JP5271866B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置に関する。

近年、地球環境に対する関心が高まってきており、クリーンエネルギーを利用して化石燃料に依存しない発電装置が注目されている。このような発電装置の１つとして、風力発電装置が知られている。風力発電装置は、風力を受けて回転する風車と、風車の回転を電気に変換する発電機等を備えている。

一般に、風速は季節や時間帯によって変動する。風力発電装置は、風速変動に応じて出力が変動する。風力発電装置の出力変動を低減する技術として、特許文献１に開示されている技術が挙げられる。特許文献１では、発電機から出力される電力を二次電池に蓄電し、発電機の出力変動を二次電池の充放電に吸収させている。

風力発電装置は、陸上のみならず海上や湖上等の水上に設置されることがある。水上設置は陸上設置と比較して、設置面積を確保することが容易になる点、遮蔽物による風向変化が少ない点、遮蔽物による風力低下が少ない点等で有利である。水上設置される風力発電装置として、特許文献２に開示されているものが挙げられる。

特許文献２の風車装置において、洋上に浮設された浮体上に支柱が立設されており、支柱の上部に風車や発電機を備えたナセルが取付けられている。浮体の底部に設けられた推進器により浮体の制御が可能になっており、風車が風と対面するように風車装置の姿勢が制御される。

特開２００３−３３３７５２号公報 特開２００５−２６４８６５号公報

特許文献２の技術によれば、風向に合わせて風車の向きを制御可能であるので、風向変化に対応させて効率よく発電することや、出力が過剰である場合に効率を低下させて出力変動を抑制すること等ができる。しかしながら、風力が低下したときに出力低下を避けることは難しく、出力変動の低減効果に限界がある。

そこで、特許文献２の技術に特許文献１の技術を適用し、出力変動を低減することが考えられる。しかしながら、地上配置される風力発電装置に併設される二次電池は、通常、風力発電装置の筺体と独立した建屋に収容するものであったため、特許文献１の技術を特許文献２にそのまま適用することは容易でなかった。

本発明は、前記事情に鑑み成されたものであって、出力変動を低減可能であるとともに低コスト化が可能である浮体型の風力発電装置を提供することを目的の１つとする。

本発明では、前記目的を達成するために以下の手段を採用している。
本発明の風力発電装置は、水上に浮設される風力発電装置であって、浮体を含んだ中空の構造物と、前記構造物に取付けられた風車と、前記構造物に取付けられて前記風車が受けた風力により発電する発電機と、前記構造物の内部に収容されて風力発電装置の喫水線よりも下方に配置された二次電池と、前記構造物の内部に収容されており前記発電機により発電された電力を外部出力するとともに外部出力される電力の変動を抑制するように前記二次電池を充放電制御する制御装置と、を備えていることを特徴とする。

このようにすれば、風車が受けた風力により発電機が発電し、得られた電力が制御装置により外部出力される。制御装置が二次電池を充放電制御することにより、外部出力される電力の変動が抑制される。二次電池が構造物の内部に収容されているので、二次電池を収容するための建屋を前記構造物と独立して設ける必要がなくなり、風力発電装置を低コストにすることができる。二次電池が喫水線よりも下方に配置されているので、二次電池の重みにより風力発電装置の姿勢を安定させることが可能になる。したがって、風力発電装置の重量バランスを取るための重量物を減らすことや無くすことができ、風力発電装置を低コストにすることができる。二次電池が喫水線よりも下方に配置されているので、充放電に伴う二次電池の熱を水中に逃がすことができる。したがって、二次電池の冷却装置を簡略化あるいは省略することができ、風力発電装置を低コストにすることができる。

本発明に係る風力発電装置は、代表的な態様として以下のような態様をとりえる。
前記風車が水平方向を向くように前記構造物のトリムが調整されており、前記トリムが前記二次電池の配置により調整されるとよい。
風車が水平方向を向くように構造物のトリムが調整されていれば、風車が風力を効率よく受けるようになり、効率よく発電することが可能になる。二次電池の配置によりトリムが調整されるので、トリム調整のために必要であった重量物の一部若しくは全部を二次電池で代用することができる。したがって、トリム調整のための重量物を減らすことや無くすことができ、風力発電装置を低コストにすることができる。

前記構造物が浮設される水域における波浪スペクトルのピーク周期から該構造物の動揺周期がずれるようにメタセンター高さが調整されており、前記メタセンター高さが前記二次電池の配置により調整されるとよい。
波浪スペクトルのピーク周期から構造物の動揺周期がずれるようにメタセンター高さ（ＧＭ）が調整されていれば、構造物が波浪から受ける動揺により共振することが回避される。メタセンター高さが二次電池の配置により調整されるので、メタセンター高さを調整するための重量物を減らすことや無くすことができ、風力発電装置を低コストにすることができる。

前記構造物の外面の少なくとも前記喫水線よりも下方に凹凸部が設けられているとよい。
喫水線よりも下方に例えばフィン等の凹凸部が設けられていれば、構造物が水と接触する接触面積が広くなり、構造物の内部を効率よく冷却することができる。したがって、二次電池の冷却装置を簡略化あるいは省略することができ、風力発電装置を低コストにすることができる。

前記二次電池は、前記構造物の内面に当接して配置されているとよい。
このようにすれば、二次電池の熱が構造物の内面に伝わりやすくなり、水中に放熱されやすくなる。したがって、二次電池の冷却装置を簡略化あるいは省略することができ、風力発電装置を低コストにすることができる。

前記二次電池がリチウムイオン二次電池であるとよい。
このようにすれば、二次電池として鉛蓄電池やナトリウム硫黄電池を採用する場合と比較して二次電池を小型化することができ、二次電池を構造物の内部に収容することが容易になる。

本発明の風力発電装置によれば、制御装置が二次電池を充放電制御するので、出力変動の少ない電力が得られる。二次電池が構造物の内部に収容されているので、風力発電装置を低コストにすることができる。二次電池が喫水線よりも下方に配置されているので、二次電池の重みにより風力発電装置の姿勢を安定化することや二次電池を冷却する機構を簡略化あるいは省略することができ、風力発電装置を低コストにすることができる。

第１実施形態の風力発電装置１の概略構成を示す模式図である。 風力発電装置１における発電系を示す説明図である。 風力発電装置１のバランスを示す説明図である。 第２実施形態の風力発電装置３の概略構成を示す模式図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。説明に用いる図面において、特徴的な部分を分かりやすく示すために、図面中の構造の寸法や縮尺を実際の構造に対して異ならせている場合がある。実施形態において同様の構成要素については、同じ符号を付して図示し、その詳細な説明を省略する場合がある。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の風力発電装置１の概略構成を示す模式図、図２は風力発電装置１における発電システムを示すブロック図である。
風力発電装置１は、海や湖等の水域Ｓに浮設されて運転される。図１、２に示すように風力発電装置１は、構造体（構造物）１０、ナセル１２、風車１３、発電機１４、制御装置１５および二次電池１６を備える。構造体１０は、浮体１０ａとベース１０ｂとタワー１０ｃを備える。ベース１０ｂは、浮体１０ａの上に取り付けられており、浮体１０ａの浮力により海面付近に位置するようになっている。タワー１０ｃは、ベース１０ｂの上に立設されている。

タワー１０ｃの上部に、ナセル１２が取付けられている。風車１３は、ナセル１２に連結されており、発電機１４はナセル１２の内部に収容されている。発電機１４は、ケーブル１７０により制御装置１５と電気的に接続されている。制御装置１５は、ケーブル１７１により二次電池１６と電気的に接続されている。以下、風力発電装置１の構成要素について詳しく説明する。

浮体１０ａは、中空構造のものであり、ベース１０ｂに喫水線１１が位置するように体積等が設計されている。浮体１０ａの内部、すなわち、喫水線１１の下方における構造体１０の内部には二次電池１６が収容されている。本実施形態の二次電池１６は、浮体１０ａの底面に当接して配置されている。二次電池１６として、複数の二次電池ユニット１６ａ〜１６ｃが配置されている。二次電池ユニット１６ａ〜１６ｃの各々の配置を調整することにより、二次電池１６の全体としての重心位置が調整されている。

二次電池ユニット１６ａ〜１６ｃは、例えばリチウムイオン二次電池や鉛蓄電池、ナトリウム硫黄電池等の適宜選択される二次電池により構成される。本実施形態の二次電池ユニット１６ａ〜１６ｃは、いずれもリチウムイオン二次電池により構成されている。

なお、二次電池１６は、単一の二次電池ユニットであってもよい。図１には説明の便宜上、３つの二次電池ユニットを図示しているが、二次電池ユニットの数については適宜偏光可能である。二次電池ユニットの配置位置については上述の例に限定されない。例えば、二次電池ユニットが、浮体１０ａの側面の内面側に当接して配置されていてもよい。

タワー１０ｃは、ベース１０ｂの上に立設されており、外形が柱状の中空構造のものである。ここでは、タワー１０ｃの内部に制御装置１５が収容されている。制御装置１５は、ベース１０ｂの上に載置されていてもよいし、浮体１０ａ内に収容されていてもよい。

ナセル１２は、タワー１０ｃに固定されている。ナセル１２の水平方向の取付け角は、例えば風車１３が効率よく風力を受ける方向を向くように設定される。風車１３が効率よく風力を受ける方向は、例えばナセル１２に取り付けられた風向計により検出された方向でもよいし、風力発電装置１が設置される水域における風況（風向や風力）の統計値等に基づいて算出される方向でもよい。なお、風向に応じて風車１３が風に対面するように、ナセル１２がタワー１０ｃの周方向に回転可能な状態で取付けられていてもよい。

風車１３は、風力を受ける翼部１３０と、翼部１３０を支持するボス１３１と、ボス１３１に接続された連結部１３２を備える。ボス１３１は、タワー１０ｃの上部からタワー１０ｃの側方（ここでは水平方向）に向かって張り出して設けられている。連結部１３２は、ナセル１２の内部に収容された発電機１４と接続されている。翼部１３０が風Ｗを受けるとボス１３１が回転し、ボス１３１のトルクＱが連結部１３２を介して発電機１４に伝達される。

発電機１４は、トルクＱを電力に変換するものである。発電機１４は、例えば連結部１３２と連結された回転子と、回転子を包囲して設けられた固定子とを備える。回転子がトルクＱにより回転することにより、発電電力Ｐ_０として交流電力が生じる。発電電力Ｐ_０は、ケーブル１７０を介して制御装置１５に伝達される。

制御装置１５は、風力発電装置１の外部の電力伝送系２に出力電力Ｐ_１として交流電力を出力する。制御装置１５は、ケーブル１７１を介して二次電池１６と接続されている。制御装置１５は、出力電力Ｐ_１の変動を抑制するように二次電池１６を充放電制御する。

本実施形態の制御装置１５は、出力部１５０、変換器１５１、充放電器１５２および逆変換器１５３を備える。出力部１５０は、発電電力Ｐ_０を監視しており、発電電力Ｐ_０が基準値を超える場合に、基準値と同程度の電力を電力伝送系２に出力するとともに、基準値を超えた交流電力を変換器１５１に出力する。基準値は、例えば、風力発電装置１が浮設される水域における風向や風力の統計値等から算出される設計上の出力電力の時間平均値等である。出力部１５０は、発電電力Ｐ_０が基準値未満である場合に、逆変換器１５３から出力される交流電力を発電電力Ｐ_０と合わせて、電力伝送系２に出力する。

変換器１５１は、出力部１５０から出力された交流電力を直流電力に変換し、充放電器１５２に出力する。充放電器１５２は、変換器１５１から出力された直流電力を二次電池１６へ充電するように制御する。また、充放電器１５２は、発電電力Ｐ_０が基準値以下である場合に二次電池１６から放電するように制御し、二次電池１６からの直流電力を逆変換器１５３に出力する。逆変換器１５３は、充放電器１５２から出力された直流電力を交流電力に変換して、出力部１５０に出力する。

次に、図３を参照しつつ本実施形態の二次電池１６の配置について説明する。図３は、風力発電装置１に働く力を示す説明図である。以下、風力発電装置１の全体としての重心Ｇ_０の位置が、ベース１０ｂを水平にしたときの浮心Ｂ_０に対して鉛直方向（例えば中心線Ｃ上）から水平方向にずれて、仮想的な重心Ｇ_１の位置になる場合を考える。重心Ｇ０の位置が重心Ｇ_１の位置へずれる一因としては、喫水線１１より上方に配置される構成要素の全体である水上構造物１Ａの重心Ｇ_２が、中心線Ｃ上からずれることが挙げられる。重心Ｇ_２が中心線Ｃ上からずれる具体的な要因としては、風車１３がタワー１０ｃから張り出して設けられることや、風に対する強度を確保する観点で、タワー１０ｃが風上に向かって傾くように設けられること等が挙げられる。

風力発電装置の重心位置が中心線Ｃ上からずれていると、ベース１０ｂは、水平方向の軸周りのモーメントＭ_Ｇ１を受ける。ベース１０ｂがモーメントＭ_Ｇ１を受けると、通常は構造体が傾斜して浮心Ｂ_０が浮心Ｂ_１に移動し、モーメントＭ_Ｇ１を打ち消すように浮力によるモーメントＭ_Ｂが生じる位置で、風力発電装置がバランスする。すなわち、風車が取付けられた構造体が傾斜した状態でバランスし、風車が水平方向に対して俯角あるいは仰角を持つようになる。構造体が傾斜した状態でバランスすることを避けるために、通常はバラスト水を注入する手法や、重量バランスをとるための重量物を積載する手法がとられている。

本実施形態では、風力発電装置１の全体としての重心Ｇ０の位置が、浮心Ｂ_０の鉛直方向に並ぶように、喫水線１１よりも下方に配置される構成要素の全体である水中構造物１Ｂの重心Ｇ_４の位置が調整されている。具体的には、二次電池１６の重心Ｇ_５の位置を浮心Ｂ０の鉛直方向から水平方向にずらすことにより、水中構造物１Ｂの重心Ｇ_４の位置が調整されている。二次電池１６に起因するモーメントＭ_Ｇ５がモーメントＭ_Ｇ１と相殺することにより、風力発電装置１は、浮力によるモーメントＭ_Ｂが無くなる姿勢、すなわちベース１０ｂが略水平になる姿勢でバランスする。

ところで、浮体１０ａの内部にて二次電池１６を鉛直下方に配置するほど、メタセンター高さＧＭが増すので復原性が高くなり、動揺周期が短くなる。本実施形態では、構造体１０の動揺周期が波浪スペクトルのピーク周期からずれるように、浮体１０ａに対する二次電池１６の鉛直方向の位置を調整することにより風力発電装置１のメタセンター高さＧＭが設定されている。これにより、風力発電装置１が波浪から受ける動揺により共振することが回避される。なお、波浪スペクトルのピーク周期は、例えば、風力発電装置１が浮設される水域の海象データに統計的手法を用いること等により得られる。

以上のような構成の風力発電装置１にあっては、発電電力Ｐ_０の余剰電力を利用して二次電池１６へ充電することや、二次電池１６の放電により発電電力Ｐ_０の不足電力を補うことができる。これにより、風向や風力の変動による出力電力Ｐ_１の変動を抑制することができる。また、二次電池１６は、充放電に伴って発熱するが、二次電池１６が喫水線１１よりも下方に配置されているので、二次電池１６の熱を水中に逃がすことができる。したがって、二次電池１６の冷却装置を簡略化あるいは省略することができ、風力発電装置１を低コストにすることができる。

二次電池１６が喫水線１１よりも下方に配置されているので、二次電池１６の重みにより風力発電装置１のトリムや復原性を調整することができる。したがって、風力発電装置１のバランスをとるためにバラスト水や重量物を用いる必要性が低くなり、風力発電装置１を低コストにすることができる。

二次電池１６が浮体１０ａの内部に収容されているので、二次電池１６の耐候性が確保されるとともに、二次電池１６を収容する建屋を浮体１０ａと独立して設ける必要がなくなる。したがって、建屋の建築コスト等が不要になり、風力発電装置１を低コストにすることができる。また、二次電池１６が浮体１０ａの内部に収容されているので、二次電池１６を制御装置１５と接近させて配置することが容易になる。これにより、二次電池１６と制御装置１５との間の配線長を短くすることが容易になる。一般に伝送損失は直流電力の方が交流電力も大きいが、直流電力が伝送される配線長を最小限度にすることができるので、伝送損失を最小限度にすることができる。

二次電池１６としてリチウムイオン二次電池を採用しているので、二次電池としてリチウムイオン二次電池と同一の容量の鉛蓄電池を採用するよりも、二次電池１６を例えば数分の一程度まで小型化することができる。また、二次電池としてＮＡＳ電池（ナトリウム硫黄二次電池）を採用するよりも、ＮＡＳ電池の温度管理手段を省くことができ、結果的に二次電池１６を例えば数分の一程度まで小型化することができる。二次電池１６を小型化することができるので、二次電池１６を収容するスペースを確保すること等が容易になる。

［第２実施形態］
次に、図３を参照しつつ第２実施形態の風力発電装置について説明する。図３は、第２実施形態の風力発電装置３の概略構成を示す模式図である。風力発電装置３において喫水線１１よりも下方に、凹凸部としてのフィン３１が設けられている。これにより、フィン３１を含んだ浮体１０ａにおいて、外部の海水や水等との接触面積が大きくなり、浮体１０ａの内部の放熱が促進される。したがって、二次電池１６の冷却装置を簡略化あるいは省略することができ、風力発電装置３を低コストにすることができる。

なお、本発明の技術範囲は前記実施形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲内で多様な変形が可能である。例えば、発電機１４がタワー１０ｃの内部に収容されていてもよい。風車１３がナセル１２により間接的にタワー１０ｃに取付けられている構成の他に、風車１３が直接的にタワー１０ｃに取付けられている構成にしてもよい。トルクＱを発電機１４に伝達する伝達系としては、風車１３および発電機１４の配置に応じて適宜変更可能である。

水上構造物の重心位置の変化に追従するために、浮体１０ａに対する二次電池１６の位置を可変に制御する位置制御装置が設けられていてもよい。これにより、風力発電装置１のトリムや復原性を動的に制御することができる。外部の水を浮体１０ａの内部に流通させた後に外部に排出する配管系が設けて、浮体１０ａの内部の冷却効果を高めてもよい。二次電池１６の熱を浮体１０ａの内壁に放熱板等を介して伝達してもよい。
浮体１０ａに対する二次電池１６の位置を可変に制御する位置制御装置が設けられていてもよい。これにより、風力発電装置１のトリムや復原性を動的に制御することができる。外部の水を浮体１０ａの内部に流通させた後に外部に排出する配管系が設けて、浮体１０ａの内部の冷却効果を高めてもよい。二次電池１６の熱を浮体１０ａの内壁に放熱板等を介して伝達してもよい。

第１、第２実施形態の風力発電装置を単独で運転するのではなく、複数の風力発電装置を組み合わせて発電プラントとして運転することも可能である。本発明に係る風力発電装置は、風力発電装置ごとに出力変動を低減可能になっているので、発電プラント全体としての出力変動を低減することが容易になる。発電プラントを構成する場合には、例えば次に例示するような管理装置を設けて、複数の風力発電装置間で複数の制御装置１５を管理するとよい。

管理装置は、例えば制御装置１５から二次電池１６の充電率等のデータを受け取り、制御装置１５ごとに基準値を設定する。例えば、管理装置は、複数の二次電池１６で相対的に充電率が高い二次電池１６が優先的に放電制御され、相対的に充電率が低い二次電池１６が優先的に充電制御されるように、複数の風力発電装置で異なる基準値を設定する。風力発電装置ごとに出力変動が低減されるので、風力発電装置ごとの出力を高精度に制御することができ、発電プラント全体としての出力変動を低減することが容易になる。

１・・・風力発電装置、２・・・電力伝送系、３・・・風力発電装置、
１０・・・構造体（構造部）、１０ａ・・・浮体、１０ｂ・・・ベース、
１０ｃ・・・タワー、１１・・・喫水線、１２・・・ナセル、１３・・・風車、
１４・・・発電機、１５・・・制御装置、１６・・・二次電池、
３１・・・フィン（凹凸部）、１３０・・・翼部、１３１・・・ボス、
１３２・・・連結部、１５０・・・出力部、１５１・・・変換器、
１５２・・・充放電器、１５３・・・逆変換器、１７０、１７１・・・ケーブル、
Ｐ_０・・・発電電力、Ｐ_１・・・出力電力、Ｑ・・・トルク、Ｓ・・・水域、Ｗ・・・風

Claims (6)

1. 水上に浮設される風力発電装置であって、
   浮体を含んだ中空の構造物と、
   前記構造物に取付けられた風車と、
   前記構造物に取付けられて前記風車が受けた風力により発電する発電機と、
   前記構造物の内部に収容されて風力発電装置の喫水線よりも下方に配置された二次電池と、
   前記構造物の内部に収容されており前記発電機により発電された電力を外部出力するとともに外部出力される電力の変動を抑制するように前記二次電池を充放電制御する制御装置と、
   を備えていることを特徴とする風力発電装置。
2. 前記風車が水平方向を向くように前記構造物のトリムが調整されており、前記トリムが前記二次電池の配置により調整されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記構造物が浮設される水域における波浪スペクトルのピーク周期から該構造物の動揺周期がずれるようにメタセンター高さが調整されており、前記メタセンター高さが前記二次電池の配置により調整されることを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電装置。
4. 前記構造物の外面の少なくとも前記喫水線よりも下方に凹凸部が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の風力発電装置。
5. 前記二次電池は、前記構造物の内面に当接して配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の風力発電装置。
6. 前記二次電池がリチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の風力発電装置。

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