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CN101688524B - 风力发电设备、其支柱及其使用 - Google Patents

风力发电设备、其支柱及其使用 Download PDF

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CN101688524B CN2008800199041A CN200880019904A CN101688524B CN 101688524 B CN101688524 B CN 101688524B CN 2008800199041 A CN2008800199041 A CN 2008800199041A CN 200880019904 A CN200880019904 A CN 200880019904A CN 101688524 B CN101688524 B CN 101688524B
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Abstract

本发明涉及风力发电设备，其包括具有竖直涡轮轴(3)的涡轮机、连接至涡轮机的发电机(6)、以及支撑涡轮机的竖直空心支柱(2)。根据本发明，支柱的材料主要是木材。本发明还涉及用于这样的风力发电设备的支柱、连接至该风力发电设备的电力干线、风力发电设备的使用以及制造这种支柱的方法。

Description

风力发电设备、其支柱及其使用
技术领域
在第一方面，本发明涉及风力发电设备(wind-power unit，风力装置)，该风力发电设备包括具有竖直涡轮轴的涡轮机、连接至涡轮机的发电机、以及支撑涡轮机的竖直空心支柱。
在第二方面，本发明涉及用于风力发电设备的支柱。
在第三方面，本发明涉及电力干线，在第四方面，本发明涉及所发明的风力发电设备的使用，以及在第五方面，涉及制造支柱的方法。
背景技术
几千年来，风能的再生已为人们所知。基本上从发电机问世一直以来，人们也知道了利用风力来产生电流。
然而，风力发电难以在与其他产生电能的能源在经济上成功竞争。因此，风能发电的利用长期以来仅限于局部电力供应和试验计划。尽管在最近几十年中向电力干线供应的风力发电的商业化生产已经取得相当大的发展，但其占总发电量的比重仍然非常小。
鉴于在风力中潜在可利用的大量能量，同时鉴于由其他类型的能源生产电能带来的各种缺点，为大幅提升风力发电的商业竞争力而创造机会是非常重要的。
从风力发电设备中产生电能的主要技术是基于具有水平轴的风力涡轮机的设备。也有人提出了具有竖直轴的不同类型的风力涡轮机。在这些风力涡轮机中，可能提到所谓的H-转子。例如参见US 6 320 273和WO 031058059。
为了实现风力发电设备能够产生具有价格竞争力的电能，重要的是从技术和经济的角度对风力发电设备中的每个部件进行优化。
本发明的目的是提供关于承载风力发电设备的涡轮机的支柱的这样一种优化方案。
发明内容
在本发明的第一方面，所阐述的目的通过以下事实得以实现，即通过引言所指出的一类风力发电设备具有特点：支柱的材料主要(in all essentials)是木材，支柱包括主要方向分量是竖直方向的叠层梁(laminated beam)，并且支柱包含纤维材料，例如，玻璃纤维、碳纤维和天然纤维。
通过在这种支柱中淘汰传统材料(即钢)，可以以相同的成本获得更高的承载能力，可选地，与传统设计相比，可以以更低的成本获得相同的承载能力。此外，更加便宜的结构材料使得有可能形成比其他设计更适于目标的设计方案的支柱。就此而言，将木材用作结构材料赋予了环保方面的额外优势。
因为主要是竖直方向的木梁，木材的强度性质得到最佳利用，并且易于提供稳定的结构。就此而言叠层梁是优选的，因此叠层梁具有更稳定的形状并且被普遍认为更适于建造结构。
凭借强度性质，纤维材料作为一种有利的材料而被包含进复合结构成为其一部分。其中，纤维材料凭借其明确的定向优势，在强度方面特别是对于支柱的外露部分是非常有用的，并且凭借其与支柱的木梁之间的联合合作，使其支承载荷及弯曲载荷的特性都得到加强。
根据所发明的风力发电设备的优选实施例，支柱具有下端和上端，支柱在水平面中的横截面面积根据其与下端的距离而变化，因此支柱下半区的横截面面积的平均值大于支柱上半区的横截面面积的平均值，优选地至少两倍大。对于横截面面积，还参考由支柱的空心区域覆盖的面积，即由支柱的外边界所圈定的整个面积。平均值是由多个横切支柱的水平截面定义的，因此下半区和上半区分别被各水平截面在竖直方向上划分成数量相同的等长部分。获得每一半区的各水平截面的横截面面积的平均值，然后将这些平均值进行比较。
通过这种方式构成的支柱通常底部比较宽，这比横截面面积总体恒定的支柱更稳定。这使得稳定性提高，并降低为获得稳定的锚固而采取的其他措施方面的要求。例如，可以省去支撑绳索的需要。
就此而言，尤其优选的是，支柱在靠近其下端的横截面面积是支柱靠近其上端的横截面面积的几倍大，优选的是5至15倍大。
因此，额外强调支柱向上逐渐变细的结构设计，并且因此稳定性方面也更加显著。就此而言，面积关系所指示的区间应在两方面之间构成优化的调整平衡，一方面是获得高稳定性，而另一方面是材料的有限消耗以及支柱所搁置的底座的必需表面。最佳的面积关系在某种程度上取决于支柱的高度，并且高度越高面积关系的值越大。
根据另外的优选实施例，支柱的横截面面积至少沿着其高度的大部分从下而上连续减小，这种横截面面积的连续减小优选是均匀的。支柱的这种形状使得弯曲与压缩应变的协调承载(harmoniccarrying)，此时狭长地尺寸设计能够适用于支柱各个竖直位置的要求。因此，材料消耗可以保持在较低水平。如果横截面面积沿着所述范围内的整个长度均匀减小，这种效果就得到加强，并且获得优势。就此而言，形成支柱沿其整个长度向上逐渐变细当然是理想的。然而，其他的考虑可能使得支柱的一部分呈另外的形状。
根据另外的优选实施例，支柱的所述部分呈截锥的形状。
就此而言，围绕涡轮机的旋转轴线也变得完全对称并且出现的应力分布尽可能分布得均匀。
根据另外的优选实施例，支柱由复合材料制成。
除了作为主建造材料的木材外也使用其他材料，这些其他材料可以在其更适合的某些功能方面对木材的性能进行补充。因此，在考虑支柱应满足的总体需求时可以获得一种额外改进的结构。
根据另外的优选实施例，至少一些木梁具有也沿支柱的圆周方向延伸的方向分量。
因此，对于某些类型的承载状况，改进了支柱的强度特性。
根据另外的优选实施例，就此而言，支柱由至少两层木梁构成，其中一层木梁沿支柱圆周方向具有方向分量，该方向分量与最接近相邻层中的木梁在相应圆周位置处沿支柱圆周方向上的方向分量相反。
从强度的角度看，将支柱构造成两层或多层可能具有额外的优势，尤其是在大型结构中。根据各层的最大载荷发生方向互补的事实，不同层的木梁的反向定向带来额外的稳定性。这些层是适当互连的，此外在反向层之间获得了相互支撑作用。
根据另外的优选实施例，支柱由多个竖直分布的部分组成。
在这种情况下，支柱是预先制造的并且接着被运送至安装地点，这样的分段使得易于运输，尤其是对大型风力发电设备而言。
根据另外的优选实施例，该风力发电设备包括设置在支柱上端附近的容器，该容器被设置成能够容纳可变数量的材料。
通过用适于平衡的数量的材料填充容器，支柱的固有振动受到影响。就此而言，由于可以预见操作条件，因此可以校正材料的数量从而使固有振动远离可能存在的共振，否则将存在运行干扰的风险。事实上容器内的质量可能容易变化，这可以通过检查实际发生的振动而以容易的方法实现，这种方法提供了比基于不确定的和复杂的计算而得出的质量更高的可靠性。
根据另外的优选实施例，容器被设置成能够容纳颗粒材料，例如砂砾。通过使用诸如砂砾或类似的颗粒材料，非常容易改变材料的量。
根据另外的优选实施例，支柱的高度至少有30m。
对于相对较大的设备而言，主要用木材制造支柱的优点变得非常重要，并且因此该实施例具有特殊意义。
根据另外的优选实施例，支柱由撑条(stay)支撑，如杆、钢索(wire)或合成绳索。
虽然根据本发明的风力发电设备能够免除这样的支撑，但在某些情况下使用这种方式的支撑可能是有利的并且因此额外增加了稳定性。
根据优选实施例，就此而言，撑条的数量至少为3个。
撑条越多支撑效果将越好，并且利用3个撑条，在所有交叉方向上均获得了良好的支撑。
上述提到的所发明风力发电设备的优选实施例在从属于权利要求1的权利要求中限定。
在本发明的第二方面，所阐述的目的通过用于具有竖直轴的风力发电设备的支柱而实现，该支柱是按照根据本发明的风力发电设备的支柱所限定的方式或是根据本发明的某一优选实施例的支柱构造的。
就此而言，已获得相应的优点，如同上面为本发明的风力发电设备已给出的。
在本发明的第三和第四方面，分别通过连接至根据本发明的风力发电设备的电力干线和通过将所发明的风力发电设备用于生产电能的方式，利用根据本发明的风力发电设备的优点。
在本发明的第五方面，所阐述的目的通过引言提及的包括特殊措施的方法实现，所述特殊措施是风力发电设备的支柱主要由木材建造，并且至少部分地由主要方向分量为竖直方向的叠层梁建造，而且还使用纤维材料作为建造材料，诸如玻璃纤维、碳纤维或天然纤维。
根据优选实施例，支柱被制造为多个部分，这些部分彼此层叠布置以便向上竖起风力发电设备。
根据所发明方法的另外优选实施例，制造支柱，从而赋予该支柱由根据本发明的任一优选实施例的风力发电设备中的支柱所限定的特征。
通过所发明的方法，获得了与所发明的风力发电设备和所发明的风力发电设备的优选实施例相应的优势，这些优势在上文中已经说明。
通过随后参照附图对本发明的有利实施例的详细描述，更具体地描述本发明。
附图说明
图1是穿过根据本发明的风力发电设备的示意性竖直截面图。
图2是根据图1的风力发电设备的局部侧视图。
图3是沿着图2中III-III线的截面图。
图4是对应于图3的截面图，但示出的是另一实施例。
图5是解释性简图，示出了根据图4的实施例的一个方面。
图6是根据另一可选实施例的支柱的侧视图。
图7是根据另一实施例的风力发电设备的侧视图。
具体实施方式
在图1中，示出了根据本发明的风力发电设备，其具有风力涡轮机、底座1、支柱2，该支柱支撑在底座1上并且借助于锚固装置5锚固于底座1上。此外，还包括发电机6。
风力涡轮机具有竖直轴3和带有竖直涡轮叶片4的转子。每一涡轮叶片4均通过木制支撑臂9与轴3连接。容器7安装在支柱2内靠近其上端的位置。
支柱2由叠层梁建造。其呈圆锥形。对于200kW的风力发电设备，支柱2的高度大约是40m。其下端直径约为2.5m，并且其上端直径约为1m。对于1MW的风力发电设备，其相应的尺寸按顺序分别为100m、6m和2m。
支柱2可以替换地制造成不同于纯锥形的其他形状。例如，相比于圆锥的直线型壁，可以构造成使壁倾斜为稍凹或凸线型。其形状还可以构造为多个圆柱部分，其中这些部分所处的位置越高其直径越小。而且圆锥形结构可以相应地构造为直径阶梯型变化的形状。圆锥形和圆柱形部分可以结合，等等。支柱的横截面可以具有不同于圆形的其他形状，如多边形。
容器7紧固在支柱上并且拟能够带着适于平衡的数量的砂砾运动，以便为抵抗支柱2的固有振动而进行调整。
图2是支柱的局部侧视图并示出了支柱是如何由叠层梁8构造的。示出的叠层梁具有均匀的厚度和形状，并且沿着其整个延伸长度具有相同的尺寸。考虑到锥形结构，至少使梁的一部分向上稍微逐渐变细是有利的。当然也可以使用不同长度和形状的梁。
在图3中，示出的是沿图2中III-III线的截面，可看出叠层梁8是如何并排设置的。它们是适当相互胶粘在一起的。如果这些梁具有矩形横截面，则这些梁之间将有楔形缝隙。因此，胶层在外围较厚。可选地，可以在这些缝隙内填入楔形填充物。另一种可能是形成具有稍梯形(trapetzoid)的横截面的梁。
支柱8的壁在其外侧上涂有保护涂层(protecting covering)10。该涂层适宜是玻璃纤维环氧树脂型的复合材料，并且其包括，例如，玻璃纤维、碳纤维或天然纤维。在壁的内侧上具有相应的涂层11。为清楚起见，图2中省略了涂层10。
图4示出了对应于图3的截面，在该实施例中支柱8的壁由外层12和内层13构成。每层都由叠层梁8以与图3中类似的方式构成。这两层互相胶粘在一起。
图5示出了当支柱8的壁以图4所示的两层构造时叠层梁的方向。梁8在竖直平面上横向地倾斜并且在两层中的方向相反，因此它们相互交叉。
图6示出了支柱，其由四块不同的部分14-17彼此层叠布置组成。该支柱以几部分的形式被运送至工地，然后在那里用合适的接头组装。
图7示出了支柱2是如何由多个撑条18支撑的。

Claims (15)

1.一种风力发电设备，包括：涡轮机，具有竖直涡轮轴(3)；发电机(6)，连接至所述涡轮机；以及竖直空心支柱(2)，支撑所述涡轮机，其特征在于，所述支柱(2)的材料主要是木材，所述支柱(2)包括主要方向分量是竖直方向的叠层梁(8)，这些梁具有梯形横截面并且至少一部分梁向上逐渐变细，所述支柱(2)的外侧上涂有复合材料的保护涂层，所述复合材料包含纤维材料，所述支柱(2)具有下端和上端，所述支柱(2)在水平面中的横截面面积根据其与所述下端的距离而变化，从而所述支柱(2)下半区的横截面面积的平均值大于所述支柱(2)上半区的横截面面积的平均值，所述支柱(2)在靠近其下端的横截面面积是所述支柱在靠近其上端的横截面面积的5-15倍，并且所述支柱(2)的横截面面积至少沿着其高度的大部分从下而上连续减小。
2.根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，所述支柱(2)至少沿着其高度的大部分呈截锥形。
3.根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，至少有一些叠层梁(8)具有沿所述支柱(2)的圆周方向延伸的方向分量。
4.根据权利要求3所述的风力发电设备，其特征在于，所述支柱(2)由至少两层(12、13)叠层梁(8)构成，其中一层(12)叠层梁(8)沿所述支柱(2)的圆周方向具有方向分量，该方向分量与最接近相邻层(13)中的叠层梁(8)在相应圆周位置处沿所述支柱(2)的圆周方向上的方向分量相反。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的风力发电设备，其特征在于，所述支柱(2)由多个竖直分布的部分(14-17)组成。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的风力发电设备，其特征在于，其包括容器(7)，所述容器(7)设置于所述支柱的上端附近，所述容器被设置成能够容纳可变数量的材料。
7.根据权利要求6所述的风力发电设备，其特征在于，所述容器(7)被设置成能够容纳颗粒材料。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的风力发电设备，其特征在于，所述支柱(2)的高度至少是30m。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的风力发电设备，其特征在于，所述支柱由撑条(18)支撑。
10.根据权利要求9所述的风力发电设备，其特征在于，所述撑条(18)的数量至少是3个。
11.一种支柱(2)，用于具有竖直轴的产生电能的风力发电设备，其特征在于，所述支柱(2)包括根据权利要求1-8中任一项所述的风力发电设备中的所述支柱(2)所限定的特征。
12.根据权利要求1-10中任一项所述的风力发电设备的使用，用于产生电能。
13.一种制造支柱的方法，意在将所述支柱构造进具有竖直涡轮轴的风力发电设备中，其特征在于，所述支柱主要由木材建造，并且至少部分地由主要方向分量为竖直方向的叠层梁建造，这些梁具有梯形横截面并且至少一部分梁向上逐渐变细，将支柱的外侧上涂覆复合材料的保护涂层，所述复合材料包括纤维材料，所述支柱(2)具有下端和上端，并且建造使得所述支柱(2)在水平面中的横截面面积根据其与所述下端的距离而变化，从而所述支柱(2)下半区的横截面面积的平均值大于所述支柱(2)上半区的横截面面积的平均值，并且使得所述支柱(2)在靠近其下端的横截面面积是所述支柱在靠近其上端的横截面面积的5-15倍，并且使得所述支柱(2)实现了横截面面积至少沿着其高度的大部分从下而上连续减小。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述支柱被制造为多个部分，这些部分彼此层叠布置以便向上竖起风力发电设备。
15.根据权利要求13-14中任一项所述的方法，其特征在于，制造所述支柱，从而赋予其根据权利要求2-8中任一项所述的风力发电设备中的所述支柱所限定的特征。
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