JP2008063960A

JP2008063960A - 洋上浮体式風水車流体抽出発電設備

Info

Publication number: JP2008063960A
Application number: JP2006240059A
Authority: JP
Inventors: Masataka Murahara; 村原正隆; Kazuichi Seki; 和市関
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】洋上に浮かべた浮体上で垂直回転軸型風水車により発電を行うようにした風水力発電設備の建設費用を安価にすることを課題とする。
【解決手段】浮体上に垂直回転軸型風水車を1対以上設け、各対の風水車を互いに反対方向に回転させることにより、風水車の回転力による反力を相殺する。これにより、風水車の回転力に対する反力によって浮体に生じる回転力をなくして、浮体の係留機構を簡略にする。
【選択図】図４

Description

洋上に浮かべた浮体上下において、風水車により流体力を回転力に変換して発電機を駆動して発電を行う洋上浮体式風水車流体抽出発電設備に関する。

流体力を回転力に変換して発電機を駆動する風水力発電装設備は、強い流体力が得られる場所に設置するのが望ましい。この意味で、洋上は陸上よりも障害物が少なく、安定した強い流体を得やすい場所が多く、風水力発電設備の設置場所として適している。特許文献１には双胴船を用いた超大型浮体式洋上空港を作り、甲板上の風力発電設備により空港での消費電力を賄い、風力発電施設の船底には生鮮野菜類を冬季も収穫可能な温室を作り風力発電より得られたかつ余剰電力を用いることが開示されている。

これまでの洋上発電設備は、水深１５メートル以下の比較的浅瀬の海底に基礎体を埋設し、ここから洋上に支持塔を立ち上げ、その上に風車と発電機からなる発電設備を建設するのが一般的であったが、海底に基礎を埋設する関係で工事費が嵩むのみならず設置場所が比較的浅瀬海域に限られ、設置場所の選択幅が狭かった。これに対して浮体を洋上に浮かせ、この浮体上に風車と発電設備を設置すると、浮体を係留するための係留機構を必要とするが、基礎工事が着底式より簡便になるし工事費も軽減できる。非特許文献１には沖合１０ｋｍ以遠にフロート式洋上風力発電システムの技術的・経済的な実現性を検討するための調査研究が平成１７年１２月から平成１９年３月までの予定で東京電力株式会社技術開発研究所と国立大学法人東京大学大学院工学系研究科により行われている。

しかしこの浮体式発電設備においても、水平回転軸プロペラ型風水車を用いた場合、このプロペラ形風車は回転軸が水平であるため、水と重量の大きい発電機を一体にして支持塔の頂上に設置する必要があるので、浮体全体の重心位置が高くなって，浮体の安定性が低下する。浮体の安定性を上げるためには浮体の大きさを大きくすればよいが、浮体を大きくするに伴って建設費が高くなり、好ましくない。このような、プロペラ形水平回転軸風水車に比べると、本願発明者により特許文献２および３に開示されているように直線翼形風水車のような垂直回転軸風水車を使用した浮体式発電設備の場合は、風水車の回転駆動軸を下方へ伸ばして浮体上下に設置した発電機室に結合できるので、重心位置が下方へ下がり浮体全体の安定性が高くなる利点がある。そこで本願発明では複数の垂直回転軸風車を多段に重ねそれらの回転軸を同軸にして、浮体船の安定性を向上させている。陸上での適応例であるが、複数基の羽根車の回転軸を同軸にした風車について、特許文献４では、サボニウス型風車を５基同軸に積み重ね、その一端に発電機を連結し、地表より高さの異なる各高度の風力エネルギーを効果的に捕捉している。特許文献５では上部に低速型のクロスフロー型風車と下部に高速型のダリウス型風車とを重ね、一方の風車の回転中心軸を他方の風車の中空回転軸に挿入し、低風状態から高風力状態まで候高率な発電を可能にしている。このような提案は陸上では良いが、風水車を支持する浮体が風水車の回転力を受けるため、この浮体に風水車の回転方向と同じ水平方向の回転力が生じる。この回転力は、浮体を係留固定する係留機構によって吸収することが必要となるため、この回転力すなわち発電出力が大きくなるほど、係留を強く張り，重りを大きくして係留機構の強度を高くしなければならないので、この場合も建設費が浮体嵩むという不都合が生じる。

上述した参考文献を統括すると複数の垂直回転軸風車を多段に重ね、それらの回転軸を同軸にして、浮体船の安定性を向上させる必要がある。そこでこれらを解決するために本願発明では、複数基の羽根車風車を同軸上で互いに反対方向に回転することにより、風水車を支持する浮体が風水車の回転力を互いに打ち消すことにより、浮体を係留固定する係留機構を簡便にする工夫がなされている。

特開２００４−２５６０８４号公報特開２００３−２０６８４８号公報特開２００３−２０６８４９号公報特開２００２−１３０１１０号公報特開２００６−１３２５１４号公報海洋政策研究財団ニュースレター第１４０号２００６年６月５日発行

本発明は上述した問題に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、従来の洋上風水力発電設備の不都合を解消するために、風車と浮体船との安定性を向上させ、かつ浮体船の係留機構を簡便にし、しかも比較的設備場所の選択幅が広く、かつ建設費用が安価となる洋上風水力発電設備を提供することである。

したがって、本発明は、風車と浮体船との安定性を図り、かつ浮体船の係留機構を簡便にするために互いに逆回転している上下一組の垂直回転軸風水車の羽根車を歯車などの増速手段を用い回転発電機の回転素子を駆動して電気エネルギーを抽出する。

本発明は、洋上に浮かべた浮体上に風水車により発電機を駆動する。この浮体を係留機構により所定位置に固定するために、前記風水車を垂直回転軸を有する垂直回転形風水車とし、この垂直回転軸形風水車を前記浮体上に複数基設け、各対の風水車における一方の風水車と他方の風水車の回転方向を互いに反対方向に選定し、各風水車の回転軸により発電機を駆動する。

本発明において、前記各対の風水車における２つの風水車の羽根車を同一の垂直軸上に上下に並べて配置し、かつ各風水車の回転軸を同心状に配置することができる。また、この場合、各対の風水車に駆動される対となる発電機が風水車の回転軸の下端部付近に同一の垂直軸上に上下に並べて配置するのが良い。さらにまた、本発明において、風水車を直線翼形風水車とすることができる。直線翼形風水車を用いる場合、地表からの高度が高くなるに連れて風速が早くなるため、各対の風水車における一方の羽根車の直径を他方の羽根車の直径を互いに異ならせることが望ましい。

上記したように、本発明によれば、洋上に浮かべた浮体上に風車用羽根車を、浮体下に水車用羽根車を備し、これにより歯車型増速機を介して発電機を駆動する発電設備を設置し、この浮体を係留機構により所定位置に固定する場合、風水車を垂直回転軸を有する垂直回転軸形風水車とし、この垂直回転軸形風水車を前記浮体上に複数基設け、各対の風水車における一方の風水車と他方の風水車の回転方向を互いに反対方向に選定し、各風水車の回転軸により発電機を駆動するので、互いに逆方向に回転する回転力が浮体に作用する反力が打ち消し合って浮体を係留する係留機構の機械的強度を増強する必要は無くなる。このため浅瀬の海域だけでなく比較的水深の深い海域にも設置できるため、経済効果大である。

以下、本発明の効果的な実施の形態を図１〜図８に基づいて詳細に説明する。なお、各図において同一部分には同一符号を付している。

図１は、２基一組の風車を浮体船上に備した概略構成図である。この図において、１は洋上に浮かべた浮体であり、この上に内部に発電機を収容する一対の発電機室２、３水平方向に間隔をおいて設置され、発電機室２、３上にそれぞれ支持機構４、５を介して垂直回転軸６、７により直線翼８、９を結合した垂直回転軸形風水車１０、１１が設置されている。なお、浮体１を固定するために、海底に沈設した重り１２と浮体１との間に張架された係留機構１３が設けられる。浮体１は、係留機構１３によって洋上の所定の場所に係留固定されるので、浮体１の設置場所を移動するときは係留機構１３を外し、設置場所を固定するときは、移動先で再び係留機構１３を取り付けるようにすれば、浮体１を自由に移動することが出来るので、設置海域の選択幅が広くなる。浮体１上に設置した１対の風水車１０、１１の回転方向が互いに逆になるように選定する。これは、直線翼形風車の場合、その翼８、９の形を互いに反転することによって簡単に行うことができる。このように、浮体１上に設置された１対の垂直回転軸形風水車は、洋上で風力を受けて互いに反対方向に回転して、それぞれ発電機室２、３内に設置された歯車による増速機を回転駆動して発電を行う。本発明で最も重要なことは、浮体１上に設置した１対の風車は、互いに反対方向に回転するように構成されているため、各風車の回転力による風車を支持する浮体１に作用する力が互いに相殺されて、浮体１には風車の回転力による力が作用しなくなる。このため、係留機構１３への風車の回転力に伴う力がかからなくなるのでその分係留機構を簡略にして機械的強度を低下されることが可能となる。

図２は、風車（羽根車）直径が異なる２基一組の風車を浮体船上に備した概略構成図である。この図においては、羽根車直径が異なる１対の垂直回転軸形風水車１０、１１が同軸上に2段に重ねて配置される。上段の風車１１の回転軸１６は、下段の風車１０の中空の回転軸１５の中を貫通し、両回転軸１５、１６と共に浮体１上の発電機室１４上まで延びて、発電機室２０内に設置された歯車による増速機を回転駆動して発電を行う。本発明で最も重要なことは、風車を直線翼形風車１０、１１で構成し、前記のように上下に風車１０、１１を重ねる場合は、強風時に風車の回転軸および直線翼形羽根８、９が変形しても、互いに接触して干渉することがないようにするため、上段の風車１１の直径を下段の風車１０の直径よりも小さくするのが良い。また、その反対であってもよいが、一般に風は上に行くほど風流速が高く、上部の風車の方が受ける風のエネルギー密度が高いので、上下の風車の回転力を等しくするためには、上部の風車１１の直径を小さくする方が好ましい。さらに対となる上段の風車１１と下段の風車１０の回転方向を互いに反対方向としている。これにより、浮体１に作用する風車１０、１１の回転力が互いに相殺され、風車の回転力が浮体１に作用しなくなる。したがって、係留機構１３の構成を簡略にして機械的強度を下げることができる。

図３は、２基一組の風車と２基一組の水車を浮体船上下に備した概略構成図である。この図において、１は洋上に浮かべた浮体であり、この上に内部に発電機を収容する一対の発電機室２、３水平方向に間隔をおいて設置され、発電機室２、３上にそれぞれ支持機構４、５を介して垂直回転軸６、７により直線翼形羽根車８、９を結合した垂直回転軸形風車１０、１１が設置されている。この１対の風車１０、１１の回転方向が互いに逆になるように選定する。これは、直線翼形風車の場合、その翼８、９の形を互いに反転することによって簡単に行うことができる。このように、浮体１上に設置された１対の垂直回転軸形風水車は、洋上で風力を受けて互いに反対方向に回転して、それぞれ発電機室２、３内に設置された歯車による増速機を回転駆動して発電を行う。他方、水面下に設置された２基一組の水車２３，２４においても風車同様に、浮体１の船底に発電機を収容する一対の発電機室１７、１８が水平方向に間隔をおいて設置され、発電機室１７、１８下にそれぞれ支持機構１９、２０を介して垂直回転軸２１、２２により直線翼形羽根車８、９を結合した垂直回転軸形水車２３、２４が設置されている。そしてこの１対の水車２３、２４の回転方向が互いに逆になるように選定する。これは、直線翼形風車の場合、その翼８、９の取り付け方法および翼の前縁と後縁の形を互いに反転することによって簡単に行うことができる。このように、浮体１下に設置された１対の垂直回転軸形水車は、洋上で海流の流れを受けて互いに反対方向に回転して、それぞれ発電機室１７、１８内に設置された歯車による増速機を回転駆動して発電を行う。本発明で最も重要なことは、浮体１上に設置した１対の風車および１対の水車は、夫々互いに反対方向に回転するように構成されているため、各風水車の回転力による風水車を支持する浮体１に作用する力が互いに相殺されて、浮体１には風水車の回転力による力が作用しなくなる。このため、係留機構１３への風水車の回転力に伴う力がかからなくなるのでその分係留機構を簡略にして機械的強度を低下されることが可能となる。なお、浮体１を固定するために、海底に沈設した重り１２と浮体１との間に張架された係留機構１３が設けられる。浮体１は、係留機構１３によって洋上の所定の場所に係留固定されるので、浮体１の設置場所を移動するときは係留機構１４を外し、設置場所を固定するときは、移動先で再び係留機構１３を取り付けるようにすれば、浮体１を自由に移動することが出来るので、設置海域の選択幅が広くなる。

図４は、風車（羽根車）直径が異なる２基一組の風車と２基一組の水車を２組浮体船上下に備した概略構成図である。この図においては、羽根車直径が異なる１対の垂直回転軸形風水車１０、１１が同軸上に2段に重ねて配置される。上段の風車１１の回転軸１６は、下段の風車１０の中空の回転軸１５の中を貫通し、両回転軸１５、１６と共に浮体１上の発電機室１４上まで延びて、発電機室２０内に設置された歯車による増速機を回転駆動して発電を行う。他方、水面下に設置された２基２組の水車２３，２４においても風車同様に、浮体１の船底に発電機を収容する一対の発電機室が水平方向に間隔をおいて設置され、発電機室１７、１８下にそれぞれ垂直回転軸２５、２６により直線翼形羽根車８、９を結合した垂直回転軸形水車２３、２４が設置されている。そしてこの１対の水車２３と２４の回転方向が互いに逆になるように選定する。これは、直線翼形風車の場合、その翼８、９の形を互いに反転することによって簡単に行うことができる。このように、浮体１下に設置された２対の垂直回転軸形水車は、洋上で海流の流れを受けて夫々互いに反対方向に回転して、それぞれ発電機室１４内に設置された歯車による増速機を回転駆動して発電を行う。本発明で最も重要なことは、浮体１上に設置した１対の風車および２対の水車は、夫々互いに反対方向に回転するように構成されているため、各風水車の回転力による風水車を支持する浮体１に作用する力が互いに相殺されて、浮体１には風水車の回転力による力が作用しなくなる。このため、係留機構１３への風水車の回転力に伴う力がかからなくなるのでその分係留機構を簡略にして機械的強度を低下されることが可能となる。なお、浮体１を固定するために、海底に沈設した重り１２と浮体１との間に張架された係留機構１３が設けられる。浮体１は、係留機構１３によって洋上の所定の場所に係留固定されるので、浮体１の設置場所を移動するときは係留機構１４を外し、設置場所を固定するときは、移動先で再び係留機構１３を取り付けるようにすれば、浮体１を自由に移動することが出来るので、設置海域の選択幅が広くなる。

図５は、風車用発電機室１４（図２）内の発電機の具体的な配置の一つを示す縦断面図である。この図において、２９、３０は発電機室１４内に収容された発電機であり、風車１０、１１の回転軸１５、１６の外側に増速歯車３２、３３を介して駆動される。なお、３１は、回転軸１５、１６はフレーム３１で支持され、浮体1上に固定されている。発電機２９は、発電機室１４内にまで引き込まれた風車１０の回転軸１５に歯車伝導機構３２を介して機械的に結合され、風水車１０によって駆動される。また発電機３０は、同様に発電機室１４内へ引き込まれた風水車１１の回転軸１６（内側）に歯車伝導機構３３を介して機械的に結合され、風車１１によって駆動される。このように1対の発電機を水平に、かつ間隔をおいて並置すると、発電機を個々に点検するとき他方の発電機を停止せずに点検できるため風車および発電機の稼働率を高くできる利点がある。

図６は、２基一組の風車を増速機構無しに直接発電機を駆動するための配置を示す縦断面図である。この図において、1対の発電機室３３、３４が浮体１上に2段に積み重ねて設けられている。発電機室３４、３５内に風水車１０、１１の回転軸１５，１６がそれぞれ引き込まれて回転可能に支持されている。下段の発電機室３４内まで延ばされた内側の風車１１の回転軸１６に直接発電機４１の回転子３６が結合されこの回転軸１６と共に回転する。この回転子３６の外周に発電機４１の固定子３７が設けられている。また、上段の発電機室３５内まで延ばされた風車１０の回転軸１５が発電機３８の回転子３９に直接結合され、回転軸１５と共に回転する。そして、回転子３９の外周に発電機３８の固定子４０が設けられる。各発電機は、それぞれ回転軸を介して結合された風車により駆動され、発電を行う。このように1対の発電機を多段に重ねて配置すると、発電機室の設置占有面積が縮小するので浮体１の面積を縮小して小形にできる利点がある。

図７は、水車用発電機室２７、２８（図４）内の発電機の具体的な配置の一つを示す縦断面図である。この図において、２９、３０は発電機室２７、２８内に収容された発電機であり、水車２３、２４の回転軸２５、２６の外側に増速歯車３２、３３を介して駆動される。なお、４２は、回転軸２５、２６はフレーム４２で支持され、浮体1に固定されている。発電機２９は、発電機室２７、２８内にまで引き込まれた水車２３の回転軸２６に歯車伝導機構３２を介して機械的に結合され、水車２３によって駆動される。また発電機３０は、同様に発電機室２７、２８内へ引き込まれた水車２４の回転軸２５（内側）に歯車伝導機構３３を介して機械的に結合され、水車２４によって駆動される。このように1対の発電機を水平に、かつ間隔をおいて並置すると、発電機を個々に点検するとき他方の発電機を停止せずに点検できるため風車および発電機の稼働率を高くできる利点がある。

図８は、２基一組の風車を増速機構無しに直接発電機を駆動するための配置を示す縦断面図である。この図において、1対の発電機室３５、３８が浮体１に2段に積み重ねて設けられている。発電機室４３、４４内に水車２３、２４の回転軸２５、２６がそれぞれ引き込まれ発電機の回転子３６，３９に支持されている。下段の発電機室４４内まで延ばされた外側の水車２３の回転軸２６に直接発電機３５の回転子３６が結合されこの回転軸２６と共に回転する。この回転子３６の外周に発電機３５の固定子３７が設けられている。また、上段の発電機室４３内まで延ばされた水車２４の回転軸２５が発電機３８の回転子３９に直接結合され、回転軸２５と共に回転する。そして、回転子３９の外周に発電機３８の固定子４０が設けられる。各発電機は、それぞれ回転軸を介して結合された風車により駆動され、発電を行う。このように1対の発電機を多段に重ねて配置すると、発電機室の設置占有面積が縮小するので浮体１の面積を縮小して小形にできる利点がある。

本発明によれば、洋上に浮かべた浮体上で垂直回転軸形風車や水車を複数基設け、各対の風水車における一方の風水車と他方の風水車の回転方向を互いに反対方向に選定し、各風水車の回転軸により発電機を駆動するので、互いに逆方向に回転する回転力が浮体に作用する反力が打ち消し合って浮体を係留する係留機構の機械的強度を増強する必要は無くなる。このため浅瀬の海域だけでなく比較的水深の深い海域にも設置できるため、経済効果大である。さらにこの風水車による電気エネルギーを用い、海洋資源採取現場の船上で海水の電気分解により苛性ソーダーやナトリウム、マグネシウムなどの水素発生金属、あるいは真水などを製造し、それら生産物を寄港先で陸揚げすることにより、生産・貯蔵・輸送時におけるエネルギーロスを無くし、システム全体の効率を向上させることができる。このことは資源の世界的枯渇と資源高をもたらし、これに伴う資源供給国の台頭が国際社会に影響力を拡大させている現況を沈静化するに留まらず、無尽蔵にあるクリーンな海洋資源を化石燃料を使わず経済的に製造する事は、４面を海に囲まれる我が国の産業に取って重要な手段である。

２基一組の風車を浮体船上に備した概略構成図風車（羽根車）直径が異なる２基一組の風車を浮体船上に備した概略構成図２基一組の風車と２基一組の水車を浮体船上下に備した概略構成図風車（羽根車）直径が異なる２基一組の風車と２基一組の水車を２組浮体船上下に備した概略構成図風車用発電機室（図２）内の発電機の具体的な配置の一つを示す縦断面図２基一組の風車を増速機構無しに直接発電機を駆動するための配置を示す縦断面図水車用発電機室（図４）内の発電機の具体的な配置の一つを示す縦断面図２基一組の風車を増速機構無しに直接発電機を駆動するための配置を示す縦断面図

符号の説明

１浮体
２発電機室
３発電機室
４支持機構
５支持機構
６風車回転軸
７風車回転軸
８直線翼（ブレード）
９直線翼（ブレード）
１０垂直軸型羽根車
１１垂直軸型羽根車
１２碇（アンカー）
１３係留機構
１４発電機室
１５外側回転軸
１６内側回転軸
１７発電機室
１８発電機室
１９支持機構
２０支持機構
２１水車回転軸
２２水車回転軸
２３水車（垂直軸水車）
２４水車（垂直軸水車）
２５内側回転軸
２６外側回転軸
２７発電機室
２８発電機室
２９発電機
３０発電機
３１回転軸支持用フレーム
３２増速用歯車
３３増速用歯車
３４発電機室
３５発電機室
３６回転子（ローター）
３７固定子（ステーター）
３８発電機
３９回転子（ローター）
４０固定子（ステーター）
４１発電機
４２回転軸支持用フレーム
４３発電機室
４４発電機室

Claims

洋上を航行または係留中の浮体船上あるいは海面下または船上と海面下に設置した２台を１組とした垂直回転軸型風水車を夫々隣接または回転軸を同心状にして多段重ねし、かつ一方の風水車と他方の風水車の回転方向を互いに逆に設定し、各風水車の夫々の回転軸により発電機を駆動することを特徴とする洋上浮体式風水力流体抽出発電施設。
請求項１に記載の回転軸を同心状にして多段重ねした２基の風水車に駆動される２台の発電機を風水車の回転軸の上下に並べて配置することを特徴とする請求項１記載の洋上浮体式風水力流体抽出発電施設。
請求項１に記載の風水車は羽根の平面形が直線翼形で、直線翼を支持する上下のアームも翼断面形であることを特徴とする請求項１記載の洋上浮体式風水力流体抽出発電施設。
請求項４に記載の直線翼形風水車において一方の羽根車の直径を他方の羽根車の直径と異ならせるか同一であることを特徴とする請求項１記載の洋上浮体式風水力流体抽出発電施設。