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Title:
CABLE FOR THE BRACING OF THE TOWER OF A WIND POWER PLANT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/054418
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a cable (10) for the bracing of the tower of a wind power plant, comprising a core (K) of unidirectionally arranged rovings (R), which are formed in each case by a plurality of filaments and are connected to each other by means of a matrix material (M), and a lightning protection element (B) which extends in the longitudinal direction of the cable (10) and surrounds in any case partly the core (K) along its circumference.

Inventors:
SIEGFRIEDSEN, Sönke (Am grünen Kranz 6, Rendsburg, 24768, DE)
Application Number:
DE2017/100592
Publication Date:
March 29, 2018
Filing Date:
July 18, 2017
Export Citation:
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Assignee:
AERODYN CONSULTING SINGAPORE PTE LTD (10 Collyer Quay, Level 40Ocean Financial Center, Singapore 5, 24782, SG)
International Classes:
D07B1/04; D07B1/14; D07B1/16; F03D80/30; H02G13/00
Foreign References:
US5234058A1993-08-10
FR2054424A11971-04-23
US20080164051A12008-07-10
CN105161871A2015-12-16
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
LOBEMEIER, Martin Landolf (Holtenauer Str. 57, Kiel, 24105, DE)
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Claims:
ANSPRÜCHE

(10) zur Abspannung des Turms einer Windenergieanlage mit

einem Kern (K) von unidirektional angeordneten Rovings (R), die jeweils aus einer Mehrzahl von Filamenten gebildet und mittels eines Matrixwerkstoffs (M) miteinander verbunden sind, und

einem in Längsrichtung des Seils (10) verlaufenden Blitzschutzelement (B), das den Kern (K) entlang dessen Umfang jedenfalls teilweise umgibt.

Seil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente aus

Kohlenstoff, einem Polyaramid, einem High Performance Polyethylen oder

Mischung aus diesen Stoffen bestehen.

Seil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen elektrisch nicht-leitfähigen Isolator (I), der den Kern (K) ummantelnd zwischen dem Kern (K) und dem Blitzschutzelement (B) angeordnet ist.

Seil (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (I) den Kern (K) vor Lichteinwirkung schützend eingerichtet ist.

Seil (10) nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch einen wenigstens den Kern (K) bedeckenden Mantel aus einem den Kern (K) vor Lichteinwirkung schützenden Lichtschutzmittel (L).

Seil (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtschutzmittel (L) UV-Licht absorbierendes Lichtschutzmittel (L) ist.

7. Seil (10) nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtschutzmittel (L) Polyurethan aufweist

8. Seil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blitzschutzelement (B) als Geflecht ausgebildet ist.

9. Seil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blitzschutzelement (B) aus Kupferdraht oder Edelstahl gebildet ist.

Description:
Seil zur Abspannung des Turms einer Windenergieanlage Die Erfindung betrifft ein Seil zur Abspannung des Turms einer Windenergieanlage.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Seil zur Abspannung eines auf einem schwimmenden Fundament angeordneten Turms einer Windenergieanlage.

Zur Abspannung von Türmen von Windenergieanlagen werden regelmäßig Stahlseile verwendet, die aus mehreren miteinander verdrillten Litzen gebildet sind. Die Herstellung derartiger Stahlseile erfolgt üblicherweise maschinell mittels Seilschlagmaschinen.

Wenngleich sich derartige Seile an Land bei normalerweise überwiegend statischen

Belastungen als vorteilhaft erwiesen haben, ist die Verwendung von Stahlseilen für Offshore- Anwendungen aufgrund der dynamischen Belastungen und deren hohem Gewicht problematisch.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Seil zur Abspannung der Türme von

Windenergieanlagen zu schaffen, das insbesondere für schwimmende Offshore- Anwendungen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Seil mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder. Erfindungsgemäß ist ein Seil zur Abspannung des Turms einer Windenergieanlage vorgesehen, mit einem Kern von unidirektional angeordneten Rovings, die jeweils aus einer Mehrzahl von Filamenten gebildet und mittels eines Matrixwerkstoffs, beispielsweise eines Thermoplasts oder eines Duroplasts, insbesondere eines Reaktionsharzes, miteinander verbunden sind, und einem in Längsrichtung des Seils verlaufenden, elektrisch leitfähigen Blitzschutzelement, das den Kern entlang dessen Umfang jedenfalls teilweise umgibt.

Die Filamente des Seils sind bevorzugt aus Kohlenstoff, einem Polyaramid, einem High Performance Polyethylen oder einer Mischung aus diesen Stoffen bestehen. Insbesondere ist es vorteilhaft statt Stahlseilen aus Kohlenstofffasern gebildete Seile zu verwenden. Dieses Material weist bei vergleichbarer spezifischer Festigkeit von etwa 1.000 bis 1.200 N/mm 2 (oder mehr) nur ungefähr 20 bis 25 % des Gewichtes eines vergleichbaren Stahlseils auf und beeinflusst die Eigenfrequenzen der Seile und die dynamische

Lastüberhöhung positiv. Resonanzen mit den erregenden Frequenzen der Windenergieanlage können vermieden und erhöhte Ermüdungslasten der Seile deutlich reduziert werden.

Die durch die Verwendung von Kohlenstofffaserseilen gegenüber Stahlseilen bewirkte Gewichtsminderung lässt die Erfindung insbesondere zur Abspannung von auf

schwimmenden Fundamenten angeordneten Offshore-Windenergieanlagen vorteilhaft erscheinen.

Die Verwendung von anisotropen Kohlenstofffasern, die zu Filamenten zusammengefasst für die Herstellung eines Multifilamentgarns („Roving") verwendet werden, ist aufgrund deren hohen Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringer Bruchdehnung und geringen spezifischem Gewicht in axialer Richtung für die Abspannung von Windenergieanlagen besonders geeignet. Nachteilig an der Verwendung von Kohlenstofffasern und anderen vergleichbaren

Werkstoffen ist jedoch deren gute thermische und elektrische Leitfähigkeit, die - insbesondere bei Off shore- An Wendungen - aufgrund der Gefahr von Blitzschlägen und einer damit verbundenen Gefahr der Beschädigung des Seils im Bereich der Filamente und damit verbundener Verminderung der Tragfähigkeit Schutzmaßnahmen erforderlich machen.

Erfindungsgemäß ist daher ein in Längsrichtung des Seils verlaufendes Blitzschutzelement vorgesehen, das den Kern entlang dessen Umfang wenigstens teilweise umgibt. Insbesondere ist der Blitzschutz so ausgebildet, dass dieser die Einwirkung eines Blitzschlags auf das Seil minimiert und eine Beschädigung der tragenden Filamente vermeidet. Hierfür ist das elektrisch leitende Blitzschutzelement des Seils zur Ableitung eines Blitzes elektrisch leitend mit einer entsprechend geeigneten blitzableitenden Struktur (der Windenergieanlage) zu verbinden. Neben der bevorzugten Verwendung von Kohlenstofffasern ist die Verwendung von

Werkstoffen mit ähnlichen Eigenschaften bevorzugt.

So können beispielsweise gegenüber Kohlenfasern deutlich schlagzähere Polyaramide, insbesondere das unter dem Handelsnamen Kevlar bekannte Poly(p-phenylenterephthalamid) Verwendung finden. Aufgrund der diesem Werkstoff eigenen leichten Feuchtigkeitsaufnahme und der geringen UV-Beständigkeit ist dieser jedoch bevorzugt vor Lichteinwirkung zu schützen (siehe unten). Als weitere Alternative zu Kohlenstofffasern kann auch ein High Performance Polyethylen Verwendung finden. Insbesondere das unter dem Handelsnamen Dyneema bekannte High Performance Polyethylen erreicht aufgrund der starken Parallelorientierung der Polyethylen- Linearmoleküle (>95 % und einem Kristallini tätsgrad von bis zu 85 %) eine gegenüber Polyaramidfasern um bis zu 40 % und gegenüber Kohlenstofffasern um bis zu 60 % höhere Zugfestigkeit. Dabei sind diese Fasern lange haltbar und gegen Abrieb, Feuchtigkeit und UV- Strahlen beständig.

Weiter ist bevorzugt ein elektrisch nicht-leitfähiger Isolator vorgesehen, der den Kern ummantelnd zwischen dem Kern und dem elektrisch leitfähigen Blitzschutzelement angeordnet ist und vor den bei einem Blitzeinschlag in das Seil auftretenden elektrischen und thermischen Einwirkungen schützt. Werden lichtempfindliche Filamente verwendet, ist der Isolator besonders bevorzugt den Kern vor Lichteinwirkung schützend eingerichtet.

Alternativ oder zusätzlich kann ein wenigstens den Kern bedeckender Mantel aus einem den Kern vor Lichteinwirkung schützenden Lichtschutzmittel vorgesehen sein. Dieses

Lichtschutzmittel kann dabei auf das mit dem Blitzschutzmittel versehene Seil aufgebracht sein und dabei auch - sofern sich dieses auf die Blitzschutzfunktion nicht störend auswirken sollte - das Blitzschutzmittel bedecken. Das Lichtschutzmittel hat die Eigenschaft, dass der die Schädigungen am Seil hervorrufende UV-Anteil des Lichts absorbiert und/oder reflektiert wird. Bevorzugt ist das verwendete Lichtschutzmittel daher ein UV-Licht absorbierendes oder reflektierendes Lichtschutzmittel. Beispielsweise kann das Lichtschutzmittel zur Ausführung seiner Funktion als Lichtschutzmittel Polyurethan aufweisen. Die Verwendung von Polyurethanen zur

Ausbildung eines einen Seilmantel ausbildenden Lichtschutzelements ist aufgrund der dauerelastischen Eigenschaften dieses Werkstoffs besonders bevorzugt. Dabei ist zugleich eine hinsichtlich der Verarbeitung und Beständigkeit des Seils hinreichende Verträglichkeit mit den anderen Werkstoffen gegeben.

Polyurethane können als Schnellgießharze unter normalen Raumbedingungen verarbeitet werden und weisen eine kurze Tropfzeit auf. Das Ummanteln des Kerns einschließlich des Blitzschutzes stellt einen Schutz vor aggressiven Umweltbedingungen, wie sie im Offshore- Bereich aufgrund der permanenten Feuchtigkeit, des hohen Salzgehalts und der mitunter täglich auftretenden hohen Temperaturschwankungen vorkommen, dar. Zusätzlich bietet eine Ummantelung mit Polyurethan einen mechanischen Schutz, der auch elektrisch isolierend wirkt.

Schließlich ist ein aus Polyurethan gebildetes Lichtschutzmittel aufgrund seiner elastischen Eigenschaften in Längsrichtung beanspruchbar und bietet einen dauerhaften Schutz des erfindungsgemäß ausgebildeten Seils. Das Lichtschutzmittel ist jedenfalls bevorzugt so ausgebildet, dass es den Kern und das Blitzschutzelement beschichtet. Besonders bevorzugt werden die vom Blitzschutzelement gegebenenfalls gebildeten Maschen ausgefüllt. Speziell wird das Lichtschutzmittel derart aufgebracht, dass das Lichtschutzmittel eine glatte Oberfläche ausbildet, die die

darunterliegenden Strukturen nicht erkennen lässt.

Das elektrisch leitfähige Blitzschutzelement ist bevorzugt aus Kupferdraht oder Edelstahl gebildet.

Insbesondere ist das Blitzschutzelement als den Kern umgebendes Geflecht ausgebildet. Speziell ist vorgesehen, dass der Kern von einem netzartig ausgebildeten Blitzschutzelement umgeben ist. Die Ausbildung des Blitzschutzelements als Geflecht, insbesondere als Netz, ermöglicht aufgrund dessen eigenen Flexibilität in Längsrichtung eine durch Zugbeanspruchung des Kerns erzwungene Längenänderung und -anpassung auch des Blitzschutzelements. So können die geflochtenen Kupfer- oder Edelstahldrähte um den Kern aus Kohlenstofffasern beispielsweise in einem Winkel von 45° verlaufen, um so für den Fall einer Beanspruchung des Seils genug Längendehnungsreserven aufzuweisen.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Seils können zunächst Rovings hergestellt werden, die bereits als Prepregs - also mit einem Matrixwerkstoff, beispielsweise einem

Reaktionsharz, vorimprägnierte Faser-Matrix-Halbzeuge - vorliegen können. Oder die

Rovings, die eine Vielzahl von unidirektional angeordneten Filamenten aufweisen, werden beispielsweise über eine Pulltrusionsmaschine zu einem Kern aus unidirektional angeordneten Rovings zusammengeführt und mittels eines eingespritzten Matrixwerkstoffs miteinander verbunden. Die Pulltrusionsmaschine weist einen Heizbereich auf, in dem der

Matrixwerkstoff-Roving- Verbund ausgehärtet wird.

Der Kern wird danach mit einem Isolierband bewickelt, wobei das Band dem sich

bewegenden Kern schräg zugeführt und gleichzeitig um den Kern mit geeigneter

Drehgeschwindigkeit herumgewickelt wird. Dadurch ergibt sich eine geschlossene

Isolationsoberfläche auf dem Kern.

Dieser Kern wird darauf einer Flechtmaschine zugeführt, die den Kern aus Filamenten und Isolationsmaterial der Längsrichtung nach mit dem Blitzschutzelement umgibt. Das

Blitzschutzelement kann den Kern durch die Flechtmaschine beispielsweise als gut elektrisch leitfähigen Einzeldraht umwindend oder bevorzugt den Kern netzartig umgebend angeordnet werden.

Darauf wird der mit dem Blitzschutz umgebende Kern mit einem Lichtschutzmittel umgeben, das den Höhenunterschied zwischen Kern und Blitzschutz ausgleicht. Nach einer besonderen Ausgestaltung bleibt das Blitzschutzelement frei von Lichtschutzmittel.

Die Erfindung wird anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines besonders bevorzugt ausgestalteten

Herstellungsprozesses zur Herstellung eines Seils nach der Erfindung; und Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch ein besonders bevorzugt ausgestaltetes

Seil nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Anlage zum Herstellen eines besonders bevorzugt ausgestalteten Seils zur Abspannung des Turms einer Windenergieanlage und damit schematisch die Abfolge von dessen Herstellungsprozess.

In dem gezeigten Beispiel wird eine Vielzahl von unidirektional angeordneten Filamenten, beispielsweise Kohlenstofffaserfilamente, mittels einer ersten Einrichtung 100, beispielsweise eine Pulltrusionsmaschine, zu einem Kern K aus unidirektional angeordneten Rovings R zusammengeführt und mittels eines darin eingespritzten Matrixwerkstoffs M miteinander verbunden.

Das Kohlefaserbündel wird darauf mittels der Einrichtung 200 mit einem Isolierband I (schräg) umwickelt, wobei die Einrichtung 200 während dieses Vorgangs um den Kern K rotiert. Danach wird der mit dem Isolierband I umwickelte Kern K einer weiteren Einrichtung 300 zugeführt, die den mit Isolierband I umwickelten Kern K mit einem als Netz

ausgebildeten Blitzschutzelement B umgibt.

Schließlich wird der mit dem Blitzschutz versehene, isolierte Kern K mit Hilfe der

Einrichtung 400 mit Lichtschutzmittel L umgeben, das den Höhenunterschied zwischen Kern K und Blitzschutzelement B ausgleicht. Bevorzugt bleibt das Blitzschutzelement B dabei frei von Lichtschutzmittel L, sodass Lichtschutzmittel L und Blitzschutz eine im Wesentlichen bündige Oberfläche ausbilden. Schließlich ist eine Maschine 500 vorgesehen, die einen gleichmäßigen und kontinuierlichen Vorschub des (fertig gestellten) Seils bewirkt. Dabei hat die Vorschubgeschwindigkeit auch maßgeblichen Anteil an den Eigenschaften des herzustellenden Seils. So kann die Vorschubgeschwindigkeit beispielsweis die Wicklungssteigung des Isolierbands oder des Blitzschutzelements oder die Schichtdicke des Lichtschutzmittels bestimmen.

Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch ein besonders bevorzugt ausgestaltetes Seil nach der Erfindung.

Das Seil 10 weist einen bevorzugt kreisrunden Querschnitt auf. Der Kern K des Seils 10 wird von unidirektional angeordneten Rovings R gebildet, die jeweils aus einer Mehrzahl von Filamenten gebildet und mittels eines Matrixwerkstoffs M miteinander verbunden sind.

Der Kern K ist vollständig von einem elektrisch nicht-leitendem Isolator umgeben und vor Umwelteinflüssen, beispielsweise Feuchtigkeit, geschützt.

Der isolierte Kern K ist zusätzlich von einem netzartig ausgebildeten, elektrisch-leitfähigen Blitzschutzelement B umgeben, das an geeigneter Stelle den Anschluss an eine weitere blitzableitende Struktur ermöglicht.

Sowohl der isolierte Kern K wie auch das Blitzschutzelement B sind von einem

Lichtschutzelement L umgeben, dass die für die Filamente des Kerns K schädliche Wirkung von UV-Strahlung minimiert.