JP2008537043A - プレハブ式モジュラータワー - Google Patents

Abstract

本発明は、風力発電機用とともに他の用途の支持体として使用されるタイプのプレハブ式モジュラータワーに関する。本発明は、水平補剛体及び垂直補剛体を有する内部構造で強化された、好ましくは鉄筋コンクリート製の肉薄のプレハブ式要素であって、たわみ金属ケーブルによって水平方向及び垂直方向の両方に引っ張られているプレハブ式要素を使用することを特徴とする。本発明は、軽量且つ運搬しやすい少数の要素を使用しながら、製造、運搬及び設置コストを大幅に節約する超高タワーの迅速な建設に使用されることができる点で有利である。
【選択図】 図１

Description

本記載は、その名称が示すように、風力発電機用及び他の用途の支持体として使用される種類のプレハブ式モジュラータワーであって、水平補剛体及び垂直補剛体を有する内部構造で強化された、好ましくは鉄筋コンクリート製の肉薄のプレハブ式要素を使用し、当該要素にはたわみ金属ケーブルによって水平方向及び垂直方向の両方に引っ張られることを特徴とする、プレハブ式モジュラータワーに関する。

現在のところ、さまざまな種類の、風力発電機としても知られる風動力発電機（wind-powered electricity generator）がある。これらの発電機は、タワー上に支持された羽根に連結されたタービンを有する。

より一般的に使用される発電機支持タワーのほとんどが金属であって、格子構造又は円筒形若しくは中空テーパ形状を有する。これらの種類のタワーには一連の問題があり、その中でも、防錆処理又は塗装を伴う頻繁なメンテナンスの必要、（耐えなければならない風の力によって発生する一定の引張り及び圧縮サイクルによる）材料疲労によって発生する消耗のために通常は２０年未満であるという、耐用寿命が短いこと、及び製造、運搬及び設置コストが高いことが挙げられるであろう。

さらなる問題は、技術的及び経済的の両方の観点から、それらは２５ｍ〜４０ｍの高さでのみ使用できることである。応力に耐えるためのそれらの剛性、及び風力発電機の高さを大きく制限する、必要とされる材料の高コストの両方のため、５０ｍを超える高さの金属タワーは実現不可能になり始めている。

現在の風力発電機建設の傾向は、それらの動力の増加並びにタービン及び羽根をはるかにより高く位置付けることに向かう方向に変わっている。タービンはまた、山のスクリーン効果を回避するとともに、流れがより一定であり、したがって動力発生が大幅に増大するより高層の空気を利用しようと努力して、はるかに大型の羽根を装備している。

このことは、５０ｍを優に超え、実際に９０ｍ又は１００ｍに近い高さの要求に応えるために、代替のタワー建設方法を見つけなければならないことを意味する。必要な剛性は、これらのタワーを金属構造体で建設することがもはや実現不可能であることを意味し、この理由から、はるかにより剛直且つ抵抗力があるとともに、はるかにより経済的である鉄筋コンクリートでそれらを建設する試みがなされてきた。

一部のタワーは、建物及び超高層ビルとまったく同様に、格子又は同様の構造体の形のケーシングを使用して現場で建設されるが、これには、作業が遅く、且つ特に必要な労働コストのために高コストであるという欠点がある。この建設技法の一例が、日本の特許である２００１００６５８「超高塔状タワー（very tall tower）」又はドイツ特許第１９９３６６０３号「建設中に使用される作業用案内構造体を内部空間に設置している、たとえば風力発電所用のタワーとしての中空マスト又はコンクリート構造体用の構造工学方法（Structural engineering method for hollow mast or concrete structure as a tower, for example, for a wind farm, comprising a guide structure for work used during the construction installed in the inside space）」に見られることができる。

他の解決策を見つけることも試みられてきた。たとえば、国際公開特許第２００４００７９５５号「風力発電所タワー用のセメントセグメントの製造方法（Method for production of a cement segment for a wind farm tower）」は、プレハブ式コンクリート工場で製造されて現場へ運搬される完全積み重ね可能なテーパセグメントを使用する構造システムを提示しているが、これには、関連の法的及び実際上の制限すべてを伴う従来の道路運搬方法を使用してセグメントを運搬しようとする場合、セグメントを非常に短くしなければならないという問題があり、このことは、タワーを形成するために非常に多くの積み重ねセグメントを使用しなければならないことを意味し、それにより、高い運搬及び労働コストが発生し、これは、設置及び組み立て用にクレーンを常時使用するコストと合わせられる。この方法のさらなる欠点は、テーパタワーを建設するために、各セグメントが異なった寸法を有し、このことは、タワー内のセグメントと同数の多くの鋳型が存在しなければならないことを意味し、このため、製造作業の複雑さが増す。さらに、必要な剛性及びソリディティを達成するために、セグメント壁は相当に厚くなければならず、これは、それらのコスト及び運搬すべき重量を増加させる。

運搬すべき部品の寸法を小さくしようとする努力において、スペイン実用新案第２００４０２３０４号「風力タービン用及び他の用途の改良型モジュラータワー構造（Improved modular tower structure for wind turbines and other applications）」及び国際公開特許第０３／０６９０９９号「ウインドタービン（Wind Turbine）」に記載されているように、各テーパマストセグメントを別個の部材片に分割する試みがなされているが、これらはともに、構造的剛性及び耐性を達成するために、内側及び外側の両方が平滑である非常に厚い中実壁を使用するという欠点を有し、このため、物品の価格が相当に上がり、また、タワーの建設に多数の部材片が必要であり、結果的に運搬及び組み立ての両方に関する高コストが、必要な多数の製造鋳型によって発生する高い製造コスト及び必要とされる大きい構造重量以外に伴うことを意味する。

また、スペイン実用新案第２００４２５０４号「風力タービン用及び他の用途のモジュラータワーの改良構造（Perfected structure of a modular tower for wind turbines and other applications）」に記載されているようなタワーが既知であり、これらには、その他のものと共通して、セグメントを形成するために別個の部材片を使用し、その場合、構造剛性及び耐性を達成するために、内側及び外側が平滑である相当な厚みの中実壁を使用するという事実がある。部材片の重量が顕著に増加すれば、これは、運搬及び組み立ての両方の経済コストが高く、タワーを形成するために多数の部材片が必要とされる時と同じ問題を生じる。さらに、タワーの構造を強化するために、本実施形態は、垂直テンションケーブルから成る外部プリテンションシステムを用いているが、垂直テンションケーブルには、タワーの基礎に取り付けなければならず、したがって適当な固着具を装備する必要があるという問題があり、また、ケーブルは壁のフランジの貫通穴で当該壁に取り付けられるだけであって、壁との接触が部分的に過ぎず、したがって強化が非常に劣ることにつながるという問題も発生する。さらに、ケーブルのほとんどはタワーの内側で壁の外側に残されて空気にさらされ、それにより、負の景観影響とともに、ケーブルの緊張活動（stressing effort）によって引き起こされる劣化並びに大気による摩耗（atomospheric wear）、及び実用寿命を大幅に縮める腐食という追加的な問題が生じる。

本発明の主題であるプレハブ式モジュラータワーは、風力発電機用及び他の用途の超高支持タワーを建設するという現在の案件に伴う問題を解決するように設計された。それは、水平補剛体及び垂直補剛体の内部構造で強化された、好ましくは鉄筋コンクリート製の肉薄のプレハブ式要素であって、たわみ金属ケーブルによって水平方向及び垂直方向の両方に引っ張られるプレハブ式要素を使用する。

タワーは少数のテーパ部品に分割されており、その各々は、好ましくは鉄筋コンクリート製の少数の同一のプレハブ式モジュラー要素の側面結合によって形成される。好適な実施形態では、タワーは、各々の高さがほぼ３０ｍ〜３５ｍである３つのテーパ部品に分割されて、合計したタワー高さは約１００ｍになる。この好適な実施形態では、下側部品は、互いに隣り合わせて配置されている５つの同一のプレハブ式モジュラー要素によって形成され、中間部品は、上記のものより明らかに小径であるがやはり互いに隣り合わせて配置されているさらなる５つの同一のプレハブ式モジュラー要素によって形成され、上側部品は、先行のものと異なるが互いに同一である３つのプレハブ式モジュラー要素だけによって形成されている。この好適な実施形態は、３種類だけがあればよい１３個のプレハブ式モジュラー要素だけを使用し、したがって３つの製造鋳型だけを必要として、１００ｍ高さの塔がいかに形成されるかを示す。

プレハブ式モジュラー要素の各々は、隣接配置された時にタワーのテーパ部品を形成するのに適当な形状である。それらの外壁は平滑である一方、内壁は多数の突出した水平強化補剛体及び垂直強化補剛体を有し、これらにより、モジュラー要素の主壁を限定的な厚さにすることができる一方で、依然として高い剛性及び耐性を与え、したがって、プレハブ式モジュラー要素の重量の相当な削減をもたらす。狭い幅の垂直側壁は、セメント結合ジョイント用の、好ましくは台形断面の溝を全長にわたって有する。

水平に配置されている強化補剛体の各々は、それらに沿って全長にわたって伸びる中央長手方向管を有し、好ましくは可撓性を有する鋼製のテンションケーブルがそれを貫通している。それらは、タワーの各部品を構成するプレハブ式モジュラー要素間を水平方向に結束し、これにより、全体的な剛性及び安定性の増加を助ける。この結束は好ましくは、各水平方向進路を１つだけにするのでなく、２つのケーブル部分に分割し、それにより、関連のジャッキ又は同様の工具によってケーブルをより容易に緊張させることができるようにすることによって達成されるであろう。この目的のために、プレハブ式モジュールは、水平中央管への出入り口になる適当な開口を有するであろう。

タワーの各部品を構成するプレハブ式モジュラー要素を互いに横に並べて置き、水平方向に配置されているテンションケーブルを緊張させた時、各対のモジュラー要素間の垂直結合ジョイントが、最初にジョイントを閉鎖シールによって外側及び内側から封止し、その後、隣接モジュラー要素の側溝によって形成されたギャップ内に、好ましくは液体セメントタイプのシーラントを注ぎ込むことによって閉鎖され、シーラントは、硬化時にユニットの剛性に寄与するであろう。

プレハブ式モジュラー要素は、壁上に垂直方向に配置されてそれに完全に組み込まれた複数の貫通管も有し、タワーを構成している部品を垂直方向に結束する、好ましくは可撓性のテンション鋼ケーブルがそれらを貫通できるようにしている。これらの垂直テンションケーブルは、タワーの下側部品を形成するプレハブ式モジュラー要素の下側補剛体から取り付けられて貫通管を貫通し、その後、貫通管にモルタルを充填し、それがケーブルを貫通管内に、したがって壁の内部に固定して組み込み、ケーブルは内側及び外側の両方で隠蔽されて、タワーと完全に一体化される。当該ケーブルは、各タワー部品当たり１本のケーブル（好適な本実施形態では３本のケーブル）をまとめて設置され、それにより、各組の第１のケーブルが、第１の部品及び第２の部品間のジョイントの上方で引っ張られ、各組の第２のケーブルが、第２の部品及び第３の部品間のジョイントの上方で引っ張られ、以下同様になっている。このように、それらは、タワー全体をその全長にわたって引っ張ることを助ける。その後、貫通管にモルタル又は別の同様な要素を充填する。このように、垂直ケーブルはタワー壁内に完全に組み込まれて、それの剛性に寄与するが、タワーの内側及び外側の両方で見えないように隠蔽されたままとなる。

本目的のために垂直テンションケーブルを使用するとともに、タワーを垂直方向に構成する異なった部品の結合は、橋ジョイント等のプレハブ式コンクリート製品、又は雨水が入らないように樋によって保護された液体セメント充填受け器における一般的な結合方法を使用して行われる。本発明の１つの特徴として、タワーの垂直構成部品は、２つの垂直強化補剛体を互いに分離する角距離に相当する水平回転により、互いの上に組み立てられ、それにより、各部品の、プレハブ式モジュラー要素間の垂直結合溝は垂直方向に一致せず、垂直補剛体間の完全な支持を変更することがなく、したがって、それの防水性が改善される。各プレハブ式モジュラー要素には、好ましくは２つの完全な垂直補剛体及び端部の２つの半補剛体があり、これらの半補剛体は、互いに結合された時、１つの補剛体の均等物を形成して、この回転を可能にしている。

タワーの第１の部品のベースと基礎との結合は、タワーの寸法に適合した適当な寸法の剛直バー等でのねじ下げ等の、建設で使用される従来の基礎建設技法及び固定技法によって実行される。

タワーの最後の部品は、タワーの別のプレハブ式コンクリート又は金属セクションに連結されることができ、又はそれは風力発電機囲壁及びはね支持構造体を直接的に支持することができる。

提示されたプレハブ式モジュラータワーは、現在使用可能なシステムに勝る多くの利点を有し、その中の最も重要なものは、少数の要素を使用して超高タワーを迅速に建設することができることである。好適な実施形態では、３つの異なる種類だけがあればよい１３個のプレハブ式モジュラー要素だけを使用し、したがって３つの異なる製造鋳型だけを必要として、約１００ｍ高さの塔がいかに形成されるかがわかる。

別の大きな利点は、プレハブ式モジュラー要素が強化補剛体を備えているため、それらが相当に軽量化され、これにより、運搬が容易になり、したがって、製造、運搬及び設置コストが節約されることである。

好適な実施形態において、プレハブ式モジュラー要素の各々の寸法が、３０ｍ〜３５ｍであるそれらのおよその長さに従って計算される一方、通常の道路輸送を可能にするために、各要素の最大幅が４．５ｍであることの疑いようのない利点を強調することが重要である。残りの寸法が一般的に約７０ｃｍであるとすると、運搬中又は現場での組み立て中に部品を支持するために、金属格子の形の仮補強を所定位置に置くことができる。

本発明の別の利点は、タワー全体が水平方向及び垂直方向の両方にケーブルによって完全に緊張させられることである。

垂直ケーブルは、タワー壁に挿入された貫通管を貫通し、その後、モルタルを充填することによって壁の内部に完全に組み込まれてそれらの剛性に寄与するが、タワーの内側及び外側の両方で隠蔽されたままとなり、これにより、外部との接触及び大気による劣化が回避されるため、ケーブルの持続時間も大幅に改善されるという重要な利点に注目する必要がある。

本発明の主題をより十分に理解するために、以上に記載したようなプレハブ式モジュラータワーの実際的な好適な実施形態を添付図面に示している。

添付図面でわかるように、本発明の主題であるプレハブ式モジュラータワー４は、基本的に少数のテーパ部品１、２、３を有し、これらのテーパ部品１、２、３の各々は、好ましくは鉄筋コンクリート製の少数の同一のプレハブ式モジュラー要素６、７、８の側面結合によって形成される。好適な実施形態では、タワー４は、３つのテーパ部品１、２、３に分割され、各部品の高さは約３０ｍ〜３５ｍであり、合計したタワー高さは約１００ｍになる。この好適な実施形態では、下側部品１は、互いに隣り合わせて配置されている５つの同一のプレハブ式モジュラー要素６によって形成され、中間部品２は、先行のものより小径であるが、やはり互いに隣り合わせて配置されているさらなる５つの同一のプレハブ式モジュラー要素７によって形成され、上側部品３は、互いに同一であるが先行のものと異なる３つのプレハブ式モジュラー要素８だけによって形成されている。

以上からわかるように、プレハブ式モジュラー要素６、７、８の各々は、隣接配置された時にタワーのテーパ部品を形成するのに適当な形状である。それらの外壁９は平滑である一方、内壁１０は多数の突出した水平強化補剛体１１及び垂直強化補剛体１２を有し、これらにより、モジュラー要素６、７、８の主壁１３を限定的な厚さにすることができる。狭い幅の垂直側壁は、セメント結合ジョイント１５用の、好ましくは台形断面の溝１４を全長にわたって有する。

水平に配置されている強化補剛体１１の各々は、それらに沿って全長にわたって延びる中央長手方向管１６を有し、好ましくは可撓性を有する鋼製のテンションケーブル１７がそれを貫通している。それらは、タワー４の各部品を構成するプレハブ式モジュラー要素６、７、８間を水平方向に結束し、プレハブ式モジュールは、水平中央管１６への適当な出入り開口１８を有している。

タワー４の各部品を構成するプレハブ式モジュラー要素６、７、８を互いに横に並べて置き、水平方向に配置されているテンションケーブル１７を緊張させた時、各対のモジュラー要素６、７、８間の垂直結合ジョイントは、先にジョイントを閉鎖シール１９によって外側及び内側から封止し、その後、隣接モジュラー要素の側溝によって形成されたギャップ内に、好ましくは液体セメントタイプのシーラント１５を注ぎ込むことにより、閉鎖されるであろう。

プレハブ式モジュラー要素６、７、８は、壁１３に沿って垂直方向に配置されている多数の貫通管２０も有し、タワーを構成している部品１、２、３を垂直方向に結束するテンションケーブル２１がそれらを貫通している。これらの垂直テンションケーブル２１は、タワー４の下側部品１を形成するプレハブ式モジュラー要素６の下側補剛体２２から取り付けられ、それらを基礎まで延長する必要はなく、ケーブルは貫通管２０を貫通し、その後、貫通管にモルタルを充填して、ケーブルを貫通管２０内に、したがって壁１３の内部に結束して組み込み、それが内側及び外側の両方で隠蔽されたままにし、好ましくは各タワー部品４当たり１本のケーブル好適な本実施形態では３本のケーブルをまとめて設置する。このように、垂直テンションケーブル２１は全体的に、タワー４の全長にわたって取り付けられる。

本発明の１つの特徴として、タワーの垂直構成部品１、２、３は、２つの垂直強化補剛体１２を互いに分離する角距離に相当する水平回転により、互いの上に組み立てられ、それにより、各部品の、プレハブ式モジュラー要素間の垂直結合溝１５は垂直方向に一致しない。

提示されたシステムまたはその構成要素のその他の特徴については、それらがいずれの請求項にも従属しないと見なすので、それらの詳細な説明を自発的に省略する。

本発明の性質及び好適な実施形態を十分に詳細に記載しており、その記載が制限的ではないことを言うだけでよく、添付の特許請求の範囲の本質的な特徴を変更しない限り、材料及び形状又は寸法の両方に関して幾つかの変更を加えることができる。

タワーを構成する３つの部品を見ることができる、タワーの立面図及び平面図である。 内部補剛体を示す、完全には閉鎖されていないタワーの部品の１つの部分図、及び水平補剛体の内部管を示す補剛体の拡大詳細図である。 タワーを構成する５つのプレハブ式モジュラー要素を示す、タワーの第１の部品のベースの断面図、及び要素間の側面結合の閉鎖の拡大詳細図である。 タワーを構成する５つのプレハブ式モジュラー要素を示す、水平強化補剛体の１つの高さでのタワーの第１の部品の断面図、要素間の側面結合の閉鎖の拡大詳細図、及び水平ケーブルを引っ張るための出入り口のさらなる拡大詳細図である。 タワーを構成する５つのプレハブ式モジュラー要素を示す、中間高さでのタワーの第１の部品の断面図である。 タワーを構成する５つのプレハブ式モジュラー要素を示す、タワーの第２の部品のベースの断面図である。 タワーを構成する５つのプレハブ式モジュラー要素を示す、水平強化補剛体の１つの高さでのタワーの第２の部品の断面図である。 タワーを構成する５つのプレハブ式モジュラー要素を示す、中間高さでのタワーの第２の部品の断面図である。 タワーを構成する５つのプレハブ式モジュラー要素を示す、タワーの第２の部品の終端部分の断面図である。 タワーを構成する３つのプレハブ式モジュラー要素を示す、水平強化補剛体の１つの高さでのタワーの第３の部品の断面図である。 タワーを構成する３つのプレハブ式モジュラー要素を示す、中間高さでのタワーの第３の部品の断面図である。 タワーを構成する３つのプレハブ式モジュラー要素を示す、タワーの第３の部品の端部分の断面図である。 タワーの３つの部品の側壁の断面図である。 １組になった３本の垂直テンションケーブルの経路を示す側部断面図である。

Claims (6)

1. 風力発電機用及び他の用途の支持体として使用される種類のプレハブ式モジュラータワーであって、少数のテーパ部品（１、２、３）によって形成され、該テーパ部品（１、２、３）の各々は、隣接配置された時に該タワーの前記テーパ部品を形成するのに適当な形状の、好ましくは鉄筋コンクリート製であって外壁（９）が平滑である少数の同一のプレハブ式モジュラー要素（６、７、８）の側面結合によって形成され、また、内壁（１０）は、前記モジュラー要素（６、７、８）の肉薄の主壁（１３）を強化する複数の突出した水平強化補剛体（１１）及び垂直強化補剛体（１２）を有し、垂直側壁（１４）は、セメント結合ジョイント（１５）用の、好ましくは台形断面の溝を全長にわたって有することを特徴とする、プレハブ式モジュラータワー。
2. 前記プレハブ式モジュラー要素（６、７、８）の各々の内部の前記水平に配置されている強化補剛体（１１）は、該強化補剛体（１１）に沿って全長にわたって延びる中央長手方向管（１６）を有し、それにより、前記タワー（４）の各部品を構成する前記プレハブ式モジュラー要素（６、７、８）間を水平方向に結束する、好ましくは可撓性を有する鋼製のテンションケーブル（１７）を通すことができ、前記プレハブ式モジュールは、前記水平中央管（１６）への適当な出入り開口（１８）を有することを特徴とする、請求項１に記載のプレハブ式モジュラータワー。
3. 前記タワー（４）の各部品を構成する前記プレハブ式モジュラー要素（６、７、８）を互いに横に並べて置き、水平方向に配置されている前記テンションケーブル（１７）を緊張させた時、各対のモジュラー要素（６、７、８）間の前記垂直結合ジョイントは、先に結合部を閉鎖ジョイント（１９）によって外側及び内側から封止し、その後、隣接した前記モジュラー要素の前記側溝によって形成されたギャップ内に、好ましくは液体セメントタイプのシーラント（１５）を注ぎ込むことにより閉鎖されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のプレハブ式モジュラータワー。
4. 前記プレハブ式モジュラー要素（６、７、８）は、前記壁（１３）に沿って垂直方向に配置されて全体的に該壁（１３）の内部に組み込まれた複数の貫通管（２０）を有し、前記タワーを構成している前記部品（１、２、３）の垂直方向結束を協働して行うテンションケーブル（２１）がそれを貫通しており、該垂直テンションケーブル（２１）は、前記タワー（４）の前記下側部品（１）を構成する前記プレハブ式モジュラー要素（６）の下側補剛体（２２）から取り付けられて、前記貫通管（２０）を貫通し、その後、前記貫通管にモルタルを充填して、前記ケーブルを前記貫通管（２０）内に、したがって前記壁（１３）の内部に結束して組み込み、前記ケーブルが内側及び外側の両方で隠蔽されたままにし、好ましくは各タワー部品（４）当たり１本のケーブルをまとめて設置することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のプレハブ式モジュラータワー。
5. 前記タワーの前記垂直構成部品（１、２、３）は、２つの垂直強化補剛体（１２）を互いに分離する角距離に相当する水平回転により、互いの上に組み立てられ、それにより、各部品の、前記プレハブ式モジュラー要素間の前記垂直結合溝（１５）が垂直方向に一致しないようにしていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のプレハブ式モジュラータワー。
6. 好適な実施形態では、前記タワー（４）は、各々の高さが約３０ｍ〜３５ｍである３つのテーパ部品（１、２、３）に分割されて、合計したタワー高さは約１００ｍになり、前記下側部品（１）は、互いに隣り合わせて配置されている５つの同一のプレハブ式モジュラー要素（６）を有し、前記中間部品（２）は、先行のものより小径であるがやはり互いに隣り合わせて配置されているさらなる５つの同一のプレハブ式モジュラー要素（７）を有し、前記上側部品（３）は、先行のものと異なるが互いに同一である３つのプレハブ式モジュラー要素（８）のみによって形成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のプレハブ式モジュラータワー。

Images