JP2014218958A - Floating structure for ocean wind power generation - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、浮体式洋上風力発電に用いられる浮体構造物に関し、特に風力発電の発電効率を向上させるようにした浮体構造物に関するものである。 The present invention relates to a floating structure used for floating offshore wind power generation, and more particularly to a floating structure designed to improve the power generation efficiency of wind power generation.
従来、浮体式洋上風力発電用の浮体構造物として、図3に示すようなセミサブ式、TLP(緊張係留)式、スパー式などのタイプが知られている。様々な機器で構成される風力発電機にとって振動・動揺は故障の原因となるため、浮体式洋上風力発電においては、風力発電機の基礎として使用される浮体構造物の振動・動揺を如何に抑えるかが従来より重要な課題となっている。 Conventionally, as a floating structure for floating offshore wind power generation, types such as a semi-sub type, a TLP (tension mooring) type, and a spar type as shown in FIG. 3 are known. Since vibration and shaking are a cause of failure for wind generators composed of various devices, in floating offshore wind power generation, how to suppress vibration and shaking of floating structures used as the foundation of wind power generators Is a more important issue than before.
セミサブ式やTLP式は水線面積の小さい半没水型浮体を使用し、波浪による動揺(上下揺れ・横揺れ・回転)を軽減するタイプであり、特にTLP式は浮体を強制的に水中に引き込むことで大きな浮力・係留力を作用させ、波浪により荷重の変動が生じても常に浮力・係留力が作用するため、セミサブ式では対応できない上下揺れを軽減できる方式として知られている。 The semi-sub type and TLP type use a semi-submersible type floating body with a small waterline area to reduce the shaking caused by waves (vertical shaking, rolling, rotation), especially the TLP type forcing the floating body into water. It is known as a method that can reduce the up and down motion that cannot be handled by the semi-sub type because a large buoyancy and mooring force are applied by pulling in and buoyancy and mooring force always act even if a load fluctuates due to waves.
なお、セミサブ式に関連する従来の技術としては例えば特許文献1〜9が提案されており、またTLP式に関しては例えば特許文献10〜14が、スパー式に関しては例えば特許文献15〜20が提案されている。
For example, Patent Documents 1 to 9 have been proposed as conventional techniques related to the semi-sub system, and for example,
ところで、浮体構造物上に立設したタワー頂部に、水平方向の回転軸を有する水平軸型の3枚翼プロペラ式の風車を取り付けたものが良く知られている。風車の取り付け方式としては、アップウィンド方式とダウンウィンド方式とがある。アップウィンド方式は、プロペラの回転面が風上側に位置しており、タワーによる風の乱れの影響を受けにくいという特徴がある。一方、ダウンウィンド方式は、回転面が風下側に位置するためプロペラを風向きに正対させるヨー制御が不要という特徴がある。 By the way, it is well known that a horizontal shaft type three-blade propeller type windmill having a horizontal rotating shaft is attached to the top of a tower standing on a floating structure. There are an upwind method and a downwind method as a windmill mounting method. The upwind system has a feature that the rotating surface of the propeller is located on the windward side and is not easily affected by wind turbulence caused by the tower. On the other hand, the downwind system has a feature that yaw control for directly facing the propeller in the wind direction is unnecessary because the rotation surface is located on the leeward side.
また、水平軸風車ではチルト角(回転軸と水平面との偏角)を持たせることが多いが、風車のプロペラ面が風に対して正対するときが最も効率よく風エネルギを電力に変換できる。例えばアップウインド方式では、通常、プロペラ面とタワーとの間隔を確保するために、数度ほど上向きのチルト角を持たせている。この場合、風は回転軸に対してチルト角分だけ斜め下から入ってくることになり、この分だけ効率は低下してしまう。 Further, a horizontal axis windmill often has a tilt angle (a deviation angle between a rotation axis and a horizontal plane), but wind energy can be converted into electric power most efficiently when the propeller surface of the windmill faces the wind. For example, in the upwind system, an upward tilt angle is usually given by several degrees in order to ensure the space between the propeller surface and the tower. In this case, the wind enters from the lower side by the tilt angle with respect to the rotation axis, and the efficiency is reduced by this amount.
一方、ダウンウィンド方式も数度ほど上向きのチルト角を持たせているが、風を受けたとき風下側のプロペラ面が下向きに傾いて風に正対すれば効率のよい発電が期待できる。この場合、その基礎である浮体構造物も風車と一体として傾くので、風車が変動的な風と正対し続けられるように、浮体構造物はその平均的傾き(定常傾斜)を調整可能な構造であることが理想的である。ここで、浮体構造物の定常傾斜は浮体の特性と風車からの横倒れモーメントによって決定されるものである。 On the other hand, the downwind system also has an upward tilt angle of several degrees. However, when the wind is received, efficient power generation can be expected if the propeller surface on the leeward side is tilted downward to face the wind. In this case, the floating structure, which is the foundation of the structure, is also tilted as a unit with the windmill. Therefore, the floating structure has a structure that can adjust the average inclination (steady slope) so that the windmill can keep facing the fluctuating wind. Ideally. Here, the steady inclination of the floating structure is determined by the characteristics of the floating body and the side-falling moment from the windmill.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、風況に適した定常傾斜を実現し、発電効率を向上させることができる洋上風力発電用浮体構造物を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the above, Comprising: It aims at providing the floating structure for offshore wind power generation which implement | achieves the steady inclination suitable for a wind condition, and can improve electric power generation efficiency.
上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項1に係る洋上風力発電用浮体構造物は、洋上風力発電における水平軸型の風車の基礎として用いられる浮体構造物であって、前記浮体構造物に作用する鉛直力を調整するために前記浮体構造物の内部に設けられるバラストの重心位置を上下方向に変更可能に構成し、前記風車に作用する風荷重に基づいて前記バラストの重心位置を上下方向に変更して前記浮体構造物の傾斜角を調整する傾斜調整機構を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems and achieve the object, a floating structure for offshore wind power generation according to claim 1 of the present invention is a floating structure used as a foundation of a horizontal axis type windmill in offshore wind power generation. The center of gravity of the ballast provided inside the floating structure can be changed in the vertical direction in order to adjust the vertical force acting on the floating structure, and based on the wind load acting on the windmill, An inclination adjustment mechanism that adjusts the inclination angle of the floating structure by changing the center of gravity of the ballast in the vertical direction is provided.
また、本発明の請求項2に係る洋上風力発電用浮体構造物は、上述した請求項1において、前記傾斜調整機構は、前記風車を風に正対させる向きになるように前記浮体構造物の傾斜角を調整することを特徴とする。 In addition, the floating structure for offshore wind power generation according to claim 2 of the present invention is the floating structure according to claim 1, wherein the inclination adjusting mechanism is arranged so that the windmill faces the wind. The tilt angle is adjusted.
また、本発明の請求項3に係る洋上風力発電用浮体構造物は、上述した請求項1または2において、前記傾斜調整機構は、風荷重が小さい場合には前記バラストの重心位置を高くすることによって前記浮体構造物の傾斜を大きくし、風荷重が大きい場合には前記バラストの重心位置を低くすることによって前記浮体構造物の傾斜を小さくすることを特徴とする。 Further, the floating structure for offshore wind power generation according to claim 3 of the present invention is the above-described float structure according to claim 1 or 2, wherein the inclination adjusting mechanism increases the position of the center of gravity of the ballast when the wind load is small. To increase the inclination of the floating structure, and to reduce the inclination of the floating structure by lowering the center of gravity of the ballast when the wind load is large.
また、本発明の請求項4に係る洋上風力発電用浮体構造物は、上述した請求項1〜3のいずれか一つにおいて、前記浮体構造物をダウンウィンド方式の風車の基礎として用いることを特徴とする。 Moreover, the floating structure for offshore wind power generation according to claim 4 of the present invention is characterized in that, in any one of claims 1 to 3 described above, the floating structure is used as a foundation of a downwind wind turbine. And
また、本発明の請求項5に係る洋上風力発電用浮体構造物は、上述した請求項1〜4のいずれか一つにおいて、前記浮体構造物をカテナリー式で係留するカテナリー係留索をさらに備えることを特徴とする。 Further, the floating structure for offshore wind power generation according to claim 5 of the present invention further comprises a catenary mooring line for mooring the floating structure in a catenary manner according to any one of claims 1 to 4 described above. It is characterized by.
本発明によれば、洋上風力発電における水平軸型の風車の基礎として用いられる浮体構造物であって、前記浮体構造物に作用する鉛直力を調整するために前記浮体構造物の内部に設けられるバラストの重心位置を上下方向に変更可能に構成し、前記風車に作用する風荷重に基づいて前記バラストの重心位置を上下方向に変更して前記浮体構造物の傾斜角を調整する傾斜調整機構を備えるので、風車が風に正対するように浮体構造物の傾斜角を風荷重に基づいて調整することにより、風況に適した定常傾斜を実現し、発電効率を向上させることができるという効果を奏する。 According to the present invention, there is a floating structure used as a foundation of a horizontal axis type windmill in offshore wind power generation, which is provided inside the floating structure in order to adjust a vertical force acting on the floating structure. A tilt adjusting mechanism configured to change a center of gravity of the ballast in a vertical direction and adjust a tilt angle of the floating structure by changing a center of gravity of the ballast in a vertical direction based on a wind load acting on the windmill; Therefore, by adjusting the inclination angle of the floating structure based on the wind load so that the windmill faces the wind, it is possible to achieve a steady inclination suitable for the wind conditions and improve the power generation efficiency. Play.
また、本発明の他の構成によれば、上記構成において、前記傾斜調整機構は、前記風車を風に正対させる向きになるように前記浮体構造物の傾斜角を調整するので、風況に適した定常傾斜を実現し、発電効率を向上させることができるという効果を奏する。 According to another configuration of the present invention, in the above configuration, the tilt adjustment mechanism adjusts the tilt angle of the floating structure so that the wind turbine faces the wind. An appropriate steady slope can be realized, and the power generation efficiency can be improved.
また、本発明の他の構成によれば、上記構成において、前記傾斜調整機構は、風荷重が小さい場合には前記バラストの重心位置を高くすることによって前記浮体構造物の傾斜を大きくし、風荷重が大きい場合には前記バラストの重心位置を低くすることによって前記浮体構造物の傾斜を小さくするので、浮体構造物の最適傾斜角を保つことができるという効果を奏する。 According to another configuration of the present invention, in the above configuration, when the wind load is small, the tilt adjustment mechanism increases the tilt of the floating structure by increasing the position of the center of gravity of the ballast. When the load is large, since the inclination of the floating structure is reduced by lowering the position of the center of gravity of the ballast, the optimum inclination angle of the floating structure can be maintained.
また、本発明の他の構成によれば、上記構成において、前記浮体構造物をダウンウィンド方式の風車の基礎として用いるので、風下側に配置されている風車の水平面内の向きについては風向と同じ方向に自ら変化できるので、ヨー制御装置を設ける必要はない。 According to another configuration of the present invention, in the above configuration, since the floating structure is used as a foundation of a downwind type windmill, the direction in the horizontal plane of the windmill disposed on the leeward side is the same as the wind direction. Since the direction can be changed by itself, there is no need to provide a yaw control device.
また、本発明の他の構成によれば、上記構成において、前記浮体構造物をカテナリー式で係留するカテナリー係留索をさらに備えるので、浮体構造物が漂流するのを防ぐことができるという効果を奏する。 In addition, according to another configuration of the present invention, in the above configuration, a catenary mooring line for mooring the floating structure in a catenary manner is further provided, so that the floating structure can be prevented from drifting. .
以下に、本発明に係る洋上風力発電用浮体構造物の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。 Embodiments of a floating structure for offshore wind power generation according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
図1および図2に示すように、本発明に係る洋上風力発電用浮体構造物10は、洋上風力発電における風力発電機の基礎として用いられる浮体構造物である。浮体構造物10の中央浮体12上にはタワー14が立設してあり、このタワー14頂部に、略水平方向の回転軸を有する水平軸型の3枚翼プロペラ式の風車16と、ローターを備える風力発電機が収容されたナセル18が取り付けてある。風車16は水平面に対して数度のチルト角αを持って若干上向きに取り付けてある。
As shown in FIGS. 1 and 2, a
浮体構造物10は、下側部分が海水面20下に水没した半没水型浮体であり、円柱状の中央浮体12と外側浮体22とこれらの下部間を連結する棒状の連結部材24とから構成してある。中央浮体12と外側浮体22の平面的な位置関係はここには図示しないが、中央浮体12を中心とする円周上に複数個(例えば3個)の外側浮体22を周方向等間隔に配置したものであり、中央浮体12が浮体構造物10の重心Gおよび浮力中心Cに位置するようにしてある。
The
また、浮体構造物10が漂流するのを防ぐため、浮体構造物10は外側浮体22の下端に連結したカテナリー係留索26によってカテナリー式で海底28に係留してある。
In order to prevent the
このように、浮体構造物10としてセミサブ式やTLP式で用いられる半没水型浮体を使用して波浪による横揺れ・回転を軽減している。
As described above, the semi-submersible floating body used in the semi-sub type or the TLP type is used as the
ところで、浮体式風力発電においては風速によって風荷重が変化すると、その変化によって浮体構造物10の平均的傾き(定常傾斜)が変化する。そこで、本発明に備わる傾斜調整機構30により、この定常傾斜をバラストの高さ位置を変化させることによって発電効率のよい傾斜に調整する。
By the way, in the floating wind power generation, when the wind load changes depending on the wind speed, the average inclination (steady inclination) of the
具体的には、中央浮体12内部の空間に、浮体構造物10に作用する鉛直力を調整するためのバラスト32を上下移動自在に設ける。このバラスト32の重心gは浮体構造物10の重心Gを通る鉛直線上に位置しており、重心gの高さ位置はこの線に沿って上下移動可能である。
Specifically, a
バラスト32を上下移動させる具体的な手段としては、例えば図示しない揚重機によりケーブル等でバラスト32を昇降させる構造が考えられる。なお、バラスト32自体の構造としては、海水や海砂を容器に入れたものや錘等の重量物で構成することができる。
As a specific means for moving the
上記の傾斜調整機構30によれば、中央浮体12内におけるバラスト32の重心gの高さ位置が変わることで、浮体構造物10の重心Gの高さ位置が変わる。すると、浮体構造物10全体に作用する転倒モーメントMの作用位置が変化して、その定常傾斜に影響を与える浮体の特性が変わる。
According to the
例えば、バラスト32の重心gが高い位置にあるときには浮体構造物10の重心Gの位置が高くなるので転倒モーメントMは大きくなり、反対にバラスト32の重心gが低い位置にあるときには転倒モーメントMは小さくなる。転倒モーメントMの大きさを変えることで、浮体構造物10の定常傾斜の傾斜角θ(水平に対する傾斜角)を変えることができる。
For example, when the center of gravity g of the
また、この傾斜調整機構30は、風車16に作用する風荷重に基づいてバラスト32を上下動するようにしてある。その具体的な手段としては、例えば図示しない風速センサを風車16に設けておき、この風速センサによる計測風速に基づいて風車16に作用する風荷重をコンピュータ等で算定する。一方、風荷重に適した浮体構造物10の傾斜角θを算定テーブル等によりあらかじめ設定させておく。
The
そして、この傾斜調整機構30は、計測風速に基づく風荷重に適する傾斜角θを上記の算定テーブルを参照して取得し、この傾斜角θにて浮体構造物10を傾斜させるようにバラスト32の重心gの高さ位置を上下する制御を行う。
And this
ここで、浮体構造物10の定常傾斜の傾斜角θは、転倒モーメントMと風荷重を受ける風車16からの横倒れモーメントとによって決まるが、通常、風荷重は変動的であるため横倒れモーメントは不安定となり、傾斜角θは定まりにくくなる。これに対して本発明の傾斜調整機構30はバラスト32を上下させ、風車16を風に正対させる向きになるように、風車16からの横倒れモーメントに応じて転倒モーメントMを調整することで風力発電装置全体の定常傾斜を調整する。
Here, the inclination angle θ of the steady inclination of the floating
例えば、風荷重が小さい場合にはバラスト32の重心位置を高くすることによって浮体構造物10の定常傾斜を大きくし、装置全体として最適な傾斜角θにする。反対に風荷重が大きい場合にはバラスト32の重心位置を低くすることによって浮体構造物10の定常傾斜を小さくし、最適な傾斜角を保つようにする。
For example, when the wind load is small, the center of gravity of the
このようにして、浮体構造物を含めた装置全体の定常傾斜を風荷重等の風況に適したものとすることができる。また、風車16を風に正対させることにより、発電効率を向上することができる。
In this way, the steady inclination of the entire apparatus including the floating structure can be made suitable for wind conditions such as wind loads. Moreover, power generation efficiency can be improved by making the
特に本発明は、ダウンウィンド方式の風車(図2の右側から風が流入する場合)を搭載する浮体構造物10に有効である。なおこの場合、風下側に配置されている風車16の水平面内の向きについては風向と同じ方向に自ら変化できるので、アップウィンド方式の風車のようにヨー制御装置を設ける必要はない。
In particular, the present invention is effective for the floating
上記の実施の形態において、バラスト32を中央浮体12内部のみに配置した構成で説明したが、本発明はこれに限るものではなく、例えばバラスト32を外側浮体22内部に上下移動自在に配置してもよい。そして、バラスト32の高さ位置を調節することで浮体構造物10の重心Gの高さ位置を変化させるようにしても、浮体構造物10の傾斜時の釣り合い特性を変化させることができ、上記の実施形態の場合と同一の作用効果を奏することができる。
In the above embodiment, the configuration has been described in which the
以上説明したように、本発明によれば、洋上風力発電における水平軸型の風車の基礎として用いられる浮体構造物であって、前記浮体構造物に作用する鉛直力を調整するために前記浮体構造物の内部に設けられるバラストの重心位置を上下方向に変更可能に構成し、前記風車に作用する風荷重に基づいて前記バラストの重心位置を上下方向に変更して前記浮体構造物の傾斜角を調整する傾斜調整機構を備えるので、風車が風に正対するように浮体構造物の傾斜角を風荷重に基づいて調整することにより、風況に適した定常傾斜を実現し、発電効率を向上させることができる。 As described above, according to the present invention, a floating structure used as a foundation of a horizontal axis type windmill in offshore wind power generation, wherein the floating structure is used to adjust a vertical force acting on the floating structure. The center of gravity of the ballast provided inside the object can be changed in the vertical direction, and the center of gravity of the ballast is changed in the vertical direction based on the wind load acting on the windmill so that the inclination angle of the floating structure is increased. Since it has a tilt adjustment mechanism that adjusts, by adjusting the tilt angle of the floating structure based on the wind load so that the windmill faces the wind, it realizes a steady tilt suitable for the wind conditions and improves power generation efficiency be able to.
また、本発明の他の構成によれば、上記構成において、前記傾斜調整機構は、前記風車を風に正対させる向きになるように前記浮体構造物の傾斜角を調整するので、風況に適した定常傾斜を実現し、発電効率を向上させることができる。 According to another configuration of the present invention, in the above configuration, the tilt adjustment mechanism adjusts the tilt angle of the floating structure so that the wind turbine faces the wind. A suitable steady slope can be realized and the power generation efficiency can be improved.
また、本発明の他の構成によれば、上記構成において、前記傾斜調整機構は、風荷重が小さい場合には前記バラストの重心位置を高くすることによって前記浮体構造物の傾斜を大きくし、風荷重が大きい場合には前記バラストの重心位置を低くすることによって前記浮体構造物の傾斜を小さくするので、浮体構造物の最適傾斜角を保つことができる。 According to another configuration of the present invention, in the above configuration, when the wind load is small, the tilt adjustment mechanism increases the tilt of the floating structure by increasing the position of the center of gravity of the ballast. When the load is large, the inclination of the floating structure is reduced by lowering the position of the center of gravity of the ballast, so that the optimum inclination angle of the floating structure can be maintained.
また、本発明の他の構成によれば、上記構成において、前記浮体構造物をダウンウィンド方式の風車の基礎として用いるので、風下側に配置されている風車の水平面内の向きについては風向と同じ方向に自ら変化できるので、ヨー制御装置を設ける必要はない。 According to another configuration of the present invention, in the above configuration, since the floating structure is used as a foundation of a downwind type windmill, the direction in the horizontal plane of the windmill disposed on the leeward side is the same as the wind direction. Since the direction can be changed by itself, there is no need to provide a yaw control device.
また、本発明の他の構成によれば、上記構成において、前記浮体構造物をカテナリー式で係留するカテナリー係留索をさらに備えるので、浮体構造物が漂流するのを防ぐことができる。 In addition, according to another configuration of the present invention, in the above configuration, a catenary mooring line for mooring the floating structure in a catenary manner is further provided, so that the floating structure can be prevented from drifting.
以上のように、本発明に係る洋上風力発電用浮体構造物は、浮体式洋上風力発電システムにおける水平軸型の風車の基礎として洋上に浮かべて用いる浮体構造物に有用であり、特に、風況に適した定常傾斜を実現し、発電効率を向上させるのに適している。 As described above, the floating structure for offshore wind power generation according to the present invention is useful for a floating structure used floating on the ocean as the basis of a horizontal axis type windmill in a floating offshore wind power generation system. It is suitable for improving the power generation efficiency by realizing a steady slope suitable for the power generation.
10 洋上風力発電用浮体構造物(浮体構造物)
12 中央浮体
14 タワー
16 風車
18 ナセル
20 海水面
22 外側浮体
24 連結部材
26 カテナリー係留索
28 海底
30 傾斜調整機構
32 バラスト
θ 傾斜角
α チルト角
C 浮力中心
G 重心(浮体構造物)
g 重心(バラスト)
10 Floating structure for offshore wind power generation (floating structure)
DESCRIPTION OF
g Center of gravity (ballast)
Claims (5)
前記浮体構造物に作用する鉛直力を調整するために前記浮体構造物の内部に設けられるバラストの重心位置を上下方向に変更可能に構成し、前記風車に作用する風荷重に基づいて前記バラストの重心位置を上下方向に変更して前記浮体構造物の傾斜角を調整する傾斜調整機構を備えることを特徴とする洋上風力発電用浮体構造物。 A floating structure used as a foundation for a horizontal axis wind turbine in offshore wind power generation,
In order to adjust the vertical force acting on the floating structure, the center of gravity of the ballast provided inside the floating structure can be changed in the vertical direction, and the ballast is adjusted based on the wind load acting on the windmill. A floating structure for offshore wind power generation, comprising an inclination adjustment mechanism that adjusts the inclination angle of the floating structure by changing the position of the center of gravity in the vertical direction.
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