JP2014218186A

JP2014218186A - 洋上風力発電用浮体構造物

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Publication number: JP2014218186A
Application number: JP2013099441A
Authority: JP
Inventors: 哲郎堀; Tetsuo Hori; 哲次白枝; Tetsuji Shiroeda; 孟石原; Takeshi Ishihara; 明彦今北; Akihiko Imakita
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; University of Tokyo NUC; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; University of Tokyo NUC; Shimizu Corp
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2014-11-20
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: JP6130207B2

Abstract

【課題】風力発電機による起振力を抑えるとともに、波浪による上下揺れを軽減することができる洋上風力発電用浮体構造物を提供する。【解決手段】洋上風力発電における風力発電機１２の基礎として用いられる浮体構造物１０であって、浮体構造物１０の浮力中心Ｃとアンカー３４とを連結し浮体構造物１０を緊張して係留する緊張係留索１４と、浮体構造物１０と緊張係留索１４との間に介装され浮体構造物１０の上下揺れを減衰させる動揺減衰機構１６とを備えるようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、浮体式洋上風力発電に用いられる浮体構造物に関し、特に波浪による動揺を抑制する機構を備えた浮体構造物に関するものである。

従来、浮体式洋上風力発電用の浮体構造物として、図４に示すようなセミサブ式、ＴＬＰ（緊張係留）式、スパー式などのタイプが知られている。様々な機器で構成される風力発電機にとって振動・動揺は故障の原因となるため、浮体式洋上風力発電においては、風力発電機の基礎として使用される浮体構造物の振動・動揺を如何に抑えるかが従来より重要な課題となっている。

セミサブ式やＴＬＰ式は水線面積の小さい半没水型浮体を使用し、波浪による動揺（上下揺れ・横揺れ・回転）を軽減するタイプであり、特にＴＬＰ式は浮体を強制的に水中に引き込むことで大きな浮力・係留力を作用させ、波浪により荷重の変動が生じても常に浮力・係留力が作用するため、セミサブ式では対応できない上下揺れを軽減できる方式として知られている。

なお、セミサブ式に関連する従来の技術としては例えば特許文献１〜９が提案されており、またＴＬＰ式に関しては例えば特許文献１０〜１４が、スパー式に関しては例えば特許文献１５〜２０が提案されている。

特開２０１０−２４７６４６号公報特開２０１０−２１６２７３号公報特開２００９−８５１６７号公報特開２００７−２６３０７７号公報特開２００５−３５１０８７号公報特開２００４−２２５８５９号公報特開２００４−３６５１７号公報特開２００２−２８５９５２号公報特開２００２−２８５９５１号公報特開２０１０−２３４９６５号公報特開２０１０−６４６４９号公報特開２０１０−６４６４８号公報特開２０１０−３０３７９号公報特開２０１０−１８１２９号公報特開２０１０−２２３１１４号公報特開２０１０−２２３１１３号公報特開２００９−２４８７９２号公報特開２００７−５１８９１２号公報特開２００３−３４３４４７号公報特開２００２−１８８５５７号公報

上記のＴＬＰ式浮体構造物では、浮体・係留系の固有振動数が波浪の周期（約４〜１８秒）を外すよう設計され、特に波力の大きい長周期側を避けて４秒以下に設計される。しかし、風力発電機のローターの回転数は通常約１０〜５０回転／分（周期約１〜６秒）であり、浮体・係留系の固有振動数と一致して共振する可能性があることから、浮体構造物に風力発電機を搭載する場合には、共振対策が必要である。

また、動揺する浮体構造物には付加質量力や造波減衰力が作用するが、上下揺れのモードでは水線面積の変化が少なく造波減衰力の効果が乏しいため、風力発電機のローターによる共振を避けたとしても動揺が収まり難いという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、風力発電機による起振力を抑えるとともに、波浪による上下揺れを軽減することができる洋上風力発電用浮体構造物を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に係る洋上風力発電用浮体構造物は、洋上風力発電における風力発電機の基礎として用いられる浮体構造物であって、前記浮体構造物の浮力中心とアンカーとを連結し前記浮体構造物を緊張して係留する緊張係留索と、前記浮体構造物と前記緊張係留索との間に介装され前記浮体構造物の上下揺れを減衰させる動揺減衰機構とを備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る洋上風力発電用浮体構造物は、上述した請求項１において、浮体および係留系の固有振動数を調整するための固有振動数調整機構をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る洋上風力発電用浮体構造物は、上述した請求項１または２において、前記動揺減衰機構と前記緊張係留索との間に介装され、前記動揺減衰機構と前記緊張係留索とを係合して一体化する作動状態と、前記動揺減衰機構と前記緊張係留索とを切り離して前記一体化を解除する非作動状態とに切り替え可能なストッパー機構をさらに備え、通常時には前記ストッパー機構を作動状態にして前記動揺減衰機構と前記緊張係留索とを一体化する一方、暴風波浪時や地震時などの非常時には前記ストッパー機構を非作動状態にして前記動揺減衰機構と前記緊張係留索とを切り離し、作用する荷重に応じて前記緊張係留索の緊張力を調整可能にしたことを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係る洋上風力発電用浮体構造物は、上述した請求項１〜３のいずれか一つにおいて、前記浮体構造物をカテナリー式で係留するカテナリー係留索をさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、洋上風力発電における風力発電機の基礎として用いられる浮体構造物であって、前記浮体構造物の浮力中心とアンカーとを連結し前記浮体構造物を緊張して係留する緊張係留索と、前記浮体構造物と前記緊張係留索との間に介装され前記浮体構造物の上下揺れを減衰させる動揺減衰機構とを備えるので、耐航性に優れるセミサブ式やＴＬＰ式などの浮体構造物によっても対応することが困難な風力発電機からの起振力を抑えることが可能であるとともに、波浪による浮体構造物の上下揺れを軽減することができる。この共振対策と波浪動揺対策によって、風力発電機の機器保全が確保された浮体式洋上風力発電システムを提供することができるという効果を奏する。また、本発明によれば、塩害対策を施す程度の措置で既存の陸上設置型の風力発電機を流用できる可能性があり、他形態の浮体式洋上風力発電システムに対してコスト競争力において優位になると考えられる。

また、本発明の他の構成によれば、浮体および係留系の固有振動数を調整するための固有振動数調整機構をさらに備えるので、浮体および係留系の固有振動数を風力発電機のローターの固有振動数と一致しないように調整することで共振現象をより確実に防止することができるという効果を奏する。

また、本発明の他の構成によれば、前記動揺減衰機構と前記緊張係留索との間に介装され、前記動揺減衰機構と前記緊張係留索とを係合して一体化する作動状態と、前記動揺減衰機構と前記緊張係留索とを切り離して前記一体化を解除する非作動状態とに切り替え可能なストッパー機構をさらに備え、通常時には前記ストッパー機構を作動状態にして前記動揺減衰機構と前記緊張係留索とを一体化する一方、暴風波浪時や地震時などの非常時には前記ストッパー機構を非作動状態にして前記動揺減衰機構と前記緊張係留索とを切り離し、作用する荷重に応じて前記緊張係留索の緊張力を調整可能にしている。

常時大きな張力が作用している緊張係留索に対して、暴風波浪時や地震時に過大な変動荷重が作用すると破損等の支障が生じる危険があるが、上記の構成によれば、暴風波浪時や地震時に容易に緊張係留索の緊張力を緩めて損傷の危険を回避するとともに、危険の可能性がなくなったら緊張力を回復させて動揺減衰機構の機能を再び発揮させることができる。これにより、台風や地震が非常に多い日本の海域特性に適合した浮体式洋上風力発電システムを提供することができるという効果を奏する。

また、本発明の他の構成によれば、前記浮体構造物をカテナリー式で係留するカテナリー係留索をさらに備えるので、浮体構造物が漂流するのを防ぐことができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る洋上風力発電用浮体構造物の一例を示す概略図である。図２は、図１のＡ部分の拡大図（通常時）である。図３は、図１のＡ部分の拡大図（暴風波浪時・地震時）である。図４は、従来の浮体式洋上風力発電用の浮体構造物を例示する図である。

以下に、本発明に係る洋上風力発電用浮体構造物の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１に示すように、本発明に係る洋上風力発電用浮体構造物１０は、洋上風力発電における風力発電機１２の基礎として用いられる浮体構造物であって、浮体構造物１０の浮力中心Ｃに配した緊張係留索１４とダンパー１６（動揺減衰機構）とを備える。

浮体構造物１０は、下側部分が海水面１８下に水没した半没水型浮体であり、中央浮体２０と外側浮体２２とこれらの下部間を連結する連結部材２４とから構成してある。中央浮体２０と外側浮体２２の平面的な位置関係はここには図示しないが、中央浮体２０を中心とする円周上に複数個（例えば３個）の外側浮体２２を周方向等間隔に配置したものであり、中央浮体２０が浮体構造物１０の浮力中心Ｃに位置するようにしてある。

また、浮体構造物１０が漂流するのを防ぐため、浮体構造物１０は外側浮体２２の下端に連結したカテナリー係留索２６によってカテナリー式で係留してある。

このように、浮体構造物１０としてセミサブ式やＴＬＰ式で用いられる半没水型浮体を使用して波浪による横揺れ・回転を軽減するとともに、ＴＬＰ式で用いる緊張係留索１４を浮体構造物１０の浮力中心Ｃに配すことで、波浪による縦揺れを軽減するようになっている。

中央浮体２０、外側浮体２２は円柱部材で構成してあり、外側浮体２２はその内部にバラスト水を注入することで浮力を調整可能になっている。これに加えて中央浮体２０の内部にバラスト水を注入することで浮力を調整可能にしてもよい。連結部材２４は棒状部材で構成され、その内部にバラスト水を注入可能な中空または中実な部材で構成することができる。

また、中央浮体２０の上面にはタワー３６が立設しており、その頂部には風車３８およびローターを備える風力発電機１２が取り付けてある。さらに、中央浮体２０には上下面を貫通する貫通孔２８が浮力中心Ｃに沿って設けてあり、緊張係留索１４が挿通されている。

緊張係留索１４は、タワー３６の下端に設置した巻回ドラム３０から貫通孔２８を通り抜けて浮力中心Ｃに沿って鉛直下方に延び、海底３２に沈設されたアンカー３４に連結してあり、浮体構造物１０の浮力によって生じる緊張力を利用して浮体構造物１０を係留するようになっている。

また、タワー３６の下端内部には凹状のダンパー室４０（図１中のＡ部分）が形成してある。

図２は図１のＡ部分の拡大図（通常時）を示しており、図３は図１のＡ部分の拡大図（暴風波浪時・地震時）を示している。

図２または図３に示すように、ダンパー室４０には、ダンパー１６（動揺減衰機構）とバネ４２（固有振動数調整機構）とストッパー機構４４とが設けてある。また、ダンパー室４０の上面には緊張係留索１４を上方の巻回ドラム３０に導くための開口４６が設けてある。

ダンパー１６は、浮体構造物１０の上下揺れを減衰させるための動揺減衰機構であり、タワー３６（すなわちこれと連結した中央浮体２０）と緊張係留索１４との間に介装してある。このダンパー１６は、シリンダー１６ａとピストンロッド１６ｂとからなる油圧式のオイルダンパーであり、本実施例では緊張係留索１４を挟んで左右に設けてある。

このように緊張係留索１４にダンパー１６を配置することで、浮体構造物１０の上下揺れを減衰することができる。なお、本実施例においては動揺減衰機構としてダンパー１６を用いて説明しているが、これに限るものではなく、波浪による浮体構造物１０の上下揺れを減衰可能な機構であればいかなる機構を用いてもよい。

バネ４２は、浮体および係留系の固有振動数を調整するための固有振動数調整機構であり、ダンパー１６のシリンダー１６ａとダンパー室４０上面との間に介装してある。このように緊張係留索１４と浮体構造物１０との間にバネ４２を設ける一方で、浮体・係留系の固有振動数を風力発電機１２のローターの固有振動数と一致しないように調整することで、風力発電機１２のローターとの共振現象をより確実に防止することができる。なお、バネ４２を設ける代わりに、緊張係留索１４自身の剛性を小さくすることなどにより浮体・係留系の固有振動数を調整して共振を防止してもよい。

ストッパー機構４４は、ベース４４ａとパッド４４ｂとからなり、ダンパー１６と緊張係留索１４との間に介装してあり、本実施例では緊張係留索１４を挟んで左右に設けてある。このストッパー機構４４は、ダンパー１６と緊張係留索１４とを係合して一体化する作動状態と、ダンパー１６と緊張係留索１４とを切り離して一体化を解除する非作動状態とに切り替え可能としてある。

より具体的には、ストッパー機構４４の各ベース４４ａはその上方のダンパー１６のピストンロッド１６ｂと連結している。ストッパー機構４４の作動状態においては、図２に示すように、ベース４４ａ上の内方端部に対向配置したパッド４４ｂを互いに押圧して緊張係留索１４を左右から挟み込むことでダンパー１６のピストンロッド１６ｂと緊張係留索１４とを係合させるようになっている。一方、非作動状態においては、図３に示すように、パッド４４ｂを緊張係留索１４から引き離してダンパー１６のピストンロッド１６ｂとの係合を解くようになっている。

上記構成において、通常時には、図２に示すようにストッパー機構４４を作動状態にしてダンパー１６と緊張係留索１４とを一体化させるようにする。この状態においては波浪による浮体構造物１０の上下揺れは、バネ４２とダンパー１６を介しベース４４ｂとパッド４４ａを経由して緊張係留索１４に伝達する。この場合、浮体構造物１０の上下揺れはダンパー１６の機能によって減衰されることになる。

また、暴風波浪時や地震時などの非常時には、図３に示すようにストッパー機構４４を非作動状態にしてダンパー１６と緊張係留索１４とを切り離す。そして、浮体構造物１０に作用する動揺荷重に応じて、緊張係留索１４の緊張力を巻回ドラム３０の回転により調整するようにする。

常時大きな張力が作用している緊張係留索１４は、過大な変動荷重が作用する暴風波浪時や地震時には破損等の支障が生じるおそれがあるが、本発明によれば、暴風波浪時や地震時にストッパー機構４４を非作動状態にすることで容易に緊張係留索１４の緊張力を緩めて損傷の危険を回避することができる。その後、危険の可能性がなくなったらストッパー機構４４を作動状態にして緊張係留索１４の緊張力を回復させることによりダンパー１６の機能を再び発揮させることができる。これにより、台風や地震が非常に多い日本の海域特性に適合した浮体式洋上風力発電システムを提供することができる。

なお、通常時の浮体・係留系の状態に戻す場合には、例えば外側浮体２２や中央浮体２０の内部バラストにポンプにより海水を注入して喫水を下げ、ストッパー機構４４を効かせてからバラスト水をポンプにより外部へ排水し、緊張係留索１４に張力を作用させるようにすればよい。

このため、本発明に係る洋上風力発電用浮体構造物によれば、耐航性に優れるセミサブ式やＴＬＰ式などの浮体構造物によっても対応することが困難な風力発電機からの起振力を抑えることが可能であるとともに、波浪による浮体構造物の上下揺れを軽減することができる。この共振対策と波浪動揺対策によって、風力発電機の機器保全が確保された浮体式洋上風力発電システムを提供することができる。

また、暴風波浪時や地震時に容易に緊張係留索の張力を緩めて損傷の危険を回避し、危険の可能性がなくなったら緊張力を回復させて動揺減衰機構の機能を再び発揮させることができる。これにより、台風や地震が非常に多い日本の海域特性に適合した浮体式洋上風力発電システムを提供することができる。

また、浮体式洋上風力発電には揺れに強い風力発電機の開発が必要とされているが、本発明によれば、塩害対策を施す程度の措置で既存の陸上設置型の風力発電機を流用できる可能性があり、他形態の浮体式洋上風力発電システムに対してコスト競争力において優位になると考えられる。

以上説明したように、本発明によれば、洋上風力発電における風力発電機の基礎として用いられる浮体構造物であって、前記浮体構造物の浮力中心とアンカーとを連結し前記浮体構造物を緊張して係留する緊張係留索と、前記浮体構造物と前記緊張係留索との間に介装され前記浮体構造物の上下揺れを減衰させる動揺減衰機構とを備えるので、耐航性に優れるセミサブ式やＴＬＰ式などの浮体構造物によっても対応することが困難な風力発電機からの起振力を抑えることが可能であるとともに、波浪による浮体構造物の上下揺れを軽減することができる。この共振対策と波浪動揺対策によって、風力発電機の機器保全が確保された浮体式洋上風力発電システムを提供することができる。また、本発明によれば、塩害対策を施す程度の措置で既存の陸上設置型の風力発電機を流用できる可能性があり、他形態の浮体式洋上風力発電システムに対してコスト競争力において優位になると考えられる。

また、本発明の他の構成によれば、浮体および係留系の固有振動数を調整するための固有振動数調整機構をさらに備えるので、浮体および係留系の固有振動数を風力発電機のローターの固有振動数と一致しないように調整することで共振現象をより確実に防止することができる。

常時大きな張力が作用している緊張係留索に対して、暴風波浪時や地震時に過大な変動荷重が作用すると破損等の支障が生じる危険があるが、上記の構成によれば、暴風波浪時や地震時に容易に緊張係留索の緊張力を緩めて損傷の危険を回避するとともに、危険の可能性がなくなったら緊張力を回復させて動揺減衰機構の機能を再び発揮させることができる。これにより、台風や地震が非常に多い日本の海域特性に適合した浮体式洋上風力発電システムを提供することができる。

また、本発明の他の構成によれば、前記浮体構造物をカテナリー式で係留するカテナリー係留索をさらに備えるので、浮体構造物が漂流するのを防ぐことができる。

以上のように、本発明に係る洋上風力発電用浮体構造物は、浮体式洋上風力発電システムにおける風力発電機の基礎として洋上に浮かべて用いる浮体構造物に有用であり、特に、耐航性に優れるセミサブ式やＴＬＰ式などの浮体構造物によっても対応することが困難な風力発電機からの起振力を抑えるとともに、波浪による上下揺れを軽減するのに適している。

１０洋上風力発電用浮体構造物（浮体構造物）
１２風力発電機
１４緊張係留索
１６ダンパー（動揺減衰機構）
１６ａシリンダー
１６ｂピストンロッド
１８海水面
２０中央浮体
２２外側浮体
２４連結部材
２６カテナリー係留索
２８貫通孔
３０巻回ドラム
３２海底
３４アンカー
３６タワー
３８風車
４０ダンパー室
４２バネ（固有振動数調整機構）
４４ストッパー機構
４４ａベース
４４ｂパッド
４６開口
Ｃ浮力中心

Claims

洋上風力発電における風力発電機の基礎として用いられる浮体構造物であって、
前記浮体構造物の浮力中心とアンカーとを連結し前記浮体構造物を緊張して係留する緊張係留索と、
前記浮体構造物と前記緊張係留索との間に介装され前記浮体構造物の上下揺れを減衰させる動揺減衰機構とを備えることを特徴とする洋上風力発電用浮体構造物。
浮体および係留系の固有振動数を調整するための固有振動数調整機構をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の洋上風力発電用浮体構造物。
前記動揺減衰機構と前記緊張係留索との間に介装され、前記動揺減衰機構と前記緊張係留索とを係合して一体化する作動状態と、前記動揺減衰機構と前記緊張係留索とを切り離して前記一体化を解除する非作動状態とに切り替え可能なストッパー機構をさらに備え、
通常時には前記ストッパー機構を作動状態にして前記動揺減衰機構と前記緊張係留索とを一体化する一方、
暴風波浪時や地震時などの非常時には前記ストッパー機構を非作動状態にして前記動揺減衰機構と前記緊張係留索とを切り離し、作用する荷重に応じて前記緊張係留索の緊張力を調整可能にした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浮体構造物。
前記浮体構造物をカテナリー式で係留するカテナリー係留索をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の洋上風力発電用浮体構造物。