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技術 風力エネルギータービンシェルステーション

出願人 ヘイサム,ヤクブ
発明者 ヘイサム,ヤクブリマ,ゴーセン
出願日 2012年10月9日 (8年4ヶ月経過) 出願番号 2014-534893
公開日 2014年11月17日 (6年3ヶ月経過) 公開番号 2014-530321
状態 不明
技術分野
  • -
主要キーワード 通過容量 メンテナンススタッフ 上端溝 電気技師 中央垂直軸 稼働速度 フレーム梁 クランプセット
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題・解決手段

WETSS風力エネルギータービンシェルステーション)は、超高層シェル状フレーム構造であり、高い高度で風の運動エネルギー収集する複数の小型の風力タービンを支持し、電力さらには水素を生成し、燃料電池需要合致する電力を生成するために水素を保管する。WETSSの典型的な幅に対する高さの比は4−10、厚さ8−25m(地震地域によって異なる)である。風速6m/秒(21.6km/h)と仮定すると、典型的な高さが1000−2000m、直径200−500m、非定常電力の実容量が187MW−3.75GW、電力需要に合致した50MW−1GW。典型的なWETSSでは、現在の実用的な風力タービンで必要である平均的な土地の約1/500が必要である。WETSSは、典型的には標準及び高降伏鋼から成る。WETSSは、シェル形状を有しており階数が少なく荷重が小さいため、同様の大きさである従来の鋼の建造物の約2%の重さであり、耐震及び耐風力設計が比較的簡易である。WETSSは、風力エネルギーを地球上で最も安価なエネルギーにして、静かでに安全で需要に合致したものにする。

概要

背景

風力エネルギーは1200年代ヨーロッパで古くから用いられており、穀物石臼の間ですり潰す風車として利用され、さらにオランダ人には種から油を搾りとる搾油機塗料抽出機脱穀機接着剤抽出機などの抽出用の風車として利用されていた。

20世紀末及び21世紀初頭には、風力タービンという重大な発展がもたらされ、風力化石燃料に代わり得るエネルギー源となった。

地球上に降り注ぐ太陽放射は年間5.6×1024Jである。太陽エネルギー大気中及び地表放射され、大気を暖めて風を起こす。世界中で使用される一次エネルギーは約500EJと見積もられるが、これは16TWの容量の発電機を必要とする。総消費エネルギーは、地球の大気及び表面で取得される太陽放射の0.01%未満であり、風の運動エネルギーの約0.1%である。このことは、風力が莫大代替資源であって、持続可能かつクリーンエネルギーであることを示している。

最先端の実用的な風力タービン業界は、1年間を通じた平均的な発電容量が約1MWである巨大な風力タービンを使用している。しかしながら、以下説明するように、実用的な風力タービンが本来的に有している欠点が、現在の技術が化石燃料や原子力エネルギー代替として適した存在になることを阻んでいる。このいくつかの欠点とは、出力の変動が大きすぎること(即ち、容量クレジットが低すぎること)、極めて広大土地が必要であること、人間の記憶に影響を与える大きな騒音、約2Kmにわたって被害が及ぶことであり、これらは風力タービン症候群として知られ、コウモリに対する危険もある。

概要

WETSS風力エネルギータービンシェルステーション)は、超高層シェル状フレーム構造であり、高い高度で風の運動エネルギーを収集する複数の小型の風力タービンを支持し、電力さらには水素を生成し、燃料電池需要合致する電力を生成するために水素を保管する。WETSSの典型的な幅に対する高さの比は4−10、厚さ8−25m(地震地域によって異なる)である。風速6m/秒(21.6km/h)と仮定すると、典型的な高さが1000−2000m、直径200−500m、非定常電力の実容量が187MW−3.75GW、電力需要に合致した50MW−1GW。典型的なWETSSでは、現在の実用的な風力タービンで必要である平均的な土地の約1/500が必要である。WETSSは、典型的には標準及び高降伏鋼から成る。WETSSは、シェル形状を有しており階数が少なく荷重が小さいため、同様の大きさである従来の鋼の建造物の約2%の重さであり、耐震及び耐風力設計が比較的簡易である。WETSSは、風力エネルギーを地球上で最も安価なエネルギーにして、静かで鳥に安全で需要に合致したものにする。

目的

この高い構造を建造する方法は、第1プラットフォーム(11)、メンテナンスエレベータ(22)及びスタッフエレベータ(23)を同時に設置するために、地上階におけるいくつかの貨物自動車搭載クレーン(27)を使用することである

効果

実績

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請求項1

a)梁及び柱によって構成される放射状に配置された内部及び外部フレーム画定する中央垂直軸を有するとともに、前記フレームの前記梁の間に広がる内部プラットフォームを備えた垂直方向に離間した水平階を画定する複数階環状と、b)前記外部フレームの外部梁の周面に沿って互いに離れた複数の風力タービンと、を備え、c)前記プラットフォームが、前記風力タービンが風力捕捉するように前記風力タービンを支持する外部プラットフォームを形成するために前記外部梁を超えて放射状に突出し、d)それぞれの前記風力タービンが、電力を生成する交流または直流発電機に対して動作可能なように接続される、風力エネルギータービンシェルステーション(WETSS)。

請求項2

円形楕円形菱形または多角形の断面(閉断面及び開断面のどちらか)を有する請求項1に記載の風力エネルギータービンシェルステーション。

請求項3

前記内部フレームに隣接して位置している機器及び人員運ぶエレベータを備える請求項1に記載の風力エネルギータービンシェルステーション。

請求項4

それぞれの風力タービンについて、稼働状態では前記外部プラットフォーム上を外側に、メンテナンスでは前記内部プラットフォーム上を内側に、前記プラットフォーム上の前記風力タービンを案内してスライドさせる上端及び下端メンテナンストラックを備え、前記上端及び下端トラックは、水平であって、中心が前記外部及び内部周辺梁の中央を通過する同じ垂直放射面に沿っており、前記階のクリアハイトの中央を通過する水平面を囲んで前記上端トラックは前記下端トラックを鏡に映したようになり、前記メンテナンストラックが、前記プラットフォームを支持する前記梁によって支持される請求項1に記載の風力エネルギータービンシェルステーション。

請求項5

前記風力タービンは、前記上端及び下端トラックの周囲にちょうど嵌合し上端及び下端において端に溝部(20)及び(22)を有する固定軸(3)を備え、前記トラック及び溝の接触表面は滑らかかつ潤滑されて摩擦が最小になっており、前記風力タービンの前記固定軸は、前記固定軸のそれぞれの端の近くで、前記固定軸の周囲に嵌合する内径を有する2つの短垂直半管(4)に接続され、当該管は前記固定軸の周囲を完全に取り囲むよりは少し短いため、これらを前記固定軸の周囲においてボルト及びナットを用いて固定することが可能であり、前記半管の一つは、取り外し自在のメンテナンスロッド(8)の周囲に嵌合する短水平ソケットに接続され、両方が、前記ロッドを前記固定軸ソケットの中で固定するために短シャフトと嵌合するように位置合わせされた穴を有し、前記メンテナンスロッドは、同じ方法で反対側から、同様の2つの短半管及び上端及び下端の近くのソケットを有するメンテナンスポストに設置され、メンテナンスロッド(8)は前記トラックとほとんど平行に伸び、前記ポストの上端及び下端における端に設けられた溝は、前記固定軸のそれと同様であり、前記メンテナンスポストは、前記下端及び上端メンテナンストラックの間に嵌合するとともに、前記ポストが前記外部周辺梁または前記外部フレーム(10)の一部であるリング梁クランプされていない時には、それらに沿ってスライド自在となる。

請求項6

請求項5に記載の前記メンテナンスポスト(9)は、2つのクランプセットで位置が固定されており、1つは前記ポストの上端付近、もう1つは前記ポストの下端付近であり、それぞれのクランプセットの一部は前記ポストに固定され、前記クランプセットの残部は前記リング梁に固定され、前記クランプセットを締めると前記リング梁に向かって前記メンテナンスポストが強く引かれ、前記メンテナンスポストが、前記風力タービンの前記固定軸を前記メンテナンスの外部端に固定された板及び垂直面内で前記メンテナンストラックに対して垂直方向に向かって押す前記メンテナンスロッドを押し、その一方で、前記タービンの前記トラックに沿った動きは、前記上端溝側を通過して前記固定軸に向かうねじの締結によって制限され、前記固定軸前記トラックに対して垂直な水平方向における動きが制限される。

請求項7

上記の取り外し自在の水平メンテナンスロッドまたはアーム(8)、メンテナンスポスト(9)及びクランプは、前記風力タービンが前記外部プラットフォーム上で稼働状態である時に、メンテナンストラック長手軸と平行な方向に対して前記風力タービン固定軸を固定し、その一方で前記風力タービンが問題を有して調整が必要であれば、前記クランプが前記ポストを開放し、前記ポストはタービン全体が前記内部プラットフォーム上に位置するまで前記トラックに沿って引き寄せ、前記アームはメンテナンスのために取り外され得るとともに、メンテナンスが終了すると、前記トラックとクランプによって固定された前記ポストとの間をスライドすることで、前記風力タービンは前記外部プラットフォーム上での稼働状態に戻る。

請求項8

前記風力タービンは、水平軸風力タービンHAWT)または垂直軸風力タービン(VAWT)、あるいはこれらの組み合わせである。

請求項9

地上階の床の上に配置される水素発電ユニット(13)のそれぞれが、a)風力タービンの電力出力が、直流に変換されるとともに適度な低電圧及び高アンペアに変換された後に供給される電解槽を備える水素生成ユニットまたはHGU(HGUは水源純水タンク及びポンプを備える)と、b)加圧ポンプまたは液化及び冷却機器と、c)水素貯蔵タンクと、d)定常電力を生成する燃料電池発電機と、を備える請求項1に記載の風力エネルギータービンシェルステーション。

請求項10

腐食性及び防火用の断熱性を有するフレームと、各階及び前記地上階における十分な数の消火器(distinguisher)と、を備える請求項1に記載の風力エネルギータービンシェルステーション。

請求項11

大きな風速に晒される高い高度の風力タービンを使用して、稼働時間がより長く、稼働風速範囲がより大きい発電方法であって、a)請求項1に記載の風力エネルギータービンシェルステーションの提供と、b)他の前記風力タービンが稼働中である間に、前記メンテナンストラック、前記貨物自動車搭載クレーン及び前記エレベータまたはリフトを使用した、内部プラットフォーム上の故障した風力タービンのための定時の継続的なメンテナンスによる、前記風力エネルギータービンシェルステーションの総稼働容量の最高水準での維持と、c)請求項1に記載の風力エネルギータービンシェルステーションの水平断面における高さの最小直径に対する適度な比の使用(この比は、高い設計地震力である地域及びハリケーン地域であるほど小さくなり、適度な比を採用することで2000mの高さに達し得るのであって、高い高度が大きい風速をもたらす)と、d)巨大さが優先される実用的な風力タービンより小さく、稼働風速の範囲がより大きく実用的な風力タービンと比較して直径が小さい、請求項8に記載の小型の風力タービンの使用と、のステップを備え、e)適度な電圧及び電流による系統または電解槽への電力の供給を行う、発電方法。

請求項12

電力出力が風速に応じて非定常にならず、需要合致し得る供給の時間中において周波数、電流及び電圧が安定する、風力タービンによる発電方法であって、a)請求項1に記載の風力タービンステーションの提供と、b)適度な電圧及び電流による電解槽への電力の供給と、c)前記電解槽を使用して水を分解することによる水素の生成と、d)適度な大きさ及び材料タンク加圧下または液体貯蔵するための水素の加圧または水素の液化と、e)既に生成されて貯蔵されている水素が供給される燃料電池を使用することによるポンプ及び液化機器への定常電力の提供と、f)非定常電力を生成するとともに時間の経過によって風速が変化したとしても需要に合致するための燃料電池への水素の供給と、g)系統への電力の供給と、のステップを備える発電方法。

請求項13

メンテナンスポストのための2つの前記クランプが、a)上面に前記通しボルトが嵌合するねじ穴を有する前記メンテナンスポスト及び前記鋼板の向かい合う両側上で、外部プラットフォーム鋼梁の一方にそれぞれが溶接されている2つの垂直な薄い鋼板と、b)端部付近に前記通しボルトが貫通可能な2つの垂直スロットを有し、前記通しボルトがナットで締められることで、それらが前記メンテナンスポスト及びアームを前記短円筒と前記メンテナンストラックの終端との間で保持される前記固定軸に向かって押す、前記メンテナンスポストの中央に固定された鋼通路と、を含む代替構造を備える。

請求項14

前記メンテナンス及び建造エレベータまたはリフト及び従業員エレベータは、隣接して設置されるとともに内部柱及び内部フレームによって支持され、前記メンテナンス及び建造エレベータは、建造及び継続的なメンテナンス作業の期間中に風力タービン、柱、梁、床及び貨物自動車搭載クレーンを運ぶのに十分に大きく、従業員エレベータはメンテナンスエレベータよりも小型であって、荷重容量が小さく、速い。

請求項15

2つの隣接して積層された内部プラットフォームの間を接続する、少なくとも1つの傾斜した傾斜路を備え、前記傾斜路上を高い階のプラットフォームに向かって上側に進むまたは低い階のプラットフォームに向かって下側に進むことで、貨物自動車搭載クレーンが1つの階から隣接した階に移動可能である請求項1に記載の風力エネルギータービンシェルステーション。

請求項16

風速に応じて変動する電力を生成し、1つの垂直線上に位置する全ての前記風力タービンの出力線が、前記風力エネルギータービンシェルステーションの上端階から地上階まで電気的に隔絶されたダクト内を通過する1つの電気的かつ垂直に隔絶されたケーブル直列接続され、前記ケーブルは、電流を変換して直流にするとともに電解槽入力電圧適合する低電圧となるように電位下げインバータ変圧器に接続され、前記電解槽は、水位スイッチを備えるとともに純水が供給される前記水タンクから供給され、陰極で生成された水素は捕集純化及び加圧された上で高圧タンクに貯蔵されるか液化した上で十分な冷却タンクに貯蔵されて燃料電池発電機で使用され、前記燃料電池発電機は、前記風力エネルギータービンシェルステーションの外側に建てられている系統に接続された電力塔の通過容量計の系統容量に対して出力が適合する変圧器に接続される出力電力ケーブルを有する請求項1に記載の風力エネルギータービンシェルステーション。

請求項17

請求項1に記載の風力エネルギータービンシェルステーションの別の代替的な形状である、鎖状開断面複数階フレームシェル構造(OSMLFSS)は、前記OSMLFSSが複数の独立した開断面複数階フレームシェル構造を備え、前記OSMLFSSモジュール空間フレームを介して互いに接続され、前記OSMLFSSの断面は半円筒または請求項2に記載のその他の半断面であり、2つの連続したOSMLFSSモジュールのそれぞれは、OSMLFSSの長手軸に対して反対方向を向いており、前記OSMLFSSのそれぞれのモジュールは、請求項1に記載のWETSSの部材と同様の部材を備え、前記OSMLFSSは前記水素ユニット、メンテナンストラック、メンテナンスポスト及びクランプセットを搭載し得るとともに、前記OSMLFSSにおける少なくとも最初のモジュールの最初の垂直端及び最後のモジュールの最後の垂直端は、異なる4つの略垂直方向に沿って伸びた最小4つのケーブルで地面に固定され、任意の2つの隣接するケーブルは水平面内において略90°の角度を成し、前記ケーブルは、OSMLFSSの中央高さより上である、一連状の最終及び最初のOSMLFSSモジュールの最上階の柱接続部から地面に向かって伸びている。

請求項18

貨物自動車搭載クレーン、エレベータまたはリフト及び2つの隣接した階のプラットフォームを接続する傾斜路を使用した、請求項1に記載の風力エネルギータービンシェルステーション及びその代替である請求項17に記載のOSMLFSSの内側からの建造方法であって、a)貨物自動車搭載クレーンを使用した、より高い第2階に到達する傾斜路を含む第1階の建造と、b)前記傾斜路を使用した次の高い階への前記貨物自動車搭載クレーンの移動と、c)メンテナンスリフトまたはエレベータを使用した、次の高い階への供給材料の持ち上げと、d)貨物自動車搭載クレーンを使用した次の高い階の建造と、e)WETSSまたはOSMLFSSの最上階に至るまでの、b)、c)及びd)の繰り返しと、のステップを備える建造方法。

請求項19

請求項1に記載の風力エネルギータービンシェルステーション及び請求項17に記載のOSMLFSSは、利用可能な変化する風速のもとで非定常の出力電力を与える様々な低周波数発電機を備えた小型の風力タービンを使用した風力発電を行い、前記出力電力は水素生成を行う電解槽に供給され、水素生成の影響を受けない低変動周波数の出力電力の使用により、前記風力タービンの発電機におけるギアまたは磁気コアの速度を低減し、この速度の減少により前記発電機の部材の摩耗及び損傷を低減し、変動する低周波数の発電機の使用は、周波数調整装置を不要とし、前記低変動周波数発電機のコストを削減する。

請求項20

請求項1に記載のWETSSまたは請求項17に記載のOSMLFSSに前記風力タービンを搭載することで、現在の風力タービンの機能高さが10−125mであるところ、地面にしっかりと固定された支持構造上に固定される風力タービンの機能高さが、前例がない10m−2000mまで増加する。

請求項21

請求項1に記載の風力エネルギータービンシェルステーション(WETSS)及び請求項17に記載のその代替構造は、風力エネルギータービンシェルステーション及びその代替構造であるOSMLFSSが、WETSS及びOSMLFSSと同じ直径を有する従来の同様の複数階塔と比較して活及び死荷重が小さいことによって、2000mの高さまで達するために従来の建造材料及び手法を用いて建造されており、WETSS及びOSMLFSSの階(levels or stories)数は、従来の同様の高さの塔における階数よりも少なく、WETSS及びOSMLFSSではほとんど隔壁がなく、WETSS及びOSMLFSSでは同時に存在する活荷重が小さく、WETSS及びOSMLFSSは直径の高さに対する比が小さく、これによってWETSS及びOSMLFSSが2000mもの高い高度になるための水平方向の力に対抗する強度が増大し、WETSS及びOSMLFSSでは建造水平面積を低減するシェル形を使用して、WETSS及びOSMLFSSの重さ及び建造コストを低減する。

背景技術

0001

風力エネルギーは1200年代ヨーロッパで古くから用いられており、穀物石臼の間ですり潰す風車として利用され、さらにオランダ人には種から油を搾りとる搾油機塗料抽出機脱穀機接着剤抽出機などの抽出用の風車として利用されていた。

0002

20世紀末及び21世紀初頭には、風力タービンという重大な発展がもたらされ、風力化石燃料に代わり得るエネルギー源となった。

0003

地球上に降り注ぐ太陽放射は年間5.6×1024Jである。太陽エネルギー大気中及び地表放射され、大気を暖めて風を起こす。世界中で使用される一次エネルギーは約500EJと見積もられるが、これは16TWの容量の発電機を必要とする。総消費エネルギーは、地球の大気及び表面で取得される太陽放射の0.01%未満であり、風の運動エネルギーの約0.1%である。このことは、風力が莫大代替資源であって、持続可能かつクリーンエネルギーであることを示している。

0004

最先端の実用的な風力タービン業界は、1年間を通じた平均的な発電容量が約1MWである巨大な風力タービンを使用している。しかしながら、以下説明するように、実用的な風力タービンが本来的に有している欠点が、現在の技術が化石燃料や原子力エネルギー代替として適した存在になることを阻んでいる。このいくつかの欠点とは、出力の変動が大きすぎること(即ち、容量クレジットが低すぎること)、極めて広大土地が必要であること、人間の記憶に影響を与える大きな騒音、約2Kmにわたって被害が及ぶことであり、これらは風力タービン症候群として知られ、コウモリに対する危険もある。

先行技術

0005

特許番号:CN 101191455(A),分類:F03D3/00;F03D3/04;F03D3/06;F03D9/00,Y02E10/74,公開日:2008年6月4日, 発明者:ミンシャン(Min Xiang)ら

発明が解決しようとする課題

0006

議論
WETSSに最も関連するタービンは、ミンシャン(Min Xiang)らの発明である「複合装置群を用いた風力エネルギーの収集方法」である。しかしながら、次の理由から、これはWETSSとは大きく異なっている。

0007

1. ミンシャンらは、大きなガイドホイールによって2つの内部ホイールに対して風の流れを向ける安全な高さに設けられた1つかつ単独の発電所を用いている。しかしながら、ミンシャンの風力発電所は、複数の独立した風力タービンを有していない。これに対して、WETSSは、シェルフレーム構造が数千または数万の独立した風力タービンを支持している。

0008

2. 別の目的のために機能する既存の建造物であるミンシャンの高層建造物とは異なり、WETSSのシェルフレームは、もっぱら、風力タービンや、需要に応じた継続的な発電を行うあらゆる必要な装置を収容するために建造される。

0009

3. WETSSは、約2000mという前例がない高い高度まで達する地球上で最初の固定構造物であり、そのような高い高度で風力エネルギーを収集する地球上で最初の構造物である。そして、WETSSは、稼働する高さの違いに起因して、ミンシャンよりも数倍高い効率を有する。当該高さに達する構造物は存在せず、現在の600—700MPaの高降伏鋼を用いた当該高さに達し得る構造設計も存在しない。しかし、WETSSは、既存の高降伏鋼を用いて境界層に達する。

0010

4. ミンシャンらは、可動部分や発電機、ワイヤ、収容されている人々が建造物を通常の異なる目的で使用するための変圧機能を有するため、居住者における電気的被害や機械的被害の実質的な発生源になり得る。しかしながら、WETSSは、WETSSで働く専門家のみが建造及びアクセスする。WETSSステーションで働く人々は、自分の職場であるWETSSで安全に働けるように訓練されている電気技師エンジニアマネージャ技術者である。

0011

5. ミンシャンらの設計は、風力タービンによる発電の不規則性を変えるものではない。一方、WETSSは、変動する周波数電流及び電圧が一定になるように電力形式を変換して需要に合致させるものであり、化石燃料によって得られる電力の特性と同様である。

0012

最先端は、約100−125mの高さのハブにおいて稼働する薄片を3枚備え、これらが当該薄片の垂直面内で回転する、大型の風力タービンである。これらの実用的なタービンでは、風速12から14m/sで公称(最大)容量に達し、この最大エネルギー出力はカットオフ速度25−40m/秒となるまで継続する。この最先端の風力タービンは、次のようないくつかの欠点を有する。

0013

−騒音や影のちらつきがあるため、通常、タービン間の土地を通常使用することができないと考えられ、風力発電地帯内でタービンが要する土地面積が大きくなりすぎてしまう。それでも、WETSSが要するのは、同様の容量である現在の風力タービンが必要とする平均面積の約0.2%である。

0014

−最先端の風力タービンは、タービンから約2kmの距離における人間の健康を害する騒音を発生させる(風力タービン症候群)。風力タービン症候群とは、振動低周波数の騒音によって、風力発電地帯の周囲2kmに居住する人々に対して、頭痛や記憶の欠如、その他の病気を引き起こすものである。しかしながら、WETSSでは、小型の風力タービンであるVAWT及びHAWTの先端速度が稼働風速に近いことから騒音が極めて小さい。さらに、最先端のHAWTの先端速度は、通常、稼働風速よりも8−13大きい。

0015

−最先端の風力タービンは、鳥やコウモリを殺す。先端速度が低く稼働風速に近い小型の風力タービンを用いるWETSSでは、この危険が生じない。

0016

−最先端のHAWT及びWETSSタービンの両者における効率係数が近いため、WETSSが生成する1m2の受風面積当たりのエネルギーは、最先端の風力タービンの約5.0倍も大きく、さらにWETSSは、10mの高さのハブに設けられた同様の小型の風力タービンの約35倍も生成する。

0017

−最先端の風力タービンが与える電力の電圧、周波数、電流及び出力は、風速が時間とともに変化するという通常の結果として、常に変動する。

0018

− ドイツのWVICと、デンマークイギリス、アメリカにおける他の4つの研究では、最先端の風力タービンが、約4−16%の容量クレジットとなるエネルギーを発生させるとする。このドイツの研究では、風力タ−ビンによる系統供給(grid penetration)が49GWであったとしても、変動が大きいために、化石燃料の2GWを代替することが可能であるに過ぎないと結論付けられている。このことは、実際に有用な容量が、25GW(イギリスの研究)や49GW(ドイツの研究)である公称またはタグ容量の6−25分の1に過ぎないことを示している。それでも、本明細書で説明する通りWETSSは、100%の容量クレジットを有し、電流、周波数及び電位が一定であって時間に合致した通常の電力を生成する。さらに、WETSSは、等しい容量の非再生可能エネルギーの発電機に代替可能である。この等容量の代替によって、WETSSは、現在の伝統的なエネルギー産業代わる、実質的なクリーンで再生可能なエネルギーになる。

実施例

0019

風力エネルギータービンシェルステーション(WETSS:WindEnergy Turbine Shell Station)は、新規な設計の構造物であり、初めての、風速がより大きい高所で風力タービンを支持するように構成されるとともに最も先進的な小型または中型の風力タービンを有する単純かつ大きな構造物である。燃料電池の需要に合致した再生成を繰り返すために、また最も重要である分、時、日、週及び月という短期間で変動する風速の影響を受けない周波数、電流及び電位の安定した特性に合致した再生成を繰り返すために、生成された電力は化学媒体に一時的に貯蔵される。さらに、この設計は、本明細書で説明する通り、最先端の風力エネルギー業界における他の欠点を克服するものである。

0020

風力エネルギータービンシェルステーション(WETSS)は、高度1000−2000mに達する複数階シェル状フレーム構造であり、好ましくは円形多角形菱形または正方形でもよい)の水平断面を有する。複数階構造におけるそれぞれの階は、典型的には8−25mであって水平断面の外周を囲う内部プラットフォーム通路(strip)である。それぞれの通路は、フレームシェル構造の内側に隣接する〜4.0mの幅の傾斜路(ramp)によって上階及び下階の通路と接続される。階の典型的な高さは〜10mである。水平断面の典型的な直径または幅は125−500mであり、典型的な高さは500−2000m、典型的な階の数は50−200階である。

0021

それぞれの階または少数の階に対して、貨物自動車搭載クレーンが提供され、当該クレーンを扱う各シフト3−5人程度の専門家から成る同行チームが、担当する階におけるタービンの継続的なメンテナンスを行う。構造全体に対して4以上のエレベータが設けられ、2つは人を運び、2以上は機器や風力タービンを必要な階に運ぶトイレは各階の傾斜路の下に設けられ、それぞれの傾斜路の下に1つのトイレがある。水素の製造や貯蔵、変圧及び電力変換を行う全ての機器は地上階に設けられ、そこの追加スペースには、必要な水素を供給するタンクや、生成された水素を安全に貯蔵して燃料電池内で再使用するための他の装置が、追加され得る。

0022

風力タービンは、本体の外周から断続的または連続的に突出した外部プラットフォームに設けられて分布する。この構造物は、典型的には高降伏鋼で建造されるが、その一方で床は、軽量床鋼板を中降伏鋼の第1及び第2梁上に設けたものから成る。WETSSは、定常電力の典型的な年間容量の実質平均が50−1000MWであり、非定常電力では187.5−3750MWである(年間平均風速が6m/秒のとき)。

0023

フレーム構造は、複数の水平軸または垂直軸風力タービン(あるいはこれらの組み合わせ)のそれぞれを支持し、上記のそれぞれの風力タービンは風力エネルギーを収集して電力を生成し、当該電力は、地上階における変圧器、水道、電解槽ポンプ及び水素タンクの使用によって、収集された一時的なエネルギーの大半を化学的に貯蔵する水素を生成するために使用される。水素は、高圧下または液体状態で地上階のタンクに貯蔵され、貯蔵された水素量は十分な容量の燃料電池で使用される。WETSSの定常電力のための容量である燃料電池の容量は、1年間に生成される定常電力の平均から計算される。燃料電池は、電流、周波数及び電位の特性が定常的である電力を再生成し、地上階における十分な変圧器によって系統に適合する電圧及び電流に変換された後で、上記の定常電力は系統に供給される。

0024

WETSSは、任意の高効率な小型の垂直軸風力タービン(VAWT:vertical axis wind turbine)または水平軸風力タービン(HAWT:horizontal axis wind turbine)あるいはこれらの組み合わせを用いる。それぞれは、風力タービン柱、床及び隣接するタービンの間に小さい空間を有した状態で、柱と床の間の間隙に嵌め込まれる。本発明者らは、利用可能なVAWT及び小型のHAWTが30%の効率を有し、最先端のHAWTが平均風速6m/秒(13.4mph)の環境下にあり、すべてのタービンのカットイン速度が4m/秒(8.95mph)であり、大型のHAWTの定格風速が12m/秒(26.84mph)である場合において、VAWT及び小型のHAWTの効率が11%よりも大きくなり得ることについて、理論的に証明する。

0025

この証明について、図16及び図17グラフに図示する。図17は、1年の長期間に収集された総エネルギー図17のエネルギーのグラフの下の面積を積分したもの)を示している。

0026

0027

最も可能性が高い1年間で収集されるエネルギー=1.69×E6×0.30=0.507E6

0028

0029

最も可能性が高い1年間で収集されるエネルギー=1.88×E6×0.30=0.564E6

0030

0031

同じ平均風速である階に小型のHAWTを設けると効率が高くなる理由は、小型のHAWTの先端速度及び生成される電力が、カットアウト速度に至るまでは風速に対して比例するとともに、当該カットアウト速度が大型のHAWTのカットアウト速度よりも大きいからである。しかしながら、大型のHAWTは、小型のHAWTのカットアウト速度(〜125−140m/秒)よりもずっと小さいカットアウト風速(25−40m/s)に至らない、定格速度と同じかそれより大きな風速において、定常的なエネルギーを生成する。

0032

[増大した効率]
図18は、H=10mに設けられた小型の風力タービンが0.10KW/m2の電力を生成すること、ハブの高さがH=100mとなるように設けられた最先端の実用的な風力タービン(HAWT)が0.66KW/m2の電力を生成すること、その一方で同じ小型の風力タービンが設けられたH=2000m(本明細書で説明する通りの全体の高さ)のWETSSが3.75KW/m2の平均電力を生成すること、を示している。比較対象である生成電力は、風速に応じて不規則に変動する。

0033

ドイツのWVICについて、風力タ−ビンによる供給容量(penetration capacity)が全体で49GWを超えるとしても、最先端の風力タービンは4%の容量クレジットしかない。世界中のほとんどの国において、消費が一時間で49GWを上回るところ、さらにこの4%が全ての国(カナダ、アメリカ、ドイツ、イタリア、日本、中国、イギリス・・・)で利用可能となる。

0034

図19は、最先端の実用的な風力タービンであるHAWTの有用な容量が、公称(タグ)容量(供給容量で49GWを超える)の4%であるとすると、HAWTは受風面積当たりの容量が0.09KW/m2になることを示している。しかしながら、H=2000mのWETSSでは、2つの他の効率係数(電気分解が0.65、燃料電池が0.41)の適用によって定常的な電力を生成する場合、受風面積当たりの容量が1.0KW/m2になる。

0035

[極めて小さいスペース
実用的な風力タービンは、ヨーロッパ及びアメリカのそれぞれにおいて効率係数を0.3とする場合、平均で8.5−33ヘクタール/MVの間のスペースが必要となる。ここで、化石燃料に基づく電力と混合されるとすれば、非定常電力の全てが有用と仮定される。一方、既存の化石燃料や水力原子力または他の典型的で定常的な特性を有する電力との混合を無くして風力エネルギーのみを使用する場合、総容量は49GWを超えるが、容量クレジットが4%であり、必要なスペースが53−206ヘクタール/MWになる。

0036

しかしながら、WETSSでは、非定常電力を得るために必要なスペースは0.03−0.05ヘクタール/MWであり、定常電力を得るとともに需要と釣り合うために必要なスペースは0.10−0.15ヘクタール/MWである。

0037

[WETSSの機能]
本明細書に記載するWETSSの機能は、風の運動エネルギーを、定常的な電流、電位及び周波数を有するとともに需要に合致する電気エネルギーに変換する高さが大きな既存の小型の風力タービンを用いるものである。さらに、出力電力は、分、時、日、週及び月という短期間において、風速とともに変動しない。しかしながら、平均可能出力は、地域の年間平均風速に関連及び比例する。

0038

設置された風力タービンによって、フィルタ処理をされることも大きな変動もなく生成された電力は、水から水素を生成して一時的に貯蔵するために使用される。さらに、貯蔵された水素は、定常的な電流及び周波数を有するとともに需要に合致する電力を生成する燃料電池に供給される。さらに、燃料電池の出力は、適合する電圧及び電流に変換された後で、公共の系統に接続される。WETSSは、フレーム構造の外周の周囲に設けられた外部プラットフォーム(14)上に多数の風力タービン(1)を備え、当該タービンの出力が水素を生成する電解槽(12)に接続される。電解処理の速度を上げ、エネルギーの無駄な消費を避けるためには、電解槽に供給する電位は約2.06vにすると良いが、その一方で供給される電流は可能な限り大きくすると良い。電流の範囲は500000−1000000アンペアとなり得る。

0039

WETSSで使用される小型の風力タービン(1)は、任意の効率的な小型または中型の水平軸風力タービン(HAWT)または垂直軸風力タービン(VAWT)とすることができる。設置されている風力タービンの半数は風に向かっており同時に稼働するが、その一方で風下に位置する残りの半数は、風向きが変わり半数の風力タービンが風上側となって始動及び発電が誘起されるまで、停止している。

0040

さらに、WETSSの稼働速度範囲は、使用されるHAWTまたはVAWTに関係するが、電解槽のエネルギーを生成するための通常の範囲は3−140m/sである。

0041

高い周波数定常性を有した電力が必要である場合、小型及び中型のHAWT及びVAWTのカットアウト速度が、25−50m/sの範囲に近づく。それでも、小型のHAWT及びVAWTのカットアウト速度は、製造にかかるKWHコストを最小限に抑えるべく、可能な限り小さい速度に制限すると良い。例えば、6m/秒の環境下において、発電機コストの増加と追加的な生成電力との差は、25m/秒のカットアウト速度及び20m/秒のカットアウト速度のいずれが望ましいのかによって決まる。25m/秒のカットアウト速度では10−5E6Jを逸失し、一方で20m/秒のカットアウト速度の場合は0.0011E6Jを逸失する。ここで、E6は、風速が年間を通じて一定かつ継続的であると見なすとともに、年間平均風速6m/秒の場合に利用可能なエネルギーである。換言すると、小型の風力タービン(1)におけるカットアウト速度に関する決定において、発電機にかかる追加的なコストと、25年と推測される発電機のライフサイクルを通じて収集される追加的なエネルギーとは、トレードオフとなる。

0042

しかしながら、電解槽用の電力を生成すると、周波数を一定にする必要がないため、発電機のコストが低くなるとともに装置寿命が長くなり得る。

0043

むしろフレーム構造や需要との合致性よりも、WETSSにおいて極めて重要かつ独特なことは、設置後において、進行的かつ継続的なメンテナンス作業が、24時間週7日で1年中行われることである。換言すれば、同時に稼働するタービン(総風力タービンの半分)の99.33%を超えるタービンにおいて、365日の稼働が期待される。これは、メンテナンススタッフが、それぞれのプラットフォーム(11)において、モニタ及びコンピュータを使用してタービンを継続的に監視するからである。他の全てが稼働している間でも、いつタービン(1)のメンテナンスが必要か、どれが必要か、がモニタリングによって伝えられる。現在の先進的なタービンでも全てのタービンが1年に1回はメンテナンスを受けるという保守的考え方に立ったとしても、タービンの99.33%はほぼ確実に一年を通じて稼働し得る。その結果、それぞれのタービンの年間平均稼働時間は、0.9933×8760=8701時間/年となる。

0044

コスト分析では、全てのタービンの総数を考慮する。一方、エネルギー計算では、タービンの半数を考慮する(同時に他の半数のタービンが停止しているため)。

0045

さらに、地上階の追加遮蔽空間(26)には、追加の水素ユニット(12)を設置するためのスペースが設けられ、これによって、総水素生成量及び貯蔵容量が、燃料電池が需要に合致した電力を生成するために十分なものとなる。

0046

風力エネルギーによって生成される電力及び電解槽に供給される電力の変動は、加圧液化あるいは他の固体または液体材料と一時的に結合したいずれかの状態で水素タンク貯蔵部(12)に送られる、生成される水素の量に影響する。

0047

しかし、生成された水素の総量は、主としてその地域の年間平均風速の影響を受ける。一方、全体的な水素の貯蔵容量は、数ヶ月間にわたる風の変動、消費者の需要の変動及び使用中のWETSSの容量によって決まる。水素貯蔵部(12)の容量は、Ei/Eaveの計算、月毎の必要及び余剰の比較によって推定され、ここでEi(KWH)は、実際の標準的な既存のまたは予測される消費チャートによって決まる月毎の消費エネルギーであり、Eave(KWH)は、燃料電池によって生成される電力の月毎の平均と等しい月毎の平均需要である。また、月毎の需要または必要の平均と比較した相対累積エネルギー必要比及び余剰比を計算する。また、水素として貯蔵することが必要な総エネルギーは、余剰の最大の正数と消費チャートにおける絶対値が最大となる負数との差である。図20は、0.90Eave+0.06Eave=0.96Eave(Eaveはエネルギー需要の月毎の平均)を水素として貯蔵する必要があり、言うまでもなく供給が需要と合致する。また、水素貯蔵部の重さは、0.96Eaveを、中位水素発熱量(medium Hydrogen Heating Value)である36kwhで割ることで算出される。そして、必要な貯蔵水素の重さ=0.96Eave/(36×0.41)=0.0678×0.96Eave(KgH2)である。ここで、0.41は燃料電池の効率係数である。

0048

これにより、液化技術を使用していたとしても、貯蔵部内の圧力に応じて、体積容量に変換することが可能になる。さらに、月毎の平均消費エネルギーは、Eave=Eavew×0.61に等しい。ここで、Eavewは、電解処理の効率が0.61であって年間平均風速であると推定した場合のWETSSタービンによる月毎の平均生成エネルギーである。さらに、WETSS技術を使用することで、電気料金が大幅に下がるだけでなく、工業用輸送用の水素の生成が提供される。

0049

また、WETSSを使用すると、最先端の風力タービンを用いると非常に困難かつ高コストになる風力電力バランス管理という重い負担が、軽減される。

0050

WETSSのシェルフレーム構造における典型的な階高である7−12mは、柱(10)間の典型的な距離及び主梁(9)間の典型的な距離である7−12mと等しい。第2梁間の典型的な距離は1.5−2.5mであり、内部プラットフォーム(11)典型的な全幅は8−20mである。

0051

この高い構造を建造する方法は、第1プラットフォーム(11)、メンテナンスエレベータ(22)及びスタッフエレベータ(23)を同時に設置するために、地上階におけるいくつかの貨物自動車搭載クレーン(27)を使用することである。次に、地上階と第1階を接続する傾斜路(37)によりクレーン(27)を第1階(11)に上げて、建造を継続する。WETSSのそれぞれの階は、2つの傾斜路(37)を有する。地上階を使用することで第1階及び第2階を接続する傾斜路(37)が建造される。そして、第1階が完成すると、貨物自動車搭載クレーン(27)は、新しい傾斜路(37)を使用して第2階に上がる。建造材料は、メンテナンス及び建造エレベータ(22)で一階に上げられる。外部プラットフォーム(14)は、事前に建造されているかその場で建造され、4つのリフティングリング(15)が外部プレハブプラットフォーム(14)に溶接される。次に、クレーン(27)の使用により、シェルフレーム梁(9)のフランジと外部プラットフォーム梁との間に4つ以上の鋼板を溶接することによって、外部プラットフォームをシェルフレームに溶接する。上端2以上及び下端2以上のプラットフォームは、縁が共通する。外部プラットフォーム及び階全体の準備が整うと、クレーン(27)及びスタッフがより高い階(11)に移動する。風力タービン(1)の設置は、クレーンが2または3階先に移動した後に開始され得るものであり、いくつかの他の貨物自動車搭載クレーンや建造エレベータが使用される。

0052

水素ユニット(12)は、地上階と第1階の建造を終了した後に設置される。しかしながら、最上階の建造が終わるまで、シェルフレーム内での建造中は常に、シェルフレーム労働者や材料を送り込むために、エレベータ(22)への通路を空けておく必要がある。風力タービン(1)の設置に比例して、電解槽(12)及び水素貯蔵タンク(12)の一部の使用の準備が整うと、電気工事が開始され得る。水素の生成と、加圧下での水素の貯蔵と、燃料電池発電機の稼働並びに系統に対する及び建造工程のための電力の供給の開始と、を含めて、この段階で電力の生成が開始され得る。2000mの構造体仕上げるために要する時間は、資金調達材料供給及び建造労働者の使用状況によるが、9−24ヶ月となり得る。

0053

この高いシェルフレーム構造を内側から建造する技術を用いることで、中層建造と同じくらい容易かつ安価になる。

0054

地震や風からのシェルフレームの保護、構造健全性と機能]
WETSSの典型的な材料は、延性材料である鋼である。WETSSは、全体的に鋼で建造された他の構造や、全体的にコンクリートで建造された他の構造と比較して、非常に軽い構造である。WETSSは、この重量の軽さ故に、大気境界層(2000メートル)の高さに到達する。

0055

WETSSは、高い耐震性及び耐風力性を有した設計であり、最大加速度が1.25gよりも大きい地震、及び、世界中のいかなる設計風力や約500km/h(310mph)の風速にも耐え、これらの発生中及びその後の状況下でも稼働し続ける。

0056

しかしながら、いくつかのまれな巨大地震に備えて免震を採用すると、WETSSの損失が削減され得る。

0057

このまれな事象の発生中及びその後の状況下において継続的な有用性を得るためのWETSSの免震構造は、以下の手段の組み合わせによって実現され得る。

0058

1. A.ベクターザヤス(A. Vector Zayas)によって発明及び製造され、免震に使用される摩擦振り子軸受。

0059

2. ヘイサムヤクブ(Haisam Yakoub)によって発明され(係属中)、共振を防ぐとともに伝達変位と力振幅を減少させる地震調整装置

0060

摩擦振り子軸受は、典型的には柱の下かつ足場の上に設置され、それぞれの柱につき1つの軸受が必要である。

0061

それにもかかわらず、地震調整装置の必要数は、摩擦振り子軸受の必要数よりも少なく、典型的には柱数の5−15%(軸受数の5−15%)であり、地震調整装置は、地震発生時における軸受の反応が十分な限度となるように減衰させ、これと同時に設計風荷重下における風力エネルギーを消散させるとともに、あらゆる設計風荷重下において構造を安定化する。

0062

飛行機事故の防止]
衝突事故を回避するために、シェルフレーム構造の全周かつ現在の規則及び/または法律によって要求される通常の高さ間隔で、航空機点滅警告灯が設置される。警告点滅光は、通常は夜間に機能する。航空機の飛行経路がWETSSの高さの2倍よりも高くなる場所にWETSSが設置された場合、WETSSに衝突する可能性はほとんどなくなる。

0063

このステーションの図面を以下の図1−15に示す。図面の番号は以下の通りである。
1. 小型の風力タービンHAWTまたはVAWTあるいはこれらの組み合わせ。それぞれのHAWTの翼は通常のエアロフォイル形である。しかしながら、本明細書の翼は設定される独占権または効率的なHAWT/VAWTの一例である。
2.固定軸(3)を取り囲むベアリング(5)の周囲を動くVAWTの外部回転垂直軸
3. HAWTまたはVAWTの垂直固定軸。固定軸は、上端及び下端からボルト及びナットを介してメンテナンスアーム(8)に接続される。固定軸は、固定軸の上端及び下端に溶接された2つの短溝部(20)を有することで、床(14及び11)に固定された2つの上端(19)及び下端(21)トラックに溝がちょうど嵌合し、固定軸はトラック(19及び21)に沿ってスライドし得るものであり、稼働状態では外部プラットフォーム(14)上を外側に向かい、メンテナンスでは内部プラットフォーム(11)上を内側に向かう。
4. 2つの通しボルトワッシャ、ナットを介して垂直固定軸(3)とメンテナンスアーム(8)を接続する短円筒管。通しボルトは、水平かつ垂直な異なる2方向で、円筒管及び固定軸の垂直中心軸を水平に貫通する。
5. 内部固定された垂直軸(3)の周りを回転する翼を案内して支えるVAWTの上端及び下端ベアリング。
6.ギアボックスを備えない、または、回転軸から電力発生装置(7)に運動を伝達するギアボックスを備えた磁気発生装置可動コア。生成された電力が加水分解に使用される場合、生成された電力の周波数を増大させるための高速モーション軸は不要である。これにより、製造コスト及びギアボックス(6)や発電機(7)のメンテナンスが低減される。
7. ギアボックスまたは磁気コア動きによって操作される、回転の運動エネルギーを電力に変換する発電機。1つの垂直線上の風力タービン発電機(7)は、タービンの最上階から地上階までのプラスチックダクトを垂直に通過する主絶縁ケーブルに接続される出力ケーブルを有し、それによって電解槽(12)に電力を供給する、または、発電機が約60Hzの高周波電力を生成する場合は系統に接続され得る。
8.ポストの上端及び下端において2つの水平中空断面鋼梁剛性結合した1つの垂直中空断面鋼ポストを含むメンテナンスアームポストステムMAP:Maintenance arm-post system)。水平断面梁は、それぞれの反対側と固定軸(3)の上端及び下端とを短円筒管(4)を介して接続する。MAPの上端水平中空断面部分の上端側は、溝部(U)(20)の下端に対して剛性結合される。MAPの下端水平中空断面部分の下端側は、別のU部の下端に接続されることで、上端及び下端メンテナンストラック(19及び21)のT部に対してU部がちょうど嵌合する。その結果、MAPはトラック(19及び21)に沿って、上端及び下端トラックの間をスライドする。MAPの水平部及び円筒管(4)はヒンジで接続される。これらのヒンジは、中空円筒よりも直径がわずかに小さい円筒型であるとともに小型中空円筒の直径よりも大きい直径の頭部を有するバーを介して互いに固定される、相互接続された3つ以上の小直径円筒から成る。バーの本体は円筒を通過し、頭部によって円筒の外に飛び出すことが防止される。MAP(8)は、貨物自動車クレーンを用いる、または、手動でMAPを引くために使用される2つのハンドルを有する。
9.リング梁を含むフレーム構造の主梁。主梁はフレーム柱(10)に対して直接的に接続される。主梁及び柱の大きさは、フレーム構造全体の構造解析によって決定される。主梁の横方向支持は、軽量の平板をも支持する第2梁の網目によって与えられる。構造解析は、主として、全ての柱、梁、平板の自重とタービンの死荷重とに基づく。1m2の総平均分散活荷重は、0.15KPaと推定される。しかしながら、平板(11)及び梁(9)の設計について、メンテナンス貨物自動車クレーン(27)の荷重が掛かる場合は、この重さによる集中活荷重を考慮しなければならない。第1に、同様の大きさである通常の構造建造物と比較して、自重(単位面積における死荷重及び活荷重)が軽いこと、第2に、フレーム構造のアスペクト比または高さの直径に対する比が約4であって低く、これによりフレーム断面積の増加を考慮せずとも地震荷重を減衰するための十分に大きな抵抗モーメントが得られること、の2つの理由により、地震荷重は重力荷重応力をわずかに増加させる。地震荷重による応力の増加量は、現場の地震特性によって決まる。
10. 高降伏鋼から成るフレーム柱。鋼柱は、自重及び死荷重によるフレーム構造全体の構造解析により設計され、風及び地震荷重について検証される。設計風速が数百KM/hとなり得る間であっても、その時間のほとんどでタービンによって風力が消費される。これは、世界中のほとんどの国で妥当する。なぜなら、小型のHAWT及びVAWTは、風速に近い低い先端速度を有しているからである。設計風速が、風力タービンのカットアウト速度よりも小さい場合は、風速をチェックする必要がなく、風力エネルギーのほぼ85%がタービンによって消費される。一方、カテゴリ4及び5のハリケーンの影響を受ける地域で、設計風速がカットアウト速度よりも大きくなると、フレーム構造のために建造物の風上正面の垂直投影の25%に対する風をチェックする。小型のタービン(1)は、先端速度がカットアウト速度である約500km/hに達し得るため、このチェックは非常にまれである。大型の実用的な最先端の風力タービン(直径100−125m)が達するカットオフ及びカットアウト速度(それぞれ、通常12−14m/秒、25−40m/秒)は、風速500km/h(138m/秒)よりもはるかに小さいが、これは実用的なHAWTの翼の直径が、典型的なWETSSのHAWT風力タービンの10−15倍大きいためである。その結果、典型的なWETSSは、カテゴリ4及び5のハリケーンが生じる熱帯地域であっても、風力抑制設計が不要となり得る。
11. 主及び第2フレーム梁と、梁の上側及び/または間の面を覆うための軽量板薄板/平板と、で構成される内部プラットフォーム。主梁は、柱の間に伸び、第2梁は、4つの主梁から成るそれぞれの組の間の主梁に対して平行に伸びる。内部プラットフォームは、幅8−25mの通路であり、フレーム構造の外周に沿って伸びる。内部プラットフォームは、約3つの等幅の通路を備える。1つの通路は、メンテナンストラックを含み、稼働状態のタービン(1)をメンテナンスのために引くのに十分な幅を有する。中央の通路は、貨物自動車搭載クレーン(27)の力を借りてタービンの交換やメンテナンスを行うメンテナンス通路である。3つ目の通路は、その両方が、メンテナンス積荷を運ぶ貨物自動車クレーン(27)/メンテナンス後のタービン/メンテナンスに関する建造エレベータ(22)/設置領域のための二車線道路(29)であり、第3の通路の内側の車線に沿った傾斜路(37)を介して貨物自動車クレーンが上階に上がったり下階に下がったりする。
12.一貫した供給と、周波数、電流及び電位の定常的な電気特性のための水素発電ユニット。水素ユニットは、インバータ、変圧器、電解質で満たされた電解層純水タンク水素精製装置、水素貯蔵タンク、燃料電池発電機、加圧ポンプを含む。それぞれの水素ユニットは、垂直共同風力タービン出力線の端部に接続され得る。電流、電圧、水素タンクの十分な容量に関する詳細な説明については、本明細書の[WETSSの機能]の段落にある。
13. 主としてメンテナンストラック(19及び21)と平行な方向に対して、所定の位置でタービン(1)をきつく固定するメンテナンスアームポストのロック。ロックは、上端が狭く下端が広い2つの垂直厚鋼板を含む第1部分を備え、それぞれはMAPポスト(8)の両側で外部プラットフォーム(14)鋼梁の1つに溶接され、この鋼板は上端に通しボルトと嵌合するねじ穴を有する。第2部分は、同じ大きさの通しボルトと嵌合する2つの垂直スロットを1つの端部近傍にそれぞれ有する矩形鋼板であり、矩形鋼板はMAP(8)のメンテナンスポスト部に溶接されるとともに、メンテナンスポスト及び矩形鋼板のそれぞれの辺に対して溶接された2つの三角鋼板によって補強されている。ロックの第3部分は、2つのスロットを通過して三角板入り垂直厚鋼板に至る2つの通しボルトを備える。2つのボルトを締結すると、短円筒(4)と、トラックと同じ幅及びより大きな高さを有した鋼板(17)に近い上端及び下端トラック(21及び19)の終端(17)と、の間の所定の位置で支持される固定軸(3)に向かって、MAP(8)が押される。
14. 風力タービンを支持する外部水平プラットフォーム。外部プラットフォームは、HAWTまたはVAWT(1)の直径の約0.6の距離で、片持ち支持されている。HAWT(1)は、フレーム構造に当たることなく90°回転する。外部プラットフォームは、内部主梁(9)に対して平行であるとともに対角線に対してほとんど平行に設置される主梁と、主梁に対して垂直に設置される第2補強梁と、を備える。メンテナンストラック(19及び21)は、両方のプラットフォーム(11及び14)の上に設置される。外部プラットフォームの主梁は、外部及び内部対角線梁の両方の上端フランジ上に上端鋼板が広がり、同じ梁の下端フランジ下に下端鋼板が広がるとともにそれぞれのフランジに対して十分に溶接された状態で、フレーム対角線梁に接続される。外部プラットフォームは、床鋼板で覆われていてもよいし、そうでなくてもよい。外部プラットフォームの幅は、外側ほど狭く、内部プラットフォーム(11)に近いほど広くなる。2つのフレーム構造柱の間の開口部には、1つの外部プラットフォームのみ存在する。
15. クレーン(27)が内部プラットフォーム(11)上に設置されている間に外部プレハブプラットフォーム(14)を持ち上げさせ得るとともに内部プラットフォーム(11)に適度な鋼板、溶接サイズ及び長さで溶接させ得るリフティングリング。
16. HAWTの機械室(nacelle)。機械室は、固定軸(3)の中央に溶接された中央鋼底板(18)上で、固定軸(3)の中央に設置されている。機械室の上端は、ねじ切りされているとともに緩めて固定軸の上端部の下端から離脱させることが可能な管接続部(33)によって、固定軸の上端部に接続されている。一方、中央鋼底板(18)上の所定の位置の機械室は、固定軸の上端部の最下点と機械室穴の上端との間の距離よりも管が少し短くなっているため、上端固定軸の下端部が機械室の上端に位置する穴に挿入することが可能である。管接続部の最短の長さは、機械室上端穴の深さプラス4”(100mm)と等しい。
17. メンテナンストラック(19及び21)の外端に固定されるバンパー鋼板。MAPロック(13)の2つの通しボルトを締めると、メンテナンストラック(19及び21)の外端のバンパーに向かって、MAP(8)が対応する固定軸(3)を押す。
18. ボルト、ワッシャ及びナットを用いて機械室を固定するための中央鋼底板。
19. 両方のプラットフォーム(11及び14)と同じ階の床上に固定された下端メンテナンストラック(BMT:bottom maintenance tracks)。BMTは、外部プラットフォーム(14)における稼働状態と内部プラットフォーム(11)におけるメンテナンスとの間であるMAP(8)の下端部を案内する。BMTの断面は、幅広フランジ小型I鋼梁やT鋼梁であり、プラットフォーム(11及び14)の第2及び/または主梁(9)に溶接される。
20. メンテナンストラック(19及び21)フランジの周囲にちょうど嵌合するとともに、風力タービン固定軸(3)の上端及び下端に固定される鋼溝またはU形板。U溝の内部表面は、メンテナンストラックフランジに接触するとともに、より簡単に移動するように潤滑されている。
21. 両方のプラットフォーム(11及び14)と同じ階の底表面に固定された上端メンテナンストラック(TMT:top maintenance tracks)。TMTは、外部プラットフォーム(14)における稼働状態と内部プラットフォーム(11)におけるメンテナンスとの間であるMAP(8)の上端部を案内する。TMTの断面は、幅広フランジ小型I鋼梁やT鋼であり、プラットフォーム(11及び14)の第2及び/または主梁に溶接される。
22. メンテナンス/建造エレベータ。該エレベータは、約5×10mであって、貨物自動車クレーン(27)や、設置用の完全な風力タービン(1)、または鋼梁(9)及び柱(10)を運ぶために十分な約10メートルトンの容量を有する。メンテナンスエレベータは、フレーム構造の建造と同時に建造され、プラットフォーム(11及び14)に建造材料を供給する建造段階で使用される。建造段階の間、メンテナンスエレベータは、すでに建造されたプラットフォームに新しい風力タービン(1)を設置するために使用される。WETSSのライフサイクルの間、メンテナンスエレベータは、メンテナンス材料や、WETSS内の既存の風力タービンをメンテナンスするための部品および完全な新しいタービンを輸送するために使用される。
23.稼働及びメンテナンスのために働く人々を対応するプラットフォームに一度に約20人持ち上げる容量を有する従業員エレベータ。稼働及びメンテナンス従業員の総数は、WETSSにおける需要と合致する電力容量1GWに対して約200人である。
24.コンクリート製の個々的な足場またはマット。足場の種類は、現場の土壌容量によって決まる。許容土壌応力が500kPa未満の場合、WETSS足場のためにマット足場を使用すべきである。そうでなければ、単一足場が、フレーム構造を支持するための解決策になり得る。単一足場の最新ケースでは、足場面を強化して建造物全体が横方向の力に対抗するように、両方向の地上梁を建造している。
25. 地上階の利用者のためのシールドとして機能する、建造物の第1階の周りの拡張プラットフォーム。拡張プラットフォームの幅は、外部プラットフォーム(14)の上方投影の約0.5を超え、約100m×10m(長さ×入口の幅)の入口上で拡がり、人々の活動がより頻繁になる。
26. 所定の需要に合致する電力を継続的に発生し続けるために、燃料電池のための十分な水素を生成及び貯蔵するために必要とされる所定の十分な水素ユニット(12)を収容するための空間を提供する、地上階の追加遮蔽領域水素貯蔵容量は、風力変動、電力需要及びWETSS容量に比例する。本明細書では、需要と合致する電力を供給するための水素貯蔵容量の計算について例示している。拡張領域は、内部プラットフォーム領域(11)よりも大きくなり得る。
27. WETSSの建造期間と、WETSSのライフサイクル全体におけるメンテナンス作業と、で利用される貨物自動車搭載クレーン。各クレーンは、WETSSのサイズに応じて、3−5階を担当する。2つの傾斜路(37)は、それぞれ幅3.75mであり、それぞれのプラットフォームに組み込まれている。1つの傾斜路は、中央の階から2つ隣接する階にアクセス可能なように、上がり下がりしている。傾斜路の開始点は、1つの直径上に位置付けられ、傾斜路の方向はその直径の反対側である。各階の傾斜路は、ある階でシェルフレーム構造の建造及び風力タービンの設置を行う貨物自動車クレーンが当該階を終えたときに、WETSSの上端に至るまで次の階に移動し得るように、建造中に使用及び建造される。
28.避雷針または空気端子、航空機警告灯。空気端子は、典型的な接地穴及び材料を通じて地面に接続されている。航空機警告灯は、有効である設置国の航空規則及び法あるいは国際法に従って設置される。
29.作業目的地に着くための貨物自動車搭載クレーン道または道路。このトラックは、それぞれの幅が3.75mである2車線を有する。貨物自動車クレーン(27)は、貨物自動車の動きが遅くでこぼこであってスタッフにとって不便であるとともにメンテナンストラックが損傷し得る下端メンテナンストラック(19)上を通過することなく、1つの作業場から別の作業場に移動し得る。
30. 風に翼を向けて、WETSSについて選択された個々のタービンによってアクティブまたはパッシブになることが決まり得る機械室のヨーシステム
31. 固定軸の上端部の下端にしっかりと嵌合する、機械室の上端穴。上端穴は、機械室と稼働状態における固定軸(3)上のHAWTとを完全に固定するために使用される。
32. 水平および垂直面に固定軸をしっかりと固定するためのラグねじ。ラグねじは、メンテナンストラック(19及び21)の穴を通過し、締められることで固定軸(3)に接続されたU部(20)が三方向平面内を移動することを防止する。
33. 固定軸の上端部の下端部を離脱するために緩められるねじ切り管接続部は、底(18)に設けられた固定軸上への機械室の設置を許容し、機械室上の固定軸上端部を再設置するとともに管接続部を締め付ける。ねじ切り管接続部の最短の長さは、機械室上端穴の深さプラス4”(100mm)である。
34. 異なる垂直方向に沿った最小で4本のケーブルであり、90°の水平角度を成す隣接する2本のケーブルの任意の2つによって、(OSMLFS)の最後及び最初の部分における鎖状(chain)開断面複数階フレームシェル構造(OSMLFS:open section multylevel frame shell structures)の高さの中央よりも高い階におけるコーナー柱に固定されるとともに片側が地面に固定された鋼ケーブルまたは炭素繊維ケーブル。OSMLFSにおける典型的なWETSSは、高さ200−1000mであり、長さ1000m−3000mである。典型的な直径またはOSFMLS内の個々のOSMLFSにおける大きい方の水平距離は、図13、14及び15に示すように、50−300mである。
35.基盤を通過して最終上端面に至る、幅約5mの地震または沈下継目。地震継目は、OSMLFSモジュール間のヒンジ結合を含み、一瞬またはわずかな時間に力だけを伝達する空間トラスを経由する。
36. 地上階における落下物からの継続的な保護を行うための重複シールド突出部(25)及び拡張屋根(26)。
37. 幅〜4.0m、傾斜〜20%を有し、内部プラットフォーム(11)の任意の2つの連続した階を接続し、作業するクレーンスタッフに対して設定された数階の間を移動するために貨物自動車搭載クレーン(27)が使用する傾斜路。傾斜路のさらなる説明については#27の貨物自動車搭載クレーンを参照のこと。

図面の簡単な説明

0064

HAWTを備えた典型的な大型のWETSS、直径〜500m×高さ2000m、平面図。
HAWTを備えたWETSSの正面図。
HAWTを備えたWETSSの拡大正面図。
稼働状態のHAWTの稼働状態正面図、平面図。
稼働状態のHAWTの上面図。
稼働状態のHAWTの側面図。
稼働状態のHAWTのA−A断面図。
VAWTを備えた小型のWETSS(〜125×高さ500m)の平面図。
稼働状態の外部プラットフォーム上で三方向から固定軸を保持するロック及びトラックボルトを有したメンテナンストラックの平面図。
VAWTを備えた小型のWETSSの正面図。
稼働状態のVAWTの側面図。
稼働状態のVAWTのA−A断面図。
典型的な1GWの、HAWTまたはVAWTを備えた鎖状(open chain)WETSSの正面図。
典型的な1GWの、HAWTまたはVAWTを備えた鎖状WETSSの平面図。
HAWTまたはVAWTを備えた典型的な鎖状WETSSの拡大平面図。
平均風速=6m/秒と仮定した場合における風速のレイリー分布
風速のレイリー分布がランダムであると仮定した場合における小型のHAWT及びVAWT、大型で実用的なHAWTの長期間エネルギー分布
収集エネルギー密度。直接的なタービン電力出力または時間的に非定常な電力との比較。
収集エネルギー強度(定常的な電力出力のWETSS;大型のHAWTの容量クレジットが4%)。これは、既存の電力またはエネルギー生成プラントの同等量を置き換え得る電力出力の間で行われる比較である。
月毎の平均消費Eaveに対する水素に貯蔵される必要エネルギー。

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