CN102947525A - 用于风力发电设备的塔和用来建造用于风力发电设备的塔的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于风力发电设备的塔，该塔具有壁，这些壁至少部分由木质材料构成的各个壁区段制成，其中，所述壁区段通过连接件互相连接，以及，本发明还涉及到一种用于建造这种塔的方法。因此本发明的目的是，提供一种用于风力发电设备的塔，该塔在用于风力发电设备的塔的高度保持不变情况下和在从塔的中轴线观察转子突出塔外侧的悬伸保持不变情况下能够实现较大的转子叶片长度。根据本发明的目的通过如下方式实现，在塔内至少部分设置有脚手架，所述壁区段与该脚手架保持地连接，所述壁区段如此设置在所述脚手架上，使得在穿过由壁区段构成的塔壁截取的垂直剖面中产生的包络线具有随塔高增加而变大的斜度。

Description

用于风力发电设备的塔和用来建造用于风力发电设备的塔的方法
技术领域
本发明涉及一种用于风力发电设备的塔，该塔具有壁，这些壁至少部分地由木质材料构成的各个壁区段制成，其中，这些壁区段通过连接件互相连接，以及，本发明还涉及到一种用来建造这种塔的方法。
背景技术
风力发电设备指用来生成电能的装置。风力发电设备配备有基座、建造在该基座上的塔和设置在该塔上的吊篮。在该吊篮上具有与转子叶片连接的、用来生成能量的驱动单元。
按照吊篮在塔上生成的静态载荷以及通过转子的旋转叶片的旋转和吊篮与风向相关的运动可能性生成的动态载荷来开发塔的结构。已知的塔由钢环或混凝土元件制成。已知的塔的基面在此是多边形或环形的圆弧。由混凝土制的各个节段制成的多边形塔从WO 2003/069099A中已知。此外已知的是，由木料建造这种多边形塔（DE 102007006652A1）。
在经济观点上期望的是，经济性最大化地建造塔的高度，因为风力发电设备的产量与转子的轮毂高度相关而且产量随高度的增加而升高。同时通过塔的较大高度产生的塔也升高。壁厚增加并由此增加塔的建造开销。
在由区段式设置的节段构成的塔中，在此决定性的方面是，各相叠设置的节段的水平的接触面对推力载荷或者横向力是敏感的。在塔的静力学上必须考虑这一点，由此减缓（entschaerfen）额定断裂点，这导致增加的使用材料，并且特别是决定使用耗费的连接件。
已显示出：可以由木料制造用于风力发电设备的塔，由此可以低成本地、快速地并节省材料地制造塔。在此证明为特别有利的是，在现场由各单独组成部分来建造塔，这些单独组成部分分别通过连接件直接与相邻的元件连接。但在此证明该建造方法需要如下改进，不出现大的装配公差的情况下可以将各个单独组成部分快速地并以高准确度互相连接。
高的风力发电设备的结构中的另一方面是所谓的间隙，该间隙指转子尖端到塔的距离。转子大小在此由从塔的中轴线观察转子突出塔外侧的悬伸和风力发电设备塔的高度来确定。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种用于风力发电设备的塔，该塔在风力发电设备塔的高度保持不变情况下和在从塔的中轴线观察转子突出塔外侧的悬伸保持不变情况下能够实现较大的转子叶片长度。此外本发明的目的是，实现一种用于建造这种塔的方法。
根据本发明的目的在塔方面通过如下方式实现，即，在塔内部至少部分设置有脚手架，壁区段与该脚手架保持地连接，在脚手架上如此设置这些壁区段，使得在穿过由壁区段构成的塔壁截取的垂直剖面中产生的包络线具有随塔高增加而变大的斜度。
由此可能的是，在塔高保持不变的情况下增大间隙，其中，同时至少保持塔的稳定性。此外可以安全地叠加放置并装配各个壁区段。因此通过简单的方式提高了装配准确性。此外，整个的静态载荷可以同时通过壁元件吸收。通过设置斜度与塔高相关地增加而可能的是，在保持不变的塔高以及足够的塔基的情况下增大转子长度。
本发明的另一教导设定，在具有多边形的基面的塔中，剖面在中央穿过壁区段延伸。在此有利的是，包络线至少部分是抛物线、多项式曲线（Polynom）、指数函数曲线（Exponentialfunktion）、圆弧曲线和/或回旋曲线。通过这种方式可以生成用于塔的坚实的基座，其具有用于转子的尽可能大的间隙。备选地，包络线区段性地线性升高。
本发明的另一教导设定，脚手架由木料构成和/或是桁架结构。在此随着装配的进展持续地进行建造。在此可以低成本地并非常好地加工待使用的木料。优选脚手架由各个区段组装而成。在此有利的是，在现场制造各个区段，因为由此降低了运输费用。这优选通过使用木料来保障。此外有利的是，桁架结构具有至少四个支柱，这四个支柱通过斜撑、横杆、顶木和底木（kopf-und sohlenholz）连接。本发明的另一教导设定，平台由至少两个区段构成。该平台以简单的方式辅助装配，其中，脚手架本身有利地在塔本身中不承担与静力学相关的功能，而壁区段在装配之后是自支持的，使得理论上可以拆除该脚手架。
本发明的另一教导设定，壁区段在安放在脚手架上之后具有向着包络线的方向的弯曲。由此以简单的方式提供根据本发明的包络线。
本发明的另一教导设定，脚手架的区段的平台向着塔的中轴线的方向同样较小地实施，该脚手架的区段放置在脚手架的已建造的、处于下部的区段上。额外有利的是，脚手架的至少一个区段具有用来安放壁区段的装配区域，该装配区域设置在区段的底部和区段的平台之间。通过这种方式可以简单地生成弯曲的表面。
本发明的另一教导设定，各壁区段相对错位地、构成螺旋线地设置。通过这种相对的设置结构，通过螺旋线引出推力载荷/横向力，并且在预先给定的位置上不存在用于矗立塔的附加点。由于该原因可以减少壁厚度并且特别可能的是，选择较简单的并因此成本较低的连接件。同时可以由此以简单的方式提供根据本发明的包络线。
本发明的另一教导设定，螺旋线指单螺旋线或指由多个单螺旋线构成的多螺旋线。在多螺旋线中有利的是，构成多螺旋线的单螺旋线的数量与在塔的一个水平平面中的壁区段的数量一致。优选地，壁区段在多螺旋线中设置为竖放在尖端上的菱形。在此菱形设置为圆弧或通过两个垂直地互相连接的三角形构成，其中，这些三角形的面互相成一定角度设置，该角度为360°除以单螺旋线的数量得到的值。此外有利的是，螺旋线的各个组成部分的上部的对接侧具有连续的线和/或台阶。由此改善了载荷在塔中的引开。
本发明的另一教导设定，各壁区段在对接部至少部分具有狭缝，这些狭缝横向于对接方向和/或与对接方向成纵向设置。优选将连接件放到狭缝中，这些连接件优选指金属板，特别优选指孔板，优选这些连接件被粘接。额外地可以通过例如盒带或有机玻璃使对接孔脱胶。胶粘剂的引入优选通过向构件和连接元件之间的空间喷溅来完成。备选地，当组成部分指木元件时，可以使用木部件或者木榫（Holzzugduebel）。所述连接件指低成本的元件，但这些低成本的元件对于各组成部分之间的推力或者推力载荷来说具有必要的强度。
除了作用在塔上的运行载荷，气候载荷也作用在塔上。在钢塔中通过在塔上涂覆油漆来抵抗这种气候载荷。在应用钢筋混凝土时，钢架承受塔的拉力载荷。混凝土覆盖层吸收压力载荷并同时用来保护钢结构不受通过周围的大气产生的化学反应形式的和湿气形式的环境影响。混凝土的厚度必须保障对钢架对抗这些载荷的保护。在木结构中通过油漆抵抗相应的气候载荷。同时只使用木材料用于木塔的结构，所述木材料允许外部使用。
因此本发明的另一教导设定，在塔的外表面上至少部分涂覆涂层，其中，优选如此涂覆涂层，使得涂层吸收作用在塔的外表面上的拉力载荷，并且所述涂层使外表面相对于由外部作用在塔的表面上的环境影响、特别是湿气密封。
对于木塔来说，通过涂层可能的是，使用仅允许用于内部装修的木质材料和其连接件。
本发明的另一教导设定，在塔的涂层的区段中整面地涂覆涂层，并且包裹被涂层的区段。在此有利的是，涂层指层材料、薄膜、织物、纺织品或板。特别优选指由塑料制成的薄膜、板、织物和/或纺织品，其中，特别优选地使用聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚酯、聚碳酸酯或聚乙烯作为材料。这些材料能够吸收拉应力并同时提供封闭以及由此提供相对于作用在塔的表面上的环境影响的密封。同时这些材料比例如在塔的表面上的涂层具有较小的单位面积重量，从而在这种结构中在静态的压力载荷方面可以减少重量，由此也可以总体上更纤细地实施塔结构。同时这些材料例如相对于油漆的费用更小。
本发明的另一教导设定，在建造塔的不同时间点涂覆涂层。作为第一变型方案，在建造塔之后涂覆涂层。这可以从上或从下进行。备选地，可以在建造塔期间区段性地涂覆涂层或在建造塔之前就已经在各个组成部分上涂覆涂层。如果在建造塔之前涂覆涂层，则证明是有利的是，在施工现场在工地上涂覆涂层。由此降低涂层的费用并同时可以保障在运输各个元件期间不损坏涂层。接着将涂层的各个区段互相连接，其中特别优选地，通过对接部的粘接或者焊接来进行连接。
本发明的另一教导设定，直接在塔的组成部分上涂覆涂层。优选整面地通过粘接来进行涂覆。备选地，可以在组成部分的表面上进行区段性的粘接。通过粘接保证，通过涂层来进行静态载荷的吸收。
本发明的另一教导设定，塔至少部分由钢、混凝土、特别是钢筋混凝土、和/或木料或者木质材料建造。优选地，木料或者木质材料指木交叉胶合板（Brettsperrholz）和/或木质复合材料。
本发明的另一教导设定，木料中的涂层具有比木料更小的蒸汽渗透性。通过这种方式使扩散反向，也就是说，塔的蒸汽渗透性不向外变大，而是向内变大。此外，在塔的内部优选设置有发热器，其中，优选指风力发电设备的功率电子装置。在此，热量是功率电子装置所释放的损失功率。通过发热来向上导出在塔内部的湿气，而且从木料中排出来的湿气向塔内运动并同样一起被向上导出。在涂层损坏时确保向内运走湿气。通过湿气中的颗粒和矿物质渐渐地封锁对涂层的损坏，而且此外同时确保湿气向内泄漏。
本发明的另一教导设定，塔的支撑结构至少部分由不适合外部使用的材料建造。在此指仅获得在建筑物结构的内部使用的许可的材料。通过涂覆涂层可能的是，使用这种材料以及还有用于风力发电设备塔的支撑结构的连接件，因为涂层确保材料的内部使用状态。
本发明的另一教导设定，塔由各个组成部分在现场组装而成。现场组装的组成部分指扁平元件。通过将塔这样由各个扁平元件组装而确保显著地降低各个塔的运输费用。
根据本发明的目的在方法方面通过如下方式实现，设置下列步骤：在基座上装配脚手架的第一区段；设置第一壁区段；在基座上装配第一壁区段；用脚手架的第一区段固定第一壁区段；在前面的脚手架区段的上侧上安置脚手架的下一个区段；在处于下面的区段上安放下一个壁区段并且与已经装配的壁区段和与脚手架建立保持的连接；重复这些步骤直到装配好脚手架的最上部的区段并固定最后的壁区段，其中，如此设置所述壁区段，使得产生这样的包络线，该包络线的斜度随塔高增加。此外通过该方法建造具有前面提及特征的塔。
附图说明
接下来借助于优选的实施例结合附图进一步阐述本发明。附图中：
图1示出具有根据本发明的塔的第一实施方式的风力发电设备的空间视图；
图2示出根据本发明的塔的第二实施方式的空间剖视图；
图3示出根据本发明的塔的第一实施方式的空间剖视图；
图4示出根据本发明的塔的细节视图；
图5示出根据本发明的塔的另一细节视图；
图6示出根据本发明的方法的第一装配步骤的示意图；
图7示出根据本发明的方法的第二装配步骤的示意图；以及
图8示出根据本发明的方法的第三装配步骤的示意图。
具体实施方式
图1示出风力发电设备100和塔10，该风力发电设备具有吊篮110和带有示出的转子叶片130的转子120。塔10具有基座11形式的基脚、塔身12以及用来承接吊篮110的连接部件13。在转子叶片130的尖端131上示出关于塔10的间隙（Freilauf）140。该间隙与主风力相关地波动，这在设计塔10时需要考虑。在图1中示出包络线150，该包络线具有随塔10的高度增加而增加的斜度。在此该包络线可以是曲线，如图1和图3示出的那样，或由各个线性区段151、152、153构成，如图2示出的那样。
木塔10的基脚11通过基座11实现，优选具有钢筋混凝土底座的钢筋混凝土基座，特别优选作为现浇混凝土。钢筋混凝土底座的几何形状适配于木塔结构的几何形状，其中，这里优选将底座用混凝土浇灌地实施为多边形的空心体。优选地，在作为基底座的空心体中安置例如用于向电网输出电流所必需的变频器和变压器系统。通过基底座11实现向设备的接近并能够如此实现木塔10的均匀的结构。
塔区段12构成塔10的主要部分，该塔区段由木板形式的、构成多边形空心体的各个壁区段14组装而成。在此各个板14以螺旋结构A设置。在此示出的是具有两个螺旋线A和B的双螺旋结构。每个单独的壁区段14由木质复合材料制成的板构成，该木质复合材料为木交叉胶合板的形式或彼此粘接的实木元件的形式。在水平的和垂直的连接中可以考虑燕尾槽或孔板（两个都没有示出）作为连接件。此外也可使用插在缝隙中的并优选粘接的螺杆（没有示出）。壁区段14具有梯形形状。
为了通过将木板14以螺旋结构A或者双螺旋结构A、B的形式组装来建造作为塔身的空心体12，建造脚手架20作为装配辅助装置并用来生成包络线150的斜度。脚手架20由各区段，例如21、22、23构成并优选地实施为桁架结构。在该桁架的上端设置有平台24，该平台在木塔12中起加固平面25的作用。例如双T型梁（工字梁）26处于基底座11和木塔12之间。梁26与基座11的连接通过螺杆27进行。木塔与作为足点构造的双T型梁之间的连接通过预紧粘接的螺杆或通过孔板15而建立。木塔12与风力发电设备100的吊篮110之间的连接部件13构造为截锥体形式的钢管转接头13。塔10获得整面粘接的织物表面（没有示出），该织物表面提前涂覆在板14上并且在校正工作结束后整面地、重叠地包围塔10。
塔的入口处于基底座中并通过具有平台的外部楼梯实现。在该基底座的内部安装有低电压部件。用来操作设备的控制柜、功率柜以及可选地还有远程监控装置和独立的供电装置（USV）属于所述低电压部件。为了引出变压器的热量而在平台下装配有轴向通风装置。通过阶梯引导的升降机系统或通过与攀登保护装置组合的爬梯来完成上升到塔顶。阶梯长度大于10米时，以最高10米的距离安置休息台。木塔中例如每3.75米具有中间平台24，静态安放这些中间平台用来加固塔结构。
脚手架20起装配辅助装置的作用并用来确保各个木板14的正确的位置固定，以及用来生成板的弯曲，以便生成包络线150的相应的曲线。各个加固平面25包括木板28、29。这些木板例如处在脚手架20的顶木34或横梁37上。脚手架20的每个单独的加固平面25通过设置支柱30、31来四重支撑，以便确保加固平面25的位置并将自重以及装配载荷转移到基座11中。在此，支柱30、31在此通过横杆32和斜撑33以及顶木和底木34、35而互相连接为桁架（图3）。脚手架本身包括具有基架30的第一脚手架区段21，所述基架立在脚手架基座36上，该脚手架基座是基座11的组成部分并与塔基座连接。所述基架30呈对角线设置，从而在其上端设置有顶木34或者横梁37，在该顶木或者横梁上设置下一个脚手架区段。在所述加固平面25中设置有例如电缆槽和用于升降机或阶梯系统的竖井。
加固平面25的边缘通过方木38或者配平梁（Streichbalken）39密封（图4）。通过这些元件也形成加固平面25与塔10的壁元件14之间的加固的连接。脚手架20以一个上部的脚手架区段（没示出）终止，该脚手架区段小于最后的塔壁区段14，从而使得在转接头13与脚手架20之间不产生连接。
在脚手架中设置有固定点40，在这些固定点上脚手架20与各壁区段14相连接。如果包络线应设置为曲线，则除了加固平面25上的固定点40外还在安置在支柱30、31上的横杆32和/或连接元件41上设置有另外的固定点40。通过这种方式可以使壁区段14变形，从而将这些壁区段设置为相对于它们的末端平面向着脚手架20的中央凸起。在此，该变形应该如此实施，使得不出现对壁区段14的损坏。（图5）
图2示出根据本发明的塔10的另一种实施方式。在这种塔中设置有单独的台阶，壁元件14装配在这些台阶上。在这种实施方式中壁区段不设置为螺旋线A、B。包络线区段151、152、153线性实施并固定在脚手架上。但在该实施方式中也可能的是，设置曲线为包络线150。
为了建造塔10，将完成接合的木板14送到竖立位置。接下来通过将脚手架20的最下部的第一区段21竖立在基座11、36上来开始安装脚手架20。最下部的木板14与第一脚手架区段21连接并重叠地通过螺旋连接形锁合地（formschluessig）以及力锁合地（kraftschluessig）连接在固定点40上。在此或使用孔板或使用燕尾槽。然后将结构体推到已经完成的基底座11上。木塔12与基座11之间的足点连接通过板中粘接的螺杆27进行，这些螺杆与各个双T型材26通过螺母连接并已经预装配。在放下下部的塔段之后进行与基底座的螺旋连接。在继续建造木塔的同时构造木板14的垂直对接部的连接。垂直对接部的连接通过实木楔的粘接来完成。在借助于燕尾槽的连接中，通过在接合各板14时的几何设置结构实现组合时板设置结构在水平对接部的配合准确性。引入的木板14放置在相应的上部的木板端部上并借助于螺旋装置锁合地连接，在这里，在校正期间也通过与脚手架的螺旋连接而达到建造状态。备选地，设置孔板来代替燕尾槽。用粘接的实木楔来实施垂直对接部。各木板的水平对接部的连接区域中的形锁合连接和力锁合连接通过粘接的螺杆进行，这些螺杆与金属的燕尾槽螺旋连接并预紧。在木－木或者钢－木之间的拉力的传递可以通过孔板－连接件进行。孔板－连接件是打好孔的钢板。
转接头13包括具有用于与塔12连接的底部法兰和用于与吊篮连接的顶部法兰的必要时锥形的钢元件。在顶部法兰上设置有用来贯穿吊篮的螺杆的孔用于建立保持的连接。在底部法兰上同样设置有孔或螺杆。
为了装配塔10（图6至8），在基座上竖立下部的脚手架区段21来，各第一壁区段14固定在该脚手架区段上，其中，所述壁区段如此设置，使得这些壁区段竖立在基座11上。各壁区段通过固定点40与横杆32和加固平面25以及连接元件41相连接并由此形成必要的形状，从而生成所期望的包络线150。接下来在加固平面25上放下一个脚手架区段22并与处于其下面的区段21连接。再次将各壁区段14环绕地装配，其中，生成与之前装配的各壁区段的保持的连接。各壁区段通过固定点40与横杆32和加固平面25以及连接元件41相连接并由此形成必要的形状，从而生成所期望的包络线150。此外，与脚手架区段的连接起更好的可装配性的作用。在壁区段14的最后的装配之后，装配下一个脚手架区段。在此可以现场进行脚手架区段21、22、23的预装配。在螺旋转配中，脚手架区段在高度上小于各个壁区段14，使得各脚手架区段的装配甚至可以与相应下一个壁区段交替地进行。附图标记列表
A    第一螺旋线
B    第二螺旋线
10   塔
11   基座/基脚
12   塔身
13   连接部件
14   壁区段
20   脚手架
21   区段
22   区段
23   区段
24   平台
25   加固平面
26   T型梁
27    螺杆
28    木板
29    木板
30    支柱
31    支柱
32    横杆
33    斜撑
34    顶木
35    底木
36    脚手架基座
37    横梁
38    方木
39    配平梁
40    固定点
41    连接元件
100   风力发电设备
110   吊篮（Gondel）
120   转子
130   转子叶片
131   尖端
140   间隙
150   包络线
151   线性包络线区段
152   线性包络线区段
153   线性包络线区段

Claims (13)

1.用于风力发电设备的塔，该塔具有壁，这些壁至少部分由木质材料构成的各个壁区段制成，其中，所述壁区段通过连接件互相连接，其中，在塔内部至少部分地设置有脚手架，所述壁区段与该脚手架保持地连接，其中，所述壁区段如此设置在所述脚手架上，使得在穿过由壁区段构成的塔壁截取的垂直剖面中产生的包络线具有随塔高增加而变大的斜度。
2.根据权利要求1所述的塔，其特征在于，在具有多边形的基面的塔中，所述剖面在中央穿过一个壁区段延伸。
3.根据权利要求1或2所述的塔，其特征在于，所述包络线至少部分是抛物线、多项式曲线、指数函数曲线、圆弧曲线和/或回旋曲线。
4.根据权利要求1至3之一所述的塔，其特征在于，所述脚手架由多个区段组装而成，其中，一个区段优选在其上端具有平台，所述壁区段与该平台连接，其中，所述平台优选是所述塔的加固平面，和/或其中，优选地所述脚手架由木料构成，和/或所述脚手架是桁架结构，其中特别优选地是，所述桁架结构具有至少四个支柱，这四个支柱通过斜撑、横杆、顶木和底木连接，和/或所述平台由至少两个区段构成。
5.根据权利要求1至4之一所述的塔，其特征在于，所述壁区段相对错位地、构成螺旋线地设置，其中，螺旋线优选指单螺旋线或指由多个单螺旋线构成的多螺旋线，和/或所述螺旋线的各个组成部分的上部的对接侧具有连续的线和/或台阶。
6.根据权利要求1至5之一所述的塔，其特征在于，所述木质材料指木交叉胶合板和/或木质复合材料，和/或所述塔可以由各个壁区段在现场组装而成。
7.根据权利要求1至6之一所述的塔，其特征在于，所述塔的外侧表面设有涂层，其中，所述涂层优选吸收作用在所述塔的表面上的拉力载荷的至少一部分并且将所述塔的外侧表面相对于由外部作用在所述表面上的环境影响、特别是湿气密封。
8.根据权利要求7所述的塔，其特征在于，在所述塔的外侧表面上至少部分整面地涂覆所述涂层，和/或所述涂层指层材料、薄膜、织物、板和/或纺织品，其中，所述涂层优选至少部分粘贴在所述塔表面上，和/或所述涂层由各个区段构成，这些区段互相连接，优选粘接或焊接，其中，所述涂层特别优选直接涂覆在所述塔的壁区段上。
9.根据权利要求1至8之一所述的塔，其特征在于，该壁区段在安放在所述脚手架上之后具有向着所述包络线的方向的弯曲。
10.根据权利要求3至9之一所述的塔，其特征在于，所述脚手架的一个区段的平台向着所述塔的中轴线的方向同样较小地实施，该区段放置在脚手架的已经建造的、处于该区段下面的区段上。
11.根据权利要求3至10所述的塔，其特征在于，所述脚手架的至少一个区段具有用来安放所述壁区段的装配区域，该装配区域设置在所述区段的底部和所述区段的平台之间。
12.根据权利要求1、2或4至11之一所述的塔，其特征在于，所述包络线区段地线性升高。
13.用于建造用于风力发电设备的塔的方法，具有如下步骤：在基座上装配脚手架的第一区段；设置第一壁区段；在所述基座上装配所述第一壁区段；通过所述脚手架的第一区段固定所述第一壁区段；在前面的脚手架区段的上侧上安置所述脚手架的下一个区段；将下一个壁区段安放在处于其下的区段上并且与已经装配的壁区段和与所述脚手架建立保持的连接；重复这些步骤直到装配好所述脚手架最上部的区段并固定最后的壁区段，其中，如此设置所述壁区段，使得产生这样的包络线，该包络线的斜度随塔高增加。
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