JP7265233B1 - 浮体式洋上風力発電方式 - Google Patents

Abstract

【課題】海上の大部分を動作領域として運用できる浮体式洋上風力発電装置を提供する。【解決手段】複数の船体２２、２３、２４を横に並べて、それらを水面上の甲板等２５で結合し、甲板等の上に風力発電機２１を具備し、また船体の内少なくとも両側の船体においては推進器３７、３９を具備し、推進器は、船体の構造上の進行方向を風向と直角になるように制御する。【選択図】図６

Description

本発明は、洋上において、風力による発電を行う風力発電方式に関する。

現在、地球温暖化の対策が大きな課題となっている。その対策として、風力発電機の普及が急がれている。しかし、いくつかの欠点があるため、その普及は思うようには進んでいない。風力発電機は、非常に大型であり、低音騒音があること等のため人里離れたところに設置される場合が多い。そのため道路建設、土台建設及び大型トレーラによる遠距離の多数回の搬送等により搬送費、設置費が高価となり、発電コストが高くなっている。さらに、発電電力が天候によって不安定であり、適切な場所が少ないことなどの問題点があるため、普及が思うようには進んでいない。

発明が解決しようとする課題

前記問題点を解決するには、風力発電機を陸から離れた海上に設置するという案が考えられる。しかし、陸から離れていて、しかも風力発電機を設置するに適した浅瀬で漁業、景観を害しない場所は少ないと考えられる。従って、今後風力発電機を大きく普及させるには、陸から大きく離れていて水深の深い場所に風力発電機を設置出来るようにすることが必要と考える。しかし、その場合、風力を十分効率よく電力に変換出来るように風力発電機を固定することが難しいこと、海流によって流されること及びうねりによって揺れること、並びに発電した電力を陸上に搬送するのが困難であるという問題がある。しかし、これらが解決されると、世界中の海で使用できるため、世界中の電力は、大幅に余裕が出来ることになる。

課題を解決する為の手段

複数の船体を横に並べて、それらを水面上の甲板等で結合し、前記甲板等の上に風力発電機を、具備し、さらに前記船体の内少なくとも両側の船体においては推進器を具備する。前記推進器は、船体の構造上の進行方向（以降船体の進行方向と称する）を風向と直角になるように制御する。
また、前もって定められた船体の一部又は全体を上下させることにより、前記船体の浮力を変化させて、前記甲板が常時水平になるように制御しながら具備している風力発電機で発電する。
発電した電力は、蓄電池に充電し、前記蓄電池を陸上に運ぶか、発電した電力により水素を製造し、その水素を陸上に運び、再度電力に変換する方法等により、発電した電力を陸上に搬送する。

陸から大きく離れた水深の深い所において、風力発電機で安定に発電できるようにするには、前記のように複数の船体を横に並べて、それらを水面上の甲板等で結合した構造とし、船体の進行方向を風向と直角になるようにすること等が必要となる。
まず、風力によって風力発電機本体が大きな移動をしないようにする方法を考える。文房具の下敷で水を切る場合、下敷きの面と平行の方向で切る場合は非常に小さな力で済むが、面と直角の方向で切る場合は非常に大きな力を必要とする事象が頭に浮かぶ。そこで、船の喫水線から船底までの表面積を可能な限り広くし、船体の進行方向の水の抵抗を限りなく少なくすれば、この事象を応用できる。つまり、船体を前記のような構造として、前記船体の進行方向を風向と直角になるように制御すれば良い。本考案のように船体が複数ある場合は、その効果はさらに大きい。しかし、風の向きは常時同じ向きではないので、常時前記の状態を保つことは問題があるように考えられるが、海上においては、風の向きは急激には変化しないので、少なくとも両側の船体に具備された推進器を操作して、船体の構造上の進行方向を常時風と垂直になるように制御することで解決される。

また、日本近くの海域においては、海流があるので、船体は海流の速さに従って流されることになる。本案においては、船体の進行方向は常時風向と直角になるように制御されており、風向は変化するので、船体の進行方向と風向との角度は一定しない。場合によっては、後ろ向き（推進器が具備されている側）になる場合もある。しかし、海流の流れる方向及びその流速は、ほぼ一定しているので、海流に逆らわず海流に従って流され、一定時間後又は船がある一定範囲を超えたら、元の場所又は適切な場所に戻るようにすることで対応できる。しかし、その航路は、海流及び風向の変化等によって多少航路に差が生じると考えられるが、それは往路又は復路において修正するか、元の場所又は適切な場所の位置を修正すれば良い。
本案における風力発電船は、海流によって流されていくので、その発電量は海流の速度によって変化する。しかし、風向は変化するし、風力発電機の定格出力時における風速は６ｍ／ｓであり、海流の速度は通常１ノット（０．５ｍ／ｓ）以下であるので問題ないと考える。
本考案において、貨物の積載は通常は不要なので、非常に軽量であるとともに、船体の進行方向における水の抵抗は非常に小さくなっているので、元の場所又は適切な場所に戻るに必要とする電力は、発電量と比べて非常に小さくなり、無視できる量であると考えられ、問題とならない。

次に、発電した電力を陸上に搬送する方法であるが、複数の風力発電船を１グループとして、各船が定められたある一定距離を離れたら又は一定時間後、元の出発点等の前もって定められた場所に戻るように設定し、前記定められた場所に船舶を停泊させ、風力発電船の製造品例えば発電した電力を蓄電池に充電する場合は充電済みの蓄電池を、水素を製造する場合は、水素を前記停泊している船に載せ替えるようにする。そして、ある一定以上集積されたら、それらを陸上に搬送すれば良い。前記停泊する船舶及び搬送する船舶は、風及び海流の影響を可能の限り少ない形状にして、海底深度の浅い所では碇を下ろし、深い所では海流に向かって推進器を動作させて海流に流されないようにして停泊する。前記船舶は、可能の限り無人化を行い、燃料には太陽光又は前記風力発電船において製造された水素を使用する。
これにより非常に格安に運用できる。

風力発電機で発電する場合、風力の全てが電力に変換される訳ではない。風力の一部は、重心又は風力発電機の甲板との接続部分を中心とした回転力となるため、甲板は傾くことになる。定格発電力Ａワットの風力発電機が定格で稼働時においては、風力発電機の効率を５０％とすれば、前記回転力は、Ａニュートンとなる。
前記回転力を打ち消すために、本考案においては浮力を使用している。浮力を変化させるには、喫水線から下の重量を変化させれば良い。そこで、本考案においては、両端の船体の喫水線で切った断面積を可能な限り広くして、前記回転力によって生じる風力発電船の傾きの変化を小さくするとともに、前もって定められた船体の一部又は全体を、喫水線を中心に上下に変化させることによって浮力を変化させ前記回転力を打ち消している。この場合、必要とする浮力がＡニュートンの場合、前記直方体の体積は、Ａ／９．８×１０^３ｍ^３となる。例えば、風力発電機の定格発電電力Ａを９，８ＭＷとすれば１０^３ｍ^３となる。つまり、一辺が１０ｍの立方体となる。この大きさであれば、問題ないと考える。
そこで、浮力を調整する船体において、前もって定められた位置に、浮力を調整する機具を設置する。前記浮力は、風力発電機の甲板との接続部分から風力発電機の風車の中心部までの長さと前記風力発電機の甲板との接続部分から前記浮力を調整する機具を設置する位置までの長さに反比例するので、前記風力発電機の甲板との接続部分から前記浮力を調整する機具を設置する位置までの長さが風力発電機の甲板との接続部分から風力発電機の風車の中心部までの長さの１／２の場合、前記浮力は２倍必要となる。従って、風力発電機の甲板との接続部分から風力発電機の風車の中心部までの長さは、長い方が前記浮力は少なくて良いことになるが、各船体を接続している甲板に構造上の問題が生じるため、そのバランスをとる必要がある。
前記回転力は風速の変化に対応するので、前記浮力の反応時間は、前記変化に対応出来るよう十分短いことが要求される。前記反応時間が十分短くない場合は、甲板は傾くことになり、風力発電機の発電効率が悪化するだけでなく、発電機自体が故障する場合もある。従って、甲板が常時水平になるように制御するには、前記浮力の反応時間が十分短いことが必要である。そこで、本考案においては、甲板の傾きを検出して、船体の全体又は一部を上下させることにより浮力を変化させ、甲板が常時水平になるように制御している。しかし、発電の開始時及び終了時のように、前記船体の浮力の対応速度が遅くなっても問題ない場合は、前記浮力の調整を船内への水の注排水で行っても良い。
また、風力が一定以上に大きくなった場合は、風力発電機のブレードの角度を下げて、風力発電機にかかる力を小さくする。ブレードの角度の調整で対応できなく、さらに前記風力の調整範囲を超えた場合においては、多少の超過は両端の船体の浮力が対応するが、それを越える場合は、適切な場所に移動する。

また、風浪及びうねり等があって、船の長さ及び船の幅がその波長に比べて十分長くない場合、甲板の水平性が保たれない場合が生じることになり、風力発電機の発電効率が悪化するだけでなく、発電機自体が故障することになることが考えられる。
風浪及びうねり等は、主に風によって発生するので、風とほぼ同じ方向で進んでくる。従って、風浪及びうねり等の方向は、本考案においては船体とほぼ直角になる。この場合は、前項［０００８］においての対応で解決される。但し、風向が変化した場合は、うねりと風浪との進行方向は異なってくる場合があるが、風向と異なる成分つまり風向と直角の成分は小さく、前記直角の方向は、船体の進行方向であり、船体は非常に長くなっているので問題ない。船体が非常に長い豪華客船、巨大タンカーなどは揺れが殆どないことで知られている。例えば、船体の前後で、波高の平均値に１ｍの差があっても、船長が３００ｍあれば、傾きは１／３００となるので問題ない。しかし、問題となる場合は、前記浮力調整用設備を風力発電船の前後に追加すれば良い。
従って、通常は問題とならないと考えられるので、浮力の調整は、簡単な構造となる船体全体の上下の移動のみによって行う方が良いと考える。
風浪及びうねり等による甲板の傾きは、風力発電機の甲板との接続部分の左右の船体の喫水線の高さの差により発生し、喫水線の高さは風浪及びうねり等の波高の平均値によるので、船体の幅は広い方が良い。
甲板を水平に保つためには、エネルギーが必要となるが、これは風力、風浪及びうねり等の大きさが変化する場合に必要となるので、通常それらは小さいので問題とならない。また、多く必要となる発電の開始時及び終了時に必要となるエネルギーは、多くて日に１，２回程度で、しかも短時間であるので、これも問題とならない。
通常の発電時においては、海上における風速は略一定しているので、風力発電機の回転力による傾きの変化は非常に小さく、それを補正する浮力を変化させるエネルギーが非常に小さいので問題とならない。
以上記載したとおり、発電を安定に行うために消費されるエネルギーは、甲板等を水平に保持するための浮力調整と、進行方向の補正及び風力発電船を元の場所又は指定された位置に戻るために行う為のものであり、それらは全て無視できるほど小さいので、有効な発電が可能となる。

以上記載したとおり、風力発電機の設置場所において、海上に設置しても、水深等による制約が非常に少ないため、設置可能場所が非常に広い。また、建造はドックで行うことが可能であるので、建造費も安価となっている。
さらに、発電した電力の陸上への搬送は、主に運用コストの安価な搬送船で行うため、安価な電力が得られることになる。
一方、本考案においては、風力発電機を設置する甲板を常時水平に保つためにエネルギーを使用するが、前項［０００７］［０００８］［０００９］に記載したとおり、その使用するエネルギーの費用は問題とならず、さらに風力は陸上の場合より大きく、甲板では風力発電に匹敵するほどの電力を発電する太陽光発電も行えるため、陸上においてより十分大きな電力が得られることになる。
よって、陸上に設置した場合より効果が大きな発電が得られることになる。

発明の効果

本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されているような効果を奏する。

海上の大部分で使用できるので、現在世界の消費電力より遙かに大きな電力を安価にしかも半永久的に得られる。従って、化石燃料を使用する必要はなくなり、地球温暖化の問題も解決される。

風力発電機本体と支持する軸は回転せず、甲板に固定されているため、回転のための部品も必要ないので、安価に製造できるとともに、本体と軸との接続を強固に出来、補修が容易である。

水素を安価に製造できるので、石油及びガス等の化石燃料の代替となる。

本方式の風力発電船は、仕様の共通化が容易であるので、量産化が容易となり安価に製造出来る。

大量の太陽光発電パネルを併設できるので、非常に大きな電力を得られる。

野菜工場及び養殖場の船内設置が容易である。

陸上から遠く離れた場所に設置されるため、低音騒音の心配がない。

発明を実施する為の最良の形態

図１は、浮力調整を船体の一部分で行う方式の風力発電船正面図、図２は図１の平面図、図３は図２船体２の側面図、図４は図３船体３の側面図、図５は図３の断面図、図６は浮力調整を船体全体で行う方式の風力発電船正面図、図７は図６の平面図である。

図１において、風力発電機１は、甲板５の上部中央に具備され、発電を行う。船体２，３，４は前記甲板５により接続され、前記接続は、接続補強部６，７，８により補強されている。

風力発電機１は、陸上用とは異なり、軸方向（水平方向）の回転はしない。従って、常時船体の進行方向右側からの風によって発電を行う。しかし、ブレードの角度の調整は可能となっている。
接続補強部９は、風力発電機１が変形しないように補強している。

船体２，４は、甲板を水平に保持するための浮力調整機能を有するとともに、推進器を具備して、船体の進行方向を風向と直角になるように調整する。この場合、船体２，４の推進器１７、１９は、通常逆方向に回転する。しかし、風力発電船を推進させる場合は、両推進器は同方向に回転する。

船体３は、本風力発電船の中心的機能の制御を行う。それらには、甲板の水平性の保持、船体の進行方向及び進行速度の制御、並びに風力発電機のブレードの角度の調整による発電電力の制御を行う機能等がある。移動中、発電の開始及び終了直後並びに蓄電池等の製品の積み卸し時においては、風力発電機のブレードの角度を最小として発電は行わない。発電の開始から発電の定常状態になるまでは、ブレードの角度は徐々に変化させていき、それに従って浮力も変化させていく。終了時においても同様である。さらに、船内の電力用に蓄電する蓄電池と売電用に蓄電する蓄電池を積載している。電力を水素に変換して出荷する場合は、水素を製造する工場を設置する。

甲板５は、船体２，３，４を接続するとともに、上部に風力発電機を具備する。さらに、上部に太陽光パネルを設備し、発電を行う。野菜工場等を併設する場合は、甲板５の下部になる。

図２において、浮力調整部１１，１２，１３，１４，１５，１６は、甲板５の水平性を保持する。

浮力調整部１１，１３、１４，１６は、主に船体の進行方向の水平性を制御する。前記浮力調整部は、内部が中空で同体積の水より十分軽くなっている。この部分が喫水線を基準として、上がった場合は、喫水線より下の重量が重くなるため、浮力は小さくなり、下がった場合は、喫水線より下の重量が軽くなるため、浮力は大きくなることにより、前記水平性が制御される。
但し、浮力調整部１１，１３と浮力調整部１４，１６の動作の上がり下がりは逆になる。

浮力調整部１２，１５は、主に船体の進行方向と直角の水平性を制御する。主な浮力の動作は、前項［００２６］と同じである。発電の開始時と終了時において風力発電機の回転方向の力が大きく変化するので、それに対応して浮力も大きく変化せざるを得ない。従って浮力調整部１２，１５が大きく変化することになる。

図３は、船体２の側面図である。推進器１７の動作は、［００２２］項で記載したように、発電船の進行方向の修正および移動する場合等に使用する。推進器１７（船体４の推進器１９を含む）、の燃料には、本船で発電した電力を使用する。

図４は、船体３の側面図である。船体３の喫水線より下の船体の進行方向と平行な面積は、可能な限り大きくしている。これにより、風力による風力発電機の移動を無視できるまで小さくしている。この作用には、船体２及び４も貢献しているので、船体２及び４の進行方向の水の抵抗が問題とならない範囲で、船体２及び４の前記面積を大きくする。

図５は、図３船体２の側面図の断面ＡＢの拡大図である。浮力調整部１２は、中が空洞で重量が同一体積の水より十分軽い直方体である。前記直方体が上に移動すれば、喫水線（一点鎖線）以下の重量が重くなるため、船体は下方に移動する。逆に下に移動すれば、喫水線（一点鎖線）以下の重量が軽くなるため、船体は上方に移動する。前記直方体の重量は、同一体積の水の重量との差が大きいほど、前記直方体の上下の移動による浮力の変化は大きくなる。つまり、甲板が進行方向左下方に傾いた場合は、前記直方体を下方に移動すれば良い。この場合、船体４の浮力調整部１５は、上方に移動する。前記直方体下の斜線の部分は水である。この水は、外部の水と抵抗なく自由に出入する

図６は浮力調整を船体全体で行う方式の風力発電船正面図である。この方式においては、浮力調整は、船体２２を浮力調整駆動部４０Ａ及び４０Ｂが船体保持部３６Ａ，３６Ｂに沿って、船体２４を浮力調整駆動部４１Ａ及び４１Ｂが船体保持部３８Ａ、３８Ｂに沿って上下に移動することによって行う。従って、甲板の前後方向の水平性の制御は行わない。
その他の箇所の機能は、前例図１における番号に２０を加えた番号と同一である。例えば、図１の１（風力発電機）と図６の２１（風力発電機）は、機能は同一である。

図７は図６の平面図である。各部の図番番号の機能は、図６の同一の番号の機能と同じである。

運用場所は、陸から約１００ｋｍ離れた太平洋海上、海流に沿って幅１ｋｍ長さ４０ｋｍの海域で海流の速度は１ノットの所で行う
構成は下記の通り。
風力発電船：２０隻、
水素運搬船：２隻
（１） 風力発電船は３隻の船体から構成され、主な諸元は下記の通り。
高さ：３１０ｍ（甲板から下が１００ｍ）
長さ：３００ｍ
幅 ：２１０ｍ
風力発電機定格出力：９．８ＭＷ
（２）各船体の主な諸元は下記の通り。
▲１▼両側の船体（図６において船体２及び船体４に相当）
高さ：４５ｍ
長さ：２００ｍ
幅 ：２５ｍ
▲２▼中央の船体（図において船体３に相当）
高さ：３１０ｍ
長さ：３００ｍ
幅 ：４０ｍ
内部に風力発電船内の電力用に蓄電する蓄電池を具備している。
（３）甲板５の主な諸元は下記の通り
高さ：５ｍ
長さ：３００ｍ
幅 ：２１０ｍ
上部に定格出力：９．８ＭＷの風力発電機と８ＭＷの太陽光発電パネルを具備している。

運用は、風力発電船１船舶当たり一日を１サイクルとして次の通りとする。
風力発電機動作：２２時間、
発電開始及び終了並びに蓄電池の搬入及びに搬出：１時間
移動（指定の位置に戻る時間と出発点に戻る時間）：１時間
水素運搬船は、港に戻って水素を搬出し、元の位置に戻る時間を４時間とすれば、４隻以上毎に港に行くことになる。

このシステム（風力発電船２０隻）による発電電力は、次の通りとなる。
風力発電機の効率を３０％、太陽光発電の効率を２０％（日照時間を平均６時間とすれば、一日当たりの発電量は、（９．８×０．３＋８×０．２）×２４×２０＝２１７９．２ＭＷとなる。
前記に設定したシステムに要する海の面積は、幅１ｋｍ×長さ４０ｋｍ＝４０ｋｍ^２となる。
日本で使用できる面積を、幅５０ｋｍ×長さ２０００ｋｍ＝１×１０ ^５ ｋｍ^２とすれば、このシステムは２５００システム設置可能となり、その発電量は、１０８０ＭＷの２５００倍となって、５４４８×１０ ^３ＭＷとなる。この電力は、日本の一日当たりの消費電力１８０万ｋＷ（＝１８×１０^４ＭＷ）の約３０倍となるので、日本の消費電力を全てこのシステムによる発電電力に変更しても、十分余裕があることになる

全ての電力需要に利用できる。

製造された充電済みの蓄電池及び水素は、現在の電力需要の他に次の通りの需要がある。
▲１▼山間僻地等の配電線が行っていないところへの電力供給
▲２▼停電時の補償用電力。
▲３▼自動車等の燃料

浮力調整を船体の一部分で行う方式の風力発電船正面図 図１の平面図 図２船体２の側面図 図３船体３の側面図 図３の断面ＡＢの拡大図 浮力調整を船体全体で行う方式の風力発電船正面図 図６の平面図

１、２１ 風力発電機
２、３，４、２２、２３，２４ 船体
５、２５ 甲板
６、７，８、９，２６、２７，２８、２９ 接続補強部
１１，１２，１３，１４，１５，１６ 浮力調整部
１７、１９、３７，３９ 推進器
１８ 浮力調整用可動筐体
３６Ａ、３６Ｂ、３８Ａ ３８Ｂ 船体保持部
４０Ａ、４０Ｂ ４１Ａ、４１Ｂ 浮力調整駆動部

Claims (1)

1. 甲板上に風力発電機を具備している船舶Ａにおいて、甲板より下は、複数の船体で構成されており、前記複数の船体の内少なくとも外側の船体においては、推進器を具備し、前記推進器によって前方及び後方の移動のみでなく、前記船体の構造上の進行方向と風向が直角になるように制御し、さらに、前記複数の船体の内の前もって定められた船体においては、船体の一部又は全体を上下に移動させて、前記船体の喫水線から下の重量又は体積を変化させることにより前記船体の浮力を変化させて、前記船舶Ａの甲板を常時水平になるように制御しながら発電し、発電された電力に、太陽光パネルが具備されている場合は、太陽光パネルによって得られる電力を加えた電力により水素を生産し、一定時間又は一定距離を海流に流された後風力発電機による発電を止め、風力発電機を含めた船舶Ａに加わる風力を最小にして出発点に向かい、途中、近くに停泊する船舶に前記水素を搬入してから元の出発点に戻り、これを繰り返して行い、前記船舶Ａと同様な仕様の船舶とグループを形成し、前記グループ内の各船舶は、船舶Ａと同様に前記停泊する船舶に前記水素を搬入し、その搬入量が一定以上になった場合には、別の搬送用船舶に前記水素を積み替えるか、別の搬送用船舶と交代して、前記停泊する船舶自身が、陸地に前記水素を搬送し、発電する工程を行うことを特徴とする洋上風力発電方式

Images