(57)【要約】【課題】固有振動数の調整が容易に行える洋上風力発電設備の連結構造を提供すること。【解決手段】洋上風力発電設備１の連結構造は、発電装置２および支持装置３の一方に設けられた柱状部２３と、発電装置２および支持装置３の他方に設けられ、柱状部２３を収容する筒状部３６と、筒状部３６内に設けられ、発電装置２を支承する支承装置と、柱状部２３と筒状部３６との間に周方向に配置され、柱状部２３と筒状部３６とを接続する弾性部材５とを備えている。【選択図】図３
2013253536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電装置と前記発電装置を支持する支持装置とを備えた洋上風力発電設備に組み込まれて前記発電装置と前記支持装置とを連結する洋上風力発電設備の連結構造であって、
前記発電装置および前記支持装置の一方に設けられた柱状部と、
前記発電装置および前記支持装置の他方に設けられ、前記柱状部を収容する筒状部と、
前記筒状部内に設けられ、前記発電装置を支承する支承装置と、
前記柱状部と前記筒状部との間に周方向に配置され、前記柱状部と前記筒状部とを接続する弾性部材とを備えていることを特徴とする洋上風力発電設備の連結構造。
【請求項２】
請求項１に記載の洋上風力発電設備の連結構造において、
前記支承装置は、前記柱状部を当該柱状部の軸線に対して直交する方向に移動自在に支承する滑り支承装置であり、
前記弾性部材は、前記柱状部の軸線に対して直交する複数の直交面の面内に配置されていることを特徴とする洋上風力発電設備の連結構造。
【請求項３】
請求項１に記載の洋上風力発電設備の連結構造において、
前記支承装置は、前記柱状部を当該柱状部の軸線回りに回転自在に支承するピポット支承装置であり、
前記弾性部材は、前記柱状部の軸線に対して直交する少なくとも１つの直交面の面内に配置されていることを特徴とする洋上風力発電設備の連結構造。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の洋上風力発電設備の連結構造において、
前記柱状部から前記周方向の一方側に延設されて前記筒状部に接続された弾性部材と、前記柱状部から前記周方向の他方側に延設されて前記筒状部に接続された弾性部材とを含む複数の前記弾性部材が設けられていることを特徴とする洋上風力発電設備の連結構造。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の洋上風力発電設備の連結構造において、
前記弾性部材は、前記柱状部の軸線に対して点対象に配置されていることを特徴とする洋上風力発電設備の連結構造。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の洋上風力発電設備の連結構造において、
前記弾性部材には、当該弾性部材の座屈を拘束する座屈拘束部材が設けられていることを特徴とする洋上風力発電設備の連結構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置と支持装置とを連結する洋上風力発電設備の連結構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自然エネルギーを利用する発電方式のひとつとして、風力発電が注目されている。とくに、洋上風力発電は、広大な海洋に生じる強大な風力を比較的安定的に利用できることから、今後の開発が期待されている。なお、洋上風力発電としては、洋上と同様な風力が得られる大河川の下流部や湖沼等に設置される風力発電設備を含む。
【０００３】
前述した洋上風力発電に利用される洋上風力発電設備は、風力を受けて回転するプロペラ等を含む発電装置と、これを洋上の所定高さに支持するための支持装置とを備えた構成とされる。
発電装置は、発電機を収容したナセルと、風力を受けて発電機を回転させるプロペラ等とを有する。多くの発電装置では、ナセルの下面側にタワーが設置され、このタワーが支持装置に連結されるが、他の構造により支持装置に連結されることもある。
【０００４】
一方、支持装置は、基部が海底に固定されるとともに、洋上に露出された部分で発電装置を支持する。このような支持装置としては、モノパイル式やジャケット式等の種々の方式が利用されているが、何れの方式にあっても、洋上風力発電設備としての強度条件を満たす必要がある。
例えば、発電装置の装置重量を負担することはもちろん、発電装置で風力を受けることにより支持装置に曲げや剪断等の負荷に耐える必要がある。さらに、支持装置自体にも洋上部分で風力の影響が生じ、さらに支持装置の海中部分では波力および流体力の影響も生じる。これらの風力、波力、および流体力は、一時的な外力として支持装置にかかるだけでなく、繰り返される外力として作用し、共振による疲労破壊を招く可能性がある。
【０００５】
このため、洋上風力発電設備に対しては、支持装置の構造的な強度の確保に加えて、発電装置を含めた洋上風力発電設備全体の共振の回避までを考慮し、制振装置等による固有振動数の調整などが適宜行われている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４８３１８４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載されたような従来の洋上風力発電設備では、重量が非常に大きい制振装置がタワー上部に配置されることで、タワーや支持装置にかかる軸力や転倒モーメントが大幅に増加するため、これら軸力および転倒モーメントを負担できないおそれがある。従って、タワーや支持装置の再設計およびこれに伴う構造強度の再計算を行わなければならず、固有振動数の調整が困難になるという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、固有振動数の調整が容易に行える洋上風力発電設備の連結構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、発電装置と前記発電装置を支持する支持装置とを備えた洋上風力発電設備に組み込まれて前記発電装置と前記支持装置とを連結する洋上風力発電設備の連結構造であって、前記発電装置および前記支持装置の一方に設けられた柱状部と、前記発電装置および前記支持装置の他方に設けられ、前記柱状部を収容する筒状部と、前記筒状部内に設けられ、前記発電装置を支承する支承装置と、前記柱状部と前記筒状部との間に周方向に配置され、前記柱状部と前記筒状部とを接続する弾性部材とを備えていることを特徴とする。
ここで、弾性部材とは、少なくとも弾性を有する部材をいい、弾性および塑性を有する弾塑性部材も含まれる。
【００１０】
本発明によれば、発電装置および支持装置の一方に設けられた柱状部と他方に設けられた筒状部との間に弾性部材が周方向に配置され、かつ発電装置を支承する支承装置が設けられている。このため、発電装置の転倒モーメントや発電装置のねじれに伴う回転力を弾性部材に負担させることができるとともに、支承装置に軸力を負担させることができる。また、柱状部と筒状部とが弾性部材により接続されるため、弾性部材の材質、断面積、長さ等を変更することにより、発電装置および支持装置への影響を抑制しながら、洋上風力発電設備の固有振動数を調整することができる。従って、必要な強度を確保しつつ、洋上風力発電設備の固有振動数の調整を容易に行うことができる。
【００１１】
本発明の洋上風力発電設備の連結構造において、前記支承装置は、前記柱状部を当該柱状部の軸線に対して直交する方向に移動自在に支承する滑り支承装置であり、前記弾性部材は、前記柱状部の軸線に対して直交する複数の直交面の面内に配置されるように構成することができる。
【００１２】
本発明によれば、滑り支承装置で発電装置を支承するため、発電装置および支持装置の一方から他方に水平力および回転力を伝達されにくくすることができる。また、弾性部材が、柱状部の軸線に対して直交する複数の直交面の面内に設けられているので、複数段に配置された弾性部材によって、発電装置の転倒モーメントを確実に負担することができる。従って、洋上風力発電設備に必要な強度を十分に確保することができる。
【００１３】
本発明の洋上風力発電設備の連結構造において、前記支承装置は、前記柱状部を当該柱状部の軸線回りに回転自在に支承するピポット支承装置であり、前記弾性部材は、前記柱状部の軸線に対して直交する少なくとも１つの直交面の面内に配置されるように構成することができる。
【００１４】
本発明によれば、ピポット支承装置で発電装置を支承するため、発電装置および支持装置の一方から他方に回転力を伝達されにくくすることができる。一方で、ピポット支承装置は、水平力を負担することができるため、支柱の軸線に対する少なくとも１つの直交面の面内に弾性部材を配置すれば、発電装置にかかる転倒モーメントをピポット支承装置と弾性部材とで負担することができる。従って、簡易な構成で洋上風力発電設備に必要な強度を確保することができる。
【００１５】
本発明の洋上風力発電設備の連結構造において、前記柱状部から前記周方向の一方側に延設されて前記筒状部に接続された弾性部材と、前記柱状部から前記周方向の他方側に延設されて前記筒状部に接続された弾性部材とを含む複数の前記弾性部材が設けられていることが好ましい。
【００１６】
本発明によれば、弾性部材が、柱状部から周方向の一方側または他方側に延設されて筒状部に接続されるため、各弾性部材の接続方向を周方向に近付けることができる。このため、発電装置のねじれに伴う回転力を弾性部材に効率的に伝達することができ、弾性部材に多くの回転エネルギーを吸収させることができる。また、柱状部から周方向の一方側に延設された弾性部材と、周方向の他方側に延設された弾性部材とが設けられているため、弾性部材にいずれの方向の回転力とも負担させることができる。このため、弾性部材に回転力を確実に負担させることができるので、洋上風力発電設備の強度をさらに向上させることができる。
【００１７】
本発明の洋上風力発電設備の連結構造において、前記弾性部材は、前記柱状部の軸線に対して点対象に配置されていることが好ましい。
【００１８】
本発明によれば、弾性部材が支柱の軸線に対して点対象に配置されているため、各弾性部材で転倒モーメントおよび回転力を均等に負担することができる。このため、転倒モーメントおよび回転力が作用する方向にかかわらず、これらを負担することができるので、必要な強度を確実に確保することができる。
【００１９】
本発明の洋上風力発電設備の連結構造において、前記弾性部材には、当該弾性部材の座屈を拘束する座屈拘束部材が設けられていることが好ましい。
【００２０】
本発明によれば、弾性部材に座屈拘束部材が設けられているので、圧縮力を受けて圧縮方向に軸変形した弾性部材の座屈を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態の洋上風力発電設備を示す側面図。
【図２】前記第１実施形態の発電装置と支持装置との結合構造を示す側面図。
【図３】前記第１実施形態の発電装置と支持装置との結合構造を示す平面図。
【図４】前記第１実施形態のダンパー装置の側面図。
【図５】前記第１実施形態のダンパー装置の断面図。
【図６】本発明の第２実施形態の発電装置と支持装置との結合構造を示す側面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
〔第１実施形態〕
図１から図５には、本発明の第１実施形態が示されている。
図１において、本実施形態の洋上風力発電設備１は、発電装置２と、この発電装置２を洋上の所定高さに支持するための支持装置３と、支持装置３上で発電装置２を支承する支承装置としての滑り支承装置４と、発電装置２と支持装置３とを接続する複数の弾性部材５（図２および図３）と備えている。
【００２３】
発電装置２は、風力を受けて回転するプロペラ２１と、内部に発電機構を収容するナセル２２と、ナセル２２の下面側に接続された柱状部としてのタワー２３とを備えている。
【００２４】
支持装置３は、鋼製の骨組み３１と、この骨組み３１上に設けられて発電装置２を支持する台座３２とを備えている。
骨組み３１は、下端が海底に固定される複数のレグ３３と、それぞれ隣接するレグ３３同士に渡って架設される水平ブレース３４および斜めブレース３５とを備えている。レグ３３は、上端に対し下端側が互いに離れて配置され、骨組み３１の全体としては四角錐状をなしている。これらレグ３３および各ブレース３４，３５は、それぞれ直線的に延びる断面円形の鋼管で構成されている。
台座３２は、略中央に鋼製の筒状部３６を備え、当該筒状部３６内に発電装置２のタワー２３の下端部が収容される。筒状部３６内には、滑り支承装置４が設けられ、当該滑り支承装置４を介して発電装置２が支持装置３に支持される。
【００２５】
滑り支承装置４は、図２に示すように、発電装置２のタワー２３の底面部に固定される滑り部材４１と、ステンレス鋼板等の鋼板から構成され、筒状部３６内で台座３２に固定される相手部材４２とを備え、滑り部材４１と相手部材４２とが上下に相対して設けられている。
滑り部材４１は、タワー２３の底面部に固定される鋼製の保持部４３と、この保持部４３の下側に保持される合成樹脂製の滑り部材本体４４とを備えている。滑り部材本体４４は、四フッ化エチレン樹脂やポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂などの自己潤滑性を持つ合成樹脂材料およびその混合物などから構成されている。
このような滑り支承装置４は、タワー２３を当該タワー２３の軸線に対して直交する方向に移動自在に支承し、相手部材４２の上面に沿って滑り部材４１が滑動することで、発電装置２からの水平力および回転力が台座３２に伝達されにくくなっている。
【００２６】
弾性部材５は、図２および図３に示すように、タワー２３に直交する２つの直交面の面内に設けられ、筒状部３６の軸線方向の上端部および下端部に２段に配置されている。すなわち、タワー２３と筒状部３６との間に複数の弾性部材５が周方向に配置され、これら弾性部材５がタワー２３の軸線に対して点対象に配置されている。また、タワー２３から周方向の一方側に延設されて筒状部３６に接続された弾性部材５と、タワー２３から周方向の他方側に延設されて筒状部３６に接続された弾性部材５とが、交互に配置されている。すなわち、これらの弾性部材５は、タワー２３および筒状部３６間において、周方向に波形を形成するように配置されている。
【００２７】
ここで、弾性部材５は、少なくとも弾性を有する部材であればよく、弾性部材５としては、樹脂等の材料で構成された部材の他、金属等で構成された弾塑性部材を用いることができる。
また、本実施形態の弾性部材５は、図４および図５に示すように、ダンパー装置６を構成する。すなわち、ダンパー装置６は、鋼材製で長尺状の弾性部材５と、この弾性部材５を囲んで設けられる円形の鋼管７と、この鋼管７の内部に充填される充填コンクリート８とを備えている。そして、鋼管７および充填コンクリート８によって本発明の座屈規制部材が構成される。
【００２８】
弾性部材５は、全体長尺状でかつ長方形の矩形断面を有した矩形芯材５１と、この矩形芯材５１の両端部に結合され、タワー２３に設けられたブラケット２４および筒状部３６に設けられたブラケット３７に固定される一対の固定部５２とを備えている。
【００２９】
矩形芯材５１の周面には、絶縁材５３が貼り付けられている。この絶縁材５３は、樹脂製の面状粘着テープなどから形成され、その外表面の摩擦係数が小さく（滑りやすく）なっており、充填コンクリート８と付着せず摺接可能に構成されている。
【００３０】
固定部５２は、矩形芯材５１の端部が長辺方向（図５のＹ軸方向）に拡大された第１固定板部５４と、この第１固定板部５４の両面に固定されて、第１固定板部５４の面外方向（図５のＺ軸方向）に突出した第２固定板部５５とから断面十字形に形成されている。この固定部５２は、これら第１および第２の固定板部５４，５５がそれぞれブラケット２４，３７に添え板（スプライスプレート）を介してボルト−ナット接合されている。また、第２固定板部５５におけるブラケット２４，３７と反対側の端部は、鋼管７および充填コンクリート８の内部に所定長さ寸法だけ挿入されている。すなわち、第２固定板部５５は、鋼管７および充填コンクリート８から露出した位置における矩形芯材５１の横補剛材として機能するようになっている。
【００３１】
ここで、矩形芯材５１と固定部５２とは、同種、同強度の鋼材から形成されていてもよく、異種、異強度の鋼材から形成されていてもよい。例えば、矩形芯材５１は、普通鋼材と比較して強度および降伏点強度が半分程度の低降伏点鋼で形成され、固定部５２が、普通鋼材や、普通鋼材よりも強度が高い高強度鋼材で形成されていてもよい。すなわち、矩形芯材５１は、軸変形するとともに軸降伏することで減衰力を発揮するようになっており、矩形芯材５１に比較して強度が高い鋼材で固定部５２を形成することで、弾性部材５と発電装置２および支持装置３との間の応力伝達機構が確保しやすくなる。
【００３２】
このようなダンパー装置６では、弾性部材５が軸変形した際に、矩形芯材５１に生じる軸力が充填コンクリート８や鋼管７に伝達されないため、水平力や回転力を負担する機構としては、弾性部材５のみが有効となる。そして、充填コンクリート８および鋼管７によって矩形芯材５１の長さ方向（図５のＸ軸方向）と交差する方向への変形が防止されることから、矩形芯材５１に座屈が発生しない、あるいは発生しにくくなっている。従って、軸降伏した後の履歴ループが安定したものとなって、矩形芯材５１によって大きな履歴エネルギーが吸収される。このようなダンパー装置６によるエネルギー吸収、すなわち減衰力が発揮されることで、洋上風力発電設備１の固有振動数が低減できるようになっている。
【００３３】
以上の本実施形態によれば、次のような効果がある。
すなわち、発電装置２のタワー２３と支持装置３の筒状部３６との間に弾性部材５が周方向に配置され、かつ発電装置２を支承する滑り支承装置４が設けられている。このため、発電装置２の転倒モーメントや発電装置２のねじれに伴う回転力を弾性部材５に負担させることができるとともに、滑り支承装置４に軸力を負担させることができる。また、タワー２３と筒状部３６とが弾性部材５により接続されるため、弾性部材５の材質、断面積、長さ等を変更することにより、発電装置２および支持装置３への影響を抑制しながら、洋上風力発電設備１の固有振動数を調整することができる。従って、必要な強度を確保しつつ、洋上風力発電設備１の固有振動数の調整を容易に行うことができる。
【００３４】
また、滑り支承装置４で発電装置２を支承するため、発電装置２および支持装置３の一方から他方に水平力および回転力を伝達されにくくすることができる。さらに、弾性部材５が、タワー２３の軸線に対して直交する複数の直交面の面内に設けられているので、複数段に配置された弾性部材５によって、発電装置２の転倒モーメントを確実に負担することができる。従って、洋上風力発電設備１に必要な強度を十分に確保することができる。
【００３５】
また、弾性部材５が、タワー２３から周方向の一方側または他方側に延設されて筒状部３６に接続されるため、各弾性部材５の接続方向を周方向に近付けることができる。このため、発電装置２のねじれに伴う回転力を弾性部材５に効率的に伝達することができ、弾性部材５に多くの回転エネルギーを吸収させることができる。さらに、タワー２３から周方向の一方側に延設された弾性部材５と、周方向の他方側に延設された弾性部材５とが設けられているため、弾性部材５にいずれの方向の回転力とも負担させることができる。このため、弾性部材５に回転力を確実に負担させることができるので、洋上風力発電設備１の強度をさらに向上させることができる。
【００３６】
また、弾性部材５がタワー２３の軸線に対して点対象に配置されているため、各弾性部材５で転倒モーメントおよび回転力を均等に負担することができる。このため、転倒モーメントおよび回転力が作用する方向にかかわらず、これらを負担することができるので、必要な強度を確実に確保することができる。
【００３７】
また、弾性部材５に座屈拘束部材が設けられているので、圧縮力を受けて圧縮方向に軸変形した弾性部材５の座屈を防止することができる。
【００３８】
〔第２実施形態〕
図６には、本発明の第２実施形態が示されている。
本実施形態は、前述した第１実施形態の洋上風力発電設備１において、発電装置２を支承装置としてのピポット支承装置４Ａを介して支持装置３で支持したものである。
なお、発電装置２および支持装置３は前述した第１実施形態と同様であるため、各々同様の符号を付して重複する説明を省略する。
【００３９】
洋上風力発電設備１は、図６に示すように、発電装置２と、支持装置３と、ピポット支承装置４Ａと、ダンパー装置６を構成する弾性部材５とを備えている。
ここで、ピポット支承装置４Ａは、支持装置３の筒状部３６内に設けられ、タワー２３を当該タワー２３の軸線回りに回転自在に支承するように構成されている。
一方、弾性部材５は、タワー２３の軸線に対して直交する１つの直交面の面内に設けられ、筒状部３６の軸線方向の上端部に１段のみ配置されている。
【００４０】
以上の本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、次のような効果がある。
すなわち、ピポット支承装置４Ａで発電装置２を支承するため、発電装置２および支持装置３の一方から他方に回転力を伝達されにくくすることができる。一方で、ピポット支承装置４Ａは、水平力を負担することができるため、タワー２３の軸線に対する少なくとも１つの直交面の面内に弾性部材５を配置すれば、発電装置２にかかる転倒モーメントをピポット支承装置４Ａと弾性部材５とで負担することができる。従って、簡易な構成で洋上風力発電設備１に必要な強度を確保することができる。
【００４１】
〔変形例〕
なお、本発明は前述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での変形等は本発明に含まれる。
例えば、前記各実施形態では、発電装置２のタワー２３と支持装置３の筒状部３６との間に弾性部材５が配置されていたが、タワー２３の底面に筒状部を設けるとともに、当該筒状部に収容される柱状部を台座３２に設け、これら筒状部と柱状部との間に弾性部材５を配置してもよい。また、弾性部材５が、柱状部と筒状部との間に径方向に延設されてもよい。さらに、弾性部材５とタワー２３および筒状部３６との接続は、ボルト−ナット接合に限らず、溶接等の他の接続方法を採用してもよい。
【００４２】
前記各実施形態では、弾性部材５は、タワー２３の軸線方向に１段または２段に配置されていたが、これに限らない。例えば、滑り支承装置４が設けられている場合は、弾性部材５が少なくとも２段に配置されていればよく、ピポット支承装置４Ａが設けられている場合は、弾性部材５が少なくとも１段に配置されていればよい。また、弾性部材５を環状に形成し、タワー２３と筒状部３６との間に配置してもよい。
【００４３】
前記各実施形態では、弾性部材５は、鋼材で構成されていたが、所定の弾性を有するものであれが、鋼材以外の金属材、ゴム、樹脂等の他の材料で構成してもよい。
【００４４】
前記各実施形態では、骨組み３１は、レグ３３を４本有する四角錐状としたが、３本のレグを有する三角錐状であってもよく、５本以上のレグを有する他の形状、例えば六角錐状であってもよい。また、レグ３３および各ブレース３４，３５を直線的な軸材で形成したが、これらは一部が屈曲した軸材あるいは全体として曲線的な軸材であってもよい。
【００４５】
前記各実施形態では、洋上風力発電設備１は、支持装置３の基部が海底に固定される固定式のものであったが、浮体式構造物を支持装置とする浮体式の洋上風力発電設備であってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１…洋上風力発電設備
２…発電装置
２１…プロペラ
２３…タワー（柱状部）
３…支持装置
３６…筒状部
４…滑り支承装置（支承装置）
４Ａ…ピポット支承装置（支承装置）
５…弾性部材
７…鋼管（座屈規制部材）
８…充填コンクリート（座屈規制部材）
【図１】
2013253536.tif 000003
【図２】
2013253536.tif 000004
【図３】
2013253536.tif 000005
【図４】
2013253536.tif 000006
【図５】
2013253536.tif 000007
【図６】
2013253536.tif 000008