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Die Erfindung betrifft ein Komponentenmodul und ein Verfahren zum Montieren eines Komponentenmoduls in einem Turmsegment einer Windenergieanlage.
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Für den Ablauf beim Errichten einer Windenergieanlage kann es von Vorteil sein, wenn bestimmte Komponenten, die zur Montage in dem Turm der Windenergieanlage bestimmt sind, zu einem Komponentenmodul vormontiert sind. Anstatt einer Mehrzahl einzelner Komponenten muss dann lediglich das Komponentenmodul montiert werden, wodurch Zeit eingespart werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Komponentenmodul und ein Verfahren zum Montieren eines Komponentenmoduls vorzustellen, die eine vereinfachte Montage ermöglichen. Ausgehend vom genannten Stand der Technik wird die Aufgabe gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Komponentenmodul umfasst eine Tragestruktur und eine an der Tragestruktur aufgehängte Installationsebene. Die Installationsebene trägt eine Schaltanlage. Die Schaltanlage ist verschiebbar relativ zu der Installationsebene gelagert.
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Indem die Schaltanlage verschiebbar relativ zu der Installationsebene gelagert ist, wird es möglich, die Schaltanlage zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu bewegen. In der ersten Position kann das Komponentenmodul in einem Zustand sein, in dem das Komponentenmodul gut montiert werden kann oder in dem bestimmte Arbeiten gut durchgeführt werden können (Montageposition). Beispielsweise kann in der Montageposition eine Rückseite der Schaltanlage zugänglich sein, die ansonsten für die Techniker nicht erreichbar wäre. Die zweite Position kann der Position entsprechen, die die Schaltanlage innerhalb des Turms haben soll, wenn die Windenergieanlage in Betrieb ist (Betriebsposition). Die zweite Position kann beispielsweise so gestaltet sein, dass im Umfeld der Schaltanlage genügend Platz für Servicepersonal bleibt.
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Das Komponentenmodul kann eine zentrale Achse aufweisen, die senkrecht ausgerichtet ist, wenn das Komponentenmodul in dem Turm der Windenergieanlage montiert ist. Die Installationsebene kann senkrecht zu der zentralen Achse ausgerichtet sein.
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Die Schaltanlage kann in der Montageposition einen Abstand zu der zentralen Achse haben, der kleiner ist als der Abstand zwischen der Schaltanlage und der zentralen Achse, wenn die Schaltanlage in der Betriebsposition ist. In einer Ausführungsform schneidet die zentrale Achse die Schaltanlage, wenn die Schaltanlage im ersten Zustand ist. Mit einem verminderten Abstand zwischen der Schaltanlage und der zentralen Achse kann der Schwerpunkt des Komponentenmoduls näher zu der zentralen Achse hin verlagert werden. Es ist dann einfacher, das Komponentenmodul zum Beispiel mit einem Kran von oben anzuheben, ohne dass das Komponentenmodul zur Seite kippt.
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In einer Ausführungsform verändert sich durch das Verschieben der Schaltanlage die Querschnittskontur des Komponentenmoduls. Die Querschnittskontur erstreckt sich parallel zu der Installationsebene und bezeichnet die Fläche, die das Komponentenmodul in der Installationsfläche abdeckt, wenn die Schaltanlage gedanklich in die Installationsfläche projiziert wird. Insbesondere kann die Querschnittskontur des Komponentenmoduls in der Montageposition der Schaltanlage kleiner sein als in der Betriebsposition der Schaltanlage. Bei kleinerer Querschnittskontur lässt sich das Komponentenmodul mit der Schaltanlage durch eine Öffnung hindurchführen, durch die das Komponentenmodul bei größerer Querschnittskontur nicht hindurchpasst. Die betreffende Öffnung kann eine Öffnung in dem Turmsegment sein.
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Die Lagerung zwischen der Schaltanlage und der Installationsebene kann eine Schiene umfassen. In einer Ausführungsform umfasst die Lagerung Rollen, die auf der Schiene abrollen. Die Lagerung kann eine Mehrzahl von Schienen umfassen, die parallel zueinander ausgerichtet sind.
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Die Lagerung kann so gestaltet sein, dass die Schaltanlage auf eine Linearbewegung relativ zu der Installationsebene eingeschränkt ist. Insbesondere kann die Schiene zu diesem Zweck mit einer Seitenführung versehen sein.
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Das Komponentenmodul kann eine Fixiereinrichtung umfassen, um die Schaltanlage in einer bestimmten Position relativ zu der Installationsebene zu fixieren. Die Fixiereinrichtung kann so ausgelegt sein, dass die Schaltanlage in der Montageposition und/oder in der Betriebsposition relativ zu der Installationsebene fixiert werden kann. Die Fixiereinrichtung kann eine erste Bohrung aufweisen, die relativ zu der Schaltanlage in einer festen Position ist, sowie eine zweite Bohrung aufweisen, die relativ zu der Installationsebene in einer festen Position ist. Die Bohrungen können sich parallel zu der Bewegungsrichtung der Schaltanlage erstrecken. Die erste Bohrung und die zweite Bohrung können so angeordnet und ausgerichtet sein, dass sie miteinander Fluchten, wenn die Schaltanlage in der richtigen Position ist. Es kann dann ein Bolzen durch die erste Bohrung und die zweite Bohrung durchgeführt werden, um die Schaltanlage in dieser Position relativ zu der Installationsebene zu fixieren.
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Schaltanlagen sind in vielen Fällen so schwer, dass sie nicht ohne weiteres von Hand bewegt werden können. Die Schaltanlage kann beispielsweise zwischen 3 m und 6 m breit sein sowie zwischen 1 m und 3 m tief sein. Die Höhe der Schaltanlage kann beispielsweise zwischen 2 m und 4 m liegen. Die Schaltanlage kann insgesamt eine an einen Quader angenäherte Form haben. Das Gewicht der Schaltanlage kann beispielsweise zwischen 2000 kg und 8000 kg liegen. Die Linearführung zwischen der Schaltanlage und der Installationsebene kann parallel zu der Tiefe der Schaltanlage ausgerichtet sein.
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Das erfindungsgemäße Komponentenmodul kann einen mechanischen Antrieb umfassen, um die Schaltanlage relativ zu der Installationsebene zu bewegen. Der mechanische Antrieb umfasst vorzugsweise einen mit der Installationsebene verbundenen Anschluss und einen mit der Schaltanlage verbundenen Anschluss, die durch den mechanischen Antrieb relativ zueinander bewegt werden können. Der mechanische Antrieb kann als Linearantrieb ausgebildet sein, der insbesondere parallel zu einer Schiene ausgerichtet sein kann, auf der die Schaltanlage geführt ist. Die Kraftübertragung zwischen den beiden Anschlüssen des Linearantriebs kann beispielsweise über eine Gewindespindel, einen Zahnriemen oder eine Zahnstange erfolgen, die jeweils mit einem geeigneten Gegenelement zusammenwirken.
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Das Komponentenmodul kann einen Höhenabschnitt umfassen, in dem die Querschnittskontur größer ist als die Querschnittskontur im Bereich der Schaltanlage. Dies kann sich insbesondere auf den Zustand des Komponentenmoduls beziehen, in dem die Schaltanlage im ersten Zustand ist. Der Höhenabschnitt mit der größeren Querschnittskontur kann oberhalb des Höhenabschnitts mit der kleineren Querschnittskontur angeordnet sein. Zwischen den beiden Höhenabschnitten kann es einen nach unten weisenden Absatz geben, der dazu bestimmt ist, auf einer Struktur des Turmsegments aufzuliegen. Durch den Absatz kann die Position des Komponentenmoduls relativ zu dem Turmsegment definiert werden. In einer Ausführungsform wird auch die Gewichtskraft des Komponentenmoduls zu einem überwiegenden Teil über den Absatz übertragen.
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Die Schaltanlage kann als elektrische Einrichtung ausgebildet sein, über die der von der Windenergieanlage erzeugte elektrische Strom fließt, wenn die Windenergieanlage den Strom in ein Anschlussnetz einspeist. Die Schaltanlage kann beispielsweise einen Umrichter und/oder einen Transformator umfassen. Die Schaltanlage kann auch einen Schalter aufweisen, mit dem die elektrische Verbindung zu dem Anschlussnetz hergestellt oder getrennt werden kann.
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Die Schaltanlage kann eine Mehrzahl von Funktionseinheiten umfassen, die separat austauschbar sind. Die Anzahl der Funktionseinheiten kann beispielsweise zwischen 3 und 6 liegen. Die Funktionseinheiten können in der Schaltanlage nebeneinander angeordnet sein und sich über die gesamte Höhe der Schaltanlage erstrecken. Die Funktionseinheiten können sich über die gesamte Tiefe der Schaltanlage erstrecken. Das Gewicht einer einzelnen Funktionseinheit kann beispielsweise zwischen 500 kg und 1000 kg liegen.
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Die Schaltanlage kann von der Betriebsposition in die Montageposition bewegt werden, um den separaten Austausch einer einzelnen Funktionseinheit zu ermöglichen. Das Komponentenmodul kann eine oberhalb der Schaltanlage angeordnete Hebeeinrichtung beispielsweise in Form eines Krans oder eines Seilzugs umfassen, die dazu ausgelegt ist, eine Funktionseinheit der Schaltanlage anzuheben.
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Das Komponentenmodul kann eine erste Installationsebene und eine zweite Installationsebene umfassen. Auf der ersten Installationsebene kann die Schaltanlage angeordnet sein. Auf der zweiten Installationsebene können weitere Einrichtungen der Windenergieanlage angeordnet sein, wie beispielsweise ein Notstromaggregat und/oder ein Brandmelder. Die erste Installationsebene kann unterhalb der zweiten Installationsebene angeordnet sein.
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Das Komponentenmodul kann eine Montageebene umfassen, auf der Personen bei der Montage der Windenergieanlage stehen können. Die Montageebene kann oberhalb der ersten Installationsebene und/oder oberhalb der zweiten Installationsebene angeordnet sein.
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Die zweite Installationsebene und/oder die Montageebene können einen Durchlass aufweisen, durch den eine Person sich zu einer höher bzw. tiefer gelegene Ebene bewegen kann. Die zweite Installationsebene und/oder die Montageebene können einen Durchlass aufweisen, durch den ein elektrisches Kabel geführt ist, über das von der Windenergieanlage produzierter elektrischer Strom geleitet wird. Das Kabel kann die Schaltanlage mit in der Gondel der Windenergieanlage angeordneten elektrischen Komponenten verbinden.
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Um ein von unten herangeführtes Seekabel umlenken zu können, kann die erste Installationsebene eine Ausnehmung aufweisen, die einen Freiraum zwischen der Installationsebene und der umgebenden Wand eines Turmsegments lässt. Der Freiraum kann zwischen einer Sekante des Turms und der Turmwand eingeschlossen sein und sich über mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 20 %, weiter vorzugsweise mindestens 30 % der Querschnittsfläche des Turms erstrecken.
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Die Tragestruktur des Komponentenmoduls kann dazu ausgelegt sein, eine Verbindung zu einem Turmsegment der Windenergieanlage herzustellen, so dass insbesondere die Gewichtslast des Komponentenmoduls über die Tragestruktur in das Turmsegment eingeleitet wird. Die Tragestruktur kann zu diesem Zweck Auflageflächen umfassen, die auf Gegenflächen des Turmsegments aufliegen. Die Tragestruktur kann mit dem Turmsegment verschraubt sein. Die Tragestruktur kann so ausgelegt sein, dass sie die Installations- bzw. Montageebenen trägt und diese in einem festen Abstand zueinander hält.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein mit einem solchen Komponentenmodul ausgestattetes Turmsegment, bei dem das Komponentenmodul in einem Innenraum des Turmsegments angeordnet ist. Die Tragestruktur des Komponentenmoduls kann mit dem Turmsegment verbunden sein. Insbesondere kann das Komponentenmodul einen nach unten weisenden Absatz umfassen, der oberhalb der ersten Installationsebene angeordnet ist und der auf einem Vorsprung des Turmsegments aufliegt.
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Das Turmsegment kann einen oberen Abschlussring umfassen, durch den das Komponentenmodul hindurch geführt werden kann, um das Komponentenmodul in den Innenraum des Turmsegments einzusetzen. Der Abschlussring kann so bemessen sein, dass das Komponentenmodul nur dann hindurchpasst, wenn die Schaltanlage in Montageposition ist, und nicht hindurchpasst, wenn die Schaltanlage in Betriebsposition ist.
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Das Turmsegment kann eine Aussteifung umfassen, die sich von einer Wand des Turmsegments in Form eines Vorsprungs nach innen erstreckt. Die von der Aussteifung freigelassene Öffnung im Zentrum des Turms kann kleiner sein als die Öffnung des oberen Abschlussrings. Die von der Aussteifung freigelassene Öffnung kann so bemessen sein, dass das Komponentenmodul nur dann hindurchpasst, wenn die Schaltanlage in der Montageposition ist, und nicht hindurchpasst, wenn die Schaltanlage in der Betriebsposition ist. Die Tragestruktur des Komponentenmoduls kann auf der Aussteifung aufliegen, wenn das Komponentenmodul in dem Turmsegment montiert ist.
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Das Turmsegment kann das unterste Turmsegment des Turms einer Windenergieanlage sein, über das die Verbindung zu einer Gründungsstruktur der Windenergieanlage hergestellt wird. Die Gründungsstruktur kann eine Offshore-Gründungsstruktur sein, beispielsweise in Form einer Monopile-Struktur oder einer Jacket-Konstruktion.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Windenergieanlage mit einem solchen Turmsegment. Die Windenergieanlage kann insbesondere eine Offshore-Windenergieanlage sein. Ein unteres Ende des Turmsegments kann mit dem oberen Ende einer Gründungsstruktur verbunden sein. Ein oberes Ende des Turmsegments kann mit dem unteren Ende eines darüber angeordneten Turmsegments verbunden sein.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Montieren eines Komponentenmoduls in einem Turmsegment einer Windenergieanlage. Bei dem Verfahren wird eine Schaltanlage in eine Montageposition auf einer ersten Installationsebene gebracht, so dass ein Abschnitt des Komponentenmoduls durch eine Öffnung des Turmsegments hindurchgeführt werden kann. Nach dem Hindurchführen wird die Schaltanlage in eine Betriebsposition auf der ersten Installationsebene gebracht, so dass der Abschnitt des Komponentenmoduls nicht mehr durch die Öffnung passt.
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Das Verfahren kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Komponentenmoduls beschrieben sind. Das Komponentenmodul kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand vorteilhafter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
- 1: eine erfindungsgemäße Windenergieanlage;
- 2: ein Komponentenmodul in einem ersten Zustand;
- 3: das Komponentenmodul aus 2 in einem zweiten Zustand;
- 4: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Turmsegments;
- 5: eine Ansicht von oben auf ein erfindungsgemäßes Komponentenmodul;
- 6: ein Detail eines erfindungsgemäßen Komponentenmoduls in vergrößerter Darstellung;
- 7: ein weiteres Detail eines erfindungsgemäßen Komponentenmoduls in vergrößerter Darstellung.
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Bei einer in 1 gezeigten Offshore-Windenergieanlage ist eine Gondel 14 drehbar auf einem Turm 15 angeordnet. Die Gondel 14 trägt einen Rotor 16, der über eine Rotorwelle einen in 1 nicht sichtbar an Generator antreibt, um elektrische Energie zu erzeugen. Die Gondel 14 kann relativ zu dem Turm 15 gedreht werden, um den Rotor 16 in Windrichtung auszurichten. Die mit dem Generator erzeugte elektrische Energie wird über ein Kabel zum Turmfuß geleitet und dort über einen Umrichter und einen Transformator in ein Seekabel eingespeist.
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Der Turm 15 ruht auf einer Gründungsstruktur 17, die als Monopile ausgebildet ist. Der Turm 15 ist aus einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Turmsegmenten 18 zusammengesetzt. In dem untersten Turmsegment 18, das den Übergang zu dem Monopile 17 bildet, ist eine in der Schnittdarstellung gemäß 4 sichtbare Schaltanlage 19 angeordnet, über die die mit dem Generator erzeugte elektrische Energie geleitet wird.
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Die Schaltanlage 19 ist auf einer ersten Installationsebene 21 eines Komponentenmoduls 20 angeordnet. Das Komponentenmodul 20 erstreckt sich über drei Ebenen, von denen die erste Installationsebene 21 die unterste ist. In der Mitte ist eine zweite Installationsebene 22 ausgebildet, darüber ist eine Montageebene 23 angeordnet.
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Das Seekabel wird von unten an das Komponentenmodul 20 herangeführt. Um genügend Raum für das Umlenken des Seekabels zu lassen, hat die Installationsebene an ihrem der Schaltanlage 19 gegenüberliegenden Ende eine Ausnehmung, durch die etwa ein Drittel des Querschnitts des Turmsegments 18 freigelassen wird.
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Das Komponentenmodul 20 umfasst eine Tragestruktur 24, die die Ebenen 21, 22, 23 miteinander verbindet. Die Tragestruktur 24 kragt auf der zweiten Installationsebene 22 nach außen vor, so dass die Tragestruktur 24 in diesem Bereich einen nach unten weisenden Absatz 25 hat. Der Absatz 25, der sich ringförmig über den gesamten Umfang des Komponentenmoduls 20 erstreckt, liegt auf einem Versteifungsring 26 auf, der sich von der Wand des Turmsegments 18 nach innen erstreckt. Über den Absatz 25 und den Versteifungsring 26 wird die Gewichtskraft des Komponentenmoduls 20 in das Turmsegment 18 übergeleitet.
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Das Komponentenmodul 20 wird im Werk vormontiert, indem die Schaltanlage 19 auf der ersten Installationsebene 21 befestigt wird und indem weitere Installationen 27, 28 auf der zweiten Installationsebene 22 angebracht werden. Die Schaltanlage 19 hat ein Gewicht von etwa 6000 kg, das Gewicht des Komponentenmoduls 20 insgesamt kann beispielsweise bei etwa 20.000 kg liegen. Das Komponentenmodul 20 kann eine Gesamthöhe von etwa 8 m und einen größten Durchmesser von etwa 5 m haben.
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Um das Komponentenmodul 20 in dem Turmsegment 18 zu montieren, wird das Komponentenmodul 20 mit einem Kran angehoben und von oben in das Turmsegment 18 hinabgelassen. Der untere Abschnitt des Komponentenmoduls 20 mit der ersten Installationsebene 21 tritt durch die Öffnung des Versteifungsrings 26 hindurch, bis der Absatz 25 auf dem Versteifungsring 26 aufliegt.
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Damit das Komponentenmodul 20 mit seinem unteren Abschnitt durch den Versteifungsring 26 hindurch geführt werden kann, darf der Querschnitt des Komponentenmoduls 20 in diesem Bereich nicht größer sein als die Öffnung in dem Versteifungsring 26. Dies ist der Fall, wenn die Schaltanlage 19 in der in 2 gezeigten Montageposition ist, in der die Schaltanlage 19 nahe einer zentralen Achse des Komponentenmoduls 20 angeordnet ist. Dies ist nicht der Fall, wenn die Schaltanlage 19 in der in 3 gezeigten Betriebsposition ist, in der die Schaltanlage 19 einen größeren Abstand zum Zentrum des Komponentenmoduls 20 hat. In der Betriebsposition ragt die Schaltanlage 19 seitlich über die Installationsebene 21 hinaus, wodurch sich die Querschnittskontur vergrößert.
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Das Komponentenmodul 20 wird also zum Einsetzen in das Turmsegment 18 in den in 2 gezeigten Zustand gebracht. In diesem Zustand ist auch der Schwerpunkt des Komponentenmoduls 20 nahe der zentralen Achse, so dass das Komponentenmodul 20 nicht kippt, wenn es mit dem Kran angehoben wird. Nachdem das Komponentenmodul 20 die richtige Position relativ zu dem Turmsegment 18 eingenommen hat, kann die Schaltanlage 19 in die Betriebsposition (3) verschoben werden, so dass der Raum im mittleren Bereich des Komponentenmoduls 20 frei wird. Dieser Raum kann beispielsweise von den Monteuren zum Arbeiten genutzt werden.
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Die Schaltanlage 19 umfasst gemäß 6 fünf nebeneinander angeordnete Funktionseinheiten 29, die auf einem gemeinsamen Gestell 30 angeordnet sind. Das Gestell 30 ist über Rollen 31 auf Schienen 32 geführt, so dass die Schaltanlage 19 linear relativ zu der ersten Installationsebene 21 verschoben werden kann. Das Komponentenmodul 20 ist mit einem in den Figuren nicht dargestellten Linearantrieb ausgestattet, um die Bewegung der Schaltanlage 19 relativ zu der ersten Installationsebene 21 anzutreiben. Das Gestell 30 ist mit Bohrungen ausgestattet, die mit an der Installationsebene ausgebildeten Bohrungen 33 fluchten. Wenn die Schaltanlage 19 in der Betriebsposition ist, können Bolzen durch die Bohrungen 33 durchgeführt werden, um die Schaltanlage 19 in dieser Position zu fixieren.
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Wenn das Komponentenmodul 20 in dem Turmsegment 18 montiert ist, kann die Schaltanlage 19 nicht mehr als Ganzes aus dem Turmsegment 18 entfernt werden. Möglich ist aber der Austausch einer einzelnen Funktionseinheit 29 der Schaltanlage 19. In der zweiten Installationsebene 22 ist eine Öffnung ausgebildet, durch die einer einzelnen Funktionseinheit 29 hindurchpasst. Oberhalb der zweiten Insertionsebene 22 ist ein Seilzug angeordnet, mit dem die Funktionseinheit 29 angehoben werden kann. Vor dem Anheben kann die Schaltanlage 19 so auf den Schienen 32 verschoben werden, dass die betreffende Funktionseinheit 29 in einer für das Anheben günstigen Position ist.
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Die Montageebene 23, die in 5 in einer Ansicht von oben dargestellt ist, kann von Monteuren genutzt werden, um das Turmsegment 18 mit dem nächsthöheren Turmsegment zu verbinden. Der entsprechende Übergangsbereich ist von der Montageebene 23 aus gut zugänglich. Die Montageebene 23 umfasst eine erste Öffnung 34, durch die Kabel hindurchgeführt sind, die die Schaltanlage 19 mit in der Gondel 14 angeordneten Komponenten verbinden. Eine weitere Öffnung 35 kann von Personen genutzt werden, um auf die zweite Installationsebene 22 hinabzusteigen.
