JP2010516935A - ハイブリッド風力タービンタワーの連結装置 - Google Patents

Abstract

風力タービンタワー（５）の金属部分（６）を前記風力タービン（１）のコンクリート部分（７）に固定するように構成されるハイブリッド風力タービンタワー（５）の連結装置（８）は、使用状態ではコンクリート部分（７）に隣接するタワー（５）の金属部分（６）に固定されるために適し、かつ前記コンクリート部分（７）に少なくとも部分的に埋め込まれるために適する略チューブ状構造を有する金属ボディ（９）を備え、前記金属ボディ（９）には多数の固定用穴（１１）が配設され、これらの固定用穴はコンクリート部分（７）の材料がこれらの穴を通り抜けるように構成されている。ハイブリッド風力タービンタワー（５）は、一つの金属部分（６）と一つのコンクリート部分（７）の間に配設される上記連結装置（８）を備える。

Description

本発明は、ハイブリッド風力タービンタワーの連結装置に関し、連結装置は、風力タービンタワーの金属部分を風力タービンのコンクリート部分に固定するために用いられる。
本発明は更に、少なくとも金属部分及び少なくともコンクリート部分を備え、かつ更に前記連結装置を前記金属部分／前記コンクリート部分の間に配設したハイブリッド風力タービンタワーに関する。

風力発電の技術開発では、益々大型化し、かつ高出力化した機械を導入し、これらの機械は、背の高いタワーと連結することにより、風力から発電された出力電力を増大させる。背の高いタワーの開発は、荷重、材料強度、及び動的挙動だけでなく、建設、輸送、及び据え付け条件のような設計基準に関する種々のルールに従って行なう必要がある。

最大８０ｍまでの高さの風力発電用タワーが、基本的にスチール製チューブ部分を使用して建設されている。大きな荷重が作用する高いタワーには、耐久性の高い構造が必要となる。輸送の問題があるので、４．５ｍを超える基部直径は採用することができない。これによって、スチールプレートの厚さを、タワーコストを押し上げる価格を最高価格として大きくする必要がある。

コンクリートを、風力タービンタワーの所定部分を組み立てるために使用する（特に、タワーの基部に使用する）方法が、主要な選択肢となっている。事前のコスト調査によれば、タワーコストの低減は、特にタワーの高さが８０ｍを超える場合には、スチール基部の代わりに、コンクリート基部を用いることにより達成することができることが明らかになっている。更に、建設に使用される材料に関係なく、コンクリート部分の設計は、スチール部分に関するルール、すなわち荷重、強度、及び主要な動的挙動に関するルールと同じルールに従って行なう必要がある。動的挙動に関する不具合は、コンクリート部分を、壁が薄くなるように設計する必要があることである。しかしながら、コンクリート部分を、このように壁が薄くなるように設計すると、タワー設計が更に複雑になる。

せん断スタッドなどのような高せん断強度継手は普通、継手の組み立て（スチール補強構造）が構造的に複雑になり、かつタワー壁の寸法が制限されるので、このような用途には有効ではない。

国際公開番号ＷＯ２００５／０１５０１３には、コンクリートタワー部分と、端部が当該コンクリートタワー部分に埋め込まれる構成のスチールタワー部分を備える風力タービンタワーが開示されている。スチールタワー部分は、当該タワー部分の埋め込み端部内に固定要素を含む。前記固定要素は、スチールタワー部分の壁の内側表面または外側表面から放射状に飛び出す、またはスチールタワー部分の壁の内側表面及び外側表面の両方から放射状に飛び出す。しかしながら、この構成によって、風力タービン用の、コンクリート壁を薄くしたタワーの中で、スチール−コンクリートを容易に一体化する必要がある場合においては、上述の問題を解決することができない。その理由は、この特許文献に開示されるタワー設計においては、このような突出要素から生じる水平荷重成分に耐えるために非常に厚いコンクリート壁の厚さが必要になるからである。

国際公開番号ＷＯ２００５／０１５０１３

本発明の目的は、コンクリート壁を薄くしたタワーとの一体化が容易であり、かつタワーのスチール部分とコンクリート部分との間の軸方向荷重の伝達を可能にして幾何学的応力集中を回避する、ハイブリッド風力タービンタワーの連結装置を提供することにある。

第１の態様によれば、本発明は、ハイブリッド風力タービンタワーの連結装置を提供する。風力タービンは、金属部分及びコンクリート部分を有する。本発明の連結装置は、前記金属部分を前記コンクリート部分に簡単な方法で効果的に、かつ確実に固定するのに適している。
この目的のために、本発明の連結装置は、コンクリート部分に少なくとも部分的に埋め込まれ、かつ使用状態ではコンクリート部分に隣接するタワーの金属部分に固定されるように構成される金属ボディを備える。

この金属ボディは、円筒形または多角形とすることができる略チューブ状構造を有する。或る場合には、金属ボディは、前記金属ボディ形状と組み合わせた円錐台形を有することができる。
金属ボディには、多数の固定用穴が配設され、これらの固定用穴は、コンクリート部分の材料がこれらの穴を通り抜けるように構成されている。

これらの固定用穴は、要件に従って可変の寸法を有することができる。これらの固定用穴を、定義される空間的分布になるように配置してせん断強度を制御し、そして調整することにより、タワーの金属部分及びコンクリート部分を使用状態にすることができる、すなわちタワー構造を最終的に組み立て、そして作動させる状態にすることができる。
金属ボディには、該ボディの一方の端部に接続稜線を設け、この接続稜線は、金属ボディをタワーの金属部分に接続するように構成されている。この接続稜線は、金属ボディに溶接接続されるＬ字またはＴ字フランジを含む。

一つの実施形態では、金属ボディの前記固定用穴は、該金属ボディのチューブ状壁に形成されるが、これらの穴は、要件に従って他の箇所に形成してもよい。

本発明の別の実施形態では、本発明の本装置の金属ボディは、該ボディから突出する多数のプレートを含む。これらのプレートは、金属ボディの外側部分に、すなわち該ボディから外側に突出するように配置することができる、及び／または金属ボディの内側部分に、すなわち該ボディから内側に突出するように配置することができる。プレート群は、ほぼ金属ボディの長さに沿って延びることができるが、一般的には、プレート長さは、該ボディに形成される固定用穴の個数によって変わる。

別の構成として、または追加される形で、これらの固定用穴は前記プレートに、コンクリート部分の材料がこれらの穴を通り抜けるように形成することができる。
これらの固定用穴は（これらの穴が、金属ボディのチューブ状壁及び／又はプレートに形成されるかどうかに関係なく）、要件に従って異なる形状及び構造とすることができる。例えば、これらの前記穴のうちの少なくとも幾つかの穴は、円形または楕円形とすることができる。穴は別の構成として、液滴形とすることができる。

いずれにしても、前記固定用穴は、タワーの頂部に向かう方向に小さくなる（または大きくなる）サイズを有することができる、及び／またはこれらの固定用穴のうちの少なくとも幾つかの穴は、プレートの端部から金属ボディに向かう方向に広がるようにすることができる。このように小さくなる（または大きくなる）サイズを有する構造とすることにより、応力分布が金属ボディに沿ってほぼ一定になる。
金属プレートの固定用穴のサイズ及び配置の前記変化だけでなく、前記穴の個数の前記変化は、スチール−コンクリート境界に必要とされる機械的特性（剛性、延性、及び強度）に従って付与される。

本発明の連結装置では、これらの固定用穴を介して荷重が金属ボディに伝達され、この荷重は、水平成分がほとんど無い、すなわちこの荷重のほとんどが軸方向荷重である。金属ボディがプレート群を有する構成の実施形態では、これらのプレートは、このような固定用穴を空けた構造体としてのみ用いられることに留意されたい。

好適な実施形態では、これらのプレートは、前記金属ボディとほぼ直交する方向に突出するが、プレート群が金属ボディから突出して該ボディと或る角度をなすようになる構成を想到することもできる。
前述の連結装置の構造は、勿論、固定用突出要素などのような、風力タービンタワーの金属部分／コンクリート部分を固定する手段を含むハイブリッドタワー形態の他のソリューションと組み合わせてもよい。

本発明による風力タービンタワーの金属部分を前記風力タービンのコンクリート部分に固定する連結装置は、高い機械的特性を有する建造物に容易かつ迅速に組み付けることができる簡易な組み付け構造を有する。本発明の連結装置は更に、風力タービン用の全てのハイブリッドタワー構造に適する良好な軸方向コンクリート−スチール境界部を実現する。本発明は、風力タービンタワーの薄壁コンクリート部分に特に適している。

本発明の第２の態様によれば、少なくとも金属部分及び少なくともコンクリート部分を備えるハイブリッド風力タービンタワーが提供される。一旦、このような部分が全て互いに連結されると、これらの部分は、ハイブリッド風力タービンのタワー全体を形成する。
本発明のハイブリッド風力タービンタワーは、本発明の既述の連結装置を含む。この連結装置は、ハイブリッドタワーの一つの金属部分と一つのコンクリート部分との間に配設される。
本発明によるハイブリッド風力タービンタワーの連結装置の特定の実施形態について以下に、非限定的な例を通してのみ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明による連結装置を有するハイブリッドタワーを備える風力タービンの概要図である。 図２は、本発明の連結装置の一つの実施形態の立面図である。 図３は、本発明の連結装置の別の実施形態の透視図である。 図４ａ〜４ｅは、異なるタイプの固定用穴を有する金属ボディのプレート群の幾つかの実施形態を示す平面図である。 図５は、金属ボディ壁の一部に、幾つかの金属プレートが形成された様子を示す拡大図である。

図１は、１で一括指示される風力タービンを示している。風力タービン１は、羽根４を持つロータ３が取り付けられたナセル２を有する。ナセル２は９０メートルの高さの風力タービンハイブリッドタワー５の頂部に回転可能に取り付けられる。
このハイブリッドタワー５は、例えばスチールにより形成される金属部分６と、前記金属部分６の下方に位置するコンクリート部分７を備える。コンクリート部分７は基台７ａに取り付けられる。部分６，７は共に、連結装置８を介して互いに接続され、連結装置８は、ハイブリッドタワー５の金属部分６と一つのコンクリート部分７との間に配設される。
連結装置８は、スチール−コンクリート境界部となり、例えば荷重伝達に寄与するように４５００ｍｍ未満（例えば、４２６０ｍｍ）の直径を有する金属ボディ９を備える。この連結装置８の２つの異なる実施形態を図２及び３に示す。

金属ボディ９は、当該ボディが使用され、そしてハイブリッドタワー５の金属部分６に図２に示すように固定されるときに、コンクリート部分７に少なくとも部分的に埋め込まれるように構成される。この目的のために、金属ボディ９には、金属ボディ９をタワー５の金属部分６に接続するためのＬ字形断面またはＴ字形断面の接続稜線１０が当該ボディの上側端部に配設される。
金属ボディ９は、ほぼチューブ状の構造を有する（図３参照）。一つの実施形態では、チューブ状金属ボディ９は、前記図３に示すように円筒形としてもよい。他の可能な実施形態では、金属ボディ９は多角形とすることができる。図２に示す金属ボディ９の実施形態では、金属ボディ９は円錐台構造を有する。

前記図２及び３に示す金属ボディ９の両方の実施形態では、金属ボディ９には、多数の固定用穴１１が配設され、これらの固定用穴１１は、コンクリート部分７の材料がこれらの穴を通り抜けるように構成されている。
使用状態では（タワー構造を組み立て、そして作動させるときに）、金属ボディ９及びコンクリート部分７に結果的に加わる荷重は、固定用穴１１を介してタワー５の金属部分６に伝達される。

図２に示す金属ボディ９の実施形態では、金属ボディ９は、当該ボディから突出する多数のプレート１３を有する。金属ボディ９のこれらのプレート１３は、チューブ状壁１２から外側に向かって、及び／またはチューブ状壁１２から内側に向かって突出することができる。
これらのプレート１３は金属ボディ９の長さに沿って延びるが、この実施形態では、図２に示すように、金属ボディ９の長さ全体に完全に対応している訳ではない。プレート長さは、以下に更に説明するように、穴の構造によって変わる。
これらのプレート１３は、金属ボディ９と直交する方向に突出するが、これらのプレートは、金属ボディから突出することにより、図５の実施形態に示すように、金属ボディ９に対して或る角度をなすようにしてもよく、この場合、プレートペア１３が金属ボディ９のチューブ状壁１２から突出して、互いに対して或る角度をなし、そして前記壁１２に対して９０°とは大きく異なる角度をなす。

金属ボディ９の固定用穴１１は、当該金属ボディのいずれの場所にも形成することができる。例えば、これらの固定用穴は、図３に示す実施形態におけるように、金属ボディ９のチューブ状壁１３に形成してもよい、またはこれらの固定用穴を追加するようにしてプレート１３に形成してもよい。

上に述べたプレート１３の長さは、プレートに形成される固定用穴１１の個数によって変わる。更に詳細には、最小のプレート長さ（円形穴１１を有するプレート１３）は、次の関係式によって決まる：

上の式では：
Ｌ_ｍｉｎは、ｍｍで表わされる穴の最短長さであり；
ｎ^ｏは、プレートに形成される固定用穴の個数であり；
φは、ｍｍで表わされる穴直径であり；
ｔは、ｍｍで表わされるプレート厚さであり；
ｆ_ｃｋは、ＭＰａで表わされる固有コンクリート圧縮強度であり；
ｆ_ｙｋは、ＭＰａで表わされるプレートまたは金属部分の固有金属引っ張り強度であり；
βは、プレートスチールの種類によって変わる係数であり；そして
ａは、突合せ溶接部（ｗｅｌｄｉｎｇ−ｎｅｃｋ）の厚さである。

これらの固定用穴１１は（これらの穴がチューブ状壁、及び／又は金属ボディのプレートに形成されるかどうかに関係なく）、スチール−コンクリート境界部（連結装置８）に必要な要件、及び当該境界部に必要とされる機械的特性（剛性、延性、及び強度）に従って、異なるサイズ、形状、及び構造とすることができる。
穴１１は、定義された種々の空間分布になるように配置する（例えば、図３に示す実施形態におけるように、垂直列に並べる）ことができ、これらの分布も同じように、要件によって変わる。図３に示す実施形態では、プレート１３は１７個の円形穴１１を並べた一連の垂直列を有する。

一つの例では、これらの前記固定用穴１１のうちの少なくとも幾つかの穴は、図３，４ｃ〜ｅに示す実施形態におけるように円形とする、または図２及び４ｂに示す実施形態におけるように楕円形とすることができる。穴は別の構成として、図４ａの実施形態に示すように、液滴形とすることができる。
固定用穴１１のサイズは、図２，３，４ａ，４ｂ，４ｄ，または４ｅに示す実施形態におけるように一定とすることができる。他の事例では、固定用穴１１のサイズは、図４ｃの実施形態に示すように、例えば１２．５ｍｍ（上側の穴）〜２５ｍｍ（下側の穴）の範囲で徐々に小さくなる（または、大きくなる）ようにすると注目すべき結果が得られる。この実施形態では、固定用穴１１のサイズは、タワー５の頂部に向かう方向に小さくなるようにして、応力分布が金属ボディ９に沿ってほとんど一定になるようにすることが好ましい。
固定用穴１１の中心間距離は、図３，４ａ，４ｂ，４ｃ，及び４ｄに示す実施形態におけるように一定とすることができるが、当該距離は、図４ｅの実施形態に示すように、変化させてもよい。この特定の事例では、固定用穴１１の前記中心間距離は、タワー５の頂部に向かう方向に短くなる。

プレート１３が円形穴１１（図３，４ｃ，４ｄ，４ｅ）を有する事例では、穴の最短の中心間距離は、次の関係式によって決まる：

上の式では：
Ｓ_ｍｉｎは、ｍｍで表わされる穴の最短の中心間距離であり；
ｆ_ｃｋは、ＭＰａで表わされる固有コンクリート圧縮強度であり；
ｆ_ｙｋは、ＭＰａで表わされるプレートまたは金属部分の固有金属引っ張り強度であり；
φは、ｍｍで表わされる穴直径である。

これらの固定用穴１１のうちの少なくとも幾つかの穴は、図４ａの実施形態（不完全な穴）に示すように、対応するプレート１３の端部１４から金属ボディ９に向かう方向に広がるようにすることができる。この実施形態は、図４ａに示す固定用穴１１の液滴形構造と組み合わせて用いることが特に好ましい。
固定用穴１１は、荷重を金属ボディ９に、従ってハイブリッドタワー５の金属部分６に伝達するように作用する。金属ボディに伝達されるこれらの荷重には水平成分がほとんど含まれない、すなわちこれらの荷重はほとんど軸方向荷重であるが、その理由は、突起部が連結装置８の構造に全く使用されることがないからである。プレート１３を取り付けた金属ボディ９を使用する場合、このようなプレートは、これらの固定用穴１３を空けた構造体としてしか機能しないので、前記プレート１３には固定機能がない。

Claims (16)

1. ハイブリッド風力タービンタワー（５）の連結装置（８）であって、風力タービンタワー（５）の金属部分（６）を前記風力タービン（１）のコンクリート部分（７）に固定するように構成され、使用状態ではコンクリート部分（７）に隣接するタワー（５）の金属部分（６）に固定されるために適し、かつ前記コンクリート部分（７）に少なくとも部分的に埋め込まれるために適する略チューブ状構造を有する金属ボディ（９）を備え、前記金属ボディ（９）には多数の固定用穴（１１）が配設され、これらの固定用穴は、コンクリート部分（７）の材料がこれらの穴を通り抜けるように構成されていることを特徴とする、連結装置（８）。
2. 前記固定用穴（１１）は、金属ボディ（９）のチューブ状壁（１２）に形成される、請求項１に記載の連結装置（８）。
3. 前記金属ボディ（９）は、該ボディから突出する多数のプレート（１３）を含む、請求項１又は請求項２に記載の連結装置（８）。
4. 前記プレート（１３）は、金属ボディ（９）の外側部分に配置される、請求項３に記載の連結装置（８）。
5. 前記プレート（１３）は、金属ボディ（９）の内側部分に配置される、請求項３又は請求項４に記載の連結装置（８）。
6. 前記プレート（１３）には、コンクリート部分（７）の材料が通り抜けるように構成された多数の固定用穴（１１）が配設される、請求項３乃至５のいずれか１項に記載の連結装置（８）。
7. プレート（１３）のこれらの固定用穴（１１）のうちの少なくとも幾つかの穴は、円形または楕円形である、請求項６に記載の連結装置（８）。
8. 前記固定用穴（１１）は液滴形である、請求項６に記載の連結装置（８）。
9. 前記固定用穴（１１）は、タワー（５）の頂部に向かう方向に小さくなるサイズを有する、請求項７又は請求項８に記載の連結装置（８）。
10. 前記固定用穴（１１）は、タワー（５）の頂部に向かう方向に大きくなるサイズを有する、請求項７又は請求項８に記載の連結装置（８）。
11. これらの前記固定用穴（１１）のうちの少なくとも幾つかの穴は、プレート（１３）の端部（１４）から金属ボディ（９）に向かう方向に広くなる、請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の連結装置（８）。
12. 前記プレート（１３）は、前記金属ボディ（９）とほぼ直交する方向に突出する、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の連結装置（８）。
13. 前記金属ボディ（９）は円筒形である、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の連結装置（８）。
14. 前記金属ボディ（９）は多角形である、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の連結装置（８）。
15. 前記金属ボディ（９）は円錐台形である、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の連結装置（８）。
16. 少なくとも金属部分（６）及び少なくともコンクリート部分（７）を備え、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載され且つ一つの金属部分（６）と一つのコンクリート部分（７）との間に配設される連結装置（８）を備えることを特徴とする、ハイブリッド風力タービンタワー（５）。

Images