AT523137A1

AT523137A1 - Wooden tower for wind turbines

Info

Publication number: AT523137A1
Application number: ATA347/2019A
Authority: AT
Inventors: Froh Carlo
Original assignee: Froh Carlo
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2021-05-15
Also published as: EP4051854A1; WO2021083976A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Holzturm (1) aus Leimholzbinder für Windenergieanlagen (15) bestehend aus Trägern (2), die wiederum aus Trägersegmenten (4) bestehen, Stabilisationsringen (3) aus Leimholzbinder, den dazugehörigen Verbindungselementen (5) und dem Verbindungsadapter (12) zwischen Turm (1) und Gondel (11). Die Gesamtkonstruktion ist ausgelegt um den statischen und dynamischen Belastungen einer Multi-Megawatt Windenergieanlage (15) über eine Betriebszeit von mindestens 20 Jahren stand zu halten und sich dabei möglichst schwingungsdämpfend zu verhalten. Durch Vermeidung von horizontalen Flächen und Kanten wird die Bildung von Staunässe vermieden und ein größtmöglicher Holzschutz bei gleichzeitig minimierter chemischer Behandlung ermöglicht.The invention relates to a wooden tower (1) made of laminated timber for wind turbines (15) consisting of girders (2), which in turn consist of girder segments (4), stabilization rings (3) made of laminated timber, the associated connecting elements (5) and the connection adapter (12) between tower (1) and gondola (11). The overall construction is designed to withstand the static and dynamic loads of a multi-megawatt wind turbine (15) over an operating time of at least 20 years and to act as vibration-damping as possible. By avoiding horizontal surfaces and edges, the formation of waterlogging is avoided and the greatest possible wood protection is made possible while chemical treatment is minimized at the same time.

Description

description

Holzturm für Windenergieanlagen Wooden tower for wind turbines

Erfinder: Carlo Froh 6020 Innsbruck Inventor: Carlo Froh 6020 Innsbruck

Zusammenfassung: Die Erfindung betrifft einen Holzturm (1) aus Leimholzbinder für Windenergieanlagen (15). Der Turm (1) besteht aus Trägern (2), die sich paarweise gegenläufig helixförmig vom Turmfuß zum Turmkopf winden. Jeder Träger (2) besteht aus Segmenten (4), die durch Verbindungselemente (5) miteinander verbunden werden. An den Schnittebenen der Träger (2) befinden sich Ringe (3) aus Leimholzbinder, die der Gesamtkonstruktion zusätzliche Steifigkeit gegenüber Schub- und Torsionsbelastungen verleihen. Summary: The invention relates to a wooden tower (1) made of laminated timber for wind energy plants (15). The tower (1) consists of girders (2) which wind in pairs in opposite directions in a helical manner from the base of the tower to the top of the tower. Each carrier (2) consists of segments (4) which are connected to one another by connecting elements (5). At the cutting planes of the beams (2) there are rings (3) made of laminated timber, which give the overall construction additional rigidity against shear and torsional loads.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, dass die Trägersegmente (4) sich mit hinreichender Präzision und geringem technischen und zeitlichen Aufwand zu der gesamten Turmstruktur zusammensetzen lassen. The object of the invention is that the carrier segments (4) can be assembled with sufficient precision and with little technical effort and time to form the entire tower structure.

Bezeichnungsliste Designation list

Holzturm 1 Träger 2 Ring 3 Trägersegment 4 Verbindungselement 5 Wooden tower 1 girder 2 ring 3 girder segment 4 connecting element 5

Stahlhülse Verbindungselement 6 Steel sleeve connecting element 6

Stahlblech Verbindungselement 7 Sheet steel connecting element 7

Stahlbolzen 8 Steel bolt 8

Stahlhülse Auflager 9 Steel sleeve support 9

Stahlblech Auflager 10 Gondel 11 Verbindungsadapter 12 Rotorblatt 13 Fundament 14 Windenergieanlage 15 Sheet steel support 10 Nacelle 11 Connection adapter 12 Rotor blade 13 Foundation 14 Wind turbine 15

Stahlhülse Verbindungsadapter 16 Stahlblech Verbindungsadapter 17 Steel sleeve connection adapter 16 Sheet steel connection adapter 17

Turmaußenseite 18 Tower outside 18

Die Beschreibung enthält Zitate (DE 10 2007 006 652 A1). The description contains quotations (DE 10 2007 006 652 A1).

[2] Jeder einzelne Träger (2) besteht aus Segmenten (4). An den Schnittstellen zweier Träger (2) sind die einzelnen Segmente (4) und die Segmente (4) des schneidenden Trägers (2) miteinander mit Hilfe von Stahlhülsen (6) oder Stahlblechen (7) und Stahlbolzen (8) verbunden. [2] Each individual carrier (2) consists of segments (4). At the interfaces of two beams (2), the individual segments (4) and the segments (4) of the cutting beam (2) are connected to one another with the help of steel sleeves (6) or steel sheets (7) and steel bolts (8).

[3] Die Verbindung zum Fundament (14) erfolgt über Stahlhülsen (9) oder Stahlbleche (10), die mit dem Stahlbeton des Fundaments (14) verbunden sind. Die Anbindung des Turms mit der Gondel (11) erfolgt über einen Verbindungsadapter (12), der über Stahlhülsen (16) oder Stahlbleche (17) und Stahlbolzen (8) mit dem Turmkopf verbunden ist. The connection to the foundation (14) is made via steel sleeves (9) or steel sheets (10), which are connected to the reinforced concrete of the foundation (14). The tower is connected to the nacelle (11) via a connection adapter (12) which is connected to the tower head via steel sleeves (16) or steel sheets (17) and steel bolts (8).

[4] Beieiner WEA handelt es sich um eine Vorrichtung, die mittels eines Generators die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umwandelt. Eine WEA besteht aus einem Fundament (14), einem Turm, der auf dem Fundament (14) errichtet wird und einer Gondel (11), die auf dem Turm angebracht wird. An der Gondel (11) wird ein Rotor angebracht, der mit der Antriebseinheit verbunden ist und in der Regel aus drei Rotorblättern (13) und der Aufnahme dafür, auch Stern genannt, besteht. [4] A wind turbine is a device that uses a generator to convert the kinetic energy of the wind into electrical energy. A wind turbine consists of a foundation (14), a tower that is erected on the foundation (14) and a gondola (11) that is attached to the tower. A rotor is attached to the nacelle (11), which is connected to the drive unit and usually consists of three rotor blades (13) and the receptacle for them, also known as a star.

[5] Die Konstruktion des Turms (1) ist für die statischen und dynamischen Belastungen einer im Betrieb befindlichen Windenergieanlage ausgelegt. [5] The construction of the tower (1) is designed for the static and dynamic loads of a wind turbine in operation.

Bekannte Türme werden entweder aus Stahlzylindern, Betonelementen, Kombinationen aus beidem oder aus Stahlgittern hergestellt. Die Grundflächen der Türme sind entweder Kreisringe oder Polygone. Es ist bekannt, Türme für WEA ebenfalls aus Holz zu errichten (DE 10 2007 006 652 A1). Known towers are made either from steel cylinders, concrete elements, combinations of both or from steel grids. The bases of the towers are either circular rings or polygons. It is known to also build towers for wind turbines from wood (DE 10 2007 006 652 A1).

[6] Da mit steigender Höhe die Windstärke und somit der Ertrag einer WEA zunimmt, ist es aus wirtschaftlicher Sicht sinnvoll, WEA so hoch wie möglich zu errichten. Mit zunehmender Höhe steigen gleichzeitig die statischen Anforderungen an die Türme, sodass auch die Materialstärken, Fertigungs- und Errichtungsaufwände zunehmen. [6] Since the wind strength and thus the yield of a wind turbine increase with increasing altitude, it makes sense from an economic point of view to build wind turbines as high as possible. With increasing height, the structural requirements on the towers increase at the same time, so that the material thickness, production and construction costs also increase.

[7] Ein dabei entscheidender Aspekt bei Türmen, die aus abschnittsweise angeordneten Segmenten gebildet werden, ist, dass die horizontalen Berührungsflächen der übereinander angeordneten Segmente empfindlich für Schubbelastungen bzw. Querkräfte sind. Dieses muss in der Statik der Türme berücksichtigt werden, damit diese Sollbruchstellen entschärft werden, was zu verstärktem Materialeinsatz führt und insbesondere einen Einsatz von aufwändigen Verbindungsmitteln bedingt. [7] A crucial aspect in towers that are formed from segments arranged in sections is that the horizontal contact surfaces of the segments arranged one above the other are sensitive to shear loads or transverse forces. This must be taken into account in the statics of the towers so that these predetermined breaking points are defused, which leads to increased use of material and, in particular, requires the use of complex fasteners.

[8] Aufgabe der Erfindung ist es daher, Türme für WEA bereit zu stellen, bei denen es unter Berücksichtigung der vorgenannten Querkraft- bzw. Schubbelastungsproblematik möglich ist, die Konstruktionshöhe zu vergrößern und gleichzeitig Material gegenüber bekannten Türmen einzusparen und/ oder die Herstellungskosten zu senken. The object of the invention is therefore to provide towers for wind turbines in which it is possible, taking into account the aforementioned transverse force or shear load problems, to increase the construction height and at the same time save material compared to known towers and / or reduce manufacturing costs .

[9] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Träger (2) helixförmig angeordnet sind und einzelne Trägersegmente (4) durch vorgenannte Stahlhülsen (6) oder Stahlbleche (7) und Holzringe (3) miteinander verbunden sind. Die Schub- und Querbelastungen auf einzelne Träger (2) können so von weiteren Trägern (2) aufgenommen werden, was zu einer stabilen und steifen Turmkonstruktion führt. The object of the invention is achieved in that the carriers (2) are arranged in a helix and individual carrier segments (4) are connected to one another by the aforementioned steel sleeves (6) or steel sheets (7) and wooden rings (3). The shear and transverse loads on individual girders (2) can thus be absorbed by other girders (2), which leads to a stable and rigid tower construction.

[10] Eine weiter Aufgabe der Erfindung ist es, dass sich die Trägersegmente (4) und die Ringe (3) mit hinreichender Präzision und geringem technischen und zeitlichen Aufwand zu der gesamten Turmstruktur zusammensetzen lassen. A further object of the invention is that the carrier segments (4) and the rings (3) can be assembled with sufficient precision and little technical effort and time to form the entire tower structure.

[11] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass sich die Trägersegmente (4) ohne Hilfe von Schwerlasttransporten zum Einsatzort transportieren und sich anschließend mit Hilfe von Mittellastkränen zusammensetzen lassen. [11] The object of the invention is achieved in that the carrier segments (4) can be transported to the place of use without the aid of heavy-duty transports and can then be assembled with the aid of medium-load cranes.

[12] Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass ausschließlich Holzarten verwendet werden, die für den Außeneinsatz zugelassen sind. Um den Ökologischen und ökonomischen Mehrwert zu vergrößern, werden bevorzugt Nadelhölzer verwendet, da diese gegenüber Laubhölzern schneller wachsen und vor allem in den nördlichen Breiten häufig vorkommen. [13] Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass das Holz keine äußeren Anstriche besitzt. Durch steil stehende Träger (2) und die Vermeidung von nach oben offenen Kanten wird ein schnelles Abrinnen von Wasser gewährleistet, sodass sich keine für das Holz schädliche Staunässe bilden kann. Da die Konstruktion luftdurchlässig ist, tragen Winde ebenfalls zu einer raschen Verdunstung von Feuchtigkeit bei. Another teaching of the invention provides that only types of wood are used that are approved for outdoor use. In order to increase the ecological and economic added value, softwoods are preferred, as these grow faster than hardwoods and are particularly common in northern latitudes. Another teaching of the invention provides that the wood has no external paint. The steeply standing supports (2) and the avoidance of edges that are open at the top ensure that water drains off quickly so that no waterlogging that is harmful to the wood can form. Since the construction is air-permeable, winds also contribute to the rapid evaporation of moisture.

[14] Nachfolgend wird die Konstruktion anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei [14] The construction is explained in more detail below with the aid of drawings. There

zeigt: [15] Fig. 1: eine räumliche Ansicht einer WEA mit einem erfindungsgemäßen Turm (1), [16] Fig. 2: eine räumliche Ansicht des erfindungsgemäßen Turms (1), [17] Fig. 3: eine räumliche Innenansicht nach oben des erfindungsgemäßen Turms (1), [18] Fig. 4: eine räumliche Innenansicht nach unten des erfindungsgemäßen Turms (1), [19] Fig. 5: eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turms (1), [20] Fig. 6: eine räumliche Innenansicht nach oben der alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turms (1), shows: [15] FIG. 1: a three-dimensional view of a wind turbine with a tower (1) according to the invention, [16] FIG. 2: a three-dimensional view of the tower (1) according to the invention, [17] FIG. 3: a three-dimensional interior view above of the tower (1) according to the invention, [18] FIG. 4: a spatial interior view downwards of the tower (1) according to the invention, [19] FIG. 5: an alternative embodiment of the tower (1) according to the invention, [20] FIG. 6 : a spatial interior view upward of the alternative embodiment of the tower (1) according to the invention,

[21] Fig. 7: eine räumliche Innenansicht nach unten der alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turms (1), [21] FIG. 7: a spatial interior view downward of the alternative embodiment of the tower (1) according to the invention,

[22] Fig. 8: ein Verbindungselement (5) der Trägersegmente (4) des erfindungsgemäßen Turms (1), [22] FIG. 8: a connecting element (5) of the carrier segments (4) of the tower (1) according to the invention,

[23] Fig. 9: eine Detailansicht zu Fig. 8, [23] FIG. 9: a detailed view of FIG. 8,

[24] Fig. 10: ein alternatives Verbindungselement (5) der Trägersegmente (4) des erfindungsgemäßen Turms (1), [24] FIG. 10: an alternative connecting element (5) of the carrier segments (4) of the tower (1) according to the invention,

[25] Fig. 11: eine Detailansicht zu Fig. 10, [25] FIG. 11: a detailed view of FIG. 10,

[26] Fig. 12: ein Verbindungselement (5) der Trägersegmente (4) der alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turms (1), [26] FIG. 12: a connecting element (5) of the carrier segments (4) of the alternative embodiment of the tower (1) according to the invention,

[27] Fig. 13: eine Detailansicht zu Fig. 12, [27] FIG. 13: a detailed view of FIG. 12,

[28] Fig. 14: ein alternatives Verbindungselement (5) der Trägersegmente (4) der alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turms (1), [28] FIG. 14: an alternative connecting element (5) of the carrier segments (4) of the alternative embodiment of the tower (1) according to the invention,

[29] Fig. 15: eine Detailansicht zu Fig. 14, [29] FIG. 15: a detailed view of FIG. 14,

[30] Fig. 16: ein Verbindungsadapter (12) zwischen Turm (1) und Gondel (11) des erfindungsgemäßen Turms (1), 16: a connection adapter (12) between the tower (1) and the gondola (11) of the tower (1) according to the invention,

[31] Fig. 17: eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Verbindungsadapter (12), [31] FIG. 17: a plan view of the connection adapter (12) according to the invention,

[32] Fig. 18: eine Untersicht auf den erfindungsgemäßen Verbindungsadapter (12) [33] Fig. 19: ein Verbindungsadapter (12) zwischen Turm (1) und Gondel (11) der alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turms (1), [32] FIG. 18: a bottom view of the connection adapter (12) according to the invention [33] FIG. 19: a connection adapter (12) between tower (1) and gondola (11) of the alternative embodiment of the tower (1) according to the invention,

[34] Fig. 20: eine Draufsicht zu Fig. 19, [34] FIG. 20: a plan view of FIG. 19,

[35] Fig. 21: eine Untersicht zu Fig. 19, [35] FIG. 21: a bottom view of FIG. 19,

[36] Fig. 22: ein Auflager mit Stahlblechen (10) als Verbindung mit dem Fundament (14) des erfindungsgemäßen Turms (1) [36] Fig. 22: a support with steel sheets (10) as a connection to the foundation (14) of the tower (1) according to the invention

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Scite 5°. ° : e,. ee. .. Scite 5 °. °: e ,. ee. ..

[37] Fig. 23: eine Detailansicht zu Fig. 22, [37] FIG. 23: a detailed view of FIG. 22,

[38] Fig. 24: ein alternatives Auflager mit Stahlhülse (9) als Verbindung mit dem [38] Fig. 24: an alternative support with a steel sleeve (9) as a connection with the

Fundament (14) des erfindungsgemäßen Turms (1), Foundation (14) of the tower (1) according to the invention,

[39] Fig. 25: eine Detailansicht zu Fig. 24, [39] FIG. 25: a detailed view of FIG. 24,

[40] Fig. 26: ein Auflager mit Stahlblechen (10) als Verbindung mit dem Fundament (14) der alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turms (1), [40] FIG. 26: a support with steel sheets (10) as a connection to the foundation (14) of the alternative embodiment of the tower (1) according to the invention,

[41] Fig. 27: eine Detailansicht zu Fig. 26 [41] FIG. 27: a detailed view of FIG. 26

[42] Fig. 28: ein alternatives Auflager mit Stahlhülsen (9) mit dem Fundament (14) der alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turms (1) Fig. 28: an alternative support with steel sleeves (9) with the foundation (14) of the alternative embodiment of the tower (1) according to the invention

[43] Fig. 29: eine Detailansicht zu Fig. 28. [43] FIG. 29: a detailed view of FIG. 28.

[44] Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen des Turms (1) dargestellt. Various embodiments of the tower (1) are shown below.

[45] Die Grundfläche des Turms (1) entspricht gemäß Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5 und Fig. 6 einem Polygon mit wenigstens vier Ecken, da die Träger (2) am Turmfuß paarweise zusammenlaufen und sich am Turmkopf wieder paarweise treffen. Andere polygone Grundflächen sind problemlos möglich. The base of the tower (1) corresponds to Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5 and Fig. 6 to a polygon with at least four corners, since the carrier (2) at the base of the tower converge in pairs and meet again in pairs at the top of the tower. Other polygonal areas are possible without any problems.

[46] Gemäß Fig. 2 weist der Turm (1) eine Außenseite (18) auf, die im mathematischen Sinn einer Einhüllenden-Funktion einer gedämpften Schwingung entspricht. Diese Einhüllende entspricht einer abnehmenden Exponentialfunktion. According to FIG. 2, the tower (1) has an outside (18) which, in the mathematical sense, corresponds to an envelope function of a damped oscillation. This envelope corresponds to a decreasing exponential function.

[47] Gemäß Fig. 2 verlaufen rechtsdrehende und linksdrehende Träger (2) in einer Ebene. [47] According to FIG. 2, right-handed and left-handed carriers (2) run in one plane.

[48] Gemäß Fig. 5 verlaufen rechtsdrehende Träger (2) um die Trägerstärke nach innen oder außen versetzt zu den linksdrehenden Trägern (2), sodass sich zwei Trägerebenen bilden. [48] According to FIG. 5, right-handed girders (2) run inwardly or outwardly offset by the girder thickness in relation to the left-handed girders (2), so that two girder levels are formed.

[49] Gemäß Fig. 1 und Fig. 2 schneiden sich die Träger (2) des Turms (1) an den Ebenen, an denen die Ringe (3) gemäß Fig. 12 angebracht sind. Ebenso gibt es gemäß Fig. 5 Schnittebenen, an denen die Verbindungselemente (5) untergebracht sind. According to FIGS. 1 and 2, the supports (2) of the tower (1) intersect at the planes on which the rings (3) according to FIG. 12 are attached. There are also sectional planes according to FIG. 5 in which the connecting elements (5) are accommodated.

[50] Zur Vermeidung horizontaler Kanten an denen sich Staunässe sammeln könnte, sind die Trägersegmente (4) an den Verbindungsstellen (5) um die Materialstärke der Verbindungselemente (5) aus Fig. 11 verjüngt. Dies führt zu einem bündigen Abschluss der Verbindungselemente (5) mit den Trägersegmenten (4). To avoid horizontal edges on which waterlogging could collect, the carrier segments (4) at the connection points (5) are tapered by the material thickness of the connection elements (5) from FIG. This leads to a flush termination of the connecting elements (5) with the carrier segments (4).

[51] Gemäß Fig. 19 stellt der erfindungsgemäße Verbindungsadapter (12) den Übergang zwischen dem im horizontalen Querschnitt polygonalen Turm (1) und dem kreisringförmigen Anschluss für die Gondel (11) dar. Die Verbindung des Adapters (12) mit dem Turm (1) erfolgt über Hülsen (16) oder Bleche (17), die über Bohrungen mit den Trägersegmenten (4) According to FIG. 19, the connection adapter (12) according to the invention represents the transition between the tower (1), which is polygonal in horizontal cross-section, and the circular connection for the gondola (11). The connection of the adapter (12) to the tower (1 ) takes place via sleeves (16) or sheets (17), which are connected to the carrier segments (4) via bores.

verbolzt werden. Die Verbindung zur Gondel (11) erfolgt über Flansche, deren Anzahl je nach Gondeltyp variieren kann. be bolted. The connection to the gondola (11) is made via flanges, the number of which can vary depending on the type of gondola.

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Claims

Expectations

[1] Wooden tower (1) made of laminated timber, characterized in that the tower (1) consists of helically arranged twisted girders (2) which wind in pairs in opposite directions from the tower base to the tower head.

Subclaims

[2] Wooden tower (1) according to claim [001], characterized in that the outside (18) of the tower (1) corresponds in the mathematical sense to a decreasing exponential function. [3] Wooden tower (1) according to claim [001], characterized in that the square

Beam cross-section decreases linearly with increasing height.

[4] Wooden tower (1) according to claim [001], characterized in that the individual carrier segments (4) and the carrier (2) with and with one another via steel sleeves (6) or steel sheets (7) according to the invention with the help of steel bolts (8 ) from Fig. 13, Fig. 14, Fig. 15, Fig. 16, Fig. 17, Fig. 18 and Fig. 19 are connected.

[5] Wooden tower (1) according to claim [001], characterized in that the individual carrier segments (4) are connected to the foundation (14) with steel sleeves (9) or steel sheets (10) according to the invention.

[6] Wooden tower according to claim [001] or [002], characterized in that the tower (1) is connected to the gondola (11) via steel sleeves (16) or steel sheets (17) of the connection adapter (12) according to the invention.

[7] Wooden tower according to claim [001] or [002], characterized in that rings (3) according to the invention are attached to the connection points (5) of the carrier segments (4).