(57)【要約】【課題】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。【解決手段】洋上風力発電における水平軸型の風車１６の基礎として用いられる浮体構造物１０であって、浮体構造物１０に作用する鉛直力を調整するために浮体構造物１０の内部に設けられるバラスト３２の重心位置を上下方向に変更可能に構成し、風車１６に作用する風荷重に基づいてバラスト３２の重心位置を上下方向に変更して浮体構造物１０の傾斜角θを調整する傾斜調整機構３０を備えるようにする。【選択図】図１
2014218958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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洋上風力発電用浮体構造物。
【請求項２】
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請求項１に記載の洋上風力発電用浮体構造物。
【請求項３】
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請求項１または２に記載の洋上風力発電用浮体構造物。
【請求項４】
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請求項１〜３のいずれか一つに記載の洋上風力発電用浮体構造物。
【請求項５】
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請求項１〜４のいずれか一つに記載の洋上風力発電用浮体構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２４７６４６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１６２７３号公報
【特許文献３】特開２００９−８５１６７号公報
【特許文献４】特開２００７−２６３０７７号公報
【特許文献５】特開２００５−３５１０８７号公報
【特許文献６】特開２００４−２２５８５９号公報
【特許文献７】特開２００４−３６５１７号公報
【特許文献８】特開２００２−２８５９５２号公報
【特許文献９】特開２００２−２８５９５１号公報
【特許文献１０】特開２０１０−２３４９６５号公報
【特許文献１１】特開２０１０−６４６４９号公報
【特許文献１２】特開２０１０−６４６４８号公報
【特許文献１３】特開２０１０−３０３７９号公報
【特許文献１４】特開２０１０−１８１２９号公報
【特許文献１５】特開２０１０−２２３１１４号公報
【特許文献１６】特開２０１０−２２３１１３号公報
【特許文献１７】特開２００９−２４８７９２号公報
【特許文献１８】特開２００７−５１８９１２号公報
【特許文献１９】特開２００３−３４３４４７号公報
【特許文献２０】特開２００２−１８８５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明に係る洋上風力発電用浮体構造物の一例を示す概略正面図である。
【図２】図２は、本発明に係る洋上風力発電用浮体構造物の一例を示す概略側面図である。
【図３】図３は、従来の浮体式洋上風力発電用の浮体構造物を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
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。
【符号の説明】
【００４４】
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）
【図１】
2014218958.tif 000003
【図２】
2014218958.tif 000004
【図３】
2014218958.tif 000005