特許 7473503 水上風力発電施設組立方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-15

(45)【発行日】2024-04-23

(54)【発明の名称】水上風力発電施設組立方法

(51)【国際特許分類】

   F03D 13/25 20160101AFI20240416BHJP

   F03D 13/30 20160101ALI20240416BHJP

【ＦＩ】

F03D13/25

F03D13/30

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021091427

(22)【出願日】2021-05-31

(65)【公開番号】P2022183904

(43)【公開日】2022-12-13

【審査請求日】2023-09-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000206211

【氏名又は名称】大成建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】藤井 晶

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 正美

【審査官】北村 一

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１４８１１５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／０９６６５０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１８２１０６２３（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｄ １／００－８０／８０

Ｂ６３Ｂ １／００－８５／００

Ｂ６３Ｊ １／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の位置に浮体構造物を係留する係留工程と、
クレーンで吊持したタワーを前記浮体構造物上に立設させた状態で仮止めする仮止め工程と、
前記タワーを前記浮体構造物上で自立させるタワー自立工程と、
を備える水上風力発電施設組立方法であって、
前記浮体構造物には、タワー設置後の水平性を確保するためのバラスト材と、タワー設置前の水平性を確保するためのバラスト水を貯留するバラスト水貯留タンクと、が設けられており、
前記タワー自立工程では、予め前記バラスト水貯留タンクに貯水された前記バラスト水を排水するとともに、前記クレーンから前記タワーを取り外すことを特徴とする、水上風力発電施設組立方法。

【請求項2】

前記バラスト水貯留タンクに予め貯留されるバラスト水の量は、前記タワーが設置された前記浮体構造物に作用する転倒モーメント以上の転倒モーメントが前記浮体構造物に作用する量であることを特徴とする、請求項１に記載の水上風力発電施設組立方法。

【請求項3】

前記タワーに風車本体を取り付ける風車取付工程をさらに備えており、
前記風車取付工程では、前記風車本体の取付作業と並行して、前記バラスト水貯留タンクからのバラスト水の排水、または、前記バラスト材の増量を行うことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の水上風力発電施設組立方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水上風力発電施設組立方法に関する。

【背景技術】

【0002】

温室効果ガスの排出量削減を目的とした再生可能エネルギーの一つとして、風力発電がある。風力発電施設は、風車の騒音や振動が生活環境に影響を及ぼす場合があることから、居住区域から離れた場所に設置するのが望ましい。そのため、風力発電施設を海上（水上）に設置する場合がある。
一方、水深が深い位置に風力発電施設を構築する場合には、着底する基礎構造の施工や、水底に杭等を施工するのに手間がかかる。そのため、水上に係留させた浮体構造物にタワーを立設して風力発電施設を構築する場合がある。
例えば、特許文献１には、浮体と、浮体につながれた係留索と、浮体に立設されたタワーと、タワーの頂部に設置されるナセルおよび風車ブレードとからなる水上風力発電設備が開示されている。特許文献１の水上風力発電設備の施工工程は次のとおりである。まず、浮体を横向きで所定の位置に曳航した後、浮体内にバラスト水を注水して浮体を起立させる。このとき、浮体下部には、浮体の近傍に設けられたバランス調整用浮体から延設されたワイヤが取り付けられており、浮体の起立に伴ってワイヤが送り出される。浮体が起立したら、浮体の底部にバラスト材を投入するとともに浮体を係留索で係留する。そして、クレーンを利用して、タワーを立設させた状態で浮体に固定した後、タワーの頭部にナセルおよびブレードを設置する。このとき、バランス調整用浮体から延設されたワイヤの送り出しおよび巻き戻しにより、浮体の回転を制御する。
しかしながら、ワイヤにより浮体の回転を制御するには熟練した技術が必要である。また、バランス調整用浮体による回転の制御は、浮体に回転が生じてから行われるものであって、回転の発生自体を抑制するものではない。そのため、タワーを固定する際の安定性を確保し難い。さらに、横向きの浮体を起立させる作業には手間と時間がかかる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－２０１２１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、施工時の浮体構造物の安定性を確保し、その結果、施工性の向上を図ることを可能とした水上風力発電施設組立方法を提案することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

前記課題を解決するための本発明の水上風力発電施設組立方法は、所定の位置に浮体構造物を係留する係留工程と、クレーンで吊持したタワーを前記浮体構造物上に立設させた状態で仮止めする仮止め工程と、前記タワーを前記浮体構造物上で自立させるタワー自立工程とを備えている。前記浮体構造物には、タワー設置後の水平性を確保するためのバラスト材と、タワー設置前の水平性を確保するためのバラスト水を貯留するバラスト水貯留タンクとが設けられており、前記タワー自立工程では予め前記バラスト水貯留タンクに貯水された前記バラスト水を排水するとともに前記クレーンから前記タワーを取り外す。
かかる水上風力発電施設組立方法によれば、タワー自立工程の前まではバラスト材とバラスト水貯留タンクによって浮体構造物の水平性が確保されるため、浮体構造物の回転が抑制される。そのため、タワーを立設する際の安定性が確保される。また、タワーを浮体構造物上で自立させる際には、バラスト水貯留タンクからバラスト水を排水し、タワーとバラスト材とによりバランスが確保されるため、施工時の安定性も確保される。

【0006】

ここで、前記バラスト水貯留タンク内に予め貯留するバラスト水の量は、前記タワーが設置された前記浮体構造物に作用する転倒モーメント以上の転倒モーメントが前記浮体構造物に作用する量であることが好ましい。このようにすると、風車本体（ナセルおよびブレード等）のタワーへの取り付けなどにより転倒モーメントが増加する場合であっても、浮体構造物の水平性が確保される。
また、前記タワーに風車本体（ナセルおよびブレード等）を取り付ける風車取付工程では、前記風車本体の取付作業と並行して、前記バラスト水貯留タンクからのバラスト水の排水、または、バラスト材の増量を行うことで、水平性を確保する。

【発明の効果】

【0008】

本発明の水上風力発電施設組立方法によれば、施工時の浮体構造物の安定性を確保し、その結果、施工性の向上を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る水上風力発電施設を示す側面図である。

【図2】（ａ）本実施形態の浮体構造物を示す概略図、（ｂ）は従来の浮体構造物にタワーを設置した状況を示す概略図である。

【図3】本発明の実施形態に係る水上風力発電施設組立方法のフローチャートである。

【図4】水上風力発電施設組立方法の各工程を示す側面図であって、（ａ）は係留工程、（ｂ）は仮止め工程、（ｃ）はタワー自立工程、（ｄ）は（ｃ）に続くタワー自立工程である。

【図5】他の形態に係る浮体構造物を示す概略図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本実施形態では、水上に設けられた発電施設である水上風力発電施設１について説明する。図１に本実施形態の水上風力発電施設１を示す。本実施形態の水上風力発電施設１は、水上に係留された状態で風力発電を行うものであって、図１に示すように、浮体構造物２と、浮体構造物２に立設されたタワー３と、タワー３の頭部に設けられた風車本体４とを備えている。
浮体構造物２は、水上風力発電施設１の基礎部分を構成する。図２に浮体構造物２の概要を示す。浮体構造物２は、図２に示すように、タワー３の設置位置から離れた位置に設けられた第一タンク５と、タワー３の設置位置近傍に設けられた第二タンク６とを備えている。

【0011】

タワー３は、風車本体４を支持するための支柱である。タワー３は、浮体構造物２の中心から偏心した位置（タワー３の偏心量ｅ１）に設けるものとする。本実施形態のタワー３は、浮体構造物２の中心よりも一端側（図２において左側）に設けられている。
風車本体４は、ブレード１０やナセル１１等からなる（図１参照）。風車本体４は、タワー３を浮体構造物２に立設させた後、タワー３の頭部に設置する。

【0012】

第一タンク５は、浮体構造物２内に設けられていて、バラスト材７を収容する。本実施形態では、浮体構造物２の他端部（図１において右側の端部）に第一タンク５が設けられている。本実施形態の第一タンク５は、浮体構造物２の中心から偏心量ｅ２の位置に設けられている。第一タンク５は、浮体構造物２の内部の幅方向に連続して形成された中空の箱型部材である。浮体構造物２の上面には、第一タンク５の位置に対応して、第一タンク５の内部に連通するバラスト材投入口が形成されている。
浮体構造物２にタワー３を設置すると、タワー３の重量Ｗ１により、浮体構造物２に対して第一転倒モーメントＭ１（＝Ｗ１×ｅ１）が作用するため、これを打ち消すモーメントが足りない場合には、図２（ｂ）に示すように、浮体構造物２が傾く（回転する）。そのため、第一タンク５の容量は、タワー３を設置することにより浮体構造物２に作用する第一転倒モーメントＭ１を打ち消して水平性を確保する第二転倒モーメントＭ２（＝Ｗ２×ｅ２）を生じさせる重量Ｗ２のバラスト材７を収容可能な大きさに設定する。

【0013】

第二タンク６は、バラスト水８を貯水するバラスト水貯留タンクであって、図２（ａ）に示すように、浮体構造物２の上面に設けられている。本実施形態では、浮体構造物２の一端部（図２（ａ）において左側の端部）に第二タンク６が設けられている。第二タンク６は、中空の箱型部材であって、タワー３の設置箇所よりも一端側に設けられている。第二タンク６の外側（一端側）の側面には、バラスト水８を排水するための排水口９が形成されている。排水口９は、浮体構造物２の外側に面していて、排水口９を開口させるとバラスト水が自然に排水され、排水されたバラスト水８は、浮体構造物２の周囲の水面に直接流下する。
第二タンク６は、浮体構造物２の中心から偏心した位置（偏心量ｅ３）に設けられており、第二タンク６に重量Ｗ３のバラスト水８を貯留すると、浮体構造物２に第三転倒モーメントＭ３（＝Ｗ３×ｅ３）が作用する。第二タンク６の貯留するバラスト水８の重量は、タワー３を設置する前の状態において、バラスト材７により浮体構造物２に作用する第二転倒モーメントＭ２を打ち消す第三転倒モーメントＭ３が浮体構造物２に作用する大きさとする。

【0014】

以下、本実施形態の水上風力発電施設組立方法について説明する。図３に水上発電施設組立方法を示す。本実施形態の水上風力発電施設組立方法は、図３に示すように、係留工程Ｓ１と、仮止め工程Ｓ２と、タワー自立工程Ｓ３と、風車取付工程Ｓ４とを備えている。図４（ａ）～（ｄ）に各工程の作業状況を示す。
係留工程Ｓ１では、図４（ａ）に示すように、所定の位置に浮体構造物２を係留する。浮体構造物２は、所定の位置に曳航し、図示せぬ杭などに係留する。浮体構造物２の第一タンク５には、タワー３およびタワー本体４設置後の浮体構造物２の水平性を確保するためのバラスト材７が投入されている。すなわち、第一タンク５には、タワー３が浮体構造物２に設置された際に生じる第一転倒モーメントＭ１以上の大きさの第二転倒モーメントＭ２が浮体構造物２に生じる重量のバラスト材７が貯留されている。また、第二タンク６には、タワー３を設置する前の浮体構造物２の水平性を確保するためのバラスト水８が貯留されている。すなわち、第二タンク６には、タワー３が設置された浮体構造物２に作用する第一転倒モーメントＭ１以上で、かつ、バラスト材７によって生じる第二転倒モーメントＭ２と同等の第三転倒モーメントＭ３が浮体構造物２に作用する量のバラスト水８が貯留されている。

【0015】

仮止め工程Ｓ２では、タワー３を浮体構造物２の上に仮止めする。タワー３は、図４（ｂ）に示すように、クレーン１２を利用して、浮体構造物２の上に立設させて、クレーン１２による吊持を維持したまま、浮体構造物２にボルト等により仮止めする。すなわち、仮止め工程Ｓ２では、タワー３をクレーン１２で吊持しているため、タワー３の重量が浮体構造物２に作用することなく、バラスト材７とバラスト水８による浮体構造物２のバランスが維持されている。本実施形態では、クレーン船１３に設けられたクレーン１２を利用する。

【0016】

タワー自立工程Ｓ３では、クレーン１２からタワー３を解除して浮体構造物２にタワーを自立させる。タワー３は、図４（ｃ）に示すように、クレーン１２による吊持を維持したまま、浮体構造物２に立設させる。また、第二タンク６に貯水されたバラスト水８を排水する。第二タンク６からバラスト水８を排水すると、浮体構造物２の他端側に作用するバラスト材７（第一タンク５）の重量により、浮体構造物２に回転力（第二転倒モーメントＭ２）が生じるが、浮体構造物２の一端側上面にタワー３が接しているため、浮体構造物２の水平性は維持される。第二タンク６からの排水とともに、クレーン１２に作用するタワー３の荷重が低下する。すなわち、第二タンク６からバラスト水８を排水すると、浮体構造物２の一端側が浮き上がろうとして、自然とタワー３を押し返すため、自動的に水平性が保たれる。第二タンク６からバラスト水８を排水することで、タワー３の重量Ｗ１とバラスト材７の重量Ｗ２とにより浮体構造物２のバランスが確保された状態となった段階で、図４（ｄ）に示すように、クレーン１２からタワー３を取り外す（タワー３から玉掛けワイヤを取り外す）。

【0017】

風車取付工程Ｓ４では、タワー３に風車本体４を取り付ける（図１参照）。タワー３に風車本体４を取り付ける作業は、クレーン１２を用いて行う。風車取付工程Ｓ４では、風車本体４の取付作業と並行して、第二タンク６からのバラスト水８の排水を行う。バラスト水８の排水は、タワー３への風車本体４（ブレード１０やナセル１１）の設置のタイミングに応じて行う。第二タンク６からバラスト水８を排水すると、バラスト材７の重量Ｗ２により浮体構造物２に回転力が作用するが、タワー３および風車本体４の重量により回転力が打ち消されて、浮体構造物２の水平性が確保される。

【0018】

本実施形態の水上風力発電施設組立方法によれば、タワー自立工程の前までは第一タンク５（バラスト材７）と第二タンク６（バラスト水８）によって浮体構造物２の水平性が確保されるため、浮体構造物２の回転が抑制される。すなわち、タワー３を立設する際の安定性および水平性が確保されるため、施工性が向上する。また、タワー３を浮体構造物２上で自立させる際には、第二タンク（バラスト水貯留タンク）６からバラスト水８を排水することで、タワー３とバラスト材７とによりバランスが確保される。つまり、クレーンによるタワー３の支持を解除する際の安定性および水平性が確保されている。第二タンク６からのバラスト水８の排水は、排水口９を開口するのみで瞬時に実現されるため、ポンプを利用する場合に比べて、簡易かつ短時間に実施できる。このように、本実施形態の水上風力発電施設組立方法および浮体構造物２によれば、浮体構造物２上に風車を組み立てる際に、浮体構造物２の重心とタワー３の重心とが一致しない場合であっても、タワー３を上載した際に浮体構造物２が傾斜することが防止されるので、水平性を確保した効率的な施工が可能となる。

【0019】

なお、第二タンク６内に予め貯留するバラスト水８の量は、タワー３が設置された際に浮体構造物２に作用する転倒モーメント（第一転倒モーメントＭ１）以上の転倒モーメント（第三転倒モーメントＭ３）が浮体構造物２に作用する量であるため、風車本体４のタワー３への取り付けなどにより浮体構造物２に作用する転倒モーメントが増加する場合であっても、浮体構造物２の水平性が確保される。すなわち、タワー３に風車本体４（ブレード１０およびナセル１１）を取り付ける際に、風車本体４の設置に伴う転倒モーメントを打ち消すように、第二タンク６からのバラスト水８の排水することで、浮体構造物２の水平性を確保できる。このように、浮体構造物２は、タワー３および風車本体４の施工状況に応じて、第二タンク６内のバラスト水８の量を調整可能であるので、水平性を確保し、安定的な施工を可能としている。

【0020】

バラスト水８（第二タンク６）を利用して浮体構造物２の水平性を確保しているため、施工時の水平調整に要する時間を短縮できる。また、バラスト水８は短時間で排水できるため、クレーン１２の拘束時間を短縮でき、クレーン１２の使用に要する費用の低減化を図ることができるとともに、クレーン１２を他の水上風力発電施設１の組み立てに転用することで、全体的な工期短縮化を図ることができる。

【0021】

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は前述の実施形態に限らず、前記の各構成要素については本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
例えば、第一タンク５の設置箇所は、浮体構造物２内に限定されるものではなく、例えば、浮体構造物２上に設けられていてもよい。また、前記実施形態では、バラスト材７を第一タンク５内に投入するものとしたが、バラスト材７は、浮体構造物２内や浮体構造物２上に直接載置してもよい。
前記実施形態では、バラスト材７として、水を使用したが、バラスト材７を構成する材料は限定されるものではなく、例えば、コンクリートや砕石等であってもよい。また、施工時に使用したバラスト材７は、他の材料や設備機器等に適宜置き換えてもよい。例えば、浮体構造物２の他端部側（タワー３と反対側）に送電設備等を設ける場合には、送電設備の設置に伴って第一タンク５内のバラスト材７を排出すればよい。
前記実施形態では、第二タンク６からバラスト水８を排水したが、バラスト水８を第一タンク５に移動させることで、水平性を維持させてもよい。
また、タワー３の設置と同時にバラスト材７を設置する場合には、第二タンク６を省略可能である。

【0022】

第二タンク（バラスト水貯留タンク）６の設置箇所は、浮体構造物２上に限定されるものではなく、例えば、浮体構造物２内であってもよい。また、前記実施形態では、一つの第二タンク６をタワー３の設置箇所よりも浮体構造物２の外側（一端側）に設けるものとしたが（図１参照）、第二タンク６の数および設置箇所は限定されるものではなく、例えば、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、重心の位置がタワー３側となるように、タワー３の両脇に第二タンク６を一つずつ設けてもよい。
前記実施形態では、風車取付工程Ｓ４において、風車本体４の取付作業と並行して第二タンク６からのバラスト水８の排水を行うものとしたが、バラスト水８の排水に代えて、バラスト材７の増量を行うことで、浮体構造物２の安定性（水平性）を確保してもよい。
使用するクレーン１２は、クレーン船１３に設置されたものに限定されるものではなく、例えば、ドック内や岸壁に係留した浮体構造物２にタワー３を設置する場合には、ドックや岸壁に隣接して設けられたクレーン１２を利用すればよい。

【符号の説明】

【0023】

１ 水上風力発電施設
２ 浮体構造物
３ タワー
４ 風車本体
５ 第一タンク
６ 第二タンク（バラスト水貯留タンク）
７ バラスト材
８ バラスト水
９ 排水口
１０ ブレード
１１ ナセル
１２ クレーン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】