JP5274329B2 - 洋上風力発電設備及びその施工方法 - Google Patents

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Description

本発明は、比較的水深の深い海上に設置されるスパー型の洋上風力発電設備及びその施工方法に関する。
従来より、主として水力、火力及び原子力発電等の発電方式が採用されてきたが、近年は環境や自然エネルギーの有効活用の点から自然風を利用して発電を行う風力発電が注目されている。この風力発電設備には、陸上設置式と、水上(主として海上)設置式とがあるが、沿岸域から後背に山岳地形をかかえる我が国の場合は、沿岸域に安定した風が見込める平野が少ない状況にある。一方、日本は四方を海で囲まれており、海上は発電に適した風が容易に得られるとともに、設置の制約が少ないなどの利点を有する。そこで、近年は洋上風力発電設備又は浮体構造が多く提案されている。
例えば、下記特許文献1では、中空四角柱状の構造物を組み合わせて平面三角形状の水に浮く浮体を構成し、この上に発電用風車を設けた風力発電装置が提案されている。この浮体は水面に浮かぶため「ポンツーン型」と呼ばれている。
また、下記特許文献2では、上部に物品が載置される複数の浮体部と、所定中心に内端を連結して水平放射方向に延在した外端に前記各浮体部を連結する長手状の剛体からなる連結部と、前記浮体部の間に引張力を生じる引張部とを備えた浮体構造が提案されている。
下記特許文献3では、水に浮遊する複数の浮体部と、前記浮体部を環状に連結する剛体からなる連結部と、環状のほぼ中央部を水底に係留する係留手段と、前記浮体部の位置を検出する位置検出手段と、潮流を検出する潮流検出手段と、潮流に対して角度を可変する態様で複数の浮体部に取り付けた舵と、各舵の角度を潮流に対して調整することによって環状のほぼ中央部を中心とした各浮体部の位置を可変する位置制御部とを備えた浮体構造が提案されている。前記特許文献2,3に係る浮体構造は、浮体を水面下に沈めた状態で浮くため「セミサブ型」と呼ばれている。
更に、下記特許文献4では、上下の蓋体と、これらの間に連続的に設置された筒状のプレキャストコンクリートブロックとがPC鋼材で一体接合されてなる下部浮体と、該下部浮体にPC鋼材で一体接合された、上記プレキャストコンクリートブロックよりも小径なプレキャストコンクリートブロックと上蓋とからなる上部浮体とから構成され、下部浮体の下部内側に隔壁によって複数のバラストタンクが形成され、上部浮体の内側には隔壁によって複数の水密区画部が形成された洋上風力発電の浮体構造が提案されている。この特許文献4は、釣浮きのように起立状態で浮くため「スパー型」と呼ばれている。
特開2001−165032号公報 特開2007−160965号公報 特開2007−331414号公報 特開2009−18671号公報
前記スパー型浮体は、1つの浮体に1基の風車しか取付けできないが、他のポンツーン型やセミサブ型に比べて、経済性に優れており、浮体の安定性に優れているという利点を有する。
前記スパー型浮体による風力発電設備の施工は、陸上の製作ヤードで組み立てた後、海上を曳航して洋上設置場所まで運び、バラスト水を投入することによって起立状態で浮かばせた後、大型起重機船を用いて、タワー、ナセル及び風車ブレードを取り付ける手順による。しかし、タワーの高さが50〜80mにも及ぶため、ナセルや風車ブレードの取付けが高所作業となり危険性が高いとともに、これらのメンテナンスも高所作業となるなどの問題があった。更には、強風又は波浪時における揺動が大きく損傷のおそれがあるなどの問題もあった。
そこで本発明の主たる第1の課題は、浮体の安定性を増すとともに、浮体の長さ寸法を低減できる等の利点を備えた洋上風力発電設備を提供することにある。
次いで、第2の課題は、洋上で容易かつ安全に設置が行えるようにするとともに、メンテナンスが容易に行える、強風又は波浪時における安定性を確保し得るなどの利点を備えた洋上風力発電設備とその施工方法を提供することにある。
前記第1の課題を解決するために請求項1に係る本発明として、浮体と、係留索と、タワーと、タワーの頂部に設備されるナセル及び複数の風車ブレードとからなる洋上風力発電設備であって、
前記浮体は、コンクリート製のプレキャスト筒状体を高さ方向に複数段積み上げ、各プレキャスト筒状体をPC鋼材により緊結し一体化を図った下側コンクリート製浮体構造部と、この下側コンクリート浮体構造部の上側に連設された上側鋼製浮体構造部とからなるスパー型の浮体構造としたことを特徴とする洋上風力発電設備が提供される。
上記請求項1記載の発明では、浮体をコンクリート製のプレキャスト筒状体を高さ方向に複数段積み上げ、各プレキャスト筒状体をPC鋼材により緊結し一体化を図った下側コンクリート製浮体構造部と、この下側コンクリート浮体構造部の上側に連設された上側鋼製浮体構造部とからなるスパー型の浮体構造とするものである。
下側コンクリート製浮体構造部と上側鋼製浮体構造部とからなる浮体構造とすることにより、重心を低くすることができるため、浮体の安定性が増すとともに、浮体の長さ寸法を低減することが可能となる。海上に突出している部分が鋼製のため、船舶の衝突に対して有利になるなどの効果がもたらされるようになる。
上記第2課題を解決するために請求項2に係る本発明として、前記浮体は、上端部を開口させた有底中空部を有するスパー型の浮体構造とし、少なくとも施工時に前記タワーはタワー昇降設備によって昇降自在とされ、前記浮体内部に収容可能とされる請求項1記載の洋上風力発電設備が提供される。
従って、後述の請求項に示す施工手順に示すように、タワーを浮体内に収容した状態で曳航し、バラストを投入することによって浮体を直立状態に起立させ、タワー昇降設備によってタワーを任意の高さ位置まで引き上げた状態で、前記ナセルを設置するとともに、風車ブレードを設置し、すべての部材取付けが完了した後、タワーを正規の高さ位置まで引き上げ固定する手順とすることにより、タワーを下降させた状態でナセルや風車ブレードの取付けができるようになり高所作業が減って安全に施工できるようになる。また、供用後のメンテナンス時にタワーを下降させることにより安全に作業が行えるようになるとともに、強風や波浪時にも、タワーを下降させることにより安定性が増し損傷のおそれも少なくなる。
請求項に係る本発明として、前記上側鋼製浮体構造部は、高さ方向に段階的に外径寸法が縮小される変断面形状としてある請求項1、2いずれかに記載の洋上風力発電設備が提供される。
上記請求項記載の発明は、上側鋼製浮体構造部を、高さ方向に段階的に外径寸法が縮小される変断面形状とするものである。従って、重心が低くなり強風や波浪に対する安定性が増すようになるとともに、上部側を相対的に小径断面としたことにより平常時に波の影響を受けづらくなる。
請求項に係る本発明として、請求項2記載の洋上風力発電設備を洋上に設置するための施工方法であって、
浮体内部にタワーを収容させた状態で海上に横向きで浮かべ、洋上設置場所まで曳航する第1手順と、
洋上設置場所において、バラストを投入することによって浮体を直立状態に起立させる第2手順と、
前記タワー昇降設備によってタワーを任意の高さ位置まで引き上げた状態で、前記ナセルを設置するとともに、風車ブレードを設置する第3手順と、
タワーを正規の高さ位置まで引き上げ固定する第4手順とからなる洋上風力発電設備の施工方法が提供される。
上記請求項記載の発明によれば、タワーを下降させた状態でナセルや風車ブレードの取付けができるようになり高所作業が減って安全に施工できるようになる。
以上詳説のとおり本発明によれば、浮体の安定性を増すとともに、浮体の長さ寸法を低減できるようになる。また、洋上で容易かつ安全に設置が行えるようになるとともに、メンテナンスが容易に行える、強風又は波浪時における安定性を確保し得るなどの利点を備えた洋上風力発電設備とすることができる。
本発明に係る洋上風力発電設備1の概略図である。 浮体2の縦断面図である。 プレキャスト筒状体12(13)を示す、(A)は縦断面図、(B)は平面図(B-B線矢視図)、(C)は底面図(C-C線矢視図)である。 プレキャスト筒状体12(13)同士の緊結要領図(A)(B)である。 上側鋼製浮体構造部を示す縦断面図である。 洋上風力発電設備1の施工手順図(その1)である。 洋上風力発電設備1の施工手順図(その2)である。 洋上風力発電設備1の施工手順図(その3)である。 洋上風力発電設備1の施工手順図(その4)である。 洋上風力発電設備1の施工手順図(その5)である。 洋上風力発電設備1の施工手順図(その6)である。 洋上風力発電設備1の施工手順図(その7)である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
図1に示されるように、洋上風車発電設備1は、浮体2と、この浮体2の上部に設置されるデッキ3と、このデッキ3に繋がれた係留索4、4…と、前記デッキ3の上に立設されるタワー5と、このタワー5の頂部に設備されるナセル6及び複数の風車ブレード7,7…からなるものである。
そして、前記浮体2は、図2に示されるように、コンクリート製のプレキャスト筒状体12〜13を高さ方向に複数段積み上げ、各プレキャスト筒状体12〜13をPC鋼材により緊結し一体化を図った下側コンクリート製浮体構造部2Aと、この下側コンクリート浮体構造部2Aの上側に連設された上側鋼製浮体構造部2Bとからなるとともに、上端部を開口させた有底中空部を有するスパー型の浮体構造とし、前記タワー5は少なくとも施工時に前記デッキ3上に設けたタワー昇降設備によって昇降自在とされ、前記浮体2内部に収容可能となっているものである。前記浮体2の吃水Lは、2MW級発電設備の場合概ね60m以上に設定される。
以下、更に具体的に詳述する。
前記浮体2は、図2に示されるように、有底円筒形状のバラスト部10と、このバラスト部10の上面に連設された下側コンクリート浮体構造部2Aと、この下側コンクリート浮体構造部2Aの上側に連設された上側鋼製浮体構造部2Bとからなる。前記バラスト部10及び下側コンクリート浮体構造部2Aはすべてコンクリートのプレキャスト部材とされる。下側コンクリート浮体構造部2Aと上側鋼製浮体構造部2Bとの境界部に合成プレキャスト部材13が介在され、両者が接合されている。前記上側鋼製浮体構造部2Bは、高さ方向に段階的に外径寸法が縮小される変断面形状としてある。図示例では2段階の変断面形状としてある。
以下、更に具体的に詳述する。
前記下側コンクリート浮体構造部2Aは、コンクリート製のプレキャスト筒状体12…と、合成プレキャスト部材13の下半部分とで構成されている。前記プレキャスト筒状体12は、図3に示されるように、軸方向に同一断面とされる円形筒状のプレキャスト部材であり、それぞれが同一の型枠を用いて製作されるか、遠心成形により製造された中空プレキャスト部材が用いられる。
壁面内には鉄筋20の他、周方向に適宜の間隔でPC鋼棒19を挿通するためのシース21、21…が埋設されている。このシース21、21…の下端部にはPC鋼棒19同士を連結するためのカップラーを挿入可能とするためにシース拡径部21aが形成されているとともに、上部には定着用アンカープレートを嵌設するための箱抜き部22が形成されている。また、上面には吊り金具23が複数設けられている。
プレキャスト筒状体12同士の緊結は、図4(A)に示されるように、下段側プレキャスト筒状体12から上方に延長されたPC鋼棒19、19…をシース21、21…に挿通させながらプレキャスト筒状体12,12を積み重ねたならば、アンカープレート24を箱抜き部22に嵌設し、ナット部材25によりPC鋼棒19に張力を導入し一体化を図る。また、グラウト注入孔27からグラウト材をシース21内に注入する。なお、前記アンカープレート24に形成された孔24aはグラウト注入確認孔であり、該確認孔からグラウト材が吐出されたことをもってグラウト材の充填を終了する。
次に、図4(B)に示されるように、PC鋼棒19の突出部に対してカップラー26を螺合し、上段側のPC鋼棒19、19…を連結したならば、上段となるプレキャスト筒状体12のシース21、21…に前記PC鋼棒19、19…を挿通させながら積み重ね、前記要領によりPC鋼棒19の定着を図る手順を順次繰り返すことにより高さ方向に積み上げられる。この際、下段側プレキャスト筒状体12と上段側プレキャスト筒状体12との接合面には止水性確保及び合わせ面の接合のためにエポキシ樹脂系などの接着剤28やシール材が塗布される。
次いで、前記合成プレキャスト部材13は、図5にも示されるように、コンクリート製のプレキャスト筒状体16と鋼製筒状体17との合成構造である。これらは一体的に製作される。前記プレキャスト筒状体16は、前記鋼製筒状体17の肉厚分の厚さを減じた外径寸法とされ、この外周に前記鋼製筒状体17の下半部分が外嵌された構造とし、前記プレキャスト筒状体16の上端面がPC鋼棒19の締結面とされる。
前記上側鋼製浮体構造部2Bは、前記合成プレキャスト部材13の上半部分と、鋼製筒状体14,15とで構成されている。下段側の鋼製筒状体14は、合成プレキャスト部材13と同一の外径寸法とされ、合成プレキャスト部材13に対して、ボルト又は溶接等(図示例はボルト締結)によって連結される。上段側の鋼製筒状体15は、前記下段側の鋼製筒状体14よりも外径寸法が縮小され、変断面形状とされ、下段側の鋼製筒状体14に対してボルト又は溶接等(図示例はボルト締結)によって連結される。前記上段側鋼製筒状体15の上端は開口のままとされるとともに、前記上段側鋼製筒状体15及び下段側鋼製筒状体14との境界部及び下段側鋼製筒状体14と鋼製筒状体17との境界部は空間が仕切られておらず、浮体2内部にはタワー5を収容するための中空部が形成されている。
一方、前記タワー5は、鋼材、コンクリート又はPRC(プレストレスト鉄筋コンクリート)から構成されるものが使用されるが、好ましいのは総重量が小さくなるように鋼材によって製作されたものを用いるのが望ましい。また、前記ナセル6は、風車の回転を電気に変換する発電機やブレードの角度を自動的に変えることができる制御器などが搭載された装置である。
〔施工手順〕
以下、図6〜図12に基づき、前記洋上風力発電設備1の施工手順について詳述する。
(第1手順)
製作ヤードに隣接した洋上において、図6に示されるように、浮体2内部にタワー5を収容した状態で海上に横向きで浮かべ、バラスト水31を注水し吃水を調整した後、曳航船18により洋上設置場所まで曳航する。なお、下側コンクリート浮体構造部2Aと、上側鋼製浮体構造部2Bとでは、下側コンクリート浮体構造部2A側の方が重いため、バランス調整用浮体32を浮かべるとともに、この浮体上に設置したウインチ33から繰り出されたワイヤの一端を下側コンクリート浮体構造部2Aの端部に連結し、浮体2が水平になるように調整する。なお、浮体2内部にタワー5を収容した状態で、前記上段側鋼製筒状体15の上端開口は塞がれている。
(第2手順)
図7に示されるように、洋上設置場所に到着したならば、バラスト水31を注水するとともに、前記バランス調整用浮体32上のウインチ33からワイヤを徐々に繰り出すことにより、ゆっくりと浮体2を直立状態に起立させる。
図8に示されるように、浮体2を起立させたならば、浮体2の上部にデッキ3を設置するとともに、前記デッキ3に係留索4の一端を繋ぎ止めるとともに、他端を海底に沈設したアンカーに繋ぎ留めて浮体2の安定を図る。
(第3手順)
デッキ3上にタワー昇降設備8を設置し、タワー5の引上げ作業に入る。前記タワー昇降設備8は、例えば同図に示されるように、タワー5の基部周囲に所定の間隔でセンターホールジャッキ9,9…を配置するとともに、PC鋼線10の一端をシーブ11を巻回させた後、センターホールジャッキ9を通してタワー5の下端に緊結し、前記センターホールジャッキ9の伸縮操作により、タワー5の下降と上昇とを可能とした設備である。
図10に示されるように、前記タワー昇降設備8により、タワー5を任意の高さ位置まで引き上げた状態で、前記ナセル6を設置するとともに、2枚の風車ブレード7,7を設置する。
その後、図11に示されるように、若干タワー5を引き上げて、残りの風車ブレード7を取り付ける。
(第4手順)
すべての部材取付け作業を終えたならば、図12に示されるように、前記タワー昇降設備8によってタワー5を上昇させたならば、タワー固定用ベース金具34等によりタワー5を正規の高さ位置に固定し施工を完了する。
〔他の形態例〕
(1)上記形態例では、バラストとして海水又は水を用いたが、コンクリートブロックを内部に投入しても良いし、バラスト部10の上側にコンクリート筒状体12の外周にコンクリート製のリングを外嵌させるようにしてもよい。これらは併用してもよい。
(2)上記形態例では、前記タワー昇降設備8を撤去したが、残置しておき、その後のメンテナンス時や強風、波浪時にタワー5を下降させる際に使用できるようにしてもよい。もちろん、タワー下降作業時にタワー昇降設備8を新たに設置するようにしてもよい。
1…洋上風力発電設備、2…浮体、3…デッキ、4…係留索、5…タワー、6…ナセル、7…風車ブレード、8…タワー昇降設備

Claims (4)

  1. 浮体と、係留索と、タワーと、タワーの頂部に設備されるナセル及び複数の風車ブレードとからなる洋上風力発電設備であって、
    前記浮体は、コンクリート製のプレキャスト筒状体を高さ方向に複数段積み上げ、各プレキャスト筒状体をPC鋼材により緊結し一体化を図った下側コンクリート製浮体構造部と、この下側コンクリート浮体構造部の上側に連設された上側鋼製浮体構造部とからなるスパー型の浮体構造としたことを特徴とする洋上風力発電設備。
  2. 前記浮体は、上端部を開口させた有底中空部を有するスパー型の浮体構造とし、少なくとも施工時に前記タワーはタワー昇降設備によって昇降自在とされ、前記浮体内部に収容可能とされる請求項1記載の洋上風力発電設備。
  3. 前記上側鋼製浮体構造部は、高さ方向に段階的に外径寸法が縮小される変断面形状としてある請求項1、2いずれかに記載の洋上風力発電設備。
  4. 請求項2記載の洋上風力発電設備を洋上に設置するための施工方法であって、
    浮体内部にタワーを収容させた状態で海上に横向きで浮かべ、洋上設置場所まで曳航する第1手順と、
    洋上設置場所において、バラストを投入することによって浮体を直立状態に起立させる第2手順と、
    前記タワー昇降設備によってタワーを任意の高さ位置まで引き上げた状態で、前記ナセルを設置するとともに、風車ブレードを設置する第3手順と、
    タワーを正規の高さ位置まで引き上げ固定する第4手順とからなる洋上風力発電設備の施工方法。
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