風力発電装置用タワー及びその建設方法

本発明は、木質材料製の個別な壁部から少なくとも部分的に製造した壁を有する風力発電装置用タワーであって、この壁部を、連結手段を介して互いに連結する風力発電装置用タワー、及びそうした種類のタワーを建設する方法に関する。

風力発電装置は、電気エネルギを生成する装置である。 風力発電装置は、基礎と、この基礎に建設されるタワーと、タワー上に配設されるナセルとを備える。 エネルギを生成するためにロータブレードに接続される駆動装置が、ナセルに配置されている。

タワーの構造は、ナセルによってタワーに生じる静的荷重と、ロータの回転ブレードの回転や風方向に応じてナセルを移動させる機能によって生じる動的荷重とに関して開発される。 従来のタワーは、鋼製リングまたはコンクリート要素から作製されている。 その場合、タワーの設置領域は、多角形または環円形セグメントのどちらかである。 個別のコンクリート製セグメントから作製される多角形のタワーについては、特許文献１から知られている。 また、木製のそうした種類の多角形タワーを建設することについても知られている（特許文献２）。

ロータハブの高さに応じて風力発電装置の出力が左右され、高くする程出力が増大するため、経済的な側面から、最大限経済的な方法でタワー高を建設するのが望ましい。 それと同時に、タワー高を高くするに従い、作製費用も高くなる。 壁厚は厚くなり、その結果、タワーの建設費用も増大する。

部分毎に配設されるセグメントから形成されるタワーに関する重要な側面としては、上下に配設されるセグメントの水平方向接触面が、剪断荷重や横方向力による影響を受け易い点がある。 所定破断点を緩めるために、タワーの静力学に関して、この点に配慮しなければならず、材料の使用量が増大し、特に複雑な連結手段を使用する必要が出てくる。

風力発電装置用タワーは木製とでき、それによりタワーを、材料を節約して、安価に、迅速に建設できることが示されてきた。 その場合、タワーを、連結手段によって隣接要素にいずれも直接連結する個別な構成部品から、現場で製作することが、特に好ましい。 しかしながら、個別な構成部品を互いに迅速にかつ高精度に、大きな嵌合公差を発生させずに連結可能にするように、建設方法は改善が必要であることが示されてきた。

高い風力発電装置の構造に関する更なる側面としては、タワーとロータ先端との間隔であるクリアランスとして知られているものがある。 その場合、ロータの大きさは、タワー中心軸から見て、タワー外側からのロータの突出によって、及び風力発電装置のタワー高によって決定される。

本発明は、風力発電装置のタワー高を変えずに、かつタワーの中心軸から見てタワー外側へのロータの突出を変えずに、ロータブレード長をより長くすることを可能にした、風力発電装置用タワーを提供することを課題とする。 更にまた、本発明の目的は、そうした種類のタワーを建設する方法を提供することである。

本発明は、タワーに関して、タワー内部に少なくとも部分的に支保工を設けて、該支保工によって、壁部を保持した形で連結させ、作製する表面線が、壁部から形成するタワー壁を通る縦断面について、タワー高が高くなるにつれて大きくなる勾配を有するように、壁部を支保工に配設することによって、上記課題を達成する。

その結果、タワー高を変えずにクリアランスを増大可能になると同時に、タワーの安定性を少なくとも維持できる。 更にまた、個別の壁部を互いに重ねて、確実に組立てできる。 そうすることで、簡単な方法で組立精度を高められる。 それと同時に、更に、全静荷重を壁要素で吸収できる。 タワー高に応じて勾配を大きくした結果、タワー高を変えずに、タワーベースが十分な状態で、ロータ長を増大可能になる。

本発明に関する更なる実施形態では、多角形のベース領域を有するタワーについて言えば、断面は、中心で壁部を通ることとする。 その場合、表面線を、少なくとも部分的に、放物線、多項式曲線、指数関数曲線、円弧、及び／またはクロソイド曲線とすると、有利である。 このようにして、中実ベースを、タワー用に、ロータに対して出来る限りクリアランスを大きくして、作製できる。 別の方法として、表面線を、部分毎に直線的に上昇させる。

本発明に関する更なる実施形態では、支保工を材木から構成する、及び／または木造骨組構造体とする。 その場合、建設は、組立てが進行するに従い連続的に行われる。 その場合、材木を使用することで、安価に、極めて上手く加工できる。 好適には、支保工を個別部分から組立てる。 その場合、個別部分を現場で作製すると、輸送費用を軽減できるため、有利である。 これを、好適には、材木を使用することで確実にする。 更にまた、木造骨組構造体は少なくとも４つのスタンドを有し、該スタンドを支柱、棒、頭部ブロック、底部ブロックによって連結すると有利である。 本発明に関する更なる実施形態では、プラットホームを少なくとも２部分から形成することとする。 これは、簡単な方法で組立てるのに役立ち、支保工自体では、タワー自体の静的に関連する如何なる作用も受けず、むしろ壁部が、組立て後は、自立状態となるため、結果的に支保工を、理論的には取除いてもよくなる。

本発明に関する更なる実施形態では、支保工に取着した後、壁部は、表面線の方向に湾曲することとする。 これにより、簡単な方法で本発明による表面線を提供できる。

本発明に関する更なる実施形態では、下にある、支保工の既に建設済みの部分に重ねる支保工の部分のプラットホームを、タワーの中心軸方向に、同等に小さくなる構成のものとすることとする。 また、支保工の少なくとも一部分は、壁部を取着する取付領域を有し、該取付領域を、該部分の足部と該部分のプラットホームとの間に配設すると有利である。

本発明に関する更なる実施形態では、壁部を、螺旋を形成するように、互いに対してオフセットして配設することとする。 互いに対してこうして配設した結果、剪断荷重／横方向力が螺旋によって分散され、所定の点でタワーを上に持ち上げるためのハードポイントがなくなる。 そのため、壁厚を薄くでき、特に、単純で、従って安価な連結手段を選択可能になる。 その結果、それと同時に、本発明による表面線を、単純な方法で提供できる。

本発明に関する更なる実施形態では、螺旋を、単一螺旋、または複数の単一螺旋から形成した多重螺旋とすることとする。 多重螺旋については、多重螺旋を形成する単一螺旋の数を、タワーの水平面に関する壁部の数と同じにすると有利である。 多重螺旋については、好適には、壁部を、その先端部に立設する菱形として設ける。 その場合、菱形を円セグメントとして設ける、または菱形を、２つの三角形を縦方向に互いに連結させて形成し、三角形の面を、互いに対して、３６０度を単一螺旋の数で除した角度で配設する。 更にまた、螺旋の個別な構成部品の上側当接辺を、連続した線及び／または段にすると有利である。 その結果、タワーにおける荷重分散を向上できる。

本発明に関する更なる実施形態では、壁部は、接合部において少なくとも部分的にスロットを有し、このスロットを接合方向に対して横断方向に、及び／または接合方向に対して長手方向に配設することとする。 好適には、連結手段をスロットに挿入し、連結手段を好適には金属プレートとし、特に好適には孔開きプレートとし、これらを好適には接着結合する。 また、接合開口部を、例えばテープまたはプレキシガラスによって覆うこともできる。 好適には、接着剤の導入を、構成要素と連結要素との間の空間に噴霧することによって、行う。 別の方法として、構成部品を木製要素とする場合、木製部品または木製ダボを使用できる。 そうした連結手段は、安価な要素だが、個別な構成部品間の剪断力及び剪断荷重に関して必要な強度を提供する。

タワーに作用する運転負荷の他、気候負荷もタワーに作用する。 鋼製タワーについては、この気候負荷を、タワーにコーティングを付与して防ぐ。 鉄筋コンクリートを使用する場合には、鉄骨骨組により、タワーの引張荷重を吸収する。 コンクリートで被覆すると、圧縮負荷を吸収すると同時に、周囲の大気の結果生じる湿気や化学反応といった形の環境の影響に対して鉄骨構造を保護する役割も果たす。 コンクリートの厚さは、確実に鉄骨骨組をそうした負荷から保護するものにする必要がある。 木製構造体については、同様の気象負荷をコーティングによって防げる。 それと同時に、屋外用に使用が認められる木質材料のみを、木製タワーの建築に使用できる。

従って、本発明に関する更なる実施形態では、タワーの外面に、少なくとも部分的にコーティングを付与し、好適には、コーティングによりタワーの外面に作用する引張荷重を吸収するように、かつコーティングにより、外側からタワー表面に作用する環境の影響、特に湿気に対して外面を密閉するように、コーティングを付与することとする。

木製タワーに関しては、コーティングにより、内装用だけに認められる木質材料及び該材料の連結手段を使用可能になる。

本発明に関する更なる実施形態では、コーティングをタワーの被コーティング部分の全領域にわたり付与し、被コーティング部を被包することとする。 その場合、コーティングを、層材、フィルム、織物、繊維品またはパネルとすると有利である。 特に好適には、プラスチック、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニール、ポリエステル、ポリカーボネートまたはポリエチレン製の特に好適にはフィルム、パネル、織物及び／または繊維品を、材料として使用する。 こうした種類の材料は、引張応力を吸収できると同時に、閉止でき、従ってタワー表面に作用する環境の影響に対して、密閉できる。 それと同時に、こうした種類の材料は、単位面積当たりの重量が、例えばタワー表面のコーティングより軽く、その結果この重量を、静的圧縮荷重に関して構造体において軽減できるため、結果的に、タワー構造体も全体的によりスリムに構成できる。 それと同時に、上記材料の費用は、例えばコーティングと比べて安い。

本発明に関する更なる実施形態では、コーティングをタワー建設中の異なる時点で付与することとする。 第１変形例として、コーティングをタワー建設後に付与する。 これを、上方または下方から行うことができる。 別の方法として、コーティングをタワー建設中に部分毎に付与できる、またはタワーを建設する前に個別な構成部品に付与しておくこともできる。 コーティングをタワー建設前に付与する場合、コーティングを建築領域の現場で、付与すると有利であることが分かっている。 その結果、コーティング費用を低減でき、それと同時に、確実に、個別な要素を輸送中にコーティングを損傷しないようにできる。 その後、コーティングの個別な部分を互いに連結するが、特に好適には、この連結を、接合部を接着結合または溶接することによって行う。

本発明に関する更なる実施形態では、コーティングを、タワーの構成部品に直接付与することとする。 好適には、この付与を、接着結合によって全領域にわたり行う。 別の方法として、接着結合を、部分毎に、構成部品の表面に行うこともできる。 接着結合により、確実にコーティングで静的荷重を吸収できる。

本発明に関する更なる実施形態では、タワーを、少なくとも部分的に、鋼鉄、コンクリート、特に鉄筋コンクリート、及び／または木製材料または木質材料から建設することとする。 木製材料または木質材料を、好適には交差積層木材及び／または木質複合材料とする。

本発明に関する更なる実施形態では、材木については、コーティングの蒸気透過性を、材木より低くすることとする。 このようにして、分散を逆にする、即ち、タワーの蒸気透過性を、外側に向けてより、むしろ内側に向けて高くする。 更にまた、好適には、発熱体をタワー内部に配設し、該発熱体を好適には、風力発電装置の電力系統とする。 その場合、熱を、電力系統の出力電力の損失分とする。 発熱の結果、タワー内部に存在する湿気を上方へと放出し、材木から出る湿気を、タワー内部に向けて移動させ、同様に放出する。 コーティングが損傷した場合でも、確実に、湿気を内側へと移送できる。 湿気に存在する粒子や鉱物の結果、コーティングに対する損傷を徐々に密封でき、それと同時に、更にまた、確実に湿気も内側へと逃がせる。

本発明に関する更なる実施形態では、タワーの支持構造体を、屋外用に適さない材料から少なくとも部分的に建設することとする。 そうした材料を、建物を建築する際に屋内用のみに認められた材料とする。 コーティングを付与する結果、そうした種類の材料の他、連結手段も、風力発電装置用タワーの支持構造のために使用可能になるが、これはコーティングにより確実に、そうした材料を、屋内使用状態にできるためである。

本発明に関する更なる実施形態では、タワーを現場で個別な構成部品から組立てることとする。 現場で組立てる構成部品を、平坦要素とする。 タワーを個別な平坦要素からそうして組立てることで、確実に個別のタワーに対する輸送費用を大幅に軽減できる。

本発明の方法は、支保工の第一部分を基礎に取付けるステップと、第１壁部を提供するステップと、第１壁部を基礎に取付けるステップと、第１壁部を支保工の第一部分に締着するステップと、支保工の次の部分を、前支保工部分の上側へ付与するステップと、次の壁部を、該壁部の下にある部分に取着するステップと、既に取付けた壁部との、及び支保工との保持連結を作製するステップとを備え、上記ステップを、支保工の最上部分を取付け、最終壁部を締着するまで、繰返し、壁部を、タワー高が高くなるにつれて勾配が大きくなる表面線を作製するように、配設することによって達成する。 更にまた、上記特徴を有するタワーを、この方法によって建設する。

本発明によるタワーの第１実施形態の風力発電装置の説明図

本発明によるタワーの第２実施形態の断面説明図

本発明によるタワーの第１実施形態の断面説明図

本発明によるタワーの詳細図

本発明によるタワーの更なる詳細図

本発明による方法の第１取付ステップに関する概略図

本発明による方法の第２取付ステップに関する概略図

本発明による方法の第３取付ステップに関する概略図

以下に、本発明の好適な例示的実施形態を、図面を基に詳細に説明する。

図１は、ナセル１１０及び図示したロータブレード１３０付きロータ１２０を有する風力発電装置１００と、タワー１０とを示している。 タワー１０には、基礎１１の形をしたフーチングと、タワー本体１２と、ナセル１１０を受ける連結片１３とを有する。 タワー１０に関するクリアランス１４０を、ロータブレード１３０の先端部１３０のところで示している。 このクリアランスは、タワー１０を設計する際に考慮する卓越風の強さに応じて変わる。 図１では、タワー１０の高さが高くなるに従い上り勾配となる表面線１５０を示している。 その場合、図１及び図３に示すように、曲線としてもよい、または図２に示すように、個別な直線部分１５１、１５２、１５３から構成することもできる。

木製タワー１０のフーチング１１を、基礎１１によって実現するが、この基礎を、好適には鉄筋コンクリート製ベースを有する鉄筋コンクリート製基礎、特に好適には場所打ちコンクリートとする。 鉄筋コンクリート製ベースの幾何学形状を、木製タワー構造体の幾何学形状に適合させ、その場合、ベースを好適には、成型して多角形の中空体を形成するように構成する。 電力系統に電力を出力するのに必要な変換器及び変圧器システムを、例えば、好適には、基礎ベースとしての中空体内に収容する。 このシステムへの出入は基礎ベース１１を通り行うため、木製タワー１０の均一な設計が可能になる。

木製パネルの形をした個別な壁部１４から組立てて、多角形の中空体とするタワー部１２によって、タワー１０の主部を、形成する。 その場合、個別なパネル１４を螺旋構造Ａに配設する。 提示した例では、二重螺旋構造を、２つの螺旋Ａ及びＢで示している。 各個別な木製壁部１４は、交差積層した木材または互いに接着結合させた中実の木製要素の形をした木質複合材料からできたパネルから成る。 左右及び上下方向の連結については、ダブテール連結片または孔開きプレート（図示せず）が、連結手段として考えられる。 更にまた、間隙に挿入し、好適には接着結合するネジ棒（図示せず）を使用することもできる。 壁部１４は、台形をしている。

螺旋構造Ａまたは二重螺旋構造Ａ、Ｂで木製パネル１４を纏めて接合することによって、タワー本体として中空体１２を建設するために、及び表面線１５０の勾配を作製するために、支保工２０を組立補助体として建設する。 支保工２０は、部分２１、２２、２３等から成り、好適には木造骨組構造体として構成する。 木製タワー１２における補剛水平面２５としての役割を果たすプラットホーム２４を、木造骨組の上端部に配設する。 例えばＩ字型ビーム２６を、基礎１１と木製タワー１２との間に据える。 ビーム２６の基礎１１との連結を、ネジ棒２７を介して行う。 ベース形成体として木製タワーとＩ字型ビームとの間の連結部を、接合するネジ棒をプレストレス導入して、または孔開きプレート１５によって作製する。 木製タワー１２と風力発電装置１００のナセル１１０との連結片１３を、円錐台の形をした鋼製管状アダプタ１３によって形成する。 タワー１０には、全領域にわたり接着結合させる繊維面（図示せず）を備えるが、該繊維面を予めパネル１４に付着させておき、調節作業が完了した後に、重ね合せた状態で該繊維面でタワー１０の全面を囲むようにする。

タワーへの入口を基礎ベースに配置し、出入りは、プラットホームを有する外階段から行う。 低電圧構成要素を、基礎ベース内に設置する。 低電圧構成要素としては、システムを操作するコントロールパネル、パワーキャビネット、任意には遠隔制御手段、独立電源（ＩＰＳ：ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ）が挙げられる。 変圧器の熱を放散するために、軸流ファンをプラットホームの下に取付ける。 タワーの先端まで上がるのに、梯子案内式昇降システムを介してまたは墜落制止装置と組合せた垂直梯子を介して行う。 梯子長が１０ｍ超の梯子の場合、休憩プラットホームを、最大１０ｍ間隔で取付ける。 タワー構造体を強化するために静的に取付ける中間プラットホーム２４を、木製タワーの、例えば３．７５ｍ毎に配置する。

確実に正確な位置に個別な木製パネル１４を固定し、パネルの湾曲部を作製するために、表面線１５０の対応する曲面を作製するために、支保工４８を、組立補助体として機能させる。 個別な補剛水平面２５を、木製パネル２８、２９から構成する。 木製パネル２８、２９を、例えば支保工２０の頭部ブロック３４またはビーム３７上に載置する。 補剛水平面２５の位置を保証し、基礎１１にかかる重量や取付荷重を分散するために、支保工２０の各補剛水平面２５を、スタンド３０、３１を設けることで４倍支持できる。 その場合、スタンド３０、３１を、木造骨組として、棒３２及び支柱３３、頭部ブロック３４及び底部ブロック３５を経由して互いに連結する。 支保工自体は第１支保工部２１から成り、該第１支保工部は基台３０を有し、該基台３０は、基礎１１の構成要素で、タワー基礎に連結する支保工基礎３６上に立設する。 基台３０を斜めに配設し、その結果、該基台の上端部に、頭部ブロック３４またはビーム３７を設け、頭部ブロック３４またはビーム３７の上に次の支保工部を設けられるようにする。 例えば、ケーブルシャフトとエレベータまたは梯子システム用シャフトを、補剛水平面２５に設ける。

補剛水平面２５の縁部を、角材３８または成形ビーム３９（図４）によって密閉する。 また、上記要素によって、補剛水平面２５とタワー１０の壁要素１４との間を、強固に連結できる。 支保工２０は、最終タワー壁部１４より狭い上支保工部（図示せず）で終端し、その結果アダプタ１３と支保工２０とは全く連結しない。

支保工２０を壁部１４に連結する締着箇所４０を、支保工に設ける。 表面線を曲線にする場合は、補剛水平面２５の締着箇所４０に加えて、更なる締着箇所４０を、スタンド３０、３１に取着する棒３２及び／または連結要素４１に設ける。 このようにして、壁部１４を変形でき、その結果、該壁部を、支保工２０の中心に対して、端部レベルに関して凸状に設けることができる。 その場合、変形を、壁部１４に損傷が全く発生しないようにして実行する（図５）。

図２では、本発明による更なる実施形態について示している。 当該タワーでは、個別の段を設け、各段に壁要素１４を取付ける。 当該実施形態では、壁部を、螺旋Ａ、Ｂとして設けない。 表面線部分１５１、１５２、１５３を、直線形状とし、支保工に締着する。 しかしながら、当該実施形態では、表面線１５０として曲線を設けることも可能である。

タワー１０を建設するために、最終的に接合する木製パネル１４を、組立て現場に運び込む。 その後、支保工２０を、支保工２０の最下の第一部分２１を基礎１１、３６上に立設することによって、開始する。 最下の木製パネル１４を、締着箇所４０で第１支保工部２１に、及び互いの間で、ネジ結合によって確実に及び非確実に連結する。 その場合、孔開きプレートまたはダブテール連結片のどちらかを使用する。 その後、この構造体を既に完成した基礎ベース１１上にまで上げる。 木製タワー１２と基礎１１とのベース連結は、パネルに接着結合するネジ棒２７を用いて行うが、該ネジ棒２７を、事前に取付けておき、ナットによって各Ｉ字型ビーム２６に連結する。 下側タワー区分を降下した後、基礎ベースへのネジ止めを行う。 木製パネル１４の縦接合部の連結を、木製タワー建設が進行するのと同時に形成していく。 縦接合部の連結を、中実な木製楔体を結合することによって行う。 ダブテール連結による連結については、パネル１４の接合中に幾何学的に配設する結果、パネルを互いに接合する際に、高嵌合精度に横接合部でパネルを配設できる。 到着した木製パネル１４を、それぞれ上側木製パネル端部に位置決めして、ネジ連結によって正確に締着する。 また、その場合、調節中に、支保工にネジ連結によって構造状態にできる。 別の方法としては、孔開きプレートを、ダブテール連結の代わりに設ける。 中実の木製楔体を結合させる縦接合部に関する実施形態。 木製パネルの横接合部の連結領域における正確な及び不正確な相互連結を、金属製ダブテールに結合させ、ネジ止めし、プレストレスを付与したネジ棒を介して行う。 材木と材木の間、または鉄鋼と材木の間での張力の伝達を、孔開きプレート連結体を介して行うことができる。 孔開きプレート連結体を、孔開き鋼板とする。

アダプタ１３は、タワー１２に連結するためのベースフランジ、及びナセルに連結するための頭部フランジを有する円錐形の鋼製要素から成る。 保持連結部を作製するために、ナセルのネジ棒を差し込むように、頭部フランジに穴を設ける。 同様に、穴またはネジ棒のどちらかを、ベースフランジにも設ける。

タワー１０（図６〜８）を取付けるために、下側の支保工部２１を基礎１１に建設し、この基礎の下側支保工部２１に、第１壁部１４を締着し、この壁部を、基礎１１上に立設するようにして配設する。 壁部を、締着箇所４０を介して棒３２及び補剛水平面２５及び連結要素４１に連結し、壁部を、そうすることで必要な形状にし、その結果、所望する表面線１５０を作製する。 その後、次の壁部２２を、補剛水平面２５上に置き、その下に存在する部分２１に連結する。 壁部１４を、ここでもまた周着し、これまでに取付けた壁部を保持連結させる。 壁部を、締着箇所４０を介して棒３２及び補剛水平面２５及び連結要素４１に連結し、壁部を、そうすることで必要な形状にし、その結果、所望する表面線１５０を作製する。 更にまた、支保工部との連結は、取付性を向上するのに役立つ。 壁部１４を最終に取付けた後に、次の支保工部を取付ける。 その場合、支保工部２１、２２、２３の仮取付けを、現場で行うことができる。 螺旋状の取付については、支保工部を、個別な壁部１４より縦方向に小さくし、その結果、支保工部の取付を、それぞれ次の単一壁部と交互に行うこともできる。

Ａ 第１螺旋Ｂ 第２螺旋１０ タワー１１ 基礎／フーチング１２ タワー本体１３ 連結片１４ 壁部２０ 支保工２１ 一部分２２ 部分２３ 部分２４ プラットホーム２５ 補剛水平面２６ Ｔ字型ビーム２７ ネジ棒２８ 木製パネル２９ 木製パネル３０ スタンド３１ スタンド３２ 棒３３ 支柱３４ 頭部ブロック３５ 底部ブロック３６ 支保工基礎３７ ビーム３８ 角材３９ 成形ビーム４０ 締着箇所４１ 連結要素１００ 風力発電装置１１０ ナセル１２０ ロータ１３０ ロータブレード１３１ 先端部１４０ クリアランス１５０ 表面線１５１ 直線表面線部分１５２ 直線表面線部分１５３ 直線表面線部分