DE102010037706A1 - Mast for supporting rotor of wind turbine, has mast main structure whose flexural rigidity is greater along direction perpendicular to longitudinal axis of the mast main structure - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Mast für eine Windenergieanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Windenergieanlage.The invention relates to a mast for a wind turbine according to the preamble of
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.Typically, a wind turbine for converting wind energy into electrical energy has a mast extended along a longitudinal axis (vertical) for carrying at least one rotor of the wind turbine.
Ein derartiger Mast ist aus der
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.Wind turbines with different capacities already occupy a firm place in the mix of energy production. Due to the further development of recent years, these wind turbines have become ever larger and more efficient.
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.Power generating wind turbines with horizontal axis of rotation are at an appropriate height, z. B. between 50 and 140 m, positioned and aligned to the wind. Corresponding masts are preferably made of sheet steel and generally have a circular cross-section. Due to the comparatively large overall heights of wind turbines or diameters of wind turbines, two challenges increasingly come to the fore in generic wind turbines: Firstly, the use of materials and the cost of masts with increasing height grow disproportionately, on the other hand, the windstow caused by the mast, wind shadow or turbulence unfavorable to the turbine and the overall system.
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.Proceeding from this, the present invention is based on the problem to provide a mast or a wind turbine of the type mentioned, which is the most cost-effective in the production of maintaining a high efficiency in the production of electricity from wind energy.
Dieses Problem wird durch einen Mast mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Windenergieanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.This problem is solved by a mast with the features of
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.Thereafter, it is provided that the flexural rigidity and / or bending strength of the mast with respect to the longitudinal axis of the mast along the entire length (relative to the longitudinal axis) of the mast in a direction oriented perpendicular to the longitudinal axis first direction is always greater than in a direction to the first and to the longitudinal axis perpendicular second direction.
Unter der Biegesteifigkeit wird allgemein in der technischen Mechanik derjenige Widerstand verstanden, den ein Körper einer Biegung (vorliegend senkrecht zur Längsachse) entgegensetzt.Bending stiffness is generally understood in technical mechanics as the resistance that a body opposes to a bend (in the present case perpendicular to the longitudinal axis).
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).In the present case, said first direction coincides in particular with the main loading direction of the mast, which is defined by the respective wind direction. In other words, the mast is designed so that it bends in the first direction (main load direction) by corresponding, approximately parallel to the first direction (wind) forces, the entire length of the mast along the longitudinal axis of the mast and at Turbine (rotor) can attack, always a greater resistance opposes, as transverse to this direction (second direction).
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.According to the invention, a punctiform or rotationally symmetrical (annular) cross section of the conventional masts, usually made of sheet steel (so-called tubular steel masts or tubular steel towers) can thus be avoided in particular. Such masts are oversized by design transverse to the wind direction, resulting in a correspondingly higher material usage and thus higher manufacturing costs. This problem is becoming increasingly important in modern multi-megawatt wind turbines, since experience has shown that the production costs of steel tubular masts increase disproportionately with the overall height of wind turbines.
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).In addition, the transport of circular masts and mast segments is very complex. Especially the transport by bridges limits the size of the transportable components. The production of tubular masts on a construction site is also very difficult. Here, the inventive design of the mast provides a remedy, because it allows in principle a reduction in the dimension (diameter) of the mast transverse to the first direction (main load direction).
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.In a variant of the invention, it is provided that at least one section of the mast extended along the longitudinal axis or the entire mast relative to a base (foundation) of the wind energy installation or the mast, via which the mast can be anchored in a subsoil, about the longitudinal axis is rotatable, wherein said portion of the mast or the entire mast in particular via a pivot bearing, which is in particular a so-called azimuth pivot bearing, is connected to said base.
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. In other words, the mast can thus be rotated together with the rotor carrier or a wind turbine, so that the said first direction represents an orientable preferred direction for the load of the mast.
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.In contrast, since the wind can come from all directions, a rigidly grounded mast must be equally suitable for absorbing bending moments and transverse forces from all directions.
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.The rotor, which is rotatably mounted about a rotor axis that is in particular horizontal, perpendicular to the longitudinal axis, can be connected to the mast via a rotor carrier, which can furthermore have a housing for accommodating a generator (turbine), with the aid of which the rotation of the rotor can be converted into electrical energy can.
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.In this case, in a further variant of the invention, the mast is additionally rotatable relative to the rotor carrier about the longitudinal axis, wherein the mast in particular via a rotary bearing, which is in particular designed as an azimuth rotary bearing, with the rotor carrier is connectable.
Somit wird ermöglicht, dass der Mast unabhängig von dem Rotorträger bzw. von einer Windturbine um die Längsachse des Mastes drehbar ist.This makes it possible for the mast to be rotatable independently of the rotor carrier or of a wind turbine about the longitudinal axis of the mast.
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.At windward wind turbines, a windstorm forms in front of the mast and at leeward systems behind the mast, a slipstream that leads to dynamic loads on the turbine and the entire system when the rotor (turbine blade) passes by. This and any active compensation measures (eg cyclic pitch adjustment of the rotor or the rotor blades) can reduce the energy harvest and shorten the service life of the components and materials used. The possible lifetime shortening can be compensated by greater dimensioning of the components and assemblies, which, however, leads to higher system costs.
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.Preferably, therefore, the mast in cross-section on a cross-sectional contour (cross-sectional profile), which is preferably windschlüpfrig. In this case, the cross-sectional contour preferably has a longitudinal axis, which is preferably oriented along the said first direction during the intended operation of the wind energy plant, and in particular is greater than a transverse axis of the cross-sectional contour running transversely to the longitudinal axis of the cross-sectional contour. Preferably, the cross-sectional contour is further formed mirror-symmetrically to the longitudinal axis of the cross-sectional contour.
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.The cross-sectional contour can have such a wind-slippery cross-sectional contour along the entire length of the mast. However, it is also conceivable to let the mast proceed from the base in the direction of a rotor carrier from such a wind-slippery profile into a circular profile and vice versa.
Durch den hierdurch bedingten geringen Strömungswiderstand des Mastes wird der Windstau bzw. -schatten reduziert.Due to the resulting low flow resistance of the mast the windstow or -schwatten is reduced.
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.Reduced windstorms or slipstreams reduce the dynamic impact on the turbine (generator) and overall system, resulting in reduced material fatigue and extended life.
Die geringere dynamische Belastung der Turbine und der Gesamtanlage erlaubt zudem die Verwendung von schwächer dimensionierten Bauteilen und Baugruppen und ermöglicht daher Kosteneinsparungen.The lower dynamic loading of the turbine and the entire system also allows the use of smaller dimensioned components and assemblies and therefore allows cost savings.
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.Furthermore, by the deviation of the cross-sectional contour of the circular shape, the use of starting material for the production of poles is possible, which is easier to transport to the site.
Schließlich ist die Montage und Errichtung von nicht kreisförmigen Masten auf der Baustelle erheblich einfacher.Finally, the assembly and erection of non-circular masts on the jobsite is much easier.
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.The mast according to the invention preferably has a supporting structure with a pressure belt extended along the longitudinal axis and a tension belt extending along the longitudinal axis, the tension belt and the pressure belt being connected to one another, in particular via at least one reinforcement.
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.Preferably, the pressure belt and / or the tension belt that support structure each form a shell of the mast with an outwardly facing visible surface of the mast or a component of such a shell.
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.Alternatively, the support structure may form a skeleton of the mast, which is in particular partially or completely surrounded by a lining of the mast. The cladding may have a circular cross-sectional contour or said aerodynamic cross-sectional contour (see above) in a plane lying perpendicular to the longitudinal axis of the mast.
Vorzugsweise ist der Mast als Sandwichteil ausgebildet, also durch eine Sandwich-Bauweise hergestellt.Preferably, the mast is designed as a sandwich part, that is produced by a sandwich construction.
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. In this case, a sandwich construction is understood to mean, in particular, a construction in which, for example, supporting structures such as the straps are connected to one another by a spacer material, which ensures the spacing of the two structures from one another. Thus, for example, the straps of a mast according to the invention, which are stretched along the longitudinal axis, may be surrounded by a hard foam layer or other spacer material, wherein this foam layer may in turn be surrounded by a lining. The foam layer keeps the two straps at a distance. Such a spacer material may also be arranged only between the straps.
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.From the elementary beam theory it is known that circular cross-sections with respect to sandwich cross sections have four times the maximum stress in the edge fibers for the same material area and height. When using a mast with a sandwich cross-section and the same material-related maximum stresses in the edge fiber, the use of a mast with sandwich cross-section therefore allows considerable material and cost savings.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen mittels der nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen:Further features and advantages of the invention will be explained by means of the following description of exemplary embodiments with reference to the figures. Show it:
Die
Der Mast
Schließlich zeigt
Die
Danach weist der Mast
Hierbei weist die Querschnittskontur
Der Zuggurt
Alternativ hierzu können der Zug- und der Druckgurt
Mit anderen Worten kann die (Außen)verkleidung
Wie in den
Dabei kann gemäß
Alternativ hierzu kann die Verstärkung
Des Weiteren können gemäß
Die
Danach kann die Verstärkung
Alternativ hierzu kann die Verstärkung
Um einen besonders hohen Grad an Material- und Kostenersparnis durch einen last- und/oder strömungsoptimierten Mast
Hierzu sind die vorstehend beschriebenen Azimut-Drehlager
Vorliegend ist eines der bevorzugten Materialien für den Mast
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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