JP7234005B2 - 浮体構造物、浮体式風力発電装置及び浮体構造物の製造方法 - Google Patents

浮体構造物、浮体式風力発電装置及び浮体構造物の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、浮体構造物、浮体式風力発電装置及び浮体構造物の製造方法に関し、特に、将来の風車の大型化に適応可能な浮体構造物、浮体式風力発電装置及び浮体構造物の製造方法に関する。
浮体式風力発電装置の分野では、風車の出力（発電容量）が決定した後、風車の詳細設計がなされ、浮体構造物上に配置される上部構造物（風車及びその附帯設備）の総重量が算出され、その総重量に基づいて浮体構造物の設計を行うことが一般的である。
例えば、特許文献１に記載された発明は、風と波浪とによる繰り返し荷重の影響を精度よく見積もって、疲労強度設計に反映させることできる浮体式風力発電装置の設計方法を提供することを目的とするものであるが、段落００２０には、「浮体１は、浮体式風力発電装置１０ａの総重量よりも大きい浮力を発生するように設計されており、浮体式風力発電装置１０ａ全体を水面Ｗに浮かべることができる。」ことが記載されている。
特開２００５－２４０７８５号公報
上述したように、浮体式風力発電装置に用いられる浮体構造物は、上部構造物の総重量を基準に設計されるところ、費用削減の観点から、安全率を含む必要最小限の浮力を発生するように設計される。
ところで、近年、風車の出力（発電容量）は大きくなる傾向にあり、風車の大型化に伴って浮体構造物を設計し直して大型の風車に耐え得る浮体構造物を製造する必要がある。したがって、風車の大型化に伴って浮体式風力発電設備の製造コストも増大するという問題点がある。また、特に浮体式風力発電装置の分野は、発電事業の収益性の観点から更なるコストダウンが必要とされている。
本発明はかかる問題点に鑑み創案されたものであり、風車が大型化した場合であっても風車を交換して設置することができる、浮体構造物、浮体式風力発電装置及び浮体構造物の製造方法を提供することを目的とする。
本発明によれば、実装する第一風車の出力に対して４／３倍以上の大きな出力を有する第二風車を前記第一風車と交換して設置可能な浮力を有する、ことを特徴とする浮体構造物が提供される。
また、本発明によれば、実装する第一風車の出力に対して４／３倍以上の出力を有する第二風車を前記第一風車と交換して設置可能な浮力を有する浮体構造物を備えた、ことを特徴とする浮体式風力発電装置が提供される。
前記浮体構造物は、前記第一風車及び前記第二風車を交換可能に支持する台座を有していてもよい。また、前記浮体構造物は、前記第一風車又は前記第二風車と前記台座との間に配置されるアタッチメントを有していてもよい。また、前記浮体構造物は、少なくとも前記第一風車の耐用年数よりも長い耐用年数を有していてもよい。
また、本発明によれば、実装する第一風車の出力を決定する第一工程と、前記第一風車の出力に対して４／３倍以上の出力を有し、かつ、将来的に実装する可能性のある第二風車の最大出力を決定する第二工程と、前記第二風車を前記第一風車と交換して設置可能な浮体構造物の浮力を算出する第三工程と、前記浮力に基づいて前記浮体構造物を設計する第四工程と、を含むことを特徴とする浮体構造物の製造方法が提供される。
上述した本発明に係る浮体構造物、浮体式風力発電装置及び浮体構造物の製造方法によれば、浮体構造物が、実装する第一風車の出力よりも大きな出力を有する第二風車を設置可能な浮力を有していることから、将来的に風車が大型化した場合であっても浮体構造物を新たに製造することなく、それまで使用していた浮体構造物を利用して大型化した風車を交換して設置することができる。
また、かかる発明により、浮体構造物を使用する年数を長くすることができ、浮体構造物の耐用年数を予めその使用年数に対応させておくことにより、稼働時に要する各年のコスト（償却費）を実質的に低減することができ、簡便に発電収益を改善することもできる。
本発明の一実施形態に係る浮体式風力発電装置を示す全体構成図である。 浮体構造物と第一風車との連結部を示す拡大図であり、（Ａ）は部品展開図、（Ｂ）は断面上面図、を示している。 本発明の一実施形態に係る浮体構造物の製造方法を示すフロー図である。 浮体構造物と第二風車との連結部を示す断面上面図であり、（Ａ）は第一例、（Ｂ）は第二例、を示している。 浮体構造物と風車との連結部の変形例を示す図であり、（Ａ）は第一風車の連結部、（Ｂ）は第二風車の連結部、を示している。
以下、本発明の実施形態について図１～図５（Ｂ）を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の一実施形態に係る浮体式風力発電装置を示す全体構成図である。図２は、浮体構造物と第一風車との連結部を示す拡大図であり、（Ａ）は部品展開図、（Ｂ）は断面上面図、を示している。図３は、本発明の一実施形態に係る浮体構造物の製造方法を示すフロー図である。
本発明の一実施形態に係る浮体式風力発電装置１は、図１に示したように、風を受けて回転駆動することによって発電する第一風車２と、実装する第一風車２の出力よりも大きな出力を有し、将来的に実装する可能性のある第二風車３を設置可能な浮力を有する浮体構造物４と、を備えている。
浮体構造物４の上部構造物である第一風車２は、例えば、タワー２１、ナセル２２及びブレード２３を有している。タワー２１は、ナセル２２及びブレード２３を支持する支柱であり、浮体構造物４の台座４７に連結される。ナセル２２は、内部に発電機を有し、ブレード２３の回転によって電力を発生させる。ブレード２３は、ナセル２２に回転可能に支持されており、風力によって回転駆動するように構成されている。
浮体構造物４は、例えば、セミサブ（セミサブマーシブル：半潜水）型の浮体である。なお、浮体構造物４は、セミサブ型の浮体に限定されるものではなく、バージ型、スパー型、緊張係留式プラットフォーム型等の他の型式の浮体であってもよい。
セミサブ型の浮体構造物４は、例えば、浮体構造物４の中心に配置されるセンターコラム４１と、センターコラム４１の外周に配置される複数（例えば、三本）のサイドコラム４２と、センターコラム４１及びサイドコラム４２の上部に配置されるプラットフォーム４３と、センターコラム４１及びサイドコラム４２を連結する下部ブレース４４と、プラットフォーム４３及びサイドコラム４２を連結する斜めブレース４５と、浮体構造物４を海底に係留する係留索４６と、を備えている。なお、かかるセミサブ型浮体の構造は単なる一例であり、図示した構造に限定されるものではない。
センターコラム４１及びサイドコラム４２は、いわゆるバラストタンクを構成しており、内部の空洞に必要に応じて海水を注排水可能に構成されている。プラットフォーム４３の中心部には第一風車２を設置する台座４７が配置されている。下部ブレース４４及び斜めブレース４５は浮体構造物４の強度を保持する部材である。
台座４７は、例えば、図２（Ａ）に示したように、プラットフォーム４３上に形成された円柱形状又は円板形状の凸部である。台座４７の中心部には、タワー２１に挿通可能な支持軸４７ａが立設されている。また、図示しないが、台座４７の上面には支持軸４７ａを中心にして略放射状に複数のボルト穴が形成されていてもよい。ボルト穴は、台座４７の上面の外周に形成されたフランジ部に形成されていてもよい。なお、図示しないが、台座４７は円柱形状や円板形状以外の形状（例えば、角柱形状等）であってもよい。
タワー２１は、下端部に一定の範囲（高さ）に渡って形成された円筒形状の環状部２１ａと、下端部の縁部に形成されたフランジ部２１ｂと、を備えている。図示しないが、フランジ部２１ｂには、台座４７に形成されたボルト穴にボルト２１ｃ（図２（Ｂ）参照）を螺合可能な複数の開口部が形成されている。フランジ部２１ｂの外形及び開口部は、台座４７上に配置されたボルト穴の位置に適合するように形成される。
ここで、図２（Ｂ）に記載したように、支持軸４７ａの直径をＤ１、環状部２１ａの内径をＤ２、環状部２１ａの外径をＤ３と定義すれば、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３の関係を有している。また、支持軸４７ａは、環状部２１ａに接触せずに挿入することができるように、支持軸４７ａの直径Ｄ１は、一定の強度を保持しつつ、環状部２１ａの内径Ｄ２より十分に小さい大きさに設定されている。
したがって、台座４７上にタワー２１を配置した場合、支持軸４７ａと環状部２１ａとの間には隙間が生じることとなる。そこで、本実施形態に係る浮体式風力発電装置１では、支持軸４７ａの外周に嵌挿されるとともに環状部２１ａの内周に嵌挿されるアタッチメント５を備えている。
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示したように、アタッチメント５は、Ｄ１の内径（正確にはＤ１より僅かに大きい径）及びＤ２の外径（正確にはＤ２より僅かに小さい径）を有する円筒形状の部品である。かかるアタッチメント５は、タワー２１の環状部２１ａと台座４７の支持軸４７ａとの間に配置されていることから、第一風車２と台座４７との間に配置されていると言い換えることもできる。
ところで、上述した浮体構造物４の浮力は、従来、実装される第一風車２の総重量に基づいて設計されていた。したがって、浮体構造物４の耐用年数は一般に第一風車２の耐用年数よりも長いことから、第一風車２の耐用年数によって浮体式風力発電装置１の寿命（耐用年数）が決まってしまうこととなる。また、第一風車２のみを新しい風車に交換するとしても、浮体構造物４の浮力は第一風車２の総重量に基づいて決まっていることから、第一風車２よりも大きな風車を浮体構造物４に搭載することはできない。
一方で、近年、浮体式風力発電装置に求められる出力（発電容量）は年々増加する傾向にある。したがって、浮体式風力発電装置を設置して５～１０年後には、より大型の風車の設置を求められることとなる。風車が大型化すれば、その総重量も増加することとなる。結局、風車の大型化に対応するために、それに見合った浮体構造物を新たに製造しなければならない。
そこで、本実施形態に係る浮体式風力発電装置１では、風車が大型化した場合であっても新たな浮体構造物を製造する必要がないように、実装する第一風車２よりも大きな出力を有する第二風車３の総重量に基づいて必要な浮力を算出し、浮体構造物４を設計・製造している。
すなわち、本実施形態に係る浮体構造物４の製造方法は、図３に示したように、実装する第一風車２の出力を決定する第一工程Ｓｔｅｐ１と、第一風車２の出力よりも大きな出力を有し、かつ、将来的に実装する可能性のある第二風車３の出力を決定する第二工程Ｓｔｅｐ２と、第二風車３を設置可能な浮体構造物４の浮力を算出する第三工程Ｓｔｅｐ３と、算出した浮力に基づいて浮体構造物４を設計する第四工程Ｓｔｅｐ４と、を含んでいる。
例えば、実装する第一風車２の出力（発電容量）が７．５ＭＷ級である場合、数年後には１０ＭＷ級の出力（発電容量）が求められ、５～１０年後には１５ＭＷ級以上の出力（発電容量）が求められるものと予測される。
浮体構造物４の耐用年数が３０～４０年であるとすれば、少なくとも第二風車３として１５ＭＷ級以上の出力（発電容量）を有する風車を想定し、その総重量を算出し、かかる第二風車３を搭載するために必要な浮力を算出することとなる。かかる算出した浮力に基づいて浮体構造物４を設計・製造した場合、第一風車２を実装する際のイニシャルコストは高くなるものの、第一風車２を大型化した第二風車３に交換する際に必要な撤去工事費や製造費等のコストを大幅に削減することができる。
また、例えば、第一風車２及び第二風車３の耐用年数がそれぞれ１０年であるとすれば、浮体構造物４の耐用年数は第一風車２及び第二風車３の耐用年数の総和（２０年）よりも長い耐用年数を有していてもよい。また、将来的に実装される第二風車３の耐用年数は、第一風車２を実装する時点において正確に予測することは困難であることから、浮体構造物４の耐用年数は、第一風車２の耐用年数よりも、例えば、５～１０年程度長い耐用年数であってもよい。すなわち、浮体構造物４は、少なくとも第一風車２の耐用年数よりも長い耐用年数を有する仕様によって設計・製造されている。
ここで、図４は、浮体構造物と第二風車との連結部を示す断面上面図であり、（Ａ）は第一例、（Ｂ）は第二例、を示している。第二風車３は、タワー３１の下端部に環状部３１ａ及びフランジ部３１ｂを有している。環状部３１ａの内径をＤ２′、環状部３１ａの外径をＤ３′と定義すれば、Ｄ１≪Ｄ２′＜Ｄ３′の関係を有している。
図４（Ａ）に示したように、アタッチメント５′は、Ｄ１の内径（正確にはＤ１より僅かに大きい径）及びＤ２′の外径（正確にはＤ２′より僅かに小さい径）を有する円筒形状の部品である。かかるアタッチメント５′は、タワー３１の環状部３１ａと台座４７の支持軸４７ａとの間に配置されていることから、第二風車３と台座４７との間に配置されていると言い換えることもできる。

また、第一風車２から第二風車３に交換する際には、浮体構造物４から第一風車２を撤去した後、アタッチメント５を撤去し、新しいアタッチメント５′を台座４７に設置した後、第二風車３を設置するようにすればよい。なお、タワー３１はボルト３１ｃによって台座４７に連結される。また、風車の交換は一回に限られず、二回、三回と継続して風車を交換して、浮体構造物４を長期間に渡って使用するようにしてもよい。
一般に、風車の大型化に伴ってタワー３１も太くなる傾向にあるが、第二風車３を設置する際の技術力によってはタワー３１の太さが第一風車２のタワー２１の太さよりも細くなる可能性もある。この場合には、例えば、図４（Ｂ）に示したように、アタッチメント５′を肉厚の薄い円筒形状に形成することにより対応することができる。
上述した実施形態では、アタッチメント５，５′を介して支持軸４７ａに環状部２１ａ，３１ａを嵌挿する連結構造であったが、連結構造はかかる構成に限定されるものではない。ここで、図５は、浮体構造物と風車との連結部の変形例を示す図であり、（Ａ）は第一風車の連結部、（Ｂ）は第二風車の連結部、を示している。
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示した変形例では、台座４７には支持軸４７ａが形成されておらず、アタッチメント６を介して第一風車２が台座４７に連結され、アタッチメント６′を介して第二風車３が台座４７に連結される。
図５（Ａ）に示したアタッチメント６は、円錐台形状の外形を有する胴部６１と、胴部６１の上端に配置されフランジ部２１ｂにボルト締結される第一フランジ部６２と、胴部６１の下端に配置され台座４７にボルト締結される第二フランジ部６３と、を備えている。なお、フランジ部２１ｂに形成された開口部、台座４７に形成されたボルト穴及び各部を連結するボルトについては、説明の便宜上、図を省略してある。
図５（Ｂ）に示したアタッチメント６′は、円筒形状の外形を有する胴部６１′と、胴部６１′の上端に配置されフランジ部２１ｂにボルト締結される第一フランジ部６２′と、胴部６１の下端に配置され台座４７にボルト締結される第二フランジ部６３′と、を備えている。なお、フランジ部３１ｂに形成された開口部、台座４７に形成されたボルト穴及び各部を連結するボルトにつては、説明の便宜上、図を省略してある。
このように、第一風車２のタワー２１の下端部構造（環状部２１ａ，フランジ部２１ｂ）に適合した形状のアタッチメント６及び第二風車３のタワー３１の下端部構造（環状部３１ａ，フランジ部３１ｂ）に適合した形状のアタッチメント６′を用いることにより、第一風車２及び第二風車３を浮体構造物４の台座４７に設置することができる。
上述した本実施形態に係る浮体構造物４、浮体式風力発電装置１及び浮体構造物４の製造方法によれば、浮体構造物４が、実装する第一風車２の出力よりも大きな出力を有する第二風車３を設置可能な浮力を有していることから、将来的に風車が大型化した場合であっても浮体構造物４を新たに製造することなく、それまで使用していた浮体構造物４を利用して大型化した第二風車３を交換して設置することができる。
また、上述した本実施形態により、浮体構造物４を使用する年数を長くすることができ、浮体構造物４の耐用年数を予めその使用年数に対応させておくことにより、稼働時に要する各年のコスト（償却費）を実質的に低減することができ、簡便に発電収益を改善することもできる。
本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
１ 浮体式風力発電装置
２ 第一風車
３ 第二風車
４ 浮体構造物
５，５′，６，６′ アタッチメント
２１，３１ タワー
２１ａ，３１ａ 環状部
２１ｂ，３１ｂ フランジ部
２１ｃ，３１ｃ ボルト
２２ ナセル
２３ ブレード
４１ センターコラム
４２ サイドコラム
４３ プラットフォーム
４４ 下部ブレース
４５ 斜めブレース
４６ 係留索
４７ 台座
４７ａ 支持軸
６１，６１′ 胴部
６２，６２′ 第一フランジ部
６３，６３′ 第二フランジ部

Claims (9)

  1. 実装する第一風車の出力に対して４／３倍以上の大きな出力を有する第二風車を前記第一風車と交換して設置可能な浮力を有する、ことを特徴とする浮体構造物。
  2. 前記第一風車及び前記第二風車を交換可能に支持する台座を有する、請求項１に記載の浮体構造物。
  3. 前記第一風車又は前記第二風車と前記台座との間に配置されるアタッチメントを有する、請求項２に記載の浮体構造物。
  4. 少なくとも前記第一風車の耐用年数よりも長い耐用年数を有する、請求項１に記載の浮体構造物。
  5. 実装する第一風車の出力に対して４／３倍以上の出力を有する第二風車を前記第一風車と交換して設置可能な浮力を有する浮体構造物を備えた、ことを特徴とする浮体式風力発電装置。
  6. 前記浮体構造物は、前記第一風車及び前記第二風車を交換可能に支持する台座を有する、請求項５に記載の浮体式風力発電装置。
  7. 前記浮体構造物は、前記第一風車又は前記第二風車と前記台座との間に配置されるアタッチメントを有する、請求項６に記載の浮体式風力発電装置。
  8. 前記浮体構造物は、少なくとも前記第一風車の耐用年数よりも長い耐用年数を有する、請求項５に記載の浮体式風力発電装置。
  9. 実装する第一風車の出力を決定する第一工程と、
    前記第一風車の出力に対して４／３倍以上の出力を有し、かつ、将来的に実装する可能性のある第二風車の最大出力を決定する第二工程と、
    前記第二風車を前記第一風車と交換して設置可能な浮体構造物の浮力を算出する第三工程と、
    前記浮力に基づいて前記浮体構造物を設計する第四工程と、
    を含むことを特徴とする浮体構造物の製造方法。
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