DE2823525C2

DE2823525C2 - Windenergieanlage und Verfahren zu deren Errichten

Info

Publication number: DE2823525C2
Application number: DE2823525A
Authority: DE
Inventors: Sigfried 8067 Petershausen Helm; Peter Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Sprang
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1978-05-30
Filing date: 1978-05-30
Publication date: 1985-05-09
Also published as: US4266911A; DE2823525B1; SE7904627L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windenergieanlage mit einem von einem abgestützten oder abgespannten Turm getragenen und mit einem Windrad ausgestatteter! Maschinenhaus.

Im Rahmen der Energienutzung aus der Atmosphäre gewinnt die Umwandlung der Windenergie in elektrische Energie immer mehr an Bedeutung. Zu diesem Zweck wurden sogenannte Windenergieanlagen errichtet, die aus einem mit Windflügeln ausgestatteten Maschinenhaus bestehen, die auf Türmen bis zu 100 m und mehr montiert werden. Das Maschinenhaus hat im allgemeinen eine längliche Form, die den in seinem Inneren angeordneten, hintereinander gekoppelten Maschinen angepaßt ist.

Die Windflügel werden samt den zugehörigen Maschinenteilen durch Luftströmung in Rotation gebracht Wie jeder Rotor, besitzt auch eine Windenergieanlage kritische Drehfrequenzen, die zumindest zum Teil über das Maschinenhaus auf den Turm geleitet werden.
Turmschwankungen können ferner durch Faktoren angeregt werden, die sich aufgrund der Flügelanordnung- bzw. -gestaltung ergeben. Die Durchbiegung der Flügelblätter und die damit verbundene kontinuierliche Schwerpunktverlagerung kann nämlich auch schwingungsanregend wirken. Eine weitere Anregende ergibt sich bei hinter dein Turm laufenden Flügeln durch Schubschwankungen, die aufgrund des Windschattens durch den Turm hervorgerufen werden.

Um den durch den Wink auferlegten Belastungen und den anregenden Schwingungskräften vom Rotor standhalten zu können, wurde in herkömmlicher Weise ein Turm gebaut, dessen Eigenfrequenz oberhalb der anregbaren kritischen Frequenzen des Rotors liegt Ein derartig ausgelegter Turm hat aber einen Durchmesser, der die horizontale Dimension eines auf die zu tragenden Maschinen abgestimmten Maschinenhauses übersteigen wird. Bedingt durch diese Größenverhältnisse muß das Maschinenhaus abseits vom Turm montiert werden und mittels eines Hilfturmes abgehoben und auf den vorgesehenen Turm aufgesetzt werden.

Im Bauwesen sind Turmkonstruktionen, wie beispielsweise Fernseh- und Wassertürme, bekannt, bei denen das Bauwerk, da<· ein Wohnblock, ein Wasserbehälter oder ähnliches sein kann, an einem statisch entsprechend dimensionierten Betonturm angebracht wird.

Zum Errichten derartiger Türme wird das Bauwerk auf den Erdboden um den bereits fertig hergestellten Betonturm gebaut und mehr oder weniger fertig eingerichtet. Dieses Bauwerk wird dann mit Zug- oder Hubeinrichtungen, wie Seile oder Hubzylinder und dergleichen, auf die gewünschte Höhe angehoben und am Turm fixiert.

Dieses Verfahren läßt sich jedoch nicht ohne weiteres bei Windenergieanlagen anwenden. Aufgrund der obengenannten sehr hohen Belastungen wären Türme mit Durchmessern von mindestens 6 rr. erforderlich. Um einen derartigen Turm läßt sich aber kein eingangs geschildertes Maschinenhaus mit vertretbaren Abmessungen montieren.

Es war daher erforderlich, neben dem eigentlichen Turm einen höheren Hilfsturm zu errichten, mit dem das auf dem Erdboden zwischen den beiden Türmen fertigmontierte Maschinenhaus hochgezogen und auf den ersten Turm aufgesetzt wird. Hiermit versuchte man den Mobilkran, der die erforderlichen Höhen nicht mehr überwinden kann, durch einen sogenannten feststehenden Kran zu ersetzen.

Dieses Verfahren hat sich jedoch als sehr aufwendig und unwirtschaftlich erwiesen, das nicht geeignet ist, für periodische Auf- und Abhebemanöver benutzt zu werden, wie es für die Wartung einer Windenergioanlage erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windenergieanlage und ein Verfahren zu deren Errichtung mit dem Ergebnis einer fertigungstechnisch möglichst einfachen Bauweise und einer problemlosen Wartung zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen Turm gelöst, der ein Eigenschwingungsspektrum hat, bei dem die erste Eigenschwingungsfrequenz zwischen der ersten und der zweiten kritischen Schwingung^frequenz bzw. Anregenden der Windenergieanlage und dessen zweiten Eigenschwingungsfrequenz oberhalb der zwei-

ten kritischen Schwingungsfrequenz der Windenergieanlage liegt, und wobei ein unter Benutzung des Turmes selbst anhebbares Maschinenhaus mit dem Turm verbunden ist

Ein derartig ausgelegter Turm erhält die ausreichende Stabilität, um das Maschinenhaus bei geringer Windbelastung ohne Abstützung im Montagezustand und mit Abstützung bei höchster Windbelastung im Betrieb sicher zu tragen, während er andererseits eine geringstmögliche Dimension erhält, die in geeigneter Relation zu den Abmessungen des Maschinenhauses steht weite Möglichkeiten für das Errichten der Anlage bietet und darüber hinaus eine beachtliche Materialeinsparung mit sich bringt

Die erfindungsgemäße Anlage hat insbesondere den Vorteil, daß der Turmdurchmesser geringer als die Breite eines Maschinenhauses in kompakter Bauweise ausgelegt werden kann. Es wird hierzu gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, das Maschinenhaus auf dem Erdboden um den Turm weitgehend fertig zu montieren bzw. einzurichten und auf den Turm anzuheben.

Hierdurch ergibt sich ein Verfahren, das die Vorteile der bekannten Turmerrichtungsverfahren im bauwesen genießt, das eine wesentlich wirtschaftlichere Konstruktion für Windenergieanlagen ermöglicht und mit dem man außerdem das Maschinenhaus nach Bedarf, beispielsweise zur Wartung, leicht herablassen bzw. anheben kann. Das Maschinenhaus ist hierzu lösbar am Turmkopf angebracht

Der erfindungsgemäße Turm kann aus Stahl, Beton oder anderen Materialien oder Kunststoffen hergestellt werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Abstützung oder Abspannung des Turmes lösbar mit dem Turm verbunden. Hierzu eignen sich insbesondere Seile, die in gleichmäßigen Absiäiiden um den Turm angeordnet und mit einem Ende am Turm und mit dem anderen Ende an im Erdboden eingelassenen Sokkeln befestigt sind. Für die den Turm zugeordneten Seilenden kann vorzugsweise ein Ring vorgesehen werden, an dem diese Enden befestigt sind und der nach dem Errichten der Anlage am Turm fixiert wird. Mit einem derartigen Ring läßt sich eine lösbare Verbindung für die Seile leichter herstellen und außerdem ist es möglich, über den Ring eine Verbindung mit dem Maschinenhaus herzustellen, der dann beim Ab- bzw. Anheben als Hebevorrichtung für die Seile dient.

Abstützungsseile bieten ferner den Vorteil, daß sie beim Abnehmen der Abstützung aufgerollt werden können, wenn in der Zahl mehrere und dafür dünnere Seile verwendet werden.

Für das An- bzw. Abheben des Maschinenhauses können ebenfalls Seile verwendet werden, die entweder jeweils für den Hebevorgang angebracht werden oder aber zusammen mit der Zugeinrichtung als ständige Einrichtung in der Windenergieanlage mit eingebaut sind. Die Zugeinrichtung kann je nach Anwendungsfail entweder außerhalb oder innerhalb des Turmes angebracht sein.

Das Maschinenhaus kann auch direkt gewindeartig auf den Turm hochgeschraubt werden, wofür der Turm schraubenartig verlaufende Stufen aufweisen kann.

Es ist aber auch möglich, das Maschinenhaus mit bekannten Vorrichtungen aus dem Bauwesensektor an- bzw. abzusenken, wie z. B. mittels Stützvorrichtungen, wie hydraulische Hubzylinder, mit denen das Maschinenhaus schrittweise bewegt wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Maschinenhaus mit Führungsrollen oder Gleitstücken versehen, die angelehnt am Turm entlang desselben gleiten und damit eine sichere Führung des Bauwerkes gewährleisten, so daß das Maschinenhaus nicht zu pendeln beginnen kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Windenergieanlage in schematischer Darstellung,

F i g. 2 ein Maschinenhaus im Schnitt und

F i g. 3 und 4 je ein weiteres Ausführungsbeispiel.

F i g. 1 zeigt eine Windenergieanlage, bestehend aus einem Maschinenhaus 10, das zwei Rotor- oder Windflügel ti trägt und drehbar auf einem Turm 12 aufgesetzt ist

Der Turm 12 ist so ausgelegt, daß die zweite Anregende der Windanlage zwischen den beiden ersten Eigenfrequenzen des Turmes zu liegen kommt Hiermit erhält der Turm, der als Hohlzylinder ausgebildet ist, für Windanlage.n der letzten Entwicklungen einen Durchmesser unterhalb von 4 m bei einer ^vYijidstärke in der Ordnung von 25 cm. Dieser Durchmesser i^rx kiein genug um durch das Maschinenhaus zu passen, das in der Regel eine Breite von weniger als 6 m aufweist und um das Strömungsfeld für den hinter den Turm laufenden Rotor nicht zu 'tark zu stören.

Die notwendige Stabilität für die hohen Windbelastungen erhält der Turm durch Abspannseile 13 aus Stahl, deren eines Ende jeweils über einen Sockel 14 im Erdboden befestigt und deren anderes Ende mit einem Ring 15 verbunden ist. Durch eine lösbare Verbindung zwischen dem Ring 15 und dem Turm 12 können die Seile 13 mit dem Ring 15 heruntergelassen werden, wenn das Maschinenhaus für Wartungsarbeiten gemäß dem unten beschriebenen Verfahren vom Turm 12 ab- und wieder angehoben werden muß.

Auch für diese Situation ist Sorge getragen, indem der

Turm 12 mit der oben geschilderten Auslegung ohne Abspannung noch eine ausreichende Stützkraft hit, um das Maschinenhaus 10 mit gebremsten Windflügeln 11 und bei geringerer Windstärke sicher zu halten.

In F i g. 2 ist das obere Ende einer Windenergieanlage irn Schnitt gezeigt. Das auf dem Turm 12 aufgesetzte Maschinenhaus 10 kann aus einem Stahlgerüst, das mit Blechen abgedeckt ist, hergestellt sein. In dem Gehäuse sind die notwendigen Vorrichtungen enthalten, wie ein Generator 20, der über eine Kupplung 21 und einer Kupplungswelle 22 mit dem Getriebe 23 des Flügelrotors gekoppelt ist, Regeleinrichtungen 24 sowie nonwendige Hilfseinrichtungen 25. An der unteren Seite ist das Maschinenhaus 10 mit einem Führungsstutzen 2fl verbunden, in dem gegen den Turmmantel drückende Führungsrollen 29 angeordnet sind. Der Führungsstutzen 28 wird cn Turm 12 fixiert, während das Maschinenhaus drehbar gelagert ist und über einen Drehkranz 30 mittels eines Getrieberr.otors 31 geschwenkt werden kann.

Das Maschinenhaus 10 ist so ausgebildet, daß es am Turm direkt angehoben bzw. herabgelassen werden kann. Für einen derartigen Vorgang werden die das Maschinenhaus durchquerenden Bauteile, wie z. B. die Kupplung 2i und die Kupplungsstange 22, verschoben, die Abdeckung 33 einer für den Turm 12 vorgesehene Öffnung an der Deckseite des Maschinenhauses 10 abb5 gedeckt und die Fixierung des Führungsstutzens 28 gelöst. Beim Herablassen kommt der Stutzen 28 an den Ring 15 für die Stützteile 13 an, dabei wird der Ring 15 mit dem Stutzen 28 verbunden und die Fixierung 34 mit

dem Turm gelöst. Auf diese Weise tragt das Maschinenhaus den Ring 15 für die Stützteile mit hinunter oder hinauf.

Eine Art, das Maschinenhaus IO entlang des Turmes zu bewegen, ist, die Führungsrollen 29 als Friktionsroi- ■> lcn auszubilden und mittels eines elektrischen Antriebes anzutreiben, und damit den Führungssiutzen 28 mit dem Maschinenhaus 10 auf und ab zu führen. Der Antrieb kann beispielsweise über entsprechende Kupplungen vom Motor 31 durchgeführt werden. in

Für das Errichten der Windenergieanlage können auch andere Verfahren angewendet werden, wie sie z. B. in den Fig. 3 bis 4 gezeigt sind. Gemäß Fig. 3 ist das Maschinenhaus 10 mit schrägen Friktionsrollen 40 aus gerüstet, die sich auf einer schraubenartigen, am Turm 42 eingearbeiteten Schulter41 abstützen.

Wenn die Friktionsrollen 40 angetrieben werden, schrauben sie das Gehäuse 10 je nach Drehrichtung hoch oder herunter.

Qenviß F! ^σ. 4 wird d?.s Mu^chincnhuM¹· !^ rnu feilen ™ 45 bewegt. Die zugehörige Winde 46 ist am Erdboden neben dem Turm 47 installiert. Sie kann aber auch innerhalb des Turmes 47 montiert sein. Der Ring 48 für die Abspannseile 49 ist mit dem Führungsstutzen 51 verbunden und wird gleichzeitig mitbewegt Bei der Verwendung von sehr vielen Stützseilen 49 können diese entsprechend dünn ausgestaltet sein, so daß sie im Sokkel 50 aufgerollt und damit während des Anhebvorganges ebenfalls gespannt gehalten werden können.

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Hier/u 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Windenergieanlage mit einem von einem abgestützten oder abgespannten Turm getragenen und mit einem Windrad ausgestatteten Maschinenhaus, dadurch gekennzeichnet, daß der Turm (12) ein Eigenschwingungsspektrum hat, bei dem die erste Eigenschwingungsfrequenz zwischen der ersten und der zweiten kritischen Schwingungsfrequenz bzw. Anregenden der Windenergieanlage (10, 11), und dessen zweite Eigenschwingungsfrequenz oberhalb der zweiten kritischen Schwingungsfrequenz der Windenergieanlage liegt und durch ein unter Benutzung des Turmes anhebbares Maschinenhaus (10), das mit dem Turm verbunden ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Turm (12) aus Beton oder Stahl hergestellt ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichoe~, daß der Turm (12) innen hohl ausgebildet ist.

4. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung bzw. Abspannung (13) des Turmes (12) lösbar ist.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Seilzüge (13) zur Abspannung des Turmes vorgesehen sind.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seile (13) an einem mit dem Turm (12) lösbar verbu' denen Ring (15) befestigt sind.

7. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschinenhaus im wesentlicheil aus einem Metall- oder Kunststoff-Gerüst besteht.

8. Verfahren zum Errichten einer Windenergieanlage gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Errichten eines solchen Turmes (12) das Maschinenhaus um den Turm herum am Boden fertigmontiert bzw. weitgehend eingerichtet, unter Benutzung des Turmes angehoben und an der vorgesehenen Stelle mit dem Turm verbunden wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschinenhaus (10) mit Seilen (45) angehoben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, daß das Maschinenhaus (10) auf am Turm (42) angebrachten Schraubenflächen (41) hochgeschraubt wird.