Fördelar med lågviktsdrivlina i vindkraftverk

Transkript

1 Fördelar med lågviktsdrivlina i vindkraftverk Johan Rosén Examensarbete TRITA-ITM-EX 2021:359 KTH Industriell teknik och management Maskinkonstruktion SE STOCKHOLM

2

3 Examensarbete TRITA-ITM-EX 2021:359 Fördelar med lågviktsdrivlina i vindkraftverk Johan Rosén Godkänt 2021-mån-dag Examinator Stefan Björklund Uppdragsgivare KTH Maskinkonstruktion Handledare Stefan Björklund Kontaktperson Stefan Björklund Sammanfattning I dagsläget finns det en mängd olika storlekar på vindkraftverk, allt från små landbaserade vindkraftverk på några hundra kilowatt till havsbaserade kraftverk på upp till 14 MW. Bland de största vindkraftverken ute till havs, är direktdrivna vindkraftverk dominerande på grund av en högre driftssäkerhet och livslängd på komponenterna. En stor nackdel med dessa direktdrivna vindkraftverk är att för att få ut en hög effekt ur en relativt låg rotationshastighet, behöver generatorerna vara väldigt stora och blir då väldigt tunga. Syftet med det här arbetet var att titta närmare på vilka fördelar som potentiellt finns med att halvera vikten på nacellen som innehåller drivlinan och generatorn. De delarna som utreds i den här rapporten är viktens inverkan på vindkraftverkets torn och fundament men även kostnader för att transportera och montera vindkraftverk. Då allting som rör vindkraftverk är väldigt komplext, har en hel del förenklingar fått göras. För det första förenklades vindkraftverks torn till en fast inspänd balk med en punktmassa på toppen, vilket motsvarar massan för nacellen, hubben och bladen. När det kommer till transporter och montering har det inte gått att få fram exakt vad det kostar att transportera och montera en nacell, men utifrån en del data kunde uppskattningar göras för att skapa en bild av vad kostnaderna låg på och vilka kostnadsfördelar som skulle kunna finnas av att minska vikten. För att få bra data på olika vindkraftverk användes data för olika referenskraftverk som finns tillgängliga för forskningssyfte. De som användes var NREL 5 MW, LW 8 MW, DTU 10 MW och IAE 15 MW. Efter beräkningar på dessa vindkraftverk kan det konstateras att en minskning av krafterna som verkar på fundamenten är den stora fördelen men en halverad vikt på nacellen. I de beräkningar som gjordes låg minskningarna på mellan 13 17%. När det kommer till viktens inverkan på tornet är det svårare att dra några klara slutsatser. Enligt beräkningarna minskade de maximala tryckspänningarna med ungefär %, medan dragspänningarna istället ökade med %. Tryckspänningarna i tornet var de största och därav minskar de största spänningarna i

4 i tornet, men då till exempel vissa vindkraftverks torn är gjorda i betong, som är sämre på att ta upp dragspänningar, kan ökande dragspänningar vara något som vill undvikas. När beräkningar gjordes för egenfrekvenserna på tornet visade de att egenfrekvensen ökar med ungefär 20 % vid en halverad vikt, vilket både kan vara en fördel och en nackdel. När det kommer till kostnader för transporter och montering är det svårt att ge en exakt siffra eller procentsats över hur mycket billigare det blir. Det kan vara allt från några tiotusentals kronor per nacell i vissa delar, upp till miljontals kronor för ett helt projekt i andra delar. Nyckelord: Kostnad, Lågviktsdrivlina, Nacell, Vindkraftverk ii

5 Bachelor Thesis TRITA-ITM-EX 2021:359 Benefits with lightweight drive train in wind turbines Johan Rosén Approved 2021-month-day Examiner Stefan Björklund Commissioner KTH Machine Design Supervisor Stefan Björklund Contact person Stefan Björklund Abstract Today there is a large amount of different wind turbines, from small onshore turbines with an effect of only a few kilowatts to huge offshore turbines with an effect of 14 MW. The largest offshore turbines are dominated by turbines with a direct drive drivetrain due to a higher operational reliability and longer life span of the components. A major disadvantage of these direct-drive wind turbines is that in order to have a high power output from a relatively low rotational speed, the generators become very large and heavy. For this project, the purpose is to analyze the potential benefits of lowering the weight of the nacelle, which contains the drivetrain and the generator. The parts discussed in this report are the nacelle s weight s impact on the wind turbine s tower and its foundation and the costs for transporting and assembling wind turbines. Since everything that concerns wind turbines is very complex, a lot of simplifications had to be made. First of all, the wind turbine s tower was simplified as a cantilever beam with a mass at the top corresponding to the mass of the nacelle, hub and blades. When it comes to transportations and installations, it has not been possible to find out the exact costs to transport and install a nacelle, but based on some data, estimations could be made of what the costs are and what benefits there could be of reducing the weight. To get reliable data on different wind turbines, reference turbines were used. These are turbines used for research and almost all information is accessible online. The reference turbines that were used were the NREL 5 MW, the LW 8 MW, the DTU 10 MW and the IAE 15 MW. After calculations on these wind turbines, it became clear that the forces affecting the foundations are the biggest advantages (regarding forces) with a reduced weight on the nacelle. In the calculations that were made, the forces were reduced by between 13-17% if the nacelle weighs 50% less. When it came to the impact of weight of the nacelle had on the tower, it was more difficult to come to any clear conclusions. The calculations shows that the maximum compressive stresses decreased by approximately % while the tensile stresses increased by %. The compressive stresses in the tower were the largest and hence, the largest forces on the tower iii

6 decrease. But since some wind turbines are made of concrete, which isn t as good on taking tensile forces, therefor increasing tensile stresses may be undesirable. When analyzing the natural frequencies of the different towers, calculations showed that the natural frequency were raised by approximately 20%. When it comes to costs of transportations and installations, it is difficult to give an exact figure or percentage of how much cheaper it will be. It could range from a couple of thousand US dollars per nacell in some instances, up to a several hundred thousand US dollar for an entire project in other instances. Keywords: Cost, Lightweight, Nacelle, Wind turbine iv

7 FÖRORD Jag vill först och främst rikta ett stort tack till min handledare Stefan Björklund för all hjälp och allt stöd som jag har fått under det här projektet. Det har verkligen hjälpt mig i mitt arbete att ha någon annan än mig skälv att bolla idéer och tankar med. Jag vill även rikta ett stort tack till alla de personer och företag som jag har varit i kontakt som har hjälp mig med information och data för att kunna genomföra det här projektet. Johan Rosén Stockholm, Maj 2021 v

8 vi

9 NOMENKLATUR Beteckningar Symbol Beskrivning AS Svept area (m 2 ) AT Tvärsnittsarea (m 2 ) CT Kraftkonstant (-) dt E f FT Tornets diameter(m) E-modul (Pa) Frekvens (Hz) Tryckkraft (N) g Gravitationskonstant (m/s 2 ) H Hubbhöjd (m) I Tröghetsmoment (m 4 ) m Massa (kg) M Moment (Nm) t Tjocklek (m) v Vindhastighet (m/s) Utböjning (m) Densitet (kg) Spänning (Pa) Förkortningar DTU FEM IEA LW NREL WTIV Danmarks Tekniska Universitet Finita elementmetoden International Energy Agency Lagerwey National Renewable Energy Laboratory Wind turbine installation vessel vii

10

11 INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 INTRODUKTION Bakgrund Syfte Avgränsning Metodik 2 2 REFERENSRAM Vindkraftverkens komponenter Forskning om kostnader för vindkraftverk Data för olika vindkraftverk 6 3 TRANSPORTER Vindkraftverkens komponenter Forskning om kostnader för vindkraftverk Data för olika vindkraftverk Data för olika vindkraftverk 9 4 MONTERING Vindkraftverkens komponenter Forskning om kostnader för vindkraftverk Data för olika vindkraftverk 14 5 KRAFTANALYS Vindkraftverkens komponenter Forskning om kostnader för vindkraftverk 19

12 6 DISKUSSION OCH SLUTSATSER Diskussion Slutsatser 24 7 REKOMMENDATIONER OCH FRAMTIDA ARBETE 25 8 REFERENSER 27

13 1 INTRODUKTION 1.1 Bakgrund I dagsläget finns det en mängd olika storlekar på vindkraftverk, allt från små landbaserade vindkraftverk på några hundra kilowatt till havsbaserade kraftverk på upp till 14 MW. Något som är gemensamt med de större vindkraftverken är att de ofta har en direktdriven drivlina. Med det menas att generatorn är direkt kopplad till rotorn och därav roterar med samma hastighet. I mindre vindkraftverk är det vanligare med en växlad drivlina som kan ge en högre rotationshastighet i generatorn. För att kunna få ut en hög effekt från ett direktdrivet vindkraftverk krävs det en betydligt större generator än i fallet med en växlad drivlina. De stora generatorerna väger mycket vilket gör att nacellerna i de största vindkraftverken kan väga upp till 700 ton. Dessutom är den stora generatorn skrymmande och gör att nacellen blir väldigt stor. Fördelarna med direktdrivna drivlinorna är generellt att livslängden och driftssäkerheten är bättre och de kräver mindre underhåll. Den stora storleken och framförallt den höga vikten kan däremot bli problematisk när det kommer till transporter och montering. Dessutom leder det till stora krafter på torn och fundament. De stora krafterna på tornen och fundamenten gör att de behöver vara stora och tunga för att kunna ta upp dessa. 1.2 Syfte På grund av alla de utmaningarna med dagens tunga naceller, finns det hypotetiskt sett flera fördelar att vinna på att använda en nacell som väger mindre. I det här arbetet undersöks vilka fördelar som fås om vikten i nacellerna halveras. Syftet kommer därför bland annat vara att skapa en tydligare bild av vilken problematik som finns kring att transportera och montera nacellen. Det kommer även att vara att skapa enkla beräkningsmodeller för att kunna analysera nacellens vikts inverkan på de krafter och spänningar i torn och fundament. Ett vindkraftverk påverkas av cykliska laster och krafter bland annat från bladens rotation. Därför är det viktigt att ha koll på strukturernas egenfrekvens och i det här arbetet är syftet även att skapa enkla modeller för att kunna analysera nacellens vikts inverkan på tornets egenfrekvens. 1.3 Avgränsningar Det här arbetet har inte för avsikt att undersöka hur man kan minska på vikten av nacellen, utan kommer endast att undersöka vilka fördelar det kan föra med sig om man lyckas minska vikten med samma kvalitet och livslängd som i dagens direktdrivna drivlinor. Efter en inledande undersökning valdes det även bort att räkna ingående på kostnader när det kommer till transporter och montering av vindkraftverk. Detta är något som påverkas av många olika faktorer vilket gör att det blir svårt att veta vilka kostnader som är direkt kopplade till nacellens vikt. Istället kommer fokus att ligga på att skapa en så bra bild som möjligt att vad olika processer kan kosta och sedan göra en uppskattning på kostnadsminskningar vid en minskad vikt. 1

14 1.4 Metodik För att analysera egenfrekvenserna av tornen och krafterna som verkar på tornen och fundamenten behöver en del förenklingar att göras. Vindkraftverket betraktas som en fast inspänd balk med en massa längst ut, vilket kommer att utgöra en tillräckligt god modell för det här arbetet. Problemet kan då analyseras med enklare balkdynamik. Utifrån detta är det tänkt att göra beräkningar för olika fall i MATLAB för att se hur krafterna varierar. De delarna som analyseras är krafterna som fundamenten upptar från tornet under drift och vilka spänningar som uppstår i tornet. Utöver dessa fall undersöks det med hjälp av balkanalys hur tornets egenfrekvens påverkas av vikten på nacellen. För att få tillförlitliga data om olika vindkraftverk används olika referensvindkraftverk. Dessa är tillgängliga för alla och används i forskningssammanhang eftersom tillverkare sällan publicerar data över sina vindkraftverk. I den andra delen av projektet där det kommer till att undersöka hur vikten påverkar transporterna och monteringen, har företag inom transport- och monteringsbranschen kontaktats för få information om kostnader. Den informationen som inte gått att få direkt från företagen har tagits fram genom att läsa rapporter och artiklar om ämnet samt genom att se filmer och dokumentärer i den utsträckning det går. 2

15 2 REFERENSRAM 2.1 Vindkraftverkens komponenter Ett vindkraftverk består av en mängd olika komponenter med allt från de mekaniska delarna som ska omvandla vindenergin till el, till de kontrollsystem som ser till att vindkraftverket kan övervakas från ett kontrollcenter på distans. Vindkraftverkets övergripande delar kan delas upp till bladen, hubben, nacellen och tornet. Dessa kan sedan i sig delas upp i många fler komponenter, men det är dessa övergripande delar som behandlas och används i det här arbetet. Komponenternas placering visas i figur 1 nedan. Figur 1. Vindkraftverkets delar 3

16 2.1.1 Tornet Tornen i vindkraftverk kan se väldigt olika ut och i mindre vindkraftverk ser vi i dag alternativa lösningar till de klassiska tornen. Bland annat görs forskning på att använda trä som material till vindkraftverk. (Söderin. 2020) Tornen behöver alltid dimensioneras för den typ av vindkraftverk som ska monteras på tornet, eftersom krafterna som upptas av en turbin varierar mellan olika vindkraftverk. Detta gör att tornets egenskaper behöver matcha specifikt den turbin som ska monteras. Det gör att det finns väldigt många olika typer av torn i olika material och med olika egenskaper. Nedan kommer en kort presentation av de olika typerna av torn som används i vindkraftverk. Fackverkstorn Dessa är torn som är byggda av flertalet stöttor i fackverksdesign och är ett enkelt sätt att bygga ett stabilt och styvt torn. Fackverkstorn används normalt sett inte i kommersiellt bruk sedan införandet av stålrörstorn, men används framför allt i forsknings- och testningssyften. Stålrörstorn Torn gjorda av stålrör är i dag den vanligaste typen av torn i vindkraftverk. Fördelen med stålrörstorn är stålets goda materialegenskaper och det blir därför lättare att dimensionera ett stålrörstorn efter önskade egenskaper. Betongtorn I viss utsträckning används torn helt gjorda av betong som förstärks med stålkablar. Fördelen med betong är att det tål tryckande krafter väldigt bra men är lite mer känsligt för dragkrafter. Kombinerade betong och ståltubstorn Ett annat vanligt förekommande alternativ är en kombination av betong- och stålrörstorn. I dessa torn bygger man en bas av betong för att sedan montera ett stålrörstorn ovanpå Nacellen Nacellen är vindkraftverkets maskinhus och sitter monterat högst upp på vindkraftverket. I nacellen finns bland annat drivlinan, generatorn och girsystemet. Drivlinan kan som tidigare nämnts delas upp i direktdrivna drivlinor och växlade drivlinor. Till drivlinan kopplas generatorn och vilken generator som används beror på vilken drivlina som används. Girsystemet är det system som ser till att vindkraftverket alltid är vinklat mot vinden och på så sätt ser till att vindkraftverket kan utnyttja vindkraften oavsett vindriktning. Nacellens tyngdpunkt kan variera mellan olika vindkraftverk och i vissa fall är den nära centrum för tornet och vissa fall är den lite närmare bladen (framtung). En tyngdpunkt som ligger lite närmare bladen skapar ett böjande moment i tornet som kan kompensera för eventuell utböjning vid drift (Söderin. 2020). I fortsättningen antas dock att tyngdpunkten för nacellen ligger centrerat mot tornet. 4

17 2.1.3 Bladen Grunden för att omvandla vindens energi till elektrisk energi finns i bladen. Bladen varierar mycket i storlek och kan vara allt från några meter till över 100 meter långa. Bladen är något som utvecklas hela tiden och alla tillverkare har sina egna blad med egna profiler. Detta gör att det blir lite komplicerat när förenklingar ska göras eftersom alla blad tar upp olika mycket vind och är anpassade för olika turbiner. En grov, men ändå viktig förenkling för att kunna titta på kraftupptagningen är bladens kraftkonstant CT, på engelska thrust coefficient. Denna varierar mellan 0 1 beroende på hur bladet är vinklat mot vinden. Vid låga vindhastigheter vinklas bladen för att ta upp mer kraft vilket ger en högre CT närmare 1 och vid högre vindhastigheter vinklas bladen för att ta upp mindre kraft vilket ger en lägre CT. Maximal kraftupptagning sker vid den nominella vindhastigheten som ligger runt 11 m/s och då har CT ett värde runt 0.7. (Desmond, Murphy, Blonk, Haanz. 2016) Fundamenten Det här ser lite olika för ut för land- och havsbaserade vindkraftverk. Till havs finns det både flytande torn utan markfast fundament, men det vanligaste typen är att ett stålrör trycks ner cirka 30 meter ner i havsbotten och sedan sticker upp cirka meter ovanför havsytan. På det röret kan sedan resterande delen av tornet monteras. Fundamenten är kostsamma och för havsbaserade vindkraftverk med markfast fundament utgör kostnaderna för fundamenten cirka 10% av de totala kostnaderna. (Stehly & Beite. 2020) När det kommer till landbaserade vindkraftverk varierar fundamenten en del beroende på vilka markförutsättningar som gäller på monteringsplatsen. Den vanligaste typen är att en stor grop grävs ut för att sedan fyllas igen med armerad betong. Detta skapar en stabil grund för kraftverket att stå på. Likt för havsbaserade vindkraftverk är kostnaderna för fundamenten stora, men i utgör för landbaserade vindkraft ungefär 3 % av de totala kostnaderna. (Stehly & Beite. 2020) Hubben Hubben är den del där bladen monteras och är kopplad till drivaxeln. I hubben finns styrsystemen som styr vinkeln på bladen och på så sätt kan styra hur mycket vind bladen tar upp. Hubben är oftast tillverkad i stål och utgör en stor del av den totala toppmassan på vindkraftverken. 2.2 Forskning om kostnader för vindkraftverk När det kommer till kostnader finns det mindre forskning tillgänglig. Forskningen inom kostnader för vindkraft är oftast väldigt ytligt gjort när det kommer till transporter och monteringar. Denna är oftast hopslagen till en summerad kostnad för alla transport och hanteringskostnader och för alla kostnader relaterat till installation och montering. Detta gör det lite svårt för att bryta ner dessa delar i sina beståndsdelar. En av de stora organisationerna, National Renewable Energy Laboratory (NREL) presenterar med jämna mellanrum en lite mer ingående rapport om just kostnader för vindkraftverk, men även dessa har sina begränsningar. 5

18 2.3 Data för olika vindkraftverk Det finns en mängd olika typer av vindkraftverk på marknaden idag och alla är byggda på lite olika sätt. För att få en uppfattning om hur krafterna varierar studeras fallen för olika referensvindkraftverk. Dessa är IAE 15 MW, DTU 10 MW, LW 8 MW och NREL 5 MW. En sammanfattning av de viktiga egenskaperna sammanställs i tabell 1. OBS. De tre minsta referensturbinerna är växlade vindkraftverk, men eftersom de är framtagna för att vara referenser för forskning är de inte optimerade för att ha en minimerad vikt. De ligger viktmässigt i närheten av vad flera av de kommersiella direktdrivna vindkraftverken och därför kan de anses ge en tillräckligt bra bild över de potentiella vinsterna med en lättviktsdrivlina. Tabell 1. Sammanställning av data för referensturbiner IAE 15 MW DTU 10 MW LW 8 MW NREL 5 MW Rotordiameter (m) Hubbhöjd (m) Nacellens vikt (t) Bladvikt (t) Hubbens vikt (t) Tornets vikt (t) Tornets diameter (m) Tornets tjocklek (mm) Källor: (Desmond et al. 2016), (Jonkman, Butterfield, Musial, Scott. 2009), (Gaertner, Rinker, Zahle, m.fl. 2020) 6

19 3 TRANSPORTER 3.1 Vindkraftverkens transportprocess Vindkraftverken transporteras i huvudsak på två sätt, antingen på land med tungviktstrailers eller på vattenvägar på fartyg som ofta har specialbyggda plattformar för att kunna transportera alla delarna. Eftersom vindkraftverken är tunga och komponenterna väldigt stora, blir det många faktorer som påverkar priset. Allt från kranar, lagerhållning, bränsleförbrukning, byggnation av lastplattformar m.m. påverkar slutpriset vilket leder till att prisindikationerna bara blir uppskattningar och skiftar mycket mellan olika projekt och vindkraftverk. När ett vindkraftverk ska transporteras genomgår det olika många steg beroende på om det ska monteras ute till havs eller på land. En annan viktig faktor är var fabrikerna är placerade. Eftersom de största vindkraftverken som monteras ute till havs är väldigt tunga och skrymmande blir vägtransporter fort begränsande. Därför placeras gärna fabrikerna vid kusten för att kringgå detta hinder. För att sätta upp en enkel bild över transportprocessen kan man dela upp de i följande steg. Först ska vindkraftverket transporteras från fabriken till närmaste hamn (om fabriken inte redan är placerad vid havet) Därefter skickas kraftverken med båt till en hamn i närheten av monteringsplatsen. Till sist körs de vidare till monteringsplatsen, antingen via väg för landbaserade eller med installationsfartyg för havsbaserade kraftverk. En viktig detalj som kan vara kanske inte framkommer när man tittar på transporter är de olika mellanstegen, t.ex. lagerhållning och att lasta nacellen på och av båtar eller och lastbilar. Tunga kranar krävs för att lyfta på och av nacellerna från båtar och trailers och sedan behöver de ibland förflyttas mellan olika förvaringsplatser. Dessa småsteg kan ha stora kostnadspåverkningar, men är samtidigt svåra att uppskatta. 3.2 Vägtransporter När ett vindkraftverk ska transporteras på vägar blir det en utmaning för logistiken. Eftersom många viadukter enbart har en fri höjd på några meter, skulle inte vindkraftverkets delar kunna passera genom dessa. Detta gör att transportvägen måste planeras noggrant och den kortaste eller snabbaste vägen inte alltid kan tas Transportmetod För att transportera nacellen på vägar används speciella trailers för tunggodskörning. Vanliga trailers som används för att transportera naceller klarar oftast en maximal vikt på ca 100 ton. Det finns även de som klarar mer än det, men dessa finns inte i lika stor utsträckning. I vissa fall delas nacellen upp i olika komponenter och transporteras separat till monteringsplatsen där de senare monteras ihop på plats. Nacellen delas då upp i maskinhuset, generatorn och drivlinan. (Gosman. 2020) Om vikten i nacellen halveras skulle potentiellt alla dessa tre delar kunna transporteras tillsammans och på så vis minska kostnaderna. Detta gäller inte i alla fall, utan i vissa fall transporteras hela nacellen på en transport. En minskning av nacellens vikt skulle däremot leda till 7

20 att lättare trailers och mindre lastbilar kan användas, vilket bl.a. leder till att bränsleförbrukningen minskar Kostnader för vägtransporter Kostnaderna har en direkt koppling till vikten och genom en minskad vikt på nacellen fås en direkt skillnad på priset. I de fallen där nacellen delas upp i olika transporter kan i bästa fall hela nacellen transporteras i en och samma transport om vikten halveras. Tyvärr finns det inga tillgängliga data på hur mycket det kostar att hyra olika typer av trailers m.m, men en uppskattning är att priserna ligger någonstans mellan $30,000 upp till $100,000 beroende på längden av transporten. (Baker. 2019). Delas kostnaderna upp mellan turbinbladen, tornet och nacellen i lika stora delar, kan det uppskattas att nacellen kostar runt $10,000 till $30,000 att transportera. I de fallen där nacellen transporteras i olika delar skulle det kunna innebära att kostnadsbesparingar på ungefär $6,000 till $20,000 per nacell om de istället kan köras i en och samma transport. 3.3 Transporter på vattenvägar Vägtransporter kräver som tidigare nämnts mycket planering på grund av vindkraftverkens storlek. För att transportera vindkraftverk långa sträckor används istället vattenvägen om möjligt. Detta eftersom vattenvägen har få begränsningar på storleken av det som transporteras. Att skicka saker via vattenvägar tar däremot lång tid, i vissa fall flera veckor. Eftersom kostnaderna för montering av vindkraftverk är höga och tidsberoende, är det viktigt att allting finns redo när monteringen påbörjas. Däremot vill man inte behöva lagerhålla vindkraftverken onödigt länge då detta också kostar mycket pengar. Detta påvisar vikten att ha effektiva transportmetoder och korta väntetider Transportmetoder För att transportera vindkraftverk och framför allt nacellen används vanligtvis tunggodsfartyg som är speciellt anpassade för att frakta tunga och skrymmande laster. Till skillnad från containerfartyg är dessa fartyg ofta utrustade med en egen kran för att kunna hantera vikterna för det tunga godset. Exakt hur ett vindkraftverk transporteras skiljer sig väldigt mycket mellan olika projekt. Bladen, nacellerna och tornet produceras inte alltid på samma plats och därför transporteras dessa ibland separat och ibland transporteras de tillsammans. (Transporter till monteringsplatsen tas upp i kapitel 4.1 då dessa är kopplade till olika monteringsalternativ.) Transportkostnader På grund av variationer i transportmetoder och avsaknad att tillgänglig information om transportkostnader blir det svårt att uppskatta hur mycket kostnaderna skulle ändras nacellens vikt halveras. Priset för vattentransporter ligger i storleksordningen runt 90,000 EUR per vindkraftverk. Fördelas det ut lika mellan nacellen, turbinbladen och tornet motsvarar det 30,000 EUR per nacell. Däremot är det inte alltid vikten på lasten som är begränsande när vindkraftverk ska transporteras. Det handlar istället oftast om storleken på komponenterna som är den största begränsningen. (Kjærgaard. 2021) 8

21 3.4 Hanteringskostnader Mellan de olika transportstegen ska nacellen lyftas av och på trailers/båtar vilket kräver kraftiga kranar. Att lyfta på en nacell på en båt eller trailer är ett precisionsarbete och det handlar om centimetrar och är därför tidskrävande. Vid monteringsplatsen på land är det samma kran som är inhyrd för resten av monteringen som lyfter av nacellen från trailern, medan vid hamnar finns det ofta flera olika kranar för olika tunga lyft. Kostnaden för kranhyran i det fallet är direkt kopplat till vikten på nacellen eftersom den bestämmer hur kraftig kran som behöver användas. I Hamburgs hamn ligger kostnaden för lyft med portalkran upp till 60 ton kring 72 EUR/ton. Om det antas att den kostnaden även gäller vid lyft över 60 ton kan jämförelser mellan olika vikter på nacellen göras och visas i tabell 2. Utöver lyft finns det även rena hanteringskostnader och i Hamburgs hamn ligger dessa kostnader på cirka 64 EUR/ton upp till 60 ton. (EUROGATE. 2016) Detta är ungefär lika stort som för kostnaden kranlyften och den hanteringskostnaderna blir något lägre än de priserna givna i tabell 2. Tabell 2. Uppskattad krankostnad per nacell för lyft vid hamn Nacellens massa (ton) Kostnad för lyft i hamn (SEK) 50 36, , , , ,600 9

22 10

23 4 MONTERING 4.1 Monteringsmetoder Det finns olika tillvägagångssätt när vindkraftverk monteras, delvis beroende på hur vindkraftverkets delar är uppbyggda samt vilka delar som är färdigmonterade. Tornet I de flesta havsbaserade vindkraftverk är tornet färdigmonterat eller är uppdelat i två delar. (Ahn, Shin, Kim, Kharoufi, Kim. 2017). Detta gör att tornet endast kräver ett till två stycken lyft. För landbaserade vindkraftverk med torn av betong och stål delas dessa ofta upp i flera mindre segment. (Free Documentary. 2020) Toppdelarna - Bladen, nacellen och hubben Dessa delar kan lyftas i flera olika konstellationer. Ibland lyfts alla delar för sig och monteras på plats, medan i vissa fall monteras alla bladen på hubben i förväg för att sedan monteras på nacellen på plats. Fördelen med att montera varje del för sig på plats är att varje lyft blir lättare och det kräver inte lika kraftiga kranar. Att förmontera vissa delar leder istället till färre lyft och potentiellt till en snabbare monteringstid, vilket har en direkt inverkan på kostnaderna. Nackdelen är att varje lyft blir tyngre och kräver kraftigare kranar. De är två sätt som är de vanligaste att montera toppdelarna på havsbaserade vindkraftverk. Det ena är att hubben förmonteras på nacellen som då kan lyftas i ett lyft, därefter monteras alla tre bladen för sig. Det andra är att alla tre bladen förmonteras på hubben. Då lyfts nacellen för sig och sedan kan hubben med blad lyftas upp i ett lyft och monteras direkt på nacellen. (Ahn et al. 2017) Oftast är det vikten som påverkar hur mycket som kan lyftas på en och samma gång. Halveras vikten på nacellen ger det en större frihet till olika typer av lyftkonstellationer och det kan då göra att antalet lyft minskas. 4.2 Montering av havsbaserade vindkraftverk Att montera vindkraftverk är kostsamt och utgör ungefär 5% av de totala kostnaderna för havsbaserade vindkraftverk med markfast fundament (Stehly & Beite. 2020). Det finns också olika sätta att montera vindkraftverk till havs, allt från flytande kranar till specialbyggda installations fartyg WTIV Wind turbine installation vessel Det vanligaste sättet att montera vindkraftverk idag är med hjälp av så kallade WTIV, wind turbine installation vessel. Dessa är specialbyggda fartyg för att montering av vindkraftverk och annan utrustning till havs. Det speciella med dessa är att de är utrustade med både en kraftig kran och med långa ben som de kan sänka ned i havsbotten. Med hjälp av dessa ben kan fartyget hissas upp från vattenytan och fungerar då som en installationsplattform. Detta gör att fartyget blir stabilt när det ska montera vindkraftverk med hög precision. Dessa fartyg är inte billiga och dagshyran av dessa ligger mellan $150,000 och $250,000 (Ahn et al. 2017). Det finns bara ett fåtal utav dessa fartyg vilka sedan ska fördelas på marknadens ökade efterfrågan (The Maritime Executive. 2020). 11

24 En överblick över några WTIVs som finns idag och deras kapacitet finns listad i tabell 3. Som med alla kranar minskas däremot krankapaciteten för dessa vid höga höjder vilket leder till stora begränsningar för de största vindkraftverken. Tabell 3. Kapacitet för några WTIVs idag Fartygets namn Lastkapacitet (ton) Lastutrymme (m 2 ) Krankapacitet (ton) Pacific Osprey 8, ,200 Voltaire 14,000 7,000 3,000 Vole au vent 6,500 3,535 1, Lastpråmar Källor: (jandenul.com), (Snyde. John. 2020), (offshorewind.biz) Pråmar är fartyg som saknar egen framdrivning och måste ta hjälp av en bogserbåt för att kunna förflyttas. Dessa består ofta ett enkelt båtskrov eller kan de vara flatbottnade och har i princip endast ett stort lastdäck. Pråmar är väldigt enkla i sin konstruktion och kan flytta olika typer laster. Flexibiliteten gör att lastpråmar är relativt billiga och kostar runt $30,000 till $50,000 i dagshyra beroende på storlek (Ahn et al. 2017). Lastpråmar används för att köra ut vindkraftverkens delar till installationsplatsen och behöver sedan kombineras med någon form av lyftkran för att montera vindkraftverken. De vanligaste alternativen är kranpråmar eller självresande pråmar Självresande pråmar En annan typ av lyftanordningar som används vid vindkraftsinstallationer till havs är självresande pråmar. Dessa är plattformar utan egen motor vilket innebär att de behöver bogseras när de ska flyttas. Till skillnad från vanliga pråmar har självresande pråmar likt en WTIV ben som de kan köra ned i marken för att hissa upp plattformen ovanför vattenytan vid montering. Dagshyran för dessa självresande pråmar ligger mellan $100,000 $180,000 (Ahn et al. 2017). Fördelen med dessa är att de generellt klarar av att ha större och kraftigare kranar än WTIVs. Nackdelen är istället att de kräver ytterligare fartyg som kör ut lasten och bogserbåtar för att förflytta dem. Bogserbåtar kostar runt $1,000 $5,000 per dag och priset beror på hur kraftig bogserbåt som behöver användas. (Ahn et al. 2017) Kranpråmar Den sista typen av kranar som används vid montering av vindkraftverk är kranpråmar. Dessa är mer eller mindre bara en stor kran monterad på ett flytande skrov. Eftersom fokuset för dessa är kranen, kan kranen göras väldigt kraftig till kostnad att det egna lastutrymmet blir litet. Dessa används ofta för att installera fundamenten till vindkraftverken. Dagshyran på dessa ligger mellan $80,000 $100,000 och de kräver i sin tur även bogserbåtar och lastpråmar som komplement. (Ahn et al. 2017) 12

25 4.2.5 Kostnadsberäkningar Ett sätt att studera en potentiell skillnad med en halverad vikt på nacellen är om totalvikten begränsar hur många vindkraftverk en WTIV klarar av. Detta bortser då helt från storleksbegränsningen på lastutrymmet som i vissa fall kan vara den egentliga begränsande faktorn. Storleksbegränsningen är svårare att utvärdera då det beror på vilken monteringsmetod som används. För få fram hur många extra kraftverk som ett fartyg klarar av delas fartygets lastkapacitet med totala vikten för ett kraftverk. Antalet extra vindkraftverk som kan lastas med avseende på lastkapaciteten om nacellens vikt halveras, visas i tabell 4 nedan. Tabell 4. Antal extra vindkraftverk som skulle kunna lastas vid halverad vikt på nacellen / antal vindkraftverk initial Fartyg IAE 15 MW DTU 10 MW LW 8 MW NREL 5 MW Pacific Osprey 1 st / 4 st 1 st / 6 st 1 st / 8 st 2 st / 14 st Voltaire 1 st / 7 st 3 st / 10 st 2 st / 13 st 4 st / 20 st Vole au vent 1 st / 3 st 1 st / 5 st 1 st / 7 st 2 st / 9 st Detta ger en ökad kapacitet från 12.5 % i de fallen med minst ökning, upp till 33 % i de fallen med störst skillnad. Detta gör att om t.ex. ett projekt ska montera 50 stycken vindkraftverk, kan antalet resor fram och tillbaka mellan hamnen och monteringsplatsen minska med 1 4 resor för de två större vindkraftverken (IAE och DTU). För de två mindre vindkraftverken blir det antingen ingen skillnad eller sparas det in en resa. Antas att tiden fram och tillbaka mellan hamnen och monteringsplatsen tar en hel dag så skulle priset för monteringen kunna minska med ungefär 1 8 miljoner kronor i de fallen då en minskning av antalet resor sker. 4.3 Montering av landbaserade vindkraftverk Vid montering av landbaserade vindkraftverk används vanligtvis två olika typer av kranar. Den ena är larvkranar som är banddrivna och den andra är mobilkranar. De har båda sina för- och nackdelar där larvkranen har fördelen att den generellt sett klarar av tyngre lyft på höga höjder, men den är istället långsammare förflytta. En mobilkran är som namnet indikerar mer mobil då den är hjulburen och har stödjeben för att stå stabilt på marken. Det gör att den lättare kan förflyttas mellan monteringsplatser och kan arbeta i ojämnare markförhållanden då stödjebenen kan kompensera för mindre höjdskillnader. En halverad vikt på nacellen innebär då att lättare kranar kan användas och då kan även mobilkranar användas i större utsträckning. En annan fördel med larvkranar är att de kan förflytta sig medan de lyfter vilket kan vara en viktig fördel då kranar tappar kapacitet om lyften görs längre ifrån kranen. Vid monteringen av protypen för Haliade X 12 MW som monterades på land, var man tvungen att använda dubbla larvkranar för att kunna lyfta den 675 ton tunga nacellen till en höjd på 150 meter. (Liebherr. 2019) Haliade X är visserligen ett vindkraftverk som är byggt för att placeras ute till havs, men då vindkraftverken fortsätter att öka i storlek är det en viktig indikation på hur det skulle kunna se ut i framtida vindkraftverk. Skulle vikten på nacellen halveras i det här fallet kan monteringskostnaderna minska drastiskt då enbart en kran hade behövts användas. 13

26 14

27 5 KRAFTANALYS 5.1 Krafter på vindkraftverk I verkligheten är vindkraftverk komplexa med stort fokus på aerodynamik. I det här projektet förenklas aerodynamiken till att enbart titta på kraften som upptas av bladen. Utöver aerodynamiken är även vindkraftverkets uppbyggnad både komplex och varierad. Som det behandlades i avdelning finns det olika typer av torn och det vanligaste tornet för de största vindkraftverken är stålrörstorn. Dessa kommer att användas i beräkningarna då andra typer av torn varierar mer i sin konstruktion. När tornet ska dimensioneras, görs FEM-beräkningar för att få fram mer exakta krafter på tornet och de olika komponenterna. I det här projektet behandlas vindkraftverken som en fast inspänd balk för att göra enklare beräkningar över krafterna på och i tornet Förenkling av problemet/friläggning När det kommer till vilka krafter som påverkar tornet och fundamenten finns det många olika faktorer att ta hänsyn till. Många av dessa är svåra att analysera utan att göra ingående simuleringar. Till exempel är det oftast en ojämn kraftfördelning på turbinbladen på grund av turbulens i vinden som ger upphov till vridande krafter i tornet. Om det är ojämn viktfördelning mellan turbinbladen leder det till cykliska påfrestningar på vindkraftverket. Även andra typer av cykliska exciterande krafter från t.ex. rotorn och girsystemet är av intresse när dimensionering av tornet ska göras. I det här arbetet förenklas krafterna till tre huvudsakliga krafter. Ena kraften är tryckkraften (engelska thrust force ) från vindens tryck på bladen. Den kraften angriper vindkraftverket horisontellt i toppen på tornet och ger upphov till ett böjande moment i tornet och fundamenten. Utöver tryckkraften finns också tyngdkraften från toppmassan som består av nacellen, hubben och de tre bladen, samt tyngdkraften från tornets egenvikt. För att kunna ge en bild av problemet kan ett vindkraftverk förenklas till en balk med en punktmassa på toppen. I figur 2 illustreras en friläggning av tornet med krafterna utsatta, där FT är dragkraften från bladen och m är den summerade toppmassan, Q är tornets egenvikt och Rx, Ry och M är reaktionskrafter som upptas av fundamentet. Godstjockleken förändras i verkligheten från tornets bas till topp, men eftersom förändringen är minimal och det maximala böjande momentet är sker i tornets bas, används bara tornets tjocklek i tornets bas (längst ned i tornet). För att beräkna utböjningen av tornet förenklas det ytterligare till en rak balk med konstant böjstyvhet. För att få en någorlunda representativ utböjning används snittdiametern på tornet. 15

28 5.1.2 Analysmodell Figur 2. Friläggning av tornet som fast inspänd balk Tryckkraften FT är beroende av hur bladprofilen ser ut för olika turbinblad. Kraften kan beräknas med formeln F T = 1 2 A Sρv 2 C T (1) där AS är den svepta arean för turbinbladen, är luftens densitet vid normalt tryck vid havsnivå. v är vindhastigheten och i beräkningarna används den hastighet där vindkraftverken tar upp störst kraft (Söderin. 2020). Detta sker vid vindkraftverkens nominella vindhastighet vilket ligger runt 11 m/s. CT är kraftkonstnanten och som är beskrivet i kap ligger den runt 0.7 vid den nominella vindhastigheten. Med hjälp av tryckkraften från ekvation 1 kan det böjande momentet i en snittyta bestämmas genom att multiplicera kraften med höjden från snittytan till angreppspunkten. I botten av tornet blir det hubbhöjden. Utböjningen för tornet kan bestämmas enligt δ = F TH 3 3EI där E är materialets e-modul och för stål ligger den runt 200 GPa. I är tvärsnittets tröghetsmoment och för ett tunnväggigt rör med diametern dt och tjockleken t kan den bestämmas som (2) I = πd t 3 t (3) Den spänning som det böjande momentet ger i tornet kan bestämmas genom att kombinera ekvationerna 1 3 och det ger σ = F TH + mgδ z (4) I 16

29 z är avståndet från tvärsnittets tyngdpunkt till punkten som studeras. Eftersom momentet kommer att ge en maximal dragspänning längst ut på ena sidan av tornet och en maximal tryckspänning på andra sidan kan z beskrivas som z = ± d t 2 Utöver det böjande momenten fås även tryckspänningar från tornets egenvikt och den totala toppmassan. Tryckspännignen längst ner i tornet från tornets egenvikt beräknas med (5) σ = Q A t (6) Q = m torn g (7) där AT är tvärsnittsarean. Tryckspänningen från toppmassan beror direkt av tvärsnittsarean och kan beskrivas som σ = mg A t (8) Till sist kan vi kombinera de ekvationerna 4 7 för att få fram den totalt maximala drag- och tryckspänningen i tornet. σ drag = F TH + mgδ z Q mg I A t A t σ tryck = F TH + mgδ I Resultat kraftberäkningar z Q A t mg A t De beräknade värdena för de maximala tryck- och dragspänningarna presenteras i tabell 5 och i figur 3 och 4 visas hur spänningarna varierar beroende på hur mycket vikten på nacellen minskas. Som kan ses i tabellen minskar tryckspänningarna med ungefär % medan dragspänningarna i tornet ökar med ungefär 0.6 2%. Tabell 5. Maximala tryck och dragspänningar i de olika fallen (9a) (9b) Tryckspänning innan viktminskning (MPa) Tryckspänning med minskad vikt (MPa) Förändring tryckspänning Dragspänning innan viktminskning (MPa) Dragspänning med minskad vikt (MPa) Förändring dragspänning IAE 15 MW DTU 10 MW LW 8 MW NREL 5 MW % 2.1 % 1.5 % 2.5 % % 1.2 % 0.79 % 2.1 % 17

30 Figur 3. Maximala tryckspänningen i förhållande till viktminskningen Figur 4. Maximala tryckspänningen i förhållande till viktminskningen 18

31 Krafterna på fundamentet fås av reaktionskrafterna som illustrerades tidigare i figur 2. Dessa visar en tydlig minskning av de krafterna som behöver tas upp av fundamenten och som beskrivs i tabell 6 nedan ligger minskningen mellan 13 17%. Tabell 6. Krafterna som tas upp av fundamenten IAE 15 MW DTU 10 MW LW 8 MW NREL 5 MW Reaktionskraft x-led (MN) Reaktionskraft y-led initialt (MN) Reaktionskraft y-led med % lättare nacell (MN) Total reaktionskraft initialt (MN) Total reaktionskraft med 50% lättare nacell (MN) Förändringen av totala 16.5% 17.1% 13.6% 17.0% reaktionskraften Momentet initialt (MNm) Momentet med 50% lättare nacell (MNm) Minskning av momentet 0.74% 0.59% 0.43% 0.50% 5.2 Analys av egenfrekvens Att göra en analys av ett vindkraftverks egenfrekvens är viktigt eftersom det arbetar med cykliska krafter från både vinden och sina egna komponenter. Det finns olika delar att studera, en del är torsionsfrekvensen för tornet. Då denna egenfrekvens inte är dimensionerande, studeras istället tornets egenfrekvens vid tranversalböjningar. Generellt sett kan torsionsfrekvensen uppskattas till ungefär tre gånger högre än den första böjfrekvensen. (Hau, 2013) När det kommer till egenfrekvensanalys behöver ytterligare förenklingar göras då det inte går att på ett enkelt sätt bestämma egenfrekvenser för koniska rör. Därför förenklas tornet här till en rak cylindrisk balk med konstant böjstyvhet Tornets styvhet Ett vindkraftverks torn brukar delas upp i olika typer beroende på var deras första egenfrekvens är placerad i förhållande till de olika bladpassagerna. Bladpassagerna delas upp i två komponenter, 1P och 3P där de syftar på frekvensen för ett specifikt blad respektive alla tre. Alltså är 3Pfrekvensen tre gånger högre än 1P-frekvensen. Dessa frekvenser beror då på vad rotorn i vindkraftverket har för rotationshastighet. För referensturbinerna varierar varvtalsintervallen, men alla arbetar inom intervallet 5 12 rpm. (Desmond et al. 2016) (Gaertner et al. 2020). Tornen brukar framförallt delas upp i två olika typer att styvheter där styva torn är torn vars egenfrekvens är högre än 3P-frekvensen medan mjuka torn har en egenfrekvens som ligger under 19

32 3P-frekvensen. Fördelen med styva torn är att de har en så pass hög egenfrekvens att risken för resonans inte uppkommer i turbinens arbetsområde. Nackdelen är istället att ett styvare torn kräver mer material än ett mjukare torn. För mjukare torn är nackdelen att egenfrekvensen måste passeras i uppstarten och bromsningen av turbinen. Därför kvarstår risken för resonans i de mjukare tornen. Trots nackdelen med de mjukare tornen blir de allt mer vanliga i moderna vindkraftverk och för torn över 80 m är det inte ekonomiskt att ha styva torn då materialkostnaderna blir för höga. (Hau, 2013) Egenfrekvenser i referensturbiner För att förenkla uträkningarna och samtidigt göra resultaten mer tillförlitliga används givna egenfrekvenser för referensturbinerna, alternativt uppskattade egenfrekvenser som ligger inom det området mellan frekvenserna 1Pmax och 3Pmin. Dessa frekvenser kan bestämmas från rotorhastigheterna där 1Pmax är passagefrekvensen för ett blad vid maximala rotorhastigheten och 3Pmin är passagefrekvensen för alla tre blad vid minsta rotorhastigheten. En annan viktig del för analys av egenfrekvensen är toppmassan. De här parametrarna är angivna i tabell 7. Tabell 7. Data över referensturbinernas rotorhastighet, tornets egenfrekvens och toppmassa IAE 15 MW DTU 10 MW LW 8 MW NREL 5 MW Rotorhastighet (rpm) Första egenfrekvens (Hz) Toppmassa (t) 1, Källor: (Desmond et al. 2016), (Jonkman et al. 2009), (Gaertner et al. 2020) Analysmetoder och förenklingar Att göra analyser av egenfrekvens för torn är inte helt enkelt och därför förenklas tornet till en rak balk med konstant böjstyvhet. I det fallet kan egenfrekvensen för tornet bestämmas som f i = 1 2π 3EI m i H 3 (10) Då böjstyvheten och höjden är konstanta kan förändringen beräknas som f 2 f 1 = m 1 m 2 (11) där i = 1 är befintligt kraftverk och i = 2 är fallet med halverad vikt på nacellen. Ur detta kan den nya egenfrekvensen fås genom att multiplicera med f1 och blir då f 2 = f 1 m 1 m 2 (12) 20

33 5.2.4 Resultat för frekvensberäkningar Analysen visar på en ökning av egenfrekvensen med ungefär 20% i fallet med en nacell som är 50% lättare. De exakta skillnaderna och resultatet redovisas i tabell 7 och i figur 5 visas kurvorna över hur tornets egenfrekvens förändras mot minskningen av nacellens massa. Tabell 7. Förändringen av egenfrekvens vid 50% lättare nacell IAE 15 MW DTU 10 MW LW 8 MW NREL 5 MW Första egenfrekvens (Hz) Ny egenfrekvens (Hz) Procentuell ökning 20.4% 22.1% 19.3% 23.3% Figur 5. Förändringen av egenfrekvens beroende på minskningen av nacellvikten 21

34 22

35 6 DISKUSSION OCH SLUTSATSER 6.1 Diskussion Som det har nämnts tidigare i rapporten är allting rörande vindkraft väldigt komplext. Det är väldigt många antaganden och förenklingar som har behövts göras för att kunna hantera problemet på ett enklare sätt. Dessutom har det inte varit lätt att få fram säkra och tydliga data över bland annat kostnader och information om vindkraftverk. Detta gör att resultat inte är speciellt noggranna, men de ger fortfarande en bild över hur nacellens vikts inverkan på kostnader och krafter. Studeras resultaten i kraftanalysen, visar de på en ganska liten inverkan på de dimensionerande krafterna. En minskning av de största tryckande spänningarna visar på att det fortfarande finns en liten fördel med en minskad vikt, framförallt när man har stålrörstorn. Används betongtorn är det viktigt att undersöka vad som blir den största dimensionerande kraften eftersom betong är bättre på att ta upp tryckspänningar än dragspänningar. Detta kan då vara problematiskt då dragspänningarna ökar i tornet om nacellen blir lättare. Det som däremot är tydligt är att krafterna på fundamenten minskar. Detta skulle kunna innebära stora kostnadssänkningar då kostnaderna för fundamenten är runt 3 % av totala projektkostnaden för landbaserade vindkraftverk och runt 10 % av den totala projektkostnaden för havsbaserade. Mindre fundament skulle också vara lättare att transportera och anlägga. Att egenfrekvensen för tornet ökar framgår tydligt av resultatet. Detta kan både vara en fördel och en nackdel eftersom de tornens egenfrekvens inte får överlappa med 1P och 3P frekvenserna. Fördelen med att egenfrekvensen ökar är att det då går att göra tornet lättare för att få den önskade egenfrekvensen. Då sparas både kostnader för material och tornet kan bli lättare att transportera och montera. Nackdelen kan vara att den ökade egenfrekvensen överlappar med 3P frekvensen och om inte tornet kan göras lättare på grund av andra dimensionerande laster, är den ökade egenfrekvensen inte önskvärd. För kostnaderna för transport och montering är det tydligt att vikten har en direkt inverkan på priset. Eftersom det rör sig om mycket pengar i dessa sektorer innebär det att även små procentuella skillnader ger stora kostnadsminskningar. 23

36 6.2 Slutsatser Målet med projektet var att undersöka vilka fördelar som kan finnas med lågviktsdrivlinor i vindkraftverk. Utifrån de beräkningar som gjorts och den information som samlats in kan slutsatserna sammanfattas i följande punkter. Dragspänningarna i tornet ökar med %. Tryckspänningarna minskar med %. Krafterna på fundamenten minskar med ungefär 13 17%. Egenfrekvensen för tornet ökar med cirka 20%. En halverad vikt leder till att det är lättare att transportera och hantera nacellen och ger större frihet vid val monteringsmetod. Det finns tydliga kostnadsfördelar vid transport och montering. De är svåra att säga exakt och kan vara allt från några tiotusentals kronor per nacell i vissa delar, upp till miljontals kronor för ett helt projekt i andra delar. 24

37 7 REKOMMENDATIONER OCH FRAMTIDA ARBETE Kraftanalys För att kunna få mer exakta och noggrannare data skulle mer jobb behöva göras. Eftersom krafterna på vindkraftverken beror till stor del på aerodynamiken av vindkraftverken och framför allt bladen. Det gör att vingarnas profil påverkar hur stor kraft som tas upp av vingarna och genom att studera den biten noggrannare kan mer exakta belastningsfall fås fram. Ett annat alternativ kan vara att använda de simuleringsverktyg som finns för olika referensturbiner. Det finns många olika simulerings- och beräkningsverktyg publicerade för referensturbinerna, men då dessa upptäcktes sent i arbetet fanns det inte tillräckligt med tid för att kolla närmare på dem. Transporter och montering Även för transporter och montering skulle det kunna gå att göra ytterligare arbete. Det har varit väldigt svårt att få fram data och jag har blivit slussad fram och tillbaka mellan olika företag. Mitt tips skulle vara att försöka få tag i någon hos tillverkarna av vindkraftverk till exempel GE, Siemens eller Enercon för att höra om de kan ge mer exakt information om kostnader. Eftersom en minskning av nacellens vikt minskar krafterna på vindkraftverkets fundament, skulle framtida arbete även inkludera att titta på fördelen med mindre fundament till vindkraftverk. 25