JP5314708B2 - 風力発電装置及び風車用タワー施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、風車用タワーの上部にナセルを設置して発電する風力発電装置及び風車用タワー施工方法に関する。

風力発電装置は、風車翼を備えたロータヘッドが風力を受けて回転し、この回転を増速機により増速するなどして駆動される発電機により発電する装置である。
上述したロータヘッドは、風車用タワー（以下、「タワー」と呼ぶ）上に設置されてヨー旋回可能なナセルの端部に取り付けられ、略水平な横方向の回転軸線周りに回転可能となるように支持されている。

一般的に、上述した風車用のタワーは、円筒形状のタワーシェルを用いた鋼製モノポール式を採用する場合が多く、タワーシェルの下端部に設けたベースプレートを鉄筋コンクリートの基礎にアンカーボルトで固定する構造、もしくはシェルを直接基礎に埋め込む構造となっている。なお、上述したタワーシェルは、鉄板を筒状に湾曲させた端部同士を溶接したものが使用される。

下記の特許文献には、たとえば風力発電装置用タワー構造物のように、パイルタイプのタワー構造物に適用される基礎構造が開示されている。この場合、基礎とタワー構造物との結合部においては、コンクリートが固まるのを待って次の工程に進むことになる。

米国特許出願公開第２００６／０１８５２７９号明細書

近年、風力発電装置は大出力化する傾向にあるため、タワーの大型化及び高層化が必要となっている。このようなタワーの大型化及び高層化は、一般的にはタワー径の拡大や肉厚の増大を伴うものとなる。
一方、一般的な風力発電装置のタワーは、工場で長さ方向等を分割して複数のパーツが製作され、各パーツを現地まで輸送して組み立てられる。このため、タワーの大型化及び高層化は、工場から現地まで各パーツを輸送する際において、公道等に規定されている輸送制限の制約を受ける。

このため、上述した輸送制限の制約から、タワーの大型化や高層化には自ずと限界がある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、輸送限界の制約を回避しつつ大型化や高層化に対応できるようにしたタワー構造を有する風力発電装置及び風車用タワー施工方法を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の風力発電装置は、筒形状のタワーシェルを連結したモノポール式の風車用タワーの上部にナセルを設置して発電する風力発電装置であって、前記風車用タワーは、少なくともタワー下端部側に、前記タワーシェルを内筒とし、該内筒の外周を取り囲むように外筒を設けるとともに、前記内筒と前記外筒との間が連結されている二重管構造部を備え、前記外筒は、上端部側が前記内筒の外周面に連結されるとともに、下端部側へ徐々に拡径する円錐台形状であることを特徴とするものである。

このような風力発電装置によれば、風車用タワーは、少なくともタワー下端部側に、タワーシェルを内筒とし、該内筒の外周を取り囲むように外筒を設けるとともに、内筒と外筒との間が連結されている二重管構造部を備え、外筒は、上端部側が内筒の外周面に連結されるとともに、下端部側へ徐々に拡径する円錐台形状であるから、風車用タワーの剛性を高くして高層化や大径化に対応することができる。

また、本発明の風力発電装置は、筒形状のタワーシェルを連結したモノポール式の風車用タワーの上部にナセルを設置して発電する風力発電装置であって、前記風車用タワーは、少なくともタワー下端部側に、前記タワーシェルを内筒とし、該内筒の外周を取り囲むように外筒を設けるとともに、前記内筒と前記外筒との間が連結されている二重管構造部を備え、前記外筒は、周方向を複数に分割可能とされ、かつ、前記内筒と別体に搬送可能であることを特徴とするものである。
このような風力発電装置によれば、風車用タワーは、少なくともタワー下端部側に、タワーシェルを内筒とし、該内筒の外周を取り囲むように外筒を設けるとともに、内筒と外筒との間が連結されている二重管構造部を備えているので、風車用タワーの剛性を高くして高層化や大径化に対応することができる。そして、外筒は、周方向を複数に分割可能とされ、かつ、内筒と別体に搬送可能である。
すなわち、風車タワーが大径化する場合には、外筒を内筒と別体構造とすることが望ましく、より好ましい外筒の構造は、周方向を複数に分割して現地まで搬送でき、現地組立を可能にしたものである。

上記の発明において、前記二重管構造部は、内筒と外筒との間にコンクリートを充填したコンクリート充填層を備えていることが好ましく、これにより、さらに剛性を高くすることができる。
この場合、前記内筒及び前記外筒の壁面から前記コンクリート充填層に突出する突起部を備えていることが好ましい。

本発明の風力発電装置の風車用タワー施工方法は、筒形状のタワーシェルを連結したモノポール式の風車用タワーの上部にナセルを設置して発電する風力発電装置の風車用タワー施工方法であって、前記風車用タワーは、少なくともタワー下端部側に内筒及び外筒間にコンクリートを充填した二重管構造部を備え、前記タワーシェルを前記二重管構造部の上方へ連結していくタワーシェル連結工程を、前記二重管構造部にコンクリートを充填するコンクリート打設工程と並行して実施することを特徴とするものである。

このような風力発電装置の風車用タワー施工方法は、タワーシェルを二重管構造部の上方へ連結していくタワーシェル連結工程を、二重管構造部にコンクリートを充填するコンクリート打設工程と並行して実施するので、従来構造と略同じ工期で風車用タワーを高剛性化することができる。

本発明の風力発電装置によれば、風車用タワーを高剛性化できるので、輸送制限の制約を回避しつつ、大型化や高層化に対応できるようになる。
また、本発明の風力発電装置の風車用タワー施工方法によれば、コンクリート打設工程を実施することでより一層の高剛性化が可能となる風車用タワーであっても、従来と略同じ工期による施工が可能となる。

本発明に係る風力発電装置の風車用タワーについて、二重管構造部の一実施形態を示す概略斜視図である。 図１の二重管構造部を示す縦断面図である。 コンクリート充填層を形成した二重管構造部を示す縦断面図である。 コンクリート充填層に突出する突起部を備えた二重管構造部の部分拡大断面図である。 二重管構造部の第１変形例として、外筒を矩形断面とした概略斜視図である。 二重管構造部の第２変形例として、外筒を六角形断面とした概略斜視図である。 外筒の分割構造例として、ボルト結合構造を示す断面図である。 外筒の分割構造例として、溶接構造を示す断面図である。 二重管構造部の第３変形例として、外筒を円錐台形状とした概略斜視図である。 風力発電装置の概要を示す側面図である。

以下、本発明に係る風力発電装置及び風車用タワー施工方法について、一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１０に示す風力発電装置１は、基礎Ｂ上に立設される風車用タワー（以下では「タワー」と呼ぶ）２と、タワー２の上端に設置されるナセル３と、略水平な横方向の回転軸線周りに回転可能に支持されてナセル３の前端部側に設けられるロータヘッド４とを有している。

ロータヘッド４には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚（たとえば３枚）の風車翼５が取り付けられている。これにより、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車翼５に当たった風の力が、ロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。

上述した風力発電装置１のタワー２は、円筒形状のタワーシェルを複数連結したモノポール式とされ、たとえば図１及び図２に示すように、少なくともタワー下端部側に二重管構造部２０を備えている。
二重管構造部２０は、タワー２のタワーシェル２ａを内筒とし、タワーシェル２ａの外周を取り囲むようにして外筒２１を設けたものであり、タワーシェル２ａと外筒２１との間は、適所にリブ２２やフランジ２３等の連結部材を設け、溶接やボルト結合等により一体に連結されている。

図２に示す構成例では、最も下段のタワーシェル２ａと外筒２１とが共通のベースプレート１０上に固定されているが、特に、タワー径が大きい場合には、各々独自のベースプレートを採用する別体構造とし、外筒２１を現地で組み付ける構造が望ましい。
このように構成された二重管構造部２０は、ベースプレート１０に多数設けられたボルト穴１１にアンカーボルト１２を通すとともに、アンカーボルト１２にナット１３を締め付けて基礎Ｂに固定される。図示の構成例では、タワーシェル２ａ及び外筒２１の内外両側にボルト穴１１を設けているが、これに限定されることはない。なお、図中の符号２ｂはタワーシェル２ａを連結するためのフランジ部、符号１４はグラウト層である。

上述した二重管構造部２０は、タワーシェル２ａの径より大きな外筒２１と連結されて力の伝達が可能になっているので、タワー２の下端部側では、二重管構造部２０が断面積を増大させ、タワーシェル２ａ及び外筒２１が一体の強度部材として入力に対応するので、タワー２の剛性は高くなる。
このようなタワー２の高剛性化は、風力発電装置１の大出力化に伴うタワー２の高層化や大径化を容易にする。また、タワー２の高剛性化は、二重管構造部２０により高剛性化した分、タワーシェル２ａの小径化や薄肉化を可能にする。

特に、外筒２１を現地で取り付ける別体構造とすれば、工場から現地まで搬送するタワーシェル２ａを輸送限界の制約内で製作し、現地で最終的に外筒２１を取り付けることにより、必要な剛性を確保することができる。
この場合の外筒２１は、たとえば図７に示す外筒２１′のように、円筒形状の周方向を複数に分割（図示の例では４分割）して現地まで搬送し、フランジ部２１ａをボルト・ナット２４で結合するボルト結合構造が望ましい。あるいは、たとえば図８に示す外筒２１″のように、矩形状断面の角部において、部材の端部同士を溶接部２５により現地で接合し、筒状にする溶接構造を採用してもよい。

すなわち、タワーシェル２ａより径の大きい外筒２１は、周方向を分割して現地で組立可能な構造とすることにより、搬送限界の制約を容易に回避することができるため、上述した二重管構造部２０は、タワー２の大径化に対応して剛性を増すことができる。

ところで、上述した外筒２１は、円筒形状のタワーシェル２ａより大径の円筒形状として説明したが、たとえば第１変形例として図５に示す矩形断面の外筒２１Ａや、第２変形例として図６に示す六角形断面の外筒２１Ｂとしてもよく、その断面形状が特に限定されることはない。
また、図９に示す第３変形例の外筒２１Ｃは、上端部側が内筒となるタワーシェル２１ａの外周面に連結され、基礎Ｂ側となる下端部側へ徐々に拡径する円錐台形状となっている。このような円錐台形状の外筒２１Ｃは、高さ方向の断面形状を同一にしたものと比較すれば、高さの低いものでも同等までタワー剛性を増すことができる。

上述した二重管構造部２０は、たとえば図３に示す二重管構造部２０Ａのように、内筒となるタワーシェル２ａと外筒２１との間にコンクリートを充填したコンクリート充填層３０を備えていることが望ましい。すなわち、コンクリート充填層３０を備えた二重管構造部２０Ａは、コンクリートを充填せずに空間とした二重管構造部２０と比較して、特にコンクリートの特性から圧縮応力に対する強度を増すので、さらに高剛性化したものとなる。

上述したコンクリート層３０は、たとえば図４に示すように、タワーシェル２ａの外壁面及び外筒２１の内壁面からコンクリート充填層３０に突出するスタッドジベル３１のような突起部を備えていることが好ましい。このようなスタッドジベル３１は、タワーシェル２ａ及び外筒２１とコンクリート充填層３０との間を強固に結合して一体化するので、さらなる高剛性化が可能になる。
なお、このようなコンクリート充填層３０は、上述した各変形例の外筒２１Ａ〜２１Ｃとタワーシェル２ａとの間に形成することも可能である。

ところで、上述した二重管構造部２０Ａを備えた風力発電装置１のタワー２は、下記のような施工方法により施工される。
すなわち、少なくともタワー下端部側にタワーシェル２ａ及び外筒２１間にコンクリートを充填してコンクリート充填層３０を形成した二重管構造部２０Ａを備えた風車用タワー施工方法は、タワーシェル２ａを二重管構造部２０Ａの上方へ連結していくタワーシェル連結工程を、二重管構造部２０Ａにコンクリートを充填するコンクリート打設工程と並行して実施する。

このような風車用タワー施工方法は、コンクリート充填層３０に打設されたコンクリートの固化状況が、タワーシェル連結工程に影響しないため可能になったものである。
この結果、タワーシェル２ａを二重管構造部２０Ａの上方へ連結していくタワーシェル連結工程は、コンクリート固化に時間を要する二重管構造部２０Ａのコンクリート打設工程からほとんど影響を受けずに並行して実施することができるので、工期が延びることはほとんどない。従って、二重管構造部２０Ａのない従来構造と略同じ工期により、優れた高剛性化を達成できる二重管構造部２０Ａを設けた構造にして、高剛性化したタワー２を施工することができる。

このように、上述した実施形態の風力発電装置１によれば、二重管構造部２０，２０Ａによりタワー２を高剛性化できるので、輸送制限の制約を回避しつつ、風力発電装置１の大型化やタワー２の高層化に対応できる。
また、上述した実施形態の風車用タワー施工方法を採用することにより、コンクリート打設工程を実施することでより一層の高剛性化が可能となる二重管構造部２０Ａを備えたタワー２であっても、従来と略同じ工期による施工が可能となる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ 風力発電装置
２ 風車用タワー（タワー）
２ａ タワーシェル（内筒）
３ ナセル
１０ ベースプレート
２０，２０Ａ 二重管構造部
２１，２１ａ〜２１Ｃ 外筒
３０ コンクリート充填層
３１ スタッドジベル（突起部）

Claims (5)

1. 筒形状のタワーシェルを連結したモノポール式の風車用タワーの上部にナセルを設置して発電する風力発電装置であって、
   前記風車用タワーは、少なくともタワー下端部側に、前記タワーシェルを内筒とし、該内筒の外周を取り囲むように外筒を設けるとともに、前記内筒と前記外筒との間が連結されている二重管構造部を備え、
   前記外筒は、上端部側が前記内筒の外周面に連結されるとともに、下端部側へ徐々に拡径する円錐台形状であることを特徴とする風力発電装置。
2. 筒形状のタワーシェルを連結したモノポール式の風車用タワーの上部にナセルを設置して発電する風力発電装置であって、
   前記風車用タワーは、少なくともタワー下端部側に、前記タワーシェルを内筒とし、該内筒の外周を取り囲むように外筒を設けるとともに、前記内筒と前記外筒との間が連結されている二重管構造部を備え、
   前記外筒は、周方向を複数に分割可能とされ、かつ、前記内筒と別体に搬送可能であることを特徴とする風力発電装置。
3. 前記二重管構造部は、内筒と外筒との間にコンクリートを充填したコンクリート充填層を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。
4. 前記内筒及び前記外筒の壁面から前記コンクリート充填層に突出する突起部を備えていることを特徴とする請求項３に記載の風力発電装置。
5. 筒形状のタワーシェルを連結したモノポール式の風車用タワーの上部にナセルを設置して発電する風力発電装置の風車用タワー施工方法であって、
   前記風車用タワーは、少なくともタワー下端部側に内筒及び外筒間にコンクリートを充填した二重管構造部を備え、
   前記タワーシェルを前記二重管構造部の上方へ連結していくタワーシェル連結工程を、前記二重管構造部にコンクリートを充填するコンクリート打設工程と並行して実施することを特徴とする風力発電装置の風車用タワー施工方法。

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