(57)【要約】      （修正有）【課題】洋上風力タービンの支持のための水エントラップメントプレートおよび非対称的係留システムを伴う、コラムで安定化された洋上プラットホームを提供する。【解決手段】水平の主ビーム１１５と相互に連結された３本のコラム１０２、１０３を有する浮きフレーム１０５を備える。風車タワー１１１はタワー支持コラム１０２の上に取り付けられている。タービン羽根１０１は、タワーの頂上で回転するナセル１２５に連結されている。タービンのギアボックスの発電機および他の電気ギアは、伝統的にナセル内、またはタワー内の下部にまたはタワー支持コラムの頂上のいずれかに取り付けることができる。浮きフレームは、風速に拘わらず、タワーをの垂直整列に維持するためにコラム間に水を押し出す水バラストシステムを備える。水エントラップメントプレート１０７は、波による浮きフレームの回転運動を最少にするためにコラムの底部に取り付けられている。【選択図】図６
2015016860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）バラスト液を含むための上端および下端並びに内容積を各々有する少なくとも３本の安定化コラム、
ｂ）風力タービンプラットホームに連結された上端および下端を有するタワー、
ｃ）発電機に連結されたタービンローターであって、該タワーの上端の近位に取り付けられたタービンローターおよび発電機、
ｄ）少なくとも３本の安定化コラムに相互連結された主ビーム、
ｅ）１本の安定化コラムの下端に各々が取り付けられている水エントラップメントプレート、並びに
ｆ）タワーの垂直整列を調整するために少なくとも３本の安定化コラムの内容積間でバラスト液を移動するためのバラスト制御システム、
を備えている浮動風力タービンプラットホーム。
【請求項２】
タワーが１本のコラムの頂上に取り付けられ、そして他のコラムがタワーに直接には連結されていない、請求項１記載の浮動風力タービンプラットホーム。
【請求項３】
少なくとも３本の安定化コラムに非対称的に連結され、少なくとも半分がタワー支持コラムに連結された係留索、を更に備えている請求項２記載の浮動風力タービンプラットホーム。
【請求項４】
隣接する係留索により形成される角度がほぼ等しい請求項２記載の浮動風力タービンプラットホーム。
【請求項５】
タワーが、タワーの大部分の重量を支える浮力コラムの上に取り付けられ、そして少なくとも３本の安定化コラムの間に配置されている、請求項１記載の浮動風力タービンプラットホーム。
【請求項６】
バラスト制御システムが、
ｉ) バラスト制御信号を送信して受信するためのプロセッサー、
ii) 重力の方向に対するタワーの垂直整列を感知するためにプロセッサーと交信する垂直整列センサー、
iii)タワーの垂直整列を調整するために少なくとも３本の安定化コラムの内容積間でバラスト液を移動するためにプロセッサーと交信するバラストポンプ、
を備えている、請求項１記載の浮動風力タービンプラットホーム。
【請求項７】
バラスト制御システムが更に、
iv) 少なくとも３本の安定化コラムの内容積内に含まれるバラスト液の量を決定するためのバラスト容量センサー、
を備えている、請求項６記載の浮動風力タービンプラットホーム。
【請求項８】
ａ）バラスト液を含むための上端および下端並びに内容積を各々有する少なくとも３本の安定化コラム、
ｂ）少なくとも３本の安定化コラムを相互連結する主ビーム、
ｃ）１本の安定化コラムの下端に各々が取り付けられている水エントラップメントプレート、並びに
ｄ）少なくとも３本の安定化コラムの垂直整列を調整するために少なくとも３本の安定化コラムの内容積間でバラスト液を移動するバラスト制御システム、
を備えている浮動プラットホーム。
【請求項９】
相互に隣接する主ビーム間にそれぞれ連結された水平支えビーム、
を更に備えている、請求項８記載の浮動プラットホーム。
【請求項１０】
３本の主ビームが正三角形の辺を形成し、そして主ビームおよび水平支えビームの一部が正三角形を形成する、請求項９記載の浮動プラットホーム。
【請求項１１】
１本の主ビームと１本のコラムの間にそれぞれ連結された垂直支えビーム、
を更に備えている、請求項８記載の浮動プラットホーム。
【請求項１２】
バラスト制御システムが、
ｉ）バラスト制御信号を送信し、受信するためのプロセッサー、
ii) 少なくとも３本の安定化コラムの重力の方向に対する頂角を決定するためにプロセッサーと交信する垂直配列センサー、
iii)浮動プラットホームの水平角を調整するために少なくとも３本の安定化コラムの内容積間でバラスト液を移動するためにプロセッサーと交信するバラストポンプ、
を備えている、請求項８記載の浮動プラットホーム。
【請求項１３】
バラスト制御システムが更に、
iv) 少なくとも３本の安定化コラムの内容積内に含まれるバラストの量を決定するためのバラスト容量センサー、
を備えている、請求項１２記載の浮動プラットホーム。
【請求項１４】
半潜水型プラットホームに浮力を与えるための浮力構造物、
浮力構造物に連結された係留索、
係留索に連結された、海底に埋設された錨、
を備えており、
係留索の少なくとも半分が複数の浮力構造物の１つに取り付けられている、
半潜水型浮動プラットホームのための係留設備。
【請求項１５】
隣接する係留索間の角度が実質的に等しい、請求項１４記載の係留設備。
【請求項１６】
係留索がそれぞれ、
ａ）浮力構造物の１つに連結された鎖またはワイヤの第１の部分、
ｂ）鎖またはワイヤの第１の部分に取り付けられた重り、
ｃ）鎖またはワイヤの第１の部分に連結されたポリエステルの部分、並びに
ｄ）ポリエステルの部分および錨の１つに連結されたワイヤまたは鎖の第２の部分、
を備えている、請求項１４記載の係留設備。
【請求項１７】
重りの負の浮力が鎖またはワイヤの第１の部分の負の浮力より大きい、請求項１６記載の係留設備。
【請求項１８】
係留索の少なくとも半分が浮力構造物の１つに連結されている、請求項１４記載の係留設備。
【請求項１９】
それぞれバラスト機構を含む複数のコラムを有する半潜水型プラットホームを波止場地帯で組み立てる工程、
半潜水型プラットホーム上に、発電機に接続されたタービンローターを含むタワー組立物を波止場地帯で設置する工程、
コラムからバラスト液を抜く工程、
半潜水型浮動プラットホームを波止場地帯の浅瀬から深度１００フィート（３０．５ｍ）を超える深水中に移動させる工程、
半潜水型浮動プラットホームが深水中にある時にコラムをバラスト液で一部満たして安定化する工程、
半潜水型浮動プラットホームを係留する工程、
前以て決定された許容され得る範囲外にある半潜水型浮動プラットホームの浮動角度を感知する工程、そして
バラスト機構を作動させて浮動角度を是正する工程、
を備えている、半潜水型プラットホームを配置する方法。
【請求項２０】
波止場地帯において半潜水型プラットホームが輸送喫水深度をもつように１本以上のコラムにバラストモジュールを取り付ける工程、そして
半潜水型プラットホームが深水に移動する前にバラストモジュールを外す工程、を更に備えている、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
半潜水型プラットホームの係留工程が、海底に固定されて非対称的パターンで浮力構造物に取り付けられた複数の係留索に半潜水型プラットホームを取り付ける工程を備えている、請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
発電所に連結された電気ケーブルに発電機を接続する工程、
タービンローターを回転して発電機に電力を発生させる工程、そして
電気ケーブルを通して発電所に電力を送る工程、
を更に備えている、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
ａ）バラスト液を含むための上端および下端、並びに内容積を各々有する少なくとも３本の安定化コラム、浮動風力タービンプラットホームに連結されたタワー、タワーの上方部分に取り付けられ且つ発電機に連結されたタービンローター、少なくとも３本の安定化コラムを相互に連結している主ビーム、安定化コラムの下端に取り付けられた水エントラップメントプレート並びに、垂直整列センサーおよび、少なくとも３本の安定化コラムの内容積間でバラスト液を移動するための１基以上のポンプを有するバラスト制御システムを備える浮動風力タービンプラットホーム装置を提供する工程、
ｂ）タービンローターを回転する工程、
ｃ）発電機を回転して電気を発生する工程、
ｄ）前以て決定された許容され得る範囲外にある浮動風力タービンプラットホームの傾き角度を感知する工程、
ｅ）１基以上のポンプを起動して安定化コラム間でバラスト液を移動させる工程、
ｆ）前以て決定された許容され得る範囲内にある浮動風力タービンプラットホームの傾き角度を感知する工程、
ｇ）安定化コラム間のバラスト液の移動を停止するために１基以上のポンプを停止する工程、
を備えている浮動風力タービンプラットホームを稼働する方法。
【請求項２４】
感知された風向に基づいてタービンローターのヨー位置を制御する工程、そして
感知された風速に基づいてタービンローターのピッチを制御する工程、
を更に備えている、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
風速が毎秒１２メーター未満である時に、タービンローターのピッチを調整して発電機からの電気出力を最大にする工程、
を更に備えている、請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
風速が毎秒約１２〜２５メーターの間である時に、タービンローターのピッチを調整して一定の回転速度を維持する工程、
を更に備えている、請求項２４記載の方法。
【請求項２７】
タービンローターのピッチを調整してタービンローターにおける風力を最少にする工程、そして
風速が毎秒２５メーターを超える時はタービンローターを停止する工程、
を更に備えている、請求項２４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願との関係】
【０００１】
本特許出願は、その内容全体が引用することにより本明細書に取り入れられたこととされる、２００８年４月２３日出願の、「洋上風力タービンの支持のための水エントラップメントプレートおよび非対称的係留システムを伴う、コラムで安定化された洋上プラットホーム」と題する米国特許仮出願第６１／１２５，２４１号に対する優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンは、風からの運動エネルギーを機械エネルギーに変え、次にそれが電気に変えられる回転機である。風力タービンは洋上設置のみならず、また着床式設置のために開発されてきた。着床式風力タービンは地面に固定され、風の強い地域に配置される。風力タービンには、垂直に配列された主要ローター軸をもつ垂直軸の風力タービンおよび風上に向う水平ローター軸をもつ風力タービンがある。水平軸の風力タービンは一般に、タワーおよび、タワーの頂上に連結された発電機を有する。発電機はハブアセンブリおよびタービン羽根に直接に、またはギアボックスを介して連結することができる。
【０００３】
風力タービンはまた、洋上適用物に対しても使用されてきた。１本のタワーの洋上システムは海底中に取り付けられ、３０メーターまでの浅い水深に限定される。風力タービンタワーが格子構造物のような広い土台の上に取り付けられる場合は、この浅い深度の必要条件は５０ｍまで拡大することができる。より深い海中においては、フロートシステムのみが経済的に利用可能であると期待される。浅海システムの欠点は、水が典型的に沿岸の近くでのみ浅いことである。従って、沿岸の風力タービンは海岸の景観を妨げ、水上乗り物および航空機に対する航行の妨害物および可能な邪魔物をもたらす可能性がある。
【０００４】
近年、洋上の風力タービンプラットホームの多数の考え方が開発されている。一般に、これらは３つの主要な範疇：スパー、テンション・レッグ・プラットホーム（ＴＬＰ）および半潜水型／混合システムに分類される。浮動風力タービンプラットホームの例はＳｔａｔｏｉｌ Ｎｏｒｓｋ−Ｈｙｄｒｏ Ｈｙｗｉｎｄ スパー（図１）、Ｂｌｕｅ Ｈ ＴＬＰ最近の代表例（図２）、ＳＷＡＹ スパー／ＴＬＰ 混合型（図３）、Ｆｏｒｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＷｉｎｄＳｅａ 半潜水型（図４）およびＴｒｉｆｌｏａｔｅｒ 半潜水型（図５）を含む。図１を参照すると、スパーは、構造物の底部の大量のバラストおよび喫水の近位の浮力タンクで重りをつけた細長い構造物である。安定化の目的のために、重力の中心は浮力の中心より低くなければならない。これが、確実にスパーを真っすぐに浮揚させるであろう。スパーは、スパーを定位置に保持する多数の索で海底に係留される。一般的な意味のスパータイプの構造物は、スパーの深い喫水および垂直波励起力に対する低下した応答により、半潜水型よりも優れた引き揚げ（ｈｅａｖｅ）能を有する。しかし、それらはまた、このデザインでは安定性に寄与する水線面の面積が減少するので、他のシステムより縦揺れおよび横揺れ運動が多い。
【０００５】
図２を参照すると、ＴＬＰはプラットホームを海底に直接着床させる、垂直に引張ったケーブルまたは鋼管を有する。その時には十分な安定性を与えるために一時的に浮力モジュールを付加することができる設置相の期間を除いて、安定性のための低い重力中心の必要はない。ＴＬＰは非常に優れた引き揚げ性および角運動を有するが、係留設備設置の複雑さおよびコスト、潮の変化による緊張材の張力の変化並びにタワーと係留システム間を連結する構造的周波、がＴＬＰシステムの３つの主要な障害である。
【０００６】
異なるタイプの洋上風力タービン構造物を比較する時に、波および風により誘発される運動が考慮すべき性能の唯一の要素ではない。経済学が重要な役割を果たす。従って、加工、設置、試運転／廃止のコストおよびメンテナンス法のためのアクセスの容易さを注意深く検討することが重要である。運転および輸送状態における浅い喫水および優れた安定性をもつ半潜水型の考えは、それらの喫水のためにスパーより、そして、緊張材連結前のそれらの低い安定性のためにＴＬＰより、牽引し、設置し、試運転／廃止することが有意に安価である。
【発明の概要】
【０００７】
本明細書には、少なくとも３本のコラムを備える、半潜水型洋上浮動風力タービンプラットホームが記載されている。本明細書に記載される風力タービンプラットホームは、少なくとも３本のコラムに加えて、風力タービンプラットホームの性能を改善する更なる特徴を有している。図６に示される１つの態様において、浮動風力タービンプラットホームは、タワーを垂直に整列して維持するために、コラム間で水のバラストを移動する作動的なバラストシステムを備える。更に、風力の荷重を決定するために、プラットホームに整列センサーを接続することができる。更にまた、本説明に従う風力タービンプラットホームは、環境的荷重に耐えるのみならずまた、他のプラットホームデザインに比較して比較的軽量であることができ、そして構造物の製造を容易にして、エネルギー生産のためのより良好な経済に導くことができる非対称的係留システムおよび作動的なバラストシステムのような、１種以上の更なる特徴を有することができる。
【０００８】
本明細書に記載のプラットホームに含まれるコラムは、水平および垂直の支えビームを含む管状の三角構造のシステムで相互に連結することができる。コラムの幾つかまたはすべての底部には水平の水エントラップメントプレートが取り付けられている。風力タービンタワーは構造物に対して非常に高い、かなりの風力荷重にさらされ、そしてコラム間の空間距離が安定性を達成する。図６に示す１つの態様において、風力タービンタワーは、それ自体、主ビームにより他のコラムに連結された１本のコラムの頂上に取り付けられている。この構造は風力タービンプラットホームの構造的効率を改善し、構造物を比較的軽量にさせる。
【０００９】
図７に示される他の態様において、風力タービンタワーは、タワーおよび風力タービンの部品の重量を支える浮力コラムの上に直接連結されている。この態様において、他のコラムは、プラットホームを安定化し、タワーを垂直整列に維持する役割を果たす。更に、作動的な浮力システムを使用して、コラム間でバラストを移動することができる。図７に示した態様において、タワーの重量は外側のコラムの浮力によっては支えられていないために、プラットホームは外側のコラムと中心のタワーのコラム間にそれほど大きな構造的支えを必要としない。それに対し、タワーがデッキの中心に配置される幾つかの先行デザインにおいては、構造物は比較的重く、そしてタワーとタービンの重量および空気力学モーメントにより、構造物が長い構造物の中央で大きな荷重を支えなければならないために、経済的に比較的実行可能でない可能性がある。
【００１０】
例えば、１種以上のピッチ制御システム、ギアボックス、ヨー調整装置および発電機を収納することができるナセルはタワーの頂部の上に取り付けることができ、ハブおよびハブから延伸するタービン羽根に支持を与える。ハブは、タービン羽根の回転速度が通常の風速範囲にわたり一定であるように、タービン羽根のピッチを調整する機構を備えることができる。ナセルは、最適な効率のためにタービン羽根を風上に直接向けるヨー制御システムに連結することができる。典型的には、ナセル内に配置されるギアボックスおよび発電機のような風力タービン装置をそこに配置することができるか、またはそれらはタワー内の下部またはコラムの頂部の上に配置することができる。ギアボックスをもたない直接的駆動タービンもまた、本明細書に記載のプラットホームとともに使用することができる。発電機により発生される電力は、変動する風速によりランダムな周波数および振幅をもつ可能性がある。電力は変圧器、変換器および整流器により変電されて、均一な出力電圧および電流をもたらすことができる。これらの電気部品はナセルの中、タワーの底部、または他のコラムの上に配置することができる。風力タービンからの電気出力は、海底および発電所に走行する電気ケーブルを通して送電することができる。ケーブルの一部は海底に直接真すぐに走行せずに、ケーブルの部分を高くする浮揚機構に連結することができる。次にケーブルが、ケーブル上に何の有意な更なる張力を与えずに、浮動風力タービンプラットホームを波、海流および潮とともに垂直または水平に移かす、湾曲した経路をもつことができる。
【００１１】
１つの態様において、浮動風力タービンプラットホームは高強度の構造物である特別の形態を有する。コラム間に取り付けられる主ビームは、長さが等しく、実質的に正三角形を形成する。水平な支え交差ビームは主ビームの長さのほぼ１／３において隣接する主ビームの間に連結される。水平な支えの交差ビームおよび主ビームは、主ビームにより形成される三角形の３つの角において更なる正三角形を形成する。垂直の支えビームはコラムの中間部分と主ビームの長さの１／３の間に連結されている。垂直の支えビーム、コラムおよび主ビームにより形成される三角形は実質的に正二等辺三角形である。この形態が、風力タービンプラットホームを構築するための材料の量を最少にしながら、必要な荷重力を支えることができる強力な構造物を提供する。
【００１２】
特定の態様において、本明細書に記載される浮動風力タービンプラットホームは完全に波止場地帯で加工し、集成するようにすることができる。例えば、波止場地帯の集成サイトで完全に構築することができる浮動風力タービンプラットホームの構成部品を集成するためにクレーンを使用することができる。更に、所望される場合は、波止場地帯で、風力タービンの構成部品を集成し、プラットホームと一体にし、そして基礎工事を実施することができる。一旦完全に集成後、構造物が設置サイトにチャンネルから浮揚して出てくることができるように浮動風力タービンプラットホームのコラムからバラストを完全に抜くことができる。喫水を低下させて、チャンネルから出すために更なる浮力が必要な場合は、喫水を低下するために１本以上のコラムに浮力モジュールを取り付けることができる。プラットホームが深水に到達後、浮力モジュールを取り外し、コラムは水バラストで一部満たされてプラットホームを安定化することができる。
【００１３】
浮動風力タービンプラットホームを設置サイトに牽引する前に、海錨を海底に固定することができる。浮動風力タービンプラットホームが定位置に移動される時、係留索をコラムに縛り付け、そして前以て決められた張力に締め付けることができる。１つの態様において、タワーを１本のコラムの上に取り付け、係留索を非対称的形態に配置し、風力タービンタワーを支えるコラムに、他のコラムに対するよりも多くの係留索を連結する。例えば、４本の係留索を使用する場合は、これらの係留索のうちの２本を、タワーを支えているコラムにほぼ９０度の角度間隔で連結し、そして１本の係留索を残りの各コラムに連結する。他の例によると、６本の係留索が使用される場合は、４本の係留索を、タワーを支えているコラムに約１８０度の範囲にわたりほぼ６０度の間隔で連結することができ、そして他のコラムをそれぞれ１本の係留索に連結する。係留索の角度はタワーのコラムで交わるようにさせることができる。対称的な浮動風力タービンプラットホームを使用する場合には、係留索を対称的な配置でプラットホームに連結することができる。例えば、合計６本の係留索を使用し、２本の係留索を各コラムに連結することができる。
【００１４】
係留索は鎖、ワイヤロープおよび引きずり・埋設錨の組み合わせ物よりなる、従来の懸垂型形状の係留索であることができる。あるいはまた、係留索は引張られたポリエステル部分よりなることができ、そして更に、係留システムの部分に懸吊された重い塊である、塊状の重りを有することができる。１つの態様において、錨が海底に埋設され、そして鎖の一部が錨に連結される。ポリエステルの係留索は鎖に取り付けて、係留索に幾らかの弾性を与えることができる。ポリエステルの係留索が使用される時は、その係留索の反対側の端を、各コラム上の１種以上の引張り機構に取り付けられた更なる長さの鎖に連結することができる。コラムに対する鎖の角度を低くするために、各コラムに連結された鎖に重い塊状の重りを取り付けることができ、係留索は各コラムに連結された機構により引っ張ることができる。
【００１５】
風力タービンおよびタワーが３本のコラムの１本に取り付けられる場合は、１本のコラムがより大きい重量を支え、無風の時はプラットホームの外殻は非対称的に平衡されている。しかし、タービン羽根およびタワーに対する風力がタワーに対するモーメントを誘発して、通常、プラットホームの中心からタワーを遠くに押しやる。このモーメントが、タワーを支えていない独立したコラムに対する下向きの力を減少させながら、タワーを支えているコラムに下向きの力をかける。
【００１６】
風力タービンが設置されると、風力タービンが回転して、発電機が電気を発生するようになる。しかし、風速および風向はしばしば変動する可能性がある。従って、特定の態様において、本説明に従うプラットホーム上に使用されるタービンには、風向センサーおよびヨー制御システムを有する風向システムを提供することができる。このような態様においては、風向センサーが風向の変化を感知し、ヨー制御システムがタービン羽根を風向と整列するように、タワーの頂上のナセルすなわちヨーを回転するようになる。更にまた、本説明に従うプラットホーム上に使用されるタービンには、風速の変化を感知し、そして出力を最適化する、またはタービン羽根上の風の流体抵抗を最少にするためにタービン羽根のピッチに変化を誘発することにより風速の変化に応答するタービンのピッチ制御システムに接続されている、風速センサーを提供することができる。市販の風向および風速センサーの例はＣａｍｐｂｅｌｌ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｌｔｄ．，Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ および ＮｏｖａＬｙｎｘ Ｃｏｒｐ．，ＵＳＡから利用可能である。
【００１７】
タワーおよびタービン羽根に対する風速が増加するにつれて、風力は浮動風力タービンプラットホーム全体を垂直整列からはみ出させる可能性がある。本説明に従う風力タービンプラットホームには、風力（推進力）を補うために各コラム間で水を移動させるために水のポンプを使用する内部バラストシステムが提供される。１つの態様において、内部バラストシステムは、バラストシステムの水のポンプを制御する制御装置に接続された１個以上の整列センサーを備える。整列センサーが、浮動風力タービンプラットホームが１本のコラムの方向に傾いていることを感知する場合は、内部バラストシステムが低い浮きコラムから他のコラムに水を押し出して、低いコラムの浮力を高め、他のコラムの浮力を減らすことができる。この水の移動がプラットホームの低い浮き部分を持ち上げ、それによりタワーが垂直の整列に復帰する。整列センサーが、垂直の整列が再確立されたことを感知すると、ポンプは停止することができる。内部バラストシステムの１つの態様において、構造物に適用される転覆モーメントを補うことが必要であるだけなので、更なる水を外側からポンプで送る必要はなく、内部バラストシステムは閉鎖ループ内で機能することができる。
【００１８】
内部バラストシステムの操作は実質的な量の水のポンプ送り出しを要するために、所望のバラスト制御を達成するための応答時間は１５〜３０分の長さになる可能性がある。１つの態様において、整列センサーは水平面上のＸおよびＹ軸の周囲の回転運動を感知することができる２基のジャイロスコープであることができる。完全な垂直整列において、ＸおよびＹ軸のジャイロスコープはプラットホームのどんな回転をも感知しない。しかし、浮動風力タービンプラットホームの何らかの傾きがある場合は、Ｘおよび／またはＹ軸のジャイロスコープは回転運動を感知することができる。このような整列センサーは、垂直整列の誤差を是正するために、必要に応じてコラムに水をポンプ注入することにより整列誤差に応答する制御装置に接続することができる。１つの態様において、バラストシステムは周囲の海水からバラスト水を完全に隔離する閉鎖システムである。このような態様においては、海水はコラムに侵入することができないので、コラムが浸水される可能性はなく、プラットホームはバラストシステムの機能不全により転覆する可能性はない。
【００１９】
１つの態様において、タービン制御システムおよびバラストシステムは、タービンが最適な発電モードになるまで、タワーは垂直であるが、バラストポンプはまだ機能する必要があるかも知れないように接続されている。この場合、タービン羽根のピッチは、推進力を低下させ、マストを垂直に維持するように修正される。次に、バラスト水が１本のコラムから次のコラムに押し出される時に、羽根のピッチを、その最適な角度に緩徐に回転して戻すことができる。
【００２０】
本明細書に記載された浮動風力タービンプラットホームは独立型のプラットホームとして使用することができるか、あるいはまた、本明細書に記載のプラットホームを風力発電地帯に配列された複数の浮動風力タービンプラットホームの一部分として配置することができる。各風力タービンからの電力は統合して、陸上にあるかまたは別の浮動プラットホーム上にあることができる発電所に１本のケーブルを通して送電することができる。１つのこのような態様において、１つのプラットホームを職員用または保守用の場所に使用することができる。これは作業員を厳しい外界の天候条件から保護することができる安全な隔離区域を提供することができる。
【００２１】
本明細書に記載のような浮動風力タービンプラットホームを修理または廃止のためにドックに戻す必要がある場合は、プラットホームを係留索および電気ケーブルから外して波止場地帯の集成サイトに牽引することができる。浅瀬のチャンネルにおいては、プラットホームの喫水がその輸送喫水まで低下するように一定の水バラストをポンプで排出することができる。必要な場合は、輸送喫水を更に低下する必要がある場合は、コラムに１個以上の浮力モジュールを連結することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１はスパータイプの浮動風力タービンプラットホームを示す。
【図２】図２はテンション・レッグの浮動風力タービンプラットホームを示す。
【図３】図３はテンション・レッグ／スパーの浮動風力タービンプラットホームを示す。
【図４】図４は対称的な半潜水型浮動風力タービンプラットホームを示す。
【図５】図５は非対称的な半潜水型浮動風力タービンプラットホームの透視図を示す。
【図６】図６は非対称的半潜水型浮動風力タービンプラットホームを示す。
【図７】図７は半潜水型浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図８】図８は半潜水型浮動風力タービンプラットホームの上面図を示す。
【図９】図９は浮動風力タービンプラットホームの底部に連結された水エントラップメントプレートを示す。
【図１０】図１０は非対称的半潜水型浮動風力タービンプラットホームの上面図を示す。
【図１１】図１１は非対称的半潜水型浮動風力タービンプラットホームの上面図を示す。
【図１２】図１２は引張られた係留索システムをもつ半潜水型浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図１３】図１３は懸吊型係留索システムをもつ半潜水型浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図１４】図１４はバラスト制御システムの略図を示す。
【図１５】図１５は風速の変化に反応している浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図１６】図１６は風速の変化に反応している浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図１７】図１７は風速の変化に反応している浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図１８】図１８は風速の変化に反応している浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図１９】図１９は風速の変化に反応している浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図２０】図２０は風速の変化に反応している浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図２１】図２１〜２３は浮動風力タービンプラットホームを波止場地帯から深海に移動するための連続的工程を示す。
【図２２】図２１〜２３は浮動風力タービンプラットホームを波止場地帯から深海に移動するための連続的工程を示す。
【図２３】図２１〜２３は浮動風力タービンプラットホームを波止場地帯から深海に移動するための連続的工程を示す。
【図２４】図２４は１群の非対称的半潜水型浮動風力タービンプラットホームの構造を示す。
【詳細な説明】
【００２３】
本明細書において、半潜水型の浮動風力タービンプラットホームが説明される。本明細書に記載のプラットホームは例えば、洋上の浮動風力タービンの基地に使用することができる。図６を参照すると、本説明に従う風力タービンシステムは少なくとも３本のコラム１０２、１０３を有する洋上プラットホーム１０５を備える。平面状の水エントラップメントプレート１０７が各コラム１０２、１０３の底部に取り付けられている。１つの態様において、コラム１０２、１０３は円筒状の形態をもつ。しかし、コラムは風力タービンプラットホームを構成するために適したどんな形態にもさせることができる。風力タービンタワー１１１は安定化コラム１０２の上方に直接配置されている。風力タービンタワー１１１を支えていない２本の独立した安定化コラム１０３は、タワーを支えているコラム１０２から約４０〜９０度の範囲にわたることができる角度だけ離されている。図に示したプラットホーム１０５は３本のコラム１０２、１０３を備えるが、他の態様においては、プラットホームは４本以上のコラムを備えることができる。
【００２４】
コラム１０２、１０３は主ビーム１１５、支えビーム１１６および交差ビーム１１７よりなる三角構造で相互に連結されている。主ビーム１１５はコラム１０２、１０３の頂上および底部に連結され、そして連結された支えビーム１１６は主ビーム１１５とコラム１０２、１０３の間に連結されている。交差ビームは隣接する主ビーム１１５の間に連結されている。１つの態様において、主ビーム１１５は、それらが３本のコラム１０２、１０３と交差し、そして正三角形を形成するようにさせることができる。同様に、水平の支えビーム１１７および主ビーム１１５は更なる正三角形を形成するようにさせることができる。１つの態様において、垂直の支えビーム１１６は高さのほぼ中央でコラム１０２、１０３に連結されて、主ビームの長さのほぼ１／３の地点で主ビーム１１５に連結されている。主ビーム１１５、コラム１０２、１０３および垂直の支えビーム１１６は直角二等辺三角形を形成することができる。１つの態様において、主ビーム１１５、垂直の支えビーム１１６および水平の支えビーム１１７は好ましくは、円形または長方形の断面をもつ中空の管状構造物である。あるいはまた、主ビーム１１５、垂直の支えビーム１１６および水平の支えビーム１１７はまた、中空でないＩ型、Ｈ型またはＴ型ビームであることができる。他の態様において、３本のコラム１０２、１０３、支えビーム１１６および水平の支えビーム１１７は、所望の強度、重量、荷重耐力または他の性能の特徴を示すプラットホームを達成するために適するあらゆる他のタイプの幾何学的形態を形成することができる。
【００２５】
本明細書に記載されるような浮動風力タービンプラットホームのこのデザインは強力で効率のよい構造物を提供する。強度は、コラム、主ビーム、垂直の支えビームおよび水平の支えビームによりプラットホームの角の部分に形成される四面体の構造物に起因させることができる。構造物の負荷分析により、あらゆる変形は、隣接する四面体間の主ビーム１１５の中央部分でもっとも起り易いことが示された。構造物の幾何学的構造は非常に効率的であるが、構造物の強度はまた、例えば、主ビーム１１５、垂直の支えビーム１１６および水平の支えビーム１１７の外径または壁の厚さを増加することにより増加させることができる。主ビーム１１５、垂直の支えビーム１１６および水平の支えビーム１１７が管状構造物である場合は、構造物の疲労寿命は壁の厚さを増加することにより実質的に延長することができる。例えば、管壁の厚さが公称管壁の厚さの２倍になると、構造物の疲労寿命は、公称管壁の厚さをもつ構造物のほぼ１０〜２０倍の疲労寿命だけ延長することができる。壁の厚さは垂直の支えビーム１１６および水平の支えビーム１１７との、主ビーム１１５の交差部の近位の短い部分で増加させることができる。
【００２６】
１つの態様において、風力タービンタワー１１１の土台の直径または幅は、それが配置されているコラム１０２の直径または幅に類似するが、それらよりわずかに小さい。この一律性が構造の連続性を最大にし、そしてプラットホーム１０５構造物の重要な部分における応力の集中を最少にする。応力の集中は、風誘発モーメントにより、その湾曲したモーメントが最大であり、そして主ビーム１１５が他の安定化コラム１０３に連結する、風力タービンタワー１１１と、その上に風力タービンタワー１１１が配置されているコラム１０２の接合部で最大である可能性がある。１つの態様において、コラム１０２、１０３の直径は均一で、真すぐな円筒状構造物のような真すぐな構造物を生み出すことができ、他方、タワー１１１は土台においてより大きく、そして頂上で、より小さい直径または幅にテーパーすることができる。コラム１０２、１０３は、多数の均一な直径の管状部分を一緒に溶接することにより構築することができ、他方、タワー１１１は一連のテーパーにされた部分を一緒にボルトで締めて、または溶接することにより構築することができる。コラム１０２、１０３およびタワー１１１はプレート、リブおよび内部フランジのような内部構造物で強化することができる。
【００２７】
コラム１０２、１０３は浮動風力タービンプラットホームに浮力および安定性を提供するのみなので、コラム１０３の頂上の間には最少のデッキ空間１１９のみが必要とされる。各コラム１０２、１０３を連結している上部主ビーム１１５の頂上には、狭い通路を配置することができる。プラットホーム１０５上の更なる領域を使用して、補助太陽電池または波浪エネルギー変換装置の支えのような二次的構造物を支え、そして風力タービンタワー１１１の周囲へのアクセスを提供することができる。１つの態様において、デッキ１１９が１本以上の安定化コラム１０２、１０３の頂上に配置され、そして安定化コラムおよびデッキ１１９は、最大期待波高点がデッキ装置またはタービン羽根１０１に到達しないか、またはそれらを損傷しないように構成される。階段およびボートドック構造物をコラム１０２、１０３のいずれかに取り付けることができる。プラットホーム１０５はコラム１０２、１０３の底部に取り付けた係留索１３１〜１４１により海底に固定することができる。
【００２８】
タービン羽根１０１は非常に高い縦横比を有し、長い長さおよび狭い幅をもつ。タービン羽根１０１はそれらの土台でハブに連結され、モーターおよびアクチュエーターは羽根１０１のピッチを変えることができる。羽根１０１のピッチは発電機の電気出力を最適にするように設定することができる。これは一連の風速にわたり一定の回転速度を維持するように羽根のピッチを調整することにより達成することができる。より低い風速において、それらが最大の回転速度を維持することができるように、タービン羽根のピッチはより低い。それに対し、より高い風速においては、回転が、回転の最適な速度を超えることを妨げるために、ピッチは増加される。真の風速を感知するために、風力タービンは、風速を検出する風速計を備えることができ、そして感知された風速に基づいて、制御装置がタービン羽根１０１のピッチを適当なピッチ角に調整することができる。市販のタービン羽根ピッチ制御システムはＬＴｉ ＲＥＥｎｅｒｇｙ，ＧｅｒｍａｎｙおよびＢｏｓｃｈ Ｒｅｘｒｏｔｈ，Ｇｅｒｍａｎｙから入手できる。
【００２９】
タービン羽根１０１を風向に垂直な向きに正確に整列すると最大電力の発生をもたらす。このような配置を容易にするために、風力タービンは、例えばあらゆる誤整列を感知する風向センサーを有する風向システムを備えることができ、そしてヨー制御システムの市販の傾きセンサーはＰｅｐｐｅｒ＋Ｆｕｃｈｅｓ，ＧｅｒｍａｎｙおよびＭｉｃｒｏＳｔｒａｉｎ，Ｉｎｃ．ＵＳＡから入手できる。角度の偏りが風向センサーにより感知されると、制御装置は、ナセル、ハブおよびタービン羽根１０１を回転するヨーモーターを起動することができる。１つの態様において、タービン羽根１０１およびハブはタービン羽根１０１の回転速度を発電に適した速度に増加させるギアボックスに接続されている。ギアボックスは電力を発生する発電機に接続された駆動シャフトの回転速度を増加する。他の態様においては、直接の駆動タービンが使用される。ギアボックスはなく、駆動シャフトは、ナセル中またはタワー内に滞在することができる発電機に直接接続される。
【００３０】
電気出力は一般に風速とともに増加する。しかし、タービン羽根を回転させるためには、典型的に毎秒約３メーターの最小風速が必要である。典型的な風力タービン発電機に対する出力は毎秒約１２メーターまでの風速の増加とともに増加し続けるであろう、そして毎秒６〜１２メーターの風速範囲内ではタービン羽根はピッチされて、電気エネルギー生産を最適化させる。毎秒１２メーターより高い風速においては、典型的な風力タービン発電機のタービン羽根は、揚力を制御し、タービンをその最適な速度で回転させるように調整され、それにより最大出力を維持する。５メガワットのタービン発電機は毎秒約１２メーターの風速で最大出力に達することができる。毎秒約１２〜２５メーター間の、より高い風速においては、発電機は５メガワットの電気エネルギーを発生するが、タービン羽根はより高いピッチ角で回転されて、タービン羽根にかかる風力荷重を減少し、最適な回転速度を維持する。毎秒約２５メーターを超える風速においては、風力タービンシステムを停止し、休止することができる。タービン羽根は風力を最小にするように調整され、そして更に、風速が超加速度になり、風力タービンを損傷することを妨げるように低下するまで、ロックすることができる。
【００３１】
ここまでは、浮動風力タービンプラットホームが非対称的なタワーの配置において説明されてきたが、他の態様においては、タワーはコラム間に対称的に配置されている。図７および８を参照すると、浮動風力タービンプラットホーム１０６は、タワー１１１をコラム１０３間に対称的に配置されて示されている。図７は浮動風力タービンプラットホーム１０６の正面図を表し、図８は浮動風力タービンプラットホーム１０６の上面図を表す。この態様において、タワー１１１は浮きコラム１０４上に取り付けられている。浮きコラムは、タワー１１１、ナセル１２５、タービン羽根１０１および他のシステムの構成部品の重量を支えるために必要な浮力の幾らかまたはすべてを提供する中空構造物であることができる。浮きコラム１０４は大部分中空であり、大量の水を排出するために不安定である。風力タービンプラットホーム１０６を安定化するために、浮きコラム１０４は、タワー１１１を安定化するためのバラストシステムを備える、３本の、より安定化するコラム１０３に連結されている。浮動風力タービンプラットホーム１０６は、安定化コラム１０３と浮きコラム１０４間に延伸する、支えるサポートビーム１１２のみならずまた、安定化コラム１０３と浮きコラム１０４間に延伸する支えビーム１０８をもつことができる。浮動風力タービンプラットホームの他の構造的詳細は図６を参照して前記に説明されたもの同様である。
【００３２】
本明細書に記載の浮動風力タービンプラットホームは１本以上の浮きコラムそれぞれの土台に取り付けられた１つ以上の水平な水エントラップメントプレート１０７を備える。１つ以上の水エントラップメントプレート１０７はそれらが水中に沈むように配置される。図９を参照すると、水エントラップメントプレート１０７の機能は流体力学的付加質量および制動を提供することである。その通常方向に沿って移動する、１辺の長さλをもつ正方形のプレートにより「巻き込まれる」水の量は約ρλ３（ここでρは水の密度である）に等しい。従って、流体力学的付加質量としても知られる、巻き込まれる大量の水は、垂直に移動する実質的ディメンションの正方形の水平なプレートと関連する。大きい縦横比をもつ長方形のプレートはその面積に比較してずっと少ない水を巻き込むであろう。
【００３３】
水エントラップメントプレート１０７の形状およびディメンションは、これらプレートの形状とディメンションが、うねりにおけるプラットホームの付加質量および縦揺れおよび横揺れにおける慣性の付加モーメントの実質的増加を誘発するようなものである。プラットホームの喫水は比較的浅く、典型的には１００フィート（３０．５メーター）以下であるため、水エントラップメントプレートにかかる波励起力は無視することができない。付加質量の増加および波励起力を考慮に入れて、流体力学の計算を実施して、プラットホームの応答を決定しなければならない。ＷＡＭＩＴのような市販の回折放射ソフトウェアを使用して、プラットホームの応答を計算することができる。仮説的な例として、７，０００トンを超える有効荷重を担持する１５，０００トンの排水量のプラットホームがこれらの応答計算に考慮された。水エントラップメントプレートをもたないと、プラットホームの自然周期は約１２秒であり、これは大嵐期間中のかなりのエネルギー量をもつ周波数帯に相当する。結果として起る共鳴応答は、許容され得ないプラットホームの運動をもたらし、プラットホーム構造に損傷を与える。１つの態様において、コラムの土台から約２０〜３０フイート（６．１ｍ〜９．１５ｍ）だけ放射状に外側に延伸する１個以上の水エントラップメントプレートを付加することにより、プラットホームのうねりの自然周期は、許容され得る運動応答をもたらす２０秒に有意に延長することができる。
【００３４】
従って、本明細書に記載のようなプラットホームに提供される１個以上の水エントラップメントプレート１０７は、波励起力の増加を最少にしながら垂直の付加質量の実質的な増加を提供し、それがプラットホームの運動の有益な減少をもたらすことができる。このような安定化効果は、コラムのサイズおよび配置間隔を単に調整することによっては、それに対する適当な性能を得ることができないような、小型のプラットホームに対して特に有益である。与えられるコラム１０２、１０３の中心からのプレートの放射距離のような、１個以上の水エントラップメントプレート１０７の位置決めおよび、総プレート面積のような１個以上の水エントラップメントプレート１０７の形態を調整して、例えば垂直の付加質量の所望の増加および、波励起力の増加の減少または最小化を達成することができる。
【００３５】
水エントラップメントプレート１０７は、そのサイズのために、付加質量および波の放射効果、波励起力および、プレート１０７の縁からの渦の発散による粘性効果を含む大きな流体力学的荷重を引き付ける。プレート１０７は、それが暴露される多数の波の周期による疲労損傷のみならずまた、極端な波の荷重に耐えるために、更なる構造部材により支えられなければならない。１つの態様において、プレート１０７を支えるために、半径方向の補剛材１７９がコラム１０３からプレートの外側の縁に向かって延伸している。コラム１０３に連結された主ビーム１１５もまた、構造全体に対する剛性のみならずまた、水エントラップメントプレート１０７に対する構造的支えを提供する。更なるプレート１０７の強化部品は例えば、半径方向の補剛材１７９により支えられるガーダ１８１、ガーダ１８１間の横張り１７７および、コラム１０２と補剛材１７９間に取り付けられた水エントラップメントプレートの支え１２１を備えることができる。これらの構造部材は水エントラップメントプレート１０７を形成しているパネルを支える。本明細書に記載された取り込みプレートは鋼のようなあらゆる適切な材料で形成することができる。
【００３６】
水エントラップメントプレートの補剛材を適当なディメンションにするためには、プレート上に起る種々の流体力学的効果を適切に考慮しなければならない。これらは、以下の、特に垂直方向におけるプラットホームの加速に抗する力を誘発する水エントラップメントプレートを囲む流体の慣性、プラットホームからエネルギーを除去させるプラットホームが移動する時にプラットホームにより発生される放射波、プラットホームの外殻と相互作用して力を誘発する入射波、並びに、これもプラットホームから水の方向へのエネルギーの移動をもたらす、主としてプレートの縁からの渦の発散による粘性効果、よりなる。粘性力を除くすべての力は流体粘度を無視する回折放射学説に基づいて模型を形作ることができ、ラプラスの方程式の数値解答を要する。粘性効果は小規模の実験室実験の結果を使用して開発された経験的模型から決定される。流体力学的力は、水エントラップメントプレートを備えるプラットホームの水中に沈んだ部分上の圧力領域に変換することができ、次に構造的有限要素の模型を走行させて、補剛材および表面被覆を含むすべての構造部材における応力を決定することができる。有限要素模型は、ビームおよび／またはプレート学説をそれに適用することができる、小型要素へのプラットホームの外殻の分離を必要とする。数値的解答を得て、プラットホームの外殻に対する応力レベルを提供することができる。次に、水エントラップメントプレートを備えるプラットホームの外殻の適切なサイズ決定を確認することができる。水エントラップメントプレートについての更なる情報は、引用することによりそれらの全体を本明細書中に取り入れたこととされる、米国特許第７，０８６，８０９号および第７，２８１，８８１号により開示されている。
【００３７】
図１０を参照すると、浮動風力タービンプラットホーム１０５の上面図が示される。浮動風力タービンプラットホームを所望の場所内に維持するために、従来の係留索を使用してプラットホーム１０５を海底に固定することができる。例えば、１つの態様において、浮動風力タービンプラットホームは非対称的係留システムを使用して海底に固定される。図１０において、６本の係留索１３１〜１４１が示されている。４本の係留索１３１〜１３７は風力タービン１２５を担持するコラム１０２に連結され、そして１本の係留索１３９〜１４１が他のコラム１０３のそれぞれに連結されている。係留索１３１〜１４１の角度空間は隣接する各索間でほぼ６０度である。索１３１〜１４１は風力タービン１２５を支えているコラム１０２の中心に位置する地点に向かって収束する。風はまた、風上のコラムに連結された風上の係留索の張力を、残りの索における張力より高くさせるであろう。
【００３８】
図１１を参照すると、代わりの係留設備の構造を有する浮動風力タービンプラットホーム１０５の上面図が示されている。この態様においては、プラットホームを定位置に固定するために４本の係留索１５１〜１５７が使用される。２本の索１５１、１５３がタワー１１１を支えるコラム１０２に連結され、係留索１５５、１５７はそれぞれ他のコラム１０３の１つに連結されている。この態様において、係留索１５１〜１５７が約９０度の角度だけ相互から離れている。
【００３９】
図１２を参照すると、本明細書に記載された風力タービンプラットホーム１０５の態様の正面図が示されている。図１２に示した形態において、各係留索１３１〜１４１は風力タービンプラットホーム１０５から海底に向かって下方、外側に角度を付けられ、そして個別に固定され、張られている。係留索１３１〜１４１は、無風時に、コラム１０２、１０３の浮力が各索１３１〜１４１上に等しい張力を与えるように張ることができる。風がタワー１１１およびタービン羽根１０１に向かって吹く時は、風の荷重力は係留索１３１〜１４１に移動され、そして風に逆らって構造物を保持している風上の索は風下の索より強い張力を受けるであろう。索１３１〜１４１は、どんな時でも係留索が海底上に横たわらず、そして実質的に真すぐな経路に延伸するように張ることができる。他の形態において、係留索はプラットホームの周囲に同様な非対称的配置で配列することができるが、係留索が湾曲した経路で海底に延伸するように、特別なやや張り詰めた引張りにのみ張ることができる。やや張り詰めた引張りシステムによって、係留索は風、波または海流のない時にはそれらの静的平衡位において海底に横たわらない。
【００４０】
図１３に示した更に他の態様において、構造物１０５は海底に横たわる鎖の索４０２を伴う懸垂型係留システムにより定位置に固定することができる。係留索は例えば、金属の鎖、ワイヤ、ポリエステルまたはそれらの組み合わせ物のようなあらゆる適切な材料を含んでなることができる。この例においては、高度保持力の引きずり（ｄｒａｇ）埋設錨４０１が海底中に配置されている。錨４０１は海底上に横たわる重い鎖４０２の部分に取り付けられている。鎖４０２の水平の配向は、錨４０１を海底内に固定維持させる補助になる。鎖４０２は、係留設備の長さの大部分を与える、長いポリエステル索４０３に連結されている。ポリエステルの索４０３は高い引張りスパイクがプラットホーム１０５から錨４０１に伝達されることを妨げるために、係留索に適切な伸長を与える。ポリエステルの索４０３はプラットホーム１０５に取り付けられた、他の長さの鎖４０５に連結されている。ポリエステルの索４０３は水中に懸吊されたままで、設置後に海底と接触することはない。塊状の重り４０４は鎖４０５とポリエステル索４０３間の接合部に配置されて、張力のスパイクを更に減少させ、そして索４０３が確実に錨４０１上で水平に牽引するように、係留設備に鋭角の湾曲を形成する。塊状の重り４０４は典型的には鋼およびコンクリートのような密度の高い材料よりなり、一番上の鎖４０５の底部に取り付けられる。水中の塊状の重り４０４の重量は、それが取り付けられている鎖４０５の重量より有意に大きい。
【００４１】
鎖４０５は、係留索の引張りを個別に調整させる引張り装置４０７まで、コラム１０２、１０３中を貫通することができる。引っ張り装置４０７は例えば、鎖のジャッキ、巻き上げ機、ウィンチ、または、コラム１０２、１０３の頂上に、それらに沿って、またはそれらの内部に取り付けられた他の引っ張り装置であることができる。擦り切れによる損傷を防止するために、コラム１０２、１０３の土台に、水エントラップメントプレート１０７を通る係留索の通過を許すフェアリーダー索道器またはベンディング・シュー４０６を置くことができる。張力が適切に設定された後に、係留索をロックすることができる。
【００４２】
風力タービンは典型的には通常範囲の風速および風向にわたり稼働するようになっている。タービン羽根１０１およびタワー１１１に向かって吹く風は、浮動風力タービンプラットホーム１０５を風向から偏らせる傾向をもつ流体抵抗力を形成する。風が、図１５に示した方向に、コラム１０２間からコラム１０３上に吹いている場合は、タービン羽根１０１およびタワー１１１により誘発されるトルクが、風下のコラム１０２を水中に押しやり、風上のコラム１０３を水上に持ち上げる傾向をもつ。本明細書で既に説明されたように、風は必ずしも常に同一方向に吹くとは限らないので、風力タービンは、ナセル１２５、ハブおよび羽根１０１を風と整列するようにタワー１１１の頂上の周囲を回転させるヨー機構を備えることができる。しかし、風向が変化するに従って、タワー１１１が傾く方向もまた変化する。コラム１０２、１０３上の、図１２中の水平線１６１は設計浮揚水位を示す。風速および風向が変化するに従い、風力タービンは内部の作動的バラストシステムを使用して、風に誘発された力およびモーメントに逆らい、そしてすべての定常運転状態下でデザインの浮揚喫水線１６１に構造物１０５を維持することができる。
【００４３】
従って、本明細書に記載された浮動風力タービンプラットホームは内部の作動的バラストシステムを備えることができる。このようなシステムの例は図１４を参照して説明、図示される。このような態様において、コラム１０２、１０３は中空であり、そしてプラットホーム１０５を、最適な電力変換効率のための垂直の配列に維持するために、コラム１０２、１０３内のタンク間で水を移動する作動的バラストシステム２０１を収納する。例えば、風がタワーのコラム１０２に向かって吹いている時、センサー１２７が風力タービンの回転を感知することができる。センサー１２７は、浮力を増加するためにタワーのコラム１０２から水を抜き、そしてそれらの重量を増加するために他のコラム１０３中に水を付加するようにポンプ２２１を制御する制御装置１２３に接続されている。１つの態様において、各コラム内に、他のコラムへの独立した水路を制御している複数のポンプが存在することができる。工業的軸流送水ポンプはＨｕｙｕｎｄａｉ，Ｓｏｕｔｈ ＫｏｒｅａおよびＧｌｙｎｗｅｄ ＡＳ，Ｄｅｎｍａｒｋから利用可能である。
【００４４】
調整装置はまた、風力タービンタワー１１１を支えていないコラム１０３内の水量を調整して、風力タービンの隣接する角度を調整することができる。１つの態様において、コラムは各コラム１０２、１０３内の異なる水深２０３により図１４により表される、水量を感知するセンサー２２５を有する。コラム１０２、１０３間の水バラストの作動的移動が、誘発された風力を補って、プラットホームを水平に維持する。実質的な量の水をコラム１０２、１０３間にポンプで送らなければならないために、内部の作動的バラストシステムの応答時間は約１５〜３０分の間であることができる。応答時間はかなり遅い可能性があるために、作動的バラストシステムは典型的には、波および他の急速な作動力による構造物１０５の急速な動的運動を排除するようにはなっていないであろう。しかし、プラットホームはバラストシステムの恩典なしにこれらの力に耐えるようになっている。作動的なバラストシステムは、タービンをできるだけ垂直に維持することにより、プラットホームの平均的姿勢を水平に維持し、エネルギー生産を最大にするようになっている。
【００４５】
１つの態様において、作動的バラストシステムは、バラストシステム内の水を周囲の海水から完全に隔離することにより、浮動風力タービンプラットホーム１０５の可能な浸水および沈下を防止するようになっている閉鎖ループシステムであることができる。作動的バラストシステムは、水に、各コラム１０２、１０３間に取り付けられた主ビーム１１５を通過させる電気送水ポンプ２２１により、コラム１０２、１０３間に含まれる水を移動させる。このような態様において、周囲の海水は作動的バラストシステム中に絶対に入れられない。作動的バラストシステム内の水は、牽引し、または供給ボートを使用する前に、腐食の問題および他の海水関連の課題を緩和するために、波止場地帯で付加された新鮮水であることができる。
【００４６】
１つの態様において、整列センサー１２７は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って取り付けられるジャイロスコープを備える。ジャイロスコープは、毎秒当たりの角度の単位であることができる回転の角速度を表す信号を発信する。回転の角速度の合計が角位置をもたらす。従って、整列センサー１２７内のジャイロスコープはプラットホームとタワーの整列の変化を測定するために使用することができる。Ｘ軸のジャイロスコープは水平面にあり、浮動風力タービンプラットホームの中線と整列することができる。Ｙ軸の加速度計も水平面上にあるが、Ｘ軸のジャイロスコープに対して垂直である。トリム角θはＹ軸の周囲の構造物に対する角度であり、傾き角ψはＸ軸の周囲の構造物の角度である。構造物が完全に整列されている時は、Ｘ軸およびＹ軸のジャイロスコープは何の加速も感知しない。しかし、構造物がいずれかの方向に傾く場合は、Ｘ軸のジャイロスコープがトリム回転を感知し、Ｙ軸のジャイロスコープが傾き回転を感知する。この情報に基づいて、知られた数学の等式を使用して回転角を計算することができる。
【００４７】
図１５〜１７を参照すると、作動的バラストシステムが風速の変化に対してどのように反応することができるかの例が示される。整列センサーの信号に基づき、バラスト制御装置は各コラム１０２、１０３内の水量１９１を調整するようにポンプを制御して、垂直整列の角度の偏りを是正することができる。プラットホーム１０５が許容され得る水平角内にある時は、バラストシステムはコラム１０２、１０３間の水の移動を停止する。
【００４８】
図１５を参照すると、浮動風力タービンプラットホーム１０５はプラットホーム１０５の中線上を吹く風と垂直整列にあるように示されている。円筒１０２、１０３内の水量１９１は、風、海流、風速および風向に対して適切に調整されている。図１６において、風速が増加し、増加した風力が浮動風力タービンプラットホーム１０５をピッチ回転させた。整列センサーがトリム回転を感知し、調整装置がポンプを起動して、タワー支持コラム１０２から他のコラム１０３に水を移動させる。図１７において、浮動風力タービンプラットホーム１０５は増加した風速により誘発された風力を補うために水平整列に復帰した。タワー支持コラム１０２内の水量１９１がより少ないため、プラットホーム１０５のタワー側の末端により大きい浮力がある。その反対に、他のコラム１０３内の、より多い水量１９１は更に、垂直整列に対してプラットホーム１０５をトリム回転させる補助をする。
【００４９】
作動的バラストシステムはまた、風が変わった時のコラム１０２、１０３内の水量を調整する。図１８〜２０を参照すると、浮動風力タービンプラットホーム１０５は、プラットホームの中線の風向から９０度の変更で風が吹き、プラットホーム１０５の左側を通って風が来るように示されている。作動的バラストシステムは右側のコラムタンク１９１から左のコラムタンク１９１に水を移動し、そしてプラットホーム１０５は実質的に水平である。図１９を参照すると、風速が低下し、プラットホーム１０５はその傾き角度を変えた。整列センサーがプラットホーム１０５の傾き角度を感知し、制御装置がポンプ２２１に水を左のコラムタンク１９１から右のコラムタンク１９１に移動するように指示する。図２０を参照すると、作動的バラストシステムが、水を左のコラムタンク１９１から移動させて、浮力を増加させ、そして右のコラムタンク１９１に更なる水を付加して、コラムの重量を増加させた。プラットホーム１０５は再度水平であり、整列センサーがプラットホームの整列に他の変化を感知するまでポンプが停止した。
【００５０】
本明細書に記載の浮動風力タービンプラットホームは、外界条件に基づき異なる稼働モードを有する。プラットホームは鎖のジャッキ、鎖およびワイヤの部分並びに錨よりなる錨泊システムを使用して恒常的に係留することができる。このような態様において、浮動風力タービンプラットホームは極端な気象条件の場合に、移動したりまたは係留索から外されたりはしないであろう。浮動風力タービンプラットホームの主要な目的は電力生成であり、従って、タービンが稼働可能な時間量を最大にするようにさせることができる。
【００５１】
既存のタービンは２５ｍ／ｓの風速で稼働停止するために、より高い風速に典型的な波誘発運動がこの稼働限界を妨げないことが望ましい。すなわち、図６を参照すると、構造物が波浪力により運動する時に、タワー１１１がトリム回転し、それがタワー１１１の頂上を水平に移動させ、タービン羽根に対する見かけの風の変化を誘発する。構造物１０５が風上に回転する場合は、タワー１１１の頂上は、より早い風速を感知する、そして反対に構造物１０５が風から離れて回転する場合には、タワー１１１の頂上は、より遅い風速を感知する。本明細書で記載の浮動風力タービンプラットホームは、コラム１０２、１０３の底部に取り付けられた水エントラップメントプレート１０７を使用することにより横揺れ運動を減少し、それがプラットホーム１０５の垂直運動に抵抗し、そして横揺れ縦ゆれ運動をにぶらせる。
【００５２】
一般に、風速により区別される風力タービンには３種の異なるタービン羽根管理方式がある。毎秒１２メーター未満の風速における第１の方式において、羽根は発電量を最大にするために最適化される。毎秒１２〜２５メーター間の風速における第２の方式において、羽根は、羽根に対する荷重を減少し、一定の最適な回転速度を維持するように作動的に回転される（ピッチされる）。毎秒２５メーターを超える風速における第３の方式においては、風力タービン全体が「生き残り」モードでロックされる。ロック状態においては、タービン羽根は完全に停止され、羽根の角度は風に対して最小の流体抵抗状態に抑制される。風速および風向は非常に急速に変化し得るため、第３の方式は非常に急速に起る可能性がある。従って、風力タービンは風の変化を急速かつ正確に感知し、そして応答することができなければならない。
【００５３】
強風停止法に加えて、浮動風力タービンプラットホームを保存し、装置のロスを最小にすることが意図される他の条件が、緊急停止（ＥＳＤ）の引き金を引くことができる。プラットホームは通常、無人であるため、自動化および遠隔操作双方の停止法が配備されていなければならない。様々なシステムの故障または誤作動状態がＥＳＤの引き金を引く。例えば、作動的バラストシステムの故障は、低下しない大きな平均的傾きおよび／またはトリム角並びに／あるいはポンプの異常な電力需要のいずれかにより感知することができる。他のシステム故障はコラム内の水漏洩により引き起される可能性がある。この故障は、機能している作動的バラストシステムにより代償することができない、漏洩コラムに対するプラットホームの傾きまたはトリムにより感知することができる。システムはまた、タービン羽根が閾値レベルを超える応力に暴露される場合に停止しなければならない。この故障は羽根上に取り付けられた歪みゲージにより感知することができる。他の故障は、ナセルの、風に向かうタービン羽根の回転不能である。これは、測定された風向とナセルの方向の間の不一致により知ることができる。システムはまた、停電、または浮動風力タービンプラットホームと遠隔操作員間の交信喪失がある場合に停止することができる。
【００５４】
本明細書に記載の浮動風力タービンプラットホームは経済的に加工し、設置し、そして試運転し／廃止されるようになっている。例えば、建設コストを最小にするために、自動化溶接器を使用して作業室で効率的に加工することができるコラムの、大きな、前以て集成された円筒状部分を提供することにより、集成ヤードにおける溶接を最少にするようにさせることができる。加工は、浮動風力タービンプラットホームが牽引されるために十分深い水上の近位で完了することができる。タワー、ナセルおよび風力タービンは大型クレーンをもつ施設において波止場地帯で設置することができる。波止場地帯ですべての構成部品を設置することにより、開放水面上でプラットホーム上にタワーおよびタービンを設置することに比較して、コストが安く、損傷の危険が少ない。
【００５５】
図２１〜２３は、加工場所から設置場所へ浮動風力タービンプラットホーム１０５を牽引する方法を示す。図２１を参照すると、タワー１１１、ナセル１２５およびタービン羽根１０１は加工期間に波止場地帯でプラットホーム１０５と完全に集成され、そして完成後、プラットホーム１０５はタグボートで設置場所に牽引される。大部分の造船所はかなり浅い海水のチャンネルを有するため、プラットホーム１０５が最低の輸送喫水をもつように、水バラストをコラム１０２、１０３から抜くことができる。浮動風力タービンプラットホーム１０５はその輸送喫水で安定である。タワーのコラム１０２により支えられる重量はもっと重いので、プラットホーム１０５のこちら側は通常、より深い喫水をもち、それは、集成施設からの海水チャンネルが浅い場合には問題である可能性がある。
【００５６】
図２２を参照すると、必要な場合には、タワーのコラム１０２のより深い喫水を是正するために、各コラム１０２、１０３が同様な最低の喫水をもつように、タワーコラム１０２に一時的な浮力モジュール２９１を取り付けることができる。他の態様において、浅いチャンネルを通るプラットホーム１０５を浮揚させることが必要な場合には、更に喫水を低下させるために、一時的浮力モジュールを他のコラム１０３に取り付けることができる。
【００５７】
図２３を参照すると、プラットホーム１０５がより深い海中にきた時は、浮力モジュールはもはや不要であり、取り外すことができる。次に、例えば約５０フィート（１５ｍ）の喫水のような所望の喫水を伴って、コラムをキールまででも水でバラストする。より深い喫水は流体力学的抵抗を増加するが、水バラストによりプラットホーム１０５はずっと安定である。
【００５８】
加工場所から設置場所への輸送経路はできるだけ短くなければならない。従って、加工場所の位置はそのプロジェクトに特異的である可能性がある。これは、多数の浮動風力タービンプラットホームユニットを備える大型洋上風力発電所が建設中であり、そして各プラットホームの外殻が風力発電所サイトに長距離牽引されなければならない時に、特に重要である。適切な設置用船舶の選択もまた、風力発電地帯のプロジェクトの経済に対して基本的である。風力タービンを牽引するために使用される船舶は係留設備の設置および保守作業を実施することができなければならない。
【００５９】
波止場地帯における集成は設置サイトにおける集成を要するシステムに比較して多数の利点を有する。更に特には、海底に直接取り付けられる、固定された洋上風力発電の基礎は、洋上設置サイトでタービン構造物が設置され、保守されることを必要とし、それは困難で経費がかかる可能性がある。分解することは非常にコストがかかるため、実質的にすべての修繕を洋上の設置サイトで実施しなければならない。それに対し、プラットホームの形態は、プラットホーム１０５に対する係留索の配置および連結のみを必要とする。風力タービンの予期されない故障の場合には、設置の順序を逆に実施して、修理用の港にプラットホーム１０５を牽引することができる。
【００６０】
浮動風力タービンプラットホームはまた、洋上の試運転相を簡単にする。係留システムは前以て敷設され、浮動風力タービンプラットホームが現場に牽引される時に連結される準備ができていることが必要である。風力タービンは錨処理船により係留することができる。係留法は、プラットホームから係留索に取り付けたメッセンジャー索を取り戻し、係留索の鎖部分を引き入れる工程を含むことができる。係留索のワイヤ部分への鎖の連結は水上で実施することができる。係留索の引っ張りは鎖ジャッキをもつプラットホームから実施することができる。タービンはすでに設置されているので、風力タービンを始動させるために関与する方法もまた、現場で集成を必要とする風力タービンよりもずっと簡単で、コストもかからない。
【００６１】
浮動風力タービンプラットホームは動的に動いている構造物なので、発電機を発電所に接続している電力ケーブルにかかる荷重力を最少にすることが重要である。浮動風力タービンプラットホームが適切に係留された後に、前以て設置された海岸の電力ケーブルを浮動風力タービンプラットホームに接続することができる。図１３を参照する１つの態様において、電力ケーブル５０１はプラットホーム１０５上の配電盤に接続されている。ケーブルは保護ハウジング内のコラム１０２の長さに沿って走行し、コラム１０２の底部近位で排出する。切り替えギアもまた、タワー１１１からデッキ１１９に移動することができる。この場合、電気ケーブルはコラム１０３を走行するであろう。海底ケーブル５０１は、安定であり、損傷を妨げるためのシースのような覆いおよび／または溝を掘ることにより保護される必要がある。ケーブル５０１を海底に真っすぐに走行させずに、ケーブル５０１は、プラットホーム１０５の最下部に隣接し、それより下方のケーブル５０１の一部分に対して、複数の浮揚機構５０５により囲まれることができる。ケーブルのこの部分は、この領域を航行する船舶とのどんな可能な接触をも防止するために、水中に十分低くなければならない。プラットホーム１０５は係留索で固定されているが、それは定位置に絶対的に固定されているわけではないかもしれない。プラットホームは強風、強い海流および上げ潮／引き潮を含む種々の外力に応答して動くことができる。穏やかな波の浮揚機構５０５が、ケーブル５０１に何の損傷をも与えずにケーブル５０１およびプラットホーム１０５を動かす。ケーブル５０１は穏やかな波の浮揚機構５０５から海底に走行し、海底内に埋設することができるか、または１種または複数の保護殻をケーブル５０１の周囲に配置することができる。
【００６２】
１つの態様において、複数の浮動風力タービンプラットホームをアレーに配置することができる。図２４を参照すると、「風力発電地帯」における非対称的な浮動風力タービンプラットホーム１０５の代表的配置が示されている。１つの態様において、風が風力タービン中を流れると、風速が減速し、乱気流を作るので、風力タービンは風力タービンローターの直径の約１０倍以上の半径３５５だけ離され、そしてもっとも頻繁な風向３３５に垂直な複数の食い違いのライン３２９、３３１、３３３に配置されている。図示された態様において、風力タービン１０５は隣接する６基の風力タービン１０５から風車の直径の１０倍だけ同等に離れている。食い違いの配置のために、第１列３２９の２基の浮動風力タービンプラットホーム１０５間に吹く風は、第２列３３１の浮動風力タービンプラットホーム１０５に対して邪魔されない経路をもつ。この風の経路は、風向が好ましい方向から３０度まで外れて変わった場合でも邪魔されない。第３列３３３の浮動風力タービンプラットホーム１０５は第１列３２９の浮動風力タービンプラットホーム１０５と並ぶかも知れないが、風力タービンローターの直径の約１７倍の離れがあるので、風上の乱気流による電力ロスは無視できる。風向が、隣接する浮動風力タービンプラットホーム１０５と整列する角度に変わる場合でも、風力タービンローター直径の１０倍の離れは、出力に最低の影響を有するのみであろう。
【００６３】
浮動風力タービンプラットホーム１０５により使用される電力ケーブルを最少にするために、第１のケーブル３４１は第１列３２９の浮動風力タービンプラットホーム１０５と連結し、第２のケーブル３４３は第２列３３１の浮動風力タービンプラットホーム１０５と連結し、そして第３のケーブル３４５は第３列の浮動風力タービンプラットホーム１０５と連結する。次に、３本のケーブル３４１、３４３、３４５を第４のケーブル３４７に連結し、それがすべての電力を発電所３５１に送電し、それが必要に応じて電力を分配する。１つの態様において、１つのプラットホーム３４９は電力分配ユニットとして使用することができ、作業員および保守用空間を提供する。これは、作業員が一時的に生存することができ、苛酷な外界気象条件から保護されることができる安全なシェルター区域を提供することができる。
【００６４】
他の態様において、各タービンからの個々のケーブルは海底上の配線接続箱に接続することができる。１つの接続箱につき特定数の接続体を含むことができる。すべての接続箱からの、より太いケーブルは主要ハブに接続され、それが１本の電線を使用して海岸に接続される。故障の場合の不要なケーブルは電力網のインフラ基盤に付加することができる。
【００６５】
特定の、特別の態様において、本明細書に記載される浮動風力タービンプラットホームと当該技術分野で知られたものとの間の相異は、１本のコラムの上に直接固定された風車塔の非対称的形態である。この形態は、構造物の中心でなく、構造物の外縁に風車の大部分の質量を維持する。例えば、図４に示した「Ｆｏｒｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＷｉｎｄＳｅａ」浮動風力タービンプラットホーム構造物は、異なる円筒上にそれぞれ取り付けられた３本のタワーおよびタービン羽根を有する。前記に考察されたように、風力タービンの効率は、他の、接近して配置されたタービン羽根により誘発される乱気流がある時に減少されることは周知である。乱気流および不均一な気流はまた、風力タービンシステム中に、風力タービンの正常な稼働を妨げる可能性がある振動を誘発する可能性がある。
【００６６】
本明細書に記載された非対称的タービンプラットホームは、１本のタワーおよびタービン羽根の形態を利用することによりこれらの問題を防止する。他の先行技術の浮動風力タービンプラットホームシステムは、図５に示した「Ｔｒｉ−Ｆｌｏａｔｅｒ」であり、３本のコラムの中点に取り付けられたタワーを示す。この重量を支えるために、構造物の中心に実質的な量の材料が必要である。これは、この風力タービンプラットホームのデザインを生産するために要する加工時間、コストおよび材料を増加し、そして構造物の中心の重量を増加する。外縁ではなく、中心に大部分の質量を配置することにより、風力タービンプラットホームを横揺れさせるために、より少ない慣性力が必要である。これに対し、本明細書に記載された非対称的な浮動風力タービンプラットホームは、１本のコラム上にすべての風力タービンの部品を取り付けることにより建設を簡単にし、それにより更なる支え構造物を必要としない。更に、このような態様において、質量を外側に移動することにより、慣性の安定性が改善される。
【００６７】
プラットホームの質量の中心の近位と対照的に、大部分の状態において、風力タービンから来る主要な力の寄与物は対応するコラムに適用されるために、本明細書に記載される浮動風力タービンプラットホームにおける１本のコラム上に取り付けられた１本のタワーは、プラットホームの非対称的荷重をもたらす。これらの非対称的に荷重させるプラットホームとともに、タワーを伴うコラムに連結された係留索の数が他のコラムに連結された索数よりも実質的に多い、非対称的係留システムを使用することができる。
【００６８】
風力タービンの技術が改善するに従って、風力タービンのサイズが拡大してきた。１つの態様において、本明細書に記載された風力タービンプラットホームは、５メガワットの発電機を駆動する４００フィート（１２２ｍ）直径の風力タービンローターを支えることが意図される。この風力タービンの推定部品重量は以下の表１に示す。
【００６９】
【表１】
2015016860.tif 000003
【００７０】
５メガワットの発電機を支える風力タービンプラットホームの部品の推定サイズは以下の表２に示す。他の態様において、風力タービンプラットホームの部品の重量およびサイズは表１および２に示した値と実質的に異なる可能性がある。
【００７１】
【表２】
2015016860.tif 000004
【００７２】
本発明のシステムは特定の態様に関して説明されてきたが、本発明のシステムの範囲から逸脱せずに、これらの態様に追加、削除および変更を実施することができることは理解されるであろう。例えば、記載された同一の方法はまた、他の装置に適用することができる。説明されたシステムは種々の部品を含むが、これらの部品および記載された形態は変更され、種々の他の形態に再配置することができることは十分に理解される。
【図１】
2015016860.tif 000005
【図２】
2015016860.tif 000006
【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】
2015016860.tif 000011
【図８】
2015016860.tif 000012
【図９】
2015016860.tif 000013
【図１０】
2015016860.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
2015016860.tif 000016
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2015016860.tif 000019
【図１６】
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【図１７】
2015016860.tif 000021
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2015016860.tif 000024
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
2015016860.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成26年10月2日(2014.10.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本特許出願は、その内容全体が引用することにより本明細書に取り入れられたこととされる、２００８年４月２３日出願の、「洋上風力タービンの支持のための水エントラップメントプレートおよび非対称的係留システムを伴う、コラムで安定化された洋上プラットホーム」と題する米国特許仮出願第６１／１２５，２４１号に対する優先権を主張する。
【０００２】
風力タービンは、風からの運動エネルギーを機械エネルギーに変え、次にそれが電気に変えられる回転機である。風力タービンは、洋上設置のみならず、また着床式設置のためにも開発されてきた。着床式風力タービンは、地面に固定され、風の強い地域に配置される。風力タービンには、鉛直に配列された主要ローター軸をもつ鉛直軸の風力タービンおよび風上に向う水平ローター軸をもつ水平軸の風力タービンがある。水平軸の風力タービンは、一般に、タワーおよび、タワーの頂上に連結された発電機を有する。発電機は、ハブアセンブリおよびタービン羽根に直接に、またはギアボックスを介して連結されることができる。
【０００３】
風力タービンはまた、洋上適用物に対しても使用されてきた。１本のタワーの洋上システムは、海底中に取り付けられ、３０メーターまでの浅い水深に限定される。風力タービンタワーが格子構造物のような広い土台の上に取り付けられる場合は、この浅い深度の必要条件は、５０メーターまで拡大されることができる。より深い海中においては、フロートシステムのみが経済的に実現可能であると期待される。浅海システムの欠点は、水が典型的に岸の近くでのみ浅いことである。従って、岸の近くの風力タービンは、海岸の景観を妨げ、水上乗り物および航空機に対する航行の妨害物および潜在的な邪魔物をもたらす可能性がある。
【０００４】
近年、洋上の風力タービンプラットホームの多数のコンセプトが開発されている。一般に、これらは、３つの主要な範疇：スパー、テンション・レッグ・プラットホーム（ＴＬＰ）および半潜水型／混合システムに分類される。浮動風力タービンプラットホームの例は、Ｓｔａｔｏｉｌ Ｎｏｒｓｋ−Ｈｙｄｒｏ Ｈｙｗｉｎｄ スパー（図１）、Ｂｌｕｅ Ｈ ＴＬＰの最近の代表例（図２）、ＳＷＡＹ スパー／ＴＬＰ 混合型（図３）、Ｆｏｒｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＷｉｎｄＳｅａ 半潜水型（図４）およびＴｒｉｆｌｏａｔｅｒ 半潜水型（図５）を含む。図１を参照すると、スパーは、構造物の底部の大量のバラストおよび喫水線の近位の浮力タンクで重りをつけた細長い構造物である。安定化の目的のために、重心は、浮力の中心より低くなければならない。これが、確実にスパーを真っすぐに浮揚させるであろう。スパーは、スパーを定位置に保持する多数の索で海底に係留される。一般的な意味のスパータイプの構造物は、スパーの深い喫水および鉛直波励起力に対する低下した応答により、半潜水型よりも優れた引き揚げ（ｈｅａｖｅ）能を有する。しかし、それらはまた、このデザインでは安定性に寄与する水線面の面積が減少するので、他のシステムより縦揺れおよび横揺れ運動が多い。
【０００５】
図２を参照すると、ＴＬＰは、プラットホームを海底に直接着床させる、鉛直に引張ったケーブルまたは鋼管を有する。十分な安定性を与えるために一時的に浮力モジュールを付加することができる設置相の期間を除いて、安定性のための低い重心の必要はない。ＴＬＰは、非常に優れた引き揚げ性および角運動を有するが、係留設備設置の複雑さおよびコスト、潮の変化による緊張材の張力の変化、並びに、タワーと係留システムとの間を連結する構造の頻繁さ、がＴＬＰシステムの３つの主要な障害である。
【０００６】
異なるタイプの洋上風力タービン構造物を比較する時に、波および風により誘発される運動が、考慮すべき性能の唯一の要素ではない。経済学が重要な役割を果たす。従って、加工、設置、作動／廃止のコストおよびメンテナンス法のためのアクセスの容易さを、注意深く検討することが重要である。運転および輸送状態における浅い喫水および優れた安定性をもつ半潜水型のコンセプトは、それらの喫水のためにスパーより、そして、緊張材連結前のそれらの低い安定性のために、ＴＬＰより、牽引し、設置し、作動／廃止することが、有意に安価である。
【発明の概要】
【０００７】
本明細書には、少なくとも３本のコラムを備える、半潜水型洋上浮動風力タービンプラットホームが記載されている。本明細書に記載される風力タービンプラットホームは、少なくとも３本のコラムに加えて、風力タービンプラットホームの性能を改善する更なる特徴を有している。図６に示される１つの態様において、浮動風力タービンプラットホームは、タワーを鉛直に整列して維持するために、コラム間で水のバラストを移動する作動的なバラストシステムを備える。更に、風力の荷重を決定するために、プラットホームに整列センサーが接続されることができる。更にまた、本説明に従う風力タービンプラットホームは、環境的荷重に耐えることができるのみならずまた、他のプラットホームデザインに比較して比較的軽量であり、エネルギー生産のためのより良好な経済に導くことができるという構造物の製造を容易にする、非対称的係留システムおよび作動的なバラストシステムのような１種以上の更なる特徴を有することができる。
【０００８】
本明細書に記載のプラットホームに含まれるコラムは、水平および鉛直の支えビームを含む管状のトラスシステムで相互に連結されることができる。コラムの幾つかまたはすべての底部には、水平の水エントラップメントプレートが取り付けられている。風力タービンタワーは構造物に対して非常に高い、かなりの風力荷重にさらされ、そしてコラム間の空間距離が安定性を達成する。図６に示す１つの態様において、風力タービンタワーは、それ自体、主ビームにより他のコラムに連結された１本のコラムの頂上に取り付けられている。この構造は、風力タービンプラットホームの構造的効率を改善し、構造物を比較的軽量にさせる。
【０００９】
図７に示される他の態様において、風力タービンタワーは、タワーおよび風力タービンの部品の重量を支える浮力コラムの上に直接連結されている。この態様において、他のコラムは、プラットホームを安定化し、タワーを鉛直整列に維持する役割を果たす。更に、作動的な浮力システムを使用して、コラム間でバラストを移動することができる。図７に示した態様において、タワーの重量は、外側のコラムの浮力によっては支えられていないために、プラットホームは、外側のコラムと中心のタワーのコラム間にそれほど大きな構造的支えを必要としない。それに対し、タワーがデッキの中心に配置される幾つかの先行デザインにおいては、構造物は、比較的重く、そしてタワーとタービンの重量および空気力学モーメントにより、構造物が長い構造物の中央で大きな荷重を支えなければならないために、潜在的に経済的に実現可能でない可能性がある。
【００１０】
例えば、１種以上のピッチ制御システム、ギアボックス、ヨー調整装置および発電機を収納することができるナセルは、タワーの頂部の上に取り付けられることができ、ハブおよびハブから延伸するタービン羽根に支持を与える。ハブは、タービン羽根の回転速度が通常の風速範囲にわたり一定であるように、タービン羽根のピッチを調整する機構を備えることができる。ナセルは、最適な効率のためにタービン羽根を風上に直接向けるヨー制御システムに連結されることができる。典型的にはナセル内に配置されるギアボックスおよび発電機のような風力タービン装置が、そこに配置されることができるか、またはそれらは、タワー内の下部またはコラムの頂部の上に配置されることができる。ギアボックスをもたない直接的駆動タービンもまた、本明細書に記載のプラットホームとともに使用されることができる。発電機により発生される電力は、変動する風速によりランダムな周波数および振幅をもつ可能性がある。電力は、変圧器、変換器および整流器により変電されて、均一な出力電圧および電流をもたらすことができる。これらの電気部品は、ナセルの中、タワーの底部、または他のコラムの上に配置されることができる。風力タービンからの電気出力は、海底および発電所に走行する電気ケーブルを通して送電されることができる。ケーブルの一部は海底に直接真すぐに走行せずに、ケーブルの一部を高くする浮力機構に連結されることができる。次にケーブルが、ケーブル上に何の有意な更なる張力を与えずに、浮動風力タービンプラットホームが、波、海流および潮とともに、鉛直または水平に動くことを許容する湾曲した経路をもつことができる。
【００１１】
１つの態様において、浮動風力タービンプラットホームは、高強度の構造物である特別の形態を有する。コラム間に取り付けられる主ビームは、長さが等しく、実質的に正三角形を形成する。水平な支え交差ビームは主ビームの長さのほぼ１／３において隣接する主ビームの間に連結される。水平な支えの交差ビームおよび主ビームは、主ビームにより形成される三角形の３つの角において更なる正三角形を形成する。鉛直の支えビームは、コラムの中間部分と主ビームの長さの１／３との間に連結されている。鉛直の支えビーム、コラムおよび主ビームにより形成される三角形は実質的に直角二等辺三角形である。この形態が、風力タービンプラットホームを構築するための材料の量を最少にしながら、必要な荷重力を支えることができる強力な構造物を提供する。
【００１２】
特定の態様において、本明細書に記載される浮動風力タービンプラットホームは、完全に波止場地帯で加工され、集成されるようにデザインされることができる。例えば、波止場地帯の集成サイトで完全に構築することができる浮動風力タービンプラットホームの構成部品を集成するために、クレーンが使用されることができる。更に、所望される場合は、波止場地帯で、風力タービンの構成部品が集成されてプラットホーム及び下部構造と一体にされることができる。一旦完全に集成した後、構造物が設置サイトにチャンネルから浮揚して出てくることができるように、浮動風力タービンプラットホームのコラムからバラストを完全に抜くことができる。喫水を低下させてチャンネルから出すために更なる浮力が必要な場合は、喫水を低下させるために１本以上のコラムに浮力モジュールが取り付けられることができる。一旦プラットホームが深水に到達したならば、浮力モジュールが取り外され、コラムは、水バラストで一部満たされてプラットホームを安定化することができる。
【００１３】
浮動風力タービンプラットホームを設置サイトに牽引する前に、海錨が海底に固定されることができる。浮動風力タービンプラットホームが定位置に移動される時、係留索がコラムに縛り付けられ、そして前以て決められた張力に締め付けられることができる。１つの態様において、タワーは、１本のコラムの上に取り付けられ、係留索が非対称的形態に配置され、風力タービンタワーを支えるコラムに、他のコラムに対するよりも多くの係留索が連結される。例えば、４本の係留索が使用される場合は、これらの係留索のうちの２本がタワーを支えているコラムにほぼ９０度の角度間隔で連結され、そして１本の係留索が残りの各コラムに連結される。他の例によると、６本の係留索が使用される場合は、４本の係留索がタワーを支えているコラムに約１８０度の範囲にわたりほぼ６０度の間隔で連結されることができ、そして他のコラムがそれぞれ１本の係留索に連結される。係留索の角度は、タワーのコラムで交わるように配置されることができる。対称的な浮動風力タービンプラットホームが使用される場合には、係留索は、対称的な配置でプラットホームに連結されることができる。例えば、合計６本の係留索が使用されることができ、２本の係留索が各コラムに連結される。
【００１４】
係留索は、鎖、ワイヤロープおよび引きずり・埋設錨の組み合わせよりなる、従来の懸垂型形状の係留索であることができる。あるいはまた、係留索は、引張られたポリエステル部分よりなることができ、そして更に、係留システムの一部に懸吊された重い塊である、塊状の重りを有することができる。１つの態様において、錨が、海底に埋設され、そして鎖の一部が、錨に連結される。ポリエステルの索は、鎖に取り付けられて、係留索に幾らかの弾性を与えることができる。ポリエステルの係留索が使用される時は、その係留索の反対側の端が、各コラム上の１種以上の引張り機構に取り付けられた更なる長さの鎖に連結されることができる。コラムに対する鎖の角度を低くするために、各コラムに連結された鎖に重い塊状の重りが取り付けられことができ、係留索は、各コラムに連結された機構により引っ張られることができる。
【００１５】
風力タービンおよびタワーが、３本のコラムの１本に取り付けられる場合は、１本のコラムがより大きい重量を支え、無風の時はプラットホームの外殻は、非対称的に平衡されている。しかし、タービン羽根およびタワーに対する風力が、タワーに対するモーメントを誘発して、通常、プラットホームの中心からタワーを遠くに押しやる。このモーメントが、タワーを支えていない独立したコラムに対する下向きの力を減少させながら、タワーを支えているコラムに下向きの力をかける。
【００１６】
風力タービンが設置されると、風力タービンが回転して、発電機が電気を発生するようになる。しかし、風速および風向は、頻繁に変動する可能性がある。従って、特定の態様において、本説明に従うプラットホーム上に使用されるタービンには、風向センサーおよびヨー制御システムを有する風向システムが提供されることができる。このような態様においては、風向センサーが風向の変化を感知し、ヨー制御システムがタービン羽根を風向と整列させるように、タワーの頂上のナセルを回転させる（偏揺れさせる）ようになる。更にまた、本説明に従うプラットホーム上に使用されるタービンには、風速の変化を感知し、そして出力を最適化する、またはタービン羽根上の風の流体抵抗を最少にするためにタービン羽根のピッチに変化を誘発することにより風速の変化に応答するタービンのピッチ制御システムに接続されている、風速センサーが提供されることができる。市販の風向および風速センサーの例は、Ｃａｍｐｂｅｌｌ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｌｔｄ．，Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ および ＮｏｖａＬｙｎｘ Ｃｏｒｐ．，ＵＳＡから利用可能である。
【００１７】
タワーおよびタービン羽根に対する風速が増加するにつれて、風力は、浮動風力タービンプラットホーム全体を鉛直整列からはみ出させる可能性がある。本説明に従う風力タービンプラットホームには、風力（推進力）を補償するために各コラム間で水を移動させるために水のポンプを使用する内部バラストシステムが提供される。１つの態様において、内部バラストシステムは、バラストシステムの水のポンプを制御する制御装置に接続された１個以上の整列センサーを備える。整列センサーが、浮動風力タービンプラットホームが１本のコラムの方向に傾いていることを感知する場合は、内部バラストシステムが低い浮きコラムから他のコラムに水を押し出して、低いコラムの浮力を高め、他のコラムの浮力を減らすことができる。この水の移動が、プラットホームの低い浮き部分を持ち上げ、それによりタワーが、鉛直整列に復帰する。整列センサーが鉛直整列が再確立されたことを感知すると、ポンプは停止されることができる。内部バラストシステムの１つの態様において、構造物に適用される転覆モーメントを補うことが必要であるだけなので、更なる水を外側からポンプで送る必要はなく、内部バラストシステムは、閉鎖ループ内で機能することができる。
【００１８】
内部バラストシステムの操作は、相当な量の水のポンプ送り出しを要するために、所望のバラスト制御を達成するための応答時間は１５〜３０分の長さになる可能性がある。１つの態様において、整列センサーは、水平面上のＸおよびＹ軸の周囲の回転運動を感知することができる２基のジャイロスコープであることができる。完全な鉛直整列において、ＸおよびＹ軸のジャイロスコープは、プラットホームのどんな回転をも感知しない。しかし、浮動風力タービンプラットホームの何らかの傾きがある場合は、Ｘおよび／またはＹ軸のジャイロスコープは回転運動を感知することができる。このような整列センサーは、鉛直整列の誤差を是正するために、必要に応じてコラムに水をポンプ注入することにより整列誤差に応答する制御装置に接続することができる。１つの態様において、バラストシステムは、周囲の海水からバラスト水を完全に隔離する閉鎖システムである。このような態様においては、海水はコラムに侵入することができないので、コラムが浸水される可能性はなく、プラットホームは、バラストシステムの機能不全により転覆する可能性はない。
【００１９】
１つの態様において、タービン制御システムとバラストシステムとが接続されて、タワーは鉛直である一方、タービンが最適な発電モードになるまでバラストポンプは依然として機能する必要があるかも知れないようになっている。この場合、タービン羽根のピッチは、推進力を低下させ、マストを鉛直に維持するように修正される。次に、バラスト水が１本のコラムから次のコラムに押し出される時に、羽根のピッチが、その最適な角度に緩徐に回転されて戻されることができる。
【００２０】
本明細書に記載された浮動風力タービンプラットホームは、独立型のプラットホームとして使用することができるか、あるいはまた、本明細書に記載のプラットホームを風力発電地帯に配列された複数の浮動風力タービンプラットホームの一部分として配置することができる。各風力タービンからの電力は、統合されて、陸上にあるかまたは別の浮動プラットホーム上にあることができる発電所に１本のケーブルを通して送電することができる。１つのこのような態様において、１つのプラットホームは、職員用または保守用の場所として使用されることができる。これは、作業員が厳しい外界の天候条件から保護されることができる安全な隔離区域を提供することができる。
【００２１】
本明細書に記載のような浮動風力タービンプラットホームを、修理または廃止のためにドックに戻す必要がある場合は、プラットホームは係留索および電気ケーブルから外されて波止場地帯の集成サイトに牽引されることができる。浅瀬のチャンネルにおいては、プラットホームの喫水がその輸送喫水まで低下するように一定の水バラストをポンプで排出することができる。必要な場合は、輸送喫水を更に低下させる必要がある場合は、コラムに１個以上の浮力モジュールを連結することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】スパータイプの浮動風力タービンプラットホームを示す。
【図２】テンション・レッグの浮動風力タービンプラットホームを示す。
【図３】テンション・レッグ／スパーの浮動風力タービンプラットホームを示す。
【図４】対称的な半潜水型浮動風力タービンプラットホームを示す。
【図５】非対称的な半潜水型浮動風力タービンプラットホームの透視図を示す。
【図６】非対称的半潜水型浮動風力タービンプラットホームを示す。
【図７】半潜水型浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図８】半潜水型浮動風力タービンプラットホームの上面図を示す。
【図９】浮動風力タービンプラットホームの底部に連結された水エントラップメントプレートを示す。
【図１０】非対称的半潜水型浮動風力タービンプラットホームの上面図を示す。
【図１１】非対称的半潜水型浮動風力タービンプラットホームの上面図を示す。
【図１２】引張られた係留索システムをもつ半潜水型浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図１３】懸吊型係留索システムをもつ半潜水型浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図１４】バラスト制御システムの略図を示す。
【図１５】風速の変化に反応している浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図１６】風速の変化に反応している浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図１７】風速の変化に反応している浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図１８】風速の変化に反応している浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図１９】風速の変化に反応している浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図２０】風速の変化に反応している浮動風力タービンプラットホームの正面図を示す。
【図２１】浮動風力タービンプラットホームを波止場地帯から深海に移動するための連続的工程を示す。
【図２２】浮動風力タービンプラットホームを波止場地帯から深海に移動するための連続的工程を示す。
【図２３】浮動風力タービンプラットホームを波止場地帯から深海に移動するための連続的工程を示す。
【図２４】１群の非対称的半潜水型浮動風力タービンプラットホームの配置を示す。
【詳細な説明】
【００２３】
本明細書において、半潜水型の浮動風力タービンプラットホームが説明される。本明細書に記載のプラットホームは、例えば、洋上の浮動風力タービンの基地に使用することができる。図６を参照すると、本説明に従う風力タービンシステムは、少なくとも３本のコラム１０２、１０３を有する洋上プラットホーム１０５を備える。平面状の水エントラップメントプレート１０７が、各コラム１０２、１０３の底部に取り付けられている。１つの態様において、コラム１０２、１０３は、円筒状の形状をもつ。しかし、コラムは、風力タービンプラットホームを構成するために適したどんな形状にもさせることができる。風力タービンタワー１１１は、安定化コラム１０２の上方に直接配置されている。風力タービンタワー１１１を支えていない２本の独立した安定化コラム１０３は、タワーを支えているコラム１０２から約４０〜９０度の範囲にわたることができる角度だけ離されている。図に示したプラットホーム１０５は、３本のコラム１０２、１０３を備えるが、他の態様においては、プラットホームは、４本以上のコラムを備えることができる。
【００２４】
コラム１０２、１０３は、主ビーム１１５、支えビーム１１６および交差ビーム１１７よりなるトラス構造で相互に連結されている。主ビーム１１５は、コラム１０２、１０３の頂上および底部に連結され、そして連結された支えビーム１１６は主ビーム１１５とコラム１０２、１０３との間に連結されている。交差ビームは、隣接する主ビーム１１５の間に連結されている。１つの態様において、主ビーム１１５は、それらが３本のコラム１０２、１０３と交差し、そして正三角形を形成するように配置されることができる。同様に、水平の支えビーム１１７および主ビーム１１５は、更なる正三角形を形成するように配置されることができる。１つの態様において、鉛直の支えビーム１１６は、高さのほぼ中央でコラム１０２、１０３に連結されて、主ビームの長さのほぼ１／３の地点で主ビーム１１５に連結されている。主ビーム１１５、コラム１０２、１０３および鉛直の支えビーム１１６は、直角二等辺三角形を形成することができる。１つの態様において、主ビーム１１５、鉛直の支えビーム１１６および水平の支えビーム１１７は、好ましくは、円形または長方形の断面をもつ中空の管状構造物である。あるいはまた、主ビーム１１５、鉛直の支えビーム１１６および水平の支えビーム１１７はまた、中空でないＩ型、Ｈ型またはＴ型ビームであることができる。他の態様において、３本のコラム１０２、１０３、支えビーム１１６および水平の支えビーム１１７は、所望の強度、重量、荷重耐力または他の性能の特徴を示すプラットホームを達成するために適するあらゆる他のタイプの幾何学的形態を形成することができる。
【００２５】
本明細書に記載されるような浮動風力タービンプラットホームのこのデザインは、強力で効率のよい構造物を提供する。強度は、コラム、主ビーム、鉛直の支えビームおよび水平の支えビームによりプラットホームの角の部分に形成される四面体の構造物に起因させることができる。構造物の負荷分析は、あらゆる変形は隣接する四面体間の主ビーム１１５の中央部分でもっとも起り易いことを示している。構造物の幾何学的構造は非常に効率的であるが、構造物の強度もまた、例えば、主ビーム１１５、鉛直の支えビーム１１６および水平の支えビーム１１７の外径または壁の厚さを増加させることにより、増加させることができる。主ビーム１１５、鉛直の支えビーム１１６および水平の支えビーム１１７が管状構造物である場合は、構造物の疲労寿命は壁の厚さを増加させることにより実質的に延長させることができる。例えば、管壁の厚さが公称管壁の厚さの２倍になると、構造物の疲労寿命は、公称管壁の厚さをもつ構造物のほぼ１０〜２０倍の疲労寿命だけ延長させることができる。壁の厚さは、鉛直の支えビーム１１６および水平の支えビーム１１７との、主ビーム１１５の交差部の近位の短い部分で増加させられることができる。
【００２６】
１つの態様において、風力タービンタワー１１１の土台の直径または幅は、それが配置されているコラム１０２の直径または幅に類似するが、それらよりわずかに小さい。この一律性が、構造の連続性を最大にし、そしてプラットホーム１０５構造物の重要な部分における応力の集中を最少にする。応力の集中は、風誘発モーメントにより、その曲げモーメントが最大であり、そして、主ビーム１１５が他の安定化コラム１０３に連結している風力タービンタワー１１１とその上に風力タービンタワー１１１が配置されているコラム１０２との接合部で最大である可能性がある。１つの態様において、コラム１０２、１０３の直径は、均一で、真すぐな円筒状構造物のような真すぐな構造物を生み出すことができ、他方、タワー１１１は、土台においてより大きく、そして頂上で、より小さい直径または幅にテーパーすることができる。コラム１０２、１０３は、多数の均一な直径の管状部分を一緒に溶接することにより構築することができ、他方、タワー１１１は、一連のテーパーにされた部分を一緒にボルトで締めて、および／または溶接することにより構築することができる。コラム１０２、１０３およびタワー１１１は、プレート、リブおよび内部フランジのような内部構造物で強化されることができる。
【００２７】
コラム１０２、１０３は、浮動風力タービンプラットホームに浮力および安定性を提供するのみなので、コラム１０３の頂上の間には最少のデッキ空間１１９のみが必要とされる。各コラム１０２、１０３を連結している上部主ビーム１１５の頂上には、狭い通路が配置されることができる。プラットホーム１０５上の更なる領域を使用して、補助太陽電池または波浪エネルギー変換装置の支えのような二次的構造物を支え、そして風力タービンタワー１１１の周囲へのアクセスを提供することができる。１つの態様において、デッキ１１９が、１本以上の安定化コラム１０２、１０３の頂上に配置され、そして安定化コラムおよびデッキ１１９は、最大期待波高点がデッキ設備またはタービン羽根１０１に到達しないか、またはそれらを損傷しないように構成される。階段およびボートドック構造物が、コラム１０２、１０３のいずれかに取り付けられることができる。プラットホーム１０５は、コラム１０２、１０３の底部に取り付けた係留索１３１〜１４１により海底に固定されることができる。
【００２８】
タービン羽根１０１は、非常に高い縦横比を有し、長い長さおよび狭い幅をもつ。タービン羽根１０１は、それらの土台でハブに連結され、モーターおよびアクチュエーターは、羽根１０１のピッチを変えることができる。羽根１０１のピッチは、発電機の電気出力を最適にするように設定されることができる。これは、ある範囲の風速にわたり一定の回転速度を維持するように羽根のピッチを調整することにより達成されることができる。より低い風速において、それらが最大の回転速度を維持することができるように、タービン羽根のピッチはより低い。それに対し、より高い風速においては、回転が、回転の最適な速度を超えることを妨げるために、ピッチは増加させられる。真の風速を感知するために、風力タービンは、風速を検出する風速計を備えることができ、そして感知された風速に基づいて、制御装置が、タービン羽根１０１のピッチを適当なピッチ角に調整することができる。市販のタービン羽根ピッチ制御システムは、ＬＴｉ ＲＥＥｎｅｒｇｙ，ＧｅｒｍａｎｙおよびＢｏｓｃｈ Ｒｅｘｒｏｔｈ，Ｇｅｒｍａｎｙから入手できる。
【００２９】
タービン羽根１０１を風向に垂直な向きに正確に整列させることは、最大電力の発生をもたらす。このような配置を容易にするために、風力タービンは、例えばあらゆる誤整列を感知する風向センサーを有する風向システムと、Ｐｅｐｐｅｒ＋Ｆｕｃｈｅｓ，ＧｅｒｍａｎｙおよびＭｉｃｒｏＳｔｒａｉｎ，Ｉｎｃ．ＵＳＡから入手できる市販の傾きセンサーであるヨー制御システムと、を備えることができる。角度の偏りが風向センサーにより感知されると、制御装置は、ナセル、ハブおよびタービン羽根１０１を回転するヨーモーターを起動させることができる。１つの態様において、タービン羽根１０１およびハブは、タービン羽根１０１の回転速度を発電に適した速度に増加させるギアボックスに接続されている。ギアボックスは、電力を発生する発電機に接続された駆動シャフトの回転速度を増加させる。他の態様においては、直接の駆動タービンが使用される。ギアボックスはなく、駆動シャフトは、ナセル中またはタワー内に存在することができる発電機に直接接続される。
【００３０】
電気出力は、一般に風速とともに増加する。しかし、タービン羽根を回転させるためには、典型的に毎秒約３メーターの最小風速が必要である。典型的な風力タービン発電機に対する電力出力は、毎秒約１２メーターまでの風速の増加とともに増加し続けるであろう、そして毎秒６〜１２メーターの風速範囲内では、タービン羽根はピッチされて電気エネルギー生産を最適化させる。毎秒１２メーターより高い風速においては、典型的な風力タービン発電機のタービン羽根は、揚力を制御し、タービンがその最適な速度で回転するようにされ、それにより最大出力を維持する。５メガワットのタービン発電機は、毎秒約１２メーターの風速で最大出力に達することができる。毎秒約１２〜２５メーター間の、より高い風速においては、発電機は５メガワットの電気エネルギーを発生するが、タービン羽根は、より高いピッチ角で回転されて、タービン羽根にかかる風力荷重を減少させ、最適な回転速度を維持する。毎秒約２５メーターを超える風速においては、風力タービンシステムを停止し、休止することができる。タービン羽根は風力を最小にするように調整され、そして更に、オーバースピード及び風力タービンへの損傷を防止するために、風速が低下するまでロックされることができる。
【００３１】
ここまでは、浮動風力タービンプラットホームが非対称的なタワーの配置において説明されてきたが、他の態様においては、タワーはコラム間に対称的に配置されている。図７および８を参照すると、浮動風力タービンプラットホーム１０６は、タワー１１１がコラム１０３間に対称的に配置されて示されている。図７は、浮動風力タービンプラットホーム１０６の正面図を表し、図８は、浮動風力タービンプラットホーム１０６の上面図を表す。この態様において、タワー１１１は、浮きコラム１０４上に取り付けられている。浮きコラムは、タワー１１１、ナセル１２５、タービン羽根１０１および他のシステムの構成部品の重量を支えるために必要な浮力の幾らかまたはすべてを提供する中空構造物であることができる。浮きコラム１０４は大部分中空であり、大量の水を排斥するために不安定である。風力タービンプラットホーム１０６を安定化するために、浮きコラム１０４は、タワー１１１を安定化するためのバラストシステムを備える、３本の、より安定的なコラム１０３に連結されている。浮動風力タービンプラットホーム１０６は、安定化コラム１０３と浮きコラム１０４間に延伸する、支えるサポートビーム１１２と同様に、安定化コラム１０３と浮きコラム１０４間に延伸する支えビーム１０８をもつことができる。浮動風力タービンプラットホームの他の構造的詳細は、図６を参照して前記に説明されたものと同様である。
【００３２】
本明細書に記載の浮動風力タービンプラットホームは、１本以上のプラットホームコラムそれぞれの土台に取り付けられた１つ以上の水平な水エントラップメントプレート１０７を備える。１つ以上の水エントラップメントプレート１０７は、それらが水中に沈められるように配置される。図９を参照すると、水エントラップメントプレート１０７の機能は、流体力学的付加質量および制動を提供することである。その通常方向に沿って移動する１辺の長さλをもつ正方形のプレートにより「巻き込まれる」水の量は、約ρλ３（ここでρは水の密度である）に略等しい。従って、流体力学的付加質量としても知られる、巻き込まれる大量の水は、鉛直に移動する実質的ディメンションの正方形の水平なプレートと関連する。大きい縦横比をもつ長方形のプレートはその面積に比較してずっと少ない水を巻き込むであろう。
【００３３】
水エントラップメントプレート１０７の形状およびディメンションは、これらプレートの形状とディメンションが、うねりにおけるプラットホームの付加質量および縦揺れおよび横揺れにおける慣性の付加モーメントの実質的増加を誘発するようなものである。プラットホームの喫水は比較的浅く、典型的には１００フィート（３０．５メーター）以下であるため、水エントラップメントプレートにかかる波励起力は無視することができない。付加質量の増加および波励起力を考慮に入れて、流体力学の計算を実施して、プラットホームの応答を決定すべきである。ＷＡＭＩＴのような市販の回折放射ソフトウェアを使用して、プラットホームの応答を計算することができる。仮説的な例として、７，０００トンを超える有効荷重を担持する１５，０００トンの排水量のプラットホームがこれらの応答計算に考慮された。水エントラップメントプレートをもたないと、プラットホームの自然周期は約１２秒であり、これは大嵐期間中のかなりのエネルギー量をもつ周波数帯に相当する。結果として起る共鳴応答は、許容され得ないプラットホームの運動をもたらし、プラットホーム構造に損傷を与える。１つの態様において、コラムの土台から約２０〜３０フイート（６．１ｍ〜９．１５ｍ）だけ放射状に外側に延伸する１個以上の水エントラップメントプレートを付加することにより、プラットホームのうねりの自然周期は、許容され得る運動応答をもたらす２０秒に有意に延長することができる。
【００３４】
従って、本明細書に記載のようなプラットホームに提供される１個以上の水エントラップメントプレート１０７は、波励起力の増加を最少にしながら鉛直の付加質量の実質的な増加を提供し、それがプラットホームの運動の有益な減少をもたらすことができる。このような安定化効果は、コラムのサイズおよび配置間隔を単に調整することによっては、それに対する適当な性能を得ることができないような、小型のプラットホームに対して特に有益である。与えられるコラム１０２、１０３の中心からのプレートの放射距離のような、１個以上の水エントラップメントプレート１０７の位置決めおよび、総プレート面積のような１個以上の水エントラップメントプレート１０７の形態を調整して、例えば鉛直の付加質量の所望の増加および、波励起力の増加の減少または最小化を達成することができる。
【００３５】
水エントラップメントプレート１０７は、そのサイズのために、付加質量および波の放射効果、波励起力および、プレート１０７の縁からの渦の発散による粘性効果を含む大きな流体力学的荷重を引き付ける。プレート１０７は、それが暴露される多数の波の周期による疲労損傷のみならずまた、極端な波の荷重に耐えるために、更なる構造部材により支えられなければならない。１つの態様において、プレート１０７を支えるために、半径方向の補剛材１７９が、コラム１０３からプレートの外側の縁に向かって延伸している。コラム１０３に連結された主ビーム１１５もまた、構造全体に対する剛性のみならずまた、水エントラップメントプレート１０７に対する構造的支えを提供する。更なるプレート１０７の強化部品は、例えば、半径方向の補剛材１７９により支えられるガーダ１８１、ガーダ１８１間の横張り１７７および、コラム１０２と補剛材１７９間に取り付けられた水エントラップメントプレートの支え１２１を備えることができる。これらの構造部材は、水エントラップメントプレート１０７を形成しているパネルを支える。本明細書に記載された取り込みプレートは鋼のようなあらゆる適切な材料で形成することができる。
【００３６】
水エントラップメントプレートの補剛材を適当なディメンションにするためには、プレート上に起る種々の流体力学的効果が適切に考慮されなければならない。これらは、特に鉛直方向におけるプラットホームの加速に抗する力を誘発する水エントラップメントプレートを囲む流体の慣性、プラットホームが移動する時に当該プラットホームにより発生されて当該プラットホームからエネルギーを除去させる結果になる放射波、プラットホームの外殻と相互作用して力を誘発する入射波、並びに、これもプラットホームから水へのエネルギーの移動をもたらす主としてプレートの縁からの渦の発散による粘性効果、よりなる。粘性力を除くすべての力は、流体粘度を無視する回折放射学説に基づいてモデル化されることができ、ラプラスの方程式の数値解答を要する。粘性効果は小規模の実験室実験の結果を使用して開発された経験的模型から決定される。流体力学的力は、水エントラップメントプレートを備えるプラットホームの水中に沈んだ部分上の圧力場に変換されることができ、次に構造的有限要素のモデルを実行させて、補剛材および表面被覆を含むすべての構造部材における応力を決定することができる。有限要素モデルは、ビームおよび／またはプレート理論が適用され得るような小型要素へ、プラットホームの外殻を離散化すること（discretization）を必要とする。数値的解答を得て、プラットホームの外殻に対する応力レベルを提供することができる。次に、水エントラップメントプレートを備えるプラットホームの外殻の適切なサイズ決定を、確認することができる。水エントラップメントプレートについての更なる情報は、引用することによりそれらの全体を本明細書中に取り入れたこととされる、米国特許第７，０８６，８０９号および第７，２８１，８８１号により開示されている。
【００３７】
図１０を参照すると、浮動風力タービンプラットホーム１０５の上面図が示される。浮動風力タービンプラットホームを所望の場所内に維持するために、従来の係留索を使用してプラットホーム１０５が海底に固定されることができる。例えば、１つの態様において、浮動風力タービンプラットホームは、非対称的係留システムを使用して海底に固定される。図１０において、６本の係留索１３１〜１４１が示されている。４本の係留索１３１〜１３７は、風力タービン１２５を担持するコラム１０２に連結され、そして１本の係留索１３９〜１４１が、他のコラム１０３のそれぞれに連結されている。係留索１３１〜１４１の角度空間は、隣接する各索間でほぼ６０度である。索１３１〜１４１は、風力タービン１２５を支えているコラム１０２の中心に位置する地点に向かって収束する。風はまた、風上のコラムに連結された風上の係留索の張力を、残りの索における張力より高くさせるであろう。
【００３８】
図１１を参照すると、代わりの係留設備の構造を有する浮動風力タービンプラットホーム１０５の上面図が示されている。この態様においては、プラットホームを定位置に固定するために４本の係留索１５１〜１５７が使用される。２本の索１５１、１５３が、タワー１１１を支えるコラム１０２に連結され、係留索１５５、１５７はそれぞれ他のコラム１０３の１つに連結されている。この態様において、係留索１５１〜１５７が約９０度の角度だけ相互から離れている。
【００３９】
図１２を参照すると、本明細書に記載された風力タービンプラットホーム１０５の態様の正面図が示されている。図１２に示した形態において、各係留索１３１〜１４１は、風力タービンプラットホーム１０５から海底に向かって下方、外側に角度を付けられ、そして個別に固定され、張られている。係留索１３１〜１４１は、無風時に、コラム１０２、１０３の浮力が各索１３１〜１４１上に等しい張力を与えるように張ることができる。風がタワー１１１およびタービン羽根１０１に向かって吹く時は、風の荷重力は係留索１３１〜１４１に移動され、そして風に逆らって構造物を保持している風上の索は、風下の索より強い張力を受けるであろう。索１３１〜１４１は、どんな時でも係留索が海底上に横たわらず、そして実質的に真すぐな経路に延伸するように張られることができる。他の形態において、係留索は、プラットホームの周囲に同様な非対称的配置で配列することができるが、係留索が湾曲した経路で海底に延伸するように、特別なやや張り詰めた引張りにのみ張られることができる。やや張り詰めた引張りシステムによって、係留索は、風、波または海流のない時にはそれらの静的平衡位において海底に横たわらない。
【００４０】
図１３に示した更に他の態様において、構造物１０５は、海底に横たわる鎖の索４０２を伴う懸垂型係留システムにより定位置に固定することができる。係留索は、例えば、金属の鎖、ワイヤ、ポリエステルまたはそれらの組み合わせ物のようなあらゆる適切な材料を含んでなることができる。この例においては、高度保持力の引きずり（ｄｒａｇ）埋設錨４０１が海底中に配置されている。錨４０１は、海底上に横たわる重い鎖４０２の部分に取り付けられている。鎖４０２の水平の配向は、錨４０１を海底内に固定維持させる補助になる。鎖４０２は、係留設備の長さの大部分を与える、長いポリエステル索４０３に連結されている。ポリエステルの索４０３は、高い引張りスパイクがプラットホーム１０５から錨４０１に伝達されることを妨げるために、係留索に適切な伸長を与える。ポリエステルの索４０３は、プラットホーム１０５に取り付けられた、他の長さの鎖４０５に連結されている。ポリエステルの索４０３は、水中に懸吊されたままで、設置後に海底と接触することはない。塊状の重り４０４は、鎖４０５とポリエステル索４０３間の接合部に配置されて、張力のスパイクを更に減少させ、そして索４０３が確実に錨４０１上で水平に牽引するように、係留設備に鋭い湾曲を形成する。塊状の重り４０４は、典型的には鋼およびコンクリートのような密度の高い材料よりなり、一番上の鎖４０５の底部に取り付けられる。水中の塊状の重り４０４の重量は、それが取り付けられている鎖４０５の重量より有意に大きい。
【００４１】
鎖４０５は、係留索の引張りを個別に調整することを許容する引張り装置４０７まで、コラム１０２、１０３中を貫通することができる。引っ張り装置４０７は、例えば、コラム１０２、１０３の頂上に、それらに沿って、またはそれらの内部に取り付けられた、鎖のジャッキ、巻き上げ機、ウィンチ、または、他の引っ張り装置であることができる。擦り切れによる損傷を防止するために、コラム１０２、１０３の土台に、水エントラップメントプレート１０７を通る係留索の通過を許すフェアリーダー索道器またはベンディング・シュー４０６が置かれることができる。張力が適切に設定された後に、係留索は、ロックされることができる。
【００４２】
風力タービンは、典型的には通常範囲の風速および風向にわたり稼働するようにデザインされている。タービン羽根１０１およびタワー１１１に向かって吹く風は、浮動風力タービンプラットホーム１０５を風向から偏らせる傾向をもつ流体抵抗力を形成する。風が、図１５に示した方向に、コラム１０２間からコラム１０３上に吹いている場合は、タービン羽根１０１およびタワー１１１により誘発されるトルクが、風下のコラム１０２を水中に押しやり、風上のコラム１０３を水上に持ち上げる傾向をもつ。本明細書で既に説明されたように、風は必ずしも常に同一方向に吹くとは限らないので、風力タービンは、ナセル１２５、ハブおよび羽根１０１を風と整列するようにタワー１１１の頂上の周囲を回転させるヨー機構を備えることができる。しかし、風向が変化するに従って、タワー１１１が傾く方向もまた変化する。コラム１０２、１０３上の、図１２中の水平線１６１は、設計浮揚水位を示す。風速および風向が変化するに従い、風力タービンは、内部の作動的バラストシステムを使用して、風に誘発された力およびモーメントに逆らい、そしてすべての定常運転状態下で設計浮揚水位１６１に構造物１０５を維持することができる。
【００４３】
従って、本明細書に記載された浮動風力タービンプラットホームは、内部の作動的バラストシステムを備えることができる。このようなシステムの例は図１４を参照して説明、図示される。このような態様において、コラム１０２、１０３は、中空であり、そしてプラットホーム１０５を、最適な電力変換効率のための鉛直に直立の配列に維持するために、コラム１０２、１０３内のタンク間で水を移動する作動的バラストシステム２０１を収納する。例えば、風がタワーのコラム１０２に向かって吹いている時、センサー１２７が風力タービンの回転を感知することができる。センサー１２７は、浮力を増加させるためにタワーのコラム１０２から水を抜き、そしてそれらの重量を増加させるために他のコラム１０３中に水を付加するようにポンプ２２１を制御する制御装置１２３に接続されている。１つの態様において、各コラム内に、他のコラムへの独立した水路を制御している複数のポンプが存在することができる。工業的軸流送水ポンプは、Ｈｕｙｕｎｄａｉ，Ｓｏｕｔｈ ＫｏｒｅａおよびＧｌｙｎｗｅｄ ＡＳ，Ｄｅｎｍａｒｋから利用可能である。
【００４４】
調整装置はまた、風力タービンタワー１１１を支えていないコラム１０３内の水量を調整して、風力タービンの横揺れ角度を調整することができる。１つの態様において、コラムは、各コラム１０２、１０３内の異なる水深２０３により図１４により表される、水量を感知するセンサー２２５を有する。コラム１０２、１０３間の水バラストの作動的移動が、誘発された風力を補償して、プラットホームを水平に維持する。相当な量の水をコラム１０２、１０３間にポンプで送らなければならないために、内部の作動的バラストシステムの応答時間は約１５〜３０分の間であることができる。応答時間は、かなり遅い可能性があるために、作動的バラストシステムは、典型的には、波および他の急速な作動力による構造物１０５の急速な動的運動を排除するようにはなっていないであろう。しかし、プラットホームは、バラストシステムの恩典なしにこれらの力に耐えるようになっている。作動的なバラストシステムは、タービンをできるだけ直立に維持することにより、プラットホームの平均的姿勢を水平に維持し、エネルギー生産を最大にするようにデザインされている。
【００４５】
１つの態様において、作動的バラストシステムは、バラストシステム内の水を周囲の海水から完全に隔離することにより、浮動風力タービンプラットホーム１０５の可能な浸水および沈下を防止するようになっている閉鎖ループシステムであることができる。作動的バラストシステムは、各コラム１０２、１０３間に取り付けられた主ビーム１１５を通じて水を流れさせる電気送水ポンプ２２１により、含まれる水をコラム１０２、１０３間で移動させる。このような態様において、周囲の海水は、作動的バラストシステム中に絶対に入れられない。作動的バラストシステム内の水は、牽引し、または供給ボートを使用する前に、腐食の問題および他の海水関連の課題を緩和するために、波止場地帯で付加された新鮮水であることができる。
【００４６】
１つの態様において、整列センサー１２７は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って取り付けられるジャイロスコープを備える。ジャイロスコープは、毎秒当たりの角度の単位であることができる回転の角速度を表す信号を発信する。回転の角速度の合計が角位置をもたらす。従って、整列センサー１２７内のジャイロスコープは、プラットホームとタワーの整列の変化を測定するために使用されることができる。Ｘ軸のジャイロスコープは、水平面にあり、浮動風力タービンプラットホームの中線と整列されることができる。Ｙ軸の加速度計も水平面上にあるが、Ｘ軸のジャイロスコープに対して垂直である。トリム角θは、Ｙ軸の周囲の構造物に対する角度であり、傾き角ψは、Ｘ軸の周囲の構造物の角度である。構造物が完全に整列されている時は、Ｘ軸およびＹ軸のジャイロスコープは何の加速も感知しない。しかし、構造物がいずれかの方向に傾く場合は、Ｘ軸のジャイロスコープがトリム回転を感知し、Ｙ軸のジャイロスコープが傾き回転を感知する。この情報に基づいて、知られた数学の等式を使用して回転角が計算されることができる。
【００４７】
図１５〜１７を参照すると、作動的バラストシステムが、風速の変化に対してどのように反応することができるかの例が示される。整列センサーの信号に基づき、バラスト制御装置は、各コラム１０２、１０３内の水量１９１を調整するようにポンプを制御して、鉛直整列の角度の偏りを是正することができる。プラットホーム１０５が許容され得る水平角内にある時は、バラストシステムはコラム１０２、１０３間の水の移動を停止する。
【００４８】
図１５を参照すると、浮動風力タービンプラットホーム１０５は、プラットホーム１０５の中線上を吹く風と共に、鉛直整列にあるように示されている。円筒１０２、１０３内の水量１９１は、風、すなわち、現在の風速および風向に対して適切に調整されている。図１６において、風速が増加し、増加した風力が浮動風力タービンプラットホーム１０５をピッチ回転させている。整列センサーがトリム回転を感知し、制御装置がポンプを起動して、タワー支持コラム１０２から他のコラム１０３に水を移動させる。図１７において、浮動風力タービンプラットホーム１０５は、増加した風速により誘発された風力を補償するために水平整列に復帰している。タワー支持コラム１０２内の水量１９１がより少ないため、プラットホーム１０５のタワー側の末端により大きい浮力がある。その反対に、他のコラム１０３内の、より多い水量１９１は更に、直立の配列に向けてプラットホーム１０５をトリム回転させる補助をする。
【００４９】
作動的バラストシステムはまた、風が変わった時のコラム１０２、１０３内の水量を調整する。図１８〜２０を参照すると、浮動風力タービンプラットホーム１０５は、プラットホームの中線の風向から９０度の変更で風が吹き、プラットホーム１０５の左側を通って風が来るように示されている。作動的バラストシステムは、右側のコラムタンク１９１から左のコラムタンク１９１に水を移動し、そしてプラットホーム１０５は、実質的に水平である。図１９を参照すると、風速が低下し、プラットホーム１０５は、その傾き角度を変えている。整列センサーがプラットホーム１０５の傾き角度を感知し、制御装置が、ポンプ２２１に水を左のコラムタンク１９１から右のコラムタンク１９１に移動するように指示する。図２０を参照すると、作動的バラストシステムが、水を左のコラムタンク１９１から移動させて、浮力を増加させ、そして右のコラムタンク１９１に更なる水を付加して、コラムの重量を増加させる。プラットホーム１０５は、再度水平であり、整列センサーがプラットホームの整列に他の変化を感知するまでポンプが停止される。
【００５０】
本明細書に記載の浮動風力タービンプラットホームは、外界条件に基づき異なる稼働モードを有する。プラットホームは、鎖のジャッキ、鎖およびワイヤの部分並びに錨よりなる錨泊システムを使用して恒常的に係留されることができる。このような態様において、浮動風力タービンプラットホームは、極端な気象条件の場合に、移動したりまたは係留索から外されたりはしないであろう。浮動風力タービンプラットホームの主要な目的は、電力生成であり、従って、タービンが稼働可能な時間量を最大にするようにデザインされることができる。
【００５１】
既存のタービンは毎秒２５メーターの風速で稼働停止するので、より高い風速において典型的な波誘発運動が、この稼働限界を妨げないことが望ましい。すなわち、図６を参照すると、構造物が波浪力により運動する時に、タワー１１１がトリム回転し、それがタワー１１１の頂上を水平に移動させ、タービン羽根に対する見かけの風の変化を誘発する。構造物１０５が風上に回転する場合は、タワー１１１の頂上は、より早い風速を感知し、そして反対に構造物１０５が風から離れて回転する場合には、タワー１１１の頂上は、より遅い風速を感知する。本明細書で記載の浮動風力タービンプラットホームは、コラム１０２、１０３の底部に取り付けられた水エントラップメントプレート１０７を使用することにより横揺れ運動を減少し、それがプラットホーム１０５の鉛直運動に抵抗し、そして横揺れおよび縦ゆれ運動をにぶらせる。
【００５２】
一般に、風力タービンには、風速により区別される３種の異なるタービン羽根方式がある。毎秒１２メーター未満の風速における第１の方式において、羽根は、発電量を最大にするために最適化される。毎秒１２〜２５メーター間の風速における第２の方式において
、羽根は、羽根に対する荷重を減少させ、一定の最適な回転速度を維持するように作動的に回転される（ピッチされる）。毎秒２５メーターを超える風速における第３の方式においては、風力タービン全体が「生き残り」モードでロックされる。ロック状態においては、タービン羽根は完全に停止され、羽根の角度は、風に対して最小の流体抵抗状態にフェザリングされる。風速および風向は、非常に急速に変化し得るため、第３の方式は非常に急速に起こり得る。従って、風力タービンは、風の変化を急速かつ正確に感知し、そして応答することができなければならない。
【００５３】
強風停止法に加えて、浮動風力タービンプラットホームを保存し、装置のロスを最小にすることが意図される他の条件が、緊急停止（ＥＳＤ）の引き金を引くことができる。プラットホームは通常、無人であるため、自動化および遠隔操作双方の停止法が配備されていなければならない。様々なシステムの故障または誤作動状態が、ＥＳＤの引き金を引く。例えば、作動的バラストシステムの故障は、低下しない大きな平均的リスト（傾き）角及び／またはトリム角、並びに／あるいは、ポンプの異常な電力需要、のいずれかにより感知することができる。他のシステム故障は、コラム内の水漏洩により引き起される可能性がある。この故障は、機能している作動的バラストシステムにより代償することができない、漏洩コラムに向かってのプラットホームの傾きまたはトリムにより感知することができる。システムはまた、タービン羽根が閾値レベルを超える応力に暴露される場合に停止されるべきである。この故障は羽根上に取り付けられた歪みゲージにより感知することができる。他の故障は、ナセルの、風に向かうタービン羽根の回転不能である。これは、測定された風向とナセルの方向の間の不一致により知ることができる。システムはまた、停電、または浮動風力タービンプラットホームと遠隔操作員間の交信喪失がある場合に停止されることができる。
【００５４】
本明細書に記載の浮動風力タービンプラットホームは、経済的に加工され、設置され、そして作動され／廃止されるようになっている。例えば、建設コストを最小にするために、自動化溶接器を使用して作業室で効率的に加工することができる、大きな前以て集成されたコラムの円筒状部分を提供することにより、集成ヤードにおける溶接を最少にするようにデザインされることができる。加工は、浮動風力タービンプラットホームが牽引されるために十分深い水上の近位で完了されることができる。タワー、ナセルおよび風力タービンは大型クレーンをもつ施設において波止場地帯で設置されることができる。波止場地帯ですべての構成部品を設置することにより、開放水面上でプラットホーム上にタワーおよびタービンを設置することに比較して、コストが安く、損傷の危険が少ない。
【００５５】
図２１〜２３は、加工場所から設置場所へ浮動風力タービンプラットホーム１０５を牽引する方法を示す。図２１を参照すると、タワー１１１、ナセル１２５およびタービン羽根１０１は、加工期間に波止場地帯でプラットホーム１０５と完全に集成され、そして完成後、プラットホーム１０５は、タグボートで設置場所に牽引される。大部分の造船所は、かなり浅い海水のチャンネルを有するため、プラットホーム１０５が最低の輸送喫水をもつように、水バラストをコラム１０２、１０３から抜くことができる。浮動風力タービンプラットホーム１０５は、その輸送喫水で安定である。タワーのコラム１０２により支えられる重量はもっと重いので、プラットホーム１０５のこちら側は通常、より深い喫水をもち、それは、集成施設からの海水チャンネルが浅い場合には問題である可能性がある。
【００５６】
図２２を参照すると、必要な場合には、タワーのコラム１０２のより深い喫水を是正するために、各コラム１０２、１０３が同様な最低の喫水をもつように、タワーコラム１０２に一時的な浮力モジュール２９１を取り付けることができる。他の態様において、浅いチャンネルを通るプラットホーム１０５を浮揚させることが必要な場合には、更に喫水を低下させるために、一時的な浮力モジュールを他のコラム１０３に取り付けることができる。
【００５７】
図２３を参照すると、一旦プラットホーム１０５がより深い海中にきたならば、浮力モジュールはもはや不要であり、取り外されることができる。次に、例えば約５０フィート（１５ｍ）の喫水のような所望の喫水を伴って、コラムをキールまででも水でバラストする。より深い喫水は、流体力学的抵抗を増加させるが、水バラストによりプラットホーム１０５はずっと安定である。
【００５８】
加工場所から設置場所への輸送経路は、できるだけ短くされるべきである。従って、加工場所の位置は、そのプロジェクトに特異的である可能性がある。これは、多数の浮動風力タービンプラットホームユニットを備える大型洋上風力発電所が建設中であり、そして各プラットホームの外殻が、風力発電所サイトに長距離牽引されなければならない時に、特に重要である。適切な設置用船舶の選択もまた、風力発電地帯のプロジェクトの経済に対して重要である。風力タービンを牽引するために使用される船舶は、係留設備の設置および保守作業を実施することができるべきである。
【００５９】
波止場地帯における集成は、設置サイトにおける集成を要するシステムに比較して多数の利点を有する。更に特には、海底に直接取り付けられる、固定された洋上風力発電の基礎は、洋上設置サイトでタービン構造物が設置され、保守されることを必要とし、それは困難で経費がかかる可能性がある。分解することは、非常にコストがかかるため、実質的にすべての修繕を洋上の設置サイトで実施されなければならない。それに対し、プラットホームの形態は、プラットホーム１０５に対する係留索の配置および連結のみを必要とする。風力タービンの予期されない故障の場合には、設置の順序を逆に実施され、修理のために港にプラットホーム１０５が牽引されることができる。
【００６０】
浮動風力タービンプラットホームはまた、洋上の作動相を簡単にする。係留システムは前以て敷設され、浮動風力タービンプラットホームが現場に牽引される時に連結される準備ができていることが必要である。風力タービンは、錨処理船により係留されることができる。係留法は、プラットホームから係留索に取り付けたメッセンジャー索を取り戻し、係留索の鎖部分を引き入れる工程を含むことができる。係留索のワイヤ部分への鎖の連結は、水上で実施されることができる。係留索の引っ張りは、鎖ジャッキを用いてプラットホームから実施することができる。タービンはすでに設置されているので、風力タービンを始動させるために関与する方法もまた、現場で集成を必要とする風力タービンよりもずっと簡単で、コストもかからない。
【００６１】
浮動風力タービンプラットホームは動的に動いている構造物なので、発電機を発電所に接続している電力ケーブルにかかる荷重力を最小にすることが重要である。一旦浮動風力タービンプラットホームが適切に係留されたならば、前以て設置された海岸の電力ケーブルが、浮動風力タービンプラットホームに接続されることができる。図１３を参照する１つの態様において、電力ケーブル５０１は、プラットホーム１０５上の配電盤に接続されている。ケーブルは、保護ハウジング内をコラム１０２の長さに沿って走行し、コラム１０２の底部近位で外に出ている。切り替えギアもまた、タワー１１１からデッキ１１９に移動することができる。この場合、電力ケーブルは、コラム１０３を走行するであろう。海底ケーブル５０１は、安定である必要があり、且つ、損傷を妨げるためのシースのような覆いおよび／または溝を掘ることにより保護される必要がある。ケーブル５０１を海底に真っすぐに走行させずに、ケーブル５０１は、プラットホーム１０５の最下部に隣接し、それより下方のケーブル５０１の一部分に対して、複数の浮揚機構５０５により囲まれることができる。ケーブルのこの部分は、この領域を航行する船舶とのどんな潜在的な接触をも防止するために、水中に十分低くされるべきである。プラットホーム１０５は、係留索で固定されているが、それは定位置に絶対的に固定されているわけではないかもしれない。プラットホームは、強風、強い海流および上げ潮／引き潮を含む種々の外力に応答して動くことができる。穏やかな波の浮揚機構５０５が、ケーブル５０１に何の損傷をも与えずにケーブル５０１およびプラットホーム１０５が動くことを許容する。ケーブル５０１は、穏やかな波の浮揚機構５０５から海底に走行し、海底内に埋設することができるか、または１種または複数の保護殻がケーブル５０１の周囲に配置されることができる。
【００６２】
１つの態様において、複数の浮動風力タービンプラットホームは、アレー状に配置されることができる。図２４を参照すると、「風力発電地帯」における非対称的な浮動風力タービンプラットホーム１０５の代表的配置が示されている。１つの態様において、風が風力タービン中を通り抜けると、風速が減速され、乱気流が作られるので、風力タービンは、風力タービンローターの直径の約１０倍以上の半径３５５だけ離され、そしてもっとも頻繁な風向３３５に垂直な複数の食い違いのライン３２９、３３１、３３３に配置されている。図示された態様において、風力タービン１０５は、隣接する６基の風力タービン１０５からタービンの直径の１０倍だけ同等に離れている。食い違いの配置のために、第１列３２９の２基の浮動風力タービンプラットホーム１０５間に吹く風は、第２列３３１の浮動風力タービンプラットホーム１０５に向かって邪魔されない経路をもつであろう。この風の経路は、風向が好ましい方向から３０度までの範囲で外れて変わった場合でも邪魔されないであろう。第３列３３３の浮動風力タービンプラットホーム１０５は、第１列３２９の浮動風力タービンプラットホーム１０５と並ぶかも知れないが、風力タービンローターの直径の約１７倍の離れがあるので、風上の乱気流による電力ロスは無視できる。風向が、隣接する浮動風力タービンプラットホーム１０５と整列する角度に変わる場合でも、風力タービンローター直径の１０倍の離れは、電力出力に最小の影響を有するのみであろう。
【００６３】
浮動風力タービンプラットホーム１０５により使用される電力ケーブルを最少にするために、第１のケーブル３４１は、第１列３２９の浮動風力タービンプラットホーム１０５と連結し、第２のケーブル３４３は、第２列３３１の浮動風力タービンプラットホーム１０５と連結し、そして第３のケーブル３４５は、第３列の浮動風力タービンプラットホーム１０５と連結する。次に、３本のケーブル３４１、３４３、３４５は、全ての電力を発電所３５１に送電する第４のケーブル３４７に連結され、それが必要に応じて電力を分配する。１つの態様において、１つのプラットホーム３４９は、電力分配ユニットとして使用することができ、作業員および保守用空間を提供する。これは、作業員が一時的に居住することができ、苛酷な外界気象条件から保護されることができる安全なシェルター区域を提供することができる。
【００６４】
他の態様において、各タービンからの個々のケーブルは、海底上の配線接続箱に接続されることができる。１つの接続箱につき特定数の接続体を含むことができる。すべての接続箱からの、より太いケーブルは、主要ハブに接続され、それが１本の電線を使用して海岸に接続される。故障の場合の余剰のケーブルが、電力網のインフラ基盤に付加されることができる。
【００６５】
特定の、特別の態様において、本明細書に記載される浮動風力タービンプラットホームと当該技術分野で知られたものとの間の相異は、１本のコラムの上に直接固定された風力タービンタワーの非対称的形態である。この形態は、構造物の中心でなく、構造物の外縁で風力タービンの大部分の質量を維持する。例えば、図４に示した「Ｆｏｒｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＷｉｎｄＳｅａ」浮動風力タービンプラットホーム構造物は、異なる円筒上にそれぞれ取り付けられた３本のタワーおよびタービン羽根を有する。前記に考察されたように、風力タービンの効率は、他の、接近して配置されたタービン羽根により誘発される乱気流がある時に減少されることは周知である。乱気流および不均一な気流はまた、風力タービンシステム中に、風力タービンの正常な稼働を妨げる可能性がある振動を誘発する可能性がある。
【００６６】
本明細書に記載された非対称的タービンプラットホームは、１本のタワーおよびタービン羽根の形態を利用することによりこれらの問題を防止する。他の先行技術の浮動風力タ
ービンプラットホームシステムは、図５に示された「Ｔｒｉ−Ｆｌｏａｔｅｒ」であり、３本のコラムの中点に取り付けられたタワーを示す。この重量を支えるために、構造物の中心に相当な量の材料が必要である。これは、この風力タービンプラットホームのデザインを生産するために要する加工時間、コストおよび材料を増加させ、そして構造物の中心の重量を増加させる。外縁ではなく、中心に大部分の質量を配置することにより、風力タービンプラットホームを横揺れさせるために、より少ない慣性力が必要である。これに対し、本明細書に記載された非対称的な浮動風力タービンプラットホームは、１本のコラム上にすべての風力タービンの部品を取り付けることにより建設を簡単にし、それにより更なる支え構造物を必要としない。更に、このような態様において、質量を外側に移動することにより、慣性の安定性が改善される。
【００６７】
本明細書に記載される浮動風力タービンプラットホームにおける１本のコラム上に取り付けられた１本のタワーは、大部分の状態において風力タービンから来る主要な力の寄与が対応するコラムに適用されるために、プラットホームの質量の中心の近位と対照的に、プラットホームの非対称的荷重をもたらす。これらの非対称的に荷重されたプラットホームとともに、タワーを伴うコラムに連結された係留索の数が、他のコラムに連結された索数よりも実質的に多いという非対称的係留システムが使用されることができる。
【００６８】
風力タービンの技術が改善されるに従って、風力タービンのサイズが拡大してきた。１つの態様において、本明細書に記載された風力タービンプラットホームは、５メガワットの発電機を駆動する４００フィート（１２２ｍ）直径の風力タービンローターを支えることが意図される。この風力タービンの推定部品重量が以下の表１に示されている。
【００６９】
【表１】
2015016860.tif 000029
【００７０】
５メガワットの発電機を支える風力タービンプラットホームの部品の推定サイズが、以下の表２に示されている。他の態様において、風力タービンプラットホームの部品の重量およびサイズは、表１および２に示した値と実質的に異なる可能性がある。
【００７１】
【表２】
2015016860.tif 000030
【００７２】
本発明のシステムは、特定の態様に関して説明されてきたが、本発明のシステムの範囲から逸脱せずに、これらの態様に追加、削除および変更を実施することができることが理解されるであろう。例えば、記載された同一の方法はまた、他の装置に適用されることができる。説明されたシステムは種々の部品を含むが、これらの部品および記載された形態は、変更され、種々の他の形態に再配置することができることが十分に理解される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バラストを収容するための内容積を各々有する少なくとも３本の細長い安定化コラムであって、当該少なくとも３本の安定化コラムの各々は、当該少なくとも３本の安定化コラムによって形成される凸形の多角形の頂点に配置されており、当該凸形の多角形は、当該少なくとも３本の安定化コラムの長手方向軸に対して垂直な平面内にある、という少なくとも３本の細長い安定化コラムと、前記少なくとも３本の安定化コラムのうちの１本の上に鉛直に整列して取り付けられており、付属のタービンローターを有しているタワーと、を備え、残りの安定化コラムは、前記タワーの下に直接には連結されておらず、且つ、他のタワーも取り付けられておらず、非対称的なタワーの配置となっているという浮動風力タービンプラットホームのためのバラスト制御システムであって、
前記タワーの回転を感知するべく配置されたセンサーと、
前記センサーに結合されると共に、当該センサーが前記タワーの回転を感知した際に、前記１本の安定化コラムの内容積から前記残りの安定化コラムのうちの少なくとも１本の内容積にバラストの移動を方向付けるべく配置された制御装置と、
を有している
ことを特徴とするバラスト制御システム。
【請求項２】
前記バラスト制御システムは、閉鎖ループシステムである
ことを特徴とする請求項１に記載のバラスト制御システム。
【請求項３】
前記センサーは、複数のジャイロスコープを有している
ことを特徴とする請求項１に記載のバラスト制御システム。
【請求項４】
前記ジャイロスコープは、
ｘ軸方向に装着され、トリム（ピッチ）回転を感知するべく配置されたｘ軸ジャイロスコープと、
ｙ軸方向に装着され、リスト（ロール）回転を感知するべく配置されたｙ軸ジャイロスコープと、
を有している
ことを特徴とする請求項３に記載のバラスト制御システム。
【請求項５】
前記ジャイロスコープは、回転の角速度を表す信号を出力するように構成されており、
前記制御装置は、前記回転の角速度を前記タワーの角度位置に変換するように構成されている
ことを特徴とする請求項４に記載のバラスト制御システム。
【請求項６】
前記センサーは、複数の加速度計を有している
ことを特徴とする請求項１に記載のバラスト制御システム。
【請求項７】
バラストを収容するための内容積を各々有する少なくとも３本の細長い安定化コラムであって、当該少なくとも３本の安定化コラムの各々は、当該少なくとも３本の安定化コラムによって形成される凸形の多角形の頂点に配置されており、当該凸形の多角形は、当該少なくとも３本の安定化コラムの長手方向軸に対して垂直な平面内にある、という少なくとも３本の細長い安定化コラムと、前記少なくとも３本の安定化コラムのうちの１本の上に鉛直に整列して取り付けられており、付属のタービンローターを有しているタワーと、を備え、残りの安定化コラムは、前記タワーの下に直接には連結されておらず、且つ、他のタワーも取り付けられておらず、非対称的なタワーの配置となっているという浮動風力タービンプラットホームの鉛直整列を調整する方法であって、
前記タワーの回転をセンサーを用いて感知する工程と、
前記感知の際に、前記バラストを前記１本の安定化コラムの内容積から前記残りの安定化コラムのうちの少なくとも１本の内容積に移動する工程と、
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記バラストは、閉鎖ループシステム内にある
ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記回転を感知する工程は、
トリム（ピッチ）回転を感知する工程と、
リスト（ロール）回転を感知する工程と、
を有している
ことを特徴とする請求項７に記載の方法。