DE60034079T2

DE60034079T2 - Schwingungsdämpfung in Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE60034079T2
Application number: DE60034079T
Authority: DE
Inventors: Thomas Steiniche Bjertrup Nielsen
Original assignee: Neg Micon AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2020-06-16
Also published as: ATE357593T1; ES2233387T3; CN1375040A; EP1503075A1; CA2589614C; WO2000077394A1; EP1503075B1; AU5208800A; EP1203155A1; EP1203155B1; DK1203155T3; CN1201079C; CA2374803C; DE60034079D1; ES2285347T3; DE60016418T2; DE60016418D1; AU772084B2; ATE283975T1; PT1503075E

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Dämfung von Schwingungen einer Windturbine mittels einer schwingungsdämpfenden Einrichtung, die einen oder mehrere Behälter umfaßt, die teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, um Schwingungen der Windturbine zu dämpfen.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine dämpfende Einrichtung, die eine Anzahl von kastenförmigen Behältern umfaßt, die einen quadratischen Querschnitt haben und teilweise mit Flüssigkeit gefüllt sind, um so für eine unidirektionale Dämpfung von einer Stärke zu sorgen, die einem logarithmischen Dekrement von Schwingungen der ersten Resonanzbiegefrequenz der Windturbine von mindestens 4–8% äquivalent ist, wobei die Gesamtmasse der in den Behältern enthaltenen Flüssigkeit gleich 1,2–1,8% der Masse der Gondel ist. Im Falle von Off-Shore angeordneten Windturbinen erfordert die kombinierte Anregung von Wind und Meereswellen mehr Dämpfung, wobei die Dämpfung vorzugsweise einem logarithmischen Dekrement von 10–15% äquivalent ist, was erreicht werden kann mit einer Gesamtmasse der Flüssigkeit, die gleich 2–4% der Masse der Gondel ist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Schwingungsdämpfung der zweiten Biegemode einer Windturbine und die kombinierte Dämpfung von Schwingungen der ersten wie auch der zweiten Biegemode der Windturbine.
Hintergrund
Alle großen Bauwerke und Konstruktionen werden durch den Wind angeregt im gesamten Frequenzspektrum, einschließlich der Resonanzbiegefrequenzen des Bauwerks. Aufgrund einer positiven Proportionalität zwischen den Horizontalkräften an dem Bauwerk und der Windgeschwindigkeit hat der Wind einen dämpfenden Effekt auf Schwingungen der ersten Resonanzbiegefrequenz für Bauwerke von schlanker Zylinderform, so wie Kamine, und für traditionelle Windturbinen, die eine solche Charakteristik der Horizontalkräfte aufweisen.
Eine moderne Windturbine hat eine Charakteristik der Horizontalkräfte, die oberhalb einer bestimmten Grenze ein Plateau oder sogar eine negative Proportionalität zur Windgeschwindigkeit aufweist. Die letztere Charakteristik ist vorteilhaft in Bezug auf die Energieerzeugung der Windturbine, aber die Konstruktion wird weniger stabil, weil der Wind Schwingungen der Windturbine verstärken wird, wenn die Windgeschwindigkeit oberhalb der Grenze ist, typischerweise ungefähr 10 m/s. Die negative Proportionalität hat die Konsequenz, dass die Horizontalkräfte an der Windturbine zunehmen, wenn das obere Ende der Windturbine vom Wind weg schwingt und die relative Windgeschwindigkeit an der Oberseite abnimmt, und dass die Horizontalkräfte abnehmen, wenn das obere Ende zum Wind hin schwingt und die relative Windgeschwindigkeit zunimmt.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, Schwingungen der ersten Resonanzbiegefrequenz von Windturbinen zu dämpfen mittels einer mechanischen dämpfenden Einrichtung, die eine oder mehrere Massen, Federn und Dämpfer umfaßt. Solche Lösungen für das Schwingungsproblem sind kostspielig für Windturbinen, da relativ große Massen der dämpfenden Einrichtung verwendet werden müssen, weil die äquivalente schwingende Masse in der ersten Resonanzbiegemode sehr groß ist, da die ein Kraftübertragungssystem umfassende Gondel am oberen Ende eines schlanken Turms angeordnet ist.
Es ist bekannt aus der EP 0 648 906 A1 und der EP 0 686 733 A1 , die Schwingung von schlanken Bauwerken, so wie Kaminen, Masten, etc. mittels Behältern zu dämpfen, die teilweise mit Flüssigkeit gefüllt sind und darauf abgestimmt sind, die Resonanzfrequenz des Bauwerks zu dämpfen. Die verwendeten Behälter sind von einem quasisymmetrischen Querschnitt, so wie kreisförmig, quadratisch oder dreieckig, so dass sie quasisymmetrische Dämpfungscharakteristiken zeigen, welche vorteilhaft sind für Bauwerke mit einem symmetrischen Schwingungsverhalten. Eine ähnliche Dämpfung von schlanken Bauwerken mit quasisymmetrischen Behältern ist bekannt von z.B. US 4 873 798 , US 4 783 937 , US 4 924 639 , US 4 875 313 und US 4 922 671 . Die Prinzipien der verwendeten Behälter können auch für die vorliegende Erfindung verwendet werden, aber die Dämpfung der Resonanzfrequenz einer Windturbine ist sehr verschieden von der Dämpfung der Schwingungen eines schlanken Bauwerks. Es ist aus der US 4 515 525 bekannt, die Gierschwingung in einer Windturbine mit Antriebseinrichtung zu dämpfen. Weiter ist es in der EP 1 008 747 (Stand der Technik nach Art. 54(3) EPÜ) beschrieben, einen Behälter im Windturbinenturm zum Dämpfen von Turmschwingungen zu verwenden.
Im Gegensatz zu einem schlanken Bauwerk, so wie einem Kamin, ist die äquivalente schwingende Masse der ersten Resonanzbiegemode gleich 85–90% der Gesamtmasse einer Windturbine, wogegen die äquivalente Masse eines Kamins ungefähr 10–15% der Gesamtmasse ist. Dieser Unterschied ist eine Folge der Konzentration von Masse in der Gondel der Windturbine, welche typischerweise mit ungefähr 85% der schwingenden Masse beiträgt. Weiterhin setzt der am oberen Ende der Windturbine angeordnete Rotor die Windturbine am oberen Ende schweren Windkräften aus, ebenso wie einer periodischen Anregung mit der Rotationsfrequenz des Rotors sowie drei Mal (für eine Dreiblattwindturbine) der Rotationsfrequenz. Die Bildung einer von Karman Wirbelschleppe, welche für ein schlankes Bauwerk wohlbekannt ist, ist auf der anderen Seite für Windturbinen vernachlässigbar.
Schwingungen von Windturbinen hat es stets gegeben, aber es scheint, dass das Problem ausgeprägter wird mit der Entwicklung der neuen Generation von sehr großen Windturbinen. Bei hohen Windgeschwindigkeiten (> 20 m/s) und gewissen Gierfehlern zeigen Berechnungen, dass die Kombination der strukturellen Dämpfung des Turms und der aerodynamischen Dämpfung des Rotors und der Gondel zu klein ist. Es geht mehr Energie vom Wind in das System als aus diesem heraus. Das Resultat ist, dass die Schwingungen außer Kontrolle geraten, was zum Versagen führen wird.
Ein "weicher" Generator, d.h. ein Generator mit einem hohen Schlupf, kann die Schwingungen dämpfen, aber ein solcher Generator ist sehr viel teurer und größer als ein Generator mit geringerem Schlupf. Er wird daher vermieden als eine Lösung des Problems.
Die Schwingungen können reduziert werden durch Verändern der Resonanzfrequenz des Turms, aber es löst nicht das Hauptproblem, dass mehr Energie in das als aus dem System geht. Die beste und billigste Lösung ist es, eine dämpfende Einrichtung in der Windturbine zu installieren. Der Dämpfer kann plaziert werden, wo die Bewegungen auftreten, aber da die Amplitude der Schwingungen am oberen Ende des Turms und in der Gondel am größten ist, ist der obere Teil der Windturbine der optimale Platz. Der Dämpfer kann im Turm, in der Gondel oder außerhalb plaziert werden.
Eine Dämpfung von Schwingungen bei der ersten Biegefrequenz der Windturbinen wird im allgemeinen die Ermüdungslasten am Turm reduzieren und deswegen die notwendige Menge an Stahl im Turm reduzieren.
Jedoch kann ein wirksames Dämpfen von Schwingungen, das zu einer schlankeren Konstruktion des Turms der Windturbine führt, insbesondere in Kombination mit höheren Türmen, aufwärts bis ungefähr 120 m, resultieren im Auftreten von Schwingungen der zweiten Resonanzbiegefrequenz der Windturbine, was wiederum zu Ermüdungslasten am Turm führen kann. Das Dämpfen von Schwingungen zweiter Ordnung ist in der bekannten Literatur über Windturbinen nicht erkannt oder angesprochen worden aus dem Grund, dass das Problem nicht relevant gewesen ist für die kürzere und robustere Struktur eines Windturbinenturms ohne dämpfende Einrichtung zum Dämpfen der Frequenzen der ersten Resonanzbiegemode.
Beschreibung der Erfindung
Damit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, kommerziell für ein wirkungsvolles Dämpfen von Schwingungen der Windturbine zu sorgen, erfüllt wird, ist gefunden worden, dass es vorteilhaft ist, die Windturbine mit einem Dämpfer zu versehen, bei welchem die schwingende Masse eine Flüssigkeit ist, was sowohl eine einfache Konstruktion der Dämpfer wie auch die Verwendung einer kostengünstigen schwingenden Masse, so wie Wasser, eröffnet.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, für eine Dämpfung von Schwingungen der zweiten Resonanzbiegefrequenz entweder für sich selbst oder in Kombination mit einer Dämpfung von Schwingungen der ersten Resonanzbiegefrequenz gemäß der Erfindung zu sorgen.
Der Dämpfer für Schwingungen der ersten Resonanzbiegefrequenz kann auf viele Weisen hergestellt werden, aber hier ist eine Beschreibung des bevorzugten Konzepts gemäß der Erfindung.
1 zeigt einen quadratischen Kasten, bei dem die Länge der Seiten L ist und der Flüssigkeitspegel innerhalb des Kastens (wenn der Kasten stationär ist, d.h. es keine Schwingungen gibt) H ist.
Für eine bestimmte erste Resonanzbiegefrequenz des Turms und eine bestimmte Größe des Kastens ist der optimale Flüssigkeitspegel H_opt gegeben. Er wird berechnet aus den folgenden zwei Gleichungen
wobei

L: = Länge des Kastens
g: = Schwerkraftbeschleunigung
H_teo: = theoretischer optimaler Flüssigkeitspegel
H_opt: = empirischer optimaler Flüssigkeitspegel
f₀: = Resonanzfrequenz der Flüssigkeit (sollte die gleiche sein wie die Resonanzfrequenz des Turms, erste Biegemode)

Gleichung 1 ist theoretisch gefunden worden, während der Faktor 1,06 experimentell bestimmt worden ist und die Größe des Faktors einen Teil der vorliegenden Erfindung bildet.
Die gesamte schwingende Masse einer Windturbine wird bestimmt durch die Masse der Gondel, des Rotors und die Äquivalentmasse des Turms – alles zusammengenommen. Die Äquivalentmasse des Turms ist die Masse, die, wenn sie am oberen Ende des Turms plaziert ist, alle anderen Turmmassen ersetzen kann, während sie die gleiche Schwingung ergibt. Für Windturbinen, die heute hergestellt und verkauft werden, ist die gesamte schwingende Masse hauptsächlich im Bereich von 30.000–120.000 kg, aber eine Masse von hinauf bis zu 300.000 kg ist nicht unrealistisch innerhalb eines Jahrzehnts.
Experimente zeigen, dass mit dem optimalen Flüssigkeitspegel in jedem Kasten, abgestimmt auf die Resonanzfrequenz des Turms, die Windturbinenschwingungen um 4–4,5% (logarithmisches Dekrement) gedämpft werden, wenn die Masse der gesamten verwendeten Flüssigkeit 1% der gesamten schwingenden Masse bildet. Experimente zeigen auch, dass die erwartete Dämpfung des Systems ungefähr eine lineare Funktion des Massenverhältnisses (Verhältnis zwischen gesamter Flüssigkeitsmasse und gesamter schwingender Masse) ist, innerhalb eines vernünftigen Massenverhältnisbereichs von 0,5%–8%. Die Dämpfung des Kastens ist die gleiche für Schwingungen in allen Richtungen in der Horizontalebene.
Das logarithmische Dekrement, δ, des Systems ist definiert durch die Gleichung:
wobei

n: die Anzahl der Schwingungen
a₁: die Amplitude der ersten Schwingung
a_n: die Amplitude der n-ten Schwingung.

Somit betrifft die vorliegende Erfindung eine Windturbine mit
einem stationären Teil, der einen sich im wesentlichen vertikal erstreckenden Turm und einen Unterbau, an dem ein unterer Endteil des Turms befestigt ist, aufweist,
einer Gondel, die einen Windrotor mit mindestens einem Blatt aufweist, das an einer Hauptwelle angeordnet ist, welche eine im wesentlichen horizontale Rotationsachse und ein Kraftübertragungssystem aufweist,
einem Giersystem, das einen stationären Teil, der an einem oberen Endteil des Turms befestigt ist, und einen bewegbaren Teil, der an der Gondel befestigt ist, umfaßt, wobei der stationäre Teil und der bewegbare Teil so ausgelegt sind, dass die Gondel von dem Turm vertikal und horizontal unterstützt ist und relativ zu dem Turm um eine im wesentlichen vertikale Gierachse schwenken kann, und
einer schwingungsdämpfenden Einrichtung, die an einem oberen Teil der Windturbine vorgesehen ist und mindestens einen Behälter umfaßt, der teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, wobei die Hauptdämpfungsfrequenz der schwingungsdämpfenden Einrichtung ausgelegt ist, um Schwingungen der Windturbine mit einer im wesentlichen unidirektionalen Dämpfung in einer Stärke zu dämpfen, die einem logarithmischen Dekrement von Schwingungen der ersten Resonanzfrequenz der Windturbine um mindestens 2% äquivalent ist, und wobei die Gesamtmasse der in dem wenigstens einen Behälter enthaltenen Flüssigkeit wenigstens 0,6% der Masse der Gondel entspricht.
Die Windturbine hat mindestens ein Blatt, die am meisten übliche Zahl von Blättern ist zwei oder drei für die angesprochene Art von Windturbinen. Die Hauptwelle hat eine im wesentlichen horizontale Rotationsachse, was Achsen umfaßt, die so viel wie ungefähr 10 Grad von der Horizontalen geneigt sind.
Die Gesamtmasse der Flüssigkeit kann innerhalb des Bereichs von 0,6%–3%, vorzugsweise im Bereich von 0,9–2,4% und am meisten bevorzugt im Bereich von 1,2–1,8% der Masse der Gondel liegen, um so eine geeignete Stärke der Dämpfung zu erreichen. Dennoch kann, für eine Windturbine, die an einer Off-Shore-Stelle angeordnet ist, an welcher der Turm der Windturbine einer Anregung durch Meereswellen ausgesetzt ist, die Gesamtmasse der Flüssigkeit im Bereich von 1%–6%, vorzugsweise im Bereich von 1,5%–5% und am meisten bevorzugt im Bereich von 2%–4% der Masse der Gondel liegen, um die kombinierte Anregung der Windturbine durch den Wind, einschließlich einer Anregung von dem (den) Blatt (Blättern), und der Anregung von den Meereswellen ausreichend zu dämpfen. Die Masse der Gondel liegt typischerweise im Bereich von 25–350 metrischen Tonnen, so wie im Bereich von 70-250 metrischen Tonnen.
Die Größe der Dämpfung kann einem logarithmischen Dekrement der Schwingungen der ersten Resonanzfrequenz der Windturbine innerhalb des Bereichs von 2%–20%, vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 3%–12%, und am meisten bevorzugt innerhalb des Bereichs von 4%–8% entsprechen, damit die Dämpfung geeignet ist, abhängig vom zulässigen Wert der Amplituden und der Konstruktion des Turms der Windturbine, d.h. der strukturellen Dämpfung der Schwingungen. Insbesondere, für eine Windturbine, die an einer Off-Shore-Stelle angeordnet ist, an welcher der Turm der Windturbine einer Anregung durch Meereswellen ausgesetzt ist, kann die Stärke der Dämpfung einem logarithmischen Dekrement der Schwingungen der ersten Resonanzfrequenz der Windturbine innerhalb des Bereichs von 2%–20%, vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 3%–12%, und am meisten bevorzugt innerhalb des Bereichs von 10%–15% äquivalent sein, damit die Dämpfung genügend ist.
Es ist auch gefunden worden, dass die dämpfende Einrichtung zufriedenstellend arbeitet, solange die Hauptdämpfungsfrequenz der schwingungsdämpfenden Einrichtung weniger als 5% von der ersten natürlichen Biegefrequenz der Windturbine abweicht.
Experimente haben gezeigt, dass die optimale Höhe der Oberfläche der Flüssigkeit innerhalb des mindestens einen Behälters von einem Bodenteil des Behälters ungefähr 106% der Höhe ist, die unter Verwendung von herkömmlichen theoretischen Verfahren zum Berechnen der geeigneten Höhe der Flüssigkeit, gefunden wird, um die Hauptdämpfungsfrequenz des Behälters an die erste Resonanzbiegefrequenz der Windturbine anzupassen.
Für die meisten Arten von Windturbinen sollte die Hauptdämpfungsfrequenz der schwingungsdämpfenden Einrichtung unter 0,8 Hz sein, vorzugsweise im Bereich von 0,1–0,6 Hz.
Es ist ein Vorteil hinsichtlich des Falles, dass die Windturbine Umgebungsfaktoren ausgesetzt ist, so wie einer Gezeiten- und Temperaturvariation, welche die Resonanzfrequenzen der Windturbine ändern können, dass sie eine schwingungserfassende Einrichtung umfaßt, die an einem oberen Teil der Windturbine vorgesehen ist, um Schwingungen der Windturbine zu detektieren und dementsprechend eine Ausgabe zu erzeugen, und eine Steuereinrichtung, welche die Ausgabe von der Erfassungseinrichtung aufnimmt und die Menge der in dem mindestens einen Behälter enthaltenen Flüssigkeit so einstellt, dass die Hauptdämpfungsfrequenz des wenigstens einen Behälters an Variationen der ersten Resonanzbiegefrequenz der Windturbine angepaßt wird.
Es ist gefunden worden, dass die Seitenteile eines jeden des wenigstens einen Behälters, um den optimalen Effekt des Behälters zu erreichen, sich vertikal um wenigstens das 1,8-fache der Höhe der Oberfläche der Flüssigkeit in dem Behälter ausgehend von einem Bodenteil des Behälters erstrecken.
Es ist vorteilhaft, wenn die schwingungsdämpfende Einrichtung eine Mehrzahl von Behältern umfaßt, die teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, was es leichter macht, die dämpfende Einrichtung in das obere Ende des Turms und/oder in die Gondel und/oder an der Außenseite des Turms/der Gondel verteilt anzupassen.
Insbesondere hat jeder der Mehrzahl von Behältern, in einer horizontalen Ebene betrachtet, einen quasisymmetrischen Querschnitt und quasisymmetrische Dämpfungseigenschaften, was sehr geeignet ist für eine Windturbine, die typischerweise ein symmetrisches Schwingungsverhalten zeigt.
Eine optimale Form der Behälter ist, dass sie einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt haben, in einer horizontalen Ebene betrachtet. Experimente haben gezeigt, dass ein solcher Behälter für eine gegebene schwingende Masse eine Dämpfung von 60-100% mehr ergibt als ein Behälter mit einem kreisförmigen Querschnitt, hauptsächlich weil eine kreisende Bewegung der Flüssigkeit um eine vertikale Achse durch die Ecken des quadratischen Behälters weitgehend verhindert wird. Eine weitere Alternative sind U-Röhren, so wie zwei U-Röhren, die eine Flüssigkeit enthalten und mit dem Bodenteil des U in einer Abwärtsrichtung angeordnet sind, und wobei die zwei Röhren gegenseitig um 90 Grad umgebogen sind. Jedoch, um für eine richtige Dämpfung der Schwingungen zu sorgen, haben die U-Röhren in den sich vertikal erstreckenden Röhren eine Menge an Flüssigkeit, von der die Masse nicht zu der schwingenden Masse beiträgt, und wobei die für die U-Röhren erforderliche Gesamtmasse an Flüssigkeit die für quadratische Kästen erforderliche Masse an Flüssigkeit übersteigt.
Die Seitenteile, die jeder der Mehrzahl von Behältern umfaßt, erstrecken sich vorzugsweise im wesentlichen vertikal von einem Bodenteil des Behälters.
Es ist sehr vorteilhaft für eine Anzahl von Flüssigkeiten, die verwendet werden können, wenn die Windturbine eine Wärmeeinrichtung umfaßt, um die in dem wenigstens einen Behälter enthaltene Flüssigkeit zu erwärmen. Die Wärmeeinrichtung kann verwendet werden, um zu verhindern, dass die Temperatur der Flüssigkeit weniger wird als eine vorgegebene Minimumtemperatur und/oder, um eine im wesentlichen konstante Temperatur der Flüssigkeit aufrechtzuerhalten. Unter "eine im wesentlichen konstante Temperatur" wird verstanden, dass die Temperatur innerhalb eines schmalen Temperaturbereichs von typischerweise 10–20 Grad Celsius gehalten wird. Die Wärmeeinrichtung kann die Flüssigkeit am Einfrieren hindern, wenn ein solches Risiko besteht, abhängig von den Charakteristiken der Flüssigkeit und der Umgebung der Windturbine, so dass man eine Gefriertemperatur als die Minimumtemperatur definiert. Eine Minimumtemperatur kann auch definiert werden durch die Rekristallisationstemperatur einer Flüssigkeit, die ein Salz enthält, so wie Eisen(II)-Sulfat, Zinkchlorid, etc., um so die Bildung von Kristallen in der Flüssigkeit zu verhindern. Durch Aufrechterhalten einer im wesentlichen konstanten Temperatur werden die physikalischen Charakteristiken der Flüssigkeit aufrechterhalten, so dass Umgebungsänderungen in der Temperatur die Dämpfung der Windturbine nicht stören werden. Eine Regeleinrichtung regelt den Betrieb der Wärmeeinrichtung. Eine bevorzugte Wärmequelle für die Wärmeeinrichtung ist Überwärme vom Kraftübertragungssystem, d.h. dem Getriebe und/oder dem Generator und/oder dem Frequenzwandler, und die Wärmeeinrichtung umfaßt somit eine Einrichtung zum Übertragen von Wärme vom Kühlen der in der Gondel angeordneten Kraftübertragung zu der Flüssigkeit.
Damit man die Windturbine dafür geeignet macht, mit Umgebungsänderungen zurechtzukommen und unter den meisten Umständen betriebsfähig zu sein, sollte die Gefriertemperatur der Flüssigkeit unter –10 Grad Celsius, vorzugsweise unter –18 Grad Celsius sein.
Die Dichte der Flüssigkeit ist vorteilhafterweise mindestens 1,1 metrische Tonnen pro Kubikmeter, vorzugsweise mindestens 1,4 metrische Tonnen pro Kubikmeter, und am meisten bevorzugt mindestens 1,8 metrische Tonnen pro Kubikmeter, so dass die körperliche Größe der schwingungsdämpfenden Einrichtung nicht allzu übermäßig wird.
Eine weniger kostspielige Flüssigkeit, die für die schwingende Masse gewählt werden kann, ist Wasser, das wenigstens ein Mittel umfaßt, um die Gefriertemperatur des Wassers abzusenken und/oder mindestens ein Mittel, um die Dichte der Flüssigkeit zu erhöhen. Weiterhin stellt Wasser kein Umweltrisiko dar, wenn es aus den Behältern leckt.
Es kann eine Anzahl von verschiedenen Mitteln verwendet werden, unter diesen einen Anzahl von Salzen. Ein bevorzugtes Mittel ist Natriumchlorid, weil es für die Umwelt harmlos ist und weil die Löslichkeit von Natriumchlorid in Wasser sich mit der Temperatur kaum ändert, so dass eine Kristallisation in dem Behälter nicht auftreten wird. Natriumchlorid senkt sowohl die Gefriertemperatur des Wassers und erhöht die Dichte.
Das Wasser kann mindestens 18 Massenprozent an Natriumchlorid enthalten, vorzugsweise mindestens 22 Massenprozent an Natriumchlorid, und am meisten bevorzugt ungefähr 26 Massenprozent an Natriumchlorid.
Weitere bevorzugte, kostengünstige Mittel sind Zinkchlorid, welches gegen Metalle weniger aggressiv ist als Natriumchlorid, und Eisen(II)-Sulfat, mit deren Verwendung eine Dichte von mindestens 2 bzw. 1,4 metrische Tonnen pro Kubikmeter leicht erreicht werden können. Eisen(II)-Nitrat kann auch als Mittel verwendet werden, und eine Anzahl von verwendbaren Mitteln, die dem Wasser zugesetzt werden können, können gefunden werden in: Densities of Aqueous Solutions of Inorganic Substances, Söhnel und Novotny ISBN 0-444-99596, 1985.
Ein weiteres geeignetes Mittel für beide Zwecke ist Glycerol.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Windturbine mit
einem stationären Teil, der einen sich im wesentlichen vertikal erstreckenden Turm und einen Unterbau aufweist, an dem ein unterer Endteil des Turms befestigt ist,
einer Gondel, die einen Windrotor mit wenigstens einem Blatt umfaßt, das an einer Hauptwelle angeordnet ist, die eine im wesentlichen horizontale Rotationsachse und ein Kraftübertragungssystem aufweist,
einem Giersystem, das einen stationären Teil, der an einem oberen Endteil des Turms befestigt ist, und einen bewegbaren Teil, der an der Gondel befestigt ist, umfaßt, wobei der stationäre Teil und der bewegbare Teil so ausgelegt sind, dass die Gondel von dem Turm vertikal und horizontal unterstützt ist und relativ zu dem Turm um eine im wesentlichen vertikale Gierachse schwenken kann, und
einer zweiten schwingungsdämpfenden Einrichtung, von der die Hauptdämpfungsfrequenz ausgelegt ist für eine im wesentlichen unidirektionale Dämpfung von Schwingungen der zweiten Resonanzbiegefrequenz der Windturbine.
Die zweite schwingungsdämpfende Einrichtung ist vorzugsweise, in vertikaler Richtung betrachtet, an einem mittleren Teil des Turms vorgesehen, aus dem Grund, dass der Turm einer Windturbine in der zweiten Resonanzbiegemode der Windturbine sich im Großen und Ganzen so verhält, als ob er am oberen ebenso wie am unteren Ende fixiert wäre, aufgrund der Massenkonzentration am oberen Ende. Die Amplitude der Schwingungen hat daher ein Maximum um die Mitte des Turms, und die dämpfende Einrichtung sollte nahe dem Ort der Maximumamplitude positioniert sein.
Die Hauptdämpfungsfrequenz der zweiten schwingungsdämpfenden Einrichtung sollte für die meisten Windturbinen im Bereich von 1–10 Hz, vorzugsweise im Bereich von 2–5 Hz liegen.
Die Dämpfung der zweiten schwingungsdämpfenden Einrichtung ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von einer Stärke, die einem logarithmischen Dekrement von Schwingungen der besagten zweiten Resonanzfrequenz der Windturbine von wenigstens 2%, so wie in dem Bereich von 2%–20%, vorzugsweise im Bereich von 3%–12%, und am meisten bevorzugt im Bereich von 4%–8% äquivalent ist.
Die zweite schwingungsdämpfende Einrichtung kann ein oder mehr schwingungsdämpfende Elemente umfassen, die ein Masseelement, das in vertikaler Richtung von einer und in eine neutrale Position des Masseelements bewegbar angeordnet ist, und eine Energiespeichereinrichtung aufweist, um kinetische Energie von dem Masseelement aufzunehmen und zu speichern, wenn es sich von der neutralen Position weg bewegt, und um kinetische Energie zu dem Masseelement zuzuführen, wenn es sich in Richtung auf die neutrale Position bewegt. Das Masseelement kann eine Flüssigkeit sein, ist aber vorzugsweise für die vorliegende dämpfende Einrichtung ein oder mehrere feste Körper. Die Energiespeichereinrichtung kann ein oder mehr Federn oder dergleichen umfassen, kann aber alternativ eine Einrichtung sein, um die Masse entlang eines gekrümmten Wegs so zu bewegen, dass Energie durch die vertikale Position der Masse als potentielle Energie gespeichert wird.
Das eine oder die mehreren schwingungsdämpfenden Elemente können vorteilhafterweise außerdem eine dämpfende Einrichtung umfassen, um kinetische Energie von dem Masseelement aufzunehmen, wenn es sich bewegt.
Obwohl die Windturbine, die die zweite schwingungsdämpfende Einrichtung umfaßt, eine Erfindung für sich selbst bildet, kann die zweite schwingungsdämpfende Einrichtung vorteilhafterweise kombiniert werden mit der schwingungsdämpfenden Einrichtung zum Dämpfen von Schwingungen der ersten Resonanzbiegemode der Windturbine gemäß der Erfindung, wie vorher beschrieben.
Beispiel
Ein Experiment in natürlicher Größe wird durchgeführt an einer NM1000/60-59(1 MW Windturbine, 60 m Rotordurchmesser, 59 m Nabenhöhe) in Deutschland. Fünfundzwanzig quadratische Kästen der Größe L = 745 mm wurden am obereren Ende des Turms und in der Gondel platziert. Die Kästen haben in ihrem Inneren 44,8 kg einer 26% (Masseprozent) Salz- und Wasserlösung, was ein Gesamtmassenverhältnis von 1,73 ergibt. Gemäß dem oben Erläuterten ergibt dies eine erwartete Dämpfung des Turms von 4% – 1,73 = 7% (logarithmisches Dekrement).
Messungen an der NM1000/60-59 Windturbine mit installiertem Turmdämpfer zeigen eine klare Reduzierung der Ermüdungslasten bei Windgeschwindigkeiten oberhalb 13 m/s und bei Windgeschwindigkeiten zwischen 4–5 m/s (bei 4–5 m/s läuft die Windturbine am Hilfsgenerator, was größere Turmschwingungen ergibt) verglichen mit den Ermüdungslasten für die Windturbine ohne installiertem Turmdämpfer.
Es wird erwartet, dass eine Dämpfung von 5% (logarithmisches Dekrement) genug ist, um die Schwingungsprobleme zu lösen. Die notwendige Masse an Flüssigkeit für eine gegebene Windturbine mit einer gegebenen schwingenden Masse ist daher (5%/4%) = 1,25 der schwingenden Masse. Die optimale Menge an Flüssigkeit in jedem Kasten ist bekannt, wenn die Größe der Kästen und die erste Biegefrequenz des Turms bestimmt sind. Die notwendige Menge an Kästen in der Windturbine kann daher berechnet werden. Die Kästen werden in zwei Säulen am oberen Ende des Turms platziert und die Kästen werden jeweils übereinander platziert.
Es ist wichtig, dass die Kästen so groß wie möglich sind, weil dies klarerweise die notwendige Anzahl an Kästen reduziert. Die verwendete Flüssigkeit sollte eine Dichte so hoch wie möglich haben, sie sollte nicht kostspielig sein und sie sollte unter –20°C nicht gefrieren. Die erwähnte 26% Salz-Wasser-Lösung hat alle drei Eigenschaften:

1. Die Dichte ist 1,2 kg/m³
2. Salz und Wasser sind leicht zu beschaffen und nicht kostspielig.
3. Der Gefrierpunkt ist –20°C, aber andere Flüssigkeiten können auch verwendet werden.

Die Resonanzfrequenzen der ersten Biegemode der Türme bei NEG Micons Windturbinen, die heute verkauft werden, sind im Intervall von 0,3–0,7 Hz. Es ist realistisch, dass sie innerhalb einer Dekade im Intervall von 0,1–0,8 Hz sein werden, was die Grenze ist, bei der dieses Dämpferkonzept mit Flüssigkeit in Kästen arbeitet.
Die Dämpfung ist nahezu optimal, selbst wenn die Resonanzfrequenz des Turms innerhalb 5% an der Resonanzfrequenz des Wassers bleibt. Es ist wichtig sich vor Augen zu halten, dass die Resonanzfrequenz des Turms für die gleiche Windturbine variieren kann aufgrund verschiedener Untergrundbedingungen.

Claims

Windturbine mit einem ersten stationären Teil, der einen sich im Wesentlichen vertikal erstreckenden Turm und einen Unterbau aufweist, an dem ein unterer Endteil des Turm befestigt ist, einer Gondel, die einen Windrotor mit wenigstens einem Blatt umfasst, das an einer Hauptwelle angeordnet ist, die eine im Wesentlichen horizontale Rotationsachse und ein Kraftübertragungssystem aufweist, einem Giersystem, das einen zweiten stationären Teil, der an einem oberen Endteil des Turms befestigt ist, und einen bewegbaren Teil umfasst, der an der Gondel befestigt ist, wobei der stationäre Teil und der bewegbare Teil so ausgelegt sind, dass die Gondel von dem Turm vertikal und horizontal unterstützt ist und relativ zu dem Turm um eine im Wesentlichen vertikale Gierachse schwenken kann, und einer zweiten schwingungsdämpfenden Einrichtung, die für eine im Wesentlichen unidirektionale Dämpfung von Schwingungen sorgt, von denen die Hauptdämpfungsfrequenz im Wesentlichen der zweiten Resonanzbiegefrequenz der Windturbine entspricht, wobei die zweite schwingungsdämpfende Einrichtung, in vertikaler Richtung betrachtet, an einem mittleren Teil des Turms vorgesehen ist, wobei die Dämpfung der zweiten schwingungsdämpfenden Einrichtung von einer Größe ist, die einem logarithmischen Dekrement von Schwingungen der zweiten Resonanzfrequenz der Windturbine um wenigstens 2% äquivalent ist.
Windturbine nach Anspruch 1, bei der die Hauptdämpfungsfrequenz der zweiten schwingungsdämpfenden Einrichtung in dem Bereich von 1–10 Hz, vorzugsweise in dem Bereich von 2–5 Hz liegt.
Windturbine nach Anspruch 1, bei der die Größe der Dämpfung einem logarithmischen Dekrement von Schwingungen der zweiten Resonanzfrequenz der Windturbine in den Bereich von 2%–20%, vorzugsweise in dem Bereich von 3%–12% und am meisten bevorzugt in dem Bereich von 4–8% äquivalent ist.
Windturbine nach einem der Ansprüche 1–3, bei der die zweite schwingungsdämpfende Einrichtung ein oder mehrere schwingungsdämpfende Elemente mit einem Masseelement, das in vertikaler Richtung von und in eine neutrale Position des Masseelements bewegbar angeordnet ist, und eine Energiespeichereinrichtung umfasst, um kinetische Energie von dem Masseelement zu erhalten und zu speichern, wenn es sich von der neutralen Position weg bewegt, und um kinetische Energie dem Masseelement zuzuführen, wenn es sich in Richtung auf die neutrale Position zu bewegt.
Windturbine nach Anspruch 4, bei der ein oder mehrere schwingungsdämpfende Elemente eine Dämpfungseinrichtung umfassen, um kinetische Energie von dem Masseelement zu erhalten, wenn es sich bewegt.
Windturbine nach einem der Ansprüche 1–5 und mit einer schwingungsdämpfenden Einrichtung, die an der Oberseite des Turms und/oder in der Gondel und/oder an der Außenseite des Turms/Gondel verteilt vorgesehen ist, und mit wenigstens einem Behälter, der teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, wobei die Hauptdämpfungsfrequenz der schwingungsdämpfenden Einrichtung ausgelegt ist, um Schwingungen der ersten Resonanzbiegefrequenz der Windturbine mit einer im Wesentlichen unidirektionalen Dämpfung in einer Stärke zu dämpfen, die einem logarithmischen Dekrement von Schwingungen der ersten Resonanzfrequenz der Windturbine um wenigstens 2% äquivalent ist, und wobei die Gesamtmasse der in dem wenigstens einen Behälter enthaltenen Flüssigkeit wenigstens 0,6% der Masse der Gondel entspricht.
Windturbine nach Anspruch 6, bei der die Gesamtmasse an Flüssigkeit in dem Bereich von 0,6%–3%, vorzugsweise in dem Bereich von 0,9%–2,4% und am meisten bevorzugt in dem Bereich von 1,2%–1,8% der Masse der Gondel liegt.
Windturbine nach Anspruch 6, und an einer Off-Shore-Stelle angeordnet, bei der der Turm der Windturbine Anregung durch Meereswellen ausgesetzt ist, wobei die Gesamtmasse der Flüssigkeit in dem Bereich von 1%–6%, vorzugsweise in dem Bereich von 1,5%–5% und am meisten bevorzugt in dem Bereich von 2%–4% der Masse der Gondel liegt.
Windturbine nach einem der Ansprüche 6–8, bei der die Stärke der Dämpfung einem logarithmischen Dekrement von Schwingungen der ersten Resonanzfrequenz der Windturbine in dem Bereich von 2%–20%, vorzugsweise in dem Bereich von 3%–12% und am meisten bevorzugt in dem Bereich von 4–8% liegt.
Windturbine nach einem der Ansprüche 6–8, und an einer Off-Shore-Stelle angeordnet, bei der der Turm der Windturbine Anregung durch Meereswellen ausgesetzt ist, wobei die Stärke der Dämpfung einem logarithmischen Dekrement von Schwingungen der ersten Resonanzfrequenz der Windturbine in dem Bereich von 2%–20%, vorzugsweise in dem Bereich von 3%–12% und am Meisten bevorzugt in dem Bereich von 10–15% liegt.
Windturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Hauptdämpfungsfrequenz der schwingungsdämpfenden Einrichtung um weniger als 5% von der ersten Resonanzbiegefrequenz der Windturbine abweicht.
Windturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Höhe (H) der Oberfläche der Flüssigkeit in dem wenigstens einen Behälter ausgehend von einem unteren Teil des Behälters etwa 106% der Höhe beträgt, die unter Verwendung von herkömmlichen theoretischen Verfahren ermittelt wird, um die geeignete Höhe (H) an Flüssigkeit zu berechnen, um die Hauptdämpfungsfrequenz des Behälters an die erste Resonanzbiegefrequenz der Windturbine anzupassen.
Windturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Hauptdämpfungsfrequenz der schwingungsdämpfenden Einrichtung unter 0,8 Hz, vorzugsweise in dem Bereich von 0,1–0,6 Hz liegt.
Windturbine nach einem der vorherigen Ansprüche und mit einer an einem oberen Teil der Windturbine vorgesehenen schwingungserfassenden Einrichtung, um Schwingungen der Windturbine zu detektieren und dementsprechend eine Ausgabe zu erzeugen, einer Steuereinrichtung, um die Ausgabe von der Erfassungseinrichtung zu erhalten, und einer steuernden Einrichtung, um die Menge an in dem wenigstens einen Behälter enthaltener Flüssigkeit so einzustellen, dass die Hauptdämpfungsfrequenz des wenigstens einen Behälters an Variationen der ersten Resonanzbiegefrequenz der Windturbine angepasst wird.
Windturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der jeder des wenigstens einen Behälters Seitenteile umfasst, die sich vertikal um wenigstens das 1,8-fache der Höhe (H) der Oberfläche der Flüssigkeit in dem Behälter ausgehend von einem unteren Teil des Behälters erstrecken.
Windturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die schwingungsdämpfende Einrichtung eine Mehrzahl von Behältern umfasst, die teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt sind.
Windturbine nach Anspruch 16, bei der jeder der Mehrzahl von Behältern, in einer horizontalen Ebene betrachtet, einen quasisymmetrischen Querschnitt und quasisymmetrische Dämpfungseigenschaften aufweist.
Windturbine nach Anspruch 17, bei der jeder der Mehrzahl von Behältern, in einer horizontalen Ebene betrachtet, einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt aufweist.
Windturbine nach einem der Anspruch 16–18, bei der jeder der Mehrzahl von Behältern Seitenteile umfasst, die sich ausgehend von einem unteren Teil des Behälters im Wesentlichen vertikal erstrecken.
Windturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einer Wärmeeinrichtung, um die in dem wenigstens einen Behälter enthaltene Flüssigkeit zu erwärmen.
Windturbine nach Anspruch 20, mit einer Steuereinrichtung, um den Betrieb der Wärmeeinrichtung zu steuern, um zu verhindern, dass die Temperatur der Flüssigkeit unter eine vorbestimmte minimale Temperatur abfällt.
Windturbine nach Anspruch 21, mit einer Steuereinrichtung, um den Betrieb der Wärmeeinrichtung zu steuern, um eine im Wesentlichen konstante Temperatur der Flüssigkeit beizubehalten.
Windturbine nach einem der Ansprüche 20–22, bei der die Wärmeeinrichtung eine Einrichtung umfasst, um Wärme vom Kühlen der in der Gondel angeordneten Kraftübertragung zu der Flüssigkeit zu übertragen.
Windturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Gefriertemperatur der Flüssigkeit unter –10 Grad Celsius, vorzugsweise unter –18 Grad Celsius liegt.
Windturbine nach Anspruch 24, bei der die Flüssigkeit Wasser ist, das wenigstens ein Mittel umfasst, um die Gefriertemperatur des Wassers abzusenken.
Windturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Dichte der Flüssigkeit wenigstens 1,1 metrische Tonnen pro Kubikmeter, vorzugsweise wenigstens 1,4 metrische Tonnen pro Kubikmeter und am meisten bevorzugt wenigstens 1,8 metrische Tonnen pro Kubikmeter beträgt.
Windturbine nach Anspruch 26, bei der die Flüssigkeit Wasser ist, das wenigstens eine Mittel umfasst, um die Dichte der Flüssigkeit zu erhöhen.
Windturbine nach einem der Ansprüche 25–27, bei der wenigstens ein Mittel Natriumchlorid ist.
Windturbine nach Anspruch 28, bei der die Flüssigkeit Wasser ist, das wenigstens 18 Masseprozent an Natriumchlorid, vorzugsweise wenigstens 22 Masseprozent an Natriumchlorid und am meisten bevorzugt etwa 26 Masseprozent an Natriumchlorid umfasst.
Windturbine nach einem der Ansprüche 25–29, bei der wenigstes ein Mittel Glycerol ist.