WO2018054418A1 - Seil zur abspannung des turms einer windenergieanlage - Google Patents

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    • Y02E10/70—Wind energy
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Definitions

  • the invention relates to a rope for bracing the tower of a wind energy plant.
  • the invention relates to a rope for bracing a arranged on a floating foundation tower of a wind turbine.
  • the object of the invention is therefore to provide a rope for bracing the towers of
  • Wind turbines which is particularly suitable for floating offshore applications.
  • a rope for bracing the tower of a wind turbine is provided with a core of unidirectionally arranged rovings, each formed of a plurality of filaments and by means of a matrix material, such as a thermoplastic or a thermoset, in particular a reaction resin, are interconnected, and a extending in the longitudinal direction of the cable, electrically conductive lightning protection element, which surrounds the core along the circumference at least partially.
  • a matrix material such as a thermoplastic or a thermoset, in particular a reaction resin
  • the filaments of the rope are preferably made of carbon, a polyaramid, a high performance polyethylene or a mixture of these substances.
  • Floating foundations arranged offshore wind turbines appear beneficial.
  • anisotropic carbon fibers which are combined into filaments for the production of a multifilament yarn ("roving"), is particularly suitable for the bracing of wind turbines due to their high strength and rigidity, with low elongation at break and low specific gravity in the axial direction on the use of carbon fibers and other comparable
  • a lightning protection element extending in the longitudinal direction of the cable which at least partially surrounds the core along its circumference.
  • the lightning protection is designed so that it minimizes the effect of a lightning strike on the rope and avoids damage to the load-bearing filaments.
  • the electrically conductive lightning protection element of the cable for the derivation of a lightning is electrically connected to a suitably suitable lightning-deflecting structure (the wind turbine).
  • the wind turbine the wind turbine
  • polyaramides which are significantly more impact-resistant than carbon fibers, in particular the poly (p-phenylene terephthalamide) known under the trade name Kevlar, can be used.
  • a high performance polyethylene can be used.
  • Dyneema high performance polyethylene achieved due to the strong parallel orientation of polyethylene linear molecules (> 95% and a degree of crystallinity of up to 85%) compared to Polyaramidfasern by up to 40% and compared to carbon fibers by up to 60% higher Tensile strenght.
  • an electrically nonconductive insulator is preferably provided which surrounds the core between the core and the electrically conductive lightning protection element and protects it against the electrical and thermal effects which occur in the cable during a lightning strike. If light-sensitive filaments are used, the insulator is particularly preferably designed to protect the core against exposure to light.
  • a sheath covering at least the core may be provided from a light stabilizer protecting the core from the action of light.
  • light stabilizer can be applied to the cable provided with the lightning protection means and also - if this should not interfere with the lightning protection function - cover the lightning protection agent.
  • the light stabilizer has the property that the damage to the rope causing UV portion of the light is absorbed and / or reflected.
  • the light stabilizer used is therefore preferably a UV-absorbing or reflecting light stabilizer.
  • the light stabilizer may have to perform its function as a light stabilizer polyurethane.
  • polyurethanes for
  • Formation of a cable sheath forming light protection element is particularly preferred due to the permanently elastic properties of this material. At the same time, there is sufficient compatibility with the other materials with regard to the processing and durability of the rope.
  • Polyurethanes can be processed as instant cast resins under normal room conditions and have a short drip time.
  • the sheathing of the core including the lightning protection provides a protection against aggressive environmental conditions, such as occur in the offshore area due to the permanent moisture, high salinity and sometimes daily high temperature fluctuations.
  • a jacket with polyurethane provides a mechanical protection, the also electrically insulating acts.
  • a light stabilizer formed from polyurethane is due to its elastic properties claimed in the longitudinal direction and provides a permanent protection of the invention designed rope.
  • the light stabilizer is preferably designed such that it coats the core and the lightning protection element.
  • the stitches optionally formed by the lightning protection element are filled out.
  • the light stabilizer is applied so that the light stabilizer forms a smooth surface that the
  • the electrically conductive lightning protection element is preferably formed from copper wire or stainless steel.
  • the lightning protection element is designed as a braid surrounding the core. Specifically, it is provided that the core is surrounded by a net-like lightning protection element.
  • the formation of the lightning protection element as a braid, in particular as a network allows due to its own flexibility in the longitudinal direction by a tensile stress of the core forced length change and adjustment of the lightning protection element.
  • the braided copper or stainless steel wires may extend around the core of carbon fibers at an angle of 45 °, so as to have sufficient elongation reserves in case of stress on the cable.
  • first rovings can be produced, which are already used as prepregs - ie with a matrix material, for example a
  • Reaction resin preimpregnated fiber-matrix semi-finished - may be present. Or the
  • Rovings having a plurality of unidirectionally arranged filaments are, for example, brought together via a pulltrusion machine to form a core of unidirectionally arranged rovings and joined together by means of an injected matrix material.
  • the pulltrusion machine has a heating area in which the
  • the core is then wound with an insulating tape, the tape itself
  • This core is then fed to a braiding machine, which surrounds the core of filaments and insulation material longitudinally with the lightning protection element.
  • Lightning protection element the core by the braiding machine, for example, as good electrically conductive single wire surrounding or preferably the core arranged net-like surrounding.
  • the core surrounding the lightning protection is surrounded by a light stabilizer, which compensates for the height difference between the core and the lightning protection.
  • the lightning protection element remains free of light stabilizer.
  • Fig. 1 is a schematic view of a particularly preferred designed
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through a particularly preferred embodiment
  • Fig. 1 shows the schematic structure of a system for producing a particularly preferred designed rope for bracing the tower of a wind turbine and thus schematically the sequence of its manufacturing process.
  • a multiplicity of unidirectionally arranged filaments for example carbon fiber filaments, are brought together by means of a first device 100, for example a pulltrusion machine, to form a core K of unidirectionally arranged rovings R and interconnected by means of a matrix material M injected therein.
  • the carbon fiber bundle is wrapped thereon by means of the device 200 with an insulating tape I (obliquely), wherein the device 200 rotates about the core K during this process. Thereafter, the wound with the insulating tape I core K is fed to another device 300, which is wrapped with insulating tape I core K with a network
  • the lightning protection element B preferably remains free of light protection agent L, so that light protection agent L and lightning protection form a substantially flush surface.
  • a machine 500 is provided which causes a uniform and continuous feed of the (finished) rope.
  • the feed rate also has a significant share of the properties of the rope to be produced. So can the Feed rate, for example, determine the winding pitch of the insulating tape or lightning protection element or the layer thickness of the sunscreen.
  • Fig. 2 shows the cross section through a particularly preferred ausgestaltetes rope according to the invention.
  • the rope 10 has a preferably circular cross-section.
  • the core K of the rope 10 is formed by unidirectionally arranged rovings R, which are each formed from a plurality of filaments and connected to each other by means of a matrix material M.
  • the core K is completely surrounded by an electrically non-conductive insulator and protected from environmental influences, such as moisture.
  • the insulated core K is additionally surrounded by a net-like, electrically-conductive lightning protection element B, which enables the connection to a further light-conducting structure at a suitable location.
  • Both the insulated core K and the lightning protection element B are of a
  • Light protection element L surrounded that minimizes the harmful effect of UV radiation for the filaments of the core K.

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Abstract

Seil (10) zur Abspannung des Turms einer Windenergieanlage mit einem Kern (K) von unidirektional angeordneten Rovings (R), die jeweils aus einer Mehrzahl von Filamenten gebildet und mittels eines Matrixwerkstoffs (M) miteinander verbunden sind, und einem in Längsrichtung des Seils (10) verlaufenden Blitzschutzelement (B), das den Kern (K) entlang dessen Umfang jedenfalls teilweise umgibt.

Description

Seil zur Abspannung des Turms einer Windenergieanlage Die Erfindung betrifft ein Seil zur Abspannung des Turms einer Windenergieanlage.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Seil zur Abspannung eines auf einem schwimmenden Fundament angeordneten Turms einer Windenergieanlage.
Zur Abspannung von Türmen von Windenergieanlagen werden regelmäßig Stahlseile verwendet, die aus mehreren miteinander verdrillten Litzen gebildet sind. Die Herstellung derartiger Stahlseile erfolgt üblicherweise maschinell mittels Seilschlagmaschinen.
Wenngleich sich derartige Seile an Land bei normalerweise überwiegend statischen
Belastungen als vorteilhaft erwiesen haben, ist die Verwendung von Stahlseilen für Offshore- Anwendungen aufgrund der dynamischen Belastungen und deren hohem Gewicht problematisch.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Seil zur Abspannung der Türme von
Windenergieanlagen zu schaffen, das insbesondere für schwimmende Offshore- Anwendungen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Seil mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder. Erfindungsgemäß ist ein Seil zur Abspannung des Turms einer Windenergieanlage vorgesehen, mit einem Kern von unidirektional angeordneten Rovings, die jeweils aus einer Mehrzahl von Filamenten gebildet und mittels eines Matrixwerkstoffs, beispielsweise eines Thermoplasts oder eines Duroplasts, insbesondere eines Reaktionsharzes, miteinander verbunden sind, und einem in Längsrichtung des Seils verlaufenden, elektrisch leitfähigen Blitzschutzelement, das den Kern entlang dessen Umfang jedenfalls teilweise umgibt.
Die Filamente des Seils sind bevorzugt aus Kohlenstoff, einem Polyaramid, einem High Performance Polyethylen oder einer Mischung aus diesen Stoffen bestehen. Insbesondere ist es vorteilhaft statt Stahlseilen aus Kohlenstofffasern gebildete Seile zu verwenden. Dieses Material weist bei vergleichbarer spezifischer Festigkeit von etwa 1.000 bis 1.200 N/mm2 (oder mehr) nur ungefähr 20 bis 25 % des Gewichtes eines vergleichbaren Stahlseils auf und beeinflusst die Eigenfrequenzen der Seile und die dynamische
Lastüberhöhung positiv. Resonanzen mit den erregenden Frequenzen der Windenergieanlage können vermieden und erhöhte Ermüdungslasten der Seile deutlich reduziert werden.
Die durch die Verwendung von Kohlenstofffaserseilen gegenüber Stahlseilen bewirkte Gewichtsminderung lässt die Erfindung insbesondere zur Abspannung von auf
schwimmenden Fundamenten angeordneten Offshore-Windenergieanlagen vorteilhaft erscheinen.
Die Verwendung von anisotropen Kohlenstofffasern, die zu Filamenten zusammengefasst für die Herstellung eines Multifilamentgarns („Roving") verwendet werden, ist aufgrund deren hohen Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringer Bruchdehnung und geringen spezifischem Gewicht in axialer Richtung für die Abspannung von Windenergieanlagen besonders geeignet. Nachteilig an der Verwendung von Kohlenstofffasern und anderen vergleichbaren
Werkstoffen ist jedoch deren gute thermische und elektrische Leitfähigkeit, die - insbesondere bei Off shore- An Wendungen - aufgrund der Gefahr von Blitzschlägen und einer damit verbundenen Gefahr der Beschädigung des Seils im Bereich der Filamente und damit verbundener Verminderung der Tragfähigkeit Schutzmaßnahmen erforderlich machen.
Erfindungsgemäß ist daher ein in Längsrichtung des Seils verlaufendes Blitzschutzelement vorgesehen, das den Kern entlang dessen Umfang wenigstens teilweise umgibt. Insbesondere ist der Blitzschutz so ausgebildet, dass dieser die Einwirkung eines Blitzschlags auf das Seil minimiert und eine Beschädigung der tragenden Filamente vermeidet. Hierfür ist das elektrisch leitende Blitzschutzelement des Seils zur Ableitung eines Blitzes elektrisch leitend mit einer entsprechend geeigneten blitzableitenden Struktur (der Windenergieanlage) zu verbinden. Neben der bevorzugten Verwendung von Kohlenstofffasern ist die Verwendung von
Werkstoffen mit ähnlichen Eigenschaften bevorzugt.
So können beispielsweise gegenüber Kohlenfasern deutlich schlagzähere Polyaramide, insbesondere das unter dem Handelsnamen Kevlar bekannte Poly(p-phenylenterephthalamid) Verwendung finden. Aufgrund der diesem Werkstoff eigenen leichten Feuchtigkeitsaufnahme und der geringen UV-Beständigkeit ist dieser jedoch bevorzugt vor Lichteinwirkung zu schützen (siehe unten). Als weitere Alternative zu Kohlenstofffasern kann auch ein High Performance Polyethylen Verwendung finden. Insbesondere das unter dem Handelsnamen Dyneema bekannte High Performance Polyethylen erreicht aufgrund der starken Parallelorientierung der Polyethylen- Linearmoleküle (>95 % und einem Kristallini tätsgrad von bis zu 85 %) eine gegenüber Polyaramidfasern um bis zu 40 % und gegenüber Kohlenstofffasern um bis zu 60 % höhere Zugfestigkeit. Dabei sind diese Fasern lange haltbar und gegen Abrieb, Feuchtigkeit und UV- Strahlen beständig.
Weiter ist bevorzugt ein elektrisch nicht-leitfähiger Isolator vorgesehen, der den Kern ummantelnd zwischen dem Kern und dem elektrisch leitfähigen Blitzschutzelement angeordnet ist und vor den bei einem Blitzeinschlag in das Seil auftretenden elektrischen und thermischen Einwirkungen schützt. Werden lichtempfindliche Filamente verwendet, ist der Isolator besonders bevorzugt den Kern vor Lichteinwirkung schützend eingerichtet.
Alternativ oder zusätzlich kann ein wenigstens den Kern bedeckender Mantel aus einem den Kern vor Lichteinwirkung schützenden Lichtschutzmittel vorgesehen sein. Dieses
Lichtschutzmittel kann dabei auf das mit dem Blitzschutzmittel versehene Seil aufgebracht sein und dabei auch - sofern sich dieses auf die Blitzschutzfunktion nicht störend auswirken sollte - das Blitzschutzmittel bedecken. Das Lichtschutzmittel hat die Eigenschaft, dass der die Schädigungen am Seil hervorrufende UV-Anteil des Lichts absorbiert und/oder reflektiert wird. Bevorzugt ist das verwendete Lichtschutzmittel daher ein UV-Licht absorbierendes oder reflektierendes Lichtschutzmittel. Beispielsweise kann das Lichtschutzmittel zur Ausführung seiner Funktion als Lichtschutzmittel Polyurethan aufweisen. Die Verwendung von Polyurethanen zur
Ausbildung eines einen Seilmantel ausbildenden Lichtschutzelements ist aufgrund der dauerelastischen Eigenschaften dieses Werkstoffs besonders bevorzugt. Dabei ist zugleich eine hinsichtlich der Verarbeitung und Beständigkeit des Seils hinreichende Verträglichkeit mit den anderen Werkstoffen gegeben.
Polyurethane können als Schnellgießharze unter normalen Raumbedingungen verarbeitet werden und weisen eine kurze Tropfzeit auf. Das Ummanteln des Kerns einschließlich des Blitzschutzes stellt einen Schutz vor aggressiven Umweltbedingungen, wie sie im Offshore- Bereich aufgrund der permanenten Feuchtigkeit, des hohen Salzgehalts und der mitunter täglich auftretenden hohen Temperaturschwankungen vorkommen, dar. Zusätzlich bietet eine Ummantelung mit Polyurethan einen mechanischen Schutz, der auch elektrisch isolierend wirkt.
Schließlich ist ein aus Polyurethan gebildetes Lichtschutzmittel aufgrund seiner elastischen Eigenschaften in Längsrichtung beanspruchbar und bietet einen dauerhaften Schutz des erfindungsgemäß ausgebildeten Seils. Das Lichtschutzmittel ist jedenfalls bevorzugt so ausgebildet, dass es den Kern und das Blitzschutzelement beschichtet. Besonders bevorzugt werden die vom Blitzschutzelement gegebenenfalls gebildeten Maschen ausgefüllt. Speziell wird das Lichtschutzmittel derart aufgebracht, dass das Lichtschutzmittel eine glatte Oberfläche ausbildet, die die
darunterliegenden Strukturen nicht erkennen lässt.
Das elektrisch leitfähige Blitzschutzelement ist bevorzugt aus Kupferdraht oder Edelstahl gebildet.
Insbesondere ist das Blitzschutzelement als den Kern umgebendes Geflecht ausgebildet. Speziell ist vorgesehen, dass der Kern von einem netzartig ausgebildeten Blitzschutzelement umgeben ist. Die Ausbildung des Blitzschutzelements als Geflecht, insbesondere als Netz, ermöglicht aufgrund dessen eigenen Flexibilität in Längsrichtung eine durch Zugbeanspruchung des Kerns erzwungene Längenänderung und -anpassung auch des Blitzschutzelements. So können die geflochtenen Kupfer- oder Edelstahldrähte um den Kern aus Kohlenstofffasern beispielsweise in einem Winkel von 45° verlaufen, um so für den Fall einer Beanspruchung des Seils genug Längendehnungsreserven aufzuweisen.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Seils können zunächst Rovings hergestellt werden, die bereits als Prepregs - also mit einem Matrixwerkstoff, beispielsweise einem
Reaktionsharz, vorimprägnierte Faser-Matrix-Halbzeuge - vorliegen können. Oder die
Rovings, die eine Vielzahl von unidirektional angeordneten Filamenten aufweisen, werden beispielsweise über eine Pulltrusionsmaschine zu einem Kern aus unidirektional angeordneten Rovings zusammengeführt und mittels eines eingespritzten Matrixwerkstoffs miteinander verbunden. Die Pulltrusionsmaschine weist einen Heizbereich auf, in dem der
Matrixwerkstoff-Roving- Verbund ausgehärtet wird.
Der Kern wird danach mit einem Isolierband bewickelt, wobei das Band dem sich
bewegenden Kern schräg zugeführt und gleichzeitig um den Kern mit geeigneter
Drehgeschwindigkeit herumgewickelt wird. Dadurch ergibt sich eine geschlossene
Isolationsoberfläche auf dem Kern.
Dieser Kern wird darauf einer Flechtmaschine zugeführt, die den Kern aus Filamenten und Isolationsmaterial der Längsrichtung nach mit dem Blitzschutzelement umgibt. Das
Blitzschutzelement kann den Kern durch die Flechtmaschine beispielsweise als gut elektrisch leitfähigen Einzeldraht umwindend oder bevorzugt den Kern netzartig umgebend angeordnet werden.
Darauf wird der mit dem Blitzschutz umgebende Kern mit einem Lichtschutzmittel umgeben, das den Höhenunterschied zwischen Kern und Blitzschutz ausgleicht. Nach einer besonderen Ausgestaltung bleibt das Blitzschutzelement frei von Lichtschutzmittel.
Die Erfindung wird anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines besonders bevorzugt ausgestalteten
Herstellungsprozesses zur Herstellung eines Seils nach der Erfindung; und Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch ein besonders bevorzugt ausgestaltetes
Seil nach der Erfindung.
Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Anlage zum Herstellen eines besonders bevorzugt ausgestalteten Seils zur Abspannung des Turms einer Windenergieanlage und damit schematisch die Abfolge von dessen Herstellungsprozess.
In dem gezeigten Beispiel wird eine Vielzahl von unidirektional angeordneten Filamenten, beispielsweise Kohlenstofffaserfilamente, mittels einer ersten Einrichtung 100, beispielsweise eine Pulltrusionsmaschine, zu einem Kern K aus unidirektional angeordneten Rovings R zusammengeführt und mittels eines darin eingespritzten Matrixwerkstoffs M miteinander verbunden.
Das Kohlefaserbündel wird darauf mittels der Einrichtung 200 mit einem Isolierband I (schräg) umwickelt, wobei die Einrichtung 200 während dieses Vorgangs um den Kern K rotiert. Danach wird der mit dem Isolierband I umwickelte Kern K einer weiteren Einrichtung 300 zugeführt, die den mit Isolierband I umwickelten Kern K mit einem als Netz
ausgebildeten Blitzschutzelement B umgibt.
Schließlich wird der mit dem Blitzschutz versehene, isolierte Kern K mit Hilfe der
Einrichtung 400 mit Lichtschutzmittel L umgeben, das den Höhenunterschied zwischen Kern K und Blitzschutzelement B ausgleicht. Bevorzugt bleibt das Blitzschutzelement B dabei frei von Lichtschutzmittel L, sodass Lichtschutzmittel L und Blitzschutz eine im Wesentlichen bündige Oberfläche ausbilden. Schließlich ist eine Maschine 500 vorgesehen, die einen gleichmäßigen und kontinuierlichen Vorschub des (fertig gestellten) Seils bewirkt. Dabei hat die Vorschubgeschwindigkeit auch maßgeblichen Anteil an den Eigenschaften des herzustellenden Seils. So kann die Vorschubgeschwindigkeit beispielsweis die Wicklungssteigung des Isolierbands oder des Blitzschutzelements oder die Schichtdicke des Lichtschutzmittels bestimmen.
Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch ein besonders bevorzugt ausgestaltetes Seil nach der Erfindung.
Das Seil 10 weist einen bevorzugt kreisrunden Querschnitt auf. Der Kern K des Seils 10 wird von unidirektional angeordneten Rovings R gebildet, die jeweils aus einer Mehrzahl von Filamenten gebildet und mittels eines Matrixwerkstoffs M miteinander verbunden sind.
Der Kern K ist vollständig von einem elektrisch nicht-leitendem Isolator umgeben und vor Umwelteinflüssen, beispielsweise Feuchtigkeit, geschützt.
Der isolierte Kern K ist zusätzlich von einem netzartig ausgebildeten, elektrisch-leitfähigen Blitzschutzelement B umgeben, das an geeigneter Stelle den Anschluss an eine weitere blitzableitende Struktur ermöglicht.
Sowohl der isolierte Kern K wie auch das Blitzschutzelement B sind von einem
Lichtschutzelement L umgeben, dass die für die Filamente des Kerns K schädliche Wirkung von UV-Strahlung minimiert.

Claims

ANSPRÜCHE
(10) zur Abspannung des Turms einer Windenergieanlage mit
einem Kern (K) von unidirektional angeordneten Rovings (R), die jeweils aus einer Mehrzahl von Filamenten gebildet und mittels eines Matrixwerkstoffs (M) miteinander verbunden sind, und
einem in Längsrichtung des Seils (10) verlaufenden Blitzschutzelement (B), das den Kern (K) entlang dessen Umfang jedenfalls teilweise umgibt.
Seil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente aus
Kohlenstoff, einem Polyaramid, einem High Performance Polyethylen oder
Mischung aus diesen Stoffen bestehen.
Seil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen elektrisch nicht-leitfähigen Isolator (I), der den Kern (K) ummantelnd zwischen dem Kern (K) und dem Blitzschutzelement (B) angeordnet ist.
Seil (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (I) den Kern (K) vor Lichteinwirkung schützend eingerichtet ist.
Seil (10) nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch einen wenigstens den Kern (K) bedeckenden Mantel aus einem den Kern (K) vor Lichteinwirkung schützenden Lichtschutzmittel (L).
Seil (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtschutzmittel (L) UV-Licht absorbierendes Lichtschutzmittel (L) ist.
7. Seil (10) nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtschutzmittel (L) Polyurethan aufweist
8. Seil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blitzschutzelement (B) als Geflecht ausgebildet ist.
9. Seil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blitzschutzelement (B) aus Kupferdraht oder Edelstahl gebildet ist.
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