JP2017521597A - 風力発電・回転・半潜水型風力発電用ラフトおよびその建設方法 - Google Patents

Abstract

半潜水型ラフト風力発電装置及びその建設方法が開示される。当該ラフト風力発電ユニットは、少なくとも3つのフローター（12）と、少なくともフロータ（12）上に配置される少なくとも3つの風力タービン（21）とを含む。ラフトは、垂直軸を中心に回転するように構成され、係留ライン（36）によって海底（2）に固定される。風荷重から生じる力は、ラフトの回転中心から離れた距離であるラフトの幾何学中心の周りを密接に通過し、回転中心のまわりのヨーモーメントが生成され、力の結果は、ジオメトリの中心と回転中心を通過する。

Description

分野

本発明の一般的な実施形態は、風に面する複数の風力タービンを支持する水域に堆積された風力発電用回転半水中ラフトによって電気を発生させることである。さらに、この発明のオフショア風力発電所での使用、構築方法も述べられる。

関連技術

風力エネルギーは人々から大きな注目を受けて制限無しのグリーンエネルギー資源である。 オフショア風力発電は、その強風および静的なので、陸上の風力発電よりもっと魅力的な存在である。

海岸沿岸の風力発電所が隣接するコミュニティに影響を与えるので、適切な海岸沿いの場所を見つけることが難しいので、海上風力発電所は近い海岸から遠い海域に移動される。遠海の大オープンスペースで、ここの風は強く安定し、海岸タービンが見えないため、その周りの地域からの反対声はほとんど無い。 遠海オフショア風力発電所は、固定型、ボトム型および浮動型風力発電所に分類される。 前者は、風力タービンの基礎を海底に固定する。 深海域の固定土台の実現性が高くないし、建設リスクが実質的に高いから、浮動型風力発電所は、海洋深層水の風力発電所にとっては自然な選択になる。

現在、単一タービン向けて設計される浮動式タービンサポートは多く存在する。 シングルタービン浮動支持にとって、現在直面する主要問題は、ロール角およびピッチ角を許容限界（通常、10°未満）内に制限して安定させることである。 タワーの高さに比べて設置面積が小さいので、シングルタービンの支持を達成することは極めて難しい。シングルタービンサポートシステムとして、タービンタワーの高さは、サポートベースと比べて、少なくともその2倍の高さを有す。このような構造は、通常、浮動タービンを安定化させるために利用される補助機構に依存する。これには、以下の従来の方法が含まれる。
（１）張力レッグ。この方法では、プラットフォームの浮揚によって引き起こされる上昇力に抵抗するように、浮揚プラットフォームがケーブルラインによって海底アンカーに結ばれ、逆転モーメントがケーブルラインの張力の変化に吸収される。 テンションレッグシステムの例は、英国でBlue H Group Technologies、Ltd.（「Blue H」）に開発された浮動プラットフォームによって具体化されている。
（２）調節可能な水バラスト浮力システム。このプロセスでは、浮動プラットフォームのフロータ間の水バラストが、オーバートーンモーメントのバランスをとるように調整される。例示の水バラスト浮力システムは、ワシントン州シアトルのPrinciple Power Inc.によって製造されたWindFloat（登録商標）フローティングプラットフォームによって具体化されている。そしてその
（３）ハイウインドスパープラットフォーム。この浮遊式岸壁浮力風力タービンシステムはHYWIND^TMが販売しているOC3 Hywindコンセプトに基づき、プラットフォームの底部から深海まで延長したスチールロッドを利用して、重心がフロートセンターの下に位置するように設計された。重心がロッドの端部に取り付けられ、重心がフロート中心より低くなるようにする。HyWindスパーブイのスチールロッドは100m以上。 したがって、それは深水環境のみ適用する。

そのほか、三菱重工業は現在、単一のタービンをサポートする福島三鷹（Fukushima Mitai）と呼ばれる浮動プラットフォームをテストしている。

上述した従来のウインドファームは、広大な海洋に分散される複数の単一フローティングタービンによって形成されている。 風場が支配的な風向きを有する場合、風の垂直方向の風タービンの間隔は1.8D〜3.0Dと見なすことができるが、風に沿う方向のタービンの間隔は6.0D〜10Dに増加しなければならず、 ここで、Dはタービンのロータブレードの直径である。 この大きな分離は、風上側のタービンが風下側のタービン上に鋳込まれたウェーク効果を避けるために適用される。ウェーク効果は、風下側タービンの潜在的な電力損失を引き起こし、風下側タービンに疲労負荷を与える。

風場に支配的な風向がない場合、ウェーク効果が風下側のタービンに流し込む方向が少なくとも1つある。 タービン間の間隔が短すぎる場合、ウェーク効果による損失が大きくなる。したがって、間隔は最低6.0Dに維持されなければならない。最新の大型タービンの場合、ローターの直径は50m以上。この間隔は300mから500mである。 それで、タービンを結ぶ水中ケーブルは長い。この実質的に長いケーブルの抵抗は、動力伝達の損失を引き起こす可能性が高い。

海の風は通常、支配的な方向を持たない。最大風力エネルギーを捕らえるためには、タービンロータは風向に垂直で設置されなければならない。回転プラットフォームに複数のタービンを設置するという概念も形成された。

一つの例では、ノルウェーのWINDSEA ASによって開発されたWINDSEA^TM概念は、3個風力タービンを支持する浮動装置を含む。フロータの構成は、各1つの風力タービンを支持する3つのコーナーコラムを備えた半潜水型のタイプである。この構成は基本的に3つのタービンを幾何学的中心に位置する回転軸を有する三角形のプラットフォーム上に配置する。この構成で、自己復元モメントがないので、プラットフォームは容易に転倒する可能性が高い。この理由は、回転中心は幾何中心と同一からである。

出願人Ishikawajima-Harima Jukogyo Kabushiki Kaishaによる「オフショア浮遊風力発電プラント」と題するEP 1366290 B1には、複数の係留ラインがタレットに固定された状態で剛体アームによってプラットフォームに接続されたタレットを回す浮遊式風力発電プラントが記載されている 。このプラットフォームは、係留ラインに張力を設定するためには事前沈没することができないため、波によって容易に邪魔される傾向がある。この剛性アームは、プラットフォーム上の動的荷重をタレットに伝達するので、疲労の問題を生じる。

スウェーデンのストックホルムのHEXICON^TM ABは、現在、重力の中心に置かれたターレットを有し、回転が電力によって駆動されるマルチタービン浮動構造をテストしている。

本発明の例示的な実現形態は、半潜水型のラフト風力発電ユニットを対象とする。 このラフト風力発電ユニットは、少なくとも3つのフロータと、フロータ上に配置された少なくとも3つの風力タービンとを含む。ラフトは、垂直軸を中心に回転し、係留ラインによって海底に固定されるように調整されることができる。さらに、ラフト上の風荷重から生じる力は、その回転中心から離れる距離にあるその幾何学中心のまわりを密接に通過しているので、回転中心のまわりのヨーモーメントを生成し、ラフトの中心と回転中心を通過するまで、ラフトを回転させる。

もう一つの例の実施形態は、半潜水型のラフト風力発電ユニットの製造方法に関わる。この方法で、少なくとも3つのフロータを構成する複数のビームセグメントと関連接続ビームと一致して鋳造される。ビームセグメントの端部は封止される状態なので、陸上または海上の港に位置している組立現場に運ばれることができる。フロータ1個当たり少なくとも3つのパイルは、フロータが組立場所に配置される場所に沈められる。少なくとも3つのパイルは、フロータの位置を限定するための案内パイルとして働く。次に、第1の底部フローターセグメントは、ガイドパイルによって囲まれた空間内に一時的に固定される。フロータおよび接続ビームセグメントは、陸上または水中で組み立てられる。組み立てられた梁は、浮子の接合位置に持ち込まれる。組み立てられた梁は、案内杭に一時的に固定される。次に、鋼鋳型を設置する、その後、鋼鋳型とフロータとビーム表面との間の隙間を封止する。水が鋼鋳型からポンプで抜き出され、補強材がフロータの継ぎ手に固定され、コンクリートが鋳型に鋳込まれ、湿ったコンクリートが硬化する。コンクリートがその設計強度に達すると、案内杭に一時的に固定されたフロータおよび連結梁は解放される。次に、次のフローターセグメントが第1の底部セグメント上に装填され、予応力がかけられた鋼棒と共にエポキシ被覆された接合部で接続される。最後のフローターセグメントが接続され、風車がフロータに設置されるまで、装填および接続ステップが繰り返される。各フロータの下端にケーブルが取り付けられて、ケーブルの自由端が合流点に至ります。ミーティングポイントは、ケーブルの接続用のソケットジョイントの中心にあり、係留ラインはフロータの底部と海底のアンカーに接続されている。ミーティングポイントの位置は、形成されたラフトユニットの重心と一致せず、ラフトユニットの風上側に距離を置いて重心からずれている状態。

実施形態の例について、本明細書の以下の詳細および添付の図面を通じて、十分に理解するように、同様の要素は、同様の参照番号によって示され、例示のみで与えられる。

図１Ａおよび図１Ｂは、例示的な実施形態に従って風力発電施設の従来の6×6および3×4レイアウトを示す。

図２は、実施形態に従う三角形の半水中ラフト型風力発電ユニットの平面図である。

図３は、図２の断面図1-1である。

図４は、図２の断面図2-2である。

図５は、風向きが急激に変化する場合に、三角形の半水中風力発電装置が対面風に回り込み様子を示す。

図６は、本発明の他の実施例に従う星形半水中併合ラフト型風力発電装置の平面図である。

図７は、図６の断面図1-1である。

図８は、図６の断面図2-2である。

図９は、風向きが急激に変化する場合の星型半潜水型ラフト風力発電装置の回転の様子を示す。

図１０は、本発明の他の実施形態に従うT字型半潜水型ラフト風力発電装置の平面図である。

図１１は、図１０の断面図1-1である。

図１２は、図１０の断面図2-2である。

図１３は、台形レイアウトの風追跡の回転半水中風車発電ユニットの平面図である。

図１４は、図１３の断面図1-1である。

図１５は、図１３の断面図2-2である。

図１６及び図１６Ｂは、半潜水型ラフト風力発電装置が風向きの急変後に風向きに向けるように回転する様子を示す。

図１７は、海底着陸用のフロータの底部に追加される任意の円錐体を示す正面図である。

図１８は、三角半水中ラフト風力発電装置が360°で回転して撚り電力ケーブルを緩める様子を示す。

図１９は、本実施形態に従って、風の追跡と、回転と、半潜水型のラフト風力発電ユニットの組み立て及び構成における製造工程のステップ（A）〜（D）を示す。

図２０は、半潜水型のラフト風力発電ユニットが水中に沈み込んで海底に落下する様子を示す正面図であり、暴風雨に対抗してラフトを安定させる。

本明細書で使用される場合、用語「フロータ」は、風力タービンを取り付ける水域内の浮遊構造を指す。

以下は、もっと詳しく風に追従する回転半水中式のラフト風力発電ユニットの例示実施形態に関する内容である。 半潜水型ラフト風力発電ユニットまたは「ラフト」は、水域に堆積し浮遊するフロータとして知られている複数の少なくとも3つの中空閉鎖円筒形のカラムを含む。これらのフロータは、複数の水中ビームによってお互いに接続され、平面フレームのノードに位置するフロータとの水中平面フレームを造り、選択されたフロータ上に1つ以上の風力タービンを支持する半水没のラフトが形成される。

ラフトの小さい水面エリアは水中ラフトの大部分の浮揚とともに、安定性を大幅に向上させるので、非常に安定している。ラフトは、ラフトを風に合わせて回転させることができる単一の係留ラインによって海底に安全に固定されているので、ラフトの風力タービンは風下側の風車を風下側のタービンに鋳込むことなく全面風に面している。隣接するタービンは、例えば1.8D〜2.2Dのように、より近くに配置することができ、ここで、Dはローターの直径である。

ラフトで少なくとも3つのタービンをグループ化することにより、タービンによって発電された電力を運ぶ水中の海上電力ケーブルを50％まで短縮することができます。さらに、この革新的で成熟した建設技術により、半水没ラフトの例は、風力発電開発の深層水域で非常に競争力があります。 プレストレスコンクリートを使用することにより、ラフトの設計寿命は、わずか25〜30年の間に設計された鋼製プラットフォームと比較して、100年を超える可能性がある。したがって、本実施形態の寿命費用は、スチール製プラットフォームに起因する寿命よりもさらに少なく、大幅に少なくなる。 これにより、岸辺の深海の浮遊式風力発電所を期待より早く実現することが可能である。

また、図1Aおよび1Bは、例示的な実施形態による風力発電施設の従来の6×6および3×4レイアウトを示す。図2は、図1Aは、伝統的な方法で36の浮動プラットフォームによって支持された36,5MW風力タービンの風力発電所を示す。総インストール容量は6x6x5MWまたは180MWです。隣接する風力タービン間の距離は7.0Dとし、Dはローターの直径であり、この場合120mであるため、距離は840mであり、少なくとも複雑な形状の海洋ケーブルの全長は6x（5x840）+ 5x840または29.4 km。

図1Bは、本実施形態に従う半潜水型ラフトユニットの風力発電ユニットによって支持されるタービンと同じものを示す。合計12ユニットが必要である。インストール容量は12x3x5または180MW。隣接するタービン間の距離は、10D=1260mと見なされる。最も複雑な形で必要とされる海上ケーブルは、3x（3x1200）+ sx1200または13.2km。同じインストール容量のために、必要とされる海洋ケーブルの量として、例示的な実施形態のレイアウトを50％まで削減することが明らかである。3X4のレイアウトは、ケーブルの長さが大幅に削減されることによってもたらされた伝送損失も低減することができる。

以下、例示的な風力回転式回転半潜水型ラフト風力発電装置の基本構成は、4つの異なるタイプで説明されている、すなわち、3つ(3)の風力タービンに利用される三角形、星形およびティ(T)字形のグループ、 5つ(5)の風力タービンの台形構成である。すべての技術者はこれらの4つの基本的なタイプじゃなく、意識的にそれによって構成を導き出す、さらに、本例示的な実施形態の適用は本明細書に概説されたものに限定されないことに留意すべきである。

1. 海面
2. 海底/海底
3. 溝
6. 円錐形の物体/円錐曲線体
10. 風中追跡の回転半水中ラフト風力発電ユニット
12. フロータ
13. 接続ビーム
14. 垂直斜めストラット
15. 水平対角ストラット
16. R杭打ち
17. 作業台
21. 風力タービン
22. テンションケーブル
31. ケーブル線
32. ケーブル線
35. ソケットジョイント
36. モーニングライン
37. 海底アンカー
39. 回転軸
40. ケーブルミーティングポイント
41. ケーブル線
42. ケーブル線
48. 案内杭
49. 鋼製型枠
50. 幾何学センター
51. インサイトコンクリート
52. ラダー
53. 船舶アンカー用の係留ライン
54. 船のアンカー
60. 海洋出力電力ケーブル
61. コンクリート/石
62. 砂/グラベル
70. 剛性アーム

図2は、例示的な実施形態に従う三角半水中式ラフト風力発電ユニットの平面図である。図3は、図2の1-1断面図である。図4は、図2の2-2断面図である。また、図5は、風向きが急激に変化した場合に、三角半水中風力発電装置が対面風に回転する様子を示す図。図2から図5は、三角形回転半組合型のラフト風力発電ユニット10（以下、「ラフト10」という）を示し、各頂点に水面１の以下でビーム13と接続されたフロータ12を備えた。一例として、接続13は、水面1より14m、またさらに深い位置にある可能性もある。このようにして、波はビーム13にほとんど影響を与えない。フロータ12および接続梁13によって半潜ラフトは形成される。

風力タービン21のタワーは、各フロータ12の作業台17の上から立設されている。その後、風力タービン21のナセルがタワーに設置される。運転状態では、2つの風力タービン21は前列にあって、風に面している、第3の風力タービンは後部に残される。一例では、三角形は、正三角形である。それで、前部タービンのウェイク影がその後ろの第3のタービンをカバーしない。このようにウェイク影は緩やかな斜面に散らばっている。この勾配に従って、タービン21の間の分離を決定することができる。これとは別に、斜め支柱14,15は、コーナーを強化するために、フロータ12と連結ビーム13との間のコーナーに使用される。

ビーム13のサイズは、フロータ12の回転を制限するために必要とされるビーム13の剛性の要件に依存している（すなわち、風力タービン21タワーの回転）。塔の回転が10°よりも大きくすることができない。5MW洋上風力タービンのシミュレーション解析について、米国NREL研究所の報告書によると、ベースでの転倒モーメントは約250,000 kNM（25000 t-m）である。三角形の辺は260メートル長い（すなわち2.2倍のロータブレードである場合直径）は、フロータ12における浮力の変化は3x25000/260=288 tと推定される。

フロータ12は10メートルの直径を有する場合には、フロータ12は風荷重のバランスをとるために288トンを生成するために、3.7メートルの距離で移動しなければならない。剛体回転が0.8°、弾性回転が2°、組み合わせ回転が3°である。波によって±4m でこの二つの反対フロータ12を移動される場合、一つフロータ12当たりの回転が3°である、または合計が６°、最大の限度が10°である。それでラフトの10は非常に安定状態である。

図2に示すように、ケーブル31は、32はその一端がフロータスロープにおけるケーブル31,32はジョイント35に接続されている。それは、CGの間の三角形の二等分線に沿うCGから二等分線側までのオフセット距離（この場合で、幾何中心も重力の中心である）。フロータ12底部に、他端が35ジョイントのソケットの中心にあるミーティングポイントに接続されている。ソケットジョイント35が海底のアンカー37によって垂直に固定された係留ライン36に接続されているので、ジョイント35によってラフト10は係留ライン36をねじることによって回転することができる。ケーブル31、32および係留ライン36は平衡状態。ターニング軸は要素39によって提示される。

2つの三角半潜水ラフト10を固定する方法は、異なる目的に使用される。動作状態では、1つの点の足場を使用することができる。これは、一のケーブル張力レグまたは張力なし単にケーブルである。係留の張力ライン36およびケーブル31、32は、予め定められた深さ前（pre-determined depth）へ、ラフト10を海底に沈め、アンカー37に係留ライン36によって接続し、そして最後に水バラストをポンプでラフト10を上昇させる。ラフト10は、係留ライン36の長さに限定され係留ライン36とケーブル31、32に張力を設定する。タービン21上の水平荷重はラフト10を動かせる。係留ライン36上の反応の誘導と、傾斜引っ張りの係留ライン36によって外部水平負荷を分散して水平対抗用の成分を持つ。水平荷重から転倒モーメントはフロータ12の垂直方向の変位アップダウンによって生成された浮力によってバランスされる。

台風の攻撃中に、複数のアンカーポイントを、raft10を安定させるために使用される。これは、各フロータ12に格納される船アンカー54をドロップすることによってラフト10を海底に安定することを達成する。暴風雨の後、これらのアンカー54を通上昇させ、フロータ12に格納される。ラフト10は常の動作状態に戻る。

ラフト10の自重が浮上することによってバランスが保たれているので、必要に応じて、異常な大きな波がビーム13に害を与えないことように海底2にラフト10をシンクするために、フロータ12の底部は着陸装置に取り付けられている。座力が小さくかつ制御可能である着陸装置は、それが水平方向の力（図17参照）に対する耐性を増加させるために海底2で浸透することができるように下向き円錐オブジェクト16とする。

また、ケーブル31、32および係留ライン36は、ソケットジョイント35にはめ込まれている。ソケットジョイント35は、ジオメトリ50の中心から離れて配置され、二等分線側に近い。

図5の内部図（1）〜（6）は風追跡回転半潜水ラフト10のメカニズムを説明するために提供されている。ラフト10は、北向きの風に向いてゼロ時点から開始する。この例では、風が突然に東南に転向する。図5の（1）はSE風がCG50に作用し、ソケット35ジョイントの中央に位置する39の軸を時計回り方向で垂直旋回ヨーモーメントを誘発する。風力タービン21によって生成された空気力学的な力は、均一な風のフィールドに一致する場合、ラフト10の重心と一致する幾何学的形状50の中心を通過する。風が不均一の場合、CG50付近で変動する空気力学的な力の結果としては、通常の運用風の条件で発生することはほとんどない、また力が大きいので、ジョイントソケット35を渡ることもほとんどできない。

なお、図5の内部図（2）〜（6）は、完璧な条件でC.G50に作用する風力合成ベクトル、風が変動状態でのC.G. 50に作用する風力合成を仮定して風の追跡の原理を示すにもかかわらず、ソケットジョイント35の中心に位置する垂直回転軸39を中心に時計回りのヨーモーメントを生じる。両方のケースでも幾何中心50が一致するので、この回転原理は、風の流れが海中の水流によって置き換えられる場合に適用する。幾何50に当てはまる。タービン21の回転子は、水中の電流の力を相殺する力を発生させるために、または水中の電流がラフト10に及ぼす影響を完全に排除するために、風に対して角度をなして配向される。

後者は、風力フロータ12に舵52を設置し、舵52をナビゲートして現在の力を平衡させ、したがってラフト10に対する現在の影響を除去することに達成する。舵52のサイズは水流の強さによって決定される。舵52は、ラフト10がヨーイングして振動する原因となる変動する風力に減衰効果を与えることができる別の機能を有する。

以上のことから見て、例示的な風をトレースする回転式半水中ラフト10は、タービン21を風に変えるための外部動力を必要としないことが分かる。タービン21は本質的に、すなわち風によって回転される。したがって、この構成は、そのメンテナンス要件において経済的かつ単純である。

図2から図4を参照すると、ジオメトリ50の中心から離れたソケットジョイント35の偏心を調整することができる。基本的には、ケーブル31および32の長さによって調整される。距離が大きいほど、誘発されるヨーモーメントが大きくなる。

図6は、本発明の他の実施形態に従う星型半胴式併合ラフト型風力発電装置の平面図である。図7は、図6の1-1断面図である。図8は、図６の2-2断面図である。また、図9は、風向きが急激に変化した場合の星型半潜水型ラフト風力発電装置の回転の様子を示す図である。この実施形態は、図2から図5に示して説明した三角形構成の多くのと同様であるので、相違点のみが詳細に議論されている。図1を参照する。図6から図9に示すように、星形の半潜水型ラフト風力発電ユニット10（以下、ラフト10 '）は三角形の変形例であり、三角形の辺が引っ張られたケーブル22と梁13ジオメトリ50の中心と三角形の頂点のフロータ12との間に接続された3つの尖ったアームによって置き換えられている。フロータ12は頂点に残される。斜めのストラット14,15は、フロータ12とアームとの間の連結を強化するために使用される。

三角形構成の場合と同様に、フロントタービン21のレイアウトもまた、風下タービン21のウェク効果を引き起こすことがない。また、三角形構成の場合と同様に、ケーブル31,32は、フロータ12の一端に接続され、他端がソケットジョイント35に差し込まれ、風向に向けて設計されるCG50をオフセットする。風向き側の2つのタービン21の回転面は風向に対して垂直であり、一方、第3のタービン21は風上タービン21の間に対称的に配置された。例えば、図6に示される様子。垂直に接続された係留ライン36は、ソケット継手35と海底2で海底アンカー37と接続する。三角形構成の場合と同様に、ケーブル31,32および係留ライン36には単一のテンションレグの基礎からの力を導くことがある。旋回原理は、図2−図5で説明した三角形のラフト10で使用されるものと同様なのでここで繰り返して述べない。複数のアンカーシステムは、ラフト10 'を安定させるために、嵐または台風の期間に使用することもできる。上に三角形および星形の構成のみが記載されているが、ラフトのための可能な構成は本明細書に記載されたものに限定されず、他の幾何学的構成にも当てはまることを当業者は理解する。

図9は、風向きが変化した場合の星型風車回転半水深型ラフト風力発電装置10の旋回機構の概要を示している。原理的には図5と同様であるので、ここでは繰り返して述べない。しかし、ここでは、図9の内部図（6）は、ラフト10 'が旋回しており、復元モーメントがそれを通常の位置に戻すように設定されていることを示している。

図10は、本発明の他の実施形態に係るT字型半潜水型ラフト風力発電装置の平面図。図11は、図10の1-1断面図。また、図12は、図10の2-2断面図。この実施形態は、多くの点で、図2〜図9に示され説明された以前の構成と同様なので、ここでただ相違点について詳しく説明する。図10〜図12に、図6~図9の星形構成の変形例が示されている。2つの風上フロータを結合する側の中点までのアームの接続点が「T」を形成するように動かされ、従ってT字型半潜水型ラフト風力発電ユニット10 "を形成する。 ケーブル31,32および単一張力レッグ係留線36の配置は、先の実施形態と同様なので、ここでは簡潔にするために繰り返して述べない。

図13は、台形レイアウトの風を追う回転半水中風車発電ユニットの平面図。図14は、図13の1-1断面図である。図15は、図13の2-2断面図;また、図16Aおよび図16Bは、風力方向が突然変化した後にセミ揚水型ラフト風力発電装置が風向きにどのように整列するかを示す。この実施形態は、図2〜図１2に示され説明された以前の構成の多くの点と同様なので、相違点のみを詳しく説明する。図13〜図16Bには、台形の半潜水型のラフト風力発電ユニット10 '''（以下、「ラフト10 '''”」という）が示されている。ラフト10'は2列のフロータ12を含み、すなわち、3つのフロータ12を含む風上列と、5つのフロータ12を含む風下列。タービン21は、各代替フロータ12上に載置され、すなわち、風上列の2つのタービン21と、風下列の3つのタービンとを含む。フロータ12は、ほぼ三角形のパターンで水中ビーム13によって相互接続されている。風上列の中間浮体12からの剛性アーム70は、風中に伸び、フロータ12に接続されている。

ケーブル41および42の各一端は、フロータ12の底部に取り付けられた。その自由端部は、ほぼ鋼性アーム70の中心に近い風上列に対してオフセット位置に配置されたソケットジョイント35に差し込まれた。係留ライン36は、ソケットジョイント35と海底アンカー37とを連結し、係留ライン36内で捩じれてラフト10'''を回転させることができる。図2〜図5を参照すると、動作条件の下でのプラットフォームの安定性を向上させるために、プリシンク（pre-sinking）手順を用いて張力レッグプラットフォームを形成することができる。他の例示的な実施形態と同様に、嵐または台風期間中の安定性は、複数のアンカーの使用、および海底手順への沈下（水深が一定の基準内にある場合）の2つの方法によって保障されることができる。

図17は、海底に着陸するフロータの底部に追加される任意の円錐体の正面図である。より具体的には、図17は、異常な巨大な波の攻撃の下で海底2に沈むように水中に入ったラフト10を示している。これは、接続梁13の損傷を回避するために行われる。各フロータ12の底部には、その頂点が下を向く円錐体6が設けられているので、海底2に侵入して水平力に対する抵抗力を高めることができる。

海底2の事前調査が実施され、必要に応じて着陸のために地域が清掃されなければならない。嵐が通過した後、ラフト10は水を汲み上げて持ち上げ、電力生産を続ける。 嵐の間にラフト10を安定させるために複数のアンカーが使用される場合、アンカーは引っ込められ、風に面するために自然の風によってラフト10が旋回される。

隣接する2つのタービン21間の距離は、1.8D〜2.2Dとし、Dはローターの直径である。ローターが120mの5MWタービンの場合、距離は約216m〜240mの範囲に限られる。フロータ12の列間の距離は1.0Dまたはタワーの高さのいずれか大きい方を標準として計算する。図13〜図16Bに示されているように、風向きタービン21は風下側の影を風下側の列のタービン12の空きスペースに流すことができ、それによりタービン21のウェク効果を排除する。異なるサイズのフロータ12を使用することがある。その主な目的は、水平面内の浮上の中心にできるだけ近い重心を有することである。

ここで図16Aおよび図16Bに示されるように、台形のラフト10’’’の回転機構は、図2-図5に示された三角形の構成と同様である。換言でいえば、ラフト10’’’は、風荷重の力の結果が、幾何の中心50とともに、ただソケットジョイント35の中心に位置する垂直旋回軸39を通過するときだで静止する。あるいは、ラフト10’’’は、ラフト10’’’を回転させるために風力を利用してタービン21を流入風に対してある角度に向けて回転させることができる。

上記の例では、ラフト10’’’のタービン21からの出力ケーブルは、1つの最終出力ケーブル60にグループ化される。三角形、星形、およびT字形のラフト(10， 10’，10”)，最終出力ケーブル60は、構造ケーブル31または32の1つに沿ってラフトから出て、係留線36に沿って海底アンカー37に出る。台形の弓形のラフト10’’’の最終出力ケーブル60 ラフト10 'から外に出て、構造ケーブル41および係留ライン36のうちの1つに沿って海底アンカー37に出て行く。その後、動力出力ケーブル60は海底2を越えて海岸または海岸の変電所に至る。

ラフト10’’’が垂直軸39を中心にして回転されるときに、電力ケーブル60の実質的に余分長さ（緩んだコイルの形態）は、電力ケーブル60の無害な撚りのために保留される。当該ラフト10’’’は能動的な回転機能を備えて設計されることもできる。 ラフト10’’’のオンボードコンピュータは、ラフト10’’’が回転した円形の角度を記録し、さらに、回転が許容限界に近づくこと、風がその方向を強制的に変えると予測されること、ラフト10’’’が許容限界まで回転することを、風向きの変化が一定期間で続く場合、計量データで確認すること。コンピュータはラフト10’’’をアクティブに回転させられる。

アクティブな方向転換は、タービン21の１つの方向を把握することができ、風力を捕らえて、動力ケーブル60の捩じれが解放されるように、次の風方向の変化の準備の中で、ラフト10 '' 'を360°出回転するためのヨーモーメントを生成する。暴風雨の中で、各フロータ12に設置された船のアンカー54は海底2内に落とされ、ラフト10 ''が暴風雨の中で回転するのを防止する多重アンカーシステムを利用する。これによって、電力ケーブル60は、損傷をもたらす歪み動作から保護される。 さらに、船舶のアンカー54は、2つの作業ロープ53によって保持される。そ一方はもっと強くて長い。それで、他の作業ロープ53が故障したことに対して予備することができる。

図18は、三角半水中ラフト風力発電装置が360°で回転して撚り線の電力ケーブルを緩める様子を示す。もっと具体的に言うと、図1８の内部図（A）〜（H）は、三角形構成に基づいて、アクティブなターンにおいてラフト10を360°で回転するのを説明する。最初の風向が北で、電源ケーブル60が反時計回り225°にねじれている場合は、内部図（A）を参照してください。計量予測に基づいて、風は西北に変化する可能性が高い。こんな状況で、電源ケーブル60の捩じれが調整されなければ、ラフト１0は反時計回りに回転して風に従う。これにより、電源ケーブル60が限界（例えば、360°）にねじれる可能性が高くなる。したがって、ラフト10の時計回りの即時の回転が必要になる。したがって、図18の内部図（B）〜（H）は、図は、北西風に起因する予想される撚りに備えて、タービン21を北風に向けて制御可能に制御して、ラフト10を360°で回転する手順を示している。

本発明における風力タービンの数と回転半水中風力発電は理論的には制限がない。制限がどんなに大きくても、技術によって浮遊構造を海中で安全に処理できる。

ラフト構造は、プレストレスコンクリート中空ビーム13およびフロータ12において推奨される、半浸漬状態に達するために重いバラストを使用しなければならない。施工方法は、分割工法を用いた橋梁工法と同様である。 半水没ラフトを受け取るのに十分な水深の港を選択してください。上述した組み立て方法を使用して、ラフトは一時的な誘導杭48の助けを借りて港内に組み立てられる。完了した後、ラフトは、サイトに牽引される前にタービンを設置すること傾向が高い。

風力発電所には、図1(B)に示されるように多数のラフトユニットが設置されている。フルタイムの風向追跡タービンによって改善された。海底ケーブルも短くされて効率的な動力伝達が行われる。

海底重力アンカー37は、暴風雨の期間中に実質的に変位がないように設計される。図3および図4に示す可能な方法の1つは、深い溝の３を掘って、重力アンカーが3７を溝３に置く。重力アンカーは溝３から離れようとすると、上方に移動しなければならず、大きなエネルギーを必要とする。したがって、アンカー37の重量は、許容マージンからの嵐による揚力より大きくなければならない。他の方法では、図7および図8に示されるように、固定位置に、杭16が海底2内に押し込まれてその場所の周りにリングを形成し、杭16が海底2から突出する。重力アンカー37は、その後、杭16に囲まれる固定位置に沈まれる。アンカー37の重量も許容マージンからの嵐による揚力より大きくなければならない。積み上げられた基礎を使用する場合、設計は、パイル許容張力容量が暴風雨の作用によって超過されないことを保証しなければならない。

図19は、本実施形態に従う風を追い、回転する、半潜水型のラフト風力発電ユニットの組み立て及び構成における製造工程（A）〜（D）を示す。

注目すべきは、以下の製造方法は、任意の特定の順序でステップを実行することに限定されない。業界の当業者は、既知の技術を用いて任意の適切なステップ構成を導き出すことができる。図19に記載された製造の例示的な方法は、以下のステップのうちの1つ以上を含むことができる：
１．フロータ12およびビーム13のためのセグメントを工場またはキャスティングヤードで一致させる。
２．従来の橋の建設方法を用いてビーム13をいくつかのセクションに、すなわち50mのセクションに組み立てるために特に静かな港を選択する。
３．ビーム13の各セクションの両端をシールし、ビームセクションを海に輸送し、既知の技術を使用して−セクションをビーム13に組み立てる。各ビーム13の短い長さ（例えば、約1.5〜2.0m）フロータ12を接合する2つの端部は、フロータ12への将来の接続のために突出した補強材を放置される。
４．少なくとも3つの案内杭48を、フロータ12が配備される場所で海底2内に打ち込む。杭48は、海の水面1よも一定の距離上方に延在し、ガイド杭48の上部を解体することができる。
５．図19に示すように、 第1フローターセグメント12Aに浮遊しているサブステップ（C）（1）は、セグメント12Aをガイドパイル48で降下させ、セグメント12Aの垂直レベルを確認してから、フロアセグメント12Aをパイル48に固定する。
６．次いで、ビーム13内の上に浮動し、フロータ12Aを目標とし、それを杭48に一時的に固定する。ビーム13は、例えば、コンクリート鋳造の各端部で2m短くしなければならない。
７．フロータ12Aとビーム13との間に水面上にあるべき型枠49を立て、両者の間の隙間をシールして型枠49を防水にする。
８．型枠49内の水を汲み出し、フロータ12Aと梁13との間に鋼製の補強材を固定し、コンクリート51を鋳造し、必要に応じて予備応力を加える。
９．すべてのフロータ12Aがビーム13によって接続されているとき、フロータ12Aおよびビーム13を案内パイル48から解放し、 残りのフローターセグメント12B、12C、12Dは、フロータ構造を完成させるために、それぞれの上部に追加され固定される（図19のサブステップ（C）（2）〜（C）（4）参照）。
１０．ラフト10の組立が完了した後に、タービン21を設置すると同時に、各フロータ12にケーブルライン31,32を設置する。
１１．ガイドパイル48からラフト10を解放し、設置と移動のためにラフト10を浮遊させる。
１２．インストールサイトで基礎を準備する。この基礎は積み重ねられた土台であるかもしれない、しかし、ケーソン基礎がもっと便利である。これは、ケーソンを収容するために海底2の大きな溝の掘削を必要とする。 あるいは、杭16のリングの内側にケーソンを使用することももう一つの選択肢として利用される。
１３．現場で、沈没前の深さ（もしあれば）およびケーソンサイズに関連して必要とされる係留ライン36の実際の長さを測定する。 アンカー係留線36をケーソン（空）に取り付けて、ケーソンが溝3の平らな海底2に着座するまで水を取り込むことによってリフト10を沈めること。
１４．ケーソンに石またはコンクリート61を充填し、溝3に砂と砂利62を充填して取り付ける。単一の張力の脚構造の場合でアンカー係留ライン36に張力を導入するために、ラフト10内に水を（必要に応じて）汲み出す。そして
１５．海底電力ケーブル60を接続して発電を開始する。

図20は、半潜水型のラフト風力発電ユニットが水中に沈み込んで船舶のアンカーを海底に落下させ、暴風雨に対してラフトを安定させる方法を示す立面図である。

従って、上述した例の風洞追従回転半組合ラフト型風力発電装置では、半潜水型のラフト10により、いくつかの風力発電装置21をグループ化して一体風力発電装置を構成することができる。ラフト10を風に全面的に回すことができるので、風力タービン21間の間隔を減少させることができ、従って、プレストレスコンクリートを使用するラフト10の構造が実現可能である。

コンクリートラフト10を例にとると、推定設置率は陸上風力発電所の上限に等しい。従来の固定式ボトム、海岸近く、風力発電所は、陸上設置の1.5〜2.0倍のコストがかかる。深海風の風力発電所の例はない、海岸の風力発電所の近くにはそれ以上の費用がかかる可能性が高い。このことから、例示的な実施形態を用いることによって、莫大な経済的利益が得られることは明らかである。遠方のオプションは開いており、多数の浮遊式風力発電所を配備することができる。

例示的な実施形態は、将来の海洋都市のエネルギー需要に特に適している。 遠方の風速は安定して強く、利用時間も長く、発電も高く安定している。プリストレスコンクリート構造は、設計寿命が25〜30年の浮動スチールプラットフォームよりもはるかに100年以上持続する可能性がある。ベンチマークとして全寿命の原価計算を使用する場合、同じコンクリート構造が4世代の風力タービンをサポートすることができる。スプレッド建設コストはそれほど高くない。したがって、例示的な実施形態は、遥かに速いペースで遠方の風力発電所の実現を支援することができる。ゼロエミッション、低コスト、高効率、および環境に優しいことは、本発明の例示的な実施形態のいくつかのハイライトである。

このように例示的実施形態を説明したが、これは多くの点で変更可能であることは明らかである。 そのような変形は、例示的な実施形態からの逸脱であると見なされるべきではなく、当業者は明らかなその変更のすべてが、添付の特許請求の範囲内に含まれることを意図しなければならない。

Claims (21)

1. 半潜水型ラフト風力発電ユニットであって、
   少なくとも3つのフロータと、
   フロータ上に配置される少なくとも3つの風力タービンと
   を備え、
   ラフトは、垂直軸を中心に回転させ、係留ラインによって海底に固定され、
   ラフト上の風荷重から得られる力は、その中心から離れる距離にあるその幾何学的形状の中心の周りを密接に通過し、ラフトを回転させる回転中心まわりのヨーモーメントが生成され、それで、幾何学の中心と回転中心を通過するまでにラフトを回転させられる、ラフト風力発電ユニット。
2. 請求項1に記載されたラフト風力生成ユニットであって、そのタービン上の回転子が、前記風力負荷から得られる力が前記回転中心および前記幾何学的中心を通過するとき、前記入来風に対して垂直な方向にある、ラフト風力生成ユニット。
3. 請求項1に記載されたラフト風力生成ユニットであって、その回転中心は、幾何学的中心の前にあり、風に向かう、ラフト風力生成ユニット。
4. 請求項1から請求項3のいずれか一つに記載のラフト風力生成ユニットであって、少なくとも3つのフロータは正三角形の三角形状に構成され、少なくとも3つの浮子が三角形の頂点に位置し、風に面し、運転状態になるとき風上側にある、ラフト風力生成ユニット。
5. 請求項1から請求項3のいずれか一つに記載のラフト風力生成ユニットであって、
   少なくとも3つのフロータは、前記三角形の頂点に位置し、三角形のジオメトリの中心で合流する複数のビームによって接続され、前記3つのフロータのうちの2つの上のタービンが風に面する、動作状態になるとき風上側にあり、
   さらに、ラフト風力生成ユニットは、ラフトの強度を高めるためにフロータを接続する安定化ケーブルを備える、ラフト風力生成ユニット。
6. 請求項1から請求項3のいずれか一つに記載のラフト風力生成ユニットであって、
   少なくとも３つのフロータは三角形の頂点に位置し、Tフレームワーク内で複数のビームによって接続されており、
   一方のビームはが風上側にある2つのフロータを接続し、第1のビームがその中間点において風下頂点にある第3のフロータと接続し、作動状態の時、風に面する2つのフロータの風力タービンを接続し、そして、
   さらに、ラフト風力生成ユニットは、ラフトの強度を高めるためにフロータを接続する安定化ケーブルを備える、ラフト風力生成ユニット。
7. 請求項1から請求項3のいずれか一つに記載のラフト風力生成ユニットであって、
   ラフトは2列の台形において9つのフロータを有し、
   風上列は3つのフロータを含み、風下列は5つのフロータを含み、各フロータは各ビームによって三角形状に接続し、
   風力タービンが代替フロータに配置されているので、風上側に2つ、風下側に3つのタービンがあり、そして、
   さらに、ラフト風力生成ユニットは、風上列の中間フロータから入ってくる風に延びた剛性アームを有し、その先端がフロータに接続される、ラフト風力生成ユニット。
8. 請求項４から請求項７のいずれか一つに記載のラフト風力生成ユニットであって、
   ラフト風力生成ユニットは、フロータの底部に接続され、ケーブルを固定するためのソケットを提供するソケットジョイントで合流する3本のケーブルラインをさらに備え、ラフトがその回転中心を中心にして回転できるように、海底アンカーへの係留線によって接続される、ラフト風力生成ユニット。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一つに記載のラフト風力生成ユニットであって、
   ラフト風力生成ユニットは、三角形レイアウトの風上フロータに配置され、台形レイアウトの風下中間フロアに配置され、水中の海流を均衡させる舵をさらに備える、これによってラフトのヨー運動に対する現在の影響を排除する、ラフト風力生成ユニット。
10. 請求項8に記載されるラフト風力生成ユニットであって、ケーブルと係船ラインとの接続点にあり、ラフトと海底アンカーとの間に接続された係留ラインを捩じることによって回転させられる、ラフト風力生成ユニット。
11. 請求項8に記載されるラフト風力生成ユニットであって、前記グループ化された各タービンからの電力ケーブルは、対応するケーブルラインに沿って取り付けられ、海底に係留ラインに沿って取り付けられた最終出力ケーブルに結合され、最終電力出力ケーブルは、係留線に沿って垂直軸の周りに捩れの程度を吸収するゆるめられたコイルの形態で配置される、ラフト風力生成ユニット。
12. 請求項１から請求項８のいずれか一つに記載のラフト風力生成ユニットであって、
    ラフト風力生成ユニットは各フロータに設けられた船舶のアンカーを備える、ラフト風力生成ユニット。
13. 請求項１から請求項８のいずれか一つに記載のラフト風力生成ユニットであって、
    各フローターボトムは、オプションの下向きコーニックオブジェクトを含む、ラフト風力生成ユニット。
14. 請求項１から請求項８のいずれか一つに記載のラフト風力生成ユニットであって、
    ラフト上の最外側のタービンは、タービンを指示に従って動かすヨー回転機構を備えており、前記ラフト上の他のタービンは、一定の方向に構成されており、ヨー回転機構なしで、ジオメトリの中心と回転中心とを結ぶ軸に位置合わせされる、ラフト風力生成ユニット。
15. 請求項１から請求項８のいずれか一つに記載のラフト風力生成ユニットであって、
    風上側タービンによって生成される後退影が前記風下側タービンに流入しないことを特徴とする、ラフト風力生成ユニット。
16. 請求項１から請求項８のいずれか一つに記載のラフト風力生成ユニットであって、
    ラフトは、前記係留線によって設計深さまで水中に引き下げられる、ラフト風力生成ユニット。
17. 請求項8に記載のラフト風力発電ユニットであって、海底アンカーは、海底に重力型アンカーとして構成されている、ラフト風力発電ユニット。
18. 外洋における風の作用によって発電する風力発電所であって、請求項1に記載の複数の半潜水型ラフト風力発電ユニットを含む、風力発電所。
19. 半潜水型ラフト風力発電装置の建設方法であって、以下のステップを含む:
    少なくとも3つのフロータとそれらの関連する接続ビームによって構成される複数のビームセグメントと一致させること、
    ビームセグメントの端部をシールし、接続ビームおよびフローターセグメントを陸上または海上の港の組立現場に輸送すること、
    組立場所でのフロータが設置場所に一つのフロータ当たり少なくとも3つのパイルを沈め、この少なくとも3つのパイルはフロータの位置を限定するための案内パイルとして使用されること、
    案内杭によって囲まれた空間の内部に第1の下部フローターセグメントを一時的に固定すること、
    フロータ及び連結ビームセグメントを陸上又は水中に組み立て、組み立てられた梁を案内杭に一時的に固定するフロータの接合位置にもたらすこと、
    鋼鋳型を設置し、鋼鋳型と浮上面と梁面との間の隙間を密閉すること、
    スチールモールドから水を汲み出し、フロータのジョイントに補強材を固定すること、
    コンクリートを金型内に鋳込んで硬化させ、そのコンクリートがその設計強度に達すると、案内杭に一時的に固定されたフロータおよび連結ビームを解放すること、
    次のフローターセグメントを第1の底部セグメント上に装填し、プレストレス鋼棒と共にエポキシ被覆接合部とそれらを接続すること、
    最後のフローターセグメントが接続されるまで、ロードステップと接続ステップを繰り返すこと、
    フロータに風車を取り付けること、
    各フロータの下端にケーブルを取り付け、ケーブルの自由端をミーティングポイントに持ち、ミーティングポイントはケーブルの接続のためのソケットジョイントの中央にあり、係留ラインがフロータの底と 海底アンカーに連結すること、そして、
    ミーティングポイントの位置は、ラフトユニットの重心と一致せず、ラフトユニットの風上側に距離を置いて重心からオフセットされていること。
20. 請求項19に記載の方法であって、さらに以下の内容を含む：
    ケーソンを収容するために海底の溝を掘削すること、
    沈没前の深さと関連して係留ライン、現場でラフトの実際の長さを測定すること、
    係留線をケーソンに取り付けること、
    ケーソンが平らな海底の溝に座っているまで水を汲み上げてラフトを沈めること、
    石やコンクリートでケーソンを埋め、砂と砂利で溝を埋めて設置を完了すること、
    単一の張力脚構造の場合、係留ラインに張力を導入するために水をラフトから押し出すこと。
21. 請求項19に記載の方法であって、さらに、海底アンカーの周囲のレイアウトを駆動して、複数の杭をアンカーの上方に突出している杭に打ち込むことを含む、方法。

Images