DE102008031042B4

DE102008031042B4 - Modulare Schwimmeinheit für Wind- und Strömungsenergieanlagen auf See

Info

Publication number: DE102008031042B4
Application number: DE200810031042
Authority: DE
Inventors: Sander Linke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-06-21
Also published as: DE102008031042A1

Abstract

Modulare Schwimmeinheit für Wind- und Strömungsenergieanlagen auf See, auf der Basis von, nach dem Halbtaucherprinzip funktionierenden, schwimmenden, miteinander leicht koppelbaren Einzelmodulen, welche ein erweiterbares System bilden, so dass eine Installation, sowie spätere Wartung auf See möglichst einfach durchführbar ist. Durch die starre Verbindung der Einzelmodule und deren durchlässiger Gitterstruktur, ergibt sich, aufgrund der Fläche, eine vom Wellengang wenig beeinflussbare Konstruktion, die es ermöglicht, auch in tieferen Gewässern, wo eine Fundamentgründung nicht möglich bzw. zu teuer wäre, erneuerbare Energie in verschiedenen Formen zu gewinnen.

Description

Auf dem offenen Meer weht der Wind oft gleichmäßiger und beständiger als an Land, vor allem deshalb ist die See ein idealer Standort für Windenergieanlagen. Die Installation von Windkraftanlagen auf Fundamenten jedoch, ist je tiefer das Wasser, umso problematischer und teurer.
Es gibt daher schon seit längerem Bestrebungen, dies mit schwimmenden Elementen zu realisieren. Dies zeigt schon die Vielzahl von Patentanmeldungen hierüber. Bei einer Vorrecherche, konnten zum Zeitpunkt der Anmeldung folgende Schriften in Betracht gezogen werden:
WO-2002073032-A1 , Offshore floating wind power generation plant:
Hier wird eine Anlage bei der längliche Schwimmkörper im Dreieck (triangle) angeordnet sind beschrieben. Dabei sind die Türme für die Windgeneratoren jeweils auf den Ecken montiert. Durch aneinanderfügen mehrerer solcher Plattformen, würde man eine ähnliche Struktur erhalten wie die, welche hier Gegenstand der Anmeldung ist. Dieses Konzept sieht jedoch keine lösbare Verbindungsmöglichkeit vor. Die einzelnen Teile sind miteinander verschweißt, wodurch man mit solch einer Anordnung, theoretisch zwar große Flächen erreichen könnte, jedoch wäre eine solche Anlage sehr unflexibel und schwer zu handhaben.
DE 32 24 976 C2 , Windenergiekonverter im Offshore-Bereich:
Dieses Konzept ist ähnlich dem zuvor genannten.
EP 1169570 B1 / WO-58621-A1 , Offshore-Windkraftanlage:
Beschreiben jeweils eine Einrichtung bei der auf einem langgestreckten Schwimmkörper mehrere Windkraftkonverter montiert sind.
NL-1008318-C , Windmolen-Eiland:
Ein ähnliches Prinzip wie das zuvor genannte, mit dem Unterschied, dass hier der Schwimmkörper nicht länglich, sondern ringförmig ausgebildet ist. Beide Methoden ähneln den – Multiple Unit Floating Offshore Windfarms – abgekürzt – MUFOWs – genannt.
DE 102 19 062 A1 , Offshore-Windenergieanlage:
Hierbei handelt es sich um komplett ausgearbeitetes Konzept einer schwimmbaren Offshore Anlage die auch mit gleichartigen Modulen koppelbar ist. Der Schwimmkörper bildet auch hier eine dreigeteilte 120 Grad Anordnung, allerdings wird dieser von weiteren Schwimmkörpern umringt. Desweiteren besteht hier auch keine starre Verbindung der Module untereinander. Bei einer beweglichen Verbindung würde sich so jedoch, vor allem bei Wellengang keine Stabilität auf dem Meer ergeben.
US-20040103655-A1 / WO-2001073292-A1 , Floating offshore wind power installation
Beschreiben eine schwimmende nicht koppelbare Einzelanlage, mit darauf montierter WEA als Leeläufer.
Bei keinem der oben aufgeführten Schriften handel es sich um Anlagen nach dem Halbtaucherprinzip.
Weitere Ergebnisse der Recherche:

DE-19727330-A1 Schwimmfähige Offshore-Windenergieanlage
JP-2003252288-AA , Floating body type base structure for marine wind power generation
AU-4232101-A , Floating offshore wind power installation (nicht einsehbar)
EP-1366290-A1 Schwimmende Offshore-Windkraftanlage (nicht einsehbar)
EP 1269018 A1 Schwimmende Offshore-Windkraftanlage (nicht einsehbar)

Alle weiteren Konzepte beruhen vorwiegend auf dem Vorbild von Ölbohrplattformen und sind mehr oder weniger Einzelinstallationen, das heißt sie besitzen meist zumindest nur einen Turm, an dem dann eine oder mehrere Windkraftmaschinen montiert sind. Sie können auch mehrere Auftriebskörper besitzen, eine Kopplung mit gleichartigen Modulen ist jedoch nicht vorgesehen.
Als Beispiel seien hier „Statoil Hydro, die Norsk Hydro” oder die „Greece first floating platform” genannt. Solche Konstruktionen sind aufgrund der Turmhöhe, entweder in ihrer Lage sehr instabil, oder erfordern, um diese stabile Lage auf dem Meer zu erhalten, einen sehr hohen Materialaufwand.
Ziel dieser Erfindung ist es durch, mit möglichst wenig Materialaufwand, möglichst einfach herstellbar, schwimmfähige Module, welche sich leicht aneinander koppeln lassen, ein erweiterbares System, als Träger für Windenergieanlagen auf der Oberseite, sowie für Strömungsenergieanlagen unter Wasser zu schaffen, um deren Installation, vor allem in tieferen Gewässern, sowie deren spätere Wartbarkeit auf See, zu erleichtern.
Dieses modulare System, sollte zudem vom Wellengang möglichst wenig beeinflussbar sein.
Um dies zu erreichen ist das System ist als sogenannter „Halbtaucher” konzipiert. Das heißt, der größte Teil der Auftrieb gebenden Elemente, befindet sich soweit unter der Wasseroberfläche, dass er von Wellenbewegungen so gut wie unbeeinflusst bleibt.
Das einzelne Modul besteht, aus jeweils drei, auf zwei Ebenen, horizontal verlaufenden, länglichen Schwimmkörpern, welche radial in einem Winkel von 120 Grad, um einen aufrechten Zylinder angebracht sind (→ Zeichnung 1).
Eine solche Anordnung ist ideal, da so mit dem geringsten Materialaufwand die größte Festigkeit erreicht werden kann. Im Zusammenschluss mehrerer Module ergibt sich so eine regelmäßige Sechseck-Form (Hexagon). Diese, in der Sicht von oben, erkennbare Wabenstruktur, ist eine der stabilsten aus der Natur bekannten Formen. (→ Zeichnung 2)
Die drei Ausleger der unteren Ebene werden, ebenso wie der Aufrechte, aus Hohlzylindern gebildet. Diese können um den Verbrauch an Eisen zu reduzieren, aus dem relativ neuartigen Verbundstoff Faserbeton hergestellt werden. Ansonsten ist das Ganze als eine klassische Stahlbaukonstruktion gedacht.
Die Hohlprofile der oberen Ebene werden aus einem gleichschenkligen Dreieck gebildet, dessen breiteste Seite die obere Fläche ergibt. Dies hat eine zusätzlich stabilisierende Wirkung auf dem Wasser, zudem erhält man so, da dieser Teil auf der Wasseroberfläche schwimmt, eine begehbare Fläche.
Die oberen Ausleger liegen zu den unteren deckungsgleich und sind miteinander verstrebt. Es ist sinnvoll diese Verstrebungen ebenfalls aus zylindrischen Hohlprofilen zu machen, da diese einen zusätzlichen Auftrieb erzeugen.
Die gitterartige, durchlässige Struktur oberhalb der Auftriebskörper, bietet Wellen nur wenig Angriffsfläche. Der Grundgedanke ist, dass durch die Größe des Areals der Verband auch bei schwerem Seegang, zwar gering auf und ab schwanken kann, in der Waagerechten jedoch stabil bleibt. Das heißt, je mehr Module aneinander gekoppelt, und je größer die Fläche, umso ruhiger liegt die gesamte Anlage in der See. Die dafür nötige Stabilität, ergibt sich dabei aus der Summe der Einzelverbindungen, mit der die Schwimmkörper aneinandergekoppelt sind.
Eine gute Möglichkeit der Verbindung der Module untereinander wäre, durch eine Art Schelle (→ Zeichnung 3).
Damit sind pro Verbindung jeweils zwei Dreiecksplatten, mit Formeinlassungen und Bohrungen gemeint. Diese Platten sitzen formschlüssig, gegeneinander auf Rundhülsen, die sich unlösbar am Ende eines jeden horizontalen Schwimmkörpers befinden (siehe Zeichnung 1). Durch die Hülsen hindurch, werden die zwei Platten dann mit Gewindebolzen angezogen. Die Hülsen an den Enden der Schwimmkörper verlaufen senkrecht fluchtend auf einer Linie. Dadurch erhält man eine horizontal starre Verbindung, die jedoch um die Mittelachse der Hülsen seitlich schwenkbar ist. Dies ist für die Montage und den späteren Austausch von Modulen erforderlich.
Dieses Prinzip ermöglicht, dass man schon in Landnähe ggf. in einer Schiffswerft, einzelne Module fertig montieren und zu kleineren Clustern, aneinander koppeln kann. Von dort können sie dann in transportierbaren Größen zu ihrem Bestimmungsort geschleppt und endgültig miteinander gekoppelt werden.
Ein Modul für sich alleine, mit dem kompletten Turmaufbau, wäre nur bedingt schwimmfähig, da hier die Gefahr des Kippens besteht. Schwimmfähig und damit transportabel, wäre es erst als Cluster von drei Modulen.
Der Verband wird vor Ort nach der Hauptwindrichtung positioniert. Die Verankerung erfolgt durch einen Schwoje-Punkt, ähnlich wie schon in einigen Schriften zum Thema. Hierbei läge die Befestigung an einem am Drehpunkt am Grund, vor der gesamten Anlage, und würde dann durch Gestänge schräg nach oben, zu zwei oder mehreren Punkten im vorderen Bereich der Einheit geführt. Durch seitliche, am Grund verankerte Zugseile, kann die Anlage mittels Winden stabilisiert und in einem begrenzten Winkel auch nach dem Wind ausgerichtet werden.
Eine aufwendige Windnachführung, bei der sich jede einzelne Gondel einer WEA selbständig dreht, ist somit nicht notwendig.
Die Abstände zwischen den einzelnen Windgeneratoren sind vergleichsweise gering. Um Abschattungseffekte zu minimieren, oder besser ganz zu vermeiden, müssen Masten unterschiedlicher Höhe eingesetzt werden.
Die Strömungsgeneratoren sind auf der Unterseite im Zentrum des Moduls, quasi unterhalb gegenüber einer WEA integriert. Hierfür waren Bspw. die Strömungsmaschinen des Schweitzers Hermann Dettwiler hervorragend geeignet. Diese funktionieren richtungsunabhängig und haben, eine eher langsame Drehgeschwindigkeit, so dass von ihnen keine Verletzungsgefahr für die maritime Tierwelt ausgeht.
Die Stromverkabelung der Anlage, sowohl der einzelnen Module untereinander, als auch zum Land hin, dürfte sich als wesentlich einfacher gestallten, als bei über eine große Fläche verteilten einzelnen Anlagen, da sich hier die Stränge der einzelnen Generatoren gut zusammenführen lassen.

Claims

Modulare Schwimmeinheit als Träger vorzugsweise für Wind- und/oder Strömungsenergieanlagen, mit aneinander gekoppelten Einzelmodulen, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Mittelpunkt, auf zwei Ebenen, horizontal jeweils übereinanderliegend, mindestens in drei Richtungen radial, Hohlprofile als Schwimmkörper ausgehen, an deren Enden wiederum Verbindungsmöglichkeiten zu weiteren, gleichartigen Modulen bestehen, wobei die unteren, unter der Wasseroberfläche liegenden, horizontalen Schwimmkörper das hauptsächliche auftriebgebende Element bilden.
Modulare Schwimmeinheit als Träger vorzugsweise für Wind- und/oder Strömungsenergieanlagen nach Anspruch 1, wobei die Schwimmkörperebenen der einzelnen Module durch ein mittleres vertikales Volumen verbunden sind.