JP2016519247A - 減衰手段の組み合わせを有する浮体式洋上風力タービン - Google Patents

Abstract

本発明は、浮体式洋上風力タービンであって、実質的に円筒形状の部分を有する主フロート（１）と、主フロート（１）の直径よりも大きい直径を有し、フロートの基部での固定質量体を構成するとともに減衰手段を構成する、コンクリート製の円形部材と、主フロートの基部に配置された補助的な常設バラスト手段と、主フロートに組み込まれ、フロートの周縁部に環状に分布された複数の動的バラストボックスと、を組み合わせて有する浮体式洋上風力タービンに関する。

Description

本発明は、洋上風力タービンの分野に関し、特に、海底に固定された浮体式支持構造に搭載された風力タービンに関する。本発明が解決しようとする一つの課題は、最良の条件の下でブレード面が電力供給のための最適な位置にあるような風力タービンの安定性である。

多くの国では、マルチメガワット級の洋上風力タービンを設置することを目的とした様々な浮体式支持構造が開発中である。候補となる場所の深さに応じて、いくつかの設計の選択肢が可能である。それらの大きな多様性にもかかわらず、浮体式支持体としては、採用される静水圧的復原力の性質に応じて、以下の３つの主要なグループが挙げられる。
−細長い幾何学的形状によって特徴付けられ、構造全体の重心を最大限下げて安定性を確保するための巨大なバラストを有するＳＰＡＲ型フロート、
−構造の安定性を確保する緊張ケーブルによって海底に固定されるという特定の機能を有するＴＬＰ（張力係留式浮体生産設備）型支持構造、
−大きな水線面慣性モーメントを有し、安定性のための十分な復原力を提供する半潜水型フロート。

静水圧的復原の観点から、バージ型フロートは、大きな水線面積のために半潜水型プラットフォームに分類されることになるが、よりコンパクトな外観の点で半潜水型プラットフォームとは異なる。

しかしながら、特に大きな細長比を有する洋上風力タービンの分野では、従来の浮体式支持構造は、必ずしもロータの動作制約に適しているわけではない。洋上風力タービンは、一方ではその回転軸の傾きに、他方ではナセルの高加速度に敏感であり、したがって、洋上風力タービンのすべての設計作業には、法外なコストを回避しながら、これら少なくとも２つの制約を満たすことが含まれる。

本発明は、浮体式洋上風力タービンであって、
実質的に円筒形状の部分を有する主フロートと、
主フロートの直径Ｄｃよりも大きい直径Ｄｄを有し、フロートの基部での固定質量体を構成するとともに減衰手段を構成する、コンクリート製の円形部材と、
主フロートの基部に配置された補助的な常設バラスト手段と、
主フロートに組み込まれ、フロートの周縁部に環状に分布された複数の動的バラストボックスと、
を組み合わせて有する浮体式洋上風力タービンに関する。

本発明によれば、喫水に対する直径Ｄｃの比が１．３〜１の範囲にあってよい。

スカートの外径Ｄｄが、フロートの直径Ｄｃの１．５〜２倍の範囲にあってよく、好ましくは１．７５倍に近い。

スカートが、そのスカートの外径に向かって減少する厚さを有していてよい。

主フロートの基部における常設バラストが、コンクリート、水、または、コンクリートと水の組み合わせで構成されていてよい。

ケーブル固定システムが、風力タービンを所定の位置に保持していてよい。

浮体式洋上風力タービンが、水平軸ブレードを有していてよい。

浮体式洋上風力タービンが、垂直軸ブレードを有していてよい。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら示す、非限定的な例として与えられる好適な実施の態様についての以下の説明から明らかとなろう。

浮体式支持構造上の風力タービン組立体を概略的に示す図である。 半径および喫水の関数としての円筒形状の浮体式支持構造のトリムの変化を示す図である。 ヒービングの共振周波数に対する直径Ｄｄの影響を示す図である。 「スカート」の形状を概略的に示す断面図である。 常設バラストおよび動的バラストボックスの構成の例を示す図である。 常設バラストおよび動的バラストボックスの構成の例を示す図である。 常設バラストおよび動的バラストボックスの構成の例を示す図である。 バラストボックスを示す図である。 バラストボックスを示す図である。 目標トリム角が５°の場合のバラストボックスの形状を示す図である。

図１において、浮体式支持構造は、円筒（円形）形状の部分を少なくとも有する主フロート１から構成され、主フロート１の下部には、「スカート」とも呼ばれるダンパープレート２が追加されている。様々なバラスト手段（常設バラストおよび動的バラスト）の組み合わせがこの円筒形部分に含まれている。主フロートの上部は、例えば円錐形や異なる直径を有する円筒形など、動圧流動に適した他の外形を有していてよい。静圧バランス制御に必要な常設バラスト４がフロートの底面に配置され、それは、コンクリート、海水、または任意の重い固体または液体材料から形成されていてよい。これらの様々な材料の質量が、静的および動的安定性の基準の両方を満たすとともに、製造コストを最小限に抑えるように分布されている。常設バラスト４の上方かつ円筒部の内側の主フロート１の周縁部には、いくつかのコンパートメント３が配置され、コンパートメント３の容積に対して、風力タービン６の動作条件に応じてバラストを積んだり降ろしたりすることができる。風力タービンの動作に関連している空力的推力により、プラットフォームのトリム角は変化する。バラストタンク３は、このトリム角の修正および調節を可能にし、したがって、風力タービンの軸の修正および調節を可能にする。プラットフォームは、大量の液体を様々な容積に移送することを可能にするポンプおよびパイプを備え、液体の総量は、一般的に一定に維持される。

主フロートの寸法は、喫水に対する直径Ｄｃの比が１．３〜１の範囲内のままであるような寸法、すなわちＳＰＡＲブイの細長い形状からかけ離れるような寸法である。

風力タービンは、水平軸（ＨＡＷＴ（水平軸風力タービン））または垂直軸（ＶＡＷＴ（垂直軸風力タービン））を備え、風によって引き起こされる水平推力を発生させ、それは風力タービンのナセルおよびタワーに作用するドラグ力を伴う。このドラグ力は、浮体式構造を傾かせる傾向があり、以下、このことをトリム角の変化と呼ぶことにする。バラストタンク内の液体の分布を変更することで、支持構造のトリム角の変動を低減することができる。このように、風力タービンは最適な方法で動作し、様々な機械部品の疲労の危険性が回避される。

第一近似では、風力タービンを支持するプラットフォームの寸法は、以下の２つの主要な制約を満たす必要がある。
−風力タービンと自身の固定システムの重量、および自身の重量を支持するのに十分な浸漬容積、
−考慮される風力タービンの最大の空力的推力を制御するために十分な復原力。

低回転の変位を考慮すると、これらの２つの制約は、以下の関係で数学的に表現することができる。
_{ρ：水の密度（ｋｇ／ｍ} ^３）
Ｇ：重力（ｍ／ｓ^２）
Ｍ_ｔｏｔ：構造の総質量（ｋｇ）
∀：浸漬容積（ｍ^３）
Ｆ_Ｔ：ハブの空力的推力（Ｎ）
Ｈ_ｈｕｂ：ハブの高度（ｍ）
Ｚ_ＣＧ：構造全体の重心の垂直位置（ｍ）
Ｚ_Ｂ：浮心（ｍ）
Ｄｃ：フロートの直径（ｍ）
Ｄ_ｄ：スカートの直径（ｍ）
Ｃ_{５５，ｌｉｇｎｅｓ}：係留索具に関連するピッチング剛性（Ｎｍ／ｒａｄ）
θ：トリム角（ｒａｄ）

図２は、５ＭＷ水平軸風力タービンの最大推力に伴うモーメントを受けたときの、半径および喫水の関数としての円筒形の浮体式支持構造のトリム角の変化を示す図である。白い領域は、浮体式支持構造が不安定な構成に対応している。したがって、このような結果により、所望のトリム角に応じて様々な構成を考慮することが可能になる。

スカートを追加する目的は、構造の垂直変位の振幅を減少させるとともに、それにより風力タービンのロータのための最適な動作条件を提供するために、浮体式支持構造のヒービングすなわち垂直振動運動の共振周期を、主に波エネルギーが集約された支配的なうねりの周期（このうねりの周期は、通常３〜２０秒の範囲のスペクトルに含まれている）から外れるようにシフトさせることである。円筒形のフロートと２つの円形のスカートの場合、このヒービングの共振周期は、以下の関係によって算出することができる。
この関係は、ヒービングの共振周期Τ_Ｚを、構造（係留索具、風力タービン、フロート）の総質量Ｍ_ｔｏｔと、無限周波数の場合の関連する追加された水の質量ｍ_ａｄｄ（∞）と、ヒービングの静圧剛性の項Ｋ_Ｚとに関連付けている。Ｋ_Ｚおよびｍ_ａｄｄ（∞）は、以下で表される。
ここで、Ｄ_ｄは「スカート」の直径である。

こうして、パラメータ研究により、ヒービングの共振周期に対するダンパープレート（「スカート」）の直径の影響を推定した（図３）。

これらの結果は、まず、ダンパープレートの追加によりバージ型プラットフォームの性能が著しく改善することを示している。フロートとスカートの主要な寸法パラメータの適切な選択により、ヒービングの共振周期を支配的なうねりの周期から外れるように効率的にシフトさせることができることに留意されたい。

スカートの主な目的は、上述したように、ヒービングの固有振動数をシフトさせることである。また、フロートの安定性を向上させるために、常設バラスト容積としてスカートを使用することは、非常に興味深い構造である。実際、スカートは、フロートの下端に位置し、スカートの容積は、特に外径が大きいことを考慮すると、潜在的に大きくなり得る。本発明は、「スカート」部材に常設バラスト機能を追加している。その形状は、円錐形である。外径での厚さは、特に固有振動数シフトに対して負の動圧効果を有さないように減少している。内径上では、厚さは、考えられる最高のバラスト質量を可能にするように大幅に増加している。流体力学的研究は、外径での最大厚さが好ましくは約０．５メートルであることを示しており、約７．５°の円錐角が許容範囲のままであることを示している。これらの制約を考慮すると、好適なスカートの形状は、例えば図４に示す通りである。

コンクリート製のスカートの強度が、ヒービングの共振周期に近いうねりのピーク周期を有する北大西洋の５年波の存在下でフロートがヒービング運動を起こしたときにかかる動圧を表している圧力下で確認されている。スカートは、必要に応じて他の材料から形成されていてよく、あるいは、コンクリートおよび他の材料、固体または液体で部分的に充填されていてよい。研究により、スカートの動圧応力を推定することが可能になっている。この入力データから、このコンクリート構造の機械的強度を確認するために、有限要素法計算がＡｂａｑｕｓにおいて実行されている。スチールで補強されていない（任意の骨組みはコンクリート内で応力を低減する傾向がある）と仮定したコンクリート構造の応力についての結果は、最大ミーゼス応力が５ＭＰａをはるかに下回り、引張応力Ｓ１１が最大で２．４ＭＰａであることを示している。これらの値は、コンクリートが、張力だけでなく圧縮を受けた状態でも弾性領域のままでいることを示している。したがって、その機械的強度は、推定された動圧力下で保証されている。

補助的な常設バラストは、コンクリート、水、または任意の他の固体または液体材料で構成されていてよく、あるいは、これらの組み合わせで構成されていてもよい。常設バラストの平均密度は、プラットフォームの作業容積（主フロートの容積＋スカートの容積＋動的バラストの容積）を考慮した浮体式支持構造の静圧安定性を確保するのに十分なものである必要がある。

例えばコンクリートと水など、材料を組み合わせて使用することで、コストを低減しながらコンクリートの密度をうまく利用することができる。２つの材料の分布は、必要な動的バラストの量と支持構造のピッチング周期とに影響を及ぼすことになる。実際、コンクリートと水の分布が変化すると、一方では支持体の重心が変化し、他方ではその慣性が変化することになる。

以下の例（図５ａ、図５ｂ、図５ｃ）では、補助的な常設バラストがコンクリートのみで構成されている場合（ケース１）と、コンクリートと水の２種類の組み合わせで構成されている場合（ケース２とケース３）を考慮する。これらすべての場合において、スカートはコンクリートで形成されている。

ケース５ａでは、バラストは、コンクリートのような固体材料で全体が形成されている。ケース５ｂでは、コンクリートの一部が、海水のような液体からなる常設バラストによって置き換えられている。最後に、ケース５ｃでは、構造的完全性を維持しながらコンクリートの質量を最小限に抑えることが試みられている。これらの図では、バラストボックスは常設バラストの上方に位置しているが、バラストボックスが下方に位置している構成も可能である。

以下の表は、動的バラストと固有ピッチング周期とに対する常設バラストの分布の影響を示している。

考慮される動的バラスト作業には、浮体式支持構造の周縁部に配置されたタンク３に液体を充填することが含まれる。寸法パラメータは、スラスト軸の両側でのバラスト室の角度分布を規定する角度αと、ｌで表されるタンク幅と、充填高さｈである（図６ａおよび図６ｂ）。

主フロートとスカートの形状（半径１３ｍ、喫水２０．５ｍ）を一定にして、角度分布αとタンク幅ｌに応じて目標トリム角に達するのにどのくらいの高さの水が必要かを知るために、パラメータ研究を実行した。したがって、図７は、高さ９０ｍにおけるロータの中心に８０トンの空力的推力が存在しているときに５°のトリム角を実現するのに必要な水の高さｈｅを、１〜４ｍの範囲のタンク幅ｌと１０〜４５°の範囲の角度αに対して示している。こうして、選択された基準（液体の容積、メタセンター高など）に応じて最適な構成を選択することができる。

これらの結果は、主要な寸法パラメータが特定して選択されている場合、本発明としての浮体式支持構造に搭載されたＨＡＷＴ風力タービンまたはＶＡＷＴ風力タービンが十分に安定して維持されることが可能であることを示している。一方、主フロートに組み合わせて配置された動的バラストは、最適なエネルギー回収のために的確なトリムで維持されることが可能である。

コンクリートまたはそれと同等のような重い材料からなる寸法が最適化されたスカートと、風力タービンと環境条件とに応じてフロートの基部で重い総重量を調節することを可能にする常設バラストと、風力タービンのトリム角を制御するための動的バラストとを組み合わせることは、技術面と経済面の両方で多くの利点がもたらし、高出力の風力タービンを支持する浮体式支持構造に完全に適していることを証明している。

この浮体式支持構造の係留索具を、１２０°で分布した３本の懸垂アンカーライン５で構成することができる。各ラインはチェーンで構成され、このチェーンは、Ｙ結線またはクローフットによって、浮動支持構造上のアンカーラインの２つの取付点（フェアリーダー）に取り付けられている。このような接続は、この種の支持体に対して、本質的に低いヨーイング剛性を提供することができる。

また、アンカーラインの取付点は、支持体の乾舷に配置されており、しばしばそうであるように、喫水には配置されていない。これにより、ピッチング剛性を確保することができ、タービンに推力の影響がある状態で浮体式支持構造のトリムを低減することができる。一方、一定の環境条件下でピッチング運動を増大させることができる。その場合、トリムの増加と動作条件に応じて許容可能な最大ピッチングとの間で妥協点を見いだす必要がある。

各ラインは、追加の点状の質量体を備えていてもよく、その質量体は、第一に、チェーン全体の長さにわたって圧縮応力を回避し、第二に、付加的なヨーイング剛性を提供して、円筒形の支持体上で観察されることもあるヨーイングとローリングの結合を低減する、という２つの大きな利点を有している。

Claims (8)

1. 浮体式洋上風力タービン（６）であって、
   実質的に円筒形状の部分を有する主フロート（１）と、
   主フロート（１）の直径Ｄｃよりも大きい直径Ｄｄを有し、前記フロートの基部での固定質量体を構成するとともに減衰手段を構成する、コンクリート製の円形部材（２）と、
   前記主フロートの基部に配置された補助的な常設バラスト手段（４）と、
   前記主フロートに組み込まれ、該フロートの周縁部に環状に分布された複数の動的バラストボックス（３）と、
   を組み合わせて有する浮体式洋上風力タービン。
2. 喫水に対する直径Ｄｃの比が１．３〜１の範囲にある、請求項１に記載の浮体式洋上風力タービン。
3. 前記円形部材の外径Ｄｄが、前記フロートの直径Ｄｃの１．５〜２倍の範囲にあり、好ましくは１．７５倍に近い、請求項１または２に記載の浮体式洋上風力タービン。
4. 前記円形部材が、該円形部材の外径に向かって減少する厚さを有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の浮体式洋上風力タービン。
5. 前記主フロートの基部における常設バラスト（４）が、コンクリート、水、または、コンクリートと水の組み合わせで構成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の浮体式洋上風力タービン。
6. ケーブル固定システム（５）が前記風力タービンを所定の位置に保持している、請求項１から５のいずれか１項に記載の浮体式洋上風力タービン。
7. ブレードの軸が水平である、請求項１から６のいずれか１項に記載の浮体式洋上風力タービン。
8. ブレードの軸が垂直である、請求項１から６のいずれか１項に記載の浮体式洋上風力タービン。