JP2013040566A - 応力分散型の風力発電機用の支柱タワー - Google Patents
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Abstract
【課題】 風車を所定上空位置に支持する風力発電機の支柱タワーにおいて、風圧等によって支柱タワーに負荷される巨大な転倒モーメントを分散させる。
【解決手段】 支柱タワー10を基礎地盤Gに固定しないメインタワー20と、メインタワー20の任意の高さ中間位置をラジアル方向から支持することによってメインタワーの直立姿勢を維持するガイドタワー30との組合せによって構築する。メインタワー20に加わる転倒モーメントは、メインタワー20の高さ中間位置からガイドタワー30に風下方向に向けて加わる水平荷重P1と、その反力として、メインタワー20の下端部から基礎地盤Gに風上方向に向けて加わる水平荷重P2とに分散される。
【選択図】図1
【解決手段】 支柱タワー10を基礎地盤Gに固定しないメインタワー20と、メインタワー20の任意の高さ中間位置をラジアル方向から支持することによってメインタワーの直立姿勢を維持するガイドタワー30との組合せによって構築する。メインタワー20に加わる転倒モーメントは、メインタワー20の高さ中間位置からガイドタワー30に風下方向に向けて加わる水平荷重P1と、その反力として、メインタワー20の下端部から基礎地盤Gに風上方向に向けて加わる水平荷重P2とに分散される。
【選択図】図1
Description
本発明は、風圧に耐えながら風車を所定上空位置に支持する機能を有する支柱タワーに加わる転倒モーメントを分散させることによって支柱タワーの負担を軽減するようにした応力分散型の風力発電機用の支柱タワーに関する。
本発明がなされた背景には、風力発電機の設計上の難関である支柱タワーの強度問題および基礎地盤の支持力問題が存在する。この問題は、風力発電機を効率よく稼動させるために、できるだけ風圧を受けないような構造物によって上空位置に風車を支持する必要があるという風力発電機の基本構造に起因する問題である。
すなわち、風力発電機の支柱タワーには、風圧を受けにくいスマートな外観でありながらも巨大な転倒モーメントに耐える機械剛性が要求される。特に、支柱タワーの下端部には、風圧による転倒モーメントのほか、支柱タワー自体の自重と搭載している風車の重量の偏芯荷重とが複合的かつ集中的に加わるという問題がある。通常、風車の効率は、支柱タワーの高さが高いほど改善されが、その一方で、支柱タワーに対する要求強度も増大する関係にあるため、一定限度を超える高さの支柱タワーの強度確保は、設計上の困難な問題であり、かつ経済的にも課題が大きい。
ところで、風力発電機の支柱タワーに加わる応力は、最終的には、支柱タワーの基礎地盤によって支持される。したがって、風力発電機の支柱タワーの基礎構造には、大面積かつ深い地下寸法を有する巨大な基礎構造物が必要であり、これが風力発電機の設置コストの大きな割合を占める結果となっている。また、基礎構造物が巨大であっても地盤が不安定である場合には十分な支持力を発揮することができない。したがって、風力発電機の設置用地の条件として、風環境のみならず地盤の安定性も求められることとなり、風力発電機設置用地の選定を困難なものとしている。
研究用途や自家用用途の小型の特殊な風力発電機を除き、事業用の大型風力発電機における支柱タワーの構造は、鉄骨骨組み構造または鋼管連結構造の典型的なものである(下記特許文献1ないし4参照)。つまり、これらの支柱タワーは、上記したような問題点を包含する。
風車は、上記のような支柱タワーの天端部に巨大なベアリングを介して搭載され、風車の向きを風上方向に整合させるために必要とされるヨー駆動は、ナセルのベース部分と支柱タワーの天端部との間において行われる(下記特許文献5,6参照)。ナセルのベース部分には、ベアリングと同心に巨大なリングギヤが取り付けられ、ヨー駆動は、リングギヤを複数の駆動モータによって駆動することによって実行される。風力発電機における部品構成の特徴は、部品点数については、格別に多いとはいえないものの、上記のような巨大な特注部品が多いということに尽きる。これが、風力発電機のコストを下げることができない要因であり、風力発電機の普及を阻害している。
なお、本願の発明者らは、支柱タワーに転倒モーメントを発生させる一因となる偏心荷重を発生させないように工夫した支柱タワーを適用した風力発電装置を既に提案している(下記特許文献7参照)。この提案に係る風力発電装置は、静的な意味では転倒モーメントが発生する余地がなく、所期の目的を達成することに成功している。しかし、風圧を受けて発生する動的な転倒モーメントに対しては、なお、十分に対応され尽くされているとは言えない。
本発明は、風力発電機の支柱タワーに関して指摘した上記問題、具体的には、風力発電機の支柱タワーには、巨大な転倒モーメントが加わるため、一定限度を超える高さの支柱タワーにおいて必要な強度を確保することが難しいという問題を解決することを課題とする。
また、本発明は、風力発電機の設置コストを引き上げることとなる巨大な転倒モーメントを支持するために巨大な基礎構造物を必要とするという問題を解決することをも課題とする。
さらに、本発明は、風力発電機において、風車を風向き方向に整合させるためのヨー駆動に高価な特殊部品を要するという問題を併せて解決することを課題とする。
本発明の応力分散型の風力発電機用の支柱タワーは、風車を所定上空位置に支持する鉄骨骨組み構造または鋼管連結構造からなる風力発電機用の支柱タワーにおいて、支柱タワーが、風車を所定上空位置に支持するメインタワーと、メインタワーを取り囲むように設置するガイドタワーとからなり、この際のメインタワーは、下端部を基礎地盤に固定することなくラジアル荷重とスラスト荷重とを受け止めるように立設されるとともに、ガイドタワーは、メインタワーの周囲の基礎地盤に固定されてメインタワーの任意の高さ中間位置を水平方向について支持し、風圧によってメインタワーに加わる転倒モーメントをメインタワーの任意の高さ中間位置からガイドタワーに伝達される風下方向の水平荷重と、メインタワーの下端部から基礎地盤に伝達される風上方向の水平荷重とに分散することを特徴とする。
上記風力発電機用の支柱タワーは、機能分担が異なるメインタワーとガイドタワーとからなる。メインタワーは、下端部を基礎地盤に固定しない極めて特徴的な構成である。メインタワーは、風車を所定上空位置に支持する構造物であり、ラジアル荷重とスラスト荷重とを受け止めるように立設されている。これを比喩的に説明すると、メインタワーの状態は、例えば、適当な地盤上に単に直立状態にして置かれた棒体のようなものである。
ここで、メインタワーの下端部がラジアル荷重を受け止めるとは、メインタワーの下端部が水平方向に位置ずれしないようにされていることを示し、スラスト荷重を受け止めるようにとは、メインタワーの下端部が自重および搭載した風車の重みによって地盤内に沈下しないようにされていれば足りるということを示している。したがって、メインタワーは自立力を有さず放置すれば倒れる状態である。また、このようなメインタワーは、下端部を支点としてその場で自転するように回転することもできる状態である。
一方、ガイドタワーは、基礎地盤に固定され、メインタワーの任意の高さ中間位置を水平方向について支持する機能を分担する構造物である。このガイドタワーは、メインタワーを取り囲むように設置される。取り囲むように設置されるとは、ガイドタワーがメインタワーを取り囲むことが可能である形態を有することを示し、例えば、ガイドタワーがメインタワーを中心に形成される中空円錐台のような形態である場合、そのような円錐台の複数本の側線を軸とする複数本の支持脚である場合、円錐台が現場打ちのPCコンクリート製である場合、各支持脚が鋼管製である場合、各支持脚が鉄骨骨組み構造である場合等を広く含む趣旨である。なお、このガイドタワーは、あくまでもメインタワーを水平方向についてのみ支持するのであり、スラスト方向については支持機能を有しない。
従来、風力発電機の支柱タワーの下端部に集中していた応力としての巨大な転倒モーメントは、上記メインタワーとガイドタワーとによって次のように分解される。すなわち、風上方向から風力発電機に加わる風圧は、メインタワーを風下方向に転倒させるように働く。基礎地盤に固定されていないメインタワーは、何らの支持がない場合においては風下方向に容易に転倒することとなる。
しかし、ここで、本発明におけるガイドタワーがメインタワーの任意の高さ中間位置を水平方向について支持している。したがって、メインタワーの転倒動作は、この高さ中間位置において阻止され、ガイドタワーには風下方向の水平荷重が伝達される。一方、メインタワーの下端部には、ガイドタワーに支持されている高さ中間位置を支点として反転した水平荷重である風上方向の水平荷重が加わることになる。
このような力関係は、メインタワーに加わる転倒モーメントが、ガイドタワーに加わる水平荷重と、メインタワーの下端部に加わる水平荷重に分解される関係を示している。この際、ガイドタワーに加わる水平荷重は、ガイドタワーに対する転倒モーメントを発生させる。しかし、ガイドタワーは風車を高所に支持する機能は要求されないことから、十分に高さを抑えた設計とすることができるとともに、スラスト荷重に耐える機能も要求されないことから、単純転倒モーメントに耐えることを目的とする専用の有利な構造を採用することができる。例えば、クレーン車におけるアウトリガーのように専用化された有利な構成である。
また、メインタワーに加わる荷重は、メインタワーの下端部に集中することなく、ガイドタワーによって支持された高さ中間位置を支点とする曲げ荷重としてメインタワーに作用する。すなわち、従来の風力発電機用の支柱タワーにおいては、基礎地盤近傍の支柱タワーの下端部において最も大きな耐曲げ強度を必要とするが、本発明のメインタワーにおいてもっと強度が必要とされる部分は、ガイドタワーによって支持される高さ中間位置である。次に、この高さ中間位置にどのくらいの曲げ荷重が加わるのかが問題である。
ここで、メインタワーの任意の高さ中間位置が、メインタワーの全長のほぼ2分の1に当たる位置であると前提し、メインタワーの高さ中間位置に何等の支持がなく、一定の大きさの荷重がメインタワーの一端に加わったときのメインタワーの下端部に加わる曲げ荷重に対して、同一の条件においてメインタワーの任意の高さ中間位置を支持した状態において、高さ中間位置に作用する曲げ荷重とでは、大きな差異が生じる。この場合、メインタワーの高さ中間位置に支点が存在する場合の曲げ加重は、支点が存在しない場合の曲げ荷重に対して半減する関係になる。これは、同一の荷重が曲げモーメントとして作用する場合のモーメントアームの長さが2分の1になるからに他ならない。
上記のような力関係は、メインタワーに要求される耐曲げ荷重が従来より大幅に小さくてもよく、メインタワーの外径が下端部に向かって減少するような形状であっても支障ないことを示している。また、メインタワーは、基礎地盤に固定される必要はなく、メインタワーの下端部を水平方向に位置ずれしないように支持することを持って足りる。したがって、メインタワーの設計難度を大幅に減少させることができる。なお、メインタワーが負担すべきスラスト荷重は、メインタワーに対して軸方向の圧縮荷重として作用することから、耐スラスト荷重対策は、もとより容易である。
本発明の応力分散型の風力発電機用の支柱タワーは、メインタワーの下端部にメインタワー全体を回転駆動するヨー駆動機構を備えるとともに、ガイドタワーは、ラジアル荷重を支持するベアリング機構を介してメインタワーを支持することによって、メインタワーに搭載した風車をメインタワーとともに回転駆動するようにしてヨー駆動することができる。
上記構成は、本発明におけるメインタワーが基礎地盤に固定されていないことを利用するものである。すなわち、メインタワーは、前述したように下端部を支点としてその場で自転するように回転運動することができる。ただし、メインタワーは、支持された高さ中間部においてガイドタワーと接触している。そこで、メインタワーの下端部にメインタワー全体を回転駆動するヨー駆動機構を設けるとともに、ガイドタワーが、ラジアル荷重を支持するベアリング機構を介してメインタワーを支持する構成を採用している。
なお、ここで、ラジアル荷重を支持するベアリング機構とは、一般機械要素としてのラジアルベアリングのほか、ラジアルベアリングと同等の機能を発揮することができるように組み合わされた部品アッセンブリを含む趣旨である。このようなベアリング機構の介在によって、ガイドタワーは、ヨー駆動機構によるメインタワーの回転運動を許容しながらメインタワーに対して必要な支持機能を発揮することができる。
本発明の応力分散型の風力発電機用の支柱タワーにおけるヨー駆動機構は、伝達トルク制限型のクラッチを介してメインタワーを回転駆動する構成とすることができる。
ヨー駆動機構の駆動対象は、メインタワーおよびメインタワーに搭載される風車である。つまり、ヨー駆動機構には、巨大なイナーシャ部材を駆動することが求められる。したがって、ヨー駆動機構は、大減速比の減速機を介してメインタワーを駆動することとなる。ヨー駆動機構の駆動対象であるイナーシャ部材は、ときとして、そのイナーシャによって減速機を介してヨー駆動機構を駆動するように作用する。例えば、ヨー運動している風車を特定の位置に停止させようとする場合や、風向き変化の影響が風車を経由してメインタワーを回転させる力として作用する場合である。
減速機は、トルクと回転との振り分けを実行する機構であり、ヨー駆動機構に対しては、駆動対象に対する所要駆動トルクを減少させるように機能する。逆に、駆動対象の有するイナーシャがヨー駆動機構を駆動する向きに働く事態においては、所要駆動トルクを増大させるように機能する。この結果、極端な場合には、駆動対象のイナーシャが衝撃荷重として減速機に加わり、減速機を破壊してしまうような事態に至る。
ヨー駆動機構とメインタワーとの間に介在する伝達トルク制限型のクラッチは、規定トルク又は設定トルクを超えるトルクを伝達しないようにすることができるクラッチである。つまり、減速機が破壊されるようなトルクは、伝達されないように設定することができる。また、クラッチとして基本的な断続動作をすることもできるので、必要に応じてヨー駆動機構とメインタワーを切り離すこともできる。
本発明によれば、下端部を基礎地盤に固定することなく設置されて主にスラスト荷重に耐えながら風車を支持するメインタワーと、主に水平荷重に耐えながらメインタワーの任意の高さ中間位置を支持するガイドタワーとの組合せによって構成することにより、従来、支柱タワーの下端部に集中していた巨大な転倒モーメントをガイドタワーに加わる風下方向の水平荷重と、その反力であるメインタワーの下端部から基礎地盤に風上方向に加わる水平荷重とに分解して受け止めることができるので、メインタワーの所要機械強度を大幅に低減することができる。これによって、高さの高い支柱タワーの構築が容易化されるとともに、巨大な転倒モーメントを支持するための巨大な基礎構造物を不要とすることができるので、風力発電機の設置コストを引き下げることができる。また、メインタワーは、基礎地盤に固定して転倒モーメントに耐えるように設置する必要がないので、例えば、メインタワーを下端部に向かって先細りの構造とし、この部分を基礎地盤レベルに設置するヨー駆動機構によってメインタワーごとヨー駆動するようにすることによって、ヨー駆動のための特殊な巨大部品の必要性を排除することができる。
以下、本発明の応力分散型の風力発電機用の支柱タワー(単に、「支柱タワー」もと言う。)の実施の形態を図面を引用しながら説明する。
本発明の支柱タワーは、風車1において、ハブ2の回転軸である主軸Xの一端側のみを支持する一般的な片持ち支持の風車1を搭載する用途にも、また、風車1を挟んでその主軸Xの両側を支持する両持ち支持の風車1を搭載する用途にも適用することができる。ここでは、先ず、両持ち支持の風車1を搭載する実施の形態について説明する(図1)。
両持ち支持の風車1における主軸Xは、ハブ2の両側に抜けており、抜け出た主軸Xの両端は、前後のナセル3,4によってカバーされている。風車1の前方のナセル3は、主軸X用のベアリングを収納するものであり、風車1の後方のナセル4は、ベアリング及び発電機を収納している。風車1は、メインタワー20とガイドタワー30との組合せからなる支柱タワー10によってその風車1に応じた適切な上空位置に支持される。風車1は、効率改善用の集風シュラウド7を伴い、風車1の前方のナセル3には、風向センサ22が取り付けられている。
メインタワー20は、略、高さ中間位置に水平方向のテーブル状の中間ベース8を備える。中間ベース8は、異なる構造物を応力伝達可能に一体化するための便宜構造物であり、それ以上の意味を有しない。すなわち、メインタワー20は、中間ベース8以下を鋼管構造のコラム9によって形成し、中間ベース8以上を鉄骨構造の支持柱5,6によって形成した混成構造からなり、中間ベース8は、メインタワー20のコラム9と支持柱5,6とを連結する機能を分担している。
メインタワー20のコラム9は、中間ベース8直下部分を除き、基礎地盤Gに向かって先細りに形成された特殊な外形を有する。コラム9の下端部は、ラジアル軸受およびスラスト軸受を含む複合軸受けユニット14によって支持され、コラム9は、ヨー軸Yを中心にその場で自転することができる。コラム9が先細り形状に形成されているのは、コラム9の下端部に曲げ荷重が加わらないためであり、また、複合軸受けユニット14を市販レベルの小型の既製品で組み上げることができるようにとの配慮である。この複合軸受けユニット14には、ヨー駆動機構17が並設されている。
メインタワー20の中間ベース8以上部分を形成する支持柱5,6は、風車1を両持ち支持する機能を有する。風車1の前方のナセル3を支持する支持柱5は、風車1の回転面を中心にしてその前方に加わる垂直荷重を支持し、風車1の後方の支持柱6は、回転面の後方に加わる垂直荷重および風車1の前方からの風によって生じるスラスト荷重を受け止める。前後の支持柱5,6の構成の相違は、負担する荷重の相違にも基づくものであり、したがって、後方の支持柱6には相対的に強固な骨組み構造が採用されている。
ガイドタワー30は、上端部にガイドリング15を備え、このガイドリング15を四方から支持する4本の支持脚12…を主要部材としてなる(図1,図2)。
4本の支持脚12…は、下方に向かって開脚して大きな転倒モーメントに耐えるように姿勢決めされている。支持脚12…の鋼材には、パイプ構造のものが採用されている。4本の支持脚12…は、多数の水平桟2B…および交叉桟2C…によって互いに連結され、全体として一体的な構造強度を発揮することができる。各支持脚12は、コンクリート製の足場ブロック13を介して基礎地盤Gに固定されている。足場ブロック13からガイドリング15に及ぶガイドタワー30の設置高さは、メインタワー20の高さの略1/2に設定されている。
ガイドタワー30の上端部に位置するガイドリング15には、ラジアル方向の荷重を支持するベアリング機構11が組み込まれ、ガイドタワー30は、ベアリング機構11を介してメインタワー20のコラム9を取り囲むように支持している(図2)。これによってメインタワー20の直立姿勢が保持される構造である。
ベアリング機構11の好ましい構造例としては、例えば、ガイドリング15とコラム9との間に多数個の転動輪R…を介装する構造を例示することができる(図2)。ヨー駆動の必要に基づいて駆動されるコラム9は、高速回転することはないので、ベアリング機構11の設計方針は、低速大荷重に耐えることである。多数の転動輪R…の相互位置は、図示しないリテーナによって保持される。
一方、コラム9の下端部を支持する複合軸受けユニット14およびヨー駆動機構17の好ましい構造例としては、次のような構造を例示することができる。
(図3)。
(図3)。
複合軸受けユニット14は、基礎地盤Gに固定する堅固な軸受ハウジング4Bを介してコラム9の下端部に加わる荷重を支持する機能を有する。コラム9の下端部に加わる主な荷重は、メインタワー20の自重およびメインタワー20に搭載された風車1の重量によるスラスト荷重Wと、メインタワー20の高さ中間位置をガイドタワー30によって支持することによる反力としてのラジアル荷重である。したがって、軸受ハウジング4Bの内部には、ラジアルベアリング4Rと、スラストベアリング4Sとが組み込まれている。
コラム9の下端部には、コラム9の自転軸としての意義を有するシャンク軸9Cが設けられている。軸受ハウジング4Bの上面壁には、コラム9のシャンク軸9Cを挿通するための開口部が形成され、ラジアルベアリング4Rは、この開口部に嵌め込む態様で軸受ハウジング4Bに組み付けられている。コラム9のシャンク軸9Cは、ラジアルベアリン4Rを通過して軸受ハウジング4Bの内部に至っている。
また、軸受ハウジング4Bの底面壁上には、低速大荷重用のスラストベアリング4Sが、ヨー軸Yを基準に設置されており、スラストベアリング4Sには、中心部にシャンク軸9Cを受け入れる凹部を形成したリテーナ4Hが取り付けられている。コラム9は、シャンク軸9Cの先端部をリテーナ4Hの凹部に落とし込ませる状態でスラストベアリング4Sと組み合わされ、コラム9の下端部に集中したスラスト荷重Wは、シャンク軸9Cを介して全てこのスラストベアリング4Sによって支持される。
ヨー駆動機構17は、コラム9の下端部に取り付ける大径の従動歯車9Sと、駆動モータ7Mを主体とする駆動ユニットとの組合せによって構成することができる(図3)。従動歯車9Sは、シャンク軸9Cを中心としてコラム9の下端面に水平姿勢で固定されている。
駆動ユニットは、駆動モータ7Mと減速機7Gとクラッチ7Cとを組み合わせてピニオンギヤ7Pを駆動する構成である。駆動ユニットは、従動歯車9Sとピニオンギヤ7Pとを噛合させて軸受ハウジング4Bに並設される。なお、クラッチ7Cには、伝達トルク制限型のものが用いられ、駆動モータ7Mは、ブレーキ機構7Bを備えるブレーキモータである。このような駆動要素の組合せにより、装置各部に過負荷を生じさせることのない安全且つ円滑なヨー駆動動作を実現することができる。
このようなメインタワー20とガイドタワー30との組合せからなる風力発電機用の支柱タワー10における応力の分散関係の概略を模式的に示すと、次のようになる(図1)。
風力発電機における風荷重Pwの代表的な作用点は、風車1におけるナセル3,4の高さ位置である。ここで、ナセル3,4の高さ位置をHnと表すと、風車1を支持している支柱タワー10全体に加わる転倒モーメントは、(Pw・Hn)で与えられる。この転倒モーメントは、従来構造の支柱タワーにおいては、その下端部に対する巨大な曲げ荷重として作用することとなる。このことが、高さの高い支柱タワー、つまり高さ位置Hnが大である支柱タワーの設計を困難なものとする原因である。
このような転倒モーメント自体は、風荷重Pwと支柱タワーの高さ位置Hnが存在する限り解消することはできない。転倒モーメントに対抗するための常套的手法としては、支柱タワーの基礎占有面積を増大させる方法があるが、単純に基礎占有面積を増大させた支柱タワーは、風車1を搭載する上方に向かって外形を減じるデザインとしても、全体構造の規模が過大となり、大量の構造部材を必要とする。
転倒モーメントの対抗する他の方法としては、支柱タワーの任意の高さ中間位置を支持する方法が考えられる。この方法は、結局のところ、風車1の高さ位置Hnを確保することを主目的とする部材と、転倒モーメントに対抗することを主目的とする部材とに分担分けを行うことを意味する。本発明におけるメインタワー20が前者に相当し、ガイドタワー30が後者に相当する。すなわち、ガイドタワー30は、メインタワー20の高さ中間位置をラジアル方向から支持する構造である。
ここで、ナセル3,4の高さ位置Hnを基準として、ガイドタワー30によって支持される高さ中間位置までの距離をH1とし、高さ中間位置から複合軸受けユニット14によって支持されるメインタワー20の下端部、すなわち、コラム9の下端部までの距離をH2とする場合、メインタワー20がガイドタワー30に及ぼす風下方向の水平荷重P1の大きさは、下記数式1で与えられる。また、メインタワー20の下端部には、風下方向の水平荷重P1の反力成分として風上方向の水平荷重P2が作用する。この水平荷重P2は、下記数式2で与えられ、複合軸受けユニット14によって受け止められる。
(数1)
P1=Pw×(H1+H2)/H2
P1=Pw×(H1+H2)/H2
(数2)
P2=Pw×H1/H2
P2=Pw×H1/H2
上記数式1および数式2に示されるように、従来支柱タワー10の下端部に集中していた転倒モーメント(Pw・Hn)は、方向が異なる風下方向の水平荷重P1と風上方向の水平荷重P2とに分解され、メインタワー20には転倒モーメントが全く加わらない力関係が成立している。もっとも、ガイドタワー30に作用する水平荷重P1は、ガイドタワー30に対して大きな転倒モーメントを生じさせるが、ガイドタワー30は、風車1の重量等からなるスラスト荷重Wを支持する必要がないので、ごく簡単な開脚構造によってこれに耐えることができる。
また、数式2は、ガイドタワー30によって支持される高さ中間位置以下の距離H2が大きいほどメインタワー20から複合軸受けユニット14に加わる水平荷重P2が小さくなることを示している。したがって、複合軸受けユニット14の負担を軽減するには、コラム9の下端部が基礎地盤Gに接近するように設置することが有利である。なお、この数式による示唆をより積極的に活用する意味において、基礎地盤Gを掘削し、基礎地盤レベル以下において、コラム9の下端部を支持することもできるものとする。
以下、本発明の支柱タワー10の他の実施の形態を3例順次に説明する(図4ないし図6)。
上記実施の形態に示す支柱タワー10においては、いわゆる両軸型の風車1を搭載した例を示しているが、本発明の支柱タワー10は、水平軸型の風車1の主流である片持ち支持方式の風車1を搭載する場合においても、メインタワー20に転倒モーメントが加わらないという特徴的な作用効果を何らの追加的要件を必要とすることなく発揮することができる(図1)。
メインタワー20は、ガイドタワー30によって支持される高さ中間位置以下のコラム9と、上部コラム9Aとが中間ベース8を介して連結される構成である。これは、風車1の回転面とヨー軸Yとを一致させるために、ヨー軸Yに対して上部コラム9Aをオフセット配置したためである。この形態の支柱タワー10においては、ヨー駆動機構17によってメインタワー20全体をヨー軸Yを中心として駆動した場合において、上部コラム9Aが円弧運動をすることとなるが、風車1は、ヨー軸Yを中心にその場で回転する本来のヨー運動である。つまり、上部コラム9Aが円弧運動したとしても特に指摘するほどの支障はなく、風車1の動作安定性を阻害しないという利点がある。
本発明の支柱タワー10は、メインタワー20のコラム9と上部コラム9Aとをヨー軸Yに一致させて直線的に形成することもできる(図5)。
この形態においては、風車1の回転面をヨー軸Yに一致させることはできない。したがって、ヨー駆動に際しては上記実施の形態とは逆に、メインタワー20は、ヨー軸Yを中心にその場で安定な自転動作をするものの、風車1は、ヨー軸Yを中心に円弧運動をすることが問題となる。ただし、この問題に対しては、ヨー駆動を十分に緩慢に実施することによって、回転中の風車1が円弧運動することによる動作不安定を回避することができる。
しかし、この実施の形態における支柱タワー10は、コラム9と上部コラム9Aとが一直線上に配置されることから、中間ベース8を省力することができるという利点がある。また、メインタワー20によって片持ち支持された風車1は、支柱タワー10全体に対する偏心荷重を生じさせる。しかし、風車1に対するヨー駆動が正常に実施されている場合、この偏心荷重は、常に、風圧によって支柱タワー10に加わる転倒モーメントを打ち消す方向に作用することから、片持ち支持による偏心荷重が必ずしも不利益に働くとは言えない。
本発明の支柱タワー10は、セルフヨー機能を有する風車1を搭載することによって、ヨー駆動機構17を省くことができる(図6)。
風車1は、後方のナセル4に大面積の垂直尾翼1Fを備え、十分な風見鶏効果を得ることができるように構成されている。メインタワー20には、中間ベース8を省いてコラム9と上部コラム9Aとを一直線上に連結したものが用いられる。メインタワー20は、風車1の後方のナセル4の部分を支持している。このナセル4とメインタワー20との間における一般的なヨー駆動機構の介在はなく、両者は、直結されている。したがって、風車1のセルフヨー動作とメインタワー20の回転動作とは、一体不可分である。
この結果、ヨー軸Yを中心とする風車1の姿勢変化は、そのまま、メインタワー20の自転動作となり、この自転動作は、メインタワー20の高さ中間位置をラジアル方向から支持するガイドタワー30のベアリング機構11と、メインタワー20の下端部を支持する複合軸受けユニット14のラジアルベアリングによってメインタワー20の直立姿勢を維持しつつ許容される。セルフヨー方式の風車1は、風向変化に対する反応が迅速であることが特徴であり、わが国のように風向が安定しない地域に適した方式であるといえる。
すなわち、本発明の支柱タワー10は、上記実施の形態の説明からも明らかなように、両持ち支持方式の風車1、片持ち支持方式の風車1であるかを問わず、また、ヨー駆動を要するか要しないかを問わず、各種の風車1の支持用途に広汎に適合することができる。また、上記実施の形態に含まれていないが、原理的にヨー駆動を必要としない垂直軸型の風車の支持用途にも利用することが可能である。この場合には、メインタワー20が回転する構造であることを要しないので、ガイドタワー30のベアリング機構11および複合軸受けユニット14を省略した簡素な支柱タワー10を実現することができる。
1 風車、
7C クラッチ、
9 コラム、9A 上部コラム、
10 支柱タワー、
11 ベアリング機構、
14 複合軸受けユニット、
17 ヨー駆動機構
20 メインタワー、
30 ガイドタワー、
G 基礎地盤、
W スラスト過重、
P1 風下方向の水平荷重、
P2 風上方向の水平荷重、
7C クラッチ、
9 コラム、9A 上部コラム、
10 支柱タワー、
11 ベアリング機構、
14 複合軸受けユニット、
17 ヨー駆動機構
20 メインタワー、
30 ガイドタワー、
G 基礎地盤、
W スラスト過重、
P1 風下方向の水平荷重、
P2 風上方向の水平荷重、
Claims (3)
- 風車を所定上空位置に支持する鉄骨骨組み構造または鋼管連結構造からなる風力発電機用の支柱タワーにおいて、
前記支柱タワーが、風車を所定上空位置に支持するメインタワーと、該メインタワーを取り囲むように設置するガイドタワーとからなり、
前記メインタワーは、下端部を基礎地盤に固定することなくラジアル荷重とスラスト荷重とを受け止めるように立設されるとともに、前記ガイドタワーは、前記メインタワーの周囲の基礎地盤に固定されて前記メインタワーの任意の高さ中間位置を水平方向について支持し、風圧によって前記メインタワーに加わる転倒モーメントを前記メインタワーの任意の高さ中間位置から前記ガイドタワーに伝達される風下方向の水平荷重と、前記メインタワーの下端部から基礎地盤に伝達される風上方向の水平荷重とに分散することを特徴とする応力分散型の風力発電機用の支柱タワー。 - 前記メインタワーは、下端部に前記メインタワー全体を回転駆動するヨー駆動機構を備えるとともに、前記ガイドタワーは、ラジアル荷重を支持するベアリング機構を介して前記メインタワーを支持することを特徴とする請求項1に記載の応力分散型の風力発電機用の支柱タワー。
- 前記ヨー駆動機構は、伝達トルク制限型のクラッチを介して前記メインタワーを回転駆動することを特徴とする請求項2に記載の応力分散型の風力発電機用の支柱タワー。
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---|---|---|---|
JP2011176134A JP2013040566A (ja) | 2011-08-11 | 2011-08-11 | 応力分散型の風力発電機用の支柱タワー |
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JP2011176134A JP2013040566A (ja) | 2011-08-11 | 2011-08-11 | 応力分散型の風力発電機用の支柱タワー |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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CN108361156A (zh) * | 2018-03-26 | 2018-08-03 | 北京金风科创风电设备有限公司 | 塔架及风力发电机组件 |
JP2020118076A (ja) * | 2019-01-23 | 2020-08-06 | 株式会社Ihi建材工業 | 風力発電装置及びその施工方法 |
CN115182639A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-10-14 | 杜丹 | 一种电力铁塔施工安装装置及安装方法 |
CN115182639B (zh) * | 2022-06-30 | 2024-06-07 | 南安市闽亿铁塔金具有限公司 | 一种电力铁塔施工安装装置及安装方法 |
-
2011
- 2011-08-11 JP JP2011176134A patent/JP2013040566A/ja not_active Withdrawn
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