JP2015535567A - 水力発電タービンシステム及び水力発電タービンシステムの設置方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、ベース（１２）に取り付けられ、支持される水力発電タービンを（１４）を含む水力発電タービンシステム（１０）を提供し、ベース（１２）は、そのシステムの負荷を海底で均等に分散し、全ての脚部が海底に接触できるようにするために、複数の固定長の脚部（２０）と、少なくとも１つの長さ調節可能な脚部（２２）とを有する。【選択図】 図２

Description

本発明は、水力発電タービンシステムに関し、詳細には、水力発電タービンシステムが搭載される安定化されたベースの安定性を向上する一方で、そのシステムの重量及びコストを低減しつつ、杭又は複雑な複合体の使用を不要とすることで、このようなタービンの設置を大幅に容易とする。

現在、世界規模での二酸化炭素ガス（ＣＯ_２）の排出は、特に地球温暖化に起因してもたらされる脅威により、我々の環境に引き起こす損害として取り巻く懸念がある。ＣＯ_２放出の主要な源の１つは、化石燃料の燃焼を介して、大規模な電力の生産である。
しかし、電力は、人類の生存に不可欠であって、役に立つものである。そして、現在、化石燃料を使わずに大電力を生み出す代替手段を捜すことに膨大な資産が費やされている。原子力エネルギーは、１つの選択肢であるが、ほとんどの社会では原子力発電のマイナス面に不安があり、したがって、他のより望ましい解決策が必要である。

再生可能エネルギーは、近年注目されてきており、太陽エネルギー、風力エネルギー、潮力を中心に多くのプロジェクトで展開されている。潮力は、代替エネルギーのうち、潮の流れが完全に予想できて一定であるとすると、おそらく最も魅力的である。そして、潮力は、比較的断続的で、ゆえに信頼性を欠く、風力エネルギー又は太陽エネルギーとは異なっている。

しかし、潮汐エネルギーを利用することは、潮力発電機の設置やメンテナンスに関して、確かに特有の課題を提供する。水力発電タービンは、例えば、同じの動作の性質上、比較的に速く流れる潮流に設置される必要があり、おそらく海底に位置している。これらの状況は、著しく作業に適さず、安全な作業条件の助けにならない。このような潮汐タービンが搭載されるベースの設置は、従来、海底への杭の打込みの態様をとっており、一つのタービン又は一つ以上のタービンを支持している付随的なフレームを、その後に設置することができる。
しかし、高潮の流れの領域における海底への杭の打込みは、かなりの問題を含み、かつ、一般的に危険な作業である。加えて、大型の採掘及び杭打ち機器を輸送する必要があり、作業の複雑さとコストを大幅に増加させる。設置のプロセスは、さらに、その設置に適した船及び採掘作業を実行するための機器の市場における不足の増加や、高潮流サイトにおけるダイバーの取り付け作業の極端な危険性により、困難になり得る。

本発明の第一の態様によれば、水力発電タービンのためのベースを含む水力発電タービンシステムであって、上記ベースは、少なくとも４つの脚部を含み、少なくとも１つの脚部の位置が、少なくとも１つの他の脚部に対して、可変であることを特徴とする。

好ましくは、上記位置が可変な少なくとも１つの脚部は、長さ調節可能である。

好ましくは、上記長さ調節可能な脚部は、伸縮自在（telescopic）である。

好ましくは、上記長さ調節可能な脚部は、遠隔制御（remotely controllable）をされ得る。

好ましくは、上記調節可能な脚部は、油圧又は空気によって長さを調節可能である。

好ましくは、上記少なくとも４つの脚部は、実質的に矩形配列に配置されている。

好ましくは、上記ベースは、上記複数の脚部が延びている、四辺形のフレームを含む。

好ましくは、上記フレームは、台形で構成される。

好ましくは、上記フレームは、等脚台形で構成される。

好ましくは、上記フレームは、隣接する脚部の間に延びる、複数の単一のクロス部材を含む。

好ましくは、上記システムは、上記ベースに搭載された水力発電タービンを含む。

好ましくは、上記システムは、上記少なくとも位置が可変な脚部と海底との間に加わる負荷を測定するように動作可能な荷重センサを含む。

好ましくは、上記荷重センサで所定の負荷が記録されるとき、上記脚部の伸長を停止又は調節するように動作可能なコントローラを含む。

好ましくは、フレームは、上記位置が可変な少なくとも１つの脚部の負荷により生じた位置変動を許容するために十分な柔軟性を有する。

本発明の第２の態様によれば、水力発電タービンシステムの設置方法が提供される。そして、その方法は、以下のステップとして、上記システムのベースを配置場所（deployment site）へ輸送するステップと、上記ベースの複数の脚部が海底と接触するまで、船から上記ベースを降ろすステップと、少なくとも１つの位置が可変な脚部の位置を、上記脚部が上記海底と接触するまで変化させるステップと、を含む。

好ましくは、本方法は、上記位置が可変な脚部を伸長又は収縮させることを含む。

好ましくは、本方法は、上記位置が可変な脚部の伸長又は収縮を遠隔操作（remotely actuating）させることを含む。

好ましくは、本方法は、上記少なくとも１つの位置が可変な脚部の長さを、上記海底と上記位置が可変な脚部との間に所定の負荷が加わるまで、調節する。

好ましくは、本方法は、上記少なくとも１つの位置が可変な脚部を伸長する前に、設置場所における海底の適合性を確認するステップを含む。

好ましくは、本方法は、上記ベースの姿勢が、上記海底へ下げたときに、上記少なくとも１つの位置が可変な脚部を伸長する前に、所定の範囲内にあることを確認することを含む。

本発明は、添付の図面を参照して説明される。
本発明に係る水力発電タービンシステム示す斜視図である。 図１に示した水力発電タービンシステムのベースを示す図である。 設置船からの降下を単純化するために、平面に台形状を有する他のベースを示す図である。

添付図面の図１及び図２を参照すると、水力発電タービンシステムは、全体として符号１０で示すが、使用時に例えば、磁石型発電機（図示省略）、コイル型発電機（図示省略）、誘導型発電機、又は公知の方法でそのシステム１０に組み込まれた任意の他の適切な発電機を使用することによって、そのシステム１０を通過した水の潮汐流から電気エネルギーを生成するために、海底又は他の適当な水中の支持面若しくは場所に設置されている。

水力発電タービンシステム１０は、水力発電タービン１４が搭載されるベース１２を含み、そのベース１２は、海底に設置されたときに水力発電タービン１４を支持し、かつ、安定性を提供する。水力発電タービン１４を通る水の流れは、水力発電タービン１４の回転を引き起こし、その回転は、その後、上述の発電機（図示省略）を介して電気エネルギーに変換される。ベース１２と水力発電タービン１４は、使用中に水の高速潮汐流に起因して、かなりの力が掛かり、それゆえ、水力発電タービンシステム１０の安定性が最も重要である。

本実施形態では、ベース１２の形状が略四角形のフレーム１６を含み、そのベース１２は、鋼管から形成された４つのクロス部材（横繋ぎ材）１８から製造されているが、任意の他の適切な材料を用いることができることは、言うまでもない。
クロス部材１８は、図示の実施形態では、矩形配列において、３つの固定された脚部２０と、位置が可変又は調節可能な１つの脚部２２との間に接続され、かつ、延びている。
これらの脚部２０，２２は、実施形態に示されるように、大部分が鋼管により形成されており、中空であるか否かは問わず、また、バラストが充填されているか否かも問わない。但し、これらの脚部２０，２２の形状、配向及び材料は、必要に応じて変化してもよいことは、言うまでもない。
脚部２０，２２の各々は、好ましくは、その自由端に向かって先細り状又は尖頭状の海底接触用足部２４で終端する。しかし、水力発電タービンシステム１０が海底に設置されるとき、そのシステム１０がスライド可能に潮汐力の影響下で海底に沿って移動するのを防ぐために、海底岩盤、丸石（大小石）又は他の海底の状態に対して、埋め込み又は突入するために、脚部２０，２２の各々は、当て物形状（pad form）であってもよい。
しかし、所望であれば、足部又は終端は、任意の他の適切な形態を採用してもよい。また、必要に応じて、固定された脚部２０と調節可能な脚部２２の数を変えることができることは言うまでもない。

各々の固定された脚部２０は、固体又は中空でバラストを充填することができるが、調節可能な脚部２２は、使用において、その脚部２２の上下方向の長さを調節するように適合されたアクチュエータ（図示省略）を収容するために、明細書で後に述べられる理由のため、好ましくは中空である。例えば、その脚部２２又は全体のベース１２を遠隔操作により、一旦所望の機能で動作することができれば、アクチュエータ（図示省略）は、もちろん、他の場所に設置することができる。好ましい実施形態では、アクチュエータは、調節可能な脚部２２の全長を効果的に調節するために、その脚部２２の管状部分から海底接触用足部２４を移動させるように構成されている。アクチュエータ（図示せず）は、任意の適切な形態であってよく、例えば、一つ以上の油圧若しくは空気圧シリンダ、ラックアンドピニオン式機構等の機械式のアクチュエータ、又は、任意の他の適切な機能の代替物であってもよい。

海底に水力発電システム１０の下降に使用される設置船（図示省略）のように遠隔地から調節可能な脚部２２の長さを調節するのを可能にするために、アクチュエータ（図示省略）も、好ましくは、遠隔制御可能である。それ故、これは、ダイバーが設置場所の海底に存在する必要性を除くことになる。

したがって、ベース１２の使用において、好ましくは水力発電タービン１４がベース１２に搭載され、適切な設置船（図示省略）によって海底の設置場所まで降下させられる。４つの脚部（固定された３つの脚部２０及び調節可能な１つの脚部２２）の供給は、水力発電システム１０を下降させ、上昇させる際に有利である。各脚部２０，２２は、巻上機で巻いた降下用線材（図示省略）がベース１２に接続していることができる都合のよい接続ポイントを提供することができ、したがって、例えば三角形又は他の非対称形のベースと比較して、設置船（図示せず）への荷重をより均一に分散させる。

海底の方へ水力発電システム１０が降下する前に、又は、少なくともベース１２が海底に接触する前に、海底の表面の不揃い（凹凸）又は起伏に拘わらずに、３つの固定された脚部２０がそれぞれ海底に接触できるようにするため、調節可能な脚部２２は、３つの固定された脚部２０に対して長さが短くされていることが好ましい。３つの固定された脚部２０は、一旦、海底に接触させると、調節可能な脚部２２は、長さを伸長するため遠隔操作され、例えば、それぞれの海底接触用足部２４を強制的に海底に接触させることができる。
それから、調節可能な脚部２２が水力発電システム１０によって発生する負荷を分散して伝達することを確実とするために、適当な圧力がアクチュエータ（図示省略）によって加えられる。この時点で、そのシステム１０は、海底に安定して設置され、水力発電タービン１４は、運転を開始することができる。

好ましい構成では、設置場所における海底の適合性が、調節可能な脚部２２を伸長する前に確認されてもよい。例えば、水力発電システム１０は、そのシステム１０の姿勢を測定する一つ以上のセンサ（図示省略）を備えてもよい。そして、そのセンサが測定した姿勢の情報は、調節可能な脚部２２を伸長するか否かを決定するために使用され得る。そのセンサ（図示省略）は、例えば、フレーム１６に面して、又は、フレーム１６から離れて、任意の適切な位置に備えることができる。例えば、その脚部２２が伸長される前に、ベース１２は、実質的に水平に配向されていることが望ましい。
調節可能な脚部２２は、ベース１２の全体的なレベルを補正又は調整することができないので、水平配向を達成するために、その脚部２２が伸長される前に、ベース１２は、実質的に平ら又は水平であるように、３つの固定された脚部２０は、ほぼ同じ深さで海底上の地点に接触する必要がある。

水力発電システム１０は、調節可能な脚部２２が伸長され海底と接触したときに、その脚部２２と海底との両者間に加わる負荷を測定するように動作可能な荷重センサ（図示せず）を含み得ることが想定される。
このようにして、所定の負荷に達した後、その脚部２２の伸長は、停止することができ、その脚部２２は、３つの固定された脚部２０の各々とほぼ同じ荷重で支持していることが好ましい。この段階で、その脚部２２のさらなる伸長が生じる可能性としては、固定された脚部２０の何れか１つが海底から離れていることである。
したがって、水力発電システム１０は、この好ましい状態に達したときに自動的に脚部２２の伸長を停止するように動作可能なコントローラを備えてもよい。

上述の通り、ベース１２の形状及び構成を必要に応じて変更してもよいし、固定された脚部２０の数を、必要に応じて変更してもよい。しかし、矩形配列内の３つの固定された脚部２０及び４つ目の調節可能な脚部２２の供給は、いくつかの利点を提供する。全体にわたって軽量なベース１２が同時に使用されることを可能にしながら、上記４つ脚部（固定された３つの脚部２０及び調節可能な１つの脚部２２）の使用は、水力発電タービン１４を支持するために非常に安定した土台（プラットフォーム）を提供する。海底での設置と回収との間、及び作動の間、負荷がより均一に分散され、クロス部材１８は、軽いゲージの材料から形成されることを可能にし、水力発電システム１０の設置と回収との間、設置船の負荷も低下させる。これは、そのシステム１０の製造コストを削減し、加えて、そのシステム１０の輸送のコスト及び複雑さを低減させる。

しかし、本発明の水力発電システム１０は、１つ以上の長さ調節可能な脚部２２を設けることが想定され得る。加えて、そのシステム１０は、意図された負荷よりも高い負荷にさらされた場合、手動又は自動制御の何れかにより、長さ調節可能な複数の脚部が収縮又は長さが短くなるように構成されるように設計してもよい。それによって、留まっている脚部２０，２２に、より均一に負荷を分散する。

また、脚部２０，２２のうちの１つ以上の位置の変動は、別の手段によって達成されることが想定され得る。例えば、十分な柔軟性を持つためにフレーム１６を設計することで、例えば、ベース１２の固定荷重、又は、ベース１２及び水力発電タービン１４の複合荷重により、フレーム１６は、全ての脚部２０，２２が海底又はその他の水中の支持面に接触できるように曲がるようにして、ロード中に脚部２０，２２の一つ以上の位置を変えることができる。これにより、脚部２０，２２が設置されている凹凸面（表面が平らでない面）にも拘わらず、脚部２０，２２の全ての間で負荷を均一に分散する。

次に、図３は、本発明の水力発電タービンシステムの一部を形成するベースの別の実施形態を例示し、全体として、１１２として示される。このような構成要素の代替的な実施形態では、参照番号のように従い、特に明記しない限り、同様の機能を実行する。
ベース１１２は、また、四辺形の形状のフレーム１１６を含み、平面視において、特に、両側のクロス部材１１８によって規定される。ベース１１２が設置船Ｖの下に取り付けられて示されており、これらは、間隔を置いたクロスビームＣと、並列に互いに固定された実質的に平行な一対の浮船Ｐを含む。
この場合、ベース１１２は、使用に際し、浮船Ｐの甲板上に位置する複数の巻上機Ｗにより、設置船Ｖの下から離れて下降される前に、一対の浮船Ｐの下であって、かつ、適切な設置場所への輸送のための場所に固定されている。
ベース１１２は、フレーム１１６の各々の頂点に配置された４つの脚部を含む。ベース１１２は、３つの固定された脚部１２０及び単一の位置調節可能な脚部１２２を備える。ベース１１２の実施形態を説明する目的のために、調節可能な脚部１２２の位置は、重要でないことに留意すべきであり、例示の目的のみのために特定の位置に示されている。

巻上機Ｗの各々は、脚部１２０、１２２の何れかに適切な線材を介して固定されており、設置時に巻上機Ｗのそれぞれが設置船Ｖの真下から制御された方法でベース１１２を下げるために線材を送出する。
台形状、好ましくは二等辺台形としてフレーム１１６を提供することにより、脚部１２０の２つは、残りの脚部１２０、１２２に対して内側に据え付けられており、この場合、内側に据え付けられた一対の脚部１２０を、図３の左側に示している。
この構成は、各浮船Ｐ上の巻上機Ｗの対が、各浮船Ｐの互いの長手方向軸に対して、並置されることを可能にし、このような各巻上機Ｗの線材は、浮船Ｐのデッキで互いに交差することなしに、各脚部１２０、１２２に遮るもののない経路を有している。これは、設置船Ｖで簡略化されたレイアウトを確実にする。そして、それによって設置プロセスを単純化する。

したがって、本発明の水力発電システム１０は、海底の表面が平坦でなくても、水力発電タービン１４が海底に設置され、かつ、支持され、水力発電タービン１４の動作中に安定したプラットフォームを提供することを可能にすることが理解されよう。
これに加えて、プラットフォームがひっくり返るおそれは、非対称形のベースの構成と比較して、大幅に低減される。そのことは、特に三角形のベース又は三脚のベースと比較しても、海底接触用足部２４の数の増加に起因する海底上でのスライド変位のおそれは、大幅に低減される。

Claims (15)

1. 水力発電タービンのためのベースを含む水力発電タービンシステムであって、
   前記ベースは、少なくとも４つの脚部を含み、
   少なくとも１つの脚部の位置が、少なくとも１つの他の脚部に対して、可変であることを特徴とする水力発電タービンシステム。
2. 前記位置が可変な少なくとも１つの脚部は、長さ調節可能であることを特徴とする請求項１に記載の水力発電タービンシステム。
3. 前記長さ調節可能な脚部は、伸縮自在であることを特徴とする請求項２に記載の水力発電タービンシステム。
4. 前記少なくとも４つの脚部は、実質的に矩形配列に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の水力発電タービンシステム。
5. 前記ベースは、前記複数の脚部が延びている、四辺形のフレームを含むことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の水力発電タービンシステム。
6. 前記フレームは、台形で構成されることを特徴とする請求項５に記載の水力発電タービンシステム。
7. 前記フレームは、等脚台形で構成されることを特徴とする請求項５に記載の水力発電タービンシステム。
8. 前記ベースに搭載された水力発電タービンを含むことを特徴とする請求項１から請求項７の何れか１項に記載の水力発電タービンシステム。
9. 前記少なくとも位置が可変な脚部と海底との間に加わる負荷を測定するように動作可能な荷重センサを含むことを特徴とする請求項１から請求項８の何れか１項に記載の水力発電タービンシステム。
10. 前記荷重センサにより所定の負荷が記録されるとき、前記脚部の伸長を停止又は調節するように動作可能なコントローラを含むことを特徴とする請求項９に記載の水力発電タービンシステム。
11. 前記フレームは、前記位置が可変な少なくとも１つの前記脚部の負荷により生じた位置変動を許容するために十分な柔軟性を有することを特徴とする請求項５から請求項１０の何れか１項に記載の水力発電タービンシステム。
12. 水力発電タービンシステムの設置方法であって、
    前記システムのベースを配置場所へ輸送するステップと、
    前記ベースの複数の脚部が海底と接触するまで、船から前記ベースを降ろすステップと、
    少なくとも１つの位置が可変な脚部の位置を、前記脚部が前記海底と接触するまで変化させるステップと、
    を含むことを特徴とする水力発電タービンシステムの設置方法。
13. 前記位置が可変な脚部を伸長又は収縮させることを含むことを特徴とする請求項１２に記載の水力発電タービンシステムの設置方法。
14. 前記位置が可変な脚部の伸長又は収縮を遠隔操作させることを含むことを特徴とする請求項１３に記載の水力発電タービンシステムの設置方法。
15. 前記少なくとも１つの位置が可変な脚部の長さを、前記海底と該脚部との間に所定の負荷が加わるまで、調節することを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の水力発電タービンシステムの設置方法。

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