JP2018504548A - 適応型水力発電タービンシステム - Google Patents

Abstract

【解決手段】 本発明は水力発電タービン（１２）又は他の電気部品のための基礎（１４）を備える適応型水力発電タービンシステム（１０）を提供するもので、基礎（１４）は４つの接地足部（２４）を有しており、そのうち少なくとも１つは、改良された安定性及び耐荷重能力を提供するべく４つすべての接地足部（２４）が海底に接触できることを確実にするように、基礎（１４）の残りの部分に対して変位可能である。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば海底又は他の水中支持体に設置される基礎に取り付けられ、これによって支持される水力発電タービンを備えた水力発電タービンシステムに関するものであり、基礎はシステムに改良された支持及び安定性を提供するために４つの接地足部を含み、基礎はさらに、４つすべての接地足部が海底に接触することを確実にするように適応されている。

近年、再生可能エネルギが前面に出てきており、太陽エネルギ、風力エネルギ、及び潮力発電を中心として多くのプロジェクトが開発されている。こうした代替的な形態のエネルギの中では、潮力発電が恐らく最も魅力的である。なぜなら、比較的断続的でありそのため信頼性の低い風力又は太陽エネルギとは異なり、潮流は完全に予測可能且つ継続的であるためである。

しかし、潮力エネルギを利用することには、とりわけ潮力発電機の設置及び保守に関して課題がある。例えば水力発電タービンは、まさにその動作の性質から、比較的速く流れる潮流の中に設置されなければならず、且つ高い確率で海底に設置されなければならない。

基礎とタービンとの合計の重量又は荷重のみによって海底に下降され、所定の位置に留まって、多数の海底接地足部又は脚部を通じて海底に作用するように適応された「重力式基礎」を用いることが知られている。重力式基礎には、配備の前に何ら敷地造成工事を要さないという利点がある。しかしながら、極限状態に際しては、そのような重力式基礎は、横滑り変位しやすい。そうした変位の結果、タービンが主たる潮流に対して不正確に配向され、それによってタービンの発電能力に悪影響が及ぼされるかもしれない。あるいは、著しい変位の場合には、タービンから電力を取り出す陸のグリッド接続にタービンを繋いでいる配線を損傷するおそれがある。

有利な形態の重力式基礎は３つの接地足部を有する三脚配置を利用しており、この三脚設計は３つすべての接地足部が自動的に海底に接触することを保証するので、初期配備の後、接地足部が完全に海底と接触してシステムの荷重に耐えるように機能することを確実にするための是正動作の必要が回避される。

しかし、上記の極限的な事象に加え、多数の適当な潮力サイトには、干潮と満潮とで流れが互いに正反対でないことを意味する「軸外」効果として知られるものがある。その結果、タービンの回転軸は、ある方向については潮流と一致し得るが、潮流が反対方向に流れるときには一致しないかもしれない。これは、三脚タイプの基礎を用いるときには問題となり得る。なぜなら、３つの脚部は概して、潮流がタービンの回転軸と同軸であるときに最大の安定性を提供するように配置／配向されているためである。つまり、潮流が方向を変えて「軸外」に流れるときには、不安定性が生じるおそれがある。

タービンを支持する基礎であって、この種の問題点に耐えることができ、且つより一層高エネルギのサイトにおける配備を可能にするものを設計するためには、重力式基礎が安定的になるように大型化することが必要であるが、これはすなわち、タービンを設置するために必要とされる海洋設備が大型化する（波止場地帯での動員のためより大型の配備船舶、より大きなウィンチ、より深い吃水が必要とされる）ことを意味する。その結果、重量がより重くなることになり、これは、システムの輸送及び配備に必要なより大型の揚重及び他の設備のための費用の増大に加え、バラストがより多くなって材料費を上乗せすることを意味する。大きさの増大に対処できる既存の設備を見つけることも困難である。

したがって、本発明の目的は、上述した従来技術の問題を克服することである。

本発明の第一の態様によれば、４つの接地足部を有する基礎を備える適応型水力発電タービンシステムが提供され、これは、前記接地足部のうち少なくとも１つが基礎に対して変位可能であることを特徴とする。

好適には、少なくとも１つの接地足部の変位は、基礎に対する接地足部の回転及び／又は並進運動の形をとる。

好適には、少なくとも１つの接地足部の変位は継手によって容易になり、少なくとも１つの接地足部はこの継手を中心として変位可能である。

好適には、継手はピボットを備える。

好適には、継手はピボットのない可撓性部材を備える。

好適には、継手は、少なくとも１つの接地足部の変位を容易にするために、塑性変形するように動作可能である。

好適には、継手は、基礎に対する少なくとも１つの接地足部の変位に応答して反力モーメントを発生させるように適応される。

好適には、継手は、基礎に対する少なくとも１つの接地足部の変位を一時的に可能にするように適応される。

好適には、システムは、少なくとも１つの変位可能な接地足部が基礎に対して固定化されることを可能にするように適応されたイモビライザを備える。

好適には、イモビライザは継手によって定義される。

好適には、イモビライザは硬化性部品を備える。

好適には、一対の接地足部が、基礎に対して変位可能であると同時に、互いに対して固定される。

好適には、基礎は、少なくとも一対の接地足部が設けられたメインフレームと、少なくとも１つの変位可能な接地足部が設けられたサブフレームとを備え、サブフレームはメインフレームに対して変位可能である。

好適には、サブフレームは、基礎に取り付けられたときに水力発電タービンの回転軸に略垂直に延伸する軸を中心として変位可能である。

好適には、サブフレームは、基礎に取り付けられたときに水力発電タービンの回転軸に略平行に延伸する軸を中心として変位可能である。

好適には、サブフレームはメインフレームに枢動可能に取り付けられたクロスメンバを備え、そのサブフレームから少なくとも１つの変位可能な接地足部が延伸する。

好適には、基礎は４つの脚部を備え、各脚部の自由端は接地足部のうち１つによって定義される。

好適には、システムは、基礎に対する少なくとも１つの接地足部の移動範囲を限定するように動作可能なリストリクタを備える。

好適には、リストリクタは、少なくとも１つの接地足部の回転変位を限定するように適応される。

本発明の第二の態様によれば、不均一な水中面に水力発電タービンシステムを配備する方法が提供され、この方法は、４つの接地足部を有する基礎を水中面に下降させるステップと、接地足部のすべてが水中面に接触するように、接地足部のうち少なくとも１つが基礎に対して変位されることを可能にするステップと、を含む。

好適には、この方法は、接地足部のうち少なくとも１つの変位を可能にするステップにおいて、少なくとも１つの接地足部が軸を中心として回転するのを可能にすることを含む。

好適には、この方法は、接地足部のうち少なくとも１つの変位を一時的に可能にすることを含む。

好適には、この方法は、接地足部のすべてが水中面と接触した後で、少なくとも１つの変位可能な接地足部を基礎に対して固定化するステップを含む。

好適には、この方法は、少なくとも１つの変位可能な接地足部を固定化するように硬化性部品が固まることを可能にするステップを含む。

本明細書において用いられる場合、「水力発電タービンシステム」という用語は、電気の発生のための潮力タービン、及び／又はそのような潮力タービンのうち１つ以上からの電気の発生を管理及び／又は調整する１つ以上の電気部品を備えるシステムをカバーすることが意図されており、このタービンシステムは、海底などの水中に配備された支持体に設置される基礎に取り付けられ得る。

本明細書において用いられる場合、「接地足部」という用語は、接地耐荷重要素を意味することが意図されており、脚部と一体的に脚部の単なる自由端としてであれ、接地足部を脚部に対して移動可能にする何らかの形状の節接続を通じてであれ、脚部の自由端に形成され、代替的には１つ以上のスパイク又は類似の地中要素の形をとり得る。

本明細書において用いられる場合、「継手」という用語は、システムの２つ以上の部分の間の接続部を意味し、この継手は、システムの２つの部分の間での相対移動を可能にする、互いに対して関節接続された剛性又はそうでない２つ以上の要素のほか、単一の可撓性又はそうでない変形可能な要素を組み込んでいてもよい。

本明細書において用いられる場合、「ピボット」という用語は、単一の回転軸によって定義される従来のピボットのほか、２つ以上の物理的な枢動軸によって定義され得る仮想的なピボットであって１つの仮想ピボット点を併せて定義するものを意味することが意図されており、これらは固定的又は可動であり得るほか、一方の要素の他方に対する回転を可能にする任意の他の配置をカバーする。

本明細書において用いられる場合、「一時的」という用語は、数年又は数十年にわたり使用され得る構成要素の全寿命に対して短い期間を意味することが意図されており、例えば数時間又は数日の期間をカバーし得る。

本発明の好適な一実施形態による水力発電タービンシステムの斜視図を図示する。 本発明による水力発電タービンシステムの代替的な一実施形態の斜視図を図示する。 図１に示された実施形態による水力発電タービンシステムの正面図を図示する。 図３の水力発電タービンシステムの一部を図示し、提供され得る任意選択的な構成要素を示す。 図１又は図２のいずれかの実施形態の水力発電タービンシステムの一部を形成する４つの接地足部のうち１つを図示する。

次に本発明の実施形態を、添付の図面を参照して説明する。

添付の図面のうち図１及び図３乃至図５を参照すると、本発明の一実施形態による水力発電タービンシステムが示されており、全体が１０として表示されている。水力発電タービンシステム１０は、重力式基礎１４に取り付けられた水力発電タービン１２を備えており、この重力式基礎は、タービン１２が好適には双方向でタービン１２を通る水の潮流に応答して電気を発生させることを可能にするようにタービン１２を支持するために、海底又は他の水中支持体に配備されることが意図されている。もっとも、これは好適な実施形態ではあるが、本発明は、重力式基礎とともに使用することに限定されることが意図されたものではない。タービン１２は、例えば並設されるときには、タービン１２のうち１つ以上によって発生される電気を処理及び／又は調整する１つ以上の電気部品（図示しない）に代えて省略されてもよく、以下の説明及び特許請求の範囲の目的では、「タービン」という用語は、そのような部品をカバーするものとして解釈されるべきである。

図示されるタービン１２は、ステータ内に収容されこれに対して回転するシャフトレスロータを有するタイプのものであるが、以下のシステム１０の構成及び動作の説明からは、タービン１２が、任意の他の適当な形態のもの、例えば、中心支持軸、露出された又は覆われていないプロペラタイプのロータ、又は任意の他の適当な代替物を有するものであってもよいことが察知されるであろう。同様に、間にタービン１２が取り付けられ得る一対の直立材２２を担持する相互接続されたフレーム部材２０という特定の構造の基礎１４が示されているが、以下の説明からは、基礎１４が、後述するように、一定の特徴及び機能が具現化されさえすれば任意の他の適当な構造であってもよいこと、ならびに基礎１４が、例えば電気の発生、調整、伝送、及び分配に関わる１つ以上の構成要素（図示しない）など、タービン１２以外のハードウェアを担持するために採用され得ることが察知されるであろう。

基礎１４は４つの接地足部２４、２４’を備えており、そのうち少なくとも１つ、及び図示される実施形態においてはそのうちの一対の接地足部２４が、基礎１４の残りの部分に対して、とりわけ残りの２つの固定された接地足部２４’に対して、変位可能である。接地足部２４のうち少なくとも１つが基礎１４の残りの部分に対して変位可能であることは、タービン１２を支持する際に、異常気象などの軸外又は他の不安定化効果の存否に関係なく、４つの接地足部２４、２４’すべてが耐荷重の役割を果たしてシステム１０全体に安定性の増大を提供することを確実にするべく、４つの接地足部２４、２４’すべてが海底又は他の水中支持体に接触することを保証する。

図示される実施形態においては、各接地足部２４、２４’は、対応する脚部２６の下側に設けられている。図示される実施形態においては、各接地足部２４、２４’は各脚部２６の下側によって定義されるが、接地足部２４、２４’のうち１つ以上が各脚部２６とは別個の構成要素として提供されてもよく、任意選択的に脚部に関節接続されてもよいことが察知されるであろう。また、接地足部２４、２４’のうち１つ以上は、海底又は他の水中支持体に沿った基礎１４の意図しない摺動変位を減少させるか又は無くすために、例えば図５に図示されるように、１つ以上のスパイク又は他の地面係合構成物又は地中構成物（図示しない）を含んでいてもよい。

図示される実施形態においては、基礎１４は、フレーム部材２０の三角形の配置を有し一対の脚部２６を含むメインフレーム２８を備えており、各脚部の下側には固定された接地足部２４’のうち１つがある。基礎１４はさらに、クロスメンバ３２を有するサブフレーム３０を備えており、クロスメンバの各端部には脚部２６のうち１つが設けられていて、各脚部の下側は変位可能な接地足部２４を定義する。サブフレーム３０は、回転、並進運動、又はこれらの組み合わせのいずれによるかを問わずメインフレーム２８に対して変位可能であるように、枢動式に又は他の方式でメインフレーム２８に取り付けられる。好適な実施形態においては、サブフレーム３０は、メインフレーム２８の頂点から突出するスタブアクスル３４に枢動式に取り付けられる。相対変位の際の摩擦を低減するために、サブフレーム３０とメインフレーム２８との間には、１つ以上の軸受（図示しない）が設けられてもよい。サブフレーム３０は、図示する実施形態においては、スタブアクスル３４によって定義される軸を中心として回転可能であり、この軸は、基礎１４に取り付けられたときにタービン１２の回転軸に略平行に延伸する。もっとも、サブフレーム３０の軸変位は任意の他の適当な又は所望の配向で配設され得ることが察知されるであろう。

上述した接地足部２４の対を基礎１４の残りの部分に対して変位可能とすることが有益である一方で、一旦海底に配備されたら、システム１０全体が安定的なままであるように、変位の程度を限定するのが好適である。したがって、基礎１４は、メインフレーム２８に対するサブフレーム３０の移動、とりわけ回転の範囲を限定するように動作可能なリストリクタ３６を備えていてもよい。リストリクタ３６は任意の適当な形状をとり得るが、図示される実施形態においては、リストリクタ３６は、間にクロスメンバ３２が取り込まれている一対の対向する機械的止め部３８の形状であり、これは多面的な表面を有していて、サブフレーム３０が水平位置から一方又は他方の方向に回転するにつれ、クロスメンバ３２はその表面に当接し得る。止め部３８は、サブフレーム３０の回転による所望の範囲の変位を許容可能なように設計されていてもよい。

リストリクタ３６は、所定の期間の後で固まってメインフレーム２８に対してサブフレーム３０を固定化する硬化性部品の形であり得ることも想定される。したがって、例えば前述の硬化性部品（図示しない）は、システム１０が海底又は他の水中支持体に配備されることを可能にするように設計されていてもよく、それによって、サブフレーム３０は、４つすべての接地足部２４、２４’が海底と接触するまで、メインフレーム２８に対して回転変位するであろう。硬化性部品はこの時点で固まり、メインフレーム２８に対してサブフレーム３０を固定化して、両者の間に剛性結合をもたらすと同時に、４つの接地足部２４、２４’のすべてを海底に完全に接触させ、ひいてはシステム１０を完全に支持させることを保証する。

メインフレーム２８とサブフレーム３０との間の相対変位はスタブアクスル３４により定義されるピボットの提供によって容易になるが、接地足部２４のうち１つ以上を基礎１４の残りの部分、特に固定された接地足部２４’に対して変位させることを可能にする任意の他の適当な配置又は設計が採用されてもよいことも理解されるべきである。例えば、メインフレーム２８とサブフレーム３０との間に変形可能な要素が設けられてもよいこと、そして例えばそれらの両構成要素の一方と一体に形成され得ることが想定され、この変形可能な要素は、メインフレーム２８に対してサブフレーム３０を変位可能とするように塑性変形又は弾性変形するように設計されてもよい。同様に、スタブアクスル３４が省略されてもよく、したがってメインフレーム２８とサブフレーム３０との間に固定接続又は非関節接続が存在する。そのような配置においては、クロスメンバ３２、又はその一部は、接地足部２４の一方又は両方が基礎１４の残りの部分に対して変位可能とするべく、塑性変形可能又は弾性変形可能であってもよい。

次に図２を参照すると、本発明の代替的な一実施形態による水力発電タービンシステムが図示されており、全体が１１０として表示されている。この代替的な実施形態において、同一の構成要素は同一の参照番号を付与されており、別段の記載がない限り同一の機能を実行する。システム１１０は、複数のフレーム部材１２０から形成された基礎１１４上に支持されたタービン１１２を備えており、基礎１１４は４つの脚部１２６をさらに備えていて、その各々の自由端が接地足部１２４、１２４’である。基礎１１４は、フレーム部材１２０のうちＴ字形状の構成の２つからなるメインフレーム１２８と、各端部に脚部１２６のうち１つが設けられたクロスメンバ１３２を有するサブフレーム１３０とを備える。サブフレーム１３０は、継手１３４によってメインフレーム１２８に対して回転変位するように配置される。図１に図示された実施形態とは異なり、図２のシステム１１０は、サブフレーム１３０が、動作の際に、タービン１１２の回転軸に略垂直に延伸する軸を中心として変位可能であるように設計されている。それでもなお、システム１１０は同一の機能性を具現化するものであって、４つの接地足部１２４、１２４’のすべてが海底に接触し、したがってシステム１１０の使用中の負荷に耐えることを確実にするように、１つ及び好適には一対の接地足部１２４が基礎１１４の残りの部分に対して変位されることを可能にする。

よって、本発明のシステム１０、１１０は、タービン又は他の構成要素を支持する基礎１４、１１４であって改良された耐荷重及び安定性を提供するために自動的にすべてが海底に接触する４つの接地足部２４、２４’、１２４、１２４’を有する基礎１４，１１４を設計する手段を提供すると同時に、基礎１４、１１４が事前又は事後の配備敷地造成を必要としない重力式基礎の能力の範囲内で用いられることを可能にする。これは、三脚又は３つの脚部を擁する基礎（図示しない）に比べ、安定性の顕著な向上をもたらす。三脚又は３つの脚部を擁する基礎は、特に「軸外」効果が存在するときに、数の低減された脚部に起因する海底に沿った摺動変位、転倒、及び３つの脚部を擁する配置の一般的な不安定性の影響をより受けやすい。

Claims (24)

1. ４つの接地足部を有する基礎を備える適応型水力発電タービンシステムであって、前記接地足部のうち少なくとも１つが前記基礎に対して変位可能であることを特徴とする、適応型水力発電タービンシステム。
2. 前記少なくとも１つの接地足部の変位は、前記基礎に対する前記接地足部の回転及び／又は並進運動の形をとる、請求項１に記載の適応型水力発電タービンシステム。
3. 前記少なくとも１つの接地足部の変位は継手によって容易になり、前記少なくとも１つの接地足部は前記継手を中心として変位可能である、請求項１又は２に記載の適応型水力発電タービンシステム。
4. 前記継手はピボットを備える、請求項３に記載の適応型水力発電タービンシステム。
5. 前記継手はピボットのない可撓性部材を備える、請求項３に記載の適応型水力発電タービンシステム。
6. 前記継手は、前記少なくとも１つの接地足部の前記変位を容易にするために、塑性変形するように動作可能である、請求項５に記載の適応型水力発電タービンシステム。
7. 前記継手は、前記基礎に対する前記少なくとも１つの接地足部の変位に応答して反力モーメントを発生させるように適応される、請求項３乃至６のいずれかに記載の適応型水力発電タービンシステム。
8. 前記継手は、前記基礎に対する前記少なくとも１つの接地足部の変位を一時的に可能にするように適応される、請求項３乃至７のいずれかに記載の適応型水力発電タービンシステム。
9. 前記少なくとも１つの変位可能な接地足部が前記基礎に対して固定化されることを可能にするように適応されたイモビライザを備える、請求項３乃至８のいずれかに記載の適応型水力発電タービンシステム。
10. 前記イモビライザは前記継手によって定義される、請求項９に記載の適応型水力発電タービンシステム。
11. 前記イモビライザは硬化性部品を備える、請求項９又は１０に記載の適応型水力発電タービンシステム。
12. 一対の接地足部が、前記基礎に対して変位可能であると同時に、互いに対して固定される、請求項１乃至１１のいずれかに記載の適応型水力発電タービンシステム。
13. 前記基礎は、前記少なくとも一対の接地足部が設けられたメインフレームと、前記少なくとも１つの変位可能な接地足部が設けられたサブフレームとを備え、前記サブフレームは前記メインフレームに対して変位可能である、請求項１乃至１２のいずれかに記載の適応型水力発電タービンシステム。
14. 前記サブフレームは、前記基礎に取り付けられたときに水力発電タービンの回転軸に略垂直に延伸する軸を中心として変位可能である、請求項１３に記載の適応型水力発電タービンシステム。
15. 前記サブフレームは、前記基礎に取り付けられたときに水力発電タービンの回転軸に略平行に延伸する軸を中心として変位可能である、請求項１３に記載の適応型水力発電タービンシステム。
16. 前記サブフレームは前記メインフレームに枢動可能に取り付けられたクロスメンバを備え、そのサブフレームから前記少なくとも１つの変位可能な接地足部が延伸する、請求項１３乃至１５のいずれかに記載の適応型水力発電タービンシステム。
17. 前記基礎は４つの脚部を備え、各脚部の自由端は前記接地足部のうち１つによって定義される、請求項１乃至１６のいずれかに記載の適応型水力発電タービンシステム。
18. 前記基礎に対する前記少なくとも１つの接地足部の移動範囲を限定するように動作可能なリストリクタを備える、請求項１乃至１７のいずれかに記載の適応型水力発電タービンシステム。
19. 前記リストリクタは、前記少なくとも１つの接地足部の回転変位を限定するように適応される、請求項１８に記載の適応型水力発電タービンシステム。
20. 不均一な水中面に水力発電タービンシステムを配備する方法であって、
    ４つの接地足部を有する基礎を前記水中面に下降させるステップと、
    前記接地足部のすべてが前記水中面に接触するように、前記接地足部のうち少なくとも１つが前記基礎に対して変位されることを可能にするステップと、
    を含む方法。
21. 前記接地足部のうち少なくとも１つの変位を可能にする前記ステップにおいて、前記少なくとも１つの接地足部が軸を中心として回転するのを可能にすることを含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記接地足部のうち少なくとも１つの変位を一時的に可能にすることを含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
23. 前記接地足部のすべてが前記水中面と接触した後で、前記少なくとも１つの変位可能な接地足部を前記基礎に対して固定化するステップを含む、請求項２０乃至２２のいずれかに記載の方法。
24. 前記少なくとも１つの変位可能な接地足部を固定化するように硬化性部品が固まることを可能にするステップを含む、請求項２３に記載の方法。