KR20190031319A - 타워 세그먼트, 타워 섹션, 타워, 풍력 터빈, 및 타워 세그먼트를 제조하기 위한 그리고 타워 세그먼트를 연결하기 위한 방법 - Google Patents

타워 세그먼트, 타워 섹션, 타워, 풍력 터빈, 및 타워 세그먼트를 제조하기 위한 그리고 타워 세그먼트를 연결하기 위한 방법 Download PDF

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마르쿠스 론게루
팔코 부에르크너
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보벤 프로퍼티즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 풍력 터빈의 타워의 타워 세그먼트에, 풍력 터빈의 타워 섹션에, 풍력 터빈의 타워에, 풍력 터빈에, 풍력 터빈의 타워 세그먼트를 제조하기 위한 방법에, 그리고 풍력 터빈의 타워 세그먼트들을 연결하기 위한 방법에, 관한 것이다. 타워 세그먼트는, 압축 요소 및 인장 요소를 포함하며, 인장 요소는, 설치 상태에서 실질적으로 수평인 인장 요소의 메인 연장 방향을 갖도록 배치되고, 그리고 인장 요소의 메인 연장 방향에 대해 직교하는 방향으로 타워 세그먼트로부터 이격되며, 그리고 중간 요소에 의해 압축 요소에 연결된다.

Description

타워 세그먼트, 타워 섹션, 타워, 풍력 터빈, 및 타워 세그먼트를 제조하기 위한 그리고 타워 세그먼트를 연결하기 위한 방법
본 발명은, 풍력 터빈의 타워의 타워 세그먼트, 풍력 터빈의 타워 섹션, 풍력 터빈의 타워, 풍력 터빈, 풍력 터빈의 타워 세그먼트를 제조하기 위한 방법 및 풍력 터빈의 타워 세그먼트를 연결하기 위한 방법에 관한 것이다.
풍력 터빈의, 특히 수평축 풍력 터빈의 타워는, 풍력 터빈을 제조하는 총 비용에 대해 상당 부분을 차지한다. 특히, 풍력 터빈의 로터 직경 및 정격 출력이 증가하면, 또한 타워가 더 커지고 및/또는 더 높은 부하에 노출되게 된다. 특히, 타워의 제조 및/또는 조립은, 시간이 걸리고 비용이 많이 든다.
따라서, 본 발명의 목적은, 기존 해결 방안의 하나 이상의 단점을 감소시키거나 또는 제거하는, 풍력 터빈의 타워의 타워 세그먼트, 풍력 터빈의 타워 섹션, 풍력 터빈의 타워, 풍력 터빈, 풍력 터빈의 타워 세그먼트를 제조하기 위한 방법 및 풍력 터빈의 타워 세그먼트를 연결하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은, 풍력 터빈의 타워 및/또는 타워 섹션의 제조 및/또는 조립을 단순화시키고 및/또는 개선시키고 및/또는 보다 비용 효율적이게 하는, 풍력 터빈의 타워의 타워 세그먼트, 풍력 터빈의 타워 섹션, 풍력 터빈의 타워, 풍력 터빈, 풍력 터빈의 타워 세그먼트를 제조하기 위한 방법 및 풍력 터빈의 타워 세그먼트를 연결하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
독일 특허 및 상표청은, 본 출원에 대한 우선권 출원에서 다음의 종래 기술을 조사하였다: DE 10 2012 011 175 A1, DE 10 2013 016 604 A1.
이러한 목적은, 압축 요소 및 인장 요소를 포함하는, 풍력 터빈의 타워의 타워 세그먼트에 의해 달성되며, 이 인장 요소는, 설치 상태에서 실질적으로 수평인 자체의 메인 연장 방향을 갖도록 배치되고, 자체의 메인 연장 방향에 직교하는 방향으로 타워 세그먼트로부터 이격되며, 그리고 중간 요소를 통해 압축 요소에 연결된다.
본 발명에 따르면, 타워 세그먼트는, 서로 이격되며 그리고 중간 요소에 의해 연결되는, 압축 요소 및 인장 요소를 포함한다.
풍력 터빈의 타워는 일반적으로, 설치 상태 및 작동 상태에서 수직 종축 및 이러한 종축에 대해 직교하는 환형 단면을 구비한다. 이러한 환형 단면은, 원형 링 형상으로 형성될 수 있거나 또는 다각형 형상을 가질 수도 있다. 따라서 환형이라는 용어는, 본 출원에서 원형 링 형상의 구성뿐만 아니라, 복수의 직선형 섹션을 갖는 다각형 및/또는 복수의 모서리를 갖는 구성을 의미하는 것으로도 이해된다.
반경 방향, 접선 방향, 원주 등과 같은 용어는, 본 출원에서 타워의 종축에 대한 것으로 이해되며, 그러한 타워의 임의의 단면 형상, 특히 원형 링 형상의 단면뿐만 아니라 다각형 단면에도 관련된다.
타워 세그먼트는 여기에서, 환형 타워 섹션의 일부로서, 즉 타워의 원주의 일 부분에 걸쳐서만 연장되는 요소를 의미하는 것으로 이해된다. 환형 타워 섹션은, 복수의 타워 세그먼트로 형성되는 것이 바람직하며, 여기서 통상적으로 설치 상태 및 작동 상태에서 타워 세그먼트들 사이에 수직으로 배향되는 종방향 조인트가 형성될 수 있다. 타워는, 풍력 터빈의 설치 상태 및 작동 상태에서 수직으로 적층되어 배치되는, 복수의 타워 섹션을 포함한다. 설치 상태라 함은, 여기서 특히 (로터를 갖는 대응되는 작동 가능한 기관실이 타워 상에 배치되는 경우에는) 풍력 터빈의 작동 상태에도 해당하는, 수직으로 배향된 타워에 관련되는 상태를 의미하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 타워 또는 그 일부의 제조 및/또는 운송 시에 종축의 실질적으로 수평인 배향은, 여기서는 설치 상태를 의미하지는 않는다. 설치 상태에 대해 설명된 배향은, 제조 및/또는 운송 상태에서는 일시적으로 비-수직으로 배향되는 타워 또는 그 일부분의 종축에 대해 그에 상응하게 적응되어야 한다.
풍력 터빈의 타워는 일반적으로, 그 하부로부터 그 상부로 테이퍼형으로 형성된다. 테이퍼형으로 형성된 타워의 타워 벽의 배향은 일반적으로, 수직으로부터 몇 도만큼 벗어난다. 본 출원에서, 예를 들어, 상부, 하부, 반경 방향, 수평, 수직 등과 같은, 특히 설치 상태에서의, 배향이 언급될 때, 이는 이에 따라 그에 상응하게 테이퍼형으로 형성된 타워 및 그에 따라 수직에 대해 약간 기울어진 타워 벽에 대해 적용되어야 한다.
풍력 터빈의 타워를 위한 다양한 설계가 알려져 있다. 특히, 콘크리트 및/또는 철근 콘크리트 및/또는 프리스트레스트 콘크리트(prestressed concrete) 및/또는 강철로 이루어지는, 견고한 구조의 타워가 널리 보급되어 있다.
특히 원형 링 형상뿐만 아니라 다각형 형상의 환형 타워 섹션의 큰 직경으로 인해, 타워 섹션을 종방향으로 타워 세그먼트로 분할하는 것이 알려져 있는데, 왜냐하면 타워 세그먼트가 환형 타워 섹션보다 제조 및/또는 운반하기가 더 용이해질 수 있기 때문이다. 타워 세그먼트는 일반적으로, 타워 벽을 형성하는 평면 연장부, 및 이에 대해 직교하는 및/또는 반경 방향으로 형성되어 일반적으로 평면 연장부보다 몇 배 더 작은 두께를 갖는다. 다각형 단면을 갖는 타워에 대한 타워 세그먼트는 일반적으로 편평하게 형성되므로, 그 평면 연장부에서 곡률을 갖는 않는다. 그러나, 원형 링 형상의 단면을 갖는 타워에 대한 타워 세그먼트는 일반적으로 그 평면 연장부에서 곡률 및/또는 반경을 가지며, 따라서 원통형 또는 원추형 또는 절두 원추형의 외피 세그먼트의 형상을 갖는다.
본 발명에 따르면, 타워 세그먼트는 일반적으로, 위에서 설명한 평면 연장부 및 이에 대해 몇 배 작은 직교하는 두께를 갖는 압축 요소를 포함하며, 이 경우 평면 연장부는 만곡되거나 또는 편평할 수 있는 것이 제공된다. 이러한 압축 요소로부터 이격되어 인장 요소가 배치되고, 이 인장 요소는 일반적으로, 메인 연장 방향이 이 메인 연장 방향에 대해 직교하는 연장부보다 몇 배 더 큰 로드 형상의 구성을 갖는다. 압축 요소 및 인장 요소는 중간 요소를 통해 서로 연결된다. 인장 요소는 설치 상태에서 실질적으로 수평으로 배향된다.
중간 요소는 바람직하게는 제1 단부가 압축 요소 내로 매립될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 중간 요소는 헤드 볼트 체결구(shear stud)에 의해 압축 요소 상에 고정된다.
중간 요소와 인장 요소 사이의 연결은, 타워의 조립 중에 현장에서 또는 예를 들어 프리캐스트 공장에서 타워 세그먼트 제조 중에 미리 수행될 수 있다.
인장 요소는 특히 본질적으로, 접선 방향으로 인장력을 흡수하는 역할을 한다. 압축 요소는 본질적으로, 압축력을 흡수하는 역할을 한다. 기본적으로 중간 요소는 특히 본질적으로, 반경 방향으로 인장력을 흡수하는 역할을 한다. 중간 요소는 바람직하게는, 인장 요소의 메인 연장 방향에 직교하도록 및/또는 압축 요소의 표면 연장부에 직교하도록 배치되고, 및/또는 타워의 종축에 대해 반경 방향으로 배치된다. 더욱 바람직하게는, 중간 요소는, 설치 상태에서 실질적으로 수평으로 배향된다. 바람직하게는, 타워 세그먼트는, 2개, 3개 또는 그보다 많은 개수의 중간 요소를 포함할 수 있다. 타워 세그먼트는 또한, 2개, 3개 또는 그보다 많은 개수의 인장 요소를 포함할 수 있으며, 여기서 2개, 3개 또는 그보다 많은 개수의 인장 요소는, 설치 상태에서 바람직하게는 수직 방향으로 서로 이격된다.
인장 요소 및 압축 요소는 바람직하게, 실질적으로 수평 방향 및/또는 실질적으로 반경 방향으로 인장 요소의 메인 연장 방향에 대해 직교하여 서로로부터 이격된다. 바람직하게는, 인장 요소는, 압축 요소의 내측면 상에 배치되고, 풍력 터빈의 설치 상태 및/또는 작동 상태에서 이에 따라 타워 내부에 배치된다. 더욱 바람직하게는, 인장 요소는, 그 메인 연장 방향이 압축 요소의 평면 연장부에 대해 실질적으로 평행하게 배향되고, 특히 곡률 없는 평면 연장부를 갖는 압축 요소의 경우에 그러하다.
압축 요소는 바람직하게는, 콘크리트 및/또는 철근 콘크리트 및/또는 프리스트레스트 콘크리트로 형성된다. 인장 요소는, 금속, 특히 강철로 형성되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 인장 요소는, 인접한 타워 세그먼트의 인장 요소에 연결되도록 형성된다. 마찬가지로, 압축 요소는 바람직하게는, 인접한 타워 세그먼트의 압축 요소에, 바람직하게는 맞대기 이음(butt joint)으로, 연결되도록 형성된다.
타워 세그먼트들 사이의, 특히 인접한 타워 세그먼트들의 압축 요소들 및/또는 인접한 타워 세그먼트의 인장 요소들 사이의 연결은 바람직하게, 인장력 및/또는 압축력을 전달할 수 있다. 특히, 인접한 타워 세그먼트의 압축 요소들 사이의 연결은, 압축력을 전달하도록 설계되는 것이 바람직하다. 특히, 인접한 타워 세그먼트의 인장 요소들 사이의 연결은, 인장력을 전달하도록 설계되는 것이 바람직하다.
압축력 및 인장력은, 본 발명에 따른 해결 방안에서, 압축 요소와 인장 요소의 서로로부터의 거리에 의해 지렛대 효과가 사용될 수 있기 때문에, 특히 효율적으로 분배될 수 있다. 부가적으로, 압축 요소 및 인장 요소는 또한, 지렛대 효과가 이러한 거리로 인해 유리하기 때문에, 이러한 방식으로 특히 효율적으로 치수 결정될 수 있다. 인접한 타워 세그먼트의 인장 요소의 연결을 통해 인장력의 전달이 발생할 수 있기 때문에, 인접한 타워 세그먼트의 압축 요소들 사이에서 압축력의 전달을 위한 간단한 맞대기 이음부를 구현하는 것이 가능하다.
바람직한 실시예에 따르면, 인장 요소는 클램핑 요소를 구비하는 것이 제공된다. 클램핑 요소를 제공함으로써, 인장 요소에, 인장력이 능동적으로 제공될 수 수 있다. 클램핑 요소는 바람직하게는, 턴버클(turnbuckle)로서 설계될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 인장 요소는 복수의 나사를 구비하고, 이 경우 바람직하게는 나사의 조임에 의해 인장력이 인장 요소에 가해질 수 있다.
이러한 방식으로, 예압이, 환형의 타워 섹션에서, 바람직하게 인장 요소들의 링을 제공하도록, 서로 연결된 압축 요소들 상에 가해질 수 있다.
특히, 환형 타워 섹션에서, 클램핑 요소를 구비하는 타워 세그먼트뿐만 아니라, 클램핑 요소를 구비하지 않는 타워 세그먼트도 제공될 수 있다. 바람직하게, 적어도 하나의 타워 세그먼트는, 타워 섹션마다 클램핑 요소를 갖도록 제공된다. 또한, 바람직하게, 클램핑 요소를 갖는 타워 세그먼트들 및 클램핑 요소를 갖지 않는 타워 세그먼트들이, 타워 섹션에서 교호반복적으로 배치된다.
중간 요소는, 관절 방식으로 형성되고 및/또는, 압축 요소 및/또는 인장 요소에 관절 방식으로 연결되는 것이 더 바람직하다. 바람직한 실시예가, 중간 요소가 2개의 관절 방식으로 서로 연결된 중간 부재를 구비하는 것을, 제공한다.
관절 방식의 연결은 특히, 축을 중심으로 선회 가능하도록 설계되는 연결이며, 여기서 이러한 축은 바람직하게, 설치 상태에서 실질적으로 수직으로 배향되고, 여기서 위에서 이미 설명된 바와 같이, 특히 이 축의 배향은 또한, 필요한 경우 테이퍼형으로 형성되는 타워 벽에 대해 평행한 것이 포함된다.
이러한 관절 방식의 연결을 통해, 중간 요소는 바람직하게, 압축 요소 및/또는 인장 요소에 연결된다. 더욱 바람직하게는, 중간 요소의 중간 부재들 자체도 또한, 이러한 관절 방식의 연결에 의해 연결될 수 있다.
중간 요소의 이러한 관절 방식의 연결의 장점은, 중간 요소 및 인장 요소에 의해 본질적으로 인장력이 전달되며 그리고 압축 요소에 의해 본질적으로 압축력이 전달되는 것이, 이러한 방식으로 간단하고 효율적으로 가능해질 수 있다는 것이다. 관절 방식의 연결은, 중간 요소 및/또는 인장 요소에 의한 인장력 이외의 것의 전달을 감소시키거나 또는 방지한다. 부가적으로, 복수의 서로 연결된 타워 세그먼트를 갖는 타워 섹션에서, 균일한 힘 분포가 달성되는 것이 이러한 방식으로 보장될 수 있다. 특히, 클램핑 요소에 의해 가해지는 예압이, 인장 요소를 통해 균일하게 분포될 수 있고, 이러한 방식으로 또한 압축 요소의 상응하는 균일한 예압이, 유도될 수 있다.
바람직한 일 개선예가, 압축 요소가, 설치 상태에서 다른 타워 세그먼트의 측면과 맞대기 이음부를 형성하도록 배치되고 구성되는, 적어도 하나의 측면을 구비하는 것을 특징으로 한다.
압축 요소의 측면은 일반적으로, 설치 상태에서 실질적으로 수직의 평면에 배치된다. 인접한 타워 세그먼트들의 측면들 사이에 일반적으로, 보통 수직의 종방향 조인트가 형성된다.
바람직하게, 측면은, 다른 타워 세그먼트의 다른 측면에 대한 맞대기 이음부를 형성하도록, (특히 설치 상태 및 작동 상태에서) 배치되고 구성된다. 맞대기 이음부라는 용어는, 여기서 특히, 압축력을 전달할 수 있으며 그리고 2개의 타워 세그먼트의 2개의 측면이 서로에 대해 평면으로 맞닿게 함으로써 이루어지는, 연결을 의미하는 것으로 이해된다.
맞대기 이음부가, 특히 인장 요소들에 예압을 가함에 의해, 압력에 종속될 때, 바람직하게 마찰 잠금 연결 및/또는 마찰 맞물림이 생성된다. 2개의 콘크리트 표면 사이의 마찰 계수는 일반적으로, 약 0.5 내지 1 정도이다.
압축 요소는 서로에 대해 경사지게 배치되는 2개의 측면을 구비하는 것이 더욱 바람직하다.
바람직하게, 압축 요소의 2개의 측면은, 개별적인 수직 평면 내에 배향될 뿐만 아니라, 또한 반경 방향으로 배향된다. 이는, 2개의 측면의 서로에 대한 기울짐을 허용한다. 이것은 특히, 측면들의 서로에 대한 그러한 기울어짐 덕분에, 타워 세그먼트가 2개의 인접한 타워 세그먼트 사이의 사이 공간 내로 쉽게 도입될 수 있으며 그리고 그곳에 배치될 수 있음에 따라, 조립 기술적인 장점을 갖는다. 부가적으로, 이러한 구성은, 맞대기 이음부를 구현하는데 그리고 마찰 잠금 연결 및/또는 마찰 맞물림을 생성하는데 바람직하다.
바람직한 실시예에 따르면, 중간 요소는, 압축 요소 및/또는 인장 요소와 연결되고, 및/또는 중간 요소의 중간 부재들은 연결 요소들과 연결되며, 이 경우 연결 요소들은, 바람직하게 유지 보수를 필요로 하지 않고 및/또는 페일 세이프(fail safe) 특성을 갖는 것이 제공된다.
타워 세그먼트들은 바람직하게, 실질적으로 유지 보수를 필요로 하지 않고 및/또는 실질적으로 페일 세이프 특성을 갖도록 설계되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 중간 요소와 인장 요소 및/또는 압축 요소 사이의 연결부들은, 이러한 특성을 구비하는 것이 특히 바람직하다. 이를 위해, (중간 요소가 2개 이상의 중간 부재를 구비하는 경우) 이러한 중간 부재들 및 그 연결부들이, 상응하게 유지 보수를 필요로 하지 않고 및/또는 페일 세이프 특성을 갖도록 설계되는 것이 또한 바람직하다. 따라서, 그러한 연결부들을 이루기 위해 사용되는 연결 요소들은, 유지 보수를 필요로 하지 않고 및/또는 페일 세이프 특성을 갖도록 설계되는 것이 특히 바람직하다. 연결 요소들 바람직하게, 코터 핀들(cotter pin)을 갖는 너트로 형성될 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 압축 요소는, 설치 상태에서 위쪽 연결 표면 상에 및/또는 설치 상태에서 아래쪽 연결 표면 상에, 하나, 2개 또는 그보다 많은 개수의 위치설정 요소를 구비하하는 것이 제공된다.
예를 들어, 위치설정 요소들은, 예를 들어 스파이크들 및/또는 슬리브들과 같은, 돌출부들 및/또는 리세스들로서 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게, 위치설정 요소들은, 인접하는, 특히 설치 상태에서 실질적으로 수직인 방향으로 인접하는, 타워 세그먼트들의 대응하는 위치설정 요소들과 대응할 수 있도록 및/또는 맞물릴 수 있도록, 설계되고 배치된다.
이러한 위치설정 요소들의 제공은, 특히 그의 조립 시 그리고 특히 타워 섹션의 인장 요소들이 아직 서로 연결되지 않았을 때, 타워 세그먼트들을 중심에 놓이도록 하고 및/또는 배향시키고 및/또는 일시적으로 안정화시키는 역할을 할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예가, 타워 세그먼트가, 인장 요소의 메인 연장 방향에서의 서로로부터의 거리가 압축 요소의 측면들에 대한 거리의 배수인, 2개의 중간 요소를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 실시예는, 중간 요소들이 실질적으로, 타워 세그먼트의 에지 영역들, 특히 인장 요소의 단부 영역들 및/또는 특히 압축 요소의 원주 방향으로의 단부 영역들에 배치되는, 구성을 제공한다. 따라서, 이러한 타워 세그먼트들로 구성되는 타워 섹션에서, 중간 요소들은 실질적으로, 타워 세그먼트들 사이의 종방향 조인트의 영역에, 그리고 다각형 단면을 갖는 타워의 경우에 이에 따라 본질적으로 모서리의 영역에, 배치된다.
또한 바람직하게, 인장 요소와 압축 요소 사이의 거리는, 타워의, 특히 그 일 부분이 타워 세그먼트인 타워의, 반경의 최대 50%인 것이 제공된다. 테이퍼형으로 형성된 타워의 경우, 표시는 바람직하게, 타워 세그먼트가 배치되는 타워의 높이에서의 반경과 관련된다. 타워의 반경은, 내부 반경 또는 외부 반경 또는 평균값을 나타낼 수 있다. 바람직하게, 인장 요소와 압축 요소 사이의 거리는, 반경의 최대 25%, 특히 적어도 또는 최대 10%이다.
바람직하게, 압축 요소들 사이의 종방향 조인트에서의 접촉 압력은, 인장 요소들에 존재하는 인장 응력보다 크다. (무한히 많은 모서리를 갖는 타워 형상에 대응하는) 180°에 가까운 압축 요소들 사이의 각도를 갖는 구성에 대해, 종방향 조인트들에서의 접촉 압력은, 인장력과 동일하지만, 종방향 조인트들에서의 접촉 압력은, 감소하는 개수의 모서리와 더불어, 최소 3개의 모서리에서의 2배의 인장력까지, 증가한다.
또한 바람직하게, 4개 초과의 모서리를 갖는 타워를 위한 타워 세그먼트들의 실시예에서, 이러한 타워 세그먼트들로 형성되는 타워 섹션에서 발생하는 중간 요소들에서의 실질적으로 반경 방향으로의 인장력은, 인장 요소들에서의 인장 예압보다 작다. 4개의 모서리를 갖는 타워를 위한 타워 세그먼트들의 구성에서, 이러한 타워 세그먼트들로 형성되는 타워 섹션에서 발생하며 그리고 실질적으로 반경 방향인, 중간 요소들에서의 인장력은, 바람직하게, 인장 요소들에서의 인장 예압에 대응한다. 3개의 모서리를 갖는 타워를 위한 타워 세그먼트들의 구성에서, 이러한 타워 세그먼트들로 형성되는 타워 섹션에서 발생하는, 중간 요소들에서의 실질적으로 반경 방향의 인장력은, 바람직하게, 인장 요소들에서의 인장 예압보다 크다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 이상에 언급된 상기 목적은, 자체의 인장 요소들이 서로 연결되며 그리고 자체의 압축 요소들이 맞대기 이음부를 통해 연결되는, 2개, 3개 또는 그보다 많은 개수의 이상에 설명된 타워 세그먼트를 포함하는, 풍력 터빈의 타워 섹션을 통해 달성된다.
맞대기 이음부는 바람직하게, 인접한 타워 세그먼트들의 서로 대면하는 측면들 사이에 형성된다. 인접한 타워 세그먼트들의 인장 요소들 사이의 연결은 바람직하게, 선회 이동 가능하도록, 특히 실질적으로 수직인 축을 중심으로 선회 가능하도록, 이루어진다. 더욱 바람직하게, 이러한 연결은, 예를 들어 자체의 각각의 단부에서 2개의 인접하는 인장 요소 중의 개별적인 하나에 선회 이동 가능하게 연결되는, 인장 커넥터에 의해 이루어진다.
타워 섹션의 바람직한 실시예에 따르면, 압축 요소들의 위쪽 연결 표면들은, 상이한 평면에 위치하고 및/또는 압축 요소들의 아래쪽 연결 표면들은 상이한 평면에 위치하는 것이 제공된다.
이러한 실시예는, 원주 방향의 수평 조인트가 생성되는 것이 아니라, 설치 상태 및/또는 작동 상태에서 수직으로 적층되는 타워 세그먼트들 사이의 타워의 원주 방향을 따르는 수평 조인트들이, 수직으로 서로에 대해 오프셋되어 배치되는 장점을 갖는다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 이상에 언급된 상기 목적은, 앞서 설명된 적어도 하나의 타워 섹션 및/또는 앞서 설명된 적어도 하나의 타워 세그먼트를 포함하는, 풍력 터빈의 타워에 의해 달성된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 이상에 언급된 상기 목적은, 앞서 설명된 적어도 하나의 타워, 및/또는 앞서 설명된 적어도 하나의 타워 섹션, 및/또는 앞서 설명된 적어도 하나의 타워 세그먼트를 포함하는, 풍력 터빈에 의해 달성된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 이상에 언급된 상기 목적은, 풍력 터빈의 타워 세그먼트를, 특히 앞서 설명된 타워 세그먼트를 제조하기 위한 방법에 의해 달성되며, 상기 방법은, 압축 요소를 제공하는 단계, 인장 요소를 제공하는 단계, 중간 요소를 통해 압축 요소와 인장 요소를 연결시키는 단계로서, 상기 인장 요소는 설치 상태에서 실질적으로 수평의 메인 연장 방향을 갖도록 배치되며 그리고 자체의 메인 연장 방향에 직교하는 방향으로 타워 세그먼트로부터 이격되는 것인, 연결시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 이상에 언급된 상기 목적은, 풍력 터빈의 타워 세그먼트를 연결하기 위한 방법에 의해 달성되며, 상기 방법은, 앞서 설명된 2개의 타워 세그먼트를 제공하는 단계, 맞대기 이음부를 통해 2개의 타워 세그먼트의 압축 요소를 연결하는 단계, 및 2개의 타워 세그먼트의 인장 요소를 연결하는 단계를 포함한다.
타워 세그먼트들의 서로에 대한 연결, 특히 압축 요소들의 서로에 대한 연결 및/또는 인장 요소들의 서로에 대한 연결은 바람직하게, 타워의 조립 도중에 현장에서만 수행된다. 이러한 방식으로, 개별 타워 세그먼트들은, 보다 용이하게 운반될 수 있다.
연결은 바람직하게, 연결 수단을 연결될 요소 상의 대응하는 개구 및/또는 오목부에 삽입함으로써 수행된다.
풍력 터빈의 타워 세그먼트들을 연결하기 위한 방법의 바람직한 실시예에 따르면, 하나, 2개 또는 그보다 많은 개수의 타워 세그먼트가 클램핑 요소를 포함하며, 이들 클램핑 요소는 바람직하게, 나사를 조임으로써 인장되는 것이 제공된다.
본 발명에 따른 방법 및 그 가능한 추가의 개선예는, 본 발명에 따른 타워 세그먼트 및 그 가능한 추가의 개선, 및/또는 본 발명에 따른 타워 섹션 및 그 가능한 추가의 개선에 대해 사용되기에 특히 적합한 특징 또는 방법 단계를 포함한다.
본 발명의 이러한 추가의 양태들 및 그 가능한 추가의 발전에 대한 장점들, 변형 실시예들 및 실시예 세부 사항들에 관해서는, 타워 세그먼트들의 대응하는 특징들에 대한 전술한 설명을 또한 참조하도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 예로서 설명될 것이다.
도 1은 타워 및 기관실을 갖는 풍력 터빈의 3-차원 도면을 도시한다.
도 2는 다각형 단면을 갖는 풍력 터빈에 대한 타워의 3-차원 도면을 도시한다.
도 3은 도 2에 따른 타워를 통한 수평 단면도을 도시한다.
도 4는 도 3의 90° 섹션의 확대도를 도시한다.
도 5는 내부에 예시되는 힘의 흐름을 갖는 도 4에 따른 모서리의 확대도를 도시한다.
도 6은 제1 평면의 타워 세그먼트들을 갖는 타워 섹션의 3-차원 도면을 도시한다.
도 7은 2개의 제1 인장 요소 링을 갖는 도 6에 따른 타워 섹션을 도시한다.
도 8은 제2 평면의 타워 세그먼트들을 갖는 도 7에 따른 타워 섹션을 도시한다.
도 9는 2개의 제2 인장 요소 링을 갖는 도 8에 따른 타워 섹션을 도시한다.
도 10은, 제1 평면 및 제2 평면의 타워 세그먼트들 그리고 아직 조립되지 않은 제3 평면의 타워 세그먼트들을 갖는, 조립된 상태의 타워의 평면도를 도시한다다.
도 11은 조립된 제3 평면의 타워 세그먼트들을 갖는 도 10에 따른 타워를 도시한다.
도 1은 타워(102) 및 기관실(104)을 갖는 풍력 터빈(100)을 도시한다. 3개의 로터 블레이드(108) 및 스피너(110)를 갖는 로터(106)가, 기관실(104)에 배치된다. 로터(106)는, 작동 시, 바람에 의해 회전 운동하도록 설정되고, 이를 통해 기관실(104) 내의 발전기를 구동한다. 도 1에 도시된 타워(102)는, 환형 단면을 갖는다. 타워(102)는, 본 발명에 따른 타워 세그먼트들을 포함할 수 있으며, 본 명세서에서 다각형 단면을 갖는 타워에 대한 추가의 도면들에 도시되는 타워 세그먼트들은, 압축 요소들의 평면형 구성으로부터 만곡된 구성으로 적절하게 변경되어야 할 것이다.
도 2는 풍력 터빈을 위한 타워(20)를 도시하고, 여기서 타워(20)는, 수직 종축 및 이 종축에 대해 직교하는 다각형 단면을 갖는다. 타워(20)는, 자체의 평면 연장부가 곡률 또는 반경 없이 평평하게 형성되는, 복수의 타워 세그먼트(200)를 포함하고, 그에 따라, 여기서는 8각형인, 다각형의 타워 형상을 허용한다. 풍력 터빈의 타워의 전형적인 높이는, 예를 들어, 150 m이다. 타워는, 실질적으로 전체적으로, 여기에 기술되는 타워 세그먼트들로 구성될 수 있다. 그러나, 타워의 단지 일부만이, 바람직하게 예를 들어 높이 75 m까지의 아래쪽 부분만이, 여기에 기술된 타워 세그먼트들로 구성될 수 있으며, 그리고 타워의 다른 부분, 바람직하게 위쪽 부분은, 예를 들어, 강철 타워일 수 있다.
도 3은 도 2에 따른 타워를 통한 수평 단면을 도시한다. 도 4는 도 3에서 W로 식별되는 90° 절취 섹션의 확대도를 도시한다. 도 5는, 더욱더 확대된 축적의, 그 내부에 예시되는 힘의 흐름을 갖는, 도 4에 따른 모서리를 도시하며, 여기서 D는, 압축력에 대한 양방향 화살표를 나타내며, 그리고 Zt, Zr은, 접선 방향 및 반경 방향의 인장력들에 대한 양방향 화살표를 나타낸다.
특히 도 3 내지 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 2개의 유형의 타워 세그먼트가 사용된다: 한편으로, 압축 요소(250) 및 인장 요소(310)를 갖는 타워 세그먼트(210) 및, 다른 한편으로, 압축 요소(250) 외에, 클램핑 요소(330)를 갖는 인장 요소(320)를 구비하는, 타워 세그먼트(220)가, 사용된다. 클램핑 요소(330)는, 복수의 클램핑 나사(331)를 갖는 턴버클로서 설계되어, 클램핑 나사(331)를 조임으로써 인장 요소 링(300)은, 클램핑력이 작용하게 되며 그리고 이에 따라 예압이 가해질 수 있다.
압축 요소들(250)은, 타워의 종축에 대해 반경 방향으로 그리고 그에 따라 여기서 실질적으로 수평 방향으로, 인장 요소(310, 320)로부터 이격된다. 이러한 예에서, 압축 요소들(250)과 인장 요소들(310, 320) 사이의 거리는, 그들의 편평한 평면의 연장부에 대해 직교하는 방향으로, 압축 요소들(250)의 두께에 대략 대응한다. 인장 요소들(310, 320)은, 압축 요소들(250)의 내측에 배치되며, 그리고 그에 따라 풍력 터빈의 설치 상태 및 작동 상태에서 타워의 내부에 배치된다.
인장 요소들(310, 320)은, 중간 요소(410)를 통해 압축 요소들(250)과 관절 방식으로 연결된다. 중간 요소들(410)은, 헤드 볼트 체결구(421)를 통해 압력 요소(250)에 연결되는 제1 중간 부재(411)를 구비한다. 바람직하게, 제1 중간 부재들(411)의 제1 단부들은, 헤드 볼트 체결구(421)와 함께 압력 요소들(250) 내로 매립된다. 결국 인장 요소들(310, 320)의 단부에 관절 방식으로 연결되는 제2 중간 부재가, 제1 중간 부재(411)에 관절 방식으로 연결된다. 인접한 타워 세그먼트들(210, 220)의 인장 요소들(310, 320)은, 인장 커넥터(430)를 통해 관절 방식으로 서로 연결된다. 특히 실질적으로 수직인 축을 중심으로 서로 연결되는 요소들의 선회를 가능하게 하는 관절 방식의 연결은, 바람직하게 코터 핀들을 갖는 너트 형태의, 연결 요소들(422)에 의해 구현된다. 특히, 유지 보수를 필요로 하지 않으며 그리고 페일 세이프 특성을 갖는 형태의, 인장 요소들(310, 320), 중간 요소들(410) 및 압축 요소들(250) 사이의 연결의 실시예가, 바람직하다.
각각의 타워 세그먼트(210, 220)는, 개별적인 인장 요소(310, 320)의 메인 연장 방향에서의 서로로부터의 거리가, 압축 요소들(250)의 측면들(251)에 대한 자체의 거리의 배수인, 2개의 중간 요소(410)를 구비한다. 인접한 타워 세그먼트들(210,220)의 측면들(251)은 맞대기 이음부를 형성한다. 각각의 압축 요소(250)의 2개의 측면(251)은, 수직 평면 내에 배향되며 그리고 또한 반경 방향으로 배향된다. 따라서, 각각의 압축 요소(250)의 2개의 측면(251)은, 서로에 대해 경사진다.
특히 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 인장 요소들(310, 320) 및 중간 연결 요소들(410)은, 본질적으로 인장력(Zt, Zr)에 종속된다.. 그러나, 압축 요소들(250)은, 본질적으로 압축력(D)에 종속된다. 클램핑 요소(330)에 의해 인장 요소들(320)에 가해지며 그리고 여기로부터 전체 인장 요소 링(300)에 가해지는 인장 예압은, 압축 요소들(250)에서 상응하는 압축 예압을 유발한다. 압축 요소들(250)로부터의 인장 요소들(310, 320)의 거리 및 이로부터 초래되는 지렛대 효과로 인해, 압축 요소들(250)에서의 압축 예압(D)이, 인장 요소들(310, 320)에서의 인장 예압(Zt)보다, 더 크며 그리고, 이에 따라 개별적인 인접한 측면들(251) 상에서의 마찰 맞물림에 의한 견고한 맞대기 이음으로 이어지는 것이, 제공될 수 있다. 부가적으로, 중간 연결 요소들(410)에서 실질적으로 반경 방향으로 작용하는 인장력(Zr)은 또한, 바람직하게 인장 요소들(310, 320)에서의 인장 예압(Zt)보다 작은 값으로, 특히 인장 요소들(310, 320)에서의 인장 예압(Zt)의 절반보다 작은 값으로, 감소될 수 있다.
타워에 수직 방향으로 예압을 가하는, 수직으로 연장되는 인장 케이블(500)이, 압축 요소들(250)과 인장 요소들(310, 320) 사이의 사이 공간 내에, 배치된다.
바람직하게, 인장 요소 링(300)에서의 클램핑 요소들(330)의 개수는, 가능한 한 적으며, 예를 들어 단지 하나의 클램핑 요소(330)만이 제공될 수 있다. 이는, 조립을 용이하게 하며 그리고 특히, 예를 들어 클램핑 요소들이 손에 의해 조여질 때, 조립에 필요한 시간의 단축을 초래한다. 바람직하게, 예를 들어 임팩트 렌치 또는 토크 렌치와 같은, 클램핑 요소들을 조이기 위한 전기적 수공구들을 사용하는 것이 또한 가능하다.
도 6 내지 도 9는, 타워 섹션들(21, 22)의 조립을 도식적으로 도시한다. 도 6은 먼저 제1 평면 내의 타워 세그먼트들(201)을 갖는 타워 섹션(21)을 도시한다. 확인되는 바와 같이, 타워 세그먼트들(201)의 위쪽 연결 표면들(252)은 상이한 평면에 배치된다. 도 7은, 파선의 원들로 표시되는 2개의 인장 요소 링(301)을 갖는, 타워 섹션(21)을 도시한다.
제1 평면의 타워 세그먼트들(201)에 이러한 방식으로 예압이 가해진 이후에, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 평면의 타워 세그먼트(202)들이, 말하자면 제2 타워 섹션(22)이, 제1 평면 내의, 말하자면 제1 타워 섹션(21)의, 타워 세그먼트들(201)의 위쪽 연결 표면 상에 배치될 수 있다. 제2 평면의 타워 세그먼트들(202)의 위쪽 및 아래쪽 연결 표면들 또한, 상이한 평면 상에 배치된다. 도 9에서 2점 쇄선의 원들로 도시되는 바와 같이, 제2 평면 내의, 말하자면 제2 타워 섹션(22)의, 타워 세그먼트들(202) 또한, 인장 요소 링들(302)에 의해, 예압을 받는다. 이러한 방식으로, 복수의 타워 섹션이, 원하는 타워 높이까지 상호 중첩되는 방식으로 배치될 수 있다.
인장 요소 링들(301, 302)은 환형 또는 다각형의 형태일 수 있다.
도 10은 제1 평면 및 제2 평면의 타워 세그먼트들(201, 202)을 갖는 조립된 상태의 타워 그리고 아직 조립되지 않은 제3 평면의 타워 세그먼트들(203)에 대한 평면도가 도시된다. 도 11에서, 제3 평면의 타워 세그먼트들(203)은, 이어서 조립된다.
도 10에, 제1 평면의 타워 세그먼트들(201)의 인장 요소들은 도시되지 않는다. 제2 평면의 타워 세그먼트들(202)은, 클램핑 요소들(330)을 갖는 인장 요소들(320)을 구비한다. 제3 평면의 타워 세그먼트들(203)은, 클램핑 요소를 갖지 않는 인장 요소들(310)을 구비한다. 바람직하게, 인장 요소들(310, 320)은, 도 10에서 확인될 있는 바와 같이, 조립 이전에 타워 세그먼트들(202, 20)의 압축 요소들(250) 상에, 특히 아직 조립되지 않은 타워 세그먼트들(203) 상에, 미리 고정된다.
타워 세그먼트들(201, 202, 203)의 서로에 대해 경사진 측면들(251)로 인해, 조립 시 타워 세그먼트들(201, 202, 203)은, 2개의 인접한 타워 세그먼트 사이의 사이 공간 내로, 도입 방향(E)으로 도입될 수 있다. 도 11에서, 타워 세그먼트들(203)은 이때 조립된 상태로 도시되고, 여기서 타워 세그먼트들(203)은 제2 평면의 인접한 타워 세그먼트들(202) 사이의 사이 공간들 내로 삽입되며 그리고 인장 요소 링(300)은 폐쇄된다.
여기에 설명되는 타워 세그먼트들은, 특히 압축 요소들의 실질적으로 무-변형의 마찰 맞물림 방식의 연결을 하용하며 그리고 또한 반경 방향 인장력을 작게 유지할 수 있다는, 장점을 갖는다. 더불어, 특히 관절 방식의 연결은, 타워 섹션의 요소들에서 보다 균일한 예압을 허용하므로, 타워 섹션 당 하나의 클램핑 요소로도 이미 충분할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 풍력 터빈(100)의 타워(102, 20)의 타워 세그먼트(200, 201, 202, 203, 210, 220)에 있어서,
    압축 요소(250) 및 인장 요소(310, 320)를 포함하고, 상기 인장 요소(310, 320)는, 설치 상태에서 실질적으로 수평인 자체의 메인 연장 방향을 갖도록 배치되고, 자체의 메인 연장 방향에 직교하는 방향으로 상기 타워 세그먼트(200, 201, 202, 203, 210, 220)로부터 이격되며, 그리고 중간 요소(410)를 통해 상기 압축 요소(250)에 연결되는 것인, 타워 세그먼트.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 인장 요소(310, 320)는, 클램핑 요소(330)를 구비하는 것을 특징으로 하는 타워 세그먼트.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 중간 요소(410)는, 관절 방식으로 구성되고 및/또는, 상기 압축 요소(250) 및/또는 상기 인장 요소(310, 320)에 관절 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 타워 세그먼트.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축 요소(250)는, 설치 상태에서 다른 타워 세그먼트(200, 201, 202, 203, 210, 220)의 측면(251)과 맞대기 이음부(butt joint)를 형성하도록 배치되고 구성되는, 적어도 하나의 측면(251)을 구비하는 것을 특징으로 하는 타워 세그먼트.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축 요소(250)는, 서로 경사지게 배치되는 2개의 측면(251)을 구비하는 것을 특징으로 하는 타워 세그먼트.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 요소(410)는, 연결 요소들(422)에 의해 상기 압축 요소(250)와 및/또는 상기 인장 요소(310, 320)와 연결되고, 상기 연결 요소들(422)은, 바람직하게, 유지 보수를 필요로 하지 않고 및/또는 페일 세이프(fail safe) 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 타워 세그먼트.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축 요소(250)는, 설치 상태에서 위쪽 연결 표면 상에 및/또는 설치 상태에서 아래쪽 연결 표면 상에, 하나, 2개 또는 그보다 많은 개수의 위치설정 요소를 구비하는 것을 특징으로 하는 타워 세그먼트.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 타워 세그먼트(200, 201, 202, 203, 210, 220)는, 상기 인장 요소(310, 320)의 메인 연장 방향에서의 서로로부터의 거리가 상기 압축 요소(250)의 상기 측면(251)들에 대한 거리의 배수인, 2개의 중간 요소(410)를 구비하는 것을 특징으로 하는 타워 세그먼트.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인장 요소(310, 320)와 상기 압축 요소(250) 사이의 거리는, 타워의 반경의 최대 50%, 바람직하게는 최대 25%, 특히 적어도 또는 최대 10%인 것을 특징으로 하는 타워 세그먼트.
  10. 풍력 터빈(100)의 타워 섹션(21, 22)에 있어서,
    자체의 인장 요소들(310, 320)이 서로 연결되며 그리고 자체의 압축 요소들(250)이 맞대기 이음부를 통해 연결되는 것인, 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 2개, 3개 또는 그보다 많은 개수의 타워 세그먼트(200, 201, 202, 203, 210, 220)를 포함하는 것인, 타워 섹션.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 압축 요소들(250)의 위쪽 연결 표면들은 상이한 평면에 위치하고 및/또는 상기 압축 요소들(250)의 아래쪽 연결 표면들은 상이한 평면에 위치하는 것을 특징으로 하는 타워 섹션.
  12. 풍력 터빈(100)의 타워(102, 20)에 있어서,
    제 10항 또는 제 11항에 따른 적어도 하나의 타워 섹션(21, 22), 및/또는
    제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 타워 세그먼트(200, 201, 202, 203, 210, 220)
    를 포함하는 것인, 타워.
  13. 풍력 터빈(100)에 있어서,
    제 12항에 따른 적어도 하나의 타워(102, 20), 및/또는
    제 10항 또는 제 11항에 따른 적어도 하나의 타워 섹션(21, 22), 및/또는
    제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 타워 세그먼트(200, 201, 202, 203, 210, 220)
    를 포함하는, 풍력 터빈.
  14. 풍력 터빈(100)의 타워 세그먼트(200, 201, 202, 203, 210, 220)를, 특히 제1 항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 타워 세그먼트(200, 201, 202, 203, 210, 220)를, 제조하기 위한 방법에 있어서,
    - 압축 요소(250)를 제공하는 단계,
    - 인장 요소(310, 320)를 제공하는 단계,
    - 중간 요소(410)를 통해 상기 압축 요소(250)와 상기 인장 요소(310, 320)를 연결시키는 단계로서, 상기 인장 요소(310, 320)는, 설치 상태에서 실질적으로 수평의 메인 연장 방향을 갖도록 배치되며 그리고 자체의 메인 연장 방향에 직교하는 방향으로 상기 타워 세그먼트(200, 201, 202, 203, 210, 220)로부터 이격되는 것인, 연결시키는 단계
    를 포함하는 것인, 방법.
  15. 풍력 터빈(100)의 타워 세그먼트들(200, 201, 202, 203, 210, 220)을 연결하기 위한 방법에 있어서,
    - 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 2개의 타워 세그먼트(200, 201, 202, 203, 210, 220)를 제공하는 단계,
    - 상기 2개의 타워 세그먼트(200, 201, 202, 203, 210, 220)의 압축 요소들(250)을 맞대기 이음부를 통해 연결시키는 단계, 및
    - 상기 2개의 타워 세그먼트(200, 201, 202, 203, 210, 220)의 인장 요소들(310, 320)을 연결시키는 단계
    를 포함하는 것인, 방법.
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