JP2013112926A - 太陽光発電装置の基礎構造及びその施工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】杭基礎や、地盤改良等の沈下対策を採用することなく、基礎の大型化や、コンクリート量及び鉄筋量の増大を招くこともなく、太陽光発電パネル又はアレイを軟弱地盤等に設置する。
【解決手段】太陽光発電パネル(2)又はアレイ(3)を地盤(G)上に支持するための太陽光発電装置(1)の基礎構造は、パネル又はアレイの中央部又は中央領域を下側から支持するベースプレート(5)と、ベースプレートを固定可能な頂面(13)を備えた単一置き基礎形式且つ無筋コンクリート構造の短柱状基礎(10)と、基礎の外側面を被覆する管体又は筒体(15)と、ベースプレートを基礎頂面に係留する係留手段(11)とを有する。全体的に平板状の輪郭を有するパネル又はアレイ支持用のフレーム(4)が基礎上に設置される。パネル、アレイ及びフレームの荷重は、ベースプレートを介して基礎に直に伝達する。
【選択図】図３

Description

本発明は、太陽光発電装置の基礎構造及びその施工方法に関するものであり、より詳細には、太陽光発電パネル（太陽光発電モジュール）又は太陽光発電アレイを地盤上に支持する太陽光発電装置の基礎構造及びその施工方法に関するものである。

多数の太陽光発電パネル（太陽光発電モジュール）又は太陽光発電アレイを地盤上に配列し、メガワット単位の発電出力を有するメガソーラー発電プラント、メガソーラー発電所等の大規模太陽光発電施設が近年殊に注目されている。このような大規模太陽光発電施設の建設においては、太陽光発電装置を施工するための土工事及び基礎工事の工期及び施工コストが全工期及び全建設費に対して比較的大きな比率を占める。

一般に、太陽光発電パネル、或いは、複数の太陽光発電パネルを配列してなる太陽光発電アレイは、鉄骨構造の架台によって支持され、架台は、鉄筋コンクリート構造の基礎によって地盤に支持される。架台は、通常は、太陽光発電パネル又はアレイを支持する鋼製フレームと、フレームと基礎とを連結する複数又は単数のアーム又は支柱とから構成される。架台を支持する基礎は、各アーム又は支柱を夫々支持するように地盤上に配設され、或いは、複数のアーム又は支柱を支持する共用の基礎として地盤上に配設される。この種の太陽光発電装置の架台及び基礎は、例えば、特開２０１１−９１１６６号公報、特開２０１１−７７１９４号公報、特開２００４−４７７５６号公報等に記載されている。

このような太陽光発電パネル又はアレイの架台及び基礎は、長期荷重（固定荷重）、風荷重、地震荷重、積雪荷重等の設計荷重に基づいて構造設計されるが、架台及び基礎に作用する荷重は、地盤によって支持されるので、基礎の滑動及び転倒に対する検討や、鉛直荷重に対する地盤の支持力等の検討が、架台及び基礎を設計する上で重要な要素となる。

特開２０１１−９１１６６号公報 特開２０１１−７７１９４号公報 特開２００４−４７７５６号公報

しかしながら、メガソーラー発電プラント、メガソーラー発電所等の大規模太陽光発電施設は、多数の太陽光発電パネル又はアレイを設置可能な大規模な敷地を要するので、埋立て地等の軟弱地盤や、不安定又は不規則な傾斜地等に建設される傾向がある。太陽光発電パネル又はアレイを軟弱地盤等に設置する場合、地盤又は基礎の沈下を抑制する対策として、杭基礎工法、地盤改良工法、置換工法、沈下促進工法等の各種工法が一般に採用されるが、いずれの工法を採用した場合においても、工期の長期化、施工コストの高額化等の問題が発生する。また、汚染土壌を含む工場跡地や、産業廃棄物処分場の跡地等に大規模太陽光発電施設を建設する場合、このような沈下対策を容易に実施し難い状況も生じる。

他方、このような沈下抑制の対策を採用せず、基礎の大型化や、基礎の接地面積の拡大等に依存して基礎の安定化を図ることも可能であるが、このような場合には、地盤の不均質性、太陽光発電装置の偏荷重等に起因して基礎が局部的に沈下する現象、即ち、不同沈下が発生し易く、このため、不同沈下に耐える基礎の強度及び耐力を確保する必要が生じる。一般に、不同沈下に対する対策においては、基礎の一部が局所的に沈下した状態を想定し、不同沈下時に基礎に作用する曲げ応力を許容可能な基礎の構造強度及び耐力を確保する構造設計が実施され、基礎の一体性及び安定性が担保される。しかしながら、このような構造設計によれば、基礎の大型化に伴ってコンクリート量、型枠量及び鉄筋量等が増大するので、基礎又は地盤の沈下を抑制するための上記対策と同じく、工期の長期化、施工コストの高額化等の問題が発生する。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、杭基礎、地盤改良等のような地盤又は基礎の沈下対策を格別に採用することなく、しかも、工期の長期化及び施工のコスト増大につながる基礎の大型化や、コンクリート量、型枠量及び鉄筋量等の増大をもたらすことなく、太陽光発電パネル又はアレイを軟弱地盤等に設置することができる太陽光発電装置の基礎構造及びその施工方法を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明は、太陽光発電パネル又はアレイを地盤上に支持するための太陽光発電装置の基礎構造において、
前記パネル又はアレイの中央部又は中央領域を下側から支持するためのブラケット又はベースプレートと、
前記ブラケット又はベースプレートを固定可能な頂面を有する単一置き基礎形式且つ無筋コンクリート構造の短柱状基礎と、
該基礎の外側面を被覆する管体又は筒体と、
前記ブラケット又はベースプレートを前記頂面に係留する係留手段とを有することを特徴とする太陽光発電装置の基礎構造を提供する。

本発明の上記構成によれば、太陽光発電装置の基礎は、単一の置き基礎形式の基礎であり、土工事を簡素化することができる。また、基礎は、短柱状のコンパクトな形態を有するので、コンクリート量の増大を抑制することができる。更に、基礎は、引張応力に抗しない無筋コンクリート構造の短柱状基礎であり、鉄筋の配筋を要しない。また、基礎は、外側面を被覆する管体又は筒体を捨て型枠としてコンクリートを打設することができるので、型枠の設置・解体作業を省略し又は簡素化することができる。更には、置き基礎形式且つ短柱形状のコンクリート基礎は、接地面が小さいことから、接地面の範囲内で不同沈下が発生する確率が低く、仮に不同沈下が発生したとしても、基礎が全体的に傾斜するにすぎず、基礎の破壊・損壊が生じ難い。加えて、太陽光発電パネル又はアレイ、或いは、そのフレームをブラケット又はベースプレートによって短柱状基礎の頂面に直に固定することにより、太陽光発電パネル又はアレイや、フレームの荷重を基礎に直に伝達することができるので、アーム又は支柱の設置を省略することが可能となる。従って、上記構成の基礎構造によれば、杭基礎、地盤改良等のような地盤又は基礎の沈下対策を格別に採用することなく、しかも、工期の長期化及び施工のコスト増大につながる基礎の大型化や、型枠量及び鉄筋量等の増大をもたらすことなく、太陽光発電パネル又はアレイを軟弱地盤等に設置することができる。

好ましくは、中央部又は中央領域が上記ブラケット又はベースプレートに一体的に連結されたパネル又はアレイ支持用フレームが設けられ、フレームは、パネル又はアレイの傾斜角に相応して傾斜し且つ全体的に平板状の輪郭を有する金属製又は鋼製の枠体からなり、上記パネル又はアレイは、フレーム上に載置され、フレームに作用する荷重は、ブラケット又はベースプレートを介して基礎に直に（即ち、アーム又は支柱を介することなく）伝達する。

更に好ましくは、管体又は筒体は、コンクリート打設時に捨て型枠として用いられた管状又は筒状の金属製型枠又は樹脂製型枠からなる。

好適には、基礎は、全高に亘って均一又は均等な直径の真円形断面、或いは、全高に亘って均一又は均等な外接円直径を有し且つ８以上の頂点を有する正多角形断面を備える。

更に好適には、基礎の外形寸法、重心位置及び重量は、太陽光発電装置に作用する短期水平荷重によって基礎に作用する引張応力を長期鉛直荷重によって実質的に打ち消すとともに、短期水平荷重によって基礎に作用する転倒モーメントを長期鉛直荷重によって実質的に打ち消すことができる外形寸法、重心位置及び重量に設定される。

所望により、水平面に対するフレームの傾斜角度は、５〜３０度の範囲内の値に設定される。このような傾斜角度は、ブラケット又はベースプレートの形状及び寸法によって得られ、或いは、基礎の頂面を（水平面に対して）５〜３０度の範囲内の傾斜面に形成することにより、確保される。

本発明の好適な実施形態によれば、本発明の基礎構造を有する多数の基礎を配列することにより、大規模太陽光発電施設が建設される。このような大規模太陽光発電施設の建設においては、土工事及び基礎工事の工期及び施工コストを短縮又は削減することができる。所望により、複数の基礎が、金属製又は鋼製の杆材又は管材によって相互連結される。

本発明は又、太陽光発電パネル又はアレイを地盤上に支持するための太陽光発電装置の基礎構造において、
前記パネル又はアレイの傾斜角に相応して傾斜し且つ全体的に平板状の輪郭を備えたパネル又はアレイ支持用フレームを下側から支持するブラケット又はベースプレートと、
該ブラケット又はベースプレートを固定可能な頂面を有する単一置き基礎形式且つコンクリート構造の短柱状基礎と、
前記ブラケット又はベースプレートを前記頂面に係留する係留手段とを有し、
前記ブラケット又はベースプレートは、前記フレームの中央部又は中央領域に一体的に連結され、前記フレームに作用する荷重は、前記ブラケット又はベースプレートを介して前記基礎に直に伝達することを特徴とする太陽光発電装置の基礎構造を提供する。

本発明の上記構成によれば、太陽光発電装置の基礎は、単一の置き基礎形式の基礎であり、土工事を簡素化することができる。また、基礎は、短柱状のコンパクトな形態を有するので、コンクリート量の増大を抑制することができる。更に、ブラケット又はベースプレートは、フレームの中央部又は中央領域に一体的に連結され、フレームに作用する荷重は、ブラケット又はベースプレートを介して基礎に直に伝達する。このような構造の基礎に作用する引張応力は、従来の大型基礎に比べて軽減し、或いは、全く生じないので、基礎のコンクリート内に配筋すべき鉄筋量を低減し、或いは、鉄筋を配筋しない無筋コンクリート構造に基礎として上記基礎を設計することができる。また、置き基礎形式且つ短柱形状のコンクリート基礎は、接地面が小さいことから、接地面の範囲内で不同沈下が発生する確率が低く、仮に不同沈下が発生したとしても、基礎が全体的に傾斜するにすぎず、基礎の破壊・損壊が生じ難い。従って、上記構成の基礎構造によれば、杭基礎、地盤改良等のような地盤又は基礎の沈下対策を格別に採用することなく、しかも、工期の長期化及び施工のコスト増大につながる基礎の大型化や、型枠量及び鉄筋量等の増大をもたらすことなく、太陽光発電パネル又はアレイを軟弱地盤等に設置することができる。

本発明は更に、太陽光発電パネル又はアレイを地盤上に支持するための太陽光発電装置の基礎構造において、
前記パネル又はアレイの中央部又は中央領域を下側から支持するためのブラケット又はベースプレートと、
前記ブラケット又はベースプレートが固定される頂面を有する単一置き基礎形式且つ無筋コンクリート構造の短柱状基礎と、
前記ブラケット又はベースプレートを前記頂面に係留する係留手段とを備え、
前記基礎は、全高に亘って均一又は均等な直径の真円形断面、或いは、全高に亘って均一又は均等な外接円直径を有し且つ８以上の頂点を有する正多角形断面を備えることを特徴とする太陽光発電装置の基礎構造を提供する。

本発明の上記構成によれば、太陽光発電装置の基礎は、単一の置き基礎形式の基礎であり、土工事を簡素化することができる。また、基礎は、短柱状のコンパクトな形態を有するので、コンクリート量の増大を抑制することができる。更に、基礎は、引張応力に抗しない無筋コンクリート構造の短柱状基礎であり、鉄筋の配筋を要しない。また、置き基礎形式且つ短柱形状のコンクリート基礎は、接地面が小さいことから、接地面の範囲内で不同沈下が発生する確率が低く、仮に不同沈下が発生したとしても、基礎が全体的に傾斜するにすぎず、基礎の破壊・損壊が生じ難い。加えて、太陽光発電パネル又はアレイ、或いは、そのフレームをブラケット又はベースプレートによって短柱状基礎の頂面に固定することにより、太陽光発電パネル又はアレイや、フレームの荷重は基礎に直に伝達するので、アーム又は支柱の設置を省略することができる。従って、上記構成の基礎構造によれば、杭基礎、地盤改良等のような地盤又は基礎の沈下対策を格別に採用することなく、しかも、工期の長期化及び施工のコスト増大につながる基礎の大型化や、型枠量及び鉄筋量等の増大をもたらすことなく、太陽光発電パネル又はアレイを軟弱地盤等に設置することができる。更に、上記基礎は、全高に亘って均一又は均等な直径の真円形断面、或いは、全高に亘って均一又は均等な外接円直径を有し且つ８以上の頂点を有する正多角形断面を備える。このような断面の短柱状基礎は、弱軸及び強軸の方向性をもたないので、引張応力を生じさせない形状及び寸法を設定し易く、従って、コンクリートを無筋化し易い。

好ましくは、基礎の高さＨと基礎の直径Ｄ（基礎直径又は外接円直径）との比（Ｈ／Ｄ）は、０．５以上の値に設定される。更に好ましくは、基礎の高さＨ(mm)は、基礎の直径Ｄ(mm)に対し、Ｈ＝Ｄ×２−６００mmの値を超えない値に設定される。望ましくは、基礎の高さＨは、少なくとも２５０mm、好ましくは、３００mm以上の値に設定される。

更に他の観点より、本発明は、太陽光発電パネル又はアレイを地盤上に支持するための太陽光発電装置の基礎を施工する施工方法において、
軸心が上下方向に配向され、全高に亘って均一又は均等な直径の円形断面、或いは、全高に亘って均一又は均等な外接円直径を有し且つ８以上の頂点を有する多角形断面を備えた管状又は筒状の単一捨て型枠を地盤面に配置するとともに、アンカーボルトを該型枠内に配置し、
流動状態の未硬化コンクリートを前記型枠の頂部開口に流し込んで該コンクリートを該型枠内に打設し、
前記パネル又はアレイを下側から支持するためのブラケット又はベースプレートを前記コンクリートの硬化後に該コンクリートの頂面に配置するとともに、前記ブラケット又はベースプレートを前記アンカーボルトによって前記コンクリートの頂面に係留することを特徴とする太陽光発電装置の基礎の施工方法を提供する。

本発明の上記構成によれば、円形断面又は多角形断面を有する捨て型枠が地盤面に配置される。このような捨て型枠の形態によれば、コンクリート打設時に作用するコンクリートの流動体の流体圧力は、捨て型枠に対して周方向に均一に作用するので、支保工を省略し、或いは、支保工を簡素化することができる。捨て型枠は、基礎の外側面を被覆する管体又は筒体として用いられるので、型枠の設置・解体作業を省略し又は簡素化することができる。また、管状又は筒状の捨て型枠は、軟弱地盤、傾斜地盤、不陸地盤等に比較的簡単に設置することができるので、工期短縮及び建設費削減を図る上で極めて有利である。しかも、上記施工方法によれば、本発明に係る前述の基礎構造の基礎を容易に施工することができる。

好ましくは、上記型枠の中空部は、真円形断面又は正多角形断面を有する。更に好ましくは、硬化後のコンクリートは、無筋コンクリートである。上記地盤面は、必要に応じて、流動性固化材料の流し延べ、土壌の締固め、或いは、固形材料の敷設によって型枠及びアンカーボルトの施工前に予め整地される。所望により、上記頂面は、水平面に対して５〜３０度の範囲内の傾斜角度を有する傾斜面に仕上げられる。複数の上記捨て型枠を地盤上に配列し、捨て型枠同士を金属製又は鋼製の杆材又は管材によって相互連結しても良い。好適には、全体的に平板状の輪郭を有する枠体がパネル又はアレイ支持用フレームとして予め用意され、フレームの中央部又は中央領域が上記ブラケット又はベースプレートに一体的に連結される。このようなフレームは、一点吊りによる運搬又は搬送や、基礎上への設置作業が可能であるので、架台の設置作業を簡素化することが可能となる。

本発明の上記構成によれば、杭基礎、地盤改良等のような地盤又は基礎の沈下対策を格別に採用することなく、しかも、工期の長期化及び施工のコスト増大につながる基礎の大型化や、コンクリート量、型枠量及び鉄筋量等の増大をもたらすことなく、太陽光発電パネル又はアレイを軟弱地盤等に設置することができる太陽光発電装置の基礎構造及びその施工方法を提供することができる。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る無筋コンクリート構造の短柱状基礎を備えた太陽光発電装置の全体構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示すフレーム及び基礎の平面図である。 図３は、図１に示すフレーム及び基礎の側面図である。 図４は、図３のＩ−Ｉ線における断面図である。 図５は、図２のII−II線における断面図である。 図６（Ａ）は、基礎に作用する力の力学的バランスを概念的に示す断面図であり、図６（Ｂ）は、真円形断面の短柱形基礎に関する設計寸法の推奨範囲を示す線図である。 図７は、太陽光発電装置の施工方法を示す斜視図であり、アンカーボルト及び捨て型枠を地盤上に設置する過程が示されている。 図８は、太陽光発電装置の施工方法を示す斜視図であり、アンカーボルト及び捨て型枠を地盤上に設置した状態が示されている。 図９は、太陽光発電装置の施工方法を示す斜視図であり、未硬化コンクリートの流動体を捨て型枠内に打設した状態が示されている 図１０は、太陽光発電装置の施工方法を示す斜視図であり、フレームを基礎上に設置する工程が示されている。 図１１は、太陽光発電装置の施工方法を示す斜視図であり、太陽光発電パネルをフレーム上に載置する工程が示されている。 図１２は、複数の太陽光発電装置を敷地に配列してなる太陽光発電システムを概略的に示す斜視図である。 図１３は、複数の基礎を杆材によって相互連結した状態を示す平面図である。 図１４は、高低差を有する段差地盤に太陽光発電装置を配置した施工例を示す側面図である。 図１５は、太陽光発電装置を傾斜地盤に設置した施工例を示す断面図である。 図１６は、太陽光発電装置を傾斜地盤に設置した他の施工例を示す断面図である。 図１７は、太陽光発電装置を不陸地盤に設置した施工例を示す断面図である。 図１８は、基礎の頂面を傾斜面として施工した施工例を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る無筋コンクリート構造の短柱状基礎を備えた太陽光発電装置の全体構成を示す斜視図であり、図２及び図３は、図１に示すフレーム及び基礎の構造を示す平面図及び側面図である。また、図４は、図３のＩ−Ｉ線における断面図であり、図５は、図２のII−II線における断面図である。なお、図１、図３、図５及び図６において、太陽光発電パネルは一点鎖線で示されており、また、図４において、フレームは破線で示されている。

図１に示すように、太陽光発電装置１は、複数の太陽光発電パネル（モジュール）２を前後方向（Ｘ方向）に配列してなる太陽光発電アレイ３と、太陽光発電パネル２を支持する金属製又は鋼製のフレーム４と、左右一対の金属製又は鋼製ベースプレート（又はブラケット）５を介してフレーム４を支持する無筋コンクリート構造の基礎１０とから構成される。各太陽光発電パネル２は、例えば、各種接続端子、配線ケーブル等（図示せず）を介してＤＣ／ＡＣ変換装置等（図示せず）に接続される。多数の太陽光発電装置１を地上に配列してなる太陽光発電システムは、メガソーラー発電プラント等の大規模太陽光発電施設を構成する。

基礎１０を配置すべき地盤Ｇ上には、図３及び図５に示すように捨てコンクリートＦが厚さ５０mm程度に流し延べられる。捨てコンクリートＦの上面は、地盤面又は接地面を形成し、基礎１０は、硬化後の捨てコンクリートＦ上に施工又は載置される。基礎１０は、高さＨ及び直径Ｄを有する真円形断面（水平断面）の円柱形輪郭を有し、鉛直な中心軸線Ｃを有する。基礎１０の外周面は、全高に亘って均一又は均等な真円形断面を有する金属製又は樹脂製の円筒体（又は円管）１５によって被覆される。敷き砂利Ｋが、基礎１０の接地領域を除き、捨てコンクリートＦ上の全域に厚さｔ（＝約５０mm）に敷き詰められる。なお、捨てコンクリートＦ及び敷き砂利Ｋの施工は任意である。

敷き砂利Ｋの上面から基礎１０の真円形頂面１３までの高さｈ（＝Ｈ−ｔ）は、例えば、２５０〜７００mmの範囲内の値に設定される。基礎１０の直径Ｄ及び高さＨは、例えば、３００〜７５０mmの範囲内の値に設定される。直径Ｄ／高さＨの寸法比は、例えば、０．５〜２．０の範囲内の値に設定される。本例において、基礎１０は、直径Ｄ＝５５０mm、高さＨ＝４５０mmの寸法を有する置き基礎形式且つ無筋コンクリート構造の短柱状基礎である。

図３及び図５に示すように、複数（本例では、４本）の金属製又は鋼製アンカーボルト１１と、複数（本例では上下一対）の金属製又は鋼製プレート１２とが基礎１０内に埋設される。プレート１２は、平面視正方形の外形輪郭を有し、基礎１０内に水平に配置される。図５に示すように、アンカーボルト１１は上下のプレート１２を垂直に貫通する。プレート１２は、金属製又は鋼製ナット等（図示せず）によってアンカーボルト１１に固着される。アンカーボルト１１の外螺子付き頂部は、基礎１０の頂面１３から垂直上方に突出し、ベースプレート５の水平フランジ部５ａに穿設されたボルト孔（図示せず）を貫通する。グラウトモルタル６がフランジ部５ａと頂面１３との間に注入されるとともに、金属製又は鋼製ナット７がアンカーボルト１１の頂部に螺着する。ブラケット５は、ナット７の締付けにより、硬化後のグラウトモルタル６を介して頂面１３上に堅固に固定される。

各ベースプレート５は、前後一対の垂直フランジ部５ｂを有する。フランジ部５ｂ及びその上縁は、フレーム４の傾斜角θに相応した高さ及び傾斜を有する。本例において、フレーム４の傾斜角θは角度１０°に設定される。図２に示すように、フレーム４は、前後方向（Ｘ方向）に延びる左右一対の金属製又は鋼製骨組部材４１と、骨組部材４１の外側に平行に配置された左右一対の金属製又は鋼製骨組部材４２と、幅方向（Ｙ方向）に延びる前後一対の金属製又は鋼製骨組部材４３とから構成される。骨組部材４１、４２の各端部は溶接又はボルト・ナット組立体等の固着手段によって骨組部材４３に固着され、かくして、骨組部材４１、４２、４３は一体的な長方形又は矩形フレーム４を構成する。フレーム４の骨組部材４１は、ボルト・ナット組立体８（図５）によって垂直フランジ部５ｂに堅固に固定される。好ましくは、ボルト・ナット組立体８のためにフランジ部５ｂ及び骨組部材４１に穿設される貫通孔（図示せず）は、スロット又は長孔として形成される。フレーム４の上面には、図１に示すように、複数の太陽光発電パネル２が前後方向（Ｘ方向）に整列配置される。なお、本例において、各骨組部材４１、４２、４３は等辺山形鋼Ｌ−５０×５０×６である。

図３及び図５に示すように、ベースプレート５を含む基礎１０の重心Ｂは、中心軸線Ｃ上に位置し、太陽光発電アレイ３及びフレーム４の集合体（以下、「パネル等の上部構造体」という。）の重心Ａも又、中心軸線Ｃ上に位置する。即ち、パネル等の上部構造体の重心Ａは、平面視において、基礎１０の重心Ｂと一致する。

図６（Ａ）は、基礎１０に作用する力の力学的バランスを概念的に示す断面図である。

太陽光発電装置１は、パネル等の上部構造体及び基礎１０の自重を長期鉛直荷重として有する。太陽光発電装置１には、風荷重（正負）及び地震荷重が短期水平荷重として作用する。また、積雪地域においては、積雪荷重が短期又は長期鉛直荷重として更に作用するが、本例においては、説明を簡略化するために、積雪荷重に関する説明を省略する。

太陽光発電装置１の設計において、フレーム４は、ＦＥＭ解析等によって応力解析され、骨組部材４１、４２、４３に生じる曲げ応力度及び撓み量等が求められ、骨組部材４１、４２、４３の断面及び各部寸法が定められる。また、ベースプレート５に作用する応力に基づいてアンカーボルト１１の断面及び各部寸法が定められる。

図６（Ａ）において、Ａ点は、前述のとおり、パネル等の上部構造体の重心位置を示し、基礎接地面（捨てコンクリートＦの上面）に対するＡ点の高さｈａは、６００mmである。Ｂ点は、前述のとおり、ベースプレート５を含む基礎１０の重心を示し、基礎接地面に対するＢ点の高さｈｂは、２２５mmである。なお、以下に説明する荷重バランスは、太陽光発電パネル２の寸法を幅（Ｙ方向）約１６００mm、奥行（Ｘ方向）約９００mmに条件設定するとともに、図１に示す如くＹ方向に配列した２体の太陽光発電パネル２をフレーム４及び基礎１０によって支持することを前提としたものである。

Ａ点には、パネル等の上部構造体に関し、概ね以下の長期荷重及び短期荷重が作用する。
・長期水平荷重Ｐ１＝０ｋＮ
・長期鉛直荷重Ｗ１＝約０．８ｋＮ
・風荷重Ｐ１’（水平）＝約０．４ｋＮ（正負）
・風荷重Ｗ１’（鉛直）＝約２ｋＮ（正負）
・地震荷重Ｐ１”（Ｘ・Ｙ方向）＝約０．４ｋＮ
・地震荷重Ｗ１”（鉛直）＝０ｋＮ

Ｂ点には、ベースプレート５を含む基礎１０に関し、概ね以下の長期荷重及び短期荷重が作用する。
・長期水平荷重Ｐ２＝０ｋＮ
・長期鉛直荷重Ｗ２＝約２．５ｋＮ
・風荷重Ｐ２’（水平）＝約０．２５ｋＮ（正負）
・風荷重Ｗ２’（鉛直）＝０
・地震荷重Ｐ２”（Ｘ・Ｙ方向）＝約１．２ｋＮ
・地震荷重Ｗ２”（鉛直）＝０ｋＮ

基礎下端面には、以下の圧縮力Ｎ及び曲げモーメントＭが作用する。
・長期圧縮力Ｎ＝Ｗ１＋Ｗ２＝約３．３ｋＮ
・長期曲げモーメントＭ＝０ｋＮ
・短期（正負の風荷重）圧縮力Ｎ’＝約２ｋＮ
・短期（正負の風荷重）曲げモーメントＭ’＝Ｐ１’×ｈａ＋Ｐ２’×ｈｂ＝約３０ｋＮ
・短期（地震荷重）圧縮力Ｎ”＝０ｋＮ
・短期（地震荷重）曲げモーメントＭ”＝Ｐ１”×ｈａ＋Ｐ２”×ｈｂ＝約５１ｋＮ

基礎１０（直径Ｄ＝５５０mm、高さＨ＝４５０mm）は、断面積＝約２４００cm²、断面係数＝約１６００cm³の円柱であるので、長期荷重及び短期荷重（風荷重、地震荷重）に応答して基礎１０に働く引張応力は、極めて小さく、無視し得る程度の値（コンクリートの許容引張強度の範囲内の値）であり、従って、基礎１０には、引張応力が実質的に作用しない。また、長期鉛直荷重によって基礎１０に作用する長期圧縮力Ｎは、約３．３ｋＮであるのに対し、風荷重によって基礎１０に作用する短期圧縮力Ｎ’は約２ｋＮ（負圧）であるので、基礎１０の浮き上がりは、発生しない。更に、このような荷重により生じる基礎底面の接地圧は、長期許容支持応力度＝３０ｋＮ／ｍ²、短期許容支持応力度＝６０ｋＮ／ｍ²程度の地耐力を有する一般的な地盤により支持し得る程度の接地圧である。また、短期荷重（風荷重又は地震荷重）による曲げモーメントＭ’又はＭ”と、長期圧縮力Ｎとの比率（即ち、Ｍ’／Ｎ及びＭ”／Ｎ）より求められた偏心距離ｅ（図示せず）は、基礎下端面の中心から直径Ｄ×２／３の範囲内の値であり、基礎１０の転倒は生じない。

このような太陽光発電装置１の力学的バランスは、単一短柱且つ置き基礎形式の無筋コンクリート構造基礎として前述の基礎１０を設計・施工することが可能であることを意味する。即ち、太陽光発電パネル又はアレイを支持する基礎構造体の設計においては、風荷重に対しては、基礎重量を増大することが望ましいが、地震荷重に対しては、基礎重量を軽減することが望ましいという相反する条件があり、従来の設計においては、このような相反する条件を基礎の重心位置の低下と基礎の平面寸法の拡大（大型化）により充足していたことから、基礎の高重量化及び大型化に伴って基礎の不同沈下等が生じ易く、このため、これに起因した引張応力が基礎に作用するので、鉄筋を配筋したコンクリート基礎、即ち、鉄筋コンクリート構造の基礎を採用せざるを得ない事情が存在したが、本実施例の如く、基礎１０を上部構造体（パネル等）の中央部（又は中央領域）の直下に配置し、単一の短柱状且つ置き基礎形式の基礎として設計した場合、引張応力が基礎１０に作用せず、基礎１０の転倒も発生しないように設計することができ、従って、前述のとおり、鉄筋を配筋しないコンクリート基礎、即ち、無筋コンクリート構造の基礎１０を合理的に設計し且つ施工することが可能となる。なお、パネル等の上部構造体の中央部（又は中央領域）は、重心Ａを中心として半径Ｄ／３程度の平面視円形領域（好ましくは、半径Ｄ／４の平面視円形領域）を意味する。

図６（Ｂ）は、真円形断面を有する短柱形態の基礎１０に関し、設計寸法の推奨範囲を示す線図である。

基礎１０を短柱として設計するための基準として、高さＨ＝直径Ｄ×１／２の直線が図６（Ａ）に破線で示されている。Ｈ＜Ｄ×１／２の場合、柱の軸力の影響範囲を超える領域が基礎１０の底面に含まれ、従って、水平方向（横方向）の鉄筋を基礎１０に配筋する必要が生じ得るので、基礎１０の高さＨ及び直径Ｄは、Ｈ≧Ｄ×１／２の範囲内で設計することが望ましい。図６（Ｂ）には、直径Ｄ＝４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０mmおけるＨ＝Ｄ×１／２の値がプロットされている。

図６（Ｂ）には、直径Ｄ＝４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０mmに対応する基礎１０の高さＨの適合値（Ｈ＝２３０、３５０、４５０、５６０、６５０、７４０、８２０、９００mm）がプロットされている。これらの高さＨの値は、引張応力が基礎１０に実質的に作用せず、しかも、短期荷重（風荷重、地震荷重）により基礎１０の転倒が生じないことが構造計算上確認された値であり、高さＨが適合値を超えた場合、無視し得ない引張応力が基礎１０に作用する可能性が生じ（従って、鉄筋の配筋の必要が生じる可能性があり）、或いは、基礎１０の転倒に対する考慮が必要となる可能性が高い。従って、図６（Ｂ）にプロットされた高さＨの適合値は、このような意味において高さＨの上限値として把握し得る。なお、基礎１０の転倒の可能性は、前述のとおり、偏心距離ｅ（図示せず）が基礎下端面の中心から直径Ｄ×２／３の範囲内の値であるか否か、という一般的な基準によって評価された。

図６（Ｂ）には、直径Ｄ及び高さＨの関数としてＨ＝Ｄ×２−６００mmの直線が破線で示されている。図６（Ｂ）にプロットされた高さＨの適合値は、Ｈ＝Ｄ×２−６００mmの線上に概ね位置しており、従って、円柱形基礎の適合範囲の上限として、Ｈ＝Ｄ×２−６００mmを規定することができる。

かくして、真円形断面を有する短柱形態の基礎１０に関する設計寸法の推奨範囲として、図６（Ｂ）に斜線で示す範囲を設定することができる。なお、現実には、雑草や風雨、湿気等による太陽光発電パネル２及びフレーム４の汚れ、腐食等を考慮し、高さＨは、少なくとも２５０mm、好ましくは、３００mm以上の値に設定することが望ましい。また、図６（Ｂ）に示す推奨範囲は、前述の太陽光発電パネル２の寸法及び配列を基準としたものであり、パネル寸法及びパネル枚数等の相違に相応して、上記推奨範囲が変化することはいうまでもない。

図７〜図１１は、太陽光発電装置１の施工方法を段階的に示す斜視図である。

図７及び図８には、捨てコンクリートＦを地盤Ｇ上に施工した後、アンカーボルト１１及び捨て型枠１５’を捨てコンクリートＦの上面に設置する工程が示されている。アンカーボルト１１として、例えば、直径１２mmの鋼製アンカーボルトが使用され、プレート１２として、例えば、板厚約３mmの鋼板が使用される。プレート１２は、正方形の外形輪郭を有し、プレート１２の内側には、正方形開口１２ａが形成される。各アンカーボルト１１は、鋼製ナット等（図示せず）によって上下のプレート１２の角部に予め固着される。仮設支持ボルト１７が、後施工アンカー等（図示せず）によって捨てコンクリートＦ上に垂直に植設される。仮設支持ボルト１７の外螺子付き頂部は、下側のプレート１２の帯状部分を貫通する。下側のプレート１２は、鋼製ナット等（図示せず）によって仮設支持ボルト１７の頂部に固定される。かくして、アンカーボルト１１及びプレート１２の組立体が捨てコンクリートＦ上に設置される。

次いで、捨て型枠１５’が、図８に示すように、捨てコンクリートＦ上に配置される。捨て型枠１５’は、コンクリート硬化後に前述の円筒体（円管）１５を構成する。アンカーボルト１１及びプレート１２は、アンカーボルト１１の外螺子付き頂部を捨て型枠１５’の頂部円形開口から上方に突出した状態で捨て型枠１５’内に収容される。捨て型枠１５’として、金属製又は樹脂製の管状部材、例えば、ワインディングパイプ（栗本商事株式会社製品）、カナパイプ（登録商標、カナフレックスコーポレーション製品）等を好適に使用し得る。所望により、捨て型枠１５’は、鋼材及び後施工アンカー等の仮止め具（図示せず）によって捨てコンクリートＦ上に仮留めされる。

図９には、未硬化コンクリートの流動体１０’を捨て型枠１５’内に流し込んでコンクリート打設を行った状態が示されている。流動体１０’は、捨て型枠１５’内に密実に充填され、所要の養生期間の経過により硬化し、かくして、短柱状の無筋コンクリート硬化体を円筒体（円管）１５によって被覆してなる短柱状の基礎１０が、図１０に示すように捨てコンクリートＦ上に形成される。なお、真円形断面の捨て型枠１５’には、流動体１０’の流体圧力がコンクリート打設時に周方向に均一に作用するので、支保工を省略し、或いは、支保工を簡素化することができる。

図１０には、ベースプレート５をボルト・ナット組立体８によって予め組付けたフレーム４を基礎１０上に設置する工程が示されている。基礎１０上に載置されたフレーム４は、ナット７（図２〜図５）をアンカーボルト１１の頂部に螺着し且つベースプレート５に対して締付けることにより、基礎１０の頂面１３上に堅固に固定される。なお、図１０に示すように、敷き砂利Ｋが捨てコンクリートＦ上に敷き詰められる。

かくして基礎１０上に設置したフレーム４には、図１１に示すように太陽光発電パネル２が載置され、図１に示す太陽光発電装置１が完成する。

図１２は、複数の太陽光発電装置１を敷地に配列してなる太陽光発電システムを概略的に示す斜視図であり、図１３は、複数の基礎１０を杆材によって相互連結した状態を示す平面図である。

図１２に示すように、太陽光発電装置１は、所要の間隔を隔てて敷地内に配列され、太陽光発電施設を構成する。所望により、複数の基礎１０が図１３に示すようにアングル型鋼材等の杆材２０によって相互連結される。杆材２０は、コンクリート打設前の状態（図８）でアンカーボルト１１の頂部に固定又は係留され、捨て型枠１５’の位置決め治具又は仮固定治具として使用される。杆材２０は又、過大な外力がいずれかの太陽光発電装置１に局所的に作用したときに他の太陽光発電装置１に外力を分散するので、システム全体としての構造的安定性に寄与する。

図１４は、高低差を有する段差地盤に太陽光発電装置１を配置した施工例を示す側面図であり、図１５、図１６及び図１７は、太陽光発電装置１を傾斜地盤又は不陸地盤に設置した施工例を示す断面図である。

基礎１０の上記構成によれば、図１４に示すような段差地盤に太陽光発電装置１を配置する場合、基礎１０を配置するための地盤部分のみが局所的に平坦であれば良く、或いは、基礎１０を配置するための地盤部分のみを局所的に整地すれば良い。また、傾斜地盤に太陽光発電装置１を設置する場合、図１５に示すように、地盤Ｇを局部的に掘削して平坦な底面の基礎１０を施工し、或いは、図１６に示すように、地盤Ｇの傾斜に応じて底面が傾斜した基礎１０を施工することができる。後者の場合（図１６）、捨て型枠１５' (円筒体１５)の下端部を地盤Ｇに部分的に埋め込んでも良く、或いは、地盤Ｇの傾斜に相応して捨て型枠１５' (円筒体１５)の下部を部分的にカットしても良い。更には、図１７に示すように不陸又は凹凸を表面に有する地盤Ｇに太陽光発電装置１を設置する場合、地盤表面の不陸を整地することなくコンクリートを打設し、地盤の不陸又は凹凸に相応した底面の不陸又は凹凸を有する基礎１０を施工しても良い。なお、図１７に示すような基礎底面の不陸又は凹凸は、基礎１０の転倒及び滑動を防止する上で有利である。

図１８は、基礎１０の頂面１３を傾斜面として施工した施工例を示す基礎１０の断面図である。

基礎１０の上記構成によれば、図１８に示すように、コンクリート打設直後に未硬化のコンクリート表面を鏝作業等により傾斜させることにより、頂面１３を角度θ’の傾斜面に形成又は賦形することができる。このような施工を行う場合、捨て型枠１５’の上縁を予め角度θ’に傾斜させても良い。このように頂面１３を傾斜させた場合、太陽光発電パネル２の傾斜角を頂面１３の傾斜角によって設定し又は調整することができるので、傾斜角が異なる太陽光発電パネル２を共通のベースプレート５によって支持することができ、従って、ベースプレート５を共通化又は標準化することが可能となる。なお、頂面１３の一部のみを傾斜面として施工することも可能である。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において種々の変更又は変形が可能であり、かかる変更又は変形例も又、本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、短柱状基礎は、現場打ちコンクリートによって施工されるが、短柱状基礎をＰＣ（プレキャストコンクリート）成形体として予め工場製作しても良い。

また、上記実施形態では、短柱状基礎は真円形断面を有するが、８以上の頂点を有する正多角形断面（水平断面）に短柱状基礎を成形しても良い。なお、真円形断面又は正多角形断面は、応力分布等に大きく影響しない限り、凹凸等の不規則部分又は不整形部分を部分的に備えても良い。

更に、上記実施形態においては、無筋コンクリートを用いているが、無筋コンクリートは、配筋工事を要する鉄筋を含まないコンクリートを意味しており、配筋工事を実質的に要しないような極めて少量の補助鉄筋又は鋼材や、短繊維補強材、混和材、混和剤等を含むコンクリートを除外するものではない。

また、フレーム及びベースプレートは、異なる仕様又は製造者の太陽光発電パネルを支持し得るように共用化又は標準化しても、或いは、特定の仕様又は製造者の太陽光発電パネルのみに適応可能に設計しても良い。

本発明は、太陽光発電パネル又はアレイを地盤上に支持する太陽光発電装置の基礎構造及びその施工方法に適用される。本発明の基礎構造及び施工方法は、多数の太陽光発電パネル又はアレイを地盤上に配列したメガソーラー発電プラント、メガソーラー発電所等の大規模太陽光発電施設において、施設を構成する各太陽光発電装置の基礎構造及びその施工方法として好適に使用し得る。本発明によれば、杭基礎、地盤改良等のような地盤又は基礎の沈下対策を格別に採用することなく、しかも、工期の長期化及び施工のコスト増大につながる基礎の大型化や、コンクリート量、型枠量及び鉄筋量等の増大をもたらすことなく、太陽光発電パネル又はアレイを軟弱地盤等に設置することが可能となるので、その実用的価値は、顕著である。

１ 太陽光発電装置
２ 太陽光発電パネル（モジュール）
３ 太陽光発電アレイ
４ フレーム
５ ベースプレート又はブラケット
５ａ 水平フランジ部
５ｂ 垂直フランジ部
６ グラウトモルタル
７ ナット
８ ボルト・ナット組立体
１０ 基礎
１１ アンカーボルト
１２ プレート
１３ 頂面
１５ 円筒体又は円管
１５’ 捨て型枠
Ａ、Ｂ 重心
Ｃ 中心軸線
Ｄ 基礎の直径
Ｈ 基礎の高さ
Ｆ 捨てコンクリート
Ｇ 地盤
Ｋ 砂利

Claims (20)

1. 太陽光発電パネル又はアレイを地盤上に支持するための太陽光発電装置の基礎構造において、
   前記パネル又はアレイの中央部又は中央領域を下側から支持するためのブラケット又はベースプレートと、
   前記ブラケット又はベースプレートを固定可能な頂面を有する単一置き基礎形式且つ無筋コンクリート構造の短柱状基礎と、
   該基礎の外側面を被覆する管体又は筒体と、
   前記ブラケット又はベースプレートを前記頂面に係留する係留手段とを有することを特徴とする太陽光発電装置の基礎構造。
2. 太陽光発電パネル又はアレイを地盤上に支持するための太陽光発電装置の基礎構造において、
   前記パネル又はアレイの傾斜角に相応して傾斜し且つ全体的に平板状の輪郭を備えたパネル又はアレイ支持用フレームを下側から支持するブラケット又はベースプレートと、
   該ブラケット又はベースプレートを固定可能な頂面を有する単一置き基礎形式且つコンクリート構造の短柱状基礎と、
   前記ブラケット又はベースプレートを前記頂面に係留する係留手段とを有し、
   前記ブラケット又はベースプレートは、前記フレームの中央部又は中央領域に一体的に連結され、前記フレームに作用する荷重は、前記ブラケット又はベースプレートを介して前記基礎に直に伝達することを特徴とする太陽光発電装置の基礎構造。
3. 中央部又は中央領域が前記ブラケット又はベースプレートに一体的に連結されたパネル又はアレイ支持用フレームを有し、
   該フレームは、前記パネル又はアレイの傾斜角に相応して傾斜し且つ全体的に平板状の輪郭を有する金属製又は鋼製の枠体からなり、
   前記パネル又はアレイは、前記フレーム上に載置され、該フレームに作用する荷重は、前記ブラケット又はベースプレートを介して前記基礎に直に伝達することを特徴とする請求項１に記載の基礎構造。
4. 前記管体又は筒体は、コンクリート打設時に捨て型枠として用いられた管状又は筒状の金属製型枠又は樹脂製型枠からなることを特徴とする請求項１又は３に記載の基礎構造。
5. 前記基礎は、全高に亘って均一又は均等な直径の真円形断面、或いは、全高に亘って均一又は均等な外接円直径を有し且つ８以上の頂点を有する正多角形断面を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の基礎構造。
6. 前記基礎の外形寸法、重心位置及び重量は、太陽光発電装置に作用する短期水平荷重によって前記基礎に作用する引張応力を長期鉛直荷重によって実質的に打ち消すとともに、短期水平荷重によって前記基礎に作用する転倒モーメントを長期鉛直荷重によって 実質的に打ち消すことができる外形寸法、重心位置及び重量に設定されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の基礎構造。
7. 水平面に対する前記フレームの傾斜角度を５〜３０度の範囲内の値に設定したことを特徴とする請求項２又は３に記載の基礎構造。
8. 前記頂面は、水平面に対して５〜３０度の範囲内の傾斜角度を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の基礎構造。
9. 太陽光発電パネル又はアレイを地盤上に支持するための太陽光発電装置の基礎構造において、
   前記パネル又はアレイの中央部又は中央領域を下側から支持するためのブラケット又はベースプレートと、
   前記ブラケット又はベースプレートを固定可能な頂面を有する単一置き基礎形式且つ無筋コンクリート構造の短柱状基礎と、
   前記ブラケット又はベースプレートを前記頂面に係留する係留手段とを備え、
   前記基礎は、全高に亘って均一又は均等な直径の真円形断面、或いは、全高に亘って均一又は均等な外接円直径を有し且つ８以上の頂点を有する正多角形断面を備えることを特徴とする太陽光発電装置の基礎構造。
10. 前記基礎の高さＨと該基礎の直径Ｄとの比（Ｈ／Ｄ）を０．５以上の値に設定したことを特徴とする請求項９に記載の基礎構造。
11. 前記基礎の高さＨ(mm)が、前記基礎の直径Ｄ(mm)に対し、Ｈ＝Ｄ×２−６００mmの値を超えない値に設定されたことを特徴とする請求項９又は１０に記載の基礎構造。
12. 太陽光発電パネル又はアレイを地盤上に支持するための太陽光発電装置の基礎を施工する施工方法において、
    軸心が上下方向に配向され、全高に亘って均一又は均等な直径の円形断面、或いは、全高に亘って均一又は均等な外接円直径を有し且つ８以上の頂点を有する多角形断面を備えた管状又は筒状の単一捨て型枠を地盤面に配置するとともに、アンカーボルトを該型枠内に配置し、
    流動状態の未硬化コンクリートを前記型枠の頂部開口に流し込んで該コンクリートを該型枠内に打設し、
    前記パネル又はアレイを下側から支持するためのブラケット又はベースプレートを前記コンクリートの硬化後に該コンクリートの頂面に配置するとともに、前記ブラケット又はベースプレートを前記アンカーボルトによって前記コンクリートの頂面に係留することを特徴とする太陽光発電装置の基礎の施工方法。
13. 前記型枠の中空部は、真円形断面又は正多角形断面を有することを特徴とする請求項１２に記載の施工方法。
14. 硬化後の前記コンクリートは、無筋コンクリートであることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の施工方法。
15. 前記頂面は、水平面に対して５〜３０度の範囲内の傾斜角度を有する傾斜面に仕上げられることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の施工方法。
16. 前記地盤面は、流動性固化材料の流し延べ、土壌の締固め、或いは、固形材料の敷設によって前記型枠及びアンカーボルトの施工前に予め整地されることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の施工方法。
17. 複数の前記捨て型枠を地盤上に配列し、該捨て型枠同士を金属製又は鋼製の杆材又は管材によって相互連結することを特徴とする請求項１２乃至１６のいずれか１項に記載の施工方法。
18. 全体的に平板状の輪郭を有する枠体をパネル又はアレイ支持用フレームとして用意し、該フレームの中央部又は中央領域を前記ブラケット又はベースプレートに一体的に連結することを特徴とする請求項１２乃至１７のいずれか１項に記載の施工方法。
19. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載された基礎構造を有する多数の基礎を配列したことを特徴とする大規模太陽光発電施設。
20. 複数の前記基礎を金属製又は鋼製の杆材又は管材によって相互連結したことを特徴とする請求項１９に記載の大規模太陽光発電施設。

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