JP6241011B2

JP6241011B2 - 浮体型風車係留装置

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Publication number: JP6241011B2
Application number: JP2013215404A
Authority: JP
Inventors: 上野　康男; 康男上野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2033-10-16
Also published as: JP2015077858A

Description

本発明は、主に水深の深い洋上などに設置する浮体型風車係留装置に関するものであり、特に浮体の位置の移動を減少するとともに係留索に加わる張力の変動を軽減することで浮体及び係留用の重錘の小型化とコストダウンを可能とする浮体型風車係留装置に関するものである。

再生可能な自然エネルギーの内最も有効とされている風力も地上での設置は騒音、景観等の制約から大きく発展することに制限が掛かっている。今後は広い洋上への設置が問題解決の早道とされている。特に水深の深い海でも設置可能な浮体式とすれば充分な広さと安定した風に恵まれ、上記のごとき騒音や景観の制約も少ない。しかし、気象状況によって大きな波が発生する為に現在は浮体自体の形状に工夫を凝らして揺れを防止する対策をとっている。更に、洋上では設置に要する費用が大きくなるのでこれを削減する為の技術が重要であるが、本案はその解決も含めたものである。

特開２００９−０１８６７１号公報特願２０１２−２５３８４４号（特開２０１４-１０１７９２号公報）代表的なものとしては上記文献が示すとおりスパー型と呼ばれ、縦に長い形状の浮体の多くの部分が水中にあるごとく浮かべ、下部を鎖や鋼索等で海底に固定する方式のものである。また、複数の浮体と海底に設置した重錘を係留索で繋ぎ、浮体の浮力で係留索に張力を与えて水底からの位置を安定させるいわゆるテンドン方式も提案されている。

しかるに、スパー型とした場合は浅い海上を移動するのが極めて困難な為、製造時には分割したものとして設置場所にて洋上での組立作業が必要となり、作業は波のない静かなときに限られ、それでも多くの危険をはらんだ作業となる。また、一旦設置した後は保守作業時にも移動が困難な為に危険な洋上作業となり、設置及び保守の両方における作業コストが嵩む欠点が有る。しかも波による揺れは比較的大きくプロペラ型の風車へ適用した場合には悪天候での運用に制限が掛かることが予想される。

テンドン方式は、波によって水面が上下した場合、浮体に発生する浮力が大きく変動し係留索の張力変化が大きくまた、風力や潮流による水圧によって生じる水平方向の力に対しての保持力が小さいために大きな位置移動を生じ、長期間には係留索の破断の恐れもあり、これを防ぐ為には係留索周辺の構造的な強度の向上が必要であり、海底に設置する必要重錘の重量が大きくなり結果的にコストアップの原因となっている。

前者は、本来不安定な洋上での組立や保守作業は出来るだけ少なくしてドック内で完成したものを設置場所に移送して設置し、保守作業もドック内に移送して安全な状態で行えるものが望まれているのに対して最良の回答にはなっていない。
後者は、風力や潮流による水圧によって生じる水平方向の力に対しての保持力が小さいために大きな位置移動を生じ、現地での設置には前者より有利であるがワイヤーの張力変動が大きい為に浮体及び重錘が大型となり係留索周辺の構造強度を高める為などによりコストアップ要因が多い。

特願２０１２−２５３８４４号（特開２０１４-１０１７９２号公報）によるものは出願人の特許出願であるが、テンドンのような緊張係留索ではなく緩く張った係留索による保持方法の為、比較的浅い湖沼などに小型の装置を設置する場合に安価で有効なものであるが、水流がある場合や水位変動が大きい場合には充分な性能を発揮できなくなる恐れがある。

洋上での組立や保守作業は出来るだけ少なくしてドック内で完成したものを設置場所に移送して設置し、保守作業もドック内に移送して安全な状態で行えるごとき浮体型風車係留装置を可能にすることであり、風力や潮流による水圧によって生じる位置移動を少なくし、係留索の張力変動を小さくして浮体及び重錘を小型化して大幅なコストダウンを可能にする浮体型風車係留装置を提供することである。

本発明の上記課題を解決するための第１の手段は、テンドン方式における基部周辺に配置した複数個のフロートを廃し中心部に纏めることと基部から水平方向に伸ばして植設した複数の浮体腕部材と海底に設置した重錘の中心部から水平方向に伸ばした複数の重錘腕部材とを夫々主係留索で結ぶことで上記課題を解決する浮体型風車係留装置を提供することである。

本発明の上記課題を解決するための第２の手段は、該浮体腕部材と重錘の中心部を補助係留索で接続することによって、風力や潮流による水圧によって生じる位置移動を少なくし、係留索の張力変動を小さくして浮体及び重錘を小型化して大幅なコストダウンを可能にする浮体型風車係留装置を提供することである。

本発明の第１の効果は、フロートを中心部に纏めることと基部から水平方向に伸ばして植設した複数の浮体腕部材と海底に設置した重錘の中心部から水平方向に伸ばした複数の重錘腕部材とを夫々主係留索で結ぶことによって、浮体型風車係留装置自体を曳航するときの移動抵抗を大幅に軽減できる。また装置をドックで完成したあと設置現場まで曳航するときの曳航船の構造をテンドン方式における複数個のフロートを収納する為の特別な装置を必要としない為に大幅に簡略化できるため費用負担を軽減して結果的に設置現場における危険な洋上作業を少なくし、ドック内の安全な作業に切り替えることができる。

本発明の第２の効果は、該浮体腕部材と重錘の中心部を補助係留索で接続することによって、風力や潮流による水圧によって生じる位置移動を少なくし、係留索の張力変動を小さくして浮体及び重錘を小型化して大幅なコストダウンを可能にする浮体型風車係留装置を提供することを可能にする。

図１は、本発明の浮体型風車係留装置の構造を２次元化して示す模式側面図である。図２は、テンドン式浮体型風車係留装置の構造を２次元化して示す模式側面図である。図３は、本発明の浮体型風車係留装置の他の実施例の構造を２次元化して示す模式側面図である。

本発明の浮体型風車係留装置を説明の簡略化のために２次元化した実施形態を示す。

図１は、本発明の浮体型風車係留装置の構造を２次元化して示す模式側面図である。本来は立体的なものであるが説明を明確にするために２次元化して平面的な状態としている。
図１において、水上に浮かぶ基部１の上部にはポール２が設けられその上部に風車装置３が設けられている。図においてはアップウインド型のものとされているがこの形式に限定するものではない。４は基部１から水平方向に植設された浮体腕部材であり、該浮体腕部材４の先端には結合部材５が設けられている。結合部材５は特別に浮力を有するものではないが、体積に応じて多少の浮力を有していても良い。６は海底に設置する重錘腕部材であり、７は結合部材５と対応する位置に設けた重錘結合部材であり、８は重錘中心部である。９は結合部材５と重錘結合部材７とを結ぶメイン係留索であり、１０は結合部材５と重錘中心部８を結ぶサブ係留索である。尚、図１においてはサブ係留索１０は結合部材５と重錘中心部８を結んでいるが、逆に基部１の下部と重錘結合部材７とを結んでも理論的にはほぼ同様の効果を得ることができるものである。Ｗは風によって風車装置３が受ける力、Ｌは潮流によって係留装置全体が受ける力、Ｈは波の高さである。
［作用］

上記実施形態に示す本発明の浮体型風車係留装置の作用について説明する。
図１において、風車装置３に風が当たりＷの力が加わると係留装置は水平の力Ｗと風車装置３の結合部材７とメイン係留索９及びサブ係留索１０との結合部からの高さによるモーメントを受ける。水平方向の力Ｗは左右のサブ係留索１０の張力の差によって支えられ、モーメントは左右のメイン係留索９の張力の差によって支えることができるので係留装置は流されたり傾いたりすることはない。但し、メイン係留索９には基部１の浮力によって充分な初期張力が加えられていることが条件であり、その条件を満たす為には重錘結合部材７及び重錘中心部８の重量は上記初期張力及び上記モーメントによって浮き上がらないだけの充分な重量が必要となる。

また、潮流による流体抵抗によって係留装置に加わる力ＬはＷと同様に係留装置を横に押し流そうとするがＷのようなモーメントを生じることはない。従って、Ｌによる押し流し力は左右のサブ係留索１０の張力の差によって支えられる。この場合多少の横移動が許されるならばサブ係留索１０に初期張力を加えておく必要はない。

尚、波による揺れに関しては水上に浮かぶ基部１の喫水の変化は左右の揺れモーメントとはならず左右のメイン係留索９に分散された張力変化として加わるため重錘結合部材７が単独でこれを支える必要はない。特にサブ係留索９が重錘中心部８に結合されている為に重錘全体の重量が該張力変化を支えることとなり、その分重錘の重量が小さくて済むこととなる。

図１及び上記の説明においては、２次元化した形であるが、実際には基部１から水平方向に放射線状に植設された浮体腕部材４は該基部１の周辺に複数個あり、該浮体腕部材４の先端には夫々結合部材５が設けられている。重錘腕部材６も結合部材５と対応する海底位置に複数個設けられ、重錘中心部８から放射線状に設けられた形となっている。したがって図１における紙面に直角な方向においても同様の機能が得られるものである。

図２は、従来のテンドン式浮体型風車係留装置の構造を２次元化して示す模式側面図である。
図２において、水面上にある基部１１の上部にはポール１２が設けられその上部に風車装置１３が設けられている。１４は基部１から水平方向に植設された腕部材であり、該腕部材１４の先端にはフロート部材１５が設けられている。フロート部材１５は体積に応じて充分な浮力を有するものである。１６はフロート部材１５と対応する位置に設けた重錘結合部材である。１８は結合部材１５と重錘結合部材１６とを結ぶ係留索である。尚、Ｗは風によって風車装置１３が受ける力、Ｌは潮流によって係留装置全体が受ける力、Ｈは波の高さである。

図２の場合、風車装置１３に風が当たりＷの力が加わると係留装置は水平の力Ｗと風車装置１３の結合部材１６と係留索１８との結合部からの高さによるモーメントを受ける。
水平の力Ｗは係留装置全体が横移動することで生じる幾何学的な水面からの距離変化ｄによって生じるフロート部材１５の浮力の増加があり、該浮力の増加と係留索１８の傾きによって生じる横方向の力のバランスによって支えられる。従って、Ｗによる横方向の移動は折込済みであり、これをなくすることは出来ない。また、モーメントに関しては左右の係留索１８の張力変化によって支えることができる。

また、潮流による流体抵抗によって係留装置に加わる力Ｌは風による力Ｗと同様に係留装置全体が横移動することで生じる幾何学的な水面からの距離変化ｄによって生じるフロート部材１５の浮力の増加があり、該浮力の増加と係留索１８の傾きによって生じる横方向の力のバランスによって支えられる。従って、Ｗによる横方向の移動は折込済みであり、これをなくすることは出来ない。

尚、波による揺れに関してはフロート部材１５の喫水の変化が直接係留索１８の張力変化として加わるため大きな波があった場合、重錘結合部材１６が単独でこれを支えて浮き上がらないだけの重量を備えていることが必要となる。

図３は、本発明の浮体型風車係留装置の他の実施例の構造を２次元化して示す模式側面図である。
図３において水上に浮かぶ基部１と海底に設置する重錘腕部材６との間に中間フレーム３１が設けられその外周部３２にはメイン係留索９が貫通するごとく固定され、中央部３３にはサブ係留索１０が貫通するごとく固定されてその先が重錘結合部材７に固定されている。図３に示す実施例の場合水深が図１の場合の２倍になった状態に適すものである。
サブ係留索１０の傾斜角が図１に示す実施例と同様なので風によって受ける力Ｗ及び潮流によって受ける力Ｌによるサブ係留索１０の作用によってフロートの位置移動は制限され、図２に示す実施例の場合のように水深に比例してフロートの位置移動が大きくなるようなことはない。更に基部１が風車のトルクなどによって回転方向にねじれるのを防ぐ場合には図１、図３においては２次元的なものとして説明したので省略されているが、円周上に配置された結合部材５と同様に円周上に配置された重錘結合部材７とにおいて、お互いに隣接するもの同士を斜めに結合する係留索を追加することで防止できることを付記するものである。

以上の説明で明らかなごとく本発明の浮体型風車係留装置は風及び潮流による力での位置移動を防止でき、風力及び波による傾きモーメントが海底の重錘に加わる力も軽減できる為、全体の重量を大幅に軽減して製作を容易にし、コストを削減できる。この効果は係留索の中間に中間フレームを設けた場合、海底の深さが深くなるほど従来の方式に比べて位置移動の低減効果は高まる。更にフロート部分を中央に纏めた為、曳航する場合の曳航船がこれまでの方式で必要とされた複数のフロートの収容機能を削除できるものとなり、構造を大幅に簡略化できるので低コストでの曳航が可能となり、ドックでの製造、保守作業を拡大できる為安全性の向上に大きな効果を上げることが出来、その産業上の効果は極めて著しい。

１基部
２ポール
３風車装置
４浮体腕部材
５結合部材
６重錘腕部材
７重錘結合部材
８重錘中心部
９メイン係留索
１０サブ係留索
１１基部
１２ポール
１３風車装置
１４腕部材
１５フロート部材
１７重錘結合部材
１９係留索
２０大径部
２１フック
３１中間フレーム
３２外周部
３３中央部
Ｗ風によって受ける力
Ｌ潮流によって受ける力
Ｈ波の高さ
ｄ水面からの距離変化

Claims

浮力を持つ基部と、
海底に設置した重錘と、
前記基部と重錘の中間部に中間フレームとを設け、
前記基部には上方に伸びるポールを設け、
前記ポールの上部に風車装置を設け、
前記基部から水平方向に放射線状に伸ばして植設した複数の浮体腕部材のそれぞれの先端に設けられた結合部材と、
前記重錘の中心部から水平方向に放射線状に伸び、前記結合部材と対応する位置に設けられた複数の重錘腕部材のそれぞれの先端に設けられた重錘結合部材とを、
前記中間フレームの外周部を貫通する如く固定するメイン係留索、及び前記中間フレームの中央部を貫通する如く固定するサブ係留索により結合したことを特徴とする浮体型風車係留装置。