(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮上風力発電所（１）の塔（３）用の装置であって、回転子（１５）を含む機械小屋（１３）からなり、該機械小屋は塔（３）に非回転的に接合されており、塔（３）は塔の回転軸（２９）に関して回転可能であり、塔（３）には少なくとも一つの引張棒（６１）及び少なくとも一つの張出支柱（６３）が設けられており、該少なくとも一つの引張棒（６１）は塔の上部（９）から該少なくとも一つの張出支柱（６３）を経由して塔（３）の下部（２１）へと引き伸ばされることを特徴とする浮上風力発電所（１）の塔（３）用の装置
【請求項２】
塔（３）の下部に回り継ぎ手（２７ａあるいは２７ｂ）が設けられることを特徴とする請求項１による装置
【請求項３】
塔の回転軸（２９）が塔（３）の中心軸と必ず一致することを特徴とする請求項１による装置
【請求項４】
塔の回転軸（２９）が塔（３）の中心軸とある角度をなすことを特徴とする請求項１による装置
【請求項５】
回り継手（２７a、あるいは２７b）用支承ハウジング（３１）が万能継手（２５）を経由して引張錨脚（７）に接合されていることを特徴とする請求項２による装置
【請求項６】
環状空間（４０）が支承ハウジング（３１）とケーシング（３７）との間に形成され、環状空間（３２）が回り継手（２７a、あるいは２７b）と、環状空間（４０）と連絡する支承ハウジング（３１）との間に形成されるように、支承ハウジング（３１）が ケーシング（３７）によって囲まれていることを特徴とする請求項５による装置
【請求項７】
連絡する環状空間（３２、４０）に下方に割り当てられるシール（３４、３９）が設けられ、下方に割り当てられるシール（３４、３９）の方に向く水圧によって封じ込められる潤滑油を保つよう、連絡する環状空間（３２、４０）が設計されることを特徴とする請求項６による装置
【請求項８】
塔（３）の上部（９）が空気力学的に設計された、あるいは塔（３）の上部（９）に空気力学的な形状の風遮断体（７１）が設けられることを特徴とする請求項１による装置
【請求項９】
塔（３）、その下部（２１）、回り継手（２７a、または２７b）、万能継手（２５）および引張脚（７）にケーブルを通すための中央通路（５１、５３、５５）が設けられることを特徴とする請求項５による装置
【請求項１０】
回り継手（２７a、または２７b）に塔（３）の強制回転用手段が設けられることを特徴とする請求項２による装置
【請求項１１】
塔（３）の有効重心が塔（３）の浮力中心の下にあることを特徴とする請求項１による装置
【請求項１２】
塔（３）に関して回転可能な空気力学的な形状の風遮断体（７１）が設けられることを特徴とする請求項１による装置
【発明の詳細な説明】
【利用分野】
【０００１】
本発明は、塔部が海底に直接、あるいは引張脚を経由して錨固定されるため、塔の有効重心がその浮力の中心の下にある浮上風力発電所塔用の装置に関する。任意の与えられた時点における風力発電所の有効重心は、発電所の全体重量と形状および重量、形状、および錨固定装置からの任意の引張力の影響によって決定される。これは、重力の有効中心の位置が底荷と錨固定装置からの引張りの様々な組合せによって維持されることが可能であること、すなわち、減る底荷は錨固定装置からの増加引張力によって相殺可能であることを意味する。さらに具体的には、本発明は塔を捩れフリーの基礎に接合するほぼ鉛直の回り継手／回転継手に関し、回転軸の方向は回転子を通過する垂直軸から少しずらすことが可能である。回転子のハウジングは塔の上部に捩れフリーに接合される。回り継手の軸方向が、回転子に向かう風力は、常時、風向について都合の良い位置に回転子を維持する塔にトルクを加えることを確実する。この影響の結果として、最大曲げ応力は塔を通る中心軸および回転子を通る中心軸に一致する平面に生ずるため、塔の設計の最適化が可能となる。
【従来技術】
【０００２】
有効重心が塔の浮力中心の下にあるために、浮かぶ鉛直浮上風力発電所塔の場合には、塔が海底に直接、あるいは引張脚を通じて錨固定されるので、該塔は大きな曲げモーメントを受けることになる。十分な安定性を得るために、この種の塔は陸上に位置する従来の類似塔のおよそ２倍となる。
【０００３】
曲げモーメントは構造物への波の影響の理由および塔頂部での風力発電回転子に向かう風力の理由の両方が原因で生じる。塔が風力のせいで反り返る時に、鉛直上方向きの浮力の影響は、水面下から塔が正の浮力をもつところまでの全面積の塔に関する曲げ支持力として作用する。従って、有効片持ち腕長さは陸上にその基礎がある、つまり、塔の全長が短くなる類似の塔の場合よりも長くなる。さらに、塔の曲げモーメントは、もし、海上で見られるより大きな平均風速を利用しようとする場合には、対応する陸上の塔に関するものよりも大きくなることもしばしばである。
【０００４】
塔が風力を受ける時に反り返るために、回転子軸がほぼ水平を維持するのを確保するため、回転子を塔に対し９０度以外の角度に設定するのが望ましい。これは、もし回転子が塔の風上側に位置するならば回転子翼が塔にぶつかる可能性があることを意味する。
【０００５】
従って、塔の風下側に回転子を位置させることが可能であるのが望ましいことになる。しかしながら、この点は回転翼が、翼が６時の位置を通過する度に塔の背後の影の領域を通過するという不利な点の原因となり、このことが翼に風圧の突然の変化とともに相当な疲労応力を招くことになる。
【０００６】
もし、回転子軸が、塔に対して９０度以外の角度で塔に位置するならば、上述のように、風力発電所発電機のエネルギーに変換される回転子からのトルクは、塔までトルクとして部分的に伝達されることにもなる。この点は、もし海底に回転不可能に固定されない場合には風力発電所が風を避ける傾向をもつ原因となる。もし、風力発電所が回転不可能なようにしかるべき位置を保つ場合には、多かれ少なかれ一定のトルクが、機械小屋と塔の間に取付けられる方向性のモーターか、あるいは風力発電所のブレーキによって処理されなくてはならない。
【０００７】
本発明の目的は先行技術の欠点を改善することにある。
【０００８】
この目的は以下に説明と以下の請求項に公開される特徴によって達成される。
【０００９】
本発明は、風に関する方向を維持するための浮上風力発電所装置の、上述のように風力発電所塔の上部からその下部まで移動するものに基づかれている。必ず鉛直な中心軸を伴うとともに風力発電所回転子を通る中心軸に垂直な軸と必ず一致する塔の回り継手が、塔の下部に取付けられる。風力発電所回転子を収容する機械小屋、ギアハウジング、および発電機、あるいはギアハウジングへの切替え変速機、および塔の下方に位置する発電機が、回転不可能に風力発電所塔に接続される。
【００１０】
塔の下部は海底に、あるいは以降、錨固定装置と呼ぶ海底に錨固定される引張脚に接合される。塔と錨固定装置の間の接合は、従来技術そのものによる自由に曲がる、捩りフリー継手（回り継手）からなる。
【００１１】
以下に続くものの中で、
a）風力発電所の回転子を通る中心軸は回転子の回転軸と呼ばれるとともに、
b) 風力発電所の回り継手を通る中心軸は塔の回転軸と呼ばれる。
【００１２】
風力発電所の回転装置の前記位置は、塔全体が機械小屋と回転子と一緒に風の方向に回転するため、風が塔の同じ側から常に来ることを意味する。この点は、塔が明確に定められる方向から最大応力を受けるので、塔の可能な建てられ具合に影響を与える。
【００１３】
もし、海流と波浪によって塔に作用する作用力の生ずる点が塔の回転軸内にあるならば、塔は海流や風からの力によって向きは変わらない。従って、円形断面と直線の中心軸を伴う塔に関する塔の回転軸および塔の中心軸は、塔が海流や波浪によって向きが変わるのを防ぐよう、一致するのが有利である。
【００１４】
回転子のトルクは発電機に伝達される。この点の塔の安定性への影響の仕方は、塔の回転軸に関する回転子の回転軸の方向に依存する。２つの異なる状況がある。
ａ）回転子の回転軸が塔の回転軸に直角である。トルクは曲げモーメントとして塔に伝えられる。
ｂ）回転子の回転軸が塔の回転軸に直角でない。トルクは曲げモーメントとして部分的に、そして一部は塔の回転軸まわりのトルクとして塔に伝えられる。
【００１５】
もし、作用力の共通点が塔の回転軸と一致しなければ、塔は、また、翼への全風力が塔に塔の回転軸まわりのトルクを加えるので、回転子翼への風力によっても影響を受ける。もし、前記作用点が、風の方向に作用点を見て、塔の回転軸の前面にあるならば、風力は回転子が反対側に位置するよう、つまり塔の風下側に塔の向きを変えようとする。
【００１６】
従って、塔の回転軸の方向は、塔とその回転子が風に関連する方向へ向ける方法を制御するのに利用される。つまり、塔が風とともに常に回転するという事実は、浮上風力発電所塔の建設の材料消費、重量そしてコストについて最大のメリットが得られることを意味する。
【００１７】
風力発電所に関する最も重要な設計要因は、実は、回転子、機械小屋、および塔への風圧によって起こる該風向での曲げ応力である。回転する機械小屋を伴う通常の塔に関して、塔はあらゆる方向からの風圧に関して寸法が定められなくてはならない。風とともに回転する塔の利用は、塔がただ１方向のみの最大応力を吸収するよう建設されるのが許容されるだけである。
【００１８】
もし、塔の回転軸が、回転子前面で、つまり、作用点を回転子の方向に見て、機械小屋と塔が回転子の背後にある場合の回転子の風力の作用点中心の前面で、回転子回転軸と交差するならば、塔は塔の風上側の回転子とともに風の方に回転を続ける。
【００１９】
もし、塔の回転軸が、回転子の背後で、つまり、作用点を回転子の方向に見て、機械小屋と塔が回転子の背後にある場合の回転子の風力の作用点中心の背後で、回転子回転軸と交差するならば、塔は風とともに回転を続けるので、回転子は塔の風下側にあることになる。
【００２０】
前記回転軸の交差部が回転子に近い時には、塔の回転能力は小さい。回転能力は前記交差部と回転子間の距離が増すに従って増す。
【００２１】
運転の間、回転子の回転軸を是非とも水平を保つことが望ましい。塔への風力のために、塔は風の方向に曲がる。また、強風時に翼が塔とぶつからないように塔と回転子翼の外端との間に、ある一定距離を維持することも望ましい。２つの前記要因の重要さは回転子を塔の風下側に保つのが有利であるということである。塔の回転軸はこうして有利に位置が決められるので、機械小屋および回転子背後の塔とともに回転子の方向に見られる場合、塔の回転軸は回転子背後の回転子回転軸と交差する。
【００２２】
塔の風上側には風向、および／または、波浪の向きと一致する面に主として作用する曲げ応力を吸収するのに適切な補強材／棒が設けられる。補強材／棒は、好ましくは塔の中央部分近傍で、あるいは塔の曲げモーメントが最大となる部分で、１つ以上の張出支柱を通じて塔の上部から塔の下部まで１本以上の引張棒を接合することによって製作が可能である。
【００２３】
塔の上部は塔の風下側の乱流を防ぐか、あるいは最小にするための空気力学的断面を有するのが有利である。こうして、回転子翼は塔の風下側を通過する度に減少した風圧を受けるのでデメリットは最小化される。このように、疲労応力の危険は、翼上の負荷の変動が最小化されるので減少する。
【００２４】
もし、風向が、塔が風とともに十分速く回転せずに、短期間の間に変化する場合には、風は塔に相当な横方向力を作用させて、塔背後に乱流を生み出す可能性がある。これを相殺するため、空気力学断面の後部縁あるいは全断面が、塔上に取付けられることが可能で、塔は回転しないで風とある一定角度を向くことが可能となる。従って、風力それ自身が、常に空気力学である断面は常に風の向きあることを確実にする。オプションとして、断面に減衰部が設けられても良く、変化する風向への適応がよりスムーズとなる。
【００２５】
塔の回り継手が万能継手近くに取付けられるので、回り継手上の曲げモーメントは殆どゼロである。故に、回り継手は塔の頂部の機械小屋によって位置が定められる従来の回り継手装置よりも小型で廉価に製作可能である。従来の回り継手装置は風力発電所の回転子からの比較的大きな曲げモーメントに併せて寸法が決められなくてはならない。
【００２６】
回り継手は塔の中心軸と一致して取付けられても良い。
【００２７】
風力発電所は、それから、風向計と同じように、その風下側の回転子に位置を合わせる。風力によって生ずる塔の傾斜のために、傾斜は、普通、およそ５度から２０度の静的角度であるとともに、望ましくは運転中に回転子軸方向を必ず水平方向に維持するため、回転子は、通常、回転子回転軸と塔回転軸間で９０度プラス５度から２０度、すなわち、９５度から１１０度の静的角度で取付けられる。
【００２８】
回転子の回転軸は塔の回転軸に対して直角でないので、発電機を通る回転子から伝達されるトルクは、塔の回転軸まわりに塔へトルクを加える。これは、回転子が風向からそれる傾向を有することを意味するので不都合な点である。回り継手は必ずしも曲げモーメントを吸収しないので、塔の回転軸は回転子の回転軸に直角に、つまり、塔の中心軸に関して「斜めに」、かつ上述の５度から２０度と同じ数字で設定可能である。こうして、塔はもはや回転軸が風向からそれるように回転する傾向は無くなる。
【００２９】
電力の伝搬のための風力発電所ケーブルが発電機から塔を通って下の海底まで走る。風力発電所が同じ方向の１つ以上の回転により風と一緒に向く場合に、ケーブルの捩れを最小にするため、該ケーブルは塔の回り継手装置と塔の底にある万能継手を通る中心線に沿って走るのが有利である。従って、万能継手には従来技術による開放中心が設けられると都合がよい。
【００３０】
回り継手を通るケーブル接合部は、塔が風向の変化とともに数回回転して捩れるのを防止するために、回り継手に塔がカーブルに関して中立である位置に戻るよう強制される回転用の装置が設けられるのが適切である。該強制回転装置は、回転機能が動かなくなるのを防止するための装置と、例えば、１つ以上の油圧駆動モーターを利用して、組合わされると都合が良い。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
以下に、添付図面に図示される好ましい実施例の非限定例に関する説明が続く。すなわち、
【図１】：引張脚により非回転的に錨固定される塔、および塔に回転するよう接合される機械小屋に関する浮上風力発電所の側面図である。
【図２ａ】：塔の回転軸が回転子の回転軸に直角であるとともに該塔が控え綱の手段によって安定させられるとともに、空気力学的覆いが設けられた場合の浮上発電所の図１と同じ縮尺の側面図である。
【図２ｂ】：図２ａで塔を通る線ＩＩ−ＩＩに沿って取られた断面をより大きな縮尺で示す。
【図２ｃ】：塔の回転軸が風向に直角である場合の浮上風力発電所の図１と同じ縮尺での側面図である。
【図３】：傾斜した回り継手、自由に曲がることが可能な万能継手付きの塔と引張錨固定脚との間の接合部を通る長さ方向断面をより大きな縮尺で示す。
【図４】：直線の回り継手、自由に曲がることの可能な万能継手をもつ塔と引張錨固定脚との間の代替え接合部を通る長さ方向断面を図３と同じ縮尺で示す。
【詳細な説明】
【００３２】
まず、最初に参照番号１aが浮上風力発電所を指す場合の図１に参照が行われるのは、塔２が引張錨固定脚７および錨部８によって海底５に非回転的に錨固定される、すなわち海底に対して全く動かないように固定するとともに、塔２の上部８は海面１１の上部に突き出るものである。機械小屋１２は旋回するよう塔２の上部８に接合される。回転子１４は塔２の中心軸に直角に回転子の回転軸１６を有する。矢印１９は風力発電所への風向を示す。
【００３３】
次に参照される図２ａから図３では、塔３が引張錨固定脚７および錨８によって海底５に錨固定されるとともに、塔３の上部９が海面１１の上部に突き出す参照番号１ｂが、本発明による浮上風力発電所を指す。
【００３４】
機械小屋１３は非回転的に塔３の上部９に接続される、すなわち塔３の上部９に対して全く動かないように固定される。回転子１５は、塔３の回転軸に直角な回転軸１７を有する。矢印１９は風力発電所への風向を指す。
【００３５】
塔３は節接合２３によって引張錨固定脚７に接合される。
【００３６】
節接合部２３には回り継手２７および万能継手２５が含まれる。回り継手２７aは、塔の回転軸２９が回転子の回転軸１７と交差するようある角度で塔３の下部２１に取付けられる。回り継手２７aは、球支承３３および回り継手２７a上かつ支承ハウジング３３内にある軸方向固定手段（図示されず）によって支承ハウジング３１に旋回するよう締結される。支承ハウジング３１は万能継手２５の上部断面３５に固定される。
【００３７】
シール３４が支承３３の下部に位置するとともに、回り継手２７ａと支承ハウジング３１の間にある環状空間３２をシールする。
【００３８】
万能継手２５は引張脚７への捩れフリー接合を形成する。
【００３９】
ケーシング３７は塔３の下部２１に締結されるとともに、回り継手２７aの締結点廻りを気密にシールするとともに、支承ハウジング３１を必ず取り囲む。シール３９が支承３３の下に打たれるとともに、ケーシング３７と支承ハウジング３１間の環状空間４０を潤滑油で埋める。環状空間３２および４０は支承部３３を通じてつながるとともに支承潤滑油で満たされる。
【００４０】
ケーシング３７にはモーター支持材４１および駆動ギア４５が支承ハウジング３１に締結される動輪ギア４７と噛合する数個の油圧モーター４３が設けられる。モーター４３は駆動ユニット（図示されず）および制御装置（図示されず）に接続される。
【００４１】
図４に示される代替実施例では、回り継手２７ｂの中心軸すなわち、塔の回転軸２９が塔３の中心軸と一致する。
【００４２】
回り継手２７ａ、２７ｂには開放の中央通路５１がある。万能継手２５および引張脚７には、また風力発電所（図示されず）まで走るケーブル用に開放の中央通路５３および５５もある。
【００４３】
図２aによると、塔３には、塔３の上部９および下部２１に接合され、さらに、塔３に締結されるとともに、本発明のある実施例では、風向、および／または、波浪方向と一致する面について塔の風上側から３０度突き出る２つの張出支柱６３によって引き延ばされたままに保たれる引張棒６１が設けられる。塔３の上部９は空気力学的、すなわち、非円形断面で形成される。塔の上部９には、好ましくは部分的に塔３に関して回転可能な空気力学的な風遮断体７１が設けられて良く、さらに塔３の風下側の風１９の乱流を減ずるよう設計されると良い。
【００４４】
塔３は必ず上向きに浮くとともに、引張脚７の引張り下で海底５に錨固定されることによって位置が保たれる。
【００４５】
万能継手２５は、回り継手２７ａあるいは２７ｂが曲げモーメントを吸収しないことを確実にする。
【００４６】
回り継手２７ａ、あるいは２７ｂ、およびその支持材３１、３３は、塔３が塔の回転軸２９まわりに自由に回転するとともに風向に一致する方向を取ることが可能であることを確実にする
【００４７】
回転子の回転軸１７に関連する塔の回転軸２９の方向および生ずる回転子１５上の風力の作用点を決めることによって、塔の風向に関連した位置の決まり具合を決めることが可能である。
【００４８】
塔の回転軸２９を、回転子が機械小屋１３の前面に見られる場合に（図２ｃに示すように）回転子１５前面で回転子の回転軸１７と交差するよう設定すると、塔３が塔の風上側の回転子でもって風で回転するようになる。これはもし、その意図が、多くは技術的にも商業上も今日手に入れることが可能な向かい風回転子１５を利用することならば望ましいものかもしれない。
【００４９】
ケーシング３７は回り継手２７ａ、あるいは２７ｂと塔３との間の交差部まわりをシールするので、水より軽い支承潤滑油が使用されるかどうかといったシール３４および３９の品質についてのたいしたニーズはないかも知れない。万能継手２５における中央開口部５３のために、シール３４、３９上の水圧は等しく、水圧だけで支承潤滑油をケーシング３７および回り継手２７ａ、あるいは２７ｂによって定まる環状空間３３、４０の中に位置を保つことが可能である。
【００５０】
動力伝達カーブル（図示されず）は、捩れに関して限られた程度許容されるだけなので、モーター４３は、塔が風と一緒に何回か回転した後、塔３を回転させてケーブルに関する中立の位置に戻るように利用される。モーター４３はまた塔の回転動を減衰させたり、あるいは停止させるために利用されることも可能である。
【図１】
0004651614.tif 000002
【図２ａ】
0004651614.tif 000003
【図２ｂ】
0004651614.tif 000004
【図２ｃ】
0004651614.tif 000005
【図３】
0004651614.tif 000006
【図４】
0004651614.tif 000007