JP2012512353A - 配置位置への水力発電タービンの固定法 - Google Patents

Abstract

本発明は、例えば海底や潮汐流の著しい領域といった、配置位置に水力発電タービンを固定する方法を提供する。この方法は、杭打ちまたは他の複雑な固定操作の利用を必要とせず、タービンが載置される土台の１つ以上の脚柱に下方向へ作用する力を発生させるために、潮汐流を用いることによって、転覆または適所からの滑動の危険なしに、タービンをしっかりと設置可能にする。

Description

本発明は、例えば海底や潮汐流の著しい領域といった、配置位置に水力発電タービンを固定する方法に関する。この方法は、転覆または適所からの滑動の危険なしに、タービンをしっかりと設置可能にするが、杭打ちまたは他の複雑な固定操作の利用を必要とせず、そのため、このようなタービンの取り付けを大幅に単純化する。

現在、世界的な規模で、ＣＯ_２の排出が我々の環境にもたらしている損害、特に地球温暖化によって引き起こされる脅威、を取り巻く大きな懸念が存在する。ＣＯ_２排出の主要源の１つとして、化石燃料の燃焼による、大規模な発電が挙げられる。しかしながら、電気は、人類の生存に欠かせない必需品であるため、化石燃料を用いずに大量の電気を発生させる代替手段を探すことに現在費やされている莫大な資産が存在する。核エネルギーがその１つの代替手段であるが、原子力の負の側面により社会の大部分が不安であるため、より望ましい他の解決策が必要となる。

その結果、多くのプロジェクトが太陽エネルギー、風エネルギーおよび潮汐力に関して展開され、再生可能エネルギーは近年手近なものとなった。比較的断続的なため信頼のできない風または太陽エネルギーとは異なり、潮汐流は完全に予想ができ一定であることを考えると、エネルギーのこれらの代替的な種類のうち、潮汐力が論証上最も魅力的である。

しかしながら、潮汐エネルギーを利用することは、特に、水力発電タービンなどの、潮汐力発電機の取り付けと整備に関して、それ自身の課題を提供する。潮汐力発電機は、同種の操作の性質そのものによって、比較的速く流れる潮流下に設置、より適切には海底に設置しなければならない。これらの条件は、かなり厳しく、安全な使用状態をもたらさない。このような潮汐タービンが載置される土台の取り付けは、従来、海底に杭を打ち込む形式を取っており、それぞれの杭の上に、タービンまたは１つ以上のタービンを乗せる第２のフレームを設置することが可能となる。しかしながら、速い潮汐流の領域の海底に杭を打ち込むことは、かなり問題があり、かつ、一般に危険な操作である。加えて、重要な穿孔および杭打ちをする機器を、取り付け位置へ輸送し、操作しなければならないため、操作の複雑性およびコストをかなり増加させる。

取り付け工程は、このような穿孔作業を実行するために適切な船および機器の市場における深刻化する不足、並びに、潮汐流の速い位置での潜水作業員の極度の危険によって、更に込み入ったものとなる。

したがって、本発明の目的は、海底上などの配置位置に水力発電タービンを固定し、かつ、すぐに利用可能な非専門技術者舶用機器を利用した、複雑で時間のかかる穿孔または同様の準備操作を必要としない方法を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、配置位置に水力発電タービンを固定する方法が提供される。この方法は次の工程を備える。
複数の脚柱を有する土台にタービンを載置されること。
速い潮汐流の領域の海底に土台を配置すること。
例えば土台の望ましくない移動を防ぐために、少なくとも１本の脚柱を海底に突き刺すようにした土台上に、回しモーメントが発生するように、潮汐流によってタービンおよび／または土台に及ぼされる力を利用すること。

好ましくは、この方法は、次の工程を備える。
タービンに対する潮汐流の結果として、転倒モーメントを受けるように、土台上の少なくとも一部分にタービンを配置すること。
そして、例えば海底に前記脚柱を押し戻すように、少なくとも１本の脚柱に土台を通過して転倒モーメントを伝達させること。

好ましくは、この方法は、次の工程を備える。
少なくとも１本の脚柱で海底を突き刺すこと。

好ましくは、この方法は、次の工程を備える。
海底に少なくとも１本の脚柱を押し戻すために、操作の間、タービンによって発生したトルクを利用すること。

好ましくは、この方法は、次の工程を備える。
潮が第１方向に流れる場合に、タービンの下流側の少なくとも１本の脚柱を海底に押し戻し、そして、潮が第１方向とは実質的に逆の第２方向に流れるように後退する場合に、タービンの下流側の少なくとも１本の他の脚柱を海底に押し戻すように、潮汐流の方向に土台を配置すること。

好ましくは、この方法は、次の工程を備える。
３本の脚柱が実質的に三角形の配列に整えられた土台を提供すること。
脚柱のうちの２本がタービンの下流側に配置され、残りの脚柱がタービンの上流側に配置されるように、そして、潮汐流の方向が逆になるときにも同様となるように、潮汐流の方向に土台を配置すること。

好ましくは、この方法は、次の工程を備える。
タービンの下流側の２本の脚柱が、通常は実質的に潮汐流の方向へと続く軸に沿って設置されるように、潮汐流の方向に土台を配置すること。

本発明の第２の態様によれば、タービン、タービンが載置できる土台を備えた水力発電タービン装置が提供される。土台は複数の脚柱を備え、速い潮汐流の配置位置の海底に装置が配備されるときに、少なくとも１本の脚柱が下向きの力を受けるように配置される。この下向きの力は、潮汐流によってタービンおよび／または土台に及ぼされる力から発生する。

好ましくは、土台は、三角形の定位に配列された３本の脚柱を備える。

好ましくは、３本の脚柱のそれぞれは、海底への貫入を援助するように成形および寸法を決められた海底接触端部を有する。

好ましくは、土台は三角形のフレームを備え、脚柱がそのフレームの各頂点から延びる。

好ましくは、１つまたは各々の脚柱の海底接触端部は、尖状である。

好ましくは、１つまたは各々の脚柱の海底接触端部は、羽根板の配列を備える。

好ましくは、複数の羽根板は、それぞれの脚柱の縦軸のまわりに、環状の配列に整えられる。

好ましくは、羽根板が共通点に集中するように、各羽根板が内側方向に次第に細くなる。

本明細書で使用する「海底」という用語は、例えば河床などの、何らかの適切な水域の床面および底面を加えた海底を意味する。

本明細書で使用する「潮汐流の方向」という用語は、潮が干満するとき、支配的な方向からいくらかの偏差が生じるだろうが、潮が流れる支配的な方向を意味する。

本発明の一実施形態による水力発電タービン装置の透視図である。 海底上の自然な位置に設置された、図１の装置の側面図である。 図１に示された土台の一部を形成している脚柱のうち、１本を下から見た透視図である。

ここで、添付の図面を参照にすると、概して１０と表される水力発電タービン装置が示される。この水力発電タービン装置は、図２に示したように、装置１０の一部を形成している水力発電タービン１２の、海底Ｂへの取り付けおよび整備を単純化するために構成される。更に、装置１０は、タービン１２が載置される土台１４を備える。図示された実施形態においては、土台は、後述するように、装置を通過する潮汐流の結果として装置１０上に作用している力の影響を受けて、海底Ｂを圧迫、好ましくは貫入するように構成された、３本の脚柱１８を突設するフレーム１６を備える。一度、脚柱１８が海底Ｂを圧迫し続けるかまたは貫入すると、装置１０は、適所に適切に固定され、その結果、装置を通過する潮汐流に応じて、海底Ｂに沿って滑動または転覆しない。したがって、特に装置１０の構成および操作の以下の説明から、装置１０を海底Ｂに配置する前に穿孔または他の準備操作を必要としないことはいうまでもない。その結果、装置１０を取り付けおよび除去する、時間、労力およびコストが大幅に削減される。

土台１４のフレーム１６は、図示された実施形態においては、三角形状であり、３つの頂点２２を互いに定める３本の支柱２０を具備する。それぞれの３つの頂点で、または、それぞれの３つの頂点に隣接して、脚柱１８の１本が、下方へと延びる。フレーム１６の三角形の形状が好ましいが、以下の説明から、フレーム１６の形状が大きく変化してもよく、更に、提供される脚柱１８の数が変化してもよいことはいうまでもない。

次に、図２を特に参照にすると、各脚柱１８が海底接触端部２４を含むことが分かる。海底接触端部２４は、点２６まで内側方向に次第に細くなるのが好ましい。本明細書での「点」という用語の使用は、尖らされた先端などに構成を限定せず、各脚柱１８の接触端部２４が、以下で詳細に説明するように、海底Ｂを把持、好ましくは少なくとも部分的に海底に貫入することができるように、点２６が十分に寸法を定められることを単に意味する。

図示された実施形態においては、各接触端部２４が次第に細くなる複数の羽根板２８を備え、４つの羽根板２８が、各接触端部２４を形成するように提供される。羽根板２８が数および形状／向きの双方において有意に変化できることは、当然、いうまでもない。羽根板２８の利用は、接触端部２４の断面積を有意に減少し、それにより、海底Ｂを把持するか、突き刺すかまたは貫入する端部２４の能力を増加させる。加えて、一度接触端部２４が海底Ｂに沈むと、羽根板２８は各脚柱１８上のいくらかの回しモーメントに抵抗し、それにより、装置１０の安定性を向上させる。

続いて、本発明の操作に移ると、装置１０は、最初に、例えば引網などによって牽引される土運船といった、いくらかの適切な船（図示せず）を利用して、配置位置へと輸送される。次に、装置１０は、タービン１２が土台１４に固定されて、前記の船（図示せず）から、海底Ｂの方へおよび海底上に降下される。海底Ｂと接触をすると、３本の脚柱１８の尖状接触端部２４は、端部上に下方へ作用しているタービン１２および土台１４の重量によって、海底Ｂへの有効な把持を提供する。配置位置で受ける有効な潮汐力がない場合、この把持は、海底Ｂに沿った装置１０の望ましくない移動または滑動を防ぐのに十分である。しかしながら、配置位置で受ける有効な潮汐力のため、タービン１２および土台１４の重量によってもたらされる把持の度合は、装置１０の上記の望ましくない移動を防ぐには、十分ではない可能性がある。

したがって、装置１０は、土台１４によって増加された海底Ｂへの把持を発生させるため、潮汐流から、少なくとも１つの脚柱１８を通過して下方向へ作用する力を発生させるように設計される。この力は、主として、脚柱１８の各々の間の位置で、土台１４上にタービン１２を選択的に配置することによって獲得される。この方法では、潮汐流の方向を考えずに、１本以上の脚柱１８がタービン１２の下流に設置される。図１を参照にすると、潮が第１方向Ａに流れると、タービン１２は、脚柱１８のうちの２本の上流に、および、残っている脚柱１８の下流に設置される。タービン１２に対する潮汐流は、土台１４上に回しモーメントを発生させる。その結果、土台１４は、タービン１２が載置されている点のまわりに回転をする梃子のように作用し、そして、下流の一対の脚柱１８の外側の位置の結果として、それら２本の脚柱１８、および、特に脚柱１８の接触端部２４を、下方向に海底Ｂへと押し戻す。発生した力は、所定の位置に装置１０をしっかりと設置し、海底Ｂに沿った装置の滑動を防ぐために、下流の２本の脚柱１８を海底Ｂに貫入させるのに十分であるのが好ましい。各脚柱の接触端部２４で発生する力の量は、フレーム１６によって定められる有効な梃子の長さを増加させるために、脚柱１８がタービン１２から間隔を置いて配置される距離を、増加または減少させることによって、変化することができる。タービン１２が土台１４より上に延びる高さも、発生する回しモーメントの大きさの決定要素である。したがって、土台１４と関連をした、タービン１２の高さは、装置１０の望ましくない移動を防ぐために、発生する力、つまり脚柱１８の貫入の度合を変化させるために、変化することができる。

また、装置１０は、潮汐流の支配的な方向に対して、配置されるのが好ましく、そうすると、下流の一対の脚柱１８は、潮汐流Ａの方向に通常実質的に続く線上にそれぞれ配置される。この方法では、等しい力が脚柱１８のそれぞれに適用され、海底Ｂ上の土台１４の安定性を向上させる。潮が逆の方向ＡＡへ流れるように反転するとき、タービン１２の下流だった２本の脚柱１８は、今度はタービン１２の上流に設置され、残っている１本の脚柱１８は、今度はタービン１２の下流に設置される。ふたたび、タービン１２に作用している潮汐流は、回しモーメントを発生させ、回しモーメントは、結果としてフレーム１６を、梃子のように機能させ、下流の１本の脚柱１８を通過して作用している下向きの力に、この回しモーメントを伝達させる。また、この下向きの力は、装置１０の望ましくない移動を防ぐために、海底Ｂへの前記脚柱１８の接触端部２４の有効な把持および／または貫入をもたらす。

上記の発生する力に加えて、タービン１２は、潮汐流で作動し、電気を発生させるための回転を受けている。その結果、トルクが、タービン１２により発生する。また、タービン１２に対する脚柱１８の配置は、脚柱１８が受ける下方向へ作用している力を更に増加させるために、このトルクを土台１４を通過して脚柱１８内へ下方向に伝達させる。その結果、タービン１２の操作は、海底Ｂに沿った望ましくない移動を防ぐために、装置１０を適所に固定するように更に作用する。

上記したように、脚柱１８の数のみならず、フレーム１６の形状も、上記の機能が維持されるならば、変更されてもよい。しかしながら、３本の脚柱１８の利用は、海底Ｂの地形線の不規則性に関係なく、３本の脚柱１８が、装置１０に安定性を提供するために、すべて海底Ｂと接触することを確実にする。加えて、３本の脚柱１８の利用は、装置１０を海底Ｂ上に安定して配置させることができる脚柱の最小数である。つまり、３本脚柱の利用は、海底Ｂへの貫入をもたらすために、各脚柱１８によって海底Ｂ上に及ぼされる圧力を最大にする。追加的な脚柱１８を提供することができるが、これは各脚柱１８によって及ぼされる圧力を減少させる。したがって、三角形の構成の３本の脚柱１８の利用が、装置１０に多くの利点を提供することはいうまでもない。

上記のように、装置１０は、取り付け位置へ輸送されて、適切な手段によって海中に降下される。装置１０は、図２に示したように、海底Ｂの方へおよび海底上に降下される。ここで、脚柱１８の三角形の配列の結果として、各接触端部２４は海底Ｂと自動で接触をし、そして、装置１０は自動で最も安定した姿勢を見つけ出す。一度、装置１０が潮汐流の中の海底Ｂ上に位置することができれば、海底Ｂが岩石であるかどうかにかかわらず、接触端部２４のそれぞれは、端部２４の形状および構成が同調した、上記の梃子効果のために、海底Ｂに貫入をする。この貫入は、図２で、はっきりと見ることができる。装置１０は、脚柱１８のそれぞれの貫入が一定の度合となった後、最終的に定着をする。ここで、装置１０は、適所に完全に固定されて、装置上に作用している潮流とは関係なしに、海底Ｂに沿って滑動せず、加えて、ぐらつきまたは転覆しなくなる。

装置１０を降下させるとき、最初に「前部の」脚柱１８を降ろすことが有益であろう。これにより、タービン１２が潮汐流と同一線となるような適切な向きに、装置１０が導かれるまで、装置１０を（海底Ｂへ装置１０を降下するときに使用される船を動かすことによって）前部の脚柱１８のまわりに回転させることができる。ここで、後部の２本の脚柱１８が、降下される。この方法は、羽根板２８が前部の脚柱１８を回転させることをより困難にするので、前部の脚柱１８が羽根板２８を有しなくてもよいと定めることがあり得る。

穿孔または他の準備操作が、装置１０の構成および操作の結果として、必要とされないので、装置の設計は、海底Ｂ上への装置１０の配置の前に、土台１４上にタービン１２を予め取り付けることを可能にする。穿孔、または、杭打ちといった他の操作が、適所に装置１０を固定するために必要ならば、装置に載置された、いくつかのタービン１２は、このような操作の間、重度の破損の危険性があるため、現実的な選択肢ではない。したがって、本発明の装置１０が、海底への潮汐タービンの取り付けについての従来技術の方法に対する、重要な多くの利点を提供することはいうまでもない。

また、装置１０は、脚柱１８および特に次第に細くなる接触端部２４の設計の結果として、タービン１２または土台１４がメンテナンスを必要とする場合に、適切な巻上手段（図示せず）によって海底Ｂから持ち上げることができる。一度、このようなメンテナンスが実行されると、装置１０は海底Ｂ上へ簡単にまた降下される。海底で、土台１４は、適所に自身を固定するために、海底Ｂにふたたび自動で貫入する。したがって、装置がメンテナンスのために移動をする前の位置に、装置１０を正確に移動させる必要はない。その結果、装置１０を移動する場合に必要とされる精度がかなり減少し、それにより、この作業を完成させるためにかかる時間が減少する。

Claims (14)

1. 配置位置に水力発電タービンを固定する方法であって、
   複数の脚柱を有する土台への前記タービンを載置する工程と、
   速い潮汐流の領域における海底上に前記土台を配置する工程と、
   前記土台の望ましくない移動を防ぐように、少なくとも１本の前記脚柱を海底に突き刺すようにした前記土台上に、回しモーメントを発生するための、前記潮汐流によって前記タービンおよび／または前記土台に及ぼされる力を利用する工程と、
   を備える方法。
2. 前記タービンに対する前記潮汐流の結果として、転倒モーメントを受けるような、前記土台上の少なくとも一部分へ前記タービンを配置する工程と、
   および、前記海底に前記脚柱を押し戻すように、少なくとも１本の前記脚柱への前記土台を通過させて伝達される前記転倒モーメントを許可する工程と、
   を備える請求項１に記載の方法。
3. 前記海底に少なくとも１本の前記脚柱を押し戻すための、前記タービンの操作の間の、前記タービンによって発生したトルクを利用する工程を備える請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 潮が第１方向に流れる場合には、前記タービンの下流側の少なくとも１本の脚柱を前記海底に押し戻し、かつ、前記潮が前記第１方向とは実質的に逆の第２方向に流れるように後退する場合には、前記タービンの下流側の少なくとも１本の他の脚柱を前記海底に押し戻すような、潮汐流の方向へ前記土台を配置する工程を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の方法。
5. ３本の脚柱を実質的に三角形の配列に整えられた前記土台に提供する工程と、
   前記脚柱のうちの２本が前記タービンの下流側上に配置され、残りの前記脚柱が前記タービンの上流側上に配置され、かつ、潮汐流の方向が逆になるときにも同様となるように、前記潮汐流の方向に対する前記土台を配置する工程と、
   を備える請求項１から請求項４のいずれかに記載の方法。
6. 前記タービンの前記下流側上の２本の前記脚柱が、通常は実質的に前記潮汐流の方向へと続く軸に沿って設置されるよう、前記潮汐流の方向に対して前記土台を配置する工程を備える請求項５に記載の方法。
7. タービンを備えた水力発電タービン装置であって、前記タービンが載置可能な土台を備え、
   前記土台が複数の脚柱を備え、速い潮汐流の配置位置の海底上に前記装置が配備されるときに、少なくとも１本の前記脚柱が下向きの力を受けるように配置され、下向きの力が、前記潮汐流によって前記タービンおよび／または前記土台上に及ぼされる力から発生する
   装置。
8. 前記土台が三角形の定位に配列された３本の脚柱を備える、請求項７に記載の装置。
9. ３本の前記脚柱のそれぞれが、前記海底への貫入を援助するように成形および寸法を決められた海底接触端部を有する、請求項８に記載の装置。
10. 前記土台が三角形状のフレームを備え、脚柱が前記フレームの各頂点から延びる、請求項７から請求項９のいずれかに記載の装置。
11. １つまたは各々の脚柱の海底接触端部が、尖状である、請求項７から請求項１０のいずれかに記載の装置。
12. １つまたは各々の脚柱の海底接触端部が、羽根板の配列を備える、請求項７から請求項１１のいずれかに記載の装置。
13. 複数の前記羽根板が、それぞれの前記脚柱の縦軸のまわりに、環状の配列に整えられる、請求項１２に記載の装置。
14. 前記羽根板が共通点に集中するように、各羽根板が内側方向に次第に細くなる、請求項１２および請求項１３のいずれかに記載の装置。

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