JP2023529726A

JP2023529726A - 浮体式風車

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Publication number: JP2023529726A
Application number: JP2022576405A
Authority: JP
Inventors: ヴィック，オッドムンド
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2023-07-11
Also published as: EP4165306A4; NO346067B1; WO2021251830A1; AU2021288250A1; EP4165306A1; NO20200689A1; US20230204013A1

Abstract

本発明は、浮体要素と風力タービンとを備える浮体式風車を提供する。前記浮体式風車はさらに、テンションレッグと、アンカーと、浮力要素と、スイベルと、クロスバーとを備えることを特徴とし、前記スイベルは前記浮力要素に配置されている。稼働中には、前記浮体式風車は、前記風力タービンが海水面より上方に伸びる前記浮体要素の上端に設けられ、前記浮体要素の下端またはその一部が海中に位置し、前記クロスバーの一端が前記浮体要素の下方部または端部に接続され、前記クロスバーの他端が前記浮力要素に接続され、前記浮力要素の全体が好ましくは作業船および／または海上輸送船の水面下の安全な喫水深さを確保しながら海中に位置し、前記テンションレッグが前記浮力要素と海底の前記アンカーとの間に配置されるように構成される。前記浮体式風車は、上端に前記風力タービンを備えた前記浮体要素が前記浮力要素の周りで外力に応じて自由旋回できるように構成され、海流、風、および波による力が弱い低力状態では、前記浮体要素、前記浮力要素、および前記テンションレッグが実質的に垂直方向を向き、前記クロスバーが実質的に水平方向を向き、海流、風、および波による力が強い高力状態では、前記浮体要素、前記クロスバー、前記浮力要素、および前記テンションレッグの形状が前記力によって伸張され、横になったＳ字構成のような形状となり、前記形状の変化と動的挙動とにより、極度な応力レベルが軽減される。【選択図】図１

Description

本発明は、浮体式風力タービンとも称される浮体式風車などのアンカー固定型浮体式構造物に関する。より具体的には、本発明は、製造、輸送、設置、および保守に要するコストを少なくとも２０～３０年の推定寿命にわたって平準化した場合、生成される電気エネルギーと比較してコストが削減できる浮体式風車に関する。

浮体式風力エネルギーのコストを低減できれば、より環境に優しいエネルギーへの移行が促進されることになる。これにより、沖合の広大な地域を、浮体式風車によって生成される電気エネルギーのために利用することが可能になる。浮体式エネルギーアイランドや浮体式インフラストラクチャハブによっても、より環境に優しいエネルギーへの移行が促進される。

浮体式風車に関する最新技術としては、Ｈｙｗｉｎｄ、ＷｉｎｄＦｌｏａｔ、およびＳｗａｙが挙げられる。しかしながら、コストが浮体式風力の利用を制限する要因となっており、構想を経済的に実行可能にするためには、財政的な助成が依然として必要となっている。

コスト低減につながる新しい風車は、より環境に優しいエネルギーへの移行に有益となる。本発明の目的は、そのような新しい風車を提供することである。新しい浮体式エネルギーアイランドまたはインフラストラクチャハブによっても、より環境に優しいエネルギーへの移行が促進される。本発明のさらなる目的は、前記浮体式エネルギーアイランドまたはインフラストラクチャハブを提供することである。

本発明は、浮体要素と風力タービンとを備える浮体式風車を提供する。前記浮体式風車はさらに、テンションレッグと、アンカーと、浮力要素と、スイベルと、クロスバーとを備えることを特徴とし、前記スイベルは前記浮力要素に配置され、稼働中の前記浮体式風車は、前記風力タービンが海水面より上方に伸びる前記浮体要素の上端に設けられ、前記浮体要素の下端またはその一部が海中に位置し、前記クロスバーの一端が前記浮体要素の下方部または端部に接続され、前記クロスバーの他端が前記浮力要素に接続され、前記浮力要素の全体が好ましくは作業船および／または海上輸送船の水面下の安全な喫水深さを確保しながら海中に位置し、前記テンションレッグが前記浮力要素と海底の前記アンカーとの間に配置されるように構成され、上端に前記風力タービンを備えた前記浮体要素が前記浮力要素の周りで外力に応じて自由旋回でき、海流、風、および波による力が弱い低力状態では、前記浮体要素、前記浮力要素、および前記テンションレッグが実質的に垂直方向を向き、前記クロスバーが実質的に水平方向を向き、海流、風、および波による力が強い高力状態では、前記浮体要素、前記クロスバー、前記浮力要素、および前記テンションレッグの形状が前記力によって伸張され、横になったＳ字構成のような形状となり、前記形状の変化と動的挙動とにより、極度な応力レベルが軽減される。

好ましい一実施形態では、浮体要素はスパーブイである。

他の好ましい実施形態では、浮体要素は、１つ、２つ、３つ、４つまたはそれ以上の風車タワーを有する四角形あるいは三角形、多角形、楕円形または円形の浮体式あるいは半潜水式構造である。

浮体要素の水中部分は、クロスバーが接続されている位置よりも下まで長く延ばされていることが好ましく、そうすることで、タービンブレードへの風の負荷によって浮体要素が風下方向へ傾斜してしまうことを抑制または防止できる。タービンブレード面の角度を風向に対して実質的に垂直に維持することにより効率が高められる。

浮体要素の「垂直方向」および「クロスバーは、浮力要素と浮体要素との間で実質的に水平方向を向いている」という用語は相対的な意味であり、必ずしも文字通りに厳密な意味での垂直または厳密な意味での水平を意味するわけではない。スパーブイを浮体要素として使用しかつ低力状態の場合は、文字通り説明した用語の通りになる。他の浮体要素の場合には用語は相対的な意味となるが、高力状態における力によって横になったＳ字のような形状となる動的な「伸張」については本質的な特徴として保持される。このことは、クロスバーの向きが変化することでクロスバーの上方の浮体要素に対する角度が開かれるので、高力状態でも浮体要素が垂直の向きを保持する実施形態についても当てはまる。浮体要素が三角形、多角形、四角形、長方形、またはその他の形状の浮体構造物で、１つ、２つ、３つ、またはそれ以上の風車を備える場合、浮体要素の垂直の向きが文字通り当てはまるのは、風車タワーについてのみとなる。

方向変化および位置変化による横方向の運動と組み合わされた前記伸張による軸方向の運動によって、構造要素に極度の応力が加わることが抑制される。これらの要素の運動により、構造要素に高レベルの応力を加える恐れがあるエネルギーが大幅に緩和される。動的な可撓性が力とひずみに作用するため、この運動によって要素の加速度も低減できる。この効果によって、堅固な剛性構造と比較して、いくつかの要因と一般的な条件に応じて、極度の応力レベルを少なくとも１０％、２０％、３０％、または５０％低減できる。

好ましくは、浮体式風車は、クロスバーと浮力要素との間に解除式連結部を備える。好ましくは、浮体式風車は、クロスバーと浮体要素との間の解除式連結部も備える。ここでの解除式連結部とは、沖合の風車設置現場で連結および分離／解除できる連結部を意味している。解除式連結部は、ＲＯＶ（遠隔操作車両）による支援の有無にかかわらず、連結および分離／解除を容易にするために、導管すなわちガイド構造および／またはガイドラインを備えていることが好ましい。

浮体式風車は、浮体要素の風力タービン／ナセル内にギアリムを含まないことが好ましい。浮力要素のスイベルは、外力応じて自由旋回する際の回転に対応できれば十分である。

本発明はまた、風車の構成部品を製造、輸送、設置、または保守することを含む、浮体式風車の製造、輸送、設置、および／または保守の方法を提供する。

風車の要素または要素の部品の事前製造は、好ましくは製造現場で行われる。要素またはその部品は、事前組立現場または輸送用地に輸送され、そこから設置現場への輸送が行われ、要素の部品および／または要素の最終的な組立が行われる。

好ましい一実施形態では、この方法は、浮体要素および風力タービンを風車の設置現場に輸送し、そこで前記構成部品を海底のアンカーに事前設置された浮力要素に連結することによって設置が行われることを含む。好ましくは、浮体要素にクロスバーが接続されており、設置にはクロスバーを浮力要素に接続することが含まれる。あるいは、浮力要素にクロスバーが接続されており、設置には浮体要素をクロスバーに接続することが含まれる。好ましくは、浮力要素および／または稼働の際に使用される船は、浮力要素を水面位置と水中位置との間で上下させ、水面位置の近くまたは水面位置で連結作業を行うことを可能にする浮力システムを備える。

以下でより詳細に説明するように、可変または非剛性テンションレッグが好ましいが、剛性テンションレッグと可撓性テンションレッグとを組み合わせてもよい。より具体的には、テンションレッグは、３本または４本のワイヤなどの１本以上のワイヤ、または３本または４本の剛性テンションレッグなどの１本以上の剛性テンションレグであり得る。しかしながら、剛性テンションレッグと可撓性テンションレッグとの組み合わせが好ましく、この場合、剛性テンションレッグ、例えば３本の剛性テンションレッグが、アンカーから浮力要素の最大稼働深さにおける浮力要素の稼働位置まで延びており、その位置において、剛体要素を浮力要素に固定して連結または分離することができる。ここで、ワイヤウィンチシステムが浮力要素に搭載され、浮力要素を制御して水面まで浮上させたり稼働位置まで下ろしたりできることが好ましい。これにより、クロスバーの設置、連結、および分離が容易になる。テンションレッグの剛性部分または下方部は、ねじり剛性を高めるため、および／または相対位置を保持するために、トラス構造を含むことが好ましい。アンカーへの連結部は、アンカーにかかるねじり力を低減または無くすためのスイベルを含んでもよい。

好ましい実施形態では、この方法は、アンカーのみが事前に設置され、事前製造された構造の残りの１つまたは複数の部分が事前に設置されたアンカーの位置まで牽引され、そこでアンカーがテンションレッグと連結され、さらに別の要素同士が連結されることを含む。作業を容易にするために、導管やトランスポンダを備えたガイドラインをアンカーに配置することが好ましい。

別の好ましい実施形態では、この方法は、新しい構成部品を設置したり損傷した部品または保守や修理が必要な部品を取り外したりすることで風車の設置現場で構成要素を交換することにより、１度の複合的な作業、好ましくは１隻の船の１度の航行で保守が行われることを含む。

本発明の浮体式風車の利点は以下のとおりである。
ギアリムがないため、風力タービン／ナセルの重量が軽減され、海中の対応する浮体構造の重量の少なくとも３～５倍節減できる。
必要なアンカーポイントは１つだけで、セーフゾーンエリアが削減できる。
外力に応じた自由旋回（ウェザーベーニング）による自己方向付けができる。
形状変化による自己減衰効果により、極度の張力を軽減できる。
ケーブル配線が簡素化され、風力タービン／ナセルにスイベルが不要である。
部品の製造、部品または部分的に事前に組み立てられた構造の輸送によってロジスティクスが簡素化され、製造、輸送、および設置が容易になり、より大きな構造に対しても少ない頻度でより少ないおよび／またはより小さな船で作業が可能になる。
保守が必要な要素のみを現場で交換／保守することにより保守が簡素化され、風車のダウンタイムや船舶の運用時間が短縮される。
製造、輸送、設置、および保守をコストに含め、少なくとも２０年または３０年の寿命にわたって平準化した場合、総コスト削減は、概算で、生成されるＭＷｈ（メガワット時）あたり３０％、４０％、あるいは５０％以上にもなる。

いくつかの実施形態では、本発明の浮体式風車は、浮体式風車だけでなく、請求項１に記載のアンカーシステムを１つ、２つ、３つ、またはそれ以上含む浮体式エネルギーアイランドまたは浮体式インフラストラクチャハブである。規定された２つ以上のアンカーシステムを備えた実施形態では、外力に応じた自由旋回の機能が減少または失われるが、本質的な極度の応力レベルの低減については保持されている。

本発明の浮体式風車の一実施形態を示す図である。本発明の浮体式風車の一実施形態を示す側方図である。図２の実施形態を示す斜視図である。

図１を参照すると、浮体要素２および風力タービン３を備える本発明の浮体式風車１の実施形態が示されている。浮体式風車は、テンションレッグ４、アンカー５、浮力要素６、スイベル７およびクロスバー８をさらに備え、スイベルは浮力要素内に配置される。

図示の浮体式風車は、浮体要素２としてスパーブイを備え、風力タービン３は海水面より高い位置にある浮体要素２の上端に設けられる。浮体要素の下端は海中に位置し、クロスバー８の一端に接続され、クロスバーの反対側の端部は浮力要素６に接続される。浮力要素６は全体が海中に位置しており、下端がテンションレッグ４の上端あるいはその一部に接続され、テンションレッグの下端あるいはその一部がアンカー５に接続されている。

アンカーは、好ましくは、重量アンカーまたはサクションアンカー、あるいは重量アンカーとサクションアンカーの組み合わせである。杭アンカーなどの他のアンカーを使用することもできる。

浮体要素２は、浮力要素の上の回転記号によって示されるように、浮力要素６の周りを外力に応じて自由に旋回することができる。

図示の稼働状態は低力状態、つまり、海流、風、波による力が弱く、構成部品/要素が平衡状態すなわち海流、風、波が存在しないときの配置から大きく外れていない状態である。定義されているように、平衡状態または配置から大きく外れていないということは、垂直または水平に向けられた要素に対する向きが５°未満であることを意味する。

当業者には理解されるように、高力状態においては平衡状態から５°より大きくずれ、要素の構成の形状が横になったＳ字のような形状になる。これは、テンションレッグと浮力要素との破線で示された５°より大きな回転角度によって例示されている。明確にするために、このような破線で示すずれについては、浮力要素に対する強い力による垂直方向からのずれのみが示されている。当業者には理解されるように、要素の構成が横になったＳ字のような形状となるように伸張される場合、クロスバーの角度方向も、また多くの実施形態では浮体要素の角度方向も変化する。

言及したように、図２は、本発明の浮体式風車の一実施形態を示す側方図であって、低力状態を示している。図において構造のＳ字形が明示されている。図３は、図２の実施形態を示す斜視図である。参照番号は図１と同じであるが、図２では参照番号９で水位線を示している。図２および３は、深さについての縮尺が図１に示される実施形態よりも大きな実施形態である。特徴を明確に示すために、図は一般に縮尺通りではない。

好ましくは、アンカー、テンションレッグ、および浮力要素が事前に設置され、クロスバーを備えた浮体要素が風車設置現場の浮力要素に連結され、ケーブルがスイベルから事前に設置され、クロスバー上に配置され、浮体要素内の乾いた場所にある連結部を用いてあるいは用いずに、浮体要素の内部に引き込まれる。事前組み立ては別の構成で行うこともでき、好ましくは、少なくとも２つの事前組み立てされた構成部品のグループをクロスバーの一端または両端に連結することを含む。

テンションレッグは、１本の可撓性ワイヤまたは多数の可撓性ワイヤとすることができ、好ましくは、クロスバーに連結する際に浮力要素を水面またはその近くまで移動させたり稼働位置まで下げたりするために浮力要素のバラスト水位を調整するためのポンプや配管およびバルブなどの、浮力要素内の浮力システムあるいは船から接続可能な浮力システムと組み合わされる。テンションレッグはまた、ねじり剛性を提供するための剛性要素または三角形構成の３つの要素などのいくつかの剛性要素であるか、またはそれらを備えることができる。剛性要素は、バラストと巻き上げとを組み合わせて行う浮力要素の設置および回収の際に制御された配置を可能にするために、上端に円錐部とガイドラインを備えてもよい。浮力要素は、好ましくは、制御されたバラストおよび制御されたウインチ用の電気および/または油圧式連結部を備えた回収可能なトランスポンダを備え、浮力要素は、電気または油圧ウインチおよび/または電気または油圧ポンプまたは船上のバラストポンプへの油圧式連結部を含む。

浮力要素もテンションレッグに対する解除式連結部を備えることが好ましい。

浮体要素も浮力システムおよび／または船上の浮力システムに接続するための設備を備えることが好ましい。浮力システムは、浮体要素または船内のポンプであり、浮体要素のバラスト水位を調整するために必要な配管およびバルブである。こうすることで、風力タービン、ナセル、またはそれらの部品の設置、交換、または保守を、浮体要素をより多く沈めることによって簡略化することができる。水中位置は、設置に使用される船のクレーンでナセルに到達できるレベルまで下げることが好ましい。

当業者には理解できるように、アンカーは、平衡位置にある場合に浮力要素の垂直方向下にある単一のアンカーであり得る。しかし、浮力要素の下で実質的に１つのユニットとして近接して配置されているが、土壌条件によって十分な強度が必要とされるため分かれて配置されているサクションアンカーなどの複数のアンカーも、１つのアンカーという用語の範囲に含まれ得る実施形態である。十分な重量／強度になるように現場で重み付けできる１つの大きな重量アンカーは、底が比較的固い多くの浅い海域において好ましい実施形態である。

本発明はまた、風車を備えた、または備えていないが最大応力レベル低減構造、すなわち、テンションレッグ、アンカー、浮力要素、好ましくはスイベル、およびクロスバーを１つまたは複数備えるエネルギーアイランドまたはエネルギーハブを提供する。ここで、スイベルが存在する場合、スイベルは浮力要素内に配置され、前記構造は、請求項１に定義されているように、高力状態においてＳ字から伸張されて横になったＳ字のような形状となる動的なＳ字構造として配置される。

本発明の浮体式風車またはエネルギーアイランドは、垂直軸風車を備えることが好ましい。このような風車は、水平軸風車よりも互いに接近して配置できるからである。ウインドシャドーが無いことで外力に応じた自由旋回やギアリムが不要になることも垂直軸風車のさらなる利点である。

本発明の浮体式風車またはエネルギーアイランドは、風向きに対して自己整列する多数の風車を備えたフレームを、好ましくは外力に応じて自己旋回しないエネルギーアイランド上に備えること、またはフレーム自体が単一の浮体式風車として外力に応じて自己旋回することが好ましく、フレームは、本発明に従ってアンカー固定された三角フローターまたは半潜水フローター上に配置されることが好ましい。

本発明の浮体式風車またはエネルギーアイランドは、浮体式風車に吊り下げられた、および／またはアンカー固定された、好ましくは設置および保守を容易にするために回収可能に構成された水流タービンを備えていることが好ましい。

本発明の浮体式風車またはエネルギーアイランドは、好ましくはソーラーパネルを備えている。本発明の浮体式風車またはエネルギーアイランドは、好ましくはバッテリーを備えている。

本発明の浮体式風車またはエネルギーアイランドは、好ましくは、本明細書に記載のエネルギー生成構造のいずれかを、任意の組み合わせで、および／または周囲の独立型の機器に連結して備えることができ、それによって、本発明の浮体式風車をエネルギーアイランドおよび/またはエネルギーハブに拡張することができる。

Claims

浮体要素と風力タービンとを備える浮体式風車であって、
前記浮体式風車がさらに、
テンションレッグと、アンカーと、浮力要素と、スイベルと、クロスバーとを備え、
前記スイベルは前記浮力要素に配置され、
稼働中の前記浮体式風車は、前記風力タービンが海水面より上方に伸びる前記浮体要素の上端に設けられ、前記浮体要素の下端またはその一部が海中に位置し、前記クロスバーの一端が前記浮体要素の下方部または端部に接続され、前記クロスバーの他端が前記浮力要素に接続され、前記浮力要素の全体が好ましくは作業船および／または海上輸送船の水面下の安全な喫水深さを確保しながら海中に位置し、前記テンションレッグが前記浮力要素と海底の前記アンカーとの間に配置されるように構成され、
上端に前記風力タービンを備えた前記浮体要素が前記浮力要素の周りで外力に応じて自由旋回でき、
海流、風、および波による力が弱い低力状態では、前記浮体要素、前記浮力要素、および前記テンションレッグが実質的に垂直方向を向き、前記クロスバーが実質的に水平方向を向き、
海流、風、および波による力が強い高力状態では、前記浮体要素、前記クロスバー、前記浮力要素、および前記テンションレッグの形状が前記力によって伸張され、横になったＳ字構成のような形状となり、
前記形状の変化と動的挙動とにより、極度な応力レベルが軽減されることを特徴とする、
浮体式風車。
前記クロスバーと前記浮力要素との間の解除式連結部をさらに備える、
請求項１に記載の浮体式風車。
前記クロスバーと前記浮体要素との間の解除式連結部をさらに備える、
請求項１または２に記載の浮体式風車。
ナセルおよび／または前記風力タービン内の前記浮体要素の上端にギアリムが設けられていない、
請求項１～３のいずれか１項に記載の浮体式風車。
前記風車の構成部品を製造、輸送、設置、または保守することを含む、
請求項１～４のいずれか１項に記載の浮体式風車の製造、輸送、設置、または保守方法。
前記浮体要素および前記風力タービンを前記風車の設置現場に輸送し、そこで前記構成部品を海底のアンカーに事前設置された前記浮力要素に連結することによって設置が行われ、好ましくは、前記浮力要素は、前記浮力要素を水面位置と水中位置との間で上下させ、水面位置の近くまたは水面位置で連結作業を行うことを可能にする浮力システムを備える、
請求項５に記載の方法。
新しい構成部品を設置したり損傷した部品または保守や修理が必要な部品を取り外したりすることで風車の設置現場で構成要素を交換することにより、１度の複合的な作業、好ましくは１隻の船の１度の航行で保守が行われる、
請求項５に記載の方法。
前記アンカー、前記テンションレッグ、および前記浮力要素が事前に設置され、前記クロスバーを備えた前記浮体要素が前記風車設置現場の前記浮力要素に連結され、ケーブルが前記スイベルから事前に設置され、前記クロスバー上に配置され、前記浮体要素内の乾いた場所にある連結部を用いてあるいは用いずに、前記浮体要素の内部に引き込まれる、
請求項５または６に記載の方法。