БАШНЯ ДЛЯ ВЕТРОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ
TOWER FOR WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к ветросиловой установке, при этом внутри башни, по меньшей мере частично, предусмотрено кружало, с помощью которого с удержанием соединены стеновые секции, при этом стены башни, по меньшей мере частично, изготовлены из отдельных стеновых секций, которые соединены друг с другом соединительными элементами, и способу сооружения подобной башни.
В случае ветросиловой установки речь идет об устройстве для выработки электрической энергии. Ветросиловая установка оснащена фундаментом, башней, которая сооружается на фундаменте, и гондолой, которая расположена на башне. На гондоле находится соединенный с лопастями ротора узел привода для выработки энергии.
Конструкция башни ориентирована на создаваемую гондолой на башне статическую нагрузку и создаваемые вращением лопастей ротора и возможностью движения гондолы в зависимости от направления ветра динамические нагрузки. Известные башни изготавливаются из стальных колец или бетонных элементов. Поэтому базовые поверхности известных башен являются или многоугольниками или кольцевыми круговыми сегментами. Многоугольные башни, которые изготовлены из отдельных сегментов из бетона, известны из WO 2003/069099 A. Кроме того, известно сооружение подобных многоугольных башен из дерева (DE 102007006652 A1).
С экономических точек зрения желательно делать высоту башен максимальной с учетом экономичности, так как производительность ветросиловой установки зависит от высоты ступицы ротора, и производительность с увеличение высоты возрастает. Одновременно возрастают возникающие при большей высоте башни требования к статике и материалу или материальным затратам башни. Толщина стен увеличивается и вследствие этого возрастают затраты на сооружение башни.
При этом решающим аспектом у башен, которые изготовлены из расположенных в виде отдельных частей сегментов, является то, что горизонтальные поверхности соприкосновения расположенных друг над другом сегментов являются чувствительными к сдвигающим нагрузкам или поперечным силам. Это должно быть предусмотрено в статике башни для того, чтобы эти места запрограммированного разрушения были обезврежены, что приводит к усиленному использованию материалов и, прежде всего, обуславливает использование дорогостоящих соединительных элементов.
В публикации WO 2003/083236 A1 описана башня для ветросиловой установки, у которой сооружается решетчатая мачта, вокруг которой размещается обшивка. Решетчатая мачта воспринимает всю нагрузку, которая действует на башню. При этом происходит разделение между структурно функционирующим элементом (решетчатая мачта) и несиловой оболочкой, которая придает башне форму в виде сплошной башни. Облицовка либо привинчивается напрямую к башне, либо соединяется с ней посредством зажимных усилий. В этой связи поясняется, что решетчатая структура имеет преимущества в отношении стоимости по сравнению башней со сплошной поверхностью, а также, что решетчатая башня имеет преимущества в отношении нагрузок по сравнению башней со сплошной поверхностью.
Оказалось, что башни для ветросиловых установок могут быть изготовлены из дерева, с помощью которого можно изготавливать башни дешево, быстро и с экономией материалов. При этом оказалось особо выгодным изготавливать башни непосредственно на месте из отдельных составных частей, которые напрямую соединяются с соседними элементами с помощью соединительных элементов. Однако при этом способ сооружения оказался достойным усовершенствования в том отношении, чтобы отдельные составные части могли быть соединены друг с другом быстро и с высокой точностью, без того чтобы возникли большие монтажные допуски.
Поэтому задачей изобретения является разработка башни для ветросиловой установки, которая может быть смонтирована с достаточной точностью. Помимо этого, задачей изобретения является создание способа сооружения подобной башни.
Задача согласно изобретению в отношении башни решена тем, что стеновые секции состоят из древесного материала, и что стеновые секции выполнены так, что стеновые секции воспринимают и отводят всю статическую нагрузку, а кружало является приспособлением для монтажных работ. Благодаря этому отдельные стеновые секции могут быть насажены друг на друга и смонтированы. Таким образом точность монтажа повышается простым способом. Одновременно вся статическая нагрузка может затем восприниматься стеновыми элементами.
Следующее техническое решение изобретения предусматривает, что кружало состоит из дерева и/или является каркасной конструкцией. При этом сооружение происходит последовательно с поступательным продвижением строительных работ. Подлежащее использованию дерево при этом должно обрабатываться экономно и очень хорошо. Предпочтительным является изготовление кружала из отдельных частей. При этом является предпочтительным, если отдельные части изготавливаются на месте проведения работ, так как этим снижаются транспортные расходы. Это, предпочтительно, обеспечивается использованием дерева. Кроме того, выгодным является то, что каркасная конструкция имеет по меньшей мере 4 опоры, которые соединены подкосами, ригелями, верхними и нижними деревянными деталями. Следующее техническое решение изобретения предусматривает, что площадка образована по меньшей мере двумя секциями.
Следующее техническое решение изобретения предусматривает, что стеновые секции расположены со смещением относительно друг друга с образованием спирали. Благодаря такому взаимному расположению сдвигающая нагрузка/поперечная сила отводятся через спираль и не существует никакой точки приложения силы для подъема башни в определенном месте. По этой причине толщина стенок может быть уменьшена и, прежде всего, существует возможность выбрать более простые и, тем самым, более экономичные соединительные элементы.
Следующее техническое решение изобретения предусматривает, что в случае спирали речь идет о простой спирали или многозаходной спирали, образованной из нескольких простых спиралей. В случае многозаходной спирали предпочтительным является, что число образующих многозаходную спираль простых спиралей соответствует числу стеновых секций в горизонтальной плоскости башни. Предпочтительно, стеновые секции при многозаходной спирали предусмотрены в виде поставленных на вершину ромбов. При этом ромбы предусмотрены как круговые сегменты или образованы двумя соединенными друг с другом вертикально треугольниками, при этом плоскости треугольников расположены относительно друг друга под углом, который составляет результат деления 360° на число простых спиралей. Далее, является предпочтительным, что верхние стыки отдельных составных частей спирали образуют сплошную линию и/или ступени. Благодаря этому улучшается отвод нагрузки в башне.
Следующее техническое решение изобретения предусматривает, что стеновые секции, по меньшей мере частично, имеют на стыках шлицы, которые расположены поперек направления стыков и/или вдоль направления стыков. Предпочтительно, в шлицы вставляются соединительные элементы, в случае которых речь идет, предпочтительно, о металлических листах, особо предпочтительно о перфорированных металлических листах, которые, предпочтительно, вклеиваются. Предпочтительно, введение клея происходит путем разбрызгивания в пространство между деталью и соединительным элементом. Альтернативно, могут быть использованы деревянные детали или деревянные шипы, если в случае составных частей речь идет о деревянных элементах. В случае этих соединительных элементов речь идет об экономичных элементах, которые, впрочем, обеспечивают необходимую прочность в отношении сдвига или сдвиговых нагрузок между отдельными составными частями.
Наряду с рабочими нагрузками, которые воздействуют на башню, на башню воздействуют также климатические нагрузки. У стальных башен этим климатическим нагрузкам противодействуют путем нанесения покрытий. При использовании железобетона стальной каркас воспринимает растягивающие нагрузки башни. Бетонное покрытие воспринимает сжимающие нагрузки и одновременно служит для защиты стальных конструкций от влияния окружающей среды в виде влаги и вызываемых окружающей атмосферой химических реакций. Толщина бетона должна обеспечивать, что стальной каркас защищен от этих нагрузок. В случае деревянных конструкций соответствующим атмосферным нагрузкам противодействуют путем нанесения покрытий. Одновременно для конструкции деревянных башен могут использоваться только древесные материалы, которые допущены для эксплуатации на открытом воздухе.
Поэтому следующее техническое решение изобретения предусматривает, что на наружную поверхность башни, по меньшей мере частично, нанесено покрытие, при этом покрытие, предпочтительно, нанесено так, что покрытие воспринимает растягивающие усилия, которые действуют на наружную поверхность башни, и что покрытие герметизирует наружную поверхность от воздействующих снаружи на поверхность башни влияний окружающей среды, прежде всего влаги.
В отношении деревянных башен благодаря использованию покрытия становится возможным использовать древесные материалы и их соединительные средства, которые имеют допуск лишь для внутренней отделки.
Следующее техническое решение изобретения предусматривает, что покрытие на покрытой башенной секции нанесено на всю поверхность и обволакивает всю покрытую секцию. При этом является предпочтительным, если в случае покрытия речь идет о слоистом материале, пленке, ткани, текстильном материале или панели. Особо предпочтительно, речь идет о пленке, панели или ткани и/или текстильном материале из синтетического материала, при этом, особо предпочтительно, в качестве материалов используются полипропилен, полиуретан, поливинилхлорид, полиэфир, поликарбонат или полиэтилен. Подобные материалы в состоянии воспринимать растягивающие нагрузки и одновременно обеспечивать отделку и, тем самым, изоляцию от воздействующих на поверхность башни влияний окружающей среды. Одновременно подобные материалы имеет меньший вес на единицу поверхности, чем, например, краски на поверхности башни, так что этот вес у конструкции в отношении статической сжимающей нагрузки может быть уменьшен, благодаря чему конструкция башни в целом может быть выполнена более изящной. Одновременно стоимость этих материалов меньше, например, по сравнению с лакокрасочными покрытиями.
Следующее техническое решение изобретения предусматривает, что покрытие наносится в разные моменты сооружения башни. В качестве первого варианта покрытие наносится после сооружения башни. Это может происходить сверху или снизу. Альтернативно, покрытие может наноситься по секциям во время сооружения башни или на отдельные составные части уже перед сооружением башни. Если покрытие наносится перед сооружением башни, то оказалось выгодным наносить покрытие непосредственно на строительной площадке. Этим самым снижается стоимость покрытия и одновременно может быть гарантировано, что покрытие не будет повреждено во время транспортировки отдельных элементов. Отдельные секции покрытия в заключение соединяются друг с другом, при этом соединение происходит, предпочтительно, через склеивание или сварку стыков.
Следующее техническое решение изобретения предусматривает, что покрытие нанесено непосредственно на составные элементы башни. Предпочтительно, нанесение происходит по всей поверхности путем склеивания. Альтернативно, может происходить наклеивание по частям на одной поверхности составного элемента. Благодаря наклеиванию обеспечивается, что восприятие статической нагрузки происходит посредством покрытия.
Следующее техническое решение изобретения предусматривает, что башня, по меньшей мере частично, сооружается из стали, бетона, прежде всего железобетона, и/или дерева или древесного материала. Предпочтительно, в случае дерева или древесных материалов речь идет о древесной фанере и/или о древесном композиционном материале.
Следующее техническое решение изобретения предусматривает, что покрытие в случае дерева имеет меньшую паропроницаемость, чем дерево. Таким образом, диффузия становится обратной, это означает, что паропроницаемость башни увеличивается не наружу, а внутрь. Кроме того, внутри башни, предпочтительно, размешается источник тепла, при этом речь идет, предпочтительно, о силовой электронике ветросиловой установки. Тепло при этом является отданной мощностью потерь силовой электроники. Благодаря производству тепла находящаяся внутри башни влага отводится наверх, а выходящая из дерева влага движется внутрь башни и также отводится. При повреждении покрытия будет обеспечен отвод влаги внутрь. Благодаря присутствующим во влаге частицам и минералам повреждение покрытия постепенно закроется, и одновременно дополнительно обеспечивается, что влага будет улетучиваться внутрь.
Следующее техническое решение изобретения предусматривает, что несущая структура башни сооружается, по меньшей мере частично, из материалов, которые не пригодны для использования на открытом воздухе. При этом речь идет о материалах, которые получили допуск только для внутреннего использования при строительстве зданий. Благодаря нанесению покрытия становится возможным использовать подобные материалы, а также соединительные элементы для несущей конструкции башни для ветросиловой установки, так как покрытие обеспечивает состояние материала для внутреннего использования.
Следующее техническое решение изобретения предусматривает, что башня собирается из отдельных составных частей непосредственно на месте. В случае собираемых непосредственно на месте составных частей речь идет о плоских элементах. Благодаря подобной сборке башни из отдельных элементов обеспечивается, что транспортные расходы для отдельных башен будут значительно уменьшены.
Задача согласно изобретению в отношении способа решена тем, что предусматриваются следующие стадии: монтаж первой секции кружала на фундаменте; подготовка первой стеновой секции; монтаж первой стеновой секции на фундаменте; скрепление первой стеновой секции с первой секцией кружала; установка следующей секции кружала на верхней стороне предшествующей секции кружала; установка следующей стеновой секции на расположенной ниже секции и создание удерживающего соединения с уже смонтированными стеновыми секциями и кружалом; повторение стадий до тех пор, когда будет смонтирована самая верхняя секция кружала и закреплены завершающие стеновые секции. В дальнейшем этим способом сооружается башня с названными ранее признаками.
Далее изобретение будет более подробно разъяснено со ссылкой на предпочтительные примеры осуществления с рисунком. При этом показано на:
Фиг.1: пространственное изображение башни согласно изобретению,
Фиг.2 вид A3-A3 на фиг.1 в первом варианте осуществления,
Фиг.3: вид A1-A1 на фиг.1 в первом варианте осуществления,
Фиг.4: вид А2-А2 на фиг.1 в первом варианте осуществления,
Фиг.5: вид X на фиг.4 в первом варианте осуществления,
Фиг.6: вид A3-A3 на фиг.1 во втором варианте осуществления,
Фиг.7: вид А1-А1 на фиг.1 во втором варианте осуществления,
Фиг.8 вид А2-А2 на фиг.1 во втором варианте осуществления,
Фиг.9: вид X на фиг.8 во втором варианте осуществления,
Фиг.10: пространственное изображение сечения башни согласно изобретению,
Фиг.11: подробный вид A1 на фиг.10,
Фиг.12: подробный вид A2 на фиг.10,
Фиг.13: подробный вид B на фиг.10,
Фиг.14: подробный вид C1 на фиг.10,
Фиг.15: подробный вид C2 на фиг.10,
Фиг.16: пространственное изображение в разрезе адаптера гондолы башни согласно изобретению,
Фиг.17: схематическое изображение первой монтажной стадии способа согласно изобретению,
Фиг.18: схематическое изображение второй монтажной стадии способа согласно изобретению,
Фиг.19: схематическое изображение третьей монтажной стадии способа согласно изобретению.
На фиг.1 показана башня 10 из дерева с высотой ствола, например, 100 метров. Башня имеет основание в форме фундамента 11, корпус 12 башни и адаптер 13 для установки гондолы ветросиловой установки (не показана).
Основание 11 деревянной башни 10 осуществлено посредством фундамента 11, предпочтительно железобетонного фундамента с железобетонным основанием, особо предпочтительно в виде монолитного бетона. Геометрия железобетонного основания согласуется с геометрией конструкции деревянной башни, при этом в данном случае основание выполнено, предпочтительно, бетонированием с образованием восьмиугольного пустотелого корпуса. Предпочтительно, в пустотелом корпусе, как основании фундамента, расположена, например, необходимая для отдачи тока в сеть выпрямительная и трансформаторная система. Доступ к установке происходит через основание фундамента и делает таким образом возможной гомогенную конструкцию деревянной башни 10.
Главную часть башни 10 образует башенная секция 12, которая составлена из отдельных стеновых секций 14 в форме деревянных панелей, которые образуют восьмиугольный пустотелый корпус. При этом отдельные панели 14 расположены с образованием спиральной структуры. В данном случае показана двойная спиральная структура с двумя спиралями A и B. Каждая отдельная деревянная панель 14 состоит из склеенных друг с другом элементов из цельной древесины.
В качестве соединительных элементов в случае горизонтальных и вертикальных соединений подходят соединения типа «ласточкин хвост» 39 или перфорированные металлические листы 15. Кроме того, могут использоваться также заложенные в зазоры и, предпочтительно, вклеенные резьбовые стержни 20. Отдельные деревянные панели 14 подвешиваются к уже установленным деревянным панелям 14 с помощью стальных соединений типа «ласточкин хвост» 39. Соединения типа «ласточкин хвост» 39 закреплены на деревянных панелях 14 с помощью приклеенных резьбовых стержней 20.
Для сооружения пустотелого корпуса 12 в качестве корпуса башни путем соединения деревянных панелей 14 в спиральную структуру A или двойную спиральную структуру A, B в качестве приспособления для монтажных работ сооружается кружало 48. Кружало состоит из секций 36, 37, 38 и, предпочтительно, выполнено в виде решетчатой конструкции. На верхнем конце решетчатой структуры расположена площадка, которая в пустотелом корпусе играет роль повышающей жесткость плоскости 31. Между основанием 11 фундамента и деревянной башней 12 находится, например, двутавровая балка 21. Соединение балки 21 с фундаментом 11 происходит посредством резьбовых стержней 24. Соединение между деревянной башней и двутавровой балкой в качестве выполнения точки основания создается путем затяжки вклеенных резьбовых стержней (фиг.15) или с помощью перфорированных металлических листов 15 (фиг.14). Соединительная деталь 13 между деревянной башней и гондолой ветросиловой установки образует адаптер 13 из стальной трубы в форме усеченного конуса (см. фиг.16). Башня получает полностью обклеенную, текстильную поверхность (не показана), которая наносится на подготовительном этапе после пробной подгонки панелей 14 и после окончания рихтовочных работ полностью охватывает всю башню 10 с соединением внахлестку.
Вход в башню находится в основании фундамента и осуществляется через наружную лестницу с площадкой. Внутри основания фундамента установлены низковольтные компоненты. К ним относятся шкаф управления для обслуживания установки, силовые шкафы, а также дополнительно система дистанционного контроля и независимый источник электроснабжения (USV). Для отвода тепла трансформатора внутри площадки смонтирован осевой вентилятор. Подъем к головной части башни происходит посредством направляемой по лестнице подъемной системы 41 или по лестнице из скоб в сочетании с защитным устройством лестницы из скоб. При длине лестницы более 10 м с интервалом по меньшей мере 10 м установлены площадки для отдыха. В деревянной башне через каждые 3,75 м находятся промежуточные площадки 31, которые статически установлены для увеличения жесткости конструкции башни.
Кружало 48 служит в качестве приспособления для монтажных работ и для обеспечения правильной фиксации отдельных деревянных панелей 14. Отдельные повышающие жесткость плоскости 31 состоят из деревянных панелей 42, 43. Каждая отдельная повышающая жесткость плоскость 31 кружала 48 поддерживается в нескольких местах посредством предусмотренных стоек 25, 28 для того, чтобы обеспечивать положение повышающих жесткость плоскостей 31 и отводить собственный вес, а также монтажные нагрузки в фундамент 11. При этом стойки 25, 28 соединены друг с другом с помощью ригелей 26 и подкосов 27, а также верхних и нижних деревянных деталей 29, 30 в виде решетчатой конструкции (фиг.13). Отдельные детали 42, 43 повышающей жесткость плоскости 31 на их соприкасающихся торцевых поверхностях с приданием устойчивости соединены друг с другом брусом 34. Само кружало состоит из первой секции кружала, которая имеет базовую стойку 25, которая стоит на фундаменте 22 каркаса, который является составной частью фундамента 11 и соединен с фундаментом башни. Базовые стойки 25 расположены по диагонали, так что на их верхнем конце, на котором предусмотрены верхняя деревянная деталь 29 или балка 35 (см. фиг.4, 8, 14, 15) может быть предусмотрена следующая секция 37 кружала с необходимой шириной кружала 48. В повышающей жесткость плоскости 31 предусмотрены, например, кабельная шахта 40 и шахта 41 для подъемника или лестничная система. Края повышающей жесткость плоскости 31 уплотнены с помощью брусьев 32 или прилегающих к стене балок 33 (фиг.11, 12). С помощью этих элементов также создается увеличивающее жесткость соединение между повышающей жесткость плоскостью 31 и стеновым элементом 14 башни. Кружало 48 заканчивается верхней секцией 38 кружала, которая меньше, чем последние стеновые секции 14 башни, так что между адаптером 13 и кружалом 48 не образуется никакого соединения.
Для сооружения башни 10 готовые деревянные панели 14 доставляются на место монтажа. Затем начинается монтаж кружала 48 за счет того, что самая нижняя первая секция 36 кружала 48 устанавливается на фундамент 11, 22. Самые нижние восемь деревянных панелей 14 соединяются с первой секцией 36 кружала и между собой посредством резьбовых соединений с геометрическим и силовым замыканием. При этом используются либо перфорированные металлические листы 15, либо соединения типа «ласточкин хвост» 39. Затем конструкция поднимается на уже подготовленное основание 22 фундамента. Соединение точки основания между деревянной башней 12 и фундаментом 22 происходит посредством вклеенных резьбовых стержней 24 в панели, которые соединены с отдельными двутавровыми балками с помощью гаек и уже предварительно смонтированы. После опускания нижнего сегмента башни происходит резьбовое соединение с основанием фундамента. Соединение вертикальных стыков 19 деревянных панелей 14 выполняется синхронно с продвижением процесса сооружения башни. Соединение вертикальных стыков 19 осуществляется путем вклеивания цельнодеревянных клиньев 19. При соединении посредством соединений типа «ласточкин хвост» 39 путем геометрического размещения при соединении панелей 14 достигается высокая точность посадки панелей в горизонтальном стыке при стыковке. Поступающая деревянная панель 14 устанавливается на соответствующий верхний конец деревянной панели и стягивается с помощью резьбового приспособления. Также и здесь во время выравнивания надлежащее состояние процесса строительства достигается резьбовым соединением с кружалом. Альтернативно, вместо соединения типа «ласточкин хвост» 39 предусмотрены перфорированные металлические листы 15. Выполнение вертикальных торцов с вклеенными цельнодеревянными клиньями 19 (фиг.5, 9)…[предложение не полное - прим. переводчика]. Геометрическое и силовое замыкание в области соединения горизонтальных стыков деревянных панелей происходит посредством вклеенных резьбовых стержней, которые соединены с помощью резьбы с соединением типа «ласточкин хвост» и затянуты. Передача растягивающих усилий «дерево-дерево» или «сталь-дерево» может происходить через соединительные детали из перфорированных металлических листов. Соединительные детали из перфорированных металлических листов являются перфорированными стальными листами. Выполнение перфорированного металлического листа показано на фиг.2-фиг.5, а выполнение соединения типа «ласточкин хвост» - на фиг.6-фиг.9.
Адаптер 13 состоит из, при необходимости, конического стального элемента с нижним фланцем 44 для присоединения к башне 12 и верхнего фланца 45 для присоединения к гондоле. На верхнем фланце 35 предусмотрены отверстия 47 для вставления резьбовых стержней гондолы для создания удерживающего соединения. На нижнем фланце 44 предусмотрены или также отверстия, или резьбовые стержни 46.
Для монтажа башни 12 (фиг.17-19) на фундамент 11 устанавливается нижняя секция 36 кружала, к которой прикрепляется первая стеновая секция 14, при этом она расположена так, что она стоит на фундаменте 11. Затем на повышающую жесткость плоскость 31 устанавливается следующая стеновая секция 37 и соединяется с расположенной ниже секцией 36. В свою очередь, по окружности монтируются стеновые секции 14, при этом создается соединение с удержанием со смонтированными ранее стеновыми секциями. Соединение с секцией кружала служит для лучшей возможности монтажа. После заключительного монтажа стеновой секции 14 монтируется следующая секция кружала. При этом предварительный монтаж секций 36, 37, 38 кружала может происходить на месте проведения работ. При спиральном монтаже секции кружала меньше по высоте, чем отдельные стеновые секции 14, так что монтаж секций кружала может происходить даже поочередно с соответственно следующей стеновой секцией.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10
башня
11
фундамент
12
секция башни
13
адаптер для гондолы
14
стеновая секция
15
перфорированный металлический лист
16
соединительная секция
17
отверстие
18
внутреннее пространство башни
19
клинообразная шпунтовая доска
20
резьбовой стержень
21
двутавровая балка
22
фундамент для каркаса
23
фундамент башни
24
резьбовой стержень
25
базовая стойка
26
ригель
27
подкос
28
стойка
29
верхняя деревянная деталь
30
нижняя деревянная деталь
31
повышающая жесткость плоскость
32
брус
33
прилегающая к стене балка
34
брус
35
балка
36
первая секция кружала
37
секция кружала
38
самая верхняя секция кружала
39
соединение типа «ласточкин хвост»
40
кабельная шахта
41
лифтовая шахта
42
первая часть повышающей жесткость плоскости
43
вторая часть повышающей жесткость плоскости
44
нижний фланец
45
верхний фланец
46
резьбовой стержень
47
отверстие
A
первая спираль
B
вторая спираль.