JP6366124B2

JP6366124B2 - 浮体構造物

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Publication number: JP6366124B2
Application number: JP2013134248A
Authority: JP
Inventors: 治樹吉本; 裕治粟島
Original assignee: Japan Marine United Corp
Current assignee: Japan Marine United Corp
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: JP2015009591A

Description

本発明は、浮体構造物に関し、特に、復原力の向上及び動揺の低減を図ることができる浮体構造物に関する。

近年、地球環境の保全や自然エネルギーの有効活用の観点から、洋上風力発電が注目されている。かかる洋上風力発電に使用される浮体構造物は、風荷重による定常傾斜角を低減するとともに不安定動揺を抑制するために、一定以上の復原力が要求される。復原力は、一般に、ＧＭ（メタセンタ高さ）×排水量で定式化されるところ、浮体構造物の設計において、一定の排水量に対してＧＭをどれだけ大きくできるかが重要である。

ここで、ＧＭ（メタセンタ高さ）は、ＧＭ＝ＫＢ（浮心高さ）＋ＢＭ（メタセンタ半径）−ＫＧ（重心高さ）の計算式により求めることができる。したがって、ＧＭを大きくするためには、（１）ＢＭを大きくする手法、（２）ＫＢ−ＫＧを大きくする手法、が採用される。

「（１）ＢＭを大きくする手法」は、ＢＭ＝Ｉ（水線面モーメント）／Ｖ（排水容積）と表されることから、水線面付近に浮体を幅広に展開することによって、水線面モーメントＩを大きくし、ＢＭ（メタセンタ半径）を大きくする手法である。この手法を用いた浮体構造物には、例えば、セミサブ型の浮体構造物が該当する（特許文献１参照）。

「（２）ＫＢ−ＫＧを大きくする手法」は、浮体を縦長に形成することによって、浮心高さＫＢと重心高さＫＧとの間隔を大きくし、「ＫＢ−ＫＧ」を大きくする手法である。この手法を用いた浮体構造物には、例えば、スパー型の浮体構造物が該当する（特許文献２参照）。

特開２０１０−２８０３０１号公報特開２０１２−９７７１３号公報

しかしながら、「（１）ＢＭを大きくする手法」を採用した場合、水線面付近の波力の影響を受けやすく、浮体構造物の動揺が大きくなってしまうという問題がある。また、浮体構造物の喫水を浅くできるものの、水線面積が大きくなり過ぎてしまい、設置及び建造上の制約を受けやすいという問題もある。また、「（２）ＫＢ−ＫＧを大きくする手法」を採用した場合、浮体の喫水が深くなり過ぎてしまい、設置及び建造上の制約を受けやすいという問題がある。

本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、スパー型の浮体構造物を基礎として、復原力の向上及び動揺の低減を図ることができる、浮体構造物を提供することを目的とする。

本発明によれば、直立した状態で浮遊可能かつ水上に配置される上部構造物を接続可能な柱状の単数のコラム部を備えた浮体構造物において、喫水線近傍で前記コラム部より拡径した柱状のアッパーハルと、前記コラム部の下端に配置されバラストタンクを構成するとともに前記コラム部より拡径したロワーハルと、前記アッパーハルの没水部の外周の全周に渡って径方向外方に突出するように配置された板状のフランジ部である張出部と、を有することを特徴とする浮体構造物が提供される。

前記張出部は内部に空洞を有していてもよい。また、前記ロワーハルの上面に放射状に立設された複数のフィンを有していてもよい。

上述した本発明に係る浮体構造物によれば、スパー型の浮体構造物を基礎として、喫水線近傍に拡径したアッパーハルを形成することにより、水線面モーメントＩを大きくし、ＢＭ（メタセンタ半径）を大きくすることができる。また、コラム部の下端に拡径したロワーハルを形成してバラストタンクとすることにより、浮体構造物の重心を下げることができ、ＫＧ（重心高さ）を小さくすることができる。さらに、上述したアッパーハルとロワーハルをコラム部で連結することにより、浮体構造物のＫＢ（浮心高さ）を大きくすることができる。したがって、ＫＢ（浮心高さ）＋ＢＭ（メタセンタ半径）−ＫＧ（重心高さ）の計算式により求められるＧＭ（メタセンタ高さ）を大きくすることができ、浮体構造物の復原力の向上を図ることができる。

また、没水部で水平方向に拡径したロワーハルを形成することにより、浮体構造物の上下揺れ（Heaving）に対する抗力を増大させることができ、浮体構造物の上下揺れを低減することができる。また、アッパーハルの外周に張出部を形成することにより、浮体構造物の受ける波力を低減することができ、浮体構造物の縦揺れ（Pitching）及び横揺れ（Rolling）を低減することができる。したがって、浮体構造物の動揺の低減を図ることができる。

本発明の第一実施形態に係る浮体構造物の正面図である。図１に示した浮体構造物の説明図であり、（Ａ）は図１におけるＡ−Ａ矢視断面図、（Ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ矢視断面図、（Ｃ）は図１におけるＣ−Ｃ矢視断面図、を示している。本発明の他の実施形態に係る浮体構造物を示す図であり、（Ａ）は第二実施形態、（Ｂ）は第三実施形態、（Ｃ）は第四実施形態、（Ｄ）は第五実施形態、を示している。第四実施形態に係る浮体構造物の外観図であり、（Ａ）は俯瞰図、（ｂ）は仰視図、を示している。本発明の第六実施形態に係る浮体構造物を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は図５（Ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面図、（Ｃ）は図５（Ａ）におけるＣ−Ｃ矢視断面図、を示している。

以下、本発明の実施形態に係る浮体構造物について、図１〜図５を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係る浮体構造物の正面図である。図２は、図１に示した浮体構造物の説明図であり、（Ａ）は図１におけるＡ−Ａ矢視断面図、（Ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ矢視断面図、（Ｃ）は図１におけるＣ−Ｃ矢視断面図、を示している。なお、各図において、バラストタンクを構成可能な空洞部分については、一点鎖線の交差線によって図示している。

本発明の第一実施形態に係る浮体構造物１は、図１及び図２（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、直立した状態で浮遊可能かつ水上に配置される上部構造物２を接続可能な柱状の単数のコラム部３を備え、喫水線近傍でコラム部３より拡径したアッパーハル４と、コラム部３の下端に配置されバラストタンクを構成するとともにコラム部３より拡径したロワーハル５と、アッパーハル４の没水部の外周から径方向外方に突出した板状の張出部６と、を有している。

浮体構造物１は、例えば、洋上風力発電用の浮体構造物であり、上部構造物２は、例えば、支柱２１、ナセル２２及びブレード２３を有する風車により構成される。支柱２１は、コラム部３の上端部に形成された連結部３１に立設される。ナセル２２は、内部に発電機を有し、ブレード２３の回転によって電力を発生させる。ブレード２３は、風力によって回転駆動する。また、図示しないが、支柱２１には、太陽光パネルを配置するようにしてもよい。なお、上述した風力発電設備は、浮体構造物１に設置される上部構造物２の一例に過ぎず、上部構造物２は、風向計や風速計等の風況観測装置、太陽光発電装置、照明装置、無線通信装置等の設備であってもよい。

コラム部３は、スパー型の浮体構造物１を構成するための略円柱形状の中心軸である。コラム部３の内部は、空洞に形成されており、浮体構造物１に対して浮力を与える浮力体の一部を構成している。また、コラム部３の内部には、ポンプルームや機械室等が必要に応じて配置される。ポンプルームには、バラスト水の注排水を処理するポンプが配置され、機械室には、内部電源として機能する補助発電機や各種制御装置が配置される。

本実施形態に係る浮体構造物１は、スパー型を基礎としていることから、コラム部３は一つ（単数）のみ配置される。コラム部３の径の大きさや長さは、浮体構造物１が配置される海域の水深、必要な排水量、アッパーハル４及びロワーハル５の大きさ等の条件によって設定される。なお、コラム部３の一部をバラストタンク（固定又は可変の両方を含む）として利用するようにしてもよい。

アッパーハル４は、例えば、図２（Ａ）に示したように、コラム部３に接続されたセンターハル４１と、センターハル４１の没水部から放射状に延出された複数の水平ブレース４２と、水平ブレース４２の先端に配置されたアウターハル４３と、を有している。なお、図２（Ａ）において、没水部に配置される部分を灰色に塗り潰して表示している。

センターハル４１は、水平ブレース４２を支持する部材であって、コラム部３の喫水線近傍に形成され、コラム部３よりも拡径された円柱形状又は角柱形状を有している。

水平ブレース４２は、センターハル４１とアウターハル４３とを連結する部材である。水平ブレース４２は、喫水線上に配置すると波力によって荷重を受けることから、没水部に配置することが好ましい。また、水平ブレース４２を水中に沈めることによって浮力で自重を支えることができ、空中に配置した場合よりも支持荷重の低減を図ることができる。また、水平ブレース４２の内部を空洞に形成してバラストタンク（固定又は可変の両方を含む）として利用するようにしてもよい。なお、図示した水平ブレース４２は、センターハル４１から放射状に六本配置されているが、かかる本数に限定されるものではない。

アウターハル４３は、水平ブレース４２の先端部に配置された直方体形状の浮力体である。アウターハル４３の内部は、バラストタンク（固定又は可変の両方を含む）として利用される。なお、アウターハル４３の形状は、直方体形状に限定されるものではなく、球形状や回転楕円体形状であってもよい。

図２（Ａ）に示したように、隣り合うアウターハル４３同士の間には一定の隙間が形成されている。このように、アウターハル４３を円周上に分散して配置することにより、波の一部をアウターハル４３の隙間から内部に浸入させることができ、波力によって受ける荷重を低減することができる。また、アウターハル４３の隙間を利用して作業船をセンターハル４１の近傍にまで接近させることができ、機械室等を備えたコラム部３へ容易にアクセスすることができ、メンテナンス等の負担を軽減することができる。

また、浮体構造物１の中心軸を構成するコラム部３から、離隔した位置に浮力体であるアウターハル４３を配置することにより、水線面モーメントＩを大きくし、ＢＭ（メタセンタ半径）を大きくすることができる。アウターハル４３の容積やアウターハル４３のコラム部３からの離隔距離（すなわち、水平ブレース４２の長さ）は、浮体構造物１に求められる復原力に応じて設定される。

ロワーハル５は、図１及び図２（Ｃ）に示したように、コラム部３の下端に配置された略円盤形状の重量物（錘）である。ロワーハル５の内部は、例えば、放射状に配置された複数の仕切り板によって複数の空間に区分けされており、それぞれバラストタンクを構成している。バラストタンクは、一定の重量を有する固定バラストであってもよいし、海水を注排水することによって重量を調整することができる可変バラストであってもよい。

このように、コラム部３の下端に重量物を配置することにより、浮体構造物１の重心を下げることができ、ＫＧ（重心高さ）を小さくすることができる。また、没水部に水平方向に平面展開されたロワーハル５を配置することにより、浮体構造物１が上下方向に移動しようとした際に生じる抗力を増大させることができ、浮体構造物１の上下揺れ（Heaving）を低減することができる。

また、ロワーハル５は、上面に放射状に立設された複数のフィン５１を有していてもよい。没水したロワーハル５に略鉛直方向に平面展開されたフィン５１を複数配置することにより、浮体構造物１がコラム部３を中心に回転しようとする際に生じる抗力を増大させることができ、浮体構造物１の船首揺れ（Yawing）を低減することができる。フィン５１の本数や面積等の条件は、浮体構造物１の排水量や設置環境等に応じて任意に設定することができる。

張出部６は、アウターハル４３の没水部の外周に形成された板状のフランジ部である。浮力体を構成するアウターハル４３に略水平方向に平面展開された張出部６を形成することにより、浮体構造物１が風荷重や波力によって傾斜しようとする際に生じる抗力を増大させることができ、浮体構造物の縦揺れ（Pitching）及び横揺れ（Rolling）を低減することができる。張出部６の張り出し量は、浮体構造物１の排水量や設置環境等に応じて任意に設定することができる。

また、図１に示した浮体構造物１は、アウターハル４３とロワーハル５とを連結する複数の斜めブレース７と、隣り合う斜めブレース７を連結して環状に形成されるミドルブレース８と、を有している。これらの斜めブレース７及びミドルブレース８は、アウターハル４３を支持する補強材として機能する。

斜めブレース７は、例えば、下端がロワーハル５の中央部上面に配置された支持金具７１に連結され、上端がアウターハル４３の下面に連結される。したがって、斜めブレース７は、下端から上端に向かって放射状に配置されることとなる。なお、斜めブレース７の下端はコラム部３の周面に連結されてもよいし、斜めブレース７の上端は水平ブレース４２に連結されてもよい。図２（Ｂ）に示したように、斜めブレース７の内部を空洞に形成してバラストタンクとして利用するようにしてもよい。

ミドルブレース８は、隣り合う斜めブレース７を連結することにより、斜めブレース７の構造体として剛性を向上させる部材である。したがって、図２（Ｂ）に示したように、ミドルブレース８は、斜めブレース７の本数に応じて多角形状に配置される。斜めブレース７の本数やミドルブレース８の配置位置（高さ）は、アウターハル４３に求められる強度に応じて任意に設定することができる。なお、ミドルブレース８を鉛直方向に複数配置するようにしてもよい。

また、浮体構造物１は、海底に固定された複数の係留索９に接続されており、所定の海域に滞留される。係留索９の上端は、例えば、図１に示したように、アウターハル４３の外側面に固定され、係留索９の下端は、張出部６に配置されたムアリングパイプ９１に挿通されて海底に固定される。係留索９をコラム部３から離隔した位置にあるアウターハル４３に接続することにより、浮体構造物１が回転しようとする船首揺れ（Yawing）に対する抗力を増大させることができる。

したがって、かかる係留索９により、浮体構造物１を所定の海域に留まらせることができるとともに、船首揺れ（Yawing）、前後揺れ（Surging）及び左右揺れ（Swaying）を低減することができる。なお、係留索９は、張出部６や斜めブレース７に固定するようにしてもよい。

ところで、復原力は、一般に、ＧＭ（メタセンタ高さ）×排水量で定式化されるところ、ＧＭ（メタセンタ高さ）は、ＧＭ＝ＫＢ（浮心高さ）＋ＢＭ（メタセンタ半径）−ＫＧ（重心高さ）の計算式により求めることができる。そこで、上述した第一実施形態に係る浮体構造物１では、（１）アッパーハル４を形成することにより水線面モーメントＩを大きくしてＢＭ（メタセンタ半径）を大きくし、（２）ロワーハル５を形成することにより浮体構造物１の重心を下げてＫＧ（重心高さ）を小さくし、（３）アッパーハル４とロワーハル５をコラム部３で連結することにより浮体構造物１のＫＢ（浮心高さ）を大きくするようにしている。したがって、ＧＭ（メタセンタ高さ）の数値を大きくすることができ、浮体構造物１の復原力を向上させることができる。

また、上述した第一実施形態に係る浮体構造物１によれば、ロワーハル５を形成したことにより浮体構造物１の上下揺れ（Heaving）を低減することができ、張出部６を形成したことにより浮体構造物１の縦揺れ（Pitching）及び横揺れ（Rolling）を低減することができ、フィン５１を形成したことにより浮体構造物１の船首揺れ（Yawing）を低減することができ、浮体構造物１の動揺の低減を図ることができる。

次に、本発明の他の実施形態に係る浮体構造物１について説明する。ここで、図３は、本発明の他の実施形態に係る浮体構造物を示す図であり、（Ａ）は第二実施形態、（Ｂ）は第三実施形態、（Ｃ）は第四実施形態、（Ｄ）は第五実施形態、を示している。図４は、第四実施形態に係る浮体構造物の外観図であり、（Ａ）は俯瞰図、（ｂ）は仰視図、を示している。図５は、本発明の第六実施形態に係る浮体構造物を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は図５（Ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面図、（Ｃ）は図５（Ａ）におけるＣ−Ｃ矢視断面図、を示している。なお、各図において、上述した第一実施形態と同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。

図３（Ａ）に示した第二実施形態に係る浮体構造物１は、上述した第一実施形態に係る浮体構造物１のミドルブレース８を省略したものであり、図３（Ｂ）に示した第三実施形態に係る浮体構造物１は、上述した第一実施形態に係る浮体構造物１の斜めブレース７及びミドルブレース８を省略したものである。このように、アッパーハル４（例えば、アウターハル４３）の補強構造は、斜めブレース７及びミドルブレース８を用いて必要に応じて設計することができる。

図３（Ｃ）に示した第四実施形態に係る浮体構造物１は、上述した第一実施形態に係る浮体構造物１のフィン５１を省略したものである。例えば、係留索９により船首揺れ（Yawing）を十分に低減することができる場合には、フィン５１を省略することができる。ここで、浮体構造物１の構造の理解を促すために、第四実施形態に係る浮体構造物１の俯瞰図を図４（Ａ）に示し、仰視図を図４（Ｂ）に示している。なお、各図において、説明の便宜上、支持金具７１及びコラム部３の一部（センターハル４１より上の部分）の図を省略してある。図４（Ａ）及び（Ｂ）に示した浮体構造物１の形状は、平面部分をメッシュで表示した３Ｄモデリングである。

図３（Ｄ）に示した第五実施形態に係る浮体構造物１は、センターハル４１とアウターハル４３との水上部に掛け渡された連絡橋４４を有するものである。かかる連絡橋４４を配置することにより、浮体構造物１を浮遊させた状態、すなわち、水平ブレース４２が没水した状態であっても、センターハル４１とアウターハル４３との間を往来することができ、メンテナンス時等の移動に要する時間を短縮することができる。連絡橋４４は、例えば、センターハル４１とアウターハル４３とを連結する床板と、床板の両側部に配置される手摺と、により構成される。

また、第五実施形態に係る浮体構造物１は、図示したように、連絡橋４４に加えて、アウターハル４３から外方に延出された補助床板４５を有していてもよい。アウターハル４３に補助床板４５を配置することにより、メンテナンス時等に作業員が補助床板４５を介してアウターハル４３から乗り降りすることができ、利便性を向上することができる。すなわち、本実施形態において、作業員は、浮体構造物１に対してセンターハル４１又はアウターハル４３のいずれからでも乗り降りすることができ、作業内容や作業の進捗状況に合わせて乗り降りする場所を任意に選択することができる。

図５（Ａ）〜（Ｃ）に示した第六実施形態に係る浮体構造物１は、アッパーハル４の構成を簡略化したものである。具体的には、アッパーハル４は、コラム部３から拡径された多角柱形状を有している。アッパーハル４の径（幅）は、例えば、ロワーハル５の径（幅）と同等程度が好ましいが、浮体構造物１の排水量や設置環境等に応じて任意に変更することができる。なお、アッパーハル４の形状は、多角柱形状に限定されるものではなく、円柱形状であってもよい。

図５（Ａ）及び（Ｂ）に示したように、アッパーハル４の没水部の外周には、径方向外方に突出した板状の張出部６が配置されている。張出部６の内部を空洞に形成して、バラストタンク（固定又は可変の両方を含む）として利用するようにしてもよい。なお、図５（Ａ）において、説明の便宜上、喫水線を一点鎖線で仮想的に図示している。

図５（Ｃ）に示したように、第六実施形態におけるロワーハル５は、扁平の八角柱形状を有しており、その内部は放射状に配置された仕切り板による区分けされており、各部屋はバラストタンク（固定又は可変の両方を含む）として利用される。また、ロワーハル５の上面には、八枚のフィン５１が放射状に配置されている。

第六実施形態に係る浮体構造物１は、アッパーハル４が第一実施形態のように浮島状に分散配置されたアウターハル４３を有していないことから、容易に設計することができ、補強構造（斜めブレース７やミドルブレース８）の必要性も少なく、構造的に製造しやすく頑強な浮力体を容易に形成することができる。

上述した第二実施形態〜第六実施形態に係る浮体構造物１においても、第一実施形態に係る浮体構造物１と同様に、喫水線近傍に拡径したアッパーハルを形成したことにより水線面モーメントＩを大きくしてＢＭ（メタセンタ半径）を大きくすることができ、コラム部３の下端に拡径したロワーハル５を形成してバラストタンクとすることにより浮体構造物１の重心を下げてＫＧ（重心高さ）を小さくすることができ、アッパーハル４とロワーハル５をコラム部３で連結することにより浮体構造物のＫＢ（浮心高さ）を大きくすることができ、ＫＢ（浮心高さ）＋ＢＭ（メタセンタ半径）−ＫＧ（重心高さ）の計算式により求められるＧＭ（メタセンタ高さ）を大きくすることができ、浮体構造物の復原力の向上を図ることができる。

また、上述した第二実施形態〜第六実施形態に係る浮体構造物１によれば、第一実施形態に係る浮体構造物１と同様に、没水部で水平方向に拡径したロワーハル５を形成することにより浮体構造物１の上下揺れに対する抗力を増大させることができ、アッパーハルの外周に張出部を形成することにより全方位において浮体構造物１の受ける波力を低減することができ、浮体構造物１の上下揺れ（Heaving）、縦揺れ（Pitching）及び横揺れ（Rolling）を低減することができ、浮体構造物１の動揺の低減を図ることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１浮体構造物
２上部構造物
３コラム部
４アッパーハル
５ロワーハル
６張出部
７斜めブレース
８ミドルブレース
４１センターハル
４２水平ブレース
４３アウターハル
４４連絡橋
５１フィン

Claims

直立した状態で浮遊可能かつ水上に配置される上部構造物を接続可能な柱状の単数のコラム部を備えた浮体構造物において、
喫水線近傍で前記コラム部より拡径した柱状のアッパーハルと、
前記コラム部の下端に配置されバラストタンクを構成するとともに前記コラム部より拡径したロワーハルと、
前記アッパーハルの没水部の外周の全周に渡って径方向外方に突出するように配置された板状のフランジ部である張出部と、
を有することを特徴とする浮体構造物。
前記張出部は内部に空洞を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の浮体構造物。
前記ロワーハルの上面に放射状に立設された複数のフィンを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の浮体構造物。