JP6810794B2 - 複数のエネルギー変換ユニットを備える浮体式風力タービン - Google Patents

Description

本発明は、複数の電力変換器ユニットを備える浮体式風力発電プラントに関する。特に、本発明は、浮体式基礎と、浮体式基礎上に配置されるタワーと、タワーから延びる少なくとも2つのアウトリガーであって、各アウトリガーの自由端部に電力変換器ユニットが配置されるアウトリガーと、基礎を電力変換器ユニットに接続するとともに電力変換器ユニット同士を接続するケーブルシステムとを備える浮体式風力発電プラントに関する。

海底に固定される基礎を備える洋上風力発電プラントは、以前から知られており、複数の電力変換器ユニットを備える構築物は、既に提案されている。特許文献1、特許文献2を参照されたい。

浮体式下部構造体、すなわち浮体式基礎を備える浮体式風力発電プラントは、一般に、例えば、ローターと、ローター軸受と、駆動装置と、発電機とを含む電力変換器ユニットを備える浮体式基礎上にタワーが配置される構造を呈する。特許文献3、特許文献4を参照されたい。

いくぶん稀な事例として、特許文献5から、「バラストSPAR（ballastedSPAR）」として設計された浮体式基礎上に配置される2つのローターを備える浮体式風力発電プラントが知られている。ここで、2つの電力変換器ユニットは、SPARに取り付けられた2つのアウトリガーの自由端部に配置されるとともにガイを介して互いに接続される。これらのプラントは、ダウンウィンドタービンを備えるように設計され、合同して自動的に風上に向くように設計されている。これを行うために、水中域でSPARの周囲に軸受が配置されるが、この軸受は、当該のプラントのサイズでは8 m〜10 mの範囲の直径を有しなければならない。

このタイプの軸受は、現在利用可能なものではなく、もし利用可能であったとしても、非常に労働集約的で製造費用が高いものである。

さらに、SPAR浮体から形成される完全な構造システム及び該システム上に配置される風力発電プラントは、ねじり安定性が予め付与されていないので、強力かつ制御不能なねじり振動を受けやすいことは既に明らかである。

最後に、2つのタービンが端部に取り付けられたアウトリガーは、ローターのスラストを曲げモーメントとしてSPAR構造体に導かなければならない。これには、大量の材料が必要とされる。

英国特許出願公開第2443886号 独国特許第102012020052号 英国特許出願公開第2489158号 独国特許出願公開第102014109212号 国際公開第2014/060420号

したがって、本発明の目的は、浮体式風力発電プラントに作用する風及び波による力に耐え得る、少ない材料消費及び僅かな労力で製造される浮体式風力発電プラントを創出することである。

本発明によれば、この目的は、請求項1に記載の特徴を有する浮体式風力発電プラントによって達成される。独立請求項は、本発明の有利な実施形態を表している。

特許文献5から既知のプラントとは異なり、本発明に係る浮体式風力発電プラントでは、半潜水型であるように設計された浮体式構造体は、1地点のみにおいて潜水するのではなく、1つの平面内の間隔を空けて分散された複数の地点において潜水する。これにより、浮揚安定性が実質的に向上し、喫水が実質的に低減し、完全な構造体は、その水平方向の空間が拡大したことでねじり剛性を有し、したがって、水中で安定するように風向きの変化に適合することができる。

特に、風力発電プラントの好ましい実施形態によれば、水中域に配置されるY字形構造体が使用され、その3つの端部には3つの浮力体（「浮体（floaters）」）が配置される。ケーブルシステムのガイは、これらの浮体の上端部において、水域の外で電力変換器ユニットまでガイドされる。2つの電力変換器ユニットの重量荷重を支える追加のガイが、2つの電力変換器ユニットの間に配置される。2つのプラントから風上に配置された浮体までの2つのガイは、ローターによって生じるスラストを吸収するとともに、このスラストを浮体及びY字形構造体に導く役割を果たす。電力変換器ユニットをそれぞれの端部に支持している2つのアウトリガーは、曲げモーメントによって僅かに応力を受けるだけである。

2つの電力変換器ユニットの下方に配置されるガイは、プラントにブレーキがかけられた場合に後方スラストを吸収するとともに、この後方スラストを風下側に配置された浮体に導く役目を有する。ケーブルシステムは十分に予張力を付与されるが、荷重を受ける予定がない場合には、ケーブルは除荷され、予張力をもはや有しない。

浮体は、個々のガイの傾斜度に配置されることが好ましい。側方から見た風下側の浮体は、風下側のガイの角度でタワーに向かって傾斜している。

また、風下側の浮体は、風下側のガイの角度でタワーに向かって傾斜している。各電力変換器ユニットにおいて関節接続されたガイの予張力は、全ての予張力から生じる力がアウトリガーの軸に正確に作用するように調整される。この設計の結果として、アウトリガー構造体に曲げモーメントは導かれず、その代わりに圧縮力だけが導かれるようになる。

収束するガイにおける関節点の位置は、可能な限り最も短い距離にわたって低い構造荷重が生じるように選択される。これに関して、ガイを1点に収束させることが有利である。

浮体が傾斜した位置にあることで、有利な荷重伝達挙動が得られる。一方で、波荷重は、ガイの荷重とともに浮体において、具体的には（部分的に）浮力によって相殺されるので、Y字形基礎にかかる荷重は少なくなり、Y字形基礎はそれほど大きな寸法を有しない。さらに、Y字形基礎のチャンバーを意図的に冠水させることによって、Y字形基礎における曲げモーメントを更に減少させることができる。

また、本発明によれば、半潜水型であるように設計された浮体式基礎と、浮体式基礎上に配置されるタワーと、タワーから延びる少なくとも2つのアウトリガーであって、各アウトリガーの自由端部に電力変換器ユニットがそれぞれ配置されるアウトリガーと、基礎を電力変換器ユニットに接続するとともに電力変換器ユニット同士を接続するケーブルシステムであって、風力発電プラントの動作時に予想される予張力に反作用する荷重よりも、大きな予張力を有するケーブルシステムとを備える風力発電プラントが提供される。

ケーブルシステムは、タワー、アウトリガー及び電力変換器ユニットに作用するスラスト力が、予め応力を付与されたケーブルを介して基礎に導かれるように特に設計されている。したがって、予張力は、ケーブルがいかなる時点においても弛緩し得ないように十分大きくなければならない。

ケーブルシステムは、原則として、1つのケーブルを含むことができる。しかしながら、ケーブルシステムは、複数のケーブルを含むことが好ましい。

好ましい一実施形態によれば、風力発電プラントの使用中、ケーブルシステムの予張力から生じる力のベクトルは、時間平均でカンチレバーの軸に位置する。

浮体式基礎は、長いアーム及び2つの短いアームを備えるY字形プラットフォームとして設計されることが好ましく、タワーは、3つのアームの接続点に配置される。

風力発電プラントは、ダウンウィンドタービンを備えるように設計され、タワーは、風下に向かって傾斜していることが特に好ましい。

更なる有利な実施形態は、少なくとも2つの電力変換器ユニットが短いアームの自由端部の上方に配置される場合に実現される。

ケーブルシステムは、特に、長いアームの自由端部において及び／又は短いアームの自由端部において関節接続されるように設計されている。

代替的には、ケーブルシステムは、長いアームの自由端部においてのみ関節接続され、また、電力変換器ユニットは、支持体によって短いアームの自由端部に接続される。

浮体式基礎は、具体的には、タワーに面する側で基礎に接続されたアームのそれぞれの自由端部に、浮体を備える。これらの浮体は、各浮体の長手軸が少なくとも1つの平面において電力変換器ユニットと位置合わせされるように配置されることが特に好ましい。

特に好ましい実施形態によれば、浮体式風力発電プラントは、2枚ブレードローターをそれぞれ備える2つの電力変換器ユニットを装備し、2つの電力変換器ユニットのローターブレードの長手軸は、動作中、互いに対して90度の位相シフトを有するように制御されることも提供される。

具体的には、少なくとも1つのローターブレードを有する1つのローターをそれぞれ備える2つの電力変換器ユニットを伴う設計の場合、2つのローターの回転方向は、互いに反対の方向に構成され、構造体全体に作用するジャイロ力（gyroscopic forces）が釣り合うようになっている。

しかしながら、プラントにブレーキがかけられ、ローターが停止位置にもたらされた場合、ローターブレードは、停止位置において一様に整列され、具体的には水平に整列される。

本発明の利点は、とりわけ、複数の個々のプラントが総出力を構成する洋上風力発電プラントを提供することができることである。特に、既に試験された費用効果的に構築することができる平均出力の従来のプラントが、本発明に係るこうした風力発電プラントの技術的実現のために使用され、既に適切な認可を受けた個々の低出力のプラントを使用することができるようになっている。このようにして、本発明に係る風力発電プラントの製造にかかる労力及び時間は、大幅に低減される。

以下、添付図面に示されている特に好ましく設計された例示的な実施形態を参照しながら、本発明を詳細に説明する。

本発明に係る特に好ましく設計された風力発電プラントの第1の例示的な実施形態を風下側からの斜視図で示す図である。 第1の例示的な実施形態に係る風力発電プラントを風下側からの斜視図で示す図である。 第1の例示的な実施形態に係る風力発電プラントを側面図で示す図である。 第1の例示的な実施形態に係る風力発電プラントを風下側からの正面図で示す図である。 第1の例示的な実施形態に係る風力発電プラントを上面図で示す図である。 本発明に係る特に好ましく設計された風力発電プラントの第2の例示的な実施形態を風下側からの斜視図で示す図である。 第2の例示的な実施形態に係る風力発電プラントを風下側からの斜視図で示す図である。 第2の例示的な実施形態に係る風力発電プラントを側面図で示す図である。 第2の例示的な実施形態に係る風力発電プラントを風下側からの正面図で示す図である。 第2の例示的な実施形態に係る風力発電プラントを上面図で示す図である。 本発明に係る特に好ましく設計された風力発電プラントの第3の例示的な実施形態を風下側からの斜視図で示す図である。 第3の例示的な実施形態に係る風力発電プラントを斜視図で示す図である。 第3の例示的な実施形態に係る風力発電プラントを側面図で示す図である。 第3の例示的な実施形態に係る風力発電プラントを風下側からの正面図で示す図である。 第3の例示的な実施形態に係る風力発電プラントを上面図で示す図である。

図1は、本発明に係る特に好ましく設計された風力発電プラントの第1の例示的な実施形態を風下側からの斜視図で示している。続く図面の図2〜図5は、同じ風力発電プラントを上述した更なる視点で示している。

図示の風力発電プラント10は、半潜水型の浮体式基礎20として設計された基礎を備え、タワー30が基礎20上に配置され、2つのカンチレバー40がタワー30から延びている。各カンチレバー40の自由端部には、電力変換器50が配置されており、タワー30、カンチレバー40及び電力変換器ユニット50に作用するスラストを基礎20に導くために、最終的に基礎20を電力変換器ユニット50に接続するとともに電力変換器ユニット50同士を接続する複数のケーブルで構成されるケーブルシステム60が設けられている。ケーブルシステム60は、風力発電プラント10の動作時に予想される予張力に反作用する荷重よりも、大きな予張力を有する。

特に、ケーブルシステム60は、風力発電プラント10の使用中、ケーブルシステム60の予張力から生じる力のベクトルが、時間平均でカンチレバー40の軸に位置するように設計される。

浮体式基礎20は、長いアーム22及び2つの短いアーム24、26を備えるY字形プラットフォームとして設計されることが好ましい。タワー30は3つのアーム22、24、26の接続点に配置される。

タワー30は、浮力体28（「浮体」）として設計することができる。

ケーブルシステム60は、基礎20に直接当接することもできるし、基礎20の自由端部に配置される浮体28に接続されることによって、基礎20に間接的に接続することもできる。

図面は、風力発電プラント10が、ダウンウィンドタービンを備えるように設計され、タワー30が風下に向かって傾斜していることを示している。したがって、この結果として、電力変換器50が短いアーム24、26の自由端部の上方にそれぞれ配置されるように電力変換器50を配置することが可能になる。

この図が明確に示しているように、各浮体28の長手軸は、少なくとも1つの平面において電力変換器ユニット50と位置合わせされており、力を風力発電プラント10の構造体に最適に導くようになっている。

風力発電プラント10は、電力変換器ユニット50の2つのローターの回転方向が互いに反対の方向であるように設計されている。この設計により、ジャイロ力が相殺されることから、浮体式風力発電プラント10の動的挙動に全体としてプラスの影響が与えられる。

具体的には、ローターブレードは、動作中に互いに対して位相シフトを有するように設計されている。したがって、図示の例示的な実施形態では、電力変換器ユニット50のブレードは、互いに対して90度の位相シフトを有して配置される。

図6は、本発明に係る特に好ましく設計された風力発電プラントの第2の例示的な実施形態を風下側からの斜視図で示している。続く図面の図7〜図10は、同じ風力発電プラントを上述した更なる視点で示している。

第2の例示的な実施形態は、ケーブルシステムが基礎20の長いアーム22の自由端部において関節接続され、電力変換器ユニット50が支持体70によって短いアーム24、26の自由端部に接続されている点で、図1〜図5に示されている例示的な実施形態と異なっている。

したがって、第2の例示的な実施形態では、電力変換器ユニット50を短いアーム24、26の自由端部に接続するケーブル60が、特に長手軸に関して非圧縮性であるとともにねじり剛性を有する支持体70に置き換えられている。

この設計は、電力変換器50に作用するスラスト力を基礎20に導くことを支援するが、第1の例示的な実施形態に比較して材料消費が増大することも意味する。しかしながら、この増大した材料消費は、特定の領域に生じる風荷重によって正当化され、基礎20の長いアーム22を電力変換器50に接続するとともに電力変換器50同士を接続するケーブルシステム60は、本発明による利点を更に有する。

最後に、図11は、本発明に係る特に好ましく設計された風力発電プラントの第3の例示的な実施形態を風下側からの斜視図で示しており、続く図面の図12〜図15は、上述した更なる視点における同じ風力発電プラントを示している。

図1〜図5に示されている例示的な実施形態とは異なり、ただ2つの電力変換器50ではなく、3つの電力変換器が設けられている。したがって、タワー30は、2つのカンチレバー40の始点を越えて延長されており、端部において追加の電力変換器ユニット50を支持している。

タワー30に配置されるこの第3の電力変換器ユニット50は、他の2つの電力変換器ユニット50と同一の設計であることが好ましい。代替的には、第3の電力変換器ユニット50が、例えば3枚ブレードローターを装備し、カンチレバー40に配置される電力変換器ユニットが、2枚ブレードローターを装備してもよい。

この例示的な実施形態におけるケーブルシステム60は、いずれの場合も、ケーブル60を介して基礎20が各電力変換器ユニット50と一緒に張力付与されるとともに電力変換器ユニット50が互いに張力付与されるように、より複雑に設計されている。

10：風力発電プラント
20：浮体式基礎
22：長いアーム
24、26：短いアーム
28：浮体
30：タワー
40：カンチレバー
50：電力変換器ユニット
60：ケーブルシステム
70：支持体

Claims (12)

1. 風力発電プラント（10）であって、
   半潜水型であるように設計された浮体式基礎（20）と、
   前記浮体式基礎（20）上に配置されるタワー（30）と、
   前記タワー（30）から延びる少なくとも2つのカンチレバー（40）と、
   各カンチレバー（40）の自由端部に配置される電力変換器ユニット（50）と、
   前記タワー（30）、前記カンチレバー（40）及び前記電力変換器ユニット（50）に作用するスラストを前記基礎（20）に導くように、前記基礎（20）を前記電力変換器ユニット（50）に直接的に接続するとともに前記電力変換器ユニット（50）同士を接続するケーブルシステム（60）であって、前記風力発電プラント（10）の動作時に予想される予張力に反作用する荷重よりも、大きな予張力を有するケーブルシステム（60）である、
   を備える、風力発電プラント。
2. 請求項1に記載の風力発電プラント（10）であって、該風力発電プラント（10）の使用中、前記ケーブルシステム（60）の前記予張力は、前記カンチレバー（40）の軸に向いていることを特徴とする、風力発電プラント。
3. 請求項1又は2に記載の風力発電プラント（10）であって、前記浮体式基礎（20）は、長いアーム（22）及び2つの短いアーム（24、26）を備えるY字形プラットフォームとして設計され、前記タワー（30）は、3つの前記アーム（22、24、26）の接続点に配置されることを特徴とする、風力発電プラント。
4. 請求項3に記載の風力発電プラント（10）であって、該風力発電プラント（10）は、ダウンウィンドタービンを備えるように設計され、前記タワー（30）は、風下に向かって傾斜していることを特徴とする、風力発電プラント。
5. 請求項3又は4に記載の風力発電プラント（10）であって、少なくとも2つの電力変換器ユニット（50）が、前記短いアーム（24、26）の自由端部の上方に配置されることを特徴とする、風力発電プラント。
6. 請求項3又は5に記載の風力発電プラント（10）であって、前記ケーブルシステムは、前記長いアーム（22）の自由端部において及び／又は前記短いアーム（24、26）の自由端部において接続されることを特徴とする、風力発電プラント。
7. 請求項3又は5に記載の風力発電プラント（10）であって、前記ケーブルシステムは、前記長いアーム（22）の自由端部において接続され、前記電力変換器ユニット（50）は、支持体（70）を介して前記短いアーム（24、26）の自由端部に接続されることを特徴とする、風力発電プラント。
8. 請求項3又は7に記載の風力発電プラント（10）であって、前記浮体式基礎（20）は、該浮体式基礎（20）の前記タワー（30）に面する側で該基礎（20）に接続されたアーム（22、24、26）のそれぞれの自由端部に、浮体（28）を備えることを特徴とする、風力発電プラント。
9. 請求項8に記載の風力発電プラント（10）であって、各浮体（28）の長手軸は、少なくとも1つの平面において電力変換器ユニット（50）と位置合わせされることを特徴とする、風力発電プラント。
10. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の風力発電プラント（10）であって、少なくとも1つのローターブレードを有するローターをそれぞれ備える2つの電力変換器ユニット（50）を特徴とし、2つの前記ローターの回転方向は、互いに反対の方向である、風力発電プラント。
11. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の風力発電プラント（10）であって、少なくとも1つのローターブレードを有するローターをそれぞれ備える2つの電力変換器ユニット（50）を特徴とし、前記ローターブレードは、動作中、互いに対して位相シフトして制御される、風力発電プラント。
12. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の風力発電プラント（10）であって、少なくとも1つのローターブレードを有するローターをそれぞれ備える2つの電力変換器ユニット（50）を特徴とし、前記ローターブレードは、停止位置において一様に整列される、風力発電プラント。