SE532463C2 - Vindkraftaggregat, stödpelare för detsamma och användning av detsamma - Google Patents

Description

532 453 2 För att uppnå att ett vindkraftaggregat ska kunna generera elenergi till konkurrenskraftiga priser är det angeläget att optimera varje komponent vid ett sådant ur teknisk och ekonomisk synpunkt.

Föreliggande uppfinning har som ändamål att åstadkomma en sådan optimering vad gäller den stödpelare som bår upp vindkraftaggregatets turbin.

Redogörelse för uppfinningen Det uppställda ändamålet ernås ur uppfinningens första aspekt genom att ett vindkraftaggregat av det inledningsvis angivna slaget uppvisar det speciella särdraget att materialet i stödpelaren i huvudsak är trä.

Genom att frångå det konventionella materialet, dvs. stål för en sådan stödpelare uppnås en mycket högre bärförmåga för samma kostnad, alternativt samma bärförmåga till en mycket lägre kostnad jämfört med konventionellt ut- förande. Det billigare konstruktionsmaterialet gör det dessutom möjligt att utforma stödpelaren med för ändamålet mer lämplig design än eljest. Användandet av trä som konstruktionsmaterial i detta sammanhang medför dessutom fördelar ur miljö- synpunkt.

Enligt en föredragen utföringsform av det uppfunna vindkraftaggregatet har stödpelaren en nedre och en övre ände, varvid stödpelarens tvärsnittsarea i ett horisontalplan varierar i beroende av avståndet från den nedre änden så att medelvärdet för tvärsnittsarean för den nedre halvan av stödpelaren är större än medelvärdet för tvärsnittsarean för den övre halvan av stödpelaren, företrädesvis minst dubbelt så stor. Med tvärsnittsarea avses även den area som täcks av stödpelarens hålighet, dvs., hela den area som omskrivs av stödpelarens yttre begränsningsrand. Medelvärdena definieras genom att ett antal horisontella snitt skärs genom bärpelaren, så att nedre respektive övre halvan vertikalt delas upp av horisontalsnitten i samma antal lika långa delar. För vardera halva erhålles ett medelvärde för tvärsnittsarean hos horisontalsnitten, vilka medelvärden sålunda jämförs.

Genom att på detta sätt utforma stödpelaren generellt vidare nedtill så blir den mer stabil än om tvärsnittsytan vore i huvudsak konstant. Det medför ökad driftsäkerhet och lägre krav på andra åtgärder för att få en stabil förankring.

Exempelvis kan behovet av stödlinor elimineras. 532 453 3 Det föredrages därvid speciellt att stödpelaren intill sin nedre ände har en tvärsnittsarea som är flera gånger så stor som stödpelarens tvärsnittsarea intill sin övre ände, företrädesvis 5 till 15 gånger så stor.

Därmed är stödpelarens utformning som en uppåt avsmalnande konstruk- tion ytterligare accentuerad, och stabilitetsaspekten följaktligen än mer påtaglig.

Därvid torde det angivna intervallet för areaförhållandet utgöra en optimalt awägd balans mellan att å ena sidan uppnå hög stabilitet och å andra sidan begränsa materialåtgâng och erforderlig yta för det fundament på vilket stödpelaren vilar.

Det optimala areaförhållandet är till en del beroende av stödpelarens höjd, och blir större ju högre denna år.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsforrn har stödpelaren en konti- nuerligt avtagande tvärsnittsarea nedifrän och upp utmed åtminstone större delen av sin höjd, varvid tvärsnittsareans kontinuerligt avtagande företrädesvis är likformig. En sådan form hos stödpelaren medför ett harmoniskt upptagande av böj- och tryckpåkänningar där dimensionering snävt kan anpassas till vad som erfordras i respektive höjdlåge hos stödpelaren. Därvid kan materialåtgângen hållas nere. Om tvärsnittsareans avtagande är likformig utmed hela den aktuella sträckningen förstärks denna effekt och de fördelar den medför. ldealiskt är ur denna aspekt förstås att utforma stödpelarens avsmalnande uppåt utmed hela sin utsträckning. Andra överväganden kan dock medföra att del av stödpelaren utformas på annat sätt.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform har nämnda del av stöd- pelaren formen av en stympad kon.

Därvid blir denna helt symmetrisk kring turbinens rotationsaxel och fördel- ning av uppträdande påkänningar fördelas så jämnt som möjligt.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform innefattar stödpelarens trä- balkar, vilkas huvudsakliga riktningskomponenter är vertikala och vilka träbalkar företrädesvis är limträbalkar.

Med i huvudsak vertikalt riktade träbalkar utnyttjas träets hållfasthets- egenskaper på bästa sätt, och en stabil konstruktion är lätt att åstadkomma.

Limträbalkar är därvid att föredra eftersom dessa är mer forrnstabila och generellt sett är mer lämpade för byggnadskonstruktioner.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är stödpelaren av komposit- material. 532 4GB 4 Genom att förutom trä som huvudsakligt byggnadsmaterial även använda andra material kan de senare komplettera träets egenskaper avseende vissa funktioner där andra material är bättre lämpade. Därmed ernås en ytterligare förbättrad konstruktion avseende på de totala krav som stödpelaren ska uppfylla.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform innefattar stödpelaren fibermaterial såsom exempelvis glasfiber, kolfiber eller naturfiber.

Fibermaterial är på grund av sina hållfasthetsegenskaper ett fördelaktigt material att ingå som komponent i en kompositkonstruktion. Detta bl.a. på grund av sin väldefinierade riktningsorientering som är värdefull vid hållfasthetsmässigt speciellt utsatta delar av bärpelaren och på grund av dess sammanhållande samverkan med bärpelarens träbalkar så att dessas egenskaper att uppbära last och böjbelastningar förstärks.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsforrn har åtminstone några av träbalkarna en riktningskomponent som förlöper även i stödpelarens omkrets- riktning.

Därmed förbättras stödpelarens hållfasthetsegenskaper för vissa slag av belastningsfall.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsforrn är stödpelaren därvid upp- yggd av minst två skikt av träbalkar där det ena skiktets träbalkar har en riktnings- komponent i stödpelarens omkretsriktning som är motriktad riktningskomponenten i stödpelarens omkretsriktning hos träbalkarna i närmast intilliggande skikt vid motsvarande om kretsposition.

Ur hållfasthetssynpunkt kan det vara en ytterligare fördel att utforma stödpelaren i två eller flera skikt, speciellt vid stora konstruktioner. Den motriktade orienteringen av träbalkarna i de olika sklkten medför en ytterligare stabilisering genom att den maximala kraftupptagningsriktningen för respektive skikt komplet- terar varandra. Skikten är lämpligtvis förbundna med varandra, varvid dessutom uppnås en ömsesidig stödverkan mellan de motriktade skikten.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är stödpelaren sammansatt av ett flertal vertikalt fördelade sektioner. l de fall stödpelaren är förtillverkad och således transporteras till uppbygg- nadsplatsen medför en sådan sektionering att transporten underlättas, speciellt då det är fråga om stora vindkraftaggregat. 532 483 Enligt ytterligare en föredragen utföringsform innefattar vindkraftaggre- gatet en i närheten av stödpelarens övre ände anordnad behållare anordnad att kunna inrymma en varierbar mängd material.

Genom att fylla behållaren med en lämpligt awägd mängd material påverkas stödpelarens egensvängningstal. Mängden material kan därvid kalibreras så att egensvängningstalet ligger långt från de resonanser som kan bli aktuella för de driftsbetingelser som kan förutses, och som eljest skulle riskera driftsstörningar. Genom att massan i behållaren lätt kan varieras kan detta på enkelt sätt åstadkommas genom att stämma av mot faktiskt uppträdande svängningar, vilket ger större tillförlitlighet än om man dimensionerade massan utifrån osäkra och komplicerade beräkningar.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är behållaren anordnad att kunna inrymma ett granulärt material, exempelvis grus. Genom att använda ett granulärt material såsom grus eller liknande är det mycket lätt att variera mängden material.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform har stödpelaren en höjd av minst 30m.

Fördelarna med att utforma stödpelaren i huvudsak i trä blir betydelsefulla framför allt när det gäller förhållandevis stora aggregat, varför denna utföringsform är av speciellt intresse.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är stödpelaren stöttad av stag, t.ex. stänger, vajrar eller syntetlinor.

Ehuru ett vindkraftaggregat enligt uppfinningen möjliggör att eliminera sådan stöttning kan det i vissa fall vara ändamålsenligt med att stötta på detta sätt och därmed ytterligare öka stabiliteten.

Enligt en föredragen utföringsform är därvid antalet stag minst tre.

Ju fler stag, desto bättre blir stöttningen och med tre stag uppnås god stöttning i alla tvärriktningar.

Ovan angivna föredragna utföringsformer av det uppfunna vindkraft- aggregatet anges i de av kravet 1 beroende patentkraven.

Ur uppfinningens andra aspekt har det uppställda ändamålet ernåtts genom att en stödpelare för ett vertikalaxlat vindkraftaggregat är utformad på det sätt som anges för stödpelaren hos vindkraftaggregatet enligt föreliggande uppfinning eller någon av de föredragna utföringsformerna av detsamma. 532 453 6 Därvid vinnes motsvarande fördelar som angivits ovan för det uppfunna vind kraftaggregatet.

Ur uppfinningens tredje och fjärde aspekter tillgodogörs fördelama hos ett vindkraftaggregat enligt uppfinningen genom att det elektriska nätet är anslutet till ett vind kraftaggregat enligt uppfinningen respektive genom att det uppfunna vindkraftaggregatet används för generering av elenergi.

Ur uppfinningens femte aspekt ernås det uppställda ändamålet genom att det inledningsvis nämnda förfarandet innefattar den speciella åtgärden att vind- kraftaggregatets stödpelare byggs i huvudsak av trä.

Enligt en föredragen utföringsform av det uppfunna förfarandet byggs stödpelaren i huvudsak av träbalkar, företrädesvis limträbalkar.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform tillverkas stödpelaren i ett flertal sektioner avsedda att vid uppförande av ett vindkraftaggregat anordnas ovanför varandra.

Enligt ytterligare föredragna utföringsformer av det uppfunna förfarandet tillverkas stödpelaren så att den bibringas de särdrag som anges för stödpelaren vid vindkraftaggregatet enligt någon av de föredragna utföringsformema av detsamma.

Genom det uppfunna förfarandet vinnes fördelar av motsvarande slag som vinnes med det uppfunna vindkraftaggregatet och de föredragna utföringsforrnerna av detsamma och som redogjorts för ovan.

Uppfinningen beskrivs närmare genom efterföljande detaljerade beskrivning av fördelaktiga utföringsexempel av uppfinningen under hänvisning till bifogare figurer.

Kort beskrivning av figurerna Fig. 1 är ett schematiskt vertikalsnítt genom ett vindkraftaggregat enligt uppfinningen.

Fig. 2 är en delsidovy av vindkraftaggregatet enligt fig. 1.

Fig. 3 är ett snitt längs linjen III - III i fig.2.

Fig. 4 är ett snitt motsvarande det i fig. 3 men illustrerande ett alternativt utföringsexempel.

Fig. 5 Är en principskiss illustrerande en aspekt hos utföringsexemplet enligt fig. 4. 532 453 7 Fig. 6 är en sidovy av stödpelare enligt ett ytterligare alternativt utförlngsexempel.

Fig. 7 är en sidovy av ett vindkraftaggregat enligt ytterligare ett utföringsexempel.

Beskrivning av fördelaktiga utföringsexempel l fig. 1 illustreras ett vindkraftaggregat enligt uppfinningen med en vind- turbin, ett fundament 1, en stödpelare 2 som vilar på fundamentet 1 och är för- ankrat vid detta med förankringsanordningar 5. Vidare innefattas en generator 6.

Vindturbinen har en vertikal axel 3 och en rotor med vertikala turbinblad 4.

Vardera turbinblad 4 är förbundet med axeln 3 genom träbärarmar 9. En behållare 7 är monterad inne i stödpelaren 2 nära dess övre ände.

Stödpelaren 2 är byggd av limträbalkar. Den har en konisk form. För ett vindkraftaggregat på 200kW är stödpelarens 2 höjd ca 40 m. Dess diameter vid den nedre änden är ca 2,5 m och vid den övre änden ca 1 m. För ett vindkraft- aggregat på 1 MW är motsvarande mått i storleksordningen 100m, 6m respektive 2m.

Stödpelaren 2 kan alternativt utföras med annan form än rent konisk. Den kan t.ex. utformas så att väggens lutning beskriver en svagt konkav eller konvex linje, jämfört med konens räta linje. Den kan utformas som ett antal cylindriska sektioner, där sektionema har mindre diameter ju högre upp de är belägna. Även en konisk konstruktion kan på motsvarande sätt utformas med steg i diameterför- ändringen. Koniska och cylindriska sektioner kan kombineras, etc. Stödpelarens tvärsnitt kan ha annan form än en cirkel, t.ex. en polygon.

Behållaren 7 är fäst vid stödpelaren och är avsedd att kunna flyttas med lämpligt awägd mängd grus för att injusteras mot stödpelarens 2 egen- svängningar.

Fig. 2 är en del av en sidovy av stödpelaren och illustrerar hur denna är uppbyggd av limträbalkar 8. Limträbalkarna är visade med enhetlig tjocklek och form och med samma dimension längs hela sin utsträckning. Med hänsyn till koniciteten kan det vara ändamålsenligt att utföra åtminstone en del av balkarna något avsmalnande uppåt. Balkar av olika längd och form kan givetvis användas.

I fig. 3 som är ett snitt längs linjen III- III i fig. 2 framgår hur limträbalkarna 8 är anordnade sida vid sida. De är lämpligtvis limmade mot varandra. Om 532 453 8 balkarna har rektangulärt tvärsnitt blir det en kilformad springa mellan balkarna.

Limskiktet blir således tjockare vid ytterperiferin. Alternativt kan kilforrnigt fyllnads- material inpassa i dessa springor. En annan möjlighet är att utforma balkama med svagt trapetsformat tvärsnitt.

Stödpelarens 8 vägg är på sin utsida belagd med en skyddande belägg- ning 10. Beläggningen är lämpligtvis ett kompositmaterial typ glasepoxi och som innefattar t.ex. glasfiber, kolfiber eller naturfiber. En motsvarande beläggning 11 finns på väggens insida. lfig. 2 är för åskådlighetens skull beläggningen 10 utetämnad.

Fig. 4 visar i ett snitt motsvarande det i fig. 3 ett utföringsexempel där stödpelarens 8 vägg är sammansatt av ett yttre 12 och ett inre 13 skikt. Vardera skikten är uppbyggd av limträbalkar 8 på liknande sätt som det i fig. 3. De båda skikten är limmade mot varandra.

Fig. 5 illustrerar limträbalkarnas riktning då stödpelarens 8 vägg år uppbyggd i två skikt såsom ifig. 4. Balkarna 8 är snedställda i sidled i vertikal- planet och riktade åt motsatt håll i de båda skikten sà att de korsar varandra.

Fig. 6 illustrerar en stödpelare som är sammansatt av fyra olika sektioner 14-17 anordnade ovanför varandra. Stödpelaren levereras till byggplatsen i sektioner och sammanfogas där med lämpligt förband.

Fig. 7 illustrerar hur stödpelaren 2 kan vara stöttad av ett antal stag 18.

Claims (15)

15 20 25 30 532 453 PATENTKRAV

1. Vindkraftaggregat innefattande en turbin med vertikal turbinaxel (3), en elektrisk generator (6) ansluten till turbinen och en vertikal ihålig stödpelare (2) uppbärande turbinen, kännetecknat av att materialet i stödpelaren (2) i huvudsak är trä, stödpelaren (2) innefattar limträbalkar (8), vilkas huvudsakliga riktnings- komponent är vertikal, vilka balkar har trapetsformat tvärsnitt och åtminstone en del av balkarna smalnar av uppåt och vilken stödpelare (2) på sin utsida är belagd med en skyddande beläggning av kompositmaterial som innefattar fibermaterial såsom exempelvis glasfiber, kolfiber eller naturfiber, att stödpelaren (2) har en nedre och en övre ände, varvid stödpelarens (2) tvärsnittsarea lett horisontalplan varierar i beroende av avståndet från den nedre änden så att medelvärdet för tvärsnittsarean för den nedre halvan av stödpelaren (2) är större än medelvärdet för tvärsnttsarean för den övre halvan av stödpelaren (2), företrädesvis minst dubbelt s stortatt stödpelaren (2) intill sin nedre ände har en tvärsnittsarea som är flera g nger så stor som stödpelarens tvärsnittsarea intill sin övre ände, företräde vis 5 till 15 gånger så stor, och att stödpelaren (2) har en kontinuerligt avtagande tvärsnittsarea nedifrån och upp utmed åtminstone större delen av sin höjd.

2. Vind kraftaggregat enligt patentkrav 1, kännetecknat av att stödpelaren (2) utmed åtminstone större delen av sin höjd har formen av en stympad kon

3. Vindkraftaggregat enligt något av patentkraven 1 - 2, kännetecknat av att åtminstone några av träbalkarna (8) har en riktningskomponent som förlöperi stödpelarens (2) omkretsriktning.

4. Vind kraftaggregat enligt patentkrav 3, kännetecknat av att stödpelaren (2) är uppbyggd av minst två skikt (12, 13) av träbalkar (8), där det ena skiktets (12) träbalkar (8) har en riktningskomponent i stödpelarens (2) omkretsriktning som är motriktad riktningskomponenten i stödpelarens (2) omkretsriktning hos träbalkarna (8) i närmast intilliggande skikt (13) vid motsvarande omkretsposltion. 10 20 25 30 532 453 10

5. Vindkraftaggregat enligt något av patentkraven 1- 4, kännetecknat av att stödpelaren (2) är sammansatt av ett flertal vertikalt fördelade sektioner (14-17).

6. Vindkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-5, kännetecknat av att det innefattar en i närheten av bärpelarens övre ände anordnad behållare (7) anordnad att kunna inrymma en varierbar mängd material.

7. Vindkraftaggregat enligt patentkravet 6, kännetecknat av att behållaren (7) är anordnad att kunna inrymma granulärt material, såsom exempelvis grus.

8. Vindkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-7, känna-tecknat av att stödpelaren (2) har en höjd som är minst 30m, företrädesvis i intervallet 30 till 150m.

9. Vindkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-8, kännetecknat av att stödpelaren är stöttad av stag (18), såsom stänger, vajrar eller syntetlinor.

10. Vindkraftaggregat enligt patentkravet 9, kännetecknat av att antalet stag (18) är minst tre. 1 1. elenergi kännetecknad av att stödpelaren (2) innefattar de särdrag som anges för

11. Stöd pelare (2) för ett vertikalaxlat vind kraftaggregat för genrering av stödpelaren (2) i vindkraftaggregatet enligt något av patentkraven 1-8.

12. Användning av ett Vindkraftaggregat enligt något av patentkraven 1-10 för genrering av elenergi.

13. Förfarande för tillverkning av en stödpelare (2) avsedd att utgöra stöd pelare till ett Vindkraftaggregat med vertikal turbinaxel (3) känneteoknat av att stödpelaren (2) byggs i huvudsak av trä, och åtminstone delvis av limträbalkar (8), vilkas huvudsakliga riktningskomponent är vertikal, vilka balkar ha trapetsformat tvärsnitt och åtminstone en del av balkarna smalnar av uppåt och att utsidan av stödpelaren (2) beläggs med en skyddande beläggning av kompositmaterial som innehåller fibermaterial såsom exempelvis glasfibrer, kolfibrer eller naturfibrer, 532 453 11 vilken stödpelare har en nedre och en övre ände, varvid stödpelarens (2) tvärsnittsarea i ett horisontalplan varierar i beroende av avståndet från den nedre änden så att medelvärdet för tvärsnittsarean för den nedre halvan av stödpelaren (2) är större än medelvärdet för tvärsnittsarean för den övre halvan av stödpelaren (2), företrädesvis minst dubbelt så stort, att stödpelaren (2) intill sin nedre ände har en tvärsnittsarea som år flera gånger så stor som stödpelarens (2) tvärsnittsarea intill sin övre ände, företrädesvis 5 till 15 gånger så stor, och att stödpelaren (2) har en kontinuerligt avtagande tvärsnittsarea nedifrån och upp utmed åtminstone större delen av sin höjd.

14. Förfarande enligt patentkravet 13, kännetecknat av att stödpelaren (2) tillverkas i ett flertal sektioner (14-17) avsedda att vid uppförande av ett vind kraftaggregat anordnas ovanför varandra.

15. Förfarande enligt något av patentkraven 13 - 14, kännetecknat av att stödpelaren (2) tillverkas så att den bibringar de särdrag som anges för stödpelaren vid vindkraftaggregatet enligt något av patentkraven 2 - 8.