JP2015004351A - 洋上風力発電設備の基礎頂部、及び、洋上風力発電設備の基礎構造部材 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な強度を確保しつつ、コストダウンが可能な洋上風力発電設備の基礎頂部、及びこれを備えた洋上風力発電設備の基礎構造部材を提供する。【解決手段】鋼管によって形成された風車のタワーを下方から支持し、タワーの軸線Ｐと同軸上に設けられたタワー下部鋼管２０と、タワー下部鋼管２０の外周面２０ａに周方向に互いに離間して設けられ、外周面２０ａから径方向外側に向かって下方に延びるとともに、タワー下部鋼管２０の径方向外側でかつタワー下部鋼管２０よりも下方に周方向に互いに離間して配された複数のレグ１６に接続された複数の斜材１９と、レグ１６よりも径方向内側に設けられて、タワー下部鋼管２０を下方から支持するトラス構造部３０と、レグ１６とトラス構造部３０とを接続する複数の水平材１８とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、洋上に設置される風力発電設備における基礎頂部、及び基礎構造部材に関する。

洋上風力発電は、洋上に風車等の発電設備を設置し、陸上に比べて大きな風力を得て、より大きな電力を発電し、電力供給を可能とするものである。

このような洋上風力発電設備の基礎構造には、モノパイル式に比べて剛性が高いこと等の理由から、ジャケット式のものが一般に用いられている（例えば特許文献１）。

ここで、近年では発電量の増大のため、風車が大型化する傾向にあり、このような大型の風車を支持するように支持構造と風車との接続部分の重量も大きくなる。従って、材料費や運搬に要するコストが増大してしまう。このような観点から、特許文献２には軽量化を図った支持構造が開示されている。

国際公開第２００６／００４４１７号 特表２０１２−５２９５８４号公報

しかしながら、特許文献２に記載された基礎構造では構造が複雑であり、製作コストを十分に抑制できない可能性がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、十分な強度を確保しつつ、コストダウンが可能な洋上風力発電設備の基礎頂部、及びこれを備えた洋上風力発電設備の基礎構造部材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係る洋上風力発電設備の基礎頂部は、風車のタワーを下方から支持し、軸線が上下方向に沿うように設けられた鋼管部と、前記鋼管部の外周面に周方向に互いに離間して設けられ、前記外周面から径方向外側に向かって下方に延びるとともに、前記鋼管部の前記径方向外側でかつ前記鋼管部よりも下方に周方向に互いに離間して配された複数のレグに接続された複数の斜材と、前記レグよりも径方向内側に設けられて、前記鋼管部を下方から支持するトラス構造部と、前記レグと前記トラス構造部とを接続する複数の横架材と、を備えることを特徴とする。

このような基礎頂部によれば、タワーを支持する鋼管部がレグよりも上方に位置し、また、下方からトラス構造部によって支持されている。即ち、この鋼管部はレグの配された位置までは延びておらず、中途位置までの長さ寸法となっている。ここで、タワーからの荷重は斜材の方向に向かって作用するため、鋼管部はレグの配された高さ位置まで基礎頂部の高さ方向全域にわたって設けられていなくともタワーを支持する強度を十分に得られることが確認されている。このため、鋼管部の下方をトラス構造部としても強度上の問題はなく、基礎頂部全体の重量を低減でき、軽量化を図ることができる。さらに、タワーの下方にはトラス構造部によって空間が形成されることで、作業者の移動や機材の運搬が容易となる。

また、前記トラス構造部は、前記鋼管部の下端部に前記周方向に互いに離間して設けられて下方に延び、対応する前記横架材に接続された複数のトラス鉛直材と、水平面上に延びて、前記周方向に隣接する前記トラス鉛直材同士を接続する複数のトラス水平材と、斜め上下方向に延びて、前記周方向に隣接する前記トラス鉛直材同士を接続する複数のトラス斜材と、を有していてもよい。

このようにトラス構造部を構成することで、基礎頂部全体の軽量化を図り、タワーの下方にはトラス構造部によって空間を形成でき、作業者の移動や機材の運搬が容易となる。

さらに、前記斜材は、前記レグ各々に対して、前記周方向に互いに離間して二つずつ対をなして設けられていてもよい。

このように斜材を二つずつ設けることで、各々の斜材の重量を軽減できる。

また、本発明に係る洋上風力発電設備の基礎頂部は、前記鋼管部における前記外周面に前記周方向に互いに離間して径方向外側に突出し、該外周面と前記レグとの間に介在された複数のリブをさらに備えていてもよい。

このようなリブによって、タワーから荷重が斜材に作用した際に、斜材からの反力をリブが受けることができ、鋼管部に局所的な変形が生じてしまうことを防止することができる。

また、前記鋼管部は、上下方向の高さ寸法が前記斜材の上端部と下端部との間の高さの１／３以上で、２／３以下となっていてもよい。

鋼管部をこのような寸法とすることで、タワーからの荷重に十分耐えることが可能であるとともに、最大限の軽量化を図ることが可能となり、基礎頂部の重量を効果的に低減できる。

さらに、本発明に係る洋上風力発電設備の基礎構造部材は、上記の基礎頂部と、前記レグを有して前記基礎頂部を下方から支持するジャケット式基礎と、を備えることを特徴とする。

このような基礎構造部材によると、上記の基礎頂部の鋼管部の下方をトラス構造部として、基礎頂部全体の重量を低減でき、軽量化を図ることができる。さらに、ジャケット基礎部とタワーとの間には、トラス構造部によって空間が形成されることで、作業者の移動や機材の運搬が容易となる。

請求項１の洋上風力発電設備の基礎頂部によると、トラス構造部と鋼管部とを組み合わせたことで、十分な強度を確保しつつ、軽量化によって材料費を低減してコストダウンが可能となる。

また、請求項２の洋上風力発電設備の基礎頂部によると、十分な強度を確保しつつ、コストダウンが可能となる。

さらに、請求項３の洋上風力発電設備の基礎頂部によると、さらなる軽量化によってコストダウンが可能となる。

また、請求項４の洋上風力発電設備の基礎頂部によると、強度を向上させることができる。

また、請求項５の洋上風力発電設備の基礎頂部によると、より効果的なコストダウンが可能となる。

請求項６の洋上風力発電設備の基礎構造部材によると、トラス構造部と鋼管部とを組み合わせた基礎頂部を備えることで、十分な強度を確保しつつ、材料費を抑えてコストダウンが可能となる。

本発明の第一実施形態に係る基礎構造部材を用いた洋上風力発電設備の全体側面図である。 本発明の第一実施形態に係る基礎構造部材に関し、基礎頂部を拡大して示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る基礎構造部材に関し、基礎頂部を示す上面図であって、図２の矢視Ａを示すものである。 本発明の第一実施形態に係る基礎構造部材に関し、基礎頂部を示す断面図であって、図２のＢ−Ｂ断面を示すものである。 本発明の第一実施形態に係る基礎構造部材に関し、基礎頂部を示す側面図であって、図２の矢視Ｃを示すものである。 本発明の第二実施形態に係る基礎構造部材に関し、基礎頂部を示す上面図であって、図２の矢視Ａと同様な位置を示すものである。 本発明の第二実施形態に係る基礎構造部材に関し、基礎頂部を示す断面図であって、図２のＢ−Ｂ断面と同様な位置を示すものである。 本発明の第二実施形態に係る基礎構造部材に関し、基礎頂部を示す側面図であって、図２の矢視Ｃと同様な位置を示すものである。 タワー下部鋼管の高さ寸法を変更した場合の、基礎構造部材の重量を解析した際に用いた解析モデルの斜視図であって、（ａ）は、タワー下部鋼管を基礎構造部材全体の高さの１／３とした場合を示し、（ｂ）は、タワー下部鋼管を０．１メートルとした場合を示す。

〔第一実施形態〕
以下、図１から図５を参照して、本発明の第一実施形態に係る基礎構造部材１について説明する。
まず、基礎構造部材１が用いられた洋上風力発電設備１００について説明する。
洋上風力発電設備１００は、洋上で風力発電を行うものであり、図１に示すように、風車２とタワー３とから構成された上部工を備えており、この上部工を下方から基礎構造部材１が支持している。

風車２は、タワー３の上部に設けられて発電機等を収容したナセル４と、ナセル４に取り付けられたブレード５とを有しており、風力を電力に変換する。

タワー３は、鉛直方向に延びる軸線Ｐを中心とした鋼管によって製造されている。

続いて、基礎構造部材１について説明する。
基礎構造部材１は、タワー３を下方から支持し、タワー３の下端部に接続された基礎頂部１０と、基礎頂部１０を下方から支持するジャケット式基礎１１とを備えている。

ジャケット式基礎１１は、海底Ｇに貫入された複数の杭１５と、これら杭１５に支持されて軸線Ｐの周方向に離間して複数設けられたレグ１６と、レグ１６同士を結合する複数の筋交い１７とを有するトラス状に形成された部材であり、海底Ｇと海面ＳＦ上とにわたって立設されている。

基礎頂部１０は、タワー３とジャケット式基礎１１との間に配されて、ジャケット式基礎１１と一体に設けられている。
図２から図４に示すように、この基礎頂部１０は、タワー３の軸線Ｐと同軸上に設けられたタワー下部鋼管２０（鋼管部）と、タワー下部鋼管２０とレグ１６とを接続する複数の斜材１９と、タワー下部鋼管２０の下部に設けられたトラス構造部３０と、トラス構造部３０とレグ１６とを接続する複数の水平材１８（横架材）と、各々の斜材１９とタワー下部鋼管２０との間に介在された複数のリブ４０とを備えている。

タワー下部鋼管２０は、タワー３の下端部と略同一の管径、肉厚を有する鋼管によって形成されており、タワー３の下端部に接合されている。また、このタワー下部鋼管２０の高さ寸法は、本実施形態では、斜材１９の上端部と下端部との間の高さ（以下、高さＨとする）の１／２の寸法となっている。
なお、このタワー下部鋼管２０の高さ寸法は、後述する解析結果から高さＨの１／３以上で、２／３以下の寸法となっていることが好ましい。

斜材１９は、タワー下部鋼管２０の上部の外周面２０ａに軸線Ｐの周方向に互いに離間して設けられて、外周面２０ａから径方向外側に向かって下方に延びて、周方向に対応するレグ１６各々に接続された鋼管より形成された部材である。
そして本実施形態では、斜材１９の傾斜角度は、水平面に対して４５度となっている。

ここで、本実施形態では、レグ１６は、軸線Ｐの周方向に互いに９０度ずつ離間して四本が設けられており、斜材１９は、各レグ１６に対して周方向に離間して二本ずつ対をなして設けられている。そして、対をなす二本の斜材１９は、タワー下部鋼管２０の外周面２０ａから径方向外側に向かうに従って互いに周方向に近接していくようにレグ１６に向かって延びている。

水平材１８は、水平面上に延在しており、各々のレグ１６とトラス構造部３０との間に介在された鋼管によって形成された部材である。より具体的には、レグ１６と斜材１９とが接続されている位置よりも下方となる位置で各々のレグ１６に接続され、各レグ１６に対して軸線Ｐの周方向に離間して二本ずつ対をなして設けられている。そして、対をなす二本の水平材１８は、トラス構造部３０から軸線Ｐの径方向外側に向かうに従って互いに周方向に近接していくように延びている。また、対をなす二本の水平材１８のうち周方向一方側の水平材１８を第一水平材１８Ａとし、周方向他方側の水平材１８を第二水平材１８Ｂとすると、周方向に隣接する各対の第一水平材１８Ａと第二水平材１８Ｂとが、同じ位置でトラス構造部３０に接続されている。

なお、水平材１８は、完全に水平となるように設けられていなくともよく、水平面に対して上下方向に傾斜していても構わない。

トラス構造部３０は、タワー下部鋼管２０の下端から下方に延びる複数のトラス鉛直材３１と、軸線Ｐの周方向に隣接するトラス鉛直材３１同士を接続する複数のトラス水平材３２と、周方向に隣接する前記トラス鉛直材３１同士を斜め上下方向に接続する複数のトラス斜材３３とを有している。そして、これらトラス鉛直材３１、トラス水平材３２、及びトラス斜材３３は全て鋼管によって形成されている。

トラス鉛直材３１は、タワー下部鋼管２０の下端から下方に延びて軸線Ｐの周方向に互いに離間して複数（本実施形態では四本）が設けられている。各々のトラス鉛直材３１は、その下端部で周方向に対応する水平材１８の端部に接続されている。

トラス水平材３２は、水平面上に延びて、軸線Ｐの周方向に隣接するトラス鉛直材３１同士をこれらの下端部で接続しており、本実施形態では四本設けられて、図４に示すように軸線Ｐの方向から見て正方形状をなしている。

トラス斜材３３は、斜め上下方向に延びて、一のトラス鉛直材３１の下端部であるトラス水平材３２とトラス鉛直材３１との接続部分と、周方向に隣接するトラス鉛直材３１の上端部であるタワー下部鋼管２０の下端とを接続しており、本実施形態では八本設けられている。

そしてより詳しくは、このトラス斜材３３は、軸線Ｐの周方向に隣接するトラス鉛直材３１同士の間では、周方向一方のトラス鉛直材３１の上端部と周方向他方のトラス鉛直材３１の下端部とを接続し、また周方向他方のトラス鉛直材３１の上端部と周方向一方のトラス鉛直材３１の下端部とを接続している。これにより、トラス斜材３３は、トラス鉛直材３１同士の間に交差して設けられている。

このようにして本実施形態では、水平材１８、トラス鉛直材３１、トラス水平材３２、トラス斜材３３が一点で接続されていることになる。

リブ４０は、タワー下部鋼管２０の外周面２０ａから径方向外側に水平面上に突出するように、板状をなして軸線Ｐの周方向に互いに離間して設けられており、各々のレグ１６に向かって延びる二本の斜材１９が外周面２０ａに接続されている位置に近接した位置で、各対の斜材１９が貫通するようにして斜材１９に接合されている。本実施形態では、斜材１９は四対設けられているので、リブ４０も四つが設けられている。

また、各々のリブ４０における軸線Ｐの周方向の中央部となる位置には、タワー下部鋼管２０の外周面２０ａから径方向外側に向かって、矩形状の切欠き部４０ａが形成されている。

さらに、リブ４０では、周方向を向く両端面が外周面２０ａの接線方向に沿って斜めに傾斜して形成されていることでリブ４０の周方向の幅寸法が、径方向外側に向かうに従って徐々に小さくなっている。また、リブ４０の径方向外側を向く端面は、リブ４０が設けられた周方向の中央部となる位置における外周面２０ａの接線方向と平行となるように形成されている。

このような基礎構造部材１によると、タワー３を支持するタワー下部鋼管２０がレグ１６の高さ位置よりも上方に位置し、下方からトラス構造部３０によって支持されている。即ち、タワー下部鋼管２０は、レグ１６の配された高さ位置までは延びておらず、基礎頂部１０全体の中途位置までの長さ寸法となっている。

ここで、タワー３からの荷重は、タワー下部鋼管２０から斜材１９の方向に向かって斜め下方に作用する。このため、タワー下部鋼管２０は、レグ１６の配された高さ位置まで基礎頂部１０の高さ方向全域にわたって設けられていなくとも、基礎頂部１０は、タワー３を支持する強度を十分に得られることが確認されている。

従って、タワー下部鋼管２０とトラス構造部３０とによって十分な強度を確保しつつ、軽量化によって基礎頂部１０全体の重量を低減できる。さらに、タワー３の下方には、トラス構造部３０によって空間が形成されることで、作業者の移動や機材の運搬が容易となる。

また、斜材１９は各レグ１６に対して二本ずつ設けられていることで、各々の斜材１９の重量を軽減でき、基礎頂部１０全体としてのさらなる軽量化につながる。

さらに、タワー下部鋼管２０の外周面２０ａとレグ１６との間にはリブ４０が介在されていることで、タワー３からの荷重が斜材１９に作用した際の斜材１９からの反力によって、タワー下部鋼管２０に局所的な変形が生じてしまうことを防止することが可能となる。

本実施形態の基礎構造部材１によると、基礎頂部１０でトラス構造部３０とタワー下部鋼管２０とを組み合わせたことで、十分な強度を確保しつつ、材料費を低減してコストダウンを図ることができる。

〔第二実施形態〕
次に、図６から図８を参照して、本発明の第二実施形態に係る基礎構造部材１Ａについて説明する。
なお、第一実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態の基礎構造部材１Ａは、ジャケット式基礎１１のレグ１６が三本となっている。
即ち、レグ１６は、軸線Ｐの周方向に互いに１２０度ずつ離間して三本が設けられており、斜材１９及び水平材１８は、第一実施形態と同様に各レグ１６に対して周方向に離間して二本ずつ対をなして設けられている。

そして、基礎頂部１０Ａのトラス構造部３０Ａにおけるトラス鉛直材３１は、軸線Ｐの周方向に互いに離間して複数（本実施形態では三本）が設けられて、その下端部で周方向に対応する水平材１８の端部に接続されている。これにより、トラス水平材３２は三本設けられ、図７に示すように軸線Ｐの方向から見て、三角形状をなしている。

また、トラス斜材３３は、一のトラス鉛直材３１の下端部と、周方向に隣接するトラス鉛直材３１の上端部とを接続しており、本実施形態では六本設けられている。

本実施形態の基礎構造部材１Ａによると、第一実施形態と同様に、基礎頂部１０Ａでトラス構造部３０Ａとタワー下部鋼管２０とを組み合わせたことで十分な強度を確保しつつ、材料費を抑えてコストダウンを図ることができる。さらに、レグ１６が三本であるため、基礎頂部１０の重量をさらに低減することができ、さらなる軽量化でコストダウンが可能となる。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば斜材１９、及び水平材１８の数量は、必ずしも各レグ１６に対して二本ずつ設けられていなくともよく、例えば各レグ１６に対して一本ずつであってもよい。

また、ジャケット式基礎１１のレグ１６の数量は、上述した四本、三本に限定されず、レグ１６の数量に併せて基礎頂部１０（１０Ａ）における各部材の数量を設定することで、様々な形状のジャケット式基礎に適用することが可能である。

また、上述の実施形態では、タワー下部鋼管２０の高さ寸法は、高さＨの１／２として説明を行った。しかしこの寸法は一例であって、少なくともタワー下部鋼管２０が基礎頂部１０の高さ方向全域にわたって形成されていなければよい。

ここで、タワー下部鋼管２０の高さ寸法の好ましい数値を見出すため、タワー下部鋼管２０の高さ寸法を変更した場合の基礎頂部１０の重量について、図９に示す線材モデルによる解析を行った。
なお、図９での基礎頂部１０は解析用のモデルを示したものであるため、図２に示す実際の基礎頂部１０とは形状が異なっている。

図９（ａ）に示すように、タワー下部鋼管２０の高さ寸法を、高さＨの１／３とした場合には、基礎頂部１０の重量は２９．４２トンとなった。一方で、上述した実施形態のように、高さＨの１／２とした場合には、３０．９トンとなり、１／３とした方がより軽量化を図ることができることがわかった。

また、図９（ｂ）に示すように、高さＨを４メートルとし、タワー下部鋼管２０の高さ寸法を０．１メートルとした場合には、基礎頂部１０の重量は２９．５９トンとなることがわかった。
ここで、この数値は、タワー下部鋼管２０を線材モデルで剛体として解析を行った結果である。実際にはタワー下部鋼管２０を短くすることで、タワー下部鋼管２０にタワー３からの荷重が作用した際の応力集中が大きくなることが考えられる。従って、このような応力集中に耐えるために、基礎頂部１０における構成部材の重量やサイズが大きくなってしまうことが考えられ、この点から、タワー下部鋼管２０の高さ寸法が０．１メートルの場合はあまり好ましくないと考えられる。

このような解析結果をふまえ、このタワー下部鋼管２０の高さ寸法は、高さＨの１／３以上で、２／３以下の寸法となっていることが好ましく、この場合には、タワー３からの荷重に十分耐えることができるとともに、基礎頂部１０の最大限の軽量化が可能となる。よって、基礎頂部１０の重量を効果的に低減して、効果的なコストダウンが可能となる。

１，１Ａ…基礎構造部材 ２…風車 ３…タワー ４…ナセル ５…ブレード １０，１０Ａ…基礎頂部 １１…ジャケット式基礎 １５…杭 １６…レグ １７…筋交い １８…水平材（横架材） １８Ａ…第一水平材 １８Ｂ…第二水平材 １９…斜材 ２０…タワー下部鋼管（鋼管部） ２０ａ…外周面 ３０，３０Ａ…トラス構造部 ３１…トラス鉛直材 ３２…トラス水平材 ３３…トラス斜材 ４０…リブ ４０ａ…切欠き部 １００…洋上風力発電設備 Ｐ…軸線 Ｇ…海底 ＳＦ…海面

Claims (6)

1. 風車のタワーを下方から支持し、軸線が上下方向に沿うように設けられた鋼管部と、
   前記鋼管部の外周面に周方向に互いに離間して設けられ、前記外周面から径方向外側に向かって下方に延びるとともに、前記鋼管部の前記径方向外側でかつ前記鋼管部よりも下方に周方向に互いに離間して配された複数のレグに接続された複数の斜材と、
   前記レグよりも径方向内側に設けられて、前記鋼管部を下方から支持するトラス構造部と、
   前記レグと前記トラス構造部とを接続する複数の横架材と、
   を備えることを特徴とする洋上風力発電設備の基礎頂部。
2. 前記トラス構造部は、前記鋼管部の下端部に前記周方向に互いに離間して設けられて下方に延び、対応する前記横架材に接続された複数のトラス鉛直材と、
   水平面上に延びて、前記周方向に隣接する前記トラス鉛直材同士を接続する複数のトラス水平材と、
   斜め上下方向に延びて、前記周方向に隣接する前記トラス鉛直材同士を接続する複数のトラス斜材と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の洋上風力発電設備の基礎頂部。
3. 前記斜材は、前記レグ各々に対して、前記周方向に互いに離間して二つずつ対をなして設けられてい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設備の基礎頂部。
4. 前記鋼管部における前記外周面に前記周方向に互いに離間して径方向外側に突出し、該外周面と前記レグとの間に介在された複数のリブをさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の洋上風力発電設備の基礎頂部。
5. 前記鋼管部は、上下方向の高さ寸法が前記斜材の上端部と下端部との間の高さの１／３以上で、２／３以下となっていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の洋上風力発電設備の基礎頂部。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の基礎頂部と、
   前記レグを有して前記基礎頂部を下方から支持するジャケット式基礎と、
   を備えることを特徴とする洋上風力発電設備の基礎構造部材。

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