JP7347764B2 - 複合浮体基盤および当該複合浮体基盤を備える浮体式洋上風力発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、水上都市等の構築が可能な複合浮体基盤および当該複合浮体基盤を備える浮体式洋上風力発電設備に関するものである。

近年、洋上空港や水上都市・海上都市（以下、「水上都市」という）等の実現に向けて世界的に技術開発が進められている。
例えば、数千メートルに及ぶ超大型浮体（ＶＬＦＳ：Very Large Floating Structure）を実現するため、１９９５年から２０００年にかけて実海域で、複数の箱型浮体を溶接により接続して超大型浮体基盤を建造する、いわゆるメガフロートの実証実験が行われた。

この実証実験によれば、超大型浮体基盤は、荒い波浪中では、応力集中等の構造的な欠点が指摘されていた。この欠点を補うため、複数の箱型浮体またはセミサブ式（半潜水式）の浮体を可動関節（ヒンジ）で繋ぐことにより、一つの超大型浮体基盤を完成させる案が提案され、水槽実験で荒い波浪中でも安全であることが確認されている。

しかしながら、この浮体基盤は、応力集中等の構造的な問題は解決しているものの、浮体基盤全体が可動関節により変形するため、洋上空港や水上都市等の浮体基盤には適していない。また、いずれの場合も、全域にわたって一様な浮力が働くことが条件であるため、水上都市のように、上載荷重の増減が大きく変化する浮体基盤の場合には、対応が難しいという問題があった。

一方、箱型浮体に代わる空気式浮体（Pneumatic Stabilized Platform）を活用した大型浮体基盤がいくつか提案されている。空気式浮体の構造は様々であるが、浮体を隔壁で区切り、複数の空気室を設けたもの（空気室型）と、底部が開放された複数の浮体モジュールを互いにヒンジやボルト等で繋いだもの（連続底部開放型）とがある。

前者の例としては、空気式円形浮体ブイを目的として、パーティションで８区画に区切るもの（特許文献１）、平面盤の下面周囲に底面を開放させた周枠を気密に設け、水面に設置したとき平面盤に加わる全荷重と均衡を保つような複数の圧縮空気室を平面盤の下面と周枠の内面とで囲まれる内部に設けた水上都市浮遊構造体（特許文献２）、コンクリート製の６角形の隔壁で複数に区切られたセルを設けた空気式浮体（特許文献３）が知られている。

しかし、上記特許文献１～３に記載の浮体は、隔壁で区切られた空気室間の空気の流れが遮断されているという共通点があることから、超大型浮体基盤の構造に適していない。
そこで、超大型浮体基盤に適するものとして、複数の空気室を繋いで空気を流す手法で波力を弱めることにより、超大型浮体基盤を達成する構造として、複数の円柱浮体内部を溶接して繋ぎ、各円柱浮体間に隙間があり、空気を流すことにより波力を削ぐもの（特許文献４）、鋼製の多円柱を連結するもの（特許文献５）が知られている。

また、後者の例としては、空気ポンプで減少する空気を補うようにしたコンクリート製矩形要素連結浮体（特許文献６）、複数の浮体モジュールから形成され、各モジュールは、空気を閉じ込め浮力を与えるためにプラットフォームと側壁とを備え、隣接するモジュールは、空気供給機構とヒンジ機構によって可動式に接続された人工浮き島（特許文献７）、複数のコンテナをボルト等で繋ぎ、水の侵入を防ぐため、内部に膨張式バッグを内蔵した浮体（特許文献８）が知られている。

米国特許第１，６６７，２５５号明細書 特開昭５２-７５８４０号公報 米国特許第５，５２４，５４９号明細書 米国特許第５，３７５，５５０号明細書 国際公開第２００６／００１７９６号パンフレット 米国特許第３，２７６，２０９号明細書 米国特許第５，４２１，２８２号明細書 国際公開第２０１４／１９５５７９号パンフレット

しかしながら、上記特許文献１～８に記載の空気式浮体は、いずれも空気室が水に晒された構造であり、空気室内の空気圧が水圧により高められるため、空気が水に溶け易くなり、空気が水に溶けることによる浮力低下が欠点として挙げられる。また、自由度の高いヒンジ接続される浮体基盤では、上部構造物の傾きや不安定さが生じるという問題がある。
さらに、上記特許文献２に記載の水上都市浮遊構造体、および上記特許文献７に記載の人工浮き島は、いずれも都市規模のインフラ建設には不向きであり、また、生活をする上で重要なライフラインを格納する空間の欠如等の問題がある。

本発明は、上記問題を解決することを課題とし、水上都市の建設等に供するために、波浪の中でも動揺が小さく、かつ、強風等による傾きも小さくでき、空気室内の空気が水に溶けず、容易に建設可能な複合浮体基盤および当該複合浮体基盤を備える浮体式洋上風力発電設備を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するため、複合浮体基盤として、平坦な多角形状の上壁と前記上壁の周縁から下方に延びる側壁とに囲まれ、底部が解放された外殻と、前記外殻の内部に設けられる空気室と、を含む多角形状の浮体モジュールと、前記浮体モジュールを水平に複数並べ、隣接する前記浮体モジュールの辺同士を連結する剛直な接続ユニットと、を備える複合浮体基盤であって、前記浮体モジュールは、前記空気室内を空気層と水層とに仕切る柔軟な膜体を有し、前記膜体は、波形に追従するため、弛ませた状態で周縁が前記外殻の側壁に接合されることを特徴とする構成を採用する。

前記複合浮体基盤の実施形態として、前記浮体モジュールは、前記空気室内の空気層の空気圧を調節する圧力調節ユニットを有する構成を採用し、また、前記接続ユニットは、剛構造の立体トラス梁である構成を採用し、また、前記接続ユニットは、ライフラインの収容スペースを有する構成を採用する。

さらに、浮体式洋上風力発電設備として、前記複合浮体基盤を備える構成を採用し、また、前記複合浮体基盤は、前記浮体モジュールに囲まれる空洞と、前記空洞に設置されるターレット式係留装置と、を有する構成を採用し、また、前記ターレット式係留装置は、外周が前記空洞の周囲に配置される前記浮体モジュールに連結され、前記複合浮体基盤を回転可能に支持するボールベアリングと、前記ボールベアリングの内周に取り外し可能に保持され、係留ラインに接続される円柱コラムと、を有する構成を採用する。

本発明の複合浮体基盤は、上記構成を採用することにより、波浪による動揺や強風による傾きが小さく、安定的な都市規模の複合浮体基盤を安価に建設することができる。
また、本発明の複合浮体基盤は、現場で複数の浮体モジュールを立体トラス梁等の接続ユニットで接続することにより施工できるとともに、施工後は、必要に応じて浮体モジュールを増減することができ、さらに、取り除いた浮体モジュールは、他の現場で再利用することもできる。
また、本発明の複合浮体基盤は、浮体式洋上風力発電設備に利用することで、波浪に対する高い動的安定性と、強風等に対する高い静的安定性と、を併せ持つことができる。

本発明の実施例１に係る浮体モジュールの組立構造を示す斜視図である。 本発明の実施例１に係る浮体モジュールが洋上に浮かぶ状態を示す断面図である。 本発明の実施例１に係る浮体モジュールに接合する膜体を示す図で、（ａ）は接合部を外殻内の上端部に設けた模式図、（ｂ）は接合部を外殻内の下端部に設けた模式図、（ｃ）は接合部を外殻内の中間部に設けた模式図である。 本発明の実施例１に係る浮体モジュールを複数配置し、立体トラス梁で連結する状態を示す複合浮体基盤の模式図である。 図４のＸ１－Ｘ１断面模式図である。 本発明の実施例１に係る複合浮体基盤の建設工程を示す模式図である。 本発明の実施例２に係る複合浮体基盤を利用した洋上風力発電設備を示す図で、（ａ）は平面模式図、（ｂ）は（ａ）のＸ２－Ｘ２断面模式図である。

次に、本発明の複合浮体基盤の具体化した実施形態について、実施例を示した図面を参照して説明する。

図５において、１は水面Ｗに浮かび、水底Ｂから離れた状態に置かれる複合浮体基盤、２は底部が解放され、内部に空気室３が設けられる浮体モジュール、４は隣接する複数の浮体モジュール２同士を連結し、複合浮体基盤１を構築する剛直な接続ユニット、５は複合浮体基盤１の上に建設される建築物等の上部構造物である。

図１および図２に示すように、浮体モジュール２は、平坦な多角形状の床６と、上部に床６を載置する格子状のフランジ７と、上面にフランジ７を介して床６を載置し、上壁８と上壁８の周辺から下方に延びる側壁９とに囲まれ、底部が解放された外殻１０と、頂壁１１と頂壁１１の周縁から下方に延びる周壁１２とに囲まれ、外殻１０の内部に装着されるシールカバー１３と、シールカバー１３の内側の空気室３に接合される柔軟な膜体１４と、を備えている。

本実施例では、外殻１０の上面にフランジ７を載置し、フランジ７に床６を載置しているが、床６およびフランジ７は、必要に応じて設置すればよく、上部構造物５は、外殻１０の強度が十分であれば、上壁８の上に直接建設しても構わないし、また、外殻１０の側壁９は、上壁８の周縁から外方に向けて傾斜しているが、側壁９は、上壁８の周縁から垂下されていても構わない。
さらに、床６および外殻１０は、木材、鉄材、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、コンクリート等を材料として製造することができる。

図２に示すように、浮体モジュール２の空気室３は、柔軟な素材からなる膜体１４により、空気層と水層とに仕切られている。ここで、柔軟な素材とは、ポリエステルやポリプロピレン等の素材であり、空気層と水層との間で波形に追従する機能を持つ。

膜体１４は、波形に追従するため、弛ませた状態で周縁の接合部１４ａがシールカバー１３の周壁１２に接合されることで、波力の衝撃を和らげ、浮体モジュール２の傾きを抑制する。
なお、シールカバー１３は、外殻１０の内部が気密な構造であれば、装着する必要がなく、その際には、膜体１４の周縁の接合部１４ａは、外殻１０の側壁９に接合すればよい。

図３に示すように、浮体モジュール２の外殻１０（またはシールカバー１３）内に空気室３を形成する膜体１４を装着するには、（ａ）のように、側壁９の上端部に膜体１４の接合部１４ａが接合されてもよく、また（ｂ）のように、側壁９の下端部に膜体１４の接合部１４ａが接合されてもよく、さらに、（ｃ）のように、側壁９の中間部に膜体１４の接合部１４ａが接合されてもよい。

また、本実施例では、膜体１４の接合部１４ａは、側壁９または上壁８の内側に接着剤等により貼着するようにしているが、前記接合部１４ａは、側壁９の内側に等間隔で設けた図示しない係止部材に固定するようにしてもよく、膜体１４の周縁は、側壁９に密着されている必要はない。

さらに、図２に示すように、浮体モジュール２は、空気室３内の空気層の空気圧１７を調節する圧力調節ユニット１９として、空気を圧縮する空気ポンプ１６と、空気ポンプ１６からの圧縮空気を空気室３内の空気層に供給する送気管１５とを備えている。
前記圧力調節ユニット１９は、空気室３内の空気層の空気圧１７を調節することにより、空気圧１７と水圧１８とをバランスさせ、浮体モジュール２の浮力を調節するものであり、図５に示す各浮体モジュール２にも、図示しないが、図２と同様の圧力調節ユニットが個別に設けられている。

接続ユニット４は、具体的には、図１および図４に示す鋼鉄製の立体トラス梁等の剛直な構造体で構成され、立体トラス梁等の接続ユニット４が有する空間は、図５に示すように、水道管、ガス管、電線ケーブル等のライフライン４ａを収容するスペースとして利用される。
また、図４に示すように、接続ユニット４は、隣接する多角形状（本実施例では、六角形状）の浮体モジュール２の辺同士を剛直に連結するとともに、大きな力が加わると撓み変形することで、浮体モジュール２の波浪による動揺や強風等による傾きを小さくして安定性を増し、複合浮体基盤１に建設される上部構造物５の傾きや不安定さの課題を解決している。

次に、本実施例の使用態様と作用効果について説明する。
本実施例の複合浮体基盤１は、図６に示すように、（ａ）に示す工程では、図１に示す組み立て構造で、浮体モジュール２を工場で製造し、その際、外殻１０は、プレキャストコンクリートや鋼板のプレス加工等で製造すれば、大量生産が簡単にできる。

その後、（ｂ）に示す工程では、複数の浮体モジュール２を積み重ねて施工現場まで搬送し、（ｃ）に示す工程では、施工現場の水面Ｗに複数の浮体モジュール２を浮かべた後、隣接する多角形状の浮体モジュール２の辺同士を立体トラス梁等の接続ユニット４で連結することにより、図５に示すように、複合浮体基盤１を構築した後、複合浮体基盤１の上に上部構造物５を建設する。

複合浮体基盤１の上に上部構造物５を建設する際に、図５に示すように、浮体モジュール２は、図示しない圧力調節ユニットで空気室３内の空気層の空気圧１７を調節することにより、空気圧１７と水圧１８とをバランスさせて浮力調整することができ、複合浮体基盤１の上部構造物５や建設中の重機等の状況に応じて柔軟な対応が可能である。
具体的には、図５に示す複合浮体基盤１の場合には、各浮体モジュール２の空気層の厚さは、上部構造物５による荷重を考慮して、小さい方からｈ１、ｈ２、ｈ４、ｈ３の順で大きくなるように、各浮体モジュール２の空気層の空気圧１７を圧力調節ユニットで調節することができる。

以上のように、本実施例の複合浮体基盤１は、水面Ｗに浮体モジュール２を複数浮かべ、隣接する多角形状の浮体モジュール２の辺同士を接続ユニット４で連結することにより施工できるので、必要に応じて浮体モジュール２の個数を増減することができ、取り除いた浮体モジュール２を移設して再利用することができる。
また、複合浮体基盤１の上に建設される建築物である上部構造物５は、地面と接していないため、地震の影響を受けにくい。

図５に示すように、複合浮体基盤１の連結部に使用される立体トラス梁等の接続ユニット４によってできる空間は、水道管、ガス管、電線ケーブル等のライフライン４ａを収容するためのスペースとして活用できるので、新たにライフライン４ａの収容スペースを確保する必要がない。

次に、浮体式洋上風力発電設備の浮体として、複合浮体基盤１を利用する第２実施例について説明する。
以下、第１実施例と同一の構成部分には同一の符号を付し、相違点を中心に説明する。

図７において、２０は浮体モジュール２と接続ユニット４とから構成される複合浮体基盤１の上に建設される風力発電用の発電機を備える風車、２１は太陽光発電用の太陽光パネル、２２は浮体モジュール２の下部に設けられる推進用のスラスター、２４は複合浮体基盤１を係留ライン２３を介して水底Ｂに係留するターレット式係留装置であり、発電される電力の送電に必要な送電ケーブルは、立体トラス梁等からなる接続ユニット４の収容スペースに通して複合浮体基盤１の終端まで延長された後、海底ケーブルに接続されて陸上まで送電するようにしている。

ターレット式係留装置２４は、複合浮体基盤１の浮体モジュール２に囲まれる空洞２５に設置され、当該ターレット式係留装置２４は、外周が空洞２５の周囲に配置される浮体モジュール２に連結され、複合浮体基盤１を回転可能に支持するボールベアリング２６と、ボールベアリング２６の内周に取り外し可能に保持され、係留ライン２３に接続される円柱コラム２７と、から構成されている。
なお、ターレット式係留装置２４は、空洞２５の周囲に配置される浮体モジュール２と図示しない梁等で剛直に連結されている。

ターレット式係留装置２４の外側に配置される浮体モジュール２には、円柱コラム２７と噛み合うことにより、複合浮体基盤１の回転を阻止するロック機構２８が設置され、潮流や風力によって複合浮体基盤１がターレット式係留装置２４の周りを勝手に回転しないようにしている。

次に、本実施例の使用態様と作用効果について説明する。
本実施例の浮体式洋上風力発電設備は、まず、浮体モジュール２に囲まれる空洞２５が形成されるように、複合浮体基盤１を図６に示す第１実施例の複合浮体基盤１と同様の工程で構築した後、空洞２５に図示しない梁等を介してターレット式係留装置２４を設置し、ターレット式係留装置２４を係留ライン２３により水底Ｂに係留する。

次に、複合浮体基盤１に加わる荷重を考慮して、特定の浮体モジュール２の上に風車２０および太陽光パネル２１をそれぞれ設置するとともに、風車２０で発電される電力の送電用ケーブルを接続ユニット４の収容スペースに収容し、複合浮体基盤１を備える浮体式洋上風力発電設備が完成する。

本実施例の浮体式洋上風力発電設備は、浮体モジュール２の下部に推進用のスラスター２２をバランス良く複数配置することで、複合浮体基盤１は、ロック機構２８によるターレット式係留装置２４のロック状態を解除した際に、ターレット式係留装置２４の周りを自由に回転できるため、風向や太陽光の射角に合わせて風車２０や太陽光パネル２１が設置される複合浮体基盤１の回転を制御することができる。
この際、スラスター２２を回転駆動する電動モーターの電源として、太陽光パネル２１や風力発電で発電された電力を利用することができる。

さらに、台風等の非常時には、浮体式洋上風力発電設備は、ターレット式係留装置２４から円柱コラム２７を取り外すことで、浮体式洋上風力発電設備を安全な場所へ曳航することにより退避することができる。
また、浮体式洋上風力発電設備は、ターレット式係留装置２４により水底Ｂに一点係留されているので、係留ライン２３が絡むおそれはない。

以上のように、本実施例の複合浮体基盤１を備える浮体式洋上風力発電設備によれば、複合浮体基盤１の波浪および強風に対する安定性と、必要に応じて回転および移動が可能なことで、様々な天候状況に合わせて安定的な発電が可能となる。

本発明の複合浮体基盤は、水上都市や洋上風力発電、石油掘削等、様々な目的に合わせた利用が可能で、特に浮体式洋上風力発電設備は、脱炭素エネルギー技術として、世界的にも注目されており、国内外の企業がすでに事業に参画している状況であるが、水深が深い洋上での風力発電の安定性や位置保持が課題になっており、本発明による複合浮体基盤は、多方面の利用が期待できる。

Ｂ 水底
Ｗ 水面
ｈ１、ｈ２、ｈ３、ｈ４ 空気層の厚さ
１ 複合浮体基盤
２ 浮体モジュール
３ 空気室
４ 接続ユニット（立体トラス梁）
４ａ ライフライン
５ 上部構造物
６ 床
７ フランジ
８ 上壁
９ 側壁
１０ 外殻
１１ 頂壁
１２ 周壁
１３ シールカバー
１４ 膜体
１４ａ 接合部
１５ 送気管
１６ 空気ポンプ
１７ 空気圧
１８ 水圧
１９ 圧力調節ユニット
２０ 風車
２１ 太陽光パネル
２２ スラスター
２３ 係留ライン
２４ ターレット式係留装置
２５ 空洞
２６ ボールベアリング
２７ 円柱コラム
２８ ロック機構

Claims (7)

1. 平坦な多角形状の上壁と前記上壁の周縁から下方に延びる側壁とに囲まれ、底部が解放された外殻と、前記外殻の内部に設けられる空気室と、を含む多角形状の浮体モジュールと、
   前記浮体モジュールを水平に複数並べ、隣接する前記浮体モジュールの辺同士を連結する剛直な接続ユニットと、を備える複合浮体基盤であって、
   前記浮体モジュールは、前記空気室内を空気層と水層とに仕切る柔軟な膜体を有し、
   前記膜体は、波形に追従するため、弛ませた状態で周縁が前記外殻の側壁に接合されることを特徴とする複合浮体基盤。
2. 前記浮体モジュールは、前記空気室内の空気層の空気圧を調節する圧力調節ユニットを有する請求項１に記載の複合浮体基盤。
3. 前記接続ユニットは、剛構造の立体トラス梁である請求項１または２に記載の複合浮体基盤。
4. 前記接続ユニットは、ライフラインの収容スペースを有する請求項１～３のいずれか１項に記載の複合浮体基盤。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の複合浮体基盤を備える浮体式洋上風力発電設備。
6. 前記複合浮体基盤は、前記浮体モジュールに囲まれる空洞と、前記空洞に設置されるターレット式係留装置と、を有する請求項５に記載の浮体式洋上風力発電設備。
7. 前記ターレット式係留装置は、外周が前記空洞の周囲に配置される前記浮体モジュールに連結され、前記複合浮体基盤を回転可能に支持するボールベアリングと、前記ボールベアリングの内周に取り外し可能に保持され、係留ラインに接続される円柱コラムと、を有する請求項６に記載に浮体式洋上風力発電設備。

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