JP2016501159A - 風力タービン用のテンションレグ・プラットフォーム構造 - Google Patents

Abstract

風力タービン用のテンションレグ・プラットフォーム構造は、浮揚性構造（１１０）と、プラットフォーム（１２０）と、プラットフォーム（１２０）を海底（２０）に接続するための少なくとも１つのアンカリング・テンドン（３０）とを備え、少なくとも１つのプレストレストケーブル（３１）及びこれに関連するプレストレストコンクリート構造（３２）を有する少なくともハイブリッド構造を備える。アンカリング・テンドン（３０）は、所定の長さのセグメントを備えることができる。【選択図】図３

Description

本出願は、２０１２年１２月１４日に提出された欧州特許出願第１２３８２５０６．９号及び２０１３年２月１４日に提出された米国仮特許出願第６１／７６４，８９３号の利益を主張している。

海洋風力タービン用のテンションレグ・プラットフォーム設備（ＴＬＰ）構造は、請求項１のプリアンブルに定義されたように本明細書に開示されている。

ＴＬＰ構造は元々、海洋石油又はガス産業のために開発された。この例は、特許文献１及び特許文献２に記載されている。

ＴＬＰ構造は、今現在、風力タービン用途、特に海洋風力タービン用途においても検討されている。

一般に、海洋風力タービン用のＴＬＰ構造は、海上に配置されるように設計されたプラットフォーム及び浮揚性又はフローティング構造を備える。プラットフォームが海面下に配置されるように密閉した構造の場合、プラットフォーム自体は、浮揚性構造として機能することができる。ＴＬＰ構造は、さらに、風力タービンタワーとプラットフォームとを一体に接合する遷移ピースを備えることができる。

浮揚性構造及びプラットフォームは、海底に固定される係留ラインとして機能するレグ又はテンドンをアンカーすることによって適所に保持されている。浮揚性構造及びプラットフォームは、気象条件の変化においても風力タービンのタワー及びナセルアセンブリを支持するのに十分に安定であるように設計されている。

特許文献３は、例えば、係留ラインを介して海底にアンカーされる海洋風力タービンプラットフォームを開示している。非対称係留システムは、風力タービンを担持する柱に海底を接続する。

海洋風力タービンの用途において、ＴＬＰ構造におけるテンドンは、ケーブルなどの高強度管状部材から形成されている。テンドンは、プラットフォームのコーナーに対して及び海底に対してこれらの端部を固定するために関節式接続を備える。テンドンはまた、特許文献４に示されるように、鋼コンクリートから構成されることができる。

テンドンの高い軸方向剛性は、プラットフォームの水平移動（サージ及び揺れ運動）を可能とすると同時に、風力タービンの運転、風及び波によって生じるプラットフォームの垂直移動（うねり運動）及び回転運動（ピッチ及びロール運動）を可能としない。

風力タービンは、現在、ますます多くの電力を生み出しており、その結果、これらは、ますます大きなサイズを必要としている。さらに、テンションレグ・プラットフォーム及び海洋風力タービンは、双方とも、風力タービンにおけるピッチ及びロール運動並びに風力タービンの運転、風及び波によるプラットフォーム構造の固有周波数の弾性挙動を考慮して製造されなければならない。さらに、うねり運動の周波数はまた、与えられた値以下に維持されなければならない。

したがって、目的は、アセンブリの周波数が波の周波数と同じであるのを防止することである。うねり、サージ及び揺れモードの周波数は、アセンブリを剛性構造として機能させる剛性に関連する低モーダル及び高モーダル慣性に起因して、非常に低い。これらの周波数が波の周波数よりも低いという事実により、構造力学が波によって励起されないこととなる。

対照的に、ピッチ、ロール及びヨー運動の周波数はより高いが、時には、これらは、波のものに近くなるように低下することがある。したがって、ピッチ、ロール及びヨー運動の周波数は高いことが望ましい。これは、典型的には、例えば、関与する力に耐えるために、向上した構造強度及び剛性のためにこれらの壁厚を増加させるか又はテンドンあたりのケーブルの数を増加させ、テンドンを大型化することによって達成される。しかしながら、これは、望ましくないコストの増大をもたらす。

ＴＬＰ構造は、本明細書において、コストを削減しながら強度及び剛性の点で向上した機械的性質を提供することを目的として提案される。

国際公開第２０１０／０８２１５３号 米国特許第６９１０４３８号明細書 国際公開第２００９／１３１８２６号 米国特許出願公開第２００８／０１４０２５号明細書

好ましくは、海洋型の本風力タービン用のテンションレグ・プラットフォーム構造は請求項１に定義され、以下に説明される。本テンションレグ・プラットフォーム構造の有利な実施形態は、従属請求項に定義されている。

風力タービン用の本ＴＬＰ構造は、浮揚性構造及びプラットフォームを備える。本ＴＬＰ構造のプラットフォームは、複数、例えば３つのアームから形成されることができる。ＴＬＰ構造のプラットフォーム又はプラットフォームを形成するアームは、動作中に少なくとも海面上又は少なくとも海面下のいずれかに配置されるように構成されることができる。後者の場合、アームは、浮揚性構造自体として機能する。

本ＴＬＰ構造のプラットフォーム又はプラットフォームを形成するアームは、好ましくは、格子構造とすることができ、アセンブリに対して必要な浮力を提供するために、海面下に少なくとも部分的に配置されるように浮揚性構造を備えることができる。

本ＴＬＰ構造は、さらに、海底面にプラットフォームを接続するのに適した、少なくとも１つのアンカリング・テンドンを備える。

本ＴＬＰ構造の１つの重要な特徴によれば、アンカリング・テンドンは、少なくとも第１のプレストレスト構造及びこれに関連する第２の異なるプレストレスト構造から形成されたハイブリッド構造を少なくとも備える。

ハイブリッド構造を形成するプレストレスト構造が互いに異なるという事実は、少なくともこれらが互いに異なる機械的性質を有することを意味する。さらに、本明細書において使用される用語であるハイブリッド構造は、異なる特性を有する全く異なる起源、種類又は性質の少なくとも２つの異なる材料から形成された構造を意味する。例えば、第１のプレストレスト構造は、アンカリング・テンドンのコアを形成する少なくとも１つのプレストレストケーブルを備えることができ、第２のプレストレスト構造は、第１のプレストレスト構造を囲む少なくとも１つのプレストレストコンクリート構造を備えることができる。

いくつかの実施形態において、ケーブルは、張力においてプレストレスされており、コンクリート構造は、圧縮においてプレストレスされている。

プレストレストケーブル又は複数のケーブルは、高剛性のプレストレスト金属から構成されることができる。いくつかの実施形態において、ケーブルは、鋼及び／又はポリエステルから構成されることができる。ケーブルのうちの少なくとも１つは、複数のワイヤから形成されることができる。

したがって、ハイブリッドアンカリング・テンドンは、少なくとも２つの異なる材料から構成されて設けられる。異なる機械的性質を有する２つの異なる材料、特に高い圧縮強度を有する１つの低コストの材料及び高い引張強度を有する材料のアンカリング・テンドンを作製することにより、結果として低コストの硬いアンカリング・テンドン構造が得られる。

第１のプレストレスト構造は、第１のプレストレスト構造よりも高い剛性を有する前記第２のプレストレスト構造によって、動作中に作業負荷に耐えるように且つ第２のプレストレスト構造をプレストレスするように設計される。換言すれば、第１のプレストレスト構造は、剛性を提供するために、コンクリート構造を直接的に又は間接的に圧縮するように設計される。

好ましい実施形態において、アンカリング・テンドンのケーブル又は複数のケーブルは、少なくとも１つのケーブルを囲むコンクリート構造によって、各アンカリング・テンドンにおけるコアを形成することができる。したがって、圧縮されたコンクリート構造の断面は、この場合、少なくとも１つのプレストレストケーブルにおいて述べたよりも大きい。

アンカリング・テンドンは、少なくとも１つのアンカー端部を備える。テンドンのアンカー端部は、プラットフォーム及び／又は浮揚性構造及び／又は海底に対するヒンジ式の取り付けに適している。好ましい実施形態において、１つのテンドンの一方のアンカー端部は、プラットフォームのアームの自由端に取り付けられ、前記テンドンのアンカー端部に対向する他方は、海底に取り付けられる。

一実施形態において、アンカリング・テンドンは、所定の長さの複数のセグメントを備えることができる。前記テンドンセグメントは、海深に応じて異なる構造及び／又は機械的特性からなってもよい。テンドンセグメントは、現場において引っ張られて設置されることでき、又は、これらは、その製造中に既にプレストレスされてもよい。テンドンセグメントのそれぞれは、少なくとも１つのプレストレストケーブル及びこれに関連するプレストレストコンクリート構造を備えることができる。順次、上述したように、ケーブルの１つ以上は、複数のワイヤから形成されることができる。各テンドンセグメントはまた、互いにテンドンセグメントを接続するための適切な手段を備えてもよい。好ましい一実施形態において、互いにテンドンセグメントを接続するためのこのような手段は、例えば少なくとも約１８０°までセグメントが相互に回転することを可能とするチェーンなどのヒンジ手段を備える。これは、構造が輸送を容易とするために折り畳まれることを可能とする。

上記の構造により、剛性の大部分は、プレストレストコンクリート構造によって提供される。本ＴＬＰ構造のテンドンのコンクリート構造は、圧縮下のコンクリートの高剛性に起因して非常に強固な構造をもたらす高プレストレスト構造である。本ＴＬＰ構造のテンドンのコンクリート構造は、テンドンが浮揚性構造における浮力に起因して引っ張りを受ける場合であっても、コンクリート構造はなおも圧縮される程度に圧縮される。これによりコンクリートは、本ＴＬＰ構造のテンドンのケーブルが、共振周波数におけるケーブル剛性の影響を考慮せず、力のみを考慮に入れたサイズとすることもできるように、剛性を提供する。

本ＴＬＰ構造により、アンカリング・テンドンの製造に必要な材料（例えば、鋼）の量は大幅に削減されながら、剛性は、有利には、得られるコスト削減によって増加する。本ＴＬＰ構造により、ピッチ及びロール固有周波数は、十分に制御される。ハイブリッドアンカリング・テンドン構造は、有利な動的チューニングによって負荷が緩和されることを可能とする。トルク及び推力もまた、ピッチ及びロール運動における振動を減衰するために制御されることができる。さらに、提案されたＴＬＰ構造は、簡単に標準化されることができる。

本テンションレグ・プラットフォーム構造の実施形態の追加の目的、利点及び特徴は、詳細な説明の検討によって当業者にとって明らかとなるか、又はその実施によって習得することができる。

本テンションレグ・プラットフォーム構造の特定の実施形態は、添付図面を参照しながら、非限定的な例によって以下に説明される。

プラットフォームが海面上に配置された本テンションレグ・プラットフォーム構造の１つの特定の実施形態を概略的に示す正面図である。 本テンションレグ・プラットフォーム構造の１つのアンカリング・テンドンの１つの具体例を示す拡大断面図である。 さらにこれに接続されたアンカリング・テンドンが部分的に示されている図２に示されるアンカリング・テンドンの１つの長さを示す断面図である。 プラットフォームが海面下に配置された本テンションレグ・プラットフォーム構造のさらなる実施形態を概略的に示す正面図である。 本テンションレグ・プラットフォーム構造の十分に詳細な斜視図である。

図面は、本テンションレグ・プラットフォーム（ＴＬＰ）構造のいくつかの例示的な実施形態のいくつかの図を示しており、同様の参照符号は、詳細な説明全体を通じて同様の部分を指す。

タワー１１と、タワー１１の上部に配置されたナセル１２と、ナセル１２の内部に取り付けられた発電機（図示しない）に動作可能に連結されたロータ１３とを含む海洋風力タービン１０が図１に示されている。風力タービン１０のナセル１２はまた、風力エネルギを電気エネルギに変換するために、その内部に他の要素を収容する。風力タービン１０のロータ１３は、これらを長手方向軸まわりに回転させる空気を受けるように構成された複数のブレード１４を含む。

タワー１１は、図面において全体として１００で示されている本ＴＬＰ構造によって海底２０に固定されている。ＴＬＰ構造１００は、風力タービン１０に必要な浮力を提供する浮揚性構造１１０を備える。ＴＬＰ構造１００は、さらに、プラットフォーム１２０を備える。プラットフォーム１２０は、各自由端１２６を有する３つのアーム１２５から形成されている。

図１に示される実施形態において、アーム１２５を有するプラットフォーム１２０は、海面２５の上に配置される。しかしながら、本ＴＬＰ構造１００はまた、図４に示されるように、アーム１２５を有するプラットフォーム１２０が海面２５の下に配置された実施形態において利用可能である。この場合、アーム１２５は、浮揚性構造１１０として機能する。

図５に示されるように、プラットフォーム１２０のアーム１２５は、複数のクロスブレースを介して接続された複数のバーによって定義される格子構造から形成されている。図５に示される特定の実施形態は、アーム１２５が海面２５の上に配置されることが意図される図１に示されたものに対応する。アーム１２５は、プラットフォーム１２０の一部であり且つプラットフォーム１２０として機能し、図５に示されるように浮揚性構造１１０に取り付けられた中央部１２７を定義する。それゆえに、アーム１２５は、浮揚性構造１１０がプラットフォーム１２０の上向き、特に下向きに延在することによって浮揚性構造１１０から径方向外側に突出している。

図に示されたＴＬＰ構造１００は、さらに、プラットフォーム１２０の各アーム１２５について１つである３つのアンカリング・テンドン３０を備える。アンカリング・テンドン３０の１つの例は、図２に詳細に示されており、特にその１つのセグメントが以下に説明される。

アンカリング・テンドン３０の目的は、海底２０にプラットフォーム１２０を接続し、適所に風力タービン１０を保持することである。

図２及び図３に示されるように、アンカリング・テンドン３０は、ハイブリッド構造、すなわち、異なる特性を有する異なる性質の少なくとも２つの異なる材料から構成された構造である。具体的には、ＴＬＰ構造１００のアンカリング・テンドン３０は、それぞれ、高剛性プレストレスト金属製の１つ以上の引っ張りプレストレストケーブル３１を備える。プレストレストケーブル３１の少なくとも１つは、順次複数のワイヤから形成されることができる。

ハイブリッドアンカリング・テンドン３０は、さらに、図２に示されるようにケーブル又は複数のケーブル３１を囲む圧縮プレストレストコンクリート構造３２を備える。

さらに、アンカリング・テンドン３０は、それぞれ、各アンカー端部を備える。アンカー端部は、プレストレストケーブル又は複数のケーブル３１に取り付けられるか又はその一部である。腱３０のアンカー端部は、海底２０及びプラットフォーム１２０のアーム１２５の自由端１２６の双方に対する腱３０のヒンジ式の取り付けを可能とする。

アンカリング・テンドン３０は、図５の実施形態に示されるように連続的であってもよい。

しかしながら、代替的に又は追加的に、アンカリング・テンドン３０は、図３に示されるように、３０ｍなどの所定の長さのセグメントから形成されることができる。テンドンセグメントの１つの例は前記図３に示されており、図２に示されるように、圧縮プレストレストコンクリート構造３２によって囲まれた内側の高剛性プレストレストケーブル３１を備える。

テンドンセグメントはまた、アンカリング・テンドンを形成するために他のテンドンセグメントに対して相互接続するように各アンカー端部３３、３４を備える。図３に示される特定の実施形態において、アンカー端部３３、３４は、相互にハイブリッドテンドンセグメントを接続するヒンジ手段として機能する各接続チェーンを備える。

各ハイブリッドテンドンセグメントは、その端部に取り付けられた対向する締結板３５、３６を含む。テンドンセグメントの締結板３５、３６は、圧縮された状態でコンクリート構造３２を維持するという目的を果たす。

締結板３５、３６は、互いにハイブリッドテンドンセグメントを接続する接続チェーン３３、３４を担持する。しかしながら、締結板３５、３６はまた、この場合、互いに直接的に、すなわち接続チェーン３３、３４を使用することなく、テンドンセグメントを接続するという目的を果たすことができる。この場合、ケーブル３１は、締結板３５、３６に取り付けられなければならない。テンドンセグメントは、締結板３５、３６を通るケーブル３１を介して互いに直接的に接続されることができる。

上記解決策により、単一のアンカリング・テンドン３０は、異なる構造及び／又は機械的特性から構成されたテンドンセグメントを有することができる。前記機械的特性は、例えば海深に応じて変化してもよい。例えば、コンクリート構造３２の外径は、海深に適合させることができる。いくつかの場合において、アンカリング・テンドン３０は、同じアンカリング・テンドン３０においてケーブル３１が前記膨張領域上に露出を残しながら膨張領域下の外径を変化させるコンクリート構造３２を備えることができる。

本ＴＬＰ構造の複数の特定の実施形態及び実施例のみが本明細書に開示されたが、他の代替的実施形態及び／又は使用及びその自明な変更及び均等物もまた可能であることが、当業者によって理解されるであろう。

本開示は、本明細書に記載された特定の実施形態の全ての可能な組み合わせを包含する。

図面に関連して、且つ特許請求の範囲において括弧内に置かれた参照符号は、単に特許請求の範囲の明瞭度を向上させようとするためのものにすぎず、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。それゆえに、本開示の範囲は、特定の実施形態によって限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲の公正な読み取りによってのみ判定されるべきである。

Claims (18)

1. 風力タービン用のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）であって、浮揚性構造（１１０）と、プラットフォーム（１２０）と、海底（２０）に前記プラットフォーム（１２０）を接続するための少なくとも１つのアンカリング・テンドン（３０）とを備え、前記アンカリング・テンドン（３０）が、少なくとも第１のプレストレスト構造（３１）及びこれに関連する第２の異なるプレストレスト構造（３２）から形成された少なくともハイブリッド構造を備える、テンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
2. 前記第１のプレストレスト構造が、前記アンカリング・テンドン（３０）のコアを形成する少なくとも１つのプレストレストケーブル（３１）を備える、請求項１に記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
3. 前記第２のプレストレスト構造が、前記第１のプレストレスト構造（３１）を囲む少なくとも１つのプレストレストコンクリート構造（３２）を備える、請求項１又は請求項２に記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
4. 前記第２のプレストレスト構造（３２）の断面が前記第１のプレストレスト構造（３１）の断面よりも大きい、請求項１から請求項３のいずれかに記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
5. 前記第１のプレストレスト構造（３１）が、動作中に前記第２のプレストレスト構造（３２）をプレストレスするように設計されている、請求項１から請求項４のいずれかに記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
6. 前記アンカリング・テンドン（３０）が、前記海底（２０）及び／又は前記プラットフォーム（１２０）に対するヒンジ式の取り付けのための少なくとも１つのアンカー端部を備える、請求項１から請求項５のいずれかに記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
7. 前記アンカリング・テンドン（３０）が、所定の長さの複数のセグメントを備え、それぞれが、少なくとも１つの第１のプレストレスト構造（３１）及びこれに関連する少なくとも１つの第２のプレストレスト構造（３２）及び前記テンドンセグメントを互いに接続するための手段（３３、３４）を備える、請求項１から請求項６のいずれかに記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
8. 前記テンドンセグメントの機械的特性が海深に応じて異なる、請求項７に記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
9. 前記テンドンセグメントのうちの少なくとも２つが、前記海深に応じて前記第１及び第２の構造（３１、３２）の異なるプレストレス値を有する、請求項７又は請求項８に記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
10. 前記テンドンセグメントを互いに接続するための手段（３３、３４）が、前記セグメントが相互に回転することを可能とするヒンジ手段を備える、請求項７から請求項９のいずれかに記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
11. 前記テンドンセグメントを互いに接続するための手段（３３、３４）が、前記セグメントが少なくとも１８０°まで回転することを可能とするヒンジ手段を備える、請求項７から請求項１０のいずれかに記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
12. 前記ケーブル（３１）が引っ張りでプレストレスされている、請求項１から請求項１１のいずれかに記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
13. 前記コンクリート構造（３２）が圧縮でプレストレスされている、請求項１から請求項１２のいずれかに記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
14. 前記ケーブル（３１）が鋼及び／又はポリエステルから構成されている、請求項１から請求項１３のいずれかに記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
15. 前記プラットフォーム（１２０）が複数のアーム（１２５）を備える、請求項１から請求項１４のいずれかに記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
16. 前記プラットフォーム（１２０）が３つのアーム（１２５）を備える、請求項１５に記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
17. 前記プラットフォーム（１２０）が格子構造である、請求項１から請求項１６のいずれかに記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。
18. 前記プラットフォーム（１２０）が、動作中に少なくとも前記海面（２５）の上又は少なくとも前記海面（２５）の下に配置されるように構成されている、請求項１から請求項１７のいずれかに記載のテンションレグ・プラットフォーム構造（１００）。

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