(57)【要約】【課題】風力発電施設などの洋上施設の施工中と洋上施設稼動中の双方における動揺安定性を確保することができる安価な洋上施設用浮体構造物および洋上施設の施工方法を提供する。【解決手段】洋上施設用のセミサブ型の浮体構造物１０であって、洋上施設基礎としてのセミサブ型の中央浮体１２と、中央浮体１２の上下方向の軸心Ｚから径外方側に配置され、中央浮体１２とそれぞれ連結された複数のセミサブ型の外側浮体１４とを備え、外側浮体１４は、水平断面積が大きい下部浮体２４と、下部浮体２４の上側に配置され、下部浮体２４よりも水平断面積が小さい上部浮体２２とからなり、喫水を浅くする浅喫水モードにおいては下部浮体２４部分に水面が位置する一方で、喫水を深くする深喫水モードにおいては上部浮体２２部分に水面が位置するように喫水を調整可能な喫水調整手段１６を備えるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
洋上施設用のセミサブ型の浮体構造物であって、
洋上施設基礎としてのセミサブ型の中央浮体と、
前記中央浮体の上下方向の軸心から径外方側に配置され、前記中央浮体とそれぞれ連結された複数のセミサブ型の外側浮体とを備え、
前記外側浮体は、水平断面積が大きい下部浮体と、前記下部浮体の上側に配置され、前記下部浮体よりも水平断面積が小さい上部浮体とからなり、
喫水を浅くする浅喫水モードにおいては前記下部浮体部分に水面が位置する一方で、喫水を深くする深喫水モードにおいては前記上部浮体部分に水面が位置するように喫水を調整可能な喫水調整手段を備えることを特徴とする洋上施設用浮体構造物。
【請求項２】
前記外側浮体は、上方に行くに従い水平断面積が小さくなる略錐形状であることを特徴とする請求項１に記載の洋上施設用浮体構造物。
【請求項３】
動揺を低減するための動揺低減手段を前記外側浮体に設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の洋上施設用浮体構造物。
【請求項４】
前記動揺低減手段は、前記外側浮体の底部に設けられる板状部材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の洋上施設用浮体構造物。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一つに記載の洋上施設用浮体構造物を用いて洋上施設を施工する方法であって、
前記洋上施設用浮体構造物を水がない区域または水深が浅い区域において製作するとともに、洋上施設を前記浮体構造物の中央浮体の上に組み立てる際または組み立てた後に前記下部浮体部分に水面が位置する状態にし、洋上施設設置地点である水深が深い水域に前記浮体構造物を設置した場合には、前記上部浮体部分に水面が位置する状態にすることを特徴とする洋上施設の施工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、洋上に浮かべた浮体構造に風車を搭載して洋上風力発電を行う浮体式洋上風力発電施設などの洋上施設用の浮体構造物および洋上施設の施工方法に関し、特に、セミサブ型（半潜水型）の洋上施設用浮体構造物および洋上施設の施工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、風車を搭載した浮体構造物からなる浮体式洋上風力発電施設が知られている（例えば、特許文献１〜４参照）。特許文献１等に示される浮体構造物は、平面的に配置した複数のセミサブ型（半潜水型）の浮体部同士を、相互間隔を確保した上で連結したものである。
【０００３】
また、このような浮体構造物に関し、本件特許出願人の一人は、既に特願２００７−２５８５５２に示す風力発電用浮体装置を提供している。この風力発電用浮体装置は、風車を搭載する柱状のメインフロータと、このメインフロータの周囲に配置した複数のサブフロータとからなり、風車の安定性および傾斜に対する復元性を確保するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９８２０７号公報
【特許文献２】特開２００６−３２７２５２号公報
【特許文献３】特開２００７−１６０９６５号公報
【特許文献４】特開２００７−３３１４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記の従来の浮体式洋上風力発電施設は、強風で波も高く作業環境が厳しい深海洋上に設置されるのが一般的である。この風力発電施設を洋上で建設する場合、作業船を係留できないか、または、仮に係留できたとしても波浪による作業船の動揺は大きく、精度が要求される作業を行うことは極めて困難である。このため、風車の組み立てなどの作業は、港内など比較的静穏な水域で行う必要がある。ここで、静穏な港内は一般に水深が浅い水域であることから、港内で組み立てる浮体構造物には、喫水を浅くするために補助のフロータを設置する必要がある。
【０００６】
一方、洋上においては、風車を搭載した浮体構造物は、風と波浪によって大きく動揺する。この動揺が大きいと、稼働中の風車のブレードや発電機の故障あるいは破損の原因となるおそれがある。したがって、この動揺を低減するために、浮体構造物の規模を大型化したり、喫水を大きくするなどの対策が必要であるが、このようにすることは、浮体構造物の体積の増大を招いてコスト高となってしまう。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、風力発電施設などの洋上施設の施工中と洋上施設稼動中の双方における動揺安定性を確保することができる安価な洋上施設用浮体構造物および洋上施設の施工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に係る洋上施設用浮体構造物は、洋上施設用のセミサブ型の浮体構造物であって、洋上施設基礎としてのセミサブ型の中央浮体と、前記中央浮体の上下方向の軸心から径外方側に配置され、前記中央浮体とそれぞれ連結された複数のセミサブ型の外側浮体とを備え、前記外側浮体は、水平断面積が大きい下部浮体と、前記下部浮体の上側に配置され、前記下部浮体よりも水平断面積が小さい上部浮体とからなり、喫水を浅くする浅喫水モードにおいては前記下部浮体部分に水面が位置する一方で、喫水を深くする深喫水モードにおいては前記上部浮体部分に水面が位置するように喫水を調整可能な喫水調整手段を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の請求項２に係る洋上施設用浮体構造物は、上述した請求項１において、前記外側浮体は、上方に行くに従い水平断面積が小さくなる略錐形状であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項３に係る洋上施設用浮体構造物は、上述した請求項１または２において、動揺を低減するための動揺低減手段を前記外側浮体に設けたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の請求項４に係る洋上施設用浮体構造物は、上述した請求項１〜３のいずれか一つにおいて、前記動揺低減手段は、前記外側浮体の底部に設けられる板状部材であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項５に係る洋上施設の施工方法は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の洋上施設用浮体構造物を用いて洋上施設を施工する方法であって、前記洋上施設用浮体構造物を水がない区域または水深が浅い区域において製作するとともに、洋上施設を前記浮体構造物の中央浮体の上に組み立てる際または組み立てた後に前記下部浮体部分に水面が位置する状態にし、洋上施設設置地点である水深が深い水域に前記浮体構造物を設置した場合には、前記上部浮体部分に水面が位置する状態にすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る洋上施設用浮体構造物は、洋上施設用のセミサブ型の浮体構造物であって、洋上施設基礎としてのセミサブ型の中央浮体と、前記中央浮体の上下方向の軸心から径外方側に配置され、前記中央浮体とそれぞれ連結された複数のセミサブ型の外側浮体とを備え、前記外側浮体は、水平断面積が大きい下部浮体と、前記下部浮体の上側に配置され、前記下部浮体よりも水平断面積が小さい上部浮体とからなり、喫水を浅くする浅喫水モードにおいては前記下部浮体部分に水面が位置する一方で、喫水を深くする深喫水モードにおいては前記上部浮体部分に水面が位置するように喫水を調整可能な喫水調整手段を備えるので、例えば、洋上施設が風力発電施設であり、中央浮体が風車基礎である場合において、水深が浅い水域で風車を組み立て施工する際と、水深が深い水域で風車を稼動する際の双方において浮体構造物の動揺安定性を安価に確保することができるという効果を奏する。また、この双方の条件に適合するように浮体構造物の設計を行えばよいので、設計が容易になるとともに、設計の自由度も高くなる。特に、施工時に対する条件で下部浮体の径を設定できることから、ドック内などで浮体構造物を製作した後の進水時に補助的なフロータを必要としない。
【００１４】
また、本発明に係る洋上施設の施工方法は、上述した洋上施設用浮体構造物を用いて洋上施設を施工する方法であって、前記洋上施設用浮体構造物を水がない区域または水深が浅い区域において製作するとともに、洋上施設を前記浮体構造物の中央浮体の上に組み立てる際または組み立てた後に前記下部浮体部分に水面が位置する状態にし、洋上施設設置地点である水深が深い水域に前記浮体構造物を設置した場合には、前記上部浮体部分に水面が位置する状態にするので、水がない区域または水深が浅い区域で浮体構造物を製作して洋上施設を組み立て施工する際と、洋上施設設置地点である水深が深い水域で洋上施設を稼動する際の双方において浮体構造物の動揺安定性を安価に確保することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明に係る洋上施設用浮体構造物の実施例を示す概略斜視図である。
【図２】図２は、港内に設置した洋上施設用浮体構造物の概略側面図である。
【図３】図３は、洋上に設置した洋上施設用浮体構造物の概略側面図である。
【図４】図４は、動揺低減手段を備えた浮体構造物の概略側面図である。
【図５】図５は、浮体構造物の固有周期と応答値の関係図である。
【図６】図６は、動揺低減手段の水平長Ｄの違いによる動揺量の比較図である。
【図７】図７は、本発明に係る他の洋上施設用浮体構造物の実施例を示す図であり、外側浮体が異径円柱を３段重ねた形状である場合の概略斜視図である。
【図８】図８は、本発明に係る他の洋上施設用浮体構造物の実施例を示す図であり、外側浮体が略円錐台形状である場合の概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明に係る洋上施設用浮体構造物および洋上施設の施工方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例】
【００１７】
図１は、本発明に係る洋上施設用浮体構造物の実施例を示す概略斜視図である。
図１に示すように、本発明に係る洋上施設用浮体構造物（以下、「浮体構造物」という。）１０は、円柱状の中央浮体１２と、中央浮体１２の上下方向の軸心Ｚから径外方側に連結配置された３個の外側浮体１４とを備えるセミサブ型（半潜水型）の浮体構造物である。浮体構造物１０は、外側浮体１４内に設けられ、自身の喫水を調整可能な喫水調整手段１６をさらに備える。
【００１８】
中央浮体１２は、発電用風車２および塔４を搭載する風車基礎として用いられる。中央浮体１２の外周面には複数の棒状の第１連結部材１８の一端がそれぞれ固定してあり、この第１連結部材１８を介して３個の外側浮体１４は中央浮体１２に連結されている。
【００１９】
３個の外側浮体１４は、中央浮体１２の軸心Ｚを中心とする円の周方向等間隔に配置してある。各外側浮体１４は、異径円柱を同軸上に上下２段重ねにした形状であり、小径の上部浮体２２と大径の下部浮体２４とから構成されている。
【００２０】
第１連結部材１８は、その他端が上部浮体２２の外周面に固定してある。第１連結部材１８は、上下にそれぞれ配置される水平の部材と、斜めの部材の計３本によって構成される。下部浮体２４同士は、水平に延設した第２連結部材２０によって相互に連結されている。Ｘ軸は波の方向であり、本実施例では、外側浮体は平面視で正三角形の頂点に位置し中央浮体はその重心に位置するため、一つの外側浮体の中心と中央浮体の中心を通る水平方向に設定している。Ｙ軸はＸ軸に直交する水平方向の軸で、中央浮体の中心を通るようになっている。ピッチングとはＹ軸を回転軸とする揺動である。
【００２１】
図２は、港内に設置した洋上施設用浮体構造物の概略側面図である。図３は、洋上に設置した洋上施設用浮体構造物の概略側面図である。
【００２２】
下部浮体２４の寸法は、図２に示すように、浮体構造物１０の製作および風車２の組み立て後に港内（水深が浅い区域）に浮かせた場合に、浮体としての動揺安定性を確保するように設定する。また、上部浮体２２の寸法は、図３に示すように、風力発電地点である洋上（水深が深い水域）に設置した場合に、風や波があっても風車２に悪影響を与えない所定の動揺特性に適応する寸法に設定する。このように、上部浮体２２および下部浮体２４の寸法は各水域の条件によってそれぞれ設定できるので、浮体構造物１０の設計が簡便となる利点を有する。
【００２３】
より具体的には、下部浮体２４の寸法は、図２に示すように、製作・組み立て場所である造船ドックまたは海洋ドックなどのドック区域において浮体構造物１０の製作および風車２の組み立てを水がない環境で行った後、進水またはドック区域に注水した後において浮体構造物１０の喫水がドック区域の水深より小さく、かつ、浮体構造物１０が転倒したり傾いて不安定にならないように設定すればよい。この場合、注水後の水面ＷＬが下部浮体２４部分となるように下部浮体２４の高さを設定すればよい。
【００２４】
また、上部浮体２２は、下部浮体２４よりも径が細いので、図３に示すように、洋上での風車稼動時には水面ＷＬが上部浮体２２部分にあることによって、外側浮体１４に作用する波力を低減することができる。水面ＷＬにおける上部浮体２２の断面積が小さいと浮体構造物１０の復元モーメントが小さくなるため、浮体構造物１０の動揺周期が長くなり（ゆっくりとした揺れ）、浮体構造物１０に対する作用力が小さくなる。しかし、上部浮体２２の水平断面積が小さすぎると浮体構造物１０の傾斜が大きくなることから、風車２の特性によって上部浮体２２の径を設定することが好ましい。
【００２５】
喫水調整手段１６は、浮体構造物１０の喫水を浅くする浅喫水モードと、喫水を深くする深喫水モードとに調整するためのものであり、図２に示すような浅喫水モードにおいては、下部浮体２４部分に水面ＷＬが位置する一方で、図３に示すような深喫水モードにおいては、上部浮体２２部分に水面ＷＬが位置するように喫水を調整する。ここで、喫水調整手段１６としては、例えば、外側浮体１４の外周面にバラスト搬出入用の図示しない開口部を設け、この開口部から外側浮体１４内部にバラストを搬出入することによって外側浮体１４の重量を調整し、喫水を変更可能とすることが考えられる。
【００２６】
上記構成の動作および作用について説明する。
図２に示すように、浮体構造物１０を港内（水深が浅い区域）において製作するとともに、洋上施設としての風車２を中央浮体１２の上に組み立てる際または組み立てた後に、喫水調整手段１６の作用により下部浮体２４部分に水面ＷＬが位置する状態に喫水を調整して、浮体構造物１０を海底ＢＬに接地させることなく浅い水域に浮かせる。
【００２７】
次に、図３に示すように、風力発電地点である洋上（水深が深い水域）に風車２を搭載した浮体構造物１０を港内から曳航して設置し、喫水調整手段１６の作用により上部浮体２２部分に水面ＷＬが位置する状態に喫水を調整する。このようにして本発明に係る洋上施設としての洋上風力発電施設１００を施工することができる。なお、海中の索状の係留部材２８により浮体構造物１０を海底ＢＬに係留してもよい。
【００２８】
以上のように、本発明によれば、水がない区域または水深が浅い区域で浮体構造物１０を製作して風車２を組み立て施工する際と、風力発電地点である水深が深い水域で風車２を稼動する際の双方において浮体構造物１０の動揺安定性を安価に確保することができる。また、この双方の条件に適合するように浮体構造物１０の設計を行えばよいので、設計が容易になるとともに、設計の自由度も高くなる。特に、施工時に対する条件で下部浮体２４の径を設定できることから、ドック内などで浮体構造物１０を製作した後の進水時に補助的なフロータを必要としない。
【００２９】
上記の実施の形態において、図４に示すように、図１、２、３の構造において下部浮体２４の底部に動揺低減手段としての円盤プレート２６（板状部材）を同軸上に設けてもよい。円盤プレート２６は、下部浮体２４の径より大きい径で構成してあり、浮体構造物１０の動揺時に周辺の海水を一緒に移動させ、浮体構造物１０への付加質量（仮想の重量）が増すことで、設置海域の海象条件の波浪周期と浮体構造物１０の固有周期とをずらすことが可能となり、これにより動揺を低減することができる。また、円盤プレート２６周辺の海水を攪拌することで渦を発生させ、動揺に対する減衰効果を得ることも可能である。
【００３０】
図５は、図４に示す浮体構造物のピッチングの固有周期と応答値の関係図である。この図においてピッチングとは、図１におけるものと同様に、一つの外側浮体と中央浮体を通る水平軸をＸ軸とし、このＸ軸を波の方向に合わせ（風の方向にも合わせている）、この方向に対してのピッチングである。図６は、ある不規則波を入力したときの円盤プレートの水平長Ｄの違いによる最大動揺量の比較図である。なお、ここでの定常傾斜とは、風や潮流力等、波以外の作用による傾斜である。
【００３１】
図５に示すように、図４に示す浮体構造物１０のピッチングの固有周期を試算すると、円盤プレート２６を設けない場合（水平長Ｄ＝８ｍ）では１７秒であり、円盤プレート２６（Ｄ＝１８ｍ）を設けた場合では２５秒であるので、円盤プレート２６を設けると浮体構造物１０の固有周期が長くなることがわかる。したがって、例えば、周期１５秒の波が発生する海域では、円盤プレート２６を設けない場合（水平長Ｄ＝８ｍ）の応答値は０．４５（ｄｅｇ／ｍ）であり、円盤プレート２６（Ｄ＝１８ｍ）を設けた場合の応答値は０．０９であるので、円盤プレート２６（Ｄ＝１８ｍ）を設けると動揺量が１／５になることがわかる。なお、日本海沿岸での波の周期は２０秒以下が殆どである。
【００３２】
また、図６に示すように、動揺量（ピッチ（ｄｅｇ））は、円盤プレート２６を設けない場合（水平長Ｄ＝８ｍ）は４．２４（ｄｅｇ）であり、円盤プレート２６（Ｄ＝１８ｍ）を設けた場合は０．８５（ｄｅｇ）であるので、円盤プレート２６（Ｄ＝１８ｍ）を設けると動揺量が１／５になることがわかる。
【００３３】
上記の実施の形態において、外側浮体１４の形状として異径円柱を上下２段重ねにした形状について説明したが、外側浮体１４は、水平断面積が大きい下部浮体と、下部浮体よりも水平断面積が小さい上部浮体とから構成するものであればいかなる形状であってもよい。例えば、上部浮体および下部浮体の径が大きく異なる条件の場合には、図７に示すように、上部浮体と下部浮体との間に中間浮体を設けた上下３段重ねにした形状としてもよいし、図８に示すように、上方に行くに従って縮径する略円錐台形状としてもよく、さらに略錐形状としてもよい。
【００３４】
また、上記の実施の形態において、３個の外側浮体１４が中央浮体１２の軸心Ｚを中心として、この軸心Ｚから等距離であって円の周方向に等間隔に配置される場合について説明したが、３個に限るものではなく、４個以上の複数の外側浮体１４を周方向に等間隔に配置するようにしてもよく、このようにしても本発明と同一の作用効果を奏することができる。また、中央浮体１２は１個の浮体に限定されるものではなく、複数個の浮体を連結一体化したものでもよい。
【００３５】
以上説明したように、本発明に係る洋上施設用浮体構造物によれば、洋上施設用のセミサブ型の浮体構造物であって、洋上施設基礎としてのセミサブ型の中央浮体と、前記中央浮体の上下方向の軸心から径外方側に配置され、前記中央浮体とそれぞれ連結された複数のセミサブ型の外側浮体とを備え、前記外側浮体は、水平断面積が大きい下部浮体と、前記下部浮体の上側に配置され、前記下部浮体よりも水平断面積が小さい上部浮体とからなり、喫水を浅くする浅喫水モードにおいては前記下部浮体部分に水面が位置する一方で、喫水を深くする深喫水モードにおいては前記上部浮体部分に水面が位置するように喫水を調整可能な喫水調整手段を備えるので、水深が浅い水域で風車を組み立て施工する際と、水深が深い水域で風車を稼動する際の双方において浮体構造物の動揺安定性を安価に確保することができる。
【００３６】
また、本発明に係る洋上施設の施工方法によれば、上述した洋上施設用浮体構造物を用いて洋上施設を施工する方法であって、前記洋上施設用浮体構造物を水がない区域または水深が浅い区域において製作するとともに、洋上施設を前記浮体構造物の中央浮体の上に組み立てる際または組み立てた後に前記下部浮体部分に水面が位置する状態にし、洋上施設設置地点である水深が深い水域に前記浮体構造物を設置した場合には、前記上部浮体部分に水面が位置する状態にするので、水がない区域または水深が浅い区域で浮体構造物を製作して洋上施設を組み立て施工する際と、洋上施設設置地点である水深が深い水域で洋上施設を稼動する際の双方において浮体構造物の動揺安定性を安価に確保することができるという効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上のように、本発明に係る洋上施設用浮体構造物は、洋上に浮かべた浮体構造に風車を搭載して洋上風力発電を行う浮体式洋上風力発電用の浮体構造物および洋上施設の施工方法に有用であり、特に、浮体構造物の製作および風車の組み立て作業を水深が浅い静穏な港内で行い、風力発電地点である深海洋上に設置するセミサブ型の洋上風力発電用浮体構造物および洋上風力発電施設の施工方法に適している。
【符号の説明】
【００３８】
２  風車
４  塔
１０  洋上施設用浮体構造物
１２  中央浮体
１４  外側浮体
１６  喫水調整手段
１８  第１連結部材
２０  第２連結部材
２２  上部浮体
２４  下部浮体
２６  円盤プレート（動揺低減手段、板状部材）
２８  係留部材
１００  洋上風力発電施設
ＷＬ  水面
ＢＬ  海底
Ｚ  軸心
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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