Mast für eine Windturbine

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mast für eine Windturbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Masten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13. Der gattungsgemäße Mast verjüngt sich nach oben und umfaßt mindestens zwei übereinander angeordnete ringförmige Mastabschnitte, wobei ein jeder der ringförmigen Mastabschnitte aus einem Mehrzahl von vorfertigbaren Teilen besteht, von denen zumindest einige einen gekrümmten Abschnitt aufweisen.

Beispiele für Masten der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus der EP 1 474 579 Bl bekannt. Die vorfertigbaren Wandteile können beispielsweise aus Beton, Verbundmaterialien, Stahl oder anderen Materialien hoher Festigkeit bestehen.

Durch das Vorfertigen der Teile können die Teile effizienter in einer speziell dazu eingerichteten Umgebung hergestellt werden, und es läßt sich im allgemeinen eine bessere Qualität gewährleisten. Die Größe der vorfertigbaren Wandteile kann dabei so gewählt werden, daß ihre Abmessungen und ihr Gewicht einen einfachen Transport gestatten, für den keine spezielle Genehmigung eingeholt werden muß und keine spezielle Eskorte benötigt wird. Durch Verwendung vorgefertigter Teile läßt sich somit eine hohe Qualität bei relativ geringen Kosten erreichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellungskosten für einen Mast der eingangs genannten Art weiter zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einem Masten erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest die gekrümmten Abschnitte von vorfertigbaren Wandteilen in verschiedenen ringförmigen Mastabschnitten zumindest im Querschnitt identisch sind. Ferner wird sie durch ein Verfahren nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Es ist klar, daß zumindest ein Teil der Wandteile gekrümmt sein muß, um ringförmige Mastabschnitte bilden zu können. Außerdem soll sich der Mast gattungsgemäß nach oben verjüngen, so daß in unterschiedlichen ringförmigen Mastabschnitten zumindest teilweise unterschiedliche Wandteile verwendet werden müssen. Die naheliegende Art, dies zu erreichen, besteht darin, in den unterschiedlichen ringförmigen Mastabschnitten mit zunehmender Höhe Wandteile mit zunehmender Krümmung zu verwenden, damit der Durchmesser der ringförmigen Mastabschnitte mit zunehmender Höhe abnehmen kann.

Allerdings sind gerade die gekrümmten Wandteile aufwendig herzustellen. Wenn die Wandteile beispielsweise durch Betonguß hergestellt werden, wird eine vollständig geschlossene und daher relativ teure Form benötigt. Da im Stand der Technik die gekrümmten Abschnitte in unterschiedlichen ringförmigen Mastabschnitten unterschiedlich sind, wird mindestens eine solche vollständig geschlossene und teure Form für jeden ringförmigen Mastabschnitt benötigt, was die Kosten erhöht.

Wenn die Wandteile hingegen aus Stahl bestehen, müssen Stahlteile für unterschiedliche ringförmige Mastabschnitte mit unterschiedlichen Radien gebogen werden, was ebenfalls die Kosten erhöht.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung hingegen sind zumindest die gekrümmten Abschnitte von vorfertigbaren Wandteilen in verschiedenen ringförmigen Abschnitten zumindest im Querschnitt identisch. Beispielsweise können in einer Ausführungsform der Erfindung sämtliche gekrümmte Wandteile im gesamten Turm bzw. Mast identisch sein. Falls die Wandteile aus Beton bestehen, würde dann lediglich eine vollständig geschlossene Form benötigt. Die Verjüngung des Mastes nach oben könnte dann durch geeignete Wahl von ebenen Wandteilen erreicht werden die sich in unterschiedlichen ringförmigen Wandabschnitte unterscheiden, wie unten anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert wird. Dies stellt insgesamt einen großen Effizienzgewinn dar, da die Formen für ebene Wandteile sehr viel einfacher aufgebaut sind und eine Mehrzahl von Formen für ebene Wandteile daher die Herstellungskosten nur geringfügig erhöhen. Zu dem können ebene Formen auch variabel ausgestaltet werden, so daß mit einer variablen Form ebene Wandteile unterschiedlicher Größe hergestellt werden können.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf ein solches Ausfuhrungsbeispiel beschränkt, sondern eine wesentliche Effizienzsteigerung kann bereits dann erzielt werden, wenn die Wandteile unterschiedlicher Mastabschnitte zumindest in ihren gekrümmten Abschnitten übereinstimmen, jedoch möglicherweise voneinander verschiedene ebene Abschnitte haben. Denn es ist möglich, eine Form herzustellen, die einen unveränderlichen geschlossenen Abschnitt zum Ausbilden des gekrümmten Abschnitts und einen variablen Abschnitt zum Ausbilden ebener Wandteilabschnitte unterschiedlicher Form und Größe umfaßt. Auch in einem solchen Fall würde für den gesamten Mast nur eine einzige Form zum Herstellen der gekrümmten Wandteile benötigt, so daß die Herstellungskosten wesentlich gesenkt werden können.

Schließlich kann es ausreichen, daß die gekrümmten Abschnitte von Wandteilen unterschiedlicher Mastabschnitte im Querschnitt identisch sind. D.h., die Herstellung wird nur unwesentlich komplizierter, wenn die Wandteile in unterschiedlichen ringförmigen Mastabschnitten bei identischem Querschnitt eine unterschiedliche Länge in Längsrichtung des Mastes haben.

Insofern wird die eingangs erwähnte Effizienzsteigerung durch die Erfindung bereits dann erreicht, wenn zumindest die gekrümmten Abschnitte von vorfertigbaren Wandteilen in verschiedenen ringförmigen Mastabschnitten zumindest im Querschnitt identisch sind.

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform sind die gekrümmten Abschnitte der vorfertigbaren Wandteile im Querschnitt bogenförmig. Der Begriff "bogenförmig" ist nicht auf Anordnungen mit konstantem Krümmungsradius beschränkt, sondern dient der Abgrenzung gegenüber Wandteilen mit einer einfach geknickten Struktur.

Vorzugsweise haben die ringförmigen Mastabschnitte im Querschnitt die Form eines Polygons mit bogenförmigen Ecken. Dabei weist das Polygon vorzugsweise zwischen 3 und 6 bogenförmige Ecken auf.

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform besteht ein jeder ringförmiger Mastabschnitt aus abwechselnd angeordneten gekrümmten Wandteilen und ebenen Wandteilen, wobei die gekrümmten Wandteile in unterschiedlichen ringförmigen Mastabschnitten identisch sind. Zumindest ein Teil der ebenen Wandteile sind dabei vorzugsweise im wesentlichen trapezförmig, und die trapezförmigen ebenen Wandteile sind innerhalb eines ringförmigen Mastabschnitts vorzugsweise identisch. Die trapezförmigen ebenen Wandteile sind dabei Vorzugs-

weise so bemessen, daß angrenzende Ränder von trapezförmigen Wandteilen zweier benachbarter ringförmiger Mastabschnitte gleich lang sind.

Bei dieser Ausführungsform sind also die gekrümmten Wandteile in unterschiedlichen ringförmigen Mastabschnitten identisch und können mit derselben Form hergestellt werden, obwohl sich der Mast in unterschiedlichen ringförmigen Mastabschnitten mit zunehmender Höhe verjüngt. Die Verjüngung des Mastes wird durch die Form der ebenen Wandteile erreicht, die daher in unterschiedlichen ringförmigen Wandabschnitten im allgemeinen nicht identisch sind. Wie eingangs erläutert, führt jedoch der Bedarf für ebene Wandteile unterschiedlicher Form zu keiner wesentlichen Erhöhung der Herstellungskosten.

Vorzugsweise sind die Nahtstellen zwischen angrenzenden ebenen Wandteilen zweier benachbarter ringförmiger Mastabschnitte in Längsrichtung des Mastes gegenüber den Nahtstellen zwischen angrenzenden gekrümmten Wandteilen der benachbarten ringförmigen Mastabschnitte versetzt. Dadurch wird eine Verzahnung erreicht, durch die die Stabilität des Mastes beispielsweise gegenüber starkem Winddruck erhöht wird.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung sind die ebenen Wandteile in dem untersten Mastabschnitt des Mastes in Längsrichtung des Mastes entweder kürzer oder länger als die gekrümmten Wandteile, die ebenen Wandteile in dem obersten Mastabschnitt entsprechend länger bzw. kürzer als die gekrümmten Wandteile und die ebenen Wandteile in den dazwischen liegenden ringförmigen Mastabschnitte genau so lang wie die gekrümmten Wandteile. Auf diese Art läßt sich die oben genannte Verzahnung sehr einfach erreichen, ohne daß der Herstellungsprozeß nennenswert komplizierter würde.

In einer alternativen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung hat zumindest ein Teil der Wandteile einen gekrümmten Abschnitt und einen im wesentlichen trapezförmigen ebenen Abschnitt. Bei diesen Wandteilen können dann die trapezförmigen Abschnitte je nach ringförmigem Mastsegment, in dem sie zu verwenden sind, variiert werden, um so zu einer Verjüngung des Mastes zu führen, während der gekrümmte Abschnitt wie eingangs erwähnt unverändert bleibt. Diese Ausführungsform ist ein Beispiel für eine Anordnung, in der bei einer Betonausführung eine einzige Gußform verwendet werden kann, die bezüglich der ebenen Abschnitte variabel ist, oder bei einer Stahlausführung eine identische Biegeeinrichtung für die Stahlwandteile verwendet werden kann.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der die Prinzipien der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert werden, von denen

Fig. IA einen Querschnitt durch einen Mast nach einer ersten Ausführungsform der

Erfindung entlang der Linie A-A von Fig. IB zeigt,

Fig. IB eine Längsschnittansicht des Mastes der ersten Ausführungsform zeigt,

Fig. IC eine Seitenansicht des Mastes der ersten Ausführungsform zeigt,

Fig. ID eine perspektivische Ansicht des Mastes der ersten Ausführungsform zeigt,

Fig. 2A und 2B perspektivische Ansichten des gekrümmten Wandteils des Mastes der ersten Ausführungsform zeigen, Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der ebenen Wandteile des Mastes der ersten

Ausführungsform zeigt, Fig. 4A und 4B eine Draufsicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines Mastes nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt, Fig. 5A bzw. 5B eine Draufsicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines Mastes nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 6A bis 6D Beispiele für Querschnitte von gekrümmten Wandteilen zeigen und Fig. 7A bzw. 7B eine Draufsicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines Mastes nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

In Fig. 1 ist eine erste Ausfuhrungsform eines Mastes 10 für eine Windturbine nach einer Weiterbildung der Erfindung gezeigt. Insbesondere zeigt Fig. IA einen Querschnitt des Mastes 10 entlang der Linie A-A von Fig. IB, Fig. IB einen Längsschnitt des Mastes 10, Fig. IC eine Seitenansicht des Mastes 10 und Fig. ID eine perspektivische Ansicht des Mastes 10.

Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, besteht der Mast 10 aus fünf übereinander angeordneten ringförmigen Mastabschnitten 12, 14, 16, 18 und 20. Die Durchmesser der ringförmigen Mastabschnitte 12 bis 20 nehmen von unten nach oben ab, so daß sich der Mast 10 insgesamt von unten nach oben verjüngt. Auf dem obersten ringförmigen Mastabschnitt 20 ist ein Adapter 22 angeordnet, der dazu geeignet ist, einen angrenzenden Stahlrohrabschnitt oder die Gondel der Windturbine zu halten.

Die ringförmigen Mastabschnitte 12 bis 20 haben den Querschnitt eines Vierecks mit abgerundeten Ecken. Jeder der ringförmigen Mastabschnitte 12 bis 20 besteht aus vier gekrümmten Wandteilen A und vier ebenen Wandteilen B (im untersten Mastabschnitt 12), C (im Mastabschnitt 14), D (im Mastabschnitt 16), E (im Mastabschnitt 18) bzw. F (im obersten Mastabschnitt 20). Die gekrümmten Wandteile A sind in Fig. 2 perspektivisch gezeigt und die ebenen Wandteile B bis F in Fig. 3 perspektivisch gezeigt.

Man beachte, daß die gekrümmten Wandteile A in sämtlichen ringförmigen Mastabschnitten 12 bis 20 identisch sind. Wenn die Wandteile A bis F beispielsweise aus Beton sind, wird daher nur eine einzige geschlossene Form benötigt, um die gekrümmten Wandteile A herzustellen.

Die ebenen Wandteile B bis F sind innerhalb ein und desselben ringförmigen Mastabschnitts 12 bis 20 identisch, aber ihre Breite nimmt mit zunehmender Höhe des zugehörigen ringförmigen Mastabschnitts ab, wodurch die sich verjüngende Form des Masts 10 als Ganzes erreicht wird.

Wie besonders in Fig. 3 zu sehen ist, sind die ebenen Wandteile B bis F trapezförmig, und die kurze Trapezseite ist stets genau so lang wie die lange Trapezseite des ebenen Wandteils im darüber liegenden ringförmigen Mastabschnitt.

Wie ferner in Fig. 3 zu sehen ist, sind die ebenen Wandteile C, D, E der mittleren ringförmigen Wandabschnitte 14, 16 bzw. 18 in Längsrichtung des Mastes 10 betrachtet gleich lang, und ihre Länge entspricht der Länge der gekrümmten Wandteile A. Die ebenen Wandteile B des untersten ringförmigen Mastabschnitts 12 sind etwas länger und die ebenen Wandab- schnitte F des obersten ringförmigen Mastabschnitts 20 entsprechend etwas kürzer als die übrigen Wandteile A, C, D und E. Wie Fig. IB bis ID zu entnehmen ist, führt dies dazu, daß die Nahtstellen zwischen angrenzenden ebenen Wandteilen zweier benachbarter ringförmiger Mastabschnitte in Längsrichtung des Mastes 10 versetzt sind gegenüber den Nahtstellen zwischen angrenzenden gekrümmten Wandteilen der benachbarten ringförmigen Mastabschnitte. Dadurch ergibt sich eine verzahnte Naht, die die Stabilität des Masts 10 erhöht.

Möglichkeiten zum Verbinden von Wandteilen A bis F sind beispielsweise aus der EP 1 474 579 Bl bekannt und werden daher hier nicht beschrieben.

In Fig. 4A ist eine Draufsicht und in Fig. 4B eine perspektivische Ansicht einer zweiten Aus- ftihrungsform 24 eines Mastes für eine Windturbine gezeigt. Der Mast 24 besteht aus ringförmigen Mastabschnitten 26, 28 und 30 und einem Adapter 32, der an den obersten ringförmigen Mastabschnitt 30 anschließt. Der Aufbau des Mastes 24 ist demjenigen von Fig. 1 ähnlich, außer daß die ringförmigen Mastabschnitte 26, 28 und 30 im Querschnitt die Form eines Dreiecks mit abgerundeten bzw. bogenförmigen Ecken haben. Ein jeder ringförmiger Mastabschnitt 26, 28, 30 wird aus drei gekrümmten Wandteilen 34, die für den gesamten Mast 24 identisch sind, und drei ebenen Wandabschnitten 36, 38, 40, gebildet, die innerhalb eines jeden ringförmigen Mastabschnittes identisch sind, aber in unterschiedlichen Mastabschnitten 26, 28, 30 verschieden sind, ähnlich wie beim Mast 10 von Fig. 1.

In Fig. 5A und 5B ist ein Mast 42 nach einer dritten Ausführungsform in einer Draufsicht bzw. einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Der Aufbau ist ähnlich demjenigen der Masten 10 und 24, außer daß die ringförmigen Mastabschnitte (von denen in Fig. 5 nur einer gezeigt ist) im Querschnitt die Form eines Fünfecks mit abgerundeten Ecken aufweisen. Ansonsten ähnelt der Aufbau des Mastes 42 denjenigen der Masten 10 und 24, so daß eine weitere Beschreibung ausgelassen wird.

In Fig.6A bis 6D sind unterschiedliche Querschnittsformen für gekrümmte Wandteile gezeigt. Die gekrümmten Wandteile können eine gleichförmige Krümmung haben, d.h. im Querschnitt die Form eines Kreissegmentes aufweisen (Fig. 6A) oder eine Krümmung, die in Um- fangsrichtung des Wandteils veränderlich ist, wie dies in Fig. 6D gezeigt ist. Ferner können die gekrümmten Wandteile gekrümmte Abschnitte und gerade Abschnitte aufweisen, wie dies in Fig. 6C gezeigt ist. Das Wandteil von Fig. 6C hat zwei bogenförmige gekrümmte Abschnitte, die durch die Krümmungsradien R gekennzeichnet sind, mit dazwischen liegenden ebenen Abschnitten. Das Wandteil von Fig. 6B besteht aus geraden Abschnitten mit dazwischen liegenden Winkeln.

Sämtliche Wandteile von Fig. 6A bis 6D werden in der vorliegenden Beschreibung als zumindest näherungsweise "bogenförmig" angesehen, selbst das Wandteil von Fig. 6B, da es durch seine drei Knickstellen einer Bogenform im engeren Sinne nahe kommt. Auch ein gekrümmtes Wandteil mit zwei Knickstellen und dazwischenliegenden ebenen Abschnitten würde als "bogenförmig" bezeichnet werden. Nicht als bogenförmig hingegen würde ein ein-

fach geknicktes Wandteil angesehen werden, welches lediglich zwei ebene Abschnitte aufweist, die im Winkel zueinander angeordnet sind.

In Fig. 7 A und 7B ist als vierte Ausführungsform ein Mast 44 in einer Draufsicht bzw. einer perspektivischen Ansicht gezeigt.

Man beachte, daß der Mast 44 von Fig. 7A und 7B in seiner Gesamtform mit dem Mast 24 von Fig. 4A und 4B identisch ist und sich lediglich durch die Form der Wandteile unterscheidet. Der Mast 44 hat drei ringförmige Mastabschnitte 46, 48 und 50. Der unterste ringförmige Mastabschnitt 46 besteht aus drei gleichartigen Wandteilen 52, die jeweils einen gekrümmten Abschnitt 54 und zwei ebene Abschnitte 56 umfassen. Eine virtuelle Grenzlinie zwischen dem gekrümmten Abschnitt 54 und den ebenen Abschnitten 56 ist durch eine gestrichelte Linie 58 angedeutet.

Auf ähnliche Weise besteht der mittlere ringförmige Mastabschnitt 48 aus drei gleichartigen Wandteilen 60, die jeweils einen gekrümmten Abschnitt 62 und zwei daran angrenzende ebene Abschnitte 64 aufweisen. Schließlich besteht der oberste ringförmige Mastabschnitt 50 aus drei gleichartigen Wandteilen 66, die jeweils einen gekrümmten Abschnitt 68 und zwei daran angrenzende ebene Abschnitte 70 aufweisen.

Durch Vergleich mit Fig. 4 erkennt man, daß die gekrümmten Abschnitte 54, 62 und 68 der Wandteile 52, 60 bzw. 66 den gekrümmten Wandteilen 34 von Fig. 4 entsprechen. Die ebenen Abschnitte 56, 64 und 70 der Wandteile 52, 60 bzw. 66 sind trapezförmig und entsprechen jeweils der Hälfte der trapezförmigen ebenen Wandteile 36, 38 bzw. 40 von Fig. 4.

Da die Wandteile 52, 60 und 66 jeweils identische gekrümmte Abschnitte 54, 62 bzw. 68 haben, können sie sehr effizient hergestellt werden. Wenn es sich beispielsweise bei den Wandteilen 52, 60 und 66 um Stahlteile handelt, ist der Biegevorgang bei ihrer Herstellung identisch. Wenn es sich bei den besagten Wandteilen um gegossene Betonteile handelt, kann für sämtliche Teile eine einzige Grundform verwendet werden, die zwischen den Gußvorgängen lediglich in einer Weise modifiziert werden muß, daß sich unterschiedlich große ebene Wandabschnitte 56, 64 bzw. 70 ergeben. Eine solche Modifikation ist für den Fachmann relativ einfach und kosteneffizient vorzunehmen. Ungleich schwieriger wenn nicht ausgeschlossen wäre es jedoch, eine Form zu modifizieren, bei der sich die gekrümmten Abschnitte, bei-

spielsweise die Krümmungsradien variieren lassen. Statt dessen würde man zur Herstellung von Wandteilen mit unterschiedlichen Krümmungsradien unterschiedliche Formen bereitstellen, was die Herstellungskosten erhöht.

Die hier beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in Kombination von Bedeutung sein.

Obgleich in den Zeichnungen und in der vorhergehenden Beschreibung bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele aufgezeigt und detailliert beschrieben wurden, sollte dies als rein beispielhaft und die Erfindung nicht einschränkend angesehen werden. Es wird daraufhingewiesen, daß nur bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben wurden, und daß sämtliche Veränderungen und Modifizierungen, die derzeitig und künftig im Umfang der anhängenden Ansprüche liegen, geschützt werden sollen.

Bezugszeichenliste

Mast für eine Windturbine Erster ringförmiger Mastabschnitt Zweiter ringförmiger Mastabschnitt Dritter ringförmiger Mastabschnitt Vierter ringförmiger Mastabschnitt Fünfter ringförmiger Mastabschnitt Adapter Mast für eine Windturbine Erster ringförmiger Mastabschnitt Zweiter ringförmiger Mastabschnitt Dritter ringförmiger Mastabschnitt Adapter Gekrümmtes Wandteil 0 Ebene Wandteile Mast für eine Windturbine Mast für eine Windturbine Erster ringförmiger Mastabschnitt Zweiter ringförmiger Mastabschnitt Dritter ringförmiger Mastabschnitt Gekrümmtes Wandteil Gekrümmter Abschnitt des Wandteils 52 Ebener Abschnitt des Wandteils 52 Grenzlinie zwischen ebenem und gekrümmtem Abschnitt Gekrümmtes Wandteil Gekrümmter Abschnitt des Wandteils 60 Ebener Abschnitt des Wandteils 60 Gekrümmtes Wandteil Gekrümmter Abschnitt des Wandteils 66 Ebener Abschnitt des Wandteils 66