Leichtbau bei großskaligen Produkten am Beispiel von gewichtsoptimierten Turmsegmenten 

Thema
XXL-Produkte
Projekttitel Leichtbau bei großskaligen Produkten am Beispiel von gewichtsoptimierten Turmsegmenten  (LeiTu)
Laufzeit 01.07.2010 – 30.06.2012
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Projektwebseite http://www.leitu.xxl-produkte.net
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Der Energieertrag von Windenergieanlagen lässt sich durch größere Nabenhöhen steigern, da der Wind in der Höhe stärker und gleichmäßiger weht. Allerdings sind diesem Größenzuwachs Grenzen gesetzte, da ab einer kritischen Turmhöhe die Eigenmasse der Turmkonstruktion überproportional steigt und damit das Versagensrisiko zunimmt. Ziel dieses Forschungsprojekts war daher, Leichtbaukonzepte für Windenergieanlagentürme zu entwickeln. Dazu wurden unterschiedliche Ansätze aus der Bionik, Luft- und Raumfahrttechnik sowie dem Automotive-Bereich recherchiert und teilweise auf Windenergieanlagentürme übertragen. Mit den entwickelten Leichtbau-Konzepten konnte eine Gewichtreduktion von bis zu 20 % gegenüber konventionellen Turmkonstruktionen erreicht werden.

Veröffentlichungen zum Projekt

Im allgemeinen Sprachgebrauch und in den Medien wird oftmals der Begriff XXL-Produkt als Synonym für großskalige Produkte verwendet. Doch was definiert XXL-Produkte und wo ist die Grenze zu konventionellen Produkten zu sehen? Durch Aufzeigen gemeinsamer Charakteristika wird eine wissenschaftliche Definition dieses Begriffes vorgestellt. Eine gemeinsame, branchen- und produktübergreifende Definition ermöglicht, vergleichbare Herausforderungen in verschiedenen Branchen zu identifizieren. Auf dieser Basis lassen sich übergreifende Lösungen entwickeln, die sich auf die Fertigung von unterschiedlichen XXL-Produkten übertragen lassen. Diese Synergieeffekte können zu einer kostengünstigeren Herstellung von XXL-Produkten beitragen.

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Mit der Höhe von Windenergieanlagen steigt die nutzbare Windenergie exponentiell an. Allerdings nimmt bei zunehmender Turmhöhe auch der Materialbedarf und damit das Turmgewicht überproportional zu. Aktuelle Bauweisen begrenzen aufgrund dieses Zusammenhangs die heute erreichbare Turmhöhe. Die Anwendung von Leichtbauprinzipien kann zu einer Verringerung des Gewichtes bei gleicher Steifigkeit der Türme führen und damit in Zukunft höhere Türme ermöglichen. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurden konstruktive Konzepte entwickelt, welche die Senkung der Masse der Türme von WEA an Land (onshore) von bis zu 20 % ermöglichen. Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung und Bewertung der Konzepte und stellt die Ergebnisse des Forschungsprojekts dar.

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Die Anwendung von Leichtbaukonzepten auf die Turmkonstruktion von Windenergieanlagen ermöglicht durch die Verringerung des Gewichtes, bei gleicher Steifigkeit, die Windenergieanlage höher zu bauen. Im Rahmen eines Forschungsprojekts am IPH wurden unterschiedliche Leichtbauideen aus der Bionik sowie Luft- und Raumfahrtechnik untersucht. Mit dem im Projekt entwickelten Trapez-Leichtbauturm könnte bei einer 3MW Anlage mit 90 m Nabenhöhe eine Gewichtsersparnis bis zu 20 % realisiert werden. In diesem Artikel werden Konstruktionsdetails der Leichtbaukonzepte dargestellt.

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Die nutzbare Windenergie steigt exponentiell mit der Höhe einer Windenergieanlage an. In gleicher Weise steigt allerdings auch die Masse der Anlage. Daher wurde in einem Forschungsprojekt ein systematischer Ansatz zur Auslegung von Leichtbau-Türmen für Onshore-Windenergieanlagen entwickelt. Unterschiedliche Strukturen aus Bionik, Luftfahrt und Automotivebereich wurden entwickelt und in FEM-Simulationen auf ihre Belastbarkeit getestet. Mit der gefundenen Leichtbau-Struktur ist es möglich Türme mit geringeren Blechstärken zu entwickeln, sodass eine Gewichtsersparnis von bis zu 20 % gegenüber konventioneller Bauweise möglich ist.

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Mit immer größer werdenden Nabenhöhen steigt die Möglichkeit mehr Windertrag aus der Windkraft zu erlangen. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurden am Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH konstruktive Leichtbaukonzepte für den Bau der Türme von Windenergieanlagen erforscht und entwickelt. Ziel des Forschungsprojektes war, den Leichtbau der Türme zu ermöglichen, um diese somit höher bauen zu können.

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Die Windenergieanlagen der nächsten Generation sollen immer höher in den Himmel ragen. In höheren Luftschichten sind die durch Bodenrauigkeit hervorgerufenen Turbulenzen wesentlich verringert. Mit der Höhe steigt die Windstärke und der Wind weht gleichmäßiger. Daher steigt die nutzbare Energie exponentiell mit der Turmhöhe an, ein besserer Energieertrag ist gesichert. Doch die Türme der Windenergieanlagen unterliegen dem Effekt, ab einer kritischen Eigenmasse der Anlage mit Gondel und Rotor einzuknicken. Die Turmmasse steigt mit dem Quadrat der Höhe, daher müssten die Türme überproportional zur Höhe verstärkt werden.

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Die Energiewende ist beschlossene Sache. Doch um den Energiebedarf zu stillen, sind auch im Bereich der regenerativen Energien weitere Entwicklungen erforderlich. Ingenieure des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) haben in zwei Forschungsprojekten untersucht, wie sich die Effizienz von Windkraftanlagen steigern lässt.

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Die Türme für WEA werden derzeit in Stahlrohr-, Gitter-, Beton- oder Hybridbauweise hergestellt. Aufgrund der geringen Montagezeiten stellen Stahltürme die am weitesten verbreitete Turmbauart für kommerzielle WEA dar. Derzeit wird der Großteil der Stahltürme aus gerolltem Blech hergestellt. Die zu rollenden Platten werden – in der Regel durch Laserschneiden – vorgefertigt. Die meist konisch gerollten Segmente werden nach dem Walzvorgang zu Stahlrohrabschnitten verschweißt, die mit Hilfe von gewalzten Verbindungsringen verschraubt werden. Wenn der Transportweg kurz ist, werden die Segmente direkt nach dem Rollen verschweißt. Die Anwendung von Leichtbauprinzipien (konstruktiv oder mittels Hochleistungswerkstoffen) bei den Turmsegmenten der WEA ermöglicht durch die Verringerung des Gewichtes, bei gleicher Steifigkeit, die WEA höher zu bauen.

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Die Windenergieanlagen der nächsten Generation sollen immer höher in den Himmel ragen. Mit der Höhe steigt die Windstärke und der Wind weht gleichmäßiger. Daher steigt die nutzbare Energie exponentiell mit der Turmhöhe an, ein besserer Energieertrag ist gesichert. Doch mit der Höhe steigen auch die Turmmasse und damit das Versagensrisiko vorhandener Turmkonstruktionen.

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Förderer

Das Projekt mit dem Förderkennzeichen 11.2-76221-99-2/10 war Teil eines Verbundvorhabens mit dem Titel „Innovationen für die Herstellung großskaliger Produkte“ und wurde vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur sowie vom Niedersächsischen Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr gefördert.

Ihr Ansprechpartner

Dr.-Ing.

Jan Langner

Abteilungsleiter Prozesstechnik

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