JP5808481B2 - タワーの生産方法 - Google Patents

Description

この発明は、風力タービンに供するタワーの生産方法に関する。

化石燃料資源の減少及び環境汚染の進行によって、クリーンなエネルギ資源を必要とする風潮にある。クリーンなエネルギ資源とは、燃焼する際にいかなる炭素質化合物をも放出することのない資源のことである。最もよく知られ、且つ最も好適であるクリーンなエネルギ資源の１つに風力エネルギがある。

いわゆる「風力エネルギ」としてのエネルギ資源は、基本的に、タービン（機械的タービンローター）を用いて、風の運動エネルギを利用可能な状態に変換することによって得られる。この機械的エネルギは、一般に、発電機によって電気エネルギに変換される。タービンは、タワーの、該タワーに対して垂直な面に配置されることが好ましい。

風速は、海水面からの海抜が上昇するにつれて大きくなるので、風から得られるエネルギ量により、タワーの高さの増長がさらに強化される。しかしながら、この風によって生じる機械的効果は、タービンを備えるタワーにも同じく影響を与える。そのため、タワーをロバスト構造とし、作業条件に従ってタワーをレンダリングすることが重要である。

種々の構造のタワーがタービンに使用されてきた。最も一般的に使用されるタワーの１つは、格子形のタワーである。格子形のタワーは、垂直又は略垂直な支持部材と、それらの支持部材をつなぐ筋かい要素とで構成されている。格子構造は、空気抵抗が低く軽量で強固なタワーを生産するのに有利であるが、その一方で、格子構造はオープン構造であるため、格子構造の内に配置される様々な装置や設備が外部からの影響に曝されることになる。さらに、格子構造の上部には鳥が住み着くことができるので、大抵の場合、回転タービンが鳥の死を招いてしまう。また、最後に、前述したように、格子構造が外部に対して開かれているという事実がタワー内の保守作業を困難にし、保守作業の長期化をもたらすとともに作業を危険にさらしてしまう。

従って、以上に述べた欠点により、風力タービンにおいては閉じられた構造のタービンタワーが好ましい。閉じられた形のタワーとして一般に使用される形の１つには、円錐形のタワーがある。円錐形のタワーでは、該タワーは円形断面を有するため受ける空気抵抗がより小さい。この円形断面は、また、タワーの底部に向けられる引張力及び圧縮力の分布を確実に一様にする。円錐形のタワーは閉じられた構造を有しているので、格子形のタワーに見られた欠点は見当たらない。タワーの断面の半径は、タワーの高さが増すほど小さくなるため、タワーの強度は、より高度の高い場所において増加する風速に対しても十分である。

円錐形のタワーは、様々な形態で生産されている。従来技術の中でも最も一般的な方法は、規定サイズの金属シートを適当な手法で切断し、当該金属シートを曲げ、接合することによって、タワーの外側面を生産する作業を含む。しかしながら、これらの作業の全体を、単一の生産現場にて実行することはできない。このようなタワーは接合作業の結果として生産され、運搬するにはとても大きすぎるため、接合作業を設置現場にて行うことが必須となる。好ましくは、タワーは、水平な上部及び底部を有する部品の形態にて生産され、これらの部品が生産現場にて組み立てられる。しかしながら、この生産方法では、使用する金属シートのほぼ半分が切断されて無駄になる。

材料の無駄および製造上の難点を回避するためには、金属シートのウェブ、すなわち金属シートのコイルを切断に先立って成形する必要がある。特許文献１には、連続する円錐構造の生産技術が開示されており、ここでは、金属シートのウェブをローラ曲機により圧延する間、金属シートの移動方向を示す線と、タワー底部の法線方向を示す線との間の角度を、円錐形状を得るべく変化させている。

特開昭５８−７０９１８号公報

しかしながら、その生産方法では、より肉厚な材料から生産される風力タービンを生産できない。以上の理由から、本発明では、上記した全ての欠点を解消するための生産方法を提供することを目的とする。

本発明に係るタワーの生産方法は、コイルの周りに巻回された金属シートを巻き戻して平面状態にするステップと、該平面状態の金属シートを、曲げ半径を変化させて横方向に曲げ加工を施すステップと、曲げ加工を施した金属シートを巻回して円錐状コイルにするステップと、金属シートＢに１回目の曲げ加工を行い、それから巻回して円錐状コイルとした後に、該円錐状コイルを下記の最終の生産段階が実施される場所に運搬するステップと、を含む最初の生産段階及び、円錐状コイルから巻き戻した金属シートを、少なくとも１つの巻線機に供給するステップと、金属シートの巻き始めの所定の巻回半径及び、長辺と中央曲げ軸との間の角度を略一定に維持して、該金属シートの前記長辺を当該金属シートの他方の長辺の上に重ねて接合するように、巻線機内の金属シートを、該金属シートの広域な表面に対して略平行である中央曲げ軸の周りに湾曲させて巻回することによってタワーを得るステップと、を含む最終の生産段階を含む。

本発明に係る生産方法によれば、タワー、特には円錐状のタワーの生産段階は２つに分けられ、タワーを構成する材料の生産準備段階は工場で行われる。最初の生産段階に続いて、コイル状に巻回した材料が最終的な生産場所に安価且つ容易に運搬され、当該場所にて最終的な生産段階が実行されて、タワーの生産プロセスは完了する。このように、より大きなタワーの生産と、生産コストの削減の両立が可能となる。

［本発明の目的］
本発明の目的は、円錐形のタワーを生産する方法を開発することにある。

本発明の他の目的は、金属シートのウェブ、すなわち金属シートコイルを用いたタワーの生産方法を開発することにある。

本発明の他の目的は、連続した生産プロセスの実施を可能にするタワーの生産方法を開発することにある。

本発明の他の目的は、運搬に関連するあらゆる問題が抑止されたタワーの生産方法を開発することにある。

本発明の他の目的は、機械的強度が高いタワーの生産を可能にするタワーの生産方法を開発することにある。

本発明の他の目的は、材料の無駄を最小限にできるタワーの生産方法を開発することにある。

本発明の他の目的は、生産、運搬及び組み立てが容易で安価なタワーを生産するための方法を開発することにある。

本発明に係るタワーの生産方法を用いたシステムが、本発明の方法よって生産されたタワーの代表的な実施形態と同様に、簡潔に以下のように記載される添付の図面に例示されている。

本発明に係るタワーの生産方法の、最初の生産段階において使用されるシステムの平面図である。 本発明に係るタワーの生産方法の、最終の生産段階において使用されるシステムの平面図である。 本発明に係るタワーの生産方法により得られるタワーに供される、曲げ加工した金属シートの斜視図である。 本発明に係るタワーの生産方法により得られる、ほぼ完成状態のタワーの斜視図である。

上記の図中の部分は個々に、以下のように参照される。

Ａ コイル
Ａ’ 円錐状コイル
Ｂ 未加工の金属シートのウェブ
Ｂ’ 曲げ加工した金属シートのウェブ
Ｂ１ 広域な表面
ｗ 金属シートの幅
Ｂ２ 短辺
Ｂ３ 長辺
ｄ 半径線セグメント
Ｃ タワー
α 曲げ角度
Ｋ 接線
Ｔ 中央曲げ軸
１ 巻き戻しユニット
２ 垂直方向の切断・接合ユニット
３ 加圧ユニット
４ サンドブラストユニット
５ 垂直方向の曲げユニット
６ エッジ切断ユニット
７ アキュムレータ
８ 巻線機

従来技術に従うタワーの生産方法とは異なり、本発明に係るタワーの生産方法は、未加工の金属シートＢのコイルＡを平面状態にし、その平面状態の金属シートＢを、曲げ加工した金属シートＢ’を得るべく横方向に曲げるとともに、巻回して円錐状コイルＡ’にする最初の生産段階と、円錐コイルＡ’を巻き戻し、タワーＣを生産するべく円錐形の螺旋に巻回して接合する最終の生産段階とを含む。
金属シートＢに曲げ加工を施して円錐状コイルＡ’にする最初の生産段階は、製造施設にて行われることが好ましい。それから、生産された円錐状コイルＡ’は、タワーＣの設置場所に運搬され、タワーＣが提供される場所にて巻回される。本発明の方法にて形成された円錐形の螺旋タワーＣでは、曲げ加工した金属シートＢ’の接合辺における荷重分布が均一であるためタワーの機械的強度が増し、薄い金属シートＢを用いて生産した場合であっても、タワーＣの機械的強度は高い。

本発明に係る方法によれば、図３に示すように、金属シートＢは横方向に曲げられる。この曲げ加工に伴って、金属シートＢは半径が一定の、もしくは半径が変化するアーチ状になる。金属シートＢを一定の半径をもって曲げた場合、得られる曲げ加工した金属シートＢ’から円筒パイプが作られる。また、曲げ半径を変化させることによって、曲げ加工した金属シートＢ’から円錐状構造を形成することができる。円筒パイプ及び円錐状構造を形成する作業は、一定軸に対して適切な曲げ半径を伴って曲げ加工した金属シートＢ’を巻回することにより行われる。この巻回作業は、曲げ加工した金属シートＢ’の曲げ半径とは異なる巻回半径にて行われる。このようにして、入口幅の異なる円筒状及び／又は円錐状の構造を生産することができる。

前記曲げ加工において金属シートＢは、該金属シートＢを巻回する際にそれが円錐形の螺旋タワーに形成されるように曲げ加工される。円錐形の螺旋における螺旋のピッチは一定なので、円錐形の螺旋を形成するために金属シートを一定の短辺Ｂ２を伴って湾曲させると、該長辺Ｂ３間に隙間が生じないように金属シートＢの長辺Ｂ３の一方が他方に重なるように隣接する、円錐状の構造が作られる。円錐状の螺旋構造を形成するために、横方向に曲げ加工する金属シートＢの曲げ方程式ｆは、以下であることが好ましい。

ここに、K(t)は曲げ関数、tは曲げ加工が行われる位置から金属シートＢの一端までの距離、aは角周波数、rは（タワーの底部における）螺旋の半径を示す。金属シートＢの長辺Ｂ３は、タワーＣを形成するにあたり、該金属シートによって空間を閉じるよう湾曲される。角周波数ａは、金属シートの幅ｗに対し間接的に比例するようになる。螺旋の半径は順々に、タワーＣのより小さな半径に等しい。このように、曲げ半径ｄは上記の方程式ｆを用いて決定され、金属シートＢは、円錐形の螺旋、すなわちタワーＣを形成するよう横方向に曲げ加工される。

図１は、本発明の生産方法の最初の生産段階における、生産バンドの平面図である。本発明に係る方法の最初の生産段階は、同様に、以下に示す作業の少なくとも１つを含むことができる。

「金属シートへの署名作業」
コイルＡを、巻き戻されたユニット１に展開し、平面状態の金属シートＢにした後、及び／又は、この方法の他のステップの後に、金属シートＢ上、好ましくは該金属シートＢの上部に署名する作業である。この署名作業は、金属シートＢの成形が適切なジオメトリにて行われているか否かを確認するのに使用することができる。

「署名の確認作業」
金属シートＢへの署名作業は、少なくとも１つの署名検出器（図示せず）によって検出されることが好ましい。このようにして金属シートＢのジオメトリを確認し、必要があれば、追加の生産段階において当該金属シートのジオメトリを修正する。

「接合作業」
タワーの生産に用いられる、該コイルＡの周りに巻回される金属シートＢの量は限られているため、より大きなタワーを生産するにあっては、１つ以上のコイルＡを接合することが必要となる場合がある。生産の継続性を確保するために、垂直方向への切断及び接合ユニット２によって、複数の金属シートＢをそれらの短辺の各々にて垂直方向に連続的に接合し、要求された大きさの金属シートＢを得るよう金属シートＢの全長を延長する。

「エッジ切断作業」
金属シートＢの短辺に、予め存在するか、又は曲げ加工後の生じたすべての欠陥を該金属シートから切除するために、金属シートの長辺Ｂ３を、エッジ切断ユニット７を用いて直線的に切断する（金属シートの短辺の接線方向に切断する）（図３、４参照）。このようにして、金属シートＢの接合点を構成する短辺が滑らかになり、続く接合作業を問題なく行うことができる。

「ウェルドプールの形成作業」
溶接作業は、同様のタワーの生産において、タワーの構成要素を接合するために広く用いられている。そのため、金属シートＢの辺部分に溶接作業のためのウェルドプールが形成される。この理由から、本発明に従う方法では、ウェルドプール形成ユニット（図示せず）を用いて金属シートの辺部分にウェルドプールを形成する。

「サンドブラスト作業」
サンドブラストユニット４は、金属シートＢの表面の粗さを取り除き、金属シートＢの表面抵抗を高めるために用いられる。また、サンドブラストユニット４は、塗装作業にも用いられ、金属シートＢの少なくとも１つの広域な表面Ｂ１がサンドブラスト作業に曝される。

「塗装作業」
外部の影響に対する保護を提供するべく、金属シートＢを塗装することが好ましい。塗装作業により、金属シートＢは外部の影響、特には腐食から保護される。

「乾燥作業」
金属シートＢに施した塗装が乾燥するまでの時間を短縮する目的で乾燥作業を実行するにあたり、少なくとも１つの乾燥ユニット（図示せず）を用いることが好ましい。この乾燥作業は、問題のない塗装作業を提供し、且つより高い生産性を継続することを可能にする。

最初の生産段階を経て曲げ加工を施した金属シートＢ’を巻回して円錐状コイルＡ’にする先立ち、該金属シートＢ’をアキュムレータ７の周りに巻回することが好ましい。アキュムレータ７は、金属シートＢ’を巻回し円錐状コイルＡ’にする前の定常状態にある間、当該金属シートＢ’にいかなる処理をも行うことができる。例えば、塗装作業及び乾燥作業は、金属シートＢ’をアキュムレータ７に巻回した状態であっても、アキュムレータにて人手により実行することができる。さらに、アキュムレータ７は生産場所におけるスペースを節約することができる。

本発明に係る最初の生産段階では、金属シートＢを水平（金属シートの大きい方の表面Ｂ１が地面に対して平行になる）に処理することもできるし、又は垂直（金属シートの大きい方の表面Ｂ１が地面に対して垂直になる）に処理することもできる。垂直処理には、水平処理と比較して様々な利点がある。それらの利点の１つは、２つの金属シートＢを接合する溶接作業は、垂直方向に処理する方が水平方向に処理するより容易であることである。水平処理と垂直処理との最も顕著な差は、曲げ加工した金属シートＢ’が、曲げ加工に続く生産バンド上を、垂直方向又は水平方向に移動することである。これに関連して、曲げ加工した金属シートＢ’を生産場所に保管するのに要求されるスペースは、垂直又は水平に配置される。しかしながら、垂直生産される場合、金属シートは曲げ加工に続いて、わずかに傾斜させた水平生産に近づけることにより金属シートを保管するスペースが減少する。この角度調節が可能な処理では、図１に例示されるように、金属シートＢ’を地面に対し様々な角度位置にして、角度のあるアキュムレータ７にて維持することができる。

最初の生産段階にて、金属シートＢの１回目の曲げ加工を行い、それから巻回して円錐状コイルＡ’とした後、曲げ加工した金属シートＢ’はタワーＣの設置場所（及び最終の生産段階が実施される場所）に運搬される。この運搬作業は、曲げ加工した金属シートＢ’が円錐状コイルＡ’の形状に巻回されているため、容易且つ安価に行うことができる。

図２は、本発明に従う生産方法の最終の生産段階が実施された、生産バンドの例示的平面図である。タワーの設置場所にて行うことが好ましい最終の生産段階において、円錐状のコイルＡ’は巻き戻され、巻き戻された金属シートＢ’は巻線機８に送り込まれる。金属シートＢ’は巻線機８にて巻回され、円錐形のタワーＣ構造が作られる。すなわち、金属シートの長辺Ｂ３が、当該長辺Ｂ３に隣接する方法にて接合される。この巻回作業は、巻回される金属シートＢ’の曲げ半径とは異なる、初期の巻回半径にてなされる。巻回した金属シートＢにおいて、重ね合わせられた長辺Ｂ３は、最初の生産段階で作られたウェルドプールにて溶接する方法によって互いに固定される。このように、一体成形の連続的な金属シートＢ’がタワーＣの製造に用いられる。この種のタワーＣの製造は、連続的な金属シートＢを用いた連続的作業による製造である。図４には、この作業によって巻回した、ほぼ完成のタワーＣが例示されている。巻回してタワーＣをなすにあたって、金属シートＢ’の長辺Ｂ３の巻回軸Ｔに対する角度α、すなわち金属シートＢ’の長辺Ｂ３に正接する任意の直線Ｋの、巻回軸Ｔに対する角度αは一定に保たれる。

上記の巻回作業において、正確に巻回してなるタワーＣを得るよう、金属シートを巻線機８に正しい位置から供給しなければならない。巻回させる金属シートＢ’の半径は、特に円錐状のタワーを巻回するにあっては様々になるので、巻線機８に対する金属シートの位置が変わる可能性がある。このため、本発明に従う好適な実施形態では、巻回作業を正しい方法にて行うように、巻線機８に供給される金属シートＢ’の位置を、水平軸及び垂直軸にて調整するだけでなく角度的にも調整することができる。

本発明の他の実施形態において、タワーＣは２枚以上の金属シートＢ’を、金属シートＢ’の短辺Ｂ２から金属シートの端同士を接合する形状として、同様に巻回させることもできる。特に、より高いタワーＣを形成する場合、１つの円錐状コイルに巻回された金属シートＢ’の量では、タワーＣの全体を形成するのには不十分である。この場合、円錐状コイルＡ’に提供された金属シートＢ’のすべてが巻線機８に供給された後、次の円錐状コイルＡ’が持ち込まれ、この円錐状コイルＡ’に巻回された金属シートＢ’が巻き戻されるとともに、金属シートＢ’の少なくとも一方の短辺Ｂ２が、巻線機８内に巻回された先の金属シートＢ’の少なくとも一方の短辺Ｂ２に接合される。この固定作業は、好ましくは溶接により行われる。金属シートＢ’の厚みは、好ましくは生産するタワーＣの大きさ及び形状による要求に応じて異なる。

本発明に係る生産方法によれば、タワーＣを生産するための金属シートＢの第１の成形及び調整作業は生産設備（プラント）にて行われる。また、金属シートＢを円錐状コイルＡ’としてタワーＣを製作する材料を非常に小さな体積に維持し、その形状のままタワーの設置場所まで運搬する。また、この円錐状コイルＡ’を用いることによって、最終の製造段階を現場にて容易に実施することができる。このように、現場にて要求される機器の数や作業量が最小化される。さらに、連続的な金属シートＢが曲げ加工され、湾曲した状態にて用いられるため、金属シートを切断する際に該金属シートから生じる無駄な材料も同様に最小化することができる。

Claims (11)

1. タワー（Ｃ）の生産方法であって、最初の産段階及び最終の生産段階を含み、前記最初の生産段階が、
   ・コイル（Ａ）の周りに巻回された金属シート（Ｂ）を巻き戻して平面状態にするステップと、
   該平面状態の金属シート（Ｂ）を、曲げ半径（ｄ）を変化させて横方向に曲げ加工するステップと、
   ・該曲げ加工した金属シート（Ｂ’）を巻回して円錐状コイル（Ａ’）にするステップと、
   ・当該最初の生産段階にて、前記金属シート（Ｂ）に１回目の曲げ加工を行い、それから巻回して円錐状コイル（Ａ’）とした後に、該円錐状コイル（Ａ’）を前記最終の生産段階が実施される場所に運搬するステップと、
   を含み、且つ前記最終の生産段階が、
   ・前記円錐状コイル（Ａ’）から巻き戻した前記金属シート（Ｂ’）を、少なくとも１つの巻線機（８）に供給するステップと、
   ・前記金属シート（Ｂ’）の巻き始めの所定の巻回半径及び、長辺（Ｂ３）と中央曲げ軸（Ｔ）との間の角度を略一定に維持して、該金属シート（Ｂ’）の前記長辺（Ｂ３）を当該金属シート（Ｂ’）の他方の長辺（Ｂ３）の上に重ねて接合するように、前記巻線機（８）内の前記金属シート（Ｂ’）を、該金属シート（Ｂ’）の広域な表面（Ｂ１）に対して略平行である前記中央曲げ軸（Ｔ）の周りに湾曲させて巻回することによってタワー（Ｃ）を生産するステップと、
   を含むことを特徴とする、タワー（Ｃ）の生産方法。
2. 前記変化させる曲げ半径（ｄ）の曲げ関数Ｋ（ｔ）が次式で表され、ここに、ｔは前記金属シート(Ｂ)に曲げ加工が行われる位置から前記金属シート（Ｂ）の一辺までの距離、ａは角周波数、ｒはタワー（Ｃ）の底部半径を示すことを特徴とする、請求項１に記載のタワー（Ｃ）の生産方法。
   
3. 前記最初の生産段階が、１つの金属シート（Ｂ）を他の金属シート（Ｂ）に接合するステップを含み、前記金属シート（Ｂ）の幅（ｗ）に沿って延在する当該金属シート（Ｂ）の短辺（Ｂ２）の端部同士を互いに溶接することを特徴とする、請求項１に記載のタワー（Ｃ）の生産方法。
4. 前記最初の生産段階が、前記金属シート（Ｂ）の少なくとも１つの長辺（Ｂ３）を直線状に切断するステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載のタワー（Ｃ）の生産方法。
5. 前記最初の生産段階が、前記金属シート（Ｂ）の曲げ加工を行った後に、当該金属シート（Ｂ）にサンドブラト処理を施すステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載のタワー（Ｃ）の生産方法。
6. 前記最初の生産段階が、前記サンドブラスト処理する作業に続いて、前記金属シート（Ｂ）に塗装を施すステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載のタワー（Ｃ）の生産方法。
7. 前記最初の生産段階が、前記曲げ加工した金属シート（Ｂ’）を巻回して円錐状コイル（Ａ’）にするに先立ち、当該曲げ加工した金属シート（Ｂ’）をアキュムレータ（７）の周囲に巻回する作業を含むことを特徴とする、請求項１に記載のタワー（Ｃ）の生産方法。
8. 前記最終の生産段階における、前記金属シート（Ｂ’）を巻線機へ供給するステップにおいて、前記金属シート（Ｂ’）の巻線機（８）に対する位置が異なる曲げ半径に応じて変化することを特徴とする、請求項１に記載のタワー（Ｃ）の生産方法。
9. 前記最終の生産段階が、１つの金属シート（Ｂ’）を他の金属シート（Ｂ’）に接合するステップを含み、これら金属シート（Ｂ’）の前記短辺（Ｂ２）同士を互いに溶接することを特徴とする、請求項１に記載のタワー（Ｃ）の生産方法。
10. 異なる厚みを有する複数の金属シート（Ｂ’）を、該金属シート（Ｂ’）の端部同士を溶接する方法にて接合するステップを含むことを特徴とする、請求項９に記載のタワー（Ｃ）の生産方法。
11. 前記最初の生産段階にて前記金属シート（Ｂ）を湾曲させるに先立ち、該金属シート（Ｂ）をその表面が地面に対して垂直な状態で略垂直に加工し、前記曲げ加工に引き続いて前記金属シートを傾けることを特徴とする、請求項１に記載のタワー（Ｃ）の生産方法。