論文

洋上風力発電設備における波の設計条件に関する方位性の導入
Directional design concept for wave load on offshore wind turbines
本田 明弘*1
Akihiro HONDA

太田 真*2
Makoto OHTA

石井 秀和*3
Hidekazu ISHII*1

Research Manager, Turbomachinery Lab., Nagasaki R&D Center, Mitsubishi Heavy Industries, Co., Ltd.
5-717-1 Fukahori-machi, Nagasaki-city, 851-0392, Japan
Fax:+81-95-834-2385, E-mail: akihiro_honda@mhi.co.jp*2
Senior Researcher, Fluid-dyamics Lab., Nagasaki R&D Center, Mitsubishi Heavy Industries, Co., Ltd.
*3
Researcher, Turbomachinery Lab., Nagasaki R&D Center, Mitsubishi Heavy Industries, Co., Ltd.

Abstract

Recently, offshore wind turbines are focused as one of renewable energies, which are promoted allover the world. They are affected by wind and wave loads, however directional effects of wind and wave
are not considered. In addition, asymmetric floats can have different responses for directional wave. In
this paper, the design methodology for offshore wind turbine considering directional effects of wave andload response are proposed. The risk of exceeding probability about load effect is 0.02 in criteria, namely
the return period is 50 years. The proposed design wave height model, which considers directional effectsof wave and load response, proved to have sufficient reliability in terms of loads. Furthermore, this designmethodology can easily estimate the wind turbine reliability.
キーワード：洋上風力発電，波荷重，方位特性，設計条件
Key Words：Offshore Wind Turbine, Wave Load, Direction, Design concept
１．はじめに環境（例えば，地表面粗度）などが風向により異なる

近年では，電力設備の転換が急がれつつあり，中でも大型洋上風力発電設備に注目が集まっている。洋上場合には，地表面粗度および高度の補正を方位別に行う必要がある。
さらに，国内の荷重指針 1)においては，観測データ

風力発電設備においては，風荷重，波荷重が主たる荷のある気象官署の近傍に限り，風向による風速の低減

重条件として重要な項目である。
従来，これらの荷重に関しては，地点により固有なが認められている。
また，海外の基準に目を移すと，BS2)では Direction設定は行っていたものの，方位特性（風速・風向，波高・波向）は考慮していない。しかしながら，地形条Factor を基準風速に乗じる事で方位特性を考慮してい件や波浪の生成メカニズムを踏まえると，風・波にはる。

方位特性が存在すると考えられる。そのため，方位特(2) 橋梁の耐風設計性の概念を合理的に導入する事で過不足のない設計が物である橋梁に関しては，風向により荷重応答が異な可能と考えられる。

るため，特に地形の影響が大きい場合に方位特性を考

そこで，方位特性に関する風荷重と波荷重の今まで送電用鉄塔と同様に線状構造慮して設計される場合 5)6)がある。の知見を以下に整理した。

(3) 送電用鉄塔の耐風設計

1.1 風荷重に関する設計基準における方位特性

年に襲来した大型の台風被害を受けて，2005 年に設計風荷重に関する設計基準として広く用いられている

送電用鉄塔では，1991

指針 4)が発行され，荷重効果として十分な信頼性を持基準における方位特性の扱いに関して以下にまとめる。

つように方位別の設計風速を定めている。

(1) 建築分野の基準類(4) 風力発電設備の国際規格

*1

*2

*3

対象とする構造物の周辺の三菱重工業（株）長崎研究所 ターボ機械研究室
主席研究員（〒851-0392 長崎市深堀町 5-717-1）
E-mail:akihiro_honda@mhi.co.jp
三菱重工業（株）長崎研究所 流体研究室
主任研究員（〒851-0392 長崎市深堀町 5-717-1）
E-mail:makoto_ohta@mhi.co.jp
三菱重工業（株）長崎研究所 ターボ機械研究室
研究員（〒851-0392 長崎市深堀町 5-717-1）
E-mail:hidekazu1_ishii@mhi.co.jp（原稿受付：2013 年4月19 日）

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風力発電設備そのものは風向に応じてヨー角を制御する為，方位特性の考慮は不要であるが，地形の起伏による影響を考慮する場合には方位特性を考慮する事が合理的である。
国内の設計指針 3)でも，台風シミュレーションと地形効果を考慮した設定方法が採用されており，風向の方位特性を反映したものとなっている。

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日本風力エネルギー学会 論文集1996）

以上のように，風工学における風荷重の算定では，風速・風向の方位特性を適切に考慮している。

・データ間隔：2 時間のデータ

1.2 波荷重に関する設計基準における方位特性

・データ個数：10 年×365 日/年×12 個/日=43,800 個

2003 年に発行された国土技術政策総合研究所資料

No.88 7)において，日本全国の既存沖波データを整理し・極値統計解析方法：合田の方法 9)
2.2 全方位有義波高の極値統計解析て，日本各地の設計波高の概略値を算定している。し

本節では，NOWPHAS の波高データを波高別に整理かしながら，実設計においては，その施設（設備）にし，極値分布に当てはめることで全方位における有義最も大きな影響を与える波向き等の調査を実施し，改波高の超過確率分布を得た。本検討で用いた極値分布めて設計波高の算定をする必要があると言及している。

（Weibull 型）の式を以下に示す。

8)

また，浮体式の滑走路に関する検討 では，既存の観測データを基に，極値統計解析によって方位別の有kH S  exp   H S  b  P  a  

義波高を算出し，波荷重算定に使用している。
以上のように，波荷重に関しては，方位特性を考慮(1)した設計波高を使用しているものの，荷重効果としてここで，P：超過確率，HS：有義波高，a：尺度パラメの評価には至っていない。
1.3 本検討の目的
これらのことを踏まえ，本検討では浮体式洋上風力発電設備を対象とし，まず極値統計解析手法を用いて方位別に波高を算出する手法を述べる。そして，従来の荷重算出手法と比較することで，方位別に設計波高を定めることのメリットを述べる。最後に，終局荷重の荷重効果として十分な信頼性を持つような方位別設計波高の設定手法について述べる。
２．波高の極値統計解析による方位別波高の導出

検討対象地点

本検討では具体的な観測データを用いて，波の方位特性を考慮した極値統計解析を実施した。
2.1 波高データの仕様
以下の仕様に基づき，波高データの統計解析を実施した。得られた観測データを波高・波向別に整理した結果を表 1 に示す。

・データ長：10 年間（いわき沖 NOWPHAS：1986～

図 1 NOWPHAS の位置および検討対象地点 10)

表 1 方位別の波高頻度表

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洋上風力発電設備における波の設計条件に関する方位性の導入を算定し Md とする。すなわち，以下の式で算出されSTARTる。
M d  max  H S ，  max  max( i )(5)

荷重効果の再現期間

全方位有義波高の極値分布は式(1)により表せるので，式(5)を用いると，荷重効果 M の極値分布に変換で波高の再現期間 R 年の仮設定

きる。
k M    max  b  P exp   a    

再現期間 R 年の方位別有義波高 HSi の設定①(6)② 各方位における荷重効果 M（HSi）の算定

この極値分布を図 9 に図示する。
再現期間 50 年の場③ 各方位における荷重効果の最大値の算定
Mmax=max[M（HSi）]

合， 設計荷重は Md＝17.4 となる。

3.3 方位別有義波高を用いた荷重効果の評価法
図 3，図 4 に示すように，波高・頻度には方位特性④ 「全確率の定理」により，全方位の波高極値が存在し，西側では波高が低く，出現頻度も少ないの分布を導出。荷重効果の極値分布に変換で，西側の設計波高を東側と同程度に定めることは過剰である。そこで本節では方位別有義波高を用い，設⑤ 荷重効果 Mmax に対する全方位の超過確率P 算定

計荷重の低減を試みた。
波高・頻度の方位特性を考慮した検討を実施するにNG当たり，送電用鉄塔の検討事例 11)を参考に検討を実施

P＜荷重効果超過確率目標値？

した。この文献では，荷重応答の方位特性がある送電OK用鉄塔に対して，荷重効果の超過確率を基にして方位別の設計風速を算定している。

波高の再現期間 R’年

本節では，図 8 に示すように，送電用鉄塔の検討事

例 11)における検討フローにおいて風を波に置き換え，このフローに従い荷重効果の再現期間が 50 年相当のEND方位別設計波高を算定した。なお，有義波高の再現期

図 8 再現期間検討フロー

間 R の初期値を 50 年とした。

④ 3.2 節に示した手法で，全方位の荷重効果の極値分① 再現期間 R＝50 年の方位別有義波高を 2.3 節の手布を算定する。式(3)で表される各方位の波高極値分布が方位 i での条件付き確率であることを踏ま順に従い算出する。
② 算出した方位別有義波高 HSi に荷重応答倍率αi をえると，全方位の波高極値分布は，「各波向におけ乗じることで，各方位の荷重効果を算定し Mi とする超過確率の合計に等しい：全確率の定理」によりる。

以下の式で表される。

M i  i  H Si

(7)③ 全方位中最大となる荷重効果を，再現期間 R＝50年の方位別有義波高における荷重効果 Mmax とする。
M max  maxM i P d
P(8)iiii ki exp   H Si  bi    d   i   ai  (9)ここで，有義波高と荷重効果の関係により，上式
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った。これは，波高が低く出現頻度が低い西側にお参考文献

いても波高の高い東側と同じ設計波高を使用して

1) 建築学会：建築物荷重指針 同解説(2004)，2004

いるためであり，方位別に妥当な設計波高を定め，

2) British Standard：Loading for Buildings Part2 Code of practicefor wind load， BS 6399-2, 1997

波向の方位特性を考慮することで，設計荷重効果が低減できることが分かった。
・ 波高・頻度の方位特性を考慮すると，再現期間 50年の荷重応答量に相当する際の有義波高の再現期間は，186 年に相当する事が分かった。これは，送電線鉄塔での検討結果150 年とほぼ同等である。

3) 土木学会：風力発電設備支持物構造設計指針・同解説[2010 年版]，構造工学シリーズ 20，20114) 大熊，中村，石川，本郷：風向別風速を用いた送電鉄塔の耐風設計法に関する研究―「送電用鉄塔の風荷重指針12)(案)」の骨子―，日本風工学会論文集，No.98，2004

・ 極値統計解析には不確からしさが存在することを

5) 本田，宮崎，石岡，坂庭：複雑地形における風環境と耐考慮し，今回実施した検討において，上限値を再現

風設計に関する研究，第 13 回風工学シンポジウム，1994

期間 50 年の全方位有義波高 9.9m と設定し，波高を SW～N の方位については 0.6 倍した波高を設計

6) 白石，松本，白土，長田，泉，築山：橋梁の強風下における安全性評価に関する研究，京都大学防災研究所年報，
第 30 号，1987

波高モデルとした。
この設計波高モデルは設計荷重効果の信頼性レベルが再現期間 200 年以上であり

7) 高田，諸星，平石，永井，竹村：我が国沿岸の波浪外力

この方位別設計波高モデルとして妥当と考える。の分布(海象外力検討調査)，国土技術政策総合研究所資・ 本検討で提案した検討手法は簡便であり，風車設置場所が異なっても，その場所の波高データを用いて料，No.88，2003
8) T.Fukuoka，S.Miyajima，C.Sato，M.Ohta：Assessment of

風車の安全性を評価することが出来る。
特に波の特structural safety and functionality of a floating airport model，性に方位性があると考えられる沿岸部においては，Proceedings of International Symposium on Ocean Space

経済性が求められる浮体形式との組み合わせを行

Utilization Technology，2003

うことで，洋上風力発電の推進に寄与できると期待

9) 社）日本港湾協会：港湾の施設の技術上の基準・同解説，2007するものである。

10) 永 井 ： 全 国 港 湾 海 洋 波 浪 観 測 30 か 年 統 計

また，以下の課題に関しては今後の検討を要し，都（NOWPHAS1970－1999），港湾空港技術研究所資料，No.1035，2002

度更新を行いて評価する必要があるものと考える。
・ NOWPHAS 観測データ（2 時間毎，20 分）の離散

11) http://www.mlit.go.jp/report/press/kaiji07_hh_000017.html
12) 山崎，石川，大熊，田村，北嶋，中村，加藤：送電用鉄化による影響度。
（時間間隔，方位，波高の階級分

塔の耐風設計のための風向別基本風速に関する検討，日類など）

本風工学会論文集，Vol.29，No.3，2004

・ 極値統計解析手法自体が持つ不確かさ。
・ 福島沖以外の沖合での観測データによる信頼性確認。
・ 浮体の詳細な応答特性の反映。
・ 係留，浮体，風車の部位に作用する方位特性の確認。
・ 風データとの組合せに関する設計方法の合理化。
なお，今回は波について検討を加えたが，浮体風車の荷重には風も寄与するため，今後は風についての条件付き確率の概念も導入して合理化する必要があろう。
謝辞
本研究を実施するにあたり，ご指導頂いた東京大学
大学院工学系研究科社会基盤学専攻・石原孟教授，ならびに（財）電力中央研究所・石川智巳氏に謝意を表します。
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