JP7202551B1 - Floating offshore wind power generator - Google Patents
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Abstract
【課題】今後増加が予想される浮体式洋上風力発電機は、建設費用およびメンテナンス費用が掛かると言われているため、水深が50m~150mの海域に設置する際の手間がかからず安定した係留が可能であり、かつ従来の風力発電機で必要な装置の機能を他の装置で代替えすることにより、コスト低減を図ることが可能な浮体式洋上風力発電機を提供する。【解決手段】主フロート13に取付けた支柱14に回転リング17を取り付け、回転リングの外側に補助フロート20を取り付けた係留索体23をつないで放射状に配置し、風力発電機設定時に複数の係留索体を同時に同程度の力で引っ張って回転リングに結び付けることで、風車体9を海水面の一定の位置に安定して係留することが可能となる。同時に主フロートは海面上で回転可能に保持されていることから、風車体は自然の風力による回頭が可能となる。【選択図】図10[Problem] Floating offshore wind power generators, which are expected to increase in the future, are said to require construction and maintenance costs, so they can be installed in sea areas with a water depth of 50m to 150m without trouble and in a stable manner. Provided is a floating offshore wind power generator that can be moored and that can reduce costs by substituting the functions of devices required in conventional wind power generators with other devices. A rotating ring (17) is attached to a post (14) attached to a main float (13), mooring ropes (23) attached to an auxiliary float (20) are connected to the outer side of the rotating ring and arranged radially to moor a plurality of moorings when a wind power generator is set. By simultaneously pulling the cable bodies with the same degree of force and tying them to the rotating ring, the wind body 9 can be stably moored at a fixed position on the sea surface. At the same time, since the main float is rotatably held on the sea surface, the wind body can be turned by natural wind force. [Selection drawing] Fig. 10
Description
本発明は、海岸線から比較的近い距離で、50mから150m程度の水深の海上に係留・設置し、電力を発電するために適した浮体式洋上風力発電機に関するものである。
The present invention relates to a floating offshore wind power generator suitable for generating electric power by mooring and installing in the sea at a depth of about 50 m to 150 m at a relatively short distance from the coastline.
近年の再生可能エネルギー利用増加の機運に伴い、今後日本でも洋上風力発電機の建設が増えることが予想される。洋上は地上に対し風を遮る障害物が少なく、風向き、風速が地上と比べて定常であることから、安定した電力を得られることが期待できる。現在実用化されている洋上風力発電設備は、基本的に風力発電機自体の構造は陸上で実用化されているものと同じであり、地上の風力発電機を土地の利用と比較して設置する上での制約が少ない洋上へと移設したものである。 It is expected that the construction of offshore wind power generators will increase in Japan in the future as the use of renewable energy increases in recent years. On the ocean, there are few obstacles that block the wind compared to the ground, and the direction and speed of the wind are more constant than on the ground, so it is expected that stable power can be obtained. The offshore wind power generation facilities currently in practical use basically have the same structure as the wind power generators in practical use on land. It was relocated to the ocean where there are fewer restrictions on the sea.
また四方を海に囲まれた日本では、洋上風力発電機を設置可能な沿岸が多いと考えられる反面、海岸線からの距離と比較して水深が深い海域が多い。そのため、今後洋上風力発電機の技術開発の主体は、今までに普及している着床式(海底にタワーの基部を固定し、海面上に突き出たタワーの頂部に風力発電機を設置する方式)ではなく、浮体式(タワーを含む風力発電機全体を海上に浮かべ、海底に投錨したアンカーに取付けた複数のロープにより風力発電機を係留・保持する方式)に移行しつつあるのが現状である。 In Japan, which is surrounded by the sea on all sides, it is thought that there are many coastal areas where offshore wind power generators can be installed. For this reason, the technology development of offshore wind power generators in the future will mainly focus on the ground-mounting type (a method in which the base of the tower is fixed to the seabed and the wind power generator is installed on the top of the tower that protrudes above the sea surface). ), the current situation is shifting to a floating type (a method in which the entire wind power generator including the tower floats on the sea and is moored and held by multiple ropes attached to anchors anchored on the seabed). be.
現在実用化されている浮体式洋上風力発電設備には、非特許文献1で述べられている通り、スパー型、TLP型、セミサブ型、バージ型があり、それぞれ長所、短所があることが紹介されている。それらの型式は、バージ型を除いて浮体に対する係留ロープの取付け位置が水中であることから設置に手間が掛かる点が、建設コスト低減を妨げる要因のひとつになると考えられる。
また洋上風力発電機建設時には、発電機、増速機、制御装置等を搭載したナセルを洋上にてタワー先端部に設置する作業や、ハブに対してブレードを取付ける作業を海面上高度50m以上の高所にて行う必要があり、大型の重機を備えた専用の作業船が必要となる。この点も建設コストアップにつながると考えられる。
As described in Non-Patent
In addition, when constructing an offshore wind power generator, work to install the nacelle, which is equipped with a generator, gearbox, control device, etc. It needs to be carried out at a high place, and a dedicated work boat equipped with large heavy machinery is required. This point is also considered to lead to an increase in construction costs.
更に風力発電機本体については、建設費用に対する効果(=発電出力)の比率を上げるため、設備1台当たりの大出力化が志向されており、それに伴いナセルの質量も増加傾向にある。その様な大出力の風力発電機では、長大なブレードを取り付けた質量の大きなナセルをタワー上で風向きに合わせて回転させるヨー制御や、風に対するブレードの迎え角を変化させるピッチ制御には強力なアクチュエータや信頼性の高いギア装置が必要であり、この様なアクチュエータは一般に付加価値が高いことから、この点も建設コストの増加を招くと予想される。(非特許文献2、68頁参照)
Furthermore, with regard to the main body of the wind power generator, in order to increase the ratio of the effect (=power generation output) to the construction cost, there is a desire to increase the output per unit of equipment, and accordingly the mass of the nacelle tends to increase. In such a high-output wind power generator, yaw control, which rotates a large-mass nacelle with long blades on the tower according to the wind direction, and pitch control, which changes the angle of attack of the blades with respect to the wind, are very effective. Since actuators and highly reliable gear devices are required, and such actuators generally have a high added value, this is also expected to lead to an increase in construction costs. (See Non-Patent
また特許文献2ではコンパクトセミサブ型の浮体により、波浪よる風力発電機揺動の低減を図った上で、浮体下側の水中に回転可能な係留ポイントを取付けることにより、浮体構造を簡略化し、建設コストの低減を図る提案が示されている。この構成によれば風車体の受風面が風に向かおうとする効果(風向追従性)が得られ、洋上風力発電機の効率的な運用が可能となり、同時に運用経費低減が可能と考えられる。
一方特許文献2の中で述べられている、回転機構を備えた係留ポイントが海中であることから、定期的な係留ポイントの点検、メンテナンス等を海中で行う必要がるため、特殊技術者による作業が必要となるものと推定される。
In addition, in
On the other hand, since the mooring point with a rotating mechanism described in
更に特許文献3では、バージ型の浮体式風力発電機を係留するための海底に設置するアンカーの位置や係留ロープの長さについて提案されている。バージ型は臨海地域の工場等で量産可能であり、今後普及が予想される。特許文献3では、大型のバージ式浮体の係留を行うための係留ライン設定について高度な内容が紹介されており、これも特殊技術を要すると考えられる。
Furthermore,
本発明が解決しようとする課題の一つは、浮体式洋上風力発電機を水深50m~150mの海域に設置する際、設置の際の浮体への係留ロープの取付け作業や係留ロープの張力調整作業、および海底面へのアンカー設定作業を出来るだけ海面上で行うことにより、作業の手間および建設費用の低減を図ることである。 One of the problems to be solved by the present invention is, when installing a floating offshore wind power generator in a sea area with a water depth of 50 m to 150 m, the work of attaching the mooring rope to the floating body and the work of adjusting the tension of the mooring rope during installation. and to reduce labor and construction costs by performing anchor setting work on the sea floor as much as possible on the sea surface.
本発明が解決しようとするもう2つ目の課題は、沖合での潮位の変化や波浪による影響が少ない浮体式風力発電機の係留装置を提供することである。
Another problem to be solved by the present invention is to provide a mooring device for a floating wind power generator that is less affected by changes in tide level and waves offshore.
本発明が解決しようとする3つ目の課題は、浮体式洋上風力発電機において今後1基当たりの出力増加に伴いナセルの大型化、質量増加が予想されるため、風車体の受風面を風に向ける回頭制御(又はヨー制御)が技術的に難しくなると考えられる。この課題に対し、風力発電機とタワーを含む風車体全体を海面上で水平方向に回転させる構成を提案し、回頭制御を容易にすることである。
The third problem to be solved by the present invention is that the nacelle is expected to increase in size and mass as the output of each floating offshore wind power generator increases in the future. Turning control (or yaw control) toward the wind is considered to be technically difficult. In order to solve this problem, we propose a configuration that rotates the entire wind turbine body, including the wind power generator and the tower, horizontally on the sea surface to facilitate turning control.
本発明が解決しようとする4つ目の課題は、従来の一般的風力発電機で必要であったヨーアクチュエータ、ピッチアクチュエータ、増速機、負荷遮断時のブレーキ等を省略し他の装置で代替えすることにより、浮体式洋上風力発電機の建設コスト低減、およびメンテナンス費用の低減を実現することである。
The fourth problem to be solved by the present invention is to omit the yaw actuator, pitch actuator, speed-up gear, brake at the time of load shedding, etc., which are required in conventional general wind power generators, and replace them with other devices. By doing so, it is possible to reduce the construction cost and maintenance cost of the floating offshore wind power generator.
本発明の実施例1による浮体式洋上風力発電機は、以下の通り構成される。
本発明が対象とする風力発電機は、水平方向の回転軸に対して直角方向に複数のブレードを設置することにより風車体が構成された、一般に受風面が垂直の水平軸多翌式と呼ばれている風力発電機である。この型式の風力発電機は、受風面が風に向かいブレードに風が当たって発生する風車体の回転力を、発電機の駆動軸に伝えて電気を発生させる。
本発明の実施例1による風車体の回転軸は、海面上の台座上に設置した複数のサポートによって水平方向に保持される。この回転軸は両端部に軸受けを取付けた構造、若しくは中空構造の回転軸の中に軸受けの役割を担う両端固定軸を通し、固定軸に保持された状態で中空構造の回転軸が回転する構成のいずれかとする。
以上述べた風車体を海面上に保持するため、海面上に浮かせた主フロートの中央部に、垂直上向きに支柱を取り付け、支柱の上端部で前記台座の下面を固定する。また主フロート下方の水中に、海面上での主フロートの波浪による揺動を復元させるためのウエイトを取付ける。以上の構成により、前記風車体は主フロートによって海面上に浮かび保持された状態となる。
A floating offshore wind power generator according to Example 1 of the present invention is configured as follows.
The wind power generator to which the present invention is directed is generally a horizontal shaft multi-rotor type with a vertical wind receiving surface, in which the wind turbine body is constructed by installing a plurality of blades in a direction perpendicular to the horizontal rotation axis. It is called a wind turbine. In this type of wind power generator, the wind-receiving surface faces the wind, and the rotational force of the wind body generated when the wind hits the blades is transmitted to the drive shaft of the generator to generate electricity.
The rotation shaft of the wind turbine body according to the first embodiment of the present invention is horizontally held by a plurality of supports installed on a pedestal on the sea surface. This rotary shaft has a structure in which bearings are attached to both ends, or a structure in which a double-end fixed shaft that plays the role of a bearing is passed through a hollow structure rotary shaft, and the hollow structure rotary shaft rotates while being held by the fixed shaft. Either
In order to hold the above-described wind turbine body on the sea surface, a support is attached vertically upward to the central portion of the main float that is floating on the sea surface, and the lower surface of the pedestal is fixed at the upper end of the support. In addition, a weight is attached in the water below the main float to restore the oscillation of the main float caused by waves on the sea surface. With the above configuration, the wind turbine body is held floating on the sea surface by the main float.
更に前記主フロート上に設置した前記支柱は円柱形状とし、支柱の断面形状に合致した摺動面を、有する回転リングを支柱に対して水平方向に回転可能な状態で取付ける。この回転リングの外面には複数のフックが取り付けられ、各フックには補助ロープが取り付けられる。補助ロープのもう一方の端部には海面上に浮かべた補助フロートを繋いだ上で、各補助フロートに対して係留ロープをつなぎ、係留ロープのもう一方の端部は、海底に設置されたアンカーと繋がれた構成とする。
以上述べた、一対のフック、補助ロープ、補助フロート、係留ロープ、アンカーの組合せを、以降係留索体と記載する。従って、係留索体の補助フロートは海面上に浮かび、補助ロープは海面上、係留ロープとアンカーは、海中に没した位置に設置される。
Furthermore, the column installed on the main float has a cylindrical shape, and a rotating ring having a sliding surface matching the cross-sectional shape of the column is attached to the column so as to be horizontally rotatable. A plurality of hooks are attached to the outer surface of this rotating ring, and an auxiliary rope is attached to each hook. The other end of the auxiliary rope is connected to an auxiliary float floating on the sea surface, and a mooring rope is connected to each auxiliary float. The configuration is connected with
A combination of a pair of hooks, auxiliary ropes, auxiliary floats, mooring ropes, and anchors described above is hereinafter referred to as a mooring rope. Therefore, the auxiliary float of the mooring cable floats above the sea surface, the auxiliary rope is above the sea surface, and the mooring rope and the anchor are installed at a position submerged in the sea.
次に複数の係留索体のアンカーを、上方から見て前記主フロートを中心として放射状に、主フロートから離れた位置の海底面に設置した上で、係留索体の補助ロープを同時に同等の張力で引き寄せて前記係留リングのフックに締結する。この設定作業により、主フロートは放射状に設置した係留索体の中央付近にて、複数の補助ロープによって同等の力で外側に向かって水平方向に引っ張られた状態となり、その結果主フロートは海面上で一定の位置に留まると考えられる。
更に前記回転リングは前記支柱に対して回転可能な状態で取り付けられていることから、風車体の受風面は海面上で水平方向に360度回転可能な状態で一定の位置に保持される。従って前記主フロートを円筒形等にすれば、海面上に浮かんでいる主フロートが回転する際の抵抗力が小さくなると考えられる。
Next, a plurality of anchors for mooring ropes are installed on the sea floor at positions away from the main float radially around the main float when viewed from above, and then the auxiliary ropes for the mooring ropes are simultaneously tensioned to the same level. and fastened to the hook of the mooring ring. With this setting work, the main float is pulled horizontally outward with equal force by multiple auxiliary ropes near the center of the mooring cable installed radially, and as a result, the main float is above the sea surface. is expected to stay in a fixed position.
Furthermore, since the rotating ring is rotatably attached to the strut, the wind receiving surface of the wind turbine body is held at a fixed position while being able to rotate 360 degrees horizontally on the sea surface. Therefore, if the main float has a cylindrical shape or the like, it is considered that the resistance when the main float floating on the sea surface rotates will be reduced.
また以上述べた構成による受風面が垂直の風車体は、受風面に吹きつける風が一定の風速以上の場合には、受風面に向かって垂直の中心軸に対して右側に受ける風の抵抗力と、左側に受ける風の抵抗力がバランスしようとするため、風が吹いてくる方向に受風面が向かおうとする性質(風向き追従性)を有する、と考えられる。
一方前記主フロートを円筒形状にすることにより、(0016)で述べた通り、海面上に浮かんだ主フロート回転時の抵抗力を小さくすることが出来る。同時に円筒形状であれば、海面近くの潮流による影響も少ないと考えられるので、従来のタワーの頂上にナセルを搭載する構成では実現できなかった、自然の風力による受風面の回頭制御(ヨー制御)が実現可能であると考えられる。
In addition, when the wind blowing on the wind receiving surface is above a certain wind speed, the wind body with the vertical wind receiving surface configured as described above receives the wind on the right side of the central axis perpendicular to the wind receiving surface. and the resistance of the wind on the left side try to balance.
On the other hand, by forming the main float in a cylindrical shape, as described in (0016), it is possible to reduce the resistance force when the main float floats on the sea surface and rotates. At the same time, if the shape is cylindrical, it is thought that there will be little effect from tidal currents near the sea surface. ) is considered feasible.
本発明の実施例2による浮体式洋上風力発電機は、実施例1で述べた係留索体の中の補助フロートを、係留索体の引っ張り方向に複数取付けた構成を示す。この構成により、最低潮位と最高潮位の差が大きな海域や、波浪の高さが高い海域においても、主フロートを一定の位置に安定して保持することが可能となる。
A floating offshore wind power generator according to
本発明の実施例3による浮体式洋上風力発電機は、前方および後方への推進力を有するスクリュー等を取り付けた推進装置を、実施例1または実施例2に記載の主フロートに対して、取付け角度を固定し複数取付けたものである。この推進装置により、主フロートを海面上で水平方向に時計回り、又は反時計回りに360度任意の角度に回転させることが可能となり、風速が小さな場合でも、風車体の受風面を風に向かう方向、或いは風に沿う方向等、最適な向きに回頭させることが可能となる。 In the floating offshore wind power generator according to the third embodiment of the present invention, a propulsion device having a screw or the like having forward and backward propulsion is attached to the main float according to the first or second embodiment. The angle is fixed and multiple are attached. With this propulsion device, it is possible to rotate the main float horizontally on the sea surface clockwise or counterclockwise 360 degrees at any angle. It is possible to turn the head in an optimum direction, such as a direction to face or a direction along the wind.
本発明の実施例4による浮体式洋上風力発電機は、実施例1~実施例3で述べた支柱に対してブレーキディスクを取付け、回転リングに取付けたブレーキ装置によりブレーキディスクに制動を加えて、支柱の回転方向の動きを一時的に停止させる構成を示している。この構成により、洋上にて風速や風速が不安定に変化する状況下でも風車体の受風面を一定の角度に安定して保持することが可能となると考えられる。
In the floating offshore wind power generator according to the fourth embodiment of the present invention, the brake disc is attached to the strut described in the first to third embodiments, and the braking device attached to the rotating ring applies braking to the brake disc, Fig. 4 shows a configuration for temporarily stopping the rotational movement of the strut; With this configuration, it is considered possible to stably maintain the wind receiving surface of the wind body at a constant angle even under conditions where wind speed and wind speed change unstably on the sea.
本発明の実施例5による浮体式洋上風力発電機は、実施例1~実施例4で述べた回転リングに対し、前後方向、左右方向の傾きを許容する自在継手機構を付加した構成を表している。この構成により、波浪等により支柱が大きく傾いた場合でも、支柱と回転リングとの間に生じる回転時の摩擦抵抗を低減可能である。 A floating offshore wind power generator according to Example 5 of the present invention represents a configuration in which a universal joint mechanism that allows tilting in the front-rear direction and the left-right direction is added to the rotating ring described in Examples 1 to 4. there is With this configuration, it is possible to reduce frictional resistance generated between the support and the rotating ring during rotation even when the support is greatly tilted by waves or the like.
本発明の実施例6による浮体式洋上風力発電機は、実施例1~実施例5のいずれかで述べた風車体に対し、強度アップを目的として、ブレードの途中、或いは先端部同士をブレード梁でつないだ構造とする。更にブレード先端部に取付けたブレード梁を利用し、ブレード梁とブレード梁との間に平板を取付けることにより、更なる強度アップと同時に、台風等強風時に風車体を風に沿う方向に回頭すれば、ブレードに対する強風の直撃を遮ることが可能となる。(実施例10参照)
In the floating offshore wind power generator according to
本発明の実施例7による浮体式洋上風力発電機は、実施例1~実施例5のいずれかで述べた風車体に対し、風車体の回転軸の外面から直角方向に複数のスポークを設置し、回転軸の中心から同一半径の位置で前記スポークの先端同士をスポーク梁でつなぎ、更にスポークの先端から外周方向にブレードを取付け、ブレードの先端同士をブレード梁でつないだ構成を示す。この構成により、風車体の受風面に当たる風の一部が風車体中央のブレードが無い部分を素通りするため、風車体全体として風の通りが良くなると考えられる。
In a floating offshore wind power generator according to
本発明の実施例8による浮体式洋上風力発電機は、実施例1~実施例5のいずれかで述べた風車体のブレードの先端同士を円筒形フレームで結び、円筒形フレームの外表面に対して発電機の駆動軸先端部に取付けた車輪が接触し回転することにより発電を行う構成である。この構成により、発電機駆動軸は高速回転が可能となるため、発電機を小型化することが可能となる。
In a floating offshore wind power generator according to
本発明の実施例9による浮体式洋上風力発電機は、実施例1~実施例8のいずれかで述べた支柱の先端に水平方向のアームを設置し、アーム上の風上側に実施例1~実施例8のいずれかで説明した台座を含む風車体を取付け、更に前記アームの風下側に風を受けるための垂直翼、および水平翼を設置した構成を示す。この構成により、風速が低い場合でも垂直翼が風になびくことで、風車体の受風面を風に向かわせる回頭が容易になる。合わせて水平翼の迎え角を、強風時に風力により風車体が傾く力を相殺する方向に設定することにより、風車体の傾きを抑制する効果も期待できる。 A floating offshore wind power generator according to Example 9 of the present invention has a horizontal arm installed at the tip of the support column described in any one of Examples 1 to 8, and on the windward side of Examples 1 to 8 on the arm. A configuration is shown in which the wind-powered body including the pedestal described in any one of the eighth embodiments is attached, and a vertical wing for receiving the wind and a horizontal wing are further installed on the leeward side of the arm. With this configuration, even when the wind speed is low, the vertical blades flutter in the wind, making it easier to turn the wind receiving surface of the wind body toward the wind. In addition, by setting the angle of attack of the horizontal blades in a direction that offsets the tilting force of the wind turbine due to the wind force during strong winds, an effect of suppressing the tilt of the wind turbine can be expected.
本発明の実施例10による浮体式洋上風力発電機は、実施例3~実施例9のいずれかで述べた風車体の近傍に風向きを測定する風向計、および風の強さを測定する風速計を設置し、それらの計測機により得られた風向き、風速についての情報を信号として制御盤に逐次伝え、合わせて支柱に対する回転リングの角度、風車体の回転数、地上の電力系統の停電等必要な情報を制御盤に伝え、制御盤内にてこれらの情報を処理し、その結果を用いて実施例3~実施例9のいずれかで述べたスクリューの運転、停止操作を行う。これにより風向き、風速、およびその他の必要な運転情報に基づき風力発電機を自動で適切に運転することが可能となる。
The floating offshore wind power generator according to the tenth embodiment of the present invention includes an anemoscope for measuring the wind direction and an anemometer for measuring the strength of the wind near the wind turbine body described in any one of the third to ninth embodiments. is installed, and the information about the wind direction and wind speed obtained by those measuring instruments is sequentially transmitted to the control panel as a signal. Information is transmitted to the control panel, the information is processed in the control panel, and the screw is operated and stopped as described in any of Examples 3 to 9 using the results. This makes it possible to automatically and appropriately operate the wind power generator based on wind direction, wind speed, and other necessary operating information.
本発明の実施例1および実施例2による浮体式洋上風力発電機は、風車体および発電に必要な発電機、軸受け等の付属装置、およびサポート、支柱、等全ての構成要素を主フロート上に載せて水面上に浮かんだ状態で、複数の係留索体により同時に作用する引っ張り力により海面上の一定の位置に保持され、同時に支柱に取付けた回転リングにより海面上で水平方向に360度回転可能である。
これより、実施例1および実施例2による浮体式洋上風力発電機は海面上の一定の位置に係留され、合わせて風車体の受風面が風に向かう性質(風向き追従性)があることから、自然の風力により回頭し、発電効率が向上する効果が期待できる。
The floating offshore wind power generators according to
From this, the floating offshore wind power generators according to Examples 1 and 2 are moored at a fixed position on the sea surface, and the wind receiving surface of the wind turbine has the property of facing the wind (wind direction followability). It can be expected that the power generation efficiency will improve due to the natural wind force.
さらに本発明の実施例1および実施例2による浮体式洋上風力発電機は、風車体を係留するために回転リングへ取付ける補助ロープの取付け位置や、補助フロートへの係留ロープの取付け位置が、いずれも海面上、若しくは海面近くであることから、建設時における係留索体設定の際、作業の手間が少なく容易であり、かつ風力発電機運用中のメンテナンス作業についても手間が掛からないため、建設費用、メンテナンス費用の低減効果が期待できる。
Furthermore, in the floating offshore wind power generators according to
また、本発明の実施例1および実施例2による浮体式洋上風力発電機は、主フロートの下側海水中に釣り棒を取付け、釣り棒の下端部にウエイトを取付けることにより、主フロートの復元力が増し、波浪が高い場合でも主フロートの揺動が抑制され、姿勢が安定することから、沖合の波浪によって生じる風力発電機の振動、揺動による影響を低減させる効果が期待できる。
In the floating offshore wind power generators according to
また、本発明の実施例2による浮体式洋上風力発電機は、係留索体の中の補助フロートを、前記補助ロープおよび係留ロープの引っ張り方向に複数取付けた構成を示す。この構成により、係留索体設置時の潮位に対する風力発電機運用時の潮位の差が大きな場合や、荒天時に海面上の波高が大きくなった場合でも、アンカーに近い側の補助フロートが海中に没し、主フロートに近い側の補助フロートが海面上に浮いた状態で維持されると考えられる。従って、補助ロープを取付けた回転リングは、潮位や波浪が高くなってもほぼ水平方向に補助ロープにより引っ張られる。この効果により、主フロートの海面の条件が厳しい場合でも安定した係留状態が維持されるので、荒天時等も風力発電機の安定した運用が期待できる。 Moreover, the floating offshore wind power generator according to the second embodiment of the present invention shows a configuration in which a plurality of auxiliary floats in the mooring rope are attached in the direction in which the auxiliary rope and the mooring rope are pulled. With this configuration, even if there is a large difference between the tide level when the mooring cable is installed and the tide level when the wind power generator is in operation, or when the wave height on the sea surface increases during stormy weather, the auxiliary float on the side closer to the anchor will be submerged in the sea. However, it is considered that the auxiliary float near the main float is maintained floating on the sea surface. Therefore, the rotating ring to which the auxiliary rope is attached is pulled substantially horizontally by the auxiliary rope even when the tide level or waves are high. Due to this effect, a stable mooring state is maintained even when the conditions of the sea surface of the main float are severe, so stable operation of the wind power generator can be expected even in stormy weather.
本発明の実施例3による浮体式洋上風力発電機は、従来の風力発電機では、構成要素を収納した結果重量が重くなったナセルをタワー上で水平方向に回転させるため、強力な回頭制御用アクチュエータが必要であったが、実施例3ではこれをフロートに取り付けたスクリューで代替えすることで、今後大型化、質量増加が予想される浮体式洋上風力発電機の回頭制御が容易になる効果が期待できる。同時に建設時及び発電機運用時のコストダウンも期待できる。
同時に実施例3の様に、反対方向に推進力を有する複数のスクリューをフロートに取付けることにより、電力供給先の系統にて停電等が発生し系統に対する負荷遮断が必要となった時、複数の反対向きのスクリューを同時に動かすことにより、風力発電機で生じる余剰エネルギーを放出させることが可能となり、無負荷状態による発電機の回転速度過大(空回り)を防止する効果が期待できる。これにより、従来の風力発電機で必要であった駆動軸のブレーキ装置を無くすことも可能である。
In the floating offshore wind power generator according to the third embodiment of the present invention, the nacelle, which is heavy as a result of housing the components in the conventional wind power generator, rotates horizontally on the tower, so that it is powerful for turning control. Although an actuator was required, in Example 3, by replacing this with a screw attached to the float, the effect of facilitating the turning control of the floating offshore wind power generator, which is expected to increase in size and mass in the future. I can expect it. At the same time, cost reductions during construction and generator operation can also be expected.
At the same time, as in Example 3, by attaching a plurality of screws having propulsive forces in opposite directions to the float, when a power failure occurs in the power supply system and it becomes necessary to cut off the load on the system, multiple By simultaneously moving screws in opposite directions, it is possible to release surplus energy generated in the wind power generator, and the effect of preventing excessive rotation speed (idling) of the power generator due to no load can be expected. As a result, it is possible to eliminate the braking device for the drive shaft that is required in conventional wind power generators.
本発明の実施例4による浮体式洋上風力発電機は、風車体の支柱に対して回転方向のブレーキ装置を取付けて、必要に応じ支柱の回転方向の動きを一時的に停止させる構成である。このブレーキ装置により、洋上にて風速や風速が不安定に変化する状況下でも風車体の受風面の角度が一定に維持されることから、より安定した発電出力を得る効果が期待できる。 A floating offshore wind power generator according to a fourth embodiment of the present invention has a configuration in which a rotational braking device is attached to a strut of a wind turbine to temporarily stop the rotational movement of the strut as necessary. With this braking device, the angle of the wind-receiving surface of the wind-body can be maintained constant even under conditions where the wind speed and wind speed change unstably on the sea, so the effect of obtaining a more stable power generation output can be expected.
本発明の実施例5による浮体式洋上風力発電機は、支柱に取り付けた回転リングに対し、前後方向、左右方向の傾きを許容する自在継手機構を装着した構成を示している。これにより、波浪等により支柱が大きく傾いた場合でも、支柱と回転リングとの間に生じる回転時の摩擦抵抗が低減するため、風車体の回頭制御が容易になる効果が期待できる。 A floating offshore wind power generator according to a fifth embodiment of the present invention has a configuration in which a universal joint mechanism that allows tilting in the front-rear direction and the left-right direction is attached to a rotating ring attached to a support. As a result, even if the strut is greatly tilted by waves or the like, the frictional resistance generated between the strut and the rotating ring during rotation is reduced, so the effect of facilitating the turning control of the wind turbine can be expected.
本発明の実施例6による浮体式洋上風力発電機は、風車体に対し、強度アップを目的として、ブレードの途中、或いは先端部同士をブレード梁でつないだ構造を示す。更にブレード先端部に取付けたブレード梁を利用し、ブレード梁とブレード梁の間に平板を取付けることにより、更なる強度アップと同時に、強風時等に風車体を風に沿う方向に回頭すれば、ブレードに対する強風の直撃を遮ることが可能となり、ブレードの損傷を防ぐ効果も期待できる。(実施例10および図26右下の付図参照)
A floating offshore wind power generator according to a sixth embodiment of the present invention has a structure in which blade beams are connected at the midpoints of the blades or at the tips thereof for the purpose of increasing the strength of the wind turbine. In addition, by using the blade beam attached to the tip of the blade and attaching a flat plate between the blade beams, the strength is further increased, and at the same time, if the wind body is turned in the direction along the wind during strong winds, etc., It is possible to block direct hits of strong winds to the blades, and the effect of preventing damage to the blades can also be expected. (Refer to Example 10 and the accompanying drawing at the bottom right of FIG. 26 )
本発明の実施例7による浮体式洋上風力発電機は、実施例6の風車体に取付けたブレードに対し、回転軸側のブレードの一部をスポークとすることにより、受風面の中央部に風が素通りする領域を形成した構造を示す。この構成により、受風面に当たる風の一部が風車体中央のブレードが無い部分を通過するため、風車体全体として風の通りが良くなり、結果として発電効率が向上する効果が期待できる。 In contrast to the blades attached to the wind turbine of Example 6, the floating offshore wind power generator according to Example 7 of the present invention uses a part of the blade on the rotating shaft side as a spoke, so that the central part of the wind receiving surface has A structure is shown in which a region through which the wind passes is formed. With this configuration, part of the wind that hits the wind receiving surface passes through the bladeless portion in the center of the wind body, so that the wind passes through the wind body as a whole, and as a result, the effect of improving the power generation efficiency can be expected.
本発明の実施例8による浮体式洋上風力発電機は、実施例6及び実施例7の風車体のブレードの先端同士を円筒形フレームでつなぎ、円筒形フレームの外表面に対し発電機の駆動軸に取付けた車輪を接触させることにより駆動軸を回転させ、発電を行う構成を示す。この構成により、発電機駆動軸は高速回転が可能となるため、従来の風力発電機で必要であった増速機を省略することが可能である。あるいは近年の風力発電機の中には、駆動軸の回転速度が小さくても増速機を必要としないタイプのものが実用化されているが、このタイプは一般に高速回転の発電機と比較し大型となると考えられる。従って実施例8の構成により、発電機の小型化を図かることで、風力発電機建設費用、およびメンテナンス費用の低減効果が期待できると考えられる。
更に電力供給先の系統内で停電等が発生し、電力系統への発電機の負荷遮断が必要となった際に、前記車輪を円筒形フレームから離す方向に移動させ、車輪と円筒形フレーム外面との接触を無くすことで、発電機の回転数過大(空回り)を防ぐことが出来るので、発電機の損傷を防止することが可能となる。
In the floating offshore wind power generator according to Example 8 of the present invention, the tips of the blades of the wind turbine bodies of Examples 6 and 7 are connected with a cylindrical frame, and the drive shaft of the generator is attached to the outer surface of the cylindrical frame. It shows a configuration that rotates the drive shaft and generates power by contacting the wheels attached to the. With this configuration, the generator drive shaft can rotate at high speed, so it is possible to omit the gearbox that is required in conventional wind power generators. Alternatively, some wind power generators in recent years have been put into practical use that do not require a gearbox even if the rotational speed of the drive shaft is low. It is considered to be large. Therefore, it is expected that the configuration of the eighth embodiment can reduce the construction cost and maintenance cost of the wind power generator by reducing the size of the power generator.
Furthermore, when a power failure or the like occurs in the power supply system and it becomes necessary to cut off the load of the generator to the power system, the wheels are moved away from the cylindrical frame, and the wheels and the outer surface of the cylindrical frame are removed. By eliminating contact with the generator, it is possible to prevent excessive rotation of the generator (idling), so that it is possible to prevent damage to the generator.
本発明の実施例9による浮体式洋上風力発電機は、支柱の先端に水平方向のアームを設置し、アーム上の風上側に台座を含む風車体を取付け、アームの風下側に風を受けるための垂直翼、および水平翼を設置した構成である。この構成により、風速が低い場合でも風下にある垂直翼が風になびいて風車体の受風面を風に向かうため、自然の風力による回頭を実現可能と考えられる。同時に水平翼に対して風力により上向きの力が作用する様に迎え角を付けておけば、受風面に作用する風車体が風下側へと傾く力と相殺することで、風車体の傾きを抑制する効果も期待できる。 In the floating offshore wind power generator according to the ninth embodiment of the present invention, a horizontal arm is installed at the tip of a support column, a wind turbine body including a pedestal is attached on the windward side of the arm, and the wind is received on the leeward side of the arm. It is a configuration with vertical wings and horizontal wings installed. With this configuration, even when the wind speed is low, the vertical blades on the lee side flutter in the wind and face the wind-receiving surface of the wind body toward the wind, so it is considered possible to realize turning by natural wind power. At the same time, if the angle of attack is set so that the wind force acts upward on the horizontal blades, the inclination of the wind body can be offset by canceling the force acting on the wind receiving surface, which tilts the wind body toward the leeward side. A suppressive effect can also be expected.
本発明の実施例10による浮体式洋上風力発電機は、実施例1~実施例9のいずれかで説明した風車体の運転に必要な風向き等の気象条件や、風車体の回転数、地上の電力系統の停電等、必要な情報を信号として制御盤に伝え、制御盤内にてこれらの情報を処理し、その結果を用いて前記スクリューの運転、停止操作を行う。これにより風向き、風速、およびその他の必要な運転情報に基づいて、自動制御により風向きに対する風車体の向きを適切な方向に制御可能であり、常に最適な条件で風力発電機を運転することが可能となる。
The floating offshore wind power generator according to the tenth embodiment of the present invention has weather conditions such as the wind direction necessary for the operation of the wind turbine as described in any of the first to the ninth embodiments, the rotation speed of the wind turbine, and the ground speed. Necessary information such as a power outage in the electric power system is transmitted as a signal to the control panel, the information is processed in the control panel, and the result is used to operate and stop the screw. Based on the wind direction, wind speed, and other necessary operational information, this enables automatic control of the direction of the wind turbine body relative to the wind direction, enabling the wind power generator to always operate under optimal conditions. becomes.
本発明に係る浮体式洋上風力発電機は、水深が50m~150mの海域において風力発電機建設の際の係留ロープ設定作業の手間を軽減するとともに、同海域において風力発電機を一定の位置に安定して係留することが可能となる。合わせて、従来の風力発電機で必要であった回頭制御(又はヨー制御)を行うためのヨー制御アクチュエータ等を他の装置で代替えすることにより、コスト低減を図ることが可能となる。
以下にその内容を説明する。
The floating offshore wind power generator according to the present invention reduces the work of setting mooring ropes when constructing a wind power generator in a sea area with a water depth of 50 m to 150 m, and stabilizes the wind power generator at a fixed position in the same sea area. mooring. In addition, cost reduction can be achieved by replacing the yaw control actuator or the like for performing turning control (or yaw control) required in conventional wind power generators with other devices.
The contents are explained below.
図1は実施例1の浮体式洋上風力発電機全体の鳥瞰図を示す。
本発明の実施例1による風車体において回転軸3は、海面上の台座1上に設置した複数のサポート2の先端部に取り付けられた軸受け4により水平方向に保持される。風を受けるための複数のブレード6は、ハブ5を介して回転軸3に対し直角方向に放射状に固定されており、ブレード6に風が当たることにより発生する回転力を、ナセル7内に取付けた発電機8の駆動軸に伝えて電気を発生させる。以上の組合せによって風車体9を形成する。
次に図2、図3により回転軸3および軸受け部周辺の構造を説明する。図2および図3は図1のA-A断面を示しており、図2は回転軸3に無垢丸棒を用い、無垢丸棒の両端部に軸受け4を取付けた構造である。或いは、図3に示す様な、固定軸10を中空構造の回転軸11の中に通し、固定軸10に保持された状態で固定軸10の周りを中空の回転軸11が回転する構造も実施可能である。
なお、図2では回転軸の出力は直接発電機、または増速機に伝えられ、図3では回転軸の出力はギア12を介して発電機に伝えられる。
更に、海面上に浮かせた主フロート13の中央部に、上向きに支柱14を取り付け、支柱14の上端部で前記台座1の下面を固定し保持する。また主フロート13下方の水中に、釣り棒15を介して主フロート13の海面上での傾きを復元させる目的のウエイト16を取付ける。以上の構成により、前記風車体9は主フロート13によって海面上に浮かび保持された状態となる。
FIG. 1 shows a bird's-eye view of the entire floating offshore wind power generator of the first embodiment.
In the wind turbine body according to the first embodiment of the present invention, a
Next, the structure around the
2, the output of the rotating shaft is transmitted directly to the generator or the gearbox, and in FIG. 3, the output of the rotating shaft is transmitted to the generator via the
Furthermore, a
図4は図1のB-B断面図であり、実施例1にて支柱14に対して取付けた回転リング17周辺の断面図を示す。支柱14は円柱形状とし、この断面形状に合致する摺動面を有する回転リング17を、支柱14に対して水平方向に回転可能な状態で取付ける。この回転リングの外面には複数のフック18が取り付けられ、各フック18には補助ロープ19が締結される。図1にて補助ロープ19のもう一方の端部に補助フロート20をつなぎ、更に補助フロート20に対して係留ロープ21をつなぎ、係留ロープ21は海底に設置されたアンカー22と繋がれた構成とする。なお、補助フロート20は係留ロープ21をつないだ状態でも、海面に浮かんで状態を維持できる十分な浮力を有するものとする。
以上述べた補助ロープ19、補助フロート20、係留ロープ21、アンカー22の組合せを、以降係留索体23と記載する。
FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 1, showing a cross-sectional view around the rotating
A combination of the
次に図1にて係留索体23を、前記主フロート13を中心として上方から見て放射状に、主フロートから離れた位置の海底面に設置した上で、係留索体23の補助ロープ19を同時に同等の張力で引き寄せて回転リング17のフック18に締結する。この設定作業により、回転リング17につながった複数の補助ロープ同士の引っ張り力がバランスするため、主フロート13は放射状に設置した係留索体23の中央付近の一定の位置に留まる。
更に回転リング17は支柱14に対して回転可能であることから、台座1を介して支柱14に取り付けられた風車体9は、海面上にて水平方向に360度回転可能な状態で一定の位置に保持される。
Next, in FIG. 1, the
Furthermore, since the
次に、図5により実施例1の係留索体23による係留の原理を説明する。
図5(1)、(2)、(3)は図1に示した実施例1の浮体式洋上風力発電機を横方向から見た図である。回転リング17に対して複数の補助ロープ19を締結する作業は、図5(1)に示す通り潮位が低い時に行うものとする。この設定作業により、風車体は主フロート13を中心として放射状に設定された係留索体23の中央付近に保持される。(0043項参照)
図5(2)は、(1)よりも潮位が上昇した状態を表している。潮位の上昇とともに主フロートは上方に移動しそれに伴って補助フロートも上方に移動するが、アンカー22に取り付けられた係留ロープ21の長さは一定なので、補助フロート20の一部が水没し、その結果補助ロープの19水平方向の引っ張り力は増す。回転リング17には複数の補助ロープ19が締結されているので、潮位が上昇した時でも補助ロープ同士の引っ張り力がバランスし、風車体9は係留索体23の中央付近の位置に留まる。図5(3)は更に潮位が上昇した状態を表しており、補助フロート20全体がほぼ水没した状態でも、回転リングにつながれた複数の補助ロープ19同士で引っ張り力がバランスするため、風車体9は係留索体23の中央付近の海面の位置に保持される。
Next, the principle of mooring by the
5(1), (2), and (3) are views of the floating offshore wind power generator of Example 1 shown in FIG. 1 as seen from the lateral direction. The operation of fastening the plurality of
(2) in FIG. 5 shows a state in which the tide level is higher than in (1). As the tide level rises, the main float moves upward and the auxiliary float accordingly moves upward. However, since the length of the
なお悪天候には波浪等により、複数の補助フロート20の中の一部が水没し、補助ロープの引っ張り力にアンバランスが生じることが予想される。その時には、主フロートは他よりも引っ張り力が増加した補助ロープの力によって、海面上を水平方向に移動すると考えられる。
但し主フロート13は風車体9やウエイト16を含めた構造物を浮かせる浮力を有することから、体積および質量が大きいため、主フロートに比べて体積が小さな補助フロートによる引っ張り力によって主フロートを移動させるためには、一定の時間が必要となると考えられる。従って浮体式洋上風力発電機が大型化し質量が増して大型化しても動きが緩慢となり、そのため実施例1の構成で係留された主フロートは、悪天候時でも一定の位置に安定し留まる傾向となることが期待できる。
In bad weather, it is expected that some of the plurality of auxiliary floats 20 will be submerged due to waves, etc., and an imbalance will occur in the pulling force of the auxiliary ropes. The main float would then move horizontally over the surface of the sea due to the force of the auxiliary ropes, which had an increased tensile force than the others.
However, since the
次に図6により、実施例1による浮体式洋上風力発電機の海面上での挙動を説明する。(0043)項で説明した通り、実施例1の構成では主フロート13は海面上にて回転可能に保持されているので、主フロート13が回転する際の抵抗力は小さく、かつ主フロート13が点対称の同心円形状であれば、潮流による回転動作への影響も少ないと考えられる。従って、図6(1)、(2)に表す通り、自然の風力による受風面の回頭を実現可能であると考えられる。これは従来の風力発電機の様に、タワーの頂上に設置したナセルを回転させるヨー制御では実現できなかった効果である。(0017項及び0027項参照。)
更に図6(3)に表す通り、複数の補助ロープ19による回転リング18の外面に加わる力は主に水平方向の引っ張り力であり、上下方向に作用する力は小さいため、回転リングを取付けた支柱14の前後・左右の傾きを抑制する力は小さい。従って、支柱14が回転する際回転リングの摺動面の摩擦抵抗は小さく、支柱14が傾いた状態で水平方向に回転する場合でも、回転はスムーズとなる。
同時にウエイト16による主フロート13の海面上での姿勢復元効果によって、悪天候時も安定した係留状態を維持する効果が期待できる。
Next, the behavior of the floating offshore wind power generator according to Example 1 on the sea surface will be described with reference to FIG. As described in section (0043), in the configuration of the first embodiment, the
Further, as shown in FIG. 6(3), the force applied to the outer surface of the
At the same time, the effect of restoring the posture of the
次に風力発電機建設時に、本発明の実施例1を設置するための手順を、図7により説明する。図7(1)は、港に隣接する風力発電設備生産拠点にて主フロート13、支柱14、回転リング17等を組立てた上で、仮サポート24、ストッパー25を用いてハブ5、ナセル7等を仮組みし、さらに補助フロート20、係留ロープ21、アンカー22を一部つないで係留索体23を組み合わせておく。その状態で海上に浮かべ、曳舟により設置海域へと移動する様子を表している。
図7(1)の中で、支柱14はフロート13の中央部を貫通し上下方向に移動可能な状態とし、ストッパー25により上方に固定されているものとする。またアンカー22はケーソン方式のコンクリートブロック形態とし、海面上に浮かべての移動を想定している。
Next, a procedure for installing the first embodiment of the present invention when constructing a wind power generator will be described with reference to FIG. In FIG. 7(1), the
In FIG. 7(1), it is assumed that the
図7(2)以降は、設置海域に到着後係留索体、および浮体式風力発電機本体の設定手順を示す。
図7(2)では、先ず係留ロープ21を海中に投入し、同時に補助フロート20に対して補助ロープ19をつなげる。次に支柱14に取付けたストッパー25を外してウエイトを海中に沈め、所定の位置で主フロート13に対して支柱14を固定する。
次に図7(3)に示す様に、ケーソン方式のアンカーをクレーン船により海底の目標位置に沈め、更に補助フロート20につないだ補助ロープ19の反対側端部を回転リング17に仮締結する。合わせて仮サポートを利用してブレード6をハブ5に対して取付け、仮サポート24を取り外しながら、台座1およびサポート2を取り付けて、軸受けおよびナセル7を固定する。
Fig. 7 (2) onwards show the setting procedure of the mooring cable body and the main body of the floating wind power generator after arriving at the installation sea area.
In FIG. 7(2), the
Next, as shown in FIG. 7(3), the caisson anchor is sunk at the target position on the seabed by a crane ship, and the opposite end of the
更に図7(4)に示すようにアンカーの目標地点への設置が完了した状態で、回転リング17に仮締結した補助ロープを同時に同等の力で引っ張り、主フロート13を複数の係留索体23の中央部に設定する。
なお、この作業は設置海域の潮位が最も低くなる時点に行うよう考慮が必要であり、合わせて補助ロープ19の引っ張り力は、補助フロート20が一部水没し、かつ風力発電機運転中に受風面が受ける風力を保持するために余裕がある力となる様、調整を行う必要がある。
図7(5)は、実施例1に示す風力発電機の設置が完了し、複数の補助ロープ19による引っ張り力がバランスした状態を示している。
以上図7に示す設置手順により、アンカーの設置や回転リングへの補助ロープ取付け、引っ張り力調整等の作業を海面上で行うことが可能であることから、設置作業の手間および設置費用の低減を図ることが可能になると考えられる。
Furthermore, as shown in FIG. 7(4), when the anchor has been installed at the target point, the auxiliary ropes temporarily fastened to the
It should be noted that this work must be done when the tide level in the installation sea area is at its lowest. It is necessary to make adjustments so that there is enough power to hold the wind force received by the wind surface.
FIG. 7(5) shows a state in which the installation of the wind power generator shown in Example 1 is completed and the pulling forces of the plurality of
By following the installation procedure shown in Fig. 7, it is possible to perform operations such as anchor installation, auxiliary rope attachment to the rotating ring, and tension adjustment on the surface of the sea. It is thought that it will be possible to plan
次に本発明の実施例2の浮体式洋上風力発電機の構成を、図8に示す。
図8は実施例1で説明した係留索体23の中の補助フロートを、係留索体23の引っ張り方向に複数取付けた構成を示す。補助ロープ19につながった方を補助フロートA(符合26)、係留ロープにつながった方を補助フロートB(符合27)とする。補助フロート同士は接続ロープ28によってつないだ構成とする。
図9(1)、(2)、(3)により実施例2における係留の原理を説明する。図9(1)は潮位が低い時に実施例2の洋上風力発電機を設定した状況を、横方向から見た図である。(0043)で説明した通り、複数の補助ロープ19を回転リングに向かって引き寄せる作業により、補助フロートB(符合27)は係留ロープに21よって下向きに引っ張られて海中に沈む。一方補助ロープ19につながった補助フロートA(符合26)は、接続ロープ28により外側に向かってほぼ水平方向に引っ張られるので、水中への沈まずに海面上に浮かんだ状態を維持する。この補助フロートAと補助フロートBとの位置関係が、潮位が上昇した図9(2)、および更に潮位が上昇最高潮位となる図9(3)でも維持される。この作用により、潮位差が大きな海域においても複数の補助ロープ19による引っ張り力はバランスするため、風車体9は一定の位置に留まり、安定した係留状態を維持することが可能である。
Next, FIG. 8 shows the configuration of a floating offshore wind power generator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 shows a configuration in which a plurality of auxiliary floats in the
The mooring principle in the second embodiment will be explained with reference to FIGS. 9(1), (2), and (3). FIG. 9(1) is a lateral view of a situation in which the offshore wind power generator of the second embodiment is set when the tide level is low. As explained in (0043), the operation of pulling the plurality of
次に本発明の実施例3の構成を、図10に示す。
図10はフロート13の海中の側面に対し、推進装置30の前後方向にスクリュー29を取付けた複数の推進装置30を取付けた状態の鳥瞰図を示す。なお、フロート13に対する推進装置30の取付け角度は固定されているものとする。
図11(1)及び(2)は実施例3を上から見た図を示す。図11(1)は、フロート13が複数の係留索体23の中央部にて水平方向に回転可能に保持された状態を示しており、補助フロート13の側面に固定した推進装置30の片側のスクリュー29の推進力により、時計回りに回転する状況を示す。
図11(2)は、推進装置30のもう片方のスクリュー29の推進力により、反時計方向に回転する状況を示す。
以上の構成により、実施例3では風車体9の向きを任意に制御可能であり、風向きに応じて風車体9適切な方向に回転させることが出来るので、効率良く安定した発電を行うことが可能となる。
Next, FIG. 10 shows the configuration of Example 3 of the present invention.
FIG. 10 shows a bird's-eye view of a state in which a plurality of
11(1) and (2) show top views of the third embodiment. FIG. 11(1) shows a state in which the
FIG. 11(2) shows a situation in which the propulsive force of the
With the above configuration, in the third embodiment, the direction of the
同時に実施例3に示す通り、反対方向に推進力を有する複数のスクリューを主フロート13に取付けることにより、電力供給先の系統にて停電等が発生し系統に対する負荷遮断が必要となった時、複数の反対向きのスクリューを同時に動かすことにより、風力発電機で生じる余剰エネルギーを放出させることが可能となる。これにより、無負荷状態での発電機の回転速度過大(空回り)を防ぎ、損傷を防止する効果が期待できる。(0031参照)
At the same time, as shown in Example 3, by attaching a plurality of screws having propulsive forces in opposite directions to the
次に本発明の実施例4による浮体式洋上風力発電機の構成を、図12および図13に示す。
図12は実施例4の鳥瞰図であり、図13は回転リング17周辺の(E)部拡大図を示す。図13は、支柱14に対してブレーキディスク31を取付け、回転リング17に取付けたブレーキ装置32によりブレーキディスクに制動を加えて、支柱の回転方向の動きを一時的に停止させる構成を示している。
この構成により、洋上にて風速や風速が不安定に変化する状況下でも風車体の受風面の角度を一定に保持することが可能となり、安定した発電が可能となる。
12 and 13 show the configuration of a floating offshore wind power generator according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a bird's-eye view of Example 4, and FIG. 13 shows an enlarged view of part (E) around the rotating
With this configuration, it is possible to keep the angle of the wind receiving surface of the wind body constant even under conditions where the wind speed and the wind speed change unstably on the sea, and stable power generation is possible.
次に本発明の実施例5による浮体式洋上風力発電機の構成を、図14~図16に示す。
図14は実施例5の鳥瞰図であり、実施例1~実施例4で述べた回転リング部に自在継手を付加した構成を示す。また図15は図14に示す自在継手回りのD-D断面図、およびE-E断面図を表している。
実施例5による自在継手の具体的構造は図15に示す通り、支柱14に対して水平方向に回転可能な摺動面を有するセンターリング33に対し、センターリング33の外側にピン34を介して外リングA(符合35)、および外リングAの更に外側に、ピン34を介して外リングB(符合36)を取付けた構成とする。更に外リングBの外面にフック18を取り付け、フック18に対し補助ロープ19を締結している。
この構成により図16に示すように、荒天時の波浪や強風による受風面への風圧によって、支柱14が前後・左右に大きく傾いた時でも、センターリング33は支柱14の水平方向の回転を拘束しないため、風車体9の安定した回頭制御が可能となる。
14 to 16 show the configuration of a floating offshore wind power generator according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a bird's-eye view of Example 5, showing a configuration in which a universal joint is added to the rotating ring portion described in Examples 1 to 4. FIG. 15 shows a DD sectional view and an EE sectional view around the universal joint shown in FIG.
The specific structure of the universal joint according to the fifth embodiment is shown in FIG. 15. As shown in FIG. An outer ring A (reference numeral 35) and an outer ring B (reference numeral 36) attached to the outer side of the outer ring A via a
With this configuration, as shown in FIG. 16, the
次に本発明の実施例6による浮体式洋上風力発電機の構成を、図17に示す。
実施例6の浮体式洋上風力発電機は、風車体9に対し強度アップを目的として、ブレード6の途中、或いは先端部同士をブレード梁37でつないだ構造である。更にブレード先端部に取付けたブレード梁37を利用し、ブレード梁37の間に平板38を取付けることにより、更なる強度アップが期待できる。合わせて、台風等の強風時には、推進装置30を使って受風面を風に沿う方向に回頭することで、平板38が風を遮断し、強風のブレード6への直撃を回避出来るので、荒天時におけるブレードの損傷防止効果が期待できる。(0034項及び図26中の右下付図参照)
Next, FIG. 17 shows the configuration of a floating offshore wind power generator according to a sixth embodiment of the present invention.
The floating offshore wind power generator of the sixth embodiment has a structure in which blade beams 37 are used to connect the ends of the
次に本発明の実施例7による浮体式洋上風力発電機の構成を、図18、図19に示す。
図18は実施例7の浮体式洋上風力発電機の鳥瞰図であり、実施例6に対して回転軸3の中心から外側に向かって放射状に同一半径のスポーク39を取り付け、スポーク39同士をスポーク梁40でつなぎ、更にスポーク39の外側に対してブレード6を取り付け、ブレード6の先端同士をブレード梁37でつないだ構成を示す。また実施例6と同様に、ブレード梁37とブレード梁37の間に平板38を取り付けることにより、更なる強度アップが可能となる。
実施例7の効果は図19(1)(2)に示す通り、図19(1)に示すブレード6を回転軸から風車体の先端までの全長に取付けた場合は、風車体に向かって吹く風の一部が受風面の空力抵抗によって外側に向かうのに対し、図19(2)に示す様に風車体の中央付近のブレードを無くすことにより、風車体に向かって吹く風の一部がブレードの無い部分を素通りするので、受風面の空力抵抗が減少し、結果として受風面が受ける風速が上がるので、発電効率が向上する効果が期待できる。
18 and 19 show the configuration of a floating offshore wind power generator according to
FIG. 18 is a bird's-eye view of the floating offshore wind power generator of Example 7.
As shown in FIGS. 19(1) and 19(2), the effect of the seventh embodiment is that when the
次に本発明の実施例8による浮体式洋上風力発電機の構成を、図20、図21に示す。
図20は実施例8の浮体式洋上風力発電機の鳥瞰図であり、ブレード6の先端同士を円筒形フレーム41でつなぎ、円筒形フレーム41の外表面に対し、発電機ユニット42の発電機駆動軸に取付けた車輪を接触させることにより駆動軸を回転させ、発電を行う構成を示す。
図21(1)は発電機ユニット42周辺の構成を示しており、台座1上に円筒形フレーム41に向かう方向に移動可能な発電機ベース43を取り付け、発電機ベース43上に発電機駆動軸45の先端部に車輪46を取り付けた発電機44を固定している。図21(2)に示す通り、発電機ユニットの車輪46を回転する円筒形フレーム41に接触させることにより、発電が行われる。車輪46の外径に対して、円筒形フレーム41の外径が大きいことから車輪46の回転数は増加し、発電機駆動軸は高速回転となるため、従来の風力発電機で必要であった増速機が不要となると考えられる。あるいは近年の風力発電機には、駆動軸の回転速度が小さくても増速機を必要としないタイプのものが実用化されているが、このタイプは一般に高速回転の発電機と比較し大型となると考えられるので、実施例8の構成により、発電機の小型化を図ることで、風力発電機建設費用、およびメンテナンス費用の低減効果が期待できる。
Next, FIGS. 20 and 21 show the configuration of a floating offshore wind power generator according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a bird's-eye view of the floating offshore wind power generator of
FIG. 21(1) shows the configuration around the
次に本発明の実施例9による浮体式洋上風力発電機の構成を、図22、図23に示す。
図22は実施例9の浮体式洋上風力発電機の鳥瞰図であり、支柱14の先端部に水平方向のアーム47を設置し、アーム47上の風上側に台座1を含む風車体9を取付け、更に前記アーム47の風下側に風を受けるための垂直翼48、および水平翼49を設置した構成を示す。この構成により、風速が低い場合でも垂直翼48が風になびくことで、自然の風力により風車体の受風面を風に向ける回頭が可能になると考えられる。
合わせて図23に示す様に、水平翼49に対して風によって上向きに力が作用する様迎え角を設定しておくことにより、強風時に風車体が風下側へ傾く力が水平翼49による上向き力によって相殺され、風車体の傾きを抑制する効果も期待できる。
Next, FIGS. 22 and 23 show the configuration of a floating offshore wind power generator according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a bird's-eye view of the floating offshore wind power generator of
In addition, as shown in FIG. 23, by setting the angle of attack so that the wind acts upward on the
次に本発明の実施例10による浮体式洋上風力発電機の運転・制御につき、図24~図26に示す。図24は実施例3~8で述べた洋上風力発電機のスクリューの運転・制御を行うための、計測装置、制御対象と信号の流れの例を示す構成図である。
浮体により海面上浮いて上方に突き出した計測用タワー50の上端部に設置した風向計51で風向きを計測し、その情報を風向きの信号52として無線信号で発信し、アンテナ53を設置した制御装置54が受信する。
同様に、計測用タワー50の上端部に設置した風速計55で風速を計測し、その情報を風速
信号56として無線信号で発信し、アンテナ53を設置した制御装置54が受信する。
Next, FIGS. 24 to 26 show the operation and control of the floating offshore wind power generator according to the tenth embodiment of the present invention. FIG. 24 is a configuration diagram showing an example of a measurement device, a controlled object, and a signal flow for operating and controlling the screw of the offshore wind power generator described in Examples 3 to 8. FIG.
The wind direction is measured by an
Similarly, the wind speed is measured by an
風車体の風向きに対する角度については、回転リング17に取付けた角度計57で計測し、その情報を係留装置角度の信号58として信号ケーブルを経由して制御盤54が受信する。前記と同様に、風車体の回転数については回転数計59で計測し、その情報を風車体の回転数の信号60として信号ケーブルを経由して制御盤54が受信する。
更に図24の中で、地上の電力系統61で停電等運用上の異常が発生した場合、電力系統の停電信号62として通信ケーブルを経由し制御盤54が受信する構成を示している。
The angle of the wind body with respect to the wind direction is measured by an
Further, FIG. 24 shows a configuration in which when an operational abnormality such as a power failure occurs in the
図25は実施例10において、風向きの信号52、風速の信号56、回転リングの角度の信号57、風車体回転数の信号60、および電力系統停電の信号62を用いて、制御盤内でのスクリューの運転/停止指令信号63により、風力発電機の運転制御を行う場合のブロック図の例を示している。
FIG. 25 shows, in the tenth embodiment, using a
図26は実施例10において、制御盤内でのスクリューに対する運転・制御ロジックのフロー図の例を示している。本図は、フローの起点または終点を示す図形64、前記各信号情報のインプットを示す矢印65、および各信号情報を用いた判断を示す図形66、スクリューの動作、または停止を示す図形67を用い、制御ロジックのフローの例を示している。
FIG. 26 shows an example of a flow diagram of the operation/control logic for the screw within the control panel in the tenth embodiment. This figure uses a graphic 64 indicating the start or end of the flow, an arrow 65 indicating the input of each signal information, a graphic 66 indicating judgment using each signal information, and a graphic 67 indicating screw operation or stop. , shows an example of the control logic flow.
本願は今後建設件数の増加と大型化が予想される浮体式洋上風力発電機について、海岸から少し離れた沿岸の海面上でも一定の位置に安定して係留が可能であり、設置に手間がかからず、建設コストの低減が可能である。また従来のヨーアクチュエータの機能をスクリューで代替えする等、従来の風力発電機で必要であった付加価値の高い機器を減らすことも出来るので、建設費用、及びメンテナンス費用を低減可能である。
合わせて、船舶に係る技術や経験も活かせるので、この産業分野からの洋上風力発電への参画に道が開けると思われる。
This application is for floating offshore wind power generators, which are expected to increase in number and size in the future, and can be stably moored at a fixed position even on the sea surface of the coast, which is a little away from the coast, and requires less time and effort to install. Therefore, it is possible to reduce the construction cost. In addition, since it is possible to reduce the value-added equipment required in conventional wind power generators, such as by replacing the functions of conventional yaw actuators with screws, it is possible to reduce construction and maintenance costs.
At the same time, we can make use of our ship-related technology and experience.
1 台座
2 サポート
3 回転軸
4 軸受け
5 ハブ
6 ブレード
7 ナセル
8 発電機
9 風車体
10 固定軸
11 中空の回転軸
12 ギア
13 主フロート
14 支柱
15 釣り棒
16 ウエイト
17 回転リング
18 フック
19 補助ロープ
20 補助フロート
21 係留ロープ
22 アンカー
23 係留索体
24 仮サポート
25 ストッパー
26 補助フロートA
27 補助フロートB
28 接続ロープ
29 スクリュー
30 推進装置
31 ブレーキディスク
32 ブレーキ装置
33 センターリング
34 ピン
35 外リングA
36 外リングB
37 ブレード梁
38 平板
39 スポーク
40 スポーク梁
41 円筒形フレーム
42 発電機ユニット
43 発電機ベース
44 発電機
45 発電機駆動軸
46 車輪
47 アーム
48 垂直翼
49 水平翼
50 計測用タワー
51 風向計
52 風向きの信号
53 受信アンテナ
54 制御盤
55 風速計
56 風速の信号
57 回転リングの角度計
58 回転リング角度の信号
59 風車体の回転数計
60 風車体の回転数の信号
61 電力系統
62 電力系統停電の信号
63 スクリューの駆動/停止信号
64 フローチャート上のフローの起点又は終点を表す図形
65 フローチャート上の信号情報のインプット
66 フローチャート上の信号データを用いた判断を表す図形
67 フローチャート上のスクリューの動作または停止を表す図形
1
27 auxiliary float B
28 Connecting
36 outer ring B
37
Claims (10)
Installed on the ocean, a plurality of blades radially mounted in a direction perpendicular to a rotation axis with a horizontal central axis form a wind turbine, and the wind blows against the wind turbine and generates a force on the blades. In an offshore wind power generator that generates electricity by transmitting the rotational force of the vehicle body to the drive shaft of the generator, the rotating shaft is a solid round bar or hollow round bar supported in the horizontal direction, and the rotating shaft is perpendicular to the rotating shaft. A plurality of blades are mounted radially to form a wind-body, and said rotating shaft is supported by a bearing attached to a support placed on a pedestal above sea level and away from sea level, and The pedestal is fixed to the upper end of the main float floating on the sea surface, centered below the center of the wind turbine body, and to the upper end of the post with a circular cross section installed in the center of the main float upward. A fishing rod with a weight attached to the lower end is installed in the sea below the main float, and has a sliding surface that matches the cross-sectional shape of the support, and is fitted to the support. A rotatable ring whose outer periphery is rotatable in a horizontal direction is attached to each other, and one end of a plurality of mooring ropes is connected to a plurality of anchors radially installed on the sea floor centering on the main float, and the mooring ropes are connected to each other. The other end of is connected to a plurality of auxiliary floats floating on the sea surface, and the auxiliary float and the outer surface of the rotating ring are connected with a plurality of auxiliary ropes, and the plurality of auxiliary ropes are almost Pulled toward the rotatable ring with uniform tension and tied to the outer surface of the rotatable ring, the primary float is surrounded by the plurality of auxiliary floats and simultaneously floats on the sea surface. A floating body characterized by being able to rotate horizontally clockwise or counterclockwise 360 degrees on a surface, and the wind body can also rotate horizontally clockwise or counterclockwise 360 degrees on the sea surface. type offshore wind power generator.
A plurality of auxiliary floats according to claim 1 are floated on the sea surface between the mooring rope according to claim 1 and the auxiliary rope according to claim 1, and one of the plurality of auxiliary floats One of the plurality of auxiliary floats is connected to the mooring rope, another one of the plurality of auxiliary floats is connected to the auxiliary rope, and the plurality of auxiliary floats are connected to each other by a connection rope, thereby reducing the difference in tide level. 2. The floating offshore wind power generator according to claim 1, characterized in that it can be used even on the sea surface in a sea area with a large .
A plurality of propulsion devices, each having a screw or the like for generating propulsive force in the forward or rearward direction, are attached to the underwater portion of the outer wall of the main float according to any one of claims 1 and 2 at an angle of attachment to the main float. By fixedly attaching the screw, it is possible to rotate the main float horizontally clockwise or counterclockwise 360 degrees at the sea surface by the driving force of the screw. 3. The floating offshore wind power generator according to claim 1, wherein the wind turbine body according to any one of claims 1 and 2 can be oriented in any direction on the sea surface.
A brake disc is attached to the strut according to any one of claims 1 to 3, and the brake disc is sandwiched between the rotating rings according to any one of claims 1 to 3. The horizontal rotation of the wind turbine body according to any one of claims 1 to 3 is stopped by installing a brake device that applies a brake to the brake disk to stop the movement of the support in the rotational direction. The floating offshore wind power generator according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it can
The rotating ring according to any one of claims 1 to 4 is configured to rotatably hold the support column according to any one of claims 1 to 4, while tilting the support column in the front-rear direction or the left-right direction. By providing a universal joint that permits, even if the wind turbine body according to any one of claims 1 to 4 is tilted in the front-rear direction or in the left-right direction due to waves on the sea surface, it can rotate in the horizontal direction at the sea surface. The floating offshore wind power generator according to any one of claims 1 to 4, characterized in that there is a
For the plurality of blades according to any one of claims 1 to 5, in the middle of the blade at the position of the same radius from the center of the rotating shaft according to any one of claims 1 to 5, or the blade The tips of the blade beams are connected with each other with the blade beams, or after connecting the blade beams with the blade beams, the blade beams are connected with a flat plate to form the wind body. 6. The floating offshore wind power generator according to any one of 5.
A plurality of spokes having the same radius from the center of the rotating shaft are installed on the rotating shaft according to any one of claims 1 to 5 radially in a direction perpendicular to the rotating shaft, and the spokes The ends of the blades are connected to each other by spoke beams, and a plurality of blades are radially installed from the ends of the spokes in the outer peripheral direction, and the ends of the blades are connected by the blade beams, or the ends of the blades are connected by the blade beams. The floating offshore wind power generator according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a wind turbine is formed by connecting the blade beam and the blade beam with a flat plate.
The tips of the blades according to any one of claims 1 to 5 are separated from each other by a radius of the same length as the length from the rotating shaft to the tip of the blade according to any one of claims 1 to 5, and A wind turbine body is formed by connecting with a cylindrical frame having an outer surface, and a table movable in a direction toward the cylindrical frame is mounted on the pedestal according to any one of claims 1 to 5, A generator having a drive shaft with a wheel attached to the tip is installed on the table to form a generator unit, and the table is moved toward the rotating cylindrical frame, The floating body according to any one of claims 1 to 5, wherein the wheels rotate in contact with the outer surface of the cylindrical frame, and the drive shaft of the generator rotates to generate power. type offshore wind power generator.
An arm is installed horizontally on the upper end of the column according to any one of claims 1 to 8, and the wind turbine body according to any one of claims 1 to 8 is installed at the windward end of the arm. By installing a vertical wing and a horizontal wing having an angle of attack against the wind at the leeward end of the arm, the wind body faces the wind and the wind body moves to the leeward side due to the wind force. The floating offshore wind power generator according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the collapse of the wind power generator is suppressed.
The floating wind power generator according to claim 3 is provided with a control panel for controlling the operation and stop of the screw according to claim 3 , and the control board is located near the floating offshore wind power generator. A wind direction signal measured by an installed anemoscope, a wind speed signal measured by an anemometer installed near the floating offshore wind power generator, and an angle of the rotating ring attached to the rotating ring according to claim 3 . A signal of the wind turbine, a signal of the rotation speed of the wind turbine that is attached to the wind turbine according to claim 3 , and a signal of the operation state of the power system on the ground are received, and these signals are used to operate the screw. - Floating offshore wind power generator according to claim 3 , characterized in that the wind turbine body can be maintained in an appropriate operating state under the operating environment by controlling stopping.
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