JP5330048B2

JP5330048B2 - 洋上風力発電設備の施工方法

Info

Publication number: JP5330048B2
Application number: JP2009071880A
Authority: JP
Inventors: 修小林; 郁佐藤; 禎久野本; 耕作村野; 典幸山中
Original assignee: Toda Corp; Nippon Hume Corp
Current assignee: Toda Corp; Nippon Hume Corp
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-03-24
Also published as: WO2010110329A1; JP2010223113A

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。

しかしながら、浮体の長さ寸法は約８０ｍ以上にも及ぶため、陸上で組立を行うには、広大な施工ヤードを必要とするなどの問題があるとともに、組み立てた浮体を洋上まで移送するのにも多大な輸送コストが掛かるなどの問題があった。
また、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課題は、洋上で容易かつ安全に組立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の施工方法を提供することにある。

前記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、この浮体の上部に設置されるデッキと、このデッキに繋がれた係留索と、前記デッキの上に立設されるタワーと、この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からなり、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、少なくとも施工時に前記タワーは前記デッキ上に設けたタワー昇降設備によって昇降自在とされ、前記浮体内部に収容可能とされる洋上風力発電設備を洋上において組み立てるための施工方法であって、
洋上において、最下段のプレキャスト筒状体を浮かべた後、バラスト投入により吃水を調整しながら、順次高さ方向にプレキャスト筒状体をＰＣ鋼材により緊結しつつ積み上げる第１手順と、
浮体上部にデッキを設置した後、デッキ上にタワーを立設するとともに、タワー昇降設備を設置する第２手順と、
前記タワー昇降設備によってタワーを下降させた状態で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、
前記タワー昇降設備によってタワーを引き上げた後、正規の高さ位置に固定する第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１記載の発明では、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するものである。そして、施工時に前記タワーを前記デッキ上に設けたタワー昇降設備によって昇降自在とし、前記浮体内部に収容可能とするものである。

そして、前記第１手順〜第４手順による施工手順により洋上にてプレキャスト筒状体を積み上げるようにしながら組立てた後、タワーは昇降自在として浮体内部に収容可能としてあるため、組立時はタワーを下降させてナセルや風車ブレードの取付けが行えるため、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２に係る本発明として、前記浮体は、高さ方向に１又は複数のプレキャスト筒状体毎にブロック分けされ、各ブロック内では部材軸方向に同外径断面のプレキャスト筒状体を使用する条件の下で前記プレキャスト筒状体を積み上げ、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記載の洋上風力発電設備の施工方法が提供される。

上記請求項２記載の発明は、浮体に関して、高さ方向に１又は複数のプレキャスト筒状体毎にブロック分けし、各ブロック内では部材軸方向に同外径断面のプレキャスト筒状体を使用する条件の下で前記プレキャスト筒状体を積み上げ、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たものである。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。

以上詳説のとおり本発明によれば、洋上で容易かつ安全に組立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。境界部プレキャスト筒状体１４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。境界部プレキャスト筒状体１４の緊結部構造を示す要部拡大断面図である。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。参考的第２施工方法の施工手順図（その１）である。参考的第２施工方法の施工手順図（その２）である。参考的第２施工方法の施工手順図（その３）である。参考的第２施工方法の施工手順図（その４）である。参考的第２施工方法の施工手順図（その５）である。参考的第２施工方法の施工手順図（その６）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、コンクリート製のプレキャスト筒状体１０、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１０、１２〜１３をＰＣ鋼材により緊結し一体化を図るとともに、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８０ｍ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変断面円筒部１１とからなる。これらバラスト部１０と変断面円筒部１１はすべてコンクリート製のプレキャスト部材とされる。前記変断面円筒部１１は、高さ方向に１又は複数の、図示例では高さ方向に２つのブロックＢ_１，Ｂ_２にブロック分けされ、各ブロックＢ_１〜Ｂ_２内では部材軸方向に同断面のプレキャスト筒状体１２…，１３…を使用する条件の下で、前記プレキャスト筒状体１２、１３を積み上げるとともに、ブロック分けされた境界部に境界部プレキャスト筒状体１４を介在させることにより、高さ方向に段階的に外径寸法が徐々に縮小される変断面形状としたものである。

前記プレキャスト筒状体１２…，１３…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１６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１６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（１３）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（１３）から上方に延長されたＰＣ鋼棒１６，１６…をシース２１、２１…に挿通させながらプレキャスト筒状体１２…（１３…）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１６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１６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１６、１６…を連結したならば、上段となるプレキャスト筒状体１２（１３）のシース２１、２１…に前記ＰＣ鋼棒１６、１６…を挿通させながら積み重ね、前記要領によりＰＣ鋼棒１６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と上段側プレキャスト筒状体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１５やシール材が塗布される。

一方、前記境界部プレキャスト筒状体１４は、図５に示されるように、前記プレキャスト筒状体１２，１３と同様に、部材軸方向に同一断面とされる筒状のプレキャスト部材であり、それぞれの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が、下段側プレキャスト筒状体とほぼ同じ外径寸法とされるとともに、上段側プレキャスト筒状体とほぼ同じ内径寸法とされる断面形状を成す。

壁面内には鉄筋２０の他、相対的に外周側には周方向に適宜の間隔でＰＣ鋼棒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…の下端部はシース拡径部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（図示せず）が複数設けられている。

また、壁面の相対的に内周側には、周方向に適宜の間隔で、境界部プレキャスト筒状体１４の下面側にアンカープレート３０及びナット２９により定着されたアンボンドＰＣ鋼棒２８、２８…が予め埋設されている。このアンボンドＰＣ鋼棒２８の上端は境界部プレキャスト筒状体１４の上面から突出して形成されている。また、前記外周側のシース２１、２１…の位置と、前記アンボンドＰＣ鋼棒２８、２８…との配置は緊張応力の均等化を図るために千鳥状配置とされる。

前記境界部プレキャスト筒状体１４と、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１３との緊結部構造は、下段側プレキャスト筒状体１２側から延長されるＰＣ鋼材１４を該境界部プレキャスト筒状体１４の上面外周部に定着させるとともに、上段側プレキャスト筒状体１３側に延びるＰＣ鋼材（アンボンドＰＣ鋼棒２８）を該境界部プレキャスト筒状体１４の下面内周部に定着させるようにする。

具体的には図６に示されるように、下段側のプレキャスト筒状体１２から上方に延長されたＰＣ鋼棒１６、１６…をシース２１、２１…に挿通させながら境界部プレキャスト筒状体１４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１６、１６…に緊張力を導入し一体化を図る。この際、プレキャスト筒状体１２，１４同士の合わせ面には接着剤１５又はシール材を塗布し、緊張導入力は断面作用力に対して常時ではフルプレストレスになるようにし、暴風時はパーシャルプレストレスとする。また、グラウト注入孔３２からグラウト材をシース２１内に注入するとともに、露出するナット２５部にはキャップ材３１を被せ、内部に防錆処理のためグリース等を充填する。

次に、アンボンドＰＣ鋼棒２８の上端部にカップラー３３を螺合し、上段側のＰＣ鋼棒１６、１６…を連結したならば、プレキャスト筒状体１３のシース２１、２１…に前記ＰＣ鋼棒１６、１６…を挿通させながら積み重ね、前述した要領によりＰＣ鋼棒１６の定着を図り、上段側のプレキャスト筒状体１３を境界部プレキャスト筒状体１４に対して一体的に結合する。前記浮体２では、最上部のプレキャスト筒状体１３の上端は開口のままとしておき、タワー５を収容可能とするための中空部が形成されている。なお、前記アンボンドＰＣ鋼棒２８はボンドとしてもよい。

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。

〔第１施工手順〕
以下、図７〜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）
洋上において、図７(A)に示されるように、先ず最下段のプレキャスト筒状体であるバラスト部１０を浮かべる。次いで、図７〜図９に示されるように、バラスト（海水又は水）の投入により吃水を調整しながら、順次高さ方向にプレキャスト筒状体１２…、１４，１３…をＰＣ鋼材により緊結しつつ積み上げる。図９は浮体２の組立を完了した状態を示したものである。

（第２手順）
図１０に示されるように、浮体２の上部にデッキ３を設置した後、タワー５を立設するとともに、タワー昇降設備８を設置する。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。また、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）
図１１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を下降させた状態で、ナセル６の取付けを行うとともに、２枚の風車ブレード７，７の取付けを行い、次いで図８に示されるように、若干タワー５を引き上げた状態としてから残りの風車ブレード７を取り付ける。
（第４手順）
前記タワー昇降設備８によってタワー５を正規の位置まで上昇させたならば、図１に示すように、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。

〔参考的第２施工手順〕
以下、図１３〜図１８に基づき、前記洋上風力発電設備１の参考的第２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１３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、浮体２内部にタワー５を収容した状態で、最上部のプレキャスト筒状体１３の上端開口は塞がれている。

（第２手順）
図１４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１５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）
図１６に示されるように、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。図１７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１８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、前記タワー昇降設備８によってタワー５を上昇させ、タワー固定用ベース金具３４等（図１参照）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

浮体と、この浮体の上部に設置されるデッキと、このデッキに繋がれた係留索と、前記デッキの上に立設されるタワーと、この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からなり、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、少なくとも施工時に前記タワーは前記デッキ上に設けたタワー昇降設備によって昇降自在とされ、前記浮体内部に収容可能とされる洋上風力発電設備を洋上において組み立てるための施工方法であって、
洋上において、最下段のプレキャスト筒状体を浮かべた後、バラスト投入により吃水を調整しながら、順次高さ方向にプレキャスト筒状体をＰＣ鋼材により緊結しつつ積み上げる第１手順と、
浮体上部にデッキを設置した後、デッキ上にタワーを立設するとともに、タワー昇降設備を設置する第２手順と、
前記タワー昇降設備によってタワーを下降させた状態で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、
前記タワー昇降設備によってタワーを引き上げた後、正規の高さ位置に固定する第４手順とからなる洋上風力発電設備の施工方法。
前記浮体は、高さ方向に１又は複数のプレキャスト筒状体毎にブロック分けされ、各ブロック内では部材軸方向に同外径断面のプレキャスト筒状体を使用する条件の下で前記プレキャスト筒状体を積み上げ、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記載の洋上風力発電設備の施工方法。