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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet von Windkraftanlagen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Kombination von Windkraftanlagen zu einem Windkraftsystem, die auf schwimmfähigen Körpern angeordnet sind.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Im Zuge der Weiterentwicklung von Windkraftanlagen, insbesondere zur Stromerzeugung aus Windenergie werden immer umfangreichere Baumaßnahmen getätigt, um große sogenannte Windparks, bestehend aus vielen einzelnen Windkraftanlagen zu errichten. Infolgedessen wird die Suche nach noch unerschlossenen geeigneten Standorten für derartige Windkraftanlagen immer schwerer. Um genügend Expansionsflächen für Windparks zu erschließen, rücken schwer zugängliche bzw. schwer erschließbare Gebiete in den Vordergrund, wie z. B. Wasserflächen (Meere, Seen, Flüsse, usw.). Allerdings ist der sichere Aufbau von Windkraftanlagen auf Wasserflächen schwierig und teuer. Außerdem sind herkömmliche Windkraftanlagen, die auf Wasserflächen errichtet sind, starr und unflexibel auf ihren vorbestimmten Sockeln festgelegt, so dass im Nachhinein weder Standortänderungen noch Ausrichtungsänderungen vorgenommen werden können.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Um diese Probleme im Stand der Technik zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein schwimmfähiges Windkraftsystem 1 gemäß Anspruch 1 bereit, umfassend einen schwimmfähigen Körper 4, mindestens zwei Windkraftanlagen 2 zur Gewinnung von Windenergie, die auf dem schwimmfähigen Körper 4 angeordnet sind und mindestens eine Haltevorrichtung 5, um eine Position und eine Ausrichtung des schwimmfähigen Windkraftsystems 1 wahlweise zu befestigen und/oder zu lösen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung bei Verwendung von Vertikalachsenwindturbinen.
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2 ist eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung bei Verwendung von Horizontalachsenwindturbinen.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart ein schwimmfähiges Windkraftsystem 1, das einen schwimmfähigen Körper 4 (der aus mehreren Pontons bestehen kann), mindestens zwei Windkraftanlagen 2 zur Gewinnung von Windenergie, und mindestens eine Haltevorrichtung 5 umfasst. Vorzugsweise erzeugen die Windkraftanlagen 2 aus der Windenergie elektrischen Strom und umfassen daher entsprechende Vorrichtungen, wie zum Beispiel einen Generator oder ein System zur Übertragung des erzeugten elektrischen Stroms in ein Stromnetz. Der schwimmfähige Körper 4 dient als schwimmende Plattform, um darauf die Windkraftanlagen 2 zu montieren. Der schwimmfähige Körper 4 kann aus einem Ponton oder mehreren zusammenhängenden Pontons gebildet sein. Gemäß der vorliegenden Erfindung trägt der schwimmfähige Körper 4 des schwimmfähigen Windkraftsystems 1 mindestens zwei Windkraftanlagen 2. Die Haltevorrichtung 5 dient dazu, den schwimmfähigen Körper 4 in einer frei gewählten Position oder in einer frei gewählten Ausrichtung zu befestigen. Diese Befestigung muss nicht völlig starr oder unbeweglich sein. Wenn als Haltevorrichtung 5 beispielsweise ein Ankersystem verwendet wird (siehe 1 oder 2) ist eine erfindungsgemäße Befestigung des schwimmfähigen Körpers 4 durchaus mit einem – wiederum frei wählbaren – Spiel versehen, so dass das schwimmfähige Windkraftsystem 1 in einem vorbestimmten einstellbaren Bereich auf der Wasseroberfläche 6 treiben und/oder befestigt werden kann. Das Haltesystem 5 ermöglicht beispielsweise, dass das schwimmfähige Windkraftsystem 1 wahlweise und einstellbar befestigt, gelockert und/oder gelöst werden kann, so dass die Haltevorrichtung 5 einen vorbestimmten einstellbaren Bereich auf der Wasseroberfläche 6 für das schwimmfähige Windkraftsystem 1 definiert, in dem das schwimmfähige Windkraftsystem 1 treiben und/oder befestigt werden kann. Das Locker der Befestigung durch die Haltevorrichtung 5 kann beispielsweise ein Verlängern einer Ankerkette (Abwickeln von einer Winde) sein, wodurch sich der vorbestimmte einstellbaren Bereich auf der Wasseroberfläche 6 vergrößert, auf dem das schwimmfähige Windkraftsystem 1 treiben kann. In diesem Beispiel kann die Ankerkette natürlich auch wieder verkürzt werden (Aufwickeln auf eine Winde), um den vorbestimmten einstellbaren Bereich wieder zu verkleinern.
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Es ist beispielsweise möglich, dass sich das schwimmfähige Windkraftsystem 1 sich um 30° auf der Wasseroberfläche 6 drehen kann. Es sind aber auch andere beliebige Drehwinkel möglich. Die Haltevorrichtung 5 kann außerdem dermaßen implementiert werden, dass ein Versatz des schwimmfähigen Windkraftsystems 1 bzw. ein Treiben des schwimmfähigen Windkraftsystems 1 um mehrere Meter auf der Wasseroberfläche 6 möglich ist. Dieser Versatz ist erfindungsgemäß auch frei mit einem beliebigen Drehwinkel kombinierbar. Allerdings ist es auch möglich, dass die Haltevorrichtung 5 den vorbestimmten Bereich für Versatz und/oder Drehung geringer als einen Meter bzw. einen Winkelgrad vorgibt – wobei auch eine völlige Fixierung des schwimmfähigen Windkraftsystems 1 durch die Haltevorrichtung 5 möglich ist.
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Die Haltevorrichtung 5 kann aber auch beispielsweise über Stangen und/oder Schienensysteme (nicht gezeigt) je nach Bedarf mit mehr oder weniger Spiel implementiert werden. Die Haltevorrichtung 5 ist in der Lage, bei Bedarf durch einen Benutzer den schwimmfähigen Körper 4 zu befestigen und diese Befestigung wieder zu lösen. Die Haltevorrichtung 5 muss nicht zwingend mit dem Grund 5 verbunden sein. Sie kann auch eine Verbindung zu z. B. einem Steg, einer Kaimauer oder zu anderen nebeneinander treibenden schwimmfähigen Körpern 4 darstellen, um somit einen Windpark aus mehreren erfindungsgemäßen Windkraftsystemen 1 aufzubauen.
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Jede Windkraftanlage 2 des erfindungsgemäßen Windkraftsystems 1 umfasst je mindestens eine Windturbine 3. Falls die Windturbine 3 eine vertikale Rotationsachse aufweist spricht man von einer Vertikalachsenwindturbine (siehe 1), während wenn die Windturbine 3 eine horizontale Rotationsachse aufweist spricht man von einer Horizontalachsenwindturbine (siehe 2). Die Rotationsrichtung (A, B) der Windturbinen 3 muss so gewählt werden, dass eine Rotationsrichtung A mindestens einer der Windturbinen 3 gegensätzlich bzw. gegenläufig zu einer Rotationsrichtung B einer jeweils anderen Windturbine 3 des schwimmfähigen Windkraftsystems 1 ist. Falls mehr als zwei Windkraftanlagen 2 oder zumindest mehr als zwei Windturbinen 3 auf dem schwimmfähigen Körper 4 montiert werden, muss mindestens eine der Windturbinen 3 eine andere Rotationsrichtung A bzw. B aufweisen als die anderen. In dem in 1 oder 2 gezeigten Beispiel, sind jeweils zwei Windkraftanlagen 2 mit je einer Windturbine 3 auf einem schwimmfähigen Körper 4 zu einem erfindungsgemäßen schwimmfähigen Windkraftsystem 1 kombiniert. Es können aber auch drei oder vier Windkraftanlagen gemäß der vorliegenden Erfindung kombiniert werden, wobei beispielsweise 3 Windkraftanlagen eine Rotationsrichtung A aufweisen und nur eine Windkraftanlage die Rotationsrichtung B aufweisen kann. Insbesondere für Horizontalachsenwindturbinen ist es auch möglich, dass durch spezielle Gestaltung der Windturbine 3 sich die Rotationsrichtung der Windturbine ändern lässt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich Horizontalachsenwindturbinen und Vertikalachsenwindturbinen gemeinsam auf dem schwimmfähigen Körper 4 zu einem erfindungsgemäßen schwimmfähigen Windkraftsystem 1 anzuordnen. In den 1 und 2 sind jeweils beispielhaft die Rotationsrichtungen A und B durch Pfeile verdeutlicht Die Rotationsrichtungen A bzw. B können erfindungsgemäß auch entgegengesetzt zur angedeuteten Richtungen in den 1 und 2 implementiert werden.
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Jede der mindestens zwei Windkraftanlagen 2 verfügt über ein Bremssystem (nicht gezeigt) zum Bremsen der jeweiligen Windturbine 3. Dieses Bremssystem kann z. B. eine Wirbelstrombremse, eine aerodynamische Bremse oder ein anderes bekanntes Bremssystem sein. Wenn das erfindungsgemäße Windkraftsystem 1 in Betrieb ist und sich die Windturbinen 3 mit gleicher Rotationsgeschwindigkeit A bzw. B drehen, kompensieren sich die durch diese Rotation entstehenden Drehmomente auf das schwimmfähige Windkraftsystem 1 bzw. den schwimmfähigen Körper 4. Somit muss von der Haltevorrichtung 5 kein Rückdrehmoment abgefangen werden, um eine Dreh- oder Schwenkbewegung des schwimmfähigen Windkraftsystems 1 auf der Wasseroberfläche 6 zu verhindern. Wenn nun die Position oder die Ausrichtung des schwimmfähigen Windkraftsystems 1 geändert werden soll, kann die Haltevorrichtung 5 die Befestigung des schwimmfähigen Windkraftsystems 1 ganz lösen oder zumindest das Spiel der Befestigung vergrößern, um eine Dreh- oder Schwenkbewegung im gewünschten Ausmaß zu ermöglichen. Die Drehzahlen der Windturbinen 3 sind durch selektive Bremsung einzelner Windturbinen 3 variierbar, um eine beliebige Drehmomentdifferenz zwischen den entstehenden Rückdrehmomenten auf das schwimmfähige Windkraftsystem 1 durch die Windturbinen 3 zu erzeugen. Wenn – wie zuvor bereits erwähnt – die Windturbinen 3 mit unterschiedlichen Drehrichtungen, mit gleicher Rotationsgeschwindigkeit rotieren, dann kompensieren sich beide Rückdrehmomente. Wenn die selektive Bremsung aber derart gewählt wird, dass die Windturbinen 3 unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten aufweisen, ergibt sich insgesamt ein wirksames Rückdrehmoment auf das schwimmfähige Windkraftsystem 1, welches nun beginnt, sich entsprechend des Rückdrehmoments auf der Wasseroberfläche 6 zu bewegen. Durch gezielte selektive Bremsung der Windturbinen 3 ist es einem Betreiber möglich, das schwimmfähige Windkraftsystem 1 auf eine beliebige Position oder in eine gewünschte Ausrichtung auf der Wasseroberfläche 6 zu bringen. Sobald die gewünschte Position oder Ausrichtung erreicht ist, kann die Haltevorrichtung 5 wieder eine Befestigung des schwimmfähigen Windkraftsystems 1 vornehmen. Insbesondere bezüglich Horizontalwindachsenturbinen entfällt gemäß der vorliegenden Erfindung somit deren aufwändige und störanfällige Azimutsteuerung, die im Stand der Technik sonst unverzichtbar ist.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bei Verwendung von Vertikalachsenwindturbinen. Das schwimmfähige Windkraftsystem 1 schwimmt auf der Wasseroberfläche 6 und ist über eine Haltevorrichtung 5 am Grund 7 befestigt. In diesem Beispiel ist die Haltevorrichtung 5 eine Ankervorrichtung, wobei grundsätzlich auch andere Haltevorrichtungen 5 verwendet werden können. 2 zeigt eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform bei Verwendung von Horizontalachsenwindturbinen. Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen schwimmfähigen Windkraftsystems 1 ist außerdem, dass die Kreiselmomente der rotierenden Windkraftanlagen 2 das schwimmfähige Windkraftsystem 1 in seiner Lage stabilisieren, wodurch die Windkraftanlagen 2 durch die erfindungsgemäße Zusammenschaltung auf dem schwimmfähigen Windkraftsystem 1 eine höhere Stabilität und längere Haltbarkeit aufweisen, als wenn man sie – wie im Stand der Technik üblich – einzeln positioniert. Außerdem kann man ein erfindungsgemäßes schwimmfähiges Windkraftsystem 1 überall dort einsetzen, wo das Einbringen von Pfahlbegründungen für konventionelle Windkraftanlagen aus Gründen der Wassertiefe (z. B. zu tief) oder der Beschaffenheit des Untergrundes (z. B. Schlick) oder aus Kostengründen nicht realisierbar ist. Die vorliegende Erfindung eignet sich ebenfalls zur Windkraftnutzung in Sumpfgebieten oder Permafrostzonen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windkraftsystem
- 2
- Windkraftanlage
- 3
- Windturbine
- 4
- schwimmfähiger Körper
- 5
- Haltevorrichtung
- 6
- Wasseroberfläche
- 7
- Grund
- A bzw. B
- beispielhafte Rotationsrichtungen
