JP2010223114A5 - - Google Patents

Description

洋上風力発電設備及びその施工方法

本発明は、比較的水深の深い海上に設置されるスパー型の洋上風力発電設備及びその施工方法に関する。

従来より、主として水力、火力及び原子力発電等の発電方式が採用されてきたが、近年は環境や自然エネルギーの有効活用の点から自然風を利用して発電を行う風力発電が注目されている。この風力発電設備には、陸上設置式と、水上(主として海上)設置式とがあるが、沿岸域から後背に山岳地形をかかえる我が国の場合は、沿岸域に安定した風が見込める平野が少ない状況にある。一方、日本は四方を海で囲まれており、海上は発電に適した風が容易に得られるとともに、設置の制約が少ないなどの利点を有する。そこで、近年は洋上風力発電設備又は浮体構造が多く提案されている。

例えば、下記特許文献１では、中空四角柱状の構造物を組み合わせて平面三角形状の水に浮く浮体を構成し、この上に発電用風車を設けた風力発電装置が提案されている。この浮体は水面に浮かぶため「ポンツーン型」と呼ばれている。

また、下記特許文献２では、上部に物品が載置される複数の浮体部と、所定中心に内端を連結して水平放射方向に延在した外端に前記各浮体部を連結する長手状の剛体からなる連結部と、前記浮体部の間に引張力を生じる引張部とを備えた浮体構造が提案されている。

下記特許文献３では、水に浮遊する複数の浮体部と、前記浮体部を環状に連結する剛体からなる連結部と、環状のほぼ中央部を水底に係留する係留手段と、前記浮体部の位置を検出する位置検出手段と、潮流を検出する潮流検出手段と、潮流に対して角度を可変する態様で複数の浮体部に取り付けた舵と、各舵の角度を潮流に対して調整することによって環状のほぼ中央部を中心とした各浮体部の位置を可変する位置制御部とを備えた浮体構造が提案されている。前記特許文献２，３に係る浮体構造は、浮体を水面下に沈めた状態で浮くため「セミサブ型」と呼ばれている。

更に、下記特許文献４では、上下の蓋体と、これらの間に連続的に設置された筒状のプレキャストコンクリートブロックとがＰＣ鋼材で一体接合されてなる下部浮体と、該下部浮体にＰＣ鋼材で一体接合された、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上部浮体とから構成され、下部浮体の下部内側に隔壁によって複数のバラストタンクが形成され、上部浮体の内側には隔壁によって複数の水密区画部が形成された洋上風力発電の浮体構造が提案されている。この特許文献４は、釣浮きのように起立状態で浮くため「スパー型」と呼ばれている。

特開２００１−１６５０３２号公報 特開２００７−１６０９６５号公報 特開２００７−３３１４１４号公報 特開２００９−１８６７１号公報

前記スパー型浮体は、１つの浮体に１基の風車しか取付けできないが、他のポンツーン型やセミサブ型に比べて、経済性に優れており、浮体の安定性に優れているという利点を有する。

前記スパー型浮体による風力発電設備の施工は、陸上の製作ヤードで組み立てた後、海上を曳航して洋上設置場所まで運び、バラスト水を投入することによって起立状態で浮かばせた後、大型起重機船を用いて、タワー、ナセル及び風車ブレードを取り付ける手順による。しかし、タワーの高さが５０〜８０ｍにも及ぶため、ナセルや風車ブレードの取付けが高所作業となり危険性が高いとともに、これらのメンテナンスも高所作業となるなどの問題があった。更には、強風又は波浪時における揺動が大きく損傷のおそれがあるなどの問題もあった。

そこで本発明の主たる第１の課題は、浮体の安定性を増すとともに、浮体の長さ寸法を低減できる等の利点を備えた洋上風力発電設備を提供することにある。
次いで、第２の課題は、洋上で容易かつ安全に設置が行えるようにするとともに、メンテナンスが容易に行える、強風又は波浪時における安定性を確保し得るなどの利点を備えた洋上風力発電設備とその施工方法を提供することにある。

前記第１の課題を解決するために請求項１に係る本発明として、浮体と、係留索と、タワーと、タワーの頂部に設備されるナセル及び複数の風車ブレードとからなる洋上風力発電設備であって、
前記浮体は、コンクリート製のプレキャスト筒状体を高さ方向に複数段積み上げ、各プレキャスト筒状体をＰＣ鋼材により緊結し一体化を図った下側コンクリート製浮体構造部と、この下側コンクリート浮体構造部の上側に連設された上側鋼製浮体構造部とからなるスパー型の浮体構造としたことを特徴とする洋上風力発電設備が提供される。

上記請求項１記載の発明では、浮体をコンクリート製のプレキャスト筒状体を高さ方向に複数段積み上げ、各プレキャスト筒状体をＰＣ鋼材により緊結し一体化を図った下側コンクリート製浮体構造部と、この下側コンクリート浮体構造部の上側に連設された上側鋼製浮体構造部とからなるスパー型の浮体構造とするものである。

下側コンクリート製浮体構造部と上側鋼製浮体構造部とからなる浮体構造とすることにより、重心を低くすることができるため、浮体の安定性が増すとともに、浮体の長さ寸法を低減することが可能となる。海上に突出している部分が鋼製のため、船舶の衝突に対して有利になるなどの効果がもたらされるようになる。

上記第２課題を解決するために請求項２に係る本発明として、前記浮体は、上端部を開口させた有底中空部を有するスパー型の浮体構造とし、少なくとも施工時に前記タワーはタワー昇降設備によって昇降自在とされ、前記浮体内部に収容可能とされる請求項１記載の洋上風力発電設備が提供される。

従って、後述の請求項４に示す施工手順に示すように、タワーを浮体内に収容した状態で曳航し、バラストを投入することによって浮体を直立状態に起立させ、タワー昇降設備によってタワーを任意の高さ位置まで引き上げた状態で、前記ナセルを設置するとともに、風車ブレードを設置し、すべての部材取付けが完了した後、タワーを正規の高さ位置まで引き上げ固定する手順とすることにより、タワーを下降させた状態でナセルや風車ブレードの取付けができるようになり高所作業が減って安全に施工できるようになる。また、供用後のメンテナンス時にタワーを下降させることにより安全に作業が行えるようになるとともに、強風や波浪時にも、タワーを下降させることにより安定性が増し損傷のおそれも少なくなる。

請求項３に係る本発明として、前記上側鋼製浮体構造部は、高さ方向に段階的に外径寸法が縮小される変断面形状としてある請求項１、２いずれかに記載の洋上風力発電設備が提供される。

上記請求項３記載の発明は、上側鋼製浮体構造部を、高さ方向に段階的に外径寸法が縮小される変断面形状とするものである。従って、重心が低くなり強風や波浪に対する安定性が増すようになるとともに、上部側を相対的に小径断面としたことにより平常時に波の影響を受けづらくなる。

請求項４に係る本発明として、請求項２記載の洋上風力発電設備を洋上に設置するための施工方法であって、
浮体内部にタワーを収容させた状態で海上に横向きで浮かべ、洋上設置場所まで曳航する第１手順と、
洋上設置場所において、バラストを投入することによって浮体を直立状態に起立させる第２手順と、
前記タワー昇降設備によってタワーを任意の高さ位置まで引き上げた状態で、前記ナセルを設置するとともに、風車ブレードを設置する第３手順と、
タワーを正規の高さ位置まで引き上げ固定する第４手順とからなる洋上風力発電設備の施工方法が提供される。

上記請求項４記載の発明によれば、タワーを下降させた状態でナセルや風車ブレードの取付けができるようになり高所作業が減って安全に施工できるようになる。

以上詳説のとおり本発明によれば、浮体の安定性を増すとともに、浮体の長さ寸法を低減できるようになる。また、洋上で容易かつ安全に設置が行えるようになるとともに、メンテナンスが容易に行える、強風又は波浪時における安定性を確保し得るなどの利点を備えた洋上風力発電設備とすることができる。

本発明に係る洋上風力発電設備１の概略図である。 浮体２の縦断面図である。 プレキャスト筒状体１２(１３)を示す、(A)は縦断面図、(B)は平面図(B-B線矢視図)、(C)は底面図(C-C線矢視図)である。 プレキャスト筒状体１２(１３)同士の緊結要領図(A)(B)である。 上側鋼製浮体構造部を示す縦断面図である。 洋上風力発電設備１の施工手順図(その１)である。 洋上風力発電設備１の施工手順図(その２)である。 洋上風力発電設備１の施工手順図(その３)である。 洋上風力発電設備１の施工手順図(その４)である。 洋上風力発電設備１の施工手順図(その５)である。 洋上風力発電設備１の施工手順図(その６)である。 洋上風力発電設備１の施工手順図(その７)である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

図１に示されるように、洋上風車発電設備１は、浮体２と、この浮体２の上部に設置されるデッキ３と、このデッキ３に繋がれた係留索４、４…と、前記デッキ３の上に立設されるタワー５と、このタワー５の頂部に設備されるナセル６及び複数の風車ブレード７，７…からなるものである。

そして、前記浮体２は、図２に示されるように、コンクリート製のプレキャスト筒状体１２〜１３を高さ方向に複数段積み上げ、各プレキャスト筒状体１２〜１３をＰＣ鋼材により緊結し一体化を図った下側コンクリート製浮体構造部２Ａと、この下側コンクリート浮体構造部２Ａの上側に連設された上側鋼製浮体構造部２Ｂとからなるとともに、上端部を開口させた有底中空部を有するスパー型の浮体構造とし、前記タワー５は少なくとも施工時に前記デッキ３上に設けたタワー昇降設備によって昇降自在とされ、前記浮体２内部に収容可能となっているものである。前記浮体２の吃水Ｌは、２ＭＷ級発電設備の場合概ね６０ｍ以上に設定される。

以下、更に具体的に詳述する。

前記浮体２は、図２に示されるように、有底円筒形状のバラスト部１０と、このバラスト部１０の上面に連設された下側コンクリート浮体構造部２Ａと、この下側コンクリート浮体構造部２Ａの上側に連設された上側鋼製浮体構造部２Ｂとからなる。前記バラスト部１０及び下側コンクリート浮体構造部２Ａはすべてコンクリートのプレキャスト部材とされる。下側コンクリート浮体構造部２Ａと上側鋼製浮体構造部２Ｂとの境界部に合成プレキャスト部材１３が介在され、両者が接合されている。前記上側鋼製浮体構造部２Ｂは、高さ方向に段階的に外径寸法が縮小される変断面形状としてある。図示例では２段階の変断面形状としてある。

以下、更に具体的に詳述する。

前記下側コンクリート浮体構造部２Ａは、コンクリート製のプレキャスト筒状体１２…と、合成プレキャスト部材１３の下半部分とで構成されている。前記プレキャスト筒状体１２は、図３に示されるように、軸方向に同一断面とされる円形筒状のプレキャスト部材であり、それぞれが同一の型枠を用いて製作されるか、遠心成形により製造された中空プレキャスト部材が用いられる。

壁面内には鉄筋２０の他、周方向に適宜の間隔でＰＣ鋼棒１９を挿通するためのシース２１、２１…が埋設されている。このシース２１、２１…の下端部にはＰＣ鋼棒１９同士を連結するためのカップラーを挿入可能とするためにシース拡径部２１ａが形成されているとともに、上部には定着用アンカープレートを嵌設するための箱抜き部２２が形成されている。また、上面には吊り金具２３が複数設けられている。

プレキャスト筒状体１２同士の緊結は、図４(A)に示されるように、下段側プレキャスト筒状体１２から上方に延長されたＰＣ鋼棒１９、１９…をシース２１、２１…に挿通させながらプレキャスト筒状体１２，１２を積み重ねたならば、アンカープレート２４を箱抜き部２２に嵌設し、ナット部材２５によりＰＣ鋼棒１９に張力を導入し一体化を図る。また、グラウト注入孔２７からグラウト材をシース２１内に注入する。なお、前記アンカープレート２４に形成された孔２４ａはグラウト注入確認孔であり、該確認孔からグラウト材が吐出されたことをもってグラウト材の充填を終了する。

次に、図４(B)に示されるように、ＰＣ鋼棒１９の突出部に対してカップラー２６を螺合し、上段側のＰＣ鋼棒１９、１９…を連結したならば、上段となるプレキャスト筒状体１２のシース２１、２１…に前記ＰＣ鋼棒１９、１９…を挿通させながら積み重ね、前記要領によりＰＣ鋼棒１９の定着を図る手順を順次繰り返すことにより高さ方向に積み上げられる。この際、下段側プレキャスト筒状体１２と上段側プレキャスト筒状体１２との接合面には止水性確保及び合わせ面の接合のためにエポキシ樹脂系などの接着剤２８やシール材が塗布される。

次いで、前記合成プレキャスト部材１３は、図５にも示されるように、コンクリート製のプレキャスト筒状体１６と鋼製筒状体１７との合成構造である。これらは一体的に製作される。前記プレキャスト筒状体１６は、前記鋼製筒状体１７の肉厚分の厚さを減じた外径寸法とされ、この外周に前記鋼製筒状体１７の下半部分が外嵌された構造とし、前記プレキャスト筒状体１６の上端面がＰＣ鋼棒１９の締結面とされる。

前記上側鋼製浮体構造部２Ｂは、前記合成プレキャスト部材１３の上半部分と、鋼製筒状体１４，１５とで構成されている。下段側の鋼製筒状体１４は、合成プレキャスト部材１３と同一の外径寸法とされ、合成プレキャスト部材１３に対して、ボルト又は溶接等（図示例はボルト締結）によって連結される。上段側の鋼製筒状体１５は、前記下段側の鋼製筒状体１４よりも外径寸法が縮小され、変断面形状とされ、下段側の鋼製筒状体１４に対してボルト又は溶接等（図示例はボルト締結）によって連結される。前記上段側鋼製筒状体１５の上端は開口のままとされるとともに、前記上段側鋼製筒状体１５及び下段側鋼製筒状体１４との境界部及び下段側鋼製筒状体１４と鋼製筒状体１７との境界部は空間が仕切られておらず、浮体２内部にはタワー５を収容するための中空部が形成されている。

一方、前記タワー５は、鋼材、コンクリート又はＰＲＣ（プレストレスト鉄筋コンクリート）から構成されるものが使用されるが、好ましいのは総重量が小さくなるように鋼材によって製作されたものを用いるのが望ましい。また、前記ナセル６は、風車の回転を電気に変換する発電機やブレードの角度を自動的に変えることができる制御器などが搭載された装置である。

〔施工手順〕
以下、図６〜図１２に基づき、前記洋上風力発電設備１の施工手順について詳述する。
（第１手順）
製作ヤードに隣接した洋上において、図６に示されるように、浮体２内部にタワー５を収容した状態で海上に横向きで浮かべ、バラスト水３１を注水し吃水を調整した後、曳航船１８により洋上設置場所まで曳航する。なお、下側コンクリート浮体構造部２Ａと、上側鋼製浮体構造部２Ｂとでは、下側コンクリート浮体構造部２Ａ側の方が重いため、バランス調整用浮体３２を浮かべるとともに、この浮体上に設置したウインチ３３から繰り出されたワイヤの一端を下側コンクリート浮体構造部２Ａの端部に連結し、浮体２が水平になるように調整する。なお、浮体２内部にタワー５を収容した状態で、前記上段側鋼製筒状体１５の上端開口は塞がれている。

（第２手順）
図７に示されるように、洋上設置場所に到着したならば、バラスト水３１を注水するとともに、前記バランス調整用浮体３２上のウインチ３３からワイヤを徐々に繰り出すことにより、ゆっくりと浮体２を直立状態に起立させる。

図８に示されるように、浮体２を起立させたならば、浮体２の上部にデッキ３を設置するとともに、前記デッキ３に係留索４の一端を繋ぎ止めるとともに、他端を海底に沈設したアンカーに繋ぎ留めて浮体２の安定を図る。

（第３手順）
デッキ３上にタワー昇降設備８を設置し、タワー５の引上げ作業に入る。前記タワー昇降設備８は、例えば同図に示されるように、タワー５の基部周囲に所定の間隔でセンターホールジャッキ９，９…を配置するとともに、ＰＣ鋼線１０の一端をシーブ１１を巻回させた後、センターホールジャッキ９を通してタワー５の下端に緊結し、前記センターホールジャッキ９の伸縮操作により、タワー５の下降と上昇とを可能とした設備である。

図１０に示されるように、前記タワー昇降設備８により、タワー５を任意の高さ位置まで引き上げた状態で、前記ナセル６を設置するとともに、２枚の風車ブレード７，７を設置する。
その後、図１１に示されるように、若干タワー５を引き上げて、残りの風車ブレード７を取り付ける。

（第４手順）
すべての部材取付け作業を終えたならば、図１２に示されるように、前記タワー昇降設備８によってタワー５を上昇させたならば、タワー固定用ベース金具３４等によりタワー５を正規の高さ位置に固定し施工を完了する。

〔他の形態例〕
(1)上記形態例では、バラストとして海水又は水を用いたが、コンクリートブロックを内部に投入しても良いし、バラスト部１０の上側にコンクリート筒状体１２の外周にコンクリート製のリングを外嵌させるようにしてもよい。これらは併用してもよい。
(2)上記形態例では、前記タワー昇降設備８を撤去したが、残置しておき、その後のメンテナンス時や強風、波浪時にタワー５を下降させる際に使用できるようにしてもよい。もちろん、タワー下降作業時にタワー昇降設備８を新たに設置するようにしてもよい。

１…洋上風力発電設備、２…浮体、３…デッキ、４…係留索、５…タワー、６…ナセル、７…風車ブレード、８…タワー昇降設備

Claims (4)

1. 浮体と、係留索と、タワーと、タワーの頂部に設備されるナセル及び複数の風車ブレードとからなる洋上風力発電設備であって、
   前記浮体は、コンクリート製のプレキャスト筒状体を高さ方向に複数段積み上げ、各プレキャスト筒状体をＰＣ鋼材により緊結し一体化を図った下側コンクリート製浮体構造部と、この下側コンクリート浮体構造部の上側に連設された上側鋼製浮体構造部とからなるスパー型の浮体構造としたことを特徴とする洋上風力発電設備。
2. 前記浮体は、上端部を開口させた有底中空部を有するスパー型の浮体構造とし、少なくとも施工時に前記タワーはタワー昇降設備によって昇降自在とされ、前記浮体内部に収容可能とされる請求項１記載の洋上風力発電設備。
3. 前記上側鋼製浮体構造部は、高さ方向に段階的に外径寸法が縮小される変断面形状としてある請求項１、２いずれかに記載の洋上風力発電設備。
4. 請求項２記載の洋上風力発電設備を洋上に設置するための施工方法であって、
   浮体内部にタワーを収容させた状態で海上に横向きで浮かべ、洋上設置場所まで曳航する第１手順と、
   洋上設置場所において、バラストを投入することによって浮体を直立状態に起立させる第２手順と、
   前記タワー昇降設備によってタワーを任意の高さ位置まで引き上げた状態で、前記ナセルを設置するとともに、風車ブレードを設置する第３手順と、
   タワーを正規の高さ位置まで引き上げ固定する第４手順とからなる洋上風力発電設備の施工方法。