JP2008542630A - フロート式風力タービン装置 - Google Patents

Abstract

フロート式風力タービン装置を調整する方法である。フロート式風力タービン装置は、浮体（１）と、浮体の上方に配置されたタワー（２）と、タワーに取り付けられて、風向きに関連して回転可能であり、風ロータ（４）を装着している発電機ハウジング（３）と、固定具又は海底上の固定点に接続された固定ライン装置（５）とを有する。フロート式風力タービン装置に加えられた全風荷重における静的傾斜度φ_{ｓ−ｍａｘ}はできる限り小さいが、好ましくは８度未満であり、フロート式風力タービン装置についてのすべての固有周期は、波の周期範囲外にある。ピッチの固有周期Ｔ_０５（ロールの固有周期Ｔ_０４）は好ましくは、上下動の固有周期Ｔ_０３の８０％未満である。さらに、Ｔ_０３及びＴ_０５の比率は、０．５又は１に近くない。

Description

本発明は、フロート式風力タービン装置と、フロート式風力タービン装置の静水的（hydrostatic）特性及び流体力学的（hydrodynamic）特性を調整する方法とに関する。フロート式風力タービン装置は、浮体と、浮体の上方に配置されたタワーと、タワーに取り付けられて、風向きに関連して回転可能であり、風ロータを装着している発電機ハウジングと、固定具（anchors）又は海底上の固定点（anchor points）に接続された固定ライン装置とを有する。

深い海で使用することのできる、固定されたフロート式風力タービンの開発により、海上の風エネルギーを拡大させる分野への取り組みが大きく向上するであろう。海上に位置する風力タービンについての現在の技術は、約３０ｍ未満の比較的浅い水深に永久的に設置されたタワーに限定されている。

３０ｍを超える水深に永久的に設置された装置の場合、その結果として一般的に技術的問題が生じると共に高コストとなる。このため、現在まで、約３０ｍを超える水深は、風力タービンの設置には技術的に及び商業的に好ましくないと見なされてきた。

より深い水深でフロート式である解決策を用いることで、複雑で労働集約的な装置に関係する基本的な問題及び高コストを回避することができる。

これに関連して、フロート式である解決策を開発するために多大な努力が払われている。しかしながら、技術的に満足できるとともに経済的に実行可能な解決策を見つけることは困難である。

本発明は、満足できる技術的解決策及びその概念を経済的に魅力的なものにするのに十分な低コストをもたらす材料の使用、形状及び寸法設計、及び構造的解決策の組み合わせを達成することを可能にする解決策を示す。

その概念は、それ自体は波の中であまり動かないように設計された、フロート式風力タービン装置の浮体用の、長く（深く）細い、好ましくは円筒形であるという解決策に基づく。別の前提条件は、タワー及びタービンの重量に対して大きい排水量である。このことは、必要な動的特性（dynamic properties）及び安定性の点で適正な質量及び重量分布を達成するために必要である。

深く沈めた構造体に必要な大きい排水量及び高強度は、本発明によれば、円筒形の水中部品にコンクリートを使用することにより、簡単かつコスト効率の高いやり方で達成することができる。コンクリートは廉価な材料である。連続生産用に構造方法（construction methods）を体系化及び組織化することにより、労働コストが非常に低くなるであろう。

全体のコストを低くするための別の重要な前提条件は、個々のタービンを海上に設置する時、高コストの補助船を用いる広範な作業を避ける必要性である。これは、タービン全体を、完全に組み立てた状態で牽引し、簡単な固定システムによって固定することができることで達成される。

永久的に設置された機器を備える保護された建設場所で、組み立て及び使用（commissioning）を行うことができる。これは、建設場所から設置場所までに十分な喫水（draught）がある牽引経路が存在することを前提とする。これは、特にノルウェーの場合に当てはまり、従来から大型コンクリートプラットフォーム用に使用されてきた。

本発明による方法は、フロート式風力タービン装置に加えられた全風荷重における静的傾斜度φ_{ｓ−ｍａｘ}ができる限り小さく、好ましくは８度未満でなければならないことと、フロート式風力タービン装置についてのすべての固有周期が、波の高エネルギー周期範囲外にあることとを特徴とする。上下動の固有周期Ｔ_０３及びピッチの固有周期Ｔ_０５（ロールの固有周期Ｔ_０４）は、Ｔ_０５（Ｔ_０４）がＴ_０３の８０％未満であるように、互いに十分に離れている。添付の独立請求項１に明記されているように、Ｔ_０３及びＴ_０５の比率は、０．５又は１に近くてはならない。

さらに、添付の独立請求項３に明記されているように、本発明によるフロート式風力タービン装置は、浮体が、好ましくは円筒形の細長いコンクリート構造体から成り、タワーが、好ましくは円筒形の鋼構造体から成ることを特徴とする。

従属請求項２、４及び５は、本発明の有利な特徴を規定する。

添付の図面を参照しながら、本発明を以下にさらに詳細に説明する。

フロート式風力タービン装置は主に、図１及び図２に示されるように、頂部に風力タービンが取り付けられた高いタワー２を支持する固定された浮動基礎、すなわち浮体１から成り、（図示しない）発電ユニットを包囲する発電機ハウジング３と、発電ユニットに接続して配置されたロータ４とを有している。主要な要素は、浮動基礎が波とともに移動することであり、それ自体は、タービンの動作及びタワーに加えられる荷重に対してマイナスに働く。別の要素は、安定性が制限されるため、フロート式風力タービン装置は、風の力を受けた時に傾くこともあることである。

したがって、フロート式風力タービン装置の開発に関連する主な課題は、波での移動を最小限にして最適な安定性を達成する一方で、コストを低く保つことである。

コストは、フロート式風力タービン装置のサイズに関連する。したがって、通常、材料の消費量を最小限にする概念を達成しようとする試みがなされるであろう。

波に誘導された動きを最小限に抑えるとともに小型化を達成するための最善の解決策は、好ましくは円筒形の水中体から成る深くて細い浮体を使用することである。その概念は、２つの特徴的な運動、すなわち上下動及びピッチ（ロール）を有する。上下動は、純粋な垂直方向の運動であり、ピッチ（ロール）は、回転中心がフロート式風力タービン装置全体の重心にほぼ位置する回転運動である。ロール及びピッチの各々は、それ自体の直交する水平軸を中心にして起きる。大きい上下動及びピッチ運動を回避するために、波が高エネルギーを有する範囲外に位置するような固有周期にすることが重要である。実際に、これは、２つの運動モードにおいて固有周期が２３秒〜２４秒を超えるべきであることを意味する。同時に、その運動が連係するのを避けるために、それらの固有周期は互いに十分に離れていなければならない。

動作時にタービンの傾斜角を小さくするために、良好な安定が必要である。安定化の効果は、排水量及び重心によってもたらされる。排水量が大きく、重心が低い場合、風荷重を受けた時に大きい補正力が発生し、したがって、傾斜角が小さくなる。しかしながら、高い安定性は、短いピッチ（ロール）周期を生じるであろう。満足できるピッチ（ロール）運動で最大の安定性を達成するために、本発明による概念は、ピッチ（ロール）周期が、波が高エネルギーを有する範囲を完全に上回って、約２５秒〜２６秒であるように設計される。上下動及びピッチ（ロール）間の連係を避けるために、上下動周期をピッチ（ロール）周期より上回るように十分に離して、約３０秒〜３１秒にしなければならない。

別の考慮すべき点は、タワーの寸法である。最大のタワー強度を達成するために、タワーは、海面を通過する下部分が大きな径を有していなければならない。

上下動周期は、タワーの排水量及び水面面積の比率である。したがって、３０秒の上下動周期を達成するためには、特定の排水量が必要である。寸法計算及び動的解析を含むパラメータの検討によって、寸法及びバラストの適正な調整が達成された。

したがって、フロート式風力タービン装置は、静的特性及び動的特性の両方の要件を満たすように設計されなければならない。それらの要件は特に、垂直方向の排水量及び移動（上下動）と水平軸を中心にした回転、すなわちピッチ（ロール）との間の相互作用に関連する。以上に基づいて、以下が、それらの要件の概要である。

排水量（ρｇＶ）は、構造体の重量（Ｍｇ）に固定具からの垂直力を加えたものを支持するのに十分な大きさでなければならない。
１．そのシステムは、十分な静的安定性（初期の安定性及び「ＧＺ曲線」の下の面積）を有しなければならない。
２．フロート式風力タービン装置に加えられる全風荷重での静的傾斜度は、特定値ψ_{ｓ−ｍａｘ}より小さくなければならず、できる限り小さく、好ましくは８度未満でなければならない。
３．すべての固有周期が、波の高エネルギー周期範囲外になければならない。
４．上下動の固有周期Ｔ_０３及びピッチの固有周期Ｔ_０５（ロールの固有周期Ｔ_０４）は、互いに十分に離れていなければならない。
５．Ｔ_０３／Ｔ_０５の比率は、０．５及び１．０と異なり、またそれらから十分に離れていなければならない。そうでなければ、結果的に共振運動のパラメトリック励振（parametric excitation）が生じることになるであろう。

一般的に、要件１及び２を満たすと仮定しなければならない。上記３に基づいた静的傾斜度は、概ね次式によって与えられる。

ここで、浮体は垂直な円柱形構造体であって、深さがその幅よりはるかに大きいと仮定する。ｚ_Ｔはロータの軸の縦座標である。ｚ_ｍは固定点の縦座標である。この点は、縦座標ｚ_Ｇを有するシステムの重心の近くに位置するであろう。ｚ_Ｂは浮力の中心の縦座標である。Ｖは浮体の体積排水量である。ρは水の密度であり、ｇは重力加速度である。ここで、要件３は、大きいＧＢ＝（ｚ_Ｂ−ｚ_Ｇ）と組み合わせて十分に大きい排水量を有さなければならないことを意味するであろう。

ピッチ（及び同等のロール）の固有周期は、概ね次式によって与えられる。

ここで、Ｉ_５５及びＡ_５５はそれぞれ、システムの動的回転軸を中心にした慣性の質量モーメント及び慣性の流体力学的モーメントである。これはｚ_Ｇに近い。連係させたヨー？？／ピッチ運動を考慮することにより、より正確な値が得られる。方程式［１］及び［２］は、高い硬さ（rigidity）Ｃ_５５が傾斜角を低く保つのに寄与するが、同時に、ピッチの固有周期は、Ｃ_５５の増加に伴って減少することを示している。したがって、Ｔ_０５が波周期と競合することを避けるために、Ｉ_５５＋Ａ_５５を十分に高く保つことを目指す必要がある。これは、上述したように、外殻を深く且つ細くすることによって達成することができる。

上下動の固有周期は、概ね次式によって与えられる。

ここで、Ｃ_３３＝ρＡ_ＷＬｇである。Ａ_ＷＬは、水線面積（waterline area）である。加えて、固定線の垂直方向の硬さの効果がある。Ｍは、浮体の質量である。長く細い浮体の場合、Ａ_３３≪Ｍである。これは、上下動の高い固有周期が、大きい排水量及び小さい水線面積を有することによって達成されることを示している。

このことから、排水量を十分に大きくすれば、上記４及び５の要件を組み合わせることができると結論づけることができる。しかしながら、排水量の増加は、コストを増加させるであろう。したがって、概説した要件を満たすのに十分な排水量を有する簡単な外殻の形状を可能にする特性の組み合わせを見つけることが必要である。

方程式［１］に戻って、風力タービンのロータ直径が、例えば１００ｍのオーダーであると仮定し、また、ＧＢが１０ｍのオーダーであると仮定すると、静的傾斜度を０．１ラジアン（５．７度）未満に保持しようとする場合、風力タービンからの静的推力？？の１００倍のオーダーの排水量が必要であることがわかる。したがって、５ＭＷのタービンでは、６０００トン〜８０００トンのオーダーの排水量を必要とする。

特定の排水量において、上下動の固有周期は、水線面積によって制御されるであろう。この周期を３０秒に近づけることが決定されている。これにより、ピッチの固有周期を波周期と上下動の固有周期との間にすることが可能になる。（ノルウェーの海域の場合、波の一般的な周期範囲は、約４秒〜約２０秒である）。したがって、上記４及び５の要件が満たされ、静的傾斜要件が満たされる。

ピッチの固有周期を２２秒〜２８秒の範囲内にすることができるとともに、十分な静的安定性を有することもできるために、Ｉ_５５＋Ａ_５５を十分に低い値にして、確実に２２秒＜Ｔ_０５＜２８秒になるようにする一方で、大きいＧＢ値を有することを目指さなければならない。これは、バラスト７を浮体の浮力の中心よりわずかに下に置くことによって達成することができる。重心位置及び慣性モーメントの要件が組み合わされるように、バラストを置かなければならない。

以上に基づいて、浮体を好ましくはコンクリート製の細長い円筒体として製造し、またタワーを好ましくは鋼製の円筒体にすることが、特に適当である。浮体は、適切には１００ｍ〜１５０ｍの長さ（喫水）を有することができる。

浮体の排水量は、図２に示されるように、浮体のベースに「リップ」、すなわち半径方向突出部６を導入することによって減少させることができる。このリップ６は、基礎プレートの直径が浮体のその他の部分の直径より大きくなるように構成することができる。そのようなリップは、動的特性に対して以下の効果を有するであろう。
・直立円柱の場合、垂直方向の流体力学的質量の増加のために、上下動の固有周期が増加するであろう。又は、排水量を減少させることで、上下動の同じ固有周期を達成することができる。
・ピッチ（ロール）の慣性モーメントを増加させることなく、低い重心を保持することが可能である。この結果として、ピッチ（ロール）の固有周期に適当な値を与えるとともに、静的特性を保持する自由が生じる。

フロート式風力タービン装置のデザインを示す図である。 浮体の下部分のデザインに関する代替的な実施形態を有するフロート式風力タービン装置の簡略化した立面図である。

Claims (5)

1. 浮体（１）と、
   該浮体の上方に配置されたタワー（２）と、
   該タワーに取り付けられて、風向きに関連して回転可能であり、風ロータ（４）を装着している発電機ハウジング（３）と、
   固定具又は海底上の固定点に接続された固定ライン装置（５）と
   を有するフロート式風力タービン装置の特徴的な動的特性及び静水的特性を調整する方法において、
   前記フロート式風力タービン装置に加えられた全風荷重における静的傾斜度φ_{ｓ−ｍａｘ}が、好ましくは８度未満であることと、
   前記フロート式風力タービン装置についてのすべての固有周期が、波の高エネルギー周期範囲外にあることと、
   上下動の固有周期Ｔ_０３及びピッチの固有周期Ｔ_０５（ロールの固有周期Ｔ_０４）は、Ｔ_０５（Ｔ_０４）がＴ_０３の８０％未満であるような比率を有すると共に、Ｔ_０３及びＴ_０５の前記比率は、０．５又は１に近くないことと
   を特徴とする方法。
2. 前記フロート式風力タービン装置は、寸法及び重量分布の観点から、前記ピッチの固有周期が２２秒〜２８秒の範囲内にあると共にそれに対応する前記上下動の固有周期が３０秒〜３５秒の範囲内にあるように設計されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 浮体（１）と、
   該浮体の上方に配置されたタワー（２）と、
   該タワーに取り付けられて、風向きに関連して回転可能であり、風ロータ（４）を装着している発電機ハウジング（３）と、
   固定具又は海底上の固定点に接続された固定ライン装置（５）と
   を有するフロート式風力タービン装置において、
   前記浮体（１）は、好ましくは円筒形の細長いコンクリート構造体から成り、前記タワー（２）は、好ましくは円筒形の鋼構造体から成ることを特徴とするフロート式風力タービン装置。
4. 前記浮体（１）は、その下端部に、該浮体の上部分の円周を越えて延びる半径方向突出部すなわちリップ（６）を装備することを特徴とする、請求項４に記載のフロート式風力タービン装置。
5. 前記浮体は、１００ｍ〜１５０ｍの長さ（喫水）を有することを特徴とする、請求項３または４に記載のフロート式風力タービン装置。

Images