JP2010031862A - タワーマウントを有する風力タービン組立体 - Google Patents

タワーマウントを有する風力タービン組立体 Download PDF

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Abstract

【課題】基盤上に風力タービン組立体を転倒モーメントに耐えるように取付けるタワーマウントを提供する。
【解決手段】風力タービン組立体100は、風力タービン発電機105と、上端部及び下端部を有するタワー102とを含む。風力タービン組立体はまた、タワーを支持するようになったタワーマウント127を含む。タワーマウントは、上端部及び下端部を有する。タワーマウントの上端部は、タワーの下端部と連結可能であり、またタワーマウントの下端部は、基盤上に風力タービン組立体を固定するように該基盤上に取付け可能である。タワーマウントは、管状であり、かつ高さ及び該タワーマウントの高さよりも実質的に大きい外側横断面寸法を有する。タワーマウントは、管状タワーマウントを形成するようにほぼ端部突合せ関係で連結可能である複数の円周方向セグメントを含む。
【選択図】図1

Description

本開示の技術分野は、総括的には風力タービン組立体に関し、より具体的には基盤上にそのような風力タービン組立体のタワーを取付けるためのマウントに関する。
風力タービンは、次第に電気エネルギーの発生に用いられるようになってきている。風力タービンは一般的に、互いに積み重ねられかつ固定された複数タワーセクションで構成されたタワーの頂上に取付けられたロータ駆動タービン発電機を含む。これらのセクションは、円筒形、截頭円錐形又はその他の好適な形状とすることができ、また一般的に中実、管状又は格子形のセクションとすることができる。例えば、1つの従来型の風力タービン組立体は、タワーセクションが各々一体成形の円筒形又は切頭円錐形鍛造鋼セクションを備えたタワーを含む。これらのセクションは、互いに接合されて、タービンブレードにクリアランスを与えかつ発電機を適切な電力発生に十分な風速が存在する高度に支持するのに十分な地上の高さに到達する。
風力タービン組立体タワーの最下側タワーセクション(基部セクションと呼ぶことが多い)は、基盤(例えば、コンクリートスラブ又はその他の好適な基盤)に固定される。各タワーセクション、特に基部セクションの直径は、風力によって発生した空力荷重と重いタービン発電機及びタービンの駆動セクションの質量によって生じた重力荷重とに耐えるようにその断面(例えば、直径)が十分に大きくなければならない。風力タービンタワーは、ますます背が高くなってきたので、タワー基部セクションの断面寸法は、それらの寸法制限或いはそれらの組立目的地までのルートにおいてそれらのセクションを通過させなければならない道路、橋及びトンネルのために、それら基部セクションの地上輸送(例えば、トラック又は鉄道による)を困難なものにするようになってきた。
風力タービンタワーの製作では、より小さな断面タワーを所定の位置に保持しかつタワーが受ける空力及び構造荷重に対してタワーを支持するために、セクションのシェル厚さの増大又はガイワイヤの使用のようなその他の手段を用いなければならなくなってきた。これらの手段は有益ではあるが、それらには、その限界があり、これもまた地上輸送が可能であるより大きな横断面の風力タービンタワー基部セクションのニーズを十分に満たすものではなかった。
米国特許第6,120,723号公報 米国特許第6,702,522号公報 米国特許第7,198,453号公報 米国特許第7,281,902号公報 米国特許第7,360,340号公報 米国特許第7,365,446号公報 米国特許出願公開第2004/0131467号公報 米国特許出願公開第2005/0163616号公報 米国特許出願公開第2006/0236648号公報 米国特許出願公開第2008/0152496号公報
1つの態様では、基盤上に直立するように構成された風力タービン組立体を提供する。本風力タービン組立体は、風力タービン発電機と、上端部及び下端部を有するタワーとを含む。タワーは、該タワーの上端部にほぼ隣接して風力タービン発電機を支持するように構成される。本風力タービン組立体はまた、タワーを支持するようになったタワーマウントを含む。タワーマウントは、上端部及び下端部を有する。タワーマウントの上端部は、タワーの下端部と連結可能であり、またタワーマウントの下端部は、基盤上に風力タービン組立体を固定するように該基盤上に取付け可能である。タワーマウントは、管状であり、かつ高さ及び該タワーマウントの高さよりも実質的に大きい外側横断面寸法を有する。タワーマウントは、管状タワーマウントを形成するようにほぼ端部突合せ関係で連結可能である複数の円周方向セグメントを含む。
別の態様では、基盤上に風力タービン組立体を取付けるようになったタワーマウントを提供する。本タワーマウントは、その組立時に該タワーマウントがほぼ管状になるように互いにほぼ端部突合せ関係で連結可能である複数の円周方向に延びるセグメントを含む。本タワーマウントは、上端部及び下端部を含み、本タワーマウントの上端部は、該タワーマウント上に風力タービン組立体を支持するように該風力タービン組立体と連結可能である。本タワーマウントの下端部は、基盤上に風力タービン組立体及び該タワーマウントを固定するように該基盤上に取付け可能である。本タワーマウントは、転倒モーメントに耐えるように構成される。
別の態様では、風力タービンを組立てる方法を提供する。本方法は、頂部端部(上端部)及び底部端部(下端部)を有するタワーを設ける段階と、タワーと関連させてナセル及びブレードを設ける段階とを含む。本方法はまた、タワーの基部において該タワーを支持するセグメント基部リングを設ける段階を含む。
タワーマウントによって基盤上に取付けられた風力タービン組立体の1つの実施形態の概略正面図。 図1の風力タービン組立体のタワーマウントの1つの実施形態の斜視図。 図2の線3−3の平面で取った断面図。 図3の断面図の一部分の拡大部分断面図。 従来技術の風力タービン組立体のタワーセクションの概略図。 図2のタワーマウントと類似のタワーマウントによって支持されかつ図5の従来技術のタワーと同じ高さを有するタワーセクションの概略図。 輸送のために地上輸送車両上に分解かつ配置された、図2の複数のタワーマウントの概略図。 タワーマウントの第2の実施形態の断面斜視図。
次に図面、特に図1を参照すると、風力タービン組立体の1つの実施形態を、その全体を参照符号100で示している。この実施形態では、風力タービン100は、水平軸114風力タービンを含む。それに代えて、風力タービン組立体100は、垂直軸風力タービンを含むことができる。風力タービン組立体100は一般的に、好適な基盤104(例えば、コンクリートスラブ、地表面又はその他の好適な基盤)上に直立したタワー102と、その全体を参照符号105で示す風力タービン発電機とを含む。風力タービン発電機105は一般的に、タワー102上に取付けられたナセル106と、ナセル106に結合されたロータ108とを含む。ロータ108は、回転可能ハブ110とハブ110に結合された複数のロータブレード112とを有する。図示したロータ108は、3つのロータブレード112を含むのが好適である。それに代えて、ロータ108は、3つよりも多い又は少ないロータブレード112を有することができる。ブレード112は、ロータハブ110の周りに配置して、風からの運動エネルギーを使用可能な機械エネルギーに、またその後に電気エネルギーに転換するようにロータ108を回転させるのを可能にする。ブレード112は、複数の荷重伝達領域122においてブレード根元部分120をハブ110に結合することによってハブ110と一体に組合される。荷重伝達領域122は、ハブ荷重伝達領域とブレード荷重伝達領域とを有する(図1には両方とも図示せず)。ブレード112内に生じた荷重は、荷重伝達領域122を介してハブ110に伝達される。
タワー102は、管状であるのが好適であり、この図示した実施形態では、タワー102は、環状でありかつタワー102内で基盤104からナセル106まで長手方向に延びる内部空洞(図示せず)を有する。タワー102は一般的に、タワー102を形成するために積み重ね端部突合せ関係(例えば、一方を他方の上に)で互いに連結可能である複数の個々のタワーセクション124を含む。タワーセクション124は各々、ほぼ一定の横断面寸法(例えば、タワーセクション124が各々ほぼ環状であるこの図示した実施形態では一定の直径)のものとすることができ、或いはタワーセクション124の1つ又はそれ以上は切頭円錐形とすることができ、及び/或いはタワーセクション124の1つ又はそれ以上の横断面寸法は、一定であるが、該セクションがタワー102の上部に向かって積み重ねられるにつれて各タワーセクション124の横断面寸法が減少する段階的構成の形態のように、その他のタワーセクションの1つ又はそれ以上の横断面寸法とは異なるものとすることができる。
図1に示すように、タワーマウント127は、タワー102を支持するために基盤104上に着座しかつ該基盤104に好適に固定される。特に図2を参照すると、タワーマウント127は、タワーセクション124のようにほぼ管状であり、この図示した実施形態では、タワーマウント127は、ほぼ環状であり、かつ上端部128、下端部130(図2に示す)及びそれらの間で延びる円周方向側壁132(図2に示す)を有する。本明細書では、上及び下という用語は、図1に示すようなタワー102の配向に関して用いている。下端部130は、タワーマウント127を基盤104に固定するのに用いるように構成されるのが好適である。例えば、図3及び図4で最も良く分かるように、下端部130は、側壁132に対して横方向内向き及び横方向外向きの両方に延びるフランジ部材131を含み、かつ側壁132の隣接する部分と共にT−フランジとして構成される。開口部の内側セット161及び開口部の外側セット163は、好適なネジ式ファスナ(図示せず)及び対応するナットなどによって、タワーマウント127を基盤104に固定するのに用いるためにフランジ部材131内に(例えば、側壁132の両側に)形成される。
図3で分かるように、タワーマウント127の下端部130におけるフランジ部材131の横方向外向きに延びる部分は、該タワーマウント127が基盤104上に着座するより大きな設置面積(フットプリント)つまり横断面寸法(例えば、この図示した実施形態では外径)をもたらす。この横断面寸法は、タワー102の最下側タワーセクション124(タワーマウント127上に着座するセクション)の横断面寸法よりも大きいのが好適である。タワー102のこのより広いフットプリントは、タワー102の頂部における空力及び重力の力によって生じるタワーマウント127における転倒モーメントに耐えるタワー102の能力の増大をもたらす。具体的には、この大きな荷重処理能力は、必要な場合であっても、タワー102の最下側タワーセクション124に対して比較的小さな横断面寸法を可能にし、タワー102の最下側タワーセクション124又はその他のタワーセクションに大きな厚さ要件を付加することはない。
一例として、図5は、従来技術の風力タービン組立体のタワーTを示す。タワーTは、最下側つまり基部セクションt3が基盤F上に取付けられた状態で3つのタワーセクションt1、t2、t3を含む。タワーTの高さは、約77.3メートル(約253フィート)であり、基部セクションt3は、それが基盤F上に着座する場所においてその直径が約4.5メートル(約15フィート)になっている。図6では、タワー102は、図5のタワーTとほぼ同じ高さであり、かつ図2のタワーマウントと同様なタワーマウント127によって支持される。タワーマウント127のフランジ部材131によって形成されたフットプリント(外側横断面寸法)は、約5メートル(約16.4フィート)である。タワーマウント127によって形成されたより広いフットプリントにより、タワー102の最下側タワーセクション124は、たとえタワーT及び102が同じ全体高さのものであるにもかかわらず、図5の従来技術のタワーTの横断面寸法よりも小さい約4メートル(約13.1フィート)の横断面寸法(すなわち、図6の実施形態では直径)を有する。従って、タワー102の最下側タワーセクション124の寸法を縮小することにより、この最下側タワーセクション(並びにタワー102のその他のタワーセクション102)の全体重量を減少させ、タワーセクションをより輸送し易くする。
タワーマウント127の上端部128は、該タワーマウント127にタワー102を連結する(すなわち、固定する)ように構成されるのが好適である。一例として、この図示した実施形態では、上端部128は、円周方向側壁132に対して横方向内向きに延びかつそれを貫通して好適なネジ式ファスナ(図示せず)を受けるようになった複数の開口部165を有するフランジ部材134を含む。タワー102の最下側セクション124の下端部は、フランジ部材134の開口部と整列してネジ式ファスナ(図示せず)及び対応するナット(図示せず)によってフランジ部材134に対してタワー102の固定を可能にするようになった複数の開口部(図示せず)を有する。タワー102は、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、溶接又はその他の好適な継手などによって、ネジ式ファスナ以外によりタワーマウント127の上端部128に連結することができることを意図している。さらに、上端部128は、フランジ部材134が側壁132から横方向外向きに延びるように構成することができ、或いは上端部128は、タワーマウント127の下端部130に類似したT−フランジとして構成する(側壁132と共に)ことができることもまた理解されたい。
図2に戻って参照すると、タワーマウント127は、互いに連結して管状(例えば、この図示した実施形態では環状)タワーマウント127を形成するように構成された複数の個々の円周方向に延びるセグメント135を含むのが好適である。例えば、この図2に示す実施形態では、タワーマウント127は、各セグメントのそれぞれの円周方向端部141において連結可能な2つの半環状セグメント135を含む。しかしながら、タワーマウント127は、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、2つよりも多いセグメント135を含むことができることを理解されたい。別の実施形態では、中間セグメント(図示せず)は、2つのセグメント135間で延びかつ各セグメント135のそれぞれの円周方向端部141において連結される。
各タワーマウントセグメント135の円周方向端部141において又は該円周方向端部141に隣接して、外部連結フランジ137が、タワーマウント127の側壁132の外面に対して固定され、またより好適には、該外面と一体形に(例えば、鋳造によって)形成される。この図示した実施形態では、各連結フランジ137は、ほぼ矩形であり、かつこの図示した実施形態ではその全体であるが、少なくともその一部が側壁132に沿って垂直方向に延びる。しかしながら、連結フランジ137は、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、矩形以外とすることができることを理解されたい。図示した連結フランジ137はまた、タワーマウント127の上端部から下端部まで側壁132のほぼ全体高さにわたって該側壁132に沿って延びるのが好適である。別の実施形態では、連結フランジ137は、タワーマウント127の全体高さよりも少ない高さにわたって延びる。
開口部139は、各連結フランジ137の長さに沿って間隔を置いた関係で該フランジ内に配置される。連結フランジ137及び開口部139は、タワーマウント127の各円周方向セグメント135についてほぼ同じ位置及び寸法にされる。従って、タワーマウント127を形成するためにセグメント135を円周方向端部突合せ関係で配置すると、隣接する連結フランジ137の開口部139は、図2に示すように互いに整列してそれら開口部を通して好適なネジ式ファスナを受ける。対応するナットを用いてネジ式ファスナを連結フランジ137に固定して、それによって連結フランジ137、従ってセグメント135を互いに固定する。
連結フランジ137に加わる剪断応力を十分に処理するために、連結フランジ137が側壁132に接合する場所に、好適な半径のフィレット(図示せず)が形成される。1つの好適な実施形態では、フィレット半径は、好適には約10mm〜約30mmの範囲内にあり、より好適には約25mmである。しかしながら、フィレット半径は、耐える必要がある応力(一般的にはより大きなフィレット半径を伴った低い応力の状態)に応じて上述以外とすることができ、それらも依然として本発明の技術的範囲内にあることを理解されたい。
1つの実施形態におけるタワーマウント127は、鋼で構成されるのが好適である。例えば、タワーマウント127は、ASTM A36及びその誘導体を含むことができるのが好適である。しかしながら、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、その他の好適な材料を用いて、タワーマウント127を製作することができる。タワーマウントセグメント135(すなわち、上端部128、下端部130、側壁132及び該側壁132をそれと接合するフィレットを含む連結フランジ137)は各々、一体形に形成されるのがより好適であり、また鋳造によって形成されるのがなお一層好適である。このような鋳造は、その他の製作法に勝る費用及び設計の利点の両方をもたらす。しかしながら、本発明の範囲から逸脱することなく、その他の好適な製作技術及び方法を用いて、タワーマウントセグメント135を製作することができることを理解されたい。
図7は、トラック(この図示した実施形態におけるのと同様な)又は鉄道車両のような地上輸送車両上に複数のタワーマウント127を配置する方法の1つの実施形態を示す。この実施形態では、タワーマウント127は各々、図2の実施形態におけるように2つの円周方向セグメント135を含む。セグメント135は、分解され、トラック荷台に長手方向に沿ってセグメント135の1つのセット150を配置しまたトラック荷台に長手方向に沿っているがセグメント135の第1のセット150に対して長手方向にオフセットさせてセグメント135の第2のセット151を配置して、セグメント135の第2のセット151からのセグメント135の円周方向端部がセグメント135の第1のセット150からのセグメント135の中間部に隣接するまで延びることができるように、配置され、またその逆にも配置される。このようにして、トラック荷台上のセグメント135によって占められた全体幅は、組立てた時におけるタワーマウント127の横断面よりも実質的には小さい。セグメント135はまた、トラック荷台上方のセグメント135の高さが比較的最小になるように、トラック上に真っ直ぐ立てて(すなわち、セグメント135の下端部がトラック荷台に対して平らに位置した状態で)搭載される。タワーマウント127のセグメント135のその他の配置もまた、セグメント135が分解されかつ地上輸送車両上に真っ直ぐ立てて搭載される限り、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、トラック上で必要なセグメント135の全体幅の減少を可能にすることができることを意図している。
次に図8を参照すると、第2の実施形態では、タワーマウント227は、タワーマウント127と同様であり、内向きに延びるフランジ部材を有する上端部と、横方向内向き及び外向きの両方に延びるフランジ部材を有する下端部と、それらの間で延びる側壁232とを含む。しかしながら、この実施形態では、側壁232は、タワーマウント227がほぼ切頭円錐形になるようにその下端部からその上端部まで内向きに傾斜している。水平に対する側壁232の角度は、約60度〜約89度の範囲内であるのが好適である。しかしながら、この角度は、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、この範囲外とすることができることを理解されたい。
本発明又は本発明の好ましい実施形態の要素を導入する場合に、数詞のない表現は、それらの要素の1つ又はそれ以上が存在することを意味しようとしている。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は、包括的であり、記載の要素以外の付加的な要素が存在することができることを意味することを意図している。
本明細書は最良の形態を含む幾つかの実施例を使用して、本発明を開示し、さらにあらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の当業者による実施を可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。
本発明の技術的範囲から逸脱することなく上記の構成及び方法において様々な変更を加えることができるので、上記の説明に含まれまた添付の図面に示した全て事項が、例示であって限定の意味ではないと解釈されることになることを意図している。
100 風力タービン組立体
102 タワー
104 基盤
105 風力タービン発電機
106 ナセル
108 ロータ
110 ハブ
112 ブレード
114 水平軸
120 ブレード根元部分
122 荷重伝達領域
124 最下側タワーセクション
127 タワーマウント
128 上端部
130 下端部
131 フランジ部材
132 側壁
134 フランジ部材
135 セグメント
137 フランジ
139 開口部
141 円周方向端部
150 第1のセット
151 第2のセット
161 開口部の内側セット
163 開口部の外側セット
165 複数の開口部
227 タワーマウント
232 側壁

Claims (10)

  1. 基盤(104)上に直立するように構成された風力タービン組立体(100)であって、
    風力タービン発電機(105)と、
    上端部及び下端部を有しかつその該上端部にほぼ隣接して前記風力タービン発電機を支持するように構成されたタワー(102)と、
    前記タワーを支持するようになったタワーマウント(127)と、を含み、
    前記タワーマウントが、上端部(128)及び下端部(130)を有し、
    前記タワーマウントの上端部が、前記タワーの下端部と連結可能であり、
    前記タワーマウントの下端部が、前記基盤上に該風力タービン組立体を固定するように該基盤上に取付け可能であり、
    前記タワーマウントが、管状であり、かつ高さ及び該タワーマウントの高さよりも実質的に大きい外側横断面寸法を有し、
    前記タワーマウントが、該管状タワーマウントを形成するようにほぼ端部突合せ関係で連結可能である複数の円周方向セグメント(135)を含む、
    風力タービン組立体(100)。
  2. 前記タワーマウント(127)が、ほぼ環状である、請求項1記載の風力タービン組立体(100)。
  3. 前記タワーマウントの円周方向セグメント(135)の各々が、それぞれの該セグメントの円周方向両端部(141)に又は該円周方向両端部(141)に隣接して一対の連結フランジ(137)を有し、
    各連結フランジが、少なくともその一部が前記タワーマウント(127)の高さの少なくとも一部分に沿って垂直方向に延び、
    1つの円周方向セグメントの各連結フランジが、円周方向に隣接する円周方向セグメントのそれぞれの連結フランジに対して、それら該セグメントを互いに連結して前記タワーマウントを組立てるように連結可能である、
    請求項1又は2記載の風力タービン組立体(100)。
  4. 前記タワー(102)が、その下端部における外側横断面寸法を有し、
    前記タワーマウント(127)の外側横断面寸法が、前記タワーの下端部の外側横断面寸法よりも大きい、
    請求項1乃至3のいずれか1項記載の風力タービン組立体(100)。
  5. 前記タワーマウント(127)の外側横断面寸法が、該タワーマウントの下端部(130)によって定まる、請求項1乃至3のいずれか1項記載の風力タービン組立体(100)。
  6. 前記タワーマウント(127)が、該タワーマウントの上端部及び下端部(128、130)間で延びる側壁(132)をさらに含み、
    前記タワーマウントの下端部が、少なくともその一部が前記タワーマウント側壁から横方向外向きに延びるフランジ部材(131、134)を含む、
    請求項1乃至5のいずれか1項記載の風力タービン組立体(100)。
  7. 前記タワーマウント(127)が、該タワーマウントの上端部及び下端部(128、130)間で延びる側壁(132)をさらに含み、
    前記側壁が、該側壁が前記タワーマウントの下端部から前記上端部に延びるにつれて、横方向内向きに傾斜する、
    請求項1乃至5のいずれか1項記載の風力タービン組立体(100)。
  8. 基盤(104)上に風力タービン組立体(100)を取付けるようになったタワーマウント(127)であって、
    その組立時に該タワーマウントがほぼ管状になるように互いにほぼ端部突合せ関係で連結可能である複数の円周方向に延びるセグメント(135)と、
    上端部(128)及び下端部(130)と、を含み、
    前記上端部が、該タワーマウント上に前記風力タービン組立体を支持するように該風力タービン組立体と連結可能であり
    前記下端部が、前記基盤上に前記風力タービン組立体及び該タワーマウントを固定するように該基盤上に取付け可能であり、
    該タワーマウントが、転倒モーメントに耐えるように構成される、
    タワーマウント(127)。
  9. 該タワーマウントが、高さ及び外側横断面寸法を有し、
    該タワーマウントの外側横断面寸法が、該タワーマウントの高さよりも実質的に大きい、請求項8記載のタワーマウント(127)。
  10. 該タワーマウントが、タワーセクション(124)に連結可能であり、
    前記タワーマウント横断面寸法が、該タワーマウントが連結される前記タワーセクションの横断面寸法よりも大きい、
    請求項9記載のタワーマウント(127)。
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