JP5838439B2 - 浮体式洋上風力発電装置の設置工法および撤去工法とその構造 - Google Patents

Description

本発明は、洋上の海域に設置される浮体式洋上風力発電装置の設置工法および撤去工法とその構造に関するものである。

従来、洋上の海域は、陸上や浅海域に比べて風況が良好であるため、風力発電の立地に適している。そのような洋上に設置される風力発電装置は、経済性等の観点から実績のある着底式よりも浮体式の構造形式の方が有利である。前記浮体式の風力発電施設は、発電時のブレード回転に伴って作用する大きな水平力や転倒モーメントに対して十分な安定性を保持するとともに、発電効率が低下しないように浮体の動揺量を極力抑えるようにしている。このような浮体式風力発電施設としては、テンションレグ式があり、風車を支持する中央コラムと外側コラム、それを係留するテンドン（係留索）と、大型のシンカー（錘）装置とから構成されている（特許文献１参照）ものが知られている。

上記テンションレグ式の浮体式風力発電施設は、浮体とシンカーにあらかじめ大きな初期張力を鉛直方向に作用させた状態で係留する方式であるため、緩係留方式よりも浮体の動揺量を低減でき、且つ、比較的占有面積を小さくできる等の利点がある。洋上での構築においては、大型シンカー設置後、ウインチ等の引張装置を用いてテンドンに初期張力を作用させた状態で固定する。テンドンを支えるシンカーは、一般的に大型で大重量の構造となるため、重量を分散させるために分割した構造とする場合が多く（特許文献２参照）、図９に示すような構造が知られている。

特開２０１０−１８１２９号公報 特開２０１０−６４６４９号公報 特開２０１０−１１５９７８号公報

従来の浮体式洋上風力発電装置の構造においては、例えば、分割したシンカーでは、図９に示すように、テンドン５の設置角度が鉛直となるように、シンカー４，４同士の相対距離を高精度で保持しながらシンカー４を設置しなければならない。しかし、波浪条件の悪い洋上では起重機船などの現有作業船を用いて大型のシンカー４を高い精度で設置するのは困難である。

また、シンカーを沈設させる方法においては、シンカー設置後の浮体とシンカーとの連結、連結後の緊張、などの作業用に別途設備を用意しなければならず、長期の施工期間を要し経済性に欠ける。更に、浮体とシンカーとの位置関係を保ちながらの浮体の固定が困難である。

このほか、シンカーを浮体の上から直接設置する方法が特許文献３に記載のように知られているが、シンカーの重量が大きい場合には設置のシンカー重量を保持するカウンターが不足する可能性がある。また、補助設備には大型の施設が必要となって、経済性に劣るとともに作業時の安全性が低くなる等の課題がある。更に、外洋に設置される浮体式洋上風力発電装置は、落雷や塩害などによりブレードやナセルが損傷して電力供給できなくなる場合があり、早急に交換・修理等する必要があるが、外洋では大型機械やクレーン等の使用が制限されるとともに、船の動揺によって高所作業が危険となり実質的に困難であるという課題がある。本発明に係る浮体式洋上風力発電装置の設置工法および撤去工法とその構造は、このような課題を解決するために提案されたものである。

本発明に係る浮体式洋上風力発電装置の設置工法の上記課題を解決して目的を達成するための要旨は、浮体の全部を内部に収納するように上部が全面開口し底部にバラストタンクを設けた有底筒体のシンカーを形成し、該シンカーを海に浮かべた後に浮体を前記シンカーの底部に載置し、前記シンカーと浮体とを係留索で連結し、前記シンカーを曳航して所定の位置まで移動し、前記シンカーの有底筒体の内部空間に一次注水して当該内部空間を均等に注水して水中に沈降させるとともに前記浮体を浮かせ、前記シンカーが海底に着底した後に前記バラストタンクに２次注水し、前記係留索を緊張させて浮体式洋上風力発電装置を設置することである。

また、前記シンカーは、閉塞された内部空間をシンカー周縁部に形成して全体として有底筒体に形成されており、浮体を有底筒体の内部空間に設置する前に、前記周縁部の内部空間にコンクリートが打設されること、更に前記バラストタンクが、シンカーの中央部に寄せて当該シンカーと係留索との連結部の位置よりも内側に配設されていることを含むものである。

本発明に係る浮体式洋上風力発電装置の撤去工法の要旨は、浮体の全部を内部に収納するように上部が全面開口し底部にバラストタンクを設けた有底筒体のシンカーを形成し、該シンカーを海に浮かべた後に浮体を前記シンカーの底部に載置し、前記シンカーと浮体とを係留索で連結して前記シンカーを曳航して所定の設置位置まで移動させ、該シンカーを海底に着底させて浮体式洋上風力発電装置を設置した後、前記シンカーのバラストタンクの水を該バラストタンクに海上から空気注入することによって一次排水し、その後、前記係留索で前記シンカーを引き上げ、前記引き上げられたシンカーの有底筒体の内部空間から水を二次排水して前記浮体の下部を当該シンカーの有底筒体の底部に載置させ、前記シンカーを船で曳航して前記所定の設置位置から浮体式洋上風力発電装置を撤去することである。

本発明の浮体式洋上風力発電装置の設置工法とその構造によれば、シンカーが浮体の曳航用台船と浮体用錘とに兼用されているので、浮体曳航用の台船等が不要となって便宜であり、コストの低減となる。また、シンカーには、有底筒体の内部に水を注入するだけでよいので、簡易な引張装置で沈設させることができて、錘の運搬及び据え付けが容易となり施工性も向上する。更に、２次注水用のバラストタンクもシンカーの中央部に寄せて設けられるので、当該シンカーの安定性が向上する。また、シンカーの底面には脚部が複数設けられるので、海底面との接触面積が小さくなって、海底面の不陸や凹凸の形状に対応し易くなり、シンカーを安定させて海底に設置できる、等と言う優れた効果を奏するものである。
本発明に係る浮体式洋上風力発電装置の撤去工法により、簡易な作業で確実に且つ容易に撤去作業を行うことができる。

本発明に係る浮体式洋上風力発電装置の構造を示す説明用断面図（Ａ）と、一次注水を行うことを示す使用状態説明図（Ｂ）とである。 本発明に係る浮体式洋上風力発電装置に一次注水を行って、沈降する状態の断面図（Ｃ）と、着底した状態の説明図（Ｄ）とである。 同本発明の浮体式洋上風力発電装置の構造における、１次注水、２次注水によるシンカーの重量変位を示す説明図である。 シンカーの他の実施例を示す説明用の断面図である。 シンカーにおける２次注水用のバラストタンクの他の実施例を示す平面図（Ａ）〜（Ｄ）である。 本発明の実施例４に係る浮体式洋上風力発電装置の設置工法を示す説明図（Ａ）〜（Ｃ）である。 同本発明の実施例４に係る浮体式洋上風力発電装置の設置工法を示す説明図（Ａ）〜（Ｂ）である。 同本発明の実施例４に係る浮体式洋上風力発電装置の設置工法を示す説明図（Ａ）〜（Ｂ）である。 本発明に係る浮体式洋上風力発電装置１の撤去工法の手順を示す説明図である。 従来例に係る浮体式洋上風力発電装置１ａの概略使用状態を示す説明図である。

本発明に係る浮体式洋上風力発電装置１の構造は、図１−Ａに示すように、曳航用台船と浮体用錘とを兼用するシンカーによって実現されるものである。

本発明に係る浮体式洋上風力発電装置１は、図１−Ａ（Ａ）に示すように、発電装置２と、該発電装置２を支持する浮体３と、該浮体３を係留するシンカー４と、前記浮体３に一端部が繋着され他端部が前記シンカー４に繋着され緊張・張設されて前記浮体２の位置及び姿勢を安定させる係留索５とでなるものである。

前記発電装置２は、風車と発電機とで成る。該発電装置２は、中央浮体３ａと外側浮体３ｂとでなる浮体（コラムとも言う）３によって支持される。この浮体３は、前記中央浮体３ａと外側浮体３ｂとが連結部材３ｃによってトラス状に組み立てられている。

前記シンカー４は、前記浮体３を内部に載置して収納するように有底筒体に形成され、且つ、前記有底筒体の底部４ａ（図１−Ｂ参照）と前記浮体３における外側浮体３ｂとが係留索（テンドンとも言う）５によって連結されている。このシンカー４は、上部が全面開口した有底筒体に形成されているので、海上においては前記発電装置２及び浮体３をその内部空間４ｆに設置した状態でも、浮力により浮いており、曳航船６で曳くための係止部（図示せず）が設けられており、更には、有底筒体内部に水を注水するための注水口４ｄ（図１−Ａ（Ｂ）参照）が設けられている。なお、浮体式風力発電装置１の撤去時には２次排水される。このように、前記上部が全面開口した有底筒体の内部空間４ｆの一部が１次注水・２次排水用の容器として使用され、且つ、曳航時に前記浮体３を当該内部空間４ｆに収納するのである。

前記外側浮体３ｂには、係留索５を巻き付けておくドラム（図示せず）と、緊張させるセンターホールジャッキ等のジャッキ（図示せず）が設けられている。

前記シンカー４には、図１−Ａに示すように、海底の着底時に該シンカー４の安定性を向上させる２次注水用で、浮体式洋上風力発電装置１の撤去時には１次排水されるバラストタンク４ｂが一つ又は二つ以上設けられている。

更に、前記シンカー４の底面４ｃには、海底７に向かって突出した脚部８が複数個で垂設されている。この脚部８は、金属製若しくはコンクリート製で矩形状若しくは台形状の形状をしているが、特にこれに限定するものではない。この脚部８は、海底７の不陸に対応させるためのものである。

以上のようにして形成される浮体式洋上風力発電装置１の使用方法を説明する。まず、図１−Ａ（Ａ）に示すように、浮体３などを載置したシンカー４を曳航船６で所定の場所まで曳航する。

次に、図１−Ａ（Ｂ）に示すように、シンカー４の有底筒体に設けた注水口４ｄから水を入れる。図示したように、上部が全面開口された当該有底筒体の内部空間４ｆに、浮体３が収納され載置された状態のままで１次注水するものである。なお、注水口は、シンカー４の底部４ａに設けても良いが、この場合には、止水性に留意して、注入弁等を高精度に開閉しなければならない。これにより、浮力に抗してシンカー４が次第に沈んでいく。

図１−Ｂ（Ａ）に示すように、前記シンカー４の内部空間４ｆに水を入れることで前記浮体３から離隔して海中に沈み、やがて海底７に着底する。シンカー４の底面４ｃに脚部８があることで、海底７に３箇所若しくは４カ所の脚部８で支持されて、海底７の凹凸形状に影響されずに、シンカー４が水平に保たれる。

図１−Ｂ（Ｂ）に示すように、更に、２次注水用バラストタンク４ｂに水を注水することで、シンカー４の安定性が向上する。この２次注水作業は、潜水夫による作業であるが、そのほか、遠隔操作により電磁弁等で注水口を開閉するようにしても良い。この２次注水で、図２に示すように、シンカー４の重量が設計重量となるものである。

前記２次注水用バラストタンク４ｂは、他の実施例として、図３に示すように、有底筒体の底部４ａの中に埋設した構造にすることもできる。また、予め底部４ａの空間部を隔壁によって複数個に区画してバラストタンク４ｂ，４ｂ，・・・を形成することもできる。なお、前記隔壁を設ける場合には、当該隔壁に連通孔を設けて各隔室間の水位の調整が不要になるようにする。この底部４ａに、シンカー４の中央部に寄せて２次注水用バラストタンク４ｂを設けることで、このシンカー４を水中に沈設させる際に、シンカー４の中央部に浮力が働きシンカー４の周縁部に連結されたテンドン５でシンカー４の重量を支持するので、多少揺れても安定してシンカー４が支持され沈降するようになる。

このほか、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、前記２次注水用バラストタンク４ｂの形状に関して、（１）：シンカー４の形状に沿って三角形に配置したもので、シンカー４の内部に埋設した場合（図４（Ａ））、（２）：円形状のシンカー４に対して別個のタンクを三角形状に埋設し互いにタンクを連通させた場合（図４（Ｂ））、（３）：円形状のシンカー４の形状に沿って同様な円形状にして埋設した場合（図４（Ｃ））、（４）：矩形状のシンカー４の形状に沿って矩形状にして配置した場合（図４（Ｄ））のように、種々、態様がある。いずれにしても、前記２次注水用バラストタンク４ｂは、シンカー４の中央部に近い位置に設けるようにする。また、シンカー４の底部４ａに埋設するばかりでなく、底部４ａの上に２次注水用バラストタンク４ｂを設けるようにしても良い。このように、シンカー４は浮体３の曳航用台船と浮体用錘とに兼用されているものである。

本発明の実施例４に係る浮体式洋上風力発電装置の設置工法を図面に沿って説明する。
まず、図５（Ａ）に示すように、浮体３の全部を内部に収納するように上部が全面開口した有底筒体のシンカー４を形成する。該シンカー４は、周縁部の閉塞された内部空間４ｇを有する金属製体によって、全体として有底筒体に形成されている。金属製体としては、例えば、鋼製である。

また、図５（Ａ）に示すように、浮体３をシンカー４である有底筒体の内部空間４ｆに設置する前に、前記金属製体の周縁部における閉塞された内部空間４ｇにコンクリートが打設される。そして、図５（Ｂ），（Ｃ）に示すように、前記シンカー４を海に浮かべた後に浮体３を前記シンカー４の底部に載置し、前記シンカー４と浮体３とを係留索５で連結しておく。発電装置２を浮体３に結合させ、浮体式洋上風力発電装置１を形成する。

次に、図６（Ａ）に示すように、前記シンカー４を曳船６で曳航して所定の位置まで移
動し、図６（Ｂ）に示すように、前記シンカー４の有底筒体の内部空間４ｆに一次注水する。続いて図７（Ａ）に示すように、前記内部空間４ｆに均等に１次注水してシンカー４を水中に沈降させるとともに前記浮体３を水中に浮かせる。

図７（Ｂ）に示すように、前記シンカー４が海底７に着底した後にバラストタンク４ｂに２次注水する。前記係留索５を緊張させる。各中央浮体３ａ、外側浮体３ｂの傾き調整を行って前記係留索５の調整をする。このようにして浮体式洋上風力発電装置１を設置するものである。

前記浮体式洋上風力発電装置１の撤去工法は、図８で上から下へ順に示すように、前記本発明に係る浮体式洋上風力発電装置１を所定の設置位置まで移動させ、シンカー４を海底に着底させて前記浮体式洋上風力発電装置１を所定の位置に設置した後、前記シンカー４のバラストタンク４ｂの水を、コンプレッサーを有した曳航船６等で、海上から注入パイプを介し前記バラストタンク４ｂに空気注入することによって一次排水する。排水側の曳航船６等では、一例として排水パイプに真空ポンプ等を接続して、前記バラストタンク４ｂの水を排水させる。

その後、前記係留索５をジャッキ等で引くことで前記シンカー４を引き上げ、更に、前記引き上げられたシンカー４の有底筒体の内部空間から水を二次排水して、前記浮体式洋上風力発電装置１における浮体３の下部を当該シンカー４の有底筒体の底部４ａに載置させる。そして、前記シンカー４を曳航船６等で内湾の護岸に曳航して前記所定の設置位置から浮体式洋上風力発電装置１を撤去する。その後、内湾の護岸にてブレード等の交換作業等を行うものである。

本発明に係る浮体式洋上風力発電装置の構造は、海や湖沼，河川において浮体物を係留させる装置等に広く適用できるものである。

１ 浮体式洋上風力発電装置、 １ａ 従来の浮体式洋上風力発電装置、
２ 発電装置、
３ 浮体、 ３ａ 中央浮体、
３ｂ 外側浮体、 ３ｃ 連結部材、
４ シンカー、 ４ａ 底部、
４ｂ ２次注水用バラストタンク、４ｃ 底面、
４ｄ 注水口、 ４ｅ 側壁、
４ｆ 内部空間、 ４ｇ 周縁部の閉塞された内部空間、
５ 係留索（テンドン）、
６ 曳航船、
７ 海底、
８ 脚部。

Claims (4)

1. 浮体の全部を内部に収納するように上部が全面開口し底部にバラストタンクを設けた有底筒体のシンカーを形成し、該シンカーを海に浮かべた後に浮体を前記シンカーの底部に載置し、前記シンカーと浮体とを係留索で連結し、
   前記シンカーを曳航して所定の位置まで移動し、
   前記シンカーの有底筒体の内部空間に一次注水して当該内部空間を均等に注水して水中に沈降させるとともに前記浮体を浮かせ、
   前記シンカーが海底に着底した後に前記バラストタンクに２次注水し、
   前記係留索を緊張させて浮体式洋上風力発電装置を設置すること、
   を特徴とする浮体式洋上風力発電装置の設置工法。
2. シンカーは、閉塞された内部空間をシンカー周縁部に形成して全体として有底筒体に形成されており、浮体を前記有底筒体の内部空間に設置する前に、前記周縁部の内部空間にコンクリートが打設されること、
   を特徴とする請求項１に記載の浮体式洋上風力発電装置の設置工法。
3. バラストタンクが、シンカーの中央部に寄せて当該シンカーと係留索との連結部の位置よりも内側に配設されていること、
   を特徴とする請求項１または２に記載の浮体式洋上風力発電装置の設置工法。
4. 浮体の全部を内部に収納するように上部が全面開口し底部にバラストタンクを設けた有底筒体のシンカーを形成し、該シンカーを海に浮かべた後に浮体を前記シンカーの底部に載置し、前記シンカーと浮体とを係留索で連結して前記シンカーを曳航して所定の設置位置まで移動させ、該シンカーを海底に着底させて浮体式洋上風力発電装置を設置した後、
   前記シンカーのバラストタンクの水を該バラストタンクに海上から空気注入することによって一次排水し、
   その後、前記係留索で前記シンカーを引き上げ、
   前記引き上げられたシンカーの有底筒体の内部空間から水を二次排水して前記浮体の下部を当該シンカーの有底筒体の底部に載置させ、
   前記シンカーを船で曳航して前記所定の設置位置から浮体式洋上風力発電装置を撤去すること、
   を特徴とする浮体式洋上風力発電装置の撤去工法。

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