CN113056607A - 用于基于风向而制造风力涡轮塔架结构的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在风力涡轮现场处制造风力涡轮的塔架结构的方法。该方法包括基于一个或多个现场参数而确定塔架结构的优化形状。此外，塔架结构的优化形状为非对称的。在另外的步骤中，该方法包括经由增材打印装置在风力涡轮现场处至少部分地由水泥质材料打印风力涡轮的塔架结构的优化形状。另外，该方法包括允许水泥质材料固化，以便形成风力涡轮的塔架结构。

Description

用于基于风向而制造风力涡轮塔架结构的方法
技术领域
本公开大体上涉及风力涡轮，并且更特别地涉及用于增材制造针对风力涡轮处的主要风向而优化的风力涡轮塔架结构的方法。
背景技术
风力被认为是目前可用的最清洁、对环境最友好的能源之一，并且，在这点上，风力涡轮已得到越来越多的关注。现代的风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型件原理来捕获风的动能。转子叶片将动能以旋转能的形式传送，以便使将转子叶片联接到齿轮箱或在未使用齿轮箱的情况下将转子叶片直接地联接到发电机的轴转动。然后，发电机使机械能转换成可部署到公用电网的电能。
风力涡轮塔架大体上由钢管、预制作的混凝土区段或它们的组合构成。此外，管和/或混凝土区段典型地在异地形成，在现场运送，并且然后布置在一起，以架设塔架。例如，一种制造方法包括：形成预铸的混凝土环；将环运送到现场；将环彼此上下地布置；以及然后使环固定在一起。然而，随着风力涡轮持续在尺寸上扩大，常规制造方法受到禁止运送具有大于大约4米至5米的直径的塔架区段的运输条例的限制。因而，某些塔架制造方法包括形成多个弧形节段并且在现场例如经由螺栓连接来使节段固定在一起以形成塔架的直径。然而，这样的方法要求大量的劳动力并且可为耗时的。
另外，典型的风力涡轮塔架是对称的，以便支承从所有方向作用于风力涡轮(例如，转子叶片)上的多种气动力。然而，个体的风力涡轮大体上朝向主要风向取向。照此，作用于单个风力涡轮上的气动力大体上沿主要风向的方向对塔架施加载荷。因而，对称塔架可能不必要地相对于垂直于主要风向的载荷而支承风力涡轮。另外，对称塔架可包括可增加其重量和成本的不必要的支承结构和/或支承材料。
鉴于前文，本领域一直寻求改进的用于制造风力涡轮塔架的方法。因此，本公开针对解决前面提到的问题的用于制造风力涡轮塔架结构的方法。特别地，本公开针对用于制造针对主要风向而优化的风力涡轮塔架结构的方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中得到部分阐述，或可根据描述而为显然的，或可通过实践本发明而了解。
在一个方面，本公开针对一种用于在风力涡轮现场处制造风力涡轮的塔架结构的方法。该方法包括基于一个或多个现场参数而确定塔架结构的优化形状。此外，塔架结构的优化形状为非对称的。在另外的步骤中，该方法包括经由增材打印装置在风力涡轮现场处至少部分地由水泥质材料打印风力涡轮的塔架结构的优化形状。另外，该方法包括允许水泥质材料固化，以便形成风力涡轮的塔架结构。
在一个实施例中，(多个)现场参数可包括主要风向。在这样的实施例中，该方法可包括确定风力涡轮现场处的主要风向。在另外的实施例中，确定主要风向可进一步包括经由一个或多个传感器来监测风力涡轮处的一个或多个风参数。在这样的实施例中，主要风向可经由通信地联接到一个或多个传感器的控制器来确定。照此，风力涡轮的主要风向可基于所监测的(多个)风参数而确定。
在额外的实施例中，塔架结构的优化形状的与主要风向对准的部分可比优化形状的从主要风向偏移的部分更厚。在另一实施例中，塔架结构的优化形状可限定包括I形梁横截面、箱形梁横截面或椭圆形横截面中的至少一个的横截面形状。在一个这样的实施例中，椭圆形横截面可限定与主要风向对准的纵向轴线。在再一个另外的实施例中，该方法可包括经由增材打印装置来将一个或多个加固部件打印到塔架结构的内表面上，以形成优化形状。
在一个特定实施例中，该方法可包括在风力涡轮的地基上提供一个或多个模具。在这样的实施例中，该方法可进一步包括经由增材打印装置在一个或多个模具内形成风力涡轮的塔架结构的优化形状。在另一个这样的实施例中，该方法可进一步包括经由增材打印装置来打印一个或多个模具。在另外的实施例中，在打印期间，该方法可进一步包括在一个或多个位置处将一个或多个加强元件至少部分地嵌入于塔架结构的水泥质材料内。
在另一方面，本公开针对一种用于在风力涡轮现场处制造风力涡轮的塔架结构的方法。该方法包括确定风力涡轮现场处的主要风向。另外，该方法包括基于主要风向而确定塔架结构的优化形状。此外，塔架结构的优化形状为非对称的。该方法还包括经由增材打印装置来将一个或多个模具打印于风力涡轮的地基上。此外，一个或多个模具限定塔架结构的优化形状。该方法的另一步骤包括至少部分地利用水泥质材料填充一个或多个模具。该方法进一步包括使一个或多个模具内的水泥质材料固化，以便形成塔架结构。
在一个实施例中，利用水泥质材料填充一个或多个模具可进一步包括经由增材打印装置在一个或多个模具内打印水泥质材料。在一个或多个模具内打印水泥质材料可进一步包括经由增材打印装置在多个道次中堆积塔架结构的水泥质材料。在另一实施例中，利用水泥质材料填充一个或多个模具可进一步包括经由增材打印装置的喷嘴来将水泥质材料分配于一个或多个模具内。在另外的实施例中，塔架结构的优化形状可在塔架结构的内表面上限定一个或多个加固部件，以形成优化形状。应当理解，该方法可进一步包括如本文中所描述的额外的特征中的任何特征。
在另外的方面，本公开针对一种用于在风力涡轮现场处制造风力涡轮的塔架结构的方法。该方法包括确定风力涡轮现场处的主要风向。另外，该方法包括基于主要风向而确定塔架结构的优化形状。此外，塔架结构的优化形状为非对称的。在另外的步骤中，该方法包括在风力涡轮现场处至少部分地由水泥质材料形成风力涡轮的塔架结构的优化形状。应当理解，该方法可进一步包括如本文中所描述的额外的特征中的任何特征。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中并构成本说明书的部分的附图图示了本发明的实施例，并与描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了本发明(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开，在附图中：
图1图示根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2图示根据本公开的利用增材打印装置来制造的用于风力涡轮的塔架结构的一个实施例的局部横截面视图；
图3图示根据本公开的方面的塔架结构的一个实施例，特别地图示了包括与从主要风向偏移的部分相比而更厚的与主要风向对准的部分的优化塔架结构的横截面；
图4图示根据本公开的方面的塔架结构的另一实施例，特别地图示了包括塔架结构内的I形梁横截面的优化塔架结构的横截面；
图5图示根据本公开的方面的塔架结构的另一实施例，特别地图示了包括塔架结构内的箱形梁横截面的优化塔架结构的横截面；
图6图示根据本公开的方面的塔架结构的另一实施例，特别地图示了包括构造成x形图案的横梁的优化塔架结构的横截面；
图7图示根据本公开的方面的塔架结构的再一个另外的实施例，特别地图示了包括一个或多个加固部件的优化塔架结构的横截面；
图8图示根据本公开的方面的塔架结构的另一实施例，特别地图示了构造为椭圆形横截面的塔架结构的横截面；
图9描绘根据本主题的方面的用于在风力涡轮现场处制造风力涡轮的塔架结构的方法的一个实施例的流程图；
图10图示根据本公开的增材打印装置的一个实施例的示意图；
图11描绘根据本主题的方面的用于在风力涡轮现场处制造风力涡轮的塔架结构的方法的另一实施例的流程图；以及
图12图示根据本公开的控制器的一个实施例的框图。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中图示。各个示例通过本发明的解释而非本发明的限制的方式来提供。实际上，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出多种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分而图示或描述的特征可与另一实施例一起使用以产生再一个另外的实施例。因而，意图的是，本发明涵盖如归入所附权利要求书及其等同体的范围内的这样的修改和变型。
大体上，本公开针对用于制造包括塔架结构的针对主要风向而优化的形状的风力涡轮塔架的方法。这样的方法包括经由诸如增材制造、3-D打印、喷雾沉积、挤出增材制造、混凝土打印、自动纤维沉积以及利用计算机数字控制和多个自由度来使材料沉积的其它技术的技术来使用水泥质材料的自动沉积。更具体地，本公开的方法包括将水泥质材料打印和/或嵌入到针对主要风向而优化的形状中。因而，在若干实施例中，塔架结构的形状可包括沿着主要风向取向的较厚的部分，诸如，沿着主要风向取向的I形梁和/或箱形梁、沿着主要风向取向的椭圆形部、沿着主要风向取向的优化横截面形状、沿主要风向位于塔架结构的内表面上的一个或多个加固部件和/或任何其它合适的优化形状。
因而，本文中所描述的方法提供在现有技术中不存在的许多优点。例如，塔架结构的优化形状可构造成补偿与其它取向(例如，垂直于主要风向)相比而更大的沿着主要风向的载荷。通过优化塔架结构的形状，塔架结构可利用较少的总体材料制造，从而节省成本，同时仍然满足风力涡轮上的负荷要求。此外，通过确定塔架现场处的主要风向并且在塔架现场处打印塔架结构，塔架结构可针对塔架现场处的主要风向而优化。应当认识到，在塔架现场处打印塔架结构可降低与预制作的塔架结构的构件相关联的劳动力成本以及运输成本。
现在参考附图，图1图示根据本公开的位于风力涡轮现场11处的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如所示出的，风力涡轮10包括从地基15或支承表面延伸的塔架12(在本文中也被称为塔架结构)，其中，机舱14安装于塔架12顶上。多个转子叶片16安装到转子毂18，转子毂18继而连接到使主转子轴转动的主凸缘。风力涡轮发电及控制构件容纳于机舱14内。图1的视图仅出于说明性目的而提供，以将本发明置于示例性的使用领域中。应当认识到，本发明不限于任何特定类型的风力涡轮构造。另外，本发明不限于与风力涡轮塔架一起使用，而是可在除了风力塔架之外的具有混凝土构造和/或高塔架的任何应用(包括例如住宅、桥、高塔架以及混凝土工业的其它方面)中利用。此外，本文中所描述的方法还可适用于制造得益于本文中所描述的优点的任何类似结构。
如在图1中进一步图示的，风力涡轮10可基于一个或多个现场参数而取向。例如，(多个)现场参数可包括风力涡轮现场10处的海拔和/或现场地形。(多个)现场参数还可包括风力涡轮现场11处的风速、风向和/或风切变。特别地，在若干实施例中，风力涡轮10可在风力涡轮现场11处朝向主要风向13取向。例如，转子18(例如，转子叶片16)可朝向主要风向13取向，以便高效地使风的动能转换成机械能，例如以驱动主转子轴。此外，风力涡轮10可基于历史数据而朝向主要风向13取向。更特别地，指示实时风向的历史数据可被利用来确定主要风向13。例如，风向分布谱可用于在开始建造塔架12之前确定主要风向13。
在某些情形下，风力涡轮现场11处的主要风向13可为未知的。照此，可能需要确定主要风向13。因而，如所示出的，风力涡轮10可包括配置成确定主要风向13的控制器44。另外，如所示出的，风力涡轮10可包括一个或多个传感器19，所述一个或多个传感器19通信地联接到控制器44，以用于监测风力涡轮现场11处的一个或多个风参数。在某些实施例中，传感器19可定位于桅杆或柱上，以沿着塔架12的高度确定主要风向13。
因而，控制器44配置成从(多个)传感器19接收可用于确定主要风向13的传感器信号。例如，一系列的所记录的实时风向可被处理，以确定主要风向13。此外，(多个)传感器19可包括一个或多个风向标。此外，(多个)风参数可包括当前风向。在另一实施例中，(多个)传感器19可包括配置成确定风力涡轮现场11处的风向和风速两者的风速计。在某些实施例中，控制器44可利用计算流体动力学(CFD)程序以在地基15处和/或沿着塔架12确定主要风向13。
现在参考图2，根据本公开的方面而图示塔架结构12的一个实施例。特别地，图2图示风力涡轮10的塔架结构12的一个实施例的局部横截面视图。如所示出的，所图示的塔架12限定具有外表面22和内表面24的塔架壁20。此外，如所示出的，塔架壁20大体上限定一般用于容纳多种涡轮构件(例如，功率转换器、变压器等)的空心内部26。另外，如将在下文中更详细地描述的，塔架结构12可至少部分地使用增材制造来形成。此外，如所示出的，塔架结构12至少部分地由水泥质材料28形成。另外，塔架结构12可限定优化形状17，诸如，在下文中关于图3-8而描述的形状中的任何形状。此外，塔架结构12可沿着塔架结构12的高度具有可变的优化形状。例如，塔架结构可在沿着塔架结构12的高度的不同位置处包括图3-8的优化形状17中的两个或更多个。
此外，在某些实施例中，塔架结构12还可包括一个或多个加强元件30。在特定实施例中，(多个)加强元件30可包括例如一个或多个加强传感器、伸长的缆线或线材、螺旋状缆线或线材、加强筋(也被称为钢筋)(空心或实心)、加强纤维(金属或聚合物)、加强金属环(圆形、卵形、螺旋形以及如可为相关的其它形状)或联接件、网和/或用以加强混凝土结构的如可在本领域中已知的任何这样的结构。例如，如图2中所示出的，塔架结构12包括嵌入于水泥质材料28中的螺旋状缆线33和多个预张紧的线性缆线35。另外，如本文中所使用的，水泥质材料28可包括构造成在固化之后结合在一起以形成结构的任何合适的可行的浆糊。合适的水泥质材料包括例如混凝土、沥青树脂、柏油、粘土、水泥、水泥质组分或类似物。
现在参考图3-8，根据本主题的方面而图示塔架(诸如，图1的塔架12)的塔架结构12的若干实施例的多个横截面。如所示出的，塔架结构12限定塔架壁20，塔架壁20限定塔架12的外部形状(参见例如图1)。更特别地，如所示出的，所图示的实施例的塔架壁20基于诸如主要风向13的一个或多个现场参数而限定优化形状17。此外，如所示出的，塔架结构12的优化形状17为非对称的。例如，在某些实施例中，塔架结构12的优化形状17可限定比垂直于主要风向13的截面二次矩更大的沿着主要风向13的截面二次矩。大体上，截面二次矩提供结构的针对垂直于中性轴线的所施加的力矩、力或载荷的抗弯曲性与结构的形状的关系的指示。换而言之，沿着主要风向13的较大的截面二次矩可提高沿着主要风向13的塔架结构12的弯曲刚度。照此，本文中所描述的优化形状17的多种实施例构造成允许塔架结构12与塔架结构12承受处于其它取向(例如，垂直于主要风向13)的载荷的能力相比而承受更大的沿着主要风向13取向的载荷。
具体地参考图3，根据本公开的方面而图示塔架结构12的一个实施例。特别地，图3图示优化塔架结构12的横截面的一个实施例，其中，塔架结构12的上游部分21和下游部分23比塔架结构12的侧部部分或偏移部分25更厚。另外，如所示出的，塔架结构12的上游部分21和下游部分23与主要风向13对准。照此，应当认识到，较厚的上游部分21和/或下游部分23可增大沿着主要风向13的截面二次矩，并且因而提高沿着主要风向13的弯曲刚度。
现在参考图4，根据本公开的方面而图示塔架结构12的另一实施例。特别地，图4图示包括塔架结构12内的I形梁横截面的优化塔架结构12的横截面的一个实施例。如所图示的，横截面形状可沿着主要风向13取向，以提高塔架结构12针对沿着主要风向13的载荷的弯曲刚度。例如，如所示出的，I形梁横截面可包括在塔架壁20的上游部分21与下游部分23之间延伸的横梁27。另外，如所示出的，横梁27可与主要风向13大体上平行而延伸。
现在参考图5，根据本公开的方面而图示塔架结构12的另一实施例。特别地，图5图示包括塔架结构12内的箱形梁横截面的优化塔架结构12的横截面。如所图示的，横截面形状可沿着主要风向13取向，以提高塔架结构12针对沿着主要风向13的载荷的弯曲刚度。此外，如所示出的，箱形梁横截面可包括在塔架壁20的上游部分21与下游部分23之间延伸(例如，大体上与主要风向13平行)的第一横梁27和第二横梁27。应当进一步理解，在其它实施例中，塔架结构12可包括多于两个横梁27，诸如，三个或更多个。
现在参考图6，根据本公开的方面而图示塔架结构12的另一实施例。特别地，图6图示包括构造成x形图案的横梁27的优化塔架结构12的横截面。例如，横梁27中的各个可限定相对于主要风向13的角40。在某些实施例中，角40可为至少五度但小于四十度，诸如至少十度但小于三十五度。照此，横梁27可随着各个横梁27在塔架壁20的上游部分21与下游部分23之间延伸而彼此交叉。
具体地参考图4、图5以及图6，应当认识到，I形梁、箱形梁和/或x形图案的横截面可至少部分地由于塔架壁20的上游部分21和/或下游部分23的厚度增大而提高塔架结构12沿着主要风向13的弯曲刚度。然而，不同于图3的所图示的实施例，(多个)横梁27可进一步提高沿着主要风向13的弯曲刚度。然而，在其它实施例中，上游部分21和/或下游部分23仍然可限定与塔架壁20的侧部部分25相同的厚度。在这样的实施例中，(多个)横梁27可在沿着主要风向13的弯曲刚度的方面增大。应当认识到，在这样的实施例中，横截面形状可包括空心横截面或实心横截面中的至少一个。
现在参考图7，根据本公开的方面而图示塔架结构12的再一个另外的实施例。特别地，图7图示包括塔架结构12的内表面24上的一个或多个加固部件29以形成优化形状17的塔架结构12的横截面。如所示出的，加固部件29可位于塔架壁20的内表面24上。此外，如所示出的，(多个)加固部件29可取向成大体上与主要风向13对准。例如，(多个)加固部件29可定位于塔架壁20的上游部分21和/或下游部分23的内表面24上。在另外的实施例中，如所示出的，塔架结构12的横截面形状可包括位于上游部分21或下游部分23中的至少一个的内表面24上的多个加固部件29。例如，在所描绘的实施例中，加固部件29可构造于包括定位成彼此邻近的多个个体的加固部件29的等格栅(isogrid)31中。此外，塔架壁20的上游部分21和下游部分23中的一个或两者可包括布置于等格栅31中的加固部件29。更进一步，上游部分21或下游部分23中的一个可包括等格栅31中的加固部件29，而部分21、23中的另一个包括一个或多个个体的加固部件29。
现在参考图8，根据本公开的方面而图示塔架结构12的另一实施例。特别地，图8图示构造为椭圆形横截面的塔架结构12的横截面。此外，如所示出的，椭圆形横截面形状还可沿着主要风向13取向。例如，椭圆形横截面可限定与主要风向13对准的纵向轴线39。此外，椭圆形横截面形状可提高沿着主要风向13的弯曲刚度。更特别地，椭圆形横截面可将塔架壁20的上游部分21和/或下游部分23放置成相对于侧部部分25而距塔架结构12的中心更远。照此，塔架结构12的截面二次矩可沿着主要风向13增大，并且因而提高沿着主要风向13的弯曲刚度。
尽管在图3-8中的单独的实施例中图示，但应当认识到，塔架结构12的优化形状17可包括图3-8的实施例的特征的任何组合。例如，在一个实施例中，椭圆形形状的塔架结构12可限定在上游部分21和下游部分23处的增大的厚度、一个或多个横梁27以及一个或多个加固部件29。
现在参考图9-12，本公开针对用于经由增材制造来制造风力涡轮塔架的方法。如本文中所使用的，增材制造大体上被理解成包含用于合成三维物体的过程，在该过程中，在计算机控制之下，形成连续的材料层，以产生物体。照此，可根据数字模型数据而生产几乎任何尺寸和/或形状的物体。应当进一步理解，本公开的增材制造方法可包含三个自由度以及多于三个自由度，使得打印技术不限于打印堆叠的二维层，而是还能够打印弯曲形状和/或不规则形状。
特别地参考图9，根据本主题的方面而描绘用于在风力涡轮现场处制造风力涡轮的塔架结构的方法100的一个实施例的流程图。大体上，将在本文中参考图1-8中所示出的风力涡轮10和塔架结构12而描述方法100。然而，应当认识到，所公开的方法100可利用具有任何其它合适的构造的塔架结构来实施。另外，尽管图9出于说明和讨论的目的而描绘以特定顺序执行的步骤，但本文中所讨论的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文中所提供的公开的本领域技术人员将认识到，在不偏离本公开的范围的情况下，本文中所公开的方法的多种步骤可以以多种方式省略、重新布置、组合和/或调适。
如在(104)处示出的，方法100可包括基于一个或多个现场参数而确定塔架结构12的优化形状17。如关于图1而解释的，(多个)现场参数可包括风力涡轮现场11处的海拔、现场地形、风速和/或主要风向13。此外，塔架结构12的优化形状17可为非对称的。例如，优化形状17可包括图2-8的塔架结构12中的任何或其特征的组合中的任何，然而，应当认识到，针对塔架结构12而设想其它形状。例如，塔架结构12可包括基于(多个)现场参数而提高塔架结构12的弯曲刚度的任何横截面形状。此外，塔架结构12的优化形状17可沿着塔架结构12的高度变化。
在一个实施例中，(多个)现场参数可包括主要风向13。在这样的实施例中，如在(102)处示出的，方法100可包括确定风力涡轮现场11处的主要风向13。例如，如关于图1而描述的，主要风向13可基于实时风向的历史数据而确定。在其它实施例中，主要风向13可能在风力涡轮现场11处并非已知的。照此，主要风向13可由本文中所描述的(多个)传感器19和/或控制器44(图1)确定。
方法100可包括在风力涡轮现场11处至少部分地由水泥质材料28形成风力涡轮10的塔架结构12的优化形状17。例如，风力涡轮10的至少部分可由组装成塔架结构12的优化形状17的预制作的混凝土区段形成。然而，如在(106)处示出的，方法100可包括经由增材打印装置32(图10)在风力涡轮现场11处至少部分地由水泥质材料28打印风力涡轮10的塔架结构12的优化形状17。例如，如图10中所示出的，根据本主题的方面而图示增材打印装置32的一个实施例的示意图。应当理解，本文中所描述的增材打印装置32大体上指代具有用于使材料(诸如，水泥质材料28)沉积到由控制器44、45自动地控制的表面上以形成在计算机内编程的物体(诸如，CAD文件)的一个或多个喷嘴34的任何合适的增材打印装置。应当认识到，控制器44、45可为用于确定主要风向13的同一控制器44(图1)。然而，在其它实施例中，增材打印装置32可经由其自身的可与用于确定主要风向13的控制器44通信或可不与控制器44通信的专用控制器45来控制。例如，确定主要风向13的控制器44可将主要风向13传递到控制增材打印装置32的控制器45。
如所示出的，增材打印装置32可包括用于使多种材料沉积的一个或多个喷嘴34。例如，如在所图示的实施例中示出的，增材打印装置32包括两个喷嘴34。在另外的实施例中，增材打印装置32可包括任何合适的数量的喷嘴34。另外，增材打印装置32可包括在下文中更详细地讨论的注射器36。此外，应当认识到，塔架结构12的不同区段可由不同材料制成。例如，塔架结构12的位于机舱14附近的顶部区段可由金属(例如，钢)制成。这样的金属可由专用喷嘴34打印，或由金属形成的预制作的区段可组装于塔架结构12的顶部处。
仍然参考图10，方法100可包括例如在风力涡轮10的地基15上提供一个或多个模具38。应当理解，本文中所描述的模具38可为实心的、多孔的和/或打印的。另外，在一个实施例中，(多个)模具38可被预制作并且递送到风力涡轮现场11。在备选实施例中，如图10中所示出的，增材打印装置32还可构造成打印(多个)模具38。例如，如所示出的，喷嘴34中的一个可构造成分配聚合物材料，以用于在风力涡轮10的地基15(或任何其它合适的现场位置)上堆积(多个)模具38。合适的聚合物材料可包括例如热固性材料、热塑性材料、构造成随时间而降解/溶解的可生物降解的聚合物(诸如，基于玉米的聚合物体系、如真菌那样的添加剂材料或基于藻类的聚合物体系)或它们的组合。照此，在一个实施例中，外聚合物模具可能够随时间而进行生物降解，而内聚合物模具保持完整。在备选实施例中，外模具和内模具38可由同一材料构成。
一个或多个模具38可限定塔架结构12的优化形状17。更特别地，(多个)模具38可被打印成具有如关于图3-8而描述的塔架结构12的横截面形状中的任何横截面形状。例如，增材打印装置32可限定图4的I形梁的轮廓，使得该轮廓可利用水泥质材料28填充。然而，在其它实施例中，方法100可进一步包括经由增材打印装置32在一个或多个模具38内形成风力涡轮10的塔架结构12的优化形状17。例如，经由增材打印装置32来形成塔架结构12的优化形状17可包括在一个或多个模具38内打印水泥质材料28。在塔架结构12的(多个)模具38内打印水泥质材料28可进一步包括经由增材打印装置32在多个道次中堆积塔架结构12的水泥质材料28。此外，应当认识到，可不利用模具38打印塔架结构12。例如，图3-8的优化形状17或其特征(例如，加固部件29)中的任何可由增材打印装置32打印。例如，可逐层地打印水泥质材料28，以限定塔架结构12。
在额外的实施例中，可在水泥质材料28和地基、水泥质材料28和(多个)模具38、水泥质材料28和金属材料或聚合物材料或多层水泥质材料28、聚合物材料和/或金属材料中的一个或多个之间提供粘合剂材料。因而，粘合剂材料可进一步补充材料之间的层间结合。
本文中所描述的粘合剂材料可包括例如水泥质材料(诸如砂浆)、聚合物材料和/或水泥质材料和聚合物材料的掺和物。包括水泥质材料的粘合剂制剂在本文中被称为“水泥质砂浆”。水泥质砂浆可包括可与细骨料组合的任何水泥质材料。使用波特兰水泥和细骨料制成的水泥质砂浆有时被称为“波特兰水泥砂浆”或“OPC”。包括水泥质材料和聚合物材料的掺和物的粘合剂制剂在本文中被称为“聚合物砂浆”。任何水泥质材料都可包括在与聚合物材料和任选的细骨料的掺和物中。包括聚合物材料的粘合剂制剂在本文中被称为“聚合物粘合剂”。
本文中所描述的粘合剂材料可包括例如水泥质材料(诸如砂浆)、聚合物材料和/或水泥质材料和聚合物材料的掺和物。包括水泥质材料的粘合剂制剂在本文中被称为“水泥质砂浆”。水泥质砂浆可包括可与细骨料组合的任何水泥质材料。使用波特兰水泥和细骨料制成的水泥质砂浆有时被称为“波特兰水泥砂浆”或“OPC”。包括水泥质材料和聚合物材料的掺和物的粘合剂制剂在本文中被称为“聚合物砂浆”。任何水泥质材料都可包括在与聚合物材料和任选的细骨料的掺和物中。包括聚合物材料的粘合剂制剂在本文中被称为“聚合物粘合剂”。
另外，增材打印装置32构造成以考虑水泥质材料28的固化速率使得塔架结构12在其正形成时可结合到其本身的方式打印水泥质材料28。另外，增材打印装置32构造成以使得塔架结构12可承受塔架壁20的重量的方式打印塔架结构12，因为增材形成的水泥质材料28可能在打印期间脆弱。此外，可提供塔架结构12的(多个)加强元件30，以使塔架12能够承受可引起塔架12易受裂化影响的风载荷。
返回参考图9，如在(108)处示出的，方法100还可包括允许水泥质材料28固化，以便形成风力涡轮10的塔架结构12。
现在参考图11，根据本公开的方面而描绘用于在风力涡轮现场处制造风力涡轮的塔架结构的方法200的另一实施例的流程图。大体上，将在本文中参考图1-8中所示出的风力涡轮10和塔架结构12而描述方法200。然而，应当认识到，所公开的方法200可利用具有任何其它合适的构造的塔架结构12来实施。另外，尽管图11出于说明和讨论的目的而描绘以特定顺序执行的步骤，但本文中所讨论的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文中所提供的公开的本领域技术人员将认识到，在不偏离本公开的范围的情况下，本文中所公开的方法的多种步骤可以以多种方式省略、重新布置、组合和/或调适。
如在(202)处示出的，方法200可包括确定风力涡轮现场11处的主要风向13。如在(204)处示出的，方法200可包括基于主要风向13而确定塔架结构12的优化形状17。此外，如所提到的，塔架结构12的优化形状17可为非对称的。例如，优化形状17可包括图2-8的塔架结构12中的任何或其特征的组合中的任何。如在(206)处示出的，方法200可包括经由增材打印装置32来将塔架结构12的一个或多个模具38打印于风力涡轮10的地基15上。如本文中所描述的，(多个)模具38可限定塔架结构12的优化形状17。更特别地，(多个)模具38可以以如关于图3-8而描述的塔架结构12的横截面形状中的任何横截面形状打印。
如在(208)处示出的，方法200可包括至少部分地利用水泥质材料28填充一个或多个模具38。例如，如关于图10的方法100而描述的，增材打印装置32的喷嘴34中的一个或多个可构造成将水泥质材料28打印到模具38中。然而，在备选实施例中，代替打印水泥质材料28，增材打印装置32的注射器36可仅仅例如通过从(多个)模具38的顶部注射水泥质材料28或通过将水泥质材料28注射通过(多个)模具38中的开口而利用水泥质材料28注射或填充(多个)模具38。在这样的实施例中，应当认识到，塔架结构12的优化形状17可完全地由(多个)模具38确定。或者，更特别地，在打印并且随后利用水泥质材料28填充期间，可在(多个)模具38中限定塔架结构12的优化形状17的轮廓。如在(210)处示出的，方法200可包括使一个或多个模具38内的水泥质材料28固化，以便形成塔架结构12。
现在参考图12，根据本公开的方面而图示可包括在控制器(诸如，本文中所描述的控制器44、45)中的合适的构件的一个实施例的框图。如所示出的，控制器44、45可包括配置成执行多种计算机实施的功能(例如，如本文中所公开的那样执行方法、步骤、计算等并且存储相关数据)的一个或多个处理器46和相关联的(多个)存储器装置48。另外，控制器44、45还可包括用以便于控制器44、45与增材打印装置32的多种构件之间的通信的通信模块50。此外，通信模块50可包括用以容许从一个或多个传感器19传送的信号转换成可被处理器46理解并且处理的信号的传感器接口52(例如，一个或多个模拟-数字转换器)。应当认识到，传感器(例如，(多个)传感器19)可使用任何合适的手段来通信地联接到通信模块50。例如，如图11中所示出的，(多个)传感器19可经由有线连接来联接到传感器接口52。然而，在其它实施例中，(多个)传感器19可诸如通过使用在本领域中已知的任何合适的无线通信协议而经由无线连接来联接到传感器接口52。照此，(多个)处理器46可配置成从传感器接收一个或多个信号。
如本文中所使用的，用语“处理器”不仅指代在本领域中被称为包括在计算机中的集成电路，而且还指代控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其它可编程电路。处理器46还配置成计算高级控制算法并且与多种基于以太网或串行的协议(Modbus、OPC、CAN等)通信。另外，(多个)存储器装置48可大体上包括(多个)存储器元件，包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪速存储器)、软盘、压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字通用盘(DVD)和/或其它合适的存储器元件。这样的(多个)存储器装置48可大体上配置成存储合适的计算机可读指令，这些指令在由(多个)处理器46实施时，使控制器44、45配置成执行如本文中所描述的多种功能。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明(包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法)。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果这样的其它示例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于在风力涡轮现场处制造风力涡轮的塔架结构的方法，所述方法包括：
基于至少一个现场参数而确定所述塔架结构的优化形状，所述塔架结构的所述优化形状为非对称的；
经由增材打印装置在所述风力涡轮现场处至少部分地由水泥质材料打印所述风力涡轮的所述塔架结构的所述优化形状；以及
允许所述水泥质材料固化，以便形成所述风力涡轮的所述塔架结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个现场参数包括主要风向，所述方法进一步包括：
确定所述风力涡轮现场处的所述主要风向。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定所述主要风向进一步包括：
经由一个或多个传感器来监测所述风力涡轮处的至少一个风参数；以及
经由通信地联接到所述一个或多个传感器的控制器来基于所监测的所述至少一个风参数而确定所述风力涡轮的所述主要风向。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述塔架结构的所述优化形状的与所述主要风向对准的部分比所述优化形状的从所述主要风向偏移的部分更厚。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述塔架结构的所述优化形状限定包括I形梁横截面、箱形梁横截面或椭圆形横截面中的至少一个的横截面形状。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述椭圆形横截面限定与主要风向对准的纵向轴线。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
经由所述增材打印装置来将一个或多个加固部件打印到所述塔架结构的内表面上，以形成所述优化形状。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述风力涡轮的地基上提供一个或多个模具；以及
经由所述增材打印装置在所述一个或多个模具内形成所述风力涡轮的所述塔架结构的所述优化形状。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括经由所述增材打印装置来打印所述一个或多个模具。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在打印期间，在一个或多个位置处将一个或多个加强元件至少部分地嵌入于所述塔架结构的所述水泥质材料内。
11.一种用于在风力涡轮现场处制造风力涡轮的塔架结构的方法，所述方法包括：
确定所述风力涡轮现场处的主要风向；
基于所述主要风向而确定所述塔架结构的优化形状，所述塔架结构的所述优化形状为非对称的；
经由增材打印装置在所述风力涡轮的地基上打印一个或多个模具，其中，所述一个或多个模具限定所述塔架结构的所述优化形状；
至少部分地利用水泥质材料填充所述一个或多个模具；以及
使所述一个或多个模具内的所述水泥质材料固化，以便形成所述塔架结构。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，确定所述主要风向进一步包括：
经由一个或多个传感器来监测所述风力涡轮处的至少一个风参数；以及
经由通信地联接到所述一个或多个传感器的控制器来基于所监测的所述至少一个风参数而确定所述风力涡轮的所述主要风向。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，利用水泥质材料填充所述一个或多个模具进一步包括经由增材打印装置在所述一个或多个模具内打印所述水泥质材料，其中，在所述一个或多个模具内打印所述水泥质材料进一步包括经由所述增材打印装置在多个道次中堆积所述塔架结构的所述水泥质材料。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，利用水泥质材料填充所述一个或多个模具进一步包括经由所述增材打印装置的喷嘴来将所述水泥质材料分配于所述一个或多个模具内。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述塔架结构的所述优化形状的与所述主要风向对准的部分比所述优化形状的从所述主要风向偏移的部分更厚。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述塔架结构的所述优化形状限定包括I形梁横截面、箱形梁横截面或椭圆形横截面中的至少一个的横截面形状。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述椭圆形横截面限定与所述主要风向对准的纵向轴线。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述塔架结构的所述优化形状在所述塔架结构的内表面上限定一个或多个加固部件，以形成所述优化形状。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在打印期间，在一个或多个位置处将一个或多个加强元件至少部分地嵌入于所述塔架结构的所述水泥质材料内。
20.一种用于在风力涡轮现场处制造风力涡轮的塔架结构的方法，所述方法包括：
确定所述风力涡轮现场处的主要风向；
基于所述主要风向而确定所述塔架结构的优化形状，所述塔架结构的所述优化形状为非对称的；以及
在所述风力涡轮现场处至少部分地由水泥质材料形成所述风力涡轮的所述塔架结构的所述优化形状。
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