JP7313212B2 - 洋上施設用浮体構造物及びその設置構造 - Google Patents

Description

本発明は、例えば洋上に浮かべた風車等の洋上施設を備えた洋上施設用浮体構造物及びその設置構造に関する。

風力発電装置は世界的に導入普及が進んでいる。近年では、従来の陸上風力発電装置のみならず、 海洋上に風車を含む風力発電装置を設置した洋上風力発電装置が急成長している。洋上風力発電装置は陸上風力発電装置と比較して、風の乱れが小さく大型風車の導入が容易であり、景観や騒音等への影響が小さいといったメリットがある。

洋上風力発電装置は、海底に直接風力発電装置を設置する着床式と、海上に浮体として浮かべて鎖やワイヤ等で固定した浮体式とがある。海面から海底まで水深５０メートルを超える場合、設置コストや発電効率の面から浮体式の風力発電装置の方が好適とされているが、波などの気象条件の影響を受け易いというデメリットがある。さらに浮体式は、縦長で低重心化するスパー型と、水平方向に支え部を配設したセミサブ型との２つの洋上風力発電装置が実用化されている。

現行の洋上風力発電装置では、大型風車は強風や波浪等によって生じる大きな傾きに耐え得る設計になっていない。図１０に示す浮体構造物１００は、風力発電装置１０１を備えた中央浮体１０２とその周囲に設けた複数の外側浮体１０３とが連結部材１０４によって互いに連結されている。そのため、洋上で風や波浪を受けると浮体構造物１００全体が傾いてしまうことになるため、風や波浪による傾斜を数度以内に抑制できる安定性の確保が求められている。

また、特許文献１に記載されたセミサブ型の洋上施設用浮体構造物は、セミサブ型の中央浮体とその周囲に配設された３つの外側浮体とを備え、中央浮体と外側浮体とが第１連結部材によって放射状に連結され、外側浮体同士が第２連結部材によって連結されている。そして、水深が浅い区域では喫水を浅くし水深が深い区域では喫水を深くするようバラストを調整して、浮体構造物の動揺を抑制して安定性を確保している。

特開２０１０－２８０３０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された洋上施設用浮体構造物は、中央浮体と外側浮体が第１連結部材と第２連結部材によって互いに剛結合されている。そのため、中央浮体または外側浮体が上下動すると他の外側浮体や中央浮体が引っ張られて傾斜し、浮体構造物全体が傾斜してしまう。そのため、洋上において浮体構造物を水深の深い区域に設置すると、喫水を深くしたとしても風や波浪によって傾斜してしまうという問題があった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、水深の深さに関わらず風や波浪によって洋上施設が大きく傾斜することを抑制できるようにした洋上施設用浮体構造物及びその設置構造を提供することを目的とする。

本発明による洋上施設用浮体構造物は、洋上施設を備えたセミサブ型の中央浮体と、中央浮体の周囲に配設された３つ以上のセミサブ型の外側浮体と、中央浮体と前記外側浮体をそれぞれ揺動可能に連結する内側連結部材と、隣り合う外側浮体同士を連結する外側連結部材と、を備え、外側連結部材は、両側の外側浮体に剛結合された少なくとも１つの第一外側連結部材と、両側の外側浮体と揺動可能に保持された第二外側連結部材とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、外側浮体を剛結合した第一外側連結部材を波の進行方向に略直交する方向に配設することで、高波を受けた際に第一外側連結部材及びその両側に固定された外側浮体が一体に上下動し、中央浮体や他の外側浮体は揺動可能な第二外側連結部材や内側連結部材を介して個々に順次上下動するため、中央浮体や他の外側浮体に引っ張られて傾斜することがなく、洋上施設用浮体構造物は鉛直性を維持できる。

洋上施設は風力発電機であることが好ましい。
また、中央浮体と外側浮体は略円弧版状のセグメントを組み合わせてそれぞれ円筒状に形成されていてもよい。
セグメントを組み合わせて円筒状に形成したものを中央浮体や外側浮体として採用できる。

また、外側浮体は４つ以上配設され、外側浮体を両側で剛結合した第一外側連結部材が対向して一対配設され、他の外側連結部材は第二外側連結部材であることが好ましい。
高波を受けた際に、前側の第一外側連結部材及びその両側に固定された外側浮体が一体に上下動し、次いで中央浮体の上下動を介して対向する後側の第一外側連結部材及びその両側に固定された外側浮体が一体に上下動する。これらの動作に連動して一対の第二外側連結部材が上下方向に傾斜して揺動することで、一対の第一外側連結部材及び外側浮体が順次上下動する動作を許容する。そのため、洋上施設用浮体構造物は傾斜することがなく鉛直性を維持できる。

また、中央浮体は筒状の補強支持体で囲われており、補強支持体は下部から上部に向けて拡径するテーパ状に形成され、中央浮体は補強支持体に挿入された部分がテーパ状に形成されていてもよい。
洋上施設を有する中央浮体のテーパ状部分はテーパ状の補強支持体に納まるため、安定して支持できる。

本発明による洋上施設用浮体構造物の設置構造は、上述した洋上施設用浮体構造物において、第一外側連結部材を洋上で波の進行方向に直交する向きに配設したことを特徴とする。
本発明によれば、洋上施設用浮体構造物の第一外側連結部材を波の進行方向に直交する向きに配設したため、第一外側連結部材及び剛結した外側浮体に続いて中央浮体と他の外側浮体を個々に上下動させることができて、高波による洋上施設用浮体構造物の傾斜を抑制できる。

本発明による洋上施設用浮体構造物及びその設置構造は、外側浮体と剛結した外側連結部材を波の方向に略直交する向きに配設することで、風や波浪が大きくても洋上施設用浮体構造物が傾斜することを抑制して安定して鉛直性を保持できる。

本発明の実施形態による洋上風力発電装置の正面図である。 図１に示す洋上風力発電装置の側面図である。 洋上風力発電装置の平面図である。 内側連結部材と中央浮体との連結構造を示すもので、（ａ）は要部分解図、（ｂ）は連結状態の要部平面図である。 高波を受けた洋上風力発電装置をＡ-Ａ線方向から見た図である。 洋上風力発電装置の浮体基礎部をＢ-Ｂ線方向から見た図である。 高波を受けた洋上風力発電装置をＢ-Ｂ線方向から見た図である。 変形例による洋上風力発電装置の平面図である。 中央浮体及び補強支持体の変形例を示す図である。 従来の洋上風力発電装置の側面図である。

以下、本発明の実施形態による洋上風力発電装置１について添付図面により説明する。
図１～図７は本発明の実施形態による洋上風力発電装置１を示すものである。図１乃至図３に示す洋上風力発電装置１は、海上や湖上等に設置して浮遊状態で使用するセミサブ型の洋上施設用浮体構造物である。セミサブ型とは洋上風力発電装置１が水中に一部没した半潜水型または半没水型の装置である。

この洋上風力発電装置１は例えば海上に設置されており、上部に風車２を有するタワー５が連結された例えば円柱型の中央浮体３と、中央浮体３の周囲に配設された例えば円柱型の４つの外側浮体４とを備えている。風車２の羽根の回転による風力発電機は風車２内に設置してもよいし、陸地に設置してもよい。
中央浮体３及び外側浮体４は一般的に鋼製であるが、コンクリート製でもよい。中央浮体３及び外側浮体４は、例えば四角形板状で略円弧版状に湾曲されたセグメントを継手を介してリング状に連結すると共に上下方向に連結することで構築してもよい。セグメントは鋼製セグメント、ＲＣセグメントのいずれで製作してもよい。風車２を設けたタワー５も同様にセグメントで構築してもよい。

図３において、４本の外側浮体４は例えば中央浮体３を中心に置いた正方形の各角部に相当する位置に設置されている。中央浮体３の外周面は所定長さに亘って円筒状の補強支持体６によって覆われている。この場合、補強支持体６は中央浮体３に固定ボルト等で連結されていることが好ましい。
しかも、中央浮体３の補強支持体６と４つの外側浮体４とは内側連結部材７によってそれぞれ連結されている。また、隣接する外側浮体４同士は外側連結部材８によってそれぞれ連結されている。図３において、各外側浮体４は波が押し寄せる右側上から外側浮体４ａ、外側浮体４ｂ、外側浮体４ｃ、外側浮体４ｄで示すことがある。なお、中央浮体３及び外側浮体４と、これらを互いに連結する内側連結部材７及び外側連結部材８は浮体基部９を構成する。内側連結部材７及び外側連結部材８は例えば鋼製とされている。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、内側連結部材７は例えば棒状の鋼材からなり、その両端部に補強支持体６または外側浮体４にそれぞれ連結するための貫通孔７ａを有する第一連結片７ｂが形成されているが、図では一方の第一連結片７ｂのみを開示している。補強支持体６及び外側浮体４には突起状の固定部１０が連結され、固定部１０の端部には断面略コの字状に突出する２片に貫通孔１０ａを有する第二連結片１０ｂが形成されている。

そして、第一連結片７ｂを第二連結片１０ｂのコの字状凹部内に嵌合させて貫通孔７ａと貫通孔１０ａをほぼ同軸に配列させ、軸部１１を貫通させて揺動可能に保持する。軸部１１が各貫通孔７ａ、１０ａから外れないように両端にフランジ部１１ａを設けている。そのため、補強支持体６と外側浮体４は内側連結部材７を介して互いに連結され且つ互いに揺動可能とされている。４つの外側浮体４と中央浮体３の補強支持体６とは、それぞれ内側連結部材７を介して軸部１１を中心に互いに揺動可能に支持されている。中央浮体３及び補強支持体６と外側浮体４は高波を受けた場合でも個別に上下動可能とされている。

また、４つの外側浮体４間の連結機構において、一方の対向する外側連結部材８は直接２つの外側浮体４ａ及び４ｂ、４ｃ及び４ｄにそれぞれ剛結合され、波を受けた場合には一体に上下動するように構成されている。他方の対向する外側連結部材８は内側連結部材７と同様にその両端が軸部１１を介して固定部１０と接続され、軸部１１を中心に２つの外側浮体４同士が個別に揺動可能とされている。
これら両側の外側浮体４ａ及び４ｂ、４ｃ及び４ｄと剛結合された１組の外側連結部材８を第一外側連結部材８Ａとする。両側の外側浮体４ａ及び４ｃ、４ｂ及び４ｄの各固定部１０とそれぞれ軸部１１を介して揺動可能に支持された他の１組の外側連結部材８を第二外側連結部材８Ｂとする。

しかも、中央浮体３及び４つの外側浮体４にはそれぞれバラストが封入されており、波浪をうけても洋上でそれぞれ垂直状態に保持されている。バラストの封入量は必要に応じて調整する。
そして、海上の波は海上から浜、湾等の陸地に向かって略直角の方向に送られてきており、特に大きい波は海側から陸地に向かって平行に流れる。洋上に洋上風力発電装置１を設置する際、外側浮体４同士を剛結合した１組の第一外側連結部材８Ａを波の方向に略直交する向きに設置している。また、洋上風力発電装置１はワイヤを介してアンカーを海底に埋設してその波の進行方向に対する第一外側連結部材８Ａの向きが変わらないように設定することが好ましい。なお、洋上風力発電装置１を浅瀬に設置する場合にはアンカーを設置しなくてもよい。

本実施形態による洋上風力発電装置１は上述の構成を有しており、次にその使用方法について説明する。
上述したように、洋上風力発電装置１は海上に設置する際、外側浮体４同士を剛結合した１組の第一外側連結部材８Ａを波の方向に略直交する向きに設置している。そして、風を受けると風車２の羽根が回転し、風車２の回転を受けて風車２内または陸地に設けた不図示の風力発電機で発電することで風力発電を行える。

洋上風力発電装置１は、海上の波が穏やかで波の影響が小さい場合には、図１及び図６に示すように、波が外側浮体４ａ及び４ｂ同士、４ｃ及び４ｄ同士を剛結合した１組の第一外側連結部材８Ａに略直交する方向に進んで外側浮体４ａ及び４ｂと剛結合された第一外側連結部材８Ａと中央浮体３を順次乗り越える。その際、外側浮体４ａ、４ｂと中央浮体３は上下方向に揺動し、一対の第一外側連結部材８Ａによってそれぞれ剛結合された２組の外側浮体４同士は第一外側連結部材８Ａと一体に順次上下動する。

また、２組の外側浮体４a、及び４ｃ同士、４ｂ及び４ｄ同士をそれぞれ軸部１１を中心に揺動可能に支持する第二外側連結部材８Ｂは、個々に上下方向に揺動する。これと同時に、中央浮体３及び各外側浮体４を接続する内側連結部材７は軸部１１に対して個々に上下方向に揺動する。しかも、波の進行方向に直交する一対の第一外側連結部材８Ａ及び外側浮体４ａ及び４ｂ、外側浮体４ｃ及び４ｄは一体に上下動するため、バランスを崩さない。
そのため、１つの外側浮体４や中央浮体３の上下動に他の外側浮体４が引っ張られて傾斜することを防止できる。中央浮体３と各外側浮体４は傾きが小さく且つ個々に上下動するため、風車２を含む洋上風力発電装置１は垂直状態を保持できる。

また、強風や悪天候等により波が大きく高波となった場合、図５に示すように、外側浮体４ａ及び４ｂ同士を剛結合した前方の第一外側連結部材８Ａに略直交する方向に高波が進んで外側浮体４ａ、４ｂ及び前方の第一外側連結部材８Ａを一体に乗り越える。次いで中央浮体３を乗り越える。その際、外側浮体４ａ、４ｂと中央浮体３は上下方向に大きく揺動する。その後、後方の第一外側連結部材８Ａによって剛結合された外側浮体４ｃ及び４ｄは後方の第一外側連結部材８Ａと一体に上下方向に大きく揺動する。
そのため、外側浮体４ａ及び４ｃ、４ｂ及び４ｄ同士を軸部１１を介して揺動可能に支持する２組の第二外側連結部材８Ｂは上下方向に大きく傾斜して揺動する。これと同時に、図７に示す各外側浮体４及び中央浮体３を連結する内側連結部材７も軸部１１を介して上下方向に大きく傾斜して揺動する。
従って、波が小さい場合と大きい場合のいずれでも中央浮体３と各外側浮体４は傾きを抑えた状態で上下動するため内側連結部材７と第二外側連結部材８Ｂだけが傾斜し、風車２を含めて洋上風力発電装置１は傾きを抑制できる。

上述したように本実施形態による洋上風力発電装置１は、外側浮体４ａ及び４ｂ、４ｃ及び４ｄをそれぞれ剛結合した一対の第一外側連結部材８Ａを波の進行方向に略直交する方向に対向させて配設し、軸部１１を介して揺動可能な第二外側連結部材８Ｂを波の進行方向に配設した。そのため、悪天候で高波が発生したとしても中央浮体３と周囲の４つの外側浮体４が傾きを抑えて垂直性を維持して個々に上下に揺動するため、軸部１１を介して傾斜可能な第二外側連結部材８Ｂと内側連結部材７が傾斜して追従し、洋上風力発電装置１の傾斜を抑制して安定して変位し鉛直性を維持できる。

以上、本発明の実施形態による洋上風力発電装置１について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜の変更や置換等が可能であり、これらはいずれも本発明に含まれる。以下に、本発明の変形例等について説明するが、上述の実施形態と同一または同様な部分、部材には同一の符号を用いて説明を省略する。

図８は本発明の変形例による洋上風力発電装置１Ａを示すものである。
図８に示す洋上風力発電装置１Ａは、中央浮体３の周囲に３つの外側浮体４が配設され、これら３つの外側浮体４は互いに外側連結部材８で連結されている。しかも、１本の第一外側連結部材８Ａはその両端部で外側浮体４ａ、４ｂに固定され、剛結合されている。他の２本の第二外側連結部材８Ｂは、上述の実施形態と同様に、その両端部が各２つの外側浮体４ａ及び４ｃ、４ｂ及び４ｃに固定された固定部１０と軸部１１を介してそれぞれ接続されている。
また、３つの外側浮体４ａ、４ｂ、４ｃと中央浮体３はそれぞれ固定部１０を設けており、外側浮体４ａ、４ｂ、４ｃの固定部１０と中央浮体３の固定部１０とがそれぞれ軸部１１を介して内側連結部材７の両端と連結されている。

本変形例では、洋上風力発電装置１Ａを海上に設置する際、両側の外側浮体４ａ、４ｂを剛結合する第一外側連結部材８Ａを波の進行方向に略直交する方向に配設し、これに対向する１つの外側浮体４ｃを陸地側に配設する。そして、洋上風力発電装置１Ａが高波を受けた場合、第一外側連結部材８Ａ及びその両側の外側浮体４ａ、４ｂが一体に上下動し、その後方の中央浮体３と残りの外側浮体４ｃが個別に上下動する。２本の第二外側連結部材８Ｂはそれぞれ軸部１１を介して上下方向に揺動する。
そのため、本変形例においても、洋上風力発電装置１Ａは、高波が発生したとしても中央浮体３と周囲の３つの外側浮体４ａ、４ｂ、４ｃが傾きを抑えて鉛直性を維持して上下動する。そのため、第二外側連結部材８Ｂと内側連結部材７が上下方向に傾斜して追従し、洋上風力発電装置１Ａの傾斜を抑制して安定して変位して鉛直性を維持できる。

次に、図９により風車２を備えた中央浮体３の変形例について説明する。図９に示すように、中央浮体３は上側に対して下側が縮径されたテーパ状に形成され、この中央浮体３を収納する補強支持体６も上側が拡径されたテーパ状に形成されている。この構成により、風車２を備えた中央浮体３は補強支持体６内に自重で嵌合して安定的に支持される。

なお、上述した実施形態や変形例では、風車２等の洋上施設を保持する中央浮体３の周囲に３つまたは４つの外側浮体４を配設して内側連結部材７と外側連結部材８によって互いに連結して支持するものとした。しかし、本発明による洋上風力発電装置１、１Ａでは外側浮体４を５つ以上配設して内側連結部材７及び外側連結部材８で連結してもよい。この場合、少なくとも１組または対向する２組の両側に外側浮体４を固定した第一外側連結部材８Ａを設けて、この第一外側連結部材８Ａを波の進行方向に略直交する方向に配設すればよい。

上述した実施形態等では、洋上風力発電装置１、１Ａの設置構造として、外側浮体４を両側に剛結合する第一外側連結部材８Ａが波の進行方向に対して略直交する方向を向くように、アンカーを海底に設置するものとした。しかし、必ずしもアンカーを設置する必要はない。
また、上述した実施形態や変形例では、洋上施設用浮体構造物として洋上風力発電装置１、１Ａについて説明したが、本発明はこのような装置に限定されない。例えば、海洋掘削装置や石油・ガス生産設備等の各種の洋上施設にも適用できる。

１ 洋上風力発電装置
２ 風車
３ 中央浮体
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 外側浮体
６ 補強支持体
７ 内側連結部材
８ 外側連結部材
８Ａ 第一外側連結部材
８Ｂ 第二外側連結部材
１０ 固定部
１１ 軸部

Claims (6)

1. 洋上施設を備えたセミサブ型の中央浮体と、
   前記中央浮体の周囲に配設された３つ以上のセミサブ型の外側浮体と、
   前記中央浮体と前記外側浮体をそれぞれ揺動可能に連結する内側連結部材と、
   隣り合う前記外側浮体同士を連結する外側連結部材と、を備え、
   前記外側連結部材は、両側の前記外側浮体に剛結合された少なくとも１つの第一外側連結部材と、両側の前記外側浮体と揺動可能に保持された第二外側連結部材とを備え、
   前記内側連結部材及び前記外側連結部材は、鋼製とされており、
   前記内側連結部材は、両端が水平な軸部を介して前記中央浮体と前記外側浮体とにそれぞれ接続され、
   前記第二外側連結部材は、両端が水平な軸部を介して隣り合う前記外側浮体にそれぞれ接続されている、
   ことを特徴とする洋上施設用浮体構造物。
2. 前記洋上施設は風力発電機である請求項１に記載された洋上施設用浮体構造物。
3. 前記中央浮体と前記外側浮体は略円弧版状のセグメントを組み合わせてそれぞれ円筒状に形成されている請求項１または２に記載された洋上施設用浮体構造物。
4. 前記外側浮体は４つ以上配設され、前記外側浮体を両側で剛結合した前記第一外側連結部材が対向して一対配設され、他の前記外側連結部材は前記第二外側連結部材である請求項１から３のいずれか１項に記載された洋上施設用浮体構造物。
5. 前記中央浮体は筒状の補強支持体で囲われており、前記補強支持体は下部から上部に向けて拡径するテーパ状に形成され、前記中央浮体は前記補強支持体に挿入された部分がテーパ状に形成されている請求項１から４のいずれか１項に記載された洋上施設用浮体構造物。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載された洋上施設用浮体構造物において、
   前記第一外側連結部材を洋上で波の進行方向に直交する向きに配設したことを特徴とする洋上施設用浮体構造物の設置構造。

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