JP2019533115A - ダクト付き風力タービンおよび支持プラットフォーム - Google Patents

Abstract

本発明は、中を通り抜ける空気から運動エネルギーを取り出すタービンロータアセンブリを有するダクト付き風力タービンに関する。ロータアセンブリは、ロータ先端部スイープ円周を画定する最外端部にロータ先端部を有する複数の回転羽根を含む。ダクトアセンブリが前記ロータ先端部スイープ円周を少なくとも部分的に囲い、基底プラットフォームがダクト付き風力タービンを支持する。風向の変化に応じてタービンロータアセンブリを中心にしてダクトアセンブリが風見をするように、ダクトアセンブリが風見軸受機構によって基底プラットフォーム上に搭載される。ダクト付き風力タービンに付属する、半潜水式支持プラットフォーム、波動エネルギー取込装置、ねじれ軸受機序および格子造り風力タービンタワーも提供される。【選択図】図１Ａ

Description

本発明はダクト付き風力タービンに関し、特に洋上環境で用いる浮動ダクト付き風力タービンに関するが、これに限るものではない。ダクト付き風力タービンと一緒または別個に用いる半潜水式支持プラットフォーム、波動エネルギー取込装置およびねじれ支持軸受についても説明する。

近年、風力タービン等の再生可能エネルギー源によって発電される電力に対する需要が高まっている。結果としてそのようなタービンの効率性がますます求められるため、羽根をより長くしたタービンが開発されるようになってきている。例えば、羽根の長さが８０メートルを超え、それに伴い約８ＭＷの発電能力を有する風力タービンが存在する。

しかし、そのようなタービンのサイズおよび発電能力を大きくし続けることはできないというのが一般的な認識である。これは、そのようなタービンのサイズおよび発電能力をゆくゆくは実際に制限することになる数々の要因があるためである。例えば、材料工学では、そのような大型構造物にかかる空力、動的、静的な力に耐え得る材料を引き続き得られないかもしれない。社会政治的な圧力により、そのような大型タービンの建設が不可能になるかもしれない。また、他の物流や製造に関する事情によって、そのような構造物は実現不可能になったり、高額になりすぎたりするおそれもある。

これらの問題等に対応することを目的に、洋上の風力、波力、潮流力タービンが開発されてきたが、そのようなタービンの多くは、発電寿命のあいだに遭遇するであろう固有の厳しい環境条件を耐え抜く見込みが低い。実際、そのような装置で電力の大部分を発電し得るのは振幅最大波および最強風であるが、既知のシステムの多くはそのような状況のあいだ、損傷を免れるために停止、待機、または固定させておかなければならない。

本発明の第１の態様によれば、
中を通り抜ける空気から運動エネルギーを取り出すように適合され、ロータ先端部スイープ円周を画定する最外端部にロータ先端部を有する複数の回転羽根を備える少なくとも１つのタービンロータアセンブリと、
前記ロータ先端部スイープ円周を少なくとも部分的に囲うダクトアセンブリと、
ダクト付き風力タービンを支持するように適合された基底プラットフォームと
を備えるダクト付き風力タービンであって、
風向の変化に応じてタービンロータアセンブリを中心にしてダクトアセンブリが風の方向を向く（風見をする）ように、ダクトアセンブリが風見軸受機構によって基底プラットフォーム上に搭載される、ダクト付き風力タービンが提供される。

ダクト付き風力タービンは、水上で浮動するための基底プラットフォームを備えてもよい。前記基底プラットフォームは半潜水式基底プラットフォームを備えてもよい。

ダクト運搬流路を風力タービンアセンブリのダクト運搬吸気口とダクト運搬排気口との間に設けてもよく、ダクト運搬吸気口およびダクト運搬排気口はそれぞれ前後軸を有する。ダクト運搬吸気口およびダクト運搬排気口は、それぞれの前後軸が略平行でありながら垂直または横にずらして配置されてもよい。また、ダクト運搬吸気口およびダクト運搬排気口は、それぞれの前後軸がリダイレクト角度αで交差するように配置されてもよい。

リダイレクト角度αは約９０〜１７０度であってもよい。

風力タービンを通る空気の圧縮または膨張を極力抑えるため、ダクト運搬吸気口およびダクト運搬排気口の面積は互いに略等しくてもよい。

タービンを通る空気のラム効果を生むため、ダクト運搬吸気口の面積はダクト運搬排気口の面積より大きくてもよい。

タービンを通る空気のディフューザ効果を生むため、ダクト運搬吸気口の面積はダクト運搬排気口の面積より小さくてもよい。

ダクト運搬吸気口およびダクト運搬排気口は、円形、卵型または方形の部分を備えてもよい。

ダクト運搬流路は、ダクト運搬流路を通ってタービンロータアセンブリへ気流を導くように適合された少なくとも１つの案内羽根機構を備えてもよい。

タービンロータアセンブリの複数のタービンロータは、一方の方向に回転する一次組のロータと、反対方向に回転する二次組のロータとが得られるように、２組の同軸反転ハブ上に組み立てられてもよい。

エネルギー損失を極力抑えて中で気流が円滑に流れやすくなるように、ダクト運搬流路の内部表面を空力的に最適化してもよい。

タービン全体の気流とエネルギーの取り込みを助けるため、気流を強め、ダクト運搬排気口内を低圧化し、タービン排気口からの排気の流れに勢いをつけるとともに、構造負荷とタービン上および半潜水式基底プラットフォーム上の空力的攪流とを極力抑えるためにダクト運搬流路の外側表面を空力的に最適化してもよい。

前記風見運動を容易にするため、ダクト付き風力タービンと一体化している、または分離しているものの接続されている垂直安定化テールを風力タービン機構に設けてもよい。テールは可動制御面および／またはトリムタブを備えてもよい。

半潜水式基底プラットフォームは、下向きに延在する複数の不連続浮動部材を有する三角翼形機構を備えてもよい。

半潜水式基底プラットフォームは４つの不連続浮動部材を備えてもよく、前方浮動部材が１つ、後方浮動部材が１つ、側方浮動部材が２つ得られるようにそれぞれが半潜水式基底プラットフォームの各角部に、または各角部に向けて設けられる。

得られる支持の安定性を最大化するために、水面におけるハル断面積が小さい支持支柱によって半潜水式プラットフォームに取り付けられた下側浮動部材を、不連続浮動部材のそれぞれが備えてもよい。

使用中、タービンロータアセンブリを中心にしてダクトアセンブリが風見をするように、風見軸受機構は、風力タービン機構と半潜水式基底プラットフォームとの間に略円形の耐力板とそれに対応する略円形の凹部とを備えてもよい。

卓越風方向の動きに応じて半潜水式基底プラットフォームに対してダクトアセンブリが負荷状態で回転運動しやすいように、風見軸受機構に摩擦低減手段をさらに設けてもよい。

各波動エネルギー吸収体の一端が基底プラットフォームによって直接的または間接的に支持され、他端が水との浮揚接触によって支持されるように、複数の波動エネルギー吸収体が半潜水式基底プラットフォーム上の取付位置から水に向かって延在してもよい。

前記波動エネルギー吸収体は、タービン機構の両側において半潜水式基底プラットフォームの後縁から後方へ延在してもよい。

使用中、風力タービン機構を通りすぎる波が連続的に、一番前の波動エネルギー吸収体から一番後ろの波動エネルギー吸収体に順々に干渉するように、波動エネルギー吸収体の前記取付位置が半潜水式プラットフォーム上で後方へ連続的に配置されてもよい。

水と浮揚干渉するように、波動エネルギー吸収体にエネルギー浮動モジュールを設けてもよい。

エネルギー浮動モジュールは、波動エネルギー吸収体の構造アームの末端に設けられた略半球状の浮動部材を備えてもよい。

エネルギー浮動モジュールは複合張殻構造アーム浮動チャンバを備えてもよい。

第１回転可能部材と、第１回転可能部材と回転可能に連通する第２回転可能部材と、回転部材のうちの少なくとも１つが他方の回転可能部材に対して回転させられたとき、その動きに対するねじり抵抗が前記回転可能部材間に生じるように、第１回転可能部材と第２回転可能部材との間に設けられたねじり抵抗手段とを備えるねじれ軸受機構によって波動エネルギー吸収体が半潜水式プラットフォームに取り付けられてもよい。

少なくとも１つの水力タービン機構が半潜水式プラットフォームによって水面下で支持されてもよい。

タービンロータアセンブリ内の空気の流れを良くするように適合されたディフューザ機構を設けてもよい。

本発明の第２の態様によれば、
物品、機械、建物、機器またはその他の物品が上に設置され得る上側支持デッキと、
複数の下側不連続浮動部材と、
支持デッキの各角部からそれぞれ対応する浮動部材へ延在し、上側支持デッキが受ける支持の安定性を最大化するために、断面積を浮動部材の断面積と比較して小さくした複数の対応支持支柱と、
支持プラットフォームが固定機構を中心にして風見をすることができ、前方浮動部材を１つ、後方浮動部材を１つ、側方浮動部材を２つ構築できるように、支持デッキの先端角部に設けられた固定機構と
を備える半潜水式支持プラットフォームが提供される。

卓越風方向の変化に応じてダクトアセンブリが半潜水式基底プラットフォームに対して風見をするように、風見軸受機構を設けてもよい。

風力タービンアセンブリはダクト付き風力タービンを備えてもよい。

風力タービンアセンブリは、ダクト運搬流路が風力タービンアセンブリのダクト運搬吸気口とダクト運搬排気口との間に設けられたダクト付き風力タービンを備えてもよく、ダクト運搬吸気口およびダクト運搬排気口はそれぞれ前後軸を有する。ダクト運搬吸気口およびダクト運搬排気口は、それぞれの前後軸が略平行でありながら垂直または横にずらして配置されてもよい。また、ダクト運搬吸気口およびダクト運搬排気口は、それぞれの前後軸がリダイレクト角度αで交差するように配置されてもよい。

リダイレクト角度αは約９０〜１７０度であってもよい。

原子炉施設の設置に上側支持デッキを適合してもよい。

上側支持デッキは三角翼形機構を備えてもよい。

各波動エネルギー吸収体の一端が基底プラットフォームによって直接的または間接的に支持され、他端が水との浮揚接触によって支持されるように、半潜水式基底プラットフォーム上の取付位置から水に向かって延在する複数の波動エネルギー吸収体を設けてもよい。

半潜水式プラットフォームによって水面下で支持される少なくとも１つの水力タービン機構が設けられてもよい。

本発明の第３の態様によれば、
波動エネルギー取込装置用の取付旋回位置を与える支持プラットフォームと、
支持プラットフォームに取り付けられ、通過波に応じて前記旋回位置を中心に回転するように前記通過波と浮揚干渉するための張殻構造浮揚浮体を備える長尺アーム部材と
を備える波動エネルギー取込装置が提供される。

本発明の第４の態様によれば、
第１回転可能部材と、
第１回転可能部材と回転可能に連通する第２回転可能部材と、
回転部材のうちの少なくとも１つが他方の回転可能部材に対して回転させられたとき、その動きに対するねじり抵抗が前記回転可能部材間に生じるように、第１回転可能部材と第２回転可能部材との間に設けられたねじり抵抗手段と
を備えるねじれ軸受機序が提供される。

ねじり抵抗部材は、金属または非金属の棒を備えてもよい。

第１回転可能部材と第２回転可能部材とが相対的に回転するあいだ前記部材を構造的に支持するために、前記部材間に補助の略非ねじれの支持部材を設けてもよい。

本発明の第５の態様によれば、
外周面と、
対応内周面と、
外周面と内周面との間に設けられた複数の交差筋違構造部材と
を備える格子造り風力タービンタワーが提供される。

外周面および／または内周面は、複数の曲線状または直線状の構造筋違部材を備えてもよい。

格子造りタービンタワーは、格子造りの構造筋違部材の上および間に設けられた空力カバーを備えてもよい。

本発明の更なる特徴および利点は、特許請求の範囲および下記の説明から明らかになる。

本発明の実施形態は、以下の図面を参照しながら例示によってのみ説明される。
本発明の第１実施形態に係る、付属の半潜水式プラットフォームに搭載されたダクト付き風力タービンの概略透視側面図である。 別の連結浮動ハル機構の横向きの概略図である。 本発明の第２実施形態に係る、浮動ダクト付き風力タービンの概略透視側面図である。 本発明の第１実施形態に係る、付属の半潜水式プラットフォームに搭載されたダクト付き風力タービンの概略透視側面図である。 図１Ａおよび図２のタービンの概略平面図である。 別の形状をした支持プラットフォームおよび浮動機構の例の概略平面図である。 別の形状をした支持プラットフォームおよび浮動機構の例の概略平面図である。 図１Ａおよび図２のタービンの横部分断面概略図である。 図１Ｃのタービンの横部分断面概略図である。 図１Ａおよび図２のタービンのタービン羽根、ハブおよび内部タワー機構のより詳細な概略図である。 内部タワープロファイルの断面が狭くなっている、別の実施形態のタービンのより詳細な概略図である。 図５および図６の鉄道車両車軸および付属のレールのより詳細な概略前面図である。 図７Ａの機構の平面概略図である。 ２つの例示のタービン羽根構成が取り付けられた別の実施形態に係るタービンタワーを表す概略平面図である。 図８Ａのタービンタワーの一部を表す概略透視図である。 図８Ａのタービンタワーの上部をより詳細に表す概略透視図である。 ねじれ軸受機構に取り付けられた別の波動エネルギー吸収体の下方透視概略図である。 図９Ａのねじれ軸受機構のより詳細な図である。 波動エネルギー吸収体の動作の基本原理を表す概略図である。 １対の追加の傾斜軸水力タービン機構が後縁から延在している、図３の機構の透視図である。 傾斜軸水力タービン機構および付属の構成部品のより詳細な平面概略図である。 図１２Ａに表された機構の横向きの概略図である。

特に図１から図３を参照すると、全体として１０で示される洋上風力発電モジュールは、全体として１４で示される半潜水式プラットフォーム（ＳＳＰ）上に搭載された、全体として１２で示される浮動ダクト付き風力タービン（ＤＷＴ）を備える。

ＤＷＴ１２はカーブをつけて成形された外側カウル１６を備えており、内側に空力的カーブをつけることでエネルギー損失を極力抑えて、中での気流の円滑な流れを助け、外側に空気的カーブをつけることで構造負荷とＤＷＴ１２上およびそれが上に搭載されるＳＳＰ１４上の空力的攪流とを極力抑えている。カウル１６の下流は、カウル１６から付属の垂直安定板２０に向かって先細になった中間尾翼部１８となっている。

カウル１６、尾翼１８およびテール２０の部分を形成するのに、いくつかの種類および様態の材料が利用可能であるが、例として帆布、ガラス繊維、測地構造等が挙げられる。

外側カウル１６は、その使用前端の方形部吸気ダクト２２から上部表面の円形部排気ダクト２４に向かって徐々に空力的に先細になっている。中心を外れた突風にあたったときにそれが中に入りやすいように、吸気口２２に隣接したカウル１６の側壁に先細の切り欠き（図示せず）を設けてもよい。図４に表されているように、吸気ダクト２２には前後軸Ｌ１が設けられ、排気ダクト２４には前後軸Ｌ２が設けられる。吸気ダクト２２に隣接した方形の部分から排気ダクト２４に隣接した円形の部分に沿うように、カウル１６は２つの軸Ｌ１とＬ２との間の角度であるリダイレクト角度α（図４）にわたって向きを変える。図示された実施形態において、このリダイレクト角度αは約１００度であるが、要求仕様によってはそれよりはるかに小さくても大きくてもよい。

図２および図４Ａに最もよく表されているように、カウル１６の内部には、水平方向に並べられた気流案内羽根２６の列と、中央の垂直配置された気流バッフル２８とがさらに備わっている。

特に図４Ａを参照すると、ＤＷＴ１２の内部には主空気ダクト２５が設けられ、中を通る空気の流れを同じように導くために、案内羽根２６が吸気口前後軸Ｌ１から排気口前後軸Ｌ２に向かって徐々に湾曲している。円滑な空気の流れを促し、排気口２４に向かって空気が均一に分散し易くなるように、案内羽根２６同士の間の垂直方向離隔距離も同様に吸気ダクト２２から排気ダクト２４に向かって進むにしたがい徐々に広がっている。装置の効率を最大化するため、ＤＷＴ排気口２４から排出される気流と好適に干渉するように、ＤＷＴ排気口２４上の適切な距離を隔てた位置に（図４Ａの領域Ｄに線Ｆで示されているように）ディフューザ翼２７を任意選択で設けてもよい。太陽エネルギーからさらにエネルギーを取り込めるように、要望に応じて、ディフューザ翼２７の上面に光電池アレイを設けてもよい。

二重反転タービンアセンブリ（ＣＲＴＡ）３０が主空気ダクト２５内へ突出している。図５を参照すると、ＣＲＴＡ３０は、互いに反転するように配置された一次組のタービン羽根３２と二次組のタービン羽根３４とを備えている。一次羽根３２は一次タワー３６上に搭載され、二次羽根３４は一次タワー３６によって同軸上に囲われた二次タワー３８上に搭載される（図５では図解のために一次タワーおよび二次タワーは部分切取内部図で表されている）。図５の羽根の向きの場合、ＤＷＴ１２を通る気流Ａを受けると、一次羽根は（上から見て）時計回り方向に回転し、二次羽根は（上から見て）反時計回り方向に回転するが、これらの方向は羽根を所望の向きにすることにより変化させることができる。さらに、要望に応じて、アクティブ羽根ピッチ調整機構を利用してもよい。

図６を参照すると、別の実施形態において、ＤＷＴ１２内で矢印Ａ１で示されるように流れが動的に変化するように、ＣＲＴＡ３０またはその近傍における主空気ダクト２５の断面が狭くなった部分を含んでもよい。

図５および図６で表される実施形態において、一次組の羽根３２と二次組の羽根３４は、それぞれのタワー３６、３８上に回転自在に取り付けられてはいない。かわりに、羽根３２、３４はそれぞれのタワー３６、３８上に強固に固定され、タワー３６およびタワー３８はパワーデッキモジュール４０でそれぞれの土台に回転自在に取り付けられている。しかし、別の実施形態では、必要に応じてタワーの頂上でタービン羽根と同じ高さに（後述する）軸受および発電機を設置することにより、上記とは逆にすることも可能である。

図５および図６で表される実施形態において、タワー３６およびタワー３８は、外側断面が円形となるように配置された湾曲部材を有する格子造り立体骨格構造を備えるが、他の構造を適宜利用してもよい。

図８Ａを参照すると、別の実施形態において、タービンタワー１３６（一次タービンタワーであっても二次タービンタワーであってもよい）が多面格子造り立体骨格構造を備える。図示された実施形態において、当該構造の断面は六角形として表されているが、タワーに必要な３６０度構成を形成するための直線の辺の数はいくつでもよい。格子造りのそれぞれの目は、外面支柱１３６Ａと内面支柱１３６Ｂと対角線状の交差筋違支柱１３６Ｃとを有する。例えば外面支柱１３６Ａの長さが約６メートルの場合、３６０度のアセンブリを得るために、タワー１３６の周縁に約４０個の平坦な面が設けられる。

図８Ｂを参照すると、二重壁多面格子造りタワーとするために、格子造りのそれぞれの目は、同様に配置された目の上および隣にのっている。

図８Ｃを参照すると、タービン羽根１３２が１または複数の羽根根本棒１３５によってタワー１３６の目に取り付けられている。使用中、図８Ｃの矢印Ａで示される方向にタービン羽根が駆動されると、羽根根本棒１３５が対になった力Ｔ１およびＴ２を生み、タワー１３６に回転力Ｆを及ぼすため、発電モジュール（図示せず）が駆動されて発電が行われる。

図８Ａから図８Ｃを参照しながら説明した格子造り骨組機構により、一次タワーおよび／または二次タワー全体の重量、材料コストおよび建設コストが極力抑えられる。

ＤＷＴ１２の主要ダクト内で上述の構造を通り抜ける空気を極力乱さないように、必要に応じて当該構造に抵抗減少空力外殻を設けてもよい。

図５および図６を再び参照すると、パワーデッキモジュール４０には、一次タワーに付随し、それにより一次羽根３２に付属する、一次組のころ軸受アセンブリ４２と一次発電機４４とが備わっている。二次タワー３８に関しても同様に、パワーデッキモジュール４０には、二次タワーに付随し、それにより二次羽根３４に付属する、二次組のころ軸受アセンブリ４６と二次発電機４８とが備わっている。

図７Ａおよび図７Ｂを参照すると、ころ軸受アセンブリ４２、４６は、弾性のばね／ダンパ機構５２によってボギー機構５０内に配置された１対の車輪組４８を備え、車輪組４８は付属の軌道５４の円形に曲がった部分を辿ることができるようになっている。

発電機４４、４８は、例えば大径永久磁石コイル発電機等の好適な発電機を備える。

図１Ａを参照すると、ＳＳＰ１４は四角形で平面状の上側支持デッキ５６を備え、図１Ａに矢印６０で図示されたテザーで留められた際に三角翼形になるように、１対の垂下翼５８がデッキ５６の相対する角部から後方へ延びている。

ただし、図３Ｂおよび図３Ｃで表された別の実施形態においては、ＳＳＰ１４およびその付属のいずれの浮動機構も、要求仕様によっては別の外形プロファイルで配置されてもよい。

図１Ａの機構に戻り、４つのハル支持支柱６２が、支持デッキ５６から、ヒーブプレート６６が設けられた対応する浮動ハル６４に向かって、下方へ突出している。支持支柱６２の相対寸法および浮動ハル６４の寸法／浮力は、「半没式双胴船」（ＳＷＡＴＨ）理論に従って得られる支持の安定性を最大化するために、支持支柱６２の水線にあたると考えられる箇所の断面積が比較的（ハル６４によってもたらされる浮力に対して）小さくなるような大きさとされる。水線の標準的な予想平均位置は図４ＡにＷとして示されている。要求仕様によっては、ハル支持支柱の数を４つより多くしても少なくしてもよい。

図１Ｂを参照すると、別の実施形態において、浮動ハル６４Ａが連結路６５によって互いに連結され、要望に応じて１または複数の支持支柱６２ＡによってＳＳＰ１４に接続されてもよい。図１Ｂに表される連結路６５は浮動ハル６４Ａの前後軸に沿って表されているが、別の実施形態（図示せず）では、連結浮動ハル前後軸に対して垂直に連結路が連結されてもよい。

垂下翼５８から後方へいくつかの波動エネルギー吸収体６８が延在している。これらは互いに同じ長さであることから、次に説明する目的のため、実質上これらの端部が垂下翼５８の三角翼形を反映している。波動エネルギー吸収体６８には、一端において車軸関節７２によって垂下翼５８に接続され、水面／通過波と接触するため他端に半球状浮動機構７４が設けられた長尺アーム７０が備わっている。

図９Ａおよび図９Ｂを参照すると、別の実施形態では、波動エネルギー吸収体が、一端にねじれ軸受８０と動力取出接合部７８とを有する複合張殻構造アーム浮動チャンバ機構６８Ａを備える。ねじれ軸受８０は、浮動チャンバ６８ＡのＳＳＰ１４への旋回取付を可能にするために設けられ、浮動チャンバ６８Ａに強固に接続された中心ディスク７６と、ＳＳＰ１４上の適切な固定地点に強固に接続された１対の端部ディスク８２と、端部ディスク８２を中心ディスク７６に接続するねじれ／支持棒８４とを備える。

図１から図３を参照すると、全体として８６で示され、ＤＷＴ１４の下面に取り付けられた円形耐力板８８とＳＳＰ１４の上側デッキ５６上に設けられた対応する円形凹部９０とを備える回転台機構によって、ＤＷＴ１２がＳＰＰ１４に取り付けられる。たとえば上述のころ軸受アセンブリ４２、４６に類似した車輪軌道機構または玉軸受機構等の摩擦低減手段により、卓越風方向の変化に応じて、矢印Ｗで示されるようにＤＷＴ１２はＳＳＰ１４上で風見をすることができるようになる。

既述の実施形態において、ＤＷＴとＳＳＰの複合構造全体の高さが約２００〜８００メートルであり得るとともに、先端から先端までの翼幅も約２００〜８００であり得るが、必要に応じて、予測される力、発電要求仕様、配置場所等に合わせてこれらの寸法を大幅に変更してもよいと解される。

また、洋上風力発電モジュール１０には、（図３の７５によって図示された）垂直「差渡し」軸タービン、水平「差渡し」軸タービンまたは（図１２、１２Ａ、１２Ｂの９０によって図示された）軸流タービン等の潮流力タービン機構を設けてもよい。

図１２Ａおよび１２Ｂを参照すると、複合タービンはメインタービンシャフト９２がＳＳＰ１４から水中に傾いており、下端にタービン機構９４が設けられる。メインシャフト９２および／またはタービン９４は浮揚性であるので、引上げ荷重が極力抑えられ、ハブ／旋回位置においてラジアル軸受荷重が減少する。この浮力がまた、シャフト回転から生じる疲労荷重を減少させるために、タービン質量を支えメインシャフトにかかる曲げモーメントを減少させる。タービン内への流れは、整形板９６によってタービン内に向かって増強される。

使用中、洋上風力発電モジュール１０はまず、好適な船または自航モータ等によって所望の水上の稼働地点にけん引される。この地点は、浅いまたは深い海、河川、河口、または湖や入り江等の内水地物にあってもよい。

好適な地点に来ると、モジュール１０は図１Ａに矢印６０で図示されるように好適な固定機構によってそこでつながれる。そのような状態で、ＳＳＰ１４が受ける卓越流によってＳＳＰ１４はおのずとテザーを中心にして風見をするようになり、おのずと卓越流と一直線になる。

ＤＷＴ１４が卓越風（卓越流の向きとは異なる向きの場合がある）を受けると、この風の力が中間尾翼部１８および垂直安定板２０と干渉することによって、図１Ａに矢印Ｗで表される風の方向にタービンモジュールを中心にしてその軸受台８６上で、ＤＷＴ１４の前面であるカウル１６がおのずと風見をする。

このようにして、ＳＳＰ１４は常におのずと卓越流と一直線になり、ＤＷＴ１２は常におのずと卓越風方向と一直線になる。

これに替えて、またはこれに加えて、前向きの検出システムを用いて卓越風方向に対するＤＷＴ１２のカウル１６の向きを能動的に制御してもよい。そのようなシステムの一例がＬＩＤＡＲであり、ＬＩＤＡＲセンサがカウル１６の上または周辺に設けられる。そのような機構において、検出データは機上または遠隔のコンピュータ制御システムによって処理され、電気機械、空気圧、磁気および／または水圧アクチュエータに対して制御応答を送信することにより、風力タービンカウル１６を直接動かして風の方向に向けるか、テール２０の構成部品を偏向させてカウル１６を風の向きに回転させる。

そのような制御システムによれば、受動的風見制御のみの場合と比べて、カウル１６がより素早く風向の変化に応答できるようになる場合がある。上記制御システムは、当該システム内のあらゆる空力システムまたは他のシステムを制御または調整するために付加的または別々に用いてもよい。

そのような制御システムと一緒にＬＩＤＡＲセンサを設けることにより、対向する波やうねりの状態および発電モジュール１０と干渉し得るプロファイルを検知することも可能になる。そのような予期された状態が検知されると、この情報が当該システムに入力され、あらゆる構成部品の応答を全て最適化して、システムの様々な構成部品によって周囲からエネルギーを取り入れる効率を確実に最大化することができるようになる。例えば、高波が予想されるときは、波動エネルギー吸収体の動きに対する抵抗を高めることができる。これは、プラットフォームの安定性を高め、全体としてシステム中の機械的および電気的ストレスを減らすことにもなり、ひいてはシステムの寿命を延ばし、保守整備の必要を減らすのに役立つ。

そのような制御システムおよびソフトウェアは、前もってプログラミングされていても、学習アルゴリズムを内蔵してもよい。制御入力要求は、発電モジュール１０上で生成しても、操作員制御センターにおいて生成しても、（例えば電力網またはエネルギー供給会社等の）デマンドサイド入力から生成してもよい。

図４Ａを参照すると、ＤＷＴ１２のダクト吸気口２２が卓越風の真向かいにある状態で、到来する気流Ａは吸気口２２を通ってＤＷＴの主空気ダクト２５に入り、案内羽根２６に導かれて内部主空気ダクト２５に沿って上へ進み、タービン機構３０に向かって上方へ誘導される。

図５を参照すると、そのようなダクトを伝わる気流Ａが一次組のタービン羽根３２にあたると、そこに（上から見て）時計回りの回転力を及ぼす。車輪軸受４２に取り付けられた一次タワー３６上に一次羽根３２が取り付けられているため、一次タワー３６はその回転力の作用で回転する。これが生じると、一次発電機４４で発電が行われる。

同様にして、空気の流れが一次組の羽根３２を通りすぎると、これを二次組のタービン羽根３４が受けて、そこに回転力が及ぼされる。しかし、二次羽根３４は一次羽根３２とは反対を向いているため、これは（上から見て）反時計回りの回転力となる。車輪軸受４６に取り付けられた二次タワー３８上に二次羽根３４が取り付けられているため、二次タワー３８はその反時計回りの回転力の作用で回転する。これが生じると、二次発電機４８でも発電が行われる。

上述のような動作により、タービンロータアセンブリを全体として回転させる必要なく、タービン機構を中心にしてダクトまたはカウルアセンブリ１６が自由に風見をするものと解される。これにより、ダクトまたはカウルアセンブリ１６の角度方向と発電モジュール１０のその他の構成部品の角度方向との間に機械的な分離が生じる。

上述のように二次羽根３４に対して一次羽根３２が反対に回転するということは、一方の組の羽根によって生じたトルクの大部分が他方の組の羽根によって生じたトルクで相殺されることになる。その結果、ＤＷＴ１２が搭載されているＳＳＰ１４には最小限の残余トルクがかかることになる。

次に、ＳＳＰ１４配置下の水からエネルギーを取り込むプロセスを説明する。分かりやすくするために例示の通過波と例示の卓越流とを別々に扱いながらこれを説明するが、当該モジュールは、風、波および海流から同時にエネルギーを取り出すことが可能であると解される。

例示の波がモジュール１０に近づくにつれ、その最初の有益干渉は、先頭の２つの波動エネルギー吸収体（例えば、ＳＳＰ１４の中心線に最も近い２つの波動エネルギー吸収体）の半球状浮動機構７４に対するものとなる。図９を参照すると、方向Ａに進む波面Ｗが浮体７４と干渉するとき、浮体自体が持つ浮力により浮体７４および付属のアーム７０が回転して（前後軸が位置Ｐ１にある）中正点から離れて（前後軸が位置Ｐ２にある）負荷時の位置に上がる。中立位置Ｐ１から離れるこのような回転の最中、浮体７４の浮力が作用してねじれ軸受８０にねじり荷重をかけ、動力取出接合部７８に取り付けられた動力取出機構を有効に動かして発電する。このようにねじれ軸受８０に荷重をかけることで、波動エネルギー吸収体６８が上向く動きから取り出された運動エネルギーの一部をねじれ軸受８０内の位置エネルギーとして実質的に蓄積する。また、水柱内の垂直方向の動きにＳＳＰヒーブプレート６６が抵抗することにより反力が生じ、この上昇行程負荷段階において浮体７４がこれに逆らう。

浮体７４が波面Ｗの頂に到達すると、アーム７０が位置Ｐ２につき、ねじれ軸受８０にはその波面Ｗについて十分に荷重がかかっているとみなすことができる。この時点で、波面Ｗが崩れ落ち始め、波動エネルギー吸収体６８の重量を十分に支えられないため、波動エネルギー吸収体６８は通過する波面Ｗの頂に乗ってこれをつぶし始める。そうしているあいだ、ねじれ軸受８０内に蓄積された位置エネルギーが放出されて、波動エネルギー吸収体６８の当該下降行程が容易になる。

上述のように上昇行程の波動エネルギー吸収体６８からの運動エネルギーを、ねじれ軸受８０に一時的に蓄積される位置エネルギーに変え、その後、下降行程の波動エネルギー吸収体６８の運動エネルギーに戻すことは、（エネルギー取り出しによって有益に取り出される力を除いて）実質上エネルギー中立的であるが、これによって、最小限の摩擦損失で所望の旋回能力を有する、強度の高い支持軸受が得られる。

波形は数学の正弦波におおむね近似することができるため、波動エネルギー吸収体６８それぞれの運動プロファイル、ひいては発電プロファイルも数学の正弦波におおむね近似することができる。所定の波が波動エネルギー吸収体６８のそれぞれを通過すると、さらなる正弦波エネルギープロファイルがつくられる。これにより、システムによって取り込まれる合成エネルギーのプロファイルを平滑化するのに役立つ１組の位相偏移エネルギーパルスが生じる。三角翼機構に配置された複数の波動エネルギー吸収体６８によってさらにこの効果が高まるが、これは、古い通過波面が後方の波動エネルギー吸収体６８とまだ干渉しているあいだに、新たな波面が前方の波動エネルギー吸収体６８において正弦波エネルギープロファイルを生むためである。

波およびうねりが形成されて発電モジュール１０のそばを通りすぎるのに応じて個々の吸収体機構が上下に動かされるとき、その浮力剛性を調整すべく、波動エネルギー吸収体６８を能動的に制御してもよい。

ＳＳＰ１４は、常に卓越流としっかり一直線になっており、重心が低く中心に集まっており、それ自体に形状安定性という強みがあり、水線面積の小さい支柱／浮体およびヒーブプレートを活用していることから、ＳＳＰ１４自体が既述の様々な構成部品にとって非常に安定した構造となっている。

調整または平滑化されたエネルギーパルスが電力網に適宜供給されるように、複数の前述の機構によって同時に取り出されるエネルギーを機械的または電気的手段によって蓄積することができる。機械式アキュムレータの例として、空気圧または水圧アキュムレータ、ばね、弾み車等が挙げられる。電気式アキュムレータの例として、コンデンサや蓄電器等が挙げられる。これに替えて、またはこれに加えて、取り出されたエネルギーを、モジュール１０上でガス（水素、酸素等）の生成または脱塩／電解作業等に有効に利用することもできる。

前述の事項に加え、本発明には、水面よりも相当上にある、飛沫帯から離れた場所に、多くの可動の複雑な機械部品が留まることができるというメリットがある。その結果、衰耗が少なくなるため、予想寿命が伸びる。

さらに、既述の発明は実際にどんな規模でも構成できるというメリットがあるとともに、単一ユニットとしてまたはいくつかのユニットからなる場に設けるのにも好適であると解される。

本発明の特定の実施形態が本明細書で詳細に開示されているが、これは例示により、説明のみを目的としてなされたものである。前述の実施形態は添付の特許請求の範囲について制限を加えるものではない。

発明者は、特許請求の範囲で規定する本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、本発明に様々な置換、変更および修正が行われることを想定している。以下にその例を述べる。

本願において既述の実施形態では水体上に設けられる浮動機構について主に言及してきたが、本発明は浮動プラットフォーム上に設けられるものに限られず、陸地または氷など考えられる様々な地盤上に設けられてもよく、本発明がそのような地盤に直接取り付けられている（タービンが陸地の一片に直接載っている場合等）か、または本発明が車両または建物上に設置されている（例えばタービンが建物の上に設置されている場合）かどうかは問わない。

タービンの稼働効率と出力とが最大化されるように、浮動プラットフォームで正しいレベルの浮力を維持するためおよび／または環境およびデマンドサイドデータ信号を取り込むための制御システムを本発明に設けてもよい。これは、必要に応じて、前もってプログラミングされた制御、学習アルゴリズムまたはその他の適切な制御方法によって実現されてもよい。

図１Ｃで図解される別の実施形態において、前述のＬＩＤＡＲ性能を得るために、発電モジュール２１０にＬＩＤＡＲセンサ２１２を設けてもよい。さらに、垂直安定板２２０に、対応する方向舵制御面２２１、水平安定板２２３および対応する昇降舵制御面２３０が設けられる。航空機の尾翼が偏揺れ角と対向気流に対する迎え角を制御できるのと同じように、これらの面によってダクトまたはカウル２１６の向きを制御することができる。卓越風方向に対してカウル２１６を最適な向きに維持するのに必要な力を削るためにトリムタブをさらに設けてもよい。

図１Ｃに図示した実施形態には、カウル２１６の上部および周囲で空気を空力的に効率よくいっそう流れやすくする外部空力羽根２２５を設けてもよい。前縁空力下げ翼２２７が吸気ダクト２２２に隣接して設けられ、対応する後縁空力下げ翼２２９が排気ダクト２２４に隣接して設けられる。下げ翼２２７、２２９は、前向きの風況または海況センサの情報（ＬＩＤＡＲシステムから得られる上述の情報等）に応じて、機上または遠隔の制御システムによって制御または展開されてもよい。

Claims (50)

1. 中を通り抜ける空気から運動エネルギーを取り出すように適合され、ロータ先端部スイープ円周を画定する最外端部にロータ先端部を有する複数の回転羽根を備える少なくとも１つのタービンロータアセンブリと、
   前記ロータ先端部スイープ円周を少なくとも部分的に囲うダクトアセンブリと、
   ダクト付き風力タービンを支持するように適合された基底プラットフォームと
   を備え、
   風向の変化に応じて前記タービンロータアセンブリを中心にして前記ダクトアセンブリが風見をするように、前記ダクトアセンブリが風見軸受機構によって前記基底プラットフォーム上に搭載される、ダクト付き風力タービン。
2. 前記基底プラットフォームが、水体上で浮動するための基底プラットフォームを備える、請求項１に記載のダクト付き風力タービン。
3. 前記基底プラットフォームが半潜水式基底プラットフォームを備える、請求項２に記載のダクト付き風力タービン。
4. ダクト運搬流路が前記風力タービンアセンブリのダクト運搬吸気口とダクト運搬排気口との間に設けられ、前記ダクト運搬吸気口および前記ダクト運搬排気口がそれぞれ前後軸を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン。
5. 前記ダクト運搬吸気口および前記ダクト運搬排気口が、それぞれの前後軸が略平行でありながら垂直または横にずらして配置される、請求項４に記載のダクト付き風力タービン。
6. 前記ダクト運搬吸気口および前記ダクト運搬排気口が、それぞれの前後軸がリダイレクト角度αで交差するように配置される、請求項４に記載のダクト付き風力タービン。
7. 前記リダイレクト角度が約９０〜１７０度である、請求項６に記載のダクト付き風力タービン。
8. 前記風力タービンを通る空気の圧縮または膨張を極力抑えるため、前記ダクト運搬吸気口および前記ダクト運搬排気口の面積が互いに略等しい、請求項４から７のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン。
9. 前記タービンを通る空気のラム効果を生むため、前記ダクト運搬吸気口の面積が前記ダクト運搬排気口の面積より大きい、請求項４から７のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン。
10. 前記タービンを通る空気のディフューザ効果を生むため、前記ダクト運搬吸気口の面積が前記ダクト運搬排気口の面積より小さい、請求項４から７のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン。
11. 前記ダクト運搬吸気口および前記ダクト運搬排気口がそれぞれ、円形、卵型または方形の部分を備える、請求項４から１０のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン。
12. 前記ダクト運搬流路が、前記ダクト運搬流路を通って前記タービンロータアセンブリへ気流を導くように適合された少なくとも１つの案内羽根機構を備える、請求項４から１１のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン。
13. 前記タービンロータアセンブリの前記複数のタービンロータが、一方の方向に回転する一次組のロータと、反対方向に回転する二次組のロータとが得られるように、２組の同軸反転ハブ上に組み立てられる、請求項１から１２のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン。
14. エネルギー損失を極力抑えて中で気流が円滑に流れやすくなるように、前記ダクト運搬流路の内部表面が空力的に最適化される、請求項１から１３のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン。
15. 前記タービン全体の気流とエネルギーの取り込みを助けるため、気流を強め、前記ダクト運搬排気口内を低圧化し、前記タービン排気口からの排気の流れに勢いをつけるとともに、構造負荷と前記タービン上および前記半潜水式基底プラットフォーム上の空力的攪流とを極力抑えるために前記ダクト運搬流路の外側表面が空力的に最適化される、請求項３から１４のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン。
16. 前記風見運動を容易にするため、前記ダクト付き風力タービンと一体化している、または分離しているものの接続されている垂直安定化テールを前記風力タービン機構に設けた、請求項１から１５のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン。
17. 前記テールが可動制御面および／またはトリムタブを備える、請求項１６に記載のダクト付き風力タービン。
18. 前記半潜水式基底プラットフォームが、下向きに延在する複数の不連続浮動部材を有する三角翼形機構を備える、請求項３から１７のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン。
19. 前記半潜水式基底プラットフォームが４つの不連続浮動部材を備え、前方浮動部材が１つ、後方浮動部材が１つ、側方浮動部材が２つ得られるようにそれぞれが前記半潜水式基底プラットフォームの各角部に、または各角部に向けて設けられる、請求項１５に記載のダクト付き風力タービン。
20. 得られる支持の安定性を最大化するために、水面におけるハル断面積が小さい前記支持支柱によって前記半潜水式プラットフォームに取り付けられた下側浮動部材を前記不連続浮動部材がそれぞれ備える、請求項１８または１９に記載のダクト付き風力タービン。
21. 使用中、前記タービンロータアセンブリを中心にして前記ダクトアセンブリが風見をするように、前記風見軸受機構が、前記風力タービン機構と前記半潜水式基底プラットフォームとの間に略円形の耐力板とそれに対応する略円形の凹部とを備える、請求項１から２０のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン。
22. 卓越風方向の動きに応じて前記半潜水式基底プラットフォームに対して前記ダクトアセンブリが負荷状態で回転運動しやすいように、前記風見軸受機構に摩擦低減手段がさらに設けられる、請求項２１に記載のダクト付き風力タービン。
23. 各波動エネルギー吸収体の一端が前記基底プラットフォームによって直接的または間接的に支持され、他端が水との浮揚接触によって支持されるように、複数の波動エネルギー吸収体が前記半潜水式基底プラットフォーム上の取付位置から水に向かって延在する、請求項３から２２のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン。
24. 前記波動エネルギー吸収体が、前記タービン機構の両側において前記半潜水式基底プラットフォームの後縁から後方へ延在する、請求項２３に記載のダクト付き風力タービン機構。
25. 使用中、前記風力タービン機構を通りすぎる波が連続的に、一番前の波動エネルギー吸収体から一番後ろの波動エネルギー吸収体に順々に干渉するように、前記波動エネルギー吸収体の前記取付位置が前記半潜水式プラットフォーム上で後方へ連続的に配置される、請求項２３または２４に記載のダクト付き風力タービン機構。
26. 水と浮揚干渉するように、前記波動エネルギー吸収体にエネルギー浮動モジュールが設けられる、請求項２３から２５のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン機構。
27. 前記エネルギー浮動モジュールが、前記波動エネルギー吸収体の構造アームの末端に設けられた略半球状の浮動部材を備える、請求項２６に記載のダクト付き風力タービン機構。
28. 前記エネルギー浮動モジュールが複合張殻構造アーム浮動チャンバを備える、請求項２６に記載のダクト付き風力タービン機構。
29. 第１回転可能部材と、前記第１回転可能部材と回転可能に連通する第２回転可能部材と、前記回転部材のうちの少なくとも１つが他方の回転可能部材に対して回転させられたとき、その動きに対するねじり抵抗が前記回転可能部材間に生じるように、前記第１回転可能部材と前記第２回転可能部材との間に設けられたねじり抵抗手段とを備えるねじれ軸受機構によって前記波動エネルギー吸収体が前記半潜水式プラットフォームに取り付けられた、請求項２３から２８のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン機構。
30. 前記半潜水式プラットフォームによって水面下で支持される少なくとも１つの水力タービン機構をさらに備える、請求項３から２９のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン機構。
31. 前記タービンロータアセンブリ内の空気の流れを良くするように適合されたディフューザ機構をさらに備える、請求項１から３０のいずれか一項に記載のダクト付き風力タービン。
32. 物品、機械、建物、機器またはその他の物品が上に設置され得る上側支持デッキと、
    複数の下側不連続浮動部材と、
    前記支持デッキの各角部からそれぞれ対応する浮動部材へ延在し、前記上側支持デッキが受ける支持の安定性を最大化するために、断面積を前記浮動部材の断面積と比較して小さくした複数の対応支持支柱と、
    前記支持プラットフォームが固定機構を中心にして風見をすることができ、前方浮動部材を１つ、後方浮動部材を１つ、側方浮動部材を２つ構築できるように、前記支持デッキの先端角部に設けられた前記固定機構と
    を備える、半潜水式支持プラットフォーム。
33. 卓越風方向の変化に応じてダクトアセンブリが前記半潜水式基底プラットフォームに対して風見をするように、前記ダクトアセンブリを設置するのに適合された風見軸受機構をさらに備える、請求項３２に記載の半潜水式支持プラットフォーム。
34. 前記風力タービンアセンブリがダクト付き風力タービンを備える、請求項３３に記載の半潜水式支持プラットフォーム。
35. 前記風力タービンアセンブリが、ダクト運搬流路が前記風力タービンアセンブリのダクト運搬吸気口とダクト運搬排気口との間に設けられたダクト付き風力タービンを備え、前記ダクト運搬吸気口および前記ダクト運搬排気口がそれぞれ前後軸を有する、請求項３４に記載の半潜水式支持プラットフォーム。
36. 前記ダクト運搬吸気口および前記ダクト運搬排気口が、それぞれの前後軸が略平行でありながら垂直または横にずらして配置される、請求項３５に記載の半潜水式支持プラットフォーム。
37. 前記ダクト運搬吸気口および前記ダクト運搬排気口が、それぞれの前後軸がリダイレクト角度αで交差するように配置される、請求項３５に記載の半潜水式支持プラットフォーム。
38. 前記リダイレクト角度が約９０〜１７０度である、請求項３７に記載の半潜水式支持プラットフォーム。
39. 原子炉施設の設置に前記上側支持デッキが適合された、請求項３２から３８のいずれか一項に記載の半潜水式支持プラットフォーム。
40. 前記上側支持デッキが三角翼形機構を備える、請求項３２から３９のいずれか一項に記載の半潜水式支持プラットフォーム。
41. 各波動エネルギー吸収体の一端が前記基底プラットフォームによって直接的または間接的に支持され、他端が水との浮揚接触によって支持されるように、前記半潜水式基底プラットフォーム上の取付位置から水に向かって延在する複数の波動エネルギー吸収体をさらに備える、請求項３２から４０のいずれか一項に記載の半潜水式支持プラットフォーム。
42. 前記半潜水式プラットフォームによって水面下で支持される少なくとも１つの水力タービン機構をさらに備える、請求項３２から４１のいずれか一項に記載の半潜水式支持プラットフォーム。
43. 波動エネルギー取込装置用の取付旋回位置を与える支持プラットフォームと、
    前記支持プラットフォームに取り付けられ、通過波に応じて前記旋回位置を中心に回転するように前記通過波と浮揚干渉するための張殻構造浮揚浮体を備える長尺アーム部材と
    を備える、波動エネルギー取込装置。
44. 第１回転可能部材と、
    前記第１回転可能部材と回転可能に連通する第２回転可能部材と、
    前記回転部材のうちの少なくとも１つが他方の回転可能部材に対して回転させられたとき、その動きに対するねじり抵抗が前記回転可能部材間に生じるように、前記第１回転可能部材と前記第２回転可能部材との間に設けられたねじり抵抗手段と
    を備える、ねじれ軸受機序。
45. 前記ねじり抵抗部材が金属または非金属の棒を備える、請求項４４に記載のねじれ軸受機序。
46. 前記第１回転可能部材と前記第２回転可能部材とが相対的に回転するあいだ前記部材を構造的に支持するために、前記部材間に追加の略非ねじれの支持部材が設けられた、請求項４５に記載のねじれ軸受機序。
47. 外周面と、
    対応内周面と、
    前記外周面と前記内周面との間に設けられた複数の交差筋違構造部材と
    を備える、格子造り風力タービンタワー。
48. 前記外周面および／または前記内周面が複数の曲線状の構造筋違部材を備える、請求項４７に記載の格子造り風力タービンタワー。
49. 前記外周面および／または前記内周面が複数の直線状の構造筋違部材を備える、請求項４７に記載の格子造り風力タービンタワー。
50. 前記格子造りの前記構造筋違部材の上および間に設けられた空力カバーをさらに備える、請求項４７から４９のいずれか一項に記載の格子造り風力タービンタワー。

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