Hængslet vindmølle læner sig op mod vinden

Ved at hængsle et mølletårn i bunden kan belastningen og dermed materialeforbruget til tårn og fundament reduceres betragteligt. Afgangsprojekt har verificeret princippet.

Belastningen på et vindmølletårn og -fundament kan reduceres markant, hvis tårnet designes med en slags hængsel i bunden, så vindmøllen populært sagt kan støtte sig til modvinden.

Det viser omfattende simuleringer, som to nyuddannede ingeniører fra Aalborg Universitet har foretaget i forbindelse med deres eksamensopgave, der indbragte dem et 12-tal.

Ideen til projektet kommer oprindelig fra Vestas, og de to studerende har derefter testet en sådan konstruktion på en avanceret amerikansk vindmøllesimulator:

(Klik for at forstørre)

»Vores simuleringer har vist, at princippet virker med en helt almindelig vindmølletype; at den er stabil uanset vejrforholdene, og at det er muligt at styre hældningen ved at arbejde med vingernes drejning og generatorbelastningen,« siger den ene af ingeniørerne bag eksamensprojektet, civilingeniør Martin Bonderup Brorsen.

Den amerikanske model registrerer for eksempel belastninger i 19 punkter op gennem tårnet, og ud fra dette har de to kunnet konkludere, at belastningen på tårnet blev reduceret med 83 pct. og at metaltrætheden blev mindsket med hele 99,86 pct.

Tyngdekraft balanceres mod vindtryk

Et af de springende punkter er selvfølgelig, om energiproduktionen sænkes ved det nye design og den anderledes styring. Her har Martin Bonderup Brorsen og makkeren Jesper Larsen fundet frem til, at møllen mister 3,4 pct. af effekten med det nye design:

»De 3,4 pct. er ved forudsætningen om et helt friktionsfrit leje i bunden af tårnet. Hvis man i stedet udformer det med en vis friktion, mindskes energitabet tilsvarende. Jeg vurderer, at konceptet vil være ret oplagt til flydende vindmøller, hvor man så kan undvære et tungt fundament til at stabilisere vindmøllen med,« forklarer Martin Bonderup Brorsen.

Hovedideen bag princippet er, at vindtrykket på tårnet i stedet bruges til at støtte tårnet med, idet hængslet gør det muligt at balancere tyngdekraften og vindtrykket med hinanden. Det vil sige, at bunden af tårnet - som ellers er hårdt belastet af momentet fra vindtrykket på hele konstruktionen - nu stort set fritages for laster fra vindtryk.

At finde denne balance og sørge for, at vindmøllen ikke vælter, er den styringsmæssige udfordring ved konceptet.

Den har de to ingeniører løst ved en kombination af at dreje vingerne og øge/mindske belastningen på generatoren, så vindmøllen læner sig mere eller mindre fremad. Den primære styring foregår ved hjælp af vingerne, fordi det hurtigst påvirker aerodynamikken.

Hældning svinger mellem 3 og 10 grader

Med det nye princip vil selve hældningen på tårnet svinge mellem 3 og 10 grader, hvilket i praksis vil se ud, som om møllen står oprejst hele tiden.

Ved en vindhastighed på 3 m/sek kommer tårnet til at hælde én grad og vingerne står i 0, hvor det aerodynamiske moment er størst.

Ved 11,5 meter i sekundet, hvor vindmøllen producerer sin mærkeeffekt, hælder tårnet otte grader mod vinden og vingerne drejes en enkelt grad.

Ved 20 meter i sekundet hælder tårnet fire grader, og vingerne drejes 15 grader.

Som nævnt er det en medarbejder fra Vestas, der har fostret ideen til projektet. Og specialist Keld Hammerum kalder projektets resultater for 'lovende', men at de skal tages med et vist forbehold.

»Vi har fået erkendelsen af, at den ekstra frihedsgrad ikke nødvendigvis påvirker møllens øvrige ydelse markant i negativ retning,« siger han.

Han tilføjer, at han ikke på nuværende tidpunkt kan sige, om der kommer konkrete udløbere af projektet på markedet, men at en eventuel realisering af konceptet vil kunne udgøre et kvantespring inden for strukturelt design af vindmøller.

Emner Vindmøller

Kommentarer (26)

det kom vist aldrig til at ske på en 6MW mølle. Tør slet ikke tænke på hvor stort sådanne et leje vil blive. Tårnet kan sikkert heller ikke holde til at være så meget ud af "kurs"

  • 0
  • 0

Det er nogle spændende tal, der kommer frem, men en realisering vil blive en kæmpe udfordring. Tårnet skal kunne hælde (kontrolleret) i alle retninger, der skal tages højde for nødstop og fejlsituationer, og så er det en ændring af et statisk punkt til et dynamisk punkt, med alt hvad dertil hører af fejl og vedligehold.

Det bliver sjovt at se, om det lykkedes nogen at realisere det, og om det så virkeligt virker.

  • 0
  • 0

Tab på 3,4 % i effekt bliver rigtig mange penge i en projekteret levetid på 25 år...

Det er også rigtig mange penge man kan spare på tårnet. Men husk på, at dette er en sandsynliggørelse af, at konceptet virker. Som jeg er citeret for, vurderer jeg at konceptet ville give mening at føre videre til flydende vindmøller. Så behøver man heller ikke opfinde et form for hængsel.

  • 0
  • 0

Tårnet skal kunne hælde (kontrolleret) i alle retninger, der skal tages højde for nødstop og fejlsituationer, og så er det en ændring af et statisk punkt til et dynamisk punkt, med alt hvad dertil hører af fejl og vedligehold. .

Jeg er ikke vindmøllemand - men jeg synes det lyder fantastisk spændende. Krøjelejet skal jo flyttes med ned på jorden/fundamentet/pontonen - så tårnet ikke skal hælde i alle mulige retninger. Hermed frigøres endnu mere vægt fra nacellen.

Hvis tårnet så udformes som en god gammeldags arkitektlampe, så vil rotoren ikke hælde ind i vinklen og der vil stort set ikke blive noget tab.

Der skal tænkes meget over situationen, hvor møllen stall'er - f.eks ved isopbygning. Hvordan hindres , at det hele falder til jorden? Det vil være nødvendigt med en kraftig hydraulikcylinder, som kan styre hældningen og holde møllen. Her passer "arkitektlampe designet" godt ind.

Super interessant!

  • 0
  • 0

Det vil være nødvendigt med en kraftig hydraulikcylinder, som kan styre hældningen og holde møllen. Her passer "arkitektlampe designet" godt ind.

Det er vinden, som holder møllen oppe - ikke hydraulik i bunden. Men du har ret, var et meget spændende projekt :-)

  • 0
  • 0

[quote]Tab på 3,4 % i effekt bliver rigtig mange penge i en projekteret levetid på 25 år...

Det er også rigtig mange penge man kan spare på tårnet. Men husk på, at dette er en sandsynliggørelse af, at konceptet virker. Som jeg er citeret for, vurderer jeg at konceptet ville give mening at føre videre til flydende vindmøller. Så behøver man heller ikke opfinde et form for hængsel.[/quote]

@Martin
Nu er jeg godt klar over at hovedformålet med et eksammensprojekt er at få indblik og forståelse for teknikken. MEN forsigtigt anslået på en serviet svarer 3,4% effekttab til 1,2 mEUR - det kan man få meget tårn for :-)

  • 0
  • 0

[quote] Det vil være nødvendigt med en kraftig hydraulikcylinder, som kan styre hældningen og holde møllen. Her passer "arkitektlampe designet" godt ind.

Det er vinden, som holder møllen oppe - ikke hydraulik i bunden. Men du har ret, var et meget spændende projekt :-)[/quote]

Jeg er godt klar over, at det er vinden der basalt holder møllen på plads - men hvad hvis "vinden" pludselig ikke er der? Hvad holder så tårnet fra at falde og havarere? Det gør hydraulikcylinderen ved foden. Hydraulikcylinderen skal hele tiden følge med og vil sandsynligvis optage ca. 10% af kræfterne. I øvrigt vil det være væsentligt, at en sådan mølle får indarbejdet "windspeed prediction" i form af nogle af de teknikker, som er udviklet til at "se" den indkommende vind og dermed lave feed forward regulering af vingernes angrebsvinkel samt møllens hældning.

  • 0
  • 0

[quote] Det vil være nødvendigt med en kraftig hydraulikcylinder, som kan styre hældningen og holde møllen. Her passer "arkitektlampe designet" godt ind.

Det er vinden, som holder møllen oppe - ikke hydraulik i bunden. Men du har ret, var et meget spændende projekt :-)[/quote]

  • og iøvrigt - til lykke med et flot resultat ;-)
  • 0
  • 0

Jeg er ikke vindmøllemand - men jeg synes det lyder fantastisk spændende. Krøjelejet skal jo flyttes med ned på jorden/fundamentet/pontonen - så tårnet ikke skal hælde i alle mulige retninger. Hermed frigøres endnu mere vægt fra nacellen.

Men så skal du huske, at lejet pludselig skal bære vægten af hele møllen - altså inklusiv tårnet. Og tårnet er ikke ligefrem lavet i 2 mm blik..
Netop den store belastning på et bundleje er grunden til, at der vertikalmøller aldrig er blevet en succes. Selvfølgelig er der forskel på lejet i en vertikalmølle og et flyttet krøjeleje, men alligevel.

  • 0
  • 0

Netop fordi krøjelejet flyttes ned i bunden af tårnes, bliver en stor krans, så er det ikke længere nogen almindelig mølle. Der vil komme enorme loads på denne krans for ikke at tale om motorene til krøjningen, som nu også skal flytte tårnet.

I tillæg vil der skulle en hel del styring på baskuleringen for at vingerne ikke slår i tårnet. Hvis der sker et pludselig ændring i vindstyrke og tårnet bevæger sig hurtigt vil det let føre til at vingerne slår i tårnet.

  • 0
  • 0

Krøjelejet skal jo flyttes med ned på jorden/fundamentet/pontonen - så tårnet ikke skal hælde i alle mulige retninger. Hermed frigøres endnu mere vægt fra nacellen.

Hvis man alligevel flytter krøjekransen ned, er det da mange gange simplere blot at lave tårnet som en flyvemaskinevinge, så det set fra siden bliver trekantformet med en lodret forkant og en skrå bagkant. Derved sparer man vippelejet, undgår alle problemerne og får et tårn med mindre vindmodstand, således at der bliver mindre fluktuationer, når vingerne bevæger sig forbi.

  • 0
  • 0

I artiklen står der:
"De 3,4 pct. er ved forudsætningen om et helt friktionsfrit leje i bunden af tårnet. Hvis man i stedet udformer det med en vis friktion, mindskes energitabet tilsvarende"
Jeg kan ikke helt gennemskue mekanismen i hvorfor energitabet mindskes hvis friktionen stiger ?

  • 0
  • 0

Netop den store belastning på et bundleje er grunden til, at der vertikalmøller aldrig er blevet en succes. Selvfølgelig er der forskel på lejet i en vertikalmølle og et flyttet krøjeleje, men alligevel.

Jamen - en vertikal mølle belaster jo krøjelejet med både aksiele og radielle kræfter samt moment - og det er helt klart en udfordring - både statisk og dynamisk

En hængslet mølle - godt nok med en "støttepædagog" i form af en "holdecylinder" forsimpler jo dette billede en del, da vi ikke får momentet - eller stærkt reducerer momentet om krøjelejet.

  • 0
  • 0

Også en god ide. Så kunne man også lave en bagløber, som jo har vist sig at være ganske stabile, jf. Tvindmøllen.
Har aldrig stødt på nogen der har brugt denne mølle som reference, endsige nogen der har kunnet forklare hvorfor man ikke anvender dette princip. I øde områder og på havet kan det vel ikke genere så meget hvis der kommer en lydpåvirkning af omgivelserne når vingen passerer tårnet.

Læser man på http://www.tvindkraft.dk/TextPage.asp?Menu... vil man se at man har haft en ganske imponerende produktion med følgende udskiftninger frem til 2008:

De første 30 år

Møllen begyndte at lave strøm d. 26. april 1978. Den har nu kørt 103.400 driftstimer og 97.000.000 omdrejninger, og har produceret 16 millioner kWh.

Gennem årene har møllen vist at vindkraft var noget der battede. En mølle i denne størrelse var ikke til at overse, den blev bygget til at holde, og det har den gjort. Den kører idag med alle originale dele bortset fra vinger og vingelejer, der er skiftet. Således er møllen et opmuntrende eksempel på, hvordan almindelige mennesker kan bryde nye veje gennem beslutsomhed og sammenhold.

Hen ad vejen har vi udviklet og ændret mange tekniske detaljer

I 1989 skiftede vi et vingeleje.
I 1993 skiftede vi alle 3 vinger og de andre 2 vingelejer.
I 1999 malede vi møllen hvid og rød.
I 2000 moderniserede vi krøje og styring
I 2004 skiftede vi endnu et vingeleje.

Vi øger nu møllens kapacitet for at lave strøm til 1000 kW ved at bygge en ny frekvensomformer.

  • 0
  • 0

Også en god ide. Så kunne man også lave en bagløber, som jo har vist sig at være ganske stabile, jf. Tvindmøllen..

Fortæl mig lige, hvordan du vil undgå momentet på krøjeakslen fra en bagløber.

Hele ideen bag projektet er jo netop at undgå momentet på tårnets indspænding til jorden ved at lave et charnier - et hængsel. Det kræver, at møllen læner sig ind i vinden, hvorved vingerne i øvrigt får en større afstand til tårnet. Når momentet ikke længere er til stede, er der basis for store besparelser. Det er altså vinden der afbalancerer og holder tårnet fra at falde.

Lægger man så krøjningen ned til fundamentet, så kan man lave "arkitektlampedesignet", hvorved der ikke længere forekommer energitab, da møllevingerne står perfekt mod vinden.

En holdecylinder vil kunne sikre,at det hele ikke falder til jorden. Den vil også kunne ændre hældningen af tårnet en smule mod eller væk fra vinden alt efter "vindpejlingen". Holdecylinderen "ødelægger" den momentfri ide en smule, da den vil kunne optage lidt af momentet ved disse "hældeøvelser".

Man kunne også lade holdecylinderen være passiv, så den ikke optager flere kræfter en strømningstabet for hydraulikolie ud og ind af den. Dvs. en ren holdecylinder, som kun "aktiveres" hvis vinden forsvinder/møllen stall'er eller havarerer. I dette øjeblik lukker normally closed ventiler for olien, så møllen "fryses" i den øjeblikkelige position og derved ikke falder til jorden. Om muligt kantstilles vingerne samtidig.

  • 0
  • 0

Fortæl mig lige, hvordan du vil undgå momentet på krøjeakslen fra en bagløber. Hele ideen bag projektet er jo netop at undgå momentet på tårnets indspænding til jorden ved at lave et charnier - et hængsel.

Gøre armene på chanier længere og dermed flytte momentet på krøjeakslen.

  • 0
  • 0

I artiklen står der: "De 3,4 pct. er ved forudsætningen om et helt friktionsfrit leje i bunden af tårnet. Hvis man i stedet udformer det med en vis friktion, mindskes energitabet tilsvarende" Jeg kan ikke helt gennemskue mekanismen i hvorfor energitabet mindskes hvis friktionen stiger ?

Tabet i produceret energi stammer hovedsagligt fra det faktum, at vi er nødt til at dreje mere med vingerne, end normalt, for at holde møllen stabil. Ved at have en lille dæmpning i hængslet vil denne aktuering mindskes, og en større energiproduktion opnås.

  • 0
  • 0

En US opfinder har lanceret et koncept, hvor vindmøllerne har fleksible tårne, er bøjer i en bue og vindmøllen(r) så er bagløbere.

I dette koncept er tårnet meget ubelastet og det er helt uden krøje leje.

Denne opfinder havde netop satset på havvindmøllemarkedet med flydende fundamenter, der også bøjede med vinden.

Prøvede lige at finde linket og så fandt jeg søreme link til et norsk projekt, der har fået penge. rechargenews.com/energy/wind/article206526.ece

Det oprindelige link dukkede ikke lige op i min søgning, men man skal forestille sig et fleksibelt tårn på et opankret fundament som bøjer sig efter vinden. Ud af tårnet kan der være flere vindmøller eller blot en enkelt.

  • 0
  • 0

Tabet i produceret energi stammer hovedsagligt fra det faktum, at vi er nødt til at dreje mere med vingerne, end normalt, for at holde møllen stabil. Ved at have en lille dæmpning i hængslet vil denne aktuering mindskes, og en større energiproduktion opnås.

Med andre ord - hvis man arbejder med en aktiv støttecylinder, så kan der opnås en mere optimal indfaldsvinkel på møllebladene og dermed negligibelt tab.

  • 0
  • 0

En US opfinder har lanceret et koncept, hvor vindmøllerne har fleksible tårne, er bøjer i en bue og vindmøllen(r) så er bagløbere.

Det er nu ikke helt det samme. Idéen med et fleksibelt tårn er at reducere metaltræthed, da skiftende belastninger primært blot bliver omsat til bevægelses energi. Vores koncept handler om at læne sig mod vinden på et hængsel, hvilket giver en noget større reduktion, men også er farligere.

  • 0
  • 0

Med andre ord - hvis man arbejder med en aktiv støttecylinder, så kan der opnås en mere optimal indfaldsvinkel på møllebladene og dermed negligibelt tab.

Ja, men det ødelægger jo princippet, da tårnet så skal designes til at kunne klare lasterne fra støttecylinderen, og så er vi stort set tilbage til vi startede.

  • 0
  • 0

Ja, men det ødelægger jo princippet, da tårnet så skal designes til at kunne klare lasterne fra støttecylinderen, og så er vi stort set tilbage til vi startede.

Det er jeg ikke enig med dig i. Støttecylinderen kan være passiv for at sikre at tårnet ikke falder ved pludseligt stall eller andre uforudseelige hændelser. I denne form vil reaktionen fra det inducerede moment være negligibelt, idet der kun vil optræde momenter skabt af strømningsmodstanden i hydrauliksystemet. Fordelen ved den passive cylinder er at kunne "gribe" tårnet, hvis vindlasten forsvinder. Dette gøres ved hurtigtlukkende normally closed ventiler.

Lidt mere intilligent vil det være, at benytte dette hydrauliksystem til at hjælpe rotorsystemets "balancerende effekt" ved at påføre en lille ændring af tårnvinklen. Det er en hjælpeeffekt, som naturligvis vil kræve et vist moment, men slet ikke det fulde moment. Simuleringer vil vise, hvad der er optimalt.

Det er imidlertid interessant at få krøjeakslen ned på jorden, for så vil tårnets inertimoment kunne optimeres til hele tiden at skulle stå imod kun en vindretning.

Hvis tårnet skal dreje, sikrer man sig i disse situationer, at eventuelle støttecylinder indgreb forhindres (passiv støttecylinder), så momenter ikke optræder under krøjning.

  • 0
  • 0