JP2010133405A - 改善されたタワーを備えた風力タービン並びにその組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】改善されたタワーを備えた風力タービン並びにその組立方法を提供すること。
【解決手段】風力タービン（１００）及び風力タービンを組立てる方法が提供される。風力タービンは、基盤上に直立するように構成され、風力タービン組立体は、タワー（１０２）と高架タワー基盤（３００）とを含む。高架タワー基盤（３００）は、複数の主支持部材（３２０）と複数の筋かい部材（３４０）とを有する複数の支持部材を含む。筋かい部材（３４０）は、主支持部材（３２０）に連結される。タワー（１０２）は、高架タワー基盤（３００）上に装着される。
【選択図】 図３

Description

本開示の分野は、全体的に風力タービンに関し、より詳細には風力タービン用のタワーに関する。

風力タービンは、次第に電気エネルギーを発生させるのに用いられるようになっている。風力タービンは通常、互いに積み重ねられて固定された複数のタワーセクションから構成されるタワーの頂上に取付けられたロータ駆動タービン発電機を含む。これらのセクションは、円筒形、切頭円錐形又は他の好適な形状とすることができ、一般的には、中実、管状、又は格子形のセクションとすることができる。例えば、１つの従来型の風力タービン組立体は、複数のタワーセクションが各々一体成形の円筒形又は切頭円錐形の鋼セクションを備えたタワーを含む。これらのセクションは、タービンブレードにクリアランスを与えるのに十分な地上の高さに達し、且つ適切な電力発生を得るのに十分な風速が存在する高度で発電機を支持するように互いに接合される。電力事業グレードの風力タービン用の多くのタワーは、約８０メートルの高さである。

風力タービン組立体タワーの最下側タワーセクション（基部セクションと呼ぶことが多い）は、基盤（例えば、コンクリートスラブ又は他の好適な基盤）に固定される。各タワーセクション、特に基部セクションの直径は、風力によって発生する空力荷重と、高出力タービン発電機及びタービンの駆動セクションの質量によって生じる重力荷重とに耐えるように、その断面（例えば、直径）が十分に大きくなければならない。風力タービンタワーは、その高さがますます高くなってきたので、タワー基部セクションの断面寸法は、これらの組立目的地までのルートでこれらセクションを通過させなければならない道路、橋及びトンネルの寸法制限に起因して、これら基部セクションの地上輸送（例えば、トラック又は鉄道による）が更に困難になってきた。例えば、タワーの直径が４．３メートルよりも大きい場合には、地上輸送中に問題が生じる可能性がある。また、タワー壁の厚みが約４０ｍよりも大きくなると、製作上の問題も生じる可能性がある。

風力タービンタワーの製作では、より小さな断面タワーを所定の位置に保持し且つタワーが受ける空力及び構造荷重に対してタワーを支持するために、セクションのシェル厚さの増大又は支え線（ｇｕｙｅｄ ｗｉｒｅ）の使用のような、他の手段を用いなければならなくなってきた。これらの手段は有益ではあるが、これらには限界があり、高さがより高く且つ地上輸送も可能である風力タービンタワーのニーズを十分に満たすものではなかった。従来では、高さが約８０から約１００メートルよりも大きいタワーを建造して輸送することは、非経済的なことであった。

米国特許第６，８８８，２６４ Ｂ１号公報 米国特許第７，３６０，３４０ Ｂ２号公報 米国特許出願公開第２００６／０２２５３７９ Ａ１号公報 米国特許出願公開第２００７／００９５００８ Ａ１号公報 米国特許出願公開第２００７／０１５１１９４ Ａ１号公報 米国特許出願公開第２００７／０２９４９５５ Ａ１号公報

本発明の１つの態様では、風力タービン組立体が提供され、基盤上に直立するよう構成される。風力タービン組立体は、タワーと、高架タワー基盤とを含む。高架タワー基盤は、複数の主支持部材と複数の筋かい部材とを有する複数の支持部材を含む。筋かい部材は、主支持部材に連結される。タワーは、高架タワー基盤上に装着される。

本発明の別の態様では、風力タービンタワーを組立てる方法は、タワー構成部品を風力タービン所在地に発送する段階を含む。タワー構成部品の少なくとも幾つかは、未組立状態で発送される。次の段階は、タワー構成部品を組立てて上側タワー部分と下側タワー部分とを形成する段階を含む。配置段階では、下側タワー部分を１つ又はそれ以上の基盤要素上に配置する。次の段階は、上側タワー部分を下側タワー部分の上に配置する段階を含む。

タワーマウントにより基盤上に装着された風力タービン組立体の１つの実施形態の概略立面図。 図１の風力タービン組立体のタワーマウントの１つの実施形態の斜視図。 従来の風力タービンタワーと共に使用できる高架タワー基盤の１つの実施形態の斜視図。

ここで図面、特に図１を参照すると、１つの既知の風力タービンが、全体を参照符号１００で示されている。この実施形態では、風力タービン１００は、水平軸１１４風力タービンを含む。或いは、風力タービン組立体１００は、垂直軸風力タービンを含むことができる。風力タービン組立体１００は一般に、好適な基盤１０４（例えば、コンクリートスラブ、地表面又は他の好適な基盤）上に直立したタワー１０２と、全体が参照符号１０５で示す風力タービン発電機とを含む。風力タービン発電機１０５は一般に、タワー１０２上に取付けられたナセル１０６と、ナセル１０６に結合されたロータ１０８とを含む。ロータ１０８は、回転可能ハブ１１０と、該ハブ１１０に結合された複数のロータブレード１１２とを有する。図示のロータ１０８は、３つのロータブレード１１２を含む。或いは、ロータ１０８は、３つよりも多い又は少ないロータブレード１１２を有することができる。ブレード１１２は、ロータ１０８を回転可能にするようにロータハブ１１０の周りに配置され、風からの運動エネルギーを有効な機械エネルギーに、次いで、電気エネルギーに転換するようにする。ブレード１１２は、複数の荷重伝達領域１２２においてブレード根元部分１２０をハブ１１０に結合することによってハブ１１０と組合される。荷重伝達領域１２２は、ハブ荷重伝達領域とブレード荷重伝達領域とを有する（図１には両方とも図示せず）。ブレード１１２内に誘起された荷重は、荷重伝達領域１２２を介してハブ１１０に伝達される。

タワー１０２は管状であり、この図示の実施形態では環状であり、タワー１０２内で基盤１０４からナセル１０６まで長手方向に延びる内部空洞（図示せず）を有する。タワー１０２は一般に、タワー１０２を形成するために積み重ねた端部突合せ関係（例えば、順に重ねて）で互いに連結可能である複数の個々のタワーセクション１２４を含む。タワーセクション１２４は各々、ほぼ一定の横断面寸法（例えば、タワーセクション１２４が各々ほぼ環状である図示の実施形態では一定の直径）のものとすることができ、或いは、タワーセクション１２４の１つ又はそれ以上は切頭円錐形とすることができ、及び／又はタワーセクション１２４の１つ又はそれ以上の横断面寸法は、一定であるが、該セクションがタワー１０２の上部に向かって積み重ねられるにつれて各タワーセクション１２４の横断面寸法が減少する階段状構成の形態のように、他のタワーセクションの１つ又はそれ以上の横断面寸法とは異なるようにすることができる。加えて、本発明は、限定ではないが、管状、円筒、円錐、切頭円錐、錘台、楕円、及び矩形形状のタワーを含む、多くの形状のタワーと共に用いることができる。本発明はまた、格子、自立型格子、片持ちパイプ、管状及び支線付き格子又はポール、並びに他の好適なタワーとして構成されたタワーと共に使用することもできる。公知のタワーでは、達成可能な最大の高さは約８０から１００メートルである。

図１に示すように、公知のタワーマウント１２７は、タワー１０２を支持するために基盤１０４上に着座し且つ該基盤１０４に好適に固定される。タワーマウント１２７はまた、基盤装着部品（ＦＭＰ）とも呼ぶことができる。タワーは、ＦＭＰに直接ボルト締めしてもよい。しかしながら、ＦＭＰ上に装着されるタワーは、コストが増大し、より高価な風力タービンとなる可能性がある。代替として、風力タービンは、基部に直接取付けることができ、このタイプのマウントは、アンカー型設計と呼ぶことができる。アンカー型では、タワー基部は、アンカーボルトを用いてコンクリート基部／基盤にボルト締めされる。

特に図２を参照すると、タワーマウント１２７は、タワーセクション１２４のようにほぼ管状であり、図示の実施形態では、タワーマウント１２７はほぼ環状であり、上端部１２８、下端部１３０（図２に示す）、及びこれらの間に延びる円周方向側壁１３２（図２に示す）を有する。本明細書では、上及び下という用語は、図１に示すようなタワー１０２の向きに関して使用する。下端部１３０は、タワーマウント１２７を基盤１０４に固定する際に用いるように構成されるのが好適である。

高いタワーを設計できる場合には、より高い高度で、より高速の平均風速を利用することが有利となる。本明細書では、約１２０から約１５０メートル又はそれ以上の高さの風力タービンタワーを得るために、単独で又は公知の風力タービンタワーと共に用いることができる改善されたタワーが記載される。加えて、本発明は、基盤装着部品に締結されるタワー又は前述のアンカー型設計を組み込んだタワーと共に用いることができる。

図３は、本発明の態様による改善された風力タービンタワー組立体の斜視図を示す。この実施形態において、必須ではないが高架の基盤３００と共に、複数のセクション１２４を有する従来のタワー１０２を用いることができる。高架基盤は、タワーマウント又はタワーフランジ３１０、ポール支持体３２０、基盤支持体３３０、及び筋かい部材３４０から構成することができる。

高架基盤は、約２０から約４０メートル又はそれ以上の高さを有するように構成することができる。この範囲を下回る、又は上回る高さも可能であり、位置固有の要件によって特定の高さが示される。従来の管状風力発電タワー構造である８０から１００メートルのタワー１２０は、タワーマウント３１０を介して高架基盤３００に装着することができる。高架基盤３００は、シームレス又は組立てられたパイプ又は管体及び／又はＩ型ビーム（又は他のビーム）から製作することができ、更に、良好な剛性を得るために中間筋かい部材３４０（例えば、補強材及びクロスメンバー）を組み込むことができる。

タワーマウント３１０は、１つ又はそれ以上の要素を含むことができ、図２に示すタワーマウント１２７と同様に構成することができる。タワー１０２は、タワーマウント３１０にボルト締め及び／又は溶接することができる。

ポール支持体３２０は、シームレスパイプから作ることができ、該パイプは、風力タービンサイトに直接発送し、現場で溶接して組立てることができる。このようにして、大型のタワー基盤３００は、遠隔の風力タービンサイトに容易に発送することができ、これにより物流及び輸送問題が回避される。高架基盤３００がサイトに設置されると、従来のタワー１０２をタワーマウント３１０に締結（例えばボルト締め）することができる。

基盤支持体３３０は、鉄筋コンクリート又は他の好適な材料を含むことができる。各ポール支持体３２０の下に１つの基盤支持体が図示されているが、１つ又はそれ以上の基盤支持体を用いてもよい点は理解されたい。例えば、全てのポール支持体３２０を、単一の基盤支持体又は鉄筋コンクリートが支持するように構成することができる。

筋かい部材３４０は、ポール支持体３２０間に剛性及びスチフネスをもたらす。筋かい部材は、締結及び／又は溶接によりポール支持体に容易に取付けることができる。明確にするために、数個の筋かい部材３４０だけが図示されているが、１つ又はそれ以上の筋かい部材３４０が、ポール支持体３２０の一部又は全てを連結することができる。

本発明の１つの態様によれば、ポール支持体は、長さ約３０メートルで直径が約１から２メートルのシームレスパイプから構成することができる。パイプは、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、パルスＧＭＡＷ、被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ）、フラックスルコアードアーク溶接、又は他の何れかの好適な自動又は手動溶接プロセスで溶接することができる。筋かい部材は、上記の溶接技術の何れかを用いて又は何らかの好適な締結具によりポールに取付けることができる。

本発明は、限定ではないが、従来の風力タービンタワーを高架基盤上で使用すること、タワー構成部品の輸送が容易であること、材料コストが低減されること、組立が容易であることを含む、多くの利点を提供する。

本発明の要素又はその好ましい実施形態の導入時において、数詞がないことや「前記などの用語は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

上記の例示的構造及び方法において、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることができるので、上記の説明に含まれ、添付図面に示された全ての内容は限定の意味ではなく例証と解釈すべきであることが意図される。

１００ 風力タービン組立体
１０２ タワー
１０４ 基盤
１０５ 風力タービン発電機
１０６ ナセル
１０８ ロータ
１１０ ハブ
１１２ ブレード
１１４ 水平軸
１２０ ブレード根元部分
１２２ 荷重伝達領域
１２４ 最も下にあるタワーセクション
１２７ タワーマウント
２１０ 上端
２２０ 下端
２３０ 側壁
３００ 高架タワー基盤
３１０ タワーマウント
３２０ ポール支持体
３３０ 基盤支持体
３４０ 支線部材

Claims (10)

1. 基盤上に直立するように構成された風力タービン組立体であって、
   タワー（１０２）と、
   複数の支持部材を有し、該複数の支持部材が複数の主支持部材（３２０）と該主支持部材に連結された複数の筋かい部材（３４０）とを有する高架タワー基盤（３００）と、
   を備え、
   前記タワー（１０２）が前記高架タワー基盤（３００）上に装着される、
   風力タービン組立体。
2. 前記タワー（１０２）が複数のタワーセグメント（１２４）から構成される、
   請求項１に記載の風力タービン組立体。
3. 前記タワー（１０２）が、管状、円筒、円錐、切頭円錐、錘台、楕円、及び矩形の形状の少なくとも１つを有する、
   請求項１または２に記載の風力タービン組立体。
4. 前記タワー（１０２）が、格子、自立型格子、パイプ、片持ちパイプ、管状、支線付き格子、及び支線付きポールの１つ又はそれ以上として構成される、
   請求項１または２に記載の風力タービン組立体。
5. 前記高架タワー基盤（３００）が、約２０から６０メートルの高さであるように構成される、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の風力タービン組立体。
6. 前記高架タワー基盤（３００）が、約２０メートル又はそれ以上の高さであるように構成される、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の風力タービン組立体。
7. 前記複数の主支持部材（３２０）が、組立パイプ、シームレスパイプ、組立管体、シームレス管体、ビーム、及び組立ビームの１つ又はそれ以上から構成される、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の風力タービン組立体。
8. 前記複数の筋かい部材（３４０）が、組立パイプ、シームレスパイプ、組立管体、シームレス管体、ビーム、及び組立ビームの１つ又はそれ以上から構成される、
   請求項７に記載の風力タービン組立体。
9. 前記高架タワー基盤（３００）が、風力タービンの所在地又はその近くで、前記複数の主支持部材（３２０）及び前記複数の筋かい部材（３４０）を溶接又は締結することによって組立てられる、
   請求項８に記載の風力タービン組立体。
10. 前記タワー（１０２）が、約８０から約１００メートルの高さがあり、前記高架タワー基盤（３００）が、約２０メートル又はそれ以上の高さで構成される、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の風力タービン組立体。

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