(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基礎に固定されたタワーと、このタワーの上部に取り付けられたナセルと、前記ナセルに取り付けられた風車とを備えた風力発電機において、
共用開始後に第１世代タワーの耐力を測定し、測定結果に基づき増改築時の損失耐力及び残存耐力を特定し、前記残存耐力を第２世代タワーの耐力の一部として利用し、さらに第１世代タワーの外側に増設を行うことにより第２世代タワーを構築することを特徴とする風力発電機の増改築方法。
【請求項２】
前記第１世代タワー内には、高さ方向における複数個所に加速度計及び速度計が設けられ、前記加速度計及び前記速度計は、水平方向の加速度及び速度を検出し、この検出により前記第１世代タワーの損失耐力を特定することを特徴とする請求項１記載の風力発電機の増改築方法。
【請求項３】
前記第１世代タワー内には歪計が装着されて、前記第１世代タワーの損失耐力を特定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の風力発電機の増改築方法。
【請求項４】
コンクリートからなる前記第１世代タワーの高さ方向に沿って延在するＰＣ鋼材に荷重計が装着されて、前記荷重計の計測により前記第１世代タワーの損失耐力を特定することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の風力発電機の増改築方法。
【請求項５】
前記第２世代タワーは、前記第１世代タワーの外側を覆ってコンクリートによって増設されたタワー増設部を備えていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の風力発電機の増改築方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基礎に固定された鋼製又はコンクリート製のタワーと、このタワーの上部に取り付けられたナセルと、ナセルに取り付けられた風車とを備えた風力発電機の増改築方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から一般的に利用されているこの種の風力発電機としては、コンクリート製の基礎に鋼板製のタワーが固定され、このタワーの頂部にナセルが取り付けられている。ナセル内には、発電機や増速機が収容され、増速機から突出するロータ軸には、風車が固定されている。風車のブレードが風を受けて回転すると、増速機により一定の回転数に上げられ、発電機によって回転運動を電力に変換している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１２２０６６号公報
【特許文献２】特開２００５−２４８６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
風力発電機は自然エネルギーを利用するもので、刻々変わる風速、風向に対応し風車の向きや羽根の角度を制御することで効率的な発電を行っている。風力発電用タワーは他の塔状構造物と異なって、自重の大きな風車や発電機などが最上部に載っているために揺れ易く、さらに外力として作用する風や、風を受けたブレードの回転に起因する振動荷重を常時受けるのが特徴的である。このため、タワーは振動荷重による疲労損傷を受けやすいので、設計にあたっては暴風時や地震時などの短期的な荷重に対する安全性の照査の他、耐用期間中に受ける風に起因する疲労照査を行っている。
風力発電用タワーの振動に伴う疲労照査には、累積損傷度Ｄとした場合、
【数１】
0004908357.tif 000002
ｎij:繰返し回数    Nij：疲労寿命  （式-1）
等を用いて評価する。
設定した耐用年数の間に作用する各振動荷重毎の繰返し回数（nij）を、疲労試験などによって得られた疲労強度曲線から求まる疲労寿命（Nij）で除す。これらを全ての振動荷重において積算し、累積損傷度Ｄを求め、これが１以下であれば、疲労破壊しないと判断できる。検討に用いる風は実際には不規則に変化するが、統計的な確率分布により想定する。
そして、風力発電用タワーは、風車の耐用年数（一般に20年）に合わせて設計されていたため、耐用期間が過ぎた後に、風車やナセルと一緒に解体撤去しなければならず、解体コストが発生しているのが現状であった。
【０００５】
本発明は、耐久年数が過ぎたタワーの既存の強度の有効活用を図って、建設コストの大幅な削減を可能にした風力発電機の増改築方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る風力発電機の増改築方法は、基礎に固定されたタワーと、このタワーの上部に取り付けられたナセルと、ナセルに取り付けられた風車とを備えた風力発電機において、共用開始後に第１世代タワーの耐力を測定し、測定結果に基づき増改築時の損失耐力及び残存耐力を特定し、残存耐力を第２世代タワーの耐力の一部として利用し、さらに第１世代タワーの外側に増設を行うことにより第２世代タワーを構築することを特徴とする。
【０００７】
風力発電機に利用されているタワーには、普段の横風による風車やナセルの揺れ、不意な地震や台風などによって、不規則な曲げ荷重が作用しているので、シミュレーションした事態と大きく異なっているが現実であり、耐久年数が過ぎたタワーは、解体することが一般的であった。これに対し、本発明に係る風力発電機の増改築方法にあっては、第１世代タワーの強度に付加するように、第２世代タワーを増設するので、第１世代タワーの再利用を可能にし、一からタワーを構築する場合に比べて、建設コストの大幅な削減が可能になる。
【０００８】
また、第１世代タワー内には、高さ方向における複数個所に加速度計及び速度計が設けられ、加速度計及び速度計は、水平方向の加速度及び速度を検出し、この検出により第１世代タワーの損失耐力を特定すると好適である。
【０００９】
この場合、タワーの挙動を的確に捉えることの出来る位置(通常のタワーは一次モードで振動するため、この挙動を捉えるためタワー下部、中部、上部の最低３箇所)に加速度計及び速度計を設置して、タワー各部での振幅、周波数、振動回数を経時的に測定し、タワー全体の挙動を把握する。この測定で得られた結果は、耐久年数が過ぎた風力発電機を建て直す際に利用され、高さ方向において、第１世代タワーのどの位置がどの程度損傷を受けているかの判断に利用される。このように、第１世代タワーが、どの程度の損傷を受けているかを、加速度計及び速度計から得られる実測データに基づいて判断するので、第１世代タワーの強度に付加するように、第２世代タワーを増設すればよいので、第１世代タワーの再利用を可能にし、一からタワーを構築する場合に比べて、建設コストの大幅な削減が可能になる。
【００１０】
また、第１世代タワー内には歪計が装着されて、第１世代タワーの損失耐力を特定すると好適である。
歪計によって、変位、周波数、変形回数を経時的に測定することができ、加速度計及び速度計の利用と相俟って、既存のタワーの評価の精度を一層高めることができる。
【００１１】
また、コンクリートからなる第１世代タワーの高さ方向に沿って延在するＰＣ鋼材に荷重計が装着されて、荷重計の計測により第１世代タワーの損失耐力を特定すると好適である。
荷重計によって、ＰＣ鋼材に作用した緊張力の振幅、周波数、振動回数を経時的に測定することができ、加速度計及び速度計の利用と相俟って、既存のタワーの評価の精度を一層高めることができる。
【００１２】
また、第２世代タワーは、第１世代タワーの外側を覆ってコンクリートによって増設されたタワー増設部を備えていると好適である。
コンクリートによってタワーを増設することで、鋼鉄でタワーを増設する場合に比較して、大幅なコスト削減と工期短縮が可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、耐久年数が過ぎたタワーの既存の強度の有効活用を図って、建設コストの大幅な削減を可能にしている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る風力発電機の増改築方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１に示すように、第一世代目の風力発電機１にあっては、地中に埋められたコンクリート製の基礎２に鋼板からなる第１世代タワー３が固定され、この第１世代タワー３の頂部にナセル４が固定されている。このナセル４内には、図示しない発電機や増速機が収容され、増速機から突出するロータ軸（図示せず）には、風車５のハブ５ａが固定され、ハブ５ａには３枚のブレード５ｂが固定されている。また、ナセル４には、風向・風速計（図示せず）の機器本体が設けられ、刻々変わる風速、風向に対応して風車５の向きやブレード５ｂの角度を制御することで効率的な発電を行っている。なお、第１世代タワー３は、ナセル４や風車５の耐用年数（一般に２０年）に合わせて設計されている。
【００１６】
従来のタワーにおいて、風向・風速計（図示せず）により測定され続けたデータによって、タワーが受ける続けた荷重を算定すると、風車の故障やメンテナンス等によるデータの欠測、風速・風向変化と風車制御のタイムラグ、その他想定されなかった外力により大きな誤差を含むことになる。つまり、風向・風速計（図示せず）により測定され続けたデータからは、使用期間を過ぎたタワーが実際にどの様な荷重履歴を辿ったか導くことはできず、タワーの現時点の損失耐力（累積損傷度）を評価することができない。そのため風車５の取替えにあたり、タワー全体あるいは一部の部材を再使用して有効利用したくても増改築時の損失耐力が不明確なため再利用を図ることができず、従来のタワーにあっては、全て解体し撤去する必要がある。
【００１７】
また、二世代目風車への取替えを考慮して、当初から第１世代タワー３の耐用年数を風車５の耐用年数の倍にして設計することも可能であるが、1世代目の風車５と同じ振動特性をもつ風車が２０年後に入手できるとはかぎらない。このため二世代目風車への取替え時にはその時点の第１世代タワー３の実際の損失耐力が分かっていないと二世代目風車の振動特性に対する安全性の保障が難しい。
【００１８】
このような問題に鑑みて、図１〜図３に示すように、鋼板製の第１世代タワー３内には、実際の振動履歴を計測して、第１世代タワー３の累積損傷度を把握するために、速度計１０、加速度計１１、歪計１３が配置されている。速度計１０及び加速度計１１は、第１世代タワー３の内径方向に水平に架け渡されたステージ１４上に固定されていると共に、第１世代タワー３の頂部３ａ、中間部３ｂ及び底部３ｃにそれぞれ配置されている。なお、第１世代タワー３の高さや形状に応じて、速度計１０及び加速度計１１が配置される高さ位置が異なることは言うまでもない。
【００１９】
速度計１０及び加速度計１１は、第１世代タワー３の水平方向における速度及び加速度を測定する。速度計１０及び加速度計１１により、第１世代タワー３の高さ方向における各部３ａ〜３ｂでの振幅、周波数、振動回数を経時的に測定し、第１世代タワー３全体の立体的な挙動を把握する。そして、速度計１０及び加速度計１１は、ステージ１４に対して着脱自在であり、故障やメンテナンス時の交換を可能にしている。速度計１０及び加速度計１１による計測値は、ある一定期間又は耐用年数を通じて蓄積される。
【００２０】
第１世代タワー３の内壁面には、第１世代タワー３の構造上弱点となり得る箇所（例えば第１世代タワー３の中間部３ｂ及び底部３ｃ）に歪計１３が取り付けられている。この歪計１３によって、この取り付け部分における変位、周波数、変形回数を経時的に測定し、局部的な評価を行う。歪計１３による計測値は、ある一定期間又は耐用年数を通じて蓄積される。
【００２１】
また、第１世代タワー３の一部からテストピースＡを採取する。様々な箇所で採取されたテストピースＡは、引張試験や圧縮試験などを行いて引張り強度や圧縮強度などを把握するのに利用される。これにより、第１世代タワー３の材質の経年変化を知ることができ、計算に基づいて算出された累積損傷度とテストピースＡから得られた実際の部材強度とを対比して、実際の部材強度に基づいて累積損傷度の計算結果を補正することも可能となる。
【００２２】
風力発電機１の共用開始後に、速度計１０、加速度計１１、歪計１３及びテストピースＡによって得られた測定データに基づいて損失耐力を算出し、その後、第１世代タワー３の残存耐力を特定し、その残存耐力を第２世代タワーの耐力の一部として利用する。例えば、速度計１０、加速度計１１、歪計１３から得られた振幅・周波数・振動回数等のデータを蓄積する。振幅データと、鋼板製のタワーの曲げ剛性から各部に作用した曲げモーメントの平均値とで応力範囲を求め、この値を使って応力スケールScd max Scd minを計算し、疲労寿命Ｎを求める。また、前述した式-1を用いて第１世代タワー３の各部における累積損傷度を計算する。累積損傷度の値により、改築される２世代目タワーの設計条件を決定する。まず、２世代目風車に必要なタワーの設計を行い、タワーの各部における必要強度を算出する。累積損傷度を考慮した1世代目のタワー強度から不足する分をタワーの各部において求め、この部分を補強・改築する事で２世代目のタワーを経済的に構築する。なお、計測データの収集期間が耐久年数より短い場合は、得られたデータに基づき統計的な処理等により累積損傷度を計算する。
【００２３】
図４に示すように、コンクリートを用いた第１世代タワー３Ａについて説明する。なお、速度計１０、加速度計１１、歪計１３及びテストピースＡについては、鋼板製の第１世代タワー３と同様であるので、説明は省略する。
【００２４】
第１世代タワー３Ａには、コンクリートの補強を目的にして、全高に渡ってＰＣ鋼材（ＰＣ鋼線、ＰＣ鋼棒）１５が延在している。ＰＣ鋼材１５は、等角度をもって均等に配置され、任意のＰＣ鋼材１５には、荷重計１６が装着され、この荷重計１６によって、ＰＣ鋼材１５に作用した緊張力の振幅、周波数、振動回数を測定し、増改築時にＰＣ鋼材１５の損失耐力の特定を行う。また、第１世代タワー３Ａの構造上弱点となり得る箇所（例えば第１世代タワー３Ａの中間部及び底部）において、増改築時の損失耐力の特定を行うために、鉄筋１９に鉄筋計１７を取り付ける。鉄筋計１７は、鉄筋１９の変位、周波数、変形回数を経時的に測定し、鉄筋１９の局部的な評価を行う。
【００２５】
このように、様々な測定機器により、鋼板製又はコンクリート製の第１世代タワー３，３Ａの累積損傷度と強度が把握されると、再利用時に、これらを考慮した設計を行うことが可能となる。そして、第１世代タワー３，３Ａの各部では、当初に想定した累積損傷度に達した部分と、まだ強度的に十分に余裕があり再利用が可能な部分とが明確になる。
【００２６】
次に、前述した既存の風力発電機１を改築する場合について説明する。
【００２７】
図５に示すように、改築される新規な風力発電機２０には、耐久年数が過ぎたナセル４及び風車５に代えて新規なナセル２１及び風車２２が採用されるが、新規なタワー(第２世代タワー)Ｔ１や新規な基礎Ｂの部分に関しては、第１世代タワー３及び基礎２が再利用される。第１世代タワー３の強度を利用して、第１世代タワー３の外側をタワー増設部２３で覆う。第２世代タワーＴ１におけるタワー増設部２３は、第１世代タワー３に強度不足が発生している箇所を厚くするようにしている。同様に、基礎２の外側も基礎増設部２４で覆って、基礎２には、コンクリートによるいわゆる増し打ちが行われる。
【００２８】
さらに、図６に示すように、ナセル２１の底面に設けられたアダプタ２１ａとタワー増設部２３の頂部に設けられたアダプタ２３ａとを、ボルト２９によって連結する。また、図７に示すように、タワー増設部２３にあっては、第１世代タワー３の外側をコンクリート本体２６で覆い、第１世代タワー３とコンクリート本体２６との間にグラウト２５が充填される。コンクリート本体２６内にはシース管２７が埋設され、シース管２７内にはＰＣ鋼線２８が延在し、シース管２７内には、グラウトが充填されている。なお、シース管２７内にグラウトが充填されない場合もある。
【００２９】
改築後の風力発電機２０にあっては、第１世代タワー３内の速度計１０、加速度計１１及び歪計１３などの測定機器を、改築後に撤去してもよいが、第２世代タワーＴ１の計測を継続して行ってもよい。改築後も継続して測定行うことで、この測定結果を３世代目のタワーに生かすことができる。
【００３０】
このように、従来は全て解体撤去を行っていたタワーを利用し、２世代目のタワーとしてもそのまま使える部分と補強を行う必要がある部分を計算により求める。そして、累積損傷度に余裕が無い部分や疲労により強度が低下した部分などの必要な個所に、増し打ちコンクリートによる適切な補強を行い、新旧部材の合計により必要な累積損傷度と強度を確保している。このようにすることで1世代目の撤去解体を行う必要が無くなる。また、２世代目の風力発電機２０の大型化や設置高さの増加に対しても容易に対応でき、２世代目タワー建設のコスト削減と、工期の短縮を図ることができる。
【００３１】
第２世代タワーＴ１の建設時に第１世代タワー３を再利用することができるため、コンクリート数量などを削減することができるため、コストの削減が図れる。第１世代タワー３を型枠・型枠支保工として利用できるため型枠・型枠支保工コストの削減が図れると共に、工期短縮が可能になる。第１世代タワー３の足場を再利用できるため、コスト削減と工期の短縮が図れ、作業に対する安全性も向上する。産業廃棄物の発生量を削減することができる。
【００３２】
また、第１世代タワー３の建設時から２世代にわたる供用期間を設定してタワーを設計することも可能である。計測機器を設置しておくことにより、タワーが実際の累積損傷度を把握できるため、２世代目風車への取替え時にタワーの安全性を確認することができる。また、当初の予定から２世代目の風力発電機が仕様変更された場合にも、実際に受けた累積損傷度に基づいて当初設計をチェックし、新たな風力発電機用タワーとしての安全性を照査することが可能である。
【００３３】
第２世代タワーにおけるタワー増設部の他の例について以下説明する。
【００３４】
図８に示すように、第２世代タワーＴ２におけるタワー増設部３０にあっては、第１世代タワー３の外側をコンクリート本体３１で覆い、第１世代タワー３とコンクリート本体３１との間の隙間にＰＣ鋼線３２が延在している。
【００３５】
図９に示すように、第２世代タワーＴ３におけるタワー増設部３５にあっては、第１世代タワー３の外側をコンクリート本体３６で覆い、コンクリート本体２６には等間隔に応力伝達板３７が埋設されている。
【００３６】
図１０に示すように、第２世代タワーＴ４におけるタワー増設部４０にあっては、第１世代タワー３の外側をコンクリート本体４１で覆い、コンクリート本体４１は、円筒を例えば４分割してなるプレキャストセグメント４１ａの組み立てによって構成されている。第１世代タワー３とコンクリート本体４１との間にはグラウト４２が充填されている。プレキャストセグメント４１ａ内にはシース管４３が埋設され、シース管４３内にはＰＣ鋼線４４が延在し、シース管４３内には、グラウトが充填されている。
【００３７】
図１１に示すように、第２世代タワーＴ５におけるタワー増設部４５は、第１世代タワー３の外側に巻き付けられる鋼板であってもよい。なお、鋼板４６に代えて繊維補強シートを採用してもよい。
【００３８】
本発明は、前述した実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、図１２に示すように、改築される新規な風力発電機５０の第２世代タワーＴ６におけるタワー増設部５１は、第１世代タワー３に強度不足が発生している箇所の厚みを基準にして、均一な厚みのコンクリートで覆ってもよい。そして、タワー増設部５１の頂部には、コンクリートの増し打ちによって形成された増長部５１ａが設けられ、これによって、二世代目のタワーを高くしている。また、風力発電機を改築する場合、鋼板製の第１世代タワー３と同様に、コンクリート製の第１世代タワー３Ａ（図４参照）に基づいて新規なタワーを構築することもできる。また、第１世代タワーの全てにおいて補強を行う必要が無い場合は、そのまま第２世代目のタワーとして利用する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】風力発電機の一実施形態を示す正面図である。
【図２】図１に示した風力発電機の金属製タワーの縦断面図である。
【図３】図１に示した風力発電機の金属製タワーの横断面図である。
【図４】コンクリート製タワーを示す横断面図である。
【図５】増改築後の風力発電機を示す縦断面図である。
【図６】増改築後の風力発電機の要部拡大断面図である。
【図７】増改築後の風力発電機のタワーの横断面図である。
【図８】第２世代タワーの第１の変形例を示す横断面図である。
【図９】第２世代タワーの第２の変形例を示す横断面図である。
【図１０】第２世代タワーの第３の変形例を示す横断面図である。
【図１１】第２世代タワーの第４の変形例を示す横断面図である。
【図１２】増改築後の風力発電機の他の例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１，２０，５０…風力発電機、２…基礎、３，３Ａ…第１世代タワー、４…ナセル、５…風車、１０…速度計、１１…加速度計、１３…歪計、１５…ＰＣ鋼材、２３，３０，３５，４０，４５，５１…タワー増設部、Ｔ１〜Ｔ６…第２世代タワー。
【図１】
0004908357.tif 000003
【図２】
0004908357.tif 000004
【図３】
0004908357.tif 000005
【図４】
0004908357.tif 000006
【図５】
0004908357.tif 000007
【図６】
0004908357.tif 000008
【図７】
0004908357.tif 000009
【図８】
0004908357.tif 000010
【図９】
0004908357.tif 000011
【図１０】
0004908357.tif 000012
【図１１】
0004908357.tif 000013
【図１２】
0004908357.tif 000014