CH715604B1 - Support structure system for an offshore wind turbine. - Google Patents
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Abstract
Bei dem erfindungsgemäßen Stützstruktursystem für eine Offshore-Windkraftanlage erfolgen durch Ballastieren der Spar-Boje (6) eine Aufrichtung der Struktur und eine Einstellung des Schwerpunkts, womit die Kraftaufnahme-Eigenschaft optimiert wird und die Auftriebsfähigkeit, die Stabilität sowie die Ausfallbeständigkeit erhöht werden. Indem ein Verstärkungsseil (3) vorgesehen ist, sind somit der Auftriebszylinder (5), der Turm (2) und das Spannkabel (4) zu einem Gesamtsystem zur koordinierten Kraftaufnahme verbunden, womit die vertikale Zugkraft des vertikal angeordurchen Spannkabels (4) ausgeglichen, das Biegemoment des Auftriebszylinders (5) verringert und die Betriebseffizienz des Auftriebszylinders (5) und des Turms (2) erhöht wird. Alternativ dazu können bei der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines kettenlinienartigen Spannkabels (41) die Verschiebung und die Drehung der Struktur beschränkt werden. Mittels der horizontalen und der vertikalen Kraftkomponenten, die durch die Kettenlinie bereitgestellt werden, werden der Spitzenwert der inneren Kraft des Spannkabels (4) während des Einsatzes einer Windkraftanlage (1) und somit auch die Bruchwahrscheinlichkeit des Spannkabels (4) verringert. Erfindungsgemäß kann ferner mittels einer umgekehrt im Wasser angeordneten vertikalen Dämpfungserhöhungseinrichtung (10) die vertikale Dämpfung der Struktur erhöht werden. Des Weiteren werden die Stabilität der Struktur und die Bruchbeständigkeit des Spannkabels (4) durch die Anwendung der Spar-Boje (6), der vertikalen Dämpfungserhöhungseinrichtung (10) und des kettenlinienartigen Spannkabels (41) erhöht und zudem werden die Bauschwierigkeit und das Tauchen der Struktur verringert.In the support structure system according to the invention for an offshore wind power plant, the structure is erected and the center of gravity is adjusted by ballasting the spar buoy (6), which optimizes the force absorption property and increases the buoyancy, stability and failure resistance. By providing a reinforcement cable (3), the lift cylinder (5), the tower (2) and the tensioning cable (4) are connected to form an overall system for coordinated force absorption, with which the vertical tensile force of the vertically arranged tensioning cable (4) is balanced Bending moment of the lift cylinder (5) is reduced and the operating efficiency of the lift cylinder (5) and the tower (2) is increased. Alternatively, in the present invention, the displacement and rotation of the structure can be restricted using a chain-line tension cable (41). By means of the horizontal and vertical force components provided by the chain line, the peak value of the internal force of the tensioning cable (4) during the use of a wind turbine (1) and thus also the probability of breakage of the tensioning cable (4) are reduced. According to the invention, the vertical damping of the structure can also be increased by means of a vertical damping increasing device (10) arranged upside down in the water. Furthermore, the stability of the structure and the resistance to breakage of the tensioning cable (4) are increased by the use of the spar buoy (6), the vertical attenuation increasing device (10) and the chain line-like tensioning cable (41), and also the difficulty of building and diving of the structure decreased.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Stützstruktursystem für eine Offshore-Windkraftanlage, konkret eine strukturelle Optimierung gegenüber herkömmlichen zugspannungsverankerten Stützstruktursystemen für Offshore-Kraftanlagen. The present invention relates to a novel support structure system for an offshore wind turbine, specifically a structural optimization compared to conventional tension-anchored support structure systems for offshore power plants.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
[0002] Gegenüber der Onshore-Windkraft zeichnet sich die Offshore-Windkraft durch einzigartige Vorteile wie großes Windfeld, stabile Windstärke, hohe Leistung pro Windkraftanlage, geringe Einschränkung durch Lärmnomen, Sparen von Landressourcen und erleichterte Verwirklichung großtechnischer Produktion aus. Eine zugspannungsverankerte Offshore-Windkraftanlage (Tension Leg Platform Wind Turbine, TLPWT) leitet sich von einer zugspannungsverankerten Plattform ab und eignet sich für Gewässer mittlerer Tiefe. Dabei werden aufrechte Spannkabel zur Verankerung und Befestigung verwendet und an dem untersten Bereich des Turms sind drei bis vier Auftriebszylinder angebracht, die in der Regel einen runden oder quadratischen Querschnitt aufweisen und der ganzen Struktur eine Auftriebskraft bereitstellen können. Die beiden Enden des Spannkabels sind jeweils mit einem Ende des Auftriebszylinders bzw. dem Meeresgrund verbunden und bei normalem Betrieb befindet sich das Spannkabel in einem gespannten Zustand. Aufgrund des einfachen Aufbaus weisen zugspannungsverankerte Offshore-Windkraftanlagen breite Anwendungs- und Verbreitungsaussichten auf. Compared to onshore wind power, offshore wind power is characterized by unique advantages such as a large wind field, stable wind strength, high output per wind turbine, low restriction due to noise, saving land resources and facilitating the realization of large-scale production. A tension-anchored offshore wind turbine (Tension Leg Platform Wind Turbine, TLPWT) is derived from a tension-anchored platform and is suitable for medium-depth waters. Upright tension cables are used for anchoring and fastening, and three to four lift cylinders are attached to the lowest area of the tower, which generally have a round or square cross-section and can provide the entire structure with a buoyancy force. The two ends of the tension cable are each connected to one end of the buoyancy cylinder or the sea bed, and during normal operation the tension cable is in a tensioned state. Due to their simple structure, tension-anchored offshore wind turbines have broad application and distribution prospects.
[0003] Jedoch wird bei einer zugspannungsverankerten Offshore-Windkraftanlage einerseits an der Verbindungsstelle zwischen dem Auftriebszylinder und dem Turm aufgrund eines großen Biegemoments einzelner Bauteile eine große lokale Zugspannungskraft erzeugt, sodass die Stelle äußerst für Beschädigung anfällig ist. Andererseits tritt bei widrigen Witterungsbedingungen eine seitliche Verschiebung der zugspannungsverankerten Offshore-Windkraftanlage auf, sodass das Spannkabel eine ausreichend große innere Kraft erzeugen muss, um eine effektive Beschränkung der Windkraftanlage zu bewirken, während eine Zunahme der inneren Kraft des Spannkabels zu einem erhöhten Risiko eines Bruchausfalls führt, in welchem Fall das Umkippen der ganzen Windkraftanlage verursacht wird. Offshore-Windkraftanlagen sind in der Regel flächig angeordnet und bilden somit ein Offshore-Windfeld. Wenn eine zusammengefallene Windkraftanlage beim Wegtreiben mit anderen Windkraftanlagen kollidiert, werden dann weitere Windkraftanlagen beschädigt. However, in a tension anchored offshore wind turbine on the one hand at the connection point between the lift cylinder and the tower due to a large bending moment of individual components, a large local tensile stress force is generated, so that the point is extremely prone to damage. On the other hand, in adverse weather conditions, a lateral displacement of the tension-anchored offshore wind turbine occurs, so that the tension cable must generate a sufficiently large internal force to effectively restrict the wind turbine, while an increase in the internal force of the tension cable leads to an increased risk of breakage failure in which case the whole wind turbine is caused to tip over. Offshore wind turbines are usually arranged flat and thus form an offshore wind field. If a collapsed wind turbine collides with other wind turbines while being driven away, further wind turbines are damaged.
[0004] Zusammenfassend liegen bei bestehenden Stützstruktursystemen für Offshore-Windkraftanlagen folgende Nachteile vor: 1) Bei einer zugspannungsverankerten Offshore-Windkraftanlage wird an der Verbindungsstelle zwischen dem Auftriebszylinder und dem Turm eine große lokale Zugspannungskraft erzeugt, sodass die Stelle äußerst für Beschädigung anfällig ist. 2) Bei einem vertikal angeordneten Spannkabel ist seine innere Kraft empfindlich für Änderung äußerer Belastung, insbesondere für Änderung der Belastung in horizontaler Richtung. Bei widrigen Witterungsbedingung neigt die innere Kraft des Spannkabels zur Zunahme und daher ist ein Ausfallrisiko zu erwarten. Der Ausfall des Spannkabels führ unvermeidlich zum Umkippen der ganzen Windkraftanlage. Aus diesem Grund beeinflusst die Sicherheitsfähigkeit des Spannkabels unmittelbar die Lebensdauer der ganzen Windkraftanlage. 3) Unzureichende Gesamtstabilität der Windkraftanlage. Wenn das Stützstruktursystem für Windkraftanlagen einer großen Belastung infolge von Wind, Wellen oder Wasserstrom ausgesetzt ist, kann es bei einem Ausfall eines gespannten Spannkabels zum Umkippen des ganzen Struktursystems kommen, in welchem Fall die darüber angeordnete Windkraftanlage ins Wasser fällt und versagt. Des Weiteren sind Offshore-Windkraftanlagen in der Regel flächig angeordnet und bilden ein Windfeld, sodass beim Bruch eines Spannkabels das Umkippen der Struktur verursacht wird und andere Spannkabel nacheinander brechen, in welchem Fall ein unbeschränktes Wegtreiben der Struktur zu erwarten ist, wodurch die Sicherheit anderer Windkraftanlagen im Windfeld gefährdet wird.In summary, the following disadvantages exist in existing support structure systems for offshore wind turbines: 1) In a tension anchored offshore wind turbine, a large local tensile force is generated at the connection point between the lift cylinder and the tower, so that the point is extremely susceptible to damage. 2) In the case of a vertically arranged tension cable, its internal force is sensitive to changes in external loads, in particular to changes in the load in the horizontal direction. In adverse weather conditions, the internal force of the tension cable tends to increase and therefore a risk of failure is to be expected. The failure of the tension cable inevitably leads to the entire wind turbine tipping over. For this reason, the safety capability of the tension cable has a direct impact on the service life of the entire wind turbine. 3) Insufficient overall stability of the wind turbine. If the support structure system for wind turbines is exposed to a large load as a result of wind, waves or water flow, failure of a tensioned tension cable can lead to the entire structural system tipping over, in which case the wind turbine arranged above falls into the water and fails. Furthermore, offshore wind turbines are usually arranged flat and form a wind field, so that if one tension cable breaks, the structure will overturn and other tension cables break one after the other, in which case the structure can be expected to drift away without restriction, thereby ensuring the safety of other wind turbines is endangered in the wind field.
INHALT DER VORLIEGENDEN ERFINDUNGCONTENT OF THE PRESENT INVENTION
[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zum Lösen des Problems im Stand der Technik durch Vorsehen einer Spar-Boje und eines Verstärkungsseils ein seilverstärktes Stützstruktursystem für eine Offshore-Windkraftanlage bereitzustellen, womit die Stabilität des ganzen Stützstruktursystems erhöht, das Biegemoment des Turms und des Auftriebszylinders verringert und die Kraftaufnahme-Eigenschaft der Struktur verbessert wird. Erfindungsgemäß werden ferner die Vorteile der Spar-Boje und des kettenlinienartigen Spannkabels kombiniert, um ein kettenlinienartiges Stützstruktursystem für eine Offshore-Windkraftanlage zu bilden. Alternativ dazu werden die Vorteile der Spar-Boje, des kettenlinienartigen Spannkabels und der vertikalen Dämpfungserhöhungseinrichtung kombiniert, um ein Stützstruktursystem für eine Offshore-Windkraftanlage mit erhöhter vertikaler Dämpfung zu bilden, womit die Einsatzsicherheit der Windkraftanlagen bessert sichergestellt werden kann. The present invention is based on the object of solving the problem in the prior art by providing a spar buoy and a reinforcing rope to provide a rope-reinforced support structure system for an offshore wind turbine, which increases the stability of the entire support structure system, the bending moment of the tower and the lift cylinder is reduced and the force-absorbing property of the structure is improved. According to the invention, the advantages of the economy buoy and the chain line-like tension cable are also combined in order to form a chain line-like support structure system for an offshore wind power plant. Alternatively, the advantages of the spar buoy, the chain line-like tensioning cable and the vertical damping increasing device are combined to form a support structure system for an offshore wind power plant with increased vertical damping, which improves the operational safety of the wind power plants.
[0006] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Stützstruktursystem für eine Offshore-Windkraftanlage, das einen Turm, eine Spar-Boje, mehrere Verstärkungsseile, mehrere Spannkabel und mehrere Auftriebszylinder umfasst, wobei die Windkraftanlage an dem obersten Bereich des Turms anordbar ist, wobei ein erstes Ende des einzelnen Auftriebszylinders an einem Verbindungsteil des untersten Bereichs des Turms angeordnet ist, wobei die Spar-Boje an dem untersten Bereich des Turms angeordnet und innen mit Ballast beladen ist, wobei das obere Ende des einzelnen Verstärkungsseils mit dem Turm verbunden und sein unteres Ende mit einem zweiten Ende des zugeordneten Auftriebszylinders verbunden ist, und wobei das untere Ende des einzelnen Spannkabels am Meeresgrund verankerbar und sein oberes Ende mit dem zweiten Ende des Auftriebszylinders verbunden ist. According to the invention the object is achieved by a support structure system for an offshore wind turbine, which comprises a tower, a spar buoy, several reinforcement ropes, several tension cables and several lift cylinders, wherein the wind power plant can be arranged at the uppermost area of the tower, a first end of the individual lifting cylinder being arranged at a connecting part of the lowest area of the tower, the spar buoy being arranged at the lowest area of the tower and loaded with ballast on the inside, wherein the upper end of the single reinforcement cable is connected to the tower and its lower end is connected to a second end of the associated buoyancy cylinder, and wherein the lower end of the individual tensioning cable is anchored to the seabed and its upper end is connected to the second end of the buoyancy cylinder.
[0007] Optional ist vorgesehen, dass sich die Spar-Boje und der Turm auf ein und derselben Lotlinie befinden. It is optionally provided that the spar buoy and the tower are on one and the same plumb line.
[0008] Optional ist vorgesehen, dass sich die Spar-Boje unterhalb des Auftriebszylinders befindet. It is optionally provided that the spar buoy is located below the lift cylinder.
[0009] Beim Spannkabel handelt es sich um ein aufrechtes Spannkabel, das in vertikaler Richtung angeordnet ist. The tensioning cable is an upright tensioning cable which is arranged in the vertical direction.
[0010] Das Spannkabel ist an einem Ende mit einer Meeresgrund-Verankerungsstruktur verbindbar, während das andere Ende mit dem zweiten Ende des Auftriebszylinders fest verbunden ist und dann sich nach oben erstreckt, um mit dem Turm verbunden zu sein und somit ein Verstärkungsseil zu bilden. The tension cable is connectable at one end to a seabed anchoring structure, while the other end is fixedly connected to the second end of the lift cylinder and then extends upwards to be connected to the tower and thus to form a reinforcement cable.
[0011] Optional ist vorgesehen, dass die Auftriebszylinder radial und in gleichem Winkelabstand zueinander an dem Umfang des Turms angeordnet sind. It is optionally provided that the lift cylinders are arranged radially and at the same angular distance from one another on the circumference of the tower.
[0012] Optional ist vorgesehen, dass der Auftriebszylinder einen runden, rechteckigen oder polygonalen Querschnitt aufweist. It is optionally provided that the lift cylinder has a round, rectangular or polygonal cross section.
[0013] Optional ist vorgesehen, dass durch Aufballastieren der Spar-Boje die vertikale Höhenstellung des Struktursystems abgesenkt wird, um das Anbringen der Spannkabel zu erleichtern, während durch Abballastieren der Spar-Boje das Aufschwimmen des Struktursystems bewirkt wird, um die angebrachten Spannkabel vorzuspannen. Optionally, it is provided that the vertical height position of the structural system is lowered by ballasting the spar buoy to facilitate the attachment of the tensioning cable, while the floating of the structural system is effected by ballasting the spar buoy in order to pretension the attached tensioning cable.
[0014] Optional ist vorgesehen, dass die Verstärkungsseile die Spannkabel, den Turm und die Auftriebszylinder miteinander verbinden, um ein Gesamtsystem zur koordinierten Kraftaufnahme zu bilden, und dass die Verstärkungsseile symmetrisch und in gleichem Abstand zueinander an dem Umfang des Turms angeordnet sind, so dass das maximale Biegemoment des Turms auf die Verbindungsstellen zwischen den Verstärkungsseilen und dem Turm einwirkt. [0014] It is optionally provided that the reinforcement cables connect the tensioning cables, the tower and the lift cylinders to one another in order to form an overall system for coordinated force absorption, and that the reinforcement cables are arranged symmetrically and equidistantly from one another on the circumference of the tower, so that the maximum bending moment of the tower acts on the joints between the reinforcement cables and the tower.
[0015] Die vorliegende Ausgestaltung offenbart ein seilverstärktes Stützstruktursystem für eine Offshore-Windkraftanlage, bei dem auf der Grundlage des Konzepts einer bestehenden zugspannungsverankerten Offshore-Windkraftanlage eine Spar-Boje (Zylinder) vorgesehen und zwischen dem Auftriebszylinder und dem Turm zusätzlich ein Verstärkungsseil vorgesehen ist. Die Spar-Boje ist unmittelbar unter dem Turm angeordnet und durch Ballastieren wird die Struktur beim Bauen aufgerichtet und die Höhenstellung des Schwerpunkts der Struktur angepasst. Der Ballast kann beim Neigen der Struktur ein Wiederherstellungsmoment erzeugen, womit ein Umkippen der Struktur verhindert und somit die Beständigkeit der Struktur gegen Umkippen erhöht wird. Das Verstärkungsseil verbindet die Auftriebszylinder, den Turm und die Spannkabel zu einem Gesamtsystem zur koordinierten Kraftaufnahme. Mit dem Verstärkungsseil wird die vertikale Zugkraft, die durch das Spannkabel erzeugt wird, ausgeglichen, womit das Biegemoment des Auftriebszylinders verringert wird, sodass der Auftriebszylinder als ein Bauteil dient, das vor allem einer axialen Druckkraft entgegenwirkt und Kraft in axialer Richtung aufnimmt. Indem die Verstärkungsseile gruppenweise und symmetrisch angeordnet sind, wird ebenfalls das maximale Biegemoment des Turms verringert und die Betriebseffizienz des Auftriebszylinders sowie des Turms erhöht. Bei der vorliegenden Ausgestaltung wird unter Beibehaltung der Vorteile herkömmlicher zugspannungsverankerter Offshore-Windkraftanlagen die Kraftaufnahme-Eigenschaft der Struktur verbessert und die Auftriebsfähigkeit, die Stabilität sowie die Ausfallbeständigkeit erhöht. Des Weiteren werden Vorteile wie geringes Gewicht, komfortable Montage und breite Anwendbarkeit erzielt. The present embodiment discloses a rope-reinforced support structure system for an offshore wind power plant, in which a saving buoy (cylinder) is provided on the basis of the concept of an existing tension-anchored offshore wind power plant and a reinforcement rope is additionally provided between the lift cylinder and the tower. The spar buoy is arranged directly under the tower and ballasting the structure is erected during construction and the height of the center of gravity of the structure is adjusted. When the structure is tilted, the ballast can generate a recovery torque, which prevents the structure from tipping over and thus increases the resistance of the structure to tipping over. The reinforcement rope connects the lift cylinders, the tower and the tensioning cables to form an overall system for coordinated force absorption. With the reinforcement rope, the vertical tensile force generated by the tensioning cable is compensated, whereby the bending moment of the lift cylinder is reduced, so that the lift cylinder serves as a component that primarily counteracts an axial compressive force and absorbs force in the axial direction. By arranging the reinforcement cables in groups and symmetrically, the maximum bending moment of the tower is also reduced and the operating efficiency of the lift cylinder and the tower is increased. In the present embodiment, while maintaining the advantages of conventional tension-anchored offshore wind turbines, the force-absorbing property of the structure is improved and the buoyancy, stability and failure resistance are increased. In addition, advantages such as low weight, convenient assembly and broad applicability are achieved.
[0016] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst ferner durch ein Stützstruktursystem für eine Offshore-Windkraftanlage, das einen Turm, eine Spar-Boje, mehrere Auftriebszylinder und mehrere kettenlinienartige Spannkabel umfasst, wobei die Windkraftanlage an dem obersten Bereich des Turms anordbar ist, wobei ein erstes Ende des einzelnen Auftriebszylinders an einem Verbindungsteil des untersten Bereichs des Turms angeordnet ist, wobei die Spar-Boje an dem untersten Bereich des Turms angeordnet und innen mit Ballast beladen ist, und wobei das obere Ende des einzelnen kettenlinienartigen Spannkabels an den Auftriebszylinder oder die Spar-Boje angeschlossen ist, während sein unteres Ende am Meeresgrund verankerbar ist. According to the invention, the object is further achieved by a support structure system for an offshore wind turbine, which comprises a tower, a spar buoy, several lift cylinders and several chain line-like tension cables, wherein the wind power plant can be arranged at the uppermost area of the tower, wherein a first end of the individual lifting cylinder is arranged at a connecting part of the lowermost area of the tower, the spar buoy being arranged at the lowest area of the tower and loaded with ballast on the inside, and wherein the upper end of the individual chain line-like tension cable is connected to the lifting cylinder or the spar buoy, while its lower end can be anchored to the sea bed.
[0017] Optional ist vorgesehen, dass das obere Ende der mehreren symmetrisch am Umfang des Turms angeordneten kettenlinienartigen Spannkabel mit dem zweiten Ende des zugeordneten Auftriebszylinders verbunden ist. It is optionally provided that the upper end of the plurality of chain-line-like tension cables arranged symmetrically on the circumference of the tower is connected to the second end of the associated lift cylinder.
[0018] Optional ist vorgesehen, dass die Auftriebszylinder radial und in gleichem Winkelabstand zueinander an dem Umfang des Turms angeordnet sind. It is optionally provided that the lift cylinders are arranged radially and at the same angular distance from one another on the circumference of the tower.
[0019] Optional ist vorgesehen, dass der Auftriebszylinder einen runden, rechteckigen oder polygonalen Querschnitt aufweist. It is optionally provided that the lift cylinder has a round, rectangular or polygonal cross section.
[0020] Optional ist vorgesehen, dass sich die Kettenlinienform des kettenlinienartigen Spannkabels mit der Änderung des Schwimmzustands ändert, wobei das kettenlinienartige Spannkabel Kraftkomponenten in zwei Richtungen, also in vertikaler und horizontaler Richtung, bereitstellt, und wobei sich das Verhältnis der Größe der Kraftkomponenten mit der Änderung der Kettenlinienform ändert. It is optionally provided that the chain line shape of the chain line-like tensioning cable changes with the change in the swimming state, the chainline-like tensioning cable providing force components in two directions, ie in the vertical and horizontal direction, and the ratio of the size of the force components with the Change of catenary shape changes.
[0021] Optional ist vorgesehen, dass durch den Ballast in der Spar-Boje ein Aufrichtkraftmoment erzeugt und der Winkel θ zwischen dem Turm und der Lotlinie auf einen voreingestellten Bereich begrenzt wird, also θ ∈ (-C, +C), wobei C<90° und der Wert C anhand des Gewichts des Ballasts geregelt wird. It is optionally provided that the ballast in the spar buoy generates a righting force moment and the angle θ between the tower and the plumb line is limited to a preset range, that is θ ∈ (-C, + C), where C < 90 ° and the value C is regulated based on the weight of the ballast.
[0022] Die vorliegende Ausgestaltung offenbart ein kettenlinienartiges Stützstruktursystem für eine Offshore-Windkraftanlage, bei dem auf der Grundlage des Konzepts einer bestehenden zugspannungsverankerten Offshore-Windkraftanlage eine Spar-Boje zusätzlich vorgesehen ist und das aufrechte Spannkabel vorteilhafterweise durch ein kettenlinienartiges Spannkabel ersetzt wird. Somit wird der Bewegungsbereich der Struktur effektiv begrenzt und die Amplitude abrupter Änderung der inneren Kraft des Spannkabels beim Bewegen der Struktur verringert, was zu gesenkter Ausfallwahrscheinlichkeit des Spannkabels beiträgt. Die Spar-Boje ist unmittelbar unter dem Turm angeordnet und durch Beladen mit Ballast unterschiedlichen Gewichts kann die Struktur beim Bauen aufgerichtet und die Höhenstellung des Schwerpunkts der Windkraftanlage beim Betrieb angepasst werden. Somit wird die Stabilität der Struktur erhöht und ein Umkippen der Struktur beim Ausfall des Spannkabels verhindert. Bei der vorliegenden Ausgestaltung wird unter Beibehaltung der Vorteile herkömmlicher zugspannungsverankerter Offshore-Windkraftanlagen die Stabilität der ganzen Struktur durch die Spar-Boje verbessert und durch das kettenlinienartige Spannkabel die Wahrscheinlichkeit verringert, dass beim Wegtreiben der Struktur infolge eines Ausfalls des Spannkabels andere Windkraftanlagen gefährdet werden. Durch die Anwendung der Spar-Boje und des kettenlinienartigen Spannkabels werden die Stabilität der Struktur und die Bruchbeständigkeit des Spannkabels ausreichend erhöht und zudem wird die Bauschwierigkeit der Struktur verringert. Die vorliegende Ausgestaltung zeichnet sich durch bessere Auftriebsfähigkeit, Stabilität und Ausfallbeständigkeit sowie geringe Ausfallwahrscheinlichkeit des Spannkabels, komfortable Bauarbeit und breite Anwendbarkeit aus. The present embodiment discloses a chain line-like support structure system for an offshore wind turbine, in which, based on the concept of an existing tension-anchored offshore wind turbine, a saving buoy is additionally provided and the upright tensioning cable is advantageously replaced by a chain-like tensioning cable. Thus, the range of motion of the structure is effectively limited and the amplitude of abrupt changes in the internal force of the tensioning cable when moving the structure is reduced, which contributes to a reduced probability of failure of the tensioning cable. The spar buoy is located directly under the tower and by loading it with ballast of different weights, the structure can be erected during construction and the height of the center of gravity of the wind turbine can be adjusted during operation. This increases the stability of the structure and prevents the structure from tipping over if the tensioning cable fails. In the present embodiment, while maintaining the advantages of conventional tension-anchored offshore wind turbines, the stability of the entire structure is improved by the spar buoy and the chain-like tensioning cable reduces the likelihood that other wind turbines will be endangered when the structure is driven away due to failure of the tensioning cable. By using the spar buoy and the chain line-like tensioning cable, the stability of the structure and the resistance to breakage of the tensioning cable are sufficiently increased and, in addition, the difficulty in building the structure is reduced. The present embodiment is characterized by better buoyancy, stability and failure resistance as well as low failure probability of the tensioning cable, comfortable construction work and broad applicability.
[0023] In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass unter der Spar-Boje ferner eine vertikale Dämpfungserhöhungseinrichtung vorgesehen ist, die umgekehrt im Wasser angeordnet ist und deren Öffnung nach unten gerichtet ist. In a further embodiment of the present invention it is provided that a vertical attenuation increasing device is also provided under the spar buoy, which is arranged upside down in the water and whose opening is directed downwards.
[0024] Bei der Dämpfungserhöhungseinrichtung handelt es sich um einen Zylinder ohne unteren Deckel, der eine Zylinder-Oberplatte, eine Zylinder-Außenplatte und mehrere darin angeordnete Verstärkungsrippen umfasst, wobei die Zylinder-Außenplatte mit einer Öffnung versehen ist. The attenuation increasing device is a cylinder without a lower cover, which comprises a cylinder top plate, a cylinder outer plate and a plurality of reinforcing ribs arranged therein, the cylinder outer plate being provided with an opening.
[0025] Die vorliegende Ausgestaltung offenbart eine Stützstruktur für eine Offshore-Windkraftanlage mit erhöhter vertikaler Dämpfung, bei der auf der Grundlage einer bestehenden zugspannungsverankerten Offshore-Windkraftanlagen-Stützstruktur eine Spar-Boje und eine vertikale Dämpfungserhöhungseinrichtung zusätzlich vorgesehen sind und das aufrechte Spannkabel vorteilhafterweise durch ein kettenlinienartiges Spannkabel ersetzt wird, um die Bewegung der Struktur zu begrenzen, womit die Änderungsamplitude der inneren Kraft des Spannkabels beim Bewegen der Struktur verringert und die Ausfallwahrscheinlichkeit des Spannkabels gesenkt wird. Die Spar-Boje ist unter dem Turm angeordnet und somit kann die Struktur beim Bauen aufgerichtet und die Höhenstellung des Schwerpunkts der Windkraftanlage angepasst werden. Die Dämpfungserhöhungseinrichtung ist als Zylinder ohne unteren Deckel ausgebildet, der umgekehrt im Wasser angeordnet ist, um die vertikale Dämpfung der Struktur zu erhöhen und somit den Einfluss von Tauchen auf die Struktur zu verringern. Bei der vorliegenden Ausgestaltung wird unter Beibehaltung der Vorteile herkömmlicher zugspannungsverankerter Offshore-Windkraftanlagen die Stabilität der ganzen Struktur durch die Spar-Boje verbessert und durch das kettenlinienartige Spannkabel die Wahrscheinlichkeit verringert, dass beim Wegtreiben der Struktur infolge eines Ausfalls des Spannkabels andere Windkraftanlagen gefährdet werden. Zudem wird über die Dämpfungserhöhungseinrichtung der Einfluss von Tauchen auf die Struktur verringert. Die Stabilität der Struktur und die Bruchbeständigkeit des Spannkabel werden durch die Anwendung der Spar-Boje, der vertikalen Dämpfungserhöhungseinrichtung und des kettenlinienartigen Spannkabels ausreichend erhöht und zudem werden die Bauschwierigkeit und das Tauchen der Struktur verringert. Die vorliegende Ausgestaltung zeichnet sich durch bessere Auftriebsfähigkeit, Stabilität und Ausfallbeständigkeit sowie geringe Ausfallwahrscheinlichkeit des Spannkabels, komfortable Bauarbeit, große vertikale Dämpfung, geringen Einfluss durch Tauchen und breite Anwendbarkeit aus. The present embodiment discloses a support structure for an offshore wind power plant with increased vertical damping, in which on the basis of an existing tension anchored offshore wind power plant support structure, a saving buoy and a vertical damping increasing device are additionally provided and the upright tensioning cable advantageously by a chain-like tension cable is replaced in order to limit the movement of the structure, whereby the amplitude of change in the internal force of the tension cable when moving the structure is reduced and the probability of failure of the tension cable is decreased. The spar buoy is arranged under the tower and thus the structure can be erected during construction and the height of the center of gravity of the wind turbine can be adjusted. The damping increasing device is designed as a cylinder without a lower cover, which is arranged upside down in the water in order to increase the vertical damping of the structure and thus to reduce the influence of diving on the structure. In the present embodiment, while maintaining the advantages of conventional tension-anchored offshore wind turbines, the stability of the entire structure is improved by the spar buoy and the chain-like tensioning cable reduces the likelihood that other wind turbines will be endangered when the structure is driven away due to failure of the tensioning cable. In addition, the influence of diving on the structure is reduced via the damping device. The stability of the structure and the resistance to breakage of the tensioning cable are sufficiently increased by the use of the spar buoy, the vertical attenuation increasing device and the chain-like tensioning cable, and the difficulty of building and the diving of the structure are also reduced. The present embodiment is characterized by better buoyancy, stability and failure resistance as well as low probability of failure of the tensioning cable, comfortable construction work, great vertical attenuation, little influence from diving and broad applicability.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING
[0026] Darin zeigen FIG 1 das seilverstärkte kombinierte Stützstruktursystem für eine Offshore-Windkraftanlage nach einem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung, FIG 2 das Struktursystem nach dem ersten Ausführungsbeispiel in kombiniertem Zustand in einer schematischen Darstellung, FIG 3 das kettenlinienartige kombinierte Stützstruktursystem für eine Offshore-Windkraftanlage nach einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung, FIG 4 das Struktursystem nach dem zweiten Ausführungsbeispiel in kombiniertem Zustand in einer schematischen Darstellung, FIG 5 das kombinierte Stützstruktursystem für eine Offshore-Windkraftanlage mit erhöhter vertikaler Dämpfung nach einem dritten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung, FIG 6 das Struktursystem nach dem dritten Ausführungsbeispiel in kombiniertem Zustand in einer schematischen Darstellung, FIG 7 die vertikale Dämpfungserhöhungseinrichtung in dem Struktursystem nach dem dritten Ausführungsbeispiel in einer dreidimensionalen schematischen Darstellung, FIG 8 die Kraftaufnahme des kettenlinienartigen Spannkabels nach dem zweiten und dem dritten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Skizze.1 shows the rope-reinforced combined support structure system for an offshore wind turbine according to a first embodiment in a schematic representation, FIG 2 shows the structure system according to the first embodiment in a combined state in a schematic representation, FIG 3 shows the chain-like combined support structure system for an offshore -Wind power plant according to a second exemplary embodiment in a schematic illustration, FIG. 4 the structural system according to the second exemplary embodiment in a combined state in a schematic illustration, FIG. 5 the combined support structure system for an offshore wind power plant with increased vertical damping according to a third exemplary embodiment in a schematic illustration, 6 shows the structural system according to the third embodiment in a combined state in a schematic representation, FIG. 7 shows the vertical damping increasing device in the structural system according to the third embodiment Guide example in a three-dimensional schematic representation, FIG. 8 shows the force absorption of the chain line-like tensioning cable according to the second and third exemplary embodiments in a schematic sketch.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
[0027] Nachfolgend werden konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Specific embodiments of the present invention are described in more detail below with reference to the accompanying drawings.
Erstes AusführungsbeispielFirst embodiment
[0028] Wie sich aus FIG 1 und 2 ergibt, umfasst ein seilverstärktes kombiniertes Stützstruktursystem für eine Offshore-Windkraftanlage nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Windkraftanlage 1, einen Turm 2, ein Verstärkungsseil 3, ein Spannkabel 4, einen Auftriebszylinder 5 und eine Spar-Boje 6. As can be seen from FIGS. 1 and 2, a cable-reinforced combined support structure system for an offshore wind turbine according to the present embodiment comprises a wind turbine 1, a tower 2, a reinforcement cable 3, a tensioning cable 4, a lift cylinder 5 and a saving buoy 6th
[0029] Die Windkraftanlage 1 ist an dem obersten Bereich des Turms 2 angeordnet. Ein erstes Ende des einzelnen Auftriebszylinders 5 ist an einem Verbindungsteil des untersten Bereichs des Turms 2 angeordnet. Der Auftriebszylinder 5 weist einen runden oder polygonalen Querschnitt auf. Die Anzahl des Auftriebszylinders 5 wird in Abhängigkeit von der Auftriebskraft, die durch die Struktur bereitgestellt werden soll, bestimmt The wind power plant 1 is arranged in the uppermost area of the tower 2. A first end of the individual lifting cylinder 5 is arranged on a connecting part of the lowermost region of the tower 2. The lift cylinder 5 has a round or polygonal cross section. The number of the lift cylinder 5 is determined as a function of the lift force to be provided by the structure
[0030] Die Spar-Boje 6, die an dem untersten Bereich des Turms 2 zusätzlich vorgesehen ist, befindet sich unterhalb des Auftriebszylinders 5 und auf ein und derselben Lotlinie wie der Turm 2. Die Spar-Boje 6 ist innen mit Ballast beladen, um den Schwerpunkt der ganzen Struktur zu senken und somit die Stabilität der Struktur zu erhöhen. Beim Neigen des Turms 2 erzeugt der Ballast in der Spar-Boje 6 ein Aufrichtmoment, um ein weiteres Neigen der Struktur zu verhindern. The spar buoy 6, which is also provided at the lowest area of the tower 2, is located below the lift cylinder 5 and on the same plumb line as the tower 2. The spar buoy 6 is loaded with ballast on the inside lowering the center of gravity of the whole structure and thus increasing the stability of the structure. When the tower 2 is tilted, the ballast in the spar buoy 6 generates a righting moment in order to prevent the structure from tilting further.
[0031] Das obere Ende des einzelnen Verstärkungsseils 3 ist mit dem Turm 2 verbunden und sein unteres Ende ist mit einem zweiten Ende des Auftriebszylinders 5 verbunden. Das untere Ende des einzelnen Spannkabels 4 ist am Meeresgrund verankert und sein oberes Ende ist ebenfalls mit dem zweiten Ende des Auftriebszylinders 5 verbunden. Das Verstärkungsseil 3 und das Spannkabel 4 können lediglich eine Zugkraft aushalten, während sie keine Druckkraft aushalten können. Mit der vertikalen Komponente des Verstärkungsseils 3 wird die vertikale Zugkraft des Spannkabels 4 effektiv ausgeglichen, womit das durch das Spannkabel 4 erzeugte und auf den Auftriebszylinder 5 einwirkende Biegemoment verringert wird, sodass der Auftriebszylinder 5 von einem Bauteil, das einer Biegebelastung ausgesetzt ist, bei herkömmlichen Ausgestaltung in ein Bauteil, das vor allem einem Druckkraft ausgesetzt ist, umgewandelt wird. Somit wird die Betriebseffizienz des Auftriebszylinders 5 erheblich erhöht. The upper end of the single reinforcement rope 3 is connected to the tower 2 and its lower end is connected to a second end of the lift cylinder 5. The lower end of the individual tension cable 4 is anchored to the sea bed and its upper end is also connected to the second end of the lift cylinder 5. The reinforcing rope 3 and the tensioning cable 4 can only withstand a tensile force, while they cannot withstand a compressive force. With the vertical component of the reinforcement rope 3, the vertical tensile force of the tensioning cable 4 is effectively compensated, whereby the bending moment generated by the tensioning cable 4 and acting on the lift cylinder 5 is reduced, so that the lift cylinder 5 of a component that is exposed to a bending load, in conventional Design is converted into a component that is primarily exposed to a compressive force. Thus, the operating efficiency of the lift cylinder 5 is greatly increased.
[0032] Beispielsweise ist das aufrechte Spannkabel 4 an einem Ende mit einer Meeresgrund-Verankerungsstruktur verbunden, während das andere Ende mit dem zweiten Ende des Auftriebszylinders 5 fest verbunden ist und dann sich schräg nach oben erstreckt, um mit dem Turm 2 verbunden zu sein und somit ein Verstärkungsseil 3 zu bilden. Somit wird die Bewegung der Struktur ausreichend beschränkt und ein sicherer Betrieb der Offshore-Windkraftanlage an ihrer ursprünglichen Stelle besser gewährleistet. For example, the upright tension cable 4 is connected at one end to a seabed anchoring structure, while the other end is fixedly connected to the second end of the lift cylinder 5 and then extends obliquely upwards to be connected to the tower 2 and thus forming a reinforcement rope 3. Thus, the movement of the structure is sufficiently limited and a safe operation of the offshore wind turbine in its original location is better ensured.
[0033] Das Verstärkungsseil 3 verbindet das Spannkabel 4, den Turm 2 und den Auftriebszylinder 5 zu einem Gesamtsystem zur koordinierten Kraftaufnahme. Die Verstärkungsseile 3 sind symmetrisch und in gleichem Abstand zueinander an dem Umfang des Turms 2 angeordnet, sodass die innere Kraft der Verstärkungsseile 3 durcheinander angepasst und ausgeglichen werden kann. Die gruppenweise angeordneten Verstärkungsseile 3 tragen zu verkürzter Auslegerlänge des Turms 2 bei. Mit den Verstärkungsseilen 3 wird die Kraftaufnahme-Eigenschaft der Verbindungsstelle zwischen dem Turm 2 und dem Auftriebszylinder 5 wesentlich verbessert und somit kann die Lebensdauer des ganzen Struktursystems verlängert werden. Der Angriffspunkt des maximalen Biegemoments des Turms 2 wird von der Verbindungsstelle zwischen dem Turm 2 und dem Auftriebszylinder 5 nach oben bis zu der Verbindungsstelle zwischen dem Verstärkungsseil 3 und dem Turm 2 verschoben und das maximale Biegemoment des Turms 2 wird ebenfalls verringert, womit die Kraftaufnahme-Eigenschaft des Turms 2 verbessert und somit die Betriebseffizienz des Turms 2 erhöht wird. The reinforcement cable 3 connects the tensioning cable 4, the tower 2 and the lift cylinder 5 to form an overall system for coordinated force absorption. The reinforcing ropes 3 are arranged symmetrically and at the same distance from one another on the circumference of the tower 2, so that the internal force of the reinforcing ropes 3 can be mutually adapted and balanced. The reinforcement cables 3 arranged in groups contribute to the shortened jib length of the tower 2. With the reinforcement ropes 3, the power absorption property of the connection point between the tower 2 and the lift cylinder 5 is significantly improved and thus the service life of the entire structural system can be extended. The point of application of the maximum bending moment of the tower 2 is shifted from the connection point between the tower 2 and the lift cylinder 5 up to the connection point between the reinforcement cable 3 and the tower 2 and the maximum bending moment of the tower 2 is also reduced, whereby the force absorption Property of the tower 2 is improved, and thus the operating efficiency of the tower 2 is increased.
[0034] Des Weiteren kann durch Aufballastieren der Spar-Boje 6 die vertikale Höhenstellung des ganzen Struktursystems abgesenkt werden, um das Anbringen der Spannkabel 4 zu erleichtern, während nach Abschluss der Montage durch Abballastieren der Spar-Boje 6 das Aufschwimmen des Struktursystems bewirkt wird, um die Spannkabel 4 vorzuspannen. Somit wird eine Beschränkung der ganzen Struktur durch die Spannkabel 4 verwirklicht. Furthermore, by ballasting the spar buoy 6, the vertical height position of the entire structural system can be lowered in order to facilitate the attachment of the tensioning cables 4, while after the assembly is completed by ballasting the spar buoy 6, the structural system floats, to pretension the tensioning cables 4. Thus, a restriction of the whole structure by the tension cables 4 is realized.
[0035] Auch beim Bruchausfall irgendeines Spannkabels kann ein Umkippen der Struktur unter Einwirkung der Spar-Boje 6 vermieden werden, womit die Beeinträchtigung der ganzen Struktur durch lokale Beschädigung der Spannkabel und zudem auch der Einfluss der Beschädigung der Struktur auf andere Windkraftanlagen vermindert werden. Even if any tensioning cable breaks, the structure can be prevented from tipping over under the action of the spar buoy 6, thus reducing the impairment of the entire structure through local damage to the tensioning cable and also the influence of the damage to the structure on other wind turbines.
Zweites AusführungsbeispielSecond embodiment
[0036] Wie sich aus FIG 3 und 4 ergibt, umfasst ein kettenlinienartiges kombiniertes Stützstruktursystem für eine Offshore-Windkraftanlage nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Windkraftanlage 1, einen Turm 2, einen Auftriebszylinder 5, ein kettenlinienartiges Spannkabel 41 und eine Spar-Boje 6. As can be seen from FIGS. 3 and 4, a chain-line-like combined support structure system for an offshore wind power plant according to the present embodiment comprises a wind power plant 1, a tower 2, a lift cylinder 5, a chain-like tensioning cable 41 and a spar buoy 6.
[0037] Die Windkraftanlage 1 ist an dem obersten Bereich des Turms 2 angeordnet. Ein erstes Ende des einzelnen Auftriebszylinders 5 ist an einem Verbindungsteil des untersten Bereichs des Turms 2 angeordnet. Die Auftriebszylinder 5 sind radial und in gleichem Winkelabstand zueinander an dem Umfang des Turms 2 angeordnet. Die Auftriebszylinder 5 weisen einen runden, rechteckigen oder polygonalen Querschnitt auf und können der Struktur eine Auftriebskraft bereitstellen. Gleichzeitig dienen sie als Hauptquelle des Auftriebskraftvorrats für die Struktur. The wind power plant 1 is arranged in the uppermost area of the tower 2. A first end of the individual lifting cylinder 5 is arranged on a connecting part of the lowermost region of the tower 2. The lift cylinders 5 are arranged radially and at the same angular distance from one another on the circumference of the tower 2. The lift cylinders 5 have a round, rectangular or polygonal cross section and can provide the structure with a lift force. At the same time, they serve as the main source of buoyancy for the structure.
[0038] Die Spar-Boje 6, die an dem untersten Bereich des Turms 2 zusätzlich vorgesehen ist, befindet sich unterhalb des Auftriebszylinders 5 und kann mit Ballast beladen werden. Durch Einstellen des Gewichts des Ballasts kann der Schwerpunkt der Struktur gesenkt und somit die Stabilität der Struktur erhöht werden. Die Spar-Boje 6 befindet sich in einer bestimmten Tiefe unter der Meeresoberfläche, womit nicht nur die große Stoßwirkung von Wellenlast verringert, sondern auch der Schwerpunkt der ganzen Struktur gesenkt und die Stabilität der Struktur verbessert wird. The spar buoy 6, which is also provided on the lowest area of the tower 2, is located below the lift cylinder 5 and can be loaded with ballast. By adjusting the weight of the ballast, the center of gravity of the structure can be lowered and thus the stability of the structure can be increased. The spar buoy 6 is located at a certain depth below the sea surface, which not only reduces the great impact of wave loads, but also lowers the center of gravity of the whole structure and improves the stability of the structure.
[0039] Der Ballast der Spar-Boje 6 kann beim Neigen und Umkippen der Struktur ein Wiederherstellungsmoment bereitstellen, womit die Stabilität der Struktur effektiv erhöht wird. Konkret erzeugt der Ballast in der Spar-Boje 6, wenn der Turm 2 der Struktur sich neigt und einen Winkel θ mit der Lotlinie einschließt, ein Aufrichtmoment. Beim Ausfall eines Spannkabels kann der Neigungswinkel θ durch die Spar-Boje 6 streng auf einen bestimmten Bereich beschränkt werden, also θ ∈ (-C, +C), um ein Umkippen der Struktur zu verhindern, wobei C<90° und der Wert C anhand des Gewichts des Ballasts geregelt werden kann. The ballast of the spar buoy 6 can provide a moment of recovery when the structure is tilted and overturned, which effectively increases the stability of the structure. Specifically, the ballast in the spar buoy 6 generates a righting moment when the tower 2 of the structure inclines and forms an angle θ with the plumb line. If a tension cable fails, the angle of inclination θ can be strictly limited to a certain range by the spar buoy 6, i.e. θ ∈ (-C, + C) in order to prevent the structure from tipping over, with C <90 ° and the value C. can be regulated based on the weight of the ballast.
[0040] Die mehreren symmetrisch angeordneten kettenlinienartigen Spannkabel 41 können am oberen Ende mit irgendeiner Stelle des Auftriebszylinders 5 oder mit irgendeiner Stelle der Spar-Boje 6 verbunden sein. Das obere Ende des einzelnen dargestellten kettenlinienartigen Spannkabels 41 ist an das zweite Ende des Auftriebszylinders 5 angeschlossen, während sein unteres Ende am Meeresgrund verankert ist. The plurality of symmetrically arranged chain line-like tension cables 41 can be connected at the upper end to any point of the lift cylinder 5 or to any point of the spar buoy 6. The upper end of the individually illustrated chain line-like tensioning cable 41 is connected to the second end of the buoyancy cylinder 5, while its lower end is anchored to the sea bed.
[0041] Ein derart verankertes Spannkabel nimmt die Form einer Kettenlinie ein, deren Form schwierig unmittelbar zu bestimmen ist und sich mit der Änderung des Schwimmzustands ändert. Durch eine aktive förmliche Anpassung des kettenlinienartigen Spannkabels 41 wird eine Begrenzung der Struktur bewirkt. A tensioning cable anchored in this way takes the form of a chain line, the shape of which is difficult to determine directly and changes with the change in the swimming state. The structure is limited by an active formal adaptation of the chain line-like tensioning cable 41.
[0042] Während des Einsatzes der Windkraftanlage befindet sich das kettenlinienartige Spannkabel 41 in gespanntem Zustand und beschränkt die freie Verschiebung und Drehung der Windkraftanlagenstruktur, womit ein sicherer Betrieb der Offshore-Windkraftanlage bei einer bestimmten Bewegungsfreiheit sichergestellt wird. During use of the wind turbine, the chain line-like tensioning cable 41 is in the tensioned state and restricts the free displacement and rotation of the wind turbine structure, so that a safe operation of the offshore wind turbine is ensured with a certain freedom of movement.
[0043] Wie aus FIG 8 zu entnehmen ist, kann das kettenlinienartige Spannkabel 41 Kraftkomponenten in zwei Richtungen, also in vertikaler und horizontaler Richtung, effektiv bereitstellen, wobei sich das Verhältnis der Größe der Kraftkomponenten mit der Änderung der Kettenlinienform ändert. Die Punkt i entspricht dem oberen Ende des kettenlinienartigen Spannkabels 41 und die Kraftkomponenten in horizontaler und vertikaler Richtung werden jeweils mit F1xbzw. F1ybezeichnet, während die Punkt j dem unteren Ende des kettenlinienartigen Spannkabels 41 entspricht und die Kraftkomponenten in horizontaler und vertikaler Richtung jeweils mit Fjxbzw. Fjybezeichnet werden. L steht für den horizontalen Abstand zwischen den beiden Enden, während H für den vertikalen Abstand zwischen den beiden Enden steht, q steht für gleichmäßig verteilten Last an dem kettenlinienartigen Spannkabel (dabei kann es sich um die Differenz zwischen der Schwerkraft und der Auftriebskraft handeln). As can be seen from FIG. 8, the chain line-like tensioning cable 41 can effectively provide force components in two directions, ie in the vertical and horizontal direction, the ratio of the size of the force components changing with the change in the chain line shape. The point i corresponds to the upper end of the chain line-like tensioning cable 41 and the force components in the horizontal and vertical directions are each with F1xbzw. F1y, while the point j corresponds to the lower end of the chain line-like tension cable 41 and the force components in the horizontal and vertical directions with Fjx and. Fjy. L stands for the horizontal distance between the two ends, while H stands for the vertical distance between the two ends, q stands for evenly distributed load on the chain-like tensioning cable (this can be the difference between the force of gravity and the force of lift).
[0044] Wenn nach Verankern mittels des kettenlinienartigen Spannkabels 41 sich die Windkraftanlagenstruktur unter Einwirkung einer großen äußeren Kraft bewegen, werden dann kettenlinienartige Spannkabel 41, die eine derartige Bewegung beschränken, weiter gespannt und gleichzeitig wird die Effizienz der durch diese erzeugten horizontalen Kraftkomponente erhöht, sodass die Bewegung der Struktur durch mehr Spannkabel beschränkt wird, während die Spannkraft der der Bewegungsrichtung zugewandten kettenlinienartigen Spannkabel 41 aufgrund der Lockerung abnimmt, bis die horizontale Kraftkomponente auf Null sinkt, wodurch eine weitere Zunahme der inneren Kraft der kettenlinienartigen Spannkabel 41, deren innere Kraft bereits eine Zunahme erfährt hat, vermindert wird. Aufgrund der Zusammenwirkung der Spannkabel 41 in zwei Richtungen und der erhöhten Effizienz der durch die Spannkabel 41 beim Spannen bereitgestellten horizontalen Kraftkomponente kann eine abrupte Zunahme der Spannkraft der Spannkabel bei einer horizontalen Verschiebung der Windkraftanlage effektiv vermieden werden. Somit kann die Ausfallwahrscheinlichkeit der Spannkabel verringert und die Sicherheitsfähigkeit der Anlage beim Einsatz erhöht. If, after anchoring by means of the chain-like tensioning cable 41, the wind turbine structure move under the action of a large external force, then chain-like tensioning cables 41, which restrict such movement, are further tensioned and at the same time the efficiency of the horizontal force component generated by them is increased, so that the movement of the structure is limited by more tensioning cables, while the tensioning force of the chain line-like tensioning cable 41 facing the direction of movement decreases due to the loosening until the horizontal force component drops to zero, whereby a further increase in the internal force of the chain line-like tensioning cable 41, whose internal force is already a Has experienced an increase is decreased. Due to the interaction of the tensioning cables 41 in two directions and the increased efficiency of the horizontal force components provided by the tensioning cables 41 during tensioning, an abrupt increase in the tensioning force of the tensioning cables when the wind turbine is displaced horizontally can be effectively avoided. In this way, the probability of failure of the tensioning cables can be reduced and the safety capability of the system during use can be increased.
[0045] Das kettenlinienartige Spannkabel 41 kann eine horizontale Zugkraft Fxund eine vertikale Zugkraft Fybereitstellen, womit der Nachteil bei herkömmlichen aufrechten Spannkabeln, dass beim Bereitstellen einer horizontalen Zugkraft die innere Kraft abrupt zunimmt, vermieden wird, womit ein Ausfall des Spannkabels effektiv verhindert und somit die Sicherheitsfähigkeit der Anlage beim Einsatz verbessert wird. Somit wird die Ausfallwahrscheinlichkeit des kettenlinienartigen Spannkabels 41 verringert, weshalb die Wahrscheinlichkeit, dass die Spannkabel nacheinander versagen, ebenfalls reduziert wird. Aufgrund der Verwendung des kettenlinienartigen Spannkabels 41 wird die Anwendung des Struktursystems in der Tiefsee ermöglicht und der Nachteil überwunden, dass die Anwendung herkömmlicher zugspannungsverankerter Offshore-Windkraftanlagen auf Flachmeer eingeschränkt ist. The chain line-like tension cable 41 can provide a horizontal tensile force Fx and a vertical tensile force Fy, whereby the disadvantage in conventional upright tension cables that the internal force increases abruptly when a horizontal tensile force is provided, thus effectively preventing failure of the tension cable and thus the The safety capability of the system during use is improved. Thus, the likelihood of failure of the chain-line tension cable 41 is reduced, and therefore the likelihood that the tension cables fail one after another is also reduced. Due to the use of the chain line-like tension cable 41, the use of the structural system in the deep sea is made possible and the disadvantage that the use of conventional tension-anchored offshore wind turbines is limited on shallow seas is overcome.
[0046] Die Auftriebszylinder 5 und die kettenlinienartigen Spannkabel 41 sind radial symmetrisch am Umfang des Turms 2 angeordnet. Der Auftriebszylinder 5 und der unter der Wasseroberfläche befindliche Teil des Turms 2 können eine ausreichende Auftriebskraft für die Struktur bereitstellen. Das kettenlinienartige Spannkabel 41 befindet sich in gespanntem Zustand, womit der Bewegungsbereich der Struktur streng beschränkt wird. Mit der vertikalen Kraftkomponente Fyder Spannkraft F des Spannkabels 41 kann das Tauchen der Windkraftanlage effektiv vermindert werden. The lift cylinders 5 and the chain line-like tension cables 41 are arranged radially symmetrically on the circumference of the tower 2. The buoyancy cylinder 5 and the submerged part of the tower 2 can provide a sufficient buoyancy force for the structure. The chain line-like tension cable 41 is in the tensioned state, so that the range of motion of the structure is strictly limited. With the vertical force component Fyder tensioning force F of the tensioning cable 41, the diving of the wind turbine can be effectively reduced.
[0047] Aufgrund des Vorhandenseins der Spar-Boje 6 kann nach erfolgter Installation der Struktur die vertikale Position der Struktur in Abhängigkeit von der vertikalen Höhe des Spannkabels eingestellt werden. Da die tatsächliche Länge des kettenlinienartigen Spannkabels 41 größer als die kürzeste Entfernung zwischen seinen beiden Enden ist, werden somit die Installation und das Vorspannen des ganzen Spannkabels 41 erleichtert. Durch Aufballastieren der Spar-Boje 6 kann die vertikale Höhenstellung des ganzen Struktursystems abgesenkt und somit das Anbringen der Spannkabel 41 erleichtert werden, während nach Abschluss der Montage ein Abballastieren erfolgt, um mittels der Auftriebskraft der Struktur die Spannkabel 41 vorzuspannen und somit eine Beschränkung der ganzen Struktur durch die Spannkabel 41 zu verwirklichen. Due to the presence of the spar buoy 6, once the structure has been installed, the vertical position of the structure can be adjusted depending on the vertical height of the tensioning cable. Since the actual length of the chain line-like tension cable 41 is greater than the shortest distance between its two ends, the installation and the pre-tensioning of the entire tension cable 41 are thus facilitated. By ballasting the spar buoy 6, the vertical height position of the entire structural system can be lowered and thus the attachment of the tensioning cables 41 can be made easier, while after completion of the assembly, ballasting takes place in order to pretension the tensioning cables 41 by means of the buoyancy of the structure and thus a restriction of the whole Realize structure by the tensioning cable 41.
[0048] Auch beim Bruch irgendeines kettenlinienartigen Spannkabels 41 kann unter Einwirkung des Aufrichtmoments der Spar-Boje 6 ein Umkippen der Struktur vermieden werden, womit der Einfluss des Ausfalls einzelnen kettenlinienartigen Spannkabels 41 auf die ganze Struktur verringert wird. Somit kann effektiv vermieden werden, dass die oben angeordnete Windkraftanlage ins Wasser fällt und beschädigt wird. Even if any chain line-like tension cable 41 breaks, the structure can be prevented from tipping over under the action of the righting moment of the spar buoy 6, so that the influence of the failure of individual chain line-like tension cables 41 on the entire structure is reduced. Thus, it can be effectively avoided that the wind turbine arranged above falls into the water and is damaged.
Drittes AusführungsbeispielThird embodiment
[0049] Wie sich aus FIG 5 und 6 ergibt, ist bei einem kombinierten Stützstruktursystem für eine Offshore-Windkraftanlage mit erhöhter vertikaler nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf der Grundlage des zweiten Ausführungsbeispiels zusätzlich eine vertikale Dämpfungserhöhungseinrichtung 10 vorgesehen. Bei der Struktur kann hinsichtlich der Verbindung, der Anordnung und der Ausführungswirkung für die Windkraftanlage 1, den Turm 2, den Auftriebszylinder 5, das kettenlinienartige Spannkabel 41 und die Spar-Boje 6 Bezug auf das zweite Ausführungsbeispiel genommen werden und auf eine Wiederholung wird daher verzichtet. As can be seen from Figures 5 and 6, a combined support structure system for an offshore wind turbine with increased vertical according to the present embodiment on the basis of the second embodiment, a vertical damping device 10 is also provided. With regard to the structure, reference can be made to the second embodiment with regard to the connection, the arrangement and the execution effect for the wind turbine 1, the tower 2, the lift cylinder 5, the chain-like tension cable 41 and the spar buoy 6, and a repetition is therefore dispensed with .
[0050] Die Dämpfungserhöhungseinrichtung 10 nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist als Zylinder ohne unteren Deckel ausgebildet, der unterhalb der Spar-Boje 6 und umgekehrt im Wasser angeordnet ist. Da Wasser innerhalb des Zylinders nicht frei ausströmen kann, werden somit bei einer vertikalen Bewegung der Stützstruktur die Zusatzmasse und die hydrodynamische Dämpfung während der Bewegung der Struktur erhöht, was für eine größere der Bewegungsrichtung entgegengesetzt gerichtete Widerstandskraft sorgt. Somit wird die Aufgabe zum Verringern der Tauchwirkung erfüllt. The damping device 10 according to the present embodiment is designed as a cylinder without a lower cover, which is arranged below the spar buoy 6 and vice versa in the water. Since water cannot freely flow out within the cylinder, the additional mass and the hydrodynamic damping are increased during the movement of the structure when the support structure is moved vertically, which ensures a greater resistance force directed in the opposite direction to the direction of movement. Thus, the object of reducing the immersion effect is achieved.
[0051] Die vertikale Dämpfungserhöhungseinrichtung 10 befindet sich am unteren Ende der Struktur und dient zum Erhöhen der vertikalen Dämpfung der Struktur, womit das Tauchen der Struktur und der Einfluss von Tauchen auf das kettenlinienartige Spannkabel 41 und die ganze Struktur verringert werden. Dies trägt zu verbesserter Sicherheitsfähigkeit der Struktur während des Einsatzes bei. Somit wird ferner der Schwerpunkt der Struktur gesenkt und das Verbinden der vertikalen Dämpfungserhöhungseinrichtung 10 mit der Spar-Boje 6 erleichtert. The vertical attenuation increasing device 10 is located at the lower end of the structure and serves to increase the vertical attenuation of the structure, thus reducing the diving of the structure and the influence of diving on the chain-like tension cable 41 and the whole structure. This contributes to the improved safety of the structure during use. Thus, the center of gravity of the structure is also lowered and the connection of the vertical attenuation increasing device 10 to the spar buoy 6 is facilitated.
[0052] Wie sich aus FIG 7 ergibt, umfasst die vertikale Dämpfungserhöhungseinrichtung 10 eine Zylinder-Außenplatte 7, eine Verstärkungsrippe 8 und eine Zylinder-Oberplatte 9. Dabei kann die Zylinder-Außenplatte 7 eine Öffnung aufweisen. Dementsprechend wird die Höhe der Verstärkungsrippe 8 in Abhängigkeit von der Anzahl und der Größe der Öffnung der Zylinder-Außenplatte 7 bestimmt. As can be seen from FIG. 7, the vertical damping increasing device 10 comprises a cylinder outer plate 7, a reinforcing rib 8 and a cylinder top plate 9. The cylinder outer plate 7 can have an opening. Accordingly, the height of the reinforcing rib 8 is determined depending on the number and size of the opening of the cylinder outer plate 7.
[0053] Zusammenfassend wird bei dem seilverstärkten kombinierten Stützstruktursystem für eine Offshore-Windkraftanlage nach dem ersten Ausführungsbeispiel erzielt, dass durch Vorgesehen des Verstärkungsseils 3 eine effektive Ausgleichung der vertikalen Zugkraft des Spannkabels 4 ermöglicht wird, sodass der Auftriebszylinder 5 von einem Bauteil, das einer Biegebelastung ausgesetzt ist, in ein Bauteil, das einer Druckkraft ausgesetzt ist, umgewandelt wird, womit die Betriebseffizienz des Auftriebszylinders 5 erheblich erhöht und gleichzeitig die Verbindungsbelastung der Verbindungsstelle zwischen dem Auftriebszylinder 5 und dem Turm 2 effektiv verringert wird. Das Verstärkungsseil 3 verbindet das Spannkabel 4, den Turm 2 und den Auftriebszylinder 5 zu einem Gesamtsystem zur koordinierten Kraftaufnahme, sodass das Biegemoment des Turms 2 und des Auftriebszylinders 5 wesentlich verringert wird. Des Weiteren ist unmittelbar unter dem Turm 2 eine Spar-Boje 6 zum Einstellen der Höhenstellung des Schwerpunkts der Struktur und zum Verbessern der Stabilität der Struktur zusätzlich vorgesehen, womit gleichzeitig das Aufrichten der Struktur bei Installation sowie die Montage und das Spannen des Spannkabels erleichtert werden. In summary, it is achieved in the cable-reinforced combined support structure system for an offshore wind turbine according to the first embodiment that by providing the reinforcement cable 3, an effective compensation of the vertical tensile force of the tensioning cable 4 is made possible, so that the lift cylinder 5 from a component that is subject to a bending load is converted into a component which is subjected to a compressive force, whereby the operating efficiency of the lift cylinder 5 is considerably increased and at the same time the connection load of the connection point between the lift cylinder 5 and the tower 2 is effectively reduced. The reinforcement cable 3 connects the tensioning cable 4, the tower 2 and the lift cylinder 5 to form an overall system for coordinated force absorption, so that the bending moment of the tower 2 and the lift cylinder 5 is significantly reduced. Furthermore, a spar buoy 6 for adjusting the height of the center of gravity of the structure and for improving the stability of the structure is additionally provided immediately below the tower 2, which at the same time facilitates the erection of the structure during installation and the assembly and tensioning of the tensioning cable.
[0054] Bei der kettenlinienartigen kombinierten Stützstruktur für eine Offshore-Windkraftanlage nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein kettenlinienartig ausgebildetes Spannkabel zur Beschränkung der Verschiebung und der Drehung der Struktur vorgesehen. Mittels des Merkmals, dass mit einer Kettenlinie eine Kraftkomponente in der horizontalen und der vertikalen Richtung bereitgestellt werden kann, wird die innere Kraft des kettenlinienartigen Spannkabels 41, die sich aus der horizontalen Belastung, der die Windkraftanlage ausgesetzt ist, und der Tauchwirkung ergibt, vermindert. Durch effektive Verringerung des Spitzenwerts der inneren Kraft des Spannkabels während des Einsatzes der Windkraftanlage wird die Bruchwahrscheinlichkeit des Spannkabels reduziert. Mit der Spar-Boje 6, die unter dem Turm 2 vorgesehen ist, kann die Höhenstellung des Schwerpunkts der Struktur eingestellt, die Stabilität der Struktur erhöht und das Aufrichten der Struktur bei Installation und die Montage des Spannkabels erleichtert werden. In the chain line-like combined support structure for an offshore wind turbine according to the second embodiment, a chain line-like tension cable is provided to restrict the displacement and rotation of the structure. By means of the feature that a force component can be provided in the horizontal and vertical directions with a chain line, the internal force of the chain line-like tensioning cable 41, which results from the horizontal load to which the wind turbine is subjected and the immersion effect, is reduced. By effectively reducing the peak value of the internal force of the tensioning cable while the wind turbine is in use, the probability of breakage of the tensioning cable is reduced. With the spar buoy 6, which is provided under the tower 2, the height of the center of gravity of the structure can be adjusted, the stability of the structure can be increased and the erection of the structure during installation and assembly of the tensioning cable can be facilitated.
[0055] Bei der kombinierten Stützstruktur für eine Offshore-Windkraftanlage mit erhöhter vertikaler Dämpfung nach dem dritten Ausführungsbeispiel ist ferner vorgesehen, dass die vertikale Dämpfungserhöhungseinrichtung 10, die zylinderförmig ausgebildet ist und keinen unteren Deckel aufweist, mit dem unteren Ende der Spar-Boje verbunden und umgekehrt im Wasser angeordnet ist. Durch Erhöhen der Zusatzmasse von Wasser und die hydrodynamische Dämpfung wird die Widerstandskraft bei einer vertikalen Bewegung der Struktur erhöht, die Tauchamplitude der Struktur verringert und der Einfluss von Tauchen auf das kettenlinienartige Spannkabel und die ganze Struktur reduziert. In the combined support structure for an offshore wind turbine with increased vertical damping according to the third embodiment, it is also provided that the vertical damping increasing device 10, which is cylindrical and has no lower cover, connected to the lower end of the spar buoy and is arranged upside down in the water. By increasing the additional mass of water and the hydrodynamic damping, the resistance to vertical movement of the structure is increased, the immersion amplitude of the structure is reduced and the influence of immersion on the chain-like tensioning cable and the entire structure is reduced.
[0056] Trotz der bisherigen ausführlichen Erläuterung der vorliegenden Erfindung anhand der vorstehenden bevorzugten Ausführungsbeispiele soll es sich verstehen, dass die obige Beschreibung keineswegs als Einschränkung der vorliegenden Erfindung angesehen werden soll. Nach Kenntnisnahme der vorstehenden Inhalte liegen den Fachleuten auf diesem Gebiet verschiedene Modifikationen und Substitutionen nahe. Daher soll der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert werden. Despite the previous detailed explanation of the present invention on the basis of the above preferred exemplary embodiments, it should be understood that the above description should in no way be viewed as a restriction of the present invention. Various modifications and substitutions will occur to those skilled in the art after reading the above contents. Therefore, it is intended that the scope of the present invention be defined by the appended claims.
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