JP2023511484A - 風および／または波および／または海流由来の電力の発電機を支持するフローティングプラットフォーム - Google Patents

風および／または波および／または海流由来の電力の発電機を支持するフローティングプラットフォーム Download PDF

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Abstract

風および／または波および／または海流由来の電力の発電機を支持するフローティングプラットフォーム風、波、海流由来の電力の発電機を支持するためのフローティングプラットフォームで、円形または多角形の外周を持つほぼ円盤状の一般的構成を採用し、そのサイズを最適化し、したがってその重量と同様にその生産コスト、およびその他の関連する複雑性を実質的に低減する。海洋波の動きと共振する可能性を排除し、したがって、設置された機器を損傷せず、転倒せず、風力発電機、波力発電機、海流発電機の許容最大リストを超えず、すべてその深さまたは高さ（１３）とその直径（１４）の間の比率により、可能な最大サイズの波に耐え、０．０６～０．３５の間である。

Description

［本発明の目的］
本発明の目的は、発明の名称に記載されたように、円形または多角形の外周を有する概して円盤状の構成を採用し、風、海流および波エネルギーを、これまでのものよりも実質的に収益性が高く、持続可能な方法で収集し、フローティングプラットフォームおよびその機器が転倒したり損傷を受けたりしないように設計した、異なる種類の発電機を支持するためのフローティングプラットフォームである。
本発明は、その特殊で入念な構成および設計、特にその寸法に特徴があり、そのためプラットフォームはその寸法およびコストに関して最適な結果となり、同様にその流体力学的特性にも特徴があり、そのおかげでその安定性は実質的に改善されている。
したがって、本発明は、風、波、海流のエネルギー発生装置を海面上に支持および設置する手段の分野に含まれる。
図１から、海洋風力発電機の支持および安定化のための以下の示された様々な方法を参照できる。
－（１）、（２）従来の固定式プラットフォーム；
－（３）ジャッキアップタワー式プラットフォーム；
－（４）、（５）張力脚式フローティングプラットフォーム；
－（６）スパー式プラットフォーム；
－（７）、（８）半潜水型プラットフォーム；
－（９）ドリルシップ上のプラットフォーム
－（１０）海底棚に支持され、海底面上の採掘施設と連結されたプラットフォーム。
図２は「スパー」式の張力脚式半潜水船（１１）、図３は「バージ」式のプラットフォーム（１２）（本発明が属するグループ）の異なる係留システムを示している。
これらについて、アメリカの著名な技術者であるジェイソン・ジョンクマンは次のように述べている。
－「スパー」式は静的な傾斜角が大きいので、特別な機械的プロジェクトが必要である。
－「バージ」式は、風と波との組み合わせでナセルが大きく動くのが特徴である。そのため、タービンに適したプロジェクトが必要であるが、コストが高くなり、代替的な解決手段で動きを滑らかにする必要がある。しかし、膨潤が小さくなると、その負荷はかなり軽減される。
－また、「スラミング」のリスクにも注意されるべきである。
－スパー式は動きが少ないが、非線形な力が発生するため、より高度な工具が必要となる。
－これらのフローティングシステムの製造は、量産されるため、最適化することができる。
－タービンブレードのピッチを巧みに変化させて前後方向の揺れを減らすなど、波のランダムな動きに対するタービン／プラットフォームの組み合わせの反応を制御する工夫が必要である。しかし、これらのプラットフォームは、実行および組立が複雑で、コストも非常に高いため、応用範囲および将来的な利用可能性がかなり制限されている。
先行技術は、海洋風力発電機および他の海洋エネルギー発電機を支持するための多目的円盤状フローティングプラットフォームを開示する特許第ＥＳ２６５０２７５ Ｂ１号で明らかにし、このプラットフォームは、波および／または海流または潮流によって駆動する風力タービン発電機または発電機を支持するフローティングプラットフォームであるとし、ここで、その重量は他のプラットフォームの重量よりもかなり少ないと述べている、５％未満の高さと直径の比率を有すると主張している。
このプラットフォームは、求められている要件を満たしてはいるものの、明らかに改善の余地がある態様がいくつかある。実際、一方では、前述のプラットフォームの高さと直径の比率では、必然的に比較的大きな半径を持たなければならず、その結果、寸法が大きくなり、材料の量が多くなり、したがって環境への影響が大きくなり、その結果、製造、試験、輸送コストが著しく高くなるのである。さらに、波の周期などの他の要因も考慮されていないため、プラットフォームが共振に入り、さらに転倒する可能性もある。
固体は、休止状態から乱されると、励起されて固有周波数と呼ばれる一定の周波数で振動する傾向がある。固有周波数ごとに、固体はモード形と呼ばれる特定の形状を取得する。周波数解析は、固有周波数とそれに関連するモード形を計算する。波を出す源の周波数と共振器（振動する物体）の固有周波数とが一致したとき、共振と呼ばれる状況になる。共振とは、物理的なシステムがある周波数でより大きな振幅で振動する傾向として定義される。プラットフォームは、４５度、６０度、またはそれ以上のリストで振動が増幅されると、この動きがさらにプラットフォームの転倒の原因になることもある。
したがって、本発明の目的は、特許第ＥＳ２６５０２７５ Ｂ１号に開示されたフローティング円盤状プラットフォームに関して述べられた欠点、基本的にその過剰なサイズ、したがってコストおよび関連する複雑性、同様に海洋波の動きと共振し、さらには転倒する可能性に関して、前述の欠点を克服し、海面上での安定性に機能するすべての可能な要因を考慮したプラットフォームを開発することである。このプラットフォームは、以下に述べる特徴を有し、その本質的性質は請求項１に記載されている。
本発明の目的は、風力タービン発電機、或いは潮流の動きまたは波の波状動作を利用した発電機など、あらゆる種類および本質の海洋発電機を支持するためのフローティングプラットフォームである。
円盤状で、外周は円形または多角形であって、施工の容易性だけを考えて選択する。
アンカーで固定し、規則正しく配置されるため、どこから波が来ても同じ表面となる。しかし、（風力発電機を収容する）ナセルが旋回することで、どの方向から風が吹いてもそのエネルギーを吸収することができる。
波および流れによって駆動される発電機は、この目的のために特別に設計された装置で、縦軸ロータ（波）または横軸（流れ）、或いは水線高さのプラットフォームの周辺に配置され、予測されるエネルギーの収集を実行できるその他の装置で構成される。
本発明の目的であるプラットフォームの設計には、後述する以下の要素、およびそれらの相互関係が考慮されている。
－半径（ｍ）、
－深さ（円盤の高さ）（ｍ）、
－バルワーク（防波堤として機能する非水密性の上部構造物）（高さはメートル単位である）、
－キール（スカートのような非水密性の下部構造物で、海水を取り囲む）（高さはメートル単位である）、
－海面からバルワークまでの距離（ｍ）、
－吃水（円盤の高さのうち水没している部分）（ｍ）、
－ブレード、ハブ、ナセルの重量（ＭＴ）、
－タワーの重量（ＭＴ）、
－バルワークおよびキールの重量（ＭＴ）、
－計算した円盤の重量（ＭＴ）、
－キールを除いた円盤の体積（ｍ３）、
－固定式バラスト（ＭＴ）、
－Ｐ＝排水量（ＭＴ）（すべての重量の合計）、
－円盤の慣性力（π＊Ｒ４）／４（ｍ４）、
－（Ｉｇ）、重心に対するすべての慣性力の合計とした組立の慣性力、
－プラットフォームの総重量（ＭＴ）（円盤の重量と固定バラストの重量との合計）、
－波高のアークタグを波の長さの半分で割ったものに等しい弧度で表した波の角度、
－度数および弧度で表した角度のリスト（最大リスト）。
安定性の検討では、発電機のブレードに対する風の作用、組立に対する膨潤、慣性力、重心、浮揚慣性力、メタセンタ高さ、浮力中心などのすべて相互関係が考慮され、以下の式で与えられている。
推力ヒーリングレバー＝（発電機の重心からの距離－組立の重心からの距離）×発電機軸の推力（ＭＴ×ｍ）。直進レバー＝排水量（Ｐ）×（メタセンタからの距離－組立の重心からの距離）×（ＭＴ×ｍ）、Ｐ×（ｒ－ａ）で表される。
Ｔ＝は周期で、単位は秒を単位として表されている。
質量（Ｉｇ）、安定性（Ｐｘ（ｒ－ａ））と式で関係している。
Ｔ＝ｋ＊２＊π＊［Ｉｇ／（Ｐ＊（ｒ－ａ）＊ｇ）］１／２
Ｋ＝様々な流体力学的試験で確立された係数で、問題の浮体、船またはプラットフォームが水中で振動するときに関連する水の質量による追加の慣性力を含んでいる。
波の周期が８～２０秒の間で変化することから、少なくともこのプラットフォームの周期は１５秒超でなければならないと判断された。これは、膨潤の最小周期よりも５０％以上多く、共振現象を防ぐために最小とされる割合である。
上記のすべての式と考慮されたパラメータは、可能な限り小さなサイズ、したがって同様にコストと複雑性に関して求められた条件を満たし、設置された機器に対して許容可能な風によるリストを持ち、常に海面に「接着」されているためスラミングが発生せず、海洋波の動きと共振する可能性を防ぎ、したがって、設置した機器を損傷せず、決して転倒しないほぼ円盤状のフローティングプラットフォームを設計することが可能である。
前述の条件を満足のいくように解決するために、安定性計算と縮尺モデル試験が行われた。これは、参照ＯＴＩ２４６０を用いて流体力学試験運河でのモデルおよびプロトタイプ（下表による）の（慣性力と重力の関係で、速度と重力の長さの積の平方根との商で表される）フルード数の等しさで定義されている。適切なアンカーシステムを装備し、入射波センサ、相対波センサ、加速度計、ロードセル、カメラを備えた光学モニタリングシステム（Ｋｒｙｐｔｏｎ）を使用して、プラットフォームが受けた１８種類の規則的および不規則的な波浪を撮影しました。
モデルとプロトタイプとの間の寸法リスト
Figure 2023511484000002
 実行した計算およびその後の流体力学試験での検証を考慮すると、フローティングプラットフォームの深さまたは高さと、バルワークおよびキールを除いたその直径との間の比率は、０．０６～０．３５の間となる。
上記の計算をすべて検証するために、プロトタイプを製作し、流体力学試験を行った。最初の試験は、いわゆる「消滅試験」、または計算の検証で、次に１５（サービス）から３（エクストリームまたはサバイバル）まで１８種類の膨潤を作り出し、これらをすべて克服した。そのサバイバル膨潤は、北大西洋で発生する最大膨潤にほかならない。前述の試験により、浮体の正しいサイジング、重量と推力分布、慣性力、浮力、波状動作への反応、アンカーシステム、鉛直および水平方向の加速度、速度、周期などが判明された。
この試験は、最も厳しい極限に設定されているため、非常に大きな意味を持っているが、他にも中間的な状態が多く、要件に応じて比率を変えてもよいため、我々は一点ではなく、集団で取り組まなければならない。
試験したプラットフォームの寸法は半径２０ｍ、深さ７．６２ｍ、バルワーク２．８７ｍ、キール２．８７ｍである。吃水は４．１４ｍである。水線からバルワークの上端までの距離は６．３５ｍである。このサバイバル試験は無発電で行われたため、風によるリスト角はゼロである。
この寸法でサバイバル試験に合格した事実は、測定された最大入射波が７．３３ｍであったことから、６．３５ｍの高さで十分であったことを示している。
このデータをもとに、プラットフォームのサイズを風力推力６ＭＷ（９２２ｋＮ）用に変更したところ、以下のような結果となった。
半径＝２０．５ｍ
深さ＝８．３６ｍ、また、バルワークおよびキールはそれぞれ３ｍであり、鉛直から２０°と４５°に傾斜している。構造の重量は８３１ＭＴである。バラストは３，５００ＭＴである。タワーおよびナセルの重量は８３７ＭＴである。バラストを含む総重量は５，１６８ＭＴである。吃水は３．８２ｍである。自然周期は２２．２３秒である。
安定性試験の結果には、風力エネルギーを最大限に利用した場合、６°のリストが存在することが表示されている。組立の重心から生成されるリストである。
サービス（サバイバルではない）膨潤のある入射波の高さが６．２９ｍであったので、水線からバルワークの上端までの自由高は、次のようになるはずである。
６．３５－（７．３３－６．２９）＝５．３１ｍ。
この距離と６゜リストの組み合わせで、新しい半径は２０．５ｍ、深さは８．３６ｍ、バルワークおよびキールはそれぞれ３ｍとなる。
可能な比率は次のようになる。
－バルワークまたはキールがない場合：８．３６／４１＝０．２０３．
注：－バルワークおよびキールはあるが、比率は深さを直径または長さで割ったもの由来であり、深さにバルワークおよびキールを加えたものではない。
－デッキをバルワークの高さまで上げて鉛直に設定した場合：１１．３６／４１＝０．２７７
－デッキを上げ、デッキ下部または基部をキールまで下げて鉛直に設定した場合：１４．３６／４１＝０．３５０
逆に深さを浅くし、キールおよびバルワークの高さを高くして、比率を適切であると考えられるほど小さくすることも可能であるが、実行不可能な場合もある。
したがって、０．０６とすると、深さは４１×０．０６＝２．４６ｍ、バルワークは（１４．３６－２．４６）／２＝５．９５ｍ、キールも５．９５ｍなので、深さ＋バルワーク＋キールの合計＝１４．３６ｍとなる。
このような寸法では、片持ち梁の高さが高すぎるため、波の衝撃および海中での動きに対する構造的な抵抗が不足する可能性がある。しかし、この解決策は、小さな膨潤の場合には、キールおよびバルワークの高さを低くして選ばれる場合がある。
しかし、発電機の電力を、例えば、６ＭＷから１ＭＷに下げるなどすれば、同様のサイジングが可能になる場合がある。
したがって、比率が大きく変化することを念頭に置き、以下により決定される。
－プラットフォームが配置される場所の膨潤
－多かれ少なかれ強い風の状況
－発電機に吸収される電力プラットフォームの深さまたは高さとその直径との間の関係または比率は、０．０６～０．３５であり、その安定性に影響を与え得るすべての物理変数（風、膨潤の力、波の周期、プラットフォーム自体の周期、組立のリストなど）を考慮に入れた安定性要件を満たすと考えられる。
最後に、このプラットフォームは、以下に説明する手段のいくつか、またはそれらの組み合わせを備えることを特徴としているため、４．０または巧みとみなすことができることを述べなければならない。
－回転子ブレードは風の強さに応じてピッチを変えることができる；
－風の強さに応じて回転子ブレードのピッチを変えることができる。海水バラストの自動投入・放出手段により、プラットフォームの傾きを常に風の吹く方向に位置させることができる；
－船体の酸化を防止し、プラットフォームの耐用年数を通じて保護を維持するための、印加電流によるカソード保護手段；
－アンカーチェーンの張力を監視し、可能性がある故障または調整不良を遠隔で検出するための手段。
－気象台。
本明細書で使用されるすべての技術的および科学的要素は、他に示されない限り、この発明が属する技術分野の当業者によって通常理解される意味を有する。本発明の実施に際しては、本明細書に記載されたものと同様または同等の方法および材料を使用することができる。
本明細書および特許請求の範囲において、「備える」という用語およびその変形は、他の技術的特徴、添加物、構成要素または段階を除外することを意図していない。当業者にとって、本発明の他の目的、利点および特徴は、一部は説明から、一部は本発明の実施から推測されるであろう。
本明細書でなされる説明を補完するために、また、本発明の特徴をよりよく理解する目的で、その好ましい実用的な実施形態に従って、前記説明は、その不可欠な部分として、例示的かつ非限定的に、以下のものが表されている一連の図面が添付されている。
風力タービン発電機を海上にアンカーで固定するための様々な方法を示す図である。
半潜水型の「スパー」式アンカーを示す図である。
「バージ」式のプラットフォームを示す図である。
異なる構造の態様が参照されるフローティングプラットフォームの側面図を示す図である。
フローティングプラットフォームの内部を参照することができる、追加の構造的態様を示す図である。
フローティング円盤モジュールの表現を示す図である。
以下、図に鑑み、本発明の好ましい実施形態について説明する。
図４では、フローティングプラットフォームの側面図を見ることができ、プラットフォームの深さまたは高さ（１３）、直径（１４）、吃水（１７）、水面とプラットフォームの底面の間の距離、同様に自由距離（１８）、これは海面とプラットフォームの上端の間の距離であると理解される、を示している。また、プラットフォームの外周を囲み、その表面への水の侵入を防ぐ傾斜したバルワークまたはプロファイル（１５）、さらに安定性を提供する傾斜したキールまたはスカート（１６）からなる、任意の追加補完的要素も多数表示されている。
図５は、見ることができるように、中心軸（１９）に対して半径方向に設置された一連の縦梁（２２）からなるフローティングプラットフォームの構造を示しており、縦梁（２２）は、プラットフォームにより大きな構造剛性を与えるために一連のストリンガー（２３）によって接続されている。さらに、各円形断面の最終スパンに設置された一連の横方向周囲補強材（２４）があり、前述のすべての要素は、海の外圧を補うために外部シェルまたは外部シース（２０）によって定義された内部空間に収容されている。
タワーは、一連のリブを有し、これらが縦梁と対応するように前述の要素が配置されるようにする。
図５および図６の詳細では、一連の角ばった補強材またはバルブフラット（２５）が見られるが、これらは外部プレートの内部に設置されている。
外部シース上の前記バルブフラット（２５）は、船のリブのように鉛直に設置され、一方、デッキとベース上のバルブフラット（２５）は、縦梁（２２）によって定義される中間空間に半径方向に設置されている。その目的は、開口部を小さくすることと、板厚を薄くすることである。
プラットフォームは、鋼、マリンスチールＡ、またはガラス繊維強化ポリエステル（ＧＲＰ）で製作されている。
一例として、前述の半径２０．５ｍ、高さ８．３６ｍの１２角形のプラットフォームでは、以下のように進める。
－材料：シート、プロファイル、バルブフラットで構成されるマリンスチールＡ、
－完全防水の放射状構造で、バルワークとキール（任意）があり、バルワークには雨水または飛沫が残らないよう、ドレインまたは自動逆流防止バルワークポート（船にあるものと同様）が設置されることを特徴とするべきである。
－１２個の同じモジュールが製造されるが、そのうちの１個は、他のモジュールと同様に１個だけでなく２個の縦梁（半径方向の鉛直構造）を持ち、横方向のストリンガまたは補強材とモジュールの端の縦方向の補強材、さらにリブによって基部、デッキ、サイドにバルブフラットが設けられるべきである。すべて外部シースで覆われている。
これらのモジュールは、ワークショップで構築され、船級協会によって承認された構築手順と詳細で溶接される。また、防錆塗料および防汚塗料を塗布するための表面処理を入念に行う（この処理は、水没部である外部水没部分にのみ行われる）。
１２個のモジュールは、その表面積と海に近いことから造船所のスリップウェイで、クレーンと構築用クレードルを使って、構築計画に従って組み立てられる予定である。
最後に水密試験を行って、海に進水させる。
次に、プラットフォームが浮いた状態で、タワーとナセルを設置し、バルワークの縦梁に鉛直方向の補強材を結合するか、デッキの縦梁がある部分に正確に結合して、組立に適切な構造的連続性を持たせる。
最後に、組立は、沖合確定場所まで牽引される。
この手順では、専用的な性質があるため、設置費用を大幅に節約することができる。
逆に、海底面に設置され、アンカーで固定されたプラットフォームは、浮かないため、相当トン数の資材を必要とし、生産コストが高く、さらに、この繊細な作業のために特別に建造された高価な船舶で輸送しなければならないため、その運搬・設置のための物流が非常に複雑となる。
一方、スパー式のフローティングプラットフォームは、高さと吃水が大きいため、平らにして輸送し、最終地点で補助船を使って鉛直に立てる必要があり、これも複雑でコストがかかる。
本発明の対象であるフローティングプラットフォームは、フローティングで吃水が小さくなっているため、単純な曳航によって輸送することができ、その配置に特別な操作を行う必要はない。一旦海上に設置すれば、すぐに使用できるため、「プラグ＆プレイ」プラットフォームとみなすことができる。この設置・操作の特性は、既存のものと比較して、本発明の物流にとって非常に重要である。
最後に、構造体は平行な縦梁で直線的に設計することもでき、本明細書で説明したものと比較して、タワーとの接続を変更することができることを述べておく。
本発明の本質を十分に説明し、さらにそれを実用化する方法を説明したが、その基本原理が変更、変化、修正されない限り、ここに述べたように、例として示したものとは詳細が異なる他の実施形態で実用化することができ、その保護は同様に適用されるものとすることをここに述べる。

Claims (7)

  1. 風および／または波および／または海流由来の電力の発電機を支持するためのフローティングプラットフォームであって、円形または多角形の外周を有するほぼ円盤状の一般的構成を採用し、円盤は高さまたは深さと直径とを有し、前記フローティングプラットフォームは前記フローティングプラットフォームの高さまたは深さと直径との間に０．０６～０．３５の比率を示す、フローティングプラットフォーム。
  2. 前記風および／または前記波および／または前記海流由来の電力の発電機を支持するためのフローティングプラットフォームであって、前記フローティングプラットフォームは、その内部構造が半径方向に設置された一連の縦梁からなり、前記フローティングプラットフォームにより大きな構造剛性を与えるために一連のストリンガによって接続され、さらに、外部シートパネルを強化する角度プロファイルまたはバルブフラットなどの一連の横方向周囲補強材を有する外部シェルまたは外部シースを備える、請求項１に記載のフローティングプラットフォーム。
  3. 前記風および／または前記波および／または前記海流由来の電力の発電機を支持するためのフローティングプラットフォームであって、前記フローティングプラットフォームは、前記フローティングプラットフォームの外周に影響を及ぼす可能性のある膨潤に対する挙動を改善することを目的とした防波堤として機能する多数のバルワークからなる追加の補完的要素を有する、請求項１または２に記載のフローティングプラットフォーム。
  4. 前記風および／または前記波および／または前記海流由来の電力の発電機を支持するためのフローティングプラットフォームであって、前記フローティングプラットフォームは、膨潤に対する挙動を改善するために、スカートとして機能するキールからなる追加の補完的要素を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のフローティングプラットフォーム。
  5. 前記風および／または前記波および／または前記海流由来の電力の発電機を支持するためのフローティングプラットフォームであって、前記フローティングプラットフォームは、縦軸ロータ（波）または横軸（流れ）、或いは水線の高さで前記フローティングプラットフォームの周辺に配置し、エネルギーの収集を実行できると予測できるその他の装置のいずれかである、この目的のために設計された装置で構成される、前記フローティングプラットフォームに連結した前記波および流れにより駆動する多数の電力発電機を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のフローティングプラットフォーム。
  6. 前記風および／または前記波および／または前記海流由来の電力の発電機を支持するためのフローティングプラットフォームであって、前記フローティングプラットフォームは、鋼、マリンスチールＡまたはガラス繊維強化ポリエステル（ＧＲＰ）から構築される、請求項１から５のいずれか一項に記載のフローティングプラットフォーム。
  7. 前記風および／または前記波および／または前記海流由来の電力の発電機を支持するためのフローティングプラットフォームであって、
    －前記風の強さに応じて回転子ブレードのピッチを変化させることができる機器、
    －海水バラストを投入・放出し、前記フローティングプラットフォームの傾きを常に前記風が吹いてくる方向に位置させるための自動手段、
    －船体の酸化を防止し、前記フローティングプラットフォームの耐用年数を通じて保護を維持するための、印加電流によるカソード保護手段、
    －アンカーチェーンの張力を監視し、可能性がある故障または調整不良を遠隔で検出するための手段、
    －気象台
    の特徴のうちの１つまたは組み合わせを有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のフローティングプラットフォーム。
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