JP2005194792A

JP2005194792A - 洋上風力発電装置の基礎および洋上風力発電装置の据付方法

Info

Publication number: JP2005194792A
Application number: JP2004002819A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kawahigashi; 靖川東; Tokio Asakawa; 時生浅川
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2004-01-08
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】洋上風力発電装置の基礎を安価に製作する。
【解決手段】平面視で正多角形の各頂点に配置されて海底Ｇに打ち込まれた鋼管杭１と、海底Ｇに配置された鋼管杭１と同一位置に孔２ａが穿設され鋼管杭１の杭頭１ａが挿通するようになっている鋼板製の基礎受けフレーム２と、上記基礎受けフレーム２と同じ位置に鋼管杭１の杭頭１ａが挿通する孔が穿設されているとともに基礎受けフレーム２上に載置されて固定され、風力発電部５の支柱６の基端部を上記正多角形の中心に位置させて支持する鉄筋コンクリート製の基礎ブロック３とからなるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は海上や湖上など洋上に設置される風力発電装置の基礎に関する。

風力発電は化石燃料を使用しないのでクリーンなエネルギーとして注目されているが、従来わが国ではほとんど陸上に設置されている。しかし国土の狭いわが国では、常時安定した風力が得られること、人口密集地から十分離れていること、設置が困難な急峻な山地ではないことなどの立地条件が厳しいため、適地を探すのが困難になっている。

一方洋上には設置に困難な深い海を除いても、多くの適地があり、洋上風力発電装置が注目されている。洋上に風力発電装置を設置する場合には、海底に現場施工でコンクリート製一体型のタワーを立設し、そのタワー上に風力発電装置を配置することが行われている。

さらに、特許文献1にはタワーを短期間で安価に建設できる洋上風力発電装置が開示されている。図４は特許文献１に開示された洋上風力発電装置の縦断面図である。
特開２０００−２１３４５１号公報

図４において、Ｇａは砂状の海底、Ｗ．Ｌは海面である。ａはタワーで上部は海面Ｗ．Ｌから突出している。タワー上にはプラットホームｊを介して風力発電部ｇが配置されている。風力発電部ｇは支柱ｈと3枚の羽根を有する風車ｉとを有している。タワーａは、内部に錘として砂を詰めた中空円筒状の基礎ブロックｂと、その上に順次小径となる複数の中空円筒状の分割ブロックｋを積み上げたタワー本体ｃとからなる。ｆは連結具であり、複数の分割ブロックｋを貫通して基礎ブロックｂとプラットホームｊとを連結しており、横荷重を受けても分割ブロックｋがバラバラにならないようになっている。基礎ブロックｂおよび分割ブロックｋはともに鉄筋コンクリート製で、基礎ブロックｂは、天壁および底壁を有しており、分割ブロックｋは、天壁を有している。

ｍは転倒防止枠であり、鉄筋コンクリート製であって、砂状の海底Ｇａに垂直に埋め込まれて上部を砂状の海底Ｇａより上方に突出させた円筒状の枠本体ｄと、該枠本体ｄの外周面から砂状の海底Ｇａ内を水平に延びる鍔部ｅとを有し、タワーａの自重により砂が散逸するのを枠本体ｄで防止し，タワーａが傾くのを鍔部ｅで防止している。図に示すようにタワーａの基礎ブロックｂが転倒防止枠ｍの上部に挿入されている。

図５は同じく特許文献1に開示された、洋上風力発電機装置の他の実施例の図面である。海底が岩盤状の海底Ｇｂである場合には図５に示すような転倒防止枠ｍは不要で、岩盤状の海底Ｇｂの表面を平らに掘削し、その上に基礎ブロックｂを載置すればよい。

以上説明した洋上風力発電装置において、図４の枠本体ｄはオープンケーソンと呼ばれる基礎であり、図５の基礎ブロックｂは設置ケーソンと呼ばれる基礎である。設置ケーソンは底部が閉じている箱状のもので、ケーソンヤードで建造した後、水上を船で曳航し、所定の位置に達したら躯体の内部に水などを満たして沈下させて海底に設置する。設置ケーソンは海底の基礎地盤が掘削できる程度の岩盤かあるいは非洗掘性の締め固まった砂地盤の場合に適用できる。海底の表面を平らに仕上げてからケーソンをそのまま設置する。

図４のオープンケーソンは井筒とも呼んでいるもので、ケーソンヤードで建造し、仮の底盤をつけて所定の位置まで曳航し、そこで沈めてから仮の底盤を取り外し、その後躯体の内部から掘削し、沈下させて設置する。オープンケーソンは海底が柔らかい粘土、シルト、砂、礫のいずれの地盤にも適用できる。ケーソンが所定の深さに達したら掘削した内部に土砂を捨て込む。

以上述べたように、設置ケーソン（図５参照）の場合には海底を平らに地ならしするための掘削が必要であるし、オープンケーソン（図４参照）の場合にはケーソンを沈下させるための掘削が必要で、いずれも海底の掘削のために大規模な工事になる。さらに風力発電装置は自身の重量はそれほど大きくないものの、横風によって発電するものだから、大きな転倒モーメントが働く。したがってその転倒モーメントに対抗するため、ケーソンの重量を大きくするとともに、底面積も大きくしなければならない。さらに海底における大きなコンクリート構造物の建設は海底生物や魚類に対する影響も少なくない。

本発明は従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、海底の掘削工事が不要であり、大きな転倒モーメントに対応可能であり、かつ、漁礁として利用可能で環境に優しい洋上風力発電装置の基礎を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本願請求項１記載発明の洋上風力発電装置の基礎は、平面視で多角形の各頂点に配置されて海底に打ち込まれた鋼管杭と、海底に配置された鋼管杭と同一位置に孔が穿設され鋼管杭の杭頭が挿通するようになっている鋼板製の基礎受けフレームと、上記基礎受けフレームと同じ位置に鋼管杭の杭頭が挿通する孔が穿設されているとともに基礎受けフレーム上に載置されて固定され、風力発電部の支柱の基端部を上記多角形の中心に位置させて支持する鉄筋コンクリート製の基礎ブロックとからなるものである。上記多角形は正多角形であることが好ましく、特に正６角形であるのがよい。

また、本願請求項４記載発明の洋上風力発電装置の据付方法は、鋼管杭が挿通する孔が平面視で多角形の各頂点に位置して穿設された鋼板製の基礎受けフレームをジャッキなどにより支持して海底に仮置きする工程と、上記基礎受けフレームの孔を通して海底に鋼管杭を打ち込む工程と、鋼管杭の杭頭と基礎受けフレームとを固定する工程と、基礎受けフレームと同じ位置に鋼管杭の杭頭が挿通する孔が穿設されている鉄筋コンクリート製の基礎ブロックを基礎受けフレーム上に載置して固定する工程と、基礎ブロック上に風力発電部の支柱の基端部を上記正多角形の中心に位置させて立設する工程とを有してなるものである。上記多角形は正多角形であることが好ましく、特に正６角形であるのがよい。

以下本願請求項１記載発明の作用を説明する。本発明の洋上風力発電装置の基礎は鋼板製の基礎受けフレームと鉄筋コンクリート製の基礎ブロックとを鋼管杭によって支持しており、海底に直接設置しないので、従来のケーソンのように海底の地ならしやケーソンを沈下させるための掘削作業が不要になりその分工数の削減が可能で、費用も安くて済む。風力発電部にかかる横荷重による転倒モーメントは自重に加えて鋼管杭の引き抜き力と押し込み力の差によって受け持たれるので、ケーソンのように大きな自重や大きな底面積が不要になり、建造コストの削減が可能になる。また、ケーソンに比べて大きさが小さいので周囲の環境に対する負荷も小さい。杭を平面視で正多角形の各頂点に配置したので、風が各頂点と中心を結ぶ直線のどの方向から吹いても各杭にかかる引き抜き力や押し込み力は均等になり、転倒に対する安全性が高い。

さらに基礎受けフレームと海底との間に任意に隙間を設けることができ、そこが魚の隠れ場所となるので、優良な漁礁となって漁業との共存が可能な環境に優しい基礎である。

以下本願請求項４記載発明の作用を説明する。海底に適当な個数のジャッキを配置する。その際ジャッキが海底に潜り込まないように鉄板などを敷いておくのがよい。次に予め陸上で製作して船により運ばれてきた鋼板製の基礎受けフレームをクレーン船により吊り下ろし、ジャッキ上に載置する。基礎受けフレームを水平にするようにジャッキの高さを調節する。次に鋼管杭をくい打ち船で、基礎受けフレームにあけられた孔を通して吊り下ろし、先端を海底に着地させてそのまま打ち込む。所定の深さまで杭を打ち込んでから、鋼管杭の杭頭と基礎受けフレームとを固定する。固定の方法は溶接などでもよいが、予めあけておいた孔にピンを打ち込んで固定してもよい。次に予め陸上で製作して船により運ばれてきた基礎ブロックをクレーン船により吊り下ろし、基礎受けフレーム上に載置する。基礎ブロックは鉄筋コンクリート製で基礎受けフレームと同じ位置に鋼管杭の杭頭が挿通する孔が穿設されている。次に基礎受けフレームと基礎ブロックを固定する。固定は種々の方法が考えられるが、たとえば、杭頭が挿通する孔が穿設されているワッシャー状の鋼板を杭頭に被せるように通して基礎ブロック上に載置し、杭頭に予めあけておいた孔にピンを打ち込んで固定してもよい。次に基礎ブロック上に風力発電部の支柱の基端部を上記正多角形の中心に位置させて立設する。立設する方法は基礎ブロックに予めアンカーボルトを埋め込んでおき、支柱の下端にはアンカーボルトに対応する穴のあいたフランジを溶接しておいて、フランジにアンカーボルトを通してナットで締め上げればよい。

先に鋼管杭を海底に打ち込み、それに基礎受けフレームや基礎ブロックを杭頭に被せて据え付けるとすれば、杭の打ち込み位置の厳密な正確性が要求され、それを保つのは困難であるが、この据付方法によれば、仮置きした基礎受けフレームが杭打ちのテンプレートとして使用できるので、杭の打ち込み位置の厳密な正確性が保証されて据付が容易である。

以上述べたように本発明の洋上風力発電装置の基礎は海底に打設した鋼管杭により、基礎受けフレームと基礎ブロックを支持したので、海底の掘削作業が不要でコストが削減可能であるとともに、転倒モーメントを杭の引き抜き力によって受け持つので安全性が高い。また、仮置きした基礎受けフレームが杭打ちのテンプレートとして使用できるので、杭の打ち込み位置の厳密な正確性が保証されて据付が容易である。さらにこの基礎はケーソンに比べて小型なので環境への負荷が小さい。

以下本発明の1実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は本発明の基礎を有する洋上風力発電装置の概念図であり、図２は据付方法の説明図である。図３は基礎受けフレームの平面図である。これらの図においてＧは海底である。１は鋼管杭である。２は鋼板製の基礎受けフレームである。基礎受けフレーム２は図３に示すように６角形をしており、各頂点の内側に鋼管杭１が挿通する孔２ａがあいている。２ｂは基礎受けフレーム２の下面に、孔２ａと同心に取り付けられたスリーブであり、孔２ａの直径とスリーブ２ｂの内径は同じである。２ｃは鋼管杭１と基礎受けフレーム２とを固定するためのピンである。２ｄは基礎受けフレーム２の重量を軽減するための刳り抜き孔である。鋼管杭１は平面視で正多角形（本実施例では正6角形（図３に１点鎖線で示す））の各頂点に配置されて海底Ｇに打ち込まれている。杭１の太さは１〜１．４ｍΦ、正6角形の対角線の長さは8〜10ｍ程度とする。なお、本図において洋上風力発電装置は２０００〜２５００ＫＷの大型のものを想定しており、計算によれば太さが１〜１．４ｍΦの杭が５本程度あれば十分であると考えられる。杭の打ち込みは杭打ち専用船や起重機船にリーダーを装着した杭打ち船を使用する。杭打ち船は船上に櫓を立て、ハンマーを落下させる形式のものやディーゼルハンマー、油圧ハンマーなどを使用する。ハンマーの杭頭への衝撃を緩和するため杭頭にキャップやクッションを取り付ける。

３は鉄筋コンクリート製の基礎ブロックである。基礎ブロック３は平面視の外形が基礎受けフレーム２と同じ正6角形の下部基礎ブロック３ａと円筒状の上部基礎ブロック３ｂとが１体に、かつ、同心に形成されており、下部基礎ブロック３ａには基礎受けフレーム２と同じ位置に鋼管杭１の杭頭１ａが挿通する孔が穿設されている。基礎ブロック３は基礎受けフレーム２上に載置されて固定されている。基礎ブロック３を基礎受けフレーム２上に固定するには、杭頭１ａが挿通する孔が穿設されているワッシャー状の鋼板４を杭頭１ａに被せるように通して基礎ブロック２上に載置し、杭頭１ａに予めあけておいた孔にピン２ｃを打ち込んでワッシャー状の鋼板４が抜けないようにして固定する。

５は風力発電部であり、支柱６と支柱６の頂部に取り付けられた３枚の羽根を有する風車７とを有している。上部基礎ブロック３ｂの中心付近には図示しないアンカーボルトが予め埋め込まれており、支柱６の下端に取り付けられたフランジ６ａをそのアンカーボルトに被せて、ナットで締め付けて、鋼管杭１の中心線が形成する正６角形（図３に１点鎖線で示す）の中心に支柱６の中心が位置するように固定してある。８はジャッキである。

次に本実施形態の作用を説明する。海底Ｇに適当な個数のジャッキ８を配置する。その際ジャッキ８が海底Gに潜り込まないように鉄板などを敷いておくのがよい。次に予め陸上で製作して船により運ばれてきた鋼板製の基礎受けフレーム２をクレーン船により吊り下ろし、ジャッキ８上に載置する。基礎受けフレーム２を水平にするようにジャッキ８の高さを調節する。次に鋼管杭１を杭打ち船で、基礎受けフレーム２にあけられた孔２ａを通して吊り下ろし、先端を海底Ｇに着地させてそのまま打ち込む。所定の深さまで鋼管杭１を打ち込んでから、鋼管杭１の杭頭１ａと基礎受けフレーム２とを固定する。固定の方法は、予め杭頭１ａとスリーブ２bにあけておいた孔を一致させ、それにピン２ｃを両方を貫通するように打ち込んで固定する。次に予め陸上で製作して船により運ばれてきた基礎ブロック３をクレーン船により吊り下ろし、基礎受けフレーム２上に載置する。基礎ブロック３は鉄筋コンクリート製で基礎受けフレーム２と同じ位置に鋼管杭１の杭頭１ａが挿通する孔が穿設されている。次に基礎受けフレーム２と基礎ブロック３を固定する。固定方法は杭頭１ａが挿通する孔が穿設されているワッシャー状の鋼板４を杭頭１ａに被せるように通して基礎ブロック３上に載置し、杭頭１ａに予めあけておいた孔にピン２ｃを打ち込んで固定する。次に基礎ブロック３上に風力発電部５の支柱６を、鋼管杭１の中心線が形成する正６角形（図３に１点鎖線で示す）の中心に位置させて立設する。立設する方法は基礎ブロック３に予めアンカーボルト（図示せず）を埋め込んでおき、支柱６の下端にはアンカーボルトに対応する穴のあいたフランジ６ａを溶接しておいて、フランジ６ａにアンカーボルトを通してナットで締め上げればよい。

先に鋼管杭１を海底Ｇに打ち込み、それに基礎受けフレーム２や基礎ブロック３を杭頭１ａに被せて据え付けるとすれば、杭の打ち込み位置の厳密な正確性が要求され、それを保つのは困難であるが、本発明の据付方法によれば、ジャッキ８の上に仮置きした基礎受けフレーム２が杭打ちのテンプレートとして使用できるので、杭の打ち込みの相対的位置の厳密な正確性が保証されて据付が容易である。

以上述べたように本発明の洋上風力発電装置の基礎は海底に打設した鋼管杭１により、基礎受けフレーム２と基礎ブロック３を支持したので、海底Ｇの掘削作業が不要でコストが削減可能であるとともに、転倒モーメントを杭の引き抜き力によって受け持つので安全性が高い。さらにこの基礎はケーソンに比べて小型なので環境への負荷が小さい。さらに基礎受けフレーム２と海底Ｇとの間に任意に隙間を設けることができ、そこが魚の隠れ場所となるので、優良な漁礁となって漁業との共存が可能な環境に優しい基礎である。

本発明は以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。たとえば、鋼管杭の配置は正6角形に限らず、正３角形、正４角形、正５角形、正８角形などでもよい。

本発明の基礎を有する洋上風力発電装置の概念図である。本発明の基礎を有する洋上風力発電装置の据付方法の説明図である。基礎受けフレームの平面図である。従来の洋上風力発電装置の縦断面図である。従来の洋上風力発電装置の部分縦断面図である。

符号の説明

１鋼管杭
２基礎受けフレーム
３基礎ブロック
５風力発電部
６支柱

Claims

平面視で多角形の各頂点に配置されて海底に打ち込まれた鋼管杭と、海底に配置された鋼管杭と同一位置に孔が穿設され鋼管杭の杭頭が挿通するようになっている鋼板製の基礎受けフレームと、上記基礎受けフレームと同じ位置に鋼管杭の杭頭が挿通する孔が穿設されているとともに基礎受けフレーム上に載置されて固定され、風力発電部の支柱の基端部を上記多角形の中心に位置させて支持する鉄筋コンクリート製の基礎ブロックとからなることを特徴とする洋上風力発電装置の基礎。
上記多角形は正多角形である請求項1記載の洋上風力発電装置の基礎。
上記正多角形は正６角形である請求項２記載の洋上風力発電装置の基礎。
鋼管杭が挿通する孔が平面視で多角形の各頂点に位置して穿設された鋼板製の基礎受けフレームをジャッキなどにより支持して海底に仮置きする工程と、上記基礎受けフレームの孔を通して海底に鋼管杭を打ち込む工程と、鋼管杭の杭頭と基礎受けフレームとを固定する工程と、基礎受けフレームと同じ位置に鋼管杭の杭頭が挿通する孔が穿設されている鉄筋コンクリート製の基礎ブロックを基礎受けフレーム上に載置して固定する工程と、基礎ブロック上に風力発電部の支柱の基端部を上記正多角形の中心に位置させて立設する工程とを有してなることを特徴とする洋上風力発電装置の据付方法。
上記多角形は正多角形である請求項４記載の洋上風力発電装置の据付方法。
上記正多角形は正６角形である請求項５記載の洋上風力発電装置の据付方法。