JP6191050B2 - 洋上風力タービン基礎、対応する洋上風力タービンおよびそれらを現場で設置する方法 - Google Patents

Description

本発明は、洋上風力タービンに関する。

本発明は、まず、請求項１の前文に記載のタイプの洋上風力タービン基礎に係るものである。

米国特許第７１６３３５５号明細書では、このタイプの基礎について記載しており、この文献において、各脚およびそのガイドは、複数のシリンダとラックとの相対移動のための装置を備えている。

基礎、または風力タービンすべてが作業現場に到着したときに、これらの移動装置は、各脚を海底に接触するまで降下させ、次いでプラットフォームを海面より上の所望の高さまで引き上げることができる。

それゆえ、この設計では、複雑な構造を有しかつ非常に多くのシリンダを備えた脚を必要とし、これらの脚は、現場での設置の際にのみ用いられ、その後、その場に残される。

本発明は、より経済的であり、より構築し易い解決策を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明は、各脚がガイド内を自在に摺動することを特徴とする、前述のタイプの洋上風力タービン基礎を提供しようとするものである。

請求項２では、この基礎の好ましい実施形態について記載している。

本発明はまた、
先に定義した基礎と、
タワー支持体に取り付けられた風力タービンタワーと、
タワーの上部領域に取り付けられたナセルロータ組立体と
を具備する洋上風力タービンに関する。

この風力タービンのその他の特徴は、請求項４〜６に記載されている。

本発明はまた、請求項７に記載の洋上風力タービンを現場で設置する方法に関する。

この方法の実施態様は、請求項８〜１０に記載されている。

次に、以下の添付図面を参照しながら本発明の諸実施形態の諸例について説明する。

プラットフォームが水面より上に位置する、本発明による洋上風力タービンの斜視図を概略的に示す。 水中プラットフォームを有する変形例の斜視図を概略的に示す。 図１の風力タービン基礎の上方から見た斜視図を拡大して概略的に示す。 図２に示す基礎の脚の下端部の可能な構成を側面図で拡大して示す。 図２に示す基礎の脚の下端部の可能な構成を側面図で拡大して示す。 風力タービンを輸送するためのバージないしは台船の斜視図を概略的に示す。 関連する作業台船の側面図を概略的に示す。 プラットフォームを引き上げるのに適した相対移動装置の側面図を概略的に示す。 脚に対するプラットフォームの所定位置へのロック状態を斜視図で概略的に示す。 図７のＶＩＩＩの詳細を半子午線断面図で拡大して示す。 相対移動装置の変形例の側面図を概略的に示す。

図１に示す洋上風力タービン１は、基礎２と上部構造３とからなる。風力タービンの構造部品はすべて鋼で構成される。

基礎２は、プラットフォーム４と、海底６で支持するための３本の脚５とを具備する。図示の例において、プラットフォームは、検討する地域で予測される最も高い波が届く高さより高い位置で、海８の表面７より上に位置するように設計される。

図２で最もよく分かるプラットフォーム４は、３本のアーム９を備える正星形の形状を有する。各アームは金属部分で構成され、また、機能的役割が次の項で明らかになるバラストキャビティ（ｂａｌｌａｓｔ ｃａｖｉｔｙ：安定空胴）１０を画成する。

各アーム９は、その自由端の近傍に、プラットフォームをその高さ全体に亘って貫通しかつプラットフォームの上面より上に、上方に突出する縦型スリーブ１１を備える。図６に示すように、スリーブ１１の下端部は、プラットフォームの底面と面一である。

プラットフォーム４は、その中心部では、プラットフォーム上面を越えて突出するチューブ１３を支承する。このチューブは、３本のバットレス１４を備えており、上部構造３のタワー１５の基部を受けかつ位置決めする。

各脚５は、脚５が海底で静止しているときで、かつプラットフォームがその運用‐使用位置にある場合、脚の上端部が、図１に示すようにスリーブ１１の上方に延びるような長さのチューブからなる。チューブ（図８）の外径Ｒ_ｅは、スリーブ１１の内径Ｒ_ｉより僅かに小さい。それゆえ、チューブ５は、スリーブとの間に環状空間１６を介して、スリーブ内で上下方向に自在に摺動することができる。

各チューブ５は、海底の性質に応じて様々な異なる構成を有し得る足（ｆｏｏｔ）１７によりその基部が閉じられている。例えば、足１７が円錐形でかつ脚と同じ直径を有してもよく（図３Ａ）、または中央先端が下向きの拡大した足底（ｓｏｌｅ ｅｎｌａｒｇｅｄ）の形状であってもよい（図３Ｂ）。

上部構造３は、それ自体既知のように、タワー１５に加えて、タワーの上端部に固定されかつ発電機を備えたナセル１８‐ロータ１９組立体を具備する。

当然ながら、実際には、風力タービン１は、洋上風力タービンの分野に共通である、プラットフォームへのアクセス、発電した電力の処理、制御、操作などのために必要な機械装置や設備すべてを備える。これらの機械装置や設備は、図示せず、より詳細には記載しない。

これまでに記載の風力タービンの設置は、輸送用台船２０（図４）および作業台船２１（図５）を用いて実行される。

輸送用台船２０は、例えば自航式でかつ２つの風力タービン１すべてを適切に作業現場に輸送することができる平坦な甲板の台船である。変形例として、各風力タービンを、浮力室の浮遊アセンブリを用いて浮かばせ、作業現場まで曳航してもよい。

作業台船２１は、台船２０よりも寸法の小さい台船であり、例えば、自航式でかつ矩形である。台船２１には、上方に突出しかつ台船を貫通するスリーブ２２が各コーナに設けられている。足により基部が閉じられた筒状の位置決め脚２３は、このスリーブ内を摺動する。台船２１には、脚を昇降するための（例えばラックピニオン式の）機構が脚ごとに設けられている。

台船２１は、風力タービンを設置するために必要とされる様々な機械装置、装置および設備すべて（クレーン２５、３つの昇降装置２６、海水ポンプ２７、およびコンクリートタンク３０に接続されたコンクリートポンプ２９）が設けられた平坦な甲板を有する。以下に記載の通り、水中プラットフォームを備える風力タービンの設置については、装置２６が降下装置に置き換えられるとともに、台船２１には砂利ポンプ２８も備え付けられる。

各昇降装置２６は、実質的に縦シリンダ３１の組立体とケーブル組立体とからなるリニアウインチ（ｌｉｎｅａｒ ｗｉｎｃｈ）である。２つのシリンダのピストンロッドが上側水平板３３に固定される一方で、シリンダの本体は下側水平板３２に固定される。板３２および３３は、ケーブルをクランプするための一方向クランプ手段を具備する。シリンダを交互に制御する（ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ）ことにより、装置が固定された高点に掛止されているときにケーブルに沿って上ることができるようにする。

このような装置は、建築や公共事業の分野でよく知られており、例えば、ＥＮＥＲＰＡＣ社により販売されるケーブルプルシリンダである。

台船２１はまた、種々の作動装置および制御装置（図示せず）を有し、これらの装置は、次に説明する風力タービンを設置するためのステップの実施を容易かつ可能にする。

（１）風力タービンは、プラットフォームが台船の甲板３４に載置され、かつ脚５が起立位置にある状態で、台船２０により作業現場に輸送される。この位置において、足１７は、甲板３４の水準のすぐ下に位置し、したがって、水面下にある。脚は、図示しない適切な仮の楔により、この起立位置に保持される。

（２）台船２０および２１が現場に投入され、台船２１の脚２３が起立位置にある。

（３）クレーン２５のブーム３５を第１の脚５の上部に位置決めするように台船２１を操作し、次いで、４本の脚２３を降下させることにより台船２１を位置決めするとともに、海底において脚２３により台船２１を支持する。

（４）吊りフック３６を用いて、クレーンで、脚５の上部に設けられた吊り部材３７（図２）を把持し、この脚の楔が取り外され、そして脚が海底において足１７で支持され静止するまでクレーンで脚を降下させる。この降下中に、脚は、脚の長さ（高さ）全体に亘って設けられた開口により水で満たされる。

（５）次いで、クレーンは、第１の移動装置２６を把持し、スリーブ１１の直近のプラットフォーム４上に移動装置２６を載置する。作業班は、部材３７にケーブル３８（図６）の一端を取り付け、脚（図２および図６）の上部に固定された半円形ガイド３９の上にケーブルを通し、装置２６にケーブルを挿通する。装置２６の底板３２は、スリーブ１１の近傍のプラットフォームに取り付けられる。

（６）クレーンのブームを第２の脚の上に位置決めするように台船２１を操作し、次に、台船２１を脚２３により位置決めし、ステップ（４）と（５）を繰り返す。

（７）台船２１により、クレーンブームを第３の脚５の上方に操作し、台船２１を脚２３により位置決めし、ステップ（４）と（５）を繰り返す。

（８）リニアウインチ２６がケーブル３８に沿って少しずつ上るように、３つのリニアウインチ２６を同時に作動させる。この操作により、プラットフォーム４を少しずつ上昇させ、それにより、プラットフォーム４が台船２０の甲板３４から外れる。次いで、プラットフォーム４が取り外される。

（９）海底で静止している脚５は、バラストタンクの排出と交互に行われる、各脚の付近に位置しかつプラットフォームに収容されたバラストタンク１０内への海水の充填により交番応力で満たされる（ｐａｃｋｅｄ）。

このために、図示しないパイプを用いて、台船２１のポンプ２７が、プラットフォームのバラストタンク１０の充填と排出を交互に行う。

（１０）ケーブル３８に沿って上昇することでリニアウインチ２６の上昇を継続させるために、３つのリニアウインチ２６を同時に作動させる。そうすることで、ウインチは、プラットフォーム４が所望の高度に達するまでプラットフォーム４を上方へ引き上げる。

（１１）このようにして、プラットフォームが最終位置に達し、脚５のうちの１本に関して図７および図８に示すように、以下のようにして、この最終位置でロックされる。

スリーブ１１には、その内面に多数の円形の溶接リング４０が予め装着されている。脚５には、スリーブ１１に対向して位置する脚５の外面に多数の円形の溶接リング４１が予め装着されている。リング４１は、リング４０に対して約１／２ピッチだけずれている。

パイプ４２を用いて、ポンプ２９が、脚５をスリーブ１１と隔てる環状空間１６内にタンク３０から取り出されたコンクリートを注入する。

各脚に対して同じ工程を繰り返す。コンクリートの凝結により、プラットフォームを、リング４０と４１の存在で更に強化される極めて確実な方法で、所定位置にロックする。

変形例として、プラットフォームの所定位置へのロックを機械的な楔を用いることで達成することができる。

（１２）３つのリニアウインチ２６を分解して取り外し、クレーン２５でリニアウインチ２６を運び、台船２１に戻す。

必要なときに、台船を再び可動状態にし、したがって、台船が脚５から他の脚５へ、またバラストタンク１０から他のバラストタンク１０へ移動できるようにするために、台船２１の脚２３を引っ込めることができることに留意すべきである。

このようにして、風力タービン１の設置が完了する。新たな風力タービン（例えば、台船２０で搬送する同様の風力タービン）の設置現場に台船２１を移動させることができる。

先に記載した設置工程は、乾燥地で風力タービン全体の施工を行えるようにし、コスト削減を可能にする。実際に、脚５は、プラットフォームのスリーブ内で自由に摺動できる単純なチューブであり、設置の際に各風力タービンに対して一度だけ使用される昇降装置２６は、すべての一連の風力タービンの設置のために回収されて再利用される。

水中プラットフォーム（図１Ａ）を備える風力タービン１０１を設置する場合、図９に示すように、リニアウインチ２６は、単純なドラム４４ウインチ４３に置き換えられる。

台船２１で最初に搬送されるこれらのウインチを適所に配置し、脚を降下させた後に各脚の上部にしっかりと固定し、次いで、それらのケーブル４５をスリーブ１１の近傍のプラットフォーム上に設けられたフック４６に固定する。

このようなウインチ４３を用いて、海面より下に位置する使用位置にプラットフォーム４を降下させることができる。

このようにして、風力タービンを設置するために、先に記載したステップ（１）〜（７）を実行する。次いで、ステップ（８）の代わりに、風力タービンが台船２０から外され、台船２０が退避できるようにするために、台船２０をバラストで安定させる。ステップ（１０）は、プラットフォーム４を所望の深さまで降下させることができるようにするために、ウインチ４３の同時操作に置き換えられる。

最後に、ウインチ４３を取り外すステップ（１２）の後に、追加のステップを以下の通りに実行する。

（１３）台船２１により搬送されるタンク内、または補助台船内（図示せず）のどちらかに収容される砂利は、砂利ポンプ２８を用いて、風力タービンのバラスティングを完了するために、図示しないパイプを使用してプラットフォームのバラストタンク１０内に送られる。この場合、バラストタンク１０は上方に開口していてもよい。

当然ながら、いずれの場合も、多数の相対動作装置２６，４３が各脚５に関連付けられてもよい。

１…洋上風力タービン、２…基礎、３…上部構造、４…プラットフォーム、５…脚、チューブ、６…海底、７…表面、８…海、９…アーム、１０…バラストタンク、１１…縦型スリーブ、１３…チューブ、１４…バットレス、１５…タワー、１６…環状空間、１７…足、１８…ナセル、１９…ロータ、２０…輸送用台船、２１…作業台船、２２…スリーブ、２３…脚、２５…クレーン、２６…リニアウインチ、相対移動装置、２７…海水ポンプ、２８…砂利ポンプ、２９…コンクリートポンプ、３０…コンクリートタンク、３１…縦シリンダ、３２…下側水平板、３３…上側水平板、３４…甲板、３５…ブーム、３６…吊りフック、３７…吊り部材、３８…ケーブル、３９…半円形ガイド、４０、４１…リング、レリーフ（ｒｅｌｉｅｆ）、４２…パイプ、４３…ウインチ、相対動作装置、４４…ドラム、４５…ケーブル、４６…フック、１０１…風力タービン

Claims (10)

1. 中央領域において風力タービンタワーのための支持体（１３）を支えかつ周縁領域において複数の脚ガイド（１１）を支えるプラットフォーム（４）と、
   複数の脚（５）であって、該脚の各々が輸送のための起立位置と海底（６）で静止する降下位置との間で移動可能である、脚と
   を具備する洋上風力タービンのための基礎（２）において、
   前記脚（５）の各々がその脚ガイド（１１）内で自在に摺動することを特徴とする、洋上風力タービンのための基礎（２）。
2. 前記脚（５）の各々をその脚ガイド（１１）内の所定位置にロックするための手段（１６，４０，４１）を具備することを特徴とする、請求項１に記載の洋上風力タービンのための基礎（２）。
3. 請求項１または２に記載の基礎（２）と、
   支持体（３）に取り付けられた風力タービンタワー（１５）と、
   前記風力タービンタワー（１５）の上部領域に取り付けられたナセル（１８）‐ロータ（１９）組立体と
   を具備することを特徴とする、洋上風力タービン（１）。
4. 前記脚（５）の各々が、該脚（５）と前記脚ガイド（１１）との間に位置する環状空間（１６）内に打設される硬化性材料で作られたリングにより該脚ガイド（１１）内の適所にロックされることを特徴とする、請求項３に記載の洋上風力タービン（１）。
5. 前記脚（５）と前記脚ガイド（１１）の対向する円筒面のうちの少なくとも一方が、これらの面の他方に向けて突出する少なくとも１つのレリーフ（４０，４１）を備えることを特徴とする、請求項４に記載の風力タービン（１）。
6. 前記円筒面の各々が、前記レリーフを構成する少なくとも１つの円形リング（４０，４１）を備え、前記２つの面の前記リングが、互いに対して上下方向にずれていることを特徴とする、請求項５に記載の風力タービン。
7. 洋上風力タービン（１）を現場で設置する方法において、
   （ａ）脚（５）が起立位置にある状態で、請求項１もしくは２に記載の基礎（２）または請求項３〜６のいずれかに記載の風力タービン（１）の作業現場への輸送が行われるステップと、
   （ｂ）クレーン（２５）と、前記脚（５）ごとの、前記プラットフォーム（４）に対する前記脚の相対移動のための少なくとも１つの装置（２６，４３）とを搬送する少なくとも１つの作業台船（２１）を輸送しかつ現場で位置決めするステップと、
   （ｃ）前記クレーンを用いて、前記脚の各々が海底（６）で静止するまで順次降下させるステップと、
   （ｄ）前記相対移動装置の各々を関連する前記脚と前記プラットフォーム（４）と協働するように位置決めするステップと、
   （ｅ）前記相対移動装置（２６，４３）を同時に作動させることにより、前記プラットフォーム（４）を所望の運用・使用位置に上下方向に移動させるステップと、
   （ｆ）前記プラットフォーム（４）が前記脚に対する所定位置にロックされるステップと、
   （ｇ）前記相対移動装置（２６，４３）が前記基礎（２）と前記脚（５）から取り外され、かつこれらの相対移動装置が前記作業台船（２１）に戻されるステップとを備えることを特徴とする、方法。
8. 硬化性材料（３０）の供給部と、前記硬化性材料のためのポンプ（２９）とを備える前記作業台船（２１）を利用し、ステップ（ｃ）の後に、前記脚と関連するガイド（１１）との間に位置する環状空間（１６）内に前記硬化性材料を注入することにより、各脚（５）が前記プラットフォーム（４）に対して適所にロックされることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 水ポンプ（２７）を備える前記作業台船（２１）を利用し、ステップ（ｃ）の後に、前記プラットフォーム（４）に設けられたバラストタンク（１０）への海水の充填、その後の前記バラストタンク（１０）からの海水の排出を繰り返し確実に行うことにより、前記脚（５）が満たされる（ｐａｃｋｅｄ）ことを特徴とする、請求項７または８に記載の方法。
10. 水中プラットフォーム（４）を備える風力タービン（１０１）を現場で設置する方法であって、砂利ポンプ（２８）を備える前記作業台船（２１）を利用し、ステップ（ｅ）の後に、前記プラットフォーム（４）に設けられたバラストタンク（１０）に砂利を充填することにより、前記基礎をバラストで安定させることを特徴とする、請求項７〜９のいずれかに記載の方法。

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