WO2012060108A1 - 風力発電施設の回動揺動抑制装置及び浮体式洋上風力発電施設 - Google Patents

風力発電施設の回動揺動抑制装置及び浮体式洋上風力発電施設 Download PDF

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wind power
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nacelle
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俊司 井上
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Definitions

  • the present invention relates to a rotation swing suppressing device and a floating body of a wind power generation facility capable of efficiently suppressing the rotation swing (yaw rotation, yaw rotation) of a nacelle that accommodates a rotating shaft of a rotor and the swing swing of a floating body.
  • a rotation swing suppressing device and a floating body of a wind power generation facility capable of efficiently suppressing the rotation swing (yaw rotation, yaw rotation) of a nacelle that accommodates a rotating shaft of a rotor and the swing swing of a floating body.
  • an active control device combined with a wind direction sensor is used to change the direction of the windmill in response to the change in the wind direction.
  • maintains a windmill in the position according to the wind direction is employ
  • an active control apparatus may be omitted as a measure for simplifying the system of the entire wind power generation facility.
  • the rotating shaft of the rotor of the windmill is supported so as to be freely rotatable on a horizontal plane, and the direction of the windmill is changed by the windcock effect to cope with the change in the wind direction.
  • the wind power generation facility generates power when the rotor rotates by receiving wind.
  • a gyro moment is generated in a direction perpendicular to both the direction of the moment and the rotation axis of the rotor due to a so-called gyro effect.
  • a vertical moment is generated due to the influence of waves.
  • a gyro moment is generated in the horizontal direction orthogonal to the rotation axis of rotation of the rotor due to the gyro effect.
  • the nacelle In a floating offshore wind power generation facility equipped with an active control device, the nacelle is held by the floating body at a position according to the wind direction. For this reason, the rotational motion of the floating body having the vertical axis as the rotation axis is generated by the gyro moment caused by the gyro effect generated in the nacelle that accommodates the rotation axis of the rotor of the wind turbine.
  • the wave motion is repetitive motion, the floating body repetitively moves (rotates and swings) together with the nacelle.
  • the rotating shaft of the rotor of the windmill is supported in a freely rotatable state with respect to the floating body. For this reason, the rotation of the nacelle is caused by the gyro moment resulting from the gyro effect generated in the nacelle.
  • the inventor has found that the moment resulting from the gyro effect has a negative effect on the power generation efficiency of the floating offshore wind power generation facility and the durability of the equipment.
  • Patent Documents 1 to 3 It has been proposed to adopt various configurations for the purpose of preventing vibrations generated in wind power generators.
  • Patent Document 1 discloses a wind power generator provided with a turning drive source for turning a platform supported by a top end of a tower so as to be turnable in a horizontal direction and a turning direction fixing means as an active control device for a nacelle.
  • a wind power generator provided with a turning drive source for turning a platform supported by a top end of a tower so as to be turnable in a horizontal direction and a turning direction fixing means as an active control device for a nacelle.
  • Patent Document 2 describes a configuration in which a swing action attenuating means is arranged in a nacelle for the purpose of attenuating a swing action in the edge direction of a rotor blade in a wind turbine.
  • Patent Document 3 in the wind power generator, for the purpose of preventing vibration transmitted to the nacelle frame via the speed increasing gear box and preventing vibration transmitted from the nacelle frame to the speed increasing gear box, A configuration is described in which an anti-vibration damper is provided between the speed increasing gear box and the nacelle frame.
  • the present invention provides a wind power generation facility that can prevent the nacelle and floating body from rotating and swinging due to a gyro moment due to the gyro effect, thereby suppressing adverse effects on the power generation efficiency of the wind power generation facility and the durability of the equipment. It aims at providing a rotation rocking
  • a rotation / swing suppression device for a wind power generation facility wherein a rotor that rotates by wind, a nacelle that accommodates at least a rotation shaft of the rotor, It is characterized by comprising a structure having a rotating means for freely supporting, and a rocking restraining means for restraining the rocking of the nacelle to the water surface or the ground.
  • a structure having a rotating means for freely supporting, and a rocking restraining means for restraining the rocking of the nacelle to the water surface or the ground.
  • the nacelle in the rotation swing suppressing device for a wind power generation facility according to the first aspect, is provided on the windward side with respect to the rotor. According to this configuration, the nacelle can be rotated with respect to the water surface or the ground by the so-called weathercock effect, and the direction of the rotation axis can be matched with the wind direction.
  • the rotational swing suppressing device for a wind power generation facility according to the second aspect, wherein a coning angle is given to the rotor. According to this configuration, the so-called weathercock effect can be further improved.
  • the present invention described in claim 4 is characterized in that in the rotation swing suppressing device for a wind power generation facility described in claim 1, the swing suppressing means uses a hydraulic damper.
  • the rotational swing suppressing device for a wind power generation facility wherein the swing suppressing means uses a friction damper.
  • the vibration suppressing means uses a friction damper.
  • the swing suppression means is rotated by mutual interference between the shape or structure of the structure and the surrounding fluid. It is characterized by using a hydrodynamic damper that suppresses dynamic oscillation. According to this configuration, the resistance to rotation can be changed by the resistance of the hydrodynamic damper in water to the water according to the rotation speed of the nacelle or the floating body, and the rotation swing can be suppressed.
  • a floating offshore wind power generation facility according to any one of the first to sixth aspects. It is characterized by being applied to a wind power generation facility that generates power using a floating body as a part. According to this configuration, the pivoting and swinging of the nacelle induced by the gyro effect caused by the pitching and swinging of the floating body on the ocean can be suppressed by the swing suppressing means.
  • the present invention according to claim 8 is characterized in that, in the floating offshore wind power generation facility according to claim 7, the floating body is moored by a mooring system that suppresses the rotational motion around the central axis of the floating body.
  • the floating body is formed in a substantially cylindrical shape, and the mooring method is used when the floating body is projected onto a horizontal plane.
  • a pair of mooring lines composed of two mooring lines connected to each other at two points on the circumference of a circle in a cylindrical shape is used, and each of the two mooring lines is substantially tangent to the circle. It is made into the shape and it was set as the form extended on the same side. With this configuration, rotation of the floating body around the central axis of the cylinder can be suppressed.
  • the wind is received so that the rotation axis of the rotor in a state where the wind is inclined is parallel to the wind direction.
  • the nacelle is supported by the structure body with a predetermined angle with respect to the horizontal plane of the rotational axis of the rotor in a non-rotating state.
  • the predetermined angle can be set in consideration of the inclination of the wind power generation facility when the rotor receives wind, so that the rotation axis of the rotor can be parallel to the wind direction during power generation. .
  • the “state tilted by receiving wind” refers to a state tilted by receiving wind at a typical wind speed assumed in a place where the wind power generation facility is installed.
  • typical wind speeds for example, annual average wind speed, wind speed at which power generation efficiency is maximized, and the like can be cited.
  • the rotation and swing suppression device for a wind power generation facility can suppress the rotation and swing caused by the gyro effect by the swing suppression means. Therefore, the rotation and swing can adversely affect the power generation efficiency of the wind power generation facility and the durability of the equipment. It becomes possible to suppress.
  • the nacelle is provided on the windward side with respect to the rotor or the rotor is provided with a coning angle, the nacelle is rotated by the so-called weathercock effect so that the rotor axis of rotation matches the wind direction and the rotor is moved in the wind direction. Therefore, it is possible to improve the power generation efficiency of the wind power generation facility. Further, it is possible to suppress the rotational swing and reduce the load of the swing suppressing means.
  • the resistance of the swing control means can be changed according to the rotation speed of the nacelle. It is possible to suppress the pivoting and swinging of the nacelle having a high speed due to the gyro effect without suppressing the pivoting.
  • the resistance can be changed according to the rotational speed of the nacelle, and the nacelle is caused by the gyro effect.
  • the floating offshore wind power generation facility of the present invention is provided with the rotation / swing suppression device of the wind power generation facility of the present invention, power generation efficiency and durability of the device are suppressed by suppressing the rotation / swing of the nacelle due to the gyro effect. Can be improved. Further, the pitching swinging of the floating body can be suppressed by the reverse action of the gyro effect.
  • the floating body is moored by a mooring method that suppresses the rotational movement around the central axis of the floating body, it is possible to effectively suppress the pivoting and swinging of the nacelle and the floating body due to the gyro effect. It is possible to improve the power generation efficiency and the durability of the device.
  • the direction of the rotation axis of the rotor and the direction of the wind should be substantially parallel to each other during power generation. Therefore, it is possible to improve the power generation efficiency by setting the rotation surface of the rotor substantially perpendicular to the wind direction.
  • the perspective view which shows schematic structure of the floating type offshore wind power generation facility by the 1st Embodiment of this invention
  • the principal part side view which shows the structure of the rotation rocking
  • the relationship between the change in the wind direction on the sea and the swing angle of the floating body on the water due to the influence of waves is shown, (a) is a graph showing the change in the wind direction, (b) is a graph showing the change in the swing angle
  • the perspective view which shows schematic structure of a hydraulic damper Front view showing schematic configuration of hydraulic damper AA arrow sectional view of FIG.
  • FIG. 4B The perspective view which shows schematic structure of a friction damper Front view showing schematic configuration of friction damper
  • the top view which shows the structure of the mooring device of the floating body which becomes the 1st Embodiment of this invention
  • the side view which shows the structure of the mooring device of the floating body which becomes the 1st Embodiment of this invention
  • Top view showing the configuration of a conventional tension mooring system Side view showing the configuration of a conventional tension mooring system
  • the principal part side view which shows the structure of the rotation rocking
  • fluctuation suppression apparatus with which the floating type offshore wind power generation facility by the 2nd Embodiment of this invention was equipped received the wind
  • fluctuation suppression apparatus with which the floating type offshore wind power generation facility by the 2nd Embodiment of this invention is equipped is not receiving the wind
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a floating offshore wind power generation facility 10 according to the present embodiment.
  • the floating offshore wind power generation facility 10 is one in which a floating body 31 provided with a rotation and swing suppression device 20 is moored to an anchor 33 on the seabed B via a mooring line 32.
  • a line extending from the bottom of the floating body 31 indicates a power transmission line 34.
  • the structure of the rotation / swing suppression device 20 provided in the floating offshore wind power generation facility 10 of this embodiment will be described with reference to FIG.
  • FIG. 2 is a side view of the main part showing the structure of the rotation / swing suppression device 20 of the floating offshore wind power generation facility 10 according to the present embodiment.
  • the rotation / swing suppression device 20 includes a rotor 11 that is rotated by wind, a nacelle 13 that accommodates a rotating shaft 12 of the rotor 11, and a nacelle 13 that is rotatably supported on the water surface or the ground. It comprises a tower (structure) 15 having a rotating seat bearing (rotating means) 14 and a rocking restraining means 16 for restraining the rocking of the nacelle 13 relative to the water surface.
  • the rotor 11 includes a hub 17 in which a plurality of blades 18 are provided radially, and a rotating shaft 12 connected to the hub 17.
  • the rotating shaft 12 is rotatably supported in the nacelle 13.
  • the rotating shaft 12 rotates and power is generated by a generator (not shown) provided in the nacelle 13.
  • a white arrow W in FIG. 2 indicates a wind direction.
  • the rotor 11 is provided on the leeward side of the nacelle 13. Thereby, the rotation of the nacelle 13 provided in the rotary seat bearing 14 can effectively produce a so-called weathercock effect that matches the direction of the rotary shaft 12 with the wind direction.
  • the nacelle 13 accommodates therein a rotating shaft 12 that rotates in response to the wind W. Further, although not shown in the drawing, a means for power generation provided in the wind power generator is also provided, such as a gear box that increases the rotational speed of the rotary shaft 12 and transmits it to the power generator.
  • the nacelle 13 is rotatably supported in a direction parallel to the sea surface P by a rotating seat bearing 14 provided at an upper portion of the tower 15. Thereby, the direction of the rotating shaft 12 can be changed according to the change of the wind direction W by rotation of the nacelle 13, and the rotation surface of the blade
  • fluctuation suppression means 16 is for suppressing the rotation rocking
  • the rotation / swing suppression device 20 When the rotation / swing suppression device 20 is provided not on the floating offshore wind power generation facility 10 but on an onshore wind power generation device, the nacelle 13 is supported by the rotation seat bearing 14 so as to be rotatable with respect to the ground. It becomes. Then, when a vertical moment is applied for some reason, the swing suppression means 16 can suppress the rotational swing of the nacelle 13. Further, the weathercock effect described above is also useful for reducing the load on the swing suppression means 16.
  • Fig. 3 shows the relationship between the change in wind direction at sea and the swing angle of floating bodies on water due to the effects of waves.
  • (A) is a graph showing the change in wind direction
  • (b) is the graph of the swing angle. It is a graph which shows a change. The part enclosed with the broken line in the graph of (a) and the graph of (b) have shown the change for 1 hour.
  • the change in the wind direction takes a long time
  • the change in the swing angle due to the influence of the waves occurs in a short time. That is, the rotation speed of the nacelle 13 accompanying the change in the wind direction is slow, and the rotation speed of the nacelle 13 due to the gyro effect due to the influence of waves is high.
  • the rotation speed of the nacelle 13 can be used as the rocking suppression means 16 in order to selectively suppress the rotation of the nacelle 13 due to the gyro effect while allowing the nacelle 13 to rotate according to the change in the wind direction. It is preferable to use a material whose resistance changes according to the above. As a result, the so-called weathercock effect is exhibited without causing a damping effect against the slow rotation of the nacelle 13 supported by the rotating seat bearing 14 due to the change in wind direction that changes over a relatively long time. be able to. In addition, a dampening effect can be produced and selectively suppressed with respect to the rotational swing of the nacelle 13 whose cycle caused by waves is short in rotational speed.
  • the floating offshore wind power generation facility 10 of the present embodiment can suppress the pivoting and swinging of the nacelle 13 by the swinging suppression means 16, it is possible to suppress the above-described adverse effects.
  • the rotation / swing suppression device 20 provided with the swing suppression means 16, it is possible to suppress the occurrence of rotation / swing in the nacelle 13 due to the gyro effect caused by the pitching motion of the floating body 31 caused by the waves. Further, by suppressing the pivotal swing of the nacelle 13, it is possible to suppress the pitching swing of the floating body 31 due to the reverse action of the gyro effect.
  • the hydraulic damper 160 includes a rotating body 163 and an oil 164 inside a body case 161 and a cap 162.
  • the hydraulic damper 160 is a damper that uses a braking force generated by the viscous resistance of the oil 164.
  • the braking torque resistance against the rotation of the rotating body 163 can be changed.
  • there is a relationship between the rotational speed of the rotator 163 and the braking torque such that when the rotational speed increases, the braking torque increases, and when the rotational speed decreases, the braking torque decreases.
  • the viscous resistance of the oil 164 is used, there is an advantage that a change in characteristics over time such as wear can be reduced.
  • the influence of viscosity change due to temperature can be reduced by selecting the type of oil 164.
  • the oil 164 can be cooled by wind, and the heat of the oil 164 is taken away during high winds to increase the viscosity.
  • the braking torque may be increased.
  • the friction damper 165 includes a friction material 167 provided so as to be in contact with the outer surface of the rotation shaft 166 and a rotation shaft connecting material 168 provided so as to surround the friction material 167. And an elastic body 169 that pushes in the direction.
  • the friction damper 165 is a damper that uses a braking force generated by the frictional resistance between the rotating shaft 166 and the friction material 167.
  • the braking torque can be changed by adjusting the frictional resistance, the contact area, etc. between the rotating shaft 166 and the friction material 167.
  • there is a relationship between the rotational speed of the rotating shaft 166 and the braking torque that the braking torque increases as the rotational speed increases and the braking torque decreases as the rotational speed decreases.
  • the structure can be simplified because a seal portion or the like is not required, and the characteristics can be maintained relatively stably in an environment where the ambient temperature changes greatly.
  • the braking force can be kept constant corresponding to the dimensional change due to wear of the friction material 167 by the urging force of the elastic body 169. That is, even when the size of the friction material 167 changes due to friction, the elastic body 169 biases the friction material 167 so that the frictional resistance between the rotating shaft 166 and the friction material 167 becomes constant. Can be kept in.
  • the floating body 31 is moored by a mooring line 32 to an anchor 33 provided on the seabed B in a mooring system that suppresses the rotational movement around the central axis of the floating body 31. For this reason, rotation of the floating body 31 in water is suppressed.
  • This mooring method will be described later.
  • a floating offshore wind power generation facility equipped with a device that actively controls the rotational movement of the nacelle to adjust the nacelle to the wind direction.
  • the windmill is temporarily fixed and held on the floating body at a position according to the wind direction, that is, a position where the rotating surface faces the wind.
  • the rotational motion of the floating body about the vertical direction is caused by the gyro moment resulting from the gyro effect of the rotor of the windmill. Therefore, a mooring system that constrains this rotational movement suppresses this rotational swing.
  • the adverse effect on the power generation efficiency of the floating offshore wind power generation facility and the durability of the equipment can be suppressed.
  • FIG. 6A and 6B show the configuration of the floating body mooring apparatus according to the present embodiment
  • FIG. 6A is a top view
  • FIG. 6B is a side view
  • FIG. 6A is a diagram in which the floating mooring device is projected on a horizontal plane.
  • One end of a plurality of mooring lines 32 is connected to the floating body 31.
  • the other end of each mooring line 32 is connected to an anchor 33 provided in the water.
  • the floating body 31 is formed in a substantially cylindrical shape.
  • a mooring line pair including two mooring lines 32 connected to each other at two points on the circumference of a circle in a substantially cylindrical shape is used.
  • Each of the two mooring lines 32 has a shape that is substantially a tangent of a circle, and is configured to extend to the same side.
  • FIG. 7 shows the relationship between the two mooring lines 32 connected to the lower right anchor 33 and the floating body 31 in the top view (projection view on the horizontal plane) of FIG. 6A.
  • One ends of the two mooring lines 32 are respectively connected to points A and B on the circumference of the floating body 31.
  • the mooring lines 32 are arranged in the form of tangents L1 and L2 at points A and B.
  • FIG. 8A and FIG. 8B the structure in a simple conventional tension mooring system is shown in FIG. 8A and FIG. 8B. It is clear that the horizontal movement (floating) of the floating body 31 is suppressed by the mooring lines 32 extending radially in the three directions shown in FIG. However, in the top view (FIG. 8A), since the angle formed by the rotation direction (circumferential direction) of the floating body 31 and the mooring line 32 is substantially vertical, it is difficult to suppress the rotational movement. For this reason, the mooring method shown in FIGS. 8A and 8B corresponds to the mooring method that does not suppress the rotational movement of the floating body 31 around the central axis.
  • the rotational swing suppressing device for a wind power generation facility is different from the rotational swing suppressing device according to the first embodiment in a configuration in which a coning angle is given to the rotor.
  • the same number is attached
  • FIG. 9 is a side view of the main part showing the structure of the rotation / swing suppression device 30 of the wind power generation facility according to the present embodiment.
  • the nacelle 13 is provided on the windward side of the rotor 11.
  • a coning angle ⁇ is given to the rotor 11.
  • the coning angle ⁇ is an angle between a straight line indicated by a one-dot chain line connecting the hub 17 connecting portion 18A and the tip end 18B of the blade 18 and a vertical line V indicated by a one-dot chain line in the drawing.
  • the nacelle 13 supported by the rotating seat bearing 14 is automatically rotated in a state in which it can freely rotate in the horizontal direction according to the change in the wind direction W, and the rotating shaft 12 of the rotor 11 is automatically rotated. It is possible to improve the weathercock effect that matches the wind direction. When the axial direction of the rotating shaft 12 and the wind direction coincide with each other, the plane formed by the locus of the rotating surface of the rotor 11, that is, the tip 18B of the blade 18 is substantially perpendicular to the wind direction. Moreover, the improvement of the weathercock effect is also useful for further reducing the load on the swing suppression means 16.
  • the rotating shaft 12 of the rotor 11 in a power generation state tilted by wind is positioned on the horizontal plane H. It is preferable to configure so as to. This configuration will be described with reference to FIGS. 10A and 10B.
  • FIG. 10A and FIG. 10B show a schematic configuration of the rotation / swing suppression device 30 provided in the floating offshore wind power generation facility of the present embodiment
  • FIG. 10A is a side view in a state of receiving wind
  • 10B is a side view in a state where no wind is received.
  • the rotation / swing suppression device 30 of the present embodiment positions the rotating shaft 12 of the rotor 11 (indicated by S as an axial line) on a horizontal plane H in a power generation state tilted by wind. By doing so, the direction of the rotation axis of the rotation shaft 12 can be made to coincide with the wind direction W (both are made parallel).
  • FIG. 10B in a state where no wind is received, the nacelle 13 is supported by the tower 15 so that the rotation shaft 12 (straight line S) of the rotor 11 has a predetermined angle ⁇ with respect to the horizontal plane H. Has been.
  • the predetermined angle ⁇ may be set based on the most common wind speed so that the power generation efficiency by the floating offshore wind power generation facility is improved. Moreover, it is good also as a structure provided with the predetermined angle (beta) control means which changes the predetermined angle (beta) so that the predetermined angle (beta) may become an optimal angle according to a wind speed.
  • FIGS. 10A and 10B can also be used in a floating offshore wind power generation facility using the rotation / swing suppression device 20 described in the first embodiment.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a schematic configuration of the floating offshore wind power generation facility 40 according to the present embodiment.
  • the floating offshore wind power generation facility 40 is configured such that the nacelle 13 and the structure 41 are integrated so that the nacelle 13 does not rotate with respect to the structure 41.
  • the structure 41 floats on water, and the nacelle 13 is fixed to the upper end of the structure 41, and the lower end of the structure 41 is connected to the anchor 43 of the seabed B via the rotating means 42.
  • the rotating means 42 connects the structure 41 to the anchor 43 so that the structure 41 can be rotated in accordance with the change in the wind direction W, and causes the structure 41 to exhibit the weathercock effect. .
  • a hydrodynamic damper 44 is provided outside the structure 41.
  • the structure 41 is moored by a mooring method that does not suppress rotational movement around the central axis.
  • By positioning the hydrodynamic damper 44 in water it can function as a swing suppression means. That is, the resistance of the blade-shaped hydrodynamic damper 44 to water is small for slow rotation of the structure 41 and large for fast rotation. For this reason, it is possible to selectively attenuate and suppress the rotation of the structure 41 due to the gyro effect that is a fast rotation.
  • a hydraulic damper 160 see FIGS.
  • the structure 41 may be moored together with another mooring method that does not suppress the rotational movement around the central axis by a mooring line or the like.
  • the hydrodynamic damper 44 can fulfill the function of the swing suppression means even in the ground-installed wind power generation facility.
  • FIG. 12 is a perspective view showing a schematic configuration of a floating offshore wind power generation facility 50 having a configuration different from the above-described floating offshore wind power generation facility 40 according to the present embodiment.
  • the floating offshore wind power generation facility 50 has the upper part 51A of the structure 51 and the nacelle 13 integrated with each other, and a rotating means 42 is provided between the upper part 51A of the structure and the lower part 51B of the structure.
  • the structure 51 is fixed to the anchor 43 on the seabed B by a plurality of mooring lines 54 in a structure lower part 51B positioned below the rotating means 42.
  • the upper structure 51 ⁇ / b> A can be rotated in accordance with the change in the wind direction W by the rotating means 42, so that the weathercock effect can be exhibited. Then, the swing suppression means 16 provided inside the structure 51 can suppress the rotational swing of the nacelle 13 due to the gyro effect. Further, the upper structure 51A can be moored together with another mooring method that does not suppress the rotational movement around the central axis by a mooring line or the like.
  • FIG. 1 A fourth embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
  • a configuration in which a floating offshore wind power generation facility is moored by a mooring method that does not suppress rotational movement around the central axis of the floating body will be described.
  • members described in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted in this embodiment.
  • FIG. 13 is a perspective view showing a schematic configuration of the floating offshore wind power generation facility according to the present embodiment.
  • the floating body 31 of the floating offshore wind power generation facility 60 of the present embodiment is moored to the seabed B by a mooring line 32 in a so-called catenary system. Accordingly, the floating body 31 can swing and swing within a certain range around the central axis. That is, the floating body 31 is moored by a mooring method that does not suppress the rotational movement around the central axis.
  • the floating body 31 of the floating offshore wind power generation facility 60 is provided with a plurality of blade-like hydrodynamic dampers 64.
  • the hydrodynamic damper 64 can suppress the rotation and swinging of the floating body 31.
  • the swing for suppressing the pivotal oscillation of the nacelle 13 in the rotary seat bearing 14 is performed.
  • the combination of the movement suppressing means 16 and the hydrodynamic damper 64 for suppressing the rotation and swinging of the floating body 31 suppresses the rotation and swinging of the nacelle 13 and the floating body 31 due to the gyro effect. It is effective for.
  • two hydrodynamic dampers 64 are arranged to face each other with the floating body 31 therebetween. That is, the line connecting the attachment portions of the two hydrodynamic dampers 64 to the floating body 31 is disposed so as to pass through the approximate center of the cross section parallel to the horizontal plane of the floating body 31.
  • the hydrodynamic damper 64 is provided not for the pitching oscillation of the floating body 31 but for suppressing the rotation oscillation. That is, the hydrodynamic damper 64 of the floating offshore wind power generation facility 60 is provided so as to be a resistance to the rotational swing of the floating body 31 due to mutual interference with external water. Therefore, it is not necessary to provide three or more sheets unlike those intended to suppress pitching oscillation. For this reason, even if there is one hydrodynamic damper 64, the function is achieved. However, the number of hydrodynamic dampers 64 may be three or more because the above function is achieved even if the number is three or more.
  • the hydrodynamic damper 64 instead of the rocking suppression means 16, even when a device for actively controlling the rotational movement of the nacelle is provided, the hydrodynamic damper 64 causes the rocking body 31 to rotate and rock. Can be suppressed.
  • the hydrodynamic damper 64 functions as a swing suppressing means by generating a hydrodynamic action by mutual interference with the surrounding fluid.
  • the cross-sectional shape of the structure itself may be configured to be, for example, a square shape or a shape with many irregularities.
  • the present invention can be used as a device for improving the power generation efficiency and the durability of equipment in a wind power generation facility.
  • it is useful for improving the power generation efficiency of a floating offshore wind power generation facility and the durability of equipment.

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Abstract

　風力発電施設の発電効率や機器の耐久性に対する悪影響の原因となるジャイロ効果によるナセルの回動揺動を抑制することができる浮体式洋上風力発電施設を提供する。　風により回転するローター１１と、ローター１１の回転軸１２を収容するナセル１３と、ナセル１３を海面Ｐに対して回動自在に支持して風見鶏効果を発揮させて回動座軸受１４を有したタワー１５を備えた浮体式洋上風力発電施設１０において、タワー１５にナセル１３の回動揺動Ｔを抑制するための揺動抑制手段１６が設けられていることにより、海面Ｐの波浪によって浮体３１に生じる揺動Ωに起因するジャイロ効果によるナセル１３の回動揺動Ｔを抑制することができる。

Description

風力発電施設の回動揺動抑制装置及び浮体式洋上風力発電施設
　本発明は、ローターの回転軸を収容するナセルの回動揺動（ヨーイング回転、偏揺れ回転）及び浮体の回動揺動を効率的に抑制することができる風力発電施設の回動揺動抑制装置及び浮体式洋上風力発電施設に関する。
　従来、風力発電施設においては、風向の変化に対応して風車の向きを変化させるため、風向センサーと組み合わせた能動的制御装置が用いられている。例えば、風向センサーの測定結果に応じて動力装置により風車を回動させて、風向に合わせた位置で風車を保持する構成が採用されている。また、風力発電施設全体のシステムを簡便化するための方策として、能動的制御装置を省略することがある。能動的制御装置を省略する場合、風車のローターの回転軸を水平面上で自由に回動可能な状態で支持し、風見鶏効果により風車の向きを変化させることにより風向の変化に対応させている。
　風力発電施設は、ローターが風を受けて回転することによって発電するものである。そして、ローターの回転の自転軸に対して鉛直方向のモーメントが加えられると、いわゆるジャイロ効果によって、当該モーメントの方向及びローターの自転軸の両方と直交する方向にジャイロモーメントが発生する。たとえば、水に浮かんだ浮体上に設けられた浮体式洋上風力発電施設においては、波浪の影響によって鉛直方向のモーメントが発生する。このため、ジャイロ効果によって、ローターの回転の自転軸に直交する水平方向にジャイロモーメントが発生する。
　能動的制御装置を備えた浮体式洋上風力発電施設では、風向に合わせた位置においてナセルが浮体に保持されている。このため、風車のローターの回転軸を収容するナセルに生じたジャイロ効果に起因するジャイロモーメントにより、鉛直軸を回転軸とする浮体の回転運動が生じる。ここで、波の運動は反復運動であるから、浮体はナセルと共に反復運動（回動揺動）することとなる。
　また、能動的制御装置を省略した浮体式洋上風力発電施設においては、風車のローターの回転軸は浮体に対して自由に回動可能な状態で支持されている。このため、ナセルに生じたジャイロ効果に起因するジャイロモーメントにより、ナセルの回動揺動が生じることとなる。
　発明者は、このジャイロ効果に起因するモーメントが、浮体式洋上風力発電施設の発電効率や機器の耐久性に悪影響を及ぼす原因となっていることを見いだした。
　風力発電装置において発生する振動の防止を目的として、種々の構成を採用することが提案されている（特許文献１～３）。
　特許文献１には、ナセルの能動的制御装置として、タワーの上端部に水平方向に回動可能に支持されたプラットフォームを旋回する旋回駆動源と旋回方向の固定手段とを備えた風力発電装置が記載されている。そして、この風力発電装置において、ブレードの共振や共振風速によりタワー等に発生する振動を抑制することを目的として、制振装置を設ける構成が記載されている。
　特許文献２には、風力タービンにおいて、ローターの羽根の縁部方向の揺動作用を減衰させることを目的として、ナセルに揺動作用減衰手段を配置する構成が記載されている。
　特許文献３には、風力発電機において、増速ギアボックスを介してナセルフレームに伝達される振動を防止すること及びナセルフレームから増速度ギアボックスに伝達される振動を防止することを目的として、増速ギアボックスとナセルフレームとの間に防振ダンパーを設ける構成が記載されている。
特開２００３－１７６７７４号公報 特表２００２－５１７６６０号公報 特表２００８－５４６９４８号公報
　このように、風力発電施設において、従来、ローター等の回転自体によって発生する振動は問題とされていたものの、ジャイロ効果に起因するジャイロモーメントにより生じるナセルの揺動について着目したものは存在しない。このため、これら特許文献に記載の風力発電装置に用いられている振動抑制手段では、浮体式洋上風力発電施設が波浪の影響を受ける際、ジャイロ効果に起因するジャイロモーメントによって発生するナセルや浮体の回動揺動を防止することはできない。
　そこで、本発明は、ジャイロ効果に起因するジャイロモーメントによって発生するナセルや浮体の回動揺動を防止して風力発電施設の発電効率や機器の耐久性に対する悪影響を抑制することができる風力発電施設の回動揺動抑制装置及び浮体式洋上風力発電施設を提供することを目的としている。
　請求項１に記載の本発明の風力発電施設の回動揺動抑制装置は、風により回転するローターと、少なくとも前記ローターの回転軸を収容するナセルと、前記ナセルを水面または地面に対して回動自在に支持する回動手段を有した構造体と、前記ナセルの水面または地面に対する回動揺動を抑制する揺動抑制手段とを備えたことを特徴とする。
　この構成によれば、ジャイロ効果に起因するナセルの回動揺動を揺動抑制手段により抑制することができる。
　請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の風力発電施設の回動揺動抑制装置において、前記ナセルを前記ローターに対して風上側に設けたことを特徴とする。
　この構成によれば、いわゆる風見鶏効果によってナセルを水面または地面に対して回動させて、回転軸の向きを風向と合せることができる。
　請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の風力発電施設の回動揺動抑制装置において、前記ローターにコーニング角を付与したことを特徴とする。
　この構成によれば、いわゆる風見鶏効果をさらに向上させることができる。
　請求項４に記載の本発明は、請求項１に記載の風力発電施設の回動揺動抑制装置において、前記揺動抑制手段は油圧ダンパーを用いたことを特徴とする。
　請求項５に記載の本発明は、請求項１に記載の風力発電施設の回動揺動抑制装置において、前記揺動抑制手段は摩擦ダンパーを用いたことを特徴とする。
　振動抑制手段として油圧ダンパー又は摩擦ダンパーを用いることにより、ナセルの回動を抑制するための抵抗をナセルの回動の早さに応じて変化させることができる。
　請求項６に記載の本発明は、請求項１に記載の風力発電施設の回動揺動抑制装置において、前記揺動抑制手段は前記構造体の形状または構造と周囲の流体との相互干渉により回動揺動を抑制する流体力学的ダンパーを用いたことを特徴とする。
　この構成によれば、水中の流体力学的ダンパーの水への抵抗によりナセルまたは浮体の回動速度に応じて、回動への抵抗を変化させ回動揺動を抑制することができる。
　請求項７に記載の本発明の浮体式洋上風力発電施設は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の風力発電施設の回動揺動抑制装置を、洋上で前記構造体の一部として浮体を用いて発電を行う風力発電施設に適用したことを特徴とする。
　この構成によれば、洋上における浮体のピッチング動揺に起因するジャイロ効果により誘起されるナセルの回動揺動を揺動抑制手段により抑制することができる。
　請求項８に記載の本発明は、請求項７に記載の浮体式洋上風力発電施設において、前記浮体を前記浮体の中心軸回りの回転運動を抑制する係留方式で係留したことを特徴とする。
　請求項９に記載の本発明は、請求項８に記載の浮体式洋上風力発電施設において、前記浮体を略円筒形状に形成し前記係留方式を、前記浮体を水平面に投影した際に、前記略円筒形状における円の円周上の２点をそれぞれの一端として接続される２本の係留索からなる係留索対が用いられ、前記２本の係留索は、それぞれが前記円の略接線となる形状とされ、同一側に延びる形態としたことを特徴とする。
　この構成により、浮体の円筒中心軸回りの回転を抑制することができる。
　請求項１０に記載の本発明は、請求項７に記載の浮体式洋上風力発電施設において、風を受けて傾いた状態におけるローターの回転軸が風向に対して平行になるように、風を受けていない状態におけるローターの回転軸を水平面に対して所定角を持たせてナセルを前記構造体に支持したことを特徴とする。
　この構成により、ローターが風を受けたときに風力発電施設が傾くことを考慮して所定角を設定できるから、発電時においてローターの回転軸が風向に対して平行となるようにすることができる。なお、ここで「風を受けて傾いた状態」とは、風力発電施設が設置される場所において想定される代表的な風速の風を受けることによって傾いた状態のことをいう。また、代表的な風速としては、例えば年間の平均風速や発電効率が最大となる風速等が挙げられる。
　本発明の風力発電施設の回動揺動抑制装置は、ジャイロ効果に起因する回動揺動を揺動抑制手段により抑制できるから、回動揺動による風力発電施設の発電効率や機器の耐久性に対する悪影響を抑制することが可能となる。
　また、ナセルをローターに対して風上側に設けた構成やローターにコーニング角を付与した構成とすれば、いわゆる風見鶏効果によりナセルを回動させてローターの回転軸を風向に合せて、ローターを風向に正対させることができるから、風力発電施設の発電効率を向上させることが可能となる。また、回動揺動を抑制し揺動抑制手段の負荷を下げることが可能となる。
　また、揺動制御手段として油圧ダンパーや摩擦ダンパーを用いた構成を採用すれば、ナセルの回動速度に応じて揺動制御手段の抵抗を変化させることができるから、風見鶏効果による速度の遅いナセルの回動を抑制することなく、ジャイロ効果による速度の速いナセルの回動揺動を抑制することが可能となる。
　また、周囲の流体との相互干渉により回動揺動を抑制する流体力学的ダンパー用いた構成とすれば、ナセルの回動速度に応じて抵抗を変化させることができ、ジャイロ効果に起因してナセルあるいは浮体に生じる回動揺動を抑制し、また浮体のピッチング揺動を抑制して、発電効率及び機器の耐久性を向上させることが可能となる。
　本発明の浮体式洋上風力発電施設は、本発明の風力発電施設の回動揺動抑制装置を備えているから、ジャイロ効果によるナセルの回動揺動を抑制することにより、発電効率及び機器の耐久性を向上させることが可能となる。また、ジャイロ効果の逆作用により浮体のピッチング揺動も抑制することができる。
　また、浮体を、浮体の中心軸回りの回転運動を抑制する係留方式で係留した構成とすれば、ジャイロ効果に起因するナセルの回動揺動および浮体のピッチング揺動を効果的に抑制することができ、発電効率及び機器の耐久性を向上させることが可能となる。
　また、風を受けていない状態におけるローターの回転軸と水平面との間に所定角を持たせた構成とすれば、発電時においてローターの回転軸の向きと風向とを略平行として略一致させることができるから、ローターの回転面を風向に対して略直角として発電効率を向上させることが可能となる。
本発明の第１の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す斜視図 本発明の第１の実施形態による風力発電施設の回動揺動抑制装置の構造を示す要部側面図 海上における風向の変化と波浪の影響による水上の浮体の揺れ角度との関係を示しており、（ａ）は風向の変化を示すグラフ、（ｂ）は揺れ角度の変化を示すグラフ 油圧ダンパーの概略構成を示す斜視図 油圧ダンパーの概略構成を示す正面図 図４ＢのＡＡ矢視断面図 摩擦ダンパーの概略構成を示す斜視図 摩擦ダンパーの概略構成を示す正面図 本発明の第１の実施形態となる浮体の係留装置の構成を示す上面図 本発明の第１の実施形態となる浮体の係留装置の構成を示す側面図 本発明の第１の実施形態における一つの係留索対の構成を示す図 従来の緊張係留方式の構成を示す上面図 従来の緊張係留方式の構成を示す側面図 本発明の第２の実施形態による風力発電施設の回動揺動抑制装置の構造を示す要部側面図 本発明の第２の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の備えている回動揺動抑制装置が風を受けた状態における概略構成を示す側面図 本発明の第２の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の備えている回動揺動抑制装置が風を受けていない状態における概略構成を示す側面図 本発明の第３の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す斜視図 本発明の第３の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す斜視図 本発明の第４の実施形態による浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す斜視図
１０、４０、５０、６０　浮体式洋上風力発電施設
１１　ローター
１２　回転軸
１３　ナセル
１４　回動座軸受（回動手段）
１５　タワー（構造体）
１６　揺動抑制手段
１６０　油圧ダンパー
１６５　摩擦ダンパー
２０、３０　回動揺動抑制装置
３１　浮体
３２　係留索
４１　構造体
４２　回動手段
４４、６４　流体力学的ダンパー
５１Ａ　構造体上部
５１Ｂ　構造体下部
α　コーニング角
β　所定角
（第１の実施形態）
　本発明の第１の実施形態について、図１～図８を参酌して以下に説明する。本実施形態では、本発明を浮体式洋上風力発電施設として実施する場合について説明する。
　図１は本実施形態による浮体式洋上風力発電施設１０の概略構成を示す斜視図である。同図に示すように浮体式洋上風力発電施設１０は、回動揺動抑制装置２０が設けられた浮体３１が係留索３２を介して海底Ｂのアンカー３３に係留されたものである。なお、浮体３１の下から出ている線は送電線３４を示している。本実施形態の浮体式洋上風力発電施設１０が備えている回動揺動抑制装置２０の構造について、図２を参照して説明する。
　図２は、本実施形態による浮体式洋上風力発電施設１０の回動揺動抑制装置２０の構造を示す要部側面図である。同図に示すように、回動揺動抑制装置２０は、風により回転するローター１１と、ローター１１の回転軸１２を収容するナセル１３と、ナセル１３を水面または地面に対して回動自在に支持する回動座軸受（回動手段）１４を有したタワー（構造体）１５と、ナセル１３の水面に対する回動揺動を抑制する揺動抑制手段１６を備えて構成されている。
　ローター１１は、複数の羽根１８が放射状に設けられているハブ１７と、ハブ１７に連結された回転軸１２とを備えている。回転軸１２は、ナセル１３内に回転可能に軸支されている。ローター１１が風を受けることにより回転軸１２が回転して、ナセル１３内に設けられている発電機（図示しない）によって発電を行う。図２における白抜き矢印Ｗは風向を示している。本実施形態の回動揺動抑制装置２０では、ローター１１がナセル１３よりも風下側に設けられている。これにより、回動座軸受１４に設けられているナセル１３の回動により、回転軸１２の向きを風向と合せるいわゆる風見鶏効果を効果的に生じさせることができる。
　ナセル１３は風Ｗを受けて回転する回転軸１２をその内部に収容している。また、図示しないが、回転軸１２の回転速度を増加させて発電機に伝達するギアボックス等、風力発電機が備えている発電のための手段をも備えている。そして、ナセル１３は、タワー１５の上部に設けられている回動座軸受１４により、海面Ｐに対して平行な方向に回動自在に支持されている。これにより、ナセル１３の回動によって風向Ｗの変化に応じて回転軸１２の方向を変化させて、ローター１１の羽根１８の回転面を風に正対させることができる。
　揺動抑制手段１６は、ローター１１が回転している際、波浪により鉛直方向の力が加わったときにジャイロ効果により生じるナセル１３の回動揺動を抑制するためのものである。このジャイロ効果によるナセル１３の回動揺動に着目して、揺動抑制手段１６が設けられている。この揺動抑制手段１６によりナセル１３の回動揺動を抑制することができるから、浮体式洋上風力発電施設１０の発電効率や機器の耐久性を向上させることが可能となる。
なお、本実施形態ではタワー１５に揺動抑制手段１６を設けているが、ナセル１３側に揺動抑制手段１６を設けることとしても良い。
　なお、回動揺動抑制装置２０を浮体式洋上風力発電施設１０ではなく、陸上の風力発電装置に設ける場合、ナセル１３は、回動座軸受１４により地面に対して回動自在に支持されることとなる。そして、何らかの理由により鉛直方向のモーメントが加わった場合に揺動抑制手段１６でナセル１３の回動揺動を抑制することができる。また、前述した風見鶏効果は、揺動抑制手段１６の負荷軽減にも役立っている。
　つづいて、洋上において、浮体式洋上風力発電施設１０のナセル１３にジャイロ効果による回動揺動が発生する機構について、図１及び図３を参照して説明する。自転している物体が、自転軸と直交する方向に回転運動すると、それぞれに直交する方向にモーメントが働く。これをジャイロモーメントと呼ぶ。このジャイロモーメントが生じる効果をジャイロ効果という。
　Ω×Ｌ＝Ｔ
　　Ω：自転軸を振る回転速度
　　Ｌ：自転軸角運動量
　　Ｔ：ジャイロモーメント
　ローター１１が回転運動Ｌをしている場合において、海面Ｐの波浪によって浮体３１に復元力を伴う運動であるピッチング揺動Ωが生じると、ローター１１は自転軸Ｓに直交する鉛直方向に回転運動することとなる。これにより、ローター１１の自転軸Ｓと鉛直方向の両方に直交する水平方向にジャイロモーメントが働くこととなる。浮体式洋上風力発電施設１０では、回動座軸受１４によりナセル１３が回動自在となっているから、このジャイロモーメントにより、図１中にＴで示した方向にナセル１３の回動が生じる。
　図３は、海上における風向の変化と、波浪の影響による水上の浮体の揺れ角度との関係を示すものであり、（ａ）は風向の変化を示すグラフであり、（ｂ）は揺れ角度の変化を示すグラフである。（ａ）のグラフ中の破線で囲んだ部分と（ｂ）のグラフは、いずれも１時間の間の変化を示している。図３（ａ）（ｂ）のグラフの比較によれば、風向の変化は長い時間をかけて生じ、波浪の影響による揺れ角の変化は短い時間に生じることが分かる。すなわち、風向の変化に伴うナセル１３の回動の速度は遅く、波浪の影響などに起因するジャイロ効果によるナセル１３の回動揺動の速度は速い。
　このように、波浪の影響による揺れ角の角度は短い周期で変化することから、ジャイロ効果によってナセル１３の回動揺動が誘起されることとなる。このナセル１３の回動揺動が、風力発電施設の発電効率や機器の耐久性に対する悪影響の原因となる。
　したがって、風向の変化に伴うナセル１３の回動を可能としつつ、ジャイロ効果によるナセル１３の回動揺動を選択的に抑制するためには、揺動抑制手段１６として、ナセル１３の回動の速度に応じて抵抗が変化するものを用いることが好ましい。これにより、比較的長時間をかけて変化する風向変化に起因する回動座軸受１４に支持されているナセル１３の遅い回動に対しては減衰効果を生じさせないで、いわゆる風見鶏効果を発揮させることができる。また、波浪によって起こる周期が回転速度の短いナセル１３の回動揺動に対しては減衰効果を生じさせて、選択的に抑止することができる。
　本実施形態の浮体式洋上風力発電施設１０は、揺動抑制手段１６によりナセル１３の回動揺動を抑制することができるから、上記の悪影響を抑制することが可能となる。
　揺動抑制手段１６を備えた回動揺動抑制装置２０を用いることにより、波浪に起因する浮体３１のピッチング動揺によるジャイロ効果によってナセル１３に回動揺動が生じることを抑制することができる。さらに、ナセル１３の回動揺動を抑制することにより、ジャイロ効果の逆作用による浮体３１のピッチング揺動をも抑制することが可能となる。
　図４Ａ～図４Ｃは油圧ダンパーの概略構成を示しており、図４Ａは斜視図、図４Ｂは正面図、図４Ｃは図４ＢのＡＡ矢視断面図である。これらの図に示すように、油圧ダンパー１６０は、本体ケース１６１とキャップ１６２により囲まれた内部に回転体１６３とオイル１６４とを備えている。油圧ダンパー１６０は、オイル１６４の粘性抵抗によって生じる制動力を利用したダンパーである。本体ケース１６１と回転体１６３との間隙、オイル１６４の接触面積、オイル１６４の粘性などを調整することにより、回転体１６３の回転に対する制動トルク（抵抗）を変化させることができる。また、回転体１６３の回転速度と制動トルクの間には、回転速度が上がると制動トルクは上がり、回転速度が下がると制動トルクも下がるという関係がある。
　油圧ダンパー１６０を用いた場合、オイル１６４の粘性抵抗を利用しているので、磨耗など経時的な特性の変化が少なくて済む利点を有している。温度による粘性変化の影響を少なくすることはオイル１６４の種類を選択することにより可能であるが、例えばオイル１６４を風により冷却できる構成とし、強風時にはオイル１６４の熱が奪われて粘度を高くして制動トルクを上げるようにしてもよい。
　図５Ａおよび図５Ｂは摩擦ダンパーの概略構成を示しており、図５Ａは斜視図、図５Ｂは正面図である。これらの図に示すように、摩擦ダンパー１６５は、回転軸１６６の外側面に接するように設けられている摩擦材１６７と、摩擦材１６７を囲むように設けられている回転軸繋ぎ材１６８を所定方向に押す弾性体１６９とを備えている。摩擦ダンパー１６５は、回転軸１６６と摩擦材１６７との間の摩擦抵抗によって生じる制動力を利用したダンパーである。回転軸１６６と摩擦材１６７との間の摩擦抵抗、接触面積などを調整することにより、制動トルク（抵抗）を変化させることができる。また、回転軸１６６の回転速度と制動トルクの間には、回転速度が上がると制動トルクは上がり、回転速度が下がると制動トルクも下がるという関係がある。
　摩擦ダンパー１６５を用いた場合は、シール部などが不要で構成が簡略化でき、周囲温度の変化が大きい環境下では比較的安定して特性を維持できる利点を有している。また、摩擦材１６７の摩耗による寸法変化に対し、弾性体１６９の付勢力で対応して制動力を一定に保つことができる。すなわち、摩擦材１６７の寸法が摩擦により変化した場合であっても、弾性体１６９が摩擦材１６７を付勢することにより、回転軸１６６と摩擦材１６７との間の摩擦抵抗が一定となるように保つことができる。
　浮体３１は水中において、係留索３２により海底Ｂに設けられているアンカー３３に浮体３１の中心軸回りの回転運動を抑制する係留方式で係留されている。このため、浮体３１の水中における回転が抑制される。この係留方式については、後で説明する。
　ナセルを風向に合わせるためのナセルの回転運動を能動的に制御する装置を備えた浮体式洋上風力発電施設がある。このような施設では、風向に合わせた位置すなわち回転面が風に正対する位置において、風車が浮体に一時的に固定されて保持されている。このため、風車のローターのジャイロ効果に起因するジャイロモーメントにより、鉛直方向を回転軸とする浮体の回転運動が生じようとする。そこで、この回転運動を拘束する方式の係留がこの回動揺動を抑制する。これにより、浮体式洋上風力発電施設の発電効率や機器の耐久性への悪影響を抑制することができる。
　しかし、ナセルの回転運動を能動的に制御する装置を省略して風見鶏効果によってナセルを風向に合わせる方式の浮体式洋上風力発電施設もある。このような施設においては、風車のローターの回転軸は浮体に対して自由に回動可能な状態で支持されている。このため、浮体の回動揺動を抑制しても、ナセルに生じたジャイロ効果による回動揺動を抑制することはできない。そこで、本実施形態の浮体式洋上風力発電施設１０では、揺動抑制手段１６を設けることにより、ジャイロ効果によりナセル１３に生じる回動揺動を抑制している。
　浮体３１の中心軸回りの回転運動を抑制する係留方式について、図６Ａ、図６Ｂおよび図７を参酌して以下に説明する。
　図６Ａおよび図６Ｂは、本実施形態に係る浮体の係留装置の構成を示しており、図６Ａが上面図、図６Ｂが側面図である。ここで、図６Ａは、この浮体の係留装置を水平面上に投影した図となっている。浮体３１には、複数の係留索３２の一端が接続される。各係留索３２の他端は、水中に設けられたアンカー３３に接続されている。
　浮体３１は略円筒形状に形成されている。浮体３１を水平面に投影した際に、略円筒形状における円の円周上の２点をそれぞれの一端として接続される２本の係留索３２からなる係留索対が用いられている。２本の係留索３２は、それぞれが円の略接線となる形状とされ、同一側に延びる形態となるように構成されている。これにより、揺動抑制手段１６が回動揺動を抑制した際、浮体３１に力が加わることにより浮体３１に回動揺動が生じることを防ぐことができる。
　ここで、右下のアンカー３３に接続された２本の係留索３２と浮体３１との関係を、図６Ａの上面図（水平面上の投影図）において示したものが図７である。２本の係留索３２の一端は、それぞれ浮体３１の円周上の点Ａ、Ｂに接続される。各係留索３２は、点Ａ、点Ｂにおける接線Ｌ１、Ｌ２の形態をなし配置されている。
　この構成において、浮体３１においてその中心Ｃの回りの回転運動が生じた場合、この２本の係留索３２のうちの一方が伸び、張力が働く。浮体３１の半径をｒ、浮体３１の回転角度を△θとした場合、上面図におけるこの伸びた側の係留索３２の伸び量△Ｌは、（１）式で与えられる。
　△Ｌ＝ｒ×△θ　……（１）
　フックの法則により、この場合に浮体３１の接線方向における張力Ｔは、係留索３２のばね係数をｋとすると（２）式で与えられる。この伸びにより発生するトルクＮは（３）式で与えられる。
　Ｔ＝ｋ・△Ｌ　　……（２）
　Ｎ＝Ｔ・ｒ　　　……（３）
　２本の係留索３２の構成を図７の通りとすれば、どちらの回転方向であっても、回転運動に反発するトルクを生じさせることができる。このため、この浮体３１の回転運動が抑制される。
　なお、図６Ａおよび図６Ｂにおいては、各係留索３２が図７における接線Ｌ１、Ｌ２の形態をなすように設定した。しかし、各係留索３２を図７におけるＬ３、Ｌ４（破線）の形態としても、同様の効果を奏することは明らかである。
　これに対して、単純な従来の緊張係留方式における構成を図８Ａおよび図８Ｂに示す。同図に示す３方向に放射状に延びた係留索３２によって、浮体３１の水平方向の運動（浮遊）が抑制されることは明らかである。しかしながら、その上面図（図８Ａ）においては、浮体３１の回転方向（円周方向）と係留索３２とのなす角度はほぼ垂直となるため、その回転運動を抑制することは困難である。このため、図８Ａおよび図８Ｂに示した係留方式は、浮体３１の中心軸回りの回転運動を抑制しない係留方式にあたるものである。
（第２の実施形態）
　本発明の第２の実施形態について、図９を参酌して以下に説明する。本実施形態の風力発電施設の回動揺動抑制装置は、ローターにコーニング角を付与した構成において、第１の実施形態の回動揺動抑制装置と相違している。なお、第１の実施形態において説明した部材については、同じ番号を付して本実施形態では説明を省略する。
　図９は、本実施形態による風力発電施設の回動揺動抑制装置３０の構造を示す要部側面図である。同図に示すように、本実施形態の回動揺動抑制装置３０は、ナセル１３がローター１１よりも風上側に設けられている。また、ローター１１にコーニング角αが付与されている。ここで、コーニング角αとは、羽根１８のハブ１７接続部１８Ａと先端部１８Ｂとを結んだ一点鎖線で示した直線と、図中に一点鎖線で示した鉛直線Ｖとの角度をいう。
　この構成によれば、風向Ｗの変化に応じて、水平方向に自由回動可能な状態で回動座軸受１４に支持されているナセル１３が自動的に回動してローター１１の回転軸１２を風向と一致させる風見鶏効果を向上させることができる。なお、回転軸１２の軸方向と風向とが一致しているときには、ローター１１の回転面すなわち羽根１８の先端部１８Ｂの軌跡により形成される平面が風向に対して略直角となっている。
　また、風見鶏効果の向上は、揺動抑制手段１６の一層の負荷軽減にも役立っている。
　本発明を、回動揺動抑制装置３０を備えた浮体式洋上風力発電施設（図１参照）として実施する場合、風を受けて傾いた発電状態におけるローター１１の回転軸１２が水平面Ｈ上に位置するように構成することが好ましい。この構成について、図１０Ａおよび図１０Ｂを参酌して説明する。
　図１０Ａおよび図１０Ｂは、本実施形態の浮体式洋上風力発電施設に備えられた回動揺動抑制装置３０の概略構成を示しており、図１０Ａは風を受けた状態における側面図であり、図１０Ｂは風を受けていない状態における側面図である。本実施形態の回動揺動抑制装置３０は、図１０Ａに示すように、風を受けて傾いた発電状態におけるローター１１の回転軸１２（軸方向の直線をＳで示す）を水平面Ｈ上に位置させることにより、回転軸１２の回転軸の方向を風向Ｗに一致させること（両者を平行にすること）ができる。このため、図１０Ｂに示すように、風を受けていない状態においては、ローター１１の回転軸１２（直線Ｓ）が水平面Ｈに対して所定角βを持つようにしてナセル１３はタワー１５に支持されている。
　所定角βは、浮体式洋上風力発電施設による発電効率が良好になるよう、最も一般的な風速に基づいて設定すればよい。また、風速に応じて所定角βが最適な角度になるように、所定角βを変化させる所定角β制御手段を備えた構成としてもよい。
　図１０Ａおよび図１０Ｂを参照して説明した上記の構成は、第１の実施形態において説明した回動揺動抑制装置２０を用いた浮体式洋上風力発電施設においても用いることができる。
（第３の実施形態）　
　本発明の第３の実施形態について、図１１及び図１２を参酌して以下に説明する。本実施形態では、本発明を浮体式洋上風力発電施設として実施する場合について説明する。なお、第１または第２の実施形態において説明した部材については、同じ番号を付して本実施形態では説明を省略する。
　図１１は、本実施形態による浮体式洋上風力発電施設４０の概略構成を示す斜視図である。同図に示すように浮体式洋上風力発電施設４０は、ナセル１３と構造体４１とを一体にして、ナセル１３が構造体４１に対して回動しないように構成したものである。構造体４１は、水に浮くものであって、その上端にはナセル１３が固定されており、その下端が回動手段４２を介して海底Ｂのアンカー４３に繋がれている。この回動手段４２は、構造体４１が風向Ｗの変化に応じて回動可能となるように構造体４１をアンカー４３に繋ぐものであって、構造体４１に風見鶏効果を発揮させるものである。
　構造体４１の外側には流体力学的ダンパー４４が設けられている。構造体４１は中心軸回りの回転運動を抑制しない係留方式により係留されたものである。この流体力学的ダンパー４４を水中に位置させることにより、揺動抑制手段としての機能を果たすことができる。すなわち、羽根形状の流体力学的ダンパー４４の水に対する抵抗は、構造体４１の遅い回動に対しては小さくなり、速い回動に対しては大きくなる。このため、速い回動であるジャイロ効果による構造体４１の回動を選択的に減衰させて抑制することができる。このように構造体４１に流体力学的ダンパー４４を設けることにより構造体４１のジャイロ効果による回動揺動を抑制することができる。なお、構造体４１の回動揺動を抑制するために油圧ダンパー１６０（図４Ａ～図４Ｃ参照）や摩擦ダンパー１６５（図５Ａおよび図５Ｂ参照）を併せて、構造体４１に設けることとしてもよい。また、構造体４１は係留索等による中心軸回りの回転運動を抑制しない他の係留方式を併用して係留することもできる。
　なお、本実施形態では浮体式洋上風力発電施設に流体力学的ダンパー４４を適用した例を示したが、流体力学的ダンパー４４を例えば地上設置型の風力発電施設に適用することも可能である。この場合、構造体が地面に対して回動自在となるように、構造体がプールに浮かんだ状態で回動手段を支持した上、周囲に設けたプール中の水と流体力学的ダンパー４４とを相互干渉させる。これにより、地上設置型の風力発電施設においても、流体力学的ダンパー４４は揺動抑制手段としての機能を果たすことができる。
　図１２は、本実施形態による上述した浮体式洋上風力発電施設４０とは別の構成を備えた浮体式洋上風力発電施設５０の概略構成を示す斜視図である。同図に示すように、浮体式洋上風力発電施設５０は、構造体５１の上部５１Ａとナセル１３とを一体にし、構造体上部５１Ａと構造体下部５１Ｂとの間に回動手段４２を設けたものである。また、構造体５１は回動手段４２よりも下方に位置する構造体下部５１Ｂにおいて、複数の係留索５４により海底Ｂのアンカー４３に固定されている。
　この構成により、回動手段４２により構造体上部５１Ａが風向Ｗの変化に応じて回動可能となるから、風見鶏効果を発揮することができる。そして、構造体５１内部に備えられている揺動抑制手段１６によりジャイロ効果によるナセル１３の回動揺動を抑制することができる。
　また、構造体上部５１Ａは係留索等による中心軸回りの回転運動を抑制しない他の係留方式を併用して係留することもできる。
（第４の実施形態）
　本発明の第４の実施形態について、図１３を参酌して以下に説明する。本実施形態では、浮体の中心軸回りの回転運動を抑制しない係留方式で浮体式洋上風力発電施設を係留する構成について説明する。なお、第１～３の実施形態において説明した部材については、同じ番号を付して本実施形態では説明を省略する。
　図１３は、本実施形態による浮体式洋上風力発電施設の概略構成を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態の浮体式洋上風力発電施設６０の浮体３１は、いわゆるカテナリー方式で係留索３２により海底Ｂに係留されている。したがって、浮体３１は中心軸回りにある程度の範囲で回動揺動することができる。すなわち、浮体３１はその中心軸回りの回転運動を抑制しない係留方式で係留されている。このため、ジャイロ効果によって生じるナセル１３の浮体３１に対する回動揺動を揺動抑制手段１６によって拘束しても浮体３１は中心軸回りにある程度の範囲で回動揺動することができる。この結果、ナセル１３の回動揺動を係留索３２により抑制することはできない。しかし、浮体式洋上風力発電施設６０の浮体３１には、羽根状の流体力学的ダンパー６４が複数設けられている。この流体力学的ダンパー６４によって、浮体３１に回動揺動が生じることを抑制できる。
　このように、浮体の中心軸回りの回転運動を抑制しない係留方式で浮体式洋上風力発電施設を係留する構成とする場合、回動座軸受１４におけるナセル１３の回動揺動を抑制するための揺動抑制手段１６と、浮体３１の回動揺動を抑制するための流体力学的ダンパー６４とを組み合わせた構成とすることは、ジャイロ効果に起因するナセル１３と浮体３１の回動揺動を抑制するために有効である。
　本実施形態の浮体式洋上風力発電施設６０では、２枚の流体力学的ダンパー６４が浮体３１を介して対向するように配置されている。すなわち、２枚の流体力学的ダンパー６４の浮体３１への取付け部を結んだ線が浮体３１の水平面に平行な断面の略中心を通るように配置されている。これは、流体力学的ダンパー６４が浮体３１のピッチング揺動ではなく回転揺動を抑制するために設けられたものであることによる。すなわち、浮体式洋上風力発電施設６０の流体力学的ダンパー６４は、外部の水との相互干渉により浮体３１の回転揺動の抵抗となるように設けられたものである。したがって、ピッチング揺動の抑制を目的とするもののように３枚以上を設ける必要がない。このため、流体力学的ダンパー６４は１枚であってもその機能を果たす。ただし、その数を３枚以上としても上記の機能を果たすから、流体力学的ダンパー６４の数を３枚以上としても良い。
　この実施形態においては、揺動抑制手段１６に代えて、ナセルの回転運動を能動的に制御する装置を具備した際にも、流体力学的ダンパー６４によって、浮体３１に回動揺動が生じることを抑制できる。
　なお、流体力学的ダンパー６４は、周囲の流体との相互干渉により流体力学的な作用を生じさせて揺動抑制手段としての機能を果たすものである。このため、構造体自身の断面形状を例えば角型としたり凹凸の多い形状に形成したりして構成してもよい。
　本発明は、風力発電施設における発電効率や機器の耐久性を向上させるための装置として利用することができる。特に、浮体式洋上風力発電施設の発電効率や機器の耐久性を向上させるために有用である。

Claims (10)

  1. 　風により回転するローターと、少なくとも前記ローターの回転軸を収容するナセルと、前記ナセルを水面または地面に対して回動自在に支持する回動手段を有した構造体と、前記ナセルの水面または地面に対する回動揺動を抑制する揺動抑制手段とを備えたことを特徴とする風力発電施設の回動揺動抑制装置。
  2. 　前記ナセルを前記ローターに対して風上側に設けたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電施設の回動揺動抑制装置。
  3. 　前記ローターにコーニング角を付与したことを特徴とする請求項２に記載の風力発電施設の回動揺動抑制装置。
  4. 　前記揺動抑制手段は油圧ダンパーを用いたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電施設の回動揺動抑制装置。
  5. 　前記揺動抑制手段は摩擦ダンパーを用いたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電施設の回動揺動抑制装置。
  6. 　前記揺動抑制手段は前記構造体の形状または構造と周囲の流体との相互干渉により回動揺動を抑制する流体力学的ダンパーを用いたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電施設の回動揺動抑制装置。
  7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の風力発電施設の回動揺動抑制装置を、洋上で前記構造体の一部として浮体を用いて発電を行う風力発電施設に適用したことを特徴とする浮体式洋上風力発電施設。
  8. 　前記浮体を前記浮体の中心軸回りの回転運動を抑制する係留方式で係留したことを特徴とする請求項７に記載の浮体式洋上風力発電施設。
  9. 　前記浮体を略円筒形状に形成し前記係留方式を、前記浮体を水平面に投影した際に、前記略円筒形状における円の円周上の２点をそれぞれの一端として接続される２本の係留索からなる係留索対が用いられ、前記２本の係留索は、それぞれが前記円の略接線となる形状とされ、同一側に延びる形態としたことを特徴とする請求項８に記載の浮体式洋上風力発電施設。
  10. 　風を受けて傾いた状態におけるローターの回転軸が風向に対して平行になるように、風を受けていない状態におけるローターの回転軸を水平面に対して所定角を持たせてナセルを前記構造体に支持したことを特徴とする請求項７に記載の浮体式洋上風力発電施設。
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