WO2024122092A1 - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

風力発電装置は、タワーに設けられ、風を受けて回転するローター（風車）と、ローターの回転力を受けて発電する風力発電部と、タワーを搭載して水に浮かぶ浮体部と、浮体部に設けられ、波を受けて動く可動部により発電する波力発電部と、を有する。

Description

風力発電装置

　本開示は、風力発電装置に係り、特に浮体式洋上風力発電装置に関する。

　風力発電装置として、例えば、中国特許第１１００８０９５２号明細書に記載の浮体式洋上風力発電装置がある。

　洋上風力発電装置は、陸上風力発電装置と比べて効率的な発電や風車の大型化が可能であり、実用化が進んでいる。特に浮体式洋上風力発電装置においては、着床式洋上風力発電のような水深の制限がなく、特に日本のような海洋国においては非常に高いポテンシャルを持った再生可能エネルギーとして注目されている。

　しかしながら、浮体式の場合浮体部が高価であること、また波の動揺を受けて風車のヘッドがふらつくことによる設備利用率の低下、メンテナンスが困難である等の理由で、発電コストが他の風力発電と比較して高いとされている。浮体部のコストダウンやメンテナンス性向上のための設計技術、動揺を抑えるための制御法などが知られているが、これらは発電量そのものには寄与しない。

　本開示は、風力発電装置の発電コストを低減する。

　第１の態様に係る風力発電装置は、タワーに設けられ、風を受けて回転する風車と、前記風車の回転力を受けて発電する風力発電部と、前記タワーを搭載して水に浮かぶ浮体部と、前記浮体部に設けられ、波を受けて動く可動部により発電する波力発電部と、を有する。

　第２の態様は、第１の態様に係る風力発電装置において、前記可動部が前記浮体部の下方に配置され、前記波力発電部が水中における前記可動部の動きにより発電する。

　第３の態様は、第１の態様に係る風力発電装置において、前記可動部は、前記浮体部の横に配置され、前記波力発電部は、水面における前記可動部の動きにより発電する。

　第４の態様は、第２の態様又は第３の態様に係る風力発電装置において、前記可動部の動きが、流体を介して前記波力発電部の発電機に伝達される。

　第５の態様は、第４の態様に係る風力発電装置において、前記発電機が、前記タワー内に設けられている。

　第６の態様は、第４の態様に係る風力発電装置において、前記発電機が、前記風力発電部の発電機と共用されている。

　本開示によれば、風力発電装置の発電コストを低減することができる。

第１実施形態に係る風力発電装置を示す正面図である。 第１実施形態に係る風力発電装置のタワー上部側を示す側面図である。 第１実施形態に係る風力発電装置を示す断面図である。 第２実施形態に係る風力発電装置を示す断面図である。 参考例に係る風力発電装置を示す正面図である。 参考例に係る風力発電装置のタワー上部側を示す側面図である。 参考例に係る風力発電装置の副浮体の配置を示す平面図である。 参考例に係る風力発電装置の浮体の上部を示す側面図である。

　以下、本開示を実施するための形態を図面に基づき説明する。各図面において同一の符号を用いて示される構成要素は、同一又は同様の構成要素であることを意味する。なお、以下に説明する実施形態において重複する説明及び符号については、省略する場合がある。また、以下の説明において用いられる図面は、いずれも模式的なものであり、図面に示される、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。また、複数の図面の相互間においても、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は必ずしも一致していない。

　以下、本開示を実施するための形態を図面に基づき説明する。

［第１実施形態］
　図１、図２において、本実施形態に係る風力発電装置３００は、風車としてのローター１８と、風力発電部３０２と、浮体部３０４と、波力発電部３０６と、を有している。

　ローター１８は、タワー１４に設けられ、風を受けて回転する部材である。このローター１８は、一例として、ハブ１８Ａにブレード１８Ｂが設けられたプロペラ型と呼ばれる水平軸風車である。

　風力発電部３０２は、ローター１８の回転力を受けて発電する部分である。タワー１４の上部にはナセル１６が設けられている。ナセル１６には、ローター１８の回転で発電する発電機２０が収容されている。タワー１４は、一例として中空構造であり、鋼材等で形成されている。タワー１４の内部は、雨水、海水等が進入しないように密閉されている。風力発電部３０６に関しては、従来一般の構造のものを用いることができる。

　浮体部３０４は、タワー１４を搭載して水に浮かぶ部位である。浮体部３０４は、鋼鉄、コンクリート、ゴム等を適宜用いて構成することができる。浮体部３０４として、後述する参考例の構成を用いることができる。

　図２、図３において、波力発電部３０６は、浮体部３０４に設けられ、波を受けて動く可動部３０８により発電する部位である。可動部３０８は、例えば浮体部３０４の下方に配置される。波力発電部３０６は、水中における可動部３０８の動きにより発電する。可動部３０８の動きは、流体を介して波力発電部３０６の発電機３２０に伝達される。

　本実施形態では、複数の可動部３０８が設けられている。各々の可動部３０８は、ピストン３１０を有している。浮体部３０４は、ピストン３１０がそれぞれ摺動するシリンダ３１２を有する。シリンダ３１２は、それぞれ配管３１４に接続されている。配管３１４は、浮体部３０４内で１箇所に集められ、タワー１４内に供給されるようになっている。各々の配管３１４には、例えば逆止弁３１６が設けられている。これにより、一のピストン３１０の動きにより生じた流体圧が他のピストン３１０を押し戻すことがないようになっている。

　流体が圧縮空気等の気体の場合、発電機３２０を作動させるために空気タービンを用いることができる。流体が液体（油圧を用いる）の場合、発電機３２０を作動させるためにＰＴＯ（Ｐｏｗｅｒ　Ｔａｋｅ－Ｏｆｆ）を用いることができる。この発電機３２０は例えばタワー１４内に設けられているが、これに限られず、風力発電部３０２の発電機２０と共用されていてもよい。この場合、流体を風力発電部３０６まで供給するための配管（図示せず）を例えばタワー１４内に設け、流体圧を発電機２０の補助的な駆動源として使用する。流体が圧縮空気等である場合、空気をローター１８に当てるノズルをナセル１６に設けてもよい。流体が液体（油圧を用いる）の場合、発電機２０にＰＴＯを接続してもよい。

（作用）
　本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。図３において、本実施形態に係る風力発電装置３００では、風力発電部３０２と波力発電部３０６を有しているので、風力によるエネルギーに加えて波力によるエネルギーも発電に使うことができる。つまり、風力発電部３０２により風力発電を行い、波力発電部３０６により波力発電を行うことができる。

　波力発電部３０６では、浮体部３０４の下方に配置される可動部３０８の動きにより発電する。可動部３０８の動きが流体（例えば圧縮空気又は油圧）を介して波力発電部３０６の発電機３２０に伝達されることで、発電する。流体はシリンダ３１２及び配管３１４を通じてタワー１４内に供給され、空気タービン又はＰＴＯを介して発電機３２０を作動させる。この発電機３２０がタワー１４に設けられているので、タワー１４内の空間を有効に活用でき、タワー１４外への発電機３２０の設置を避けることができる。

　また、波力のエネルギーを可動部３０８で吸収することで、波による風力発電部３０２の揺動を低減することができ、設備稼働率が向上する。したがって、風力発電部３０２のみを有する場合と比較して、総発電量が向上し、発電コストが低減する。

　波力発電部３０６の発電機が、風力発電部３０２の発電機２０と共用されている場合、発電機をそれぞれ設ける場合と比較して、機器のコストを低減できる。

　このように、本実施形態によれば、風力発電装置の発電コストを低減することができる。

［第２実施形態］
　図４において、本実施形態に係る風力発電装置３００では、可動部３０８が浮体部３０４の横に配置されている。波力発電部３０６は、水面３２２における可動部３０８の動きにより発電するようになっている。

　シリンダ３１２は、可動部３０８の上方に配置されている。配管３１４は、シリンダ３１２に接続されると共に、例えば浮体部３０４の上方を通り、タワー１４に接続されている。波力発電部３０６の発電機３２０は、タワー１４と配管３１４との接続部３２４より上方に配置されている。発電効率を高めるため、タワー１４内において、接続部３２４より下方へは流体が流れないように構成されていてもよい。なお、第１実施形態と同様に、配管３１４を浮体部３０４内に配置してもよい。

　この風力発電装置３００では、波力発電部３０６が、浮体部３０４の横に配置される可動部３０８の動きにより発電する。波力のエネルギーを可動部３０８で吸収することで、波によるローター１８の揺動を低減することができる。特に、可動部３０８が浮体部３０４の横に配置されるので、波による風力発電部３０２の揺動を更に低減することができる。つまり、揺動抑制効果が高い。このため、設備稼働率も更に向上する。

　他の部分については、第１実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

［参考例］
　図５乃至図８を用いて、参考例に係る風力発電装置１０について説明する。

　図７に示すように、風力発電装置１０は、一例として、平面視で円形の鋼製またはコンクリート製の支持部材１２を備えている。

　図５、及び図７に示すように、支持部材１２の中心部には、タワー１４が立設されている。支持部材１２とタワー１４とは、一例としてボルト、溶接等で固定されている。

　図６に示すように、タワー１４の上部にはナセル１６が設けられており、ナセル１６には、ローター１８の回転で発電する発電機２０が収容されている。タワー１４は、一例として中空構造であり、鋼材等で形成されている。タワー１４の内部は、雨水、海水等が進入しないように密閉されている。ハブ１８Ａ、及びブレード１８Ｂでローター１８が構成されている。また、タワー１４、ナセル１６、及びローター１８で風車１１が構成されている。

　図５、及び図６に示すように、本参考例の風車１１は、一例として、ハブ１８Ａにブレード１８Ｂが設けられたプロペラ型と呼ばれる水平軸風車である。

　上記タワー１４、ナセル１６、ローター１８、発電機２０に関しては、従来一般の構造のものを用いることができる。

　図７に示すように、支持部材１２には、浮体保持部材２４が取り付けられている。支持部材１２と浮体保持部材２４とは、一例としてボルト、溶接等で固定されている。

　浮体保持部材２４は、支持部材１２から放射方向（径方向外側）へ向けて延びる複数本（本参考例では５本）の連結部材２４Ａを備え、各連結部材２４Ａの端部には円環状の大径環状部材２４Ｂが固定されている。大径環状部材２４Ｂの内側には、大径環状部材２４Ｂよりも小径の小径環状部材２４Ｃが配置されている。小径環状部材２４Ｃは、連結部材２４Ａの長手方向中間部に固定されている。

　本参考例では、支持部材１２の中心と、大径環状部材２４Ｂの中心と、小径環状部材２４Ｃの中心とを一致させている。

　浮体保持部材２４を構成する連結部材２４Ａ、大径環状部材２４Ｂ、及び小径環状部材２４Ｃは、一例として、鋼材等で形成することができる。浮体保持部材２４は、鋼鉄製骨格、浮体支持部材、補強材などと言い換えることができる。

　図５、及び図７に示すように、本参考例では、支持部材１２の下部の中心に、鋼製の中空構造とされた浮体２６が取り付けられている。

　支持部材１２の下部、大径環状部材２４Ｂの下部、及び小径環状部材２４Ｃの下部には、周方向に沿って複数の弾性浮体２８が配置されている。これらの弾性浮体２８は、支持部材１２の下部、及び大径環状部材２４Ｂの下部において、周方向に沿って等間隔に配置されている。弾性浮体２８は、本開示の浮体の一例である。

　弾性浮体２８は、中空体であり、使用時の形状（空気を充填した状態の形状）は、一例として球形である。なお、弾性浮体２８の使用時の形状は球形に限定されず、円柱形状、中央部が膨らんだ樽形状、立方体形状等であってもよい。

　弾性浮体２８を構成する材料は、弾性材料、一例として、加硫ゴム、ウレタン樹脂等の弾性を有する合成樹脂（エラストマー樹脂）であり、金属よりも比重が小さい材料である。弾性浮体２８を構成する弾性材料には、補強用のコードや織物シート等が埋設されていてもよい。

　各弾性浮体２８は、個別に交換が可能なように、支持部材１２、及び浮体保持部材２４に対して、一例として、チェーン、ロープ、バンド等の取付部材３２を用いて着脱可能に取り付けられている。図示は省略するが、弾性浮体２８は、チェーン、ロープ、バンド等に限らず、ボルト等を用いて支持部材１２、及び浮体保持部材２４に取り付けられていてもよい。

　なお、取付部材３２は、弾性浮体２８の着脱作業が、水上、例えば、支持部材１２や浮体保持部材２４の上で出来るように設けることが好ましい。

　弾性浮体２８は、空気の充填量により拡縮可能、言い換えれば体積を変更することが可能である。

　図８に示すように、弾性浮体２８には空気バルブ３０が取り付けられており、空気バルブ３０を介して弾性浮体２８に空気を充填したり、弾性浮体２８の内部の空気を外部に排出することができる。作業性を考慮し、空気バルブ３０は、弾性浮体２８の水面ＷＦの上に露出している部分に設けることが好ましい。なお、弾性浮体２８は、内部の空気を外部に排出し、萎ませた状態で着脱してもよい。

　支持部材１２、及び浮体保持部材２４に取り付ける弾性浮体２８の数、及び位置は、図５、及び図７に示す例に限らず、必要に応じて適宜変更可能である。

　本参考例では、洋上での風力発電装置１０の使用状態において、弾性浮体２８の少なくとも一部が水面ＷＦより上側に露出するように、弾性浮体２８の数、言い換えれば、浮力が決められている。

　図５に示すように、本参考例の風力発電装置１０は、従来の浮体式洋上風力発電装置と同様に、係留ライン３４によって海底（図示省略）に係留することができる。

　なお、発電機２０で発電された電力は、一例として、送電線３６を介して陸地へ送電することができる。

（作用、効果）
　本参考例の弾性浮体２８は、構成する材料が、金属よりも比重の小さいゴム、合成樹脂等の弾性体であるため、金属材料を用いた浮体より軽量になる。本参考例の風力発電装置１０では、金属製の浮体で浮力を得ている風力発電装置に比較して、全体の質量を軽量化できる。これにより、ローターのサイズアップ、及び大型化が可能となり、発電量を増加させることも可能となる。

　単一の金属製の浮体が固定されている浮体式洋上風力発電装置では、浮体のメンテナンスを行う場合や、浮体に不具合（例えば、亀裂、孔が空く等）が生じた場合は、曳航し、陸揚げしてメンテナンス、または修理する必要があり、メンテナンス、及び修理に多大な手間、及びコストが掛かる。また、金属製の浮体内に水が入った場合、浮力のバランスが崩れ、タワーが必要以上に傾く虞がある。

　一方、本参考例に係る風力発電装置１０では、複数の弾性浮体２８を用いているので、フェイルセ―フが可能となる。例えば、何れかの弾性浮体２８に不具合が生じた場合でも、浮力のバランスが大きく崩れることが抑制され、タワー１４が必要以上に傾くことを抑制できる。

　各弾性浮体２８は、少なくとも一部が水面ＷＦに露出しており、また、ボルト、チェーン、ロープ、バンド等の取付部材３２を、水上、例えば、支持部材１２や浮体保持部材２４の上で弾性浮体２８の着脱作業が出来るように設けることで、水上にて、不具合を生じた弾性浮体２８をメンテナンスしたり、新たな弾性浮体２８と交換したりすることが容易となる。したがって、曳航、及び陸揚げによるメンテナンス、及び交換に比較して作業が容易になる。

　さらに、弾性浮体２８は、空気バルブ３０を介して弾性浮体２８の内部に空気を充填したり、内部の空気を排出したりすることができる。弾性浮体２８は、内部の空気を抜くことで縮小させることができ、これにより、弾性浮体２８の運搬、着脱作業が容易になる。

　また、空気バルブ３０は、弾性浮体２８の上部分に取り付けられているため、水上にて空気バルブ３０へ空気ポンプのホース等を接続する作業が容易になる。

　弾性材料からなる弾性浮体２８は、着脱可能であり、金属製の浮体に比較して軽量であるため、弾性浮体２８を取り外して洋上で回転させることも容易である。例えば、弾性浮体２８を回転させ、水に浸かっていた下部を上側にすることにより、水に浸かっていた部分の検査や付着物の除去などのメンテナンスも容易になる。

　なお、弾性材料は弾性変形するので、弾性浮体２８に何らかの物体が当たったとしても塑性変形し難く、また、物体（波、浮遊物など）が当たった際の衝撃を吸収することもできる。

　本参考例に係る風力発電装置１０では、弾性浮体２８が着脱可能であるので、弾性浮体２８の数、位置を調整して、浮力の調整や浮力のバランスを取ることも容易である。また、タワー１４を搭載する基礎部材が水平となるように浮力のバランスをとることも容易にできる。

　本参考例の風車１１は、プロペラ型と呼ばれる水平軸風車であったが、風車１１の形式は本参考例のものに限らず、垂直軸風車等、他の形式のものであってもよい。

［他の実施形態］
　以上、本開示の実施形態の一例について説明したが、本開示の実施形態は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。例えば、上記実施形態に、参考例の構成の一部を適宜組み合わせてもよい。

　２０２２年１２月９日に出願された日本国特許出願２０２２－１９７５２７号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
　本明細書に記載されたすべての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
 

Claims (6)

1. 　タワーに設けられ、風を受けて回転する風車と、
   　前記風車の回転力を受けて発電する風力発電部と、
   　前記タワーを搭載して水に浮かぶ浮体部と、
   　前記浮体部に設けられ、波を受けて動く可動部により発電する波力発電部と、
   　を有する風力発電装置。
2. 　前記可動部は、前記浮体部の下方に配置され、
   　前記波力発電部は、水中における前記可動部の動きにより発電する請求項１に記載の風力発電装置。
3. 　前記可動部は、前記浮体部の横に配置され、
   　前記波力発電部は、水面における前記可動部の動きにより発電する請求項１に記載の風力発電装置。
4. 　前記可動部の動きは、流体を介して前記波力発電部の発電機に伝達される請求項２又は請求項３に記載の風力発電装置。
5. 　前記発電機は、前記タワー内に設けられている請求項４に記載の風力発電装置。
6. 　前記発電機は、前記風力発電部の発電機と共用されている請求項４に記載の風力発電装置。