JP2009216097A

JP2009216097A - 誘導加熱ろう付け接続部を含む風力タービンタワー及び風力タービンタワーの作製方法

Info

Publication number: JP2009216097A
Application number: JP2009055239A
Authority: JP
Inventors: Shu Ching Quek; シュ・チン・クェック; Danian Zheng; ダニアン・ゼン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2009-09-24
Also published as: US20090223163A1; KR20090097122A; EP2108814A2; AU2009200758A1; CA2657158A1; CN101532474A

Abstract

【課題】風力タービンタワーを提供する。
【解決手段】風力タービンタワー１２０は、第１タワー部分２４０と、第２タワー部分２６０と、この第１タワー部分及び第２タワー部分を結合することができる誘導加熱ろう付け接続部とを有する。風力タービンタワー１２０を、高さが約８０メートル〜約１６０メートルであり、直径が少なくとも約３メートルとすることができる。誘導加熱ろう付け接続部は、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、亜鉛メッキ鋼及びそれらの組み合わせからなる群から選択されるろう付けフィラー金属を有することができる。
【選択図】図２

Description

本開示の分野は、概して風力タービンタワーに関し、特に風力タービンタワー部分どうしの少なくとも１つの間に誘導加熱ろう付けによって接続部を形成し、組み立てられた風力タービンタワーに関する。

発電用に風力タービンがますます使用されるようになっている。少なくとも一部の既知の風力タービンは、風力タービンタワーと、風力タービンタワー上に配置されたナセルと、軸によってナセル内で支持されたロータとを有する。最近の風力タービンにおいて、風力タービンタワーは３個〜６個の風力タービンタワー部分、すなわち上部分、少なくとも１つの中間部分及び下部分を含む。各風力タービンタワー部分は、一般的に圧延されて互いに溶接された１個〜１０個以上の個別の筒状セグメントから作製される。

より詳細には、上部分は地面から最も遠い部分であり、下部分は地面と接触している風力タービンタワー部分である。中間部分は、上部分と下部分との間に延在している。各風力タービンタワー部分は、機械頭部から基礎及び地面に至る頑強な構造荷重経路となる。さらに、風力タービンタワー部分は、システムが必要とし得る機械的及び／または電気的内部構造物を支持する。風力タービンタワー部分（例えば、上部分、中間部分及び下部分）は従来、風力タービンタワーを形成するために溶接、ボルト付きフランジ及び／または他の既知の機械的締結具によって互いに連結されている。具体的には、各風力タービンタワー部分の筒状セグメントを互いに溶接して風力タービンタワー部分を形成し、次いで、タワー部分をフランジ接合面において互いにボルト留めして、風力タービンタワーが形成されている。

既知の風力タービンを組み立てるにあたって、風力タービンタワーが長距離輸送トラックを使用して建設現場へ運搬される。約２０メートル〜約５０メートルの長さを有する風力タービンタワー部分を運搬する車輌は、操縦性に乏しい上、長さが２０〜５０メートルのタワー部分を陸路輸送することは高コストであろう。さらに、狭いカーブでの操縦は困難であろうから、特別な輸送ルートを辿らなければならない。また、非常に長いタワーのトラックへの積み降ろしも困難であろう。その結果、時にはタワー部分を船またはヘリコプターで運搬しなければならず、これらはいずれの場合も高コストに繋がる。

米国特許第６，５５９，４２８号

本発明の一態様によれば、風力タービンタワーは、第１タワー部分と、第２タワー部分と、第１タワー部分及び第２タワー部分を結合することができる誘導加熱ろう付け接続部とを備える。

本発明の別の態様によれば、風力タービンタワーを作製する方法は、風力タービンタワーの第１タワー部分及び風力タービンタワーの第２タワー部分間の接続部を誘導加熱ろう付けすることを含む。

本発明による例示的な風力タービンの斜視図である。図１に示す風力タービンタワーの一部分の拡大斜視図である。誘導加熱ろう付け接続部によって互いに結合されている、図２に示す第１タワー部分及び第２タワー部分の斜視図である。

図１は、本発明による風力タービンタワー１２０と３枚のブレード１６０、１６２及び１６４とを有する例示的な風力タービン１００の斜視図である。風力タービンタワーは、少なくとも１つの風力タービンタワー部分を有する。より詳細には、図２に示す例示的な実施形態において、風力タービンタワー１２０は、３つの部分、具体的には上タワー部分２４０、中間タワー部分２６０及びベースタワー部分２８０から組み立てられる。図２は３つの個別部分２４０、２６０及び２８０だけを有する風力タービンタワー１２０を示しているが、本開示の範囲から逸脱することなく、風力タービンタワー１２０を４つ以上、又は３つ未満の部分で組み立てることもできることは、当業者に理解できよう。

既知のように、各風力タービンタワー部分２４０、２６０及び２８０は、１つ又は複数の筒状セグメント２６２及び２６４から作製される。例えば、例示的な一実施形態において、風力タービン１００は、２個〜１０個の筒状セグメントを含む。例示的な実施形態において、各筒状セグメント２６２及び２６４は、長さが約３メートル〜約１５メートルであり、直径が約１メートル、より望ましくは約１メートル〜約６メートルである。さらに、例示的な実施形態では、筒状セグメント２６２及び２６４（及び対応のタワー部分２６０）は、複合材料から作製される。筒状セグメント（従ってタワー部分）への使用に特に好適な複合材料として、例えばガラス繊維、プラスチック（強化プラスチック及びその他プラスチックなど）、炭素繊維、有機繊維、金属繊維など、及びそれらの組み合わせが含まれる。その他にも、これらに限るわけではないが、例えばステンレス鋼、アルミニウム、チタン、及びそれらの合金などの金属やコンクリートをはじめとする金属材料及び非金属材料も、本開示の風力タービンタワー用の筒状セグメント及びタワー部分の作製に適当であろう。

図２に示す本発明の例示的な実施形態において、中間タワー部分２６０は、２つの筒状セグメント２６２及び２６４から作製される。別法として、各タワーセグメント２４０、２６０及び２８０は、タワー部分２４０、２６０及び２８０が本明細書に記載のように機能できる、任意数の筒状セグメントを含んでも良いことが当業者には理解できよう。

例示的な実施形態において、筒状セグメント２６２及び２６４を互いに結合し、風力タービンタワー部分２６０が形成される。タワー部分２４０、２６０及び２８０は少なくとも１つの筒状セグメント２６２及び２６４を含むので、タワー部分２４０、２６０及び２８０は一般的に、長さが約６メートル〜約１５０メートル、直径が約１メートル〜約６メートルである。より好ましくは、各風力タービンタワー部分２４０、２６０及び２８０は、長さが約１０メートル〜１００メートル、直径が少なくとも約３メートル、より好ましくは約３メートル〜約１０メートルである。より好ましくは、風力タービンタワー部分２４０、２６０及び２８０は、長さが約２６メートル〜約４０メートルであり（したがって、合計高さが約８０メートル〜約１６０メートルの風力タービンタワーを提供する）、直径が約３メートル〜約６メートルである。上述したように、各筒状セグメント２６２及び２６４は一般的に、その運搬性によって長さが制限されるだけである。次に、タワー部分２４０、２６０及び２８０は互いに結合され、それにより風力タービンタワー１２０が形成される。

１つの代替実施形態において、風力タービンタワーは、格子風力タービンタワーである。格子風力タービンタワーは一般的に、個別に事前製造されたトラス連結箱形セグメントから製造されており、このセグメントを互いに結合してタワーが形成される。一般的に、格子風力タービンタワーは、約５個〜約３００個のトラス連結箱形セグメントを、より好ましくは約１０個〜約４０個のトラス連結箱形セグメントを有する。１つの代替実施形態において風力タービンタワーは、格子風力タービンタワーのトラス連結箱形部分の代わりに、格子トラス連結箱形セグメントより厚いが、管状タワー部分より小さい大型部材を使用する。

具体的には、本開示の風力タービンタワー１２０を作製するために、上記のような風力タービンタワー部分２６０が設けられる。上述のように、タワー部分２６０を、１つ又は複数の筒状セグメント２６２、２６４及び／又はトラス様箱形セグメントによって構成することができる。一実施形態において、図２に示すように、タワー部分２６０を、２つの筒状セグメント２６２、２６４から形成することができる。ここでは筒状セグメント２６２、２６４を結合することによって風力タービンタワー１２０のタワー部分２６０を形成することに関して記載するが、本開示の範囲から逸脱することなく、タワー部分２６０をトラス様箱形セグメント（図示せず）を結合し形成することができ、また、風力タービンタワー１２０が格子風力タービンタワー１２０であっても良いことを理解されたい。具体的には、一実施形態において、トラス様箱形セグメントが（溶接又はフランジボルトなどを用いて）事前製造された後、筒状セグメント２６２、２６４について後述するように誘導加熱ろう付けによって結合される。１つの代替実施形態において、トラス様箱形セグメントが誘導加熱ろう付けによって形成された後、筒状セグメントについて後述するように誘導加熱ろう付けによって結合される。

図２に示す実施形態において、筒状セグメント２６２、２６４は、誘導加熱ろう付けによって接続部（図示せず）において連結され、タワー部分２６０を形成している。一般的に、誘導加熱ろう付け接続部の長さは、筒状セグメント（及び結果的に得られるタワー部分）を形成する材料のタイプと、周囲環境状態（例えば風、熱など）から筒状セグメントに加えられる剪断力及び引っ張り応力を制御するために必要な面積との両方によって定まる。一般的に接続部長さは、熱伝導長さによって定まるであろう。より詳細には、ろう付けによる熱伝達によって、筒状セグメントを形成するために一般的に使用される複合ガラス繊維強化プラスチック材料などの材料の溶融又は破壊が生じない、十分な接続部長さを有することが望ましい。

上記の第１筒状セグメント及び第２筒状セグメント間の誘導加熱ろう付け接続部を形成するために、一般的に非鉄フィラー金属又は合金を、誘導コイルアセンブリを使用してその溶融温度まで加熱して、結合すべき第１筒状セグメント及び第２筒状セグメント間に分散させる。一実施形態において、誘導コイルアセンブリは一般的に、交流電源と誘導コイルとを含む。通常、電源から交流を誘導コイルに流して磁界が発生すると、コイルと結合すべき材料（例えば、第１筒状セグメント及び第２筒状セグメント及び／又は後に詳述する第１タワー部分及び第２タワー部分）との間を物理的に接触させることなく局部熱を発生する渦電流が誘導される。

一般的に、誘導コイルアセンブリは、結合すべき材料を少なくとも約８００°Ｃの温度に加熱する。より適切には、誘導コイルアセンブリは、材料を約９００°Ｃ〜約１３００°Ｃの温度に、さらに適切には、約１０００°Ｃの温度に加熱する。

溶融フィラー金属は液体温度において、第１筒状セグメント及び第２筒状セグメントの母材と相互作用する。フィラー金属が冷却されると、第１筒状セグメント及び第２筒状セグメント間に非常に強力な密封接続部が形成される。具体的には、誘導加熱ろう付け接続部は、異なる層の各々が隣接層に冶金的に結合したサンドイッチ状になる。

誘導コイルは、誘導加熱ろう付けの技術において既知の任意のコイルであって良い。例えば特に好適な１つの実施形態において、誘導コイルは、直径が１／８”〜３／１６”の銅管から形成されても良い。コイルアセンブリのサイズ及び形状（すなわち一重巻き又は多重巻き、螺旋状、丸形又は四角形、内側又は外側）は、誘導加熱ろう付け接続部で結合されるべき筒形セグメント（及び／又は、より十分に後述するように、タワー部分）のサイズ及び形状によって定まるであろう。他の適切な誘導コイルが当該技術において既知であり、例えば、２００３年５月６日にＰａｎｃｚｎｅｒ社に付与された米国特許第６，５５９，４２８号に記載されており、この特許は、参照によって本明細書に整合する範囲で本明細書に援用される。

一般的なろう付けフィラー金属又はろう付け用薬剤は、比較的反応性が高いので、ろう付けされた接続部が酸化して弱体化するだけの時間を要しない。適切なろう付けフィラー金属又はろう付け用薬剤として、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、亜鉛メッキ鋼など、及びそれらの組み合わせを含んで良い。１つの特に好ましいろう付けフィラー金属は亜鉛メッキ鋼であり、これは非常に高い強度を有する。本開示の方法に使用されるろう付け組成物の例として、５０〜５６（重量）％のアルミニウム、２０〜２２（重量）％の銅、１７〜２８（重量）％の亜鉛及び２〜５（重量）％の錫のアルミニウム含有組成物が含まれる。ろう付けフィラー金属として実用的な市販の亜鉛メッキ鋼は、４１３０合金鋼及び４３４０合金鋼の商品名で市販されている。

上述のように、誘導加熱ろう付け方法の最中、誘導コイルアセンブリ及びろう付けすべき材料の温度は、ろう付けフィラー金属の溶融温度以上まで上昇する可能性がある。一部の実施形態において、誘導加熱ろう付け接続部で結合されるべき材料は、ろう付け温度以下の溶融温度を有する。そのため、本開示の１つの態様は、第１の円柱形筒状セグメント及び第２の円柱形筒状セグメント（及び／又は、後述するように、第１タワー部分及び第２タワー部分）に冷却コイルアセンブリを巻き付けることにより、円柱形筒状セグメント（及び結果的に得られるタワー部分）を誘導加熱ろう付けから生じる上昇温度から保護することをさらに含む。

誘導加熱ろう付けの技術において既知である任意の冷却コイルアセンブリを、第１筒状セグメント及び／又は第２筒状セグメントに巻き付けて用いることができる。一実施形態において、冷却コイルアセンブリは、冷水又は低温空気がコイルへ送られることを除き、誘導コイルアセンブリと同じである。ここで、「冷水」及び「低温空気」とは、ほぼ室温又は冷却器の温度である水及び空気のことである。より適切には、冷却コイルアセンブリに送り込まれる冷水及び低温空気の温度は、約−１０°Ｃ〜約４０°Ｃである。

一実施形態では、第３筒状セグメント（図示せず）が、第２筒状セグメント２６４に追加的に結合される。具体的には、第３筒状セグメントは、上記のように、第３筒状セグメント及び第２筒状セグメント２６４間の接続部を誘導加熱ろう付けすることによって第２筒状セグメント２６４に結合されていることが好ましいが、本開示の範囲から逸脱することなく、第３筒状セグメントを第２筒状セグメントに結合することができることを理解されたい。具体的には、誘導加熱ろう付けの代替として、接着、溶接、フランジボルト又はバルクヘッドなどの機械的結合又は他の機械的適合及びそれらの組み合わせからなる群から選択される方法を使用して、第３筒状セグメントを第２筒状セグメントに結合することができる。例えば、上記のような誘導加熱ろう付けを介した風力タービンタワーの建設現場において、第２筒状セグメント及び第３筒状セグメントを互いに溶接し、次に第１筒状部分にろう付けすることができるであろう。

風力タービンタワー部分を作製してから、個々の筒状セグメントを結合するために上記のような誘導加熱ろう付けを使用して、少なくとも第１タワー部分及び第２タワー部分を互いに結合する。具体的には、ここで図２及び図３を参照すると、上記の筒状セグメントの場合と同様に、第１タワー部分２８０及び第２タワー部分２６０間に誘導加熱ろう付け接続部３００を形成し、風力タービンタワー１２０を形成する。

さらに、上記の筒状セグメントの場合と同様に、第１タワー部分２８０及び第２タワー部分２６０間の接続部３００の誘導加熱ろう付けに適したろう付けフィラー金属には、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、亜鉛メッキ鋼、チタン合金など、及びそれらの組み合わせが含まれる。特に好適なろう付けフィラー金属の一例として、非常に高い強度を有する亜鉛メッキ鋼が挙げられる。

また、上記の筒状セグメントの場合と同様に、風力タービンタワーは、３つ以上の風力タービンタワー部分を有することができる。たとえば、図２の実施形態では、３部分タワー１２０を形成するために、第３タワー部分２４０が第２タワー部分２６０に追加的に結合される。筒状セグメントの場合と同様に、第３タワー部分２４０を、上記のように、第３タワー部分２４０及び第２タワー部分２６０間の接続部（図示せず）を誘導加熱ろう付けすることによって第２タワー部分２６０に結合されることが好ましいが、本開示の範囲から逸脱することなく、第３タワー部分２４０を第２タワー部分２６０に結合することができることを理解されたい。具体的には、誘導加熱ろう付けの代替として、接着、溶接、フランジボルト又はバルクヘッドなどの機械的結合又は他の機械的適合及びそれらの組み合わせからなる群から選択される方法を使用して、第３タワー部分２４０を第２タワー部分２６０に結合することができる。

ここでは、２つ又は３つのタワー部分を結合して風力タービンタワーを形成しているが、本開示の範囲から逸脱することなく、誘導加熱ろう付けによって形成された少なくとも１つの接続部を介して４個以上のタワー部分を結合することもできることは、当業者に理解できよう。例えば、風力タービンタワーを、互いに結合された４個のタワー部分、互いに結合された５個のタワー部分、又はさらに互いに結合された６個以上のタワー部分から形成しても良い。さらに、上述したように、本開示の範囲内にあるために、風力タービンタワー全体（セグメント及び／又はタワー部分のすべて）が接続部の誘導加熱ろう付けによって結合されている必要はない。具体的には、上述したように、接着、溶接及び機械的結合などの別の方法を用いて、本開示の風力タービンタワーを製造することもできる。

一実施形態において、風力タービンタワーを風や熱などの周囲環境状態から保護するために、風力タービンタワーに外板構造体を適宜巻き付けることができる。一般的に、外板構造体は、ガラス及びエポキシの組み合わせなどの複合材料、布地又はプラスチックパネルから形成される。例えば、格子風力タービンタワーを外板構造体で完全に包囲することによって、好適にタワーを環境状態から守り、さらにはタワーの空力安定性を改善できる。

本明細書に記載した風力タービンタワー及び風力タービンタワー製造方法によって、建設現場で容易に組立可能な風力タービンタワーを製造できる。さらに、上述したように、風力タービンタワーをこのように製造することにより、従来の風力タービンタワーより効率的かつ低コストで製造することができる。加えて、タワー部分をより容易かつより高いコスト効率で、輸送できるであろう。

本願において、
本開示に記載の構成要素または好適な実施形態において特に明示的に数詞が示されていない場合、これらは１つ以上の構成要素であることを意味する。「有する」「含む」「備える」などの用語は、広義において用いられ、記載以外の構成要素の可能性を含むものである。

本開示に記載の構成および方法には、本発明の範囲から逸脱することなく様々な改変を加えることができる。従って、本明細書および添付図面に記載の全ての要素は、限定的ではなく例示的に用いられているものと理解されたい。

１００風力タービン
１２０格子風力タービンタワー
１６０ブレード
１６２ブレード
１６４ブレード
２４０風力タービンタワー部分、または第１部分
２６０風力タービンタワー部分、または第２部分、または中間部分
２６２第１の筒状セグメント
２６４第２の筒状セグメント
２８０ベースタワー部分または第３タワー部分
３００誘導加熱ろう付け接続部

Claims

第１タワー部分（２４０）と、
第２タワー部分（２６０）と、
前記第１タワー部分及び前記第２タワー部分を結合することができる誘導加熱ろう付け接続部（３００）とを備える、風力タービンタワー（１２０）。
高さが約８０メートル〜約１６０メートルであり、直径が少なくとも約３メートルである、請求項１に記載の風力タービンタワー（１２０）。
前記誘導加熱ろう付け接続部（３００）は、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、亜鉛メッキ鋼及びそれらの組み合わせからなる群から選択されるろう付けフィラー金属を有する、請求項１又はに記載の風力タービンタワー（１２０）。
前記第１タワー部分（２４０）及び前記第２タワー部分（２６０）の少なくとも一方が、２個〜１０個の筒状セグメント（２６２、２６４）から構成されており、隣接する筒状セグメントどうしは、少なくとも１つの前記誘導加熱ろう付け接続部（３００）で互いに結合される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風力タービンタワー（１２０）。
前記誘導加熱ろう付け接続部（３００）は、第１誘導加熱ろう付け接続部であり、前記風力タービンタワー（１２０）はさらに、第３タワー部分（２８０）と、第３タワー部分を前記第１タワー部分（２４０）及び前記第２タワー部分（２６０）の一方に結合する第２誘導加熱ろう付け接続部とを備える、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の風力タービンタワー（１２０）。
前記第１タワー部分（２４０）、前記第２タワー部分（２６０）及び前記第３タワー部分（２８０）の少なくとも１つが複合材料からなる、請求項５に記載の風力タービンタワー（１２０）。
前記複合材料は、ガラス繊維、プラスチック、炭素繊維、有機繊維、金属繊維及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項６に記載の風力タービンタワー（１２０）。
格子タワーである、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の風力タービンタワー（１２０）。
前記第１タワー部分（２４０）、前記第２タワー部分（２６０）及び前記第３タワー部分（２８０）の少なくとも１つは個別に、金属材料、コンクリート及びその組み合わせからなる群から選択される材料からなる、請求項５乃至７のいずれか１項に記載の風力タービンタワー（１２０）。