WO2020105378A1 - 浮体式洋上風力発電システム - Google Patents

浮体式洋上風力発電システム

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WO2020105378A1
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WO
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power generation
generation system
wind power
offshore wind
floating
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PCT/JP2019/042291
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近藤　真一
満 佐伯
山本　幸生
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株式会社日立製作所
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D13/00—Assembly, mounting or commissioning of wind motors; Arrangements specially adapted for transporting wind motor components
    • F03D13/20—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors
    • F03D13/25—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors specially adapted for offshore installation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/727—Offshore wind turbines

Definitions

  • the present invention relates to a floating offshore wind power generation system, and more particularly to a floating offshore wind power generation system suitable for a wind power generation device installed on the ocean fixed to the seabed by a tether.
  • the floating body floating above the ocean where the towers that form the pillars of the generator are installed has its pitch vibration (wind direction vibration), roll vibration (wind right angle vibration), yaw vibration (rotation).
  • pitch vibration wind direction vibration
  • roll vibration wind right angle vibration
  • yaw vibration rotation
  • it is fixed to the seabed with three or more tethers.
  • the floating body has a cylindrical shape, and tends to be unstable due to the influence of waves and ocean currents that occur on the sea surface, and when the floating body becomes unstable on the ocean, the wind turbine generator installed on it also becomes unstable.
  • the rotor becomes unstable, the wind cannot be efficiently received by the rotor, and the power generation efficiency is reduced.
  • the lower end of the floating body and the fixed body such as concrete installed on the seabed are connected by three or more anchors made of strong ropes and chains.
  • tethers are connected to a plurality of fixed bodies separately installed on the seabed.
  • the tethers that connect to each other are installed so as to have the same tension.
  • Patent Document 1 As a floating offshore wind power generation system for fixing a floating body to a fixed body on the seabed with this one mooring body, for example, there is a technology as disclosed in Patent Document 1.
  • a tower serving as a pillar of a generator, a nacelle rotatably provided on the tower and having a built-in generator, and a rotatably provided at one end of the nacelle are rotated by receiving wind.
  • the tower which includes a hub that converts energy to energy and a rotor that includes a plurality of blades, is installed on a floating body that floats on the ocean, and the floating body is higher than the center of gravity of the floating body and the entire wind turbine generator installed on the floating body.
  • a floating offshore wind power generation system is described, which is fixed to the seabed by one tether.
  • FIG. 3 of Patent Document 1 discloses that a twist-preventing connecting body is provided in the middle of one tether to release the twist when the tether or the cable is twisted.
  • a twist-prevention connecting body which is provided in the middle of one tether described in Patent Document 1 and which releases twist when the tether is twisted, is a floating offshore wind power generator. Even if the system rotates and the tether or cable is entangled, it is designed to be opened, and it is not intended to prevent the rotation of the floating offshore wind power generation system.
  • the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a floating offshore system even if the floating body is fixed to the seabed with one tether while suppressing the cost of introducing equipment.
  • An object of the present invention is to provide a floating offshore wind power generation system that prevents the entire wind power generation device from rotating and enables stable and efficient power generation.
  • the floating offshore wind turbine power generation system of the present invention has a tower serving as a pillar of a generator, a nacelle rotatably provided on the tower and having the generator built therein, and the nacelle.
  • the tower which is rotatably provided at one end and includes a hub that receives wind and converts the energy into rotational energy, and a rotor that includes a plurality of blades, is installed on a floating body floating above the sea, and the floating body is a single mooring.
  • Example 1 shows Example 1 of the floating offshore wind power generation system of the present invention, and is a schematic configuration diagram of a state of the floating offshore wind power generation system when the ocean current and the wind are in the same direction.
  • 1 shows Example 1 of the floating offshore wind power generation system of the present invention, and is a schematic configuration diagram of a state of the floating offshore wind power generation system when the ocean current and the wind are in opposite directions.
  • 1 is a schematic configuration diagram showing a mooring stabilizer used in Example 1 of a floating offshore wind power generation system of the present invention.
  • It is Example 2 of the floating offshore wind power generation system of this invention, and is a schematic block diagram which shows the other example of a mooring stabilizer.
  • It is a schematic block diagram which shows Example 3 of the floating offshore wind power generation system of this invention.
  • Example 4 of the floating offshore wind power generation system of this invention It is a schematic block diagram which shows Example 4 of the floating offshore wind power generation system of this invention. It is a schematic block diagram which shows Example 5 of the floating offshore wind power generation system of this invention. It is a schematic block diagram which shows the modification of Example 5 of the floating offshore wind power generation system of this invention. It is Example 6 of the floating offshore wind power generation system of this invention, Comprising: It is a figure which shows the state which looked at the nacelle and rotor of a floating offshore wind power generation system from the plane. It is Example 7 of the floating offshore wind power generation system of this invention, and is a figure which shows the other example of the state which looked at the nacelle and rotor of a floating offshore wind power generation system from the plane.
  • Example 1 of the floating offshore wind power generation system of the present invention shows a state of the floating offshore wind power generation system when the ocean current 11 and the wind 10 are in the same direction
  • FIG. 2 is a floating offshore wind power generation system when the ocean current 11 and the wind 10 are in the opposite directions. Shows the state of.
  • the floating offshore wind power generation system of the present embodiment shown in the figure is a downwind type in which a rotor 13 described later is provided on the leeward side of the nacelle 3 (left side in FIG. 1).
  • a rotor 13 is provided with a plurality of blades 1 inclined toward the leeward side with respect to the surface of the rotor 13.
  • the floating offshore wind power generation system includes a tower 4 serving as a pillar of a generator (not shown), and a rotatably provided on the tower 4.
  • the tower 4 includes a nacelle 3 having a built-in rotor, and a rotor 13 that is rotatably provided at one end of the nacelle 3 and that receives the wind 10 and converts it into rotational energy.
  • the floating body 5 is installed on a floating body 5 which is a spar type floating body having a substantially cylindrical shape floating on the sea.
  • the floating body 5 is fixed by a mooring body 6 made of a single strong rope or chain via a fixed body 7 such as concrete. It is fixed to the seabed 9.
  • a tower 4 which is a pillar of a floating offshore wind power generation system, is installed on a floating body 5 having a cylindrical structure floating on the ocean, and a nacelle 3 in which a generator (not shown) is built is installed on the tower 4. It is rotatably installed.
  • a rotor 13 including a hub 2 and a plurality of blades 1 is rotatably provided at one end of the nacelle 3.
  • the rotor 13 receives wind 10 and converts it into rotational energy, and transmits the rotational energy to a generator to generate electric power.
  • the above-mentioned floating body 5 tends to become unstable due to the influence of the waves and the ocean current 11 generated on the sea surface 8.
  • the floating offshore wind power generation system that is, the wind turbine generator installed on the floating body 5 also becomes unstable, and the rotor 13 cannot efficiently receive the wind 10. The power generation efficiency will decrease.
  • the lower end of the floating body 5 and a fixed body 7 such as concrete installed on the seabed 9 are connected by a mooring body 6 made of a strong rope or chain.
  • the floating body 5 and the fixed body 7 installed on the seabed 9 are connected by one mooring body 6 and are fixed to the seabed 9, and the mooring body 6 is also provided.
  • the anchorage stabilizer 12 that generates a drag force by the ocean current 11 is installed at any one or more places between the respective connection points of the fixed body 7 and the float body 5 of the floating body by the drag force generated by the ocean current 11. It is intended to stabilize the mooring direction of No. 5.
  • the above-mentioned anchoring stabilizer 12 is a plate-shaped member 12a fixed to one anchoring member 6 and is fixed to this plate-shaped member 12a and receives the ocean current 11 to generate a drag force. It is composed of two disk-shaped members 12a1 and 12a2.
  • the member having a shape that receives the ocean current 11 and generates a drag force is not limited to the disk-shaped members 12a1 and 12a2, and may be a rectangular member or the like. In short, any member having an area for receiving the ocean current 11 and generating a drag force may be used.
  • the drag generated on the tether stabilizer 12 can prevent the entire floating offshore wind power generation system from rotating with the connecting portion between the tether 6 and the fixed member 7 as a fulcrum.
  • the entire floating offshore wind power generation system is fixed to the fixed body 7 by the mooring body 6 and the mooring stabilizer 12 is installed on the mooring body 6 so that the tower 4 does not rotate.
  • the total of the drag forces generated by the disk-shaped members 12a1 and 12a2 that generate a drag force on the ocean current 11 of the anchorage stabilizer 12 is larger than the drag force generated by the ocean current 11 on the portion below the sea surface 8 of the floating body 5.
  • the entire floating body type offshore wind turbine generator can be rotated while suppressing the cost of introducing the equipment. It is possible to prevent and stabilize and efficiently generate power.
  • FIG. 4 shows another example of the floating offshore wind power generation system according to the present invention, which is different from the mooring stabilizer 12 described in the first example.
  • the mooring stabilizer 12 used in the floating offshore wind power generation system includes a plate-shaped member 12a fixed to one mooring member 6 and the plate-shaped member 12a.
  • the ocean current power generators 12b1 and 12b2, which are fixed and generate electric power by receiving the ocean current 11, are provided with the ocean current power generator rotors 12c1 and 12c2 that rotate by the ocean current 11, and the ocean current power generators The rotary energy of the rotors 12c1 and 12c2 is converted into electric power.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and of course, even when the floating body 5 is fixed to the seabed 9 by the single mooring body 6, at sea.
  • the floating offshore wind power generation system can be stably installed, and the power generated by the ocean current power generators 12b1 and 12b2 by the ocean current 11 is added to the power generated by the floating offshore wind power generation system via a cable line or the like. This enables a more efficient floating offshore wind power generation system.
  • FIG. 5 shows a third embodiment of the floating offshore wind power generation system of the present invention.
  • the floating offshore wind power generation system according to the third embodiment shown in FIG. 5 is a downwind type in which the rotor 13 is provided on the leeward side of the nacelle 3 as in the first embodiment.
  • the floating body of the floating offshore wind power generation system in this embodiment shown in FIG. 5 uses a semi-sub type floating body 20 formed by combining a plurality of substantially cylindrical structures.
  • the semi-sub type floating body 20 has a quadrangle or a triangle when seen in a plan view.
  • one end of the tether 6 is connected to the semi-sub type floating body 20 described above, the other end of the tether 6 is connected to the fixed body 7 and fixed to the seabed 9, and at the middle of the tether 6.
  • An anchorage stabilizer 12 having the structure as in Example 1 or Example 2 is installed.
  • the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained, and the semi-sub type floating body 20 has a complicated shape that easily receives the resistance of the ocean current 11.
  • the floating offshore wind power generation system can be stably floated in the sea and is hard to shake even when it is fixed to the seabed 9 by one mooring body 6.
  • the floating body of the floating offshore wind power generation system is the semi-sub type floating body 20 formed by combining a plurality of substantially cylindrical structures.
  • a substantially cylindrical shape is used instead of the semi-sub type floating body.
  • the spar type floating body shape like the floating body 5 shown in FIGS. 1 and 2 of the first embodiment may be used.
  • FIG. 6 shows a fourth embodiment of the floating offshore wind power generation system of the present invention.
  • the floating body type offshore wind turbine power generation system of the fourth embodiment shown in FIG. 6 is a downwind type in which the rotor 13 is provided on the leeward side of the nacelle 3 as in the first embodiment.
  • the floating body 5 and the fixed body 7 installed on the seabed 9 are connected by one mooring body 6 and fixed to the seabed 9.
  • a second mooring body 6a for fixing the floating body 5 to the seabed 9 together with the one mooring body 6 is provided in parallel with the one mooring body 6, and the one mooring body 6 and the second mooring body are provided.
  • An anchorage stabilizer 12 having a structure as in Example 1 or Example 2 is installed at at least one location of 6a.
  • the two mooring bodies, the mooring body 6 and the second mooring body 6a, are provided so that the floating body 5 and the fixed body 7 installed on the seabed 9 are connected, and the mooring body 6 and the second mooring body 6a are It is connected to the fixed body 7.
  • the anchor 6 and the second anchor 6a in this embodiment may be connected to the fixed body 7 with the same tension, or may be connected to the fixed body 7 with different tensions.
  • the mooring body 6 and the second mooring body 6a are connected to the fixed body 7 with different tensions, the cost of the marine construction can be suppressed as compared with the case where they are connected with the same tension.
  • the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained, and even if the tether 6 or the second tether 6a is broken, the second Since the mooring body 6a or the mooring body 6 can moor the floating body 5 (becomes a backup when one mooring body 6 or the second mooring body 6a is broken), the outflow of the floating offshore wind power generation system main body Can be reliably prevented.
  • FIG. 7 shows Example 5 of the floating offshore wind power generation system of the present invention.
  • the floating offshore wind turbine power generation system according to the fifth embodiment shown in FIG. 7 is a downwind type in which the rotor 13 is provided on the leeward side of the nacelle 3 as in the first embodiment.
  • the floating offshore wind power generation system of the fourth embodiment described above an example is shown in which the floating body 5 and one fixed body 7 are connected by the tether 6 and the second tether 6a.
  • the third mooring body 21 having a different tension from the mooring body 6 on which the mooring stabilizer 12 is installed and the second mooring body 6a is installed.
  • the third mooring body 21 also attaches the floating body 5 to the seabed 9
  • the anchoring stabilizer 12 is not installed on the third anchoring member 21.
  • a fixed body 7a different from the fixed body 7 is installed on the seabed 9, and the floating body 5 and the fixed body 7a are connected by the third mooring body 21 with a tension different from that of the mooring body 6 and the second mooring body 6a. is doing. Then, at this time, the anchoring stabilizer 12 having the configuration as in the first or second embodiment is installed only in the anchoring body 6 and the second anchoring body 6a, and not in another third anchoring body 21. ..
  • the same effect as that of the fourth embodiment can be obtained, and even when both the tether 6 and the second tether 6a are fractured,
  • the third mooring body 21 prevents outflow of the floating offshore wind power generation system, and the third mooring body 21 can moor the floating body 5.
  • FIG. 8 shows a modification of the fifth embodiment shown in FIG.
  • one of the tether 6 or the second tether 6a (the tether 6 in this example) is used as the tether in which the tether stabilizer 12 is installed. It was done.
  • Other configurations are similar to those of the embodiment shown in FIG.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and even when the anchor 6 or the second anchor 6a is broken, the third anchor is used.
  • the body 21 prevents the floating offshore wind power generation system from flowing out, and the third anchoring body 21 can anchor the floating body 5.
  • FIG. 9A shows a sixth embodiment of the floating offshore wind power generation system of the present invention, which is a state in which the nacelle 3 and the rotor 13 of the floating offshore wind power generation system are viewed from above.
  • the shape of the rotor 13 of the floating offshore wind power generation system described in each of the above-described embodiments is changed to a yaw rotation that rotates around the axis (4a) of the tower 4.
  • a plurality of blades 1a and 1b are attached to the hub 2 with a constant angle (cone angle 26) so that the nacelle 3 is always oriented in the wind direction.
  • the cone angle 26 is an angle between the surface 25 of the rotor 13 orthogonal to the main axis direction 24 and the blade 1a (1b). In this way, by providing the cone angle 26 to the rotor 13 of the floating offshore wind power generation system described in the first to fifth embodiments, the wind power generation device rotates in the wind direction with respect to the yaw rotation that is the rotation with respect to the directional axis of the tower 4.
  • the nacelle 3 can be turned.
  • FIG. 9B shows Example 7 of the floating offshore wind power generation system of the present invention, which is a state in which the nacelle 3 and the rotor 13 of the floating offshore wind power generation system are viewed from a plane.
  • the nacelle 3 and the rotor 13 of the floating offshore wind power generation system described in the first to fifth embodiments have a constant angle (yaw deviation angle 27).
  • the blade 1b receives a larger thrust force than the blade 1a having a large inclination with respect to the wind 10, a yaw restoring force 28 is generated in the wind turbine generator, and the nacelle 3 is directed toward the wind 10 for efficient power generation. Can be maintained.
  • yaw deviation angle 27 is an angle between the wind direction 29 and the inclined main shaft direction 24 of the rotor 13.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment.
  • other configurations can be added / deleted / replaced.

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Abstract

本発明は、設備導入のコストを抑えつつ、１本の繋留体で浮体を海底に固定したものであっても、風力発電装置全体が回転するのを防止し、安定して効率良い発電が可能な浮体式洋上風力発電システムを提供する。　本発明による浮体式洋上風力発電システムは、発電機の支柱となるタワーと、該タワー上に回転可能に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、該ナセルの一端に回転可能に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブ及び複数のブレードからなるロータとを備え、前記タワーは洋上に浮かんだ浮体の上に設置され、前記浮体は１本の繋留体により海底に固定されている浮体式洋上風力発電システムであって、前記浮体と前記海底との間の前記繋留体の少なくとも１カ所に、海流を受けて抗力を発生する形状を有する繋留安定体を備えている。

Description

浮体式洋上風力発電システム
　本発明は浮体式洋上風力発電システムに係り、特に、洋上に設置された風力発電装置が、繋留体により海底に固定されているものに好適な浮体式洋上風力発電システムに関する。
　再生可能エネルギーの世界的な需要と経済性の観点から、洋上風力発電の重要性が増し、その中でも深い海底を有する海域でも設置可能な浮体式洋上風力発電システムの実用化が重要になってきている。
　従来の浮体式洋上風力発電システムにおいては、発電機の支柱となるタワーが設置されている洋上に浮かぶ浮体は、そのピッチ振動（風方向振動）、ロール振動（風直角振動）、ヨー振動（回転振動）を抑制するために、３本以上の繋留体で海底に固定されている。
　即ち、上記浮体は、円筒形状を成しており、海面に発生する波浪や海流の影響により不安定になりやすく、浮体が洋上で不安定になると、その上に設置されている風力発電装置も不安定な状態となり、ロータに効率良く風を受けることができなくなり、発電効率が低下してしまう。
　そこで、浮体を可能な限り安定させるため、浮体の下端と海底に設置したコンクリート等の固定体を、強固なロープやチェーン等からなる３本以上の繋留体により連結している。
　なお、従来の浮体式洋上風力発電システムでは、３本以上の繋留体を海底に別々に設置した複数の固定体とそれぞれ連結しているが、この３本以上の繋留体と各々の固定体とを結ぶ各繋留体は、同程度の張力となるように設置されている。３本以上の繋留体を同程度の張力で設置することにより、浮体及びその上に設置される風力発電装置の安定性を確保している。
　しかしながら、３本の繋留体を同程度の張力で繋留する海洋工事は調整を必要とし、浮体式洋上風力発電システムの経済性を低下させ、そのコストは非常に高額なものとなるため、１本の繋留体で浮体を海底の固定体に固定する浮体式洋上風力発電システムが渇望されている。
　この１本の繋留体で浮体を海底の固定体に固定する浮体式洋上風力発電システムとしては、例えば、特許文献１のような技術がある。
　この特許文献１には、発電機の支柱となるタワーと、このタワー上に回転可能に設けられ、発電機を内蔵するナセルと、このナセルの一端に回転可能に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブ及び複数のブレードからなるロータとを備え、タワーは、洋上に浮かぶ浮体上に設置され、この浮体は、該浮体及び当該浮体上に設置される風力発電装置全体の重心よりも上部側において、１本の繋留体により海底に固定されている浮体式洋上風力発電システムが記載されている。
　特に、特許文献１の図３には、１本の繋留体の途中に、繋留体やケーブルにねじれが生じた場合に、そのねじれを開放するねじれ防止連結体を設けることが開示されている。
特開２０１６－１１３９９６号公報
　上記のように、浮体式洋上風力発電システムの開発においては、海洋工事などの設備の導入コストを低減すると共に、不安定な洋上においても浮体式洋上風力発電システムに十分な風を受けて効率良く発電するための様々な取り組みがなされている。
　しかしながら、上記した特許文献１に記載されている浮体式洋上風力発電システムでは、浮体式洋上風力発電システムを１本の繋留体で海底に固定することで、３本以上の繋留体を同程度の張力で繋留する従来の浮体式洋上風力発電システムに比べて、海洋工事のコストを抑えることができるが、海流の向きが比較的一定している海域であっても、風向の変動や海流の表面流の変動により、繋留体と固定体の連結部分を支点として、浮体式風力発電システム全体が回転する場合がある。
　また、特許文献１の図３に記載されている１本の繋留体の途中に設けられ、繋留体にねじれが生じた場合に、そのねじれを開放するねじれ防止連結体は、浮体式洋上風力発電システムが回転して繋留体やケーブルがからまっても、それを開放するようにしたものであり、浮体式洋上風力発電システムの回転を阻止しようとするものではない。
　本発明は上述の点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、設備導入のコストを抑えつつ、１本の繋留体で浮体を海底に固定したものであっても、浮体式洋上風力発電装置全体が回転するのを防止し、安定して効率良い発電が可能な浮体式洋上風力発電システムを提供することにある。
　本発明の浮体式洋上風力発電システムは、上記目的を達成するために、発電機の支柱となるタワーと、該タワー上に回転可能に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、該ナセルの一端に回転可能に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブ及び複数のブレードからなるロータとを備え、前記タワーは洋上に浮かんだ浮体の上に設置され、前記浮体は１本の繋留体により海底に固定されている浮体式洋上風力発電システムであって、前記浮体と前記海底との間の前記繋留体の少なくとも１カ所に、海流を受けて抗力を発生する形状を有する繋留安定体を備えていることを特徴とする。
　本発明によれば、設備導入のコストを抑えつつ、１本の繋留体で浮体を海底に固定したものであっても、浮体式洋上風力発電装置全体が回転するのを防止し、安定して効率良い発電が可能となる。
本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例１を示し、海流と風が同方向の時における浮体式洋上風力発電システムの状態の概略構成図である。 本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例１を示し、海流と風が逆方向の時のおける浮体式洋上風力発電システムの状態の概略構成図である。 本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例１に採用される繋留安定体を示す概略構成図である。 本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例２であり、繋留安定体の他の例を示す概略構成図である。 本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例３を示す概略構成図である。 本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例４を示す概略構成図である。 本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例５を示す概略構成図である。 本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例５の変形例を示す概略構成図である。 本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例６であり、浮体式洋上風力発電システムのナセル及びロータを平面から見た状態を示す図である。 本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例７であり、浮体式洋上風力発電システムのナセル及びロータを平面から見た状態の他の例を示す図である。
　以下、図示した実施例に基づいて本発明の浮体式洋上風力発電システムを説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。
　図１、図２及び図３に、本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例１を示す。なお、図１は、海流１１と風１０が同方向の時における浮体式洋上風力発電システムの状態を示し、図２は、海流１１と風１０が逆方向の時のおける浮体式洋上風力発電システムの状態を示している。
　該図に示す本実施例の浮体式洋上風力発電システムは、後述するロータ１３がナセル３の風下側（図１の左側）に設けられているダウンウィンド型である。このダウンウィンド型の浮体式洋上風力発電システムは、ロータ１３が、複数のブレード１がロータ１３面に対して風下側に傾斜して設けられている。
　図１及び図２に示すように、本実施例の浮体式洋上風力発電システムは、発電機（図示せず）の支柱となるタワー４と、このタワー４上に回転可能に設けられ、発電機を内蔵するナセル３と、ナセル３の一端に回転可能に設けられ、風１０を受けて回転エネルギーへ変換するハブ２及び複数のブレード１からなるロータ１３とを備えて概略構成され、タワー４は、洋上に浮かんだ略円筒形状のスパー型浮体である浮体５上に設置され、この浮体５は、１本の強固なロープやチェーン等からなる繋留体６により、コンクリート等の固定体７を介して海底９に固定されている。
　具体的には、洋上に浮かんだ円筒構造の浮体５上に、浮体式洋上風力発電システムの支柱となるタワー４が設置され、タワー４上には、図示しない発電機が内蔵されるナセル３が回転可能に設けられている。
　また、ナセル３の一端には、ハブ２及び複数のブレード１からなるロータ１３が回転可能に設けられている。このロータ１３が風１０を受けて回転エネルギーへ変換し、その回転エネルギーを発電機に伝えることで発電する構成となっている。
　上記した浮体５は、海面８に発生する波浪や海流１１の影響により不安定になりやすい。浮体５が洋上で不安定になると、その上に設置されている浮体式洋上風力発電システム、即ち、風力発電装置も不安定な状態となり、ロータ１３に効率良く風１０を受けることができなくなり、発電効率が低下してしまう。
　そこで、浮体５を可能な限り安定させるため、浮体５の下端と海底９に設置したコンクリート等の固定体７を強固なロープやチェーン等からなる繋留体６により連結している。
　そして、本実施例における浮体式洋上風力発電システムでは、図１及び図２に示すように、浮体５と海底９との間の繋留体６の少なくとも１カ所に、海流１１を受けて抗力を発生する形状を有する繋留安定体１２を備えている。
　即ち、本実施例における浮体式洋上風力発電システムは、浮体５と海底９に設置された固定体７とが１本の繋留体６で連結され、海底９に固定されていると共に、繋留体６の固定体７と浮体５のそれぞれの接続点の間のいずれか一カ所以上に、海流１１により抗力を発生する繋留安定体１２が設置されているものであり、海流１１により発生する抗力によって浮体５の繋留方向を安定させるようにしたものである。
　上記した繋留安定体１２は、図３に示すように、１本の繋留体６に固定されている板状部材１２ａと、この板状部材１２ａに固定され、海流１１を受けて抗力を発生する形状の２つの円盤状部材１２ａ１及び１２ａ２とから構成されている。
　なお、海流１１を受けて抗力を発生する形状の部材は、円盤状部材１２ａ１及び１２ａ２に限らず四角形状等の部材であっても構わない。要は、海流１１を受けて抗力を発生するための面積を持った部材であれば良い。
　上記のような構成とすることで、図１のように海流１１に対して風１０が同方向から吹いた時は勿論、図２のように海流１１に対して風１０が逆方向から吹いた時にも、繋留安定体１２に発生する抗力により、繋留体６と固定体７の連結部分を支点として、浮体式洋上風力発電システム全体が回転することを防止できる。
　即ち、タワー４は傾斜するが、浮体式洋上風力発電システム全体は繋留体６で固定体７に固定され、更に、繋留体６に繋留安定体１２が設置されているため回転はしない。
　また、繋留安定体１２の海流１１に対して抗力を生ずる円盤状部材１２ａ１及び１２ａ２で発生する抗力の合計が、浮体５の海面８下にある部分に対して海流１１により発生する抗力よりも大きくなるように、繋留安定体１２の数や抗力を生ずる円盤状部材１２ａ１及び１２ａ２の大きさ（円盤状部材１２ａ１及び１２ａ２の直径の大きさ）を決めることにより、浮体５の繋留方向を安定させことができる。
　従って、本実施例によれば、設備導入のコストを抑えつつ、１本の繋留体６で浮体５を海底９に固定したものであっても、浮体式洋上風力発電装置全体が回転するのを防止し、安定して効率良い発電が可能となる。
　図４に、本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例２として、実施例１で説明した繋留安定体１２とは異なる他の例を示す。
　図４に示すように、実施例２における浮体式洋上風力発電システムに採用される繋留安定体１２は、１本の繋留体６に固定されている板状部材１２ａと、この板状部材１２ａに固定され、海流１１を受けて発電する海流発電装置１２ｂ１及び１２ｂ２とから構成され、上記海流発電装置１２ｂ１及び１２ｂ２は、海流１１により回転する海流発電装置用ロータ１２ｃ１及び１２ｃ２を備え、この海流発電装置用ロータ１２ｃ１及び１２ｃ２の回転エネルギーを電力に変換するものである。
　そして、海流１１で海流発電装置用ロータ１２ｃ１及び１２ｃ２を回転させる際に生じる海流１１に対する抗力により、浮体５の繋留方向を安定させるものである。
　このような本実施例の構成とすることで、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、１本の繋留体６で浮体５を海底９に固定した場合であっても、洋上において安定して浮体式洋上風力発電システムを設置することが可能となると共に、海流１１による海流発電装置１２ｂ１及び１２ｂ２の発電電力を、ケーブル線等を介して浮体式洋上風力発電システムの発電電力に加えることにより、より高効率な浮体式洋上風力発電システムが可能となる。
　図５に、本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例３を示す。図５に示す実施例３の浮体式洋上風力発電システムは、実施例１と同様に、ロータ１３がナセル３の風下側に設けられているダウンウィンド型である。
　図５に示す本実施例における浮体式洋上風力発電システムの浮体は、複数の略円筒形状の構造物の組み合わせにより構成されるセミサブ型浮体２０を用いたものである。このセミサブ型浮体２０は、平面で見ると四角形や三角形となっている。
　本実施例では、上記したセミサブ型浮体２０に繋留体６の一端が連結され、繋留体６の他端が固定体７に連結されて海底９に固定されていると共に、繋留体６の途中に実施例１或いは実施例２のような構成の繋留安定体１２が設置されている。
　このような本実施例の構成とすることにより、実施例１及び２と同様な効果が得られることは勿論、セミサブ型浮体２０は、海流１１の抵抗を受けやすい複雑な形状なっているため、海中においても安定して浮かべることができ、１本の繋留体６により海底９に固定した場合においても、揺れ難い浮体式洋上風力発電システムとすることができる。
　なお、本実施例では、浮体式洋上風力発電システムの浮体として、複数の略円筒形状の構造物の組み合わせにより構成されるセミサブ型浮体２０としたが、このセミサブ型浮体に代えて、略円筒形状のスパー型浮体（実施例１の図１及び図２に示す浮体５のような形状）としても構わない。
　図６に、本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例４を示す。図６に示す実施例４の浮体式洋上風力発電システムは、実施例１と同様に、ロータ１３がナセル３の風下側に設けられているダウンウィンド型である。
　実施例１において説明した浮体式洋上風力発電システムは、浮体５と海底９に設置された固定体７とが１本の繋留体６で連結され海底９に固定されているのに対し、本実施例では、１本の繋留体６と平行に、１本の繋留体６と共に浮体５を海底９に固定する第２の繋留体６ａを設け、この１本の繋留体６と第２の繋留体６ａの少なくとも１カ所に、実施例１或いは実施例２のような構成の繋留安定体１２が設置されている。
　この繋留体６と第２の繋留体６ａの２本の繋留体により、浮体５と海底９に設置された固定体７とが連結して設けられ、繋留体６と第２の繋留体６ａは固定体７に連結されている。
　なお、本実施例での繋留体６と第２の繋留体６ａは、同程度の張力で固定体７に連結してもよく、また、各々異なる張力で固定体７に連結してもよい。繋留体６と第２の繋留体６ａを各々異なる張力で固定体７に連結する場合、同程度の張力で連結する場合に比べてその海洋工事のコストを抑えることができる。
　このような本実施例の構成によれば、実施例１及び２と同様な効果が得られることは勿論、繋留体６又は第２の繋留体６ａが破断した場合であっても、第２の繋留体６ａ又は繋留体６が浮体５を繋留することができる（１本の繋留体６又は第２の繋留体６ａが破断した場合のバックアップとなる）ため、浮体式洋上風力発電システム本体の流出を確実に防ぐことができる。
　図７に、本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例５を示す。図７に示す実施例５の浮体式洋上風力発電システムは、実施例１と同様に、ロータ１３がナセル３の風下側に設けられているダウンウィンド型である。
　上述した実施例４の浮体式洋上風力発電システムでは、浮体５と１つの固定体７とを繋留体６と第２の繋留体６ａで連結する例を示したが、本実施例においては、更に、繋留安定体１２が設置されている繋留体６と第２の繋留体６ａとは異なる張力の別の第３の繋留体２１が設置され、この第３の繋留体２１でも浮体５を海底９に固定するようにし、第３の繋留体２１には、繋留安定体１２が設置されていないものである。
　即ち、固定体７とは別の固定体７ａを海底９に設置し、第３の繋留体２１により繋留体６と第２の繋留体６ａとは異なる張力で浮体５と固定体７ａとを連結している。そして、この時、実施例１或いは実施例２のような構成の繋留安定体１２は、繋留体６と第２の繋留体６ａにだけ設置し、別な第３の繋留体２１には設置しない。
　このような構成とすることで、通常時は繋留安定体１２に発生する抗力により、繋留体６と第２の繋留体６ａにだけ張力がかかり、第３の繋留体２１には弱い張力しかかからない。海流１１の向きが変化した場合に、浮体式洋上風力発電システムの位置が変わり、弱い張力で設置されている第３の繋留体２１の張力が別の繋留体６と第２の繋留体６ａよりも強くなり、第３の繋留体２１により浮体５が繋留されるようになる。
　このような本実施例の構成によれば、実施例４と同様な効果が得られることは勿論、繋留体６と第２の繋留体６ａが２本とも破断してしまった場合においても、第３の繋留体２１が浮体式洋上風力発電システムの流出を防ぎ、第３の繋留体２１により、浮体５を繋留することができる。
　図８に、図７に示した実施例５の変形例を示す。図８に示す実施例５の変形例は、繋留安定体１２が設置されている繋留体を、繋留体６又は第２の繋留体６ａのいずれか１本（本実施例では繋留体６）にしたものである。その他の構成は、図７の実施例と同様である。
　このような本実施例の構成によれば、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、繋留体６又は第２の繋留体６ａが破断してしまった場合においても、第３の繋留体２１が浮体式洋上風力発電システムの流出を防ぎ、第３の繋留体２１により、浮体５を繋留することができる。
　図９（ａ）に、本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例６を示し、浮体式洋上風力発電システムのナセル３及びロータ１３を平面から見た状態である。
　図９（ａ）に示すように、本実施例では、上述した各実施例において説明した浮体式洋上風力発電システムのロータ１３の形状を、タワー４の軸（４ａ）回りで回転するヨー回転に対して常に風方向にナセル３を向けるように、ハブ２に対し一定の角度（コーン角２６）を持たせて複数のブレード１ａ、１ｂを取り付けるようにしたものである。
　なお、コーン角２６は、ロータ１３の主軸方向２４と直交する面２５とブレード１ａ（１ｂ）との間の角度である。  
　このように、実施例１乃至５で説明した浮体式洋上風力発電システムのロータ１３に、コーン角２６を設けることで、風力発電装置がタワー４の方向軸に対する回転であるヨー回転に対し風方向へナセル３を向けることができる。
　図９（ｂ）に、本発明の浮体式洋上風力発電システムの実施例７を示し、浮体式洋上風力発電システムのナセル３及びロータ１３を平面から見た状態である。
　図９（ｂ）に示すように、本実施例では、上述した実施例１乃至５において説明した浮体式洋上風力発電システムのナセル３及びロータ１３が一定の角度（ヨー偏差角２７）を持って回転した場合、ブレード１ｂは風１０に対して傾斜の大きいブレード１ａに比べて大きなスラスト力を受け、風力発電装置にヨー復元力２８が生じ、ナセル３を風１０の方向へ向け、効率良い発電を維持することができる。
　なお、ヨー偏差角２７は、風向２９と傾斜したロータ１３の主軸方向２４との間の角度である。
　また、実施例１乃至５で説明した繋留安定体１２で発生する海流１１に対する抗力を用いても、浮体式洋上風力発電システムの繋留方向を一方向に安定できない事態となった場合は、図９（ａ）の状態からヨー角の制御によりヨー偏差角２７を大きくすることで、浮体式洋上風力発電システム全体に回転力を与え、繋留方向を安定させることができる。このとき、ロータ１３のピッチ角をタワー４の中に設置されている制御装置で制御することで、風１０に対する浮体式洋上風力発電システムの抗力を変更することで、繋留方向の安定に寄与することもできる。
　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易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、１ａ、１ｂ…ブレード、２…ハブ、３…ナセル、４…タワー、４ａ…タワーの軸、５…浮体、６…繋留体、６ａ…第２の繋留体、７、７ａ…固定体、８…海面、９…海底、１０…風、１１…海流、１２…繋留安定体、１２ａ…板状部材、１２ａ１、１２ａ２…円盤状部材、１２ｂ１、１２ｂ２…海流発電装置、１３…ロータ、１２ｃ１、１２ｃ２…海流発電装置用ロータ、２０…セミサブ型浮体、２１…第３の繋留体、２４…ロータの主軸方向、２５…ロータの主軸方向と直交する面、２６…コーン角、２７…ヨー偏差角、２８…ヨー復元力、２９…風向。

Claims (15)

  1. 　発電機の支柱となるタワーと、該タワー上に回転可能に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、該ナセルの一端に回転可能に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブ及び複数のブレードからなるロータとを備え、
    　前記タワーは洋上に浮かんだ浮体の上に設置され、前記浮体は１本の繋留体により海底に固定されている浮体式洋上風力発電システムであって、
    　前記浮体と前記海底との間の前記繋留体の少なくとも１カ所に、海流を受けて抗力を発生する形状を有する繋留安定体を備えていることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。
  2. 　請求項１に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
    　前記繋留体と平行に、該繋留体と共に前記浮体を海底に固定する第２の繋留体を設け、この両者の繋留体の少なくとも１カ所に、前記繋留安定体が設置されていることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。
  3. 　請求項１又は２に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
    　前記繋留安定体が設置されている前記繋留体及び/又は第２の繋留体とは異なる張力の第３の繋留体が設置され、この第３の繋留体でも前記浮体を海底に固定するようにし、前記第３の繋留体には、前記繋留安定体が設置されていないことを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。
  4. 　請求項２又は３に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
    　前記繋留安定体は、前記繋留体及び／又は前記第２の繋留体に固定されている板状部材と、該板状部材に固定され、海流を受けて抗力を発生する形状の部材とから成ることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。
  5. 　請求項４に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
    　前記海流を受けて抗力を発生する形状の部材は、円盤状を成していることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。
  6. 　請求項２又は３に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
    　前記繋留安定体は、前記繋留体及び／又は前記第２の繋留体に固定されている板状部材と、該板状部材に固定され、海流を受けて発電する海流発電装置とから成ることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。
  7. 　請求項６に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
    　前記海流発電装置は、海流により回転する海流発電装置用ロータを備え、該海流発電装置用ロータの回転エネルギーを電力に変換するものであることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。
  8. 　請求項１乃至７のいずれか１項に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
    　前記繋留安定体は、該繋留安定体の海流に対して抗力を生ずる形状で発生する抗力の合計が、前記浮体の海面下に位置する部分に対して海流により発生する抗力よりも大きいことを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。
  9. 　請求項１乃至８のいずれか１項に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
    　前記浮体は、複数の略円筒形状の構造物の組み合わせにより構成されるセミサブ型浮体或いは略円筒形状のスパー型浮体であることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。
  10. 　請求項１乃至９のいずれか１項に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
    　前記浮体式洋上風力発電システムは、前記ロータが前記ナセルの風下側に設けられているダウンウィンド型であることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。
  11. 　請求項１０に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
    　前記ロータは、複数の前記ブレードがロータ面に対し風下側に傾斜して設けられていることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。
  12. 　請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
    　前記ロータの形状は、前記タワーの軸回りで回転するヨー回転に対して常に風方向に前記ナセルを向けるよう、前記ハブに対し一定のコーン角を持たせて複数の前記ブレードが設置されていることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。
  13. 　請求項１２に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
    　前記コーン角は、前記ロータの主軸方向と直交する面と前記ブレードとの間の角度であることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。
  14. 　請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
    　前記ナセル及び前記ロータは、回転中に最下部に位置する前記ブレードが、風向に対して傾斜する最上部に位置する前記ブレードに比べて大きなスラスト力を受けるように、一定のヨー偏差角を持って回転することを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。
  15. 　請求項１４に記載の浮体式洋上風力発電システムであって、
    　前記ヨー偏差角は、前記風向と傾斜した前記ロータの主軸方向との間の角度であることを特徴とする浮体式洋上風力発電システム。
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