15MW風車用の風力発電施設浮体試設計

洋上風力に発電に関するうみそら研研究会

2021年12月6日

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
海上技術安全研究所
黒岩 隆夫
1１.

背景と本検討の目的

・風力エネルギーの有効利用、浮体式洋上風車の活用の必要性。
・風車の大型化。最近では15MW。
表 大型風車を搭載した浮体式洋上風車の例 （バージ型、TLP型を除く）
浮体形式

スパー型

セミサブ型

商用機

Hywind Tampen（8MW、コンクリート製）

Windfloat Atlantic（8.4MW、スチール製）

検討

福王ら（10MW、コンクリート製）

NREL/Maine大学（15MW、スチール製、コンクリート製）

本検討の目的・15MW風車を搭載する、スパー型浮体の概略設計。
・スチールとコンクリートの比較。
将来の検討
・大型浮体にコンクリートを用いる場合の課題の抽出
・セミサブ型など各種浮体形式との比較
海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所

NEDO先導研究にて、金沢工大とCFRP補強コンクリートを検討中。
別の請負研究にて15MWセミサブ型の検討中。

2

２.

概略設計の手順
(1)

風車の選定

(2)

浮体の傾斜角、固有周期の目標値の設定(3)

浮体諸元の設定(4) 浮体の構造寸法の決定
荷重：外水圧と全体曲げモーメント(5)

浮体の重量分布の算出、バラストの設定(6)

静的傾斜角、浮体の固有周期の算出(7) 浮体の全体曲げモーメントの算出
傾斜角度と重力 および 動揺による慣性力

目標値を満たさない場合

許容応力を満たさない場合

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3

３.

傾斜角・固有周期の目標、風車、浮体諸元
目標値 静的傾斜角：3度以下、動的傾斜角：片振幅5度
浮体の固有周期：20秒以上
風車：NREL 15MW風車
表風車の重量、重心高さ

図

スラストカーブ

係留

水深：320m
係留本数：3本海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所

図

浮体の諸元
4

４.

浮体の構造寸法の決定（スチール製）

・水平の隔壁：間隔 𝑙 ＝5m（水面～深さ40m）
間隔 𝑙 ＝3.3m（深さ40m～深さ120m）
・鉛直方向のスチフナ：間隔 S ＝0.96m（円周に72本）(1) 水圧に対して・船級協会規則を参考として、以下で寸法を定める。
・スパーの外板の板厚 t 、スチフナの断面係数 Z𝑡=
𝑍=1324 − 15. 5 𝑓𝐵

𝑆 ℎ

100
𝑆 ℎ 𝑙224 − 15.5 𝑓𝐵

S : スチフナの間隔 (m)、h：水頭 (m)、(2)𝑙 ：隔壁の間隔（スチフナの長さ）(m)fB：曲げ応力 (kgf/mm2)／15.5

全体曲げモーメント MT に対して
曲げ応力＝MT／スパー全体の断面係数
曲げ応力＜許容応力
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5５.

浮体の構造寸法の決定（コンクリート製）

・水平の隔壁は、強度の観点からは設置しない。
損傷時安定性などの観点からの、水平隔壁については別途検討する。
・スチフナは用いない。
(1) 水圧に対して・厚肉円筒（外径R、内径r）とみなして、発生応力を求める。
内面に作用する周方向応力が最大となる。
・水圧による応力σP＜許容応力σA(2) 全体曲げモーメント MT に対して・曲げ応力＝MT／スパー全体の断面係数
・曲げ応力σM＜許容応力σA(3) 許容応力σA・ σA = 10 N/mm2 とする。
・水圧による応力と、曲げ応力は、独立に評価する。

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6６.

静的傾斜角、固有周期の算出

静的傾斜角 φF：スラスト力
L：ナセル高さと係留接続位置の間の距離（230 m）
W：風車、浮体、バラストの全体の重量
GM：重心とメタセンター高さの距離

固有周期 T

K = W g GM：復原バネ
IM：風車、浮体、バラストおよび付加質量を考慮した回転慣性

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7７.

検討結果

・コンクリート製の外板の板厚は、200～1200mm。
・外径22m、板厚1.2mのコンクリート製円筒を、適切に製造する方法が、今後の検討課題。
・スチール製に比べ、コンクリート製は静的傾斜角度が大きく、固有周期が長い。
・スチール製に比べ、コンクリート製の浮体の板厚が厚く、材料の密度を考慮しても、浮体の重量が重い。
・その分、バラストの重量が軽く、全体の重心が高い。
・そのため、ピッチに対する復原力Kが、コンクリート製はスチール製の約8割であった。

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8７.

検討結果（続き）

図 静的曲げモーメント（風車最大スラスト力に対する）・静的曲げモーメントは、水面より少し下で最大の約400 MN-mであった。
・スチール製に比べ、コンクリート製の浮体の静的傾斜角がやや大きく、その分曲げモーメントがやや大きい。
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9８.

数値シミュレーション（連成・時系列解析）

・浮体の設計は、風況・海象・風車の運転状態の組合せからなる、多数のDesign Load Caseに対して、風車と浮体の連成・時系列解析を行って、各部に作用する最大荷重・疲労荷重を算出し、それらの荷重に対する構造設計を行う。
・今回概略設計を行った浮体に対して、連成解析を試行した。
・Orcina社製のOrcaFlexを用いた。風車の制御は、NRELから提供されている浮体風車用のものを用いた。
・タワーおよび浮体は、OrcaFlexのLine要素を用いて弾性体としてモデル化した。
・浮体に作用する付加質量、流体減衰は、モリソン式によって与えた。
・海象は、波高2m、周期6秒のJONSWAPスペクトルの長波頂不規則波とした。
・風は、平均風速10m/sの非定常風とした。
・波の向きと、風の向きは一致させた。

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10設計荷重ケース（Design Load Case）環境条件

疲労強度検討（F）
風速 Vhub：発現確率を考慮する。
波浪：波高 Hs、波周期 Tp と、風速 Vhubの結合確率分布を考慮する。
MIS：風と波の方向の不一致を考慮する。
MUL：多方向

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11

風車と浮体の連成の概念

変動風

相対風速・風向の変化

不規則波浮体の動揺

風車の制御風車が発生する力
スラスト力および直角方向の力

タワー・スパーの振動（約4秒）

浮体動揺（約20秒）

タワー基部の曲げモーメント
浮体のコラム・ロアーハルの曲げモーメント
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12コンクリート製スパー
風：IEC Kaimal、Ref, mean speed＝10 m/s
波：JONSWAP、γ＝1、Hs＝2 m、Tz＝6 s

OrcaFlex 11.1c: Concrete Spar 10m 000deg R1.sim (modified 19:54 on 2021/11/25 by OrcaFlex 11.1c)
Time history: Wind speed at X=0.0, Y=0.0, Z=150.0
1614121086420

風速0100200
Time (s)300400

OrcaFlex 11.1c: Concrete Spar 10m 000deg R1.sim (modified 19:54 on 2021/11/25 by OrcaFlex 11.1c
Time history: Sea Elevation at X=0.0, Y=0.0

Sea Elevation (m) at X=0.0, Y=0.0 m

Wind speed (m/s) at X=0.0, Y=0.0, Z=150.0 m

風、波、風車ｽﾗｽﾄ力、浮体ﾋﾟｯﾁ

3

波高

2
10-1
-2
-3
0

100

200
Time (s)300

400spar Dynamic Ry (deg) at end A

15MW RWT Connection GX force (kN)

OrcaFlex 11.1c: Concrete Spar 10m 000deg R1.sim (modified 19:54 on 2021/11/25 by OrcaFlex 11.1c) OrcaFlex 11.1c: Concrete Spar 10m 000deg R1.sim (modified 19:54 on 2021/11/25 by OrcaFlex 11.1
Time history: spar Dynamic Ry at end A
Time history: 15MW RWT Connection GX force
40
浮体ﾋﾟｯﾁ角
風車ｽﾗｽﾄ力
3.5-500
3-10002.52-1500
1.5-2000
1-25000.50-3000
0100200300
400
0100200300
400
Time (s)Time (s)13
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コンクリート製スパー
風：IEC Kaimal、Ref, mean speed＝10 m/s
波：JONSWAP、γ＝1、Hs＝2 m、Tz＝6 s

タワー基部の曲げモーメント
Y軸回り（風方向）

400e3

時系列

200e3

OrcaFlex 11.1c: Concrete Spar 10m 000deg R1.sim (modified 19:54 on 2021/11/25 by OrcaFlex 11.1c)
Rainflow cycles of spar y bend moment at end A
2500
Cycle countend yAbend moment (kN.m) at end A
tral density of spar y bend moment ((kN.m)^2 / Hz) atspar

OrcaFlex 11.1c: Concrete Spar 10m 000deg R1.sim (modified 19:54 on 2021/11/25 by OrcaFlex 11.1c)
Time history: spar y bend moment at end A-200e3-400e3-600e3

頻度分布200150100500-800e3
0100

200Time (s)3000400

200e3
400e3
600e3
800e3
1e6
Cycle range of spar y bend moment (kN.m) at end At = 0.0 to 1800.0s

1.2e6

OrcaFlex 11.1c: Concrete Spar 10m 000deg R1.sim (modified 19:54 on 2021/11/25 by OrcaFlex 11.1c)
Spectral density of spar y bend moment at end A, over t = 0.0 to 1800.0s
200e9

スペクトル

約0.27Hz：タワー・スパーの1次振動

150e9

・S-Nカーブを与えて、疲労被害度を算出する。
今後実施予定。

波のTz=6s, 約0.17Hz）
100e9
50e9
00

0.1

0.2
0.3
Frequency (Hz)

0.4

0.5

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14

９.

まとめ

(1) 現在の最大級の風車である15MW風車用の、スパー型浮体の予備検討を行った。
浮体の傾斜角、固有周期、および構造強度の観点から、スチール製あるいはコンクリート製で成立することが分かった。
(2) OrcaFlexによる数値シミュレーションを行い、静的傾斜角度、傾斜角度に対するタワー基部の曲げモーメントは、概略計算の結果とほぼ一致した。
今後、多くの風況、海象条件に対する数値シミュレーションを行い、浮体の挙動を確認していく。

(3) これらの結果を用いて、今後大型浮体にコンクリートを用いる場合の課題の抽出、各種浮体形式との比較を行う。

謝辞
本研究の一部は、NEDO先導研究プログラム（JPNP14004）／エネルギー・環境新技術先導研究プログラム、「超長寿命CFRP補強コンクリートの研究開発」の一部として行った。
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