DE102008008760A1

DE102008008760A1 - Einrichtung zur Verminderung der Strömungsbelastung an Türmen von Offshore-Windenergieanlagen

Info

Publication number: DE102008008760A1
Application number: DE102008008760A
Authority: DE
Inventors: Walter Schopf
Original assignee: Schopf Walter Dipl-Ing
Current assignee: Schopf Walter Dipl-Ing
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2009-08-13

Abstract

Der Erfindungsgedanke besteht darin, dass an Türmen von Offshore-WEA, vorzugsweise Monopilen, im Höhenbereich intensiver Strömungsbeaufschlagung um den Turm eine Ummantelung angebracht ist mit einer strömungswiderstandsgünstigen Oberflächenstruktur, derart, dass Meeres-Oberflächenströmungen und insbesondere stark ausgeprägte Wellen gegenüber blanken herkömmlichen Turmausführungen geringere horizontale Kräfte auf den Turm ausüben. Sie weist eine nach dem Stande der Technik bekannte, bezüglich des Strömungswiderstandes günstige Tropfenform auf und ist in der horizontalen Ebene am Turm drehbar angeordnet, wobei ihre Drehachse ihrer strömungsbeaufschlagten Oberfläche so zugeordnet ist, dass sie sich immer in die Strömung ausrichtet. Des Weiteren werden Ausführungsmerkmale beansprucht, die Energieinhalte sie tangierender Strömungen und sie überrollender Wellen in einer vorteilhaften Weise ausnutzten, in dem durch eine zweckentsprechende a) Leitflächenanordnung Strömungsablenkungen bewirkt werden, die auf die Einrichtung Vertikalkräfte ausüben, b) Anordnungen von Prall- und Umlenkflächen Stoßeinwirkungen durch rotierende Wellen produziert werden, die beide wiederum auf den Turm eine der Meeresströmung entgegengesetzte Momenten- und Krafteinwirkung ausüben.

Description

Stand der Technik
Offshore-Windenergie-Anlagen (Offshore-WEA) werden zur zukünftigen emissionsfreien, nachhaltigen Energieversorgung einen unabdingbaren Beitrag zu leisten haben. Wogegen die Windenergie-Erschließung an Land bereits an natürliche und gesellschaftspolitische Grenzen gestoßen ist, bieten Offshore-WEA – vor allen auch wegen der höheren Windgeschwindigkeit auf dem offenen Meer – große ausbaufähige Potentiale. Auch begrenzen Rücksichtnahmen auf das sensible Ökosystem Wattenmeer den Ausbau von Offshore-WEA im diesbezüglich leichter zu erschließbaren Wattenmeer.
Offshore-WEA auf hoher See bergen allerdings auch ihre spezifischen Probleme. So stellen auch ihre Gründungen an besonders lukrativen Standorten mit großen Wassertiefen große Herausforderungen, wobei den horizontalen Belastungen durch den Seegang der von der Standbasis entfernten Turmpartien besondere Bedeutung zukommt.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist eine Lösungsfindung zur Verminderung der Strömungsbelastung an Türmen von Offshore-WEA
Die Lösung wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie den darauf bezogenen Unteransprüchen bewirkt.
Damit bewirkte Vorteile gehen weitgehend aus den Beschreibungen der Ausführungsbeispiele hervor.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird durch nachstehend beschriebene Zeichnungen mit den ihnen zugeordneten Bezugszeichen verdeutlicht. Die schematischen Darstellungen zeigen in:
1 die Seitenansicht einer herkömmlichen Offshore-WEA mit einer daran angeordneten erfindungsgemäßen Einrichtung.
2 eine Draufsicht-Schnittdarstellung von 1.
3 eine Seitenansicht einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Einrichtung mit Leitflächen zur Erzielung einer durch Meeresströmungsumlenkung bewirkten, der Meeresströmung entgegengesetzt wirkenden Schwenkbelastung auf den Turm.
4 die Vorderansicht zu 3.
5 die Draufsicht von 4 in einer Schnittdarstellung.
6 die Seitenansicht einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Einrichtung mit schaufelförmigen Leitflächen zur Bewirkung einer von „rollenden" Wellen verursachten, ihrer Herkunftsrichtung entgegengesetzten Stoßeinwirkung, die sich auf den Turm als eine dem Staudruck der Meeresströmung kompensierende Kraft auswirkt.
Beschreibung
zu 1 und 2
Das im Meeresboden 1 verankerte Schwerkraftfundament 2 mit seinem darauf sitzenden Turm 3, und die am oberen Turmende aufsitzende Gondel 4 mit der daran bzw. darin gelagerten Windkraftmaschine 5 bilden im wesentlichen eine WEA herkömmlicher Art. Im Oberflächenbereich 6 des Meeres ist die den Turm 3 umschließende erfindungsgemäße Einrichtung 7 angeordnet. Diese weist eine (von der Luv-Seite ausgehend) strömungsgünstige tropfenförmige äußere Formgebung auf. Um den Turm (3) ist sie mittels der Rollkörper 8 drehbar gelagert. Im Wesentlichen wird sie aus einem äußeren Mantel 7a mit einem inneren Versteifungsgitterwerk 7b gebildet. Ihre äußeren von der Meeresströmung 14 beaufschlagten Konturen und die Anordnung ihrer Drehachse 9 sind so aufeinander abgestimmt, dass sie sich selbsttätig in die Strömungsrichtung und somit in eine Position ihres geringsten Reibungswiderstandes stellt.
zu 3, 4 und 5
Um den drehbar um Turm 3 gelagerten Grundkörper 7 sind auf der Luv-Seite nach oben verlaufende Leitflächen 10 angeordnet, die einen Teil der in der Oberflächenströmung enthaltenen kinetischen Energie in eine vertikal nach unten wirkende Kraft umwandelt. Diese vor dem statischen Schwerpunkt 9 der gesamten WEA wirkende Vertikalkraft übt auf den Turm ein der Strömung entgegengerichtetes Schwenkmoment aus.
Auf der Lee-Seite sind am Rumpf der Einrichtung 7 entgegengesetzte, nach unten verlaufende Leitflächen 11 angeordnet. Diese bewirken eine nach oben gerichtete Vertikalkraft, die vorstehendes am Turm einwirkendes Schwenkmoment ergänzt.
Auf diese Weise wird ein Teil des durch die Strömung am Turm verursachten Staudrucks kompensiert.
Vorteilhaft bei hohem Seegang ist eine spitzdachförmige Ausbildung der oberen Partie des Grundkörpers 7, damit auf die oberen Partien sich ergießende Wassermassen nicht zusätzliche nachteilige Kippbelastungen am Korpus 7 und damit auch nicht horizontale Schwenk-Belastungen am Turm verursachen.
Zu 6
In ausgeprägten Oberflächenwellen 15 besteht ein großer Teil ihres kinetischen Energieinhaltes aus Rotationsenergie (diese „Orbitalbewegung" der Wellen ist zwar ein Begriff, aber weniger populär). Um sie zu kompensierenden Aufgaben zu nutzen, bzw. um nachteilige Auswirkungen ihrerseits auf die horizontale Turmbelastung zu vermeiden, sind an der oberen Partie des Grundkörpers 7 der Einrichtung zur Leeseite konkav ausgebildete Prallbleche 12, 13 angeordnet.
An ihnen üben die rotierenden Wassermassen der die Einrichtung überrollenden Wellen einen Stoßeffekt aus, der auf den Turm als eine (kompensierende) Gegenkraft zu dem durch die Meeresströmung verursachten Staudruck einwirkt.
Einem sich evtl. nachteiligen Auswirken ihrer potentiellen Energie auf der Leeseite wird bereits durch vorstehend vorgeschlagenes dachförmiges (in vertikaler Richtung strömungswiderstandsminderndes) Ausbilden der oberen Partie des Grundkörpers 7 vorgebeugt.
Vorteilhaft erscheint bei Offshore-WEA-Standorten mit hohem Wellengang eine dachförmige (für vertikale Strömungen strömungsgünstigere) Ausbildung der oberen Partie des Korpus 7 wie oben vorgeschlagen, damit intensive Vertikalbelastungen durch große Wellenmassen gemildert werden.
Dagegen erscheint bei Offshore-WEA-Standorten mit niedrigen, stetigeren Wellengang eine oben flache Körperausgestaltung für die Nutzung des Wellenganges zur Kompensation des durch die Strömung verursachten Staudruckes günstiger, wobei die obere Fläche der Einrichtung weitgehend auf dem Höhenniveau des Meeresspiegels liegt.

1: Meeresboden
2: Schwerkraftfundament
3: Turm
4: Gondel
5: Windkraftmaschine
6: Meeresoberfläche
7: erfindungsgemäße Einrichtung
7a: Mantel von 7
7b: Versteifungsgitterwerk von 7
7c: Drehbasis von 7
8: Rollkörper
9: Dreh- und Turmachse
10: luvseitige Strömungs-Leitfläche
11: leeseitige Strömungs-Leitfläche
12: luvseitige Wellen-Pralifläche
13: leeseitige Wellen-Prallfläche
14: Meeresströmung
15: rollende Welle

Claims

Einrichtung zur Verminderung der Strömungsbelastung an Türmen von Offshore-WEA dadurch gekennzeichnet, dass an den Turm von Offshore-WEA, vorzugsweise Monopilen, im Höhenbereich intensiver Strömungsbeaufschlagung um den Turm (3) eine Ummantelung (7) angeordnet ist mit einer strömungswiderstandsgünstigen Oberflächenstruktur derart, dass die Meeresströmung und insbesondere stark ausgeprägte Wellen, gegenüber blanken herkömmlichen Turmausführungen geringere horizontale Kräfte auf den Turm ausüben.
Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (7) eine nach dem Stande der Technik bekannte strömungsgünstige Tropfenform aufweist, in der horizontalen Ebene drehbar angeordnet ist, wobei ihre Drehachse (9) der strömungbeaufschlagten Oberfläche (7a) so zugeordnet ist, dass sie sich immer selbsttätig in die strömungswiderstandsgünstigste Position zur Meeresströmung (14) stellt.
Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (7) mindestens aus einer Außenwand (7a) und einer inneren Gitterverstrebung (7b) besteht, ihre horizontale Drehbasis (7c) mit Rollkörpern (8) versehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass ihre luvseitige Partie Leitflächen (10) derart aufweist, dass die Meeresströmung (14) auf sie einwirkende nach unten gerichtete Vertikalkräfte verursacht, ihre leeseitige Partie Leitflächen (11) derart aufweist, dass die Meeresströmung (14) auf sie einwirkende nach oben gerichtete Vertikalkräfte verursacht, wobei die Leitflächen (10, 11) am Korpus der Einrichtung (7) so verteilt und angeordnet sind, das der Schwerpunkt dieser Vertikalkräfte jeweils möglichst weit weg vom Schwerpunkt der gesamten WEA (2, 3, 4, 5, 7) liegt.
Einrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die obere Partie seines Korpus (7) quer zur Strömungsrichtung sich erstreckende Prallflächen (12, 13) aufweist, mit einer auf der Wellenherkunftsrichtung abgewandte Seite konkav ausgebildeten Kontur, in einer Ausführungsweise, dass rollende Wellen (15) auf sie einen ihrer Herkunftsrichtung zugerichteten Stoß ausüben.
Einrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass ihre obere Partie ihrer Länge nach eine spitzdachförmige Kontur aufweist in einer Art und Weise, dass der Korpus (7) für von oben ihn beaufschlagende Wassermassen einen geringen Strömungswiderstand aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1 und beliebiger vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ihr Korpus (7) in seiner Höhenerstreckung der Länge nach auf der Leeseite vom Turm (3) ausgehend abnimmt.
Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass bei Offshore-WEA-Standorten mit hohem Wellengang die obere Partie der Einrichtung eine spitzdachförmige (für vertikale Strömungen strömungsgünstigere) Ausbildung aufweist, bei Offshore-WEA-Standorten mit niedrigen, stetigeren Wellengang eine oben flache Körperausgestaltung zum Einsatz kommt.