(57)【要約】  ＷＥＴＳＳ（風力エネルギータービンシェルステーション）は、超高層シェル状フレーム構造であり、高い高度で風の運動エネルギーを収集する複数の小型の風力タービンを支持し、電力さらには水素を生成し、燃料電池の需要に合致する電力を生成するために水素を保管する。ＷＥＴＳＳの典型的な幅に対する高さの比は４−１０、厚さ８−２５ｍ（地震地域によって異なる）である。風速６ｍ／秒（２１.６ｋｍ／ｈ）と仮定すると、典型的な高さが１０００−２０００ｍ、直径２００−５００ｍ、非定常電力の実容量が１８７ＭＷ−３．７５ＧＷ、電力需要に合致した５０ＭＷ−１ＧＷ。典型的なＷＥＴＳＳでは、現在の実用的な風力タービンで必要である平均的な土地の約１／５００が必要である。ＷＥＴＳＳは、典型的には標準及び高降伏鋼から成る。ＷＥＴＳＳは、シェル形状を有しており階数が少なく荷重が小さいため、同様の大きさである従来の鋼の建造物の約２％の重さであり、耐震及び耐風力設計が比較的簡易である。ＷＥＴＳＳは、風力エネルギーを地球上で最も安価なエネルギーにして、静かで鳥に安全で需要に合致したものにする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）  梁及び柱によって構成される放射状に配置された内部及び外部フレームを画定する中央垂直軸を有するとともに、前記フレームの前記梁の間に広がる内部プラットフォームを備えた垂直方向に離間した水平階を画定する複数階環状塔と、
ｂ）  前記外部フレームの外部梁の周面に沿って互いに離れた複数の風力タービンと、を備え、
ｃ）  前記プラットフォームが、前記風力タービンが風力を捕捉するように前記風力タービンを支持する外部プラットフォームを形成するために前記外部梁を超えて放射状に突出し、
ｄ）  それぞれの前記風力タービンが、電力を生成する交流または直流発電機に対して動作可能なように接続される、
風力エネルギータービンシェルステーション（ＷＥＴＳＳ）。
【請求項２】
円形、楕円形、菱形または多角形の断面（閉断面及び開断面のどちらか）を有する請求項１に記載の風力エネルギータービンシェルステーション。
【請求項３】
前記内部フレームに隣接して位置している機器及び人員を運ぶエレベータを備える請求項１に記載の風力エネルギータービンシェルステーション。
【請求項４】
それぞれの風力タービンについて、稼働状態では前記外部プラットフォーム上を外側に、メンテナンスでは前記内部プラットフォーム上を内側に、前記プラットフォーム上の前記風力タービンを案内してスライドさせる上端及び下端メンテナンストラックを備え、前記上端及び下端トラックは、水平であって、中心が前記外部及び内部周辺梁の中央を通過する同じ垂直放射面に沿っており、前記階のクリアハイトの中央を通過する水平面を囲んで前記上端トラックは前記下端トラックを鏡に映したようになり、前記メンテナンストラックが、前記プラットフォームを支持する前記梁によって支持される請求項１に記載の風力エネルギータービンシェルステーション。
【請求項５】
前記風力タービンは、前記上端及び下端トラックの周囲にちょうど嵌合し上端及び下端において端に溝部（２０）及び（２２）を有する固定軸（３）を備え、前記トラック及び溝の接触表面は滑らかかつ潤滑されて摩擦が最小になっており、前記風力タービンの前記固定軸は、前記固定軸のそれぞれの端の近くで、前記固定軸の周囲に嵌合する内径を有する２つの短垂直半管（４）に接続され、当該管は前記固定軸の周囲を完全に取り囲むよりは少し短いため、これらを前記固定軸の周囲においてボルト及びナットを用いて固定することが可能であり、前記半管の一つは、取り外し自在のメンテナンスロッド（８）の周囲に嵌合する短水平ソケットに接続され、両方が、前記ロッドを前記固定軸ソケットの中で固定するために短シャフトと嵌合するように位置合わせされた穴を有し、前記メンテナンスロッドは、同じ方法で反対側から、同様の２つの短半管及び上端及び下端の近くのソケットを有するメンテナンスポストに設置され、メンテナンスロッド（８）は前記トラックとほとんど平行に伸び、前記ポストの上端及び下端における端に設けられた溝は、前記固定軸のそれと同様であり、前記メンテナンスポストは、前記下端及び上端メンテナンストラックの間に嵌合するとともに、前記ポストが前記外部周辺梁または前記外部フレーム（１０）の一部であるリング梁にクランプされていない時には、それらに沿ってスライド自在となる。
【請求項６】
請求項５に記載の前記メンテナンスポスト（９）は、２つのクランプセットで位置が固定されており、１つは前記ポストの上端付近、もう１つは前記ポストの下端付近であり、それぞれのクランプセットの一部は前記ポストに固定され、前記クランプセットの残部は前記リング梁に固定され、前記クランプセットを締めると前記リング梁に向かって前記メンテナンスポストが強く引かれ、前記メンテナンスポストが、前記風力タービンの前記固定軸を前記メンテナンスの外部端に固定された板及び垂直面内で前記メンテナンストラックに対して垂直方向に向かって押す前記メンテナンスロッドを押し、その一方で、前記タービンの前記トラックに沿った動きは、前記上端溝側を通過して前記固定軸に向かうねじの締結によって制限され、前記固定軸前記トラックに対して垂直な水平方向における動きが制限される。
【請求項７】
上記の取り外し自在の水平メンテナンスロッドまたはアーム（８）、メンテナンスポスト（９）及びクランプは、前記風力タービンが前記外部プラットフォーム上で稼働状態である時に、メンテナンストラック長手軸と平行な方向に対して前記風力タービン固定軸を固定し、その一方で前記風力タービンが問題を有して調整が必要であれば、前記クランプが前記ポストを開放し、前記ポストはタービン全体が前記内部プラットフォーム上に位置するまで前記トラックに沿って引き寄せ、前記アームはメンテナンスのために取り外され得るとともに、メンテナンスが終了すると、前記トラックとクランプによって固定された前記ポストとの間をスライドすることで、前記風力タービンは前記外部プラットフォーム上での稼働状態に戻る。
【請求項８】
前記風力タービンは、水平軸風力タービン（ＨＡＷＴ）または垂直軸風力タービン（ＶＡＷＴ）、あるいはこれらの組み合わせである。
【請求項９】
地上階の床の上に配置される水素発電ユニット（１３）のそれぞれが、
ａ）  風力タービンの電力出力が、直流に変換されるとともに適度な低電圧及び高アンペアに変換された後に供給される電解槽を備える水素生成ユニットまたはＨＧＵ（ＨＧＵは水源、純水タンク及びポンプを備える）と、
ｂ）  加圧ポンプまたは液化及び冷却機器と、
ｃ）  水素貯蔵タンクと、
ｄ）  定常電力を生成する燃料電池発電機と、
を備える請求項１に記載の風力エネルギータービンシェルステーション。
【請求項１０】
対腐食性及び防火用の断熱性を有するフレームと、各階及び前記地上階における十分な数の消火器（distinguisher）と、を備える請求項１に記載の風力エネルギータービンシェルステーション。
【請求項１１】
大きな風速に晒される高い高度の風力タービンを使用して、稼働時間がより長く、稼働風速範囲がより大きい発電方法であって、
ａ）  請求項１に記載の風力エネルギータービンシェルステーションの提供と、
ｂ）  他の前記風力タービンが稼働中である間に、前記メンテナンストラック、前記貨物自動車搭載クレーン及び前記エレベータまたはリフトを使用した、内部プラットフォーム上の故障した風力タービンのための定時の継続的なメンテナンスによる、前記風力エネルギータービンシェルステーションの総稼働容量の最高水準での維持と、
ｃ）  請求項１に記載の風力エネルギータービンシェルステーションの水平断面における高さの最小直径に対する適度な比の使用（この比は、高い設計地震力である地域及びハリケーン地域であるほど小さくなり、適度な比を採用することで２０００ｍの高さに達し得るのであって、高い高度が大きい風速をもたらす）と、
ｄ）  巨大さが優先される実用的な風力タービンより小さく、稼働風速の範囲がより大きく実用的な風力タービンと比較して直径が小さい、請求項８に記載の小型の風力タービンの使用と、のステップを備え、
ｅ）  適度な電圧及び電流による系統または電解槽への電力の供給を行う、
発電方法。
【請求項１２】
電力出力が風速に応じて非定常にならず、需要に合致し得る供給の時間中において周波数、電流及び電圧が安定する、風力タービンによる発電方法であって、
ａ）  請求項１に記載の風力タービンステーションの提供と、
ｂ）  適度な電圧及び電流による電解槽への電力の供給と、
ｃ）  前記電解槽を使用して水を分解することによる水素の生成と、
ｄ）  適度な大きさ及び材料タンクに加圧下または液体で貯蔵するための水素の加圧または水素の液化と、
ｅ）  既に生成されて貯蔵されている水素が供給される燃料電池を使用することによるポンプ及び液化機器への定常電力の提供と、
ｆ）  非定常電力を生成するとともに時間の経過によって風速が変化したとしても需要に合致するための燃料電池への水素の供給と、
ｇ）  系統への電力の供給と、
のステップを備える発電方法。
【請求項１３】
メンテナンスポストのための２つの前記クランプが、
ａ）  上面に前記通しボルトが嵌合するねじ穴を有する前記メンテナンスポスト及び前記鋼板の向かい合う両側上で、外部プラットフォーム鋼梁の一方にそれぞれが溶接されている２つの垂直な薄い鋼板と、
ｂ）  端部付近に前記通しボルトが貫通可能な２つの垂直スロットを有し、前記通しボルトがナットで締められることで、それらが前記メンテナンスポスト及びアームを前記短円筒と前記メンテナンストラックの終端との間で保持される前記固定軸に向かって押す、前記メンテナンスポストの中央に固定された鋼通路と、
を含む代替構造を備える。
【請求項１４】
前記メンテナンス及び建造エレベータまたはリフト及び従業員エレベータは、隣接して設置されるとともに内部柱及び内部フレームによって支持され、前記メンテナンス及び建造エレベータは、建造及び継続的なメンテナンス作業の期間中に風力タービン、柱、梁、床及び貨物自動車搭載クレーンを運ぶのに十分に大きく、従業員エレベータはメンテナンスエレベータよりも小型であって、荷重容量が小さく、速い。
【請求項１５】
２つの隣接して積層された内部プラットフォームの間を接続する、少なくとも１つの傾斜した傾斜路を備え、前記傾斜路上を高い階のプラットフォームに向かって上側に進むまたは低い階のプラットフォームに向かって下側に進むことで、貨物自動車搭載クレーンが１つの階から隣接した階に移動可能である請求項１に記載の風力エネルギータービンシェルステーション。
【請求項１６】
風速に応じて変動する電力を生成し、１つの垂直線上に位置する全ての前記風力タービンの出力線が、前記風力エネルギータービンシェルステーションの上端階から地上階まで電気的に隔絶されたダクト内を通過する１つの電気的かつ垂直に隔絶されたケーブルに直列接続され、前記ケーブルは、電流を変換して直流にするとともに電解槽入力電圧に適合する低電圧となるように電位を下げるインバータ用変圧器に接続され、前記電解槽は、水位スイッチを備えるとともに純水が供給される前記水タンクから供給され、陰極で生成された水素は捕集、純化及び加圧された上で高圧タンクに貯蔵されるか液化した上で十分な冷却タンクに貯蔵されて燃料電池発電機で使用され、前記燃料電池発電機は、前記風力エネルギータービンシェルステーションの外側に建てられている系統に接続された電力塔の通過容量計の系統容量に対して出力が適合する変圧器に接続される出力電力ケーブルを有する請求項１に記載の風力エネルギータービンシェルステーション。
【請求項１７】
請求項１に記載の風力エネルギータービンシェルステーションの別の代替的な形状である、鎖状開断面複数階フレームシェル構造（ＯＳＭＬＦＳＳ）は、前記ＯＳＭＬＦＳＳが複数の独立した開断面複数階フレームシェル構造を備え、前記ＯＳＭＬＦＳＳモジュールは空間フレームを介して互いに接続され、前記ＯＳＭＬＦＳＳの断面は半円筒または請求項２に記載のその他の半断面であり、２つの連続したＯＳＭＬＦＳＳモジュールのそれぞれは、ＯＳＭＬＦＳＳの長手軸に対して反対方向を向いており、前記ＯＳＭＬＦＳＳのそれぞれのモジュールは、請求項１に記載のＷＥＴＳＳの部材と同様の部材を備え、前記ＯＳＭＬＦＳＳは前記水素ユニット、メンテナンストラック、メンテナンスポスト及びクランプセットを搭載し得るとともに、前記ＯＳＭＬＦＳＳにおける少なくとも最初のモジュールの最初の垂直端及び最後のモジュールの最後の垂直端は、異なる４つの略垂直方向に沿って伸びた最小４つのケーブルで地面に固定され、任意の２つの隣接するケーブルは水平面内において略９０°の角度を成し、前記ケーブルは、ＯＳＭＬＦＳＳの中央高さより上である、一連状の最終及び最初のＯＳＭＬＦＳＳモジュールの最上階の柱接続部から地面に向かって伸びている。
【請求項１８】
貨物自動車搭載クレーン、エレベータまたはリフト及び２つの隣接した階のプラットフォームを接続する傾斜路を使用した、請求項１に記載の風力エネルギータービンシェルステーション及びその代替である請求項１７に記載のＯＳＭＬＦＳＳの内側からの建造方法であって、
ａ）  貨物自動車搭載クレーンを使用した、より高い第２階に到達する傾斜路を含む第１階の建造と、
ｂ）  前記傾斜路を使用した次の高い階への前記貨物自動車搭載クレーンの移動と、
ｃ）  メンテナンスリフトまたはエレベータを使用した、次の高い階への供給材料の持ち上げと、
ｄ）  貨物自動車搭載クレーンを使用した次の高い階の建造と、
ｅ）  ＷＥＴＳＳまたはＯＳＭＬＦＳＳの最上階に至るまでの、ｂ）、ｃ）及びｄ）の繰り返しと、
のステップを備える建造方法。
【請求項１９】
請求項１に記載の風力エネルギータービンシェルステーション及び請求項１７に記載のＯＳＭＬＦＳＳは、利用可能な変化する風速のもとで非定常の出力電力を与える様々な低周波数発電機を備えた小型の風力タービンを使用した風力発電を行い、前記出力電力は水素生成を行う電解槽に供給され、水素生成の影響を受けない低変動周波数の出力電力の使用により、前記風力タービンの発電機におけるギアまたは磁気コアの速度を低減し、この速度の減少により前記発電機の部材の摩耗及び損傷を低減し、変動する低周波数の発電機の使用は、周波数調整装置を不要とし、前記低変動周波数発電機のコストを削減する。
【請求項２０】
請求項１に記載のＷＥＴＳＳまたは請求項１７に記載のＯＳＭＬＦＳＳに前記風力タービンを搭載することで、現在の風力タービンの機能高さが１０−１２５ｍであるところ、地面にしっかりと固定された支持構造上に固定される風力タービンの機能高さが、前例がない１０ｍ−２０００ｍまで増加する。
【請求項２１】
請求項１に記載の風力エネルギータービンシェルステーション（ＷＥＴＳＳ）及び請求項１７に記載のその代替構造は、風力エネルギータービンシェルステーション及びその代替構造であるＯＳＭＬＦＳＳが、ＷＥＴＳＳ及びＯＳＭＬＦＳＳと同じ直径を有する従来の同様の複数階塔と比較して活及び死荷重が小さいことによって、２０００ｍの高さまで達するために従来の建造材料及び手法を用いて建造されており、ＷＥＴＳＳ及びＯＳＭＬＦＳＳの階（levels or stories）数は、従来の同様の高さの塔における階数よりも少なく、ＷＥＴＳＳ及びＯＳＭＬＦＳＳではほとんど隔壁がなく、ＷＥＴＳＳ及びＯＳＭＬＦＳＳでは同時に存在する活荷重が小さく、ＷＥＴＳＳ及びＯＳＭＬＦＳＳは直径の高さに対する比が小さく、これによってＷＥＴＳＳ及びＯＳＭＬＦＳＳが２０００ｍもの高い高度になるための水平方向の力に対抗する強度が増大し、ＷＥＴＳＳ及びＯＳＭＬＦＳＳでは建造水平面積を低減するシェル形を使用して、ＷＥＴＳＳ及びＯＳＭＬＦＳＳの重さ及び建造コストを低減する。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
風力エネルギーは１２００年代のヨーロッパで古くから用いられており、穀物を石臼の間ですり潰す風車として利用され、さらにオランダ人には種から油を搾りとる搾油機や塗料抽出機、脱穀機、接着剤抽出機などの抽出用の風車として利用されていた。
【０００２】
２０世紀末及び２１世紀初頭には、風力タービンという重大な発展がもたらされ、風力は化石燃料に代わり得るエネルギー源となった。
【０００３】
地球上に降り注ぐ太陽放射は年間５．６×１０２４Ｊである。太陽エネルギーは大気中及び地表に放射され、大気を暖めて風を起こす。世界中で使用される一次エネルギーは約５００ＥＪと見積もられるが、これは１６ＴＷの容量の発電機を必要とする。総消費エネルギーは、地球の大気及び表面で取得される太陽放射の０．０１％未満であり、風の運動エネルギーの約０．１％である。このことは、風力が莫大な代替資源であって、持続可能かつクリーンなエネルギーであることを示している。
【０００４】
最先端の実用的な風力タービン業界は、１年間を通じた平均的な発電容量が約１ＭＷである巨大な風力タービンを使用している。しかしながら、以下説明するように、実用的な風力タービンが本来的に有している欠点が、現在の技術が化石燃料や原子力エネルギーの代替として適した存在になることを阻んでいる。このいくつかの欠点とは、出力の変動が大きすぎること（即ち、容量クレジットが低すぎること）、極めて広大な土地が必要であること、人間の記憶に影響を与える大きな騒音、約２Ｋｍにわたって被害が及ぶことであり、これらは風力タービン症候群として知られ、鳥やコウモリに対する危険もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許番号：CN 101191455(A), 分類：F03D3/00;F03D3/04;F03D3/06;F03D9/00,Y02E10/74, 公開日：2008年6月4日, 発明者：ミンシャン(Min Xiang)ら
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
［議論］
ＷＥＴＳＳに最も関連するタービンは、ミンシャン（Min Xiang）らの発明である「複合装置群を用いた風力エネルギーの収集方法」である。しかしながら、次の理由から、これはＷＥＴＳＳとは大きく異なっている。
【０００７】
１．  ミンシャンらは、大きなガイドホイールによって２つの内部ホイールに対して風の流れを向ける安全な高さに設けられた１つかつ単独の発電所を用いている。しかしながら、ミンシャンの風力発電所は、複数の独立した風力タービンを有していない。これに対して、ＷＥＴＳＳは、シェルフレーム構造が数千または数万の独立した風力タービンを支持している。
【０００８】
２．  別の目的のために機能する既存の建造物であるミンシャンの高層建造物とは異なり、ＷＥＴＳＳのシェルフレームは、もっぱら、風力タービンや、需要に応じた継続的な発電を行うあらゆる必要な装置を収容するために建造される。
【０００９】
３．  ＷＥＴＳＳは、約２０００ｍという前例がない高い高度まで達する地球上で最初の固定構造物であり、そのような高い高度で風力エネルギーを収集する地球上で最初の構造物である。そして、ＷＥＴＳＳは、稼働する高さの違いに起因して、ミンシャンよりも数倍高い効率を有する。当該高さに達する構造物は存在せず、現在の６００―７００ＭＰａの高降伏鋼を用いた当該高さに達し得る構造設計も存在しない。しかし、ＷＥＴＳＳは、既存の高降伏鋼を用いて境界層に達する。
【００１０】
４．  ミンシャンらは、可動部分や発電機、ワイヤ、収容されている人々が建造物を通常の異なる目的で使用するための変圧機能を有するため、居住者における電気的被害や機械的被害の実質的な発生源になり得る。しかしながら、ＷＥＴＳＳは、ＷＥＴＳＳで働く専門家のみが建造及びアクセスする。ＷＥＴＳＳステーションで働く人々は、自分の職場であるＷＥＴＳＳで安全に働けるように訓練されている電気技師、エンジニア、マネージャ、技術者である。
【００１１】
５．  ミンシャンらの設計は、風力タービンによる発電の不規則性を変えるものではない。一方、ＷＥＴＳＳは、変動する周波数、電流及び電圧が一定になるように電力形式を変換して需要に合致させるものであり、化石燃料によって得られる電力の特性と同様である。
【００１２】
最先端は、約１００−１２５ｍの高さのハブにおいて稼働する薄片の翼を３枚備え、これらが当該薄片の垂直面内で回転する、大型の風力タービンである。これらの実用的なタービンでは、風速１２から１４ｍ／ｓで公称（最大）容量に達し、この最大エネルギー出力はカットオフ速度２５−４０ｍ／秒となるまで継続する。この最先端の風力タービンは、次のようないくつかの欠点を有する。
【００１３】
−    騒音や影のちらつきがあるため、通常、タービン間の土地を通常使用することができないと考えられ、風力発電地帯内でタービンが要する土地面積が大きくなりすぎてしまう。それでも、ＷＥＴＳＳが要するのは、同様の容量である現在の風力タービンが必要とする平均面積の約０．２％である。
【００１４】
−    最先端の風力タービンは、タービンから約２ｋｍの距離における人間の健康を害する騒音を発生させる（風力タービン症候群）。風力タービン症候群とは、振動や低周波数の騒音によって、風力発電地帯の周囲２ｋｍに居住する人々に対して、頭痛や記憶の欠如、その他の病気を引き起こすものである。しかしながら、ＷＥＴＳＳでは、小型の風力タービンであるＶＡＷＴ及びＨＡＷＴの先端速度が稼働風速に近いことから騒音が極めて小さい。さらに、最先端のＨＡＷＴの先端速度は、通常、稼働風速よりも８−１３大きい。
【００１５】
−    最先端の風力タービンは、鳥やコウモリを殺す。先端速度が低く稼働風速に近い小型の風力タービンを用いるＷＥＴＳＳでは、この危険が生じない。
【００１６】
−    最先端のＨＡＷＴ及びＷＥＴＳＳタービンの両者における効率係数が近いため、ＷＥＴＳＳが生成する１ｍ２の受風面積当たりのエネルギーは、最先端の風力タービンの約５．０倍も大きく、さらにＷＥＴＳＳは、１０ｍの高さのハブに設けられた同様の小型の風力タービンの約３５倍も生成する。
【００１７】
−    最先端の風力タービンが与える電力の電圧、周波数、電流及び出力は、風速が時間とともに変化するという通常の結果として、常に変動する。
【００１８】
−    ドイツのＷＶＩＣと、デンマーク、イギリス、アメリカにおける他の４つの研究では、最先端の風力タービンが、約４−１６％の容量クレジットとなるエネルギーを発生させるとする。このドイツの研究では、風力タ−ビンによる系統供給（grid penetration）が４９ＧＷであったとしても、変動が大きいために、化石燃料の２ＧＷを代替することが可能であるに過ぎないと結論付けられている。このことは、実際に有用な容量が、２５ＧＷ（イギリスの研究）や４９ＧＷ（ドイツの研究）である公称またはタグ容量の６−２５分の１に過ぎないことを示している。それでも、本明細書で説明する通りＷＥＴＳＳは、１００％の容量クレジットを有し、電流、周波数及び電位が一定であって時間に合致した通常の電力を生成する。さらに、ＷＥＴＳＳは、等しい容量の非再生可能エネルギーの発電機に代替可能である。この等容量の代替によって、ＷＥＴＳＳは、現在の伝統的なエネルギー産業に代わる、実質的なクリーンで再生可能なエネルギーになる。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
風力エネルギータービンシェルステーション（ＷＥＴＳＳ：WindEnergy Turbine Shell Station）は、新規な設計の構造物であり、初めての、風速がより大きい高所で風力タービンを支持するように構成されるとともに最も先進的な小型または中型の風力タービンを有する単純かつ大きな構造物である。燃料電池の需要に合致した再生成を繰り返すために、また最も重要である分、時、日、週及び月という短期間で変動する風速の影響を受けない周波数、電流及び電位の安定した特性に合致した再生成を繰り返すために、生成された電力は化学媒体に一時的に貯蔵される。さらに、この設計は、本明細書で説明する通り、最先端の風力エネルギー業界における他の欠点を克服するものである。
【００２０】
風力エネルギータービンシェルステーション（ＷＥＴＳＳ）は、高度１０００−２０００ｍに達する複数階シェル状フレーム構造であり、好ましくは円形（多角形、菱形または正方形でもよい）の水平断面を有する。複数階構造におけるそれぞれの階は、典型的には８−２５ｍであって水平断面の外周を囲う内部プラットフォーム通路（strip）である。それぞれの通路は、フレームシェル構造の内側に隣接する〜４．０ｍの幅の傾斜路（ramp）によって上階及び下階の通路と接続される。階の典型的な高さは〜１０ｍである。水平断面の典型的な直径または幅は１２５−５００ｍであり、典型的な高さは５００−２０００ｍ、典型的な階の数は５０−２００階である。
【００２１】
それぞれの階または少数の階に対して、貨物自動車搭載クレーンが提供され、当該クレーンを扱う各シフト３−５人程度の専門家から成る同行チームが、担当する階におけるタービンの継続的なメンテナンスを行う。構造全体に対して４以上のエレベータが設けられ、２つは人を運び、２以上は機器や風力タービンを必要な階に運ぶ。トイレは各階の傾斜路の下に設けられ、それぞれの傾斜路の下に１つのトイレがある。水素の製造や貯蔵、変圧及び電力変換を行う全ての機器は地上階に設けられ、そこの追加スペースには、必要な水素を供給するタンクや、生成された水素を安全に貯蔵して燃料電池内で再使用するための他の装置が、追加され得る。
【００２２】
風力タービンは、本体の外周から断続的または連続的に突出した外部プラットフォームに設けられて分布する。この構造物は、典型的には高降伏鋼で建造されるが、その一方で床は、軽量床鋼板を中降伏鋼の第１及び第２梁上に設けたものから成る。ＷＥＴＳＳは、定常電力の典型的な年間容量の実質平均が５０−１０００ＭＷであり、非定常電力では１８７．５−３７５０ＭＷである（年間平均風速が６ｍ／秒のとき）。
【００２３】
フレーム構造は、複数の水平軸または垂直軸風力タービン（あるいはこれらの組み合わせ）のそれぞれを支持し、上記のそれぞれの風力タービンは風力エネルギーを収集して電力を生成し、当該電力は、地上階における変圧器、水道、電解槽、ポンプ及び水素タンクの使用によって、収集された一時的なエネルギーの大半を化学的に貯蔵する水素を生成するために使用される。水素は、高圧下または液体状態で地上階のタンクに貯蔵され、貯蔵された水素量は十分な容量の燃料電池で使用される。ＷＥＴＳＳの定常電力のための容量である燃料電池の容量は、１年間に生成される定常電力の平均から計算される。燃料電池は、電流、周波数及び電位の特性が定常的である電力を再生成し、地上階における十分な変圧器によって系統に適合する電圧及び電流に変換された後で、上記の定常電力は系統に供給される。
【００２４】
ＷＥＴＳＳは、任意の高効率な小型の垂直軸風力タービン（ＶＡＷＴ：vertical axis wind turbine）または水平軸風力タービン（ＨＡＷＴ：horizontal axis wind turbine）あるいはこれらの組み合わせを用いる。それぞれは、風力タービン柱、床及び隣接するタービンの間に小さい空間を有した状態で、柱と床の間の間隙に嵌め込まれる。本発明者らは、利用可能なＶＡＷＴ及び小型のＨＡＷＴが３０％の効率を有し、最先端のＨＡＷＴが平均風速６ｍ／秒（１３．４ｍｐｈ）の環境下にあり、すべてのタービンのカットイン速度が４ｍ／秒（８．９５ｍｐｈ）であり、大型のＨＡＷＴの定格風速が１２ｍ／秒（２６．８４ｍｐｈ）である場合において、ＶＡＷＴ及び小型のＨＡＷＴの効率が１１％よりも大きくなり得ることについて、理論的に証明する。
【００２５】
この証明について、図１６及び図１７のグラフに図示する。図１７は、１年の長期間に収集された総エネルギー（図１７のエネルギーのグラフの下の面積を積分したもの）を示している。
【００２６】
2014530321.tif 000003
【００２７】
最も可能性が高い１年間で収集されるエネルギー＝1.69×E6×0.30＝0.507E6
【００２８】
2014530321.tif 000004
【００２９】
最も可能性が高い１年間で収集されるエネルギー＝1.88×E6×0.30＝0.564E6
【００３０】
2014530321.tif 000005
【００３１】
同じ平均風速である階に小型のＨＡＷＴを設けると効率が高くなる理由は、小型のＨＡＷＴの先端速度及び生成される電力が、カットアウト速度に至るまでは風速に対して比例するとともに、当該カットアウト速度が大型のＨＡＷＴのカットアウト速度よりも大きいからである。しかしながら、大型のＨＡＷＴは、小型のＨＡＷＴのカットアウト速度（〜１２５−１４０ｍ／秒）よりもずっと小さいカットアウト風速（２５−４０ｍ／ｓ）に至らない、定格速度と同じかそれより大きな風速において、定常的なエネルギーを生成する。
【００３２】
［増大した効率］
図１８は、Ｈ＝１０ｍに設けられた小型の風力タービンが０．１０ＫＷ／ｍ２の電力を生成すること、ハブの高さがＨ＝１００ｍとなるように設けられた最先端の実用的な風力タービン（ＨＡＷＴ）が０．６６ＫＷ／ｍ２の電力を生成すること、その一方で同じ小型の風力タービンが設けられたＨ＝２０００ｍ（本明細書で説明する通りの全体の高さ）のＷＥＴＳＳが３．７５ＫＷ／ｍ２の平均電力を生成すること、を示している。比較対象である生成電力は、風速に応じて不規則に変動する。
【００３３】
ドイツのＷＶＩＣについて、風力タ−ビンによる供給容量（penetration capacity）が全体で４９ＧＷを超えるとしても、最先端の風力タービンは４％の容量クレジットしかない。世界中のほとんどの国において、消費が一時間で４９ＧＷを上回るところ、さらにこの４％が全ての国（カナダ、アメリカ、ドイツ、イタリア、日本、中国、イギリス・・・）で利用可能となる。
【００３４】
図１９は、最先端の実用的な風力タービンであるＨＡＷＴの有用な容量が、公称（タグ）容量（供給容量で４９ＧＷを超える）の４％であるとすると、ＨＡＷＴは受風面積当たりの容量が０．０９ＫＷ／ｍ２になることを示している。しかしながら、Ｈ＝２０００ｍのＷＥＴＳＳでは、２つの他の効率係数（電気分解が０．６５、燃料電池が０．４１）の適用によって定常的な電力を生成する場合、受風面積当たりの容量が１．０ＫＷ／ｍ２になる。
【００３５】
［極めて小さいスペース］
実用的な風力タービンは、ヨーロッパ及びアメリカのそれぞれにおいて効率係数を０．３とする場合、平均で８．５−３３ヘクタール／ＭＶの間のスペースが必要となる。ここで、化石燃料に基づく電力と混合されるとすれば、非定常電力の全てが有用と仮定される。一方、既存の化石燃料や水力、原子力または他の典型的で定常的な特性を有する電力との混合を無くして風力エネルギーのみを使用する場合、総容量は４９ＧＷを超えるが、容量クレジットが４％であり、必要なスペースが５３−２０６ヘクタール／ＭＷになる。
【００３６】
しかしながら、ＷＥＴＳＳでは、非定常電力を得るために必要なスペースは０．０３−０．０５ヘクタール／ＭＷであり、定常電力を得るとともに需要と釣り合うために必要なスペースは０．１０−０．１５ヘクタール／ＭＷである。
【００３７】
［ＷＥＴＳＳの機能］
本明細書に記載するＷＥＴＳＳの機能は、風の運動エネルギーを、定常的な電流、電位及び周波数を有するとともに需要に合致する電気エネルギーに変換する高さが大きな既存の小型の風力タービンを用いるものである。さらに、出力電力は、分、時、日、週及び月という短期間において、風速とともに変動しない。しかしながら、平均可能出力は、地域の年間平均風速に関連及び比例する。
【００３８】
設置された風力タービンによって、フィルタ処理をされることも大きな変動もなく生成された電力は、水から水素を生成して一時的に貯蔵するために使用される。さらに、貯蔵された水素は、定常的な電流及び周波数を有するとともに需要に合致する電力を生成する燃料電池に供給される。さらに、燃料電池の出力は、適合する電圧及び電流に変換された後で、公共の系統に接続される。ＷＥＴＳＳは、フレーム構造の外周の周囲に設けられた外部プラットフォーム（１４）上に多数の風力タービン（１）を備え、当該タービンの出力が水素を生成する電解槽（１２）に接続される。電解処理の速度を上げ、エネルギーの無駄な消費を避けるためには、電解槽に供給する電位は約２．０６ｖにすると良いが、その一方で供給される電流は可能な限り大きくすると良い。電流の範囲は５０００００−１００００００アンペアとなり得る。
【００３９】
ＷＥＴＳＳで使用される小型の風力タービン（１）は、任意の効率的な小型または中型の水平軸風力タービン（ＨＡＷＴ）または垂直軸風力タービン（ＶＡＷＴ）とすることができる。設置されている風力タービンの半数は風に向かっており同時に稼働するが、その一方で風下に位置する残りの半数は、風向きが変わり半数の風力タービンが風上側となって始動及び発電が誘起されるまで、停止している。
【００４０】
さらに、ＷＥＴＳＳの稼働速度範囲は、使用されるＨＡＷＴまたはＶＡＷＴに関係するが、電解槽のエネルギーを生成するための通常の範囲は３−１４０ｍ／ｓである。
【００４１】
高い周波数定常性を有した電力が必要である場合、小型及び中型のＨＡＷＴ及びＶＡＷＴのカットアウト速度が、２５−５０ｍ／ｓの範囲に近づく。それでも、小型のＨＡＷＴ及びＶＡＷＴのカットアウト速度は、製造にかかるＫＷＨコストを最小限に抑えるべく、可能な限り小さい速度に制限すると良い。例えば、６ｍ／秒の環境下において、発電機コストの増加と追加的な生成電力との差は、２５ｍ／秒のカットアウト速度及び２０ｍ／秒のカットアウト速度のいずれが望ましいのかによって決まる。２５ｍ／秒のカットアウト速度では１０−５Ｅ６Ｊを逸失し、一方で２０ｍ／秒のカットアウト速度の場合は０．００１１Ｅ６Ｊを逸失する。ここで、Ｅ６は、風速が年間を通じて一定かつ継続的であると見なすとともに、年間平均風速６ｍ／秒の場合に利用可能なエネルギーである。換言すると、小型の風力タービン（１）におけるカットアウト速度に関する決定において、発電機にかかる追加的なコストと、２５年と推測される発電機のライフサイクルを通じて収集される追加的なエネルギーとは、トレードオフとなる。
【００４２】
しかしながら、電解槽用の電力を生成すると、周波数を一定にする必要がないため、発電機のコストが低くなるとともに装置寿命が長くなり得る。
【００４３】
むしろフレーム構造や需要との合致性よりも、ＷＥＴＳＳにおいて極めて重要かつ独特なことは、設置後において、進行的かつ継続的なメンテナンス作業が、２４時間週７日で１年中行われることである。換言すれば、同時に稼働するタービン（総風力タービンの半分）の９９．３３％を超えるタービンにおいて、３６５日の稼働が期待される。これは、メンテナンススタッフが、それぞれのプラットフォーム（１１）において、モニタ及びコンピュータを使用してタービンを継続的に監視するからである。他の全てが稼働している間でも、いつタービン（１）のメンテナンスが必要か、どれが必要か、がモニタリングによって伝えられる。現在の先進的なタービンでも全てのタービンが１年に１回はメンテナンスを受けるという保守的な考え方に立ったとしても、タービンの９９．３３％はほぼ確実に一年を通じて稼働し得る。その結果、それぞれのタービンの年間平均稼働時間は、０．９９３３×８７６０＝８７０１時間／年となる。
【００４４】
コスト分析では、全てのタービンの総数を考慮する。一方、エネルギー計算では、タービンの半数を考慮する（同時に他の半数のタービンが停止しているため）。
【００４５】
さらに、地上階の追加遮蔽空間（２６）には、追加の水素ユニット（１２）を設置するためのスペースが設けられ、これによって、総水素生成量及び貯蔵容量が、燃料電池が需要に合致した電力を生成するために十分なものとなる。
【００４６】
風力エネルギーによって生成される電力及び電解槽に供給される電力の変動は、加圧、液化あるいは他の固体または液体材料と一時的に結合したいずれかの状態で水素タンク貯蔵部（１２）に送られる、生成される水素の量に影響する。
【００４７】
しかし、生成された水素の総量は、主としてその地域の年間平均風速の影響を受ける。一方、全体的な水素の貯蔵容量は、数ヶ月間にわたる風の変動、消費者の需要の変動及び使用中のＷＥＴＳＳの容量によって決まる。水素貯蔵部（１２）の容量は、Ｅｉ／Ｅａｖｅの計算、月毎の必要及び余剰の比較によって推定され、ここでＥｉ（ＫＷＨ）は、実際の標準的な既存のまたは予測される消費チャートによって決まる月毎の消費エネルギーであり、Ｅａｖｅ（ＫＷＨ）は、燃料電池によって生成される電力の月毎の平均と等しい月毎の平均需要である。また、月毎の需要または必要の平均と比較した相対累積エネルギー必要比及び余剰比を計算する。また、水素として貯蔵することが必要な総エネルギーは、余剰の最大の正数と消費チャートにおける絶対値が最大となる負数との差である。図２０は、０．９０Ｅａｖｅ＋０．０６Ｅａｖｅ＝０．９６Ｅａｖｅ（Ｅａｖｅはエネルギー需要の月毎の平均）を水素として貯蔵する必要があり、言うまでもなく供給が需要と合致する。また、水素貯蔵部の重さは、０．９６Ｅａｖｅを、中位水素発熱量（medium Hydrogen Heating Value）である３６ｋｗｈで割ることで算出される。そして、必要な貯蔵水素の重さ＝０．９６Ｅａｖｅ／（３６×０．４１）＝０．０６７８×０．９６Ｅａｖｅ（ＫｇＨ２）である。ここで、０．４１は燃料電池の効率係数である。
【００４８】
これにより、液化技術を使用していたとしても、貯蔵部内の圧力に応じて、体積容量に変換することが可能になる。さらに、月毎の平均消費エネルギーは、Ｅａｖｅ＝Ｅａｖｅｗ×０．６１に等しい。ここで、Ｅａｖｅｗは、電解処理の効率が０．６１であって年間平均風速であると推定した場合のＷＥＴＳＳタービンによる月毎の平均生成エネルギーである。さらに、ＷＥＴＳＳ技術を使用することで、電気料金が大幅に下がるだけでなく、工業用や輸送用の水素の生成が提供される。
【００４９】
また、ＷＥＴＳＳを使用すると、最先端の風力タービンを用いると非常に困難かつ高コストになる風力電力バランス管理という重い負担が、軽減される。
【００５０】
ＷＥＴＳＳのシェルフレーム構造における典型的な階高である７−１２ｍは、柱（１０）間の典型的な距離及び主梁（９）間の典型的な距離である７−１２ｍと等しい。第２梁間の典型的な距離は１．５−２．５ｍであり、内部プラットフォーム（１１）典型的な全幅は８−２０ｍである。
【００５１】
この高い構造を建造する方法は、第１プラットフォーム（１１）、メンテナンスエレベータ（２２）及びスタッフエレベータ（２３）を同時に設置するために、地上階におけるいくつかの貨物自動車搭載クレーン（２７）を使用することである。次に、地上階と第１階を接続する傾斜路（３７）によりクレーン（２７）を第１階（１１）に上げて、建造を継続する。ＷＥＴＳＳのそれぞれの階は、２つの傾斜路（３７）を有する。地上階を使用することで第１階及び第２階を接続する傾斜路（３７）が建造される。そして、第１階が完成すると、貨物自動車搭載クレーン（２７）は、新しい傾斜路（３７）を使用して第２階に上がる。建造材料は、メンテナンス及び建造エレベータ（２２）で一階に上げられる。外部プラットフォーム（１４）は、事前に建造されているかその場で建造され、４つのリフティングリング（１５）が外部プレハブプラットフォーム（１４）に溶接される。次に、クレーン（２７）の使用により、シェルフレーム梁（９）のフランジと外部プラットフォーム梁との間に４つ以上の鋼板を溶接することによって、外部プラットフォームをシェルフレームに溶接する。上端２以上及び下端２以上のプラットフォームは、縁が共通する。外部プラットフォーム及び階全体の準備が整うと、クレーン（２７）及びスタッフがより高い階（１１）に移動する。風力タービン（１）の設置は、クレーンが２または３階先に移動した後に開始され得るものであり、いくつかの他の貨物自動車搭載クレーンや建造エレベータが使用される。
【００５２】
水素ユニット（１２）は、地上階と第１階の建造を終了した後に設置される。しかしながら、最上階の建造が終わるまで、シェルフレーム内での建造中は常に、シェルフレーム労働者や材料を送り込むために、エレベータ（２２）への通路を空けておく必要がある。風力タービン（１）の設置に比例して、電解槽（１２）及び水素貯蔵タンク（１２）の一部の使用の準備が整うと、電気工事が開始され得る。水素の生成と、加圧下での水素の貯蔵と、燃料電池発電機の稼働並びに系統に対する及び建造工程のための電力の供給の開始と、を含めて、この段階で電力の生成が開始され得る。２０００ｍの構造体を仕上げるために要する時間は、資金調達、材料供給及び建造労働者の使用状況によるが、９−２４ヶ月となり得る。
【００５３】
この高いシェルフレーム構造を内側から建造する技術を用いることで、中層建造と同じくらい容易かつ安価になる。
【００５４】
［地震や風からのシェルフレームの保護、構造健全性と機能］
ＷＥＴＳＳの典型的な材料は、延性材料である鋼である。ＷＥＴＳＳは、全体的に鋼で建造された他の構造や、全体的にコンクリートで建造された他の構造と比較して、非常に軽い構造である。ＷＥＴＳＳは、この重量の軽さ故に、大気境界層（２０００メートル）の高さに到達する。
【００５５】
ＷＥＴＳＳは、高い耐震性及び耐風力性を有した設計であり、最大加速度が１．２５ｇよりも大きい地震、及び、世界中のいかなる設計風力や約５００ｋｍ／ｈ（３１０ｍｐｈ）の風速にも耐え、これらの発生中及びその後の状況下でも稼働し続ける。
【００５６】
しかしながら、いくつかのまれな巨大地震に備えて免震を採用すると、ＷＥＴＳＳの損失が削減され得る。
【００５７】
このまれな事象の発生中及びその後の状況下において継続的な有用性を得るためのＷＥＴＳＳの免震構造は、以下の手段の組み合わせによって実現され得る。
【００５８】
１．  Ａ．ベクターザヤス（A. Vector Zayas）によって発明及び製造され、免震に使用される摩擦振り子軸受。
【００５９】
２．  ヘイサムヤクブ（Haisam Yakoub）によって発明され（係属中）、共振を防ぐとともに伝達変位と力振幅を減少させる地震調整装置。
【００６０】
摩擦振り子軸受は、典型的には柱の下かつ足場の上に設置され、それぞれの柱につき１つの軸受が必要である。
【００６１】
それにもかかわらず、地震調整装置の必要数は、摩擦振り子軸受の必要数よりも少なく、典型的には柱数の５−１５％（軸受数の５−１５％）であり、地震調整装置は、地震発生時における軸受の反応が十分な限度となるように減衰させ、これと同時に設計風荷重下における風力エネルギーを消散させるとともに、あらゆる設計風荷重下において構造を安定化する。
【００６２】
［飛行機事故の防止］
衝突事故を回避するために、シェルフレーム構造の全周かつ現在の軍規則及び／または法律によって要求される通常の高さ間隔で、航空機点滅警告灯が設置される。警告点滅光は、通常は夜間に機能する。航空機の飛行経路がＷＥＴＳＳの高さの２倍よりも高くなる場所にＷＥＴＳＳが設置された場合、ＷＥＴＳＳに衝突する可能性はほとんどなくなる。
【符号の説明】
【００６３】
このステーションの図面を以下の図１−１５に示す。図面の番号は以下の通りである。
１．  小型の風力タービンＨＡＷＴまたはＶＡＷＴあるいはこれらの組み合わせ。それぞれのＨＡＷＴの翼は通常のエアロフォイル形である。しかしながら、本明細書の翼は設定される独占権または効率的なＨＡＷＴ／ＶＡＷＴの一例である。
２．  固定軸（３）を取り囲むベアリング（５）の周囲を動くＶＡＷＴの外部回転垂直軸。
３．  ＨＡＷＴまたはＶＡＷＴの垂直固定軸。固定軸は、上端及び下端からボルト及びナットを介してメンテナンスアーム（８）に接続される。固定軸は、固定軸の上端及び下端に溶接された２つの短溝部（２０）を有することで、床（１４及び１１）に固定された２つの上端（１９）及び下端（２１）トラックに溝がちょうど嵌合し、固定軸はトラック（１９及び２１）に沿ってスライドし得るものであり、稼働状態では外部プラットフォーム（１４）上を外側に向かい、メンテナンスでは内部プラットフォーム（１１）上を内側に向かう。
４．  ２つの通しボルト、ワッシャ、ナットを介して垂直固定軸（３）とメンテナンスアーム（８）を接続する短円筒管。通しボルトは、水平かつ垂直な異なる２方向で、円筒管及び固定軸の垂直中心軸を水平に貫通する。
５．  内部固定された垂直軸（３）の周りを回転する翼を案内して支えるＶＡＷＴの上端及び下端ベアリング。
６．  ギアボックスを備えない、または、回転軸から電力発生装置（７）に運動を伝達するギアボックスを備えた磁気発生装置の可動コア。生成された電力が加水分解に使用される場合、生成された電力の周波数を増大させるための高速モーション軸は不要である。これにより、製造コスト及びギアボックス（６）や発電機（７）のメンテナンスが低減される。
７．  ギアボックスまたは磁気コアの動きによって操作される、回転の運動エネルギーを電力に変換する発電機。１つの垂直線上の風力タービン発電機（７）は、タービンの最上階から地上階までのプラスチックダクトを垂直に通過する主絶縁ケーブルに接続される出力ケーブルを有し、それによって電解槽（１２）に電力を供給する、または、発電機が約６０Ｈｚの高周波電力を生成する場合は系統に接続され得る。
８．  ポストの上端及び下端において２つの水平中空断面鋼梁と剛性結合した１つの垂直中空断面鋼ポストを含むメンテナンスアームポストシステム（ＭＡＰ：Maintenance arm-post system）。水平断面梁は、それぞれの反対側と固定軸（３）の上端及び下端とを短円筒管（４）を介して接続する。ＭＡＰの上端水平中空断面部分の上端側は、溝部（Ｕ）（２０）の下端に対して剛性結合される。ＭＡＰの下端水平中空断面部分の下端側は、別のＵ部の下端に接続されることで、上端及び下端メンテナンストラック（１９及び２１）のＴ部に対してＵ部がちょうど嵌合する。その結果、ＭＡＰはトラック（１９及び２１）に沿って、上端及び下端トラックの間をスライドする。ＭＡＰの水平部及び円筒管（４）はヒンジで接続される。これらのヒンジは、中空円筒よりも直径がわずかに小さい円筒型であるとともに小型中空円筒の直径よりも大きい直径の頭部を有するバーを介して互いに固定される、相互接続された３つ以上の小直径円筒から成る。バーの本体は円筒を通過し、頭部によって円筒の外に飛び出すことが防止される。ＭＡＰ（８）は、貨物自動車クレーンを用いる、または、手動でＭＡＰを引くために使用される２つのハンドルを有する。
９．  リング梁を含むフレーム構造の主梁。主梁はフレーム柱（１０）に対して直接的に接続される。主梁及び柱の大きさは、フレーム構造全体の構造解析によって決定される。主梁の横方向支持は、軽量の平板をも支持する第２梁の網目によって与えられる。構造解析は、主として、全ての柱、梁、平板の自重とタービンの死荷重とに基づく。１ｍ２の総平均分散活荷重は、０．１５ＫＰａと推定される。しかしながら、平板（１１）及び梁（９）の設計について、メンテナンス貨物自動車クレーン（２７）の荷重が掛かる場合は、この重さによる集中活荷重を考慮しなければならない。第１に、同様の大きさである通常の構造建造物と比較して、自重（単位面積における死荷重及び活荷重）が軽いこと、第２に、フレーム構造のアスペクト比または高さの直径に対する比が約４であって低く、これによりフレーム断面積の増加を考慮せずとも地震荷重を減衰するための十分に大きな抵抗モーメントが得られること、の２つの理由により、地震荷重は重力荷重応力をわずかに増加させる。地震荷重による応力の増加量は、現場の地震特性によって決まる。
１０．  高降伏鋼から成るフレーム柱。鋼柱は、自重及び死荷重によるフレーム構造全体の構造解析により設計され、風及び地震荷重について検証される。設計風速が数百ＫＭ／ｈとなり得る間であっても、その時間のほとんどでタービンによって風力が消費される。これは、世界中のほとんどの国で妥当する。なぜなら、小型のＨＡＷＴ及びＶＡＷＴは、風速に近い低い先端速度を有しているからである。設計風速が、風力タービンのカットアウト速度よりも小さい場合は、風速をチェックする必要がなく、風力エネルギーのほぼ８５％がタービンによって消費される。一方、カテゴリ４及び５のハリケーンの影響を受ける地域で、設計風速がカットアウト速度よりも大きくなると、フレーム構造のために建造物の風上正面の垂直投影の２５％に対する風をチェックする。小型のタービン（１）は、先端速度がカットアウト速度である約５００ｋｍ／ｈに達し得るため、このチェックは非常にまれである。大型の実用的な最先端の風力タービン（直径１００−１２５ｍ）が達するカットオフ及びカットアウト速度（それぞれ、通常１２−１４ｍ／秒、２５−４０ｍ／秒）は、風速５００ｋｍ／ｈ（１３８ｍ／秒）よりもはるかに小さいが、これは実用的なＨＡＷＴの翼の直径が、典型的なＷＥＴＳＳのＨＡＷＴ風力タービンの１０−１５倍大きいためである。その結果、典型的なＷＥＴＳＳは、カテゴリ４及び５のハリケーンが生じる熱帯地域であっても、風力抑制設計が不要となり得る。
１１．  主及び第２フレーム梁と、梁の上側及び／または間の面を覆うための軽量板／薄板／平板と、で構成される内部プラットフォーム。主梁は、柱の間に伸び、第２梁は、４つの主梁から成るそれぞれの組の間の主梁に対して平行に伸びる。内部プラットフォームは、幅８−２５ｍの通路であり、フレーム構造の外周に沿って伸びる。内部プラットフォームは、約３つの等幅の通路を備える。１つの通路は、メンテナンストラックを含み、稼働状態のタービン（１）をメンテナンスのために引くのに十分な幅を有する。中央の通路は、貨物自動車搭載クレーン（２７）の力を借りてタービンの交換やメンテナンスを行うメンテナンス通路である。３つ目の通路は、その両方が、メンテナンス積荷を運ぶ貨物自動車クレーン（２７）／メンテナンス後のタービン／メンテナンスに関する建造エレベータ（２２）／設置領域のための二車線道路（２９）であり、第３の通路の内側の車線に沿った傾斜路（３７）を介して貨物自動車クレーンが上階に上がったり下階に下がったりする。
１２．  一貫した供給と、周波数、電流及び電位の定常的な電気特性のための水素発電ユニット。水素ユニットは、インバータ、変圧器、電解質で満たされた電解層、純水タンク、水素精製装置、水素貯蔵タンク、燃料電池発電機、加圧ポンプを含む。それぞれの水素ユニットは、垂直共同風力タービン出力線の端部に接続され得る。電流、電圧、水素タンクの十分な容量に関する詳細な説明については、本明細書の［ＷＥＴＳＳの機能］の段落にある。
１３．  主としてメンテナンストラック（１９及び２１）と平行な方向に対して、所定の位置でタービン（１）をきつく固定するメンテナンスアームポストのロック。ロックは、上端が狭く下端が広い２つの垂直厚鋼板を含む第１部分を備え、それぞれはＭＡＰポスト（８）の両側で外部プラットフォーム（１４）鋼梁の１つに溶接され、この鋼板は上端に通しボルトと嵌合するねじ穴を有する。第２部分は、同じ大きさの通しボルトと嵌合する２つの垂直スロットを１つの端部近傍にそれぞれ有する矩形鋼板であり、矩形鋼板はＭＡＰ（８）のメンテナンスポスト部に溶接されるとともに、メンテナンスポスト及び矩形鋼板のそれぞれの辺に対して溶接された２つの三角鋼板によって補強されている。ロックの第３部分は、２つのスロットを通過して三角板に入り垂直厚鋼板に至る２つの通しボルトを備える。２つのボルトを締結すると、短円筒（４）と、トラックと同じ幅及びより大きな高さを有した鋼板（１７）に近い上端及び下端トラック（２１及び１９）の終端（１７）と、の間の所定の位置で支持される固定軸（３）に向かって、ＭＡＰ（８）が押される。
１４．  風力タービンを支持する外部水平プラットフォーム。外部プラットフォームは、ＨＡＷＴまたはＶＡＷＴ（１）の直径の約０．６の距離で、片持ち支持されている。ＨＡＷＴ（１）は、フレーム構造に当たることなく９０°回転する。外部プラットフォームは、内部主梁（９）に対して平行であるとともに対角線に対してほとんど平行に設置される主梁と、主梁に対して垂直に設置される第２補強梁と、を備える。メンテナンストラック（１９及び２１）は、両方のプラットフォーム（１１及び１４）の上に設置される。外部プラットフォームの主梁は、外部及び内部対角線梁の両方の上端フランジ上に上端鋼板が広がり、同じ梁の下端フランジ下に下端鋼板が広がるとともにそれぞれのフランジに対して十分に溶接された状態で、フレーム対角線梁に接続される。外部プラットフォームは、床鋼板で覆われていてもよいし、そうでなくてもよい。外部プラットフォームの幅は、外側ほど狭く、内部プラットフォーム（１１）に近いほど広くなる。２つのフレーム構造柱の間の開口部には、１つの外部プラットフォームのみ存在する。
１５．  クレーン（２７）が内部プラットフォーム（１１）上に設置されている間に外部プレハブプラットフォーム（１４）を持ち上げさせ得るとともに内部プラットフォーム（１１）に適度な鋼板、溶接サイズ及び長さで溶接させ得るリフティングリング。
１６．  ＨＡＷＴの機械室（nacelle）。機械室は、固定軸（３）の中央に溶接された中央鋼底板（１８）上で、固定軸（３）の中央に設置されている。機械室の上端は、ねじ切りされているとともに緩めて固定軸の上端部の下端から離脱させることが可能な管接続部（３３）によって、固定軸の上端部に接続されている。一方、中央鋼底板（１８）上の所定の位置の機械室は、固定軸の上端部の最下点と機械室穴の上端との間の距離よりも管が少し短くなっているため、上端固定軸の下端部が機械室の上端に位置する穴に挿入することが可能である。管接続部の最短の長さは、機械室上端穴の深さプラス４”（１００ｍｍ）と等しい。
１７．  メンテナンストラック（１９及び２１）の外端に固定されるバンパー鋼板。ＭＡＰロック（１３）の２つの通しボルトを締めると、メンテナンストラック（１９及び２１）の外端のバンパーに向かって、ＭＡＰ（８）が対応する固定軸（３）を押す。
１８．  ボルト、ワッシャ及びナットを用いて機械室を固定するための中央鋼底板。
１９．  両方のプラットフォーム（１１及び１４）と同じ階の床上に固定された下端メンテナンストラック（ＢＭＴ：bottom maintenance tracks）。ＢＭＴは、外部プラットフォーム（１４）における稼働状態と内部プラットフォーム（１１）におけるメンテナンスとの間であるＭＡＰ（８）の下端部を案内する。ＢＭＴの断面は、幅広フランジ小型Ｉ鋼梁やＴ鋼梁であり、プラットフォーム（１１及び１４）の第２及び／または主梁（９）に溶接される。
２０．  メンテナンストラック（１９及び２１）フランジの周囲にちょうど嵌合するとともに、風力タービン固定軸（３）の上端及び下端に固定される鋼溝またはＵ形板。Ｕ溝の内部表面は、メンテナンストラックフランジに接触するとともに、より簡単に移動するように潤滑されている。
２１．  両方のプラットフォーム（１１及び１４）と同じ階の底表面に固定された上端メンテナンストラック（ＴＭＴ：top maintenance tracks）。ＴＭＴは、外部プラットフォーム（１４）における稼働状態と内部プラットフォーム（１１）におけるメンテナンスとの間であるＭＡＰ（８）の上端部を案内する。ＴＭＴの断面は、幅広フランジ小型Ｉ鋼梁やＴ鋼であり、プラットフォーム（１１及び１４）の第２及び／または主梁に溶接される。
２２．  メンテナンス／建造エレベータ。該エレベータは、約５×１０ｍであって、貨物自動車クレーン（２７）や、設置用の完全な風力タービン（１）、または鋼梁（９）及び柱（１０）を運ぶために十分な約１０メートルトンの容量を有する。メンテナンスエレベータは、フレーム構造の建造と同時に建造され、プラットフォーム（１１及び１４）に建造材料を供給する建造段階で使用される。建造段階の間、メンテナンスエレベータは、すでに建造されたプラットフォームに新しい風力タービン（１）を設置するために使用される。ＷＥＴＳＳのライフサイクルの間、メンテナンスエレベータは、メンテナンス材料や、ＷＥＴＳＳ内の既存の風力タービンをメンテナンスするための部品および完全な新しいタービンを輸送するために使用される。
２３．  稼働及びメンテナンスのために働く人々を対応するプラットフォームに一度に約２０人持ち上げる容量を有する従業員エレベータ。稼働及びメンテナンス従業員の総数は、ＷＥＴＳＳにおける需要と合致する電力容量１ＧＷに対して約２００人である。
２４．  コンクリート製の個々的な足場またはマット。足場の種類は、現場の土壌容量によって決まる。許容土壌応力が５００ｋＰａ未満の場合、ＷＥＴＳＳ足場のためにマット足場を使用すべきである。そうでなければ、単一足場が、フレーム構造を支持するための解決策になり得る。単一足場の最新のケースでは、足場面を強化して建造物全体が横方向の力に対抗するように、両方向の地上梁を建造している。
２５．  地上階の利用者のためのシールドとして機能する、建造物の第１階の周りの拡張プラットフォーム。拡張プラットフォームの幅は、外部プラットフォーム（１４）の上方投影の約０．５を超え、約１００ｍ×１０ｍ（長さ×入口の幅）の入口上で拡がり、人々の活動がより頻繁になる。
２６．  所定の需要に合致する電力を継続的に発生し続けるために、燃料電池のための十分な水素を生成及び貯蔵するために必要とされる所定の十分な水素ユニット（１２）を収容するための空間を提供する、地上階の追加遮蔽領域。水素貯蔵容量は、風力変動、電力需要及びＷＥＴＳＳ容量に比例する。本明細書では、需要と合致する電力を供給するための水素貯蔵容量の計算について例示している。拡張領域は、内部プラットフォーム領域（１１）よりも大きくなり得る。
２７．  ＷＥＴＳＳの建造期間と、ＷＥＴＳＳのライフサイクル全体におけるメンテナンス作業と、で利用される貨物自動車搭載クレーン。各クレーンは、ＷＥＴＳＳのサイズに応じて、３−５階を担当する。２つの傾斜路（３７）は、それぞれ幅３．７５ｍであり、それぞれのプラットフォームに組み込まれている。１つの傾斜路は、中央の階から２つ隣接する階にアクセス可能なように、上がり下がりしている。傾斜路の開始点は、１つの直径上に位置付けられ、傾斜路の方向はその直径の反対側である。各階の傾斜路は、ある階でシェルフレーム構造の建造及び風力タービンの設置を行う貨物自動車クレーンが当該階を終えたときに、ＷＥＴＳＳの上端に至るまで次の階に移動し得るように、建造中に使用及び建造される。
２８．  避雷針または空気端子、航空機警告灯。空気端子は、典型的な接地穴及び材料を通じて地面に接続されている。航空機警告灯は、有効である設置国の航空規則及び法あるいは国際法に従って設置される。
２９．  作業目的地に着くための貨物自動車搭載クレーン道または道路。このトラックは、それぞれの幅が３．７５ｍである２車線を有する。貨物自動車クレーン（２７）は、貨物自動車の動きが遅くでこぼこであってスタッフにとって不便であるとともにメンテナンストラックが損傷し得る下端メンテナンストラック（１９）上を通過することなく、１つの作業場から別の作業場に移動し得る。
３０．  風に翼を向けて、ＷＥＴＳＳについて選択された個々のタービンによってアクティブまたはパッシブになることが決まり得る機械室のヨーシステム。
３１．  固定軸の上端部の下端にしっかりと嵌合する、機械室の上端穴。上端穴は、機械室と稼働状態における固定軸（３）上のＨＡＷＴとを完全に固定するために使用される。
３２．  水平および垂直面に固定軸をしっかりと固定するためのラグねじ。ラグねじは、メンテナンストラック（１９及び２１）の穴を通過し、締められることで固定軸（３）に接続されたＵ部（２０）が三方向平面内を移動することを防止する。
３３．  固定軸の上端部の下端部を離脱するために緩められるねじ切り管接続部は、底（１８）に設けられた固定軸上への機械室の設置を許容し、機械室上の固定軸上端部を再設置するとともに管接続部を締め付ける。ねじ切り管接続部の最短の長さは、機械室上端穴の深さプラス４”（１００ｍｍ）である。
３４．  異なる垂直方向に沿った最小で４本のケーブルであり、９０°の水平角度を成す隣接する２本のケーブルの任意の２つによって、（ＯＳＭＬＦＳ）の最後及び最初の部分における鎖状（chain）開断面複数階フレームシェル構造（ＯＳＭＬＦＳ：open section multylevel frame shell structures）の高さの中央よりも高い階におけるコーナー柱に固定されるとともに片側が地面に固定された鋼ケーブルまたは炭素繊維ケーブル。ＯＳＭＬＦＳにおける典型的なＷＥＴＳＳは、高さ２００−１０００ｍであり、長さ１０００ｍ−３０００ｍである。典型的な直径またはＯＳＦＭＬＳ内の個々のＯＳＭＬＦＳにおける大きい方の水平距離は、図１３、１４及び１５に示すように、５０−３００ｍである。
３５．  基盤を通過して最終上端面に至る、幅約５ｍの地震または沈下継目。地震継目は、ＯＳＭＬＦＳモジュール間のヒンジ結合を含み、一瞬またはわずかな時間に力だけを伝達する空間トラスを経由する。
３６．  地上階における落下物からの継続的な保護を行うための重複シールド突出部（２５）及び拡張屋根（２６）。
３７．  幅〜４．０ｍ、傾斜〜２０％を有し、内部プラットフォーム（１１）の任意の２つの連続した階を接続し、作業するクレーンスタッフに対して設定された数階の間を移動するために貨物自動車搭載クレーン（２７）が使用する傾斜路。傾斜路のさらなる説明については＃２７の貨物自動車搭載クレーンを参照のこと。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】ＨＡＷＴを備えた典型的な大型のＷＥＴＳＳ、直径〜５００ｍ×高さ２０００ｍ、平面図。
【図２】ＨＡＷＴを備えたＷＥＴＳＳの正面図。
【図３】ＨＡＷＴを備えたＷＥＴＳＳの拡大正面図。
【図４】稼働状態のＨＡＷＴの稼働状態正面図、平面図。
【図５】稼働状態のＨＡＷＴの上面図。
【図６】稼働状態のＨＡＷＴの側面図。
【図７】稼働状態のＨＡＷＴのＡ−Ａ断面図。
【図８】ＶＡＷＴを備えた小型のＷＥＴＳＳ（〜１２５×高さ５００ｍ）の平面図。
【図９】稼働状態の外部プラットフォーム上で三方向から固定軸を保持するロック及びトラックボルトを有したメンテナンストラックの平面図。
【図１０】ＶＡＷＴを備えた小型のＷＥＴＳＳの正面図。
【図１１】稼働状態のＶＡＷＴの側面図。
【図１２】稼働状態のＶＡＷＴのＡ−Ａ断面図。
【図１３】典型的な１ＧＷの、ＨＡＷＴまたはＶＡＷＴを備えた鎖状（open chain）ＷＥＴＳＳの正面図。
【図１４】典型的な１ＧＷの、ＨＡＷＴまたはＶＡＷＴを備えた鎖状ＷＥＴＳＳの平面図。
【図１５】ＨＡＷＴまたはＶＡＷＴを備えた典型的な鎖状ＷＥＴＳＳの拡大平面図。
【図１６】平均風速＝６ｍ／秒と仮定した場合における風速のレイリー分布。
【図１７】風速のレイリー分布がランダムであると仮定した場合における小型のＨＡＷＴ及びＶＡＷＴ、大型で実用的なＨＡＷＴの長期間エネルギー分布。
【図１８】収集エネルギー密度。直接的なタービン電力出力または時間的に非定常な電力との比較。
【図１９】収集エネルギー強度（定常的な電力出力のＷＥＴＳＳ；大型のＨＡＷＴの容量クレジットが４％）。これは、既存の電力またはエネルギー生成プラントの同等量を置き換え得る電力出力の間で行われる比較である。
【図２０】月毎の平均消費Ｅａｖｅに対する水素に貯蔵される必要エネルギー。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成25年9月30日(2013.9.30)
【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】
【書類名】        明細書
【発明の名称】    風力エネルギータービンシェルステーション
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力タービンステーションに関する。本発明は、より具体的には、電力を生成するために風力エネルギーを使用する、オープンフレームを有してそれぞれの床に多くのタービンを備えた複数階構造を有する風力タービンステーションに向けられたものである。
【背景技術】
【０００２】
風力エネルギーは１２００年代のヨーロッパで古くから利用されており、穀物を石臼の間ですり潰すために利用され、さらにオランダ人には種から油を搾りとる搾油機や塗料抽出機、脱穀機、接着剤抽出機などの抽出用の風車として利用されていた。２０世紀末及び２１世紀初頭には、風力タービンという重大な発展がもたらされ、風力は化石燃料に代わり得るエネルギー源となった。
【０００３】
地球上に降り注ぐ太陽放射は年間５．６×１０２４Ｊである。太陽エネルギーは大気中及び地表に放射され、大気を暖めて風を起こす。世界中で使用される一次エネルギーは約５００ＥＪと見積もられるが、これは１６ＴＷの容量の発電機を必要とする。総消費エネルギーは、地球の大気及び表面で取得される太陽放射の０．０１％未満であり、風の運動エネルギーの約０．２％である。このことは、風力が莫大な代替資源であって、持続可能かつクリーンなエネルギーであることを示している。
【０００４】
最先端は、約１００−１２５ｍの高さのハブにおいて稼働する薄片の翼を３枚備え、これらが当該薄片の垂直面内で回転する、大型の風力タービンを備える。これらの巨大または実用的なタービンは、風速１０から１４ｍ／ｓのときに最大エネルギー出力となり、この最大エネルギー出力はカットアウト速度２５−４０ｍ／秒となるまで継続する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
最先端の実用的な風力タービンは、１年間を通じた平均的な発電容量が約１ＭＷである巨大な風力タービンを使用している。しかしながら、実用的な風力タービンが本来的に有している欠点が、現在の技術が化石燃料、原子力エネルギー及び他の従来エネルギーの代替として適した存在になることを阻んでいる。最先端の風力タービンは、多くの欠点を有している。現在の風力タービンは、大型の風力タービンの稼働に伴う騒音や影のちらつきがあるため、通常、タービン間の土地は役に立たないと考えられ、風力発電地帯内でタービンが要する土地面積が大きくなりすぎてしまう。その実用的な風力タービンが必要とするスペースは、ヨーロッパ及びアメリカのそれぞれにおいて、化石燃料に基づく電力に対して混合するかのように、非定常な電力の出力を完全に有用と見なす場合、平均で８．５−３３ヘクタール／ＭＶとなる。最先端の風力タービンは、タービンから約２ｋｍの距離における人間の健康を害する騒音を発生させる（風力タービン症候群）。風力タービン症候群とは、振動や低周波数の騒音によって、風力発電地帯の周囲２ｋｍに居住する人々に対して、頭痛や記憶の欠如、その他の病気を引き起こすものである。最先端の風力タービンは、鳥やコウモリを殺す。
【０００６】
最先端の風力タービンが与える電力の電圧、周波数、電流及び出力は、風速が時間とともに変化するという通常の結果として常に変動するとともに、電力のコストが既に高すぎる現在の風力電力のコストの４倍よりも大きくなることから、エネルギーを化学媒体に貯蔵すること、さらには需要に合致した電力の再生成をすることは適切ではない。
【０００７】
ドイツのＥＯＮエネルギーカンパニーによれば、ドイツの系統において系統供給（grid penetration）（系統内の風力電力の割合）が４９ＧＷである場合、最先端の風力タービンが生成する電力は容量クレジット（あるいは、系統内のまたは常に利用可能な風力設備容量の一部である安定容量）が４％である。換言すると、４９ＧＷの風力タービンの設備容量は、化石燃料発電機の２ＧＷしか代替することができない。これは、風速さらにはタービン出力の変動に起因する。
【先行技術文献】
【０００８】
本発明に近い従来技術はない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
風力タービンステーションは、オープンフレームを有する複数階構造である。「オープンフレーム」とは、構造を閉じる壁を備えることなく、構造の外形を決定するポストまたは柱及び梁を有する構造である。構造は、好ましくは、中央垂直軸を有する環状塔を備え、塔が、少なくとも第１の梁及び柱によって構成される放射状に配置された内側及び外側フレームを画定する。塔は、フレームの長さにわたる内側及び外側フレームの梁の間に広がる、垂直方向に離間した複数の水平な内部プラットフォームを備え、内部プラットフォームは構造の床を形成する。外部プラットフォームは、それぞれの内部プラットフォームの外周面の外側に広がり、風力タービンが外部プラットフォーム上に設置される。それぞれの風力タービンは電力を生成する発電機に対して機能的に接続される。塔は、１０００−２０００ｍの高さに達し得るとともに、閉じたまたは開いた環状の水平断面を有する。塔は、好ましくは、外側及び内側が円形の外周となる環状の水平断面を有する。断面の外側及び内側外周は、正方形や、六角形、八角形などの多角形などであってもよい。複数階構造におけるそれぞれの階は、典型的には水平、平坦、幅８−２５ｍの環状であって塔の外周を規定する内部プラットフォームである。それぞれの内部プラットフォームは、閉水平断面構造内の塔構造の内側フレームに隣接するとともに開水平断面構造内の内側及び外側フレームの間の略中央の距離にある傾斜路（ramp）手段によって隣接する上端及び下端の内部プラットフォームと接続する。傾斜路は、幅が約４ｍである。それぞれの階は、高さが典型的には約１０ｍである。塔構造の典型的な直径または幅は１２５−５００ｍであり、典型的な高さは５００−２０００ｍ、典型的な階の数は５０−２００階である。塔の高さの幅に対する比は、通常約４である。風力ステーションの地域における地震力が高いほど、高さの直径に対する比が小さくなる。
【００１０】
少数の階毎に貨物自動車搭載クレーンが提供され得るとともに、当該クレーンを扱う各シフト３−５人程度の保守（service）及びメンテナンスの専門家から成る同行チームが、担当する階におけるタービンの継続的なメンテナンスを行う。構造全体に対して４以上のエレベータが設けられ、２つは人を運び、２以上は機器や風力タービンを必要な階に運ぶ。水素の製造や貯蔵、これにより電力を生成する全ての機器は、地上階に設けられ得る。追加スペースには、必要な水素を供給するタンクや、生成された水素を安全に貯蔵して燃料電池内で再使用するための他の装置が、追加され得る。
【００１１】
風力タービンは、１つのプラットフォーム上に１つのタービンとなるように、複数階フレームのそれぞれの階における外側フレームの周面の周囲または外部プラットフォームに設けられて分布する。外部プラットフォームは、外側フレームの外周面の全周から外側に向かって断続的または連続的に突出する。塔フレームは、典型的には高降伏鋼で建造されるが、その一方でプラットフォームは、軽量床鋼板またはその他の軽く、硬くて強い材料から成り、中−高降伏鋼から成る第１及び第２梁上に設置される。風力タービンステーションは、年間平均風速が６ｍ／秒の場合、定常電力の典型的な年間平均出力容量が５０−１０００ＭＷであり、非定常電力では１７５−３７５０ＭＷである。
【００１２】
フレーム構造は、複数の水平軸風力タービン（ＨＡＷＴ：horizontal axis wind turbine）、垂直軸風力タービン（ＶＡＷＴ：vertical axis wind turbine）またはこれらの組み合わせのそれぞれを支持し、上記のそれぞれの風力タービンは、風力エネルギーを収集するとともに、これらに接続された発電機により電力を生成する。通常、環状断面の塔構造では、設置されている風力タービンの半数は風に向かっており、回転して電力を生成するが、その一方で風下に位置する残りの半数は、静止して稼働しない。それぞれのタービンは、外側フレーム内の柱の間の間隙の長さ、及び、２つの隣接する内部プラットフォームまたは床の間の高さと、ほとんど等しい大きさである。
【００１３】
生成された電力は、系統に適合する電流及び電圧に変換された後で、系統に対して直接的に供給される。しかしながら、好ましくは、生成された電力は、地上階における変圧器、水道、電解槽、ポンプ及び水素タンクなどの周知の必要な機器の使用によって、収集された一時的なエネルギーの大半を化学的に貯蔵する水素を生成するために使用される。水素は、高圧下または液体状態で地上階のタンクに貯蔵され、貯蔵された水素量は燃料電池で使用される。燃料電池の容量は、風力タービンステーションによって生成される非定常電力の年間平均に対して、約０．６１である電解効率と約０．４１である燃料電池効率とを乗算したものである。燃料電池は、電流、周波数及び電位の特性が定常的である電力を再生成し、通常は地上階にある十分な変圧器の使用による、系統に適合する電圧及び電流への変換を経た後で、定常電力が系統に供給される。得られる平均可能出力は、その地域の年間平均風速に比例する。電解処理の速度を上げ、エネルギーの無駄な消費を避けるためには、電解槽に供給する電位を、周知である２．０６ｖ付近にすると良い。供給される電流は、周知のように大きいものとする。電流の範囲は１０００００−１００００００アンペアとなり得る。風力タービンによる高変動生成電力は、他の化学的手段に貯蔵され得るとともに、需要に応じて後で貯蔵され得る。
【００１４】
風力タービンステーション内のタービンの稼働速度範囲について、周知の小型のＨＡＷＴまたはＶＡＷＴでは、約３−１７５ｍ／ｓとなる。電解槽用の電力を生成すると、周波数を一定にする必要がないため、発電機のコストが低くなるとともに装置寿命が長くなる。さらに、高速ギア及びギアのための全てが同時に不要になる。
【００１５】
風力タービンステーションのメンテナンスは、本発明の特徴として重要である。タービンステーションの構造及び大きさが、ステーションの継続的かつ進行的なメンテナンスを可能にする。任意の風力タービンへのアクセス容易性が常に可能、容易かつ迅速であるため、風力タービンの継続的なメンテナンスが可能になる。継続的なメンテナンスにより、ほとんどの風上のタービンが常に稼働することになる。これは、メンテナンススタッフが、それぞれの内部プラットフォームにおいて、モニタ及びコンピュータを使用して、継続的にタービンを監視するからである。他の全ての風力タービンが稼働している間でも、いつタービンのメンテナンスが必要なのかがモニタによって伝えられる。風力タービン業界が非常に進歩しているため、現在の先進的なタービンでも全てのタービンが１年に１回はメンテナンスを受けるという合理的かつ少々保守的な考え方に立ったとしても、タービンの９９．３３％はほぼ確実に一年を通じて稼働し得る。その結果、それぞれのタービンの年間平均稼働時間は、０．９９３３×８７６０＝８７０１時間／年となる。エネルギー計算では、半数の風力タービンのみ同時に稼働するため、タービンの半数のみを考慮している。
【００１６】
風力タービンステーションは、約２０００ｍという前例がない高さまで達することが可能な最初の固定構造物であり、地表上２００ｍを超える高い高度で風力エネルギーを継続的に収集するとともに大規模である最初の構造物である。風力タービンステーションは、風速６ｍ／秒の環境で、現在の大型の風力タービンよりも数倍大きい単位面積当たりの出力を有し、風速がさらに大きければ１０倍よりも大きくなる。
風力タービンステーションは、通常は降伏応力が６００−７００ＭＰａに至る従来の鋼を使用して建造される。風力タービンステーションは、同様の容量である大型の風力タービンが必要とする平均面積の約０．２％を要するのみである。風力タービンステーションが非定常電力を得るために必要とするスペースは、０．０３−０．０５ヘクタール／ＭＷの間で分布し、定常電力を得るとともに需要と釣り合うために必要なスペースは０．１０−０．１５ヘクタール／ＭＷである。風力タービンステーション内の小型のＶＡＷＴ及びＨＡＷＴが生じる騒音は、先端速度が翼長に比例するため、実用的な風力タービンが生じる騒音よりも極めて小さい。大型の小型に対する風力タービンの翼長比は、通常は約１０−１５倍である。さらに、風力タービンステーションは、１０−１５倍の先端速度であるため、鳥やコウモリに対する危険にはなり得難い。
【００１７】
本明細書に記載の風力タービンステーションの出力は、電流、周波数、電位が一定になり得る。さらに、風力タービンステーションは、同様の容量の従来の発電機に代替し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】  水平軸風力タービンを備えた典型的な大型のＷＥＴＳＳ（およそ直径５００ｍ×高さ２０００ｍ）の上面図。
【図１Ａ】  図１の詳細。
【図２】  図１に示されるステーションの正面図。
【図３】  図１に示されるステーションの部分的拡大正面図。
【図４】  ステーション内の１つの水平軸風力タービンを示す部分的拡大正面図。
【図５】  図４に示されるタービンの部分的上面図。
【図６】  ステーション内の１つの水平軸風力タービンを示す拡大背面図。
【図７】  ステーション内の１つのタービンの側面図。
【図８】  垂直軸風力タービンを備えた典型的な小型のＷＥＴＳＳ（およそ直径１２５ｍ×高さ５００ｍ）の上面図。
【図９】  外部プラットフォーム上に設置された図８のステーションのＶＡＷＴタービンを示す部分的上面図。
【図１０】  図８に示されるステーションの部分的正面図。
【図１１】  図８に示されるステーション内の１つのタービンの側面図。
【図１２】  図８に示されるステーション内の１つのタービンの正面図。
【図１３】  風力タービンステーションの別形態の正面図。
【図１４】  図１３に示されるステーションの上面図。
【図１５】  図１４に示されるステーションの部分的詳細上面図。
【図１６】  平均風速＝６ｍ／秒と仮定した場合における風速のレイリー分布を示すグラフ。
【図１７】  風速のレイリー分布がランダムであると仮定した場合における小型のＨＡＷＴ（またはＶＡＷＴ）及び実用的なＨＡＷＴによる長期間の収集エネルギー分布を示すグラフ。
【図１８】  月毎の平均消費Ｅａｖｅに対する水素に貯蔵される必要エネルギーを示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１−図７に示すように、風力タービン塔１は、少なくとも１つの内側円形フレーム５及び外側円形フレーム７を有する環状のオープンフレーム構造３を備える。それぞれのフレーム５，７は、主として垂直な柱９及びこれに接続される水平な主梁１３と、フレーム５，７の間に広がりフレーム内で対向する主梁１３に締結されるとともにフレーム５，７を一緒に接続する主要素である交差梁１７と、を備える。垂直面内の交差要素は、交差梁を含む垂直面内で交差梁に接続されたフレームを補強するために使用され得るとともに、内側フレーム及びそれに続くフレーム構造全体を補強するために内側フレーム５内で使用され得る。オープン構造３は、複数の階または床１９を有する。それぞれの床１９は、平坦かつ環状であって、内側及び外側フレーム５，７の間に広がるとともに交差梁１７及び主梁１３上で支持される内部プラットフォーム２１を備える。塔内において隣接する床１９の間の高さは、通常は７−１２ｍの範囲である。外側フレーム７において隣接する柱９の間の距離は、通常は隣接する床の間の高さと等しい。
【００２０】
主梁、柱及び交差要素の大きさは、フレーム構造全体の構造解析によって決定される。構造解析は、主として、全ての柱、梁、平板の自重とタービンの死荷重とに基づく。プラットフォームの材料は、高強度で軽い。総平均分散活荷重は、０．１５ＫＰａと推定される。しかしながら、内部プラットフォーム及び梁の設計について、内部プラットフォーム上のどこかに掛かる車載クレーンの重さによる集中活荷重を考慮しなければならない。地震力は、主として重力荷重による応力をわずかに増加させる。この小さい効果は、従来の構造である同様の材料の建造物と比較して、構造の自重（単位面積における死荷重及び活荷重）が軽いことに起因する。この小さい荷重は、風力タービンステーションの階数が従来の構造の３分の１よりも少ないことや、仕上げが行われないとともにフレーム５内の部分的内側壁を除いて隔壁が設けられないことに起因する。高さの直径に対する比であるフレーム構造のアスペクト比は低く、通常はフレーム断面積の増加を考慮せずとも地震荷重を減衰するための十分大きな全フレーム構造の剛性が得られる約４である。
フレーム柱は、通常は高降伏鋼から成る。鋼柱は、自重（死荷重及び活荷重）による全フレーム構造の構造解析を使用して設計され、風及び地震荷重について検証される。いくつかの国において数百ＫＭ／ｈとなり得る設計風速の間であっても、風力エネルギーのほとんど（約９０％）はタービンによって吸収される。これは、小型のＨＡＷＴ及びＶＡＷＴの稼働風速が広範囲であることに起因する。ほとんどの場合、設計風速は風力タービンのカットアウト速度よりも小さく、風の影響は無視され得る。
【００２１】
構造３は、それぞれの内部プラットフォーム２１から外側フレーム７を越えて外側フレーム７の周囲まで外側に広がる複数の小型の外部プラットフォーム２３を含む。外部プラットフォーム２３は、好ましくは、それぞれの内部プラットフォーム２１の外周面の外側であって柱９の隣接するそれぞれの組の間の中心に位置する。風力タービン２５は、それぞれの外部プラットフォーム２３上に設置される。図示している風力タービン２５は、周知の水平軸風力タービンであるが、これを周知の垂直軸風力タービンとすることも可能である。タービン２５は、外側フレーム７内の２つの隣接する柱９の間の幅よりもわずかに小さい幅を有するとともに、隣接する床１９の間の高さよりもわずかに小さい高さを有する。
【００２２】
それぞれのタービン２５は、外部プラットフォーム２３の外側の端部上の稼働位置と、外側フレーム７に近い内部プラットフォーム２１上の非稼働の保守位置と、の間を移動するためのトラック手段上に設置される。図５−７に示すように、トラック手段は、外部プラットフォーム２３の外側の端部の近くの内部プラットフォーム２１から外側に放射状に広がる下側トラック３１を備え得る。トラック手段は、下側トラック３１を覆う上側トラック３３を含む。両方のトラックは、幅広フランジＩ鋼梁またはＴ鋼梁から成り得る。トラックは、内部及び外部プラットフォームの両方の中の第２または／及び主梁に溶接される。上側トラック３３は、例えば、図７に示すように、隣接する上側の内部プラットフォーム２１Ａ及び隣接する上側の外部プラットフォーム２３Ａを支持する交差梁１７の下端に設置され得る。
【００２３】
タービン２５は、稼働及び非稼働位置の間におけるタービンの移動を案内するための下端及び上側トラック３１，３３のそれぞれに対して下端及び上端４１，４３が協働するトラックガイド３７，３９を有する垂直固定軸３５に設置された、水平軸タービンとして図示している。トラックガイド３７，３９は、軸３５の上端及び下端に対して水平方向に溶接される短溝部を備え得るとともに、ガイド３７，３９は、トラック３１，３３にちょうど嵌合し、この上を滑らかに移動可能である。メンテナンスフレーム４２は、稼働位置及び非稼働位置の間におけるタービンの移動に使用するために、タービンの固定軸３５の端部に接続される。フレーム４９は、一方の端部で垂直ポスト４９と剛性結合する平行な上側及び下側水平アーム４５，４７を有する。アーム４５，４７の他方の端部は、短管５１，５３によって軸３５の上端及び下端に接続する。必要であれば、アーム４５，４７の他方の端部が、管５１，５３に対して枢動可能となるように結合してもよい。また、トラックガイドを軸３５に対して間接的に結合する必要があれば、アーム４５，４７の他方の端部を、トラックガイド３７，３９に対して剛性締結してもよい。メンテナンスフレーム４２は、タービン２５を、保守のために外部プラットフォーム２３から内部プラットフォーム２１上まで上側及び下側トラック３１，３３に沿ってスライドさせて、手動または機械的に後退させるため、保守後においてトラックに沿って外部プラットフォーム２３上の稼働位置まで復帰させるために使用され得る。垂直ポスト４９は、メンテナンスフレーム４２、ひいてはトラック３１，３３上のタービン２５を手動で移動可能にするハンドルを有し得る。
【００２４】
ロック手段は、タービン２５を稼働位置でロックするものである。図７に示すように、ロック手段は、メンテナンスフレーム４２の後部を交差梁１７または主梁１３の上端及び下端に接続する接続される上端及び下端ロック５４を備え得る。上端及び下端ロックは同じであるため、その詳細については一方のみ記載することとする。上端ロック５４は、交差梁１７の側部に固定される第１整列板５５と、ポスト４９の端部に固定されるとともに板５５に揃って並ぶ第２板５７と、を備える。板５５は、それぞれボルトねじ穴（不図示）を有する。第２板５７は、それぞれの第１板５５におけるボルト穴に揃って並ぶスロット（不図示）を有する。ボルト５９は、板５７内の整列したスロットを貫通するとともに、第１板５５内の穴を螺進する。ナット６１は、それぞれのボルトに対してその位置を維持するために設置され得る。ボルト５９は、稼働位置にタービンを安全にロックするべく、メンテナンスフレーム４２、ひいてはタービン２５が、トラック３１及び３３の端部において交差梁１７上の停止板６３に押し付けられるように動かすために締結される。ボルトは、保守のために外部プラットフォームから後退することを可能にするために除去される。
【００２５】
それぞれの内部プラットフォーム２１は、それぞれのタービンの交換または保守のために、プラットフォームに対して車載クレーン６５が運転可能となるように、幅が十分に広くなっている（８−２５ｍ）。プラットフォーム２１は、好ましくは、図１Ａに示すように、風力タービンステーション内において、閉断面フレーム構造内で内側フレーム５に隣接するとともに、開断面または蛇行状フレーム構造で内部プラットフォーム２１の中央に隣接する、少なくとも１つの車線６７を有し、保守のために外部プラットフォームから後退するタービンを受け取るためであって車線６７に隣接する保守スペース６９と、外側フレーム７に隣接する内部プラットフォームの外側部分に前進するタービンのためのガイドトラック３１，３３のためのトラックスペース７１と共に、車両６５によって使用される。それぞれの内部プラットフォーム２１は、その内側に隣接してプラットフォームの上側に通じる第１傾斜路７３と、その内側に隣接するとともに第１傾斜路７３と離間してプラットフォームの下側に通じる第２傾斜路７５と、を有する。これにより、クレーンを運ぶ車両が、塔内の複数階におけるタービンの保守を行うことが可能になる。
乗員エレベータ７７及び積荷エレベータ７９は、内部プラットフォーム２１を通過するまたはプラットフォームの内縁に隣接するように塔内に設けられ得る。積荷エレベータ７９は、約５×１０ｍであって、貨物自動車クレーンや、設置用の完全な風力タービン、または鋼梁及び柱を運ぶために十分な約１０メートルトンの容量を有する。エレベータは、フレーム構造の建造と同時に建造されるため、建造材料をプラットフォームに供給する建造段階の間でも使用可能である。乗員エレベータ７７は、稼働の監視やタービンのメンテナンスをして働く人々を対応するプラットフォームに一度に約２０人持ち上げる容量を有する。
【００２６】
稼働位置におけるそれぞれのタービン２５は、風で回転し、タービン上の発電機８１を介して電力を生成し、電力は、風速と一緒に変動して、時間の経過とともに大幅に変動する。生成される電力は、垂直方向に一列に整列する全てのタービンにおいて共通する導体（不図示）を介して、塔の土台８３まで伝導される。好ましくは、電力は、周知のように周知のインバータ、変圧器、電解質で満たされた電解槽、純水タンク、水素精製装置、水素貯蔵タンク、燃料電池発電機及び加圧ポンプを含む水素ユニット８５に、伝導される。水素ユニット８５は、周波数、電流及び電位の安定した電力特性となる一貫した電力供給を提供する。これとは別に、周知のように目的とする一定周波数の電力が生成される場合は、電力は電力系統に対して直接的に接続され得る。ギアボックスを備えるまたは備えない発電機８１の可動コアは、タービン２５の回転軸から発電機８１に対して動きを伝達する。生成された電力が加水分解に使用される場合、生成された電力の周波数を増大させるための高速軸は不要である。これにより、摩耗及び損傷、発電機のメンテナンスコスト及び製造コストが低減される。
【００２７】
それぞれのタービンは、発電機８１を覆う機械室（nacelle）８６をさらに有する。機械室８６は、固定軸３５の中央に溶接された鋼底板８７上で、固定軸３５の中央に設置されている。機械室の上端は、内側からねじ切りされているとともに緩めて固定軸の上端部の下端から離脱させることが可能な管接続部８８によって、固定軸の上端部に接続されている。機械室８６は、鋼底板８７上に固定され、機械室上の固定軸の下端部が、固定軸上端部の下端点と機械室穴の下端との間の距離よりも少し短くなっているため、上端固定軸の下端部が機械室の上端に位置する穴に挿入することが可能である。管接続部８８の最短の長さは、通常は５”−８”（１２５ｍｍ−２００ｍｍ）である。周知のように、機械室のヨーシステムは、翼を風に向けるとともに、選択された個々のタービンによってアクティブまたはパッシブになることが決まり得る。
【００２８】
図８−図１２は、垂直軸風力タービン９１を備えた塔を示している。それぞれのタービン９１は、回転自在であり、固定軸３５の周りに回転自在に設置された垂直ポスト９３を有する。上端及び下端ベアリングは、ポスト９３を軸３５上に回転自在に設置する。ポスト９３は、湾曲した羽９５を支持する。固定軸３５は、外部プラットフォーム２３及び内部プラットフォーム２１上の下側及び上側トラック３１，３３に接続され、上記のように、軸３５の端部に固定されるとともにトラック上に設置されるトラックガイド３７，３９が使用される。メンテナンスフレーム４２は、固定軸３５の端部と、フレーム４２のロックを提供するロック手段５４と、に接続され、タービン９１がトラック３１，３３の端部上の停止手段に対して締結される。ロック手段はロックの解除が可能であり、タービンは、保守のためにトラック３１，３３に沿って外部プラットフォームから内部プラットフォームに移動する。図１２に示すように、タービン９１は、通常は外側フレーム７内で隣接する柱９の間及びフレーム７内で隣接する梁１３の間に嵌合する大きさである。外部プラットフォーム上における風によるタービンの回転は、ポスト９３の下端における発電機９６において電力を生成し、周知の手段が、構造８３の上端から下端まで伸びる電気ケーブルを介して塔の土台の電解槽に対して電力を送る。
【００２９】
図１３−図１５は、蛇行形状となる塔１０１を示している。開フレーム構造１０３は、フレーム５，７の半ループの繰り返しを少なくとも２つ有する。第１半ループ１０９は、半円または多角形を形成する第１凸形外側フレーム部１１１と、第１外側フレーム部１１１と離間してこれもまた半円または多角形を形成する第１凹形内側フレーム部１１３と、を有する。フレーム部１１１，１１３は、主として主梁及び交差梁１３，１７（不図示）によって接続される。一連の垂直方向に離間した幅広、平坦かつ半環状である内部プラットフォーム１１４は、主梁及び交差梁に接続して、構造内の床を形成する。タービンは、好ましくは第１凸形外側フレーム部１１１及び内側部１１３の両方から外側に広がる外部プラットフォーム上に設置される。タービンが、外部プラットフォーム上の稼働位置と内部プラットフォーム上の保守位置との間を移動可能となるように、外部プラットフォームは、それぞれの内部プラットフォーム１１４と、それぞれの外部プラットフォーム及び関連する内部プラットフォームの一部にまで広がるトラック手段と、から外側に広がる。第２半ループ１１５は、１つの端部が第１半ループ１０９の端部に接続され、半円または多角形を形成するとともに第１ループ１０９の第１凸形外側フレーム部１１１の反対方向を向く第２凸形内側フレーム部１１７を有する。第２半ループ１１５は、第２凸形外側フレーム部１１７から離間してこれもまた半円または多角形を形成する第２凹形外側フレーム部１１９を含む。フレーム部１１７及び１１９は、主として主梁１３及び交差梁１７（不図示）によって接続される。別の組の垂直方向に離間した幅広、平坦かつ半環状である内部プラットフォーム１２０は、半ループ１１５に沿って主梁及び交差梁に接続する。内部プラットフォーム１２０は、内部プラットフォーム１１４に揃って並ぶとともに、これに接続する。タービンは、好ましくは、第２凸形外側フレーム部１１７から及び凹形内側フレーム部１１９から外側を向く両方の外部プラットフォーム上に設置される。第２凸形外側フレーム部１１７は、第１凹形内側フレーム部１１３の端部に接続され、第２凹形内側フレーム部１１９は、第１凸形内側フレーム部１１１の端部に接続される。パターンは、構造の長さに対して繰り返される。ケーブル１２１は、通常は鋼ケーブルまたは炭素繊維ケーブルであり、オープンフレーム構造ユニットの高さの中央よりも高い階におけるコーナー柱の一端からグランドに固定され得る。ケーブル１２１は、通常は蛇行状の塔の２つの端部コーナーを固定し、それぞれのコーナーは通常は互いの間が９０°となる２つのケーブルで固定される。ユニットは、２００−１０００ｍの高さ、５０−５００ｍの直径及び１−１０の半ループを変化させる長さ、を有し得る。それぞれの内部プラットフォーム２１は、それぞれのタービンの交換または保守のために、プラットフォームに対して車載クレーン６５が運転可能となるように、幅が十分に広くなっている（８−２５ｍ）。内部プラットフォーム１１４及び１２０のそれぞれは、好ましくは、図１５に示すように、保守のために外部プラットフォームから後退するタービンを受け取るためであって車線１０４に隣接する���守スペース１１０と、外側フレーム７または内側フレーム５に隣接する内部プラットフォームの外側部分上のトラック３１，３３のためのトラックスペース１１２と、における車両６５によって使用されるプラットフォームの中央に、少なくとも１つの車線１０４を有する。それぞれの内部プラットフォーム１１４及び１２０は、好ましくは、プラットフォームの上側に通じる第１傾斜路１０６と、第１傾斜路１０６と離間してプラットフォームの下側に通じる第２傾斜路１０８と、の両方を有する。
【００３０】
塔を建造するための単純な方法は、柱、梁及び内部プラットフォーム２１を含む第１階を建造すると同時に地上階から第１階となる積荷エレベータ７９及び乗員エレベータ７７を設置するために、地上階におけるいくつかの貨物自動車搭載クレーン６５を使用することである。次に、地上階と第１階２１を接続する傾斜路７３による第１階のプラットフォーム２１へのクレーン６５の移動と、第１階に建造材料を移動するために第１階に建造されたエレベータの使用と、による、第１階の内部プラットフォーム２１及び外部プラットフォーム２３の建造の終了である。次に、第２階の柱、梁及び内部プラットフォームの建造及び第２階へのエレベータの拡張である。クレーン６５は、第２階を完成するとともに第３階を建造するために、第１階及び第２階を接続する傾斜路を介して第２階に移動し得る。これらのステップは、塔の端まで繰り返される。建造材料は、積荷エレベータ７９によって、内部プラットフォームが完成した時にその階に持ち上げられる。外部プラットフォーム２３は、事前に建造されているかその場で建造されて、少なくとも４つのリフティングリング８７と、必要であれば梁１３の上端及び下端と交差梁１７との間を接続する少なくとも４つの鋼板を使用して主梁１３または交差梁１７に溶接するためのクレーン６５と、外部プラットフォームの上端及び下端と、を使用して設置される。プラットフォームの上端の２以上の板及び下端の２以上は、外側フレーム梁１３と縁が共通する。風力タービン２５または９１の設置は、建造クレーンが２または３階先に移動した後に開始され得るものであり、いくつかの他の貨物自動車搭載クレーン６５や積荷エレベータ７９が使用される。水素ユニット８５の設置は、地上階と第１階の建造を終了した後に開始され得る。電解槽８５の一部と、設置された風力タービン２５または９１の容量に比例する総容量を有する水素貯蔵タンクと、の稼働の準備が整うと、電気工事が開始され得る。水素の生成と、加圧下での水素の貯蔵と、燃料電池発電機の稼働並びに系統に対するまたは／及び建造工程のための電力の供給の開始と、を含めて、この段階で電力の生成が開始され得る。本発明者らは、周知のＶＡＷＴ及び小型のＨＡＷＴが同様の効率を有するとともに、最先端のＨＡＷＴが平均風速６ｍ／秒（１３．４ｍｐｈ）の環境下にあり、すべてのタービンのカットイン速度が４ｍ／秒（８．９５ｍｐｈ）であり、大型のＨＡＷＴの定格風速が１２ｍ／秒（２６．８４ｍｐｈ）である場合において、小型のＨＡＷＴ及びＶＡＷＴが、実用的な風力タービンと比較して１１％よりも大きい出力を与え得ることについて、理論的に証明する。
【００３１】
平均風速が大きくなるほど、出力比ＥＳｍａｌｌＨ／ＥＬａｒｇｅＨは大きくなり、ある高さにおける平均風速が１２ｍ／秒で約３．０、３０ｍ／秒で約５０．０まで増大する。この証明例を、図１６及び図１７のグラフに図示する。これは、図１７のエネルギーのグラフの下の面積の積分によって証明される。図１７が示す、例えば１年のような長期間に収集された総エネルギーは、
【００３２】
2014530321.tif 000026
【００３３】
実際に１年間で収集されると期待される平均エネルギー＝1.69×E6×0.30＝0.507E6
【００３４】
2014530321.tif 000027
【００３５】
実際に１年間で収集されると期待される平均エネルギー＝1.88×E6×0.30＝0.564E6
【００３６】
2014530321.tif 000028
【００３７】
ここで、Ｅ６は、風速が一定であって年間平均風速６ｍ／秒と等しいと見なした場合における平均収集エネルギーである。
大出力の理由は、ＨＡＷＴが、ロータ直径の比に比例する、より小さい先端速度を有するためである。巨大または実用的なＨＡＷＴは、カットオフ速度が１０−１２ｍ／秒、カットアウト速度が２５−４０ｍ／秒に達し、これは、仮に大型の風力タービンでは風力エネルギーを向上することができなかったとしても、小型のＨＡＷＴのカットオフ速度が、風力エネルギーの向上を最大化する１７５ｍ／秒よりも通常は大きくなるということの一部を意味する。風力エネルギーによって生成されて電解槽に供給される電力の変動は、加圧、液化あるいは他の周知の固体または液体材料と一時的に結合したいずれかの状態で水素タンク貯蔵部に送られる、短期間に生成される水素の量に影響する。しかし、例えば１年のような長期間では、生成される水素の総量は、主として風力タービンの現場における年間平均風速の影響を受け、消費需要平均及び変動並びに風力タービンステーションの容量と関連する。水素貯蔵部の容量は、月毎の必要または余剰の平均生成エネルギーに対する比較エネルギー比の計算、Ｅｉ／Ｅａｖｅ、によって推定され、ここでＥｉ（ＫＷＨ）は、需要を越えて月毎に消費されるエネルギー、または、平均需要を満たすために貯蔵されている水素から供給される必要なエネルギーである。この比は、実際の既存のまたは予測される消費チャートによって決まり、ここでＥａｖｅ（ＫＷＨ）は、燃料電池によって生成される電力の月毎の平均と等しい月毎の平均需要である。また、水素として貯蔵することが必要な総エネルギーは、余剰の最大の正数と消費チャートにおける絶対値が最大となる負数との差である。図１８は、０．９０Ｅａｖｅ＋０．０６Ｅａｖｅ＝０．９６Ｅａｖｅを示す。水素タンクは、前述の例における選択された現場の一年中の需要に合致する供給をするために、０．９６Ｅａｖｅを生成するために必要な水素を貯蔵する容量を有するべきである。また、水素貯蔵部の重さは、０．９６Ｅａｖｅを、中位水素発熱量（medium Hydrogen Heating Value）である周知の３６ｋｗｈで割ることで算出される。そして、必要な貯蔵水素の重さ（ＫｇＨ２）＝０．９６Ｅａｖｅ／［３６（ＫＷＨ／Ｋｇ）×０．４１］＝０．０６７８×０．９６Ｅａｖｅ＝０．６５Ｅａｖｅ（ＫＷＨ）である。ここで、０．４１は燃料電池の効率係数である。水素の重さは、貯蔵部または液化技術で使用される圧力に応じて体積容量に変換され得る。さらに、月毎の平均消費エネルギーは、風力ステーションによって月毎に定常的に生成される電力：Ｅａｖｅ＝Ｅａｖｅｗ×０．６１×０．４１であり、ここでＥａｖｅｗは、月毎に生成される非定常電力、０．６１は電解処理の効率、０．４１は燃料電池の効率である。風力タービンステーションは、工業目的のためや輸送のために大量の水素を生成することも可能である。また、風力タービンステーションを使用すると、最先端の風力タービンを用いると通常は非常に困難かつ高コストになる風力電力出力バランス管理という重い負担が、軽減される。
【発明の効果】
【００３８】
風力タービンステーションは、現在の風力エネルギーに比べて、以下の改善を提供する。
ａ）  稼働高さを２０００ｍまで増大させ、大幅に風速を増大させる。
ｂ）  高さ１０ｍの環境における平均風速６ｍ／秒で生成される非定常電力ではなく、定常の１０００ＭＷまで大容量化する。
ｃ）  大容量の風力タービンステーションを、都市部の非常に近くに建造可能にする。これが、なぜ最初に「継続的な電力生成のための経済的都市風力タービンステーション（Economical Urban Wind Turbine Station for Continuous ElectricityGeneration）」と名付けられたのかという理由になっている。
ｄ）  需要に合致するとともに電流、周波数及び電位が一定である風力電力を供給する。
ｅ）  完全に同じ形状及び大きさの建造物を建造する場合と比較して、容積の大きさを小さくして、剛性を大きく増大させつつコストを低減させる。
ｆ）  風力タービンステーションは、継続的なメンテナンスまたはより長い稼働時間及び高効率を可能にする。
ｇ）  ＨＡＷＴからのノイズを低減させ、小型風力タービンがより大きな高さにおいてより小さい先端速度を有する。
ｈ）  １ＭＷに必要な水平土地スペースを１００分の１まで低減させ、さらに電力コスト及び風力エネルギーに対する悪い社会的影響を低減し、風力エネルギーの競争力を大きくする。
ｉ）  風力エネルギーの生成コストを、実用的な風力タービンの数分の１にする。
ｊ）  工業利用のための大規模かつ安いコストで水素を生成する。
ｋ）  水素を生成するために水素ユニットに電力が供給される場合、風力発電機出力を通常の一定周波数とすることが不要になる。そして、さらに電力コストを低減しつつ発電機のライフサイクルを長くするギアが不要になる。
ｌ）  小型ＨＡＷＴ及びＶＡＷＴタービンが、鳥が危険となるよりもずっと小さい先端速度を有することから、鳥の環境影響が低減される。
【００３９】
飛行機の衝突事故を回避するために、外部塔フレーム７の周囲及び高さに沿って、周知の点滅警告灯が設置される。
【００４０】
周知の避雷システムが、風力タービンステーションのスタッフを守るために設置される。
【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】
オープンフレームを有する複数階構造を備える風力エネルギータービンシェルステーションであって、
前記オープンフレームが、少なくとも２つの離間して開いた実質的に平行であって垂直なフレームを備え、前記フレームのそれぞれは、主として梁及び柱から成り、前記フレームは主として梁によって他と相互接続するとともに、１つの空間構造を形成し、
垂直方向に離間した複数の水平な内部プラットフォームが前記構造の床を形成し、前記フレームの長さにわたってそれぞれの内部プラットフォームが前記フレーム梁の間に広がるとともにこれに接続し、
風力タービンが、それぞれのプラットフォームの外周面の周囲の前記構造上に設置され、前記タービンは外側を向き、それぞれの風力タービンは電力を生成する発電機に対して動作可能なように接続される風力エネルギータービンシェルステーション。
【請求項２】
前記構造が、前記フレームを越えて前記内部プラットフォームの前記外周面の外側に広がる離間した外部プラットフォームを有し、
１つの外部プラットフォームに対して１つの風力タービンとなるように、前記風力タービンが前記外部プラットフォーム上に設置される請求項１に記載のステーション。
【請求項３】
前記外部プラットフォームから前記内部プラットフォームの前記外周面を越えて前記内部プラットフォーム上に至るように、それぞれの前記外部プラットフォーム上で内側に広がるトラック手段を含み、
前記フレームの間で、前記外部プラットフォーム上の外側の稼働位置と前記内部プラットフォーム上の内側の保守位置との間を前記風力タービンが移動可能となるように、前記風力タービンが前記トラック手段上で移動自在に設置される請求項２に記載のステーション。
【請求項４】
稼働位置から、前記フレームの１つを内側に向かい、前記内部プラットフォーム上の保守位置に至る、それぞれのタービンの移動のための空間を確保し、
前記プラットフォーム上で、前記保守位置でタービンが保守されるための空間を確保し、
前記保守位置と、前記プラットフォーム上の稼働位置におけるそれぞれのタービンに対して車載クレーンがアクセスする道路のための前記内側フレームと、の間である前記プラットフォーム上の空間を確保するために、
それぞれの内部プラットフォームが十分に広くなっている請求項１に記載のステーション。
【請求項５】
それぞれの内部プラットフォームは、前記道路上から隣接する上方の内部プラットフォームに通じる第１車用傾斜路と、前記道路上から隣接する下方の内部プラットフォームに通じる第２車用傾斜路と、を有する請求項４に記載のステーション。
【請求項６】
前記風力タービンが、水平軸風力タービン、垂直軸風力タービン、または、水平軸風力タービン及び垂直軸風力タービンの組み合わせであり得るとともに、前記タービンの高さが、垂直方向に離間した内部プラットフォーム間の距離よりもわずかに小さい請求項１に記載のステーション。
【請求項７】
前記複数階構造に水素発電ユニットが配置され、
それぞれのユニットは、
前記風力タービンによって生成された電力が、直流に変換されるとともに所定の低電圧かつ高電流に変換された後に供給される、水素を生成する電解槽と、
定常電力を生成する水素稼働燃料電池発電機と、
を備える請求項１に記載のステーション。
【請求項８】
環状の複数階構造を備える風力タービンステーションであって、
略円筒または多角形柱の外側フレームと、前記外側フレームの内部で同心となる少なくとも他の略円筒または多角形柱の内側フレームと、を有し、両方のフレームのそれぞれは、主としてオープンフレーム構造を成す梁及び柱から成るとともに、１つの空間構造を形成するために主として梁によって他と相互接続され、
前記フレーム間で垂直方向に離間した複数の水平な内部プラットフォームが前記構造の床を形成し、それぞれの内部プラットフォームは、平坦かつ環状であって、前記フレーム間の空間を横切って広がるように前記フレームの両方に締結され、
風力タービンが、それぞれの内部プラットフォームの外周面の周囲の前記構造上に設置され、前記タービンは外側を向き、それぞれの風力タービンは電力を生成する発電機に対して動作可能なように接続される風力タービンステーション。
【請求項９】
前記フレームは、半円または多角形のループの繰り返しによる上面視蛇行状であり、
前記タービンが、それぞれの半ループの周面に隣接する前記内部プラットフォーム上に設置される請求項１に記載のステーション。
【請求項１０】
前記構造が、前記フレームを越えて前記内部プラットフォームの前記外周面の外側に広がる離間した外部プラットフォームを有し、
１つの外部プラットフォームに対して１つの風力タービンとなるように、前記風力タービンが前記外部プラットフォーム上に設置される請求項９に記載のステーション。
【請求項１１】
前記外部プラットフォームから前記内部プラットフォームの前記外周面を越えて前記内部プラットフォーム上に至るように、それぞれの前記外部プラットフォーム上で内側に広がるトラック手段を含み、
前記フレームの間で、前記外部プラットフォーム上の外側の稼働位置と前記内部プラットフォーム上の内側の保守位置との間を前記風力タービンが移動可能となるように、前記風力タービンが前記トラック手段上で移動自在に設置される請求項１０に記載のステーション。
【請求項１２】
前記外部プラットフォームは、互いに垂直方向に揃って並び、
それぞれのタービンのための前記トラック手段は、
前記風力タービンを支持する前記外部プラットフォーム及び前記内部プラットフォームの両方上の下側トラックと、
前記下側トラックと垂直方向に揃って並び、隣接する上側の外部プラットフォーム及び隣接する上側の内部プラットフォームの両方の下面上の上側トラックと、
を備える請求項１１に記載のステーション。
【請求項１３】
稼働位置から、前記外側フレームを内側に向かい、前記内部プラットフォーム上の保守位置に至る、それぞれのタービンの移動のための空間を確保し、
前記プラットフォーム上で、前記保守位置でタービンが保守されるための空間を確保し、
前記保守位置と、前記プラットフォーム上の稼働位置におけるそれぞれのタービンに対して車載クレーンがアクセスする道路のための前記内側フレームと、の間である前記プラットフォーム上の空間を確保するために、
それぞれの内部プラットフォームが十分に広くなっている請求項９に記載のステーション。
【請求項１４】
それぞれの内部プラットフォームは、前記道路上から隣接する上方の内部プラットフォームに通じる第１車用傾斜路と、前記道路上から隣接する下方の内部プラットフォームに通じる第車用傾斜路と、を有する請求項１３に記載のステーション。
【請求項１５】
前記風力タービンが、水平軸風力タービン、垂直軸風力タービン、または、水平軸風力タービン及び垂直軸風力タービンの組み合わせであり得る請求項９に記載のステーション。
【請求項１６】
前記タービンの高さが、垂直方向に離間した内部プラットフォーム間の距離よりもわずかに小さい請求項９に記載のステーション。
【請求項１７】
前記複数階構造に水素発電ユニットが配置され、
それぞれのユニットは、
前記風力タービンによって生成された電力が、直流に変換されるとともに所定の低電圧かつ高電流に変換された後に供給される、水素を生成する電解槽と、
定常電力を生成する水素稼働燃料電池発電機と、
を備える請求項９に記載のステーション。
【請求項１８】
前記稼働位置における前記トラック手段上の前記タービンを固定して、前記稼働位置からの動きに対抗するための、前記タービン及び前記トラック手段と関連した固定手段を備える請求項９に記載のステーション。
【請求項１９】
請求項１または９に記載のタイプの風力タービンステーションの建造方法であって、
前記地上階を移動する車載クレーンを使用して、主な梁及び柱を除いて前記ステーションの第１階の高さまで前記ステーションの前記外側及び内側フレームを建造する工程と、
前記地上階上の前記車載クレーンを使用して、前記地上階から前記第１階に上がる傾斜路の建造を含む、前記外側及び内側フレームに支持されて前記第１階を形成する前記内部プラットフォームの少なくとも一部を建造する工程と、
前記傾斜路を使用する前記車載クレーンとともに、前記地上階から前記第１階へ建造材料を移動する工程と、
前記第２階の前記内部プラットフォームの建造を完成するために、前記第１階上の前記車載クレーンを使用する工程と、
前記第１階上の前記車載クレーンを使用して、前記第２階の高さまでの前記内側及び外側フレームを建造する工程と、
前記第１階上の前記車載クレーンを使用して、前記第１階から前記第２階に上がる傾斜路の建造を含む、前記第２階の前記内部プラットフォームの一部を建造する工程と、を備え、
所望の建造物高さに達するまで、それぞれの階を建造するための前記工程を繰り返す風力タービンステーションの建造方法。
【請求項２０】
前記ステーションの建造期間中に、建造材料の輸送をするため及びタービンを輸送するために十分な大きさである少なくとも１つのエレベータを建造する工程を含み、
前記エレベータは、次の階を建造するために必要となる必要な建造材料を持ち上げるとともにタービンを持ち上げるために、ある階の外側及び内側フレームを建造した後、内側フレームに隣接して、ある階から次の階に段階的に上がるように建造される請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記構造の高さが前記構造の外径の約４倍である請求項８に記載のステーション。
【請求項２２】
前記建造物の外径が１００−５００ｍの間であり、前記ステーションの高さの約４分の１である請求項８に記載のステーション。
【請求項２３】
ステーションアレイであって、
それぞれのステーションは請求項１に記載のものであり、前記アレイ内の前記ステーションのそれぞれの外側フレームの先端は、仮想開または閉曲線の外周上に位置し、
前記仮想開曲線上に位置する最初及び最後の外側フレームと、仮想曲線に対して平行な位置の最後の内側フレームは、通常は前記フレームから地上に固定された引張ケーブルによって支持されるステーションアレイ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2014530321.tif 000029
【図１Ａ】
2014530321.tif 000030
【図２】
2014530321.tif 000031
【図３】
2014530321.tif 000032
【図４】
2014530321.tif 000033
【図５】
2014530321.tif 000034
【図６】
2014530321.tif 000035
【図７】
2014530321.tif 000036
【図８】
2014530321.tif 000037
【図９】
2014530321.tif 000038
【図１０】
2014530321.tif 000039
【図１１】
2014530321.tif 000040
【図１２】
2014530321.tif 000041
【図１３】
2014530321.tif 000042
【図１４】
2014530321.tif 000043
【図１５】
2014530321.tif 000044
【図１６】
2014530321.tif 000045
【図１７】
2014530321.tif 000046
【図１８】
2014530321.tif 000047
【国際調査報告】
2014530321.tif 000048
2014530321.tif 000049