JP2003252288A - 洋上風力発電の浮体式基礎構造物 - Google Patents

洋上風力発電の浮体式基礎構造物

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floating
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 波浪中での動揺特性に優れた浮体式基礎構造
物を提供する。 【解決手段】 発電システム２を洋上で立設支持する浮
体式の基礎構造物１である。基礎構造物１は、発電シス
テム２を立設支持すべく中心軸を鉛直に配置した軸方向
に長い円筒状の主浮体３と、この主浮体３を囲繞するよ
うにトラス５によって主浮体３と一体的に設けられた複
数の従浮体４を備える。発電システム２を立設支持した
状態の主浮体３の下方部分が海中に水没し、従浮体４の
上方部分は海上に位置している。主浮体３の喫水線以下
の喫水部分に、主浮体３の横断面より大径の平板６を可
及的に水平となるように設置する。 【効果】 水深の影響を受けず、海洋地形を全く問題と
せず、洋上風速が増加する傾向の沖合いでも、波浪外力
や風外力等の影響に起因する装置全体の動揺を可及的に
抑制でき、コンパクトな構造で、洋上での建設、運搬が
容易に行える。また、下部に魚類の漁礁効果も付加でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、海底地形を全く問
題にしない洋上風力発電設備における浮体式の基礎構造
物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】自然エネルギーの効果的利用が図られて
いる昨今、風力発電は特に採算性のある試みであるとし
て我国においても目覚ましい勢いで普及している。特に
欧州においては、陸上だけでなく、近年は洋上風力発電
装置の建設が進んでいる。この洋上風力発電は、陸上風
力発電とは異なり、安定的な風量が期待できるばかり
か、騒音や電波他市民生活に支障となる公害の原因とな
らないので、今後、大幅な普及が期待されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これま
で、欧州で実際に稼動している洋上風力発電装置は、何
れもケーソン式（図１０（ａ）参照）、モノパイル式
（図１０（ｂ）参照）、ドルフィン式（図１０（ｃ）参
照）といった海底に設置する形式であることから、水深
が増すにつれて建設作業が困難になって施工費用も急激
に増加するのに加えて、海底地質の影響を大きく受ける
ことになり、水深が２０ｍ程度までの遠浅の水域では建
設が可能であるものの、それ以上の水深の海域での建設
は殆ど不可能である。
【０００4 】従って、我国においても、風力発電設備を
陸上から洋上に建設しようとする傾向が窺えるものの、
我国では欧州と異なり遠浅の海底地形が期待される地域
はわずかであることから、欧州と同様の海底に建設する
形式の基礎構造は採用し難い。
【０００５】本発明は、上記した問題点に鑑みてなされ
たものであり、水深の影響を殆ど受けないばかりか、海
洋地形を全く問題とすることがない洋上風力発電の、特
に波浪中での動揺特性に優れた浮体式基礎構造物を提供
することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る洋上風力発電の浮体式基礎構造物
は、発電システムを立設支持すべく中心軸が鉛直となる
ように配置した軸方向に長い円筒状の主浮体と、この主
浮体を囲繞するようにトラスによって主浮体と一体的に
設けられた複数の従浮体を備え、前記発電システムを立
設支持した状態の主浮体の下方部分が海中に水没し、従
浮体の上方部分は海上に位置させることとしている。そ
して、このようにすることで、水深の影響を殆ど受けな
いばかりか、海洋地形を全く問題とすることがなく、し
かも、波浪中での動揺特性に優れた効果を発揮すること
になる。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明に係る洋上風力発電の浮体
式基礎構造物は、タワーの頂端部に固定されたナセルの
先端にブレードを回転自在に取付けた発電システムを洋
上において立設支持する浮体式の基礎構造物であって、
この基礎構造物は、前記発電システムを立設支持すべく
中心軸が鉛直となるように配置した軸方向に長い円筒状
の主浮体と、この主浮体を囲繞するようにトラスによっ
て主浮体と一体的に設けられた複数の従浮体を備え、前
記発電システムを立設支持した状態の主浮体の下方部分
が海中に水没し、従浮体の上方部分は海上に位置させて
いるものである。
【０００８】本発明に係る洋上風力発電の浮体式基礎構
造物は、主浮体、従浮体の浮力によって、発電機システ
ムを洋上に浮かせているので、水深の影響を殆ど受けな
いばかりか、海洋地形を全く問題とすることがない。し
かも、軸方向に長い円筒状の主浮体を、その中心軸が鉛
直でかつその下方部分が海中に水没状態となるように配
置することで、波浪による水平動と傾斜（回転）の抑制
に優れた効果を発揮するのと共に、複数の従浮体を、そ
の上方部分が海上に位置すべく、前記主浮体を囲繞する
ようにトラスによって一体的に設けることで、定常風荷
重に対して十分な復元力を有するようになるのみなら
ず、波浪による上下動の抑制に対しても優れた効果を発
揮することになる。
【０００９】上記した本発明に係る洋上風力発電の浮体
式基礎構造物において、主浮体の喫水線以下の喫水部分
に、主浮体の横断面より大径の平板を可及的に水平とな
るように設置した場合には、波浪による上下動や傾斜
（回転）の抑制効果が更に良くなる。
【００１０】また、上記した本発明に係る洋上風力発電
の浮体式基礎構造物において、従浮体の喫水線以下の喫
水部分に抵抗板を付設した場合には、波浪による動的な
傾斜（回転）をより一層抑制することができるようにな
る。
【００１１】また、上記した本発明に係る洋上風力発電
の浮体式基礎構造物において、基礎構造物の喫水線より
上方における円周上の対向位置に、少なくとも２基の動
揺抑制部材を移動が可能なように設けた場合には、特に
風による大傾斜の制御が可能になる。
【００１２】そして、上記した本発明に係る洋上風力発
電の浮体式基礎構造物において、前記動揺抑制部材を、
夫々が独立して移動が可能なように構成した場合には、
風による大傾斜の制御が容易に行えるようになる。
【００１３】また、上記した本発明に係る洋上風力発電
の浮体式基礎構造物において、基礎構造物の喫水部分に
動揺制止翼を設けた場合には、波浪による動揺時にはこ
の動揺制止翼の間を海水が自由に通過することで、翼の
先端部が撓み、この先端より放出される渦流れにより翼
の表面の垂直方向の海水力、すなわち、動揺抵抗が増加
することになって、基礎構造物の動揺制止力が更に増加
することになる。
【００１４】この動揺制止翼は、従浮体の外周部分とい
ったように、可及的に基礎構造物の外周側に設けること
で、上記した動揺制止翼を設けた場合の効果がより顕著
になる。
【００１５】また、上記した本発明に係る洋上風力発電
の浮体式基礎構造物において、ブレードの回転によって
発電する発電機システムをナセルの内部に代えてタワー
の内部に配置した場合には、発電システムの重心が低く
なって、更に動揺時の復元特性が良くなる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明に係る洋上風力発電の浮体式基
礎構造物を図１〜図４に示す一実施例に基づいて説明す
る。図１は本発明に係る洋上風力発電の浮体式基礎構造
物を側面から見た概略説明図、図２（ａ）は図１のＡ−
Ａ断面図、（ｂ）は（ａ）図における動揺制止翼の断面
を拡大して示した作用説明図、図３は動揺抑制部材の説
明図で、（ａ）は平面から見た断面図、（ｂ）は（ａ）
のＡ−Ａ断面図、図４は本発明に係る洋上風力発電の浮
体式基礎構造物を備えた発電システムにおける発電機シ
ステム（特にタワー内部構造及びトルク伝達機構）の他
の実施例を説明する図である。
【００１７】図１〜図３において、１はタワー２ａと、
発電機を内蔵し前記タワー２ａの頂端部に固定されたナ
セル２ｂと、このナセル２ｂの先端に回転が自在なよう
に放射状に取付けられたブレード２ｃを備えた発電シス
テム２を洋上において立設支持する本発明に係る浮体式
の基礎構造物であって、以下のような構成を採用してい
る。
【００１８】３は前記発電システム２を洋上に立設支持
する軸方向に長い円筒状の主浮体であり、波浪による水
平動と傾斜（回転）の抑制に優れた効果を発揮させるべ
く、その中心軸が鉛直となるように、例えば前記タワー
２ａと同軸心に取り付けられている。
【００１９】４は前記主浮体３の浮力を補うと共に、波
浪による回転及び傾斜に対する復元力を抑制させるため
に、上方部分が海上に位置すべく設けられた例えば８個
の従浮体であり、前記主浮体３を中心とする同一半径上
の等角度位置に、主浮体３を囲繞するようにトラス５に
よって主浮体３と一体的に取り付けられている。本実施
例では、図１に示したように、海上に位置する上方部分
を逆截頭円錐形に、海中に水没する下方部分を円筒形に
形成することで、波浪による回転及び傾斜に対する復元
力に対して優れた効果を発揮するようにしたものを示し
ている。
【００２０】本発明に係る浮体式の基礎構造物１では、
従浮体４とで前記発電システム２を立設支持した状態の
主浮体３の下方部分が海中に水没するように、主浮体３
と従浮体４の合算浮力を決定することで、重心を低くし
て発電システム２が洋上で転倒しないように復元力を確
保すると共に、波浪や風による変動浮力や動揺を抑制す
る構造にしている。
【００２１】また、本実施例では、上記の主浮体３、従
浮体４の他に、更に以下に説明する平板６、抵抗板７、
動揺抑制部材８ａ，８ｂ、動揺制止翼９を取り付けてい
る。６は主浮体３の横断面より大径の円盤状の平板であ
り、主浮体３の喫水線以下の喫水部分例えば底面に水平
状に設置されている。そして、この平板６を主浮体３に
取付けることにより、波浪による上下動や傾斜（回転）
に対する抑制効果を更に向上させることができるように
なる。
【００２２】７は従浮体４の例えば喫水線位置に付設し
たリング状の抵抗板であり、前記喫水線位置における従
浮体４に例えば外嵌状に取付けられている。この抵抗板
７を付設することで、波浪による傾斜（回転）をより一
層抑制できるようになる。なお、この抵抗板７は必ずし
も全ての従浮体４に付設しなくても良く、また、本実施
例では海水面上にその着力点を設けるよう喫水線に取付
けたものを示したが、喫水線より下方の喫水部分に付設
しても良いことは言うまでもない。
【００２３】８ａ，８ｂは基礎構造物１の喫水線より上
方位置に、移動が可能なように例えば２基設置した動揺
抑制部材であり、無風状態の際には、例えば図２（ａ）
や図３（ａ）に示したように円周上の対向位置に位置せ
しめ、洋上に立設保持した発電システム２のバランスを
とる。
【００２４】そして、この状態で例えば北から南に向け
て風が吹いた場合には、前記した状態のままでは発電シ
ステム２は南に向かって傾くことになるので、動揺抑制
部材８ａ，８ｂを北側に移動させてバランスをとる。こ
の際、２基の動揺抑制部材８ａ，８ｂが共に真北の位置
にくるまで移動させる必要はなく、東西を結ぶ線より北
側に、傾きを防ぐ位置まで移動させればよい。
【００２５】ところで、前記２基の動揺抑制部材８ａ，
８ｂを移動させる機構として、本実施例では、図３に示
したように、従浮体４の上面に対をなすレール１０ａ，
１０ｂを環状に敷設すると共に、これらレール１０ａ，
１０ｂ間に枢支した多数の案内ロール１４上に張設支持
したチェーン１１を何れかの従浮体４に設置した例えば
１基の駆動源１２によって移動させることで、夫々のレ
ール１０ａ，１０ｂの上面と側面に沿って転動するロー
ラ１３ａ，１３ｂを枢支すると共に前記チェーン１１を
固定保持した動揺抑制部材８ａ，８ｂを、レール１０
ａ，１０ｂに沿って移動させるものを示したが、回転方
向変更時のショックを防止するために２基の駆動源で移
動するようにしたり、また、駆動源１２を動揺抑制部材
８ａ，８ｂの移動の邪魔にならない例えばレール１０
ａ，１０ｂの下方に配置する等、移動機構として他の構
成を採用する等の設計変更は任意である。
【００２６】そして、図３に示した例では、前記対をな
すレール１０ａ，１０ｂを内外周に２列に設け、動揺抑
制部材８ａ，８ｂの夫々が独立して移動が可能なように
構成することで、風による大傾斜の制御が容易に行える
ものを示している。なお、対をなすレール１０ａ，１０
ｂは、図３に示した実施例に代えて、同一円周上を上下
に敷設したものでも良い。
【００２７】９は例えば基礎構造物１を構成する全ての
従浮体４の底面における外周部に設置した動揺制止翼で
あり、基礎構造物１が動揺した時には海水が自由に通過
できるように、図２（ａ）、図２（ｂ）に示したよう
に、夫々が適当な間隔を存して設けられている。そし
て、動揺時には、図２（ｂ）に想像線で示したように、
その先端が撓むように柔翼構造となされている。
【００２８】従って、動揺時にはこの動揺制止翼９の間
を海水が自由に通過することで、翼の先端部が撓み、こ
の先端より放出される渦流れにより動揺制止翼９の表面
の垂直方向の流体力、すなわち、動揺抵抗が増加するこ
とになって、基礎構造物１の動揺制止力がさらに増加す
ることになる。なお、このような柔翼構造となすことに
よって、翼根部の応力集中を防ぐことができ、装置の安
全性を増加することができる。
【００２９】なお、図示省略したが、本発明に係る洋上
風力発電の浮体式基礎構造物１には、基礎構造物１を係
留するための係留装置が設置されていることは言うまで
もない。また、本発明に係る洋上風力発電の浮体式基礎
構造物１は重量軽減のため、部分的にＦＲＰで製作する
ことが望ましい。
【００３０】ちなみに、本発明の主浮体３の効果を確認
するために行った実験結果について説明する。図５は実
験に使用したモデルの説明図で、（ａ）は主浮体３が円
盤形状の例、（ｂ）は主浮体３が軸方向に長い円筒状の
底面に大径の平板６を設けた例を示す。
【００３１】規則波に対する周波数応答特性を解析する
ことで、上記モデルの水平動（図６（ａ）参照）、上下
動（図６（ｂ）参照）、傾斜（回転）（図６（ｃ）参
照）の解析を行った。解析に際しては、係留による拘束
は考慮せず、主浮体３は自由に動揺するものとした。
【００３２】図６（ａ）に示した水平動、すなわち、左
右動の振幅Ｘ2 （ｍ）を入射波の振幅ξ0 （ｍ）で除し
た結果を図７に、図６（ｂ）に示した上下動、すなわ
ち、上下動の振幅Ｘ3 （ｍ）を入射波の振幅ξ0 （ｍ）
で除した結果を図８に、図６（ｃ）に示した傾斜（回
転）、すなわち、傾斜（回転）の振幅Ｘ4 （ｒａｄ）を
入射波の波傾斜振幅φ0 （ｒａｄ）で除した結果を図９
に示す。
【００３３】これら図７〜図９より明らかなように、横
軸が１０〜１３秒の間における水平動（図７）、上下動
（図８）、傾斜（回転）（図９）を見ると、水平動と傾
斜（回転）は、図５（ｂ）に示した例（破線）が良好で
あるのに対し、上下動では、図５（ａ）に示した例（実
線）が良好であった。
【００３４】このことから、軸方向に長い円筒状の主浮
体３のみを考えた場合でも、その中心軸が鉛直となるよ
うに配置することで、波浪による水平動と傾斜（回転）
の抑制に優れた効果を発揮させることができるようにな
ることが判る。そして、本発明に係る洋上風力発電の浮
体式基礎構造物１では、前記主浮体３では性能の良くな
かった上下動は、複数の従浮体４を、その上方部分が海
上に位置すべく、前記主浮体３を囲繞するようにトラス
５によって一体的に設けることで改善するのである。
【００３５】本発明に係る洋上風力発電の浮体式基礎構
造物１は上記した実施例に限るものでないことは言うま
でもない。例えば図４に示したように、ブレード２ｃの
回転によって発電する発電機２ｄ等の発電システムをタ
ワー２ａの内部に配置し、ブレード２ｃから発電機２ｄ
までをべべルギア２ｅや動力伝達軸２ｆを介して伝える
ようにした場合には、発電システムの重心が低くなっ
て、更に復元性能が良くなる。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る洋上
風力発電の浮体式基礎構造物によれば、水深の影響を殆
ど受けないばかりか、海洋地形を全く問題とすることが
なく、しかも、洋上風速が増加する傾向にある沖合いに
おいても、波浪外力や風外力等の影響に起因する装置全
体の動揺を可及的に抑制でき、さらに、コンパクトな構
造形式であることから、洋上での発電システムの建設、
運搬が非常に容易に行えるようになる。また、本発明に
係る洋上風力発電の浮体式基礎構造物によれば、その下
部に魚類の漁礁効果も付加することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る洋上風力発電の浮体式基礎構造物
を側面から見た概略説明図である。
【図２】（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は（ａ）
図における動揺制止翼の断面を拡大して示した作用説明
図である。
【図３】動揺抑制部材の説明図で、（ａ）は平面から見
た断面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ−Ａ図である。
【図４】本発明に係る洋上風力発電の浮体式基礎構造物
を備えた発電機システムの発電システムの他の実施例を
説明する図である。
【図５】実験に使用したモデルの説明図で、（ａ）は主
浮体が円盤形状の例、（ｂ）は主浮体が軸方向に長い円
筒状の底面に大径の平板を設けた例を示す図である。
【図６】図５（ａ）に示した例を使用した動揺モードの
説明図で、（ａ）は水平動、（ｂ）は上下動、（ｃ）は
傾斜（回転）の説明図である。
【図７】図５（ａ）及び（ｂ）に示した各例の水平動の
応答を比較した図である。
【図８】図５（ａ）及び（ｂ）に示した各例の上下動の
応答を比較した図である。
【図９】図５（ａ）及び（ｂ）に示した各例の傾斜（回
転）応答を比較した図である。
【図１０】海底設置形式における洋上風力発電装置の基
礎構造物の説明図で、（ａ）はケーソン式、（ｂ）はモ
ノパイル式、（ｃ）はドルフィン式を示す図である。
【符号の説明】
１ 基礎構造物 ２ 発電機システム ２ａ タワー ２ｂ ナセル ２ｃ ブレード ２ｄ 発電機 ３ 主浮体 ４ 従浮体 ５ トラス ６ 平板 ７ 抵抗板 ８ａ 動揺抑制部材 ８ｂ 動揺抑制部材 ９ 動揺制止翼 １２ 駆動源

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 タワーの頂端部に固定されたナセルの先
    端にブレードを回転自在に取付けた発電システムを洋上
    において立設支持する浮体式の基礎構造物であって、こ
    の基礎構造物は、前記発電システムを立設支持すべく中
    心軸が鉛直となるように配置した軸方向に長い円筒状の
    主浮体と、この主浮体を囲繞するようにトラスによって
    主浮体と一体的に設けられた複数の従浮体を備え、前記
    発電システムを立設支持した状態の主浮体の下方部分が
    海中に水没し、従浮体の上方部分は海上に位置している
    ことを特徴とする洋上風力発電の浮体式基礎構造物。
  2. 【請求項２】 主浮体の喫水線以下の喫水部分に、主浮
    体の横断面より大径の平板を可及的に水平となるように
    設置したことを特徴とする請求項１記載の洋上風力発電
    の浮体式基礎構造物。
  3. 【請求項３】 従浮体の喫水線以下の喫水部分に抵抗板
    を付設したことを特徴とする請求項１又は２記載の洋上
    風力発電の浮体式基礎構造物。
  4. 【請求項４】 基礎構造物の喫水線より上方における円
    周上の対向位置に、少なくとも２基の動揺抑制部材を移
    動が可能なように設けたことを特徴とする請求項１〜３
    の何れか記載の洋上風力発電の浮体式基礎構造物。
  5. 【請求項５】 前記動揺抑制部材は、夫々が独立して移
    動が可能なように構成されていることを特徴とする請求
    項４記載の洋上風力発電の浮体式基礎構造物。
  6. 【請求項６】 基礎構造物の喫水部分に、波浪や風によ
    る動揺を抑制するための動揺制止翼を設けたことを特徴
    とする請求項１〜５の何れか記載の洋上風力発電の浮体
    式基礎構造物。
  7. 【請求項７】 ブレードの回転によって発電する発電機
    システムをナセルの内部に代えてタワーの内部に配置し
    たことを特徴とする請求項１〜６の何れか記載の洋上風
    力発電の浮体式基礎構造物。
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