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Die Erfindung betrifft einen Mast für eine Windenergieanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Windenergieanlage.
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Üblicherweise weist eine Windenergieanlage zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie einen entlang einer Längsachse (Vertikalen) erstreckten Mast zum Tragen zumindest eines Rotors der Windenergieanlage auf.
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Ein derartiger Mast ist aus der
DE 10 2009 007 812 A1 bekannt. Darin wird eine Windkraftanlage mit einem Turm offenbart, der an seinem oberen Ende eine Windturbine mit einem Propeller trägt, wobei der Turm in einem sich an die Windturbine anschließenden Bereich eine windschlüpfrige Profilierung aufweist.
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Im Mix der Energieerzeugung nehmen Windturbinen mit unterschiedlichen Leistungen bereits einen festen Platz ein. Durch die Weiterentwicklung der letzten Jahre sind diese Windenergieanlagen immer größer und effizienter geworden.
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Strom erzeugende Windturbinen mit horizontaler Drehachse werden in geeigneter Höhe, z. B. zwischen 50 und 140 m, positioniert und nach dem Wind ausgerichtet. Entsprechende Masten werden dabei bevorzugt aus Stahlblech gefertigt und weisen in der Regel einen kreisförmigen Querschnitt auf. Aufgrund der vergleichsweise großen Bauhöhen von Windenergieanlagen bzw. Durchmessern von Windturbinen treten bei gattungsgemäßen Windenergieanlagen zunehmend zwei Herausforderungen in den Vordergrund: Zum einen wachsen der Materialeinsatz und die Herstellungskosten für Masten mit steigender Bauhöhe überproportional, zum anderen wirken sich der durch den Mast hervorgerufene Windstau, Windschatten oder Verwirbelungen unvorteilhaft auf die Turbine und das Gesamtsystem aus.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, einen Mast bzw. eine Windenergieanlage der eingangs genannten Art bereitzustellen, der bzw. die bei Aufrechterhaltung eines hohen Wirkungsgrades in der Gewinnung von Strom aus Windenergie möglichst kostengünstig in der Herstellung ist.
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Dieses Problem wird durch einen Mast mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Windenergieanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Danach ist vorgesehen, dass die Biegesteifigkeit und/oder Biegefestigkeit des Mastes bezüglich der Längsachse des Mastes entlang der gesamten Länge (bezogen auf die Längsachse) des Mastes in einer senkrecht zur Längsachse orientierten ersten Richtung stets größer ist als in einer zur ersten Richtung und zur Längsachse senkrecht verlaufenden zweiten Richtung.
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Unter der Biegesteifigkeit wird allgemein in der technischen Mechanik derjenige Widerstand verstanden, den ein Körper einer Biegung (vorliegend senkrecht zur Längsachse) entgegensetzt.
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Vorliegend fällt die besagte erste Richtung insbesondere mit der Hauptbelastungsrichtung des Mastes zusammen, die durch die jeweilige Windrichtung definiert ist. Der Mast ist mit anderen Worten also so ausgebildet, dass er Biegungen in der ersten Richtung (Hauptbelastungsrichtung), die durch entsprechende, ungefähr parallel zur ersten Richtung verlaufende (Wind)kräfte, die auf der gesamten Länge des Mastes entlang der Längsachse am Mast und an der Turbine (Rotor) angreifen können, stets einen größeren Widerstand entgegensetzt, als quer zu dieser Richtung (zweite Richtung).
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Erfindungsgemäß kann somit insbesondere ein punkt- oder rotationssymmetrischer (ringförmiger) Querschnitt der üblicherweise aus Stahlblech ausgebildeten herkömmlichen Masten (sogenannte Stahlrohrmasten oder Stahlrohrtürme) vermieden werden. Solche Masten sind konstruktionsbedingt quer zur Windrichtung überdimensioniert, woraus sich ein entsprechend höherer Materialeinsatz und somit höhere Herstellungskosten ergeben. Diese Problematik gewinnt bei modernen Multimegawattwindenergieanlagen enorm an Bedeutung, da erfahrungsgemäß die Herstellkosten von Stahlrohrmasten mit der Bauhöhe von Windenergieanlagen überproportional steigen.
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Zudem ist auch der Transport von kreisförmigen Masten und Mastsegmenten sehr aufwändig. Speziell der Transport durch Brücken begrenzt die Größe der transportierbaren Bauteile. Die Produktion von Rohrmasten auf einer Baustelle gestaltet sich ebenfalls sehr schwierig. Hier schafft die erfindungsgemäße Ausbildung des Mastes Abhilfe, denn sie erlaubt prinzipiell eine Verringerung der Dimension (Durchmesser) des Mastes quer zur ersten Richtung (Hauptbelastungsrichtung).
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In einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein entlang der Längsachse erstreckter Abschnitt des Mastes oder der gesamte Mast relativ zu einer Basis (Fundament) der Windenergieanlage bzw. des Mastes, über die der Mast in einem Untergrund verankert werden kann, um die Längsachse drehbar ist, wobei der besagte Abschnitt des Mastes oder der gesamte Mast insbesondere über ein Drehlager, bei dem es sich insbesondere um ein sogenanntes Azimut-Drehlagers handelt, mit der besagten Basis verbunden ist.
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Mit anderen Worten kann der Mast also gemeinsam mit dem Rotorträger bzw. einer Windturbine gedreht werden, so dass die besagte erste Richtung eine orientierbare Vorzugsrichtung für die Belastung des Mastes darstellt.
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Da der Wind aus allen Richtungen kommen kann, muss demgegenüber ein starr fundamentierter Mast für die Aufnahme von Biegemomenten und Querkräften aus allen Richtungen gleichermaßen geeignet sein.
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Bevorzugt ist der um eine insbesondere horizontale, senkrecht zur Längsachse verlaufende Rotorachse drehbar gelagerte Rotor über einen Rotorträger mit dem Mast verbindbar, der weiterhin ein Gehäuse zur Aufnahme eines Generators (Turbine) aufweisen kann, mit dessen Hilfe die Rotation des Rotors in elektrische Energie umgesetzt werden kann.
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Dabei ist in einer weiteren Variante der Erfindung der Mast zusätzlich relativ zum Rotorträger um die Längsachse drehbar, wobei der Mast insbesondere über ein Drehlager, das insbesondere als ein Azimut-Drehlager ausgebildet ist, mit dem Rotorträger verbindbar ist.
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Somit wird ermöglicht, dass der Mast unabhängig von dem Rotorträger bzw. von einer Windturbine um die Längsachse des Mastes drehbar ist.
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Bei luvseitigen Windenergieanlagen bildet sich vor dem Mast ein Windstau und bei leeseitigen Anlagen hinter dem Mast ein Windschatten, der beim Vorbeistreichen des Rotors (Turbinenschaufel) zu dynamischen Belastungen der Turbine und der Gesamtanlage führt. Hierdurch sowie durch eventuelle aktive Kompensationsmaßnahmen (z. B. zyklische Pitch-Verstellung des Rotors bzw. der Rotorblätter) kann die Energieernte verringert und die Lebensdauer der verwendeten Komponenten und Materialen verkürzt werden. Die mögliche Lebensdauerverkürzung kann durch stärkere Dimensionierung der Komponenten und Baugruppen kompensiert werden, was jedoch zu höheren Anlagenkosten führt.
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Bevorzugt weist daher der Mast im Querschnitt eine Querschnittskontur (Querschnittsprofil) auf, die vorzugsweise windschlüpfrig ausgebildet ist. Hierbei weist die Querschnittskontur bevorzugt eine Längsachse auf, die während des bestimmungsgemäßen Betriebes der Windenergieanlage vorzugsweise entlang der besagten ersten Richtung orientiert ist, und insbesondere größer ist, als eine quer zur Längsachse der Querschnittskontur verlaufenden Querachse der Querschnittskontur. Vorzugsweise ist die Querschnittskontur weiterhin spiegelsymmetrisch zur Längsachse der Querschnittskontur ausgebildet.
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Die Querschnittskontur kann entlang der gesamten Länge des Mastes eine solche windschlüpfrige Querschnittskontur aufweisen. Es ist jedoch auch denkbar, den Mast von der Basis ausgehend in Richtung auf einen Rotorträger von einem solchen windschlüpfrigen Profil in ein kreisförmiges Profil übergehen zu lassen und umgekehrt.
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Durch den hierdurch bedingten geringen Strömungswiderstand des Mastes wird der Windstau bzw. -schatten reduziert.
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Durch einen reduzierten Windstau oder Windschatten werden die dynamischen Einflüsse auf die Turbine (Generator) und die Gesamtanlage reduziert, was mit Vorteil zu einer geringeren Materialermüdung und verlängerter Lebensdauer führt.
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Die geringere dynamische Belastung der Turbine und der Gesamtanlage erlaubt zudem die Verwendung von schwächer dimensionierten Bauteilen und Baugruppen und ermöglicht daher Kosteneinsparungen.
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Weiterhin wird durch die Abweichung der Querschnittskontur von der Kreisform die Verwendung von Vormaterial für die Produktion von Masten möglich, welches einfacher zur Baustelle zu transportieren ist.
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Schließlich ist die Montage und Errichtung von nicht kreisförmigen Masten auf der Baustelle erheblich einfacher.
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Bevorzugt weist der erfindungsgemäße Mast eine Tragstruktur mit einem entlang der Längsachse erstreckten Druckgurt und einem entlang der Längsachse erstreckten Zuggurt auf, wobei der Zuggurt und der Druckgurt insbesondere über zumindest eine Verstärkung miteinander verbunden sind.
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Vorzugsweise bilden der Druckgurt und/oder der Zuggurt jener Tragstruktur je eine Schale des Mastes mit einer nach außen gewandten sichtbaren Oberfläche des Mastes bzw. eine Komponente einer solchen Schale.
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Alternativ hierzu kann die Tragstruktur ein Skelett des Mastes bilden, das insbesondere bereichsweise oder vollständig von einer Verkleidung des Mastes umgeben ist. Die Verkleidung kann dabei in einer senkrecht zur Längsachse des Mastes liegenden Ebene eine kreisförmige Querschnittskontur oder besagte aerodynamische Querschnittskontur (siehe oben) aufweisen.
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Vorzugsweise ist der Mast als Sandwichteil ausgebildet, also durch eine Sandwich-Bauweise hergestellt.
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Dabei versteht man unter einer Sandwich-Bauweise insbesondere eine Bauweise, bei der zum Beispiel tragende Strukturen wie die Gurte durch ein Abstandsmaterial miteinander verbunden sind, dass den Abstand der beiden Strukturen zueinander sicherstellt. So können beispielsweise die entlang der Längsachse erstreckten Gurte eines erfindungsgemäßen Mastes von einer Hartschaumschicht oder einem sonstigen Distanzmaterial umgeben sein, wobei diese Schaumschicht wiederum von einer Verkleidung umgeben sein kann. Dabei hält die Schaumschicht die beiden Gurte auf Abstand. Ein derartiges Abstandsmaterial kann auch lediglich zwischen den Gurten angeordnet sein.
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Aus der elementaren Balkentheorie ist bekannt, dass Kreisquerschnitte gegenüber Sandwich-Querschnitten bei gleicher Materialfläche und Höhe die vierfachen Spannungen als Maximalspannung in den Randfasern aufweisen. Bei Verwendung eines Masts mit einem Sandwich-Querschnitt und denselben materialbedingten Maximalspannungen in der Randfaser ermöglicht die Verwendung eines Masts mit Sandwich-Querschnitt daher erhebliche Material- und Kosteneinsparungen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen mittels der nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen:
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1A–1C geschnittene Ansichten entlang der Linien I-I der Figuren 5A–5C eines Mastes einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage mit einer Tragstruktur und verschiedenen Querschnittskonturen;
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2 eine geschnittene Ansicht entlang der Linien I-I der 5A bis 5C einer weiteren Ausführungsform eines Mastes, mit schalenartigen Zug- und Druckgurten einer Tragstruktur des Mastes;
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3A–3D geschnittene Ansichten einer Tragstruktur von vier Ausführungsformen eines Mastes, wobei jeweils der Zuggurt über zumindest eine Verstärkung mit dem Druckgurt verbunden ist;
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4A–4B alternative exemplarische Längsschnitte entlang der Linie IV-IV der 3A durch einen Mast einer Windenergieanlage mit beispielhaften Verstärkungen in Form einer Rippe oder eines Schubblechs; und
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5A–5C schematische Seitenansichten dreier Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Mastes bzw. einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage.
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Die 5A zeigt im Zusammenhang mit den 1A bis 4B eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage 1, mit einer Basis 200, über die ein Mast 2 der Windenergieanlage 1 an einem Untergrund U festlegbar ist, wobei sich der Mast 2 längs einer Längsachse A erstreckt, die bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Windenergieanlage 1 mit der Vertikalen zusammenfällt und entlang der Längsachse A eine Länge L aufweist, die insbesondere einen beliebigen Wert bis zu 300 m annehmen kann, bevorzugt liegt L im Bereich von 50 m bis 150 m. Generell kann der Mast 2 einstückig oder aus einzelnen Segmenten ausgebildet sein, die entlang der Längsachse A aneinandergereiht und miteinander verbunden sind.
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Der Mast 2 weist weiterhin ein erstes freies Ende auf, das über ein Azimut-Drehlager 22 mit der Basis 200 verbunden ist, so dass der Mast 2 um die Längsachse 2 gegenüber dem Untergrund U bzw. der Basis 200 rotierbar ist, wobei sich der Mast 2 vom ersten freien Ende entlang der Längsachse A zu einem zweiten freien Ende des Masts 2 erstreckt, über das der Mast 2 mit einem Rotorträger 101 (bzw. einer Windturbine) drehfest verbunden ist. Am Rotorträger 101 (auch Gondel genannt) ist ein Rotor 100 der Windenergieanlage 1 um eine Rotorachse A' drehbar gelagert, wobei die Rotorachse A' bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Windenergieanlage 1 entlang der Horizontalen verläuft. Der Rotorträger 101 kann des Weiteren einen Generator (nicht gezeigt) aufnehmen, der die Rotationsenergie des Rotors 100 in elektrische Energie umsetzt.
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5B zeigt eine Abwandlung der Windenergieanlage 1 gemäß 5A, wobei im Unterschied zur Windenergieanlage 1 gemäß 5A das Drehlager 22 nicht im Bereich des ersten freien Endes des Mastes 2 vorgesehen ist, sondern auf beliebiger Höhe, z. B. in etwa mittig am Mast 2. D. h. der Mast 2 weist einen ersten (unteren) Abschnitt auf, über den der Mast 2 mit dem Untergrund U verbunden ist, sowie einen sich daran anschließenden zweiten Abschnitt 21, der sich zum zweiten freien Ende des Mastes 2 bzw. zum Rotorträger 101 hin erstreckt, wobei die beiden Abschnitte des Mastes 2 über das Drehlager 22 miteinander verbunden sind, so dass der (obere) zweite Abschnitt 21 des Mastes 2 samt Rotorträger 101 gegenüber dem drehfest mit dem Untergrund U verbundenen ersten Abschnitt des Mastes 2 um die Längsachse A gedreht werden kann.
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Schließlich zeigt 5C eine weitere Abwandlung der Windenergieanlage 1 gemäß 5A, wobei im Unterschied zur Windenergieanlage 1 gemäß 5A zusätzlich der Rotorträger 101 über ein Azimut-Drehlager 20 mit dem (oberen) zweiten freien Ende des Mastes 2 verbunden ist, so dass der Mast 2 unabhängig vom Rotorträger 101 um die Längsachse A drehbar ist.
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Die 1A bis 3D zeigen mögliche beispielhafte Querschnittskonturen 30 des Mastes 2 bzw. einer Tragstruktur 23 des Mastes 2 entlang der Linien I-I der 5A bis 5C.
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Danach weist der Mast 2 gemäß 1A bis 2 eine Tragstruktur 23 auf, mit einem Zuggurt 25 und einem Druckgurt 24, die jeweils entlang der Längsachse A erstreckt sind. Dabei weisen die Masten 2 gemäß den Figuren 1A bis 1C jeweils eine Verkleidung 28 auf, die die Tragstruktur 23 im Querschnitt umgibt, so dass der Mast 2 gemäß 1A beispielsweise eine kreisförmige Querschnittskontur (Außenkontur) 30 in Anlehnung an die Erscheinung herkömmlicher Masten aufweisen kann. Die 1B und 1C zeigen demgegenüber last- und strömungsoptimierte Querschnittkonturen, wobei 1B eine ovale Querschnittskontur 30 und 1C eine (aerodynamische) tropfenartige Querschnittskontur 30 zeigt, bei denen jeweils die Ausdehnung entlang der Längsachse 31 größer ist, als entlang der Querachse 32.
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Hierbei weist die Querschnittskontur 30 gemäß 1C bzw. 2 eine Profilnase mit einem Nasenradius auf, wobei von der Profilnase zu beiden Seiten der Kontur 30 Profilschenkel abgehen, die zur Längsachse 31 der Kontur 30 spiegelsymmetrisch ausgebildet sind und in einem spitzen Winkel (z. B. am Druckgurt 24 gemäß 2) zusammenlaufen.
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Der Zuggurt 25 und der Druckgurt 24 können gemäß den 1A bis 1C in Skelettbauweise ausgeführt werden, wobei die Verkleidung 28 in diesem Fall vorzugsweise die Tragstruktur 23 des betreffenden Mastes 2 nach außen hin vollständig verkleidet.
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Alternativ hierzu können der Zug- und der Druckgurt 25, 24 gemäß 2 auch in Schalenbauweise gefertigt sein. Hierbei bilden der Zuggurt 25 und der Druckgurt 24 jeweils Schalen 27 mit einer nach außen gewandten äußersten und sichtbaren Oberfläche 27a des Mastes 2, die über eine Verkleidung 28 miteinander verbunden sind, wobei die Verkleidung auf beiden Seiten des Mastes 2 die beiden Schalen 27 miteinander verbindet. Dabei kann die Verkleidung auch als Verstärkung 26 fungieren, über die die beiden Schalen 27 (Zug- und Druckgurt 25, 24) gegeneinander abgestützt sind.
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Mit anderen Worten kann die (Außen)verkleidung 28 Teile der Querschnittskontur (Außenkontur) 30 (2) oder die gesamte Querschnittskontur (Außenkontur) 30 (1A bis 1C) umfassen.
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Wie in den 3A bis 3D gezeigt, können die Zug- und Druckgurte 25, 24 mit einer oder mehreren Verstärkungen 26 gegeneinander abgestützt werden.
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Dabei kann gemäß 3A die Verstärkung 26 innen liegen, also z. B. von den im Querschnitt konvex gekrümmten Gurten 25, 24 im Querschnitt umgriffen werden, wobei die Verstärkung 26 jeweils mittig von zwei einander zugewandten Innenseiten 25a, 24a der beiden Gurte 25, 24 abgeht und diese miteinander verbindet.
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Alternativ hierzu kann die Verstärkung 26 der Querschnittskontur (Außenkontur) 30 folgen, wobei zwei Verstärkungselemente 26 je zwei einander gegenüberliegende freie Enden der beiden Gurte 25, 24 miteinander verbinden, oder sich kreuzen, wobei wiederum zwei Verstärkungselemente 26, die mittig miteinander verbunden sein können, so dass die Verstärkung 26 im Querschnitt X-förmig ausgebildet sein kann, je zwei einander diametral gegenüberliegende freie Enden der beiden Gurte 25, 24 miteinander verbinden.
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Des Weiteren können gemäß 3D zwei oder mehrere parallel verlaufende Verstärkungen 26 nach Art der 3A vorgesehen sein.
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Die 4A und 4B zeigen jeweils beispielhaft in einer Schnittansicht entlang der Linie IV-IV der 3A Verstärkungen 26 zwischen den Gurten 25, 24, wie sie gemäß den 3A–3D vorhanden sein können.
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Danach kann die Verstärkung 26 gemäß den 3A bis 3D als Gitterstruktur mit einer Mehrzahl an Gitterstreben 26 ausgebildet sein, die entlang der Längsachse A geneigt verlaufen können und sich jeweils zwischen den einander gegenüberliegenden Gurten 25, 24 erstrecken und diese miteinander verbinden (vgl. 4A).
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Alternativ hierzu kann die Verstärkung 26 gemäß 4B flächig ausgebildet sein, insbesondere aus einem (Stahl)blech, wobei die flächige Verstärkung 26 Entlastungsöffnungen 29 aufweisen kann.
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Um einen besonders hohen Grad an Material- und Kostenersparnis durch einen last- und/oder strömungsoptimierten Mast 2 mit einer Querschnittskontur 30, die z. B. den 1B, 1C oder 2 entsprechen kann, zu erzielen, ist es zweckmäßig, den Mast 2 nach der Hauptwindrichtung und der Hauptbelastung auszurichten, so dass die exemplarisch in 2 eingezeichnete erste Richtung R, entlang der der Mast 2 größere axiale Widerstandsmomente bzw. Biegesteifigkeit (Biegefestigkeit) aufweist, als entlang der quer zur ersten Richtung R orientierten zweiten Richtung R', stets auf die jeweilige Windrichtung (Hauptbelastungsrichtung) eingestellt (rotiert) werden kann.
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Hierzu sind die vorstehend beschriebenen Azimut-Drehlager 20, 22 gemäß den 5A bis 5C vorgesehen. Dabei ermöglicht das tief gelegene Azimut-Drehlager 22 nach den 5A und 5B das Verstellen des Azimutwinkels (Drehwinkel um die Längsachse A) des Mastes 2 gemeinsam mit dem Rotorträger 101 bzw. einer Windturbine. Ein zusätzliches Drehlager 20 gemäß 5C ermöglicht darüber hinaus, den Mast 2 unabhängig von dem Rotorträger 101 drehen zu können.
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Vorliegend ist eines der bevorzugten Materialien für den Mast 2, die Gurte 25, 24 und die Verstärkungen 26 sowie ggf. sonstige Komponenten Metall, insbesondere Stahl.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009007812 A1 [0003]
