Analysis of a Rotatable Wind Turbine Tower by means of Aero-Servo-Elastic Load Simulations

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. ... mehrDiese 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.

This work contributes to the improvement of renewable energy competitiveness over conventional fossil and nuclear energy sources. It highlights how the costs and CO2-emissions of land-based wind turbines can be reduced as a result of an innovative and material efficient support structure concept. The fundamental approach for the concept is to place the yaw system at the tower base, allowing the whole wind turbine tower to be rotated so that it always has the same alignment as the rotor. This achieves a load-direction-derived design for the tower through which material is saved. ... mehrThis work indicates that the material saving potential of a rotatable elliptical tower compared to a conventional circular one is limited. The reason for that is found in the transport constraints through bridges and tunnels, which apply likewise to elliptical tubular towers. A rotatable lattice tower is more convenient because its size is not limited through transport, and lattice towers are material saving concepts for the trend to larger hub heights. This work shows that the ability to rotate the tower enables wider leg distances along the blades passing lattice tower section, whereby local member loads are reduced, and material can be saved. Furthermore, a tower inclination against the main wind direction was introduced to induce counter acting moments, which reduce the extreme loads and achieve more material savings. Moreover, a vertical rotor alignment was realized through the increased blades tip distance to the inclined tower and the wind turbine became more efficient. The potential of the rotatable inclined lattice tower concept was analysed by means of aero-servo-elastic load simulations in the FAST environment. Since the convenient linear beam finite element submodule, SubDyn, had no capability to represent other member cross sections than circular ones, it was adjusted. In the present case, the beam element stiffness and mass matrix formulations had to be changed to account for arbitrary cross sections. Furthermore, the direction cosine matrices had to be expanded to provide the control over lattice member alignments around their length axes. A validation of the general aero-servo-elastic analysis procedure and the changes in SubDyn ensured reliable results.

The aero-servo-elastic load simulations and an appropriate load post processing are the main tools for a rotatable inclined lattice tower design according to IEC 61400-1 and to DNV GL standards. This includes the consideration of relevant design load cases and the ultimate, the fatigue, and the serviceability limit states. A balance between saved material costs, tower top yaw system costs, increased wind turbine efficiency, and increased tower base yaw system and foundation costs revealed significant cost savings. Under the assumptions made, the savings of the rotatable inclined lattice tower amounted to 45 k€ at 80 m to 768 k€ at 175 m hub height compared to the most cost-effective conventional alternatives for a 5 MW reference wind turbine. This implies 8 % and 49 % in cost savings and indicates the big economical potential of land-based innovative rotatable inclined lattice towers for larger hub heights under transport constraints.