特開 2024-83160 風力発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024083160

(43)【公開日】2024-06-20

(54)【発明の名称】風力発電装置

(51)【国際特許分類】

   F03D 13/25 20160101AFI20240613BHJP

   B63B 35/00 20200101ALI20240613BHJP

【ＦＩ】

F03D13/25

B63B35/00 T

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022197525

(22)【出願日】2022-12-09

(71)【出願人】

【識別番号】000005278

【氏名又は名称】株式会社ブリヂストン

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】竹田 亮介

【テーマコード（参考）】

3H178

【Ｆターム（参考）】

3H178AA03

3H178AA26

3H178AA43

3H178BB77

3H178CC22

3H178DD61X

(57)【要約】

【課題】姿勢を水平に保つことを可能とする風力発電装置を得る。
【解決手段】風力発電装置は、風を受けて回転するローターを備えた風車と、ローターの回転力を受けて発電する発電機と、風車を支持する主浮体と、主浮体を取り囲むように主浮体から離間した位置に配置され、少なくとも一部、または全体が水面よりも上側に位置する複数の副浮体と、主浮体と副浮体とを連結する連結部材と、有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

風を受けて回転するローターを備えた風車と、
前記ローターの回転力を受けて発電する発電機と、
前記風車を支持する主浮体と、
前記主浮体を取り囲むように前記主浮体から離間した位置に配置され、少なくとも一部、または全体が水面よりも上側に位置する複数の副浮体と、
前記主浮体と前記副浮体とを連結する連結部材と、
を有する風力発電装置。

【請求項2】

４個以上の前記副浮体が、周方向に等間隔に配置されている、
請求項１に記載の風力発電装置。

【請求項3】

周方向に隣り合う一方の前記副浮体と他方の前記副浮体とが、周方向連結部材で連結されている、
請求項２に記載の風力発電装置。

【請求項4】

前記副浮体は、金属よりも比重の軽い弾性材料からなる中空構造体である、
請求項１に記載の風力発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、風力発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

風力発電装置として、例えば、特許文献１に記載の風力発電装置がある。

【0003】

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－１７２２１１号公報号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の風力発電装置は、いわゆる浮体式洋上風力発電装置である。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実用化が進んでいる。

【0006】

ところで、浮体式洋上風力発電装置では、波や風の影響を受けて風車が揺動し、風車が一定以上傾斜すると稼働が停止し、発電効率が低下するという課題がある。

【0007】

また、揺動時に浮体と海底とを繋ぎとめるチェーン等の係留ラインに衝撃的な張力が負荷する場合があり、係留ラインが損傷することや、風車の浸水領域が大きくなり、腐食域が大きくなるなどのメンテナンス面の課題もある。

【0008】

本開示は上記事実を考慮し、傾斜を抑制することを可能とする風力発電装置の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

第１の態様に係る風力発電装置は、風を受けて回転するローターを備えた風車と、前記ローターの回転力を受けて発電する発電機と、前記風車を支持する主浮体と、前記主浮体を取り囲むように前記主浮体から離間した位置に配置され、少なくとも一部、または全体が水面よりも上側に位置する複数の副浮体と、前記主浮体と前記副浮体とを連結する連結部材と、を有する。

【0010】

第１の態様に係る風力発電装置は、ローターが風を受けて回転すると、ローターの回転力を受けて発電機が発電を行う。

【0011】

第１の態様に係る風力発電装置では、主浮体に風車が支持されており、主浮体の浮力によって水面よりも上側に風車を位置させることができる。

【0012】

比較的大きな波や風を受けると、風車が波の進行方向下流側、または風の流れの下流側へ傾斜しようとするが、風車が傾斜すると、風車の傾斜する側の副浮体が水に沈むため、該副浮体に浮力が生じる。

【0013】

該浮力は、連結部材を介して風車を支持する主浮体に伝達され、傾斜を発現させる力に対する復元力として働き、副浮体が設けられていない場合に比較して風車の傾斜が抑制される。これにより、風車の傾斜を抑制することが可能となる。

【0014】

第２の態様に係る風力発電装置は、第１の態様に係る風力発電装置において、４個以上の前記副浮体が、周方向に等間隔に配置されている。

【0015】

第２の態様に係る風力発電装置では、４個以上の副浮体が、周方向に等間隔に配置されているため、副浮体が３個以下の場合に比較して、様々な方向からの波や風に対して風車の傾斜を抑制することができる。

【0016】

第３の態様に係る風力発電装置は、第１の態様、または第２の態様に係る風力発電装置において、周方向に隣り合う一方の前記副浮体と他方の前記副浮体とが、周方向連結部材で連結されている。

【0017】

第３の態様に係る風力発電装置は、周方向に隣り合う一方の副浮体と他方の副浮体とが、周方向連結部材で連結されているため、副浮体を主浮体に対して連結部材のみで連結する場合に比較して、連結部材の変形を抑制し、耐久性を高めることができる。

【0018】

第４の態様に係る風力発電装置は、第１の態様～第３の態様に係る風力発電装置において、前記副浮体は、金属よりも比重の軽い弾性材料からなる中空構造体である。

【0019】

副浮体を、金属よりも比重の軽い弾性材料からなる中空構造体とすることで、該副浮体を、金属製の副浮体に比較して軽量化することができる。

【発明の効果】

【0020】

以上説明したように本開示の風力発電装置によれば、姿勢を水平に保つことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本開示の第１の実施形態に係る風力発電装置を示す正面図である。

【図2】本開示の第１の実施形態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。

【図3】本開示の第１の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。

【図4】本開示の第１の実施形態に係る風力発電装置の傾斜した状態を示す正面図である。

【図5】本開示の第２の実施形態に係る風力発電装置のタワー基部周辺を示す断面図である。

【図6】本開示の第２の実施形態に係る風力発電装置の滑り支承周辺を示す一部を断面にした斜視図である。

【図7】本開示の第２の実施形態に係る風力発電装置に用いた滑り支承を示す断面図である。

【図8】振動吸収体の水平変位と水平荷重曲線を示した説明図である。

【図9】本開示の第３の実施形態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。

【発明を実施するための形態】

【0022】

［第１の実施形態］
図１乃至図４を用いて、本開示の第１の実施形態に係る風力発電装置１０について説明する。

【0023】

図１に示すように、風力発電装置１０は、一例として、中空構造で、円柱形状とされた鋼製の主浮体２２を備えている。

【0024】

図1、及び図２に示すように、主浮体２２の中心部には、タワー１４が立設されている。主浮体２２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。

【0025】

図１に示すように、主浮体２２は、上側の一部が水面ＷＦよりも上側となるように浮力が決められている。即ち、タワー１４は、水面ＷＦよりも上側に位置しており、波が比較的小さい場合は、水がタワー１４に当たらないようになっている。

【0026】

図３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、鋼板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。

【0027】

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。本実施形態では、ハブ１８Ａ、及びブレード１８Ｂでローター１８が構成されており、タワー１４、ナセル１６、ローター１８で風車１１が構成されている。

【0028】

図１に示すように、本実施形態の風車１１は、一例として、プロペラ型と呼ばれる水平軸風車である。

【0029】

図２に示すように、主浮体２２には、連結部材２４が取り付けられている。主浮体２２と連結部材２４とは、一例としてボルト、溶接等で固定されている。

【0030】

連結部材２４は、主浮体２２から放射方向（径方向外側）へ向けて延びる複数本（本実施形態では４本）が設けられており、各連結部材２４の端部には、副浮体２６が固定されている。

【0031】

また、周方向に隣り合う一方の副浮体２６と他方の副浮体２６とは、円弧状の周方向連結部材２８で連結されている。

【0032】

４本の連結部材２４は周方向に９０°の間隔で配置されている。言い換えれば、４本の連結部材２４は周方向に等間隔で配置されている。各連結部材２４の長さＬは、全て同一である。なお、連結部材２４は周方向に等間隔で配置されていなくてもよく、各連結部材２４の長さＬは、全て同一でなくてもよい。ローター１８がタワー１４の軸線に対して水平方向に変位してタワー上に設けられている場合、風車の重心が水平方向にずれる為、浮力の補助機構（連結部材２４、副浮体２６、周方向連結部材２８など）もバランスをとるために非線対称になるパターンも考えられる為である。風車１１の姿勢を鉛直にするには、風車１１が傾かないように、一部の連結部材２４の長さ変えたり、副浮体２６の間隔を一部分で変える等して上記補助機構を非線対称の配置とし、風力発電装置１０全体のバランスを取ることが好ましい。

【0033】

本実施形態の副浮体２６は、一例として中空構造とされた鋼製の球体である。なお、副浮体２６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。

【0034】

連結部材２４、及び周方向連結部材２８は、一例として、鋼材等で形成することができ、一例として、副浮体２６は連結部材２４、及び周方向連結部材２８にボルト、溶接等で固定されている。

【0035】

なお、副浮体２６を構成する材料は鋼に限らず、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）であってもよい。例えば、副浮体２６は、ゴムなどの弾性材料からなる内部に空気が充填された中空構造体であってもよい。副浮体２６を、金属よりも比重の軽い弾性材料からなる中空構造体とすることで、該副浮体２６を、金属製の副浮体に比較して軽量化することができる。副浮体２６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。

【0036】

図１に示すように、各副浮体２６は、水面ＷＦ（図１において、波が立っていない平坦な水面）よりも上側に位置しており、かつ水面ＷＦと平行な同一平面上に配置されている。また、図１に示す例では、各副浮体２６は、浮力が発生しないように水面ＷＦの上側に位置している。

【0037】

図１に示すように、本実施形態の風力発電装置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。

【0038】

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。

【0039】

（作用、効果）
本実施形態の風力発電装置１０では、比較的大きな波や風を受けると、図４に示すように、風力発電装置１０の風車１１が、波ＷＡの進行方向下流側（矢印Ａ方向側）、または風（図示せず）の流れの下流側（一例として、図４における左側）へ傾斜しようとするが、風車１１が傾斜すると、風車１１の傾斜する側の副浮体２６（図４では、左側の副浮体２６）が水に沈むため、該副浮体２６に浮力Ｆが生じる。

【0040】

該浮力Ｆは、連結部材２４を介して風車１１を搭載する主浮体２２に伝達され、傾斜を発現させる力に対する復元力として働き、副浮体２６が設けられていない場合に比較して風車１１の傾斜が抑制される。言い換えれば、風力発電装置１０を水平に保つことが可能となり、風車１１が過剰に傾斜して、風力発電装置１０の稼働が停止することが抑制される。
さらに、風車１１が急に動いて傾斜しようとしたとき、傾斜側の副浮体２６が水に沈み込もうとするが、その際に、副浮体２６は水から大きな抵抗を受け、急な沈み込み、即ち、風車１１の急な動きを抑制することができる。

【0041】

また、風車１１の傾斜が抑制される、言い換えれば、風力発電装置１０が水平に保たれることで、係留ライン３４に衝撃的な張力が負荷することが抑制され、係留ライン３４が損傷することを抑制できる。

【0042】

また、風車１１が過剰に傾斜することが抑制されるため、浸水領域（水に潜って水に触れる領域）が大きくなることが抑制され、腐食域（例えば、タワー１４の表面）が大きくなることが抑制される。

【0043】

本実施形態の風力発電装置１０においては、４個の副浮体２６が、周方向に等間隔に配置されているため、副浮体２６が３個以下の場合に比較して、様々な方向からの波や風に対して風車１１の傾斜を抑制することができる。

【0044】

本実施形態の風力発電装置１０においては、周方向に隣り合う一方の副浮体２６と他方の副浮体２６とが、周方向連結部材２８で連結されているため、副浮体２６を主浮体２２に対して連結部材２４のみで連結する場合に比較して、連結部材２４の変形を抑制し、耐久性を向上することができる。

【0045】

なお、副浮体２６は、一例として、０．１３ｍ^２以上の体積を有するものが好ましい。
副浮体２６の体積が小さすぎると、副浮体２６の１個当たりの浮力が小さいため、副浮体２６の数を多く必要とする。

【0046】

連結部材２４の長さＬ（主浮体２２から副浮体２６までの長さ）は、一例として、０．１ｍ以上、２０ｍ以下とすることが好ましい。

【0047】

連結部材２４の長さＬが短すぎると、復元力（副浮体２６の浮力×長さＬで決まる）が不十分となる。一方、連結部材２４の長さＬが長すぎると、連結部材２４の重量が大きくなるため、連結部材２４の重量を支持する主浮体２２の浮力を大きくする必要が生じ、主浮体２２のサイズが大型化する。また、連結部材２４の長さＬが長すぎると、連結部材２４、及び連結部材２４と主浮体２２との接合部分に大きな応力が生じる。

【0048】

図１に示すように、本実施形態では、副浮体２６が平坦な水面ＷＦの上側に位置しているが、副浮体２６は、図１に示すように、下端が平坦な水面ＷＦに接していてもよく、図示は省略するが、下端が水面ＷＦから若干離間していてもよい。

【0049】

例えば、全ての副浮体２６を水没させるように設けた場合、波、風によってタワー１４が傾斜した際の復元力（詳しくは、風車１１が傾斜した側の副浮体２６を反対側の副浮体２６対比で水に沈み込ませることで生じる復元力）は、本実施形態対比で生じ難くなる。

【0050】

このため、副浮体２６の下端が平坦な水面ＷＦに接するように副浮体２６を設けた場合（副浮体２６の下部の一部が水没している場合など）、タワー１４が傾斜した際に十分な復元力を得るには、該副浮体２６に生じる浮力を、副浮体２６全体を完全に水没させた際の浮力の１０％未満となるように副浮体２６の高さ位置を決めることが好ましい。
言い換えれば、副浮体２６は、体積の９０％以上が、水面ＷＦよりも上側となるように設けることが好ましい。

【0051】

副浮体２６は、下端が平坦な水面ＷＦから若干離間していてもよいが、その場合、風車１１が鉛直方向に対して一定角度（例えば、１０°）以上傾斜した際に、傾斜側の副浮体２６の少なくとも一部が水に沈み込んで浮力が生ずるように、各副浮体２６を設けることが好ましい。

【0052】

［第２の実施形態］
図５～図８を用いて、本開示の第２の実施形態に係る風力発電装置１０について説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

【0053】

図５に示すように、本実施形態の風力発電装置１０では、タワー１４が、主浮体２２の上に滑り支承１１０を介して支持されている。

【0054】

本実施形態のタワー１４は、底部がタワーベース板１２０に固定されている。図５～図７に示すように、滑り支承１１０は、タワーベース板１２０に取り付けられる支承部１３０と、主浮体２２に取り付けられ支承部１３０に当接し支承部１３０を支持する滑り板１４０と、を備えている。

【0055】

滑り支承１１０は、タワーベース板１２０と主浮体２２との間に設置される免震装置として用いることができる。滑り支承１１０を備えた免震装置は、風により、タワー１４に横からの曲げ力が作用した際に、支承部１３０と滑り板１４０上とを相対的に滑らせることができる。また、タワーベース板１２０に固定されたタワー１４は、滑り支承１１０によって免震性能を与えられる。

【0056】

図６、及び図７に示すように、タワーベース板１２０には、底面１２２にボルト孔１２５が形成され、後述するように支承部１３０のフランジ１３１がボルト接合される。

【0057】

（支承部）
支承部１３０は、タワー１４を支え続ける部材である。支承部１３０は、ローター１８、ナセル１６、タワー１４、タワーベース板１２０等の荷重を主浮体２２に伝える部材である。支承部１３０は、タワーベース板１２０の底面１２２に取り付けられるフランジ１３１と、フランジ１３１の下部に形成され、振動を吸収する振動吸収体１３２と、振動吸収体１３２の下部に形成され滑り板１４０の滑り面１４１と当接する滑り材１３３とを含んで構成されている。

【0058】

フランジ１３１にはボルト挿通孔１３５が形成され、フランジ１３１とタワーベース板１２０とがボルト１３８で接合されている。フランジ１３１と、振動吸収体１３２及び滑り材１３３とは相互に鉛直方向に接合されている。振動吸収体１３２は、ゴム１３２ａと鋼板１３２ｂとを順に積層した積層ゴムで形成されている。

【0059】

（滑り板）
滑り板１４０は、物が表面を滑る板材であり、表面には支承部１３０の滑り材１３３が当接する滑り面１４１が形成されている。滑り面１４１の表面にはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等が焼結コーティングされている。また滑り板１４０は支承部１３０と接合されておらず、水平方向の力が作用した場合、支承部１３０の滑り材１３３は滑り面１４１を滑り可能となる。

【0060】

図６に示すように、滑り板１４０は、四角形に形成されている。図６、及び図７に示すように、滑り板１４０の四隅にはボルト挿通孔１４５が形成され、主浮体２２にはボルト孔１５５が形成されている。滑り板１４０は、主浮体２２にボルト１５８で固定されている。

【0061】

図５、及び図６に示すように、風力発電装置１０は、ダンパー１６０と、変位規制部材１６２とを備えている。

【0062】

主浮体２２の上面には、滑り板１４０の各辺と対向した位置にダンパー１６０が設置されている。ダンパー１６０は、タワーベース板１２０の水平方向の揺れを抑制する減衰力を発生する。言い換えれば、ダンパー１６０は、減衰力を発生する。ダンパー１６０としては、オイルダンパー、空気ダンパー、減衰率の大きなゴム等の粘弾性体を用いることができ、特に形式は問わない。

【0063】

主浮体２２とタワーベース板１２０とは、主浮体２２とタワーベース板１２０との相対変位を規制する変位規制部材１６２で連結されている。変位規制部材１６２は、一例としてゴムで被覆した金属製のチェーンを挙げることができ、タワーベース板１２０の必要以上の変位を規制するストッパの役目を有している。なお、変位規制部材１６２の形式は特に問わず、一例として、主浮体２２に固定され、タワーベース板１２０の端部から水平方向に離間した位置に設けたブロック状のものであってもよい。

【0064】

図５に示すように、タワーベース板１２０の外周部分と主浮体２２の上面とは、可撓性を有する材料からなる防水カバー１６４で接続されており、滑り支承１１０、ダンパー１６０、及び変位規制部材１６２等に水がかからないようにしている。

【0065】

（作用）
風力発電装置１０は、構造上、ローター１８が風を受けると、タワー１４の基部で曲げが発生し、かつ風の影響から繰り返し荷重を受けることになる。繰り返し荷重は、疲労破壊の原因となる。

【0066】

タワー１４の基部の疲労破壊を解決する手段として、タワー構造の剛性を上げることが考えられるが、部材厚の増加や重量増加により、コストアップとなってしまう。また、疲労破壊発生後の部材交換には大規模な重機等が必要となり、初期設置時相当の非常に高額なメインテナンスコストが発生してしまう。さらに、部分的な補修は新たな強度的弱点部が発生するだけであり、同様な不具合が継続して発生するため、本質的な対策とはなり得ない。

【0067】

本実施形態の風力発電装置１０では、ローター１８が風を受け、タワー１４の上部に水平方向の外力が入力されると、タワー１４を搭載したタワーベース板１２０と主浮体２２との間に水平変位が生じて、タワー１４の基部に曲げ応力が生じ難くなる。タワー１４の基部に曲げ応力が生じ難くなることで、タワー１４の耐久性を向上させることができる。
また、タワー１４の耐久性が向上することで、ローター１８を大型化し、発電量を増大させることも可能となる。

【0068】

なお、変位が小さな場合は振動吸収体１３２がせん断変形することにより変位エネルギーを吸収し、変位が大きくなると、支承部１３０の滑り材１３３と滑り板１４０の滑り面４１との間の摩擦限界を超え、支承部１３０が滑り板１４０の上を滑る。

【0069】

図８は、支承部１３０の振動吸収体（積層ゴム部）１３２の水平変位と水平荷重曲線を示しており、滑りだす前の低荷重領域では、支承部１３０の積層ゴム部が弾性変形をし、常にタワー１４が移動している状態を回避可能となる。支承部１３０の積層ゴム部の弾性率は、ゴム材質、製品形状で調整することが可能である。
ちなみに、積層ゴム部の弾性率＝せん断弾性係数×ゴム部有効面積／ゴム層厚である。

【0070】

なお、ダンパー１６０は、タワーベース板１２０の水平方向の揺れを抑制し、変位規制部材１６２は、タワーベース板１２０の必要以上の変位を規制する。

【0071】

本実施形態では、単一の滑り支承１１０でタワー１４を支持したが、タワー１４は、複数の滑り支承１１０で支持してもよい。

【0072】

［第３の実施形態］
図９を用いて、本開示の第３の実施形態に係る風力発電装置１０について説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
第１の実施形態の風力発電装置１０では、４個の副浮体２６を同一円周状に配置したが、本開示はこれに限らず、例えば、図９に示すように、周方向に配置した４個の副浮体２６の外周側に、さらに複数の副浮体２６を周方向に配置した構成としてもよい。これにより、第１の実施形態よりも大きな復元力を得ることができる。

【0073】

［その他の実施形態］
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、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。

【0074】

第１の実施形態では、４本の連結部材２４が主浮体２２に取り付けられていたが、連結部材２４は、５本以上であってもよい。

【0075】

また、上記実施形態では、複数の副浮体６が周方向に等間隔に設けられていたが、周方向に不等間隔に設けられていてもよい。

【0076】

第１の実施形態では、各連結部材２４の長さＬが全て同一であったが、各連結部材２４の長さＬは適宜変更可能であり、各連結部材２４の長さＬは全ての連結部材２４において同一でなくてもよい。

【0077】

第２の実施形態では、滑り支承１１０でタワー１４を支持したが、タワー１４は、免震装置で支持してもよい。

【0078】

上記実施形態の風車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の形式は上記実施形態のものに限らず、垂直軸風車等、他の形式のものであってもよい。

【符号の説明】

【0079】

１０：風力発電装置、１１：風車、１４：タワー（風車）、１８：ローター（風車）、２０：発電機、２２：主浮体、２４：連結部材、２６：副浮体、２８：周方向連結部材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】