JP2015503060A - 風力タービンを支持するプレキャストしたコンクリート製構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】 風力タービンを支持するコンクリ−ト製の浮遊構造物を提供する。【解決手段】 本発明の風力タービンを支持する浮遊構造物は、モノリスィックで強化されたプレ・ストレス状態のコンクリート製構造物であり、コンクリート製円筒状部分（１３）とコンクリート製切頭円錐形状部分（１２）とを有し、その全長は１１０−３２０ｍの間であり、前記浮遊構造物の海に沈む部分は、バラスト（２１）を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、高出力の風力タービン（風力発電装置）を支持するコンクリート製の浮遊構造物に関する。特に１５０ｍ以上の深さの海上で、風力をエネルギーに変える再生エネルギー装置の分野に関する。

風から電気エネルギーを抽出することによる再生可能エネルギーの使用の世界的な流れの中で、大幅な技術的革新とＲ＆Ｄの大きな進展がみられた。

大きな前進が、従来のものよりも高出力、軽量、長寿命の風力タービンでみられた。これは、海上に風力タービンを支持する構造物を設置することである。海上におけるこれ等の構造物の設置にかかるコストは、高出力の風力タービンと共に、陸上のそれよりも大幅に高い。しかし、海上においては、従来のものより高い建設コストを必要とされる支持構造物は必要とせず、海上に設置することに伴う余分なコストを吸収できるため、好ましい。

国際公開パンフレット第２０１０／１０６２０８号 国際公開パンフレット第２００６／１３２５３９号 国際公開パンフレット第２０１０／１１０３２９号 国際公開パンフレット第２０１０／１０６３３０号 米国特許出願第２００６／０１６５４９３号明細書

海上での風力発電技術は今日では様々な利点があると認識されているが、次のような問題もある。適正な風がよく吹き陸からある程度離れて５０ｍの最大深さの場所にこれ等の構造物を建てることが出来るような技術を見出すことが困難である。この様な場所では、風力タービンを、インフラの社会的許容の観点から、視覚的に邪魔にならないよう海洋上の風のよく吹く場所に設置することが可能である。

風力タービンを、海の深さに関係なく海岸から離れた風の吹く場所に設置することが可能となったことにより、風力タービンを支持する浮遊のプラットホームを設計することが可能となる。

今日まで、この目的に沿った浮遊のプラットホームの様々な設計に関連する特許がある。なかでも特許文献１，２は、一般的な風力タービンの技術から離れた能動的な安定制御要素を必要とすることなく、構成の単純さにより、システムを安定にする技術を開示する。

特許文献５は、３か所の浮遊ポイントで、その間にバラストの能動的な流体移送システムを形成する設計構成を開示する。しかしこれは、複数の浮遊ポイントが存在することによるコスト増に加えて大幅な管理コストがかかる。

他の設計例えば特許文献３，４は、前記の特許文献２と同様に、それらを配置するのに容易にするような搭載方法を開示する。

前述した全ての場合において、基本的な構造材料はスチールであり、特許文献３，４は、バラスト重量の生成に対しコンクリートの使用を制限／禁止している。

本発明の目的は、円筒状と切頭円錐形状とを有するコンクリート製のプレキャストした浮遊のＳＰＡＲプラットホームを構成することである。この構造物は、４°−１０°の最大キール角（maxinum keel angle）を有し、既存の風力タービンが有する安定性が可能となる。特許文献２に対する本発明の新規性は、基礎構造物材料として、コンクリートを使用している点である。

コンクリートとスチールを、海上環境のような極めて高い活性状態にある塩化物環境で比較すると、コンクリートは極めて良好な耐久性がある。その結果、検査の手間が省け、特殊な保護用塗料と犠牲アノードの使用を不要にできる。同様に通常のコンクリートは、浸透性が低いが、コンクリートのコンパクトさ（非浸透性）と最終製品の耐性の両方を増加させるようなある添加物の使用が提案されている。

システムの安定性は、その浮遊中心（ＣｄＣ：center of buoyancy）と重力中心（ＣｄＧ：center of gravity）との間の距離に起因する安定化トルク（stabilizing torque）の発生に依存している。特許文献１で提案された他の解決方法（形状がＣｄＧとＣｄＣの間の距離を最大化するのに重要な役割を果たす構成）とは異なり、本発明の場合、複雑な形状無しにあるいは特殊な要素無しに、構造物をコンクリートで製造でき、このような材料を用いた結果、ＣｄＧとＣｄＣとの間に必要な分離距離が得られ、例えばある種の合成材の密度とコストの比率は、このシステムのＣｄＧを大幅に引き下げることが、予測不可能な実施コストなしに、可能となる。

この構造物は、浮遊要素として機能する円筒状の下部分と、風力タービンの支持部材として機能する海上にある円筒状または切頭円錐形状の上部分とからなる。この両方の部分においては、構造物の内側と外側を連結する複数の開口があり、製造と保守の目的のために、それに対応する開口／封止システムを有する。

コンクリートは、引っ張り応力に対し抵抗力が無く、外部からの動きにより大きな曲げストレスを引き起こす構造物なので、この構造物に予め圧縮応力をかけておき、コンクリートの圧縮力が無くなるのを阻止する。その結果、引っ張り力による損傷を阻止し、システムの気密に影響を及ぼすクラックの発生を阻止する。

下部部分のベースは半球形状をしており、その結果、水圧によりコンクリートが完全に閉じ込められ（圧縮され）、曲げストレスを最小にし、活性強化バーの為に、シールドの最適な移動が可能となる。

風力タービンとコンクリート製構造物との間の取り付けは、スティール製円環プレート３１でこの構造物を端部で覆う（被せる）ことにより、行われる。これにより、プレート３１と風力タービンのナセレ（nacelle）の回転クラウンとの取付が可能となる。このプレート３１は、強化バーのプレ・ストレスの応力分散プレートとして機能する、その結果、コンクリート−プレート−風力タービンの間の取り付けが、完全に確保できる。

構造物は、ケーブルにより海底に固定され、その自重に起因する最大変形（典型的なカテナリー形状を採る）に抑えようとする。この影響は、追加的要素により海中に沈められた時に、ケーブルの重力を減らすことにより、解決される。その結果、ケーブルの実際の重量は、追加要素により生成された浮遊力で一部相殺される。達成すべき効果は、ケーブルが受ける応力により導入される構造物上の垂直方向の応力を制限することである。更にその自重によるケーブルの変形を最小にすることにより、水平方向の高い剛性が構造物の固定点で達成され、その動きを最小にする。

この特性は、新たなポリマー材料により達成される。これは、提案されシステムとは異なり、このポリマー材料は、材料の疲労ストレスに関し余り知られていない長期にわたるレオロジー的（粘性）特性を有する。その結果、本発明は、新たな材料の興味ある特性を達成する観点から革新的であり、それによる不確実性を回避できる。

自重による変形を最小にすることにより、これは殆んど四角形の形状で達成できるが、これは、カテナリ形状に変形するケーブルを有する通常のシステムとは異なり、海底上の固定点において垂直方向に大きな反作用を引き起こす。これは、この垂直方向成分（動き）に耐えるような基礎を必要とすることになる。この提案された基礎は、自重と沈下パイルを有するバラスト・タイプであり、これは海底を形成する地球の形状に依存する。

更に浮遊部分の実際の直径により、ケーブルの取り付けにより導入されるトルクにより構造物の捻じれ動作を安定化させるような安定化トルクを生成することが可能となる。

本発明のシステムは、従来のスチール構造に対し直列に形成することが容易となる。これはコンクリート要素の大量生産が可能であることと、難しい方法で設置されるＭＷメガワット値のコストを減らすことが出来る。

従来の方法と同様にこの構造物は、保守や再設置の寿命を延ばすことが出来る。

本発明の一実施例による風力タービンを支持するコンクリート製浮遊構造物の側面図。 浮遊部分の半球状端部の拡大詳細図。 浮遊構造物と風力タービン（風力発電装置）との間の接続用プレートの断面図。

図１において、浮遊構造物は、コンクリート製切頭円錐形状部分１２からなる。この切頭円錐形状部分１２は、その上端部でスティール製プレート１７を有し、これにより風力発電装置１１との接続を行う。

このシステムの浮遊力は、コンクリート製円筒状部分１３により確保される。この円筒状部分１３は、海面下にあり浮力を受け、合成物と水を、下部部分１４に加えることによりバラストを有するようになる。円筒状部分１３は、その下端で半球キャップ１８の形態となり、この領域のコンクリートは圧縮状態にある。その結果クラックが、曲げ、引っ張りによる引っ張り応力に起因して発生することはない。この構造物全体は、活性状態にある強化バーを用いて圧縮状態に維持され、その結果コンクリートは、製品寿命の間圧縮状態のままであり、クラックの発生を阻止したり持続性の観点からの検査を減らしたりできる。

浮遊構造物の寸法は、基本的には用途に依存し、その形状の単純さ故に、様々なニーズに応じて適用可能となる。この寸法は、５−１５ｍの直径と８０−１５０ｍの間の喫水長さ（海面上の部分の長さ）を有する。そしてその厚さは２０−１００ｃｍの間である。切頭円錐形状部分１２は、搭載される風力タービンと風の状態によって様々な高さ（長さ）となる。その直径は、円筒状部分１３の直径と自身の上部直径の間の３−５ｍの間である。これは、使用される風力タービン（風力発電装置）の大きさに依存する。

海面に近い部分においては、浮遊状態にある円筒部分である切頭円錐形状部分１２は、海水に対しより浸透性（permeable to the water）のある構造物を維持するために、その直径は幾分減らされている。しかし、図１においては、直径は全長に渡って一定に示されている。

浮遊構造物は、海底にケーブル１５で固定される。ケーブル１５は、円筒状部分１３に対し対称に配置され、海中に沈んだ時にはその重量が最小となるようにし、その結果、カテナリー形状ではなく四角形をしている。この浮遊構造物は、制御された水供給／放出システムを有し、固定用ケーブル１５の浮遊ラインと初期ストレスの両方を調整する。

シーベッド（海底）１６における固定は、重いバラスト要素或いは沈下パイルで行われ、海底のケーブルにより導入される動きの垂直方向と水平方向成分に対抗できるようにしている。これは、従来のアンカー或いは重量の軽いバラストのシステムとは異なる。

図２は、浮遊する円筒状部分１３の終端部分であるコンクリート製半球キャップ２３を示す。半球キャップ２３の厚さは、３０−１００ｃｍの間であり、これにより構造物の強化バー３２のテンドン（tendon）に対し連続性を与える。これが、海水２２の水圧とバラスト２１による内部圧力との間の圧力差を無くす。この圧力差はコンクリートの圧縮力である。その結果、コンクリート要素に係る曲げ応力を減らし、クラック発生のリスクを無くす。

図３は、スティール製の円環プレート３１による構造物と風力タービンの間の接続の詳細を示す。円環プレート３１は、コンクリート製構造物３４の端部に搭載され、プレ・ストレスの（予め応力をかけた状態にしておく）システムによりそこの固定される。円環プレート３１は、アンカー部材３２による力を分散するプレートとして機能する。このプレート３１は、プレメトリック（perimetric）な片持ち梁であり、風力発電装置の接続３３との接続を行う。その結果、完全なプレート−コンクリートの取り付けとプレート−コンクリートの取り付けが可能となる。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するためのものではない。また同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。実施例の記載において「少なくとも１つ或いは複数」、「と／又は」は、それらの内の１つに限定されない。例えば「Ａ，Ｂ，Ｃの内の少なくとも１つ」は「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」単独のみならず「Ａ，Ｂ或いはＢ，Ｃ更には又Ａ，Ｂ，Ｃ」のように複数のもの、ＡとＢの組合せＡとＢとＣの組合せでもよい。「Ａ，Ｂと／又はＣ」は、Ａ，Ｂ，Ｃ単独のみならず、ＡとＢの２つ、或いはＡとＢとＣの全部を含んでもよい。本明細書において「Ａを含む」「Ａを有する」は、Ａ以外のものを含んでもよい。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。

１１：風力発電装置
１２：コンクリート製切頭円錐形状部分
１３：コンクリート製円筒状部分
１４：下部部分
１５：ケーブル
１６：シーベッド（海底）
１７：スティール製プレート
１８：半球キャップ
２１：バラスト
２２：海水
２３：コンクリート製半球キャップ
３１：スティール製リング・プレート
３２：アンカー部材
３３：風力発電装置の接続
３４：コンクリート製構造物

Claims (6)

1. 風力発電装置（１１）を支持する浮遊構造物において、
   前記浮遊構造物は、モノリスィックで、強化されたプレ・ストレス状態のコンクリート製構造物であり、円筒状部分（１３）と切頭円錐形状部分（１２）とかなり、
   前記浮遊構造物の全長は、１１０−３２０ｍの間であり、前記浮遊構造物の海に沈む部分は、バラスト（２１）を有する
   ことを特徴とする風力タービンを支持するコンクリート製の浮遊構造物。
2. 前記浮遊構造物の外径は、２．８−１５．２ｍの間であり、その厚さは２０−１００ｃｍの間である
   ことを特徴とする請求項１記載の浮遊構造物。
3. 前記浮遊構造物の圧縮応力は、強化バー（３２）を用いて達成される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の浮遊構造物。
4. 前記円筒状部分（１３）の下部部分は、半球形状（１８）をしており、それにより前記強化バー（３２）への連続性が得られる
   ことを特徴とする請求項１−３のいずれかに記載の浮遊構造物。
5. 前記円筒状部分（１３；３４）と前記風力発電装置（１１）の間の取り付けは、金属製プレート（３１）で行われ、
   前記金属製プレート（３１）は、アンカープレート（３２）として機能する手段により、前記円筒状部分（１３；３４）に取り付けられる
   ことを特徴とする請求項１−３のいずれかに記載の浮遊構造物。
6. 海底に固定されるケーブル（１５）は、追加要素を有し、この追加要素により、海中に沈んでいる時、前記ケーブル（１５）の重量の少なくとも５０％の浮遊する力を与える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の浮遊構造物。
   
   

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