01/387-LICHTE WINDMOLENMAST

Er bestaat momenteel een zekere paradox om “groene” energie te willen produceren met windmolens, terwijl er grote hoeveelheden materiaal gebruikt worden om hun masten en funderingen te bouwen en er zware uitrustingen nodig zijn voor de turbines.

De masten en funderingen bestaan gewoonlijk uit een brede en zware buisvormige stalen structuur die rust op een dikke betonplaat die soms zelf door een groot aantal palen ondersteund wordt. De bodemvervuiling die door deze grote hoeveelheid ter plaatse gegoten beton veroorzaakt wordt, is dan ook een probleem vanuit ecologisch standpunt. Tenslotte leidt het massieve aspect van de mast ertoe dat deze ongeschikt is voor bepaalde sites.

Samyn and Partners kreeg de opdracht van de Fabricom Groep, één van de belangrijkste Belgische groepen, die onder andere in de elektromechanische industrie werkzaam is en heel wat ervaring heeft op het gebied van vermogenstransport en fabricage van pylonen om een lichtere en ecologischere windmolenmast en de daarmee overeenkomstige funderingen te ontwikkelen.

Met behulp van de methode van de volume-indicator die ontwikkeld werd door Dr. Ir. Ph. Samyn was het mogelijk om aan te tonen dat er een heel lichte configuratie verkregen kan worden, die zelfs veel lichter is dan een traditionele verankerde mast, door de mast net onder de wieken te ondersteunen met drie kabels die in stervorm op 120°  zijn aangelegd en die met drie horizontale stutten van de mast verwijderd worden. De kabels verbinden de mast met de uiteinden van de stutten op 45° en gaan dan verticaal naar de grond toe. Als  alternatief kan, om de torsieweerstand te verhogen, elk paar kabels diametraal tegenovergestelde punten op de grote diameter van de mast verbinden aan het uiteinde van de stutten en verdergaan naar de grond in een schraagconfiguratie. In elke configuratie verbinden drie bijkomende kabels het verbindingspunt van de stutten met de mast, diagonaal in een verticaal vlak, met de verankeringspunten in de grond van de drie bovenvermelde verticale kabels.

Door deze vormgeving kan de mast daarenboven verticaal opgericht worden nadat deze op de grond met zijn turbine en zijn wieken is uitgerust, door gebruik te maken van de eigen mastkabels om hem  op te tillen. Zo moet er geen zwaar hijsmateriaal meer gebruikt worden waardoor windmolens eveneens in afgelegen sites geplaatst kunnen worden.

Met een bijna gelede doorsnede ter hoogte van de stutten kan een stalen mast van 100 m hoog samengesteld worden uit twee tegenoverliggende kegelsnedes met een maximumdiameter van 3 m en een minimumdiameter van 1 m, op de top van een cilindrische mast met een diameter van 1 m, die steunt op een kegelvormige basis met een diameter van 6 m die de elektrische uitrusting bevat. De minimumdoorsnede van 1 m diameter kan niet verminderd worden omdat ze de kabels moet bevatten die van de generator komen evenals de ladder en zijn doorgangszone. De mast kan dan steunen op een beperkt aantal geprefabriceerde palen uit voorgespannen beton en de kabels kunnen verankerd worden in betonnen schijven die bestaan uit radiale segmenten, die door de grond geladen worden. Voor een windmolen van 1,5 MW en 100 m hoog kan het gewicht van de mast met de helft verminderd worden en kunnen zijn funderingen gemakkelijk verwijderd worden.

De starheid en dus de frequenties die eigen zijn aan deze structuren, zijn vergelijkbaar met die van een klassieke mast.

Er werden alternatieve schema’s ontwikkeld zoals het schema dat hier getoond wordt waarbij de kabels naar de basis van de mast teruglopen. In dit geval is er praktisch geen winst meer op de funderingen maar wordt er nog winst geboekt op het gewicht van de mast. Dit alternatief kan geschikt zijn voor drijvende ‘offshore’ windmolens.

Het systeem kan eveneens gebruikt worden om de windmolens te verhogen en het vermogen van bestaande windmolenturbines op te drijven door hun mast in zuivere compressie te hergebruiken waardoor de moeheid die door de buigingskrachten geïnduceerd wordt, op die manier opgenomen wordt en door hun funderingen opnieuw te gebruiken.

Deze studie wordt uitgevoerd voor rekening van de Fabricom-groep die op 16/04/2004 een internationale PCT-octrooiaanvraag indiende maar deze daarna heeft ingetrokken omwille van het gebrek aan interesse van de markt.

De nationale Italiaanse elektriciteitsenergiegroep ENEL organiseerde in 2001 in samenwerking met Legambiente een internationale ideeënwedstrijd voor de bouw van twee windmolenparken in Zuid-Italië (Cinisi, Sicilië en Pescopagano (Basilicata).

In plaats van 15 kleine turbines van 0,8 MW die voorzien zijn door de bouwheer, stelt het project 5 turbines van 2,5 MW voor op hoge masten.

Het project van Samyn and Partners werd geselecteerd uit de projecten die in Rome werden voorgesteld op het congres “Paesaggi del vento” van 2002-07-26.

Er werd een prototype voor een toren van 62,5 m met een Jeumont-turbine J48 750 kW IEC gecertificeerd Type Klasse II_A door Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH. Rapport nr. 71480-5 / 2003.11.04.

• European Patent application, April 28th 2000; n° 00870090.8, Ph. Samyn: “Structure de support d’éolienne”, 23p; (Europe).
• Ph. SAMYN, Th. VILQUIN: “Structure de support d’Eolienne. Rapport de recherche. Notes de calcul».
Pour la Construction Soudée s.a. (group Fabricom). April 28th 2000. Internal report, 248 p; (01/387); (Belgium). This document is also available for consultation at the library of the Académie Royale des Sciences, des Arts et des Lettres de Belgique, rue Ducale, n°1 in Brussels.
• Request of certificate INTERNATIONAL PCT (Patent Cooperation Treaty) laid down Thursday April 26th 2001, under n° PCT/BE/01/00075. Ph. SAMYN : “Structure de support, en particulier, pour une éolienne “18 pages + 10 pages de figures. International publication 2001.11.08 sous le n° WO 01/83984 A1 [(2+10+6 ) pages = 18 pages ];(Europe).
• Demande de brevet INTERNATIONAL PCT (Patent Cooperation Treaty) déposé le jeudi 26 avril 2001, sous le n° PCT/BE/01/00075. Ph. SAMYN : “Structure de support, en particulier, pour une éolienne “18 pages + 10 pages de figures. Publication internationale 2001.11.08 sous le n° WO 01/83984 A1 [(2+10+6) pages = 18 pages]. Notification de délivrance. Demande n°01.927505.6-2315 ref. DPNE 132.989 LB. 2004.04.16 [(5+27)=32 pages] ; (EU). (E14_589).
• AERODYN Energie systeme Gmbh, Proviänthausstrasse 9, 24768 Rendsburg, Deutschland, “La Construction Soudée”, Preliminary Design of a Wired Tower for the wind energy conver ter Jeumont J48, 62,5m HH, TC2” ; Document – Number B-41.1.0-RT.00.00.01-B, Révision B ;  2001.04.18-, 31p; (Germany).
• DETAIL IN ARCHITECTUUR, July-August 2001, p 6 “Lichte windmolen” ; (Netherlands).
• Cobouw – dagblad voor de bouw, Tuesday October 23rd 2001, 145e jaargang, number 196, p 1 ; Ad TISSINK : “Getuide windmolen moeiteloos omhoog” ; (Netherlands).
• PROCEEDINGS of the FIFTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON SPACE STRUCTURES, Guildford, England, 19-21 août 2002, (ISBN : 0-7277-3173-4),pp 1265-1274; Ph. Samyn, Th. Vilquin : «Light Windmill Mast with Cocked Guys»; (GB). (E14_644).
• ESPACE-VIE. Aménagement du territoire, Urbanisme et environnement, n°123, décembre 2001, couverture et pp 3-5 ; Anne NORMAN : “Les éoliennes, une énergie dans le vent ? ” ; (Belgium).
• INDUSTRIE MAGAZINE, 1 mai 2002; pp 54-55 : “Pour une architecture durable” – 1 mei 2002; pp 60-61 :“Duurzame architectuur”; (Belgium).
• BOUWEN met STAAL, n° 165, februari 2002, pp. 6-7; “Getuide windmolens”; (Netherlands).
• PAESAGGI DEL VENTO. A cura di Edoardo Zanchini. Meltemi editore, 2002, p. 106; “Leggero come il vento” (Italy).
• Edoardo Zanchini, “Paesaggi del vento”, Meltemi editore, Roma, 2002; (Italy).
• THE ARCHITECTURAL REVIEW, November 2003, n° 1281, pp 32-33, “Wind powermast prototype”; (Italy).
• Germanischer Lloyd – WindEnergie GmbH “Certification report” Wind Turbine : Jeumont J48 / Guyed Tubular Steel Tower : La Construction soudée / Hub Height 62,5 m IEC Type Class IIA – Report No : 71480-5 – Date : 2004.02.24; 5p; (DE). (E14_742).
• LES CAHIERS DE L’URBANISME n° 52, décembre 2004, pp. 30-32 ; “Mât d’éolienne léger” ; (BE). (E14_776).
• STAAL-ACIER, n° 6, mars 2005, pp. 22-25, “Lichetere windmasten – Des mâts d’éoliennes plus légers” ; (BE). (E14_783).
• Aldo AYMONINO, Valerio Paolo MOSCO :“Espaces publics contemporains – Architecture « volume zéro »”
Skira editore. Janvier 2006. (ISBN : 88.7624.274.0); pp.126-127 : « Service Station – Houten » ; pp. 352-353 : “A light windmill Mast”; (IT). (E14_837).
• Vraag & Aanbod (Kluwer), n°8, jaargang 59, dinsdag 2012-02-21 ; p14 ; Luc DE SMET : « Wind turbines kunnen een kwart goedkoper » ; (BE). (E14_1108).

Andres Fernandez.