(57)【要約】  風力タービンを支持する浮力を提供するように企図される浮揚構造体を備え、前記浮揚構造体は、使用に際して圧縮された気体を含む少なくとも１つの浮揚タンクを備える、沖合の風力タービン。【選択図】図１
2015510086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービンを支持する浮力を提供するように企図される浮揚構造体を備え、前記浮揚構造体は、使用に際して圧縮された気体を含む少なくとも１つの浮揚タンクを備える、沖合の風力タービン。
【請求項２】
前記浮揚タンクの中の前記圧縮された気体は、永久的に海水から分離される、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項３】
使用に際して、前記浮揚タンクの中の前記圧縮された気体の圧力は、前記浮揚タンクの側壁の少なくとも一部の上の海水によって与えられる静水力学的な圧力よりも高いか又は等しい、請求項１又は２に記載の風力タービン。
【請求項４】
使用に際して、前記浮揚タンクの中の前記圧縮された気体の圧力は、前記浮揚タンクの側壁の少なくとも一部の上の海水によって与えられる最大の静水力学的な圧力よりも高いか又は等しい、請求項１から３のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項５】
前記浮揚タンクは、少なくとも２つの個別のコンパートメントを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項６】
使用に際して、前記コンパートメントは、実質的に水平なパーティションによって互いに上下に分離されるように配置される、請求項５に記載の風力タービン。
【請求項７】
使用に際して、各々のコンパートメントの中の前記圧縮された気体の圧力は、前記コンパートメントの側壁の上の海水によって与えられる最大の静水力学的な圧力よりも高いか又は等しい、請求項５又は６に記載の風力タービン。
【請求項８】
前記浮揚タンクは、中心幾何学軸を有し、前記軸が前記風力タービンの塔の軸と実質的に位置合わせされるように配置される、請求項１から７のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項９】
前記浮揚タンクは、実質的に円筒形状を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項１０】
前記浮揚タンクの直径は、前記浮揚タンクの長さよりも小さい、請求項９に記載の風力タービン。
【請求項１１】
前記浮揚タンクは、中央空洞ハブ部分から半径方向外側に延伸する空洞スポーク部分を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項１２】
前記浮揚タンクは、互いから近似的に１２０度の方向において、３つの前記空洞スポーク部分を備える、請求項１１に記載の風力タービン。
【請求項１３】
一端部において海底に取り付けられ他端部において前記浮揚構造体に取り付けられる、係船索をさらに備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項１４】
前記浮揚構造体とは別々に設置されるが前記浮揚構造体に接続される風力タービン支持構造体、及び一端部において海底に取り付けられ他端部において前記支持構造体に取り付けられる係船索をさらに備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項１５】
基準海面よりも上の高さにおいて前記風力タービン支持構造体から半径方向外側に延伸する、少なくとも３つの支持具をさらに備え、少なくとも１つの係船索が前記支持具のうちの各々に結合される、請求項１４に記載の風力タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年３月１５日に出願されたヨーロッパ特許出願番号ＥＰ１２３８２０９５．３及び２０１２年５月１５日に出願された米国仮特許出願番号６１／６４７３１４の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、風力タービンを支持するための浮力を提供するように企図される浮揚構造体を備える、沖合の風力タービンに関する。
【背景技術】
【０００３】
底部が固定された支持構造体の上に基礎を置く代わりに、浮いている支持構造体を有する沖合の風力タービンが開発されている。
【０００４】
浮いている又は浮揚する構造体に対していくつかの構成が提案されてきている：すなわち、これらのうちの多くが、使用に際して、実質的に基準海面の下に配置され風力タービンを支持する浮力を提供する、空洞浮揚タンクの形をとる浮揚要素を採用する。バラスト及び／又は海底に固定される係船索が、安定性を獲得するために提供される。
【０００５】
これらの浮いている風力タービンのうちのいくつかにおいて、浮揚構造体は、余剰の浮力を提供するように設計され、余剰の浮力によって引張される緊張した係船索によって、基準海面の下で浮いている状態が維持される。
【０００６】
例えば、「タウトレッグブイ」（ＴＬＢ）の浮いている風力タービンなどの概念が開発されてきており、ＴＬＢは、細長い円筒形状のブイ及び２組の引張された係船索を伴って、海底に関して傾き、重力アンカー及びブイに接続され；又は「テンションレッグプラットフォーム」（ＴＬＰ）の浮いている風力タービンなどのように、引張されている係船索が、実質的に垂直で、海底の上の重力アンカーと風力タービンの垂直軸に関して半径方向外側に延伸するアーム若しくは支持具との間に接続される。ＴＬＰアームは、浮揚構造体の一部であり、例えば、空洞中央ハブから半径方向外側に延伸する空洞スポークの形をとり、又は海水面の上に配置され、その場合にブイはＴＬＢの概念におけるように細長い円筒形状のタンクである。
【０００７】
浮いている風力タービンの浮揚構造体は、例えば、風力タービン自体の重量、波により与えられる衝撃、力、流れ、及び潮流、そして風力タービンの構成に応じてまた、風、動翼の回転などに関連する空気力学的な力などのいくつかの荷重に晒される。さらに、水の中に沈められる任意の物体のように、それらは海水と接触する外側の壁の上にかかる静水力学的な圧力及びその結果として座屈に晒される。
【０００８】
浮揚構造体及び浮揚タンクは、特に、もちろんそのような荷重に耐えるように寸法を決められる。静水力学的な圧力及び座屈の場合において、これはそれらをより厚く作ることによって外側の壁を強固にすることを含み（代替的にいくつかの種類の構造補強材を使用して）、一方、これは他の荷重に対しては必要ない可能性がある；そして、より厚い壁又は補強材はより多くの材料を含み、それ故、より大きな重量を含み、その追加の重量に対する埋め合わせのためにより大きな浮揚容積が必要となる。
【０００９】
浮揚構造体に関して考慮されるべき別の課題は、浮揚タンクが不具合を起こしたり亀裂が入ったりする場合の安全性であり、それらはタンクに水が入ったり浮力が衰えたりすること、それ故、風力タービンが倒壊する危険性をもたらす。この危険を最小化するために、浮揚タンクはいくつかの個別のコンパートメントに分けて作られ、及び／又は２重船体構造を有し；しかしながら、これは再び構造体に対して望ましからぬ重量及びサイズを追加する。
【００１０】
上述の欠点が比較的単純かつ費用がかからない浮揚構造体を用いて少なくとも部分的に解決される、沖合の風力タービンを提供することが望ましい。
【発明の概要】
【００１１】
一態様にしたがって、本発明は、風力タービンを支持する浮力を提供するように企図される、浮揚構造体を備える沖合の風力タービンを提供し、ここで、前記浮揚構造体は、使用に際して、圧縮された気体を含む少なくとも１つの浮揚タンクを備える。
【００１２】
浮揚タンクの中の圧縮された気体の存在は、タンクの壁の上の水により与えられる静水力学的な圧力と少なくとも部分的にバランスすることを可能にし、それ故、壁の材料及びタンクの重量を低減することを可能にして；さらに、いくつかの場合において、亀裂若しくは他の類似の不具合がタンクの壁の上に生ずる場合に、タンクの中に水が入ることを妨げることを可能にする。
【００１３】
解決法は、単純でありかつ低減された費用において実施されることが可能である。
【００１４】
浮揚タンクは、少なくとも２つの個別のコンパートメントを備え、その２つのコンパートメントは、使用に際して、実質的に水平なパーティションによって上下に分離されるように配置される。
【００１５】
異なるコンパートメントの存在は、気体が異なるコンパートメントにおいて異なる圧力を有するので、浮揚タンクの中の気体圧力とタンクの壁の上の静水力学的な圧力とをより緊密にバランスさせることを可能にする。
【００１６】
各々のコンパートメントにおける圧縮された気体の圧力は、コンパートメントの側壁の上の海水によって与えられる最大の静水力学的な圧力と等しいかそれ以上であり；亀裂や他の不具体の場合に、気体は最初にコンパートメントから漏れ出て水の浸入を避ける。
【００１７】
風力タービンはさらに、浮揚構造体とは別々に設置されるが浮揚構造体と接続される支持構造体、及び一端部において海底に取り付けられ他端部において支持構造体に取り付けられる係船索を備え；それはさらに、基準海面より高い位置において風力タービン支持構造体から半径方向外側に延伸する少なくとも３つの支持具を備え、少なくとも１つの係船索が支持具のうちの各々に対して結合される。
【００１８】
この構成によって、風及び他の荷重は、タービンから支持構造体、支持具、及び係船索に伝達され、一方、浮揚構造体の壁は主として静水力学的な圧力に対して寸法を決められ；静水力学的な圧力とバランスすることによって可能となる材料及び重量における低減は、それ故、特に重要である。
【００１９】
本発明の実施形態の付加的な目的、利点、及び特徴は、この説明を見れば当業者にとって明らかであり、又は本発明を実施することによって理解可能である。
【００２０】
本発明の特定の実施形態は、添付した図面を参照しながら、非限定的な実施例によって以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施形態が適用される沖合の風力タービンの側面図を概略的に示している。
【図２】図２は、図１の風力タービンの拡大された詳細を斜視図において概略的に示している。
【図３】図３は、浮揚タンクの上の静水力学的な圧力を示す略図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態が適用される異なる沖合の風力タービンの詳細を斜視図において概略的に示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１及び図２は、沖合の風力タービン、より具体的にはＴＬＰ（テンションレッグプラットフォーム）タイプの浮いている風力タービンを示している。
【００２３】
風力タービン１は、少なくとも１つの浮揚タンク３を有する浮揚構造体２を備える。浮揚構造体２は、海底ＳＢの上及び基準海面ＭＳＬの下の位置に沈められたままとなるように設計され、風力タービンの重量及び他の荷重を支持するための上方向のスラストを提供する。
【００２４】
そのような浮揚構造体を有する浮いている風力タービンを安定化させるために、すなわち、６つの自由度（サージ、スウェイ、ヒーブ、ピッチ、ロール、及びヨー）を受け入れ可能な限度の範囲内に抑え込むために、いくつかの解決法が可能であり、例えば、浮揚タンクの底にバラストを採用すること、若しくは浮揚タンクに対して余剰の浮力を提供することによって係船索を引張状態に置くこと、又はそれらの両者の組み合わせなどである。本発明の実施形態は、任意のこれらの概念、又は少なくとも１つの浮揚タンクを備える浮揚構造体を頼りにする任意の他の浮いている風力タービンに適用され得る。
【００２５】
浮揚タンク３は、図１及び図２において示されるように、実質的に円筒形状を有し、かつその長さよりも小さい直径を有する。例えば、浮揚タンク３は、約２０メートルの長さであり、かつ６メートルから１２メートルの間の直径を有する。この種類の浮揚構造体は時々「スパーブイ」と呼ばれる。
【００２６】
浮揚タンク３は、中心幾何学軸（ここでは、円筒の垂直軸）を有し、かつ浮揚タンクはこの軸が実質的に又は概して風力タービンの塔の軸と位置合わせされるように配置され、すなわち、円筒形状の浮揚タンク３は、示されているように、実質的に風力タービンの下に配置される。
【００２７】
風力タービンは、基準海面より上の高さにおいて風力タービン支持構造体５から半径方向外側に延伸する、３つの支持具４を有するように提供され；係船索６は、一端部において支持具４のうちの各々に取り付けられ、他端部において海底に取り付けられる。支持構造体５は、浮揚構造体と風力タービンの塔との間に配置され；いくつかの構成においては、そのような支持構造体は、「トランジションピース」として知られている。
【００２８】
（図示されぬ）さらなる係船索は、浮揚タンクの下側の端部と海底との間に配置され、及び／又は係船索４は、垂直と言うよりも代わりに傾斜しているような位置において海底に取り付けられる。
【００２９】
本発明の実施形態にしたがって、浮揚タンク３は、使用に際して、圧縮された気体を含む。
【００３０】
タンクは、風力タービンが準備されかつ沖合の設置現場に移送される前に少なくとも部分的に組み立てられる、例えば、陸上の位置において沈められる前に圧縮された気体で満たされ；しかしながら、それはまた、水をデバラストした後に又はそのようなデバラストの間に、空の状態で若しくは水を含んだ状態で移送され及びそれが企図される沖合の位置に設置された後に圧縮された気体で満たされ；それはまた、望ましい深さに沈められている間に圧縮された気体で満たされることができる。
【００３１】
結論として、浮揚タンク３を含んでいる浮揚構造体２が使用される場合、タンクの内側の気体圧力は、タンクの外側の壁の上の水によって与えられる静水力学的な圧力と少なくとも部分的にはバランスして、それによりタンクの壁に結果として生じる力は非常に小さくなる。タンクの壁は、それ故、静水力学的な圧力に耐えるために必要なものよりも薄くすることができる。
【００３２】
図１及び図２において示される構造体を有する風力タービンにおいて、この場合、浮揚構造体の設計は風力タービンにおいて生じる全ての荷重を考慮に入れる必要はないので、浮揚タンクの材料及び重量を低減するこの可能性は特に有用である：すなわち、例えば、風による荷重は、塔から支持構造体５の支持具４へ伝達され、かつここから係船索６へ伝達される。波による荷重は浮揚構造体を通じて支持具及び係船索へと伝達されるが、静水力学的な圧力が最大となり波による荷重がより小さい、浮揚体のより深い領域は主として静水力学的な圧力に耐えることに対して寸法が決められる。
【００３３】
これは、浮揚構造体が主として支持されるべき重量及び浮揚構造体が従うべき静水力学的な圧力に対して寸法を決められる必要があるということを意味し；静水力学的な圧力とバランスすることによって可能となる浮揚構造体の材料及び重量における低減は、それ故、重要であり構造体の費用削減をもたらす。
【００３４】
タンクの内側の気体圧力は、少なくともタンクの壁の領域の上の水によって与えられる静水力学的な圧力と等しく、かつそれは少なくともタンクの壁の領域の上の水によって与えられる最大の静水力学的な圧力と等しく；圧力は水の深さに伴って増加するので、タンクの内側の気体圧力は、少なくともタンクの壁の最も下又は最も深い領域の上に与えられる静水力学的な圧力と等しい。
【００３５】
図３は、円筒形状の浮揚タンク３の壁の上の水によって与えられる静水力学的な圧力の分布を示す。
【００３６】
図３において示されるように、タンク３は、任意の数の個別のコンパートメント３１、３２、３３、例えば使用に際して実質的に水平の壁又はパーティション３０によって互いに分離されるように上下に配置されるコンパートメントに分割される。
【００３７】
気体圧力は、異なるコンパートメント３１、３２、３３において異なる値に設定され、それによって、コンパートメントのうちの各々において、圧力がその特定のコンパートメントの壁の上の静水力学的な圧力に適合される：すなわち、図３において示される実施例において、コンパートメント３１の中の気体圧力は圧力Ｐ１に設定され、コンパートメント３２の中の気体圧力は圧力Ｐ２に設定され、かつコンパートメント３３の中の気体圧力は圧力Ｐ３に設定され、ここで、Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３は、各々のコンパートメント３１、３２、３３の上の水によって与えられる最大の静水力学的な圧力にそれぞれ対応する。
【００３８】
このことは、より小さい圧力勾配を可能にする：すなわち、例えば、最も深いコンパートメント３３において、壁の上に最大の圧力の差異が存在する：すなわち、
ΔＰ＝Ｐgas−Ｐ2＝Ｐ3−Ｐ2
【００３９】
これは、コンパートメント３２及び３３の間のパーティションの壁３０の上と同様に、コンパートメント３３の内側の壁の最も高い部分において働く圧力の差異である。一方、コンパートメント３３のより下側の領域において、タンクの壁にわたる圧力の差異が事実上ゼロとなる。
【００４０】
より多い数のコンパートメントを伴って、圧力勾配及び最大圧力はより小さくなるが、付加的なより多くのパーティションが必要となる：すなわち、各々の場合において、浮揚タンクの構成、形状、及び企図される深さに応じて、熟練者は最適なコンパートメントの構造を決定することができる、ということが理解されるだろう。
【００４１】
浮揚タンク及び／又は浮揚タンクのコンパートメントの内側の圧縮された気体の存在はまた、圧縮された気体が水が浮揚タンクに入ることを妨げるので、衝撃又は他の原因の結果として、浮揚タンクの壁の上に亀裂又は他の損傷が現れる場合に助けとなる。
【００４２】
これに関して、浮揚タンク及び／又は浮揚タンクのコンパートメントの内側の気体圧力は、タンク又はコンパートメントの壁に与えられる最大の静水力学的な圧力のそれよりも高いことが予見され、それによって、タンクの壁に亀裂が生じる場合に、気体圧力が少なくとも最初はタンクに水が入ることを妨げる。
【００４３】
風力タービンの浮揚構造体の別の実施形態は、図４において示され；この場合、浮揚タンク７は、互いから近似的に１２０度において中央空洞ハブ部分９から半径方向外側へ延伸する３つの空洞スポーク部分８を備える。この場合、係船索６は、各々のスポーク部分８及び海底ＳＢの間に取り付けられる。
【００４４】
この場合、風力タービンの使用に際して、中央ハブ部分９と同様にスポーク部分８が、全て圧縮された気体によって満たされ；タンクの壁の上の静水力学的な圧力は、それ故、バランスされる。
【００４５】
比較的浅い、すなわち、低減された垂直方向の寸法を有する図４の浮揚タンクにおいて、１つの領域及び別の領域の間の静水力学的な圧力における差異は、それほど大きくなくて、それ故、個別のコンパートメントは静水力学的な圧力をバランスするために有効ではない：すなわち、この場合、単一の容積を有する浮揚タンクがより適切である。
【００４６】
従来から、この種の浮揚タンクは、亀裂又は類似の壁の不具合が生じた場合、水がタンク全体を満たすことを妨げるためにいくつかのコンパートメント（垂直なパーティションにより分割）が提供され、またこの場合、タンクの中に圧縮された気体を提供することは、材料、重量、及び費用の節約をもたらす。
【００４７】
またこの場合、浮揚タンクの内側の気体圧力は、タンクの壁に亀裂が生じた場合にタンクに水が入ることを妨げるために、最大の静水力学的な圧力のそれよりも高い。
【００４８】
風力タービンの浮揚構造体の浮揚タンクのための適切な圧縮された気体は空気である。
【００４９】
全ての実施形態において、圧力損失を検出し、かつ亀裂又はその他の圧力損失の原因が除去されるまで、必要ならばさらなる圧縮された気体を浮揚タンク又はコンパートメントに供給するために、（図示されぬ）適切な圧力監視装置が提供される。
【００５０】
圧縮された気体は、（図示されぬ）コンプレッサによって供給される。適切なコンプレッサはすでに、少なくとも、沖合の風力タービンの移送及び設置のオペレーションの間に通常に利用可能であり、それは、例えば、移送及び設置の目的のために水で満たされる浮揚体をデバラストするために、適切なコンプレッサが採用されるためである。
【００５１】
浮揚タンク、及び／又は浮揚タンクの各々の個別のコンパートメントは、コンプレッサ又は類似の手段を用いてそれらを圧縮された気体で満たすことを可能にするための、かつそれらを好適に監視することを可能にするための、適切なバルブ、接続部、及びセンサ装置が提供される、ということが理解されるだろう。
【００５２】
圧縮された気体を含んでいる浮揚タンクを有する風力タービンはそれ故また、浮揚タンクの中の気体圧力が所定の閾値の下まで下がる場合に、浮揚タンクに気体を供給するための適切なコンプレッサ、及び／又は浮揚タンクの中の気体圧力を監視するための手段、並びにさらなる気体を供給し及び／又はアラーム状態を発生する手段を備える。
【００５３】
風力タービンの浮揚構造体は、いくつかの浮揚タンクを備え、それらのうちの少なくともいくつかは、圧縮された気体を含み；それらのうちのいくつかだけが圧縮された気体で満たされる、種々のコンパートメントを有する浮揚タンクを設計することもまた可能である。
【００５４】
説明されたように沖合の風力タービンを支持及び作動させるための方法は、風力タービンを支持するために浮力を提供することが企図され、かつ少なくとも１つの浮揚タンクを備える浮揚構造体を提供すること；浮揚タンクの少なくとも一部を圧縮された気体で満たすこと；及び浮揚タンクを基準海面の下の位置に設置することを含む。浮揚タンクの少なくとも一部を圧縮された気体で満たすことは、浮揚タンクを基準海面の下の位置に設置するオペレーションの前、後、又は間に実行されることができる。
【００５５】
それ故、閉じられた浮揚タンク又はコンパートメントは、吸入バルブを通じて、例えば、コンプレッサなどの手段によって好適な圧力まで圧縮された気体が満たされ、その後に吸入バルブが閉じられる、ということが理解されるだろう。浮揚タンクを満たしている間及び風力タービンの作動の間の両方において、圧縮された気体は海水から分離された状態を維持される。
【００５６】
任意の数だけの本発明の特定の実施形態及び実施例が本明細書の中において説明されてきたが、本発明の他の代替的な実施形態及び／又は使用、並びにそれらの明らかな変形例及び等価物が可能であることは、当業者によって理解されるだろう。さらに、本発明は、説明された特定の実施形態の全ての可能な組み合わせをカバーする。それ故、本発明の範囲は、特定の実施形態によって限定されるべきものではなく、以下の特許請求の範囲を公平に読むことによって決定されるべきである。
【図１】
2015510086.tif 000003
【図２】
2015510086.tif 000004
【図３】
2015510086.tif 000005
【図４】
2015510086.tif 000006
【国際調査報告】
2015510086.tif 000007
2015510086.tif 000008
2015510086.tif 000009