JP2010539378A - 海上用垂直軸風力タービン並びにそれと関連したシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
海上用風力タービン(400)は、プラットホーム(420)に取付けられた垂直軸風力タービン(50)を有する。垂直軸風力タービン(50)は、ギヤボックス及び発電機に取付けられた垂直ロータ(52)を有し、垂直ロータは、湾曲した羽根を有する。垂直軸風力タービンは、プラットホームに固定され、又は、プラットホームの上で手動又は自動で横倒し可能である。海上において、垂直軸風力タービンが水面から延び、釣合い重りがプラットホームの下に延びる。プラットホームは、半潜水式でも、水面に浮かんでいてもよい。プラットホームは、垂直軸風力タービンから外方に延びるいくつかのアーム(422)を有する。風力タービンを海上で繋留する繋留システムが、プラットホームを海底に繋留する。潮汐の変化又は嵐によるうねりによる海水レベルの変化に合わせて、浮遊式風力タービンが受動的又は積極的に調節される。
Description
〔関連出願の参照〕
本願は、2007年9月13日に出願された米国仮特許出願第60/972,099号及び2008年1月7日に出願された米国仮特許出願第61/019,117号に基づく優先権を主張し、これら両方の米国仮特許出願の内容を本明細書に援用する。
本願は、2007年9月13日に出願された米国仮特許出願第60/972,099号及び2008年1月7日に出願された米国仮特許出願第61/019,117号に基づく優先権を主張し、これら両方の米国仮特許出願の内容を本明細書に援用する。
風力タービンは、風力エネルギーを電気に変換する。風力タービンの2つの主要な種類は、水平軸風力タービンと、垂直軸風力タービンである。水平軸風力タービンの2つの主要な種類は、回転羽根が塔の風上に位置する向い風用水平軸風力タービン(HAWT)と、回転羽根が塔の風下に位置する追い風用水平軸風力タービン(HADT)である。垂直軸風力タービンの2つの主要な種類は、回転羽根が揚力発生面を有しない種類のものと、回転羽根が揚力を発生させる翼形を有するダリウス式のものである。
張り(guy)ケーブルなしの向い風用水平軸風力タービン(HAWT)10を図1Aに示し、湾曲した羽根を有しているが張りケーブルを有していないダリウス式の垂直軸風力タービン(VAWT)を図1Bに示す。ダリウス式の垂直軸風力タービン20は、図1Bに示す湾曲した羽根を有していてもよいし、1929年ジョージ・ダリウス(George Darrieus)の出願時の特許明細書に記載されているような真直ぐな羽根を有していてもよい。
向い風用水平軸風力タービン(HAWT)10は、ロータ12と、揚力面を含む羽根14とを有し、羽根14は、塔16の頂部において、水平軸に取付けられ且つ風上に向けられる。羽根14に入った風力エネルギーは、ロータ12を回転させ、ロータ12に結合されているギヤボックス及びその他の構成要素(図示せず)が、回転を発電機(図示せず)に伝達し、発電機は、回転を電気エネルギーに変換する。羽根14が効果的であるために、羽根14は、風の方向に差し向けられなければならない。従って、向い風用水平軸風力タービン(HAWT)10は、典型的には、羽根14が塔16を中心に回転することを可能にするヨー機構(図示せず)を有する。
羽根14が塔16の風上に位置しているので、羽根14は、風によって後方に曲げられて塔16に当たることがないように、剛性且つ強固な材料で作られなければならない。羽根14は、剛性の高い材料を要求するので、製造するのに高価であり、しかも重い。加えて、塔のヨー機構は、風力タービンの方向を定め且つ羽根14を風の方向に差し向けることができるように、強固でなければならない。最後に、塔16も、その頂部に、重いロータ、ギヤボックス、発電機及びその他の機器を支持することができるように、強固でなければならない。従って、塔16は、多量の材料を必要とし、作るのに高価であり、しかも重い。
一般的には、図1Aに示す向い風用水平軸風力タービン(HAWT)10は、剛性の風力タービンであり、多量の材料を必要とし、重く、且つ高重心である。加えて、向い風用水平軸風力タービン(HAWT)は、風に面する向きに配置される必要があり、堅固な基礎又はプラットホームを必要とする。従って、重く、高重心であり、且つ非常に安定したプラットホームを必要とする向い風用水平軸風力タービン(HAWT)10を支持する浮遊式プラットホームを作ることは、非常に高価である。
これとは対照的に、図1Bに示す垂直軸風力タービン(VAWT)20は、地面から垂直方向(鉛直方向)に延びるロータ22と、ロータ22の端部に連結され且つ湾曲した羽根24を有している。この垂直ロータ22は、軸受ギヤボックス構成要素26上に載っており、発電機28を駆動する。向い風用水平軸風力タービン(HAWT)10と異なり、垂直軸風力タービン(VAWT)20は、全方向性であり、風に差し向けられる必要はない。加えて、垂直軸風力タービン(VAWT)20は、低重心であり、その重量構成要素、例えば、ギヤボックス、発電機、制動制御システムは、地面の近くに配置される。従って、垂直軸風力タービン(VAWT)20は、かかる重量構成要素を支持するのに、向い風用水平軸風力タービン(HAWT)の塔(16;図1A)ほどの剛性のロータ22を必要としない。先行技術における垂直軸風力タービン(VAWT)の例は、ウェブサイトwww.ecopowerusa.com.に見られる。
向い風用水平軸風力タービン(HAWT)10は、世界中の陸上用の風力タービン群(wind farm)に広く用いられている。向い風用水平軸風力タービン(HAWT)は、欧州では、海上用風力タービン群にも用いられている。例えば、図2Aでは、第1の種類の海上向い風用水平軸風力タービン(HAWT)30Aが、従来構成要素、即ち、ロータ12と、鉛直方向の塔16に水平方向に支持された羽根14を有している。従来構成要素は、海底40にしっかりと固定された固定支持体32の上に載せられている。図2Aに示す海上向い風用水平軸風力タービン(HAWT)30Aの例は、2007年2月に発行された特許文献1(米国特許出願公開第2007/0040388号明細書)、及び2003年1月16日に発行された特許文献2(国際公開第03/004870号パンフレット)に見られる。
図2Bでは、別の種類の海上向い風用水平軸風力タービン(HAWT)30Bも、従来構成要素、即ち、ロータ12と、羽根14と、塔16を有しているが、これらの従来構成要素は、浮遊式支持体34の上に載せられ、支持体34は、ケーブル36によって海底40にしっかりと繋がれている。図2Bに示す向い風用水平軸風力タービン(HAWT)30Bの例は、2005年3月10日に発行された特許文献3(国際公開第2005/021961号パンフレット)に見られる。特許文献1〜3は、風力タービンの一般的な設計及び作動に関する多くの且つよく知られている具体例の詳細を開示しているので、特許文献1〜3の全体を本明細書に援用する。
本明細書において開示する海上用風力タービンの実施形態は、好ましくは、プラットホームの上に取付けられた垂直軸風力タービン(VAWT)を有する。垂直軸風力タービン(VAWT)は、ダリウス式であるのがよく、張りケーブルを有していてもよいし、それを有していなくてもよく、浮遊式プラットホームに取付けられていてもよいし、固定式プラットホームに取付けられていてもよい。垂直軸風力タービン(VAWT)は、湾曲した羽根又は真直ぐな羽根を備えた垂直ロータを有し、垂直ロータは、ギヤボックス及び発電機に結合される。変形例として、垂直軸風力タービン(VAWT)は、ギヤボックスを有しないダイレクトドライブ式発電機を有していてもよい。垂直ロータは、浮遊式プラットホーム又は非浮遊式プラットホームに固定され且つそれから延びていてもよいし、手動で又は自動的に下方に傾けられてプラットホームの上に載せられるように構成されていてもよい。プラットホームは、好ましくは、浮力を有し、従って、プラットホームを海上の所望の目的値に浮かせることができ、また、補修及びメンテナンスのために修理用ビーチまで曳航して戻すことができる。
深い海域の場合、プラットホームは、半潜水式のはしけであるのがよく、この場合、垂直軸風力タービン(VAWT)は、水の外に延び、釣合い重りは、プラットホームの下に延び、風力タービンに作用する風力に対する釣合いをとる。釣合い重りの鉛直方向範囲を収容しない浅い海域の場合、プラットホームは、はしけのように、海面に浮いているのがよい。はしけは、重く、且つ、低コストな鉄筋コンクリートで構成されることが好ましい。材料の使用量を最小にするために、はしけは、矩形でも円形でもないことが好ましく、その代わりに、十字形状、又は、3つ以上のアームを有する星形状を有する。例えば、はしけは、張りケーブルを取付けるために、風力タービンに作用する風力に対する釣合いをとるために、及び、プラットホームの安定に保つために、水平方向延長部分を有することが好ましい。加えて、はしけのアームの各々は、水平方向部分を延長する水平方向延長装置を有し、水平方向延長装置は、その端部に、安定性を増大させる浮遊タンクを有するのがよい。
岸に近い浅い海域の場合でさえも、浮遊式プラットホームの上の垂直軸風力タービン(VAWT)は、重いが低コスト材料、例えば鉄筋コンクリートで作られるのがよく、かかる垂直軸風力タービン(VAWT)を岸で建造して組立て、海に押入れ、現場まで曳航するのがよい。浮遊式プラットホームの浮遊タンクに水を充填することによって、浮遊式プラットホームを水の中に下降させて、海底、湖底又は川底の上に直接載せてもよい。このように、浮遊式プラットホームは、通常の作動の間、垂直軸風力タービン(VAWT)の垂直ロータ及び羽根が海面上に延びた状態で、垂直軸風力タービン(VAWT)のための固定型プラットホーム又は基礎として使用されてもよい。水を浮遊タンクの外にポンプで排出することによって、プラットホームを再び浮かせることができ、その結果、垂直軸風力タービン(VAWT)及びプラットホームを、補修及びメンテナンスのために、岸まで曳航して戻すことができる。プラットホームを再び浮かせて、それを補修のために曳航する性能により、組立て、設置、補修及びメンテナンスの費用を、これらを海で実施する場合よりも大幅に減少させることができる。
水面上又は水面近くに浮くように構成されたプラットホームを繋留する種々の繋留システムが用いられ、かかる繋留システムは、油田及びガス田の掘削及び産出用の浮遊式プラットホームを繋留するために海上産業でしばしば用いられる懸垂式繋留システム及び引張りレグ式繋留システムを含む。これらの繋留システムの幾つかは、プラットホームを海底に繋留する重り及びプーリを有し、かかる重り及びプーリは、浮遊式風力タービンが潮汐の変化又は嵐によるうねりによる海面の変化に合わせて受動的に調節されることを可能にするのがよい。幾つかの実施形態では、繋留システムは、プラットホームを海底にしっかりと取付けないで、その代わりに、海底の上に単に載せ、それにより、垂直軸風力タービン(VAWT)の設置及び撤去を容易にする。
〔A.第1の実施形態:深い海域用の釣合い重りを有する浮遊式風力タービン〕
第1の実施形態として図3A及び図3Bに示す海上用風力タービン100は、ダリウス式の垂直軸風力タービン(VAWT)50を有しているが、他の種類のものが用いられてもよい。垂直軸風力タービン(VAWT)50は、垂直ロータ52と、複数の湾曲した羽根54と、ギヤボックス56と、発電機58と、内部電気構成要素(図示せず)を有し、これらは各々、先行技術で知られている陸上用垂直軸風力タービン(VAWT)に用いられているものと本質的に同じである。
第1の実施形態として図3A及び図3Bに示す海上用風力タービン100は、ダリウス式の垂直軸風力タービン(VAWT)50を有しているが、他の種類のものが用いられてもよい。垂直軸風力タービン(VAWT)50は、垂直ロータ52と、複数の湾曲した羽根54と、ギヤボックス56と、発電機58と、内部電気構成要素(図示せず)を有し、これらは各々、先行技術で知られている陸上用垂直軸風力タービン(VAWT)に用いられているものと本質的に同じである。
海上用風力タービン100は、垂直軸風力タービン(VAWT)50を海で支持する浮遊式プラットホーム110を有している。一般的には、浮遊式プラットホーム110の上に取付けられている垂直軸風力タービン(VAWT)50は、片側支持システムであってもよいし、張りケーブルで上方に保持されていてもよい。図示のように、浮遊式プラットホーム110は、それが通常の作動条件下において垂直軸風力タービン(VAWT)の羽根54を水レベルよりも上に保持して風を捕えることができるように、水面下に沈められるのがよい。
釣合い重り114を有する中央支柱112が、プラットホーム110の下に延び、風力タービン100との釣合いをとり、垂直ロータ52を水の外にほぼ鉛直方向に差し向けるように保つ。釣合い重り114は、高さHを有する風力タービン100に働いて風力タービン100を傾斜させようとする風力Fのモーメントに対して釣合いをとる。風による傾斜を最小にするために、重量Wを有し且つプラットホーム110の下に長さLだけ延びる釣合い重り114は、W×Lが少なくともF×Hよりも大きくなるように設計されるべきである。
プラットホーム110は、中空構造であってもよいし、中実構造であってもよく、種々の材料を用いて構成される。例えば、プラットホーム110は、複合材、ガラス繊維、金属、コンクリート又はその他の材料で作られたシェルであるのがよく、空気又はバラスト材料で充填されるのがよい。一般的には、浮遊式プラットホーム110は、はしけ又は半潜水式のものであるのがよく、プラットホーム110の安定性を増大させる水平方向延長部分を有するのがよい。材料の使用量を最小にするために、例えば、プラットホーム110は、矩形又は円筒形のものではなく、その代わりに、プラットホーム110の安定性を増大させる水平方向拡張部分を有するのがよい。このように、プラットホーム110は、それを水の中で支持する十字形状又は3つ以上のアームを有する星形状を有するのがよい。
海上用風力タービン100は、種々の水深に使用可能であるけれども、例えば、30メートルよりも深い水深を有する深い海域で使用されるのに適している。風力タービンのプラットホーム110を展開するとき、先行技術で知られ且つ市販されている任意の数の繋留システムを用いて、プラットホーム110を海底40に繋留する。例えば、繋留システムは、海底油田及びガス田の掘削及び産出用の浮遊式プラットホームに用いられる懸垂式繋留システム及び引張りレグ式繋留システムであるのがよい。図示のように、複数のケーブル116及び締結具又は繋留アンカー117が、ピンと張ったレグ式繋留構成によって、プラットホーム110を海底40に直接取付けているが、懸垂式又はその他の繋留構成を用いてもよい。一般的には、ケーブル116は、鎖、スチールワイヤロープ、合成繊維ロープ等であり、締結具又は繋留アンカー117は、ドラグ埋込み型アンカー、杭、吸引アンカー、又は当該技術分野において知られている任意その他の種類の繋留アンカーである。浮遊式プラットホーム110が回転することを防止するために、浮遊式プラットホーム110は、その3箇所以上のところで海底に繋留される。本発明の実施形態に用いることができる種々の繋留システムの詳細を、本明細書において後述する。
海上用風力タービン100は、当該技術分野において知られている海上向い風用水平軸風力タービン(HAWT)と関連したいくつかの問題と無関係である。上述したように、海上向い風用水平軸風力タービン(HAWT)は、風の方向に差し向けられなければならず、ロータ、羽根及び塔を水レベルよりも上に支持するために、剛性に構成され且つ安定化されなければならない。これとは対照的に、垂直軸風力タービン(VAWT)50の羽根54は、風の方向に差し向けられる必要はなく、垂直軸風力タービン(VAWT)の垂直ロータ52及び羽根54は、主として、複合材又はその他の軽量耐腐食材料で構成されるのがよい。加えて、垂直ロータ52及び羽根54は、水の上に低輪郭で構成されるのがよく、その結果、海上用風力タービン100は、低重心になり、重いロータ、羽根、ギヤボックス、発電機及び塔を水よりも高く支持しなければならない海上向い風用水平軸風力タービン(HAWT)と異なる。例えば、高さ50メートルのところにおいて、海上の風は、陸上の風よりもかなり強いことがあり、その場合、海上用風力タービン100の垂直軸風力タービン(VAWT)50は、陸上の垂直軸風力タービン(VAWT)よりも高いエネルギー出力を有する。要約すれば、海上用風力タービン100の低重心、全方向性、及び軽量構造は、低コストの浮遊式プラットホームを水の中で安定化させ且つ支持することを容易にする。
〔B.第2の実施形態:3つ以上の延長アーム及び移動可能なアンカーを備えたプラットホームを有する浮遊式風力タービン〕
第2の実施形態としての海上用風力タービン200を図4A及び図4Bに示す。第1の実施形態と同様、図4Aに示すように、海上用風力タービン200は、垂直軸風力タービン(VAWT)50を有し、この垂直軸風力タービン(VAWT)は、垂直ロータ52と、湾曲した又は真直ぐな揚力羽根54と、ギヤボックス(図示せず)及び発電機(図示せず)又はギヤボックスを有しないダイレクトドライブ式発電機と、その他の従来の構成要素とを有している。しかしながら、この実施形態では、垂直ロータ52及び羽根54は、浮遊式プラットホーム又ははしけ220の表面に取付けられたスタンド210から延びている。水の上におけるプラットホーム220の安定性を高めるために、プラットホーム220は、重いが低コストである材料、例えば鉄筋コンクリートで作られるのがよい。加えて、プラットホーム220は、3つ以上の延長アームを備えた水平方向延長部分を有するのがよく、それにより、プラットホーム220の安定性を更に高めると共に、張りケーブルが締結されるプラットホームとして機能する。スタンド210は、ギヤボックス及び発電機、又は、ギヤボックスを有しないダイレクトドライブ型発電機と、その他の従来の構成要素とを収容するのがよい。張りケーブル216は、組立体を安定化させるために、プラットホーム220から垂直ロータ52の頂部に延びている。張りケーブル216を用いることによって、垂直ロータ52及び羽根54は、軽量材料で作られ且つプラットホーム220の近くに取付けられることが可能であり、その結果、低輪郭で低重心の海上用風力タービン200が与えられる。
第2の実施形態としての海上用風力タービン200を図4A及び図4Bに示す。第1の実施形態と同様、図4Aに示すように、海上用風力タービン200は、垂直軸風力タービン(VAWT)50を有し、この垂直軸風力タービン(VAWT)は、垂直ロータ52と、湾曲した又は真直ぐな揚力羽根54と、ギヤボックス(図示せず)及び発電機(図示せず)又はギヤボックスを有しないダイレクトドライブ式発電機と、その他の従来の構成要素とを有している。しかしながら、この実施形態では、垂直ロータ52及び羽根54は、浮遊式プラットホーム又ははしけ220の表面に取付けられたスタンド210から延びている。水の上におけるプラットホーム220の安定性を高めるために、プラットホーム220は、重いが低コストである材料、例えば鉄筋コンクリートで作られるのがよい。加えて、プラットホーム220は、3つ以上の延長アームを備えた水平方向延長部分を有するのがよく、それにより、プラットホーム220の安定性を更に高めると共に、張りケーブルが締結されるプラットホームとして機能する。スタンド210は、ギヤボックス及び発電機、又は、ギヤボックスを有しないダイレクトドライブ型発電機と、その他の従来の構成要素とを収容するのがよい。張りケーブル216は、組立体を安定化させるために、プラットホーム220から垂直ロータ52の頂部に延びている。張りケーブル216を用いることによって、垂直ロータ52及び羽根54は、軽量材料で作られ且つプラットホーム220の近くに取付けられることが可能であり、その結果、低輪郭で低重心の海上用風力タービン200が与えられる。
プラットホーム220は、通常の稼働中、海面上に浮くように構成され、海上用風力タービン200は、例えば、岸から約15〜200メートルの海域に展開される。一般的には、プラットホーム220は、垂直ロータ52の周りに対称的に配置された複数のアーム222を有し、この実施形態では、3つのアーム222を有しているが、任意の数のアームが用いられてもよい。アーム222は、プラットホーム220に比較的大きい広がりを与えるにも関わらず、例えばプラットホーム220が正方形又は円形の設置面積を有するように構成される場合よりもプラットホーム220を構成するのに必要な材料の量を減少させる。好ましくは、プラットホーム220の広がりは、垂直軸風力タービン(VAWT)50の高さの少なくとも1.5倍である。
プラットホーム220は、大きい広がりを有するだけでなく、好ましくは、プラットホーム220が支持する垂直軸風力タービン(VAWT)50よりも大きい重量を有する。例えば、プラットホーム220と垂直軸風力タービン(VAWT)50との間の重量比は、少なくとも50:1であるのがよい。1つの実施例では、プラットホーム220の重量は、1000メートルトンであり、垂直軸風力タービン(VAWT)50の重量は、20メートルトンである。好ましくは、浮遊式プラットホーム220は、積層コンクリート又は鉄筋コンクリートで構成され、また、海底油田及びガス田産業等の従来の浮遊式プラットホームを製作する技術を用いて構成されるのがよい。プラットホーム220は、このように構成される場合、コンクリートシェルを有するのがよく、コンクリートシェルは、その内部に空気、発泡ポリスチレン又はその他のバラスト媒体を収納し、多数の内部チャンバ又は仕切りを有するのがよい。
プラットホーム220は、上述したように構成された場合、鉄筋コンクリート等の低コスト材料で作られ且つ浮遊タンクを有する、水面に浮く重いはしけであるのがよい。水面に浮くはしけ220は、好ましくは、その重心よりも距離Dだけ高いところに浮力の中心を有し、従って、はしけ220は、高い波の中でも安定である。最大直径のところで高さHを有する垂直軸風力タービン(VAWT)50において、風力Fによる傾斜を最小にするために、好ましくは、はしけ220の重量Wは、W×DがF×Hよりもかなり大きくなるように十分重い。加えて、図4Aに示すように、浮遊式のはしけ220は、水平方向延長部分を有するのがよく、水平方向延長部分は、はしけ220の安定性を増大させると共に、垂直軸風力タービン(VAWT)50の張りケーブル216を取付けるためのベースを構成する。必要な材料を最小にするために、低コストのはしけ220は、十字形状、又は、図4Aに示すように3つ以上のアームを有する星形状であるのがよい。また、低コストで重く且つ浮くはしけ220は、張りケーブルを用いて又は用いずに、追い風用水平軸風力タービン(HADT)又は向い風用水平軸風力タービン(HAWT)(図示せず)を支持するのに使用されてもよい。
プラットホームのアーム222の各端部は、1対のプーリシステム250を有し、多数のアンカーケーブル230が、プラットホームのアーム222の端部の開口224の中を通り、プーリシステム250を通る。図4Bに示すように、複数のアンカーケーブル230の第1の端部は、水中の重り240に連結され、重り240は、それが展開されたときにプラットホーム220及び水面よりも下に支持される。重り240は、鉄筋コンクリートで構成されるのがよく、その重量は、約300〜500トンであるのがよい。アンカーケーブル230の反対側の端部は、移動可能なアンカー270に連結され、移動可能なアンカー270は、それが展開されたときに海底の上に載る。プーリシステム250及びアンカーケーブル230の二重構成が、過剰の目的で、プラットホームのアーム222の各々に使用されているけれども、他の実施例では、単一のプーリシステム250が各アーム222に用いられてもよい。
図示のように、移動可能なアンカー270は、プラットホーム200の3つのアームを反映した三角形状を有するのがよいが、このことは、厳密に必要であるわけではない。詳細には、移動可能なアンカー270は、3つの足部272を有し、3つの足部272は、クロスビーム276によって互いに連結されている。足部272は、その頂部に、アンカーケーブル230に結合可能なコネクタ273を有し、その底面に、海中に位置決めされるときに海底に係合する滑り止め274を有する。足部272は、移動可能なアンカー270が曳航されるときに浮くことを可能にする中空部280を有するのがよい。後で詳細に説明するように、プラットホーム220、重り240及び移動可能なアンカー270を海上で展開するのにいくつかの技術を利用することができるけれども、後で詳細に説明するように、いったん展開された移動可能なアンカー270及び重り240の操作により、プラットホーム220を海底に対して上下に移動させることを可能にする。この性能は、プラットホーム220が、潮汐又は嵐によるうねりに起因した海面レベルの変化に合わせて受動的に調節されることを可能にする。
〔C.プラットホーム用プーリシステム〕
図5A及び図5Bはそれぞれ、浮遊式プラットホームのアーム222の端部の平面図及び断面図であり、プーリシステム250の更なる詳細を明らかにしている。プーリシステム250の各々は、アンカーケーブル230用の開口224に隣接してプラットホーム220に取付けられた第1のプーリ252を有している。アンカーケーブル230は、沈められた重り240(図4B参照)から延び、開口224の中を通り、第1のプーリ252の上を通って、差し向けじょうご部254に延びている。差し向けじょうご部254は、アンカーケーブル230を第2のプーリ258に差し向け、アンカーケーブル230は、第2のプーリ258の上を通って、海底の上の海中アンカー270(図4B参照)まで下方に延びている。第2のプーリ258は、差し向けじょうご部254に回動可能に連結されたヘッド256に取付けられているので、第2のプーリ258は、差し向けじょうご部254に対して回動する。このように、水中でのプラットホーム220の任意の傾斜の間、第2のプーリ258が回動しながら、アンカーケーブル230が第1のプーリ252及び第2のプーリ258の上に位置したままである。
図5A及び図5Bはそれぞれ、浮遊式プラットホームのアーム222の端部の平面図及び断面図であり、プーリシステム250の更なる詳細を明らかにしている。プーリシステム250の各々は、アンカーケーブル230用の開口224に隣接してプラットホーム220に取付けられた第1のプーリ252を有している。アンカーケーブル230は、沈められた重り240(図4B参照)から延び、開口224の中を通り、第1のプーリ252の上を通って、差し向けじょうご部254に延びている。差し向けじょうご部254は、アンカーケーブル230を第2のプーリ258に差し向け、アンカーケーブル230は、第2のプーリ258の上を通って、海底の上の海中アンカー270(図4B参照)まで下方に延びている。第2のプーリ258は、差し向けじょうご部254に回動可能に連結されたヘッド256に取付けられているので、第2のプーリ258は、差し向けじょうご部254に対して回動する。このように、水中でのプラットホーム220の任意の傾斜の間、第2のプーリ258が回動しながら、アンカーケーブル230が第1のプーリ252及び第2のプーリ258の上に位置したままである。
また、プラットホーム220の一部分の構成を図5Bに示す。特に、図示のプラットホーム220は、積層コンクリート又は鉄筋コンクリートで構成された外側シェル221と、内側チャンバ223とを有している。プーリシステム250は、外側シェル221から延びる先端部に支持されている。外側シェルの内側チャンバ223に、空気、発泡ポリスチレン、又は任意適当なバラスト媒体を充填するのがよく、内側チャンバ223は、その中に、分割されたチャンバ又はその他の仕切りを有するのがよい。
〔D.第3の実施形態:4つのアーム、重り及びアンカーを有する浮遊式風力タービン〕
図6A及び図6Bに示す第3の実施形態としての海上用風力タービン300は、図4A及び図4Bの海上用風力タービン200と同様であるので、同様の構成要素に同じ参照符号を用いている。再び、海上用風力タービン300は、水深が約10m〜50mの海域における展開に適しており、図4A及び図4Bの海上用風力タービン200と同様な仕方で展開されるのがよい。海上用風力タービン300の実施形態では、プラットホーム220は、3つではなく、4つのアーム222を有している。海上用風力タービン300は、4つのアーム222を有し、その各々が2本の張りケーブルを有しているので、荒れた天候、例えばハリケーン又は台風に良好に対処することができる。図6Bに示すように、海上用風力タービン300と一緒に使用される移動可能なアンカー270は、好ましくは、正方形パターンの4つの足部272を有し、4つの足部272は、プラットホーム220の形状を反映する種々のクロスビーム276によって互いに連結されている。アンカー270が曳航されるときアンカー270が浮くことを可能にするように、足部272も中空部280を有するのがよい。
図6A及び図6Bに示す第3の実施形態としての海上用風力タービン300は、図4A及び図4Bの海上用風力タービン200と同様であるので、同様の構成要素に同じ参照符号を用いている。再び、海上用風力タービン300は、水深が約10m〜50mの海域における展開に適しており、図4A及び図4Bの海上用風力タービン200と同様な仕方で展開されるのがよい。海上用風力タービン300の実施形態では、プラットホーム220は、3つではなく、4つのアーム222を有している。海上用風力タービン300は、4つのアーム222を有し、その各々が2本の張りケーブルを有しているので、荒れた天候、例えばハリケーン又は台風に良好に対処することができる。図6Bに示すように、海上用風力タービン300と一緒に使用される移動可能なアンカー270は、好ましくは、正方形パターンの4つの足部272を有し、4つの足部272は、プラットホーム220の形状を反映する種々のクロスビーム276によって互いに連結されている。アンカー270が曳航されるときアンカー270が浮くことを可能にするように、足部272も中空部280を有するのがよい。
〔E.第4の実施形態:岸の近くの浅い海域用の浮遊式風力タービン〕
図7Aに示す第4の実施形態としての海上用風力タービン400は、海岸線の近くに存在することがある水深が15メートルまでの浅い海域で展開されるのに適している。再び、海上用風力タービン400は、垂直軸風力タービン(VAWT)50を有し、垂直軸風力タービン(VAWT)50は、垂直ロータ52と、湾曲した羽根54と、その他の従来の構成要素とを有している。垂直ロータ52は、短いスタンド410の上に取付けられ、スタンド410は、従来の構成要素の幾つかを収容し、張りケーブル216により、垂直ロータ52をプラットホームに対して安定化させる。
図7Aに示す第4の実施形態としての海上用風力タービン400は、海岸線の近くに存在することがある水深が15メートルまでの浅い海域で展開されるのに適している。再び、海上用風力タービン400は、垂直軸風力タービン(VAWT)50を有し、垂直軸風力タービン(VAWT)50は、垂直ロータ52と、湾曲した羽根54と、その他の従来の構成要素とを有している。垂直ロータ52は、短いスタンド410の上に取付けられ、スタンド410は、従来の構成要素の幾つかを収容し、張りケーブル216により、垂直ロータ52をプラットホームに対して安定化させる。
短いスタンド410は、岸近くの浅い海域の海底の上に載るように構成された潜水可能な(沈めることが可能な)浮遊式プラットホーム420上に載っている。このプラットホーム420は、スタンド410及び垂直軸風力タービン(VAWT)50を支持する中央部材430と、クロスビーム422によって中央部材430に連結された複数の先端部440とを有している。プラットホーム420は、好ましくは、鉄筋コンクリートで構成され、比較的軽量の垂直軸風力タービン(VAWT)50よりも重い重量を有する。プラットホームの先端部440は、その底部に、海底に係合する滑り止め442を有し、その頂部に、張りケーブル216に連結するためのタレット444を有している。
図7Aでは、張りケーブル216がプラットホームの先端部440から延びているけれども、図7Bに示すように、垂直軸風力タービン(VAWT)の垂直ロータ52から延びる張りケーブル216が、パイプアンカー460等を用いて、海底に連結されていてもよい。海上用風力タービン400が展開されるとき、張りケーブル216がまだ設置されていないので、好ましくは、垂直ロータ52をプラットホーム420に支持するために、一時的なブラケット及び支持バーが用いられる。いったんプラットホーム420を海底まで沈めたら、一時的なブラケット及び支持バーを取外し、張りケーブル216及びパイプアンカー460を設置して、垂直ロータ52を支持するのがよい。2つのかかる風力タービン400を互いに隣接して海底の上に展開するとき、隣接したプラットホーム420上の隣接した垂直軸風力タービン(VAWT)50は、それらの垂直ロータ52を支持するために、1つ又は2つ以上のパイプアンカー460を共有するのがよい。
垂直軸風力タービン(VAWT)50を有する海上用風力タービン400を示したけれども、変形例として図7Cに示すように、海上用風力タービン400は、プラットホーム420の上に取付けられた向い風用水平軸風力タービン(HAWT)40又は追い風用水平軸風力タービン(HADT)45を有してもよい。向い風用水平軸風力タービン(HAWT)40及び追い風用水平軸風力タービン(HADT)45は両方とも、ロータ42と、羽根44と、塔46を有するのがよく、張りケーブル(図示せず)を有していても有していなくてもよく、浮遊式プラットホーム420の上に支持されるのがよい。張りケーブルが用いられる場合、張りケーブルは、塔46をプラットホーム420又は海底に連結するのがよい。
図8A及び図8Bに示すように、海上用風力タービン400を、海岸線42の近くの岸で段階的に組立てるのがよい。例えば、工程A,工程B,工程Cにおいて、組立作業者は、潜水可能なプラットホーム420、塔410、垂直ロータ52及び羽根54を組立てると共に、組立体をレール、ローラ等46に沿って海岸線42に向かって押す。工程Dにおいて、海上用風力タービン400を海の中に押し、浅い箇所に浮かせる。最後に、工程Eにおいて、垂直ロータ52及び羽根54が水から延びて風をとらえることができるように、潜水可能なプラットホーム420を水の中に沈めて、海底40の上に載せる。
工程Dにおいて、潜水可能なプラットホーム420を水に浮かせるために、一時的な浮揚装置(図示せず)、例えば、ブイ及びケーブルを、潜水可能なプラットホーム420に結合し、潜水可能なプラットホームを岸の近くの所望の箇所に浮かせ、その箇所で、潜水可能なプラットホーム420を海底40まで下降させる。変形例として、潜水可能なプラットホーム420は、それが浮くことを可能にするために、中空部を内側に有していてもよい。
例えば図7Aに示すように、各先端部440及び中央部材430は、中空部450を有するのがよい。中空部450は、1つ以上のバルブ452を備えた内張りタンクであるのがよい。中空部450に空気を充填することにより、海上用風力タービン400が水の上に浮くことを可能にし、従って、海上用風力タービン400を岸の近くの現場まで、またそこから曳航することができる。しかしながら、中空部450に水を充填すると、海上用風力タービン400は、浅い海域に沈み、図8A及び図8Bの工程Eに最終的に示すように、垂直ロータ52及び羽根54が水から鉛直方向に延びたまま、先端部440の滑り止め442が海底に係合する。
図8Cに示すように、プラットホーム420Aが水平に配置され、且つ、垂直ロータ52が水から鉛直方向に延びるように、風力タービン400Aは、海底40の比較的平らな領域の上に展開されるのがよい。所望の箇所の海底40は、完全に平らで水平であるわけではないので、海上用風力タービンは、それが用いられる特定の箇所のために、垂直ロータ52が水面から鉛直方向に延びるように修正されるのがよい。例えば、風力タービン400Bによって示すように、潜水可能なプラットホーム420Bは、1つ以上の尖端部440Bで構成され、かかる尖端部440Bは、他の先端部から傾斜した平面内にあり、潜水可能なプラットホーム420Bを、水平でない海底40上に、垂直ロータ52が鉛直方向に延びる所定の向きで取付けることができる。
図8Cの海上用風力タービン400Cによって示すように、作業者は、所望の箇所における海底40の調査結果を利用して、所望の角度で傾斜した垂直ロータ52及び/又はスタンド410を構成してもよく、所望の角度は、潜水可能なプラットホーム420Bを水平でない海底40の上に載せたときに垂直ロータ52が水面から鉛直方向に延びる角度である。変形例として、垂直ロータ52とスタンド410との間の連結、又は、スタンド410と潜水可能なプラットホーム420Cとの間の連結は、ヒンジ機構等(図示せず)により調節可能であるのがよく、その結果、海上用風力タービン400を、理想的な水平及び平らではない非水平の海底の上に展開する場合、垂直ロータ52を、それが鉛直方向に延びるように修正する(傾斜させる)ことができる。
海上用風力タービン400を垂直軸風力タービン(VAWT)50と関連して示したけれども、より厳密な構成及び浮かない潜水可能なプラットホーム420の使用により、この設計が、水平軸風力タービン(例えば、向い風用水平軸風力タービン(HAWT))を含むように変更されることを可能にする。しかしながら、図7及び図8A〜図8Cの風力タービン400における向い風用水平軸風力タービン(HAWT)の使用を、簡単化のために図示しない。
〔F.延長可能な先端部及び他の特徴を有する第5の実施形態〕
第5の実施形態としての海上用風力タービン500を図9A及び図9Bに示す。上述した実施形態と同様、海上用風力タービン500は、垂直軸風力タービン(VAWT)50を有し、この垂直軸風力タービン(VAWT)は、垂直ロータ52と、湾曲した羽根54と、ギヤボックス(図示せず)と、発電機(図示せず)と、他の従来の構成要素とを有している。海上用風力タービン500はまた、4つのアーム522を備えた浮遊式プラットホーム520を更に有し、浮遊式プラットホーム520は、通常の作動中、垂直ロータ52を海面上に且つ鉛直方向に支持するように、水面に浮くように構成されている。図示のように、短い塔510が、プラットホーム520上の垂直ロータ52を支持し、複数の張りケーブル516が垂直ロータ52の遠位端部をプラットホーム520の縁部に連結して、過剰の安定性を垂直ロータ52に付与する。
第5の実施形態としての海上用風力タービン500を図9A及び図9Bに示す。上述した実施形態と同様、海上用風力タービン500は、垂直軸風力タービン(VAWT)50を有し、この垂直軸風力タービン(VAWT)は、垂直ロータ52と、湾曲した羽根54と、ギヤボックス(図示せず)と、発電機(図示せず)と、他の従来の構成要素とを有している。海上用風力タービン500はまた、4つのアーム522を備えた浮遊式プラットホーム520を更に有し、浮遊式プラットホーム520は、通常の作動中、垂直ロータ52を海面上に且つ鉛直方向に支持するように、水面に浮くように構成されている。図示のように、短い塔510が、プラットホーム520上の垂直ロータ52を支持し、複数の張りケーブル516が垂直ロータ52の遠位端部をプラットホーム520の縁部に連結して、過剰の安定性を垂直ロータ52に付与する。
追加の安定性を得るため、アーム522の端部に設けられた延長可能な先端部524が、浮揚要素526を支持するのがよく、浮揚要素526は、海面上のプラットホームの広がりを更に増大させ、プラットホームの安定性及び浮力を更に増大させる。海上用風力タービン500を所望の海上の箇所に移動させ、作動の準備が整った後、モータを用いて、先端部524及び浮揚要素526を延長させるのがよい。
〔G.第6の実施形態:横倒し可能な垂直軸風力タービン(VAWT)を有する浮遊式風力タービン〕
本明細書の海上用風力タービン(例えば、100,200,300,400,500)は、風力タービンのプラットホームから常に鉛直方向に延びるようにプラットホームの上にしっかりと支持された垂直軸風力タービン(VAWT)50を有するのがよい。変形例として、垂直軸風力タービン(VAWT)50は、プラットホームの上に横倒しされるように設計されてもよく、このことは、海上用風力タービンを曳航しているとき、又は、強風状態中の垂直軸風力タービン(VAWT)50を保護するときに役立つ。
本明細書の海上用風力タービン(例えば、100,200,300,400,500)は、風力タービンのプラットホームから常に鉛直方向に延びるようにプラットホームの上にしっかりと支持された垂直軸風力タービン(VAWT)50を有するのがよい。変形例として、垂直軸風力タービン(VAWT)50は、プラットホームの上に横倒しされるように設計されてもよく、このことは、海上用風力タービンを曳航しているとき、又は、強風状態中の垂直軸風力タービン(VAWT)50を保護するときに役立つ。
例えば、図10は、垂直軸風力タービン(VAWT)50を有する海上用風力タービン600を示し、垂直軸風力タービン(VAWT)50は、海上用風力タービンのプラットホーム620の上で横に倒したり起こしたりすることができる。塔又はスタンド610の一方の縁部に設けられた枢動結合部612、及び、反対側の縁部に設けられた解放可能な結合部614により、垂直軸風力タービン(VAWT)50をプラットホーム620に結合させる。海上用風力タービン600を運搬するとき、又は、強風が生じているとき、塔610を、解放可能な結合部614のところで分離し、枢動結合部612を中心に回動させ(傾斜させ)、垂直軸風力タービン(VAWT)の垂直ロータ52及び羽根54をプラットホーム620の上に横倒しにするのがよい。同様に、垂直軸風力タービン(VAWT)の垂直ロータ52及び羽根54を起こすとき、垂直ロータ52を枢動結合部612を中心に回動させ(傾斜させ)、塔610を解放可能な結合部614に再び結合させ、垂直ロータ52をその鉛直方向位置でプラットホーム620の上に固着させる。
垂直軸風力タービン(VAWT)50をプラットホーム620上で横に倒したり起こしたりすることを、手動で行ってもよいし、遠隔自動式に行ってもよい。例えば、嵐が近づく前、プラットホーム620の上に一時的に又は永続的に設けられたウインチ628により、垂直軸風力タービン(VAWT)50を横に倒すのがよい。作業者は、ウインチ628をプラットホーム620上に一時的に取付け、垂直軸風力タービン(VAWT)50を低くし、次いでウインチ628を別の海上用風力タービンに一時的に移すのがよい。変形例として、岸又は近くの船からの遠隔通信により、解放可能な結合部614を作動させ、プラットホーム620(又は延長可能な先端部)の上に永続的に取付けられたウインチ628を作動させてもよい。
いずれの場合でも、ウインチ628を作動させるとき、ウインチ628は、張りケーブル616を用いて、垂直ロータ52を枢動結合部612を中心に回動させ、垂直軸風力タービン(VAWT)50を起こしたり低くしたりする。例えば、遠隔制御ウインチ628を用いて、互いに反対側に位置して2つの組をなす2本の張りケーブル616の長さを調整しながら、互いに反対側に位置して他の2つの組をなす2本の張りケーブル(図示せず)をぴんと張ったままにすることによって、垂直軸風力タービン(VAWT)50を低くして、浮遊式プラットホーム620の上に横にして平らにする。このように、暴風が海上用風力タービン600の領域で生じた場合、作業者は、垂直軸風力タービン(VAWT)50を遠隔操作で横に倒して、それにより、損傷を防止すると共に、垂直軸風力タービン(VAWT)50に作用する強風及び波の影響を最小にするのがよい。強風が通過した後、作業者は、垂直軸風力タービン(VAWT)50を起こすのがよい。用いられるウインチ628は、プラットホーム620の上に直接取付けられていてもよいし、プラットホーム620から延びる延長部624の上に取付けられていてもよい。
〔H.モジュール化されたプラットホーム構造〕
上述したように、本明細書において開示した海上用風力タービン(例えば100,200,300,400,500)の種々の実施形態に用いられるプラットホームは、任意適当な材料、例えば積層コンクリート又は鉄筋コンクリートで構成されるのがよく、また、空気又はバラスト材料で充填されたシェルとして構成されるのがよい。加えて、開示したプラットホーム、例えば図4A及び図6Aのプラットホーム220は、1つのユニット又は一部品として構成されるのがよい。変形例として、開示したプラットホームは、モジュール構造を有するのがよい。
上述したように、本明細書において開示した海上用風力タービン(例えば100,200,300,400,500)の種々の実施形態に用いられるプラットホームは、任意適当な材料、例えば積層コンクリート又は鉄筋コンクリートで構成されるのがよく、また、空気又はバラスト材料で充填されたシェルとして構成されるのがよい。加えて、開示したプラットホーム、例えば図4A及び図6Aのプラットホーム220は、1つのユニット又は一部品として構成されるのがよい。変形例として、開示したプラットホームは、モジュール構造を有するのがよい。
例えば、図11に示すように、モジュール構造のプラットホーム720は、互いに連結され且つ所望の構成で互いに取付けられた複数の浮揚要素730を有し、この例では、所望の構成は、3アーム形状である。垂直軸風力タービン(VAWT)(図示せず)を支持するための中央の浮揚要素740が、3つのアームの中央に示されている。浮揚要素730を用いたプラットホーム720のモジュール構造により、プラットホーム720の製造及び組立てを安価にし且つ比較的容易にする。浮揚要素730は、任意適当な材料で構成されるのがよく、本明細書において開示するように中空構造又は中実構造を有している。例えば、図12では、浮揚要素730は、コンクリート製のシェル732を有し、シェル732は、発泡ポリスチレン又はその他のバラスト材料で構成されたコア734で充填されている。充填されたシェル732は、その端と端及び側面と側面を、ボルト、ケーブル、ロッド等のコネクタ736で互いにボルト止めされ、結ばれ又はその他の方法で締結されるのがよく、コネクタ736は、図示のように内部に取付けられていてもよいし、表面に取付けられていてもよい。
〔I.浮遊式風力タービンの展開及び組立て〕
図7Aの浅い海域のための海上用風力タービン400を組立てて展開する詳細を、図8A〜図8Cを参照して上述した。プラットホーム220及びアンカー270を有する図4A、図4B及び図6A、図6Bの垂直軸風力タービン(VAWT)200,300は、互いに異なる組立工程及び展開工程を必要とし、かかる工程のいくつかを図13A〜図13Cに示す。これらの例示の工程において組立てられる海上用風力タービンは、図4A及び図4Bの3アーム型海上用風力タービン200であるが、同じ工程を、図6A及び図6Bの4アーム型海上用風力タービン400に適用してもよい。海上用風力タービン200の組立ては、図13Bに示すように岸42の上で直接行われてもよいし、図13Cに示すように水の中に延びている傾斜路を有するドック44で行われてもよい。
図7Aの浅い海域のための海上用風力タービン400を組立てて展開する詳細を、図8A〜図8Cを参照して上述した。プラットホーム220及びアンカー270を有する図4A、図4B及び図6A、図6Bの垂直軸風力タービン(VAWT)200,300は、互いに異なる組立工程及び展開工程を必要とし、かかる工程のいくつかを図13A〜図13Cに示す。これらの例示の工程において組立てられる海上用風力タービンは、図4A及び図4Bの3アーム型海上用風力タービン200であるが、同じ工程を、図6A及び図6Bの4アーム型海上用風力タービン400に適用してもよい。海上用風力タービン200の組立ては、図13Bに示すように岸42の上で直接行われてもよいし、図13Cに示すように水の中に延びている傾斜路を有するドック44で行われてもよい。
第1の組立工程Aにおいて、組立作業者は、プラットホーム220とアンカー270を互いに隣接して製作する。組立作業者は、組立体をレール、ローラ等46に沿って海岸線42に向かって移動させ、次いで、工程B,C,Dにおいて、スタンド210をプラットホーム220に追加し、垂直軸風力タービン(VAWT)50のロータ52、羽根54及びその他の構成要素を組立体として取付け、組立体を海岸線の近くまで移動させる。
工程Eにおいて、組立作業者は、アンカー270及びプラットホーム220を水に浮かべる。上述したように、プラットホーム220は、水に浮くように構成され、アンカー270は、それを展開したときに海底40の上に載るように構成されている。アンカー270を浮かせるために、アンカー270に結合される一時的な浮揚装置(図示せず)、例えば、ブイを用いる。変形例として、図4Bに示すように、アンカー270は、その足部272に、中空部280を有し、中空部280により、アンカー270を浮かせてもよい。中空部280は、1つ以上の弁(図示せず)を有する内張りタンクであるのがよく、アンカーを沈めたり浮かせたりするように、内張りタンクに水を満たしたりそれから排水したりするのがよい。変形例として、中空部280は、空気を取込んでアンカー270を浮かせることができるように、且つ、水を満たしてアンカー270を沈ませることができるように開口した、単なる足部272の底部であってもよい。いずれの場合でも、アンカー270を水に浮かせ、所望の箇所で、海底40まで沈める。これらの可能な事項及びその他の可能な事項を使用してもよい。工程Fにおいて、組立作業者は、アンカー270を展開現場で海底40に展開する。
プラットホーム220及びアンカー270を、アンカー270を海底40まで下降させる展開現場まで曳航するいくつかの技術を利用することができる。第1の技術では、プラットホーム220及びアンカー270を、水面に且つ互いに近くに浮かせ、展開現場まで一緒に曳航する。次に、組立作業者は、アンカー270の足部の中空部280を充填することによって、アンカー270を海底40まで沈める。詳細には、組立作業者は、アンカー270の1つの足部272に水を満たして、それを海底40に触れさせ、次いで、他の足部272に水を完全に満たして、アンカー270を海底40の上に載せる。アンカー270を沈める際、組立作業者は、浮きを、アンカー270に連結されたケーブル230に取付け、ケーブル230を水面で回収するのがよい。アンカー270が海底40の上に載っている状態で、組立作業者は、プラットホーム220を、沈めたアンカー270の上に浮かせ、浮きが付いたケーブル230を回収し、ケーブル230をアンカー270からプーリシステム250に通し、ケーブル230を重り240に連結する。最後に、組立作業者は、重り240をプラットホーム220の下に沈め、ケーブル230をぴんと張り、設置を終了する。
第2の技術では、最初、アンカー270を、陸上又は浅い海域でプラットホーム220の下に重ね、次いで、積重ねたアンカー270及びプラットホーム220を、水面上の展開現場まで一緒に曳航する。展開現場において、組立作業者は、ケーブル230をプラットホーム220からアンカー270に通し、ウインチ(図示せず)を用いて、アンカー270を海底40まで下降させる。この方法は、プラットホーム220の周りのステージで、多数の工程を必要とすることがあり、かかる工程は、ケーブル230を滑車にかけたり、緩めたり、解いたりする工程である。組立作業者は、停止部をケーブル230に取付けた後、ウインチのケーブル230を重り240に連結し、重り240をプラットホーム270の下に下降させ、ケーブル230の緩みをとる。組立作業者は、最後に、停止部を解放し、重り240をプラットホーム220の下に完全に下降させ、それにより、設置を終了する。組立作業者は、海上用風力タービン200を展開したら、ウインチを別のプラットホームに持っていき、別の組立体の展開工程を繰返す。
海上用風力タービン200を補修する必要がある場合、作業者は、ウインチを用いて、重り240をプラットホーム220の下から持上げ、ケーブル230を重り240及びプーリシステム250から取外し、浮きをケーブル230に取付け、それにより、アンカー270を後で再び配置するのがよい。次いで、取外したプラットホーム220を、補修のために岸まで曳航する。アンカー270も回収する必要がある場合、作業者は、ウインチを用いて、アンカー270を海底40から持上げ、次いで、組合わされたプラットホーム220及びアンカー270を岸まで曳航する。また、アンカー270の中空部280に空気を充填し、アンカー270を浮かせるのがよい。
〔J.受動的に調節可能な繋留システム〕
図4A、図4B及び図6A、図6Bの海上用風力タービン200,300は、繋留システム(即ち、ケーブル230、重り240、プーリシステム250及びアンカー270)を有し、前記繋留システムは、潮汐変化又は嵐によるうねりに起因した海面レベルの変化に合わせて、受動的に調節可能である。この受動的調節の詳細を、図14A〜図14Dに示し、図14A〜図14Dには、海面レベルの変化に合わせて調節される図6A及び図6Bの海上用風力タービン300が示されている。海面レベルが上昇したり(図14A〜図14C)下降したりすると(図14C〜図14A)、プラットホーム220は、ケーブル230、重り240、プーリシステム250及びアンカー270に繋留されたまま、水面に従って上昇したり下降したりする。嵐の間、かなり大きなうねりが発達すると、プラットホーム220は、図14Cに示すように、アンカーケーブル230の全範囲まで持上げられる。図14Dに示すように、海水レベルが更に上昇すると、海水レベルは、プラットホーム220及び垂直軸風力タービン(VAWT)のロータ52及び羽根54さえも越え、嵐又は潮汐による波が生じている間、プラットホーム220及び垂直軸風力タービン(VAWT)のロータ52及び羽根54は、保護のために、少なくとも部分的に海水レベルの下に沈んだままになる。
図4A、図4B及び図6A、図6Bの海上用風力タービン200,300は、繋留システム(即ち、ケーブル230、重り240、プーリシステム250及びアンカー270)を有し、前記繋留システムは、潮汐変化又は嵐によるうねりに起因した海面レベルの変化に合わせて、受動的に調節可能である。この受動的調節の詳細を、図14A〜図14Dに示し、図14A〜図14Dには、海面レベルの変化に合わせて調節される図6A及び図6Bの海上用風力タービン300が示されている。海面レベルが上昇したり(図14A〜図14C)下降したりすると(図14C〜図14A)、プラットホーム220は、ケーブル230、重り240、プーリシステム250及びアンカー270に繋留されたまま、水面に従って上昇したり下降したりする。嵐の間、かなり大きなうねりが発達すると、プラットホーム220は、図14Cに示すように、アンカーケーブル230の全範囲まで持上げられる。図14Dに示すように、海水レベルが更に上昇すると、海水レベルは、プラットホーム220及び垂直軸風力タービン(VAWT)のロータ52及び羽根54さえも越え、嵐又は潮汐による波が生じている間、プラットホーム220及び垂直軸風力タービン(VAWT)のロータ52及び羽根54は、保護のために、少なくとも部分的に海水レベルの下に沈んだままになる。
上述した繋留システムに加えて、本明細書において開示した海上用風力タービンの種々の実施形態は、例えば、図14A〜図15Cに示すように、その他の受動的に調節可能な繋留システムを使用してもよい。図15Aの調節可能な繋留システム840Aは、プラットホーム820に取付けられた複数のプーリ846を使用する。多数のアンカーケーブル844が、複数のプーリ846を通り、海底において、別々の重り842を別々のアンカー848に相互に連結する。プラットホーム820を海底40に繋留するために、プラットホーム820が、その周りに対称的に連結された幾つかの繋留システム840Aを有するのがよいことを認識すべきである。
図15Bに示す受動的に調節可能な別の繋留システム840Bは、多数のアンカーケーブル844、プーリ846及びアンカー848を有する1つの共通の重り843を使用する。同様に、図15Cに示す受動的に調節可能な繋留システム840Cは、共通の重り843を使用するが、単一のアンカーケーブル845を使用し、単一のアンカーケーブル845は、重り843に設けられたプーリ847及びプラットホーム820に設けられたプーリ846に通されている。本発明の開示の利益を有する、重り、ケーブル、プーリ及びアンカーのその他の構成を使用して、プラットホーム820を繋留してもよいことを認識すべきである。
〔K.積極的に調節可能な繋留システム〕
上述した種々の繋留システムは、海面レベルの変化と共に、プラットホームを昇降させるように受動的に作用する。追加の実施形態では、本発明の浮遊式の海上用風力タービンは、積極的に調節可能な繋留システムを使用し、かかる繋留システムは、過酷な天候条件の間の保護のために、海上用風力タービンを水面下に一時的に引入れることが可能である。
上述した種々の繋留システムは、海面レベルの変化と共に、プラットホームを昇降させるように受動的に作用する。追加の実施形態では、本発明の浮遊式の海上用風力タービンは、積極的に調節可能な繋留システムを使用し、かかる繋留システムは、過酷な天候条件の間の保護のために、海上用風力タービンを水面下に一時的に引入れることが可能である。
例えば図16A及び図16Bでは、積極的に調節可能な繋留システム840Dは、1つ以上の機械式ウインチ841をプラットホーム820の上に有し、機械式ウインチ841は、アンカー848を用いて海底40に繋留されているアンカーケーブル846に結合されている。ウインチ841は、アンカーケーブル846を用いて、海上用風力タービン800を海面レベルに対して昇降させるように作動可能である。このように、作動状態のウインチ841は、強風又は高い波が生じたとき、アンカーケーブル846の長さを短くして、海上用風力タービン800を水面下に引き(図16B)、風又は波が通過した後、アンカーケーブル846を放出して、海上用風力タービン800が水面に又はその近くに浮くことを可能にする(図16A)。このウインチシステムは、水面に浮くように構成されたプラットホーム820及び固定されたアンカー848と共に使用されるように図示されているが、ウインチシステムは、図示しないけれども、本明細書において開示した任意の様々なプラットホーム及びアンカーと共に使用されてもよい。
垂直軸風力タービン(VAWT)50は、水面下に引込まれている間、プラットホーム820上で鉛直方向位置に固定されたままであるのがよい。変形例として、図16Bに示すように、垂直軸風力タービン(VAWT)50を、プラットホーム820の上で図10に示したように横倒しにしてもよい。この構成であれば、高い波が発達したとき、図16Bに示すように、垂直軸風力タービン(VAWT)50をプラットホーム820の上で横に倒し、海上用風力タービン800及びプラットホーム820全体を、保護のために、ウインチで水面下に引込むのがよい。垂直軸風力タービン(VAWT)50を横倒しにすることによって、海上用風力タービン800を水面下に引込むのに必要なウインチ巻上げ量を減少させることができる。
〔L.垂直軸風力タービン(VAWT)のマトリックス〕
典型的な実施例では、上述した多数の風力タービンが、海上の箇所の風力タービン群(wind farm)マトリックスで使用される。風力タービンは、互いに近くに繋留され、共通の電気ケーブルを用いて相互に連結されるのがよい。第1の例において、図17A及び図17Bは、多数の風力タービンを互いに連結するための1つの構成を有する風力タービン群マトリックス900の一部分を示す。この例では、マトリックス900は、図4A及び図4Bの浮遊式海上用風力タービン200を用いているが、それと同様に、本明細書に開示した任意その他の風力タービン、例えば図7A〜図7Dの非浮遊式風力タービンを用いてもよい。例えば、マトリックス900の1つの実施例では、各海上用風力タービン200が、300kWの能力の垂直軸風力タービン(VAWT)50を有し、垂直軸風力タービン(VAWT)50は、海の風を低コストで電気に変換する。例えば、毎秒9メートルの年平均風速を有する海上の強風領域では、各海上用風力タービン200は、毎年100万kWの電気を発生させる。
典型的な実施例では、上述した多数の風力タービンが、海上の箇所の風力タービン群(wind farm)マトリックスで使用される。風力タービンは、互いに近くに繋留され、共通の電気ケーブルを用いて相互に連結されるのがよい。第1の例において、図17A及び図17Bは、多数の風力タービンを互いに連結するための1つの構成を有する風力タービン群マトリックス900の一部分を示す。この例では、マトリックス900は、図4A及び図4Bの浮遊式海上用風力タービン200を用いているが、それと同様に、本明細書に開示した任意その他の風力タービン、例えば図7A〜図7Dの非浮遊式風力タービンを用いてもよい。例えば、マトリックス900の1つの実施例では、各海上用風力タービン200が、300kWの能力の垂直軸風力タービン(VAWT)50を有し、垂直軸風力タービン(VAWT)50は、海の風を低コストで電気に変換する。例えば、毎秒9メートルの年平均風速を有する海上の強風領域では、各海上用風力タービン200は、毎年100万kWの電気を発生させる。
マトリックス900では、電力線952により、風力タービン200を電力用はしけ950に連結する。電力用はしけ950は、図17Bに最もよく示すように、電力ケーブル954によって互いに結合されるのがよい。電力用はしけ950は、それに連結されている少なくともいくつかの浮遊式海上用風力タービン200から電力(即ち、電流)を受取り、かかる電力を、1つ以上の共通に割当てられたケーブル954によって、陸上ステーション956又はその他の電力シンクに伝達する。
マトリックス900を海上に設置するために、上述した任意の方法を用いて、各海上用風力タービン200を組立て、曳航し、適所に繋留した後、各海上用風力タービン200を送電網(例えば、電力用はしけ950)に接続して、電気を発生させる。同様に、修理及びメンテナンスのために、マトリックス900全体に影響を及ぼすことなしに、各海上用風力タービン200をマトリックス900から容易に切離し、曳航して岸に戻す。これに関し、海上用風力タービン200を海底にしっかりと取付けない繋留システム及び方法を使用することは、非常に有利である。例えば、図4、図6及び図7の各実施形態において、海底40の上に単に載せるだけの繋留システムが使用され、繋留システムを浮かすことにより、特定の海上用風力タービンのマトリックス900への容易な設置又はマトリックス900からの容易な取外しを可能にする。
電力用はしけ950は、浮遊式風力タービンのプラットホームと同様、水面で又はその近くで浮き、浮遊式海上用風力タービン200のプラットホームと同様に構成されるのがよい。電力用はしけ950が、浮遊式海上用風力タービン200が接続される電気ハブとして作用するに過ぎず、海上用風力タービン200と異なり、従来のコネクタ及びケーブルの向こう側に重要なハードウェアを支持する必要がないので、電力用はしけ950は、海上用風力タービン200を海底に繋留するのと同じ程度の労力で海底40に繋留される必要はない。例えば、図17Aに示すように、電力用はしけ950は、単一のケーブル951及びアンカー948だけを使用してもよく、電力用はしけ950の相対深さを受動的にも積極的にも調節することができなくてもよい。別の実施例では、電力用はしけ950は、全く繋留されず、その代わりに、適度に頑丈なコネクタ(図示せず)によって、電力ケーブル952を電力用はしけ950に連結すれば、電力ケーブル950だけに頼って、電力用はしけ950を、繋留され且つ浮遊式海上用風力タービン200に対する適正な位置に保ってもよい。いずれにしても、電力用はしけ950は、アンカーを有していなくてもよいし、それ自体の複数のアンカーを有していてもよいし、ケーブルによって海上用風力タービン200のアンカーに結合されてもよいし、本明細書において開示した種々の任意の繋留システムを使用してもよい。
図18に示す別の構成例では、マトリックス900は、電力をプラットホーム970又はその他の電力シンクに伝達するために、近くの海上プラットホーム970に結合される。例えば、海上プラットホーム970が油田探査に用いられるならば、海上プラットホーム970は、淡水を海上プラットホーム(図示せず)のボーリング孔の下部に注入するのに用いられる脱塩システム960を有する。プラットホーム970上では、脱塩システム960は、逆浸透法を利用して、海水から淡水を生産することができ、従って、淡水を充填、フレーシング(fracing)又はその他のプラットホーム作業に用いることができる。脱塩システム960が作動のために多量のエネルギーを必要とすることがあるので、風力タービン群マトリックス900を脱塩システム960の近くで使用して電力を得ることは、海上掘削作業を非常に容易にする。
好ましい実施形態及び他の実施形態についての上述の説明は、本出願人の考える発明の技術的思想の範囲又は利用性を制限し又は制約するものではない。本明細書の開示の恩恵により、本明細書において開示した一実施形態に関して説明した詳細は、本明細書において開示した他の実施形態と組み合わせることができ又はこれに使用することができる。ただし、かかる組み合わせ又は使用例は、本明細書において明確に示され又は説明されていない場合がある。本明細書に記載された発明の技術的思想を開示する交換条件として、本出願人は、特許請求の範囲により得られるあらゆる特許権を所望している。従って、特許請求の範囲は、あらゆる改造例及び変形例を、これらが特許請求の範囲に記載された本発明の範囲又はその均等範囲に属する限り、含むものである。
Claims (37)
- 垂直軸風力タービン及び前記垂直軸風力タービンが取付けられた浮遊式プラットホーム有する海上用風力タービンであって、
前記垂直軸風力タービンは、鉛直方向に延びるロータと、前記ロータに結合された複数の羽根と、前記ロータの回転により電力を発生させる発電機と、を有し
前記浮遊式プラットホームは、前記垂直軸風力タービンを水の上に支持するように水に浮き、
更に、前記海上用風力タービンが海で展開されたときに前記海上用風力タービンを海底に繋留するために、前記浮遊式プラットホームに結合された繋留システムを有する、海上用風力タービン。 - 更に、釣合い重りを有し、前記釣合い重りは、前記浮遊式プラットホームの、前記垂直軸風力タービンが取付けられている側と反対の側に結合され、風力に対抗して前記浮遊式プラットホームを安定化させる、請求項1に記載の海上用風力タービン。
- 前記繋留システムは、それが海で展開されたときに締結具を用いて前記浮遊式プラットホームを海底に直接取付けるように構成される、請求項1に記載の海上用風力タービン。
- 前記繋留システムは、アンカーを有し、前記アンカーは、前記繋留システムが海で展開されたときに海底に直接取付けられることなしに海底の上に載るように構成される、請求項1に記載の海上用風力タービン。
- 前記繋留システムは、更に、少なくとも1つの重りを有し、前記重りは、前記繋留システムが海で展開されたときに前記浮遊式プラットホームと前記アンカーの間に配置されるように構成され、前記重りは、少なくとも1本のケーブルを介して前記アンカー及び前記浮遊式プラットホームに結合されるように構成される、請求項4に記載の海上用風力タービン。
- 前記繋留システムは、前記浮遊式プラットホームの位置を、海水レベルの変化に合わせて調節することを可能にする、請求項5に記載の海上用風力タービン。
- 前記繋留システムは、浮かせたり沈めたりすることが可能である、請求項1に記載の海上用風力タービン。
- 前記プラットホームは、前記垂直軸風力タービンから水平方向に拡張された複数の脚部を有する、請求項1に記載の海上用風力タービン。
- 前記垂直軸風力タービンは、前記浮遊式プラットホームに対して傾斜可能である、請求項1に記載の海上用風力タービン。
- 前記浮遊式プラットホームは、海水レベルに対する適正な位置を維持するように受動的に又は積極的に調節可能である、請求項1に記載の海上用風力タービン。
- 風力タービン及び前記風力タービンが取付けられる潜水可能なプラットホームを有する海上用風力タービンであって、
前記風力タービンは、ロータと、前記ロータに結合された複数の羽根と、前記ロータの回転により電力を発生させる発電機と、を有し、
前記潜水可能なプラットホームは、それが海で展開されたときに海底に直接取付けられることなしに海底の上に載るように構成され、それにより、前記風力タービンは、水面よりも上に位置する、海上用風力タービン。 - 前記風力タービンは、鉛直方向に延びるロータを有する垂直軸風力タービンである、請求項11に記載の海上用風力タービン。
- 前記潜水可能なプラットホームは、浮かせたり沈めたりすることが可能である、請求項11に記載の海上用風力タービン。
- 前記潜水可能なプラットホームは、前記風力タービンから水平方向に拡張された複数の脚部を有する、請求項11に記載の海上用風力タービン。
- 前記潜水可能なプラットホームは、中空部を有し、前記潜水可能なプラットホームを浮かせたり沈めたりするために、前記中空部に水を満たしたり前記中空部を排水させたりするように構成される、請求項11に記載の海上用風力タービン。
- 前記ロータの軸線は、前記潜水可能なプラットホームに対して調節可能である、請求項11に記載の海上用風力タービン。
- 前記潜水可能なプラットホームは、それが海底の上に載っているときに前記風力タービンが鉛直方向のままにするように調節可能である、請求項11に記載の海上用風力タービン。
- 風力タービンを展開する方法であって、
垂直軸風力タービン、前記垂直軸風力タービンに取付けられた浮遊式プラットホーム、及び前記浮遊式プラットホームに結合可能な繋留システムを有する海上用風力タービンを、海上の所望の位置に浮かせる工程を有し、
前記垂直軸風力タービンは、鉛直方向に延びるロータと、前記ロータに結合された複数の羽根と、前記ロータの回転により電力を発生させる発電機と、を有し、前記浮遊式プラットホームは、前記垂直軸風力タービンを水面上に支持するよう水中で浮き、
更に、前記繋留システムを用いて、前記浮遊式プラットホームを海底に繋留する工程を有する、方法。 - 前記海上用風力タービンは、更に、釣合い重りを有し、前記釣合い重りは、前記浮遊式プラットホームの、前記垂直軸風力タービンが取付けられている側と反対の側に結合される、請求項18に記載の方法。
- 前記浮遊式プラットホームを海底に繋留する前記工程は、締結具を用いて、前記浮遊式プラットホームを海底に直接取付ける工程を含む、請求項18に記載の方法。
- 前記繋留システムは、アンカーを有し、
前記浮遊式プラットホームを海底に繋留する前記工程は、前記アンカーを、海底に直接取付けることなしに海底の上に載せる工程を含む、請求項18に記載の方法。 - 更に、重りを前記アンカーに取付ける工程を有し、
前記重りは、プーリを介して前記浮遊式プラットホームに結合される、請求項21に記載の方法。 - 前記浮遊式プラットホームを海底に繋留する前記工程は、前記アンカーに水を満たす工程を含む、請求項18に記載の方法。
- 前記繋留システムは、前記浮遊式プラットホームを受動的に又は積極的に調節することが可能であり、それにより、前記浮遊式プラットホームが水面に対して適正な位置を維持する、請求項18に記載の方法。
- 前記海上用風力タービンを海上の所望の位置に浮かせる前記工程は、前記浮遊式プラットホームと前記繋留システムの両方を別々の物体として又は重ねて浮かせる工程を含む、請求項18に記載の方法。
- 更に、前記海上用風力タービンを海上の所望の位置から岸の位置まで浮かせておく工程を有する、請求項18に記載の方法。
- 前記海上用風力タービンを海上の所望の位置から岸の位置まで浮かせておく前記工程は、前記繋留システムを浮かせておく工程を含む、請求項26に記載の方法。
- 風力タービンを展開する方法であって、
風力タービン及び前記風力タービンが取付けられた潜水可能な形プラットホームを有する海上用風力タービンを海上の所望の位置に浮かせる工程を有し、
前記風力タービンは、ロータと、前記ロータに結合された複数の羽根と、前記ロータの回転により電力を発生させる発電機と、を有し、
更に、前記潜水可能なプラットホームを沈ませ、海底の上に載せる工程を有し、
前記潜水可能なプラットホームは、海底に直接取付けられず、前記風力タービンは、水面上に留まる、方法。 - 前記風力タービンは、鉛直方向に延びるロータを備えた垂直軸風力タービンである、請求項28に記載の方法。
- 前記潜水可能なプラットホームは、前記風力タービンから水平方向に拡張された複数の脚部を有する、請求項28に記載の方法。
- 前記潜水可能なプラットホームは、中空部を有し、
前記潜水可能なプラットホームを沈ませるステップは、前記中空部に水を充填する工程を含む、請求項28に記載の方法。 - 更に、前記ロータの軸線を、ほぼ鉛直方向にするように、前記沈ませた潜水可能なプラットホームに対して調節する工程を有する、請求項28に記載の方法。
- 更に、前記潜水可能なプラットホームの角度を海底に対して調節し、前記潜水可能なプラットホームをほぼ水平方向にする工程を有する、請求項28に記載の方法。
- 更に、前記海上用風力タービンを浮かせた海上の所望の位置から岸の位置まで移動させる工程を有する、請求項28に記載の方法。
- 移動可能な風力タービンを回収する方法であって、
風力タービン及び前記風力タービンが取付けられた潜水可能なプラットホームを有する海上用風力タービンを、海底から上昇させて海に浮かせる工程を有し、
前記風力タービンは、ロータと、前記ロータに結合された複数の羽根と、前記ロータの回転により電力を発生させる発電機と、を有し、
更に、浮かせた前記海上用風力タービンを岸まで曳航する工程を有する、方法。 - 風力タービンを展開する方法であって、
潜水可能なプラットホームに取付けられた風力タービンを有する海上用風力タービンを、岸で組立てる工程を有し、
組立てられた前記海上用風力タービンを海上の所望の位置に浮かせる工程と、
前記風力タービンが水面上に延びるように、前記潜水可能なプラットホームを海底まで沈める工程と、
前記風力タービンを電力ケーブルに接続する工程と、を有する方法。 - 移動可能な風力タービンを回収する方法であって、
水面上に延びる風力タービン及び海底まで沈められた潜水可能なプラットホームを有する海上用風力タービンを、受電回路から切離す工程と、
前記潜水可能なプラットホームを海底から上昇させて水に浮かせる工程と、
浮かせた前記海上用風力タービンを岸まで曳航する工程と、を有する、方法。
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