Analysis of a Rotatable Wind Turbine Tower by means of Aero-Servo-Elastic Load Simulations
Creators: name: Struve, Achim
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: Windenergieanlage
Wind Turbine
Wind
Stahl
Steel
Drehbarer Turm
Rotatable Tower
Turm
Tower
Gitterturm
Lattice Tower
Giersystem
Yaw System
Gierlager
Azimuth Bearing
Fundament
Foundation
Schräger Turm
Inclined Tower
FAST
Aero-Servo-Elastic
SubDyn
Richtungskosinusmatrix
Direction Cosine Matrix
Steifigkeitsmatrix
Stiffness matrix

description: Diese Arbeit trägt zur Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit erneuerbarer Energien gegenüber konventionellen fossilen und nuklearen Energiequellen bei. Sie zeigt auf, wie die Kosten und CO2-Emissionen von Onshore-Windenergieanlagen durch ein materialeffizientes und innovatives Tragstrukturkonzept reduziert werden können. Der grundlegende Ansatz für das Konzept besteht darin, das Giersystem am Turmfuß zu platzieren, sodass der gesamte Turm Der Windenergieanlage gedreht werden kann und er immer dieselbe Ausrichtung wie der Rotor hat. Dadurch wird für den Turm ein von der Lastrichtung abgeleitetes Design möglich, welches Materialeinsparungen zur Folge hat. Diese Arbeit offenbart, dass das Materialeinsparpotenzial eines drehbaren elliptischen Turms im Vergleich zu einem konventionellen runden Turm begrenzt ist. Der Grund dafür liegt in den Transportbeschränkungen durch Brücken und Tunnel, die ebenfalls für elliptische Rohrtürme gelten. Ein drehbarer Gitterturm ist somit eine gute alternative, da seine Größe nicht durch den Transport begrenzt ist und Gittertürme ohnehin materialsparende Konzepte für den Trend zu größeren Nabenhöhen sind. Die Arbeit zeigt, dass solch ein Turm größere Stielabstände entlang des oberen Turmabschnitts, an dem die Rotorblätter passieren, ermöglicht. Hierdurch wird die Belastung der Stäbe reduziert und Material eingespart. Darüber hinaus wurde eine Turmneigung gegen die Hauptwindrichtung eingeführt, um gegenwirkende Momente zu induzieren, die die Extremlasten reduzieren und noch mehr Materialeinsparungen erzielen. Außerdem wurde eine vertikale Ausrichtung des Rotors durch den erhöhten Blattspitzenabstand zum geneigten Turm erreicht, wodurch die Effizienz der Windenergieanlage zunahm. Das Potenzial des drehbaren geneigten Gitterturmkonzepts wurde mittels aero-servo-elastischer Lastsimulationen in der dafür gut geeigneten FAST-Umgebung analysiert. Da das Subdyn-Modul mit seinem Linearen-Balken-Finite-Elemente-Ansatz keine anderen Querschnitte als kreisförmige repräsentieren konnte, wurde es angepasst. Im vorliegenden Fall mussten die Balken Steifigkeits- und Massenmatrixformulierungen geändert werden, um beliebige Querschnitte zu berücksichtigen. Außerdem mussten die Richtungskosinusmatrizen erweitert werden, um die Ausrichtung der Balkenelemente um ihre Längsachsen zu steuern. Eine Validierung der aero-servo-elastischen Lastberechnung und der nötigen Änderungen in SubDyn stellten die Zuverlässigkeit der Ergebnisse sicher. Die aero-servo-elastischen Lastsimulationen und eine geeignete Transformation der Lasten in Ausnutzungsgrade sind die Hauptwerkzeuge für die Auslegung eines drehbaren geneigten Gitterturms gemäß IEC 61400-1 und den DNV GL-Standards. Dies beinhaltet die Berücksichtigung relevanter Lastfälle und der Grenzzustände der Tragfähigkeit, der Ermüdung und der Gebrauchstauglichkeit. Eine Bilanzierung zwischen eingesparten Turmmaterialkosten, eingesparten Kosten für das Giersystem am Turmkopf, Mehreinnahmen durch die erhöhte Effizienz der Windenergieanlage sowie erhöhten Kosten für das Giersystem am Turmfuß und den erhöhten Fundamentkosten ergab signifikante Kosteneinsparungen. Unter den gemachten Annahmen beliefen sich die Einsparungen des drehbaren geneigten Gitterturms auf 45.000 € bei 80 m bis 768.000 € bei 175 m Nabenhöhe, im Vergleich zu den kostengünstigsten konventionellen Alternativen, für eine 5 MW Referenzanlage. Dies bedeutet entsprechend 8 % und 49 % Kosteneinsparungen und zeigt das enorme wirtschaftliche Potenzial von innovativen drehbaren geneigten Onshore-Gittertürmen mit großen Nabenhöhen unter den üblichen Transportbeschränkungen.