JP2008095702A - 沖合風力タービン、風力タービン、および風力エネルギー変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】沖合でのアプリケーション用に最適化された、風力タービンを備えた風力エネルギー変換システムを提供する。
【解決手段】各風力タービンは、システムの安定性を増すよう可動バラストウェイトを伴う半潜水ハルを含む。各風力タービンは、ウィンドシアーが高い電力生成性能を向上させるようタワー上に分配されたローターのアレイを有している。各ローターに関連する設備は、メタセンター高度を下げるようタワーのベースにできる限り多く配置される。タワーの底部に配置可能な設備には、電力電子コンバーター、直流/交流コンバーター、各ローターからタワーのベースに電力を伝える機械的リンケージを伴う発電機全体を含むことができる。これは、電力を岸へ送り戻すよりむしろ風力タービンのベースにおいてエネルギー集中水素ベース生成物を生成することを企図している。
【選択図】図２

Description

本発明の実施態様は、風力変換システムの分野における改良に関する。本発明の実施態様は、さらに、複数の風力タービンローターあるいは他の電力源からの、電力出力の合算に関する。本発明の実施態様は、さらに、水素ガス生成に使用される、風などの再生可能エネルギーの利用に関する。本発明の実施態様は、さらに、この水素ガスを、水素派生燃料の生成のために用いることに関する。また、本発明の実施態様は、海洋での風力タービンの支持および維持、さらには水素および水素派生燃料の陸地への輸送に用いられる、機械的な海洋システムを含んでいる。

風力タービンは、沖合位置に配置されるようになってきている。沖合で電力を生成する風力タービンを用いる場合、陸上においては遭遇することのない、幾つかの特有の困難さがある。これは、とりわけ、タービン用の海洋に適合した基礎あるいはプラットホームの準備、さらに、風力タービンタワーの建造およびタワー檣頭への風力タービンの設置のみならず、生成したエネルギーの岸への伝送を含んでいる。従来技術の沖合風力タービンでは、くい打ちにより海底に堅固な基礎が注入され、タワーは、タワー檣頭へのナセル（nacelle）およびローターの据え付けにも使われる大きくて複雑な海洋クレーンにより、この基礎の上に組み立てられる。このように設置される沖合タービンは、基礎が過度に高くなく、高価にならないよう、比較的浅い海域に配設されなければならず、さらに、海洋クレーンを動作させるのに適した気象条件の時にのみ組み立て可能である。

従来の沖合風力タービンの基礎ならびにくい打ちは、海底環境に深刻な影響を与え、さらにタービンの寿命が尽きるときには、基礎により航行の危険を招く場合もある。

従来技術の沖合風力ファーム（farm）は、最も一般的には、各風力タービンから出力を集め、電気ケーブルを経由して岸へ送電する高電圧にまで電圧を上げる。特に風力ファームが岸から非常に遠方にある場合は、この送電システムの費用は法外に大きくなる場合がある。風力タービンで生成されたエネルギーを伝送する代替方法を提供することは有利となろう。陸地付近であるが、これら従来技術の沖合タービンの配置は、タービンが居住地域から容易に目視可能であるため論争を引き起こした。沖合遠くにタービンを配置することにより、景観障害は軽減され、より容易に許可が下りることになろう。これは、岸から少なくとも１２マイルのところに設置される場合には、沖合構造物が遥かに目に付き難くなるからである。

ピーク（peaking）電力を提供する燃料電池において使用可能な水素を生成するよう、余分な風力あるいは遠隔の風力を利用する幾つかの研究がなされてきた。水素の伝送および使用のための社会的基盤設備（インフラストラクチャ：infrastructure）はさほど多くないので、生成された水素は全て、現地（サイト：site）で使用するか、あるいは安全な輸送のためにパッケージされる必要がある。加えて、かなりの水素市場が現出するには、新規のインフラストラクチャが社会により大規模に採用されなければならない。

現在、何らかの公益事業（ユーティリティ：utility）およびグリーン電力の環境属性を表す「グリーンタグ（green tags）」により、プレミアム価格で販売され、地方公共事業が「グリーン電力（グリーンパワー：green power）」価格設定プログラムを有していない場合に購買可能な、「グリーン電力」市場が成長している。これは、多くの消費者が環境に優しい方法で生成した電気の購入を所望しており、こうした消費者が、この生成物に対してプレミアム価格の支払いを望んでいることを示している。バイオディーゼル燃料は例外と推定されるが、現在、化学燃料(ガソリン、天然ガスなど)の市場には同等物が全く存在しない。

従来技術の風力タービンのグループ化においては、通常、岸にある風力ファーム形式で、グリッドクォリティー（grid quality）交流電力が、各風力タービンのナセルで生成され、互いに同調され、全電力は変電所の共通変圧器を経由して加算され、ユーティリティグリッド（utility grid）に配送される。これは有効ではあるが、各タービンは、ギアボックス、および発電機、および場合によれば電力コンバーターを含む、グリッドクォリティー交流電力生成に必要なあらゆる設備を備えていなければならない。多くの場合、この設備は、重いうえに、タワーの先端のナセル内に設置されるので、タワー、タービン、および基礎システムの全体の重心を上げてしまい、タワーおよび基礎への要請を増加させることになる。

風力タービンを天気擾乱から保護する岸付近の水域で組み立て可能にする、深水域への沖合風力タービンのインストール方法を提供することが望ましいであろう。

海底環境への影響がより少なく、さらにタービンが閉鎖された後にも航行の危険を招くことのない、沖合風力タービンの配備方法を提供するのが望ましい。

余剰風力エネルギーあるいは遠隔風力エネルギーの生成物を、既存の化学燃料インフラストラクチャで直接使用できるようにする方法が提供されることが望ましい。

環境に優しい化学燃料を、環境面に配慮する消費者に対してプレミアム価格で販売可能な市場へ供給するのは望ましいことであろう。

タワーのベースにより多くの設備を配置できるように、さらに、多くのタービンローターが１組の設備を共有できるように、電力を合算する方法を提供することが望ましいであろう。

この出願は、２００２年３月８日に出願され、参照により本明細書に組み込まれる、米国仮特許出願第６０/３６２,７９０号に対する３５U.S.C.§１１９(e)での優先権を主張する。

本発明のウインドシップ（windship）は、海洋あるいは他の水域に潜水可能な外殻を提供する。こうした大きな水域上の風力源は、陸地上よりさらに大きく安定している傾向があり、したがって、こうした場所に風力タービンを配置し、生成するエネルギーを効果的に使用し、あるいは伝達するための実用的方法を見出すことは魅力的である。ウインドシップは、風力タービンあるいは風力タービンの配列（アレイ：array）、さらに、随意的には、海洋で風力から水素ベース燃料を生成するための支援機材を支えることが可能である。この開示におけるウインドシップは、補強されたコンクリート、鉄鋼、グラスファイバーあるいは他の好適な材料の安定した浮上構造である。外殻は、適切な浮力およびバラスト（ballast）の修正を行うことにより、波および潮の作用で引き起こされる揺れを緩衝し、また転覆モーメントに抗するために、可変するバラストの質量および位置を提供するための、潜水艦技術に類似した技術を使用している。外殻のタイプは半潜水型であり、荒天状態であっても非常に安定した沖合プラットフォーム（platform）を提供する。外殻は、浅水域、深水域あるいは遠海の何れに位置するかにより、サイズおよび設計が異なる場合がある。

外殻は、様々なサイズの風力タービンおよび/または風力タービンアレイを収容可能であり、また、極端な天気、潮、海流および波の作用があっても使用可能でなければならない。風力タービンを支え、および/または、水素あるいは脱塩水など、何らかのエネルギーの集中した生成物を生成するために沖合風力電力を用いるこうした容器は、この開示では、「ウインドシップ」あるいは集合体として「ウインドシップス」と呼ばれている。この技術は、石油および天然ガス産業で使用される長期安定型の海洋プラットホームと良く似ているが、これは、これらのプラットホームは概念的に半潜水形のアプローチであるものの、異なる造船学を使用するためである。現在の沖合の石油およびガスのプラットホームで使用される、すなわち本発明と共通の１つのアプローチは、小さな喫水線領域を提供することである。石油およびガスのプラットホームでは、これは、水上の構造を支えるために、バラストを含む支持パイロン（pylon）を用いてなされている。

比較的深い水域内のウインドシップは、大きなアンカーに繋がれている。したがって、ウインドシップは、アンカー直上の点を中心に、常に繋ぎ鎖（テザー：tether）の長さで決定される円(ウオッチサークル（watch circle）と呼ばれる)内に存在する。繋ぎ鎖はウインドシップの風上側に取り付けられており、その結果、ウインドシップがこの円の円周の風下側の点にあり、風が作用している間は、ウインドシップを風上側に引く繋ぎ鎖は、ウインドシップを風に向かって指向したままにする。このように、深水域のウインドシップに対しては、機械的なヨーシステム（yaw system）を必要としない。ウインドシップがまだ円の風下側に来ていない時に風が変化した条件下、あるいはかなりの海流がウインドシップの位置に影響を及ぼしている場合には、ウインドシップの反対側のローター(ウインドシップがタービンアレイを支持している場合)が差動空力を生成し、それによりネットヨーイングモーメント（net yawing moment）を生成するように動作可能である。このように、ウインドシップのヨー角は、従来技術の風力タービンで用いられるヨーモーターおよびベアリングを必要とせずに制御可能である。

垂直アレイウインドシップタワーの様々な実施例は、互いに共通の若干の設計態様を有する：タービン重量および負荷は、スペースフレームにわたって均等に分配される；中央タワーパイロンおよびその基底は、従来の垂直トラスあるいはチューブ設計である；そして、タワーの全負荷は、この中央パイロン内、したがって、タワーのベースおよび基礎あるいは潜水可能な外殻内に取り込まれる。ウインドシップタワーはヨー角の自由がなくてもよいが、この特徴は陸地ベースの垂直アレイには必要である。風力タービンローターの陸地ベースアレイのためのヨーシステムの説明は、「垂直アレイ風力タービン(Vertical Array Wind Turbine)」と題された、共に出願中の米国特許出願第１０/０９２,７７５号に示されており、その教示内容は参照することにより本明細書に組み込まれる。米国特許出願第１０/０９２,７７５号で説明されるヨーシステムは、静止した外殻を備えて浅水域位置に配置されるウインドシップに使用されてもよい。

垂直アレイ支持構造物は、特有の負荷仕様に合わせて調整される。垂直アレイウインドシップタワーは分配された負荷を有し、風力タービンローターによりタワーに課される負荷が構造全体上に適切に分散される。従来技術の風力タービンタワーでは、これらの負荷は先端に集中している。負荷がより小さくて分散される場合には、支持機構の設計は、従来技術の風力タービンタワーと非常に異なる。並列は、大きく距離を置いて離れた高圧ケーブルを保持し、担持するよう、非常に大きなタワーが建設されているユーティリティ産業に見られる。これらのユーティリティタワーは、ケーブルを固定する多くとも１２の接地点（ハードポイント：hard point）を有している。これらは、ケーブル間の間隙を確保するために、大きく距離を置いて離れている。ウインドシップタワーでは、垂直アレイの各風力タービン用に、均等に区切られた多くのハードポイントを許容するよう、同一のアイデアが進展される。ユーティリティタワーと異なり、ウインドシップタワーは、間隔がタービンのローター直径で決定され、さらに、高圧ケーブルを用いる場合のように、荒天での、まれにしか起こらない極端な出来事によって決定されることはない固定ハードポイントを有している。ウインドシップタワーの「ハードポイント」のこの均等な間隔により、タワー構造上の各ローターの重量および空力荷重を均等な間隔にすることができる。こうすることにより、タワーフレーム設計は、従来技術のタワーより遥かに小さな重量ならびに費用で実現可能である。ウインドシップタワーを建設する多くの実用的方法は、トラス構造、モノコック管状タワー、あるいはケーブル強化構造を用いるものであると考察される。

また、本発明の実施態様は、電解槽を通して水素および水素ベース燃料を生成するために、風力タービンにより生成される電力を用いる方法も提供している。これらの燃料は、陸地に向かって送り戻し可能である。幾つかの実現可能な燃料は、燃料電池または幾つかの車両内で直接使用可能な、液体あるいは気体のいずれかの状態の水素、または無水塩もしくは触媒性メタルウールなどの良好な貯留媒体内に貯蔵された水素である。他の燃料は、水素ベースであるが、化学的に窒素あるいは炭素ベースの化合物に変換される。海水あるいは大気からの窒素ガスは、「バーナー」内で水素ガスと化合してアンモニアを生成し、その後、無水アンモニアへと処理可能である。この無水アンモニアは、合成肥料として世界中で使用されているものであるが、また、燃料としても使用可能であり、貯蔵し易く、輸送も容易である。二酸化炭素の分解を通して海水あるいは大気から回収される炭素は、メタンあるいは「グリーンガス」を生成するために、同様に水素と化合される。この再生可能な形で誘導されるメタンは、天然ガスパイプラインのネットワークに直接注入可能であり、あるいは環境に優しい燃料として販売可能な、他の合成燃料の製造に使用することができる。この明細書は、沖合風力タービンの前後の文脈で、水素および水素ベース生成物の生成を説明しているが、これらの方法は陸上においても実行可能なものであり、さらに、これらは因習的な従来技術の風力タービンと共に利用可能であることも理解されよう。「グリーンガス」の生成は、太陽熱あるいは地熱など、風力エネルギー以外の再生可能エネルギー源を用いても達成することができる。

本発明の実施形態は、複数の風力タービンローターからの電気出力を、電気的あるいは機械的に合算する方法も含んでいる。本願明細書に開示されているように、個々のローターからの電力を合算することにより、タービンハブに位置する重量を軽減し、重量をタワーの下部に移動させ、その結果、タワーの構造的な要件および外殻のバラスト要件を低減させることが可能である。本願明細書で説明される電力加算技術の実施例は、陸上ならびに沖合に位置する風力タービンのアレイに役立つ。

以下の開示では、本発明の範囲および有用性を示す(しかし、制限しない)ために、本発明のいくつかの実施例が説明されている。「風力タービン」という用語は、本願明細書では、風力発電システムの主要ムーバー（mover）部分を説明するために、さらに、風力発電システムの檣頭部分、および非タワー部分を説明するために使用されている。「風力タービン」という用語は、これらの要素を含む実施例のための駆動トレイン、ギアボックス、および発電機を包含している。「ローター」という単語は、風力タービンの外部の回転部分、すなわち、ブレードおよびハブを示している。すでに留意したように、「ウインドシップ」という単語は、本願明細書では、半潜水型沖合海洋風力発電システム、および前記システムのための支持構造物を説明するために使用される。

図１は、アンカー９により海底に繋がれたウインドシップ１上に取り付けられた、１つのタワー５につき、風力タービン３が３つ備えられた、４つのアレイを示している。図１の前景には、他のウインドシップ１と船団を組んでいる、ウインドシップの半潜水外殻７上で海洋に係留された、３つの大きなローター３を用いる、ウインドシップ１の形での沖合風力タービンがある。図１に示されるように、本発明は、半潜水外殻７により支持されるタワー５に配置された、多数の風力タービンローター３を含んでいる。ローター３はアレイに配置され、各ローターはその位置で受ける風速に最適化される。ウインドシップ１は、繋ぎ縄１１によりアンカー９に取り付けられている。電力は、ウインドシップ１から電力ケーブル１３を通して伝送可能である。電力ケーブル１３は、陸上の収集ポイント、あるいは複数のウインドシップ１からの電力が集められて陸に伝送される沖合の中央収集ポイントに誘導可能である。また、電力ケーブル１３は、陸に向かって輸送可能な水素あるいは水素ベースの生成物を合成するために電力を使用する、ウインドシップ１の船団と関連する中央処理プラントに誘導されてもよい。

ウインドシップは、アンカー９に取り付けられた係留ケーブル１１を使用する。アンカー９は、強風の状況を含む、想像し得るあらゆる負荷状態においても、ウインドシップを固定するほど重くなければならない。係留は、局所的な海流および風に対してウインドシップ１自体が整列するよう、ウインドシップ１が動作できるようにする。ケーブルの「トレイン（train）」角は、局所表層流の強度、および風力タービンにより引き起こされる風荷重の組み合わせである。これは、ウインドシップが風下ローター３を用いている、図１に見ることができる。また、図１に示される垂直風力タービンアレイのために、ヨーモーメントは、ネットヨーモーメントを生成する２つの側の間の差動的な空力的力を生じせしめる、アレイ内の機外ローターを制御することにより生成可能である。差動的な空力的力は、ブレードのピッチ、あるいは速度、あるいはその双方を変更することにより生じせしめられる。この追加的なヨーモーメントは、表層流あるいは一時的な状況により生成される逆ヨーモーメントからウインドシップをさらに安定させるために使用可能である。陸上と比べて海洋では確率的に小さく乱気流も少ないが、風が方向を変えたときは、構造全体が海洋表面上で風下を向く。係留ケーブルは、ウインドシップのウォッチサークル全体にわたり、妨害されることなくウインドシップの向きが変化する、十分な範囲を有していなければならない。海洋表面での、この運動自由度は、タービンのためのヨー駆動の必要性を排除する。

この問題が、従来技術の陸地ベースの風力タービンに対するものと、ローターアレイを有するウインドシップに対するものとでは異なっているため、ここでヨー力学を、詳細に議論するのが適当である。アレイ内の所与の高さにある全てのローターが同様の動作条件(主として同じピッチ角とローター速度)を有しており、それらが自己の最適電力を生成している場合には、アレイにわたるスラスト力の分配は均等に分布されており、全てのスラストベクトルは風下を指し、いかなるネットヨーモーメントも存在しない。風が方向を僅かに変えると、ローターは全て、軸スラスト成分に加えて横風成分を有することになる。横風力は、各ローターに、軸スラストに対して垂直で、横風流動の方向に向かう面内力を生じさせる。風下のローターあるいはアレイ(タワーの風下)に対して、横風力は、システムが新しい風向きへのヨーを引き起こすよう、回復モーメントとして作用する。商業風力ファーム内で、ヨードライブの誤動作あるいは喪失に対して安定動作する風上タービンで、経験により証明されているように、風上方向を向いたローターあるいはアレイであっても、横風力は回復モーメントとして作用する。乱気流、風力剪断、ジャイロスコープ力、ローター力学、および他のファクターによる二次的空力的および動的効果は、風力タービンを不安定にし、風力タービンを風から偏向させるよう作用することになり、そのため、ほとんどの市販の風力タービンは、能動ヨードライブを使用している。ウインドシップについては、能動的機械的ヨードライブの組み込みは容易な事柄でなく、ヨー制御およびヨー安定性を提供する、他の方法を見つけることが好ましいであろう。これは、船外ローターの空力特性を変更することにより達成可能である。船外ローターのピッチ角、および/またはローター速度を調整することにより、これらのローターにおける軸スラストを自在に変調することが可能である。１つの船外ローター上の軸スラスト力を増加させることにより、および/または、反対側のローター上の軸スラスト力を減少させることにより、アレイの一方から他方への軸スラスト力に差を生じさせることができる。２つに分割されたアレイの幅により乗算される、スラスト力での差は、ウインドシップ上にネットヨーモーメントを与える。空力的スラスト力は、ウインドシップを風向きへ方向付けるのに十分な、ヨーモーメントの達成に要する数のローター上で変調可能である。例えば１２個のローターのアレイでは、２つの船外ローターのスラスト力を変調するだけでよいが、３６個のローターのアレイでは、十分なヨーモーメントを達成するには、４個、６個、あるいは８個のローターのスラスト力を変調することが必要な場合がある。風が完全に穏やかな状態であっても、船外ローターおよびそれらを回すモーターへ電力を提供することにより、なおネットヨーモーメントを生成可能であることに留意されたい。ヨー翼板は、タワーの先端、あるいは風力タービンのアレイの先端に設けられるべきである。風向計は、ローターのピッチ角あるいはローター速度を調節する指令信号を、適切なローターへ順番に供給するヨー制御装置に、入力信号を供給するために使用可能であり、これにより、これらのローターのスラスト力が調節される。ヨー翼板および制御装置の動作は、能動ヨー制御を備えた、従来技術の陸地ベース風力タービンのものと同様でも良い。３つの風力タービンのみの小規模アレイの場合、あるいは単一のローターを備えたウインドシップの場合であっても、１つ以上のローター上のブレードを周期的にピッチングすることにより、ネットヨーモーメントを生じさせることが可能である。周期的ピッチは、ローターの２つの側面に差動的空力的な力を与え、それにより、ヨーモーメントを生じさせる。これは、周期的ピッチにより達成される、ヘリコプターにおけるステアリング制御に類似している。

風力タービン３、およびタワー５の細部は、「垂直アレイ風力タービン」と題された、共に出願中の米国特許出願第１０/０９２,７７５号において説明される風力タービンと同様であり、その教示内容は、参照することにより本明細書に組み込まれる。

風力タービンおよび風力タービンローターの設計は、単純なものではない。負荷、材料、構造力学、空力学、制御、および電力変換に関して対処する多くの複雑な問題がある。設計においては、細部に注意することが非常に重要であるが、当業者ならば、本願明細書に開示されるウインドシップに必要な風力タービンを設計可能であろう。風力タービン設計のためのガイダンスは、以下の参考文献に見出すことが可能であり、これらすべては、参照することにより本明細書に組み込まれる：
風力タービン設計のためのガイドライン(Guidelines for Design of Wind Turbines)、ノルゥエイ船級協会（デト・ノルスケベリタス：Det Norske Veritas）、コペンハーゲンおよびリソ（Riso）国立研究所、デンマーク、２００２年。
ハウイー（Hau、E.）、風力タービン―原理、技術、応用、および経済性(Windturbines - Fundamentals. Technologies, Application, and Economics)、スプリンゲルフェルラク（Springer Verlag）、ベルリン、ハイデルベルグ、２０００年。
エッグレストンディー（Eggleston, D.）、ストッダードエフ（ Stoddard, F.）、風力タービン技術設計(Wind Turbine Engineering Design)、バンノストランドレインホルド（Van Nostrand Reinhold）、ニューヨーク、１９８７年。
バートンティー（Burton, T.）、シャーペディー（Sharpe, D.）、ジェンキンスエヌ（Jenkins, N.）、ボッサーニイー（Bossanyi, E.）、風力エネルギーハンドブック(Wind Energy Handbook)、ジョンワイリーアンドサンズ（John Wiley & Sons）、ウェストサセックス、イギリス、２００１年。
ガッシュアール（Gasch, R.）、トゥウェルジェイ（Twele, J.）、風力発電所―原理、設計、工事、および動作(Wind Power Plants - Fundamentals, Design, Construction, and Operation)、ソーラープラクシスエージー（Solarpraxis AG）、ドイツ、２００２年。
フレリスエル（Freris, L.）、風力エネルギー変換システム(Wind Energy Conversion Systems)、プレンティスホールインターナショナル（Prentice Hall International）社、ロンドン、１９９０年。

特に、沖合風力タービンの設計には特に注意を払わなければならない。これらの風力タービンは、波動ローディング、岸にあるタービンとは異なる力学、塩水環境による腐食、および他のファクターに関連する、特有の設計上の配慮を含んでいる。沖合風力タービンの設計に関する特別な章は、風力発電所―原理、設計、工事、および動作(Wind Power Plants - Fundamentals, Design, Construction, and Operation)と題された上記参考文献の第１３章、および風力タービン―原理、技術、応用、および経済性(Windturbines - Fundamentals. Technologies, Application, and Economics) と題された上記参考文献の第１６.６章に見ることができる。ウインドシップ用の風力タービンローターの設計は、負荷仕様が若干異なるという点で、陸地ベースの風力タービンと異なっている。ウインドシップが後ろ向きおよび前向きに傾くに従い、各ローターから「見る」相対的な風速は変化する。ウインドシップ力学への空力的負荷のこの依存性は、ローターの設計において考慮されなければならない。この振舞いは、陸地ベースの風力タービンにおける、非常にフレキシブルなローターと類似している。設計荷重の計算は、当業者の能力範囲内のものである。

係留ケーブル１１は、垂直力ベクトルならびに水平力ベクトルを受ける。これらの成分の深度での配分により、係留ケーブル１１の形が決定される。垂直力成分は、係留ケーブル１１の重量およびウインドシップの動的な(ランダムおよび周期的の双方)上下揺れに起因する。垂直力は結局、ウインドシップ外殻７を動揺させることができる。したがって、図６に示されるように、特定の場合には、ウインドシップと係留ケーブル１１との間に、係留ブイを備えることが望ましい場合もある。係留ブイが用いられる場合、それは、係留ケーブル１１を上昇させ、そうでなければ、ウインドシップの外殻７に作用する垂直力を取り除くように作用する。係留ケーブル１１への力の水平ベクトルは、アンカー９の周りのウォッチサークル内にウインドシップを留めるよう作用する。水平力は、風力タービンへのネット風下空力的力、タワーならびにウインドシップの他の檣頭構成要素への風下抗力、風力タービンへの横風空力的力、海流および表面波列に起因する外殻７および他の任意の水面下構造へのネットスラスト、および氷荷重や保守船の訪問などに起因する、任意の追加力の組み合わせの結果である。係留ケーブルへの水平力には、ウインドシップの外殻７に作用する、対応する反力が含まれる。水平拘束力がウインドシップを不安定にさせないよう、係留ケーブル１１の外殻７への取り付けポイントは、適切に選択することが重要である。取り付けポイントは、係留ケーブル１１がウインドシップに反り返り（レイバック：layback）モーメントを導入することがないよう選択されなければならない。係留ケーブル１１が外殻７の上部あるいは下部に取り付けられた場合は、結果として、水平力によりウインドシップは前方あるいは後方に傾くことになろう。係留ケーブル１１が重心と浮心の間のどこかで外殻７に取り付けられる場合は、レイバックモーメントが生成されることはないだろう。適切な取り付けポイントの選択は、当業者の能力範囲内のものである。

係留ケーブル１１が外殻７に適切に取り付けられても、ウインドシップの重心に整列していない水平力に起因して、ウインドシップには未だにレイバックモーメントが存在することになる。考慮すべき主要な水平力は、風力タービンおよび喫水線より上にあるタワーにかかる空力的負荷に起因する。風速が増加するに従い、これらの力は増加し、ウインドシップは何らかのレイバック角度での均衡位置まで傾く。浮心と重心との間の距離は、空力的力により引き起こされたレイバックモーメントを打ち消す回復モーメントを決定する。この理由で、バラストウェイト１９は垂直に可動となっている。風速が増加するに従い、バラストウェイト１９は、ウインドシップに安定モーメントを生じさせるよう下向きに動かされ、レイバック角度を減少させる。風力タービンローターが優れた空力的ダンパーを作るため、レイバック角度が前後に傾くレート（rate）は、ウインドシップにとって好都合なものである。ウインドシップが前方に傾くにつれ、各風力タービンローターにかかる相対的風速は増加するので(部分的には吹き付ける風のベクトルがローター軸のより近くに並ぶようになるため、ローターにとってより有用な風速が提供され、その結果、より多くのスラストが提供されるので)、ウインドシップへの空力的力は増加する。ウインドシップが後方に傾くにつれ、相対的な風速および空力的な力は減少する。したがって、空力的な力は、傾斜レートとは逆になる関係を有しており、安定したモーメントを提供する。これは、ダンパーの古典的なふるまいであり、ウインドシップを非常に安定させ、抵抗のないものにすることに役立つ。また、突風や波浪などの動的な出来事においては、風力タービンローターは、作動中に、ローター平面の動的動きに対し非常に効果的な空力的ダンパーとして機能するので、これは事実である。本発明に従う比較的大型のウインドシップ(各ローター直径が２０メートルの３６個のローターのアレイを含み、合計２４MWと評定されるウインドシップ)に対してさえ、レイバック（layback）角度は、時速１２５マイルの風の中で３.２度であると計算される。これが、非常に大きな直径を有する単一のローターと比較して、より小さなローターのアレイが大きな利益を有する点である。ウインドシップ上の高いタワー上の、２.５MWに評定された、ローター直径１０４メートルの単一のローターに対する計算では、１５度以上の後方傾斜角を示している。こういう理由で、単一ローターが全ての水平力をタワー先端に置くのに反し、小さなローターのアレイは、外殻７のずっと近傍に負荷を分配する。また、アレイ内のローターの重量は、外殻７のより近傍に分配されるので、単一大型ローターと比較して、小さなローターのアレイでは、メタセンター高度ならびにウインドシップの重心は遥かに低くなる。浮動構造安定性の議論は、参照により本明細書に組み込まれる、以下の参考文献に見出すことができる：
ローソンケイ（Rawson, K.）、トゥッパーイー（Tupper, E.）、基本船舶理論(Basic Ship Theory)、アメリカンエルセヴィアーパブリッシング（American Elsevier Publishing）社、ニューヨーク、１９６８年。

図２は、３つのローターを備えたウインドシップ１の水面下からの透視図を示している。ウインドシップ１は、海水から水素を生成し、その生成物を海洋パイプライン１５に送給する。ここでは、アンカー９は、水素を中央収集ポイントに輸送する、水面下の収集パイプライン１５の一部を成す形で示されている。図２では、外殻７は、４つの部品から成るように示されている。ここでは、正の浮力を提供する、３つの浮揚性外殻球１７が存在する。外殻の下には、球形のバラストボックス１９がある。バラストボックス１９は、岩石、コンクリート、あるいは他の負の浮力を提供する非常に密度の高い材料で満たされている。バラストボックス１９は、ジャッキ機構２０を介して、浮揚性外殻球１７に取り付けられる。ジャッキ機構２０により、バラストボックス１９は、垂直に移動して位置変更可能である。バラストボックス１９の垂直配置は、ローター３上の風力荷重により引き起こされる、転倒モーメントに対する可変量の抵抗を与える。風速が増加するにつれ、バラストボックス１９は、ローター３への空力的力を打ち消し、ウインドシップ１のレイバック角度を減少させるために下降する。バラストボックス１９の垂直運動はまた、波が通り過ぎる際にウインドシップ１が受ける上下動あるいは垂直方向の動きを小さくすることができる。メタセンター高度および横傾斜角は、激しい風におけるレイバック角度を減少させるよう調整可能である。従来の船舶外殻の形状においても事実であるように、半潜水設計によって、激しい波浪の中でもローリングやピッチングがほとんどない、非常に安定したプラットホームが可能となる。半潜水型外殻のアプローチは、喫水線レベルに比較的小さな領域を置くだけであり、構造を激しい波浪でもさほど傷つかないものにする。このアプローチは、海洋調査船において、実験および乗組員の安全のための安定した慣性プラットホームを実現するために、現在使用されている。

浮揚性外殻球１７は空洞であるため、そこには他の設備を収容することが可能である。図示された実施例では、海水を淡水に変換する脱塩装置２１が備えられている。ウインドシップ１が五大湖などの淡水ボディーに配備される場合は、脱塩装置２１は必要ない。脱塩装置２１から得られた淡水は、外殻１７の底にある純水タンク２２内に貯蔵される。浮揚性外殻球１７はまた、純水を水素と酸素に変換する電解槽ユニット２３を含んでいる。水素はパイプライン１５を通って中央貯蔵および分配位置へ輸送され、さらに、酸素は図２においては外殻１７から上昇する気泡２４として示される、無害な副生成物として放出される。海岸線付近にウインドシップがある場合には、水素を陸に向かってパイプ輸送可能であり、あるいは、水素を中央処理し貯蔵する船へ輸送可能である。輸送船は、水素を、中央船からそれが販売され使用される岸に送り戻すことができる。あるいは、個々の各風力タービンの外殻１７内で海水を電解する代わりに、各ウインドシップ１で生成される電気を、電気アンビリカル（umbilical）１３(図示せず)により中央作業船へ搬送可能である。作業船は、後に岸へ送り戻される水素および水素ベース燃料を生成するために電気を使用する。ウインドシップの各空洞外殻１７のスペースの他の用途は、居住区、説明したもの以外の幾つかの他のエネルギー集中産業、研究用プラットホーム、あるいはこうしたスペースに適した任意の他の使用などが考えられる。

図３は、海洋に係留され、輸送用水素を製造する、各々３４個のローター３を備える多くの大型アレイウインドシップ１の形の、本発明の他の実施例を示している。この実施例は、風力タービンローター３の遥かに大型のアレイ、この場合は、各ウインドシップ１用に３４個のローター３を含んでいるのを除けば、図１および図２に示されたものと同様である。ウインドシップ１上の各ローター３は、正確なローターサイズについては、当業者が、サイトの条件および他の評価基準に応じて選択する設計選択であるが、おおむね直径２０メートルであると考えられる。この実施例により、各風力タービンアレイに対して、３４個のタービン３全ての集合重量と同程度の重量を有する単一タービンよりも、遥かに高レートの能力を達成可能である。外殻７、アンカー９、パワーアンビリカル１３、および他の設備の固定コストが高い場合には、高レートの能力は経済的に有利である。電力ケーブル１３および係留ライン１１は、サイトの条件ならびに他のファクターに応じて別々の経路となっていてもよいが、この図面およびそれに続く若干の図面では、一緒に束ねられていることに留意されるべきである。この図では、サービス船１０は、保守、試薬の再供給、あるいはウインドシップ１で生成される生成物もしくは副生成物の回収のいずれかのために、ウインドシップ１に接近している。

ウインドシップは、深水域、浅水域、および非常に深い水域に対して、異なる特性を有していなければならないが、既存の造船学技術により、これらのすべての建設が可能である。深水域、あるいは大陸棚深度の水域では、電力ケーブル１３は、海底に係留ケーブル１１を辿っている。このケーブルは、他のウインドシップからのこうしたケーブル１３が多く集められる収集ポイントまで、海底に敷置され、あるいは掘削した溝に固定される。この収集ポイントにより、作業船と呼ばれる専用ウインドシップにおいて、全てのケーブル１３が浮上することが可能となる。生成された電気は、ここで、海水を脱塩し、電解して水素を生成するのに使用される。作業船は、水素および生成される水素派生物燃料を製造し貯蔵するための施設を有している。作業船は、今日の液化天然ガスのタンカーおよび貨物船と同一の方法で、岸の市場に輸送する海上の船舶へ、その燃料をオフロード（offload）する。

非常に深い水域(１０００メートル以上)では、海底まで往復する電力ケーブル１３を使用することは経済的ではない。この場合、作業船は、非常に大きなウインドシップの円形グリッドの中央に位置し、個々の電力ケーブル１３の収集は、係留ブイを用いて海洋表面上で行われる。この小船団では、係留ケーブル１１およびアンカー９は、互いに十分な距離を置いて離れているが、ウインドシップ間の干渉を避けるよう、各ウインドシップのウォッチサークル内には十分な範囲が存在している。中央にある作業船は、電力ケーブル収集ポイントのための安定位置の保持を可能にするよう、ほとんどあるいは全く範囲を有することなく配置される。表面ケーブル用係留ブイは、作業船の周りのウインドシップ船団の、完全な再配置を可能する程度の「ゆるみ」を有している。このように、ウインドシップの小船団は、実際に海洋のいかなる場所であれ、非常に深い水域に配備可能である。しかしながら、海洋で最も産出力がある風力エネルギーサイトは大陸棚に存在する。また、この文書は海洋位置に配置された風力タービンについて言及しているが、風力タービンが、米国の五大湖などの淡水ボディーにも配置可能であることは理解されるべきである。本発明は浅水域でも役立つものであるが、くい打ち基礎が実用的でない深水域位置には特によく適合する。

アンカー１１に繋がれた潜水可能な外殻７は、浅水域位置の海底に埋め込まれた基礎によって支えられた、従来技術の沖合風力タービンに対し、いくつかの利点を備えている。第１の利点は、これにより沖合風力タービンが比較的深い水域に配置可能であることである。他の主要な利点は、既存の造船所の海岸線で風力タービン全体が組み立て可能であることである。風力タービンは、組み立て後に、所望位置に牽引される。ひとたび所望位置に来ると、パワーアンビリカルコード１３に沿ってアンカー９を海底へ落としさえすれば、ウインドシップ１は動作準備完了となる。これにより、高価で壊れやすいクレーンおよび他の設備を用いる、海洋での風力タービン組み立ての複雑さが省かれる。従来技術の沖合風力タービンの他の欠点は、風力タービンが取り除かれたずっと後まで、当該場所にくい打ち基礎が残っているため、深刻な環境問題および航行上の危険を引き起こすことである。本発明を用いることで、風力タービンの耐用年数期間が過ぎると、繋ぎ鎖ライン４を切るだけで、風力タービンを牽引してゆくことが可能となる。これにより、その場に残すのはアンカー９だけとなり、海底の環境破壊を引き起こすことはほとんどない。他の主要な利点は、すでに上で説明されてきた、タービンのヨー駆動の必要性を排除する、ウインドシップ１を風向きに「向ける」能力である。

図４および図５は、ウインドシップ１をそれぞれ前面および側面から示している。これらの図は、海洋での半潜水型外殻上に設置され、従来技術の３つの直径タービン３を用いる、本発明の実施例を示している。風力タービン３は、当業者が、サイトの条件および他の基準に応じて代替的なローターサイズを選択する場合もあるが、各々が６６メートルのローター直径を有する市販の従来のタービンとすることが企図される。６６メートルサイズの範囲の市販の風力タービンは、現在、浅水域海洋にインストールされているが、基礎用に、海底に高価なくいを穿孔あるいはマウントしなければならない。加えて、製造者は、高価で複雑な設備を用いて、これらのくい上にその大型タービンを海洋で組み立てなければならない。本開示では、ウインドシップ１上のアレイ内に、同一の６６メートル風力タービン３をより容易に配備可能である。各風力タービン３は、その位置で受ける風力に対して最適化されるべきであると考えられる。ウインドシップ１は、今日最も一般的に使用されているものを含む、多くの異なる種類のタワーを用いてもよく、また、任意の種類の風力タービンも利用可能である。より小さな檣頭重量の、より安価なウインドシップ１が製造されるべきである。

図４および図５では、中央タワー３３およびサイドタワー３１を含むタワー５は、ウインドシップに浮力を供給する半潜水型外殻７によって支えられている。外殻７は、海底上のアンカー９に取り付けられた繋ぎ鎖ライン１１により適所に支持され、安定化のために、下降可能なバラストボックス１９を用いる。外殻７をアンカー９に接続する繋ぎ鎖ライン１１はある角度を有しており、それによりウインドシップ全体は、アンカー９の周りの円内で移動することが可能となる。タービン３およびタワー５の風負荷のため、ウインドシップ１の位置は、風力タービンが常にアンカー９より風下にあるよう、風向きおよび海流に応じて変化する。風向きがシフトするにつれ、風力タービン３が常に風に対面して方向付けられるよう、繋ぎ鎖ライン１１は、外殻７の風上側において、外殻７へ接続されている。これにより、陸地ベースのシステムに必要な、タービン上のヨードライブ機構の必要性を排除する。ウインドシップ１のヨーイングは、２つのサイドローター３上の空力的力を調整することにより増大してもよい。空力的力は、ブレードのピッチ角、あるいはローターの回転数、あるいはその双方を調整することにより制御されてもよい。サイドローターへの空力的力に差がある場合は、ネットヨーモーメントが生じ、ウインドシップ１は風に対面するよう偏向可能である。代替的に、ネットヨーモーメントを生じさせるようサイドローター３上の空力的力を制御する代わりに、周期的にローター３の１つのあるいは全てのブレードをピッチングすることで、ウインドシップ１にヨーモーメントを生じさせることもできる。周期的ピッチングは、操縦性の達成のためにヘリコプターローターにおいて行われるように、ネットヨーモーメントを生じさせることができる。周期的ピッチングは、複雑で信頼できないことがあるため、本発明の実行の最良の態様は、空力的力の差を生成するようサイドローター３を制御することである。

図４には、風力タービンタワー５の基底から、中央収集ポイントに向かって伸びる電力アンビリカル１３が示されている。電力アンビリカル１３は、沖合風力ファームの全ウインドシップに接続しており、電力を中央位置に集める。電力は、そこから沿岸位置に電力として送り戻されるか、あるいは電解により水素に変換され、水素および水素ベース燃料を陸に向かって輸送することもできる。

図６は、本発明の実施例に従う、１５個のローター３を備えたウインドシップの側面を示しており、さらに檣頭支持構造；１５個の風力タービン３を保持するトラスタワー構造の詳細を示している。風力タービン３は、当業者が、サイトの条件および他の基準に応じて代替的なローターサイズを選択する場合もあるが、それぞれ２０メートルのローター直径を有することが企図される。このトラス構造は、ワイヤーロープあるいは支線を用いて強化された引張部材である。引張強化タワー５には、堅固な鋼鉄材がさほど必要でないため、これによりタワーの構造はさらに軽量となる。また、風力タービン３の重量がより小さいため、単一大型ロータータービンと比べると、タワー構造は従来技術の風力タービンタワーよりも軽量である。個々のローター３は、ハードポイントが利用可能である場合、および支持機構の偏向が最小限である場合に、支持構造上に配置することが有利である。これらの位置は、各アレイのための支持構造物の設計の固有の部分であり、アレイの高さ、ローター３の数、ローター３の直径、およびアレイ内に必要な電力に依存する。

また、図６は、上昇位置１９aならびに下降位置１９bにあるバラストボックス１９を伴う、半潜水型の深水域ウインドシップ１を示している。バラストボックス１９の機能は、風速が増加し、もしくは減少したときの転倒モーメントに対し、風力タービンローター３およびタワー５を動作させることにより生じたスラスト負荷に対し、多かれ少なかれ安定性を付与することである。

基本的な風力発電機３およびタワー５の重量が小さいため、アレイおよび引張部材強化構造を備えた檣頭は、単一ローター設計と比べて遥かに小さな全重量で、同一出力電力を達成可能である。言い換えれば、同様の檣頭重量に対する、全風力タービン３を結合した集合定格出力は、従来技術の単一風力タービンと比して遥かに大きくなり得る。檣頭重量は、激しい波浪における任意の船舶の安定性の基本的基準であるメタセンター高さを決定するので、海洋に適した海洋構造物においては重要である。

図６は、繋ぎ鎖ケーブル１１の重量および抗力により生じる垂直力の相殺に使用される、係留ブイ２５を示している。この実施例では、繋ぎ鎖１１と結合された電力ケーブル１３が存在する。ウインドシップ１から電力ケーブル１３への電力を得るために、繋ぎ縄１１および電力ケーブル１３アッセンブリ内に、回転自由度を残すような方法で電力を移送するスリップリングアッセンブリ２７が使われてもよい。アンカー９からは、ウインドシップ１のアレイの電気出力を合同させ、それをユーティリティグリッドあるいは中央作業船に配送する海底電力ケーブル２９が伸びている。

図７および図８は、本発明の他の実施例を示している。図７は正面図を示し、図８は、トラスタワー構造支持２３風力タービン３の平面図を示している。このトラスは、檣頭重量、および構造上にあるタービン３により課される他の動作負荷を管理するために、簡単なセンタートラス３３から適切な角度で突き出てた構造的なウィング３１を有している。この実施例では、ウィング３１は、鉄鋼、アルミニウム、あるいはグラスファイバー合成物によって構成可能である。ウィング３１は、ローターに対するハードポイントを提供し、センタートラス上に均等に負荷を分散する平坦なスパン構造である。この実施例は、従来技術のタワー上の従来技術の風力タービンでのケースにおけるように、先端のみに負荷が集中するのではなく、構造全体に分散されるので、単純なセンタートラス設計よりも有利である。また、この特徴により重心を低くすることが可能となり、安定性が増す。

中央パイロン３３上の垂直なスペースフレームの設計は、可能であれば常に引張部材が用いられる。これは、帆船に要求される「ステイドマスト」引張部材におけるように、通常の造船学的手順に従う。このアプローチは、「引張部材強化」マストおよびスパーと呼ばれている。これらのワイヤーロープあるいは檣頭支線ケーブルは、各ローター３の重量およびスラスト負荷を中央パイロン３３へ効率的に移すために使用される。１つの効率的な設計アプローチでは、中央パイロン３３に六角形のタワー断面が用いられている。これにより、船首および船尾、風向きのいずれの側にも面した４つの六角形「面」での、水平ウィング３１あるいは負荷の効率的な配置が可能になる。

風力タービン３を保持するウィング３１あるいは水平フレームは、比較的軽い構造である。タービンにより生ずる負荷は構造に沿って曲がるだけなので、これらのウィング３１に対するコラム座屈要件は、ほとんどあるいは全く存在しない。またウィング３１は、海洋での保守を可能にするよう、クルーアクセス保護通路を備えている。また、これらのウィング３３は、従来技術の管状風力タービンタワーに使用可能であった。この場合、チューブタワーに課される負荷は、タワーの能力よりはるかに小さいであろう。したがって、従来のチューブタワーを用いる支持構造全体は、中央パイロン３３に使用される管状タワーが設計過剰なため、適切なウインドシップトラスパイロンよりも重く、高価である。

１２個以下のローターを備えた、もっと小型の垂直アレイタワーでは、支線がなく、従来の水平トラス設計を用いるウィング３１を有することが可能である。このアプローチでは、タービンサポートおよびウィング３１は、水平面において、中央パイロン３３に課される全空力的カンチレバーモーメントに抵抗する程度の、曲げ強度を有していなければならない。ウィング３１の材料は、鉄鋼、アルミニウム、合成物、あるいは木であってもよい。タワー構造の檣頭重量軽減には、材料および効率的トラス設計の選択など、様々な工学的アプローチを用いることができる。これは、メタセンター高さおよび安定性に影響するため、耐航性に有利である。このように、ウインドシップタワー５は、張力強化部材を用いなくとも、従来技術の風力タービンタワーより遥かに軽量で安価である。

本明細書に説明されている半潜水型外殻の支持構造物７は、単一で大型の従来技術の風力タービン設計と共に直接に使用可能であり、さらに市販の風力タービンを用いて配備可能である。タワー頂上にある単一大型ローターから、同等な垂直アレイ風力タービンに変更することの利益は、より多くの電力、より小さな重量、より少ないコスト、および、より大きな安定性である。

図７および図８はまた、クワドシリンダ（quad-cylinder）半潜水型外殻３５を示している。これは、より大きな檣頭アレイを支持するよう一団となった、より小さな４つのウインドシップ外殻を用いる方法である。この実施例はまた、公海および激風の中での安定性を改良する、可動バラストボックス１９を使用している。ジャッキ機構２０は、バラストボックス１９を、図示された上昇位置から、激風状態での安定性を増加させる下降位置まで下ろすために使用される。図７および図８では詳細に示されていないが、ジャッキ機構は、当業者なら、こうした機構を市販の部品から設計可能であろう。図８は、構造上、風力タービンローターに均等な間隔を与える、トラスタワーおよびウィング３１内に必要なオフセットを示している。

本願明細書に開示されている様々な実施例は、異なる数および構成の風力タービンローターを使用する。ウインドシップ内のローターの数および構成は、設計を誘導する様々な要因に応じた設計上の選択であることに留意すべきである。ローターの数、サイズ、および構成は、ウィンドシアー、乱気流、岸までの距離、許可問題、水深、波浪および海流の状態、および他の基準など、サイト固有の条件に依存している。また、垂直アレイの設計は、タワー材料のコストおよび可用性、およびアレイにおける市販の従来技術の風力タービンを使用する要求、保守事情、およびウインドシップが組み立てられる造船所のサイズ容量などの基準に依存している。

図９および図１０は、形が似ているので「ピルボックス」と呼ばれている、異なる形状をした半潜水外殻３７の形での、本発明の実施例の２つの正面図を示している。こうした形状は、鉄筋コンクリート、グラスファイバー合成物、あるいは鉄鋼の何れかで構成可能である。ピルボックス外殻３７内部には、発電機、電気分解装置、あるいは完全なウインドシップに必要なあらゆる設備のための十分な空間が存在する。それぞれ異なるスタイルの風力タービンを支持する、類似したピルボックス外殻３７の２つの変形形態が示されている。図９は、標準風力タービン管状タワー３８のためのピルボックス外殻３７aを示しており、これにより、例えば、遥か遠洋で、市販の直径６６メートルの風力タービンを配置することが可能となる。この外殻設計により、市販の６６メートル風力タービンの重量、モーメント、および負荷を構造内に取り込むことが可能である。安定性は、再び下降可能なバラストボックス１９により達成される。図１０は、トラスタワー５用に設計されたピルボックス外殻３７bを示している。市販の従来技術の単一大型風力タービンは、図９あるいは図１０に示されたピルボックス外殻設計で収容可能であるが、本発明実行のための最良の態様は、より小型の風力タービンローターのアレイを利用することである。一例として、定格容量２MWの、市販の単一の６６メートル風力タービンを収容するサイズに設計されたピルボックス外殻は、代替的に、集合定格５.３MW用の、定格容量４４０kWの、より小型の１２個のローターのアレイに対応可能である。ピルボックス外殻の費用は、いずれの場合も同一であるため、より小さなローターのアレイを用いるほうが明らかに有利である。市販の単一の大型風力タービンを用いる主な利点は、商業市場が大型風力タービンを受け入れるようになっており、ウインドシップに市販の単一の大型風力タービンを用いる、ビジネスあるいはマーケティング上の理由が存在するためであろう。

図１１および図１２は、マフ（muff）外殻３９と呼ばれる浅水域のウインドシップ外殻の形での、本発明の実施例を、それぞれ上方および側方から示す。マフ外殻３９は、鉄筋コンクリートで製造されており、喫水線より上の外殻の上端をまっすぐにするために用いるコンクリート製の垂直ブリッジ部材４８を備えている。マフ外殻３９内部には、他の可能な用途と同様に、バラスト用、および様々な電力および処理設備の収容のために、大きな体積３８が付与されている。マフ外殻３９は、多数の脚部４１を有している。実際の脚数は設計上の選択の問題ではあるが、図１１に示したように、実施例では１２本の脚部４１が使われている。脚部４１はコンクリートおよび構造鉄鋼で製造され、それにより足は大きな負の浮力を有し、浅水域の平坦ではない海底４０に適応するよう、外殻の周囲で垂直な関節を形作っている。脚部４１は、その上に、垂直に伸びる支柱４９を有する。脚部４１は、脚部４１が海底４０に設置されたとき、支柱４９が垂直となるよう設計される。マフ外殻３９は支柱４９と嵌合する穴を有しており、それにより、外殻３９の垂直な動きに応じ、外殻３９は支柱４９に沿って垂直に案内される。このように、脚部４１および支柱４９は、浅水域内での潮の満ち引きにより外殻３９が垂直に動くのに応じて、外殻３９を案内する。支柱４９は、外殻３９のための転倒モーメントに対する抵抗を与える。脚部４１は、動力を備えておらず、単純に、海面での変化により、マフ外殻３９を支柱４９に沿って乗せたり降ろしたりするだけである。これは、負荷を最小にし檣頭重量を均等に分配するために必要な、垂直な風力タービンアレイを達成するのに、浅水域において必要である。

図１２は、固定バラスト４２と可変バラスト４４との組み合わせを示している。固定バラストは、コンクリート、砕石、あるいは任意の高密度物質であってもよい。可変バラストは、海中にあるとき浮力を変更するよう、ポンプで出し入れされる海水である。これは、激しい波浪、嵐、あるいは風の中で要求される、追加的な安定性を付与するのに必要である。半潜水設計の特徴は、浮動構造が海底に強固には結合されていないことである。これにより、状態が変化すると、構造は均衡位置まで移動可能となり、海底に固定された剛構造より安定である。バラスト４４を変化させることにより、上昇状態および激風状態において、外殻を安定させることが可能である。図示された実施例では、可変バラスト４４の位置は固定されており、その体積のみが変化する。しかしながら、他の実施例に示されるように、ウインドシップの安定性をさらに改良するために、可変バラスト４４の位置を変えることも可能であろう。マフ外殻３９を備えたウインドシップ１の設計は、安全な港湾内で組み立てられ、脚部４１が下ろされる位置まで牽引することができる。これは、浅水域に設置可能でありながら、その場所で造らなければならない従来技術の沖合タービンより有利な点でもある。

マフ外殻３９の設計を用いるウインドシップ１では、脚部４１が海底４０にしっかり埋め込まれているので、受動的に偏揺れ（ヨー：yaw）することは可能ではなく、あるいは、風向きが変わる間に構造全体が偏揺れすることは可能ではない。したがって、マフ外殻３９は、外殻の頂部に平坦表面４３を有しており、その上では、タワーに取り付けられたローラー４５が、中央ポール４７の周りで回転してもよい。この実施例では、中央ポール４７は静止しており、曲げモーメントをタワーのベースで支持している。風力タービンのアレイを備える風力タービンタワーは、参照により本明細書に組み込まれる、陸地ベースの風力タービンの垂直アレイのための「垂直アレイ風力タービン(Vertical Array Wind Turbine)」と題された、共に出願中の米国特許出願第１０/０９２,７７５号に教示されたものと同一の方法で、ポール４７の周りを回転する。

各風力タービンのナセル（nacelle）内の檣頭重量は、半潜水外殻を伴うウインドシップにとって重要である。檣頭重量が増加すると、ウインドシップの安定性が減少する。従来技術の風力タービンでは、重量の多くがタワーの先端のナセル内に配置される。図１３は、機械的な低シャフト速度エネルギーを、使用可能な電気エネルギーへ変換する、従来技術の風力タービンのナセル５０およびローター３の切欠図である。従来技術の風力タービンドライブトレインは、ハブ５１およびブレード(図示せず)、メインシャフト５３、ベアリング５５、増速装置あるいはギアボックス５７、高速シャフト５９、カップリング６１、および発電機６３からなる、ローター３を備えている。発電機６３からの電力は、グリッドクォリティー電気であるか、あるいは他の構成要素を備えた檣頭もしくはタワーのベースへ配置可能なコンバーター６５内で、グリッドクォリティー電気に変換される。通常、グリッドクォリティー電気は、ユーティリティインタフェース変圧器に通じる電力ライン６７において結合される。ローター３は、効率的な風力エネルギー変換のために、低速である必要がある。メインシャフト５３は、ローター３により、空力的、慣性的、および弾性的に課される、定常的および動的負荷に抵抗し得る程度に強くなければならない。ベアリング５５は、寿命が長く、さらに実際に保守不要でなければならない。ギアボックス５７は、シャフト速度を現在の電気発電機の標準高速度まで上げるのに役立つ。これは、６０Hzのグリッドで動作する発電機では、一般に１２００rpmあるいは１８００rpmである。幾つかの現代の風力タービンは、入力シャフト上の可変rpm範囲を受け入れ可能な、可変速発電機を有している。現代の風力タービンドライブトレインの電力出力は、通常、国家標準の電気グリッドと互換性のある、６０あるいは５０サイクルの交流電力である。

本発明で企図されるウインドシップ上の風力タービンローターのアレイは、個々の風力タービンローターの各々からの電力を加算する代替技術を利用することにより、檣頭構成要素の重量を減少させる可能性を提供している。各ローターのナセルの重量を最小に保つことは重要である。風力タービンシステムが沖合に位置し、追加的バラストが必要となる場合に、檣頭に配置された余分な重量は、風力タービンシステム全体を不安定にするよう作用する。したがって、タワーのトップではできる限り少ない設備を保持し、同時に、できるだけ多くの設備をタワーの下部に配置することが望ましい。本発明は、この目的を達成するために、各ローターでの機械的エネルギーを有用な電気エネルギーに変換する、いくつかの技術を企図している。この技術は、設備が風力タービン檣頭からタワーのベースへ配置替えされてもよいよう、単一ウインドシップ上の複数の風力タービンローターからの電力を合算する、様々の巧妙なやり方を含んでいる。

電力加算の１つの実施例は、従来技術の通常の風力タービンドライブトレインを用いることであり、これは、交流でも直流でもよく、さらに一定速度、あるいは可変速度のいずれであってもよい。図１４および図１５はこの実施例を示しており、グリッドクォリティー交流電力は各風力タービンを離れ、複数の風力タービンからの電力がタワーの基底で加算される。これは、従来技術の陸上ウィンドファームのサブステーションにおいて、個々の風力タービンからの電力が加算されるのに類似している。図１４はドライブトレインの詳細を示しており、図１５は、タワー５を下降し、さらにタワー電力構成要素を下降する、電力経路を示している。この構成は、タワーの先端に殆どの重量を配置するものであるが、本願明細書に説明されている実施例では最も単純なものである。この実施例では、ローター３は低速シャフト５３を駆動する。シャフト速度は、ギアボックス５７内で加速され、高速シャフト６１が、可変速交流発電機６３に接続する。電力コンディショナー６５は、可変周波数の交流電力を一定周波数の交流電力に変換するよう、発電機の次に取り付けられている。電力コンディショナー６５は、可変周波数の交流電力を直流電力に変換するためにIGBTスイッチあるいは他の固体装置を用い、さらに直流電力を一定周波数の交流に変換して戻す、もう１組のスイッチを使用する。電力ケーブル６７は、電力を、タワー５を下降して、タワーのベースへ伝達し、タワー６９aの長さ上、あるいはタワーの基底６９bのいずれかにある変圧器６９において、他のローターのアレイからの一定周波数の交流電力を加算する。この加算された電気生成物は、国家標準のグリッドと互換性がある。

電力加算システムの他の実施例が、図１６および図１７に示されている。これは、電力電子コンバーター６５がタワー５の下部に位置するのを除けば、図１４および図１５に示された第１実施例と概ね同様である。各ローター３からの可変周波数の交流電力は、タワー５を下降し、ジャンクションボックス７５を通って、コンバーター６５へ送られる。一定周波数の電力は、送電網に伝送するようコンバーター６５から取り出され、あるいは水素もしくは他の役に立つ生成物の生成に使われる。ここでは、電力コンバーター６５の２つの部分、すなわち、すべての可変交流電圧を直流に変換しそれを加算する加算整流器７１、および直流をグリッドクォリティー交流電気に変換するインバータ７３が示されている。この実施例は、比較的単純であり、低リスクの解決策を表している。この実施例では、電力電子コンバーター６５の重量はタワー底部へ移されるが、各風力タービンローターには、依然としてギアボックス５７および発電機６３の重量がかかるという不都合がある。

電力加算システムの他の実施例が、図１８および図１９に示されている。この実施例では、低速ダイレクトドライブ発電機６３を利用することにより、ギアボックス５７を排除している。発電機は、高電圧直流発電機６３であることが好ましい(しかし、随意的には、交流発電機でもよい)。各ローター３が異なるローター速度で作動可能となるには、風力タービンアレイの各発電機６３に対して発電機電界制御が必要である。この実施例では、アレイ内の各風力タービンに関連づけられるギアボックス５７、およびほとんどのカップリング５９の重量を排除する。これは、好ましい実施例であり、本発明を実行する最良の態様であると考えられる。

各発電機６３からの直流電力は、タワー５の基底で加算され、定速直流モーター７９を動かすために使用可能である。直流電力は、タワー５を降下し、ジャンクションボックス７５を経由して直流バス７７へ、あるいは直流のバンクから直流コンバーター７７へ、あるいは直流電力を加算する他の装置へ送られる。フライホイール８１は、随意的に、電力エクスカーションを整え、低風期間に備えた若干のエネルギー貯蔵を提供する。フライホイール８１は、それ自身の直流モーター/発電機８３により駆動されるのが示されている。主要直流モーター７９からのドライブシャフトは、一定周波数の交流発電機８５を駆動するために使用可能である。交流発電機８５からの電力出力は、グリッドに給電される、あるいは、水素、メタン、あるいは陸へ輸送可能な他の付加価値生成物を生成するために使用される。直流モーター７９、フライホイール８１、および交流発電機８５を使用する代わりに、随意的に、これらのアイテムを、直流電力を一定周波数の交流電力へ変換する、電力電子インバータ７３に取り替えてもよいだろう。

図１８および図１９に示された電力加算システムの実施例では、直流電力が、タワーのベースにおいて、水素の生成、水の脱塩、あるいは若干の他のタスクの実行に使用されるならば、タワー底部で直流電力を交流電力へ変換する必要はない。水から水素を抽出する電解システムは、多数の電解セルを使用することができ、各セルは、全体に比較的低い直流電圧を必要とし、さらに、各セルは、そのプレートを操作可能な程度の電流を必要とする。この実施例では、風力タービンローター３からの出力直流電力は、電解装置セルのバンクに給電され、発生する電力の大きさに依存して、セルは連続してスイッチされる。出力生成物は、純粋な水素の流れおよび純粋な酸素の流れである。この実施例では、電気エネルギーの変換はより少なく、５０サイクルあるいは６０サイクルの高品質なグリッド電力を必要としないので、他のものより効率的である。

アレイ内の個々のローター３からの電力の加算は、機械的に達成されてもよい。本発明のこの実施例は、檣頭重量を可能な最大範囲にまで減少させるが、これは、ウインドシップシステム全体を複雑にし、他の実施例を好ましいものとする、若干の技術的な難問を提示する。ウインドシップアレイ内の各風力タービンから、電気発電機が位置するタワーのベースの加算ポイントまでの送電は、全て機械システムで行ってもよい。機械システムは、機械的エネルギーを伝えるために、シャフト、ベルト、ワイヤーロープ、ギヤ、あるいは回転ディスクを使用可能である。こうした機械システムの１つは、図２０および図２１の概略図により説明される、電力加算システムの実施例に示されている。各ローター３は、ケーブル９３を順番に動かす滑車輪９１を駆動する、低速シャフト５３を有している。ケーブル９３は、ローター３からの電力を加算シャフト９５まで伝送する。アレイ内の各ローター３からの電力は、全てのローターから、電力を単一回転軸９５内に集中させる加算シャフト９５へ向けられる。加算シャフト９５の下部は、電力の変動を滑らかにし少量のエネルギー貯蔵を提供するよう、モーター/オルタネータ８３により駆動されるフライホイール８１を含んでいる。加算シャフト９５は、ギアボックス９４および交流誘導発電機９５に接続している。発電機９５が低速発電機である場合、ギアボックス９４は排除可能である。発電機９５の出力は、電力をグリッドクォリティーの５０Hzあるいは６０Hzの電気に変換する、電力コンディショナー９６を通過する。発電機９５は、同期発電機、あるいは直流発電機であってもよいが、誘導発電機であることが好ましい。発電機９５の出力が可変周波数である場合、あるいは直流である場合、電力コンディショナー９６は、電力を適切な周波数のグリッドクォリティー電力へ変換する、電力電子装置を含んでいなければならない。

また、加算シャフト９５の機械的力は、ポンプで水を送ったり、あるいは淡水化プラント、あるいは他の役立つ目的のための圧力の供給に使用可能である。ローター３から加算シャフト９５までの電力の伝送には、滑車輪９１およびケーブル９３システムを使用するよりむしろ、ギヤおよび回転軸、あるいはギヤのセット、あるいは回転摩擦ドライブ、あるいは可変ドライブディスクを使用することができる。比較的効率が良く、比較的堅固で、信頼性があるならば、任意の適当な機械的ドライブトレインの結合体も使用可能である。

風力を利用して海水を水素ガスに変換する処理のアイデアは、ビーダーマン（Biederman）による以下の発表により提案されたもので、これは参照により本明細書に組み込まれる：エヌピービーダーマン（N.P.Biederman）「農場および農業での使用のための風力による水素/電気システム(Wind-Powered Hydrogen/Electric Systems for Farm and Rural Use)」、風力エネルギー変換システム(Wind Energy Conversion Systems)第２回ワークショップ会議録、ガス技術協会(Institue of Gas Technology)、イリノイ州シカゴ、ミトレ（the Mitre）社編、ワシントンDC、１９７５年６月９日‐１１日。その研究では、水素は、風力エネルギープラントの貯蔵媒体として使用された。水素は、電気生成物と共に生成され、後の使用のために貯蔵される。その後、風が弱い時には、貯蔵された水素を電気に変換する燃料電池により、グリッドへの風力電気は「一定にされる」。こうしたシステムは自給自足できるものであり、市販の構成要素とシステムとを合体させることにより構築可能である。

水素の風力駆動生成を達成するシステムは単純である。風力による機械的シャフトのエネルギーが電気発電機を動かす。電気発電機は直流電力を発生させる。この直流電力は、電解セルのバンクの動作に使用される。電解セルは、純水源から、大気圧において、純粋な水素ガスおよび酸素ガスを発生させる。最終的に、水素は、低温液体の形で、あるいは分子が金属無水物塩に付着した形で、加圧ガスとして貯蔵される。そして、水素ガスは、堅固なグリッド電気が必要な時に、燃料セル内において大気からの酸素ガスと結合される。燃料電池は、一定電力、一定周波数交流発電機、あるいはユーティリティグリッド上に電力を生成するインバータの動作に使用可能な、直流電力を生成する。こうした燃料電池は、今日市販されており、様々なサイズおよび電力範囲のものがある。純粋な酸素を必要とするものもあり、通常の大気を使用できるものもある。

図２２は、沖合風力タービンを用いて、海水からガスおよび液体(極低温)の水素を発生させる処理を説明するフローチャートを示す。風に含まれるエネルギーは、直流発電機１０４を動かす風力タービンローター１０３によって得られ、回転機械力へ変換される。この直流電力は、脱塩装置１２１および電解装置１２３の電解セルの双方を動作させる。海水の使用については、電解装置１２３内で用いる本質的な蒸留水生成のために、脱塩ステージ１２１が必要である。脱塩装置１２１は、海水内の塩分および不純物を排除し、淡水と、塩およびミネラルの副生成物をもたらす、単純な逆浸透ポンプシステムであることが好ましい。逆浸透脱塩装置ポンプは、随意的にローター１０３からの直接的な機械的力により駆動可能である。直流電力は、水素および酸素を生成するために、脱塩の淡水生成物を用いる電解セル１２３のバンク（bank）を動作させる。電解セル１２３は、設計に応じて定電圧を必要とするが、ガス生成物を多かれ少なかれ生成することにより、広い電流範囲が受け入れ可能となる。したがって、電解セルを駆動する直流電流は、風が変化するのに従い、無損失変換効率で変化可能である。水素はガス貯蔵１０５に送られてもよく、これにより、風が弱くなったり、あるいは水素が輸送されて直接１１５で使用されたりする時に、燃料電池経由でグリッドあるいは他の電気使用１１３に戻し、後の電力１０９生成に使用することができる。水素はまた、それが冷却され、圧縮され、および液化される、極低温プラント１０７に送られてもよい。この液体水素は、その後、若干の極低温水素の用途１１７に使用されるよう貯蔵される。ガスおよび液体の水素は、双方とも市場に出荷可能であり、使用可能である。

図２３は、海洋におけるアンモニアベースの水素生成物の生成処理を説明するフローチャートを示している。風力エネルギーは、風力タービンローター１０３により得られ、機械的回転力に変換される。この機械的力は、直流電気生成１０４、並びに脱塩装置１２１およびエアセパレータ１１９に関連する電力ポンプ１１１、に使用される。これらのポンプ１１１は、随意的には、直流電力で駆動されてもよい。脱塩装置１２１は、随意的に、逆浸透により海水から淡水を生成する。塩あるいは塩分が増加した廃水は、脱塩装置１２１の副生成物である。脱塩装置１２１からの淡水は、純粋な水素および酸素ガスを生成するために、風力タービンからの直流電力を用いる電解装置１２３で使用される。酸素は副生成物として放出され、水素は保有され、さらにアンモニア合成装置１２５、あるいは「バーナー」に送られてもよい。エアセパレータ１１９は、空気から窒素ガスを取り除くのに使われる；酸素および他の微量ガスは、副生成物として放出される。空気からの窒素ガスの分離はよく知られており、このタスクを実行する設備は市販されている。窒素ガスは、バーナー１２５内で水素ガスと結合され、アンモニアと水とが合成される。水素および窒素ガスからのアンモニアの合成はよく知られており、このタスクを実行する設備は市販されている。アンモニアは、貯蔵され、輸送され、およびガス１３１として使用されてもよく、あるいはコンプレッサー１２７および冷却装置１２８に通され、そして純粋な液体アンモニア１３３として貯蔵されてもよい。アンモニアは、また、固体の無水アンモニア１３５を形成するよう、セパレーター１２９内で乾燥させることができる。この固体のアンモニア１３５は、貯蔵および市場への出荷が最も容易である。輸送後、水素ガスと窒素ガスを形成するよう、無水アンモニアを再分解することが可能である。また、肥料として直接それを使用することもできる。気体のアンモニアであるか、液体のアンモニアであるか、又は固体の無水アンモニアであるかを問わず、この処理の最終生成物は、プレミアム価格用の専門化した市場で販売可能な「グリーン」生成物を代表するものである。

風力を使用してメタンガスを発生させるには、２つの処理がある。双方の処理とも、海水は、最初に脱塩され、あるいは蒸留され、淡水となっている。水を電解することにより純粋な水素が得られる。図２４に示された第１処理では、二酸化炭素は、陸上の炭酸塩から生成される。図２５に示された第２処理では、二酸化炭素は、空気あるいは海水からガスとして取り除かれる。その後、双方の処理において、水素および二酸化炭素は、メタンを生成するために結合される。

これらの方法のいずれかによりメタンを生成することは、およそ５０%の総合処理効率を有しており、それは風力タービンからグリッドクォリティー電気を生成するのと同一オーダーとなっていて、バッテリーなどの他の競合する大型エネルギー貯蔵のアプローチより遥かに良好なものである。

図２４は、風力と陸上炭酸塩を使用し、既存の天然ガス分配パイプラインへの注入に適した、メタンガスを生成する処理を説明するフローチャートである。風力は、風力タービンローター１０３により得られ、回転機械的力に変換される。機械的力は、直流電気生成１０４のために使用される。直流電気は、他の実施例における、酸素が副生成物として放出される電解装置１２３において、淡水から水素を生成するのに使用される。直流電気はまた、水素および塩素ガスを放出する海水分解１３７に使用される。海水分解技術はよく知られており、このタスクを達成する設備は市販されている。分解した海水からの水素および塩素ガスは、塩酸１３９を生成するためにプレナム（plenum）で単純に結合される。その後、塩酸は、副生成物として塩化カルシウムを伴って二酸化炭素を放出しながら、炭酸カルシウム１４１と結合される。ステップ１４１で使用される炭酸カルシウムは、陸上の供給源から沖合ウインドシップあるいは作業船に輸送される。代替的に、図示されていない第２方法では、塩酸を生成する処理全体が排除され、炭酸カルシウムは廃熱あるいは電気を用いて空気の存在下で単純に加熱され、二酸化炭素を放出し、副生成物として酸化カルシウムを残す。炭酸カルシウムはまた、浄水処理１２１の塩副生成物から、処理および浄化により取得可能であることにも留意すべきである。双方の方法とも、水素ガスおよび炭酸ガスは、メタンおよび水蒸気を生成するために触媒反応装置１４３において結合される。水素および二酸化炭素の、メタンおよび水蒸気への触媒反応はよく知られており、このタスクを達成する設備は市販されている。この処理からの廃熱は、蒸留などの処理により海水の脱塩１２１に使用されてもよい。最終的に、メタン１４５から水が取り除かれ、メタンは天然ガスのパイプライン１４７に送り込まれてもよいし、あるいは、このメタンを圧縮し、貯蔵および出荷のために液化することも可能である。メタンから取り除かれた水は、電解装置１２３で再生し、使用することができる。この処理から生成されたメタンは、「グリーン」生成物であり、プレミアム価格で販売可能である。

炭酸カルシウムから二酸化炭素を分離する第１方法の副生成物は、塩化カルシウムと水酸化ナトリウムであり、双方とも毒性および苛性であり、適切な処分をなす努力が必要である。第２処理の副生成物は、酸化カルシウムであり、現在のところ、多数の市場がある良性塩である。第１方法は、理論上第２方法より効率的である。

炭酸カルシウムは採掘生成物なので、図２４に説明されたように、生成された天然ガスの燃焼により、炭素を大気に放出することに留意すべきである。メタンを合成するエネルギーは再生可能であるが、最終生成物は１００%再生可能というわけではない。

図２５は、海洋で風力を用いて再生可能な、メタンあるいは「グリーンガス」を生成する処理を説明するフローチャートである。ウインドシップは、様々な目的の機械的あるいは電気的な風力１５０を提供する。海水は脱塩１２１され、純水は電解１２３により水素を生成するのに使用される。

二酸化炭素は、地球の大気のように、海水中のガスとして同一分圧で溶解している。若干の海流内では、それらの塩分および温度のために、大気中より多くのCO２が溶解しており、その結果、温度および塩分に応じて、海水中に溶解するCO２ガス量は３５‐６０ml/lの間で変化する。プレナムを通して普通の海水を大量にポンプで送ることにより、このCO２を再生することは容易であり、通常、石化燃料発電所の公害防止設備により行われているように、真空によりガスを放出し、触媒分離装置１５１でCO２ガスを集めるだけである。代替的に、環境空気を浄化１５１して二酸化炭素を得る。どちらの方法によっても、純粋な二酸化炭素が回収される。

水素および二酸化炭素は、慎重に計量され、風力が生成した電気１５０がメタンCH４の準備に用いられるメタン化装置１５３内に送給される。メタンの準備に用いる処理は、随意的には、サバティエメタン化処理（Sabatier Methanation Process）である。その後、メタンは、水を除去するために乾燥される１５４。この純水は、電解装置１２３で再使用されてもよい。ごく少量の水素で濃縮されたメタンは、最上の天然ガスと燃料同等物であり、さらに所望されない汚染物質を完全に除去するので、その後、少量の水素ガスをメタンに加えてもよい１５５。二酸化炭素を再生利用するこのアプローチを用いる最も注目すべき利点は、このように再生利用される炭素が、大気中のバランスから得られることである。言い換えれば、このように再生利用される炭素は、世界中に広がる石化燃料発電所の汚染副生成物から得られ、それを再生したものであり、いかなる新しい炭素も大気に放出することはない。その後、グリーンガスは、パイプラインあるいは船のいずれかにより岸に輸送される１５７。グリーンガスは、既存のガス流通システムに加えることが可能であり１５９、再生可能エネルギー生成物として消費可能である。グリーンガスの生成に使われる炭素は、地球の自然な炭素サイクルから得られ、そこへ戻され、使用されるエネルギー、風力(太陽エネルギーの一形態)からの電気は、自然な太陽エネルギーサイクルから得られ、劣化されて戻される。脱塩装置１２１、電解装置１２３、ガス抽出器、スクラバー１５１、およびメタン化装置１５３は、全て現在、産業により使用されている設備であり、構成要素は市販されている。

このグリーンガス処理は、北海天然ガスが好適なエネルギー源となった英国およびノルウェーのような国では、特に有益だろう。ガス資源は急速に枯渇しており、北海にわたる風資源は非常に豊富である。

図２５で説明されている処理は、炭酸ガスがポンプ/プレナムチャンバ内で空気あるいは海水から直接得られるのを除き、図２４のそれと同様である。スクラバー１５１は、スタック（stack）排出制御用の広い用途におけるものと同様の設備を使用する。このようにして得られる炭素は、大気の中の世界的規模の二酸化炭素温室ガスに加えられない。このようにして得られるメタンは、完全に再生可能で、継続供給可能な燃料である。二酸化炭素および水素ガスは、メタンガスを生成するメタン化処理１５３を用いて、制御された量で結合可能である。結果としてもたらされる天然ガスは、「グリーン電力」市場においてプレミアム価格で販売可能な「グリーン」生成物である。天然ガスは、従来の天然マーケットガスの中に販売可能であり、「グリーンタグ」は、ガスから分離可能である(物理的にガスから分離されるものはないが、商業見地から、環境属性が別々に取り除かれて販売される)。グリーンタグは、ある量のエネルギーに関連する環境属性を表す。これらは取引可能であり、現在、ボンヌヴィル環境財団(Bonneville Environmental Foundation)などの組織を通すグリーンタグ用市場が存在している。地球温暖化増加の影響として、グリーン電力およびグリーンタグ用市場も増加すると予想される。また、地球温暖化を減少させる努力は、二酸化炭素クレジットの市場を創設するかもしれない。このシステムは、天然ガスを生成するために、大気から二酸化炭素を取り除くので、化石天然ガスの代わりにすることにより、大気中への新しい炭素の放出が回避される。この方法による天然ガスの生成から、利用可能な炭素隔離クレジットが存在してもよい。これらの炭素隔離クレジットは、将来的に取引可能な商品となるかもしれないことが予期される。電解水素、二酸化炭素、および電気も、非常に役に立つ液体燃料であるメタノールを生成するために、合成装置において使用可能である。一方、これは、二酸化炭素が、空気の浄化により得られたり、あるいは再生可能エネルギーを使用して海水から得られるので、「グリーン」燃料となるであろう。結果として得られるメタノール燃料は、モービル石油（Mobil Oil）により開発された処理を用いで、排除可能なかなりの量の水を含んでいるだろう。このメタノールは、脱水され、水を取り除かれ、その結果得られる生成物は、内燃機関用の「グリーン燃料」として販売可能なハイオクタンガソリンである。

考慮される他の処理は、炭酸カルシウムをカーバイドに変換し、その後、風力生成水素ガスを用いてアセチレンを生成する。アセチレンは、市場において役立つ他の生成物であるが、ダイレクトガスパイプライン補給用メタンの普遍的アピールを有していない。これはウインドシップ上で生成可能な、他のエネルギー集中型生成物の一例である。多くのこうした例を有しており、この開示は、海洋でウインドシップにより生成されるエネルギー集中型生成物の範囲を、決して制限すべきものではない。

水素、無水アンモニア、メタン、天然ガス、アセチレン、ハイオクタンガソリン、および/または他の生成物の生成は、タワーのベース、あるいは、各ウインドシップの半潜水外殻内で実行されてもよい。代替的に、各ウインドシップからの風力は、ウインドシップの小船団により囲まれた中央作業船に伝えられてもよい。付加価値生成物の生成は、作業船上で行われてもよく、その後、生成物は、船あるいはパイプラインにより岸へ輸送可能である。炭酸カルシウムあるいは他の陸上生成物が使用される場合は、それらは作業船あるいはウインドシップへ輸送されなければならない。また、処理の中間ステージは、各ウインドシップの基底で実行されてもよく、残余の処理は中央作業船上で実行可能である。例えば、海水は、水素を生成するために、各ウインドシップの基底において脱塩され、および電解されてもよい。その後、水素は、メタン、アンモニア、あるいは販売のために岸へ輸送される他の生成物を生成するために、さらなる処理を行う中央作業船に輸送可能である。

以上の開示では、再生可能な天然ガス、および他の水素ベースの生成物の生成のための物理的設定は、海洋に存在していた。これらの処理は、本願明細書に説明されたウインドシップの半潜水外殻、および他の態様と非常に互換性があると考えられるが、海洋で行われるこれらの処理の説明は、決して本発明の範囲を沖合での実行に制限すべきだということではない。反対に、これらの水素ベースの生成物は、垂直アレイ風力タービンにより陸上で、あるいは通常の従来技術の市販の風力タービンから生成可能、あるいは生成されるべきであると意図される。１つの好適な例では、風力ファームは、適当な電気伝送ラインがないにもかかわらず、風資源が豊富で、天然ガスのパイプラインへのアクセスの便がある場所に配置可能であろう。その後、グリーンガスが生成され、パイプラインに導入され、販売可能であり、「グリーンタグ」も販売可能となろう。他の例もまた、岸に沿った脱塩プラント、または陸上の風力タービンにより作動される肥料プラントなどを考慮可能であり、状況として最も蓋然性が高いのは、風資源が良好で、しかし適切な電気伝送ラインがなく、さらに生成された生成物の地方市場が存在する場所である。

本発明の沖合風力タービンが生成するエネルギーを用いて生成可能な、他の潜在的に貴重な生成物は脱塩された海水である。今日消費されている飲用水のほぼ１２パーセントは脱塩された海水である。海水を脱塩するのに、沖合風力タービンからのエネルギーを使用することによる結果的生成物は、やはり付加価値のある「グリーン」生成物である。

本発明の実施例が示され説明される一方で、これらの実施例において、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更がなされるのは、当業者にとり明らかなことであろう。したがって、本発明は、本願明細書に説明され、および例示された特定の実施例に、必ずしも限定されないことが意図されている。

本発明の実施例に係るウインドシップの斜視図である。 本発明の実施例に係るウインドシップの水面下からの透視図である。 本発明の実施例に係るウインドシップの透視図である。 本発明の実施例に係るウインドシップの側面図である。 本発明の実施例に係るウインドシップの正面図である。 本発明の実施例に係るウインドシップの側面図である。 本発明の実施例に係るウインドシップの正面図である。 本発明の実施例に係るウインドシップの平面図である。 本発明の実施例に係る１つの「ピルボックス」のウインドシップ設計の正面図である。 本発明の実施例に係る他の「ピルボックス」ウインドシップ設計の正面図である。 本発明の実施例に係る浅水域用「マフ外殻」ウインドシップの平面図である。 本発明の実施例に係る浅水域用「マフ外殻」ウインドシップの正面図である。 風力機械低シャフト速度エネルギーから使用可能な電気エネルギーへの従来の変換の概略図である。 アレイ内の個々のローターからの機械力の加算のための、第１実施例の檣頭部分の概略図である。 アレイ内の個々のローターからの機械力の加算のための、実施例のダウンタワー部分の概略図である。 アレイ内の個々のローターからの機械力の加算のための実施例の檣頭部分の概略図である。 アレイ内の個々のローターからの機械力の加算のための実施例のダウンタワー部分の概略図である。 アレイ内の個々のローターからの機械力の加算のための実施例の檣頭部分の概略図である。 アレイ内の個々のローターからの機械力の加算のための実施例のダウンタワー部分の概略図である。 アレイ内の個々のローターからの機械力の加算のための実施例の檣頭部分の概略図である。 アレイ内の個々のローターからの機械力の加算のための実施例のダウンタワー部分の略図である。 風力を用いて、大気からの気体水素および液体水素の生成処理を説明するフローチャートである。 無水アンモニアのガス、液体、および固体の海洋での生成処理を説明するフローチャートである。 風力エネルギーおよび固体の炭酸カルシウムを用いる、メタンガスの生成処理を説明するフローチャートである。 再生可能なメタンガスの生成処理を説明するフローチャートである。

符号の説明

１．ウインドシップ、 ３．風力タービンローター、 ４．繋ぎ鎖ライン、 ５．タワー、 ７．半潜水外殻、 ９．アンカー、 １１．繋ぎ縄（係留ケーブル）、 １３．電力ケーブル、 １５．パイプライン、 １７．浮揚性外殻球、 １９．バラストウェイト（バラストボックス）、 ２０．ジャッキ機構、 ２１．脱塩装置、 ２３．電解槽ユニット、 ２５．係留ブイ、 ２９．海底電力ケーブル、 ３１．サイドタワー、 ３３．センタートラス（中央バイロン）、 ３７．半潜水外殻、 ３８．標準風力タービン管状タワー、 ３９．マフ外殻、 ４２．固定バラスト、 ４４．可変バラスト、 ４７．中央ポール、 ４８．垂直ブリッジ部材、 ５７．増速装置（ギアボックス）、 ５９．高速シャフト、 ６３．発電機、 ６５．コンバーター、 ６７．電力ライン、 ７３．インバータ、 ７９．定速直流モーター、 ７７．直流バス、 ８３．直流モーター/発電機、 ８５．交流発電機、 ９３．ケーブル、 ９５．加算シャフト、 ９５．交流誘導発電機、 ９６．電力コンディショナー、 １０３．風力タービンローター、 １０４．直流発電機、 １１１．電力ポンプ、 １１９．エアセパレータ、 １２１．脱塩装置、 １２３．電解装置、 １２５．アンモニア合成装置、 １２７．コンプレッサー、 １２８．冷却装置、 １２９．セパレーター、 １４３．触媒反応装置、 １４７．パイプライン、 １５１．触媒分離装置、 １５３．メタン化装置。

Claims (56)

1. 浮揚性外殻と、
   所定位置で前記浮揚性外殻を固定するアンカーと、
   前記浮揚性外殻から上向きに延びるタワーと、
   前記タワーに取り付けられた多数の風力タービンローターと、
   を備えたことを特徴とする沖合風力タービン。
2. 前記外殻の浮心の下方位置で、前記浮揚性外殻へ取り付けられたバラストウェイトをさらに含む、請求項１の風力タービン。
3. 前記バラストウェイトが、前記外殻に対して垂直方向に可動である、請求項２の風力タービン。
4. 前記外殻上の垂直な外力の変化に応答して、前記バラストウェイトを垂直方向に移動させる制御装置をさらに含む、請求項３の風力タービン。
5. 前記制御装置が、通過する波動に応答して、前記バラストウェイトを移動させる、請求項４の風力タービン。
6. 前記制御装置が、潮の変化に応答して、前記バラストウェイトを移動させる、請求項４の風力タービン。
7. 前記制御装置が、潮の変化に応答して、前記バラストウェイトを移動させる、請求項４の風力タービン。
8. 前記ローター上の水平な空力的力の変化に応答して、前記バラストウェイトを垂直方向に移動させ、それによって、風力タービンのレイバック角度を安定させる制御装置をさらに含む、請求項３の風力タービン。
9. 前記風力タービンローターの各々が、前記タワーに異なる高さで取り付けられ、各前記風力タービンローターが、その位置での風に最適化されている、請求項１の風力タービン。
10. 前記風力タービンローターが可変ピッチブレードを含み、各前記風力タービンローターの動作が、その位置での風に最適化されるよう、前記風力タービンローターの各々のピッチ角を制御する制御装置をさらに含む、請求項９の風力タービン。
11. 前記風力タービンローターが可変回転速度で動作し、各前記風力タービンローターの動作が、その位置での風に最適化されるよう、前記風力タービンローターの各々の回転速度を制御する制御装置をさらに含む、請求項９の風力タービン。
12. 前記風力タービンローターが可変回転速度で動作し、各前記風力タービンローターの動作が、その位置での風に最適化されるよう、前記風力タービンローターの各々の回転速度を制御する制御装置をさらに含む、請求項１０の風力タービン。
13. 少なくとも２つの前記風力タービンローターが、その上の空力的力を変調するために制御され、それによって、少なくとも２つの前記風力タービンローターが、前記風力ローターへのヨーモーメントを提供するために使用可能である、請求項１の風力タービン。
14. 前記少なくとも２つの風力タービンローターが互いに同じ高さにあり、さらに、他の前記多数の風力タービンローターより前記タワーから遠くに離れた位置に配置されている、請求項１２の風力タービン。
15. 前記風力タービンローターの方向付けと風向きとの間の角度差を測定し、さらに前記角度差を小さくする方向に、前記風力タービンを偏向させるよう、前記少なくとも２つの風力タービンローターを制御する、ヨー制御装置をさらに含む、請求項１２の風力タービン。
16. タワーと、
    前記タワーに取り付けられた多数の風力タービンローターと、
    前記多数の風力タービンローターからの電力を結合する、少なくとも一部分は、前記タワーの基底に位置している電力加算設備と、
    を備えたことを特徴とする沖合風力タービン。
17. 前記ローターのそれぞれ１つにより生成された機械力を電力へ変換する、前記風力タービンローターの各々に関連づけられた発電機をさらに含み、さらに、前記発電機により生成された電力が前記タワーの基底で結合される、請求項１５の風力タービン。
18. 前記発電機の各々が所定周波数の交流電流を生成し、タワーの基底に位置する前記電力加算設備の前記部分が変圧器を含む、請求項１６の風力タービン。
19. 前記発電機の各々がランダムな周波数の交流電流を生成し、タワーの基底に位置する前記電力加算設備の前記部分が、各前記発電機により生成されたランダムな周波数の交流電流を所定周波数の交流電流に変換する、電力電子コンバーターを含む、請求項１６の風力タービン。
20. 前記発電機の各々が直流電流を生成し、前記発電機の各々からの直流電流が前記タワーの基底で結合される、請求項１６の風力タービン。
21. タワーの基底に位置する前記加算設備が、前記直流電流を、所定の周波数の交流電流に変換する、電力電子コンバーターを含む、請求項１９の風力タービン。
22. タワーの基底に位置する前記加算設備が、前記直流電流により動力を得る直流モーター、および所定周波数の交流電流を生成する前記直流モーターにより駆動される交流発電機を含む、請求項１９の風力タービン。
23. 前記タワーの基底に発電機をさらに含み、さらに、各前記ローターにより生成された機械力が前記タワーの底部に伝達され、前記発電機を駆動するために使われる、請求項１５のタービン。
24. 沖合に位置するタワーと、
    前記タワーに取り付けられた多数の風力タービンローターと、
    前記風力エネルギー変換システムが配置されている水から水素を生成する、前記多数の風力タービンローターにより生成された力を利用する処理設備と、
    を備えたことを特徴とする風力エネルギー変換システム。
25. 前記タワーが水の塩水塊内に配置され、さらに前記処理設備が、脱塩装置および電解装置を含む、請求項２３の風力エネルギー変換システム。
26. 岸への輸送のための前記水素を貯蔵する貯蔵タンクをさらに含む、請求項２４の風力エネルギー変換システム。
27. 浮動外殻と、
    前記外殻から上向きに延びるタワーと、
    前記タワーに取り付けられた風力タービンローターと、
    前記風力エネルギー変換システムが配置されている水から水素を生成する、前記風力タービンローターにより生成された電力を利用する処理設備と、
    を備えたことを特徴とする風力エネルギー変換システム。
28. 前記タワーが水の塩水塊内に配置され、さらに前記処理設備が、脱塩装置および電解装置を含む、請求項２６の風力エネルギー変換システム。
29. 岸への輸送のための前記水素を貯蔵する貯蔵タンクをさらに含む、請求項２７の風力エネルギー変換システム。
30. 前記処理設備が、前記浮動外殻の内側部分に配置されている、請求項２６のエネルギー変換システム。
31. 沖合に位置するタワーと、
    前記タワーに取り付けられた風力タービンローターと、
    前記風力エネルギー変換システムが配置されている水から水素を生成するため、前記風力タービンローターにより生成された力を利用する主要処理設備と、
    メタンを作成するために、前記水素に二酸化炭素を加える、２次処理設備と、
    を備えたことを特徴とする風力エネルギー変換システム。
32. 前記二酸化炭素が空気からスクラブ（scrub）される、請求項３０のエネルギー変換システム。
33. 前記二酸化炭素が、前記タワーが配置されている水からスクラブ（scrub）される、請求項３０のエネルギー変換システム。
34. 前記二酸化炭素が、陸上から前記風力エネルギー変換システムへ輸送される、炭酸カルシウムから抽出される、請求項３０のエネルギー変換システム。
35. 合成天然ガスを作成するために、前記メタンを水素で濃縮する第３の処理設備をさらに含む、請求項３０の風力エネルギー変換システム。
36. 前記合成天然ガスを輸送し、それを陸上の既存の天然ガスパイプラインに注入する手段をさらに含む、請求項３４の風力エネルギー変換システム。
37. 前記メタンを輸送し、それを陸上の既存の天然ガスパイプラインに注入する手段をさらに含む、請求項３０の風力エネルギー変換システム。
38. 沖合に位置する多数の風力タービンと、
    前記多数の風力タービンの位置により定義された領域内の沖合に配置された、中央処理プラントと、
    前記多数の風力タービンにより生成された電力を、前記中央処理プラントへ伝送する伝送施設と、
    前記風力タービンにより生成された電力を、水素ベースの生成物へ変換する前記中央処理プラントの処理設備と、
    を備えたことを特徴とする沖合風力タービン。
39. 前記風力タービンが位置している水から水素を生成する前記多数の風力タービンの各々に配置された処理設備、および、前記多数の風力タービンの各々から前記中央処理プラントへ延びるパイプラインをさらに含む、請求項３７の風力エネルギー変換システム。
40. 水素が、前記風力タービンおよび前記中央処理プラントが配置されている水を電解することにより生成される、請求項３７の風力エネルギー変換システム。
41. 前記中央処理プラントがアンモニアを生成する、請求項３７のエネルギー変換システム。
42. 前記中央処理プラントが、液体のアンモニアを生成する、請求項４０のエネルギー変換システム。
43. 前記中央処理プラントが、気体のアンモニアを生成する、請求項４０のエネルギー変換システム。
44. 前記中央処理プラントが、固体の無水アンモニアを生成する、請求項４０のエネルギー変換システム。
45. 前記中央処理プラントがメタンを生成する、請求項３７のエネルギー変換システム。
46. 前記中央処理プラントが合成天然ガスを生成する、請求項３７のエネルギー変換システム。
47. 前記中央処理プラントが合成ガソリンを生成する、請求項３７のエネルギー変換システム。
48. 前記中央処理プラントが純粋な水素を生成する、請求項３７のエネルギー変換システム。
49. 多数の風力タービンと、
    風力タービンに関連付けられた中央処理プラントと、
    前記多数の風力タービンにより生成された電力を、前記中央処理プラントへ伝送する伝送施設と、
    前記風力タービンにより生成された電力をメタンへ変換する、前記中央処理プラント内の処理設備と、
    前記中央処理プラントを既存の天然ガスパイプラインへ接続し、これにより、前記メタンを天然ガスパイプラインへ注入可能とするパイプと、
    を備えたことを特徴とする風力エネルギー変換システム。
50. 合成天然ガスを生成するために、前記中央処理プラント内に、前記メタンを水素で濃縮する追加的な処理設備をさらに含む、請求項４８の風力エネルギー変換システム。
51. 各前記風力タービンが水素を生成する処理施設を含み、さらに前記多数の風力タービンにより生成された電力を中央処理プラントへ伝送する前記伝送施設が、各前記風力タービンと前記中央処理プラントの間に水素パイプラインを含む、請求項４８の風力エネルギー変換システム。
52. 前記多数の風力タービンおよび前記中央処理プラントが沖合に位置している、請求項４８のエネルギー変換システム。
53. 多数の風力タービンと、
    風力タービンに関連付けられた中央処理プラントと、
    前記多数の風力タービンにより生成された電力を前記中央処理プラントへ伝送する伝送施設と、
    前記風力タービンにより生成された電力をアンモニアに変換する、前記中央処理プラント内の処理設備と、
    を備えたことを特徴とする風力エネルギー変換システム。
54. 前記多数の風力タービンおよび前記中央処理プラントが沖合に位置している、請求項５２のエネルギー変換システム。
55. 多数の風力タービンと、
    風力タービンに関連付けられた中央処理プラントと、
    前記多数の風力タービンにより生成された電力を、前記中央処理プラントへ伝送する伝送施設と、
    前記風力タービンにより生成された電力を合成ガソリンに変換する、前記中央処理プラント内の処理設備と、
    を備えたことを特徴とする風力エネルギー変換システム。
56. 前記多数の風力タービンおよび前記中央処理プラントが、沖合に位置している、請求項５４の風力エネルギー変換システム。

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