DE60320400T2 - Vorrichtung für in tiefwasser angeordnete windenergiestation - Google Patents

Vorrichtung für in tiefwasser angeordnete windenergiestation Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung betrifft eine windgetrieben Kraftanlage (hiernach als Windmühle bezeichnet), die in tiefem Wasser schwimmend installiert ist, vervollständigt durch eine Verankerung mit dem Boden des Meeres.
  • Bisher bekannte Technologie umfasst an Land errichtete Windmühlen und in küstennahen Gebieten errichtete Windmühlen. Die angewendete Technik ist bis zu einem gewissen Grade gemeinsam, als dass eine feste Fundamentierung geschaffen wird, die an die Größe der Windmühle, die dimensionierende Windkraft, etc. angepasst ist.
  • Gemäß der bekannten Technologie des Errichtens von Windmühlen im Meer wird eine sich über die Meeresoberfläche erstreckende Fundamentierung errichtet. Auf dem Fundament wird ein gewöhnlicher Windmühlenturm montiert. Das Maschinenhaus der Windmühle einschließlich Generator, Regeleinrichtungen, Rotor und Rotorblättern wird an der Oberseite dieses Turms montiert. Diese Einrichtungen sind in der gleichen Weise ausgelegt wie für eine auf dem trockenen Land erbaute Windmühle.
  • Bevorzugt werden Windmühlen an Plätzen mit stabilen Windbedingungen errichtet. Meistens stehen sie auf Bergrücken oder sie sind in der ebenen, offenen Landschaft platziert. Dadurch werden sie leicht bemerkbar, und aufgrund ihrer dominanten Position und großen Struktur werden Windmühlen oft als visuelles Umweltproblem wahrgenommen, ein fremder Gegenstand in der Natur.
  • Wenn sie in Betrieb sind, erzeugen die Windmühlen Lärm, insbesondere von den Rotorblättern. Wenn sie nahe Ansiedlungen platziert sind, werden die Windmühlen somit ein Lärmproblem für die Bevölkerung darstellen.
  • Windkraft wird als eine "grüne" Energieart angesehen. Wind ist eine Energiequelle, die stets verfügbar ist, und eine Ausbeutung von Wind als Energiequelle wird unter einem Umweltgesichtspunkt als wünschenswert angesehen. Die Erzeugung von elektrischer Energie mittels Windmühlen bewirkt keinerlei schädliche Emissionen in die Natur.
  • Windenergie kann nicht gespeichert werden und muss daher genutzt werden, wenn sie verfügbar ist. Wasser, auf der anderen Seite, kann in Speichern bevorratet werden. Durch Kombinieren von windbasierten und hydroelektrischen Kraftanlagen in einem gemeinsamen Verteilungsnetz ist es möglich, den Wasserverbrauch zu reduzieren, wenn die Windbedingungen vorteilhaft sind. Wenn die Windmühlen nicht genutzt werden können, um elektrische Energie zu erzeugen, wird die wasserbasierte Produktion erhöht. Auf diese Weise können Produktionssysteme bereitgestellt werden, die stets eine maximale Ausbeutung der Windenergiequellen sicherstellen, ohne dass die Energieversorgung für den Markt instabil gemacht wird.
  • Vorzugsweise werden Windmühlen platziert, wo die durchschnittliche Windkraft so hoch wie möglich ist. Auf diese Weise wird die Energieproduktion maximiert, und die Produktionskosten werden minimiert.
  • Eingehende meteorologische Aufzeichnungen zeigen, dass die durchschnittliche Windkraft zunimmt, wenn man sich von der Meeresküste zur offenen See bewegt. Zum Beispiel, bei den Ölinstallationen im nördlichen Teil der Nordsee ist die durchschnittliche Windgeschwindigkeit ungefähr 25% höher als an guten Windmühlenplätzen an der dänischen Westküste.
  • Aus ausbeutbare Windenergie ist proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Somit repräsentiert ein 25%-Zuwachs in der Windgeschwindigkeit eine Zunahme des Energiepotentials um 1,253 = 1,95, d. h. +95%. Ein Platzieren von Windmühlen in der offenen See ergibt somit gute Bedingungen für ein erhöhtes Produktionspotential.
  • Es ist bekannte Technologie, kleine Windmühlen auf Schiffen zu platzieren, um elektrische Energie für Speicherzwecke zu erzeugen.
  • Noch ist es nicht profitabel, große, stromproduzierende Windmühlen auf gewöhnlichen, Schiffen gleichenden schwimmenden Installationen aufzustellen. Die Bewegungen des Rumpfs in rauher See würden sehr große Spannungen auf die Strukturen der Windmühlen bewirken, und der Rumpf muss von großen Dimensionen sein, damit die Struktur eine ausreichende Stabilität erreichen kann, um die auf den Windmühlenrotor wirkenden Windkräfte aufzunehmen.
  • Die Offshore-Ölproduktion erfordert große Mengen von elektrischer Energie. Gegenwärtig wird diese im Großen und Ganzen mittels Gasturbinen bereitgestellt. Die Verbrennung von großen Mengen an Gas bildet ein markantes Umweltproblem, weil Kohlendioxid (CO2) in die Atmosphäre emittiert wird. Es kann großer Gewinn für die Umwelt erreicht werden, indem umweltfreundliche Energieproduktion an die Stelle gasbasierter Produktion gesetzt wird. Daher werden große Geldbeträge aufgewendet.
  • WO/2003/004869 beschreibt Offshore-Windturbinen, die auf einer schwimmenden Fundamentierung getragen sind, die einen untergetauchten Auftriebskörper umfasst, der durch ein oder mehrere Kabel, etc. am Meeresboden befestigt ist.
  • WO/2002/010589 beschreibt einen windkraftbetriebenen Generator zur Offshore-Platzierung, der eine teilweise untergetauchte Struktur mit einem sich von dort aufwärts erstreckenden Mast zum Tragen einer Windturbine umfasst.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beheben.
  • Das Ziel wird erfindungsgemäß erreicht durch die in der nachfolgenden Beschreibung und in den angehängten Patentansprüchen angegebenen Merkmale.
  • Ein zylindrischer Turm wird mittels festen und flüssigen Ballastmaterials im unteren Teil des Turms in einer aufrechten Position im Wasser schwimmend gehalten. Im oberen Teil des Turms ist eine Windmühle mit einem Maschinenhaus, das Generator, Regeleinrichtungen, Rotor und Rotorblätter umfasst, platziert.
  • Alternativ kann der Generator im mittleren Teil des Turms platziert und mittels einer geeigneten Transmission mit der Rotorachse verbunden sein.
  • Die Gesamtdimensionen des Turms sind an die Größe der Windmühle, die dimensionierende Windkraft und die Wellenhöhe, etc. angepasst. Weil der gemeinsame Schwerpunkt der Struktur unter dem Zentrum der verdrängten Wassermasse liegt, zeigt der Turm eine bessere Stabilität als ein gewöhnlicher Schiffsrumpf, der ein entsprechendes Stahlgewicht aufweist.
  • Die Verbindung zwischen dem Maschinenhaus und dem Turm ist in einer solchen Weise konstruiert, dass die Rotorachse der Windmühle mittels einer an sich bekannten Regeleinrichtung in einer horizontalen Position gehalten wird, selbst wenn der Turm sich aufgrund der durch Wind, Wellen und Strömungen im Wasser bewirkten Spannung an den verschiedenen Abschnitten der Struktur auf eine Seite neigt.
  • Vorzugsweise ist der Rotor an der leewärtigen Seite des Maschinenhauses platziert. Dadurch wird ein stabilisierender Effekt auf die Windkräfte erreicht, die den Turm in die Windrichtung zu drehen suchen, und das Risiko, dass die Rotorblätter in den Turm einschlagen, wenn der sich neigt, wird reduziert.
  • Alternativ ist der Generator im Turm platziert. Dadurch werden verkomplizierende Einrichtungen zum Durchführen von elektrischen Kabeln zum Generator vermieden. Ein sich drehendes Maschinenhaus, das im oberen Teil des Turms angeordnet ist, erfordert vom Maschinenhaus zum Turm eine Übertragung mittels Schleifkontakten oder durch Begrenzung der Anzahl von Drehungen, welchen das Maschinenhaus unterzogen werden kann, bevor es mittels Motorleistung in der entgegengesetzten Richtung gedreht wird. Schleifkontakte können nur in Verbindung mit der Übertragung relativ kleiner Wirkungen verwendet werden. Eine zwangsweise Drehung des Maschinenhauses ist riskant, wenn sie ausgeführt wird, wenn sich der Turm neigt. In solch einer Situation können die Rotorblätter in den Turm einschlagen.
  • Der Turm ist mittels geeigneter Vorrichtungen am Meeresboden verankert. Die Verankerung des Turms wirkt als Mittel sowohl zum Positionieren als auch zum Stabilisieren. Das Veranke rungssystem ist so konstruiert, dass es den Turm hindert, sich unter dem Einfluss von durch die Drehung der Windmühle bewirkten Torsionskräften zu drehen. In erster Linie wird die Verankerung vorgenommen mit Hilfe einer Ankerstange, die am Seeboden festgelegt ist mittels eines Verankerungspunkts mit einem Schwerkraftanker, einem Sauganker oder Pfählen, und, wahlweise mit Füllmassen befestigt ist. Die Ankerstange enthält zwei Verbindungen, welche Torsions- und Zugkräfte zu dem Bodenankerpunkt übertragen, aber verhindern, dass Biegespannung auf die Stange wirkt. Dieses Verankerungssystem erfordert wenig Raum und wird mit Vorteil verwendet, wenn die Windmühle an oder nahe einem Fischgrund platziert ist.
  • Alternativ kann die Windmühle mittels eines oder mehrerer gewöhnlicher Bodenanker verankert werden. Diese sind mit Auslegern am Turm verbunden, um die Torsionskräfte aufzunehmen.
  • Während der Verankerung wird die Windmühle mit Ballast überladen, um sie dazu zu bringen, so tief zu sinken, dass nach dem Entlasten und unabhängig von Gezeiten und Wellen es stets auf die Anker/Stangen-Verbindung wirkende Zugkräfte gibt.
  • Die Windmühle ist mit einem elektrischen Stromversorgungsnetz verbunden. Vorzugsweise sind mehrere Windmühlen im gleichen Gebiet platziert, damit die Hauptverbindung zu einem entfernten Verteilnetz so effizient wie möglich genutzt werden kann.
  • Im folgenden wird ein nicht-beschränkendes Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, wo:
  • 1 eine Seitenansicht einer Windmühle mit dem oberen Teil des Turms über der Meeresoberfläche zeigt, wobei das Maschinenhaus am oberen Teil des Turms montiert ist. Der Rotor ist gegen die leewärtige Seite gedreht, und der Turm neigt sich in der Windrichtung. Der untere Teil des Turms ist mit dem Meeresboden verbunden mittels einer Ankerstange mit zwei Gelenkverbindungen.
  • 2 zeigt ein Detail in der Verbindung zwischen dem Maschinenhaus und dem Turm.
  • 3 zeigt das alternative Verankerungssystem mit drei Bodenankern, Ankerketten und Auslegern.
  • In den Zeichnungen bedeutet das Bezugszeichen 1 eine Windmühle umfassend einen zylindrischen Turm 2 mit einem Turmboden 3, einem Ballastraum 4, der ein Ballastmaterial 5 enthält, das vorzugsweise ein Festkörper ist, einen Ballasttank 6, der einen flüssigen Ballast 7 enthält, das Maschinenhaus der Windmühle 8 mit der Rotorachse 9, Rotorblätter 10, sowie, nicht gezeigt, einen Generator und Regelvorrichtungen. Das Maschinenhaus 8 ist mit dem Turm 2 mittels einer Neigeverbindung 11 gelenkig verbunden. Eine Ankerstange 12, die durch die Verbindung 13 vervollständigt ist, verbindet die Windmühle 1 mit einer Bodenverankerung 14, die durch einen Schwerkraftanker, einen Sauganker oder (nicht gezeigte) Pfähle befestigt und wahlweise durch Füllmassen 15 stabilisiert ist.
  • Ein alternatives Ausführungsbeispiel des Verankerungssystems umfasst einen oder mehrere Bodenanker 16, vervollständigt durch eine Ankerkette 17 und Ausleger 18.
  • Die Wasseroberfläche ist durch die Bezugsziffer 19 bezeichnet und der Meeresboden durch die Bezugsziffer 20.
  • Die Stabilität der Windmühle 1 wird aufrecht erhalten dadurch, dass der Schwerpunkt der gesamten Struktur wesentlich niedriger platziert ist als der Angriffspunkt der Auftriebskräfte von dem untergetauchten Teil des Turms 2. Dies wird erreicht, indem ein Ballastmaterial 5 in einem Ballastraum 4 im unteren Teil des Turms 2 platziert ist. Durch Verwendung einer geeigneten Menge eines flüssigen Ballastmaterials, z. B. Wasser in einem Ballasttank 6 kann das gesamte Ballastgewicht an das Gewicht angepasst werden, das tatsächlich erforderlich ist, um die Windmühle 1 in das Wasser zu senken.
  • Mittels torsionssteifer Ankerverbindung(en) 12, 13, 14, alternativ 16, 17, 18 zum Meeresboden 20 wird die Windmühle 1 in Position gehalten. Durch vorübergehendes Überfüllen mit flüssigem Ballast, was dazu führt, dass die Windmühle 1 auf eine größere Tiefe gesenkt wird als ihre berechnete permanente Tiefe im Wasser, wird der Turm mit dem Ankersystem 12, 13, 14 verbunden. Durch nachfolgendes Entfernen von Wasser durch Pumpen wird eine permanente Spannung in dem Ankersystem 12, 13, 14 erzeugt, so dass die Windmühle 1 auf einer konstanten Tiefe in Bezug auf den Meeresboden 20 positioniert bleibt, unabhängig von Gezeiten und Wellen. Dadurch wird die Stabilität der Windmühle 1 erhöht.
  • Das Maschinenhaus 8 der Windmühle 1 ist im oberen Teil des Turms 2 platziert und kann entsprechend bekannter Technik in Bezug auf die Windrichtung gedreht werden.
  • Alternativ ist der Generator der Windmühle 1 im mittleren Teil des Turms 2 platziert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Stabilität der Windmühle 1 erhöht, weil das Gewicht des Maschinenhauses 8 reduziert ist.
  • Windkräfte gegen die Rotorblätter 10 der Windmühle 1 und andere Strukturen, ebenso wie Wellenkräfte und Strömungen im Wasser, werden bewirken, dass der Turm 2 sich zu einer Seite neigt. Das Neigen wird ausbalanciert durch die entgegenwirkende resultierende Kraftkomponente des Gewichts der Windmühle 1 und des Auftriebs der Windmühle 1 im Wasser.
  • Mittels einer Neigeverbindung 11, vervollständigt durch eine automatische Regelungseinrichtung, wird die Rotorachse 9 der Windmühle 1 in einer horizontalen Position gehalten, selbst wenn sich der Turm 2 neigt. Dadurch wird eine größere Effizienz aufrecht erhalten und es wird weniger Spannung am Rotorblatt 10 geben.
  • Während normaler Betriebsbedingungen wird das Maschinenhaus 8 der Windmühle 1 in eine Position mit den Rotorblättern 10 auf der leewärtigen Seite gedreht. In dieser Position ist das Risiko reduziert, dass die Rotorblätter 10 in den Turm 2 einschlagen. Gleichzeitig ist ein stabilisierender Effekt auf die Windkräfte erreicht worden, die den Turm 2 in die Windrichtung zu drehen suchen.
  • Weil, während des Betriebs, die Rotorachse 9 nicht rechtwinklig zum Turm 2 ausgerichtet ist, wird eine Komponente dieses Drehmoments auf den Turm übertragen werden. Das Verankerungssystem 12, 13, 14, alternativ 16, 17, 18, des Turms 2 ist in einer solchen Weise konstruiert, dass es den Turm 2 hindert, dass er durch dieses Moment gedreht wird. Die durch die Verbindung 13 und den Bodenankerpunkt 14 vervollständigte Ankerstange 12 des primären Ankersystems ist torsionsmäßig steif. Gleichzeitig verhindern die Verbindungen 13 Biegespan nung an der Stange 12. In der gleichen Weise absorbieren die Ausleger 18 des alternativen Verankerungssystems die Torsionskräfte, die über die Ankerketten 17, welche von der Mittelachse des Turms 2 weit entfernt an den Auslegern 18 befestigt sind, zu den Bodenankern 16 übertragen werden.

Claims (12)

  1. Windgetriebene Kraftstation (1), die im Wasser schwimmen kann, mit einem Maschinenhaus (8), das an einem sich über die Oberfläche des Wassers erstreckenden Turm (2) montiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (2) eine längsausgedehnte Struktur von allgemein zylindrischer Form ist, die einen oberen axialen Bereich aufweist, an welchem das Maschinenhaus (8) montiert ist, und einen unter der Oberfläche des Wassers befindlichen unteren axialen Bereich, der Ballastmaterial (5, 7) enthält, um zu erreichen, dass der Gesamtschwerpunkt der Station (1) sich unter dem Auftriebszentrum der Station (1) befindet, so dass die Station im Wesentlichen in einer aufrechten Position schwimmt.
  2. Windgetriebene Kraftstation (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ballastmaterial festen Ballast (5) umfasst.
  3. Windgetriebene Kraftstation (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ballastmaterial flüssigen Ballast (7) umfasst.
  4. Windgetriebene Kraftstation (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die windgetriebene Kraftstation (1) durch eine torsionssteife Verbindung am Meeresboden (20) positioniert und stabilisiert ist, wobei die torsionssteife Verbindung eine Ankerstange (12) umfasst, die an jedem Ende eine Verbindung aufweist, von denen eine untere Verbindung (13) unter Zug an einem Bodenankerpunkt (14) befestigt ist.
  5. Windgetriebene Kraftstation (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerstange (12) eine obere Verbindung umfasst, die an einem unteren Bereich des Turms (2) befestigt ist, wobei jede der unteren und oberen Verbindungen zur Übertragung von Torsions- und Zugkräften vorgesehen ist.
  6. Windgetriebene Kraftstation (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ballastraum (4) vorgesehen ist, um festen Ballast aufzunehmen, und/oder ein Ballasttank (6) vorgesehen ist, um flüssigen Ballast aufzunehmen.
  7. Windgetriebene Kraftstation (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotorachse (9) von innerhalb des Maschinenhauses (8) ausgeht, wobei die Rotorachse mit einem Generator verbunden ist, und Rotorblätter an der Rotorachse (9) montiert sind.
  8. Windgetriebene Kraftstation (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Neigeverbindung (11) in der Kraftübertragung zwischen dem Maschinenhaus (8) und dem Turm (2) vorgesehen ist, um die Rotorachse (9) in einer horizontalen Position zu halten, selbst wenn sich der Turm (2) neigt.
  9. Windgetriebene Kraftstation (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenhaus (8) in einer solchen Weise angeordnet ist, dass sich die Rotorblätter (10) während des Betriebs an der leewärtigen Seite des Turms (2) befinden.
  10. Windgetriebene Kraftstation (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator in dem Turm (2) montiert und über eine Kraftübertragungsanordnung mit der Rotorachse (9) verbunden ist.
  11. Windgetriebene Kraftstation (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (2) am Meeresboden unter Verwendung eines Ankersystems in Form durchhängender Ketten verankert ist.
  12. Windgetriebene Kraftstation (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (2) mit einem einzigen Ankerelement unter Zug am Meeresboden verankert ist.
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