(57)【要約】  【課題】  浮体式風力発電システムにおいて、浮体が回転した場合であっても、係留索の捻れを効果的に防止し、係留索、送電線の故障を防止することが可能な浮体式風力発電システムを提供する。  【解決手段】  風力エネルギを回転エネルギに変換するロータと、前記ロータを回転自在に支持するナセルと、前記ナセルを支持するタワーと、係留索により海底に係留され、前記タワーを支持する浮体と、を有する浮体式風力発電システムであって、前記係留索および前記浮体は、前記係留索に対し前記浮体が回転自在となるように軸受けを介して連結され、前記軸受けに回転方向のトルクを発生させる駆動機構を備えることを特徴とする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力エネルギを回転エネルギに変換するロータと、
前記ロータを回転自在に支持するナセルと、
前記ナセルを支持するタワーと、
係留索により海底に係留され、前記タワーを支持する浮体と、を有する浮体式風力発電システムであって、
前記係留索および前記浮体は、前記係留索に対し前記浮体が回転自在となるように軸受けを介して連結され、
前記軸受けに回転方向のトルクを発生させる駆動機構を備えることを特徴とする浮体式風力発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の浮体式風力発電システムであって、
前記浮体式風力発電システムは、前記浮体の状態を検出する状態検出手段を備え、
前記状態検出手段で検出した前記浮体の状態に基づき、前記駆動機構を制御することを特徴とする浮体式風力発電システム。
【請求項３】
請求項２に記載の浮体式風力発電システムであって、
前記状態検出手段は、地軸に対する前記浮体の状態を検出するジャイロスコープまたは方位磁石、海底の形状から前記浮体の状態を検出するソナー、前記浮体の状態を検出するGPSのいずれかであることを特徴とする浮体式風力発電システム。
【請求項４】
請求項１に記載の浮体式風力発電システムであって、
前記係留索または前記軸受けに作用するトルクを検出するトルク検出手段を備え、
前記トルク検出手段で検出したトルク値に基づき、前記駆動機構を制御することを特徴とする浮体式風力発電システム。
【請求項５】
請求項４に記載の浮体式風力発電システムであって、
前記トルク検出手段は、歪ゲージであることを特徴とする浮体式風力発電システム。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の浮体式風力発電システムであって、
前記係留索または前記軸受けに生じるトルクを打ち消すように、前記駆動機構により前記軸受けに回転方向のトルクを発生させることを特徴とする浮体式風力発電システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の浮体式風力発電システムであって、
前記浮体式風力発電システムは、ダウンウィンド方式であることを特徴とする浮体式風力発電システム。
【請求項８】
浮体の状態または前記浮体を海底に係留する係留索に生じるトルク値を検出し、
検出した前記浮体の状態または前記係留索のトルク値が所定の値以上となった場合、前記浮体と前記係留索の連結部に設けられた軸受けに回転方向のトルクを発生させることを特徴とする浮体式風力発電システムの制御方法。
【請求項９】
請求項８に記載の浮体式風力発電システムの制御方法であって、
検出した前記浮体の状態または前記係留索のトルク値に基づき、前記軸受けに発生させるトルク値を算出すること特徴とする浮体式風力発電システムの制御方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の浮体式風力発電システムの制御方法であって、
地軸に対する前記浮体の状態を検出するジャイロスコープまたは方位磁石、海底の形状から前記浮体の状態を検出するソナー、前記浮体の状態を検出するGPSのいずれかにより前記浮体の状態を検出することを特徴とする浮体式風力発電システムの制御方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の浮体式風力発電システムの制御方法であって、
検出した前記係留索のトルク値に基づき、前記軸受けに発生させるトルク値を算出すること特徴とする浮体式風力発電システムの制御方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の浮体式風力発電システムの制御方法であって、
歪ゲージにより前記係留索のトルク値を検出することを特徴とする浮体式風力発電システムの制御方法。
【請求項１３】
請求項８から１２のいずれか１項に記載の浮体式風力発電システムの制御方法であって、
前記係留索または前記軸受けに生じるトルクを打ち消すように、前記軸受けに回転方向のトルクを発生させることを特徴とする浮体式風力発電システムの制御方法。
【請求項１４】
請求項８から１３のいずれか１項に記載の浮体式風力発電システムの制御方法であって、
前記浮体式風力発電システムは、ダウンウィンド方式であることを特徴とする浮体式風力発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として海上に係留された浮体上に設置される浮体式風力発電装置の係留方法に関し、特に、ダウンウィンド型の浮体式風力発電装置に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電システムは、気流の運動エネルギをブレードで受け、ロータの回転エネルギに変換し、さらに発電機により電気エネルギを生成する装置である。近年では、火力、水力、原子力に続く第４の発電手段として、実用化が進んでおり、世界中に広く普及しつつある。
【０００３】
特に、洋上に係留した浮体上に設置する浮体式風力発電システムは、地上構造物の影響を受けず安定した風速が得られる点や、土地の確保が比較的容易である点などから、今後益々普及していくといわれている。
【０００４】
浮体式風力発電システムにおいては、様々な係留方式が提案されているが、ダウンウィンド型風車を対象とした場合、一方を海底に固定された係留索により、水面に対する垂直軸を中心に回転自在に支持する方式が有利である。
【０００５】
一般に水平軸方式の風力発電システムは、風向と風車の回転軸が平行の時に発電量が最大となるため、通常はタワーとナセル間に存在するヨー制御機構により、風向と風車の回転軸が平行となるようにナセルの向きを風向きに追従して制御する必要がある。ヨーを自在に回転するように支持した場合、ロータは、ヨーの回転軸に対して気流の下流側で、且つ、風向きとロータの回転軸が平行になろうとする性質があるため（風見鶏効果）、ダウンウィンド型風車は、ヨーを回転自在に支持するのみで、最大発電量を得られる。
【０００６】
係留された浮体上に設置されるダウンウィンド方式の浮体式風力発電システムであれば、浮体を水面に対する垂直軸を中心に回転自在に支持することで、タワー及び浮体ごと回転するため、ナセルとタワーを一体化して、ヨー制御機構を省略することが可能である。
【０００７】
例えば、特許文献１に示された風力発電システムは、浮体を細長い管状の支持部材により海底に係留し、ロール、ピッチ、ヨー方向の軸受けで自由に支持する事で浮体上のダウンウィンド型風車の風見鶏効果を得るものであり、風向と風車の回転軸が自動的に一致するように作用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２０１４−５０４６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、特許文献１に開示されている軸受け構造は、ワイヤーロープなどの比較的低剛性な係留索を採用した場合、軸受けの摩擦抵抗の影響で係留索にねじれが生じる可能性がある。このねじれの影響により、送電線と係留索が絡まる事も想定され、ねじれが繰り返された場合、係留索の劣化や送電線の切断などの故障が生じる可能性がある。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、浮体式風力発電システムにおいて、浮体が回転した場合であっても、係留索の捻れを効果的に防止し、係留索、送電線の故障を防止することが可能な浮体式風力発電システムおよびその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、風力エネルギを回転エネルギに変換するロータと、前記ロータを回転自在に支持するナセルと、前記ナセルを支持するタワーと、係留索により海底に係留され、前記タワーを支持する浮体と、を有する浮体式風力発電システムであって、前記係留索および前記浮体は、前記係留索に対し前記浮体が回転自在となるように軸受けを介して連結され、前記軸受けに回転方向のトルクを発生させる駆動機構を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、浮体の状態または前記浮体を海底に係留する係留索に生じるトルク値を検出し、検出した前記浮体の状態または前記係留索のトルク値が所定の値以上となった場合、前記浮体と前記係留索の連結部に設けられた軸受けに回転方向のトルクを発生させることを特徴とする浮体式風力発電システムの制御方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、浮体式風力発電システムにおいて、浮体が回転した場合であっても、係留索の捻れを効果的に防止する事が可能となり、係留索、送電線の故障を防止することができる。
【００１４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る浮体式風力発電システムの外観図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る浮体式風力発電システムの一部断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る浮体式風力発電システムの軸受部を示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る浮体式風力発電システムの軸受部の断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る浮体式風力発電システムの軸受部を示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る浮体式風力発電システムの制御方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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、重複する部分についてはその詳細な説明を省略する。
【実施例１】
【００１７】
図１から図４を用いて、実施例１の浮体式風力発電システムの構成と動作について説明する。図１は、本実施例に係る浮体式風力発電システムの外観図である。１はブレードおよびハブを有するロータであり、水平主軸を中心に風力により回転し、風力エネルギを主軸の回転エネルギに変換する。２はナセルであり、前記主軸によりロータ１を回転自在に支持し、主軸の回転エネルギを電気エネルギに変換する発電機（図示せず）を有する。３はタワーであり、ナセル２を支持する。
【００１８】
４は洋上に浮かぶ浮体であり、係留索５とアンカー７により海底８に係留され、タワー３を支持する。６は送電線であり、浮体式風力発電システムにより発電された電力を変電所に送る。
【００１９】
図２は図１における浮体４とタワー３の拡大断面図である。１０は電力変換機であり、発電機により得られた電気の周波数を電力系統の周波数に変換する。１１は本発明にかかる軸受部である。軸受部１１は、係留索５の一方の端部と連結されており、図１に示すように係留索５のもう一方の端部がアンカー７と連結されることで、浮体４が洋上に係留される。また、タワー３内の送電線６と浮体４内の送電線６は、軸受部１１を介して電気的に接続されている。
【００２０】
図３は図２における軸受部１１の斜視図であり、図４は軸受部１１の垂直断面図である。図４では、タワー３と一体となって回転する部分をハッチングで表している。１２は軸受け（ラジアル・スラスト軸受）であり、本実施例では内側のリング１２ｂのラジアル・スラスト方向の移動を拘束し、回転自在に支持するコロ軸受けを示している。ラジアル・スラスト軸受１２の外側のリング１２ａは浮体４に固定され、内側のリング１２ｂは係留索５に連結（固定）されている。
【００２１】
１３は動力伝達機構であり、例えば、ベルトとプーリーで構成されている。１４は例えばスリップリングであり、送電線６を回転自在に連結する。１５は駆動機構であり、例えば、電動モーターである。駆動機構１５は、前記動力伝達機構１３を介して、前記ラジアル・スラスト軸受１２の内側のリング１２ｂに対しトルクを伝達する。１６は制御装置であり、前記駆動機構１５の回転方向や回転量、回転速度を制御する。１７は浮体方向検出機構であり、例えば、ジャイロスコープなどにより、地軸に対する浮体４の方向や位置、姿勢等の状態を検出し、その情報を制御装置１６に伝達する。
【００２２】
本実施例の浮体式風力発電システムは、以上の構成により、浮体４の状態（回転情報等）を制御装置１６が得て、回転トルクが係留索５に伝達しないように駆動機構１５を制御可能となり、係留索５のねじれや送電線６の絡まりを防止することができる。
【００２３】
また、特許文献１での摩擦リングによるすべり軸受とは異なり、コロ軸受け（転がり軸受）を用いているため、軸受けの摩擦抵抗が低減されて、よりスムーズな回転を行うことができ、ワイヤーロープなど比較的低剛性な係留索を採用した場合であっても、係留索にねじれが生じるのを防ぐことができる。
【００２４】
例えば、特許文献１のようなすべり軸受け構造で係留体のねじれを防止しようとする場合、長期間の稼働による軸受けの摩耗や固着などのトラブルが懸念されるが、本実施例のように、軸受部に駆動機構を設け、軸受けや係留体（係留索）に生じるトルク（ねじれ）を打ち消すようなトルクを能動的に発生させることで、より効果的に係留体（係留索）に生じるねじれを防止することができ、安定した風力発電システムの運転を行うことが可能となる。
【００２５】
なお、本実施例の浮体方向検出機構１７は、ジャイロスコープ以外にも、例えば、ソナー（SONAR：Sound navigation and ranging）による海底の形状に基づいた浮体の状態検出や、GPS（Global Positioning System）による浮体の状態検出、方位磁石による浮体の状態検出などの方法を用いてもよい。
【００２６】
また、本発明は、図１，図２に示すように、１本の係留索により浮体を係留する１点係留方式の浮体式風力発電システムに適用するのが、コスト面や保守性の面でより効果的であるが、２点係留方式や３点係留方式の浮体式風力発電システムにも適用できるのは言うまでもない。
【００２７】
また、本実施例のように、ナセルの風下側にロータが配置されるダウンウィンド型の風力発電システムに本発明を適用することで、ナセルとタワーの連結部に従来のヨー制御機構を設ける必要がなくなり、より低コストで風力発電システムの製造が可能である。
【実施例２】
【００２８】
図５を用いて、実施例２の浮体式風力発電システムについて説明する。図５は図３に対応する軸受部１１の斜視図である。上述したように、図３では浮体方向検出機構１７で得た浮体４の状態（回転情報等）に基づいて制御装置１６により駆動機構１５を制御し、係留索５のねじれや送電線６の絡まりを防止している。
【００２９】
一方、図５では浮体方向検出機構１７に替えて、係留索５に歪ゲージなどのトルク検出機構１８を設け、係留索５に生じるトルク（ねじれ）を直接計測して、係留索５のトルク値を制御装置１６に伝達し、駆動機構１５を駆動させることで、係留索５のねじれや送電線６の絡まりを防止することができる。
【実施例３】
【００３０】
図６を用いて、実施例１および実施例２で説明した浮体式風力発電システムの制御方法を説明する。
【００３１】
ジャイロスコープ、ソナー、GPS、方位磁石などの浮体方向検出機構１７により浮体４の状態（方向や位置、姿勢など）を検出、または、係留索５に生じるトルク値（ねじれ量）を計測する。（ステップＳ１）
次に、検出した浮体４の状態または計測した係留索５のトルク値と、予め設定した基準値の大小を比較する。（ステップＳ２）
検出した浮体４の状態または計測した係留索５のトルク値が予め設定した基準値未満である場合、ステップＳ３へ移行し、駆動機構１５を駆動させずに、そのまま風力発電システムの発電運転を継続する。（ステップＳ３）
一方、検出した浮体４の状態または計測した係留索５のトルク値が予め設定した基準値以上である場合、ステップＳ４へ移行し、浮体４の状態（方向・位置・姿勢など）または係留索５のトルク値が基準値以下となる軸受部１１の回転情報（回転方向・回転量・回転速度）を算出する。（ステップＳ４）
続いて、算出した軸受部１１の回転情報（回転方向・回転量・回転速度）に基づいて、係留索５に生じるトルクをキャンセルするように駆動機構１５を駆動させる。（ステップＳ５）
本実施例の浮体式風力発電システムの制御方法により、係留索５に生じるトルクをキャンセルするように駆動機構１５を駆動させることができ、係留索５のねじれや送電線６の絡まりを防止することができる。これにより、浮体式風力発電システムのより安定した発電運転が可能となる。
【００３２】
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。
【符号の説明】
【００３３】
１…ロータ、２…ナセル、３…タワー、４…浮体、５…係留索、６…送電線、７…アンカー、８…海底、１０…電力変換機、１１…軸受部、１２…ラジアル・スラスト軸受、１２ａ…外側のリング、１２ｂ…内側のリング、１３…動力伝達機構、１４…スリップリング、１５…駆動機構、１６…制御装置、１７…浮体方向検出機構、１８…トルク検出機構。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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