Elektrownia wiatrowa z konstrukcją kratową o prętach z rur drewnianych wzmocnionych włóknami syntetycznymi

Na terenie firmy STM Montage GmbH w Lunzenau został przeprowadzony innowacyjny projekt badawczy: wzniesiona została turbina wiatrowa z wieżą kratową, której najwyższy segment składa się z rur drewnianych wzmocnionych włóknami polimerowymi.

Model 3D kratownicy w RSTAB (© TU Dresden)

775x

Wieża z segmentem kratownicowym wykonanym z profilowanych rur drewnianych wzmocnionych włóknami

Cienkościenne rury drewniane charakteryzują się małym ciężarem własnym i dobrymi właściwościami dynamicznymi. Dzięki temu efektywniej wykorzystuje się materiał, polepsza się odpowiedź dynamiczna konstrukcji oraz odporność z uwagi na zmęczenie.

Za projekt i zwymiarowanie wieży kratowej odpowiedzialny była Politechnika w Dreźnie. Do obliczeń wykorzystano program RSTAB, służący do analizy konstrukcji szkieletowych i kratownic.

Konstrukcja

Wieża kratowa ma łącznie 32 metry wysokości; u góry zamontowano turbinę wiatrową o mocy 10 kW. Najniższa część konstrukcji, o wysokości około 18,5 m, składa się z rur stalowych S235. Na górze umieszczono segment kratowy o wysokości około 11 m, z profilowanymi drewnianymi rurami o średnicy d = 240 mm i krzyżulcami z rur stalowych.

Rury profilowane składają się ze wstępnie sprasowanych drewnianych płyt, które zostały wygięte pod wpływem wysokiej temperatury i pary w cienkościenne przekroje rurowe. Metoda ta została opracowana przez Instytut Konstrukcji Stalowych i Drewnianych. Wytworzone w ten sposób elementy konstrukcyjne mają bardzo dużą nośność przy bardzo małym ciężarze własnym. Na zewnątrz zastosowano cienką warstwę tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknami. Zwiększa to wytrzymałość na ściskanie nawet o 50% i dodatkowo zapewnia ochronę przed warunkami atmosferycznymi.

Połączenia podłużne drewnianych słupów składają się ze stalowych rur, z którymi łączą się również krzyżulce. Cechą szczególną tych połączeń jest to, że były one klejone. Wcześniej elementy te zostały szczegółowo przeanalizowane przez TU Dresden, metodą eksperymentalną i numeryczną. W wyniku przeprowadzonych analiz określono graniczne wytrzymałości połączeń, które można było uwzględnić w obliczeniach w programie RSTAB.

Po wybudowaniu wieży kratowej wszystkie części stalowe oraz elementy łączące rury drewniane zostały pokryte powłoką antykorozyjną. Testy wykazały, że profilowane rury drewniane nadają się do wykorzystania jako elementy nośne w konstrukcjach wieżowych poddawanych drganiom. Największą zaletą jest mniejszy ciężar własny w porównaniu z profilami stalowymi, a tym samym redukcja masy drgającej. W tym projekcie ciężar własny najwyższego segmentu mógł zostać zredukowany o 1,2 tony w porównaniu z konstrukcją stalową. Ponadto, właściwości tłumiące drewna, zmniejszyły efekty zmęczeniowe w dolnym fragmencie konstrukcji.

Projekt badawczy został sfinansowany ze środków Centralnego Programu Innowacji dla Małych i Średnich Przedsiębiorstw (ZIM) Federalnego Ministerstwa Gospodarki i Energii (BMWi).