DE102011051092A1

DE102011051092A1 - Windenergieanlage mit einem Mast oder einer Gründung, die mindestens teilweise mit einer den Strömungswiderstand reduzierenden Oberfläche ausgestattet ist

Info

Publication number: DE102011051092A1
Application number: DE102011051092A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2012-02-09

Abstract

Der Mast oder die Gründung der Windenergieanlage weist wenigstens an Teilen ihrer vom Fluid umströmten Oberfläche Strukturen auf, die den Strömungswiderstand eines auf den Mast oder die Gründung auftreffenden Fluides (Luft, Wasser) deutlich reduzieren. Auf diese Weise wird die statische und dynamische Horizontalbelastung des Mastes deutlich vermindert. Dadurch ist es möglich, die Gründung oder/und den Mast schwächer auszuführen, wodurch enorme Kosten gespart werden. Im Falle, daß der Mast oder die Gründung nicht schwächer ausgeführt werden, ergibt sich durch die Maßnahme eine drastische Erhöhung der Standfestigkeit der Windenergieanlage gegenüber Extremwetterereignissen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die kostengünstigere Ausgestaltung von Windenergieanlagen bzw. die Ausgestaltung zur Erhöhung von deren Lebensdauer oder der Stabilität gegen Extremwetterereignisse. Die Erfindung erhöht in vielen Fällen auch den Gesamtwirkungsgrad der Anlagen und reduziert den Schallpegel.
Stand der Technik
Übliche Windenergieanlagen weisen eine Gründung, einen Mast und eine Gondel mit Rotor auf. Die Gründung befindet sich an Land (onshore) oder auf See (offshore).
Einige geplante offshore-Windenergieanlagen sind auch schwimmend ausgeführt und mit Kabeln am Meeresgrund befestigt. Diese sind auch für große Wassertiefen geeignet.
Windenergieanlagen mit Vertikalrotoren weisen meist einen rotierenden Zentralmast auf.
Windenergieanlagen aller möglichen Ausfertigungen müssen in der Lage sein, Extremwetterereignisse zu überstehen. Vor allem offshore werden hohe Anforderungen an die Anlagen gestellt, wobei dort vor allem das bewegte Wasser die Hauptkräfte ausübt.
Für offshore-Gründungen sind als Stand der Technik unterschiedliche Typen bekannt, z. B. der Monoeile, die Jacketgründung, der Tripod, das Schwerkraftfundament oder die Flachgründung und Kombinationen aus denselben.
Bei der Planung und Bemessung von Offshore-Windenergieanlagen spielen die Besonderheiten gegenüber Windenergieanlagen an Land und konventionellen Offshore-Plattformen eine große Rolle. Die Unterschiede sind vorwiegend auf die jeweilige Belastungscharakteristik zurückzuführen. So muss bei Offshore-Windenergieanlagen gegenüber Windenergieanlagen an Land die zusätzliche Belastung aus Wellenangriff und Meeresströmung, aus Eis und Schiffsstoß berücksichtigt werden. Durch die großen Wassertiefen vergrößern sich die Bauwerksabmessungen, der Hebelarm der aero- und hydrodynamischen Kräfte erhöht sich deutlich, wobei die hydrodynamischen Krafteinwirkungen auf die Gründung um bis zu zehnmal größer als die aerodynamischen Lasten sein können! Die hydrodynamischen Momente auf die Gründung können mehr als das Doppelte der aerodynamischen Momente betragen.
Unter Berücksichtigung dieser Aspekte wurde und wird bislang der Gründung eine besondere Bedeutung zugemessen, da sie als die einzige Komponente betrachtet wurde, die an die Randbedingungen vor Ort, insbesondere an die jeweiligen Baugrundverhältnisse, angepasst werden mußte.
Die Belastung des Gründungselements geht, gerade was die transienten Lasten aus Wind und Seegang betrifft, weit über das Maß hinaus, das durch die konventionellen Bemessungsverfahren für Gründungen abgedeckt ist. Dies hatte zur Folge, dass die bisherigen Erfahrungen aus der Offshore-Technik nicht ohne weiteres auf offshore-Gründungen von Windenergieanlagen übertragbar waren. Ziel war daher stets, die Gründung so zu optimieren, dass sie den auftretenden statischen und dynamischen Lasten dauerhaft standhält.
Es wurde bislang nicht versucht, die auftretenden Lasten durch Optimierung der Oberfläche des Mastes so zu verringern, daß die Gründung kostengünstiger ausgeführt werden kann!
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, die Gründung/Verankerung von Windenergieanlagen schwächer und damit kostengünstiger ausgestalten zu können bzw. die Lebensdauer oder/und Belastbarkeit von Windenergieanlagen bei Extremwetterereignissen zu erhöhen.
Weitere Aufgaben sind es, auch den Wirkungsgrad und die Betriebsdauer der energieerzeugenden Teile der Anlagen zu erhöhen und deren Schallpegel zu senken.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Hierzu sieht die Erfindung vor, den Mast oder/und die Gründung der Windenergieanlage gegenüber vorüberströmenden Fluiden (Wasser, Luft) mindestens teilweise deutlich strömungsgünstiger zu gestalten, als dies bislang der fall war, wodurch die auf den Mast einwirkenden Kräfte sich deutlich verringern und dadurch auch die Kippmomente!
Um dies zu erreichen sieht die Erfindung mehrere Möglichkeiten vor, die auch miteinander kombiniert werden können:

1.) Verringerung des dem bewegten Fluid entgegenstehenden Querschnitts des Mastes bzw. der Gründung mindestens in Teilbereichen, die dem Fluidaufprall besonders ausgesetzt sind.
2.) Verringerung des c_W-Wertes (Strömungswiderstandbeiwertes) a.) durch statische Mittel b.) durch dynamische Mittel

zu 1.): Eine sehr einfache Methode ist die Verwendung eines Gittermastes. Obwohl der c_W-Wert eines Gittermastes mit seinen zahlreichen Streben schlecht ist, wird dies durch die geringe dem strömenden Fluid entgegengesetzte Fläche mehr als ausgeglichen!
Gittermasten benötigen allerdings, wenn sie nicht aus korrosionsfestem Material bestehen, einen hohen Wartungsaufwand. Insbesondere gilt das im Offshore-Bereich!
Es ist auch möglich, den Mast wie in den meisten Fällen üblich, in etwa zylinderförmig auszuführen und ein hochfestes Material einzusetzen, wodurch sich sein Durchmesser und damit die dem Fluid entgegenstehende Fläche veringern läßt. Solche Materialien sind aber sehr teuer und der Mehrpreis muß durch entsprechende Einsparungsmöglichkeiten am Fundament mindestens kompensiert werden!
Es ist auch möglich, einen in etwa zylinderförmigen Mast geringeren Durchmessers zu verwenden, der in seinem Inneren Aussteifungen besitzt, z. B. in Längsrichtung angebrachte starke Bleche oder/und auch Verstrebungen.
Zu 2.): Es ist möglich, bei gleicher ode sogar etwas größerer dem Fluid entgegenstehender Fläche den c_W-Wert durch eine entsprechende Formgebung des Mastes bzw. der Gründung zu reduzieren, wodurch sich die dynamischen Horizontalbelastungen verringern. Ein Problem dabei ist, daß die Anströmung des Mastes nicht immer aus derselben Richtung erfolgt! Die Optimierung für alle Richtungen ist also schwieriger als etwa die Strömungsoptimierung eines Autos.
Zu 2.)a.) Die Verringerung des c_W-Wertes kann durch eine statische Formgebung der Oberfläche geschehen. Eine Möglichkeit hierfür sind z. B. Vertiefungen (z. B. Dimples ähnlich wie bei einem Golfball, der dadurch doppelt so weit fliegt wie ein glatter Ball!). Auch Erhebungen führen zu einer Änderung des c_W-Wertes (Haifischhaut!). Auch fadenförmige bewegliche Anhänge an der Oberfläche (wie z. B. an Flugzeugflügeln getestet) verringern den Strömungswiderstand. Die beschriebenen Mittel können auch miteinander kombiniert werden. Ihre Anordnung entlang der Oberfläche ist bevorzugt symmetrisch verteilt. Falls eine Vorzugsrichtung des strömenden Fluids vorhanden ist, ist eine asymmetrische Anordnung vorteilhaft.
Die beschriebenen Maßnahmen müssen in Simulationsrechnungen optimiert werden. Dies sind Standardmethoden in der Strömungsoptimierung, wofür es auch standardmäßige Rechenprogramme gibt.
Die optimierten Mittel können entweder fester Bestandteil des Mastes sein oder nachträglich als Überzug angebracht werden. Für die Oberflächen im Wasserbereich eines Offshore-Mastes kann z. B. auch ein Material verwendet werden, wie es für moderne Schwimmanzüge optimiert wurde, um deren Wasserwiderstand zu verringern.
Die Oberfläche ist bevorzugt gegen Bewuchs durch Muscheln geschützt. Bevorzugt ist sie auch leicht austauschbar.
Für schwimmende Offshore-Windenergieanlagen ist es sinnvoll, auch die Kabel, mit denen die Anlage ortsfest am Meeresboden vertäut ist, mit c_W-wertreduzierender Oberfläche auszustatten, um die Kräfte auf die langen Kabel deutlich zu mindern und dadurch die Verankerung am Meeresboden weniger stark ausführen zu müssen!
Auch Gittermasten können aus Elementen aufgebaut sein, die gegenüber den bisherigen kantigen Profilen im c_W-Wert verringert sind. Rohrteile, auch oval oder mit angenähertem Tragflächenprofil, sind hierfür denkbar und besonders im Übergangsbereich Wasser/Luft sinnvoll, da dort die größten Horizontalkräfte durch Strömung und Wellenschlag auftreten.
Zu 2.)b.) Die Verringerung des c_W-Wertes kann durch eine dynamische Formgebung der Oberfläche geschehen. Hierzu wird dem Mast eine stromlinienförmige Struktur übergestülpt, die sich immer weitgehend optimal zur Strömungsrichtung des Fluids ausrichtet. Eine einfache solche Struktur ist im Querschnitt z. B. tropfenförmig. Sie kann aus relativ dünnem Material (z. B. Blech) bestehen.
Die Verringerung des c_W-Wertes kann dynamisch auch auf andere Weise erfolgen: Durch Düsen in der Oberfläche wird entweder ein Fluid ausgestoßen oder es wird Fluid eingesaugt. Letzteres Verfahren wird z. B. ebenfalls an manchen Flugzeugflügeln mit Luft praktiziert.
Ziel ist es, die Ablösung der Wirbel, die Energie abführen und damit zu einem Druckanstieg an der angeströmten Oberfläche führen, zu vermindern.
Ein weiteres Verfahren, welches vor allem beim von Wasser angeströmten Teil des Mastes bzw. der Gründung (auch der Luft/Wasser-Wellenzone) zur Verringerung der maximalen Kraftspitzen eingesetzt werden kann, ist eine Ummantelung des Mastes mit einer elastischen fluidgefüllten Hülle. Auf die Umhüllung von außen mit relativ hoher Geschwindigkeit pulsartig auftreffendes Fluid verteilt seine Krafteinwirkung zeitlich und räumlich gleichmäßiger auf den Umfang des Mastes und reduziert dadurch die Maximalbelastung. Dieses Verfahren wirkt also ohne eine Verringerung des c_W-Wertes.
Indem durch die beschriebenen Maßnahmen, für die einsetzbare Mittel nach Stand der Technik aus anderen Gebieten existieren, die Spitzenbelastungen reduziert werden, müssen auch die Bauteile nicht mehr so stark und stabil ausgelegt werden. Dies gilt auch für den Mast bzw. die Gründung, wodurch dieser auch wieder mit geringerem Durchmesser ausgeführt werden kann, wodurch sich wiederum die auftretenden Horizontalkräfte zusätzlich reduzieren.
Der c_W-Wert eines angeströmten Mastes bzw. einer angeströmten Gründung ist abhängig vom Medium und dessen geschwindigkeits- und dichteabhängiger Reynolds-Zahl! Bei den anzunehmenden Spitzenbelastungen ist bei nicht mit erfindungsgemäßen Mitteln behandelter Kreiszylinderform des Mastes bzw. der Gründungsstruktur mit einem c_W-Wert von 0,35 bis 1 zu rechnen. Der wahrscheinlichste Wert dürfte in der Nähe von 0,65 liegen.
Dieser Wert läßt sich erfindungsgemäß durch bereits sehr einfache Mittel um mindestens 25% mindern. Durch aufwendigere Methoden, wie die dynamische Beeinflussung des Strömungswiderstandes, läßt sich auch eine Reduktion um 50% und mehr erreichen! (Ein konventioneller Tragflügel eines Flugzeuges hat einen c_W-Werte von nur noch 0,08!)
Entsprechend stark vermindern sich auch die Horizontalkräfte auf den Mast bzw. den oberen Bereich der Gründungsstruktur der Windenergieanlage und entsprechend schwächer und damit wesentlich kostengünstiger können die Strukturen der Gründung und des Mastes ausgeführt werden!
Im Falle der dynamischen Beeinflussung des c_W-Wertes ist es auch möglich, dies nur während der Zeit eines Extremwetterereignisses (Sturm, hohe Wellen) zu tun und in Zeiten geringer Horizontalbelastungen die dynamischen Verfahren stillzulegen.
Es ist auch möglich, nur während eines Extremwetterereignisses eine c_W-wertreduzierende Hülle über die besonders relevanten Teile der Windenergieanlage zu legen. Dies kann z. B. durch ein Absenken eines rohrartigen, den Mast umschließenden Gebildes mit c_W-wertreduzierter Oberflächenausstattung von einer Parkstellung oberhalb des Wassers ins Wasser erfolgen. Ein solches Vorgehen verhindert den Bewuchs der c_W-wertreduzierenden Flächen mit Muscheln.
Eine Verminderung des c_W-Wertes des Mastes sollte mindestens an den Stellen erfolgen, an denen die größten Belastungen und Hebelärme auftreten, also der obere Bereich des unter dem Wasserspiegel liegenden Teils des Mastes einschließlich der Wellenzone und der obere Teil des Mastes unterhalb der Gondel (die Gondel selbst ist schon strömungsgünstiger ausgeführt, könnte aber auch noch weiter optimiert werden).
Eine Verringerung des Strömungswiderstandes in den Bereichen des Mastes, an denen das Rotorblatt vorüberstreicht, führt durch Vergleichmäßigung der Windgeschwindigkeit in Mastnähe weiterhin zu einer Verbesserung des Laufverhalten des Rotors, wodurch sich die Lebensdauer der Rotorblätter erhöht. Eine Verringerung des Strömungswiderstandes um den Mast herum führt darüber hinaus auch zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Anlage, da sich die Windgeschwindigkeit am Rotorblatt vor dem Mast dadurch etwas erhöht (bzw. weil das Abfließen der Luft um den Mast erleichtert wird: Betzsches Gesetz!). Weiterhin verringert sich dadurch der Schallpegel, was vor allem in Wohngebietsnähe von Vorteil ist.
Weiterhin ist es dadurch auch leichter möglich, ohne großen Wirkungsgradverlust den Rotor auf der Leeseite der Windenergieanlage anzuordnen. Dies ist vor allem für schwimmende Windenergieanlagen wichtig!
Eine Reduzierung des c_W-Wertes an den maßgeblichen Stellen läßt sich auch nachträglich bei schon bestehenden Windenergieanlagen durchführen, wodurch diese beständiger gegen Extremwetterereignisse werden und sich gleichzeitig deren Lebensdauer und Wirkungsgrad etwas erhöht und der Schallpegel erniedrigt!
Das Prinzip der Verringerung des Strömungswiderstand um eine Windenergieanlage herum läßt sich auch auf den kostengünstigeren Bau anderer hoch gebauter Gebäude (z. B. Schornsteine, Türme) anwenden.
Auch Strömungskraftwerke unter Wasser lassen sich dadurch optimieren.

Claims

Windenergieanlage, offshore oder onshore, die mindestens aus einer Gründung und einem im wesentlichen zylinderförmigen rohrartigen Mast oder einem Gittermast mit oben angeordnetem Rotor besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Mast oder die Gründung mindestens in einem Bereich, verglichen mit einem üblichen zylinder- oder konusförmigen Rohr gleicher Stabilität oder üblichem Gittermast gleicher Stabilität, im Strömungswiderstand reduziert ist, und daß dieser Bereich derjenige Bereich ist, an dem die größten Horizontalbelastungen durch Strömungskräfte auftreten.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine auf dem Meeresgrund stehende offshore-Windenergieanlage handelt.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine schwimmende Windenergieanlage handelt, die an Gründungen auf dem Meeresboden vertäut ist
Windenergieanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Mastes und/oder der Gründung in der Wellenbereichszone und/oder in Bereichen unterhalb des Wasserspiegels strömungswiderstandreduzierend ausgestattet ist.
Windenergieanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Mastes und/oder der Gründung in der Wellenbereichszone und/oder in Bereichen unterhalb des Wasserspiegels c_W-wertreduzierend ausgestattet ist.
Windenergieanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone des Mastes, die vom Rotorblatt überstrichen wird, strömungswiderstandsreduzierend ausgestattet ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone des Mastes c_W-wertreduzierend ausgestattet ist.
Verfahren, um eine Windenergieanlage gegen auftretende horizontale dynamische Lasten unempfindlicher zu machen, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens in Bereichen der Oberfläche ihres Mastes oder anderer von Fluid umströmter Teile, an denen die größten Horizontalbelastungen auftreten, strömungswiderstandreduzierend ausgestattet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß hierzu die von Fluid angeströmte Fläche bei gleicher Stabilität der Struktur durch konstruktive Maßnahmen verringert wird, und wobei diese Maßnahmen in der Verwendung durchbrochener Strukturen wie Gittermasten bestehen, oder in der Verwendung einer im wesentlichen zylinderförmigen Struktur, die in ihrem Inneren Aussteifungen enthält, wodurch sie im Durchmesser kleiner als üblich ausgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Bereich der umströmten Oberfläche der Windenergieanlage mit c_W-wertreduzierenden Mitteln ausgestattet wird, wobei diese Mittel dauerhaft oder nur im Falle von zu erwartenden Extrembelastungen angebracht oder eingesetzt werden.