WO2024032921A1 - Wind turbine installation and method for erecting a wind turbine installation - Google Patents

Wind turbine installation and method for erecting a wind turbine installation Download PDF

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WO2024032921A1
WO2024032921A1 PCT/EP2023/000035 EP2023000035W WO2024032921A1 WO 2024032921 A1 WO2024032921 A1 WO 2024032921A1 EP 2023000035 W EP2023000035 W EP 2023000035W WO 2024032921 A1 WO2024032921 A1 WO 2024032921A1
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WO
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foundation
wind turbine
wind
longitudinal axis
tower
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Application number
PCT/EP2023/000035
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Inventor
Karl Dums
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Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D13/00—Assembly, mounting or commissioning of wind motors; Arrangements specially adapted for transporting wind motor components
    • F03D13/20—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D27/00—Foundations as substructures
    • E02D27/32—Foundations for special purposes
    • E02D27/42—Foundations for poles, masts or chimneys
    • E02D27/425—Foundations for poles, masts or chimneys specially adapted for wind motors masts

Definitions

  • the present invention relates to a wind turbine with a tower which carries a wind turbine with a propeller or rotor blades at its upper end.
  • Wind turbines with a tower are well known from the prior art. Particularly on land, such wind turbines have a surface foundation that serves to transfer the forces acting on the foundation via the tower into the ground.
  • Such foundations generally consist essentially of concrete, in particular reinforced concrete.
  • EP 2 103 743 A1 discloses a foundation, this foundation being hollow conical, the dimensions of which are adapted to the load-bearing capacity of the soil and the load on the system.
  • Foundations known from the prior art are designed symmetrically to a longitudinal axis of the tower of the wind turbine in order to ensure sufficient support of the tower with the wind turbine attached to the tower in all spatial directions.
  • the object of the present invention is to develop a wind turbine in such a way that material can be saved when building the foundation, which leads to a cost reduction and also reduces the CO2 footprint of such a wind turbine.
  • the basic idea of the present invention is to take the wind profile present at the location of the wind turbine into account when designing the foundation. Often there is a preferred direction of the wind at a location of the wind turbine or at the location there is a main wind direction from which the wind preferably blows, with the wind speeds also being taken into account when determining this main wind direction become.
  • the wind direction is weighted by the wind speed.
  • the weighting of wind speed when determining the main wind direction can vary. It is conceivable that the wind speed influences the main wind direction linearly. Preferably, however, the wind speed will be included squarely when determining the main wind direction, since it is known that the kinetic energy increases squarely with the speed.
  • the wind turbine is designed as follows:
  • the wind turbine has a tower extending along a longitudinal axis, which carries a wind turbine at its upper end and is connected to a foundation at its lower end, the foundation not being designed to be rotationally symmetrical to the longitudinal axis.
  • rotationally symmetrical means that there is only a 1-fold rotational symmetry, so only a rotation angle of 360° maps the foundation onto itself.
  • the sides of the foundation which are exposed to greater loads due to the prevailing main wind direction, can be dimensioned larger, whereas the foundation can be dimensioned correspondingly smaller in the other spatial directions, since there are lower loads there must be supported by the foundation or in the corresponding directions the force exerted by the tower and the wind forces acting on the tower are lower.
  • the foundation would generally have to be designed to be stronger, since it would have to be dimensioned in such a way that it supports the loads acting in the highest load case.
  • the main wind direction is taken into account and material can be saved in the other spatial directions compared to a symmetrical foundation. It is considered particularly advantageous if the foundation has an oval shape when viewed along the longitudinal axis.
  • the foundation is designed in the shape of a circular sector in a viewing direction along the longitudinal axis. It is quite conceivable that the corners of the circular sector are rounded.
  • the foundation is circular in a viewing direction along the longitudinal axis, with the longitudinal axis running off-center to a center point of the foundation.
  • the foundation preferably has an axis of symmetry that is not identical to the longitudinal axis, the foundation being rotationally symmetrical to this axis of symmetry, for example circular.
  • the foundation has the shape of a regular polygon when viewed along the longitudinal axis.
  • the material of the foundation is steel-concrete.
  • the wind turbine is installed at a location with a main wind direction, the wind turbine having a tower extending along a longitudinal axis, which carries a wind turbine at its upper end and is connected to a foundation at its lower end , wherein the foundation is not rotationally symmetrical to the longitudinal axis, wherein in a viewing direction along the longitudinal axis, the foundation, based on the main wind direction, has a larger extent on the leeward side than in the direction of the other spatial directions.
  • the leeward side is understood to mean the side of the wind turbine facing away from the wind, in relation to the tower.
  • the invention also relates to a method for setting up a wind turbine at a location. The process has the following procedural steps:
  • Measuring or providing a wind profile prevailing at the location comprising the wind speed and wind direction, determining a main wind direction prevailing at the location from the wind profile,
  • the wind turbine has a tower extending along a longitudinal axis, which carries a wind turbine at its upper end and is connected to a foundation at its lower end, wherein the foundation is not rotationally symmetrical to the longitudinal axis, in a viewing direction
  • the foundation in relation to the main wind direction, has a greater extent on the leeward side than in the direction of the other spatial directions.
  • the shape and orientation of the foundation can be determined, for example, by displaying the wind profile as an area in a compass rose diagram, with the location of the tower forming the center of the compass rose diagram and then mirroring the area representing the wind profile at the center point.
  • the mirrored surface then represents the shape and orientation of the foundation.
  • the mirrored surface is then converted into a simplified geometry. For example, an envelope can be formed onto the point-mirrored surface, which is composed of simple geometric shapes, such as circles, ellipses, polygons, trapezoids.
  • the foundation should not be determined solely by the wind profile, but rather should be sufficiently expanded to also support the static weight forces of the tower including the turbine.
  • FIG. 2 shows the wind turbine in a view according to arrow II in FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a wind profile prevailing at the installation site of the wind turbine according to FIG. 1 in a vector representation
  • FIG. 4 shows the wind turbine according to FIG. 1 in a plan view in a schematic representation
  • FIG. 5 shows a graphical representation of a wind profile measured at a location for a wind turbine in the form of a compass rose diagram
  • FIG. 6 shows an embodiment of a foundation, derived from the wind profile according to FIG. 5,
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the foundation, derived from the wind profile according to FIG. 5,
  • Fig. 10 alternative embodiments of the foundation to the wind profile from Fig. 9.
  • FIG. 1 shows a wind turbine 1, this wind turbine 1 having a tower 3 extending along a longitudinal axis 2, the longitudinal axis
  • the tower supports the upper end
  • this wind turbine 4 in the present case having three rotor blades 5 having.
  • the tower is connected to a foundation 6, the foundation 6 in this case being partially incorporated into a subsoil 7.
  • this preferred direction of the wind namely the main wind direction, in the present case running along the X direction, as can be seen in particular from the schematic representation in FIG is.
  • Longer vectors or arrows correspond to a stronger wind speed.
  • the wind therefore blows essentially in the X direction, i.e. from left to right in FIG. 3.
  • the foundation 6 is not designed to be rotationally symmetrical to the longitudinal axis 2 of the tower 3, but has a larger extension on the leeward side in a viewing direction along the longitudinal axis 2, relative to the main wind direction, thus the side facing away from the wind.
  • the foundation 6 is designed to be oval in a viewing direction along the longitudinal axis 2 of the tower 3, as shown in FIG. 3.
  • Fig. 5 shows a measured wind profile, this wind profile being shown as a compass rose diagram.
  • the area marked with reference number 8 shows that the wind direction at the installation site is from the west, so the wind blows essentially from west to east. From the measured wind profile it can be deduced that the main wind direction is from west to east. Furthermore, the measured wind profile can be used to determine a fluctuation area from which the wind mainly comes. In the present case, this is shown graphically by the two arrows 9a and 9b, which envelop the surface 8. This means that the wind is coming from a northwest to southwest direction.
  • the foundation 6 can be built that, based on the tower 3 or the longitudinal axis 2 of the tower 3, it should be bulged in a southeast to northeast direction in order to absorb the forces acting due to the prevailing wind, whereas in the In the remaining spatial directions, the foundation e can be dimensioned correspondingly smaller or have a smaller extent can have, since smaller forces have to be absorbed in these spatial directions.
  • the surfaces 10 shown in FIGS. 6 and 7 show schematically a possible shape of a foundation 6 with a wind profile, as shown in FIG. 5, in a viewing direction along the longitudinal axis 2 of the tower 3.
  • the surfaces 10 have in common, that they each have a bulge on the leeward side.
  • the surface 10 of FIG. 6 essentially has the shape of a sector of a circle.
  • the surface 10 of FIG. 7 essentially has the shape of two overlapping circular sectors with different radii.
  • the shape and orientation of the foundation 6 can be determined, for example, by mirroring the surface 8 on the tower 3 that represents the wind profile at the installation site of the tower 3, as shown schematically in FIG.
  • the point-mirrored surface 8' then represents the shape and orientation of the foundation 6, more precisely the surface 10 that the foundation 6 has in a top view.
  • the mirrored surface 8′ is then converted into a simplified geometry, as shown by way of example in the schematic flow diagram in FIG. 9.
  • the wind profile is first provided in the form of a compass rose diagram.
  • This or the surface 8 representing the wind profile is then subjected in a first step, which is represented by the arrow 11, to a point reflection around a center point 12 of the diagram, which corresponds to the installation location of the tower 3.
  • the result is the mirrored surface 8'.
  • the surface 8 ' is then converted into a simplified geometry in order to form the surface 10, which shows the foundation 6 in plan view.
  • the surface 10 is formed by a circle with an overlapping trapezoid, which covers the surface 8 '.
  • FIG. 10 shows further possible shapes of the foundation 6 for the wind profile shown in FIG. 9 in a top view.
  • the surface 10 is mirrored Completely covers wind profile 8'.
  • the area 10 has cantilevers on the leeward side.
  • the surface 10 partially frames the mirrored wind profile or the mirrored surface 8 ', as shown by way of example in FIG. 10 e). This means that material can be saved on the leeward side, i.e. the load side.

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Abstract

The invention relates to a wind turbine installation (1) comprising a tower (3) that extends along a longitudinal axis (2) and carries at its top end a wind turbine (4) and at its lower end is connected to a foundation (6), the foundation (6) not being rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis (2). The invention further relates to a method for erecting a wind turbine installation (1).

Description

Windkraftanlage sowie Verfahren zum Errichten einer Windkraftanlage Wind turbine and method for setting up a wind turbine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Turm, der an seinem oberen Ende eine Windturbine mit einem Propeller bzw. Rotorblättern trägt. The present invention relates to a wind turbine with a tower which carries a wind turbine with a propeller or rotor blades at its upper end.
Windkraftanlagen mit einem Turm sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Insbesondere an Land weisen derartige Windkraftanlagen ein Flächenfundament auf, das zur Ableitung der über den Turm auf das Fundament einwirkenden Kräfte in das Erdreich dient. Derartige Fundamente bestehen in der Regel im Wesentlichen aus Beton, insbesondere aus Stahlbeton. Wind turbines with a tower are well known from the prior art. Particularly on land, such wind turbines have a surface foundation that serves to transfer the forces acting on the foundation via the tower into the ground. Such foundations generally consist essentially of concrete, in particular reinforced concrete.
Ferner offenbart die EP 2 103 743 A1 ein Fundament, wobei dieses Fundament hohlkegelförmig ausgebildet ist, wobei dessen Abmessungen an die Tragfähigkeit des Bodens und Belastung der Anlage angepasst sind. Furthermore, EP 2 103 743 A1 discloses a foundation, this foundation being hollow conical, the dimensions of which are adapted to the load-bearing capacity of the soil and the load on the system.
Aus dem Stand der Technik bekannte Fundamente sind symmetrisch zu einer Längsachse des Turms der Windkraftanlage ausgebildet, um in sämtliche Raumrichtungen eine ausreichende Abstützung des Turms mit der an den Turm angebrachten Windturbine zu gewährleisten. Foundations known from the prior art are designed symmetrically to a longitudinal axis of the tower of the wind turbine in order to ensure sufficient support of the tower with the wind turbine attached to the tower in all spatial directions.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Windkraftanlage derart weiterzubilden, dass bei der Errichtung des Fundaments Material eingespart werden kann, was zu einer Kostenreduktion führt und zudem den CO2-Fußabdruck einer derartigen Windkraftanlage reduziert. The object of the present invention is to develop a wind turbine in such a way that material can be saved when building the foundation, which leads to a cost reduction and also reduces the CO2 footprint of such a wind turbine.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. This task is solved by the subject matter of the independent patent claims.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung liegt darin begründet, das an dem Standort der Windkraftanlage vorliegende Windprofil bei der Auslegung des Fundamens zu berücksichtigen. Häufig herrscht an einem Standort der Windkraftanlage eine Vorzugsrichtung des Windes bzw. an dem Standort existiert eine Hauptwindrichtung, aus der der Wind vorzugsweise weht, wobei bei Ermittlung dieser Hauptwindrichtung zudem auch die Windgeschwindigkeiten berücksichtigt werden. Beispielsweise wird zur Bestimmung der Hauptwindrichtung die Windrichtung mit der Windgeschwindigkeit gewichtet. Die Gewichtung der Windgeschwindigkeit bei der Bestimmung der Hauptwindrichtung kann unterschiedlich ausfallen. So ist es denkbar, dass die Windgeschwindigkeit linear bei der Bestimmung der Hauptwindrichtung einfließt. Vorzugsweise wird allerdings die Windgeschwindigkeit quadratisch bei der Bestimmung der Hauptwindrichtung einfließen, da bekannterweise die Bewegungsenergie quadratisch mit der Geschwindigkeit zunimmt. The basic idea of the present invention is to take the wind profile present at the location of the wind turbine into account when designing the foundation. Often there is a preferred direction of the wind at a location of the wind turbine or at the location there is a main wind direction from which the wind preferably blows, with the wind speeds also being taken into account when determining this main wind direction become. For example, to determine the main wind direction, the wind direction is weighted by the wind speed. The weighting of wind speed when determining the main wind direction can vary. It is conceivable that the wind speed influences the main wind direction linearly. Preferably, however, the wind speed will be included squarely when determining the main wind direction, since it is known that the kinetic energy increases squarely with the speed.
Erfindungsgemäß ist die Windkraftanlage wie folgt gestaltet: According to the invention, the wind turbine is designed as follows:
Die Windkraftanlage weist einen sich entlang einer Längsachse erstreckenden Turm auf, der an seinem oberen Ende eine Windturbine trägt und an seinem unteren Ende mit einem Fundament verbunden ist, wobei das Fundament nicht rotationssymmetrisch zu der Längsachse ausgebildet ist. Unter rotationssymmetrisch wird vorliegend verstanden, dass lediglich eine 1-zählige Drehsymmetrie vorliegt, somit nur ein Drehwinkel von 360° das Fundament auf sich selbst abbildet. Durch diese asymmetrische Gestaltung bzw. Anordnung des Fundaments bezüglich des Turms können die Seiten des Fundaments, die aufgrund der vorherrschenden Hauptwindrichtung stärkeren Belastungen ausgesetzt sind, größer dimensioniert sein, wohingegen das Fundament in den übrigen Raumrichtungen dementsprechend kleiner dimensioniert sein kann, da dort geringere Lasten von dem Fundament getragen werden müssen bzw. in die entsprechenden Richtungen die Krafteinwirkung durch den Turm und die auf den Turm einwirkenden Windkräfte geringer sind. Bei einem symmetrisch zu der Längsachse des Turms ausgebildeten Fundament müsste das Fundament allgemein stärker gestaltet sein, da es derart dimensioniert sein müsste, dass es im höchsten Lastfall die einwirkenden Lasten trägt. Da allerdings bei einer Hauptwindrichtung der höchste Lastfall lediglich in eine bestimmte Raumrichtung wirkt, ist eine derart starke Dimensionierung des Fundaments in die übrigen Raumrichtungen nicht notwendig. Bei der erfindungsgemäßen asymmetrischen Gestaltung wird hingegen die Hauptwindrichtung berücksichtigt und in die übrigen Raumrichtungen kann dementsprechend gegenüber einem symmetrischen Fundament Material eingespart werden. Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn in einer Blickrichtung entlang der Längsachse das Fundament eine ovale Form aufweist. The wind turbine has a tower extending along a longitudinal axis, which carries a wind turbine at its upper end and is connected to a foundation at its lower end, the foundation not being designed to be rotationally symmetrical to the longitudinal axis. In the present case, rotationally symmetrical means that there is only a 1-fold rotational symmetry, so only a rotation angle of 360° maps the foundation onto itself. Due to this asymmetrical design or arrangement of the foundation with respect to the tower, the sides of the foundation, which are exposed to greater loads due to the prevailing main wind direction, can be dimensioned larger, whereas the foundation can be dimensioned correspondingly smaller in the other spatial directions, since there are lower loads there must be supported by the foundation or in the corresponding directions the force exerted by the tower and the wind forces acting on the tower are lower. In the case of a foundation designed symmetrically to the longitudinal axis of the tower, the foundation would generally have to be designed to be stronger, since it would have to be dimensioned in such a way that it supports the loads acting in the highest load case. However, since with a main wind direction the highest load case only acts in a certain spatial direction, such a strong dimensioning of the foundation in the other spatial directions is not necessary. In the asymmetrical design according to the invention, however, the main wind direction is taken into account and material can be saved in the other spatial directions compared to a symmetrical foundation. It is considered particularly advantageous if the foundation has an oval shape when viewed along the longitudinal axis.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Fundament in einer Blickrichtung entlang der Längsachse kreissektorförmig ausgebildet. Dabei ist es durchaus denkbar, dass die Ecken des Kreissektors verrundet sind. In a further preferred embodiment, the foundation is designed in the shape of a circular sector in a viewing direction along the longitudinal axis. It is quite conceivable that the corners of the circular sector are rounded.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einer Blickrichtung entlang der Längsachse das Fundament kreisförmig ist, wobei die Längsachse außermittig zu einem Mittelpunkt des Fundaments verläuft. In a further preferred embodiment it is provided that the foundation is circular in a viewing direction along the longitudinal axis, with the longitudinal axis running off-center to a center point of the foundation.
Vorzugsweise weist das Fundament eine nicht mit der Längsachse identische Symmetrieachse auf, wobei das Fundament zu dieser Symmetrieachse rotationssymmetrisch ist, beispielsweise kreisförmig ist. The foundation preferably has an axis of symmetry that is not identical to the longitudinal axis, the foundation being rotationally symmetrical to this axis of symmetry, for example circular.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das Fundament in einer Blickrichtung entlang der Längsachse die Form eines regelmäßigen Vielecks aufweist. It is considered particularly advantageous if the foundation has the shape of a regular polygon when viewed along the longitudinal axis.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass es sich bei dem Material des Fundaments um Stahl-Beton handelt. In a particularly preferred embodiment it is provided that the material of the foundation is steel-concrete.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Windkraftanlage an einem Standort mit einer Hauptwindrichtung errichtet ist, wobei die Windkraftanlage einen sich entlang einer Längsachse erstreckenden Turm aufweist, der an seinem oberen Ende eine Windturbine trägt und an seinem unteren Ende mit einem Fundament verbunden ist, wobei das Fundament nicht rotationssymmetrisch zu der Längsachse ausgebildet ist, wobei in einer Blickrichtung entlang der Längsachse das Fundament, bezogen auf die Hauptwindrichtung, eine größere Erstreckung auf der Leeseite aufweist als in Richtung der übrigen Raumrichtungen. Unter Leeseite wird vorliegend die dem Wind abgewandte Seite der Windkraftanlage verstanden, bezogen auf den Turm. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Errichten einer Windkraftanlage an einem Standort. Das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf: In a particularly preferred embodiment, it is provided that the wind turbine is installed at a location with a main wind direction, the wind turbine having a tower extending along a longitudinal axis, which carries a wind turbine at its upper end and is connected to a foundation at its lower end , wherein the foundation is not rotationally symmetrical to the longitudinal axis, wherein in a viewing direction along the longitudinal axis, the foundation, based on the main wind direction, has a larger extent on the leeward side than in the direction of the other spatial directions. In this case, the leeward side is understood to mean the side of the wind turbine facing away from the wind, in relation to the tower. The invention also relates to a method for setting up a wind turbine at a location. The process has the following procedural steps:
Vermessen oder Bereitstellen eines an dem Standort vorherrschenden Windprofils umfassend die Windgeschwindigkeit und Windrichtung, Ermitteln einer an dem Standort vorherrschenden Hauptwindrichtung aus dem Windprofil, Measuring or providing a wind profile prevailing at the location, comprising the wind speed and wind direction, determining a main wind direction prevailing at the location from the wind profile,
Errichten der Windkraftanlage, wobei die Windkraftanlage einen sich entlang einer Längsachse erstreckenden Turm aufweist, der an seinem oberen Ende eine Windturbine trägt und an seinem unteren Ende mit einem Fundament verbunden ist, wobei das Fundament nicht rotationssymmetrisch zu der Längsachse ausgebildet ist, wobei in einer Blickrichtung entlang der Längsachse das Fundament, bezogen auf die Hauptwindrichtung, eine größere Erstreckung auf der Leeseite aufweist als in Richtung der übrigen Raumrichtungen. Erecting the wind turbine, wherein the wind turbine has a tower extending along a longitudinal axis, which carries a wind turbine at its upper end and is connected to a foundation at its lower end, wherein the foundation is not rotationally symmetrical to the longitudinal axis, in a viewing direction Along the longitudinal axis, the foundation, in relation to the main wind direction, has a greater extent on the leeward side than in the direction of the other spatial directions.
Die Form und Ausrichtung des Fundaments kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass Windprofil als Fläche in einem Windrosen-Diagramm dargestellt wird, wobei Aufstellungsort des Turms den Mittelpunkt des Windrosendiagramms bildet und dann die das Windprofil repräsentierende Fläche an dem Mittelpunkt punktgespiegelt wird. Die punktgespiegelte Fläche repräsentiert dann die Form und Ausrichtung des Fundaments. In der Regel wird dann noch die gespiegelte Fläche in eine vereinfachte Geometrie überführt. Beispielsweise kann an die punktgespiegelte Fläche eine Umhüllende angeformt werden, die aus einfachen geometrischen Formen, wie beispielsweise Kreisen, Ellipsen, Viellecke, Trapeze, zusammengesetzt ist. Insbesondere im Bereich des Mittelpunkts, somit des Turms, sollte das Fundament nicht allein durch das Windprofil bestimmt sein, sondern insbesondere ausreichend ausgedehnt sein, um auch die statischen Gewichtskräfte des Turms samt Turbine zu tragen. The shape and orientation of the foundation can be determined, for example, by displaying the wind profile as an area in a compass rose diagram, with the location of the tower forming the center of the compass rose diagram and then mirroring the area representing the wind profile at the center point. The mirrored surface then represents the shape and orientation of the foundation. As a rule, the mirrored surface is then converted into a simplified geometry. For example, an envelope can be formed onto the point-mirrored surface, which is composed of simple geometric shapes, such as circles, ellipses, polygons, trapezoids. Particularly in the area of the center, i.e. the tower, the foundation should not be determined solely by the wind profile, but rather should be sufficiently expanded to also support the static weight forces of the tower including the turbine.
In den nachfolgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein. Es zeigen: Fig. 1 eine Ausführungsform einer Windkraftanlage in einer Blickrichtung gemäß dem Pfeil I in Fig. 2, In the following figures, the invention is explained in more detail using exemplary embodiments, without being limited to these. Show it: 1 shows an embodiment of a wind turbine in a viewing direction according to arrow I in FIG. 2,
Fig. 2 die Windkraftanlage in einer Ansicht gemäß dem Pfeil II in Fig. 1 , 2 shows the wind turbine in a view according to arrow II in FIG. 1,
Fig. 3 ein bei dem Aufstellungsort der Windkraftanlage gemäß Fig. 1 vorherrschendes Windprofil in einer Vektordarstellung, 3 shows a wind profile prevailing at the installation site of the wind turbine according to FIG. 1 in a vector representation,
Fig. 4 die Windkraftanlage gemäß Fig. 1 in einer Draufsicht in einer schematischen Darstellung, 4 shows the wind turbine according to FIG. 1 in a plan view in a schematic representation,
Fig. 5 eine grafische Darstellung eines an einem Standort für eine Windkraftanlage gemessenen Windprofils in Form eines Windrosen- Diagramms, 5 shows a graphical representation of a wind profile measured at a location for a wind turbine in the form of a compass rose diagram,
Fig. 6 eine Ausführungsform eines Fundaments, abgeleitet aus dem Windprofil gemäß Fig. 5, 6 shows an embodiment of a foundation, derived from the wind profile according to FIG. 5,
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform des Fundaments, abgeleitet aus dem Windprofil gemäß Fig. 5, 7 shows a further embodiment of the foundation, derived from the wind profile according to FIG. 5,
Fig. 8 eine Illustration eines Verfahrens zur Ermittlung der Geometrie des Fundaments unter Verwendung einer Punktspiegelung, 8 is an illustration of a method for determining the geometry of the foundation using point reflection,
Fig. 9 eine Illustration eines weiteren Verfahrens zur Ermittlung der Geometrie des Fundaments unter Verwendung einer Punktspiegelung, 9 is an illustration of a further method for determining the geometry of the foundation using point reflection,
Fig. 10 alternative Ausführungsformen des Fundaments zu dem Windprofil aus Fig. 9. Fig. 10 alternative embodiments of the foundation to the wind profile from Fig. 9.
Die Fig. 1 zeigt eine Windkraftanlage 1 , wobei diese Windkraftanlage 1 einen sich entlang einer Längsachse 2 erstreckenden Turm 3 aufweist, wobei die Längsachse1 shows a wind turbine 1, this wind turbine 1 having a tower 3 extending along a longitudinal axis 2, the longitudinal axis
2 vorliegend in vertikaler Richtung Z verläuft. An seinem oberen Ende trägt der Turm2 in the present case runs in the vertical direction Z. The tower supports the upper end
3 eine Windturbine 4, wobei diese Windturbine 4 vorliegend drei Rotorblätter 5 aufweist. An seinem unteren Ende ist der Turm mit einem Fundament 6 verbunden, wobei das Fundament 6 vorliegend teilweise in einen Untergrund 7 eingebracht ist. 3 a wind turbine 4, this wind turbine 4 in the present case having three rotor blades 5 having. At its lower end, the tower is connected to a foundation 6, the foundation 6 in this case being partially incorporated into a subsoil 7.
An dem Aufstellungsort der Windkraftanlage 1 herrscht eine Vorzugsrichtung des Windes, wobei diese Vorzugsrichtung des Windes, nämlich die Hauptwindrichtung, vorliegend entlang der X-Richtung verläuft, wie insbesondere der schematischen Darstellung der Fig. 3 zu entnehmen ist, bei der das Windprofil als Vektorfeld dargestellt ist. Längere Vektoren bzw. Pfeile entsprechen einer stärkeren Windgeschwindigkeit. Der Wind weht daher vorliegend im Wesentlichen in X- Richtung, somit in der Fig. 3 von links nach rechts. At the installation site of the wind turbine 1 there is a preferred direction of the wind, this preferred direction of the wind, namely the main wind direction, in the present case running along the X direction, as can be seen in particular from the schematic representation in FIG is. Longer vectors or arrows correspond to a stronger wind speed. In this case, the wind therefore blows essentially in the X direction, i.e. from left to right in FIG. 3.
Wie insbesondere den Fig. 2 und 4 zu entnehmen ist, ist das Fundament 6 nicht rotationssymmetrisch zu der Längsachse 2 des Turms 3 ausgebildet, sondern weist in einer Blickrichtung entlang der Längsachse 2, bezogen auf die Hauptwindrichtung eine größere Erstreckung auf der Leeseite, somit der Wind abgewandten Seite, auf. Vorliegend ist das Fundament 6 in einer Blickrichtung entlang der Längsachse 2 des Turms 3, wie sie in der Fig. 3 dargestellt ist, oval ausgebildet. 2 and 4, the foundation 6 is not designed to be rotationally symmetrical to the longitudinal axis 2 of the tower 3, but has a larger extension on the leeward side in a viewing direction along the longitudinal axis 2, relative to the main wind direction, thus the side facing away from the wind. In the present case, the foundation 6 is designed to be oval in a viewing direction along the longitudinal axis 2 of the tower 3, as shown in FIG. 3.
Die Fig. 5 zeigt ein gemessenes Windprofil, wobei dieses Windprofil als Windrosen- Diagramm dargestellt ist. Die mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnete Fläche zeigt, dass an dem Aufstellungsort eine Windrichtung aus Westen vorherrscht, somit der Wind im Wesentlichen von Westen nach Osten weht. Aus dem gemessenen Windprofil kann dementsprechend abgeleitet werden, dass die Hauptwindrichtung von West nach Ost verläuft. Ferner lässt sich aus dem gemessenen Windprofil ein Schwankungsbereich ermitteln, aus dem der Wind hauptsächlich kommt. Vorliegend ist dies grafisch durch die beiden Pfeile 9a und 9b dargestellt, die die Fläche 8 einhüllen. Daraus ergibt sich, dass der Wind vorliegend aus nordwestlicher bis südwestlicher Richtung kommt. Dementsprechend kann für das zu errichtende Fundament 6 abgeleitet werden, dass dieses, bezogen auf den Turm 3 bzw. die Längsachse 2 des Turms 3, in südöstliche bis nordöstlicher Richtung ausgebuchtet sein sollte, um die aufgrund des vorherrschenden Windes einwirkenden Kräfte abzufangen, wohingegen in die übrigen Raumrichtungen das Fundament e entsprechend kleiner dimensioniert sein kann bzw. eine kleinere Erstreckung aufweisen kann, da in diese Raumrichtungen geringere Kräfte abgefangen werden müssen. Fig. 5 shows a measured wind profile, this wind profile being shown as a compass rose diagram. The area marked with reference number 8 shows that the wind direction at the installation site is from the west, so the wind blows essentially from west to east. From the measured wind profile it can be deduced that the main wind direction is from west to east. Furthermore, the measured wind profile can be used to determine a fluctuation area from which the wind mainly comes. In the present case, this is shown graphically by the two arrows 9a and 9b, which envelop the surface 8. This means that the wind is coming from a northwest to southwest direction. Accordingly, it can be deduced for the foundation 6 to be built that, based on the tower 3 or the longitudinal axis 2 of the tower 3, it should be bulged in a southeast to northeast direction in order to absorb the forces acting due to the prevailing wind, whereas in the In the remaining spatial directions, the foundation e can be dimensioned correspondingly smaller or have a smaller extent can have, since smaller forces have to be absorbed in these spatial directions.
Die in den Fig. 6 und 7 eingezeichneten Flächen 10 zeigen schematisch eine mögliche Form eines Fundaments 6 bei einem Windprofil, wie es in der Fig. 5 dargestellt ist, in einer Blickrichtung entlang der Längsachse 2 des Turmes 3. Den Flächen 10 ist gemeinsam, dass diese jeweils eine Ausbuchtung auf der Leeseite aufweisen. Die Fläche 10 der Fig. 6 weist im Wesentlichen die Form eines Kreissektors auf. Die Fläche 10 der Fig. 7 weist im Wesentlichen die Form von zwei sich überlappenden Kreissektoren mit unterschiedlichen Radien auf. The surfaces 10 shown in FIGS. 6 and 7 show schematically a possible shape of a foundation 6 with a wind profile, as shown in FIG. 5, in a viewing direction along the longitudinal axis 2 of the tower 3. The surfaces 10 have in common, that they each have a bulge on the leeward side. The surface 10 of FIG. 6 essentially has the shape of a sector of a circle. The surface 10 of FIG. 7 essentially has the shape of two overlapping circular sectors with different radii.
Die Form und Ausrichtung des Fundaments 6 kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass die das Windprofil am Aufstellungsort des Turms 3 repräsentierende Fläche 8 an dem Turm 3 punktgespiegelt wird, wie dies schematisch in der Fig. 8 gezeigt ist. Die punktgespiegelte Fläche 8‘ repräsentiert dann die Form und Ausrichtung des Fundaments 6, genauer gesagt die Fläche 10, die das Fundament 6 in einer Draufsicht hat. The shape and orientation of the foundation 6 can be determined, for example, by mirroring the surface 8 on the tower 3 that represents the wind profile at the installation site of the tower 3, as shown schematically in FIG. The point-mirrored surface 8' then represents the shape and orientation of the foundation 6, more precisely the surface 10 that the foundation 6 has in a top view.
In der Regel wird dann noch die gespiegelte Fläche 8‘ in eine vereinfachte Geometrie überführt, wie dies beispielhaft in dem schematischen Ablaufdiagram der Fig. 9 gezeigt ist. In der Fig. 9 wird zunächst das Windprofil in Form eines Windrosen-Diagramms bereitgestellt. Dieses bzw. die das Windprofil repräsentierende Fläche 8 wird dann in einem ersten Schritt, der durch den Pfeil 11 repräsentiert ist, einer Punktspiegelung um einen Mittelpunkt 12 des Diagramms, der dem Aufstellungsort des Turms 3 entspricht, unterzogen. Im Ergebnis erhält man die gespiegelte Fläche 8‘. In einem zweiten Schritt, der durch den Pfeil 12 repräsentiert ist, wird dann die Fläche 8‘ in eine vereinfachte Geometrie überführt, um die Fläche 10 zu bilden, die das Fundament 6 in der Draufsicht zeigt. Vorliegend ist die Fläche 10 durch einen Kreis mit überlappendem Trapez gebildet, die die Fläche 8‘ überdeckt. As a rule, the mirrored surface 8′ is then converted into a simplified geometry, as shown by way of example in the schematic flow diagram in FIG. 9. In Fig. 9, the wind profile is first provided in the form of a compass rose diagram. This or the surface 8 representing the wind profile is then subjected in a first step, which is represented by the arrow 11, to a point reflection around a center point 12 of the diagram, which corresponds to the installation location of the tower 3. The result is the mirrored surface 8'. In a second step, which is represented by the arrow 12, the surface 8 'is then converted into a simplified geometry in order to form the surface 10, which shows the foundation 6 in plan view. In the present case, the surface 10 is formed by a circle with an overlapping trapezoid, which covers the surface 8 '.
Die Fig. 10 zeigt weitere mögliche Formen des Fundaments 6 zu dem Windprofil, das in der Fig. 9 gezeigt ist, in einer Draufsicht. Wie insbesondere der Fig. 9 b) zu entnehmen ist, ist es nicht zwingend notwendig, dass die Fläche 10 das gespiegelte Windprofil 8‘ vollständig abdeckt. Es ist auch durchaus denkbar, dass die Fläche 10 auf der Leeseite Ausleger aufweist. Es ist auch denkbar, dass die Fläche 10 das gespiegelte Windprofil bzw. die gespiegelte Fläche 8‘ teilweise umrahmt, wie dies beispielhaft in der Fig. 10 e) gezeigt ist. Dadurch kann auf der Leeseite, insofern der Lastseite, Material eingespart werden. 10 shows further possible shapes of the foundation 6 for the wind profile shown in FIG. 9 in a top view. As can be seen in particular from FIG. 9 b), it is not absolutely necessary that the surface 10 is mirrored Completely covers wind profile 8'. It is also entirely conceivable that the area 10 has cantilevers on the leeward side. It is also conceivable that the surface 10 partially frames the mirrored wind profile or the mirrored surface 8 ', as shown by way of example in FIG. 10 e). This means that material can be saved on the leeward side, i.e. the load side.
Es versteht sich von selbst, dass aus dem gespiegelten Windprofil nicht zwingend unmittelbar die konkreten Abmessungen des notwendigen Fundaments 6 abgeleitet werden können. Vielmehr dient die Punktspiegelung im Wesentlichen dazu, die Grundform des Fundaments 6 aus dem Windprofil zu ermitteln. Diese Grundform muss dann üblicherweise noch entsprechend skaliert und ggf. in vereinfachte Geometrien überführt werden. It goes without saying that the specific dimensions of the necessary foundation 6 cannot necessarily be derived directly from the mirrored wind profile. Rather, the point reflection essentially serves to determine the basic shape of the foundation 6 from the wind profile. This basic shape then usually has to be scaled accordingly and, if necessary, converted into simplified geometries.
Bezugszeichenliste Reference symbol list
Windkraftanlage Wind turbine
Längsachse Longitudinal axis
Turm Tower
Windturbine Wind turbine
Rotorblatt Rotor blade
Fundament foundation
Untergrund underground
Fläche ‘ punktgespiegelte Fläche a Pfeil b Pfeil 0 Fläche 1 Pfeil 2 Mittelpunkt 3 Pfeil Surface ‘ point-mirrored surface a arrow b arrow 0 surface 1 arrow 2 center point 3 arrow

Claims

Patentansprüche Windkraftanlage (1 ) aufweisend einen sich entlang einer Längsachse (2) erstreckenden Turm (3), der an seinem oberen Ende eine Windturbine (4) trägt und an seinem unteren Ende mit einem Fundament (6) verbunden ist, wobei das Fundament (6) nicht rotationssymmetrisch zu der Längsachse (2) ausgebildet ist. Windkraftanlage (1 ) nach Anspruch 1 , wobei in einer Blickrichtung entlang der Längsachse (2) das Fundament (6) eine ovale Form aufweist. Windkraftanlage (1 ) nach Anspruch 1 , wobei in einer Blickrichtung entlang der Längsachse (2) das Fundament (6) kreissektorförmig ist. Windkraftanlage (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in einer Blickrichtung entlang der Längsachse (2) das Fundament (6) kreisförmig ist, wobei die Längsachse (6) außermittig zu dem Fundament verläuft. Windkraftanlage (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Fundament (6) eine nicht mit der Längsachse (2) identische Symmetrieachse aufweist, wobei das Fundament (6) zu dieser Symmetrieachse rotationssymmetrisch ist. Windkraftanlage (1 ) nach Anspruch 5, wobei in einer Blickrichtung entlang der Längsachse (2) das Fundament (6) die Form eines regelmäßigen Vielecks aufweist. Windkraftanlage (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei es sich bei dem Material des Fundaments (6) um Stahl-Beton handelt. Windkraftanlage (1 ), die an einem Standort mit einer Hauptwindrichtung errichtet ist, wobei die Windkraftanlage (1) einen sich entlang einer Längsachse (2) erstreckenden Turm (3) aufweist, der an seinem oberen Ende eine Windturbine (4) trägt und an seinem unteren Ende mit einem Fundament (6) verbunden ist, wobei das Fundament (6) nicht rotationssymmetrisch zu der Längsachse (2) ausgebildet ist, wobei in einer Blickrichtung entlang der Längsachse (2) das Fundament (6), bezogen auf die Hauptwindrichtung, eine größere Erstreckung auf der Leeseite aufweist als in Richtung der übrigen Raumrichtungen. Verfahren zum Errichten einer Windkraftanlage (1 ) an einem Standort aufweisend: Claims Wind turbine (1) having a tower (3) extending along a longitudinal axis (2), which carries a wind turbine (4) at its upper end and is connected to a foundation (6) at its lower end, the foundation (6 ) is not rotationally symmetrical to the longitudinal axis (2). Wind turbine (1) according to claim 1, wherein in a viewing direction along the longitudinal axis (2), the foundation (6) has an oval shape. Wind turbine (1) according to claim 1, wherein the foundation (6) is circular sector-shaped in a viewing direction along the longitudinal axis (2). Wind turbine (1) according to one of claims 1 to 3, wherein the foundation (6) is circular in a viewing direction along the longitudinal axis (2), the longitudinal axis (6) running off-center to the foundation. Wind turbine (1) according to one of claims 1 to 3, wherein the foundation (6) has an axis of symmetry that is not identical to the longitudinal axis (2), the foundation (6) being rotationally symmetrical to this axis of symmetry. Wind turbine (1) according to claim 5, wherein in a viewing direction along the longitudinal axis (2), the foundation (6) has the shape of a regular polygon. Wind turbine (1) according to one of claims 1 to 6, wherein the material of the foundation (6) is steel-concrete. Wind turbine (1), which is built at a location with a main wind direction, the wind turbine (1) having a tower (3) extending along a longitudinal axis (2), which carries a wind turbine (4) at its upper end and at its lower end is connected to a foundation (6), wherein the foundation (6) is not rotationally symmetrical to the longitudinal axis (2), with the foundation (6), based on the main wind direction, in a viewing direction along the longitudinal axis (2). has a larger extent on the leeward side than in the direction of the other spatial directions. Method for setting up a wind turbine (1) at a location, comprising:
- Vermessen oder Bereitstellen eines an dem Standort vorherrschenden Windprofils umfassend die Windgeschwindigkeit und Windrichtung,- measuring or providing a wind profile prevailing at the location, including the wind speed and wind direction,
- Ermitteln einer an dem Standort vorherrschenden Hauptwindrichtung aus dem Windprofil, - Determining a prevailing main wind direction at the location from the wind profile,
- Errichten der Windkraftanlage (1), wobei die Windkraftanlage (1) einen sich entlang einer Längsachse (2) erstreckenden Turm (3) aufweist, der an seinem oberen Ende eine Windturbine (4) trägt und an seinem unteren Ende mit einem Fundament (6) verbunden ist, wobei das Fundament (6) nicht rotationssymmetrisch zu der Längsachse (2) ausgebildet ist, wobei in einer Blickrichtung entlang der Längsachse (2) das Fundament (6), bezogen auf die Hauptwindrichtung, eine größere Erstreckung auf der Leeseite aufweist als in Richtung der übrigen Raumrichtungen. - Erecting the wind turbine (1), the wind turbine (1) having a tower (3) extending along a longitudinal axis (2), which carries a wind turbine (4) at its upper end and has a foundation (6) at its lower end ) is connected, wherein the foundation (6) is not rotationally symmetrical to the longitudinal axis (2), wherein in a viewing direction along the longitudinal axis (2), the foundation (6), based on the main wind direction, has a larger extent on the leeward side than in the direction of the other spatial directions.
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