Ruukki vindkraftverkstorn Höga fackverkstorn för vindturbiner Klaus Hüsemann, Ruukki Ruukki är en pålitlig metallexpert som tar hand om hela processen när du behöver metallbaserade material, komponenter, system och totalkoncept. Vi vidareutvecklar ständigt vår verksamhet och vårt produktsortiment för att tillgodose dina behov. 1 EFI.002EN/10.2010/AN
Allmänt Detta dokument beskriver fristående torn av fackverkstyp för användning vid byggnad av vindkraftverk. I synnerhet innehåller beskrivningen jämförelser med stålrörstorn. Historik över fackverkstorn Fackverksstrukturen är en sedan länge etablerad teknik för att bygga mycket stora, höga torn och har även tidvis använts för att konstruera vindkraftverk. Det är allmänt accepterat att stora transportabla strukturer bara kan förverkligas som fackverksstrukturer. Fackverkstorn har funnits i århundraden och används på många olika byggområden. Exempel är observationstorn, kraftledningar eller stödstrukturer för antenner. Ett världsberömt exempel är Eiffeltornet i Paris. Tornet byggdes 1889, är över 300 m högt och väger 7 000 ton. På 1900-talet användes fackverkstorn i stor utsträckning i USA för att bygga så kallade Vilda västern-väderkvarnar för att pumpa vatten och producera el. Omkring 6,5 miljoner sådana väderkvarnar byggdes före 1930, de flesta av dem med en bas av fackverkstorn. De såldes via postorderkataloger och marknadsfördes som byggsatser för självbygge. Fackverkstornet var det enklaste sättet att leverera utrustningen. På 1930-talet designade Hermann Honnef förmodligen de största vindkraftverk som någonsin planerats, med en rotordiameter på 160 m, energiproduktion på 20 MW och upp till fem av rotorerna monterade på ett fackverkstorn. Tornet skissades av Honnef bestod av ett fackverk utan stolpar och var av gigantiska dimensioner även för dagens förhållanden. Fackverkstorn användes i allra första början av den moderna vindkraftsindustrin. Anmärkningsvärda exempel är de allra första vindturbinprototyperna i USA, som Smith Putnam-kraftverket med en kapacitet på 1250 kw, byggd 1941. År 2006 uppfördes det högsta fackverkstornet för vindkraftverk med en navhöjd på 160 m i Laasow, Tyskland. Turbinen har en rotordiameter på 90 m och kan generera 2,5 MW el till det allmänna elnätet. Det tyska företaget SeeBA utvecklade tornet för ett Fuhrländer-vindkraftverk, utvecklat och licensierat av Wind to Energy (Figur 2). I samband med att relativt små vindkraftverk började massproduceras på 1980-talet blev fackverkstornen standard och rörtorn undantag. Figur 1. Deutsches Museum: modell av en amerikansk vindturbin Figur 2. W2E/Fuhrländer FL 2500 SeeBA torn med 160 m navhöjd 2
Detta ändrades snabbt till rörtornens fördel allt eftersom större kraftverk och torn började byggas. Det finns flera skäl till denna förändring, men till stor del berodde det på en önskan att minska installationstiderna på plats. Till följd av detta behövde tillverkningen av rörtorn rationaliseras. Experter tror att fackverkstorn kommer att få en renässans på grund av att kraftverken blir allt större. Alltmer ökad anläggningskapacitet innebär större rotorer och navhöjder som överstiger 100 m. När det gäller att möta dessa specifikationer är fackverkstornet klart överlägset rörtornet och andra konstruktioner. Idag är basdiametern på ett rörtorn med 100 m navhöjd för ett vindkraftverk med 100 m rotordiameter ca 4,3 m. Större diametrar är dock inte lätta att transportera på allmän väg på grund av höjdgränserna under broar. Rörtorn som är mycket högre än 100 m kräver en mycket större diameter på basen, vilket är en begränsande faktor för denna typ av konstruktion. Ett oinstallerat fackverkstorn berörs inte av denna begränsning. Vid navhöjder över 100 m har fackverkstornen en klar fördel när det gäller vikten, vilket uppväger de ekonomiska fördelarna med rörtorn. Belastning på tornen De belastningar som påverkar ett vindkraftverkstorn är helt annorlunda än belastningar på främst statiska torn som är konstruerade för andra tillämpningar. Belastningarna på ett vindkraftverk är i huvudsak dynamiska till sin natur. Därför är det ofta så kallade utmattningsbelastningar som avgör tornets dimensioner. De viktigaste belastningarna kommer från turbinen själv och överförs till tornet via girlagret. Belastningarna från turbinen är mycket komplexa. Till största delen orsakas de av turbulenta vindar som påverkar rotorn, men också genom tröga och gravitationella laster (vibrationer, obalans, gravitation) och arbetsbelastning (t.ex. bromsning, aktivering av generatorn). Det dynamiska beteendet hos konstruktionsdelarna, till exempel rotorbladen, spelar en stor roll. Högt utvecklade simuleringsprogram används för att beräkna belastningen. Idag bestämmer beräkningar av utmattningshållfasthet ofta måtten på enskilda komponenter, även för fackverkstorn. Fackverkstorn har en mindre yta som blir utsatt för vinden, men detta kompenseras i rörtornen av en lägre flödeskoefficient. Dynamiskt beteende Vindkraftverkstorn har ofta en smal konstruktion, vilket gör dem känsliga för vibrationer. I designskedet är det viktigt att se till att tornets naturliga frekvenser inte sammanfaller med maskineriets stimulerande frekvenser. Den viktigaste naturliga frekvensen är den första egenfrekvensen. Torsionsfrekvensen och andra egenfrekvensen måste emellertid också beaktas. Man skiljer mellan styva, halvstyva och mjuka tornkonstruktioner. Styv innebär att den första egenfrekvensen är högre än rotorbladens högsta övergångsfrekvens. Halvstyva torn har en första egenfrekvens mellan bladens rotationsfrekvens och övergångsfrekvens. Mjuka torn har en första egenfrekvens som är lägre än rotationsfrekvensen. I den moderna vindkraftens barndom byggde man styva torn, som också var ganska tunga. Senare ledde ekonomiska överväganden till att man övergick till halvstyva torn, som är mer eller mindre standard idag. Rörtorn har allvarliga begränsningar för högre navhöjder och större turbiner med större massa. Det är svårt eller åtminstone mycket kostsamt att producera ett lättransporterat styvt rörtorn med en navhöjd på mer än 100 m, eftersom tornets basdiameter skulle bli för stor. Fackverkstorn har i princip inga begränsningar när det gäller diameter och uppvisar inte dessa problem. När höjden på tornet ökar, har det dessutom bara en liten effekt på den naturliga frekvensen, eftersom tornet utvidgas nedåt, där konstruktionen av nödvändighet är styvare. Vad gäller torsion är ett fackverkstorn mjukare än ett rörtorn och torsionsfrekvensen ligger ofta inom området för de stimulerande frekvenserna. Lastberäkningar och mätningar visar dock att detta sällan leder till torsionella svängningar. En teoretisk förklaring till detta är att spänningskrafterna och momenten antingen inte har några hävarmar eller mycket låga hävarmar till tornets axel. Typer av konstruktioner Möjligheterna är oändliga och varierande när det gäller utformningen av fackverkstorn. Många variationer kan man helt enkelt uppnå med olika antal hörnposter. Vindkraftverkstorn har oftast 3, 4, 6 eller 8 hörnposter. 3
Tornets sekundära stagkonstruktion kan också variera. Det finns enkla eller korsande diagonaler, med eller utan en extra ram. Det finns konstruktioner både med och utan horisontaler. Tornet kan också konstrueras utan hörnposter, som Honnefs design som nämns i historiken ovan visar. Det finns också ett nästan obegränsat antal stålprofiler att tillgå. Det finns runda, kvadratiska och rektangulära sektioner, ihåliga sektioner, L-profiler, vinklade sektioner, svetsade profiler eller kombinationer av dessa. Flera profiler kombineras ofta i en diagonal eller en hörnstolpe. Denna variation i utbudet gör att man kan optimera tornkonstruktionen efter specifikationerna för vindturbinen. Konstruktionen kan också optimeras för att möta kraven på ekonomi, utseende, enkel konstruktion och demontering, underhåll, tillgång till material eller profiler, livslängd, speciella klimatförhållanden och inte minst logistik. Lämpligheten av en viss torndesign varierar beroende på turbinstorlek, navhöjd och andra parametrar. Påfrestningarna på hörnposterna är omvänt proportionell mot antalet stolpar. Av den anledningen är det klokt att bygga små torn med låg kapacitet med tre hörnposter och att öka antalet hörnposter med storleken på turbinen. Med högre torn är det lämpligt att öka antalet hörnposter. Höga torn har stora baser, vilket gör diagonalerna mycket långa och därmed tunga. Ytterligare hörnposter minskar väggbredden och eliminerar detta problem. För vindkraftverk i storleksordningen 2 6 MW och navhöjder över 100 m, blir det konventionella fyrkantiga fackverkstornet tillverkat av L-sektioner allt mer komplext. Tvärsnittet av kommersiella L-profiler är begränsat, så hörnposter och diagonaler måste ofta sättas ihop av mer än två sektioner. De stora väggbredderna i nedre delen av tornet kräver hög bucklingsstabilitet, som L-sektioner inte kan erbjuda. Kravet kan bara uppfyllas genom att installera extra hjälpbärverk, horisontella förbindningar eller tredimensionella förstärkningar. Figur 3. Trebent torn av rör Figur 4. Åttakantigt torn tillverkat av rör 4
Ruukki har utvecklat en ny stålprofil för torn av denna storlek. Resultatet är ett fackverkstorn med 6 hörnposter. Det innebär att utfyllnaden av tornväggen kan åstadkommas med enkla diagonaler. Spiran, övergångsstycket till turbinens girlager, består av ett kort, koniskt rör med en nästan sluten bas och en fläns som håller girmekanismen uppe på tornet. Tornet står på sex separata fundament. En särskild fördel med detta koncept är att de nya sektionerna har en högre utmattningsklass för fogar (> / = 112 N / mm²), och på grund av hög motståndskraft mot buckling kan man bygga breda väggar utan behov av extra takstolar. Genom att variera diameter och tjocklek på sektionerna kan de optimeras för att möta de statiska och dynamiska kraven på profilen. (Figur 5 och 6). Att kombinera olika tvärsektioner i ett torn kan vara användbart och bidra till att utnyttja deras särskilda fördelar. I det övre området ner till strax under böjen är diametern liten och därför finns det många anslutna diagonaler, men balkarna är korta och bucklingsstabiliteten därmed hög. I den nedre delen, där diametern på tornet är större, är bucklingsstabiliteten i balkarna viktig, men å andra sidan finns det färre förbindningar eftersom balkar är längre. Anslutningar De extremt höga dynamiska belastningarna på fackverkstornet kan bara minskas genom användning av så kallade halkfria fogar. De första fogarna av denna typ utfördes med varmnitning. HV-skruvar har också använts allmänt. Dessa skruvar efterdras under de första timmarnas användning och kontrolleras sedan slumpmässigt varje år. En nyutvecklad produkt för byggande av vindkraftstorn är BobTail -låsbulten. Det är också en typ av starkt förspända bultar. Enkelt uttryckt trycks muttern fast i spåren på bulten. När detta är gjort är det omöjligt att lossa muttern. Spänningen är säkrad och finns garanterat kvar. Skruvarna kan inte efterdras och något underhåll behövs inte. Men även om skruven inte lossar, förekommer det relaxation vid varje skarv där stålet har fogats samman, vilket kan minska förspänningen i låsmuttern. Oberoende, erkända institutioner genomför för närvarande grundliga studier om användningen av BobTail-bultar. Detta är nödvändigt för att säkerställa att en tillräcklig förspänning bibehålls även vid de dynamiska krafter som ett vindkraftverk utsätts för under en livslängd på 20 år (Figur 7). Resultaten av dessa studier är för närvarande mycket lovande. Det förväntas att denna typ av förband kommer att användas vid tillverkningen av Ruukkis fackverkstorn inom en snar framtid. Skydd mot rost Som alla andra torn behöver fackverkstorn skydd mot atmosfärisk påverkan Användningen av demonterade stålsektioner innebär att varje enskild del kan skyddas före montering. Denna process kallas varmförzinkning. Det är ett standardiserat förfarande och de flesta av de större företag som erbjuder denna tjänst är certifierade. Beläggningens tjocklek bör vara mellan 80 och 200 mikrometer, men den är avhängig av den kemiska sammansättningen av stålet. En korrekt zinkbeläggning överlever fackverkstornets 20-åriga drifttid utan behov av ytterligare underhåll. Figur 5. Hörnstolpssektion som sammanställts av hålprofiler. Figur 6. Ifyllnadssektion som sammansatta hålprofiler. Figur 7. Huck BobTail låsbult 5
Varmförzinkning för hög mekanisk hållfasthet av material med lämplig tjocklek är den bästa metoden att skydda mot relaxation vid bultskarvarna. Framtidsmöjligheter Som redan nämnts utgör det moderna fackverkstornet ett utmärkt alternativ för vindkraftsindustrin med tanke på den ökande storleken på turbinerna. Den senaste utvecklingen och forskningen har fokuserat på speciella stålkvaliteter i syfte att ytterligare minska vikten genom att använda höghållfasta stål. Alla dessa studier har också haft målet att ytterligare minska kostnaderna för att kunna tillhandahålla miljövänlig energi så effektivt som möjligt. Ytterligare utveckling av denna tornutformning måste resultera i större torn och lägre specifika investeringskostnader. Den nya generationen av fackverkstorn kan byggas på platser där de traditionella tornen inte kan uppföras. I Skandinavien, till exempel, planeras vindkraftparker redan nu i stora skogsklädda områden, där endast torn med en navhöjd på mer än 100 m är ekonomiskt lönsamma. Trots att detta markant skiljer sig från de aktuella tyska planerna öppnar det upp möjligheten att ta i bruk förnybara energikällor utanför befolkade områden. Tack vare sina logistiska fördelar har fackverkstornet med säkerhet en god möjlighet att etableras i en nära framtid i dessa skogrika områden. Elföretag har studerat de potentiella följderna av urlakning från den galvaniserade ytan. Inga exceptionella följdverkningar är att vänta. Utseendet på vindturbiner som är monterade på fackverkstorn är fortfarande en källa till diskussion och kritik. Detta bör nämnas här i korthet utan några värderingar för att göra bilden komplett. Miljöpåverkan under tornets produktion är jämförbar med andra systems. Här har fackverkstornet en fördel eftersom det krävs mindre av råvaran, stål, vid tillverkningen. Preliminär livscykelanalys (LCA) för Ruukkis fackverkstorn har genomförts av en extern branschorganisation. På grund av den lägre materialåtgången både i stålkonstruktionen och betongfundamentet, har fackverkstornet mindre miljöpåverkan jämfört med stålrörs och hybridtorn i betong och stål (jämförelse med Eco-indikator 95- metod). Därför är energibalansen, den tidsperiod då vindkraftverket producerar den energi som används för att producera den, kortare än i andra tornkoncept. I slutet av sin livstid kan tornet rivas med nuvarande teknik och stålkomponenterna kan skrotas och återvinnas. Mindre betong används i fundamentet än i rörtornsgrunder och kostnaden för att återställa miljön blir lägre. Miljöpåverkan Det finns i princip ingen känd märkbar negativ miljöpåverkan som behöver särskilt godkännande vid byggande av fackverkstorn. För mer information kontakta: Försäljning och teknisk support Klaus Hüsemann Försäljningsdirektör, Ruukki Wind towers klaus.husemann@ruukki.com Ruukki Dortmund GmbH Brandenburger Ring 2-4, DE-32339 Espelkamp, Tyskland info.engineering@ruukki.com Mediakontakter Jaana Henttonen Kommunikationschef jaana.henttonen@ruukki.com Rautaruukki Corporation Saltstensgatan 1, Box 138, FI-00811 Helsingfors, Finland www.ruukki.com Copyright 2010 Rautaruukki Corporation. Alla rättigheter förbehålls. Ruukki, Rautaruukki, More with Metals och Ruukkis produktnamn är varumärken eller registrerade varumärken som tillhör Rautaruukki Corporation. 6