JP5807319B1 - 浮体式洋上風力発電設備 - Google Patents

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Abstract

【課題】自律移動したり、定位置に居続けたりできる、係留不要で発電コストの小さい浮体式洋上風力発電を提供することで、景観を損なわず、低周波騒音、日陰など問題が発生する生活地域やバードストライクが発生する山林地域と距離を置き、台風や突風、落雷など悪天候を避け、風況の良い場所で効率よく発電する。【解決手段】細長い浮体２にセイル４とラダー１４を具備し、浮体上には風力発電設備とバッテリーを有し、これらはGPSと通信設備を搭載し、長期気象情報から風況が良く、かつ安全な場所を判断し自律操作して移動することができ、高い稼働率で風力発電する。浮体は長手方向の両方向に進行でき、かつ風上側にも進めるため、スイッチバックの要領で繰り返すことでほぼ同位置に停滞することが可能で、係留型浮体式風力発電と同様の機能を果たすこともできる。発生した電力はバッテリーなどに蓄えられ、陸上など使用箇所で電力を取り出して使用する。【選択図】図３

Description

本発明は、洋上において、移動可能な浮体に設けたセイルが受ける風の力と、センターボードの水への抵抗力を利用し、ラダーで進行方向を制御して風上方向に進行し、スイッチバックの要領で風下に流されないようにして、陸地や海底に固定することなく定点で停滞したり、気象、海象に応じて発電効率が良い場所に移動したりすることを可能とした、浮体式洋上発電設備である。
再生可能エネルギーの利用を拡大していく中で、風力発電設備は陸上の設置以外にも沿岸着床型や洋上浮体型と設置可能場所を広げている。
風力発電設備は風況が良い場所が望ましく、山地が国土の7割を占め、風の通りが悪い我が国の陸上では設置場所が限られる。また風況が良い場所であっても電力消費地から遠い場所では送電設備も併せて設置しなければならなず、費用負担が上乗せとなる。そこで、電力消費地や送電接続容易地の近くの沿岸、または洋上に風力発電設備の設置がされている。海上では風を遮る地形や構造物がなく陸上より風況が良い場所が多い。また、陸上では近隣生活者などから風車が回転することによる低周波騒音や、景観が損なわれる懸念、また野鳥が風車の回転に巻き込まれるバードストライクなど、風力発電事業と衝突する可能性がある問題がある。
洋上に移動可能の浮体に設け、常に風車が風向に対し90度または−90度で風を受けることができるように制御する風力発電設備の提案もなされている。
特開２００９−４１４７７
風力発電設備を設置することを考える上で、山地の多い我が国では設置に適した条件の土地の面積は限られている。発電量を増やすためには陸上以外で風力発電設備を展開する必要がある。
我が国は台風が多く通過する国である。風力発電設備は、強風による破損が発生することがある。人の生活圏の近くに設置する場合、落下物が人や建物、車に被害を及ぼす可能性がある。また設備の修繕費用が発生したり強風被害に備えた強度設計が必要となるため、風力発電コストが大きくなってしまう。雷や雹のような気象災害による被害例も同様である。
風力発電設備は風況の良い場所に設置することが望ましいが、陸上では山地に阻まれる我が国では安定した稼働が得られる場所は限られている。平地では近隣住民に騒音・低周波音の障害の報告がある。山頂やその周辺は比較的風況が良い地域もあるが、設備設置コストが平地に比べて大きくなる。また突風の被害にあったり野鳥などの生存に被害を与える懸念がある。
風力発電設備を洋上に設置しているケースもある。陸上よりは安定した風況を得られると期待される。沿岸での着床型の場合、我が国では遠浅の海底が少なく設置に適した面積が限られている。前述のように、周辺地域への騒音問題の懸念がある。沖合に浮体設備を係留し風力発電設備を設置して検証が行われている。周囲に風を遮るものがないため、更に良好な風況を得られると期待される。しかし係留設備や送電線など大掛かりな付帯設備が必要となり発電コストが大きくなってしまう。係留のための鎖や送電ケーブルに漁業の網が掛かってしまう懸念があり、漁業関係者との調整が必要となる。
風力エネルギーの活用を広げるには、風況が良く、陸上の生活圏内に衝突がなく、面積も広大である洋上で、漁業関係者に支障を与えなず小さな設備コストで発電する手法が望ましい。
洋上に自律航行可能な浮体を浮かべ、その上に風力発電設備を敷設する。バッテリーなどエネルギーを蓄える機器を併設し、風力発電設備で起こした電力を蓄え、バッテリーを陸上に移送して所望の場所で電力エネルギーを取り出す。
浮体は細長丸く薄い板状、又は船状であり、風を受けるセイルとセイルを立てるためのマスト、セイルを操作するためのブーム、浮体が風下に流されないようにするセンターボードと、浮体の航行の方向を操作するラダーを具備する。センターボードにはセイルに風を受けた時に容易に浮体が転覆しない必要なウェイトがあるものとする。
セイルはマストの軸を中心に回転でき、ブームに力をかけて操作できる。
浮体自身の位置を把握するためのGPSを有し、衛星通信などから長期気象情報を入手し、風況の良い場所を自ら判断し移動して発電する。
浮体は、風向に対するセイルの開き角度から航行速度を調整できる。またラダーの操作と、浮体とセイルの開き角度の操作とで風上側へ進行することができる。浮体は長手方向に対象の形状をしており、セイルの風を受ける面によって、長手方向のどちら側にも進行することができる。
浮体は風を受けて風下に流される分を風上に進行して相殺でき、これを長手方向に対してスイッチバックの要領で前進後退を繰り返すことで、ほぼ洋上の定点で停滞し続けることが可能である。
よって本発明による浮体式風力発電設備は所望の場所に向けて自律的に航行移動が可能であり、また所望の位置に停滞し続けることも可能である。浮体の能力に対し風が弱過ぎたり、強過ぎたりする場所は制御不能となるため浮体は予め当該場所からの移動を選択する。
2014年時点で、係留型浮体式洋上風力発電の建設コストは10億円/MWと言われている。発電効率を上げるために風車は巨大化の傾向があり、数MW〜10MWサイズの設備が建てられると建設コストは莫大である。
設置型風車の仕様は、設置される場所の風況調査により決定され画一的でない。使用部品のサイズも異なる可能性があり、量産効果が利かず発電設備のコストは下げにくい。係留型浮体式風力発電設備は、設備が巨大であることからメンテナンスに大きなコストがかかる。本発明による浮体式風力発電設備は量産性、メンテナンス性の観点からも適正サイズを検討し、風車のサイズではなく台数の規模で発電容量を拡大する。量産効果で部品のコスト抑制も可能と考える。
本発明による浮体式風力発電設備の場合、係留設備や有線接続線が不要であるため、ひとつの浮体に対し0.1〜10kWサイズの発電設備が搭載できるレベルでも実現できる。大規模な初期費用がなく洋上浮体式風力発電設備を設置できることになる。
本発明の実施例の平面図を示す。 本発明の実施例を浮体の長手方向軸から見た側面図を示す。 本発明の実施例を浮体の長手方向との直交軸から見た側面図を示す。 本発明の応用例（１）の浮体部分の平面図(上から見た)を示す。 本発明の応用例（１）の浮体部分の平面図(下から見た)を示す。 本発明の応用例（１）の浮体部分の側面図を示す。 本発明の応用例（１）の浮体以外の部分の平面図を示す。 本発明の応用例（１）の浮体以外の部分の長手方向軸から見た側面図を示す。 本発明の応用例（１）の浮体以外の部分の長手方向と直交軸から見た側面図を示す。 本発明の応用例（１）の平面図を示す。 本発明の応用例（１）の側面図を示す。 本発明の応用例（２）の平面図を示す。 本発明の応用例（２）を浮体の長手方向軸から見た側面図を示す。 本発明の応用例（２）を浮体の長手方向と直行軸から見た側面図を示す。
１軸方向に細長い平らな板状、又は船状の浮体上に軸回り方向に回転可能な接続体で接続させたセイルを立設させ、同浮体下には横流れ防止のセンターボードと推進方向操舵用のラダーを具備させる。センターボードには、セイルが風を受けた時に浮体が転覆しないような十分なウェイトがあるものとする。セイルの開きを操作できるようにブームに接続されたワイヤーを引くレール上を移動できる滑車が敷設されている。浮体の長手方向の両端付近にはそれぞれ風力発電設備と発電された電力を蓄えておくバッテリーが設置されている。
一方向から風が吹いている時、浮体の長手方向に対して直角、かつマストが立設されている側に風を受けているとする。浮体の長手方向に滑車が移動するとワイヤーを経由してセイルを開き、セイルに風を受けると浮体は風に押され、水中のセンターボードの方向に沿って進行する。
セイルが大きく開いて風を受ける量が多くなると浮体の進行速度は増大する。セイルを閉じて風を受ける量が少なくなると浮体の進行速度は減少する。セイルを閉じて風を受けなくなると浮体は停止する。
浮体が進行している時にラダーを操作すると風下側、又は風上側へ浮体の進行方向を変えられる。
一方向にセイルを開いて進行している浮体がセイルを閉じて浮体の速度を十分に落とした後に、今度はセイルを反対側に開くと、浮体は先程まで進行してきた方向と逆方向に進行する。
浮体をスイッチバックの要領で往復進行を繰り返しながら、ラダーを操作して風上側に移動させ、浮体が風下に流される移動量と相殺されると、浮体は地位的にはほぼ定位置に居続けることとなる。ほぼ定位置にあり続けながら風車に風を受けて発電できるため、係留設備が不要な浮体式風力発電設備として運用することが可能となる。
発電された電力を蓄えたバッテリーを使用地まで移動させ電力を取り出す。
図１、図２、および図３に示すように、１軸方向に細長く丸い板状の浮体２は水面１２に浮いている。浮体は船状であっても良い。浮体２上にはマスト３が立設され、マスト軸周りに回転できるようブーム１１とセイル４が具備されている。浮体上には長手軸沿いにレール７とその上を移動できる滑車５が敷設され、滑車が移動することでワイヤー６を介してブームとセイルの開き角度を調整できる。
矢印の方向から風１が吹いている時、セイルを開いて風を当てると浮体は風に押される向きに進行する。進行はセンターボード１３に沿った方向となる。
浮体の進行中にラダー１４を操作すると浮体の進行する方向を風上側、または風下側へ変えられる。
浮体の進行中にセイルに風が当たらないように閉じると浮体の進行速度は小さくなる。浮体の進行速度が十分小さくなった後に、ブームを引く滑車をそれまでと反対側に移動するとセイルの反対面に風が当たり、浮体の進行方向は逆向きになる。これを繰り返すとスイッチバックの要領で浮体を往復させることができる。
浮体を往復させながら、ラダーを操作し浮体を風上側に進行させ、風下方向に流される移動量と相殺させると、浮体はほぼ一定の位置に停滞していることと同様にみなすこともできる。
浮体上には長手軸方向両端に風車シャフト５を介して発電風車８が立設される。風車が回転すると電力を発生する。発生した電力はバッテリー１０に蓄えられる。
このことにより、陸地や海底に浮体を係留しなくてもほぼ一定の位置で発電できる浮体式風力発電設備を実現することができる。
本浮体式風力発電設備には通信設備、GPS、コンピュータを搭載させ、気象予測から風況の良い場所を判断し自律移動しながら発電することも可能である。機器類は自ら発電した電力を使用する。
図１０，１１は実施例１の応用版である。
浮体２は長手軸方向に対する側舷に風１を受けている。洋上では風によって波が発生し側舷に打ち寄せ、浮体が揺れることがある。安定して風を受けるために浮体とセイルは一体とせず分離させる。セイルと浮体はセイル接続シャフト取り付け金具１５にセイル接続シャフト１６を載せて接続されている。セイル接続シャフトはセイル接続シャフト取り付け金具の上でシャフト軸周りに回転できる。従って、水面の波で浮体が揺れても浮体の傾きとは関係なくセイルを立てることができる。
セイルはセイル接続シャフトに取り付けられた補助浮体支持アーム１８、補助浮体１７があるため、強風や突発的な風で水面に倒されることがない。
セイル４は、セイル接続シャフトに対してセイル位置移動用レール１９が回転できるセイル位置移動用レール回転シャフト２１とセイル角度回転用テーブル２０を介して、マスト３に張られた形で浮体に立設される。浮体に対するマストの位置、角度を調節することで、風が吹いている中で重心を移動して浮体設備のバランスをとることができる。
風上側に風向風速センサー２３を設置し、得られた情報をセイルの制御などにフィードバックして最適な操作を行えるようにする。風向風速センサーは補助浮体上に設置してもよい。
図１３、１４、１５は実施例１の応用版である。
浮体２はセイルの両面に交互に風を受けることで、スイッチバックの要領で往復することができる。浮体２の水中面側に浮体より幅、長さがひと回り小さいサブ底面２２を取り付ける。風が強くなり浮体の進行速度が大きくなり浮体の進行先端が浮き上がる場合にサブ底面が水面に接し、進行方向の前側が後ろ側より接水幅が小さくなることで、進行の直線性を高めることができる。
上述の実施例において風力発電設備のみならず太陽光発電設備を搭載しても良い。
上述の実施例において、発電した電力をバッテリーに蓄える以外に、水を電気分解して水素を蓄えるなど他のエネルギーとして蓄えても良い。
陸上や海底に固定、係留することなく浮体式風力発電設備を洋上に設置することができることから、陸地から遠く水深が深い洋上にも安価に浮体式洋上風力発電設備を展開することができる 。
１ 風向
２ 浮体
３ マスト
４ セイル
５ 滑車
６ ワイヤー
７ レール
８ 発電風車
９ 風車シャフト
１０ バッテリー
１１ ブーム
１２ 水面
１３ センターボード
１４ ラダー
１５ セイル接続シャフト取り付け金具
１６ セイル接続シャフト
１７ 補助浮体
１８ 補助浮体支持アーム
１９ マスト位置移動用レール
２０ セイル角度回転用テーブル
２１ セイル位置移動用レール回転シャフト
２２ サブ底面
２３ 風向風速センサー

Claims (9)

  1. １軸方向に細長く丸い板状、又は船状、且つ、長手方向に対称に形成された浮体上に立設したセイルに風を受けて進行し、セイルを立てるためのマストは浮体の風を受ける側舷寄りに立設され、浮体底に取り付けたラダーを操作して風上側、風下側に進行向きを変えられる設備において、浮体の位置を測定するGPSと衛星回線など通信手段を有し、長期気象予測を基に所望の風況の良い位置に移動したり、セイルの両面に交互に風を受けることでスイッチバックの要領で前進後退を繰り返し、風下側に流される移動分を風上側に移動することで、ほぼ定位置に居続けられる自律航行可能な浮体設備と、本浮体設備上に設置した風力発電設備とバッテリーを用いて電力を得られる、陸地や海底に係留、固定しない浮体式風力発電設備。
  2. １軸方向に細長く丸い板状、又は船状、且つ、長手方向に対称に形成された浮体上に立設したセイルに風を受けて進行し、セイルを立てるためのマストは浮体上にセイル位置移動用レール回転シャフトを介して回転可能に設けたセイル位置移動用レール上を移動することにより立設位置を変更可能に設け、浮体底に取り付けたラダーを操作して風上側、風下側に進行向きを変えられる設備において、浮体の位置を測定するGPSと衛星回線など通信手段を有し、長期気象予測を基に所望の風況の良い位置に移動したり、セイルの両面に交互に風を受けることでスイッチバックの要領で前進後退を繰り返し、風下側に流される移動分を風上側に移動することで、ほぼ定位置に居続けられる自律航行可能な浮体設備と、本浮体設備上に設置した風力発電設備とバッテリーを用いて電力を得られる、陸地や海底に係留、固定しない浮体式風力発電設備。
  3. 前記浮体には、軸回転可能なセイル接続シャフトを長手方向に設け、セイルは該接続シャフトを介して浮体とは独立に揺動できることを特徴とする請求項１または２に記載の浮体式風力発電設備。
  4. 強風や突風でセイルが倒れないように補助浮体で支持する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の浮体式洋上風力発電設備。
  5. セイルは、前記セイル接続シャフトに対してセイル位置移動用レールを回転可能に設けたセイル位置移動用レール回転シャフトと、セイル位置移動用レール上を移動および回転可能に設けたセイル角度回転用テーブルを介して、マストに張られた形で浮体に立設されることを特徴とする請求項２または３に記載の浮体式風力発電設備。
  6. 浮体水中面側に浮体よりも幅、長さがひと回り小さいサブ底面を有し、進行方向先端が浮き上がった際に進行直線性を高めた請求項１ないし５のいずれか１項に記載の浮体式洋上風力発電設備。
  7. 浮体の風上側に風向風速センサーを具備し、セイルの受ける風の情報を事前に取得し、最適なセイル操作ができる請求項１ないし６のいずれか１項に記載の浮体式洋上風力発電設備。
  8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の浮体式設備に太陽光発電設備を搭載した浮体式太陽光発電設備。
  9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の浮体式設備で発生したエネルギーを用いて、水を電気分解して水素として蓄える浮体式発電設備。
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