[发明专利]风力发电设备、其支柱及其使用

说明书

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。