(57)【要約】【課題】風力タービンで使用するタワー（１２）又はその構成要素を製作する方法を開示する。【解決手段】本方法は、タワー又は構成要素の形状に対応する形状として繊維トウ（５２）を織って可撓性織物プリフォーム（３６）を形成するステップと、可撓性織物プリフォームを積層して複合材シェル（２６、３４）を形成するステップとを含む。さらに開示するのは、複合材風力タービンタワーと該タワーに結合された風力タービンとを含む風力タービン組立体（１０）である。【選択図】      図１１
2009264381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービン（１０）で使用するタワー（１２）又はその構成要素を製作する方法であって、
前記タワー又は構成要素の形状に対応する形状に繊維トウ（５２）を織って、可撓性織物プリフォーム（３６）を形成するステップと、
前記可撓性織物プリフォームを積層して、複合材シェル（２６、３４）又はその一部セクションを形成するステップと、を含む、
方法。
【請求項２】
前記積層するステップに先立って、前記可撓性織物プリフォーム（３６）をタワー組立現場に輸送するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記繊維トウ（５２）が、マンドレル（３８）の周りに織られる、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記マンドレル（３８）が第１のマンドレルであり、該方法が、
前記輸送するステップに先立って、前記可撓性織物プリフォーム（３６）を前記第１のマンドレルから取外すステップと、
前記積層するステップに先立って、前記可撓性織物プリフォームを第２のマンドレル上に滑動させるステップと、をさらに含む、
請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記積層するステップに先立って、前記可撓性織物プリフォーム（３６）に樹脂を注入するステップをさらに含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記マンドレル（３８）の周りに前記繊維トウ（５２）を織って、織物複合材の第１の層（２８）を形成するステップと、
前記織物複合材の第１の層の周りに前記繊維トウを織って、該織物複合材の第２の層（３０）を形成するステップと、
をさらに含む、請求項３記載の方法。
【請求項７】
前記マンドレル（３８）の周りに前記繊維トウ（５２）を織って、織物複合材の第１の層（２８）を形成するステップと、
前記織物複合材の第１の層に隣接させてコア材料の層（３２）を配置するステップと、  前記コア材料の層の周りに前記繊維トウを織って、前記織物複合材の第２の層（３０）を形成するステップと、
をさらに含む、請求項３記載の方法。
【請求項８】
前記コア材料（３２）が、バルサ材、ポリ塩化ビニル発泡体、アクリルニトリルスチレン発泡体、ポリエチレン発泡体及びそれらの組合せからなる群から選択された材料を含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記可撓性織物プリフォーム（３６）が、レジントランスファ成型法及び真空補助レジントランスファ成型法からなる群から選択されたプロセスを使用して積層される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記繊維トウ（５２）が、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維又はそれらの組合せを含む、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の技術分野は、総括的には風力タービンタワーに関し、より具体的には、複合材風力タービンタワー及びそれを製作する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
公知の風力タービンは、複数のブレードを備えたロータを含む。ロータは、トラス状又は管状のタワーの頂部に配置されたハウジング又はナセル内に取付けられる。ロータブレードは、風力エネルギを回転力又はトルクに変換し、この回転力又はトルクにより、常にではないが一般的に、ギアボックスを介してロータに回転結合された１つ又はそれ以上の発電機を駆動する。ギアボックスを使用する場合には、ギアボックスは、タービンロータの本来的に低い回転速度を増大させて、発電機が機械的エネルギを効率的に電気エネルギに変換するのを可能にするようにする。その他の場合には、ギアボックスを使用せずに、低速発電機を使用して電力を発生する。
【０００３】
風力タービンの電力発生を増大させかつエネルギコストを低減するために、少なくとも幾つかの公知の風力タービンでは、大型のブレード（例えば、長さが５０ｍ又はそれ以上の）を使用する。より大型のブレード寸法により、増大したタービン出力定格及びより効率的なエネルギ発生が得られる。より大型のブレードは、対応する大きな高さ及び寸法を有する支持タワーを必要とする。しかしながら、より大型の風力タービンタワーの生産は、該タワーの根元における水平寸法、より厚い（より重い）プレートの必要性及び増加した製造コストによって制限される。現在、殆どの公知のタービンタワーは、溶接式の管状プレート鉄鋼構造である。そのようなプレート鉄鋼構造は一般的に、大量の鉄鋼を使用しており、これが、材料コストを増加させる。それに加えて、大型の管状タワーは、特別な製造装置を必要とし、また製造現場からタービン組立現場に輸送するのが扱い難くかつ困難である可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの態様では、本開示は、風力タービンで使用するタワー又はその構成要素を製作する方法に関する。本方法は、タワー又は構成要素の形状に対応する形状に繊維トウを織って可撓性織物プリフォームを形成するステップと、可撓性織物プリフォームを積層して複合材シェル又はその一部セクションを形成するステップとを含む。
【０００５】
別の態様では、本開示は、風力タービン組立体に関し、本風力タービン組立体は、複合材風力タービンタワーと該タワーに結合された風力タービンとを含む。タワーは、第１の織物複合材層と、第２の織物複合材層と、コア材料の層とを含む。タワーは、約５ＧＰａ〜約３００ＧＰａの引張り係数を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】例示的な風力タービンの斜視図。
【図２】図１に示す風力タービンで使用することができる例示的な複数層複合材シェルの断面図。
【図３】図１に示す風力タービンで使用することができる例示的な単一層複合材シェルの断面図。
【図４】図１に示す風力タービンで使用することができる例示的な単一層多角形複合材シェルの断面図。
【図５】マンドレル上の例示的な単一層可撓性織物プリフォームの断面図。
【図６】平坦にした、図５に示す可撓性織物プリフォームの断面図。
【図７】折込み型の又は「折畳み型の」構成にした、図６に示す可撓性織物プリフォームの断面図。
【図８】トロリアームを下げた状態での輸送用トロリ上に搭載された折畳み型の可撓性織物プリフォームの側面図。
【図９】トロリアームを持上げた状態での輸送用トロリ上に搭載された折畳み型の可撓性織物プリフォームを示す図。
【図１０】可撓性織物プリフォームがトラックトレーラの内部かつ両側面上に取付けられた軌道内のローラトロリ上に搭載された状態での該トラックトレーラの断面側面図。
【図１１】可撓性織物プリフォームを製造する場合における、可撓性織物プリフォームがトラックトレーラ内で形成されまた該トラックトレーラの内部かつ両側面上に取付けられた軌道内のローラトロリ上に搭載された状態での該トラックトレーラの断面側面図。
【図１２】例示的な３軸編みの拡大図。
【図１３】織物複合材の例示的な３次元層の一部分の拡大図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は、例示的な風力タービン組立体１０の斜視図である。この例示的な実施形態では、風力タービン組立体１０は、水平軸風力タービンである。それに代えて、風力タービン組立体１０は、垂直軸風力タービンである。この例示的な実施形態における風力タービン組立体１０は、支持面１４から延びるタワー１２と、タワー１２に取付けられたナセル１６と、ナセル１６に結合されたロータ１８とを含む。ロータ１８は、回転可能なハブ２０とハブ２０に結合された複数の風力タービン又はロータブレード２２とを含む。この例示的な実施形態では、ロータ１８は、３つのロータブレード２２を含む。別の実施形態では、ロータ１８は、３つよりも多い又は少ないロータブレード２２を含む。中心線２４は、ナセル１６及びハブ２０を通って延びる。各ロータブレード２２は、先端部２６を含む。この例示的な実施形態では、タワー１２は、該タワー１２が本明細書で説明するように機能するのを可能にする炭素繊維、ガラス繊維又はその他の任意の適切な材料で製作された複合材タワーであり、支持面１４とナセル１６との間で延びるキャビティ（図１には図示せず）を含むことができる。タワー１２の高さは、当技術分野で公知の要因及び条件に基づいて選択される。ブレード２２は、ロータハブ２０の周りに拡がり、ロータ１８を回転させて運動エネルギを風力から使用可能な機械的エネルギに、続いて電気エネルギに変換するのを可能にする。
【０００８】
図２〜図４には、タワー１２の例示的な断面図を概略的に示している。この例示的な実施形態では、タワー１２は、それに限定されないが、エポキシ、ビニルエステル、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリプロピレン又はそれらの組合せのような樹脂（図示せず）によって積層された１つ又はそれ以上の織物複合材の層２８及び３０を使用して製作することができる複合材シェル２６及び３４を含む。本明細書で使用する場合に、「織物複合材」という用語は、それに限定されないが、本明細書で説明するように金属、プラスチック、木材、並びに／或いは、それに限定されないがガラス繊維（すなわち、グラスファイバ）、炭素繊維及び／又はアラミド繊維のような１つ又はそれ以上の適切な材料を共に織ることによって形成された複合材料を意味する。複合材シェル２６はまた、１つ又はそれ以上の織物複合材層２８及び３０によって積層されたその他の構成要素層を含むことができる。例えば、図２に示すように、複合材シェル２６は、内側織物複合材層３０と外側織物複合材層２８との間に挟装されたコア材料３２を含む複数層複合材シェルとして、風力又は運転荷重による座屈に対する複合材シェル２６及び／又はタワー１２の強度を高めるのを可能にすることができる。
【０００９】
図２は、３つの層、すなわち外側織物複合材２８、内側織物複合材３０並びに複合材２８及び３０間に挟装されたコア材料３２を含む複数層複合材シェル２６を示しているが、複合材シェル２６は、それに代えて層２８又は３０のような任意の数の織物複合材層、及び／又はコア材料３２のようなコア材料の層を含む任意の層の組合せを備えることができる。例えば、図２には、１つのみのコア材料３２の層を示しているが、またコア材料３２は２つの隣接する織物複合材２８及び３０間に挟装されたものとして示しているが、複合材シェル２６のような複数層複合材シェルは、複合材シェル２６が本明細書で説明するように機能するのを可能にする任意の数のコア材料３２の層を含むことができる。
【００１０】
例えば、別の実施形態では、複合材シェルは、図３及び図４に示すように、単一層複合材シェル３４とすることができる。そのような例示的な実施形態では、複合材シェル３４は、コア材料３２を含まずに、単一の織物複合材層２８又は３０を含むことができる。
【００１１】
１つの実施形態では、風力タービンタワー１２を製作する方法は、複合材シェルの所望の形状に対応する形状を有するマンドレル３８の周りに繊維トウを織って、可撓性織物プリフォームを形成するステップを含む。可撓性織物プリフォームは、複合材シェルの前駆体であり、従って、一般的に複合材シェルと同じ構成を有する。例えば、可撓性織物プリフォームは、図５に示す可撓性織物プリフォーム３６のような材料（例えば、織物複合材）の単一層を含むことができるか、それに代えて、複合材シェルの所望の構成に応じて、２つ又はそれ以上の材料の層（図示せず）を含むことができる。可撓性織物プリフォームは次に、タワー組立現場に輸送され、そこで、可撓性織物プリフォームは積層されて複合材シェルを形成する。複合材シェルは、複合風力タービンタワーとして単独で使用することができ、或いは複合風力タービンタワーの一部として使用することができる。
【００１２】
それに代えて、可撓性織物プリフォームは、複合材シェルの一部セクションのみの前駆体とすることができる。例えば、可撓性織物プリフォームは、複合材シェルの下部、中間及び／又は上部セクションに対応させることができ、或いは積層させて複合材シェルの１つ又はそれ以上の側面（又は側面の一部分）を形成することができるパネルの形態とすることができる。例えば、１つの実施形態では、可撓性織物プリフォームは、図４に示すように多角形複合材シェルの１側面に対応する。可撓性織物プリフォームが複合材シェルの一部セクションに対応する場合には、プリフォームは、形成しようとする複合材シェルの一部セクションの形状に対応する形状を有するマンドレルの周りに繊維トウを織ることによって形成することができる。それに代えて、プリフォームは、比較的平坦な形状、例えば複合材シェルの側面又は該側面の一部分を形成することができるパネルの形状に繊維トウを織ることによって、マンドレルを使用せずに形成することができる。積層されると、それらセクションを組立てて、複合材シェルを形成することができる。
【００１３】
上記のように、例示的な実施形態では、可撓性織物プリフォームは、マンドレル３８の周りに繊維トウを織ることによって形成して、例えば織物複合材を形成することができる。本明細書で使用する場合に、「繊維トウ」という用語は、マンドレルの周りに織られて織物複合材を形成した1つ又は複数の材料のフィラメントの束を意味する。繊維トウを形成するために使用する材料は、織物複合材２８及び／又は３０を形成するのに使用する任意の適切な材料を含むことができ、それらには、それに限定されないが、金属、プラスチック、木材、並びに／或いは、それに限定されないがガラス繊維（すなわち、グラスファイバ）、炭素繊維、アラミド繊維又はそれらの組合せのような繊維が含まれる。適切な炭素繊維の具体的な実施例には、Ｔ３００炭素繊維、ＡＳ２Ｃ炭素繊維、ＡＳ４炭素繊維、ＡＳ４Ｃ炭素繊維、ＡＳ４Ｄ炭素繊維、ＡＳ７炭素繊維、ＩＭ９炭素繊維及び同様なものが含まれる。１つの実施形態では、炭素繊維は、Ｔ３００炭素繊維である。繊維トウに使用することができる適切な材料のその他の実施例には、ケブラー（登録商標）４９、ＳＣＳ−６、Ｓ２ガラス、Ｅ−ガラス、Ｎｉｃａｌｏｎ（商標）繊維（日本カーボン会社から入手できる）のような炭化ケイ素繊維、アルミナ及びそれらの組合せが含まれる。一般的には、繊維トウは、約１，０００〜約８０，０００、より一般的には約１２，０００〜約８０，０００の寸法を有することになる（すなわち、約１２，０００〜約８０，０００のフィラメントを含む束となることになる）。
【００１４】
それによって繊維トウを織る具体的な機構は、特別には定めていないが、一般的に特定の幾何学形状を有する複合材シェルがそれに耐えるように設計された荷重に依存している。トウは、マンドレル３８から取外した時に織物複合材（及び可撓性織物プリフォーム）がその形状を実質的に維持する（すなわち、ほどけない）ように織られることになるのが好ましい。一般的に、織ることは、２軸として又は３軸としてかのいずれかでトウを編むことによって達成される。３軸編みの構造の例示的な図を、図１２に示している。さらに、トウは、タワー１２の所望の特性に応じて２次元層及び／又は３次元層に編むことができる。適切な編み機械は、当技術分野では公知であり、市販されている。
【００１５】
図１３は、織物複合材の例示的な３次元層の一部分を示している。織物複合材の３次元層は一般的に、一定の又は均一に変化する織り合せパターンの領域、並びに／或いは長手方向Ｌ（すなわち、織物複合材で形成されたタワー又は複合材シェルの高さに対応する方向）の寸法を含むことになる。織物複合材の３次元層の織り合せパターン及び／又は寸法は、高さに応じて長手方向Ｌに沿って変化させることができる。例えば、織物複合材の３次元層は、複合材シェルの下部（底部）セクションになる（又は下部（底部）セクションの一部になる）ことになる織物複合材の一部分において、複合材シェルの上部（頂部）セクションになる（又は上部（頂部）セクションの一部になる）ことになる層の一部分におけるのとは異なる寸法及び／又は織り合せパターンを有することができる。般的に、織物複合材の３次元層は、長手方向Ｌに沿った任意の所定の高さにおいて織物複合材の周辺部又は外周部の周りに一定の深さＤの均一の反復織り合せパターンを含むことになる。
【００１６】
上記のように、この例示的な実施形態では、可撓性織物プリフォームは、複合材シェルの前駆体であり、従って、一般的に複合材シェルと同じ層構成を有することになる。例えば、複合材シェル３４が、図３及び図４に示すような単一の織物複合材のような単一層のみを含む実施形態では、可撓性織物プリフォームはまた、織られたトウで形成された織物複合材の単一層のみを含むことになる。複合材シェル２６が、図２に示すような複数層を含む実施形態では、可撓性織物プリフォームはまた、織られたトウ及び／又はコア材料の1つ又は複数の層で形成された織物複合材の複数層を含むことになる。
【００１７】
可撓性織物プリフォームが織物複合材の単一層のみを含む場合には、一般的に層は、図１３に示すような３次元層であるのが好ましい。一般的に、そのような実施形態では、層は、少なくとも２ｍｍの厚さであり、より一般的には、約３ｍｍ〜約１０ｍｍであることになる。層は、約６ｍｍ〜約８ｍｍの厚さであることになるのが好ましい。そのような実施形態では、可撓性織物プリフォームで形成された複合材シェル３４は一般的に、コア材料を含まず、むしろ、織物複合材の単一層のみを含むことになる。
【００１８】
別の実施形態では、可撓性織物プリフォームは、複数層を含む。例えば、可撓性織物プリフォームは、織物複合材の少なくとも２つの層を含むことができる。そのような複数層プリフォームは、マンドレルの周りに第１の内側層を織ることによって形成することができる。次に、第１の内側層の周りに第２の層を織ることによって複数層プリフォームを形成することができる。任意選択的に第２の層の周りに付加層を織って、織物複合材の複数の層を含むプリフォームを形成することができることを理解されたい。幾つかの実施形態では、プリフォームを構成する層は、層の端部を共にステッチすることによって互いに保持することができる。そのようにテッチすることにより、タワー組立現場への輸送の間に層が滑動するのを又は分離するのを防止することが可能になる。複数層プリフォームの層は、２次元又は３次元とすることができる。１つの実施形態では、複数層プリフォームは、２つ又はそれ以上の２次元層を含む。複数層プリフォーム内の織物複合材の各層の厚さは、プリフォーム内の他の層と同じ又は異なるものとすることができるが、一般的には織物複合材の各層は、少なくとも約２ｍｍ、より一般的には約３ｍｍ〜約１０ｍｍの厚さを有する。好ましくは、複数層プリフォーム内の織物複合材の層は、約６ｍｍ〜約８ｍｍの厚さを有することになる。
【００１９】
幾つかの実施形態では、複数層プリフォームは、コア材料の１つ又はそれ以上の層を含む。コア材料は、織物複合材の１つ又はそれ以上の層間に配置することができる。コア材料は一般的に、複合材シェル内に織物複合材の層を支持する中実かつ軽量の剛性又は半剛性材料である。複合材シェルの形成に使用する適切なコア材料には、それに限定されないが、バルサ材、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）発泡体、アクリルニトリルスチレン（ＳＡＮ）発泡体、ポリエチレン（ＰＥ）発泡体、それに限定されないがアルミニウムハニカムのような金属ハニカム、それに限定されないがポリエステルコアマットのような織物、及びそれらの組合せが含まれる。可撓性織物プリフォーム内に存在しているコア材料の１つ又は複数の層は、コア材料が本明細書で説明するように機能するのを可能にする任意の適切な厚さを有することができる。例えば、１つの実施形態では、コア材料層は一般的に、約５ｍｍ〜約１００ｍｍである。
【００２０】
コア材料の１つ又はそれ以上の層は、任意の所望の配向又は構成として、織物複合材の１つ又はそれ以上の層間に配置して、複数層可撓性織物プリフォームを形成することができる。例えば、１つの実施形態では、可撓性織物プリフォームは、織物複合材の第１の内側層と、織物複合材の第２の外側層と、織物複合材の内側及び外側層間に配置されたコア材料の少なくとも１つの層とを含むことができる。そのような可撓性織物プリフォームで形成された複合材シェルの断面図を図２に示している。そのようなプリフォームは、マンドレルの周りに第１の層を織って織物複合材の第１の内側層を形成することによって形成することができる。次に、第１の内側層に隣接させて、コア材料の１つ又はそれ以上の層を配置することができる。本コア材料は、任意の適切な機構を使用して、織物複合材の第１の内側層に隣接した所定の位置に保持することができる。例えば、１つの実施形態では、コア材料は、第１の内側層にステッチすることができる。それに代えて、又はステッチすることに加えて、コア材料は、接着剤及び／又はその他の接合材料を使用して、織物複合材の第１の内側層に隣接させて保持することができる。
【００２１】
上述のように、コア材料は一般的に、中実の剛性又は半剛性材料である。この剛性は、複合材シェルに対する支持を与えるのに有利であるが、そのような材料をプリフォーム構造に組込むことにより、可撓性織物プリフォームの可撓性全体を低下させる可能性がある。その結果、コア材料の剛性に応じて、プリフォームは、屈曲させかつ／又は折畳むのが困難になる可能性がある。このことは、特に輸送の間にプリフォームを折畳みかつ／又は折込むのが望ましい場合に、問題となる可能性がある。従って、幾つかの実施形態では、プリフォーム内のコア材料の各層は、コア材料の複数の連結してない部片を含むことができる。一般的に、コア材料の隣接する部片は、コア材料部片間のスペースに沿ってプリフォームを屈曲させる又は折込むことができるのを可能にするように十分に離して間隔を置いて配置され、従って、可撓性織物プリフォームの可撓性を向上させることになる。コア材料の単一の連続部片によるのではなく、コア材料の複数の連結していない部片でコア材料の層を形成することによって、プリフォームは隣接するコア材料部片間に形成されたスペースに沿って屈曲させるか又は折込むことができるので、得られた可撓性織物プリフォームの可撓性は、増大させることができる。コア材料の層におけるコア材料の各部片は、任意の適切な機構を使用して織物複合材の第１の内側層に隣接させて配置することができる。さらに、コア材料の層に使用するコア材料の部片の数は、重要ではなく、むしろ可撓性織物プリフォームの所望の可撓性の程度に応じて変化することになる。
【００２２】
コア材料の層が、織物複合材の第１の内側層に隣接して配置されると、次に織物複合材の第２の層をコア材料の周りに織って、可撓性織物プリフォームを形成することができる。このタイプのプリフォームを使用して、図２に示すような複合材シェルを形成することができる。本開示の複数層可撓性織物プリフォームは、３層構造であることのみに限定されるものではなく、それに代えて、任意の適切な層構成としてプリフォーム内に組込まれた織物複合材及び／又はコア材料の１つ又はそれ以上の付加層をさらに含むことができることを理解されたい。例えば、１つの実施形態では、織物複合材の１つ又はそれ以上の付加層は、織物複合材の第１の内側層の周りに織られ、かつ織物複合材の１つ又はそれ以上の付加層に隣接してコア材料の層が配置される。別の実施形態では、織物複合材の１つ又はそれ以上の付加層が、織物複合材の第２の層の周りに織られる。さらに別の実施形態では、コア材料の１つ又はそれ以上の層が、コア材料の第１の層に隣接して配置され、かつ織物複合材の第２の外側層が、コア材料の外側層の周りに巻かれて、複数層可撓性織物プリフォームを形成する。他の実施形態では、コア材料の第２の層が、織物複合材の第２の層に隣接して配置され、かつ次に織物複合材の第３の層が、コア材料の第２の層の周りに織られて、可撓性織物プリフォームを形成する。その他の適切な層構成もまた使用することができる。
【００２３】
可撓性織物プリフォームを形成した後に、可撓性織物プリフォームは、複合材シェルの形成のために、タワー組立現場に輸送することができる。１つの実施形態では、可撓性織物プリフォームは、輸送に先立ってマンドレルから取外すことができる。プリフォームは可撓性であるので、マンドレルから取外されると、プリフォームは次に、容易に折畳まれ、折込まれ、重ねられ、又はその他の方法で操作されて、タワー組立現場への輸送を可能にすることができる。そのような実施形態では、可撓性織物プリフォームは、タワー組立現場に到着した後に、以下に説明するように第２のマンドレル上に滑動されかつ積層されて、複合材シェルを形成する。
【００２４】
別の実施形態では、可撓性織物プリフォームは、空気注入式マンドレルの周りに形成される。可撓性織物プリフォームをタワー組立現場に輸送するのに先立って、マンドレルは、該マンドレルからプリフォームを取外さずに、空気を抜かれる。マンドレルの空気を抜くことによって、プリフォームをより容易に操作しかつ輸送することが可能になる。組立現場において、マンドレルは次に再び空気を注入され、かつ以下に説明するように可撓性織物プリフォームが積層されて、複合材シェルを形成する。
【００２５】
図５から図１１には、タワー組立現場への可撓性織物プリフォームの輸送について示している。具体的には、図５は、円形のタワーを形成するのに使用することができかつマンドレル３８の周りに織られた織物複合材のような材料の単一層を含む可撓性織物プリフォーム３６の断面図である。可撓性織物プリフォーム３６には、該可撓性織物プリフォーム３６の例示的な折込みを説明するために、参照点１〜８のマークを付している。可撓性織物プリフォーム３６は、マンドレル３８から取外されると、平坦になるように折畳むことができる。図６は、平坦になった例示的な可撓性織物プリフォーム３６の断面図である。図６に示すように、この例示的な実施形態では、参照点８は参照点６と整列し、参照点１は参照点５と整列し、参照点２は参照点４と整列し、また参照点３及び７は、折畳まれた可撓性織物プリフォーム３６の端部を形成する。可撓性織物プリフォーム３６は、折畳まれると、タワー組立現場への輸送に先立って任意の適切な構成として折込むことができる。図７は、例示的な構成に折込まれた可撓性織物プリフォーム３６の断面図を示している。
【００２６】
可撓性織物プリフォーム３６は、例えばトラック、船舶、鉄道及び同様のもの、又はそれらの組合せによって、タワー組立現場に輸送することができる。可撓性織物プリフォーム３６はまた、タワー組立現場への輸送のためにトラックの輸送用コンテナ又はトレーラ４０に移すことができる。１つの実施形態では、可撓性織物プリフォーム３６は、図８〜図９に示すように、輸送用トロリ４２を使用して、輸送用コンテナ又はトラックトレーラ４０内に移される。具体的には、図８に示すように、可撓性織物プリフォーム３６は、トロリアーム４４を下げた場合の一連の個々の輸送用トロリ４２上にわたって置かれる。可撓性織物プリフォーム３６は、輸送用トロリ４２上にわたって置かれると、折畳まれ、かつ図６に示すように折込まれないか、又は図７に示すように任意の適切な構成に折込むことができる。１つの実施形態では、トロリアーム４４は、制御した油圧作動を使用して直立位置に同時に回転させて、各輸送用トロリ４２が、図９に示すように可撓性織物プリフォーム３６の一部分を支持するようにする。それに代えて、トロリアーム４４は、モータ駆動式伸縮ブレース（図示せず）を使用して、持上げることができる。可撓性織物プリフォーム３６を支持する輸送用トロリ４２は、該可撓性織物プリフォーム３６をタワー組立現場に輸送するために輸送用コンテナ又はトラックトレーラ４０内に移動させることができる。図９に示すように、２つの隣接する輸送用トロリ４２間にわたる可撓性織物プリフォーム３６の一部分は、輸送用コンテナ又はトラックトレーラ４０内に搭載するために互いにより近接するように輸送用トロリ４２を移動させると、折込まれた状態になる。可撓性織物プリフォーム３６を輸送するために使用される輸送用トロリ４２の数は、重要ではないが、一般的に可撓性織物プリフォーム３６の折込み高さＨが輸送用コンテナ又はトラックトレーラ４０の標準高さを越えないことを保証するのに十分な数が使用される。例えば、１つの実施形態では、１２台〜１４台のトロリ４２が使用される。別の実施形態では、１３台のトロリ４２が使用される。各輸送用トロリ４２は、可撓性織物プリフォーム３６の形状及び該可撓性織物プリフォーム３６の壁厚さの変化に応じて、約１トン〜約３トンの重量の可撓性織物プリフォーム３６を支持することができる。
【００２７】
それに代えて、可撓性織物プリフォーム３６を輸送用トロリ４２上に配置するのに、ジブ又は橋形クレーン及びフォールディングリフトビーム（図示せず）を使用することができる。例えば、フォールディングリフトビームが、可撓性織物プリフォーム３６の端部を持上げた時に、直立の輸送用トロリ４２が、リフトビームの下方に配置される。次にビームを下げ、かつ可撓性織物プリフォーム３６が次に、輸送用トロリ４２に移される。この過程が、残りの輸送用トロリ４２に対して繰り返される。この過程を使用することによって、各リフトサイクル間に可撓性織物プリフォーム３６を折込むことが可能になり、トロリの油圧装置又はモータ駆動伸縮ブレースの必要性が排除される。
【００２８】
他の実施形態では、可撓性織物プリフォーム３６は、図１０に示すように輸送用コンテナ又はトラックトレーラ４０の内部かつ両上部側面５４上に取付けられた軌道４８内に取付けられかつ該軌道４８に沿って移動する複数の協調ローラトロリ４６によって支持することができる。１つの実施形態では、折畳まれた又は折込まれた可撓性織物プリフォーム３６は、例えばクレーン又はその他の適切な機構を使用して、搭載レール５８及びローラトロリ４６にわたって置かれる。ローラトロリ４６は次に、輸送用コンテナ又はトラックトレーラ４０内の軌道４８上に取付けられる。それに代えて、ローラトロリ４６は、輸送用コンテナ又はトラックトレーラ４０内の軌道４８上に事前取付けすることができ、可撓性織物プリフォーム３６は、軌道４８上に事前取付けされたローラトロリ４６上にわたって、図１０に示す矢印５６によって表した方向に該可撓性織物プリフォーム３６をローラ搬送することによって、トラックトレーラ４０内に搭載することができる。隣接するローラトロリ４６間にわたる可撓性織物プリフォーム３６の一部分は、互いに近接するようにローラトロリ４６を移動させると、折込まれた状態になる。搭載レール５８は、輸送に先立って取外される。
【００２９】
別の実施形態では、可撓性織物プリフォーム３６は、図１１に示すように、該可撓性織物プリフォーム３６を輸送用コンテナ又はトラックトレーラ４０内に搭載する時に、形成することができる。そのような実施形態では、図１１に示すように輸送用コンテナ又はトラックトレーラ４０の内部に或いは該輸送用コンテナ又はトラックトレーラ４０の直ぐ外部に（図示せず）、編組機械５０を配置することができる。編組機械５０内に繊維トウ５２を給送し、編組機械５０において、持運び可能マンドレル（図示せず）の周りに繊維トウ５２を巻いて、可撓性織物プリフォーム３６を形成する。この実施形態では、持運び可能マンドレルでは一般的に、可撓性織物プリフォーム３６の所望の長さほど長くないものとなる。従って、持運び可能マンドレルの長さよりも長い長さを有する可撓性織物プリフォーム３６を形成するために、形成した可撓性織物プリフォーム３６の一部分は、持運び可能マンドレルの端部から滑動させて外されて、該マンドレルの他方の端部が露出するようになる。従って、繊維トウ５２は、持運び可能マンドレルの露出端部の周りに織り続けることができる。この過程は、可撓性織物プリフォーム３６の所望の長さが得られるまで、続けることができる。そのような実施形態では、可撓性織物プリフォーム３６の形成した端部は、持運び可能マンドレルから取外されるので、可撓性織物プリフォーム３６は、ローラトロリ４６によって又はそれに代えて輸送用トロリ（図示せず）によって支持することができる。
【００３０】
可撓性織物プリフォーム３６は、輸送用コンテナ又はトラックトレーラ４０に搭載されると、複合材シェルの形成を可能にするためにタワー組立現場に移送される。可撓性織物プリフォーム３６は、組立現場において輸送用コンテナ又はトラックトレーラ４０から降ろされると、以下に説明するように、第２のマンドレル上に滑動されかつ積層されて、複合材シェルを形成する。それに代えて、空気注入式マンドレルを使用する実施形態では、可撓性織物プリフォーム３６は、輸送用コンテナ又はトラックトレーラ４０から降ろされ、マンドレルは再び空気注入され、また可撓性織物プリフォーム３６は、積層されて複合材シェルを形成する。
【００３１】
可撓性織物プリフォーム３６が第２のマンドレル上に滑動されるか又はそれに代えて空気注入式マンドレルが再び空気注入されると、可撓性織物プリフォーム３６を樹脂で注入させるか又は別の方法で可撓性織物プリフォーム３６に対して樹脂を加えかつ該可撓性織物プリフォーム３６を積層させてプリフォーム３６の1つ又は複数の層を互いに結合させて、タワー１２の複合材シェルを形成する。それに限定されないが、レジントランスファ成型（ＲＴＭ）法、樹脂フィルム注入（ＲＦＩ）法、真空補助レジントランスファ成型（ＶＡＲＴＭ）法などの任意の適切な積層法を使用して、任意の適切な温度で任意の適切な時間の間にわたって樹脂注入プリフォームを加熱しかつ／又は樹脂注入プリフォームに圧力を加えることができる。幾つかの実施形態では、樹脂は、レジントランスファ成型法で使用するような圧力、熱及び／又は真空バッグシステムを使用して、プリフォーム３６内に注入される。さらに、幾つかの実施形態では、織られた層及び／又はプリフォーム３６内に存在するコア材料の層は、マンドレル上に織られかつ／又は配置されるのに先立って樹脂で被覆される。プリフォーム３６を積層するために使用する樹脂は、例えばポリエステル、フェノール樹脂、ポリプロピレン、ビニルエステル、エポキシ、その他の同様な樹脂、又はそれらの組合せを含む任意の熱可塑性又は熱硬化性樹脂を含むことができる。１つの実施形態では、体積分率で複合材シェルの約４５％〜約４８％の量として積層させるのに先立って、プリフォーム３６に対して樹脂が加えられる（塗布される）。
【００３２】
積層に続いて、複合材シェルは、任意の適切な方法を使用してマンドレルから取外すことができる。例えば、マンドレルは、該マンドレル上に可撓性織物プリフォームを滑動させるのに先立って離型膜で被覆して、マンドレルからの複合材シェルを取外すのを助けることができる。適切な離型膜の非限定的な実施例には、様々な水溶性の重合体／ワックスエマルションが含まれる。マンドレルが空気注入式マンドレルである場合のような別の実施形態では、マンドレルは空気を抜き、かつ複合材シェルは、空気の抜けたマンドレルから取外すことができる。さらに他の実施形態では、マンドレルは、積層後に複合材シェル内に残して、完成した複合材風力タービンタワーの一部になるようにすることができる。
【００３３】
上述のように、幾つかの実施形態では、可撓性織物プリフォームは、複合材シェルの一部セクションの前駆体である。そのような実施形態では、可撓性織物プリフォーム前駆体セクションは、タワー組立現場に輸送されると、任意の適切な方法を使用して積層され、次に積層部片は、組立てられて複合材シェルを形成する。
【００３４】
本明細書で説明した方法を使用して形成した複合材シェルは、複合材風力タービンタワーを形成するのに使用することができる。本明細書で説明した複合材風力タービンタワーは、例えばＧＥ  Ｅｎｅｒｇｙの４〜７ＭＷ型設計を含む任意の寸法の風力タービンを支持するために使用することができる。この複合材風力タービンタワーは、鉄塔（鉄鋼タワー）に匹敵する強度特性を有する利点がある。例えば、幾つかの実施形態では、本開示の複合材風力タワーは、約７０ＭＰａ〜約９００ＭＰａの範囲の降伏強度を可能にすることになる利点がある。そのようなタワーの実強度は、壁厚さ、繊維含量、繊維配向及び繊維材料に応じて変化させることができる。一般的に、複合材風力タービンタワーはまた、依然として良好な強度を有しているが、従来型の鉄鋼タワーよりも軽量である。例えば、本明細書で説明した方法を使用して製作した複合材風力タービンタワーは、約５ＧＰａ〜約３００ＧＰａ、より一般的には約２０ＧＰａ〜約２００ＧＰａの引張り係数を有していながら、極めて低いタワー重量を有することができる。複合材風力タービンタワーの引張り係数を向上させることによりまた、変化するタービン作動荷重及び風力荷重の下で励振モードになり難くする大きな振動数範囲を有するタワーが得られる。一般的に、複合材風力タービンタワーの第１の固有振動数は、約０．１Ｈｚ〜約２Ｈｚであり、より一般的には約０．２Ｈｚ〜約０．６Ｈｚである。
【００３５】
複合材シェルの壁の厚さは、該複合材シェルを形成するために使用した材料に応じて変化することになる。１つの実施形態では、複合材シェルは、単一層可撓性織物プリフォームで形成され、かつ少なくとも約１０ミリメートル、より一般的には少なくとも約２０ミリメートルの壁厚さを有する。他の実施形態では、複合材シェルは、複数層可撓性織物プリフォームで形成され、かつ少なくとも約２０ミリメートル、より一般的には約２０ミリメートル〜約１５０ミリメートルの壁厚さを有する。複合材シェルの壁の厚はまた、単一の複合材シェルの範囲内で変化させることができる。例えば、複合材タワーの根元を形成する複合材シェルの底端部は、一般的に複合材シェルの頂端部よりも厚いものとなる。
【００３６】
複合材シェルは、任意の適切な形状を有することができる。１つの例示的な実施形態では、複合材シェルは、図２及び図３に示すように、ほぼ円錐形であり、円形の断面輪郭を有する。他の実施形態では、複合材シェルは、図４に示すように、多角形の断面輪郭を有する。複合材シェルの正確な寸法は、本発明を説明するのに重要ではない。しかしながら、複合材シェルは一般的に、約２メートル〜約２０メートル、より一般的には約３．５メートル〜約５メートルの根元における直径を有し、また約２メートル〜約６メートル、より一般的には約２．５メートル〜約３．５メートルの頂部における直径を有することになる。１つの例示的な実施形態では、複合材シェルは、約１０メートル〜約１５０メートル、より一般的には約８０メートル〜約１００メートルの長さ（高さ）を有することができる。本明細書で説明した方法を使用して形成した複合材シェルの重量は、複合材シェル寸法及び可撓性織物プリフォームを形成するために使用した材料に応じて変化することになるが、一般的には約４０メートルトン〜約５００メートルトン、より一般的には約５０メートルトン〜約９０メートルトンになることになる。積層前の可撓性織物プリフォームの重量は、約３０メートルトン〜約３２０メートルトン、より一般的には約３０メートルトン〜約７０メートルトンとすることができる。
【００３７】
別の態様では、本開示はさらに、図１に示すような風力タービン組立体を提供する。本風力タービン組立体は、本明細書で説明した複合材シェルを含む複合材風力タービンタワーと、風力タービンとを含む。風力タービンは、タワーに結合されて、風力タービン組立体を形成する。
【００３８】
本明細書で説明した風力タービンタワー及び本風力タービンタワーを製作する方法を使用することによって、タワーの据付け及び組立現場において容易に組立てることができる風力タービンタワーを製作することができる。さらに、上述のように、このように風力タービンタワーを製作することによって、本タワーは、大量の鋼鉄を必要としかつ高価な材料及び製作コストを有する従来型の風力タービンタワーよりも効率的にかつ低いコストで製作することができる。加えて、可撓性織物プリフォームをタワー組立現場に輸送しかつプリフォームを現場で積層して複合材風力タービンタワーを製作することは、事前製作したタワーを輸送するよりも容易かつコスト効率が良い。幾つかの実施形態では、本明細書で説明した風力タービンタワーは、一般的に鉄鋼タワーに関連する中間フランジ継手、据付けコスト、ライフサイクル点検コスト及びメンテナンスコストの必要性を排除する。加えて、一般的に鉄鋼タワーに必要とされる独立した塗装作業、タービン作動寿命の間における再塗装又はタッチアップ塗装並びにそれらの関連コストの必要性が、排除される。
【００３９】
以上に、風力タービンタワー及び本風力タービンタワーを製作する方法の例示的な実施形態について詳細に説明している。これらの風力タービンタワー及びこれらの風力タービンタワーを製作する方法は、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ本風力タービンタワーの構成要素は、本明細書で説明したその他の構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。例えば、以上に説明した風力タービンタワー及び本風力タービンタワーを製作する方法は、その他の産業又は民生用途を有することができ、本明細書で説明した用途での使用のみに限定されるものではない。むしろ、本開示は、多くの他の製品と関連してかつ他の環境において、実施しかつ利用することができる。
【００４０】
様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の修正で実施することができることは、当業者には分かるであろう。
【符号の説明】
【００４１】
１０  風力タービン組立体
１２  タワー
１４  支持面
１６  ナセル
１８  ロータ
２０  ハブ
２２  ロータブレード
２４  中心線
２６  複合材シェル
２８  単一の織物複合材層
３０  内側織物複合材層
３２  コア材料
３４  単一層複合材シェル
３６  可撓性織物プリフォーム
３８  マンドレル
４０  コンテナ又はトラックトレーラ
４２  輸送用トロリ
４４  トロリアーム
４６  ローラトロリ
４８  軌道
５０  編組機械
５２  繊維トウ
５４  両上部側面
５６  矢印
５８  搭載レール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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