JP5738642B2

JP5738642B2 - 洋上風力発電設備の施工方法

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Publication number: JP5738642B2
Application number: JP2011067676A
Authority: JP
Inventors: 郁佐藤; 小林　修; 修小林
Original assignee: Toda Corp
Current assignee: Toda Corp
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: JP2012201217A

Description

本発明は、比較的水深の深い海上に設置されるスパー型の洋上風力発電設備の施工方法に関する。

従来より、主として水力、火力及び原子力発電等の発電方式が採用されてきたが、近年は環境や自然エネルギーの有効活用の点から自然風を利用して発電を行う風力発電が注目されている。この風力発電設備には、陸上設置式と、水上(主として海上)設置式とがあるが、沿岸域から後背に山岳地形をかかえる我が国の場合は、沿岸域に安定した風が見込める平野が少ない状況にある。一方、日本は四方を海で囲まれており、海上は発電に適した風が容易に得られるとともに、設置の制約が少ないなどの利点を有する。そこで、近年は洋上風力発電設備に浮体構造が多く提案されている。

例えば、下記特許文献１では、上下の蓋体と、これらの間に連続的に設置された筒状のプレキャストコンクリートブロックとがＰＣ鋼材で一体接合されてなる下部浮体と、該下部浮体にＰＣ鋼材で一体接合された、上記プレキャストコンクリートブロックよりも小径なプレキャストコンクリートブロックと上蓋とからなる上部浮体とから構成され、下部浮体の下部内側に隔壁によって複数のバラストタンクが形成され、上部浮体の内側には隔壁によって複数の水密区画部が形成された洋上風力発電の浮体構造が提案されている。この特許文献１は、釣浮きのように起立状態で浮くため「スパー型」と呼ばれている。

前記スパー型浮体構造を有する洋上風力発電設備は、風車に作用する風荷重に対抗するため、浮体下部にバラストとして巨大な重量（バラストコンクリート）が充填されている。例えば、２ＭＷ級の風力発電設備になるとタワー高さが水面から６０ｍを超えるので、風荷重に対抗するには水深６０ｍの位置に１８００ｔ（トン）のバラスト重量を備えることが必要となる。

一方、浮体は陸上の造船用ドック内で製作された後、曳航船により洋上設置場所まで運搬され、係留索により安定させ、ナセルや風車が設置される。

前記浮体を洋上設置場所まで曳航するには、(1)予め浮体下部にバラストを充填しておき、浮体を直立させた状態で運搬する直立方式、(2)バラストが充填された浮体を横倒しし、浮体下部にバラスト重量に対抗し得る補助浮体を設置した状態で運搬する補助浮体方式（下記特許文献２参照）、(3)バラストを入れない浮体を横倒しした状態で運搬し、現地で直立させてバラストを投入する現地投入方式、などが提案されている。

特開２００９−１８６７１号公報特開２００９−２４８７９２号公報

しかしながら、前記直立方式は、ノルウェーなどの水深が深く波が穏やかなフィヨルド地形を有する一部の国などで採用実績があるだけで、日本の近海ではフィヨルドのような地形が少なく、湾内の岸壁近くで水深７０ｍとなる場所を確保することは困難であるため、湾内の岸壁でバラストを投入し直立状態で運搬することは困難であった。従って洋上設置場所で浮体を直立状態に起立させ、バラストを投入する手段が多く採用されていた。

また、前記補助浮体方式では、前述の通り２ＭＷ級で１８００ｔのバラスト重量となるため、このような巨大なバラスト重量を浮かせるには巨大な補助浮体を設置しなければならず現実的ではなかった。

さらに、前記現地投入方式では、洋上設置場所というのは元々風が強く波高が高い場所であるため、バラストを投入する作業中に、浮体及びコンクリートプラント船やクレーン船が大きく揺れて、コンクリートプラント船の利用やクレーン船でバラストを投入することが困難であった。

一方、前記バラストとしては、バラスト水（海水や真水）やコンクリートを注入することが提案されていが、バラスト水だけでは重心が高く浮体の安定性に欠ける場合があり、コンクリート注入では浮体内部で固化するため撤去時に解体が困難になるという欠点があった。

そこで本発明の主たる課題は、スパー型浮体構造を有する洋上風力発電設備の施工において、バラスト材の投入を容易にするとともに、浮体の安定性が確保でき、洋上風力発電設備の撤去時にもバラスト材の除去を容易にした洋上風力発電設備の施工方法を提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、浮体と、前記浮体に繋がれた係留索と、前記浮体の上に立設されるタワーと、このタワーの頂部に設備されるナセル及び複数の風車ブレードとからなる洋上風力発電設備の施工方法であって、
前記浮体は、有底円筒形状のバラスト部と、このバラスト部の上面に連設された下側コンクリート浮体構造部と、この下側コンクリート浮体構造部の上側に連設された上側鋼製浮体構造部とからなるとともに、前記上側鋼製浮体構造部の上端は開口とされ、該上端の開口から前記バラスト部まで内部が仕切られることなく中空部とされたスパー型の浮体構造であり、
洋上設置場所に、砂、砂利、重晶石を含む鉱物類及び金属粉、金属粒を含む金属類のうち一種または複数種の組み合わせからなる水より高比重である粉粒状のバラスト材を搭載した材料船と大型ポンプを装備した浚渫船とを配置し、前記浮体を海上に直立に起立させた状態とし、前記バラスト材と水又は海水とを前記材料船で混合した後、この混合したバラスト材を、前記浚渫船に延びるホースを通って流体輸送するとともに、前記浚渫船に装備された前記大型ポンプから前記開口を通じて前記浮体の内部の中空部に延びるホースを通って前記浮体内部まで流体輸送すると同時に、前記材料船に装備された吸引ポンプから前記開口を通じて前記浮体の内部の中空部に延びるホースを通って前記浮体内部の余剰水を汲み上げることにより、前記浮体内部へ目的とする重量のバラスト材を投入することを特徴とする洋上風力発電設備の施工方法が提供される。

上記請求項１記載の発明では、浮体の直立状態で、水より高比重である粉粒状のバラスト材と、水又は海水とを混合して浮体内部まで流体輸送するとともに、浮体内部から余剰水を汲み上げるようにして前記浮体内部へバラスト材の投入を行っているため、高比重で粉粒状のバラスト材を水と混合させた流体輸送により、浮体内部にまで延びるホースを通じてポンプで圧送することができ、波高の高い洋上でもバラスト材の投入が容易に行えるようになる。また、浮体内部に投入されたバラスト材は比重差により浮体底部に沈降するため、浮体底部の重量が増し、浮体の安定性が確保できるようになる。さらに、浮体内部の余剰水を汲み上げているので、浮体の安定性が確保できるとともに、洋上風力発電設備の撤去時には逆に水を注入しながら、バラスト材を流体輸送によって引き抜くことにより、バラスト材の除去が容易になる。

請求項２に係る本発明として、前記浮体を直立状態とする前に、前記浮体を海上に横向きで浮かべ洋上設置場所まで曳航するか、前記浮体を台船で洋上設置場所まで運搬する手順を行う請求項１記載の洋上風力発電設備の施工方法が提供される。

上記請求項２記載の発明では、浮体内部にバラストを投入せずに、浮体を海上に横向きで浮かべ、洋上設置場所まで曳航するか、前記浮体を台船で洋上設置場所まで運搬した後、浮体を直立状態とするので、近海の水深が浅いところでも運搬が可能になるとともに、バラスト材を投入していないので、巨大な補助浮体や大型台船が不要となり、浮体の運搬が容易となる。

請求項３に係る本発明として、前記浮体を洋上設置場所まで運搬した後、洋上設置場所において、前記浮体内部に水または海水を注入することによって浮体を直立状態に起立させる手順を行う請求項２記載の洋上風力発電設備の施工方法が提供される。

上記請求項３記載の発明では、洋上設置場所において、横向きで浮かぶ浮体に対し、浮体内部に水または海水を注入することによって浮体を直立状態に起立させるようにしている。直立状態とした後、上記請求項１記載の手順により浮体内部にバラスト材を投入する。

請求項４に係る本発明として、前記浮体内部から汲み上げられた余剰水は、前記バラスト材と混合する流体輸送用の水又は海水として循環利用する請求項１〜３いずれかに記載の洋上風力発電設備の施工方法が提供される。

上記請求項４記載の発明では、浮体内部から汲み上げた余剰水の利用方法について規定したものであり、この余剰水をバラスト材との混合水として再利用することにより、水が循環利用でき海洋への影響を最小限に抑えることができるようになる。

以上詳説のとおり本発明によれば、スパー型浮体構造を有する洋上風力発電設備の施工において、バラスト材の投入を容易にするとともに、浮体の安定性が確保でき、洋上風力発電設備の撤去時にもバラスト材の除去を容易にした洋上風力発電設備の施工方法が提供できるようになる。

本発明に係る洋上風力発電設備１の概略図である。浮体２の縦断面図である。プレキャスト筒状体１２(１３)を示す、(A)は縦断面図、(B)は平面図(B-B線矢視図)、(C)は底面図(C-C線矢視図)である。プレキャスト筒状体１２(１３)同士の緊結要領図(A)(B)である。上側鋼製浮体構造部を示す縦断面図である。洋上風力発電設備１の施工手順図(その１)である。洋上風力発電設備１の施工手順図(その２)である。洋上風力発電設備１の施工手順図(その３)である。洋上風力発電設備１の施工手順図(その４)である。洋上風力発電設備１の施工手順図(その５)である。洋上風力発電設備１の施工手順図(その６)である。洋上風力発電設備１の施工手順図(その７)である。洋上風力発電設備１の施工手順図(その８)である。洋上風力発電設備１の施工手順図(その９)である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

〔洋上風力発電設備の構造例〕
図１に示されるように、洋上風力発電設備１は、浮体２と、この浮体２の上部に設置されるデッキ３と、前記浮体２に繋がれた係留索４、４…と、前記デッキ３の上に立設されるタワー５と、このタワー５の頂部に設備されるナセル６及び複数の風車ブレード７，７…からなるものである。

そして、前記浮体２は、図２に示されるように、コンクリート製のプレキャスト筒状体１２〜１３を高さ方向に複数段積み上げ、各プレキャスト筒状体１２〜１３をＰＣ鋼材により緊結し一体化を図った下側コンクリート製浮体構造部２Ａと、この下側コンクリート製浮体構造部２Ａの上側に連設された上側鋼製浮体構造部２Ｂとからなるとともに、上端部を開口させた有底中空部を有するスパー型の浮体構造とし、前記タワー５は少なくとも施工時に前記デッキ３上に設けたタワー昇降設備によって昇降自在とされ、前記浮体２内部に収容可能となっているものである。前記浮体２の吃水Ｌは、２ＭＷ級発電設備の場合概ね６０ｍ以上に設定される。

以下、更に具体的に詳述する。

前記浮体２は、図２に示されるように、有底円筒形状のバラスト部１０と、このバラスト部１０の上面に連設された下側コンクリート浮体構造部２Ａと、この下側コンクリート浮体構造部２Ａの上側に連設された上側鋼製浮体構造部２Ｂとからなる。前記バラスト部１０及び下側コンクリート浮体構造部２Ａはすべてコンクリートのプレキャスト部材とされる。下側コンクリート浮体構造部２Ａと上側鋼製浮体構造部２Ｂとの境界部に合成プレキャスト部材１３が介在され、両者が接合されている。前記上側鋼製浮体構造部２Ｂは、高さ方向に段階的に外径寸法が縮小される変断面形状としてある。図示例では２段階の変断面形状としてある。

前記下側コンクリート浮体構造部２Ａは、コンクリート製のプレキャスト筒状体１２…と、合成プレキャスト部材１３の下半部分とで構成されている。前記プレキャスト筒状体１２は、図３に示されるように、軸方向に同一断面とされる円形筒状のプレキャスト部材であり、それぞれが同一の型枠を用いて製作されるか、遠心成形により製造された中空プレキャスト部材が用いられる。

壁面内には鉄筋２０の他、周方向に適宜の間隔でＰＣ鋼棒１９を挿通するためのシース２１、２１…が埋設されている。このシース２１、２１…の下端部にはＰＣ鋼棒１９同士を連結するためのカップラーを挿入可能とするためにシース拡径部２１ａが形成されているとともに、上部には定着用アンカープレートを嵌設するための箱抜き部２２が形成されている。また、上面には吊り金具２３が複数設けられている。

プレキャスト筒状体１２同士の緊結は、図４(A)に示されるように、下段側プレキャスト筒状体１２から上方に延長されたＰＣ鋼棒１９、１９…をシース２１、２１…に挿通させながらプレキャスト筒状体１２，１２を積み重ねたならば、アンカープレート２４を箱抜き部２２に嵌設し、ナット部材２５によりＰＣ鋼棒１９に張力を導入し一体化を図る。また、グラウト注入孔２７からグラウト材をシース２１内に注入する。なお、前記アンカープレート２４に形成された孔２４ａはグラウト注入確認孔であり、該確認孔からグラウト材が吐出されたことをもってグラウト材の充填を終了する。

次に、図４(B)に示されるように、ＰＣ鋼棒１９の突出部に対してカップラー２６を螺合し、上段側のＰＣ鋼棒１９、１９…を連結したならば、上段となるプレキャスト筒状体１２のシース２１、２１…に前記ＰＣ鋼棒１９、１９…を挿通させながら積み重ね、前記要領によりＰＣ鋼棒１９の定着を図る手順を順次繰り返すことにより高さ方向に積み上げられる。この際、下段側プレキャスト筒状体１２と上段側プレキャスト筒状体１２との接合面には止水性確保及び合わせ面の接合のためにエポキシ樹脂系などの接着剤２８やシール材が塗布される。

次いで、前記合成プレキャスト部材１３は、図５にも示されるように、コンクリート製のプレキャスト筒状体１６と鋼製筒状体１７との合成構造である。これらは一体的に製作される。前記プレキャスト筒状体１６は、前記鋼製筒状体１７の肉厚分の厚さを減じた外径寸法とされ、この外周に前記鋼製筒状体１７の下半部分が外嵌された構造とし、前記プレキャスト筒状体１６の上端面がＰＣ鋼棒１９の締結面とされる。

前記上側鋼製浮体構造部２Ｂは、前記合成プレキャスト部材１３の上半部分と、鋼製筒状体１４，１５とで構成されている。下段側の鋼製筒状体１４は、合成プレキャスト部材１３と同一の外径寸法とされ、合成プレキャスト部材１３に対して、ボルト又は溶接等（図示例はボルト締結）によって連結される。上段側の鋼製筒状体１５は、前記下段側の鋼製筒状体１４よりも外径寸法が縮小され、変断面形状とされ、下段側の鋼製筒状体１４に対してボルト又は溶接等（図示例はボルト締結）によって連結される。前記上段側鋼製筒状体１５の上端は開口のままとされるとともに、前記上段側鋼製筒状体１５及び下段側鋼製筒状体１４との境界部及び下段側鋼製筒状体１４と鋼製筒状体１７との境界部は空間が仕切られておらず、浮体２内部にはタワー５を収容するための中空部が形成されている。

一方、前記タワー５は、鋼材、コンクリート又はＰＲＣ（プレストレスト鉄筋コンクリート）から構成されるものが使用されるが、好ましいのは総重量が小さくなるように鋼材によって製作されたものを用いるのが望ましい。また、前記ナセル６は、風車の回転を電気に変換する発電機やブレードの角度を自動的に変えることができる制御器などが搭載された装置である。

〔施工手順〕
以下、図６〜図１４に基づき、前記洋上風力発電設備１の施工手順について詳述する。

（第１手順）
製作ヤードに隣接した洋上において、図６に示されるように、浮体２内部にタワー５を収容した状態で海上に横向きで浮かべた後、曳航船１８により洋上設置場所まで曳航する。なお、下側コンクリート浮体構造部２Ａと、上側鋼製浮体構造部２Ｂとでは、下側コンクリート浮体構造部２Ａ側の方が重いため、バランス調整用浮体３２を浮かべるとともに、この浮体上に設置したウインチ３３から繰り出されたワイヤの一端を下側コンクリート浮体構造部２Ａの端部に連結し、浮体２が水平になるように調整する。なお、浮体２内部にタワー５を収容した状態で、前記上段側鋼製筒状体１５の上端開口は塞がれている。また、浮体２は、海上に横向きで浮かべた状態でバラスト水３１（水又は海水）を注水し、吃水を調整するようにしてもよい。このように本施工方法では、横向きに浮かべた状態で安定して曳航できるため、浮体２の組み立てドック内から直接洋上設置場所まで曳航することが可能となる。

前記曳航船１８により曳航する方法に代えて、図示しないが、浮体２を台船に搭載して洋上設置場所まで運搬し、洋上設置場所にてクレーンで洋上に浮かべる方法としてもよい。この場合、浮体２内にはバラスト水やバラスト材を投入しておかないことが好ましい。

（第２手順）
図７に示されるように、洋上設置場所に到着したならば、バラスト水３１（水又は海水）を注水するとともに、前記バランス調整用浮体３２上のウインチ３３からワイヤを徐々に繰り出すことにより、ゆっくりと浮体２を直立状態に起立させる。本施工方法では、横向きの浮体２を直立状態に起立させるのに大規模な起重機が不要となるため、大幅なコスト低減が可能となる。なお、この状態ではバラスト水３１を注水しただけなので、重心が高く、起立した浮体２が不安定な状態にある。

（第３手順）
図８に示されるように、前記洋上設置場所に、バラスト材４３を搭載した材料船４０と大型ポンプ４２を装備した浚渫船４１とを配置する。前記材料船４０に搭載されたバラスト材４３は、材料船４０で混合水（水又は海水）と混合された後、浚渫船４１に延びるホースを通って浚渫船４１に流体輸送されるとともに、浚渫船４１に装備された大型ポンプ４２から浮体２内部に延びるホースを通って浮体２の内部に投入される。これと同時に、浮体２内部の余剰水は、材料船４０に装備された吸引ポンプによって汲み上げられる。浮体２内部に投入されたバラスト材４３は、比重差により浮体２の底部に沈降する。バラスト材４３の投入により浮体２の吃水が徐々に高くなるので、それに伴いバランス調整用浮体３２上のウインチ３３からワイヤを繰り出すことにより、浮体２の直立状態を保持する。

前記バラスト材４３としては、水より高比重である粉粒状のものが使用され、具体的には、砂、砂利、重晶石を含む鉱物類及び鉄、鉛等の金属粉、金属粒を含む金属類のうち一種または複数種の組み合わせからなるものとすることが好ましい。また、適宜モルタルを混合することもできる。バラスト材４３の材質を調整することで、適切な比重のバラスト材４３が投入できるようになる。

前記バラスト材４３として、高比重粉粒状物だけを使用するとともに、コンクリートなどの固化材を混合しないことにより、洋上風力発電設備の撤去時には、逆に水を注入しながら、バラスト材４３を流体輸送によって引き抜くことにより、バラスト材４３を容易に取り除くことができ、バラスト材４３の除去後は浮体２を横向きで曳航して陸上まで運搬することが可能となる。

また、浮体２内部に投入したバラスト材４３の締固めが必要な場合には、振動などを併用して締固めることができる。

前記余剰水とは、浮体２の内部に注入されたバラスト材４３以外の水又は海水のことであり、浮体２を起立させるためのバラスト水３１及びバラスト材４３を流体輸送するための混合水のことである。この余剰水は浮体２内部から完全に汲み上げる必要はなく、例えばバラスト材４３の積層高さより上方の余剰水を汲み上げるようにしてもよい。

材料船４０の吸引ポンプによって汲み上げられた余剰水は、前記バラスト材４３と混合する流体輸送用の水又は海水として循環利用することが好ましい。このように水又は海水を循環利用することにより、海洋への影響を最小限に抑えることができる。

目的とする重量のバラスト材４３を投入したならば、余剰水の汲み上げ／引き抜きなどにより浮体２内部のバラスト水の量を調整し、浮体２を目標の吃水位置にセットする。

本施工方法では、バラスト材４３が混合された水又は海水とともに、浮体２内部に延びるホースを通って流体輸送されるため、従来のように、波高が高い洋上の場合は、浮体及びクレーン船が揺動してバラスト材をバケット投入できないなどの問題を回避しながら、比較的波による揺動の影響を受けずに安全かつ確実に施工ができるようになる。また、材料船４０や浚渫船４１など、既存の設備が使用できるのでコストダウンが可能となる。

（第４手順）
図１０に示されるように、浮体２内部にバラスト材４３の投入を完了したならば、浮体２の上部にデッキ３を設置するとともに、前記浮体２に係留索４の一端を繋ぎ止めるとともに、他端を海底に沈設したアンカーに繋ぎ留めて浮体２の安定を図る。

（第５手順）
図１１に示されるように、デッキ３上にタワー昇降設備８を設置し、タワー５の引上げ作業に入る。前記タワー昇降設備８は、例えば同図に示されるように、タワー５の基部周囲に所定の間隔でセンターホールジャッキ９，９…を配置するとともに、ＰＣ鋼線１０の一端をシーブ１１を巻回させた後、センターホールジャッキ９を通してタワー５の下端に緊結し、前記センターホールジャッキ９の伸縮操作により、タワー５の下降と上昇とを可能とした設備である。

図１２に示されるように、前記タワー昇降設備８により、タワー５を任意の高さ位置まで引き上げた状態で、前記ナセル６を設置するとともに、２枚の風車ブレード７，７を設置する。

その後、図１３に示されるように、若干タワー５を引き上げて、残りの風車ブレード７を取り付ける。

（第６手順）
すべての部材取付け作業を終えたならば、図１４に示されるように、前記タワー昇降設備８によってタワー５を上昇させ、タワー固定用ベース金具３４等によりタワー５を正規の高さ位置に固定し施工を完了する。

〔他の形態例〕
(1)上記形態例では、前記タワー昇降設備８を撤去したが、残置しておき、その後のメンテナンス時や強風、波浪時にタワー５を下降させる際に使用できるようにしてもよい。もちろん、タワー下降作業時にタワー昇降設備８を新たに設置するようにしてもよい。

１…洋上風力発電設備、２…浮体、３…デッキ、４…係留索、５…タワー、６…ナセル、７…風車ブレード、８…タワー昇降設備、４０…材料船、４１…浚渫船、４２…大型ポンプ、４３…バラスト材

Claims

浮体と、前記浮体に繋がれた係留索と、前記浮体の上に立設されるタワーと、このタワーの頂部に設備されるナセル及び複数の風車ブレードとからなる洋上風力発電設備の施工方法であって、
前記浮体は、有底円筒形状のバラスト部と、このバラスト部の上面に連設された下側コンクリート浮体構造部と、この下側コンクリート浮体構造部の上側に連設された上側鋼製浮体構造部とからなるとともに、前記上側鋼製浮体構造部の上端は開口とされ、該上端の開口から前記バラスト部まで内部が仕切られることなく中空部とされたスパー型の浮体構造であり、
洋上設置場所に、砂、砂利、重晶石を含む鉱物類及び金属粉、金属粒を含む金属類のうち一種または複数種の組み合わせからなる水より高比重である粉粒状のバラスト材を搭載した材料船と大型ポンプを装備した浚渫船とを配置し、前記浮体を海上に直立に起立させた状態とし、前記バラスト材と水又は海水とを前記材料船で混合した後、この混合したバラスト材を、前記浚渫船に延びるホースを通って流体輸送するとともに、前記浚渫船に装備された前記大型ポンプから前記開口を通じて前記浮体の内部の中空部に延びるホースを通って前記浮体内部まで流体輸送すると同時に、前記材料船に装備された吸引ポンプから前記開口を通じて前記浮体の内部の中空部に延びるホースを通って前記浮体内部の余剰水を汲み上げることにより、前記浮体内部へ目的とする重量のバラスト材を投入することを特徴とする洋上風力発電設備の施工方法。
前記浮体を直立状態とする前に、前記浮体を海上に横向きで浮かべ洋上設置場所まで曳航するか、前記浮体を台船で洋上設置場所まで運搬する手順を行う請求項１記載の洋上風力発電設備の施工方法。
前記浮体を洋上設置場所まで運搬した後、洋上設置場所において、前記浮体内部に水または海水を注入することによって浮体を直立状態に起立させる手順を行う請求項２記載の洋上風力発電設備の施工方法。
前記浮体内部から汲み上げられた余剰水は、前記バラスト材と混合する流体輸送用の水又は海水として循環利用する請求項１〜３いずれかに記載の洋上風力発電設備の施工方法。