JP7237384B2 - 一点係留風力タービン - Google Patents

Description

本発明は、タワー上に配置されたロータを備えた一点係留風力タービンに関する。特に、本発明は、１つの平面に配置された少なくとも２つの浮力体を有するフローティング基礎を備えた一点係留風力タービンに関する。

一点係留風力タービンは特に、米国特許出願公開第２０１１／１４０４５１号、欧州特許出願公開第１２６９０１８号、独国特許発明第１０２０１３１１１１１５号、欧州特許第３０１９７４０号、独国特許発明第１０２０１６１１８０７９号から知られている。

特に、これらのプラントは共通のフローティング基礎を有する。これは、一点だけで回転することができるように取り付けられている。この特殊なタイプの固定により、エネルギー変換ユニットとタワーヘッドとの間の風向を追跡するための別の装置を省くことができる。

むしろ、風下のランナーとして設計されているこれらの風力タービンの風向を追跡することは、独立して行われる。なぜなら、浮体一点係留風力タービンが、定着部周りで風向に応じて、それ自体を風に合わせるためである。

いわゆる船舶のアンカーブイによるスウェーと同様に、風の中でのタービンのセルフアライメントもスウェーとして記述できる。

定着部周辺の浮体風力タービンのスウェーは、主に風向の変化によるものである。風力タービンが固定されている領域での水流の変化は、ほんのわずかな役割しか果たしていない。

欧州特許第３０１９７４０号によれば、風におけるセルフアライメント設計によって、ロータやエネルギー変換ユニットで生じる荷重が、タワーで生じる曲げモーメントなしで基礎に直接導入されたり、基礎から定着部に直接導入されたり、浮体風力タービンが固定されている水底に導入されたりする。

タワーヘッドに（作動可能な）風のトラッキングシステムを備え、複数の箇所が固定され、それにより実質的に回転不可能なタービンの基本的な利点は、タワーとナセルとの間のヨーシステムがないことによって一点係留風力タービンのヘッド質量を十分に小さくできることである。これにより、ロータが取り付けられたタワーを支持するフローティング基礎のための建設的な努力を減らすことができる。

一点係留風力タービンの研究および開発の間、本出願の発明者は、このような風力タービンが作動中、ロータのトルクによってロータの回転方向に横傾斜する傾向があるという事実を認識するようになった。

沖に設置される大型タービンの場合、この傾斜角度αは２°から７°程度である。

一点係留風力タービンのこのような傾斜によって、平面視における一点係留風力タービンのアンカーポイント（すなわちピボットポイント）と一方に横傾斜しているタービンのロータの軸との間の意図されたラインが風向と一致しなくなる。その結果、アンカーポイントの周囲にトルクが形成され、タービン全体が風向から外れて回転する。

風向から見て回転方向が時計回りの場合、風力タービンはまず右に傾き（横傾斜し）、次に上から見て風力タービン全体が左に回る。

その結果、ロータ軸の風向からのずれは、約２０°から約４０°の間の値に達する。そして、ロータのトルクによって引き起こされる風向のずれによって２５％～３０％までの（許容できない）エネルギー損失となる。

本特許出願の目的のために、アンカー点は、一点係留システムのピボットポイントである。

そこで、運転中の浮体一点係留風力タービンのスウェーは、水流の変化によって発生する無視できる部分と、風力タービンの運転を維持することで風向の変化により発生する部分と、回転トルクによって風力タービンの効率に悪影響を及ぼす部分とがある。

言い換えれば、浮体一点係留風力タービンのスウェーは、風、風の流れやロータの回転でタービンに作用する力やモーメントの結果である。

本発明は、図面を用いて以下により詳細に説明される。ここで、図１（ａ）は、トルクフリー状態での浮体風力タービンの風向における概略正面図である。図１（ｂ）は、トルクフリー状態での浮体風力タービンの上面図である。

図２（ａ）は図１の浮体風力タービンのロータによるトルクを有する運転状態での風向における概略正面図である。図２（ｂ）は、図１の浮体風力タービンのロータによるトルクを有する運転状態での概略上面図である。

図１（ａ）は、従来技術の特に好ましい浮体風力タービン１００の風向における概略正面図を示す。ここで、同じタービン１００は、再度、図１（ｂ）の上面図に表される。タービン１００は、一点係留風力タービン１００として形成される。タービン１００のアンカーポイントまたはピボットポイント２００は、独国特許発明第１０２０１６１１８０７９号から分かるように、浮体風力タービン100のフローティング基礎におけるロングアームの自由端に位置する。また、浮体風力タービン１００には、風力タービン１００を水の底に固定するアンカーライン２１０と、風力タービンを電力系統に接続する海底ケーブル２２０とが取り付けられている。

図１では、風力タービン１００は作動しておらず、フローティング基礎が実質的に水平に整列するように調節される。その結果、アンカーポイント２００を有する風力タービン１００のタワーは、風向に対して正確に整列する(矢印を参照)。

しかしながら、一点係留風力タービン１００が、トルクの発生により作動している場合、風力タービン１００は角度αだけロータの回転方向に傾斜する。そして、風向(および流れ方向)が変わらない状態で、風力タービン１００のピボットポイント２００（すなわち風力タービン１００の定着部）周りの回転方向とは逆の方向に風から離れるように揺れ動くこと（スウェー）が観察される。

一般的な仮定に反し、一点係留風力タービン１００は、ロータのトルクによって生じるスウェーのために、風向が図１から変わらない場合には図２に示される位置を実際には取る。ロータのトルクによって引き起こされるこの風力タービンのスウェーは、エネルギー損失をもたらすことは明らかである。

トルクヨーカップリングのこの現象は、「一点係留」定着部を備えた浮体風力タービンの独自的な設計による結果として生じる。このような浮体風力タービンにおいて、タービン全体は、弾性復元力なしで水の制動だけで、好ましくは基礎上または基礎内でのロータリーコネクションを介して、水中において回転することができる。

米国特許出願公開第２０１１／１４０４５１号明細書 欧州特許出願公開第１２６９０１８号明細書 独国特許発明第１０２０１３１１１１１５号明細書 欧州特許第３０１９７４０号明細書 独国特許発明第１０２０１６１１８０７９号明細書

したがって、本発明の目的は、特に効率の良い一点係留風力タービンを作製することである。

この目的は、請求項１に記載の特徴を有する一点係留風力タービンによって達成される。また、この課題は、請求項９の特徴を有するアンカー点に固定され、アンカー点の周りで自由に回転可能な一点係留風力タービンを動作状態にさせる方法によって解決される。従属請求項はそれぞれ、本発明の有利な実施形態を反映する。

図１（ａ）は、トルクフリー状態での浮体風力タービンの風向における概略正面図である。図１（ｂ）は、トルクフリー状態での浮体風力タービンの上面図である。 図２（ａ）は、図１の浮体風力タービンのロータによるトルクを有する運転状態での風向における概略正面図である。図２（ｂ）は、図１の浮体風力タービンのロータによるトルクを有する運転状態での概略上面図である。 図３（ａ）は、トルクフリー状態での本発明の実施形態による第１の例示的な実施形態による浮体風力タービンの風向における概略正面図を示す。図３（ｂ）は、この浮体風力タービンの概略上面図を示す。 図４（ａ）は、ロータによるトルクを有する運転状態における図３からの浮体風力タービンの概略正面図を示す。図４（ｂ）は、ロータによるトルクを有する運転状態での本発明の実施形態における浮体風力タービンの概略上面図を示す。 図５は、特に優先的に設計され、基礎に対してある角度でオフセットされたタワーを有する第２の例示的な実施形態に応じて実行される構造を示す。 図６は、対称軸に配置されたフロートの距離が異なる第３の例示的な実施形態による浮体風力タービンの構造を示す。 図７は、対象軸に配置されたフロートの水線領域が異なる第４の例示的な実施形態による浮体風力タービンの構造を示す。 図８は、第１の例示的な実施形態による浮体風力タービンにおいて、追加の重りを取り付けることによって必要なミスアライメントが生成される構造を示す。

本発明の基本的な考え方は、ロータのトルクによって引き起こされるアンカー点周りの風力タービンのスウェーを打ち消すために、一点係留風力タービンの組み立てによる構造的な手段または特定の追加の設備を設けるように、タービンを設計することである。

本発明によれば、一点係留風力タービンやその部品が、回転するロータによって引き起こされるトルクが発生していない状態（すなわちタービンが動作していない状態）で、最初から第１の位置をとるという事実によって、これを構造的に達成することができる。そして、ロータのトルクによってタービンが運転中に第２の位置を取る。平面視において、アンカー点／ピボット点およびロータ（特にロータ軸）が、風向と一直線上となり、ロータの推進につながる。ロータのトルクによって引き起こされる運転中のタービンの横傾斜は、構造的にもたらされるタービンが動作していない状態での横傾斜によって補償される。このため、風向きから逸脱するアンカー点周りの一点係留風力タービンのスウェーを回避するか、または大幅に低減することができる。

ロータの公称トルクを参照して、タービンのタワーがロータの回転方向とは反対方向に所定の傾斜角だけ前方に傾斜していることが好ましい。平面視において、アンカー点およびロータ（特にロータ軸）は、ロータによって引き起こされるトルクが生成される時にだけ風向の線上に位置するように、タワーが立設されることが好ましい。

特に、タービンが作動していない状態でのロータの回転のそれとは反対方向へのタワーの傾斜角度が、ロータによって生じる（公称）トルクが加えられたときに、作動状態におけるタービンのロータの回転方向への傾斜角度に等しくなるように、タービンが設計されなければならない。これは、アンカーポイントの周りのタービンの位置におけるロータによって生じるトルクの影響を補償し、それによって電力損失を回避する。

別の設計によれば、ロータの回転方向とは反対側に配置される浮力部材にロータの回転方向に配置された浮力体よりも大きな重量を与えるために、ロータの両側に少なくとも２つの浮力体が配置された一点係留風力タービンによっても可能である。他方では、ロータの回転方向に配置された浮力部材に、より大きな浮力を与えることが好ましいと考えられる。2つの手順を組み合わせることによっても、同様の所望の効果を得ることができる。

本発明によれば、これらの一般的な構造的手段の代替(または追加)によって、ロータのトルクを直接かつ機能的に打ち消す装置を有する一点係留風力タービンが提供される。特に、装置はロータのトルクによって引き起こされるスウェーを相殺する推力を生成し、ロータのトルクによって引き起こされるスウェーに対抗してアンカーポイントの周りでタービン全体を回転させる駆動装置を有するか、または駆動装置として設計される。例えば、船舶のエンジン、及び/又は操縦スラスタを駆動装置として使用することができる。

本発明によれば、ロータのトルクによって生じる風力タービンのスウェーを打ち消す設計を備えた、タワー上にロータを配置した一点係留風力タービンが提案される。

本発明の好ましい設計によれば、特に、ロータのトルクによって生じる風力タービンのスウェーを打ち消す装置が提供される。

本発明に従って設計または設置される風力タービンは、好ましくは１つの平面に沿って（１つの平面に）配置された少なくとも２つの浮力体が設置されるフローティング基礎を有する。

第１の好ましい設計によれば、タワーはロータのトルクによって生じる風力タービンのスウェーを補償するために、ロータの回転方向とは反対方向に傾斜している。

タワーは、基礎に向かって傾斜していることが特に好ましい。

水平面へのタワーの傾斜角度βは、最も好ましくは約２°≦β≦７°である。

第２の好ましい実施形態によれば、タービンはロータの回転方向とは反対側に追加の重りを有する。このようにすることで、ロータの公称トルクを少なくとも部分的に補償することができる。

同様の効果は、ロータの回転方向に配置された浮力体が回転方向とは反対側に配置された浮力体よりも大きな浮力を有するという、代替の好ましい設計によっても達成される。

本発明は、欧州特許第３０１９７４０号に従って設計された風力タービンに特に適している。この風力タービンには、少なくとも３つの浮力体が１つの平面内に配置されたフローティング基礎が設けられる。タワーの基部は、浮力体のうちの１つに隣接して配置される。ロータは、他の２つの浮力体の間に配置される。ロータの回転方向に配置された浮力体のロータからの距離は、ロータの回転方向とは反対側に配置された浮力体のロータからの距離よりも大きい。代替的には、回転方向の反対側における浮力体とロータとの距離は、回転方向における浮力体とロータとの対応する距離よりも小さくてもよい。

最後に、装置が、スウェーを少なくとも部分的に補償する駆動装置、特に船舶のエンジンまたは操縦スラスタを有する風力タービンが提案される。

本発明によるタービンの設計は、ロータのトルクを打ち消す設計としての１つの特徴を有するだけでなく、(部分的な)組み合わせとして１つのタービン内で上述の実施形態を組み合わせることもできる。

本発明によれば、タワー上に配置されたロータと共に固定するためにアンカー点に固定され、自由に回転可能な一点係留風力タービンの組み立てや初期運転において、運転中のロータによって発生するトルク(特にロータの公称トルクに関して)を補償するために、非動作状態でタービンを調節することが提案される。より具体的には、平面視において、一点係留風力タービンの運転状態のアンカー点とロータ軸との間の意図されたラインが風向と一致するように、一点係留風力タービンが調節される。

好ましくは、風向は、時間に関して、および/または一点係留風力タービンの領域において、局所的な平均風向として定義される。

好ましくは、上記のトリミングは、一点係留風力タービン内、またはそこに設けられたバラスト水タンクにバラスト水を充填および/または空にすることによって実施される。代替的に又は追加的に、タービンのトリミングは、重りを取り付ける及び/又は取り外すことによって行うこともできる。

本発明は、添付の図面に示された特に優先的に設計された例示的な実施形態によって、より詳細に説明される。

図３ａは、トルクフリー状態での第１の例示的な実施形態による風向に整列された浮体一点係留風力タービンの概略正面図を示す。ここで、図３ｂは、浮体一点係留風力タービンの概略上面図を示す。

図３に示す一点係留風力タービン１００’は、既知の浮体風力タービンで使われる構造と類似する。一点係留風力タービン１００’は、タワー１０上に配置されるロータ２０を有する。タワー１０は、（本実施の形態では３つの）浮力体４０ａ、４０ｂ、４０ｃを有する基礎３０上に配置される。基礎３０は、Ｙ字型である。それぞれの浮力体４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、Ｙ字型の基礎構造の一方のアームのそれぞれの自由端に位置する。浮力体４０ｃが配置されるロングアームは一点係留風力タービン１００’の対称軸を形成する。タワー１０は、対称軸に配置され、風下に傾斜する。

しかしながら、本発明によれば、一点係留風力タービン１００’に対して、遅くとも、アンカーポイント２００に連結した後にトリミングすることや、運転開始前にタワー１０がロータ２０の回転方向とは反対側に所定の傾斜角度βだけ傾斜させる（例えば一点係留風力タービン１００’が約５°傾斜する）方法は、知られておらず、提供されたこともない。

図３ｂの一点係留風力タービン１００’の上面図において明確に示すように、ロータ軸は、明らかに基礎３０のロングアームによって形成されるタービンの対称軸の外側にある。

しかしながら、一点係留風力タービン１００’が作動されると、タービンはロータ２０によって発生したトルクにより、先に決定された傾斜角だけ真っ直ぐになる。その結果、図４ａおよび図４ｂにおいて明確に示されるように、一点係留風力タービン１００’の上面図において、一点係留風力タービン１００’の作動状態におけるアンカーポイント２００とロータ軸との間の意図されたラインが風向と一致する。

ロータ２０の公称トルクを相殺するための傾斜角度であって、作動していない状態における所定の傾斜角度βを有するタービンの横傾斜は、異なる方法で実施してもよい。

一方で、図８に示すように、対称軸に対してロータの回転方向とは反対側の一点係留風力タービン１００’の部分（特に基礎３０又は浮力体４０ａ）は、回転方向における一点係留風力タービン１００’の部分よりも重い重量で形成してもよい。特に、ロータの作動中におけるピボットポイントとして意図された軸上で測定される必要なミスアライメントが、風力タービンにおけるロータの回転方向とは反対側に付加的な重りを取り付けることによって発生可能であることを示している。例えば、浮力体４０ａが配置されるアームの自由端（特に浮力体４０ａの下方）に、付加的な重り５０が配置される。

最後に、図８は第１の例示的な実施形態による浮体風力タービン１００’の構造を示す。この構造では先に示したように、運転中に意図されたピボットポイントの軸上で測定される必要なミスアライメントは、風力タービンにおけるロータの回転方向とは反対側に追加の重りを取り付けることによって発生する。

他方で、タービン１００’の非動作状態において採用される傾斜角は、基礎３０および／または浮力体４０ａ、４０ｂ内のバラスト水の分布のためにタービン１００’でトリミングを実施することによっても達成することができる。

代替の解決策が図５に示される。そこでは、一点係留風力タービン１００’のタワー１０がロータ２０の回転方向とは反対側の浮力体４０ａの方向に、既知のＹ字型の基礎３０に向かって最初から傾斜している。したがって、タワー１０は所定量（運転中にロータ２０によるトルクによってタービン１００’が全体的に傾く角度αに対応）だけ基礎３０に対して傾斜している。

図６は、浮力体４０ａ、４０ｂのアンカーポイントの意図された軸までの距離が異なる第３の実施形態による浮体風力タービン１００’の構造を示す。

より具体的には、タワー１０が風向に傾斜する軸からの風向における右の浮力体４０の距離が、風向における左の浮力体４０ａの距離よりも大きいことが分かる。浮力体４０ａ、４０ｂも同様に形成される。ロータ２０の回転方向に配置された浮力体と前述の軸との間のより大きな有効距離によって、ロータのトルクを打ち消すように設計された手段が作成される。このようにすることで、タービン１００を横傾斜させることができる。

図７は、風力タービンの対称軸に配置された浮力体４０ａ、４０ｂ、４０ｃの水線領域が異なる第４の実施形態に係る浮体風力タービン１００’の構造を示す。

ここで、図示するようにロータの回転方向に配置された浮力体４０ｂ’は、ロータの回転方向とは逆方向に配置された浮力体４０ａ’よりも大きな浮力を発生させるように形成されていることが分かる。後者に挙げた浮力体４０ａ’は、タービン１００’のピボットポイントに配置された浮力体４０ｃや、浮力体４０ｃと同じ浮力を発生させるロータの回転方向に配置された浮力体４０ｂ’と同じ浮力を発生させることができる。ロータの回転方向に対して配置された浮力体４０ａ’の浮力のみが低減されている。

唯一の重要なことは、タービン１００’が運転中に実質的に水平に整列するようにトリミングされ、ピボットポイントからロータまでの意図されたラインが風向と一致するように、タービン１００’がトリミングされることである。

１０ タワー、２０ ロータ、３０ 基礎、４０ 浮力体、４０ａ 浮力体、４０ａ’ 浮力体、４０ｂ 浮力体、４０ｂ’ 浮力体、４０ｃ 浮力体、５０ 重り、１００ タービン，浮体風力タービン，一点係留風力タービン，風力タービン、１００’ 浮体風力タービン，タービン，一点係留風力タービン、２００ アンカーポイント，ピボットポイント、２１０ アンカーライン、２２０ 海底ケーブル、α 傾斜角度、β 傾斜角度。

Claims (6)

1. アンカーポイント（２００）を有し、１つの平面に沿って配置される少なくとも２つの浮力体（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）が設置されるフローティング基礎（３０）と、
   前記フローティング基礎（３０）上に配置されるタワー（１０）と、
   前記タワー（１０）上に配置されたロータ（２０）と、を備える一点係留風力タービン（１００’）であって、
   前記ロータのトルクによる風力タービン（１００’）の前記アンカーポイント（２００）周りの回転であるスウェーを相殺するように設計されており、
   ここで、前記タワー（１０）は、前記ロータ（２０）の回転方向に反するように前記フローティング基礎（３０）に対して傾斜しているか、
   前記一点係留風力タービン（１００’）は、前記ロータ（２０）の回転方向とは反対側に、前記ロータの公称トルクを少なくとも部分的に補償する重り（５０）を有するか、
   または、前記ロータ（２０）の回転方向に配置された前記浮力体（４０ｂ）は、前記回転方向とは反対側に配置された前記浮力体（４０ａ）よりも大きな浮力を有するか、の少なくともいずれか一つにより設計されている、一点係留風力タービン（１００’）。
2. 前記タワー（１０）が２°≦β≦７°の角度で傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載の一点係留風力タービン（１００’）。
3. アンカーポイント（２００）を有するフローティング基礎（３０）と、前記フローティング基礎（３０）上に配置されるタワー（１０）と、前記タワー（１０）上に配置されたロータ（２０）と、を備え、前記アンカーポイント（２００）に固定され、アンカーポイントを中心に自由に回転可能な一点係留風力タービン（１００’）の運転方法であって、
   前記一点係留風力タービン（１００’）の上面図において、前記一点係留風力タービン（１００’）の作動状態におけるアンカーポイント（２００）とロータ軸との間の仮想線が風向と一致し、作動中に前記ロータ（２０）によって生成されるトルクを補償し、前記アンカーポイント（２００）周りの回転であるスウェーを相殺するために、非動作状態でタービン（１００’）をトリミングする工程を含む、一点係留風力タービン（１００’）の運転方法。
4. 前記風向は、時間的に及び/又は前記一点係留風力タービン（１００’）の領域における局所的な平均風向であることを特徴とする、請求項３に記載の一点係留風力タービン（１００’）の運転方法。
5. 前記トリミングは前記一点係留風力タービン（１００’）の中またはそこに設けられたバラスト水タンクにバラスト水を充填および/または排出することによって行われることを特徴とする、請求項３または請求項４に記載の一点係留風力タービン（１００’）の運転方法。
6. 前記トリミングは、重りを適用および/または除去することによって実行されることを特徴とする、請求項３～５のいずれか一項に記載の一点係留風力タービン（１００’）の運転方法。

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