JP6194440B2 - 海上において風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電プラント - Google Patents

Description

本発明は、複数の風力タービン、風力タービンを支持するようになっている支持要素を含む浮体式の骨組み、及び骨組みを海中の基礎に接続する構成を備える、海上において風力エネルギーを電気エネルギーに変換するように設計されている風力発電プラントに言及するものである。

そのような風力発電プラントは、例えば特許文献１から既知である。その風力発電プラントは、複数の風力タービン、並びに、２つの実質的に鉛直な支持要素、及び鉛直な支持要素に接続されている実質的に水平な支持要素を含む浮体骨組みを含む。タービンは鉛直な支持要素に取り付けられる。風力発電プラントは、海中に配置されている支柱の形態の基礎に骨組みを接続する構成を更に備え、その構成は、２つのロッド、及び支柱と支持要素との間に配置されている複数のワイヤーを含む。

浮体風力発電プラントの別の例が特許文献２に開示されている。そのプラントは、フレーム構造を形成するように配置されている桁構造、及び水体内でフレーム構造の位置を安定させる少なくとも１つの直立体を含む。このプラントはブイに取り付けられるようになっている。

従来技術の風力発電プラントに関連する不都合点は、骨組みを基礎に接続する構成が嵩張るとともに重いことである。別の不都合点は、共振問題を得るリスクである。従来技術の風力発電プラントに関連する問題は、プラントと海底との間の電力ケーブルが移動するのに十分なスペースを有せず、したがってケーブルが大きな歪みを受けることに起因して、風力発電プラントが浅瀬に位置付けられるのに適していないことである。

米国特許出願公開第２０１１０３７２７２号 欧州特許第２３２４２４４号

本発明の目的は、上述した問題を軽減する、海上において風力エネルギーを電気エネルギーに変換するのに適した改良された風力発電プラントを提供することである。

本発明によると、この目的は請求項１に規定されているような風力発電プラントによって達成される。

そのような風力発電プラントは、骨組みを基礎に接続する構成が、骨組みの開口部を通って延びるとともに骨組みの両側において突出する細長い桁、桁の一端を基礎に接続する接続ユニット、及び、桁を骨組みに機械的に接続するために桁と骨組みとの間に配置されている複数のワイヤーケーブルを備えることを特徴とする。好ましくは、ワイヤーケーブルはステンレス鋼製である。

ワイヤー構成は少なくとも６本のワイヤーケーブルを含み、ワイヤーケーブルのうちの少なくとも３本は桁の一端と骨組みとの間に配置されており、ワイヤーケーブルのうちの少なくとも３本は桁の反対端と骨組みとの間に配置されている。そのような構成は、桁を、水平方向及び鉛直方向の双方において骨組みに対して定位置に保つ。

桁を支持する構成及び桁の両端のワイヤーケーブルは、基礎と骨組みとの間の可撓性の接続部を提供し、骨組みに対する動的応力を低減する。

ワイヤーケーブルを有する構成に起因して、材料の使用が最適化され、したがって、構成の重量が従来技術の構成と比較して低減される。風力発電プラントの重量が低減されることによって、従来技術の風力発電プラントに比して風力発電プラントの製造コストも低減される。ワイヤーケーブルの特徴に起因して共振の問題も低減される。

本発明の１つの実施形態によると、桁と骨組みとの間の接続は専ら上記複数のワイヤーケーブルによって確立される。

本発明の１つの実施形態によると、細長い桁は骨組みの上記開口部を通って延びて配置されており、それによって、細長い桁は骨組みから離間し、また、細長い桁は骨組みの両側において突出する。

本発明の一実施形態によると、ワイヤー構成は少なくとも８本のワイヤーケーブルを含み、ワイヤーケーブルのうちの少なくとも４本は桁の一端と骨組みとの間に配置されており、ワイヤーケーブルのうちの少なくとも４本は桁の反対端と骨組みとの間に配置されている。この実施形態は、骨組みを基礎に接続するロバストな構成を提供する。８本のワイヤーケーブルを有することによって、力が良好に分散されるため、応力及び材料が低減される。

本発明の一実施形態によると、支持要素は平面を形成し、桁は、平面に対して角度をなして配置されている。好ましくは、桁と平面との間の角度は８０°〜３０°の間隔内にある。この実施形態は、タービン及び支持要素が直立しているままで、桁を水面下の基礎に海底近くにおいて接続することを可能にする。基礎に対する曲げモーメント及び応力が劇的に低減されるため、海底近くにプラントと基礎との間の接続点を有することが有利である。

本発明の一実施形態によると、ワイヤーケーブルは、桁と支持要素によって形成される平面との間の角度の調整を可能にするよう、ワイヤーケーブルの長さが調整可能であるように配置されている。桁と支持要素によって形成される平面との間に必要な角度は、プラントの位置における水深に依存する。この実施形態は、支持要素が鉛直であるままで依然として桁の端を海底のレベルに近づけながら、桁と支持要素によって形成される平面との間の角度を異なる水深に適合することを可能にする。さらに、この実施形態は、角度を徐々に変えることによって造船所において構造を立ち上げ、構造を水中で直立させるというより良い可能性を提供する。この実施形態はまた、後方浮力要素を排除し、構造を前方浮力要素に向かって前方に傾けるという可能性を提供する。

本発明の一実施形態によると、上記構成は、上記ワイヤーケーブルを骨組み及び桁に接続する接続要素を含み、当該接続要素はワイヤーケーブルの長さの調整を可能にするように配置されている。骨組みへのワイヤーケーブルの調整可能な接続部を使用することによって、桁と骨組みとの間の角度を変えることが可能である。

本発明の一実施形態によると、２つの支持要素は互いから或る距離を置いて配置されており、骨組みは、支持要素を支えるために支持要素に接続されている格子構造を含む。例えば、２つの支持要素には筋交いが入っている。格子構造及びワイヤーケーブルを使用することによって、支持要素における曲げ応力が従来の陸地をベースとする風力発電プラントと比較して大幅に低減される。支持要素は例えばチューブ形状であり、この形状によって支持要素が浮くことができる。

本発明の一実施形態によると、細長い桁は開口部を通って延びるため、２つの支持要素及び浮きユニットから離間している。したがって、細長い桁と支持要素又は浮きユニットとの間に直接的な取り付け部がない。

本発明の一実施形態によると、細長い桁は専らケーブルによって骨組みに接続されている。細長い桁と骨組みとの間のケーブルによる接続は、風力発電プラントの重量を低減するという利点を有する。

ここで、本発明の様々な実施形態の説明により、添付の図面を参照して本発明をより詳しく説明する。

本発明の第１の実施形態による風力発電プラントの斜視図である。 風力発電プラントが輸送位置にあるときの、図１に示されている風力発電プラントの側面図である。 風力発電プラントが海中において基礎に接続されており、動作の準備が整っているときの、図１に示されている風力発電プラントの側面図である。 図１に示されている風力発電プラントの後面図である。 本発明の第２の実施形態による風力発電プラントの後面図である。 ワイヤーケーブルを骨組みに接続する接続要素及び風力発電プラントの桁の例を示す図である。

図１〜図４は、本発明の第１の実施形態による、海上において風力エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている風力発電プラントを示している。風力発電プラントは複数の風力タービン２を含む。この実施形態では、風力発電プラントは２つの風力タービン２を含む。しかし、本発明の別の実施形態では、風力発電プラントは３つ以上の風力タービンを含むことができる。風力発電プラントは、風力タービン２を支持するようになっている少なくとも２つの支持要素３ａ、３ｂを含む浮体骨組みを更に含む。支持要素は細長い。この実施形態では、支持要素は、平行に、互いから或る距離を置いて配置されている２つの中空のチューブであるため、支持要素間に開口部７が形成されている。風力タービン２は支持要素の上側端に機械的に接続されている。風力発電プラントは、プラントの動作時に支持要素３−ｂが鉛直に配置されるように設計されている。

骨組みは、支持要素３ａ−ｂ間に配置されている細長い浮きユニット４を更に含む。浮きユニット４もチューブ形状である。浮きユニット４は支持要素の下側端に機械的に接続されている。別の実施形態では、３つ以上の風力タービンを支持するように３つ以上の支持要素を有することが可能である。例えば、支持要素３ａ−ｂ及び浮き４はチューブによって作製される。チューブは、特定の浮力及び転動方向における安定化に寄与する。

骨組みは、支持要素３ａ−ｂを支えるために、格子構造、例えば支持要素に接続されている筋交い５を更に含む。支持要素を安定させ、骨組みにおける曲げ応力を低減するために筋交いを用いることが有利である。当然ながら、支持要素を支えるために他のタイプの構成を用いることが可能である。

風力発電プラントは、風力発電プラントを海中において定位置に保つために骨組みを海中に配置されている基礎に接続する構成を更に含む。基礎は例えばブイ、ポール／支柱又は海底塔である。この例では、基礎はポール８である。ポール８は、図３に示されているように海底に係留されている。この構成は、好ましくはステンレス鋼又はアルミニウム製の細長い桁９を含む。例えば、桁は、中実であるか、チューブ形状であるか又は格子構造であるものとすることができる。以下では支持桁と称される細長い桁９は、図２及び図３に示されているように、支持要素３ａ−ｂ間の開口部７を通って延び、骨組みの両側において突出するように配置されている。支持要素３ａ−ｂ及び浮き４は平面を形成する。桁９は、平面に対して角度をなして配置されている。支持桁は、平面に対して垂直でも平面と平行でもない。好ましくは、桁は、水深に応じて、３０°〜８０°の間隔内にある角度αで平面に対して配置されている。

桁９の一端には、桁９をポール８に接続する接続ユニット１０が設けられている。接続ユニット１０は、接続ユニットをポールに対して水平方向ではなく鉛直方向に移動させることが可能であるように設計されている。桁９の各端には、重り要素としても用いることができる浮力要素１２ａ、１２ｂが設けられている。桁９の第１の端１７には前方浮力要素１２ａが設けられており、桁９の第２の端１８には後方浮力要素１２ｂが設けられている。少なくとも前方浮力要素１２ａは中空であり、空気及び水を受け入れるようになっている入口を有するスペースを含み、プラントは、浮力要素の浮力を変化させるために、スペース内の水位を制御し、ユーザーがスペース内の空気と水との関係を変化させることを可能にする手段を含む。本発明の好ましい実施形態では、後方浮力要素１２ａも、空気及び水を受け入れるようになっている入口を含むスペースを含み、プラントは、浮力要素の浮力を変化させるために、スペース内の水位を制御し、ユーザーがスペース内の空気と水との関係を変化させることを可能にする、例えば弁である手段を含む。プラントが現場に設置された後で浮力要素に水を充填することが有利である。このことは、プラントに、水の移動を低減する質量が提供されることを意味する。基礎への接続点により近い位置においてではなく接続点から更に離れた位置において質量を加えることがより効率的である。

風力発電プラントは、支持桁９を骨組みに機械的に接続するために、桁と骨組みとの間に配置される好ましくは鋼又はポリエステル製の複数のワイヤーケーブル１４ａ−ｈを更に備える。桁９及び支持要素には、ワイヤーケーブルの取り付けを容易にする複数のケーブル取り付け部１５が設けられている。ケーブル取り付け部は例えばループ又はリングである。ケーブルワイヤーの端にも対応する取り付け部、例えばフックが設けられている。ワイヤーケーブルを有する構成は、最適な材料の使用を達成し、したがって発電プラントの重量を低減する。骨組みへのワイヤーの取り付け部はまた調整可能であるものとすることができ、例えば、図４に示されているように、ワイヤー１４ａ及びワイヤー１４ｅが１つの連続的なワイヤーであるものとすることができ、１４ｂ及び１４ｆが１つの連続的なワイヤーであるものとすることができる。骨組みへの接続部は、ワイヤー接続点及びチューブ３の相対位置を所望の位置に保つ、支持要素３ａ−ｂ内のクランプ装置であるものとすることができる。

図１〜図４に示されている実施形態では、８本のワイヤーケーブルが桁と骨組みとの間に配置されている。ワイヤーケーブルのうちの４本１４ａ−ｄは、骨組みと、接続ユニット１０を含む桁の端との間に配置されており、ワイヤーケーブルのうちの４本１４ｅ−ｈは、骨組みと桁の反対端との間に配置されている。この実施形態では、ケーブルワイヤー１４ａ及び１４ｃは桁の第１の端１７と支持要素３ａとの間に接続されており、ケーブルワイヤー１４ｂ及び１４ｄは桁の第１の端１７と支持要素３ｂとの間に接続されている。ケーブルワイヤー１４ｅ及び１４ｇは、桁の第２の端１８と支持要素３ａとの間に接続されており、ケーブルワイヤー１４ｆ及び１４ｈは桁の第２の端１８と支持要素３ｂとの間に接続されている。図１及び図４から分かるように、支持桁９には骨組みがなく、すなわち、骨組みと接触しておらず、ワイヤーケーブル１４ａ−ｈを通じてのみ骨組みに接続されている。支持桁９は、ワイヤーケーブル１４ａ−ｈを通じて以外は骨組みへの接続部を有しないため、桁９と骨組みとの間に力が導入されない。

図２は、風力プラントを曳航することが可能である輸送位置にあるプラントを示している。風力発電プラントはボートによってポール８まで輸送される。風力発電プラントの輸送中に、浮力要素１２ａ−ｂは、風力発電プラントが輸送中に浮いたままであるように空気で充填される。前方浮力要素１２ａにおける水と空気との関係を変化させることによって、風力発電プラントの前方部分を上げ下げすることが可能である。

風力発電プラントがポール８に到達すると、接続ユニット１０がポール８の上側部分に接続される。発電プラントがポール８に接続されると、前方浮力要素１２ａに水が充填されるため、図３に示されているように風力発電プラントが前方に傾く。接続ユニット１０を含む桁９の前方端１７は、ポール８の底部近くの停止位置に到達するまで沈む。この位置では、浮力要素１２ａ−ｂは、水中の波の移動に起因する骨組みの望ましくない移動の影響を受けない。骨組み３ａ−ｂ、４及び桁９は、プラントが係留されると、支持要素３ａ−ｂが実質的に鉛直であり、タービンの平面が鉛直面に平行であるように設計されている。係留点が海底に近いことに起因して、ポール８に対する曲げ応力が大幅に低減され、したがって、ポールは、主に小さい曲げ移動によるせん断力に関して寸法決めされればよい。

電力ケーブル１６が海底に位置決めされ、ポール８を通って延びる。電力ケーブル１６は、ポールに接続された後で、水面上で風力発電プラントに接続される。これに関連する利点は、桁９がブイに接続される解決策と比較して電力ケーブル１６が骨組みの移動に起因して水中で移動しないことである。

図５は、本発明の第２の実施形態による風力発電プラントの後面図を示している。この実施形態は、ワイヤー構成が、第１の実施形態におけるように８本ではなく６本のワイヤーケーブルしか有しないという点において第１の実施形態とは異なる。ワイヤーケーブル１４ｃ及び１４ｄは、１本のワイヤーケーブル１４ｉと入れ替えられている。同じように、ワイヤーケーブル１４ｇ及び１４ｈは、１本のワイヤーケーブル（図示せず）と入れ替えられている。

図６は、ワイヤーケーブル１４ａ−ｉを骨組み及び桁に接続する接続要素１６の一例を示しており、この接続要素は、骨組みの両側においてワイヤーケーブルの長さを調整することを可能にし、桁９と支持要素によって形成される平面との間の角度αを調整することを可能とする。接続要素６は支持要素に対して回転可能に配置されているボビンを含む。ワイヤー１４ｅ及び１４ａは、ボビン１６に巻き付けられる１本のワイヤーの部分である。部分１４ｅ及び１４ａの長さは、ワイヤー部分１４ａが長くなるとワイヤー部分１４ｅが短くなり、逆もまた同様であるように、ボビンの回転毎に変化する。例えば、ボビンの回転はモーターによって駆動される。この例では、モーター１４は中空の支持要素３ａの内部に配置されている。そのような接続要素１６が図１に示されている実施形態において用いられる場合、骨組みには、４つのボビン、すなわち、ワイヤー１４ａ及び１４ｅの第１のボビン、ワイヤー１４ｂ及び１４ｆの第２のボビン、ワイヤー１４ｃ及び１４ｇの第３のボビン、並びにワイヤー１４ｄ及び１４ｈの第４のボビンが設けられる。

この風力発電プラントは大きく、例えば桁の長さは約１５０ｍである。ポール８に向かう方向に延びる桁の部分は例えば約１００ｍであり、反対方向に延びる桁の部分は例えば約５０ｍである。

本発明による発電プラントに関連する利点は、プラントを浅瀬に位置決めすることが可能であることである。従来技術の発電プラントと比較した別の利点は、風力タービンが、風力タービンのローターの中心に対して１つの支持要素しか有しないことである。この構成は、骨組みの動的な寸法決めに関連する外乱及び問題を低減する。

本発明は開示された実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の範囲内で変形及び変更することができる。例えば、プラントは３つ以上の支持要素及び３つ以上の風力タービンを含むことができる。

Claims (11)

1. 海上において風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電プラントであって：
   −複数の風力タービン（２）、
   −少なくとも２つの支持要素（３ａ−ｂ）を含む浮体式の骨組みであって、支持要素（３ａ−ｂ）は、前記風力タービンを支持するようになっているとともに、該支持要素間に開口部（７）が形成されるように配置されている、浮体式の骨組み、並びに
   −前記骨組みを海中に配置されている基礎に接続する構成であって：
   −前記骨組みの前記開口部を通って延びるとともに前記骨組みの両側において突出する細長い桁（９）、
   −前記桁の一端を前記基礎に接続する接続ユニット（１０）、及び
   −前記桁を前記骨組みに機械的に接続するために前記桁と前記骨組みとの間に配置されている複数のワイヤーケーブル（１４ａ−ｉ）
   を備える、接続する構成
   を備え、前記ワイヤーケーブルのうちの少なくとも３本（１４ａ−ｄ）は前記桁の一端と前記骨組みとの間に配置されており、前記ワイヤーケーブルのうちの少なくとも３本（１４ｅ−ｈ）は前記桁の反対端と前記骨組みとの間に配置されていることを特徴とする、風力発電プラント。
2. 前記桁と前記骨組みとの間の接続は専ら前記複数のワイヤーケーブル（１４ａ−ｉ）によって確立される、請求項１に記載の風力発電プラント。
3. 前記細長い桁（９）は前記骨組みの前記開口部を通って延びて配置されており、それによって、細長い桁（９）は前記骨組みから離間し、また、前記細長い桁（９）は前記骨組みの両側において突出する、請求項１又は２に記載の風力発電プラント。
4. 前記ワイヤーケーブルのうちの少なくとも４本は前記桁の一端と前記骨組みとの間に配置されており、前記ワイヤーケーブルのうちの少なくとも４本は前記桁の反対端と前記骨組みとの間に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の風力発電プラント。
5. 前記支持要素（３ａ−ｂ）は平面を形成し、前記桁（９）は前記平面に対して角度をなして配置されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の風力発電プラント。
6. 前記桁と前記平面との間の前記角度（α）は３０°〜８０°の間隔内にある、請求項５に記載の風力発電プラント。
7. 前記ワイヤーケーブルは、前記桁（９）と前記支持要素によって形成される前記平面との間の前記角度（α）の調整を可能にするよう、前記ワイヤーケーブルの長さが調整可能であるように配置されている、請求項５に記載の風力発電プラント。
8. 前記構成は、前記ワイヤーケーブル（１４ａ−ｉ）を前記骨組み及び前記桁に接続する接続要素（１６）を含み、該接続要素は前記ワイヤーケーブルの長さの調整を可能にするように配置されている、請求項７に記載の風力発電プラント。
9. 前記骨組みは、前記支持要素（３ａ−ｂ）間に配置されている細長い浮き（４）ユニットを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の風力発電プラント。
10. 前記２つの支持要素（３ａ−ｂ）は互いから或る距離を置いて配置されており、前記骨組みは、前記支持要素（３ａ−ｂ）を支えるために該支持要素に接続されている格子構造を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の風力発電プラント。
11. 前記２つの支持要素（３ａ−ｂ）はチューブ形状である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の風力発電プラント。

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