Pientuulivoimalaitoksen maston suunnittelu, lujuustekninen tarkastelu ja kustannusten optimointi

Abstract

Energian kulutus maailmalla ja Suomessa kasvaa nykyisestä. Suomessa energian hinta on elintasoon nähden länsimaiden edullisimpia. Tämä aiheuttaa paineita energian hinnan nostolle. Lisäksi Suomessa käytetään lähes kolminkertainen määrä energiaa esimerkiksi Saksaan verrattuna kylmien pohjoisen olosuhteiden vuoksi. Toisaalta huoli ympäristöstä on kasvava paremman ympäristötietoisuuden vuoksi. Globaali ilmaston lämpeneminen on herättänyt ihmiskunnan laajasti pohtimaan energian tuotannon vaikutuksia. Tuulivoima on yksi varteen-otettava vihreän energian tuotantomuodoista.

Opinnäytetyön teettäjä Vesa Pehkonen on suomalainen pientuulivoimaharrastaja. Pehkonen näkee pientuulivoimatuottajille suunnatun asiakkaan kokoonpantavan maston mahdollisena yritystoiminnan tuotteena. Työn tavoitteena oli suunnitella vapaasti seisova ristikkomastosarja, jonka kohderyhmänä ovat pientuulivoimatuottajat, eli alle 50 kW tuulivoimalaitokset. Masto oli suunniteltava niin, että se on kokoonpantavissa täysin pystytyspaikalla ilman hitsausta. Työssä tarkastellaan mastoja lujuusteknisen tarkastelun kautta ja pyritään suunnittelussa pitämään materiaali- ja valmistuskustannukset mahdollisimman alhaisena.

Aluksi työssä määriteltiin mastoon kohdistuvat kuormat, joita olivat turbiinin ja maston tuulikuorma sekä turbiinin ja rakenteen oma paino. Tämän jälkeen suunniteltiin alustava ristikkomalli 3D-mallinnusohjelmalla. Malli siirrettiin erilliseen FEM-ohjelmistoon, jossa tarkasteltiin maston käyttäytyminen. Tämä toistettiin niin useasti, ettei optimointia voinut enää tehdä pidemmälle määriteltyjen lähtöarvojen puitteissa. FEM-ohjelmistosta saatiin mastoon vaikuttavat voimat liitososien mitoitusta varten. Liitososien mitoituksen jälkeen ne tarkasteltiin 3D-mallinnusohjelmiston FEM-analyysityökalulla.

Työssä suunniteltiin kaksi mastoa, 21 ja 30 m korkeat vapaasti seisovat ristikkomastot periaatteellisien liitososien kanssa. Mastot poikkeavat umpinaisten profiiliensa sekä asiakkaan itse kokoonpantavan rakenteen osalta markkinoilla olevista mastoista. Mastot on mitoitettu kestämään 10 kW tuuliturbiinin aiheuttamat kuormat.

In the future, the usage of electricity will continue to rise all over the world. In Finland, the price of energy is low compared to the prices in other Western countries. In addition, power consumption in Finland has nearly tripled compared for example to Germany. Our northern climate will increase residences’ heating expenses compared to Central Europe. All this will put pressure on raising the prices. At the same time, the common concern about global warming and greenhouse effect is recognized among people all over the planet. Wind power is one of the most significant ways to produce green energy.

The objective of this thesis is to design a freestanding lattice mast for consumers who are planning to invest in wind power. The basic point is that consumer could assemble the mast by himself and therefore save on expenses. It must be possible to do the assembly without welding on the using point of the wind turbine. That is why the assembly will be designed by using bolts and nuts. At the same time, expenses of materials and subcontracting must be kept low. Therefore using the raw materials effectively is important considering the final product and its demand.

The first step was to clarify the loads that are straining the mast. The following task was to design an over dense nodal point net for the mast by using 3D-software. By entering the nodal points into the FEM-software and analysing the mast, it was possible to see, if masts’ lattice could be rarefied. This was repeated until rarefying was not able to go further. The loads for designing the cou-pling parts were received from the FEM-software. The coupling parts were designed by using new Eurocode standards and then modeled by 3D-software. Finally, FEM-analyses were made by same 3D-software which was used to model the parts and the mast.

The results of this thesis are two freestanding lattice masts which are 21 and 30 meters of height and the basic models and analyses of the coupling parts. The masts are designed to endure forces from the biggest 10kW wind turbines in the market.