JP5011279B2 - フロート式風力タービン設備 - Google Patents

Description

本発明は、フロートセルと、該フロートセルの上に配置されたタワーと、該タワーに取り付けられて風向に関連して回転可能であると共に風ロータを装着した発電機と、海底上の固定具（anchors）に接続された固定ライン装置とを有する、フロート式風力タービン設備に関する。

フロート式風力タービンを使用する利点は、比較的深い海の領域を使用することができるので、設置領域へのアクセスをほとんど無制限にすることである。

風力タービンは通常、ロータが風に面し、タワーが風向の下流側に位置するように配置される。これは、風の流れがロータを通過する前に乱されることを避けるためであり、そうしなければ、エネルギーの損失と、タービンの破壊的な振動及び衝撃とがもたらされる可能性があるであろう。

これを制御するために、風向が変わる時、タワーの垂直軸回りのタービンの能動方向補正（active direction correction）が必要である。これは通常、タワーの頂部とナセルとの間にリング／ピニオン解決策（ring and pinion solution）付きの回転ベアリングリムを配置することによって達成される。

風向を記録すると共にピニオンをモータによって自動的に駆動してロータを風の方向に旋回させるシステムによって、ヨーイングが行われる。陸上設備及び浅水の沖合設備のように、タワーが固定基礎上にある時に、これはうまくいく。

タワーをフロート式支持体上に取り付ける時、垂直軸を中心にした回転に対する十分な抵抗を確保して、風力タービンが斜めの風負荷を受けた時に、プラント全体が過大に回転するのではなく、ナセルの能動回転が行われるようにすることが必要である。

回転に対する抵抗は、特定の力によって予め張られた固定ラインによって与えられる。固定ラインを細い円筒構造体に直接固定する時、後述するように、固定ラインが回転軸付近に接続されるため、これは回転に対して小さい抵抗を与える。タワーが平衡位置から回転する時、回転に対する抵抗が発生し、また、回転軸から固定ラインの固定点までの角度（α）と半径（ｒ）との関数として、復原梃が発生する。この場合の復原梃（ａ）は、以下の通りである。

ａ＝sin（α）×ｒ

復原力は、固定ラインに予めかけられた張力（pre-tension）の回転軸に加わる法線力Ｆ_ｎに対応し、その時の復原モーメントは以下の通りである。

Ｍ_ｒ＝Ｆ_ｎ×ａ＝Ｆ_ｎ×sin（α）×ｒ

したがって、上述したように、回転に逆らう抵抗モーメントは、９０°で最大になる正弦関数である（以下に示す）。小さい回転角では、回転抵抗は、線形回転ばねのように作用する。

米国特許第３，０８２，６０８号明細書により、三角形構造の固定プラットフォームが先に開示されている。各コーナーから、好ましくは２０°の角度で、２本のチェーン又はケーブルが延び、それらは海底に配置された重い重りに結合される一方、各重りから、さらなる固定ラインが、プラットフォームからさらに離れた位置にある重い固定具まで延びている。この解決策の目的は、主に、波によって生じるプラットフォームの動きをなくすように構成された固定解決策である。この解決策は、回転に対する抵抗を与えるが、固定ライン用の３つの固定点間の距離が大きいことが予想されるため、細い円筒形のフロート式風力タービンを固定するのには不適当であろう。公知の解決策は、ピンと張られた固定システムに基づき、固定ラインに非常に大きい動的力を発生する。また、固定解決策は、重く複雑であり、製造及び設置に高コストが必要になる。

本発明は、フロート式風力タービン設備を固定する解決策であって、垂直軸を中心にした回転に対する初期抵抗を相当に増加させることのできる解決策を提供する。それはさらに、非常に簡単であると共に、風力タービン設備を非常に深い水中に固定するために使用することのできる解決策を提供する。

本発明は、添付の独立請求項１に示されるように、フロートセルから一定距離にあると共に個々の固定ライン上の固定点にある個々の固定ラインがそれぞれ、外向きに傾斜してデルタ形配置でフロートセルに固定された少なくとも２本の分離したラインに接続されることを特徴とする。

従属請求項２〜６は、本発明の有利な特徴を定める。

添付の図面を参照しながら、一例によって本発明をさらに説明する。

上述したように、図１は、本発明による固定ライン装置６を有するフロート式風力タービン設備１の斜視図を示している。風力タービンは、固定ライン１１以外にも、好ましくは円形の細長いフロートセル７と、フロートセル７に取り付けられたタワー８と、タワーの頂部にあって、風向に関連して回転することができ、風ロータ１０を支持する（bearing）発電機９とを有している。良好な安定性で少ない変位を達成して、風及び波からの影響を最小限に抑えたいという望みから、細長い形状を選択している。これらに必要な張力を生じるために、重り１２を固定ラインにさらに有利に配置することができる。

図２に示される固定ライン装置６からさらに明らかなように、３本の固定ライン１１を、１２０°の間隔で使用している。個々の固定ライン１１はそれぞれ、一端部で固定具又は（図示しない）海底上の固定点に固定され、他端部は、フロートセル７から一定距離をおいて固定点５に固定されている。３本の固定ライン１１はそれぞれ、２本のライン２及び３に接続されており、２本のライン２及び３は、外向きに傾斜して、対になって一緒に配置されたブラケット４においてフロートセル７に固定されている。固定ライン１１の各々は、これらと共に、フロートセル７上の固定点に、又はそれに向かってデルタ形パターン又はＹ字形分岐を形成する。本文脈において、本実施形態は、フロートセル上のそれぞれのブラケット４に向かって同一角度でそれぞれ延びる１本のライン２及び１本のライン３を使用しているが、フロートセル上の様々なブラケットに向かって異なった角度でそれぞれ延びる２本以上のライン２及び２本以上のライン３を使用してもよい。

固定ライン１１の長さは比較的長く、風力タービンが位置する海底の深さによって決まり、また、個々の固定ラインに予めかけられた張力は、１０００ｋＮのオーダーであってもよい。水平面に対する固定ラインの角度は、約３０°〜７０°であり、固定ライン２及び３の長さは、全体としての風力タービン設備及びフロートセルの寸法次第であって、５０ｍのオーダーであってもよい。

これらの提案された値での計算から、本発明による装置は、固定ラインがフロートセルに直接固定されてデルタ形に配置されていない従来の解決策の場合より、回転に対する抵抗が９倍のオーダーになることが示される。

従来の解決策及び本発明によるデルタ形の固定ライン解決策の場合の回転剛性（rotational stiffness）の特性を図３に示す。

上述したように、図３は、従来の固定システムを本発明と比較した場合の、回転角に基づいて回転抵抗（回転モーメント）を計算したグラフを示している。垂直回転軸を中心にした回転中、固定ラインからの予め張られた負荷は、一方の分割されたラインで徐々に増加する一方、他方の負荷は、それに対応して軽減される。回転角が一定の大きさに達すると、負荷が軽減されたラインはたるむようになるであろう。たるみが発生する回転角は、デルタ形のラインの長さ、又は分割点と垂直回転軸との間の距離によって決まるであろう。小さい角度の場合、一方のラインでたるみが発生する前に、本装置は、ブイ上の固定点が固定ライン上の固定点へ外向きに移動したかのように機能するであろう。これは、復原モーメントは以下の通りになるように、大きい梃Ｒを与えるであろう。

Ｍ_ｒ＝Ｆ_ｎ×sin（α）×Ｒ

回転角が臨界値（α）に達して、一方のラインにたるみが存在する時、モーメントの増加は、最大モーメントに達するまで小さいであろう。図３に示されるように、ここで計算した例のデルタ形のラインのうちの一本のたるみの限界角は、６°のオーダーである。ここで、曲線は、１４０００ｋＮｍより上のモーメントで方向が変わる。

この装置で達成される、回転に対する初期抵抗の増加により、タービンの能動的な方向制御を、タワー内の許容応答角で行うことができる。

従来の固定システムの場合、９０°の角度に近い最大回転抵抗に達するまで、回転に対する抵抗がたるみを増加させることが、図面からさらにわかるであろう。

特許請求の範囲に定義される発明は、図面に示して以上に説明した実施形態に制限されるものではなく、３本の固定ラインの代わりに、４本以上の固定ライン１１を用いて、それぞれがデルタ形パターンに配置された対応するライン２及び３を有するようにしてもよい。しかしながら、１２０°の間隔で３本の固定ラインを使用することは、最も簡単且つ廉価な方法を表すことがわかっている。

本発明による固定装置を備えるフロート式風力タービンの斜視図である。 図１に示す本発明に関連した固定装置の略図である。 従来の固定システムを本発明と比較した場合の、回転角に基づいて回転抵抗（回転モーメント）を計算したグラフである。

Claims (8)

1. 細長いフロートセル（７）と、
   該フロートセルの上に配置されたタワー（８）と、
   該タワーに取り付けられて風向に関連して回転可能である発電機（９）と、
   該発電機に装着された風ロータ（１０）と、
   複数の固定ライン（１１）を備えた固定ライン装置（６）であって、前記複数の固定ラインの一端がそれぞれ第１の固定点に固定された固定ライン装置（６）と
   を有するフロート式風力タービン設備であって、
   各固定ライン（１１）は、各第１の固定点から前記固定ライン（１１）の他端の第２の固定点（５）まで延び、
   各固定ライン（１１）は、少なくとも２本のライン（２、３）によって前記フロートセル（７）に接続され、前記少なくとも２本のライン（２、３）のそれぞれは、一端が各第２の固定点（５）に接続されると共に他端が前記フロートセル（７）に接続され、
   各第２の固定点（５）は、前記フロートセル（７）から一定距離をおいて位置し、各第２の固定点（５）と前記フロートセル（７）との間を延びる前記少なくとも２本のライン（２、３）が、外向きに傾斜してデルタ形配置を形成することを特徴とする、フロート式風力タービン設備。
2. 前記固定ライン（１１）は、水平面に対して３０°〜７０°の角度で、前記第１の固定点から延びる、請求項１に記載のフロート式風力タービン設備。
3. 前記固定ライン装置（６）は、１２０°の間隔をおいて対称的に配置された３本の固定ライン（１１）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載のフロート式風力タービン設備。
4. 前記デルタ形配置の前記少なくとも２本のライン（２、３）は、２０°〜６０°の相互角度で配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のフロート式風力タービン設備。
5. 前記第２の固定点（５）と前記フロートセル（７）との間を延びる前記デルタ形配置の前記少なくとも２本のライン（２、３）は、水平面に対して３０°〜７０°の角度で配置されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のフロート式風力タービン設備。
6. 前記デルタ形配置の前記少なくとも２本のライン（２、３）は、前記フロートセル（７）の周辺の前記第２の固定点（５）間を、可能な最大距離をおいて前記フロートセル（７）に固定されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のフロート式風力タービン設備。
7. 前記デルタ形配置の前記少なくとも２本のライン（２、３）は、前記フロートセル（７）上のジョイントブラケット（４）に対になって固定されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のフロート式風力タービン設備。
8. 前記第１の固定点は、固定具又は海底上の固定点であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のフロート式風力タービン設備。

Images