JP2014507605A

JP2014507605A - 沖合施設に対して電力を供給するためのシステム、方法、及びアセンブリ

Info

Publication number: JP2014507605A
Application number: JP2013557850A
Authority: JP
Inventors: ソーントン、ウィン; テイクマン、ジェシー
Original assignee: シェブロンユー．エス．エー．インコーポレイテッド
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2014-03-27
Also published as: BR112013023291A2; AU2012229397A1; US20120263537A1; WO2012125393A3; EP2683935A4; CA2829596A1; WO2012125393A2; EP2683935A2; CN103492708A

Abstract

本発明は、沖合施設に関連付けられた１つ又は複数の空気タービンを駆動するために波エネルギーを利用するプロセス及びシステムに関する。かかるタービンは、沖合施設及び／又は隣接する施設及び設備において使用するための電力を生成することが可能である。この沖合施設は、沖合プラットフォーム又は浮遊船舶であることが可能である。タービンは、施設の構造部材又は施設から垂下する管状部材の中に収容され得る。また、タービンは、施設の構造部材に対して連結された管状部材内に収容することも可能である。

Description

本出願は、２０１１年３月１１日に出願された米国特許仮出願第６１／４５１，６４９号及び２０１１年１１月３日に出願された米国特許仮出願第６１／５５５，３２５号に基づく利益及び優先権を主張するものである。

本発明は、一般的には沖合の石油及びガス施設に電力を供給するための再生可能エネルギーの利用に関し、詳細には波浪誘起空気圧から前記電力を生成するための低ヘッド水力−空気タービンの使用に関する。

沖合の石油及びガスプラットフォームは、膨大な電力を必要とする。固定式及び浮遊式の沖合施設における電気負荷は、典型的には、化石燃料駆動式発電設備（例えばディーゼル発電機）により供給される。約５０ｋＷ未満のより低い負荷は、しばしば、ソーラーパネル又は小型風力タービンなどの小規模再生可能エネルギー発電機により供給される。かかる電力要件を有する施設の実例は、海底まで延在する脚部を有する固定式プラットフォーム、典型的にはラインにより海底に対して固定される浮遊式プラットフォーム、及び浮遊式生産貯蔵出荷（ＦＰＳＯ：ｆｌｏａｔｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓｔｏｒａｇｅａｎｄｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ）船舶である。

前述を鑑みると、再生可能エネルギー源からより大きな（例えば５０ｋＷ超の）電力負荷を生成／発電するための方法及びシステムが、特に、最小限のスペースを占める、及び／又はかかる沖合プラットフォームにおいて永続的に存在する空間的制約が問題とならないような態様で使用／位置決めされる、かかる方法／システムが、非常に有益である。

米国特許第４，７１９，７５４号米国特許第７，８３６，６８９号米国特許第４，３８３，４１３号

本発明は、沖合炭化水素施設に関連付けられる１つ又は複数の空気タービンを駆動するために波エネルギーを利用する、方法、システム、及びアセンブリに関する。かかるタービンは、沖合施設上において、及び／又は、付近の探鉱及び生産（Ｅ＆Ｐ：ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）施設・設備において使用するための電力を生成することが可能である。

いくつかの実施例においては、本発明は、沖合の石油及び／又はガスプラットフォームにおいて使用するために波エネルギーを動力化するか又は別様に捕獲するための１つ又は複数の方法に関する。この方法は、（１）沖合の石油及び／又はガスプラットフォーム内に振動水柱を取り込むステップであって、波エネルギーにより駆動された水が、プラットフォームの構造体に組み込まれた入出ポートから入出し、内方／外方水流が、振動水柱の水面を上下動させ、これが、前記水柱において水の上方に位置する空気の圧力変化に影響を及ぼす、ステップと、（２）振動水柱の上方に位置する空気の圧力変化を利用して、発電デバイス（例えば回転交流発電機）に結合された水力−空気タービン（例えばウェルズ型タービン）を駆動することにより電力を生成するステップと、（３）この電力を利用して（例えば電力取り出しケーブルを経由して）沖合石油／ガスプラットフォームの上又は付近のデバイスを駆動するステップとを含む。

いくつかの他の実施例においては、本発明は、沖合の石油及び／又はガスプラットフォームにおいて使用するために波エネルギーを動力化するか又は別様に捕獲するための１つ又は複数のシステムに関する。このシステムは、以下の構成要素を、すなわち、（１）支持構造体を有する沖合の石油及び／又はガスプラットフォームであって、前記支持構造体が水面の位置に共通入出ポートを備える円柱状体積を備える、沖合の石油及び／又はガスプラットフォームと、（２）支持構造体の円柱状体積内に位置する振動水柱であって、振動水柱が、振動（上下動）水面を有し、前記水柱の水面が、共通入出口に入出する波浪誘起水流により上下動される、振動水柱と、（３）水面の上方に位置する可変空気体積と、（４）支持構造体の円柱状体積内において水面及び可変空気体積の上方に収容された水力−空気タービン（例えばウェルズ型タービン）であって、水面の上方の空気体積の変化に応答して回転する水力−空気タービンと、（５）シャフトを介してタービンにより駆動される回転交流発電機（又は他の同様のデバイス）と、（６）タービンの上方に位置する吸入／排出開口と、（７）一端部が回転交流発電機に対して、及び他の端部が１つ又は複数の電気デバイスに対して接続された、電力取り出しケーブルとを備える。

上記は、以下の本発明の詳細な説明がよりよく理解され得るように、本発明の特徴をかなり大まかに概説したものである。次に、本発明の特許請求の範囲の対象を形成する本発明の追加の特徴及び利点を説明する。

以下、本発明及びその利点のより完全な理解のために、添付の図面と組み合わせて以下の説明を参照する。

本発明の１つ又は複数の実施例による沖合施設の概略環境図である。本発明の１つ又は複数の実施例による、図１の施設の支持構造体内に空気タービンが位置決めされた、発電アセンブリ及びシステムの概略図である。図２の発電アセンブリ及びシステムの代替的な一実施例の概略図である。

前章で述べたように、本発明は、沖合施設に組み込まれるか又は沖合施設に別様に関連付けられた１つ又は複数の空気タービンを駆動するために波エネルギーを利用する、プロセス、方法、アセンブリ、及びシステムに関する。かかるタービンは、沖合施設において又は沖合施設の付近において使用するために電力を生成することが可能である。

図１を参照すると、沖合施設１１が、海面１３の上方にその作動エリアが位置する状態で図示される。施設１１は、固定式プラットフォームとして図示されるが、他のタイプの施設が既に論じられており予期されるため、本開示の範囲を限定するようには意図されない。典型的には、複数のライザ１５が、施設１１から海底１９上に位置決めされた海中坑口装置１７まで延在する。ライザ１５及び坑口装置１７は、生産ライザ及び生産坑口装置として図示されるが、本開示の範囲が掘削作業に関連するライザ及び海中アセンブリも含むことが、当業者には容易に理解されよう。図１に図示する実施例においては、複数の脚部又は支持体２１が、施設１１と海底１９との間に延在して、施設１１に対して安定性を与える。施設１１の代替的な実施例においては、支持体２１は、錨又は係留ラインであってもよい。図１に示す実施例の支持体２１は、好ましくは、内部が中空の少なくとも１つの部分を有する。

図２を参照すると、発電アセンブリ及びシステム２００の少なくとも１つの実施例が図示される。図２に示す実施例においては、アセンブリ及びシステム２００は、図１においては支持構造体２１である支持構造体２０１を備える。支持構造体２０１の中空内部は、円柱状体積を画定し、共通開口２１１が、海水面又は水面２１３に位置する。図２に示す実施例においては、開口が、構造体２１１の側壁部を貫通して形成される。水は、開口２１１を通り支持構造体２０１の円柱状体積に入出し、これにより、円柱状体積内の水線が、波による水面の上下動によって振動する。かように振動する水面が、支持構造体２１１内において、水面上方に可変空気体積を有する振動水柱２０３を画定する。

タービン２０５が、支持構造体２０１の円柱状体積内において水面及び可変空気体積の上方に収容される。タービン２０５は、単段又は多段タービンのいずれかであることが可能である。タービン２０５は、振動水柱２０３に対応する体積の増減による空気圧の変化に応答して回転する。回転交流発電機２０９（又は他の同様のデバイス）が、タービン２０５のシャフトにより機械的に駆動されて、タービン２０５の回転に応じた電気を発電する。電力取り出しケーブル２１５が、回転交流発電機に接続され、それにより１つ又は複数の電気デバイスが、交流発電機２０９と電気接続状態になる。別の開口２０７が、タービン２０５の上方に支持構造体２０１を貫通して形成されて、空気流が円筒状体積に入出するのを可能にする。

図３を参照すると、発電アセンブリ及びシステム３００の少なくとも１つの追加的な実施例が図示される。図３に示す実施例においては、アセンブリ及びシステム３００は、施設１１（図１）から懸下する管状部材３０２を備える。図３は、管状部材が施設１１の支持構造体３０１とは異なることを図示することのみを目的として、支持構造体３０１に隣接して位置するものとして管状部材３０２を図示する。管状部材は、システムの実施例に応じてプラットフォームから又はＦＰＳＯの側部から懸下する空のライザ又はケーシングであることが可能である。図３の説明においては、管状部材３０２は、海水面又は水面３１３の位置に共通開口３１１を有する円筒状体積を画定する中空内部を有する。図３に示す実施例においては、開口３１１は、管状部材３０２の下方端部に形成されるが、図２の開口２１１と同様に側壁部を貫通して位置する場合もある。水は、開口３１１を通り管状部材３０２の円柱状体積に入出し、これにより円柱状体積内の水線が、波による水面の上下動によって振動することが可能となる。かように振動する水面が、管状部材３０２内において、水面上方に可変空気体積を有する振動水柱３０３を画定する。

タービン３０５が、管状部材３０２の円柱状体積内において水面及び可変空気体積の上方に収容される。タービン３０５は、単段又は多段タービンのいずれかであることが可能である。タービン３０５は、振動水柱３０３に対応する体積の増減による空気圧の変化に応答して回転する。回転交流発電機３０９（又は他の同様のデバイス）が、タービン３０５のシャフトにより機械的に駆動されて、タービン３０５の回転に応じた電気を発電する。電力取り出しケーブル３１５が、回転交流発電機に接続され、それにより１つ又は複数の電気デバイスが、交流発電機３０９と電気接続状態になる。別の開口３０７が、タービン３０５の上方に管状部材３０２を貫通して形成されて、空気流が円筒状体積に入出するのを可能にする。
２．プロセス

いくつかの実施例においては、本発明は、沖合施設において使用するために波エネルギーから電力を生成するための方法に関する。この方法は、（１）沖合施設内に振動水柱を取り込むステップであって、波エネルギーにより駆動された水が、施設の構造体に組み込まれた開口から入出し、内方／外方水流が、振動水柱の水面を上下動させ、これが前記水柱における水の上方に位置する空気の圧力変化に影響を及ぼすステップと、（２）振動水柱の上方に位置する空気の圧力変化を利用して、発電デバイス（例えば回転交流発電機）に結合されたタービン（例えばウェルズ型タービン）を駆動することにより電力を生成するステップと、（３）この電力を利用して（例えば電力取り出しケーブルを経由して）沖合施設上のデバイスを駆動するステップとを含む。

振動水柱（ＯＷＣ：ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇｗａｔｅｒｃｏｌｕｍｎ）及び波の動力化におけるＯＷＣの利用は、当技術分野において公知である。かかるＯＷＣの実例は、Ｎｉｓｈｉｋａｗａの米国特許第４，７１９，７５４号及びＳｉｅｂｅｒの米国特許第７，８３６，６８９号において見ることが可能である。

いくつかの実施例においては、本発明は、沖合施設において使用するために波エネルギーから電力を生成するための方法に関する。この方法は、（１）沖合施設に振動水柱を関連付けるステップであって、波エネルギーにより駆動された水が、施設から懸下する管状部材に組み込まれた開口から入出し、内方／外方水流が、振動水柱の水面を上下動させ、これが前記水柱における水の上方に位置する空気の圧力変化に影響を及ぼすステップと、（２）振動水柱の上方に位置する空気の圧力変化を利用して、発電デバイス（例えば回転交流発電機）に結合されたタービン（例えばウェルズ型タービン）を駆動することにより電力を生成するステップと、（３）この電力を利用して（例えば電力取り出しケーブルを経由して）沖合施設上のデバイスを駆動するステップとを含む。

さらなる実施例においては、本発明は、沖合施設において使用するために波エネルギーから電力を生成するための方法に関する。この方法は、（１）沖合施設に振動水柱を関連付けるステップであって、波エネルギーにより駆動された水が、管状部材に組み込まれた開口から入出し、内方／外方水流が、振動水柱の水面を上下動させ、これが、前記水柱における水の上方に位置する空気の圧力変化に影響を及ぼす、ステップと、（２）振動水柱の上方に位置する空気の圧力変化を利用して、発電デバイス（例えば回転交流発電機）に結合されたタービン（例えばウェルズ型タービン）を駆動することにより電力を生成するステップと、（３）この電力を利用して（例えば電力取り出しケーブルを経由して）沖合施設上のデバイスを駆動するステップとを含む。管状部材は、施設又は施設の構造的支持体から懸下することが可能である。管状部材は、施設のタイプに応じて、プラットフォームから懸下するか、又は船舶に隣接して位置決めされることが可能である。

いくつかの実施例においては、上記において特定したタービンは、単段及び／又は多段タービンであることが可能である。いくつかのかかる上述の実施例においては、かように利用されるタービンが、一方向タービンである。かかるタービンは、水面の上方の空気体積の変化に応答して回転し、空気体積の増減にかかわらず同一方向に回転する。かかるタービンの実例には、ウェルズタービン及びサボニウス型タービンが含まれるが、それらに限定されない。例えば、米国特許第４，３８３，４１３号のウェルズタービンを参照されたい。追加的には又は代替的には、いくつかの又は他のかかる実施例においては、往復タービンが、かように利用される一方向タービンの代わりに、又はそれに加えて使用され得る。

いくつかの実施例においては、複数の電力取り出しのシナリオが存在する。かかるシナリオには、（ａ）電池貯蔵部に接続された、又は母線負荷に対して直に接続された、発電機のタービン直接駆動と、（ｂ）母線への迅速な電力送達のために脚部内タービン又は別個の空気タービンのいずれかを駆動するためにオンデマンドで空気を排出する、蓄圧器に貯蔵するための空気圧縮機のタービン直接駆動又はタービン電気駆動とが含まれるが、それらに限定されない。いくつかのかかる実施例においては、蓄圧器からの圧縮空気が利用されることにより、吸入空気圧及び／又は温度の上昇によってプラットフォーム上の燃焼タービンの効率が上昇することが予期される。

いくつかのかかる上述の方法実施例においては、方法が、５０ｋＷ超の電力負荷を生成することが可能である。いくつかの又は他のかかる実施例においては、方法が、１００ｋＷ超の電力負荷を生成することが可能である。
３．システム

システムは、以下の部分で説明されるような機能的基盤を介した上述の方法の実施に対して概して整合性のあるものである。

本明細書において上述したように、いくつかの実施例においては、本発明は、沖合施設において使用するために波エネルギーから電力を生成するためのシステムに関する。図２を参照すると、かかるシステム及びアセンブリ（２００）は、以下の構成要素を備え得る。すなわち、水面２１３の位置に共通開口２１１を有する円柱状体積を備える支持構造体２０１を有する沖合施設と；支持構造体２０１の円柱状体積内の振動水柱２０３であって、振動水柱２０３が振動水面を有し、前記水柱の水面が共通開口２１１から入出する波浪誘起水流により上下動する、振動水柱２０３と；水面の上方の可変空気体積と；水面及び可変空気体積の上方に位置する支持構造体２０１の円柱状体積内に収容されたタービン２０５であって、水面の上方に位置する空気体積の変化に応答して回転するタービン２０５と；シャフトを介してタービンにより駆動される回転交流発電機２０９（又は他の同様のデバイス）と；タービンの上方に位置する空気開口２０７と；一端部が回転交流発電機に対して、別の端部が１つ又は複数の電気デバイスに対して接続された電力取り出しケーブル２１５と、を備える。

いくつかのかかる上述のシステム実施例においては、１つ又は複数のタービンが、沖合の石油／ガスプラットフォームの１つ又は複数の脚部内に位置決めされ得る。いくつかのかかる実施例においては、脚部は、外部プレナムを有するように変更され、それにより脚部の内部及び／又は外部のタービンへの流量体積が増加する。

本明細書において前に述べたように、いくつかの実施例においては、本発明は、沖合施設において使用するために波エネルギーから電力を生成するためのシステムに関する。図３を参照すると、かかるシステム及びアセンブリ３００は、以下の構成要素を備え得る。すなわち、水面３１３の位置に共通開口３１１を有する円柱状体積を備える管状部材３０２を有する沖合施設と；管状部材３０２の円柱状体積内の振動水柱３０３であって、振動水柱３０３が振動水面を有し、前記水柱の水面が共通開口３１１から入出する波浪誘起水流により上下動する、振動水柱３０３と；水面の上方の可変空気体積と；水面及び可変空気体積の上方に位置する管状部材３０２の円柱状体積内に収容されたタービン２０５であって、タービン３０５が水面の上方に位置する空気体積の変化に応答して回転するタービン２０５と；シャフトを介してタービンにより駆動される回転交流発電機３０９（又は他の同様のデバイス）と；タービンの上方に位置する空気開口３０７と；一端部が回転交流発電機に対して、別の端部が１つ又は複数の電気デバイスに対して接続された、電力取り出しケーブル３１５と、を備える。

いくつかのかかる上述のシステム実施例においては、１つ又は複数のタービンが、沖合施設１１に関連付けられた１つ又は複数の管状部材３０２内に位置決めされ得る。

いくつかのかかる上述のシステム実施例においては、１つ又は複数のタービンが、沖合施設のデッキ上に位置決めされ得る。いくつかのかかる実施例においては、各脚部又は支持構造体（プラットフォームの）が、外部プレナムを形成するための脚部変更を伴いつつ又は伴わずに、タービンに対して結合される。いくつかの又は他のかかる実施例においては、２つ以上の脚部又は支持構造体が、共通の空気マニホルドに対して結合される。

既存の沖合施設のタイプ及びサイズは、ＯＷＣ／水力−空気タービン発電システムのサイズ及び個数に対して制約をもたらすが、さらなるかかる施設は、沖合施設用の発電方式全体にこの技術をより良好に組み込むように展開することが可能であることが予期される。

上述の方法及びシステムは、様々な状況に対して容易に適応可能である。例えば、複数のかかるタービンが使用される場合には、これらのタービンは、別個に又は直列的に使用することが可能である。また、構造的制約及び／又は環境的制約により、空気がシステムに導入される及びシステムから排出される方法が決定又は別様に指定され得る（上記参照）。
５．要約

本発明は、沖合施設と関連付けられた１つ又は複数の空気タービンを駆動するために波エネルギーを利用する方法及びシステムに関する。かかるタービンは、沖合施設及び／又は隣接する施設及び設備において使用するために電力を生成することが可能である。

本明細書において参照した全ての特許及び刊行物は、ここに参照により本明細書と不整合を生じない範囲で組み込まれる。上述の実施例の上述の構造体、機能、及び動作のいくつかは、本発明の実施に必要ではなく、単に例示の実施例を完成させるために本説明に含まれる点を理解されたい。さらに、上述の言及した特許及び刊行物に示される具体的な構造体、機能、及び動作は、本発明と組み合わせて実施することが可能であるが、本発明の実施に必須のものではない点を理解されたい。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲により規定されるような本発明の趣旨及び範囲から実際に逸脱することなく、具体的に述べたようなものとは異なる態様で実施され得る点を理解されたい。

Claims

沖合施設において使用するために波エネルギーから電力を生成するための方法であって、
ａ）沖合施設に関連付けられた管状部材を水と連通状態に位置決めするステップであって、前記管状部材は、前記水の波が前記管状部材に入出するための開口を有し、内方／外方水流が、前記管状部材内の水面を上下動させ、これにより前記管状部材内の振動水柱が画定され、これにより水柱の水の上方に位置する空気の圧力変化に影響を及ぼすステップと、
ｂ）前記振動水柱の上方に位置する前記空気の圧力変化を利用して、発電デバイスに結合されたタービンを駆動することにより電力を生成するステップと、
ｃ）前記電力を利用して前記沖合施設上のデバイスを駆動するステップと
を含む、方法。
前記管状部材は、前記施設から懸下する、請求項１に記載の方法。
前記管状部材は、前記施設の構造的支持体内に形成される、請求項１に記載の方法。
前記施設は、沖合石油プラットフォームであり、
前記管状部材は、前記施設の構造的支持体内に形成される、請求項１に記載の方法。
前記施設は、沖合石油プラットフォームであり、
前記管状部材は、前記プラットフォームから懸下する、請求項１に記載の方法。
前記施設は、沖合石油プラットフォームであり、
前記管状部材は、前記プラットフォームの構造的支持体に連結される、請求項１に記載の方法。
前記施設は、浮遊船舶であり、
前記管状部材は、前記施設の構造的支持体内に形成される、請求項１に記載の方法。
沖合施設において使用するために波エネルギーから電力を生成するためのシステムであって、
水面に隣接して位置決めされた管状部材を有する沖合施設であって、前記管状部材は、海水面の位置に開口を有する円柱状体積を有する、沖合施設と、
前記管状部材の前記円柱状体積内に位置する振動水柱であって、前記振動水柱は、振動水面を有し、前記水柱の前記水面は、共通開口に入出する波浪誘起水流により上下動される、振動水柱と、
前記水面の上方に位置する可変空気体積と、
管状部材の前記円柱状体積内において前記水面及び可変空気体積の上方に収容されたタービンであって、前記水面の上方の前記空気体積の変化に応答して回転するタービンと、
前記タービンにより駆動される回転交流発電機と、
前記タービンの上方に位置する空気開口と、
前記施設に関連付けられた１つ又は複数の電気デバイスに対して電力を伝送する、回転交流発電機に対して接続された電力ケーブルと
を備えるシステム。
前記管状部材は、前記施設から懸下する、請求項８に記載のシステム。
前記管状部材は、前記施設の構造的支持体内に形成される、請求項８に記載のシステム。
前記施設は、沖合石油プラットフォームであり、
前記管状部材は、前記施設の構造的支持体内に形成される、請求項８に記載のシステム。
前記施設は、沖合石油プラットフォームであり、
前記管状部材は、前記プラットフォームから懸下する、請求項８に記載のシステム。
前記施設は、沖合石油プラットフォームであり、
前記管状部材は、前記プラットフォームの構造的支持体に対して連結される、請求項８に記載のシステム。
前記施設は、浮遊船舶であり、
前記管状部材は、前記施設の構造的支持体内に形成される、請求項８に記載のシステム。
複数のタービンが、管状部材の前記円柱状体積内において前記水面及び可変空気体積の上方に収容される、請求項８に記載のシステム。
円柱状体積及び中に収容されたタービンをそれぞれが備える複数の管状部材が存在する、請求項８に記載のシステム。
円柱状体積をそれぞれが有する複数の管状部材が存在し、
各前記円柱状体積内において前記水面の上方に収容された複数のタービンが存在する、請求項８に記載のシステム。
前記管状部材は、前記タービンの上方に形成された空気開口をさらに備える、請求項８に記載のシステム。
沖合施設において使用するために波エネルギーから電力を生成するためのシステムであって、
ａ）水面の位置に第１の開口を備える円柱状体積を有する支持構造体を有する沖合施設と、
ｂ）前記支持構造体の前記円柱状体積内に位置する振動水柱であって、前記振動水柱は、振動水面を有し、前記水面は、前記第１の開口に入出する波浪誘起水流により上下動される、振動水柱と、
ｃ）前記水面の振動に応答して変動する、前記水面の上方に位置する可変空気体積と、
ｄ）前記支持構造体の前記円柱状体積内において前記水面及び可変空気体積の上方に収容されたタービンであって、前記空気体積の変化に応答して回転するタービンと、
ｅ）前記タービンにより駆動される回転交流発電機と、
ｆ）前記タービンの上方に位置する空気開口と、
ｇ）前記施設に関連付けられた１つ又は複数の電気デバイスを駆動するために回転交流発電機に対して接続された電力ケーブルと
を備えるシステム。