Entwurf und Berechnung einer Kleinwindkraftanlage Masterarbeit

Entwurf und Berechnung einer Kleinwindkraftanlage
Masterarbeit
AN DER
HOCHSCHULE REGENSBURG
FAKULTÄT BAUINGENIEURWESEN
AUFGABENSTELLER: PROF. DR. OTHMAR SPRINGER
VORGELEGT VON
DEM STUDIERENDEN
JIABIN WU
MATRIKELNUMMER: 2714529
Regensburg, den
30.01.2013

Entwurf und Berechnung einer Kleinwindkraftanlage
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung ......................................................................................................................................... 4
1.1 Motivation ........................................................................................................................................ 4
1.2 Aufgabestellung .............................................................................................................................. 4
1.3 Aufbau dieser Masterarbeit .......................................................................................................... 4
2. Beschreibung für die Konstruktion der Kleinwindkraftanlage .......................................... 5
2.1 Bauformen für die Konstruktion der Windkraftanlage............................................................... 6
2.2 Verwendeter Baustoff und Querschnittsbezeichnung .............................................................. 8
3. FEM-Simulation des Mastes ........................................................................................................ 9
3.1 Allgemeines..................................................................................................................................... 9
3.2 Modellierung des Gittermastes .................................................................................................. 10
4. Schwingungsanalyse für die Anlage ...................................................................................... 12
4.1 Vorbemerkung .............................................................................................................................. 12
4.2 Überprüfung der Schwingungsanfälligkeit der Konstruktion ................................................. 12
4.3 Berechnung der Eigenfrequenzen ............................................................................................. 13
5. Einwirkung auf Windkraftanlage .............................................................................................. 16
5.1 Ständige Einwirkung auf Anlage ................................................................................................ 16
5.1.1 Allgemeines zum Eigengewicht .............................................................................................. 16
5.1.2 Ermittlung des Eigengewichtes .............................................................................................. 16
5.2 Veränderliche Einwirkungen auf Windkraftanlage ................................................................. 17
5.2.1 Windlasten nach DIN 1055-4(2005-03) einschl. DIN V4131(2008) .................................. 17
5.2.1.1 Allgemeines ............................................................................................................................ 17
5.2.1.2 Statische Ersatzlast ............................................................................................................... 18
5.2.1.3 Verfahren zur Ermittlung des Böenreaktionsfaktors ........................................................ 18
5.2.1.4 Ermittlung des Böenreaktionsfaktors .................................................................................. 24
5.2.1.5 Ermittlung der Windlasten rechtwinklig ( unter zur Fachwerkwand ..................... 26
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5.2.1.6 Ermittlung der Windlasten schräg (unter zur Fachwerkwand ................................ 31
5.2.1.7 Ermittlung der Windlasten auf dem Rohrmast .................................................................. 32
5.2.2 Eislasten ..................................................................................................................................... 34
5.2.2.1 Allgemeines zur Eislasten .................................................................................................... 34
5.2.2.2 Zuordnung der Vereisungsklassen ..................................................................................... 34
5.2.2.3 Ermittlung der Eislasten mit Vereisungsklasse R2 ........................................................... 34
5.2.2.4 Ermittlung der Windlasten für Gittermast bei Vereisungsklasse R2 ............................. 35
5.2.2.5 Ermittlung der Windlasten für Rohrmast bei Vereisungsklasse R2 ............................... 39
5.2.3 Verkehrslast ............................................................................................................................... 40
5.3 Lastfälle und Lastkombinationen ............................................................................................... 41
5.3.1 Lastfälle ...................................................................................................................................... 41
5.3.2 Lastfallkombinationen .............................................................................................................. 41
6. Schnittgrößenermittlung des Mastes ..................................................................................... 43
6.1 Schnittgrößenermittlung bei Lastkombination LK1 ................................................................ 43
6.2 Schnittgrößenermittlung bei Lastkombination LK2 ................................................................. 47
7. Zusammenstellung maßgebender Nachweise des Mastes ............................................. 50
7.1 Allgemeiner Spannungsnachweis von Flächen und Stäbe ................................................... 50
7.1.1 Spannungsnachweise von Flächenelement 1 und 2 .......................................................... 50
7.1.2 Spannungsnachweise von Stäbe ........................................................................................... 55
7. 2 Stabilitätsnachweise des Mastes.............................................................................................. 58
7.2.1 Biegeknicknachweise ............................................................................................................... 58
7.2.1.1 Vorbemerkung ....................................................................................................................... 58
7.2.1.2 Bemessung............................................................................................................................. 59
7.2.2 Biegedrillknicknachweise ......................................................................................................... 68
7.3 Tragsicherheitsnachweise für Schraubverbingung ................................................................. 72
7.3.1 Vorbemerkung ........................................................................................................................... 72
7.3.2 Nachweis der Verbindung zwischen Eckstiel und Diagonalstrebe ................................... 74
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7.3.3 Nachweis der Verbindung zwischen Eckstiele ..................................................................... 76
8. Fundament des Mastes .............................................................................................................. 80
9. Zusammenfassung ...................................................................................................................... 81
Literaturverzeichnis ......................................................................................................................... 82
Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................... 83
Tabellenverzeichnis ......................................................................................................................... 85
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Entwurf und Berechnung einer Kleinwindkraftanlage
1. Einleitung
1.1 Motivation
Kleinwindkraftanlagen sind in Schwachwindregionen kommerziell nicht rentabel.
Aktuelle Anlagenkonzepte der Windkraftindustrie sind auf hohe Windstärken optimiert.
Spezielle Entwicklungen von Windrädern für geringe Windstärken werden von
Firmen mit Verweis auf fehlende Vermarktungschancen abgelehnt. Aus diesem
Grund ist dieses Thema weitgehend unterforscht.
Mit einem ca. 24m hohen Versuchsmast soll die Windsituation an einem windarmen
Standort in der Donauebene zunächst mehrere Monate analysierte werden.
Basierend auf den Messwerten( Windstärke, Windrichtung, Geräusch,...) sollen
Anforderungen für Kleinwindkraftanlagen gesammelt werden. Aus den
Anforderungen sollen Konzepte für auf Schwachwind optimierte Windturbinen,
Windgeneratoren sowie Lade-Entlade-Strategien mit gesteuerten Verbrauchern
entstehen. Ausgewählte Elemente sollen dann gebaut und auf dem Versuchsmast
vermessen werden.
Ein Bauantrag für den Versuchsmast in Stephansposching wurde eingereicht und
genehmigt. Das Konzept sieht im unteren Bereich einen bereits vorhanden
Strommast vor und im oberen Bereich eine um 10m absenkbaren Gondel. In ca.14m
Höhe soll eine Arbeitsplattform für Messtechnik und Service entstehen. Derzeit ist
eine Bachelorarbeit im Bereich Maschinebau mit der Bestandsaufnahme des
bestehenden Masts und Festigkeitsberechnungen für die Absenkmechanik vergeben.
1.2 Aufgabestellung
Im Rahmen dieser Masterarbeit soll eine statische Berechnung der Konstruktion der
Windkraftanlage einschließlich deren Gründung erstellt werden.Es soll in besonderen
FEM-Berechnungen an stark beanspruchten Komponenten der Anlage durchgeführt
werden. Der Mast soll über eine Winde ein- und ausgefahren werden können, um
später einfach und schnell Einstellarbeiten und Montagearbeiten durchführen zu
können. Der Gittermast mit Rohrverlängerung wird im Rahmen dieser Arbeit
dahingehend untersucht, ob eine ausreichende Strukturfestigkeit besteht.
1.3 Aufbau dieser Masterarbeit
Im ersten Kapitel der vorliegenden Arbeit erfolgt eine Einleitung in das Thema Klein-
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windenergieanlage und ein Übersicht über die Aufgabenstellung dieser Arbeit.
Das zweite Kapitel umfasst die Beschreibung für die Konstruktion der Kleinwindenergieanlage.
Das folgende dritte und vierte Kapitel sind die FEM Simulation und Schwingungsanalyse.
Das fünfte Kapitel beschreibt die zu treffenden Lastannahmen nach den zurzeit
gültigen DINs, Vorschriften und Richtlinien.
Im sechste und siebte Kapitel werden alle statische Berechnungb bzw. Schnittgrößenermittlung
und die Nachweise zur Tragfähigkeit vorgestellt.
Das achte Kapitel beschreit eine Variante von Fundament der Anlage und schließlich
die Zusammenfassung der Arbeit.
2. Beschreibung für die Konstruktion der Kleinwindkraftanlage
Rotor
Auffahrbarer Mast
Montageplattform
Gittermast
Fundament
Abb. 2-1: Prinzipieller Aufbau der Kleinwindkraftanlage
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