JP2017537266A - 短縮されたタワー高さを有する浮体式風力タービン構造と、この浮体式風力タービン構造の重量を最適化するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、風力タービンと洋上基礎との重量を最適化するための方法と風力タービン構造とに関する。風力タービンは、測定された波高に基づいて動作させられ、及び、このことが、タワー高さと風力タービン羽根の長さとの間の比率が０．５よりも大きいように、タワー高さが低下させられることを可能にする。測定された波高が予め決められた閾値を超える場合に、ローターが、風力タービン羽根の先端部と海面との間の最大間隔又は最小間隔を伴う予め決められた位置にパーキングさせられる。風力タービンに対して配置されている監視ユニットが、１つ又は複数の物体が監視区域内に位置しているかどうかを検出する。監視区域内に物体が位置している場合には、風力タービンが停止させられ、且つ、ローターがパーキング位置に回転させられる。【選択図】図２

Description

本発明は、洋上の基礎の上に設けられている風力タービンを備える風力タービン構造の重量を最適化するための方法に関する。

本発明は、さらに、洋上位置にある洋上基礎上に配置されるように構成されている風力タービンを備える風力タービン構造にも関する。

風力タービンのための浮体式基礎が、運転中と極端な状況とにおいて風力タービンに対して十分な安定性と浮力とを提供するように設計されている大きく且つ重量がある構造であることが知られている。さらに、風力タービンタワーが風力タービンの傾斜移動中に大きなモーメントアームとして作用し、したがって、浮体式基礎は、さらに傾斜中にその浮体式基礎にもたらされる曲げモーメントに反作用しなければならないということが知られている。従来においては、この問題は、浮体式基礎のサイズと重量を増大させることによって解決されるが、このことが、生産コストと、さらには、場合によっては、設置コストとを増大させる。

さらに、この曲げモーメントと、風の負荷と波及び海流の負荷とによって風力タービンタワーにもたらされる構造負荷を補償するために、追加的な構造的強度が風力タービンタワーの頂部において必要とされる。このことは、従来においては、風力タービンタワーの最上部に追加分の材料を加えることと、こうして風力タービンタワーの重量を増大させることと、これによって生産コストを増大させることによって、解決されている。

風力タービンは、風力タービン羽根の長さの２倍から３倍の間であるタワー高さを有する必要があり、このことが、風力タービンタワーのコストと、より高い姿勢（ａｔｔｉｔｕｄｅ）における出力能力の増大との間の最適なバランスを実現する。

本願の出願人の特許出願である特許文献では、海底に係留されている浮体式基礎上に配置されている部分ピッチ風力タービン（ｐａｒｔｉａｌ ｐｉｔｃｈ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ）が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この風力タービンは、結果的に生じるローターハブ上に作用する一定不変の推力値（ｔｈｒｕｓｔ ｖａｌｕｅ）を概ね維持するようにピッチング（ｐｉｔｃｈ）させられているピッチング可能（ｐｉｔｃｈａｂｌｅ）な外側羽根部分に連結されている内側羽根部分を各々が有する、２つの風力タービン羽根を備える。したがって、この浮体式基礎のサイズと重量は、このピッチング方式（ｐｉｔｃｈｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ）によって減少させられることがある。

別の特許文献では、底部端部において連結されている係留ケーブルを介して海底に係留されている浮体式円柱ブイ型の基礎の上に配置されている２枚羽根型の風力タービンが開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この構成では、動力伝達装置が浮体式基礎内に配置されており、及び、可とう性で且つ湾曲可能なタワー部分とローターシャフト部分とが、ローターと動力伝達装置との間に配置されている。風力タービンの応力と荷重とがこれらの可とう性部分に集中させられ、及び、したがって、これらの可とう性部分が故障する可能性が高い。さらに、風力タービンタワーは、浮体式基礎に関連したローターと風力タービンタワーとの大きな傾斜範囲を原因とした、大きな曲げモーメントを受けるだろう。

さらに別の特許文献では、さらに、浮体式基礎の側部に連結された係留ケーブルを介して海底に係留されている浮体式円柱ブイ型の基礎上に配置されている風力タービンが開示されている（例えば、特許文献３参照。）。公称海面に対する相対的なナセルの高さが、浮体式基礎の内側に配置されているバラストタンクの中に水をポンプで出し入れすることと、同時に係留ケーブルの長さを調整することとによって、通常動作中において調整されることが可能である。バラストの量が、風速に基づいて調節される。調整機構とそのシーリング手段とが、浮体式基礎の複雑性と生産コストとを増大させる。係留ケーブルの張力付加（ｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇ）が、個々のアンカーリンク（ａｎｃｈｏｒ ｌｉｎｋ）の相互間の摩耗の加速を生じさせ、及び、したがって係留システムの運転時間を減少させる。

さらに別の特許文献では、風力タービンの制御システムがピッチ機構を制御し且つ波高センサーに接続されている風力タービンが開示されている（例えば、特許文献４参照。）。この制御システムは、この波高センサーからの測定データに基づいて波高を決定するように構成されている。この制御システムは、制御信号をピッチ機構に送り、及び、このピッチ機構は、高い波が検出される時に、風力タービン羽根を風の外へピッチングさせ、及び、ローターが失速することを生じさせる。この文献は、基礎のタイプと、風力タービンの高さとに関しては、全く言及していない。

米国特許出願公開第２０１４／０２１９７９７Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第２０８０８９９Ａ１号明細書 米国特許第８１９２１６０Ｂ２号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０１１９３７０Ａ１号明細書

本発明の目的が、先行技術の上述の問題点を解決する解決策を提供することである。

本発明の目的が、風力タービンタワーと洋上基礎との重量を最適化するための方法を提供することである。

本発明の目的が、風力タービンの高さが減少させられることを可能にする、風力タービンを動作させるための代替的な方法を提供することである。

本発明の目的が、風力タービンタワーと洋上基礎との重量が最適化されることを可能にすると同時に曲げモーメントを減少させる、代替的な風力タービン構造を提供することである。

本発明の目的が、風力タービン構造の重量を最適化するための方法によって実現され、及び、この風力タービン構造は洋上基礎の上に設けられている風力タービンを備え、及び、この風力タービンは、少なくとも２つの風力タービン羽根とローターハブとを有するローターを備え、及び、この風力タービンは、さらに、風力タービンタワーを備え、この方法は、
２０メートル以下である、海面と風力タービン羽根の先端部の最も低い位置との間の距離を有する、風力タービンを提供することと、
少なくとも波高を測定することと、
この測定された波高にしたがって風力タービンを作動させることと、
少なくともその測定された波高が予め決められた閾値を超える場合に、風力タービン羽根と海面との間の最大間隔を有するパーキング位置にローターを配置することとを含む。

このことが、風力タービン羽根の先端部の最も低い位置と平均海面又は公称海面との間の間隔を減少させることによって、風力タービンの重量と洋上基礎の重量とを最適化するための単純で且つ容易な方法を実現する。代替案としては、海面が、満潮時の平均海面、又は、干潮時の平均海面として定義されてもよい。例えば、海面は、天文最高高潮面（ｈｉｇｈｅｓｔ ａｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌ ｔｉｄｅ）（ＨＡＴ）又は大潮平均高潮面（ｍｅａｎ ｈｉｇｈ ｗａｔｅｒ ｓｐｒｉｎｇｓ）（ＭＨＷＳ）として定義されてもよい。風速に応じて、又は、極端な風況の発生時に、風力タービンを海面に対して相対的に上昇又は下降させるための、バラストシステムは不要である。この方法は、２つ又は３つの風力タービン羽根を有する風力タービンに良く適している。

この構成は、タワー高さが減少させられ、及び、このことが、さらに、風力タービン構造のモーメントアームを減少させることを可能にする、風力タービンを動作させるための代替的な方法を提供する。このことは、風力タービンにもたらされる曲げモーメントが大きく減少させられることを可能にし、及び、したがって、風力タービンタワーの材料とコストとを節約する。この構成は、さらに、風力タービンによって洋上基礎にもたらされる力と曲げモーメントとが減少させられるので、洋上基礎のサイズと重量とが減少させられることを可能にし、及び、これによって洋上基礎のコストをさらに減少させる。

例えば風力タービン羽根のようなローターは、様々なセンサー又は測定ユニットからの測定値、及び／又は、高波、極端な風況、点検修理作業、緊急事態、又は、後述する安全状況（ｓａｆｅｔｙ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ）のような風力タービンを動作させるための理由に応じて、１つ又は複数の予め決められた位置にパーキングさせられる。このローターは、風力タービン羽根の少なくとも１つの羽根が風力タービンタワーに対して平行又は垂直な方向に延びるように、所定位置にパーキングさせられてもよい。好ましくは、このローターは、風力タービン羽根と海面との間に最大の距離を生じさせる位置にパーキングさせられる。

一実施態様では、予め決められた閾値が１８メートル以下であり、好ましくは、５メートルと１５メートルとの間である。

風力タービン、例えば風力タービンの制御ユニットは、測定された波高を監視し、及び、この測定波高が少なくとも１つの予め決められた閾値を超える場合に、パーキング手続きを起動させる。この閾値は１８メートル以下であってもよく、好ましくは５メートルと１５メートルとの間、例えば１０メートル又は１２メートルであってもよい。波高は、波頂から波底への距離として、又は、平均海面から波頂への振幅として測定されてもよい。この場合に、この振幅は、波高を計算するために使用される。代替案としては、波高は、予め決められた時間期間全体における有義波高（ＳＷＨ）として測定されてもよい。

一実施態様では、この方法は、さらに、少なくとも２つの風力タービン羽根の一方の羽根の羽根長さと風力タービンタワーのタワー高さとの間の比率を測定することを含み、この風力タービンの比率は０．５よりも大きい。

この構成が、各風力タービン羽根の縦方向長さ（例えば、羽根長さ）と、風力タービンタワーの縦方向長さ（例えば、タワー高さ）との間の比率が、従来の風力タービンに比較して増大させられることを可能にする。従来の風力タービンでは、風力タービンは、羽根長さの少なくとも２倍であるタワー高さを有するように、設計されている。このことは、従来の風力タービンの場合に、羽根長さとタワー高さとの間の比率が０．５未満であるが、一方、本発明の構成は、風力タービン羽根の長さを維持しながら、減少したタワー高さを風力タービンが有することを可能にする。このことが、モーメントアームが減少させられるので、ナセルの傾斜速度及び加速度を減少させる。このことは、さらに、所要の剛性を実現するために必要とされる材料が削減されるので、風力タービンタワーの先端部の材料と重量とを減少させ、したがって、コストを節約する。

風力タービン構造が、２０メートル以下の、好ましくは１０メートルと１８メートルの間の、例えば１２メートル又は１５メートルの、回転中の風力タービン羽根の先端部の最も低い位置と海面との間の間隔を有するように、タワー高さが選択されてもよい。

一実施態様では、風力タービンは、測定された波高が閾値に等しいか又は閾値よりも低い場合に、通常動作モード（ｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ）で動作させられる。

風力タービンと、したがってローターは、低い波が検出される時に、例えば、測定された波高が閾値を超えない時に、通常動作モードで動作させられる。風力タービンは、測定された風速が定格風速又は公称風速以上であり且つカットアウト風速よりも遅い時に、通常動作モードで動作させられる。この通常動作モードでは、風力タービン羽根は、例えば公称出力を維持するために、予め決められた出力プロファイルにしたがってピッチングさせられる。採用随意に、ローターの速度は、さらに、予め決められた出力プロファイルにしたがって調節されてもよい。例えば、風力タービン制御ユニットのような制御ユニットが、風力タービンの動作を制御し、及び、したがって、測定された風速と測定された波高とに基づいてローターを制御し、したがって、許容可能な範囲内に波がとどまる限り、風力タービンが出力を発生させ続けることを可能にする。

さらに別の実施態様では、測定された波高が閾値に等しいか又は閾値よりも低い場合に、風力タービンは通常起動モード（ｎｏｒｍａｌ ｓｔａｒｔ−ｕｐ ｍｏｄｅ）で動作させられる。測定された風速が定格風速又は公称風速よりも遅く、及び、採用随意には、予め決められたカットイン風速に等しいか又はこれよりも速い時に、風力タービンは通常起動モードで動作させられる。この動作モードでは、風力タービン羽根は、予め決められた出力プロファイルにしたがって、例えば、最大出力を発生させるために、ゼロのピッチ角度にピッチングさせられる。このことが、上述したように、風力タービンが出力を発生させ続けることを可能にする。

一実施態様では、風力タービンは、測定された波高が閾値よりも高い場合に、停止モード（ｓｈｕｔｄｏｗｎ ｍｏｄｅ）で動作させられる。

高い波が検出される場合に、例えば測定波高が閾値を超える場合には、風力タービンと、したがってローターとが、通常動作モード又は起動モードから停止モードに切り換えられる。停止モードでは、制御ユニットは、風力タービン、例えば、その動力伝達装置を停止させ、したがって、風力タービンは出力を発生させない。採用随意に、出力変換器ユニットが、外部グリッド送電系統から切断される。風力タービン羽根は、フェザリング位置、即ち、風力タービン羽根上の負荷が最小に減少させられる位置にピッチングさせられる。さらに、例えば極端な風況、点検修理作業、後述する安全状況のような他の理由のために、又は、故障又は緊急事態が検出される場合に、風力タービンは制御ユニットによって停止モードに切り換えられてもよい。

停止モードでは、ローターはパーキング位置に回転させられ、及び、採用随意に、例えばローターロッキングシステムによって、この位置にロックされる。制動システム、例えば油圧式又は機械式の制動機構が、ローターの回転を制動する／停止させるために使用されてもよい。この代わりに、又は、これに加えて、逆転モードで動作させられる風力タービン羽根及び／又は発電機のピッチングが、ローターを制動し、及び、このローターをパーキング位置に回転させるために使用されてもよい。ローターと、したがって風力タービン羽根とが、測定された風速及び／又は波高、又は、点検修理作業のような他の理由に応じて、１つ又は複数の予め決められた位置にパーキングさせられてもよい。

風力タービンが２枚羽根型の風力タービンである場合には、この風力タービン羽根は、水平位置又は垂直位置にパーキングさせられるだろう。垂直位置では、風力タービン羽根は、風力タービンタワーに対して平行な方向に延び、及び、この場合には、風力タービン羽根のうちの１つの羽根が風力タービンタワーに沿って下方に延びる。水平位置では、風力タービン羽根は、風力タービンタワーに対して垂直方向に延びる。このことが、例えば、閾値を超える大きな波、又は、カットアウト風速を超える風速のような、極端な条件において、波が風力タービン羽根に衝突する危険性を減少させる。風力タービンが３枚羽根型の風力タービンである場合には、風力タービン羽根のうちの１つ羽根が、風力タービンタワーに対して垂直な位置にパーキングさせられるだろう。垂直位置では、その１つの風力タービン羽根は、風力タービンタワーに沿って下方に延びるか、又は、風力タービンタワーから上方に離れるように延びる。１つの風力タービンが、上方に、且つ、風力タービンタワーから離れる形に面する場合には、極端な条件において波が風力タービン羽根に衝突する危険性が減少させられる。

１つの特定の実施態様では、この方法は、さらに、洋上基礎に関連した予め決められた区域を監視することを含み、この場合に、風力タービンは、さらに、少なくとも１つの移動物体がこの区域内で検出される場合に、停止モードで動作させられる。

安全状況の発生時には、風力タービンは、例えば上述した水平位置又は垂直位置のような予め決められた位置にローターがパーキングさせられる停止モードで、動作させられる。制御ユニットに接続されている監視システムが、風力タービン構造からの予め決められた距離の範囲内の、あらゆる船舶、救助が必要な人間、又は、ヘリコプターさえも検出する。物体がこの距離範囲内に検出される場合には、制御ユニットは、上述したように、風力タービンを停止させる。監視システムは、風力タービンの周囲の安全ゾーン（ｓａｆｅｔｙ ｚｏｎｅ）を画定し、したがって、この安全ゾーン内に位置している船舶、海難者、又は、ヘリコプターに風力タービン羽根が衝突する危険性を減少させる。

この監視システムは、採用随意に、船舶、海難者、又は、ヘリコプターの方向及び速度を測定して、こうして、物体がその風力タービンに接近していることが測定される場合に、風力タービンだけが停止させられることを可能にする。あるいは、代替案として、船舶又はヘリコプター上に配置されている遠隔ステーション又は遠隔ユニットから送信される命令信号を制御ユニット又は監視システムが受信する場合に、風力タービンが停止させられてもよい。採用随意に、制御ユニットは、風力タービンのローターの方向配置（例えば、ヨー角）に対する上記物体の位置に応じて、及び／又は、検出される物体のタイプに応じて、垂直位置又は水平位置に風力タービン羽根を選択的にパーキングさせてもよい。さらに、測定された波高及び／又は風速も、風力タービン羽根のパーキング位置を測定するために使用されてもよい。

一実施態様では、この配置段階は、さらに、風力タービンに対する到達を実現する外部梯子の反対側にローターが配置されているパーキング位置にナセルをヨーイング（ｙａｗｉｎｇ）させることを含む。

ナセルは、例えばヨーロッキングシステム（ｙａｗ ｌｏｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）によって、予め決められた位置にヨーイングさせられており、及び、採用随意にこの位置にロックされている停止モードの状態にある。ナセルは、風力タービン内に配置されているヨーシステムを使用して能動的にヨーイングさせられるか、又は、ローターに作用する風を使用して受動的にヨーイングさせられてもよい。ナセルと、したがってローターとが、風力タービン構造に対する到達を実現する外部梯子又は別のボート上陸構造（ｂｏａｔ ｌａｎｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の反対側に位置させられてもよい。このヨーイングは、風力タービン羽根がパーキング位置に回転させられる前に、その最中に、その後に行われてもよい。このことが、風力タービン羽根が垂直位置にパーキングさせられている場合にさえ、風力タービンの外側プラットフォームに対する所定位置にあらゆる点検修理用船舶が移動することを可能にする。

本発明の目的は、さらに、
設置現場で設置されるように構成されている洋上基礎であって、風力タービンのための設置インターフェースを備える洋上基礎と、
洋上基礎上に設置されるように構成されている風力タービンタワーと、この風力タービンタワーの頂部上に設けられているナセルと、このナセル上に回転自在に取り付けられているローター
とを備え、
このローターは、ローターハブに取り付けられている少なくとも２つの風力タービン羽根を備え、この風力タービンは、さらに、この風力タービンの動作を制御するように構成されている制御ユニットを備え、及び、
少なくとも１つの測定ユニットが波高を測定するように構成されており、及び、この測定ユニットは、制御ユニットと通信するように構成されている
風力タービン構造において、
風力タービンは、さらに、測定された波高が予め決められた閾値を超える場合に、少なくとも２つの風力タービン羽根と海面との間の最大の間隔を有するパーキング位置にローターを位置させるように構成されており、及び、海面と少なくとも２つの風力タービン羽根の先端部の最も低い位置との間の距離が２０メートル以下である
ことを特徴とする
風力タービン構造によって実現される。

このことが、風力タービンタワーの重量と洋上基礎の重量とが、測定された波高にしたがって風力タービンを動作させることによって最適化されることを可能にする、風力タービン構造を実現する。この構成は、風速に応じて海面に対して風力タービンを上昇及び下降させるためのブラストシステムを不要にする。このことが、風力タービンタワーの高さと、したがって風力タービンのモーメントアームとが、従来の洋上風力タービンに比較して減少させられることを可能にする。一方、このことは、洋上基礎にもたらされる曲げモーメント及び力を減少させ、このことは、これらの力に対抗するために、より軽量であり及び／又はより小型である構造しか必要ではなく、これによって洋上基礎のコストを節約するということを意味する。

一実施態様では、洋上基礎は浮体式基礎である。

洋上基礎は、洋上位置に風力タービンを設置するために適している任意のタイプの洋上基礎であってもよい。この洋上基礎は、モノポール（ｍｏｎｏ−ｐｏｌｅ）、重力式基礎、トリポッド基礎（ｔｒｉｐｏｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）、ジャケット基礎（ｊａｃｋｅｔ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）、トリパイル基礎（ｔｒｉ−ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）、又は、浮体式基礎であってもよい。浮体式基礎は、少なくとも１つ、２つ、３つ、又は、４つ以上の浮力室を備える、任意のタイプの浮体式構造であってもよい。

一実施態様では、海面と最も低い位置との間の距離が１０メートルと１８メートルの間である。風力タービンは、従来の洋上風力タービンに比較して、短縮されたタワー高さを有する。風力タービンは、少なくとも０．５の、好ましくは０．５と０．９の間の、羽根長さとタワー高さとの間の比率を有するように構成されている。従来の風力タービンタワーは、風力タービン羽根の長さの少なくとも２倍のタワー高さを有するように設計されているので、従来の洋上風力タービンは０．５未満の比率を有する。さらに、従来の洋上風力タービンは、約１８メートルの極端な波が風力タービン羽根に衝突することが不可能であるように設計されることが多い。このことが、風力タービン羽根の先端部の最も低い位置と海面との間の距離が減少させられることを可能にする。このことは、さらに、タワー高さが減少させられるのに応じて、ナセルの傾斜速度及び加速度を減少させ、したがって、風力タービンタワーの先端部の材料と重量とを減少させ、このことがコストを減少させる。

風力タービン構造が、２０メートル以下の、好ましくは１０メートルと１８メートルの間の、例えば１２メートル又は１５メートルの、回転中の風力タービン羽根の先端部の最も低い位置と海面との間の距離を有するように、タワー高さが選択されてもよい。

一実施態様では、少なくとも１つの測定ユニットは、風力タービン構造上に配置されているか、又は、洋上基礎に対して相対的に配置されている。

測定ユニットは、波高を測定することが可能であるように、洋上基礎又は風力タービンに対して相対的に配置されるように構成されている。この測定ユニットは、レーダー、カメラ、電磁送信機及び受信機、又は、波高を無線で測定するための他の適切な測定手段を備えてもよい。この測定ユニットは、さらに、測定手段からのデータを処理して波高又は波高を表す信号を決定するための、例えばマイクロプロセッサー又は別の電子回路のような、任意の適切な処理手段を備えてもよい。あるいは、代替策として、測定ユニットは、例えば、波センサー、ソナー、ジャイロスコープ、１つ又は複数の加速度計、ＧＰＳユニット、又は、別の適切な測定ユニットのような、海面又は予め決められた深さに配置されるように構成されているブイ又は別の浮力要素を備えてもよい。この代わりに、この測定ユニットは、上向きソナー（ｕｐｗａｒｄ ｌｏｏｋｉｎｇ ｓｏｎａｒ）のように、海底に配置されるように構成されてもよい。２つ以上の測定ユニットが、波高を測定するために使用されてもよい。１つ又は複数の測定ユニットが、電気ケーブル又は無線接続によって制御ユニットに接続されてもよい。

一実施態様では、風力タービン構造は、さらに、洋上基礎に対する予め決められた区域を監視するように構成されている少なくとも１つの監視ユニットを備え、及び、この少なくとも１つの監視ユニットは、この区域内の少なくとも１つの移動物体を検出するように構成されている。

この監視ユニットは、風力タービン上に又は洋上基礎上に配置されており、及び、風力タービン構造からの予め決められた距離の範囲内の物体を検出するように構成されている。この監視ユニットは、風力タービンの周囲の監視区域を画定し、及び、この監視区域内に位置した船舶、海難者、大きな氷塊、又は、さらにはヘリコプターさえも検出するように構成されている。この監視ユニットは、監視区域内の物体を検出するためのレーダー、カメラ、送信機及び受信機、又は、他の適切な監視手段を備えてもよい。この測定ユニットは、さらに、データを処理するための、及び、監視区域内に物体が位置しているかどうかを決定するための、例えばマイクロプロセッサー又は別の電子回路のような、任意の適切な手段を備えてもよい。この制御ユニットは、有線又は無線接続を介して監視ユニットと通信するように構成されている。このことが、物体が風力タービンに過剰に接近した位置にあるか又は風力タービンに接近している場合に、浮力タービンが停止させられるので、風力タービンの周囲の安全性を向上させ、及び、こうして、物体に風力タービン羽根が衝突する危険性を減少させる。

代替策として、又は、追加的に、監視ユニットは、採用随意のＧＰＳ受信機と、船舶又はライフジャケット又はヘリコプター上に位置した１つ又は複数の外部ユニット、又は、１つ又は複数の外部中央ステーションと通信するように構成されている通信モジュールとを備えてもよい。この通信モジュールは、超高周波（ＶＨＦ）信号を介して外部ユニット又は外部ステーションと通信してもよい。この外部ステーション及び／又は外部ユニットは、船舶監視システム（ＶＭＳ）、船舶自動識別システム（ＡＩＳ）、船舶交通サービス（ＶＴＳ）、又は、別の関連システムの一部分を形成してもよい。このことが、少なくとも受信された位置データに基づいて、船舶、ヘリコプター、又は、人間が監視区域内に位置しているかどうかを監視ユニットが測定することを可能にする。このことは、さらに、監視区域内に位置しているあらゆる船舶又はヘリコプターに対して、又は、さらには、船舶交通監視システムのような外部システムに対して、監視ユニット又は制御ユニットが風力タービンの位置データを送信することを可能にする。

一実施態様では、風力タービンは、監視ユニットから制御信号が受け取られない場合に、通常動作モードで動作するように構成されており、及び、上記制御信号は、この区域内に位置している少なくとも１つの移動物体を示しているか、又は、風力タービンに対して接近していない少なくとも１つの移動物体を示している。

風力タービンの制御ユニットは、上述したように、この安全ゾーン内に物体が検出されない時に、及び／又は、上記物体が風力タービンに向かって移動していないと測定される時に、通常動作モードで風力タービンを動作させるように構成されている。この通常動作モードでは、制御ユニットは、出力を最大化するように、又は、風力タービンの公称出力を維持するように構成されていてもよい。制御ユニットは、監視ユニットからの１つ又は複数の適切な制御信号に基づいて、通常動作モードと停止モードとの間で切り換わるように構成されてもよい。上記制御信号は、１つ又は複数の移動物体がこの安全ゾーン内に位置しているか否か、及び／又は、検出される物体の１つ又は複数が風力タービンに接近中であるか否かを示してもよい。

一実施態様では、風力タービンは、測定された波高が閾値より低い場合に、通常動作モードで動作するように構成されている。

制御ユニットは、この通常動作モードでは、前述したように、予め決められた出力プロファイルにしたがって風力タービン羽根をピッチングさせるように構成されている。このピッチングは、制御ユニットに接続されている局所ピッチ制御システムによって行われてもよい。このことが、高い波が検出されない場合に風力タービンが出力を発生させ続けることを可能にする。風力タービンは、測定された波高が閾値を超える場合に、停止モードに切り換えられる。この構成では、運転不能時間（ｄｏｗｎｔｉｍｅ）は、最大許容可能波高のせいで、通常の洋上風力タービンの運転不能時間よりも長い。

一実施態様では、風力タービンは３つの風力タービン羽根を備える。

この構成における風力タービンは、少なくとも２つ又は３つの風力タービン羽根を備える。ローターが、下向きの風力タービン羽根の先端部と海面との間の最大間隔を伴って、予め決められた位置にパーキングさせられることが好ましい。２枚羽根型の風力タービンの場合には、このことが、風力タービン羽根を水平位置に回転させることによって実現される。３枚羽根型の風力タービンの場合には、このことが、風力タービン羽根の１つの羽根が風力タービンタワーから遠ざかる形に延びるように、風力タービン羽根の１つの羽根を垂直方向に回転させることによって実現される。このことが、風力タービン羽根が船舶又は別の物体に衝突する危険性を最小限に低下させる。このことは、さらに、ローターが受動的又は能動的に風向と整合し、及び、その風向が移動する時にそのローターが風向を追尾することを可能にする。

ローターは、採用随意に、下向きの風力タービン羽根の先端部と海面との間の最小間隔を伴って予め決められた位置にパーキングさせられる。２枚羽根型の風力タービンの場合には、このことが、風力タービン羽根を垂直位置に回転させることによって実現される。３枚羽根型の風力タービンの場合には、このことが、風力タービン羽根の１つの羽根が風力タービンタワーに沿って下方に延びるように、風力タービン羽根の１つの羽根を垂直方向に回転させることによって実現される。このことが、到来する風によって影響される全体的な表面積を減少させ、及び、この位置が、極端な風況又は点検修理作業に適している。

以下では、本発明を、添付図面を参照しながら単に例示の形で説明する。

洋上基礎上に設置された従来の風力タービンを示す。 本発明による風力タービン構造の例示的な実施形態を示す。 監視区域内の物体を検出するための監視ユニットの例示的な実施形態を示す。 波高を測定するための測定ユニットの第１の例示的な実施形態を示す。 波高を測定するための測定ユニットの第１の例示的な実施形態を示す。

以下において、図面が１つ１つ説明され、及び、図面に見て取れる様々な部品と位置とが、異なる図面において同じ番号を付けられるだろう。個々の図面に示されている部品及び位置の全ては、必ずしもその図面と共に説明されるわけではない。
図１は、洋上基礎２上に配置されている従来の風力タービン１を示す。この風力タービン１は、この図では、２枚羽根型の風力タービンとして示されているが、しかし、３枚羽根型の風力タービンを備えてもよい。風力タービン羽根３は、この図では、部分ピッチ羽根（ｐａｒｔｉａｌ−ｐｉｔｃｈ ｂｌａｄｅｓ）として示されているが、風力タービン羽根３は、フルスパン羽根（ｆｕｌｌ−ｓｐａｎ ｂｌａｄｅｓ）であってもよい。風力タービン羽根３は、ピッチ接合部（ｐｉｔｃｈ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）６を介して外側羽根部分５に連結されている内側羽根部分４を含む。風力タービン羽根３は、ナセル８に回転自在に取り付けられているローターハブ７に取り付けられている。ナセル８は、予め決められたタワー高さを有する風力タービンタワー９の頂部に配置されている。

この実施形態では、風力タービン１は、０．５未満の、風力タービン羽根３の羽根長さと風力タービンタワー９のタワー高さとの間の比率を有する。風力タービン羽根３の先端部の最も低い位置と海面１０との間に十分な大きな間隔が得られるように、ナセル８とローターハブ７は、海面１０に対して予め決められたハブ高さに配置されている。

この図では、洋上基礎２は浮体式基礎として示されているが、モノポール基礎、トリポッド基礎、ジャケット基礎、又は、重力式基礎のような異なるタイプの洋上基礎であってもよい。

図２は、本発明による、風力タービン１１と洋上基礎１２との例示的な実施形態を示す。この実施形態では、風力タービン１１は、風力タービン１よりも低いタワー高さを有する。

風力タービン１１は、風力タービン羽根３の羽根長さの２倍未満のタワー高さを有する風力タービンタワー１３を備え、したがって、その比率は０．５よりも大きく、好ましくは０．５と０．９の間である。この実施形態の風力タービン羽根３は、図１に示されている風力タービン羽根３と同じ羽根長さを有する。このことがモーメントアームを減少させ、及び、したがって、風力タービン１１の曲げモーメントを減少させ、このことがナセル８の傾斜速度及び加速度を減少させる。このことは、さらに、風力タービンタワー１３の材料とコストとを節約する。タワー高さの減少は、さらに、風力タービンタワー１３がより高い共振周波数を有することを意味し、及び、風力タービンタワー１３が共振による影響を受けることをより少なくする。

洋上基礎１２は、この図では浮体式基礎として示されているが、採用随意に、前述したように、任意のタイプの洋上基礎が使用されてもよい。この洋上基礎１２にもたらされる力と曲げモーメントは、タワー高さの減少としたがってハブ高さの減少との故に、洋上基礎２にもたらされる力と曲げモーメントよりも小さい。このことは、この実施形態における洋上基礎１２が、安定したプラットフォームを実現するために必要とされる質量がより少なくて済むので、洋上基礎２のサイズ及び／又は重量よりも小さいサイズ及び／又は重量を有するということを意味する。このことは、一方では、洋上基礎１２の材料とコストを節約する。

風力タービン羽根３の先端部と海面１０との間の間隔が、この実施形態では、２５メートル以下であり、好ましくは５メートルと２０メートルの間である。

図３は、１つ又は複数の係留ライン１５（例えば、アンカーチェーン）によって洋上基礎１２が海底１４に固定されている、洋上基礎１２上に配置されている風力タービン１１を示す。１つ又は複数の監視ユニット１６が洋上基礎１２上に配置されている。監視ユニット１６は、船舶のような、監視区域内のあらゆる移動物体１７を検出するように構成されている。監視ユニット１６は、例えばラジオ波のような電磁信号を送信し、及び、監視区域内に位置した物体１７からの反射信号を受信するように構成されているレーダーを備える。この監視ユニット１６は、さらに、受信信号を分析して、物体１７が監視区域内に位置しているか否かを決定するために、採用随意に、さらには、物体１７の方向及び／又は速度を測定するように構成されている、例えばマイクロプロセッサーのような電子回路を備える。このことが、風力タービン構造１１、１２の周囲の安全ゾーンを画定する。

監視ユニット１６は、監視区域を監視し、及び、物体１７が監視区域内に位置していることを示す信号又は命令を、風力タービン１１内に位置している制御ユニットに送信する。その次に、制御ユニットは、ローターが予め決められた位置にパーキングさせられる停止モードに、風力タービン１１を切り換える。このパーキング位置では、ローターと、したがって風力タービン羽根３とが、図３に示されている水平位置に回転させられ、及び、採用随意に、ローターロッキングシステムを使用してこの位置に位置させられる。このことが、風力タービン羽根３が偶発的に物体１７に衝突するという危険性を低下させる。監視ユニット１６が、物体１７が監視区域内に位置していないということを測定すると、第２の信号又は命令が制御ユニットに送られる。その次に、測定された風速に応じて、制御ユニットは、風力タービン１１とローターとを通常動作モード又は通常起動モードに切り換える。

図４は、基礎１２に対して相対的に配置されている測定ユニット１８の第１の例示的な実施形態を示す。この測定ユニット１８は、例えば、波センサー、ＧＰＳ受信機、又は、１つ又は複数の加速度計を使用して、公称海面に対する波高を測定するように構成されている。測定ユニット１８は、波の運動に追従するように、海面１０に位置させられるように構成されている例えばブイ型の要素のような浮体式要素１９を備える。この浮体式要素１９は、１つ又は複数の係留ライン２０によって海底１４に固定されている。この図では、１つの測定ユニット１８だけが示されているが、２つ以上の測定ユニット１８が使用されてもよい。

測定ユニット１８は波高を連続的に又は周期的に測定し、及び、有線接続又は無線接続によって風力タービン１１内の制御ユニットに測定信号を送信する。その次に、制御ユニットは波高を測定し、及び、この波高を予め決められた閾値と比較する。あるいは、代替案としては、測定ユニット１８は、波高を測定して、この波高を示す信号を制御ユニットに送る、マイクロプロセッサーのような電子回路を備える。閾値は１８メートル以下であってもよく、好ましくは５メートルと１５メートルの間であってもよい。測定された波高がこの閾値を超える場合には、制御ユニットが風力タービンを停止モードに切り換え、及び、ローターはパーキング位置に位置させられる。測定された波高が閾値よりも低い値に低下する時には、制御ユニットは、測定された風速に応じて、風力タービン１１とローターとを通常動作モード又は通常起動モードに切り換える。このことが、回転中の風力タービン羽根３に波が衝突する危険性を低下させる。

図５は、測定ユニットの第２の実施形態を示す。この測定ユニット２１は、この実施形態では、海底１４に配置されており、及び、有線接続又は無線接続によって風力タービン１１内の制御ユニットに接続されている。この測定ユニット２１は、例えば上向きソナーの形態のソナーを使用することによって、公称海面１０に対する相対的な波高を測定するように構成されている。

測定ユニット２１は、図５に点線で示されているように、例えば音響パルスのような音響信号を海底１０に向かって送信し、及び、海底１０からの反射信号を受信する。その次に、測定ユニット２１、又は、制御ユニットは、波高を測定する。その次に、測定された波高は、上述したように閾値と比較される。

本発明は、図示されている実施形態、又は、本明細書で説明されている実施形態に限定されず、及び、後述の特許請求項で説明されている本発明の範囲からの逸脱なしに、変更又は適合化されてもよい。

１ 風力タービン
２ 洋上基礎
３ 風力タービン羽根
４ 内側羽根部分
５ 外側羽根部分
６ ピッチ接合部
７ ローターハブ
８ ナセル
９ 風力タービンタワー
１０ 海面
１１ 風力タービン
１２ 洋上基礎
１３ 風力タービンタワー
１４ 海底
１５ 係留ライン、チェーン
１６ 監視ユニット
１７ 物体、船舶
１８ 測定ユニット、ブイ
１９ 浮体式要素
２０ 係留ライン
２１ 測定ユニット、ソナー

さらに別の特許文献では、風力タービンの制御システムがピッチ機構を制御し且つ波高センサーに接続されている風力タービンが開示されている（例えば、特許文献４参照。）。この制御システムは、この波高センサーからの測定データに基づいて波高を決定するように構成されている。この制御システムは、制御信号をピッチ機構に送り、及び、このピッチ機構は、高い波が検出される時に、風力タービン羽根を風の外へピッチングさせ、及び、ローターが失速することを生じさせる。その後で、風力タービン羽根は、３つの風力タービン羽根のうちの１つの羽根が風力タービンタワーに沿って下方に延びる位置にパーキングさせられる。この文献は、使用される基礎のタイプと、最も低い先端部位置と海面のような基準高さとの間の間隔とに関しては、全く言及していない。
さらに別の特許文献には、ポンプシステムに連結された浮力室を備える浮体式基礎の上に設けられている風力タービンが開示されている（例えば、特許文献５参照。）。この風力タービンの浮力は、検出された波高又は風速に応じて風力タービンの動作高さを変更するために調整される。波高又は風速が閾値を超えると、動作高さを減少させるために、ポンプシステムと浮力室とが水で満たされる。波高又は風速が閾値よりも低い値に低下すると、動作高さを増大させるために、ポンプシステムが再び起動させられ、及び、浮力室が空にされる。係留ケーブルの長さが、さらに、風力タービンが上昇又は下降させられるのに応じてウインチによって調整される。この解決案はポンプシステムとウィンチシステムとの使用を必要とし、このことが風力タービンシステムのコストと複雑性とを増大させる。

米国特許出願公開第２０１４／０２１９７９７Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第２０８０８９９Ａ１号明細書 米国特許第８１９２１６０Ｂ２号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０１１９３７０Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０１４０４２６Ａ１号明細書

Claims (15)

1. 風力タービン構造の重量を最適化するための方法であって、前記風力タービン構造は洋上基礎の上に設けられている風力タービンを備え、前記風力タービンは、少なくとも２つの風力タービン羽根とローターハブとを有するローターを備え、前記風力タービンは、さらに、風力タービンタワーを備え、
   ２０メートル以下である、海面と前記少なくとも２つの風力タービン羽根の先端部の最も低い位置との間の距離を有する、前記風力タービンを提供する段階と、
   少なくとも波高を測定する段階と、
   前記測定された波高にしたがって前記風力タービンを動作させる段階と、
   少なくとも前記測定された波高が予め決められた閾値を上回る場合に、前記少なくとも２つの風力タービン羽根と前記海面との間の最大間隔を有するパーキング位置に前記ローターを配置する段階とを含む、風力タービン構造の重量を最適化するための方法。
2. さらに、前記少なくとも２つの風力タービン羽根の１つの風力タービン羽根と前記風力タービンタワーのタワー高さとの間の比率を測定する段階を含み、前記風力タービンの前記比率は０．５よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記風力タービンは、前記測定された波高が前記予め決められた閾値以下である場合に、通常動作モードで動作させられることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記予め決められた閾値は１８メートル以下であり、好ましくは、８メートルと１８メートルの間であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記風力タービンは、前記測定された波高が前記予め決められた閾値よりも高い場合に、停止モードで動作させられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記洋上基礎に対する予め決められた区域を監視する段階をさらに含み、前記風力タービンは、さらに、少なくとも１つの移動物体がこの区域内で検出される場合に、前記停止モードで動作させられることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記ローターを配置する段階は、さらに、前記風力タービンに対する到達を可能にする外部梯子の反対側に前記ローターが配置されているパーキング位置にナセルをヨーイングさせる段階を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 風力タービン構造であって、
   設置現場で設置されるように構成されている洋上基礎であって、風力タービンのための設置インターフェースを備える洋上基礎を備え、
   前記風力タービンは、前記洋上基礎上に設置されるように構成されている風力タービンタワーと、前記風力タービンタワーの頂部上に設けられているナセルと、前記ナセル上に回転自在に取り付けられているローターとを備え、前記ローターは、ローターハブに取り付けられている少なくとも２つの風力タービン羽根を備え、前記風力タービンは、さらに、前記風力タービンの動作を制御するように構成されている制御ユニットを備え、
   少なくとも１つの測定ユニットが波高を測定するように構成されており、前記測定ユニットは、前記制御ユニットと通信するように構成されている、風力タービン構造において、
   前記風力タービンは、さらに、測定された波高が予め決められた閾値を超える場合に、前記少なくとも２つの風力タービン羽根と海面との間の最大間隔を有するパーキング位置に前記ローターを配置するように構成されており、海面と前記少なくとも２つの前記風力タービン羽根の先端部の最も低い位置との間の距離が２０メートル以下であることを特徴とする風力タービン構造。
9. 前記洋上基礎は浮体式基礎であることを特徴とする請求項８に記載の風力タービン構造。
10. 前記海面と前記最も低い位置との間の距離は、１０メートルと１８メートルの間であることを特徴とする請求項８又は９に記載の風力タービン構造。
11. 前記少なくとも１つの測定ユニットは、前記風力タービン上に配置されているか、又は、前記洋上基礎に対して配置されていることを特徴とする請求項８又は１０に記載の風力タービン構造。
12. 前記風力タービン構造は、さらに、前記洋上基礎に対する予め決められた区域を監視するように構成されている少なくとも１つの監視ユニットを備え、前記少なくとも１つの監視ユニットは、この区域内の少なくとも１つの移動物体を検出するように構成されていることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の風力タービン構造。
13. 前記風力タービンは、前記少なくとも１つの監視ユニットから制御信号が受信されない場合に通常動作モードで動作するように構成されており、前記制御信号は、この区域内に位置している少なくとも１つの移動物体を示すか、又は、少なくとも１つの移動物体が前記風力タービンに接近していないことを示すことを特徴とする請求項１２に記載の風力タービン構造。
14. 前記風力タービンは、前記測定された波高が前記予め決められた閾値よりも低い場合に、通常動作も−ドで動作するように構成されていることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の風力タービン構造。
15. 前記風力タービンは３つの風力タービン羽根を備えることを特徴とする請求項８〜１４のいずれか１項に記載の風力タービン構造。

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