JP5868487B2 - 風力発電プラント - Google Patents

Description

本発明は、小規模発電に関し、ウィンドファームのために使用することができる。

環状ポンツーンに配列された風受け入れ動作部材と、当該ポンツーンに運動学的に接続されたエネルギー変換器とを含む風力発電プラントが知られている（特許文献１）。

このソリューションの短所は、特にホイールの寸法が増加する場合に、機械的エネルギーを発電機に伝達することの複雑性にある。当該寸法の増加は、ポンツーンをその回転中に径方向に動かす力の存在に起因する。すなわち、ポンツーンは、当該力が作用する方向にある発電機のみと有効に相互作用する。さらに、環状チャネルを構築する（又は少なくとも、いくつかの支持部材（ストッパ）をポンツーンの外側周縁に沿って据え付ける）必要性が著しく複雑なので、プラント取り付け費用を上昇させる。

回転エネルギーを変換できるように作られたエネルギー変換器と、その垂直軸まわりに回転可能に配列された環状ポンツーンと、当該環状ポンツーン上に配列されかつ垂直軸まわりに回転可能に作られた複数の回転可能ブレードと、当該環状ポンツーンに結合された可撓性リンクであって、当該環状ポンツーンと同軸に回転可能に配列されたエネルギー変換器ハブに結合された可撓性リンクと、当該環状ポンツーンの回転エネルギーを当該エネルギー変換器の受け入れユニットに伝達できるように作られた運動学的機構とを含む風力発電プラントも知られている（特許文献２）。

このソリューションの短所は、エネルギーの流体力学的損失が大きいこと及び生産性が低いことにある。フロートプラットフォームが回転可能に作られるからである。

その垂直軸まわりに回転可能に作られた環状ポンツーン上に配列されたブレードと、回転エネルギーを変換できるように作られかつ当該環状ポンツーンが取り囲むプラットフォーム上に配列されたエネルギー変換器と、当該環状ポンツーンの回転エネルギーを当該エネルギー変換器の受け入れユニットに伝達できるように作られた運動学的機構とを含む風力発電プラントも知られている（特許文献３）。

このプロトタイプの短所は、当該風力発電プラントを深海棚領域に据え付けることができないことにある。このソリューションにおけるプラットフォームは固定されるように作られるからである。

旧ソ連特許発明者証第１７１９７１３（Ａ１）号明細書 ロシア特許第２３３０９８９（Ｃ１）号明細書 ロシア特許第２１１８７０５（Ｃ１）号明細書

請求項に係るソリューションが対象とする課題は、風力発電プラントを水領域に据え付けるための場所に関する制限を取り除くことにある。

前記課題の解決により達成される技術的効果は、最も強くかつ安定した低乱流風の中にあって電気エネルギー生成効率も高い、５０メートルを超える深さの海洋棚領域に自由に風力発電プラントを配列するのに可能な場所の範囲を拡張することにある。

前記課題は、以下の事実により解決される。すなわち、提案される風力発電プラントが、垂直軸まわりに回転可能に作られる環状ポンツーン上に配列されるブレードと、回転エネルギーを変換することができるように作られかつ当該環状ポンツーンが取り囲むプラットフォーム上に配列されるエネルギー変換器と、当該環状ポンツーンの回転エネルギーを当該エネルギー変換器の受け入れユニットに伝達することができるように作られる運動学的機構とを含み、当該風力発電プラントは、当該プラットフォームが、フロート可能に作られかつ位置決め手段が設けられることを特徴とする。位置決め手段は、水塊の底に配置されて好ましくは対をなす少なくとも６つのアンカーを含み、かつ、プラットフォームに可撓性部材によって接続される。その接続は、一つの可撓性部材の水平面方向の突出が環状ポンツーンの回転軸に対して径方向に配向され、かつ、第２可撓性部材の突出は接線方向に配向され、当該第２可撓性部材に接続されたアンカーが、当該第２可撓性部材がプラットフォームに取り付けられた箇所に対して当該環状ポンツーンの回転方向に対向する方向にオフセットされる態様でなされる。アンカーは、海底におけるプラットフォームの突出の範囲を超えるように配置される。

さらに、プラットフォームは、フロートベースと、エネルギー変換器が設けられた水上部分と、密封コラムとを含み、完全に浸漬されたフロートベースに接続される。密封コラムの長さが、風に誘発される波の深さ範囲と水上のプラットフォームの高さとの合計よりも大きく、当該コラムの断面の長さがその幅よりも大きく、当該断面の長手軸が環状ポンツーンの回転軸に対して径方向に配向され、さらに、当該環状ポンツーンの回転軸から当該密封コラムの最も離れた領域までの距離が、当該環状ポンツーンの内径未満である。さらに、プラットフォームのフロートベースは、正多角形の形態に作られる。可撓性部材は、プラットフォームのフロートベースに対し、当該環状ポンツーンの回転軸から最も離れた箇所において好ましくはこれらの間に均等に取り付けられる。さらに、プラットフォームのフロートベースの水平方向における寸法は、当該プラットフォームの水上部分の対応する寸法よりも大きい。

請求項に係るソリューションの本質的な特徴とプロトタイプのそれとの比較検討により、請求項に係るソリューションが「新規性」の基準を満たすことが証明される。

請求項の差別化部分に含まれる特徴が以下の機能的な課題を解決する。

「前記プラットフォームは、フロート可能に作られかつ位置決め手段が設けられ」との特徴により、固定したプラットフォームの使用が不可能又は不採算な深さ５０メートルを超える棚領域に風力発電プラントを配列することができる。

位置決め手段が「水塊の底に配置されて好ましくは対をなす少なくとも６つのアンカーを含み、かつ、前記プラットフォームに可撓性部材によって接続され、その接続は、一つの可撓性部材の水平面方向の突出が前記環状ポンツーンの回転軸に対して径方向に配向され」ると述べられる特徴により、フロートベースが水面上で吹き流されることを防止することができる。可撓性部材の存在により、荒れた海での水位変動中における建設作業が容易になる。

「かつ、第２可撓性部材の突出は接線方向に配向され、前記第２可撓性部材に接続されたアンカーが、前記第２可撓性部材が前記プラットフォームに取り付けられた箇所に対して前記環状ポンツーンの回転方向に対向する方向にオフセットされる態様でなされる」との特徴により、風が生成するねじりトルクの、プラットフォームから水塊の底への信頼性のある伝達が可能となる。これにより、プラットフォームが垂直軸まわりに回転することが防止されるので、フロート風力発電プラントの運用可能性が保証される。

プラットフォームの海底突出の外側にアンカーを配列することにより、可撓性部材の引っ張り力が低減され、かつ、アンカー重量が低減される。これもまた、風力発電プラントの位置安定性を向上させる。

請求項３に含まれる特徴により、フロート風力発電プラントの動きに対する波の影響を低減し、かつ、波の影響の低減により信頼性を向上させることができる。すなわち、「水上部分と、密封コラムとを含み、完全に浸漬されたフロートベースに接続され」との特徴により垂直方向の安定性が確保され、及び「前記コラムの断面の長さがその幅よりも大きく、前記断面の長手軸が前記環状ポンツーンの回転軸に対して径方向に配向され」との特徴により、加わる水の重量を増やすことができるので、可撓性部材の引っ張り力の動的成分が減少し、かつ、アンカーの重量が低減される。さらに、「前記環状ポンツーンの回転軸から前記密封コラムの最も離れた領域までの距離が、前記環状ポンツーンの内径未満である」との特徴により、フロートプラットフォームに対する環状ポンツーンの回転が確保される。

請求項４の特徴により、加わる水の重量を増やすことができるので、可撓性部材の引っ張り力の動的成分が減少し、かつ、アンカーの重量が低減される。「前記可撓性部材は、前記プラットフォームのフロートベースに対し、前記環状ポンツーンの回転軸から最も離れた箇所において好ましくはこれらの間に均等に取り付けられる」との特徴により、可撓性部材の引っ張り力の静的成分の減少、及び、アンカーの重量の低減が確保される。請求項５に含まれる特徴により、可撓性部材の引っ張り力の減少及びアンカーの重量の低減が確保されるのと同時に、フロート風力発電プラントの位置安定性が改善される。

風力発電プラントの水平方向からの図である。 平面図を示す。 水面に沿った水平方向断面を示す。

図面が示すのは、プラットフォーム１と、環状ポンツーン２と、運動学的機構３と、エネルギー変換器の受け入れユニット４と、ブレード５と、環状ポンツーン２の垂直回転軸６と、アンカー７と、水塊の底８と、可撓性部材９及び１０と、可撓性部材９及び１０がプラットフォーム１のフロートベース１２に取り付けられた箇所１１と、プラットフォーム１の水上部分１３と、密封コラム１４と、密封コラム１４の断面の長手軸１５である。

風力発電プラントは、環状ポンツーン２が取り囲むプラットフォーム１と、環状ポンツーン２の回転エネルギーをエネルギー変換器の受け入れユニット４に伝達することができるように作られる運動学的機構３（エネルギー変換器は図面には完全に示されてはいない）とを含む。

ブレード５は、垂直軸６に対して回転可能に作られる環状ポンツーン２上に配列される。プラットフォーム１は、フロート可能に作られかつ位置決め手段が設けられる。位置決め手段は、水塊の底８に配置されて好ましくは対をなす少なくとも６つのアンカー７を含み、かつ、プラットフォーム１に可撓性部材（ケーブル又はチェーン）９及び１０によって接続される。その接続は、一つの可撓性部材９の水平面方向の突出が環状ポンツーン２の回転軸６に対して径方向に配向され、かつ、第２可撓性部材１０の突出は接線方向に配向され、当該可撓性部材に接続されたアンカー７が、可撓性部材９及び１０がフロートベース１２に取り付けられた箇所１１に対して環状ポンツーン２の回転方向に対向する方向にオフセットされる態様でなされる。アンカー７が、海底８上におけるプラットフォーム１の突出の範囲外に配置される。さらに、プラットフォーム１は、フロートベース１２と、エネルギー変換器４が設けられた水上部分１３と、密封コラム１４とを含み、完全に浸漬されたフロートベース１２に接続される。密封コラム１４の長さが、風に誘発される波の深さの範囲と水上のプラットフォーム１高さとの合計よりも大きく、当該コラムの断面の長さがその幅よりも大きく、当該断面の長手軸１５が環状ポンツーン２の回転軸６に対して径方向に配向される。回転軸６は、プラットフォーム１の垂直軸と一致する。プラットフォーム１のフロートベース１２は、正多角形の形態に作られる。可撓性部材９及び１０は、プラットフォーム１に対し、環状ポンツーン２の回転軸６から最も離れた当該フロートベースの箇所１１において好ましくはこれらの間に均等に取り付けられる。さらに、プラットフォーム１のフロートベース１２の水平方向における寸法は、当該プラットフォームの水上部分に対応する寸法よりも大きく、かつ、環状ポンツーン２の直径に近似する。

風力発電プラントは以下のように動作することができる。

風力発電プラントは、フロート組付体として牽引されて配列場所まで移送される。所定の棚位置に到達すると、底８上のプラットフォーム１の突出を著しく超える距離において、アンカー７が底８につなぎ留められる。アンカー７は、可撓性部材９及び１０によって、プラットフォーム１のフロートベース１２の箇所１１に取り付けられる。可撓性部材９に取り付けられたアンカー７によって、プラットフォーム１の水平面内の安定位置が確保され、かつ、フロートベース１２及び密封コラム１４の変位可能な体積によって、プラットフォーム１の垂直位置が確保される。

ブレード５に作用する風の流れがねじりモーメントをもたらし、そのモーメントが運動学的機構３を介してエネルギー変換器の受け入れユニット４に伝達され、かつ、受け入れユニット４からプラットフォーム１へ伝達される。このねじりモーメントは、可撓性部材１０の引っ張り力の水平方向成分がもたらすモーメントと均衡する。

可撓性部材９及び１０が傾いていることにより、底８上においてプラットフォーム１の突出からアンカー７が離れているので、前記引っ張り力及びアンカー７の重量を減らすことができる。一方、突風が引き起こすねじりモーメントの動的成分が、プラットフォーム１の慣性と、フロートベース１２の非円形状及び密封コラム１４の径方向に長い形状によって促されて加わる大きな質量の水とによってならされる。

Claims (5)

1. 風力発電プラントであって、
   垂直軸まわりに回転可能に作られる環状ポンツーン上に配列されるブレードと、
   回転エネルギーを変換することができるように作られかつ前記環状ポンツーンが取り囲むプラットフォーム上に配列されるエネルギー変換器と、
   前記環状ポンツーンの回転エネルギーを前記エネルギー変換器の受け入れユニットに伝達することができるように作られる運動学的機構と
   を含み、
   前記プラットフォームは、フロート可能に作られかつ位置決め手段が設けられ、
   前記位置決め手段は、水塊の底に配置されて好ましくは対をなす少なくとも６つのアンカーを含み、かつ、前記プラットフォームに可撓性部材によって接続され、その接続は、一つの可撓性部材の水平面方向の突出が前記環状ポンツーンの回転軸に対して径方向に配向され、かつ、第２可撓性部材の突出は接線方向に配向され、前記第２可撓性部材に接続されたアンカーが、前記第２可撓性部材が前記プラットフォームに取り付けられた箇所に対して前記環状ポンツーンの回転方向に対向する方向にオフセットされる態様でなされる風力発電プラント。
2. 前記アンカーは、海底上における前記プラットフォームの突出の範囲を超えるように配置される、請求項１に記載の風力発電プラント。
3. 前記プラットフォームは、フロートベースと、前記エネルギー変換器が設けられた水上部分と、密封コラムとを含み、完全に浸漬されたフロートベースに接続され、
   前記密封コラムの長さが、風に誘発される波の深さ範囲と水上の前記プラットフォームの高さとの合計よりも大きく、前記環状ポンツーンの回転軸に直交する平面に沿った前記密封コラムの断面の長さがその幅よりも大きく、前記断面の長手軸が前記環状ポンツーンの回転軸に対して径方向に配向され、さらに、前記環状ポンツーンの回転軸から前記密封コラムの最も離れた領域までの距離が、前記環状ポンツーンの内径未満である、請求項１又は２に記載の風力発電プラント。
4. 前記プラットフォームのフロートベースは、正多角形の形態に作られ、
   前記可撓性部材は、前記プラットフォームのフロートベースに対し、前記正多角形の頂点に取り付けられる、請求項３に記載の風力発電プラント。
5. 前記プラットフォームのフロートベースの水平方向における寸法は、前記プラットフォームの水上部分の対応する寸法よりも大きい、請求項４に記載の風力発電プラント。

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