(57)【要約】  浮体式基礎20と、浮体式基礎20上に回転しないように配置されるタワー30と、タワー30上に配置され、タワー30に回転しないように結合されている、ローターを備えるエネルギー変換ユニット50と、風上方向に延びるタワー30又はエネルギー変換ユニット50を基礎20に連結する少なくとも1つの引張部材60とを備える、ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機10。基礎20は、3つのアーム20a、20b、20cを備え、3つのアーム20a、20b、20cのうち、1つのアーム20aが別のアーム20b、20cの双方よりも長く、アーム20a、20b、20cはY字形状に互いに結合されており、タワー30は、アーム20a、20b、20cの結合領域20dにおいて基礎20上に互いに配置されており、風上方向に延びている最も長いアーム20aは、引張部材60によってタワー30又はエネルギー変換ユニット50に連結している。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、該浮体式風力原動機（10）は、
浮体式基礎（20）と、
前記浮体式基礎（20）上に回転しないように配置されるタワー（30）と、
前記タワー（30）上に配置され、該タワー（30）に回転しないように結合されている、ローターを備えるエネルギー変換ユニット（50）と、
風上方向に延びる前記タワー（30）又は前記エネルギー変換ユニット（50）を前記基礎（20）に連結する少なくとも1つの引張部材（60）と、
を備え、
前記基礎（20）は、3つのアーム（20a、20b、20c）を備え、該3つのアーム（20a、20b、20c）のうち、1つのアーム（20a）が別のアーム（20b、20c）の双方よりも長く、
前記アーム（20a、20b、20c）はY字形状に互いに結合されており、前記タワー（30）は、前記アーム（20a、20b、20c）の結合領域（20d）において前記基礎（20）上に互いに配置されており、
風上方向に延びている前記最も長いアーム（20a）は、前記引張部材（60）によって前記タワー（30）又は前記エネルギー変換ユニット（50）に連結している、ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項２】
請求項1に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、該風力原動機（10）の両側に、ローター軸に対して横断方向に延びる少なくとも1つの更なる引張部材（70）であって、該引張部材（70）は、前記タワー（30）又は前記エネルギー変換ユニット（50）を前記基礎（20）の前記短いアーム（20b、20c）のうちのそれぞれ一方に連結する、引張部材（70）を特徴とする、請求項1に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項３】
請求項1又は2に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、ローター軸に対して横断方向に前記タワー（30）に配置されている横木（80）と、前記エネルギー変換ユニット（50）及び／又は前記タワー（30）及び／又は前記基礎（20）を前記横木（80）に連結する補強部材（90）とを特徴とする、請求項1又は2に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項４】
請求項1〜3のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、前記タワー（30）は前記基礎（20）に対して風下方向に20度傾斜していることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項５】
請求項1〜4のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、前記タワー（30）は、該風力原動機（10）が風向を追跡するのを助ける外形を少なくとも部分的に有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項６】
請求項1〜5のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、前記別のアーム（20b、20c）の双方は同じ長さであることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項７】
請求項1〜6のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、前記基礎（20）は中空体として形成されていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項８】
請求項7に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、基礎（20）はコンクリートから製造されており、壁厚は20 cm〜60 cmであることを特徴とする、請求項7に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項９】
請求項8に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、前記アーム（20a、20b、20c）は、前記基礎の壁部内に延びる引張ストランドによって互いに補強されていることを特徴とする、請求項8に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項１０】
請求項1〜9のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、それぞれ前記基礎（20）のアーム（20a、20b、20c）のそれぞれの自由端に配置された浮標体（24、26）を特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項１１】
請求項10に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、前記浮標体（24、26）はそれぞれ、前記基礎（20）のアーム（20a、20b、20c）のそれぞれの前記自由端に関節式に結合されていることを特徴とする、請求項10に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項１２】
請求項10又は11に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、前記浮標体（24、26）は円錐形に形成されており、該円錐形に形成された浮標体（24、26）の上面又は頂点は、前記基礎（20）のアーム（20a、20b、20c）のそれぞれの前記自由端に結合されていることを特徴とする、請求項10又は11に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項１３】
請求項10〜12のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、前記短いアーム（20b、20c）に配置された浮標体（24）は、前記長いアーム（20a）に配置された浮標体（26）よりも大きい浮力を生じることを特徴とする、請求項10〜12のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項１４】
請求項10〜13のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、前記短いアーム（20b、20c）に配置された浮標体（24）は、漸増する浮力形状を有し、前記長いアーム（20a）に配置された浮標体（26）は、漸減する浮力形状を有することを特徴とする、請求項10〜13のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項１５】
請求項1〜14のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、前記長いアーム（20a）は、前記引張部材（60）の接続点の領域において、該ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）を海底に係留する少なくとも1つの係留手段（110）と結合する接続手段を有することを特徴とする、請求項1〜14のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項１６】
請求項15に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、前記接続手段は回転軸受及び／又は自在軸受を含むことを特徴とする、請求項15に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項１７】
請求項1〜16のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、該ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）は、駆動装置、特にサイドスラスターを備えることを特徴とする、請求項1〜16のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項１８】
請求項1〜17のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、前記ローター（40）は、2枚ブレードローターであることを特徴とする、請求項1〜17のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項１９】
請求項1〜18のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）であって、前記エネルギー変換ユニット（50）はSuper Compact Drive（SCD）として形成されていることを特徴とする、請求項1〜18のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機。
【請求項２０】
請求項1〜19のいずれか1項に記載のダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）を設置する方法であって、該方法は、
a．前記ダウンウィンドタービン型の風力原動機（10）を設置すべき所定の場所に、海底ケーブル（120）を敷設するステップと、
b．少なくとも1つの係留手段（110）を前記所定の場所に係留するとともに、前記係留手段（110）を浮体（100）に結合するステップと、
c．前記ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）を前記所定の場所に移送するステップと、
d．前記浮体（100）又は前記係留手段（110）及び前記海底ケーブル（120）を前記ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）に結合するステップと、
e．前記浮体（100）又は前記係留手段（110）及び前記海底ケーブル（120）に結合した前記ダウンウィンドタービン型の風力原動機（10）を、前記浮体式基礎（20）に注水することによって沈めるステップと、
を含み、前記ステップc）、d）、及びe）は、c-d-e、c-e-d、又はe-c-dの順序で行われる、方法。
【請求項２１】
前記海底ケーブル（120）を敷設することは、該海底ケーブル（120）を更なる浮体（100）に結合することを含むことを特徴とする、請求項20に記載の方法。
【請求項２２】
前記ダウンウィンドタービン型の風力原動機（10）は、前記基礎（20）が水面線（W）の下に完全に配置される程度沈められることを特徴とする、請求項20又は21に記載の方法。
【請求項２３】
前記ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）の長いアーム（20a）に配置された接続手段を複数の係留手段（110）に結合することを特徴とする、請求項20〜22のいずれか1項に記載の方法。
【請求項２４】
前記浮体（100）を前記ダウンウィンドタービン型の風力原動機（10）に結合することは、前記ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）と前記海底ケーブル（120）との電気的な接点を確立することを含むことを特徴とする、請求項20〜23のいずれか1項に記載の方法。
【請求項２５】
前記ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）を移送することは、少なくとも1隻の船舶（200）を用いて曳航することによって行われ、前記ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）は、前記長いアームを先頭にして曳航されることを特徴とする、請求項20〜23のいずれか1項に記載の方法。
【請求項２６】
前記ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）を移送することは、2隻の船舶（200）によって曳航することによって行われ、該2隻の船舶（200）は、前記ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機（10）を前記浮体（100）に近づけるために、前記浮体（100）を間に挟んで前記浮体（100）を通過することを特徴とする、請求項20〜24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、浮体式基礎と、浮体式基礎上に配置されるタワーと、タワー上に配置され、ローターを備えるエネルギー変換ユニットとを備える浮体式風力原動機であって、この風力原動機はダウンウィンドタービン（Lee-Laeufer）として構成され、浮体式基礎は回転可能に係留され、タワーは片側が浮体式基礎に、反対側がエネルギー変換ユニットに回転しないように結合されている、浮体式風力原動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
高水深向けの浮体式風力原動機が、例えば特許文献1から既知である。特に、そのような原動機は、平面図において等辺三角形状に形成されたフレームから構成され、この等辺三角形の頂点には柱が配置されており、風力原動機のタワーは、これらの柱の上に、又は柱の間の中央に支持された支持構造（Tragwerk）を通して築かれる。
【０００３】
しかしながら、この構成の不都合点は、建設の複雑さ及びフレームを製造する高い作業コストである。特に、この既知の原動機は、風力原動機のローターに発生する力を受けることができるように水平方向及び鉛直方向に比較的大きい広がりが必要であり、したがって建設にも設置にも高水深を必要とする。
【０００４】
本出願人により以前に提出された特許文献2において、最初に述べた特徴を備える浮体式風力原動機が既に記載されている。この浮体式風力原動機は、水面線の下に配置される、複数の浮体から形成された基礎を備え、基礎は、本質的には風力原動機のタワーの延長部と見なされる。ここでは特に、ダウンウィンドタービンとして構成された風力原動機のタワーは、片側が基礎に、反対側がエネルギー変換ユニットに回転しないように結合されているが、浮体式基礎は回転可能に係留され、タワーは風向の追跡を助ける外形を少なくとも部分的に有することが意図される。また、この原動機は、垂直方向における原動機の安定化のために、基礎によって形成された比較的長い部分が水面下に必要となるため、深さが200 mよりも大きい深さを有する深い水域において使用することが意図される。ただし、この原動機の製造には、最初に述べた原動機ほど地上に場所を必要としない。
【０００５】
最後に、特許文献3から、基礎として双胴船様の浮標体を備え、特に浅い水域に設置するのに適した風力原動機が既知である。この原動機は、ダウンウィンドタービンとして設計され、同様に、タワーの片側を基礎に、反対側をエネルギー変換ユニットに堅固に結合することによって、ヨー駆動装置を伴ったヨー軸受が不要となり、代わりに、この原動機は、優勢な風向に従って自立的に位置合わせするように、鎖又はロープによって係留点において係留点の回りに回転可能に係留されることが意図される。
【０００６】
タワーは、風の当たらない部分を最小限にするために風向において空気力学的な外形を有し、特に、タワー上部の領域から風上の方に延びる、例えばロープとして形成され、基礎に連結されている補強部材を備える。
【０００７】
しかし、これに関して、双胴船様の基礎構造及びタワーが浮標体を連結するブリッジ（Steg）上にある構造は、ローター又はエネルギー変換ユニットに生じる負荷が基礎において偏って導かれがちであり、浮体式風力原動機が傾斜しやすいため不都合である。
【０００８】
洋上風力原動機の構造自体に加えて、この洋上風力原動機の設置も特に問題を呈する。基本的には、地上での製造の度合いが大きく、それにより比較的低コストかつ短い時間内で海上に設置することができることが望ましい。したがって、上記で言及した特許文献1から既知の洋上風力原動機は、地上で完全に製造され、使用場所まで曳航され、使用場所で複数の係留鎖によって海底に係留される。
【０００９】
しかしながら、この係留は、洋上風力原動機を係留する係留索及びまた海底ケーブルとの電気的な接続の分離に高いコストがかかり、それにより、整備又は修繕の場合に原動機を再び港に曳航しなければならないとき、都合の良い気象条件を前提としても長いダウンタイムが予想されることが不都合である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】欧州特許第2271547号
【特許文献２】独国特許出願公開第102014102481号
【特許文献３】欧州特許第1269018号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の第1の課題は、最後に述べた双方の浮体式風力原動機の構造をその基礎に関して改良し、構造が簡単で、製造における作業コストが少なく、さらに、深さが小さい水域及び深さが大きい水域の双方に向けた基礎構造に適する、小型で安定した浮体式風力原動機を創出することである。本発明の更なる課題は、このような風力原動機の設置を簡単かつ迅速に実施する方法を創出することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第1の部分課題は、本発明に従い、請求項1の特徴を備える浮体式風力原動機によって解決され、更なる部分課題は、請求項15の特徴を備える方法によって解決される。並列する請求項のそれぞれに従属する従属請求項は、本発明の有利な形態を再現する。
【００１３】
本発明の主旨は、一方では、タワーに曲げモーメント又は捻りモーメントが生じることなく、ローター又はエネルギー変換ユニットに生じる負荷が可能な限り直接的に基礎に伝わるように、原動機の水平方向及び鉛直方向の広がりにおける幾何形状を設計することである。風力原動機のタワーに作用する張力及び推力を受け流すことにより、またそれに伴って、タワーに作用する曲げモーメントを最小限にすることにより、基礎の水平方向及び鉛直方向の広がりを低減し、本発明に従って構成された風力原動機を水深が大きい場所及び水深が小さい場所の双方に適するようにすることが可能になる。
【００１４】
本発明の更なる主旨は、完全な機能を有する、浮体式基礎を備える洋上風力原動機を使用場所にもたらし、その使用場所で、海底に係留されている予め設置された少なくとも1つの係留手段又はこの係留手段に結合されている浮体と結合し、全体的に基礎に注水することによって水平面まで沈ませ、それにより水面線の下に基礎全体を配置することである。特に、これに関して、水底に係留されている係留手段、例えば係留鎖又は係留ロープを、単一の浮体によって共通で又は少なくともそれぞれ1つの浮体によって個々に、表面において適所に浮かんだ状態で保持することが意図される。さらに、予め敷設された海底ケーブルを同様に浮体によって所定の設置場所に確保し、それにより、風力原動機を浮体（複数の場合もある）又は係留手段に機械的に結合し、海底ケーブルに電気的に接続するだけでよい。
【００１５】
したがって、本発明は、ダウンウィンドタービンとして形成された浮体式風力原動機に関し、この風力原動機は、浮体式基礎と、浮体式基礎上に回転しないように配置されるタワーと、タワー上に配置され、タワーに回転しないように結合されている、ローターを備えるエネルギー変換ユニットと、風上方向に延びるタワー又はエネルギー変換ユニットを基礎に連結する少なくとも1つの引張部材とを備える。さらに、本発明によれば、基礎は3つのアームを備え、3つのアームのうち、1つのアームが別のアームの双方よりも長く、これらのアームは、Y字形状に互いに結合され、タワーはアームの結合領域において、ともに基礎上に配置されており、風上方向に延びる最も長いアームは、引張部材によってタワー又はエネルギー変換ユニットに連結されている。
【００１６】
ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機は、風力原動機の両側に、ローター軸に対して横断方向に、すなわち風下方向に斜めに延びる、横力を受ける少なくとも1つの更なる引張部材を備え、この引張部材は、タワー又はエネルギー変換ユニットを基礎の短いアームのそれぞれに連結することが好ましい。
【００１７】
好ましい場合において、引張部材は、想定上の正四面体の辺を形成する。正四面体の角は、アームにある引張部材の接続点によって及びエネルギー変換ユニット又はタワーにある接続点によって形成される。
【００１８】
さらに、好ましい形態によれば、ローター軸に対して横断方向にタワーに配置されている横木（Salinge：スプレッダー）と、エネルギー変換ユニット及び／又はタワー及び／又は基礎を横木に連結する補強部材とが設けられる。
【００１９】
上述の引張部材は、ロープとして形成されることが好ましく、特に鋼製ロープが用いられる。代替的にはスペーサーロッド（Distanzstangen）を設けることもできる。
【００２０】
タワーは、基礎に対して好ましくは風下方向に20度傾斜しており、タワーは、特に好ましくは風力原動機が風向を追跡するのを助ける外形を少なくとも部分的に有する。この外形によって、後方の流れにおける渦流の形成も低減される。タワーの傾斜により、一方ではタワーに対するブレードの距離が大きくなり、他方ではタワー頭部の重量によって、負の推力による制動負荷の際の抵抗モーメントがもたらされる。
【００２１】
基礎の短いアームの双方は同じ長さである場合が有利である。代替的には、ローターに生じる回転モーメントに対抗するために、短いアームを異なる長さで形成することもできる。
【００２２】
基礎はコンクリート製の中空体として製造され、壁厚が20 cm〜60 cmであることが好ましい。この場合、3つのアーム又はアームを形成する基礎の構成部分は、特に基礎の壁部内に延びる引張ストランドによって互いに補強されている。これに関して、例えば好ましくは20 cm〜60 cmの厚さの基礎の壁部に管が成形され、この管を通して追加の引張ストランドが導かれ、この追加の引張ストランドは、コンクリート部分を互いに補強し、それにより、コンクリートの低い引張強度に対抗する。
【００２３】
代替的には、基礎は鋼から製造することもできる。
【００２４】
基礎が中空体として形成されるため、例えばポンプを用いて浮体式基礎に水を取り入れ、それにより基礎の浸水深さを調節することができる。したがって、例えば、バラスト水を伴わない基礎は約2.80 mの浸水深さを有するが、基礎に注水することによって、したがってバラスト水を取り入れることによって、基礎は水面線の約15 m下に沈むことができることが意図される。
【００２５】
同様に、基礎は浮体式風力原動機のトリミング（Trimmung：均衡調整）のためにも用いることができる。したがって、浮体式風力原動機は、トリミングのために、バラスト水の取水及び放水を行う装置を備えることが好ましい。また、このバラスト水の取水及び放水を行う装置は、複数のトリミングタンクに分配することもできる、基礎に設けられた中空空間を使用する。
【００２６】
本発明に従って構成された浮体式風力原動機において、トリミングは以下のように特に簡単に行われる。
【００２７】
風荷重がない場合、浮体式風力原動機は、基礎が水平方向に位置合わせされるような寸法になっている。ダウンウィンドタービンである浮体式風力原動機は、基礎を含む原動機全体が風によって回転するように考案されているため、エネルギー変換ユニットにおける風荷重により、風下方向を向いた、短いアームに結合されている浮標体が水面下に押され、風上方向を向いた、長いアームに結合されている浮標体が水から持ち上がることになり得る。したがって、原動機は風下方向に向いた横傾斜を受ける。
【００２８】
したがって、原動機を水平方向に立て直すためには、水を取り入れることによって長いアームの重量を増加させるだけでよく、てこの原理に基づいて重量の増加は比較的僅かにすることができる。このように、必要に応じて（追加の）海水を長いアームに設けられた中空空間に汲み入れ、長いアームの総重量を増加させることによって、長いアームを沈ませるように作用することができる。
【００２９】
一方、本発明の特に好ましい形態によれば、基礎のアームのそれぞれの自由端にはそれぞれ、ガラス繊維により強化されたプラスチックから製造されることが好ましい浮標体が設けられている。これらの浮標体は、それぞれ関節式に、例えばワイヤロープによって、基礎のアームのそれぞれの自由端に結合されており、特に好ましくは円錐形に形成され、円錐形に形成された浮標体の上面又は頂点は、基礎のアームのそれぞれの自由端に結合されている。浮標体の漸増する浮力形状によって、原動機は負荷の際に水平方向により良好に安定する。
【００３０】
上述の浮標体の他に、アームの自由端には円筒形の浮標体（漸増又は漸減する浮力形状を有しない）を配置することもできる。これらはそれぞれアームの自由端に固定式に結合されるか又は継手によって結合される。継手は、1つの自由度を有する簡単なヒンジとして又はより多くの自由度を有する継手として形成することができる。
【００３１】
特に、短いアームの自由端は、長いアームの自由端に結合している浮標体よりも大きい浮力をもたらす浮標体を備えることが意図される。
【００３２】
この形態において、基礎のアームに配置されているタンクの他に、アームが重なり合う結合領域にトリミングタンクが設けられ、したがってトリミングタンクはタワーの下に配置されている場合が有利である。ローターに作用する風荷重に応じてこのトリミングタンク内の水位を調節するだけで、基礎の水平方向の位置合わせを保つことができる。通常、トリミングタンクは、タワーの下の所定の水平面まで注水され、それにより、基礎は水平方向に位置合わせされる。ローターに作用する風荷重が増大し、風下方向に基礎が傾斜し始めると、このトリミングタンクは、例えば圧縮空気を導入することによって（部分的に）中身を抜き、したがって基礎の重さをこの領域において低減することができ、それにより、風荷重が大きい場合でも、基礎及びひいては原動機の水平方向の位置合わせが保たれる。風荷重が再び取り除かれた場合、トリミングタンクは再び元の水平面まで注水される。この工程は、基礎の水平方向の位置合わせを検出する傾斜測定システムに接続されている制御ユニットにより、傾斜測定システムに接続されているポンプ及び／又は圧縮器及び対応して設けられた排水弁に作用することによって制御される。
【００３３】
最後に、浮体式風力原動機は、2枚ブレードローターとして構成されたローターを備えることが好ましい。エネルギー変換ユニットは、Super Compact Driveとして形成されていることが特に好ましい。
【００３４】
水域における所定の場所又は所定の位置において本発明に係る浮体式風力原動機を設置するために、ドック内で風力原動機を完成させた後、以下のステップが必要となる。a．海底ケーブルを所定の場所に敷設し、その場所においてダウンウィンドタービン型の風力原動機を設置する。b．少なくとも1つの係留手段を所定の場所に係留し、係留手段を浮体に結合する。c．ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機を所定の場所まで移送する。d．浮体又は係留手段及び海底ケーブルをダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機に結合する。e．浮体又は係留手段及び海底ケーブルに結合されているダウンウィンドタービン型の風力原動機を浮体式基礎に注水することによって沈める。これらのステップc）、d）、及びe）は、c-d-e、c-e-d、又はe-c-dの順序で行われる。
【００３５】
また、風力原動機に電気的に接続する準備がされた海底ケーブルを、固有の浮体に結合することが好ましい。
【００３６】
したがって、簡単かつ迅速な設置方法は、まず海底ケーブルを敷設して浮体に結合し、それに応じて各風力原動機を海底に係留する係留手段及びそれぞれ固有の浮体（又は共通の浮体）に結合することとすることができる。したがって、浮体は設置場所を発見することを容易にし、係留手段及び海底ケーブルに、水面において直接アクセスすることを可能にする。風力原動機は設置場所に曳航することができるため、係留手段と海底ケーブルとの間の結合は、水面における簡単なアクセスによって達成され、風力原動機はその後、基礎に注水することによって、稼働可能な状態になる。
【００３７】
第1の代替形態として、浮体式風力原動機を設置場所まで曳航し、その設置場所でまず沈めてから接続することもできる。更なる代替形態として、沈められた浮体式風力原動機を設置場所まで曳航し、次のステップで直接接続することもできる。
【００３８】
目印のため及び係留手段及び海底ケーブルを準備するために、1つのみの浮体が用いられる場合、風力原動機と浮体との機械的な結合の際、好ましくはダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機と海底ケーブルとの間の電気的な接点ももたらされるように、浮体が形成されることが特に好ましい。
【００３９】
ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機の移送は、少なくとも1隻の船舶を用いて曳航することによって達成されることが好ましい。この場合、ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機は、長いアームを先頭にして曳航される。
【００４０】
ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機の移送は、2隻の船舶を用いて曳航することによって行われることが特に好ましく、この場合、2隻の船舶は、ダウンウィンドタービン型の浮体式風力原動機を浮体に近づけるために、浮体を間に挟んで通過する。
【００４１】
添付図面に示されている特に好ましい形態の実施例に基づいて、本発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る特に好ましい形態の浮体式風力原動機を風上側から斜めに見た斜視図である。
【図２】図1の特に好ましい形態の浮体式風力原動機を風下側から斜めに見た斜視図である。
【図３】図1の浮体式風力原動機の側面図である。
【図４】風力原動機に作用する力を示す、図1の浮体式風力原動機の側面図である。
【図５】図1の浮体式風力原動機の風上方向における正面図である。
【図６】図1の浮体式風力原動機の上面図である。
【図７】2隻の曳船を用いる係留工程中の、本発明に係る風力原動機の斜視図である。
【図８】図7に示されている2隻の曳船によって牽引されている風力原動機の上面図である。
【図９】図7に示されている2隻の曳船によって牽引されている風力原動機の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図1は、浮体式風力原動機10を海底に係留するために予め設置された浮体100の場所にある特に好ましい形態の浮体式洋上風力原動機10を風上側から斜めに見た斜視図を示し、一方、図2は、この風力原動機を風下側から斜めに見た斜視図を示している。
【００４４】
浮体式風力原動機10は浮体式基礎20を備え、浮体式基礎20は（より一層詳細に後述するように）3つのアームを有する構造である。浮体100に結合されるアーム20aは、別のアーム20b、20cの双方よりも長い。浮体式基礎20は、風力原動機10の稼働中、完全に水面線Wの下に配置されている。アーム20a、20b、20cは、それぞれ自由端が浮標体24、26に結合され、短いアーム20b、20cに配置された浮標体24は、長いアーム20aに配置された浮標体26よりも大きい浮力を有するように構成されている。浮標体24、26は、それぞれ漸増する浮力形状を呈し、この形状により、基礎が水面線Wの下に沈みにくくなっている。ただし、アーム20aに結合された浮標体26は漸減する浮力形状を有し、それにより浮かび上がりにくくなっていることも想定可能である。
【００４５】
3つのアーム20a、20b、20cは、タワー30の土台として形成されている、基礎20に属する更なる結合部材20dによって互いに結合されている。これに関して、結合部材20dは、その上面に、水平方向に対して風下方向に20度傾斜した表面を有し、この表面により、タワー30は垂直方向から20度ずれて傾斜する。
【００４６】
結合部材20dは、風荷重によって短いアーム20b、20cが沈むのに対抗する上述したトリミングタンクを収容することが好ましい。
【００４７】
タワー30自体は、片側が浮体式基礎20に、反対側が浮体式基礎20の上方に配置されたエネルギー変換ユニット50に回転しないように結合されている。タワー30は、風力原動機10が風向を追跡するのを助ける外形を少なくとも部分的に有することが特に好ましい。タワー30上に配置されるエネルギー変換ユニット50は、Super Compact Driveとして、したがって頭部に保持する形態で形成されている、荷重を伝達するハウジングを特徴とし、2つのローターブレード42を備えるローター40に結合されていることが好ましい。
【００４８】
さらに、エネルギー変換ユニット50は、風上方向に延びる2つの引張部材60によって基礎20の長いアーム20aに連結されていることが好ましい。さらに、エネルギー変換ユニット50は、2つの更なる引張部材70によって基礎20の短いアーム20b、20cにそれぞれ連結されている。浮体式原動機の可能な限り高い安定性を達成するために、引張部材60及び更なる引張部材70は、それぞれアーム20a、20b、20cの自由端に接続される。このために、好ましくはコンクリートから形成される基礎20は、金属から製造される端部プレート22を備え、端部プレート22は、引張部材60と、更なる補強部材70と、浮標体24、26との接続点を有する。
【００４９】
ここでは、浮体式風力原動機10は、ダウンウィンドタービンとして構成しなければならず、この場合、構造が簡単で、重量が小さく、簡単に建設されるという理由で、また更なる引張部材70との衝突を回避するために、ヨー駆動装置を備えない。原動機10は、その小型の構造により、地上で完全に組み立て、洋上風力原動機の設置場所に曳航することができ、この設置場所には、係留手段110、例えば鎖又は（鋼製若しくはポリエステル製の）ロープによって海底に係留されている浮体部材100が既に予め設置されており、また、浮体部材100は既に海底ケーブル120に結合されている。したがって、設置場所に到達すると、浮体式風力原動機10を予め設置されている水面Wに浮かぶ浮体100に結合し、基礎20に注水することによってこの原動機を水面線Wの下に沈ませる必要がある。浮体100は、洋上風力原動機10と浮体100との機械的な結合に加えてさらに、洋上風力原動機10と海底ケーブル120とを電気的に接続する好適な部材を備える。
【００５０】
基本的に、浮体式基礎20を係留手段110に又は係留手段110に結合されている浮体（複数の場合もある）100に接続手段を用いて結合する際、風力原動機10は係留手段110の回りに自由に動くようになっていることに留意する。したがって、係留手段110（又は浮体100）と基礎20との間の接続は回転継手によって行うべきであり、それにより、風力原動機10は、風向が変わる際、係留手段110が互いに捻れることなく自由に係留手段110の回りに回転可能になっている。
【００５１】
さらに、係留手段110は、風荷重により、風力原動機10が係留手段110に及ぼす張力によって水底から持ち上がり、それにより、係留手段110と基礎20との間の結合角度が変化する。したがって、係留手段110（又は浮体100）と基礎20との間の結合部は、回転軸受に加えて、自在軸受によっても向きを変えることが可能である。
【００５２】
海底ケーブル120と風力原動機10の電気機器との間の接続には、特にスリップリングによる伝達が意図される。風力原動機10が固有の駆動装置を備える場合（以下参照）、風力原動機10の係留部の回りの360度を超える回転運動を阻止するように原動機10を対応して操作することにより、スリップリングも不要となり、代わりに簡単な接点、例えば差込み式接点をもたらすことができる。
【００５３】
さらに、基礎20の下縁は、基礎20の鉛直方向の大きさが約5 mである場合、基礎20に水を取り入れることによって、水面線Wの約20 m下まで沈むことが特に意図される。したがって、本発明に従って構成される浮体式風力原動機10のこの寸法により、浮体式基礎20は、注水前は僅か数メートル（約2.80 m）という僅かな浸水深さしか有しないので、一方では水深がかなり小さい港で製造することが可能である。他方、原動機10は、水面線の20 m下まで沈むことによって、また、沈めた後に初めて機能状態になる浮標体24、26による安定化によって、約30 mからの僅かな水深にも適するように寸法決めされる。
【００５４】
洋上風力原動機10は、優勢な風向に応じて、海底に係留された浮体100の回りに自立的に位置合わせを行う。浮体100は、水面上の風向の変化に際して円軌道を描くため、水底における係留点の対称的な構成をもたらすことが有利である。3つの係留手段110に関して、好ましくは海底において想定される円上に係留部がそれぞれ120度の距離を置いて配置されており、それにより、均一な荷重分布が保証される。
【００５５】
本発明に係る浮体式風力原動機10は、基本的に自立的に位置合わせするように構成されているが、潮流又は波に起因して、最適な風向からずれる可能性がある。したがって、浮体式風力原動機10は、風力原動機10の浮体100の回りの回転を調節する装置も備えることが好ましく、風向に従った位置合わせを最適化するために、サイドスラスター（Querstrahlsteueranlage）のような駆動装置を使用し、風力原動機10を風の中で最適にエネルギー生成するか又は過負荷を回避するために位置合わせする。
【００５６】
図3は、図1の浮体式風力原動機の側面図を示している。この図では、風下方向におけるタワーの傾斜及び風上方向における基礎20の長いアーム20aの軸に沿ったタワー30の補強を明確に見て取れる。同様に、風下方向における短いアーム20b、20cに配置された浮標体24は、風上方向における基礎20の長いアーム20aに配置された浮標体26よりも大きいことがわかる。
【００５７】
浮体式風力原動機10が風向（矢印を参照）に応じて自動的に位置合わせすることにより、一方では、タワー30は、引張部材60がエネルギー変換ユニット50に作用する推力を受けることによって、引張部材60による曲げモーメントを回避するために強化される。他方では、浮体式風力原動機10は、高い風荷重の際、短いアーム20b、20cに配置された浮標体24が水平方向に高い浮力を有する設計により安定する。ダウンウィンドタービンである浮体式風力原動機10が、基礎20を含めた原動機全体が風により回転するように考案されているので、エネルギー変換ユニット50における風荷重により、風下方向を向いている短いアーム20b、20cは水面下に押され、風上方向を向いている長いアーム20aは水面から持ち上がることに専らなり得る。したがって、原動機10は風下方向に向いた横傾斜を受ける。しかし、浮標体24、26の上述の構成及び異なる設計によって、風力原動機10の傾斜は効果的に低減される。
【００５８】
図4は、図1の浮体式風力原動機の図3と同一の側面図を示しており、ここでは、風力原動機に作用する力が示されている。特に、係留手段120を風力原動機10の長いアーム20aの自由端に接続する際、ローター40に作用する推力Ftは、接続点における係留手段120の重量による力Fcに基づいて、海底に実際に生じる力Frとして導くことができることを示している。結合部材20dにより生じる浮力Flは、タワーの重量に反作用し、ローターの推力と釣り合う反力を示し、それにより静的平衡状態を保つことになる。
【００５９】
図5は、浮体式風力原動機の風上方向における正面図を示しており、ここでは、一方では、エネルギー変換ユニット50を基礎20の短いアーム20b、20cに連結する、ローター軸に対して横断方向に配置されている引張部材70と、エネルギー変換ユニット50及び／又はタワー30及び／又は基礎20を横木80に連結する補強部材90とを見て取れる。これにより、タワー30の横断方向剛性が高められる。
【００６０】
さらに、図6は、特に好ましい形態の浮体式風力原動機10の上面図を示しており、基礎20の対称的な構成が特によく見て取れる。基礎20の3つのアーム20a、20b、20cは、タワー30が配置された結合部材20dによって互いに結合されている。長いアーム20aは、タワーの高さが約100 mである場合、約60 mの長さである単一の部材20a1、20a2による2部分構成であることが好ましい。それに対して、短いアーム20b、20cは約30 mの長さに設計されている。
【００６１】
一方、原動機10のトリミングのために、単一の部材20a1はチャンバーを備えることができることが好ましい。チャンバーには、長いアーム20aの重量を大きくするために、別のトリミングタンクとは無関係に海水を満たすことができる。
【００６２】
他方、結合部材20dは唯一のトリミングタンクとして形成することができ、風荷重下で、タワー30を支持する部材20dの浮力を高めるために、圧縮器によって結合部材20dのトリミングタンクに圧縮空気を導入し、結合部材20dの浮力を高めるために重量を低減する際、トリミングタンクにある水をトリミングタンクから導出する。風の強さが減少することによって原動機に作用する推力が減少する場合、トリミングタンクの空気を抜くことにより簡単に再び注水することができる。この場合、トリミングタンクにおいて原動機10を水平方向に安定させる元の水位が再び得られる。したがって、図3に関して上述したように、結合部材20dに生じる浮力Flは、原動機を水平方向に保つローターの推力に反作用する力を示す。
【００６３】
短いアーム20b、20cは、長いアーム20aの長手方向軸に関して鏡像対称に配置されることが好ましい。長いアーム20aと短いアーム20b、20cとの間にある角度は90度よりも大きく130度よりも小さく、好ましくは約125度である。したがって、短いアーム20b、20c間の角度は、それに応じて約110度であることが好ましい。短いアームの双方は風下方向に軽く開き、エネルギー変換ユニット50に関して、特に好ましくは、基礎20にある更なる引張部材70の接続点が、エネルギー変換ユニット50又はタワー30にある更なる引張部材70の接続点の前にくるような高さを有する。それにより、エネルギー変換ユニット50に生じる制動負荷を効果的に基礎20に伝えることができる。長いアーム20aは、ローター軸において風上方向に直接位置合わせされ、ここでは2つの引張部材60が設けられている。
【００６４】
また、図7は、2隻の曳船によって設置場所に牽引されている本発明に係る風力原動機の斜視図を示している。双方の曳船200は、ロープ210によって風力原動機10の長いアーム20aの自由端に連結されており、そのため、Y字形状の浮体式基礎20の潮流抵抗は僅かである。双方の曳船200は、予め設置された係留手段110及び予め設置された海底ケーブル120を、水面Wに向かう浮体100によって簡単に発見することができ、互いの間に挟んで通過することができ、それにより、風力原動機10の長いアーム20aを浮体100に引き寄せることができることが更に有利である。
【００６５】
この関係は、図8に示す上面図においてよくわかる。曳船200の適切な進行方法によって、又は曳船200が同伴する、ロープ210に作用する風によって、風力原動機10は、水面Wの上方で風力原動機10と浮体100との結合又は係留手段110と海底ケーブル120との結合を行うことができるように、浮体100に対して位置決めすることができる。
【００６６】
また、（最後に図9に示すように）風力原動機10の基礎20への自由なアクセス性ももたらされる。浮標体26も浮標体24も風力原動機10の輸送時には機能せず、好ましくは引張部材60、70に固定されている。係留手段110と風力原動機10との直接又は間接の機械的な結合、及び風力原動機10と海底ケーブル120との電気的な接続を確立して初めて、風力原動機10の基礎20は注水され、浮体100は所望の深さ、例えば15 m〜20 mだけ沈み、それにより、図3に示す状態が得られる。また、浮標体24、26は解放され、浮体式風力原動機10の水平方向の安定化をもたらす。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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