応力分散型の風力発電機用の支柱タワー
【課題】 風車を所定上空位置に支持する風力発電機の支柱タワーにおいて、風圧等によって支柱タワーに負荷される巨大な転倒モーメントを分散させる。
【解決手段】 支柱タワー１０を基礎地盤Ｇに固定しないメインタワー２０と、メインタワー２０の任意の高さ中間位置をラジアル方向から支持することによってメインタワーの直立姿勢を維持するガイドタワー３０との組合せによって構築する。メインタワー２０に加わる転倒モーメントは、メインタワー２０の高さ中間位置からガイドタワー３０に風下方向に向けて加わる水平荷重Ｐ１と、その反力として、メインタワー２０の下端部から基礎地盤Ｇに風上方向に向けて加わる水平荷重Ｐ２とに分散される。
【解決手段】 支柱タワー１０を基礎地盤Ｇに固定しないメインタワー２０と、メインタワー２０の任意の高さ中間位置をラジアル方向から支持することによってメインタワーの直立姿勢を維持するガイドタワー３０との組合せによって構築する。メインタワー２０に加わる転倒モーメントは、メインタワー２０の高さ中間位置からガイドタワー３０に風下方向に向けて加わる水平荷重Ｐ１と、その反力として、メインタワー２０の下端部から基礎地盤Ｇに風上方向に向けて加わる水平荷重Ｐ２とに分散される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風圧に耐えながら風車を所定上空位置に支持する機能を有する支柱タワーに加わる転倒モーメントを分散させることによって支柱タワーの負担を軽減するようにした応力分散型の風力発電機用の支柱タワーに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明がなされた背景には、風力発電機の設計上の難関である支柱タワーの強度問題および基礎地盤の支持力問題が存在する。この問題は、風力発電機を効率よく稼動させるために、できるだけ風圧を受けないような構造物によって上空位置に風車を支持する必要があるという風力発電機の基本構造に起因する問題である。
【０００３】
すなわち、風力発電機の支柱タワーには、風圧を受けにくいスマートな外観でありながらも巨大な転倒モーメントに耐える機械剛性が要求される。特に、支柱タワーの下端部には、風圧による転倒モーメントのほか、支柱タワー自体の自重と搭載している風車の重量の偏芯荷重とが複合的かつ集中的に加わるという問題がある。通常、風車の効率は、支柱タワーの高さが高いほど改善されが、その一方で、支柱タワーに対する要求強度も増大する関係にあるため、一定限度を超える高さの支柱タワーの強度確保は、設計上の困難な問題であり、かつ経済的にも課題が大きい。
【０００４】
ところで、風力発電機の支柱タワーに加わる応力は、最終的には、支柱タワーの基礎地盤によって支持される。したがって、風力発電機の支柱タワーの基礎構造には、大面積かつ深い地下寸法を有する巨大な基礎構造物が必要であり、これが風力発電機の設置コストの大きな割合を占める結果となっている。また、基礎構造物が巨大であっても地盤が不安定である場合には十分な支持力を発揮することができない。したがって、風力発電機の設置用地の条件として、風環境のみならず地盤の安定性も求められることとなり、風力発電機設置用地の選定を困難なものとしている。
【０００５】
研究用途や自家用用途の小型の特殊な風力発電機を除き、事業用の大型風力発電機における支柱タワーの構造は、鉄骨骨組み構造または鋼管連結構造の典型的なものである（下記特許文献１ないし４参照）。つまり、これらの支柱タワーは、上記したような問題点を包含する。
【０００６】
風車は、上記のような支柱タワーの天端部に巨大なベアリングを介して搭載され、風車の向きを風上方向に整合させるために必要とされるヨー駆動は、ナセルのベース部分と支柱タワーの天端部との間において行われる（下記特許文献５，６参照）。ナセルのベース部分には、ベアリングと同心に巨大なリングギヤが取り付けられ、ヨー駆動は、リングギヤを複数の駆動モータによって駆動することによって実行される。風力発電機における部品構成の特徴は、部品点数については、格別に多いとはいえないものの、上記のような巨大な特注部品が多いということに尽きる。これが、風力発電機のコストを下げることができない要因であり、風力発電機の普及を阻害している。
【０００７】
なお、本願の発明者らは、支柱タワーに転倒モーメントを発生させる一因となる偏心荷重を発生させないように工夫した支柱タワーを適用した風力発電装置を既に提案している（下記特許文献７参照）。この提案に係る風力発電装置は、静的な意味では転倒モーメントが発生する余地がなく、所期の目的を達成することに成功している。しかし、風圧を受けて発生する動的な転倒モーメントに対しては、なお、十分に対応され尽くされているとは言えない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２０５４２８号公報
【特許文献２】特開平１０−２０５４２９号公報
【特許文献３】特開２００５−１２０９６３号公報
【特許文献４】特開２０００−２０５１０８号公報
【特許文献５】特開２００３−２０１１９５１号公報
【特許文献６】特開２００６−７７７４７号公報
【特許文献７】特開２０１１−１３２８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、風力発電機の支柱タワーに関して指摘した上記問題、具体的には、風力発電機の支柱タワーには、巨大な転倒モーメントが加わるため、一定限度を超える高さの支柱タワーにおいて必要な強度を確保することが難しいという問題を解決することを課題とする。
【００１０】
また、本発明は、風力発電機の設置コストを引き上げることとなる巨大な転倒モーメントを支持するために巨大な基礎構造物を必要とするという問題を解決することをも課題とする。
【００１１】
さらに、本発明は、風力発電機において、風車を風向き方向に整合させるためのヨー駆動に高価な特殊部品を要するという問題を併せて解決することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の応力分散型の風力発電機用の支柱タワーは、風車を所定上空位置に支持する鉄骨骨組み構造または鋼管連結構造からなる風力発電機用の支柱タワーにおいて、支柱タワーが、風車を所定上空位置に支持するメインタワーと、メインタワーを取り囲むように設置するガイドタワーとからなり、この際のメインタワーは、下端部を基礎地盤に固定することなくラジアル荷重とスラスト荷重とを受け止めるように立設されるとともに、ガイドタワーは、メインタワーの周囲の基礎地盤に固定されてメインタワーの任意の高さ中間位置を水平方向について支持し、風圧によってメインタワーに加わる転倒モーメントをメインタワーの任意の高さ中間位置からガイドタワーに伝達される風下方向の水平荷重と、メインタワーの下端部から基礎地盤に伝達される風上方向の水平荷重とに分散することを特徴とする。
【００１３】
上記風力発電機用の支柱タワーは、機能分担が異なるメインタワーとガイドタワーとからなる。メインタワーは、下端部を基礎地盤に固定しない極めて特徴的な構成である。メインタワーは、風車を所定上空位置に支持する構造物であり、ラジアル荷重とスラスト荷重とを受け止めるように立設されている。これを比喩的に説明すると、メインタワーの状態は、例えば、適当な地盤上に単に直立状態にして置かれた棒体のようなものである。
【００１４】
ここで、メインタワーの下端部がラジアル荷重を受け止めるとは、メインタワーの下端部が水平方向に位置ずれしないようにされていることを示し、スラスト荷重を受け止めるようにとは、メインタワーの下端部が自重および搭載した風車の重みによって地盤内に沈下しないようにされていれば足りるということを示している。したがって、メインタワーは自立力を有さず放置すれば倒れる状態である。また、このようなメインタワーは、下端部を支点としてその場で自転するように回転することもできる状態である。
【００１５】
一方、ガイドタワーは、基礎地盤に固定され、メインタワーの任意の高さ中間位置を水平方向について支持する機能を分担する構造物である。このガイドタワーは、メインタワーを取り囲むように設置される。取り囲むように設置されるとは、ガイドタワーがメインタワーを取り囲むことが可能である形態を有することを示し、例えば、ガイドタワーがメインタワーを中心に形成される中空円錐台のような形態である場合、そのような円錐台の複数本の側線を軸とする複数本の支持脚である場合、円錐台が現場打ちのＰＣコンクリート製である場合、各支持脚が鋼管製である場合、各支持脚が鉄骨骨組み構造である場合等を広く含む趣旨である。なお、このガイドタワーは、あくまでもメインタワーを水平方向についてのみ支持するのであり、スラスト方向については支持機能を有しない。
【００１６】
従来、風力発電機の支柱タワーの下端部に集中していた応力としての巨大な転倒モーメントは、上記メインタワーとガイドタワーとによって次のように分解される。すなわち、風上方向から風力発電機に加わる風圧は、メインタワーを風下方向に転倒させるように働く。基礎地盤に固定されていないメインタワーは、何らの支持がない場合においては風下方向に容易に転倒することとなる。
【００１７】
しかし、ここで、本発明におけるガイドタワーがメインタワーの任意の高さ中間位置を水平方向について支持している。したがって、メインタワーの転倒動作は、この高さ中間位置において阻止され、ガイドタワーには風下方向の水平荷重が伝達される。一方、メインタワーの下端部には、ガイドタワーに支持されている高さ中間位置を支点として反転した水平荷重である風上方向の水平荷重が加わることになる。
【００１８】
このような力関係は、メインタワーに加わる転倒モーメントが、ガイドタワーに加わる水平荷重と、メインタワーの下端部に加わる水平荷重に分解される関係を示している。この際、ガイドタワーに加わる水平荷重は、ガイドタワーに対する転倒モーメントを発生させる。しかし、ガイドタワーは風車を高所に支持する機能は要求されないことから、十分に高さを抑えた設計とすることができるとともに、スラスト荷重に耐える機能も要求されないことから、単純転倒モーメントに耐えることを目的とする専用の有利な構造を採用することができる。例えば、クレーン車におけるアウトリガーのように専用化された有利な構成である。
【００１９】
また、メインタワーに加わる荷重は、メインタワーの下端部に集中することなく、ガイドタワーによって支持された高さ中間位置を支点とする曲げ荷重としてメインタワーに作用する。すなわち、従来の風力発電機用の支柱タワーにおいては、基礎地盤近傍の支柱タワーの下端部において最も大きな耐曲げ強度を必要とするが、本発明のメインタワーにおいてもっと強度が必要とされる部分は、ガイドタワーによって支持される高さ中間位置である。次に、この高さ中間位置にどのくらいの曲げ荷重が加わるのかが問題である。
【００２０】
ここで、メインタワーの任意の高さ中間位置が、メインタワーの全長のほぼ２分の１に当たる位置であると前提し、メインタワーの高さ中間位置に何等の支持がなく、一定の大きさの荷重がメインタワーの一端に加わったときのメインタワーの下端部に加わる曲げ荷重に対して、同一の条件においてメインタワーの任意の高さ中間位置を支持した状態において、高さ中間位置に作用する曲げ荷重とでは、大きな差異が生じる。この場合、メインタワーの高さ中間位置に支点が存在する場合の曲げ加重は、支点が存在しない場合の曲げ荷重に対して半減する関係になる。これは、同一の荷重が曲げモーメントとして作用する場合のモーメントアームの長さが２分の１になるからに他ならない。
【００２１】
上記のような力関係は、メインタワーに要求される耐曲げ荷重が従来より大幅に小さくてもよく、メインタワーの外径が下端部に向かって減少するような形状であっても支障ないことを示している。また、メインタワーは、基礎地盤に固定される必要はなく、メインタワーの下端部を水平方向に位置ずれしないように支持することを持って足りる。したがって、メインタワーの設計難度を大幅に減少させることができる。なお、メインタワーが負担すべきスラスト荷重は、メインタワーに対して軸方向の圧縮荷重として作用することから、耐スラスト荷重対策は、もとより容易である。
【００２２】
本発明の応力分散型の風力発電機用の支柱タワーは、メインタワーの下端部にメインタワー全体を回転駆動するヨー駆動機構を備えるとともに、ガイドタワーは、ラジアル荷重を支持するベアリング機構を介してメインタワーを支持することによって、メインタワーに搭載した風車をメインタワーとともに回転駆動するようにしてヨー駆動することができる。
【００２３】
上記構成は、本発明におけるメインタワーが基礎地盤に固定されていないことを利用するものである。すなわち、メインタワーは、前述したように下端部を支点としてその場で自転するように回転運動することができる。ただし、メインタワーは、支持された高さ中間部においてガイドタワーと接触している。そこで、メインタワーの下端部にメインタワー全体を回転駆動するヨー駆動機構を設けるとともに、ガイドタワーが、ラジアル荷重を支持するベアリング機構を介してメインタワーを支持する構成を採用している。
【００２４】
なお、ここで、ラジアル荷重を支持するベアリング機構とは、一般機械要素としてのラジアルベアリングのほか、ラジアルベアリングと同等の機能を発揮することができるように組み合わされた部品アッセンブリを含む趣旨である。このようなベアリング機構の介在によって、ガイドタワーは、ヨー駆動機構によるメインタワーの回転運動を許容しながらメインタワーに対して必要な支持機能を発揮することができる。
【００２５】
本発明の応力分散型の風力発電機用の支柱タワーにおけるヨー駆動機構は、伝達トルク制限型のクラッチを介してメインタワーを回転駆動する構成とすることができる。
【００２６】
ヨー駆動機構の駆動対象は、メインタワーおよびメインタワーに搭載される風車である。つまり、ヨー駆動機構には、巨大なイナーシャ部材を駆動することが求められる。したがって、ヨー駆動機構は、大減速比の減速機を介してメインタワーを駆動することとなる。ヨー駆動機構の駆動対象であるイナーシャ部材は、ときとして、そのイナーシャによって減速機を介してヨー駆動機構を駆動するように作用する。例えば、ヨー運動している風車を特定の位置に停止させようとする場合や、風向き変化の影響が風車を経由してメインタワーを回転させる力として作用する場合である。
【００２７】
減速機は、トルクと回転との振り分けを実行する機構であり、ヨー駆動機構に対しては、駆動対象に対する所要駆動トルクを減少させるように機能する。逆に、駆動対象の有するイナーシャがヨー駆動機構を駆動する向きに働く事態においては、所要駆動トルクを増大させるように機能する。この結果、極端な場合には、駆動対象のイナーシャが衝撃荷重として減速機に加わり、減速機を破壊してしまうような事態に至る。
【００２８】
ヨー駆動機構とメインタワーとの間に介在する伝達トルク制限型のクラッチは、規定トルク又は設定トルクを超えるトルクを伝達しないようにすることができるクラッチである。つまり、減速機が破壊されるようなトルクは、伝達されないように設定することができる。また、クラッチとして基本的な断続動作をすることもできるので、必要に応じてヨー駆動機構とメインタワーを切り離すこともできる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、下端部を基礎地盤に固定することなく設置されて主にスラスト荷重に耐えながら風車を支持するメインタワーと、主に水平荷重に耐えながらメインタワーの任意の高さ中間位置を支持するガイドタワーとの組合せによって構成することにより、従来、支柱タワーの下端部に集中していた巨大な転倒モーメントをガイドタワーに加わる風下方向の水平荷重と、その反力であるメインタワーの下端部から基礎地盤に風上方向に加わる水平荷重とに分解して受け止めることができるので、メインタワーの所要機械強度を大幅に低減することができる。これによって、高さの高い支柱タワーの構築が容易化されるとともに、巨大な転倒モーメントを支持するための巨大な基礎構造物を不要とすることができるので、風力発電機の設置コストを引き下げることができる。また、メインタワーは、基礎地盤に固定して転倒モーメントに耐えるように設置する必要がないので、例えば、メインタワーを下端部に向かって先細りの構造とし、この部分を基礎地盤レベルに設置するヨー駆動機構によってメインタワーごとヨー駆動するようにすることによって、ヨー駆動のための特殊な巨大部品の必要性を排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の風力発電機用の支柱タワーの一実施の形態を示す側面図である。
【図２】上記実施形態における風力発電機用の支柱タワーの要部の斜視図である。
【図３】上記実施形態における風力発電機用の支柱タワーの要部の断面図である。
【図４】本発明の風力発電機用の支柱タワーの他の実施の形態を示す側面図である。
【図５】本発明の風力発電機用の支柱タワーの他の実施の形態を示す側面図である。
【図６】本発明の風力発電機用の支柱タワーの他の実施の形態を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の応力分散型の風力発電機用の支柱タワー（単に、「支柱タワー」もと言う。）の実施の形態を図面を引用しながら説明する。
【００３２】
本発明の支柱タワーは、風車１において、ハブ２の回転軸である主軸Ｘの一端側のみを支持する一般的な片持ち支持の風車１を搭載する用途にも、また、風車１を挟んでその主軸Ｘの両側を支持する両持ち支持の風車１を搭載する用途にも適用することができる。ここでは、先ず、両持ち支持の風車１を搭載する実施の形態について説明する（図１）。
【００３３】
両持ち支持の風車１における主軸Ｘは、ハブ２の両側に抜けており、抜け出た主軸Ｘの両端は、前後のナセル３，４によってカバーされている。風車１の前方のナセル３は、主軸Ｘ用のベアリングを収納するものであり、風車１の後方のナセル４は、ベアリング及び発電機を収納している。風車１は、メインタワー２０とガイドタワー３０との組合せからなる支柱タワー１０によってその風車１に応じた適切な上空位置に支持される。風車１は、効率改善用の集風シュラウド７を伴い、風車１の前方のナセル３には、風向センサ２２が取り付けられている。
【００３４】
メインタワー２０は、略、高さ中間位置に水平方向のテーブル状の中間ベース８を備える。中間ベース８は、異なる構造物を応力伝達可能に一体化するための便宜構造物であり、それ以上の意味を有しない。すなわち、メインタワー２０は、中間ベース８以下を鋼管構造のコラム９によって形成し、中間ベース８以上を鉄骨構造の支持柱５，６によって形成した混成構造からなり、中間ベース８は、メインタワー２０のコラム９と支持柱５，６とを連結する機能を分担している。
【００３５】
メインタワー２０のコラム９は、中間ベース８直下部分を除き、基礎地盤Ｇに向かって先細りに形成された特殊な外形を有する。コラム９の下端部は、ラジアル軸受およびスラスト軸受を含む複合軸受けユニット１４によって支持され、コラム９は、ヨー軸Ｙを中心にその場で自転することができる。コラム９が先細り形状に形成されているのは、コラム９の下端部に曲げ荷重が加わらないためであり、また、複合軸受けユニット１４を市販レベルの小型の既製品で組み上げることができるようにとの配慮である。この複合軸受けユニット１４には、ヨー駆動機構１７が並設されている。
【００３６】
メインタワー２０の中間ベース８以上部分を形成する支持柱５，６は、風車１を両持ち支持する機能を有する。風車１の前方のナセル３を支持する支持柱５は、風車１の回転面を中心にしてその前方に加わる垂直荷重を支持し、風車１の後方の支持柱６は、回転面の後方に加わる垂直荷重および風車１の前方からの風によって生じるスラスト荷重を受け止める。前後の支持柱５，６の構成の相違は、負担する荷重の相違にも基づくものであり、したがって、後方の支持柱６には相対的に強固な骨組み構造が採用されている。
【００３７】
ガイドタワー３０は、上端部にガイドリング１５を備え、このガイドリング１５を四方から支持する４本の支持脚１２…を主要部材としてなる（図１，図２）。
【００３８】
４本の支持脚１２…は、下方に向かって開脚して大きな転倒モーメントに耐えるように姿勢決めされている。支持脚１２…の鋼材には、パイプ構造のものが採用されている。４本の支持脚１２…は、多数の水平桟２Ｂ…および交叉桟２Ｃ…によって互いに連結され、全体として一体的な構造強度を発揮することができる。各支持脚１２は、コンクリート製の足場ブロック１３を介して基礎地盤Ｇに固定されている。足場ブロック１３からガイドリング１５に及ぶガイドタワー３０の設置高さは、メインタワー２０の高さの略１／２に設定されている。
【００３９】
ガイドタワー３０の上端部に位置するガイドリング１５には、ラジアル方向の荷重を支持するベアリング機構１１が組み込まれ、ガイドタワー３０は、ベアリング機構１１を介してメインタワー２０のコラム９を取り囲むように支持している（図２）。これによってメインタワー２０の直立姿勢が保持される構造である。
【００４０】
ベアリング機構１１の好ましい構造例としては、例えば、ガイドリング１５とコラム９との間に多数個の転動輪Ｒ…を介装する構造を例示することができる（図２）。ヨー駆動の必要に基づいて駆動されるコラム９は、高速回転することはないので、ベアリング機構１１の設計方針は、低速大荷重に耐えることである。多数の転動輪Ｒ…の相互位置は、図示しないリテーナによって保持される。
【００４１】
一方、コラム９の下端部を支持する複合軸受けユニット１４およびヨー駆動機構１７の好ましい構造例としては、次のような構造を例示することができる。
（図３）。
【００４２】
複合軸受けユニット１４は、基礎地盤Ｇに固定する堅固な軸受ハウジング４Ｂを介してコラム９の下端部に加わる荷重を支持する機能を有する。コラム９の下端部に加わる主な荷重は、メインタワー２０の自重およびメインタワー２０に搭載された風車１の重量によるスラスト荷重Ｗと、メインタワー２０の高さ中間位置をガイドタワー３０によって支持することによる反力としてのラジアル荷重である。したがって、軸受ハウジング４Ｂの内部には、ラジアルベアリング４Ｒと、スラストベアリング４Ｓとが組み込まれている。
【００４３】
コラム９の下端部には、コラム９の自転軸としての意義を有するシャンク軸９Ｃが設けられている。軸受ハウジング４Ｂの上面壁には、コラム９のシャンク軸９Ｃを挿通するための開口部が形成され、ラジアルベアリング４Ｒは、この開口部に嵌め込む態様で軸受ハウジング４Ｂに組み付けられている。コラム９のシャンク軸９Ｃは、ラジアルベアリン４Ｒを通過して軸受ハウジング４Ｂの内部に至っている。
【００４４】
また、軸受ハウジング４Ｂの底面壁上には、低速大荷重用のスラストベアリング４Ｓが、ヨー軸Ｙを基準に設置されており、スラストベアリング４Ｓには、中心部にシャンク軸９Ｃを受け入れる凹部を形成したリテーナ４Ｈが取り付けられている。コラム９は、シャンク軸９Ｃの先端部をリテーナ４Ｈの凹部に落とし込ませる状態でスラストベアリング４Ｓと組み合わされ、コラム９の下端部に集中したスラスト荷重Ｗは、シャンク軸９Ｃを介して全てこのスラストベアリング４Ｓによって支持される。
【００４５】
ヨー駆動機構１７は、コラム９の下端部に取り付ける大径の従動歯車９Ｓと、駆動モータ７Ｍを主体とする駆動ユニットとの組合せによって構成することができる（図３）。従動歯車９Ｓは、シャンク軸９Ｃを中心としてコラム９の下端面に水平姿勢で固定されている。
【００４６】
駆動ユニットは、駆動モータ７Ｍと減速機７Ｇとクラッチ７Ｃとを組み合わせてピニオンギヤ７Ｐを駆動する構成である。駆動ユニットは、従動歯車９Ｓとピニオンギヤ７Ｐとを噛合させて軸受ハウジング４Ｂに並設される。なお、クラッチ７Ｃには、伝達トルク制限型のものが用いられ、駆動モータ７Ｍは、ブレーキ機構７Ｂを備えるブレーキモータである。このような駆動要素の組合せにより、装置各部に過負荷を生じさせることのない安全且つ円滑なヨー駆動動作を実現することができる。
【００４７】
このようなメインタワー２０とガイドタワー３０との組合せからなる風力発電機用の支柱タワー１０における応力の分散関係の概略を模式的に示すと、次のようになる（図１）。
【００４８】
風力発電機における風荷重Ｐｗの代表的な作用点は、風車１におけるナセル３，４の高さ位置である。ここで、ナセル３，４の高さ位置をＨｎと表すと、風車１を支持している支柱タワー１０全体に加わる転倒モーメントは、（Ｐｗ・Ｈｎ）で与えられる。この転倒モーメントは、従来構造の支柱タワーにおいては、その下端部に対する巨大な曲げ荷重として作用することとなる。このことが、高さの高い支柱タワー、つまり高さ位置Ｈｎが大である支柱タワーの設計を困難なものとする原因である。
【００４９】
このような転倒モーメント自体は、風荷重Ｐｗと支柱タワーの高さ位置Ｈｎが存在する限り解消することはできない。転倒モーメントに対抗するための常套的手法としては、支柱タワーの基礎占有面積を増大させる方法があるが、単純に基礎占有面積を増大させた支柱タワーは、風車１を搭載する上方に向かって外形を減じるデザインとしても、全体構造の規模が過大となり、大量の構造部材を必要とする。
【００５０】
転倒モーメントの対抗する他の方法としては、支柱タワーの任意の高さ中間位置を支持する方法が考えられる。この方法は、結局のところ、風車１の高さ位置Ｈｎを確保することを主目的とする部材と、転倒モーメントに対抗することを主目的とする部材とに分担分けを行うことを意味する。本発明におけるメインタワー２０が前者に相当し、ガイドタワー３０が後者に相当する。すなわち、ガイドタワー３０は、メインタワー２０の高さ中間位置をラジアル方向から支持する構造である。
【００５１】
ここで、ナセル３，４の高さ位置Ｈｎを基準として、ガイドタワー３０によって支持される高さ中間位置までの距離をＨ１とし、高さ中間位置から複合軸受けユニット１４によって支持されるメインタワー２０の下端部、すなわち、コラム９の下端部までの距離をＨ２とする場合、メインタワー２０がガイドタワー３０に及ぼす風下方向の水平荷重Ｐ１の大きさは、下記数式１で与えられる。また、メインタワー２０の下端部には、風下方向の水平荷重Ｐ１の反力成分として風上方向の水平荷重Ｐ２が作用する。この水平荷重Ｐ２は、下記数式２で与えられ、複合軸受けユニット１４によって受け止められる。
【００５２】
（数１）
Ｐ１＝Ｐｗ×（Ｈ１＋Ｈ２）／Ｈ２
【００５３】
（数２）
Ｐ２＝Ｐｗ×Ｈ１／Ｈ２
【００５４】
上記数式１および数式２に示されるように、従来支柱タワー１０の下端部に集中していた転倒モーメント（Ｐｗ・Ｈｎ）は、方向が異なる風下方向の水平荷重Ｐ１と風上方向の水平荷重Ｐ２とに分解され、メインタワー２０には転倒モーメントが全く加わらない力関係が成立している。もっとも、ガイドタワー３０に作用する水平荷重Ｐ１は、ガイドタワー３０に対して大きな転倒モーメントを生じさせるが、ガイドタワー３０は、風車１の重量等からなるスラスト荷重Ｗを支持する必要がないので、ごく簡単な開脚構造によってこれに耐えることができる。
【００５５】
また、数式２は、ガイドタワー３０によって支持される高さ中間位置以下の距離Ｈ２が大きいほどメインタワー２０から複合軸受けユニット１４に加わる水平荷重Ｐ２が小さくなることを示している。したがって、複合軸受けユニット１４の負担を軽減するには、コラム９の下端部が基礎地盤Ｇに接近するように設置することが有利である。なお、この数式による示唆をより積極的に活用する意味において、基礎地盤Ｇを掘削し、基礎地盤レベル以下において、コラム９の下端部を支持することもできるものとする。
【００５６】
以下、本発明の支柱タワー１０の他の実施の形態を３例順次に説明する（図４ないし図６）。
【００５７】
上記実施の形態に示す支柱タワー１０においては、いわゆる両軸型の風車１を搭載した例を示しているが、本発明の支柱タワー１０は、水平軸型の風車１の主流である片持ち支持方式の風車１を搭載する場合においても、メインタワー２０に転倒モーメントが加わらないという特徴的な作用効果を何らの追加的要件を必要とすることなく発揮することができる（図１）。
【００５８】
メインタワー２０は、ガイドタワー３０によって支持される高さ中間位置以下のコラム９と、上部コラム９Ａとが中間ベース８を介して連結される構成である。これは、風車１の回転面とヨー軸Ｙとを一致させるために、ヨー軸Ｙに対して上部コラム９Ａをオフセット配置したためである。この形態の支柱タワー１０においては、ヨー駆動機構１７によってメインタワー２０全体をヨー軸Ｙを中心として駆動した場合において、上部コラム９Ａが円弧運動をすることとなるが、風車１は、ヨー軸Ｙを中心にその場で回転する本来のヨー運動である。つまり、上部コラム９Ａが円弧運動したとしても特に指摘するほどの支障はなく、風車１の動作安定性を阻害しないという利点がある。
【００５９】
本発明の支柱タワー１０は、メインタワー２０のコラム９と上部コラム９Ａとをヨー軸Ｙに一致させて直線的に形成することもできる（図５）。
【００６０】
この形態においては、風車１の回転面をヨー軸Ｙに一致させることはできない。したがって、ヨー駆動に際しては上記実施の形態とは逆に、メインタワー２０は、ヨー軸Ｙを中心にその場で安定な自転動作をするものの、風車１は、ヨー軸Ｙを中心に円弧運動をすることが問題となる。ただし、この問題に対しては、ヨー駆動を十分に緩慢に実施することによって、回転中の風車１が円弧運動することによる動作不安定を回避することができる。
【００６１】
しかし、この実施の形態における支柱タワー１０は、コラム９と上部コラム９Ａとが一直線上に配置されることから、中間ベース８を省力することができるという利点がある。また、メインタワー２０によって片持ち支持された風車１は、支柱タワー１０全体に対する偏心荷重を生じさせる。しかし、風車１に対するヨー駆動が正常に実施されている場合、この偏心荷重は、常に、風圧によって支柱タワー１０に加わる転倒モーメントを打ち消す方向に作用することから、片持ち支持による偏心荷重が必ずしも不利益に働くとは言えない。
【００６２】
本発明の支柱タワー１０は、セルフヨー機能を有する風車１を搭載することによって、ヨー駆動機構１７を省くことができる（図６）。
【００６３】
風車１は、後方のナセル４に大面積の垂直尾翼１Ｆを備え、十分な風見鶏効果を得ることができるように構成されている。メインタワー２０には、中間ベース８を省いてコラム９と上部コラム９Ａとを一直線上に連結したものが用いられる。メインタワー２０は、風車１の後方のナセル４の部分を支持している。このナセル４とメインタワー２０との間における一般的なヨー駆動機構の介在はなく、両者は、直結されている。したがって、風車１のセルフヨー動作とメインタワー２０の回転動作とは、一体不可分である。
【００６４】
この結果、ヨー軸Ｙを中心とする風車１の姿勢変化は、そのまま、メインタワー２０の自転動作となり、この自転動作は、メインタワー２０の高さ中間位置をラジアル方向から支持するガイドタワー３０のベアリング機構１１と、メインタワー２０の下端部を支持する複合軸受けユニット１４のラジアルベアリングによってメインタワー２０の直立姿勢を維持しつつ許容される。セルフヨー方式の風車１は、風向変化に対する反応が迅速であることが特徴であり、わが国のように風向が安定しない地域に適した方式であるといえる。
【００６５】
すなわち、本発明の支柱タワー１０は、上記実施の形態の説明からも明らかなように、両持ち支持方式の風車１、片持ち支持方式の風車１であるかを問わず、また、ヨー駆動を要するか要しないかを問わず、各種の風車１の支持用途に広汎に適合することができる。また、上記実施の形態に含まれていないが、原理的にヨー駆動を必要としない垂直軸型の風車の支持用途にも利用することが可能である。この場合には、メインタワー２０が回転する構造であることを要しないので、ガイドタワー３０のベアリング機構１１および複合軸受けユニット１４を省略した簡素な支柱タワー１０を実現することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１ 風車、
７Ｃ クラッチ、
９ コラム、９Ａ 上部コラム、
１０ 支柱タワー、
１１ ベアリング機構、
１４ 複合軸受けユニット、
１７ ヨー駆動機構
２０ メインタワー、
３０ ガイドタワー、
Ｇ 基礎地盤、
Ｗ スラスト過重、
Ｐ１ 風下方向の水平荷重、
Ｐ２ 風上方向の水平荷重、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風圧に耐えながら風車を所定上空位置に支持する機能を有する支柱タワーに加わる転倒モーメントを分散させることによって支柱タワーの負担を軽減するようにした応力分散型の風力発電機用の支柱タワーに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明がなされた背景には、風力発電機の設計上の難関である支柱タワーの強度問題および基礎地盤の支持力問題が存在する。この問題は、風力発電機を効率よく稼動させるために、できるだけ風圧を受けないような構造物によって上空位置に風車を支持する必要があるという風力発電機の基本構造に起因する問題である。
【０００３】
すなわち、風力発電機の支柱タワーには、風圧を受けにくいスマートな外観でありながらも巨大な転倒モーメントに耐える機械剛性が要求される。特に、支柱タワーの下端部には、風圧による転倒モーメントのほか、支柱タワー自体の自重と搭載している風車の重量の偏芯荷重とが複合的かつ集中的に加わるという問題がある。通常、風車の効率は、支柱タワーの高さが高いほど改善されが、その一方で、支柱タワーに対する要求強度も増大する関係にあるため、一定限度を超える高さの支柱タワーの強度確保は、設計上の困難な問題であり、かつ経済的にも課題が大きい。
【０００４】
ところで、風力発電機の支柱タワーに加わる応力は、最終的には、支柱タワーの基礎地盤によって支持される。したがって、風力発電機の支柱タワーの基礎構造には、大面積かつ深い地下寸法を有する巨大な基礎構造物が必要であり、これが風力発電機の設置コストの大きな割合を占める結果となっている。また、基礎構造物が巨大であっても地盤が不安定である場合には十分な支持力を発揮することができない。したがって、風力発電機の設置用地の条件として、風環境のみならず地盤の安定性も求められることとなり、風力発電機設置用地の選定を困難なものとしている。
【０００５】
研究用途や自家用用途の小型の特殊な風力発電機を除き、事業用の大型風力発電機における支柱タワーの構造は、鉄骨骨組み構造または鋼管連結構造の典型的なものである（下記特許文献１ないし４参照）。つまり、これらの支柱タワーは、上記したような問題点を包含する。
【０００６】
風車は、上記のような支柱タワーの天端部に巨大なベアリングを介して搭載され、風車の向きを風上方向に整合させるために必要とされるヨー駆動は、ナセルのベース部分と支柱タワーの天端部との間において行われる（下記特許文献５，６参照）。ナセルのベース部分には、ベアリングと同心に巨大なリングギヤが取り付けられ、ヨー駆動は、リングギヤを複数の駆動モータによって駆動することによって実行される。風力発電機における部品構成の特徴は、部品点数については、格別に多いとはいえないものの、上記のような巨大な特注部品が多いということに尽きる。これが、風力発電機のコストを下げることができない要因であり、風力発電機の普及を阻害している。
【０００７】
なお、本願の発明者らは、支柱タワーに転倒モーメントを発生させる一因となる偏心荷重を発生させないように工夫した支柱タワーを適用した風力発電装置を既に提案している（下記特許文献７参照）。この提案に係る風力発電装置は、静的な意味では転倒モーメントが発生する余地がなく、所期の目的を達成することに成功している。しかし、風圧を受けて発生する動的な転倒モーメントに対しては、なお、十分に対応され尽くされているとは言えない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２０５４２８号公報
【特許文献２】特開平１０−２０５４２９号公報
【特許文献３】特開２００５−１２０９６３号公報
【特許文献４】特開２０００−２０５１０８号公報
【特許文献５】特開２００３−２０１１９５１号公報
【特許文献６】特開２００６−７７７４７号公報
【特許文献７】特開２０１１−１３２８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、風力発電機の支柱タワーに関して指摘した上記問題、具体的には、風力発電機の支柱タワーには、巨大な転倒モーメントが加わるため、一定限度を超える高さの支柱タワーにおいて必要な強度を確保することが難しいという問題を解決することを課題とする。
【００１０】
また、本発明は、風力発電機の設置コストを引き上げることとなる巨大な転倒モーメントを支持するために巨大な基礎構造物を必要とするという問題を解決することをも課題とする。
【００１１】
さらに、本発明は、風力発電機において、風車を風向き方向に整合させるためのヨー駆動に高価な特殊部品を要するという問題を併せて解決することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の応力分散型の風力発電機用の支柱タワーは、風車を所定上空位置に支持する鉄骨骨組み構造または鋼管連結構造からなる風力発電機用の支柱タワーにおいて、支柱タワーが、風車を所定上空位置に支持するメインタワーと、メインタワーを取り囲むように設置するガイドタワーとからなり、この際のメインタワーは、下端部を基礎地盤に固定することなくラジアル荷重とスラスト荷重とを受け止めるように立設されるとともに、ガイドタワーは、メインタワーの周囲の基礎地盤に固定されてメインタワーの任意の高さ中間位置を水平方向について支持し、風圧によってメインタワーに加わる転倒モーメントをメインタワーの任意の高さ中間位置からガイドタワーに伝達される風下方向の水平荷重と、メインタワーの下端部から基礎地盤に伝達される風上方向の水平荷重とに分散することを特徴とする。
【００１３】
上記風力発電機用の支柱タワーは、機能分担が異なるメインタワーとガイドタワーとからなる。メインタワーは、下端部を基礎地盤に固定しない極めて特徴的な構成である。メインタワーは、風車を所定上空位置に支持する構造物であり、ラジアル荷重とスラスト荷重とを受け止めるように立設されている。これを比喩的に説明すると、メインタワーの状態は、例えば、適当な地盤上に単に直立状態にして置かれた棒体のようなものである。
【００１４】
ここで、メインタワーの下端部がラジアル荷重を受け止めるとは、メインタワーの下端部が水平方向に位置ずれしないようにされていることを示し、スラスト荷重を受け止めるようにとは、メインタワーの下端部が自重および搭載した風車の重みによって地盤内に沈下しないようにされていれば足りるということを示している。したがって、メインタワーは自立力を有さず放置すれば倒れる状態である。また、このようなメインタワーは、下端部を支点としてその場で自転するように回転することもできる状態である。
【００１５】
一方、ガイドタワーは、基礎地盤に固定され、メインタワーの任意の高さ中間位置を水平方向について支持する機能を分担する構造物である。このガイドタワーは、メインタワーを取り囲むように設置される。取り囲むように設置されるとは、ガイドタワーがメインタワーを取り囲むことが可能である形態を有することを示し、例えば、ガイドタワーがメインタワーを中心に形成される中空円錐台のような形態である場合、そのような円錐台の複数本の側線を軸とする複数本の支持脚である場合、円錐台が現場打ちのＰＣコンクリート製である場合、各支持脚が鋼管製である場合、各支持脚が鉄骨骨組み構造である場合等を広く含む趣旨である。なお、このガイドタワーは、あくまでもメインタワーを水平方向についてのみ支持するのであり、スラスト方向については支持機能を有しない。
【００１６】
従来、風力発電機の支柱タワーの下端部に集中していた応力としての巨大な転倒モーメントは、上記メインタワーとガイドタワーとによって次のように分解される。すなわち、風上方向から風力発電機に加わる風圧は、メインタワーを風下方向に転倒させるように働く。基礎地盤に固定されていないメインタワーは、何らの支持がない場合においては風下方向に容易に転倒することとなる。
【００１７】
しかし、ここで、本発明におけるガイドタワーがメインタワーの任意の高さ中間位置を水平方向について支持している。したがって、メインタワーの転倒動作は、この高さ中間位置において阻止され、ガイドタワーには風下方向の水平荷重が伝達される。一方、メインタワーの下端部には、ガイドタワーに支持されている高さ中間位置を支点として反転した水平荷重である風上方向の水平荷重が加わることになる。
【００１８】
このような力関係は、メインタワーに加わる転倒モーメントが、ガイドタワーに加わる水平荷重と、メインタワーの下端部に加わる水平荷重に分解される関係を示している。この際、ガイドタワーに加わる水平荷重は、ガイドタワーに対する転倒モーメントを発生させる。しかし、ガイドタワーは風車を高所に支持する機能は要求されないことから、十分に高さを抑えた設計とすることができるとともに、スラスト荷重に耐える機能も要求されないことから、単純転倒モーメントに耐えることを目的とする専用の有利な構造を採用することができる。例えば、クレーン車におけるアウトリガーのように専用化された有利な構成である。
【００１９】
また、メインタワーに加わる荷重は、メインタワーの下端部に集中することなく、ガイドタワーによって支持された高さ中間位置を支点とする曲げ荷重としてメインタワーに作用する。すなわち、従来の風力発電機用の支柱タワーにおいては、基礎地盤近傍の支柱タワーの下端部において最も大きな耐曲げ強度を必要とするが、本発明のメインタワーにおいてもっと強度が必要とされる部分は、ガイドタワーによって支持される高さ中間位置である。次に、この高さ中間位置にどのくらいの曲げ荷重が加わるのかが問題である。
【００２０】
ここで、メインタワーの任意の高さ中間位置が、メインタワーの全長のほぼ２分の１に当たる位置であると前提し、メインタワーの高さ中間位置に何等の支持がなく、一定の大きさの荷重がメインタワーの一端に加わったときのメインタワーの下端部に加わる曲げ荷重に対して、同一の条件においてメインタワーの任意の高さ中間位置を支持した状態において、高さ中間位置に作用する曲げ荷重とでは、大きな差異が生じる。この場合、メインタワーの高さ中間位置に支点が存在する場合の曲げ加重は、支点が存在しない場合の曲げ荷重に対して半減する関係になる。これは、同一の荷重が曲げモーメントとして作用する場合のモーメントアームの長さが２分の１になるからに他ならない。
【００２１】
上記のような力関係は、メインタワーに要求される耐曲げ荷重が従来より大幅に小さくてもよく、メインタワーの外径が下端部に向かって減少するような形状であっても支障ないことを示している。また、メインタワーは、基礎地盤に固定される必要はなく、メインタワーの下端部を水平方向に位置ずれしないように支持することを持って足りる。したがって、メインタワーの設計難度を大幅に減少させることができる。なお、メインタワーが負担すべきスラスト荷重は、メインタワーに対して軸方向の圧縮荷重として作用することから、耐スラスト荷重対策は、もとより容易である。
【００２２】
本発明の応力分散型の風力発電機用の支柱タワーは、メインタワーの下端部にメインタワー全体を回転駆動するヨー駆動機構を備えるとともに、ガイドタワーは、ラジアル荷重を支持するベアリング機構を介してメインタワーを支持することによって、メインタワーに搭載した風車をメインタワーとともに回転駆動するようにしてヨー駆動することができる。
【００２３】
上記構成は、本発明におけるメインタワーが基礎地盤に固定されていないことを利用するものである。すなわち、メインタワーは、前述したように下端部を支点としてその場で自転するように回転運動することができる。ただし、メインタワーは、支持された高さ中間部においてガイドタワーと接触している。そこで、メインタワーの下端部にメインタワー全体を回転駆動するヨー駆動機構を設けるとともに、ガイドタワーが、ラジアル荷重を支持するベアリング機構を介してメインタワーを支持する構成を採用している。
【００２４】
なお、ここで、ラジアル荷重を支持するベアリング機構とは、一般機械要素としてのラジアルベアリングのほか、ラジアルベアリングと同等の機能を発揮することができるように組み合わされた部品アッセンブリを含む趣旨である。このようなベアリング機構の介在によって、ガイドタワーは、ヨー駆動機構によるメインタワーの回転運動を許容しながらメインタワーに対して必要な支持機能を発揮することができる。
【００２５】
本発明の応力分散型の風力発電機用の支柱タワーにおけるヨー駆動機構は、伝達トルク制限型のクラッチを介してメインタワーを回転駆動する構成とすることができる。
【００２６】
ヨー駆動機構の駆動対象は、メインタワーおよびメインタワーに搭載される風車である。つまり、ヨー駆動機構には、巨大なイナーシャ部材を駆動することが求められる。したがって、ヨー駆動機構は、大減速比の減速機を介してメインタワーを駆動することとなる。ヨー駆動機構の駆動対象であるイナーシャ部材は、ときとして、そのイナーシャによって減速機を介してヨー駆動機構を駆動するように作用する。例えば、ヨー運動している風車を特定の位置に停止させようとする場合や、風向き変化の影響が風車を経由してメインタワーを回転させる力として作用する場合である。
【００２７】
減速機は、トルクと回転との振り分けを実行する機構であり、ヨー駆動機構に対しては、駆動対象に対する所要駆動トルクを減少させるように機能する。逆に、駆動対象の有するイナーシャがヨー駆動機構を駆動する向きに働く事態においては、所要駆動トルクを増大させるように機能する。この結果、極端な場合には、駆動対象のイナーシャが衝撃荷重として減速機に加わり、減速機を破壊してしまうような事態に至る。
【００２８】
ヨー駆動機構とメインタワーとの間に介在する伝達トルク制限型のクラッチは、規定トルク又は設定トルクを超えるトルクを伝達しないようにすることができるクラッチである。つまり、減速機が破壊されるようなトルクは、伝達されないように設定することができる。また、クラッチとして基本的な断続動作をすることもできるので、必要に応じてヨー駆動機構とメインタワーを切り離すこともできる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、下端部を基礎地盤に固定することなく設置されて主にスラスト荷重に耐えながら風車を支持するメインタワーと、主に水平荷重に耐えながらメインタワーの任意の高さ中間位置を支持するガイドタワーとの組合せによって構成することにより、従来、支柱タワーの下端部に集中していた巨大な転倒モーメントをガイドタワーに加わる風下方向の水平荷重と、その反力であるメインタワーの下端部から基礎地盤に風上方向に加わる水平荷重とに分解して受け止めることができるので、メインタワーの所要機械強度を大幅に低減することができる。これによって、高さの高い支柱タワーの構築が容易化されるとともに、巨大な転倒モーメントを支持するための巨大な基礎構造物を不要とすることができるので、風力発電機の設置コストを引き下げることができる。また、メインタワーは、基礎地盤に固定して転倒モーメントに耐えるように設置する必要がないので、例えば、メインタワーを下端部に向かって先細りの構造とし、この部分を基礎地盤レベルに設置するヨー駆動機構によってメインタワーごとヨー駆動するようにすることによって、ヨー駆動のための特殊な巨大部品の必要性を排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の風力発電機用の支柱タワーの一実施の形態を示す側面図である。
【図２】上記実施形態における風力発電機用の支柱タワーの要部の斜視図である。
【図３】上記実施形態における風力発電機用の支柱タワーの要部の断面図である。
【図４】本発明の風力発電機用の支柱タワーの他の実施の形態を示す側面図である。
【図５】本発明の風力発電機用の支柱タワーの他の実施の形態を示す側面図である。
【図６】本発明の風力発電機用の支柱タワーの他の実施の形態を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の応力分散型の風力発電機用の支柱タワー（単に、「支柱タワー」もと言う。）の実施の形態を図面を引用しながら説明する。
【００３２】
本発明の支柱タワーは、風車１において、ハブ２の回転軸である主軸Ｘの一端側のみを支持する一般的な片持ち支持の風車１を搭載する用途にも、また、風車１を挟んでその主軸Ｘの両側を支持する両持ち支持の風車１を搭載する用途にも適用することができる。ここでは、先ず、両持ち支持の風車１を搭載する実施の形態について説明する（図１）。
【００３３】
両持ち支持の風車１における主軸Ｘは、ハブ２の両側に抜けており、抜け出た主軸Ｘの両端は、前後のナセル３，４によってカバーされている。風車１の前方のナセル３は、主軸Ｘ用のベアリングを収納するものであり、風車１の後方のナセル４は、ベアリング及び発電機を収納している。風車１は、メインタワー２０とガイドタワー３０との組合せからなる支柱タワー１０によってその風車１に応じた適切な上空位置に支持される。風車１は、効率改善用の集風シュラウド７を伴い、風車１の前方のナセル３には、風向センサ２２が取り付けられている。
【００３４】
メインタワー２０は、略、高さ中間位置に水平方向のテーブル状の中間ベース８を備える。中間ベース８は、異なる構造物を応力伝達可能に一体化するための便宜構造物であり、それ以上の意味を有しない。すなわち、メインタワー２０は、中間ベース８以下を鋼管構造のコラム９によって形成し、中間ベース８以上を鉄骨構造の支持柱５，６によって形成した混成構造からなり、中間ベース８は、メインタワー２０のコラム９と支持柱５，６とを連結する機能を分担している。
【００３５】
メインタワー２０のコラム９は、中間ベース８直下部分を除き、基礎地盤Ｇに向かって先細りに形成された特殊な外形を有する。コラム９の下端部は、ラジアル軸受およびスラスト軸受を含む複合軸受けユニット１４によって支持され、コラム９は、ヨー軸Ｙを中心にその場で自転することができる。コラム９が先細り形状に形成されているのは、コラム９の下端部に曲げ荷重が加わらないためであり、また、複合軸受けユニット１４を市販レベルの小型の既製品で組み上げることができるようにとの配慮である。この複合軸受けユニット１４には、ヨー駆動機構１７が並設されている。
【００３６】
メインタワー２０の中間ベース８以上部分を形成する支持柱５，６は、風車１を両持ち支持する機能を有する。風車１の前方のナセル３を支持する支持柱５は、風車１の回転面を中心にしてその前方に加わる垂直荷重を支持し、風車１の後方の支持柱６は、回転面の後方に加わる垂直荷重および風車１の前方からの風によって生じるスラスト荷重を受け止める。前後の支持柱５，６の構成の相違は、負担する荷重の相違にも基づくものであり、したがって、後方の支持柱６には相対的に強固な骨組み構造が採用されている。
【００３７】
ガイドタワー３０は、上端部にガイドリング１５を備え、このガイドリング１５を四方から支持する４本の支持脚１２…を主要部材としてなる（図１，図２）。
【００３８】
４本の支持脚１２…は、下方に向かって開脚して大きな転倒モーメントに耐えるように姿勢決めされている。支持脚１２…の鋼材には、パイプ構造のものが採用されている。４本の支持脚１２…は、多数の水平桟２Ｂ…および交叉桟２Ｃ…によって互いに連結され、全体として一体的な構造強度を発揮することができる。各支持脚１２は、コンクリート製の足場ブロック１３を介して基礎地盤Ｇに固定されている。足場ブロック１３からガイドリング１５に及ぶガイドタワー３０の設置高さは、メインタワー２０の高さの略１／２に設定されている。
【００３９】
ガイドタワー３０の上端部に位置するガイドリング１５には、ラジアル方向の荷重を支持するベアリング機構１１が組み込まれ、ガイドタワー３０は、ベアリング機構１１を介してメインタワー２０のコラム９を取り囲むように支持している（図２）。これによってメインタワー２０の直立姿勢が保持される構造である。
【００４０】
ベアリング機構１１の好ましい構造例としては、例えば、ガイドリング１５とコラム９との間に多数個の転動輪Ｒ…を介装する構造を例示することができる（図２）。ヨー駆動の必要に基づいて駆動されるコラム９は、高速回転することはないので、ベアリング機構１１の設計方針は、低速大荷重に耐えることである。多数の転動輪Ｒ…の相互位置は、図示しないリテーナによって保持される。
【００４１】
一方、コラム９の下端部を支持する複合軸受けユニット１４およびヨー駆動機構１７の好ましい構造例としては、次のような構造を例示することができる。
（図３）。
【００４２】
複合軸受けユニット１４は、基礎地盤Ｇに固定する堅固な軸受ハウジング４Ｂを介してコラム９の下端部に加わる荷重を支持する機能を有する。コラム９の下端部に加わる主な荷重は、メインタワー２０の自重およびメインタワー２０に搭載された風車１の重量によるスラスト荷重Ｗと、メインタワー２０の高さ中間位置をガイドタワー３０によって支持することによる反力としてのラジアル荷重である。したがって、軸受ハウジング４Ｂの内部には、ラジアルベアリング４Ｒと、スラストベアリング４Ｓとが組み込まれている。
【００４３】
コラム９の下端部には、コラム９の自転軸としての意義を有するシャンク軸９Ｃが設けられている。軸受ハウジング４Ｂの上面壁には、コラム９のシャンク軸９Ｃを挿通するための開口部が形成され、ラジアルベアリング４Ｒは、この開口部に嵌め込む態様で軸受ハウジング４Ｂに組み付けられている。コラム９のシャンク軸９Ｃは、ラジアルベアリン４Ｒを通過して軸受ハウジング４Ｂの内部に至っている。
【００４４】
また、軸受ハウジング４Ｂの底面壁上には、低速大荷重用のスラストベアリング４Ｓが、ヨー軸Ｙを基準に設置されており、スラストベアリング４Ｓには、中心部にシャンク軸９Ｃを受け入れる凹部を形成したリテーナ４Ｈが取り付けられている。コラム９は、シャンク軸９Ｃの先端部をリテーナ４Ｈの凹部に落とし込ませる状態でスラストベアリング４Ｓと組み合わされ、コラム９の下端部に集中したスラスト荷重Ｗは、シャンク軸９Ｃを介して全てこのスラストベアリング４Ｓによって支持される。
【００４５】
ヨー駆動機構１７は、コラム９の下端部に取り付ける大径の従動歯車９Ｓと、駆動モータ７Ｍを主体とする駆動ユニットとの組合せによって構成することができる（図３）。従動歯車９Ｓは、シャンク軸９Ｃを中心としてコラム９の下端面に水平姿勢で固定されている。
【００４６】
駆動ユニットは、駆動モータ７Ｍと減速機７Ｇとクラッチ７Ｃとを組み合わせてピニオンギヤ７Ｐを駆動する構成である。駆動ユニットは、従動歯車９Ｓとピニオンギヤ７Ｐとを噛合させて軸受ハウジング４Ｂに並設される。なお、クラッチ７Ｃには、伝達トルク制限型のものが用いられ、駆動モータ７Ｍは、ブレーキ機構７Ｂを備えるブレーキモータである。このような駆動要素の組合せにより、装置各部に過負荷を生じさせることのない安全且つ円滑なヨー駆動動作を実現することができる。
【００４７】
このようなメインタワー２０とガイドタワー３０との組合せからなる風力発電機用の支柱タワー１０における応力の分散関係の概略を模式的に示すと、次のようになる（図１）。
【００４８】
風力発電機における風荷重Ｐｗの代表的な作用点は、風車１におけるナセル３，４の高さ位置である。ここで、ナセル３，４の高さ位置をＨｎと表すと、風車１を支持している支柱タワー１０全体に加わる転倒モーメントは、（Ｐｗ・Ｈｎ）で与えられる。この転倒モーメントは、従来構造の支柱タワーにおいては、その下端部に対する巨大な曲げ荷重として作用することとなる。このことが、高さの高い支柱タワー、つまり高さ位置Ｈｎが大である支柱タワーの設計を困難なものとする原因である。
【００４９】
このような転倒モーメント自体は、風荷重Ｐｗと支柱タワーの高さ位置Ｈｎが存在する限り解消することはできない。転倒モーメントに対抗するための常套的手法としては、支柱タワーの基礎占有面積を増大させる方法があるが、単純に基礎占有面積を増大させた支柱タワーは、風車１を搭載する上方に向かって外形を減じるデザインとしても、全体構造の規模が過大となり、大量の構造部材を必要とする。
【００５０】
転倒モーメントの対抗する他の方法としては、支柱タワーの任意の高さ中間位置を支持する方法が考えられる。この方法は、結局のところ、風車１の高さ位置Ｈｎを確保することを主目的とする部材と、転倒モーメントに対抗することを主目的とする部材とに分担分けを行うことを意味する。本発明におけるメインタワー２０が前者に相当し、ガイドタワー３０が後者に相当する。すなわち、ガイドタワー３０は、メインタワー２０の高さ中間位置をラジアル方向から支持する構造である。
【００５１】
ここで、ナセル３，４の高さ位置Ｈｎを基準として、ガイドタワー３０によって支持される高さ中間位置までの距離をＨ１とし、高さ中間位置から複合軸受けユニット１４によって支持されるメインタワー２０の下端部、すなわち、コラム９の下端部までの距離をＨ２とする場合、メインタワー２０がガイドタワー３０に及ぼす風下方向の水平荷重Ｐ１の大きさは、下記数式１で与えられる。また、メインタワー２０の下端部には、風下方向の水平荷重Ｐ１の反力成分として風上方向の水平荷重Ｐ２が作用する。この水平荷重Ｐ２は、下記数式２で与えられ、複合軸受けユニット１４によって受け止められる。
【００５２】
（数１）
Ｐ１＝Ｐｗ×（Ｈ１＋Ｈ２）／Ｈ２
【００５３】
（数２）
Ｐ２＝Ｐｗ×Ｈ１／Ｈ２
【００５４】
上記数式１および数式２に示されるように、従来支柱タワー１０の下端部に集中していた転倒モーメント（Ｐｗ・Ｈｎ）は、方向が異なる風下方向の水平荷重Ｐ１と風上方向の水平荷重Ｐ２とに分解され、メインタワー２０には転倒モーメントが全く加わらない力関係が成立している。もっとも、ガイドタワー３０に作用する水平荷重Ｐ１は、ガイドタワー３０に対して大きな転倒モーメントを生じさせるが、ガイドタワー３０は、風車１の重量等からなるスラスト荷重Ｗを支持する必要がないので、ごく簡単な開脚構造によってこれに耐えることができる。
【００５５】
また、数式２は、ガイドタワー３０によって支持される高さ中間位置以下の距離Ｈ２が大きいほどメインタワー２０から複合軸受けユニット１４に加わる水平荷重Ｐ２が小さくなることを示している。したがって、複合軸受けユニット１４の負担を軽減するには、コラム９の下端部が基礎地盤Ｇに接近するように設置することが有利である。なお、この数式による示唆をより積極的に活用する意味において、基礎地盤Ｇを掘削し、基礎地盤レベル以下において、コラム９の下端部を支持することもできるものとする。
【００５６】
以下、本発明の支柱タワー１０の他の実施の形態を３例順次に説明する（図４ないし図６）。
【００５７】
上記実施の形態に示す支柱タワー１０においては、いわゆる両軸型の風車１を搭載した例を示しているが、本発明の支柱タワー１０は、水平軸型の風車１の主流である片持ち支持方式の風車１を搭載する場合においても、メインタワー２０に転倒モーメントが加わらないという特徴的な作用効果を何らの追加的要件を必要とすることなく発揮することができる（図１）。
【００５８】
メインタワー２０は、ガイドタワー３０によって支持される高さ中間位置以下のコラム９と、上部コラム９Ａとが中間ベース８を介して連結される構成である。これは、風車１の回転面とヨー軸Ｙとを一致させるために、ヨー軸Ｙに対して上部コラム９Ａをオフセット配置したためである。この形態の支柱タワー１０においては、ヨー駆動機構１７によってメインタワー２０全体をヨー軸Ｙを中心として駆動した場合において、上部コラム９Ａが円弧運動をすることとなるが、風車１は、ヨー軸Ｙを中心にその場で回転する本来のヨー運動である。つまり、上部コラム９Ａが円弧運動したとしても特に指摘するほどの支障はなく、風車１の動作安定性を阻害しないという利点がある。
【００５９】
本発明の支柱タワー１０は、メインタワー２０のコラム９と上部コラム９Ａとをヨー軸Ｙに一致させて直線的に形成することもできる（図５）。
【００６０】
この形態においては、風車１の回転面をヨー軸Ｙに一致させることはできない。したがって、ヨー駆動に際しては上記実施の形態とは逆に、メインタワー２０は、ヨー軸Ｙを中心にその場で安定な自転動作をするものの、風車１は、ヨー軸Ｙを中心に円弧運動をすることが問題となる。ただし、この問題に対しては、ヨー駆動を十分に緩慢に実施することによって、回転中の風車１が円弧運動することによる動作不安定を回避することができる。
【００６１】
しかし、この実施の形態における支柱タワー１０は、コラム９と上部コラム９Ａとが一直線上に配置されることから、中間ベース８を省力することができるという利点がある。また、メインタワー２０によって片持ち支持された風車１は、支柱タワー１０全体に対する偏心荷重を生じさせる。しかし、風車１に対するヨー駆動が正常に実施されている場合、この偏心荷重は、常に、風圧によって支柱タワー１０に加わる転倒モーメントを打ち消す方向に作用することから、片持ち支持による偏心荷重が必ずしも不利益に働くとは言えない。
【００６２】
本発明の支柱タワー１０は、セルフヨー機能を有する風車１を搭載することによって、ヨー駆動機構１７を省くことができる（図６）。
【００６３】
風車１は、後方のナセル４に大面積の垂直尾翼１Ｆを備え、十分な風見鶏効果を得ることができるように構成されている。メインタワー２０には、中間ベース８を省いてコラム９と上部コラム９Ａとを一直線上に連結したものが用いられる。メインタワー２０は、風車１の後方のナセル４の部分を支持している。このナセル４とメインタワー２０との間における一般的なヨー駆動機構の介在はなく、両者は、直結されている。したがって、風車１のセルフヨー動作とメインタワー２０の回転動作とは、一体不可分である。
【００６４】
この結果、ヨー軸Ｙを中心とする風車１の姿勢変化は、そのまま、メインタワー２０の自転動作となり、この自転動作は、メインタワー２０の高さ中間位置をラジアル方向から支持するガイドタワー３０のベアリング機構１１と、メインタワー２０の下端部を支持する複合軸受けユニット１４のラジアルベアリングによってメインタワー２０の直立姿勢を維持しつつ許容される。セルフヨー方式の風車１は、風向変化に対する反応が迅速であることが特徴であり、わが国のように風向が安定しない地域に適した方式であるといえる。
【００６５】
すなわち、本発明の支柱タワー１０は、上記実施の形態の説明からも明らかなように、両持ち支持方式の風車１、片持ち支持方式の風車１であるかを問わず、また、ヨー駆動を要するか要しないかを問わず、各種の風車１の支持用途に広汎に適合することができる。また、上記実施の形態に含まれていないが、原理的にヨー駆動を必要としない垂直軸型の風車の支持用途にも利用することが可能である。この場合には、メインタワー２０が回転する構造であることを要しないので、ガイドタワー３０のベアリング機構１１および複合軸受けユニット１４を省略した簡素な支柱タワー１０を実現することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１ 風車、
７Ｃ クラッチ、
９ コラム、９Ａ 上部コラム、
１０ 支柱タワー、
１１ ベアリング機構、
１４ 複合軸受けユニット、
１７ ヨー駆動機構
２０ メインタワー、
３０ ガイドタワー、
Ｇ 基礎地盤、
Ｗ スラスト過重、
Ｐ１ 風下方向の水平荷重、
Ｐ２ 風上方向の水平荷重、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車を所定上空位置に支持する鉄骨骨組み構造または鋼管連結構造からなる風力発電機用の支柱タワーにおいて、
前記支柱タワーが、風車を所定上空位置に支持するメインタワーと、該メインタワーを取り囲むように設置するガイドタワーとからなり、
前記メインタワーは、下端部を基礎地盤に固定することなくラジアル荷重とスラスト荷重とを受け止めるように立設されるとともに、前記ガイドタワーは、前記メインタワーの周囲の基礎地盤に固定されて前記メインタワーの任意の高さ中間位置を水平方向について支持し、風圧によって前記メインタワーに加わる転倒モーメントを前記メインタワーの任意の高さ中間位置から前記ガイドタワーに伝達される風下方向の水平荷重と、前記メインタワーの下端部から基礎地盤に伝達される風上方向の水平荷重とに分散することを特徴とする応力分散型の風力発電機用の支柱タワー。
【請求項２】
前記メインタワーは、下端部に前記メインタワー全体を回転駆動するヨー駆動機構を備えるとともに、前記ガイドタワーは、ラジアル荷重を支持するベアリング機構を介して前記メインタワーを支持することを特徴とする請求項１に記載の応力分散型の風力発電機用の支柱タワー。
【請求項３】
前記ヨー駆動機構は、伝達トルク制限型のクラッチを介して前記メインタワーを回転駆動することを特徴とする請求項２に記載の応力分散型の風力発電機用の支柱タワー。
【請求項１】
風車を所定上空位置に支持する鉄骨骨組み構造または鋼管連結構造からなる風力発電機用の支柱タワーにおいて、
前記支柱タワーが、風車を所定上空位置に支持するメインタワーと、該メインタワーを取り囲むように設置するガイドタワーとからなり、
前記メインタワーは、下端部を基礎地盤に固定することなくラジアル荷重とスラスト荷重とを受け止めるように立設されるとともに、前記ガイドタワーは、前記メインタワーの周囲の基礎地盤に固定されて前記メインタワーの任意の高さ中間位置を水平方向について支持し、風圧によって前記メインタワーに加わる転倒モーメントを前記メインタワーの任意の高さ中間位置から前記ガイドタワーに伝達される風下方向の水平荷重と、前記メインタワーの下端部から基礎地盤に伝達される風上方向の水平荷重とに分散することを特徴とする応力分散型の風力発電機用の支柱タワー。
【請求項２】
前記メインタワーは、下端部に前記メインタワー全体を回転駆動するヨー駆動機構を備えるとともに、前記ガイドタワーは、ラジアル荷重を支持するベアリング機構を介して前記メインタワーを支持することを特徴とする請求項１に記載の応力分散型の風力発電機用の支柱タワー。
【請求項３】
前記ヨー駆動機構は、伝達トルク制限型のクラッチを介して前記メインタワーを回転駆動することを特徴とする請求項２に記載の応力分散型の風力発電機用の支柱タワー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−４０５６６（Ｐ２０１３−４０５６６Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７６１３４（Ｐ２０１１−１７６１３４）
【出願日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【出願人】（５０５０８１４７８）株式会社エネドリーム (9)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【出願人】（５０５０８１４７８）株式会社エネドリーム (9)
【Ｆターム（参考）】
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