EP3513067A1 - Verfahren zur ermittlung von betriebslasten und zur auslegung für turmbauwerke, turmbauwerk und windenergieanlage - Google Patents

Verfahren zur ermittlung von betriebslasten und zur auslegung für turmbauwerke, turmbauwerk und windenergieanlage

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EP3513067A1
EP3513067A1 EP17768435.4A EP17768435A EP3513067A1 EP 3513067 A1 EP3513067 A1 EP 3513067A1 EP 17768435 A EP17768435 A EP 17768435A EP 3513067 A1 EP3513067 A1 EP 3513067A1
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EP
European Patent Office
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load
tower
distribution
wind
different
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17768435.4A
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English (en)
French (fr)
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Bernd BOETTCHER
Jens Bücker
Milan Damminger
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Original Assignee
Wobben Properties GmbH
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Publication date
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/728—Onshore wind turbines

Definitions

  • the invention relates to a method for determining operating loads, in particular wind loads, for tower structures, in particular for tower structures for wind turbines.
  • the invention further relates to a method for designing a tower construction, in particular a tower construction for a wind power plant, a method for determining the lifetime of a tower construction, in particular a tower construction for a wind energy plant, and a tower construction, in particular a tower construction for a wind turbine, and a wind turbine ,
  • Operating loads usually represents a part of the design of a tower structure or is progressing this.
  • Operating loads can be, for example, wind loads.
  • operating loads are time-varying, changing loads that can lead to a fatigue stress of tower structures.
  • Existing methods for the determination of operating loads try to determine the operating loads as accurately as possible in order to avoid oversizing the tower structures during the design. However, further improvements are desirable.
  • This object is achieved by a method for determining operating loads, in particular wind loads, for tower structures, in particular for tower structures for wind turbines, comprising determining a load parameter in a loading direction, determining a distribution of the occurrence of the loading direction, determining a load parameter modified by the distribution of the loading direction.
  • the invention is based on the finding that in existing methods for determining operating loads, a load parameter in a load direction is determined, which usually corresponds to a main load direction.
  • the tower structure is designed for this load parameter.
  • this can lead to over-dimensioning, since a variance of the load over different load directions remains unconsidered.
  • a wind turbine for example, the respective components, such as tower structures, the wind turbine usually designed so that operation of the wind turbine for the scheduled life is possible.
  • the life of a wind turbine can be, for example, 20, 25 or 30 years.
  • a wind turbine and its components are subject to stationary and transient loads.
  • the unsteady loads can be caused, for example, by wind turbulences, oblique currents and a height profile of the wind speed.
  • the load spectrum, which acts on the wind turbine, diverse and the respective load situations are preferably evaluated in their entirety. This is usually done by a load collective, which represents the sum of the load situations.
  • the transient loads acting on the wind turbine can lead to fatigue of the components of the wind turbine.
  • Each component of the wind turbine is therefore preferably so designed so that a failure critical fatigue occurs only at or after reaching the life of the wind turbine.
  • a main load direction in the form of a main wind direction is determined for the planned location of a wind power plant, and a load parameter in the form of a wind load is determined for this main load direction.
  • a load parameter in the form of a wind load is determined for this main load direction.
  • a loading direction may be defined as a degree.
  • finer or coarser definitions of the loading direction are possible.
  • a loading direction may also be defined as a segment of, for example, 10 degrees.
  • a load parameter may be, for example, a wind load.
  • a load parameter can be specified, for example, as a torque swing width.
  • a load parameter can also be specified in the form of moments, shear forces and / or stresses. Also combinations of different parameters are possible.
  • wind loads are dynamic vibrations that lead to time-varying, changing loads, which in turn lead to fatigue stress.
  • the load parameter is a load collective.
  • the load parameter may include load change stages.
  • Load parameters can preferably be determined by simulation, for example as a function of the planned location of the tower construction and the loads to be expected there. To determine the load parameter, historical and / or measured load data can also be used. In order to determine a wind load parameter, wind speeds and / or wind means (mean wind speeds) and / or further location-specific parameters are preferably taken into account.
  • a loading direction is determined, in which the load parameter is determined.
  • this load direction corresponds to the main load direction, in the case of wind turbines this preferably corresponds to the main wind direction.
  • a division of the load parameter according to the distribution of the occurrence of the loading direction in load parameter components takes place in different load directions. It is further preferred that an accumulation of the load parameter components takes place per load direction.
  • an originally determined load in a main load direction is reduced by the portions which occur in one or more secondary load directions.
  • those portions in the main load direction that result from the division of the load determined for one or more secondary load directions into different load directions are added to the reduced value.
  • the distribution of the occurrence of the loading direction is estimated and / or determined on the basis of historical and / or measured load data and / or on the basis of a statistical distribution and / or an occurrence probability.
  • a preferred development is characterized in that the distribution of the occurrence of the load direction is based on a probability function. This can be, for example, a normal distribution (Gaussian distribution).
  • a further preferred embodiment is characterized by a determination of a distribution of the occurrence of the respective load direction for different load directions, wherein the distributions for different load directions are preferably the same or different.
  • the distribution for different load directions are preferably the same or different.
  • the distribution for a main wind direction may look different than the distribution in a secondary wind direction deviating from the main wind direction.
  • the same distributions can also be used for different wind directions.
  • a determination of a load parameter takes place in different load directions. While in a simple variant of the one load direction, preferably the main load direction, determined load parameters can also be used for the other load directions, is provided in this embodiment that the determination of a load parameter for different load directions and thus the load parameters may differ in different load directions ,
  • each load parameter preferably takes place according to the distribution of the occurrence of the respective load direction in load parameter portions in different load directions. Furthermore, it is preferable to add up the respective load parameter components per load direction.
  • differences in the form of different values of the load parameter in different load directions are taken into account.
  • differences in the form of a distribution of the values of the load parameter, in particular over the circumference of the tower structure are taken into account.
  • the distribution is preferably based on a probability function. This can be, for example, a normal distribution (Gaussian distribution).
  • the (average) wind speed which may also be referred to as wind means, be different in the main wind direction than in a secondary wind direction.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a method for designing a tower construction, in particular a tower construction for a wind energy installation, comprising determining an operating load for the tower construction according to a previously described method, designing the tower structure according to the determined operating load.
  • the design of the tower construction which can also be referred to as dimensioning or dimensioning, thus preferably takes place according to the operating load determined according to the invention.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a method for determining the service life of a tower construction, in particular a tower construction for a wind energy installation, comprising determining an operating load for the tower construction according to a previously described method, determining the service life of the tower construction according to the determined operating load.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a tower construction, in particular a tower construction for a wind energy installation, characterized in that a load parameter for the construction of the tower construction was determined according to a previously described method and / or the tower construction according to a previously described Procedure was designed.
  • the object mentioned is achieved by a wind turbine with a tower and a tower arranged on the nacelle, which has a rotor with at least one rotor blade, characterized in that the tower is a tower structure described above.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a wind turbine according to the invention
  • Fig. 2 shows a flow chart of a method for determining operating loads for tower construction works
  • Fig. 3 shows load parameters in the form of stress collectives for a tower structure shown in cross-section
  • FIG. 4A shows the upper stress collective M90 and the lower stress collective MO from FIG. 3;
  • Fig. 4B shows a distribution of the occurrence of the loading direction according to Fig. 4A;
  • Fig. 5 shows equal distributions of occurrence for different load directions
  • FIG. 7 shows the upper stress collective M90 and the lower stress collective MO according to FIG. 4A and additionally the modified stress collective M90 'and MO'.
  • FIG. 1 shows a wind energy plant 100 with a tower 102 and a nacelle 104.
  • a rotor 106 with three rotor blades 108 and a spinner 110 is arranged on the nacelle 104.
  • the rotor 106 is set in rotation by the wind in rotation and thereby drives a generator in the nacelle 104 at.
  • FIG. 2 shows a flowchart of a method for determining operating loads for tower structures, in which a load parameter in a load direction is determined in step S1, for example by simulation.
  • a distribution of the occurrence of the loading direction is determined, for example by assuming a suitable probability function or probability density function, such as a normal distribution.
  • a load parameter modified by the distribution of the loading direction is determined.
  • Straight tower structures of wind turbines are subject by the operation of the wind turbine of a fatigue stress by time-varying, changing loads.
  • the design of the tower structures is therefore collectively determines what is usually done by simulation.
  • various wind fields, system resistances and / or control with rotor blade adjustment can be taken into account. Since such a simulation is generally carried out for the main wind direction, but in real operation of the system, the wind direction varies and the rotor is tracked by the azimuth adjustment of the nacelle according to the wind, it is provided according to this aspect to take into account.
  • the load such as the wind
  • this random distribution is plotted using the Gaussian normal distribution.
  • the distribution can be determined or estimated, for example, by wind measurements and / or recorded control data.
  • stress collectives for the design life can be determined. While in existing design methods the design is made against the stress collective of the main load direction, assuming that this load acts over the entire planned life from the main load direction, the method according to the invention provides for taking into account the distribution of the occurrence of the load over different load directions. For this distribution, a probability density, for example described over the circumference of the tower construction, is preferably used. In this case, the highest probability of the main load direction is preferably assigned. Depending on the probabilities over the circumference of the tower structure, for example, steps of a stress collective of the main load direction can be distributed over the circumference or a part of the circumference (depending on the probability density).
  • the other load collective of the other load directions are also distributed over the circumference of the tower structure as well.
  • Each stress collective can be a stationary stress collective for a specific loading direction.
  • the stress collective of the main load direction is not only reduced, but also supplemented with those portions of the stress collective of the sub load directions to be assigned due to the distribution of the main load direction.
  • this modification of the load parameter it is possible to achieve a reduction of the operating loads in the main load direction relevant for the design of, for example, 25%.
  • increase in usually the stress collective of the secondary load directions which can lead to a reduction of the difference in the utilization span and / or a homogenization of the load level.
  • the procedure according to the invention thus makes it possible to take into account lower stresses for new tower structures during the design, which can lead to a cost-saving and / or resource-conserving construction.
  • the operating load is determined and preferably, taking into account the design of the tower construction, in particular its dimensions and / or its construction, the service life of the tower structure for the determined operating load demonstrated.
  • Lifespan can be understood here in particular to mean a remaining service life of tower structures which are already in use.
  • the operating loads originally determined for the design of the tower structure for example in a simulation, can be used and modified with the method according to the invention.
  • measurement data from wind measurements and / or operational management data of the wind energy plant can also be taken into account.
  • the considered wind means usually also affects the load collective.
  • FIG. 3 a cross-section through a tower structure 200 is shown on the right-hand side with a main load direction 201 drawn in, which acts at 90 ° in the variant shown here.
  • Load parameters in the form of load or design collectives are shown on the left side, with the torque swing width in kNm on the vertical axis and the load changes on the horizontal axis.
  • Arrow 202 indicates the design life.
  • the upper load collective M90 corresponds to the design collective in the main load direction 201 at 90 °.
  • the lower design collective MO corresponds to the design collective in the minor load direction of 0 °.
  • FIG. 4A shows only the upper load collective M90 and the lower load collective MO from FIG.
  • a collective stage 300 of the upper stress collective M90 is selected by way of example.
  • Arrow 203 denotes the proportion of collective stage 300 at the design lifetime.
  • the distribution V shown in FIG. 4B is taken into account for the occurrence of the load direction, the distribution of the collective stage 300 shown in FIG. 4A at the bottom right results in different load directions. It can be seen that in the main load direction of 90 °, the largest proportion is recorded and in the adjacent Maubelastungsschen of 80 ° and 100 ° the next larger proportions are recorded, whereas for the Maubelastungsraumen of 70 ° and 1 10 ° already significantly smaller Shares are to be recorded. The remainder R is distributed over the further secondary load directions.
  • the distribution used for this purpose, shown in FIG. 4B is a Gaussian normal distribution with an expected value of 90 ° and a variance of 180 °. On the vertical axis, the frequency is recorded in the reference period (the lifetime), and on the horizontal axis the position on the circumference of the tower is in degrees of arc.
  • FIG. 5 shows distributions V0, V30, V60, V90, V120, V150, V180 of the occurrence for different load directions, here simplified in 30 ° steps. Also simplified here is the same Gaussian distribution with an expected value of 90 ° and a variance of 180 ° basis. However, different distributions for different load directions can be assumed.
  • FIG. 6 shows on the right side a modified load parameter in the form of a modified collective stage 300 'and on the left side its composition.
  • 301 represents the proportion resulting from the own load direction of the load collective of the load level.
  • 302 those components are shown which result from the load collective of the secondary load directions, which are arranged offset by +/- 10 ° and +/- 20 ° to their own load direction.
  • the proportions offset by further degrees are summarized under Rest R.
  • FIG. 7 shows the modified load parameters in the form of the modified stress collective M90 'and MO'.
  • the procedure according to the invention reduces the operating loads in the main load direction, where be increased against the operating loads in the Maubelastungsraum.
  • the inventive method a significant advantage in the design. Taking into account the modified load parameter, a prolonged (residual) service life can be demonstrated even for existing tower structures.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Betriebslasten, insbesondere Windlasten, für Turmbauwerke, insbesondere für Turmbauwerke für Windenergieanlagen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Auslegung eines Turmbauwerks, insbesondere eines Turmbauwerks für eine Windenergieanlage, ein Verfahren zur Be- stimmung der Lebensdauer eines Turmbauwerks, insbesondere eines Turmbauwerks für eine Windenergieanlage, sowie ein Turmbauwerk, insbesondere ein Turmbauwerk für eine Windenergieanlage, und eine Windenergieanlage. Das Verfahren zur Ermittlung von Betriebslasten für Turmbauwerke umfasst Ermittlung eines Lastparameters in einer Belastungsrichtung, Ermittlung einer Verteilung des Auftretens der Belastungsrichtung, Ermittlung eines um die Verteilung der Belastungsrichtung modifizierten Lastparameters.

Description

Verfahren zur Ermittlung von Betriebslasten und zur Auslegung für Turmbauwerke, Turmbauwerk und Windenergieanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Betriebslasten, insbesondere Windlasten, für Turmbauwerke, insbesondere für Turmbauwerke für Windenergieanlagen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Auslegung eines Turmbauwerks, insbesondere eines Turmbauwerks für eine Windenergieanlage, ein Verfahren zur Be- Stimmung der Lebensdauer eines Turmbauwerks, insbesondere eines Turmbauwerks für eine Windenergieanlage, sowie ein Turmbauwerk, insbesondere ein Turmbauwerk für eine Windenergieanlage, und eine Windenergieanlage.
Die Ermittlung von Betriebslasten stellt in der Regel einen Teil der Auslegung eines Turmbauwerks dar oder geht dieser voran. Betriebslasten können beispielsweise Wind- lasten sein. Insbesondere sind Betriebslasten zeitlich veränderliche, wechselnde Lasten, die zu einer Ermüdungsbeanspruchung von Turmbauwerken führen können. Je höher die für ein Turmbauwerk ermittelten Betriebslasten sind, desto widerstandsfähiger muss das Turmbauwerk ausgelegt werden, um über die geplante Lebensdauer den Betriebslasten standzuhalten, insbesondere auch im Hinblick auf Ermüdungsbeanspruchungen. Existierende Verfahren zur Ermittlung von Betriebslasten versuchen, die Betriebslasten möglichst genau zu ermitteln, um eine Überdimensionierung der Turmbauwerke bei der Auslegung zu vermeiden. Es sind jedoch weitere Verbesserungen wünschenswert.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung von Betriebslasten, insbesondere Windlasten, für Turmbauwerke, insbesondere für Turm- bauwerke für Windenergieanlagen, ein Verfahren zur Auslegung eines Turmbauwerks, insbesondere eines Turmbauwerks für eine Windenergieanlage, ein Verfahren zur Bestimmung der Lebensdauer eines Turmbauwerks, insbesondere eines Turmbauwerks für eine Windenergieanlage, sowie ein Turmbauwerk, insbesondere ein Turmbauwerk für eine Windenergieanlage, und eine Windenergieanlage bereitzustellen, welche gegenüber existierenden Lösungen verbessert sind. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung von Betriebslasten, insbesondere Windlasten, für Turmbauwerke, insbesondere für Turmbauwerke für Windenergieanlagen, bereit- zustellen, das eine vorteilhaftere Auslegung von Turm bau werken und/oder eine verlängerte Lebensdauer von Turmbauwerken ermöglicht.
Das Deutsche Patent- und Markenamt hat in der Prioritätsanmeldung zu vorliegender PCT-Anmeldung folgenden Stand der Technik recherchiert: US 6,850,821 B2 und US 2013/0125632 A1.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung von Betriebslasten, insbesondere Windlasten, für Turmbauwerke, insbesondere für Turmbauwerke für Windenergieanlagen, umfassend Ermittlung eines Lastparameters in einer Belastungsrichtung, Ermittlung einer Verteilung des Auftretens der Belastungsrichtung, Ermittlung eines um die Verteilung der Belastungsrichtung modifizierten Lastparameters.
Die Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, dass bei existierenden Verfahren zur Ermittlung von Betriebslasten ein Lastparameter in einer Belastungsrichtung ermittelt wird, die meist einer Hauptbelastungsrichtung entspricht. Für diesen Lastparameter wird das Turmbauwerk ausgelegt. Gerade bei richtungsabhängigen Lastparametern kann dies jedoch zu einer Überdimensionierung führen, da eine Varianz der Belastung über verschiedene Belastungsrichtungen unberücksichtigt bleibt.
Insbesondere bei Turmbauwerken von Windenergieanlagen spielen Lastparameter in Form von Windlasten eine große Rolle. Bei der Entwicklung einer Windenergieanlage beispielsweise werden die jeweiligen Komponenten, wie beispielsweise Turmbauwerke, der Windenergieanlage in der Regel so ausgelegt, dass ein Betrieb der Windenergieanlage für die angesetzte Lebensdauer möglich ist. Die Lebensdauer einer Windenergieanlage kann beispielsweise 20, 25 oder 30 Jahre betragen.
Eine Windenergieanlage und ihre Komponenten sind stationären und instationären Belastungen ausgesetzt. Die instationären Belastungen können beispielsweise durch Windtur- bulenzen, Schräganströmungen und ein Höhenprofil der Windgeschwindigkeit hervorgerufen werden. Damit ist das Belastungsspektrum, welches auf die Windenergieanlage einwirkt, vielfältig und die jeweiligen Belastungssituationen werden vorzugsweise in ihrer Gesamtheit bewertet. Dies erfolgt in der Regel durch ein Lastkollektiv, welches die Summe der Belastungssituationen darstellt. Die auf die Windenergieanlage einwirkenden instationären Belastungen können zu einer Ermüdung der Komponenten der Windenergieanlage führen. Jede Komponente der Windenergieanlage ist daher vorzugsweise so ausgelegt, dass eine versagenskritisch Ermüdung erst bei oder nach Erreichen der Lebensdauer der Windenergieanlage eintritt.
Vorzugsweise wird für den geplanten Standort einer Windenergieanlage eine Hauptbelastungsrichtung in Form einer Hauptwindrichtung ermittelt und für diese Hauptbelastungs- richtung ein Lastparameter in Form einer Windbelastung ermittelt. Dabei bleibt jedoch unberücksichtigt, dass die Windlast über verschiedene Richtungen, neben der Hauptbelastungsrichtung nämlich auch über Nebenbelastungsrichtungen, variiert.
Auf Basis dieser Erkenntnis der Erfindung wird vorgeschlagen, die Verteilung des Auftretens der Belastungsrichtung zu berücksichtigen. Hierunter kann insbesondere verstanden werden, zu berücksichtigen, wie häufig oder mit welcher Wahrscheinlichkeit die Belastung in der Hauptbelastungsrichtung auftritt und wie häufig oder mit welcher Wahrscheinlichkeit die Belastung in einer Nebenbelastungsrichtung auftritt. Hierdurch wird es möglich, den Lastparameter so zu modifizieren, dass er dieser Verteilung des Auftretens der Belastungsrichtung gerecht wird. In der Regel führt dies dazu, dass der modifizierte Lastparameter geringer ist als der ursprüngliche Lastparameter, da der ursprüngliche Lastparameter darauf beruht, dass die Belastung ausschließlich in der Hauptbelastungsrichtung vorliegt. Durch die Berücksichtigung der Verteilung des Auftretens der Belastungsrichtung und die Ermittlung eines entsprechend modifizierten Lastparameters kann somit eine günstigere Auslegung eines Turmbauwerks erzielt werden. Die Belastungsrichtungen können beliebig unterteilt sein. Beispielsweise kann eine Belastungsrichtung als ein Grad definiert werden. Ebenso sind feinere oder gröbere Definitionen der Belastungsrichtung möglich. Beispielsweise kann eine Belastungsrichtung auch als ein Segment von beispielsweise 10 Grad definiert sein.
Ein Lastparameter kann beispielsweise eine Windlast sein. Ein Lastparameter kann beispielsweise als Momentenschwingbreite angegeben sein. Ein Lastparameter kann auch in Form von Momenten, Querkräften und/oder Spannungen angegeben sein. Auch Kombinationen verschiedener Parameter sind möglich.
Insbesondere Windlasten sind dynamische Schwingungen, die zu zeitlich veränderlichen, wechselnden Lasten führen, welche wiederum zu einer Ermüdungsbeanspruchung führen. Vorzugsweise ist der Lastparameter ein Lastkollektiv. Beispielsweise kann der Lastparameter Lastwechselstufen beinhalten. Lastparameter können vorzugsweise durch Simulation ermittelt werden, beispielsweise in Abhängigkeit von dem geplanten Standort des Turmbauwerks und den dort zu erwartenden Belastungen. Zur Ermittlung des Lastparameters können auch historische und/oder gemessene Lastdaten herangezogen werden. Zur Ermittlung eines Windlastparameters werden vorzugsweise Windgeschwindigkeiten und/oder Windmittel (mittlere Windgeschwindigkeiten) und/oder weitere standortspezifische Parameter berücksichtigt.
Vorzugsweise wird zunächst eine Belastungsrichtung festgelegt, in der der Lastparameter ermittelt wird. In der Regel entspricht diese Belastungsrichtung der Hauptbelastungsrichtung, bei Windenergieanlagen entspricht dies vorzugsweise der Hauptwindrichtung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Aufteilung des Lastparameters gemäß der Verteilung des Auftretens der Belastungsrichtung in Lastparameteranteile in verschiedenen Belastungsrichtungen erfolgt. Es ist ferner bevorzugt, dass eine Aufsummierung der Lastparameteranteile pro Belastungsrichtung erfolgt.
Hierdurch kann erreicht werden, dass eine ursprünglich ermittelte Belastung in einer Hauptbelastungsrichtung um die Anteile reduziert wird, die in einer oder mehreren Nebenbelastungsrichtungen auftreten. Gleichzeitig werden auf den reduzierten Wert diejenigen Anteile in der Hauptbelastungsrichtung hinzugerechnet, die sich aus der Aufteilung der für eine oder mehrere Nebenbelastungsrichtungen ermittelten Belastung in verschiedene Belastungsrichtungen ergeben. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Verteilung des Auftretens der Belastungsrichtung geschätzt und/oder auf Basis historischen und/oder gemessenen Lastdaten und/oder auf Basis einer statistischen Verteilung und/oder einer Auftretenswahrscheinlichkeit ermittelt wird.
Eine bevorzugte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Verteilung des Auf- tretens der Belastungsrichtung eine Wahrscheinlichkeitsfunktion zugrunde liegt. Dies kann beispielsweise eine Normalverteilung (Gauß-Verteilung) sein.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung ist gekennzeichnet durch eine Ermittlung einer Verteilung des Auftretens der jeweiligen Belastungsrichtung für verschiedene Belastungsrichtungen, wobei die Verteilungen für verschiedene Belastungsrichtungen vorzugsweise gleich oder unterschiedlich sind. In dieser Fortbildung von ist vorgesehen, dass für verschiedene Belastungsrichtungen berücksichtigt wird, dass unterschiedliche Verteilungen zutreffend sein können. Beispielsweise kann die Verteilung für eine Hauptwindrichtung anders aussehen als die Verteilung in einer von der Hauptwindrichtung abweichenden Nebenwindrichtung. Ferner können für verschiedene Windrichtungen auch die gleichen Verteilungen zum Einsatz kommen.
Es ist ferner bevorzugt, dass eine Ermittlung eines Lastparameters in verschiedenen Belastungsrichtungen erfolgt. Während in einer einfachen Variante der für eine Belastungsrichtung, vorzugsweise die Hauptbelastungsrichtung, ermittelte Lastparameter auch für die anderen Belastungsrichtungen verwendet werden kann, ist in dieser Ausführungsform vorgesehen, dass die Ermittlung eines Lastparameters für verschiedene Belastungsrichtungen erfolgt und sich somit die Lastparameter in verschiedenen Belastungsrichtungen unterscheiden können.
Vorzugsweise erfolgt die Aufteilung jedes Lastparameters gemäß der Verteilung des Auftretens der jeweiligen Belastungsrichtung in Lastparameteranteile in verschiedenen Belastungsrichtungen. Ferner vorzugsweise erfolgt eine Aufsummierung der jeweiligen Lastparameteranteile pro Belastungsrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ferner vorgesehen, dass bei der Ermittlung eines Lastparameters in verschiedenen Belastungsrichtungen Unterschiede bezogen auf die verschiedenen Belastungsrichtungen berücksichtigt werden. Dies ermöglicht es beispielsweise, zu berücksichtigen, dass sich für unterschiedliche Belastungsrichtungen unterschiedliche Werte der Lastparameter ergeben.
Vorzugsweise werden Unterschiede in Form von unterschiedlichen Werten des Lastparameters in verschiedenen Belastungsrichtungen berücksichtigt. Ferner ist bevorzugt, dass Unterschiede in Form einer Verteilung der Werte des Lastparameters, insbesondere über den Umfang des Turmbauwerks, berücksichtigt werden. Der Verteilung liegt vorzugsweise eine Wahrscheinlichkeitsfunktion zugrunde. Dies kann beispielsweise eine Normalverteilung (Gauß-Verteilung) sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass Unterschiede in Form von unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten in verschiedenen Belastungsrichtungen berücksichtigt werden. Beispielsweise kann die (mittlere) Windgeschwindigkeit, die auch als Windmittel bezeichnet werden kann, in der Hauptwindrichtung eine andere sein als in einer Nebenwindrichtung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Auslegung eines Turmbauwerks, insbesondere eines Turmbauwerks für eine Windenergieanlage, umfassend Ermittlung einer Betriebslast für das Turmbauwerk nach einem zuvor beschriebenen Verfahren, Auslegung des Turmbauwerks gemäß der ermittelten Betriebslast. Die Auslegung des Turmbauwerks, die auch als Dimensionierung oder Bemessung bezeichnet werden kann, erfolgt somit vorzugsweise gemäß der erfindungsgemäß ermittelten Betriebslast.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Lebensdauer eines Turmbauwerks, insbesondere eines Turmbauwerks für eine Windenergieanlage, umfassend Ermittlung einer Betriebslast für das Turmbauwerk nach einem zuvor beschriebenen Verfahren, Ermittlung der Lebensdauer des Turmbauwerks gemäß der ermittelten Betriebslast.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Turmbauwerk, insbesondere ein Turmbauwerk für eine Windenergieanlage, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lastparameter für die Auslegung des Turmbauwerks nach einem zuvor beschriebenen Verfahren ermittelt wurde und/oder das Turmbauwerk nach einem zuvor beschriebenen Verfahren ausgelegt wurde.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Windenergieanlage mit einem Turm und einer auf dem Turm angeordneten Gondel, die einen Rotor mit mindestens einem Rotorblatt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm ein zuvor beschriebenes Turmbauwerk ist.
Zu den Vorteilen, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails dieser weiteren Aspekte der Erfindung und ihrer jeweiligen Fortbildungen wird auf die vorangegangene Beschreibung zu den entsprechenden Verfahrensmerkmalen verwiesen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung; Fig. 2 zeigt ein Flussablaufdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung von Betriebslasten für Turm bau werke;
Fig. 3 zeigt Lastparameter in der Form von Beanspruchungskollektiven für ein im Querschnitt dargestelltes Turmbauwerk;
Fig. 4A zeigt das obere Beanspruchungskollektiv M90 und das untere Beanspruchungskollektiv MO aus Figur 3;
Fig. 4B zeigt eine Verteilung des Auftretens der Belastungsrichtung gemäß Figur 4A;
Fig. 5 zeigt gleiche Verteilungen des Auftretens für verschiedene Belastungsrichtungen;
Fig. 6 zeigt einen modifizierten Lastparameter in der Form einer modifizierten Kollek- tivstufe; und
Fig. 7 zeigt das obere Beanspruchungskollektiv M90 und das untere Beanspruchungskollektiv MO gemäß Figur 4A und zusätzlich die modifizierten Beanspruchungskollektive M90' und MO'.
Figur 1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 1 10 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel 104 an.
Figur 2 zeigt ein Flussablaufdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung von Betriebslasten für Turmbauwerke, bei dem in Schritt S1 ein Lastparameter in einer Belastungsrichtung ermittelt wird, beispielsweise durch Simulation. In Schritt S2 wird eine Verteilung des Auftretens der Belastungsrichtung ermittelt, beispielsweise durch Annahme einer passenden Wahrscheinlichkeitsfunktion oder Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion, wie beispielsweise einer Normalverteilung. In Schritt S3 wird ein um die Verteilung der Belastungsrichtung modifizierter Lastparameter ermittelt.
Gerade Turmbauwerke von Windenergieanlagen unterliegen durch den Betrieb der Windenergieanlage einer Ermüdungsbeanspruchung durch zeitlich veränderliche, wechselnde Lasten. Zur Auslegung der Turmbauwerke werden daher in der Regel Beanspru- chungskollektive ermittelt, was in der Regel durch eine Simulation erfolgt. In einer solchen Simulation können beispielsweise verschiedene Windfelder, Anlagenwiderstände und/oder eine Regelung mit Rotorblattverstellung berücksichtigt werden. Da eine solche Simulation in der Regel für die Hauptwindrichtung erfolgt, im realen Betrieb der Anlage die Windrichtung jedoch variiert und der Rotor über die Azimutverstellung der Gondel entsprechend dem Wind nachgeführt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, diesen Aspekt zu berücksichtigen. Dabei wird beispielsweise angenommen, dass die Belastung, wie beispielsweise der Wind, über die Lebensdauer des Turmbauwerks unter einer beschreibbaren Zufallsverteilung aus verschiedenen Richtungen auf das Turmbauwerk wirkt. In den folgenden Beispielen wird diese Zufallsverteilung unter Anwendung der Gaußschen Normalverteilung dargestellt. Alternativ oder zusätzlich kann die Verteilung beispielsweise durch Windmessungen und/oder aufgezeichneten Regelungsdaten bestimmt oder abgeschätzt werden.
Bei der Ermittlung des Lastparameters in der Simulation können beispielsweise Bean- spruchungskollektive für die Auslegungslebensdauer ermittelt werden. Während in existierenden Auslegungsverfahren die Auslegung gegen das Beanspruchungskollektiv der Hauptbelastungsrichtung erfolgt unter der Annahme, dass diese Belastung über die gesamte geplante Lebensdauer aus der Hauptbelastungsrichtung wirkt, sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, die Verteilung des Auftretens der Belastung über verschie- dene Belastungsrichtungen zu berücksichtigen. Für diese Verteilung wird vorzugsweise eine Wahrscheinlichkeitsdichte, beispielsweise beschrieben über den Umfang des Turmbauwerks, verwendet. Dabei wird vorzugsweise die höchste Wahrscheinlichkeit der Hauptbelastungsrichtung zugeordnet. In Abhängigkeit der Wahrscheinlichkeiten über den Umfang des Turmbauwerks können beispielsweise Stufen eines Beanspruchungskollek- tivs der Hauptbelastungsrichtung auf den Umfang oder einen Teil des Umfangs (je nach Wahrscheinlichkeitsdichte) verteilt werden. Vorzugsweise werden ebenso die anderen Beanspruchungskollektive der anderen Belastungsrichtungen ebenfalls über den Umfang des Turmbauwerks verteilt. Jedes Beanspruchungskollektiv kann ein ortsfestes Beanspruchungskollektiv für eine bestimmte Belastungsrichtung sein. Durch dieses Vorgehen wird vorzugsweise das Beanspruchungskollektive der Hauptbelastungsrichtung nicht nur reduziert, sondern auch ergänzt um diejenigen Anteile der Beanspruchungskollektive der Nebenbelastungsrichtungen, die aufgrund der Verteilung der Hauptbelastungsrichtung zuzuordnen sind. Durch diese Modifikation des Lastparameters kann eine Reduktion der Betriebslasten in der für die Auslegung relevanten Hauptbe- lastungsrichtung von beispielsweise 25 % erreicht werden. Gleichzeitig erhöhen sich in der Regel die Beanspruchungskollektive der Nebenbelastungsrichtungen, was zu einer Verkleinerung der Differenz der Auslastungsspanne und/oder einer Homogenisierung des Belastungsniveaus führen kann.
Das erfindungsgemäße Vorgehen ermöglicht es somit, für neue Turmbauwerke bei der Auslegung geringere Beanspruchungen zu berücksichtigen, was zu einer kosten- und/oder ressourcenschonenden Konstruktion führen kann.
Das erfindungsgemäße Vorgehen ermöglicht es auch, eine längere Lebensdauer für existierende Turmbauwerke nachzuweisen. Hierzu wird die Betriebslast ermittelt und vorzugsweise unter Berücksichtigung der erfolgten Auslegung des Turmbauwerks, insbe- sondere seiner Dimensionen und/oder seiner Konstruktion, die Lebensdauer des Turmbauwerks für die ermittelte Betriebslast nachgewiesen. Unter Lebensdauer kann hier insbesondere auch eine Restlebensdauer von Turmbauwerken verstanden werden, die bereits im Einsatz sind. Dabei können zum Beispiel die ursprünglich zur Auslegung des Turmbauwerks, beispielsweise in einer Simulation, ermittelten Betriebslasten herangezo- gen werden und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren modifiziert werden. Alternativ oder zusätzlich können auch Messdaten aus Windmessungen und/oder Betriebsführungsdaten der Windenergieanlage berücksichtigt werden.
Ferner ist es bevorzugt, auch die Varianz der Windgeschwindigkeit über die Belastungsrichtungen zu berücksichtigen. Neben der Belastungsrichtung wirkt sich in der Regel auch das betrachtete Windmittel auf die Beanspruchungskollektive aus. Indem in der bevorzugten Ausgestaltung eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der Windgeschwindigkeiten über den Umfang des Turmbauwerks angewendet wird, können weitere Umlagerun- gen und damit Reduktionen der Betriebslasten erzielbar sein.
In Figur 3 ist auf der rechten Seite ein Querschnitt durch ein Turmbauwerk 200 dargestellt mit einer eingezeichneten Hauptbelastungsrichtung 201 , die in der hier dargestellten Variante bei 90° angreift. Auf der linken Seite sind Lastparameter in der Form von Beanspruchungs- oder Auslegungskollektiven dargestellt, wobei auf der Hochachse die Momentenschwingbreite in kNm und auf der horizontalen Achse die Lastwechsel aufgetragen sind. Mit dem Pfeil 202 ist die Auslegungslebensdauer angedeutet. Das obere Beanspruchungskollektiv M90 entspricht dabei dem Auslegungskollektiv in der Hauptbelastungsrichtung 201 bei 90°. Das untere Auslegungskollektiv MO entspricht dem Auslegungskollektiv in der Nebenbelastungsrichtung von 0°. In Figur 4A sind aus Figur 3 nur das obere Beanspruchungskollektiv M90 und das untere Beanspruchungskollektiv MO dargestellt. Eine Kollektivstufe 300 des oberen Beanspruchungskollektivs M90 ist beispielhaft herausgegriffen. Mit dem Pfeil 203 ist der Anteil der Kollektivstufe 300 an der Auslegungslebensdauer bezeichnet. Wenn man nun die in Figur 4B dargestellte Verteilung V für das Auftreten der Belastungsrichtung berücksichtigt, ergibt sich die in Figur 4A unten rechts dargestellte Verteilung der Kollektivstufe 300 auf verschiedene Belastungsrichtungen. Dabei ist zu erkennen, dass in der Hauptbelastungsrichtung von 90° der größte Anteil zu verzeichnen ist und in den angrenzenden Nebenbelastungsrichtungen von 80° und 100° die nächstgrößeren Anteile zu verzeichnen sind, wohingegen für die Nebenbelastungsrichtungen von 70° und 1 10° bereits deutlich kleinere Anteile zu verzeichnen sind. Der Restanteil R verteilt sich auf die weiteren Nebenbelastungsrichtungen. Die hierfür eingesetzte, in Figur 4B dargestellte Verteilung ist eine Gaußsche Normalverteilung mit einem Erwartungswert von 90° und einer Varianz von 180°. Auf der Hochachse ist die Häufigkeit im Bezugszeitraum (der Lebensdauer) aufge- tragen, auf der horizontalen Achse die Position am Umfang des Turmbauwerks in Bogengrad.
In Figur 5 sind Verteilungen V0, V30, V60, V90, V120, V150, V180 des Auftretens für verschiedene Belastungsrichtungen dargestellt, hier vereinfacht in 30° Schritten. Ebenfalls vereinfacht ist hier die gleiche Gaußsche Verteilung mit einem Erwartungswert von 90° und einer Varianz von 180° zugrunde gelegt. Es können jedoch auch unterschiedliche Verteilungen für unterschiedliche Belastungsrichtungen angenommen werden.
Figur 6 zeigt auf der rechten Seite einen modifizierten Lastparameter in der Form einer modifizierten Kollektivstufe 300' und auf der linken Seite dessen Zusammensetzung. Hierbei ist mit 301 der Anteil dargestellt, der aus der eigenen Belastungsrichtung des Beanspruchungskollektivs der Belastungsstufe resultiert. Mit 302 sind diejenigen Anteile dargestellt, welche aus den Beanspruchungskollektiven der Nebenbelastungsrichtungen resultieren, die um +/- 10° und +/- 20° zur eigenen Belastungsrichtung versetzt angeordnet sind. Die um weitere Grad versetzten Anteile sind unter Rest R zusammengefasst.
Die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Vorgehens sind beispielhaft in Figur 7 darge- stellt. Die Beanspruchungskollektive M90 und MO gemäß Figur 7 entsprechen den in Figur 3 dargestellten Beanspruchungskollektiven M90 und MO. Zusätzlich sind in Figur 7 die modifizierten Lastparameter in Form der modifizierten Beanspruchungskollektive M90' und MO' dargestellt. Wie zu erkennen und durch die Pfeile verdeutlicht, reduziert das erfindungsgemäße Vorgehen die Betriebslasten in der Hauptbelastungsrichtung, wohin- gegen die Betriebslasten in der Nebenbelastungsrichtung erhöht werden. Insbesondere wenn zur Auslegung eines Turmbauwerks nur die Betriebslasten in der Hauptbelastungsrichtung herangezogen werden, ergibt sich somit durch das erfindungsgemäße Verfahren ein erheblicher Vorteil bei der Auslegung. Unter Berücksichtigung des modifizierten Lastparameters kann auch für bereits existierende Turmbauwerke eine verlängerte (Rest-) Lebensdauer nachgewiesen werden.

Claims

ANSPRÜCHE
Verfahren zur Ermittlung von Betriebslasten, insbesondere Windlasten, für Turmbauwerke, insbesondere für Turmbauwerke für Windenergieanlagen, umfassend
Ermittlung eines Lastparameters in einer Belastungsrichtung,
Ermittlung einer Verteilung des Auftretens der Belastungsrichtung, Ermittlung eines um die Verteilung der Belastungsrichtung modifizierten Lastparameters.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
gekennzeichnet durch
- Aufteilung des Lastparameters gemäß der Verteilung des Auftretens der Belastungsrichtung in Lastparameteranteile in verschiedenen Belastungsrichtungen.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
- Aufsummierung der Lastparameteranteile pro Belastungsrichtung.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung des Auftretens der Belastungsrichtung geschätzt und/oder auf Basis historischen und/oder gemessenen Lastdaten und/oder auf Basis einer statistischen Verteilung und/oder einer Auftretenswahrscheinlichkeit ermittelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilung des Auftretens der Belastungsrichtung eine Wahrscheinlichkeitsfunktion zugrunde liegt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
Ermittlung einer Verteilung des Auftretens der jeweiligen Belastungsrichtung für verschiedene Belastungsrichtungen, wobei die Verteilungen für verschiedene Belastungsrichtungen vorzugsweise gleich oder unterschiedlich sind.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
Ermittlung eines Lastparameters in verschiedenen Belastungsrichtungen.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung eines Lastparameters in verschiedenen Belastungsrichtungen Unterschiede bezogen auf die verschiedenen Belastungsrichtungen berücksichtigt werden.
9. Verfahren nach mindestens dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass Unterschiede in Form von unterschiedlichen
Werten des Lastparameters in verschiedenen Belastungsrichtungen berücksichtigt werden.
10. Verfahren nach mindestens einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Unterschiede in Form einer Verteilung der
Werte des Lastparameters berücksichtigt werden.
1 1. Verfahren nach mindestens einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Unterschiede in Form von unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten in verschiedenen Belastungsrichtungen berücksichtigt werden.
12. Verfahren zur Auslegung eines Turmbauwerks, insbesondere eines Turmbauwerks für eine Windenergieanlage, umfassend
- Ermittlung einer Betriebslast für das Turmbauwerk nach einem Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, - Auslegung des Turmbauwerks gemäß der ermittelten Betriebslast.
13. Verfahren zur Bestimmung der Lebensdauer eines Turmbauwerks, insbe- sondere eines Turmbauwerks für eine Windenergieanlage, umfassend
Ermittlung einer Betriebslast für das Turmbauwerk nach einem Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, Ermittlung der Lebensdauer des Turmbauwerks gemäß der ermittelten Betriebslast.
Turmbauwerk, insbesondere Turmbauwerk für eine Windenergieanlage, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lastparameter für die Auslegung des Turmbauwerks nach einem Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1-1 1 ermittelt wurde und/oder das Turmbauwerk nach einem Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch 12 ausgelegt wurde.
Windenergieanlage mit einem Turm und einer auf dem Turm angeordneten Gondel, die einen Rotor mit mindestens einem Rotorblatt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm ein Turmbauwerk nach dem vorhergehenden Anspruch ist.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113609622B (zh) * 2021-08-20 2023-12-26 浙江大学 风力发电机组的塔架载荷建模方法和装置
CN114458551A (zh) * 2022-04-12 2022-05-10 华电电力科学研究院有限公司 一种风力发电机的载荷数据获取装置及风力发电机系统

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10011393A1 (de) * 2000-03-09 2001-09-13 Tacke Windenergie Gmbh Regelungssystem für eine Windkraftanlage
DE10113039B4 (de) * 2001-03-17 2017-12-07 Aloys Wobben Windenergieanlage
US7822560B2 (en) * 2004-12-23 2010-10-26 General Electric Company Methods and apparatuses for wind turbine fatigue load measurement and assessment
EP1878916B8 (de) * 2006-07-14 2011-03-02 NTS Energie- und Transportsysteme GmbH Windbetriebener elektrischer Generator
EP2484901A2 (de) * 2011-02-04 2012-08-08 Envision Energy (Denmark) ApS Windturbine und zugehöriges Steuerungsverfahren
CN102288413B (zh) * 2011-05-19 2013-11-13 浙江运达风电股份有限公司 一种判定大型风力发电机组运行可靠性的方法
EP2597302B1 (de) * 2011-11-23 2014-04-30 Siemens Aktiengesellschaft Bestimmung einer gesamten Belastung einer Windturbine in Winkelabschnitten
CN102708266B (zh) * 2012-06-12 2014-01-01 中国科学院工程热物理研究所 一种水平轴风力机叶片的极限载荷预测计算方法
EP2706231B1 (de) * 2012-09-07 2015-04-08 ALSTOM Renewable Technologies Verfahren zum Betrieb einer Windturbine
US9551320B2 (en) * 2012-09-27 2017-01-24 General Electric Company Asymmetric load control for torsion fatigue reduction in a wind turbine tower
US9574547B2 (en) * 2013-01-14 2017-02-21 General Electric Company Method and apparatus for controlling an operational parameter of a wind turbine
JP6553399B2 (ja) * 2015-05-14 2019-07-31 株式会社日立製作所 演算システム、風力発電システム、又は、風車の余寿命又は疲労損傷量の算出方法
CN105604806B (zh) * 2015-12-31 2018-09-11 北京金风科创风电设备有限公司 风力发电机的塔架状态监测方法和系统

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