JP5022487B2 - 風車用タワー及び風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、モノポール式の風車用タワー（支柱）及びこの風車用タワーを備えた風力発電装置に関する。

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、円筒形状のシェルを用いた鋼製モノポール式を採用する場合が多い。このような鋼製モノポール式のタワーにおいては、円筒形状とした鋼製のシェルが主たる強度部材となるので、シェルの外径を大きくすると断面効率が向上する。従って、鋼製モノポール式のタワーは、重量低減が可能な範囲内において、シェルの外径をできるだけ大きくすることが望ましい。

一方、風力発電装置用のタワーには、スペースフレーム構造を採用したものがあり、非周期的な突風または持続する高速の風によって生じる共鳴振動等を減衰させるため、長手方向部材及び対向線部材の少なくとも１つを減衰部材とすることが提案されている。（たとえば、特許文献１参照）
特表２００８−５４０９１８号公報

近年の風力発電装置は、風車翼の翼長を増して大型化する傾向にある。このため、タワーが高くなるとともに、タワーの上端に設置されるナセルの重量が増大することも避けられない。
一方、タワーの外形寸法は、たとえば輸送路に制約される大きさや輸送手段により制限される重量等のように、輸送条件等の各種制約条件を満たす必要がある。このため、タワーの設計時において、タワーの外形寸法については輸送等の制約範囲内でできるだけ大きく設定し、かつ、必要な剛性についてはタワーのシェル板厚を調整（増厚）して確保することが一般的に行われている。

しかしながら、風力発電装置が大型化すると、タワーに要求される剛性も大きくなり、しかも、タワーの外径寸法を大きくして対処するには限界があるので、必要となるシェル板厚が製作可能な板厚範囲を超えて大きくなることも予想される。
また、風力発電装置の建設は、複数に分割されたタワーセクション部材を接続して必要な高さのタワーとし、さらに完成したタワーの最上部にナセル等の機器を設置するという手順で実施されるが、建設段階毎にタワー高さやタワーに載荷される重量が変わるため、タワーの共振風速も建設段階毎に異なってくる。

一方、風力発電所は、通常複数（多数）の風車により構成されており、建設作業の効率化及び建設費用低減の観点から、大型クレーンでのナセル等の機器設置に先行して、比較的小型のクレーンでタワーセクション部材の一部を建設するといった建設手順が採用される場合もある。このような工法を採用する場合、建設途中段階で放置される期間が長くなるため、その状態における共振風速によっては放置期間を制限する等の対策が必要となってくる。

このような背景から、鋼製等のタワーシェルが荷重を負担する風力発電装置のモノポール式タワーにおいては、タワーシェルに作用する荷重を低減して風力発電装置の大型化に伴うタワー外径寸法やシェル板厚の増大を最小限に抑えることが必要であり、また、建設途中段階でのタワー変形を抑制して建設作業への制約を最小化することが求められる。
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、モノポール式のタワーを備えた風力発電装置において、タワー上部が受ける水平力をタワー下部または基礎へ分散させ、タワーシェルに作用する荷重を低減するとともに、外力によるタワー変形を抑制した風車用タワー及びこれを備えた風力発電装置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。
本発明の風車用タワーは、主としてタワーシェルが荷重を負担するように構成されたモノポール式の風車用タワーにおいて、前記タワーシェルの内壁に連結されてタワー内部空間を上下方向に分割するプラットフォームと、一端を前記プラットフォームまたは基礎に固定して取り付けられた弾性支承と、前記タワー内部空間に配設され、前記弾性支承の他端と、前記弾性支承と対向する位置にある前記プラットフォームまたは前記基礎との間を連結して前記弾性支承からの水平力を前記タワーシェルまたは前記基礎に伝達する荷重伝達部材と、を備えていることを特徴とするものである。

このような本発明によれば、タワーシェルの内壁に連結されてタワー内部空間を上下方向に分割するプラットフォームと、一端を前記プラットフォームまたは基礎に固定して取り付けられた弾性支承と、タワー内部空間に配設され、弾性支承の他端と、弾性支承と対向する位置にあるプラットフォームまたは基礎との間を連結して弾性支承からの水平力をタワーシェルまたは基礎に伝達する荷重伝達部材と、を備えているので、風車用タワーの上部が受ける水平力をタワー下部または基礎へ分散させ、タワーシェル内に作用する荷重を低減するとともに、外力による風車用タワーの変形を抑制することができる。

上記の発明において、前記弾性支承は、前記荷重伝達部材により予め圧縮した状態に取り付けられた免震機能を有する積層ゴムであることが好ましく、これにより、弾性支承に引張力が作用しても積層ゴムが剥離することを防止できる。

上記の発明において、前記タワーシェルは、複数に分割されたタワーセクション部材を連結する接合部を有し、前記荷重伝達部材は、異なるタワーセクション部材間で前記タワーシェルと接合することが好ましく、これにより、接合部に作用する荷重を低減できる。

上記の発明において、前記弾性支承のバネ定数は、前記タワーシェルに作用する荷重の低減期待量に応じて設定することができる。
すなわち、完成時や建設途中段階毎の外力による変形に対して適度な抑制効果をもつよう弾性支承のバネ定数を考慮することにより、建設作業への制約の緩和が可能となる。

本発明の風力発電装置は、風車翼に風力を受けて略水平な回転軸線周りに回転するロータヘッドがナセル内部に設置された発電機を駆動して発電する風力発電装置において、基礎上に立設された請求項１から４のいずれかに記載の風車用タワーを備え、該風車用タワーの上端に前記ナセルが設置されていることを特徴とするものである。

このような本発明の風力発電装置によれば、基礎上に立設された請求項１から４のいずれかに記載の風車用タワーを備え、該風車用タワーの上端にナセルが設置されているので、風車用タワーの上部が受ける水平力を弾性支承によりタワー下部または基礎へ分散させ、タワーシェル内に作用する荷重を低減するとともに、外力による風車用タワーの変形を抑制することができ、従って、タワー外径寸法やシェル板厚の増大を最小限に抑えて輸送限界等の制約を回避し、風力発電装置の大型化が可能になる。

上述した本発明によれば、タワー上部が受ける水平力をタワー下部または基礎へ分散させ、タワーシェルに作用する荷重を低減するとともに、外力によるタワー変形を抑制したモノポール式の風車用タワー及びこれを備えた風力発電装置を提供することができる。この結果、風力発電装置の大型化に伴うタワー外径寸法やシェル板厚の増大を最小限に抑えることが可能になり、輸送限界等の制約を回避して風力発電装置の大型化を達成できるという顕著な効果が得られる。
また、風力発電装置の各建設段階における外力によるタワーの変形を抑制することにより、建設作業に対する制約条件を緩和でき、各種の建設方法への適用が容易になる。

本発明に係る風車用タワーの一実施形態を示すタワー構造の斜視図である。 図１に示したタワー構造において、タワーの変形により生じる弾性支承の相対変位が上部荷重の一部を下部に伝達する状態を示す説明図である。 本発明に係る風車用タワーの変形例を示すタワー構造の斜視図である。 本発明のタワー構造を備えた風力発電装置の概要を示す側面図である。

１ 風力発電装置
２ 風車用タワー
２ａ，２ｂ タワーセクション部材
３ ナセル
４ ロータヘッド
５ 風車翼
２１ タワーシェル
２２ プラットフォーム
２３ 荷重伝達部材
３０ 弾性支承
Ｂ 基礎
Ｌ 接合線

以下、本発明に係る風車用タワー及び風力発電装置について、その一実施形態を図面に基づいて説明する。
図４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の一端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。
ナセル３の外周面適所（たとえば上部等）には、周辺の風速値を測定する風速計７と、風向を測定する風向計８とが設置されている。

図１に示すタワー２は、主として鋼製のタワーシェル２１が荷重を負担するように構成されたモノポール式であり、接合線Ｌで二つのタワーセクション部材２ａ，２ｂを上下に連結して、必要なタワー高さを確保している。
なお、タワー２を構成しているタワーセクション部材の数（タワー２の分割数）については、タワー２の高さ等に応じて異なるものであるから、特に限定されることはない。

上述したタワー２は、円筒形状としたタワーシェル２１の内壁に連結されてタワー内部空間を上下方向に分割するプラットフォーム２２と、一端をプラットフォーム２２に固定して取り付けられた弾性支承３０と、タワー内部空間に配設され、弾性支承３０の他端とプラットフォーム２２または基礎Ｂとの間を連結して、弾性支承３０からの水平力をタワーシェル２２または基礎Ｂに伝達する荷重伝達部材２３とを備えている。

すなわち、図示のタワー２は、基礎Ｂの上部に存在する円筒のタワー内部空間を上下方向に分割する３枚のプラットフォーム２２を備え、３分割された各タワー内部空間内には、弾性支承３０及び弾性支承３０からの水平力を伝達する荷重伝達部材２３が配置されている。
なお、プラットフォーム２２の枚数及びタワー内部空間の分割数は、タワー２の高さ等に応じて異なるため、特に限定されることはない。

プラットフォーム２２は、タワー２を構成しているタワーセクション部材２ａ，２ｂの内壁面に固定された鋼板等の円板状部材であり、風力発電装置１の建設時等において足場としても使用される。このプラットフォーム２２は、たとえば円板を全周にわたって溶接することにより、タワー２の内周面に剛結合されている。なお、プラットフォーム２２には、人が通過するための開口に加えて、ケーブルやエレベーター等を通すために必要な開口部が設けられている。
また、プラットフォーム２２の固定位置は、タワーセクション部材２ａ，２ｂを連結する接合部から下方へ若干ずらした位置とする。すなわち、図１の構成例では、接合部に最も近いプラットフォーム２２の固定位置が、タワーセクション部材２ａ，２ｂを連結した分割線Ｌより少し低い位置となるように設定されている。

弾性支承３０は、たとえば積層ゴムのように、弾性成分に加えて減衰成分を有するものが使用される。この弾性支承３０は、その一端がプラットフォーム２２を介してタワーシェル２１と連結され、他端側には１または複数本の荷重伝達部材２３が連結されている。図示の構成例では、各プラットフォーム２２の下面側中心（タワー２の軸中心）付近に対し、１つの弾性支承３０の上面が固定されている。

荷重連結部材２３は、弾性支承３０の他端とプラットフォーム２２または基礎Ｂとの間を連結する鋼材等で構成される部材である。
図示の構成例では、１つの弾性支承３０に対して４本の荷重連結部材２３が連結されている。この場合、４本の荷重連結部材２３は、プラットフォーム２２の円周方向において９０度ピッチに分配され、上端部側がプラットフォーム２２の中心位置付近に溶接またはボルト等により固定されるとともに、下端部側がプラットフォーム２２の外周端付近に溶接またはボルト等により固定される。すなわち、荷重連結部材２３の上端部側は、弾性支承３０を介してタワーシェル２１と連結されている。

この結果、各荷重連結部材２３は、タワー２の中心から内周面側へ向けて外向きに傾斜した状態となる。なお、最下段に設けられた荷重連結部材２３の下端部については、プラットフォーム２２ではなく、基礎Ｂに溶接またはボルト等により固定されている。
このように、上述した本実施形態のタワー２は、タワー２内に弾性支承３０を配置し、タワー２の上部が受ける水平力を弾性支承３０、荷重連結部材２３及びプラットフォーム２２によりタワー２の下部または基礎Ｂへ分散させ、タワーシェル２１内に作用する荷重を低減するとともに、外力によるタワー２の変形を抑制するものである。

このように構成されたタワー２は、タワー２が水平力を受けた場合、たとえば図２に示すように、風荷重等の水平力を受けたタワーシェル２１が変形し、この変形に伴ってプラットフォーム２２が略水平方向に変位する。この際、各プラットフォーム２２の位置における水平変位量がそれぞれ異なるため、プラットフォーム２２に固定される弾性支承３０の位置と、荷重伝達部材２３の下端をプラットフォーム２２と連結した位置との間に相対変位を生じるが、この相対変位は、弾性支承３０に変形を生じさせ、その水平反力は、荷重伝達部材２３及びプラットフォーム２２を介してタワーシェル２１の下部へ伝達される。

すなわち、プラットフォーム２２の下面に固定された弾性支承３０の上端位置と、荷重伝達部材２３の上端部の弾性支承３０への連結位置である弾性支承３０の下端位置との間においては、弾性支承３０の下端位置が荷重伝達部材２３により変位拘束を受けて弾性支承３０の相対変位δを生じる。この相対変位δは、弾性支承３０の設置位置にタワーに作用する外力と逆向きの水平力を作用させ、弾性支承３０の位置における荷重を軽減するとともに、その反力を荷重伝達部材２３により、荷重伝達部材２３の下端部とタワーシェル２１との接合位置に伝達させる。

この結果、弾性支承３０の上面位置のプラットフォーム２２と荷重伝達部材２３の下端のプラットフォーム２２との間のタワーシェル２１では、弾性支承３０に発生する水平力の分だけタワーシェル２１に作用する荷重が低減される。
従って、上述したプラットフォーム２２、荷重伝達部材２３及び弾性支承３０の組合せ（以下、総称して「弾性支承ユニット」と呼ぶ）をタワー２内に複数設置することにより、弾性支承ユニットが一対のプラットフォーム２２間でタワーシェル２１に作用する荷重を低減し、最終的には基礎Ｂに水平分力を分散させることができる。

このため、弾性支承３０の上面位置と荷重伝達部材２３の下端をタワー２に連結する下面位置との間においては、作用する荷重の低減に伴い、タワーシェル２１のシェル板厚を低減することが可能になる。従って、弾性支承３０の上面位置と荷重伝達部材２３をタワー２に連結する下面位置との間においては、シェル板厚を低減しても必要な強度を得ることができる。

また、上述した実施形態は、弾性支承ユニット毎に弾性支承３０が機能してタワーシェル２１への作用荷重を低減するので、風力発電装置１の運転時に作用する水平方向の外力を受けても、タワー２の応答変位を低減することが可能になる。さらに、風力発電装置１の建設時には、タワー２の建設途中においても弾性支承ユニットが組み込まれていれば、タワー２の応答変位を低減できるので、建設条件を緩和することができる。すなわち、タワー２の組立・建設時に定められている据付条件（たとえば、建設途中段階において同じ組立状態が許容される時間など）または望ましくない状態・状況を緩和し、柔軟な施工を許容することができる。

このとき、弾性支承３０のバネ定数を適宜調整することにより、上部水平力の下部への伝達割合を調整することができ、また、弾性支承３０のばね定数及び減衰特性を適宜調整することにより、タワー２の固有振動数を調整することができる。この場合のバネ定数及び減衰特性は、設計データ等に基づくシミュレーションを各建設段階や完成時毎に実施し、異なる状況毎に予測される値から最適値を採用すればよい。具体的には、タワーシェル２１に作用する荷重の低減期待量に応じてバネ定数を設定し、また、ばね定数及び減衰特性によりタワー２の固有振動数を調整することにより、すなわち、風力発電装置１の建設途中段階や完成時及び運転中毎に異なる外力による変形に対して適度の抑制効果をもつとともに、タワーの共振を防止するよう弾性支承３０のバネ定数及び減衰特性を設定することにより、タワーシェル２１に作用する荷重の低減、及び、建設作業への制約の緩和が可能となる。

また、弾性支承ユニットの上部から弾性支承ユニットの下部へ伝達される荷重は、すなわち、荷重伝達部材２３を介してプラットフォーム２２からタワーシェル２１へ伝達される荷重は、プラットフォーム２２の位置を接合線Ｌよりやや下方となるようにずらしたので、荷重伝達位置が接合線Ｌより下側となる。このため、接合線Ｌに作用する荷重が低減されるので、タワーセクション部材２ａ，２ｂを連結する部材に必要な接合ボルトのサイズや数量を低減することが可能になる。

ところで、上述した積層ゴムの弾性支承３０は、荷重伝達部材２３により予め圧縮した状態に取り付けておくことが望ましい。
これは、積層ゴムに引張力が作用すると積層ゴムの剥離により弾性支承３０が破損するためであり、従って、たとえばジャッキ等の工具を用いて予圧した状態を維持しながら荷重伝達部材２３を所定位置に固定して取り付けることが望ましい。
また、上述した実施形態では、プラットフォーム２２間にそれぞれ１つの弾性支承３０を設けていたが、複数の弾性支承３０を適宜配置してそれぞれに荷重伝達部材２３を連結する構成としてもよい。すなわち、プラットフォーム２２間に弾性支承３０及び荷重伝達部材２３の組合せについて、たとえばプラットフォーム２２の平面視に対して均等または対称となるように複数組を設置し、１組当たりの負担が分散するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、プラットフォーム２２の下面に弾性支承３０の上面を固定していたが、たとえば図３に示す変形例のように、弾性支承３０と荷重伝達部材２３との位置関係を上下逆にしてもよい。すなわち、図示の構成例では、プラットフォーム２２の下面外周部付近に荷重伝達部材２３の上端部が固定され、一段下となるプラットフォーム２２または基礎Ｂの上面中央付近に弾性支承３０が固定されている。そして、荷重伝達部材２３の下端部は、弾性支承３０に固定されている。
このように構成された弾性支承ユニットを採用しても、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施形態によれば、モノポール式としたタワー２の上部が受ける水平力をタワー２の下部または基礎Ｂへ分散させることにより、タワーシェル２１に作用する荷重を低減することができ、さらに、外力によるタワー２の変形を抑制することができる。この結果、風力発電装置１の大型化に伴うタワー２の外径寸法及びシェル板厚の増大を最小限に抑えることができ、従って、大型化の障害となる輸送限界等の制約を回避できるようになる。

また、風力発電装置１の各建設段階においても、建設段階毎に異なる共振風力によりタワー２が疲労損傷することを防止できるので、施工管理が容易になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえばアップウインド型及びダウンウインド型のいずれにも適用可能であるなど、そ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。

Claims (5)

1. 主としてタワーシェルが荷重を負担するように構成されたモノポール式の風車用タワーにおいて、
   前記タワーシェルの内壁に連結されてタワー内部空間を上下方向に分割するプラットフォームと、一端を前記プラットフォームまたは基礎に固定して取り付けられた弾性支承と、前記タワー内部空間に配設され、前記弾性支承の他端と、前記弾性支承と対向する位置にある前記プラットフォームまたは基礎との間を連結して前記弾性支承からの水平力を前記タワーシェルまたは前記基礎に伝達する荷重伝達部材と、を備えていることを特徴とする風車用タワー。
2. 前記弾性支承は、前記荷重伝達部材により予め圧縮した状態に取り付けられた積層ゴムであることを特徴とする請求項１に記載の風車用タワー。
3. 前記タワーシェルは、複数に分割されたタワーセクション部材を連結する接合部を有し、前記荷重伝達部材は、異なるタワーセクション部材間で前記タワーシェルと接合されることを特徴とする請求項１または２に記載の風車用タワー。
4. 前記弾性支承のバネ定数は、前記タワーシェルに作用する荷重の低減期待量に応じて設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の風車用タワー。
5. 風車翼に風力を受けて略水平な回転軸線周りに回転するロータヘッドがナセル内部に設置された発電機を駆動して発電する風力発電装置において、
   基礎上に立設された請求項１に記載の風車用タワーを備え、該風車用タワーの上端に前記ナセルが設置されていることを特徴とする風力発電装置。

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