JP2015531453A - 水力発電タービンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明によれば、水力発電タービンシステムであって、前記水力発電タービンシステムはベースを含み、前記ベースは、フレームと、前記フレームから延在する複数の脚部材と、を含む水力発電タービンシステムが提供され、前記ベースには、使用中に、特に、過酷な潮汐条件において、前記ベースの転倒に対抗するように適合された位置で前記ベースから延在する１つ以上の耐荷重部材が設けられている。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、海底及び潮流が過大な領域などの設置場所に固定される水力発電タービンシステムに関する。システムにより、特に、異常気象／潮汐現象中に転倒する危険性はないが、杭打ち又は他の複雑な固定作業を用いる必要なく、タービンを安全に設置することが可能となる。したがって、このようなタービンシステムの設置を大幅に簡略化することができる。

水力発電潮力タービンが取付けられたベースの設置は、従来、海底に杭を打ち込む形式で行われており、その後、タービン、又は１つ以上のタービンを支持する補助フレームを海底に設置することができる。しかしながら、激しい潮流の領域において海底に杭を打ち込むことは、非常に困難であり、一般的には危険な作業である。さらに、大規模な掘削及び杭打ち設備を設置場所に移動させて作動させなければならず、作業の複雑性及びコストが大幅に増大してしまう。このような大規模で大重量の設備を用いた海での作業は、危険で時間を浪費する作業である。したがって、この作業の簡略化及び／又は時間の節約を図ることは大きな利点となる。

したがって、近年、水力発電タービンを海底又は他の水中の支持面に設置するための代替的なシステム及び方法が開発されており、これは、タービンが取付けられた「重力式ベース（gravity base）」を利用するものである。杭打ち又は他の複雑な固定機構を必要とすることなくタービンシステムの位置及び安定性を維持するために、この重力式ベースは、ベースとタービンの重量の組み合わせを利用して、複数の脚部材を介して下方に向けて海底に押し付けられる。

しかしながら、十分な安定性を提供するために、ベース及びタービンは、かなりの重量のものでなければならず、そして、ごくまれに発生する過酷な潮汐現象にも耐えるように設計されていなければならない。その結果として、システム、特にベースは、本来、通常の運転状態のためにオーバーエンジニアリング（over engineering）されている。したがって、タービン及び関連するベースは、大型で扱いづらい部品であって、設置及びメンテナンス目的のための回収を達成するためには、大規模な重量物昇降設備及び輸送設備を必要とする。このような重量物昇降設備の使用は、通常、危険な仕事であり、この設備を困難で不安定な状況下にある海底で作動させるときには、さらに危険なものとなる。

したがって、本発明は、上述した問題を解決する水力発電タービンシステムを提供することを目的とする。

本発明によれば、水力発電タービンシステムであって、前記水力発電タービンシステムは、ベースを含み、前記ベースは、フレームと、該フレームから延在する複数の脚部材と、使用中に前記ベースの転倒に対抗するように適合された位置で前記ベースから延在する少なくとも１つの耐荷重部材と、を含む水力発電タービンシステムが提供される。

好ましくは、前記ベースは、一対の前記脚部材の間に延びる転倒軸を規定し、前記少なくとも１つの耐荷重部材は、前記転倒軸周りに作用する転倒モーメントに耐えるように配置されている。

好ましくは、前記耐荷重部材は、前記複数の脚部材が設置場所の表面に係合し（engaged against）且つ支持されているときに、前記表面よりも高い位置となるような配置及び寸法となっている。

好ましくは、前記耐荷重部材は、前記転倒軸の外方に配置されている耐荷重面材を有する。

好ましくは、前記耐荷重部材は、前記ベースに固定された脚部材と、前記脚部材の自由端（free end）に配置された耐荷重面材と、を含む。

好ましくは、前記耐荷重面材は、転倒現象中に海底又は他の支持面と接触するときに、前記海底又は前記他の支持面に対して略平行となるように方向付けられている。

好ましくは、前記フレームは、略三角形のものであって、前記ベースは、三角形状の前記フレームの各頂点に１つずつあるか又は前記各頂点に隣接する３つの脚部材を含む。

好ましくは、前記システムは、三角形状の前記フレームの三辺それぞれから延在する耐荷重部材を含む。

好ましくは、前記システムは、三角形状の前記フレームの一辺から延在する複数の前記耐荷重部材を含む。

好ましくは、前記システムは、前記ベースに取付けられた水力発電タービンを含む。

好ましくは、前記タービンは、中央開放型タービンを含む。

本発明の実施形態による水力発電タービンシステムを示す斜視図 本発明の水力発電タービンシステムの一部を形成する耐荷重部材に関する代替的な設置位置を示す図 水力発電タービンシステムが海底に設置された時の図２に示す配置の側面図

添付図面を参照すると、水力発電タービンシステムは、概して符号１０によって示されている。このシステムは、当業者に知られているように、システム１０を通過する水の流れ、好ましくは、水の潮流からエネルギーを抽出するために、海底又は他の好適な水中支持面（underwater support surface）に配置されている。

システム１０は、海底又は他の水中の支持面に配置されるベース１２を含む。システム１０はさらに、好ましくは、ベース１２に対して、他の適切な手段によって、好ましくは着脱自在に取付け可能な水力発電タービン１４を含む。したがって、この場合も周知の方法により、発電のために水の潮流がタービン１４を通過するように、ベース１２は、タービン１４を直立状態で固定するための支持体として機能する。

例示された実施形態において、ベース１２は、３つの脚部材に支持される三角形状のフレームを含み、各脚部材は、三角形状のフレーム１６の頂点を形成するものである。フレーム１６は、一対の脚部材１８の間に延在する３つの横材（cross member）２０によって形成されている。各脚部材１８は、好ましくは各脚部材１８の底面から下方に向かって延在する尖形足部材（pointed foot）２２をさらに含む。使用時に、システム１０を適切な位置に固定し且つシステムに作用する潮汐力の影響により海底に沿ってシステムが滑ることを回避するために、この足部材２２は、海底又は他の水中の支持面と接触し且つ好ましくは突き刺さる。フレーム１６及び脚部材１８は、あらゆる適切な材料から形成されてもよく、例えば、使用中に、タービン１４を支持すること、及びシステム１０にかかる荷重に耐えることの両方にとって十分な口径の鋼管（tubular steel）によって形成されてもよい。さらに、ベース１２は、あらゆる適切な形状及び配置にされてもよい。例えば、脚部材１８及び足部材２２を３つよりも多く用いてもよい。

使用時に、説明される実施形態のようにベース１２が三角形のものである場合には、タービン１４の回転軸が支配的な潮流と略平行となるように、システム１０を海底又は他の水中支持面に設置することが好ましい。説明される実施形態において、タービン１４は、その回転軸がベース１２の長軸ＡＡと略一致するように取付けられている。したがって、使用時に、長軸ＡＡは、支配的な潮流の方向と略平行となっている。

使用中にタービン１４から発生する電力を最大化するためには、タービン１４の前方及び後方の開放面が潮流の方向に対して垂直に（normally）配置されることが必要となる。しかしながら、これにより、水の潮流が作用する大きな表面積が存在することになり、システム１０に対して大きな水平荷重がかかる。尖形足部材２２によってシステム１０が海底に沿って水平方向に滑ることを回避することができるとき、水の潮流により、タービン１４と、それほどではないもののベース１２とが上述した水平荷重を受けることによって、システム１０に作用する転倒モーメントが発生することがある。この転倒モーメントは、システム１０を設計する際に、海底上でのその重量によって通常の転倒モーメントがわずかとなるように考慮されているが、極めて大きな潮汐条件においては、この転倒モーメントがシステム１０の重量を上回ることがある。このような状況において、転倒モーメントは、足部材又は複数の足部材２２を、潮流の方向に対してシステム１０の上流端で持ち上げてしまうことがあり、最終的には、システム１０を転倒させる可能性がある。

このような過大な転倒モーメントに耐えるために、システム１０には、好ましくは、少なくとも１つの、及びより好ましくは複数の耐荷重部材（load-bearing member）が、後述するようにベース１２に固定され且つベース１２から外側に向かって延在する張出し部材（outrigger）２６の形状で設けられている。各張出し部材２６は、好ましくは、その自由端で終結する脚部材２８を含み、その端部に、転倒現象が起こった場合に海底と接触することになる表面積を増大させる面材３０を備える。張出し部材２６は、例えば、１つ以上の横材２０及び／又は１つ以上の脚部材１８などの、ベース１２周囲のあらゆる適切な位置から延在してもよい。

ベース１２が海底上で正常な運転配置にあって、したがって、略水平な配置にあるときに、張出し部材２６は、図３に示すように、各張出し部材２６の面材３０が海底から離れた高さとなるような配置及び寸法となっている。これにより、システム１０の設置及び／又は回収中に、設置／回収を困難にし且つ張出し部材２６の損傷をも生じ得る、張出し部材２６と海底との接触が起こらないことが保証される。例えば、下流側の一対の脚部材１８及び関連する足部材２２によって規定される転倒軸ＢＢ周りのベース１２の回転に起因して、ベース１２が転倒し始めても、張出し部材２６の面材３０と海底とが接触することにより、システム１０のさらなる転倒が回避される。

程度の差はあるが、システム１０の転倒に対する抵抗力をもたらすために、張出し部材２６のサイズ、形状、及び寸法を変更してもよいことが理解されるであろう。さらに、一度、面材３０を脚部材１８／フレーム１６の外方、又は換言すれば、潮流の方向に対して転倒軸ＢＢの下流側に配置すれば、張出し部材２６の数及び位置を必要に応じて変更してもよい。例えば、図２に示すように、１つ以上の張出し部材２６を、ベース１２の１つ以上の脚部材１８から延在させてもよい。ベース１２の各転倒軸に対して、各張出し部材２６の面材３０が配置される水平距離はまた、張出し部材２６がシステム１０の転倒に対抗する能力と関係がある。例えば、他の方向よりもある一方向の潮流によって影響を受けるシステム１０の表面積の違いに起因して、転倒モーメントは、潮流の方向によっては大きくなる可能性があるものと予測される。したがって、これに応じた張出し部材２６の配置及び寸法を変更する必要がある。

また、面材３０が転倒現象中に海底と接触するときに、面材３０が海底又は他の水中の支持面に対して略平行となるように、各張出し部材の面材３０が配置される角度を選択してもよい。このようにして、転倒モーメントに対する抵抗力を最大化するために、実質的に面材３０の全表面が海底と接触することになる。

したがって、システム１０の全体設計、特にベース１２において１つ以上の張出し部材２６が提供されることにより、軽量化及びコストの低減が可能となり、したがって、沿岸での製造中及び輸送中、及び海底への下降、又はそこからの回収時における取扱い及び操縦（manoeuvre）が容易となることが理解されるだろう。

Claims (11)

1. 水力発電タービンシステムであって、
   前記水力発電タービンは、ベースを含み、
   前記ベースは、フレームと、該フレームから延在する複数の脚部材と、使用中に前記ベースの転倒に対抗するように適合された位置で前記ベースから延在する少なくとも１つの耐荷重部材と、を含む水力発電タービンシステム。
2. 前記ベースは、一対の前記脚部材の間に延びる転倒軸を規定し、前記少なくとも１つの耐荷重部材は、前記転倒軸周りに作用する転倒モーメントに耐えるように配置されている請求項１に記載のシステム。
3. 前記耐荷重部材は、前記複数の脚部材が設置場所の表面に係合し且つ支持されているときに、前記表面よりも高い位置となるような配置及び寸法となっている請求項１又は請求項２に記載のシステム。
4. 前記耐荷重部材は、前記転倒軸の外方に配置されている耐荷重面材を有する請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のシステム。
5. 前記耐荷重部材は、前記ベースに固定された脚部材と、前記脚部材の自由端に配置された耐荷重面材と、を含む請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のシステム。
6. 前記耐荷重面材は、転倒現象中に海底又は他の支持面と接触するときに、前記海底又は前記他の支持面に対して略平行となるように方向付けられている請求項５に記載のシステム。
7. 前記フレームは、略三角形のものであって、前記ベースは、三角形状の前記フレームの各頂点に１つずつあるか又は前記各頂点に隣接する３つの脚部材を含む請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のシステム。
8. 前記システムは、三角形状の前記フレームの三辺それぞれから延在する耐荷重部材を含む請求項７に記載のシステム。
9. 三角形状の前記フレームの一辺から延在する複数の前記耐荷重部材を含む請求項７又は請求項８に記載のシステム。
10. 前記システムは、前記ベースに取付けられた水力発電タービンを含む請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載のシステム。
11. 前記タービンは、中央開放型タービンを含む請求項９に記載のシステム。