DE10150185A1 - Wind power system has rotor(s), common bearer construction, buoyancy body(ies) for holding system in the air and at least one anchoring device with which it is anchored to the ground - Google Patents
Wind power system has rotor(s), common bearer construction, buoyancy body(ies) for holding system in the air and at least one anchoring device with which it is anchored to the groundInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windenergieanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The present invention relates to a wind turbine according to the preamble of Claim 1.
Es ist allgemein bekannt, Windenergieanlagen aus einer tragenden Turmkonstruktion mit einem Horizontalrotor aufzubauen. Unmittelbar auf der horizontalen Rotorachse ist ein Niederspannungs-Gleichstromgenerator zur Erzeugung elektrischer Energie angeordnet. Der Rotorkopf trägt darüber hinaus Einrichtungen zum kontinuierlichen Erfassen der Windrichtung und Stellmotoren und -getriebe zur Nachführung des Rotorkopfes bei wechselnder Windrichtung. It is generally known to have wind turbines with a load-bearing tower structure to build a horizontal rotor. Immediately on the horizontal rotor axis is a Low voltage direct current generator arranged to generate electrical energy. The The rotor head also carries devices for continuously detecting the wind direction and Servomotors and gearboxes for tracking the rotor head in changing wind directions.
Die bekannten Windenergieanlagen sind meist mit drei Rotorblättern ausgestattet, die beispielsweise aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) gefertigt werden. Trotz des Bestrebens, die Rotorblätter möglichst leicht auszuführen, ist deren Länge - und damit die Rotorfläche - durch die auf die Aufhängung im Rotorkopf wirkenden Fliehkräfte beschränkt. The known wind turbines are usually equipped with three rotor blades For example, made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). Despite the The effort to make the rotor blades as light as possible is their length - and therefore the length Rotor area - limited by the centrifugal forces acting on the suspension in the rotor head.
Weitere, ebenfalls im Rotorkopf angeordnete Stellmotoren und -getriebe ermöglichen eine Drehung der Rotorblätter um ihre Längsachse. Durch die Verstellung der Rotorblätter "aus dem Wind" kann die Windenergieanlage bei steigendem Winddruck über weite Bereiche in einem optimalen Betriebspunkt eingesetzt werden. Gerade bei Windenergieanlagen mit großer Rotorfläche stellt die Verstellung der Rotorblätter darüber hinaus eine notwendige Sicherheitsfunktion dar, da der Rotor zum Beispiel bei Überschreitung eines maximalen Winddruckes momentenfrei stillgesetzt werden kann. Auch Wartungs- und Reparaturarbeiten an der Windenergieanlage sind so nahezu unabhängig von den Windverhältnissen möglich. Additional servomotors and gearboxes, also arranged in the rotor head, enable one Rotation of the rotor blades around their longitudinal axis. By adjusting the rotor blades " the wind ", the wind turbine can withstand increasing wind pressure over large areas in an optimal operating point. Especially with large wind turbines Rotor surface makes the adjustment of the rotor blades a necessary one Safety function because the rotor, for example, when a maximum wind pressure is exceeded can be stopped without torque. Maintenance and repair work on the Wind turbines are almost independent of the wind conditions.
Die im Rotorkopf erzeugte elektrische Energie wird über Stromkabel durch den Turm bis zu einer Übergabestation am Boden geleitet, dort in der Regel auf die konstante Wechselspannung des Stromversorgers umgesetzt und in dessen Netz eingespeist. The electrical energy generated in the rotor head is transmitted through the tower through power cables a transfer station on the ground, there usually to the constant AC voltage of the electricity supplier implemented and fed into its network.
Die Turmkonstruktion der bekannten Windenergieanlage wird in einem Betonfundament mit Stahlträgern verankert. Die Turmkonstruktion und die Fundamentierung müssen dabei in der Lage sein, den Winddruck auf die Rotorfläche und das senkrecht zur Rotorfläche in der Generatorachse entstehende Drehmoment, ein vertikal gerichtetes Drehmoment durch mangelnde Nahführung der Rotorfläche, Schwankungen in den genannten Kräften und Momenten durch nicht konstanten Winddruck sowie auch das erhebliche Gewicht des Rotorkopfes mit den darin angeordnete Installationen und das Gewicht der Turmkonstruktion in den Erdboden abzuleiten. The tower construction of the well-known wind turbine is built in a concrete foundation Anchored steel beams. The tower construction and the foundation must be in the Be able to measure the wind pressure on the rotor surface and perpendicular to the rotor surface in the Generating torque, a vertically directed torque due to lack Close guidance of the rotor surface, fluctuations in the forces and moments mentioned not constant wind pressure as well as the considerable weight of the rotor head with the installations arranged therein and the weight of the tower structure in the ground derive.
Die bekannte Technik von Horizontalrotoren auf Stahlrohrtürmen mit Betonfundament wird auch für Offshore-Anlagen eingesetzt. Neben der Beanspruchung der Oberflächen durch das aggressive Meerwasser ist die tragende Konstruktion hier zusätzlich Strömungkräften durch Gezeiten und Impulskräften durch Wellengang ausgesetzt. The known technology of horizontal rotors on tubular steel towers with concrete foundations also used for offshore plants. In addition to the stress on the surfaces by the Aggressive sea water is the supporting structure here due to additional flow forces Exposed to tides and impulse forces by waves.
Die Verwendung einer Turmkonstruktion als Tragwerk der bekannten Windenergieanlagen begrenzt sowohl aus Gründen der Statik als auch aus wirtschaftlichen Überlegungen die mit derartigen Anlagen erreichbaren Höhen. Darüber hinaus sind derartige Anlagen für den mobilen Einsatz offensichtlich ungeeignet. The use of a tower structure as the structure of the known wind turbines limits the with both for reasons of statics as well as for economic considerations heights achievable in such systems. In addition, such systems for the mobile use obviously unsuitable.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Windenergieanlage vorzuschlagen, die den wirtschaftlichen Einsatz in - gegenüber dem Stand der Technik - deutlich größeren Höhen über Grund und in mobilen Anlagen erlaubt. It is an object of the present invention to propose a wind turbine which economical use at - compared to the prior art - significantly higher heights allowed above ground and in mobile systems.
Diese Aufgabe wird durch eine Windenergieanlage gemäß Hauptanspruch gelöst. This object is achieved by a wind turbine according to the main claim.
In der beanspruchten Ausbildung der gattungsgemäßen Windenergieanlage übernimmt anstelle der aufwändig fundamentierten Turmkonstruktion ein Auftriebskörper mit einer Ankervorrichtung die Halterung des Rotorkopfes in einer für die Windenergienutzung brauchbaren Höhe über der Erdoberfläche. In the claimed training of the generic wind turbine takes over Instead of the elaborately founded tower construction, a buoyancy body with a Anchor device the holder of the rotor head in a usable for wind energy use Height above the earth's surface.
Der Wegfall der Turmkonstruktion ermöglicht die Installation der erfindungsgemäßen Windenergieanlage in Höhen, die mit den bekannten Anlagen nicht oder nicht wirtschaftlich erreichbar sind. Da in größeren Höhen die Windausbeute steigt, kann bei gleichen Abmessungen der Energieertrag gesteigert oder bei gleichem Energieertrag eine deutlich kompaktere und dadurch preiswertere Bauweise erreicht werden. Da mit steigender Höhe außerdem die Schwankungen der Windverhältnisse abnehmen, können Sicherheitszuschläge bei der erfindungsgemäßen Anlage geringer dimensioniert werden als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen. The elimination of the tower construction enables the installation of the invention Wind turbine at heights that are not or not economical with the known systems are reachable. Since the wind yield increases at higher altitudes, the same dimensions can be used the energy yield increased or a significantly more compact and with the same energy yield thereby cheaper construction can be achieved. Since with increasing height also the Fluctuations in wind conditions can decrease, safety surcharges at the System according to the invention are dimensioned smaller than in the prior art known plants.
Durch den Wegfall der aufwändigen Fundamentierung zugunsten einer reinen Zugverankerung beispielsweise durch Seile sinkt auch der Installations- und Deinstallationsaufwand der erfindungsgemäßen Windenergieanlagen gegenüber dem Stand der Technik drastisch. By eliminating the complex foundations in favor of pure train anchoring for example, ropes also reduce the installation and deinstallation effort Wind turbines according to the invention drastically compared to the prior art.
Bei Offshore-Installationen bietet sich so beispielsweise die Möglichkeit, die Rotoreinheit einer Windenergieanlage zu Wartungszwecken auf einen Ponton oder auf ein Schiff abzulassen oder auch an Land zu schleppen, wodurch wiederum der Wartungsaufwand erheblich verringert wird. Auch die weniger aufwändige Verankerung erweist sich hier als Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, da durch das einmalige Ablassen eines Ankers - beispielsweise eines Betonblockes - auf den Meeresgrund das Ökosystem nur minimal beeinträchtigt wird. In offshore installations, for example, there is the option of one rotor unit Lowering the wind turbine for maintenance purposes onto a pontoon or onto a ship or also towing on land, which in turn significantly reduces maintenance becomes. The less complex anchoring also proves to be an advantage here State of the art, since the one-time lowering of an anchor - for example one Concrete block - on the ocean floor the ecosystem is minimally affected.
Der geringere Installations- und Deinstallationsaufwand erlaubt darüber hinaus sogar den Einsatz einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage als mobiles Notstromaggregat. The lower installation and uninstallation effort even allows that Use of a wind power installation according to the invention as a mobile emergency power generator.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche:
Durch die Verwendung von Vertikalrotoren wird die Windenergieanlage im Wesentlichen
unempfindlich gegen Änderungen der Windrichtung. Die Notwendigkeit zur Nachführung der
Rotoren mit Stellmotoren und -getrieben entfällt. Wegen des dadurch deutlich verringerten
Gewichtes erweist sich der Einsatz von Vertikalrotoren für eine mobile Windenergieanlage als
besonders vorteilhaft.
Preferred embodiments are the subject of the subclaims:
The use of vertical rotors makes the wind turbine essentially insensitive to changes in the wind direction. The need to adjust the rotors with servomotors and gearboxes is eliminated. Because of the significantly reduced weight, the use of vertical rotors for a mobile wind turbine proves to be particularly advantageous.
Werden die eingesetzten Rotoren dergestalt angebracht, dass sich die in den Generatoren entstehenden Drehmomente in Bezug auf das Gesamtsystem aufheben, so kann wiederum wegen der Verringerung der zu übertragenden Last der Aufwand der Verankerung reduziert werden. Are the rotors used in such a way that they are located in the generators Torques arising in relation to the overall system can, in turn, because of the reduction in the load to be transferred the effort of anchoring is reduced become.
Die Verwendung eines Luftschiffs als Auftriebskörper bietet sich insbesondere für ein System zur mobilen Notfallversorgung im Katastrophenfall an. Der eigenständige Antrieb eines Luftschiffes ermöglicht die flexible und schnelle Bereitstellung eines leistungsfähigen Notstromaggregates in Gebieten, die auf dem Landweg nicht oder nur schwer zu erreichen sind, zum Beispiel bei großflächigen Überschwemmungen. Moderne Starrluftschiffe bieten die Möglichkeit sehr variabler Aufbauten, so dass der Anbau von Windenergie nutzenden Rotoren keine wesentlichen Probleme bereitet. The use of an airship as a buoyancy body is particularly useful for a system for mobile emergency care in the event of a disaster. The independent drive of a Airship enables flexible and quick deployment of a powerful Emergency generators in areas that are difficult or impossible to reach by land to Example of large-scale flooding. Modern rigid airships offer that Possibility of very variable structures, so that the installation of rotors using wind energy is none causes significant problems.
Zur Verringerung des Luftwiderstandes einer derart mobilen Windenergieanlage können die Rotoren während der Fahrt zum Einsatzort aus dem Fahrtwind geklappt werden. To reduce the air resistance of such a mobile wind turbine, the Rotors can be folded out of the wind while driving to the place of use.
Die Verwendung eines Ballons als Auftriebskörper bietet eine sehr preisgünstige Alternative zum Aufbau einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage. Bei der paarweisen Verwendung von Vertikalrotoren können diese sinnvoll auf einer gemeinsamen Achse angeordnet werden. So entsteht ein sehr kompaktes System, das - insbesondere unter Verwendung eines zusammengelegten Gasballons - auch als transportables Notstromaggregat einsetzbar ist. The use of a balloon as a float offers a very inexpensive alternative to build a wind turbine according to the invention. When used in pairs vertical rotors can be arranged on a common axis. This creates a very compact system that - especially when using a folded gas balloons - can also be used as a portable emergency generator.
Durch Gewichte, insbesondere Betongewichte wird besonders einfach und preiswert eine Verankerung der erfindungsgemäßen Windenergieanlage realisiert. Weights, in particular concrete weights, make it particularly simple and inexpensive Anchoring of the wind turbine according to the invention realized.
Die erfindungsgemäße Windenergieanlage ist auch vorteilhaft im Rahmen von Offshore- Windparks einzusetzen, bei denen der Ankergrund der Meeresboden ist. The wind turbine according to the invention is also advantageous in the context of offshore To use wind farms where the anchor bottom is the sea floor.
Bevorzugt wird die Verbindung zwischen dem Generator der Windenergieanlage und der dazugehörenden Übergabestation über eine elektrisch leitende Ankervorrichtung hergestellt, wobei die Übergabestation bei Offshore-Anlagen auf einem Schwimmponton, einem Schiff oder einer gegebenenfalls abgewrackten Bohrinsel angeordnet werden kann. The connection between the generator of the wind power plant and the associated transfer station manufactured via an electrically conductive anchor device, wherein the transfer station for offshore systems on a floating pontoon, a ship or one if necessary, scrapped drilling rig can be arranged.
Vorteilhaft können an einer Übergabestation mehrere Windenergieanlagen angeschlossen werden. Hierdurch wird wiederum der Installationsaufwand für einen aus erfindungsgemäßen Anlagen aufgebauten Windpark reduziert. Several wind turbines can advantageously be connected to one transfer station become. This in turn reduces the installation effort for one according to the invention Wind farm facilities reduced.
Bevorzugt ist insbesondere die Verwendung einer flexiblen Verbindung der Windenergieanlage mit dem Ankergrund, die eine Verschiebung der Windenergieanlage unter dem Einfluss von Luft- und (bei Offshore-Anlagen) Wasserströmung zulässt. Diese Verbindung kann vorteilhaft durch ein Seil, insbesondere durch ein auf Zug belastbares Elektrokabel ausgeführt sein. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn dieses Seil im Wesentlichen aus Kunststoff besteht, wodurch das Eigengewicht der Verbindung gering gehalten wird. In particular, the use of a flexible connection of the wind energy installation is preferred with the anchor base, which is a displacement of the wind turbine under the influence of Air and (in the case of offshore systems) water flow. This connection can be advantageous be carried out by a rope, in particular by an electrical cable that can withstand tensile loads. It is particularly advantageous if this rope consists essentially of plastic, which keeps the weight of the connection low.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, die eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage zeigt. The invention is described below using an exemplary embodiment and with reference explained in more detail on the accompanying drawing, which is a schematic view of a shows wind turbine according to the invention.
Dargestellt ist eine Windenergieanlage 1 mit zwei Vertikalrotoren 2, die mit einer gemeinsamen Tragkonstruktion 3 an einem ellipsoiden Ballon 4 befestigt sind. Die Windenergieanlage 1 ist über zwei Ankervorrichtungen 5 am Meeresgrund 6 verankert. Die Rotoren 2 werden so in einer für die Windenergienutzung sinnvollen Höhe 7 über dem Meeresspiegel 8 gehalten. A wind turbine 1 is shown with two vertical rotors 2 , which are fastened to an ellipsoidal balloon 4 with a common supporting structure 3 . The wind turbine 1 is anchored to the sea floor 6 via two anchor devices 5 . The rotors 2 are thus held at a height 7 above sea level 8 which is sensible for wind energy use.
Die Windenergieanlage 1 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Offshore-Windparks. Innerhalb dieses Windparks ist eine Vielzahl der erfindungsgemäßen Windenergieanlagen entlang einer gedachten Linie quer zur Hauptwindrichtung 9 angeordnet. Jeweils mehrere erfindungsgemäße Windenergieanlagen 1 übertragen die in den Generatoren erzeugte elektrische Energie an gemeinsame auf Schwimmpontons installierte Übergabestationen 10 - von denen wiederum eine beispielhaft dargestellt ist, die jeweils über Unterseekabel 11 untereinander und mit dem nicht dargestellten Netz des Energieversorgungsunternehmens verbunden sind. The wind turbine 1 is part of an offshore wind farm, not shown. Within this wind farm, a large number of the wind energy plants according to the invention are arranged along an imaginary line transverse to the main wind direction 9 . A plurality of wind energy plants 1 according to the invention each transmit the electrical energy generated in the generators to common transfer stations 10 installed on floating pontoons - one of which is shown by way of example, each of which is connected to the network of the energy supply company via submarine cables 11 and to the network (not shown).
Die beiden ansonsten baugleichen Vertikalrotoren 2 rotieren gegenläufig, so dass die in den integrierten Generatoren erzeugten Drehmomente sich in Bezug auf die Windenergieanlage 1 gegenseitig aufheben. Die lose unter dem Ballon 4 angehängte Tragkonstruktion 3 aus Aluminiumprofilen stellt eine starre - und dadurch nach außen drehmomentfreie - Verbindung der Vertikalrotoren 2 dar. The two otherwise identical vertical rotors 2 rotate in opposite directions, so that the torques generated in the integrated generators cancel each other out with respect to the wind turbine 1 . The support structure 3 made of aluminum profiles, which is loosely attached under the balloon 4, represents a rigid - and therefore torque-free - connection of the vertical rotors 2 .
An beiden Enden des ellipsoiden Ballons 4 sind Ankervorrichtungen 5 angebracht, die jeweils über ein meerwasserfestes Kunststoffseil 12 an einem Betongewicht 13 als Anker auf dem Meeresgrund 6 enden. Eines der Ankerseile 12 ist gleichzeitig als auf Zug belastbares Elektrokabel ausgeführt und stellt über ein weiteres Elektrokabel 14 die Verbindung mit der Übergabestation 10 her. Anchor devices 5 are attached to both ends of the ellipsoidal balloon 4 , each of which ends via a seawater-resistant plastic rope 12 on a concrete weight 13 as an anchor on the seabed 6 . One of the anchor cables 12 is at the same time designed as an electrical cable that can be subjected to tension and establishes the connection to the transfer station 10 via a further electrical cable 14 .
Die Halterung mit zwei Ankerseilen 12 erlaubt im Wesentlichen nur eine Bewegung der Windenergieanlage 1 in der Hauptwindrichtung 9. Aufgrund der Verwendung von Vertikalrotoren 2 stellen aber weder größere Schwankungen, noch sogar die Umkehr der Windrichtung größere Probleme im Betrieb der erfindungsgemäßen Windenergieanlage dar. The bracket with two anchor cables 12 essentially only allows the wind energy installation 1 to move in the main wind direction 9 . Due to the use of vertical rotors 2 , however, neither major fluctuations nor even the reversal of the wind direction pose major problems in the operation of the wind power installation according to the invention.
Das Ausführungsbeispiel soll in keiner Weise den durch die nachfolgenden Patentansprüche
definierten Schutzbereich einschränken.
BEZUGSZIFFERN
1 Windenergieanlage
2 Vertikalrotoren
3 Tragkonstruktion
4 Ballon
5 Ankervorrichtungen
6 Meeresgrund
7 Höhe der Rotoren
8 Meeresspiegel
9 Hauptwindrichtung
10 Übergabestation
11 Unterseekabel
12 Ankerseile
13 Anker (Gewichte)
14 Elektrokabel
The exemplary embodiment is in no way intended to limit the scope of protection defined by the following claims. REFERENCE NUMBERS 1 wind turbine
2 vertical rotors
3 supporting structure
4 balloon
5 anchor devices
6 seabed
7 Height of the rotors
8 sea level
9 Main wind direction
10 transfer station
11 submarine cables
12 anchor ropes
13 anchors (weights)
14 electrical cables
Claims (15)
mindestens einen die Windenergieanlage (1) in der Luft haltenden Auftriebskörper (4) und
mindestens eine Ankervorrichtung (5) mit der die Windenergieanlage (1) in einem Ankergrund (6) verankerbar ist. 1. Wind turbine ( 1 ) with one or more rotors ( 2 ) and a common support structure ( 3 ), characterized by
at least one buoyancy body ( 4 ) holding the wind energy installation ( 1 ) in the air and
at least one anchor device ( 5 ) with which the wind energy installation ( 1 ) can be anchored in an anchor base ( 6 ).
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