JP5719975B2 - 風力エネルギータービンシェルステーション - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は風力タービンステーションに関する。本発明は、より具体的には、電力を生成するために風力エネルギーを使用する、オープンフレームを有してそれぞれの床に多くのタービンを備えた複数階構造を有する風力タービンステーションに向けられたものである。
【背景技術】
【０００２】
風力エネルギーは１２００年代のヨーロッパで古くから利用されており、穀物を石臼の間ですり潰すために利用され、さらにオランダ人には種から油を搾りとる搾油機や塗料抽出機、脱穀機、接着剤抽出機などの抽出用の風車として利用されていた。２０世紀末及び２１世紀初頭には、風力タービンという重大な発展がもたらされ、風力は化石燃料に代わり得るエネルギー源となった。
【０００３】
地球上に降り注ぐ太陽放射は年間５．６×１０^２４Ｊである。太陽エネルギーは大気中及び地表に放射され、大気を暖めて風を起こす。世界中で使用される一次エネルギーは約５００ＥＪと見積もられるが、これは１６ＴＷの容量の発電機を必要とする。総消費エネルギーは、地球の大気及び表面で取得される太陽放射の０．０１％未満であり、風の運動エネルギーの約０．２％である。このことは、風力が莫大な代替資源であって、持続可能かつクリーンなエネルギーであることを示している。
【０００４】
最先端は、約１００−１２５ｍの高さのハブにおいて稼働する薄片の翼を３枚備え、これらが当該薄片の垂直面内で回転する、大型の風力タービンを備える。これらの巨大または実用的なタービンは、風速１０から１４ｍ／ｓのときに最大エネルギー出力となり、この最大エネルギー出力はカットアウト速度２５−４０ｍ／秒となるまで継続する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
最先端の実用的な風力タービンは、１年間を通じた平均的な発電容量が約１ＭＷである巨大な風力タービンを使用している。しかしながら、実用的な風力タービンが本来的に有している欠点が、現在の技術が化石燃料、原子力エネルギー及び他の従来エネルギーの代替として適した存在になることを阻んでいる。最先端の風力タービンは、多くの欠点を有している。現在の風力タービンは、大型の風力タービンの稼働に伴う騒音や影のちらつきがあるため、通常、タービン間の土地は役に立たないと考えられ、風力発電地帯内でタービンが要する土地面積が大きくなりすぎてしまう。その実用的な風力タービンが必要とするスペースは、ヨーロッパ及びアメリカのそれぞれにおいて、化石燃料に基づく電力に対して混合するかのように、非定常な電力の出力を完全に有用と見なす場合、平均で８．５−３３ヘクタール／ＭＶとなる。最先端の風力タービンは、タービンから約２ｋｍの距離における人間の健康を害する騒音を発生させる（風力タービン症候群）。風力タービン症候群とは、振動や低周波数の騒音によって、風力発電地帯の周囲２ｋｍに居住する人々に対して、頭痛や記憶の欠如、その他の病気を引き起こすものである。最先端の風力タービンは、鳥やコウモリを殺す。
【０００６】
最先端の風力タービンが与える電力の電圧、周波数、電流及び出力は、風速が時間とともに変化するという通常の結果として常に変動するとともに、電力のコストが既に高すぎる現在の風力電力のコストの４倍よりも大きくなることから、エネルギーを化学媒体に貯蔵すること、さらには需要に合致した電力の再生成をすることは適切ではない。
【０００７】
ドイツのＥＯＮエネルギーカンパニーによれば、ドイツの系統において系統供給（grid penetration）（系統内の風力電力の割合）が４９ＧＷである場合、最先端の風力タービンが生成する電力は容量クレジット（あるいは、系統内のまたは常に利用可能な風力設備容量の一部である安定容量）が４％である。換言すると、４９ＧＷの風力タービンの設備容量は、化石燃料発電機の２ＧＷしか代替することができない。これは、風速さらにはタービン出力の変動に起因する。
【先行技術文献】
【０００８】
本発明に近い従来技術はない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
風力タービンステーションは、オープンフレームを有する複数階構造である。「オープンフレーム」とは、構造を閉じる壁を備えることなく、構造の外形を決定するポストまたは柱及び梁を有する構造である。構造は、好ましくは、中央垂直軸を有する環状塔を備え、塔が、少なくとも第１の梁及び柱によって構成される放射状に配置された内側及び外側フレームを画定する。塔は、フレームの長さにわたる内側及び外側フレームの梁の間に広がる、垂直方向に離間した複数の水平な内部プラットフォームを備え、内部プラットフォームは構造の床を形成する。外部プラットフォームは、それぞれの内部プラットフォームの外周面の外側に広がり、風力タービンが外部プラットフォーム上に設置される。それぞれの風力タービンは電力を生成する発電機に対して機能的に接続される。塔は、１０００−２０００ｍの高さに達し得るとともに、閉じたまたは開いた環状の水平断面を有する。塔は、好ましくは、外側及び内側が円形の外周となる環状の水平断面を有する。断面の外側及び内側外周は、正方形や、六角形、八角形などの多角形などであってもよい。複数階構造におけるそれぞれの階は、典型的には水平、平坦、幅８−２５ｍの環状であって塔の外周を規定する内部プラットフォームである。それぞれの内部プラットフォームは、閉水平断面構造内の塔構造の内側フレームに隣接するとともに開水平断面構造内の内側及び外側フレームの間の略中央の距離にある傾斜路（ramp）手段によって隣接する上端及び下端の内部プラットフォームと接続する。傾斜路は、幅が約４ｍである。それぞれの階は、高さが典型的には約１０ｍである。塔構造の典型的な直径または幅は１２５−５００ｍであり、典型的な高さは５００−２０００ｍ、典型的な階の数は５０−２００階である。塔の高さの幅に対する比は、通常約４である。風力ステーションの地域における地震力が高いほど、高さの直径に対する比が小さくなる。
【００１０】
少数の階毎に貨物自動車搭載クレーンが提供され得るとともに、当該クレーンを扱う各シフト３−５人程度の保守（service）及びメンテナンスの専門家から成る同行チームが、担当する階におけるタービンの継続的なメンテナンスを行う。構造全体に対して４以上のエレベータが設けられ、２つは人を運び、２以上は機器や風力タービンを必要な階に運ぶ。水素の製造や貯蔵、これにより電力を生成する全ての機器は、地上階に設けられ得る。追加スペースには、必要な水素を供給するタンクや、生成された水素を安全に貯蔵して燃料電池内で再使用するための他の装置が、追加され得る。
【００１１】
風力タービンは、１つのプラットフォーム上に１つのタービンとなるように、複数階フレームのそれぞれの階における外側フレームの周面の周囲または外部プラットフォームに設けられて分布する。外部プラットフォームは、外側フレームの外周面の全周から外側に向かって断続的または連続的に突出する。塔フレームは、典型的には高降伏鋼で建造されるが、その一方でプラットフォームは、軽量床鋼板またはその他の軽く、硬くて強い材料から成り、中−高降伏鋼から成る第１及び第２梁上に設置される。風力タービンステーションは、年間平均風速が６ｍ／秒の場合、定常電力の典型的な年間平均出力容量が５０−１０００ＭＷであり、非定常電力では１７５−３７５０ＭＷである。
【００１２】
フレーム構造は、複数の水平軸風力タービン（ＨＡＷＴ：horizontal axis wind turbine）、垂直軸風力タービン（ＶＡＷＴ：vertical axis wind turbine）またはこれらの組み合わせのそれぞれを支持し、上記のそれぞれの風力タービンは、風力エネルギーを収集するとともに、これらに接続された発電機により電力を生成する。通常、環状断面の塔構造では、設置されている風力タービンの半数は風に向かっており、回転して電力を生成するが、その一方で風下に位置する残りの半数は、静止して稼働しない。それぞれのタービンは、外側フレーム内の柱の間の間隙の長さ、及び、２つの隣接する内部プラットフォームまたは床の間の高さと、ほとんど等しい大きさである。
【００１３】
生成された電力は、系統に適合する電流及び電圧に変換された後で、系統に対して直接的に供給される。しかしながら、好ましくは、生成された電力は、地上階における変圧器、水道、電解槽、ポンプ及び水素タンクなどの周知の必要な機器の使用によって、収集された一時的なエネルギーの大半を化学的に貯蔵する水素を生成するために使用される。水素は、高圧下または液体状態で地上階のタンクに貯蔵され、貯蔵された水素量は燃料電池で使用される。燃料電池の容量は、風力タービンステーションによって生成される非定常電力の年間平均に対して、約０．６１である電解効率と約０．４１である燃料電池効率とを乗算したものである。燃料電池は、電流、周波数及び電位の特性が定常的である電力を再生成し、通常は地上階にある十分な変圧器の使用による、系統に適合する電圧及び電流への変換を経た後で、定常電力が系統に供給される。得られる平均可能出力は、その地域の年間平均風速に比例する。電解処理の速度を上げ、エネルギーの無駄な消費を避けるためには、電解槽に供給する電位を、周知である２．０６ｖ付近にすると良い。供給される電流は、周知のように大きいものとする。電流の範囲は１０００００−１００００００アンペアとなり得る。風力タービンによる高変動生成電力は、他の化学的手段に貯蔵され得るとともに、需要に応じて後で貯蔵され得る。
【００１４】
風力タービンステーション内のタービンの稼働速度範囲について、周知の小型のＨＡＷＴまたはＶＡＷＴでは、約３−１７５ｍ／ｓとなる。電解槽用の電力を生成すると、周波数を一定にする必要がないため、発電機のコストが低くなるとともに装置寿命が長くなる。さらに、高速ギア及びギアのための全てが同時に不要になる。
【００１５】
風力タービンステーションのメンテナンスは、本発明の特徴として重要である。タービンステーションの構造及び大きさが、ステーションの継続的かつ進行的なメンテナンスを可能にする。任意の風力タービンへのアクセス容易性が常に可能、容易かつ迅速であるため、風力タービンの継続的なメンテナンスが可能になる。継続的なメンテナンスにより、ほとんどの風上のタービンが常に稼働することになる。これは、メンテナンススタッフが、それぞれの内部プラットフォームにおいて、モニタ及びコンピュータを使用して、継続的にタービンを監視するからである。他の全ての風力タービンが稼働している間でも、いつタービンのメンテナンスが必要なのかがモニタによって伝えられる。風力タービン業界が非常に進歩しているため、現在の先進的なタービンでも全てのタービンが１年に１回はメンテナンスを受けるという合理的かつ少々保守的な考え方に立ったとしても、タービンの９９．３３％はほぼ確実に一年を通じて稼働し得る。その結果、それぞれのタービンの年間平均稼働時間は、０．９９３３×８７６０＝８７０１時間／年となる。エネルギー計算では、半数の風力タービンのみ同時に稼働するため、タービンの半数のみを考慮している。
【００１６】
風力タービンステーションは、約２０００ｍという前例がない高さまで達することが可能な最初の固定構造物であり、地表上２００ｍを超える高い高度で風力エネルギーを継続的に収集するとともに大規模である最初の構造物である。風力タービンステーションは、風速６ｍ／秒の環境で、現在の大型の風力タービンよりも数倍大きい単位面積当たりの出力を有し、風速がさらに大きければ１０倍よりも大きくなる。
風力タービンステーションは、通常は降伏応力が６００−７００ＭＰａに至る従来の鋼を使用して建造される。風力タービンステーションは、同様の容量である大型の風力タービンが必要とする平均面積の約０．２％を要するのみである。風力タービンステーションが非定常電力を得るために必要とするスペースは、０．０３−０．０５ヘクタール／ＭＷの間で分布し、定常電力を得るとともに需要と釣り合うために必要なスペースは０．１０−０．１５ヘクタール／ＭＷである。風力タービンステーション内の小型のＶＡＷＴ及びＨＡＷＴが生じる騒音は、先端速度が翼長に比例するため、実用的な風力タービンが生じる騒音よりも極めて小さい。大型の小型に対する風力タービンの翼長比は、通常は約１０−１５倍である。さらに、風力タービンステーションは、１０−１５倍の先端速度であるため、鳥やコウモリに対する危険にはなり得難い。
【００１７】
本明細書に記載の風力タービンステーションの出力は、電流、周波数、電位が一定になり得る。さらに、風力タービンステーションは、同様の容量の従来の発電機に代替し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】 水平軸風力タービンを備えた典型的な大型のＷＥＴＳＳ（およそ直径５００ｍ×高さ２０００ｍ）の上面図。
【図１Ａ】 図１の詳細。
【図２】 図１に示されるステーションの正面図。
【図３】 図１に示されるステーションの部分的拡大正面図。
【図４】 ステーション内の１つの水平軸風力タービンを示す部分的拡大正面図。
【図５】 図４に示されるタービンの部分的上面図。
【図６】 ステーション内の１つの水平軸風力タービンを示す拡大背面図。
【図７】 ステーション内の１つのタービンの側面図。
【図８】 垂直軸風力タービンを備えた典型的な小型のＷＥＴＳＳ（およそ直径１２５ｍ×高さ５００ｍ）の上面図。
【図９】 外部プラットフォーム上に設置された図８のステーションのＶＡＷＴタービンを示す部分的上面図。
【図１０】 図８に示されるステーションの部分的正面図。
【図１１】 図８に示されるステーション内の１つのタービンの側面図。
【図１２】 図８に示されるステーション内の１つのタービンの正面図。
【図１３】 風力タービンステーションの別形態の正面図。
【図１４】 図１３に示されるステーションの上面図。
【図１５】 図１４に示されるステーションの部分的詳細上面図。
【図１６】 平均風速＝６ｍ／秒と仮定した場合における風速のレイリー分布を示すグラフ。
【図１７】 風速のレイリー分布がランダムであると仮定した場合における小型のＨＡＷＴ（またはＶＡＷＴ）及び実用的なＨＡＷＴによる長期間の収集エネルギー分布を示すグラフ。
【図１８】 月毎の平均消費Ｅ_ａｖｅに対する水素に貯蔵される必要エネルギーを示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１−図７に示すように、風力タービン塔１は、少なくとも１つの内側円形フレーム５及び外側円形フレーム７を有する環状のオープンフレーム構造３を備える。それぞれのフレーム５，７は、主として垂直な柱９及びこれに接続される水平な主梁１３と、フレーム５，７の間に広がりフレーム内で対向する主梁１３に締結されるとともにフレーム５，７を一緒に接続する主要素である交差梁１７と、を備える。垂直面内の交差要素は、交差梁を含む垂直面内で交差梁に接続されたフレームを補強するために使用され得るとともに、内側フレーム及びそれに続くフレーム構造全体を補強するために内側フレーム５内で使用され得る。オープン構造３は、複数の階または床１９を有する。それぞれの床１９は、平坦かつ環状であって、内側及び外側フレーム５，７の間に広がるとともに交差梁１７及び主梁１３上で支持される内部プラットフォーム２１を備える。塔内において隣接する床１９の間の高さは、通常は７−１２ｍの範囲である。外側フレーム７において隣接する柱９の間の距離は、通常は隣接する床の間の高さと等しい。
【００２０】
主梁、柱及び交差要素の大きさは、フレーム構造全体の構造解析によって決定される。構造解析は、主として、全ての柱、梁、平板の自重とタービンの死荷重とに基づく。プラットフォームの材料は、高強度で軽い。総平均分散活荷重は、０．１５ＫＰａと推定される。しかしながら、内部プラットフォーム及び梁の設計について、内部プラットフォーム上のどこかに掛かる車載クレーンの重さによる集中活荷重を考慮しなければならない。地震力は、主として重力荷重による応力をわずかに増加させる。この小さい効果は、従来の構造である同様の材料の建造物と比較して、構造の自重（単位面積における死荷重及び活荷重）が軽いことに起因する。この小さい荷重は、風力タービンステーションの階数が従来の構造の３分の１よりも少ないことや、仕上げが行われないとともにフレーム５内の部分的内側壁を除いて隔壁が設けられないことに起因する。高さの直径に対する比であるフレーム構造のアスペクト比は低く、通常はフレーム断面積の増加を考慮せずとも地震荷重を減衰するための十分大きな全フレーム構造の剛性が得られる約４である。
フレーム柱は、通常は高降伏鋼から成る。鋼柱は、自重（死荷重及び活荷重）による全フレーム構造の構造解析を使用して設計され、風及び地震荷重について検証される。いくつかの国において数百ＫＭ／ｈとなり得る設計風速の間であっても、風力エネルギーのほとんど（約９０％）はタービンによって吸収される。これは、小型のＨＡＷＴ及びＶＡＷＴの稼働風速が広範囲であることに起因する。ほとんどの場合、設計風速は風力タービンのカットアウト速度よりも小さく、風の影響は無視され得る。
【００２１】
構造３は、それぞれの内部プラットフォーム２１から外側フレーム７を越えて外側フレーム７の周囲まで外側に広がる複数の小型の外部プラットフォーム２３を含む。外部プラットフォーム２３は、好ましくは、それぞれの内部プラットフォーム２１の外周面の外側であって柱９の隣接するそれぞれの組の間の中心に位置する。風力タービン２５は、それぞれの外部プラットフォーム２３上に設置される。図示している風力タービン２５は、周知の水平軸風力タービンであるが、これを周知の垂直軸風力タービンとすることも可能である。タービン２５は、外側フレーム７内の２つの隣接する柱９の間の幅よりもわずかに小さい幅を有するとともに、隣接する床１９の間の高さよりもわずかに小さい高さを有する。
【００２２】
それぞれのタービン２５は、外部プラットフォーム２３の外側の端部上の稼働位置と、外側フレーム７に近い内部プラットフォーム２１上の非稼働の保守位置と、の間を移動するためのトラック手段上に設置される。図５−７に示すように、トラック手段は、外部プラットフォーム２３の外側の端部の近くの内部プラットフォーム２１から外側に放射状に広がる下側トラック３１を備え得る。トラック手段は、下側トラック３１を覆う上側トラック３３を含む。両方のトラックは、幅広フランジＩ鋼梁またはＴ鋼梁から成り得る。トラックは、内部及び外部プラットフォームの両方の中の第２または／及び主梁に溶接される。上側トラック３３は、例えば、図７に示すように、隣接する上側の内部プラットフォーム２１Ａ及び隣接する上側の外部プラットフォーム２３Ａを支持する交差梁１７の下端に設置され得る。
【００２３】
タービン２５は、稼働及び非稼働位置の間におけるタービンの移動を案内するための下端及び上側トラック３１，３３のそれぞれに対して下端及び上端４１，４３が協働するトラックガイド３７，３９を有する垂直固定軸３５に設置された、水平軸タービンとして図示している。トラックガイド３７，３９は、軸３５の上端及び下端に対して水平方向に溶接される短溝部を備え得るとともに、ガイド３７，３９は、トラック３１，３３にちょうど嵌合し、この上を滑らかに移動可能である。メンテナンスフレーム４２は、稼働位置及び非稼働位置の間におけるタービンの移動に使用するために、タービンの固定軸３５の端部に接続される。フレーム４９は、一方の端部で垂直ポスト４９と剛性結合する平行な上側及び下側水平アーム４５，４７を有する。アーム４５，４７の他方の端部は、短管５１，５３によって軸３５の上端及び下端に接続する。必要であれば、アーム４５，４７の他方の端部が、管５１，５３に対して枢動可能となるように結合してもよい。また、トラックガイドを軸３５に対して間接的に結合する必要があれば、アーム４５，４７の他方の端部を、トラックガイド３７，３９に対して剛性締結してもよい。メンテナンスフレーム４２は、タービン２５を、保守のために外部プラットフォーム２３から内部プラットフォーム２１上まで上側及び下側トラック３１，３３に沿ってスライドさせて、手動または機械的に後退させるため、保守後においてトラックに沿って外部プラットフォーム２３上の稼働位置まで復帰させるために使用され得る。垂直ポスト４９は、メンテナンスフレーム４２、ひいてはトラック３１，３３上のタービン２５を手動で移動可能にするハンドルを有し得る。
【００２４】
ロック手段は、タービン２５を稼働位置でロックするものである。図７に示すように、ロック手段は、メンテナンスフレーム４２の後部を交差梁１７または主梁１３の上端及び下端に接続する接続される上端及び下端ロック５４を備え得る。上端及び下端ロックは同じであるため、その詳細については一方のみ記載することとする。上端ロック５４は、交差梁１７の側部に固定される第１整列板５５と、ポスト４９の端部に固定されるとともに板５５に揃って並ぶ第２板５７と、を備える。板５５は、それぞれボルトねじ穴（不図示）を有する。第２板５７は、それぞれの第１板５５におけるボルト穴に揃って並ぶスロット（不図示）を有する。ボルト５９は、板５７内の整列したスロットを貫通するとともに、第１板５５内の穴を螺進する。ナット６１は、それぞれのボルトに対してその位置を維持するために設置され得る。ボルト５９は、稼働位置にタービンを安全にロックするべく、メンテナンスフレーム４２、ひいてはタービン２５が、トラック３１及び３３の端部において交差梁１７上の停止板６３に押し付けられるように動かすために締結される。ボルトは、保守のために外部プラットフォームから後退することを可能にするために除去される。
【００２５】
それぞれの内部プラットフォーム２１は、それぞれのタービンの交換または保守のために、プラットフォームに対して車載クレーン６５が運転可能となるように、幅が十分に広くなっている（８−２５ｍ）。プラットフォーム２１は、好ましくは、図１Ａに示すように、風力タービンステーション内において、閉断面フレーム構造内で内側フレーム５に隣接するとともに、開断面または蛇行状フレーム構造で内部プラットフォーム２１の中央に隣接する、少なくとも１つの車線６７を有し、保守のために外部プラットフォームから後退するタービンを受け取るためであって車線６７に隣接する保守スペース６９と、外側フレーム７に隣接する内部プラットフォームの外側部分に前進するタービンのためのガイドトラック３１，３３のためのトラックスペース７１と共に、車両６５によって使用される。それぞれの内部プラットフォーム２１は、その内側に隣接してプラットフォームの上側に通じる第１傾斜路７３と、その内側に隣接するとともに第１傾斜路７３と離間してプラットフォームの下側に通じる第２傾斜路７５と、を有する。これにより、クレーンを運ぶ車両が、塔内の複数階におけるタービンの保守を行うことが可能になる。
乗員エレベータ７７及び積荷エレベータ７９は、内部プラットフォーム２１を通過するまたはプラットフォームの内縁に隣接するように塔内に設けられ得る。積荷エレベータ７９は、約５×１０ｍであって、貨物自動車クレーンや、設置用の完全な風力タービン、または鋼梁及び柱を運ぶために十分な約１０メートルトンの容量を有する。エレベータは、フレーム構造の建造と同時に建造されるため、建造材料をプラットフォームに供給する建造段階の間でも使用可能である。乗員エレベータ７７は、稼働の監視やタービンのメンテナンスをして働く人々を対応するプラットフォームに一度に約２０人持ち上げる容量を有する。
【００２６】
稼働位置におけるそれぞれのタービン２５は、風で回転し、タービン上の発電機８１を介して電力を生成し、電力は、風速と一緒に変動して、時間の経過とともに大幅に変動する。生成される電力は、垂直方向に一列に整列する全てのタービンにおいて共通する導体（不図示）を介して、塔の土台８３まで伝導される。好ましくは、電力は、周知のように周知のインバータ、変圧器、電解質で満たされた電解槽、純水タンク、水素精製装置、水素貯蔵タンク、燃料電池発電機及び加圧ポンプを含む水素ユニット８５に、伝導される。水素ユニット８５は、周波数、電流及び電位の安定した電力特性となる一貫した電力供給を提供する。これとは別に、周知のように目的とする一定周波数の電力が生成される場合は、電力は電力系統に対して直接的に接続され得る。ギアボックスを備えるまたは備えない発電機８１の可動コアは、タービン２５の回転軸から発電機８１に対して動きを伝達する。生成された電力が加水分解に使用される場合、生成された電力の周波数を増大させるための高速軸は不要である。これにより、摩耗及び損傷、発電機のメンテナンスコスト及び製造コストが低減される。
【００２７】
それぞれのタービンは、発電機８１を覆う機械室（nacelle）８６をさらに有する。機械室８６は、固定軸３５の中央に溶接された鋼底板８７上で、固定軸３５の中央に設置されている。機械室の上端は、内側からねじ切りされているとともに緩めて固定軸の上端部の下端から離脱させることが可能な管接続部８８によって、固定軸の上端部に接続されている。機械室８６は、鋼底板８７上に固定され、機械室上の固定軸の下端部が、固定軸上端部の下端点と機械室穴の下端との間の距離よりも少し短くなっているため、上端固定軸の下端部が機械室の上端に位置する穴に挿入することが可能である。管接続部８８の最短の長さは、通常は５”−８”（１２５ｍｍ−２００ｍｍ）である。周知のように、機械室のヨーシステムは、翼を風に向けるとともに、選択された個々のタービンによってアクティブまたはパッシブになることが決まり得る。
【００２８】
図８−図１２は、垂直軸風力タービン９１を備えた塔を示している。それぞれのタービン９１は、回転自在であり、固定軸３５の周りに回転自在に設置された垂直ポスト９３を有する。上端及び下端ベアリングは、ポスト９３を軸３５上に回転自在に設置する。ポスト９３は、湾曲した羽９５を支持する。固定軸３５は、外部プラットフォーム２３及び内部プラットフォーム２１上の下側及び上側トラック３１，３３に接続され、上記のように、軸３５の端部に固定されるとともにトラック上に設置されるトラックガイド３７，３９が使用される。メンテナンスフレーム４２は、固定軸３５の端部と、フレーム４２のロックを提供するロック手段５４と、に接続され、タービン９１がトラック３１，３３の端部上の停止手段に対して締結される。ロック手段はロックの解除が可能であり、タービンは、保守のためにトラック３１，３３に沿って外部プラットフォームから内部プラットフォームに移動する。図１２に示すように、タービン９１は、通常は外側フレーム７内で隣接する柱９の間及びフレーム７内で隣接する梁１３の間に嵌合する大きさである。外部プラットフォーム上における風によるタービンの回転は、ポスト９３の下端における発電機９６において電力を生成し、周知の手段が、構造８３の上端から下端まで伸びる電気ケーブルを介して塔の土台の電解槽に対して電力を送る。
【００２９】
図１３−図１５は、蛇行形状となる塔１０１を示している。開フレーム構造１０３は、フレーム５，７の半ループの繰り返しを少なくとも２つ有する。第１半ループ１０９は、半円または多角形を形成する第１凸形外側フレーム部１１１と、第１外側フレーム部１１１と離間してこれもまた半円または多角形を形成する第１凹形内側フレーム部１１３と、を有する。フレーム部１１１，１１３は、主として主梁及び交差梁１３，１７（不図示）によって接続される。一連の垂直方向に離間した幅広、平坦かつ半環状である内部プラットフォーム１１４は、主梁及び交差梁に接続して、構造内の床を形成する。タービンは、好ましくは第１凸形外側フレーム部１１１及び内側部１１３の両方から外側に広がる外部プラットフォーム上に設置される。タービンが、外部プラットフォーム上の稼働位置と内部プラットフォーム上の保守位置との間を移動可能となるように、外部プラットフォームは、それぞれの内部プラットフォーム１１４と、それぞれの外部プラットフォーム及び関連する内部プラットフォームの一部にまで広がるトラック手段と、から外側に広がる。第２半ループ１１５は、１つの端部が第１半ループ１０９の端部に接続され、半円または多角形を形成するとともに第１ループ１０９の第１凸形外側フレーム部１１１の反対方向を向く第２凸形内側フレーム部１１７を有する。第２半ループ１１５は、第２凸形外側フレーム部１１７から離間してこれもまた半円または多角形を形成する第２凹形外側フレーム部１１９を含む。フレーム部１１７及び１１９は、主として主梁１３及び交差梁１７（不図示）によって接続される。別の組の垂直方向に離間した幅広、平坦かつ半環状である内部プラットフォーム１２０は、半ループ１１５に沿って主梁及び交差梁に接続する。内部プラットフォーム１２０は、内部プラットフォーム１１４に揃って並ぶとともに、これに接続する。タービンは、好ましくは、第２凸形外側フレーム部１１７から及び凹形内側フレーム部１１９から外側を向く両方の外部プラットフォーム上に設置される。第２凸形外側フレーム部１１７は、第１凹形内側フレーム部１１３の端部に接続され、第２凹形内側フレーム部１１９は、第１凸形内側フレーム部１１１の端部に接続される。パターンは、構造の長さに対して繰り返される。ケーブル１２１は、通常は鋼ケーブルまたは炭素繊維ケーブルであり、オープンフレーム構造ユニットの高さの中央よりも高い階におけるコーナー柱の一端からグランドに固定され得る。ケーブル１２１は、通常は蛇行状の塔の２つの端部コーナーを固定し、それぞれのコーナーは通常は互いの間が９０°となる２つのケーブルで固定される。ユニットは、２００−１０００ｍの高さ、５０−５００ｍの直径及び１−１０の半ループを変化させる長さ、を有し得る。それぞれの内部プラットフォーム２１は、それぞれのタービンの交換または保守のために、プラットフォームに対して車載クレーン６５が運転可能となるように、幅が十分に広くなっている（８−２５ｍ）。内部プラットフォーム１１４及び１２０のそれぞれは、好ましくは、図１５に示すように、保守のために外部プラットフォームから後退するタービンを受け取るためであって車線１０４に隣接する保守スペース１１０と、外側フレーム７または内側フレーム５に隣接する内部プラットフォームの外側部分上のトラック３１，３３のためのトラックスペース１１２と、における車両６５によって使用されるプラットフォームの中央に、少なくとも１つの車線１０４を有する。それぞれの内部プラットフォーム１１４及び１２０は、好ましくは、プラットフォームの上側に通じる第１傾斜路１０６と、第１傾斜路１０６と離間してプラットフォームの下側に通じる第２傾斜路１０８と、の両方を有する。
【００３０】
塔を建造するための単純な方法は、柱、梁及び内部プラットフォーム２１を含む第１階を建造すると同時に地上階から第１階となる積荷エレベータ７９及び乗員エレベータ７７を設置するために、地上階におけるいくつかの貨物自動車搭載クレーン６５を使用することである。次に、地上階と第１階２１を接続する傾斜路７３による第１階のプラットフォーム２１へのクレーン６５の移動と、第１階に建造材料を移動するために第１階に建造されたエレベータの使用と、による、第１階の内部プラットフォーム２１及び外部プラットフォーム２３の建造の終了である。次に、第２階の柱、梁及び内部プラットフォームの建造及び第２階へのエレベータの拡張である。クレーン６５は、第２階を完成するとともに第３階を建造するために、第１階及び第２階を接続する傾斜路を介して第２階に移動し得る。これらのステップは、塔の端まで繰り返される。建造材料は、積荷エレベータ７９によって、内部プラットフォームが完成した時にその階に持ち上げられる。外部プラットフォーム２３は、事前に建造されているかその場で建造されて、少なくとも４つのリフティングリング８７と、必要であれば梁１３の上端及び下端と交差梁１７との間を接続する少なくとも４つの鋼板を使用して主梁１３または交差梁１７に溶接するためのクレーン６５と、外部プラットフォームの上端及び下端と、を使用して設置される。プラットフォームの上端の２以上の板及び下端の２以上は、外側フレーム梁１３と縁が共通する。風力タービン２５または９１の設置は、建造クレーンが２または３階先に移動した後に開始され得るものであり、いくつかの他の貨物自動車搭載クレーン６５や積荷エレベータ７９が使用される。水素ユニット８５の設置は、地上階と第１階の建造を終了した後に開始され得る。電解槽８５の一部と、設置された風力タービン２５または９１の容量に比例する総容量を有する水素貯蔵タンクと、の稼働の準備が整うと、電気工事が開始され得る。水素の生成と、加圧下での水素の貯蔵と、燃料電池発電機の稼働並びに系統に対するまたは／及び建造工程のための電力の供給の開始と、を含めて、この段階で電力の生成が開始され得る。本発明者らは、周知のＶＡＷＴ及び小型のＨＡＷＴが同様の効率を有するとともに、最先端のＨＡＷＴが平均風速６ｍ／秒（１３．４ｍｐｈ）の環境下にあり、すべてのタービンのカットイン速度が４ｍ／秒（８．９５ｍｐｈ）であり、大型のＨＡＷＴの定格風速が１２ｍ／秒（２６．８４ｍｐｈ）である場合において、小型のＨＡＷＴ及びＶＡＷＴが、実用的な風力タービンと比較して１１％よりも大きい出力を与え得ることについて、理論的に証明する。
【００３１】
平均風速が大きくなるほど、出力比Ｅ_{ＳｍａｌｌＨ}／Ｅ_{ＬａｒｇｅＨ}は大きくなり、ある高さにおける平均風速が１２ｍ／秒で約３．０、３０ｍ／秒で約５０．０まで増大する。この証明例を、図１６及び図１７のグラフに図示する。これは、図１７のエネルギーのグラフの下の面積の積分によって証明される。図１７が示す、例えば１年のような長期間に収集された総エネルギーは、
【００３２】

【００３３】
実際に１年間で収集されると期待される平均エネルギー＝1.69×E₆×0.30＝0.507E₆
【００３４】

【００３５】
実際に１年間で収集されると期待される平均エネルギー＝1.88×E₆×0.30＝0.564E₆
【００３６】

【００３７】
ここで、Ｅ_６は、風速が一定であって年間平均風速６ｍ／秒と等しいと見なした場合における平均収集エネルギーである。
大出力の理由は、ＨＡＷＴが、ロータ直径の比に比例する、より小さい先端速度を有するためである。巨大または実用的なＨＡＷＴは、カットオフ速度が１０−１２ｍ／秒、カットアウト速度が２５−４０ｍ／秒に達し、これは、仮に大型の風力タービンでは風力エネルギーを向上することができなかったとしても、小型のＨＡＷＴのカットオフ速度が、風力エネルギーの向上を最大化する１７５ｍ／秒よりも通常は大きくなるということの一部を意味する。風力エネルギーによって生成されて電解槽に供給される電力の変動は、加圧、液化あるいは他の周知の固体または液体材料と一時的に結合したいずれかの状態で水素タンク貯蔵部に送られる、短期間に生成される水素の量に影響する。しかし、例えば１年のような長期間では、生成される水素の総量は、主として風力タービンの現場における年間平均風速の影響を受け、消費需要平均及び変動並びに風力タービンステーションの容量と関連する。水素貯蔵部の容量は、月毎の必要または余剰の平均生成エネルギーに対する比較エネルギー比の計算、Ｅ_ｉ／Ｅ_ａｖｅ、によって推定され、ここでＥ_ｉ（ＫＷＨ）は、需要を越えて月毎に消費されるエネルギー、または、平均需要を満たすために貯蔵されている水素から供給される必要なエネルギーである。この比は、実際の既存のまたは予測される消費チャートによって決まり、ここでＥ_ａｖｅ（ＫＷＨ）は、燃料電池によって生成される電力の月毎の平均と等しい月毎の平均需要である。また、水素として貯蔵することが必要な総エネルギーは、余剰の最大の正数と消費チャートにおける絶対値が最大となる負数との差である。図１８は、０．９０Ｅ_ａｖｅ＋０．０６Ｅ_ａｖｅ＝０．９６Ｅ_ａｖｅを示す。水素タンクは、前述の例における選択された現場の一年中の需要に合致する供給をするために、０．９６Ｅ_ａｖｅを生成するために必要な水素を貯蔵する容量を有するべきである。また、水素貯蔵部の重さは、０．９６Ｅ_ａｖｅを、中位水素発熱量（medium Hydrogen Heating Value）である周知の３６ｋｗｈで割ることで算出される。そして、必要な貯蔵水素の重さ（ＫｇＨ^２）＝０．９６Ｅ_ａｖｅ／［３６（ＫＷＨ／Ｋｇ）×０．４１］＝０．０６７８×０．９６Ｅ_ａｖｅ＝０．６５Ｅ_ａｖｅ（ＫＷＨ）である。ここで、０．４１は燃料電池の効率係数である。水素の重さは、貯蔵部または液化技術で使用される圧力に応じて体積容量に変換され得る。さらに、月毎の平均消費エネルギーは、風力ステーションによって月毎に定常的に生成される電力：Ｅ_ａｖｅ＝Ｅ_ａｖｅｗ×０．６１×０．４１であり、ここでＥ_ａｖｅｗは、月毎に生成される非定常電力、０．６１は電解処理の効率、０．４１は燃料電池の効率である。風力タービンステーションは、工業目的のためや輸送のために大量の水素を生成することも可能である。また、風力タービンステーションを使用すると、最先端の風力タービンを用いると通常は非常に困難かつ高コストになる風力電力出力バランス管理という重い負担が、軽減される。
【発明の効果】
【００３８】
風力タービンステーションは、現在の風力エネルギーに比べて、以下の改善を提供する。
ａ） 稼働高さを２０００ｍまで増大させ、大幅に風速を増大させる。
ｂ） 高さ１０ｍの環境における平均風速６ｍ／秒で生成される非定常電力ではなく、定常の１０００ＭＷまで大容量化する。
ｃ） 大容量の風力タービンステーションを、都市部の非常に近くに建造可能にする。これが、なぜ最初に「継続的な電力生成のための経済的都市風力タービンステーション（Economical Urban Wind Turbine Station for Continuous ElectricityGeneration）」と名付けられたのかという理由になっている。
ｄ） 需要に合致するとともに電流、周波数及び電位が一定である風力電力を供給する。
ｅ） 完全に同じ形状及び大きさの建造物を建造する場合と比較して、容積の大きさを小さくして、剛性を大きく増大させつつコストを低減させる。
ｆ） 風力タービンステーションは、継続的なメンテナンスまたはより長い稼働時間及び高効率を可能にする。
ｇ） ＨＡＷＴからのノイズを低減させ、小型風力タービンがより大きな高さにおいてより小さい先端速度を有する。
ｈ） １ＭＷに必要な水平土地スペースを１００分の１まで低減させ、さらに電力コスト及び風力エネルギーに対する悪い社会的影響を低減し、風力エネルギーの競争力を大きくする。
ｉ） 風力エネルギーの生成コストを、実用的な風力タービンの数分の１にする。
ｊ） 工業利用のための大規模かつ安いコストで水素を生成する。
ｋ） 水素を生成するために水素ユニットに電力が供給される場合、風力発電機出力を通常の一定周波数とすることが不要になる。そして、さらに電力コストを低減しつつ発電機のライフサイクルを長くするギアが不要になる。
ｌ） 小型ＨＡＷＴ及びＶＡＷＴタービンが、鳥が危険となるよりもずっと小さい先端速度を有することから、鳥の環境影響が低減される。
【００３９】
飛行機の衝突事故を回避するために、外部塔フレーム７の周囲及び高さに沿って、周知の点滅警告灯が設置される。
【００４０】
周知の避雷システムが、風力タービンステーションのスタッフを守るために設置される。

Claims (23)

1. オープンフレームを有する複数階構造を備える風力エネルギータービンシェルステーションであって、
   前記オープンフレームが、少なくとも２つの離間して開いた実質的に平行である垂直フレームを備え、前記フレームのそれぞれは、１以上の水平方向において１以上の梁間を有し、主として梁及び柱から成り、前記フレームは主として相互接続梁によって他と相互接続するとともに、１つの空間構造を形成し、
   垂直方向に離間した複数の水平平坦な内部プラットフォームが前記構造の床を形成し、前記フレームの長さにわたってそれぞれの内部プラットフォームが前記フレーム及び相互接続梁の間に広がるとともにこれに接続し、
   風力タービンが、それぞれの内部プラットフォームの外周面の周囲の前記構造上に設置され、前記風力タービンである水平軸風力タービンは外側を向き、それぞれの風力タービンは電力を生成する発電機に対して動作可能なように接続される風力エネルギータービンシェルステーション。
2. 前記構造が、前記フレームを越えて前記内部プラットフォームの前記外周面の外側に広がる離間した外部プラットフォームを有し、
   １つの外部プラットフォームに対して１つの風力タービンとなるように、前記風力タービンが前記外部プラットフォーム上に設置される請求項１に記載のステーション。
3. 外部プラットフォームから前記内部プラットフォームの前記外周面を越えて前記内部プラットフォーム上に至るように、それぞれの前記外部プラットフォーム上で内側に広がるトラック手段を含み、
   前記フレームの間で、前記外部プラットフォーム上の稼働位置と前記内部プラットフォーム上の保守位置との間を前記風力タービンが移動可能となるように、前記風力タービンのそれぞれが前記トラック手段上で移動自在に設置される請求項１または２に記載のステーション。
4. 稼働位置から、隣接する前記垂直フレームを内側に向かい、前記内部プラットフォーム上の保守位置に至る、それぞれのタービンの移動のための空間を確保し、
   前記プラットフォーム上で、前記保守位置でタービンが保守されるための空間を確保し、
   前記保守位置と、車載クレーンが前記保守位置間を移動するとともに前記プラットフォーム上の稼働位置におけるそれぞれのタービンに対してアクセスする道路のための別の垂直フレームと、の間である前記プラットフォーム上の空間を確保するために、
   それぞれの内部プラットフォームが十分に広くなっている請求項１または２に記載のステーション。
5. それぞれの内部プラットフォームは、道路上から隣接する上方の内部プラットフォームに通じる第１車用傾斜路と、前記道路上から隣接する下方の内部プラットフォームに通じる第２車用傾斜路と、を有する請求項１，２または４に記載のステーション。
6. 前記風力タービンが、水平軸風力タービン、垂直軸風力タービン、または、水平軸風力タービン及び垂直軸風力タービンの組み合わせであり得るとともに、前記風力タービンのそれぞれの高さが、垂直方向に離間した内部プラットフォーム間の距離よりもわずかに小さい請求項１または２に記載のステーション。
7. 前記複数階構造に水素発電ユニットが配置され、
   それぞれのユニットは、
   前記風力タービンによって生成された電力が、直流に変換されるとともに所定の低電圧かつ高電流に変換された後に供給される、水素を生成する電解槽と、
   定常電力を生成する水素稼働燃料電池発電機と、
   を備える請求項１または２に記載のステーション。
8. 環状の複数階構造を備える風力タービンステーションであって、
   略円筒または多角形柱の外側フレームと、前記外側フレームの内部で同心となる少なくとも他の略円筒または多角形柱の内側フレームと、を有し、両方のフレームのそれぞれは、主としてオープンフレーム構造を成す梁及び柱から成るとともに、１つの空間構造を形成するために主として梁によって他と相互接続され、
   前記フレーム間で垂直方向に離間した複数の水平な内部プラットフォームが前記構造の床を形成し、それぞれの内部プラットフォームは、平坦かつ環状であって、前記フレーム間の空間を横切って広がるように前記フレームの両方に締結され、
   風力タービンが、それぞれの内部プラットフォームの外周面の周囲の前記構造上に設置され、前記風力タービンである水平軸風力タービンは外側を向き、それぞれの風力タービンは電力を生成する発電機に対して動作可能なように接続される風力タービンステーション。
9. 前記フレームは、半円または多角形のループの繰り返しによる上面視蛇行状であり、
   前記タービンが、それぞれの半ループの周面に隣接する前記内部プラットフォーム上に設置される請求項１に記載のステーション。
10. 前記構造が、前記フレームを越えて前記内部プラットフォームの前記外周面の外側に広がる離間した外部プラットフォームを有し、
    １つの外部プラットフォームに対して１つの風力タービンとなるように、前記風力タービンが前記外部プラットフォーム上に設置される請求項８または９に記載のステーション。
11. 外部プラットフォームから前記内部プラットフォームの前記外周面を越えて前記内部プラットフォーム上に至るように、それぞれの前記外部プラットフォーム上で内側に広がるトラック手段を含み、
    前記フレームの間で、前記外部プラットフォーム上の稼働位置と前記内部プラットフォーム上の保守位置との間を前記風力タービンが移動可能となるように、前記風力タービンのそれぞれが前記トラック手段上で移動自在に設置される請求項８，９または１０に記載のステーション。
12. 前記外部プラットフォームは、互いに垂直方向に揃って並び、
    それぞれのタービンのための前記トラック手段は、
    前記外部プラットフォーム及び前記内部プラットフォームの上の下側トラックと、
    前記下側トラックと垂直方向に揃って並ぶ上側トラックと、を備え、
    前記上型トラックは、隣接する上側の外部プラットフォーム及び隣接する上側の内部プラットフォームの両方の下面上にある請求項３または１１に記載のステーション。
13. 稼働位置から、隣接する前記垂直フレームを内側に向かい、前記内部プラットフォーム上の保守位置に至る、それぞれのタービンの移動のための空間を確保し、
    前記プラットフォーム上で、前記保守位置でタービンが保守されるための空間を確保し、
    前記保守位置と、車載クレーンが前記保守位置間を移動するとともに前記プラットフォーム上の稼働位置におけるそれぞれのタービンに対してアクセスする道路のための別の垂直フレームと、の間である前記プラットフォーム上の空間を確保するために、
    それぞれの内部プラットフォームが十分に広くなっている請求項８または９に記載のステーション。
14. それぞれの内部プラットフォームは、道路上から隣接する上方の内部プラットフォームに通じる第１車用傾斜路と、前記道路上から隣接する下方の内部プラットフォームに通じる第車用傾斜路と、を有する請求項８，９または１０に記載のステーション。
15. 前記風力タービンが、水平軸風力タービン、垂直軸風力タービン、または、水平軸風力タービン及び垂直軸風力タービンの組み合わせであり得る請求項８，９または１０に記載のステーション。
16. 前記風力タービンの高さが、垂直方向に離間した水平な内部または外部プラットフォーム間の距離よりもわずかに小さい請求項８，９または１０に記載のステーション。
17. 前記複数階構造に水素発電ユニットが配置され、
    それぞれのユニットは、
    前記風力タービンによって生成された電力が、直流に変換されるとともに所定の低電圧かつ高電流に変換された後に供給される、水素を生成する電解槽と、
    定常電力を生成する水素稼働燃料電池発電機と、
    を備える請求項８，９または１０に記載のステーション。
18. 前記稼働位置における前記トラック手段上の前記タービンを固定して、前記稼働位置からの動きに対抗するための、前記タービン及び前記トラック手段と関連した固定手段を備える請求項３，１１または１２に記載のステーション。
19. 請求項１，２，８，９または１０に記載のタイプの風力タービンステーションの建造方法であって、
    地上階を移動する車載クレーンを使用して、主な梁及び柱を除いて前記ステーションの第１階の高さまで前記ステーションの前記フレームを建造する工程と、
    前記地上階上の前記車載クレーンを使用して、前記地上階から前記第１階に上がる傾斜路の建造を含む、前記第１階のフレームに支持されて前記第１階を形成する前記内部プラットフォームの少なくとも一部を建造する工程と、
    前記傾斜路を使用する前記車載クレーンとともに、前記地上階から前記第１階へ建造材料及び風力タービンを移動する工程と、
    前記第１階の前記プラットフォームの建造を完成するために、前記第１階上の前記車載クレーンを使用する工程と、
    前記第１階上の前記車載クレーンを使用して、第２階の高さまでの前記フレームを建造する工程と、
    前記第１階上の前記車載クレーンを使用して、前記第１階から前記第２階に上がる傾斜路の建造を含む、前記第２階の前記内部プラットフォームの一部を建造する工程と、
    前記風力タービンを前記第１階の内部プラットフォームの外周面の周囲の前記構造上に設置する工程と、を備え、
    所望の建造物高さに達するまで、それぞれの階を建造するための前記工程を繰り返す風力タービンステーションの建造方法。
20. 前記ステーションの建造期間中に、前記建造材料の輸送をするため及び前記風力タービンを輸送するために十分な大きさである少なくとも１つのエレベータを建造する工程を含み、
    前記エレベータは、次の階を建造するために必要となる必要な建造材料を持ち上げるとともに前記風力タービンを持ち上げるために、ある階のフレームを建造した後、内側フレームに隣接して、ある階から次の階に段階的に上がるように建造される請求項１９に記載の方法。
21. 前記構造の高さが前記構造の外径の約４倍である請求項８，９または１０に記載のステーション。
22. 前記建造物の外径が１００−５００ｍの間であり、前記ステーションの高さの約４分の１である請求項８，９または１０に記載のステーション。
23. ステーションアレイであって、
    それぞれのステーションは請求項１に記載のものであり、前記アレイ内の前記ステーションのそれぞれの外側フレームの先端は、仮想開または閉曲線の外周上に位置し、
    前記仮想開曲線上に位置する最初及び最後の外側フレームと、仮想曲線に対して平行な位置の最初及び最後の内側フレームは、通常は前記フレームを地上に固定するための引張ケーブルによって支持されるステーションアレイ。

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