JP2010285992A - 鉄道輸送可能な風力タービンタワー - Google Patents
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Abstract
【課題】タワーを提供する。
【解決手段】本タワー(1000)は、指定の最大直径よりも大きくない外径を備えた複数の軸方向のほぼ管状セクション(1031、1032、1033)を有する。セクションの少なくとも1つは、タワー(1000)の基部付近に設置された少なくとも1つの逆テーパ部分(1030)を含む。逆テーパ部分(1030)は、基部付近に設置されかつ第1の直径を有する第1の端部を有する。逆テーパ部分は、第1の端部に対向しかつ第2の直径を有する第2の端部を有する。第1の直径は、第2の直径よりも小さい。
【選択図】 図10
【解決手段】本タワー(1000)は、指定の最大直径よりも大きくない外径を備えた複数の軸方向のほぼ管状セクション(1031、1032、1033)を有する。セクションの少なくとも1つは、タワー(1000)の基部付近に設置された少なくとも1つの逆テーパ部分(1030)を含む。逆テーパ部分(1030)は、基部付近に設置されかつ第1の直径を有する第1の端部を有する。逆テーパ部分は、第1の端部に対向しかつ第2の直径を有する第2の端部を有する。第1の直径は、第2の直径よりも小さい。
【選択図】 図10
Description
本発明は、総括的には風力タービンタワー建造物に関し、より具体的には、大型タワー用のセクションの鉄道輸送を可能にする風力タービンタワー及びその建造方法に関する。
長年にわたり、鋼製風力タービンタワーセクションを作業施設で別個に構築し、次に各完成セクションを風力タービンタワー設置が行なわれる現場に移動させることが慣行であった。タワーセクションは一般的に、円筒形状又は僅かにテーパした形状を有し、セクションの各々は、軸線に沿って適切な数のシェルに順次分割することができた。
より大きな能力のタワーに対する需要が増加の一途をたどり、その結果そのようなタワーを建設するのに必要な全ての部品の寸法が大きくなったために、例えば橋上或いはトンネル又は地下道内の車高制限などインフラによる物理的制約が生じるようになってきた。
風力荷重は、風速の二乗で増大し、その結果、タービンタワーが高くなればなるほど、その構造はより頑強に寸法決めしなければならず、このことは次に、壁の厚さを増加させるか又は直径を拡大させるかのいずれかを必要とすることになる。鋼製プレート又はその他の壁材料の厚さよりもむしろタワーの直径を増大させることが有利であるといえる。厚さを増加させることは、材料費が高くなり、かつトラック、鉄道、船舶又はヘリコプタのいずれであるにせよ一層大型の輸送手段を必要とすることになり、一方、直径は、車両高さを制限して橋上をまたトンネル及び地下道内を通過するのに十分なほど小さくすることを必要とする。また、より厚い鋼材は、形成しかつ組立てるのが一層困難である。
図1及び図2はそれぞれ、米国内でのトラック及び鉄道輸送に使用可能な最大空間エンンベロープを示している。鉄道輸送は、大型タワーセクションのための最も安価な輸送方式である。例示的な80メートルタワーは一般的に、可変直径及び可変厚さの3つのタワーセクションを含む。現在公知のトラック輸送可能な基部及び中間タワーセクションは、約14フィート(4.3メートル(m))の最大直径を有する。現在公知の最上部セクションは、約11フィート(3.4m)の最大直径を有する。トラックによる輸送用の空間エンベロープ10は、約14+フィート(≧4.3m)であり、従っておよそその直径の管状セクション20は空間エンベロープ内に適合することが可能になる。鉄道による輸送用の空間エンベロープ40(図2参照)は、一辺が最大で約11フィート(3.4m)〜約13フィート(4m)であり、従っておよそその直径までの管状セクション50は空間エンベロープ内に適合することが可能になる。一部の鉄道路線では、最大幅が、約13フィート6インチ(4.1m)である。従って、この最上部セクションは、鉄道によって輸送可能である。しかしながら、この基部及び中間タワーセクションは、鉄道のエンベロープを超えている。基部及び中間タワーセクションは、トラックによって輸送しなければならず、一般的に約14+フィート(≧4.3m)のトラック輸送エンベロープ内の寸法になっている。米国外のトラック及び鉄道輸送もまた、空間エンベロープの同様の考慮事項によって制約されるが、その寸法については現地特有である。
従って、セクション直径が最大鉄道輸送直径の範囲内にあるが、セクションに作用する荷重に耐えるのに十分なほど依然として頑強である大型風力タービンタワー用のタワーセクションの建造が、有利であるといえる。
本発明は、鉄道輸送用の許容空間エンベロープ内にあるタワーセクションを建造することによって、大型風力タービンタワーのセクションを鉄道輸送で風力発電ファームに輸送することを可能にするようになった装置及び方法に関する。
簡潔にいうと、本発明の1つの態様によると、タワーを提供し、本タワーは、指定の最大直径よりも大きくない外径を備えた複数の軸方向のほぼ管状セクションを有する。セクションの少なくとも1つは、タワーの基部付近に設置された少なくとも1つの逆テーパ部分を含む。逆テーパ部分は、基部付近に設置されかつ第1の直径を有する第1の端部を有する。逆テーパ部分は、第1の端部に対向しかつ第2の直径を有する第2の端部を有する。第1の直径は、第2の直径よりも小さい。
本発明の別の態様によると、風力タービンタワーを提供し、本風力タービンタワーは、指定の最大直径よりも大きくない外径を備えた複数の軸方向セクションを有する。指定の最大直径は、鉄道輸送で許可された最大直径である。セクションの少なくとも1つは、タワーの基部付近に設置された少なくとも1つの逆テーパ部分を含む。逆テーパ部分は、基部付近に設置されかつ第1の直径を有する第1の端部を有する。逆テーパ部分は、第1の端部に対向しかつ第2の直径を有する第2の端部を有する。第1の直径は、第2の直径よりも小さい。
本発明のこれら及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより一層良好に理解されるようになるであろう。
本発明の以下の実施形態は、構造的完全性のためにこれ迄は大きい直径を必要としていた風力タービンタワーセクションに鉄道輸送用の許容可能空間エンベロープの範囲内にある小さい直径を組込むことを可能にすることを含む多くの利点を有する。
図3は、例示的な風力タービン100の概略図である。この例示的な実施形態では、風力タービン100は、水平軸風力タービンである。これに代えて、風力タービン100は、垂直軸風力タービンとすることができる。風力タービン100は、支持表面104から延びるタワー102、タワー102上に取付けられたナセル106、及びナセル106に結合されたロータ108を有する。ロータ108は、回転可能なハブ110、及びハブ110に結合された複数のロータブレード112を有する。この例示的な実施形態では、ロータ108は、3つのロータブレード112を有する。別の実施形態では、ロータ108は、3つより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。この例示的な実施形態では、タワー102は、管状の鋼鉄で製作され、支持表面104とナセル106との間で延びる空洞(図3には図示せず)を有する。一般的に、タワー102は、3つのセクション、すなわち底部セクション131、中間セクション132及び最上部セクション133で構成される。各セクションは一般的に、互いの上に積重ねられた(スタックされた)複数の円筒形「缶」で構成される。例えば、各缶は、約3メートルの高さとすることができ、各セクションは、約7個〜約10個の缶を含むことができる。しかしながら、各タワーセクションは、7個〜10個よりも多い又は少ない缶を有することができる。缶は通常、圧延鋼製シリンダであり、タワー102の最上部は、タワーの基部よりも小さい直径を有することが多い。別の実施形態では、タワー102は、格子タワー或いは格子及び管状タワーの組合せ構成である。
図4は、1つの公知のタワー102の側面図である。前述したように、タワー102は一般的に、3つの主要セクション、すなわち底部セクション131、中間セクション132及び最上部セクション133で構成される。各主要セクションは、一般的に圧延鋼製のシリンダである複数の個別の円筒形缶で構成することができる。この実施例では、底部セクション131は、8つの円筒形缶311〜318を含む。各缶は、鋼で製作されかつ円筒形状に圧延され、隣接する缶に対して溶接又はボルト止めすることができる。缶の厚さ及び直径は、変化させることができる。下方缶は通常、上方缶よりも厚い。例えば、最下方缶311は、約20mm〜約45mmの壁厚さ及び約14フィート(4.3m)の全体直径を有することができ、またこのセクション内の最高位(最上方)缶318は、約12mm〜約25mmの壁厚さ及び約14フィート(4.3m)の直径を有することができる。底部セクションは、その全体がほぼ円筒形であるが、高度が増大するにつれて順テーパ(すなわち、減少した直径)を有することができる。
中間セクション132は、缶321〜329で構成され、各缶の壁厚さは、約10mm〜約25mmの間で変化させることができる。缶の直径は、約12フィート(3.7m)〜約14フィート(4.3m)の間で変化させることができる。最上部セクション133は、缶331−340で構成され、各缶の壁厚さは、約8mm〜約15mmの間で変化させることができる。缶の直径は、約10フィート(3.0m)〜約12フィート(3.7m)の間で変化させることができる。各セクションの高さ(又は、長さ)もまた、変化させることができる。一般的に、底部セクション131は、最重量でもあるので最も短い。80m〜100mのタワーでは、各セクション131、132、133は、約20m〜約35mの長さを有することができる。
一般的に、風力タービンの顧客は、タワーの底部シェルセクションの連続部分であるTフランジ410を介してタワー102を地面基礎に取付けることを所望することになる。Tフランジ410は、一連のボルト連結部の2つの環帯で構成される。2つの環帯の間には、一般的に風力タービンナセル又は使用する何らかの介在物まで上方に続く鋼製シェルで構成されたタワー壁構造の最底部部分が位置する。タワーを構成する材料シェルは、風又はその他の必要な用途によって生じる荷重を支持する働きをする必要がある。この種のシェルは、中立軸線116を中心とした最大可能直径を有することによって、これらの曲げ荷重に最も費用効果がある状態で耐える。その外側ボルト環帯が輸送に適応しなければならないTフランジ410により、タワーシェル構造は輸送に許容される最大外径を用いられないことになり、従ってタワーシェル構造をその耐荷重性において、他の構成で可能とすることができるよりも効果が低いものにする。最大外径を用いないことにより、タワーシェルの厚さを底部タワーシェルにおいてだけでなく、場合によっては最大可能外径を利用しない全てのタワーセクションにおいて増加させなければならないことによって、費用効果の低下が明らかになる。一定の外径での各付加的な厚さ増加は、平均シェル直径及び荷重支持能力がさらに減少するため、従前よりもその効果が低下する。タワーシェル直径を増大させることにより、相対的シェル厚さは、およそその二乗まで減少させることが可能になる。
図5は、Lフランジ型の取付け構成を組込んだ1つの公知のタワーの断面図を示している。タワー502は、底部セクション531、中間セクション132及び最上部セクション133を含む。セクション531の底部は、Lフランジ510を含む。Lフランジ510は、一連のボルト連結部を備えた1つの環帯で構成される。環帯の外側部分上には、一般的に風力タービンナセル又は使用する何らかの介在物まで上方に続く鋼製シェルで構成されたタワー壁構造の最底部部分が位置する。Lフランジ510は一般的に、地表面530の下方に埋設された地下アダプタ520に締結される。
図6は、底部缶311の断面図を示している。底部缶は、側壁610及び基部620を有する。領域630は、タワー102の基部内に入るのを可能にするドア用の切取り部である。切取り部の残部は一般的に、次の缶312に含まれる。このセクションの下方部分は一般的に、壁610及び基部620が互いに直角に接合されるので、Tフランジと呼ばれる。基部620は一般的に、壁610の内側及び外側部分上の基礎(図示せず)にボルト止めされる。Tフランジの外側部分の直径Dは一般的に、約15フィート(4.6m)又はそれ以上である。15フィート(4.6m)の一般的直径では、このセクションは幅広すぎて従来通りの鉄道路線を介して輸送することができない。Tフランジの直径を13フィート6インチ(4.1m)又はそれ以下に減少させた場合には、タワーは、厚くかつ重くなりすぎて経済的でないことになる。
図7は、本発明の態様による、Tフランジを有する底部缶の断面図を示している。底部缶711の側壁710は、基部720に対して非直角となるように構成される。垂直線(図7の垂直点線)と側壁710との間の角度θは、約1度〜約5度である。しかしながら、特定の用途では所望に応じて、この範囲以上及び以下の角度もまた使用することができる。基部720の外側部分の直径Dは、約13フィート6インチ(4.1m)又はそれ以下となるように設計することができ、側壁710の厚さは、約20mm〜約50mmの範囲とすることができる。しかしながら、特定の用途では所望に応じて、この範囲以上及び以下の角度もまた採用することができることを理解されたい。第1のセクションの角度は、一般的に高度が上昇するにつれて減少する順テーパを有する幾つかの公知のタワーと比較して、逆テーパを有すると見なすことができる。しかしながら、本発明は、逆テーパを備えた下方部分を有するタワーを提供し、この逆テーパでは、缶(又はタワー部分)の直径は、高さ又は高度が大きくなるにつれて増大する直径を有する。タワーセクション131は一般的に、基礎(図示せず)に対して該タワーセクションを固定するために用いる取付けTフランジを有するように設計され、この下方セクション内の逆テーパは、タワーのさらに上方の選択高さでよりも地面に近接する方が小さな直径を有する1つ又はそれ以上のセクションを有することを意味することになる。Tフランジ型のタワー基礎は、一般的に米国内で用いられるが、Lフランジのタワー取付は、米国外でより一般的に用いられる。Lフランジは、土壌又は基礎内に埋込むことができるアダプタの使用を必要とし、タワーシステムに付加的費用が加わる可能性がある。
図8は、本発明の態様による、例示的な風力タービンタワーの底部セクション内の第1の少数の缶の断面図を示している。第1の缶811は、後続の缶812及び813よりも厚くすることができる。例えば、側壁710の厚さは、約20mm〜約50mmの範囲とすることができ、また缶812、813及び後続の缶の幾つかの側壁の厚さは、約20mm〜約50mmの範囲とすることができる。垂直線(図8の垂直点線)と側壁710との間の角度θは、約1度〜約5度である。
図9は、本発明の別の態様による、例示的な風力タービンタワーの底部セクション内の第1の少数の缶の断面図を示している。第1の2つの缶911及び912は、逆テーパ外形を有する。これら缶の厚さは、高さが上昇するにつれて減少させることができる。例えば、第1の缶911の側壁厚さは、約20mm〜約50mmとすることができ、第2の缶912及び第3の缶913の厚さは、約15mm〜約50mmとすることができる。垂直線(図9の垂直点線)と缶911及び912の側壁との間の角度θは、約1度〜約5度である。しかしながら、特定の用途では所望に応じて、この範囲以上及び以下の角度もまた採用することができる。
図10は、本発明の態様による風力タービンタワー1000の断面図を示している。タワー1000は、3つの主要セクション、すなわち底部セクション1031、中間セクション1032及び最上部セクション1033で構成することができる。各主要セクションは、一般的に圧延鋼製のシリンダである複数の個別の円筒形缶で構成することができる。しかしながら、タワーセクションは、1つの一体形物品として又は複数の別個のセクションで製作することができる。この実施例では、底部セクション1031は、少なくとも1つの逆テーパ部分1030を含む。セクションの厚さ及び直径は、変化させることができるが、タワーの下方部分は一般的に、タワー高位部分よりも大きい厚さを有する。しかしながら、タワー1000の各部分の厚さは、特定の用途に合わせて選択することができ、かつあらゆる適正な厚さを有することができる。
垂線と逆テーパ部分1030の側壁との間の角度は、約1度〜約5度とすることができる。しかしながら、特定の用途では所望に応じて、この範囲以上及び以下の角度もまた採用することができる。タワー1000の最大直径は、約13フィート6インチ(4.1m)又はそれ以下とすることができる。しかしながら、特定の用途では所望に応じて、この範囲以上及び以下の角度もまた採用することができることを理解されたい。本発明は、高度が上昇するにつれて増大した直径を有する少なくとも1つの逆テーパ部分をタワーの基部付近に有する風力タービンタワーを提供する。この逆テーパ部分は、1つの缶内に含むことができるか、或いは2つ又はそれ以上の缶にわたって分散配置することができる。「非缶」型の構成を有するタワーにおいて、逆テーパは、タワーの下方部分に設置することができる。
図11は、本発明の態様による風力タービンタワー1100の断面図を示している。タワー1100は、3つの主要セクション、すなわち底部セクション1131、中間セクション1132及び最上部セクション1133で構成することができる。この実施例において、底部セクション1131は、少なくとも1つの階段状部分1130を含む。タワー1100の最大直径は、約13フィート6インチ(4.1m)又はそれ以下とすることができる。しかしながら、特定の用途では所望に応じて、この範囲以上及び以下の直径もまた採用することができることを理解されたい。
図面には、傾斜部分1030及び階段状部分1130を示した。しかしながら、タワーの基部付近の逆テーパ部分のために、あらゆる適当な形状を採用することができることを理解されたい。例えば、逆テーパ部分は、直線状、階段状、湾曲状及び複合湾曲状、又はあらゆるその他の適当な形状を有することができる。
一般的に、鉄道運搬業者は、最大限の重量、幅、高さ及び長さの物品を許可する。本発明の態様によるによるタワーは、これらの制限内に適合する寸法とすることができる。各タワーセクションの重量は、約140,000ポンド(65,000kg)以下に、或いは一般的鉄道搬送業者又はトラック会社によって課されたあらゆる重量制限以下になるように設計することができる。各タワーセクションの幅及び高さは、約13フィート6インチ(4.1m)以下に、或いは一般的鉄道搬送業者によって課されたあらゆる高さ及び/又は幅制限以下になるように設計することができる。各タワーセクションの長さは、約89フィート(27m)以下に、或いは一般的鉄道搬送業者によって課されたあらゆる長さ制限以下になるように設計することができる。米国外の鉄道輸送もまた、重量、幅、高さ及び長さの同様な考慮事項によって制約されるが、その寸法は現地特有である。従って、鉄道によって輸送することができて、大型タワーの低費用輸送を可能にする改良形型のタワーを提供する。1つのタワーを輸送するのに少なくとも3台のトラックが必要であったが、単一の列車により、多くの風力タービンタワーを輸送することができる。
本発明は、風力タービン用のタワーに関連して説明したが、しかしながら、本発明の態様によるタワーは、高いタワーを必要とするあらゆる用途において有用なものとすることができることを理解されたい。例えば、本発明は、公共電力送電線タワー、通信タワー、海岸又は沖合風力タービンタワー、灯台、火災監視タワー、農業サイロ、居住又は商業用途、及びタワーを必要とするあらゆるその他の用途に適用することができる。
本明細書では、本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護することを意図していることを理解されたい。
10 トラック輸送空間エンベロープ
20 管状セクション
40 鉄道輸送空間エンベロープ
50 管状セクション
100 風力タービン
102 タワー
104 支持表面
106 ナセル
108 ロータ
110 ハブ
112 ブレード
116 中立軸線
131 底部セクション
132 中間セクション
133 最上部セクション
311〜318 底部セクションの缶
321〜329 中間セクションの缶
331〜340 最上部セクションの缶
410 Tフランジ
502 タワー
510 Lフランジ
520 アダプタ
530 地表面
531 底部セクション
610 側壁
620 基部
630 ドア切取り部
710 側壁
711 底部缶
720 基部
811 第1の缶
812 缶
813 缶
911 第1の缶
912 第2の缶
913 第3の缶
1000 風力タービンタワー
1030 逆テーパ部分
1031 底部セクション
1032 中間セクション
1033 最上部セクション
1100 風力タービンタワー
1130 逆テーパ部分
1131 底部セクション
1132 中間セクション
1133 最上部セクション
20 管状セクション
40 鉄道輸送空間エンベロープ
50 管状セクション
100 風力タービン
102 タワー
104 支持表面
106 ナセル
108 ロータ
110 ハブ
112 ブレード
116 中立軸線
131 底部セクション
132 中間セクション
133 最上部セクション
311〜318 底部セクションの缶
321〜329 中間セクションの缶
331〜340 最上部セクションの缶
410 Tフランジ
502 タワー
510 Lフランジ
520 アダプタ
530 地表面
531 底部セクション
610 側壁
620 基部
630 ドア切取り部
710 側壁
711 底部缶
720 基部
811 第1の缶
812 缶
813 缶
911 第1の缶
912 第2の缶
913 第3の缶
1000 風力タービンタワー
1030 逆テーパ部分
1031 底部セクション
1032 中間セクション
1033 最上部セクション
1100 風力タービンタワー
1130 逆テーパ部分
1131 底部セクション
1132 中間セクション
1133 最上部セクション
Claims (10)
- タワー(1000)であって、
指定の最大直径よりも大きくない外径を備えた複数の軸方向のほぼ管状セクション(1031、1032、1033)を含み、
前記複数の軸方向のほぼ管状セクションの少なくとも1つが、該タワーの基部付近に設置された少なくとも1つの逆テーパ部分(1030)を含み、
前記少なくとも1つの逆テーパ部分(1030)が、前記基部付近に設置されかつ第1の直径を有する第1の端部と前記第1の端部に対向しかつ第2の直径を有する第2の端部とを有し、
前記第1の直径が、前記第2の直径よりも小さい、
タワー。 - 前記少なくとも1つの逆テーパ部分(1030)が、直線状、階段状、湾曲状及び複合湾曲状の少なくとも1つである外形を有する、請求項1記載のタワー。
- 前記指定の最大直径が、鉄道輸送で許可された最大直径である、請求項1又は2記載のタワー。
- 前記複数の軸方向のほぼ管状セクション(1031、1032、1033)の各々が、指定の最大重量よりも大きくない重量を有し、
前記指定の最大重量が、鉄道輸送で許可された重量に等しいか又は該重量よりも小さく、
前記複数の軸方向のほぼ管状セクション(1031、1032、1033)の各々が、指定の最大長さよりも大きくない長さを有し、
前記指定の最大長さが、鉄道輸送で許可された長さに等しいか又は該長さよりも小さい、
請求項3記載のタワー。 - 前記少なくとも1つの逆テーパ部分(1030)が、角度θだけ垂直線から傾斜しており、
前記角度θは、約1度〜約5度である、
請求項3記載のタワー。 - 前記複数の軸方向のほぼ管状セクション(1031、1032、1033)が、底部セクション(1031)を含み、
前記底部セクション(1031)の少なくとも一部分が、前記少なくとも1つの逆テーパ部分(1030)を有する、
請求項3記載のタワー。 - 前記底部セクション(1031)が、
複数のほぼ円筒形スタック缶(710、812、813)と、
該タワーの底部に又は該底部付近に配置された逆テーパを有する少なくとも1つの缶(710)と、を含む、
請求項6記載のタワー。 - 前記逆テーパを有する少なくとも1つの缶(710)が、角度θだけ垂直線から傾斜したテーパを有し、
前記角度θは、約1度〜約5度である、
請求項7記載のタワー。 - 前記少なくとも1つの逆テーパ部分(1030)が、前記第1の端部付近におけるより小さい直径と前記第2の端部付近におけるより大きい直径とを有する階段状部分(1130)を含む、請求項3記載のタワー。
- 該タワーが、風力タービンタワーである、請求項1記載のタワー。
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