく崩れることが抑制され、タワー１４が必要以上に傾くことを抑制できる。

複数の弾性浮体２８は、夫々が浮体保持部材２４に着脱可能に取り付けられているため、部分単位、言い換えれば、弾性浮体２８毎でメンテナンス（修理、交換）を行うことができる。

各弾性浮体２８は、少なくとも一部が水面ＷＦに露出しており、また、ボルト、チェーン、ロープ、バンド等の取付部材３２を、水上、例えば、支持部材１２や浮体保持部材２４の上で弾性浮体２８の着脱作業が出来るように設けることで、水上にて、不具合を生じた弾性浮体２８をメンテナンスしたり、新たな弾性浮体２８と交換することが容易となる。したがって、曳航、及び陸揚げによるメンテナンス、及び交換に比較して作業が容易になる。
さらに、弾性浮体２８は、空気バルブ３０を介して弾性浮体２８の内部に空気を充填したり、内部の空気を排出することができる。弾性浮体２８は、内部の空気を抜くことで縮小させることができ、これにより、弾性浮体２８の運搬、着脱作業が容易になる。
また、空気バルブ３０は、弾性浮体２８の上部分に取り付けられているため、水上にて空気バルブ３０へ空気ポンプのホース等を接続する作業が容易になる。

弾性材料からなる弾性浮体２８は、着脱可能であり、金属製の浮体に比較して軽量であるため、弾性浮体２８を取り外して洋上で回転させることも容易である。例えば、弾性浮体２８を回転させ、水に浸かっていた下部を上側にして水に浸かっていた部分を検査したり、下部の付着物の除去などのメンテナンスも容易になる。

なお、弾性材料は弾性変形するので、弾性浮体２８に何らかの物体が当たったとしても塑性変形し難く、また、物体（波、浮遊物など）が当たった際の衝撃を吸収することもできる。

本実施形態の風力発電装置１０では、弾性浮体２８が着脱可能であるので、弾性浮体２８の数を調整して、浮力の調整や浮力のバランスを取ることも容易である。また、タワー１４を搭載する基礎部材が水平となるように浮力のバランスをとることも容易にできる。

［第２の実施形態］
図５～図８を用いて、本開示の第２の実施形態に係る風力発電装置１０について説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

図５に示すように、本実施形態の風力発電装置１０では、タワー１４が、滑り支承１１０を介して支持部材１２の上に設けられている。

本実施形態のタワー１４は、底部がタワーベース板１２０に固定されている。図５～図７に示すように、滑り支承１１０は、タワーベース板１２０に取り付けられる支承部１３０と、支持部材１２に取り付けられ支承部１３０に当接し支承部１３０を支持する滑り板１４０と、を含んで構成されている。

滑り支承１１０は、タワーベース板１２０と支持部材１２との間に設置される免震装置として用いることができる。
滑り支承１１０を備えた免震装置は、風により、タワー１４に横からの曲げ力が作用した際に、支承部１３０と滑り板１４０とを相対的に滑らせることができる。また、タワーベース板１２０に固定されたタワー１４は、滑り支承１１０によって免震性能を与えられる。

図６、及び図７に示すように、タワーベース板１２０には、底面１２２にボルト孔１２５が形成され、後述するように支承部１３０のフランジ１３１がボルト接合される。

（支承部）
支承部１３０は、タワー１４を支え続ける部材である。支承部１３０は、ローター１８、ナセル１６、タワー１４、タワーベース板１２０等の荷重を支持部材１２に伝える部材である。支承部１３０は、タワーベース板１２０の底面１２２に取り付けられるフランジ１３１と、フランジ１３１の下部に形成され、振動を吸収する振動吸収体１３２と、振動吸収体１３２の下部に形成され滑り板１４０の滑り面１４１と当接する滑り材１３３とを含んで構成されている。

フランジ１３１にはボルト挿通孔１３５が形成され、フランジ１３１とタワーベース板１２０とがボルト１３８で接合されている。フランジ１３１と、振動吸収体１３２及び滑り材１３３とは相互に鉛直方向に接合されている。振動吸収体１３２は、ゴム１３２ａと鋼板１３２ｂとを順に積層した積層ゴムで形成されている。

（滑り板）
滑り板１４０は、物が表面を滑る板材であり、表面には支承部１３０の滑り材１３３が当接する滑り面１４１が形成されている。滑り面１４１の表面にはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等が焼結コーティングされている。また滑り板１４０は支承部１３０と接合されておらず、水平方向の力が作用した場合、支承部１３０の滑り材１３３は滑り面１４１を滑り可能となる。

図６に示すように、滑り板１４０は、四角形に形成されている。図６、及び図７に示すように、滑り板１４０の四隅にはボルト挿通孔１４５が形成され、支持部材１２にはボルト孔１５５が形成されている。滑り板１４０は、支持部材１２にボルト１５８で固定されている。

図５、及び図６に示すように、風力発電装置１０は、ダンパー１６０と、変位規制部材１６２とを備えている。

支持部材１２の上面には、滑り板１４０の各辺と対向した位置にダンパー１６０が設置されている。ダンパー１６０は、タワーベース板１２０の水平方向の揺れを抑制する減衰力を発生する。言い換えれば、ダンパー１６０は、減衰力を発生する。ダンパー１６０としては、オイルダンパー、空気ダンパー、減衰率の大きなゴム等の粘弾性体を用いることができ、特に形式は問わない。

支持部材１２とタワーベース板１２０とは、支持部材１２とタワーベース板１２０との相対変位を規制する変位規制部材１６２で連結されている。変位規制部材１６２は、一例としてゴムで被覆した金属製のチェーンを挙げることができ、タワーベース板１２０の必要以上の変位を規制するストッパの役目を有している。なお、変位規制部材１６２の形式は特に問わず、一例として、支持部材１２に固定され、タワーベース板１２０の端部から水平方向に離間した位置に設けたブロック状のものであってもよい。

図５に示すように、タワーベース板１２０の外周部分と支持部材１２の上面とは、可撓性を有する材料からなる防水カバー１６４で接続されており、滑り支承１１０、ダンパー１６０、及び変位規制部材１６２等に水がかからないようにしている。

（作用）
風力発電装置１０は、構造上、ローター１８が風を受けると、タワー１４の基部で曲げが発生し、かつ風の影響から繰り返し荷重を受けることになる。繰り返し荷重は、疲労破壊の原因となる。
タワー１４の基部の疲労破壊を解決する手段として、タワー構造の剛性を上げることが考えられるが、部材厚の増加や重量増加により、コストアップとなってしまう。また、疲労破壊発生後の部材交換には大規模な重機等が必要となり、初期設置時相当の非常に高額なメインテナンスコストが発生してしまう。さらに、部分的な補修は新たな強度的弱点部が発生するだけであり、同様な不具合が継続して発生するため、本質的な対策とはなり得ない。

本実施形態の風力発電装置１０では、ローター１８が風を受け、タワー１４の上部に水平方向の外力が入力されると、タワー１４を搭載したタワーベース板１２０と支持部材１２との間に水平変位が生じて、タワー１４の基部に曲げ応力が生じ難くなる。タワー１４の基部に曲げ応力が生じ難くなることで、タワー１４の耐久性を向上させることができる。
また、タワー１４の耐久性が向上することで、ローター１８を大型化し、発電量を増大させることも可能となる。

なお、変位が小さな場合は振動吸収体１３２がせん断変形することにより変位エネルギーを吸収し、変位が大きくなると、支承部１３０の滑り材１３３と滑り板１４０の滑り面４１との間の静摩擦限界を超え、支承部１３０が滑り板１４０の上を滑る。

図８は、支承部１３０の振動吸収体（積層ゴム部）１３２の水平変位と水平荷重曲線を示しており、滑りだす前の低荷重領域では、支承部１３０の積層ゴム部が弾性変形をし、常にタワー１４が移動している状態を回避可能となる。支承部１３０の積層ゴム部の弾性率は、ゴム材質、製品形状で調整することが可能である。
ちなみに、積層ゴム部の弾性率＝せん断弾性係数×ゴム部有効面積／ゴム層厚である。

なお、ダンパー１６０は、タワーベース板１２０の水平方向の揺れを抑制し、変位規制部材１６２は、タワーベース板１２０の必要以上の変位を規制する。

本実施形態では、単一の滑り支承１１０でタワー１４を支持したが、タワー１４は、複数の滑り支承１１０で支持してもよい。

［その他の実施形態］
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

上記実施形態の浮体保持部材２４は、大径環状部材２４Ｂ、及び小径環状部材２４Ｃの径の異なる２つの環状部材を備えていたが、何れか一方だけでもよく、さらに、径の異なる別の環状部材を追加してもよい。

上記実施形態では、弾性浮体２８の数を調整して、浮力の調整を調整したが、弾性浮体２８へ充填する空気の量を調整し、弾性浮体２８の体積を調整することで浮力の調整を行うことも可能である。

上記実施形態では、支持部材１２の下部に弾性浮体２８が設けられていたが、弾性浮体２８必要に応じて支持部材１２の下部に設ければよく、支持部材１２の下部に弾性浮体２８を設けなくてもよい。

弾性浮体２８は、大径環状部材２４Ｂ、及び小径環状部材２４Ｃの下部に設けることに限らず、連結部材２４Ａの下部に設けてもよい。

第２の実施形態では、滑り支承１１０でタワー１４を支持したが、例えば、タワー１４を、支持部材１２の上に滑り板を有していない通常の免震装置（一例として、上記実施形態の支承部１３０）で支持してもよい。

本実施形態の風車１１は、プロペラ型と呼ばれる水平軸風車であったが、風車１１の形式は本実施形態のものに限らず、垂直軸風車等、他の形式のものであってもよい。

１０：風力発電装置、１１:風車、１２：支持部材、１４：タワー（風車）、１６：ナセル（風車）、１８：ローター（風車）、２０：発電機（風車）、２４:浮体保持部材、２４Ａ：連結部材（浮体保持部材）、２４Ｂ：大径環状部材（環状部材、浮体保持部材）、２４Ｃ：小径環状部材（環状部材、浮体保持部材）、２８：弾性浮体、３０：空気バルブ、３２:取付部材。

Claims (7)

1. 風を受けて回転するローターを備えた風車と、
   前記ローターの回転力を受けて発電する発電機と、
   前記風車を支持する支持部材と、
   前記支持部材を取り囲むように前記支持部材から離間して配置され、金属よりも比重の小さい材料で中空に形成された複数の浮体と、
   前記支持部材に連結され、前記浮体が着脱可能に取り付けられる浮体保持部材と、
   を有する、
   風力発電装置。
2. 前記浮体保持部材は、水面よりも上に配置され、
   前記浮体は、上部分が水面上に露出するように前記浮体保持部材に取り付けられている、
   請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記浮体保持部材は、環状部材と、前記支持部材と前記環状部材とを連結する連結部材と、を含んで構成されている、
   請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
4. 前記浮体保持部材は、径の異なる複数の環状部材を有している、
   請求項３に記載の風力発電装置。
5. 前記浮体は、拡縮可能であり、
   前記浮体には、上部分に空気バルブが取り付けられている、
   請求項１に記載の風力発電装置。
6. 前記浮体を形成する前記材料は、加硫ゴムまたはエラストマー樹脂である、
   請求項５に記載の風力発電装置。
7. 前記浮体は、前記支持部材の下面側にも取り付けられている、
   請求項１に記載の風力発電装置。