JP2009248792A - 洋上風力発電用のスパー型浮体構造およびその製造方法ならびにその設置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 軽量で復元力が大きくかつ短期間に製造することができる洋上風力発電用のスパー型浮体構造およびその製造方法ならびにその設置方法を提供することである。
【解決手段】 洋上風力発電用のスパー型浮体構造１は、上下の蓋体１０、１１と、これらの間に連続的に設置された筒形のプレキャストコンクリートブロック７とがＰＣ鋼材１２で接合されてなる中空の下部浮体３と、該下部浮体３にＰＣ鋼材１２で接合された、上記プレキャストコンクリートブロック７よりも小径なプレキャストコンクリートブロック１３と上蓋１５とからなる中空の上部浮体２と、上記下部浮体３の下面に連結鋼管５を介して接合されたバラストタンク６とから構成されたことである。
【選択図】図３

Description

本願発明は、風の強い洋上に設置して風力発電を行うための洋上風力発電用のスパー型浮体構造およびその製造方法ならびにその設置方法に関するものである。

洋上風力発電用の浮体構造としては、石油や天然ガスなどの海岸資源の掘削および貯蔵に用いられる浮体構造を参考にして、これまでにスパー型などの浮体構造が提案されている。このスパー型浮体構造に設置される風力発電装置はマストと、ナセルと、ブレードとから構成された高さ７０ｍ程度のものであり、ブレード回転時における風荷重（水平力）がマスト頂部に最も大きく作用するため、このマスト頂部が最も重くなっている。そのためマスト頂部に水平力が作用すると浮体構造が傾斜し、この傾斜によって発電量が低下してしまう。この傾斜は係留チェーンでの制御が困難であるため、浮体構造の復元力を大きくする必要がある。この復元力は重量とメタセンター高さとを乗じることで評価可能であるため、水平力を抑制するために浮体構造を大きくしていた。この水平力を抑制するための大きな浮体構造はコンクリートで製造することもできる。また、その他の洋上風力発電用の浮体構造としては、例えば特開２０００−１８８５５７号公報の発明が知られている。
特開２０００−１８８５５７号公報

しかし、上記のように水平力を抑制するために浮体構造を大きくすると、製作コストが高くなって不経済になるばかりでなく、作用する波力も大きくなるため動揺も大きくなるという問題があった。またコンクリート製のスパー型浮体構造は、通常、円筒形であるため、横倒しした状態で製造される。しかし、この状態でコンクリートを打設することは内外の支保工等の設備が大掛かりになることや、広大な製作ヤードが必要になることに加え、円筒断面へのコンクリートの打設には材料分離が発生し易くなるため、均質なコンクリートの打設が困難であるという問題もあった。

本願発明はこれらの問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、軽量で復元力が大きくかつ短期間に製造することができる洋上風力発電用のスパー型浮体構造およびその製造方法ならびにその設置方法を提供することである。

以上の課題を解決するための洋上風力発電用のスパー型浮体構造は、上下の蓋体と、これらの間に連続的に設置された筒形のプレキャストコンクリートブロックとがＰＣ鋼材で接合されてなる中空の下部浮体と、該下部浮体にＰＣ鋼材で接合された、上記プレキャストコンクリートブロックよりも小径なプレキャストコンクリートブロックと上蓋とからなる中空の上部浮体と、上記下部浮体の下面に連結鋼管を介して接合されたバラストタンクとから構成されたことを特徴とする。また連結鋼管は適宜長さの鋼管が複数本接続されて構成されたことを含む。また下部浮体、上部浮体、バラストタンクはいずれも平面円形または平面角形であることを含む。また連結鋼管には動揺を低減するためのプレートが連結鋼管と直交して設置されたことを含むものである。
また洋上風力発電用のスパー型浮体構造の製造方法は、筒形のプレキャストコンクリートブロックを連続的に接着してなる筒体の前後に蓋体を被せ、この蓋体とプレキャストコンクリートブロックとにかけて配設したＰＣ鋼材を所定の力で緊張して中空の下部浮体を形成し、該下部躯体の上面に、上記のプレキャストコンクリートブロックよりも小径のプレキャストコンクリートブロックを連続的に接着してなる筒体の上面に蓋体を被せ、この蓋体とプレキャストコンクリートブロックとにかけて配設したＰＣ鋼材を所定の力で緊張して中空の上部浮体を形成した後、上記下部浮体の下面に連結鋼管によってバラストタンクを接合することを特徴とする。
また洋上風力発電用のスパー型浮体構造の設置方法は、上下の蓋体と、これらの間に連続的に設置された筒形のプレキャストコンクリートブロックとがＰＣ鋼材で接合されてなる中空の下部浮体と、該下部浮体にＰＣ鋼材で接合された、上記プレキャストコンクリートブロックよりも小径なプレキャストコンクリートブロックと上蓋とからなる中空の上部浮体と、上記下部浮体の下面に連結鋼管を介して接合されたバラストタンクとから構成された洋上風力発電用のスパー型浮体構造を使用し、バラストタンクにバラストを入れない状態でスパー型浮体構造を横倒しして進水し、この状態で設置現場に曳航した後、上記バラストタンク内にバラストを入れることによりスパー型浮体構造を直立させてアンカーで固定することを特徴とする。また連結鋼管は適宜長さの鋼管が複数本接続されて構成されたことを含む。また下部浮体、上部浮体、バラストタンクはいずれも平面円形または平面角形であることを含む。また連結鋼管には動揺を低減するためのプレートが連結鋼管と直交して設置されたことを含むものである。
また洋上風力発電用のスパー型浮体構造の設置方法は、上下の蓋体と、これらの間に連続的に設置された筒形のプレキャストコンクリートブロックとがＰＣ鋼材で接合されてなる中空の下部浮体と、該下部浮体にＰＣ鋼材で接合された、上記プレキャストコンクリートブロックよりも小径なプレキャストコンクリートブロックと上蓋とからなる中空の上部浮体と、上記下部浮体の下面に連結鋼管を介して接合されたバラストタンクとから構成された洋上風力発電用のスパー型浮体構造を使用し、バラストタンクにフロータを設置してスパー型浮体構造を横倒しして進水し、この状態でバラストタンクにバラストを充填して設置現場に曳航した後、上記フロータを撤去することによりスパー型浮体構造を直立させてアンカーで固定することを特徴とする。また連結鋼管は適宜長さの鋼管が複数本接続されて構成されたことを含む。また下部浮体、上部浮体、バラストタンクはいずれも平面円形または平面角形であることを含む。また連結鋼管には動揺を低減するためのプレートが連結鋼管と直交して設置されたことを含むものである。

スパー型浮体構造が筒形のプレキャストコンクリートブロックで形成されたことにより、部材厚が薄くなって軽量化される。またバラストタンクにバラストを入れることにより下部が高重量になるとともに、このバラストタンクが連結鋼管で下部浮体の下面に接続されたことによりスパー型浮体構造の浮心位置を変動せずに重心位置を下げることができる。これによりスパー型浮体構造の安定性を効果的に高めることができるとともに、排水質量の低減を図ることもできる。また下部浮体とバラストタンクとの間に連結鋼管を設けたことにより、受流面積の低減を図ることができるとともに、波の動揺に対しても有利になる。また前記重心位置を下げることにより、係留チェ−ンの取り付け位置も下げることができるため、係留チェーンを短くすることができ、係留コストの低減を図ることができる。またスパー型浮体構造を筒形のプレキャストコンクリートブロックで構成したことにより広大な製作ヤードが不要となる。またバラストタンクにバラストを入れることによりスパー型浮体構造を直立させることができるので設置が簡単になる。

以下、本願発明の洋上風力発電用のスパー型浮体構造（以下スパー型浮体構造という）およびその製造方法ならびにその設置方法について説明する。はじめにスパー型浮体構造について説明し、次に、スパー型浮体構造の製造方法について説明し、最後にスパー型浮体構造の設置方法について説明するが、各実施の形態において同じ構成は同じ符号を付して説明し、異なった構成にのみ異なった符号を付して説明する。

スパー型浮体構造Ａは、図１に示すように、洋上に直立して浮かべて係留チェーンＢに接続されたアンカーＣで固定されるものであり、上部にマストと、ブレードと、ナセルとからなる発電装置Ｄが設置されるものである。

第１の実施の形態のスパー型浮体構造１は、図２に示すように、中空の上部浮体２と下部浮体３とからなる浮体構造４と、該下部浮体３の下面に四本の連結鋼管５を介して連結されたバラストタンク６とから構成されている。

この下部浮体３は、円筒形のプレキャストコンクリートブロック（以下ＰＣブロックという）７が止水パッキン８を介して連続的に接合されてなる筒体９と、この筒体９の前後に被せられた蓋体１０、１１とがＰＣ鋼材１２で接合されて構成されている。

このＰＣ鋼材１２はＰＣ鋼線やＰＣ鋼棒などであり、円筒形のＰＣブロック７の複数箇所（八箇所）に配設され、所定の力で緊張して下部浮体３全体にプレストレスを付与している。なお、ＰＣ鋼材１２の設置は八箇所に限らず、これ以上またはこれ以下の箇所であっても良い。

また下部浮体３の上面に設置された上部浮体２は、下部浮体３のＰＣブロック７よりも小径なＰＣブロック１３で形成されている。このＰＣブロック１３も円筒形であり、三個が止水パッキン８を介して接合された筒体１４と、この筒体１４の上面に被せられた上蓋１５とが、上記と同様に、ＰＣ鋼材１２で接合されて構成されている。

この上部浮体２は、図３に示すように、スパー型浮体構造１を洋上に直立して浮かべたときに海面から僅かに突出する箇所に設置される。これはスパー型浮体構造１にマスト１６を設置し、このマスト１６にブレード１７およびナセル１８を取り付けたときに、モーメントが一番大きく作用する箇所だからである。また上部浮体２が下部浮体３よりも小径なのは、波の影響を小さくしてスパー型浮体構造１の安定性を確保するものである。

また下部浮体３の下面に連結鋼管５を介して接続されたバラストタンク６は、バラスト水またはバラストコンクリートなどのバラストが充填されるものであり、下部浮体３と同径のプレキャストコンクリートで形成されている。

一方、連結鋼管５は、図４に示すように、下部浮体３の下面、およびバラストタンク６の上面から突出した端部用鋼管１９と、これらの間に設置された中部用鋼管２０とからなり、この中部用鋼管２０の本数または長さを変えて連結鋼管の長さを調整することにより、浮心位置を変えずに重心位置を下げることができるので、スパー型浮体構造１の安定性を高めることができるとともに、排水質量の低減を図ることもできる。この連結鋼管５によって下部浮体３とバラストタンク６とが連通されるため、バラストタンク６へのバラストの充填が上部浮体２、下部浮体３および連結鋼管５を通って配線された充填ホースで行われる（図示せず）。前記連結鋼管５は、１本または複数本が配設されるものである。

このようにバラストタンク６にバラストが充填されると、スパー型浮体構造１の最下端部が最重量となり、しかも、下部躯体３とバラストタンク６との間に連結鋼管５を設けたことにより、受流面積の増加を抑制するとともに、波の動揺に対しても有利になる。また係留チェーンの取り付け位置は、重心位置の高さに設置するのが一般的であるため、重心位置が下がると係留チェーンの取り付け位置も下がるので、係留チェーンを短くすることができ、係留コストの低減を図ることができる。なお、この連結鋼管５の本数は図示した四本に限らず、これ以上またはこれ以下の１本以上であってもよい。

また図５は第２の実施の形態のスパー型浮体構造２１である。このスパー型浮体構造２１は浮体構造４およびバラストタンク６を矩形又は方形に形成したものであり、これ以外は第１の実施の形態のスパー型浮体構造１と同じ構成である。

また図６は第３の実施の形態のスパー型浮体構造２２である。このスパー型浮体構造２２は、波による動揺を低減するための平面円形のプレート２３を連結鋼管５に二枚設置したものであり、これ以外は第１の実施の形態のスパー型浮体構造１と同じ構成である。このプレート２３により波による動揺を抑制することができる。このプレート２３は二枚に限らず、これ以下またはこれ以上設置することもできる。なお、このプレート２３を設けることは、上記の第２の実施の形態のスパー型浮体構造２１にも適用することができる。

次に、スパー型浮体構造の製造方法を、第１の実施の形態のスパー型浮体構造１を用いて説明する。このスパー型浮体構造１の製造は、上部浮体２と下部浮体３とからなる浮体構造４を形成した後、これに連結鋼管５でバラストタンク６を接合するものである。

はじめに、下部浮体３を構成する円筒形のＰＣブロック７を製造する。これは先行して製造したＰＣブロック７の上面を型枠代わりにしてコンクリートを打設するマッチキャスト方式で行われる。この方式はＰＣブロック７を繋ぐ場合に接合面の誤差が生じないという利点がある。

このＰＣブロック７は、図７に示すように、先行のＰＣブロックの型枠２４にコンクリート２５を打設して先行のＰＣブロック２６を製造する。次に、この上面に次のＰＣブロックの型枠２７を設置し、これにコンクリート２８を打設して後行のＰＣブロック（上部のＰＣブロック）２９を製造する。

そして、この後行のＰＣブロック２９の上面が、その次のＰＣブロックの型枠として使用される。そのため、図に示すように、後行のＰＣブロック（上部のＰＣブロック）２９のコンクリート２８を型枠２７に打設し、このコンクリート２８が硬化した後に、この後行のＰＣブロック２９をクレーンなどで上方へ持ち上げて、先行のＰＣブロック２６を側方へ引き出す。そして、この先行のＰＣブロック２６を側方へ引き出した後、後行のＰＣブロック２９を吊り降ろす。

次に、この側方に引き出された先行のＰＣブロック２６は型枠２４を解体していないため、側方に引き出した後に型枠２４を解体する（この型枠２４は先行のＰＣブロック２６を側方に引き出す前に解体することもできる）。そして、この型枠２４を解体した先行のＰＣブロック２６を、図に示すように、転倒台３０を用いて９０度に向きを変えて門型クレーン３１で移動し、スパー型浮体一基分のＰＣブロック７が完成するまで所定の箇所に仮置きをする。

そして一基分のＰＣブロックが完成した後に、図８に示すように、各ＰＣブロック７の接合面に止水パッキン８を接着し、これを介してこれらのＰＣブロック７を接合して筒体９を形成し、この前後に蓋体１０、１１を被せる。そして、この蓋体１０、１１とＰＣブロック７とにかけてＰＣ鋼材１２を配設した後、これを所定の力で緊張するとプレストレスが付与された下部浮体３が完成する。なお、蓋体の一方、すなわち後ろ側の蓋体１１には、端部用鋼管１９が四本埋設され、その一端側が蓋体上面から突出している。

次に、上記と同じ方法で形成した前記のＰＣブロック７よりも小径のＰＣブロック１３で形成した筒体１４と、上蓋１５とをＰＣ鋼材１２で接合して上部浮体２を形成し、これを下部浮体３の蓋体１０にＰＣ鋼材１２で接合することによって、上部浮体２と下部浮体３とからなる浮体構造４が形成される。

次に、この浮体構造４に連結鋼管５を介してバラストタンク６を接合するが、その前に、下部浮体３と同径のバラストタンク６をプレキャストコンクリートで製造しておく。このバラストタンク６の上面には、内部と連通した端部用鋼管１９が四本埋設され、その一端部が上面から突出している。そして、図８に示すように、下部浮体３の端部鋼管１９に中部用鋼管２０を二本溶接（またはボルト）接合するとともに、この中部鋼管２０をバラストタンクの端部用鋼管１９に溶接（またはボルト）接合すると、図９に示すような浮体構造４にバラストタンク６が接合されたスパー型浮体構造１が形成される。

この製造方法は、第２および第３の実施の形態のスパー型浮体構造２１、２２にも適用することができる。なお、第３の実施の形態のスパー型浮体構造２２の製造方法において、プレート２３を連結鋼管５に設置するには、浮体構造４とバラストタンク６とを連結鋼管５で接続する際に、中部用鋼管２０にプレート２３を設置しておき、このプレート２３が設置された中空用鋼管２０で浮体構造４とバラストタンク６とを連結することによって形成するものとする。

次に、スパー型浮体構造の設置方法を、第１の実施の形態のスパー型浮体構造１を用いて説明する。スパー型浮体構造は、風の強い洋上に風力発電装置を形成するために洋上に設置するものである。図１０および図１１は、第１の実施の形態のスパー型浮体構造の設置方法である。この方法は、バラストタンク６にバラストを入れないままでスパー型浮体構造１を曳航し、設置現場に到着してから入れるというものである。

まず、上記の製造方法によって製造したスパー型浮体構造１を横倒しのまま、海中３２に進水させると、浮体構造４とバラストタンク６とがともに中空であるため、図１０に示すような状態で海面に浮遊する。

次に、図１１に示すように、このスパー型浮体構造１を横倒しのまま曳舟３３で設置現場まで曳航する。そして、設置現場に到着した後に、上部浮体２から下部浮体３および連結鋼管５を通ってバラストタンク６まで充填ホース３４を配線し、これでバラストタンク６内にバラスト水３５（またはバラストコンクリート）を充填する。

このバラストタンク６内にバラスト水３５が充填されると、バラストタンク６側が重くなるため、スパー型浮体構造１が上側を中心に回転して海中に直立する。この直立した状態でバラストタンク６の重心位置より下側に係留チェ−ン３６を接続してアンカー３７で固定する。

このようにバラストタンク６の下側に連結鋼管５が形成されているため受流面積が低減して、波による影響を受けにくくなる。そして、このように直立したスパー型浮体構造１の上面にマスト１６を設置し、このマスト１６にブレート１７およびナセル１８を設置して風力発電装置３８を形成するものである（図２および図３参照）。

なお、このスパー型浮体構造の設置方法は、第１の実施の形態のスパー型浮体構造１を用いて説明したが、これは第２および第３の実施の形態のスパー型浮体構造２１、２２を用いてすることもでき、同じ方法で行うものとする。

また図１２および図１３は、第２の実施の形態のスパー型浮体構造の設置方法である。この方法は、バラストタンク６にバラスト水３５を入れてスパー型浮体構造１を曳航するというものである。そのため、図１２に示すように、このスパー型浮体構造１を横倒ししてバラストタンク６の両側にフロータ３９を設置する。そして、このフロータ３９を設置したスパー型浮体構造１を横倒しの状態で海中に進水する。

次に、このフロータ３９が設置されたバラストタンク６内にバラスト水３５を充填する。これでバラストタンク６側が重くなるが、フロータ３９が設置されているために、スパー型浮体構造１は横倒しのままで海面に浮遊し、このままで曳舟３３によって設置現場まで曳航する。

そして、設置現場に到着した後、バラストタンク６からフロータ３９を撤去すると、図１３に示すように、バラストタンク６側が重いため、スパー型浮体構造１が上側を中心に回転して海中３２に直立する。この回転はバラストタンク６をワイヤー４０で支持しなが行うものとする。そして、この直立したスパー型浮体構造１の重心位置より下側に係留チェ−ン３６を接続してアンカー３７で固定する。

次に、上記と同じ方法で、スパー型浮体構造１の上面にマスト１６を設置し、このマスト１６にブレート１７およびナセル１８を設置して風力発電装置３８を形成する。

風力発電装置を設置したスパー型浮体構造の正面図である。 洋上風力発電装置を設置した第１の実施の形態のスパー型浮体構造の断面図である。 洋上風力発電装置を設置した第１の実施の形態のスパー型浮体構造の斜視図である。 第１の実施の形態のスパー型浮体構造であり、（１）は縦断面図、（２）は（１）のＥ−Ｅ断面図、（３）は同Ｆ−Ｆ断面図、（４）は同Ｇ−Ｇ断面図、（５）は同Ｈ−Ｈ断面図である。 洋上風力発電装置を設置した第２の実施の形態のスパー型浮体構造の斜視図である。 洋上風力発電装置を設置した第３の実施の形態のスパー型浮体構造の斜視図である。 ＰＣブロックを製造する工程図である。 スパー型浮体構造の製造方法の断面図である。 スパー型浮体構造の製造方法の断面図である。 スパー型浮体構造の設置方法であり、（１）は斜視図、（２）は要部の斜視図である。 洋上で回転させるスパー型浮体構造の斜視図である。 スパー型浮体構造の設置方法であり、（１）は斜視図、（２）は要部の斜視図である。 洋上で回転させるスパー型浮体構造の斜視図である。

符号の説明

Ａ、１、２１、２２ スパー型浮体構造
Ｂ、３６ 係留チェーン
Ｃ、３７ アンカー
Ｄ、３８ 風力発電装置
２ 上部浮体
３ 下部浮体
４ 浮体構造
５ 連結鋼管
６ バラストタンク
７ ＰＣブロック
８ 止水パッキン
９、１４ 筒体
１０、１１ 蓋体
１２ ＰＣ鋼材
１３ 小径なＰＣブロック
１５ 上蓋
１６ マスト
１７ ブレード
１８ ナセル
１９ 端部用鋼管
２０ 中部用鋼管
２３ プレート
２４、２７ 型枠
２５、２８ コンクリート
２６ 先行のＰＣブロック
２９ 後行のＰＣブロック
３０ 転倒台
３１ 門型クレーン
３２ 海中
３３ 曳舟
３４ 充填ホース
３５ バラスト水
３９ フロータ

Claims (7)

1. 上下の蓋体と、これらの間に連続的に設置された筒形のプレキャストコンクリートブロックとがＰＣ鋼材で接合されてなる中空の下部浮体と、該下部浮体にＰＣ鋼材で接合された、上記プレキャストコンクリートブロックよりも小径なプレキャストコンクリートブロックと上蓋とからなる中空の上部浮体と、上記下部浮体の下面に連結鋼管を介して接合されたバラストタンクとから構成されたことを特徴とする洋上風力発電用のスパー型浮体構造。
2. 連結鋼管は適宜長さの鋼管が複数本接続されて構成されたことを特徴とする請求項１に記載の洋上風力発電用のスパー型浮体構造。
3. 下部浮体、上部浮体、バラストタンクはいずれも平面円形または平面角形であることを特徴とする請求項１または２に記載の洋上風力発電用のスパー型浮体構造。
4. 連結鋼管には動揺を低減するためのプレートが連結鋼管と直交して設置されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の洋上風力発電用のスパー型浮体構造。
5. 筒形のプレキャストコンクリートブロックを連続的に接着してなる筒体の前後に蓋体を被せ、この蓋体とプレキャストコンクリートブロックとにかけて配設したＰＣ鋼材を所定の力で緊張して中空の下部浮体を形成し、該下部躯体の上面に、上記のプレキャストコンクリートブロックよりも小径のプレキャストコンクリートブロックを連続的に接着してなる筒体の上面に蓋体を被せ、この蓋体とプレキャストコンクリートブロックとにかけて配設したＰＣ鋼材を所定の力で緊張して中空の上部浮体を形成した後、上記下部浮体の下面に連結鋼管によってバラストタンクを接合することを特徴とする洋上風力発電用のスパー型浮体構造の製造方法。
6. 請求項１〜４の洋上風力発電用のスパー型浮体構造の設置方法であり、バラストタンクにバラストを入れない状態でスパー型浮体構造を横倒しして進水し、この状態で設置現場に曳航した後、上記バラストタンク内にバラストを入れることによりスパー型浮体構造を直立させてアンカーで固定することを特徴とする洋上風力発電用のスパー型浮体構造の設置方法。
7. 請求項１〜４の洋上風力発電用のスパー型浮体構造の設置方法であり、バラストタンクにフロータを設置してスパー型浮体構造を横倒しして進水し、この状態でバラストタンクにバラストを充填して設置現場に曳航した後、上記フロータを撤去することによりスパー型浮体構造を直立させてアンカーで固定することを特徴とする洋上風力発電用のスパー型浮体構造の設置方法。

Images