JP6610218B2 - 浮体式電気プラント - Google Patents

Description

本発明は、浮体式電気プラントに関する。

現在、二酸化炭素などの有害物質を排出しないクリーンエネルギーの一つとして、洋上風力発電が知られている。洋上風力発電では、洋上の発電設備で発電した電力を、ケーブルを通して地上設備などに送電している。

また、洋上風力発電の一つの形態として、浮体式洋上風力発電が知られている（たとえば、特許文献１）。浮体式洋上風力発電は、発電設備を搭載した浮体を洋上に浮かべ、風力を利用して発電するものである。

特開２０１２−２０２２５０号公報

浮体式洋上風力発電では、洋上に浮かべた浮体が風や波の影響を受けて回転することがある。そうした場合、浮体に搭載された発電設備につながるケーブルが、浮体の回転によって引っ張られ、浮体に巻き付くおそれがあった。

本発明の主な目的は、水上に浮かぶ浮体が回転したときに、浮体へのケーブルの巻き付きを抑制することができる浮体式電気プラントを提供することにある。

本発明の一態様は、
電気設備を搭載する浮体と、
前記電気設備で扱う電力を送電するためのケーブルと、
前記電気設備で扱う電力を非接触給電方式により送電側から受電側に伝送可能な送電ユニットおよび受電ユニットと、
を備え、
前記送電ユニットおよび前記受電ユニットのうち、一方のユニットは、前記浮体に対して固定した状態で設けられ、他方のユニットは、前記一方のユニットに対して前記浮体の回転軸まわりに回転可能に設けられ、
前記ケーブルは、前記浮体の回転軸と交差する方向から前記他方にユニットに接続されている
浮体式電気プラントである。

本発明によれば、水上に浮かぶ浮体が回転したときに、浮体へのケーブルの巻き付きを抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る浮体式電気プラントの構成例を示す概略図である。 図１のＰ部を拡大した図である。 本発明の第２実施形態に係る浮体式電気プラントの要部を拡大した図である。 本発明の第２実施形態に係る浮体式電気プラントの応用例を説明する平面概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態に係る浮体式電気プラントの構成例を示す概略図であり、図２は図１のＰ部を拡大した図である。
本実施形態においては、一例として、浮体式電気プラントが浮体式洋上風力発電装置である場合について説明する。また、本実施形態では、「洋上」、「海面」、「海中」、「海底」といった用語を使用するが、これらの用語は、それぞれ「水上」、「水面」、「水中」、「水底」と読み替えることができる。

図示した浮体式洋上風力発電装置１は、洋上に浮かぶタワー２と、このタワー２に搭載された発電設備３と、ケーブル４と、を備えている。

タワー２は、浮体に相当するものである。ただし、浮体を構成する要素は、タワーだけに限らず、たとえば図示はしないが、タワーとこれを支持する基台とを組み合わせた構造物によって浮体を構成してもよい。あるいは、タワー以外の要素で浮体を構成してもよい。また、浮体の構成は、どのような電気設備を浮体に搭載するかによって種々の変更が可能である。

タワー２は、風車６やナセル７を支持するもので、円筒状に形成されている。タワー２は、図示しないチェーンやワイヤなどを用いて海底５に係留されている。また、タワー２は、縦向きの姿勢（ほぼ垂直な姿勢）で洋上に浮いている。ただし、タワー２の下部は、海中に沈んでいる。

発電設備３は、電気設備の一例としてタワー２に搭載されたものである。この場合、発電設備３で発電する電力は、電気設備で扱う電力に相当するものとなる。発電設備３は、風車６と、ナセル７と、を備えている。風車６は、ハブ１１と、このハブ１１に取り付けられた複数（たとえば、３つ）のブレード１２とを有している。ナセル７は、タワー２の上端部に搭載されている。ナセル７の内部には、図示しない回転軸、増速機、ブレーキ装置、発電機、変圧器、インバータなどが収容されている。

タワー２の上側部分は、海面１３よりも上方に突出した状態で配置され、タワー２の下側部分は、海面１３よりも下方（海中）に沈み込んだ状態で配置されている。また、タワー２の下端部には、送電ユニット１５と受電ユニット１６とが取り付けられている。送電ユニット１５と受電ユニット１６は、支持部材１７を用いてタワー２に取り付けられている。図２においては、説明の便宜上、送電ユニット１５と受電ユニット１６をそれぞれタワー２の外径寸法と同等の大きさで表記しているが、各々のユニットの大きさは任意に設定または変更が可能である。

送電ユニット１５は、ナセル７内の発電機で発電した電力を供給するものである。送電ユニット１５とナセル７内の発電機とは、タワー２内に配されたケーブル（不図示）を通して電気的に接続されている。受電ユニット１６は、送電ユニット１５が供給する電力を受給するものである。

送電ユニット１５と受電ユニット１６は、上下方向（鉛直方向）で互いに対向かつ近接する状態に配置されている。また、送電ユニット１５は、タワー２に対して固定した状態で設けられている。具体的には、タワー２の下端部に、支持部材１７を用いて、送電ユニット１５が固定されている。このため、洋上に浮いたタワー２が風や波の影響を受けて回転すると、このタワー２と一体に送電ユニット１５が回転する。その際、タワー２は、タワー２の中心軸を中心に回転する。このため、タワー２の中心軸は、タワー２の回転軸Ｊに一致している。

受電ユニット１６は、送電ユニット１５に対してタワー２の回転軸（Ｊ）まわりに回転可能に設けられている。さらに詳述すると、受電ユニット１６は、送電ユニット１５の直下に、支持部材１７を用いて回転自在に取り付けられている。支持部材１７は、図示しないベアリング等を介して受電ユニット１６を回転自在に支持している。

また、受電ユニット１６は、中心部に円形の孔を有している。これに対して、支持部材１７は、軸部１７ａとフランジ部１７ｂとを有している。そして、軸部１７ａは受電ユニット１６の孔に挿入されている。軸部１７ａは、タワー２の回転軸Ｊと同軸に配置され、この軸部１７ａを中心に受電ユニット１６が回転自在に支持されている。フランジ部１７ｂは、受電ユニット１６を下から受けるように支えている。

送電ユニット１５および受電ユニット１６は、発電設備３で発電する電力を非接触給電方式により送電側から受電側に伝送可能なものである。実際に発電設備３が発電した電力は、タワー２内のケーブル（不図示）を通して送電ユニット１５に送られ、さらに送電ユニット１５から非接触給電方式で受電ユニット１６へと伝送される。非接触給電方式とは、非接触で電力を供給する方式である。非接触給電方式には、たとえば、電磁誘導を利用した「電磁誘導方式」、電磁界の共鳴現象を利用した「電磁界共鳴方式」、電力を電磁波に変換して送受信する「電波方式」などがある。
本実施形態では、一例として、電磁誘導方式で電力を供給するものとする。具体的には、国際公開第２０１３／０１８２６８号などに開示されているものを採用することが可能である。

送電ユニット１５は、送電用のコイルと、このコイルを内蔵する筐体と、を有している。受電ユニット１６は、受電用のコイルと、このコイルを内蔵する筐体と、を有している。本実施形態における非接触給電方式では、送電ユニット１５のコイルと受電ユニット１６のコイル間の磁界の働きによって電力を伝達する構造になっているため、送電ユニット１５と受電ユニット１６が相互に回転しても電力の伝達は可能である。

送電ユニット１５と受電ユニット１６の各筐体は、それぞれ水密構造になっている。水密構造とは、各々のユニットの設置場所で想定される水圧などが加わった場合でも、筐体の内部に水分が入り込まない構造をいう。水密構造としては、たとえば、ユニットの筐体内に防水混和物（２液を混合するとゲル状になるもの）を注入（充填）する構造が考えられる。

ケーブル４は、発電設備３で発電した電力を送電するためのものである。ケーブル４の一端は、海中で受電ユニット１６に接続されている。この受電ユニット１６に対しては、タワー２の回転軸Ｊと交差する方向からケーブル４が接続されている。図２においては、好ましい例として、タワー２の回転軸Ｊと直交する方向からケーブル４が受電ユニット１６に接続されている。

ケーブル４の他端側は、たとえば、図示しない洋上変電所の変電設備に向けて延在している。ケーブル４の途中には、ブイ１８が取り付けられている。ブイ１８が取り付けられた箇所では、ケーブル４がブイ１８の浮力によって海底５から持ち上げられている。

本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。

本実施形態に係る浮体式洋上風力発電装置１においては、受電ユニット１６が、タワー２の回転軸Ｊを中心に、タワー２とは独立に回転可能に設けられている。このため、洋上に浮かべたタワー２が風や波の影響を受けて回転した場合、送電ユニット１５はタワー２と一体に回転するが、受電ユニット１６はタワー２と一緒に連れ回らない。したがって、受電ユニット１６に接続されたケーブル４が、タワー２の回転によってタワー２側に引き込まれることがない。よって、タワー２へのケーブル４の巻き付けを抑制することができる。

また、海中には潮の流れがあるため、海中にケーブル４を布設すると、潮の流れ方によってはケーブル４が水平方向に揺れ動くことがある。そうした場合、仮に受電ユニット１６が送電ユニット１５と同様にタワー２に固定されていると、揺動ケーブル４と受電ユニット１６の接続箇所に過大な負荷がかかるおそれがある。ただし、本実施形態では、受電ユニット１６がタワー２の下端部で回転可能に支持されているため、ケーブル４が水平方向に動いたときに、その動きにあわせて受電ユニット１６が回転する。よって、ケーブル４と受電ユニット１６との接続箇所にかかる負荷を軽減することができる。

また、上述した風や波の影響によってタワー２が回転すると、ケーブル４に捻れが生じることも懸念される。この点、本実施形態では、タワー２からケーブル４への力の伝達が、受電ユニット１６の回転によって断たれる。このため、タワー２が回転しても、ケーブル４の向きが大きく変化しない。したがって、ケーブル４の捻れやこれに起因したキンク等の発生を抑制することができる。

また、上記実施形態では、タワー２の回転軸Ｊを中心に受電ユニット１６が回転可能に設けられている。このため、風や波の影響でタワー２が回転したときに、タワー２の回転による力が受電ユニット１６に伝わりにくくなる。したがって、タワー２の回転による受電ユニット１６の連れ回りを、より効果的に抑制することができる。

＜第２実施形態＞
図３は本発明の第２実施形態に係る浮体式電気プラントの要部を拡大した図である。
本実施形態では、非接触給電方式により電力を伝送可能な送電ユニット１５および受電ユニット１６の組み合わせによって一つの送受電ユニット２１が構成されている。この送受電ユニット２１は、タワー２の回転軸方向（回転軸Ｊの軸長方向）に多段に配置されている。ここで記述する「多段」とは「複数段」と同義である。このため、送受電ユニット２１は、少なくとも２段に配置されていればよい。本実施形態では、一例として、タワー２の下端部に６つの送受電ユニット２１を備え、これらの送受電ユニット２１を、タワー２の回転軸方向（図の上下方向）に多段に配置している。また、本実施形態では、６つの送受電ユニット２１をタワー２の回転軸方向に一列（縦列）に配置している。

各々の送受電ユニット２１は、上記第１実施形態と同様に、軸部１７ａとフランジ部１７ｂとを有する支持部材１７を用いて、タワー２の下端部に取り付けられている。軸部１７ａは、タワー２の回転軸Ｊと同軸に配置されるとともに、タワー２の下端部から下方に向けて延在している。送電ユニット１５は、上記第１実施形態と同様に、タワー２に対して固定された状態になっている。すなわち、送電ユニット１５は軸部１７ａに固定され、さらに軸部１７ａがタワー２に固定されている。軸部１７ａは、所要の長さを１本の軸部で構成してもよいし、複数本の軸部を継ぎ足して構成してもよい。フランジ部１７ｂは、送受電ユニット２１の個数分だけ設けられている。フランジ部１７ｂは、軸部１７ａの長さ方向に所定の間隔をあけて配置され、各々の配置箇所で受電ユニット１６を下から受けるように支えている。

本実施形態においては、送受電ユニット２１の受電ユニット１６に対して、タワー２の回転軸Ｊと交差（直交）する方向からケーブル４が接続されている。このため、タワー２の回転軸方向で隣り合う上下２つの送受電ユニット２１のうち、上側の送受電ユニット２１につながるケーブル４が、下側の送受電ユニット２１に干渉しにくくなる。したがって、タワー２の回転軸方向に各々の送受電ユニット２１を狭い間隔で配置することができる。

また、風や波の影響でタワー２が回転した場合は、受電ユニット１６がタワー２と一緒に連れ回らず、潮の流れの影響でケーブル４が揺れ動いた場合は、各々の送受電ユニット２１につながるケーブル４が潮の流れに乗って同じように動く。このため、いずれの場合も、ケーブル４どうしの絡み付きを抑制することができる。

また、本実施形態では、送電ユニット１５および受電ユニット１６の組み合わせによって一つの送受電ユニット２１を構成するとともに、タワー２の回転軸方向に送受電ユニット２１を多段に配置している。このため、たとえば、浮体式洋上風力発電装置で発電した電力を複数の系統に分けて配電したい場合に、配電先ごとに送受電ユニット２１を割り当てて使用することができる。

また、これ以外にも、たとえば、浮体式洋上変電装置などに適用する場合は、一つの洋上変電装置に複数の発電設備からの電力を取り込んだり、その洋上変電装置で変電した電力を複数の系統に分けて配電したりする際に、発電設備や配線先ごとに送受電ユニット２１を割り当てて使用することができる。この場合は、一つの送受電ユニット２１を構成する送電ユニット１５および受電ユニット１６のうち、送受電ユニット２１の割り当て箇所によっては、受電ユニット１６にケーブル４を接続する場合と、送電ユニット１５にケーブル４を接続する場合とがある。ただし、いずれの場合も、ケーブル４が接続されるユニットは、これに対応する他のユニットに対してタワー２の回転軸まわりに回転可能に設けられることになる。

さらに、上記のタワー２が洋上変電装置の浮体を構成するものであると、たとえば図４に示すように、浮体２に取り付けた複数の送受電ユニット（不図示）から、一定方向に複数本ずつ（図例では３本ずつ）まとめてケーブル４を引き出し、そのケーブル４の末端につながるユニット（送電ユニットまたは受電ユニット）２２をタワー２の周辺の海中または海底に沈めておいてもよい。これにより、送受電ユニットの増設に容易に対応することが可能となる。

＜変形例等＞
本発明の技術的範囲は上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。

たとえば、上記第１実施形態では、好ましい例として、タワー２の回転軸Ｊを中心に受電ユニット１６を回転可能な構成としたが、本発明は限らず、タワー２の回転軸まわりに受電ユニット１６が回転可能になっていればよい。ここで記述する「タワー２の回転軸まわりに回転」とは、タワー２の回転軸Ｊを中心とした回転だけでなく、タワー２の回転軸Ｊと平行な軸を中心とした回転も含む。したがって、タワー２の回転軸Ｊと受電ユニット１６の回転軸とは、水平方向にずれていてもよい。

また、上記第１実施形態では、浮体式電気プラントの一例として浮体式洋上風力発電装置を例に挙げたが、本発明はこれに限らず、たとえば、浮体式洋上変電装置や、風力発電以外の浮体式発電装置（たとえば、浮体式波力発電装置等）などを含めて、電力を扱う電気設備を浮体に搭載し、この浮体にケーブルをつないで構成される浮体式電気プラント全般に広く適用することが可能である。

また、本発明は、洋上に浮かべた浮体だけでなく、たとえば、湖上に浮かべた浮体などにケーブルをつなぐ場合にも適用可能である。その場合は、上述した「洋上」、「海面」、「海中」、「海底」といった用語を、それぞれ「湖上」、「湖面」、「水中」、「湖底」、あるいは「水上」、「水面」、「水中」、「水底」と読み替えることができる。

また、浮体に搭載される電気設備は、一つの設備に限らず、たとえば、複数の発電設備、または、複数の変電設備を備えるものであってもよいし、種類の異なる複数の設備（たとえば、発電設備と変電設備の両方）を備えるものであってもよい。

また、上記第１実施形態においては、送電ユニット１５を上側、受電ユニット１６を下側に配置したが、送電ユニット１５と受電ユニット１６の上下関係は逆であってもよい。

また、上記第２実施形態においては、タワー２の下端部に支持部材１７を用いて送受電ユニット２１を多段に配置したが、本発明はこれに限らず、たとえば、タワーとこれを支える平面視四角形の基台との組み合わせによって浮体を構成した場合は、たとえば基台のコーナー部や辺部などに、それぞれ支持部材１７を用いて送受電ユニット２１を多段に配置してもよい。

１…浮体式洋上風力発電装置
２…タワー
３…発電設備
４…ケーブル
１５…送電ユニット
１６…受電ユニット
２１…送受電ユニット

Claims (4)

1. 電気設備を搭載する浮体と、
   前記電気設備で扱う電力を送電するためのケーブルと、
   前記電気設備で扱う電力を非接触給電方式により送電側から受電側に伝送可能な送電ユニットおよび受電ユニットと、
   を備え、
   前記送電ユニットおよび前記受電ユニットのうち、一方のユニットは、前記浮体に対して固定した状態で設けられ、他方のユニットは、前記一方のユニットに対して前記浮体の回転軸まわりに回転可能に設けられ、
   前記ケーブルは、前記浮体の回転軸と交差する方向から前記他方のユニットに接続されており、
   前記非接触給電方式により電力を伝送可能な前記送電ユニットおよび前記受電ユニットの組み合わせによって一つの送受電ユニットが構成されるとともに、前記浮体の回転軸方向に前記送受電ユニットが多段に配置されている
   浮体式電気プラント。
2. 前記送電ユニットおよび前記受電ユニットは、前記浮体を水上に浮かせたときに水中に沈んで配置される前記浮体の一部に取り付けられ、
   前記ケーブルは、水中で前記他方のユニットに接続されている
   請求項１に記載の浮体式電気プラント。
3. 前記ケーブルは、前記浮体の回転軸と直交する方向から前記他方のユニットに接続されている
   請求項１または２に記載の浮体式電気プラント。
4. 前記他方のユニットは、前記浮体の回転軸を中心に回転可能に設けられている
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の浮体式電気プラント。

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