JP6510227B2

JP6510227B2 - 風力発電システム

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Publication number: JP6510227B2
Application number: JP2014254746A
Authority: JP
Inventors: 満佐伯; 崇白石; 淳一杉野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2019-05-08
Anticipated expiration: 2034-12-17
Also published as: EP3034388A1; EP3034388B1; JP2016113996A; US10280901B2; US20160177927A1; CA2915239A1

Description

本発明は、風力発電システム、特に、洋上に設置される浮体式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は、図１１に示すように、浮体のピッチ振動（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。

しかしながら、３本以上の繋留体を同程度の張力で繋留する海洋工事が浮体式洋上風力発電システムの経済性を低下させ、一本の繋留で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。

浮体式洋上風力発電システムにおいては、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、「水深の深い場所に浮かんでいる状態で設置された風力駆動型発電所であって、発電機を有する機械室と、調整装置と、回転子軸と、回転翼と、を備えており、海底にアンカー固定されたタワーであって、風車の全体の重心が風車の浮力中心よりも下に位置するので、基本的に、直立した配置で浮かんでいるタワー上に、前記機械室が設置されている風力駆動型発電所」が開示されている。

上記特許文献１の風力駆動型発電所によれば、洋上に設置される大型の浮体式発電用風車において、風車回転子に作用する風力を吸収するのに十分な安定性を達成可能であるとしている。

特表２００５−５２６２１３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ともに、不安定な洋上においても風車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。

例えば、上記特許文献１のような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一本の繋留で海底に固定しているため、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、海流の向きや風向が変動した場合に風車が十分に風を受けるのは難しく、発電効率の低下が懸念される。

また、浮体の底部を一本の繋留で海底と固定しているため、海流の速度が想定以上に速くなった場合、浮体式洋上風力発電システム全体が水没してしまう恐れもある。

そこで、本発明の目的は、浮体式洋上風力発電システムにおいて、設備導入のコストを抑えつつ、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。

上記課題を解決するために、本発明は、発電機の支柱となるタワーと、前記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、前記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および複数のブレードからなるロータと、を有する風力発電システムであって、前記タワーは、洋上に浮かぶ浮体上に設置され、前記浮体は、前記浮体および当該浮体上に設置される前記風力発電システム全体の重心よりも上部側かつ海面下において、１本の繋留体により海底に固定され、前記繋留体は、前記浮体に設けられ当該浮体の回転を許容する回転締結体を介して前記浮体に連結され、前記回転締結体は、前記浮体に対する当該回転締結体の位置をモータ駆動により制御可能であることを特徴とする。

また、本発明は、発電機の支柱となるタワーと、前記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、前記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および複数のブレードからなるロータと、を有する風力発電システムであって、前記タワーは、洋上に浮かんだ浮体上に設置され、前記浮体は、前記浮体および当該浮体上に設置される前記風力発電システム全体の重心よりも上部側かつ海面下において、複数の繋留体により海底に固定され、前記複数の繋留体のうち、少なくとも１本の繋留体の張力が他の繋留体の張力と異な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、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実現することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る風力発電システムの全体概要を示す図である。本発明の一実施形態に係る風力発電システムの全体概要を示す図である。本発明の一実施形態に係る風力発電システムの全体概要を示す図である。本発明の一実施形態に係る風力発電システムの全体概要を示す図である。本発明の一実施形態に係る風力発電システムの回転締結体を示す図である。本発明の一実施形態に係る風力発電システムの回転締結体を示す図である。本発明の一実施形態に係る風力発電システムの全体概要を示す図である。本発明の一実施形態に係る風力発電システムのタワーの一部断面を示す図である。本発明の一実施形態に係る風力発電システムのタワーの一部断面を示す図である。本発明の一実施形態に係る風力発電システムのタワーの一部断面を示す図である。本発明の一実施形態に係る風力発電システムの全体概要を示す図である。本発明の一実施形態に係る風力発電システムの全体概要を示す図である。本発明の一実施形態に係る風力発電システムの全体概要を示す図である。本発明の一実施形態に係る風力発電システムのねじれ防止連結体を示す図である。本発明の一実施形態に係る風力発電システムの回転締結体を示す図である。ダウンウィンド型風車におけるコーン角を示す図である。ダウンウィンド型風車におけるヨー偏差角に対して復元力を示す図である。従来の風力発電システムの全体概要を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

先ず、図１１を用いて、従来の風力発電システムについて説明する。図１１はダウンウィンド型の浮体式洋上風力発電システムの全体概要を示している。

従来の浮体式洋上風力発電システムは、図１１に示すように、洋上に浮かんだ浮体５上に、風力発電システムの支柱となるタワー４が設置されている。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および複数のブレード１からなるロータが回転可能に設けられている。このロータが風Ａ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。

浮体５は、海面８に発生する波浪や海流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風力発電システムすなわち風車も不安定な状態となり、ロータに効率良く風Ａ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。

ここで、従来の浮体式洋上風力発電システムでは、図１１のように、３本以上の繋留体６を海底９に別々に設置した複数の固定体７とそれぞれ連結しているが、この３本以上の繋留体６と各々の固定体７とを結ぶ各繋留体６は、同程度の張力となるように設置される。３本以上の繋留体６を同程度の張力で設置することにより、浮体５およびその上に設置される風力発電システムの安定性を確保している。

上記のように、この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、そのコストは非常に高額なものとなる。

次に、図１および図２を用いて、実施例１における浮体式洋上風力発電システムについて説明する。図１および図２は、本実施例におけるダウンウィンド型の浮体式洋上風力発電システムの全体概要を示している。なお、図１は無風時、或いは、微風時における浮体式洋上風力発電システムの状態を示しており、図２は、比較的強い風を受けている時の状態を示している。

図１および図２に示す浮体式洋上風力発電システムは、洋上に浮かんだ浮体５上に、風力発電システムの支柱となるタワー４が設置されている点において、図１１の浮体式洋上風力発電システムと同じ構成である。また、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点、および、ナセル３の一端に、ハブ２および複数のブレード１からなるロータが回転可能に設けられている点においても、図１１の浮体式洋上風力発電システムと同じ構成である。

本実施例における浮体式洋上風力発電システムは、図１に示すように、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、海底に固定されている。ここで、繋留体６が連結される浮体５の位置は、浮体５およびその上に設置される風力発電システムすなわちタワー４やナセル３、ナセル３に内蔵される発電機、ナセル３の風下側に設けられるハブ２および複数のブレード１からなるロータを含む浮体式洋上風力発電システム全体の重心より上部側に位置している。

また、ハブ２および複数のブレード１からなるロータは、複数のブレード１の先端部同士を結ぶ面、すなわち、ロータ面１０がチルト角１１の角度を有して、上面に傾斜して設けられている。

上記のような構成とすることで、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。

また、ロータをチルト角１１を有して上面に傾斜して設けることにより、図２に示すように、比較的強い風や強風時に浮体５およびタワー４を含む浮体式洋上風力発電システム全体が風下側へ傾倒することで、ロータが最大限に風を受ける状態となり、発電効率を高めることができる。

図３および図９Ａを用いて、実施例２における浮体式洋上風力発電システムについて説明する。図３は本実施例におけるダウンウィンド型の浮体式洋上風力発電システムの全体概要を示している。図９Ａは、図３におけるねじれ防止連結体１２の例を示している。

上記で説明したように、従来の浮体式洋上風力発電システムでは、３本以上の繋留体により同程度の張力で海底に安定して固定されるため、海流の向きや風向きの影響を受けにくい構成となっているが、実施例１で説明した浮体式洋上風力発電システムは、１本の繋留体６で浮体５を海底９に固定しているため、例えば、海中に強い渦が発生した場合や風向が頻繁に変化するような場合、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場合がある。

この場合、繋留体６や図示しない海底ケーブルが絡まり合ってしまい、洋上において浮体式洋上風力発電システムの姿勢（バランス）を上手く保てなくなる場合がある。その結果、ロータが効率良く風Ａ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。また、繋留体６や図示しない海底ケーブルが破断した場合、浮体式洋上風力発電システムが流出してしまう恐れもある。

そこで、本実施例における浮体式洋上風力発電システムは、図３に示すように、１本の繋留体６に、繋留体６にねじれが生じた場合に、そのねじれを開放する少なくとも１つ以上のねじれ防止連結体１２が設けられている。

これにより、浮体式洋上風力発電システムを１本の繋留体により海底へ固定する場合においても、海流の向きや風向きの変化による繋留体のねじれを抑制することができる。

なお、図９Ａに示すように、繋留体をチェーンからなる繋留体２２のように設け、発電した電力を送電するケーブル２３と連結し、この繋留体２２とケーブル２３のねじれを開放するねじれ防止連結体２４を設けるようにしてもよい。

図４Ａ乃至図４Ｃを用いて、実施例３における浮体式洋上風力発電システムについて説明する。図４Ａは本実施例におけるダウンウィンド型の浮体式洋上風力発電システムの全体概要を示している。また、図４Ｂおよび図４Ｃは、図４Ａにおける回転締結体１３の例を示している。

実施例２においては、海流の向きや風向きの変化による繋留体のねじれを抑制するために、ねじれを開放する少なくとも１つ以上のねじれ防止連結体１２を繋留体６に設ける例を説明したが、本実施例では、浮体５に浮体５の回転を許容する回転締結体１３が設けられており、海流の向きや風向きの変化による繋留体のねじれを抑制する構造となっている。

繋留体６は、回転締結体１３を介して浮体５に連結されている。また、この回転締結体１３は、浮体５の周方向に回転可能に設けられている。

図４Ｂに示すように、繋留体６が連結された回転締結体１３は、ベアリング１４を介して浮体５に設けられている。回転締結体１３と浮体５の間にベアリング１４が設けられているため、回転締結体１３は浮体５の周方向に自在に回転することができる。

図４Ｂに示すように、繋留体６を回転締結体１３を介して浮体５に連結することにより、浮体式洋上風力発電システムを１本の繋留体により海底へ固定する場合においても、海流の向きや風向きの変化による繋留体のねじれを抑制することができる。

また、図４Ｃに示すように、回転締結体１３にピニオンギア１５および駆動モータ１６を設け、回転締結体１３の浮体５上の回転を電動で行うようにしてもよい。この場合、例えば、海流の向きや風向きの変化をセンサにより検知し、その検出値に基づいて、浮体５上の回転締結体１３の位置を制御することもできる。

なお、図４Ｃに示すように、回転締結体１３の回転を電動により制御することで、海流の向きや風向きに応じて、浮体５の向きを変えることができるため、浮体５上に設置される浮体式洋上風力発電システムのヨー制御の負荷を軽減する効果も得られる。

図５Ａ乃至図５Ｄを用いて、実施例４における浮体式洋上風力発電システムについて説明する。図５Ａは本実施例におけるダウンウィンド型の浮体式洋上風力発電システムの全体概要を示している。また、図５Ｂ乃至図５Ｄは、図５Ａにおける浮体５のＢ―Ｂ’断面を示している。

図５Ｂに示すように、本実施例における浮体式洋上風力発電システムにおいては、浮体５の断面形状が略円形状になるように、すなわち、浮体５を略円筒形状のスパー型としている。これにより、浮体５に対する海流の抵抗をできるだけ抑え、海流の向きの変化による繋留体のねじれを抑制することができる。

また、例えば、図５Ｃおよび図５Ｄに示すように、浮体５の断面形状を略矩形形状或いは略星型形状とすることにより、浮体５が海流の抵抗を受けやすくなり、浮体および浮体式洋上風力発電システムに振動が発生した場合、その振動を減衰する効果を得ることができる。

なお、浮体５の断面形状は、浮体５全体を図５Ｂ乃至図５Ｄに示す各断面形状で形成してもよく、浮体５の少なくとも一部を図５Ｂ乃至図５Ｄに示すような断面形状になるように形成してもよい。

図６を用いて、実施例５における浮体式洋上風力発電システムについて説明する。図６は本実施例におけるダウンウィンド型の浮体式洋上風力発電システムの全体概要を示している。

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、図６に示すように、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である。このセミサブ型浮体２０に繋留体６が連結されている。セミサブ型浮体２０は海流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、一本の繋留体６により海底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。

図７を用いて、実施例６における浮体式洋上風力発電システムについて説明する。図７は本実施例におけるダウンウィンド型の浮体式洋上風力発電システムの全体概要を示している。

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で連結され海底に固定されているのに対し、本実施例では、２本の繋留体６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ている。

実施例１で説明したように、図１１に示す従来の浮体式洋上風力発電システムでは、３本以上の繋留体により海底に設置された各々異なる固定体７と同程度の張力で連結するため、その海洋工事には高額なコストが必要となる。一方、本実施例の浮体式洋上風力発電システムは、少なくとも２本以上の繋留体６を同じ固定体７に連結している。

ここで、この少なくとも２本以上の繋留体６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。２本の繋留体６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。

本実施例の浮体式洋上風力発電システムによれば、１本の繋留体６が破断した場合であっても、他の繋留体６が浮体５を繋留することができるため、浮体式洋上風力発電システム本体の流出を防ぐことができる。

図８を用いて、実施例７における浮体式洋上風力発電システムについて説明する。図８は本実施例におけるダウンウィンド型の浮体式洋上風力発電システムの全体概要を示している。

実施例６の浮体式洋上風力発電システムでは、浮体と１つの固定体７とを少なくとも２本以上の繋留体６で連結する例を示したが、本実施例においては、さらに、別の固定体７を海底９に設置し、別の繋留体２１により異なる張力で浮体５と固定体７とを連結している。

このような構成とすることで、海流の向きや風向が変化した場合に、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繋留体２１の張力が別の２本の繋留体６よりも強くなり、繋留体２１により浮体５が繋留されるようになる。

また、実施例６と同様に、繋留体６が２本とも破断してしまった場合においても、繋留体２１が浮体式洋上風力発電システムの流出を防ぎ、さらに繋留体２１により浮体５が繋留されるようにすることができる。

図９Ｂに、海底９に設置される固定体７の例を示す。固定体７の上部には回転締結体２５が設けられている。回転締結体２５には開口（穴）が設けられ、その開口（穴）をケーブル２３が貫通するように設置されている。また、回転締結体２５には、チェーンからなる繋留体２２が連結されている。固定体７に設けられた回転締結体２５は、固定体７上において回転可能に設けられている。チェーンからなる繋留体２２とケーブル２３は互いに連結固定されている。

本実施例のように繋留体のねじれ防止を施した固定体７を、実施例１乃至実施例７で説明した浮体式洋上風力発電システムに用いることにより、繋留体のねじれを抑制することができる。

図１０Ａおよび図１０Ｂを用いて、本実施例における浮体式洋上風力発電システムについて説明する。図１０Ａおよび図１０Ｂは、実施例１乃至実施例７で説明した浮体式洋上風力発電システムのナセル３およびロータを上面から見た様子を示している。

図１０Ａに示すように、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形状を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ナセルを向けるようハブ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を取り付けてもよい。このコーン角２６は、図示しないロータの主軸と直交する面とブレード１ａ（１ｂ）との間の角度である。

実施例１乃至実施例７で説明した浮体式洋上風力発電システムのロータにこのコーン角２６を設けることで、風車がタワー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を向けることができる。

図１０Ｂに示すように、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ナセル３およびロータが一定の角度（ヨー偏差角２７）を持って回転した場合、ブレード１ｂは風Ａ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、風車にヨー復元力２８が生じ、ナセルを風方向へ向け、効率良い発電を維持することができる。

以上説明したように、実施例１乃至実施例９の浮体式洋上風力発電システムによれば、設備導入のための海洋工事のコストをおさえつつ、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実現することができる。

なお、以上の各実施例において、主にダウンウィンド型の浮体式洋上風力発電システムを例に用いて説明したが、アップウィンド型の浮体式洋上風力発電システムにおいても同様の効果を得ることができる。

また、浮体式洋上風力発電システムに搭載されている無停電電源などの補助電源からヨー制御機構の電源を供給可能な構成とすることで、停電時においても継続して浮体式洋上風力発電システムを稼働することができる。この、補助電源は、無停電電源の他、蓄電装置やディーゼル発電機、エンジン発電機、潮流発電機などを用いることができる。

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。

Ａ…風、１，１ａ，１ｂ…ブレード、２…ハブ、３…ナセル、４…タワー、５…浮体、６，２１，２２…繋留体、７…固定体、８…海面、９…海底、１０…ロータ面、１１…チルト角、１２，２４…ねじれ防止連結体、１３，２５…回転締結体、１４…ベアリング、１５…ピニオンギア、１６…駆動モータ、１７…丸断面、１８…四角断面、１９…星型断面、２０…セミサブ型浮体、２３…ケーブル、２６…コーン角、２７…ヨー偏差角、２８…ヨー復元力。

Claims

発電機の支柱となるタワーと、
前記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、
前記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および複数のブレードからなるロータと、を有する風力発電システムであって、
前記タワーは、洋上に浮かぶ浮体上に設置され、
前記浮体は、前記浮体および当該浮体上に設置される前記風力発電システム全体の重心よりも上部側かつ海面下において、１本の繋留体により海底に固定され、
前記繋留体は、前記浮体に設けられ当該浮体の回転を許容する回転締結体を介して前記浮体に連結され、
前記回転締結体は、前記浮体に対する当該回転締結体の位置をモータ駆動により制御可能であることを特徴とする風力発電システム。
発電機の支柱となるタワーと、
前記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、
前記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および複数のブレードからなるロータと、を有する風力発電システムであって、
前記タワーは、洋上に浮かんだ浮体上に設置され、
前記浮体は、前記浮体および当該浮体上に設置される前記風力発電システム全体の重心よりも上部側かつ海面下において、複数の繋留体により海底に固定され、
前記複数の繋留体のうち、少なくとも１本の繋留体の張力が他の繋留体の張力と異なることを特徴とする風力発電システム。
前記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請求項１または請求項２に記載の風力発電システム。
前記ロータは、前記複数のブレードの先端部同士を結ぶロータ面に対し当該複数のブレードが風下側に傾斜して設けられていることを特徴とする請求項３に記載の風力発電システム。
前記ロータは、前記複数のブレードの先端部同士を結ぶロータ面が水平面に対しチルト角を有して上方に傾斜して設けられていることを特徴とする請求項３に記載の風力発電システム。
前記繋留体は、当該繋留体のねじれを開放する少なくとも１つ以上のねじれ防止連結体が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電システム。
前記繋留体は、海底に設置された固定体の回転締結体を介し海底に固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載に風力発電システム。
前記浮体は、略円筒形状のスパー型であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電システム。
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であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電システム。
前記浮体は、少なくともその横断面の一部が略矩形形状或いは略星型形状のいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電システム。
前記繋留体は、前記浮体に設けられ当該浮体の回転を許容する回転締結体を介して前記浮体に連結されていることを特徴とする請求項２に記載に風力発電システム。
前記回転締結体は、前記浮体に対する当該回転締結体の位置をモータ駆動により制御可能であることを特徴とする請求項１１に記載の風力発電システム。