Beschreibung
P 1392 – Selbsterrichtende Onshore Windenergieanlagen mit Nabenhöhe größer 120 m – Hybridturm mit Hebevorrichtung zum Selbstaufbau
Ökonomische Krankonzepte zur Errichtung von Windenergieanlagen erreichen ihre Grenzen ab Nabenhöhen von 140 m, da ab dieser Höhe Spezialraupenkrane zum Einsatz kommen müssen, deren Mietkosten beträchtlich sind. Auch deren indirekte Kosten dürfen nicht vernachlässigt werden: so müssen z.B. Brücken und Straßen verstärkt werden, um die Durchfahrt der Kran-Transport-LKW zu ermöglichen und der Standort selbst muss möglicherweise aufwendig vorbereitet werden, um eine ebene Fläche zu schaffen, die groß genug für die große Kranstruktur ist. Aus diesem Grund wird bereits seit längerem nach intelligenten Lösungen gesucht, welche den Einsatz von großen Spezialkranen überflüssig machen.
In diesem Forschungsprojekt wurde daher eine selbsterrichtende Windenergieanlage mit Stahl-Hybridturm entwickelt, welche ohne den Einsatz von Spezialraupenkranen auskommt. Der Turm der Beispielanlage besteht aus einem 80 m hohen Gittermastturm mit speziellem Übergangsstück, durch welches der 100 m hohe Stahlrohrturm inkl. Gondel und Rotor mit Hilfe eines Litzenhubsystems in seine Endposition angehoben wird.
Zunächst werden sinnvolle und damit zu untersuchende Größenbereiche für den Gittermastturm sowie den Stahlrohrturm definiert, welche sich zum einen aus Anforderungen aus dem Hubprozesses, zum anderen aus den aktuell sowie mittelfristig zum Einsatz kommenden Anlagen für Schwachwindstandorte ergeben. Hier sind insbesondere die erforderliche Nabenhöhe sowie die Rotordurchmesser zu nennen, welche in der Auslegung Berücksichtigung finden. Die Anforderungen aus Sicht der Anlagenhersteller sowie aus Sicht der Spezialisten für den Litzenhub werden im Detail dargelegt und die sich ergebenden Lösungen aufeinander abgestimmt.
In einem nächsten Schritt wird eine Beispielanlage vorgestellt, anhand derer alle weiteren Entwurfs- und Bemessungsschritte exemplarisch vorgestellt werden. Es folgt die Definition der Lasten für den Endzustand sowie für den Errichtungsprozess, wobei maximal während der Errichtung anzusetzenden Windlasten einer besonderen Betrachtung bedürfen. Auch hier fließen die Erfahrungen der Hubfirma sowie der Anlagenbetreiber mit ein. Zur Stabilisierung des Stahlrohrturms während des Hubes kommt ein eigens entwickeltes Stabilisierungssystem zum Einsatz, welches das Turmbiegemoment über umlaufende, nachgeführte Zylinder aufnimmt, welche im Übergangsstück in zwei Ebenen angeordnet sind und den Rohrturm in der lotrechten halten. Das hydraulische Konzept für die Zylinder wird entwickelt und anhand von Simulationen validiert, wobei die Steifigkeit der Turmschale Berücksichtigung findet. Entwurf und Bemessung des Stahlrohrturmes erfolgen zunächst auf konventionelle Art und Weise für den Endzustand. Für die Optimierung des Gittermastturms hingegen kommt eine eigens entwickelte Software zum Einsatz, welche eine gewichtsoptimierte Gittermaststruktur auf Basis probabilistischer Methoden entwirft. Diese Software wird dem Anwender zur Verfügung gestellt. Weiterhin werden Windkanaluntersuchungen durchgeführt, um die zur Bemessung erforderlichen Kraftbeiwerte zu ermitteln. Für den Stahlrohrturm wird gezeigt, dass die aus den Hydraulikzylindern einwirkenden Querlasten aufgenommen werden können. Hierzu werden Parameterstudien durchgeführt, um alle Phasen des Hubes sowie den zuvor definierten Größenbereich für den Stahlrohrturm komplett abzudecken.
Weiterhin wird das Übergangsstück entworfen und gewichtsoptimiert. Hierzu werden zunächst Anforderungen aus dem Errichtungsprozess sowie dem Betrieb der Anlage definiert, welche beim Entwurf Berücksichtigung finden. Anhand der untersuchten Beispielanlage kann gezeigt werden, dass Errichtung und Betrieb der selbsterrichtenden Windenergieanlage ökonomisch möglich sind.
Veröffentlichung:
2021
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. M. Feldmann, Dipl.-Ing. M. Friehe, Dipl.-Ing. R. Fontecha, D. Sahm M.Sc, Prof. Dr.-Ing. K. Schmitz
