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特表2024-546298浮体式風力発電用プラットフォームおよび関連する浮体式風力発電用組立品

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-12-19

(54)【発明の名称】浮体式風力発電用プラットフォームおよび関連する浮体式風力発電用組立品

(51)【国際特許分類】

B63B 75/00 20200101AFI20241212BHJP

B63B 35/00 20200101ALI20241212BHJP

B63B 73/40 20200101ALI20241212BHJP

B63B 35/34 20060101ALI20241212BHJP

B63B 73/74 20200101ALI20241212BHJP

F03D 13/25 20160101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

B63B75/00

B63B35/00 T

B63B73/40

B63B35/34 B

B63B73/74

F03D13/25

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024537373

(86)(22)【出願日】2022-12-20

(85)【翻訳文提出日】2024-08-09

(86)【国際出願番号】 EP2022086878

(87)【国際公開番号】W WO2023118064

(87)【国際公開日】2023-06-29

(31)【優先権主張番号】21306868.7

(32)【優先日】2021-12-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522232558

【氏名又は名称】トタルエナジーズワンテク

【氏名又は名称原語表記】ＴＯＴＡＬＥＮＥＲＧＩＥＳＯＮＥＴＥＣＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100080447

【弁理士】

【氏名又は名称】太田恵一

(72)【発明者】

【氏名】ル－ゲネック，ステファンヌ

(72)【発明者】

【氏名】ラボワン，ジャン－クリストフ

【テーマコード（参考）】

3H178

【Ｆターム（参考）】

3H178AA03

3H178AA26

3H178AA43

3H178BB35

3H178CC23

3H178DD61X

3H178DD67Z

(57)【要約】

【課題】タワーの１次固有周期と１Ｐ周波数および３Ｐ周波数それぞれとの間の十分な分離を保証する浮体式風力発電用プラットフォームを、タービンの耐用年数全体にわたって十分な抵抗および完全な状態を提供する。
【解決手段】本発明は、浮体式風力発電用プラットフォームに関しており、該プラットフォームは、水域に設置可能であり、該プラットフォームは、水域に浮遊することができる浮体構造物（２８）、浮体構造物（２８）から突出して主方向（Ｚ）に沿って延びるタワー（３０）を備え、タワー（３０）は、風力タービンナセルを支持することができ、タワー（３０）は、複合材料を含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

浮体式風力発電用プラットフォーム（２０）であって、水域（１２）に設置可能であり、
水域（１２）に浮遊することができる浮体構造物（２８）と、
浮体構造物（２８）から突出して主方向（Ｚ）に沿って延びるタワー（３０）とを備え、
タワー（３０）が、風力タービンナセル（２２）を支持することができ、
タワー（３０）が、複合材料を含む、浮体式風力発電用プラットフォーム。

【請求項2】

前記タワー（３０）が、鋼製の内層（５０）と複合材料製の外層（５２）とを有する、請求項１に記載の浮体式風力発電用プラットフォーム（２０）。

【請求項3】

前記タワー（３０）が、
浮体構造物（２８）に連結する下方部分（５４）と、
風力タービンナセル（２２）を支持することができる上方部分（５６）と、
下方部分（５４）と上方部分（５６）との間に主方向（Ｚ）に沿って配置される中間部分（５８）とを有し、
中間部分（５８）が、複合材料で形成される、請求項１または２に記載の浮体式風力発電用プラットフォーム（２０）。

【請求項4】

前記下方部分（５４）および前記上方部分（５６）が、鋼製である、請求項３に記載の浮体式風力発電用プラットフォーム（２０）。

【請求項5】

前記複合材料が、繊維強化ポリエステル樹脂またはエポキシ樹脂、特にガラス、カーボンナノチューブまたはカーボンファイバーであり、また繊維強化材が任意に、織布もしくは不織布の形態またはバルクファイバーの形態である、請求項１から４のいずれか一つに記載の浮体式風力発電用プラットフォーム（２０）。

【請求項6】

前記浮体構造物（２８）が、浮力要素（３２）と、浮力要素（３２）から突出する移行部分（３４）とを備え、
前記タワー（３０）が、移行部分（３４）に固定される、請求項１から５のいずれか一つに記載の浮体式風力発電用プラットフォーム（２０）。

【請求項7】

前記タワー（３０）が、移行部分（３４）にボルト締めフランジ（４２）を介して固定される、請求項６に記載の浮体式風力発電用プラットフォーム（２０）。

【請求項8】

前記タワー（３０）が、移行部分（３４）にグラウチングされる、請求項６に記載の浮体式風力発電用プラットフォーム（２０）。

【請求項9】

前記移行部分（３４）が、主方向（Ｚ）に沿って、４０ｃｍ～２０ｍに含まれる長さ（Ｈ２）で延びる、請求項６から８のいずれか一つに記載の浮体式風力発電用プラットフォーム（２０）。

【請求項10】

浮体式風力発電用組立品（１０）であって、
請求項１から９のいずれか一つに記載の浮体式風力発電用プラットフォーム（２０）を備え、
プロペラ（２６）に結合した発電機（２４）を備える風力タービンナセル（２２）を備え、
タワー（３０）に固定される風力タービンナセル（２２）を備える、浮体式風力発電用組立品。

【請求項11】

前記発電機（２４）が、１０ＭＷを超える、特に１４ＭＷを超える電力を有する電流を生成することができる、請求項１０に記載の浮体式風力発電用組立品（１０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、浮体式風力発電用プラットフォームに関する。

【0002】

本発明は、また、そのような浮体式風力発電用プラットフォームを備える組立品にも関する。

【背景技術】

【0003】

浮体式風力発電用プラットフォームは、従来、タービンを備えており、タービンはタワーの端部に位置決めされ、タワーそれ自体は、もう一方の端部で、例えば海に浮遊することができる浮体構造物に連結される。
タワーは、通常、十分な抵抗を提供するために鋼で作られる。

【0004】

タービンは、発電機を作動させるために風によって回転することができるプロペラを備える。
プロペラの回転は、特にタワーの前をプロペラのブレードが通過することに起因する周期的な振動を引き起こす。
これらの振動の周波数が組立品の構造的な固有周波数に近づきすぎると、これらの振動が共振の引き金となり共振が維持されるため、この組立品の劣化が加速される可能性がある。

【0005】

浮体式風力発電用プラットフォームを設計する際には、したがって、ハルの加速度とタービンの推力とによって誘発されるタワーの極端な曲げモーメントに耐えるのに十分な強度性能を維持しつつ、タワーの共振現象を低減するために浮体構造物およびタワー構造物の設計を調整することが不可欠である。

【0006】

タワーは、通常、いわゆる１Ｐ周波数（ローターの１回転に対応する）といわゆる３Ｐ周波数（各ブレードがタワーを通過することに対応する）との間に１次固有モードを持つように設計される。
設計プロセスでは、通常、共振現象を軽減するために、タワーの１次固有周期と３Ｐ周波数との間に少なくとも１０％が要求される。

【0007】

しかしながら、陸上風力タービンと比較して、風力タービンが水上に設置されるとタワーの固有周期が長くなり３Ｐ振動周波数に近づくため、共振現象が生じ、その結果タワーで大きな疲労損傷が発生する。

【0008】

そのうえ、産業界においてタービンが大型化し、例えば１４ＭＷを超える電力を供給するようになると、浸食を軽減し超音速流を避けるためブレードの先端での相対風速を制限するために、回転速度が低下する。
このような回転速度の低下は、３Ｐ周波数を下げるため、組立品設計と上記１０％の基準への準拠とをさらに難易度の高いものとし、組立品設計の最適化の可能性を制限する。

【0009】

タワーの固有周波数を下げるために、タワーの剛性を下げることが検討されてきた。
しかしながら、タワーの直径や肉厚を調整することでタワーの剛性を下げることは、極限の状況下で要求される強度性能のためにいくらかの限界がある。

【0010】

仏国特許出願公開第３０９８５５５号明細書は、タワーとハルとの間にエラストマーパッド減衰システムを使用することを提案している。
しかしながら、このようなシステムは非常に複雑で、実装には費用がかかる。
特に、提案されている接続部分は、高価であることが知られている巨大な鋼の鋳造品を使用することになる。
現在に至るまで、このようなシステムは、これらの制限のために、実際の洋上風力タービンの現場で実装されたことはない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】仏国特許出願公開第３０９８５５５号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明の目的のうちの１つは、したがって、タワーの１次固有周期と１Ｐ周波数および３Ｐ周波数それぞれとの間の十分な分離を保証する浮体式風力発電用プラットフォームを、タービンの耐用年数全体にわたって十分な抵抗および完全な状態を提供し、かつ費用効率が良くありながら、提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

この目的のために、本発明は、水域に設置可能な浮体式風力発電用プラットフォームに関しており、該プラットフォームは、水域に浮遊することができる浮体構造物と、浮体構造物から突出して主方向に沿って延びるタワーとを備え、タワーは風力タービンナセルを支持することができ、タワーは、複合材料を含む。

【発明の効果】

【0014】

実際に、これらの特徴を利用して、鋼のみの代わりに複合材料を含むタワーにより、タワーの固有周期を許容値まで低減することが可能となる。
実際に、複合材料は、同等の強度性能の鋼と比べて６分の１の剛性を有することができる。
特に、タワーにおける複合材料の場所および量を調整することにより、プラットフォームの全体設計や、固有周期に影響を与える可能性のある外部条件に応じて、タワーの固有周期を低減することができる。
そのうえ、複合材料のこのタワーは、製造が簡単であり、浮体構造物との接続部分が単純化される。
本発明は、したがって、共振問題に対する費用対効果の高い解決案を提供する。

【0015】

本発明によるプラットフォームは、単独で、もしくは技術的に実現可能な任意の組み合わせにしたがって選ばれる、以下の特徴のうちの１つまたは複数を有する。
－タワーは、鋼製の内層と複合材料製の外層とを有する、
－タワーは、浮体構造物に連結する下方部分と、風力タービンナセルを支持することができる上方部分と、下方部分と上方部分との間に主方向に沿って配置される中間部分とを有し、中間部分は、複合材料で形成される、
－下方部分および上方部分は、鋼製である、
－複合材料は、繊維強化ポリエステル樹脂またはエポキシ樹脂、特に、グラスファイバー、カーボンナノチューブまたはカーボンファイバーであり、これは任意で織布もしくは不織布またはバルクファイバーの形態である、
－複合材料は、紫外線放射および/または塩水のような環境からの劣化を防ぐために、塗料でコーティングすることができる、
－浮体構造物は、浮体と、浮体から突出する移行部分とを備え、タワーは、移行部分に固定される、
－タワーは、移行部分にボルト締めフランジを介して固定される、
－タワーは、移行部分にグラウチングされる、
－移行部分は、主方向に沿って、４０ｃｍ～２０ｍに含まれる長さで延びる。

【0016】

本発明は、さらに、組立品に関しており、該組立品は、上に定義されたような浮体式風力発電用プラットフォームと、プロペラに結合した発電機を備える風力タービンナセルとを備え、風力タービンナセルは、タワーの上方部分に固定される。

【0017】

いくつかの実施形態によると、発電機は、１０ＭＷを超える、特に１４ＭＷを超える電力を有する電流を生成することができる。

【0018】

本発明は、以下のような添付の図面を参照して成される、単に一例として与えられる、以下の説明を読むことによってより良く理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明による浮体式風力発電用プラットフォームを備えた浮体式風力発電用組立品の概略図であり、浮体式風力発電用プラットフォームは、浮体構造物とタワーとを備えている。

【図2】図１の浮体式風力発電用プラットフォームの、一実施形態による部分断面図である。

【図3】図１の浮体式風力発電用プラットフォームの、別の実施形態による部分断面図である。

【図4】図１のタワーの、第１の実施形態による水平断面図である。

【図5】図１のタワーの、第２の実施形態による斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

浮体式風力発電用組立品１０が、図１に示されている。

【0021】

浮体式風力発電用組立品１０は、水域１２に設置されることができる。

【0022】

具体的には、水域１２は、例えば海である。
水域１２は、海底１４上にある。
当業者は、水域１２が湖であるならば、海底１４がそのとき、湖の底となることを理解するであろう。

【0023】

図１で見ることができるように、水域１２は、垂直方向に従って、５０ｍ～１５００ｍに含まれる水深Ｄを有する。

【0024】

具体的には、浮体式風力発電用組立品１０は、海底１４に係留されることができる。
このために、浮体式風力発電用組立品１０は、少なくとも１本の係留索１６、有利には３本の係留索１６を介して、海底１４に取り付けられることができる。

【0025】

浮体式風力発電用組立品１０は、浮体式風力発電用プラットフォーム２０と風力タービンナセル２２とを備える。

【0026】

風力タービンナセル２２は、プロペラ２６に結合した発電機２４を備える。

【0027】

浮体式風力発電用組立品１０が、稼働拠点の海底１４に係留されているとき、プロペラ２６は、発電機２４を作動させるために回転するように設定されており、発電機はそのとき電気を作り出す。

【0028】

発電機２４は、１０ＭＷを超える、特に１４ＭＷを超える電力を有する電流を生成することができる。

【0029】

図１で示されているように、浮体式風力発電用プラットフォーム２０は、浮体構造物２８と、浮体構造物２８から突出するタワー３０とを備える。

【0030】

タワー３０は、主方向Ｚに沿って延びる。
主方向Ｚは、浮力要素３２が水域１２に配置されているとき、ほぼ垂直である。

【0031】

浮体構造物２８は、水域１２に浮遊することができる。

【0032】

浮体構造物２８は、浮力要素３２を備える。

【0033】

浮力要素３２は、ここでは、ビームで相互に連結した３本の安定カラム３３を備えている。
しかしながら、浮力要素３２は、２本の安定カラム３３を備えていてもよいし、３本より多い安定カラム３３を備えていてもよい。
浮力要素３２は、また、水域１２に浮遊してタワー３０を支持することができる任意のタイプの浮体式システムであってもよい。

【0034】

浮体構造物２８は、さらに、有利には、移行部分３４を備える。

【0035】

移行部分３４は、浮力要素３２から突出している。

【0036】

具体的には、浮力要素３２は、浮力要素３２が水域１２に配置されているとき、上面３６を呈する。
移行部分３４は、そのとき、上面３６から上向きに、主方向Ｚに沿って突出している。

【0037】

移行部分３４は、円筒形の形状または円錐台形の形状を呈している。

【0038】

移行部分３４は、有利には鋼製である。

【0039】

移行部分３４は、主方向Ｚに沿って、有利には４０ｃｍ～２０ｍに含まれる長さＨ２で延びている。

【0040】

タワー３０は、浮体構造物２８から、主方向Ｚに沿って突出している。

【0041】

図２で示されているように、タワー３０は、浮体構造物２８の移行部分３４から、主方向Ｚに沿って突出している。

【0042】

表示されていない一変形例において、浮体構造物２８には移行部分がなく、タワー３０は、浮力要素３２から直接突出している。

【0043】

タワー３０は、主方向Ｚに沿って、８０ｍ～１５０ｍに含まれる全長Ｈ１で延びている。
例えば、発電機２４が１０ＭＷの電力を提供する場合、全長Ｈ１は、典型的には９５ｍに等しい。
発電機２４が１５ＭＷの電力を提供する場合、全長Ｈ１は、典型的には１２５ｍに等しい。
発電機２４が２０ＭＷの電力を提供する場合、全長Ｈ１は、典型的には１３５ｍに等しい。

【0044】

タワー３０は、円筒形の形状または円錐台形の形状を呈する。

【0045】

図２で示されているように、タワー３０は、有利には、ボルト締めフランジ４２を介して移行部分３４に固定される。

【0046】

タワー３０および移行部分３４は、軸方向に連続する２つの構成部品を形成する。
それぞれの部品は、円形の円盤形状のフランジを呈している。
ボルト孔は、各円形の円盤形状のフランジに配置され、好ましくはフランジの周囲に規則的な間隔をあけて配置される。
２つの円形の円盤形状のフランジは、互いに向かい合い、孔を通るボルトは、２つの部品３０、３４を共に固定し、ボルトはナットと連結している。

【0047】

ボルトおよびナットは、任意にステンレス鋼または有利には複合材料で作られる。
有利には、ボルトおよびナットは、タワー３０と同じ材料で作られる。

【0048】

図３で示されているように、一変形例において、タワー３０は、移行部分３４にグラウチングされる。
具体的には、タワー３０は、クランプ形状の端部を呈しており、移行部分３４上でのクランプ形状の端部の変形によって移行部分３４と組み立てられる。

【0049】

タワー３０は、主方向Ｚに沿って、移行部分３４の延長部分に延びる。

【0050】

すなわち、タワー３０と移行部分３４との間には、主方向Ｚに沿って、滑らかな連結があり、不連続がない。

【0051】

タワー３０は、複合材料を含む。

【0052】

有利には、タワー３０は、完全に、複合材料で作られる。

【0053】

複合材料は、少なくとも２つの混和しない成分の集合体であるが、高い浸透能力を有する。
異なる成分の特性は互いに補完し合うので、こうして形成された新しい不均質材料は、成分が独自では持たない特性を示す。

【0054】

構造用複合材料は、一般に、強化材とマトリックスとで構成される。
強化材は、有利には繊維状またはフィラメント状であり、本質的な機械的特性を提供する。

【0055】

マトリックスは、強化材を環境から保護し、強化材をその初期位置に維持し、力の伝達を確実にするバインダーとして機能する。
複合材料は、そのマトリックスの性質によって、有機マトリックス複合材料、セラミックマトリックス複合材料または金属マトリックス複合材料に分類することができる。

【0056】

本発明において、複合材料は、好ましくは、無機強化材をコーティングしている有機マトリックスを有している。
有機マトリックスは、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステルまたはエポキシ樹脂のような高分子材料である。
有機マトリックスは、好ましくは、エポキシ樹脂およびポリエステル樹脂の中から選択される。
強化材は、繊維の形態の無機材料である。
好適な強化材は、短繊維または長繊維のグラスファイバー、カーボンナノチューブおよび／またはカーボンファイバーを含む。

【0057】

有利には、複合材料は、ポリエステルおよびガラスで作られる。

【0058】

一変形例において、複合材料は、有利には、エポキシおよびガラスで作られる。

【0059】

図４に示されている、タワー３０の第１の実施形態において、タワー３０は、内層５０と外層５２とを有している。

【0060】

内層５０は、タワー３０の内側に面しており、外層５２は、タワー３０の外側に面している。

【0061】

内層５０および外層５２は、主方向Ｚに沿って、タワーの全長Ｈ１で延びている。

【0062】

内層５０は、鋼製である。

【0063】

外層５２は、複合材料製である。

【0064】

外層５２は、有利には、単一材料で作られる。

【0065】

単一材料は、有利には、繊維強化ポリエステル、特にガラスまたはカーボンファイバーである。

【0066】

内層５０の幅と外層５２の幅は、タワー３０の固有周期を１Ｐ周波数と３Ｐ周波数との間の目標値まで低減するように調整することができる。

【0067】

外層５２が内層５０に対して相対的に大きいほど、タワー３０の固有周期は短くなる。

【0068】

有利には、外層５２の幅は、タワーの高さに沿って一定ではない。
外層５２の幅の違いにより、タワー３０の固有周期のチューニングをさらに向上させることができる。

【0069】

図５に示されている、タワー３０の第２の実施形態において、タワー３０は、浮体構造物２８に連結する下方部分５４と、風力タービンナセル２２を支持することができる上方部分５６と、下方部分５４と上方部分５６との間に主方向Ｚに沿って配置される中間部分５８とを有している。

【0070】

中間部分５８は、複合材料で形成されている。

【0071】

有利には、下方部分５４および上方部分５６は、鋼製である。

【0072】

中間部分５８の高さは、タワー３０の固有周期を、１Ｐ周波数と３Ｐ周波数との間の目標値まで低減するように調整される。

【0073】

中間部分５８が長いほど、タワー３０の固有周期は短くなる。

【0074】

そのうえ、中間部分５８は、好ましくは、タワー３０の下方部分に配置される。
言い換えれば、下方部分５４は、上方部分５６よりも高さが低い。

【0075】

中間部分５８は、有利には、単一材料で作られている。

【0076】

したがって、中間部分５８は、複合材料に加えて、他の材料や機械部品がない。
中間部分５８は、上方部分５６と下方部分５４との間に配置された複合材料を有するだけである。

【0077】

単一材料は、有利には、繊維強化ポリエステル樹脂またはエポキシ樹脂、特に、ガラス、カーボンナノチューブまたはカーボンファイバーである。
繊維強化材は任意に、織布もしくは不織布またはバルクファイバーの形態である。

【0078】

単一材料は、任意に、環境、特に紫外線放射および/または塩水からの劣化を防ぐために、塗料でコーティングされる。

【0079】

第３の実施形態では、第１および第２の実施形態が組み合わされる。

【0080】

タワー３０は、その場合、鋼製の内層と複合材料製の外層とを備える中間部分５８を有する。

【0081】

固有周期は、この場合、一方では内層の幅および外層の幅、他方では中間部品５８の高さ、の両方を適合させることによって調整される。

【0082】

中間部分５８の高さは、有利には、タワーの全長Ｈ１の少なくとも１５％、特にタワーの全長Ｈ１の少なくとも３０％である。

【0083】

従来、タワー３０は、鋼製のみである。
しかし、上で説明したように、従来の鋼製タワーでは、タワー３０の１次固有周期が３Ｐ周波数に近づきすぎる。

【0084】

複合材料は、同等の強度性能の鋼と比べて６分の１の剛性を有することができる。

【0085】

本発明により、タワー３０に剛性の低い部分を配置することが可能となり、タワー３０の複合材料の量を調整することにより、固有周波数の観点から目標に到達し、共振現象、ひいては疲労損傷を軽減することが可能になる。

【0086】

複合材料は、また、組立品１０に追加の構造減衰を提供することも可能にする。

【0087】

そのうえ、複合材料は、タワー３０の腐食の問題を回避する。

【0088】

しかしながら、特に、紫外線放射および／または海洋や塩湖などの塩水から複合材料を保護するために、タワー３０にコーティングを施すことができる。

【0089】

本発明が多くの利点を有することは、明白であるように見受けられる。

【0090】

具体的には、上で説明したように、本発明により、１Ｐ周波数と３Ｐ周波数とから十分に離れた１次固有周期を有する浮体式風力発電用プラットフォームを提供することが可能となる。

【0091】

具体的には、複合材料を含むタワー３０により、タワーの固有周期を許容値まで低減することが可能となる。

【0092】

複合材料は、鋼よりも剛性が低いため、複合材料の量は、プラットフォーム１０の全体設計や、タワー３０の固有周期に影響を与える可能性のある外部条件に応じて、タワー３０の固有周期を低減するように調整することができる。

【0093】

そのうえ、本発明は、浮体式風力発電用組立品１０の耐用年数全体にわたって、十分な抵抗および完全な状態を保証する。

【0094】

最後に、複合材料のこのタワー３０は、製造が簡単であり、浮体構造物２８との接続部分が単純化される。

【0095】

本発明は、したがって、共振現象に対する費用対効果の高い解決案を提供する。

【符号の説明】

【0096】

１０浮体式風力発電用組立品
１２水域
１４海底
１６係留索
２０浮体式風力発電用プラットフォーム
２２風力タービンナセル
２４発電機
２６プロペラ
２８浮体構造物
３０タワー
３２浮力要素
３３安定カラム
３４移行部分
３６上面
４２ボルト締めフランジ
５０内層
５２外層
５４下方部分
５６上方部分
５８中間部分

【図1】