DE102008029982A1

DE102008029982A1 - Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung für seilabgespannte am Meeresboden aufsitzende, sowie für verankerte schwimmende Trägereinrichtungen an Offshore-Energieanlagen

Info

Publication number: DE102008029982A1
Application number: DE102008029982A
Authority: DE
Inventors: Walter Schopf
Original assignee: Schopf Walter Dipl-Ing
Current assignee: Schopf Walter Dipl-Ing
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2009-12-31

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung für seilabgespannte am Meeresboden aufsitzende Türme von Wind- und Wasserkraftmaschinen sowie für im Meeresboden verankerte schwimmende Trägerbasen von Wind- und Wasserkraftmaschinentürmen, insbesondere für tiefe Standorte. Der Erfindungsgedanke besteht in der Anordnung von Seilwinden als Halteeinrichtungen auf den Trägerbasen für das Abspann- bzw. Verankerungsseilwerk mit einer von einer elektronischen Regel- und Steuereinrichtung gesteuerten Arbeitsweise der Windenantriebe, so, dass - nach einem vorbestimmten Algorithmus errechnet, der Schwingungsdämpfung dienende Korrektive auf die Spannungen der Abspann- bzw. Verankerungsseilwerke ausgeübt werden, - mittels entsprechend ausgebildeter Ankerseilanordnungen und -Führungen ein Durchziehen inspektionsbedürftiger Ankerseilpartien durch eine Inspektions-, Reinigungs- und Präparationseinrichtung ermöglicht wird, - eine erforderliche Erneuerung gealterter Seilpartien durch Umspulen bevorrateten Seilgutes durch die Seilstreckenführungen durchführbar ist, ohne Einbuße der Standsicherheit der seilabgespannten oder verankerten Objekte. Ergänzend werden verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungen an den Seilführungs- und Befestigungseinrichtungen und an den damit ausgestatteten Wind- und Wasserkraftmaschinenträgern sowie nützliche Funktionsweisen der Regel- und Steuereinrichtung vorgeschlagen.

Description

Der Erfindungsgegenstand betrifft eine Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung für seilabgespannte am Meeresboden aufsitzende, und für mittels Seilwerken verankerte schwimmende Trägereinrichtung für Offshore-Energieanlagen mit den im Oberbegriff des Haupt- und Nebenanspruches beschriebenen Merkmalen.
Eine übergeordnete Zielsetzung ist die die Schaffung von Einrichtungen und Ausgestaltungsweisen solcher Energieanlagen auf hoher See, insbesondere an tiefen Standbasen zu ihren erleichtertem Bau, Betreiben, Inspizieren und Warten.
Stand und Perspektiven zur Technik
Dem weiteren Einsatz (der bereits konstruktiv ausgereiften) Windenergieanlagen an Land sind durch Umweltschutz- und Wirtschaftlichkeitsaspekte natürliche und gesellschaftspolitische Grenzen gesetzt.
Dagegen bergen zunehmend in Planung und im Bau begriffene Offshore-Windenergie-Anlagen (Offshore-WEA) neben ihrer bevorzugten Akzeptanz, aber vor allem wegen der höheren Windgeschwindigkeit auf See, die mit dritter Potenz eingehend die spezifische Leistung der Windkraftmaschinen vorteilhaft beeinflusst, Zukunftsperspektiven als zukünftiger Lieferant regenerativer Energie. Zumindest werden sie – nach allgemeinem Erkenntnisstand – einen großen Anteil am Energiemix der nahen Zukunft liefern müssen.
Gleiches gilt für die Erschließung der bisher weniger genutzten Strömungsenergie des Meeres, die ein großes Energiepotential birgt. Solche Energiegewinnungsanlagen in Form von bekannten windkraftmaschinenähnlichen Turbinen unter Wasser können vorteilhaft in Windenergieprojekte einbezogen werden, in dem sie an Standbasen und Trägerelementen von Windkraftanlagen unter Wasser positioniert werden. Auch der Ausrüstung und Betreuung solcher Wasserkraftanlagen ist vorliegender Erfindungsgegenstand zugedacht.
Dem relativ leichten Erschließen des Wattenmeeres sind wegen seines sensiblen Ökosystems und auf Grund bestehender Akzeptanzprobleme Grenzen gesetzt.
Offshore-WEA auf hoher See bergen allerdings auch ihre spezifischen Probleme. So stellen auch ihre Gründungen an besonders lukrativen Standorten in großen Wassertiefen große Herausforderungen.
Bekannt sind neben bewährten Onshore-Türmen, die vorzugsweise auf Schwerkraftfundamenten sitzen, bereits auch verschiedene Offshore-Gründungen und Turmkonzeptionen. Zu den Problematiken und Aspekten solcher Offshore-Einsatzbedindungen liefern die Literaturstellen [1 bis 17] umfangreiche Hinweise und Kriterien.
Eine für ihre Erstellung von Offshore-Energeianlagen sowohl wirtschaftliche, als auch bezüglich ihrer statischen Belastungen durch Strömung und Seegang günstige Trägerbasenkonzeption in tiefen Meeresgründen sind seilabgestützte schlanke Gebilde. Solche Trägerbasenausbildungen werden z. B. in Lit. [1 bis 7] vorgeschlagen
Bekannt sind auch schwimmende Trägerbasen, Beispiele sind in [8 bis 17] aufgeführt.
Solche Konzeptionen sind auch schon in Realisierung begriffen, wie z. B. im Offshore-Windpark Ventotec Ost 2. Hier werden Auftrieb behaftete rahmenhafte schwimmende Turmträgerbasen unter der Meeresoberfläche mittels Seilwerk oder Ketten am Meeresboden gefesselt, ähnlich [8], allerdings mittels am Meeresboden aufsitzenden Schwerkraftfundamenten.
Nachteile seilabgestützter bzw. seilverankerter schwimmender Turmträgerbasen im Meer: allen solcherweise eingesetzten Verankerungselementen ist das aggressive Seewasser für ihre Standzeit abträglich. Inspektionen und Wartung oder gar Erneuerungsaktionen auf herkömmliche weise sind problematisch und kostenintensiv.
Auch besteht die Gefahr, dass hoher Seegang und Windböen – besonders in Folge der pendelartigen Struktur des Schwingungssystems durch die hoch positionierten Gondeln der Windkraftmaschinen und der quasi „weichen Fundamentierung” – schädliche Schwingungen, vor allem gefährliche Aufschaukelungen auftreten können.
Selbst stramme Seilverspannungen versprechen keine Sicherheit. Da bei erforderlicherweise relativ schweren und langen Seilstrecken ein gewisser Durchhang (nach der mathematisch bekannten Kettenlinie) in Kauf genommen werden muss, bleibt immer eine gewisse „Atmungsfreiheit” in der Verspannungsstrecke, die eine relativ große Schwingamplitude an der Turmspitze zulässt. Außerdem stoßen allzu stramme Vorspannungen an Dauerfestigkeitsgrenzen.
Aufgabe und Zielsetzung vorliegender Erfindung ist, Einrichtungen und Ausgestaltung an den andererseits vorteilhaften im Oberbegriff des Hauptanspruchs angeführten Offshore-Wind- und Wasser-Energieanlagen zu schaffen, die vorstehend genannte nachteilige Einsatzbedingungen und Gefährdungen auf hoher rauer See vermindern oder gar ausschließen.
Mit vorliegendem Erfindungsgedanken soll auch ein intensiver und kürzer fristiger Ausbau der energetisch lukrativeren Offshore-Windenergietechnik und somit eine leichteres Realisieren der internationalen und nationalen Vorgaben zur Minderung der Treibhausgasemissionen und zur Erschließung regenerativer Energien, wie sie z. B. im Kyoto-Ziel, ermöglicht werden. Gleichermaßen soll er zur leichteren Erfüllung der Energieeinspeisesparverordnung (EnEV), wie sie im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) festgeschrieben ist und der neuesten anstehenden Novelle zum EEG ergänzend verlangt wird, beitragen.
Des weiteren bieten sich leichter realisier- und betreibbare Offshore-Windenergieanlagen ohne kostenintensive Netzanbindungen zur Gewinnung des zukunftsrelevanten Wasserstoffes an, der mit Tankschiffen einer zukünftigen ”Wasserstoff-Energiewirtschaft” zugeführt werden könnte.
Die Lösung wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches, sowie den darauf bezogenen Unteransprüchen bewirkt. Weitere vorteilhafte Lösungen und damit erzielbare Vorteile gehen aus den Beschreibungen der Ausführungsbeispiele hervor.
Die wesentlichen Merkmale des Erfindungsgedankens bestehen in der Anordnung von Seilwinden als Halteeinrichtungen auf den Trägerbasen der Wind- und Wasserkraftmaschinen für das Abspann- bzw. Verankerungseilwerk mit einer von einer Regel- und Steuereinrichtung gesteuerten Arbeitsweise so, dass nach einem vorbestimmten Algorithmus errechnet,

– der Schwingungsdämpfung dienende Korrektive auf die Spannungen der Abspann- bzw. Verankerungsseilwerke ausgeübt werden,
– mittels entsprechend ausgebildeter Ankerseilanordnungen und -Führungen ein Durchziehen inspektionsbedürftiger Ankerseilpartien durch eine Inspektions,- Reinigungs-, und Präparationseinrichtung an Bord ermöglicht wird,
– eine erforderliche Erneuerung verbrauchter kritischer Seilpartien durch Umspulen des auf den Seiltrommeln bevorrateten Seilgutes durch die Streckenführung der Verankerungsseile ohne gleichzeitige Einbuße der Standsicherheit der verankerten Objekte ermöglich wird.

Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird in Ausführungsbeispielen durch nachstehend beschriebene Zeichnungen verdeutlicht. Diese schematischen Darstellungen zeigen in:
1 eine erfindungsgemäße Stabilisierungseinrichtung in der Seitenansicht an einem seilabgestützten, am Meeresboden aufstehenden Monopil mit an jeder Seilverspannung angeordneten Seilwinden.
2 die Draufsicht eines seilabgespannten Monopils mit einem aus einem Strang bestehenden alle Seilverspannungen umfassenden Seilwerk.
3 der Seitenansicht eine erfindungsgemäße Stabilisierungseinrichtung eines Verbundes mehrerer um eine ebenso geartete und seilverspannte Montage- und Wartungsplattform angeordnete, am Meeresboden aufsitzende monopilmäßig ausgebildete, seilabgegestützte Wind- und Wasserkraftmaschinenträger.
4 die Draufsicht von 3
5 eine erfindungsgemäße Stabilisierungseinrichtung in der Seitenansicht an einem als Wind- und Wasserkraftmaschinenträger ausgebildeten aufrecht schwimmenden seilabgestützten Monopil.
6 eine findungsgemäße Stabilisierungseinrichtung an einem von Schwimmkörpern getragenen mit Seilen verankerten Wind- und Wasserkraftmaschinenträger.
Beschreibung
zu 1
Der Einsatz solchartiger Wind- und Wasserkraftmaschineträger und seine Verankerung bietet sich vorzugsweise für tiefe Standbasen an, wo feste Verankerungen aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht, zumindest nur schwer zu realisieren sind. Ihre Vorzüge bestehen im geringen sich auswirkenden Staudruck durch die Meeresströmung auf Grund der durch seine Verankerungsweise ermöglichten schlanken Bauweise, die sich auch durch ein (gegenüber festfundamentierten Bauwerken) minderes Bauvolumen günstig auswirkt.
Das spindelförmige Monopil 1 mit seiner am oberen Ende angeordneten Gondel 2 mit einer darin gelagerten, die Windkraftmaschinenflügel 4 tragenden Nabe 3 und einem von ihr angetriebenen elektrischen Generator, sowie einer im Unterwasserbereich 5 an ihm angeordneten, die Meeresströmung 6 nutzende Wasserkraftmaschine 7 mit einem elektrischen Generator sitzt mit ihren unteren als Gelenkbasis 8 ausgebildete Ende in einer Gelenkbasis 9 eines im Meeresboden 10 angeordneten Fundament 11 auf.
Die Endfixierung der einzelnen abstützenden Seilpartien 16a, b, 16c, d, 16e, f übernehmen die in einem Windengehäuse 13 sitzenden Seiltrommeln 14a, b, 14c, d, 14e, f mit ihren Antriebs- und Blockierelementen 15, vorzugsweise ausgeführt als selbsthemmende Schneckentriebe mit einem Antriebsmotor. Der Einfachheit halber ist nur ein Seilwindenpaar 14e, und 14f dargestellt. Auf mindestens einer Seiltrommel eines Paares befindet sich bevorratetes Seilwerk für Durchzugsvorgänge zur Seilinspektionen und für den Austausch verbrauchter Seilpartien. Die zum Meeresboden 11 doppelt geführten Seilwerke umschlingen die an der Bodenverankerungen 12a, b, c befestigte Umlenkrollen 19a, b, c.
zu 2:
Die Monopilausbildung und ihre Aufgabe entspricht der der 1.
Das Seilwerk 17 der die einzelnen Abpspannstrecken 17b, c, 17i, h, 17e, f besteht aus einem Stück deren Enden auf Seilwinden 22a, 22b, mit einem Vorrat wie vorstehend, befestigt sind. Zwischen den Abspannstrecken ist das Seilwerk 17 über Umlenkrollen (UR) und Treib- und Umlenkrollen (TUR) geführt. Letztere stehen über ein selbsthemmendes Getriebe 21 mit einem Antriebsmotor 22 in Drehverbindung. Diese werden vom Seilwerk mindestens einmal umwunden. Gemäß der Eytelwein'schen Umschlingungstheorie, die auch bei Spil's in Hafenanlagen Anwendung findet, wird ein sicherer Reibschluß zwischen den Seiltrommeln 23a, b und dem Seil 17 sichergestellt. Eine erfindungsgemäße Seilführung verläuft folgendermaßen:
Von der Seiltrommel 22a ausgehend führt Seilwerk 17 als Seilpartie (SP) 17a nach UR 18a als SP 17b zur Bodenumlenkrolle (BUR) 19a, zurück als SP 17c über TUR 20a als SP 17d zur UR 18b, weiter als SP 17e zur BUR 19b, als SP 17f wieder zurück zum Monopil, wo es nach Tangieren der UR 18c über TUR 20b als abstützende SP 17h zur BUR 19c führt, von da wieder zurück zur UR 18d und als SP 17j zur Seilwinde 22b.
Zu 1 und 2:
Die Ausbildung der Seilverankerungen 12a, 12b, 12c wird vorteilhafter Weise in einer Pfahlbauweise vorgeschlagen, da Bohr- und Rammtechniken – auch im Meeresboden – als relativ ausgereifte wirtschaftliche Methoden zu nutzen sind. Ein im oberen Bereich den Pfahl umschließenden, nicht dargestellten Fundamentblock kann des Weiteren vorteilhaft sein.
Die Ausbildung des Windengehäuses 13 am Monopil 1 wird vorzugsweise in Kugelform vorgeschlagen, an Standorten mit weitgehend gleichbleibender Windrichtung kann auch eine elliptische bzw. tropfenförmige Kontur vorteilhaft sein. Wegen eines vorteilhaften selbstschwimmenden Transportes ist es als abdichtbarer auftriebbewirkender Verdrängerkörper ausgebildet.
In den Darstellungen nicht aufgenommen sind beanspruchte Einrichtungen am durchziehbaren Seilwerk zu seiner Inspektion, Wartung und Präparation.
Zur Bewirkung des mit den Erfindungsmerkmalen angestrebte Variieren der Seilspannungen zum Zwecke von Schwingungsdämpfungsaktionen, zur Begrenzung der Seilbeanspruchungen, sowie für das Ersetzen von durch Meereseinflüsse verbrauchter bzw. gealterter Seilpartien durch neue oder zum „Durchfahren” des Seiles zu Inspektions- und Präparationszwecken werden moderne elektronische Rechen- und Steuersysteme in Anspruch genommen. Dabei ist es erforderlich, dass bei Korrektur einer Abstützbasis bzw. einer Seite auch die anderen Seilpartie-Längen geändert bzw. korrigiert werden müssen. Zur Erfassung der dafür relevanten Parameter weist die Offshore-Energieanlage zweckentsprechende Sensoren auf.
Vorteilhaft erscheint es für extreme Monopilbelastungen durch außergewöhnlich starke Windböen, extremen Seegang, bei einseitiger Packeisbeaufschlagung oder gar bei Schiffskollisionen Möglichkeiten zum dosierten Nachgeben einzubauen. Soweit für solche Fälle die Korrektur-Seilantriebs-Verstellgeschwindigkeiten nicht ausreichend realisierbar erscheinen, werden Sicherheitskupplungen in den Übertragungspfaden zwischen den Seiltrommeln und den selbsthemmenden Schneckentrieben vorgeschlagen, die bei Überlastung ein angepasstes Nachgeben der Seilstützungen ermöglichen.
Für solche Notfälle (bei Ausfall der Windkraftmaschine) kann eine Kombination von Wind- und Meeresströmungsenergieanlagen neben der generellen Nutzung der Meeresströmung besonders nützlich sein, da diesbezüglich geschütztere Unterwasserturbinen (7) eine verbleibende Versorgung der Gesamtanlage mit erforderlichem Betriebsstrom – insbesondere bei einer Unterbrechung der Netzanbindung – und somit einen autarken Betrieb bzw. ein Wiederanfahren der Anlage sichern können.
zu 3 und 4
Die bevorzugten Einsatzfälle dieses Ausführungsbeispiels entsprechen denen wie unter 1 und 2 angeführt. Eingebunden in das erfindungsgemäß ausgebildete seilabgestützte mehrere Wind- und Wasserkraftmaschinenträgerbasen umfassende Verankerungs- und Stabilisierungssystem ist eine Montage- und Inspektionsplattform mit einem integrierten ausfahrbaren Kran. Auf einer Seite sind zu Gunsten einer gefahrlosen Zugänglichkeit für Schiffs- und Hubschrauberanbindungen keine Türme angeordnet. Eine solche zweckmäßige ergänzende Einrichtung wird in der Patentoffenlegungsschrift DE 10 2008 029 984.7 beschrieben.
Die als Monopile ausgebildeten Wind (36)- und Wasserkraftmaschinen (35) -Trägerbasen 35a, b, c, d, über eine Kippgelenkausbildung 33 auf einem mit einer Pfahlgründung 31 versehenen Fundamentblock 32 aufsitzend, sind kreisförmig um eine ebenso am Meeresboden 30 aufsitzende Montage- und Wartungsplattform (39, 40, 41, 4), die auch Betriebseinrichtung des Erfindungsgegenstandes trägt, angeordnet. Die Kraftmaschinen-Trägerbasen 34a, b, c, d und die Plattform sind mittels zwei, durch ihre Halte- und Führungseinrichtungen durchziehbare Seilwerke 51, 52 mit ihren Bodenverankerungen 54 verbunden, die Plattform zusätzlich über ein weiteres Seilwerk 53.
Die Seilbefüllung und generelle Seilführung der gesamten seilabgestützen Energieanlage erfolgt beispielsweise nach folgendem Schema:
Erstes Seilwerk 51:
Von der mit Seilwerk 51 befüllten bzw. bevorrateten, auf der Montage- und Wartungsplattform 43 sitzenden, mit einem Antriebssystem 57,58 versehenen Seiltrommel 56a führt Seil-Partie 51a zu der mit ihr in reibschlüssiger Verbindung stehenden Umlenk- und TreibRolle 59a am Monopil 34a, danach als Seilpartie 51b zur am Meeresboden 30 verankerten Meeresboden-Umlenkrolle 55a, als SP 51c zurück zu Monopil 34a, über U + TR 55b als Sp 51d zur verankerten UR 55b, weiter zur U + TR 53c auf Monopil 34b, von da zur U + TR 53d auf Plattform 43, zurück zur U + TR 55e am Monopil 34b, als SP 52h zur im Boden verankerten UR 55c, als SP 51i auf die Plattform zur aufspulenden Seiltrommel 56b.
Zweites Seilwerk 52:
Gleichgeartet wie vorstehend, führt von der befüllten Seiltrommel 60a ausgehend SP 52a zur U + TR 59f, als SP 52b zu UR 55e, als SP 52c zu U + TR 59g, als SP 52d zu UR 55e, als SP 52e zur U + TR 59h auf 34c, als SP 53f zur U + TR 59i, als SP 552g zur U + TR 59j auf 34c, als SP 52j zur verankerten UR 54f, als SP 52f zur aufspulenden Seiltrommel 60b.
Drittes Seilwerk 59:
Gleichgeartet wie vorstehend, führt von der befüllten Seiltrommel 51a ausgehend SP 53a zur am Meeresboden verankerten UR 59g, als SP 53b zu U + TR 59k auf 42, als SP 53c zu UR 59h, als SP 53d zu U + TR 59l, als SP 59e zu UR 59i, als SP 53f zurück auf Plattform 43 zur aufspulenden Seiltrommel 61b.
Generell sind dafür alle Seilpartien und ihre Befestigungs- und Führungseinrichtungen so geartet, dass ein Durchziehen des Seiles an den Befestigungsbasen unter Beibehaltung ihrer Haltefunktion ermöglicht wird.
Zu 5
Der schwimmend verankerte, in monopilform ausgebildete Kraftmaschinenträger 66 mit seiner oben sitzenden Windkraftmaschine 69 und unterhalb der Meeresoberfläche 65 in der freien Meeresströmung angeordneten Wasserkraftmaschine 80 wird durch zwei, in stark höhenunterschiedlichen Ebenen angreifende Seilverspannungen 77 und 78 stabilisiert. Eine obere, mit einer Verankerungsbasis 74 am Meeresboden 73 verbundenen Seilverspannung 77 führt schräg nach oben in ein über der Wasseroberfläche 65 liegendes Windengehäuse 67.
Eine untere Seilverspannung 78 ist von der Verankerungsbasis 74,76 ausgehend angenähert waagerecht zum Schacht 69 Trägerbasis und über Umlenkrollen 83 durch diesen ebenfalls zum Windengehäuse 67 geführt. Wogegen das Monopil zu Gunsten einer geringen Angriffsfläche der rauen Meeresoberfläche im oberen Bereich relativ schlank ausgebildet ist, geht es im unteren Bereich in eine stark verdickte als flutbarer Hohlraum 70 ausgebildete Partie über. Sein Verdrän gervolumen nutzt den schwimmenden Antransport des Monopils und dient beim Absenken auf die Standbasis geflutet als aufrichtende Montagehilfe. Zu seiner Beflutung, oder auch zu seiner Ent- oder Belüftung, z. B. zum „Wiederauftauchen” sind Ventile 71 und 72 angeordnet, die über Leitungen mit Pumpeneinrichtungen im Windengehäuse 67 oder in einem Beiboot verbunden werden.
Die vertikale Fixierung und eine obere horizontale Fixierung des Monopils übernimmt weitgehend die äußere Seilverspannung 77, wogegen der unteren Seilverspannung 78 weitgehend eine starre horizontale Fixierung der unteren Monopilpartie obliegt. Für schwingungsdämpfende Regularien kann natürlich auch ein Längenvariieren der unteren Seilstrecken 7a, 75b 75c genutzt werden.
Bei vorliegender erfindungsgemäßer Konzeption besitzt jede verankerte Seilpartie eine eigene Ab- und Aufspulseiltrommel. Die Seilführungen sind weitgehend aus der Darstellung zu erkennen, Erklärungen zu fraglichen Positionsnummern liefert auch das Positionsnummernverzeichnis. Alternativ kann auch, wie unter 1 bis 4 beschrieben, das Seilwerk aus nur einem einzigen Stück bestehen, das über zwischendurch angeordnete Umlenk- und Treibrollen in mehrere Verankerungsstrecken unterteilt ist.
Die erfindungsgemäßen Verseilungs- und Windenanordnungen lassen sich auch bei der Installation der Anlage nutzen. So kann mittels an die Verankerungen 74 angeknüpfte unteren Seilwerke 78 das Monopil an seinem genau vorbestimmten Standpunkt durch die bordeigenen Windeneinrichtungen gezogen und auch das Aufrichten des Monopils mittels des äußeren Seilwerkes 77 bewirkt werden.
Zu 6
Die aus der Trägerbasis 87 mit der auf dem Turm 88 aufsitzenden Windkraftmaschine 89 und den der an der unteren Turmverlängerung 90 angeordneten Wasserkraftmaschine 91 im wesentlichen bestehenden Offshore-Energieanlage wird durch die Schwimmkörper 92 getragen. Eine herkömmliche mittels Seilwerk schräg zum Meeresboden führende Verankerung ist erfindungsgemäß dahingehend modifiziert, dass von auf bzw. in der Trägerbasis 87 sitzenden Seilwinden 100 ausgehend über Umlenkrollen 99 nach mehreren Richtungen doppelt gelegte Seilwerke 98a, b zu einer von ihm umschlungenen, an einem Pfahlfundament 96 befestigte Umlenkrolle 97 führt. Die das gesamte schwimmende System fixierenden Seilwinden 100 sind so ausgeführt und mit Seilwerk bevorratet, dass sie das angestrebte, zur Schwingungsdämpfung nutzende Variieren der Anbindungsstrecken 99-79, sowie ein Auswechseln partieller Seilstrecken bewirken. Dazu kann sowohl jedes zur Verankerung führende Seilwerk mit seinen beiden Endpartien auf je einer eigenen ihm zugeordneten Seilwinde aufgespult bzw. befestigt sein, oder alternativ, wie unter 1 bis 4 näher abgehandelt, aus einem Seil bestehen, das über zwischendurch angeordnete Umlenk- und Treibrollen in mehrere Verankerungsstrecken unterteilt ist.
Zu Ergänzung ihrer Funktionsweise sind in die erfindungsgemäße Stabilisierungseinrichtung Einrichtungen zum Variieren des vertikalen Abstandes des Auftriebsschwerpunktes der Schwimmkörper 92 zur Turmträgerbasis 87 einbezogen. Dies wird dadurch bewirkt, dass die Ständer 93 der Schwimmkörper höhenverstellbar an der Trägerbasis angeordnet sind, in dem z. B. an den vertikal verschiebbar gelagerten Ständern 93 eine Triebstockverzahnung 94 angeordnet ist in die ein selbsthemmender Zahntrieb 95 eingreift. Dessen Antrieb ist in das Steuerungsmanagement der elektrischen Steuer- und Regeleinrichtung eingebunden.

Zu 1 und 2

1: Monopil
2: Windkraftmaschinengondel
3: Windkraftmaschinennabe
4: Windkraftmaschinenflügel
5: Meeresoberfläche
6: Meeressströmungsrichtung
7: Wasserkraftmaschine mit el. Generator
8: Gelenkbasis an Monopil
9: Gelenkbasis an Fundament
10: Fundament
11: Meeresboden
12a, b, c: Bodenverankerungen
13: Windengehäuse an 1
14a–f: Seilwinde
15: selbsthemmende Antriebseinrichtung
16a, b, 16c, d, 16e, f: Seilwerk
17: Seilwerk
17a bis 17j: Seilwerkpartien von 17
18a, b, c, d: Umlenkrolle (UR)
19a, b, c: Boden-Umlenkrolle (BUR)
20a, b: Treib- und Umlenkrolle (TUR)
21a, b: selbsthemmende Antriebseinrichtung
22a, b: Seilwinde
23: Windenantrieb

zu 3 und 4

30: Meeresboden
31: Pfahlgründung
32: Monopil-Fundament
33: Schwenkgelenk
34: Monopil
35: Wasserkraftmaschine mit el. Generator
36: Windkraftmaschine mit el. Gnerator
37: Windengehäuse
38: Plattformfundament
39: Schwenkgelenk
40: Turmschaft
41: Turmkopf
42: Turmplattform
43: Turmhohlraum
44; 45: Türen
46: Turmschacht
47a–47d: Kranelemente
48: Seilbefestigungselement
49: Kranwinde
50: Arretierungsvorrichtung
50: Arretierungsvorrichtung
51, 52, 53: Seilwerk
51a–l, 52a–i, 53a–f: Seilwerkpartien
54a–54e: Bodenverankerung
55a–55g: Meeresboden-Umlenkrolle
56: Seilwinde
57: Selbsthemmendes Schneckengetriebe
58: Antriebsmotor
59a–59j: Umlenk- und Treibrolle
60a, 60b: Seilwinde

Zu 5

65: Meeeresoberfläche
66: Wind-KM-Turm
67: Windengehäuse
68: Seilwinde
69: Turmschacht
70: Hohlraum
71, 72: Ventil
73: Meeresboden
74: Verankerung
75, 76: Umlenkrolle
77: oberes Seilwerk
78: unteres Seilwerk
79: Umlenkrolle
80: Wasserkraftmaschine
81: Windkraftmaschine

zu 6

85: Meeresoberfläche
86: Meeresboden
87: Turmträgerbasis
88: Wind-KM-Turm
89: Windkraftmaschine
90: Wasser-KM-Träger
91: Wasserkraftmaschine
92: Schwimmkörper
93: Ständer
94: Verzahnung
95: Zahntrieb
96: Verankerung
97: Umlenkrolle
98: Seilwerk
99: Umlenkrolle
100: Seilwinde
101: Betriebsraum

In Betracht gezogene Patentschriften

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102008029984 [0038]
- DE 20321053 A1 [0051]
- DE 20321053 U1 [0051]
- DE 102004043505 A1 [0051]
- DE 102005003972 A1 [0051]
- EP 1270848 A1 [0051]
- EP 1399631 B1 [0051]
- WO 93/001009 A1 [0051]
- DE 10034847 A1 [0051]
- DE 100106208 A1 [0051]
- DE 19846796 A1 [0051]
- DE 102005040808 A1 [0051]
- DE 10200504797 A1 [0051]
- DE 20200504803 A1 [0051]
- DE 10219062 A1 [0051]
- DE 3872747 T2 [0051]
- DE 19727330 A1 [0051]
- DE 202007009754 U2 [0051]

Claims

Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung für seilabgespannte am Meeresboden aufsitzende sowie für verankerte schwimmende Trägereinrichtungen für Offshore-Energieanlagen, wobei eine erste Gattung der Trägereinrichtung für Wind- oder bzw. und Wasserkraftmaschinen aus einer am Meeresboden aufsitzenden Trägerbasis besteht, deren Kippstabilität durch im Meeresboden verankerte Seilwerke alleine bewirkt oder unterstützt wird, eine zweite Gattung der Trägereinrichtung für Türme von Wind- und Wasserkraftmaschinen aus einem schwimmenden Trägersystem besteht, das mittels Seilwerk am Meeresboden verankert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsbasen des Seilwerkes (16a, b, 16c, d, 16e, f), 17, 51, 52, 53, 77, 98)) an seilverspannten oder verankerten Trägereinrichtungen (1, 34, 66, 87) aus einer Windeneinrichtung (14a–f), (22a, b), (51a, b), (60a, b), (61a, b), (67a, b, c), (68a, b, c), (100) besteht, die Seilführungen zu den Bodenverankerungen (12, 19), (54, 55), (74, 76), (96, 97 so geartet sind, dass mittels der Windeneinrichtungen von einer elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung nach einem vorbestimmten Algorithmus gesteuert – die Spannung der zum Meeresboden führenden Seilwerke (16a, b, 16c, d, 16e, f), (17b, c, 17i, h, 17e, f)(51b, c, d, e, h, i, 52b, c, d, e, h, f, 53a, b, c, d, e. f), (77a, b, c), (98a–f) beliebig variiert werden kann, – Partien des abstützenden bzw. verankernden Seilwerkes zum Zweck seiner Inspektion, Reinigung und Präparation in dafür angeordnete Stationen mit zweckentsprechenden Einrichtungen gezogen werden können, – erneuerungsbedürftige Strecken des Seilwerkes durch an Bord bevorratetes neues Seilwerk ersetzt werden kann, ohne Unterbrechung der an das Abstütz- und Verankerungsseilwerk gestellten Aufgaben.
Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vom abzustützenden oder zu fixierenden Objekt, vorzugsweise einem Monopil, mindestens in drei Richtungen je zwei Seilstränge zu einer Bodenverankerung führen, die Bodenverankerung (12) eine Umlenkrolle (19) aufweist über die die Seilstränge geführt sind, die Enden der Seilstränge (16a, b, 16c, d, 16e, f), (17), (56), (60), (61) am abzustützenden Objekt auf treib- und blockierbare Seiltrommeln (14a–f), (22a, b), (56a, b), (60a, b), (61a, b), (67a, b), (68a, b), (100a, b) aufgespult bzw. befestigt sind, wobei mindestens auf einer Seiltrommel Seilwerkvorrat sowohl zum Durchfahren zum Zwecke einer Seilinspektion als auch zum Erneuern aktiver Seilwerkspartien deponiert ist.
Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das mehrere der Abstützung dienende Seilwerksstrecken (17b, c), (17e, f),(17i, h) zwischen mehreren Verankerungsbasen (12a, b, c) am Meeresgrund (11) und dem abzustützenden oder zu fixierenden Objekt (1), vorzugsweise ein Monopil, aus einem Strang (17) bestehen, das Seilwerk zwischen seiner Verankerungsbasis (12a, b, c) am Meeresgrund und dem abzustützenden oder zu stabilisierenden Objekt aus zwei Strängen (17b, 17c), (17e, 17f), (17i, 17h) besteht, wobei die untere Befestigungsbasis aus einer an einer im Boden (11) vom Seilwerk umwundenen verankerten Umlenkrolle (19a, b, c) besteht, die Seilwerkanbindungen am zu fixierenden Objekt aus darauf angeordnete, vom Seilwerk mindestens einmal umschlungene antreib- und blockierbare Seiltrommeln (20a, 20b) und aus Seilwinden (22a, b) bestehen, wobei auf mindestens einer ein Seilwerkvorrat aufgespult ist..
Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere seilverspannte Windkraft- oder Wasserkraftmaschinenträger (34a, b, c, d) zu einem Verbund zusammengefasst sind, eine Bodenverankerung (54a, b, c, d, e) mehrere Seilwerksverspannungen ((53e, f), (51b, c).... fixiert.
Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere seilverspannte Windkraft- oder Wasserkraftmaschinenträger (34a, b, c, d) um eine in den Seilverbund einbezogene Montage- und Wartungsplattform (40, 41, 41) angeordnet sind, wobei von jedem Windkraft- oder Wasserkraftmaschinenträger mindestens zwei Seilstrecken zu einer Bodenverankerung (54) führen und mindestens eine zur Montage- und Wartungsplattform (41).
Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei einem nicht am Meeresboden aufsitzenden schwimmenden seilabgespannten monopilförmigen Objekt (66) in seiner vertikalen Erstreckung mindestens in zwei Ebenen zur Bodenverankerung (74) führende Seilwerksanbindungen (77), (78) angeordnet sind, das Seilwerk (78a–f) unten angreifenden Verankerungen von oben angeordneten Windeneinrichtung (68a–f) fixiert und reguliert gespannt wird wobei die Seilführung in vertikaler Richtung weitgehend innerhalb des Monpil verläuft, das schräg zum Meeresboden verlaufende Seilwerk (77a–f) einer oberen Verankerung von oben angeordneten Windeneinrichtungen (67a–f) gefesselt und in seiner Spannung reguliert wird.
Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass an der Meeresoberfläche (85) schwimmende, mittels Seilwerk (98a–f) verankerte Trägerbasen (87) von Türmen (88) von Windkraftmaschinen (89) und Ständern (90) von Wasserkraftmaschinen (91) von in ihren vertikalen Abständen zur Turm- und Ständerträgerbasis (87) variierbare Schwimmkörpern (92) getragen wird, die Schwimmkörper (92) eine Verdrängervolumenformgebung derart aufweisen, dass der untere horizontale Querschnitt wesentlich größer ist als ihr oberer, mindestens im Verhältnis 2:1, ein strömungsgünstiges Profil aufweisen und drehbar zur Trägerbasis (87) in die Meeresströmung selbsteinstellend angeordnet sind.
Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Windeneinrichtungen in einen gegen die See-Atmosphäre geschützten Raum am bzw. im Korpus des zu stabilisierenden Objektes untergebracht sind.
Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei monopilhafter Ausbildung des Wind- und Wasserkraftmaschinenträgers (1, 34, 66) diese Kammer aus einem koaxial zur Turmstruktur – vorzugsweise in Kugelform – ausgebildeten Hohlraum besteht.
Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem abzustützenden bzw. zu fixierenden Objekt, vorzugsweise im Nahbereich der Windenkammer (13, 37, 43, 67, 101) oder direkt in dieser integriert, Einrichtung und Gerätschaften zur Inspektion, Reinigung und Präparation durchziehender Seilwerke angeordnet sind.
Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung nach Anspruch 1 und beliebiger weiterer vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelnen sowie mehreren im Verbund angeordneten seilabgestützten Wind- und Wasserkraftmaschinenträgen eine die Windenantriebe steuernde elektronische Regel- und Steuereinrichtung zugeordnet ist mit Speicher- Rechen und kommandogebenden Komponenten mit Funktionsfähigkeiten derart, dass nach einem vorbestimmten Algorithmus von zweckentsprechenden angeordneten Sensoren gemeldete Istwerte Steilkommandos zur Bewirkung schwingungsdämpfender Vorgänge errechnet und Stellkommandos an seilwerkspannungverändernde Aktore gegeben werden, bei individuell bzw. manuell eingeleiteten Seilwerkdurchziehbefehlen zum Zwecke einer Seilwerksinspektion oder zur Wartung und Erneuerung von Seilwerkspartien Durchziehvorgänge in einer Weise gesteuert werden, dass alle Seilabstützpartien bzw. die einzelnen Ankerseilstrecken während dessen ihre an sie gestellten Stabilisierungsanforderungen beibehalten.
Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung nach Anspruch 1, 7 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass in das Funktionsprogramm der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung zur Bewirkung schwingungsdämpfender Prozesse partiell bzw. örtlich die Variation der Traganteile einzelner Schwimmkörper (92) einbezogen ist, in dem ihre Eintauchtiefen durch zweckentsprechend angeordnete Hubeinrichtungen (84, 85) variiert werden.
Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung nach Anspruch 1, 12 und beliebiger weiterer vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Funktionsprogramm der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung zur Bewirkung schwingungsdämpfender Prozesse periodisch auftretende Störgrößen wie Wellengänge in einer Weise herangezogen werden, in dem nach einem gespeicherten Auftretensmuster bereits vor dem Auftreten und Auswirken der Störgröße von ihr Kommandos zur Kompensation oder Minderung der Folgen der Störgrößen an dafür angeordnete kompetente Stelleinrichtungen gegeben werden z. B. durch vorheriges Einleiten einer gegenläufigen Schwingbewegung des schwingungsgefährdeten Systems.
Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung nach Anspruch 1 und beliebiger vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit vorgenannten Stabilisierungs- und Wartungseinrichtungen ausgerüstete Wind- und Wasserkraftmaschineträgerbasen (34, 66) für ihren Antransport schwimmfähig ausgebildet sind, wobei die an oder in ihnen angeordnete Windenkammern (13, 37, 67) als Auftrieb bewirkende Räume ausgebildet sind, in ihren unteren Endbereich flutbare Kammern (70) zum Zwecke des Absenkens angeordnet sind.
Stabilisierungs- und Wartungseinrichtung nach Anspruch 1 und beliebiger vorstehender dadurch gekennzeichnet, dass alle vorstehenden Anspruchnahmen die „Seil”- oder „Seilwerk”-Nennungen betreffen, auch kettenförmige Stränge als Abspann- oder Verankerungselemente einschließen.