JP2010529364A - 風力ユニット、そのための支柱、およびその使用 - Google Patents

Abstract

本発明は、垂直タービン軸（３）を有するタービンと、タービンに接続された発電機（６）と、タービンを支持する垂直中空支柱（２）とを有する風力ユニットに関する。本発明では、支柱の材料は本質的に木材である。本発明はまた、そのような風力ユニット用の支柱、風力ユニットに接続された電源装置、風力ユニットの使用、およびそのような支柱の製造方法に関する。
【選択図】 図１

Description

第１態様では、本発明は、垂直タービン軸を有するタービンと、タービンに接続された発電機と、タービンを支持する垂直中空支柱とを備える風力ユニットに関する。

第２態様では、本発明は、風力ユニット用の支柱に関する。

第３態様では、本発明は、電源装置に関し、第４態様では、本発明の風力ユニットの使用に関し、第５態様では、支柱の製造方法に関する。

風力エネルギの回収は、数千年間知られていた。風力を電流の発生のために利用することも、昔から、基本的に発電機が日の目を見たときから、ずっと知られている。

しかし、風力は、電気エネルギ生産のための他のエネルギ源と、経済的に上手く張り合うことが難しかった。このため、風力の利用は、長年、局所的エネルギ供給、およびテストプラントに限定されてきた。たとえ風力をベースとする電気エネルギの電源装置への商業的生産が、過去数十年間にかなり開発されてきたとしても、全電気エネルギ生産におけるその占有率は、依然としてごくわずかである。

風力で潜在的に利用可能な大量のエネルギに鑑みて、かつ他のタイプのエネルギ源からの電気エネルギ生産に関連する様々な不利益に鑑みて、風力に基づく電気エネルギの商業的に競争力のある生産の量を増大させるための機会を生み出すことが重要である。

風力ユニットからの電気エネルギの生成における有力な技術は、風力タービンが水平軸を有するユニットに基づいてきた。垂直軸を有する様々なタイプの風力タービンも提案されてきた。それらの中で、いわゆるＨロータを挙げることができる。例えばＵＳ６３２０２７３およびＷＯ０３１０５８０５９を参照されたい。

風力ユニットが、競争価格で電気エネルギを生成することができることを達成するために、技術的、および経済的観点から、そのようなユニットにおける各構成部品を最適化することが重要である。

本発明は、風力ユニットのタービンを担持する支柱に関して、そのような最適化をもたらすことを目的とする。

米国特許第6320273号明細書 国際公開WO03/058059号明細書

記載した目的は、本発明の第１態様では、導入部分として示す種類の風力ユニットにおいて、支柱の材料が本質的に木材であり、支柱が積層ビームを含み、その主方向成分が垂直であり、支柱が例えばガラス繊維、炭素繊維、および天然繊維のような繊維素材を含むという特殊な特徴を風力ユニットが有することによって達成される。

そのような支柱用の従来の材料、例えば鋼を放棄することによって、従来の設計と比較してずっと高い支持能力が、同じコストで達成され、あるいは同じ支持能力がずっと低いコストで達成される。建設材料が安価であれば、さらに、そうでない場合より目的にいっそう適した設計の支柱を形成することが可能になる。これに関連して木材を建設材料として使用することにより、環境の観点からさらに利益がもたらされる。

本質的に垂直に向けられた木製ビームを持つことにより、木材の強度特性が最良の方法で利用され、安定した構築体が容易にもたらされる。それに関して、積層ビームはより安定した形状を有し、一般的に建物構造体により適していると考えられるので、積層ビームは好適である。

繊維素材は、その強度特性のおかげで、複合構造体の構成要素として含まれる有利な材料である。中でもこれは、支柱の強度的に、特に露出した部分で有益なそのよく定義された方向の配向のおかげで、かつ支柱の木製ビームとの統合された協働のおかげで、荷重および曲げ荷重を支持する特性が強化される。

本発明の風力ユニットの好適な実施形態では、支柱は下端および上端を有し、支柱の水平面の断面積は、下端からの距離によって変化し、支柱の下半分の断面積の平均値が支柱の上半分の断面積の平均値より大きく、好ましくは少なくとも２倍の大きさになる。断面積と共に、支柱の中空によってカバーされる面積、すなわち支柱の外縁境界によって囲まれた全面積も参照される。平均値は、下半分および上半分がそれぞれ水平断面によって垂直方向に、同数の均等な長さの部分に分割されるように、複数の水平断面で支柱を切ることによって定義される。それぞれの半分に対し、水平断面の断面積の平均値が得られ、したがって平均値が比較される。

このようにして、底の方が一般的に広くなるように支柱を形成することによって、支柱は、断面積が本質的に一定である場合より安定になる。それは、必然的に信頼性を向上させ、安定した定着を達成するための他の措置の必要性を低下させる。例えば、支持ロープの必要性を排除することができる。

それに関連して、支柱はその下端に隣接する断面積が、支柱の上端に隣接する断面積より数倍大きく、好ましくは５倍ないし１５倍大きいことが、特に好ましい。

それによって、上向きにテーパする構造体としての支柱の設計は、さらに強調され、したがって安定性の側面は、さらにいっそう顕著になる。それに関連して、
面積関係の指摘区間は、一方において高い安定性を達成することと、他方において材料の消費、および支柱が載置される基礎の所要表面を制限することとの間で最適に調整された均衡を図る必要がある。最適な面積関係は、部分的に支柱の高さに依存し、支柱が高ければ高いほど大きくなる。

追加の好適な実施形態では、支柱はその高さの少なくとも大きい部分に沿って下から上に連続的に減少する断面を有し、断面積の連続的減少は、均等であることが好ましい。支柱のそのような形状は、曲げおよび圧縮ひずみを伴う倍音を生じ、寸法の狭隘化は支柱のそれぞれの垂直位置で要求されるものに適応させることができる。それに関連して、材料の消費を低く維持することができる。断面積の減少が、問題の延長全体に沿って均等である場合、この効果は強化され、利益をもたらす。言うまでもなく、この側面では支柱の延長全体に沿って、支柱を上向きテーパすることが理想的である。しかし他の考慮事項から、支柱の一部を別様に形成することが必要になるかもしれない。

追加の好適な実施形態では、支柱の前記部分は、円錐台の形状を有する。

それに関連して、支柱は、タービンの回転軸を中心に完全に対称になり、発生する応力の分配は、可能な限り均等に分配される。

追加の好適な実施形態では、支柱は、複合材料製である。

主建設材料としての木材に加えて、他の材料も使用することにより、他の材料がより適している特定の機能に関し、他の材料は、木材の特性を補完するかもしれない。それにより、支柱が満たさなければならない総合的要求事項に関して、さらに改善された構造体が達成される。

追加の好適な実施形態では、木製ビームの少なくとも一部は、支柱の周方向にも延びる方向成分を有する。

それによって、支柱の強度特性は特定の種類の荷重ケースに対して改善される。

追加の好適な実施形態では、それに関連して、支柱は、少なくとも２層の木製ビームによって構築され、１層の木製ビームは、対応する周方向位置で最も近接する層の木製ビームの支柱の周方向の方向成分とは逆向きである支柱の周方向の方向成分を有する。

強度の観点から、特に大きい構成体では、支柱を２つ以上の層で形成することはさらに有利であるかもしれない。異なる層において、ビームの配向を逆向きにすると、それぞれの層の最大荷重引受け方向が相互に補完し合うことによって追加的な安定性がもたらされる。層は適切に相互接続され、さらに、逆向きの層の間で相互支持作用が達成される。

追加の好適な実施形態では、支柱は、垂直方向に配分される複数の部分から構成される。

これらの場合、支柱は事前に組み立てられ、それに応じて敷設現場に輸送されるので、そのような分割構成は、特に大型風力ユニットが関係する場合に、輸送の容易化をもたらす。

追加の好適な実施形態では、風力ユニットは、可変量の材料を入れることができるように構成され、支柱の上端の近傍に配置される容器を備える。

適切に均衡した量の材料を容器に充填することによって、支柱の固有振動は影響される。それに関連して、材料の量は、予測できる動作条件に対して存在するようになるかもしれない共鳴とはほど遠い固有振動となるように、較正することができ、さもなければ動作が乱れる危険性がある。容器の質量を容易に変化させることができるという事実により、実際に発生する振動を確認することによって、これを容易に達成することができ、質量が、不確実かつ複雑な計算に基づいて決定される場合より、高い信頼性がもたらされる。

追加の好適な実施形態では、容器は粒状材料、例えば砂利を入れることができるように構成される。砂利などのような粒状材料を使用することによって、材料の量を変化させることが非常に容易である。

追加の好適な実施形態では、支柱は少なくとも３０ｍの高さを有する。

支柱を本質的に木材で形成する利点はとりわけ比較的大きいユニットの場合に顕著になり、したがってこの実施形態は特に興味深い。

追加の好適な実施形態では、支柱は、ステー、例えばバー、ワイヤ、または合成ロープによって支持される。

本発明に係る風力ユニットは、そのような支持体を排除することを可能にするが、特定の場合には、この方法で支持し、それによって安定性をさらに高めることが好都合であるかもしれない。

好適な実施形態では、それに関連して、ステーの数は少なくとも３つである。

ステーが多ければ多いほど、支持は改善され、３つのステーにより、全ての交差方向に良好な支持が達成される。

本発明の風力ユニットの上述の好適な実施形態は、請求項１に従属する請求項に記載される。

本発明の第２態様では、記載した目的は、本発明、またはその好適な実施形態のいずれかに係る風力ユニットの支柱に対して記載するように形成された垂直軸を持つ風力ユニット用の支柱によって達成された。

それに関連して、本発明の風力ユニットに対して、上に掲げたのと同様の利点が得られる。

本発明の第３および第４態様では、本発明に係る風力ユニットの利点が、本発明に係る風力ユニットに接続された電源装置によって、かつ電気エネルギの生成に使用される本発明の風力ユニットによって、それぞれ利用される。

本発明の第５態様では、記載した目的は、導入部分として示した方法が、風力ユニットの支柱が本質的に木材から、かつ少なくとも部分的に積層ビームから構築され、その主方向成分は垂直であり、かつさらに、例えばガラス繊維、炭素繊維、または天然繊維のような繊維材料が建設材料として使用されるという特別処置を含むことによって達成される。

好適な実施形態では、支柱は、風力ユニットの敷設時に、相互に上下に配置されるように意図された複数の部分に分けて製造される。

本発明の方法の追加の好適な実施形態では、支柱は、風力ユニットの好適な実施形態のいずれかに係る風力ユニットにおける支柱に対し記載された特徴がもたらされるように製造される。

本発明の方法によって、本発明の風力ユニットおよびその好適な実施形態により得られる上述した利点に対応するタイプの利点が得られる。

以下の本発明の有利な実施形態例の詳細な説明によって、添付の図面を参照しながら、本発明についてさらに詳しく説明する。

本発明に係る風力ユニットの概略縦断面図である。 図１に係る風力ユニットの部分側面図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。 代替的実施形態例を示す、図３と同様の断面図である。 図４に係る実施形態例の態様を示す説明図である。 追加の代替的実施形態例に係る支柱の側面図である。 追加の実施形態例に係る風力ユニットの側面図である。

図１に、風力タービンと、基礎１と、基礎１に載置され、定着装置５によってそこに定着された支柱２とを有する、本発明に係る風力ユニットを示す。さらに発電機６が含まれる。

風力タービンは、垂直軸３と、垂直タービンブレード４を有するロータとを有する。各タービンブレード４は、木製支持アーム９によって、軸３と接続される。支柱２の上端付近で支柱の内側に容器７が取り付けられる。

支柱２は、積層ビームから構築される。それは円錐形状を有する。２００ｋＷの風力ユニットの場合、支柱２の高さは約４０ｍである。その直径は、下端では約２．５ｍであり、上端では約１ｍである。１ＭＷの風力ユニットの場合、対応する尺度は、それぞれ１００ｍ、６ｍ、および２ｍである。

支柱２は、代替的に純粋円錐形以外の形に作成することができる。それは、例えば、壁の傾斜が円錐の直線と比較して、わずかに凸または凹曲線を描くように形成されるかもしれない。それは、上の方に配置されるほど直径が小さくなる複数の円筒状部分として形成されるかもしれない。また、直径が段階的に変化する円錐状構造体が同様にして形成されるかもしれない。円錐状部分および円筒状部分を組み合わせることなどもできる。支柱の断面は円形以外の形、例えば多角形であってもよい。

容器７は、支柱に固定され、適切な均衡量の砂利を、支柱２の固有振動に対して調整させることにより、移動が可能であるように意図されている。

図２は、支柱の部分側面図であり、支柱が積層ビーム８からどのように構築されるかを示す。積層ビームは均等な厚さおよび形状を持ち、その延長全体に沿って同一寸法を持つように図示されている。円錐性の観点から、ビームの少なくとも一部が、上向きに多少テーパすることが好都合であるかもしれない。言うまでもなく、異なる長さおよび形状のビームを使用することができる。

図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図であり、この図で積層ビーム８がどのように並んで配置されるかが分かる。それらは、相互に対して適切に接着される。ビームが矩形断面を有する場合、ビームの間に楔状スリットが介在する。したがって、糊層は外周部の方が厚くなる。代替的に、楔状詰め物を、これらのスリットに充填することができる。別の可能性は、わずかに台形の断面を有するビームを形成することである。

支柱８の壁は、その外側を保護被膜１０で被覆される。被膜は、例えばガラス繊維、炭素繊維、または天然繊維を含む、ガラスエポキシ型の複合材料であることが適切である。類似の被膜１１が壁の内側に存在する。図２では、分かり易くするために被膜１０は省略されている。

図４は、支柱８の壁が、外層１２および内層１３から構成される実施形態例の図３と同様の断面図を示す。各層は、図３の場合と同様に、積層ビーム８から構成される。２つの層は相互に接着される。

図５は、支柱８の壁が、図４のように２層で構成されるときの積層ビームの方向を示す。ビーム８は、垂直面内で側方に傾斜し、２つの層が相互に交差するように、２つの層で反対の方向に向けられる。

図６は、相互に上下に配置された４つの異なる部分１４〜１７から成る支柱を示す。支柱は、各部分に分けて建設現場に配達され、適切な継手を用いて結合される。

図７は、支柱２が複数のステー１８によってどのように支持されるかを示す。

Claims (19)

1. 垂直タービン軸（３）を有するタービンと、前記タービンに接続された発電機（６）と、前記タービンを支持する垂直中空支柱（２）とを備えた風力ユニットであって、前記支柱（２）の材料が、本質的に木材であり、前記支柱（２）が、積層ビーム（８）を含み、その主方向成分が、垂直であり、前記支柱（２）が、例えばガラス繊維、炭素繊維、または天然繊維のような繊維素材を含むことを特徴とする、風力ユニット。
2. 前記支柱（２）が、下端および上端を有し、前記支柱（２）の断面積が、水平面で下端からの距離に応じて変化し、前記支柱（２）の下半分の断面積の平均値が、前記支柱（２）の上半分の断面積の平均値より大きく、好ましくは少なくとも２倍の大きさになることを特徴とする、請求項１に記載の風力ユニット。
3. 前記支柱（２）の下端に近接するその断面積が、支柱の上端に近接するその断面積より数倍大きく、好ましくは、５ないし１５倍大きいことを特徴とする、請求項２に記載の風力ユニット。
4. 前記支柱（２）が、その高さの少なくとも大きい部分に沿って、下から上に連続的に減少する断面積を有することを特徴とする、請求項２または３に記載の風力ユニット。
5. 前記支柱（２）が、その高さの少なくとも大きい部分に沿って、円錐台の形状であることを特徴とする、請求項４に記載の風力ユニット。
6. 前記木製ビーム（８）の少なくとも一部が、前記支柱（２）の周方向に延びる方向成分を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の風力ユニット。
7. 前記支柱（２）が、少なくとも２層（１２、１３）の木製ビーム（８）から構築され、１層（１２）の木製ビーム（８）が、対応する周方向位置で最も近接する層（１３）の前記木製ビーム（８）の前記支柱（２）の周方向の方向成分とは逆向きである、前記支柱（２）の周方向の方向成分を有することを特徴とする、請求項６に記載の風力ユニット。
8. 前記支柱（２）が、垂直に配分される複数の部分（１４〜１７）から構成されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の風力ユニット。
9. 可変量の材料を入れることができるように構成され、前記支柱の上端の近傍に配置される容器（７）を備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の風力ユニット。
10. 前記容器（７）が、例えば砂利のような、粒状材料を入れることができるように構成されることを特徴とする、請求項９に記載の風力ユニット。
11. 前記支柱（２）が、少なくとも３０ｍ、好ましくは３０ｍから１５０ｍの区間にある高さを有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の風力ユニット。
12. 前記支柱が、バー、ワイヤ、または合成ロープのような、ステー（１８）によって支持されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の風力ユニット。
13. ステー（１８）の個数が、少なくとも３つであることを特徴とする、請求項１２に記載の風力ユニット。
14. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の風力ユニットで支柱（２）に対し記載された特徴を備えることを特徴とする、電気エネルギの生成のための垂直軸を持つ風力ユニット用の支柱（２）。
15. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の風力ユニットに接続されることを特徴とする、電源装置。
16. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の風力ユニットの電気エネルギの生成のための使用。
17. 垂直タービン軸を有する風力ユニットの支柱を構成するように意図された、支柱の製造方法であって、前記支柱が、本質的に木材から、かつ少なくとも部分的に積層ビームから構築され、その主方向成分が、垂直であり、かつさらに、例えばガラス繊維、炭素繊維、または天然繊維のような繊維材料が、建設材料として使用されることを特徴とする、方法。
18. 前記支柱が、風力ユニットの敷設時に、相互に上下に配置されるように意図された複数の部分に分けて製造されることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
19. 前記支柱が、請求項２〜１１のいずれか一項に記載の風力ユニットにおける前記支柱に対して記載された特徴がもたらされるように製造されることを特徴とする、請求項１７〜１８のいずれか一項に記載の方法。

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