JP5155629B2 - 洋上ウインドファーム - Google Patents

Description

本発明は、自然エネルギーの風を回転力に変換する風車を用いて発電を行う風力発電装置にかかり、特に、洋上や沿岸に設置される洋上風力発電装置を備えた洋上ウインドファームに関する。

従来、自然エネルギーである風力を利用して発電を行う風力発電装置が知られている。この種の風力発電装置は、支柱上に設置されたナセルに、風車翼を取り付けたロータヘッドと、このロータヘッドと一体に回転するよう連結された主軸と、風車翼に風力を受けて回転する主軸を連結した増速機と、増速機の軸出力によって駆動される発電機とを設けたものである。このように構成された風力発電装置においては、風力を回転力に変換する風車翼を備えたロータヘッド及び主軸が回転して軸出力を発生し、主軸に連結された増速機を介して回転数を増速した軸出力が発電機に伝達される。このため、風力を回転力に変換して得られる軸出力を発電機の駆動源とし、発電機の動力として風力を利用した発電を行うことができる。
なお、複数の風力発電装置を設置した施設は、ウインドファームと呼ばれている。

このような風力発電装置は、今後の設置場所として、洋上や沿岸が増加するものと予想されている。なお、洋上に設置される従来の風力発電装置（洋上風力発電装置）は、風車による発電機能の他、風向や風速を観測する機能のみを備えている。
一方、洋上に浮遊、漂流または走行している対象物を監視または捜査するシステムとしては、ＧＰＳ（Global Positioning System）航法衛星から受信した測位電波を処理し、捜査船の位置及び航行履歴を確認しつつレーザーレーダー等の監視装置により捜索者を捜索するものが開示されている。（たとえば、特許文献１参照）
特開２００７−１５１７号公報

ところで、上述した従来の洋上風力発電装置は、風向及び風速の観測機能しか備えていないため、風車本体の監視が困難であった。特に、洋上風力発電装置や洋上ウインドファームの場合は国土の端に設置されることが多いなど、設置場所の状況から風車本体の状況（破損等）を常時監視することは困難である。
一方、気象レーダーによる観測は、洋上に気象レーダーを固定設置する適当な場所がないため、洋上風力発電装置周辺における降雨観測は困難である。このため、現状では地上に設置したレーダーの観測データにより補っているが、現場における最も現実的で正確な気象データに基づいて洋上風力発電装置の運転計画を立てた運転制御を実施することが望ましい。
また、洋上風力発電装置の設置場所は、あまり人のいない地域であることが多く、このような地域では遭難船等の発見が困難である。

このような背景から、洋上風力発電装置や洋上ウインドファームにおいては、風車自体の状況や周辺の気象状況等に関する正確な情報を入手し、風力発電装置の運転計画等に反映させることが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、風車自体の状況や周辺の気象状況等に関する正確な情報を入手可能な洋上風力発電装置を備えた洋上ウインドファームを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
参考例の洋上風力発電装置は、風車翼を取り付けたロータヘッドの回転により発電機構を駆動して発電する洋上風力発電装置であって、風力発電装置自体及びその周辺状況を監視する監視手段を備えていることを特徴とするものである。

このような洋上風力発電装置によれば、風力発電装置自体及びその周辺状況を監視する監視手段を備えているので、風車自体の状況や周辺の気象状況等に関する正確な情報を入手することができる。なお、監視手段により得られた情報は、洋上風力発電装置近傍の適所に設置されている制御室等に送信して利用される。

本発明の洋上ウインドファームは、洋上や沿岸に設置され、風車翼を取り付けたロータヘッドの回転により発電機構を駆動して発電する洋上風力発電装置を備える洋上ウインドファームであって、隣接あるいは近傍に位置する他の風力発電装置及びその周辺状況を監視する監視手段を備えている洋上風力発電装置と、前記監視手段を持たない通常型洋上風力発電装置とを組み合わせた複数の洋上風力発電装置により構成され、前記洋上風力発電装置の監視可能領域内に前記通常型洋上風力発電装置を配設するとともに、前記監視手段が、通常の監視時に動作するレーダーと、状況に応じて選択使用されるレーザーレーダー及びカメラと、を備えていることを特徴とするものである。

このような洋上ウインドファームによれば、隣接あるいは近傍に位置する他の風力発電装置及びその周辺状況を監視する監視手段を備えている洋上風力発電装置と、同監視手段を持たない通常型洋上風力発電装置とを組み合わせた複数の洋上風力発電装置により構成され、監視手段を備えた洋上風力発電装置の監視可能領域内に、すなわち、風車自体の状況や周辺の気象状況等に関する正確な情報を入手できる洋上風力発電装置の監視可能領域内に通常型洋上風力発電装置を配設したので、監視手段の数を低減することができる。
なお、監視手段により得られた情報は、洋上風力発電装置近傍の適所に設置されている制御室等に送信して利用される。

そして、上記の監視手段は、通常の監視時に動作するレーダーと、状況に応じて選択使用されるレーザーレーダー及びカメラと、を備えている。
なお、通常の監視時には監視範囲の広い監視手段を常用監視装置とし、状況に応じて監視範囲の狭い監視手段を適宜選択使用することが好ましい。
この場合、レーダーは数ｋｍ〜数１０ｋｍの範囲を監視可能であり、船舶用レーダーや気象用レーダーを採用すればよい。
また、レーザーレーダーは数ｋｍまでの範囲を監視可能であり、船舶用のものを採用すればよい。
また、カメラは数１００ｍまでの範囲を監視可能であり、可視カメラや赤外線カメラ等を採用すればよい。

上記の発明において、前記通常型洋上風力発電装置を複数の前記洋上風力発電装置により監視可能な位置に配設することが好ましく、これにより、監視の確実性や監視情報の精度を向上させることができる。

上記の発明において、前記監視手段の監視可能領域を３６０度とする可動手段を設けることが好ましく、これにより、最少の監視手段により広範囲を効率よく監視することができる。

上記の発明において、前記監視手段は、前記風車翼の回転によるノイズ発生領域外に設置されていることが好ましい。
なお、ノイズ発生領域外の好適な具体例をあげると、ナセル上面に設置した風車翼より高い支持部材の上部、風力発電装置の支柱において風車翼より低い位置、ロータヘッド端部またはナセル端部に突出する水平軸上等がある。

上記の発明において、前記監視手段をナセルに設置するとともに、前記風車翼の回転により生じるノイズ除去手段を設けることが好ましく、これにより、風車側の構造変更を不要にして正確なレーダー観測が可能となる。

上記の発明において、周囲に対する警報・警告手段を備えていることが好ましく、これにより、異常時における迅速な警報・警告が可能となる。
この場合の好適な警報・警告手段としては、スピーカーやサイレン等の音声手段、警告灯のような視覚手段がある。
また、風車翼の適所に風車翼回転により鳴動する笛を設けておき、必要に応じて空気流路の開閉操作を行うようにすれば、開閉操作以外の電力消費が不要な警報・警告手段となる。

上述した本発明によれば、洋上風力発電装置を備えた洋上ウインドファームにおいて、隣接あるいは近傍に位置する他の風力発電装置及びその周辺状況を監視する監視手段を備えている洋上風力発電装置で風車自体の状況や周辺の気象状況等に関する正確な情報を入手し、風力発電装置の運転計画等に反映させることができる。また、洋上ウインドファームの場合は、上記監視手段を備えている洋上風力発電装置により隣接する洋上風力発電装置間の相互監視が可能となり、しかも、上記監視手段の数を低減することも可能になる。
さらに、洋上に固定設置された監視手段となるため、海上におけるレーダー等を用いた監視精度を向上させることができ、遭難船等の捜索にも利用可能となる。

以下、本発明に係る洋上風力発電装置を備えた洋上ウインドファームの一実施形態を図面に基づいて説明する。
洋上や沿岸に設置される洋上風力発電装置（以下、「発電装置」と呼ぶ）１は、たとえば図２に示すように、洋上基礎６上に立設される支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられるロータヘッド４とを有している。なお、上述した支柱２は、洋上基礎６に代えて浮体上に立設される場合もある。
ロータヘッド４には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚の風車翼５が取り付けられている。この結果、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車翼５に当たった風の力が、ロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。

このような発電装置１には、風力発電装置自体及びその周辺状況を監視する監視手段として、たとえば図１に示すような監視装置１０が設けられている。なお、監視装置１０に必要となる電源は、発電装置１から供給を受ければよい。
この監視装置１０は、レーダー１１、レーザーレーダー１２及びカメラ１３よりなる３種類の装置を備えている。この場合、最も監視範囲の広いレーダー１１が周辺の常時監視を行う常時監視装置とされ、レーザーレーダー１２及びカメラ１３が必要に応じて選択使用される選択監視装置となる。

監視装置１０により得られた監視情報は、たとえば発電装置１の設置場所に近い陸地等に設けられている制御室２０に送信される。通常の監視時には、レーダー１１のみが動作して得た監視情報を制御室２０へ配信している。しかし、レーダー１１の監視情報に異常が認められた場合や、発電装置１から異常信号が発信された場合など、制御室２０内から必要に応じて切り替え信号を出力することにより、選択監視装置であるレーザーレーダー１２またはカメラ１３による監視を選択して切り替える。この結果、レーザーレーダー１２またはカメラ１３の内、選択されたいずれか一方が動作して監視情報を制御室２０へ配信する。

制御室２０では、監視装置１０から配信された監視情報に基づいて、発電装置１の運転制御や運転計画を実施するとともに、必要に応じて関連・提携機関等３０へ異常報告を行って指示を受ける。なお、関連・提携機関等３０の具体例をあげると、発電装置１が設置されている周辺海域の関連官庁、周辺船舶及び周辺の自治体等である。
なおまた、監視装置１０による監視は２４時間連続して行われ、その監視情報は制御室２０に配信されて記録される。

ここで、上述した監視装置１０を構成する３種類の装置について具体的に説明する。
レーダー１１は、通常時の監視を行う常時監視装置として使用される装置であり、３種類の中では最も広い範囲（数ｋｍ〜数１０ｋｍ）の監視が可能である。このレーダー１１としては、たとえば船舶用レーダーや気象用レーダーの使用が可能である。このうち、船舶用レーダーは、捜索船等のような船舶を捜索及び監視するのに適しており、気象用レーダーは、発電装置１を設置した周辺海域の局所的な気象観測に適している。なお、気象用レーダーについては、陸上に設置されている一般的な気象レーダーより観測範囲が狭くなるものの、解像度の設定を上げることにより、周辺海域における集中豪雨等の局所的な降水観測等を正確に行うことができる。

レーダー１１の好適な取付位置としては、たとえば図３に示すように、ナセル３の上面から上方へ延びる支持部材７の上部がある。この取付位置は、レーダー１１より放射される電磁波が回転する風車翼５の影響を受けないようにするため、少なくとも風車翼５の最上端位置より高く設定される。すなわち、レーダー１１の設置位置は、回転する風車翼５に反射した電磁波のノイズが発生する領域の外側（ノイズ発生領域外）とする。

また、レーダー１１は、発電装置１を中心とする３６０度の範囲を監視可能領域とするために設けた可動手段を備えている。従って、レーダー１１は、発電装置１の周囲を３６０度にわたって広範囲に監視することができる。
また、レーダー１１の設置位置は、回転する風車翼５の最下端位置より低い位置としてもノイズ発生領域外となるが、広範囲を監視することを考慮すると、できるだけ高い位置に設置することが望ましい。

次に、レーダー１１の設置位置について、第１変形例を図４に示して説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この変形例では、レーダー１１がナセル３の上面に設置されている。この設置位置は、風車翼５の回転によりノイズを生じる領域であるため、風車翼５の周期性からノイズを除去するノイズ除去手段がレーダー１１内に設けられている。
このようなレーダー１１の取付構造は、上述した支持部材７を取り付けるような発電装置１側の構造変更が不要になるので、コスト面で有利になる。また、風車翼５の回転により生じるノイズについても、ノイズ除去手段により除去されるため、正確なレーダー観測が可能となる。

次に、レーダー１１の設置位置について、第２変形例を図５に示して説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この変形例では、レーダー１１が、ロータヘッド４の前端面及びナセル３の後端面から突出させた水平軸８に取り付けられている。この水平軸８は、風車翼５及びロータヘッド４の回転から独立した固定軸である。すなわち、水平軸８及び水平軸８に固定されたレーダー１１は、風車翼５とともに回転することはなく、同一位置を維持して周囲の監視を行うことができる。

このように設置しても、ロータヘッド４の前端部に設置されたレーダー１１は、後方で回転する風車翼５の影響を受けることなく前方を監視できる。また、ナセル３の後端部に設置されたレーダー１１は、前方で回転する風車翼５の影響を受けることなく後方を監視できる。従って、一対のレーダー１１により、発電装置１の周囲を広範囲に監視することができる。
ところで、後述する洋上ウインドファームにおいては、ロータヘッド４の前端面及びナセル３の後端面のいずれか一方のみにレーダー１１を取り付けることも可能である。この場合、発電装置１の配置をジグザグにすることで、ウインドファーム全体として広い視野を確保することができる。

続いて、レーザーレーダー１２は、選択監視用に設置された装置であり、３種類の中では中間の監視範囲（数ｋｍ程度まで）を有している。このレーザーレーダー１２には、洋上監視を行うことから船舶用を使用することが望ましい。また、レーザーレーダー１２による通常時の監視対象は、洋上ウインドファームにおいて隣接あるいは近傍に位置する他の風力発電装置１であり、破損の有無等を視覚的に監視する。さらに、遭難船等の捜索が必要となった場合には、制御室２０から手動操作して監視対象の監視及び捜索をすることができる。

上述したレーザーレーダー１２の設置位置は、レーダー１１と同様にノイズ発生領域外に設置することが望ましい。また、レーザーレーダー１２は指向性が強く、監視可能な距離もレーダー１１程長くないため、たとえば図６（ａ）に示すように、風車翼５の最下端位置より低い位置の支柱２に取り付けられる。このような設置位置は、風車翼５の回転場から離れているので、気流への影響が少ないという利点がある。

ところで、この場合のレーザーレーダー１２は、支柱２の外周部を旋回移動する可動機構９の設置台９ａ上に設置されているので、必要に応じて監視方向を自由に変更することができる。なお、レーザーレーダー１２の可動機構９については、これを共用して上述したレーダー１１及び後述するカメラ１３を設置台９ａ上に並べて設置してもよく、これによりコストの低減が可能となる。
また、図７（ａ）に示すように、風車翼５の最下端位置より低い位置の支柱２に対して複数のレーザーレーダー１２を固定設置し、発電装置１の周囲に広い監視範囲を確保するようにしてもよい。

続いて、カメラ１３は、選択監視用に設置された装置であり、３種類の中では最も狭い監視範囲（数１００ｍ程度まで）となる。このカメラ１３には、たとえば可視カメラや赤外線カメラ等を使用することができる。また、カメラ１３による通常時の監視対象は、レーザーレーダー１２と同様に、洋上ウインドファームにおいて隣接あるいは近傍に位置する他の風力発電装置１であり、破損の有無等を視覚的により鮮明な画像から監視及び判断することができる。さらに、遭難船等の捜索が必要となった場合には、制御室２０から手動操作して監視対象の監視及び捜索をすることができる。

カメラ１３の設置位置は、特に制約を受けるものではないが、たとえばレーザーレーダー１２と同様の設置位置が望ましい。すなわち、図６（ｂ）に示すように、風車翼５の最下端位置より低い位置の支柱２に設置した可動機構９に取り付け、必要に応じて監視方向を変更可能とすればよい。
また、図７（ｂ）に示すように、風車翼５の最下端位置より低い位置の支柱２に対して複数のカメラ１３を固定設置し、発電装置１の周囲に広い監視範囲を確保するようにしてもよい。

このような発電装置１によれば、発電装置自体及びその周辺状況を監視する監視装置１０を備えているので、風車自体の状況や周辺の気象状況等に関する正確な情報を入手することができる。そして、監視装置１０により得られた情報は、発電装置１の近傍適所に設置されている制御室２０に送信して利用される。そして、必要に応じて関連・連携機関等３０に異常状況を報告することにより、適切な指示を得て迅速な対応をすることが可能になる。

ところで、上述した実施形態では、監視装置１０がレーダー１１、レーザーレーダー１２及びカメラ１３を全て備えているが、目的や設置環境等の諸条件に応じて適宜変更することができ、上述した３種類のうち少なくとも１つの装置を備えていればよい。また、複数の装置を備えている場合には、通常の監視時に監視範囲の広い装置を常用監視装置として設定し、状況に応じて監視範囲の狭い監視手段を選択使用することが好ましい。
また、監視装置１０を構成する各装置は、監視可能領域ができるだけ広範囲となるように、好ましくは３６０度の監視可能領域を確保できるように可動機構９のような可動手段を設けることが望ましい。

続いて、本発明の実施形態として、上述した洋上風力発電装置１を複数設置して構成される洋上ウインドファームを図８に基づいて説明する。
図８（ａ），（ｂ）に示す洋上ウインドファーム５０，５０Ａは、図中に黒丸で示す監視装置付風車（以下、「監視風車」と呼ぶ）５１と、図中に白丸で示す通常の風車（以下、「通常風車」と呼ぶ）５２とを備えている。ここで、監視風車５１は、上述した実施形態で説明した監視装置１０を備えた洋上風力発電装置１であり、通常風車５２には監視装置１０が設けられていない。

このような監視風車５１及び通常風車５２よりなる洋上ウインドファーム５０は、監視風車５１の監視可能領域内に通常風車５２が配設されている。
図８（ａ）に示すウインドファーム５０の配置例では、監視風車５１及び通常風車５２をそれぞれ左右方向へ一列に配列するとともに、監視風車５１の列と通常風車５２の列とが前後方向へ交互に配置されている。すなわち、通常風車５２は、監視風車５１の周囲に形成される監視領域内に配置されているので、必要な監視能力を確保しつつ、洋上ウインドファーム５０に必要となる監視装置１０の数を低減してコストの削減が可能となる。

また、図８（ｂ）に示すウインドファーム５０Ａの配置例では、監視風車５１及び通常風車５２が千鳥状に配置されている。このため、通常風車５２の周囲には、少なくとも二つの監視風車５１が配置されており、従って、監視の確実性や監視情報の精度を向上させることができる。

ところで、上述した実施形態において、発電装置１には周囲に対する警報・警告手段を備えていることが好ましい。以下では、警報・警告手段の具体例を図面に基づいて説明する。なお、洋上ウインドファームの場合は、ファーム全体で警報・警告手段を備えていればよい。
図９に示す警報・警告手段は、たとえば風車翼５の先端部等のように、風車翼５の適所に風車翼５の回転により鳴動する笛６０を設けておき、必要に応じて笛６０の空気流路となる穴を開閉操作する開閉弁（不図示）等を取り付けたものである。この笛６０は、風車翼５の回転により生じる空気流を利用して鳴動させるもので、予め設定した異常検出等の条件に応じて自動的に、あるいは、遠隔操作により空気流路の穴を開いて、異常を知らせる警報・警告を迅速に発することができる。このような構成とすれば、開閉弁の開閉操作以外に電力消費が不要な警報・警告手段となる。なお、通常時に空気流路を閉じれば、笛６０として機能することはない。

また、図１０に示す警報・警告手段は、スピーカーやサイレン等のように、音声を発する音声警報装置６１である。この音声警報装置６１は、特に設置場所が限定されることはなく、周囲に警報・警告を発することができる。特に、スピーカーのような音声警報装置６１を採用すれば、言葉による具体的な警報・警告が可能となる。
また、図１１に示す警報・警告手段は、たとえば警告灯のような視覚警報装置６２である。この視覚警報装置６２は、特に設置場所が限定されることはなく、周囲に警報・警告を発することができる。特に、視覚警報装置６２を採用すれば、音声が届かない範囲まで到達する警報・警告が可能となる。

このように、上述した本発明の洋上風力発電装置を備える洋上ウインドファームによれば、監視装置１０により風車自体の状況や周辺の気象状況等に関する正確な情報を入手できるようになり、この情報を発電装置１の運転計画等に反映させることができる。
また、洋上ウインドファームの場合は、隣接する発電装置１，１間の相互監視が可能となる。

さらに、洋上に固定設置された監視装置１０となるため、海上におけるレーダー等を用いた監視精度が向上し、遭難船等の捜索にも利用可能となる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば風車翼の形状や型式など、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る実施形態として、洋上風力発電装置に設置される監視装置の構成例を示すブロック図である。 洋上風力発電装置の概要を示す構成図である。 レーダーの設置例を示す図である。 レーダーの設置例に係る第１変形例を示す図である。 レーダーの設置例に係る第２変形例を示す図である。 （ａ）はレーザーレーダーの設置例を示し、（ｂ）はカメラの設置例を示す図である。 （ａ）はレーザーレーダーの設置例に係る変形例を示し、（ｂ）はカメラの設置例に係る変形例を示す図である。 本発明に係る洋上ウインドファームの実施形態として、洋上ウインドファームにおける監視装置を備えた洋上風力発電装置の配置例を示す図であり、（ａ）は交互配置、（ｂ）は千鳥配置である。 警報・警告手段として笛を採用した構成例を示す図である。 警報・警告手段として音声警報装置を採用した構成例を示す図である。 警報・警告手段として視覚警報装置を採用した構成例を示す図である。

１ 洋上風力発電装置
２ 支柱
３ ナセル
４ ロータヘッド
５ 風車翼
１０ 監視装置
１１ レーダー
１２ レーザーレーダー
１３ カメラ
５０，５０Ａ 洋上ウインドファーム
５１ 監視装置付風車（監視風車）
５２ 通常の風車（通常風車）
６０ 笛
６１ 音声警報装置
６２ 視覚警報装置

Claims (6)

1. 洋上や沿岸に設置され、風車翼を取り付けたロータヘッドの回転により発電機構を駆動して発電する洋上風力発電装置を備える洋上ウインドファームであって、
   隣接あるいは近傍に位置する他の風力発電装置及びその周辺状況を監視する監視手段を備えている洋上風力発電装置と、前記監視手段を持たない通常型洋上風力発電装置とを組み合わせた複数の洋上風力発電装置により構成され、
   前記洋上風力発電装置の監視可能領域内に前記通常型洋上風力発電装置を配設するとともに、
   前記監視手段が、通常の監視時に動作するレーダーと、状況に応じて選択使用されるレーザーレーダー及びカメラと、を備えていることを特徴とする洋上ウインドファーム。
2. 前記通常型洋上風力発電装置を複数の前記洋上風力発電装置により監視可能な位置に配設したことを特徴とする請求項１に記載の洋上ウインドファーム。
3. 前記監視手段が監視可能領域を３６０度とする可動手段を設けていることを特徴とする請求項１または２に記載の洋上ウインドファーム。
4. 前記監視手段が前記風車翼の回転によるノイズ発生領域外に設置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の洋上ウインドファーム。
5. 前記監視手段をナセルに設置するとともに、前記風車翼の回転により生じるノイズ除去手段を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の洋上ウインドファーム。
6. 周囲に対する警報・警告手段を備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の洋上ウインドファーム。

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