JP2024519574A - 洋上風力タービン・システム及び洋上プラットフォーム - Google Patents

Abstract

風力タービンを有する洋上プラットフォーム（１）は、正三角形の角に三角形構成で配置された３つの浮力モジュール（２）を備え、正三角形の中心には、風力タービンの塔用の塔支持体（１４）が位置する。塔支持体（１４）は、３つの放射状ブレース（１３）を含む枠（４）に固定され、３つの放射状ブレース（１３）のそれぞれは塔支持体（１４）を３つの浮力モジュール（２）のうちの１つに堅固に接続している。放射状ブレース（１３）は、塔支持体（１４）から浮力モジュール（２）に向かって上向きに傾斜する。

Description

本発明は、浮体式洋上プラットフォーム及びその風力タービンとの組み合わせに関する。特に、独立請求項のプリアンブルに開示されている風力タービン及び洋上構造物に関する。

洋上風力タービン用の浮体式プラットフォームでは、三角形の形状は、サイズに対して剛性が高いため、また、大型風力タービンには依然として重要である必要な材料の量が相対的に少ないため、しばしば好まれる。実例が国際公開第２０１７／１５７３９９号に例示されている。風の強い状態においてプラットフォームに安定性を与えるために、沈錘が提案された。しかしながら、この原理はかなりコストがかかる。

米国特許出願公開第２０１６／０３６２８６１号は、塔を有する風力タービンと、塔支持体を含む浮体式プラットフォームとを備える洋上風力タービン・システムを開示している。プラットフォームは、塔支持体がその中心に配置される正三角形の枠を備える。三角形の３つの縁辺のそれぞれでは、浮力モジュールが設けられている。３つの放射状ブレースは、塔支持体を３つの浮力モジュールのそれぞれに接続する。放射状ブレースは、４５°～９０°の角度で、塔支持体から上向きに傾斜している。

風の強い状態において洋上プラットフォームを安定させるためのより簡単な方法を見つけることが望ましい。

国際公開第２０１７／１５７３９９号 米国特許出願公開第２０１６／０３６２８６１号

本発明の目的は、当分野において改良を提供することである。特に、風力タービン用浮体式洋上プラットフォームのための改良された構成を提供し、特に、風の強い状態において安定性を改良するための簡単な手段を提供することが目的である。この目的及びさらなる利点は、以下及び特許請求の範囲に記載されるような洋上プラットフォーム及びその風力タービンとの組み合わせによって達成される。

洋上プラットフォームは、洋上で水中において風力タービンを担持する。風力タービンは、塔と回転子とを備え、典型的にはナセルに取り付けられる。

要するに、洋上プラットフォームは、正三角形の角に三角形構成で配置された３つの浮力モジュールを備え、正三角形の中心には風力タービンの塔用の塔支持体が位置する。塔支持体は、３つの放射状ブレースを含む枠に固定され、３つの放射状ブレースのそれぞれは塔支持体を３つの浮力モジュールのうちの１つに堅固に接続している。放射状ブレースは、塔支持体から、典型的には塔支持体の底部から浮力モジュールに向かって上向きに傾斜している。

「浮力モジュール」という用語は、プラットフォームに浮力及び／又は安定性を与える素子に使用される。例えば、浮力モジュールは、浮力タンクであるか、又は嵌め合された複数の浮力タンクを含む。任意選択で、浮力モジュールは、鉛直若しくはほぼ鉛直のシリンダ、２つ以上の鉛直若しくはほぼ鉛直のシリンダの群、或いは三角形構成の角に位置し且つプラットフォームに浮力及び／又は安定性を与えることができる関連する鉛直若しくはほぼ鉛直の船舶の他の構成を備えるか、又はそれである。

より詳細には、洋上プラットフォームは、塔支持体、例えば、風力タービンの塔を担持する塔支持柱を備える。プラットフォームは３つの浮力モジュールを備える。例えば、各浮力モジュールは、浮力部材の群、例えば、浮力タンクなどの２つ、又は３つ以上の浮力部材の群を備える。浮力モジュールは水よりも軽く、水中にあるときにプラットフォームに浮力を与える。３つのモジュールは、塔支持体が中心に位置する正三角形の角に三角形構成で配置される。より詳細には、塔支持体は、プラットフォームに取り付けられ且つ三角形の中心に位置するときに塔の中心線と一致する中心線を有する。

プラットフォームは、浮力モジュールを塔支持体に接続する剛性管状部材、特にブレースの枠を備える。便利且つ有用な構成は四面体構成である。

したがって、塔支持体は、３つの放射状ブレースを含む枠に固定され、放射状ブレースのそれぞれは、塔支持体を３つの浮力モジュールのうちの１つと堅固に接続する。有利には、３つの放射状ブレースは、塔支持構造物の底部に接続される。

各放射状ブレースはブレース中心線を有し、ブレース中心線は塔支持体中心線となす角度α（アルファ）を有する。特に、この角度αは８０°から８７°の範囲にある。放射状ブレースは、使用時に水中に沈めるために、塔支持体から浮力モジュールに向かって上向きに傾斜していることに言及する必要がある。

８０°～８７°の範囲にある角度αの値は、角度β＝（９０°－α）が３°～１０°の範囲にあることを意味し、これは、放射状ブレースと無風条件下で安定した平水における水面との間の角度になる。一般に、αが小さくβが大きくなるほど、塔の鉛直配向に向かう逆運動量がより多くなると考えられる。しかしながら、その一方で、より小さな角度αに相当する放射状ブレースの傾斜の増加により、結果として、喫水も増加し、これは、風力タービンを港でプラットフォームに取り付けるときに重要になり得るが、しばしば８ｍの喫水のみが受け入れられる。所与の角度範囲は、安定性の向上と実用的な喫水との間の妥協点である。

例えば、水中にあるときに浮力モジュール及び枠を備えたプラットフォームは、２，０００，０００ｋｇ（２０００トン）の重量を有する風力タービンを担持するとき、下向きに水中へ８ｍ以下の深さに到達するために位置決めされる。

十分な浮力を達成するために、水中におけるシステムは、浮力に寄与するために放射状ブレースの少なくとも８０％又は少なくとも９０％が水中にある、水中のレベルで浮かぶように位置決めされる。

浮力モジュールは高さＨを有する。有利な実施例では、放射状ブレースは、Ｈの０．３から０．７の間、例えば、Ｈの０．４から０．６の間のレベルに置かれた接続点で浮力モジュールに接続される。接続点が水面レベルにあるとき、これは、浮力モジュールのかなりの部分が、放射状ブレースとの接続点から水中に下向きに延びていることを意味する。浮力モジュールのこの下向きに延びる部分に力を加える、典型的には波からの水の動きは、風による風力タービンからの運動量に対する逆運動量を生成する。この逆運動量は、波のある風の強い状態において洋上システム全体を安定させる効果がある。

実用的な実施例では、枠は３つの横方向ブレースを含み、３つの横方向ブレースのそれぞれは、さらに安定させるために、隣接する放射状ブレースを相互接続する。特に、３つの横方向ブレースは、塔支持体中心線に垂直な平面に配置され、塔支持体中心線は塔の中心線と一致する。

例えば、枠は３つの斜めブレースを含み、斜めブレースのそれぞれは支持柱から３つの放射状ブレースのうちの対応する１つまで延びる。これらは平面構成にはない。有利には、３つの斜めのブレースは、塔支持構造物の上部に接続される。

このブレースの配置は、全体として四面体形状を形成してもよい。

本発明の実施例は図で説明する。

本発明に関連する原理を示す。 本発明に関連する原理を示す。 先行技術による浮体式プラットフォームを示す。 本発明による浮体式プラットフォームを示す。 浮体式プラットフォームの水面下部分を示す斜視図である。 浮体式プラットフォームの水面下部分を示す上面図である。 塔の中心線が鉛直であるプラットフォームの水面下部分を示す。 塔の中心線が傾斜しているプラットフォームの水面下部分を示す。 傾斜している水面下部分を示す斜視図である。 傾斜している水面下部分を示す上面図である。

図１は、理解を容易にするために本発明の基本原理を例示する。図示の浮体式洋上プラットフォーム１０１は、水面１０６下に半分沈み、水中に浮いている複数の浮力モジュール１０２Ａ、１０２Ｂを備える。浮力モジュール１０２Ａ、１０２Ｂは、水流、例えば、波１０３に接近される。波１０３の上部１０３Ａにおける水速は、波１０３の下部１０３Ｂにおける水速と等しいと仮定するが、これは説明を簡単にするためだけであり、必須ではない。

図１Ａでは、浮力モジュール１０２Ａ、１０２Ｂは、剛性枠１０４によってそれらの底で接続されている。波１０３の下部１０３Ａによる第１の浮力モジュール１０２Ａ上の力は、枠１０４の直線的な押し込み動作のみをもたらし、一方で波１０３の上部１０３Ｂによる力は、第１の浮力モジュール１０２Ａ上に反時計回りの回転運動量１０５を誘発し、これは剛性枠１０４により枠の他方の浮力部材１０２Ｂに伝達される。この事象におけるプラットフォーム１０１の動きは複雑であり、第１の浮力モジュール１０２Ａの運動量１０５が他方の浮力モジュール１０２Ｂを押し下げ、これが今度はより多くの浮力を生成し、その反応により第１の浮力モジュール１０２Ａが上向きに押圧される。第２の浮力モジュール１０２Ｂの浮力増加は浮力モジュール１２０Ｂが完全に水中に沈むまでしか与えられないため、反応は浮力モジュール１０２Ａ、１０２Ｂがどの程度水中にあるかによる。

図１Ｂでは、浮力モジュール１０２Ａ、１０２Ｂは、剛性枠１０４’によって中間点で接続される。この場合、波の上部１０３Ａは枠に対して直線的な押し込み動作を行い、一方で波１０３の下部１０３Ｂは反対の時計回り方向に回転運動量を誘発する。これにより、第１の浮力モジュール１０２Ａは下向きに押圧され、他方の浮力モジュール１０２Ｂは上向きに押圧される。

風力タービン用の洋上プラットフォームに関しては、大きな波力が典型的には風１０７に伴って進むので、状況はより複雑であり、図１の単純な例ではプラットフォーム上に反時計回りの運動量を誘発する。この図では、時計回りの運動量が波によって誘発される図１Ｂにおける構造物は、風力タービンに対する風による時計回りの運動量力を相対的に減衰する効果がある。

風力タービン・プラットフォームの建設には、考慮すべきさらなる態様がある。態様のうちの１つとして、剛性枠１０４、１０４’が、全浮力に対してその浮力で寄与するので、水面下に大部分を設けることが望まれる。一方、港での組み立てはプラットフォーム１０１が延在できる深さを制限するため、水中へ深く延びる枠１０４も望ましくない。

これらすべての態様を考慮に入れるために、図３に提示され且つ図２を参照して先行技術のプラットフォームと比較される、プラットフォームが開発された。

図２は、従来技術の浮体式プラットフォーム１を例示し、浮力モジュール２、典型的には、浮力タンクなどの浮力部材２’の群は、放射状ブレース１３を有する剛性枠４に接続ロッド１０によってそれらの下端で相互接続される。接続ロッド１０は、浮力モジュール２において浮力部材２’を通って延び、放射状ブレース１３を浮力モジュール２に留める。放射状ブレース１３は平面に配置され、プラットフォーム１が水中、例えば、洋上の場所で使用されるときに水中に沈められる。利点は、水没ブレース１３からの浮力の追加である。しかしながら、図１Ａに関連して論じたように、浮力モジュール２に作用する波３は、風７が風力タービンの回転子及び塔８に作用しているときに、プラットフォーム１上の塔８によって生成される運動量に追加される回転運動量５を誘発する。

浮体式プラットフォーム１は、風力タービンの塔８を支持している塔支持柱の形態の塔支持体１４を備える。作業プラットフォーム２０は、典型的には、塔８に取り付けられる。

図３は、本発明による浮体式プラットフォームを側面図で例示する。図４Ａは、水面６下にあるプラットフォームの一部を斜視図で示し、図４Ｂは上面図で示す。塔支持体１４は正三角形の中心にあり、この三角形の頂点には浮力モジュール２が設けられる。

図２の枠と比較して、図３及び図４における枠４は、いくつかの違いを有する。重要な違いは、水面６に対する接続ロッド１０の相対的な位置である。通常の状態における接続ロッド１０のレベルは水面６にあるので、波３によって誘発される回転運動量５は時計回りであり、図１Ｂに関連して既に論じたように、風７による風力タービン上の回転運動量を部分的に打ち消す。したがって、風及び波によって誘発される風力タービン及びプラットフォーム１の傾斜に関して減衰効果が達成される。

放射状ブレース１３は、先行技術とは対照的に、平面構成で配置されない。代わりに、放射状ブレース１３は、水線６に対して、すなわち角度β＝（９０°－α）だけ傾斜し、ここで、放射状ブレース１３のブレース中心線１６と、塔８の中心線でもある支持柱１４の中心線１５との間の角度αが測定される。この傾斜のために、放射状ブレース１３は、ほぼ全体的に水中に沈められるが、浮力モジュールへの接続は、水面に、又は潜在的には水線のわずかに上方にある接続ロッド１０によるものである。

角度αの典型的な値は８０°～８７°の範囲であり、角度β＝（９０°－α）が３°～１０°の範囲にあることを意味し、これは放射状ブレースと無風条件下で平水における水面との間の角度である。一般に、αが小さくβが大きくなるほど、塔の鉛直配向に向かって逆運動量がより多くなると考えられる。しかしながら、その一方で、角度αが小さいほど喫水も増加し、これは、風力タービンを港でプラットフォームに取り付けるときに重要になり得るが、しばしば８ｍの喫水だけが受け入れられる。

図示の実施例では、浮力モジュール２の浮力部材２’は高さＨを有し、接続ロッド１０はヒーブ板９から測定した場合、Ｈ／２に位置する。プラットフォーム１は、プラットフォームが風力タービンを担持しているときに、接続ロッド１０が水面６のレベルにあるような深さまで沈められるように位置決めされる。これにより、放射状ブレース１３が無風条件下で実質的に水面６下にあることが保証され、したがって、プラットフォーム１全体の浮力を補助する。有利には、放射状ブレース１３は、塔支持体１４の底部に接続される。

浮体式プラットフォーム１の枠４は、それぞれが隣接する放射状ブレース１３を相互接続する３つの横方向ブレース１７を備えることによってさらに安定する。さらに、枠４は、３つの斜めブレース１９を含み、各ブレースは、支持柱１４の上部と３つの放射状ブレース１３のうちの対応する１つとの間に延びる。

図５Ａは、水面６下に位置し、且つ浮力モジュール２、浮力モジュール２の下端の運動減衰ヒーブ板９、並びに放射状ブレース１３及び横方向ブレース１７を含む浮体式プラットフォーム１の一部を示す。図５Ａが塔の中心線１５を鉛直配向にした水没部分を例示するのに対し、図５Ｂは、例えば、右側から来る風７によって風力タービンが左方向に押されるので、中心線が傾斜したときのプラットフォーム１の水没部分を示す。風によって誘発される回転運動量により、左浮力モジュール２は水中へより深く押圧され、一方で右浮力モジュール２は水からより外方へ持ち上げられる。しかしながら、風７はまた、図１Ｂ及び図３に関連して説明されるように、波で水の表面運動を誘発し、それにより水没浮力モジュール２上へ押し、逆運動量を生成する。この逆運動量は減衰効果を有し、プラットフォーム１に作用する塔８からの運動量とプラットフォーム１の水没部分に作用する波３からの運動量との和であるプラットフォーム１に誘発される総運動量を低減する。

図５Ｂの状況は、図６Ａの斜視図及び図６Ｂの上面図に例示される。

Claims (10)

1. 浮体式プラットフォーム（１）と組み合わせた風力タービン（８）を備える洋上風力タービン・システムであって、前記プラットフォーム（１）は、前記風力タービン（８）の塔（２）を担持する塔支持体（１４）を備え、前記塔（２）は風力回転子を担持し、前記プラットフォーム（１）は、水中にあるときに前記プラットフォーム（１）に浮力を与える３つの浮力モジュール（２）を備え、前記３つの浮力モジュール（２）は、正三角形の角に三角形構成で配置され、前記正三角形の中心に前記塔支持体（１４）が位置し、前記塔支持体（１４）は、前記塔（８）の中心線と一致し且つ前記三角形の前記中心に位置する中心線（１５）を含み、前記塔支持体（１４）は、３つの放射状ブレース（１３）を含む枠（４）に固定され、前記放射状ブレース（１３）のそれぞれは、前記塔支持体（１４）を前記３つの浮力モジュール（２）のうちの１つと堅固に接続し、各放射状ブレース（１３）はブレース中心線（１６）を有し、前記ブレース中心線（１６）は前記塔支持体中心線（１５）となす角度αを有し、前記放射状ブレース（１３）は前記塔支持体（１４）から前記浮力モジュール（２）に向かって上向きに傾斜する、洋上風力タービン・システムにおいて、前記角度αは８０°から８７°の範囲にあることを特徴とする、洋上風力タービン・システム。
2. 水中における前記システムは、浮力に寄与するために、前記放射状ブレース（１３）の少なくとも８０％が水中にある、水中のレベルで浮かぶように位置決めされる、請求項１に記載のシステム。
3. 前記浮力モジュール（２）は高さＨを有し、前記放射状ブレース（１３）は、Ｈの０．４から０．６の間の位置で前記浮力モジュール（２）に接続される、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記枠（４）は、３つの横方向ブレース（１７）を含み、前記３つの横方向ブレースのそれぞれは、さらに安定させるために、隣接する放射状ブレース（１３）を相互接続し、前記３つの横方向ブレース（１７）は、前記塔支持体中心線（１５）に垂直な平面構成で配置される、請求項２又は３に記載のシステム。
5. 前記枠（４）は、３つの斜めブレース（１９）を含み、前記３つの斜めブレースのそれぞれは、支持柱（１４）から前記３つの放射状ブレース（１３）のうちの対応する１つへ延びる、請求項４に記載のシステム。
6. 前記３つの斜めブレース（１９）は、前記塔支持構造物（１４）の上部に接続され、前記３つの放射状ブレース（１９）は、前記塔支持構造物（１４）の底部に接続される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記浮力モジュール（６）及び前記枠（４）を有する前記プラットフォーム（１）は、水中にあるときに、２，０００，０００ｋｇの重量を有する風力タービンに対して、下向きに水中へ８ｍ以下の深さに到達するために位置決めされる、請求項１から６までのいずれか一項に記載のシステム。
8. 回転子を有する塔（８）を備える風力タービン用の洋上プラットフォーム（１）であって、前記プラットフォーム（１）は、水中にあるときに前記プラットフォーム（１）に浮力を与える３つの浮力モジュール（２）を備え、前記３つの浮力モジュール（２）は、正三角形の角に三角形構成で配置され、前記正三角形の中心には、塔支持体（１４）が前記塔（８）を担持するために位置し、前記塔支持体（１４）は、前記プラットフォーム（１）に取り付けられたときに前記塔（８）の中心線と一致し且つ前記三角形の前記中心に位置する中心線（１５）を有し、前記塔支持体（１４）は、３つの放射状ブレース（１３）を含む枠（４）に固定され、前記放射状ブレース（１３）のそれぞれは前記塔支持体（１４）を前記３つの浮力モジュール（２）のうちの１つに堅固に接続し、各放射状ブレース（１３）はブレース中心線（１６）を有し、前記ブレース中心線（１６）は、前記塔支持体中心線（１５）となす角度αを有し、前記放射状ブレース（１３）は前記塔支持体（１４）から前記浮力モジュール（２）に向かって上向きに傾斜する、洋上プラットフォームにおいて、前記角度αは８０°から８７°の範囲にあることを特徴とする、洋上プラットフォーム。
9. 前記浮力モジュール（２）は高さＨを有し、前記放射状ブレース（１３）は、Ｈの０．４から０．６の間の位置で前記浮力モジュール（２）に接続される、請求項８に記載の洋上プラットフォーム。
10. 前記枠（４）は、３つの横方向ブレース（１７）を含み、前記３つの横方向ブレースのそれぞれは、さらに安定させるために、隣接する放射状ブレース（１３）を相互接続し、前記３つの横方向ブレース（１７）は、前記塔支持体中心線（１５）に垂直な平面に配置され、前記枠（４）は、３つの斜めブレース（１９）を含み、各斜めブレースは、支持柱（１４）から前記３つの放射状ブレース（１３）のうちの対応する１つへ延び、前記３つの斜めブレース（１９）は、塔支持構造物（１４）の上部に接続され、前記３つの放射状ブレース（１９）は、前記塔支持構造物（１４）の底部に接続され、前記塔支持体は塔支持柱（１４）である、請求項９に記載の洋上プラットフォーム。

Images