JP2018138745A - 風力発電機の構築方法、及び風力発電機の構築構造 - Google Patents

Abstract

【課題】大型の風力発電機を設置することができると共に、新たな風力発電機に対応させることができる風力発電機の構築方法、及び風力発電機の構築構造を提供する。【解決手段】一実施形態に係る風力発電機の構築方法は、水中に打設されている既設基礎２の上方に設けられる風力発電機１１の構築方法であって、既設基礎２を残すと共に、既設基礎２から既設の風力発電機を撤去する工程と、既設基礎２の周囲に新設基礎１２を打設する工程と、既設基礎２の上部、及び新設基礎１２の上部を連結する基礎上部構造１３を設置する工程と、を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、水中に打設される基礎を備えた風力発電機の構築方法、及び風力発電機の構築構造に関する。

従来から風力発電機の導入は進められており、風力発電機の設置数は上昇の一途をたどっている。しかしながら、陸上においては、風力発電機を配置できる場所が減少しており、更に、山岳部に風力発電機を配置する場合には、道路の整備等が必要でありコストが増加するという事情がある。従って、陸上ではなく、洋上の風力発電機、すなわち水中に打設される基礎を備えた風力発電機の導入が進められている。

特開２００３−２８０４６号公報には、防波堤の上部に設置された風力発電用風車の支持構造が記載されている。この支持構造は、防波堤に固定された一方の支持脚と、捨て石マウンド及び基礎躯体を介して海底地盤に固定された他方の支持脚とを備えている。一方の支持脚及び他方の支持脚の上部には鉛直方向に延びる支柱が設けられており、支柱の上端に発電機及びプロペラが設けられている。この支持構造では、一方の支持脚が防波堤に固定されていることにより、風車の荷重の一部を防波堤に負担させ、風車等の建設コストの低減を図っている。

特開２００３−２８０４６号公報

しかしながら、一般的に防波堤は、水平力に耐える構造とされており、押し込み力又は引き抜き力に耐える構造とはされていない。また、長期間の経過に伴って防波堤は移動するため、前述した支持構造では耐力のバランスを欠く懸念がある。よって、大きな風力発電機を設置する場合には大きくバランスを欠く可能性があるため、前述した支持構造には大型の風力発電機を設置できないという問題がある。特に、近年風力発電機の大型化が進行しているので、前述の支持構造には、新たな風力発電機を設置できないという問題が生じやすい。従って、前述した支持構造では、新たな風力発電機に対応できないという問題もある。

本発明は、大型の風力発電機を設置することができると共に、新たな風力発電機に対応させることができる風力発電機の構築方法、及び風力発電機の構築構造を提供することを目的とする。

本発明に係る風力発電機の構築方法は、水中に打設されている既設基礎の上方に設けられる風力発電機の構築方法であって、既設基礎を残すと共に、既設基礎から既設の風力発電機を撤去する工程と、既設基礎の周囲に新設基礎を打設する工程と、既設基礎の上部、及び新設基礎の上部を連結する連結部材を設置する工程と、を備えている。

この風力発電機の構築方法では、水中において、既設基礎を残すと共に、既設の風力発電機を既設基礎から撤去する。よって、既設基礎は撤去しないため、既設基礎の有効利用を図ることができる。この構築方法では、既設基礎の周囲に新設基礎を打設し、既設基礎の上部及び新設基礎の上部に既設基礎と新設基礎とを連結する連結部材を設置する。このように、複数の基礎の上部に連結部材を設置し、連結部材の上に新設の風力発電機を設置することができると共に、基礎が複数とされたことにより、大型の風力発電機を連結部材の上に設置することができる。よって、風力発電機の大型化が進行しても、風力発電機の大きさ等に応じて基礎の数を増やすことができるので、新たな風力発電機を設置できないという問題を回避することができる。従って、新たな風力発電機に確実に対応させることができる。また、既設基礎に作用する荷重を減らすように新設基礎の配置態様を適宜設計することができるので、長期間経過しても確実に耐力を維持することができる。

また、既設基礎は、水中に打設されている既設杭を含み、新設基礎は、水中に打設される新設杭を含んでもよい。このように、各基礎は、水中に打設される杭を含む態様とすることができる。

また、新設基礎を打設する工程では、複数の新設基礎が打設されてもよい。この場合、既設基礎と新設基礎とを合わせて３体以上の基礎とすることができるので、耐力を一層高めることができる。従って、大きな風力発電機により対応しやすい基礎を構築することができる。

また、新設基礎を打設する前に、既設基礎及び新設基礎を接続する繋ぎ材を配置する工程を備えてもよい。この場合、既設基礎の上部と新設基礎の上部とを連結部材で連結すると共に、既設基礎及び新設基礎の下部を繋ぎ材で連結することができる。従って、連結部材及び繋ぎ材によって、風力発電機全体としての剛性を高めることができる。

また、前述の繋ぎ材を配置する工程は、既設基礎に繋ぎ材を取り付ける工程を含み、新設基礎を打設する工程では、繋ぎ材に新設基礎を打設してもよい。この場合、既設基礎に繋ぎ材を取り付けて、繋ぎ材に新設基礎を打設することにより、高い剛性を備えた風力発電機を効率よく構築することができる。

また、新設基礎は、水中に打設される新設杭と、新設杭及び連結部材に固定されるトランジションピースとを備え、新設基礎を打設する工程では、トランジションピースと新設杭との間にグラウト材を注入してトランジションピースを新設杭に固定してもよい。この場合、水中において新設杭を斜めに打ってしまい、新設杭の鉛直度が低下した場合であっても、新設杭と連結部材との間にトランジションピースを介在させることにより、トランジションピースより上方の鉛直度を確保することができる。従って、より安定した風力発電機を構築することができる。また、トランジションピースと新設杭の間にグラウト材を注入することにより、トランジションピースと新設杭との固定を容易に行うことができる。

また、連結部材を設置する工程では、既設基礎及び新設基礎を水上で連結し、連結部材の上部に新設の風力発電機を組み立ててもよい。この場合、連結部材で既設基礎と新設基礎とを連結し、連結部材の上部に新設の風力発電機を組み立てることにより、より高い剛性を備えた風力発電機を容易に構築することができる。

本発明に係る風力発電機の構築構造は、水中に打設されている既設基礎の上方に設けられる風力発電機の構築構造であって、既設基礎の周囲に打設された新設基礎と、既設基礎の上部、及び新設基礎の上部を連結すると共に、新設の風力発電機が組み立てられる連結部材と、を備える。

この風力発電機の構築構造では、水中において、既設基礎と、既設基礎の周囲に打設された新設基礎とを備えている。よって、既設基礎を有効利用することができる。また、この構築構造は、既設基礎の上部と新設基礎の上部とを連結する連結部材を備えている。従って、複数の基礎の上部に連結部材が設置されており、連結部材の上に新設の風力発電機が組み立てられるので、基礎が複数とされていることにより、連結部材の上により大型の風力発電機を設置することができる。よって、風力発電機の大型化が進行しても、風力発電機の大きさ等に応じて基礎の数を増やすことができるので、新たな風力発電機を設置できないという問題を回避することができる。従って、新たな風力発電機に確実に対応させることができる。

本発明によれば、大型の風力発電機を設置することができると共に、新たな風力発電機に対応させることができる。

第１実施形態に係る構築方法及び構築構造が適用される風力発電機を示す側面図である。 図１の風力発電機が設置された既設基礎を示す側面図である。 第１実施形態に係る構築方法及び構築構造が適用された風力発電機を示す斜視図である。 図３の風力発電機の構築構造を示す側面図である。 図３の風力発電機の構築構造を示す平面図である。 杭及びトランジションピースを示す縦断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図３の風力発電機の構築方法の工程を示す平面図である。 第２実施形態に係る構築方法及び構築構造が適用された風力発電機を示す側面図である。 変形例に係る構築構造の杭及び基礎上部構造を示す縦断面図である。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、変形例に係る構築方法を示す平面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る風力発電機の構築方法及び構築構造の実施形態について説明する。以下の説明において、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態に係る風力発電機について説明する。図１は、本実施形態の構築方法を適用する前の風力発電機を示す側面図であり、図２は、図１の風力発電機が設置された既設基礎を示す側面図である。図１及び図２に示されるように、本実施形態に係る風力発電機１は、例えば、海底Ｂに設けられており、洋上風力発電を行う。但し、風力発電機１は、海洋に限られず、例えば、湖、河川、沿岸又は港湾等、海洋とは異なる水中に設けられていてもよい。風力発電機１は、第１世代目の風力発電機である。

風力発電機１は、既設基礎２に固定されたタワー３と、タワー３の上部に取り付けられたナセル４と、ナセル４に取り付けられたブレード５と、を備えている。第１世代タワーであるタワー３は、例えば、コンクリート製又は鋼板製である。ナセル４の内部には発電機及び増速器等が収容されており、増速器からはローター軸がナセル４の外部に突出している。ブレード５は、ナセル４の上記ローター軸に固定されている。第１世代目の風力発電機１は、例えば、３枚のブレード５を備える。ブレード５が風を受けて回転すると、この回転はナセル４内の増速器により一定の回転数に上げられて、当該回転運動はナセル４内の発電機によって電力に変換される。一例として、ブレード５を組み合わせたローターの直径は８０ｍであり、風力発電機１の定格出力は２ＭＷである。

ナセル４は、風向・風速計を備えており、風速及び風向に対応してローターの向きとブレード５の角度を制御することにより、効率的な発電を行っている。すなわち、風力発電機１は、自然エネルギーを利用すると共に、刻々変わる風速及び風向に対応し、ローターの向き及びブレード５の角度を制御することによって、効率的な発電を行う。

タワー３は、大きなブレード５、及び種々の機器を搭載したナセル４が最上部に乗せられているため揺れやすく、更に、外力として作用する風、及び当該風を受けたブレード５の回転により振動荷重を受け続ける。よって、タワー３は振動荷重による疲労損傷を受けやすいので、タワー３の設計では、暴風時及び地震時等の短期的な荷重に対する安全性の照査、並びに、耐用期間中に受ける風に起因する疲労照査を行っている。

例えば、タワー３の振動に伴う疲労照査において、累積損傷度をＤ、設定された耐用年数の間に作用する振動荷重ごとの繰り返し回数をｎ_ｉｊ、疲労試験等によって得られた疲労強度曲線から求められる疲労寿命をＮ_ｉｊ、とした場合、累積損傷度Ｄは下記の式（１）によって評価される。

式（１）では、繰り返し回数ｎ_ｉｊを疲労寿命Ｎ_ｉｊで除した値を全ての振動荷重において積算して累積損傷度Ｄを求める。累積損傷度Ｄが１以下であれば、疲労破壊しないと判断できる。検討に用いる風は、実際には不規則に変化するが、統計的な確率分布により想定する。

また、タワー３は風力発電機１の耐用年数に合わせて設計されているため、風力発電機１の耐用年数が経過した後には、タワー３、ナセル４及びブレード５を撤去して第２世代目の風力発電機を構築する必要がある。風力発電機１の耐用年数は、例えば、運転開始から２０年である。また、ナセル４の風向・風速計によって測定され続けたデータにより、タワー３が受け続けた荷重が算定される。また、タワー３の内部に、実際の振動履歴を計測して累積損傷度Ｄを算出するための速度計、加速度計及び歪み計が設けられていてもよく、速度計、加速度計及び歪み計の計測値は一定期間蓄積されていてもよい。

第１世代目の風力発電機１は、例えば、モノパイルの基礎形式を備えており、１体の既設基礎２の上方に設けられている。既設基礎２は、水中Ｗに打設されたモノパイルである既設杭２ａと、既設杭２ａから上方に延びると共にタワー３の下端に接続されたトランジションピース２ｂとを備えている。既設杭２ａは、海底Ｂに打ち込まれている。なお、既設基礎２は、モノパイルの基礎形式に代えて、ジャケット式の洋上風力基礎を備えていてもよい。

海底Ｂにおける既設杭２ａの周辺には、洗掘防止工６が設けられており、洗掘防止工６により、海底Ｂの既設杭２ａ周辺における地盤の洗掘が防止されている。洗掘防止工６は、例えば、砕石が収容された網袋である。既設杭２ａは、例えば、水平面で切断したときの断面形状が円形状とされている。既設杭２ａの直径は、例えば４ｍ以上とされており、既設杭２ａは大径杭である。トランジションピース２ｂは、既設基礎２の鉛直度を確保するために設けられる。また、既設基礎２の上端には、手摺り及び踊り場等の作業用スペース２ｃが設けられる。

以上のような既設の風力発電機１は、前述したように、運転開始から２０年で設計寿命を迎えるため、設計寿命を迎えた後には撤去される。この撤去では、既設基礎２を引き抜くことも考えられる。しかしながら、前述したように既設杭２ａは大口径であるため、既設杭２ａを引き抜くことは困難であると共に多大なコストがかかる。

また、既設杭２ａを海底Ｂ付近で切断し、海底Ｂより上側の構造は撤去するが、地中の既設杭２ａは残す方法がある。しかしながら、この場合、残された既設杭２ａを避けて新設杭を設置しなければならない。また、残された既設杭２ａの位置がわからなくなると共に、残された既設杭２ａが将来的に海底Ｂから突出することがある。残された既設杭２ａが海底Ｂで突出すると、例えば網が引っ掛かるといった問題が生じうるので、漁業等に影響が生じることが懸念される。

以上のような問題を回避するため、本実施形態では、既設基礎２を撤去せずに、既設基礎２を第２世代目の風力発電機における基礎の一部として転用している。以下では、本実施形態に係る構築構造を備えた第２世代目の風力発電機について説明する。

図３及び図４に示されるように、第２世代目の風力発電機１１の構築構造は、３体の基礎を備えたトリパイル状となるように構築されている。風力発電機１１は、複数の杭（新設杭１２ａ及び既設杭２ａ）による組杭式基礎（新設基礎１２及び既設基礎２）に設けられる。また、第２世代目の風力発電機１１では、既設基礎２に作用していた最大応力の作用点、作用方向、及び杭の支持機構等が、第１世代目の風力発電機１とは変更されている。

風力発電機１１は、水中Ｗに打設されている既設基礎２の上部、及び既設基礎２の周囲に打設された新設基礎１２の上部を連結する基礎上部構造１３（連結部材）に設けられる。風力発電機１１は、基礎上部構造１３に固定された第２世代タワーであるタワー１４と、タワー１４の上部に取り付けられたナセル１５と、ナセル１５に取り付けられたブレード１６とを備えている。

第２世代目の風力発電機１１のタワー１４、ナセル１５及びブレード１６のそれぞれは、少なくとも、第１世代目の風力発電機１のタワー３、ナセル４及びブレード５のそれぞれと同様の機能を備える。よって、タワー１４、ナセル１５及びブレード１６の機能の説明は適宜省略する。また、特に近年、新設される風力発電機１１は、そのサイズが大きくなっており、ブレード１６を組み合わせたローターの直径は、例えば１６０ｍにもなりうる。定格出力についても同様に大きくなっており、風力発電機１１の定格出力は、例えば、６ＭＷ又は８ＭＷである。従って、新設される風力発電機１１の荷重は徐々に大きくなっている。

このような事情に鑑みて、本実施形態では、風力発電機１１の荷重が大きくなっても、当該荷重を分散させることを可能としており、更に、既設基礎２を撤去せずに有効利用している。また、上方に乗せられるタワー１４、ナセル１５及びブレード１６の大きさ及び重量等に応じて、新設基礎１２の本数及び配置場所は適宜変更されるため、残されている既設基礎２への影響を低減させることが可能である。

第２世代目の風力発電機１１の構築構造は、例えば、１体の既設基礎２と２体の新設基礎１２とを含むトリパイル基礎を備えている。図５に示されるように、平面視において、１体の既設基礎２、及び２体の新設基礎１２が三角形状となるように配置されている。既設基礎２及び新設基礎１２は、水中Ｗで繋ぎ材１７によって連結されている。新設基礎１２は、水中Ｗに打設される新設杭１２ａと、新設杭１２ａ及び基礎上部構造１３に固定されたトランジションピース１２ｂとを備える。また、新設基礎１２の上端には、手摺り及び踊り場等の作業用スペース１２ｇが設けられる。

繋ぎ材１７は、既設杭２ａと新設杭１２ａとを水中Ｗで連結する杭繋ぎ材である。また、繋ぎ材１７は、事後的に打ち込まれる新設杭１２ａの位置を案内するガイド材である。繋ぎ材１７は、平面視において、三角形状を成している。繋ぎ材１７は、既設杭２ａに取り付けられる取付け部１７ａと、新設杭１２ａが打ち込まれる打ち込み部１７ｂと、取付け部１７ａ及び打ち込み部１７ｂを接続する第１接続部１７ｃと、打ち込み部１７ｂ同士を接続する第２接続部１７ｄとを有する。

取付け部１７ａは、既設杭２ａを包囲する円環状とされる。取付け部１７ａの内径は、例えば、既設杭２ａの外径よりも２０ｃｍ程度大きい。取付け部１７ａは、円環状部材を半割にした構造を備えており、平面視で半円状とされた第１半円部１７ｅと、２本の第１接続部１７ｃに連続する第２半円部１７ｆとを有する。第１半円部１７ｅ及び第２半円部１７ｆは、例えば、既設杭２ａを包囲した状態でボルト締めされることによって互いに接合されている。このボルト締めによる接合作業は、例えば、水中Ｗに潜り込んだダイバーによって行われる。

打ち込み部１７ｂは、円環状とされており、打ち込み部１７ｂの内径は、例えば、新設杭１２ａの外径よりも２０ｃｍ程度大きい。このように、打ち込み部１７ｂの内径は新設杭１２ａの外径より大きいため、打ち込み部１７ｂの内側に新設杭１２ａを打ち込むことが可能とされている。

第１接続部１７ｃは、取付け部１７ａ及び打ち込み部１７ｂの間で直線状に延在しており、第２接続部１７ｄは、２つの打ち込み部１７ｂの間で直線状に延在している。第１接続部１７ｃ及び第２接続部１７ｄは、板状に形成された鋼材であってもよいし、箱状の鋼材であってもよい。一例として、第１接続部１７ｃ及び第２接続部１７ｄは、トラス構造等、中空構造を備えていてもよく、この場合、水中Ｗにおける水の流れに与える影響を抑えることが可能となる。また、海底Ｂにおける既設杭２ａ及び新設杭１２ａの周辺には、洗掘防止工１８が設けられており、洗掘防止工１８により、既設杭２ａ及び新設杭１２ａの周辺における地盤の洗掘が防止されている。洗掘防止工１８の構造は、例えば、前述した洗掘防止工６の構造と同一であってもよい。

図６に示されるように、新設杭１２ａの上端にはトランジションピース１２ｂが固定されている。トランジションピース１２ｂは、新設基礎１２の鉛直度を確保するために設けられる。よって、たとえ新設杭１２ａが若干斜めに海底Ｂに打ち込まれたとしても、新設基礎１２の鉛直度は確保される。新設杭１２ａ及びトランジションピース１２ｂは、例えば、共に管状とされており、新設基礎１２は二重管構造を有する。

新設杭１２ａの外径はトランジションピース１２ｂの内径よりも小さく、新設杭１２ａの外径とトランジションピース１２ｂの内径との差は、例えば、１０ｃｍ程度とされている。新設杭１２ａの上端部及びトランジションピース１２ｂの下端部において、新設杭１２ａの外周面及びトランジションピース１２ｂの内周面の間には、グラウト材Ｇが打ち込まれている。このグラウト材Ｇによって、新設杭１２ａ及びトランジションピース１２ｂは互いに固定されている。

トランジションピース１２ｂの上端には、上方に向かうに従って拡径する拡径部１２ｈと、拡径部１２ｈの上端でトランジションピース１２ｂの径方向内側に突出する突出部１２ｊとが設けられる。拡径部１２ｈは、トランジションピース１２ｂの上側に向かうに従って徐々に拡径する傾斜部１２ｋと、傾斜部１２ｋから上方に向かって延びると共に径が一定とされた側面部１２ｍとを含んでいる。

突出部１２ｊは、平面視において環状とされている。突出部１２ｊの上面には、前述した作業用スペース１２ｇが設けられている。また、突出部１２ｊの作業用スペース１２ｇよりも径方向内側には、基礎上部構造１３の下端が固定される固定部１２ｎが設けられている。また、基礎上部構造１３の下側の部分は管状とされており、基礎上部構造１３は、その下端で基礎上部構造１３の径方向内側に突出する突出部１３ａを有する。突出部１３ａは、例えば、平面視において円環状とされている。また、突出部１３ａは、固定部１２ｎに固定される部位であり、突出部１３ａと固定部１２ｎとが上下に重ねられた状態で互いにボルトＶ及びナットＮで接合されることにより、新設基礎１２に基礎上部構造１３が固定される。

図３〜図５に示されるように、基礎上部構造１３は、水上で新設基礎１２及び既設基礎２を互いに連結している。基礎上部構造１３は、タワー１４が固定されるタワー固定部１３ｂと、平面視においてタワー固定部１３ｂから放射状に延びる複数の基礎連結部１３ｃとを備えている。タワー固定部１３ｂは、例えば、平面視における基礎上部構造１３の中央に設けられており、タワー固定部１３ｂにはタワー１４の下端が固定される。基礎連結部１３ｃは、タワー固定部１３ｂから直線状に延びる第１延在部１３ｄと、第１延在部１３ｄの端部から下方に延びる第２延在部１３ｅとを有する。第２延在部１３ｅの下端には、前述した突出部１３ａが設けられている。

次に、本実施形態に係る風力発電機１１の構築方法について説明する。以下では、第１世代目の風力発電機１から第２世代目の風力発電機１１を構築する方法について説明する。まず、第１世代目の既設基礎２が保有する耐力を評価し、既設基礎２が保有する耐力に見合うように新設基礎１２の数及び配置を設定する。そして、例えば風力発電機１が寿命に達した段階で、既設基礎２から、ブレード５、ナセル４及びタワー３を撤去する（既設の風力発電機を撤去する工程）。このとき、既設基礎２は、残したままとしておく。

次に、図７（ａ）に示されるように、既設基礎２に繋ぎ材１７を取り付ける（繋ぎ材を配置する工程、既設基礎に繋ぎ材を取り付ける工程）。具体的には、第１半円部１７ｅ及び第２半円部１７ｆで既設杭２ａを囲んだ状態でボルト締めすることにより、既設杭２ａに取付け部１７ａを取り付ける。取付け部１７ａ及び既設杭２ａの間にグラウト材Ｇを注入して既設杭２ａを取付け部１７ａに固定する。このとき、取付け部１７ａ、打ち込み部１７ｂ、第１接続部１７ｃ及び第２接続部１７ｄの位置が定まるので、既設杭２ａ及び新設杭１２ａの位置が確定される。

そして、図７（ｂ）に示されるように、各打ち込み部１７ｂに新設杭１２ａを打設し、新設杭１２ａの上端にトランジションピース１２ｂを取り付ける。このとき、打ち込み部１７ｂ及び新設杭１２ａの間にグラウト材Ｇを注入して打ち込み部１７ｂに新設杭１２ａを固定し、更に、新設杭１２ａの外周面及びトランジションピース１２ｂの内周面にグラウト材Ｇを注入することによって、新設杭１２ａにトランジションピース１２ｂを固定させる。以上のように、既設基礎２に繋ぎ材１７を取り付けると共に、繋ぎ材１７に新設基礎１２を打設して新設基礎１２を構築する（新設基礎を打設する工程）。

続いて、図３、図４及び図６に示されるように、既設基礎２の上部、及び新設基礎１２の上部に基礎上部構造１３を設置する。具体的には、新設基礎１２の上端の固定部１２ｎに基礎上部構造１３の突出部１３ａを乗せ、固定部１２ｎ及び突出部１３ａをボルトＶ及びナットＮで互いに接合することにより、新設基礎１２の上端に基礎上部構造１３を固定する。同様に、既設基礎２の上端に基礎上部構造１３を固定する（連結部材を設置する工程）。その後は、基礎上部構造１３の上端に位置するタワー固定部１３ｂにタワー１４を組み立て、タワー１４にナセル１５及びブレード１６を組み立てることにより、風力発電機１１の構築が完了する。

次に、本実施形態に係る風力発電機１１の構築方法、及び風力発電機１１の構築構造から得られる作用効果について詳細に説明する。

風力発電機１１の構築方法、及び風力発電機１１の構築構造では、水中Ｗにおいて、既設基礎２を残すと共に、既設の風力発電機１を既設基礎２から撤去する。よって、既設の風力発電機１を撤去して既設基礎２は撤去しないため、既設基礎２の有効利用を図ることができる。従って、第１世代目の既設基礎２を残して、既設基礎２を第２世代目の風力発電機１１の新しい基礎の一部として利用するため、基礎の撤去費用、及び新たな基礎の建設費用を抑えることができる。

この構築方法では、既設基礎２の周囲に新設基礎１２を打設し、既設基礎２の上部及び新設基礎１２の上部に既設基礎２と新設基礎１２とを連結する基礎上部構造１３を設置する。このように、複数の基礎の上に基礎上部構造１３を設置し、基礎上部構造１３の上に新設の風力発電機１１を設置することができると共に、基礎が複数とされたことにより、大型の風力発電機１１を基礎上部構造１３の上に設置することができる。

よって、風力発電機１１の大型化が進行しても、風力発電機１１の大きさ等に応じて基礎の数を増やすことができるので、新たな風力発電機１１を設置できないという問題を回避することができる。従って、新たな風力発電機１１に確実に対応させることができる。また、既設基礎２に作用する荷重を減らすように新設基礎１２の配置態様を適宜設計することができるので、長期間経過しても確実に耐力を維持することができる。このように、第２世代目の新設基礎１２の設計の自由度が高いので、最初の基礎設計時に将来の風力発電機１１の大きさ及び作用荷重を考慮する必要性を低減させることができる。従って、例えば２０年後に一般化している大型の風力発電機を新設基礎１２に乗せることが可能となる。

また、既設基礎２は、水中Ｗに打設されている既設杭２ａを含み、新設基礎１２は、水中Ｗに打設される新設杭１２ａを含んでいる。このように、水中Ｗに打設される杭を含む態様とすることができる。

また、新設基礎を打設する工程では、複数の新設基礎１２が打設される。よって、既設基礎２と新設基礎１２とを合わせて３体以上の基礎とすることができるので、耐力を一層高めることができる。従って、大きな風力発電機１１により対応しやすい基礎を構築することができる。

また、新設基礎１２を打設する前に、既設基礎２及び新設基礎１２を接続する繋ぎ材１７を配置する工程を備える。よって、既設基礎２の上部と新設基礎１２の上部とを基礎上部構造１３で連結すると共に、既設基礎２及び新設基礎１２の下部を繋ぎ材１７で連結することができる。従って、基礎上部構造１３及び繋ぎ材１７によって、風力発電機１１全体としての剛性を高めることができる。具体的には、下部の繋ぎ材１７と上部の基礎上部構造１３とにより、複数の新設杭１２ａと既設杭２ａとが固定されるので、海底Ｂより上の風力発電機１１の構築構造を一体として外力に抵抗させることができる。

また、繋ぎ材を配置する工程は、既設基礎２に繋ぎ材１７を取り付ける工程を含み、新設基礎１２を打設する工程では、繋ぎ材１７に新設基礎１２を打設する。従って、既設基礎２に繋ぎ材１７を取り付けて、繋ぎ材１７に新設基礎１２を打設することにより、高い剛性を備えた風力発電機１１を効率よく構築することができる。

また、新設基礎１２は、水中Ｗに打設される新設杭１２ａと、新設杭１２ａ及び基礎上部構造１３に固定されるトランジションピース１２ｂとを備え、新設基礎１２を打設する工程では、トランジションピース１２ｂと新設杭１２ａとの間にグラウト材Ｇを注入してトランジションピース１２ｂを新設杭１２ａに固定する。よって、水中Ｗにおいて新設杭１２ａを斜めに打ってしまい、新設杭１２ａの鉛直度が低下した場合であっても、新設杭１２ａと基礎上部構造１３との間にトランジションピース１２ｂを介在させることにより、トランジションピース１２ｂより上方の鉛直度を確保することができる。従って、より安定した風力発電機１１を構築することができる。また、トランジションピース１２ｂと新設杭１２ａとの間にグラウト材Ｇを注入することにより、トランジションピース１２ｂと新設杭１２ａとの固定を容易に行うことができる。

また、基礎上部構造１３を設置する工程では、既設基礎２及び新設基礎１２を水上で連結し、基礎上部構造１３の上部に新設の風力発電機１１を組み立てる。よって、基礎上部構造１３で既設基礎２と新設基礎１２とを連結し、基礎上部構造１３の上部に新設の風力発電機１１を組み立てることにより、より高い剛性を備えた風力発電機１１を容易に構築することができる。

更に、既設のモノパイルの既設杭２ａでは、風力発電機１からの大きな転倒モーメントが卓越するのに対し、組杭式の基礎における複数の杭（２本の新設杭１２ａ及び既設杭２ａ）では、鉛直方向への押し込み力（又は引き抜き力）と水平力とが卓越する。このように、モノパイルの既設杭２ａに設置された風力発電機１から組杭式の新設基礎１２に設置された風力発電機１１に切り替えることによって、卓越するモーメント及び力を変化させることができる。

従って、例えば２０年使用した既設杭２ａに作用する最大応力点及び作用荷重の方向を変えることができるので、既設基礎２に対して安全な設計をしやすい。更に、風荷重の卓越方向及び波浪荷重の卓越方向を考慮して、既設基礎２に作用する荷重が一層少なくなる位置に新設杭１２ａを打設する設計を行うことも可能である。そして、第１世代目の既設基礎２の設計時に第２世代目の風力発電機１１に配慮して疲労耐力に尤度を持たせておけば一層合理的な設計を行うことが可能である。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る風力発電機２１の構築構造及び構築方法について図８を参照しながら説明する。以下では、第１実施形態と重複する説明を適宜省略する。第２実施形態に係る風力発電機２１の構築構造は、基礎上部構造１３に代えて桁２３（連結部材）を備える点、及び、１本の新設基礎１２の上方にタワー１４、ナセル１５及びブレード１６が設けられる点が第１実施形態と異なっている。

図８に示されるように、風力発電機２１では、新設基礎１２がモノパイル構造を有しており、既設基礎２及び新設基礎１２が桁２３によって互いに繋がっている。桁２３は、水上で既設基礎２及び新設基礎１２を互いに連結している。桁２３は、例えば、新設基礎１２の作業用スペース１２ｇと、既設基礎２の作業用スペース２ｃとの間で水平方向に延在している。また、既設基礎２の作業用スペース２ｃには、風力発電機２１の建設ステーション２２ａ、又は、風力発電機２１の運転保守ステーション２２ｂが設けられる。

風力発電機２１の構築方法については、まず、第１世代目の既設基礎２を残すと共に、既設基礎２から風力発電機１を撤去する（既設の風力発電機を撤去する工程）。そして、既設基礎２の周囲に新設基礎１２を打設する（新設基礎を打設する工程）。新設基礎１２を打設した後には、既設基礎２の上部、及び新設基礎１２の上部を連結する桁２３を設置し（連結部材を設置する工程）、新設基礎１２の上部にタワー１４、ナセル１５及びブレード１６を組み立てることにより、風力発電機２１の構築が完了する。

以上、第２実施形態に係る風力発電機２１の構築方法及び構築構造では、水中Ｗにおいて、既設基礎２を残すと共に、既設の風力発電機１を既設基礎２から撤去する。よって、既設基礎２は撤去しないため、既設基礎２の有効利用を図ることができる。従って、第１実施形態と同様、既設基礎２を第２世代目の風力発電機２１の新しい基礎の一部として利用するため、基礎の撤去費用、及び新たな基礎の建設費用を抑えることができる。

以上、本発明に係る風力発電機の構築方法及び構築構造の実施形態について説明したが、本発明は、前述の各実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。すなわち、本発明は、各請求項の要旨を変更しない範囲において種々の変形が可能である。

例えば、前述の実施形態では、新設杭１２ａと基礎上部構造１３がトランジションピース１２ｂを介して固定される例について説明したが、トランジションピース１２ｂを省略することも可能である。例えば、図６に示される新設杭１２ａの上端にフランジを設ける共に新設杭１２ａの鉛直度を確保し、新設杭１２ａの上端に直接基礎上部構造１３の下端を接合してもよい。

また、図９に示されるように、基礎上部構造１３の基礎連結部１３ｃ（第２延在部１３ｅ）の下端にコーン状部３３を設けると共に、コーン状部３３を新設杭１２ａに上から挿入し、コーン状部３３及び新設杭１２ａの間にグラウト材Ｇを注入して接合させてもよい。このように、新設基礎１２と基礎上部構造１３（連結部材）との接合手段は適宜変更可能である。また、前述の実施形態では、種々の部材をグラウト材Ｇの注入によって接合させる例について説明したが、グラウト材Ｇ以外の接合手段を用いることも可能である。

また、前述の実施形態では、既設基礎２及び新設基礎１２が水中Ｗで繋ぎ材１７によって連結される例について説明したが、繋ぎ材１７の形状、大きさ、配置態様、数及び材料については適宜変更可能である。更に、繋ぎ材１７を省略することも可能である。

また、前述の第１実施形態では、モノパイル構造（１本の既設杭２ａ）に設けられた風力発電機１からトリパイル構造（３本の杭２ａ，１２ａ）に設けられる風力発電機１１を構築する例、すなわち、構築前の基礎の数が１であって構築後の基礎の数が３である例について説明した。しかしながら、構築前の基礎の数と、構築後の基礎の数は適宜変更可能である。例えば、モノパイル式風力発電機からトリポッド式風力発電機を構築してもよい。また、重力式風力発電機又はジャケット式風力発電機から、トリパイル式風力発電機又はトリポッド式風力発電機を構築してもよい。

例えば、図１０（ａ）に示されるように、１つの既設基礎２の周囲に３つの新設基礎１２を打設し、４つの基礎を平面視において四角形状となるように配置してもよい。また、図１０（ｂ）に示されるように、３つの既設基礎２の周囲に更に３つの新設基礎１２を打設し、６つの基礎を平面視において六角形状となるように配置してもよい。更に、図１０（ｃ）に示されるように、平面視において円形状を成す複数の既設基礎２の径方向外側に、同心円状となるように複数の新設基礎１２を打設してもよい。このように、構築前後の基礎の数と、複数の基礎が成す形状については適宜変更可能である。更に、複数の既設基礎２のうちの１つの既設基礎２と、新設基礎１２とを用いて新たな風力発電機を構築してもよい。

１，１１，２１…風力発電機、２…既設基礎、２ａ…既設杭、２ｂ，１２ｂ…トランジションピース、２ｃ，１２ｇ…作業用スペース、３，１４…タワー、４，１５…ナセル、５，１６…ブレード、６，１８…洗掘防止工、１２…新設基礎、１２ａ…新設杭、１２ｂ…トランジションピース、１２ｈ…拡径部、１２ｊ…突出部、１２ｋ…傾斜部、１２ｍ…側面部、１２ｎ…固定部、１３…基礎上部構造（連結部材）、１３ａ…突出部、１３ｂ…タワー固定部、１３ｃ…基礎連結部、１３ｄ…第１延在部、１３ｅ…第２延在部、１７…繋ぎ材、１７ａ…取付け部、１７ｂ…打ち込み部、１７ｃ…第１接続部、１７ｄ…第２接続部、１７ｅ…第１半円部、１７ｆ…第２半円部、２２ａ…建設ステーション、２２ｂ…運転保守ステーション、２３…桁（連結部材）、３３…コーン状部、Ｂ…海底、Ｇ…グラウト材、Ｎ…ナット、Ｖ…ボルト、Ｗ…水中。

Claims (8)

1. 水中に打設されている既設基礎の上方に設けられる風力発電機の構築方法であって、
   前記既設基礎を残すと共に、前記既設基礎から既設の風力発電機を撤去する工程と、
   前記既設基礎の周囲に新設基礎を打設する工程と、
   前記既設基礎の上部、及び前記新設基礎の上部を連結する連結部材を設置する工程と、
   を備えた風力発電機の構築方法。
2. 前記既設基礎は、前記水中に打設されている既設杭を含み、
   前記新設基礎は、前記水中に打設される新設杭を含む、
   請求項１に記載の風力発電機の構築方法。
3. 前記新設基礎を打設する工程では、複数の前記新設基礎が打設される、
   請求項１又は２に記載の風力発電機の構築方法。
4. 前記新設基礎を打設する前に、前記既設基礎及び前記新設基礎を接続する繋ぎ材を配置する工程を備える、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の風力発電機の構築方法。
5. 前記繋ぎ材を配置する工程は、前記既設基礎に前記繋ぎ材を取り付ける工程を含み、前記新設基礎を打設する工程では、前記繋ぎ材に前記新設基礎を打設する、
   請求項４に記載の風力発電機の構築方法。
6. 前記新設基礎は、前記水中に打設される新設杭と、前記新設杭及び前記連結部材に固定されるトランジションピースとを備え、
   前記新設基礎を打設する工程では、前記トランジションピースと前記新設杭との間にグラウト材を注入して前記トランジションピースを前記新設杭に固定する、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の風力発電機の構築方法。
7. 前記連結部材を設置する工程では、前記既設基礎及び前記新設基礎を水上で連結し、前記連結部材の上部に新設の風力発電機を組み立てる、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の風力発電機の構築方法。
8. 水中に打設されている既設基礎の上方に設けられる風力発電機の構築構造であって、
   前記既設基礎の周囲に打設された新設基礎と、
   前記既設基礎の上部、及び前記新設基礎の上部を連結すると共に、新設の風力発電機が組み立てられる連結部材と、
   を備える風力発電機の構築構造。

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