JP5543385B2 - 浮体式風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電用の浮体式風力発電装置に関し、特には風車タワーを構成するナセル等の形状によって浮体の安定性を向上したものに関する。

風力発電装置は、一般に発電機及びロータが設けられたナセルを高所に支持する風車タワーを有して構成されている。
近年このような風車タワーを水上に浮かべられる浮体に設けた浮体式風力発電装置が提案されている。浮体式風力発電装置は、例えば、係留された浮体から上方へ突き出したタワーの上端部にナセルを設けて構成される。

ここで、浮体式風力発電装置の風車タワーにおいては、ブレード回転時の水平力（ロータスラスト力）が、風車タワーの上端部に最も強く働く。そのため、風車タワー全体が風下側へ傾き、ロータへの流入風の軸方向流速が低下して発電量が低下することが懸念される。
従来、浮体式風力発電装置に関する従来技術として、例えば特許文献１には、風車タワーの傾斜を抑制するために、サブ浮体等を設けて風車の傾倒を防止する技術が記載されている。

特開２００２−２８５９５２号公報

上述した従来技術においては、浮体の構造全体が大きくなり、また、建設コストも増加することになる。
また、制御機構を設けて風車タワーの傾斜を抑制することも考えられるが、この場合にも装置の複雑化は避けることができない。
本発明の課題は、風車タワーの形状によって傾斜を抑制した浮体式風力発電装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１の発明は、水上に浮かべられる浮体と、前記浮体から上方へ突き出したタワーと、前記タワーの上端部に設けられ、ロータ及び発電機が設けられるナセルとを備える浮体式風力発電装置であって、前記タワーの中心軸から前記ナセル及び前記タワーの空力中心までの距離をｃ、前記浮体の動揺中心から前記空力中心までの高さをＨ、前記浮体の傾斜角をα、仰角がαであるときに前記ナセル及び前記タワーに生じる揚力Ｌと抗力Ｄとの合力Ｆが前記タワーの中心軸となす角度をβとしたときに、ｃ−Ｈ・ｔａｎβ＜０を満たすことを特徴とする浮体式風力発電装置である。
これによれば、ナセル及びタワーが風を受けたときに生じる流体力が浮体式風力発電装置の傾斜を復元させる方向に作用することによって、サブ浮体や複雑な制御機構等を設けることなく、風車タワーを構成するナセル、タワー等の形状のみによって安定性を高め、傾斜を抑制することができる。

請求項２の発明は、前記ロータは通常運転時において前記ナセルの風下側に設けられることを特徴とする請求項１に記載の浮体式風力発電装置である。
これによれば、ロータが風下側に配置されることによって、ナセルが受ける流体力がロータの影響を受けにくくなることから、上述した効果をより確実に得ることができる。
請求項３の発明は、前記ナセルの通常運転時における風上側の端部は、風下側から風上側にかけて断面積が縮小する先細り形状となっていることを特徴とする請求項２に記載の浮体式風力発電装置である。
これによれば、ナセルの揚抗比Ｌ／Ｄを大きくすることができ、上述した効果を確実に得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、風車タワーの形状によって傾斜を抑制した浮体式風力発電装置を提供することができる。

本発明を適用した浮体式風力発電装置の実施例１の模式的側面図である。 浮体式風力発電装置に作用する各力を示す模式的側面図である。 本発明の比較例１である浮体式風力発電装置の模式的側面図である。 本発明の比較例２である浮体式風力発電装置の模式的側面図である。 本発明を適用した浮体式風力発電装置の実施例２のナセル部拡大図である。 本発明を適用した浮体式風力発電装置の実施例３のナセル部拡大図である。 本発明を適用した浮体式風力発電装置の実施例４のナセル部拡大図である。

本発明は、風車タワーの形状によって傾斜を抑制した浮体式風力発電装置を提供する課題を、タワーの中心軸からナセルの空力中心までの距離をｃ、動揺中心からナセルの中心までの高さをＨ、浮体の傾斜角をα、仰角がαであるときに生じる揚力Ｌと抗力Ｄによる力Ｆがタワーの中心軸となす角度をβとしたときに、ｃ−Ｈ・ｔａｎβ＜０を満たす構成とすることによって解決した。

以下、本発明を適用した浮体式風力発電装置の実施例１について説明する。
図１は、実施例１の浮体式風力発電装置の模式的側面図である。
浮体式風力発電装置１は、ナセル１０、ロータ２０、タワー３０、浮体４０等を備えて構成されている。

ナセル１０は、図示しない発電機及び冷却装置、制御盤などの補機類が収容された部分である。また、ナセル１０には、ロータ２０の回転を増速する図示しない増速機構が設けられる場合もある。
ナセル１０は、フレーム状のナセル架台に上述した各種機器類を搭載し、その周囲にカバーを配置して構成されている。
また、ナセル１０の外部（例えば上部）には、ナセル１０の揚抗比を向上するための空力的付加物である付帯部品１１が設けられている。

ロータ２０は、風力によって回転し、ナセル１０内の発電機を駆動する風車である。
ロータ２０は、ブレード２１、ハブ２２等を有して構成されている。
ブレード２１は、風力を受けたときに生ずる揚力によってロータを回転させる翼部であって、放射状に複数設けられている。
ハブ２２は、ロータ２０の中心部に配置され、ブレード２１が取り付けられる基部であって、ナセル１０に設けられた軸受によって回転可能に支持されている。
また、ハブ２２は、ブレード２１の仰角を変化させるピッチ可変機構等を備えている。
実施例１においては、ロータ２０が通常使用時におけるナセル１０の風下側の端部に取り付けられるいわゆるダウンウインド型の風力発電装置となっている。

タワー３０は、ナセル１０を高所に支持するほぼ円柱状の支柱であって、通常使用時に上下方向にほぼ沿って延在している。
タワー３０の上端部は、ナセル２０をヨー方向に回転可能に支持するヨーベアリングを介してナセル２０の下部に接続されている。
また、タワー３０は、ナセル２０をヨー方向に回転駆動する駆動機構を備えている。

浮体４０は、タワー３０の下端部に設けられ、大部分が海面ＳＬ以下に配置されて装置全体を洋上で支持可能な浮力を発生するものである。
浮体４０は、一端部が例えば海底等に固定された係留索４１によって係留されている。

次に、このような浮体式風力発電装置１の運用時に、装置各部に作用する力の関係について、図２を参照して説明する。
図２に示すように、タワー３０の中心軸からナセル１０及びタワー３０の空力中心ＣＡ（実質的にナセル１０の空力中心と等しい）までの距離をｃ、装置の動揺中心ＣＲから、上述した空力中心ＣＡまでのタワー３０の中心軸に沿った高さをＨ、浮体４０の傾斜角（＝ナセル１０の仰角）をα、ナセル１０の仰角がαであるときにナセル１０及びタワー３０に生じる揚力Ｌ（鉛直方向力）と抗力Ｄ（水平方向力）との合力Ｆがタワー３０の中心軸に対してなす角度をβとしたときに、ｃ−Ｈ・ｔａｎβ＜０を充足すると、ナセル１０等に空力的に作用する力Ｆが、浮体式風力発電装置１の傾斜を復元させる復元力として作用することになる。
なお、上述したｃ，α，βは、風速、風車形状等に依存する変数であり、装置の設計上においては、使用上想定される風速の範囲内で上述した関係式が充足されるよう、風車形状の選定を行なうことが重要となる。

以下、具体例Ａ、具体例Ｂをあげて、復元力の発生有無について検討する。
具体例Ａ，Ｂに共通する前提として、ｃ＝１ｍ、Ｈ＝６０ｍ、α＝１０ｄｅｇとする。
先ず具体例Ａとして、Ｌ＝５、Ｄ＝１（揚抗比Ｌ／Ｄ＝５）であるとする。
このとき、β＝α−ｔａｎ（Ｄ／Ｌ）＝−１．３ｄｅｇである。
ｃ−Ｈ・ｔａｎβ＝１−６０・ｔａｎ−１．３＝２．４＞０であり、復元力は発生しない。

次に、具体例Ｂとして、Ｌ＝１０、Ｄ＝１（揚抗比Ｌ／Ｄ＝１０）であるとする。
このとき、β＝α−ｔａｎ（Ｄ／Ｌ）＝４．３ｄｅｇである。
ｃ−Ｈ・ｔａｎβ＝１−６０・ｔａｎ４．３＝−３．５＜０であり、復元力は発生する。

そこで、実施例１においては、ｃ−Ｈ・ｔａｎβ＜０を充足するよう、ナセル１０の揚抗比を高めた形状としている。
ナセル１０の揚抗比を高める具体的手法として、実施例１では、図１に示すように、ナセル１０の風上側（ロータ２０と反対側）の端部を、先端側（風上側）ほどロータ２０の主軸方向から見たときの断面積が絞り込まれる先細りの形状としている。このナセル１０の突端部は、球面状の凸面とされている。
ナセル１０をこのような形状とした場合、揚抗比Ｌ／Ｄ＝１０以上は、十分に実現が可能である。

以下、実施例１の効果を、以下説明する本発明の比較例１、比較例２と対比して説明する。
なお、以下説明する各実施例、比較例において、従前の実施例等と実質的に共通する箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図３及び図４は、比較例１、２の浮体式風力発電装置の模式的側面図である。

図３に示す比較例１の浮体式風力発電装置１Ｂは、通常使用時におけるロータ２０がナセル１０の風上側に配置されたアップウインド型のものであって、ナセル１０の揚抗比は、実施例１に対して小さくなっている。
また、図４に示す比較例２の浮体式風力発電装置１Ｃは、実施例１と同様にダウンウインド型ではあるが、ナセル１０は実施例１のような先細りの形状ではなく、揚抗比は比較例１と同様に小さくなっている。

比較例１、２のように、ナセル１０の揚抗比が小さい場合、ｃ−Ｈ・ｔａｎβ＞０となる場合が多いことから、風力を受けてナセル１０が風下側に倒れるよう浮体４０が傾斜した場合に、空力的な復元力の発生は期待できない。
特に、比較例１のようなアップウインド型の場合には、ブレード２１の位置によってナセル１０の周囲の気流が変化することから、安定した流体力を得ることができない。
また、図４のようにダウンウインド型風車を用いた場合であっても、ナセル１０の揚抗比が小さい場合、強風を受けて角度α傾いた際に、揚力Ｌを十分に得ることができず、抗力Ｄが大きくなり、結果として生ずる流体力Ｆの空力中心ＣＡからの作用線は、浮体の動揺中心から引いた作用線よりも風上側に位置し、結果として浮体の傾斜角αを増大させてしまう。
この場合、例えばサブ浮体や複雑な制御機構等を設けて、装置の姿勢を維持することが必要となり、浮体式風力発電装置の構成が複雑となり、コストも増加してしまう。

これに対し、実施例１によれば、ダウンウインド型のナセル１０の先端部を先細りの形状として、揚抗比Ｌ／Ｄを大きくし、ｃ−Ｈ・ｔａｎβ＜０となるようにしたことによって、ナセル１０が風を受けたときに生じる流体力Ｆの作用線が浮体４０の動揺中心ＣＲよりも風下に位置するため、流体力Ｆが浮体式風力発電装置１の傾斜を復元させる方向に作用することによって、複雑な機構や制御機構を設けることなく、風車タワーの形状のみによって安定性を高め、風車タワーの傾斜を抑制することができる。

次に、本発明を適用した浮体式風力発電装置の実施例２について説明する。
図５は、実施例２におけるナセル部の拡大模式的側面図である。
図５に示すように、実施例２においては、ナセル１０の風上側の端部を、テーパ状に先細りとするとともに、突端部を鋭利に形成したことを特徴とする。
以上説明した実施例２においても、上述した実施例１の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。

次に、本発明を適用した浮体式風力発電装置の実施例３について説明する。
図６は、実施例３におけるナセル部の拡大模式的側面図である。
図６に示すように、実施例３においては、ナセル１０の上面部における風上側の端部を、先端部側が下がるように斜めにカットした斜面として形成したことを特徴とする。
以上説明した実施例３においても、上述した実施例１の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。

次に、本発明を適用した浮体式風力発電装置の実施例４について説明する。
図７は、実施例４におけるナセル部の拡大模式的側面図である。
図７に示すように、実施例４においては、ナセル１０の上面部における風上側の端部を、先端部側が下がるように斜めにカットした斜面として形成するとともに、ナセル１０の下面部における風上側の端部を、先端部側が上がるように斜めにカットした斜面として形成したことを特徴とする。
以上説明した実施例４においても、上述した実施例１の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）浮体式風力発電装置を構成する各部の形状、構造、配置等は、上述した各実施例に限定されず、適宜変更することができる。特に、ナセルの形状は、上述した実施例のものに限らず、ｃ−Ｈ・ｔａｎβ＜０を充足し得る、高い揚抗比Ｌ／Ｄが得られるいかなる形状であってもよい。
例えば、実施例４のようにナセルの風上端をカットする場合、上下面をカットする代わりに、側面をカットするようにしてもよい。また、上下面及び側面をともにカットしてもよい。
（２）各実施例では、主にナセルの揚抗比を大きくすることによって復元力を得ているが、本発明はこれに限らず、タワーの形状や、タワーに空力的付加物を設けることによって復元力を得るようにすることもできる。

１ 浮体式風力発電装置 １０ ナセル
１１ 付帯部品 ２０ ロータ
２１ ブレード ２２ ハブ
３０ タワー ４０ 浮体
４１ 係留索 ＳＬ 海面
ＣＲ 動揺中心 ＣＡ 空力中心

Claims (3)

1. 水上に浮かべられる浮体と、
   前記浮体から上方へ突き出したタワーと、
   前記タワーの上端部に設けられ、ロータ及び発電機が設けられるナセルと
   を備える浮体式風力発電装置であって、
   前記タワーの中心軸から前記ナセル及び前記タワーの空力中心までの距離をｃ、
   前記浮体の動揺中心から前記空力中心までの高さをＨ、
   前記浮体の傾斜角をα、
   仰角がαであるときに前記ナセル及び前記タワーに生じる揚力Ｌと抗力Ｄとの合力Ｆが前記タワーの中心軸となす角度をβとしたときに、
   ｃ−Ｈ・ｔａｎβ＜０
   を満たすことを特徴とする浮体式風力発電装置。
2. 前記ロータは通常運転時において前記ナセルの風下側に設けられること
   を特徴とする請求項１に記載の浮体式風力発電装置。
3. 前記ナセルの通常運転時における風上側の端部は、風下側から風上側にかけて断面積が縮小する先細り形状となっていること
   を特徴とする請求項２に記載の浮体式風力発電装置。

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