DE102004049506A1

DE102004049506A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102004049506A1
Application number: DE102004049506A
Authority: DE
Inventors: Paul Kramer
Original assignee: Kramer Paul Dipl-Ing
Current assignee: Kramer Paul Dipl-Ing
Priority date: 2004-10-11
Filing date: 2004-10-11
Publication date: 2006-04-13

Abstract

Windkraftanlage, die mittels Pontons auf dem Wasser schwimmt, mit mehreren in einem regelmäßigen Raster angeordneten mehrflügeligen Rotoren
dadurch gekennzeichnet, daß
a) das regelmäßige Raster auf einer luvseitig konkav gekrümmten Fläche (23) angeordnet ist und
b) die Tragwerkskonstruktion auf den Pontons (22) an mehreren bis vielen mindestens so hoch wie der Radius des Einheitsrotors über der Wasseroberfläche angeordneten Punkten (19) mit Seilen (17) gegen die Windrichtung gehalten wird und
c) die Seile einzeln oder zusammengefasst alle in einem Punkt (12) zusammenlaufen an dem sie horizontal richtungsfrei drehbar befestigt sind und
d) der Schwerpunkt der Gesamtkonstruktion um ein gewisses Stabilitätssicherheitsmaß (26), innerhalb der alle Schwimm-Pontons umschreibenden Gesamtumrißfigur (25) eingerückt ist.

Description

Aufgabe der Erfindung ist es, den Einsatz der Windenergie mit herkömmlichen Schnellläuferrotoren im Off-shore Bereich zu optimieren.
Hierbei sind die Einzelwindturbinen mit einer Fundamentierung am Meeresboden die Bauart die sich technisch durchgesetzt hat.

Ebenfalls Stand der Technik auf dem Gebiet der Kombination von Einzelwindturbinen ist die Entwicklung einer Off-shore Windfarm von William Heronemus für den Golf von Maine, USA bei der ein Ponton mit 34 Windrädern – im orthogonalen Raster angeordnet – ausgestattet ist.

Auf Grund der baumartigen Hauptmasten ist jedoch die Kippstabilität äußerst begrenzt. Außerdem müssen alle durch die Windkraft erzeugten Reaktionskräfte über den Hauptmast abgetragen werden, was sehr schwere Konstruktionsarten bedingt.

Weiterhin Stand der Technik ist der Entwurf für eine 40 MW-Offshore-Windkraftanlage von Hermann Honnef mit zwei Windrädern von 160 m Durchmesser auf Schiffen vor der Küste verankert. Dabei handelt es sich um zwei an einer V-förmigen Abspannung parallel zur Wasseroberfläche verankerte Pontons auf denen jeweils ein Windrad an der Verbindungskonstruktion der beiden Pontons angebracht ist.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es mit relativ geringem Zusatzaufwand, höhere Windschichten mit übereinander angeordneten einheitlichen Windrädern (1) zu erschließen.

Dies wird erfindungsgemäß damit erreicht, daß auf der Basis einer naheliegenden prinzipiellen Rasteranordnung der einzelnen Windräder (1), das Raster auf einer luvseitig (21) konkav gekrümmten Fläche angeordnet wird, wobei auf abwickelbaren Flächen z.B. eines schrägen Zylinders die Exaktbedingungen gleicher Abstände der einzelnen Windräder eingehalten werden.
Auf einer räumlich gekrümmten Fläche hingegen, z.B. eines Kugelsegments muss das Raster polar aufgebaut sein oder geometrische Feinkorrekturen aufweisen, ähnlich den unterschiedlichen Kartenprojektionen der Erdkugeloberfläche.
Durch diese Eigenschaft wird einerseits erreicht, daß sich das Gesamtgewicht auf einer eigenstabilen Basis (27) abträgt und nicht durch schwere oder umfangreiche Ausgleichskonstruktionen stabilisiert werden muß.
Bei der technischen Ausführung als einer reinen Stabwerkskonstruktion könnten einerseits alle Stäbe mit ihren Endpunkten oder Mittelpunkten auf dieser Fläche im Sinne einer Schale zu liegen kommen, andererseits wird zur Verbesserung der punktuellen Steifigkeit z.B. gegen Böen ein auch in der Dickendimension der Schale räumliches Tragwerk z.B. als Raumfachwerk aus Stäben oder ein Tragwerk aus räumlich angeordneten Stäben und Seilen oder Zuggliedern von Vorteil sein. In diesem Fall sind die einzelnen Konstruktionselemente so zu plazieren, daß die räumlich gekrümmte erzeugenden Fläche die Null-"Ebene" der räumlichen Tragwerkskonstruktion darstellt – d.h. die Fläche aller neutralen Fasern der Konstruktion.
Zur besseren Festhaltung und gleichmäßiger verteilten Belastung der räumlichen Tragwerkskonstruktion gegen den Wind wird diese an mehreren bis vielen Punkten (19) mit Seilen (17) gehalten.
Diese Seile können sich gabelförmig (18) vereinigen und laufen sodann alle in einem zentralen Abspannpunkt (12) zusammen, an dem sie als Gesamtheit horizontal richtungsfrei drehbar befestigt sind.
Im Gegensatz zur Honnef'schen Offshore-Windkraftanlage sind die Seile (17) nicht regelmäßig parallel zur Wasseroberfläche, sondern erfindungsgemäß schräg verlaufend von hoch in der Tragwerkskonstruktion situierten Abspannpunkten (19) bis zum Verankerungsdrehpunkt (12), der auch unter der Wasseroberfläche (10) liegen kann.
Dabei ist dann nur ein Teil der Seillängen über dem Wasser (20).
Durch eben diese schräg verlaufenden Abspannseile (17) ergeben sich bei naturgemäß horizontaler Windkraft (40) auf die Pontons (22) zusätzliche Eintauchreaktionskräfte (42), die sowohl in der Auftriebsbemessung der Schwimmkörper als in der Gesamtstabilitätsbetrachtung (26) zu berücksichtigen sind.
Insofern muß nicht nur der Schwerpunkt der gesamten Anlage innerhalb der umschreibenden Gesamtumrißfigur (25) der Schwimmkörper (22) liegen, sondern dieser auch um ein gewisses Sicherheitsmaß (26) von dieser Umrißlinie (25) eingerückt sein.
Das Sicherheitsmaß hängt von der Position auf der Umrißlinie (25), von der Volumensverteilung der Schwimmkörper entlang der Umrißlinie und der o.a. zusätzlichen Eintauchkräfte (42) ab. Auf der Basis einer Metazenterhöhenermittlung können diese Sicherheitsmaße (26) berechnet werden.
Eine mögliche Umsetzung der Erfindung stellt sich beispielsweise wiefolgt dar:
Auf 7 im Grundriß ovalen Schwimmkörpern (22) werden jeweils vom Rand her beginnend 2, 3, 4 und in der Mitte 5 Einheitsrotoren angeordnet sind und insgesamt 23 Einheitsrotoren (1) mit einem Durchmesser von je ca. 80 m angeordnet, sodaß sich ein Leistungspotential von ca. 30 MW erzielen läßt (vgl. 1).
Die Pontons mit einer Breite von ca. 25 m und einer Länge von etwa 35 m werden in einem Abstand von ca. 75 m auf einem Parabelbogen (23) mit einem Scheitelkrümmungsradius von ca. 400 m angeordnet.
Sie sind mit einer Koppelungsvorrichtung (11) mit je einem luv- und leeseitigen Gelenk miteinander verbunden.
Auf den Pontons werden jeweils an den Längsseiten des ovalförmigen Schwimmkörpers ein leicht luvseitig geneigtes Stahlständerrohr (3) mit ca. 2 m Durchmesser angeordnet, die die horizontalen, leitersprossenartigen Lagergehäuserohre (2) tragen.
Auf halbem Abstand zwischen den Lagergehäuserohren (2) liegen parallel dazwischen horizontale Zwischenstreben (5).
Jedes in sich abgeschlossene, in einer Ebene senkrecht zur Wasseroberfläche befindliche Viereck aus einem Lagergehäuserohr (2), je einem Abschnitt des luv- und leeseitigen Ständerrohres (3 und 4) und einer horizontalen Zwischenstrebe (5) spannt beidseits dieser Ebene je eine Pyramide (6) auf, die je mittels einer Kopfplatte (7) an ihrer Spitze versehen sind und mit der Kopfplatte der Pyramide auf dem nächstseitigen Stahlrohrständerwerk auf dem benachbarten Ponton verschraubt wird (vgl. 2.).
Diese Stützpyramiden können auch nur in jedem zweiten Leitersprossenfeld angeordnet werden (vgl. 3).
Da die beschriebene Konstruktion einer Windkraftanlage durch die Kopplung der Tragwerkskonstruktion über die Pyramidenspitzen im Grundriß verdrehbar wäre, werden die in senkrechter Ebene auf den Pontons stehenden Sprossenleitern an ihren Holmen gegenseitig auf der Höhe der Lagergehäuserohre und den horizontalen Zwischenstreben waagerecht sowohl auf der Luv- als auch auf der Leeseite verspannt (8, 9).
Durch diese elastische Konstruktionsart wird die Empfindlichkeit gegen Böen reduziert.
Die erfindungsgegenständliche, leiterähnliche Stützkonstruktion (vgl. 4) beinhaltet die Möglichkeit, parallel oder innerhalb eines Stützholms eine zusammenfassende Treibwelle (28) anzuordnen, die die Anzahl der Generatoren reduziert, diese innerhalb des Pontons leichter zugänglich macht und zur Verbesserung der Schwerpunktslage und Reduzierung der Schwingungsanfälligkeit beiträgt.
Die Kraftumlenkung erfolgt z.B. mittels Zahnräder (29, 30). Neben der Kupplung (39) vor dem Generator müssten die anderen Kupplungen entsprechend der heutigen Bauart noch oben bei den jeweiligen Rotoren zugeordnet verbleiben.
Die allgemeine Forderung der Verträglichkeit von Windkraftanlagen mit dem Landschaftsbild erfordert die Entwicklung schwimmender Off-shore-Anlagen, deren Wirtschaftlichkeit sich prinzipiell ungünstiger darstellt, als die herkömmlicher ortsfester Anlagen.
Zur Einsparung von Nachdrehvorrichtungen der heutigen Einzelwindkraftanlagen zur Einstellung auf wechselnde Windrichtungen richtet sich die schwimmende Gesamtkonstruktion, die sich bei verschiedenen Windlagen um den zentralen Abspannpunkt (12) drehen kann, selbst nach dem Wind aus.
Da jedoch die Windkräfte (40) erheblich sind, werden die Kräfte nahe den Stellen, wo sie entstehen, vor allem durch die erfindungsgemäßen Schrägabspannungen (19) ohne weitere Konstruktionselemente abgeleitet.
Diese erfindungsimmanenten Vorteile gestatten einen Ausgleich der schwierigeren Umstände auf hoher See, so daß es sich um eine Erfindung handelt, die die Wirtschaftlichkeit der Windenergieerzeugung im Rahmen der veränderten Ansprüche an das Küstenlandschaftbild und sonstigen Bedingungen wiederherstellt.
Bei der Kombination von Windrotoren im Raster ist ferner zu beachten, daß der Gesamtwinddurchsatz nicht wesentlich reduziert wird.
Deswegen sind die Abstände (35) der von den Rotorflügeln überstrichenen Kreisflächen (36) zueinander zu optimieren.
Da sich die Windgeschwindigkeit v nach dem Durchgang durch einen Einheitsrotor auf 1/3 v reduziert, sind genügend große Zwischenflächen (37) anzuordnen, die die langsamen, abgebremsten Windströme wieder mitreissen und beschleunigen.
Damit wenigstens ein Gesamtwinddurchsatz von 2/3 v entsteht, müßte – Reibungsverluste außer acht gelassen – ein Abstand der Rotorblattspitzen (37) zueinander von 1/5 der Rotorradiusses mindestens gegeben sein.
Bei engster Anordnung der Rotoren im gleichseitigen Dreieck muß der Abstand der Rotorkreisflächen (35) einen Wert von 20 % ihres Radiusses aufweisen, um einen entsprechenden Durchsatz zu ermöglichen und um kein Hindernis darzustellen, um das der Wind wirkungslos herumströmt.
Einen weiteren Anteil zur Steigerung der Wirksamkeit hat die zur Luvseite (21) konkave Form, mittels der der Wind eine größere Vorverdichtung erfährt, als bei einer Anordnung in einem ebenen oder nach Lee gekrümmten Raster.
Falls eine der Hauptschwierigkeiten in der Verwertung der Windenergie – des zeitlich unstetigen und nicht planbaren Anfalls – nicht sinnvoll organisatorisch – durch Erzeugungs-Elastizität anderer Netzeinspeiser gelöst werden kann, bietet sich durch die erfindungsgemäß vorteilshafte Anordnung der Einzelkomponenten an, die erzeugte Energie durch elektrolytische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umzuwandeln.
Der Wasserstoff kann in durch den hydrostatischen Druck des Wassers auf dem Meeresboden gehaltenen Blasen aus diffusionsarmer Kunststofffolie am Meeresgrund gespeichert werden.
Zur Einspeisung ins Netz wären den Generatoren (31) in den Pontons (22) Gasmotoren (43) zugeordnet, die bei Windstille oder Schwachwind die Stromerzeugung der Generatoren aufrechterhalten können.

1: Einheitswindrotor
2: Lagergehäuserohr
3: luvseitiges Ständerrohr
4: leeseitiges Ständerrohr
5: horizontale Zwischenstrebe
6: Fachwerksstreben entlang der Pyramidenkanten
7: Pyramidenkopfplatte
8: luvseitige Horizontalverspannung
9: leeseitige Horizontalverspannung
10: Wasseroberfläche
11: Koppelungsvorrichtungen
12: Zentraler Abspannpunkt
13: Versenkter Schiffrumpf als Ballastbehälter
14: Seilrichtung zum zentralen Abspannpunkt
15: Seilrichtung zu den Abspannbefestigungspunkten
16: Orthogonale zur Seilrichtung zu den Abspannbefestigungspunkten
17: Abspannseile
18: Gabelungen der Abspannseile
19: Abspannungsbefestigungspunkte in der Tragkonstruktion
20: Durchstosspunkt eines Abspannseils durch die Wasseroberfläche
21: Luvseite
22: Schwimmkörper
23: gekrümmte Spur der Schwimmkörper
24: gekrümmte Spur der jeweils obersten Einheitswindrotoren
25: Umrisslinie der Schwimmkörper
26: Sicherheitseinrückmaße
27: Möglicher Anordnungsbereich des auf die Wasseroberfläche
: projezierten Gesamtschwerpunkt
28: Treibwelle im luvseitigen Ständerrohr
29: Stirnzahnrad
30: Kegelzahnrad
31: Generator
32: Grundkörper des Pontons
33: Abdeckung des Pontons
34: Windrotorradius
35: Abstand der Spitzen der Windradflügel
36: von den Windrotoren überstrichene Fläche
37: von den Windrotoren nicht überstrichene Fläche
38: Lager der Treibwellen
39: Kupplung
40: Windkraft
41: Seilkraft
42: Einsenkreaktionskraft
43: Gasmotor für Stromerzeugung durch Wasserstoffverbrennung
Fig. 1: Gesamtübersicht einer Windkraftanlage
Fig. 2: Teilaufbau einer Windkraftanlage am seitlichen Rand
Fig. 3: Senkrechte Abwicklungsfrontansicht einer Windkraftanlage
: (Teilaufbau am seitlichen Rand)
Fig. 4: Senkrechter Schnitt durch einen Doppelständer der
: Windkraftanlage mit
: 3 Einheitswindrotoren, Treibwelle, Ponton und Generator

Claims

Windkraftanlage, die mittels Pontons auf dem Wasser schwimmt, mit mehreren in einem regelmäßigen Raster angeordneten mehrflügeligen Rotoren dadurch gekennzeichnet, daß a) das regelmäßige Raster auf einer luvseitig konkav gekrümmten Fläche (23) angeordnet ist und b) die Tragwerkskonstruktion auf den Pontons (22) an mehreren bis vielen mindestens so hoch wie der Radius des Einheitsrotors über der Wasseroberfläche angeordneten Punkten (19) mit Seilen (17) gegen die Windrichtung gehalten wird und c) die Seile einzeln oder zusammengefasst alle in einem Punkt (12) zusammenlaufen an dem sie horizontal richtungsfrei drehbar befestigt sind und d) der Schwerpunkt der Gesamtkonstruktion um ein gewisses Stabilitätssicherheitsmaß (26), innerhalb der alle Schwimm-Pontons umschreibenden Gesamtumrißfigur (25) eingerückt ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 d. g., daß die Tragkonstruktion als Stabwerk so angeordnet ist, daß alle Stäbe unmittelbar auf der luvseitig gekrümmten Fläche liegen.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 d. g., daß das räumliche Tragwerk aus Stäben und Seilen so angeordnet ist, daß die Gesamtheit der neutralen Fasern des statischen Schnittkräftemodells in der luvseitig gekrümmten Fläche liegen.
Windkraftanlage nach den Ansprüchen 1–3 d. g., daß der in alle horizontalen Richtungen frei drehbare Festhaltepunkt (12) auf einem alten Schiff (13) angebracht wird, das an der vorgesehenen Stelle versenkt wird.
Windkraftanlage nach den Ansprüchen 1–4 d. g., daß parallel eines senkrechten oder leicht luvseitig geneigten Stützholms der Tragkonstruktion eine zusammenfassende Treibwelle (28) sich befindet, die die Antriebsarbeit der auf dem Stützholm angeordneten Windrotoren nach unten in den Bereich des Pontons bringt, wo ein gemeinsamer Generator (31) angeordnet ist.
Windkraftanlage nach den Ansprüchen 1–5 d. g., daß die Treibwelle (28) sich innerhalb des Stützholms befindet.
Windkraftanlage nach den Ansprüchen 1–6 d. g., daß der Generator (31) innerhalb der Pontons (22) angeordnet ist.
Windkraftanlage nach den Ansprüchen 1–7 d. g., daß mit dem Generator (31) ein Wasserstoff-Gas-Motor verbunden ist, der eine Kontinuität der Stromerzeugung durch Verbrennen von über Elektrolyse gewonnenen Wasserstoffgases erzeugt.
Windkraftanlage nach den Ansprüchen 1–8 d. g., daß der nicht von den Rotorblättern überstrichene Flächenanteil (37) der luvseitig gekrümmten Fläche mindestens 2/3 der Fläche, der von den Rotorblättern überstrichen wird (36), beträgt.