JP4355949B2 - 風力タービンタワー用のモジュラーキット - Google Patents

Description

本発明は、所定の最小高さと所定の最大高さとの間の範囲にある高さを有するタワー用のモジュラーキットに関する。具体的には、本発明は、風力エネルギー・タービンのタワー用のモジュラーキットに関する。

風力エネルギー・タービンのタワーは、風力エネルギー・プラントの最も費用のかかる部品の１つである。一般的に、これらのタワーは、フランジを介して相互に接続した鋼管又はプレストレストコンクリート管で作られる。また、風力エネルギー・タービン用としてラティス形タワーを使用することが知られている。しかしながら、管状セグメントで作ったタワーは、製造及び組立が容易なためにラティス形タワーよりも好ましい。さらに、高さが高い場合、ラティス形タワーは、比較的大きな底面積を必要とする。

一般的に、風力エネルギー・タービン用のタワーは、幾つかのタワーセグメントを含む。この形式のタワーは、タワーの異なる高さに合わせて設計しなければならない。このことは、必要なエンジニアリングに関してむしろ費用がかかることになる。
米国特許６，５３２，７００号公報

従って、静止構造体の再設計を全く必要としないで、それによって最小高さと最大高さとの間の範囲にある高さのタワーを比較的容易に組立てることができる幾つかのセグメントを有するタワー用のキットに対する必要性が存在する。

本発明は、最小高さと最大高さとの間の範囲にある高さを有する、特に風力エネルギー・タービンのタワー用のモジュラーキットを提供し、本モジュラーキットは、所定の長さを有する鋼管を含む第１の円錐形タワーセグメントと、所定の長さを有する鋼管を含む第２の円錐形タワーセグメントと、所定の最小長さと所定の最大長さとの間の長さを有する鋼管を含む第１の円筒形タワーセグメントとを含み、第１の円筒形タワーセグメントの長さは、タワーの最小高さと最大高さとの間の必要な高さに適応することができ、最小高さは、第１及び第２の円錐形タワーセグメントの所定の長さと第１の円筒形タワーセグメントの最小長さとの合計であり、また最大高さは、第１及び第２の円錐形タワーセグメントの所定の長さと第１の円筒形タワーセグメントの最大長さとの合計である。

本発明によると、モジュラーキットは、各々が所定の固定長さを有する２つの円錐形タワーセグメントを含む。さらに、本発明によるモジュラーキットには、少なくとも１つの円筒形タワーセグメント（以下、第１の円筒形タワーセグメントと呼ぶ）が含まれる。この第１の円筒形タワーセグメントの長さは、必要に応じてタワーの高さに適応させることができる。第１の円筒形タワーセグメントの長さは、所定の最小長さと所定の最大長さとの間の範囲にある。第１の円筒形タワーセグメントの長さを変更することによって、タワーの高さを必要な値に適応させることができる。

本発明によると、タワーの高さ次第で、第１の円筒形タワーセグメントは、ドア開口部を含むことができる。

本発明によるモジュラーキットによって、前に定めた最大高さよりも大きい高さを有するタワーを建設しようとする場合には、第１及び第２の円錐形タワーセグメント並びに第１の円筒形タワーセグメントの場合と同じように、鋼管を含む第２の円筒形タワーセグメントを使用することができる。第２の円筒形タワーセグメントの鋼管は、ドア開口部を含み、また長さを有する。本発明によるモジュラーキット内に第２の円筒形タワーセグメントを含ませることによって、タワーの最大高さは、第２の円筒形タワーセグメントの長さだけ増大させることができる。

第２の円筒形タワーセグメントの長さは、最小長さと最大長さとの間で選択することができるのが好ましい。

本発明によると、第１及び第２の円錐形タワーセグメント並びに第１の円筒形タワーセグメントに加えて、さらにプレストレスを与えた又はその他の方法で強化したコンクリート製のタワーセグメントを追加することができるようにすることも可能である。この追加タワーセグメントは、固定長さを有するか又はその長さ方向に可変にすることができる。第１の円筒形タワーセグメントを追加タワーセグメントに接続するための継手要素が準備される。

一般的に、本発明の好ましい実施形態によると、第１及び第２の円錐形タワーセグメントは各々、小さい方の端部、すなわちタワーの据付状態におけるその上端部に向かって減少する壁厚さを有する。第１の円筒形タワーセグメントは、一般的にそのタワーセグメントの全長にわたって本質的に一定である壁厚さを有する。このことは、それが存在する場合には、第２の円筒形タワーセグメントにも当てはまる。

本発明によるモジュラーキットの一部として使用するタワーセグメントは、フランジ又は同様の機械的継手によって隣接するタワー要素に接続することができるタワー要素である。さらに、本発明のタワーセグメントは、ほぼ管状である。

第１及び第２の円錐形タワーセグメントの固定長さと円筒形タワーセグメントの最大長さとは、依然として例えばトラックなどのような通常の輸送手段によって該タワーセグメントを製造現場からタワーを建設しなければならない現地まで移送することが可能なように選択される。

本明細書で円錐形タワーセグメントと記載する限り、タワーセグメントは、少なくとも１つの円錐形セクションを有することを意味する。従って、この意味で円錐形タワーセグメントは、１つ又はそれ以上の円筒形セクション、異なる円錐角（同様に逆円錐角）を有する幾つかの円錐形セクション、球形状セクション、環形又は楕円形又は多角形断面を有するセクション及びこれらのセクションの組合せを有することができる。同様に、円筒形タワーセグメント又はタワーセグメントは、円形断面以外の断面とすることができる。例えば、円筒形タワーセグメント又はタワーセグメントは、方形断面又は矩形断面を有することができる。従って、円筒形という用語は、数学的な意味において理解すべきであり、それによれると円筒壁は、直線を閉ループに沿って移動させることによって形成された閉鎖壁と定義される。円筒形タワーセグメント又はセグメントの断面はまた、円筒形タワーセグメントの長さにわたって変えることができる。従って、円錐形及び円筒形というのは、それぞれ実質的に円錐形及び実質的に円筒形の意味で理解されなければならない。

本発明の上に示した態様及びその他のより詳細な態様の幾つかを、以下の記載において説明しかつ図面において部分的に例示する。本明細書で使用する場合、様々な図全体にわたっての同様の符号は、本発明の同一又は均等な形状部を表す。

図１は、本発明によるキットの異なるタワーセグメントの側面図である。図示するように、キットは、鋼管で作られかつ所定の長さｌ１を有する第１の円錐形タワーセグメント１０と、鋼管で作られかつ第１のタワーセグメントの長さｌ１よりも小さい所定の長さｌ２を有する第２の円錐形タワーセグメント１２とを含む。両タワーセグメントの壁厚さは、タワーセグメントの組立状態において上端部であるそれらの端部に向かってテーパ状になっており、第１のタワーセグメントの下端部における該第１のタワーセグメントの直径は、第２のタワーセグメントの上端部における該第２のタワーセグメントの直径と等しくなっている。

本発明のキットの第３のタワーセグメント１４は、その長さｌ３を変更可能である円筒形鋼管を含む。最後に、本発明のキットは、これもまた円筒形鋼管として形成されかつその中に形成されたドア開口部１８を有する第４のタワーセグメント１６を含む。また、この第４のタワーセグメントの長さｌ４は、変更可能である。

上述した４つのタワーセグメントを使用することによって、図２〜図４に示すように異なる高さのタワーを建築することができる。これらの３つの風力エネルギー・タービンのハブ高さすなわちタワー高さは、最小高さから最大５０％ほども変動する。従って、例えば図２による風力電力用タービンは、２つの円錐形タワーセグメント１０及び１２とその中にドア開口部を備えたタワーセグメント１６とを有するタワー２０を含む。タワーセグメント１０は、タワーセグメント１２の上方に設置され、セグメント１２には次に、その下方にタワーセグメント１６が設置される。タワー全てが基台２２上に置かれる。

上記構成と対照的に、図３による風力エネルギー・タービンのタワー２０’はさらに、第２の円錐形タワーセグメント１２とドア開口部を備えた第４のタワーセグメント１６との間に設置された第３のタワーセグメント１４を含む。タワーセグメント１６はまた、タワーセグメント１４と一体形部品として形成することもでき、その場合にはドア開口部１８は第３のタワーセグメント１４内に形成される。

図４による風力エネルギー・タービンのタワー２０’’においては、タワーは、ここでも上述の４つのタワーセグメント１０、１２、１４、１６で作られ、このうち後者の２つのタワーセグメント１４及び１６は、図３の風力エネルギー・タービンのタワー２０’に比べて異なる長さを有する。

鋼コンクリート製の第５のタワーセグメント２４（図１参照）を使用することによって、２つの円錐形タワーセグメント１０及び１２と第３の円筒形タワーセグメント１４とを組み合わせて風力エネルギー・タービンの高さをさらに増大させることが可能になる。また、第５のタワーセグメント２４の長さ（ｌ５）も変更可能である。プレストレストコンクリート製の基台として設けられたこの第５のタワーセグメント２４は、極めて大きな耐曲げ性を有し、その結果、このタワーセグメントと第１、第２及び第３のタワーセグメントとにより組立てられたタワーは、許容固有振動数の範囲内に維持されることになる。プレストレストコンクリートのタワーセグメント２４にはドア開口部２６が設けられる。

図５は、第１、第２、第３及び第５のタワーセグメントで組立てられたタワー２０’’’を含む風力エネルギー・タービンを示す。タワー２０’’’はさらに、第３の鋼管タワーセグメント１４とプレストレストコンクリートのタワーセグメント２４との間のアダプタとして機能する継手要素２８（図１も参照）を含む。

それぞれのタワーの全高を主として決めることになるその５つのタワーセグメントを備えた上述のキットに基づいて、６０ｍ〜１００ｍの範囲の高さをもつタワーを建造することができる。第１及び第２の円錐形タワーセグメント１０及び１２は、それぞれ例えば３０ｍ及び２５ｍの長さを有し、一方、第３の円筒形タワーセグメントは、１８．５ｍの最大長さを有する。ドア開口部を備えた第４のタワーセグメントは、３．８ｍ〜８．８ｍの間の長さを有し、一方、第５の（プレストレストコンクリートの）タワーセグメントは、２２ｍの長さを有する。第３のタワーセグメントと全く同様に、第５のタワーセグメントも製造者が長さを変更可能とすることができる。この点に関して、平床トラック又は同様の車両によるこれらのタワーセグメントの輸送が依然として可能であるべきことを確認しなければならない。従って、一般的には、それぞれのタワーの所望の高さに応じて、第３、第４及び必要な場合には第５のタワーセグメントは、製造者が長さを調節可能でなければならない。

本発明によるキットは、完全モジュール方式として形成され、以下の制約条件を満たさなければならない。すなわち
・モジュール方式を可能にするために、第３及び第４のタワーセグメント１４、１６は円筒形であり、また組立てる最小タワーの下端部におけるタワーの直径は輸送の都合上、４．３ｍであるように選択される。

・ドア開口部１８は、第４のタワーセグメント１６内に配置される。従って、第４のタワーセグメント１６上方のセグメントにおける金属簿板の厚さは、ドアにより生じる局所的に必要なより大きい厚さに関係なく静的及び動的基準の下で最適化することができる。

上述した完全モジュール方式の利点は、以下のように要約することができる。すなわち、
・隣接するより小さい壁厚さへの移行に関しては制約条件が全く存在しないので、ドアの領域における壁厚さは、事実上、所望通りに大きくすることができる。従って、より大きなドアをすぐさま立案し、これにより変圧器を変圧器格納庫内にではなくタワーの内部に設置するような選択の自由度を確保することができる。

・全てのタワーに対して同一の基礎セクションを使用することができる。

・費用のかかるコンクリートベースの解決策の必要性がなくなる。

・最大約８５ｍ（この実施形態では）のタワー高さまでのタワーを完全に鋼管タワーとして形成することができる。この高さ以上からは、より高いタワーは、その上部セグメント（第１、第２及び第３のタワーセグメント）が鋼管セグメントで形成されかつその下部セグメントがプレストレストコンクリートセグメント（第５のタワーセグメント）として形成された状態でのハイブリッド・タワーとして形成される。この構成により、タワーの高さが１００ｍまで可能になる。

・異なるタワー高さに対して、その長さを部分的に適応させることになる同一のタワーセグメントを常に使用することになる。このことは、組立、配置及び保守に関して有利となる。

・鋼管セグメントは、プレストレストコンクリート基台と組合せることができ、その結果、このように建設したタワーは、その許容固有振動数の範囲内に維持されるようになる。

・円筒形鋼管セグメントにより、可変のタワー高さがほとんど費用をかけずにまた継手フランジを変更せずに実現することができる。

・ドア開口部を備えたタワーセグメントをより容易に実現することができ、同時に壁厚さにおける急激な移行領域が回避される。

・個々のセグメントを適切に建造することによって、例えば風などによって引き起こされるような最高ストレスにさらされるこれらのセグメントのみが相応に適応していれば、それで充分となる。この点に関して、より低い高さのタワーは、一般的にその建造においてより大きな余力をもたらすことになる。

発明の特定の例示的な実施形態を参照して本発明を示しかつ説明してきたが、本発明は、それらの例示的な実施形態に限定することを意図するものではない。同時に提出した特許請求の範囲によって定めた本発明の技術的範囲から逸脱することなく様々な変更及び改良を行うことができることは当業者には明らかであろう。従って、そのような変更及び改良の全てが特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして本発明に含まれることを意図している。

風力エネルギー・タービン用のタワーの組立のための、本発明によるキットに属する個々のタワーセグメントの図。 本発明のキットで作った、異なる高さのタワーを含む風力エネルギー・タービンの図。 本発明のキットで作った、異なる高さのタワーを含む風力エネルギー・タービンの図。 本発明のキットで作った、異なる高さのタワーを含む風力エネルギー・タービンの図。 本発明のキットで作った、異なる高さのタワーを含む風力エネルギー・タービンの図。

符号の説明

１０ 第１の円錐形タワーセグメント
１２ 第２の円錐形タワーセグメント
１４ 第３の円筒形タワーセグメント
１６ 第４の円筒形タワーセグメント
１８、２６ ドア開口部
２０、２０’、２０’’、２０’’’ タワー
２２ タワー基台
２４ 第５のタワーセグメント
２８ 継手要素

Claims (9)

1. 最小高さと最大高さとの間の範囲にある高さを有する、特に風力エネルギー・タービンのタワー用のモジュラーキットであって、
   所定の長さ（ｌ１）を有する鋼管を含む第１の円錐形タワーセグメント（１０）と、
   所定の長さ（ｌ２）を有する鋼管を含む第２の円錐形タワーセグメント（１２）と、
   所定の最小長さと所定の最大長さとの間の長さを有する鋼管を含む第１の円筒形タワーセグメント（１４）と、
   を含み、
   前記第１の円筒形タワーセグメント（１４）の長さが、前記タワーの最小高さと最大高さとの間の必要な高さに適応することができ、
   前記最小高さが、前記第１及び第２の円錐形タワーセグメント（１０、１２）の所定の長さ（ｌ１、ｌ２）と前記第１の円筒形タワーセグメント（１４）の最小長さとの合計であり、
   前記最大高さが、前記第１及び第２の円錐形タワーセグメント（１０、１２）の所定の長さ（ｌ１、ｌ２）と前記第１の円筒形タワーセグメント（１４）の最大長さとの合計である、
   モジュラーキット。
2. 前記第１の円筒形タワーセグメント（１４）がドア開口部（１８）を含む、請求項１記載のモジュラーキット。
3. ドア開口部と長さとを有する鋼管を含む第２の円筒形タワーセグメント（１６）をさらに含み、
   前記タワーの最小高さが、前記第１及び第２の円錐形タワーセグメント（１０、１２）の所定の長さ（ｌ１、ｌ２）と前記第１の円筒形タワーセグメント（１４）の最小長さと前記第２の円筒形タワーセグメント（１６）の長さとの合計であり、
   前記タワーの最大高さが、前記第１及び第２の円錐形タワーセグメント（１０、１２）の所定の長さ（ｌ１、ｌ２）と前記第１の円筒形タワーセグメント（１４）の最大長さと前記第２の円筒形タワーセグメント（１６）の長さとの合計である、
   請求項１記載のモジュラーキット。
4. 前記第２の円筒形タワーセグメント（１６）の長さが、所定の最小長さと所定の最大長さとの間で選択可能であり、
   前記タワーの最小高さが、前記第１及び第２の円錐形タワーセグメント（１０、１２）の所定の長さ（ｌ１、ｌ２）と前記第１及び第２の円筒形タワーセグメント（１４、１６）の最小長さとの合計であり、
   前記タワーの最大高さが、前記第１及び第２の円錐形タワーセグメント（１０、１２）の所定の長さ（ｌ１、ｌ２）と前記第１及び第２の円筒形タワーセグメント（１４、１６）の最大長さとの合計である、
   請求項３記載のモジュラーキット。
5. ドア開口部（２６）を含みかつ長さを有する強化コンクリートの別のタワーセグメント（２４）と、
   前記第１の円筒形タワーセグメント（１４）を前記別のタワーセグメント（２４）と接続するための、長さを有する継手要素（２８）と、
   を含み、
   前記タワーの最小高さが、前記第１及び第２の円錐形タワーセグメント（１０、１２）の所定の長さ（ｌ１、ｌ２）と前記第１の円筒形タワーセグメント（１４）の最小長さと前記別のタワーセグメント（２４）及び継手要素（２８）の長さとの合計であり、
   前記タワーの最大高さが、前記第１及び第２の円錐形タワーセグメント（１０、１２）の所定の長さ（ｌ１、ｌ２）と前記第１の円筒形タワーセグメント（１４）の最大長さと前記別のタワーセグメント（２４）及び継手要素（２８）の長さとの合計である、
   請求項１記載のモジュラーキット。
6. 前記別のタワーセグメント（２４）の長さが、所定の最小長さと所定の最大長さとの間で選択可能であり、
   前記タワーの最小高さが、前記第１及び第２の円錐形タワーセグメント（１０、１２）の所定の長さ（ｌ１、ｌ２）と前記第１の円筒形タワーセグメント（１４）の最小長さと前記別のタワーセグメント（２４）の最小長さと前記継手要素（２８）の長さとの合計であり、
   前記タワーの最大高さが、前記第１及び第２の円錐形タワーセグメント（１０、１２）の所定の長さ（ｌ１、ｌ２）と前記第１の円筒形タワーセグメント（１４）の最大長さと前記別のタワーセグメント（２４）の最大長さと前記継手要素（２８）の長さとの合計である、
   請求項５記載のモジュラーキット。
7. 前記別のタワーセグメント（２４）が円錐形構成になっている、請求項１から請求項６のいずれか１項記載のモジュラーキット。
8. 前記第１及び第２の円錐形タワーセグメント（１０、１２）が各々、前記タワーの据付状態においてその上端部に向かって減少する壁厚さを有する、請求項１から請求項７のいずれか１項記載のモジュラーキット。
9. 前記第１の円筒形タワーセグメント（１４）及び／又は存在する場合には第２の円筒形タワーセグメント（１６）が各々、その／それらの全長にわたって本質的に一定の壁厚さを含む、請求項１から請求項８のいずれか１項記載のモジュラーキット。

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