ФУНДАМЕНТ ДЛЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
FOUNDATION FOR WIND POWER PLANT

Изобретение относится к фундаменту для ветроэнергетической установки, содержащему основание, которое разделено на несколько частей кольца и состоит из предварительно изготовленных бетонных элементов, причем основание содержит опорную поверхность для башни ветроэнергетической установки и несколько опорных элементов, продолжающихся радиально наружу от основания, причем основание опирается на опорные элементы с помощью ребер жесткости.
Кроме того, изобретение относится к ветроэнергетической установке с башней ветроэнергетической установки, содержащей ротор, причем башня ветроэнергетической установки смонтирована на фундаменте.
В документе WO 2004/101898 A2 раскрыт фундамент для ветроэнергетической установки. Как указано в данном документе, для изготовления фундамента для береговых ветроэнергетических установок необходимы большие физические и административные ресурсы, при этом изготовление занимает очень много времени. Ввиду возрастающих размеров современных ветроэнергетических установок фундамент подвержен воздействию весьма высоких нагрузок, и его размеры должны быть соответствующими. Современные ветроэнергетические установки имеют мачту высотой до 150 м и вырабатывают мощность до 6 МВт. Во многих случаях башня или мачта ветроэнергетических установок состоит из армированного бетона, при этом ее сооружают с использованием предварительно изготовленных бетонных элементов. В качестве альтернативы башня ветроэнергетической установки может быть образована также в виде стальной конструкции.
До появления фундаментов из предварительного изготовленных готовых элементов фундаменты для ветроэнергетических установок изготавливали главным образом путем рытья котлована, установки зернистой подструктуры, сооружения компонентов фундамента, проведения необходимых работ по созданию опалубки и усилению и последующего заполнения котлована монолитным бетоном, причем бетон транспортировали к строительной площадке с помощью автобетономешалок в качестве готового бетона и заливали в котлован. Центральный компонент фундамента обычно имеет форму полого цилиндра, при этом в целом он был предварительно изготовлен и транспортировался к соответствующему месту монтажа в качестве блока.
3
Изготовление фундамента ветроэнергетических установок из монолитного бетона связано с множеством недостатков. Оно требует сложной логистики для планирования производственных операций на строительной площадке и, применительно к сооружению опалубки и усиливающей структуры, а также транспортировке и заливке бетона, сопряжено с отнимающими много времени и дорогостоящими процессами. Это справедливо, в частности, ввиду того, что для больших фундаментов может потребоваться более 1000 м бетона.
Для улучшения процесса сооружения фундамента в документе WO 2004/101898 А2 уже предлагалось сооружение фундамента с использованием предварительно изготовленных бетонных элементов. Такие бетонные элементы изготавливают на заводе готовых бетонных изделий и транспортируют к месту проведения работ, где их устанавливают с помощью крана и затем соединяют между собой. Таким образом можно существенно уменьшить длительность строительных процессов на строительной площадке. Предварительно изготовленные бетонные элементы при соединении друг с другом образуют фундамент с центральным кольцевым основанием и несколькими опорными элементами, каждый из которых выступает радиально наружу от основания. Каждый предварительно изготовленный бетонный элемент образует один из опорных элементов и связанную с ним часть кольца основания. Части кольца основания соединяют между собой с помощью свинченных фланцев. Как описано в документе WO 2004/101898 A2, предварительно изготовленные бетонные элементы могут быть усилены сталью. После сооружения фундамента на основании устанавливают башню или мачту ветроэнергетической установки и крепят ее к основанию с помощью анкерных болтов.
За счет использования предварительно изготовленных бетонных элементов можно осуществлять производство в контролируемой среде, в результате чего можно улучшить качество отвердевшего бетона. При рассмотрении с финансовой точки зрения использованные формы можно использовать многократно, прежде чем возникнет необходимость их замены, так что расходы на форму или опалубку на единицу ниже, чем при изготовлении с использованием монолитного бетона, который всякий раз требует специально изготовленной опалубки. Хотя опалубку можно использовать многократно, ее необходимо, однако, транспортировать с места на место и соответствующим образом очищать.
Ветроэнергетические установки подвержены нагрузкам и напряжениям специфической природы, которые должны поглощаться фундаментом. Сам ветер воздействует непредсказуемым и изменяющимся образом. С другой стороны, при все более крупных установках вследствие вибраций и резонансов на структуру воздействуют динамические составляющие нагрузки. Кроме того, вследствие возникающего опрокидывающего момента башни с высотой 100 м и более передают на фундамент существенные эксцентрические нагрузки. При этом бетон фундамента должен противостоять сжатию, возникающему в зоне сжатия, причем усиливающая структура бетона должна принимать растягивающие усилия в противоположной части фундамента, поскольку сам бетон обладает сравнительно малой прочностью на растяжение. Преимущество фундаментов из предварительно изготовленных армированных бетонных элементов заключается в увеличении функциональной способности и качества бетона, а также качества изготовления, в частности процессов последующей обработки и отвердевания, так что существует меньший риск образования трещин и повышенная устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам. Это справедливо, в частности, также по той причине, что отвердевание бетона происходит в контролируемых условиях и, таким образом, в этом отношении отсутствует риск погодных условий на строительной площадке.
В то время как использование предварительно изготовленных бетонных элементов обладает, тем самым, рядом преимуществ по сравнению с литьем фундамента из монолитного бетона, стыковку предварительно изготовленных бетонных элементов для получения готового фундамента путем привинчивания фланцев к частям кольца основания следует рассматривать как оставляющую желать лучшего. Иногда фундаменты для крупных ветроэнергетических установок содержат основание из 12, или 16, или более частей кольца, чтобы отдельные предварительно изготовленные бетонные элементы могли оставаться достаточно малыми для транспортировки обычными грузовыми автомобилями. В результате для изготовления фундамента требуются сотни болтов, что, конечно, отнимает время и требует очень точного первоначального позиционирования соединяемых между собой бетонных элементов для того, чтобы суметь вставить болты в соответствующие отверстия во фланцах.
Поэтому в основу изобретения положена задача такого улучшения фундамента вышеуказанного типа, при котором сборку частей кольца для формирования готового фундамента можно осуществлять с меньшими затратами времени по сравнению со сборкой путем привинчивания и при выравнивании бетонных элементов относительно друг друга перед сборкой не предъявляются слишком жесткие требования к точности.
Для решения этой задачи фундамент вышеуказанного типа улучшен в соответствии с изобретением в том отношении, что на своем конце, образующем опорную поверхность, кольцевое основание содержит окружной выступ, продолжающийся радиально наружу от основания и содержащий по меньшей мере один канал для приема натяжного троса, причем указанный канал выполнен в выступе и продолжается в окружном направлении.
Наличие окружного выступа, который продолжается радиально наружу от основания и крепится в верхней области, то есть на конце, который содержит опорную поверхность основания, позволяет обойтись без свинчивания предварительно изготовленных бетонных элементов, так как по меньше мере один натяжной трос, но обычно множество натяжных тросов, можно для стягивания предварительно изготовленных бетонных элементов направить в верхней области фундамента по относительно большой окружности. Натяжной трос, проходящий по большой окружности, может улучшить силу натяжения и прочность соединения, нежели натяжные тросы, проходящие по малой окружности, так что с помощью соответствующей изобретению меры достигается высокоэффективное натяжение предварительно изготовленных бетонных элементов. Следовательно, можно в существенной степени или полностью отказаться от свинчивания бетонных элементов. Для введения и натяжения натяжных тросов достаточно того, чтобы позиционирование предварительно изготовленных бетонных элементов производилось в желаемом месте по возможности близко друг к другу, причем, однако, нет необходимости в точном выравнивании просверленных отверстий относительно друг друга. После этого натяжной трос или множество натяжных тросов можно ввести в проходящий в выступе канал и натянуть. При этом происходит стягивание предварительно изготовленных бетонных элементов и их выравнивание относительно друг друга для получения готового фундамента без резьбовых соединений.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, в верхней области фундамента возможно дополнительное натяжение, если основание на своем конце, образующем опорную поверхность, содержит окружной выступ, продолжающийся радиально наружу от основания, с по меньшей мере одним каналом, предусмотренным в выступе и проходящим в окружном направлении, для приема натяжного троса. Натяжные тросы во внутреннем выступе являются вследствие малой окружности менее благоприятными для приложения силы натяжения по сравнению с натяжными тросами в вышеупомянутом наружном выступе, однако натяжной трос или множество натяжных тросов в этом выступе в немалой степени содействует общей прочности фундамента и поэтому могут быть выгодно применены во взаимосвязи с настоящим изобретением.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения опорные элементы содержат по меньшей мере один окружной канал для приема натяжного троса. Опорные элементы, как и наружный выступ, продолжаются наружу от основания и поэтому также могут содержать каналы для натяжного троса, которые вследствие относительно большой окружности могут оказывать весьма высокое усилие натяжения на составленное из предварительно изготовленных бетонных элементов основание или на фундамент. Поэтому по меньшей мере один канал для приема натяжного троса представляет собой в рамках настоящего изобретения идеальное дополнение к по меньшей мере одному каналу для приема натяжного троса, предусмотренному в наружном окружном выступе.
Для дальнейшего увеличения прочности фундамента, собранного в соответствии с изобретением без или по существу без резьбовых соединений в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что опорные элементы соседних частей кольца прилегают друг к другу в радиально внутренней области. На прилегающие друг к другу опорные элементы, то есть прилегающие друг к другу боковые поверхности, могут действовать большие силы трения, что, тем самым, существенно способствует общей прочности фундамента согласно изобретению. Это справедливо прежде всего в случае, если опорные элементы содержат по меньшей мере один канал для крепления натяжного троса, как это описано выше. Натяжные тросы прижимают их с большой силой друг к другу и создают таким образом напряжение поверхности между опорными элементами, которые стабилизируют фундамент в целом. Для того чтобы опорные элементы соседних частей кольца прилегали друг к другу во внутренней области, опорные элементы выполнены таким образом, что они в своем начале на основании или секции основания имеют ширину секции основания, причем ширина постоянного увеличивается в соответствии с тем углом раствора, который определен делением 360° на количество частей кольца фундамента.
Наконец, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения опорные элементы простираются радиально наружу от конца основания, расположенного напротив опорной поверхности, при этом на своем конце, содержащем опорные элементы, основание содержит окружной выступ, продолжающийся радиально внутрь от основания и содержащий по меньшей мере один выполненный в нем канал для приема натяжного троса, причем указанный канал продолжается в окружном направлении. Натяжные тросы во внутреннем выступе, вследствие малой окружности, менее пригодны для приложения усилия натяжения по сравнению в натяжными тросами в вышеуказанном наружном выступе или с натяжными тросами в опорных элементах, однако натяжной трос или множество натяжных тросов в этом выступе в немаловажной степени способствуют общей прочности фундамента и поэтому могут быть выгодно применены во взаимосвязи с настоящим изобретением.
Другой предпочтительный вариант осуществления изобретения предусматривает, что в окружном выступе, продолжающемся радиально внутрь от конца основания, на котором образована опорная поверхность, дополнительно предусмотрены каналы, проходящие в осевом направлении основания, для приема крепежных средств для крепления башни ветроэнергетической установки на основании, в частности в виде анкерных болтов и/или натяжных тросов. Анкерные болты предназначены, как правило, для крепления башни, выполненной в виде стальной конструкции. Проходные отверстия для троса предусмотрены, как правило, для крепления бетонных башен.
Предпочтительно, часть кольца и по меньшей мере один опорный элемент с ребром жесткости, продолжающийся радиально наружу от части кольца, выполнены в виде единого предварительно изготовленного бетонного элемента. Такой предварительно изготовленный бетонный элемент изготавливают в соответствии с этим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения путем литья и получают непосредственно из литейной формы. Это означает упрощение способа изготовления по сравнению со способом, при котором необходимо соединять несколько бетонных деталей.
Изобретение, предпочтительно, усовершенствовано в том отношении, что часть кольца содержит по меньшей мере два опорных элемента, продолжающихся радиально наружу от основания, каждый из которых содержит ребро жесткости. Такая единая часть кольца фундамента согласно изобретению может описывать, например, четверть круга и содержать соответствующее количество опорных элементов с первичными ребрами жесткости. Если готовый фундамент должен содержать, например, восемь опорных элементов, то единая окружная секция основания, которая описывает четверть окружности, имеет два опорных элемента с соответственно двумя первичными ребрами жесткости.
Для того чтобы без труда натянуть натяжные тросы при сборке фундамента согласно изобретению, он, предпочтительно, усовершенствован в том отношении, что проходящие в окружном направлении каналы сделаны доступными с помощью выемок для приема натяжных средств для натяжных тросов. В соответствии с этим выемки предусмотрены в соответствующих структурах части кольца, которые, как описано выше, содержат каналы для натяжных тросов. В области этих выемок соответствующий канал является доступным и, таким образом, в выемках можно ввести в канал трос и вдвигать его до тех пор, пока трос не выйдет из канала на другой стороне и не войдет в выемку. После этого трос натягивают с помощью натяжного механизма, при этом концы фиксируют с помощью натяжных средств, например с помощью стяжной муфты.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения выемки для приема натяжных средств для натяжных тросов образованы выемками, предусмотренными в краевой области на соседних частях кольца. Таким образом, выемка образована двумя частичными выемками на расположенных рядом друг с другом частях кольца фундамента согласно изобретению, что в рамках настоящего изобретения выгодно по той причине, что изготовление краевой выемки при предварительно изготовленных бетонных элементах легче, чем изготовление выемки, которая полностью окружена предварительно изготовленным бетонным элементом, поскольку предварительно изготовленный бетонный элемент с краевой выемкой легче извлекать из формы.
Настоящее изобретение выгодно усовершенствовано в том отношении, что опорная поверхность содержит углубления для приема стеновых элементов башни ветроэнергетической установки и/или для приема переходника для монтажа башни ветроэнергетической установки. Стеновые элементы башни ветроэнергетической установки, которые могут быть сформованы для исполнения башен с круглыми или многоугольными поперечными сечениями, с помощью этой предпочтительной меры фиксируют на основании с геометрическим замыканием. При вставлении подходящего переходника в углубления торцевой опорной поверхности на переходнике можно соорудить, в частности, стальную мачту, причем переходник дополнительно позволяет осуществлять согласование по высоте с максимальной высотой ветроэнергетической установки.
Предварительно изготовленные бетонные элементы состоят, предпочтительно, из армированного бетона, который содержит усиливающую структуру, в частности усиливающие элементы, профили, стержни или проволоки, которые заделаны в предварительно изготовленные бетонные элементы и/или выполнены в качестве натяжных элементов для стягивания предварительно изготовленных бетонных элементов создания предварительно напряженных бетонных элементов.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, настоящее изобретение усовершенствовано в том отношении, что представлена соединительная структура, которая простирается соответственно между противолежащими предварительно изготовленными бетонными элементами, в частности, в виде натяжных тросов, в частности, с расположенным между ними по меньшей мере одним круглым натяжным элементом. Такая соединительная структура задумана как дополнение к проходящим по окружности натяжным тросам и соединяет противолежащие предварительно изготовленные бетонные элементы непосредственно посредством радиального натяжения через центральную точку фундамента. При этом промежуточно может быть расположен круглый зажимной элемент в виде натяжного диска, на котором могут быть зафиксированы и зажаты проходящие в радиальном направлении натяжные тросы. Эта соединительная структура может быть выполнена в области конца основании, образующего опорную поверхность, и/или в области конца основания, содержащего опорные элементы.
Для закрывания полости внутри основания, состоящего из базового кольца и монтажного кольца, со стороны его нижней части в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения предусматривается, что окружной выступ, продолжающийся радиально внутрь на конце основания, расположенном напротив опорной поверхности, содержит внутренний уступ для поддержания фундаментной плиты. Таким образом, возникает округлый край, который подпирает по периметру центральную фундаментную плиту, расположенную на базовой части основания.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения фундаментная плита содержит одну или несколько бетонных структур для крепления вспомогательного оборудования для ветроэнергетической установки, в частности углубления для приема стеновых элементов, а также возвышения в качестве фундаментов.
Используемый для изготовления предварительно изготовленных бетонных элементов бетон может быть любого типа, будучи обычно пригодным также для литья бетона на месте использования. Дополнительно к присадкам и воде бетон содержит цемент в качестве гидравлического вяжущего средства.
Для изготовления предварительного изготовленных бетонных элементов можно использовать также армированный бетон. Волокна могут состоять из любого волокнистого материала, способствующего повышению конструктивной целостности, в частности прочности, ударопрочности и/или стойкости при хранении получаемой бетонной структуры. Армированный бетон содержит короткие дискретные армирующие волокна, которые равномерно распределены и случайным образом ориентированы.
Предпочтительно, армирующие волокна представляют собой углеродные волокна, синтетические волокна и, в частности, полипропиленовые волокна. В качестве альтернативны армирующие волокна могут представлять собой стальные волокна, стеклянные волокна или натуральные волокна. Кроме того, возможно также использование бетонов сорта HPC (бетон высокой прочности) и UHPC (бетон сверхвысокой прочности). Эти сорта бетона представляют собой высококачественные вяжущие средства со специальными высококачественными добавками и соответствующими присадками, и вследствие их относительно малого веса их следует рассматривать как предпочтительные.
Ветроэнергетическая установка согласно изобретению с башней ветроэнергетической установки, содержащей ротор, смонтирована на описанном выше фундаменте и поэтому может быть сооружена быстро и рентабельно. Помимо прочего фундамент согласно изобретению можно относительно легко разбирать, так что демонтаж возможен при приемлемых расходах.
Ниже изобретение описано более подробно со ссылкой на пример осуществления, изображенный на чертежах.
На фиг. 1 показан фундамент согласно изобретению, вид в перспективе;
на фиг. 2 – отдельная часть кольца фундамента согласно изобретению, вид в перспективе;
на фиг. 3 – вид в перспективе, соответствующий фиг. 1, дополненный дополнительной соединительной структурой с натяжным диском;
на фиг. 4 – вид в перспективе, соответствующий фиг. 1, дополненный переходником для монтажа башни ветроэнергетической установки.
На фиг. 1 фундамент согласно изобретению обозначен в целом ссылочным номером 1. Фундамент 1 составлен из множества предварительно изготовленных бетонных элементов одного и того же типа, содержащих соответственно часть 2 кольца, которая с помощью ребер 3 жесткости опирается на опорные элементы 4. Части 2 кольца вместе образуют основание. Основание имеет в показанном на фиг. 1 примере круглое поперечное сечение, однако поперечное сечение может быть также другой геометрической формы, в частности многоугольным. Различия между бетонными элементами следует искать в области торцевой опорной поверхности 5 для башни ветроэнергетической установки (не показана), на которой предусмотрены углубления 6 для приема стеновых элементов башни ветроэнергетической установки. Предварительно изготовленные бетонные элементы состоят из армированного бетона с усиливающей структурой, в данном случае в виде натяжных элементов 7 для стягивания предварительно изготовленных бетонных элементов с образованием напряженных бетонных элементов. Натяжные элементы 7 состоят из стяжных стержней, к которым на концах с помощью гаек приложено растягивающее усилие для напряжения бетона. Во внутренней области А опорные элементы 4 соседних бетонных элементов прилегают друг к другу и, таким образом, опираются друг на друга. Если фундамент стягивают с помощью натяжных тросов, то в этом случае возможна передача больших сил трения, которые противодействуют смещению бетонных элементов относительно друг друга.
Как показано на фиг. 2, на своем конце, образующем опорную поверхность 5, бетонный элемент содержит окружной выступ 8, продолжающийся радиально наружу от части 2 кольца. Выступ 8 пронизан множеством каналов 9 для приема натяжных тросов, которые в смонтированном состоянии фундамента образуют окружной канал для троса, в котором натяжной трос может проходить по относительно большой окружности вокруг центрального кольца для стягивания бетонных элементов. Ссылочным номером 10 обозначена краевая выемка для приема натяжных средств для натяжного троса (не показаны), которая в данном случае позволяет трем каналам 9 принимать натяжные тросы. Три канала 9 проходят в тело выступа 8 на основании выемки 10, которое не показано на фиг. 2. На других бетонных элементах выемка 10 расположена радиально дальше внутрь или дальше наружу, чтобы позволить другим каналам 9 принимать натяжные тросы. В выступе 8’, продолжающемся внутрь от конца, образующего опорную поверхность, и в выступе 8", продолжающемся радиально внутрь от конца, имеющего опорные элементы, и в опорном элементе 4, предусмотрены дополнительные каналы 9', 9" и 9"' для приема натяжных тросов, так что фундамент может быть собран из частей 2 кольца, состоящих из предварительно изготовленных бетонных элементов, без использования резьбовых соединений. С той же целью часть 2 кольца содержит дополнительные каналы 9’’’’.
На фиг. 3 те же элементы обозначены теми же ссылочными номерами, при этом видно, что предусмотрена дополнительная соединительная структура в виде натяжных тросов 12, которая с помощью радиальных натяжных тросов 12 соединяет между собой расположенные друг напротив друга предварительно изготовленные бетонные элементы фундамента 1. Натяжные тросы 12 продолжаются между противолежащими предварительно изготовленными бетонными элементами фундамента 1 так, что между ними расположен круглый натяжной элемент или натяжной диск 13, и они могут быть зафиксированы и натянуты на нем. В области конца основания, содержащего опорные элементы 4, может быть предусмотрена соединительная структура того же типа.
На фиг. 4 те же элементы опять же обозначены теми же ссылочными номерами, при этом видно, что в углублениях 6 торцевой опорной поверхности 5 может быть установлен переходник 14 для монтажа башни ветроэнергетической установки с подходящими стеновыми элементами 14’. С помощью такого переходника 14 на фундаменте 1 согласно изобретению можно, например, совсем несложным образом монтировать также стальную башню. Кроме того, переходник 14 можно изготавливать с различными диапазонами высот, чтобы обеспечить согласование высоты ветроэнергетической установки с максимально разрешенной высотой, если соответствующие мачты имеются лишь с некоторыми немногочисленными, грубо классифицированными вариантами высот.