(57)【要約】  沖合風力タービンの使用に関連した方法及び装置であって、沖合風力タービンは、タワー（４）に回転可能に取り付けられた発電機（３）にシャフト（図示せず）を介して接続された風力タービン（２）と、タワー（４）を取り付けた、フロート（６）の形の下部基礎とを有する。フロート（６）は、係留索、ヒンジまたはつなぎ綱（７）の形の係留具を介して垂直面内で自由に移動することができるようにつなぎ留められるように設計され、それにより、フロートに対する波の効果の結果として、風力タービン（２）の動きが動きに減衰機構として作用し、これにより、エネルギーを波から引き出す。風力タービンの共振周期は、そのプラットフォームの重心の調節によって、及び／又は、風力タービンを海底に取り付けているアンカー（７）の張力の調節によって調節される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワー（４）に回転可能に取り付けられた発電機（３）にシャフトを介して接続されたブレードを備える風力タービン（２）と、前記タワー（４）を取り付けた、フロート又はハル（６）の形の下部基礎とを有する沖合風力タービンの使用に関連した方法であって、
前記フロート（６）は、自由に浮動し、かつ、アンカー索、つなぎ綱又はリンク（７）を介して係留され、それにより、前記フロートに対する波の効果の結果として、前記風力タービン（２）の動きが前記動きに減衰機構として作用し、これにより、エネルギーを波から引き出すことを特徴とする、沖合風力タービンの使用に関連した方法。
【請求項２】
前記風力タービンの共振周期は、そのプラットフォームの重心の調節によって、及び／又は、前記フロートを海底に取り付けている前記つなぎ綱（７）の張力の調節によって、調節されることを特徴とする、請求項１に記載の沖合風力タービンの使用に関連した方法。
【請求項３】
前記風力タービンの縦揺れの共振周期は、前記フロート（６）内のタンクに対するバラストの汲み入れ及び汲み出しによって調節されることを特徴とする、請求項２に記載の沖合風力タービンの使用に関連した方法。
【請求項４】
前記共振周期は、液体または固体バラストが前記フロート（６）又は前記タワー（４）内で垂直方向に移動することによって変化させられることを特徴とする、請求項２に記載の沖合風力タービンの使用に関連した方法。
【請求項５】
前記風力タービンの前記ブレードの前記縦揺れは、前記エネルギーを波から引き出すことをもたらすのに適切な減衰効果を達成するように制御されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の沖合風力タービンの使用に関連した方法。
【請求項６】
タワー（４）に回転可能に取り付けられた発電機（３）にシャフトを介して接続された風力タービン（２）と、前記タワー（４）を取り付けた、フロート（６）の形の下部基礎とを有する沖合風力タービンの使用に関連した装置であって、
前記フロート（６）は、垂直面内でほぼ自由に移動することができるようにつなぎ留められるように設計され、それにより、前記フロートに対する波の効果の結果として、前記風力タービン（２）の動きは、前記動きに減衰機構として作用するように設計され、これにより、エネルギーを波から引き出すことができることを特徴とする、沖合風力タービンの使用に関連した装置。
【請求項７】
前記風力タービンの共振周期は、そのプラットフォームの重心の調節によって、及び／又は、前記フロートをつなぎ留めたつなぎ綱（７）の張力の調節によって、調節されるように設計されることを特徴とする、請求項６に記載の沖合風力タービンの使用に関連した装置。
【請求項８】
前記風力タービンの縦揺れの共振周期は、前記フロート（６）内のタンクに対するバラストの汲み入れ及び汲み出しによって調節されるように設計されることを特徴とする、請求項７に記載の沖合風力タービンの使用に関連した装置。
【請求項９】
前記共振周期は、液体または固体バラストが前記フロート（６）又は前記タワー（４）内で垂直方向に移動するように設計されることによって変化させられることを特徴とする、請求項７に記載の沖合風力タービンの使用に関連した装置。
【請求項１０】
前記風力タービンの前記ブレードは、前記ブレードのピッチを制御するように調節されるように設計されることを特徴とする、請求項６〜９のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タワーに回転可能に取り付けられた発電機にシャフトを介して接続された風力タービンと、タワーを取り付けた、フロート(float)又は浮力部品の形の下部基礎とを有する沖合風力タービンの使用に関連した方法及び装置に関する。
【０００２】
１つには場所要件のため、かつ最適な一定の利用可能な風条件（陸上より平均速度が高く、渦流が少なく、境界面が薄い(thinner interface)）を達成するために、風力タービンは沖合にますます設置されるようになっている。現在では、それらは、海底の上に立つ基礎の上に容易に設置することができる浅水に主に設置される。そのような設置には、十分な浅水領域を利用可能であることが必要である。世界の海岸のほとんどでは、特にノルウェーの海岸では、風力タービンを海底に設置するには一般的に海が深すぎる。浅水での風力タービンの設置には、設置を行うための船の問題も生じる。ほとんどの設置作業船の喫水は、１０ｍまでの深さで作業できるようにするには深すぎるであろう。
【０００３】
これらの理由のため、浮体支持構造物の使用が適切な解決策である。これを財政的に魅力があるものにするために、各タービンが高能力、たとえば、約５ＭＷを有していなければならない。そのような高出力にし、かつ沖合の風の特性を利用することにより、浮体支持構造物が陸上設置のものとエネルギー価格に関して渡り合うことができると予想される。
【０００４】
浮体支持構造物についての従来の概念は通常、垂直ステイ(vertical stays)（つなぎ綱）によって海底につなぎ留められた単一の浮体構造物（たとえば、垂直コラム(vertical column)）に基づく。他のハル概念(hull concepts)は、半潜水形(semi-submersible)プラットフォームの技術に基づく。これらは特に、波内で好都合な（小さい）動きをするように開発されてきた。これらの従来型風力タービンの概念のほとんどに共通する概念は、プラットフォームの動きを最大限に抑制することを目的とすることである。さらに、それらは、非常に厳しい海の状態に耐えることができるように設計されている。動きに対する要求が厳しいほど、極端な状況で受ける力が大きくなる。したがって、これらの要求の組み合わせは高コストであって、従来型洋上風力タービン解決策が一般的に現在まで採算がとれないことの一因である。
【０００５】
本発明は、取り付けが簡単かつ低コストであるが、同時に風エネルギーに加えて波エネルギーを引き出すことができる沖合風力タービン解決策に関連した方法及び装置を表す。
【０００６】
本発明による方法及び装置は、フロートが係留索またはステイ（つなぎ綱）でつなぎ留められるか、又は海底にヒンジ連結され、かつフロートに対する波の効果の結果として、風力タービンの動きが、動きに対する減衰機構として作用し、これにより、エネルギーを波から引き出すことを特徴とする。
【０００７】
波内でのプラットフォームの動きを利用することにより、風力タービンはより多くのエネルギーを生成することができるであろう。したがって、このエネルギーは波から引き出される。このように、風力タービンは、動きに対する減衰機構として作用し、したがって、そうでなければ無駄になっていたはずのエネルギーを引き出す。縦揺れ及び左右揺れ運動の両方が、このプロセスに貢献する。
【０００８】
波からどれだけ多くのエネルギーを引き出すことができるかは、フロート（ハル）または浮力部品の設計、係留特性及び質量分布、すなわちフロートの動的性質などの幾つかの要因によって決まる。さらに、波から引き出されるエネルギーの量は、風の瞬間相対速度に対して風力タービンのブレードをどのように制御するか、すなわち風力タービンブレードのピッチ制御によって決まる。ピッチが一定に保持されれば、スラスト及び出力係数はほぼ一定である。反対に、相対風速の増加に伴ってスラスト及び出力係数が増加するようにピッチが制御される場合、波からのエネルギー吸収が増加するであろう。
【０００９】
システムが波と共振して振動する場合、最大エネルギーが波から引き出されるであろう。放射減衰(radiation damping)が風力タービンからの線形減衰(linearization damping)に等しくなるようにシステムを設計することにより、最大理論エネルギー吸収が達成される。（放射減衰は、構造物の移動時に水中に送り出される波を発生させる減衰である。）
【００１０】
放射減衰は、フロート又は浮力部品の幾何学的設計の影響を受ける。それは主に、フロートの半径の関数である。所与の周波数において、（向かい波での）縦揺れにおける放射減衰は、フロートの半径の４乗に比例する。風力タービンの減衰は、平均風速、風力タービンの半径及びスラスト係数によって決まる。
【００１１】
しかしながら、フロートが非共振周波数で振動しているときも、エネルギーを波から引き出すことができる。縦揺れにおける共振周期は、たとえばタンクに対するバラストの汲み入れ及び汲み出しによって調節されることができる。これにより、そのプラットフォームの重心を調節すること及び／又はつなぎ綱の張力を調節することが可能であろう。つなぎ綱の張力は、システムの共振周期に影響を及ぼす。
【００１２】
特に風が低速である場合で、タービンの定格出力の生成が風だけでは達成されないとき、波との相互作用が追加的なエネルギー生成を引き起こすであろう。
【００１３】
風が高速である（それに対応して波が高い）場合、システムの固有周期を調節し、それにより、共振を避け、したがって動きを減少させることが可能である。これはまた、システムに対する最大負荷を減少させることができる。
【００１４】
次に、例を使用し、かつ図面を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１５】
風力タービン１は、図１〜図３に示されているような概略図では、タワー４に回転可能に取り付けられた発電機３にシャフト（図示せず）を介して接続された風力タービン２と、タワーを取り付けた支持構造物５、６とを有する。図１は、タワー４が海底上の固定構造物５に取り付けられている従来型風力タービンを示す。図２は、同様の従来型風力タービンを示す。図２において、タワーは、係留索７を介して海底につなぎ留められた、浸されたフロート又は浮力装置６に取り付けられている。したがって、タワーの動きは非常に小さい。
【００１６】
上述したように、本発明は、基礎が確実な浮力を有することができ、かつ水平面上での比較的大きい動きが認められる場合、係留をより簡単にすることができ、かつ構造物のコストをおそらく少なくすることができる一方、エネルギー生成を増加させる可能性も与えるという理論に基づく。特に、そのような解決策は、適度の風の状況でより大きい出力を生成することができる。波が風とほぼ同一方向に発生すると仮定すると、図３に示されているように、基礎（フロート）の動きのために風力タービンが前後に移動するであろう。その結果、交互に風と同じ方向及び逆の方向になる風力タービンの周期運動が生じる。タービンの出力は風力タービン及び空気間の相対速度の３乗にほぼ比例するので。（これは固定ピッチのタービンの場合に当てはまるが、可変ピッチのタービンでは指数が変化するであろう。これは、調整戦略に応じて、波からのエネルギー引き出し量を増加させるか、減少させるであろう。）その結果、追加的なエネルギー生成が生じるであろう。この追加エネルギーは、波から得られる。
【００１７】
この着想の理論的基盤は、風及び波間の相互作用が、そのような相互作用がない場合の移動に比べてエネルギー生成の増加及び波誘発移動(wave induced movements)の減少の両方をいかに実現できるかを明らかにする。共振を利用し、かつ波回折による減衰を風力タービンによる減衰に「合わせる」とき、波から最大出力が得られる。しかしながら、共振は、原理が働くための必要条件ではないことを加える必要がある。
【００１８】
本発明に関する基本的な理論評価及び計算に立ち入ることは不適当に思われる。したがって、本発明を説明する例を以下に示す。
【００１９】
本発明をさらに詳細に説明するためには、フロート又は基礎が、図３に示されているような一定直径の垂直シリンダからなる浮き風力タービンを想定することが最も容易である。浮力、重量及び重心の位置を調節することにより、システムを水線(the water line)と海底との間の一点を中心にしたほぼ純粋な回転運動（縦揺れ）で共振させて動かすことが可能である。理論的には、波からどれだけ多くのエネルギーを引き出すことができるか、及び波からの減衰に等しいタービン効果による減衰を得ることが最適である（共振があるとき、これが当てはまる）ことを示すことが可能である。図面に示された図示のステイは、海の適度の(moderate)深さにおいて、プラットフォームと海底との間のヒンジ式連結部に置き換えてもよい。別法として、より従来的なチェーンラインアンカー固定を使用してもよい。
【００２０】
そのときに共振している波から引き出すことができる最大平均出力は、
【００２１】
【数１】
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【００２２】
で得られる。式中、ｒ（ロー）は水の密度であり、ｇは重力加速度であり、ζＡ（ゼータ）は波の振幅（正規単色波）であり、ｗ（オメガ）は波の周波数であって、本例では縦揺れの固有周波数に等しいと仮定し、
【００２３】
【数２】
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【００２４】
は縦揺れ運動に対する共振に関連した波の放射減衰であり、
【００２５】
【数３】
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【００２６】
はタービンに当たる風力による縦揺れ運動の減衰であり、
【００２７】
【数４】
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【００２８】
は、たとえばタワーに当たる風力及び水中の粘性力による追加減衰である。ＣＰ及びＣＴはそれぞれ、風力タービンの出力係数及びスラスト係数である。タービンに当たる風力による減衰は、
【００２９】
【数５】
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【００３０】
で得られる。タービンの風力出力係数ＣＰは、理論最大値が１６／２７である。対応するＣＴ係数の値は８／９である。ρａは空気密度であり、Ｒはロータの直径であり、（ｚa−ｚr）は、ロータの中心から縦揺れ運動の中心までの距離であり、Ｕwはロータに当たる風速である。波からの最大理論効果は、
【００３１】
【数６】
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【００３２】
かつ
【００３３】
【数７】
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【００３４】
の場合に達成される。この最大効果は、以下の式で得られる。
【００３５】
【数８】
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【００３６】
図４は、中規模（６００ｋＷ）の陸上風力タービンの一般的な出力グラフを示す。図示のように、このタービンは、約１５ｍ／秒以上の風速で最大出力を達成するだけである。沖合タービンは通常、より高い風速用に設計されるであろう。システムの動的特性を積極的に利用することにより、約１５ｍ／秒未満の風速でより大きいエネルギーを引き出すことが可能であろう。
【００３７】
図５は、さまざまな風速においていかに多くの追加出力をタービンから得ることができるかの具体例を示す。破線の曲線は、風及び波の両方を利用することによって達成される出力を示す。実線は、風だけを利用するときの出力を示す。本例では、半径が約７ｍ、喫水が１２０ｍの基礎を使用している。風力タービンのロータは、半径が４０ｍである。これは、出力が約５ＭＷの沖合風力タービンに相当する。本システムは、縦揺れの固有周期が約１０秒である。本例では、波の振幅が風速に比例し（５ｍ／秒の風速で０．５メートルの波の振幅が、２０ｍ／秒の風速で２メートルの波の振幅まで増加する）、かつシステムが約１０秒の周期で共振して振動すると仮定する。
【００３８】
図６は、風だけ（黒線）の場合と比べた、風及び波の両方を利用する場合の出力の相対増加を示す。６ｍ／秒では、風に加えて波エネルギーを利用するとき、風だけを利用する場合と比較して、２５％を超える上乗せ出力が得られる。実線は、理論最大値を基準にしてどれだけ多くの波力が引き出されるかを示す。他の詳細については、添付書類を参照されたい。本例では、一定の（固定の）スラスト及び出力係数が使用されている。ピッチ制御を利用することにより、出力が増加するであろう。
【００３９】
エネルギーを波から引き出すことの確実な重複効果(bi-effect)は、システムの動きが減少することである。図７には、上記システムでの波の振幅の１メートル当たりの縦揺れの応答角を示す。波の周波数は、０．０２Ｈｚから０．２５Ｈｚまで変化する。１５ｍ／秒の一定の風速を使用する。黒実線は、風の相互作用がない場合の波の応答を示す一方、破線は、相互作用が含まれるときの応答を示す。
【００４０】
特許請求の範囲によって定義される本発明は、以上に記載し、かつ図３に示された解決策に制限されないことに注意されたい。その原理は、垂直シリンダ以外の幾何学的形状のフロートにも働くであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】海底に設置された従来型風力タービンの簡単な概略図である。
【図２】海底に係留された従来型浮き風力タービンの簡単な概略図である。
【図３】本発明による、自由に左右揺れ及び縦揺れ運動する風力タービンの簡単な概略図である。
【図４】理論計算に基づいた、風力タービンの出力を風速の関数として示すグラフである。
【図５】理論計算に基づいた、波の効果を伴う場合、及び伴わない場合の風力タービンの出力に関するグラフである。
【図６】理論計算に基づいた、波の効果を伴う場合、及び伴わない場合の風力タービンの出力に関するグラフである。
【図７】理論計算に基づいた、波の効果を伴う場合、及び伴わない場合の風力タービンの出力に関するグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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