JP3074144U

JP3074144U - 風力発電タワー

Info

Publication number: JP3074144U
Application number: JP2000004222U
Authority: JP
Inventors: 将博中井
Original assignee: 株式会社ピー・エス
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2000-12-19
Anticipated expiration: 2006-06-19

Abstract

(57)【要約】【課題】風力発電タワーは、鋼製では、雨、潮風、波等
に対する防食が大きく、また、発電運用風速範囲におい
て、通常、固有振動数が発電機と共振を引きおこす範囲
にあるため制振装置が必要である。この問題を解決す
る。【解決手段】風力発電タワーをプレストレストコンクリ
ート（ＰＣ）あるいはプレストレスト鉄筋コンクリート
（ＰＲＣ）製部材で構成するか又はタワー下部をＰＣあ
るいはＰＲＣ製部材とし、その上部を鋼製部材で構成す
る。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は、風力発電のタワーに関する。

【０００２】

【従来の技術】

近年の地球温暖化問題等の環境問題をクリアーできるクリーンエネルギーとして風力発電が注目され、各地で実用発電が行われるようになってきている。この風力発電のタワーとしては、これまで鋼製のものが使われてきた。

【０００３】風力発電機は、近年大型化されつつあり、また微風から強風まで安定した発電を可能にする可変速ブレード機構が開発されている。このような風力発電機は、風向・風速情報をもとにしてブレードの向きをを風方向に変え、風速に応じてブレード角度を変化させ、ローターの回転数を制御する機構などが採られている。そして、風速２〜２２ｍ／ｓの広範囲で発電可能になっており、風速２２ｍ／ｓを越える場合には発電を中止するようになっている。

【０００４】風力発電機は回転機械であるため振動が避け難く、また複数のブレードが回転することにより強制外力を発生する。ブレードが風力発電タワーの軸と重なる場合に風を受ける面積は最小となり、風圧の乱れも生じて風荷重が最小となる。一方、ブレードがタワー軸と離れている場合に風受圧面積は最大となり、風荷重が最大となる。これを繰り返すことにより、風速が一定でも、規則的な強制外力が生まれる。例えば３枚ブレードの可変速式発電機では強制振動数の範囲は、０．７Ｈｚ〜１．５Ｈｚと見積もられる。

【０００５】風力発電機を搭載するタワーの構造設計では通常、発電機が発生する強制外力との共振を避けて設計される。しかしながら、風力発電機を支持する鋼製のタワー構造体を通常の耐震・耐風設計基準に基づいて設計すると、１次固有振動数がほぼ１Ｈｚ前後となり、発電機が発生する強制外力と共振する問題がある。共振を避けるために０．７以下の低振動数となるように設計すると、鋼材の繰返し疲労などの構造的な強度不足の問題が生ずる。一方、高振動数側に避けようとする２倍以上の鋼材が必要となって大幅な建設コスト高となる。

【０００６】また、横風を受ける柱体は、風によって生ずるカルマン渦により励振され風方向に直交する面内で振動する問題がある。発電運用風速の範囲内でタワーがカルマン渦励振により共振すると、上記発電機の振動と重なって大きな共振現象を生じ、タワーの構造上の危険が生ずる怖れがある。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

風力発電タワーは鋼製では腐食の問題があり、特に我が国では海岸近くに設置されることが多く、雨、潮風、波等に対する防食が大きな課題となる。また、回転機械である発電機では振動が避け難く、発電運用風速範囲において、鋼製タワーでは、通常、固有振動数が発電機と共振を引きおこす範囲にあるため制振装置が必要となる。また、鋼製タワーは騒音が大きいことも問題である。

【０００８】本考案はこのような問題を解決し、腐食の問題がなく、固有振動数が共振範囲外となり、制振装置等を必要とせず、騒音問題もない風力発電タワーを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

本考案は、プレストレストコンクリート（ＰＣ）あるいはプレストレスト鉄筋コンクリート（ＰＲＣ）製部材から成ることを特徴とする風力発電タワーを提供する。また、タワー下部はＰＣあるいはＰＲＣ製部材から成り、その上部は鋼製部材から成ることを特徴とする風力発電タワーを提供する。風力発電タワーをＰＣあるいはＰＲＣ部材で製作することにより、耐久的構造物となり、雨・潮風・波による腐食の問題が解消される。また、ＰＣあるいはＰＲＣ製部材を用いた風力発電タワーでは、鋼製のタワーに比べ固有振動数を高くすることができ、共振現象を引き起こす強制振動数範囲外にすることが容易である。従って、制振装置は不用である。また、コンクリート製のタワーは鋼製タワーに比べ騒音を大幅に抑えることができる。

【００１０】

【考案の実施の形態】

一端固定、他端自由な棒の横振動は次式で示される。

【００１１】

【数１】

【００１２】ここでｌ：長さ（ｍ）Ｅ：縦弾性係数（Ｎ／ｍ²）Ｉ：断面二次モーメント（ｍ⁴） ρ：比重（ｋｇ／ｍ³）Ａ：断面積（ｍ²） λ：振動形によって定まる無次元係数で、一端固定、他端自由な棒の横

【００１３】振動では、１次＝１．８７５、２次＝４．６７４、３次＝７．８５５である次に、カルマン渦励振による共振現象が生ずる共振風速Ｕ_rは下式により計算される。

【００１４】Ｕ_r＝５．０・ｆ₀・Ｄｍ ……（２）ここで、Ｕ_r ：共振風速ｆ₀：一次固有振動数Ｄｍ：２／３高さにおける外径である。Ｄｍを３ｍとすれば、タワーの一次固有振動数ｆ₀＝０．８Ｈｚの場合Ｕ_r＝１２ｍ／ｓ、ｆ₀＝１Ｈｚの場合Ｕ_r＝１５ｍ／ｓ、ｆ₀＝１．５Ｈｚの場合Ｕ_r＝２２．５ｍ／ｓである。これらの値は、ほぼ発電運用風速２〜２２ｍ／ｓの範囲内に入るため、この点からもタワーの固有振動数を高め、カルマン渦励振による共振を避ける必要がある。

【００１５】図１、図２は本考案の第一の実施例を示す部分縦断面図及びそのＡ−Ａ矢視図である。実施例は、外径３．８ｍ、内径３．０４ｍ、高さ２．５ｍのプレストレストコンクリート製セグメント（部材）１から構成されている。このセグメントは品質管理の行き届いた工場で予め製作されたものである。このセグメントは風力発電タワーの基礎上に構築され、６０本のφ３２ｍのＰＣ鋼棒１１で緊張しながら累重してタワーを構築する。図１は、ＰＣあるいはＰＲＣ製タワーの鉛直方向断面図で、ＰＣ鋼材１１の緊張方法を示しており、セグメント２段のみ示している。ＰＣ鋼材１１はセグメントごとにジャッキ１４で緊張し、アンカープレート１２にナットで定着する。さらにカプラ１３でＰＣ鋼材を接続延長し次のセグメント１１を載置しこのＰＣ鋼材を緊張してセグメントにプレストレスを導入する。タワーの上部のセグメントはモーメントが減少するので、これに応じてＰＣ鋼材の本数を減少させる。図２はＰＣ鋼材１１の配列を示すもので部分的にアンカープレート１２の配列、シース１６の配列も示した。

【００１６】タワーの基礎（地中部）は、鋼製のタワーの場合と同様に、ＲＣ製のフーチングとしてもよいが、地盤条件によっては、タワー部と同様なＰＣあるいはＰＲＣ製セグメントを地中に打ち込んで形成するＰＣウエル工法によってもよい。

【００１７】上記実施例のＰＣあるいはＰＲＣ製の風力発電タワーの固有振動数を計算により求めると、１．９５５Ｈｚとなる。これを鋼製として設計するとその固有振動数は１．３５４Ｈｚとなる。風力発電の通常の強制振動数はほぼ０．７〜１．５Ｈｚと見積もられている。実施例のコンクリート製のタワーは固有振動数が大きく、風力発電の通常の強制振動数の範囲を大きく外れており共振の問題を生じない。

【００１８】次に、図３〜図５は、第２の実施例を示すもので、図３は、タワー下部側をＰＣあるいはＰＲＣ製部材１で構築し、上部側を鋼製部材２で構築する例を示したもので、ＰＣあるいはＰＲＣ製部材１と鋼製部材２との結合部の一部切欠側面図である。図４は、図３の部分拡大図である。ＰＣ鋼材１１の頂部にワッシャ１４、ナット１５をセットし、ＰＣ鋼材を緊張して、鋼製部材２の内側フランジ３を固定する構造を示している。フランジ３は多数の補強板４で補強されている。図５は、結合部の平面図である。このＰＣあるいはＰＲＣ製部材と鋼製部材との組み合わせ構造は、タワーの下部側が波を被る海岸、小島或いは海洋上等に構築される場合に特に好適である。

【００１９】

【考案の効果】

風力発電のタワーをＰＣあるいはＰＲＣ製部材で製作することにより、雨、潮風、波等からの腐食の問題が解消し、耐久性が高くメンテナンスフリーとなり、また、発電運用風速範囲において発電機の振動と共振することがなく制振装置が不用となる。更に、鋼製タワーに比べ騒音も大幅に低減する。

【提出日】平成１２年８月１４日（２０００．８．１４）

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は、風力発電機を頂部に搭載し、基礎上に構築された円筒柱体からなる風力発電タワーに関する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】

【課題を解決するための手段】

本考案は、基礎上に構築され風力発電機を頂部に搭載した円筒柱体であって、横風を受ける風力発電タワーにおいて、タワーを構築する部材が円筒状のプレストレストコンクリート（ＰＣ）あるいはプレストレスト鉄筋コンクリート（ＰＲＣ）製部材を累重して成ることを特徴とする風力発電タワーを提供する。また、タワー下部はＰＣあるいはＰＲＣ製部材から成り、その上部は鋼製部材から成ることを特徴とする風力発電タワーを提供する。風力発電タワーをＰＣあるいはＰＲＣ部材で製作することにより、耐久的構造物となり、雨・潮風・波による腐食の問題が解消される。また、ＰＣあるいはＰＲＣ製部材を用いた風力発電タワーでは、鋼製のタワーに比べ固有振動数を高くすることができ、共振現象を引き起こす強制振動数範囲外にすることが容易である。従って、制振装置は不用である。また、コンクリート製のタワーは鋼製タワーに比べ騒音を大幅に抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の縦断面図である。

【図２】実施例の横断面図（図１のＡ−Ａ矢視図）であ
る。

【図３】実施例の一部切欠側面図である。

【図４】図３のＡ部拡大図である。

【図５】接合部の平面図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂプレストレストコンクリート（Ｐ
Ｃ）あるいはプレストレスト鉄筋コンクリート（ＰＲ
Ｃ）製部材２鋼製部材３フランジ４補強板１１ＰＣ鋼材１２アンカープレート１３カップラ１４ワッシャ１５ナット１６シース

【手続補正書】

【提出日】平成１２年８月１４日（２０００．８．１
４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】プレストレストコンクリート（ＰＣ）あ
るいはプレストレスト鉄筋コンクリート（ＰＲＣ）製部
材から成ることを特徴とする風力発電タワー。
【請求項２】タワー下部はＰＣあるいはＰＲＣ製部材
から成り、その上部は鋼製部材から成ることを特徴とす
る風力発電タワー。