JP2015528766A - 安定補助翼を有する半潜水型プラットフォームおよびこのようなプラットフォームと一体化した海上波力発電所 - Google Patents

Abstract

半潜水型プラットフォームであって：‐ 少なくとも２つの長手ケーソン（２）であって、プラットフォーム（１）の前端端部（６）から後端端部（７）に広がる中央水路（５）を画定する中実の側壁（３、４）を有するケーソン（２）；‐ ケーソン（２）を横断方向に連結する少なくとも１つの梁（１０）；‐ ケーソン（２）の下縁（９）よりも下で横断方向に広がる少なくとも１つの安定補助翼（１１）、を備えるプラットフォーム（１）。【選択図】図１

Description

本発明は、海上に設置され、浮体施設用の基盤の役割を果たすようになっている半潜水型プラットフォームに関する。

風力発電所や波力発電所（つまり波浪からエネルギーを産生する発電所）などの浮体施設には、発電所を支持する、つまり剛性であるだけでなく安定性もあるプラットフォームが必要だが、波浪は浮体構造物全体に縦の動き（ピッチング）と横の動き（ローリング）を交互に伝達する傾向にあるため、これには当然困難が伴う。

このような動きは、施設に対して機械部品の疲労（および摩耗も）や効率の低下を引き起こす負の作用が起きるという理由から、避けなければならないものである。風力タービンの場合、ピッチングおよびローリングの動きは、風力タービンの正常動作に有害なものである。なぜならこの場合、支柱は強い曲げ応力を受け、さらに風力タービンは、風の方向に対して頻繁に軸から外れた状態になるからである。同じように、波力発電所の場合、プラットフォームの安定性が欠けていると、動力装置に無謀な動きが起こり、機械疲労および生産性の低下を引き起こす。

第１の目的は、安定性の高い半潜水型プラットフォームを提供することである。

第２の目的は、剛性の高い半潜水型プラットフォームを提供することである。

第３の目的は、メンテナンス作業が最小になるように信頼性の高い半潜水型プラットフォームを提供することである。

第４の目的は、エネルギー効率の高い半潜水型波力発電所を提供することである。

第５の目的は、エネルギー効率の点で軽重量の半潜水型波力発電所を提供することである。

このようにするために、第一に、半潜水型プラットフォームであって、
‐プラットフォームの前端端部から後端端部に広がる中央水路を画定する中実の側壁を有する少なくとも２つの長手浮体ケーソン；
‐ケーソンを横断方向に連結する少なくとも１つの梁；
‐ケーソンの下縁よりも下で横断方向に広がる少なくとも１つの安定補助翼
を備える、プラットフォームが提供される。

常に水面下にある安定補助翼は、この補助翼の上にできる水柱の重みによってプラットフォームの平衡を保ち、とりわけピッチングの動きに対する緩衝器の役割を果たす。

ケーソンの側壁が中実であるという特徴により、水路に水を誘導することができ、ローリングの動きを制限する。

このプラットフォームに対して、以下の補足的な様々な特徴を単独でまたは組み合わせて備えることができる：
‐補助翼は、ケーソンの後端端部の近傍に配置される；
‐補助翼は、ケーソンを連結する横断梁と一体化している；
‐補助翼と一体化している梁は、横断面がＵ字型であり、ケーソンの下縁から延長上に延びている２つの側面を有する；
‐少なくとも２つの安定補助翼が設けられ、１つは前端の補助翼で前端端部の近傍にあり、１つは後端の補助翼で後端端部の近傍にある。

第二に、半潜水型波力発電所であって、前述したようなプラットフォームを基盤として備えるとともに、プラットフォーム上に組み立てられ、水路に配置された少なくとも１つの浮体物を具備し、波浪エネルギーを機械エネルギーに変換できる波力発電機を備える波力発電所が提供される。

この発電所に対して、以下の補足的な様々な特徴を単独でまたは組み合わせて備えることができる：
‐浮体物は、ケーソンを横断方向に連結する横材に関節連結式に取り付けられたアームと連動している；
‐関節連結アームは、横材との連動軸に回転式に取り付けられたコネクティングロッド、および浮体物と連動し、コネクティングロッドに対して関節連結したレバーを備える；
‐コネクティングロッドに連結したピストンを備えた少なくとも１つのジャッキを備えるエネルギー変換器が設けられる；
‐コネクティングロッドの軸は、ケーソンを横断方向に連結する横材に取り付けられる；
‐波浪発電機は、浮体物を水路に横に並べて配置した横断列を備え、それぞれの横断列は、ケ‐ソンの少なくとも一方に取り付けられた関節連結アームと連動している；
‐水路の上流には、傾斜面によって下向きに画定された漏斗形の開口が設けられる；
‐傾斜面は、浮体物の上流で、浮体物の近傍まで広がっている；
‐開口は、下流方向に向かって接近し合う２つの側面によって横断方向に画定される；
‐傾斜面の上流縁に関節連結した波除け板が設けられ、板が傾斜面のほぼ延長上に広がる降下位置と、板が傾斜面と角度を形成する上昇位置との間を上下し、このようにして開口をふさぐ；
‐各浮体物は、側面に小翼を備える。

本発明のその他の目的および利点は、添付の図面を参照して以下に記載した一実施形態についての説明文に照らし合わせることで明らかになるだろう。

半潜水型プラットフォームを示す斜視図である。 海上にある図１のプラットフォームを示す側面図である。 波力発電所を示す斜視図である。 図３の発電所に装備されたエネルギー回収装置を示す概略図である。 図３の発電所の上面図である。 図５の発電所の断面図、および発電所に装備されている波除け板の詳細差し込み図である。

図１には、１つまたは複数の風力タービンを装備した風力発電所、あるいは、後述する例で見ていくような波力発電所などの海洋施設に対する基盤の役割を果たすようになっている半潜水型浮体式プラットフォーム１を示している。２つの発電所（一方は風力発電所でもう一方は波力発電所）は、プラットフォーム１上で一緒に組み立てられてよい。

このプラットフォーム１は、複数の長い浮体ケーソン２を備え、このケーソンは、プラットフォーム１が海上にある際に波浪が伝播する主な方向（図１に矢印で表示）に相当する長手方向に沿ってほぼ平行に配置される。

図示した例では、このケーソン２は２つで、平行６面体の形態であり、断面が正方形または（図示したように）長方形で、好ましくは高さが厚みよりも大きい。ケーソン２は、中実の側壁、すなわち外壁３および内壁４を備え、同壁は共同して対になって、プラットフォーム１の前端端部６から後端端部７までに広がっている中央水路５を画成している。

ケーソン２の中実の側壁３、４があることにより、海水は、波浪が伝播する主な方向に沿って水路５に誘導され、これによってプラットフォーム１のローリングの動きを制限する。

ケーソン２は、長手上縁８およびこれに対向している長手下縁９を備え、（波があっても）海が静かであまり荒れていない場合、上縁が水面から出ていて下縁が水面下にある状態でいられる。

各ケーソン２は、好ましくは中空であり、金属（例えば腐食防止処理済みの鋼鉄）製、複合材料製、または剛性が十分で曲げ力にも腐食にも耐性のあるその他のあらゆる材料製の板を組み立てて作製される。各ケーソン２は、長手面でも（とりわけケーソン２が突出して山形部の頂点まで広がっているとき、またはケーソンの２つの端部が２つの連続する山形部によって支えられているとき）横断面でも（とりわけ局所的な渦があった場合）曲げ応力によりよく抵抗するように、内部リブによって硬化されてよい。

さらに、各ケーソン２を区切ってバラストを形成でき、このバラストに少なくとも部分的に海水を充填するか排水して喫水線を調整する。バラストの充填および排水は、好ましくは自動的に作動するポンプによって実現されてよい。

プラットフォーム１は、ケーソン２を横断方向に連結してケーソンどうしの間を一定に保つとともに構造を硬化させる梁１０を備えている。この梁１０は、特に、水圧でケーソンの側壁３、４にかかる横断力によって生じる曲げ応力に抵抗するように寸法を決定され、この圧力は、水路５とプラットフォーム１の外側との間の水位に差があるため、外壁３に対するものと内壁４に対するものとでは異なることがある。

プラットフォーム１は、さらに、通常海上では恒久的に水面から出ている少なくとも１つの安定補助翼１１を備え、この補助翼１１は、好ましくはケーソン２の下縁９よりも下で横断方向に広がっている。

補助翼１１が１つのみ設けられる場合、この補助翼は、後端７の近傍に配置されるのが好ましい。しかし、図示した好適な実施形態によれば、プラットフォーム１は、２つの安定補助翼１１、すなわち前端６に配置された前端補助翼１１、および後端７に配置された後端補助翼１１を備えている。

梁１０および補助翼１１は、分離していてよい。したがって、１つの補助翼が各ケーソン２の一方の端部に広がっていてよい。しかし、図示した好適な実施形態では、各補助翼１１は、ケーソン２を連結する横断梁１０と一体化し、このようにして一方のケーソン２からもう一方のケーソンへ横断方向に広がっている。

図１を見ればよくわかるように、各補助翼１１は、ほぼ平坦な上面（ｆａｃｅ ｓｕｐｅｒｉｅｕｒｅ）１２または上面（ｅｘｔｒａｄｏｓ）を備え、この上面は、ケーソン２の長手下縁９に平行であり、かつこの長手下縁に対向している。

プラットフォーム１の両端に配置されている前端および後端の補助翼１１は、水路５を海と恒久的に連通させる空間１３を間に置いている。

プラットフォーム１に中間梁１０を備えることも検討可能であり、この中間梁で、前端および後端の補助翼１１に似ているもののプラットフォーム１のほぼ中央に位置している中間補助翼１１を形成して、プラットフォームの安定性および剛性を増大させることができる。

図１および図２に示したように、補助翼１１と一体化している各梁１０は、横断面がＵ字型で、ケーソン２の下縁９から垂直な延長上に延びている２つの側面１４を有していて、その結果、上面１２はケーソン２の下縁９から距離を置いた所に広がり、ケーソン２の下に位置している補助翼は常に水面下にある。

その結果、補助翼１１の上にできる水柱の重みによってプラットフォーム１の平衡を安定して維持し、この水柱が、プラットフォーム１の動き、とりわけピッチングの動きを減衰する役割を果たす。前端および後端の２つの補助翼１１があることによって、プラットフォーム１の安定性、およびとりわけプラットフォームのピッチングに対する抵抗がさらに増すのは言うまでもない。

図２を見ればわかるように、プラットフォーム１は、プラットフォーム１と連動しているカテナリ１５を用いて海底に固定されてよい（好ましくはカテナリを前端６に、例えば前端の補助翼１１に固定する）。プラットフォーム１の向きを波浪の方向に対して（波力発電施設の場合）、または風方向に対して（風力発電施設の場合）ほぼ一定に保つため、プラットフォーム１にはさらに、後端７に取り付けた推進タービン１６を装備することができ、このタービンでカテナリ１５を張った状態にする。このカテナリ１５は、カテナリ１５が張った状態で垂直に延びるように、好ましくは長さが最短であり、このようにしてプラットフォーム１の安全性をさらに高めるためにプラットフォーム１が固定箇所の周りで揺れるのを制限する。固定箇所は複数設けてよい。

このような構造で、半潜水型プラットフォーム１は、とりわけケーソンの中実の側壁３、４により、また補助翼１１があることにより、これらが減衰器のように作用して、安定性が極めて良好になる。

プラットフォーム１の剛性も高く、ケーソン２は縦通材の役割を果たし、梁１０は補強用横架材の役割を果たす。

そのため、プラットフォーム１は、構成要素の寿命が長く疲労耐性が高いため、良好な信頼性を備えている。よって、メンテナンス作業（とりわけ消耗部品を交換する作業）は最小になる。

これらの性質により、プラットフォーム１は、風力発電所あるいは波力発電所などの施設に対する基盤の役割を果たすことができる。プラットフォーム１の梁１０は、このような設備の様々な構成要素（例えば風力タービンの支柱）に対する支持体の役割を果たすことができる。

図３には、前述したようなプラットフォーム１の上に組み立てた波力発電機１８を備える半潜水型浮体波力発電所１７を示しており、プラットフォーム１は、この機械１８に対する基盤の機能を果たす。

波力発電機１８は、波浪エネルギーを機械エネルギーに変換できるように水路５に配置された少なくとも１つの浮体物１９を装備している。

図３、図５および図６に示したように、浮体物１９は、ケーソン２の上縁８で横断方向に連結されている横材２１、２２に関節式に取り付けられたアーム２０と連動している。

図示した例では、機械１８は、浮体物１９を水路５に横に並べて配置した横断列を備えている。図示した例では、浮体物１９の数は４つで、間隔をあけた２つの横材２１、２２に一対ずつ取り付けられている。図５を見ればよくわかるように、浮体物は、ケーソン２の近傍で上流の横材２１に取り付けられた一対のサイド浮体物１９と、下流の横材２２に取り付けられた一対の中央浮体物１９とにまとめられる。

浮体物１９によって各横材２１、２２に生じる力は、関節連結部の回転に対する抵抗を調節することで均衡にすることができ、これによってプラットフォーム１にかかる応力を最小にする。しかし、浮体物１９の動きに共鳴を起こすために（関節連結部を違う形で調節して）不均衡を引き起こし、このようにして機械１８の効率を最大にすることも有益になり得る。

各浮体物１９は、好ましくは形材であり、そのようにするためにプラットフォーム１の前端６の方を向いている先端部２３を備えている。関節連結アーム２０は、横材２１、２２と連動している第１の軸２５に回転式に取り付けられたコネクティングロッド２４を備えているとともに、浮体物１９と連動し、第２の共通回転軸２７周りにコネクティングロッド２４に対して関節連結しているレバー２６を備えている。剛性を高めるため、レバー２６と浮体物１９との接合は、山形鋼２８を用いて補強されてよい。

横材２１、２２は、好ましくは、とりわけ波浪の機械エネルギーを電気エネルギーに変換するために、発電所１の他の備品を受け入れて収容する技術的な場所を形成するのに十分な余裕があるように寸法を決定される。

機械１８は実際に、各浮体物１９に対して、浮体物１９の機械エネルギーを水力エネルギーに変換する変換器２９を備えている。この変換器２９は、作動液３３で満たされたチャンバ３２を画成しているシリンダ３１を備える少なくとも１つのジャッキ３０を備え、シリンダ内には、コネクティングロッド２４に連結しているピストン３４がスライド式に取り付けられている。さらに具体的には、図４に概略的に示したように、ピストン３４は、コネクティングロッド２４の回転軸２５と連動する車輪３５に連結していて、その結果、コネクティングロッド２４の回転が浮体物１９の上下運動によって引き起こされて（図６に点線で示したように）、バネの作用によってピストン３４が引っ張られる動き（図４の大きい左矢印の方向）と圧縮される動き（図４の小さい右矢印の方向）とが交互に起こる。

機械部品の疲労を制限するために、ジャッキ３０は、好ましくは単動型で、ピストン３４が引っ張られている際のみに流体３３が圧縮されるように（アキュムレータに格納されている可能性のある発電タービンに接続されている外部流体回路内に流入するように）配置される。図示した例では、各変換器２９は、対向して動作し（かつ２つとも引っ張られた状態で）、車輪３５に連結されている２つのジャッキ３０を備え、その結果、（図６に矢印Ａで示したように）コネクティングロッド２４が揺れるたびに、各々のピストン３４に交互に引っ張り力がかかり、これによって浮体物１９が上昇する際も下降する際も波浪のエネルギーが回収される。

エネルギー変換器も同じく、好ましくは、該当するコネクティングロッド２４に対して各レバー２６の関節連結軸２７に取り付けられ、その結果、山形部の両側で（図６に矢印Ｂで示したように）波浪とともに揺れる各浮体物１９の振り子の動きも水力エネルギーに（その後電気エネルギーに）変換される。

プラットフォーム１が水路状の構造になっていることにより、波浪は正しく誘導され、浮体物１９のローリングの動きを避けて、発電所１のエネルギー効率に有利に働く。プラットフォーム１が空洞のある構造であることにより、重量と力の良好な比率が得られる点に注意されたい。

このエネルギー効率は、水路５で波浪をさらに高くするシステムを用いて一層向上させることができる。

このようにするために、プラットフォーム１は、その前端に漏斗形の開口３６を備えるように修正されてよく、この開口は、上流から下流に向かって上向きに傾斜した面３７によって下向きに画定されている。この傾斜は約数度であってよく、これは、浮体物１９までくる水路５への流れを局所的に遅らせる（またこれに伴いさらに高く上げる）のに十分なものである。

図６の断面図からわかるように、傾斜面３７は、浮体物１９の近傍まで、浮体物の上流に広がり、プラットフォーム外にある（点線で示したような）水位に対して水路５で水位を（実線で示したように）上げるものの、この図に二重矢印Ｃで示した浮体物１９のピストンの動きを妨げないようにする。

開口３６は、下流方向に向かって接近し合う側面３８にも画定され、水路５から前端６までの幅を局所的に制限するものを形成し、これによって水路５での水位が浮体物１９まで上昇するのを一層高める。

波浪の振幅は、浮体物の側面に設けられた小翼によって、浮体物１９の高さで局所的にさらに増大することができる。この小翼は、横断方向に向けられるか、水平方向に対して傾斜して向けられ、流れをそらせ（かつそれによって失速させ）、水路５での水位を局所的に高める。

図３、図５および図６に示した好適な実施形態によれば、プラットフォーム１は、暴風雨に対する防護機構を備え、この機構は、海が激しく荒れることで作動する。

この機構は、プラットフォーム１の前端６に取り付けられた波除け板３９を備えている。この板３９は、傾斜面３７の上流縁に関節連結され、
‐板３９が傾斜面３７のほぼ延長上に広がる降下位置（図６左端の実線）と、
‐板３９が傾斜面３７と角度を形成する上昇位置（図６左端の点線）
との間を上下する。

降下位置では、板３９は、水が開口３６を通って水路５に流れるように通路を開放する。この位置は、正常な状態（海が穏やかまたはわずかに荒れている状態）にある板３９の位置である。図３および図５を見ればわかるように、板３９は、ケーソン２の直線セクション４０によって両側を囲まれ、このセクションは、側面３８の延長上にほぼ平行に広がっている。

海が激しく荒れている状況に板３９が置かれている上昇位置では、板３９は、開口３６をふさいで水路５で波浪が動くのを制限し、このようにして、浮体物１９が揺れる振幅が大きくなりすぎて機械１８が損傷するリスクを回避する。

図６を見ればわかるように、板３９は、ケーソン２の上縁８まで、あるいはそれよりも上に上がることができる。板３９は、動力式であってよい。しかし、好適な実施形態によれば、板３９は、中空であってよく、この板自体でバラストを形成でき、板３９を降下位置にするためにはこの板に海水を満たし、板３９を上昇位置にするためにはこの板の水を抜き、このようにして海自体によって板３９を浮遊させて自動的に上昇させる。図６の詳細な差し込み図を見ればわかるように、板３９は、傾斜面３７の上流縁にある関節連結部の近傍に空洞部４１を備えていてよく、これによって、上昇位置では（図６の差し込み図に矢印で示したように）海水用の（断面が限られた）通路を形成し、このようにして水路５と周囲の海面との間の圧力差を制限する。

板３９を周囲の海面よりもさらに高く上げて、高波が機械１８上で砕けるリスクを制限するために、プラットフォーム１には、プラットフォーム１の平衡調節システムを装備でき、これによって前端６を後端７よりも高くする。

このシステムは、前端６側のケーソン２と一体化しているバラストを部分的に空にする機構を備えていてよく、それによって（質量を移動させて）この側のケーソン２を局所的に軽くし、このようにして前端６を後端７よりも上に上げる。この空にする機構は、例えば波浪の振幅を検出する浮標を用いて、あるいは（場合によっては衛星中継を伴う）海洋気象管制センターから発信される信号を受信して、自動的に作動できる。

Claims (15)

1. 半潜水型プラットフォームであって、
   ‐ 前記プラットフォーム（１）の前端端部（６）から後端端部（７）に広がる中央水路（５）を画定する中実の側壁（３、４）を有する少なくとも２つの長手ケーソン（２）；
   ‐ 前記ケーソン（２）を横断方向に連結する少なくとも１つの梁（１０）；
   ‐ 前記ケーソン（２）の下縁（９）よりも下で横断方向に広がる少なくとも１つの安定補助翼（１１）
   を備えることを特徴とする、プラットフォーム（１）。
2. 前記補助翼（１１）は、前記後端端部（７）の近傍に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のプラットフォーム（１）。
3. 前記補助翼（１１）は、前記ケーソン（２）を連結する梁（１０）と一体化していることを特徴とする、請求項１または２に記載のプラットフォーム（１）。
4. 前記補助翼（１１）と一体化している前記梁（１０）は、横断面がＵ字型であり、前記ケーソン（２）の前記下縁（９）から延長上に延びる２つの側面（１４）を有することを特徴とする、請求項３に記載のプラットフォーム（１）。
5. 少なくとも２つの安定補助翼（１１）、すなわち前記前端端部（６）の近傍にある前端の補助翼（１１）、および前記後端端部（７）の近傍にある後端の補助翼（１１）を備えることを特徴とする、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のプラットフォーム（１）。
6. 請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のプラットフォーム（１）を基盤として備えるとともに、前記プラットフォーム（１）上に組み立てられ、前記水路（５）に配置された少なくとも１つの浮体物（１９）を装備し、波浪エネルギーを機械エネルギーに変換できる波力発電機（１８）を備えることを特徴とする、半潜水型波力発電所（１７）。
7. 前記浮体物（１９）は、前記ケーソン（２）を横断方向に連結する横材（２１、２２）に関節連結式に取り付けられたアーム（２０）と連動していることを特徴とする、請求項６に記載の発電所（１７）。
8. 前記関節連結アーム（２０）は、前記横材（２１、２２）との連動軸（２５）に回転式に取り付けられたコネクティングロッド（２４）、および前記浮体物（１９）と連動し、前記コネクティングロッド（２４）に対して関節連結したレバー（２６）を備えることを特徴とする、請求項７に記載の発電所（１７）。
9. 前記コネクティングロッド（２４）に連結したピストン（３４）を備えた少なくとも１つのジャッキ（３０）を備えるエネルギー変換器（２９）を備えることを特徴とする、請求項８に記載の発電所（１７）。
10. 前記機械（１８）は、前記浮体物（１９）を前記水路（５）に横に並べて配置した横断列を備え、それぞれの横断列は、横材（２１、２２）に取り付けられた関節連結アーム（２０）と連動していることを特徴とする、請求項６〜９のうちいずれか一項に記載の発電所（１７）。
11. 前記水路（５）の上流には、傾斜面（３７）によって下向きに画定された漏斗形の開口（３６）を備えることを特徴とする、請求項６〜１０のうちいずれか一項に記載の発電所（１７）。
12. 前記傾斜面（３７）は、前記浮体物（１９）の上流で、前記浮体物の近傍まで広がっていることを特徴とする、請求項１１に記載の発電所（１７）。
13. 前記開口（３６）は、下流方向に向かって接近し合う２つの側面（３８）によって横断方向に画定されることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の発電所（１７）。
14. 前記傾斜面（３７）の上流縁に関節連結した波除け板（３９）を備え、前記板（３９）が前記傾斜面（３７）のほぼ延長上に広がる降下位置と、前記板（３９）が前記傾斜面（３７）と角度を形成する上昇位置との間を上下し、このようにして前記開口（３６）をふさぐことを特徴とする、請求項１１〜１３のうちいずれか一項に記載の発電所（１７）。
15. 各浮体物（１９）は、前記側面に小翼を備えることを特徴とする、請求項６〜１４のうちいずれか一項に記載の発電所（１７）。

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