JP2013508224A - 部分的に浸水可能な風力タービン輸送船 - Google Patents

部分的に浸水可能な風力タービン輸送船 Download PDF

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Abstract

部分的に浸水可能な風力タービン輸送船(10)が提供される。船は、船体(22)の左舷側に配置された左舷側翼内タンク(30)と、船体の右舷側に配置された右舷側翼内タンク(28)とを含む。両翼内タンク(28、30)は、船が水平位置にある場合に、船の水線(WL)の上方に、船が垂直位置にある場合に、船の水線の下方に位置付けられる。船は、浮きながら、船体の横軸(L)を中心として、回転し、船尾を完全に浸水させ、船首を実質的に垂直な船体位置に持ち上げるように、船のピッチを変更させるように構成されている。次いで、浮くことのできる風力タービンは、船から分離され、係留させることができる。

Description

(関連出願)
本願は、米国仮出願第61/255,261号(2009年10月27日出願)を基礎とする優先権および利益を主張する。両出願において全ての主題が共通する。該仮出願の開示は、その全体が参照により本明細書に援用される。
(発明の分野)
本発明は、水中で風力タービンを輸送するために好適な船に関し、より具体的には、水から持ち上げた状態で風力タービンを輸送すること、および、所望の場所に設置するために垂直な浮いた位置に風力タービンを送達することが可能な部分的に浸水可能な船に関する。
従来の沖合風力タービンは、典型的には、海底深くまで打ち込まれた塔の上に立つ。そのような風力タービンは、水深が、典型的には、50フィート以下である場所に設置されなければならない。本制約を克服するために、浮く風力タービンが製作された。浮く構造は、バラストで充填された鋼鉄または類似高強度材料シリンダから形成される。バラストは、水、土、岩等であり得る。大容量の浮く風力タービンは、海面下100メートルまで延在し得る。そのようなユニットは、係留システムを使用して、海底に取り付けられる。これらの浮く風力タービンは、平均風速が、より大きい、海底設置式海上風力タービンより遥かに沖に位置することができ、したがって、より優れたエネルギー生成性能をもたらす。
これらの浮く風力タービンを所望の沖合の場所に設置するためには、その実質的垂直位置で浮きながら、曳航されなければならない。これは、非常に高い曳航抵抗をもたらす。高曳航抵抗の結果、大型の曳船が必要となる。風力タービンを曳航する際の別の配慮は、渦の離脱のために生じる、相当な横方向運動である。横方向運動は、垂直位置にある風力タービンを、2ノットを超える速度で曳航することを非常に困難にする。したがって、ある場所から別の場所への浮く風力タービンの移動は、相当な時間がかかる可能性がある。
その垂直位置において、風力タービンを曳航する利点の1つは、タービンを曳航するための工夫がほとんど必要とされない。その技術は、現在、存在しており、良く確立されている。
風力タービンが輸送され得る速度を高めるために、風力タービンは、水平位置において、水から、荷船上に、完全に持ち上げられ得る。しかしながら、従来の技術および機器を使用すると、そのような解決策は、輸送のための荷船または船上に風力タービンを持ち上げるために、クレーン船を必要とするであろう。風力タービンおよび荷船が、所望の目的地に到着すると、次いで、荷船に同行していたクレーン船が、風力タービンを荷船から下ろし、水中に降下させなければならない。6500トン、8000トン、またはさらに大容量に近い可能性がある、そのような浮く風力タービンの重量およびサイズを考慮すると、十分な持ち上げ能力を伴うクレーン船は、世界中にそれほど存在せず、したがって、可用性が、問題となり得る。加えて、そのような操作は、風力タービンを操縦し、送達するために、複数の船を必要とする場合がある。
垂直位置において、水中で風力タービンを曳航する、または水から風力タービンを輸送するために、複数の船を使用するよりも効果的かつ効率的に、所望の水中の場所に浮くことのできる風力タービンを送達するための解決策に対するニーズがある。本発明は、本ニーズを解決することに加え、他の望ましい特性を有する、さらなる解決策を対象とする。
本発明の一実施形態によると、部分的に浸水可能な船は、左舷側と、右舷側と、船尾と、船首とを有する船体を含み、船体は、船首につながるテーパ形状を有する。左舷側翼内タンクは、船体の左舷側に配置され、右舷側翼内タンクは、船体の右舷側に配置される。風力タービン搭載装置は、船の甲板上に配置され、甲板に対して略水平または横に位置付けられた風力タービンを支持するように構成されている。船は、浮きながら、船体の横軸を中心として、回転し、船尾を完全に浸水させ、実質的に垂直な船体位置まで船首を持ち上げるように、船のピッチを変更するように構成されている。実質的に垂直な船体位置は、船体の縦軸が水の上面に実質的に垂直であることによって特徴付けられる。船体の水線は、実質的に垂直な船体位置で浮きながら、実質的に、テーパ形状と船首との間にある。
本発明の側面によると、船は、約120メートル以下の喫水を有することができる。船はさらに、船体の横軸を中心として回転して、浸水し、船首を水平から約5度に維持するように構成されることができる。船は、荷船であり得る。船はさらに、斜面甲板を有する開放船尾構成を含むことができる。
本発明の一例示的実施形態によると、浮くことのできる貨物を輸送および送達するための方法は、部分的に浸水可能な船上に貨物を側臥位で積載することを含み、貨物は、船が浮いている水面の上方に持ち上げられる。船は、所望の送達場所に位置付けられる。バラストは、複数の排水タンクに導入され、船が、実質的水平位置から実質的垂直位置に回転するまで、横軸を中心として、船を旋回させ、船の船尾部分を浸水させ、船の船首部分を持ち上げる。浮くことのできる貨物は、位置付けて係留するために、船から解放される。
本発明の側面によると、方法はさらに、2つ以上の翼内タンクをバラストで充填することを含むことができ、翼内タンクは、船が水平位置にある場合に、船の水線の上方にあり、船が垂直位置にある場合に、船の水線の下方にあるように、船上に位置付けられる。
本発明のさらなる側面によると、浮くことのできる貨物は、浮くことのできる風力タービンであり得る。
本発明は、以下の説明および付随の図面を参照することによって、より理解されるであろう。
図1は、本発明の一実施形態による、部分的に浸水可能な風力タービン輸送船の斜視図である。 図2は、本発明の一実施形態による、部分的に浸水可能な風力タービン輸送船の概略側面図である。 図3は、本発明の一側面による、図2の船の概略上面図である。 図4は、本発明の一側面による、垂直位置における船の概略側面図である。 図5は、本発明の一側面による、船の内側に位置する、複数の排水タンクの概略斜視図である。 図6は、本発明の一側面による、船首を下げた位置における、船の概略側面図である。 図7は、本発明の一側面による、開放船尾構成の斜視図である。
本発明の例証的実施形態は、部分的に浸水可能な風力タービン輸送船に関する。船は、左舷側と、右舷側と、船尾と、船首とを有する船体から形成され、船体は、船体の船梁幅が、船首に接近するのに伴って減少するような船首に向かうテーパ形状を有する。左舷側翼内タンクは、船体の左舷側に配置され、右舷側翼内タンクは、船体の右舷側に配置される。風力タービン搭載装置は、甲板に対して、略水平または横に位置付けられた風力タービンを支持するように構成された船の甲板上に配置される。船は、浮きながら船体の横軸を中心として、回転し、船尾を完全に浸水させ、実質的に垂直な船体位置まで船首を持ち上げるように、船のピッチを変更するように構成されている。本回転は、左舷側および右舷側翼内タンクを含む、複数のバラストタンクを水で充填することによって達成される。これは、例えば、タンクに通じる弁を開放することによって行うことができ、遠隔制御を通して、近傍船舶から遠隔で制御することができる。実質的に垂直な船体位置は、船体の縦軸が水の上面に実質的に垂直であることによって特徴付けられる。船体の水線は、実質的に垂直な船体位置で浮いている場合に、実質的に、テーパ形状と船首との間にある。船体を水平位置に戻すことが所望されると、バラストタンクは、圧搾空気を使用することによって、空にされる。圧搾空気は、近傍船舶から発生させることができる。
図1から7(同一部分は、全体を通して、同一参照番号によって指定される)は、本発明による、浮くことのできる風力タービンを輸送可能な部分的に浸水可能な船の例示的実施形態を例証する。本発明は、図面に例証される例示的実施形態を参照して説明されるが、多くの代替形態が、本発明を具現化することができることを理解されたい。当業者は、加えて、依然として、本発明の精神および範囲を維持したまま、要素または材料のサイズ、形状、あるいは種類等、開示される実施形態のパラメータを変更する異なる方法を理解するであろう。
図1は、本発明の一実施形態による、風力タービンを輸送するために好適な部分的に浸水可能な船10の斜視図である。船10は、左舷側12と、右舷側14と、船尾16と、船首18とを有する。船10は、乗組員、船制御、ブリッジ、貯蔵庫、外部供給源への連結等を格納するための補助空間20を含み得る。これらの補助空間20のいずれも、船10の意図された使用に応じて、含まれることも含まれないこともある。船10の船体22は、当業者に周知の金属、繊維ガラス、および/または合成材料等の従来の船体材料から構築される。船10は、自走式であることも曳船等によって曳航されることが必要となる、荷船の形態であることも可能である。
また、図1には、船の甲板上に側臥位で位置付けられた浮くことのできる風力タービン24が示される。浮くことのできる風力タービン24は、動作の際、実質的垂直構成において、水中に浮く十分な浮力を有する風力タービンである。浮くことのできる風力タービン24は、いくつかの異なる製造業者によって製造することができる。浮くことのできる風力タービン24は、所望の場所において、水中に位置付けられると、複数のアンカまたは係留索具によって、停泊あるいは係留され、次いで、動作中、定位置に浮く。例示的浮くことのできる風力タービン24は、Siemens and Tehchnip for Statoil Hydro製Hywind風力タービンである。本風力タービンは、2.3MWを生成し、重量6500トン、高さ65m、喫水100mを有し、水深120−700mに設置することができ、3つの係留索具を必要とする。当業者は、本発明が、本具体的例示的浮くことのできる風力タービンに関連する動作にいかようにも限定されず、類似属性および特性を有し、輸送および送達のために本明細書に開示される種類の船に準拠する、他の浮くことのできる風力タービンも、本発明と併用されることが予期されることを理解するであろう。
図2は、本発明の別の実施形態による、部分的に浸水可能な船10の側面図を例証する。本実施形態では、船10は、その独自の自走式機構を伴わない、荷船構成である。本図には、右舷側14、船尾16、船首18、および風力タービン24が確認される。加えて、右舷側翼内タンク28は、船10の甲板レベルから上方に延在して示される。図3は、船10の上面図を示し、両右舷側翼内タンク28および左舷側翼内タンク30が確認される。右舷側翼内タンク28および左舷側翼内タンク30は、相互に対称であって、船10の甲板レベルの上方に隆起する。本構成は、本明細書に説明されるように、船の動作において有用である。両右舷側翼内タンク28および左舷側翼内タンク30は、船10の船体22全体に分散される、複数の排水タンク36(図5参照)の追加排水タンクである。
「排水タンク」とは、水、圧搾空気等を保持するように構成することができる、本明細書に説明されるような任意の好適なタンクを意味する。排水タンクは、タンク内の流体含有量または圧搾空気の種類、質等を調節することによって、排水を制御することを含め、種々の目的を果たすことができる。したがって、当業者は、本発明のいくつかの実施形態では、バラストタンクが、好適な排水タンクとしての役割を果たすことができることを理解するであろう。
船体22は、図3に示されるように、船体22の主要区画と船首18との間にテーパ形状32を含む。テーパ形状32は、主要区画内の船体22の船梁幅と、船首18における船体の船梁幅との間の遷移である。テーパ形状32は、本明細書に説明されるように、船10が部分的に浸水した状態にある時の船体22に沿って画定される水線に先立った船体の長さに沿った点において、船体22の船梁幅を減少させる。テーパ形状32における船体22の船梁幅の減少は、船体22が、浮くことのできる風力タービン24と類似の排水量対水線面積比を有することを可能にする。換言すると、船梁幅の減少は、垂直位置にある場合に、船の水線面積を減少させる。本減少は、輸送および送達される風力タービン24と類似の水線面積(Awl)対排水量(Δ)比(Awl/Δ)を達成することが必要である。
図4は、水平から約90度、その横軸の周囲で旋回または回転され、それによって、船10が実質的垂直位置に置かれた後の部分的に浸水可能な船10を例証する。「WL」と標識された想像線は、本垂直位置で水中に浮いている場合の船10の水線を示す。図から分かるように、水線WLは、船体22のより幅広の部分およびテーパ形状32の上方にある。
図5は、船10の船体22全体に分散された複数の排水タンク36の略図である。例証では、明確にする目的上、船体22および囲りの構造は、除去され、内部排水タンク構造が示される。図から分かるように、複数の排水タンク36は、実質的に、タンクを保持する船体22の形状を充填し、複製する。複数の排水タンク36はそれぞれ、排水を制御するために供給される水または圧搾空気を有することができる。水は、船10が浮いている水域から供給される。圧搾空気は、船10あるいは近傍船または構造上にいずれかに位置する1つ以上の圧搾空気タンクまたはコンプレッサによって提供される。当業者は、圧搾空気が、タンク内またはコンプレッサを含むいくつかの異なる方法で提供することができることを理解するであろう。複数の排水タンク36のそれぞれが、水で充填されるのに伴って、船10は、徐々に浸水し、その横軸L(図3参照)を中心として、旋回または回転する。船10は、旋回または回転し、実質的に垂直な船体位置(図4に示されるように)が達成されるまで、船尾16を完全に浸水させ、船首18を持ち上げるように、船10のピッチを変更させることができる。本回転は、本発明の一実施形態によると、甲板上の弁を開放することによって、左舷側および右舷側翼内タンクを含む複数のバラストタンクを水で充填することによって実施される。これは、遠隔制御を通して、近傍船舶から遠隔で、または船上機器によって行うことができる。実質的に垂直な船体位置は、船体の縦軸が、船が浮いている水の上面に実質的に垂直であることによって特徴付けられる。
動作時、部分的に浸水可能な船10は、船10の甲板にわたって、実質的に水平に搭載された浮くことのできる風力タービン24の形態である貨物を支持する。浮くことのできる風力タービン24は、輸送の際、浮くことのできる風力タービン24を甲板上の定位置に保持するために、いくつかの異なる搭載構造および構成を使用して搭載することができる。浮くことのできる風力タービン24は、水から完全に持ち上げられるため、浮くことのできる風力タービン24は、船が水上を移動するのに伴って、いかなる付加的妨げも船10に直接生じさせることはない。同様に、船10自体も、船10が航行する場合に水を切るための狭小船首18区画を伴う、実質的に通常形状の船体を維持する。
船10が、所望の浮くことのできる風力タービン24設置場所に到着すると、船は、前進運動を停止する。順序付けられた方式において、複数の排水タンク36に水を導入することによって、横軸Lを中心とした船体22の旋回または回転を生じさせる。水が複数の排水タンク36を充填するのに伴って、船尾16は、水中に浸水し、浮くことのできる風力タービン24も同様に、水中に浸水し始める。複数の排水タンク、ならびに右舷側翼内タンク28および左舷側翼内タンク30の充填を継続すると、船10は、実質的垂直位置(図4に示されるように)まで約90度旋回または回転を続ける。2つの翼内タンク28、30は、船10が、水平位置から実質的垂直位置に遷移するのに伴って、付加的安定性および制御を提供する。
実質的垂直位置では、船10および浮くことのできる風力タービン24は両方とも、水に浮き、水線WLは、略図4に示される場所にあるであろう。本構成において浮いている場合は、風力タービン24および船10の説明された相対的位置によって、風力タービン24と船10とに対して、排水量対水線面積の比は実質的に類似する。換言すると、風力タービン24および船が、垂直位置で浮いている時、水面に近接する排水体積は、比較的に小さい。水面近傍では、水粒子の速度は、最大である。水粒子の速度は、水深の増加に伴って、指数関数的に減衰する。物体に及ぶ水粒子からの力は、水粒子の速度が最高の場所でより大きくなる。したがって、物体に及ぶ力を最小限にするために、粒子の運動が最大である場所の体積を最小限にすることが望ましい。したがって、水面近傍でより小さい体積を伴う物体は、より大きな体積を伴う物体より影響を受けないであろう。故に、垂直位置にある場合に、水面の船体10の体積を減少させることが望ましい。表面近傍における小排水体積の結果、風力タービン24および船10はそれぞれ、非常に小さいヒーブ、ピッチ、ロール、ヨー、サージ、およびスウェイの運動を有する。したがって、船10の運動特性が、風力タービン24の運動特性と一致するように、船10の運動特性を調整することが可能である。その結果、2つの物体間の相対運動が最小限となる。船10および風力タービン24の両方に対して、実質的に、類似排水量対水線面積比を提供することは、波に対して、両物体を同様に反応させる。類似反応によって、垂直位置にある時に、2つの物体間の潜在的衝突に対応する必要性が少なくなる。
複数の排水タンク36に関して、本発明の一例示的実施形態によると、タンクは、船10の甲板上に位置する弁を開放することによって、水で充填される。弁の操作は、遠隔で行うことができ、弁は、タンクへの水の流入を制御するために必要である場所であればどこにでも位置することができる。複数の排水タンク36は、後に、タンクまたはコンプレッサからの圧搾空気の導入によって、空にすることができる。圧搾空気を使用する理由の1つは、非常に大きな静水圧力を吸収する能力を有する耐圧船体に対する必要性を回避するためである。圧搾空気の使用によって、タンク外部の静水圧力と実質的に同一圧力をタンク内に維持することが可能となる。当業者によって理解されるように、タンク内外間のある程度の圧力差は、水を排出するために必要とされる。しかしながら、この圧力差は、静水圧力と比較して、非常に小さい。船10の重量およびコストは、耐圧船体を必要とせずに、実質的に削減される。
次に、浮くことのできる風力タービン24を送達するプロセスを参照すると、垂直位置で浮く風力タービン24は、船10から除去され、定位置に係留されるために所望の場所に誘導されることができる。風力タービン24および船10が、実質的に、分離され、十分かつ安全な距離が、風力タービン24と船10との間に確立されると、プロセスは、その垂直位置から従来の水平位置に戻るように、船10を旋回または回転させ始めることができる。船10を回転させるためには、水をタンクから除去しなければならない。これは、当業者が理解し得るように、いくつかの異なる方法で達成することができる。本発明によって使用するための好ましい方法は、圧搾空気をタンクに導入することである。圧搾空気が、複数の排水タンク36および翼内タンク28、30に流入するのに伴って、水が、タンクから流出し、船10が、横軸Lを中心として、旋回または回転し、その水平位置に戻る。
本発明の重要な側面は、右舷側翼内タンク28および左舷側翼内タンク30の存在である。船上の翼内タンクは、反転プロセスの際、安定性を改善するように設計されている。これらのタンクは、船舶の両側の延長部として、甲板上に搭載される。翼内タンクは、船の水線面積の増加をもたらす。総水線面積の増加は、船の安定性の増加と等価である。これは、初期安定性を支配する以下の式によって実証することができる。
Figure 2013508224
前述の式では、「GM」は、傾心から重心までの距離である。一般に、GMの大きさが大きいほど、船の安定性が大きくなることを示す。しかしながら、大き過ぎるGMは、特に、非常に途切れがちな(choppy)横揺れ運動につながるため、本明細書に説明される目的に対して、安定し過ぎる船をもたらし得る。従来のように成形された船の場合、GMは、動作状態において、約0.5から3.0メートルであるべきである。
Figure 2013508224
は、船の排水量である。「KB」は、船の竜骨から浮力の中心までの距離である。「KG」は、竜骨から重心までの距離である。水平位置では、翼内タンク28、30は、水線の上方にある。したがって、船10が水平位置にある場合に、船10の安定性を増加させない。したがって、船10の安定性は、安定し過ぎる状態に近づくことはなく、途切れがちなロール運動を生じさせない。
しかしながら、船10が、垂直位置に向かって、旋回または回転すると、翼内タンク28、30は、水線内の面積を大幅に増加させる。翼内タンク28、30が無い場合、船体22の安定性は、不十分となり、船体22は、ぐらつくか、または転覆し得る。翼内タンク28、30は、水平から約20度において、安定性に最大効果を及ぼす。
図6に示されるように、本発明の船10はさらに、船上に風力タービンを積載する際、水平から約5度、船首を降下させる能力を含むことができる。横軸Lを中心とした他の旋回または回転位置も可能であって、本発明の構造によって予測される。複数の排水タンク36によって、いくつかの異なる船体位置は、所望に応じて、船体を旋回または回転させるために、系統的に意図的態様において、水を追加し、除去することによって、達成され得る。加えて、風力タービン24が、甲板34の中心で良好に均衡がとられない場合、左舷から右舷の観点から、複数の排水タンク36内のバラストを制御し、ならびに横軸Lを中心とした回転を管理することが必要となり得る。そのような機能性はすべて、本発明の船10によって予期される。
図7は、船の船尾16の概略例証である。本発明の一例示的実施形態によると、船尾16は、斜面甲板38を伴う、開放船尾構成を有することができる。斜面甲板38は、動作の際、重心を降下させる一方、また、風力タービンブレードおよびナセル(nacelle)(集合的に、風力タービン24)を水面からさらに持ち上げる際に有用である。
本発明は、船を垂直位置にするために、船の船尾を浸水させ、船首を持ち上げる構成を使用して説明された。当業者は、反対の様式(船首を浸水させ、船尾を持ち上げる)における船の動作も、本発明によって予測され検討される構成であることを理解するであろう。
本発明の多数の修正および代替実施形態は、前述の説明に照らして、当業者に明白となるであろう。故に、本説明は、例証に過ぎないものとして解釈され、当業者に、本発明を実施するための最良の形態を教示する目的のためのものである。構造の詳細は、実質的に、本発明の精神から逸脱することなく、可変であってもよく、添付の請求項の範囲内であるあらゆる修正の排他的使用は、留保される。本発明は、添付の請求項および適用法の原則によって必要とされる程度においてのみ制限されることが意図される。

Claims (12)

  1. 部分的に浸水可能な船であって、
    左舷側と、右舷側と、船尾と、船首とを有する船体であって、該船首につながるテーパ形状を有する船体と、
    該船体が水平位置にある場合に、該船体の左舷側において船体水線の上方に配置される左舷側翼内タンクと、該船体の右舷側において該船体水線の上方に配置される右舷側翼内タンクと、
    風力タービンを支持するように構成された該船の甲板と
    を備え、
    該風力タービンは、該甲板の上に側臥位で位置付けられており、
    該船は、浮きながら、該船体の横軸を中心として回転し、該船のピッチを変更することにより、該船尾を完全に浸水させ、実質的に垂直な船体位置まで該船首を持ち上げるように構成されており、該実質的に垂直な船体位置は、該船体の縦軸が、水の上面に実質的に垂直であることによって特徴付けられ、
    該船体の水線は、該実質的に垂直な船体位置で浮いている場合に、該テーパ形状と該船首との間にある、船。
  2. 船は、約120メートル以下の喫水を有する、請求項1に記載の船。
  3. 前記船は、前記船体の横軸を中心として回転することにより、浸水し、前記船首を水平から約5度に維持するようにさらに構成されている、請求項1に記載の船。
  4. 前記船は、荷船を含む、請求項1に記載の船。
  5. 斜面甲板を有する開放船尾構成をさらに備えている、請求項1に記載の船。
  6. 浮くことのできる貨物を輸送および送達するための方法であって、
    部分的に浸水可能な船上に、該浮くことのできる貨物を側臥位で積載することであって、該浮くことのできる貨物は、該船が浮いている水面の上方に持ち上げられている、ことと、
    該船を所望の送達場所に位置付けることと、
    バラストを複数の排水タンクに導入し、横軸を中心として該船を旋回させることにより、該船が、実質的水平位置から実質的垂直位置に回転するまで、該船の船尾部分を浸水させ、該船の船首部分を持ち上げることと、
    位置付けて係留するために、該浮くことのできる貨物を該船から解放することと
    を含む、方法。
  7. 2つ以上の翼内タンクをバラストで充填することをさらに含み、該翼内タンクは、前記船が前記水平位置にある場合に、該船の水線の上方にあり、該船が前記垂直位置にある場合に、該船の水線の下方にあるように、該船上に位置付けられている、請求項6に記載の方法。
  8. 船は、約120メートル以下の喫水を有する、請求項6に記載の方法。
  9. 前記船は、前記船体の横軸を中心として回転することにより、浸水し、前記船首を水平から約5度に維持するようにさらに構成されている、請求項6に記載の方法。
  10. 前記船は、荷船を含む、請求項6に記載の方法。
  11. 斜面甲板を有する開放船尾構成をさらに備えている、請求項6に記載の方法。
  12. 前記浮くことのできる貨物は、浮くことのできる風力タービンを含む、請求項6に記載の方法。
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