(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮体式風力発電施設であって、
互いに連結され、水面から所定の距離だけ下方で水域内に配備された複数のフローティングラフトと、
前記フローティングラフトにそれぞれ連結され、風によって駆動されることによって電力を発生させるように構成された複数の風力タービンと、
前記フローティングラフトに連結された発電機と、
前記フローティングラフトにそれぞれ連結され、前記水域内に配備されて前記フローティングラフトの位置を制限する複数の錨と、
を含み、
前記フローティングラフトの各々は少なくとも３本のパイプと、前記パイプに取り付けられた複数のバラストブロックとを含み、前記パイプは前記風力タービンによって発生した電力によって圧縮された空気を貯蔵するように構成され、
前記発電機は、前記パイプ内に貯蔵された前記圧縮空気から電気を発生させて出力するように構成されている、浮体式風力発電施設。
【請求項２】
前記発電機を収容し前記フローティングラフトによって機械的に支持されたプラットホームをさらに含み、前記バラストブロックはコンクリート、鉄または鉛から形成されている、請求項１に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項３】
前記発電機を収容し前記水域の底に機械的に支持されたプラットホームをさらに含む、請求項１に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項４】
複数のパイプが構造物に組み立てられて前記発電機を収容する、請求項１に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項５】
前記フローティングラフトの各々と前記風力タービンの各々は、球体と前記球体に連結されてフランジを含む保持チューブとを介して連結され、前記風力タービンは前記フランジにボルト装着されている、請求項１に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項６】
複数の強化支柱をさらに含み、前記強化支柱は前記パイプと前記保持チューブとに固定されている、請求項５に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項７】
前記フローティングラフトは複数のパイプを介して互いに連結され、前記パイプおよび前記保持チューブのすべては前記球体を介して連結され、前記パイプは前記球体の壁を貫通して前記球体に溶接されている、請求項６に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項８】
前記パイプ間で空気はキャッピングにより遮断されている、請求項７に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項９】
前記キャッピングは高圧ハッチドアを含み、前記高圧ハッチドアは、前記高圧ハッチドアの両側の空気圧が等しいときに開くように構成されている、請求項８に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項１０】
前記フローティングラフトの各々の少なくとも２本のパイプの各々は、少なくとも屈曲部を含み、前記屈曲部は厚みを増し補強フレーム部材に連結されている、請求項１に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項１１】
前記パイプの前記屈曲部は、部分的に前記水面より上にある、請求項１０に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項１２】
前記補強フレーム部材は、コンクリートを充填したスチールチューブを含む、請求項１０に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項１３】
複数の円錐体をさらに含み、前記風力タービンの各々はタービンシャフトを介して対応する前記フローティングラフトに連結され、前記円錐体の各々は前記タービンシャフトの１つを中心にしており小端部と大端部とを含み、前記小端部は前記大端部よりも前記水面に近い位置にある、請求項１に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項１４】
前記円錐体の各々の内部空間は、軽量材料を充填するように構成されている、請求項１３に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項１５】
前記円錐体の各々は、対応する前記フローティングラフトを形成する前記パイプに連結されたスチールフレームによって支持され、対応する前記風力タービンの保守用の作業台として用いられるように構成されている、請求項１３に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項１６】
前記円錐体の各々の前記大端部は空間フレームを含み、前記空間フレームは、浮揚力と波の作用とに耐えることができる床支持ビームシステムを含む、請求項１５に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項１７】
浮体式風力発電施設であって、
互いに連結され、水面から所定の距離だけ下方で水域内に配備された複数のフローティングラフトと、
前記フローティングラフトにそれぞれ連結され、風によって駆動されることによって電力を発生させるように構成された複数の風力タービンと、
前記フローティングラフトに連結された発電機と、
前記フローティングラフトにそれぞれ連結され、前記水域内に配備されて前記フローティングラフトの位置を制限する複数の錨と、
を含み、
前記フローティングラフトの各々は複数のパイプを含み、前記パイプは前記風力タービンによって発生した電力によって圧縮された空気を貯蔵するように構成され、
前記発電機は、前記パイプ内に貯蔵された前記圧縮空気から電気を発生させて海底ケーブルによって前記電気を出力するように構成されている、浮体式風力発電施設。
【請求項１８】
前記発電機を収容し前記フローティングラフトによって機械的に支持されたプラットホームをさらに含む、請求項１７に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項１９】
前記フローティングラフトの各々と前記風力タービンの各々は、球体と前記球体に連結されてフランジを含む保持チューブとを介して連結され、前記風力タービンは前記フランジにボルト装着されている、請求項１７に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項２０】
複数の強化支柱をさらに含み、前記強化支柱は前記パイプと前記保持チューブとに固定されている、請求項１９に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項２１】
前記フローティングラフトは複数のパイプを介して互いに連結され、前記パイプおよび前記保持チューブのすべては前記球体を介して連結され、前記パイプは前記球体の壁を貫通して前記球体に溶接されている、請求項２０に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項２２】
前記パイプ間で空気はキャッピングにより遮断されている、請求項２１に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項２３】
前記キャッピングは高圧ハッチドアを含み、前記高圧ハッチドアは、前記高圧ハッチドアの両側の空気圧が等しいときに開くように構成されている、請求項２２に記載の浮体式
風力発電施設。
【請求項２４】
前記フローティングラフトの各々の少なくとも２本のパイプの各々は、少なくとも屈曲部を含み、前記屈曲部は厚みを増し補強フレーム部材に連結されている、請求項１７に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項２５】
前記パイプの前記屈曲部は、部分的に前記水面より上にある、請求項２４に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項２６】
前記補強フレーム部材は、コンクリートを充填したスチールチューブを含む、請求項２４に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項２７】
複数の円錐体をさらに含み、前記風力タービンの各々はタービンシャフトを介して対応する前記フローティングラフトに連結され、前記円錐体の各々は前記タービンシャフトの１つを中心にしており小端部と大端部とを含み、前記小端部は前記大端部よりも前記水面に近い位置にある、請求項１７に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項２８】
前記円錐体の各々の内部空間は、軽量材料で充填するように構成されている、請求項２７に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項２９】
前記円錐体の各々は、対応する前記フローティングラフトを形成する前記パイプに連結されたスチールフレームによって支持され、対応する前記風力タービンの保守用の作業台として用いられるように構成されている、請求項２７に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項３０】
前記円錐体の各々の前記大端部は空間フレームを含み、前記空間フレームは、浮揚力と波の作用とに耐えることができる床支持ビームシステムを含む、請求項２９に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項３１】
浮体式風力発電施設であって、
互いに連結され、水面から所定の距離だけ下方で水域内に配備された複数のフローティングラフトと、
前記フローティングラフトにそれぞれ連結され、風によって駆動されることによって電力を発生させるように構成された複数の風力タービンと、
前記フローティングラフトに連結された発電機と、
前記フローティングラフトにそれぞれ連結され前記水域内に配備されて前記フローティングラフトの位置を制限する複数の錨と、
を含み、
前記フローティングラフトの各々は少なくとも３本のパイプを含み、前記パイプは前記風力タービンによって発生した電力によって圧縮された空気を貯蔵するように構成され、
前記発電機は、プラットホームに収容され、前記パイプ内に貯蔵された前記圧縮空気から電気を発生させて出力するように構成されている、浮体式風力発電施設。
【請求項３２】
前記プラットホームは前記フローティングラフトによって又は前記水域の底に機械的に支持されている、請求項３１に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項３３】
前記フローティングラフトの各々と前記風力タービンの各々は、球体と前記球体に連結されてフランジを含む保持チューブとを介して連結され、前記風力タービンは前記フランジにボルト装着されている、請求項３１に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項３４】
前記フローティングラフトは複数のパイプを介して互いに連結され、前記パイプおよび前記保持チューブのすべては前記球体を介して連結され、前記パイプは前記球体の壁を貫通して前記球体に溶接され、前記パイプ間で空気はキャッピングにより遮断され、前記キャッピングは高圧ハッチドアを含み、前記高圧ハッチドアは、前記高圧ハッチドアの両側の空気圧が等しいときに開くように構成されている、請求項３３に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項３５】
前記フローティングラフトの各々の少なくとも２本のパイプの各々は、少なくとも屈曲部を含み、前記屈曲部は厚みを増し補強フレーム部材に連結されている、請求項３１に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項３６】
前記パイプの前記屈曲部は、部分的に前記水面より上にある、請求項３５に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項３７】
前記補強フレーム部材は、コンクリートを充填したスチールチューブを含む、請求項３５に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項３８】
複数の円錐体をさらに含み、前記風力タービンの各々はタービンシャフトを介して対応する前記フローティングラフトに連結され、前記円錐体の各々は前記タービンシャフトの１つを中心にしており小端部と大端部とを含み、前記小端部は前記大端部よりも前記水面に近い位置にある、請求項３１に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項３９】
前記円錐体の各々の内部空間は、軽量材料で充填するように構成されている、請求項３８に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項４０】
前記円錐体の各々は、対応する前記フローティングラフトを形成する前記パイプに連結されたスチールフレームによって支持され、対応する前記風力タービンの保守用の作業台として用いられるように構成されている、請求項３８に記載の浮体式風力発電施設。
【請求項４１】
前記円錐体の各々の前記大端部は空間フレームを含み、前記空間フレームは、浮揚力と波の作用とに耐えることができる床支持ビームシステムを含む、請求項４０に記載の浮体式風力発電施設。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許出願は、概して風力発電技術に関し、特に、沈んだラフトを利用して風力タービンを支持し且つその構成要件によって圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）技術を用いて風力発電した電力を貯蔵して安定した電気出力を供給する、エネルギー貯蔵設備を備えた深海浮体式風力発電施設に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力は持続性がなく、そのためグリッドがその電力を受け入れることは困難である。風力発電施設からの出力は通常、電子フィルタを通過することにより電圧、周波数などが調整されてからアップロードされる。一般的なルールでは、風力はベース負荷のパワーの２０％から２３％を超えることはできない。このレベルを超えてしまえば、風力からの不安定な出力によってグリッドが負荷過剰になり停止する。２４時間ほどの長時間に亘って風力エネルギーを貯蔵することができるエネルギー貯蔵ユニットがあれば、グリッドにアップロードする風力エネルギーに対する制限を緩めるか或いは取り除く助けになる。なぜなら貯蔵ユニットから再生された電力は安定し良質で、すぐにアップロードできるからである。
【０００３】
深海風力タービンの土台を作る現行の方法は、主に沖合の石油工場から借りているものであり、パイルとしてのスチールチューブまたは海底にあるコンクリート製ケーソン土台を用いる。浮体式風力タービンが示唆されテストされているが、単独の浮体式タービンは表面の波の影響を受けやすい。はるかに軽量の風力タービン用のパイル／ケーソン土台を用いると、はるかに重い沖合の石油ドリリングプラットホームに比べて著しく高いコストがかかる。風力発電施設内でより多くのタービンを用いた場合も、このタイプの土台を深海に適用することは現実的でない。
【０００４】
現行の沖合風力発電施設はすべて下部構造を有する個々の風力タービンを有しており、これらは構造的に海底で支持されているか又はフロートによって支持されている。このような風力タービンは現場で１つずつ設置しなければならない。設置は沖合の石油工場用に設計された特別な船舶に頼っている。欧州風力エネルギー協会（Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｗｉｎｄ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）は、欧州内では設置施設は２０２０年までに目標とする沖合風力設置性能（４０ＧＷ）に対処するには不適であると報告している。これは、目標とする設置性能を満たすために設置すべきタービンの総数が多すぎて現行の部隊に対応できないからである。報告によると、現在から２０２０年まで、約１万個の沖合風力タービンが設置を待っている。上記特別の船舶の供給の限界が、業界において妨げとなっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本特許出願は、深海における土台と再生可能エネルギーの非持続的性質という２つの主な懸念に取り組み、エネルギー貯蔵設備を備えたフローティングラフトベースによってこれらの懸念を解決する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本特許出願は、エネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設に向けられている。一局面では、浮体式風力発電施設は、互いに連結され、水面から所定の距離だけ下方で水域内に配備された複数のフローティングラフトと、前記フローティングラフトにそれぞれ連結され、風によって駆動されることによって電力を発生させるように構成された複数の風力タービンと、前記フローティングラフトに連結された発電機と、前記フローティングラフトにそれぞれ連結され、前記水域内に配備されて前記フローティングラフトの位置を制限する複数の錨とを含む。前記フローティングラフトの各々は、平面グリッドを形成する少なくとも３本のパイプと、前記パイプに取り付けられた複数のバラストブロックとを含み、前記パイプは前記風力タービンによって発生した電力によって圧縮された空気を貯蔵するように構成されている。前記発電機は、前記パイプ内に貯蔵された前記圧縮空気から電気を発生させ出力するように構成されている。
【０００７】
浮体式風力発電施設は、前記発電機を収容し前記フローティングラフトによって機械的に支持されたプラットホームをさらに含んでもよい。前記バラストブロックはコンクリート、鉄または鉛から形成されていてもよい。
【０００８】
浮体式風力発電施設は、前記発電機を収容し前記水域の底に機械的に支持されたプラットホームをさらに含んでもよい。
【０００９】
複数のパイプが構造物に組み立てられて前記発電機を収容してもよい。前記フローティングラフトの各々と前記風力タービンの各々は、球体と前記球体に連結されてフランジを含む保持チューブとを介して連結され、前記風力タービンは前記フランジにボルト装着されていてもよい。浮体式風力発電施設は、強化支柱をさらに含んでもよい。前記強化支柱は前記パイプと前記保持チューブとに固定されている。前記フローティングラフトは複数のパイプを介して互いに連結され、前記パイプおよび前記保持チューブのすべては前記球体を介して連結され、前記パイプは前記球体の壁を貫通して前記球体に溶接されていてもよい。前記パイプ間で空気はキャッピングにより遮断されてもよい。前記キャッピングは高圧ハッチドアを含み、前記高圧ハッチドアは、前記高圧ハッチドアの両側の空気圧が等しいときに開くように構成されていてもよい。
【００１０】
前記フローティングラフトの各々の少なくとも２本のパイプの各々は、少なくとも屈曲部を含んでもよく、前記屈曲部は厚みを増し補強フレーム部材に連結されていてもよい。前記パイプの前記屈曲部は、部分的に前記水面より上にあってもよい。前記補強フレーム部材は、コンクリートを充填したスチールチューブを含んでもよい。
【００１１】
浮体式風力発電施設は、複数の円錐体をさらに含んでもよい。前記風力タービンの各々はタービンシャフトを介して対応する前記フローティングラフトに連結されていてもよい。前記円錐体の各々は前記タービンシャフトの１つを中心にしており小端部と大端部とを含んでもよい。前記小端部は前記大端部よりも前記水面に近い位置にあってもよい。
【００１２】
前記円錐体の各々の内部空間は、軽量材料を充填するように構成されていてもよい。前記円錐体の各々は、対応する前記フローティングラフトを形成する前記パイプに連結されたスチールフレームによって支持され、対応する前記風力タービンの保守用の作業台として用いられるように構成されていてもよい。前記円錐体の各々の前記大端部は空間フレームを含んでもよく、前記空間フレームは、浮揚力と波の作用とに耐えることができる床支持ビームシステムを含んでもよい。
【００１３】
別の局面では、浮体式風力発電施設は、互いに連結され、水面から所定の距離だけ下方で水域内に配備された複数のフローティングラフトと、前記フローティングラフトにそれぞれ連結され、風によって駆動されることによって電力を発生させるように構成された複数の風力タービンと、前記フローティングラフトに連結された発電機と、前記フローティングラフトにそれぞれ連結され、前記水域内に配備されて前記フローティングラフトの位置を制限する複数の錨とを含む。前記フローティングラフトの各々は複数のパイプを含み、前記パイプは前記風力タービンによって発生した電力によって圧縮された空気を貯蔵するように構成されている。前記発電機は、前記パイプ内に貯蔵された前記圧縮空気から電気を発生させて海底ケーブルによって前記電気を出力するように構成されている。
【００１４】
さらに別の局面では、浮体式風力発電施設は、互いに連結され、水面から所定の距離だけ下方で水域内に配備された複数のフローティングラフトと、前記フローティングラフトにそれぞれ連結され、風によって駆動されることによって電力を発生させるように構成された複数の風力タービンと、前記フローティングラフトに連結された発電機と、前記フローティングラフトにそれぞれ連結され前記水域内に配備されて前記フローティングラフトの位置を制限する複数の錨とを含む。前記フローティングラフトの各々は少なくとも３本のパイプを含み、前記パイプは前記風力タービンによって発生した電力によって圧縮された空気を貯蔵するように構成されている。前記発電機は、プラットホームに収容され、前記パイプ内に貯蔵された前記圧縮空気から電気を発生させて出力するように構成されている。
【００１５】
前記プラットホームは前記フローティングラフトによって又は前記水域の底に機械的に支持されていてもよい。
【００１６】
さらに別の局面では、本特許出願は、浮体式風力発電施設を組み立てて設置する方法を提供する。前記浮体式風力発電施設は、互いに連結された複数のノードを含む。前記ノードの各々は、フローティングラフトと前記フローティングラフト上に立てられた風力タービンとを含む。前記方法は、水域近傍にドックヤードを建設することであって、前記ドックヤードは、長辺と、短辺と、前記長辺と前記短辺とにおいてそれぞれレール上を走るクレーンとを含み、３つのノードを互いに連結することによって前記浮体式風力発電施設の少なくとも第１のタイプのサブユニットを組み立てることと、組み立てた第１のタイプのサブユニットと３つの追加のノードとを連結することによって前記浮体式風力発電施設の少なくとも第２のタイプのサブユニットを組み立てることと、組み立てた第２のタイプのサブユニットと４つの追加のノードとを連結することによって前記浮体式風力発電施設の少なくとも第３のタイプのサブユニットを組み立てることと、組み立てた第３のタイプのサブユニットを建設現場に移動させることと、複数の組み立てた第２のタイプのサブユニットを前記建設現場に移動させて、前記第３のタイプのサブユニットと前記複数の第２のタイプのサブユニットとを連結することと、複数の組み立てた第１のタイプのサブユニットを前記建設現場に移動させて、前記第３のタイプのサブユニットと前記複数の第２のタイプのサブユニットと前記第１のタイプのサブユニットとを連結することとを含む。
【００１７】
前記ドックヤードの前記長辺と前記短辺とは６０度の角度をなすように構成されていてもよい。前記長辺はすべてのタイプの前記サブユニットの最も長い辺と２つの端部における作業領域とをカバーしてもよく、前記短辺は前記ノード間の間隔の少なくとも２倍をカバーしてもよい。
【００１８】
一時的クランプ装置を用い、その後現場溶接することにより、異なる前記ノードを連結してもよい。浮体式風力発電施設を組み立てて設置する方法は、前記ノードにバラストを加えることをさらに含んでもよい。
【００１９】
浮体式風力発電施設を組み立てて設置する方法は、前記第１のタイプのサブユニットを組み立てた後であって前記第２のタイプのサブユニットを組み立てる前に、前記組み立てた第１のタイプのサブユニットを前記ドックヤードの前記短辺に沿って前記ノード間の１間隔分シフトさせることをさらに含んでもよい。
【００２０】
浮体式風力発電施設を組み立てて設置する方法は、前記第２のタイプのサブユニットを組み立てた後であって前記第３のタイプのサブユニットを組み立てる前に、前記組み立てた第２のタイプのサブユニットを前記ドックヤードの前記短辺に沿って前記ノード間の１間隔分シフトさせることをさらに含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本特許出願の一実施形態によるエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設のための圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）フローティングラフトの模式的平面図である。
【図２】図２は、図１に示す浮体式風力発電施設の全体斜視図である。
【図３】図３は、図２に示す浮体式風力発電施設の拡大斜視図である。
【図４】図４は、図１に示すＣＡＥＳフローティングラフトの側面図を示す。
【図５】図５は、図１に示すＣＡＥＳフローティングラフトの外側ノードの平面図である。
【図６】図６は、図１に示すＣＡＥＳフローティングラフトの内側ノードの平面図である。
【図７】図７は、図１に示すエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設の典型的ノードの側面図である。
【図８】図８は、図１に示すエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設のタービンシャフトの断面図である。
【図９】図９は、図１に示すエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設の閉口端ノードと開口端ノードとを示す。
【図１０】図１０は、図１に示すエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設の強化支柱の接合点における保持チューブの断面図である。
【図１１】図１１は、図１に示すエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設内のパイプと、アンカーボルトおよびナットを備えたコンクリートバラストとを示す部分平面図である。
【図１２】図１２は、図１１に示すエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設内のパイプと、アンカーボルト、ナットおよびワッシャによって固定されたコンクリートバラストとを示す断面図である。
【図１３】図１３は、本特許出願の一実施形態によるエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設を設置する際の分割レイアウト図である。
【図１４】図１４は、ドックヤードの平面および図１３に示すサブラフトＴ１の設置手順を示す図である。
【図１５】図１５は、図１３に示すサブラフトＴ２の設置手順を示す図である。
【図１６】図１６は、図１３に示すサブラフトＴ３の設置手順を示す図である。
【図１７】図１７は、本特許出願の一実施形態による海上での現場組立手順を示す平面図である。
【図１８】図１８は、本特許出願の別の実施形態による海上での現場組立手順を示す平面図である。
【図１９】図１９は、本特許出願の一実施形態によるエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設が設置された最終状態を示す図である。
【図２０】図２０は、本特許出願のさらに別の実施形態による内側ノードの側面図である。
【図２１】図２１は、図２０に示す内側ノードの平面図である。
【図２２】図２２は、図２０に示す実施形態のコーナーノードの側面図である。
【図２３】図２３は、図２２に示すコーナーノードの平面図である。
【図２４】図２４は、図２０に示す実施形態による典型的なベイの側面図である。
【図２５】図２５は、本特許出願のさらに別の実施形態による内側ノードの等角図である。
【図２６】図２６は、図２５に示す実施形態の浮体式風力発電施設の側面図を示す。
【図２７】図２７は、図２５に示す実施形態の内側ノードの側面図である。
【図２８】図２８は、図２７に示す４−４線に沿ったフロートの水平断面図である。
【図２９】図２９は、図２８に示す５−５線に沿ったフロートの部分垂直断面図である。
【図３０】図３０は、図２９に示す６−６線に沿ったフロートの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
ここで本特許出願で開示するエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設の好適な実施形態を詳細に説明する。以下の記載においてその実施例も説明する。本特許出願で開示するエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設の例示的実施形態を詳細に説明するが、エネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設を理解するために特に重要でない特徴は簡潔化のために示さない場合もあることは当業者には明らかである。
【００２３】
さらに、理解すべきことは、本特許出願で開示するエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設は以下の詳細な実施形態に限定されるものではなく、当業者であれば保護される思想および範囲から逸脱することなく様々な変更および改変が可能であるということである。例えば、異なる例示的実施形態の構成要件および／または特徴を本開示の範囲内で組み合わせたり、および／または置換したりすることができる。
【００２４】
以下の説明では、エネルギー貯蔵について風力に言及する場合、風力は波の力をも意味する。
【００２５】
図１から図４に示すように、ＣＡＥＳフローティングラフトは、直径４メートルから５メートルの複数のスチールパイプ１を含む。複数のスチールパイプ１は海中で横たわり巨大なラフトを形成している。巨大なラフトは風力タービン１５を支持し、同時に圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）技術を用いて圧縮空気を貯蔵するエネルギー貯蔵ユニットとして用いられる。ＣＡＥＳ技術は風力を、パイプ内に貯蔵する圧縮空気に変換する。この方法は相対的に低い（相対的に経済的な）アーム／タービン率を有するチャイニーズチェッカーボードに似ている。他の構成も可能である。パイプの厚みは空気圧に依存する。海中に配備された各風力タービンはノードとして考えることができ、ノード間の距離は、下向きのタービンに影響を与えないように通常、タービンブレードの直径の７倍とする。タービンブレードの直径は通常６０メートルから９０メートルであり、ノード間の距離は４２０メートルから６３０メートルとなる。
【００２６】
スチールパイプ１は波の作用から離れた海中深度で浮くように設計されている。スチールパイプ１は、継続的に水に支持されていると考えることができ、水はラフトシステムに構造的緩衝を与えてもいる。そのためスチールパイプ１は、吊り橋の橋床のようにノード間の長い距離に亘って広がることができ、塔間の距離が１０００メートルを超える場合、ケーブルによって吊り下げられた橋床は通常３メートルから４メートルの深度にある。ラフトは、自重、あるいは必要に応じて自重にバラストを追加した重量で浮力とバランスをとるように設計されている。図７は、図１に示すエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設の典型的なノードの側面図である。図７に示すように、コンクリートブロック４を用いてパイプ１に重さを加えることによって、自重が浮力とバランスを保つようになっている。パイプは波に影響を受けない深度で浮いているため、波が相互作用するのはタービンシャフトとのみである。タービンシャフトは機構全体に必要な浮力を与える。
【００２７】
ラフトの機能は、タービンシャフトを支持する平面状の（水平な）グリッドを提供することである。設計ではスチールパイプが巨大なトラスを形成する。トラスのノードにタービンが配置される。ノードは少なくとも３本のパイプによって囲まれた三角形の頂点となるべきである。各ノードには、スチールパイプ１を連結するスチール製のボール様球体２が備わっている。スチールパイプは球体の壁を貫通し、その壁に溶接される。図９に示すように、連結されたパイプの先端は開口しているか又は閉じている。図９は、図１に示すエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設の閉口端ノードおよび開口端ノードを示す。開口端連結の場合、パイプ内の空気はパイプ間を自由に移動することができる。閉口端連結の場合、パイプ間で空気の交換は止まる。閉口端連結は、ラフトを複数の貯蔵ユニットに分割する場合に用いられる。保守と操作とを行うためには、少なくとも２つのユニットを形成すべきである。
【００２８】
ノードにおける球体の上部に保持チューブ３が溶接されている。スチール製のチューブは最高海面から上に延び、その端部にはスチール製のタービンシャフトとボルトで連結するフランジ連結プレート５が設けられている。風力タービン１５は、保持チューブ３のフランジ５にボルトで連結されるように設計されている。タービン１５は、設置と逆の方法で保持チューブ３から完全に取り外すことができる。図４に風力発電施設の側面図を示す。図４において、１４は保持チューブ３用の強化支柱であり、１６は錨であり、１７は風力発電施設（実装されている場合）であり、１８は平均海面を示し、２０は海底を示す。発電施設を収容するプラットホーム１９は、浮揚構造体の中心においてラフトによって支持されている。浮揚構造体は海中のどこへでも曳くことができ、錨によって繋ぐことができる。発電施設は、貯蔵した圧縮空気から発電するように構成されている。あるいはフローティングラフトとタービンとを組み合わせて発電施設を収容し、海底にあるパイルまたはケーソンによって支持される中央プラットホーム１９Ａに固定してもよい。しかし、この場合も錨は必要である。なぜなら中央の固定部に閉じこめるには長さも幅も大きすぎるからである。
【００２９】
あるいはパイプの直径が十分であれば、１本または２本のパイプを用いてオフィスまたはプラントルームを構成し、発電ユニットを収容することもできる。周囲の水によって温度環境を一定に保ちながら、圧縮空気貯蔵部から新鮮な空気を供給し、煙突としてのタービンシャフトの１つから排気することができる。
【００３０】
操作は以下のように行われる。個々の風力タービンから発生した電気を用いてプラントルーム内に配置したコンプレッサを駆動する。あるいは、風力タービンの出力が電気ではなく圧縮空気であれば、パイプを介して圧縮空気を貯蔵部に送ることもできる。
【００３１】
図５は外側ノードの部分平面図である。２本のパイプ１がノードにおいて球体２に連結され、第３のパイプ（図示せず）と共に基本三角形を形成している。２本の強化支柱１４が、パイプ１の厚部６に対して保持チューブ３を支持している。
【００３２】
図６は内側ノードの部分平面図である。６本のパイプ１がノードにおいて球体２に連結され、（図示しない第３のパイプと共に）一群の三角形を形成している。６本の強化支柱１４が、パイプ１の厚部６に対して保持チューブ３を支持している。
【００３３】
図７は内側ノードの側面図である。タービンシャフト１５がフランジ５を介して保持チューブ３にボルト装着されている。保持チューブ３は強化支柱１４によって、パイプ１の局部厚部６に対して支持されている。パイプ１にコンクリートバラストブロック４が加えられている。留意すべきは、バラストブロックがコンクリート、鉄、鉛またはその他の材料から形成されてもよく、浮力とバランスをとるために不要であれば除去してもよいことである。
【００３４】
図８はフランジ５におけるタービンシャフト１５の断面図であり、フランジ５には予め孔１３がドリルで開けられている。図９は、図１に示すエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設の閉口端ノードおよび開口端ノードを示す。パイプ１と保持チューブ３とを連結する閉口端ノードの場合、パイプ１の半球形状端キャップ７に高圧保守ハッチドア８が備わっており、高圧保守ハッチドア８は、ハッチドアの両側の空気圧が均等である場合のみ開けることができる。パイプ１と保持チューブ３とを連結する開口端ノードの場合、パイプ１は単純に球体に向かって開いている。
【００３５】
図１０は、プロップレベルにおける保持チューブの断面図であり、中央アクセスを有する作業台１０が備わっている。作業台１０はプロップ位置で壁９を強化するダイヤフラムとしても作用する。図１１および図１２はそれぞれ、パイプ１およびシステムを保持するアンカーボルト１１とナット１２とを備えたコンクリートバラストブロック４の部分平面図および断面図である。
【００３６】
フローティングラフトベースの作動原理
本特許出願の本実施形態によるフローティングラフトベースの作動原理は、ラフトは水中にあるときに安定しているという事実に基づいている。ラフトを形成するために用いられるスチールパイプは、パイプが担持する風力タービンの移動に起因する屈曲モーメントを取るに適した堅さを有するために実質的にサイズが大きい。タービン間の距離は約５００メートルである。パイプの寸法は、４メートルから５メートルの範囲でなければならず、この場合、長さ／深さの割合がそれぞれ５００／４＝１２５から５００／５＝１００となる。この割合は、長さが１０００メートル以上であるときに橋床が通常３．５メートルから５メートルである吊り橋の割合に匹敵し、この場合、長さ／深さの割合がそれぞれ１０００／３．５＝２８５および１０００／４＝２５０となる。吊り橋の場合、橋床はケーブルによって吊られており、従って浅くなり得る。同様に、海中に横たわるパイプは吊られた橋床と同様に水によって支持されており、従ってその長さは５００メートルを超えることがあり得る。計算によると、パイプ内の長手方向の屈曲応力はいずれのノードにおいても１５メートルの変位に起因する１２０ＭＰａを超えず、この変位は極端な波の状態における変位に似ている。空気圧に起因する約１６０ＭＰａの軸方向引張応力にこの屈曲応力を加えても、正味の応力（１６０＋１２０＝２８０ＭＰａおよび１６０−１２０＝４０ＭＰａ）は降伏応力の限界内である。さらに、正味の応力は引張応力（ｉｎ  ｔｅｎｓｉｏｎ）であり、これにより局部的および全体的座屈に関連する問題が排除される。この構造は空気圧の存在によってより安定する。
【００３７】
ラフトの中央部では、別体の又は取り付けられた構造のプラットホームが、圧縮空気で作動する発電機を収容している。発生した電気は、海底ケーブルによって岸まで伝送される。風力タービンからラフトへの重力負荷は浮揚効果のために有意なものとはならない。タービンに作用する風からの水平負荷およびモーメントは波負荷同様、ラフトにとって重大な負荷である。風力タービン間の間隔が大きいために、ラフトの構成要件の寸法はかなり大きくなければならない。直径４メートルから５メートルのスチールパイプを用いなければならない。パイプ内の空間により、圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）技術を用いた巨大エネルギー貯蔵ユニットを建設する機会が提供される。個々の風力タービンから出力する風力はラフト内に貯蔵される圧縮空気に変換される。エネルギー貯蔵ユニットを組み込むことは、風力発電施設の出力が信頼できて安定し、高品質なソースとなることを補助する。
【００３８】
圧縮サイクルにおいては、空気は加熱され、さらに圧縮され得る前に冷却されなければならない。これは段階的圧縮および中間冷却器によって行われる。膨張サイクルにおいては、空気はゼロ度以下まで冷却される。空気は、ターボエクスパンダ内で効率的に作動するために熱を吸収しなければならない。パイプは、日常の圧縮／減圧サイクルでは一定の温度を有すると考えられ得る海中の深度に沈んでいる。従って海は、圧縮サイクル中は空気の熱を海中に放出し、膨張サイクル中は空気に熱を取り込む熱交換機として作用し得る。現行のターボエクスパンダ発電技術の場合、ターボエクスパンダ内で作動する運動量を取り戻すために、圧縮空気を少量の燃料と混合して燃焼させる必要がある。ガスターボエクスパンダ発電機は化石燃料のエネルギーの２／３を用いてコンプレッサ内で空気を圧縮する。そのため、コンプレッサを迂回する圧縮空気を用いると、燃料の消費が２／３だけ減少する。このような機構は７０年代からのＨｕｎｔｏｒｆプラントにあり、今でも用いられている。燃料を燃焼させる必要性を減少させるか又は完全に排除する復熱装置を組み込んだ新しいプラントの研究が進行中である。海は、復熱装置の機構をある程度提供し、そのため本実施形態の燃料消費は、復熱装置のない形態の燃料消費よりも少ない。
【００３９】
保守および安全手段
保守は船体の保守に似ている。開口端ノードにおけるパイプおよび球体、ならびに閉口端ノードにおけるハッチドア８を介して内部にアクセスする。安全装置は操作中に組み込まれるように設計されている。スタッフは、自動化の度合いおよび機構に応じて発電ユニットを作動させる必要があり得る。安全手段は、加圧されたコンパートメント内での作業に関しては確立された手順に従うべきである。システムは、空気圧ゲージ、開放バルブおよび、コントロールセンターに信号を中継する警告／監視システムを提供すべきである。圧縮空気コンパートメントへのアクセスは、コンパートメント内の空気圧が大気圧まで減圧された後に初めて許可される。人が誤って圧縮コンパートメント内に閉じ込められた場合に備えて、各ＣＡＥＳユニット内には緊急減圧チャンバも設けられている。
【００４０】
危険の査定
風力発電施設の危険は、予期しない強い海流によって風力発電施設が繋がれた位置から流される可能性を含む。これは、プロペラまたは貯蔵圧縮空気からの高圧エアジェットによるラフトの操縦、あるいは帆などの補助的手段を備えた投錨システムを適切に設計することによって解決できる。さらに、風力発電施設の位置を衛星によりマッピングして全世界の船舶操縦者に放送することによって、船舶操縦者が風力発電施設の位置をリアルタイムで知るようにすることも必要である。風力発電施設は何も汚染しないため、環境への衝撃は最小限である。ラフトは、波の作用を避けるために１５メートルを超える深度で浮いている。この深度では、ほとんどの船は、もし誤って施設に入ったとしてもパイプ上方を通過することができる。風力発電施設から離れるように船に警告する警告サインを立てるべきである。
【００４１】
適用例
負荷の付与および応力の分析
図１を参照すると、パイプ１を三角形に構成した構造物は、構成要件が三角形に構成されているために構造的に安定している。アーム／ノード数は少なく、従ってかなり効率的であり、海中である程度沈んだ位置で浮いている。他の形態も可能である。本実施形態では、この適用の設計パラメータは以下の通りである。
タービン間距離                                      ５５０ｍ
スチールパイプの直径                                ４．５ｍ
スチールパイプの厚み                                ７０ｍｍ
最大空気圧                                          ７０バール（７．０ＭＰａ）
（ドイツのＨｕｎｔｏｒｆ  ＣＡＥＳ発電プラントと同じ）
負荷要素
使用限界状態（ＳＬＳ）                            １．１
終局限界状態（ＵＬＳ）                            １．３
タービン数                                          ３７
４０ｍｍを超えるプレート厚みに対する特性降伏応力    ３４０ＭＰａ
材料安全率                                          １．０５
査定の不正確率
使用限界状態（ＳＬＳ）                            １．０
終局限界状態（ＵＬＳ）                            １．１
内部空気圧に曝されたスチールパイプ内の応力は、ＴｉｍｏｓｈｅｎｋｏおよびＷｏｉｎｏｗｓｋｙ−Ｋｒｉｅｇｅｒｓによる式で以下のように算出することができる。
フープ応力ＳＨ＝Ｒ*Ｐ／ｔ
軸方向ストレスＳＡ＝Ｒ*Ｐ／（２*ｔ）
上記式において、Ｒはパイプの半径であり、Ｐはパイプの内圧であり、ｔはパイプの厚みである。
【００４２】
限界状態という設計コンセプトを用いた場合、設計計算は以下の通りである。
ＳＬＳの場合
設計圧力    １．０*１．１*７＝７．７ＭＰａ
フープ応力ＳＨ＝２．２５*７．７／０．０７＝２４８ＭＰａ
軸方向応力ＳＡ＝２．２５*７．７／（２*０．０７）＝１２４ＭＰａ
受容可能降伏応力：
３４０／（１．０５）＝３２４ＭＰａ
応力条件は満たされる。
ＵＬＳの場合
設計圧力    １．１*１．３*７＝１０．０１ＭＰａ
フープ応力ＳＨ＝２．２５*１０．０１／０．０７＝３２２ＭＰａ
軸方向応力ＳＡ＝２．２５*１０．０１／（２*０．０７）＝１６１ＭＰａ
受容可能降伏応力：
３４０／（１．０５）＝３２４ＭＰａ
応力条件は満たされる。
【００４３】
分析によると、極端な場合にはノードの１つを１５メートル変位させる波の作用下ではパイプ内の屈曲応力は約１００ＭＰａであることが示される。これを、十分に加圧したパイプ内の軸方向応力に加えると、２つの屈曲面でそれぞれ１６１＋１００＝２６１ＭＰａおよび１６１−１００＝６１ＭＰａという結果になる。両方とも受容可能降伏応力よりも小さい。ｖｏｎ  Ｍｉｓｅｓの応力判定基準を用いると、ＶＭ応力はＳＱＲＴ（（３２２(２＋２６１(２＋（３２２−２６１）(２）／２）＝２９６ＭＰａであり、受容可能降伏応力よりも小さい。従って応力条件は受容可能である。正味の応力は引張応力である（ｉｎ  ｔｅｎｓｉｏｎ）ため、局部的または全体的座屈があってはならない。パイプ内に空気圧の存在がある場合は、ない場合よりも構造的に安定している。
【００４４】
圧縮空気貯蔵容量
このスキームは、７７５，０００ｍ3の貯蔵空間を生成する（現存する２つのエネルギー貯蔵発電プラント、すなわちドイツのＨｕｎｔｏｒｆプラントおよび米国のＭｃＩｎｔｏｓｈプラントにはそれぞれ３１０，０００ｍ3および５００，０００ｍ3の貯蔵空間がある）。貯蔵エネルギーはＰ*Ｖ＝７ＭＮ／ｍ2*７７５，０００＝５，４２５，０００ＭＪ＝１，５００，０００ｋＷ−ｈによって推定される。Ｓｕｃｃａｒらは、圧縮空気１ｍ3あたりの電力再生率が２．４ｋＷ−ｈであるという数字は、空気圧の作動範囲（４０バールから６５バール）で用いることが可能であり、且つこれは１，８６０，０００ｋＷ−ｈになると示唆している。外海という条件で３７台の３．５ＭＷタービンと０．４５の容量因子があれば、貯蔵電力は施設から２５時間継続的に風力発電出力を行うことと同等である。出力される電力の質は化石燃料ターボジェネレータからのものと変わらないはずであり、電力源が不安定であるという心配なくアップロードすることができる。
【００４５】
風力発電施設の構造は、２つ以上のユニットを接続することにより繰り返すことが可能であり、１台の発電機を共用することができる。各ユニットは別々の貯蔵部である。浮揚構造体は波力発電に簡単に適用することが可能であり、二重エネルギー源を提供することができる。
【００４６】
ラフトの機能の要約
上記の実施形態では、ラフトの機能は、以下を含むが以下に限られない。ラフトは、水中の、波に影響を受けない深度に沈んだ位置で浮いているラフトベースである。ラフトベースは、タービンを支持する。ラフトベースは、波力発電機を支持することができる。ラフトベースは、発電施設を収容するプラットホームを支持することができる。ラフトベースを形成するスチールパイプは、ＣＡＥＳを用いて風力エネルギーを貯蔵するために用いられる。複数のスチールパイプを一群にまとめてエネルギー貯蔵ユニットが形成される。貯蔵圧縮空気から発生した電力は海底ケーブルによって岸まで伝送される。１本または何本かのパイプをオフィス、プラントルームまたはエコツーリストセンターに変換することができる。パイプはガラスの窓を有するように改変して海の展望台として用いることができる。ラフトは魚群用シェルターとすることができる。
【００４７】
社会経済的および環境的利点
本特許出願の上記実施形態の社会経済的および環境的利点は以下の通りである。風力発電施設はその出力電力を長時間貯蔵する性能を有するフローティングラフトによって支持されており、これは、従来の沖合風力発電施設からの主要な改善点である。ノード間の空間は、波力発電局に発展させることが可能であり、生成エネルギーをＣＡＥＳラフトに貯蔵する。この新規な風力発電施設機構の配備は水中深度によって制限されることはなく、ＣＡＥＳ施設は風力発電施設および波力発電局（これが実装されている場合）からの電力出力の平滑化を容易にする。この新規な風力発電施設機構は、その性能を考えると、同一のラフトベースで深海のどこに配備しても同一のエネルギー貯蔵性能を保ち、経済的利得は非常に大きい。
【００４８】
深海の風力発電施設は数多く配備することができる。ＣＡＥＳが備わっているため、風力に対するグリッド共用の限度も上げることができる（今日の一般的なルールでは、風力の供給が不安定なために、グリッド内の風力は２０％から２３％を超えるべきではない）英国および北海周辺の国々などの風力エネルギーが豊富な国々、ならびに米国、カナダおよび中国などの海岸線が長い国々では、大規模な風力発電が可能である。日本、オーストラリア、ニュージーランド、マレーシア、インドネシアなどの島国では、発電をほとんど完全に風力のみで行うことが可能であり、ベースロードに対する風力発電の割合を少なくとも増やすことができる。このことは、地球温暖化に対する取り組みの助けとなり、化石燃料および原子力を含む他の持続可能でないエネルギー資源への依存を減少させる。
【００４９】
風力発電施設は岸から離れた深海領域であり且つ岸から見えない距離に配備されるため、近郊の地域から外観および騒音に対する反対があまり起こらない。構造物は海中に沈んでいるため魚群用シェルターとなる。さらに１本または何本かのパイプに窓を設けて海の展望台にすることにより、風力発電施設をエコツーリストセンターにすることも可能である。
【００５０】
本特許出願の別の実施形態によるエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設の製造および設置プロセスを以下に述べる。
【００５１】
浮体式風力発電施設の下部構造は、直径４．５メートルから５．０メートルで長さ約５００メートルのスチールパイプ製ラフトである。ラフトは、各１００メートルのセグメントで大量生産可能である。ラフトは最終的には海中に沈められるため、海路で設置ドックまで運ぶこともできるし、両端を一時的に密閉して浮かせてドックに繋ぐこともできる。ラフトは恒久的に海中に沈むため、腐食は最小限に抑えるべきである。
【００５２】
ラフトは、タービンが立った状態でも海中で安定している。図１３に示すように、ラフトは、タービンが設置ドック内でラフト上に立っている状態で、曳航性能に応じて複数のサブラフト（またはサブユニット）に分割することができる。これらのサブラフトはその後、現場まで曳航され適切な位置に固定される。サブラフト間のパイプは、現場で浮揚されて固定される。この操作は、適度のリフティング装置を有する通常の船舶によって行うことができる。
【００５３】
図１３のサブラフト（またはサブユニット）を例として用いて、設置プロセスを以下に述べる。海辺に、風力発電施設の構造に匹敵する６０度の角度でＶ形状にドックヤードを建設する。図１３に示すように、この構造物は正三角形を連結することによって得られるチャイニーズチェッカーボードゲームの形態を有する。三角形の寸法はサブラフトの長さに依存する。この例では、最大のサブラフトが各辺に３タービン間隔を有している。ドックヤードの１辺は３タービン間隔と両端の作業空間との合計である。図１４に示すように、ドックヤードの他方の辺は２タービン間隔と作業空間との合計である。少なくとも１台の移動クレーンが各辺のレール上を移動し、サブラフトの最長の辺の長さをカバーする必要がある。クレーンはタービンおよびパイプの最も重い部分を持ち上げる性能を有するべきである。クレーンがランドベースである場合は問題とならない。
【００５４】
図１３に示すように、風力発電施設は１つの大型サブラフト（１×Ｔ３）、３つの中型サブラフト（３×Ｔ２）および３つの小型サブラフト（３×Ｔ１）に分割される。図１４に示すように、小型の三角形状サブラフト（参照符号１）は１サイクルの操作で設置可能である。完成した小型ラフト（Ｔ１）はノードに３台のタービンを有する。相対形状であるため、バランスよく曳航可能である。
【００５５】
図１５に示すように、中型サブラフト（Ｔ２）は完成させるのに操作が２サイクル必要である。小型三角形（参照符号１）を組み立てた後、サブラフトＴ１を曳航してストックしてもよいし、あるいは、ドックヤードの短辺側に沿って１タービン間隔（ノード間の１間隔）シフトさせることにより適切な位置に移動させる。その後、３台の新しい三角形（参照符号２、３および４）を組み立てる。これらは３台の新しいタービンを含む。計６つのタービンが設置される。完成したサブラフトＴ２はバランスがよく相対形状であるため、容易に曳航可能である。
【００５６】
図１６に示すように、大型サブラフト（Ｔ３）は完成させるのに操作が３サイクル必要である。２サイクルの操作で中型サブラフト（参照符号１、２、３および４のＴ２）を完成させた後、ドックヤードの短辺側に沿って１タービン間隔（ノード間の１間隔）シフトさせることにより適切な位置（図１５）に移動させる。その後、５つの新しい三角形（参照符号５、６、７、８および９）を組み立てる。これらは４台の新しいタービンを含む。設置の最終状態では計１０台のタービンが設置されている。これらは相対形状でありバランスがよいため、曳航可能である。
【００５７】
すべてのサブラフトが完成した後、大型サブラフトＴ３をまず適切な位置に曳航しなければならない。その後図１７に示すように、中型ラフトを１つずつ連結パイプを介してサブラフト間に連結させる。外海での連結方法は、請負人が設計する。最後に図１８に示すように、小型サブラフトＴ１を曳航し固定する。その後、図１９に示すように完成した風力発電施設に、設計上の必要に応じてバラストを加える。
【００５８】
図面を参照しながら製造および設置プロセスをより詳細に述べる。図１３は、本特許出願の一実施形態によるエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設を設置する際の分割レイアウト図である。図１３は、請負人が実施可能な、風力発電施設のサブラフト（またはサブユニット）への分割を示している。サブラフトは、１つの大型三角形状ラフトＴ３と、３つの中型三角形状ラフトＴ２と、３つの小型三角形状ラフトＴ１とを含む。部材Ｍ１として示すサブラフトはドックにおいて設置または組み立てられ、部材Ｍ２として示すサブラフトは海上の現場で設置または組み立てられる。
【００５９】
図１４は、ドックヤード平面図であり、図１３に示すサブラフトＴ１の設置手順を示す。図１４において（１）は、本出願において正三角形に匹敵する６０度のＶ形状を有するドックヤードの平面図である。Ｖ形状は長辺と短辺とを有する。長辺は全タイプのサブラフトのうち最も長い辺と２つの端部における作業領域との合計をカバーすべきである。短辺は少なくともタービン間隔（またはノード間の間隔）の２倍であるべきである。この例において、長辺はタービン間隔の３倍である。デッキの各辺で少なくとも１台の移動クレーンが使用可能である。（２）は、基本三角形（参照符号１）の設置を示す。これはまたサブラフトＴ１でもある。３台のタービンが設置される。（３）は、完成したサブラフトＴ１がノードに設置された３台のタービンを有することを示す。完成したサブラフトＴ１は曳航してストックしてもよいし、さらに次のレベルのサブラフトＴ２に発展させてもよい。
【００６０】
図１５は、図１３に示すサブラフトＴ２の設置手順を示す。図１５において（１）は、サブラフトＴ１が適切な位置に曳航されて、さらなる発展の準備ができた状態を示す。（２）は、さらに３つの基本三角形（参照符号２、３および４）をシステムに追加する様子を示す。６台のタービンが設置される。（３）は、完成したサブラフトＴ２が曳航によりストックされる又はさらに次のレベルのサブラフトＴ３に発展される準備ができた状態を示す。
【００６１】
図１６は、図１３に示すサブラフトＴ３の設置手順を示す。図１６において（１）は、サブラフトＴ２が適切な位置に曳航されて、さらなる発展の準備ができた状態を示す。（２）は、さらに５つの基本三角形（参照符号５、６、７、８および９）をシステムに追加する様子を示す。１０台のタービンが設置される。（３）は、完成したサブラフトＴ３が曳航によりストックされる準備ができた状態を示す。
【００６２】
図１７は、本特許出願の一実施形態による海上での現場組立手順を示す平面図である。図１７に示すように、大型サブラフトＴ３を適切な位置まで浮揚させて投錨により繋ぐ。その後サブラフトＴ２を１つずつ浮揚させて適切な位置まで進める。スチールパイプを浮かせて、何らかの種類の一時的クランプ装置の助けを借りて連結させ、その後現場溶接する。操作の詳細は請負人が設計する。
【００６３】
図１８は、本特許出願の別の実施形態による海上での現場組立手順を示す別の平面図である。図１８に示すように、サブラフトＴ２とＴ３とを連結することによりラフトの中央部を形成する。その後サブラフトＴ１を１つずつ浮揚させて適切な位置まで進める。スチールパイプを浮かせて、何らかの種類の一時的クランプ装置の助けを借りて連結させ、その後溶接する。操作の詳細は請負人が設計する。
【００６４】
図１９は、本特許出願の一実施形態によるエネルギー貯蔵設備を備えた浮体式風力発電施設の設置の最終状態を示す。図１９は、主要な構成部品を現場で設置した最終状態の、完成風力発電施設を示す。その後設計に応じてバラストをシステム（例えばノード）に追加する。その後この集合体で提供するサービスを、乾いたアクセスとしてパイプを用いて実行する。
【００６５】
上記の設置プロセスの利点は以下の通りである。
【００６６】
１．チャイニーズチェックボードのパターンの風力発電施設レイアウトは正三角形からなる。図１４、図１５および図１６に示すように、一つの三角形から発展して複数の三角形になる際に、ドックヤードの一辺に沿って常に新しい頂点ができる。これによりドックヤードの岸に沿って走る移動クレーンを独占的に用いることが可能となる。船舶から重いリフトを持ち出す必要はない。
２．正三角形のパターンを有するものであれば、寸法が異なっても、あらゆる風力発電施設を同一のドックヤードを用いて製造することができる。
３．全タービンがドックヤードで設置されるため、重いリフティングおよび設置用の特別な船舶の必要がなくなることにより、建設費および時間が実質的に減少する。
４．外海で行う唯一の操作がサブラフト間のパイプの固定であるため、個々のタービンおよびその土台の設置に比べて簡便であるはずである。海中で円滑に連結を行うために特別な一時的クランプ装置が必要となる。一時的クランプ装置を用いて５００メートルのパイプを最終的に１００メートルのパイプ５本に分割することにより、外海で容易にロックできるようにする。ロックした後、現場溶接によって連結を行うことができる。
５．プロセス全体を標準化し、より高度な自動化に向けて機械化することにより設置コストおよび保守コストを削減することができる。
【００６７】
上記実施形態では、圧縮空気を担持するパイプが海中に浮かび、システムが設計深度でバランスを取るようになるまでバラストによってパイプを沈めなければならない。深度は理想的には波の影響を受ける範囲外であり且つ船舶の通過を可能にする範囲であるべきである。従って深度は少なくとも１５メートルでなければならない。バランスの取れたシステムは、システムの海中深度を変化させる外部負荷の作用下で、バランスの取れた位置を維持する傾向にある。パイプは非常に大きな嵐が来た場合でも沈んだ状態に維持されるように設計されているため、その海中深度を変化させてもタービンシャフトに影響を与えるにすぎない。システムの回復力は、海面の変化に対するタービンシャフトの変位と同等である。タービンシャフトの底部の直径が５メートルの場合、水面が１メートル変化することに対する回復力は：
タービン毎の水面のユニット毎の変化に対する回復力＝３．１４１６*５(２／４*ｌ  ．０*１＝２０  ｔｏｎ／ｍ
である。
【００６８】
この回復力は特定の場所における風または波などの外部負荷によっては適切でなくなるかもしれない。システムの回復力を増加させるために２つの選択肢があり、これらをさらに別の２つの実施形態として以下に述べる。
【００６９】
図２０から図２４は、本特許出願のさらに別の実施形態を示す。この実施形態では、タービン近傍のパイプの長さ方向の一部が、それに連結する球体と共に、海面から上にある。システムが外部負荷によって沈むと、パイプの長さ方向のこの部分の浮揚力が作用する。回復力は、パイプの長さ方向のこの部分の変位に依存し、この変位は設計時に考慮すべき要素である。
【００７０】
図２０は、本実施形態による内側ノード（エッジノードに似ているが手がついている（ｈａｎｄｅｄ））の側面図である。図２０に示すように、圧縮空気担持部は、パイプ１から６とスチール製連結球体２とを含む。パイプは水に濡れないようにノードで屈曲しており（すなわちパイプの屈曲部は部分的に水面から上に出ている）、ノードまで例えば３０メートルが乾燥している。この長さは、それぞれの場所に適するように設計段階で決定すべきである。屈曲したパイプに連結した補強フレーム部材２６および２７は、コンクリートを充填したスチールチューブであり、支柱を強化し同時にシステムにバラスト重量を供給する。パイプ６は屈曲によるパイプ内の応力増大に耐えるように厚みを増したパイプである。４はバラストであり、５は連結フランジである。１５はタービンシャフトである。
【００７１】
図２１は、図２０に示す内側ノードの平面図である。図２１は、パイプの部分６の厚みが部分１の通常の厚みから増していることを示す。２は連結球体であり、３は連結チュー  ブである。
【００７２】
図２２は、本実施形態のコーナーノードの側面図である。図２２に示すように、コーナーノードは内側ノードと似ているが、連結パイプの数が６ではなく２であり、補強システムが部分２６、２７および２８を含む。補強システムは、支柱を強化しシステムにバラスト重量を供給するためには、コンクリートを充填したスチールチューブであることが都合がよい。２はスチール製連結球体であり、４はバラストであり、５は連結フランジであり、１５はタービンシャフトである。
【００７３】
図２３は、図２２に示すコーナーノードの平面図である。図２３は、パイプの部分６の厚みが部分１の通常の厚みから増していることを示す。２は連結球体であり、３は連結チューブである。
【００７４】
図２４は、本実施形態による典型的なベイの側面図である。１は圧縮空気担持パイプであり、２は連結球体であり、４はバラストであり、１５はタービンシャフトであり、１７は必要に応じて設けられる波エネルギー発生器であり、１８は海面であり、２６および２７はコンクリートを充填した補強フレームである。
【００７５】
図２５から図３０は、本特許出願のさらに別の実施形態を示す。この実施形態では、軽量材料を充填するように構成された内部空間を有する逆さ円錐体がシステムに追加されている。円錐体はタービンシャフトを中心とし、小端部と大端部とを有する。円錐体の小端部は円錐体の大端部よりも水面に近い位置にある。円錐体はスチールフレームによって支持されており、スチールフレームは、フローティングラフトを形成するパイプによって連結されている。円錐体の上面はタービンの保守用の作業台として用いることができる。逆さ円錐体は、沈降深度が増すにつれて浮揚力が次第に増大することを可能にする。円錐体のサイズは、外部負荷によるシステム内の沈降力を相殺するように設計されている。基部の直径が１２メートルで高さ４メートルのサイズを有する円錐体の場合、その体積は最大約６００トンの回復力を生成することができる。シャフト、ナセルおよび３ＭＷタービンの機械類を含む総重量は３００トンを超えない。回復力は、必要であれば増加可能であるが、適切でなければならない。
【００７６】
図２５は、本実施形態による内側ノードの等角図である。図２６は、図２５に示す本実施形態の浮体式風力発電施設の側面図を示す。図２６は、システムの概略構成を示す。１は圧縮空気担持パイプであり、２は連結球体であり、３は連結チューブであり、４はバラストであり、５は連結フランジであり、１４は強化支柱であり、１５はタービンシャフトであり、１６は錨であり、１７は必要に応じて設けられる波エネルギー発生器であり、１８は海面であり、１９は作業台であり、２０は海底であり、２１は追加のフロートであり、２２は作業台として用いられるフロートのデッキである。
【００７７】
図２７は、本実施形態の内側ノードの側面図である。図２７は、追加のフロートを備えた内側ノードの概略構成を示す。１は圧縮空気担持パイプであり、２は連結球体であり、４はバラストであり、６は厚みを増したパイプであり、１４は強化支柱であり、２１は追加のフロートであり、２２は作業台として用いられるフロートのデッキである。
【００７８】
図２８は、図２７に示す４−４線に沿ったフロートの水平断面図である。５は連結フランジであり、２２は作業台として用いられる円錐体のデッキの上面である。
【００７９】
図２９は、図２８に示す５−５線に沿ったフロートの部分垂直断面図である。３はタービンシャフトに連結するチューブであり、２１は円錐体であり、２４は浮揚力および波の作用に耐えることができる床支持ビームシステムを含む空間フレームであり、２５は軽量材料を充填すべき円錐体内の空隙である。フロートの詳細は実際の適応において決定してもよい。
【００８０】
図３０は、図２９に示す６−６線に沿ったフロートの断面図である。図３０は、床支持ビームシステムの典型的なレイアウトを示す。２４は浮揚力および波の作用に耐えることができる床支持ビームシステムを含む空間フレームであり、２５は軽量材料を充填すべき円錐体内の空隙であり、３は連結チューブである。フロートの詳細は実際の適応において決定してもよい。
【００８１】
本特許出願を複数の実施形態に照らして示し説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく他の様々な変更または改変が可能であることに留意すべきである。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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