(57)【要約】  本発明は、ロータ平面を形成する１つ又は複数の回転自在に組付けられている風力タービン翼を有するロータハブが組付けられている頂部に配置されているナセルを有する、風力タービンタワーを備える風力タービン構造に関する。浮体式基礎がこの風力タービンタワーの底部に組付けられており、及び、ピッチ及び／又はヨーシステムが、風力タービン構造の位置を調整するために使用される。制御ユニットが、２つの軸方向における風力タービン構造の相対的移動を検出し、及び、ピッチ又はヨーシステムを、風力タービン構造を平衡位置に移動させるために起動させる。このことが、風力タービン構造が安定した平衡位置のままであるように、風力タービン構造の方向移動を低減させる。このことが、更に、アンカーチェーンにおける揺動運動と張力とを低減させる。【選択図】図１
2017515033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービン構造であって、
−  頂部及び底部を有する風力タービンタワーと、
−  前記風力タービンタワーの頂部に配置されたナセルと、
−  前記ナセル上に回転自在に組付けられたロータハブと、
−  先端端部と、前記ロータハブに組付けられた翼根元とを有する１つ又は複数のピッチング可能な風力タービン翼と、
−  前記風力タービンタワーの底部に組付けられた上部部分を有する浮体式基礎であって、沖合の位置に設置されるように構成された浮体式本体を備える浮体式基礎と、
−  複数の懸垂線の係留索を有する係留システムであって、基礎と海底上に配置された少なくとも１つのアンカーとに接続される係留システムと、を備え、
−  前記風力タービン構造は、前記風力タービン翼をピッチングさせるように構成されたピッチシステムに少なくとも接続された少なくとも１つの制御ユニットを備える、
風力タービン構造において、
−  少なくとも１つの測定ユニットが、前記制御ユニットに接続され、且つ、水平面内の少なくとも１つの軸線に沿った前記風力タービン構造の軸方向移動を測定するように構成されており、前記制御ユニットは、予め決められた位置に対する前記風力タービン構造の相対的移動を決定するように構成されており、
−  前記制御ユニットは、更に、前記係留システムにおける揺動運動を減衰させるために、前記相対的移動に基づいてロータに作用する推力を調整することによって、水平面内で前記風力タービン構造を移動させるように構成されている、
ことを特徴とする風力タービン構造。
【請求項２】
前記制御ユニットは、第１方向と第２方向とにおける前記相対的移動を決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項３】
前記制御ユニットは、前記相対的移動を少なくとも１つの閾値と比較するように構成されており、前記制御ユニットは、前記相対的移動が該閾値を超える場合に、前記ロータに作用する前記推力を調整するように構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の風力タービン。
【請求項４】
前記制御ユニットは、前記相対的移動に基づいて最適なピッチ角を決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項５】
前記制御ユニットは、更に、前記風力タービンタワーに対して前記ナセル及び前記ロータをヨーイングさせるように構成されたヨーシステムに接続されており、前記制御ユニットは、前記相対的移動に基づいて最適なヨー角を決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項６】
前記測定ユニットが前記係留システムに対して配置されており、前記制御ユニットが、更に、少なくとも、
−  前記係留索の少なくとも１つにおける張力か、
−  前記少なくとも１つの係留索の角度か、又は、
−  前記少なくとも１つの係留索の弾性応答、例えば相対的移動、
を決定するように構成されている、
ことを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項７】
前記測定ユニットは、前記風力タービン構造に対して配置され、且つ、前記風力タービン構造の位置、例えば地球上の位置又は局所的な位置を測定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項８】
前記風力タービン翼の少なくとも１つが、第１空気力学的プロファイルを有する内側翼部分と、第２空気力学的プロファイルを有する外側翼部分とを備え、前記ピッチシステムは、２つの翼部分の間に配置され、且つ、第１風速を超える風速で前記内側翼部分に対して前記外側翼部分をピッチングさせるように構成されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に規定されるような風力タービン構造を制御する方法であって、
−  第１風速よりも速い平均風速において風力タービン翼を所定のピッチ角にピッチングさせるステップと、
−  少なくとも水平面内の予め決められた位置に対して前記風力タービン構造を移動させるステップと、
を含む方法において、
−  水平面における前記風力タービン構造の軸方向移動を測定するステップと、
−  前記風力タービン構造の前記相対的移動を決定するステップと、
−  前記風力タービン構造を移動させるステップが、前記係留システムにおける揺動運動を減衰させるために、前記相対的移動に基づいて、前記風力タービン構造のロータに作用する前記推力を調節することを含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記相対的移動を決定するステップは、第１方向と第２方向とにおける前記相対的移動を決定することを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記相対的移動は少なくとも１つの閾値と比較され、前記閾値を超える場合には、前記ロータにおける推力が調整されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記風力タービン翼の少なくとも一部分が、前記相対的移動に基づいた最適なピッチ角にピッチングさせられ、及び／又は、前記ナセルが、前記相対的移動に基づいた最適なヨー角にヨーイングさせられることを特徴とする、請求項９から１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記軸方向移動を測定するステップは、少なくとも、
前記係留索の少なくとも１つにおける張力を測定することと、
前記少なくとも１つの係留索の角度を測定することと、
前記少なくとも１つの係留索の弾性応答、例えば相対的移動を測定すること、
を含むことを特徴とする、請求項９から１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記風力タービン構造は、複数の懸垂線の係留索を備える係留システムによって海底に係留され、１つ又は複数の要素、例えば重り要素が、前記係留システムの少なくとも一部分の移動を低減させるために、前記係留システム上に設置されることを特徴とする、請求項９から１３のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービン構造であって、
−  頂部及び底部を有する風力タービンタワーと、
−  風力タービンタワーの頂部に配置されたナセルと、
−  ナセルに回転自在に取付けられたロータハブと、
−  先端端部と、ロータハブに組付けられた翼根元とを有する１つ又は複数のピッチング可能な風力タービン翼と、
−  風力タービンタワーの底部に組付けられた上部部分を有する浮体式基礎であって、沖合の位置に設置されるように構成された浮体式本体を備える浮体式基礎と、
−  複数の懸垂線（catenary）の係留索を有する係留システムであって、浮体式基礎と海底上に配置された少なくとも１つのアンカーとに接続される係留システムと、を備え、  −  風力タービン構造は、風力タービン翼をピッチング（pitch）させるように構成されたピッチシステムに少なくとも接続された少なくとも１つの制御ユニットを備える、
風力タービン構造に関する。
【０００２】
本発明は、更に、上述した風力タービン構造を制御する方法に関し、この方法は、
−  第１風速よりも速い平均風速において風力タービン翼をピッチ角にピッチングさせ、このピッチングが制御ユニットによって制御されるステップと、
−  少なくとも水平面内の予め決められた位置に対して風力タービン構造を移動させるステップと、
を含む。
【背景技術】
【０００３】
海底上に配置されたアンカーに各々が接続され且つ基礎から延びる係留索に各々が接続される、多くの長く重いチェーンを使用して所望の位置に浮体式基礎を固定するために係留システムを使用することが知られている。斯かる懸垂線の係留システムは、限定された領域内に基礎を保持するために、重量と、海底とアンカーとアンカーチェーンの一部分との間の摩擦と、を使用する。浮体式基礎は、係留構造に対して作用する種々の風力及び海洋（波及び海流）力に起因して海底に対して水平及び垂直方向に且つその初期位置から遠ざかるように移動できる。この相対的移動は、幾つかのアンカーチェーンをぴんと張って他のアンカーチェーンを緩ませ、これによって、個々のアンカーチェーンにおける張力を変化させる。移動に起因してアンカーチェーンで生じた張力は、斯かる係留システムのサイズ及び重量を決定するときの重要なファクターである。
【０００４】
これら海洋力の低振動数スペクトルが、懸垂線の係留システム及び基礎の固有振動数と共振する可能性があり、このことが、更に、アンカーチェーンにおける移動又は揺動の増大を更に導き、特に、チェーン部分を移動させて海底と接触させたり海底から分離させたりすること（スラッシング（thrashing）と呼ぶ）が知られている。この連続的な揺動は、チェーンリンクと種々の他のチェーン構成要素を、動的荷重に起因した絶え間ない摩耗にさらす。このことが係留システムの寿命を短くする。この寿命は、更に、海水という腐食性の環境に起因して短縮されることがある。係留構造に対して作用する海洋力は、更に、ロータハブ上に作用する結果的に生じる推力に影響を与える。このことが、秒速１８ｍから秒速２２ｍ、例えば秒速２０ｍ、の風速において問題となる。
【０００５】
ロータ面上に作用する風力は、到来する風の密度に依存し、斯かる浮体式基礎のサイズ及び重量を決定するときの重要なファクターである。その主要な課題は、風力タービン翼のピッチングが、ロータハブ上に作用する結果的に生じる推力を原因として、風力タービンユニットの揺動傾斜又は（水平方向に対する）角回転を生じさせるということである。このことは、秒速１０ｍから秒速１４ｍ、例えば秒速１２ｍ、より速い風速（定格風速とも呼ばれる）において問題となる。
【０００６】
米国特許出願公開第２０１１／００３７２６４（Ａ１）号明細書は、海底上に配置されたアンカーに各々が接続される複数の係留索を使用することによって海底に固定された３脚のプラットフォーム上に配置される風力タービンを開示する。この特許文献は、浮体式基礎がその基礎に作用する種々の力に起因してその初期位置に対して移動でき、これによって、個々の係留索における張力を変化させることを教示する。プラットフォームの垂直方向に対する係留索の角度を低減させるために、大きな重い質量が係留索の各々から懸垂され、より緊張した係留索を提供する。斯かるクランプ重りシステムは、構造の総計コストを増大させ、アンカーチェーンが海底に衝突する際にアンカーチェーンにおいて衝撃荷重を発生させ、海底が柔らかい組成を有する場合には、海底にはまって動けなくなる可能性がある。その文献は、更に、浮体式基礎の移動が、海底の中に延びる電気ケーブル上に大きな荷重と応力とを発生させることを教示する。このことは、電気ケーブルに損傷を生じさせることなくその構造が移動することを可能にするケーブルループ（cable loop）を形成するために受動的な浮体式要素を電気ケーブルに付加することによって解決される。
【０００７】
米国特許出願公開第２０１１／００３７２６４（Ａ１）号明細書は、更に、張力システムを使用することによって予張力（pre-tension force）が各々の係留索に加えられ、その後、張力システムがその設定にロックされることを教示する。斯かる半緊張係留索は、各々のアンカー又はアンカーブロックのサイズ及び重量を増大させる必要があり、これによって、構造の総計コストを増大させ、より複雑で高コストの解決策を必要とすることを意味する。
【０００８】
米国特許出願公開第２０１４／００４４５４１（Ａ１）号明細書は、回転自在な支持アームを介してブイに接続された浮体式基礎上に各々が配置される複数の風力タービンを備えるパーク（park）を開示し、支持アームは、更に、浮体式基礎及び支持アームがブイに対して旋回することを可能にするヒンジを備える。浮体式基礎の底部上に位置決めされたスラスター（thruster）は、ブイに対して浮体式基礎を能動的に回転させるために使用される。別の実施形態では、浮体式基礎が、駆動プーリーに対して個別的に接続された３つの係留索を介して海底に固定される。駆動プーリーは、検出された風向及び風速に基づいて風力タービンの位置を調整するように構成された制御装置によって能動的に制御される。この文献は、位置センサが使用されるか否かについては言及していない。
【０００９】
米国特許出願公開第２０１１／００３７２６４（Ａ１）号明細書及び米国特許出願公開第２０１４／００４４５４１（Ａ１）号明細書における解決策は、発電を向上できるように、突風の外に風力タービンを移動させることによって風力タービンパーク内で受ける伴流効果を低減させるように設計されている。支持アーム及びブイの使用がシステム全体の複雑性を増大させ、ブイに対する風力タービンの横方向移動だけ可能にする。この構成では、制御ユニットが風力タービンを伴流効果の外に横方向に移動させるので、風力タービンは、風力タービン構造における追加の荷重を導くことになる堅固な支持アームに起因してブイと一緒に移動するだろう。駆動プーリーは、係留索がぴんと張られていることを必要とし、係留索は次いで、風力タービンが移動させられるときの係留索における張力の増大を補償するために、より大きく且つより重量があるアンカーを必要とする。このことがシステム全体のコストを増大させる。
【００１０】
同様の係留システムが、海洋プラットフォーム及びリグ（rig）を固定するために、海洋ガス及び石油産業において使用されている。しかし、これら構造上の風力荷重は、洋上風力タービン上の風力荷重よりも著しく小さい。
【００１１】
欧州特許出願公開第２４５７８１８（Ａ１）号明細書は、位置センサを使用する風力タービンの測定された変位又はリアルタイム速度に基づいて浮体式基礎上に提供される推力の作用を制御することによって、浮体式風力タービン構造の揺動運動を低減させる方法を開示する。この文献は、これら揺動運動を減衰させるためにどのようにスラスターが動作させられるのかについては言及していない。更に、欧州特許出願公開第２４５７８１８（Ａ１）号明細書は、出力が悪影響を受けないように、風力タービン翼のピッチ制御が推力制御から独立していることを教示する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、係留システムにおいて発生させられる揺動力を減衰させる浮体式風力タービン構成を提供することである。
【００１３】
本発明の目的は、風力タービン構造に作用する動的な力を能動的な形で減衰させることを可能にする風力タービンを提供することである。
【００１４】
本発明の目的は、風力タービン構造の揺動運動を減衰させるために、風力タービンの位置を能動的に調整する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
用語「軸方向移動」は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の少なくとも１つに沿った任意の方向における、初期位置に対する風力タービンの移動、例えば片寄り、として定義される。ｘ軸に沿った移動は、風力タービン翼によって形成される回転面に対して垂直な（優勢な風向に対して平行な）移動として定義される。ｚ軸に沿った移動は、回転面に対して平行な（到来風の優勢な方向に対して垂直な）移動として定義される。ｙ軸に沿った移動は、風力タービンタワーの縦方向に対して平行な移動として定義される。ｘ軸及びｙ軸は、風力タービン構造の位置、例えば地球上の位置、を決定するために使用される水平面を画定し、一方、ｘ軸及びｙ軸は、風力タービン構造のための垂直面を画定する。
【００１６】
用語「風力タービン」は、ロータ（ロータハブ及び風力タービン翼）、ナセル、及び風力タービンタワーとして定義される。用語「風力タービン構造」は、風力タービン及び浮体式基礎を定義する。用語「平衡位置」は、風力タービン構造に作用する種々の力と推力とが互いに平衡状態にあり且つ風力タービン構造が静止状態又は疑似静止状態で安定している位置として定義される。浮体式基礎と風力タービンタワーとの間のロータハブ又は組付け継手は、相対的運動量と種々の力とを決定するときの基準点として使用される。代わりに、選択された係留索と浮体式基礎との間の接続点が基準点として使用されてもよい。
【００１７】
本発明の目的は、
−  少なくとも１つの測定ユニットが制御ユニットに接続され、且つ、水平面内の少なくとも１つの軸線に沿って風力タービン構造の軸方向移動を測定するように構成されており、制御ユニットは、予め決められた位置に対する風力タービン構造の相対的移動を決定するように構成されており、
−  制御ユニットは、更に、係留システムにおける揺動運動を減衰させるために、相対的移動に基づいてロータに作用する推力を調整することによって、水平面内で風力タービン構造を移動させるように構成されている、
ことを特徴とする風力タービン構造によって達成される。
【００１８】
このことは、少なくとも水平面内における風力タービン構造の動的な移動又は周期的な移動を減衰させることが可能な洋上風力タービン構造を提供する。水平面は、設置場所における平均水位によって画定されてもよい。このことは、動的な力又は周期的な力によって引き起こされる、反対方向における風力タービン構造の絶えず変化する運動を減衰させることを可能にする。風力タービン自体を使用して、風力タービン構造を安定させる、追加的な復元力を風力タービン構造に加える。このことは、種々の風、波、及び海流の条件の間に風力タービン構造を安定状態に保ち、且つ、動的荷重を低減させる。
【００１９】
従来の受動係留システムが使用される場合には、浮体式基礎の体積を増大させることによって、浮体式基礎にバラストを加えることによって、又は、係留索における張力を増大させることによって、復元力が風力タービン構造に導入される。米国特許出願公開第２０１４／００４４５４１（Ａ１）号明細書とは違って、本発明は、風力タービン構造の相対的移動を能動的に減衰させるために、ロータに作用する推力を使用する。風力タービン構造の移動方向運動を減衰させることによって、これは次いで、運動の振動数が係留システムの共振振動数からずらされるので、アンカーチェーンにおける揺動運動を減衰させる。このことは、係留システムにおける不断の摩耗を低減させ、且つ、係留システムの寿命を増大させ、更には、係留システムのサイズ及び重量を低減させることを可能にし、これによって、コストを節約する。
【００２０】
この構成は、少なくとも１つの浮体式チャンバを有するあらゆるタイプの浮体式基礎又はプラットフォームに適している。浮体式基礎は、コンクリート又は金属の構造、例えば鋼鉄の構造を有してもよい。浮体式基礎は、所望の構造を形成するために相互接続される少なくとも３つの浮体式チャンバを備えてもよい。浮体式基礎は、円柱ブイ、又は、円筒形の、三角形の、正方形の、若しくは、多角形の構造として形成されてもよい。１つ又は複数の安定化要素、例えばプレート、アーム、又は重りが、その浮体式基礎の安定性を増大させるために、浮体式基礎に対して配置されてもよい。この安定化要素は、軸線の１つを中心とした風力タービンの傾斜又は回転運動を打ち消すように設計されてもよい。浮体式チャンバは、例えばポンプ送りシステムのようなバラスト調整手段に接続された、バラストチャンバでもよい。
【００２１】
係留システムは、浮体式基礎から外方に延びており、且つ、対応するアンカーに接続される、少なくとも３つの係留索、例えば懸垂線の係留索を備える。係留索は、更に、個別の接続点において浮体式基礎に接続される個別のグループに配置されてもよい。各々のアンカーは、他方の端部において浮体式基礎に対して直接的に接続されるか又は第２タイプの係留索を介して接続される、少なくとも１つのアンカーチェーンに接続される。金属、例えば鋼鉄、又は別の適切な材料の大型で重量があるアンカーチェーンが、少なくともアンカーに接続される。ナイロン、プラスチック、ポリエステル、合成繊維、又は、任意の他の適切な材料の、より細く且つより軽いアンカーチェーン及び／又はワイヤ又はロープが、浮体式基礎と、より大きく且つより重いアンカーチェーンとに接続されてもよい。これは、予め決められた質量及び重量を各々が有する少なくとも２つのセグメントを持つ係留索を形成し、これによって、係留システムの重量分布及び復元力又は剛性が、風力タービン構造に作用する力の振動数スペクトルに対して最適化されることを可能にする。
【００２２】
一実施形態において、制御ユニットは、第１方向と第２方向とにおける、張力又は相対的移動を決定するように構成されている。
【００２３】
１つ又は複数の測定ユニットは、基準位置に対する係留システムと、ひいては風力タービン構造との現在位置を測定する。このことは、制御ユニットが、同一の軸線、例えばｘ軸又はｚ軸に沿った２つの反対方向において、及び／又は、軸線の２つ、例えばｘ軸及びｚ軸に沿った２つの直交方向において、少なくとも水平面における風力タービンのあらゆる軸方向移動を検出することを可能にする。このことは、制御ユニットが、風力タービン構造にその位置を相対的に迅速に変更させると思われる、あらゆる揺動運動又は周期的運動を検出することを可能にする。制御ユニットが予め決められた時間窓の中で少なくとも２つの方向における相対的移動を検出する場合には、制御ユニットは、この移動を打ち消すために、ピッチ及び／又はヨーシステムを起動させる。制御システムは、風力タービン構造が実質的に１つの方向にだけ移動させられることを検出した場合には、ピッチ及び／又はヨーシステムが起動させられない。このことは、風力タービン構造が、揺動運動を減衰させる間、風力タービン構造に作用する種々の静的力に起因してあらゆる方向における平衡位置の間で移動することを可能にする。
【００２４】
制御ユニットは、代わりに、１つ又は複数の係留索において測定される張力に少なくとも基づいて風力タービン構造の相対的移動を決定してもよく、又は、これとは逆でもよい。風力タービン構造の軸方向移動は、１つ又は複数の係留索それぞれにおける張力に比例していてもよい。測定ユニットは、少なくとも２つの方向において、例えばｘ軸及びｚ軸に沿って、張力を測定することが可能でもよく、これによって、制御ユニットが、アンカーチェーンにおける不断の摩耗を引き起こす、アンカーチェーンのあらゆる揺動荷重又は周期的荷重を検出することを可能にする。これら張力の方向は、どの方向に風力タービン構造を移動すべきかを決定するために使用される。
【００２５】
制御ユニットは、ロータ平面に衝突する風速、及び／又は、風力タービン構造が移動する速度の関数として決定される時間窓の範囲内において、相対的移動を監視してもよい。時間窓は３分間未満でよく、好ましくは１０秒から１２０秒の間でもよい。
【００２６】
特殊な実施形態では、制御ユニットが、少なくとも１つの方向における張力又は相対的移動を、少なくとも１つの閾値と比較するように構成されており、制御ユニットは、張力又は相対的移動がその閾値を超える場合に、ロータに作用する推力を調整するように構成されている。
【００２７】
このことは、一方向又は双方向における相対的移動が予め決められた閾値を超える場合に、風力タービンがその地理的位置を調整することを可能にする。閾値は、双方向について同一であっても、又は、各々の方向について異なってもよい。閾値は、ロータ平面に衝突する風速、及び／又は、風力タービン構造が移動する速度の関数として決定されてもよい。閾値は、代わりに、５０センチメートルから２００センチメートルの間、例えば１００センチメートルを選択されてもよい。このことは、風力タービンが最大発電方式に従って動作させられる予め決められた地理的領域内で、風力タービン構造が移動することを可能にする。風力タービンがこの領域の外に移動／漂流する場合には、ピッチ及び／又はヨーシステムが、風力タービン構造をこの領域内に再び移動させるために有効である。閾値及び時間窓は、更に、風力タービン構造の相対的移動について最大許容可能速度を決定するために使用されてもよい。このことは、風力タービン構造が、風力タービン構造に作用する力に起因してゆっくりと移動することを可能にし、一方で、あらゆる急速な移動を減衰させる。
【００２８】
制御ユニットは、追加的に又は代替的に、１つ又は複数の閾値に対して、一方向又は双方向において測定された又は計算された張力を比較してもよい。これら閾値は、風力タービン構造の初期位置に対する風力タービン構造の最大許容可能変位を規定する。少なくとも一方の張力が閾値を超える場合には、ピッチ及び／又はヨーシステムが、係留索における張力を減衰させるために起動される。このことは、風力タービン構造が外側位置にあるときに、アンカーチェーンにおける最大張力を低減させる。更に、このことは、係留システムの寿命を増大させ、且つ、風力タービン構造が予め決められた領域内を移動することを可能にする。
【００２９】
一実施形態では、制御ユニットが、張力に基づいて、又は、相対的移動に基づいて、補正ピッチ角を決定するように構成されている。
【００３０】
この構成は、風力タービンのピッチシステムが、ｘ軸及び／又はｚ軸に沿って風力タービン構造を移動させる／推進させるために使用されることを可能にする。この構成では、制御ユニットが、風力タービンの動作を制御するように構成された風力タービン制御ユニットとして機能してもよい。代わりに、制御ユニットは、有線又は無線接続を介して別個の風力タービン制御ユニットに接続されてもよい。制御ユニットは、相対的移動に基づいて風力タービン翼のピッチ角を調整するように構成されており、このことが次いで、ロータハブに作用する推力を調整する。この補正ピッチ角は、風力タービン構造が揺動運動を減衰させるために移動することを必要とする方向を表している。補正ピッチ角は、次いで、ピッチシステムに伝達され、ピッチシステムは、次いで、補正ピッチ角に応じてピッチ角を調整する。補正が必要でない場合には、最大発電のために最適なピッチ角がピッチシステムに伝送されてもよい。風力タービン構造の相対的移動と、アンカーチェーンにおける揺動運動とを低減させるための補正ピッチ角は、最大出力のための最適なピッチ角と同一であるか、又は、最適なピッチ角とは異なっていてもよい。このことは、風力タービン自体を使用して風力タービン構造を移動させるので、風力タービン構造を移動させるために必要とされる追加の構成要素の個数を低減させ、ひいては既存の浮体式風力タービンにおける容易な実装を可能にする。
【００３１】
少なくとも風向及び／又は平均風速の測定に基づくルックアップテーブル又は連続計算が、最大発電のための第１ピッチ角を決定するために使用されてもよい。風力タービンの測定された移動又は張力に少なくとも基づく別のルックアップテーブル又は連続計算を使用して風力タービン構造の相対的移動を低減させるための第２ピッチ角を決定してもよい。例示的な実施様態では、第１及び第２ピッチ角は、ピッチシステムに対して起動コマンドを伝送する前に組み合わされてもよい。
【００３２】
一実施形態において、制御ユニットは、風力タービンタワーに対してナセルをヨーイング（yaw）させるように構成されたヨーシステムに接続されており、制御ユニットは、張力に基づいて、又は、相対的移動に基づいて、補正ヨー角を決定するように構成されている。
【００３３】
代わりに又は追加的に、風力タービンのヨーシステムは、ｘ軸及び／又はｚ軸に沿って風力タービン構造を移動させる／推進させるために使用される。制御ユニットは、相対的移動に基づいて風力タービン翼のヨー角を調整するように構成されており、このことがロータハブに作用する推力を調整する。この補正ヨー角、例えばヨー誤差（yaw error）は、風力タービン構造が揺動運動を減衰させるために移動することを必要とする方向を表している。補正ヨー角は、次いで、ヨーシステムに伝送され、ヨーシステムが、ヨー角に応じてヨー角を調整する。補正が必要でない場合には、ヨーシステムは、優勢な風向と整列して、例えば風向に対して垂直に、ロータをヨーイングさせる。補正ヨー角は、風力タービン構造の測定された相対的移動、又は、測定／計算された張力に基づいて、例えばルックアップテーブル又は連続計算によって、制御ユニットによって決定されてもよい。風力タービン構造の相対的移動を低減させるための補正ヨー角は、最大発電のための最適なヨー角と同一であっても異なっていてもよい。このことは、風力タービン構造の相対的移動を低減させる最適な位置に風力タービンをヨーイング及び／又はピッチングさせることを可能にする。
【００３４】
代わりに、１つ又は複数の位置調整ユニットは、浮体式基礎に対して配置され、且つ、復元力を少なくとも１つの軸方向において風力タービン構造に対して加えるように構成されている。好ましくは、移動をより適切に制御するために、２つ以上の位置調整ユニットが浮体式基礎上に配置されるか又は浮体式基礎に一体化されてもよく、このことは、風力タービン構造を、少なくとも２つの軸方向、例えばｘ軸及びｚ軸に移動させることを可能にする。位置調整ユニットは、スラスター、水噴射ノズル、プロペラ、又は、任意の他の適切な位置調整ユニットでもよい。位置調整ユニットは、例えば個別に又は１つ又は複数のグループとして、有線又は無線接続を介して制御ユニットによって制御されてもよい。スラスター又はプロペラの回転が、必要に応じて、逆転されてもよい。このことは、ピッチ又はヨーシステムの使用と比較して、風力タービン構造を移動させる、より迅速で且つよりエネルギー効率が高い方法を可能にする。
【００３５】
特殊な実施形態では、測定ユニットが係留システムに対して配置されており、制御ユニットが、更に、少なくとも、
−  係留索の少なくとも１つにおける張力か、
−  少なくとも１つの係留索の角度か、又は、
−  少なくとも１つの係留索の弾性応答、例えば相対的移動、
を決定するように構成されている。
【００３６】
測定ユニットは、それぞれの係留索における張力を測定するように構成された、荷重センサ、張力計、又は、歪みゲージの形態の張力測定ユニットでよい。張力測定ユニットは、更に、係留索の角度を測定するための一体型の角度センサ又は傾斜計を備えてもよい。このことは、単一のユニットを使用することによって張力及び角度を測定することを可能にする。
【００３７】
別の測定ユニットが、基準軸線、例えば接続点に対するそれぞれの係留索の角度、例えば傾斜角を測定するように構成されてもよい。測定ユニットは、別個の傾斜計又は角度センサでよい。制御ユニットは、それぞれの係留索の張力を決定／計算するために、この測定された角度を使用してもよい。
【００３８】
更に別の測定ユニットが、例えば１つ又は複数のタイプのセンサ又はトランスデューサによって、それぞれの係留索の弾性応答を表す１つ又は複数のパラメータを直接的に又は間接的に測定するように構成されてもよい。測定ユニットは、水中音波探知機、深さ／圧力センサ、振動センサ、移動センサ、加速度計、ジャイロスコープ（例えば、ＧＰＳ方式のジャイロスコープ）、又は、弾性応答を測定するのに適している別の測定ユニットでもよい。制御ユニットは、更に、この測定ユニットからの測定データに基づいて弾性応答を決定するように構成されてもよい。弾性応答は、係留索の特徴を表すために、又は、係留索の張力又は水平変位を計算するために、使用されてもよい。
【００３９】
２つ以上の測定ユニットが、係留索の長さに沿って分配されてもよい。１つ又は複数の測定ユニットが、有線又は無線接続を経由して制御ユニットに接続されてもよい。測定ユニットは、代わりに、浮体式基礎と係留索との間に配置されてもよく、又は、係留索における２つのリンクの間に配置されてもよい。
【００４０】
一実施形態において、測定ユニットは、風力タービン構造に対して配置され、且つ、風力タービン構造の位置、例えば地球上の又は局所的な位置を測定するように構成されてもよい。
【００４１】
測定ユニットは、全地球的測位システム（ＧＰＳ）受信器、ディファレンシャル全地球的測位システム（ＤＧＰＳ）受信器、全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）受信器、又は、任意の他のタイプの位置センサの形態である位置センサでもよい。風力タービン構造の初期位置は、設置時に決定されて、制御ユニット内に記憶されてもよい。位置ユニットが、数メートルの範囲内、例えば１又は２メートルの範囲内で、又は、数センチメートルの範囲内、例えば１０センチメートルの範囲内で、風力タービンの位置を検出できるように、位置ユニットの分解能／精度が選択されてもよい。位置センサは、ｘ軸及びｚ軸、又は、３つすべての軸に沿った位置を検出するように構成されている。このことは、制御ユニットが風力タービンの位置を決定することと、初期位置に基づいて軸線に沿ったあらゆる軸方向移動を検出することとを可能にする。
【００４２】
局所的測位システム（ＬＰＳ）は、代わりに、風力タービン構造の地理的位置を測定してもよい。局所的位置ユニットが風力タービン構造上に配置され、局所的位置ユニットが１つ又は複数の定置基地／基準ユニットと通信状態にある。局所的位置ユニットは、風力タービン構造の位置を決定するために、三角測量、三辺測量、マルチアルテレーション（multi-alteration）、又は、別の技術を使用してもよい。
【００４３】
制御ユニットは、更に、位置センサからの信号に基づいて風力タービンの傾斜／回転移動を決定するように構成されてもよい。このことは、制御ユニットが、風力タービン構造に作用する種々の推力によって引き起こされる風力タービンのあらゆる傾斜又は揺動を低減させることを可能にする。
【００４４】
一実施形態において、風力タービン翼の少なくとも１つが、第１空気力学的プロファイルを有する内側翼部分と、第２空気力学的プロファイルを有する外側翼部分とを備え、ピッチシステムは、２つの翼部分の間に配置され、且つ、第１風速を超える風速で内側翼部分に対して外側翼部分をピッチングさせるように構成されている。
【００４５】
この構成は、従来のピッチング可能な風力タービン翼を有する風力タービンと、部分的にピッチング可能な風力タービン翼を有する風力タービンとに適している。少なくとも３５メートルの長さを各々が有する２つ又は３つの風力タービン翼が、ロータの一部分を形成してもよい。内側翼部分は、第１空気力学的プロファイル、例えば失速調節プロファイルを有し、一方、外側翼部分は、第２空気力学的プロファイル、例えばピッチ調節プロファイルを有してもよい。第１風速は、その風力タービンのための定格出力を規定してもよい。部分的にピッチング可能な風力タービンは、特に定格風速を上回る風速において、従来のピッチ調節風力タービンに比べて、ロータハブに作用する推力のより好適で且つ効果的な制御を提供する。
【００４６】
本発明の目的は、更に、
−  水平面における風力タービン構造の軸方向移動を測定するステップと、
−  風力タービン構造の相対的移動を決定するステップと、を含み、
−  風力タービン構造を移動させるステップが、係留システムにおける揺動運動を減衰させるために、相対的移動に基づいて、風力タービン構造のロータに作用する推力を調節することを含む、
ことを特徴とする制御方法によって達成される。
【００４７】
このことは、種々の風条件及び海洋条件の間に少なくとも水平面において風力タービン構造の動的な又は周期的な移動を減衰させるための方法を提供する。このことは、次いで、アンカーチェーンの揺動運動を減衰させることを可能にし、ひいては不断の摩耗を低減させ、このことが係留システムの寿命を長期化する。風力タービン自体を使用して風力タービン構造に対して追加的な復元力又は推力を加え、追加的な復元力又は推力が、風力タービン構造を安定させ、且つ、風力タービン構造の揺動運動を減衰させる。
【００４８】
この構成は、従来の係留された浮体式基礎と比較して軸方向移動を低減させるための、より好適且つより効果的な方法を提供する。従来においては、風力タービン構造の軸方向移動を制限するために、緊張係留式（tension leg）が使用されてきた。しかし、これら緊張係留式は、水平面内における軸方向移動を減衰させるための満足できる解決策を提供しない。本構成は、風力タービン構造の相対的移動に基づいてピッチ角及び／又はヨー角を調整することによって、ロータハブに作用する推力を調節し、これによって、これら揺動運動を受動的に減衰させる他の既知の係留システムと比較して、係留システムにおいて揺動運動を能動的に減衰させる。
【００４９】
一実施形態において、相対的移動を決定するステップは、第１方向と第２方向とにおける相対的移動を決定又は計算することを含む。
【００５０】
このことは、風力タービン構造に作用する種々の動的な又は周期的な力によって引き起こされる風力タービン構造の絶えず変化する方向運動を減衰させる。このことは、次いで、不断の摩耗が低減するように、アンカーチェーンの揺動運動を減衰させる。この構成は、風力タービン構造が、風力タービン構造に作用する静的な又は平均的な力に起因して風力タービン構造の初期位置に対して任意の方向に任意の平衡位置の間を移動することを可能にする。少なくとも２つの軸方向における移動が検出されると、揺動運動又は周期的移動を打ち消す復元力が風力タービン構造に加えられる。このことが、風力タービン構造において受ける荷重を低減させる。
【００５１】
軸方向移動は、風力タービン構造又は係留システム上に配置される、１つ又は複数の測定ユニット、例えば位置ユニットを使用することによって直接的に測定される。位置ユニットは地理的位置を測定し、制御ユニットが風力タービン構造の相対的移動を決定する。代わりに、張力は、係留システムに対して配置される、１つ又は複数の測定ユニット、例えば張力測定ユニットを使用することによって測定される。軸方向移動は、次いで、係留索の測定された張力の関数として計算されてもよい。張力は相対的移動に比例していてもよい。このことは、制御ユニットが、風力タービン構造の相対的移動、及び／又は、係留索における張力、を監視することを可能にする。
【００５２】
特殊な実施形態では、張力又は相対的移動は、例えば予め決められた時間窓の範囲内で、少なくとも１つの閾値と比較され、閾値を超える場合には、推力が調節される。
【００５３】
この構成は、風力タービン構造に、少なくとも水平面内におけるその位置を比較的迅速に通常変化させ、これによって、風力タービンに大きな荷重を導く、あらゆる急速な移動を、制御ユニットが検出することを可能にする。好ましくは、制御ユニットは、ｘ軸及びｚ軸に沿った相対的移動を監視し、且つ、少なくとも２つの方向におけるそれぞれの相対的移動を個別の閾値と比較する。時間窓の範囲内における相対的移動が、閾値によって規定される範囲（band）内のままである場合には、制御ユニットは、風力タービンのピッチ角及び／ヨー角を調整せず、風力タービン構造は、平衡位置に向かって任意の方向に移動することが可能である。このことは、ピッチ及び／又はヨーシステムが、ロータ／風力タービン翼を最大発電のための最適なピッチ角及び／又はヨー角に配置することを可能にする。更に、制御ユニットは、風力タービン構造が移動する速度を監視することが可能である。時間窓及び閾値によって規定される速度よりも測定された速度が低いままである場合には、ピッチ角及び／又はヨー角は、制御ユニットによって調整されない。相対的移動が範囲（band）又は速度閾値よりも大きくなる場合には、制御ユニットは、補正ピッチ角及び／又は補正ヨー角を生成し、補正ピッチ角及び／又は補正ヨー角が、それに応じてピッチ及びヨーを調整するそれぞれのピッチ及びヨーシステムに伝送される。これは、アンカーチェーンにおける動的な又は周期的な移動と、ひいては揺動運動とを打ち消す復元力を風力タービン構造に加える。
【００５４】
制御ユニットは、更に、風力タービン構造の地理的変位を測定するために、予め決められた基準位置、例えば風力タービン構造のアンカー又は初期位置に対する風力タービンの現在位置を監視してもよい。この変位が、軸線のいずれか一つに沿った任意の１つの方向において別の閾値を超える場合には、制御ユニットは、風力タービン構造をその初期位置及び／又は別の平衡位置に向かって移動させる復元力を導くように、風力タービンのピッチ角及び／又はヨー角を調整する。風力タービンが閾値によって設定された領域の外側に漂流しない場合には、風力タービンは、最大発電のための最適なピッチ角及び／又はヨー角で動作されてもよい。このことは、風力タービン構造がアンカーに対して移動するにつれて、アンカーチェーンにおける最大張力を低減させることを可能にする。
【００５５】
代わりに、制御ユニットは係留システムにおける張力を監視し、且つ、張力を１つ又は複数の予め決められた閾値と比較する。閾値を上回る場合には、ピッチ角及び／又はヨー角が補正され、風力タービン構造が新たな位置に向けて移動させられる。測定された張力が閾値よりも小さいままである場合には、ピッチ角及び／又はヨー角は補正されない。このことは、更に、アンカーチェーンにおける最大張力を低減させることを可能にする。
【００５６】
一実施形態において、風力タービン翼の少なくとも一部分が、相対的移動に基づいた最適なピッチ角にピッチングさせられ、及び／又は、ナセルが、相対的移動に基づいた最適なヨー角にヨーイングさせられる。
【００５７】
ピッチングは、ロータハブに作用する風推力を、風力タービン構造をその初期位置又は別の平衡位置に向かってｘ軸及びｚ軸に沿って移動させる／推進させるために使用することを可能にする。ピッチングは、ピッチングシステムによって実行されてもよく、この場合に、制御ユニットは、例えば測定された風速及び／又は風向に基づいた、補正ピッチ角及び／又は最大発電のための最適なピッチ角を決定する。それぞれのピッチ角は、ルックアップテーブルに従って決定されてもよく、又は、連続計算によって実行されてもよい。このことは、風力タービン構造を移動させるために必要とされる追加の構成要素の個数を低減させ、且つ、制御方法を既存の浮体式風力タービンに実装することを可能にする。
【００５８】
例示的な実施形態において、制御ユニットは、更に、相対的移動に基づいて補正ヨー角を決定する。このことは、ロータをいずれかの方向にヨーイングさせ、これによって、風力タービン構造を移動／回転させるためにロータに作用する風推力を使用することを可能にする。ロータ面を風の外にヨーイングさせることによって、例えばロータ面を優勢な風向に対してヨー誤差（yaw error)により配置することによって、空気力学的荷重を、風力タービン翼が風に対向するときに増大させ、次いで風から反らされるときに低減させることを可能にし、これによって、風力タービン構造がそのｙ軸を中心に回転することを可能にする。それぞれのヨー角は、ルックアップテーブルに従って決定されてもよいし、又は、連続計算によって実行されてもよい。このことは、制御ユニットが、風力タービン構造をその初期位置又は別の平衡位置に向けて移動させる／推進させるための最適位置に、風力タービン翼及びナセルを配置することを可能にする。
【００５９】
補正ヨー角及び／又は補正ピッチ角は、係留システムにおける測定された張力に基づいて決定される。張力は、連続計算又はルックアップテーブルを使用することによって相対的移動に基づいて計算されてもよい。測定された風速及び／又は風向は、補正ピッチ角及び／又は補正ヨー角を決定するときにパラメータとして使用されてもよい。
【００６０】
一実施形態において、軸方向移動を測定するステップが、少なくとも、
−  係留索の少なくとも１つにおける張力を測定することと、
−  少なくとも１つの係留索の角度を測定することと、
−  少なくとも１つの係留索の弾性応答、例えば相対的移動を測定することと、
を含む。
【００６１】
張力又は相対的移動が、張力測定ユニット又は位置ユニットの形態において１つ又は複数の測定ユニットを使用して測定される。測定ユニット又は別の測定ユニットは、更に、係留索の傾斜角度、又は、係留索の弾性応答を表すパラメータを測定してもよい。張力は、次いで、これら測定ユニットからの測定データに基づいて決定又は計算される。このことは、係留システムの特徴を表す多数のパラメータを同時に測定することを可能にし、ひいてはより正確な張力の計算、又は、相対的移動の制御を可能にする。
【００６２】
一実施形態において、風力タービン構造は、複数の懸垂線の係留索を備える係留システムによって海底に係留され、１つ又は複数の要素、例えば重り要素が、係留システムの少なくとも一部分の移動を低減させるために、係留システム上に設置される。
【００６３】
制御方法は、予め決められたサイズ及び重量を有する、任意の個数の、例えば少なくとも２つの重り要素を使用することによって、１つ又は複数の係留索の揺動運動を低減させることを可能にする。重り要素は、係留索の長さに沿って分配されてもよいし、及び／又は、係留索に沿って１つ又は複数の列に配置されてもよい。重り要素は、好ましくは、浮体式基礎と海底との間で位置決めされた位置に懸垂される。重り要素は、係留索が中を通って延びる環状要素か、係留索から懸垂される／係留索に接続されるクランプ重り（crump weight）か、第１及び第２係留索にいずれかの端部において接続される任意の個数のチェーン／屈曲可能なリンクを有するチェーン／屈曲可能要素か、又は、任意の他の適切な形状として形成されてもよい。このことは、少なくとも係留索の最も外側の部分が、海底上に残留し、これによって、第２アンカーとして作用することを可能にする。重り要素は、浮体式基礎の垂直中心線と、浮体式基礎から外方に延びる係留索との間の角度を低減させて、係留索における予張力（pre-tension force）を増大させる。このことは、係留システムの復元力又は剛性を増大させ、ひいては風力タービン構造の移動を減衰させる。
【００６４】
電気ケーブルの移動は、任意の個数の、例えば少なくとも１つの浮体式要素を使用することによって低減させられる。浮体式要素は、電気ケーブルの長さに沿って分配してもよく、及び／又は、電気ケーブルに沿って１つ又は複数の列に配置されてもよい。浮体式要素は、予め決められた形状又はサイズ及び浮力を有するように構成されている。このことは、海底の中に又は海底に沿って延びる電気ケーブルの部分を多かれ少なかれ同一の位置に維持することを可能にし、一方で、浮体式基礎に向かって位置決めされる電気ケーブルの部分が、浮体式基礎と共に移動することを可能にされる。代わりに、例えば、空気又は別の圧縮可能な媒体、例えば気体、で部分的に満たされるチャンバの中に又はチャンバの外に海水をポンプで送ることによって、浮体式要素の浮力を調整するために、ポンプが浮体式要素の１つ又は複数の中に位置決めされてもよい。ポンプの動作は、浮体式要素の位置／深さが風力タービン構造の軸方向移動に対して個別的に又はグループとして調整されるように、制御ユニットによって制御されてもよい。浮体式要素は、係留索の移動を低減させるために、重り要素の代わりに使用されてもよく、又は、重り要素と組み合わされて使用されてもよい。浮体式要素を係留索に接続することは、復元力の大半が浮体式基礎と浮体式要素との間に位置決めされた係留索の直線部分によって提供されることを意味する。
【００６５】
以下では、本発明は、単に実施例として、且つ、図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明による浮体式基礎上に設置された風力タービンの例示的な実施形態を示す。
【図２】図１の風力タービン構造に接続された係留システムの第一実施形態を示す。
【図３】図１の風力タービン構造に接続された係留システムの第二実施形態を示す。
【図４】垂直方向における地球上の位置に対する、水平方向における風力タービン構造の地球上の位置の例示的な第１グラフを示す。
【図５】時間領域内における図４に示された地球上の位置の例示的な第２グラフを示す。
【図６】水平位置における地球上の位置に対する、係留システムの係留力の例示的な第３グラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
以下のテキストでは、図を１つずつ説明し、図に示される異なる部品及び位置を異なる図において同一番号で番号付けする。特定の図に示されるすべての部品及び位置は、必ずしもその図と共に論じない。
【００６８】
図１は、本発明による浮体式基礎２上に設置された風力タービン１の例示的な実施形態を示す。風力タービン１は、浮体式基礎２の上部部分に組付けられた底部端部を有する風力タービンタワー３を備える。ナセル４は、例えばヨーシステム（yaw system）５を介して、風力タービンタワー３の頂部端部に配置される。回転自在なロータがナセル４に接続され、且つ、２つ以上の風力タービン翼６が接続されるロータハブ６を備える。各々の風力タービン翼７は、先端端部８と、ロータハブ６に接続された翼根元（blade root）９とを備える。ピッチシステム１０は、図１に示されるように、翼根元９とロータハブ６との間に、又は、第１翼部分１１ａと第２翼部分１１ｂとの間に配置される。第１翼部分１１ａは、第１空気力学的プロファイル、例えば失速調整プロファイルを有し、第２翼部分１１ｂは、第２空気力学的プロファイル、例えばピッチ調整プロファイルを有する。風力タービン１のピッチング及び／又はヨーイングは、制御ユニット（図示されない）によって制御される。
【００６９】
浮体式基礎２は、水面１３の下方に部分的に又は完全に沈められるように構成された浮体式本体１２、例えば細長い及び／又は円筒形の本体を備える。本体１２は、バラスト材料、例えば水、岩、砂／砂利、コンクリート、金属、又は、別の適切なバラスト材料により少なくとも部分的に満たされたバラストチャンバの形態の、少なくとも１つの浮体式チャンバを備える。代わりに、本体１２の上部部分は、気体媒質、例えば空気、ヘリウム、又は、別の適切な気体で満たされた密閉チャンバを備える。上部部分は、風力タービンタワー３の底部を基礎２に組付けるための組付け手段を備える。本体１２は、鉄、鋼鉄、コンクリート、又は、別の適切な材料で作られてもよい。
【００７０】
係留システム１４は、設置場所において海底１５に風力タービン構造を固定するために、基礎２に接続される。係留システム１４は、基礎２から外方に延びる少なくとも３つの係留索１６を備える。各々の係留索１６は、一方の端部において基礎２に接続され、且つ、他方の端部においてアンカー１７に接続されている。係留索１６は、金属、例えば鋼鉄で作られた大きく且つ重いアンカーチェーンでもよい。アンカー１７は、ドラフトアンカー（draft anchor）、又は、風力タービン構造が移動する際に風力タービン構造を海底１５に固定するために摩擦を使用する類似したタイプのアンカーである。
【００７１】
図２は、図１の風力タービン構造に接続された係留システム１４の第一実施形態を示す。クランプ重りの形態の１つ又は複数の重り要素１８が、係留索１６の少なくとも１つの長さに沿って分配される。各々の重り要素１８は、予め決められた位置においてそれぞれの係留索１６から懸垂される。重り要素１８は、係留索１６の最も内側の部分、例えば重り１８と基礎２との間の部分に対して張力を加え、一方で、係留索１６の最も外側の部分、例えば重り１８とアンカー１７との間の部分が海底１５上に残留することを可能にし、ひいては第２アンカーとして作用する。このことは、風力タービン構造の相対的移動を打ち消し、且つ、係留索１６の復元力を増大させる。
【００７２】
少なくとも１組の電気ケーブル１９は、基礎２から外方に、且つ、海底１５の中に又は海底に沿って延びる。１つ又は複数の第１浮体式要素２０は、例えば一列で、電気ケーブル１９の長さに沿って分配される。列の中の各々の浮体式要素２０は、予め決められた形状又はサイズ及び浮力を有する。このことは、風力タービン構造が動き回る際に、特に、電気ケーブルが海底１５に接触する遷移領域において、電気ケーブル１９の移動を低減させる。
【００７３】
少なくとも１つの位置調整ユニット２１は、スラスター、例えば回転自在スラスターの形態で基礎２の底部に配置される。位置調整ユニット２１は、位置調整ユニットの動作を制御する制御ユニットに接続される。制御ユニットは、風力タービン構造、例えば基礎２又はナセル４上に位置決めされる少なくとも１つのセンサユニットに接続される。センサユニットは、例えば３つの軸線のすべてに沿って、風力タービン構造の地球上の位置を検出するように構成されているＧＰＳ受信器でもよい。制御ユニットは、少なくとも２つの異なる方向、例えばｘ軸若しくはｙ軸に沿った反対方向、又は、それら任意の組合せにおける、風力タービン構造の相対的移動を決定するために、センサユニットからの信号を使用する。制御ユニットは、予め決められた時間窓、例えば１０秒から１２０秒の範囲内の相対的移動を監視する。一方向又は双方向の測定された移動は、次いで、予め決められた閾値、例えば５０センチメートルから２００センチメートルと比較される。時間窓の範囲内で測定された移動が、少なくとも１つの方向において閾値を超える場合には、位置調整ユニット２１が起動される。測定された移動が閾値よりも低い場合には、位置調整ユニット２１は起動されない。このことは、風力タービン構造を安定化させる平衡位置に向かって風力タービン構造を移動させることを可能にする。この制御方法は、風力タービン構造に作用する動的な又は周期的な力に起因するあらゆる急速な揺動運動を減衰させる。
【００７４】
図３は、図１の風力タービン構造に接続された係留システム１４の第二実施形態を示す。この実施形態では、重り要素１８が、任意の個数の第２浮体式要素２２によって置き換えられる。第２浮体式要素２２の形状、サイズ、又は浮力は、第１浮体式要素２０の形状、サイズ、又は浮力とは異なる。このことは、係留索１６の最も外側の部分が海底１５上に多かれ少なかれ残留し、且つ、アンカーとして作用することを可能にし、一方で、係留索１６の最も内側の部分が風力タービン構造と共に移動可能である。最も内側の部分は、基礎２に伝達される復元力の大半を提供するように、即ち、最も外側の部分によって提供される復元力よりも大きい復元力を提供するように構成されている。
【００７５】
図４は、垂直面内の地球上の位置に対する、水平面内の風力タービン構造の地球上の位置の例示的な第１グラフ２３を示す。グラフ２３のｘ軸は、水平面内のｘ軸に沿った軸方向移動２４を表す。グラフ２３のｙ軸は、垂直面内のｙ軸に沿った軸方向移動２５を表す。グラフ２３は、秒速２０メートルの平均風速における波と風によって影響される、定格出力で動作する風力タービン１の地球上の位置を示す。この実施形態では、位置調整ユニット２１は起動されない。グラフ２３に示されるように、風力タービン構造は、ｘ軸に沿ったその初期位置から＋６メートルから＋２０メートルの範囲内を実質的に移動し（２４）、一方で、風力構造は、その初期位置からｙ軸に沿って−１メートルから＋１メートルの範囲内を実質的に移動する（２５）。風力タービン構造の移動２４、２５は、これら２つの範囲内で数回にわたって方向を変える。本発明は、位置調整ユニット２１を使用して、これら不断の方向変化を打ち消すことを目的としている。
【００７６】
図５は、水平面と垂直面の双方における、時間領域内での図４に示される地球上の位置の例示的な第２グラフ２６を示す。グラフ２６に示されるように、風力タービン構造に作用する力は、風力タービン構造を反対方向に絶えず移動させる比較的急速な揺動的／周期的な形で風力タービン構造に移動させる。制御ユニットが、ひいては急速な移動（相対的移動が時間窓内の閾値を超えること）を検出する場合には、位置調整ユニット２１が、この揺動運動／周期的移動を減衰させるために起動される。
【００７７】
図６は、水平面内の地球上の位置、例えば相対的移動に対する係留システム１４の復元力、例えば張力の例示的な第３グラフ２７を示す。グラフ２７のｘ軸は、水平面内のｘ軸に沿った軸方向移動２４を表し、一方で、ｙ軸は、係留索１６において受ける力２８を表す。グラフ２７に示されるように、図１に示される風上に向かう係留索において受ける復元力Ｆｘは、水平面内の移動２４、例えばｘ軸に沿った移動２４に多かれ少なかれ比例する。このことは、風力タービン構造の動的移動を減衰させることによって係留索１６における揺動運動を減衰させるために、位置調整ユニット２１を使用できることを表す。
【００７８】
この構成では、制御ユニットは、風力タービン構造の相対的移動２４に基づいた係留索１６における張力を計算する。例えば各々の係留索について計算された張力は、次いで、予め決められた閾値と比較される。計算された張力が閾値よりも大きい場合には、制御ユニットが、風力タービン翼７のための最適なピッチ角を決定する。風力タービン翼７は、次いで、引っ張られた係留索１６における最大張力を低減させる別の位置に風力タービン構造を移動させるように、この最適なピッチ角にピッチングさせられる。
【符号の説明】
【００７９】
１  風力タービン
２  基礎
３  風力タービンタワー
４  ナセル
５  ヨーシステム
６  ロータハブ
７  風力タービン翼
８  先端端部
９  翼根元
１０  ピッチシステム
１１  翼部分
１２  浮体式本体
１３  海面
１４  係留システム
１５  海底
１６  係留索
１７  アンカー
１８  重り要素
１９  電気ケーブル
２０  第１浮体式要素
２１  スラスター
２２  第２浮体式要素
２３  第１グラフ
２４  水平移動
２５  垂直移動
２６  第２グラフ
２７  第３グラフ
２８  係留力
【図１】
2017515033.tif 000003
【図２】
2017515033.tif 000004
【図３】
2017515033.tif 000005
【図４】
2017515033.tif 000006
【図５】
2017515033.tif 000007
【図６】
2017515033.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成27年10月15日(2015.10.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービン構造であって、
−  頂部及び底部を有する風力タービンタワーと、
−  風力タービンタワーの頂部に配置されたナセルと、
−  ナセルに回転自在に取付けられたロータハブと、
−  先端端部と、ロータハブに組付けられた翼根元とを有する１つ又は複数のピッチング可能な風力タービン翼と、
−  風力タービンタワーの底部に組付けられた上部部分を有する浮体式基礎であって、沖合の位置に設置されるように構成された浮体式本体を備える浮体式基礎と、
−  複数の懸垂線（catenary）の係留索を有する係留システムであって、浮体式基礎と海底上に配置された少なくとも１つのアンカーとに接続される係留システムと、を備え、風力タービン構造は、風力タービン翼をピッチング（pitch）させるように構成されたピッチシステムに少なくとも接続された少なくとも１つの制御ユニットと、制御ユニットに接続された少なくとも１つの測定ユニットと、を備え、測定ユニットが、水平面における少なくとも１つの軸線に沿った風力タービン構造の軸方向移動を測定するように構成されている、
風力タービン構造に関する。
【０００２】
本発明は、更に、上述した風力タービン構造を制御する方法に関し、この方法は、
−  第１風速よりも速い平均風速において風力タービン翼をピッチ角にピッチングさせ、ピッチングが制御ユニットによって制御されるステップと、
−  水平面における風力タービン構造の軸方向移動を測定するステップと、
−  予め定められた位置に対する風力タービン構造の相対的移動を決定するステップと、
−  少なくとも水平面内の予め決められた位置に対して風力タービン構造を移動させるステップと、
を含む。
【背景技術】
【０００３】
海底上に配置されたアンカーに各々が接続され且つ基礎から延びる係留索に各々が接続される、多くの長く重いチェーンを使用して所望の位置に浮体式基礎を固定するために係留システムを使用することが知られている。斯かる懸垂線の係留システムは、限定された領域内に基礎を保持するために、重量と、海底とアンカーとアンカーチェーンの一部分との間の摩擦と、を使用する。浮体式基礎は、係留構造に対して作用する種々の風力及び海洋（波及び海流）力に起因して海底に対して水平及び垂直方向に且つその初期位置から遠ざかるように移動できる。この相対的移動は、幾つかのアンカーチェーンをぴんと張って他のアンカーチェーンを緩ませ、これによって、個々のアンカーチェーンにおける張力を変化させる。移動に起因してアンカーチェーンで生じた張力は、斯かる係留システムのサイズ及び重量を決定するときの重要なファクターである。
【０００４】
これら海洋力の低振動数スペクトルが、懸垂線の係留システム及び基礎の固有振動数と共振する可能性があり、このことが、更に、アンカーチェーンにおける移動又は揺動の増大を更に導き、特に、チェーン部分を移動させて海底と接触させたり海底から分離させたりすること（スラッシング（thrashing）と呼ぶ）が知られている。この連続的な揺動は、チェーンリンクと種々の他のチェーン構成要素を、動的荷重に起因した絶え間ない摩耗にさらす。このことが係留システムの寿命を短くする。この寿命は、更に、海水という腐食性の環境に起因して短縮されることがある。係留構造に対して作用する海洋力は、更に、ロータハブ上に作用する結果的に生じる推力に影響を与える。このことが、秒速１８ｍから秒速２２ｍ、例えば秒速２０ｍ、の風速において問題となる。
【０００５】
ロータ面上に作用する風力は、到来する風の密度に依存し、斯かる浮体式基礎のサイズ及び重量を決定するときの重要なファクターである。その主要な課題は、風力タービン翼のピッチングが、ロータハブ上に作用する結果的に生じる推力を原因として、風力タービンユニットの揺動傾斜又は（水平方向に対する）角回転を生じさせるということである。このことは、秒速１０ｍから秒速１４ｍ、例えば秒速１２ｍ、より速い風速（定格風速とも呼ばれる）において問題となる。
【０００６】
米国特許出願公開第２０１１／００３７２６４（Ａ１）号明細書は、海底上に配置されたアンカーに各々が接続される複数の係留索を使用することによって海底に固定された３脚のプラットフォーム上に配置される風力タービンを開示する。この特許文献は、浮体式基礎がその基礎に作用する種々の力に起因してその初期位置に対して移動でき、これによって、個々の係留索における張力を変化させることを教示する。プラットフォームの垂直方向に対する係留索の角度を低減させるために、大きな重い質量が係留索の各々から懸垂され、より緊張した係留索を提供する。斯かるクランプ重りシステムは、構造の総計コストを増大させ、アンカーチェーンが海底に衝突する際にアンカーチェーンにおいて衝撃荷重を発生させ、海底が柔らかい組成を有する場合には、海底にはまって動けなくなる可能性がある。その文献は、更に、浮体式基礎の移動が、海底の中に延びる電気ケーブル上に大きな荷重と応力とを発生させることを教示する。このことは、電気ケーブルに損傷を生じさせることなくその構造が移動することを可能にするケーブルループ（cable loop）を形成するために受動的な浮体式要素を電気ケーブルに付加することによって解決される。
【０００７】
米国特許出願公開第２０１１／００３７２６４（Ａ１）号明細書は、更に、張力システムを使用することによって予張力（pre-tension force）が各々の係留索に加えられ、その後、張力システムがその設定にロックされることを教示する。斯かる半緊張係留索は、各々のアンカー又はアンカーブロックのサイズ及び重量を増大させる必要があり、これによって、構造の総計コストを増大させ、より複雑で高コストの解決策を必要とすることを意味する。
【０００８】
米国特許出願公開第２０１４／００４４５４１（Ａ１）号明細書は、回転自在な支持アームを介してブイに接続された浮体式基礎上に各々が配置される複数の風力タービンを備えるパーク（park）を開示し、支持アームは、更に、浮体式基礎及び支持アームがブイに対して旋回することを可能にするヒンジを備える。浮体式基礎の底部上に位置決めされたスラスター（thruster）は、ブイに対して浮体式基礎を能動的に回転させるために使用される。別の実施形態では、浮体式基礎が、駆動プーリーに対して個別的に接続された３つの係留索を介して海底に固定される。駆動プーリーは、検出された風向及び風速に基づいて風力タービンの位置を調整するように構成された制御装置によって能動的に制御される。この文献は、位置センサが使用されるか否かについては言及していない。
【０００９】
米国特許出願公開第２０１１／００３７２６４（Ａ１）号明細書及び米国特許出願公開第２０１４／００４４５４１（Ａ１）号明細書における解決策は、発電を向上できるように、突風の外に風力タービンを移動させることによって風力タービンパーク内で受ける伴流効果を低減させるように設計されている。支持アーム及びブイの使用がシステム全体の複雑性を増大させ、ブイに対する風力タービンの横方向移動だけ可能にする。この構成では、制御ユニットが風力タービンを伴流効果の外に横方向に移動させるので、風力タービンは、風力タービン構造における追加の荷重を導くことになる堅固な支持アームに起因してブイと一緒に移動するだろう。駆動プーリーは、係留索がぴんと張られていることを必要とし、係留索は次いで、風力タービンが移動させられるときの係留索における張力の増大を補償するために、より大きく且つより重量があるアンカーを必要とする。このことがシステム全体のコストを増大させる。
【００１０】
同様の係留システムが、海洋プラットフォーム及びリグ（rig）を固定するために、海洋ガス及び石油産業において使用されている。しかし、これら構造上の風力荷重は、洋上風力タービン上の風力荷重よりも著しく小さい。
【００１１】
欧州特許出願公開第２４５７８１８（Ａ１）号明細書は、位置センサを使用する風力タービンの測定された変位又はリアルタイム速度に基づいて浮体式基礎上に提供される推力の作用を制御することによって、浮体式風力タービン構造の揺動運動を低減させる方法を開示する。この文献は、これら揺動運動を減衰させるためにどのようにスラスターが動作させられるのかについては言及していない。更に、欧州特許出願公開第２４５７８１８（Ａ１）号明細書は、出力が悪影響を受けないように、風力タービン翼のピッチ制御が推力制御から独立していることを教示する。
【００１２】
米国特許出願公開第２０１１／０００３１３４（Ａ１）号明細書は、浮体式基礎と浮体式基礎上に作用する力との間の共振を防止するための方法を開示する。欧州特許出願公開第２４８９８７２（Ａ１）号明細書は、浮体式風力タービンの傾斜運動によって引き起こされる風力タービン翼におけるジャイロ荷重を低減する方法を開示する。欧州特許出願公開第２６８５０９３（Ａ１）号明細書及び国際公開第２０１３／０６５３２３号は、浮体式風力タービンの傾斜運動を減衰させる方法を開示する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、係留システムにおいて発生させられる揺動力を減衰させる浮体式風力タービン構成を提供することである。
【００１４】
本発明の目的は、風力タービン構造に作用する動的な力を能動的な形で減衰させることを可能にする風力タービンを提供することである。
【００１５】
本発明の目的は、風力タービン構造の揺動運動を減衰させるために、風力タービンの位置を能動的に調整する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
用語「軸方向移動」は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の少なくとも１つに沿った任意の方向における、初期位置に対する風力タービンの移動、例えば片寄り、として定義される。ｘ軸に沿った移動は、風力タービン翼によって形成される回転面に対して垂直な（優勢な風向に対して平行な）移動として定義される。ｚ軸に沿った移動は、回転面に対して平行な（到来風の優勢な方向に対して垂直な）移動として定義される。ｙ軸に沿った移動は、風力タービンタワーの縦方向に対して平行な移動として定義される。ｘ軸及びｙ軸は、風力タービン構造の位置、例えば地球上の位置、を決定するために使用される水平面を画定し、一方、ｘ軸及びｙ軸は、風力タービン構造のための垂直面を画定する。
【００１７】
用語「風力タービン」は、ロータ（ロータハブ及び風力タービン翼）、ナセル、及び風力タービンタワーとして定義される。用語「風力タービン構造」は、風力タービン及び浮体式基礎を定義する。用語「平衡位置」は、風力タービン構造に作用する種々の力と推力とが互いに平衡状態にあり且つ風力タービン構造が静止状態又は疑似静止状態で安定している位置として定義される。浮体式基礎と風力タービンタワーとの間のロータハブ又は組付け継手は、相対的運動量と種々の力とを決定するときの基準点として使用される。代わりに、選択された係留索と浮体式基礎との間の接続点が基準点として使用されてもよい。
【００１８】
本発明の目的は、
−  制御ユニットは、予め決められた時間窓の範囲内で１つの軸線に沿った少なくとも２つの方向における予め決められた位置に対する風力タービン構造の相対的移動を検出するように構成されており、
−  ２つの反対方向の移動が検出された場合に、制御ユニットは、係留システムにおける不断の摩耗を低減させるために、相対的移動に基づいてロータに作用する推力を調整することによって、水平面内で風力タービン構造を移動させるように構成されている、
ことを特徴とする風力タービン構造によって達成される。
【００１９】
このことは、少なくとも水平面内における風力タービン構造の動的な移動又は周期的な移動を減衰させることが可能な洋上風力タービン構造を提供する。水平面は、設置場所における平均水位によって画定されてもよい。このことは、動的な力又は周期的な力によって引き起こされる、反対方向における風力タービン構造の絶えず変化する運動を減衰させることを可能にする。風力タービン自体を使用して、風力タービン構造を安定させる、追加的な復元力を風力タービン構造に加える。このことは、種々の風、波、及び海流の条件の間に風力タービン構造を安定状態に保ち、且つ、動的荷重を低減させる。
【００２０】
従来の受動係留システムが使用される場合には、浮体式基礎の体積を増大させることによって、浮体式基礎にバラストを加えることによって、又は、係留索における張力を増大させることによって、復元力が風力タービン構造に導入される。米国特許出願公開第２０１４／００４４５４１（Ａ１）号明細書とは違って、本発明は、風力タービン構造の相対的移動を能動的に減衰させるために、ロータに作用する推力を使用する。風力タービン構造の移動方向運動を減衰させることによって、これは次いで、運動の振動数が係留システムの共振振動数からずらされるので、アンカーチェーンにおける揺動運動を減衰させる。このことは、係留システムにおける不断の摩耗を低減させ、且つ、係留システムの寿命を増大させ、更には、係留システムのサイズ及び重量を低減させることを可能にし、これによって、コストを節約する。
【００２１】
この構成は、少なくとも１つの浮体式チャンバを有するあらゆるタイプの浮体式基礎又はプラットフォームに適している。浮体式基礎は、コンクリート又は金属の構造、例えば鋼鉄の構造を有してもよい。浮体式基礎は、所望の構造を形成するために相互接続される少なくとも３つの浮体式チャンバを備えてもよい。浮体式基礎は、円柱ブイ、又は、円筒形の、三角形の、正方形の、若しくは、多角形の構造として形成されてもよい。１つ又は複数の安定化要素、例えばプレート、アーム、又は重りが、その浮体式基礎の安定性を増大させるために、浮体式基礎に対して配置されてもよい。この安定化要素は、軸線の１つを中心とした風力タービンの傾斜又は回転運動を打ち消すように設計されてもよい。浮体式チャンバは、例えばポンプ送りシステムのようなバラスト調整手段に接続された、バラストチャンバでもよい。
【００２２】
係留システムは、浮体式基礎から外方に延びており、且つ、対応するアンカーに接続される、少なくとも３つの係留索、例えば懸垂線の係留索を備える。係留索は、更に、個別の接続点において浮体式基礎に接続される個別のグループに配置されてもよい。各々のアンカーは、他方の端部において浮体式基礎に対して直接的に接続されるか又は第２タイプの係留索を介して接続される、少なくとも１つのアンカーチェーンに接続される。金属、例えば鋼鉄、又は別の適切な材料の大型で重量があるアンカーチェーンが、少なくともアンカーに接続される。ナイロン、プラスチック、ポリエステル、合成繊維、又は、任意の他の適切な材料の、より細く且つより軽いアンカーチェーン及び／又はワイヤ又はロープが、浮体式基礎と、より大きく且つより重いアンカーチェーンとに接続されてもよい。これは、予め決められた質量及び重量を各々が有する少なくとも２つのセグメントを持つ係留索を形成し、これによって、係留システムの重量分布及び復元力又は剛性が、風力タービン構造に作用する力の振動数スペクトルに対して最適化されることを可能にする。
【００２３】
１つ又は複数の測定ユニットは、基準位置に対する係留システムと、ひいては風力タービン構造との現在位置を測定する。このことは、制御ユニットが、同一の軸線、例えばｘ軸又はｚ軸に沿った２つの反対方向において、及び／又は、軸線の２つ、例えばｘ軸及びｚ軸に沿った２つの直交方向において、少なくとも水平面における風力タービンのあらゆる軸方向移動を検出することを可能にする。このことは、制御ユニットが、風力タービン構造にその位置を相対的に迅速に変更させると思われる、あらゆる揺動運動又は周期的運動を検出することを可能にする。制御ユニットが予め決められた時間窓の中で少なくとも２つの方向における相対的移動を検出する場合には、制御ユニットは、この移動を打ち消すために、ピッチ及び／又はヨーシステムを起動させる。制御システムは、風力タービン構造が実質的に１つの方向にだけ移動させられることを検出した場合には、ピッチ及び／又はヨーシステムが起動させられない。このことは、風力タービン構造が、揺動運動を減衰させる間、風力タービン構造に作用する種々の静的力に起因してあらゆる方向における平衡位置の間で移動することを可能にする。
【００２４】
制御ユニットは、代わりに、１つ又は複数の係留索において測定される張力に少なくとも基づいて風力タービン構造の相対的移動を決定してもよく、又は、これとは逆でもよい。風力タービン構造の軸方向移動は、１つ又は複数の係留索それぞれにおける張力に比例していてもよい。測定ユニットは、少なくとも２つの方向において、例えばｘ軸及びｚ軸に沿って、張力を測定することが可能でもよく、これによって、制御ユニットが、アンカーチェーンにおける不断の摩耗を引き起こす、アンカーチェーンのあらゆる揺動荷重又は周期的荷重を検出することを可能にする。これら張力の方向は、どの方向に風力タービン構造を移動すべきかを決定するために使用される。
【００２５】
一実施形態によれば、時間窓は、３分間未満であり、好ましくは１０秒から１２０秒の間である。制御ユニットは、ロータ平面に衝突する風速、及び／又は、風力タービン構造が移動する速度の関数として決定される時間窓の範囲内において、相対的移動を監視してもよい。時間窓は３分間未満でよく、好ましくは１０秒から１２０秒の間でもよい。
【００２６】
特殊な実施形態では、制御ユニットが、２つの方向の少なくとも１つにおける、張力又は相対的移動を、少なくとも１つの閾値と比較するように構成されており、制御ユニットは、張力又は相対的移動がその閾値を超える場合に、ロータに作用する推力を調整するように構成されている。
【００２７】
このことは、一方向又は双方向における相対的移動が予め決められた閾値を超える場合に、風力タービンがその地理的位置を調整することを可能にする。
【００２８】
一実施形態によれば、少なくとも１つの閾値が、５０センチメートルから２００センチメートルの間、例えば１００センチメートルである。
【００２９】
閾値は、双方向について同一であっても、又は、各々の方向について異なってもよい。閾値は、ロータ平面に衝突する風速、及び／又は、風力タービン構造が移動する速度の関数として決定されてもよい。閾値は、代わりに、５０センチメートルから２００センチメートルの間、例えば１００センチメートルを選択されてもよい。このことは、風力タービンが最大発電方式に従って動作させられる予め決められた地理的領域内で、風力タービン構造が移動することを可能にする。風力タービンがこの領域の外に移動／漂流する場合には、ピッチ及び／又はヨーシステムが、風力タービン構造をこの領域内に再び移動させるために有効である。閾値及び時間窓は、更に、風力タービン構造の相対的移動について最大許容可能速度を決定するために使用されてもよい。このことは、風力タービン構造が、風力タービン構造に作用する力に起因してゆっくりと移動することを可能にし、一方で、あらゆる急速な移動を減衰させる。
【００３０】
制御ユニットは、追加的に又は代替的に、１つ又は複数の閾値に対して、一方向又は双方向において測定された又は計算された張力を比較してもよい。これら閾値は、風力タービン構造の初期位置に対する風力タービン構造の最大許容可能変位を規定する。少なくとも一方の張力が閾値を超える場合には、ピッチ及び／又はヨーシステムが、係留索における張力を減衰させるために起動される。このことは、風力タービン構造が外側位置にあるときに、アンカーチェーンにおける最大張力を低減させる。更に、このことは、係留システムの寿命を増大させ、且つ、風力タービン構造が予め決められた領域内を移動することを可能にする。
【００３１】
一実施形態では、制御ユニットが、張力に基づいて、又は、相対的移動に基づいて、補正ピッチ角を決定するように構成されている。
【００３２】
この構成は、風力タービンのピッチシステムが、ｘ軸及び／又はｚ軸に沿って風力タービン構造を移動させる／推進させるために使用されることを可能にする。この構成では、制御ユニットが、風力タービンの動作を制御するように構成された風力タービン制御ユニットとして機能してもよい。代わりに、制御ユニットは、有線又は無線接続を介して別個の風力タービン制御ユニットに接続されてもよい。制御ユニットは、相対的移動に基づいて風力タービン翼のピッチ角を調整するように構成されており、このことが次いで、ロータハブに作用する推力を調整する。この補正ピッチ角は、風力タービン構造が揺動運動を減衰させるために移動することを必要とする方向を表している。補正ピッチ角は、次いで、ピッチシステムに伝達され、ピッチシステムは、次いで、補正ピッチ角に応じてピッチ角を調整する。補正が必要でない場合には、最大発電のために最適なピッチ角がピッチシステムに伝送されてもよい。風力タービン構造の相対的移動と、アンカーチェーンにおける揺動運動とを低減させるための補正ピッチ角は、最大出力のための最適なピッチ角と同一であるか、又は、最適なピッチ角とは異なっていてもよい。このことは、風力タービン自体を使用して風力タービン構造を移動させるので、風力タービン構造を移動させるために必要とされる追加の構成要素の個数を低減させ、ひいては既存の浮体式風力タービンにおける容易な実装を可能にする。
【００３３】
少なくとも風向及び／又は平均風速の測定に基づくルックアップテーブル又は連続計算が、最大発電のための第１ピッチ角を決定するために使用されてもよい。風力タービンの測定された移動又は張力に少なくとも基づく別のルックアップテーブル又は連続計算を使用して風力タービン構造の相対的移動を低減させるための第２ピッチ角を決定してもよい。例示的な実施様態では、第１及び第２ピッチ角は、ピッチシステムに対して起動コマンドを伝送する前に組み合わされてもよい。
【００３４】
一実施形態において、制御ユニットは、風力タービンタワーに対してナセルをヨーイング（yaw）させるように構成されたヨーシステムに接続されており、制御ユニットは、張力に基づいて、又は、相対的移動に基づいて、補正ヨー角を決定するように構成されている。
【００３５】
代わりに又は追加的に、風力タービンのヨーシステムは、ｘ軸及び／又はｚ軸に沿って風力タービン構造を移動させる／推進させるために使用される。制御ユニットは、相対的移動に基づいて風力タービン翼のヨー角を調整するように構成されており、このことがロータハブに作用する推力を調整する。この補正ヨー角、例えばヨー誤差（yaw error）は、風力タービン構造が揺動運動を減衰させるために移動することを必要とする方向を表している。補正ヨー角は、次いで、ヨーシステムに伝送され、ヨーシステムが、ヨー角に応じてヨー角を調整する。補正が必要でない場合には、ヨーシステムは、優勢な風向と整列して、例えば風向に対して垂直に、ロータをヨーイングさせる。補正ヨー角は、風力タービン構造の測定された相対的移動、又は、測定／計算された張力に基づいて、例えばルックアップテーブル又は連続計算によって、制御ユニットによって決定されてもよい。風力タービン構造の相対的移動を低減させるための補正ヨー角は、最大発電のための最適なヨー角と同一であっても異なっていてもよい。このことは、風力タービン構造の相対的移動を低減させる最適な位置に風力タービンをヨーイング及び／又はピッチングさせることを可能にする。
【００３６】
代わりに、１つ又は複数の位置調整ユニットは、浮体式基礎に対して配置され、且つ、復元力を少なくとも１つの軸方向において風力タービン構造に対して加えるように構成されている。好ましくは、移動をより適切に制御するために、２つ以上の位置調整ユニットが浮体式基礎上に配置されるか又は浮体式基礎に一体化されてもよく、このことは、風力タービン構造を、少なくとも２つの軸方向、例えばｘ軸及びｚ軸に移動させることを可能にする。位置調整ユニットは、スラスター、水噴射ノズル、プロペラ、又は、任意の他の適切な位置調整ユニットでもよい。位置調整ユニットは、例えば個別に又は１つ又は複数のグループとして、有線又は無線接続を介して制御ユニットによって制御されてもよい。スラスター又はプロペラの回転が、必要に応じて、逆転されてもよい。このことは、ピッチ又はヨーシステムの使用と比較して、風力タービン構造を移動させる、より迅速で且つよりエネルギー効率が高い方法を可能にする。
【００３７】
特殊な実施形態では、測定ユニットが係留システムに対して配置されており、制御ユニットが、更に、少なくとも、
−  係留索の少なくとも１つにおける張力か、
−  少なくとも１つの係留索の角度か、又は、
−  少なくとも１つの係留索の弾性応答、例えば相対的移動、
を決定するように構成されている。
【００３８】
測定ユニットは、それぞれの係留索における張力を測定するように構成された、荷重センサ、張力計、又は、歪みゲージの形態の張力測定ユニットでよい。張力測定ユニットは、更に、係留索の角度を測定するための一体型の角度センサ又は傾斜計を備えてもよい。このことは、単一のユニットを使用することによって張力及び角度を測定することを可能にする。
【００３９】
別の測定ユニットが、基準軸線、例えば接続点に対するそれぞれの係留索の角度、例えば傾斜角を測定するように構成されてもよい。測定ユニットは、別個の傾斜計又は角度センサでよい。制御ユニットは、それぞれの係留索の張力を決定／計算するために、この測定された角度を使用してもよい。
【００４０】
更に別の測定ユニットが、例えば１つ又は複数のタイプのセンサ又はトランスデューサによって、それぞれの係留索の弾性応答を表す１つ又は複数のパラメータを直接的に又は間接的に測定するように構成されてもよい。測定ユニットは、水中音波探知機、深さ／圧力センサ、振動センサ、移動センサ、加速度計、ジャイロスコープ（例えば、ＧＰＳ方式のジャイロスコープ）、又は、弾性応答を測定するのに適している別の測定ユニットでもよい。制御ユニットは、更に、この測定ユニットからの測定データに基づいて弾性応答を決定するように構成されてもよい。弾性応答は、係留索の特徴を表すために、又は、係留索の張力又は水平変位を計算するために、使用されてもよい。
【００４１】
２つ以上の測定ユニットが、係留索の長さに沿って分配されてもよい。１つ又は複数の測定ユニットが、有線又は無線接続を経由して制御ユニットに接続されてもよい。測定ユニットは、代わりに、浮体式基礎と係留索との間に配置されてもよく、又は、係留索における２つのリンクの間に配置されてもよい。
【００４２】
一実施形態において、測定ユニットは、風力タービン構造に対して配置され、且つ、風力タービン構造の位置、例えば地球上の又は局所的な位置を測定するように構成されてもよい。
【００４３】
測定ユニットは、全地球的測位システム（ＧＰＳ）受信器、ディファレンシャル全地球的測位システム（ＤＧＰＳ）受信器、全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）受信器、又は、任意の他のタイプの位置センサの形態である位置センサでもよい。風力タービン構造の初期位置は、設置時に決定されて、制御ユニット内に記憶されてもよい。位置ユニットが、数メートルの範囲内、例えば１又は２メートルの範囲内で、又は、数センチメートルの範囲内、例えば１０センチメートルの範囲内で、風力タービンの位置を検出できるように、位置ユニットの分解能／精度が選択されてもよい。位置センサは、ｘ軸及びｚ軸、又は、３つすべての軸に沿った位置を検出するように構成されている。このことは、制御ユニットが風力タービンの位置を決定することと、初期位置に基づいて軸線に沿ったあらゆる軸方向移動を検出することとを可能にする。
【００４４】
局所的測位システム（ＬＰＳ）は、代わりに、風力タービン構造の地理的位置を測定してもよい。局所的位置ユニットが風力タービン構造上に配置され、局所的位置ユニットが１つ又は複数の定置基地／基準ユニットと通信状態にある。局所的位置ユニットは、風力タービン構造の位置を決定するために、三角測量、三辺測量、マルチアルテレーション（multi-alteration）、又は、別の技術を使用してもよい。
【００４５】
制御ユニットは、更に、位置センサからの信号に基づいて風力タービンの傾斜／回転移動を決定するように構成されてもよい。このことは、制御ユニットが、風力タービン構造に作用する種々の推力によって引き起こされる風力タービンのあらゆる傾斜又は揺動を低減させることを可能にする。
【００４６】
一実施形態において、風力タービン翼の少なくとも１つが、第１空気力学的プロファイルを有する内側翼部分と、第２空気力学的プロファイルを有する外側翼部分とを備え、ピッチシステムは、２つの翼部分の間に配置され、且つ、第１風速を超える風速で内側翼部分に対して外側翼部分をピッチングさせるように構成されている。
【００４７】
この構成は、従来のピッチング可能な風力タービン翼を有する風力タービンと、部分的にピッチング可能な風力タービン翼を有する風力タービンとに適している。少なくとも３５メートルの長さを各々が有する２つ又は３つの風力タービン翼が、ロータの一部分を形成してもよい。内側翼部分は、第１空気力学的プロファイル、例えば失速調節プロファイルを有し、一方、外側翼部分は、第２空気力学的プロファイル、例えばピッチ調節プロファイルを有してもよい。第１風速は、その風力タービンのための定格出力を規定してもよい。部分的にピッチング可能な風力タービンは、特に定格風速を上回る風速において、従来のピッチ調節風力タービンに比べて、ロータハブに作用する推力のより好適で且つ効果的な制御を提供する。
【００４８】
本発明の目的は、更に、
制御ユニットが、予め決められた時間窓の範囲内で１つの軸線に沿った少なくとも２つの方向における風力タービン構造の相対的移動を検出し、
−  風力タービン構造を移動させるステップが、２つの反対方向の移動が検出された場合に、係留システムにおける不断の摩耗を低減させるために、相対的移動に基づいて、風力タービン構造のロータに作用する推力を調節することを含む、
ことを特徴とする制御方法によって達成される。
【００４９】
このことは、種々の風条件及び海洋条件の間に少なくとも水平面において風力タービン構造の動的な又は周期的な移動を減衰させるための方法を提供する。このことは、次いで、アンカーチェーンの揺動運動を減衰させることを可能にし、ひいては不断の摩耗を低減させ、このことが係留システムの寿命を長期化する。風力タービン自体を使用して風力タービン構造に対して追加的な復元力又は推力を加え、追加的な復元力又は推力が、風力タービン構造を安定させ、且つ、風力タービン構造の揺動運動を減衰させる。
【００５０】
この構成は、従来の係留された浮体式基礎と比較して軸方向移動を低減させるための、より好適且つより効果的な方法を提供する。従来においては、風力タービン構造の軸方向移動を制限するために、緊張係留式（tension leg）が使用されてきた。しかし、これら緊張係留式は、水平面内における軸方向移動を減衰させるための満足できる解決策を提供しない。本構成は、風力タービン構造の相対的移動に基づいてピッチ角及び／又はヨー角を調整することによって、ロータハブに作用する推力を調節し、これによって、これら揺動運動を受動的に減衰させる他の既知の係留システムと比較して、係留システムにおいて揺動運動を能動的に減衰させる。
【００５１】
この構成は、風力タービン構造に作用する種々の動的な又は周期的な力によって引き起こされる風力タービン構造の絶えず変化する方向運動を減衰させる。このことは、次いで、不断の摩耗が低減するように、アンカーチェーンの揺動運動を減衰させる。この構成は、風力タービン構造が、風力タービン構造に作用する静的な又は平均的な力に起因して風力タービン構造の初期位置に対して任意の方向に任意の平衡位置の間を移動することを可能にする。少なくとも２つの軸方向における移動が検出されると、揺動運動又は周期的移動を打ち消す復元力が風力タービン構造に加えられる。このことが、風力タービン構造において受ける荷重を低減させる。
【００５２】
軸方向移動は、風力タービン構造又は係留システム上に配置される、１つ又は複数の測定ユニット、例えば位置ユニットを使用することによって直接的に測定される。位置ユニットは地理的位置を測定し、制御ユニットが風力タービン構造の相対的移動を決定する。代わりに、張力は、係留システムに対して配置される、１つ又は複数の測定ユニット、例えば張力測定ユニットを使用することによって測定される。軸方向移動は、次いで、係留索の測定された張力の関数として計算されてもよい。張力は相対的移動に比例していてもよい。このことは、制御ユニットが、風力タービン構造の相対的移動、及び／又は、係留索における張力、を監視することを可能にする。
【００５３】
特殊な実施形態では、張力又は２つの方向の少なくとも１つにおける相対的移動は、例えば予め決められた時間窓の範囲内で、少なくとも１つの閾値と比較され、閾値を超える場合には、推力が調節される。
【００５４】
この構成は、風力タービン構造に、少なくとも水平面内におけるその位置を比較的迅速に通常変化させ、これによって、風力タービンに大きな荷重を導く、あらゆる急速な移動を、制御ユニットが検出することを可能にする。好ましくは、制御ユニットは、ｘ軸及びｚ軸に沿った相対的移動を監視し、且つ、少なくとも２つの方向におけるそれぞれの相対的移動を個別の閾値と比較する。時間窓の範囲内における相対的移動が、閾値によって規定される範囲（band）内のままである場合には、制御ユニットは、風力タービンのピッチ角及び／ヨー角を調整せず、風力タービン構造は、平衡位置に向かって任意の方向に移動することが可能である。このことは、ピッチ及び／又はヨーシステムが、ロータ／風力タービン翼を最大発電のための最適なピッチ角及び／又はヨー角に配置することを可能にする。更に、制御ユニットは、風力タービン構造が移動する速度を監視することが可能である。時間窓及び閾値によって規定される速度よりも測定された速度が低いままである場合には、ピッチ角及び／又はヨー角は、制御ユニットによって調整されない。相対的移動が範囲（band）又は速度閾値よりも大きくなる場合には、制御ユニットは、補正ピッチ角及び／又は補正ヨー角を生成し、補正ピッチ角及び／又は補正ヨー角が、それに応じてピッチ及びヨーを調整するそれぞれのピッチ及びヨーシステムに伝送される。これは、アンカーチェーンにおける動的な又は周期的な移動と、ひいては揺動運動とを打ち消す復元力を風力タービン構造に加える。
【００５５】
制御ユニットは、更に、風力タービン構造の地理的変位を測定するために、予め決められた基準位置、例えば風力タービン構造のアンカー又は初期位置に対する風力タービンの現在位置を監視してもよい。この変位が、軸線のいずれか一つに沿った任意の１つの方向において別の閾値を超える場合には、制御ユニットは、風力タービン構造をその初期位置及び／又は別の平衡位置に向かって移動させる復元力を導くように、風力タービンのピッチ角及び／又はヨー角を調整する。風力タービンが閾値によって設定された領域の外側に漂流しない場合には、風力タービンは、最大発電のための最適なピッチ角及び／又はヨー角で動作されてもよい。このことは、風力タービン構造がアンカーに対して移動するにつれて、アンカーチェーンにおける最大張力を低減させることを可能にする。
【００５６】
代わりに、制御ユニットは係留システムにおける張力を監視し、且つ、張力を１つ又は複数の予め決められた閾値と比較する。閾値を上回る場合には、ピッチ角及び／又はヨー角が補正され、風力タービン構造が新たな位置に向けて移動させられる。測定された張力が閾値よりも小さいままである場合には、ピッチ角及び／又はヨー角は補正されない。このことは、更に、アンカーチェーンにおける最大張力を低減させることを可能にする。
【００５７】
一実施形態において、風力タービン翼の少なくとも一部分が、相対的移動に基づいた最適なピッチ角にピッチングさせられ、及び／又は、ナセルが、相対的移動に基づいた最適なヨー角にヨーイングさせられる。
【００５８】
ピッチングは、ロータハブに作用する風推力を、風力タービン構造をその初期位置又は別の平衡位置に向かってｘ軸及びｚ軸に沿って移動させる／推進させるために使用することを可能にする。ピッチングは、ピッチングシステムによって実行されてもよく、この場合に、制御ユニットは、例えば測定された風速及び／又は風向に基づいた、補正ピッチ角及び／又は最大発電のための最適なピッチ角を決定する。それぞれのピッチ角は、ルックアップテーブルに従って決定されてもよく、又は、連続計算によって実行されてもよい。このことは、風力タービン構造を移動させるために必要とされる追加の構成要素の個数を低減させ、且つ、制御方法を既存の浮体式風力タービンに実装することを可能にする。
【００５９】
例示的な実施形態において、制御ユニットは、更に、相対的移動に基づいて補正ヨー角を決定する。このことは、ロータをいずれかの方向にヨーイングさせ、これによって、風力タービン構造を移動／回転させるためにロータに作用する風推力を使用することを可能にする。ロータ面を風の外にヨーイングさせることによって、例えばロータ面を優勢な風向に対してヨー誤差（yaw error)により配置することによって、空気力学的荷重を、風力タービン翼が風に対向するときに増大させ、次いで風から反らされるときに低減させることを可能にし、これによって、風力タービン構造がそのｙ軸を中心に回転することを可能にする。それぞれのヨー角は、ルックアップテーブルに従って決定されてもよいし、又は、連続計算によって実行されてもよい。このことは、制御ユニットが、風力タービン構造をその初期位置又は別の平衡位置に向けて移動させる／推進させるための最適位置に、風力タービン翼及びナセルを配置することを可能にする。
【００６０】
補正ヨー角及び／又は補正ピッチ角は、係留システムにおける測定された張力に基づいて決定される。張力は、連続計算又はルックアップテーブルを使用することによって相対的移動に基づいて計算されてもよい。測定された風速及び／又は風向は、補正ピッチ角及び／又は補正ヨー角を決定するときにパラメータとして使用されてもよい。
【００６１】
一実施形態において、軸方向移動を測定するステップが、少なくとも、
−  係留索の少なくとも１つにおける張力を測定することと、
−  少なくとも１つの係留索の角度を測定することと、
−  少なくとも１つの係留索の弾性応答、例えば相対的移動を測定することと、
を含む。
【００６２】
張力又は相対的移動が、張力測定ユニット又は位置ユニットの形態において１つ又は複数の測定ユニットを使用して測定される。測定ユニット又は別の測定ユニットは、更に、係留索の傾斜角度、又は、係留索の弾性応答を表すパラメータを測定してもよい。張力は、次いで、これら測定ユニットからの測定データに基づいて決定又は計算される。このことは、係留システムの特徴を表す多数のパラメータを同時に測定することを可能にし、ひいてはより正確な張力の計算、又は、相対的移動の制御を可能にする。
【００６３】
一実施形態において、風力タービン構造は、複数の懸垂線の係留索を備える係留システムによって海底に係留され、１つ又は複数の要素、例えば重り要素が、係留システムの少なくとも一部分の移動を低減させるために、係留システム上に設置される。
【００６４】
制御方法は、予め決められたサイズ及び重量を有する、任意の個数の、例えば少なくとも２つの重り要素を使用することによって、１つ又は複数の係留索の揺動運動を低減させることを可能にする。重り要素は、係留索の長さに沿って分配されてもよいし、及び／又は、係留索に沿って１つ又は複数の列に配置されてもよい。重り要素は、好ましくは、浮体式基礎と海底との間で位置決めされた位置に懸垂される。重り要素は、係留索が中を通って延びる環状要素か、係留索から懸垂される／係留索に接続されるクランプ重り（crump weight）か、第１及び第２係留索にいずれかの端部において接続される任意の個数のチェーン／屈曲可能なリンクを有するチェーン／屈曲可能要素か、又は、任意の他の適切な形状として形成されてもよい。このことは、少なくとも係留索の最も外側の部分が、海底上に残留し、これによって、第２アンカーとして作用することを可能にする。重り要素は、浮体式基礎の垂直中心線と、浮体式基礎から外方に延びる係留索との間の角度を低減させて、係留索における予張力（pre-tension force）を増大させる。このことは、係留システムの復元力又は剛性を増大させ、ひいては風力タービン構造の移動を減衰させる。
【００６５】
電気ケーブルの移動は、任意の個数の、例えば少なくとも１つの浮体式要素を使用することによって低減させられる。浮体式要素は、電気ケーブルの長さに沿って分配してもよく、及び／又は、電気ケーブルに沿って１つ又は複数の列に配置されてもよい。浮体式要素は、予め決められた形状又はサイズ及び浮力を有するように構成されている。このことは、海底の中に又は海底に沿って延びる電気ケーブルの部分を多かれ少なかれ同一の位置に維持することを可能にし、一方で、浮体式基礎に向かって位置決めされる電気ケーブルの部分が、浮体式基礎と共に移動することを可能にされる。代わりに、例えば、空気又は別の圧縮可能な媒体、例えば気体、で部分的に満たされるチャンバの中に又はチャンバの外に海水をポンプで送ることによって、浮体式要素の浮力を調整するために、ポンプが浮体式要素の１つ又は複数の中に位置決めされてもよい。ポンプの動作は、浮体式要素の位置／深さが風力タービン構造の軸方向移動に対して個別的に又はグループとして調整されるように、制御ユニットによって制御されてもよい。浮体式要素は、係留索の移動を低減させるために、重り要素の代わりに使用されてもよく、又は、重り要素と組み合わされて使用されてもよい。浮体式要素を係留索に接続することは、復元力の大半が浮体式基礎と浮体式要素との間に位置決めされた係留索の直線部分によって提供されることを意味する。
【００６６】
以下では、本発明は、単に実施例として、且つ、図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明による浮体式基礎上に設置された風力タービンの例示的な実施形態を示す。
【図２】図１の風力タービン構造に接続された係留システムの第一実施形態を示す。
【図３】図１の風力タービン構造に接続された係留システムの第二実施形態を示す。
【図４】垂直方向における地球上の位置に対する、水平方向における風力タービン構造の地球上の位置の例示的な第１グラフを示す。
【図５】時間領域内における図４に示された地球上の位置の例示的な第２グラフを示す。
【図６】水平位置における地球上の位置に対する、係留システムの係留力の例示的な第３グラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
以下のテキストでは、図を１つずつ説明し、図に示される異なる部品及び位置を異なる図において同一番号で番号付けする。特定の図に示されるすべての部品及び位置は、必ずしもその図と共に論じない。
【００６９】
図１は、本発明による浮体式基礎２上に設置された風力タービン１の例示的な実施形態を示す。風力タービン１は、浮体式基礎２の上部部分に組付けられた底部端部を有する風力タービンタワー３を備える。ナセル４は、例えばヨーシステム（yaw system）５を介して、風力タービンタワー３の頂部端部に配置される。回転自在なロータがナセル４に接続され、且つ、２つ以上の風力タービン翼６が接続されるロータハブ６を備える。各々の風力タービン翼７は、先端端部８と、ロータハブ６に接続された翼根元（blade root）９とを備える。ピッチシステム１０は、図１に示されるように、翼根元９とロータハブ６との間に、又は、第１翼部分１１ａと第２翼部分１１ｂとの間に配置される。第１翼部分１１ａは、第１空気力学的プロファイル、例えば失速調整プロファイルを有し、第２翼部分１１ｂは、第２空気力学的プロファイル、例えばピッチ調整プロファイルを有する。風力タービン１のピッチング及び／又はヨーイングは、制御ユニット（図示されない）によって制御される。
【００７０】
浮体式基礎２は、水面１３の下方に部分的に又は完全に沈められるように構成された浮体式本体１２、例えば細長い及び／又は円筒形の本体を備える。本体１２は、バラスト材料、例えば水、岩、砂／砂利、コンクリート、金属、又は、別の適切なバラスト材料により少なくとも部分的に満たされたバラストチャンバの形態の、少なくとも１つの浮体式チャンバを備える。代わりに、本体１２の上部部分は、気体媒質、例えば空気、ヘリウム、又は、別の適切な気体で満たされた密閉チャンバを備える。上部部分は、風力タービンタワー３の底部を基礎２に組付けるための組付け手段を備える。本体１２は、鉄、鋼鉄、コンクリート、又は、別の適切な材料で作られてもよい。
【００７１】
係留システム１４は、設置場所において海底１５に風力タービン構造を固定するために、基礎２に接続される。係留システム１４は、基礎２から外方に延びる少なくとも３つの係留索１６を備える。各々の係留索１６は、一方の端部において基礎２に接続され、且つ、他方の端部においてアンカー１７に接続されている。係留索１６は、金属、例えば鋼鉄で作られた大きく且つ重いアンカーチェーンでもよい。アンカー１７は、ドラフトアンカー（draft anchor）、又は、風力タービン構造が移動する際に風力タービン構造を海底１５に固定するために摩擦を使用する類似したタイプのアンカーである。
【００７２】
図２は、図１の風力タービン構造に接続された係留システム１４の第一実施形態を示す。クランプ重りの形態の１つ又は複数の重り要素１８が、係留索１６の少なくとも１つの長さに沿って分配される。各々の重り要素１８は、予め決められた位置においてそれぞれの係留索１６から懸垂される。重り要素１８は、係留索１６の最も内側の部分、例えば重り１８と基礎２との間の部分に対して張力を加え、一方で、係留索１６の最も外側の部分、例えば重り１８とアンカー１７との間の部分が海底１５上に残留することを可能にし、ひいては第２アンカーとして作用する。このことは、風力タービン構造の相対的移動を打ち消し、且つ、係留索１６の復元力を増大させる。
【００７３】
少なくとも１組の電気ケーブル１９は、基礎２から外方に、且つ、海底１５の中に又は海底に沿って延びる。１つ又は複数の第１浮体式要素２０は、例えば一列で、電気ケーブル１９の長さに沿って分配される。列の中の各々の浮体式要素２０は、予め決められた形状又はサイズ及び浮力を有する。このことは、風力タービン構造が動き回る際に、特に、電気ケーブルが海底１５に接触する遷移領域において、電気ケーブル１９の移動を低減させる。
【００７４】
少なくとも１つの位置調整ユニット２１は、スラスター、例えば回転自在スラスターの形態で基礎２の底部に配置される。位置調整ユニット２１は、位置調整ユニットの動作を制御する制御ユニットに接続される。制御ユニットは、風力タービン構造、例えば基礎２又はナセル４上に位置決めされる少なくとも１つのセンサユニットに接続される。センサユニットは、例えば３つの軸線のすべてに沿って、風力タービン構造の地球上の位置を検出するように構成されているＧＰＳ受信器でもよい。制御ユニットは、少なくとも２つの異なる方向、例えばｘ軸若しくはｙ軸に沿った反対方向、又は、それら任意の組合せにおける、風力タービン構造の相対的移動を決定するために、センサユニットからの信号を使用する。制御ユニットは、予め決められた時間窓、例えば１０秒から１２０秒の範囲内の相対的移動を監視する。一方向又は双方向の測定された移動は、次いで、予め決められた閾値、例えば５０センチメートルから２００センチメートルと比較される。時間窓の範囲内で測定された移動が、少なくとも１つの方向において閾値を超える場合には、位置調整ユニット２１が起動される。測定された移動が閾値よりも低い場合には、位置調整ユニット２１は起動されない。このことは、風力タービン構造を安定化させる平衡位置に向かって風力タービン構造を移動させることを可能にする。この制御方法は、風力タービン構造に作用する動的な又は周期的な力に起因するあらゆる急速な揺動運動を減衰させる。
【００７５】
図３は、図１の風力タービン構造に接続された係留システム１４の第二実施形態を示す。この実施形態では、重り要素１８が、任意の個数の第２浮体式要素２２によって置き換えられる。第２浮体式要素２２の形状、サイズ、又は浮力は、第１浮体式要素２０の形状、サイズ、又は浮力とは異なる。このことは、係留索１６の最も外側の部分が海底１５上に多かれ少なかれ残留し、且つ、アンカーとして作用することを可能にし、一方で、係留索１６の最も内側の部分が風力タービン構造と共に移動可能である。最も内側の部分は、基礎２に伝達される復元力の大半を提供するように、即ち、最も外側の部分によって提供される復元力よりも大きい復元力を提供するように構成されている。
【００７６】
図４は、垂直面内の地球上の位置に対する、水平面内の風力タービン構造の地球上の位置の例示的な第１グラフ２３を示す。グラフ２３のｘ軸は、水平面内のｘ軸に沿った軸方向移動２４を表す。グラフ２３のｙ軸は、垂直面内のｙ軸に沿った軸方向移動２５を表す。グラフ２３は、秒速２０メートルの平均風速における波と風によって影響される、定格出力で動作する風力タービン１の地球上の位置を示す。この実施形態では、位置調整ユニット２１は起動されない。グラフ２３に示されるように、風力タービン構造は、ｘ軸に沿ったその初期位置から＋６メートルから＋２０メートルの範囲内を実質的に移動し（２４）、一方で、風力構造は、その初期位置からｙ軸に沿って−１メートルから＋１メートルの範囲内を実質的に移動する（２５）。風力タービン構造の移動２４、２５は、これら２つの範囲内で数回にわたって方向を変える。本発明は、位置調整ユニット２１を使用して、これら不断の方向変化を打ち消すことを目的としている。
【００７７】
図５は、水平面と垂直面の双方における、時間領域内での図４に示される地球上の位置の例示的な第２グラフ２６を示す。グラフ２６に示されるように、風力タービン構造に作用する力は、風力タービン構造を反対方向に絶えず移動させる比較的急速な揺動的／周期的な形で風力タービン構造に移動させる。制御ユニットが、ひいては急速な移動（相対的移動が時間窓内の閾値を超えること）を検出する場合には、位置調整ユニット２１が、この揺動運動／周期的移動を減衰させるために起動される。
【００７８】
図６は、水平面内の地球上の位置、例えば相対的移動に対する係留システム１４の復元力、例えば張力の例示的な第３グラフ２７を示す。グラフ２７のｘ軸は、水平面内のｘ軸に沿った軸方向移動２４を表し、一方で、ｙ軸は、係留索１６において受ける力２８を表す。グラフ２７に示されるように、図１に示される風上に向かう係留索において受ける復元力Ｆｘは、水平面内の移動２４、例えばｘ軸に沿った移動２４に多かれ少なかれ比例する。このことは、風力タービン構造の動的移動を減衰させることによって係留索１６における揺動運動を減衰させるために、位置調整ユニット２１を使用できることを表す。
【００７９】
この構成では、制御ユニットは、風力タービン構造の相対的移動２４に基づいた係留索１６における張力を計算する。例えば各々の係留索について計算された張力は、次いで、予め決められた閾値と比較される。計算された張力が閾値よりも大きい場合には、制御ユニットが、風力タービン翼７のための最適なピッチ角を決定する。風力タービン翼７は、次いで、引っ張られた係留索１６における最大張力を低減させる別の位置に風力タービン構造を移動させるように、この最適なピッチ角にピッチングさせられる。
【符号の説明】
【００８０】
１  風力タービン
２  基礎
３  風力タービンタワー
４  ナセル
５  ヨーシステム
６  ロータハブ
７  風力タービン翼
８  先端端部
９  翼根元
１０  ピッチシステム
１１  翼部分
１２  浮体式本体
１３  海面
１４  係留システム
１５  海底
１６  係留索
１７  アンカー
１８  重り要素
１９  電気ケーブル
２０  第１浮体式要素
２１  スラスター
２２  第２浮体式要素
２３  第１グラフ
２４  水平移動
２５  垂直移動
２６  第２グラフ
２７  第３グラフ
２８  係留力
【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】
風力タービン構造であって、
−  頂部及び底部を有する風力タービンタワーと、
−  前記風力タービンタワーの頂部に配置されたナセルと、
−  前記ナセル上に回転自在に組付けられたロータハブと、
−  先端端部と、前記ロータハブに組付けられた翼根元とを有する１つ又は複数のピッチング可能な風力タービン翼と、
−  前記風力タービンタワーの底部に組付けられた上部部分を有する浮体式基礎であって、沖合の位置に設置されるように構成された浮体式本体を備える浮体式基礎と、
−  複数の懸垂線の係留索を有する係留システムであって、基礎と海底上に配置された少なくとも１つのアンカーとに接続される係留システムと、を備え、
−  前記風力タービン構造は、前記風力タービン翼をピッチングさせるように構成されたピッチシステムに少なくとも接続された少なくとも１つの制御ユニットと、前記制御ユニットに接続された少なくとも１つの測定ユニットと、を備え、前記測定ユニットが、水平面における少なくとも１つの軸線に沿った前記風力タービン構造の軸方向移動を測定するように構成されている、
風力タービン構造において、
−  前記制御ユニットは、予め決められた時間窓の範囲内で前記１つの軸線に沿った少なくとも２つの方向における予め決められた位置に対する前記風力タービン構造の相対的移動を検出するように構成されており、
−  ２つの反対方向の移動が検出された場合に、前記制御ユニットは、前記係留システムにおける不断の摩耗を低減させるために、前記相対的移動に基づいてロータに作用する推力を調整することによって、水平面内で前記風力タービン構造を移動させるように構成されている、
ことを特徴とする風力タービン構造。
【請求項２】
前記時間窓は、３分間未満であり、好ましくは１０秒から１２０秒の間であることを特徴とする、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項３】
前記制御ユニットは、前記２つの方向の少なくとも１つにおける前記相対的移動を少なくとも１つの閾値と比較するように構成されており、前記制御ユニットは、前記相対的移動が該閾値を超える場合に、前記ロータに作用する前記推力を調整するように構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の風力タービン。
【請求項４】
前記少なくとも１つの閾値が、５０センチメートルから２００センチメートルの間、例えば１００センチメートルであることを特徴とする、請求項３に記載の風力タービン。
【請求項５】
前記制御ユニットは、前記相対的移動に基づいて最適なピッチ角を決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項６】
前記制御ユニットは、更に、前記風力タービンタワーに対して前記ナセル及び前記ロータをヨーイングさせるように構成されたヨーシステムに接続されており、前記制御ユニットは、前記相対的移動に基づいて最適なヨー角を決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項７】
前記測定ユニットが前記係留システムに対して配置されており、前記制御ユニットが、更に、少なくとも、
−  前記係留索の少なくとも１つにおける張力か、
−  前記少なくとも１つの係留索の角度か、又は、
−  前記少なくとも１つの係留索の弾性応答、例えば相対的移動、
を決定するように構成されている、
ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項８】
前記測定ユニットは、前記風力タービン構造に対して配置され、且つ、前記風力タービン構造の位置、例えば地球上の位置又は局所的な位置を測定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項９】
前記風力タービン翼の少なくとも１つが、第１空気力学的プロファイルを有する内側翼部分と、第２空気力学的プロファイルを有する外側翼部分とを備え、前記ピッチシステムは、２つの翼部分の間に配置され、且つ、第１風速を超える風速で前記内側翼部分に対して前記外側翼部分をピッチングさせるように構成されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に規定されるような風力タービン構造を制御する方法であって、
−  第１風速よりも速い平均風速において風力タービン翼を所定のピッチ角にピッチングさせるステップと、
−  水平面における前記風力タービン構造の軸方向移動を測定するステップと、
−  予め決められた位置に対する前記風力タービン構造の前記相対的移動を決定するステップと、
−  少なくとも水平面内の予め決められた位置に対して前記風力タービン構造を移動させるステップと、
を含む方法において、
−  前記制御ユニットは、予め決められた時間窓の範囲内で前記１つの軸線に沿った少なくとも２つの方向における前記風力タービン構造の前記相対的移動を検出し、
−  前記風力タービン構造を移動させるステップが、２つの反対方向の移動が検出された場合に、前記係留システムにおける不断の摩耗を低減させるために、前記相対的移動に基づいて、前記風力タービン構造のロータに作用する前記推力を調節することを含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記２つの方向の少なくとも１つにおける前記相対的移動は少なくとも１つの閾値と比較され、前記閾値を超える場合には、前記ロータにおける推力が調整されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記風力タービン翼の少なくとも一部分が、前記相対的移動に基づいた最適なピッチ角にピッチングさせられ、及び／又は、前記ナセルが、前記相対的移動に基づいた最適なヨー角にヨーイングさせられることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記軸方向移動を測定するステップは、少なくとも、
前記係留索の少なくとも１つにおける張力を測定することと、
前記少なくとも１つの係留索の角度を測定することと、
前記少なくとも１つの係留索の弾性応答、例えば相対的移動を測定すること、
を含むことを特徴とする、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記風力タービン構造は、複数の懸垂線の係留索を備える係留システムによって海底に係留され、１つ又は複数の要素、例えば重り要素が、前記係留システムの少なくとも一部分の移動を低減させるために、前記係留システム上に設置されることを特徴とする、請求項１０から１３のいずれか１項に記載の方法。
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月14日(2016.12.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービン構造であって、
−  頂部及び底部を有する風力タービンタワーと、
−  風力タービンタワーの頂部に配置されたナセルと、
−  ナセルに回転自在に取付けられたロータハブと、
−  先端端部と、ロータハブに組付けられた翼根元とを有する１つ又は複数のピッチング可能な風力タービン翼と、
−  風力タービンタワーの底部に組付けられた上部部分を有する浮体式基礎であって、沖合の位置に設置されるように構成された浮体式本体を備える浮体式基礎と、
−  複数の懸垂線（catenary）の係留索を有する係留システムであって、浮体式基礎と海底上に配置された少なくとも１つのアンカーとに接続される係留システムと、を備え、風力タービン構造は、風力タービン翼をピッチング（pitch）させるように構成されたピッチシステムに少なくとも接続された少なくとも１つの制御ユニットと、制御ユニットに接続された少なくとも１つの測定ユニットと、を備え、測定ユニットが、水平面における少なくとも１つの軸線に沿った風力タービン構造の軸方向移動を測定するように構成されている、
風力タービン構造に関する。
【０００２】
本発明は、更に、上述した風力タービン構造を制御する方法に関し、この方法は、
−  第１風速よりも速い平均風速において風力タービン翼をピッチ角にピッチングさせ、ピッチングが制御ユニットによって制御されるステップと、
−  水平面における風力タービン構造の軸方向移動を測定するステップと、
−  予め定められた位置に対する風力タービン構造の相対的移動を決定するステップと、
−  少なくとも水平面内の予め決められた位置に対して風力タービン構造を移動させるステップと、
を含む。
【背景技術】
【０００３】
海底上に配置されたアンカーに各々が接続され且つ基礎から延びる係留索に各々が接続される、多くの長く重いチェーンを使用して所望の位置に浮体式基礎を固定するために係留システムを使用することが知られている。斯かる懸垂線の係留システムは、限定された領域内に基礎を保持するために、重量と、海底とアンカーとアンカーチェーンの一部分との間の摩擦と、を使用する。浮体式基礎は、係留構造に対して作用する種々の風力及び海洋（波及び海流）力に起因して海底に対して水平及び垂直方向に且つその初期位置から遠ざかるように移動できる。この相対的移動は、幾つかのアンカーチェーンをぴんと張って他のアンカーチェーンを緩ませ、これによって、個々のアンカーチェーンにおける張力を変化させる。移動に起因してアンカーチェーンで生じた張力は、斯かる係留システムのサイズ及び重量を決定するときの重要なファクターである。
【０００４】
これら海洋力の低振動数スペクトルが、懸垂線の係留システム及び基礎の固有振動数と共振する可能性があり、このことが、更に、アンカーチェーンにおける移動又は揺動の増大を更に導き、特に、チェーン部分を移動させて海底と接触させたり海底から分離させたりすること（スラッシング（thrashing）と呼ぶ）が知られている。この連続的な揺動は、チェーンリンクと種々の他のチェーン構成要素を、動的荷重に起因した絶え間ない摩耗にさらす。このことが係留システムの寿命を短くする。この寿命は、更に、海水という腐食性の環境に起因して短縮されることがある。係留構造に対して作用する海洋力は、更に、ロータハブ上に作用する結果的に生じる推力に影響を与える。このことが、秒速１８ｍから秒速２２ｍ、例えば秒速２０ｍ、の風速において問題となる。
【０００５】
ロータ面上に作用する風力は、到来する風の密度に依存し、斯かる浮体式基礎のサイズ及び重量を決定するときの重要なファクターである。その主要な課題は、風力タービン翼のピッチングが、ロータハブ上に作用する結果的に生じる推力を原因として、風力タービンユニットの揺動傾斜又は（水平方向に対する）角回転を生じさせるということである。このことは、秒速１０ｍから秒速１４ｍ、例えば秒速１２ｍ、より速い風速（定格風速とも呼ばれる）において問題となる。
【０００６】
米国特許出願公開第２０１１／００３７２６４（Ａ１）号明細書は、海底上に配置されたアンカーに各々が接続される複数の係留索を使用することによって海底に固定された３脚のプラットフォーム上に配置される風力タービンを開示する。この特許文献は、浮体式基礎がその基礎に作用する種々の力に起因してその初期位置に対して移動でき、これによって、個々の係留索における張力を変化させることを教示する。プラットフォームの垂直方向に対する係留索の角度を低減させるために、大きな重い質量が係留索の各々から懸垂され、より緊張した係留索を提供する。斯かるクランプ重りシステムは、構造の総計コストを増大させ、アンカーチェーンが海底に衝突する際にアンカーチェーンにおいて衝撃荷重を発生させ、海底が柔らかい組成を有する場合には、海底にはまって動けなくなる可能性がある。その文献は、更に、浮体式基礎の移動が、海底の中に延びる電気ケーブル上に大きな荷重と応力とを発生させることを教示する。このことは、電気ケーブルに損傷を生じさせることなくその構造が移動することを可能にするケーブルループ（cable loop）を形成するために受動的な浮体式要素を電気ケーブルに付加することによって解決される。
【０００７】
米国特許出願公開第２０１１／００３７２６４（Ａ１）号明細書は、更に、張力システムを使用することによって予張力（pre-tension force）が各々の係留索に加えられ、その後、張力システムがその設定にロックされることを教示する。斯かる半緊張係留索は、各々のアンカー又はアンカーブロックのサイズ及び重量を増大させる必要があり、これによって、構造の総計コストを増大させ、より複雑で高コストの解決策を必要とすることを意味する。
【０００８】
米国特許出願公開第２０１４／００４４５４１（Ａ１）号明細書は、回転自在な支持アームを介してブイに接続された浮体式基礎上に各々が配置される複数の風力タービンを備えるパーク（park）を開示し、支持アームは、更に、浮体式基礎及び支持アームがブイに対して旋回することを可能にするヒンジを備える。浮体式基礎の底部上に位置決めされたスラスター（thruster）は、ブイに対して浮体式基礎を能動的に回転させるために使用される。別の実施形態では、浮体式基礎が、駆動プーリーに対して個別的に接続された３つの係留索を介して海底に固定される。駆動プーリーは、検出された風向及び風速に基づいて風力タービンの位置を調整するように構成された制御装置によって能動的に制御される。この文献は、位置センサが使用されるか否かについては言及していない。
【０００９】
米国特許出願公開第２０１１／００３７２６４（Ａ１）号明細書及び米国特許出願公開第２０１４／００４４５４１（Ａ１）号明細書における解決策は、発電を向上できるように、突風の外に風力タービンを移動させることによって風力タービンパーク内で受ける伴流効果を低減させるように設計されている。支持アーム及びブイの使用がシステム全体の複雑性を増大させ、ブイに対する風力タービンの横方向移動だけ可能にする。この構成では、制御ユニットが風力タービンを伴流効果の外に横方向に移動させるので、風力タービンは、風力タービン構造における追加の荷重を導くことになる堅固な支持アームに起因してブイと一緒に移動するだろう。駆動プーリーは、係留索がぴんと張られていることを必要とし、係留索は次いで、風力タービンが移動させられるときの係留索における張力の増大を補償するために、より大きく且つより重量があるアンカーを必要とする。このことがシステム全体のコストを増大させる。
【００１０】
同様の係留システムが、海洋プラットフォーム及びリグ（rig）を固定するために、海洋ガス及び石油産業において使用されている。しかし、これら構造上の風力荷重は、洋上風力タービン上の風力荷重よりも著しく小さい。
【００１１】
欧州特許出願公開第２４５７８１８（Ａ１）号明細書は、位置センサを使用する風力タービンの測定された変位又はリアルタイム速度に基づいて浮体式基礎上に提供される推力の作用を制御することによって、浮体式風力タービン構造の揺動運動を低減させる方法を開示する。この文献は、これら揺動運動を減衰させるためにどのようにスラスターが動作させられるのかについては言及していない。更に、欧州特許出願公開第２４５７８１８（Ａ１）号明細書は、出力が悪影響を受けないように、風力タービン翼のピッチ制御が推力制御から独立していることを教示する。
【００１２】
米国特許出願公開第２０１１／０００３１３４（Ａ１）号明細書は、浮体式基礎と浮体式基礎上に作用する力との間の共振を防止するための方法を開示する。欧州特許出願公開第２４８９８７２（Ａ１）号明細書は、浮体式風力タービンの傾斜運動によって引き起こされる風力タービン翼におけるジャイロ荷重を低減する方法を開示する。欧州特許出願公開第２６８５０９３（Ａ１）号明細書及び国際公開第２０１３／０６５３２３号は、浮体式風力タービンの傾斜運動を減衰させる方法を開示する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、係留システムにおいて発生させられる揺動力を減衰させる浮体式風力タービン構成を提供することである。
【００１４】
本発明の目的は、風力タービン構造に作用する動的な力を能動的な形で減衰させることを可能にする風力タービンを提供することである。
【００１５】
本発明の目的は、風力タービン構造の揺動運動を減衰させるために、風力タービンの位置を能動的に調整する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
用語「軸方向移動」は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の少なくとも１つに沿った任意の方向における、初期位置に対する風力タービンの移動、例えば片寄り、として定義される。ｘ軸に沿った移動は、風力タービン翼によって形成される回転面に対して垂直な（優勢な風向に対して平行な）移動として定義される。ｚ軸に沿った移動は、回転面に対して平行な（到来風の優勢な方向に対して垂直な）移動として定義される。ｙ軸に沿った移動は、風力タービンタワーの縦方向に対して平行な移動として定義される。ｘ軸及びｙ軸は、風力タービン構造の位置、例えば地球上の位置、を決定するために使用される水平面を画定し、一方、ｘ軸及びｙ軸は、風力タービン構造のための垂直面を画定する。
【００１７】
用語「風力タービン」は、ロータ（ロータハブ及び風力タービン翼）、ナセル、及び風力タービンタワーとして定義される。用語「風力タービン構造」は、風力タービン及び浮体式基礎を定義する。用語「平衡位置」は、風力タービン構造に作用する種々の力と推力とが互いに平衡状態にあり且つ風力タービン構造が静止状態又は疑似静止状態で安定している位置として定義される。浮体式基礎と風力タービンタワーとの間のロータハブ又は組付け継手は、相対的運動量と種々の力とを決定するときの基準点として使用される。代わりに、選択された係留索と浮体式基礎との間の接続点が基準点として使用されてもよい。
【００１８】
本発明の目的は、
−  制御ユニットは、予め決められた時間窓の範囲内で１つの軸線に沿った少なくとも２つの方向における予め決められた位置に対する風力タービン構造の相対的移動を検出するように構成されており、
−  ２つの反対方向の移動が検出された場合に、制御ユニットは、係留システムにおける不断の摩耗を低減させるために、相対的移動に基づいてロータに作用する推力を調整することによって、水平面内で風力タービン構造を移動させるように構成されている、
ことを特徴とする風力タービン構造によって達成される。
【００１９】
このことは、少なくとも水平面内における風力タービン構造の動的な移動又は周期的な移動を減衰させることが可能な洋上風力タービン構造を提供する。水平面は、設置場所における平均水位によって画定されてもよい。このことは、動的な力又は周期的な力によって引き起こされる、反対方向における風力タービン構造の絶えず変化する運動を減衰させることを可能にする。風力タービン自体を使用して、風力タービン構造を安定させる、追加的な復元力を風力タービン構造に加える。このことは、種々の風、波、及び海流の条件の間に風力タービン構造を安定状態に保ち、且つ、動的荷重を低減させる。
【００２０】
従来の受動係留システムが使用される場合には、浮体式基礎の体積を増大させることによって、浮体式基礎にバラストを加えることによって、又は、係留索における張力を増大させることによって、復元力が風力タービン構造に導入される。米国特許出願公開第２０１４／００４４５４１（Ａ１）号明細書とは違って、本発明は、風力タービン構造の相対的移動を能動的に減衰させるために、ロータに作用する推力を使用する。風力タービン構造の移動方向運動を減衰させることによって、これは次いで、運動の振動数が係留システムの共振振動数からずらされるので、アンカーチェーンにおける揺動運動を減衰させる。このことは、係留システムにおける不断の摩耗を低減させ、且つ、係留システムの寿命を増大させ、更には、係留システムのサイズ及び重量を低減させることを可能にし、これによって、コストを節約する。
【００２１】
この構成は、少なくとも１つの浮体式チャンバを有するあらゆるタイプの浮体式基礎又はプラットフォームに適している。浮体式基礎は、コンクリート又は金属の構造、例えば鋼鉄の構造を有してもよい。浮体式基礎は、所望の構造を形成するために相互接続される少なくとも３つの浮体式チャンバを備えてもよい。浮体式基礎は、円柱ブイ、又は、円筒形の、三角形の、正方形の、若しくは、多角形の構造として形成されてもよい。１つ又は複数の安定化要素、例えばプレート、アーム、又は重りが、その浮体式基礎の安定性を増大させるために、浮体式基礎に対して配置されてもよい。この安定化要素は、軸線の１つを中心とした風力タービンの傾斜又は回転運動を打ち消すように設計されてもよい。浮体式チャンバは、例えばポンプ送りシステムのようなバラスト調整手段に接続された、バラストチャンバでもよい。
【００２２】
係留システムは、浮体式基礎から外方に延びており、且つ、対応するアンカーに接続される、少なくとも３つの係留索、例えば懸垂線の係留索を備える。係留索は、更に、個別の接続点において浮体式基礎に接続される個別のグループに配置されてもよい。各々のアンカーは、他方の端部において浮体式基礎に対して直接的に接続されるか又は第２タイプの係留索を介して接続される、少なくとも１つのアンカーチェーンに接続される。金属、例えば鋼鉄、又は別の適切な材料の大型で重量があるアンカーチェーンが、少なくともアンカーに接続される。ナイロン、プラスチック、ポリエステル、合成繊維、又は、任意の他の適切な材料の、より細く且つより軽いアンカーチェーン及び／又はワイヤ又はロープが、浮体式基礎と、より大きく且つより重いアンカーチェーンとに接続されてもよい。これは、予め決められた質量及び重量を各々が有する少なくとも２つのセグメントを持つ係留索を形成し、これによって、係留システムの重量分布及び復元力又は剛性が、風力タービン構造に作用する力の振動数スペクトルに対して最適化されることを可能にする。
【００２３】
１つ又は複数の測定ユニットは、基準位置に対する係留システムと、ひいては風力タービン構造との現在位置を測定する。このことは、制御ユニットが、同一の軸線、例えばｘ軸又はｚ軸に沿った２つの反対方向において、及び／又は、軸線の２つ、例えばｘ軸及びｚ軸に沿った２つの直交方向において、少なくとも水平面における風力タービンのあらゆる軸方向移動を検出することを可能にする。このことは、制御ユニットが、風力タービン構造にその位置を相対的に迅速に変更させると思われる、あらゆる揺動運動又は周期的運動を検出することを可能にする。制御ユニットが予め決められた時間窓の中で少なくとも２つの方向における相対的移動を検出する場合には、制御ユニットは、この移動を打ち消すために、ピッチ及び／又はヨーシステムを起動させる。制御システムは、風力タービン構造が実質的に１つの方向にだけ移動させられることを検出した場合には、ピッチ及び／又はヨーシステムが起動させられない。このことは、風力タービン構造が、揺動運動を減衰させる間、風力タービン構造に作用する種々の静的力に起因してあらゆる方向における平衡位置の間で移動することを可能にする。
【００２４】
制御ユニットは、代わりに、１つ又は複数の係留索において測定される張力に少なくとも基づいて風力タービン構造の相対的移動を決定してもよく、又は、これとは逆でもよい。風力タービン構造の軸方向移動は、１つ又は複数の係留索それぞれにおける張力に比例していてもよい。測定ユニットは、少なくとも２つの方向において、例えばｘ軸及びｚ軸に沿って、張力を測定することが可能でもよく、これによって、制御ユニットが、アンカーチェーンにおける不断の摩耗を引き起こす、アンカーチェーンのあらゆる揺動荷重又は周期的荷重を検出することを可能にする。これら張力の方向は、どの方向に風力タービン構造を移動すべきかを決定するために使用される。
【００２５】
一実施形態によれば、時間窓は、３分間未満であり、好ましくは１０秒から１２０秒の間である。制御ユニットは、ロータ平面に衝突する風速、及び／又は、風力タービン構造が移動する速度の関数として決定される時間窓の範囲内において、相対的移動を監視してもよい。時間窓は３分間未満でよく、好ましくは１０秒から１２０秒の間でもよい。
【００２６】
特殊な実施形態では、制御ユニットが、２つの方向の少なくとも１つにおける、張力又は相対的移動を、少なくとも１つの閾値と比較するように構成されており、制御ユニットは、張力又は相対的移動がその閾値を超える場合に、ロータに作用する推力を調整するように構成されている。
【００２７】
このことは、一方向又は双方向における相対的移動が予め決められた閾値を超える場合に、風力タービンがその地理的位置を調整することを可能にする。
【００２８】
一実施形態によれば、少なくとも１つの閾値が、５０センチメートルから２００センチメートルの間、例えば１００センチメートルである。
【００２９】
閾値は、双方向について同一であっても、又は、各々の方向について異なってもよい。閾値は、ロータ平面に衝突する風速、及び／又は、風力タービン構造が移動する速度の関数として決定されてもよい。閾値は、代わりに、５０センチメートルから２００センチメートルの間、例えば１００センチメートルを選択されてもよい。このことは、風力タービンが最大発電方式に従って動作させられる予め決められた地理的領域内で、風力タービン構造が移動することを可能にする。風力タービンがこの領域の外に移動／漂流する場合には、ピッチ及び／又はヨーシステムが、風力タービン構造をこの領域内に再び移動させるために有効である。閾値及び時間窓は、更に、風力タービン構造の相対的移動について最大許容可能速度を決定するために使用されてもよい。このことは、風力タービン構造が、風力タービン構造に作用する力に起因してゆっくりと移動することを可能にし、一方で、あらゆる急速な移動を減衰させる。
【００３０】
制御ユニットは、追加的に又は代替的に、１つ又は複数の閾値に対して、一方向又は双方向において測定された又は計算された張力を比較してもよい。これら閾値は、風力タービン構造の初期位置に対する風力タービン構造の最大許容可能変位を規定する。少なくとも一方の張力が閾値を超える場合には、ピッチ及び／又はヨーシステムが、係留索における張力を減衰させるために起動される。このことは、風力タービン構造が外側位置にあるときに、アンカーチェーンにおける最大張力を低減させる。更に、このことは、係留システムの寿命を増大させ、且つ、風力タービン構造が予め決められた領域内を移動することを可能にする。
【００３１】
一実施形態では、制御ユニットが、張力に基づいて、又は、相対的移動に基づいて、補正ピッチ角を決定するように構成されている。
【００３２】
この構成は、風力タービンのピッチシステムが、ｘ軸及び／又はｚ軸に沿って風力タービン構造を移動させる／推進させるために使用されることを可能にする。この構成では、制御ユニットが、風力タービンの動作を制御するように構成された風力タービン制御ユニットとして機能してもよい。代わりに、制御ユニットは、有線又は無線接続を介して別個の風力タービン制御ユニットに接続されてもよい。制御ユニットは、相対的移動に基づいて風力タービン翼のピッチ角を調整するように構成されており、このことが次いで、ロータハブに作用する推力を調整する。この補正ピッチ角は、風力タービン構造が揺動運動を減衰させるために移動することを必要とする方向を表している。補正ピッチ角は、次いで、ピッチシステムに伝達され、ピッチシステムは、次いで、補正ピッチ角に応じてピッチ角を調整する。補正が必要でない場合には、最大発電のために最適なピッチ角がピッチシステムに伝送されてもよい。風力タービン構造の相対的移動と、アンカーチェーンにおける揺動運動とを低減させるための補正ピッチ角は、最大出力のための最適なピッチ角と同一であるか、又は、最適なピッチ角とは異なっていてもよい。このことは、風力タービン自体を使用して風力タービン構造を移動させるので、風力タービン構造を移動させるために必要とされる追加の構成要素の個数を低減させ、ひいては既存の浮体式風力タービンにおける容易な実装を可能にする。
【００３３】
少なくとも風向及び／又は平均風速の測定に基づくルックアップテーブル又は連続計算が、最大発電のための第１ピッチ角を決定するために使用されてもよい。風力タービンの測定された移動又は張力に少なくとも基づく別のルックアップテーブル又は連続計算を使用して風力タービン構造の相対的移動を低減させるための第２ピッチ角を決定してもよい。例示的な実施様態では、第１及び第２ピッチ角は、ピッチシステムに対して起動コマンドを伝送する前に組み合わされてもよい。
【００３４】
一実施形態において、制御ユニットは、風力タービンタワーに対してナセルをヨーイング（yaw）させるように構成されたヨーシステムに接続されており、制御ユニットは、張力に基づいて、又は、相対的移動に基づいて、補正ヨー角を決定するように構成されている。
【００３５】
代わりに又は追加的に、風力タービンのヨーシステムは、ｘ軸及び／又はｚ軸に沿って風力タービン構造を移動させる／推進させるために使用される。制御ユニットは、相対的移動に基づいて風力タービン翼のヨー角を調整するように構成されており、このことがロータハブに作用する推力を調整する。この補正ヨー角、例えばヨー誤差（yaw error）は、風力タービン構造が揺動運動を減衰させるために移動することを必要とする方向を表している。補正ヨー角は、次いで、ヨーシステムに伝送され、ヨーシステムが、ヨー角に応じてヨー角を調整する。補正が必要でない場合には、ヨーシステムは、優勢な風向と整列して、例えば風向に対して垂直に、ロータをヨーイングさせる。補正ヨー角は、風力タービン構造の測定された相対的移動、又は、測定／計算された張力に基づいて、例えばルックアップテーブル又は連続計算によって、制御ユニットによって決定されてもよい。風力タービン構造の相対的移動を低減させるための補正ヨー角は、最大発電のための最適なヨー角と同一であっても異なっていてもよい。このことは、風力タービン構造の相対的移動を低減させる最適な位置に風力タービンをヨーイング及び／又はピッチングさせることを可能にする。
【００３６】
代わりに、１つ又は複数の位置調整ユニットは、浮体式基礎に対して配置され、且つ、復元力を少なくとも１つの軸方向において風力タービン構造に対して加えるように構成されている。好ましくは、移動をより適切に制御するために、２つ以上の位置調整ユニットが浮体式基礎上に配置されるか又は浮体式基礎に一体化されてもよく、このことは、風力タービン構造を、少なくとも２つの軸方向、例えばｘ軸及びｚ軸に移動させることを可能にする。位置調整ユニットは、スラスター、水噴射ノズル、プロペラ、又は、任意の他の適切な位置調整ユニットでもよい。位置調整ユニットは、例えば個別に又は１つ又は複数のグループとして、有線又は無線接続を介して制御ユニットによって制御されてもよい。スラスター又はプロペラの回転が、必要に応じて、逆転されてもよい。このことは、ピッチ又はヨーシステムの使用と比較して、風力タービン構造を移動させる、より迅速で且つよりエネルギー効率が高い方法を可能にする。
【００３７】
特殊な実施形態では、測定ユニットが係留システムに対して配置されており、制御ユニットが、更に、少なくとも、
−  係留索の少なくとも１つにおける張力か、
−  少なくとも１つの係留索の角度か、又は、
−  少なくとも１つの係留索の弾性応答、例えば相対的移動、
を決定するように構成されている。
【００３８】
測定ユニットは、それぞれの係留索における張力を測定するように構成された、荷重センサ、張力計、又は、歪みゲージの形態の張力測定ユニットでよい。張力測定ユニットは、更に、係留索の角度を測定するための一体型の角度センサ又は傾斜計を備えてもよい。このことは、単一のユニットを使用することによって張力及び角度を測定することを可能にする。
【００３９】
別の測定ユニットが、基準軸線、例えば接続点に対するそれぞれの係留索の角度、例えば傾斜角を測定するように構成されてもよい。測定ユニットは、別個の傾斜計又は角度センサでよい。制御ユニットは、それぞれの係留索の張力を決定／計算するために、この測定された角度を使用してもよい。
【００４０】
更に別の測定ユニットが、例えば１つ又は複数のタイプのセンサ又はトランスデューサによって、それぞれの係留索の弾性応答を表す１つ又は複数のパラメータを直接的に又は間接的に測定するように構成されてもよい。測定ユニットは、水中音波探知機、深さ／圧力センサ、振動センサ、移動センサ、加速度計、ジャイロスコープ（例えば、ＧＰＳ方式のジャイロスコープ）、又は、弾性応答を測定するのに適している別の測定ユニットでもよい。制御ユニットは、更に、この測定ユニットからの測定データに基づいて弾性応答を決定するように構成されてもよい。弾性応答は、係留索の特徴を表すために、又は、係留索の張力又は水平変位を計算するために、使用されてもよい。
【００４１】
２つ以上の測定ユニットが、係留索の長さに沿って分配されてもよい。１つ又は複数の測定ユニットが、有線又は無線接続を経由して制御ユニットに接続されてもよい。測定ユニットは、代わりに、浮体式基礎と係留索との間に配置されてもよく、又は、係留索における２つのリンクの間に配置されてもよい。
【００４２】
一実施形態において、測定ユニットは、風力タービン構造に対して配置され、且つ、風力タービン構造の位置、例えば地球上の又は局所的な位置を測定するように構成されてもよい。
【００４３】
測定ユニットは、全地球的測位システム（ＧＰＳ）受信器、ディファレンシャル全地球的測位システム（ＤＧＰＳ）受信器、全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）受信器、又は、任意の他のタイプの位置センサの形態である位置センサでもよい。風力タービン構造の初期位置は、設置時に決定されて、制御ユニット内に記憶されてもよい。位置ユニットが、数メートルの範囲内、例えば１又は２メートルの範囲内で、又は、数センチメートルの範囲内、例えば１０センチメートルの範囲内で、風力タービンの位置を検出できるように、位置ユニットの分解能／精度が選択されてもよい。位置センサは、ｘ軸及びｚ軸、又は、３つすべての軸に沿った位置を検出するように構成されている。このことは、制御ユニットが風力タービンの位置を決定することと、初期位置に基づいて軸線に沿ったあらゆる軸方向移動を検出することとを可能にする。
【００４４】
局所的測位システム（ＬＰＳ）は、代わりに、風力タービン構造の地理的位置を測定してもよい。局所的位置ユニットが風力タービン構造上に配置され、局所的位置ユニットが１つ又は複数の定置基地／基準ユニットと通信状態にある。局所的位置ユニットは、風力タービン構造の位置を決定するために、三角測量、三辺測量、マルチアルテレーション（multi-alteration）、又は、別の技術を使用してもよい。
【００４５】
制御ユニットは、更に、位置センサからの信号に基づいて風力タービンの傾斜／回転移動を決定するように構成されてもよい。このことは、制御ユニットが、風力タービン構造に作用する種々の推力によって引き起こされる風力タービンのあらゆる傾斜又は揺動を低減させることを可能にする。
【００４６】
一実施形態において、風力タービン翼の少なくとも１つが、第１空気力学的プロファイルを有する内側翼部分と、第２空気力学的プロファイルを有する外側翼部分とを備え、ピッチシステムは、２つの翼部分の間に配置され、且つ、第１風速を超える風速で内側翼部分に対して外側翼部分をピッチングさせるように構成されている。
【００４７】
この構成は、従来のピッチング可能な風力タービン翼を有する風力タービンと、部分的にピッチング可能な風力タービン翼を有する風力タービンとに適している。少なくとも３５メートルの長さを各々が有する２つ又は３つの風力タービン翼が、ロータの一部分を形成してもよい。内側翼部分は、第１空気力学的プロファイル、例えば失速調節プロファイルを有し、一方、外側翼部分は、第２空気力学的プロファイル、例えばピッチ調節プロファイルを有してもよい。第１風速は、その風力タービンのための定格出力を規定してもよい。部分的にピッチング可能な風力タービンは、特に定格風速を上回る風速において、従来のピッチ調節風力タービンに比べて、ロータハブに作用する推力のより好適で且つ効果的な制御を提供する。
【００４８】
本発明の目的は、更に、
制御ユニットが、予め決められた時間窓の範囲内で１つの軸線に沿った少なくとも２つの方向における風力タービン構造の相対的移動を検出し、
−  風力タービン構造を移動させるステップが、２つの反対方向の移動が検出された場合に、係留システムにおける不断の摩耗を低減させるために、相対的移動に基づいて、風力タービン構造のロータに作用する推力を調節することを含む、
ことを特徴とする制御方法によって達成される。
【００４９】
このことは、種々の風条件及び海洋条件の間に少なくとも水平面において風力タービン構造の動的な又は周期的な移動を減衰させるための方法を提供する。このことは、次いで、アンカーチェーンの揺動運動を減衰させることを可能にし、ひいては不断の摩耗を低減させ、このことが係留システムの寿命を長期化する。風力タービン自体を使用して風力タービン構造に対して追加的な復元力又は推力を加え、追加的な復元力又は推力が、風力タービン構造を安定させ、且つ、風力タービン構造の揺動運動を減衰させる。
【００５０】
この構成は、従来の係留された浮体式基礎と比較して軸方向移動を低減させるための、より好適且つより効果的な方法を提供する。従来においては、風力タービン構造の軸方向移動を制限するために、緊張係留式（tension leg）が使用されてきた。しかし、これら緊張係留式は、水平面内における軸方向移動を減衰させるための満足できる解決策を提供しない。本構成は、風力タービン構造の相対的移動に基づいてピッチ角及び／又はヨー角を調整することによって、ロータハブに作用する推力を調節し、これによって、これら揺動運動を受動的に減衰させる他の既知の係留システムと比較して、係留システムにおいて揺動運動を能動的に減衰させる。
【００５１】
この構成は、風力タービン構造に作用する種々の動的な又は周期的な力によって引き起こされる風力タービン構造の絶えず変化する方向運動を減衰させる。このことは、次いで、不断の摩耗が低減するように、アンカーチェーンの揺動運動を減衰させる。この構成は、風力タービン構造が、風力タービン構造に作用する静的な又は平均的な力に起因して風力タービン構造の初期位置に対して任意の方向に任意の平衡位置の間を移動することを可能にする。少なくとも２つの軸方向における移動が検出されると、揺動運動又は周期的移動を打ち消す復元力が風力タービン構造に加えられる。このことが、風力タービン構造において受ける荷重を低減させる。
【００５２】
軸方向移動は、風力タービン構造又は係留システム上に配置される、１つ又は複数の測定ユニット、例えば位置ユニットを使用することによって直接的に測定される。位置ユニットは地理的位置を測定し、制御ユニットが風力タービン構造の相対的移動を決定する。代わりに、張力は、係留システムに対して配置される、１つ又は複数の測定ユニット、例えば張力測定ユニットを使用することによって測定される。軸方向移動は、次いで、係留索の測定された張力の関数として計算されてもよい。張力は相対的移動に比例していてもよい。このことは、制御ユニットが、風力タービン構造の相対的移動、及び／又は、係留索における張力、を監視することを可能にする。
【００５３】
特殊な実施形態では、張力又は２つの方向の少なくとも１つにおける相対的移動は、例えば予め決められた時間窓の範囲内で、少なくとも１つの閾値と比較され、閾値を超える場合には、推力が調節される。
【００５４】
この構成は、風力タービン構造に、少なくとも水平面内におけるその位置を比較的迅速に通常変化させ、これによって、風力タービンに大きな荷重を導く、あらゆる急速な移動を、制御ユニットが検出することを可能にする。好ましくは、制御ユニットは、ｘ軸及びｚ軸に沿った相対的移動を監視し、且つ、少なくとも２つの方向におけるそれぞれの相対的移動を個別の閾値と比較する。時間窓の範囲内における相対的移動が、閾値によって規定される範囲（band）内のままである場合には、制御ユニットは、風力タービンのピッチ角及び／ヨー角を調整せず、風力タービン構造は、平衡位置に向かって任意の方向に移動することが可能である。このことは、ピッチ及び／又はヨーシステムが、ロータ／風力タービン翼を最大発電のための最適なピッチ角及び／又はヨー角に配置することを可能にする。更に、制御ユニットは、風力タービン構造が移動する速度を監視することが可能である。時間窓及び閾値によって規定される速度よりも測定された速度が低いままである場合には、ピッチ角及び／又はヨー角は、制御ユニットによって調整されない。相対的移動が範囲（band）又は速度閾値よりも大きくなる場合には、制御ユニットは、補正ピッチ角及び／又は補正ヨー角を生成し、補正ピッチ角及び／又は補正ヨー角が、それに応じてピッチ及びヨーを調整するそれぞれのピッチ及びヨーシステムに伝送される。これは、アンカーチェーンにおける動的な又は周期的な移動と、ひいては揺動運動とを打ち消す復元力を風力タービン構造に加える。
【００５５】
制御ユニットは、更に、風力タービン構造の地理的変位を測定するために、予め決められた基準位置、例えば風力タービン構造のアンカー又は初期位置に対する風力タービンの現在位置を監視してもよい。この変位が、軸線のいずれか一つに沿った任意の１つの方向において別の閾値を超える場合には、制御ユニットは、風力タービン構造をその初期位置及び／又は別の平衡位置に向かって移動させる復元力を導くように、風力タービンのピッチ角及び／又はヨー角を調整する。風力タービンが閾値によって設定された領域の外側に漂流しない場合には、風力タービンは、最大発電のための最適なピッチ角及び／又はヨー角で動作されてもよい。このことは、風力タービン構造がアンカーに対して移動するにつれて、アンカーチェーンにおける最大張力を低減させることを可能にする。
【００５６】
代わりに、制御ユニットは係留システムにおける張力を監視し、且つ、張力を１つ又は複数の予め決められた閾値と比較する。閾値を上回る場合には、ピッチ角及び／又はヨー角が補正され、風力タービン構造が新たな位置に向けて移動させられる。測定された張力が閾値よりも小さいままである場合には、ピッチ角及び／又はヨー角は補正されない。このことは、更に、アンカーチェーンにおける最大張力を低減させることを可能にする。
【００５７】
一実施形態において、風力タービン翼の少なくとも一部分が、相対的移動に基づいた最適なピッチ角にピッチングさせられ、及び／又は、ナセルが、相対的移動に基づいた最適なヨー角にヨーイングさせられる。
【００５８】
ピッチングは、ロータハブに作用する風推力を、風力タービン構造をその初期位置又は別の平衡位置に向かってｘ軸及びｚ軸に沿って移動させる／推進させるために使用することを可能にする。ピッチングは、ピッチングシステムによって実行されてもよく、この場合に、制御ユニットは、例えば測定された風速及び／又は風向に基づいた、補正ピッチ角及び／又は最大発電のための最適なピッチ角を決定する。それぞれのピッチ角は、ルックアップテーブルに従って決定されてもよく、又は、連続計算によって実行されてもよい。このことは、風力タービン構造を移動させるために必要とされる追加の構成要素の個数を低減させ、且つ、制御方法を既存の浮体式風力タービンに実装することを可能にする。
【００５９】
例示的な実施形態において、制御ユニットは、更に、相対的移動に基づいて補正ヨー角を決定する。このことは、ロータをいずれかの方向にヨーイングさせ、これによって、風力タービン構造を移動／回転させるためにロータに作用する風推力を使用することを可能にする。ロータ面を風の外にヨーイングさせることによって、例えばロータ面を優勢な風向に対してヨー誤差（yaw error)により配置することによって、空気力学的荷重を、風力タービン翼が風に対向するときに増大させ、次いで風から反らされるときに低減させることを可能にし、これによって、風力タービン構造がそのｙ軸を中心に回転することを可能にする。それぞれのヨー角は、ルックアップテーブルに従って決定されてもよいし、又は、連続計算によって実行されてもよい。このことは、制御ユニットが、風力タービン構造をその初期位置又は別の平衡位置に向けて移動させる／推進させるための最適位置に、風力タービン翼及びナセルを配置することを可能にする。
【００６０】
補正ヨー角及び／又は補正ピッチ角は、係留システムにおける測定された張力に基づいて決定される。張力は、連続計算又はルックアップテーブルを使用することによって相対的移動に基づいて計算されてもよい。測定された風速及び／又は風向は、補正ピッチ角及び／又は補正ヨー角を決定するときにパラメータとして使用されてもよい。
【００６１】
一実施形態において、軸方向移動を測定するステップが、少なくとも、
−  係留索の少なくとも１つにおける張力を測定することと、
−  少なくとも１つの係留索の角度を測定することと、
−  少なくとも１つの係留索の弾性応答、例えば相対的移動を測定することと、
を含む。
【００６２】
張力又は相対的移動が、張力測定ユニット又は位置ユニットの形態において１つ又は複数の測定ユニットを使用して測定される。測定ユニット又は別の測定ユニットは、更に、係留索の傾斜角度、又は、係留索の弾性応答を表すパラメータを測定してもよい。張力は、次いで、これら測定ユニットからの測定データに基づいて決定又は計算される。このことは、係留システムの特徴を表す多数のパラメータを同時に測定することを可能にし、ひいてはより正確な張力の計算、又は、相対的移動の制御を可能にする。
【００６３】
一実施形態において、風力タービン構造は、複数の懸垂線の係留索を備える係留システムによって海底に係留され、１つ又は複数の要素、例えば重り要素が、係留システムの少なくとも一部分の移動を低減させるために、係留システム上に設置される。
【００６４】
制御方法は、予め決められたサイズ及び重量を有する、任意の個数の、例えば少なくとも２つの重り要素を使用することによって、１つ又は複数の係留索の揺動運動を低減させることを可能にする。重り要素は、係留索の長さに沿って分配されてもよいし、及び／又は、係留索に沿って１つ又は複数の列に配置されてもよい。重り要素は、好ましくは、浮体式基礎と海底との間で位置決めされた位置に懸垂される。重り要素は、係留索が中を通って延びる環状要素か、係留索から懸垂される／係留索に接続されるクランプ重り（crump weight）か、第１及び第２係留索にいずれかの端部において接続される任意の個数のチェーン／屈曲可能なリンクを有するチェーン／屈曲可能要素か、又は、任意の他の適切な形状として形成されてもよい。このことは、少なくとも係留索の最も外側の部分が、海底上に残留し、これによって、第２アンカーとして作用することを可能にする。重り要素は、浮体式基礎の垂直中心線と、浮体式基礎から外方に延びる係留索との間の角度を低減させて、係留索における予張力（pre-tension force）を増大させる。このことは、係留システムの復元力又は剛性を増大させ、ひいては風力タービン構造の移動を減衰させる。
【００６５】
電気ケーブルの移動は、任意の個数の、例えば少なくとも１つの浮体式要素を使用することによって低減させられる。浮体式要素は、電気ケーブルの長さに沿って分配してもよく、及び／又は、電気ケーブルに沿って１つ又は複数の列に配置されてもよい。浮体式要素は、予め決められた形状又はサイズ及び浮力を有するように構成されている。このことは、海底の中に又は海底に沿って延びる電気ケーブルの部分を多かれ少なかれ同一の位置に維持することを可能にし、一方で、浮体式基礎に向かって位置決めされる電気ケーブルの部分が、浮体式基礎と共に移動することを可能にされる。代わりに、例えば、空気又は別の圧縮可能な媒体、例えば気体、で部分的に満たされるチャンバの中に又はチャンバの外に海水をポンプで送ることによって、浮体式要素の浮力を調整するために、ポンプが浮体式要素の１つ又は複数の中に位置決めされてもよい。ポンプの動作は、浮体式要素の位置／深さが風力タービン構造の軸方向移動に対して個別的に又はグループとして調整されるように、制御ユニットによって制御されてもよい。浮体式要素は、係留索の移動を低減させるために、重り要素の代わりに使用されてもよく、又は、重り要素と組み合わされて使用されてもよい。浮体式要素を係留索に接続することは、復元力の大半が浮体式基礎と浮体式要素との間に位置決めされた係留索の直線部分によって提供されることを意味する。
【００６６】
以下では、本発明は、単に実施例として、且つ、図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明による浮体式基礎上に設置された風力タービンの例示的な実施形態を示す。
【図２】図１の風力タービン構造に接続された係留システムの第一実施形態を示す。
【図３】図１の風力タービン構造に接続された係留システムの第二実施形態を示す。
【図４】垂直方向における地球上の位置に対する、水平方向における風力タービン構造の地球上の位置の例示的な第１グラフを示す。
【図５】時間領域内における図４に示された地球上の位置の例示的な第２グラフを示す。
【図６】水平位置における地球上の位置に対する、係留システムの係留力の例示的な第３グラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
以下のテキストでは、図を１つずつ説明し、図に示される異なる部品及び位置を異なる図において同一番号で番号付けする。特定の図に示されるすべての部品及び位置は、必ずしもその図と共に論じない。
【００６９】
図１は、本発明による浮体式基礎２上に設置された風力タービン１の例示的な実施形態を示す。風力タービン１は、浮体式基礎２の上部部分に組付けられた底部端部を有する風力タービンタワー３を備える。ナセル４は、例えばヨーシステム（yaw system）５を介して、風力タービンタワー３の頂部端部に配置される。回転自在なロータがナセル４に接続され、且つ、２つ以上の風力タービン翼６が接続されるロータハブ６を備える。各々の風力タービン翼７は、先端端部８と、ロータハブ６に接続された翼根元（blade root）９とを備える。ピッチシステム１０は、図１に示されるように、翼根元９とロータハブ６との間に、又は、第１翼部分１１ａと第２翼部分１１ｂとの間に配置される。第１翼部分１１ａは、第１空気力学的プロファイル、例えば失速調整プロファイルを有し、第２翼部分１１ｂは、第２空気力学的プロファイル、例えばピッチ調整プロファイルを有する。風力タービン１のピッチング及び／又はヨーイングは、制御ユニット（図示されない）によって制御される。
【００７０】
浮体式基礎２は、水面１３の下方に部分的に又は完全に沈められるように構成された浮体式本体１２、例えば細長い及び／又は円筒形の本体を備える。本体１２は、バラスト材料、例えば水、岩、砂／砂利、コンクリート、金属、又は、別の適切なバラスト材料により少なくとも部分的に満たされたバラストチャンバの形態の、少なくとも１つの浮体式チャンバを備える。代わりに、本体１２の上部部分は、気体媒質、例えば空気、ヘリウム、又は、別の適切な気体で満たされた密閉チャンバを備える。上部部分は、風力タービンタワー３の底部を基礎２に組付けるための組付け手段を備える。本体１２は、鉄、鋼鉄、コンクリート、又は、別の適切な材料で作られてもよい。
【００７１】
係留システム１４は、設置場所において海底１５に風力タービン構造を固定するために、基礎２に接続される。係留システム１４は、基礎２から外方に延びる少なくとも３つの係留索１６を備える。各々の係留索１６は、一方の端部において基礎２に接続され、且つ、他方の端部においてアンカー１７に接続されている。係留索１６は、金属、例えば鋼鉄で作られた大きく且つ重いアンカーチェーンでもよい。アンカー１７は、ドラフトアンカー（draft anchor）、又は、風力タービン構造が移動する際に風力タービン構造を海底１５に固定するために摩擦を使用する類似したタイプのアンカーである。
【００７２】
図２は、図１の風力タービン構造に接続された係留システム１４の第一実施形態を示す。クランプ重りの形態の１つ又は複数の重り要素１８が、係留索１６の少なくとも１つの長さに沿って分配される。各々の重り要素１８は、予め決められた位置においてそれぞれの係留索１６から懸垂される。重り要素１８は、係留索１６の最も内側の部分、例えば重り１８と基礎２との間の部分に対して張力を加え、一方で、係留索１６の最も外側の部分、例えば重り１８とアンカー１７との間の部分が海底１５上に残留することを可能にし、ひいては第２アンカーとして作用する。このことは、風力タービン構造の相対的移動を打ち消し、且つ、係留索１６の復元力を増大させる。
【００７３】
少なくとも１組の電気ケーブル１９は、基礎２から外方に、且つ、海底１５の中に又は海底に沿って延びる。１つ又は複数の第１浮体式要素２０は、例えば一列で、電気ケーブル１９の長さに沿って分配される。列の中の各々の浮体式要素２０は、予め決められた形状又はサイズ及び浮力を有する。このことは、風力タービン構造が動き回る際に、特に、電気ケーブルが海底１５に接触する遷移領域において、電気ケーブル１９の移動を低減させる。
【００７４】
少なくとも１つの位置調整ユニット２１は、スラスター、例えば回転自在スラスターの形態で基礎２の底部に配置される。位置調整ユニット２１は、位置調整ユニットの動作を制御する制御ユニットに接続される。制御ユニットは、風力タービン構造、例えば基礎２又はナセル４上に位置決めされる少なくとも１つの測定ユニットに接続される。測定ユニットは、例えば３つの軸線のすべてに沿って、風力タービン構造の地球上の位置を検出するように構成されているＧＰＳ受信器でもよい。制御ユニットは、少なくとも２つの異なる方向、例えばｘ軸若しくはｙ軸に沿った反対方向、又は、それら任意の組合せにおける、風力タービン構造の相対的移動を決定するために、測定ユニットからの信号を使用する。制御ユニットは、予め決められた時間窓、例えば１０秒から１２０秒の範囲内の相対的移動を監視する。一方向又は双方向の測定された移動は、次いで、予め決められた閾値、例えば５０センチメートルから２００センチメートルと比較される。時間窓の範囲内で測定された移動が、少なくとも１つの方向において閾値を超える場合には、位置調整ユニット２１が起動される。測定された移動が閾値よりも低い場合には、位置調整ユニット２１は起動されない。このことは、風力タービン構造を安定化させる平衡位置に向かって風力タービン構造を移動させることを可能にする。この制御方法は、風力タービン構造に作用する動的な又は周期的な力に起因するあらゆる急速な揺動運動を減衰させる。
【００７５】
図３は、図１の風力タービン構造に接続された係留システム１４の第二実施形態を示す。この実施形態では、重り要素１８が、任意の個数の第２浮体式要素２２によって置き換えられる。第２浮体式要素２２の形状、サイズ、又は浮力は、第１浮体式要素２０の形状、サイズ、又は浮力とは異なる。このことは、係留索１６の最も外側の部分が海底１５上に多かれ少なかれ残留し、且つ、アンカーとして作用することを可能にし、一方で、係留索１６の最も内側の部分が風力タービン構造と共に移動可能である。最も内側の部分は、基礎２に伝達される復元力の大半を提供するように、即ち、最も外側の部分によって提供される復元力よりも大きい復元力を提供するように構成されている。
【００７６】
図４は、垂直面内の地球上の位置に対する、水平面内の風力タービン構造の地球上の位置の例示的な第１グラフ２３を示す。グラフ２３のｘ軸は、水平面内のｘ軸に沿った軸方向移動２４を表す。グラフ２３のｙ軸は、垂直面内のｙ軸に沿った軸方向移動２５を表す。グラフ２３は、秒速２０メートルの平均風速における波と風によって影響される、定格出力で動作する風力タービン１の地球上の位置を示す。この実施形態では、位置調整ユニット２１は起動されない。グラフ２３に示されるように、風力タービン構造は、ｘ軸に沿ったその初期位置から＋６メートルから＋２０メートルの範囲内を実質的に移動し（２４）、一方で、風力構造は、その初期位置からｙ軸に沿って−１メートルから＋１メートルの範囲内を実質的に移動する（２５）。風力タービン構造の移動２４、２５は、これら２つの範囲内で数回にわたって方向を変える。本発明は、位置調整ユニット２１を使用して、これら不断の方向変化を打ち消すことを目的としている。
【００７７】
図５は、水平面と垂直面の双方における、時間領域内での図４に示される地球上の位置の例示的な第２グラフ２６を示す。グラフ２６に示されるように、風力タービン構造に作用する力は、風力タービン構造を反対方向に絶えず移動させる比較的急速な揺動的／周期的な形で風力タービン構造に移動させる。制御ユニットが、ひいては急速な移動（相対的移動が時間窓内の閾値を超えること）を検出する場合には、位置調整ユニット２１が、この揺動運動／周期的移動を減衰させるために起動される。
【００７８】
図６は、水平面内の地球上の位置、例えば相対的移動に対する係留システム１４の復元力、例えば張力の例示的な第３グラフ２７を示す。グラフ２７のｘ軸は、水平面内のｘ軸に沿った軸方向移動２４を表し、一方で、ｙ軸は、係留索１６において受ける力２８を表す。グラフ２７に示されるように、図１に示される風上に向かう係留索において受ける復元力Ｆｘは、水平面内の移動２４、例えばｘ軸に沿った移動２４に多かれ少なかれ比例する。このことは、風力タービン構造の動的移動を減衰させることによって係留索１６における揺動運動を減衰させるために、位置調整ユニット２１を使用できることを表す。
【００７９】
この構成では、制御ユニットは、風力タービン構造の相対的移動２４に基づいた係留索１６における張力を計算する。例えば各々の係留索について計算された張力は、次いで、予め決められた閾値と比較される。計算された張力が閾値よりも大きい場合には、制御ユニットが、風力タービン翼７のための最適なピッチ角を決定する。風力タービン翼７は、次いで、引っ張られた係留索１６における最大張力を低減させる別の位置に風力タービン構造を移動させるように、この最適なピッチ角にピッチングさせられる。
【符号の説明】
【００８０】
１  風力タービン
２  基礎
３  風力タービンタワー
４  ナセル
５  ヨーシステム
６  ロータハブ
７  風力タービン翼
８  先端端部
９  翼根元
１０  ピッチシステム
１１  翼部分
１２  浮体式本体
１３  海面
１４  係留システム
１５  海底
１６  係留索
１７  アンカー
１８  重り要素
１９  電気ケーブル
２０  第１浮体式要素
２１  スラスター
２２  第２浮体式要素
２３  第１グラフ
２４  水平移動
２５  垂直移動
２６  第２グラフ
２７  第３グラフ
２８  係留力
【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】
風力タービン（１）構造であって、
−  頂部及び底部を有する風力タービンタワー（３）と、
−  前記風力タービンタワー（３）の頂部に配置されたナセル（４）と、
−  前記ナセル（４）上に回転自在に組付けられたロータハブ（６）と、
−  先端端部（８）と、前記ロータハブ（６）に組付けられた翼根元（９）とを有する１つ又は複数のピッチング可能な風力タービン翼（７）と、
−  前記風力タービンタワー（３）の底部に組付けられた上部部分を有する浮体式基礎（２）であって、沖合の位置に設置されるように構成された浮体式本体（１２）を備える浮体式基礎（２）と、
−  複数の懸垂線の係留索（１６）を有する係留システム（１４）であって、基礎（２）と海底（１５）上に配置された少なくとも１つのアンカー（１７）とに接続される係留システム（１４）と、を備え、
−  前記風力タービン（１）構造は、前記風力タービン翼（７）をピッチングさせるように構成されたピッチシステム（１０）に少なくとも接続された少なくとも１つの制御ユニットと、前記制御ユニットに接続された少なくとも１つの測定ユニットと、を備え、前記測定ユニットが、水平面における少なくとも１つの軸線に沿った前記風力タービン（１）構造の軸方向移動を測定するように構成されている、
風力タービン構造において、
−  前記制御ユニットは、予め決められた時間窓の範囲内で前記１つの軸線に沿った少なくとも２つの方向における予め決められた位置に対する前記風力タービン（１）構造の相対的移動を検出するように構成されており、
−  ２つの反対方向の移動が検出された場合に、前記制御ユニットは、前記係留システム（１４）における不断の摩耗を低減させるために、前記相対的移動に基づいてロータに作用する推力を調整することによって、水平面内で前記風力タービン（１）構造を移動させるように構成されている、
ことを特徴とする風力タービン構造。
【請求項２】
前記時間窓は、３分間未満であり、好ましくは１０秒から１２０秒の間であることを特徴とする、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項３】
前記制御ユニットは、前記２つの方向の少なくとも１つにおける前記相対的移動を少なくとも１つの閾値と比較するように構成されており、前記制御ユニットは、前記相対的移動が該閾値を超える場合に、前記ロータに作用する前記推力を調整するように構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の風力タービン。
【請求項４】
前記少なくとも１つの閾値が、５０センチメートルから２００センチメートルの間、例えば１００センチメートルであることを特徴とする、請求項３に記載の風力タービン。
【請求項５】
前記制御ユニットは、前記相対的移動に基づいて最適なピッチ角を決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項６】
前記制御ユニットは、更に、前記風力タービンタワー（３）に対して前記ナセル（４）及び前記ロータをヨーイングさせるように構成されたヨーシステム（５）に接続されており、前記制御ユニットは、前記相対的移動に基づいて最適なヨー角を決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項７】
前記測定ユニットが前記係留システム（１４）に対して配置されており、前記制御ユニットが、更に、少なくとも、
−  前記係留索（１６）の少なくとも１つにおける張力か、
−  前記少なくとも１つの係留索（１６）の角度か、又は、
−  前記少なくとも１つの係留索（１６）の弾性応答、例えば相対的移動、
を決定するように構成されている、
ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項８】
前記測定ユニットは、前記風力タービン（１）構造に対して配置され、且つ、前記風力タービン（１）構造の位置、例えば地球上の位置又は局所的な位置を測定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項９】
前記風力タービン翼（７）の少なくとも１つが、第１空気力学的プロファイルを有する第１翼部分（１１ａ）と、第２空気力学的プロファイルを有する第２翼部分（１１ｂ）とを備え、前記ピッチシステム（１０）は、２つの翼部分（１１ａ、１１ｂ）の間に配置され、且つ、第１風速を超える風速で前記第１翼部分（１１ａ）に対して前記第２翼部分（１１ｂ）をピッチングさせるように構成されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の風力タービン。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の風力タービン構造を制御する方法であって、
−  第１風速よりも速い平均風速において風力タービン翼（７）を所定のピッチ角にピッチングさせるステップと、
−  水平面における前記風力タービン（１）構造の軸方向移動を測定するステップと、
−  予め決められた位置に対する前記風力タービン（１）構造の前記相対的移動を決定するステップと、
−  少なくとも水平面内の予め決められた位置に対して前記風力タービン（１）構造を移動させるステップと、
を含む方法において、
−  前記制御ユニットは、予め決められた時間窓の範囲内で前記１つの軸線に沿った少なくとも２つの方向における前記風力タービン（１）構造の前記相対的移動を検出し、
−  前記風力タービン（１）構造を移動させるステップが、２つの反対方向の移動が検出された場合に、前記係留システム（１４）における不断の摩耗を低減させるために、前記相対的移動に基づいて、前記風力タービン（１）構造の前記ロータに作用する前記推力を調節することを含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記２つの方向の少なくとも１つにおける前記相対的移動は少なくとも１つの閾値と比較され、前記閾値を超える場合には、前記ロータにおける推力が調整されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記風力タービン翼（７）の少なくとも一部分が、前記相対的移動に基づいた最適なピッチ角にピッチングさせられ、及び／又は、前記ナセル（４）が、前記相対的移動に基づいた最適なヨー角にヨーイングさせられることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記軸方向移動を測定するステップは、少なくとも、
前記係留索（１６）の少なくとも１つにおける張力を測定することと、
前記少なくとも１つの係留索（１６）の角度を測定することと、
前記少なくとも１つの係留索（１６）の弾性応答、例えば相対的移動を測定すること、
を含むことを特徴とする、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記風力タービン（１）構造は、複数の懸垂線の係留索（１６）を備える係留システム（１４）によって海底（１５）に係留され、１つ又は複数の要素、例えば重り要素（１８）が、前記係留システム（１４）の少なくとも一部分の移動を低減させるために、前記係留システム（１４）上に設置されることを特徴とする、請求項１０から１３のいずれか１項に記載の方法。
【国際調査報告】
2017515033.tif 000009
2017515033.tif 000010
2017515033.tif 000011