JP2012012929A - 張力ケーブルを有するタワー - Google Patents

Abstract

【課題】交通インフラの制限を受けない大型の風力タービンタワーを提供する。
【解決手段】タワー２１０は、複数の張力ケーブル２８０を有する少なくとも１つのコンクリートタワーセクション２１５を備える。張力ケーブル２８０は、コンクリートタワーセクション２１５に圧縮力を生じさせるように構成され、実質的に均一な間隔だけコンクリートタワーセクション２１５の外面から離間配置される。コンクリートタワーセクション２１５の上部部分に少なくとも１つのアンカープレート２７０を備え、複数の張力ケーブル２８０の各々がアンカープレート２７０に取り付けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、概してタワーに関する。特に、それに限定されるものではないが、本発明は、張力ケーブルを有する風力タービンタワーに関する。

近年、風力タービンは、環境的に安全で比較的廉価な代替エネルギー源として高い注目を集めている。この関心が高まるにつれて、信頼性が高く効率的な風力タービンの開発に多大な努力がなされている。

一般的に、風力タービンは複数のブレードを有するロータを備える。ロータは、トラス又は筒状タワーの上部に位置付けられるハウジング又はナセルに据え付けられる。ユーティリティ向け風力タービン（即ち、電力を電力系統へ供給するように設計された風力タービン）は、大型ロータ（例えば、直径が３０メートル以上）を持つことになる。これらのロータのブレードは、風力エネルギーを、ギアボックスを介してロータに回転可能に連結できる１つ又は複数の発電機を駆動する回転トルク又は回転力に変換する。ギアボックスは、発電機が機械エネルギーを、電力系統に供給される電気エネルギーに効率的に変換するように、タービンロータの本質的に低い回転速度を上げる。

幾つかの技術的設備は、設備が据え付けられるタワー又はマストを必要とする。そのような設備の非限定的な例は、風力タービン、放送又は移動通信に使用されるアンテナ塔、橋梁工事に使用されるパイロン、或いは電柱である。一般的に、タワーは鋼製であり、鉄筋コンクリート製の基礎に接続する必要がある。これらの場合、典型的な技術的解決法は、タワーの下部に大型の堅固な鉄筋コンクリート基礎を設けることである。典型的な用途では、タワー基礎は地底約１２メートルに延在し、直径約１８メートル以上にすることができる。

米国特許第７１６００８５Ｂ２号

より大きなユーティリティ向け風力タービン（例えば、２．５ＭＷ以上）では、８０メートル以上の高さのタワーを有することが望まれることが多い。より大きなタワーがより高いハブ高さをもたらすことによって、風力タービンのロータがより速い平均風速域に存在することが可能になり、これがエネルギー生産の増加につながる。タワーが高くなると、必ず、タワーの質量、全長及び直径も対応して増加する。しかしながら、地方交通インフラ（例えば、道路、橋、車両等）はタワー構成部品の全長、重量及び直径が制限されることが多いので、大型の風力タービンタワーを建設及び輸送するのが困難になる。

本発明の一態様では、タワーが提供される。タワーは、複数の張力ケーブルを有する少なくとも１つのコンクリートタワーセクションを備える。張力ケーブルは、コンクリートタワーセクションに圧縮力を生じさせるように構成される。張力ケーブルは、実質的に均一な間隔だけコンクリートタワーセクションの外面から離間配置される。

本発明の別の態様では、風力タービンタワーが提供される。タワーは、複数の張力ケーブルを有する少なくとも１つのコンクリートタワーセクションを備える。張力ケーブルは、コンクリートタワーセクションに圧縮力を生じさせるように構成される。張力ケーブルは、実質的に均一な間隔だけコンクリートタワーセクションの外面から離間配置される。

本発明の態様を適用できる風力タービンを示す。 本発明の一態様による風力タービン及び風力タービンタワーの側面図を示す。 本発明の一態様によるコンクリートタワーセクションの側面図を示す。 本発明の一態様による風力タービンタワーの一部の切欠斜視図を示す。 本発明の一態様による風力タービンタワーの側面図を示す。 本発明の一態様による、その外壁に溝を組み込んだコンクリートタワーセクションの側面図を示す。 本発明の一態様によるコンクリートタワーセクションの上面図を示す。 本発明の一態様による、カバーを有するコンクリートタワーセクションの上面図を示す。 本発明の一態様による、図８に示すカバーを有するコンクリートタワーセクションの一部の部分斜視図を示す。

次に、本発明の様々な態様を詳細に参照し、その１つ以上の例を図面に示す。各々の例は、本発明の説明として提供されるものであり、本発明の限定を意味するものではない。例えば、１つの態様の一部として例示又は記載された特徴は、他の態様において又は他の態様と共に使用して更なる態様を得ることができる。本発明は、そのような修正及び変更を包含することを意図する。

図１は、本発明の態様を有利に適用できる風力タービンを示す。しかしながら、本発明は風力タービンに制限又は限定されるものではなく、他の技術分野において使用されるタワー構造物に適用することも可能であることを理解されたい。特に、本発明の様々な態様は、放送又は移動通信に使用されるアンテナ塔、或いは橋梁工事に使用されるパイロンに適用することもできる。従って、本発明の態様は風力タービンを参照して例証するが、本発明の技術的範囲はそれに限定されるものではない。

図１に示す風力タービン１００は、その上端部にナセル１２０を支えるタワー１１０を備える。ロータハブ１３０及びロータブレード１４０を含むロータは、ナセル１２０の片側に取り付けられる。タワー１１０は、基礎１５０上に据え付けられる。タワーは、圧延鋼で形成することができ、複数の積層セクション１１２（例えば、約３又は４個の主要セクション）を有する。或いは、タワー１２０は、トラス状構造物で形成してもよく、且つ／又は、円筒状又はテーパプロファイルを有してもよい。一般的に、タワー基礎１５０は、鉄筋コンクリートの固体塊から製造される。

速い平均風速によってより多くのエネルギーを得るために、タワーを高くすることは好都合であろう。本発明の一態様は、コンクリートから製造されたタワー又はタワーセクションを提供する。コンクリート土台セクションを使用して従来の圧延鋼タワーを持ち上げてもよく、又はタワー全体をコンクリートで形成してもよい。コンクリートは、骨材と結合剤の混合物又は任意の適切な石工支持体として定義される。非限定的なほんの一例として、骨材は砂及び砂利又は砕石であってよく、結合剤は水及びセメントであってよい。

コンクリートは圧縮状態には強いが、引張状態には弱い。鋼は張力の下で強いので、２つの要素を組み合わせることにより、結果的に非常に強力なコンクリート要素が生み出される。従来の鉄筋コンクリートでは、鋼の高抗張力をコンクリートの大きな圧縮強度と組み合わせて、圧縮及び引張共に強い構造材料を形成する。プレストレストコンクリートの原理は、荷重が加えられる前にコンクリート部材の高強度鋼線によって引き起こされる圧縮応力が、稼働中の部材にかけられる引張応力と釣り合うということである。

圧縮応力は、鋼補強材をプレテンショニング又はポストテンショニングすることによってプレストレストコンクリートに引き起こされることがある。プレテンショニングでは、コンクリートが設置される前に鋼が延伸される。高強度鋼線又はケーブルが２つの隣接部の間に設置され、その極限強度の一部まで延伸される。コンクリートは、鋼線／ケーブルの周囲の型に注入して硬化させることができる。コンクリートが所要強度に達すると、延伸力が解放される。鋼はその原長に復帰するように反応するので、引張応力がコンクリートの圧縮応力に変換される。

ポストテンショニングでは、コンクリートが硬化した後、鋼又はケーブルが延伸される。コンクリートは、まず所望形状に鋳造される。コンクリートが所要強度まで硬化すると、鋼線又はケーブルがユニットの端部に対して取り付けられて延伸され、外部から離れて固定されて、コンクリートが圧縮状態に置かれる。本発明の一態様では、ポストテンショニングされたコンクリートが、風力タービンタワー又は風力タービンタワーセクションに使用される。

図２は、本発明の一態様による風力タービンタワーを部分分解図で示す。風力タービン２００は、１つ又は複数のセクション１１２を含み得るタワー２１０を備える。タワーセクション１１２は、圧延鋼で形成できる。コンクリートタワーセクション２１５は、タワーの下部に位置し、上部セクション１１２を支持する。コンクリートタワーセクション２１５はコンクリート壁２６０を備えており、これらは１つ又は複数のセクションに形成してもよく、テーパ（図示する）又は円筒形状を有する。或いは、タワーセクション２１０及び／又は２１５は、例えば楕円形、長方形、多角形等だがこれに限らない任意の所望断面を有してもよい。１つ又は複数のアンカープレート２７０が、コンクリート壁２６０の上部に固定される。アンカープレート２７０は、壁２６０の上部外縁部を超えて外側に半径方向に延在してもよい。複数の張力ケーブル２８０は、一端がアンカープレート２７０に、他端が基礎２５０に固定される。

張力ケーブル２８０は、コンクリート壁２６０の周囲且つ外側に円周方向に配置され、コンクリート壁２６０の外面に近接して、そこから実質的に均一な間隔で位置付けられる。「実質的に均一」という用語は、ほぼ同じ、又は若干異なる間隔（例えば、若干のテーパ）を有するものとして定義できる。換言すれば、張力ケーブル２８０は、コンクリート壁２６０の外面に平行又はほぼ平行であってよい。非限定的なほんの一例として、張力ケーブル２８０は、コンクリート壁２６０の上部部分の外面から約２インチだけ離間配置してもよいが、コンクリート壁２６０の下部部分の外面からは約６インチだけ離間配置してもよい。ケーブル２８０は、ポストテンショニングされたタイプであってもよく、それらはコンクリート壁２６０に圧縮力を加える。外部ケーブルの使用によって、モーメントアームがより大きく、ケーブル力がより小さくなり、最終的に、コンクリートセグメントの内部のケーブルの使用と比べて、必要なケーブルが小さくなる。本発明のその他の態様では、張力ケーブル２８０は、コンクリート壁２６０の外面に近接して位置付けてもよいが、コンクリート壁２６０の外面から若干増加する、又は若干減少する間隔を有するように構成してもよい。

風力タービン２００の運転中、風は矢印２０２で表される方向に流れる。風力は、風力タービン及びタワーに荷重を生成する。タワーの風上側（即ち、図２に示すタワーの左側）は引張状態となるが、タワーの風下側（即ち、図２に示すタワーの右側）は圧縮状態となる。上記したように、コンクリートは圧縮状態で非常に良く機能する。しかしながら、コンクリートは引張状態では同様には機能しない。張力ケーブル２８０は、タワーセクション２１５上の張力の原因となる風に対抗するのに役立つ。

本発明によってもたらされる１つの利点は、タワーセクション２１５上の有効モーメントアームの減少である。張力ケーブル２８０をコンクリート壁２６０の外面に近接してその外部に位置付けることによって、タワー２１０，２１５はその有効モーメントアームを低減して風荷重に対する抵抗力を生じさせる。本発明は、ケーブルをタワー壁の外側だが、タワー壁にごく接近して移動させる。例えば、内部ケーブルを有する非常に小さな直径のタワーは、外部ケーブルを有するより大きな直径のタワーと比べて、風が加える力に対抗するためにより厚い壁とより厚いケーブルが必要となる。より大きな直径のタワーは、より薄いコンクリート壁で製造することができ、非常に小さな直径のタワーと比べてより小さな直径のケーブルを有する。

図３は、コンクリートタワーセクション２１５の側面図を示す。張力ケーブル２８０は、一端がアンカープレート２７０に、他端が基礎２５０に固定される。アンカープレート２７０は、コンクリートタワー２６０の上部に（例えば、ボルト又はファスナーによって）取り付けられ、アンカープレート２７０の一部が、コンクリートタワー２６０の上部の外径を超えて外部に突出する。張力ケーブル２８０は、アンカープレート２７０にアンカープレートの張出し部分で取り付けられる。アンカープレート２７０は、コンクリート壁２６０の上部を実質的に覆う複数のセグメント（例えば、３又は４個のセクション）として製造してもよい。アンカープレート２７０はまた、フランジ取付ボルトがそれを通ってコンクリート壁２６０に埋め込まれる穴（図示せず）を有してもよい。これらを使用して、コンクリート壁２６０の上部部分を従来の鋼管タワーセクション１１２に取り付けることができる。下端部では、ケーブルが基礎の中に固定／装着される。

図４は、本発明の一態様による風力タービンタワーの一部の部分斜視図を示す。コンクリートタワーセクション２１５と上部タワーセクション１１２の間に、任意のアダプタセクション４０５を使用してもよい。一例では、アダプタセクションはコンクリート及び／又は鋼で形成することができ、上部タワーセクション１１２は圧延鋼で形成してもよい。アンカープレート２７０は、張力ケーブル２８０と上部タワーセクション１１２のフランジ１１３との取付点として作用する。フランジは、任意の適切な固定装置（例えば、ナット、ワッシャ及びボルトシステム）によってアンカープレート２７０に取り付けることができる。張力ケーブル２８０は、同じようにアンカープレートに取り付けてもよく、ワッシャとナットを受け入れるように設計されたねじ端部を有してもよい。

図５は、複数のコンクリートタワーセクション２６０，３６１，３６２を有する風力タービンタワー５００の側面図を示す。第２のコンクリートタワーセクション３６１は、アンカープレート２７０又はフランジ（図示せず）を介して下部セクション２６０に取り付けられる。張力ケーブル３８１は、コンクリートタワーセクション３６１の外面の周囲に円周方向に設置され、アンカープレート２７０及び３７１に取り付けられる。第３のコンクリートタワーセクション３６２は、アンカープレート３７１又はフランジ（図示せず）を介して第２のコンクリートタワーセクション３６１に取り付けられる。張力ケーブル３８２は、コンクリートタワーセクション３６２の外面の周囲に円周方向に設置され、アンカープレート３７１及びアンカープレート３７２に取り付けられる。或いは、個々の張力ケーブル２８０，３８１，３８２は、基礎２５０から上部アンカープレート３７２まで続く個々のケーブルを並べることによって置き換えてもよい。上記したように、上部コンクリートタワーセクション３６１及び３６２は、１つ又は複数の鋼製タワーセクションで置き換えることができる。上部鋼製タワーセクションは、張力ケーブル３８１及び３８２を必要としない。

本発明の別の態様において、図６は、その中に張力ケーブル６８０が存在し得る外部溝６９０を有するコンクリートタワーセクション６１５の側面図を示す。この構成は、コンクリート壁６６０の本体にケーブル荷重を集中させるのに役立ち、それによってコンクリート壁６６０内のより均一な圧縮荷重を確実にする。この構成はまた、コンクリート壁６６０内の引張荷重の発生を減少させる。

図７は、コンクリートタワーセクション６１５の上から見下ろした図を示す。コンクリート壁６６０及びそこに形成された溝６９０は、仮想線で示される。アンカープレート６７０は、コンクリート壁６６０の外側部分に突き出るように構成してもよく、或いは、壁６６０の外径と一致する（図示する）又はほぼ重なる外径を有してもよい。アンカープレート６７０は、ボルト６７２或いは任意のその他の適切なファスナー又は固定装置を介してコンクリート壁６６０に取り付けることができる。

図８は、本発明の別の態様の上から見下ろした図を示す。取り外し可能な非構造的又は半構造的カバー８１０をコンクリートタワーセクション６１５の外側に組み込んで、張力ケーブル６８０及びコンクリート壁６６０の両方を覆うことができる。カバー８１０は、プラスチック、複合材、金属薄板或いは任意のその他の適切な織物又は材料から製造できる。カバー８１０は、１つ又は複数のセクションからなってよく、１つ又は複数のシームを有してもよい。シームは、垂直方向、水平方向及び／又はそれらの間の任意の方向に配設できる。カバー８１０はまた、張力ケーブル６８０及び／又はコンクリート壁６６０を（例えば、天候、汚損等から）保護できる。図９は、カバー８１０の設置時のコンクリートタワーセクション６１５の部分斜視図を示す。

コンクリート壁６６０の溝６９０は幾つかの利点をもたらし、そのうちの幾つかは、（１）外部の張力ケーブル６８０を保護すること（カバー８１０があればなおさらそうである）、（２）ケーブル６８０を視界から遠ざけておく（即ち、視覚影響を減らす）こと、（３）外部アクセスを容易にすることによってケーブル６８０の維持管理を簡単にすること、及び（４）コンクリート壁６６０の本体のコンクリートに（ポストテンショニングされたケーブル６８０によって）圧縮荷重を集中させることである。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明したが、本発明を特許請求の範囲の技術的思想及び技術的範囲内での変更によって実施できることは、当業者には理解されるであろう。

１００ 風力タービン
１１０ タワー
１１２ 上部タワーセクション
１１３ フランジ
１２０ ナセル
１３０ ロータハブ
１４０ ブレード
１５０ 基礎
２００ 風力タービン
２０２ 風の方向
２１０ タワー
２１５ コンクリートタワーセクション
２６０ コンクリート壁
２７０ アンカープレート
２８０ 張力ケーブル
３６１ コンクリートタワーセクション
３６２ コンクリートタワーセクション
３７１ アンカープレート
３７２ アンカープレート
３８１ 張力ケーブル
３８２ 張力ケーブル
４０５ アダプタセクション
５００ 風力タービンタワー
６１５ コンクリートタワーセクション
６６０ コンクリート壁
６７０ アンカープレート
６８０ 張力ケーブル
６９０ 外部溝
８１０ カバー

Claims (10)

1. 複数の張力ケーブル（２８０）を有する少なくとも１つのコンクリートタワーセクション（２１５）であって、前記複数の張力ケーブルは、前記少なくとも１つのコンクリートタワーセクションに圧縮力を生じさせるように構成される前記少なくとも１つのコンクリートタワーセクション（２１５）を備えており、
   前記複数の張力ケーブルの各々は、実質的に均一な間隔だけ前記少なくとも１つのコンクリートタワーセクションの外面から離間配置される、タワー（２１０）。
2. 前記少なくとも１つのコンクリートタワーセクションの上部部分に取り付けられた少なくとも１つのアンカープレート（２７０）を更に備えており、
   前記複数の張力ケーブル（２８０）の各々は、前記少なくとも１つのアンカープレートに取り付けられる、請求項１に記載のタワー。
3. 前記複数の張力ケーブル（２８０）の各々は、前記タワーの基礎（２５０）に取り付けられる、請求項２に記載のタワー。
4. １つ又は複数の上部タワーセクション（１１２）と、
   前記少なくとも１つのコンクリートタワーセクション（２１５，２６０）と前記１つ又は複数の上部タワーセクション（１１２）の間に位置するアダプタセクション（４０５）と、
   前記１つ又は複数の上部タワーセクションの少なくとも１つに取り付けられた少なくとも１つのアンカープレート（２７０）とを更に備えており、
   前記複数の張力ケーブル（２８０）の各々は、前記少なくとも１つのアンカープレートに取り付けられる、請求項１に記載のタワー。
5. 前記複数の張力ケーブル（２８０）の各々は、前記タワーの基礎（２５０）に取り付けられる、請求項４に記載のタワー。
6. 前記少なくとも１つのコンクリートタワーセクションに取り付けられた少なくとも１つの上部タワーセクション（１１２）を更に備える、請求項１に記載のタワー。
7. 前記少なくとも１つの上部タワーセクション（１１２）は圧延鋼からなる、請求項６に記載のタワー。
8. 前記少なくとも１つのコンクリートタワーセクション（６１５）は、
   前記少なくとも１つのコンクリートタワーセクション（６１５）の外面に配設された複数の溝（６９０）を更に備えており、
   前記複数の張力ケーブル（６８０）の各々は、前記複数の溝の各々の中に実質的に収容される、請求項１に記載のタワー。
9. 前記タワーに取り付けられるように構成された少なくとも１つのカバー（８１０）を更に備えており、
   前記複数の溝の中の前記複数の張力ケーブル（６８０）は、前記少なくとも１つのカバーによって実質的に覆われる、請求項８に記載のタワー。
10. 前記複数の張力ケーブル（６８０）の各々は、前記少なくとも１つのコンクリートタワーセクション（６１５）の下部外面よりも前記少なくとも１つのコンクリートタワーセクションの上部外面により接近するように構成される、請求項１に記載のタワー。