WO2016135800A1

WO2016135800A1 - 発電システム

Info

Publication number: WO2016135800A1
Application number: PCT/JP2015/054907
Authority: WO
Inventors: 守木村; 茂久舩橋; 向井　寛
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2016-09-01

Abstract

　より高精度に姿勢制御を行う発電システム提供することを目的としたものであって、解決手段として一例を挙げるならば、次の様なものを挙げることができる。即ち、発電システムであって、外力を受けて回転する回転体１と、回転体１の回転エネルギーを用いて発電する発電機８と、回転体１の荷重を支持すると共に、発電機８を有する構造体を備え、回転体と発電機８は異なる方向で回転し、かつ発電機８は縦置き発電機であることを特徴とする。

Description

発電システム

　本発明は、発電システムに関するものであり、特に振動抑制に伴い姿勢制御可能な発電システムに関する。

　近年、環境を考慮して自然エネルギーなどを利用した発電システムが広く普及してきている。中でも風力発電導入量が飛躍的に増加しており、特に洋上風車の導入量が増えることが予想される。洋上風車には、海底の上に建設される着床式風力発電システムと、海底にアンカーなどで固定された浮体の上に設置される浮体式風力発電システムがある。

　着床式風力発電システムは、その構造上水深５０ｍ程度までの比較的浅い海に設置する必要があることから、日本近海では設置場所が限られる課題があり、今後浮体式風力発電システムの導入が進んでいくと考えられる。

　ここで、特許文献１には海面に設置された風力エネルギー利用装置が記載されている。そして、風車の略水平に設けたローター回転軸の回転をタワー内に略鉛直に設けた、縦軸回転軸に伝える手段として、曲管内で繋ぎ合せた自在継手を設け、タワー基部近傍に発電機或いは、ポンプ、複数個に分割した発電機等を設けた点が記載されている。更に、該特許文献１では、１台の発電機で広範囲の領域を分担することを否定し、複数個に分割することで、ロスを小さくし、風速、風力領域において広範囲に対応させることを意図する様子が記載されている（［０１０２］～［０１０５］）。

特開２０１３－２２１４１１号公報

　風や波などの外力の大きく加わることとなる発電システムの場合、外乱が加わることで発電システムは振動することとなる。こうした振動は、外力を受けて回転する回転体の荷重を支持する構造体にも伝搬し、例えば構造体の姿勢制御を行うことが困難となりやすい。

　そこで、本発明ではより高精度に姿勢制御を行うことができる発電システムを提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明に係る発電システムでは、外力を受けて回転する回転体と、前記回転体の回転エネルギーを用いて発電する発電機と、前記回転体の荷重を支持すると共に、前記発電機を有する構造体を備え、前記回転体と前記発電機は異なる方向で回転し、かつ前記発電機は縦置き発電機であることを特徴とする。

　本発明によれば、より高精度に姿勢制御を行うことができる発電システムを提供することが可能になる。

本発明の第一の実施例の水上発電システムを示す図である。（実施例１）本発明の第二の実施例の水上発電システムを示す図である。（実施例２）本発明の第二の実施例の水上発電システムを示す図である。（実施例２）本発明の第二の実施例の水上発電システムを示す図である。（実施例３）本発明の第二の実施例の水上発電システムを示す図である。（実施例４）

　以下、本発明の発電システムの実施例を，図面を用いて説明する。なお各図において同一部分は同じ番号を付与している。以下では、風力発電システムを例に説明しており、特に浮体上に配置される浮体式風力発電システムを用いる場合を例にして説明している。更に、波力発電、潮力発電や海流発電のように海のエネルギーを併せて利用したハイブリッド発電システムを例に説明している。この様に、波力、潮力や海流などの各発電様式を風力発電用の浮体と共通に利用することで全体のコストを低減できる。更に、風力発電システムと海洋等エネルギー利用発電を併用することで発電量を増加し、売電収入を増加させることでシステムの採算性を向上したシステムが考えられる。但し、この様な発電システムは、あくまで本発明を適用する上での好適な実施形態であり、本発明が当該態様に限定されるものでないことは勿論である。

　図１に、本発明の発電システムの第１の実施例を示す。風車タービン１は、風車タワー５上に、ナセル３とともに取り付けられ、風車タワー５は浮体１１上に取り付けられており、水車タービン１０は浮体１１に接続されている。本実施例では、風車タービン１および水車タービン１０は外力を受けて回転する回転体に相当する。回転体としては、一般にブレードが考えられ、本実施例における風車タービン１は略水平方向に回転軸を有する所謂水平軸風車タービンである。また本実施例では、浮体１１は、スパー型と呼ばれる形式を図示しているが、他の浮体形式を用いてもよい。浮体１１は海底１３よりアンカー１２などの係留手段で固定されている。風車タワー５と浮体１１の接合部１４は波がかからない様に、海面７から高さ数ｍに設置されていることが望ましい。浮体１１は水上または水中に配置される。本発明での水上または水中でいう水には、海は勿論のこと、湖や河川など種々のものが含まれる。

　風車タービン１および水車タービン１０は回転エネルギーを発電機８に伝達する油圧動力伝達機構を有している。尚、本実施例では、一つのタワー等の構造体につき、発電機を１台設けている。油圧動力伝達機構は、回転エネルギーに基づいて圧油を送る油圧ポンプ１５と、油圧ポンプ１５から送られる油が通る油圧配管４と、油圧配管４に接続される油圧モータ６とを備え、油圧モータ６の回転に伴い、発電機８の回転子を回転させることで発電運転する。なお、本実施例では油圧伝達機構を用いているがギアやチェーンといった他の伝達機構でも構わない。以下、その油圧動力伝達の具体的態様の説明である。

　浮体１１には、海流あるいは潮流を受けて回転する水車タービン１０を備えた海洋エネルギー発電システム９が２基取り付けられている。風車タービン１は、ナセル３内に配置されて回転エネルギーを伝達する油圧ポンプ２に接続され、油圧配管４を通じて風車タワー５内の油圧モータ６に接続されている。水車タービン１０も同様に、回転エネルギーを伝達する油圧ポンプ１５に接続され、油圧配管４を通じて風車タービン１の回転エネルギーが伝達される油圧モータ６と同じ油圧モータ６に接続されている。この時、油圧モータ６の回転軸と発電機８の回転軸は同じ速度で回転が行われている。油圧モータ６は風車タワー５内に配置された発電機８に接続されることにより、風車タービン１の回転エネルギーと水車タービン１０の回転エネルギーを集中させて電気エネルギーに変換しており、発電機８は回転体の回転エネルギーを用いて発電していることとなる。そのため発電機８の容量は、風車タービン１と水車タービン１０を合わせた容量となっている。つまり、本実施例における発電システムは風車タービン１及び水車タービン１０のいずれもの回転エネルギーを用いて発電する発電システムである。但し、発明自体は必ずしも両方の回転エネルギーを所定の発電機に集中させなければならないものではなく、例えば風車タービン１または水車タービン１０のいずれかの回転エネルギーを用いて発電する様にしても良い。なお、本実施例において、回転体の荷重を支持すると共に発電機８を有する構造体は、風車タワー５あるいは浮体１１に該当する。本実施例で使用した油圧動力伝達機構は、配管の開け閉めの制御でエネルギーの合流や分割が可能であることから、装置が簡便になりシステムとして望ましい。

　通常の風車では、ナセル３内に風車タービン１と回転可能に接続された発電機を設ける必要があるが、本実施例では油圧ポンプ２を備えることにより、発電機８の設置位置をナセル３の外部とすることができ、風車タワー５上部の重量を軽減し重心位置を下げることができるため、風車タワー５の振動抑制に効果がある。さらに、発電機８を、通常略円形で製作される風車タワー５の円中心に縦型に配置することで、発電機８の回転慣性力がジャイロ効果を発揮するため、発電機８の軸をなるべく垂直に保つようになる。よって風車タワー５の姿勢が安定する。本実施例において、回転体となる風車タービン１および水車タービン１０は、発電機８は異なる方向で回転するが、発電機８は縦置き発電機８であるので、ジャイロ効果を通じてタワーの姿勢の安定が保たれる。尚、本明細書中で縦置き発電機とは、タワーや浮体などの構造体の安定時に、発電機の回転軸が略上下方向となっており、回転に伴って構造体がなるべく鉛直方向の姿勢を維持できる様なジャイロ効果が期待できる様に配置される発電機をいう。ここで、タワーや浮体などの構造体の安定時としているのは、タワーや浮体などの構造体が傾いている場合においては、構造体に設置される発電機自体の回転軸も傾くことになるためである。

　発電システムが浮体１１を有することで、発電システムが浮遊している状態となり、地上よりもジャイロ効果を受けることが期待できる。ここで、回転体と発電機８が異なる方向で回転するのは発電運転中である。ジャイロ効果を効果的に発揮するためには、発電機８の回転軸は、構造体の中心軸と略同軸上になる様に配置されることが望ましい。略同軸上に配置されることで、ジャイロ効果が高まる。少なくとも、発電機の回転子の回転領域には構造体の中心軸を含んでおくことが望ましい。また、発電システムの重心を含む位置に発電機８が配置されることが望ましい。重心での位置でジャイロ効果が奏されることで、発電システム全体が一層、安定に姿勢が保たれるためである。発電機８の回転慣性力が大きければ大きいほど姿勢が安定するため、発電機を大型化することが望ましい。一方、本実施例のように複数のタービンに対して共通した動力伝達機構（本実施例では、特に油圧動力伝達機構）を持つことで、風車と水車のエネルギーを合わせた容量の発電機とすることができ、風車あるいは水車単体より大きな発電機を設置することができる。また、風車タービン１と水車タービン１０の両方を発電システムに設けることで、例え風が起きず風車タービン１０が運転しない時でも、水車タービン１０によって発電機８を運転させることが可能となる。その結果、発電システム内に常にジャイロ効果をもたらせることも可能であり、発電システムの姿勢制御を効率よく行うことができる。よって、発電システムの姿勢が保たれることで、例えば発電システムの姿勢を保つための水車タービン１０のピッチ制御が不要となり、ピッチモータの寿命の延びという効果も期待できる。

　また、浮体１１の重心は浮体１１と風車のバランスをとるために海面７より下にあるが、発電機８の設置位置を重心位置に近づけることでより安定する。

　本図では図示していないが、発電機は電力系統へ海底ケーブルなどで接続されており、発電機と電力系統の間には、発電機の方式に合わせて電力変換器や変圧器、遮断器などが入ってもよい。発電機の種類も特に制約を受けるものではなく、巻線形同期発電機、かご形誘導発電機、永久磁石同期発電機などどの発電機でも使用可能である。

　図２に本発明の発電システムの第２の実施例を示す。尚、実施例１と重複する箇所については説明を省略する。本実施例では、海洋エネルギー発電システム９が浮体１１に４台取り付けた例を示している。このように、油圧動力伝達機構を用いる場合、浮体１１の大きさに合わせて、海洋エネルギー発電システム９を適宜追加することができる。それにより、実施例１でも説明した様に、更に多くの水車のエネルギーを合わせた容量の発電機とすることができ、実施例１と比較して一層大きな発電機を設置することができる。より大きな発電機を設置することで、更にジャイロ効果が高まることが期待でき、姿勢安定化効果の更なる高まりも期待できる。尚、本実施例では海洋エネルギー発電システム９を４基接続しているが、本基数は特に制約を受けるものではない。

　図３に第２の実施例の海洋エネルギー発電システム９を横から見た図を示す。発電機８を縦置きにすることで姿勢安定化が図れるが、さらに複数の海洋エネルギー発電システム９（或いは水車タービン１０）が浮体１１の回転中心３１に対して略対称に配置される、つまり海洋エネルギー発電システム９を浮体１１の回転中心３１を対称に配置されている。ここでの回転中心３１とは浮体１１の水平面方向（転倒する方向）への回転における浮体１１の中心を意味する。浮体１１における回転中心３１は、アンカー１２の接続位置によって変化するが、回転中心高さ方向にはアンカー１２が浮体表面に接続されている。アンカー１２の本数は特に限定されない。実際には横方向から水流により海洋エネルギー発電システム９が押される。その時に回転中心３１が海洋エネルギー発電システム９の中点に位置することにより上下に配置された海洋エネルギー発電システム９への力の釣り合いが取れるようになる。上下の海洋エネルギー発電システム９の発電出力を調整することにより、回転モーメント３２を発生することができ、より振動抑制を行うことが可能となる。具体的には、複数の水車タービンのうち少なくとも２つを、異なる高さに配置しておき、タワーや浮体などの構造体の（転倒する方向における）回転力を打ち消す力を水流から水車タービンが受ける様に、異なる高さに配置される複数の水車タービンのピッチ角を調整すれば良い。

　図４に本発明の水上発電システムの第３の実施例を示す。尚、前記各実施例と重複する箇所については説明を省略する。本実施例では、縦置きの発電機８は浮体１１上に設置されている。そして、浮体１１上には、接続部４２により接続された水上構造物４２を搭載してもよい。尚、この水上構造物２４は風車タワーに代えて設けることも可能であるし、或いは発電システムにおいて風車タワーとは別の箇所に設けることも可能である。水上構造物４２は浮体１１で支えられる構造物であればよく、例えばヘリポート、水上変電所、居住区域（これらのうち複数或いはいずれかであっても良い。）などが考えられる。これに伴い、ヘリポート、居住区域設置の場合では発電システムへのアクセスが容易となり、メンテナンスの負担が減る。水上変電所設置の場合、変電所を他の場所に設ける必要がなく、変電所立地のスペース確保を他の用途に用いることが有効的にできる。

　図５に本発明の水上発電システムの第４の実施例を示す。尚、前記各実施例と重複する箇所については説明を省略する。風車タービン１の動力が接続された発電機８を縦置きに設置した浮体１１上に風車を設置してももちろんよい。この場合、発電装置によって姿勢が制御されることで従来までの洋上風車に比べ姿勢制御のためのピッチ制御が不要となり、ピッチモータの寿命が延びるメリットが挙げられる。

　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

１　　風車タービン
２　　油圧ポンプ
３　　ナセル
４　　油圧配管
５　　風車タワー
６　　油圧モータ
７　　海面
８　　発電機
９　　海洋エネルギー発電システム
１０　水車タービン
１１　浮体
１２　ケーブル
１３　海底
１４　接合部
１５　油圧ポンプ
３１　回転中心
３２　回転モーメント
４１　水上構造物
４２　接続部

Claims

　外力を受けて回転する回転体と、
　前記回転体の回転エネルギーを用いて発電する発電機と、
　前記回転体の荷重を支持すると共に、前記発電機を有する構造体を備え、
　前記回転体と前記発電機は異なる方向で回転し、かつ前記発電機は縦置き発電機であることを特徴とする発電システム。
　請求項１に記載の発電システムであって、
　前記発電機の回転軸は、前記構造体の中心軸と略同軸上になる様に配置されることを特徴とする発電システム
　請求項１または２に記載の発電システムであって、
　前記発電機は１台であることを特徴とする発電システム。
　請求項３に記載の発電システムであって、
　前記回転体は、水流を受けて回転する水車タービンであることを特徴とする発電システム。
　請求項４に記載の発電システムであって、
　前記風力タービンは、水平軸風車タービンであることを特徴とする発電システム。
　請求項４または５に記載の発電システムであって、
　前記発電機は、前記風車タービンまたは前記水車タービンのいずれかの回転エネルギーを用いて発電することを特徴とする発電システム。
　請求項６に記載の発電システムであって、
　前記風車タービンおよび前記水車タービンは前記回転エネルギーを前記発電機に伝達する油圧動力伝達機構を有することを特徴とする発電システム。
　請求項７に記載の発電システムであって、
　前記油圧動力伝達機構は、前記回転エネルギーに基づいて圧油を送る油圧ポンプと、前記油圧ポンプから送られる油が通る油圧配管と、前記油圧配管に接続される油圧モータとを備え、
　前記油圧モータの回転に伴い、前記発電機は発電することを特徴とする発電システム。　
　請求項１ないし８のいずれか一項に記載の発電システムであって、
　更に前記構造体を水上または水中で支持する浮体を備えることを特徴とする発電システム。
　請求項１ないし８のいずれか一項に記載の発電システムであって、
　更に前記構造体は、水上または水中に配置される浮体であることを特徴とする発電システム。
　請求項３ないし１０のいずれか一項に記載の発電システムであって、
　複数の前記水車タービンは、前記浮体の回転中心を対称に配置されていることを特徴とする発電システム。
　請求項９ないし１１のいずれか一項に記載の発電システムであって、
　前記浮体の上に、水上構造物を設けることを特徴とする発電システム。
　請求項１２に記載の発電システムであって、
　前記水上構造物は、ヘリポート、水上変電所または居住区域の少なくともいずれかであることを特徴とする発電システム。
　請求項３ないし１３のいずれか一項に記載の発電システムであって、
　複数の前記水車タービンのうち少なくとも２つは、異なる高さに配置され、
　前記構造体の回転力を打ち消す力を水流から受ける様に、異なる高さに配置される複数の前記水車タービンのピッチ角を調整することを特徴とする発電システム。
　請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の発電システムであって、
　前記発電機は、前記発電システムの重心を含む位置に配置されることを特徴とする発電システム。