JP6396427B2 - 浮体式風力タービン構造体 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

〔技術分野〕
本発明は、浮体式風力タービン構造体に関するものである。

より具体的には、本発明は、上部に風力タービンのナセルを備え、下部にフロートを有する支持アーム構造を備えた浮体式支持体に関するものである。なお、上記支持アーム構造体は、バラスト構造、付加重量、および減衰システムなどを備えていてもよい。

従来、風力タービンのナセル毎に１本のマストを備えたシングルマスト構造の浮体式支持構造が知られている。

しかしながら、シングルマスト構造では、マストの下端部および上端部に機械的応力が集中してしまうという問題がある。これらの応力は、フロートの移動（特に風の変化による移動）によって繰り返し発生するので、特に機械的疲労の観点から、構造物のサイズに影響を及ぼす。

また、シングルマスト構造には、回転翼の羽根の先端が地面に向かう垂直位置になったときにマストと羽根とが非常に近接するという問題もある。羽根がマストに近接する位置を通過する場合、マストのサイズが大きいほど、また羽根とマストとの間の距離が短いほど、空気力学的な擾乱によって羽根に作用する空力荷重が大幅に変動する。このような空力荷重の変動により、繰り返し荷重、機械的応力、および機械的疲労が生じる。

本発明の目的は、より軽量、より経済的、かつ、より大きなエネルギを産出することのできる風力タービン構造体を提供することにより、上記の問題を解決することである。

上記の目的を達成するために、本発明の一態様にかかる浮体式風力タービン構造体は、上部にナセルが接続され、下部にフロートを構成する部材が接続された、ナセルを支持するための複数の支持アームを備えている。なお、前記浮体式風力タービン構造体は、バラスト構造、付加重量、および減衰システムなどを備えていてもよい。ナセルは、風力によって動くロータの羽根によって生成されるトルクを電力あるいは圧力などのエネルギに変換する機能と、ロータおよび羽根を保持する機能とを有している。前記構造体は、ナセルの風上側に配置されたナセルの支持アームを少なくとも１本備え、かつ、ナセルの風下側に配置されたナセルの支持アームを少なくとも１本備えている。したがって、前記構造体では、１または複数の羽根が形成された、水平方向あるいはほぼ水平方向の軸を有する風力タービンロータが当該ロータの理論的な軸のまわりを自由に回転できるようになっている。換言すれば、前記構造体は、風上側の支持アームの上部と風下側の支持アームの上部とが、ロータおよび羽根の回転を阻害しないように、溶接あるいはボルト留め等によって強固に固定接続されている。この固定接続は、少なくとも１つの強固に接続された接続部材によって実現してもよく、前記両アームの上端部を互いに直接固定することによって実現してもよい。したがって、前記両アームは互いの上端部が構造的に連続しており、互いに相対的に移動することはない。また、少なくとも１つの前記接続部材が用いられる場合には、前記両アームおよび前記接続部材は互いに相対的に移動しない。

このため、前記構造体の固有共鳴振動数は、固定されたシングルマスト構造の浮体式風力タービン構造体の固有共鳴振動数よりも本質的に高いので、風力タービンに生じる振動の問題を著しく軽減することができる。実際、金属製マストを用いる従来の風力タービンの固有振動数は羽根の回転によって励起される励起振動数の範囲内であり、構造体の固有振動数を相殺させるために例えばマストの直径を増大させる等の措置を講じる必要があるので、コストが増大する。

前記構造体では、従来技術にかかる風力タービンのようにロータが垂直方向の軸に沿って自由に回転しないことは明らかである。また、単一の垂直マストと比較すると、羽根が次のアームに向けて通過するときのアームと羽根との間の距離の最小値が著しく大きくなること、および支持アームの垂直方向に対する傾斜が大きいほど前記最小値が大きくなることは明らかである。上記の羽根部分と支持アームとの間の距離の最小値は、羽根部分のロータの回転軸までの距離が増加するほど増大する。また、羽根部分は、風のエネルギを獲得する主要部、すなわちエネルギ生成源であり、ロータの回転軸から遠いほど好ましい。前記アームの傾斜により、風力タービンのエネルギ効率を向上させることができる。前記アームの垂直方向に対する傾斜角度は、５°から５５°の間であることが好ましく、１０°から４５°の間であることがより好ましい。

他の態様として、羽根を回転可能に支持するロータの軸を中空軸とし、ナセルおよび支持アームの上部を上記の中空軸内で互いに接続してもよい。前記中空軸の内径は、ロータおよび羽根の外径（すなわち、最も大きい羽根の端部の軌跡の直径）よりも大きくてもよい。ロータおよび羽根の外径は、前記中空軸の内径の２％から５０％の間であってもよい。したがって、羽根におけるロータに近い部分はトルクが発生しないか、発生しても非常に小さいので、羽根を回転可能に支持するロータの外径が一定である場合、羽根の自由長を、空力トルクを大幅に低下させることなく短くすることができる。ロータおよび羽根によって生成されるトルクの大部分が羽根におけるロータの回転軸から当該羽根の長さの半分以上離れた部分で生成されることは当業者に知られている。したがって、ロータおよび羽根の組立構造体のトータルの外径が一定である場合、羽根の長さを短くすることにより、自由長を短くして羽根の根元に作用する機械的応力を軽減し、羽根のコストを低減することができる。

また、前記中空軸の直径を大きくすると、アームの上端部を接続するために利用可能な空間が大きくなるので、羽根に風向きに応じた力がかかることによって生じる機械的応力を分散させて拡散することができる。これにより、前記構造体における機械的応力を低減することができる。したがって、前記構造体を容易に実装することができる。

さらに他の態様として、支持アームが、流線型、あるいは風が当たる面を制限して風力タービンの羽根の空気力学的擾乱を抑制する外径形状を有していてもよい。例えば、前記外径形状はＮＡＣＡ型であってもよい。抵抗係数（Ｃｄ）は０．５未満であることが好ましく、０．２未満であることがより好ましい。このような形状は、旋回可能に固定されたマストを備えておらず、ナセルが風に面する状態になる従来の風力タービンには不適である。そのような従来の風力タービンでは、単一の風向きに適した断面形状を有するマストが空力抵抗の観点から有利である。風がマストの断面形状の弦に沿わなくなるとすぐに空力的擾乱が円形断面よりも大きくなる。このため、従来技術のマストのほとんどは、風向きにかかわらず同じ効果が得られるように断面形状が円形になっている。

さらに他の態様として、ナセルの各支持アームが保持アームに接続されていてもよい。また、前記保持アームは、上記の回転支持構造の下部において水平方向に延伸するように配置されていてもよい。ナセルの支持アームは、上部がナセルで互いに強固に固定され、下部が水上あるいは水中において保持アームによって互いに強固に固定されている。このような構成により、前記構造体をより強固にすることができる。

さらに他の態様として、風力タービンの風向きに応じた方位が１または複数の手段によって実現されるようにしてもよい。第１の手段は、係留点のまわりに風力タービンを自己配向させる手段からなる。この構成では、投錨線を接続する係留点は、風に対する帆力の中心位置の風上側に配置される。投錨線は浮体式風力タービン構造体を海底あるいは湖底に接続する手段である。また、帆力の中心とは、風の動きにさらされる浮体式風力タービン構造体の水上部分であって、風が羽根に及ぼす水平方向の力の重心である。したがって、前記風力タービンは、船と錨との関係と同様に、風に向かう方向に自動的に自己配向する。第２の手段は、ナセルの支持アームの先端が垂直方向の軸および／または羽根の回転軸に垂直な水平方向の軸のまわりを旋回することによりナセルの向きを変化させるものである。支持アームの存在によって制限されるものの、ナセルを垂直方向の軸周りに回転させることにより、風力タービンの向きを、例えば空気力学的な後流を逸らすように、あるいはうねりの影響を打ち消すように、風向きとは異なる方向に調整できる。これにより、風向きやうねりの向きにかかわらず、風力タービンの空気力学的な効果を保証することができる。風力タービンに対して風下側の領域に生じる風力タービンの後流は、平均風速が風力タービンの風上よりも遅くなり、風力タービンの風上よりも乱流が激しくなることが知られている。上記のナセルを回転させる手段により、風下に配置される浮体式風力タービンあるいは固定式風力タービンの空気力学的な効果が後流領域によって阻害されないように後流領域を移動させて前記後流を逸らすことができる。集合型風力発電所では、複数の風力タービンを集合的に用いる場合がある。本発明において、風力タービンのナセルを水平方向かつロータの軸に垂直な方向の軸を有する回転軸によって軸受構造に接続した回転ナセルを用いてもよい。これにより、風による帆力およびうねりによって生じる力による浮体式風力タービンの傾斜状態にかかわらず、羽根を備えたロータが風のベクトル方向に対して垂直になるように、ロータおよび羽根の向きを調整することができる。これにより、風力タービンが風下に配置されている場合であっても、風力タービンの動作が阻害されないように風力タービンの後流を逸らすことができる。本発明において、円錐型ロータ、あるいは可変円錐型ロータ（すなわち、ロータの羽根がロータの回転軸に対して円盤状ではなく円錐状の軌道を通るように設定されたロータ、あるいは設定可能なロータ）を用いてもよい。本発明の風力タービン構造体は、ナセルとマストの間の距離が制限された従来の構造よりも、上記したタイプの円錐ロータに特に適している。

さらに他の態様として、前記風力タービン構造体は、同心の２つの部材からなるリールの外側部分に配置された１または複数の投錨線が接続される１または複数の係留点を備えている。前記２つの部材は、運動力学的に、垂直回転軸を有する少なくとも１つの旋回軸を備えており、リールの内側部分は浮体式風力タービン構造体に固定接続され、その中心部における前記２つの部材の間に垂直回転軸に沿った凹部が設けられていてもよい。

前記風力タービン構造体は、風力タービン構造体に固定接続されたリールの凹部に通された、電力伝送ケーブルおよびデータ送信制御ケーブルなどを含む要素からなる接続線を備えていてもよい。したがって、前記接続線は、風力タービンの海底に対する方位にかかわらず、投錨線には当接しない。

換言すれば、前記浮体式風力タービン構造体は、風力タービン構造体を係留点で旋回可能にするための垂直回転軸を有する少なくとも１つの凹部が形成された、貫通孔を有するリールと、リールの凹部に通された接続線とを備え、少なくとも１つの係留点で係留されていてもよい。

本発明のさらに他の態様にかかる浮体式風力タービン構造体は、フローティング支持部と、風の影響によって実質的に風の方向に対して垂直な平面であって風上側風力タービン領域と風下側風力タービン領域とを規定する平面で回転する少なくとも１つの羽根が形成されたロータと、風による回転をエネルギに変換するナセルと、フロートに固定され、かつ互いに強固に接続された少なくとも１つの第１アームおよび少なくとも１つの第２アームとを有する、ロータを支持するフレームとを備え、前記少なくとも１つの第１アームは前記風上側風力タービン領域に配置され、前記少なくとも１つの第２アームは前記風下側風力タービン領域に配置され、風上側風力タービン領域と風下側風力タービン領域との構造的連続性が保証されている構成である。

本発明の主な利点は、以下の点である。
−羽根とアームとの間の距離を長くできるので、羽根に作用する繰り返し荷重および機械的疲労を低減できる。
−単一マストの大きな直径に比べて支持アームの直径を小さくすること、および風力タービン構造全体を風に向けることにより可能になる支持アームの空力的形状により、あらゆる風向きを考慮して設定する必要のある固定マストを備え、ナセルのみが風に向かう風力タービンの場合と異なり、一般的なナセルの支持マストによって生成される空力的擾乱を減少させることができるので、羽根に作用する繰り返し荷重および機械的疲労を低減できる。
−ナセルの支持アームを複数本備え、ロータの中空軸内における利用可能な空間を大きくし、前記空間を用いて支持アームの上部連結部の力を分散および拡散させるとともに支持アーム同士を強固に連結することにより、浮体式風力タービン構造体に作用する応力集中を緩和できる。
−従来技術にかかる構造体よりも構造体の固有振動数を増加させることができるので、固有振動数をずらすために構造体のサイズを大きくする必要がなく、ロータによって生じる振動によって共振が生じないように保証できる。
−ロータと羽根との組立構造体の全体の外径が一定である場合、羽根の長さを短くできるので、羽根の自由長を短くし、羽根の根元に作用する機械的応力を低減できる。

本発明は、後述する実施例により、より適切に理解であろう。ただし、これらの実施例は単に実施の一形態にすぎない。添付図面は本発明を図示したものである。

図１は、本発明の装置を立体的に示した概略図である。

図２は、本発明の装置の側面図である。

図３は、本発明の装置を立体的に示した概略図である。

図１に示したように、ロータ２に２本の羽根１が接続されている。ロータ２（電動機および羽根の調整に必要な部材を含む）は、ナセル３に回転可能に接続されている。羽根１とロータ２とからなる組立構造体はプロペラとも呼ばれる。発電機を、油圧ポンプシステム、熱生成装置、あるいはエネルギフローを考慮した他のシステムに置換してもよい。図示を容易にするために、風上側のナセル支持アーム４がナセル３の中心に直接接続されているように描かれている。ただし、実際には、３本のナセル支持アーム４，４´，４´´が接続されるナセルの中心は、図示しない金属製の環状のフレームに隠されている。支持アーム４は風上側に配置されている。アーム４，４´，４´´および金属製の骨組からなる組立構造体はフレームとも呼ばれる。この構造を組み立てるために、まず、ナセルと羽根とを地上で組み立て、その後、ナセルと羽根の組立構造体をナセル支持アームの上部に吊り上げてナセル支持アームに固定する。羽根は、風に平行な水平方向の軸に沿って回転する際、３本のアームによって形成される四面体形状の中を通過する。上述したナセル支持アームは、水平で平らな保持アーム５に接続されている。アーム組立構造体は、垂直方向に延伸する３つの円筒状のフロート６に接続されている。リールの外部部材７は風力タービン構造体に回転可能に接続されている。本実施例では、３本の吊り線型の投錨線８が上記のリールの外部部材７に繋がれている。接続線９はリールの外部部材７の垂直方向の回転軸に沿って延伸している。リールの内部１０は、風力タービン構造に固定されており、回転軸に沿った中央部は接続線９が通されるスペースを形成するように凹状になっている。

図２の矢印Ａは風向きを示している。少なくとも１枚の羽根１，１´とロータ２とからなるプロペラは、平面あるいは円錐面に沿って回転する。その回転面によって空間が２つの領域に分割される。風上領域とも呼ばれる風上側の第１風力タービン領域にはアーム４が配置されている。風下領域とも呼ばれる風下側の第２風力タービン領域にはアーム４´が配置されている。一般に、上記回転面は、軸方向および方向Ａを基準として示される風のベクトル方向に垂直な面に対してプラスマイナス２０°の範囲である。すなわち、上記回転面は、風の方向に対して実質的に垂直である。ナセルおよびプロペラからなる上記装置は、方位調整手段として、例えばジャック、滑車、歯車などの当業者に公知の手段を備えていてもよい。アーム４および４´は、上端部が互いに強固に固定されている。このため、フロート６、保持アーム５、およびアーム４，４´からなる構造全体が構造的に連続しており強固な構造になっている。

図３に示したように、羽根１，１´は、ロータ２を回転させる。ロータは、少なくとも１つのベアリング（好ましくは複数のベアリングのセット）によってナセル３に対して回転可能に接続されている。精度が高く、発電機のロータとステータとのクリアランスが狭く、帆走推力を全く受けないベアリングを１つまたは２つ用いて発電機の電気ロータ機能を有する上記ロータの一部を案内するようにしてもよい。本実施例では、上記発電機を、減速ギア装置を用いずに直接接続している。上記発電機のロータは、永久磁石あるいは巻線ロータを用いており、発電機のステータの内部ではなくステータの周囲に配置されている。すなわち、アウターロータ構造になっている。ナセル３は、支持アーム４，４´，４´´に回転軸を介して接続されている。図３に示されているように、風上側支持アーム４と風下側支持アーム４´，４´´とは構造的連続性を有している。この構造的連続性により、より強固でより軽量な浮体構造を実現できる。上記浮体構造は、使用する部材が少ないので安価に製造できる。また、このような構造における固有共鳴振動数は、単一固定マストの浮体式風力タービン構造に比べて本質的に高い。このため、従来の風力タービンにおける振動の問題を大幅に軽減することができる。実際、当業者に公知のように、金属製マストを用いる従来技術で知られている風力タービンの固有振動数は羽根の回転によって励起される励起振動数の範囲内であり、構造体に固有の振動数を相殺させるために例えばマストの直径を増大させる等の措置を講じる必要があるため、コストが増大していた。

図３に示したように、ロータ２およびロータの羽根１，１´は、片持ちにはなっていない。このため、従来から公知の風力タービンとは異なり、ナセル３にはロータおよび羽根の質量によって生じる大きな曲げモーメントが作用しない。このように、作用する力が小さいので、構造設計を容易にし、コストを削減することができる。

図３に示したように、ナセル３は、羽根１，１´が通過する面の向きを調整できるように浮体構造に対して回転可能になっている。海や風の動きによって浮体構造が揺れる場合、例えば、羽根１，１´が通過する面をジャックシステム等で風に完全に直面させるようにしてもよい。

図３に示すように、ロータ２の中空の軸の直径の、羽根１，１´の円形の軌道面の直径に対する比は２０％台である。したがって、上記発電機（例えば上記ロータに永久磁石あるいは巻線ロータが直接接続された同期発電機）は、従来の風力タービンで用いられている発電機よりもはるかに大きな直径を有している。直径が大きいことにより、要求される仕様のレベル（例えば発電機の公称トルクのレベルなど）を得るために必要な作用部材の重量を低減することができる。このため、上記発電機のコストを低減することができる。また、ナセル内の利用可能な空間が大きいことにより、発電機のトルク、帆力、重力、および慣性力を受ける面積を大きくできる。図示を簡略化するために、風上側の支持アーム４の上部は図中では利用可能な上記空間を利用していないものとしている。力を分散させることにより、局所的な機械的応力が弱くなる。このため、疲労に対する構造物の抵抗が軽減され、それによって構造物の重量およびコストを低減できる。同様に、直径が大きいロータによって羽根の自由長を低減できるので、羽根の付け根に作用する曲げモーメントを従来の風力タービンよりも低減できる。これにより、疲労に対する羽根の抵抗を改善することができるので、それによって羽根の質量およびコストを低減することができる。

図３に示したように、支持アーム４，４´，４´´は、羽根の空気力学的な作用を改善するのに都合がいいように、空気力学的な擾乱を低減できる非円形断面形状を有しており、かつ傾斜している。当業者に知られているように、従来知られている風力タービンのマストは垂直であり、羽根を支持するロータの軸は羽根がマストの前を通過するときにマストと羽根との間に十分な距離を確保できるように、数度（例えば６°）傾斜している。羽根１および１´（図３参照）と支持アームとの間の距離を増大させることにより、羽根の空力的動作を改善できることは明らかである。

図３に示したように、リールの外側部分７は、ボールおよびソケット継手を介して風力タービン構造で接続されている。

上記装置は、フロートのタイプにかかわらず、水平方向の軸を備えた浮体式風力タービン構造に特に好適である。この装置は、はしけ、ブイ、減衰水タンクを備えた半潜水桟橋あるいは浮桟橋などに特に好適である。

本発明の装置を立体的に示した概略図である。 本発明の装置の側面図である。 本発明の装置を立体的に示した概略図である。

Claims (5)

1. 少なくとも１枚の羽根（１）を回転可能に支持するロータ（２）と、
   上部にナセル（３）が接続され、下部にフロート（６）が接続された、ナセル（３）を支持するための少なくとも２本の支持アーム（４），（４´）とを備え、
   前記支持アームの少なくとも１つはロータ（２）の風上側に配置され、
   前記支持アームの少なくとも１つはロータ（２）の風下側に配置されており、
   前記ロータ（２）はナセル（３）のまわりを回転するように配置された中空の軸を備え、
   少なくとも１つの係留点を介して係留される浮体式風力タービン構造体であって、
   前記係留点のまわりを前記浮体式風力タービン構造体が旋回できるようにするための垂直方向の回転軸を有する少なくとも１つの係留点を形成する、凹部が形成されたリールと、
   接続線（９）と、
   複数の投錨線（８）とを備え、
   前記接続線が前記リールの前記凹部に通され、
   複数の前記投錨線（８）が同じ前記リールに接続していることを特徴とする浮体式風力タービン構造体。
2. 前記支持アーム（４），（４´）同士の前記上部が互いに固定されていることを特徴とする請求項１に記載の浮体式風力タービン構造体。
3. 帆力の中心に対して風上側の位置に少なくとも１つの係留点を有す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タービン構造体。
4. 少なくとも１つの支持アーム（４）は、流線型、あるいは前記羽根（１）の空気力学的擾乱を抑制する外径形状を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の浮体式風力タービン構造体。
5. 前記ロータ（２）の中空の軸は旋回孔を有しており、前記旋回孔の直径とロータが前記ナセル（３）の周囲を旋回するときの少なくとも１つの前記羽根（１）の端部の軌跡の最大外径との比が２％〜５０％の間であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の浮体式風力タービン構造体。

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