专利名称：塔楼式风力发电站结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种立体分布式风力发电站结构，尤其是包含风力发动机安装塔的风力发电站结构。
背景技术：
目前，公知的风力发电站结构，是由至少1套风力发动机、1座输变电站、以及电力传输导线构成。通常风力发动机等设备安装在塔筒顶部，其风轮机旋转轴与水平面垂直。在实践中，发明创造者和工程技术人员为了能充分利用风能，提高风力发动机的风能转换效率，尽可能地把风力发动机设计得更大、安装得更高。如，从互联网上搜索得知， 目前大型风力发动机的风轮叶片长度达到77米，塔筒高度达到120米，风力发动机最高处离地面达到180多米。这就出现了一些问题那么高大的设备，在生产制造、运输、安装、维护管理诸多方面必然存在许多困难，且在这样的基础上要进一步做得更高、更大则困难更多，潜力也有限，而如果风力发动机不能做得更大、更高，地球表面相对更高空间的风能就不能得到充分开发利用，而测量实践恰恰证明，在相对地面更高空的风能能量更大。在公知的风力发电站结构中，风力发动机通常是单一层次分布在地面上，一座总装机容量几十万千瓦以上的风力发电站，即使是在平原地区所需场地面积也要几十平方公里至上百平方公里，因此通常也叫风电场。这就出现了另一些问题建造一个中等规模的风力发电站尚需占用这么宽的地域，其场地利用效率显然不理想。而在地球表面的陆地加上近岸浅海区，能够适合建造风力发电站的地域是有限的，如果不能更有效提高场地利用率， 风力发电站建设必然会因地表面积的限制而影响其发展前景。另外，风力发动机分布在广漠的原野上，排列间距那么远，电能输出成本高、损耗大，管理维护困难多、费用高，这些都是给降低电能生产成本，提高营运效益带来负面影响而又非常重要的问题。为了解决这些问题，广大发明创造者和工程技术人员进行了不断的探索和试验， 以寻求理想的解决方案。如，加拿大电力公司发明了一种高空气球式风力发动机。显然，这一方案能够实现利用地面上更高空间风能的目的，但能否运用这一方案建造大型风力发电站还需工程技术人员实践证明；又如，中国专利公告CN20096拟62y中公开了一种“风力发电站”实用新型方案，其结构是四周围有立柱，并用横梁连接，在横梁的中心设有承载架，承载架上安装风力发电机等设备。该方案能够利用地面上更高空间的风能，但仍存在风力发动机安装密度不够，单位面积装机容量不理想的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种风力发电站结构，在于更充分有效增加风力发动机安装密度，增大单位面积风力发动机装机容量，且能有效节省工程投资，降低运营成本。
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为了解决上述技术问题，本发明的风力发电站结构是将若干套风力发动机安装在一座塔楼上。塔楼包含塔楼支柱体、塔楼吊楼和塔楼挑梁，风力发动机安装在塔楼吊楼和塔楼挑梁上，塔楼至少2层以上至几十层或更多层，高度有几十米至几百米或更高，风力发动机在塔楼上立体分布。塔楼支柱体由至少2根以上与地面垂直的承重柱组成，相邻的承重柱之间用横梁联结。承重柱的分布状态为横切面呈多边形，多边形内自然构成为塔楼支柱体内部空间，安装有电能输出导线和起重升降设备、人员上下梯等附属设施。塔楼支柱体和承重柱的横切面积从地面向上由大逐渐分段缩小。底部承重柱的规格较大，往上逐渐缩小。底部承重柱的数量最多，往上逐渐减少直到剩下最内层的。由最内层承重柱构成的支柱体通常封闭，以外的不封闭。塔楼支柱体的另一种结构是横切面积从地面向上大小一致，承重柱的数量自下而上一致，承重柱的规格自下而上逐渐缩小，支柱体自下而上封闭。塔楼吊楼以塔楼支柱体的承重柱和承重柱之间的横梁为承载体和基础，以塔楼之主体为中心呈放射状水平向外伸出同样长度，内部为空间，其伸出长度视设计时所选定的风力发动机的型号规格及其它公知的技术规范要求而定。塔楼吊楼从地面向上每间隔一定的相应高度依次构筑。相应高度是指所设计确定的塔楼吊楼层高数据与风力发电站建筑所在地已有的关于风的速度、强度、流态、方向等特征信息和选定的风力发动机的型号规格，以及公知的技术规范相适应。塔楼吊楼呈放射状伸出是指塔楼吊楼以塔楼支柱体中心为原点朝多个方向向外伸出，伸出方向对称或平面夹角相等，这种结构有利于使塔楼结构更平衡稳定。塔楼支柱体为封闭结构时，塔楼吊楼与塔楼支柱体的结合部为相互贯通内部空间的通道和留有人行门洞，且安装有横向开关的电动或手动门页。塔楼吊楼内安装发电机和电力输出等设备。塔楼挑梁在塔楼吊楼顶部以塔楼支柱体的承重柱和承重柱之间的横梁为承载体和基础，呈放射状水平向外伸出同样长度，其伸出长度视设计时所选定的风力发动机型号规格和公知的技术规范要求而定。塔楼挑梁通常成对构筑，有横梁联结。塔楼挑梁与塔楼吊楼的分布结构相适应。塔楼支柱体为封闭时，塔楼挑梁与塔楼支柱体的连接处为贯通支柱体内部空间的通道和留有人行门洞，且安装有横向开关的电动或手动门页。塔楼挑梁上紧邻尾端处安装风轮机设备，联接风轮机和发电机的传动、变速齿轮等设备部件则安装在风轮机靠塔楼支柱体一侧。塔楼挑梁和塔楼吊楼为上下结合结构，塔楼挑梁在上，塔楼吊楼在下，塔楼挑梁向外延伸长度大于塔楼吊楼向外延伸长度，塔楼挑梁的一部分与塔楼吊楼顶部重合，在重合处设有结构工程孔洞和人员通道，用于风力发动机相关设备部件的组合联接和人员上下通行。塔楼挑梁向外延伸长度超出塔楼吊楼部分铺设有楼面板或网格构件，形成平台结构。
在塔楼同一高度层面上的塔楼吊楼和塔楼挑梁构成相对意义上的塔楼楼层。塔楼吊楼和塔楼挑梁在塔楼上呈放射状向外多个方向伸出，其方向数量通常与承重柱分布形成的多边形的边数相对应。塔楼吊楼和塔楼挑梁向外伸出方向自下而上为方向一致的层叠结构。塔楼吊楼和塔楼挑梁向外伸出方向的另一种层叠结构是相邻层非致而隔层一致的交叉相叠结构。这是在由承重柱构成的塔楼支柱体的边数为2的倍数，塔楼吊楼和塔楼挑梁在塔楼上整体分布方向总数也为2的倍数时，将分布方向总数除以2所得的商数为每层的方向数，且自下而上交叉层叠所形成的结构。这种结构是在承重柱分布形成的塔楼支柱体多边形的边数特别多，塔楼吊楼和塔楼挑梁在塔楼上整体分布方向总数也特别多时， 如同一层面安装的风力发动机过多，相互间将产生较多不利影响时所采用的结构。塔楼由钢筋混凝土或金属构件或其它高强度复合材料构成。本发明的塔楼式风力发电站结构其有益效果在于1、根据本发明的方案，构筑以承重柱为主体的塔楼支柱体，塔楼吊楼和塔楼挑梁采用对称或均等分布的平衡稳定结构，可以使塔楼的高度构筑到更理想的高度和更多层次，有利于充分地利用更高空间的风能，拓展风电建设的发展空间，使风力发动机安装数量更多。2、根据本发明的方案，采用以塔楼支柱体为中心放射状向外伸出构筑塔楼吊楼和塔楼挑梁的结构，风力发动机围绕塔楼支柱体向上安装，可充分发挥塔楼建筑物的功效，充分提高风力发动机的安装密度，充分增大单位地域面积的装机容量。3、根据本发明的方案，采用以塔楼支柱体为中心呈放射状向外构筑塔楼吊楼和塔楼挑梁的结构，建筑结构简单实用，便于实施；根据本发明的方案，塔楼挑梁的长度只需大于所选定风轮机单一叶片长度即可具备风轮机运行条件，且风力发动机设备在塔楼吊楼和塔楼挑梁的布置呈现为自塔楼承重柱为起点至塔楼挑梁末端由重到轻的分布，可以减小塔楼梁柱构件的尺寸规格，从而节省建筑成本。4、根据本发明的方案，风力发动机集中安装在塔楼上，可以缩短电能输出导线，减少电力输出损耗，便于对设备的维护管理，可以有效节省工程费用，减少维护管理费用，降低电能生产成本。5、根据本发明的方案，风轮机采用垂直轴式结构，风轮机叶片采用阻风式叶片，可避免水平轴式风轮机因风轮叶片太长、塔筒过高带来的多方面技术问题。6、根据本发明的方案，风力发动机安装塔楼适合在各种地形、地貌和地域上建造。 且不仅在宽阔的地域如草原、戈壁、海滩上能建造大型风力发电站，在狭小的地域上如山峦、岛礁，乃至城镇市区也可建造大型风力发电站。少至1座塔楼上安装的风力发动机数量规模即可与一座输变电站组成一座大型风力发电站。与现有风力发电站结构相比，在同一地域面积上可以使风力发动机总装机容量提高十几倍、几十倍、甚至更多。
1、图中的各种结构之间的图形比例不直接表示实施的比例关系。2、因塔楼为对称结构，塔楼的相对面通常一致，所以只绘制了正面示意图和俯视示意图。
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3、对具体示意图的说明(图1)为塔楼横切面积从地面向上由大到小，且分段缩小结构的正面图。①塔楼支柱体、②塔楼吊楼、③塔楼挑梁、④风轮机叶片、⑤塔楼高度的省略示意、⑥避雷装置；⑦ 塔楼下部增加的承重柱；(图2)为塔楼横切面积从地面向上一致结构的正面图。①塔楼支柱体、②塔楼吊楼、③塔楼挑梁、④风轮机叶片、⑤塔楼高度的省略示意、⑥避雷装置；(图幻为塔楼上的塔楼吊楼和塔楼挑梁向外伸出方向为相邻层非一致而隔层一致的交叉层叠结构的塔楼正面图。①塔楼支柱体、②塔楼吊楼、③塔楼挑梁、④风轮机叶片、 ⑤塔楼高度的省略示意、⑥避雷装置；(图4)为塔楼支柱体由六边形且横切面积上下一致构成的塔楼俯视图。①塔楼支柱体、②塔楼挑梁、③风轮机叶片、④避雷装置。(图幻为塔楼支柱体由四边形且横切面积上下一致构成的塔楼俯视图。①塔楼支柱体、②塔楼挑梁、③风轮机叶片、④避雷装置。(图6)为塔楼支柱体由三边形且横切面积上下致构成的塔楼俯视图。①塔楼支柱体、②塔楼挑梁、③风轮机叶片、④避雷装置。(图7)为六边形塔楼支柱体上的剪刀叉形挑梁构筑示意图。①剪刀叉形承重挑梁、②六边形塔楼支柱体上的边、③塔楼吊楼的底梁或塔楼挑梁。(图8)为三边形塔楼支柱体上的剪刀叉形挑梁构筑示意图。①剪刀叉形承重挑梁、②三边形塔楼支柱体上的边、③塔楼吊楼的底梁或塔楼挑梁。
具体实施例方式1、规划首先收集综合计划构筑风力发电站所处位置的地域、地形、地貌状况，以及该地已有的风能信息数据等综合信息，据此设计塔楼的构筑高度，选定风力发动机型号规格，设计风力发动机的安装数量、塔楼组合形式等，形成风力发电站总方案。例如1在平原、草原、戈壁、海滩等地形平坦、开阔、地质条件好、风能资源充足的地域，优先选择排列分布式塔楼组合形式，塔楼高度按现有技术所能达到的理想高度设计， 风力发动机首选大型、大规格、技术成熟的产品。例如2在山峦、岗丘、岛屿等不平坦的狭窄地域，可选单座或多座塔楼组合形式， 塔楼高度按现有技术所能达到的理想高度设计，风力发动机首选大型、大规格、技术成熟的。另外，在高山山峰，城镇市区等一些相对特殊的地域，则应综合如施工条件、人文因素等其它信息来确定总方案。2、实施实施例1以较好的地域、地质、风能条件为实施前提风力发动机选型首选大型号、大规格、技术成熟的产品。塔楼高度按现有技术所能达到的理想高度设计。塔楼支柱体构筑6根垂直的直径规格自下而上逐渐缩小的圆柱体承重柱，分布构成正六边形，形成塔楼支柱体最内层，其高度为塔楼主体的总高程。再分别以同一边上的两根承重柱为起点，且与其同等的间距宽度，放射状向外，以一定的间隔距离由内向外分层次成对构筑一定增加量的承重柱，其高度由内层向外分阶段依次降低，最内层承重柱与以外各增加层的承重柱用结构梁连接。塔楼支柱体的横切面积自下而上分阶段缩小，阶段数与由内向外增加的承重柱层次数相适应。同一方向的每对承重柱之间构筑横梁。支柱体最内层6根承重柱还需构筑电能输出导线布置辅助梁、起重设备安装辅助梁、上下人梯布置辅助梁，其分布结构与相应设施需求相适应。支柱体最内层的6根承重柱自下而上封闭，内部形成的自然空间安装运行电能输出导线和起重升降设备、上下人梯等附属设施。承重柱与塔楼吊楼和塔楼挑梁结合部设置通道和人行门洞。塔楼支柱体顶部封闭形成平台结构， 安置避雷装置。塔楼吊楼根据上述塔楼支柱体的结构特征，塔楼支柱体下部横切面积大的几个阶段按每层6座上下一致分布，最上段面积最小的部分按每层3座，上下相邻层交叉分布； 或者自下而上一致按每层6座分布。塔楼吊楼自下而上以塔楼支柱体最内层承重柱或及承重柱之间的结构横梁为基础向外构筑至塔楼支柱体最外层再向外伸出。塔楼吊楼为长方形框架体，其宽度<塔楼支柱体最内层的边宽，长度和高度与所选定的风力发动机其电动机等相关设备的型号规格相适应，并留有安装维护所需的工作空间。必要时塔楼吊楼内部可设置行车装置。在塔楼支柱体下部横切面积大的几个阶段，塔楼吊楼与塔楼支柱体最内层的结构梁构筑廊道结构。塔楼挑梁塔楼挑梁自下而上以塔楼支柱体最内层承重柱或及承重柱之间的结构横梁为基础向外构筑至塔楼支柱体最外层再向外伸出。分布结构与塔楼吊楼相适应。向外伸出长度与所选定的风力发动机型号其风轮机叶片长度规格及公知的支持其运行效能的空间相适应。塔楼挑梁成对构筑且用横梁联结，并与塔楼吊楼相结合。横梁分结构横梁和辅助横梁，辅助横梁与设备安装需求相适应。塔楼挑梁与下方的塔楼吊楼结合部铺设楼面板封闭，但筑有相通的结构孔洞和人行通道，用于风力发动机相关设备部件的组合联接和人员通行。挑梁向外伸出超过塔楼吊楼部分铺设楼面板或网格构件，形成平台结构，利于设备安装和维护管理。在塔楼支柱体下部横切面积大的几个阶段，塔楼挑梁与塔楼支柱体最内层的结构梁构筑廊道结构。根据本实施例塔楼支柱体为六边形的特点，为了确保塔楼结构的稳定和安全，在塔楼支柱体上部横切面积最小阶段，构筑塔楼挑梁或塔楼吊楼时，首先将承担塔楼跳梁和塔楼吊楼基础功能的结构横梁向两头构筑延伸梁，其向两头延伸长度均为该六边形边长的 2倍，在六边形支柱体任一边的外向形成一组剪刀叉形挑梁，而后以此剪刀叉形挑梁作为承重挑梁并在其基础上构筑塔楼吊楼和塔楼挑梁(图7)。塔楼吊楼和塔楼挑梁结合构成的塔楼楼层从地面往上第1层离地面的高度大于以上层次的层高，具体实施高度与个案情况相适应。塔楼采用钢筋混凝土或金属构件或高强度复合材料，按照公知的技术规范构筑。设备安装按照公知的技术规范实施。实施例2以通常的地域、地质、风能条件为实施前提风力发动机选型选用中型或大型、技术成熟的产品。塔楼高度按300米以上高度设计。塔楼支柱体为四边形横切面积自下而上一致；自下而上封闭，与塔楼吊楼和塔楼挑梁结合部为通道空间，且每层另设有人行门洞，顶部封闭为平台结构，安置避雷装置。承重柱为4根到顶；以圆柱体为优选；直径规格为自下而上逐渐缩小；相邻承重柱之间构筑结构横梁和辅助横梁，辅助横梁包含起重设备安装辅助梁、上下人梯布置辅助梁、电能输出导线布置辅助梁，分布结构与相应设施需求相适应。塔楼吊楼呈放射状从4个方向向外伸出，上下相邻层一致分布；塔楼吊楼的层高和向外伸出长度，与所选定的风力发动机型号其发电机等设备的规格相适应，且预留与实施安装、维修需要相适应的工作空间；从地面往上第1层塔楼吊楼离地面的高度大于以上层次的层高，具体实施高度与个案情况相适应；内部或设置有行车装置。塔楼挑梁分布结构与塔楼吊楼相适应；向外伸出长度与所选定的风力发动机型号其风轮机设备的规格及已知的支持其运行效能的空间相适应；塔楼挑梁成对构筑且构筑有联结横梁，联结横梁有结构梁和辅助梁，辅助梁通常与辅助设备安装需求相适应；塔楼挑梁与下方的塔楼吊楼结合部铺设楼面板封闭但筑有结构孔洞相通；向外伸出超过塔楼吊楼部分铺设楼面板或网格构件，形成平台结构。塔楼的构筑采用钢筋混凝土或金属构件构或高强度复合材料，按照公知的技术规范构筑。设备安装按照公知的技术规范实施。实施例3以由3根承重柱构成的塔楼支柱体为例主要实施方案特点是为了确保塔楼结构的稳定和安全，在构筑塔楼吊楼和塔楼挑梁时，首先在三边形的每一个角即三根承重柱所在点上，且以此点为中心构筑三根与对应边平行的梁，其每根长度为所对应边长的四倍，在三边形每一边的外向形成一组剪刀叉形挑梁，而后以此剪刀叉形挑梁作为承重挑梁并在其基础上构筑塔楼吊楼和塔楼挑梁(图 8)。其它实施方案与实施例2相似或近似。实施例4以由2根承重柱构成的塔楼支柱体为例主要实施方案特点是承重柱的规格尺度相对其它实施例更大。为了适应构筑塔楼吊楼和塔楼挑梁的要求，在每根承重柱上每间隔一定等同高度构筑有一对对称的肩梁， 且与相对另一根承重柱上的肩梁平行，在2对肩梁上构筑一对平行的横梁，塔楼吊楼和塔楼挑梁以所述的承重柱上的横梁为基础构筑；塔楼吊楼和塔楼挑梁以每层2座分布，自下而上一致。其它实施方案与实施例2相似或近似。实施例5实施地面积较小，构筑1座塔楼不能充分利用场地，构筑塔楼群则过于拥挤主要实施方案特点是塔楼支柱体为8边形或8边以上的多边形，塔楼支柱体和承重柱的横切面积相对更大，总装机容量更多。其它实施方案与实施例1相似或近似。上述实施方案中有未涉及的技术要点是可以从公知的技术规范中获取，因此未予以详述。
应当理解，通过上述实施例还可以组合或推断出更多的实施例也应该是本发明实施例范围之内，在此不再枚举。
权利要求
1.一种塔楼式风力发电站结构，包括多套风力发动机和至少1座输变电站，其中所述的风力发动机包括安装塔、风轮机设备、发电机设备、传动和控制设备、输电设备，而其中所述的风轮机设备是其旋转轴与水平面垂直结构，其特征在于所述的风力发动机安装塔为一座塔楼，至少有2层以上至几十层或更多层高；所述的塔楼包含塔楼支柱体、塔楼吊楼和塔楼挑梁，风力发动机安装在所述的塔楼吊楼和塔楼挑梁上。
2.根据权利要求1所述的塔楼式风力发电站结构，其特征在于，所述的塔楼支柱体由至少2根以上与地面垂直的承重柱构成，呈多边形分布，相邻的承重柱从地面向上每间隔一定高度有横梁联结，塔楼支柱体内部为空间结构，可用于安置电力输出导线和配套、附属设施。
3.根据权利要求1或2任一所述的塔楼式风力发电站结构，其特征在于，所述的塔楼支柱体或承重柱的横切面积自下而上为由大到小或相等。
4.根据权利要求1或2任一所述的塔楼式风力发电站结构，其特征在于，所述的塔楼支柱体承重柱的数量自下而上由多到少或相等。
5.根据权利要求1所述的塔楼式风力发电站结构，其特征在于，所述的塔楼吊楼以所述塔楼支柱体承重柱或承重柱之间的横梁为承载体和基础，呈放射状向外伸出同样长度， 且从地面向上每间隔一定高度依次分层构筑。
6.根据权利要求1或5任一所述的塔楼式风力发电站结构，其特征在于，所述的塔楼吊楼内安装有发电机等相关设备。
7.根据权利要求1所述的塔楼式风力发电站结构，其特征在于，所述的塔楼挑梁以所述塔楼支柱体的承重柱或承重柱之间的横梁为承载体和基础，呈放射状向外伸出同样长度。
8.根据权利要求1或7任一所述的塔楼式风力发电站结构，其特征在于，所述的塔楼挑梁上尾端部安装有风轮机等相关设备。
9.根据权利要求5或7任一所述的塔楼式风力发电站结构，其特征在于，所述的塔楼挑梁和塔楼吊楼为上下结合结构，塔楼挑梁在塔楼吊楼之上，且塔楼挑梁有部分与塔楼吊楼的顶部重合，塔楼挑梁向外伸出长度大于塔楼吊楼向外伸出长度。
10.根据权利要求1或5或7任一所述的塔楼式风力发电站结构，其特征在于，所述的塔楼吊楼和塔楼挑梁呈放射状多方向伸出，其方向数量与承重柱分布构成的多边形的边数相对应；所述的塔楼楼层由同一高度层面的塔楼吊楼和塔楼挑梁构成，上下相邻层的塔楼吊楼和塔楼挑梁向外伸出方向自下而上为方向一致的层叠结构或相邻层非一致而隔层一致的交叉层叠结构。
全文摘要
一种立体分布式风力发电站结构。它是在有风能的地域构筑风力发电站安装塔楼。塔楼由塔楼支柱体、塔楼吊楼和塔楼挑梁组成，有若干层、数百米高。塔楼支柱体是由承重柱组成的多边形结构；塔楼支柱体由下而上每间隔一定高度向外构筑呈放射状分布的塔楼吊楼和塔楼挑梁，塔楼挑梁在上，塔楼吊楼在下。塔楼挑梁用于安装垂直轴式风力发电机的风轮机；塔楼吊楼用于安装风力发电机的发电机及其它部件。风力发电机在塔楼上呈立体分布。塔楼可以单独构筑，也可以多个组合构筑，还可以成排成列分布构筑。
文档编号F03D3/02GK102174926SQ201110049249
公开日2011年9月7日 申请日期2011年3月2日 优先权日2010年5月24日
发明者何福群 申请人:何福群