DE602005002760T2 - Windkraftanlageturm, vorgefertigtes metallisches Wandteil zum Gebrauch in diesem Turm, und Verfahren zur Herstellung dieses Turms - Google Patents

Windkraftanlageturm, vorgefertigtes metallisches Wandteil zum Gebrauch in diesem Turm, und Verfahren zur Herstellung dieses Turms Download PDF

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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf einen Turm für eine Windturbine, der eine Außenseite und eine Innenseite hat und wobei der Turm zumindest teilweise aus vorgefertigten Metallwandteilen besteht. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein vorgefertigtes Metallwandteil zur Verwendung in einem Turm für eine Windturbine. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Konstruieren eines Turms für eine Windturbine, der eine Außenseite und eine Innenseite hat und wobei der Turm zumindest teilweise aus vorgefertigten Metallwandteilen besteht.
  • Ein aktueller Trend auf dem Markt der Windturbinen besteht in der steigenden Leistung der Windturbinen in Verbindung mit ansteigenden Turmhöhen. Größere Windturbinen bedeuten eine Zunahme der Abmessungen, des Gewicht sowie der Belastungen, die auf den Turm der Windturbine wirken. Das bedeutet, dass die Türme fester und steifer sein müssen und führt demzufolge zu größeren Turmabmessungen.
  • Herkömmliche röhrenförmige Stahltürme für Windturbinen von 2 MW und darüber erfordern sehr große Turmdurchmesser und/oder große Wanddicken, um große statische Lasten und Ermüdungslasten aufzunehmen, die an der Windturbine wirken. Diese großen Türme werden gewöhnlich durch die Vorfertigung mehreren Turmsektionen aus Metallplatten aufgebaut, indem gekrümmte Platten miteinander verschweißt werden, die häufig als "Büchsen" bezeichnet werden, und indem diese Sektionen zu der Stelle transportiert werden, an der der Turm errichtet werden soll. Diese Sektionen oder Büchsen werden mit dem Fundament des Turms und untereinander verschraubt, wobei gekrümmte Flansche des L-Typs verwendet werden, wobei eine große Anzahl großer Schrauben erforderlich ist. Die ansteigende Leistung der Windturbinen erfordert außerdem, dass die Flansche mit einer größeren Ge nauigkeit in Bezug auf die Ebenheit hergestellt werden. Für den Landtransport stellt der Durchmesser der Turmsektion die wesentliche Einschränkung dar. Ein Durchmesser von etwa 4,3 m ist gewöhnlich die obere Grenze, mit der ein Transport zu den meisten Orten im Hinblick auf Überführungen usw. ausgeführt werden kann, wobei das Gewicht der Sektion ebenso Grenzen setzt.
  • Im Gebrauch bestimmen die Kräfte, die durch die Baueinheit aus Rotor und Turbine an der Spitze des Turms wirken, die Belastung, d. h. die Biegemomente an allen im Wesentlichen horizontalen Flanschverbindungen und Schweißnähten. Die endgültige Festigkeit wird durch die Streckfestigkeit der Schrauben und die Knickfestigkeit der röhrenförmigen Metallwand bestimmt. Für die Ermüdungsfestigkeit sind die Schweißnähte wesentlich. Während des Betriebs ist es sehr schwierig, die Qualität einer Schweißnaht zu prüfen. Außerdem sind Reparaturen vor Ort mühsam.
  • Neben der Festigkeit ist das dynamische Verhalten des Turms ein weiterer bestimmender Faktor. Die Turbine würde ernsthaft beschädigt werden, wenn sie bei ihrer Eigenresonanzfrequenz betrieben wird.
  • Es ist bekannt, die Eigenfrequenz und/oder die Festigkeit und/oder Steifigkeit einer Windturbine zu vergrößern, indem die Dicke der Metallplatte und/oder der Durchmesser des Turms vergrößert werden. Transportprobleme infolge der Größe und des Gewichts von Turmsektionen machen diese Lösung jedoch unmöglich. Außerdem wurden Gittertürme verwendet, um die Steifigkeit von Türmen für Windturbinen zu verbessern. Gittertürme erfordern jedoch eine sehr große Anzahl (> 2000) von Einzelteilen, einen bedeutenden Umfang an Wartung und werden nicht als optisch anziehend betrachtet. Das dynamische Verhalten derartiger Türme ist darüber hinaus für große Türme nicht ausreichend. Abgespannte Türme wurden außerdem für Windturbinen verwendet. Diese Türme werden etwa an der Hälfte der Turmhöhe mit Stahlkabeln abgespannt. Dies bewirkt offensichtlich ein Designproblem, da die Kabel nicht mit dem Rotor der Windturbine in Kontakt gelangen dürfen. Darüber hinaus sind die Kosten der Fundamente für die Kabel und der eigentlichen Kabel (mit Durchmessern von etwa 100 mm) hoch. Außerdem müssen die Kabel eine hohe Ermüdungsfestigkeit haben.
  • Hybridtürme, wie etwa Türme mit Betonwänden, die zwischen eine innere und eine äußere Stahlschale gegossen werden, wurden außerdem vorgeschlagen. Das Problem besteht darin, die Qualität der Wand zu gewährleisten, nachdem sie gegossen wurde. Wenn ein Turm für eine Windturbine unter Verwendung von vorgefertigten Betonelementen aufgebaut wird, sind Zugeinrichtungen erforderlich, um die Betonwand ständig mit Druckkräften zu beaufschlagen. Betontürme sind darüber hinaus keine wirtschaftliche Lösung.
  • Das Patent FR 2621343 offenbart ein Verfahren zum Konstruieren von Trägern für Zeichen oder Kabeln, die drei identische vorgefertigte Metallelemente enthalten, indem die Flansche der Elemente miteinander verschraubt werden, um einen Träger zu bilden. Die Flansche der Elemente sind nach außen gerichtet.
  • Das Patent EP-A-1 606 514 ist ein nicht vorher veröffentlichtes früheres Recht gemäß Artikel 54(3) EPÜ und offenbart einen Stahlturm für eine Windmühle, der mehrere zylindrische oder konisch zulaufende Turmsektionen umfasst, wobei zumindest deren breitere Sektionen in zwei oder mehr lang gestreckte Schalensegmente unterteilt sind, die zu einer vollständigen Turmsektion mittels vertikaler Flansche, die aneinander befestigt werden, kombiniert werden, wobei die Schalen außerdem mit oberen und unteren horizontalen Flanschen versehen sind, um eine Verbindung von Turmsektionen übereinander zu ermöglichen.
  • Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, einen Turm für eine Windturbine zu schaffen, der eine große Steifigkeit besitzt. Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen Turm für eine Windturbine zu schaffen, der eine ausreichende Festigkeit besitzt, um die Anbringung von Hochleistungsgeneratoren an der Spitze des Turm zu ermöglichen. Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen Turm für eine Windturbine zu schaffen, der selbst bei sehr großen Türmen und/oder bei Türmen mit einer breiten Basis die oben erwähnten Transportprobleme nicht verursacht.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung können ein oder mehrere dieser Aufgaben gelöst werden durch einen Turm für eine Windturbine, wobei der Turm eine Außenseite und eine Innenseite hat und wobei dei Turm zumindest teilweise aus vorgefertigten Metallwandteilen besteht, wobei jeder Wandteil einen im Wesentlichen flachen und im Wesentlichen viereckigen Abschnitt umfasst, der eine nach außen weisende Fläche in Richtung auf das Äußere des Turmes sowie eine nach innen weisende Fläche in Richtung auf das Innere des Turmes hat, wobei der Abschnitt eine obere Kante, eine untere Kante, eine erste seitliche Kante und eine zweite seitliche Kante hat, wobei die erste seitliche Kante mit einem ersten Flansch entlang wenigstens eines Teils der Länge der ersten seitlichen Kante ausgestattet ist, und wobei die zweite seitliche Kante mit einem zweiten Flansch entlang wenigstens eines Teils der Länge der zweiten seitlichen Kante ausgestattet ist. Durch Verwendung der vorgefertigten Metallwandteile gemäß der Erfindung wird die Steifigkeit der Konstruktion durch das Vorhandensein der Flansche der vorgefertigten Metallwandteile, die als eine Rippe wirken, vergrößert. Durch Verwendung von vorgefertigten Metallwandteilen ist der Transport von vollständigen Turmsektionen nicht mehr erforderlich, wodurch das Transportproblem gelöst wird. Die vorgefertigten Metallwandteile sind mit gewöhnlichen Transportmitteln wie z. B. Lastkraftwagen leicht zu transportieren. Der viereckige Abschnitt der ersten vorgefertigten Metallwandteile ist im Wesentlichen flach. Die Verwendung eines im Wesentlichen flachen viereckigen Abschnitts hat den Vorteil, dass keine Notwendigkeit für eine lokal abhängige Krümmung in dem viereckigen Abschnitt besteht und dieser einfacher herzustellen ist. Er ist außerdem beim Transport der vorgefertigten Metallwandteile bequemer. Die Anwendung derartiger vorgefertigter Metallwandteile bewirkt, dass das Äußere des Turms vieleckig ist. Außerdem ist durch die Größe des Turms am Fundament die Verwendung der vorgefertigten Teile nicht mehr durch die Transporteinschränkungen begrenzt und es kann eine breitere Basis verwendet werden. Sie ermöglicht außerdem die Konstruktion von höheren Türmen, da die Größe der Basis kein Problem mehr darstellt. Die breitere Basis hat einen geringeren lokalen Druck auf das Fundament zur Folge, wodurch die Verwendung eines einfacheren Fundaments möglich wird. Die breitere Basis trägt außerdem zur Steifigkeit des Turms bei, wodurch die Verwendung von Hochleistungsgeneratoren an der Spitze des Turms möglich wird. In einer Ausführungsform der Erfindung besteht der Turm im Wesentlichen aus vorgefertigten Metallwandteilen. Der Turm gemäß dieser Ausführungsform basiert auf vorgefertigten Metallwandteilen als die lasttragenden Elemente und ist von Betontürmen leicht zu unterscheiden, bei denen ein Wandteil als eine Form für den Beton dient, der eingefüllt wird, und wobei der Beton nach dem Abbinden als das hauptsächliche lasttragende Material dient. Es sollte angemerkt werden, dass der erfindungsgemäße Turm keinen Beton als lasttragendes Material anstelle der vorgefertigten Metallwandteile umfasst. Es sollte außerdem angemerkt werden, dass es möglich ist, einen erfindungsgemäßen Turm auf einem Betonfundament oder einer Betonbasis zu bauen, wobei sich die Betonbasis nach oben erstreckt, wobei die Basis den unteren Teil des Turms bildet und ein erfindungsgemäßer Turm den oberen Teil des Turms bildet.
  • Bei der Erfindung erstrecken sich die ersten Flansche und die zweiten Flansche der vorgefertigten Metallwandteile in Richtung der Innenseite des Turms. Dadurch kann ein Turm gebildet werden, bei dem die Rippe, die durch die angrenzenden Flansche gebildet ist, an der Innenseite des Turms angeordnet ist, wodurch sich ein glattes äußeres Erscheinungsbild ergibt. Eine glatte Außenseite führt zu einer verminderten Einwirkung der Windkraft am Turm und eine glatte Außenseite wird in stärkerem Maße als optisch attraktiv angesehen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung haben von den vorgefertigten Metallwandteilen, die eine Höhe und eine Breite haben, zumindest zwei der vorgefertigten Metall-Wandteile eine Höhe, die in etwa 2,5-mal größer ist als die Breite der unteren Kante, vorzugsweise mehr als fünfmal größer, noch bevorzugter mehr als 10-mal größer. Es sollte angemerkt werden, dass die Höhe der vorgefertigten Metallwandteile offensichtlich der Abstand zwischen der unteren Kante und der oberen Kante der vorgefertigten Metallwandteile ist, wenn diese im Turm vorhanden sind. Es sollte klar sein, dass die Längenrichtung in Richtung der Höhe des Turms definiert ist. Das bedeutet, dass der Turm vorgefertigte Metallwandteile umfasst, die beträchtlich höher als breit sind, was lange seitliche Kanten des im Wesentlichen viereckigen Abschnitts der vorgefertigten Metallwandteile zur Folge hat und wodurch lange Flansche zumindest teilweise an ihrer seitlichen Kante vorgesehen sein können. Diese langen Flansche ermöglichen ein großes Versteifungspotential des Turms.
  • In der Erfindung ist der erste Flansch eines vorgefertigten Metallwandteils an dem zweiten Flansch eines angrenzenden zweiten vorgefertigten Metallwandteils durch Befestigungsmittel angebracht. Die Flansche werden nun fest verbunden, wodurch das Versteifungspotential wegen der doppelten Dicke der Rippe vergrößert wird. Die Befestigungsmittel umfassen z. B. eine Schweißnaht oder einen Niet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Befestigungsmittel Muttern und Schrauben. Dies ermöglicht, den ersten und den zweiten Flansch von zwei benachbarten Platten schnell miteinander zu verbinden. Die Löcher, die für die einzusetzenden Schrauben erforderlich sind, können in den vorgefertigten Metallwandteilen bereits vorhanden sein oder können vor Ort, wo die Verbindung zwischen angrenzenden Platten hergestellt wird, gebohrt werden. Die Verwendung von Muttern und Schrauben ermöglicht außerdem, die Verbindung vorübergehend zu lösen, um z. B. ein vorgefertigtes Metallwandteil aus der Konstruktion zu entfernen oder auszutauschen. Sie ermöglicht außerdem eine einfache Vor-Ort- und/oder Außeninspektion.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist der im Wesentlichen viereckige Abschnitt der vorgefertigten Metallwandteile vorzugsweise rechtwinklig oder trapezförmig, wobei die Länge der ersten seitlichen Kante in etwa gleich der Länge der zweiten seitlichen Kante ist und wobei die untere Kante länger als die obere Kante ist. Bei dem Bau eines im Wesentlichen zylindrischen Turms werden rechtwinklige vorgefertigte Metallwandteile benötigt und bei dem Bau eines konischen Turms werden trapezförmige vorgefertigte Metallwandteile benötigt. Konische Türme ermöglichen den Bau eines Turms mit einer großen Basis, der mit steigender Höhe des Turms schlanker wird. Eine konische Verjüngung kann über die gesamte Höhe des Turms oder über einen Teil der Länge des Turms erfolgen. Die zuletzt genannte Möglichkeit kann außerdem erreicht werden, indem vorgefertigte Metallwandteile verwendet werden, um im Wesentlichen zylindrische Turmsektionen zu bilden, und vorgefertigte Metallwandteile verwendet werden, um im Wesentlichen konische Turmsektionen zu bilden, und diese Turmsektionen zu einem Turm kombiniert werden.
  • Mit Knickstellen versehene vorgefertigte Metallwandteile können in den oberen Ebenen eines konisch zu laufenden Turms oder einer konisch zulaufenden Turmsektion für eine Windturbine verwendet werden, bei dem bzw. der die oberen Ebenen unter Verwendung von vorgefertigten Metallwandteilen mit einem im Wesentlichen viereckigen Abschnitt hergestellt werden, wodurch die Anzahl der benötigten vorgefertigten Metallwandteile verringert wird, die für einen vollständigen Ring erforderlich sind. Ein vorgefertigter Metallwandteil mit einer Knickstelle in dem im Wesentlichen viereckigen Abschnitt in einem Ring der oberen Ebene verbindet in der Aufwärtsrichtung mit zwei vorgefertigten Metallwandteilen, die einen im Wesentlichen flachen viereckigen Abschnitt in dem Ring unmittelbar unterhalb des Rings der oberen Ebene aufweist, wobei dann, wenn die mit Knickstellen versehenen vorgefertigten Metallwandteile mehrere Knickstellen enthalten, sie in Aufwärtsrichtung mit einer entsprechenden Anzahl von vorgefertigten Metallwandteilen mit einem im Wesentlichen flachen viereckigen Abschnitt verbinden können. Es ist klar, dass mit Knickstellen versehene vorgefertigte Metallwandteile in einer unteren Ebene ebenfalls mit vorgefertigten Metallwandteilen, die mit Knickstellen versehen sind, in der oberen Ebene kombiniert werden können.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung hat der Turm einen im Wesentlichen ringförmigen, vorzugsweise im Wesentlichen kreisförmigen horizontalen Querschnitt. Ein im Wesentlichen ringförmiger horizontaler Querschnitt wird ebenfalls erreicht, wenn ein mehreckiger horizontaler Querschnitt mit einer großen Anzahl von Facetten wie z. B. ein Fünfeck oder ein Sechseck verwendet wird, wobei in einer weiteren Ausführungsform die im Wesentlichen flachen viereckigen vorgefertigten Metallwandteile außerdem zumindest eine Knickstelle im Wesentlichen in der Richtung zwischen der unteren Kante und der oberen Kante des vorgefertigten Metallwandteils umfassen. Die Knickstelle (oder die Knickstellen) verläuft daher in Richtung der Höhe des Turms. Mit der Knickstelle (den Knickstellen) wird eine höhere Verwindungssteifigkeit des vorgefertigten Metallwandteils erreicht. Man kann außerdem die Anzahl der Facetten des Vielecks vergrößern, um dadurch ein glatteres Äußeres des Turms zu erreichen.
  • Die Erfindung wird außerdem ausgeführt bei einem Turm für eine Windturbine, wie oben beschrieben wurde, bei dem der erste Flansch mit einem zusätzlichen ersten Flansch entlang wenigstens eines Teils der Länge des ersten Flansches versehen ist und der zweite Flansch mit einem zusätzlichen zweiten Flansch entlang wenigstens eines Teils der Länge des zweiten Flansches versehen ist. Das ist bei einer weiteren Vergrößerung der Steifigkeit des Turms vorteilhaft, insbesondere dann, wenn der erste Flansch und der zweite Flansch jeweils mit einem zusätzlichen Flasch versehen sind, wobei der erste Flansch mit seinem entsprechenden zusätzlichen Flansch vorzugsweise im Wesentlichen eine L-Form bildet und/oder der zweite Flansch mit seinem entsprechenden zusätzlichen Flansch vorzugsweise im Wesentlichen eine L-Form bildet. Für die Zwecke dieser Anmeldung können diese zusätzlichen Flansche an dem ersten und/oder dem zweiten Flansch verwendet werden, um Objekte, wie etwa Treppen oder interne Böden, daran anzubringen.
  • Die Erfindung wird außerdem bei einem Turm für eine Windturbine ausgeführt, wie oben beschrieben wurde, bei dem der erste und/oder der zweite Flansch zumindest teilweise nach hinten gefaltet sind in Richtung auf die nach innen weisende Fläche des im Wesentlichen viereckigen Abschnitts des vorgefertigten Metallwandteils, um dadurch die Dicke der Flansche wirkungsvoll zu verdoppeln. Diese Verdopplung der Flansche bewirkt eine zusätzliche Versteifung der Konstruktion. Es ist einem Fachmann klar, dass die Flansche außerdem zweifach oder mehrfach nach hinten gefaltet sein können, was zur Versteifungswirkung beiträgt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung sind die vorgefertigten Metallwandteile Stahlteile, vorzugsweise hochfeste Stahlteile, die z. B. eine Umformfestigkeit von etwa 355 MPa und mehr aufweisen. Die Verwendung von Stahl ermöglicht die Verwendung von vorgefertigten Metallwandteilen mit einer geringen Dicke, wodurch das Gewicht des Turms verringert wird. Die Verwendung von vorgefertigten Metallwandteilen aus hochfestem Stahl ermöglicht eine weitere Verringerung des Gewichts des Turms. Folglich kann das Fundament des Turms effizienter aufgebaut werden.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist der erste Flansch eines ersten vorgefertigten Metallwandteils vertikal versetzt an dem zweiten Flansch eines angrenzenden zweiten vorgefertigten Metallwandteils durch Befestigungsmittel angebracht. Diese Anwendung von vorgefertigten Metallwandteilen durch eine Verbindung des Streckverbundtyps der Flansche zweier benachbarter vorgefertigter Metallwandteile erfordert außerdem die Anwendung von vorgefertigten Metallwandteilen mit unterschiedlichen Längen zumindest im ersten und letzten Ring des Turms oder der Turmsektion. Die Anwendung dieser versetzten Verbindung hat den Vorteil gegenüber dem Aufbau des Turms aus Ringen aus verbundenen, jedoch nicht versetzt verbundenen vorgefertigten Metallwandteilen, dass die Kräfte durch die Konstruktion geleitet werden, ohne dass sie durch horizontale Flansche, die die oben erwähnten Ringe verbinden, geleitet werden müssen. Die Überlappung an den Kanten zwischen den versetzt verbundenen vorgefertigten Metallwandteilen liegt zwischen 1:2 und 1:4, vorzugsweise etwa 1:3, was bedeutet, dass etwa 1/2 bis 3/4, vorzugsweise etwa 2/3 der entsprechenden seitlichen Kanten der angrenzenden vorgefertigten Metallwandteile überlappen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht der Umfang des Turms aus n angrenzend angeordneten vor gefertigten Metallwandteilen, wobei der Winkel zwischen dem ersten Flansch und dem zweiten Flansch 360/n beträgt.
  • Wenn ein erfindungsgemäßer Turm aufgebaut wird, muss kein leistungsstarker Kran vorhanden sein, um die Turmsektionen an der Stelle, an der der Turm errichtet werden soll, übereinander zu heben. Ein verhältnismäßig kleiner Baukran ist ausreichend, um die vorgefertigten Metallwandteile einzeln anzuheben, mit der Ausnahme, wenn vollständige Turmsektionen aus den vorgefertigten Metallwandteilen aufgebaut werden, die dann auf das Fundament gehoben werden, oder wenn die Turmsektion bereits vorhanden ist. In diesem Fall ist ein leistungsstärkerer Kran erforderlich.
  • Das Fehlen von horizontalen Schweißnähten in dem erfindungsgemäßen Turm beseitigt eine bekannte Quelle des Ermüdungsausfalls, wodurch es zulässig ist, Entwurfsbeschränkungen aufzuheben, indem z. B. die Verwendung einer dünneren Metallschutzplatte ermöglicht wird. Die Stellen, an denen eine untere Kante eines ersten vorgefertigten Metallwandteils eine obere Kante eines vorgefertigten Metallwandteil berührt, die unmittelbar unter dem ersten vorgefertigten Metallwandteil angeordnet ist, kann z. B. unter Verwendung eines Abdichtmittels z. B. einer Dichtmasse abgedichtet werden. Das verhindert, dass die äußere Atmosphäre in die Struktur eintritt, und verhindert Korrosion. Die Stellen, an denen der erste Flansch eines vorgefertigten Metallwandteils mit dem zweiten Flansch des angrenzenden vorgefertigten Metallwandteils verbunden ist, kann auf Wunsch ebenfalls unter Verwendung von Abdichtmitteln wie z. B. einer Dichtmasse abgedichtet werden.
  • Obwohl sie nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind, könnte der Turm mit Versteifungsmitteln wie z. B. ein oder mehrere vorzugsweise im Wesentlichen horizontale Versteifungsringe versehen sein. Diese Versteifungsmit tel sind vorzugsweise im Inneren des Turms vorgesehen, um die horizontalen Kräfte zu absorbieren, die auf den Turm ausgeübt werden. Diese Versteifungsmittel können an verschiedenen Höhen des Turms vorgesehen sein. Die vorgefertigten Metallwandteile sind mit dem Ring verbunden, wodurch eine größere Steifigkeit des Turms erreicht wird. Zusätzliche Versteifungsstreben können verwendet werden, um die vorgefertigten Metallwandteile mit dem Ring zu verbinden. Die Versteifungsmittel können außerdem durch interne Böden gebildet werden oder die Versteifungsmittel, wie etwa ein Versteifungsring entlang des inneren Umfangs des Turms, können die Basis für den internen Boden oder die internen Böden bilden. Die Versteifungsmittel können außerdem zur gleichmäßigen Verteilung von Kräften und Lasten über den gesamten Umfang des Turms beitragen.
  • Die vorgefertigten Metallwandteile können z. B. aus heißgewalztem Metall unter Verwendung einer allgemein bekannten Technologie hergestellt werden. Das heißgewalzte Metall kann z. B. ein Plattenmaterial und ein aufgerolltes Band sein. Dieses Material kann nach einem möglichen Richten in die gewünschten Abmessungen und Formen geschnitten werden, und die Flansche können an den Kanten des im Wesentlichen viereckigen Abschnitts der vorgefertigten Metallwandteile unter Verwendung herkömmlicher Biegetechniken ausgebildet werden. Die Knickstelle oder Knickstellen können ebenfalls in einfacher Weise eingeführt werden. Die vorgefertigten Metallwandteile können vor der Verwendung im Turm z. B. mit Zink und/oder einer organischen Beschichtung beschichtet werden, um die Lebensdauer zu verlängern und eine Wartung zu verringern.
  • Die vorgefertigten Metallwandteile können außerdem eine zusätzliche eingebaute Funktionalität aufweisen, wie etwa eine Tür zum Eintreten in das Innere des Turms. Interne Strukturen wie Treppen und Böden können leicht installiert werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun durch die folgenden nicht einschränkenden Zeichnungen und Beispiele weiter erläutert.
  • In den Zeichnungen sind:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Windturbine;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Turms für eine Windturbine nach dem Stand der Technik (nicht maßstabsgerecht);
  • 3 eine schematische Darstellung eines Turms für eine Windturbine gemäß der Erfindung (nicht maßstabsgerecht);
  • 4 eine schematische Darstellung eines vorgefertigten Metallwandteils gemäß der Erfindung (nicht maßstabsgerecht);
  • 5 eine schematische Darstellung des ersten Rings eines Turms für eine Windturbine, wobei außerdem eine schematische Darstellung der Schraubenverbindung hervorgehoben ist;
  • 6 eine schematische Darstellung eines L-förmigen Flansches; und
  • 7 eine schematische Darstellung der Turmkonstruktion an der Stelle eines Versteifungsrings. Wie oben angegeben wurde, ist diese Ausführungsform nicht Teil der vorliegenden Erfindung.
  • In 1 ist eine schematische Darstellung einer Windturbine 1 gezeigt. Die Windturbine 1 umfasst einen Generator 2, einen Rotor 3 und einen Turm 4, auf dem die Kombination aus Generator und Rotor angebracht ist. Der Turm 4 hat eine äußere Fläche, die die Außenseite des Turms 4 bildet, und eine innere Fläche, die die Innenseite des Turms bildet. Der Turm enthält vier Turmsektionen 4a bis 4d. Die Windturbine ist auf einem Fundament 19 angeordnet.
  • In 2 ist ein Turm 4 für eine Windturbine gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Turmsegmente 4a, 4b, 4c und 4d sind übereinander angebracht. Diese Turmsegmente werden an einer entfernten Stelle hergestellt und durch horizontale Flansche und große Schrauben und Muttern verbunden. Die Flansche sind durch die dicken horizontalen Linien zwischen den Turmsektionen schematisch angegeben. Die Turmsegmente sind aus gekrümmten Platten hergestellt, die horizontal und vertikal miteinander verschweißt werden. Es ist bekannt, dass diese Schweißnähte, die mit den gestrichelten Linien angegeben sind, und insbesondere die horizontalen Schweißnähte eine mögliche Quelle eines Ermüdungsausfalls sind. Für einen Turm mit einer Höhe von etwa 80 m wird gewöhnlich eine Basis mit etwa 4,3 m Durchmesser und einem Durchmesser der Spitze von etwa 2,3 m verwendet. Die Abmessungen der Basis sind durch Transporteinschränkungen begrenzt.
  • In 3a ist ein Turm 4 für eine Windturbine gemäß der Erfindung gezeigt, bei dem die versetzten vorgefertigten Metallwandteile jeweils über etwa die Hälfte der Länge des benachbarten vorgefertigten Metallwandteils versetzt sind, und 3b zeigt einen Turm, bei dem die versetzten vorgefertigten Metallwandteile jeweils über etwa ein Drittel der Länge des benachbarten vorgefertigten Metallwandteils versetzt sind. Die Basis des Turms hat einen Durchmesser von etwa 6,5 m, wohingegen die Spitze des Turms einen Durchmesser von etwa 2,3 m hat. Der Basisdurchmesser von 6,5 m stellt keine Transportprobleme dar, denn sie kann stückweise zur Baustelle transportiert werden. Die Vergrößerung der Breite der Basis des Turms vergrößert die Steifigkeit des Turms. Sie ermöglicht außerdem, höhere Türme mit einer angemessenen Steifigkeit zu bauen, um leistungsstarke Windturbinen zu installieren.
  • 4a zeigt eine Ausführungsform eines vorgefertigten Metallwandteils 5 gemäß der Erfindung zur Verwendung in einem Turm 4 für eine Windturbine 1, der oben beschrieben wurde. Der vorgefertigte Metallwandteil 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wandteil einen im Wesentlichen viereckigen Abschnitt 6 umfasst, der eine nach außen weisende Fläche 7, die dem Äußeren des Turms zugewandt ist, und eine nach innen weisende Fläche 8, die dem inneren des Turms zugewandt ist, hat, wobei der Abschnitt eine obere Kante 9, eine unteren Kante 10 eine erste seitliche Kante 11 und eine zweite seitliche Kante 12 hat, wobei die erste seitliche Kante 11 mit einem ersten Flansch 13 entlang wenigstens eines Teils der Länge der ersten seitlichen Kante 11 ausgestattet ist und wobei die zweite seitliche Kante 12 mit einem zweiten Flansch 14 entlang wenigstens eines Teils der Länge der zweiten seitlichen Kante 12 ausgestattet ist. Der erste Flansch 13 ist mit einem zusätzlichen ersten Flansch 15 versehen, der mit dem ersten Flansch 13 im Wesentlichen eine L-Form bildet, und der zweite Flansch 14 ist mit einem zusätzlichen zweiten Flansch 16 versehen, der mit dem zweiten Flansch 14 im Wesentlichen eine L-Form bildet. Die vorgefertigten Metallwandteile sind nicht maßstabsgerecht gezeichnet. Der Querschnitt A-A ist in 4b gezeigt. Typische Abmessungen für derartige vorgefertigte Metallwandteile für den unteren Ring eines konischen Turms oder Turmsegments sind eine Breite an der oberen Kante 9 zwischen etwa 0,60 und 1,00 m, z. B. 0,86 m, eine Breite an der unteren Kante 10 zwischen etwa 1,30 und 0,70 m, z. B. etwa 1,04 m, eine Höhe zwischen etwa 10 und 20 m, z. B. 20 m, und eine Höhe der sich erstreckenden ersten und zweiten Flansche 13 und 14 zwischen 0,10 und 0,20 m, z. B. etwa 0,15 m. Eine typische Dicke der vorgefertigten Metallwandteile liegt zwischen 8 und 16 mm, z. B. etwa 12 mm.
  • In 5a ist ein schematischer Querschnitt des ersten Rings eines Turms für eine Windturbine gezeigt. Der im Wesentlichen kreisförmige Querschnitt des Turms besteht in diesem Beispiel aus achtzehn vorgefertigten Metallwandteilen 5. Das Äußere des Turms ist durch 4' angegeben und das Innere des Turms ist durch 4'' angegeben. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist der erste Flansch aller vorgefertigten Metallwandteile jeweils an dem zweiten Flansch der angrenzenden vorgefertigten Metallwandteile durch Schrauben und Muttern angebracht, die sich durch Löcher in dem ersten und zweiten Flansch erstrecken. 5b zeigt einen Teil des ersten Rings mit den vorgefertigten Metallwandteilen 5 und den Muttern und Schrauben 17.
  • In 6 ist eine schematische Darstellung des L-förmigen Flansches 18 gezeigt, der verwendet werden kann, um vorgefertigte Metallwandteile des ersten Rings am Fundament 19 des Turms oder an dem oberen Ring, an dem der Generator angebracht ist, anzubringen.
  • In 7 ist eine schematische Darstellung eines Teils der Turmkonstruktion an der Stelle eines Versteifungsrings gezeigt. Wie oben angegeben wurde, ist diese Ausführungsform nicht Teil der vorliegenden Erfindung. Die angrenzenden versetzt verbundenen vorgefertigten Metallwandteile werden unter Verwendung einer Überlappung an den Kanten (z. B. bei einer Verbindung des Streckverbundtyps) von 1:3 verbunden und werden außerdem unter Verwendung von Verbindungsstreben 21 mit dem Versteifungsring 20 verbunden. Wie gezeigt ist, werden diese Verbindungsstreben 21 an einer Seite mit den Flanschen 13, 14 (siehe 4) der vorgefertigten Metallwandteile und an der anderen Seite mit dem Versteifungsring 20 verbunden. In 7 sind vier vorgefertigte Metallwandteile gezeigt, die mit A, B, C und D angegeben sind. Die untere Kante des Teils A und die obere Kante des Teils B sind zueinander benachbart. Die erste seitliche Kante des Teils A ist zur zweiten seit lichen Kante des Teils C benachbart und mit dieser durch ihre angrenzenden Flansche und Befestigungsmittel (nicht gezeigt) verbunden. Die Verbindungsstreben 21 erstrecken sich über und unter dem Versteifungsring 20, wodurch sie eine feste Verbindung der seitlichen Kanten des oberen Teils A mit den seitlichen Kanten des unteren Teils B ermöglichen. Infolge der 1:3-Überlappung weist in diesem Fall lediglich etwa 1/3 des Umfangs des Turms eine horizontale Naht an der Stelle des Versteifungsrings oder nahe bei dieser auf. In dem Beispiel von 8 befindet sich die horizontale Naht zwischen den Teilen A und B nahe beim Versteigungsring 20.
  • Um einen Turm für eine Windturbine gemäß der Erfindung zu bauen, kann zunächst ein vollständiger Ring des Turms gebildet werden, indem wenigstens zwei angrenzende vorgefertigte Metallwandteile längs ihrer angrenzenden Flansche aneinander angebracht werden. Dieser erste vollständige Ring kann mit einem im Wesentlichen flachen und im Wesentlichen horizontalen Fundament für den Turm verbunden sein. Das gleiche Ergebnis wird selbstverständlich erhalten, wenn mit einem ersten vorgefertigten Metallwandteil begonnen wird, das an dem Fundament angebracht wird, woraufhin ein zweites vorgefertigtes Metallwandteil an dem ersten vorgefertigten Metallwandteil und am Fundament angebracht wird. Der resultierende vollständige Ring kann gleichfalls auf dem bereits vorhandenen Ring aufgebaut werden, indem zuerst der gesamte Ring gebaut wird und anschließend auf die Oberseite des bereits vorhandenen Rings gehoben wird, oder indem vorgefertigte Metallwandteile mit dem bereits vorhandenen Ring und einzeln untereinander verbunden werden, wobei die zuerst genannte Prozedur einen Kran mit größerer Kapazität erfordert als die zuletzt genannte Prozedur. Ringe werden den bereits vorhandenen Ringen angefügt, bis die gewünschte Höhe des Turms erreicht ist.
  • Die Verbindung zwischen dem ersten vollständigen Ring und dem Fundament kann erreicht werden, indem ein Flansch verwendet wird, der mit dem Fundament verbunden ist. Wenn vorgefertigte Metallwandteile mit einem im Wesentlichen flachen oder mit Knickstellen versehenen viereckigen Abschnitt verwendet werden, können die Flansche einfache L-förmige Flansche sein.
  • Um einen Turm für eine Windturbine gemäß der Erfindung zu konstruieren, ist es erforderlich, zuerst einen vollständigen Ring des Turms zu bilden, indem zumindest zwei aneinander angrenzende vorgefertigte Metallwandteile entlang ihrer angrenzenden Flansche vertikal versetzt angebracht werden. Dies bedeutet die Verwendung von vorgefertigten Metallwandteilen mit unterschiedlichen Längen. In dem Beispiel von 3a werden vorgefertigte Metallwandteile mit voller Länge mit vorgefertigten Metallwandteilen mit der Hälfte dieser Länge kombiniert, wohingegen in dem Beispiel von 3b vorgefertigte Metallwandteile mit voller Länge mit vorgefertigten Metallwandteilen mit 2/3 und 1/3 dieser Länge (d. h. eine Überlappung von 1:3) kombiniert werden. Es ist selbstverständlich außerdem möglich, die vorgefertigten Metallwandteile auf andere Art als die in 3 erwähnte Art versetzt anzuordnen. Diese Ausführungsformen werden ebenfalls als Teil der Erfindung betrachtet. Nachdem der erste vollständige Ring fertig gestellt und mit dem Fundament verbunden wurde, wird der Rest des Turms unter Verwendung von vorgefertigten Metallwandteilen mit im Wesentlichen der vollen Länge aufgebaut. In dem letzten Ring müssen vorgefertigte Metallwandteile mit unterschiedlichen Längen verwendet werden, um die obere Kante der Ebene des letzten Rings zu bilden. Es ist selbstverständlich außerdem möglich, vorgefertigte Metallwandteile, die keine volle Länge aufweisen, gegebenenfalls an anderen Stellen im Turm zu verwenden. Diese versetzte Befestigung der vorgefertigten Metallwandteile dient einer großen Steifigkeit des Turms, ohne horizontale vollständig ringförmige oder kreisför mige Flansche einzuführen, um die Turmsektionen zu verbinden. Wenn ein Turm gemäß der Erfindung konstruiert wird, kann der Turm von oben nach unten konstruiert werden, indem begonnen wird, die Spitze des Turms zu konstruieren, während er an einer Jochkonstruktion aufgehängt ist, wobei die Jochkonstruktion mit Hebemitteln, wie etwa eine hydraulische Hebeeinrichtung, versehen ist. Wenn zuerst ein vollständiger Ring des Turms fertig gestellt wird, indem vorzugsweise die vorgefertigten Metallwandteile lediglich über der Bodenebene versetzt verbunden werden, und anschließend der Ring unter Verwendung des Jochs und der Hebeeinrichtungen angehoben wird, können die nächsten Teile ebenfalls unmittelbar über der Bodenebene montiert werden. Auf diese Weise müssen während der Konstruktion des Turms keine sehr hohen Kräne vorhanden sein und die Konstruktion kann größtenteils unmittelbar über der Bodenebene ausgeführt werden, wo Windkräfte gewöhnlich moderater sind als hoch über dem Boden. Außerdem kann eine Korrektur von Fehlausrichtungen leichter ausgeführt werden. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens, das von oben nach unten ausgeführt wird oder bei dem ein Schieben in Aufwärtsrichtung erfolgt, besteht darin, dass es praktischer ist, einen Versteifungsring von unten in eine sich konisch verjüngende Konstruktion einzupassen und diese gleichzeitig zu verwenden, um die vorgefertigten Metallwandteile auszurichten und wahlweise Fehlausrichtungen zu korrigieren.
  • Es ist selbstverständlich klar, dass die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele hiervon, die oben beschrieben wurden, beschränkt ist, sondern jede und alle einzelnen Ausführungsformen, die im Umfang der folgenden Ansprüche liegen, umfasst.

Claims (13)

  1. Turm (4) für eine Windturbine (1), wobei der Turm (4) eine Außenseite (4') und eine Innenseite (4'') hat und wobei der Turm zumindest teilweise aus vorgefertigten Metallwandteilen (4) besteht, wobei jeder Wandteil einen im Wesentlichen flachen und im Wesentlichen viereckigen Abschnitt (6) umfasst, der eine nach außen weisende Fläche (7) in Richtung auf das Äußere des Turmes sowie eine nach innen weisende Fläche (8) in Richtung auf das Innere des Turmes hat, wobei der Abschnitt eine obere Kante (9), eine untere Kante (10), eine erste seitliche Kante (11) und eine zweite seitliche Kante (12) hat, wobei die erste seitliche Kante (11) mit einem ersten Flansch (13) entlang wenigstens eines Teils der Länge der ersten seitlichen Kante (11) ausgestattet ist, und wobei die zweite seitliche Kante (12) mit einem zweiten Flansch (14) entlang wenigstens eines Teils der Länge der zweiten seitlichen Kante (12) ausgestattet ist, wobei die er ten Flansche (13) und die zweiten Flansche (14) der vorgefertigten Metallwandteile (5) sich in Richtung der Innenseite (4'') des Turms erstrecken, wobei der erste Flansch (13) eines vor gefertigten Metallwandteils (5) an dem zweiten Flansch (14) eines angrenzenden vorgefertigten Metallwandteils (5) durch Befestigungsmittel (17) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ersten Flansche (13) und die zweiten Flansche (14) des vorgefertigten Metallwandteils (5) in Richtung zur Innenseite (4'') des Turms (4) erstrecken, dass der Turm (4) einen im Wesentlichen ringförmigen horizontalen Querschnitt besitzt, und dass die vorgefertigten Metallwandteile nicht als ein innere und äußere Stahlschale zum Betonieren verwendet werden.
  2. Turm (4) für eine Windturbine (1) nach Anspruch eine Windturbine von 2 MW und darüber
  3. Turm (4) für eine Windturbine (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die vorgefertigten Metallwandteile (5) eine Höhe und eine Breite haben, und wobei zumindest zwei der vorgefertigten Metallwandteile (5) eine Höhe haben, die etwa 2,5-mal größer ist als die Breite der unteren Kante (10), vorzugsweise mehr als fünfmal größer, noch bevorzugter mehr als 10-mal größer.
  4. Turm (4) für eine Windturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Befestigungsmittel (17) Muttern und Schrauben enthalten.
  5. Turm (4) für eine Windturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der im Wesentlichen viereckige Abschnitt (6) der vorgefertigten Metallwandteile (5) vorzugs weise im Wesentlichen rechteckig ist, wobei die Länge der ersten seitlichen Kante (11) in etwa gleich der Länge der zweiten seitlichen Kante (12) ist, und wobei die untere Kante (10) in etwa gleich der Länge der oberen Kante (9) ist, oder wobei der im Wesentlichen viereckige Abschnitt (6) der vorgefertigten Metallwandteile (5) im Wesentlichen trapezförmig ist, wobei die Lange der ersten seitlichen Kante (11) in etwa gleich der Länge der zweiten seitlichen Kante (12) ist, und wobei die untere Kante (10) länger als die obere Kante (9) ist.
  6. Turm (4) für eine Windturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Turm (4) einen im Wesentlichen kreisförmigen horizontalen Querschnitt hat.
  7. Turm (4) für eine Windturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der im Wesentlichen viereckige Abschnitt (6) der vorgefertigten Metallwandteile (5) im Wesentlichen flach ist, und wobei der im Wesentlichen viereckige Abschnitt (6) des vorgefertigten Metallwandteils (5) auch wenigstens eine Knickstelle im Wesentlichen in Richtung zwischen der unteren Kante (10) und der oberen Kante (9) des vorgefertigten Metallwandteils (5) enthält.
  8. Turm (4) für eine Windturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste Flansch (13) mit einem zusätzlichen ersten Flansch (15) versehen ist und/oder wobei der zweite Flansch (14) mit einem zusätzlichen zweiten Flansch (16) versehen ist.
  9. Turm (4) für eine Windturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die ersten Flansche (13) und/oder die zweiten Flansche (14) zumindest teilweise nach hinten gefaltet sind in Richtung auf die nach innen weisende Fläche (8) des im Wesentlichen viereckigen Abschnitts (6) des vorgefertigten Metallwandabschnitts (5), um die Dicke der ersten Flansche (13) und/oder der zweiten Flansche (14) zumindest teilweise zu verdoppeln.
  10. Turm (4) für eine Windturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die vorgefertigten Metallwandteile (5) Stahlteile sind, vorzugsweise hochfeste Stahlteile.
  11. Turm (4) für eine Windturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der erste Flansch (13) von wenigstens einem vorgefertigten Metallwandteil (5) vertikal versetzt an dem zweiten Flansch (14) eines angrenzenden vorgefertigten Stahlwandteils (5) durch Befestigungsmittel (17) angebracht ist, wobei vorzugsweise mehr als die Hälfte der angrenzend angeordneten vorgefertigten Metallwandteile (5) vertikal versetzt angebracht sind.
  12. Turm (4) für eine Windturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Umfang des Turms aus n angrenzend angeordneten vorgefertigten Metallwandteilen besteht, wobei der Winkel zwischen dem ersten Flansch (13) und dem zweiten Flansch (14) 360/n beträgt.
  13. Turm (4) für eine Windturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Turm im Wesentlichen aus vorgefertigten Metallwandteilen besteht.
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