DE102011102473A1 - Tower structure for wind energy plants, comprises multiple nested tubes inserted into one another in polygon shape and tubes are interconnected by web, whose cavities are filled with mass - Google Patents
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Abstract
Description
Kurzbeschreibung:Short description:
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Konstruktionsweise zur Verbesserung von Türmen von Windenergieanlagen vor. Es handelt sich um mehrrohrige, mehrschalige und/oder gekammerte, massereiche und vorgespannte Bauweisen des Turms und deren Kombination. Die beschriebenen konstruktiven Maßnahmen erlauben schlankere Türme, biegesteifere Türme, weniger schwingungsanfällige Türme und Türme größerer Höhen als Turmkonstruktionen von Windenergieanlagen herkömmlicher Bauweisen.The present invention proposes a construction method for improving towers of wind turbines. It is multi-tubular, multi-shell and / or chambered, massive and prestressed construction of the tower and their combination. The constructional measures described allow slimmer towers, more rigid towers, less susceptible towers and towers greater heights than towers of wind turbines conventional designs.
Stand der Technik:State of the art:
Windenergieanlagen unterschiedlicher Größe, Leistung und unterschiedlichen Typs verbreiten sich mehr und mehr in allen Ländern der Erde zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der kinetischen Energie des Windes. Der Trend zu „regenerativen” Energien aus Wind, Sonne, Biomasse und Wasser hat sich in den vergangenen Jahren deutlich verstärkt und die Hersteller besonders im Bereich der sehr erfolgreichen Windenergie zum Bau immer größerer Windenergieanlagen angeregt.Wind turbines of different size, power and different types are spreading more and more in all countries of the world to generate electrical energy from the kinetic energy of the wind. The trend toward "regenerative" energies from wind, solar, biomass and water has increased significantly in recent years and manufacturers have stimulated the construction of ever larger wind turbines, particularly in the field of highly successful wind energy.
Dieser Zuwachs an Größe führt vor allem bei dem am weitesten verbreiteten Typ von Windenergieanlagen, dem des dreiblättrigen horizontalachsigen Rotors auf einem Turm, zunehmend zu Problemen, die zu einem erheblichen Teil auf zunehmende Bauteilgrößen zurückzuführen sind.This increase in size, especially in the most widespread type of wind turbines, that of the three-bladed horizontal-axis rotor on a tower, increasingly causes problems that are to a considerable extent due to increasing component sizes.
Es ist bekannt, daß Windenergieanlagen um so höhere Erträge aus dem über das Jahr verteilten Windangebot schöpfen können, je höher die Windenergieanlagen gebaut werden, da in größeren Höhen der Wind im Durchschnitt schneller und laminarer weht. Dementsprechend wurden in der jüngeren Vergangenheit verschiedene Turmtypen erprobt, um die Nabenhöhe sukzessive anzuheben und den Rotor in ertragreicheren höheren Luftschichten zu positionieren (Hybridturm oder Gittermast). Dabei liegt das Augenmerk derzeit auf der Entwicklung immer größerer Rotoren, leistungsfähigerer Generatoren und anderer Komponenten, die mit dem Leistungszuwachs in Verbindung stehen.It is well known that the higher the wind turbines are built, the higher the yield of wind turbines, because at higher altitudes the wind blows faster and more laminarly on average. Accordingly, in the recent past, various tower types have been tried to successively raise the hub height and position the rotor in higher yielding higher air layers (hybrid tower or lattice tower). The focus is currently on the development of ever larger rotors, more powerful generators, and other components associated with performance growth.
Den Türmen, die die Windmaschinen tragen, wird hingegen vergleichsweise wenig Aufmerksamkeit gewidmet, und die Entwicklung dieses Bauteils kommt nur relativ langsam voran. Neben Fragen der Errichtbarkeit und der Genehmigung von Türmen über 140 m Höhe werden kaum Überlegungen darauf verwendet, wie solche Turmbauten effizient, schlank, stabil und dauerhaft zuverlässig ausgelegt werden können. Vielmehr behilft man sich zum gegenwärtigen Zeitpunkt vornehmlich mit der Vergrößerung bereits bestehender Turm- oder Gittermastgeometrien oder der Mischung zweier Turmbauprinzipien, wie dies bei Hybridtürmen der Fall ist. Das Potential anderer Bauweisen, wie sie etwa aus dem Hochhausbau und aus der Baustatik des Brückenbaus abgeleitet werden können, wird bisher so gut wie nicht genutzt.The towers carrying the wind machines, on the other hand, receive relatively little attention, and the development of this component is relatively slow. In addition to questions of erection and the approval of towers over 140 m height, little consideration is given to how such towers can be designed efficiently, lean, stable and permanently reliable. On the contrary, at the present time it is primarily the enlargement of already existing tower or lattice mast geometries or the mixture of two tower construction principles which is the case with hybrid towers. The potential of other construction methods, such as those derived from high-rise construction and the structural design of bridge construction, has so far not been used.
Aufgabe:Task:
Es ist die Aufgabe der Erfindung, erprobte Bauweisen aus dem Bereich der Hochhausstatik, aus dem Geschoßdeckenbau und des Brückenbaus mit den Erfordernissen des Windenergieanlagenbaus zu verbinden und auf diese Weise Bauweisen für Windenenergieanlagen vorzuschlagen, die bei werter anwachsender Größe der Windenergieanlagen sowohl effizienter als auch wirtschaftlicher sind, als bestehende Bauweisen.It is the object of the invention to combine proven construction methods from the field of high-rise statics, from the floor slab construction and bridge construction with the requirements of wind turbine construction and to suggest in this way construction methods for wind turbines, which are both efficient and more economical at werter growing size of wind turbines , as existing construction methods.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, durch mehrrohrige und/oder gekammerte Bauweisen sowie durch mehrschalige Bauweisen des Windmaschinen-Turms und deren Kombination die Standfestigkeit zu verbessern und die Schwingungsanfälligkeit zu reduzieren.It is the object of the invention to improve by multi-tubular and / or chambered construction methods as well as by multi-shell construction methods of the wind turbine tower and their combination, the stability and reduce the susceptibility to vibration.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Wirtschaftlichkeit von Türmen von Windenergieanlagen durch mehrrohrige und/oder gekammerte Bauweisen, sowie durch mehrschalige Bauweisen, als auch durch Vorspannung und die Kombination aller vorgeschlagenen Bauweisen zu verbessern.It is the object of the invention to improve the efficiency of towers of wind turbines by multi-pipe and / or chambered constructions, as well as by multi-shell construction, as well as by bias and the combination of all proposed designs.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Errichtbarkeit der Türme von Windenergieanlagen zu verbessern und die einzelnen, an den Ort der Errichtung angelieferten Turmsegmente so zu dimensionieren, daß diese leicht an den Ort der Errichtung transportierbar und am Boden leicht montierbar sind.It is the object of the invention to improve the buildability of the towers of wind turbines and to dimension the individual delivered to the place of construction tower segments so that they can be easily transported to the place of construction and easily mounted on the ground.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Effizienz der Turmkonstruktion zu verbessern, indem Material im Verhältnis zum Tragvermögen und zur Höhe des Turms der Windenergieanlage eingespart wird.It is the object of the invention to improve the efficiency of the tower construction by saving material in relation to the buoyancy and the height of the tower of the wind turbine.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, das Tragverhalten in der jeweils optimalen Art und Weise durch die verwendeten Materialien herzustellen.It is the object of the invention to produce the load-bearing behavior in the respectively optimum manner through the materials used.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die verwendeten konstruktiven Materialien kraftschlüssig miteinander zu verbinden und somit eine Verbundwirkung zu erzielen.It is the object of the invention to non-positively connect the constructive materials used and thus to achieve a composite effect.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, das Tragverhalten durch das Prinzip einer verlorenen Schalung zuerst durch leichte Schalungselemente vorzubereiten und anschließend durch Verguß beispielsweise mit Mörtel oder Beton herzustellen.It is the object of the invention, the bearing behavior by the principle of a lost formwork first by lightweight formwork elements prepare and then produce by casting, for example, with mortar or concrete.
Lösung des Problems:The solution of the problem:
Erfindungsgemäß wird die Effizienz der Turmkonstruktion dadurch verbessert, daß der Turm nicht nur aus einem einzigen aus Segmenten zusammengefügten Stahl- oder Betonrohr einer bestimmten Dicke und eines bestimmten Durchmessers besteht oder gar als Gittermast ausgebildet wird, sondern daß er aus mindestens zwei konzentrischen ineinander gesteckten Rohren besteht, die durch Stege miteinander verbunden sind oder durch ein Rohr, das in Kammern unterteilt ist und somit das Biegemoment durch seitliche Belastung im Turm der Windenergieanlage derart umverteilt, daß trotz geringerer Gesamtturmdicken größere Biegesteifigkeit erreicht wird.According to the invention, the efficiency of the tower construction is improved in that the tower is not only a single assembled from segments steel or concrete pipe of a certain thickness and a certain diameter or even formed as a lattice mast, but that it consists of at least two concentric nested tubes , Which are interconnected by webs or through a tube which is divided into chambers and thus redistributes the bending moment by lateral load in the tower of the wind turbine so that greater bending stiffness is achieved despite lower overall tower thicknesses.
Erfindungsgemäß wird die Effizienz der Turmkonstruktion dadurch verbessert, daß der Turm nicht nur aus einem einzigen aus Segmenten zusammengefügten Stahlrohr einer bestimmten Dicke und eines bestimmten Durchmessers besteht, oder gar als Gittermast ausgebildet wird, sondern daß er aus zwei oder mehreren konzentrisch angeordneten Rohren besteht, die durch radiale Stege miteinander verbunden sind, die einen ringförmigen segmentierten Hohlraum formen.According to the invention, the efficiency of the tower construction is improved in that the tower consists not only of a single assembled from segments steel pipe of a certain thickness and a certain diameter, or even as a lattice mast is formed, but that it consists of two or more concentrically arranged tubes, the are interconnected by radial webs which form an annular segmented cavity.
Erfindungsgemäß wird die Effizienz der Turmkonstruktion dadurch verbessert und die Schwingungsanfälligkeit dadurch verringert, daß der Hohlraum zwischen den Rohren oder Kammern mit Masse befüllt wird, vorzugsweise mit bewehrtem Beton, was die Biegefestigkeit in horizontaler Richtung und die Tragfähigkeit in vertikaler Richtung entscheidend verbessert.According to the invention, the efficiency of the tower construction is thereby improved and the susceptibility to vibration is reduced by filling the cavity between the tubes or chambers with mass, preferably with reinforced concrete, which decisively improves the bending strength in the horizontal direction and the load capacity in the vertical direction.
Erfindungsgemäß wird die Effizienz der Turmkonstruktion und das Tragverhalten dadurch verbessert, daß die Mantelflächen und die verfüllte Masse kraftschlüssig miteinander verbunden sind (Composite-Bauweise).According to the invention, the efficiency of the tower construction and the bearing behavior is improved by the fact that the lateral surfaces and the filled mass are non-positively connected to each other (composite construction).
Erfindungsgemäß wird das Knickverhalten der Mantelflächen der Konstruktion dadurch verbessert, daß der Hohlraum zwischen den Rohren oder Kammern mit Masse befüllt wird, vorzugsweise mit bewehrtem Beton, was die Biegefestigkeit in horizontaler Richtung und die Tragfähigkeit in vertikaler Richtung nochmals verbessert.According to the invention, the buckling behavior of the lateral surfaces of the construction is improved by filling the cavity between the tubes or chambers with mass, preferably with reinforced concrete, which further improves the flexural strength in the horizontal direction and the load-bearing capacity in the vertical direction.
Erfindungsgemäß wird die Biegefestigkeit durch in den Turm eingebrachte oder am Turm entlanggeführte Verspannungselemente verbessert, vornehmlich durch zertifizierte Spannseilvorrichtungen aus dem Spannbetonbau, wie sie z. B. von Spannbetonbrücken her bekannt sind. Erfindungsgemäß erreicht dieser Verbund aus Spanngliedern und Turmsegmenten der Windenergieanlage eine höhere Steifigkeit und somit eine höhere Belastbarkeit, größere Schlankheit und höhere Effizienz als Türme von Windenergieanlagen ohne Verspannung.According to the invention, the bending strength is improved by introduced into the tower or guided along the tower bracing elements, primarily by certified tensioning cable devices from the prestressed concrete, as z. B. are known from prestressed concrete bridges ago. According to this composite of tendons and tower segments of the wind turbine achieves a higher rigidity and thus a higher load capacity, greater slenderness and higher efficiency than towers of wind turbines without distortion.
Figurenbeschreibung:Brief Description:
Die
Die
Die erfindungsgemäßen Lösungen im einzelnen:The solutions according to the invention in detail:
Vorteilhafte Wirkung:Advantageous effect:
- 1. Die Mehrschaligkeit führt zu größerer Belastbarkeit bei gleichem Gesamtdurchmesser.1. The multi-shell leads to greater resilience at the same total diameter.
- 2. Die Stegausbildung ermöglicht Kraftübertragung zwischen Innen- und Außenmantel.2. The web formation allows power transmission between the inner and outer sheath.
- 3. Die Stegausbildung vermeidet Einknicken sowohl der äußeren als auch der Inneren vorgeschlagenen Mantelfläche.3. The web formation avoids buckling of both the outer and the inner proposed lateral surface.
- 4. Die Composite-Bauweise ermöglicht variabel anwendbare Baumaterialien, die entsprechend ihrer jeweiligen Vorzüge eingesetzt und kombiniert werden können.4. Composite construction allows for variably applicable building materials that can be used and combined according to their particular merits.
- 5. Die gekammerte Bauweise ermöglicht eine Mehrfachnutzung der Außen- und Innenwand als statisches Element und gleichzetig als verlorene Schalung bzw. als dauerhafter Schutz vor äußeren Umwelteinflüssen.5. The chambered construction allows multiple use of the outer and inner wall as a static element and gleichzetig as permanent formwork or as a permanent protection against external environmental influences.
- 6. Die vorgeschlagenen Bauweisen greifen auf die Verwendung erprobter Composite-Bauweise aus dem Geschoßdeckenbau und auf Verspannungselemente aus dem Spannbetonbrückenbau und dem Hochhausbau mit gleichem thermischem Längenausdehnungskoeffizienten zurück, deren Verhalten über Jahrzehnte erprobt und beobachtet wurde und deren Einsatz absolut sicher und unbedenklich ist.6. The proposed designs rely on the use of proven composite construction from the basement ceiling construction and on bracing elements from prestressed concrete bridge construction and high-rise building with the same thermal expansion coefficients whose behavior has been tested and observed over decades and their use is absolutely safe and harmless.
- 7. Die vorgeschlagenen Bauweisen erlauben größere Schlankheit bei gleichzeitig geringerer Schwingungsanfälligkeit infolge der größeren Gesamtmasse des Turms.7. The proposed designs allow for greater slenderness coupled with lower susceptibility to vibration due to the larger total mass of the tower.
- 8. Die vorgeschlagenen Bauweisen erlauben höhere Turmkonstruktionen, da sie die Unwirtschaftlichkeitsbarriere herkömmlicher Bauweisen durchbrechen, die vorgeschlagenen Bauweisen sind in ihrer Gesamtheit effizienter als herkömmliche Bauweisen.8. The proposed designs allow for higher tower constructions as they break the inefficiency barrier of conventional designs, the proposed designs are more efficient in their entirety than conventional constructions.
- 9. Äußere und innere Mantelfläche ermöglichen Korrosions- und Witterungsschutz für das eingebrachte Füllmaterial.9. Outer and inner lateral surface allow corrosion and weather protection for the introduced filling material.
- 10. Die Füllmasse verhindert das Einknicken sowohl des äußeren, als auch des inneren Mantels.10. The filling prevents the buckling of both the outer and the inner shell.
- 11. Die Verspannungselemente verbessern den Kraftfluß innerhalb des Turms durch die Reduktion der Zugkräfte auf der Seite, aus der die Windkraft kommt, die bislang zu einer Biegebeanspruchung und somit zu einer Zugbeanspruchung eben dieser Seite des Turmschafts führte.11. The bracing elements improve the power flow within the tower by reducing the tensile forces on the side from which the wind power comes, which has so far led to a bending stress and thus to a tensile stress just this side of the tower shaft.
- 12. Die Schwingungsanfälligkeit verringert sich infolge der größeren Masse.12. The susceptibility to vibration decreases due to the larger mass.
- 13. Die Schwingungsanfälligkeit verringert sich infolge der höheren Biegesteifigkeit.13. The susceptibility to vibration is reduced due to the higher bending stiffness.
- 14. Die vorgeschlagenen Bauweisen ermöglichen die bewährte Ausführung in Segmenten mit endgültiger Montage am Errichtungsort.14. The proposed designs allow the proven design in segments with final assembly at the installation site.
- 15. Der Transport überbreiter und überhoher Turmelemente kann durch sinnvolle Zerlegung und Vor-Ort-Montage verringert oder vermieden werden.15. The transport of extra-wide and over-high tower elements can be reduced or avoided by meaningful disassembly and on-site assembly.
- 16. Die vorgeschlagenen Bauweisen ermöglichen ein problemloses Lösen der Verspannung und einen einfachen Abbau der Windenergieanlage zur Außerbetriebssetzung.16. The proposed designs allow easy release of the tension and a simple dismantling of the wind turbine for decommissioning.
- 17. Die vorgeschlagenen Bauweisen ermöglichen je nach Ausführung einen problemlosen Wiederaufbau des Turms an einem anderen Ort.17. The proposed designs allow for easy reconstruction of the tower at a different location, depending on the design.
- 18. Die vorgeschlagenen Bauweisen ermöglichen ein sortenreines Recycling trennbarer Baustoffe.18. The proposed construction methods allow a sorted recycling of separable building materials.
- 19. Die vorgeschlagenen Bauweisen sind auch auf Hybridbauweisen anwendbar.19. The proposed designs are also applicable to hybrid designs.
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