JP5715152B2 - 浮遊式電力生成設備 - Google Patents

Description

風力発電は、ＣＯ_２を大気中に消散させないので、より好ましいエネルギー抽出システムとなっている。陸上における風力発電の幾つかの問題点は、それが環境を損なうことと、それが、住民が住んでいない地域に設置されることが多いので、維持コストが高くなることがあることである。したがって、維持、修理、および部品交換のためには、たとえば、重量物を持ち上げるためのクレーンを必要とする、別個のユニットのやっかいな搬送と問題のある作業が必要となる。

従来、知られている技術による風力発電ユニットは、コンクリートの支柱で海底に成形された、海洋中の別個の複数のユニットとして設置される。このことは、比較的浅い水位を必要とし、したがって風力発電ユニットは通常、海岸の近く、住民が住んでいる地域あるいはレクリエーション地域の近くに設置される。これらの設置場所はいずれも環境的見地から望ましくない。したがって、特により良い代替案が存在する場合には、陸地に近い海岸線にはできるだけ長い距離、この種の設備を設置すべきではない。海洋に近い海岸に設置される今日の単一ユニット群の維持コストは、陸上における対応するユニット群よりも３−４倍大きい。風力発電設備を海のさらに遠くに建てるためには通常よりも大きい海の深さの問題がクリアされなければならないが、管理および維持の実際の経済的問題もクリアされなければならない。今日までの風力発電設備は別々の複数の風力発電機ユニットを用いているため、それを海の遠くに早く設置することは不経済なものとなる。風力発電設備を海洋上に設置する考え方は、海洋では通常、より強い風がより頻繁に吹く、と言う利点を有している。

本発明の目的は、風から電力を取り出す電力生成設備を創り出すことである。

このエネルギー生成設備は請求項１に記載されている。

請求項１に記載のエネルギー生成設備は、共通の浮きユニットに取り付けられた風力発電機を少なくとも３台有している。ユニットは、水面に、位置および水深とは関係なく設置することができる。ユニットは、節点の形状を有する少なくとも３個の取り付け点において接続された複数のパイプで作られた枠組みを有している。本発明の特徴は、複数のパイプはそれぞれの端部において密閉されて、節点に接続されるようになった別々の浮き部品を形成していることである。

これは、陸地から遠く離れた水面に設置でき、したがって海岸線に設置する必要がない風力抽出設備を創り出す。少なくとも３台の風力発電機が同じユニットの上に配置されているので、保守は採算が取れる。３台の風力発電機は、別個の風力発電機ができるだけ多くの風力を取り出すことができるように、ユニットの表面に最適に設置されるのが望ましい。複数のパイプが別個の浮遊部品を構成する場合、これらパイプの搬送と設備の組み立ては容易になる。したがって、設備は、海へ搬送するために、しっかりとした地面の上で組み立てる必要はない。その代わり、別個の部品を、設備のある場所により早く、かつより経済的に搬送することができる。壊れた部品を簡単に交換することも可能である。

本発明の一実施態様では、パイプ端部は、節点上に配置された第２の取り付け具に嵌るようになっている第１の取り付け具を備えている。第１の取り付け具を雄部品として、第２の取り付け具を雌部品として設計でき、あるいは第２の取り付け具を雄部品として、第１の取り付け具を雌部品として設計できる。これら取り付け具は、パイプを互いにまたは節点と接続するのに使用される。

一実施態様では、各節点は、該節点を少なくとも２つのパイプに接続するのを可能にする取り付け具を少なくとも２つ有している。節点は各パイプ部品同士の間の接続リンクを構成している。

他の実施態様では、第１および第２の取り付け具は互いに密封され、機械的ロックに接続されて、パイプ内に密封された空間を作り出している。

一実施態様では、パイプの各端部は、開けることができるハッチで密封されている。他の実施態様では、第２の取り付け具も、節点の外壁を貫通して配置された、開けることができるハッチを有している。開けることができるハッチをパイプの端部内および節点内に配置するとき、節点とパイプを、パイプが節点同士の間の搬送路を構成するように接続することができ、これらの部品内の空間は、搬送路、作業場、収納室、宿泊設備として使用することができ、または他の機能のための空間を提供することができる。たとえば、１つの節点は、ホテルまたは会議室として使用することができる、浮遊式電力生成設備の主建物であってよい。

一実施態様では、設備は、複数の周囲の接点と、これら接点を接続する複数のパイプを有する外側の構造物／外枠に接続された中心の接点も有している。これらパイプを接続することによって、製造コストが低いシンプルな構造が得られる。

一実施態様では、パイプが中心の節点から周囲の節点に延びていてよい。これらの追加のパイプは構造物をさらに安定化させ、したがって各節点は少なくとも３つの取り付け点／取り付け具においてパイプに接続されている。

一実施態様では、各風力発電機は、該風力発電機の土台を構成する各節点上に配置されている。これは、良好な水上位置を有する堅固なユニットにつながる。

他の実施形態では、パイプと節点の少なくとも一方の内部に水タンクが少なくとも１つ設置されている。タンク内の水の量は調整可能である。水タンク内の水の量は、２つの節点を組み立てる間または２つの節点を分解する間、海水内で個別のパイプをバランスをとり、位置決めするのに使用することができる。水タンク内の水の量は、天候および波高に応じて電力生成設備全体のバランスをとるのにも使用することもできる。

一実施態様では、設備は、該設備を海底に錨で固定するようになっているアンカーシステムを有する。このアンカーシステムは、従来の設備よりも深い海に設置することができる。

アンカーシステムの一実施態様では、アンカーシステムは基本的に設備の中央に設置されている。この配置によって、設備は中心軸を中心として自由に回転することができる。中心の節点が浮きユニットの一部として使用される場合、中心の節点だけを海底に錨で固定すればよい。この構造によって、外側の構造物を、中心の節点を中心として３６０度回転することができるように配置することができる。

他の実施態様では、設備は、堅固に取り付けられた風力発電機が最適な方向に常に置かれるように、自身の向きを風の方向に自動的に調整することができる。

風の方向への調整は、たとえばラダーとポッド状プロペラ（アジポッド）、すなわち電気で駆動されるプロペラの少なくとも一方によって行うことができる。

構造物が海底に堅固に固定されるために、アンカーシステムは、横に配置された係留具を少なくとも３つ有していてよい。

シンプルであるが、費用対効果が大きい構造物を製造するために、設備の共通の浮きユニットは、少なくとも一方がスチールで作られたパイプと節点を有することができる。

これらパイプとこれら節点の少なくとも一方は、それらを天候および風から保護するために、一実施態様では、ガラス繊維強化プラスティックの外側層によって覆われた、発泡プラスティックのパイプ接着層を有する外側絶縁材を備えている。

浮きユニットは六角形の形状を有することができる。この形状は、風力発電機の、道理にかない、最適化されたバランスと配置位置をもたらす。

設備の共通の浮きユニットは、直径が２メートルと１５メートルの間のパイプと、直径が１０メートルと３０メートルの間で、高さが１５メートルと４０メートルの間の節点を有しているのが望ましい。これらパイプは１２０メートルから３００メートルの長さを有していてよい。

風力発電機は、垂直に回転するプロペラユニットが上に配置されている風力発電機塔であってよい。風力発電機は、立ったまたは横たわった風シャベル装置であってもよい。できるだけ多くのエネルギーを取り出すために、風力発電機塔は、約５０ｍ−１５０ｍの高さと約５０ｍのプロペラ半径を有するのが望ましい。プロペラユニット内へ進入は、塔内の内部シャフトを通って行うのが望ましい。風力発電機塔の内側シャフトは、プロペラユニットへの部品の屋内搬送およびプロペラユニットからの部品の屋内搬送を行えるように、パイプと節点によって接続されている。

風力発電機を、環境による摩損からも保護するために、風力発電機塔とプロペラユニットは、ガラス繊維強化プラスティックの外側層によって覆われた、発泡プラスティックのパイプ接着層を有する外側絶縁材を備えることができる。

設備を他の発電システムによって完全なものにし、最適化することもできる。たとえば、設備の、海洋内での垂直方向の運動を、エネルギー変換のために利用することができる。さらに、設備上に太陽電池を配置することによって太陽のエネルギーを変換することができる。風力エネルギーを最適に取り出すために、風シャベル装置を、共通の浮きユニットと、風力発電機塔のプロペラの下の間の高さに設置することができる。

全ての実施態様または一実施態様の一部をあらゆる考えられる方法で組み合わせることができることに留意されたい。

以下において、本発明の実施形態をより詳細に説明する。全ての例は一般的な説明の一部とみなされるべきであり、したがってどのようにも組み合わせることができる。様々な実施形態の個々の部品は、それらが本発明の範囲内にある限りは自由に組合せ、または交換することができる。

本発明の１つの目的は、陸上または海洋の沿岸の近くにある風力発電設備に付随する環境上の問題を最小にすると同時にｋＷｈ当たり最も低い可能な価格に到達することである。出発点は、海洋上の風力発電設備は、環境上の問題のために、陸上に設置される風力発電よりも望ましいことである。しかしながら、競争力のある価格ももたらす技術が提供されなければならない。本発明はこれらの要求を実現する。本発明によって、海洋における風力発電設備を、遠く深い海の上に、望ましいならば水平線を越えて、すなわち、構造物の高さに応じて、沿岸から約２０ｋｍ−３０ｋｍに設置することができる。しかしながら、本発明による構造物は、たとえば、最適な風力エネルギー技術の実証を伴った海上レストランまたは海洋生物センターとしても利用できるので、不快な外観を全く呈するものではなく、むしろ興味深く、かつ魅力のある訪問場所である。約２００００人の住民からなる沿岸の地域社会に、本発明によるたった１台の設置されたユニットによってその必要エネルギー全てを供給することができる。

本発明の一実施形態が図１ａおよび図１ｂに開示されており、６台の風力発電機が上に建造されている浮遊式設備１である。該設備は、少なくとも３台の、そして使用される風力発電機の種類に応じて６台から８台または９台以上の風力発電機２を有している。少なくとも４台、最大で７台の通常の風力発電機が使用されるのが望ましい。風力発電機２は、垂直なプロペラ２ａを有する風力発電機塔の種類が望ましいが、水平に回転するプロペラを有する風力発電機塔であってもよい。

設備は、風力発電機塔の、自然に最適化されたバランスと配置位置をもたらす、１つの中心の節点３を有する六角形の形状であることが望ましい。設備は、１つの中心の節点３を、直径、すなわち断面が約７メートル−１１メートルの大きな複数のスチール製パイプ４を有する外側の枠組みＦに接続することによって組み立てられる。これらのパイプは円形、矩形または他の適切な形状を有していてよい。外側の枠組みは、水面上または水面下に配置された１組のパイプまたは垂直方向に並んだ２組の実質的に平行なパイプを有してよい。これらのパイプ４は、枠組みＦのそれぞれのスチール製のパイプ４の端部に、したがって六角形の全ての角に設置され、外側のフレーム構造Ｆを構成する複数の周囲の節点５によって互いに接続されている。周囲の節点５上には風力発電機塔が設置されている。周囲の節点５は、直径が約２０メートル、高さが約３０メートルであってよい。角／節点３と５の間のパイプ４は、たとえば１３０メートル−２００メートルの長さを有してよい。幾分小さな直径／断面を有してもよいが必ずしも有しなくてよいパイプ４’が周囲の節点５を中心の節点３に接続している。パイプ４は、構造物に対する強度と浮力を作り出すだけでなく、接続路、宿泊設備、作業場、および収納室であってもよい。設備の組み立て、手入れ、および保守を行うために、吊り上げクレーンまたは同様の装置を設備上に配置することも可能である。この装置を、風力発電機塔同士の間でパイプ４、４’の上面に配置された軌道装置上を搬送することができる。

ポンプ装置を備えた、安定およびバランスをとるための複数の水タンク６をパイプ４、４’と節点３、５の少なくとも一方に配置することもできる。各タンク内に多少の水を分配することによって、特に厳しい天候下での浮遊式風力発電設備の組み立ての間、および使用の間、構造物のバランスを保つことができる。バランスを保つこの機能は、パイプの組み立ての間および起こり得る交換の間にも重要であり、一方、パイプを節点に接続する間の組み立て技術は、密閉されたパイプ端部４ａ、４ｂが、ある相互浮遊位置において節点５上の対応する取り付け具８に嵌るようになっている取り付け具７を備えていることに基づいている。これを以下により完全に説明する。

スチールから作ることができるパイプ４は、たとえば９ｍの直径、すなわち断面と、たとえば１８ｍｍ-２２ｍｍの壁厚さと、たとえば１３０ｍｍ−２２０ｍの長さを有していてよい。パイプ４は、少なくとも５０年である、構造物の期待される耐用年数の間、当該場所の気象条件に耐える、ガラス繊維で強化されたプラスティックの、約８ｍｍの外側の層によって覆われた、厚さが約３０ｍｍの、パイプに接着された発泡プラスティックの層を有する外側絶縁体を備えてもよい。パイプに、たとえば衝突により、重大な損傷が万が一発生した場合、このパイプを必要ならば除去し、交換し、または修理のために波止場の作業場にけん引していってもよい。

図２−図４にさらに記載されているように、パイプ４は、たとえば、開けることができるハッチの形をした密閉部品９によって各パイプ端部４ａ，４ｂにおいて密閉されている。したがって、パイプは、水に浮かぶことができ、電力生成ユニットが建てられることになっている場所へけん引していくことができる、密封され、空気で満たされたユニットを構成する。密封部品９を、パイプの外側の端部４ａ、４ｂ内に配置し、またはパイプの内部のある距離に設置してもよい。

パイプ４はそれぞれの端部４ａ、４ｂ内に、節点３、５上のそれぞれの第２の取り付け具８に嵌る第１の取り付け具７を備えている。図３と図４に開示された第１の取り付け具７の実施例では、パイプ端部４ａ、４ｂはテーパになって、節点３、５上に配置された、雌の形状の第２の取り付け具８に雄部品として挿入されるようになっている。勿論、図２に記載されているように、雌部品をパイプ端部４ａ、４ｂ上に、雄部品を節点３、５上に配置することが可能である。これらの雌および雄部品は、それらが互いに接続されると、水または空気の形態の媒体がパイプの内部容器とその周囲との間で搬送されるのを防ぐ密封体と密封面の少なくとも一方によって密封される。

パイプ４を節点３、５に接続する間、部品は互いに一列に整列させられ、取り付け具を、それらが互いに対して密封されるように一緒に引っ張ることができる、たとえばウインチである引っ張り装置１０に接続されるのが望ましい。パイプ４と節点３の接続が海上で行われる場合、取り付け具７と８によって囲まれた体積Ｖ１、すなわち図２においてパイプ４の密封部品９と節点のボディ３、５の間に節点に配置された第２の取り付け具８によって形成された体積Ｖ１は水で満たされている。体積Ｖ１に満たされた水を排水するために、ポンプ１１を使用するのが好ましい。体積Ｖ１を有する空間が空にされると、ポンプは該空間に負圧を生成するために使用される。この負圧は、第１と第２の取り付け具７、８の間に吸引力を生成し、これは部品同士の間のより水漏れしない密封につながる。部品を節点に固定するために、機械的なロック装置を使用するのが好ましい。このロック装置は両取り付け具を手動でまたは自動的に接続することができる。

垂直方向に並んだ平行な２本のパイプ４を使用する場合、これらパイプのうちの少なくとも低い方は、１つ以上のレベル調整タンクシステム６を備えている。最後の機械的接続が行われるとき、タンクシステムは、パイプを、パイプと節点間の所定のロック位置に向かう方向に沈めまたは持ち上げるために水で満たされ、または空にされる。たとえば修理または交換のためにパイプを分解する間、逆の作業が行われる。ユニット全体のバラストによるバランシンングを水タンクシステムで行うとき、構造物全体を、壊れたパイプ部分が存在するにも関わらず、または幾つかのパイプ部品が交換される場合に、正しい浮力位置に常に修正することができる。

中心の節点３と周囲の節点５は、たとえば１８ｍｍ−２２ｍｍの厚さを有するスチールで作られているのが望ましい。風力発電塔２は節点上に配置されているのが望ましい。塔は、たとえば５０ｍ−１５０ｍの高さとたとえば５０ｍのプロペラ半径を有することができる。発電機ハウジングへのアクセスは、塔内の内部シャフトを通して可能であるのが望ましい。周囲の節点５は、少なくとも２個、しかし望ましくは３個から６個の他の取り付け具８を備えている。これらの取り付け具は中心の節点３に向かって、および外側の枠組みＦ内の周囲の節点５に向かっている。２本の平行なパイプ４を枠組みＦとして用いる場合、他の取り付け具が節点で互いに上に垂直に配置されるのが望ましい。開けられるハッチ１２を節点の外壁を通して配置し、他の取り付け具８と協働するように設置することができる。このようにして、パイプの内部容器を通る、パイプ同士間の考えられる搬送ルートが作られる。

風力発電ユニットの浮遊特性のために、風力発電ユニットは水深に無関係に動作することができる。風力発電ユニットは、たとえば、大きなマリーナ用に使われるアンカーシステム１３を用いて海底に係留することができる。図５を参照のこと。たとえば商標「Ｓｅａｆｌｅｘ」を有するアンカーシステム１３は、たとえば３個から８個の横方向に延びる係留具１４を有する中心の節点の、たとえば中心軸Ａ１から延びている。係留具１４は、中心の節点３に対して、回転可能なハブ１５に取り付けられている。ハブ１５は、中心の節点の下または中心の節点からある距離に設置された、回転可能な車輪の形状を有するのが望ましい。海底への係留は、３本または４本以上の細綱の形状を有し、ハブから約４５度の角度で延びる、たとえば複数の係留具１４によって行うことができる。ハブ１５は、海底にしっかりと係留された係留具を通り、構造物全体がこのハブ１５を中心として回転することができる。生成された電力を分配するための電線がこのハブを通って延びることができる。

したがって、構造物１の全体はこの内側ハブ１５を中心にして３６０度自由に回転し、かつ堅固に取り付けられたウォンドプロペラが最適な位置に常に置かれるように風の方向と一直線をなして自動的に調整することができる。これは、ウィンドラダー１６をプラットフォーム上に設置することによって行うのが望ましい。ウィンドラダー１６は風の方向に対してその後部に設置するのが望ましいが、他の配置も可能である。本発明の浮遊式風力発電設備はいくつかの異なった幾何学的形状を有することができる。主流をなすのは、浮遊式風力発電設備が、たとえばラダー１６とポッド型プロペラ１７、すなわち電気で駆動されるプロペラの少なくとも一方の助けを借りて風に向かって調整できることである。

本発明の風力発電設備は、たとえば、波力、太陽電池、自身の軸を中心として回転する垂直または水平な風ショベルのような他の電流発生システムによって補助されまたは最適化することができ、したがってプロペラの最も低い位置の下を吹く、到来する風を利用することができる。さらに、エネルギー抽出のために、直径がたとえば２０ｍで、高さがたとえば３０ｍの、たとえば節点の内部でのプラットフォーム全体の海の中の垂直運動を利用することも可能である。

波の方を向いた側の設備の外側に沿った波の力を利用することができるのみならず、プラットフォームの表面上に最適に設置された、本発明の浮遊式風力発電設備上のいくつかの風力発電機を利用できることによって、大規模発電の利点が生じる。これによって、修理および保守のために職員を設備に常駐させることが可能になる。海洋上に設置された、一か所に設けられた風力発電機の効率損失は２０％と計算されるのに対し、本発明の設備の効率損失はわずか８％と計算される。

Claims (12)

1. 水面に、配置位置および水深とは関係なく設置することができる共通の浮きユニットに取り付けられた風力発電機（２）を少なくとも３台有し、前記ユニットは、少なくとも３個の取り付け点において接続された複数のパイプ（４）で作られた枠組み（Ｆ）を有し、前記パイプ（４）はそれぞれの端部（４ａ、４ｂ）において密封されて、前記取り付け点において接続されるようになっている別個の浮き部品を形成している、電力生成設備（１）において、
   前記取り付け点は節点（３、５）の形状を有し、前記パイプの各端部（４ａ、４ｂ）は、前記節点（３，５）上に配置された対応する第２の取り付け具（８）に嵌るようになっている第１の取り付け具（７）を備え、前記パイプの端部（４ａ、４ｂ）は、開けることができるハッチ（９）で密閉され、前記第２の取り付け具（８）は、前記節点の外壁を貫いて配置された、開けることができるハッチ（１２）を有することを特徴とする電力生成設備（１）。
2. 前記第１の取り付け具（７）は雄部品として設計され、前記第２の取り付け具（８）は雌部品として設計されている、請求項１に記載の電力生成設備（１）。
3. 前記第２の取り付け具（８）は雄部品として設計され、前記第１の取り付け具（７）は雌部品として設計されている、請求項１に記載の電力生成設備（１）。
4. 前記第１および第２の取り付け具（７，８）は互いに密封されて、機械式ロックによって接続されている、請求項１、２、または３に記載の電力生成設備（１）。
5. 前記浮きユニットは、前記パイプ（４）を有する外側の前記枠組み（Ｆ）に接続された中心の節点（３）と、前記パイプ（４）同士の間の複数の周囲の節点（５）を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力生成設備（１）。
6. 複数のパイプ（４’）が前記の中心の節点（３）から前記周囲の節点（５）へ延びている、請求項５に記載の電力生成設備（１）。
7. 前記発電機（２）は、前記発電機の土台を構成する前記節点（３，５）上に設置されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の電力生成設備（１）。
8. 水タンク（６）が少なくとも１つ、前記パイプ（４）と前記節点（３，５）の少なくとも一方の内部に設置され、前記タンク内の水の量が調整可能である、請求項１から７のいずれか１項に記載の電力生成設備（１）。
9. 前記設備は、該設備を海底に錨で固定するようになっているアンカーシステム（１３）を有する、請求項１から８のいずれか１項に記載の電力生成設備（１）。
10. 前記アンカーシステム（１３）は、前記設備が軸（Ａ１）のまわりを自由に回転することができ、それによって前記設備が風の方向に自動的に向きを調整するように設置されている、請求項９に記載の電力生成設備（１）。
11. 風に従う向きの調整は、たとえば複数のウィンドラダー（１６）と複数のポッドプロペラ（１７）の少なくとも一方によって行うことができる、請求項１０に記載の電力生成設備（１）。
12. 前記パイプ（４）と前記節点（３，５）の少なくとも一方は、ガラス繊維強化プラスティックの外層によって覆われた、発泡プラスティックのパイプ接着層を有する外側絶縁材を備えている、請求項１から１１のいずれか１項に記載の電力生成設備（１）。

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