-
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.