(57)【要約】【課題】複数のブイの浮力とこれに対抗するワイヤーの張力によってケーブルの形状を円弧状に保持する場合に、複数のブイの合計浮力を変えなくてもケーブルの座屈を抑制することができるケーブル布設構造を提供する。【解決手段】ケーブルと、前記ケーブルの長さ方向に並んで前記ケーブルのブイ取付対象部に取り付けられ、前記ケーブルを水中に浮かせる複数のブイと、前記ケーブルの前記ブイ取付対象部に取り付けられ、前記複数のブイの浮力に対抗する張力を前記ケーブルに加えることにより、前記ブイ取付対象部の形状を円弧状に保持するワイヤーと、を備え、前記ケーブルの長さ方向で前記ブイ取付対象部の端部側に配置されたブイの浮力が前記ブイ取付対象部の中央部側に配置されたブイの浮力よりも小さい、ケーブル布設構造。【選択図】図４
2020080581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーブルと、
前記ケーブルの長さ方向に並んで前記ケーブルのブイ取付対象部に取り付けられ、前記ケーブルを水中に浮かせる複数のブイと、
前記ケーブルの前記ブイ取付対象部に取り付けられ、前記複数のブイの浮力に対抗する張力を前記ケーブルに加えることにより、前記ブイ取付対象部の形状を円弧状に保持するワイヤーと、を備え、
前記ケーブルの長さ方向で前記ブイ取付対象部の端部側に配置されたブイの浮力が前記ブイ取付対象部の中央部側に配置されたブイの浮力よりも小さい、ケーブル布設構造。
【請求項２】
前記複数のブイの浮力は、前記ブイ取付対象部の中央部から端部に向かって段階的に小さくなっている、請求項１に記載のケーブル布設構造。
【請求項３】
浮体式の風力発電設備と、
前記風力発電設備に接続されるケーブルと、
前記ケーブルの長さ方向に並んで前記ケーブルのブイ取付対象部に取り付けられ、前記ケーブルを浮かせる複数のブイと、
前記ケーブルの前記ブイ取付対象部に取り付けられ、前記複数のブイの浮力に対抗する張力を前記ケーブルに加えることにより、前記ブイ取付対象部の形状を円弧状に保持するワイヤーと、を備え、
前記ケーブルの長さ方向で前記ブイ取付対象部の端部側に配置されたブイの浮力が前記ブイ取付対象部の中央部側に配置されたブイの浮力よりも小さい、風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケーブル布設構造および風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
浮体式の洋上設備にケーブルを接続する場合、海中でケーブルを弛ませるために、ケーブルの途中に複数のブイを取り付けて布設する構造が知られている（たとえば、特許文献１参照）。このようなケーブル布設構造においては、複数のブイの浮力を利用して海中にケーブルを浮かせることにより、ケーブルを弛ませている。また、複数のブイが取り付けられたケーブル部分にワイヤーを取り付け、ブイの浮力に対抗する張力をワイヤーによってケーブルに加えることにより、ケーブルの形状を円弧状に保持している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−９３９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載のケーブル布設構造では、ブイの浮力とケーブルの曲げ剛性をワイヤーの張力で抑え込むことでケーブルを円弧状に曲げている。このため、図９に示すように、円弧状に曲がったケーブル５１の両側にそれぞれブイ５０の浮力ＦｍＬ，ＦｍＲが加わる場合、ブイ５０の浮力ＦｍＬ，ＦｍＲとワイヤー（不図示）の張力ＴＬ，ＴＲとを合成したときの合力ＦｈＬ，ＦｈＲが、ケーブル５１を圧縮する方向に作用する。したがって、ケーブル５１が座屈するおそれがある。また、ケーブル５１の座屈を抑制するには、ブイ５０の浮力ＦｍＬ，ＦｍＲを小さくすることが有効であるが、複数のブイ５０の合計浮力は、使用するケーブル５１の水中重量などに応じて設定する必要がある。このため、ブイ５０の浮力ＦｍＬ，ＦｍＲを小さくするにも限界がある。
【０００５】
本発明の目的は、複数のブイの浮力とこれに対抗するワイヤーの張力によってケーブルの形状を円弧状に保持する場合に、複数のブイの合計浮力を変えなくてもケーブルの座屈を抑制することができるケーブル布設構造および風力発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様は、
ケーブルと、
前記ケーブルの長さ方向に並んで前記ケーブルのブイ取付対象部に取り付けられ、前記ケーブルを水中に浮かせる複数のブイと、
前記ケーブルの前記ブイ取付対象部に取り付けられ、前記複数のブイの浮力に対抗する張力を前記ケーブルに加えることにより、前記ブイ取付対象部の形状を円弧状に保持するワイヤーと、を備え、
前記ケーブルの長さ方向で前記ブイ取付対象部の端部側に配置されたブイの浮力が前記ブイ取付対象部の中央部側に配置されたブイの浮力よりも小さい、ケーブル布設構造である。
【０００７】
本発明の第２の態様は、
浮体式の風力発電設備と、
前記風力発電設備に接続されるケーブルと、
前記ケーブルの長さ方向に並んで前記ケーブルのブイ取付対象部に取り付けられ、前記ケーブルを浮かせる複数のブイと、
前記ケーブルの前記ブイ取付対象部に取り付けられ、前記複数のブイの浮力に対抗する張力を前記ケーブルに加えることにより、前記ブイ取付対象部の形状を円弧状に保持するワイヤーと、を備え、
前記ケーブルの長さ方向で前記ブイ取付対象部の端部側に配置されたブイの浮力が前記ブイ取付対象部の中央部側に配置されたブイの浮力よりも小さい、風力発電システムである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数のブイの浮力とこれに対抗するワイヤーの張力によってケーブルの形状を円弧状に保持する場合に、複数のブイの合計浮力を変えなくてもケーブルの座屈を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の参考形態に係るケーブル布設構造を示す側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る風力発電システムの構成を示す側面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る風力発電システムにおいて、水上設備の移動によりケーブルが縮んだ状態を示す側面図である。
【図４】本発明の実施形態に係るケーブル布設構造の要部を示す側面図である。
【図５】ブイ取付対象部のたわみの様子を示す図であって、（Ａ）はケーブルの自重によるたわみを示し、（Ｂ）はブイの浮力によるたわみを示し、（Ｃ）は（Ａ）のたわみと（Ｂ）のたわみを合成したたわみ成分を示し、（Ｄ）は（Ｃ）の目標のたわみ量を得た状態を示す図である。
【図６】比較例におけるブイの取付状態を示す図であって、（Ａ）はブイの取付位置を示し、（Ｂ）はケーブルの水中重量による初期たわみを示し、（Ｃ）はワイヤーの張力によるケーブルの目標たわみを示す図である。
【図７】実施例におけるブイの取付状態を示す図であって、（Ａ）はブイの取付位置を示し、（Ｂ）はケーブルの水中重量による初期たわみを示し、（Ｃ）はワイヤーの張力によるケーブルの目標たわみを示す図である。
【図８】ワイヤーの張力とケーブルの屈折の関係を説明する図である。
【図９】ケーブルの屈折が発生するメカニズムを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１１】
＜本発明の実施形態の概要＞
（１）本実施形態のケーブル布設構造は、
ケーブルと、
前記ケーブルの長さ方向に並んで前記ケーブルのブイ取付対象部に取り付けられ、前記ケーブルを水中に浮かせる複数のブイと、
前記ケーブルの前記ブイ取付対象部に取り付けられ、前記複数のブイの浮力に対抗する張力を前記ケーブルに加えることにより、前記ブイ取付対象部の形状を円弧状に保持するワイヤーと、を備え、
前記ケーブルの長さ方向で前記ブイ取付対象部の端部側に配置されたブイの浮力が前記ブイ取付対象部の中央部側に配置されたブイの浮力よりも小さい、ケーブル布設構造である。
【００１２】
上記（１）のケーブル布設構造によれば、複数のブイの浮力をすべて同一にする場合にくらべて、ケーブル（ブイ取付対象部）を円弧状に曲げるために必要なワイヤーの張力が小さくなる。このため、複数のブイの合計浮力を変えなくてもケーブルの座屈を抑制することができる。
【００１３】
（２）本実施形態のケーブル布設構造は、
前記複数のブイの浮力は、前記ブイ取付対象部の中央部から端部に向かって段階的に小さくなっている、ケーブル布設構造である。
【００１４】
上記（２）のケーブル布設構造によれば、各々のブイの浮力によるブイ取付対象部のたわみ量が、ブイ取付対象部の中央部から端部に向かって段階的に小さくなる。このため、ブイ取付対象部におけるケーブルの初期たわみ形状が、目標とする円弧状に近くなる。したがって、ワイヤーの張力でブイ取付対象部を目標とする円弧状に曲げやすくなる。さらに、ブイ取付対象部の円弧形状の歪みも小さくなる。
【００１５】
（３）本実施形態の風力発電システムは、
浮体式の風力発電設備と、
前記風力発電設備に接続されるケーブルと、
前記ケーブルの長さ方向に並んで前記ケーブルのブイ取付対象部に取り付けられ、前記ケーブルを浮かせる複数のブイと、
前記ケーブルの前記ブイ取付対象部に取り付けられ、前記複数のブイの浮力に対抗する張力を前記ケーブルに加えることにより、前記ブイ取付対象部の形状を円弧状に保持するワイヤーと、を備え、
前記ケーブルの長さ方向で前記ブイ取付対象部の端部側に配置されたブイの浮力が前記ブイ取付対象部の中央部側に配置されたブイの浮力よりも小さい、風力発電システムである。
【００１６】
上記（３）の風力発電システムによれば、複数のブイの浮力をすべて同一にする場合にくらべて、ケーブル（ブイ取付対象部）を円弧状に曲げるために必要なワイヤーの張力が小さくなる。このため、複数のブイの合計浮力を変えなくてもケーブルの座屈を抑制することができる。
【００１７】
＜本発明の参考形態＞
図１は本発明の参考形態に係るケーブル布設構造を示す側面図である。
図１において、ケーブル８は、水底６と水面７との間、すなわち水中に配置されている。ケーブル８には複数のブイ１０が取り付けられている。複数のブイ１０は、ケーブル８の長さ方向において、ブイ１０を取り付ける対象として予め設定されたケーブル部分（以下、「ブイ取付対象部」という。）１１に取り付けられている。なお、図１においては、ブイ取付対象部１１以外のケーブル部分を省略している。
【００１８】
複数のブイ１０は、ケーブル８の長さ方向に一列に並んで取り付けられている。また、各々のブイ１０は、ケーブル８の長さ方向で隣り合う２つのブイ１０の間隔が同一となるように取り付けられている。
【００１９】
上述のように複数のブイ１０が取り付けられたケーブル８にはワイヤー１２が取り付けられている。ワイヤー１２は、シンカー１３を用いて水底６に係留されている。ワイヤー１２は、シンカー１３から鉛直上向きに立ち上がるワイヤー部分（以下、「幹ワイヤー」）１２ａと、幹ワイヤー１２ａの上端部で枝分かれする複数のワイヤー部分（以下、「枝ワイヤー」）１２ｂと、を有する。複数の枝ワイヤー１２ｂの終端部は、それぞれケーブル８に取り付けられている。複数の枝ワイヤー１２ｂは、ケーブル８の長さ方向で隣り合う２つの枝ワイヤー１２ｂの間に１つずつブイ１０を挟むようにケーブル８に取り付けられている。
【００２０】
上記構成からなるケーブル布設構造においては、複数のブイ１０の浮力によってケーブル８が水中に浮かんでいる。これに対して、ワイヤー１２は、複数のブイ１０の浮力に対抗する張力をケーブル８に加えている。これにより、ケーブル８は水中で円弧状（鉛直上向きに凸）の形状に保持されている。
【００２１】
水中のケーブル８には、上向きの力、下向きの力、および横向きの力が作用している。具体的には、ケーブル８に取り付けられた複数のブイ１０の個数をｎ個とすると、ケーブル８に作用する上向きの力には、「Ｆｎ」と、「Ｆｖｂｎ」がある。Ｆｎは、ブイ取付対象部の一端部から他端部に向かってｎ番目に配置されたブイ１０の浮力である。Ｆｖｂｎは、ｎ番目に配置されたブイ１０の近傍でケーブル８の曲げに対する反力として働く垂直成分の力である。
【００２２】
ケーブル８に作用する下向きの力には、「Ｔｖｎ」と、「Ｗｎ」と、「Ｗｃ１，Ｗｃ２」と、「Ｆｔ」がある。Ｔｖｎは、ｎ番目のブイ１０を間に挟む２つの枝ワイヤー１２の張力による垂直成分の力である。Ｗｎは、ｎ番目のブイ１０の近傍におけるケーブル重量による力である。Ｗｃ１，Ｗｃ２は、ケーブル８のブイ取付対象部１１の両脇から垂れ下がるケーブル重量による力である。Ｆｔは、幹ワイヤー１２が複数のブイ１０による浮上を抑制しようとする力である。
【００２３】
ケーブル８に作用する横向きの力には、「Ｔｐｎ」と、「Ｆｐｂｎ」がある。Ｔｐｎは、ｎ番目のブイ１０を間に挟む２つの枝ワイヤー１２の張力による水平成分の力である。Ｆｐｂｎは、ｎ番目に配置されたブイ１０の近傍でケーブル８の曲げに対する反力として働く水平成分の力である。
【００２４】
このように、ケーブル８には各種の力が働いており、これらの力の釣り合いによってケーブル８が水中で円弧状の形状に保持されている。
【００２５】
＜本発明の発明者の知見＞
上述のようにケーブル８を円弧状に曲げるためには、複数のブイ１０による浮力とケーブル８の曲げ剛性を、ワイヤー１２の張力で抑え込む必要がある。ただし、ワイヤー１２の張力が大きくなりすぎると、上記図９を用いて説明した、ブイの浮力とワイヤーの張力との合力により、ケーブル８が座屈を起こすおそれがある。また、ワイヤー１２の張力が大きくなると、ケーブル布設時の作業性も悪化してしまう。
【００２６】
そこで本発明者は、複数のブイ１０の合計浮力を変えずに、ケーブル８を円弧状に曲げるためのワイヤー１２の張力を小さくすることができないか、種々の観点から鋭意検討した。そして、ケーブル８に取り付けられているブイ１０の大きさに着目するに至った。具体的には、上記参考形態に係るケーブル布設構造では、複数のブイ１０に求められる合計浮力を各々のブイ１０に均等に割り当てるという考えのもと、ケーブル８に取り付けられた複数のブイ１０がすべて同じ大きさ（浮力）になっていることに着目した。そして、複数のブイ１０の大きさに違いをもたせることにより、複数のブイ１０の合計浮力を変えなくてもワイヤー１２の張力を小さくすることができるという知見を得た。本発明は、このような発明者の知見に基づいてなされたものである。
【００２７】
＜本発明の実施形態の詳細＞
（風力発電システム）
図２は本発明の実施形態に係る風力発電システムの構成を示す側面図である。
図２においては、浮体式の水上設備１が、浮力により水上に浮いた状態で設置されている。本実施形態では風力発電システムを想定していることから、水上設備１は浮体式の風力発電設備を構成する。すなわち、水上設備１は、水上に浮かぶタワー２と、タワー２に搭載されたナセル３と、ハブ４と、ブレード５と、を備えている。
【００２８】
タワー２は、図示しないチェーンやワイヤーなどを用いて水底６に係留されている。ただし、タワー２は、水上に浮いたまま所定の範囲を移動可能となっている。タワー２は縦向きの姿勢で水上に浮いている。タワー２の上部は水面７から突出し、タワー２の下部は水中に沈んでいる。
【００２９】
ナセル３は、タワー２の上部に搭載されている。ナセル３の内部には、図示しない回転軸、増速機、発電機、変圧器などが収容されている。ハブ４およびブレード５は、風車を構成している。ハブ４は、ナセル３内の回転軸に連結されている。ハブ４には複数のブレード５が取り付けられている。
【００３０】
上記構成からなる水上設備１は、次のような原理で電力を発生する。まず、各々のブレード５に風が当たると、ブレード５と共にハブ４が回転する。ハブ４の回転はナセル３に伝達される。その際、ナセル３内では、ハブ４の回転を増速機、発電機および変圧器により電気に変換する。
【００３１】
水上設備１で発生した電力は、たとえば図示しない変電設備に送られる。その場合、水上設備１と変電設備との間に送電路を形成する必要がある。送電路の形成は、ケーブル８の布設によって行われる。ケーブル８としては、たとえば直流送電ケーブルなどの電力ケーブルを用いることができる。
【００３２】
ケーブル８は、水上設備１から大きく離れたところでは水底６に敷設または埋設され、水上設備１にある程度近づいたところでは水上設備１を接続先として水底６から立ち上がるように布設されている。また、ケーブル８は、水底６から水上設備１に至る部分では、複数のブイ１０によって水中に浮いた状態に保持されている。本実施形態では一例として７つのブイ１０を用いてケーブル８を水中に浮かせている。これにより、ケーブル８は、複数のブイ１０の浮力により水底６から立ち上げられている。また、ケーブル８は、複数のブイ１０と水上設備１との間にＵ字形の懸垂部（弛み）９を形成し、この懸垂部９を介して水上設備１に接続されている。
【００３３】
以降の説明では、ケーブル８の長さ方向において、複数のブイ１０が取り付けられているケーブル部分１１を「ブイ取付対象部１１」という。ケーブル８のブイ取付対象部１１にはワイヤー１２が取り付けられている。ワイヤー１２は、シンカー１３を用いて水底６に係留されている。
【００３４】
上記構成からなる風力発電システムにおいては、浮体式の水上設備１が水上で移動した場合に、それに従って懸垂部９が伸び縮みする。たとえば図３に示すように水上設備１がシンカー１３に近づく方向に移動すると、懸垂部９は弛み量が多くなるように縮められる。また、図示はしないが水上設備１がシンカー１３から遠ざかる方向に移動すると、懸垂部９は弛み量が少なくなるように伸ばされる。このように、水上設備１の移動に従って懸垂部９が伸び縮みすることにより、水上設備１の移動が許容（吸収）される。
【００３５】
（ケーブル布設構造）
図４は本発明の実施形態に係るケーブル布設構造の要部を示す側面図である。図４は図２のブイ取付対象部１１とこれにつながるワイヤー１２およびシンカー１３の部分を拡大した図である。なお、図中の記号Ｆｎ、Ｆｖｂｎ、Ｔｖｎ、Ｗｎ、Ｗｃ１、Ｗｃ２、Ｆｔ、Ｔｐｎ、Ｆｐｂｎに関しては、上記図１を用いて説明した内容と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００３６】
図４においては、ケーブル８の長さ方向に複数のブイ１０が一列に並んで取り付けられている。各々のブイ１０は、ケーブル８を水中に浮かべることができる浮力を有し、かつ、ケーブル８に取付可能なものであれば、どのような構造でもかまわない。具体例を挙げると、ブイ１０としては、水よりも比重の小さい樹脂製であって、ケーブル８を通すための軸孔を有する円柱状に形成されたものを使用可能である。各々のブイ１０は、ケーブル８の長さ方向に位置ずれしないようにケーブル８に固定されている。また、各々のブイ１０は、ケーブル８の長さ方向で隣り合う２つのブイ１０の間隔（中心間距離）が同一となるように取り付けられている。
【００３７】
ワイヤー１２は、シンカー１３から鉛直上向きに立ち上がる幹ワイヤー１２ａと、幹ワイヤー１２ａの上端部で枝分かれする複数の枝ワイヤー１２ｂと、を有する。複数の枝ワイヤー１２ｂの終端部は、それぞれケーブル８に取り付けられている。複数の枝ワイヤー１２ｂは、ケーブル８の長さ方向で隣り合う２つの枝ワイヤー１２ｂの間に１つずつブイ１０を挟むようにケーブル８に取り付けられている。
【００３８】
ケーブル８のブイ取付対象部１１において、ワイヤー１２は、ケーブル８に直接取り付けてもよいし、ブイ１０を介してケーブル８に間接的に取り付けてもよい。ただし、ブイ１０は比重の小さい材料で構成する必要があるため、ワイヤー１２の張力に耐え得るだけの強度を確保することが難しい。したがって、本実施形態においては、ケーブル８にワイヤー１２を直接取り付けることで、ワイヤー１２の張力がブイ１０に加わらない構成を採用している。
【００３９】
（ブイの浮力の大小関係）
ここで、ブイ１０の浮力の大小関係について説明する。
ケーブル８のブイ取付対象部１１に取り付けられた複数のブイ１０の浮力を相対的に比較すると、ケーブル８の長さ方向でブイ取付対象部１１の端部側に配置されたブイ１０の浮力は、ブイ取付対象部１１の中央部側に配置されたブイ１０の浮力よりも小さくなっている。具体的には、複数のブイ１０の浮力が、ブイ取付対象部１１の中央部から端部に向かって段階的に小さくなっている。以下、さらに詳しく説明する。
【００４０】
まず、上記図４に例示したようにケーブル８のブイ取付対象部１１に７個のブイ１０が取り付けられている場合、ブイ取付対象部１１の一端部から他端部に向かってブイ１０を１つずつ数えたときに、１番目となるブイ１０に１０ａの参照符号、２番目となるブイ１０に１０ｂの参照符号、３番目となるブイ１０に１０ｃの参照符号、４番目となるブイ１０に１０ｄの参照符号、５番目となるブイ１０に１０ｅの参照符号、６番目となるブイ１０に１０ｆの参照符号、７番目となるブイ１０に１０ｇの参照符号を付す。そうした場合、４番目のブイ１０ｄはブイ取付対象部１１の中央部に配置される。また、１番目のブイ１０ａはブイ取付対象部１１の一端部に配置され、７番目のブイ１０ｇはブイ取付対象部１１の他端部に配置される。
【００４１】
また、１番目のブイ１０ａの浮力をＦ１、２番目のブイ１０ｂの浮力をＦ２、３番目のブイ１０ｃの浮力をＦ３、４番目のブイ１０ｄの浮力をＦ４、５番目のブイ１０ｅの浮力をＦ５、６番目のブイ１０ｆの浮力をＦ６、７番目のブイ１０ｇの浮力をＦ７とすると、これらの浮力の大小関係は下記の（１）〜（５）の条件を満たしている。
Ｆ４＞Ｆ３＞Ｆ２＞Ｆ１  …（１）
Ｆ４＞Ｆ５＞Ｆ６＞Ｆ７  …（２）
Ｆ３＝Ｆ５  …（３）
Ｆ２＝Ｆ６  …（４）
Ｆ１＝Ｆ７  …（５）
【００４２】
すなわち、７個のブイ１０のうち、ブイ取付対象部１１の中央部に配置された４番目のブイ１０ｄの浮力が最も大きくなっている。そして、４番目のブイ１０ｄから１番目のブイ１０ａに向かって、各々のブイ１０の浮力が段階的に小さくなっている。同様に、４番目のブイ１０ｄから７番目のブイ１０ｇに向かって、各々のブイ１０の浮力が段階的に小さくなっている。また、本実施形態では、各々のブイ１０の浮力に応じて、大きさ（体積）の異なるブイ１０を用いている。具体的には、ブイ取付対象部１１の中央部に配置された４番目のブイ１０ｄの大きさが最も大きくなっている。そして、４番目のブイ１０ｄから１番目のブイ１０ａに向かって、各々のブイ１０の大きさが段階的に小さくなっている。同様に、４番目のブイ１０ｄから７番目のブイ１０ｇに向かって、各々のブイ１０の大きさが段階的に小さくなっている。
【００４３】
なお、ブイ取付対象部１１の中央部とは、ケーブル８の長さ方向におけるブイ取付対象部１１の中間部を意味する。たとえば、ブイ取付対象部１１のケーブル長がＬ（ｍ）であるとすると、ブイ取付対象部１１の端部からＬ／２のところがブイ取付対象部１１の中央部となる。
【００４４】
上述のように、ケーブル８のブイ取付対象部１１に取り付けられる複数のブイ１０の浮力に違いをもたせることにより、以下の計算例にも示すように、ワイヤー１２の張力を小さくすることができる。
【００４５】
＜ワイヤー張力の計算例＞
以下に、上記参照形態に対応する比較例と、上記実施形態に対応する実施例について、それぞれワイヤーの必要張力を計算により求めた結果について述べる。
【００４６】
まず、ワイヤーの必要張力を求めるのに先立ってブイ取付対象部のたわみを計算する。
このたわみ計算では、ブイ取付対象部１１の中央部を固定端、ブイ取付対象部１１の一端部を自由端として、ブイ取付対象部１１を片持ち梁とみなす。そうすると、ケーブル８をワイヤー１２で引っ張る前のたわみ（以下、「ケーブル初期たわみ」という。）は、ケーブル８の自重によるたわみと、ブイ１０の浮力によるたわみとを合成したたわみ成分で表すことができる。図５はブイ取付対象部１１を片持ち梁とみなしたときのたわみの様子を示すもので、図中（Ａ）はケーブル８の自重によるブイ取付対象部１１のたわみ量δａを示し、（Ｂ）はブイ１０の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量δｂを示す。また、図５の（Ｃ）は上記（Ａ）のたわみ量δａと（Ｂ）のたわみ量δｂを合成したたわみ成分δｃを示し、図５の（Ｄ）は上記（Ｃ）のたわみ成分δｃをもつブイ取付対象部１１に垂直方向の張力成分を加えて目標のたわみ量δｄを得た状態を示している。なお、以降の説明では、上記図５（Ａ），（Ｄ）のような鉛直下向きのたわみ量を正の値、上記図５（Ｂ），（Ｃ）のような鉛直上向きのたわみ量を負の値で表す。
【００４７】
（比較例）
比較例においては、図６に示すように、ケーブル８のブイ取付対象部１１に合計１０個のブイ１０を取り付ける場合を想定した。そして、各々のブイ１０の浮力をすべて同一とした。また、図６（Ａ）に示すようにブイ取付対象部１１のケーブル長をＬ、ブイ取付対象部１１の中央部から端部に向かって順に並ぶ５つのブイ１０の浮力をそれぞれＦｍ１，Ｆｍ２，Ｆｍ３，Ｆｍ４，Ｆｍ５とした。また、図６（Ｂ）に示すように、ブイ取付対象部１１のケーブル初期たわみをδｉ、ケーブル８の合計水中重量をＭｔとした。さらに、図６（Ｃ）に示すように、ブイ取付対象部１１のケーブル目標たわみをδｅとし、ワイヤー１２の必要張力をＴとした。ただし、ワイヤー１２については計算の便宜上ブイ取付対象部１１の両脇に２本の枝ワイヤー１２ｂを取り付ける場合を想定し、これらの枝ワイヤー１２ｂがなす角度θをケーブル曲げ角度とした。
【００４８】
（実施例）
実施例においても、図７に示すように、ケーブル８のブイ取付対象部１１に合計１０個のブイ１０を取り付ける場合を想定した。ただし、各々のブイ１０の浮力は、ブイ取付対象部１１の中央部から端部（両端部）に向かって段階的に小さくなるようにした。また、図７（Ａ）に示すようにブイ取付対象部１１のケーブル長をＬ、ブイ取付対象部１１の中央部から端部に向かって順に並ぶ５つのブイ１０の浮力をそれぞれＦｍ１，Ｆｍ２，Ｆｍ３，Ｆｍ４，Ｆｍ５とした。また、図７（Ｂ）に示すように、ブイ取付対象部１１のケーブル初期たわみをδｉ、ケーブル８の合計水中重量をＭｔとした。さらに、図７（Ｃ）に示すように、ブイ取付対象部１１のケーブル目標たわみをδｅとし、ワイヤー１２の必要張力をＴとした。ただし、ワイヤー１２については計算の便宜上ブイ取付対象部１１の両脇に２本の枝ワイヤー１２ｂを取り付ける場合を想定し、これらの枝ワイヤー１２ｂがなす角度θをケーブル曲げ角度とした。
【００４９】
（たわみ計算に適用したケーブル条件およびブイ条件）
比較例および実施例においては、以下のケーブル条件およびブイ条件を適用した。
ケーブル外径＝０．１２９ｍ
ケーブルの曲げ剛性＝２．１×１０３ｋｇ・ｍ２
ケーブルの水中重量＝２３ｋｇ／ｍ
ケーブルの許容曲げ半径＝２．５８ｍ
ブイ取付対象部のケーブル曲げ半径＝１５ｍ
ケーブル曲げ角度＝１２０°
ブイ取付対象部のケーブル長＝３１．４ｍ
ブイ取付対象部両脇のケーブル長＝５０ｍ（片側２５ｍ）
ブイ必要浮力（裕度なし）＝１８７２．６ｋｇ
ブイ必要浮力（裕度あり）＝３７４５．５ｋｇ（裕度＝２００％）
ブイ１個あたりの必要浮力（平均）＝３７４．５５ｋｇ
【００５０】
ブイ必要浮力は、ケーブル８を水中に浮かせるためにブイ１０に求められる浮力である。ブイ必要浮力の数値（１８７２．６ｋｇ）は、ブイ取付対象部のケーブル長（３１．４ｍ）とブイ取付対象部両脇のケーブル長（５０ｍ）とを足し合わせた値に、ケーブルの水中重量（２３ｋｇ／ｍ）を掛け合わせることで得られる。
【００５１】
（ケーブルの自重によるたわみ計算）
ケーブルの自重によるブイ取付対象部のたわみを計算すると、次のようになる。
まず、ケーブル８のブイ取付対象部１１が、ブイ取付対象部１１全体に作用する等分布荷重によってたわむと仮定する。この場合、ブイ取付対象部１１を片持ち梁とみなし、ブイ取付対象部１１の中央部を固定端、ブイ取付対象部１１の一端部を自由端とすると、ブイ取付対象部１１のたわみ量は、下記のたわみの式（１．１）で計算することができる。
δ＝ｗｌ４／（８ＥＩ）  …（１．１）
【００５２】
上記の（１．１）式において、ｗに等分布荷重（２３ｋｇ／ｍ）、ｌにブイ取付対象部１１のケーブル長の１／２の値（１５．７ｍ）、ＥＩにケーブルの曲げ剛性（２．１×１０３ｋｇ・ｍ２）を代入すると、ブイ取付対象部１１のたわみ量δ１はδ１＝８３．３ｍと求まる。
【００５３】
また、ケーブル８のブイ取付対象部１１が、ブイ取付対象部１１の端部に作用する集中荷重でたわむとする仮定する。この場合、上記同様にブイ取付対象部１１を片持ち梁とみなすと、ブイ取付対象部１１のたわみ量は、下記のたわみの式（１．２）で計算することができる。
δ＝Ｐｌ３／（３ＥＩ）  …（１．２）
【００５４】
上記の（１．２）式において、Ｐに集中荷重（５７５ｋｇ）、ｌにブイ取付対象部１１のケーブル長の１／２の値（１５．７ｍ）、ＥＩにケーブルの曲げ剛性（２．１×１０３ｋｇ・ｍ２）を代入すると、ブイ取付対象部１１のたわみ量δ２はδ２＝３５３．４ｍと求まる。なお、集中荷重Ｐは、ブイ取付対象部脇のケーブルの自重による荷重であるため、ここではケーブルの水中重量（２３ｋｇ／ｍ）にブイ取付対象部両脇のケーブル長の１／２の値（２５ｍ）を掛け合わせた値（５７５ｋｇ）を適用している。
【００５５】
（ブイの浮力によるたわみ計算）
ブイの浮力によるブイ取付対象部のたわみを計算すると、下記の表１のようになる。
【００５６】
【表１】
2020080581.tif 000003
【００５７】
上記の表１においては、ブイ取付対象部１１の中央部から端部に向かって順に並ぶ５つのブイ１０を符号１０−１〜１０−５で区別し、各々のブイ１０の浮力（Ｆｍ１〜Ｆｍ５）、位置（ａ１〜ａ５）、たわみ（δ１〜δ５）を表記している。このうち、各々のブイ１０の位置については、ブイ取付対象部１１の中央部を基準位置（ゼロ）として、それぞれ基準位置からａ１＝３．１ｍ、ａ２＝６．３ｍ、ａ３＝９．４ｍ、ａ４＝１２．６ｍ、ａ５＝１５．７ｍの位置にブイ１０が取り付けられている場合を想定している。
【００５８】
比較例においては、５つのブイ１０−１〜１０−５の浮力がすべて同じ値（３７４．５ｋｇ）になっている。この場合、５つのブイ１０−１〜１０−５の合計浮力は、１８７２．５ｋｇとなる。また、ブイ１０−１の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量は−４６．０ｍ、ブイ１０−２の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量は−６４．４ｍ、ブイ１０−３の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量は−８２．９ｍ、ブイ１０−４の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量は−１２８．９ｍ、ブイ１０−５の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量は−２３０．２ｍとなっている。
【００５９】
ブイ１０の浮力によるたわみ量は、下記のたわみの式（１．３）で計算することができる。
δ＝Ｐｌ３／（３ＥＩ）＋Ｐ（Ｌ／２−ｌ）２（２ＥＩ）×ｌ  （１．３）
【００６０】
上記の（１．３）式においては、Ｐにブイ１０の浮力、ｌに基準位置からブイ取付位置までの長さ、ＥＩにケーブル曲げ剛性（２．１×１０３ｋｇ・ｍ２）、Ｌにブイ取付対象部のケーブル長（３１．４ｍ）を代入する。その際、ブイ１０の浮力は負の値とする。これはブイ１０の浮力がブイ取付対象部１１を鉛直上向きにたわませる力として作用するためである。これにより、ブイ取付対象部１１のたわみ量は負の値となる。
【００６１】
実施例１においては、ブイ１０−１の浮力が４２４．５ｋｇ、ブイ１０−２の浮力が３９９．５ｋｇ、ブイ１０−３の浮力が３７４．５ｋｇ、ブイ１０−４の浮力が３４９．５ｋｇ、ブイ１０−５の浮力が３２４．５ｋｇとなっている。この場合、５つのブイ１０−１〜１０−５の合計浮力は、上記比較例と同じ１８７２．５ｋｇとなる。ただし、ケーブル８の長さ方向で隣り合うブイ１０の浮力差は、比較例が０ｋｇであるのに対して、実施例１は２５．０ｋｇである。また、、ブイ１０−１の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量は−５２．２ｍ、ブイ１０−２の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量は−６８．８ｍ、ブイ１０−３の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量は−８２．９ｍ、ブイ１０−４の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量は−１２０．３ｍ、ブイ１０−５の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量は−１９９．４ｍとなっている。
【００６２】
実施例２においては、ブイ１０−１の浮力が４７４．５ｋｇ、ブイ１０−２の浮力が４２４．５ｋｇ、ブイ１０−３の浮力が３７４．５ｋｇ、ブイ１０−４の浮力が３２４．５ｋｇ、ブイ１０−５の浮力が２７４．５ｋｇとなっている。この場合、５つのブイ１０−１〜１０−５の合計浮力は、上記実施例１および比較例と同じ１８７２．５ｋｇとなる。ただし、ケーブル８の長さ方向で隣り合うブイ１０の浮力差は、実施例１が２５．０ｋｇであるのに対して、実施例２は５０．０ｋｇである。また、ブイ１０−１の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量は−５８．３ｍ、ブイ１０−２の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量は−７３．１ｍ、ブイ１０−３の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量は−８２．９ｍ、ブイ１０−４の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量は−１１１．７ｍ、ブイ１０−５の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量は−１６８．７ｍとなっている。
【００６３】
以上のたわみの計算結果から、５つのブイ１０−１〜１０−５の浮力による、ブイ取付対象部１１の上向きのたわみ量の合計を求めると、上記表１に記載したとおり、比較例は−５５２．４ｍ、実施例１は−５２３．５ｍ、実施例２は−４９４．７ｍとなる。また、上述したケーブルの自重によるブイ取付対象部のたわみ量（δ１＝８３．３ｍ、δ２＝３５３．４ｍ）を加味すると、比較例のケーブル初期たわみδｉは−１１５．８ｍとなる。これに対して、実施例１のケーブル初期たわみδｉは−８６．９ｍ、実施例２のケーブル初期たわみδｉは−５８．０ｍとなる。このため、ケーブル目標たわみδｅ（δｅ＝７．５ｍ）を得るために必要なワイヤー１２の必要張力は、比較例にくらべて実施例１および実施例２のほうが小さくなる。具体的には、比較例のワイヤー１２の必要張力Ｔは４０１ｋｇ（垂直方向の必要張力成分は２００．５ｋｇ）となるのに対して、実施例１のワイヤー１２の必要張力Ｔは３０７ｋｇ（垂直方向の必要張力成分は１５３．５ｋｇ）、実施例２のワイヤー１２の必要張力Ｔは２１３ｋｇ（垂直方向の必要張力成分は１０６．５ｋｇ）となる。
【００６４】
なお、ワイヤー１２の必要張力Ｔは、上述したとおりケーブル曲げ角度＝１２０°であるとすると、垂直方向の必要張力成分の２倍の値となる。垂直方向の必要張力成分は、上記（１．２）式を用いて計算することができる。具体的には、上記（１．２）式を下記の（１．４）式のように変形する。そして、垂直方向の必要張力成分をＰとし、ケーブル初期たわみδｉの絶対値と目標たわみδｅとを加算した値をδに代入して求めればよい。
Ｐ＝δ×（３ＥＩ）／ｌ３  …（１．４）
【００６５】
（ワイヤーの張力とケーブルの座屈の関係）
次に、ワイヤー１２の張力とケーブル８の座屈の関係について説明する。
まず、複数のブイ１０の浮力に対抗してケーブル８のブイ取付対象部１１をワイヤー１２で引っ張って円弧状に曲げると、ブイ取付対象部１１の中央部には、ブイ１０の浮力とワイヤー１２の張力との合力が加わる。この合力について図８を用いて詳しく説明する。
【００６６】
図８においては、ブイ取付対象部１１の中央部１１ｃから左右均等な位置にブイ１０Ｌ，１０Ｒが位置している。そして、図中左側のブイ１０Ｌの浮力ＦｍＬに対抗してワイヤーの張力ＴＬが右下方向に加えられるとともに、図中右側のブイ１０Ｒの浮力ＦｍＲに対応してワイヤーの張力ＴＲが左下方向に加えられている。このため、ブイ１０Ｌの浮力ＦｍＬとワイヤーの張力ＴＬとの合力ＦｈＬは右向きに作用し、ブイ１０Ｒの浮力ＦｍＲとワイヤーの張力ＴＲとの合力ＦｈＲは左向きに作用する。その結果、ブイ取付対象部１１の中央部１１ｃは合力ＦｈＬ，ＦｈＲによって圧縮され、この圧縮力に耐えきれなくなるとケーブル８が中央部１１ｃまたはその近傍で座屈を起こす。また、合力ＦｈＬ，ＦｈＲの大きさは、ブイの浮力ＦｍＬ，ＦｍＲとワイヤーの張力ＴＬ，ＴＲに依存する。したがって、ブイの浮力ＦｍＬ，ＦｍＲを変えずに座屈の発生を抑制するには、ワイヤーの張力ＴＬ，ＴＲを小さくすればよい。
【００６７】
上記比較例および実施例１，２においては、５つのブイ１０−１〜１０−５の合計浮力が１８７２．５ｋｇで共通であるのに対して、ワイヤー１２の必要張力Ｔは異なる。すなわち、ワイヤー１２の必要張力Ｔは、比較例が最も大きく、実施例２が最も小さくなっている。このため、ブイ取付対象部１１の座屈は、比較例に比べて実施例１のほうが起こりにくく、更に実施例２のほうが起こりにくくなる。
【００６８】
＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。
【００６９】
本実施形態においては、複数のブイ１０とワイヤー１２を用いたケーブル８の布設構造として、ケーブル８の長さ方向でブイ取付対象部１１の端部側に配置されたブイ１０の浮力を中央部側に配置されたブイ１０の浮力よりも小さくしている。これにより、複数のブイ１０の浮力をすべて同一にする場合にくらべて、ワイヤー１２の張力を小さくすることができる。その結果、複数のブイ１０の合計浮力を変えなくてもケーブル８の座屈を抑制することが可能となる。また、ワイヤー１２の張力が小さくなることで、ケーブル８の布設時の作業性を向上させることが可能となる。
【００７０】
本実施形態においては、複数のブイ１０の浮力を、ブイ取付対象部１１の中央部から端部に向かって段階的に小さくした構成を採用している。これにより、各々のブイ１０の浮力によるブイ取付対象部１１のたわみ量は、ブイ取付対象部１１の中央部から端部に向かって段階的に小さくなる。このため、ブイ取付対象部１１におけるケーブル８の初期たわみ形状が、目標とする円弧状に近くなる。したがって、ワイヤー１２の張力でブイ取付対象部１１を目標とする円弧状に曲げやすくなる。また、ブイ取付対象部１１の円弧形状の歪みも小さくなる。
【００７１】
本実施形態においては、浮力の大小に応じて大きさ（体積）が異なる複数のブイ１０を用いている。このため、複数のブイ１０をケーブル８のブイ取付対象部１１に取り付ける場合に、ケーブル８の長さ方向におけるブイ１０の並び順を、各々のブイ１０の大きさの違いから容易に把握することができる。このため、ブイ１０の取付作業をミスなく迅速に行うことができる。
【００７２】
＜他の実施形態＞
なお、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。
【００７３】
たとえば、上記実施形態においては、ケーブル８の長さ方向で隣り合う２つの枝ワイヤー１２ｂの間に１つずつブイ１０を挟むようにしたが、これに限らず、ブイ１０の取付位置とワイヤー１２の取付位置の関係を適宜変更してもよい。
【００７４】
また、上記実施形態においては、ブイ１０の形状を軸孔付きの円柱状としたが、これに限らず、他の形状（たとえば球形、直方体など）のブイを用いることも可能である。また、ブイ取付対象部に取り付けられる複数のブイをすべて同じ形状のブイで構成してもよいし、異なる形状のブイで構成してもよい。
【００７５】
また、上記実施形態においては、複数のブイ１０の浮力に違いをもたせるために、大きさ（体積）の異なるブイ１０を用いるようにしたが、これに限らず、ブイの浮力の大きさに応じて、比重の異なるブイを用いてもよい。また、ブイの浮力の大きさに応じて、各々のブイの大きさと比重の両方を変えてもよい。比重が異なるブイを用いる場合は、複数のブイの浮力に違いをもたせるにあたって、複数のブイをすべて同じ大きさのブイで構成することが可能となる。
【００７６】
また、上記実施形態においては、複数のブイ１０の浮力をブイ取付対象部１１の中央部から端部に向かって段階的に小さくしたが、これに限らず、ブイ取付対象部１１の端部側に配置されたブイ１０の浮力が中央部側に配置されたブイ１０の浮力よりも小さければよい。具体的には、たとえばブイ取付対象部１１に合計９個のブイ１０を取り付ける場合は、ブイ取付対象部１１の端部側に配置された３個（両側あわせて６個）のブイ１０の平均浮力が中央部側に配置された３個のブイ１０の平均浮力よりも小さくなっていればよい。
【００７７】
また、上記実施形態においては、水上設備１の一例として風力発電設備を想定したが、ケーブルの接続先となる水上設備は風力発電設備などの発電設備に限らず、たとえば変電設備などであってもよい。また、ケーブルの接続先となる水上設備は、洋上あるいは湖上などに設置されるものでもよい。その場合、上述した「水上」、「水面」、「水中」、「水底」といった用語は、「洋上」、「海面」、「海中」、「海底」、あるいは「湖上」、「湖面」、「水中」、「湖底」と読み替えることができる。
【００７８】
また、上記実施形態においては、布設の対象となるケーブル８として電力用のケーブルを例に挙げて説明したが、水上設備に接続されるケーブルはこれに限らず、通信用のケーブル、あるいは電力用と通信用を兼ねた複合ケーブルであってもよい。
【００７９】
＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様を付記する。
（付記１）
ケーブルと、
前記ケーブルの長さ方向に並んで前記ケーブルのブイ取付対象部に取り付けられ、前記ケーブルを水中に浮かせる複数のブイと、
前記ケーブルの前記ブイ取付対象部に取り付けられ、前記複数のブイの浮力に対抗する張力を前記ケーブルに加えることにより、前記ブイ取付対象部の形状を円弧状に保持するワイヤーと、を備え、
前記ケーブルの長さ方向で前記ブイ取付対象部の端部側に配置されたブイの浮力が前記ブイ取付対象部の中央部側に配置されたブイの浮力よりも小さい、ケーブル布設構造。
（付記２）
前記複数のブイの浮力は、前記ブイ取付対象部の中央部から端部に向かって段階的に小さくなっている、付記１に記載のケーブル布設構造。
（付記３）
前記複数のブイは、該ブイの浮力に応じて大きさが異なる、付記１または２に記載のケーブル布設構造。
（付記４）
前記複数のブイは、該ブイの浮力に応じて比重が異なる、付記１または２に記載のケーブル布設構造。
（付記５）
前記複数のブイは、同じ形状のブイで構成されている、付記１または２に記載のケーブル布設構造。
（付記６）
前記複数のブイは、異なる形状のブイで構成されている、付記１または２に記載のケーブル布設構造。
（付記７）
浮体式の風力発電設備と、
前記風力発電設備に接続されるケーブルと、
前記ケーブルの長さ方向に並んで前記ケーブルのブイ取付対象部に取り付けられ、前記ケーブルを浮かせる複数のブイと、
前記ケーブルの前記ブイ取付対象部に取り付けられ、前記複数のブイの浮力に対抗する張力を前記ケーブルに加えることにより、前記ブイ取付対象部の形状を円弧状に保持するワイヤーと、を備え、
前記ケーブルの長さ方向で前記ブイ取付対象部の端部側に配置されたブイの浮力が前記ブイ取付対象部の中央部側に配置されたブイの浮力よりも小さい、風力発電システム。
【符号の説明】
【００８０】
１…水上設備
２…タワー
３…ナセル
４…ハブ
５…ブレード
６…水底
７…水面
８…ケーブル
９…懸垂部
１０…ブイ
１１…ブイ取付対象部
１１ｃ…中央部
１２…ワイヤー
１２ａ…幹ワイヤー
１２ｂ…枝ワイヤー
１３…シンカー
５０…ブイ
５１…ケーブル
【図１】
2020080581.tif 000004
【図２】
2020080581.tif 000005
【図３】
2020080581.tif 000006
【図４】
2020080581.tif 000007
【図５】
2020080581.tif 000008
【図６】
2020080581.tif 000009
【図７】
2020080581.tif 000010
【図８】
2020080581.tif 000011
【図９】
2020080581.tif 000012