JP2017035998A

JP2017035998A - 傾斜スパーブイ

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Publication number: JP2017035998A
Application number: JP2015158896A
Authority: JP
Inventors: 片山　徹; Toru Katayama; 徹片山; 裕司麻生; Yuji Aso; 茂典小森; Shigenori Komori; 慎太郎橋本; Shintaro Hashimoto
Original assignee: Osaka University NUC; Osaka Prefecture University; Zeni Lite Buoy Co Ltd
Current assignee: Osaka University NUC; Osaka Prefecture University; Zeni Lite Buoy Co Ltd
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2017-02-16
Anticipated expiration: 2035-08-11
Also published as: JP6440597B2

Abstract

【課題】浅海域において、潮流、風によるスパーブイの傾斜及び波浪によるスパーブイの動揺を低減ないし防止するために、傾斜させて設置することができる傾斜スパーブイを提供する。【解決手段】標柱体１と、前記標柱体１の重心よりも下方の前記標柱体１上に設けられた浮体２と、水底の沈錘４に前記標柱体１の下端を係留するための下端係留具３と、からなる傾斜スパーブイであって、水底に沈設した沈錘４に前記標柱体１の下端を係留したときに、前記下端係留具３は前記標柱体１を水底の沈錘４に対してヨー・ピッチ両回転運動方向の自由度を有し、前記下端係留具３のヨー回転軸に対して前記標柱体１が所定の角度で縦傾斜することを特徴とするものである。【選択図】図２

Description

本発明は、浅海域において、観測機器或いは航路標識などを搭載する多目的洋上プラットフォーム用のスパーブイであって、傾斜させて設置する形式のもので、波浪、潮流及び風によるスパーブイの動揺と傾斜を低減ないし防止する効果が高いものに関する。

細長い形状のスパーブイは、その下端周辺部を海底と係留することで慣性モーメント及び固有周期を大きくすることができ、波浪の振動との共振による動揺が起こりにくい。
そのため、近年、洋上風力発電用の風車を搭載するプラットフォームとしてスパーブイが利用され、波浪による動揺が低減されることで、発電効率の低下を防ぐことができる。このようなスパーブイの係留方式として、深海域では多点弛緩係留、浅海域では一点緊張係留が多く採用されている。

このような一点緊張係留された洋上風力発電用スパーブイは、浅海域の中でも特に水深１００ｍ程度の領域で用いられ、水面よりも上方に風車を設置する上部構造体を備え、かつ、海面に対しておおよそ垂直に設置されるものである（例えば、特許文献１参照）。
この洋上風力発電用スパーブイは、慣性モーメント及び固有周期が大きく、波浪の固有周期と共振しなくなりスパーブイの動揺が少ない。そのため、海底に設置された沈錘にチェーン等の係留索を用いてスパーブイを一点緊張係留することが可能となる。

特表2006-524778号公報（特許第４６５１６１４号公報）

しかしながら、上述した洋上風力発電用のスパーブイ構造方式を水深３０ｍ以下で用いるためには、スパーブイ自体の長さを短くしなければならず、その結果、慣性モーメント及び固有周期が自ずと小さくなって、波浪の固有周期と同程度となり、共振してしまう。この共振によって、スパーブイは波浪による動揺が大きくなり、おおよそ垂直に安定させることが難しく、また、波浪によるスパーブイの動揺によって一点緊張係留する係留索に過大な張力が生じるため、係留装置が大型化するという問題が生じ、水深３０ｍよりも水深の浅い海域における洋上プラットフォームに適していない。したがって、水深３０ｍ以下の海域において、波浪による動揺を低減ないし防止することができ、かつ、係留装置への負荷を小さくした状態で係留することができるスパーブイが必要とされている。

上記課題に鑑み、本発明の傾斜スパーブイは、浅海域で用いるものであって、標柱体と、前記標柱体に設けられる浮体と、前記標柱体の下端を係留するための下端係留具と、からなり、前記標柱体は、平水時において、直立状態では転倒モーメントが復元モーメントより大きくなり、所定の角度で縦傾斜した状態では転倒モーメントと復元モーメントが一致することを特徴とする傾斜スパーブイである。

また、上述した構成に加え、沈設された沈錘に係留して設置したとき、標柱体が直立した状態から、少なくとも30度以上の角度で縦傾斜することが好ましい。

また、上述した構成に加え、浮体は、標柱体を縦傾斜して設置したときに水面以下なる位置で水没することが好ましい。

また、上述した構成に加え、標柱体と連結する下端係留具は、海底の沈錘に対して標柱体をヨー・ピッチ両回転運動方向の自由度を有することが好ましい。

また、上述した構成に加え、水中フィンは、翼状で、海底に沈設された沈錘に係留したときに水中フィンを水面以下になる位置で標柱体の中心線上に固定することが好ましい。

また、上述した構成に加え、空中フィンは、翼状で、標柱体の中心線上にアームで延長して取り付けることが好ましい。

請求項１記載の発明によれば、浅海域でスパーブイを傾斜させて設置することで、従来型の直立式スパーブイに比べ、標柱体を長くして慣性モーメント及び固有周期を大きくなるとともに、縦傾斜による標柱体及び浮体に働く抗力が小さくなり転倒モーメントが低減され、且つ、喫水面の増加に比例して復元モーメントが大きくなるため、波浪による共振を抑制ないし防止することが可能である。

請求項２記載の発明によれば、傾斜スパーブイを水槽に設置して潮流又は波浪中を発生させ、標柱体の傾斜角又は縦揺れ振幅を測定した実験から得られた知見より、少なくとも３０度以上の角度で縦傾斜してスパーブイを設置することで、より動揺及び傾斜を抑制ないし防止することができる。

請求項３記載の発明によれば、水面以下に浮体を位置させることで、波浪による浮体にかかる抗力を小さくすることができ、より標柱体を安定させることができる。

請求項４記載の発明によればヨー・ピッチ両回転運動方向の自由度を有する下端係留具を用いることで、潮流や風の向きに追随してスパーブイをヨー方向に回転させることができるとともに、波浪や潮流、風によるピッチ方向の動揺及び傾斜を許容することができ、波浪及び潮流による係留具の負荷、特にねじりモーメントを軽減することができる。

請求項４記載の発明によれば、水中フィンによって潮流及び波浪による揚力がスパーブイに発生し、潮流及び波浪によるスパーブイの傾斜及び動揺を抑制ないし防止することが可能である。

請求項５記載の発明によれば、空中フィンによって、風による揚力がスパーブイに発生し、風によるスパーブイの傾斜を抑制ないし防止することが可能である。

本発明の傾斜スパーブイの転倒モーメントと復元モーメントとの関係を説明する概念図である。本発明の傾斜スパーブイの一例を示す概要図である。本発明の傾斜スパーブイの下端係留具に標柱体を係留する一例を示す概要図で、(a)正面図、(b)側面図である。本発明の傾斜スパーブイを曳航して設置する施工方法を示す概要図である。本発明の傾斜スパーブイの潮流中の傾斜角低減効果を示すグラフである。本発明の傾斜スパーブイの波浪中の動揺による縦揺れ振幅低減効果を示すグラフである。本発明の波浪中における水中フィン付き傾斜スパーブイの縦揺れ振幅の時間経過を示すグラフである。本発明の傾斜スパーブイをプラットフォームとして使用した例であって、(a)昼標シートを付加したもの、(b)給餌装置を搭載したもの、(c)昇降式垂下センサーを搭載したもの、を説明する概要図である。

一般的に浅海域とは水深１００ｍ以下の海域を指すが、本発明を実施する浅海域は概ね３０ｍ以下の水深の海域を指すものとする。また、平水時とは波浪及び潮流がない状態を指すものとする。

本発明を実施するための形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、平水時の傾斜スパーブイの直立状態と縦傾斜状態とにおいて、標柱体１の重心Gにおける重量Wの転倒モーメント及び浮力中心（浮心B）における浮力P（θ）の復元モーメントの関係を示す概念図である。

本発明の傾斜スパーブイは、平水時に、直立状態で転倒モーメントが復元モーメントよりも大きくなり、所定の角度θで鉛直から縦傾斜した状態では転倒モーメントと復元モーメントが釣り合うように重量W（又は重心G）と浮力P（θ）（又は浮心B）の位置を決定し、所定の縦傾斜の角度θで設置する。この傾斜スパーブイは、直立状態に比べて、縦傾斜の角度θの増加につれて標柱体１の喫水長の増分が大きくなる。すなわち、標柱体１及び浮体２に働く浮力P（θ）の増分が大きくなる。したがって、潮流、波浪による標柱体１の傾斜及び動揺に対する浮力P（θ）による抗力が、直立状態に比べて、大きくなるため、動揺及び傾斜を低減ないし防止することが可能である。

また、本傾斜スパーブイは、図２に示すように、標柱体１と、標柱体１に設けられる浮体２と、標柱体１下端を係留するための下端係留具３と、からなり、水底９の沈錘４に標柱体１を下端係留具３で係留したときに、標柱体１が沈錘４に対してヨー・ピッチ両回転運動方向の自由度を有し、ヨー回転軸１０に対して標柱体１が縦傾斜の角度θを有することを特徴とするものである。

標柱体１は、鋼材、アルミニウムなどの金属を主体としてパイプ状に形成されたものであって、例えば、標柱体１下端から浮体上端２ａまでの下部標柱体１ｂよりも、浮体上端２ａから標柱体上端１ａまでの上部標柱体１ａを長くすることで標柱体１の重心を、浮体２及び標柱体１の水中にある体積に比例する浮力中心（浮心）よりも上部標柱体１ａ側に位置させる。また、標柱体１の上部と下部の直径を変更して有効重心の位置を調整してもよい。

下端係留具３は、図３に示すように、円柱状の軸部３ａを沈錘４に対して直立させて保持し得る軸受部３ｂと、軸部３ａの軸線と直行する水平方向に配置されるピン３ｃを用いてツバ付き軸受部３ｂに前記標柱体１の下端を軸着する。

そして、軸部３ａとツバ付き軸受部３ｂとの間にツバ材３ｄを挟み込んでおけば、軸部３a回りに回転自在、すなわち、標柱体１をヨー回転軸１０周りに回転自在に係留することが可能でき、また、標柱体１をピン３ｃ回りに、すなわち、ピッチ回転軸１２回りに回転自在、係留することができる。このように、標柱体１をヨー・ピッチ両方向に回転自在とすることで、波浪による動揺、潮流又は風による傾斜への負荷を軽減することが可能となる。一方で、標柱体１がヒーブ方向の上下動とロール方向へ回転しないように拘束されているため、潮流、波浪、風による標柱体１上部の踊場６のねじれを防ぐことができる。

浮体２は、鋼材の中空体内に充填した発泡ウレタンで形成され、標柱体１の重心よりも下方に取り付けるものであって、かつ、海域への設置時において、常に海面８下よりも下方に来るようにする。この浮体２によって生じる浮力はおおよそ標柱体１の重量程度に調整する。このことによって、下端係留具３にかかる垂直方向の力を小さくすることができ、沈錘４の重量を軽くすることができ、運搬等にかかる手間が減るのみならず沈設作業が容易になる。

縦傾斜の角度θとは標柱体１の転倒モーメントと浮体２及び標柱体１に係る復元モーメントが波浪及び潮流がない条件（平水時）で釣り合う場合における、ヨー回転軸１０と標柱体１のブイ中心線１２とのなす角のことである。

さらに、潮流によって傾斜した角度θからの増分を傾斜角Δθとし、標柱体１が波浪によって動揺したときの縦方向の揺れの振幅を縦揺れ振幅２θ_Aとする。

この縦傾斜の角度θに追従して標柱体１及び浮体２に働く抗力が小さくなり転倒モーメントが低減され、かつ、標柱体１の喫水長が増加するために、傾斜スパーブイの浮力モーメントが増加して、潮流、風及び波浪による標柱体１の傾斜角Δθ及び縦揺れ振幅２θ_Aを小さくすることが可能である。

踊場６は、標柱体１の上端部に取り付けるものであって、スパーブイの設置時において縦傾斜の角度θに傾斜した標柱体１に対して踊場６床面が水平になるように固定するものである。したがって、縦傾斜の角度θを有するスパーブイに海象・気象観測機器、航路標識等を設置することが可能となる。

水中フィン５を標柱体１の水面８下の位置に取り付ける。また、空中フィン７を標柱体１のブイ中心線１１上に取り付ける。いずれのフィンも翼状に形成されており、潮流や風によって揚力が発生し、潮流や風によるスパーブイの傾斜を抑制ないし防止することができる。また、フィン５、８をブイ中心線１２上に取り付けることで、外力による標柱体１のねじれ力を抑制することができる。

一方、図４に示すように、仮設フロート１５を標柱体１上方に取り付ければ、本スパーブイを傾斜させたまま小型船１３とクレーン船１４で曳航することができ、また、その姿勢のまま使用するものであるから、スパーブイを起立させる作業がいらずに、小型のクレーン船１４でも傾斜スパーブイを設置することができ、施工が容易になるのみならず、施工費用を削減することできる。

次に、上述した構成に従って実際の海洋に設置されるものの縮尺20.32分の１模型を作成し、大阪府立大学曳航水槽（全長70m、全幅3.0m、水深1.56m）にて潮流中実験及び波浪中実験を行うことによって得られた作用効果の知見について、詳細に説明する。

この模型は、表１に示すように、潮流かつ波浪がない状態（平水状態）において、標柱体１の転倒モーメントと復元モーメントとが縦傾斜の角度θで釣り合うように標柱体１と浮体２の形状や重心（浮心）位置、重量及び長さ等を決定している。また、水中フィン５による動揺低減効果も確認するため、水中フィン５の有無の条件を加えて比較する。水中フィンを有する場合において、水中フィン５は一様流の進行方向から仰角５度で標柱体１のブイ中心線１１上に固定されているものとする。

（潮流中実験）
水槽内に一様流（U=0.11m/sec、0.23m/sec、0.34m/sec（実機では、それぞれ1ｋt、2kt、３ktに対応））を発生させて、スパーブイの傾斜角Δθを縦傾斜の角度θ毎（30deg、45deg、60deg）に測定した結果を図５に示す。

図５は、横軸を一様流の速さU（m/sec）、縦軸を傾斜角Δθ(deg)とし、縦傾斜の角度θ毎（30deg、45deg、60deg）のデータをプロットしてそのデータ点を水中フィン５有りの場合は実線で、水中フィン５無しの場合は破線で結んだものである。

例えば、U=0.34m/secの場合、縦傾斜の角度θ=30degのとき傾斜角Δθ＝５deg、θ=40degのときΔθ＝2deg、θ=60degのときΔθ＝0deg、となった。したがって、縦傾斜の角度θの増加に比例して潮流による標柱体１の傾斜角Δθを低減することが示された。

また、水中フィン５を有り（実線）の場合、縦傾斜の角度θが小さいとき、例えばθ＝30degの場合、傾斜角Δθをさらに低減する効果が顕著に現れている。

（波浪中実験）
水槽内に波浪として規則波（波高H=0.123ｍ、波の周期T=1.11sec、1.33sec、1.55sec、1.77sec、2 sec、2.23sec、2.44sec（実機では、波高2.5ｍ、波の周期5sec〜11secに対応））を発生させ、標柱体１の縦揺れ振幅２θ_Aを測定し、その結果を図６に示す。

図６は、横軸を規則波の周期T（sec）、縦軸を縦揺れ振幅２θ_A(deg)とし、縦傾斜の角度θ毎（30deg、45deg、60deg）のデータをプロットしてそのデータ点を水中フィン５有りの場合は実線で、水中フィン５無しの場合は破線で結んだものである。

図６から明らかなように、縦傾斜の角度θに比例して、縦揺れ振幅２θ_Aを抑制することが示された。さらに、水中フィン５有りの場合（実線）、縦傾斜の角度θが小さい、例えばθ=30degの場合、縦揺れ振幅２θ_Aを抑制する効果が顕著に現れている。

図７によれば、水中フィン有りのスパーブイに波浪到達した時、標柱体１が一定角度だけヨー回転軸１０方向立ち上がり、そこを新たな縦傾斜の角度θとして縦揺れ振幅２θ_Aで動揺していることが示されている。これは、波浪によって水中の水粒子運動が楕円状となり、水平速度が増加し、水中フィン５周りに循環が生じて揚力が発生することによるものと思われる。効果的な水中フィンを取り付けることで、標柱体１の立ち上がりによって、上端部に備えられた踊場６が波浪から離れ、踊場６の波浪を受けることによる破損等を防ぐことが可能である。

上述した潮流中及び波浪中実験から、本スパーブイは、傾斜角Δθ、縦揺れ振幅２θ_Aをおおむね５deg以下に低減することが示された。したがって、本スパーブイはヨー・ピッチ回転可能な二軸構造の下端係留具で縦傾斜の角度θを備えて設置することで、波浪または潮流によるスパーブイの傾斜または動揺を低減ないし防止することが可能である。さらに、縦傾斜の角度θが小さい角度の領域では、水中フィンを付加することで傾斜ないし動揺を低減することが可能である。

上記の実施形態では本発明の好ましい実施形態を例示したが、本発明は上記の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した範囲内で改善や変更が可能である。例えば、本発明は潮流又は波浪のあるような浅海域の海洋に設置するものであるが、河川や湖、ダム等の水深の浅い水域においても設置することが可能である。

本傾斜スパーブイは、水深が概ね３０ｍ程度以下の海域において、気象・海象観測機器用又は航路標識用プラットフォームと利用することができるほか、その傾斜スパーブイが傾斜しているために、図８(a)に示すように、標柱体１の上部に昼標シート１６を広げた状態で簡単に取り付けることができ、操船者の視認性を向上することが可能である。また、図８(b)に示すように、踊場６に給餌装置１７を取り付ければ、餌を海中に効率よく投下することが可能となる。また、図８(c)に示すように、踊場６に水質センサー１９及び昇降装置１８を取り付けて水質センサー１９を垂下させることができ、その櫓６直下が直ちに海面８であるから、水質センサー１９を垂下させやすいため昇降式水質センサー搭載用にも適している。

1…標柱体、1a…上部標柱体、1b…下部標柱体、2…浮体、2a…浮体上端、3…下端係留具、3a…軸部、3b…ツバ付き軸受部、3c…ピン、3d…ツバ材、4…沈錘、5…水中フィン、６…櫓、７…空中フィン、8…海面、9…海底、１０…ヨー回転軸、１１…ブイ中心線、１２…ピッチ回転軸、１３…小型船、１４…クレーン船、１５…仮設フロート、１６…昼標シート、１７…給餌装置、１８…昇降装置、１９…水質センサー

Claims

傾斜スパーブイは、浅海域で用いるものであって、標柱体と、前記標柱体に設けられる浮体と、前記標柱体の下端を係留するための下端係留具と、からなり、前記標柱体は、平水時において、直立状態では転倒モーメントが復元モーメントより大きくなり、所定の角度で縦傾斜した状態では転倒モーメントと復元モーメントが一致することを特徴とする傾斜スパーブイ。
浅海域において、沈設された沈錘に係留して設置したとき、標柱体が直立した状態から、少なくとも30度以上の角度で縦傾斜することを特徴とする請求項１に記載の傾斜スパーブイ。
浮体は、標柱体を縦傾斜して設置したときに水面以下なる位置で水没することを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載の傾斜スパーブイ。
標柱体と連結する下端係留具は、海底の沈錘に対してヨー・ピッチ両回転運動方向の自由度を有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の傾斜スパーブイ。
水中フィンは、翼状で、水底にスパーブイを沈設したときに前記水中フィンを水面以下になる位置で標柱体の中心線上に固定することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の傾斜スパーブイ。
空中フィンは、翼状で、前記標柱体の中心線上にアームで延長して取り付けることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の傾斜スパーブイ。