JP6894016B2 - 洋上風車の浮体構造 - Google Patents

Description

本発明は、洋上風力発電分野に関する。本発明は、特に洋上風力発電装置（洋上ＷＴＧ、すなわちＯＷＴＧ）を支持するための浮体構造物、より詳細には水平軸風車（ＨＡＷＴ）をベースとするＯＷＴＧとそれを特徴づけるサブシステムに関する。

２０１７年以降、浮体洋上分野は、商用レベルでほとんど実在しないまま、一握りの構想のみが、フルスケールのプロトタイプ及び単一の商用前ウインドファーム（Ｓｔａｔｏｉｌ社によって建設）の試験段階で好結果を経験している。しかし、浮体洋上基礎構造のさまざまな構想が、さまざまな特許に記載及び公開されている。これらのうち、本発明に特に関連するものをいくつか次に取り上げる。

米国特許第６，２９４，８４４（特許文献１）は、フレームに設置される風車を含んだ設備に関し、前記フレームは、風車を風上に向けるために垂直軸周りに旋回可能な浮体を備える。風車を直立に保つために、支持手段、例えば底部に定着される本体が、風車の翼から離れた位置にいくつか設置される。さらに、保守を改善又は簡易化する手段が提供される。

ＷＯ０２０７３０３２Ａ１（特許文献２）は、同様のパッシブ風見設備を有する別の設備を記載し、それはピボット・ポイントとして機能する軸受を含むアンカー・ポイントの周りを構造物全体が旋回可能である。それはさらに、それぞれ自身がタワーを持つ複数の風車を支持できるように示されている。いくつかの可能な構成が提示されているものの、そのような構造物の定着を実行する方法、電気ケーブルを管理する方法や、クレーン船の使用及び構造物全体の港への牽引が必要になる主要部材の一つを置換する方法の詳細がない。

ドイツ特許第３１０７２５２Ａ１（特許文献３）は、別の浮体設備を記載し、制御されたピボット・ポイント（軸受）の存在無く、海底で直接、アンカー・ポイントの周りを受動的に風見する。これは、係留設備自体、そして電気ケーブルについての危険な問題を提起し、それは結果的に制御されずに旋回する構造物が損傷する。

従来技術の他の明白な先例は、固定された洋上風車（ＦＯＷＴ）であり、それは、伝統的な陸上風車の「海洋」版であり、ジャケット又はモノポールの基礎の頂部にほとんど不変に円筒タワー及び、タービン軸を風向に確実に調整するためにアクティブヨー装置を備える頂部に設置されたナセルを備える。ＦＯＷＴは、地面で利用可能なものよりも非常に高い平均風速を享受するとはいえ、主たるすべての重要な操作に大クレーン船の使用が必要になるので、設置、維持管理（Ｏ＆Ｍ）コストが陸上風車のものよりも非常に高い。

最後に、市場にすでに存在するいくつかの主要な浮体式洋上風車（ＦＯＷＴ）の構想を取り上げる。それらは、ほとんど不変に、沖合プラットホームでの石油ガス抽出のための技術から受け継がれた浮体基礎構造を利用する。それらは、この基礎構造の頂部に、円筒タワー及びアクティブヨー装置を持つ多少汎用のタービンを設置する。とりわけいくつかの特許を取り上げる。

米国特許第９１３９２６６Ｂ２（特許文献４）には、Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ Ｐｏｗｅｒ社によって開発されたウインドフロート（Windfloat）構想が記載される。それは、沖合石油ガスセクターで周知の半没水（セミサブ）プラットホームをベースとする。この構造物に緊張状態で接続される６本の係留索が海底に向かって下方に放射状に延びる、極めて重く、比較的複雑なカテナリー係留設備は、操作が多少困難で時間を浪費するという欠点をこの構造物は提示する。このプラットホームは、タービン故障の際、Ｏ＆Ｍのために分離され港へ運ばれるが、この分離操作は初期接続と同様に複雑であり、後にプラットホームを再接続するために、６本の係留索及び電気ケーブルを水面近くに保持するための一時的ブイを所定位置に設置する必要がある。

カナダ特許第２６０９７４５Ｃ（特許文献５）には、Ｎｏｒｓｋ−Ｈｙｄｒｏ社によるＨｙｗｉｎｄ構想が記載され、それは円柱ブイ、その長い円柱ブイの底端にて大きな平衡錘でその安定性を得る別の周知の石油ガスプラットホームを使用する。その主な欠点は、平衡錘が有効となるのに必要な１００ｍを超える（それらが支持する風車とほぼ同じ高さ）大きなドラフトであるが、風車の港組み立てを不可能にする。これは、深水域で大クレーン船を用いて行わなければならないが、主な部材を交換し、また装置全体を取り外すことが必要な時はいつでもクレーン船が必要となる。それはまた、長く重い鎖を有するカテナリー係留設備を使用する。

ＷＯ２０１５０００９０９Ａ１（特許文献６）には、洋上風車を支持するための張力係留浮体プラットホーム（ＴＬＰ）基礎構造が記載される。ＴＬＰは、石油ガスセクターによって極深海設備用に開発された別の周知のプラットホーム型であるが、つなぎなわのプレテンションによってほとんどの浮体部材を十分に水没させておく垂直ケーブル（すなわち、つなぎなわ）の設備を特徴とする。それを風車用支持構造として使用する主な問題は、外海での極めて複雑で危険な設置である。風車を沿岸や港内で取り付ける場合、装置全体は、現場へ搬送する間や取り付け及び係留の間が不安定である。最初にＴＬＰを係留し、次いで風車を頂部に設置する場合、大クレーン船の使用が必要となる。また、タービンのどんな主要部材の置換も、大クレーン船の使用が必要となる。プラットホーム全体を港へ送る必要がある場合、複雑なプラットホームを分離するプロセスを行う必要があり、それはまた、最初に取り付けた時と同じくらい複雑である。
ＷＯ０２／０７３０３２（特許文献７）は、浮体式洋上風力発電プラントに関し、それは本願の請求項１のプレアンブルのすべての特徴を開示する。
ＷＯ２０１６／０８３６３４（特許文献８）は、風車付きタワー及び水平軸に対して並行かつバー構造によって相互連結される２個の同一の水平円筒形浮動部材を含む風力エネルギーを利用するための浮体式プラットホームを開示する。
ＵＳ２０１６／００６１１９２（特許文献９）は、ナセルの上部部分及び下部部分によってナセルを支持し、フロート形状の手段と連係した３本の支持アームを含む浮体式風車構造物に関する。
ＷＯ２０１０／０７１４３３（特許文献１０）は、係留装置で海底に係留される浮体式解放構造物上に設置される少なくとも２個の風車を含む、係留設備が予め組み込まれた離脱式洋上風力発電設備を記載する。
ＥＰ２９９３２７０（特許文献１１）は、転倒モーメントに基づいた構造物の傾斜を制御するポンピング装置を備えた梁手段で共に連結され、そして浸漬制御手段の付設されたコンクリート体を含む、洋上設備のタービンタワーのための没水式積極支持構造物（ｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅ ａｃｔｉｖｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を開示する。

議論してきたように、従来技術に記載のＦＯＷＴのすべてに共通する問題は、製品ライフサイクルのいくつかの段階で強力な船(powerful ship)や大クレーン船の継続使用が必要なことである。これは、そのような船団がめったに使用できない地球のより遠隔地での発電用ＦＯＷＴ開発の制約になるが、これらの地域は、実際、この種の再生エネルギー生成プラットホームの利用に最も利益がある所である。

ＵＳ６，２９４，８４４ ＷＯ０２０７３０３２Ａ１ ＤＥ３１０７２５２Ａ１ ＵＳ９１３９２６６Ｂ２ ＣＡ２６０９７４５Ｃ ＷＯ２０１５０００９０９Ａ１ ＷＯ０２／０７３０３２ ＷＯ２０１６／０８３６３４ ＵＳ２０１６／００６１１９２ ＷＯ２０１０／０７１４３３ ＥＰ２９９３２７０

本発明の目的は、上記した問題のうちの少なくともいくつかを解消することであり、すなわちいくつかの例では、ＦＯＷＴのライフサイクル（設置、運転管理（Ｏ＆Ｍ）、廃棄）のいくつかの段階で大クレーン船の使用を排除すること、そしていくつかの例では、プラットホームの結合及び分離設備を簡略化し、少人数のクルーで迅速かつ効率的にそれを行うようにすることである。さらにいくつかの例では、提案する前記プラットホームは、従来技術の多くのＦＯＷＴと比べてかなり軽量であり、これ自体、大きな利点である。

これらの目的の一以上は、添付する特許請求の範囲に従う１又は２のキーとなるサブシステムを含むＦＯＷＴ構造物によって充足される。

本発明の一側面によれば、主サブシステムは、実質的垂直軸の周りで主風向に従って（受動的に）風見できるように前記構造物のヨー旋回を制御するアセンブリを備える。ＦＯＷＴ設備が２０〜２５年の寿命の間に受ける全旋回数を予想することは不可能であるので、係留設備のこの非統制の捻じれは、結果的に機械的故障を招き、風見構造を海底へ鎖又はケーブルで直につなぐことは失敗する可能性が高い。

好都合にも、本発明の第一の観点によれば、ＦＯＷＴプラットホームは、風見せず、そして係留設備（典型的には鎖、つなぎなわ、ケーブルやこれらのすべての組合せ）を介して海底に固定される定着部を備える。この係留設備はＦＯＷＴを１以上の定着点に接続するが、その選択は主として海底土壌の類型に依存する。それらは、例えば、（岩の多い海底用に）グラウトぐい付きの多数のドリル穴、海底が砂質の場合には多数のアンカー、あるいは係留索用に付着点が埋め込まれた単なる大コンクリートブロックからなる重力基礎であり得る。ＦＯＷＴの残りは旋回可能部であり、それは、ＦＯＷＴの旋回可能部のヨー旋回が、充分に規定された軸の周りにＦＯＷＴの定着部と旋回可能部との間の低摩擦でもって制御されるように、ジャーナル軸受、転がり軸受やその等価物のような異なる要素を持ち得る旋回手段を介して定着部に接続される。

本発明の別の観点によれば、ＦＯＷＴの旋回可能部に作り付けるクレーンが提供される。円筒タワーを有する汎用の風車では、ナセルはタワーの頂点に設置される。ナセル自体は、典型的には、少負荷の持ち上げを促進するために（比較的小さいヨーモーターの一種のような）小ホイストを備えるが、ギアボックスやタービンのような主要部品を持ち上げるパワーは持たない。主要な問題は、ナセル自身の上に強固な基礎構造を必要とするような大きなホイストは、ナセルの二次フレームを複雑化することである。フレームに多くの補強を付加しても、ナセルに設置のホイストは、明らかに、ナセル自身を持ち上げることが不可能であり、それは、このサブシステムにとってきわめて興味深い特徴である。

有利には、本発明の実施例に記載のＦＯＷＴは、タワーの頂点に設置されたナセルにアクティブヨー装置を持つのが特徴ではない。その代わりに、旋回可能部全体が風に従って（好ましくは）受動的に偏揺し、それはさらにナセル全体を持ち上げることのできるクレーンをＦＯＷＴが潜在的に備えることを可能にする位置でのナセルの組み立てを可能にする。

本発明に従った浮体式洋上風車（ＦＯＷＴ）の好適な実施態様の詳細な説明を読むことによって、本発明の他の特徴及び利点が明解になる。この好ましい実施態様は、以下の添付図面を利用する非限定的実施例として記載される。

ＦＯＷＴ構造物（１）の一例の等角図である。 図１のＦＯＷＴ（１）の側面図であり、前記構造物が定着される海面（１２）及び海底（１３）も示す。ローター−ナセルアセンブリ（５）の位置は、マスト構造の頂点の直ぐ下に見られる。図２は、さらに、前記構造物の定着部（３）及び旋回可能部（４）を構成する部材が強調されている。 図１及び２のピボットブイ（６）の断面図であり、旋回手段（１７）、調心（centering）装置（２０，２１）、弾性体（２２）設備及び同軸ケーブル（２３）の拡大図を含む。 電気ケーブル（３０）のセクション内に蓄積した捻じれを解放するために提案される可能な実施形態の一例を示し、接続／断線のための機械的手段（２６）及び回転手段（２８，２９）を動作させるモータ（２７）を備える。 ローター−ナセルアセンブリ（５）の全コンポーネント（３２）を持ち上げるために提案される設備の可能な一実施形態を示し、それは、マスト（１０）のトラス構造上に直接取り付けられ、滑車によって支持される２本のケーブル上で動作するクレーンモータ（３３）を備える。図５は、また、頂点（３１）の位置、及び人員用昇降手段（３９）のためのケーブル（３８）の位置を示す。 昇降手段（３９）の一好適構造を示し、それは、ピボットブイ（６）と頂点（３１）とを連結するマスト（１０）に沿って内部を巡回し、そこにはヘリコプターのアクセスポイント（４０）もまた位置し、ピボットブイ（６）自身が船舶用のアクセスポイントである。この図はまた、ＨＡＷＴのローター（３６）及び一本のブレード（３７）をより明瞭に示す。 適当な基礎で固定された半没水型バージ（４１）が、すでに設置されている下部本体（７）の上部にピボットブイ（６）の上部本体（８）の位置決めを、上部本体（８）の降下前に雄（内方）と雌（外方）調心手段（２０，２１）を一線上にそろえ、旋回可能部（４）全体を定着部（３）上の作業位置に正確にロックされように制御する一方法例を示す。このイメージをつかむために、上部本体（７）の一部が切り書かれ、断面図中に外方調心手段（２１）が見えていることに注意を要する。

ＦＯＷＴの設置を二段階に分けることができる。第一段階では、海底定着点（１３）及び定着手段（１４）を含む、ＦＯＷＴの定着部（３）が設置される。同段階では、海中電気ケーブル（１６）の接続を行うことができる。

これらのすべての部材は、好ましくは、ＦＯＷＴの寿命（典型的に２０−２５年）の間、好ましくは最少のＯ＆Ｍ条件にて海中に留まる必要がある。第二段階では、タービン（５）自身を含む、ＦＯＷＴの旋回可能部（４）が設置される。旋回可能部は、能動的に旋回し又は受動的に風見するように構成され得る。本明細書において使用する「風見する（ｗｅａｔｈｅｒｖａｎｉｎｇ）」は、風車を主風向にそろえるために、風車を含む上部構造物の実質的垂直軸に対する回転と理解されるべきである。

一例では、提案の解決手段によって、旋回可能部（４）全体を港から搬送可能となり、そこでは大クレーン船の必要なく、補助艦船やバージを用いてそれを単にロープで引くことで設置場所へ充分に集めることが可能である。この第二段階での重要な作業は、旋回可能部（４）と定着部（３）との接続であり、理想的には迅速かつ安全に実行する必要がある。

迅速かつ安全な接続への要求を解決するために、必須の旋回手段（１７）をＦＯＷＴの旋回可能部（４）の迅速な接続／断線能力とともに備える新規なヨー・サブシステムがここで提案される。このサブシステムは、以下の１以上の特徴的要素を含み得る。

・旋回手段（１７）自体は、前記構造の回転可能／旋回可能部（４）の実質的垂直軸周りの自由ヨー運動を可能にする。これらの旋回手段（１７）は、特に軸受であり得、そして機械工学で知られる他の実施態様（ころ軸受、転がり軸受等）を持ち得るが、これらは典型的には、定着部（３）に接続される内輪（１９）及びＦＯＷＴ（１）の旋回可能部（４）に接続される外輪（１８）を有する。設計の特定のトポロジーに応じて、代わりに外輪（１８）を定着部に結合することがより利便であり得る。

・内方調心手段（２０）及び外方調心手段（２１）の設備、適宜、円錐(cone)及び逆円錐（counter-cone）の組合せは、海上で定着部（３）及び回転／旋回可能部（４）の頂点を互いに接続する必要のある時に、旋回可能部（４）を定着部（３）の頂部上に配置するのを補助する。定着部（３）及び回転／旋回可能部（４）はそれらを互いに接続する直前には互いに独立に浮遊しているので、この種の円錐接続は位置決めと接続操作に役立つ。これらの構造が大きいため、海上が穏やかな天候であっても、それらの相対的な動きを正確に制御しようとすることは極めて困難（かつ危険）である。旋回手段（１７）の（定着部（３）上の）円錐と（内輪（１９）に接続される）逆円錐を用いた機械的結合を行うことで、その接続は効果的に自己調心される。その代わりに、定着部（３）内に内方調心手段（２０）を有することも可能であり、それは別の実施形態であり得る。内方調心手段（２０）及び外方調心手段（２１）が円錐形を有することは必ずしも必要はないが、この幾何図形は、製造と直接測定による度量衡学的変更が比較的容易であり、また、内方調心手段（２０）と外方調心手段（２１）との間に衝撃があった場合に生じ得る永久ひずみに比較的耐性がある。この内方及び外方調心部材は、相補的な面を持った雄−雌カップリングを形成してもよい。特に、雄−雌カップリング面は、カップリング軸に沿って徐々に増大する幅／径を有してもよい。

・弾性体（２２）設備は、旋回手段（１７）の一側にてメカニカルインタフェースとして機能し、効果的に定着部（３）と旋回可能部（４）との間の機械負荷移行経路になる。この弾性体（２２）設備はまた、定着部（３）と旋回可能部（４）との間にＦＯＷＴ（１）のヨー軸（２）に対して直角な軸での制限された相対的回転を許容する機能を有し得、これに加えて、設置工程中に起こり得る不可避の衝撃から旋回手段（１７）を保護することもできる。さもなければ、これらの衝撃は、その耐荷重がない旋回手段（１７）（特にこれがころ軸受の場合）を、低抵抗をもったヨー運動を許容する機能を損なう危険性を持って損傷する可能性があり得、ＦＯＷＴ全体の安定性を損なう重大な故障さえ招く。小さい非ヨー旋回(small non-yawing rotations)を許容する機能は、例えば球面ころ軸受で確かに、達成可能であるが、これらは耐荷重がより低く、特に衝撃荷重に敏感である。したがって、弾性体（２２）の衝撃防護能力は、他では容易に得られない緊要な利点を供える。いくつかの例では、旋回手段（１７）の他側に弾性材の第二の設備を含む。その結果、旋回手段（１７）は、連続的に作動する二つの弾性体設備の間で「浮動」する。これは、非ヨー旋回を補償するのにいくらか大きな能力を示し得る。

・同軸電気接続（２３）
定着部（３）と風見／旋回可能部（４）との間の相対的位置は、調心手段（２０，２１）によってヨー軸（２）に対する方位位置を除いたすべての自由度で保証され得る。いくつかの例では、調心手段（２０，２１）は、調心手段（２０，２１）間の方位位置を制御するための機械要素を備えてもよい。これは、調心手段（２０，２１）間の接触部分の任意の場所での電気接続を達成する一方法である。しかし、このシステムは複雑になるかもしれない。もう一つの例では、すべての方位位置が許容され、そして好ましくは前記ケーブルを調心手段（２０，２１）に直に通すことによって、同軸電気接続が達成され得る。物理的に同軸に通過しない電気接続を選択し得るが、しかしそれ自体が調心手段（２０，２１）と同軸である電気接続環を持つスリップリングソリューション（あるいは等価物、すなわちブラシ付き）の使用を必要とする。

すでに述べたように、定着部（３）から旋回可能部（４）へ通過する同軸電気ケーブル（２３）に蓄積した捻じれによる故障を回避するための設備を適所に持つことは有利である。捻じれの蓄積（と必要な解放）を回避し得る回転接続（rotary connection）を（スリップリング、あるいはトランスフォーマーのような非接触動力伝達装置を介して）使用することがもう一つの選択肢である。一方で、これらには最高５％の関連エネルギー損失があり得、これらはパワー及びこの適用を検討するに必要とされる強度にとって極めてコスト高である。それらはまた、維持や故障時の交換が困難である。

したがって、本発明の一例では、そのヨー軸周りでＦＯＷＴの少なくとも一回転を許容する目的で、その最大許容捻じれ角を超えることなく一定量の捻じれを蓄積することの可能なケーブルフリーのセクションを残すことが提案される。

この種のケーブルにとって最大許容蓄積捻じれ角の代表値は、フリーのケーブル１ｍ当たり約１００°であり得る。したがって、約８ｍのストレートケーブルセクションは、定着部（３）周りの２回転の旋回可能部（４）を吸収する。この角度を適当なセンサーで管理すると、適切な時にケーブルの一端を完全に切り離し、測定した捻じれと反対方向に前記ケーブルの自由端を回転させ、捻じれを解放することが可能である。この後、前記ケーブルの自由端を再び機械的に接続する。

この全体操作（遠隔又は自動でなし得る）は、伝統的な着床式ＷＴＧにおいてこの問題を対処する方法であるアクティブヨー装置を介しての陸上ＷＴＧのナセル全体を回転させるよりも実際に非常に速い。提案の解決策では、明らかに、ケーブルが適当なプラグを介して接続又は切断のいずれかである時、前記ケーブルは（電圧を保持して）生きていられないので、適当なスイッチを持つことも有利である。いずれにしても、そのようなスイッチは、ヨー・サブシステムの領域の周りに人員がいる場合等、他の作業にとっても望ましい。

ヨー・サブシステム（そして特にヨー軸受）のさらなる観点は、ヨー・サブシステムが予期されるＨＡＴ（天文最高高潮）よりも十分に上方に設置されているが、嵐の状態では波からの水が進入し得ることである。好ましい実施例では、定着部（３）と旋回可能部（４）との間のインターフェースの内側への水の進入が防止される。ヨー運動の頂部にはヨー軸に対して直角の軸での小回転もまた存在するので、これは、標準的なシールをするほど簡単ではない。好ましい実施例では、（１以上の伸縮自在のトーラス状空圧室を備えた）空圧設備を使用することが提案され、これは、嵐状態の間に完全に水没した時でさえ、水がセンシング装置に到達するのを回避するよう加圧することができる。

穏やかな天候では圧力は零又は零近辺であり得るが、それは、ＦＯＷＴのヨー運動の間にインターフェースの二つの合わせ面の摩擦から起きる空圧室の摩耗を最少化する。

提案する第二のサブシステムは、ナセル（３２）自体又はそのいずれかの補助部品を持ち上げ可能なクレーンである。このために、この実施例に従うＦＯＷＴ（１）は、直立タワーを用いることを意図的に避ける。ローター−ナセルアセンブリ（５）の必要な高度は、傾斜マスト（１０）を含む構造によって達成され、各マストは浮体手段（６，９）に結合され、マストのすべてがＦＯＷＴ（１）構造物の最高点（頂点（３１））に収束している。

各浮体手段はまた、実質的に水平なポンツーン（１１）によって少なくとも１の隣接した浮体手段に接合され、これらは、全体あるいは一部で水面（１２）下に水没する。ここの好ましい実施例の解決手段は、３個の浮体手段（６，９）を使用することであり、それを用いて前記構造が四角錐形状を有するようにする。この種の構造は、特に良好な重量対強度比率を有する。

テトラフロート（Ｔｅｔｒａｆｌｏａｔ）として知られるような構造を利用する少なくとも一種の公知のＦＯＷＴ設計が存在する。本開示の１つの新規な点は、ローター／ナセルアセンブリ（５）の前記構造物の頂点（３１）に対する位置及び接続であり、これは、従来技術で行われているような頂部上の代わりに、頂点（３１）直下で行われる。そうする際、タービン軸高さの数メートルが消失し、そして、ナセル（３２）自身を幾分再設計する必要があるが、ローター主軸受からタワー又は支持構造までの負荷を伝達するメインフレームを持つ必要がないので、これらの変更は一般に、ナセル（３２）の実質的重量減になる。代わりに、前記主軸受の周りのフレーム領域の周りでナセル（３２）を直に支持可能である。

このようにしてナセル（３２）を位置決めする別の利点は、それがＦＯＷＴ（１）の旋回可能部（４）上にクレーンを搭載するためにマスト（１０）構造を使用することの可能性を広げることである。頑丈なマスト（１０）が、ローター／ナセルアセンブリ（５）全体、あるいはもちろんナセル（５）のような主要部材の一つ、ギアボックス、タービンや幾枚かのブレード（３７）さえも、安全かつ管理されたやり方で、地面（あるいは水上のプラットホーム）から頂点（３１）下の作業位置まで垂直に昇降し、この場所でナセルをマスト（１０）の底面及び／又は前記構造の頂点（３１）と接触させるのに充分強力なクレーンを搭載することを可能にする。ＦＯＷＴ（１）のそれ自身のマスト（１０）構造にクレーンのようなものを搭載させると、着床式洋上風車では要求される大クレーン船を使用する必要がない。

マスト（１０）構造に搭載されるクレーンは、港での組み立て段階の間にも役に立ち、外部クレーンがマスト（１０）を互いに組み立てるためだけに必要になる。以後、持ち上げる負荷を横方向に制御するために副次的なクレーンのみが必要になるが、大クレーン船（及び一旦海上にあれば、クレーン船）の使用は回避される。海洋波浪のある環境下で一定作業を実行することは危険であるが、ＦＯＷＴ（１）の旋回可能部（４）を定着部（３）から分離する（これは、ヨー・サブシステムに記載されているように著しく簡単である）と、穏やかな海域や近くの港へアセンブリを牽引して、そこで揺れ動きの無い作業を実行可能である。

万全を期して、第二のサブシステムの様々な観点を以下に述べる：
・ローター／ゴンドラアセンブリ（５）の高度は、傾斜マスト（１０）の構造によって達成してもよく、マストは前記構造の頂点（３１）で収束し、各マスト（１０）はその基部にて浮体手段（６，９）に接続される。

・ローター／ゴンドラアセンブリ（５）のエネルギー生成場所は、全体的あるいは部分的に、マスト（１０）の収束する頂点（３１）の下でよく、ローター／ゴンドラアセンブリ（５）やそのすべての部材（３２）をマスト（１０）の構造と干渉することなく垂直方向に昇降できる。

・それは、クレーンのモータ（３３）、滑車（３４）、ケーブル（３５）や他の昇降部材の常置又は着脱式の設備を有し、クレーンは、ローター／ナセルアセンブリ（５）やそのすべての部材を外部クレーン使用の必要なく昇降可能である。

いくつかの例では、モータ（３３）を働かせるブレード（３７）を昇降できるように、ブレード（３７）を風車のローター（３６）直下に鉛直に位置させておくと、前記ブレード（３７）と正反対に置かれたローター（３６）中の孔に１本以上のケーブル（３５）通すことができる。

いくつかの例では、モータ（２７）は、１本のマスト（１０）をサポートとして使用して巡回する昇降手段（３９）を動かすためにケーブル（３８）で動作することができ、その結果、人員及び／又は負荷をアクセスポイント（４０）からローター／ゴンドラアセンブリ（５）の頂上まで持ち上げることができる。

いくつかの例では、アクセスポイント（４０）を持たないマスト（１０）は、ナセルからマスト（１０）の基部までの昇降手段（３９）を有する。

上記した二つのサブシステムは、それらの利点を最大限利用する図１−７の実施例の極めて特定的な構造のＦＯＷＴ（１）に統合されるが、その他の構成も可能である。

前記構造物は、２個の主要浮体手段（９）（好ましくは、ＡＭＦ（１）の浮体性のほとんどを提供する筒状ブイ）、及び第三の浮体手段であるピボットブイ（６）を備え、ピボットブイ（６）は、順にＦＯＷＴ（１）の定着部（３）に統合する下部本体（７）とＦＯＷＴ（１）の回転／旋回可能部（４）に統合する上部本体（８）とに分かれている。

ピボットブイ（６）により提供される浮体性は限定され、その機能は、ＦＯＷＴの第三の支持点を提供し、それを安定させることである。主要浮体手段（９）は、実質的に水平なポンツーン（１１）によって、それら自身の間及びピボットブイと相互に連結されてもよい。

主要浮体手段（９）のそれぞれから、及びピボットブイ（６）の上部本体（８）からは、傾斜マストが前記構造物の頂点に向かって上方へ延在し、そこで３本のマストが結合する。これらのマスト（１０）のうち２本は、ローター面と並行の（又は若干、風向きに沿って傾いている）実質的垂直な同一面内にあり得る。ローター自体は、好ましくは「風向きに沿った(downwind)」配置にあり、それは、前記構造物の残部から風向きの下流を意味することが特記される。

マスト（１０）は、空力損失を低減するためにトラス構造であってもよい。波が実質的に平らな表面にぶつかる時に起こり、いくつかの状況では極めて強暴となる波のスラミングを最少化するために、水平ポンツーン（１１）もまたトラス構造が好ましい。これらの衝撃は、スラミング環境が過酷となる平らな表面を備えていない比較的小径の円筒チューブを用いて組み立てたこの種のトラス構造では小さい。

上記したローターの風向きに沿った配置は、（最高の空力抵抗を有する）ローター／ナセルアセンブリ（５）をヨー軸（２）からできる限り遠くに置き、その結果、ＦＯＷＴ（１）は、風向きの変化により速く対応し、前記構造物を整列させるヨーモーメント（空力負荷の中心（ほぼローター中心）とヨー軸（２）との間の距離に比例する）を最大化することによりパッシブヨー装置の応答を改善する。

上記したように、ピボットブイ（６）は、旋回可能部（４）に統合される上部本体（８）と定着部（３）に統合される下部本体（７）とに分かれ、下部本体（３）は、３本の実質的垂直の係留索（１４）によって、実質的に正三角形を形成するそれらの連結ポイントで海底（１３）に結合されている。

各係留索（１４）は、典型的には（両端が）鎖と（前記鎖部に結合する最長部の）鋼製ケーブルとの組合せを含んでもよい。したがって、ピボットブイ（６）の下部本体（７）は、小寸法の張力係留浮体プラットホーム（ＴＬＰ）という特徴を有し得る。

この「ミニＴＬＰ」は、水面（１２）レベルでの並進以外の動きを著しく制限するのに充分なテザープリテンション(tether pretension)を有する。この動きはタービンのスラストをある程度補償することが起こり得る。このミニＴＬＰは、３本の係留索（１４）が結合したところの海中アンカー・ポイント（１５）が物理的に単体であり得、それはＴＬＰの標準的特徴を持たない他の可能な係留設備と比べて設置時間を削減する点で有利である。

しかし、本発明は、ＴＬＰ式係留設備を用いた使用に限定されないものの、この設備は、広範囲の水深や海底の類型にとって有利な特徴を有する。それは、最短の可能な係留索（垂直の）を特徴づけ、（いくつかの状況では各索がタービンスラスト全体に掛かるのとは対照的に）３本のすべての索がタービンロータースラストに対抗するのに携わる。それはまた、ピボットブイの垂直運動を制限し、それがさらに、提案される実施態様で、自軸に沿ったローターの動きを制限するが、それは風車のパワー安定性にとって有益である。

旋回可能部（４）がヨー軸（２）と直角の二つの軸での小回転を受け易いという事実を踏まえると、ここで弾性体（２２）設備の有用性が明確になる。主要浮体手段（９）間及びピボットブイ（６）に対する距離は相当ある（水面（１２）上のローター／ナセルアセンブリ（５）の高度と同じ桁内）。８０ｍ以上では、前記構造物のピッチ／ロール角度は、過酷な海況でさえ１０°を下回る。適切に設計されていれば、これは弾性体（２２）設備によってとっくに吸収することができる。

本明細書に記載するような、しかし寸法の小さいＦＯＷＴは、穏やかな水域に適しているが、高さ３０ｍを超える波が起こり得る北大西洋のような外洋上では適さない。これらの弾性体の好適な材料は、その優れた機械的特性と防腐食の理由でプリロード(preloaded)天然ゴムであり、それは、道路や鉄道橋を保守の必要無く長年支持するために使用される土木工学の分野では周知である。

ヨー・サブシステムの好ましい実施態様を、図３の詳細図に示す。選択した旋回手段（１７）は、ピボットブイ（６）の上部本体（８）に取り付けられた外輪（１８）を持った複列円錐ころ軸受である。陸上風車のヨー装置及びピッチ設備で一般に使用されるように、同様の特性を有する複列アンギュラコンタクトボールベアリングの使用も可能である。

軸受（１７）の内輪（１９）は、円錐形の内方面を有する二つの円板（２４）にしっかりと接続してもよく、両円板（２４）は、軸受（１７）の内側水平面に対して、一方は軸受（１７）の内輪（１９）の上、そして他の一方は下に対称的に配置される。図３に示すように、弾性体（２２）は、タイルのような形状をしてもよく、円板（２４）の内方円錐面に沿って均等に分配され、内輪（１９）を円板（２４）と結合するボルト連結を閉めるに従って前負荷（preloaded）してもよく、また、調心逆円錐（２１）を弾性体（２２）の内方面間に閉じ込める。

軸受（１７）、円板（２４）、弾性体（２２）及び調心逆円錐（２１）のアセンブリは、別個に組み立ててから、洋上での設置前にピボットブイ（６）の上部本体（８）の下に据付けることができる。設置の間に、この上部本体（８）は、下部本体（７）上に持ち上げられ、下部本体（７）は、あらかじめ組み立て済みであり、そしてミニＴＬＰ構成では、定着部（３）の残りとともに前負荷されている。

この例では、調心円錐（２０）は、かなり豊富な寸法を有する下部本体（７）の一部である。調心円錐の角度は、逆円錐（２１）とのインターロックを回避し、経験する負荷に対処するのに充分な構造的堅牢性を有するように設計され得る。

いくつかの例では、約１５°の円錐角が推奨されるけれども、１０°〜３０°の値も実行可能である。一旦、上部本体（８）が、下部本体（７）の頂部上にだいたい同心に位置決めされると、上部本体（８）を下ろし、弾性体（２２）で衝撃力を吸収しながら円錐（２０）及び逆円錐（２１）を接触させる。上部本体（８）を下降させながら円錐（２）と逆円錐（２１）との間の離隔を閉ざすに従って、アセンブリが自動調心される。

一旦、この連結が閉まると、旋回可能部（４）が定着部（３）にもはやしっかり取り付き、その連結を固定することに取りかかることができる。ここでは、同軸ケーブル（２３）の結合を可能にするために、大型の（特殊ネジＭ２００又はそれ以上のＭＷ設備に要求される）マスターボルト（２５）によってこれを行い、内部をくり抜くことが提案される。このマスターボルト（２５）は、調心円錐（２０）の先端の円筒内方面内に機械加工された雌ネジ内に直接差し込まれ、締めるにつれて調心円錐（２０）を逆円錐（２１）に完全にロックする。これらの間の大きな接触面積とマスターボルト（２５）の締付トルクのため、様々な負荷での荷重経路はマスターボルト（２５）を経る代わりに調心手段（２０，２１）を経ることになり、これは、疲労の観点で非常に都合がよい。

設置工程の間にピボットブイ（６）の上部本体（８）の昇降を制御する手段に関して、一例では、前記上部本体に取り付ける（そして、前記構造を港から搬送するのに役立つ）ように特別に設計されたバージ手段（４１）であって、潜水艦のように、浸水又は渇水可能な内方チャンバー設備によって可変浮体を提供してドラフトを制御可能な前記手段によってそのように行うことが提案される。この種の半没水型バージ（４１）は市場で容易に入手可能であり、上部本体（８）への適切な接合装置あるいはその周りのポンツーンのみが特別に設計される。別法として、下部本体（７）がすでにチャンバー設備を有するので、下部本体（７）を代わりに部分的に水没させることができる。両者の組合せも可能である。

ケーブル捻じれを解放する設備は、利便であろう多重構成を有し得、図４は可能な実施態様を例示として示す。ピボットブイ（６）の上部本体（８）の上部域に引き込み式(retractable)プラグ（２６）が据付けられる。同じ領域に小モータ（２７）が据付けられ、そのモータは、ＦＯＷＴ（１）の同一の垂直ヨー軸（２）周りで回転するウォームホイール（２９）が噛み合うウォーム（２８）に連結される。

電気ケーブル（３０）セクションは、前記ウォームホイールの下側に取り付けられ、垂直下方に例えば少なくとも８ｍ（ＦＯＷＴ（１）が風に従って風見するときにＦＯＷＴ（１）の全２回転が収まるのに充分な距離）延在し、それからマスターボルト（２５）の孔部を通過し、そして同軸ケーブル（２３）に接続する。このようにして、旋回可能部（４）が全２回転（又は鉛直下方のケーブルセクション（３０）の長さに応じてそれ以上）したら、引き込み式プラグ（２６）を物理的に分離し、次いで、モータ（２７）が前記ケーブル（３）を蓄積した捻じれと反対方向へ解放するように駆動し、その後、引き込み式プラグ（２６）を後方へ差し込むことができる。この例に従う設備は、一つの選択肢である回転接続と関連するかなりのエネルギーロスを回避することができる。そして、操作全体が（ナセル全体の極めてゆっくりである回転を要求する）陸上風車での同等物よりも非常に速いことを考慮すると、機械の強制停止に関連するエネルギーロスはより低くなり得る。

ＦＯＷＴ（１）の旋回可能部（４）に設置されるクレーン設備もまた、さまざまな実施態様があり得る。ドライブトレインは、タワー頂部上の代わりにマスト（１０）の頂点（３１）下で構造物に取り付けてもよく、それは、マスト（１０）構造をクレーン構造として使用することを可能にする。

マスト（１０）のトラス構造は、デリック式クレーンのものと似た構成及び特徴を有してよいが、旋回可能部（４）に関して決められたクレーンブームが付属する。

実施例として含む図５は、部材（３２）（この場合はナセル）の仮想的な引き上げ操作を示す。ここでは、マスト（１０）のうちの一本の最後の部分が視覚し易くするために削除されている。ここでは、ピボットブイ（６）に結合するマスト（１０）の頂部にクレーンモータ（３３）が示されるが、デリッククレーンで通常のように、底部に搭載してもよい。リフティングケーブル（３５）を１本の代わりに２本使用することは、負荷の制御をより簡便にする。昇降手段（３９）−すなわち、それ自身のケーブル（３８）を持つリフトやエレベーター−を動かすために同じクレーンモータ（３３）を使用することも提案され、昇降手段は、クレーンモータ（３３）が設置される同じマスト（１０）を通過するが、これは、この極めてパワフルなクレーンモータ（３３）に二重の機能を付与する。

この二重の機能は、同じモータを使用するクラッチを有する、二重機能にとって独立した駆動軸を持つギアボックス手段によって両立する。主要な昇降手段（３９）に加えて、前記構造物は、マスト自体の監視（溶接、塗料等）の目的で、アクセスポイント（４０）を持たないマストに第二の昇降手段を設けることができ、それらの全部がクレーンモータ（３３）と接続されるか又は小さい副次的モータを備える。

図７は、適当な基礎を備えた半没水型パージ（４１）が、すでに設置された株本体（７）の頂部上のピボットブイ（６）の上部本体（８）の位置決めを、雄（内方）及び雌（外方）の調心手段（２０，２１）が、上部本体（７）の下降前に整列するように制御する方法の一例を示す。すでに述べたように、下部本体（７）と上部本体（８）との間の相対移動はまた、特に張力係留浮体プラットホームの場合に、前記下部本体の浮力を制御することにより達成し得る。

この例では、洋上の下部本体と上部本体とを合体させる前に、上部本体（８）は、軸受、すなわち、旋回手段、及び調心手段（この場合、円錐（２０）を受けるのに適した雌カップリング（２１））がプリアセンブルされることが特記される。すなわち、洋上で定着部と合わせようとする設備は、前記構造物の旋回可能部に固定される上部本体（８）の一部及び定着される下部本体（７）の一部を含む。組み立て後、両センタング手段は、前記構造物の定着部（３）の一部を形成する。雌−雄調心手段は、洋上でさえ、定着部（３）の頂部の作業位置に旋回部（４）全体が適切にロックされることを可能にする。

Claims (14)

1. 海底に定着される定着部（３）及び旋回可能部（４）を備えた浮体洋上水平軸風車構造物（１）であって、前記風車構造物（１）は、ピボットブイ（６，９）を含む少なくとも３の浮体手段によって支持され、前記ピボットブイ（６）は、
   前記海底（１３）に定着される下部本体（７）及び前記風車構造物（１）の前記旋回可能部（４）に固定される上部本体（８）、
   前記ピボットブイ（６）の前記下部本体（７）と前記上部本体（８）との間の電気接続、並びに
   前記上部本体（８）を前記下部本体（７）と接続するヨー装置
   を含み、
   ここで前記ヨー装置は、前記上部本体及び下部本体の一方に接続される内輪（１９）並びに前記上部本体及び下部本体の他方に接続される外輪（１８）を含む旋回手段（１７）を含み、そして
   前記内輪及び外輪（１８，１９）は、垂直ヨー軸（２）の周りを互いに回転するように構成され、前記ヨー装置は、前記垂直ヨー軸（２）の周りを回転することによって前記風車構造物（１）の前記旋回可能部（４）を主風向にそろえることを許容するように構成される前記風車構造物（１）において、
   前記ヨー装置は、さらに
   前記ヨー軸（２）と同軸の内方調心手段（２０）及び外方調心手段（２１）、並びに、
   前記内方調心手段（２０）と前記旋回手段の内輪（１９）との間に配置される弾性体（２２）を含み、前記弾性体（２２）は、前記旋回手段（１７）の一側にてメカニカルインタフェースとして機能し、そして前記旋回手段（１７）へ機械負荷を伝達するように構成され、前記定着部（３）と前記旋回可能部（４）との間に前記ヨー軸（２）に対して直角な軸での制限された相対的回転を許容し、そして前記旋回可能部（４）及び前記定着部（３）のアセンブリの洋上設置工程中に起こり得る不可避の衝撃から前記旋回手段（１７）を保護することを特徴とする、前記浮体洋上水平軸風車構造物。
2. 前記ピボットブイ（６）の前記下部本体（７）と前記上部本体（８）との間の電気接続は、前記ヨー軸（２）と同軸である、請求項１に記載の浮体洋上水平軸風車構造物。
3. 前記内方調心手段（２０）は円錐であり、そして前記外方調心手段（２１）は逆円錐である、請求項２に記載の浮体洋上水平軸風車構造物。
4. 前記旋回手段（１７）は軸受であり、前記軸受の内輪（１９）は、円錐形の内方面を有する二つの円板（２４）にしっかりと接続し、両円板（２４）は、前記軸受（１７）の内側水平面に対して、一方は軸受（１７）の内輪（１９）の上、そして他の一方は下に対称的に配置され、弾性体（２２）はタイルのような形状をして、前記円板（２４）の内方円錐面に沿って均等に分配され、そして前記弾性体は、前記内輪（１９）を前記円板（２４）と結合するボルト連結手段によって前負荷され、また、逆円錐からなる前記外方調心手段（２１）を弾性体（２２）の内方面間に閉じ込める、請求項１〜３のいずれかに記載の浮体洋上水平軸風車構造物。
5. 前記弾性体（２２）は、プリロード天然ゴムで作られる、請求項４に記載の浮体洋上水平軸風車構造物。
6. 前記旋回手段（１７）の他側に弾性材の第二の設備を含む、請求項１に記載の浮体洋上水平軸風車構造物。
7. 前記ヨー装置は、前記旋回可能部が風見して主風向にそろうように構成されるパッシブヨー装置である、請求項１〜６のいずれかに記載の浮体洋上水平軸風車構造物。
8. 前記定着部（３）は、浮体式の下部本体（７）及び複数の係留索（１４）を備える張力係留浮体プラットホームを含む、請求項１〜７のいずれかに記載の浮体洋上水平軸風車構造物。
9. 前記ピボットブイ（６）の前記下部本体（７）と前記上部本体（８）との間の前記電気接続は、電気ケーブル（３０）のセクションを含み、このセクションは洋上風力発電装置が生成する電気を伝送し、そして前記ピボットブイ（６）を通過し、前記定着部（３）に対して前記旋回可能部（４）の少なくとも１回転の捻じれに前記ケーブルの捻じれ限界を超えることなく適応するのに充分な長さの軸方向自由長を有する、請求項１〜７のいずれかに記載の浮体洋上水平軸風車構造物。
10. さらに前記電気ケーブル（３０）の接続／断線のための機械的手段（２６）、
    前記電気ケーブル（３０）の一方の端部を回転してその中に蓄積された捻じれを補償することの可能な、モータ（２７）によって駆動される回転手段（２８，２９）、及び、
    前記ピボットブイ（６）の前記下部本体（７）と前記上部本体（８）との間の一定の回転角を測定しておき、前記接続／断線のための機械的手段（２６）を引き抜き、前記回転手段（２８，２９）が前記電気ケーブル（３０）の端部で、測定された前記回転を解くまで前記モータ（２７）を駆動し、ここで前記回転手段は前記ケーブルに蓄積された捻じれを解放するように機能する、そして、その後前記接続／断線のための機械的手段（２６）を後方に差し込む制御装置
    を含む、請求項９に記載の浮体洋上水平軸風車構造物。
11. 前記風車構造物の前記旋回可能部（４）と前記定着部（３）との間に回転電気接続を含む、請求項１〜８のいずれかに記載の浮体洋上水平軸風車構造物。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の浮体洋上水平軸風車構造物の設置方法であって、
    前記ピボットブイ（６）の前記下部本体（７）を定着し、ここで前記下部本体は前記内方調心手段及び前記外方調心手段の一方を携行する、
    前記弾性体（２２）を設置前に地上で前記上部本体（８）の下に設置する、
    前記下部本体（７）の上方に前記上部本体（８）を位置させ、ここで前記上部本体は前記ヨー軸（２）と同軸の前記内方調心手段（２０）及び前記外方調心手段（２１）の他方を携行する、そして、
    前記内方調心手段及び前記外方調心手段が互いに係合するように、前記上部本体（８）及び前記下部本体（７）を相互移動させる
    ことを含む、前記浮体洋上水平軸風車構造物の設置方法。
13. 前記上部本体（８）の位置決め及び前記上部本体（８）の降下は、半没水型バージ（４１）を用いて行われる、請求項１２に記載の浮体洋上水平軸風車構造物の設置方法。
14. 前記下部本体（７）は、張力係留浮体プラットホームを備え、前記下部本体（７）の持ち上げは、前記張力係留浮体プラットホームの浮力を制御することにより行われる、請求項１２又は１３に記載の浮体洋上水平軸風車構造物の設置方法。

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