JP5181029B2 - 洋上風力発電装置 - Google Patents
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Description
本発明は、洋上風力発電装置風力発電装置に関する。
洋上風力発電装置には、たとえば、特許文献１に示されるように、水深の深い洋上に浮いた状態に設置されるモノポール式と言われるものがある。
これは、風車翼を取り付けられたロータヘッドがナセルに回転可能に取り付けられている。このナセルを支持するタワー部が基礎を介して海底に固定されたものではなく、係留ケーブルにより海底に固定されて所望の海域に浮いた状態となっている。
これは、風車翼を取り付けられたロータヘッドがナセルに回転可能に取り付けられている。このナセルを支持するタワー部が基礎を介して海底に固定されたものではなく、係留ケーブルにより海底に固定されて所望の海域に浮いた状態となっている。
このようなフロート式の洋上風力発電装置では、タワー部が固定されていないので、風向にあわせて風車翼の回転面の方向を調整することができない。このため、風向に対応しやすいダウンウィンド形式が広く用いられている。
また、風向調整ができないので、一般にナセルはタワー部に回転しないように取り付けられている。これにより、タワー部は、風車翼の回転面が風向にあわせて方向を変えるのに伴い自転することになる。したがって、タワー部における風車翼の回転軸線に対応する部分で、風車翼と反対側の部分が常に風上に向いていることになる。
また、風向調整ができないので、一般にナセルはタワー部に回転しないように取り付けられている。これにより、タワー部は、風車翼の回転面が風向にあわせて方向を変えるのに伴い自転することになる。したがって、タワー部における風車翼の回転軸線に対応する部分で、風車翼と反対側の部分が常に風上に向いていることになる。
フロート式の洋上風力発電装置では、風車翼が風を受けると、タワー部は上部が風下側に傾こうとする。これにより、タワー部には、風上側に大きな引張力が、風下側に大きな圧縮力が作用するので、タワー部の風上側の部分および風下側の部分に大きな応力が発生する。
特許文献１に示されるものでは、タワーの強度を担う構造部は中空の円筒形状をしているので、断面でみるといずれの方向にも均一な強度となっている。このため、この部分に外側から張力をかけるテンションレグを設置して、この偏在する応力を緩和するようにしている。
このテンションレグとした場合、テンションレグが伸びてしまい応力の緩和に有効とならない、あるいは、繰り返される伸縮による長期疲労強度による損傷が発生する等、信頼性が低い。このため、テンションレグは頻繁に交換を行うことになるが、その作業は大型船およびクレーン等が必要になるなど、大変な工事となる。
テンションレグという余分な構造を追加する製造コストの増加に加え、運用コストも増加する。
このテンションレグとした場合、テンションレグが伸びてしまい応力の緩和に有効とならない、あるいは、繰り返される伸縮による長期疲労強度による損傷が発生する等、信頼性が低い。このため、テンションレグは頻繁に交換を行うことになるが、その作業は大型船およびクレーン等が必要になるなど、大変な工事となる。
テンションレグという余分な構造を追加する製造コストの増加に加え、運用コストも増加する。
たとえば、円形断面の直径を大きくする、あるいは、板厚を大きくする等によってタワー部の強度を強化して偏在する応力の増加に対応することも考えられる。この場合、タワー部の材料費、機械加工費および輸送費が増加する。
本発明は、上記の課題に鑑み、簡単で安価な構造で偏在する応力に対応でき、強度上の信頼性を維持できる洋上風力発電装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、ロータヘッドを回転自在に支持するナセルと、前記ナセルを支持し、前記ナセルと一体にヨー旋回する支柱と、が備えられている洋上風力発電装置であって、前記支柱の強度を担う構造部は、前記ロータヘッドの回転軸線と前記支柱の延在方向とを含む平面内に含まれる方向の荷重に対する強度が、前記支柱の延在方向を含むその他の平面に含まれる方向の荷重に対する強度よりも高くなるように構成されている洋上風力発電装置である。
本発明の一態様は、ロータヘッドを回転自在に支持するナセルと、前記ナセルを支持し、前記ナセルと一体にヨー旋回する支柱と、が備えられている洋上風力発電装置であって、前記支柱の強度を担う構造部は、前記ロータヘッドの回転軸線と前記支柱の延在方向とを含む平面内に含まれる方向の荷重に対する強度が、前記支柱の延在方向を含むその他の平面に含まれる方向の荷重に対する強度よりも高くなるように構成されている洋上風力発電装置である。
風を受けると支柱は風下側に傾こうとする。これにより、支柱における風車翼の回転軸線に対応する位置にある部分で、風車翼と反対側、すなわち、風上側の部分に大きな引張応力が、風車翼と同じ側、すなわち、風下側の部分に大きな圧縮応力が作用する。ロータヘッドを支持するナセルは、支柱と一体にヨー旋回するように取り付けられているので、風向きが変わってロータヘッドに取り付けられた風車翼が支柱の軸線回りに回転すると支柱もその軸線回りに自転する。これにより、支柱におけるロータヘッドの回転軸線と支柱の延在方向とを含む平面に対応する位置にある部分が常に風向きに沿って位置することになる。
支柱の強度を担う構造部は、ロータヘッドの回転軸線と支柱の延在方向とを含む平面内に含まれる方向の荷重に対する強度が支柱の延在方向を含むその他の平面に含まれる方向の荷重に対する強度よりも高くなるように構成されているので、風車翼が風を受けることにより支柱に作用する大きな曲げ応力は、常に、構造部の強度が高い部分によって安定して支持されることになる。
このように、構造部自体が大きな引張応力および圧縮応力に対応するので、テンションレグ等の追加を必要としない。強度面で信頼性が低く、大掛かりなメンテナンス作業を必要とするテンションレグを用いないので、製造コストおよび運用コストが低減でき、洋上風力発電装置の信頼性を向上させることができる。
このように、構造部自体が大きな引張応力および圧縮応力に対応するので、テンションレグ等の追加を必要としない。強度面で信頼性が低く、大掛かりなメンテナンス作業を必要とするテンションレグを用いないので、製造コストおよび運用コストが低減でき、洋上風力発電装置の信頼性を向上させることができる。
また、支柱の延在方向を含むその他の平面に含まれる方向の荷重に対する強度は、そこにかかる比較的小さい応力に対応した厚さ、材料、断面形状、溶接等とすることができるので、余分な材料等の無駄を省くことができ、その分安価な支柱とすることができる。
言い換えると、本態様は、構造部に使用する材料の許容応力に対する各断面位置の応力比、すなわち、局所的な安全率を略均一化することができる。
言い換えると、本態様は、構造部に使用する材料の許容応力に対する各断面位置の応力比、すなわち、局所的な安全率を略均一化することができる。
上記態様では、前記構造部は、金属製の筒状とされ、前記支柱が延在する方向と直交する断面において、前記ロータヘッドの回転軸線と前記支柱の延在方向とを含む平面の方向の長さが、前記断面のその他の方向の長さよりも長くされていてもよい。
このように、ロータヘッドの回転軸線と支柱の延在方向とを含む平面の方向の長さがその他の方向の長さよりも長くされているので、同じ材料で同じ板厚であれば、長さが長い方向に見た断面係数は長さが短い方向に見た断面係数よりも大きくなる。このため、長さが長い方向と長さが短い方向とに同じ荷重がかかった場合、長さが長い方向は長さが短い方向よりもより大きな応力に耐えることができる。
すなわち、支柱の強度を担う構造部は、ロータヘッドの回転軸線と支柱の延在方向とを含む平面の方向の強度が支柱の延在方向を含むその他の平面に含まれる方向の強度よりも高くなるように構成されていることになる。
すなわち、支柱の強度を担う構造部は、ロータヘッドの回転軸線と支柱の延在方向とを含む平面の方向の強度が支柱の延在方向を含むその他の平面に含まれる方向の強度よりも高くなるように構成されていることになる。
上記態様では、前記構造部は、金属製の筒状とされるとともに周方向に分割された複数の分割部材で形成され、前記ロータヘッドの回転軸線と前記支柱の延在方向とを含む平面と交差する部分の前記分割部材の強度は、前記支柱の延在方向を含むその他の平面と交差する部分の前記分割部材の強度よりも強くされている構成としてもよい。
このように、ロータヘッドの回転軸線と支柱の延在方向とを含む平面と交差する分割部材の強度は、支柱の延在方向を含むその他の平面と交差する部分の分割部材の強度よりも強くされているので、支柱の強度を担う構造部は、ロータヘッドの回転軸線と支柱の延在方向とを含む平面の方向の強度が支柱の延在方向を含むその他の平面に含まれる方向の強度よりも高くなるように構成されていることになる。
上記構成では、前記分割部材の強度は、強度の異なる材料を用いて変化させてもよい。このようにすると、たとえば、同じ厚さの分割部材を用いることができる。
また、上記構成では、前記分割部材の強度は、材料の厚さの違いで変化させてもよい。
さらに、上記構成では、前記分割部材の強度は、材料の強度の違いおよび厚さの違いを組み合わせて変化させるようにしてもよい。
また、上記構成では、前記分割部材の強度は、材料の厚さの違いで変化させてもよい。
さらに、上記構成では、前記分割部材の強度は、材料の強度の違いおよび厚さの違いを組み合わせて変化させるようにしてもよい。
上記態様では、前記構造部の内部空間には、円板状またはドーナツ状であってその外周部が前記構造物の内周部に接合する補強部材が、少なくとも１個備えられているようにしてもよい。
このようにすると、補強部材が構造部の座屈強度を増加させることができる。補強部材は、上下方向に間隔を空けて複数個備えるようにしてもよい。
このようにすると、補強部材が構造部の座屈強度を増加させることができる。補強部材は、上下方向に間隔を空けて複数個備えるようにしてもよい。
上記態様では、前記構造部は、少なくとも一部はコンクリート製とされていてもよい。
コンクリート製であっても、厚さ、鉄筋の密度等を変化させて、上記した内容の強度変化をつけることができる。
構造部は、高さ方向の一部をコンクリート製とし、他の部分を上述の金属製の中空の柱状とし、組み合わせて形成してもよい。
構造部は、高さ方向の一部をコンクリート製とし、他の部分を上述の金属製の中空の柱状とし、組み合わせて形成してもよい。
上記態様の参考例では、前記構造部は、トラス構造とされ、前記支柱が延在する方向と直交する断面において、前記ロータヘッドの回転軸線と前記支柱の延在方向とを含む平面の方向の長さが、前記断面のその他の方向の長さよりも長くされていてもよい。
このように、支柱が延在する方向と直交する断面において、ロータヘッドの回転軸線と支柱の延在方向とを含む平面の方向の長さが、断面のその他の方向の長さよりも長くされているので、同じ材料で同じような構成であれば、その方向の長さが長いほうの断面係数は短いほうのそれよりも大きくなる。
このため、同じ荷重がかかった場合、ロータヘッドの回転軸線と支柱の延在方向とを含む平面の方向に作用する応力は、断面のその他の方向に作用する応力よりも小さくなるので、より大きな応力に耐えることができる。
すなわち、支柱の強度を担うトラス構造の構造部は、ロータヘッドの回転軸線と支柱の延在方向とを含む平面の方向の強度が支柱の延在方向を含むその他の平面に含まれる方向の強度よりも高くなるように構成されていることになる。
このため、同じ荷重がかかった場合、ロータヘッドの回転軸線と支柱の延在方向とを含む平面の方向に作用する応力は、断面のその他の方向に作用する応力よりも小さくなるので、より大きな応力に耐えることができる。
すなわち、支柱の強度を担うトラス構造の構造部は、ロータヘッドの回転軸線と支柱の延在方向とを含む平面の方向の強度が支柱の延在方向を含むその他の平面に含まれる方向の強度よりも高くなるように構成されていることになる。
上記態様の参考例では、前記構造部の外表面または内表面に、前記ロータヘッドの回転軸線と前記支柱の延在方向とを含む平面と平行な平面に延在する少なくとも１つの補強部材が備えられていてもよい。
このように、構造部の外表面または内表面に、ロータヘッドの回転軸線と支柱の延在方向とを含む平面と平行な平面に延在する少なくとも１つの補強部材が備えられているので、支柱の強度を担う構造部は、ロータヘッドの回転軸線と支柱の延在方向とを含む平面の方向の強度が支柱の延在方向を含むその他の平面に含まれる方向の強度よりも高くなるように構成されていることになる。
本発明によれば、風車翼およびナセルを支持する支柱の強度を担う構造部は、ロータヘッドの回転軸線と支柱の延在方向とを含む平面の方向の強度が支柱の延在方向を含むその他の平面に含まれる方向の強度よりも高くなるように構成されているので、製造コストおよび運用コストが低減でき、洋上風力発電装置の信頼性を向上させることができる。
また、支柱の延在方向を含むその他の平面に含まれる方向の荷重に対する強度は、そこにかかる比較的小さい応力に対応した厚さ、材料、断面形状、溶接等とすることができるので、余分な材料等の無駄を省くことができ、その分安価な支柱とすることができる。
また、支柱の延在方向を含むその他の平面に含まれる方向の荷重に対する強度は、そこにかかる比較的小さい応力に対応した厚さ、材料、断面形状、溶接等とすることができるので、余分な材料等の無駄を省くことができ、その分安価な支柱とすることができる。
この発明の一実施形態にかかる洋上風力発電装置について図を参照して説明する。
図１は、本実施形態にかかるフロート式の洋上風力発電装置１の全体概略構成を示す側面図である。
フロート式の洋上風力発電装置１は基礎を介して海底に固定される洋上風力発電装置に比べて比較的水深の深い場所に浮いた状態で設置されるものである。
洋上風力発電装置１には、上下方向（延在方向）に延在するように設置されたタワー部（支柱、構造部）３と、タワー部３の上端部にタワー部３と一体に設置されたナセル５と、ナセル５の端部に、略水平な回転軸線Ｌ周りに回転可能に設けられたロータヘッド７と、ロータヘッド７の回転軸線Ｌ周りに放射状に取り付けられた複数枚の風車翼９と、支柱３の下部に取り付けられた錘であるバラスト１１と、バラスト１１を海底１５に固定する複数のケーブル１３とが備えられている。
図１は、本実施形態にかかるフロート式の洋上風力発電装置１の全体概略構成を示す側面図である。
フロート式の洋上風力発電装置１は基礎を介して海底に固定される洋上風力発電装置に比べて比較的水深の深い場所に浮いた状態で設置されるものである。
洋上風力発電装置１には、上下方向（延在方向）に延在するように設置されたタワー部（支柱、構造部）３と、タワー部３の上端部にタワー部３と一体に設置されたナセル５と、ナセル５の端部に、略水平な回転軸線Ｌ周りに回転可能に設けられたロータヘッド７と、ロータヘッド７の回転軸線Ｌ周りに放射状に取り付けられた複数枚の風車翼９と、支柱３の下部に取り付けられた錘であるバラスト１１と、バラスト１１を海底１５に固定する複数のケーブル１３とが備えられている。
風車翼９に風が当たると、風車翼９にロータヘッド７を回転軸線Ｌ周りに回転させる力が発生し、ロータヘッド７が回転駆動される。
ナセル５の内部には、ロータヘッド７の回転を利用して発電を行うために図示しない増速機構や発電機等の機器類が収納設置されている。
バラスト１１はケーブル１３により海底に固定されており、洋上風力発電装置１はタワー部３等の浮力によって所望の海域に浮いた状態とされている。
ナセル５の内部には、ロータヘッド７の回転を利用して発電を行うために図示しない増速機構や発電機等の機器類が収納設置されている。
バラスト１１はケーブル１３により海底に固定されており、洋上風力発電装置１はタワー部３等の浮力によって所望の海域に浮いた状態とされている。
タワー部３は、強度を担う構造部である鋼製の中空円筒（金属製の筒状）を備えている。また、タワー部３は、構造部とは別に風車翼９に対する風の流れを調整する整流覆いを取り付けるようにしてもよい。
図２は、図１のＸ−Ｘ断面図である。タワー部３は、図２に示されるように、周方向に複数に、たとえば、１２に分割された板部材（分割部材）１７を溶接で接合して形成されている。各板部材１７は、異なる強度の材料で構成された同じ板厚の板材であり、それぞれ円周の一部を構成するように湾曲されている。
図２は、図１のＸ−Ｘ断面図である。タワー部３は、図２に示されるように、周方向に複数に、たとえば、１２に分割された板部材（分割部材）１７を溶接で接合して形成されている。各板部材１７は、異なる強度の材料で構成された同じ板厚の板材であり、それぞれ円周の一部を構成するように湾曲されている。
板部材１７の材料の強度の差異は、たとえば、耐力、引張強度、その他の機械的性質で規定される。また、溶接の強度を考慮する。
複数の板部材１７は、複数の、たとえば、４種類の強度の異なる材料で形成されている。すなわち、強度の高い材料で形成されている順に板部材１７Ａ、板部材１７Ｂ、板部材１７Ｃ、板部材１７Ｄとする。
図２に示されるように最も強度の高い板部材１７Ａは、ロータヘッド７、すなわち、風車翼９の回転軸線Ｌとタワー部３の延在方向である上下方向（図２における紙面に垂直な方向）とを含む平面が通る位置に配置されている。最も強度の低い板部材１７Ｄは、風車翼９の回転軸線Ｌとタワー部３の延在方向である上下方向とを含む平面に対して略直交するタワー部３の旋回中心を含み上下方向に延在する平面が通る位置に配置されている。板部材１７Ｂは、板部材１７Ａに隣接し、板部材１７Ｃは、板部材１７Ｂおよび板部材１７Ｄに挟まれるように配置されている。言い換えると、板部材１７は、横断面において回転軸線Ｌに対応する位置からタワー部３の旋回中心を通って回転軸線Ｌと直交する位置に向けて順次強度が低くなるように配置されている。
複数の板部材１７は、複数の、たとえば、４種類の強度の異なる材料で形成されている。すなわち、強度の高い材料で形成されている順に板部材１７Ａ、板部材１７Ｂ、板部材１７Ｃ、板部材１７Ｄとする。
図２に示されるように最も強度の高い板部材１７Ａは、ロータヘッド７、すなわち、風車翼９の回転軸線Ｌとタワー部３の延在方向である上下方向（図２における紙面に垂直な方向）とを含む平面が通る位置に配置されている。最も強度の低い板部材１７Ｄは、風車翼９の回転軸線Ｌとタワー部３の延在方向である上下方向とを含む平面に対して略直交するタワー部３の旋回中心を含み上下方向に延在する平面が通る位置に配置されている。板部材１７Ｂは、板部材１７Ａに隣接し、板部材１７Ｃは、板部材１７Ｂおよび板部材１７Ｄに挟まれるように配置されている。言い換えると、板部材１７は、横断面において回転軸線Ｌに対応する位置からタワー部３の旋回中心を通って回転軸線Ｌと直交する位置に向けて順次強度が低くなるように配置されている。
このように、ロータヘッド７の回転軸線Ｌに対応する位置、回転軸線Ｌとタワー部３の延在方向である上下方向とを含む平面の方向に対応する位置の板部材１７Ａの強度は、タワー部３の旋回中心を含み上下方向に延在する平面の内、回転軸線Ｌを含まない位置に配置されている板部材１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄの強度よりも高くされているので、タワー部３は、ロータヘッド７と上下方向とを含む平面の方向の強度が上下方向を含むその他の平面に含まれる方向の強度よりも高くなるように構成されていることになる。
タワー部３にかかる曲げ応力は高さの中央部（図２における略海面部近傍）が大きくなるので、ナセル５に近い位置ではそれほど大きくない。このため、断面内で強度を変化させる位置は、海面１９から高さＨＳまでとしている。高さＨＳは、たとえば、海面１９からナセル５までの高さＨの５０〜８０％とされている。なお、海面下の領域においても、断面を変化させた組み合わせとするようにしてもよい。この場合、断面内で強度を変化させる位置は、海面１９から深さＤＳまでとしている。深さＤＳは、たとえば、海面１９からバラスト１１までの深さＤの５０〜８０％とされている。
タワー部３にかかる曲げ応力は高さの中央部（図２における略海面部近傍）が大きくなるので、ナセル５に近い位置ではそれほど大きくない。このため、断面内で強度を変化させる位置は、海面１９から高さＨＳまでとしている。高さＨＳは、たとえば、海面１９からナセル５までの高さＨの５０〜８０％とされている。なお、海面下の領域においても、断面を変化させた組み合わせとするようにしてもよい。この場合、断面内で強度を変化させる位置は、海面１９から深さＤＳまでとしている。深さＤＳは、たとえば、海面１９からバラスト１１までの深さＤの５０〜８０％とされている。
本実施形態では、複数の板部材１７の強度が、それを形成する材料の強度の違いで変化させられているが、これは、たとえば、図３に示されるように、同じ強度の材料で形成し、その厚さの違いで強度を変化させるようにしてもよい。
すなわち、同じ強度の材料であれば、板厚の大きい方が強度は高くなるので、最も厚い板部材１７Ａは、タワー部３の横断面でロータヘッド７の回転軸線Ｌに対応する位置に配置されている。回転軸線Ｌに対応する位置からタワー部３の旋回中心を通って回転軸線Ｌと直交する位置に向けて順次板厚が薄く、すなわち、強度が低くされ、最も薄い板部材１７Ｄは、タワー部３の横断面で回転軸線Ｌに略直交（交差）する位置に配置されている。この場合、厚さの相違による段差は、タワー部３の内周面側に存在するようにしているが、外周面に存在するようにしてもよいし、両方に存在するようにしてもよい。
なお、図３では見やすいように板厚差を大きく記載しているが、実際には、隣接する板部材１７の板厚差は、溶接で接合可能な範囲以内に収められている。
すなわち、同じ強度の材料であれば、板厚の大きい方が強度は高くなるので、最も厚い板部材１７Ａは、タワー部３の横断面でロータヘッド７の回転軸線Ｌに対応する位置に配置されている。回転軸線Ｌに対応する位置からタワー部３の旋回中心を通って回転軸線Ｌと直交する位置に向けて順次板厚が薄く、すなわち、強度が低くされ、最も薄い板部材１７Ｄは、タワー部３の横断面で回転軸線Ｌに略直交（交差）する位置に配置されている。この場合、厚さの相違による段差は、タワー部３の内周面側に存在するようにしているが、外周面に存在するようにしてもよいし、両方に存在するようにしてもよい。
なお、図３では見やすいように板厚差を大きく記載しているが、実際には、隣接する板部材１７の板厚差は、溶接で接合可能な範囲以内に収められている。
また、複数の板部材１７の強度は、形成する材料の強度の違いおよび厚さの違いを組み合わせて変化させるようにしてもよい。
次に、上記の構成からなる洋上風力発電装置１における発電方法についてその概略を説明する。
洋上風力発電装置１は、浮いた状態であるので、風を受けると風車翼９が風下になるようにタワー部３は旋回中心回りに移動させられる。すなわち、風車翼９は、常に、タワー部３に対して風向Ｗの下流側に位置する。
風車翼９に風が当ると、風車翼９には回転軸線Ｌ回りに移動させる力が作用するので、風車翼９が取り付けられたロータヘッド７は回転軸線Ｌ回りに回転する。
このロータヘッド７の回転は、ナセル５に設置された増速機構によって増速されて発電機に伝達され、電力が発電される。
なお、増速機のないタイプの場合には、ロータヘッド７の回転は、直接発電機に伝達され、電力が発電される。
洋上風力発電装置１は、浮いた状態であるので、風を受けると風車翼９が風下になるようにタワー部３は旋回中心回りに移動させられる。すなわち、風車翼９は、常に、タワー部３に対して風向Ｗの下流側に位置する。
風車翼９に風が当ると、風車翼９には回転軸線Ｌ回りに移動させる力が作用するので、風車翼９が取り付けられたロータヘッド７は回転軸線Ｌ回りに回転する。
このロータヘッド７の回転は、ナセル５に設置された増速機構によって増速されて発電機に伝達され、電力が発電される。
なお、増速機のないタイプの場合には、ロータヘッド７の回転は、直接発電機に伝達され、電力が発電される。
このとき、風を受けると風車翼９が風下側に移動して、タワー部３は風下側に傾こうとする。これにより、タワー部３におけるロータヘッド７の回転軸線Ｌを通って上下方向に延在する平面に対応する部分で、風車翼９と反対側、すなわち、風上側の部分に大きな曲げモーメントが作用するので、その部分に大きな応力が発生する。
ロータヘッド７を支持するナセル５は、タワー部３に回転しないように取り付けられているので、風向きが変わると風車翼９が風下になるようにタワー部３は軸線回りに移動させられる。すなわち、タワー部３は、ナセル５と一体にヨー旋回する。
これにより、タワー部３におけるロータヘッド７、すなわち、回転する風車翼９、の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面に対応する部分が常に風向Ｗと一致することになる。
これにより、タワー部３におけるロータヘッド７、すなわち、回転する風車翼９、の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面に対応する部分が常に風向Ｗと一致することになる。
本実施形態では、タワー部３は、回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面に対応する位置の板部材１７Ａの強度が最も高く（それ以外の位置の強度よりも高く）なるように構成されているので、風車翼９が風を受けることによりタワー部３に作用する大きな曲げ応力は、常に、タワー部３の最も強度が高い板部材１７Ａによって安定して支持されることになる。
このように、タワー部３自体が大きな曲げ応力に対応するので、テンションレグ等の追加設備を必要としない。強度面で信頼性が低く、大掛かりなメンテナンス作業を必要とするテンションレグを用いないので、製造コストおよび運用コストが低減できるとともに洋上風力発電装置１の信頼性を向上させることができる。
また、タワー部３におけるタワー部３の旋回中心を含み上下方向に延在する平面の内、タワー部３の旋回中心を通りロータヘッド７の回転軸線Ｌを含まない平面に対応する位置の板部材１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄの強度は、そこにかかる比較的小さい応力に対応した厚さ、材料等とすることができるので、この部分の板部材１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄとして安価な材料で形成する、あるいは小寸法（すなわち、安価）なものを用いることができる。
したがって、余分な材料等の無駄を省くことができ、その分安価なタワー部３とすることができる。
したがって、余分な材料等の無駄を省くことができ、その分安価なタワー部３とすることができる。
各板部材１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄは、それぞれ円周の一部を構成するように湾曲されているが、これは板部材１７１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄを湾曲させずに、たとえば、台形断面とした板部材１７を組み合わせて略円形を形成するようにしてもよい。このようにすると、板部材１７を湾曲させる作業が不要とできるので、製造コストをより安価にすることができる。
本実施形態では、タワー部３の断面形状が円形、すなわち、外形がタワー部３の軸線中心から略均一な長さとされている。これは、たとえば、図４に示されるように、横断面形状がタワー部３の軸線中心から長さが異なるようにしてもよい。
図４に示されるタワー部３は、鋼製の中空の略楕円断面形状とされている。楕円断面の長辺Ｍは、ロータヘッド７の回転軸線Ｌに対応する位置、言い換えれば、ロータヘッド７の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面に含まれる方向に対応する位置とされている。タワー部３は略一定強度の材料を用い、略一定の板厚とされている。
図４に示されるタワー部３は、鋼製の中空の略楕円断面形状とされている。楕円断面の長辺Ｍは、ロータヘッド７の回転軸線Ｌに対応する位置、言い換えれば、ロータヘッド７の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面に含まれる方向に対応する位置とされている。タワー部３は略一定強度の材料を用い、略一定の板厚とされている。
このように、楕円の長辺であるロータヘッド７の回転軸線Ｌに対応する位置の長さは、他の位置、たとえば、タワー部３の軸線中心を通って回転軸線Ｌに直交する短辺の長さよりも長いので、同じ材料で同じ板厚であれば、その方向の断面係数は最も大きくなる。
このため、同じ荷重がかかった場合、ロータヘッド７の回転軸線Ｌに対応する位置に作用する応力は、それ以外の位置の強度よりも小さくなるので、より大きな応力に耐えることができる。
すなわち、タワー部３は、ロータヘッド７の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面に含まれる方向に対応する位置の強度がそれ以外の位置の強度よりも高くなるように構成されていることになる。
このため、同じ荷重がかかった場合、ロータヘッド７の回転軸線Ｌに対応する位置に作用する応力は、それ以外の位置の強度よりも小さくなるので、より大きな応力に耐えることができる。
すなわち、タワー部３は、ロータヘッド７の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面に含まれる方向に対応する位置の強度がそれ以外の位置の強度よりも高くなるように構成されていることになる。
タワー部３は、ロータヘッド７の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面に含まれる方向に対応する位置の強度が最も高くなるように構成されているので、風車翼９が風を受けることによりタワー部３に作用する大きな曲げ応力は、常に、タワー部３の強度が高い部分によって安定して支持されることになる。
このように、タワー部３自体が大きな曲げ応力に対応するので、テンションレグ等の追加設備を必要としない。強度面で信頼性が低く、大掛かりなメンテナンス作業を必要とするテンションレグを用いないので、製造コストおよび運用コストが低減できるとともに洋上風力発電装置１の信頼性を向上させることができる。
このように、タワー部３自体が大きな曲げ応力に対応するので、テンションレグ等の追加設備を必要としない。強度面で信頼性が低く、大掛かりなメンテナンス作業を必要とするテンションレグを用いないので、製造コストおよび運用コストが低減できるとともに洋上風力発電装置１の信頼性を向上させることができる。
そして、タワー部３におけるロータヘッド７の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面に含まれる方向に対応する位置に対応する位置の強度は、断面形状によって高くしているので、その部分の強度を高めるために強度の高い材料あるいは板厚を増加させることが不要とできる。
なお、タワー部３の断面形状は、楕円に限るものではない。たとえば、矩形形状とし、その長辺がロータヘッド７の軸線Ｌ方向に沿うようにしてもよい。また、ロータヘッド７の回転軸線Ｌに対応する位置が長い多角形状としてもよい。
また、最適な強度分布を得るために、板部材17Ａ〜１７Ｄのそれぞれ、もしくは、さらに細分化した塔体断面位置における、疲労荷重、座屈荷重、最大荷重を考慮して、安全率をほぼ同じにするような略楕円の荷重最適断面形状としてもよい。
さらに、図４のような断面形状とし、これに図２および図３に示されるような板部材１７を用いて、その強度および板厚あるいはそのいずれか一方を変化させることとしてもよい。
また、最適な強度分布を得るために、板部材17Ａ〜１７Ｄのそれぞれ、もしくは、さらに細分化した塔体断面位置における、疲労荷重、座屈荷重、最大荷重を考慮して、安全率をほぼ同じにするような略楕円の荷重最適断面形状としてもよい。
さらに、図４のような断面形状とし、これに図２および図３に示されるような板部材１７を用いて、その強度および板厚あるいはそのいずれか一方を変化させることとしてもよい。
なお、本実施形態では、構造部としてのタワー部３は、中空構造とされているが、これに限定されるものではない。たとえば、図５に示されるように、タワー部３の内部空間に、円板状をした補強部材１８を備えるようにしてもよい。
補強部材１８は、上下方向に間隔を空けて複数個備えるようにしてもよい。
このようにすると、補強部材１８がタワー部３の座屈強度を増加させることができる。
補強部材１８は、上下方向に間隔を空けて複数個備えるようにしてもよい。
このようにすると、補強部材１８がタワー部３の座屈強度を増加させることができる。
また、図６に示されるように、タワー部３の内部空間に、ロータヘッド７の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面と平行な平面に延在する補強部材２０を備えるようにしてもよい。
図６では、補強部材２０は回転軸線Ｌを挟んで、それから略等距離の位置に２個備えられている。補強部材２０は、２個に限らず、１個あるいは３個以上備えられてもよい。補強部材２０は回転軸線Ｌを中心として線対称の位置に設けるのが好ましいが、回転軸線Ｌを中心として線対称の位置に限定されるものではない。
このようにすると、タワー部３は、ロータヘッド７の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面の方向の強度が上下方向を含むその他の平面に含まれる方向の強度よりも高くなるように構成されていることになる。
また、補強部材２０は、図７に示されるように、タワー部３の外表面に取り付けるようにしてもよい。
図６では、補強部材２０は回転軸線Ｌを挟んで、それから略等距離の位置に２個備えられている。補強部材２０は、２個に限らず、１個あるいは３個以上備えられてもよい。補強部材２０は回転軸線Ｌを中心として線対称の位置に設けるのが好ましいが、回転軸線Ｌを中心として線対称の位置に限定されるものではない。
このようにすると、タワー部３は、ロータヘッド７の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面の方向の強度が上下方向を含むその他の平面に含まれる方向の強度よりも高くなるように構成されていることになる。
また、補強部材２０は、図７に示されるように、タワー部３の外表面に取り付けるようにしてもよい。
本実施形態では、タワー部３は、鋼製とされているが、これは図８に示されるようにコンクリート製とされてもよい。
タワー部３は、複数のコンクリート製の筒型のセグメント２１を上下に積み重ねて一体化されて形成されている。この際、複数のセグメント２１は、外力に対する耐久性を高めるため、たとえば、ポストテンション方式のプレストレスを導入して一体化される。
タワー部３は、複数のコンクリート製の筒型のセグメント２１を上下に積み重ねて一体化されて形成されている。この際、複数のセグメント２１は、外力に対する耐久性を高めるため、たとえば、ポストテンション方式のプレストレスを導入して一体化される。
各セグメント２１は、ロータヘッド７の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面に含まれる方向に対応する位置からそれと直交する位置に向けて順次厚さが薄くなるように形成されている。鉄筋２３は略均一密度に配置されている。これにより、周方向におけるコンクリートの強度は、図２と同様にロータヘッド７の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面に含まれる方向に対応する位置が最強とされ、それと直交する位置に向けて順次強度が低くなるようにされている。
タワー部３は、ロータヘッド７の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面に含まれる方向に対応する位置の強度が最も高く（それ以外の位置の強度よりも高く）なるように構成されているので、風車翼９が風を受けることによりタワー部３に作用する大きな曲げ応力は、常に、タワー部３の最も強度が高い部分によって安定して支持されることになる。
このように、タワー部３自体が大きな曲げ応力に対応するので、テンションレグ等の追加設備を必要としない。強度面で信頼性が低く、大掛かりなメンテナンス作業を必要とするテンションレグを用いないので、製造コストおよび運用コストが低減できるとともに洋上風力発電装置１の信頼性を向上させることができる。
ここではコンクリートの厚さを変化させて周方向の強度を変化させているが、たとえば、コンクリートを補強する鉄筋２３の密度あるいはその素材等を変化させて強度を変化させてもよい。
本実施形態では、タワー部３は、柱状とされているが、これは図９および図１０に示されるようなトラス構造とされてもよい。
トラス構造は、たとえば、図９に示されるように四隅に上下方向に延在するように設置された支柱材２５と、上下方向に間隔を空けて各支柱材２５の間を補強する略水平に延在するように設定された水平材２７と、各支柱材２５の間を斜めに補強するブレース材２９とで構成されている。支柱材２５、水平材２７およびブレース材２９は、鋼管、型鋼等で構成され、それぞれ引張力・圧縮力に対向させるように配置されている。
トラス構造は、たとえば、図９に示されるように四隅に上下方向に延在するように設置された支柱材２５と、上下方向に間隔を空けて各支柱材２５の間を補強する略水平に延在するように設定された水平材２７と、各支柱材２５の間を斜めに補強するブレース材２９とで構成されている。支柱材２５、水平材２７およびブレース材２９は、鋼管、型鋼等で構成され、それぞれ引張力・圧縮力に対向させるように配置されている。
支柱材２５は、上下方向に複数に分割され、図示しない継手によって接合されている。水平材２７およびブレース材２９は、接続用のブラケットによって支柱材２５に接続されている。
また、工場で支柱材２５の所定長さ単位に水平材２７およびブレース材２９を取り付けたブロックを形成し、それらを建設現場に搬入して、積み重ねてタワー部３を形成するようにしてもよい。
また、工場で支柱材２５の所定長さ単位に水平材２７およびブレース材２９を取り付けたブロックを形成し、それらを建設現場に搬入して、積み重ねてタワー部３を形成するようにしてもよい。
このトラス構造は、図１０に示されるように、それを平面視した場合、ロータヘッド７の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面に含まれる方向に対応する位置、言い換えるとロータヘッド７の回転軸線Ｌに対応する位置の長さが、それと直交する方向に対応する位置の長さよりも長くなるように構成されている。
なお、平面視が図１０のような矩形形状となる例を示しているが、平面視の形状はこれに限定されるものではない。たとえば、回転軸線Ｌに対応する位置の長さが最も長くなる任意の多角形状とされてよい。
なお、平面視が図１０のような矩形形状となる例を示しているが、平面視の形状はこれに限定されるものではない。たとえば、回転軸線Ｌに対応する位置の長さが最も長くなる任意の多角形状とされてよい。
このように、タワー部３を構成するトラス構造は、ロータヘッド７の回転軸線Ｌに対応する位置の長さがそれと直交する方向に対応する位置の長さよりも長くされているので、同じ材料で同じような構成であれば、その方向の長さが長いほうの断面係数は短いほうのそれよりも大きくなる。
このため、同じ荷重がかかった場合、ロータヘッド７の回転軸線Ｌに対応する位置に作用する応力は、それと直交する方向に対応する位置のそれよりも小さくなるので、より大きな応力に耐えることができる。
すなわち、タワー部３は、ロータヘッド７の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面に含まれる方向に対応する位置の強度がそれと直交する方向に対応する位置の強度よりも高くなるように構成されていることになる。
このため、同じ荷重がかかった場合、ロータヘッド７の回転軸線Ｌに対応する位置に作用する応力は、それと直交する方向に対応する位置のそれよりも小さくなるので、より大きな応力に耐えることができる。
すなわち、タワー部３は、ロータヘッド７の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面に含まれる方向に対応する位置の強度がそれと直交する方向に対応する位置の強度よりも高くなるように構成されていることになる。
タワー部３は、タワー部３は、ロータヘッド７の回転軸線Ｌと上下方向とを含む平面に含まれる方向に対応する位置の強度が最も高くなるように構成されているので、風車翼９が風を受けることによりタワー部３に作用する大きな曲げ応力は、常に、タワー部３の強度が高い部分によって安定して支持することができる。
このように、タワー部３自体が大きな曲げ応力に対応するので、テンションレグ等の追加設備を必要としない。強度面で信頼性が低く、大掛かりなメンテナンス作業を必要とするテンションレグを用いないので、製造コストおよび運用コストが低減できるとともに洋上風力発電装置１の信頼性を向上させることができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
１ 洋上風力発電装置
３ タワー部
５ ナセル
７ ロータヘッド
９ 風車翼
１７ 板部材
１８ 補強部材
２０ 補強部材
Ｌ 回転軸線
３ タワー部
５ ナセル
７ ロータヘッド
９ 風車翼
１７ 板部材
１８ 補強部材
２０ 補強部材
Ｌ 回転軸線
Claims (6)
- ロータヘッドを回転自在に支持するナセルと、
前記ナセルを支持し、前記ナセルと一体にヨー旋回する支柱と、が備えられている洋上風力発電装置であって、
前記支柱の強度を担う構造部は、前記ロータヘッドの回転軸線と前記支柱の延在方向とを含む平面内に含まれる方向の荷重に対する強度が、前記支柱の延在方向を含むその他の平面に含まれる方向の荷重に対する強度よりも高くなるように構成されており、
前記構造部は、金属製の筒状とされ、前記支柱が延在する方向と直交する断面において、前記ロータヘッドの回転軸線と前記支柱の延在方向とを含む平面の方向の長さが、前記断面のその他の方向の長さよりも長くされている洋上風力発電装置。 - ロータヘッドを回転自在に支持するナセルと、
前記ナセルを支持し、前記ナセルと一体にヨー旋回する支柱と、が備えられている洋上風力発電装置であって、
前記支柱の強度を担う構造部は、前記ロータヘッドの回転軸線と前記支柱の延在方向とを含む平面内に含まれる方向の荷重に対する強度が、前記支柱の延在方向を含むその他の平面に含まれる方向の荷重に対する強度よりも高くなるように構成されており、
前記構造部は、金属製の筒状とされるとともに周方向に分割された複数の分割部材で形成され、
前記ロータヘッドの回転軸線と前記支柱の延在方向とを含む平面と交差する部分の前記分割部材の強度は、前記支柱の延在方向を含むその他の平面と交差する部分の前記分割部材の強度よりも強くされている洋上風力発電装置。 - 前記分割部材の強度は、強度の異なる材料を用いて変化させる請求項２に記載された洋上風力発電装置。
- 前記分割部材の強度は、材料の厚さの違いで変化させる請求項２または請求項３に記載された洋上風力発電装置。
- 前記構造部の内部空間には、円板状またはドーナツ状であってその外周部が前記構造物の内周部に接合する補強部材が、少なくとも１個備えられている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載された洋上風力発電装置。
- 前記構造部は、少なくとも一部はコンクリート製とされている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載された洋上風力発電装置。
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