JP2016531804A - 浮体式風車支持システム - Google Patents

Abstract

セミサブ型風車プラットフォームは、水上に浮くとともに、風車を支持することができ、キーストーンを備える。少なくとも３つの底梁が、前記キーストーンの径方向外側に延びており、センターコラムが、前記キーストーンの上面から垂直に延びており、前記センターコラムの第１の軸方向端部は、前記キーストーンに取り付けられており、前記センターコラムは、その第２の軸方向端部にタワーが取り付けられるように構成されている。複数のアウターコラムの１つは、各底梁の上面から垂直に延びており、前記アウターコラムの第１の軸方向端部は、各底梁の遠位端に取り付けられている。複数の上部梁の１つは、各アウターコラムの第２の軸方向端部と前記センターコラムの第２の軸方向端部との間に延びており、前記上部梁は、前記センターコラムに取り付けられたタワーの曲げモーメントに実質的に抵抗しないように構成されている。

Description

本発明は広くは、風車支持システムに関する。特には、本発明は、改良型の浮体式風車支持システムと、そのような浮体式風車支持システムを組み立てる方法に関する。

風のエネルギーを電力に変換する風車が知られており、代替エネルギー源を電力会社に提供する。地上では、１つの地理的区域に、大量の風車群（風車の数は数百基に及ぶことが多い）をまとめて配置することがある。これらの大量の風車は、望ましくないことに、高レベルのノイズを発生させることがあり、景観的にも不愉快とみなされる場合がある。丘、森、及び建築物などの障害物が原因で、これらの陸上風車にとって最適な気流を得られないこともある。

風車群は、洋上に配置されることもあるが、沿岸の近くにおいて、風車を海底の基礎に固定して取り付けられる水深の場所に配置される。沖では、風車に当たる気流が、様々な障害物（すなわち、丘、森、及び建築物）の存在によって妨げられる可能性が低く、その結果、平均風速が速くなり、電力が大きくなる。沿岸に近い場所で、風車を海底に取り付けるのに必要とされる基礎は、比較的高価であり、比較的浅い水深（最大約２５メートルの水深など）でしか実現できない。

水深３０メートル以上の米国沖の洋上における風のエネルギー容量は約３，２００ＴＷｈ／年であると米国国立再生可能エネルギー研究所が割り出している。これは、米国のエネルギー使用量の合計（約３，５００ＴＷｈ／年）の約９０パーセントに相当する。洋上風力資源の大半は、３７〜９３キロメートル沖に存在し、この区域では、水深は６０メートルを超える。このような深い水域では、固定式の風車用基礎は、経済上、実現不能な可能性が高い。この制限が、風車用の浮体式プラットフォームの開発につながっている。

既知の浮体式風車プラットフォームは、鋼から形成されており、海洋の石油及びガス産業で開発された技術をベースとしている。浮体式風車プラットフォームの他の例は、２０１１年１１月４日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０５９３３５号（２０１２年５月１０日に国際公開第ＷＯ２０１２０６１７１０Ａ２号として公開）と、２０１３年４月１５日に出願された米国特許出願第１３／８６３，０７４号（２０１３年９月１２日に米国特許出願公開第２０１３／０２３３２３１Ａ１号として公開）に記載されており、いずれの開示も、参照により本明細書に組み込まれる。しかしながら、依然として、改良型の浮体式風車支持システムを提供する必要性が存在する。

本願は、セミサブ型風車プラットフォームの様々な実施形態を説明する。一実施形態では、セミサブ型風車プラットフォームは、水上に浮くとともに、風車を支持することができ、キーストーンを備える。少なくとも３つの底梁が、キーストーンの径方向外側に延びており、センターコラムが、キーストーンの上面から垂直に延びており、センターコラムの第１の軸方向端部はキーストーンに取り付けられており、センターコラムは、その第２の軸方向端部にタワーが取り付けられるように構成されている。複数のアウターコラムの１つは、各底梁の上面から垂直に延びており、アウターコラムの第１の軸方向端部は、各底梁の遠位端に取り付けられている。複数の上部梁の１つは、各アウターコラムの第２の軸方向端部とセンターコラムの第２の軸方向端部との間に延びており、上部梁は、センターコラムに取り付けられているタワーの曲げモーメントに実質的に抵抗しないように構成されている。

本発明の様々な利点は、当業者であれば、添付の図面を参照しながら読めば、下記の詳細な説明から分かるであろう。

図１は、本発明による改良型の浮体式風車プラットフォームの立面図である。 図１Ａは、図１に示されている浮体式風車プラットフォームの代替的実施形態の一部の拡大立面図であり、垂直軸風車を示している。 図２は、図１に示されている改良型の浮体式風車プラットフォームの斜視図である。 図３は、図１及び２に示されている改良型の浮体式風車プラットフォームの分解斜視図である。 図４は、図１〜３に示されている改良型の浮体式風車プラットフォームの一実施形態の寸法を示す立面図である。 図５は、図４に示されている改良型の浮体式風車プラットフォームの実施形態の寸法を示す上面図である。 図６は、図２に示されているキーストーンの拡大斜視図である。

以下では、本発明の例示されている実施形態を時折参照しながら、本発明について説明する。しかしながら、本発明は、違う形態で具現化してもよく、本明細書に示されている実施形態に限定されると解釈すべきではないし、いずれの優先順位もない。むしろ、これらの実施形態は、本開示を更に完全なものにするように、かつ本発明の範囲を当業者に伝えるように示されている。

下に開示されている本発明の実施形態は概して、スパーブイ型プラットフォーム、テンションレグ型プラットフォーム、及びセミサブ型プラットフォームなどの様々なタイプの浮体式風車プラットフォームを改良するものである。本発明は、改良型の浮体式風車支持システム又はプラットフォームと、浮体式風車支持システムの全体の重量、コスト、及び性能を低減するように選択した材料で、改良型の浮体式風車支持システムの構成部品を構築する改良型の方法と、改良型の浮体式風車支持システムを組み立てる方法を含む。

本明細書で使用する場合、平行という用語は、水平線に対して実質的に平行な平面として定義する。垂直という用語は、水平線の面に対して実質的に垂直であることとして定義する。

図面、特に図１を参照すると、海底Ｓに係留されている浮体式複合風車支持システム又はプラットフォーム１０の第１の実施形態が示されている。図示されている浮体式風車プラットフォーム１０は、下に詳細に説明されているように、タワー１４を支持する基礎１２を備える。タワー１４は、風車１６を支持する。基礎は半潜水式であり、半分が水面下に沈んだ状態で浮かぶように構造化及び構成されている。したがって、基礎１２が水に浮かんでいるときには、基礎１２の一部が水上に位置することになる。図示されているように、基礎１２の一部は、水位線ＷＣよりも下に位置する。本明細書で使用する場合、水位線は、水面が浮体式風車プラットフォーム１０と接する大まかな線として定義する。係留ライン１８が浮体式風車プラットフォーム１０に取り付けられていてよく、更に、その水域での浮体式風車プラットフォーム１０の移動を制限するように、海底Ｓのアンカー２０のようなアンカーに取り付けられていてよい。

以下で更に詳細に説明するように、また、図２に最も明確に示されているように、図示されている基礎１２は、キーストーン２４から径方向外側に延びるとともに、浮力をもたらす３つの底梁２２から形成されている。内側又はセンターコラム２６がキーストーン２４に取り付けられており、３つのアウターコラム２８が、底梁２２の遠位端に、又は底梁２２の遠位端の近くに取り付けられている。センターコラム２６とアウターコラム２８は、上方、かつ底梁２２に対して垂直に延びるとともに、浮力ももたらす。加えて、センターコラム２６はタワー１４を支持する。径方向支持体又は上部梁３０がセンターコラム２６と各アウターコラム２８に連結している。タワー１４は、センターコラム２６に取り付けられている。所望に応じて、キャットウォーク３２を各上部梁３０に取り付けてよい。各キャットウォーク３２は、タワー１４の底面の全体又は一部の周囲に取り付けられた連結キャットウォーク３２ａによって連結されていてよい。図２では、明確にするために、１つの上部梁３０上のキャットウォーク３２の一部が取り除かれている。

本明細書に示されている実施形態では、風車１６は水平軸風車である。あるいは、風車は、図１Ａの１６’で示されているような垂直軸風車であってもよい。風車１６のサイズは、浮体式風車プラットフォーム１０が係留される場所の風況と所望の発電出力によって変化することになる。例えば、風車１６の出力は、約５ＭＷであってよい。あるいは、風車１６の出力は、約１ＭＷ〜約１０ＭＷの範囲内であってもよい。

風車１６は、回転可能なハブ３４を備える。少なくとも１つの回転翼３６がハブ３４に結合されているとともに、ハブ３４から外側に延びている。ハブ３４は、発電機（図示なし）に回転可能に結合されている。発電機は、変圧器（図示なし）と水中電力ケーブル３７を介して電力系統（図示なし）に連結されていてもよい。示されている実施形態では、ローターは３つの回転翼３６を有する。別の実施形態では、ローターは、３つ超又は３つ未満の回転翼３６を有してもよい。風車１６には、ハブ３４の向かい側にナセル３８が取り付けられている。

図３及び６に示されているように、キーストーン２４は、上面２４ｂを画定する上壁２４ａと、下壁２４ｃを備え、径方向外側に延びる３つの脚部３８を有する中心部２４ｄを更に画定する。各脚部３８は、底梁２２に取り付けられる実質的に垂直な連結面３８ｂを画定する端壁３８ａと、対向し合う側壁３８ｃとを備える。隣接し合う脚部３８の側壁３８ｃの間には、実質的に垂直な移行壁３８ｄが延びている。

キーストーン２４の示されている実施形態では、隣接し合う脚部３８の、軸方向に延びる中心線間の角度が、図５に示されているように、約１２０度の角度Ａとなるように、３つの脚部３８が形成されている。あるいは、キーストーン２４は、４つ以上の底梁２２に取り付けるために、４つ以上の脚部を備えてよい。

キーストーン２４は、連結面３８ｂから側壁３８ｃを通じてキーストーン２４の内側の方に延びる第１のダクト７６ａを複数備える。これらのダクト７６ａは、各脚部３８で対向するキーストーン２４の側部に、側壁３８ｃを通って横方向に形成された第１のダクト７８ａと軸方向に整列されている。同様に、第２のダクト７６ｂが複数、連結面３８ｂから、上壁２４ａ及び下壁２４ｃを通じて、キーストーン２４の内側の方に延びている。第２のダクト７６ｂは、脚部３８で対向するキーストーン２４の側部に、側壁３８ｃ及び移行壁３８ｄを通じて横方向に形成された第２のダクト７８ｂと軸方向に整列されている。

示されているキーストーン２４は、補強コンクリートから形成されており、内部中央の空洞を備えてよい。各脚部３８は、内部脚部空洞も備えてよい。遠心コンクリートプロセス又は従来のコンクリート型など、いずれかの望ましいプロセスを用いて、キーストーン２４を製造してよい。あるいは、プレキャストコンクリート業界で使われているような他のプロセスを用いてもよい。キーストーン２４のコンクリートは、高張力鋼ケーブル及び高張力鋼補強筋又は鉄筋など、いずれかの従来の補強材で補強してよい。あるいは、キーストーン２４は、ＦＲＰ、鋼、又は補強コンクリートとＦＲＰと鋼とを組み合わせたものから形成してよい。

図３及び６に最も明確に示されているように、各底梁２２は、上面２２ｂを画定する上壁２２ａと、下壁２２ｃと、対向し合う側壁２２ｄと、キーストーン２４の垂直な連結面３８ｂに連結される第１の端壁２２ｅと、半筒状の第２の端壁２２ｆとを備える。キーストーン２４のように、示されている底梁２２は、上記のような補強コンクリートから形成されている。あるいは、底梁２２は、ＦＲＰ、鋼、又は補強コンクリートとＦＲＰと鋼を組み合わせたものから形成されていてもよい。

図２に概略が示されているように、各底梁２２に、第１のバラスト室４６が１つ以上、形成されていてもよい。また、各アウターコラム２８に、第２のバラスト室４８が１つ以上、形成されていてもよい。

再び図３を参照すると、センターコラム２６は、外面５６ａと、第１の軸方向端部５６ｂと、第２の軸方向端壁５６ｃとを有する円筒形の側壁５６を備え、中空の内部空間を画定する。同様に、アウターコラム２８は、外面６０ａと、第１の軸方向端部６０ｂと、第２の軸方向端壁６０ｃとを有する円筒形の側壁６０を備え、中空の内部空間を画定する。キーストーン２４及び底梁２２のように、示されているセンターコラム２６とアウターコラム２８は、上記のような補強コンクリートから形成されている。あるいは、センターコラム２６とアウターコラム２８は、ＦＲＰ、鋼、又はプレストレスト補強コンクリートとＦＲＰと鋼を組み合わせたものから形成されていてもよい。

示されている浮体式複合風車プラットフォーム１０は、３つの底梁２２と３つのアウターコラム２８を備える。しかしながら、改良型の浮体式複合風車プラットフォーム１０は、４つ以上の底梁２２とアウターコラム２８を有するように構築してもよいことが分かるであろう。

再び図３を参照すると、基礎１２をポストテンショニングする方法が示されている。矢印８４ａによって表されている第１の緊張材が、センターコラム２６の側壁５６とキーストーン２４を通って、長手方向に延びている。同様に、第１の緊張材８４ａは、各アウターコラム２８の側壁６０と、底梁２２を通って、長手方向に延びている。第１の緊張材８４ａは、底梁２２の壁２２ａ、２２ｃ、及び２２ｄの１つ以上と、キーストーン２４を通って、長手方向にも延びている。第１の緊張材８４ａの自由端は、キーストーン２４、底梁２２、センターコラム２６、及びアウターコラム２８の外面に、好適な定着具で定着する。

第１の緊張材８４ａを設置したら、長手方向にポストテンショニングを行い、その際、緊張材８４ａに応力を加え、適切に固定する。緊張材８４ａは、元の長さに戻ろうとするが、アンカーによって、元の長さに戻るのを防ぐ。第１の緊張材８４ａは、恒久的に応力を受けた状態、すなわち、引き延ばされた状態に保たれるので、キーストーン２４と底梁２２のコンクリート、キーストーンとセンターコラム、及び底梁２２とアウターコラム２８に圧縮力を付与する。このポストテンショニングに由来する圧縮は、後に加わる負荷、すなわち、タワー１４と風車１６に加わる風応力によって浮体式風車プラットフォーム１０に加わるモーメントによって作られる張力を打ち消す。

矢印８４ｂによって表される第２の緊張材は、底梁２２の軸に対して垂直な方向で、各底梁２２の壁２２ａ、２２ｃ、２２ｄの１つ以上を通って延びていてよい。第２の緊張材８４ｂの自由端は、上記のように張力をかけ、定着してよい。

本明細書に示されている実施形態では、ポストテンショニング緊張材８４ａ及び８４ｂは、高張力鋼ケーブルのような鋼ケーブルである。あるいは、ポストテンショニング緊張材は、いずれかの他の高張力強度材で形成されていてもよい。

所望に応じて、図３に示されているガスケットＧのようなシール部材をキーストーン２４と底梁２２との間に配置して、キーストーン２４と底梁２２との連結部をシールしてよい。好適なガスケット材の非限定例としては、ネオプレン、コーキング、ゴム、及びその他のエラストマーが挙げられる。

図３を参照すると、上部梁３０は、実質的に軸方向に負荷される部材として構成されており、センターコラム２６の上端と、各アウターコラム２８の上端との間に、実質的に水平に延びている。示されている実施形態では、上部梁３０は、外径が約４フィート（１．２ｍ）の管状の鋼で形成されている。あるいは、上部梁３０は、ＦＲＰ、補強コンクリート、又は補強コンクリートとＦＲＰと鋼を組み合わせたものから形成されていてよい。各上部梁３０は、各端部に取り付けブラケット３０ａを備える。取り付けブラケット３０ａは、ねじ式固定具などのように、センターコラム２６及び各アウターコラム２８上の鋼プレートなどの取り付け部材３０ｂに取り付けるように構成されている。

上部梁３０は更に、タワー１４の底面の曲げモーメントに実質的に抵抗しないように設計及び構成されており、曲げ荷重を担わない。むしろ、上部梁３０は、センターコラム２６とアウターコラム２８との間で引張力と圧縮力を受けたり付与したりする。

示されている上部梁３０は、直径約４フィートの鋼で形成されており、補強コンクリートから形成された類似の梁よりも軽くて薄い。浮体式風車プラットフォーム１０の上部に、比較的軽くて薄い上部梁３０、すなわち、軸方向に負荷される部材を用いることにより、浮体式風車プラットフォーム１０の底部（重量が最も必要とされるプラットフォーム構造体である）の方に、大きい相対重量を配分可能になる。重量の減少はかなりのものにできる。例えば、重量が約８００，０００ポンドのコンクリート部材を、重量が約７０，０００ポンドの鋼ビームに交換できるので、材料コストと建設コストの節約という利点も得られる。

示されている実施形態では、タワー１４は、中空の内部空間１４ｂを画定する外壁１４ａを有する管状をしており、いずれかの好適な外径と高さを有してよい。示されている実施形態では、タワー１４の外径は、その底面における第１の直径から、その上端における第２の直径であって、第１の直径よりも小さい第２の直径に向かって細くなっている。示されているタワー１４は、繊維強化ポリマー（ＦＲＰ）複合材から形成されている。他の好適な複合材の非限定例としては、ガラス及び炭素ＦＲＰが挙げられる。タワーは、複合積層材から形成されていてもよい。あるいは、タワー１４は、上で詳述したように、基礎１２の構成部品と同様に、コンクリート又は鋼から形成されていてもよい。

タワー１４は、いずれの数の区域１４ｃで形成されていてもよい。センターコラム２６及びアウターコラム２８のように、タワーの中空の内部空間１４ｂは、１つ以上のフロア９６によって、１つ以上の内部区域９４にサブ分割されていてよい。これらの内部区域９４は、風車１６及び浮体式複合風車プラットフォーム１０の操作の際に用いる機器のための空間として構成してよい。

有益なことに、上記のような複合材から形成されるタワー１４は、水位線ＷＬよりも上の質量が、従来の鋼タワーと比べて小さい。ＦＲＰ複合タワー１４の質量が小さくなっているので、浮体式風車プラットフォーム１０の安定性を保つために水線ＷＬよりも下に位置しなければならない基礎１２の質量も、いくらかのバラストを含め、小さくすることができる。これにより、風力発電装置の全体的なコストが減少する。

重大なことに、浮体式風車プラットフォーム１０とタワー１４の材料は、基礎１２の上部の方が強度の高い軽量な材料となり、基礎１２の下部の方が重い材料となるように選択してよい。上で詳述したように、キーストーン２４、底梁２２、センターコラム２６、及びアウターコラム２８は、補強コンクリートから形成してよく、その一方で、基礎１２の上部に位置する上部梁３０は、鋼から形成してよい。基礎１２の上端に取り付けられるタワー１４は、ＦＲＰから形成してよい。例示的な一実施形態では、キーストーン２４及び底梁２２など、基礎１２の下部は、比較的密度の高いコンクリートから形成されており、センターコラム２６及びアウターコラム２８など、基礎１２の上部は、比較的密度の低いコンクリートから形成されている。したがって、浮体式風車プラットフォーム１０とタワー１４を形成するのに用いる材料の比強度は、浮体式風車プラットフォーム１０の底部からタワー１４の最上部に向かって、概ねかつ実質的に連続的に高くなっていき、タワー１４の最上部で比強度が最高になる。このような形で構築された浮体式風車プラットフォーム１０とタワー１４は、重心が比較的低い。

バラスト室４６及び４８は、複数のパイプとポンプ（図示なし）を備える能動型バラストシステムによって流体連結されていてよいことが分かるであろう。例えば、パイプとポンプからなるこのような能動型バラストシステムは、全てのバラスト室４６及び４８を一緒に連結することができる。このようなシステムを用いて、例えば、バラストをアウターコラム２８のバラスト室４８の１つ又は底梁２２のバラスト室４６の１つから、別のバラスト室４６及び４８のうちのいずれかに移してよい。一実施形態では、能動型バラストシステムは、毎分１２００ガロンのポンプを２つ備える。このような能動型バラストシステムは、３０分間の揚排水で、タワーの垂直傾斜を約５度調節できると推定される。能動型バラストシステムにより、浮体式風車プラットフォーム１０の構造的負荷を軽減でき、それにより、浮体式風車プラットフォーム１０は、このような能動型バラストシステムを備えない類似の風車プラットフォームよりもサイズを小さくできる。

加えて、能動型バラストシステムにより、あらゆる動作条件及び環境条件において、また、浮体式風車プラットフォーム１０又は風車１６のいずれかの構成部品が損傷したときに、浮体式風車プラットフォーム１０のピッチと揺れ角を、予め設定した設計制限内に保つために、水を選択的にバラスト室４６に追加したり、バラスト室４６から除去したりできるようになる。バラストは水として記載されているが、バラストは、スラリーのような他の好適な流体でもよいことが分かるであろう。好適なスラリーは、高密度物質の粒子と水を含んでよい。例えば、バラストとしての水の代わりに、塩化カルシウムと水で形成されたスラリーを用いてよい。

図４及び５を参照すると、浮体式風車プラットフォーム１０の一実施形態が示されている。図４及び５に示されている実施形態では、風車１６の出力は約６ＭＷであり、ローター径Ｄ１は約４９６フィート（約１５１ｍ）である。このような風車を支持するように、浮体式風車プラットフォーム１０のプラットフォーム外径Ｄ２は約３０１フィート（約９２ｍ）であり、プラットフォーム幅Ｗは約２６５フィート（約８０ｍ）である。アウターコラム２８とセンターコラム２６の外径Ｄ３はそれぞれ約３０フィート（約９ｍ）である。浮体式風車プラットフォーム１０は、底梁２２の底部からハブ３４の中心までの高さＨ１が約３２９フィート（約１００ｍ）であり、底梁２２の底部から回転翼３６の遠位端までの最大高さＨ２（回転翼がタワー１４と軸方向に整列されている場合）が約６４２フィート（約１９６ｍ）である。基礎１２は、底梁２２の底部からセンターコラム２６及びアウターコラム２８の中心の最上部までの高さがそれぞれ約１１５フィート（約３５ｍ）である。図４及び５に示されている浮体式風車プラットフォーム１０は、水域に配置したときの喫水Ｈ４が約６６フィート（約２０ｍ）である。

本明細書に示されている改良型の浮体式風車プラットフォーム１０の各構成部品のサイズ及び寸法は、支持される風車１６のサイズと、改良型の浮体式風車プラットフォーム１０が配置される場所の環境条件によって異なることが分かるであろう。

改良型の浮体式風車プラットフォーム１０を組み立てる方法の第１の実施形態では、まず、ドライドック、すなわち乾ドックで、補強コンクリート製のキーストーン２４と底梁２２を形成する。続いて、上記のように、底梁２２をキーストーンに対してポストテンショニングする。続いて、ドライドック、すなわち乾ドックに水を張って、キーストーン２４と底梁２２を含むアセンブリーが浮かぶようにする。十分な喫水を得た状態で、キーストーン２４と底梁２２のアセンブリーをドック又は岸壁側の組み立て区域に動かして、浮体式風車プラットフォーム１０の残りの構成部品を組み立てている間、アセンブリーが浮いたままになるようにする。

続いて、センターコラム２６をキーストーン２４に、アウターコラム２８を底梁２２に、所定の位置で形成する。センターコラム２６とアウターコラム２８は、いずれかの所望のコンクリート形成方法によって、複数の断片で、又は１回の形成操作で形成してよい。形成したら、上記のように、センターコラム２６をキーストーン２４に、アウターコラム２８を底梁２２に対してそれぞれポストテンショニングする。続いて、軸方向に負荷される上部梁３０を取り付けてから、タワー１４と風車１６を取り付けて、浮体式風車プラットフォームアセンブリーを画定する。

完全に組み立てたら、タワー１４と風車１６を取り付けた浮体式風車プラットフォーム１０をドライドック、すなわち乾ドックから、係留場所に引き出してよい。引き出す間、及び／又は係留場所に到達したら、バラスト室４６及び４８を水で満たしてよい。続いて、浮体式風車プラットフォーム１０を、海底Ｓに事前に固定した係留ライン１８に取り付けてよい。続いて、上記のように、浮体式風車プラットフォーム１０を水中電力ケーブル３７に取り付ける。

改良型の浮体式風車プラットフォーム１０を組み立てる方法の第２の実施形態では、まず、ドライドック、すなわち乾ドックで、補強コンクリート製のキーストーン２４と底梁２２を形成する。続いて、上記のように、底梁２２をキーストーンに対してポストテンショニングする。続いて、センターコラム２６をキーストーン２４に、アウターコラム２８を底梁２２に、所定の位置で形成する。センターコラム２６とアウターコラム２８は、いずれかの所望のコンクリート形成方法によって、複数の断片で、又は１回の形成操作で形成してよい。形成したら、上記のように、センターコラム２６をキーストーン２４に、アウターコラム２８を底梁２２に対してそれぞれポストテンショニングする。続いて、軸方向に負荷される上部梁３０を取り付けてから、タワー１４と風車１６を取り付ける。

続いて、ドライドック、すなわち乾ドックに水を張って、タワー１４と風車１６を取り付けた浮体式風車プラットフォーム１０が浮かぶようにする。タワー１４と風車１６を取り付けた浮体式風車プラットフォーム１０をドライドック、すなわち乾ドックから係留場所に引き出してよい。引き出す間、及び／又は係留場所に到達したら、バラスト室４６及び４８を水で満たしてよい。続いて、浮体式風車プラットフォーム１０を、海底Ｓに事前に固定した係留ライン１８に取り付けてよい。続いて、上記のように、浮体式風車プラットフォーム１０を水中電力ケーブル３７に取り付ける。

改良型の浮体式風車プラットフォーム１０及びそれに取り付けられた風車１６の通常動作中に、システムメンテナンス、風車１６の修繕、又は風車１６の交換が必要になることがある。改良型の浮体式風車プラットフォーム１０及びそれに取り付けられた風車１６のいずれかの部分のメンテナンス、修繕、又は交換を行う方法の第１の実施形態では、浮体式風車プラットフォーム１０を係留ライン１８及び水中電力ケーブル３７から外す。続いて、浮体式風車プラットフォーム１０をドック又は岸壁側の修繕区域に引き入れてよい。引き入れている間、及び／又はドック又は岸壁側の修繕区域に到達したら、所定量のバラスト水をバラスト室４６及び４８から除去する。続いて、ドック又は岸壁側の修繕区域において、部品の必要なメンテナンス、修繕、又は交換を行う。続いて、浮体式風車プラットフォーム１０を準備し、再び係留場所に引き出してよい。引き入れている間、及び／又は係留場所に到達したら、バラスト室４６及び４８を水で満たしてよい。続いて、上記のように、浮体式風車プラットフォーム１０を係留ライン１８に取り付け、水中電力ケーブル３７に取り付ける。

動作制御及びモニタリングのために、浮体式風車プラットフォーム１０は、浮体式風車プラットフォーム１０が損傷した場合に、エネルギー出力を最適化するとともに、動作を保つように、負荷、加速、平均ピッチ、及び揺れ角、並びに浮体式風車プラットフォーム１０、タワー１４、及び風車１６全体にわたる疲労応力の１つ以上を低減するＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ（ＳＣＡＤＡ）システムのような能動制御システムを備えてよい。浮体式風車プラットフォーム１０は、風速及び風の変動のような様々な環境条件と、プラットフォームピッチ、様々な構造部品のひずみ、及び浮体式風車プラットフォーム１０の加速のような動作条件を検知するセンサーを複数備える。望ましくない負荷を軽減するために、風車翼のピッチを調節して、検知された様々なパラメーターを補正してよい。例えば、風車回転数を調節してよく、風車翼ピッチを制御して、力を最大化できる。これらの調節は、コントローラーによって制御してよく、このコントローラーとしては、アルゴリズムを有するコンピューターを挙げてよい。

浮体式風車プラットフォーム１０、タワー１４、及び風車１６における様々な場所又はデータボックスで、下で詳述する性能及び環境のデータを収集し、一連のチップ、プロセッサー、又はコンピューターを通じて、浮体式風車プラットフォーム１０に配置されたデータ取得システム（ＤＡＳ）に送る。あるいは、ＤＡＳは、浮体式風車プラットフォーム１０の遠隔に配置されていてもよく、無線信号を通じて、又は水中ケーブルを介して、データを受信してよい。

示されている実施形態では、データボックスは、ハブ３４内、ナセル３８内、タワー１４の最上部、タワー１４の底面、及び基礎１２内に配置されている。浮体式風車プラットフォーム１０は、データボックスをこれらの場所のいずれかの１つ以上に備えてよいことは分かるであろう。ハブ３４からのデータは、スリップリング（図示されていないが、従来の形では、風車１６とナセル３８との間に位置する）を通じて、ナセル３８内のデータボックスに送られる。更に、データは、ナセル３８内、タワー１４の最上部、及び基礎１４内のデータボックスからタワー１４の底面のデータボックスに送られてから、ＤＡＳに送られる。

オンボードセンサーに加えて、隣接する浮体式風車プラットフォーム１０と、浮体式風車プラットフォーム１０の遠隔のブイＢに、センサーが取り付けられていてもよい。これらのリモートセンサーからのデータは、無線信号を通じて、又は水中ケーブルを介して、ＤＡＳに送ることができる。したがって、ＤＡＳは、いずれかの所望の数の浮体式風車プラットフォーム１０のセンサー及びいずれかの数のリモートセンサーから入力を受信できる。

改良型の浮体式風車プラットフォーム１０とともに用いてよいリモートセンサーの例としては、Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ（ＬＩＤＡＲ）を備えたブイと、カメラ、ＧＰＳ、並びに風速、風向き、表面温度、湿度、気圧、ブイの並進と回転、波の高さ、波の方向、波の周期、電流プロファイル、水の塩分と電導度、及びブイの並進と回転を検知するなどの様々な気象及び環境センサーを備えたブイが挙げられる。

１つ以上の浮体式風車プラットフォーム１０を操作及び制御する方法の第１の実施形態では、ハブ３４内のデータボックスが、光インテロゲーター、並びに／又は風車翼のたわみ、風車翼のねじれ、風車翼のピッチ、及び風車翼のピッチ駆動のひずみを検知するセンサーからデータを受け取る。

ナセル３８内のデータボックスは、ナセルセンサー、周囲条件センサー、及び風車センサーからデータを受け取る。ナセルセンサーとしては、ローター速度、ローターの位置、ロータートルク、風車の有効電力、発電機のエアギャップ、発電機回転数、ナセルの位置、並びにタワー最上部の並進及び回転を検知するセンサーを挙げてよい。周囲条件センサーとしては、自由流風速、後流風速、相対湿度、圧力、温度、風速、及び風向きを検知するセンサーを挙げてよい。風車センサーとしては、有効電力、グリッドの状態、ブレーキ状態、風車翼ピッチ、風速、風向き、及びナセルの位置を検知するセンサーを挙げてよい。

タワー１４の最上部のデータボックスは、タワー最上部の加速、タワー最上部のたわみ、タワー最上部のトルク、並びにタワー最上部の並進及び回転を検知するセンサーからデータを受け取る。

タワー１４の底面のデータボックスは、タワー底面の加速、タワー底面のたわみ、タワー底面の並進及び回転、タワー中央のたわみ、タワー底面及び基礎１２の並進ひずみを検知するセンサーからデータを受け取る。

基礎１２内のデータボックスは、基礎１２の並進及び回転、基礎１２のたわみ、係留ライン１８のひずみ、テンションバーの腐食、並びにテンションバーのひずみの１つ以上を検知するセンサーからデータを受け取る。加えて、基礎１２内のデータボックスは、水位、風のプロファイル、バラスト水位、温度を含む周囲条件データと、いずれかのオンボードカメラからのデータを受け取る。

１つ以上の浮体式風車プラットフォーム１０を操作及び制御する方法の第２の実施形態では、ナセル３８内のデータボックスは、代わりに、ナセルセンサー、周囲条件センサー、及び風車センサーからデータを受け取ってよく、この場合、ナセルセンサーとしては、ローター速度、ローターの位置、ロータートルク、発電機のエアギャップ、発電機回転数、及びナセルの位置を検知するセンサーを挙げてよい。周囲条件センサーとしては、代わりに、自由流風速、相対湿度、圧力、温度、風速、及び風向きを検知するセンサーを挙げてよい。風車センサーとしては、有効電力、グリッドの状態、ブレーキ状態、風車翼ピッチ、風速、風向き、及びナセルの位置を検知するセンサーを挙げてよい。

１つ以上の浮体式風車プラットフォーム１０を操作及び制御する方法の第２の実施形態では、基礎１２内のデータボックスは、代わりに、水位、バラスト水位、温度を含む周囲条件データと、いずれかのオンボードカメラからのデータを受け取ってよい。

上記のように、能動制御システムは、浮体式風車プラットフォーム１０が損傷した場合に、エネルギー出力を最適化するとともに、動作を保つように、負荷、加速、平均ピッチ、及び揺れ角、並びに浮体式風車プラットフォーム１０、タワー１４、及び風車１６の全体にわたる疲労応力の１つ以上を低減する。加えて、パイプ１０２、ポンプ１０４、並びにバラスト室４６及び４８を用いて、あらゆる動作条件及び環境条件において、また、浮体式風車プラットフォーム１０又は風車１６のいずれかの構成部品が損傷したときに、浮体式風車プラットフォーム１０のピッチと揺れ角を、予め設定した設計制限内に保ってよい。具体的には、パイプ１０２、ポンプ１０４、並びにバラスト室４６及び４８を用いてバラスト水を移動させて、浮体式風車プラットフォーム１０、タワー１４、風車１６を垂直に保ってよい。

さらに、能動制御システムを風車のピッチ制御と風車の発電機回転数とともに用いて、システム全体にわたる応力と加速を最小限にしてよい。

好ましい実施形態において、本発明の原理及び動作態様について説明してきた。しかしながら、本明細書に記載されている本発明は、その範囲から逸脱しなければ、具体的に例示及び説明されているもの以外でも実施できることに留意されたい。

Claims (20)

1. 水上に浮くとともに、風車を支持することができるセミサブ型風車プラットフォームであって、
   キーストーンと、
   前記キーストーンの径方向外側に延びる少なくとも３つの底梁と、
   前記キーストーンの上面から垂直に延びるセンターコラムであって、そのセンターコラムの第１の軸方向端部が前記キーストーンに取り付けられており、そのセンターコラムが、その第２の軸方向端部にタワーが取り付けられるように構成されているセンターコラムと、
   アウターコラムであって、そのうちの１つが、各底梁の上面から垂直に延びており、前記アウターコラムの第１の軸方向端部が、各底梁の遠位端に取り付けられているアウターコラムと、
   上部梁であって、そのうちの１つが、各アウターコラムの第２の軸方向端部と前記センターコラムの第２の軸方向端部との間に延びており、前記上部梁が、前記センターコラムに取り付けられたタワーの曲げモーメントに実質的に抵抗しないように構成されている上部梁と、
   を備えるセミサブ型風車プラットフォーム。
2. 前記上部梁が鋼で形成されている、請求項１に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。
3. 前記上部梁が、補強コンクリート又は繊維強化ポリマーから形成されている、請求項１に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。
4. 前記キーストーン、前記底梁、前記センターコラム、及び前記アウターコラムが、補強コンクリートから形成されている、請求項１に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。
5. 前記センターコラムに同軸方向に取り付けられたタワーを更に備え、前記タワーが、繊維強化ポリマーから形成されているとともに、風車を支持するように構成されている、請求項１に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。
6. 前記キーストーン、前記底梁、前記センターコラム、前記アウターコラム、及び前記上部梁が基礎を画定しており、前記基礎を形成するのに用いた材料の比強度が、前記基礎の底部から前記基礎の最上部に向かって実質的に連続的に高くなっている、請求項１に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。
7. 前記センターコラムに同軸方向に取り付けられたタワーを更に備え、前記タワーが、繊維強化ポリマーから形成されているとともに、風車を支持するように構成されている、請求項１に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。
8. 比強度の最も高い材料が前記タワーの最上部に位置するとともに、前記基礎の重心が比較的低くなるように、前記キーストーン、前記底梁、前記センターコラム、及び前記アウターコラムが補強コンクリートから形成されており、前記上部梁が鋼から形成されている、請求項７に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。
9. 前記キーストーンと前記底梁が、比較的密度の高いコンクリートから形成されており、前記センターコラムと前記アウターコラムが、比較的密度の低いコンクリートから形成されている、請求項８に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。
10. 各底梁が、前記キーストーンに対して、長手方向にポストテンショニングされている、請求項１に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。
11. 各アウターコラムが、取り付けられている前記底梁に対して、長手方向にポストテンショニングされている、請求項１に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。
12. 前記センターコラムが、前記キーストーンに対して、長手方向にポストテンショニングされている、請求項１に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。
13. 各底梁内にバラスト室が形成されている、請求項１に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。
14. 各アウターコラム内にバラスト室が形成されている、請求項１に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。
15. セミサブ型風車プラットフォームを組み立てる方法であって、
    ドライドックで、補強コンクリート製のキーストーンと補強コンクリート製の複数の底梁を形成することと、
    前記キーストーンに対して、前記底梁をポストテンショニングして、梁アセンブリーを画定することと、
    前記ドライドックに水を張って、前記梁アセンブリーが浮くようにすることと、
    前記浮体式梁アセンブリーを組み立て区域に動かすことと、
    前記キーストーンの上にセンターコラムを補強コンクリートから形成することと、
    各底梁の上にアウターコラムを補強コンクリートから形成することと、
    前記センターコラムを前記キーストーンに対してポストテンショニングすることと、
    各アウターコラムを、それに対応する底梁に対してポストテンショニングすることと、
    軸方向に負荷される上部梁を、各アウターコラムと前記センターコラムとの間に取り付けることと、
    タワーを前記センターコラムに取り付けることと、
    風車を前記タワーに取り付けることによって、浮体式風車プラットフォームアセンブリーを画定することと、
    前記浮体式風車プラットフォームアセンブリーを前記ドライドックから係留場所に引き出すことと、
    前記アウターコラム及び前記底梁のうちの１つ又は両方のバラスト室を満たすことと、
    係留場所に到達したら、前記浮体式風車プラットフォームアセンブリーを、海底に事前に固定した係留ラインに取り付けることと、
    前記浮体式風車プラットフォームアセンブリーを水中電力ケーブルに取り付けることと、
    を含む方法。
16. 水上に浮くとともに、風車を支持することができるセミサブ型風車プラットフォームであって、
    基礎と、
    前記基礎に取り付けられたタワーと、
    前記タワーに取り付けられた風車と、
    データ取得システム（ＤＡＳ）を有する能動制御システムと、
    を備え、
    前記ＤＡＳが、検知された環境データを受け取り、前記基礎、前記タワー、及び前記風車の構成部品の検知された動作条件データを受け取り、
    前記ＤＡＳが、受け取った前記環境データと前記動作条件データに基づき、前記基礎、前記タワー、及び前記風車のうちのいずれかの動作パラメーターを変更するセミサブ型風車プラットフォーム。
17. 前記ＤＡＳが、検知された環境データをオンボードセンサー及びリモートセンサーから受け取る、請求項１６に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。
18. 前記ＤＡＳが、検知された動作条件データを、前記ハブ、前記ナセル、前記タワーの上部、前記タワーの下部、及び前記基礎の１つ以上に配置されたオンボードデータプロセッサーから受け取る、請求項１７に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。
19. 風車の発電出力の最適化、構造的負荷の低減、及びバラストの体積を変更して基礎ピッチと揺れ角とを変更のうちの少なくとも１つをするように、前記ＤＡＳが、前記検知されたデータを処理して、動作パラメーターを調節する、請求項１８に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。
20. 前記ＤＡＳが、検知された環境データと、前記基礎、前記タワー、及び前記風車の構成部品の検知された動作条件データを、遠隔に配置された１つ以上の風車プラットフォームから受け取り、風車の発電出力の最適化、構造的負荷の低減、及びバラストの体積を変更して基礎ピッチと揺れ角とを変更のうちの少なくとも１つをするように、前記ＤＡＳが、前記遠隔に配置された１つ以上の風車プラットフォームから受け取ったデータを処理して、動作パラメーターを調節する、請求項１６に記載のセミサブ型風車プラットフォーム。

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