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JP6118899B2 - 浮体式洋上風力発電装置、それに用いる変圧器、および変圧器の動揺抑制方法 - Google Patents

浮体式洋上風力発電装置、それに用いる変圧器、および変圧器の動揺抑制方法 Download PDF

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Description

本発明は、浮体式洋上風力発電装置に用いる変圧器の動揺抑制に関する。
浮体式洋上風力発電装置は、着床型風力発電装置とは異なり、波風による動揺・振動・傾斜によるメンテナンス方法が問題となっていた。また、沖合に設置されるため波風が強く、常に前後左右に波風にさらされる為、傾斜による動揺が浮体式洋上風力発電装置の懸念材料となっていた。
従来の波風による動揺を抑制する浮体式洋上風力発電装置として、特開２００３−２５２２８８号公報（特許文献１）や、特開２０１１−８９４６８号公報（特許文献２）に開示されている技術が挙げられる。
特許文献１では、洋上風力発電の浮体式基礎構造物として、軸方向に長い円筒状の主浮体と、この主浮体の周りを取り囲むように主浮体と一体的に設けられた複数の従浮体を備え、動揺を抑制している。また、特許文献２では、二次電池を喫水線よりも下方に配置することで、その重みにより風力発電装置の姿勢を安定させることが記載されている。
特開２００３−２５２２８８号公報 特開２０１１−８９４６８号公報
浮体式洋上風力発電装置で発電された電力の送電に際して、安全性や送電時のロスを抑える目的で、発電された電圧を昇圧して送電するニーズがあり、そのために、変圧器を浮体式洋上風力発電装置内に設置する要求がある。
浮体式洋上風力発電装置が、波風により動揺すると、その風力発電装置内に設置されている変圧器も動揺による影響を受ける。例えば、変圧器のネジの緩みやコイルの位置ズレ、また、油入り変圧器であれば気泡が発生して部分的放電による絶縁破壊の可能性等、変圧器故障の原因となる可能性がある。
特許文献１の技術によれば、主浮体の周りを取り囲むように主浮体と一体的に設けられた複数の従浮体を備える必要があるので、構造が複雑で、製造コストが大きくなるという問題があった。また、特許文献２でも、二次電池を設ける必要があり、同様に、製造コストが大きくなるという問題があった。
また、特許文献１、２の技術は、何れも、ある程度動揺を抑制できるが、動揺による影響を零にすることはできなかった。また、何れも、変圧器を搭載した浮体式洋上風力発電装置について記載がなく、変圧器の動揺抑制について一切考慮されていない。
浮体式洋上風力発電装置の傾き中心である傾心に変圧器を配置することで、変圧器にかかる動揺を最小限に抑制する。
波風による動揺を抑制することができ、変圧器の動揺対策を最適化できコストダウンが可能となる。
浮体式洋上風力発電装置の構成概略図 浮体式洋上風力発電装置のバランスを説明する図 浮体式洋上風力発電装置の傾斜時のバランスを示す図 本実施例の説明図
以下、実施例を図面を用いて説明する。図１は、浮体式洋上風力発電装置の構成概略図である。図1において、１は浮体式洋上風力発電装置全体、２はブレード、３はナセル、４は発電機、５はタワー、６は海面、７は変圧器、８は送電ケーブルである。
浮体式洋上風力発電装置１は、洋上に浮設され、洋上に直立状態で浮かべて、図示しない係留チェーン等でアンカーに接続されて使用される。ブレード２が風力により回転すると、ナセル３内に配置した発電機４により交流電力を生成し、その電力をタワー５内に配置した変圧器７で昇圧して、送電ケーブル８で送電する。
変圧器で昇圧する理由は、電圧を高くすることで電流が低く抑えられるため、低い電流にして安全に送電するためと、低い電流値により送電時のロスを抑えるためである。
図２に、浮体式洋上風力発電装置のバランスを説明する図を示す。図２において、Ｂは浮心、Ｇは重心を示している。浮心から上方に浮力が働き、重心から下方に重力が働いており、図２は釣り合った状態を示している。
なお、図示した浮体式洋上風力発電装置は、スパー型浮体構造を示している。スパー型とは、重心を常に浮心の下とすることで静的安定性を確保する構造である。
図３に、浮体式洋上風力発電装置の傾斜時のバランスを示す。図３において、浮体式洋上風力発電装置がθ°傾いたことにより、浮心がＢからＢ´に移動する。このＢ´の鉛直方向とＢ−Ｇの延長線上の交わる部分が傾心（Ｍ）（メタセンター）と呼ばれる。この傾心とは、浮体式洋上風力発電装置が傾く中心であり、常に傾心を中心に傾き始める。
図４は、本実施例の説明図である。図４において、浮体式洋上風力発電装置は、傾心を中心に傾斜するため、傾心に変圧器７を配置する。これにより、比較的重量の重い変圧器は動揺によるモーメントの影響が大きく故障につながってしまうという課題を解消できる。すなわち、動揺による、変圧器のネジの緩みやコイルの位置ズレ、また、油入り変圧器であれば気泡が発生して部分的放電による絶縁破壊の可能性等、変圧器故障の原因となる可能性を解消できる。
なお、浮体式洋上風力発電装置の波風による動揺傾斜角度は最大１５°程度である。また、浮体式洋上風力発電装置の規模としては、例えば、ブレードの回転直径は８０〜１２５ｍ、全長は１７０ｍ程度と１００ｍを超える規模であり、全長の半分以上が海中に沈んでいる状態となる。
また、傾心は、１点であるので、変圧器を傾心に配置するとしても、ある程度大きさがあるので、厳密に変圧器全体を傾心に配置することは不可能である。そこで、実際には、変圧器を傾心の近傍に配置することになるが、変圧器のモーメント許容誤差、耐震設計強度等から、その配置を限定することができる。
傾心から上下Ｌメートル以内に配置した場合の最大モーメントＹ０の一般式は、
Ｙ０＝Ｌ＊Ｚ＊Ｔａｎ（θ）
と概算される。ここで、θ：動揺傾斜角度、Ｚ：重量である。
このように、最大モーメントＹ０は、傾心から距離Ｌに比例する。
例えば、前述した浮体式洋上風力発電装置の規模と変圧器の大きさである数メートル規模から、傾心近傍を、傾心から上下１０ｍ以内とすれば、変圧器の受ける最大モーメントは、動揺傾斜角度最大１５°とすると、１０＊Ｔａｎ１５°＊重量＝２．６８＊重量となる。
すなわち、例えば変圧器のコイル支持強度に着目した場合、コイルの支持強度Ｙ、コイルの重量Ｚとしたときには、Ｙ＞２．６８＊Ｚの関係となるコイルの支持強度Ｙで変圧器を設計すればよいので、変圧器の動揺対策を最適化できコストダウンが可能となる。また、変圧器へのダメージも最小限にすることが可能となる。その為、変圧器のメンテナンスによる輸送費等のコスト減も期待できる。
１ 浮体式洋上風力発電装置
２ ブレード
４ 発電機
７ 変圧器
Ｂ 浮心
Ｂ´ 傾斜時の浮心
Ｇ 重心
Ｍ 傾心

Claims (5)

  1. 風力を受けて回転するブレードと、該ブレードの回転を電力に変換する発電機を備える浮体式洋上風力発電装置であって、
    前記発電機から得られる電力の電圧を昇圧する変圧器と、
    該昇圧した電力を送電する送電ケーブルを有し、
    前記浮体式洋上風力発電装置は、該浮体式洋上風力発電装置の重心が常に該浮体式洋上風力発電装置の浮心の下にあるスパー型であって、
    前記浮体式洋上風力発電装置の傾き中心である傾心近傍に前記変圧器を配置したことを特徴とする浮体式洋上風力発電装置。
  2. 請求項１に記載の浮体式洋上風力発電装置であって、
    前記浮体式洋上風力発電装置の傾心の上下１０メートル以内に前記変圧器を配置したことを特徴とする浮体式洋上風力発電装置。
  3. 請求項１または２に記載の浮体式洋上風力発電装置であって、
    前記変圧器は油入り変圧器であることを特徴とする浮体式洋上風力発電装置。
  4. 浮体式洋上風力発電装置に設けられ、風力から変換された電力を送電するために電力の電圧を昇圧する変圧器であって、
    前記浮体式洋上風力発電装置の傾き中心である傾心近傍に前記変圧器を配置した場合に、該傾心からの距離に応じて決まる前記変圧器の受けるモーメントよりも大きい値で前記変圧器を構成するコイルのコイル支持強度が設計されたことを特徴とする変圧器。
  5. 浮体式洋上風力発電装置に設けられる変圧器の動揺抑制方法であって、
    前記変圧器を前記浮体式洋上風力発電装置の傾き中心である傾心近傍に配置し、該変圧器の動揺を抑制することを特徴とする浮体式洋上風力発電装置に設けられる変圧器の動揺抑制方法。
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