DE102012102821A1

DE102012102821A1 - Vorrichtung zur Ausrichtung von Offshore-Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE102012102821A1
Application number: DE201210102821
Authority: DE
Inventors: Werner Möbius; Anton Kanand
Original assignee: WERNER MOEBIUS ENGINEERING GmbH; Werner Moebius Engineering GmbH
Current assignee: Werner Moebius Engineering GmbH
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Ausrichtung von Offshore-Windkraftanlagen (100). Um Schräglagen des Fundamentes oder der Piles auszugleichen, wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung (10) ein unteres, fixiertes Element (4) aufweist, auf dem ein erstes drehbar gelagertes Element (1) mit einer geneigten, oberen Führungsfläche (11) angeordnet ist, auf der ein zweites drehbar gelagertes Element (2) mittels einer geneigten, unteren Führungsfläche (21) angeordnet ist, so dass durch Drehung der Elemente (1, 2) gegeneinander das zweite Element (2) stufenlos neigbar ausgebildet ist. Das erste Element (1) wird gedreht, wobei bei dieser Drehung das zweite Elements (2) gegenüber dem ersten Element (1) blockiert ist, bis sich der Neigungswinkel des zweiten Elements (2) und der Neigungswinkel des Turms (101) der Offshore-Windkraftanlage (100) gerade so kompensieren, dass der Turm (101) im Verhältnis zum Meeresboden wieder eine vertikale Position einnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausrichtung von Offshore-Windkraftanlagen.
Eine Windkraftanlage wandelt Windenergie mit ihrem Rotor in elektrische Energie um und speist sie in das Stromnetz ein. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Fundament für die Standsicherheit, einem Turm, und einer am oberen Ende des Turms befestigten Gondel. Die Gondel enthält einen Generator mit einem damit verbundenen Rotor. Die Gondel ist drehbar auf dem Turm gelagert, um sie der Windrichtung nachzuführen. Offshore-Windkraftanlagen können beispielsweise auf einen einzelnen Monopile, auf mehrere Träger oder auf so genannte Schwerkraft-Fundamente gesetzt werden. Dies sind schwere, in den Meeresboden eingelassene oder auf dem Meeresgrund stehende Betonfundamente. Ein Vorteil von Offshore-Windkraftanlagen besteht unter anderem darin, dass sie für die auf See auftretenden höheren Windgeschwindigkeiten ausgelegt sind, wodurch sich die Leistung erhöht. Ein bekannter Nachteil besteht andererseits darin, dass das gesamte Offshore Bauwerk in eine Schräglage geraten kann, und zwar durch Sandabtragungen aufgrund von Meeresströmungen, Verflüssigung des Untergrundes oder durch Vibrationen im Fundament oder den Piles. Der Betrieb der Windkraftanlage muss dann eingestellt werden und es sind aufwändige Reparaturen notwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Ausrichtung von Offshore-Windkraftanlagen vorzuschlagen, durch die derartige Schräglagen bis zu einem gewissem Umfang ausgeglichen werden können.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung ein unteres, fixiertes Element aufweist. auf dem ein erstes drehbar gelagertes Element mit einer geneigten, oberen Führungsfläche angeordnet ist, auf der wiederum ein zweites drehbar gelagertes Element mittels einer geneigten, unteren Führungsfläche angeordnet ist. Durch Drehung der Elemente gegeneinander ist die Neigung des zweiten Elements stufenlos einstellbar ausgebildet. Stellt sich das Fundament schräg, dann kann, jedenfalls in gewissem Umfang, durch die oberhalb des Fundamentes angeordnete Vorrichtung eine Schräglage des Turms der Offshore-Windkraftanlage ausgeglichen werden. Hierzu wird das zweite Element gegen das erste Element gedreht. Hierdurch neigt sich das zweite Element im Verhältnis zur Drehachse des ersten Elements, d.h. es neigt sich, wobei der Neigungswinkel von der Neigung der Führungsflächen im Verhältnis zur Drehachse ihres jeweiligen Elements und der Drehstellung der beiden Elemente zueinander abhängt. Bei einer Schrägstellung der Offshore-Windkraftanlage wird der Neigungswinkel so eingestellt, dass er der Schräglage des Turms der Offshore-Windkraftanlage entspricht. Außerdem wird das erste Element in eine Drehstellung gebracht, bei der sich der Neigungswinkel des zweiten Elements und der Neigungswinkel der des Turms der Offshore-Windkraftanlage kompensieren, wenn die beiden drehbaren Elemente gegen das untere, fixierte Element so verdreht werden, dass der Turm im Verhältnis zum Meeresboden wieder eine vertikale Position einnimmt. Denn es wäre Zufall, dass, wenn über die beiden drehbaren Elemente der Schiefstand der Anlage eingestellt ist, dann die Neigungsrichtung des zweiten Elementes mit der Neigungsrichtung des Fundamentes übereinstimmt. Dieses wird erst durch Verdrehen des ersten Elements gegen das untere Element erreicht, wobei eine Drehung des zweiten Elements gegenüber dem ersten Element natürlich blockiert ist, damit der vorher eingestellte Neigungswinkel nicht verstellt wird. Die Drehung der Elemente kann durch geeignete Stellmotoren erfolgen. Die Steuerung der Stellmotoren erfolgt durch Neigungssensoren und einem damit verbundenen Prozessor. Die Führungsflächen der Elemente können beispielsweise als Gleitlager ausgebildet sein. Vorzugsweise sind sie aufgrund der auftretenden hohen Tragkräfte als Wälzlager ausgebildet. In diesem Fall weisen sie zum Beispiel Führungen für Kugeln auf, die zwischen den beiden Führungsflächen angeordnet sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zusätzlichen Merkmalen werden nachfolgend beschrieben.
Wenn die Ebenen der Führungsflächen beider Elemente dieselbe Neigung aufweisen, kann das zweite Element im Verhältnis zum ersten Element je nach Drehstellung einen Neigungswinkel von 0 Grad bis zu einem Maximalwinkel einnehmen, der der Summe beider Neigungswinkel der Führungsflächen entspricht.
Wenn auf dem zweiten Element ein drittes, oberes Element drehbar gelagert ist, kann durch die Vorrichtung außerdem die Ausrichtung des Rotors auf die jeweilige Windrichtung erfolgen. Hierdurch ist eine zusätzliche Vorrichtung zur Windrichtungsnachführung nicht notwendig.
Die Elemente können im Wesentlichen scheibenförmig, ringförmig oder kreishohlzylinderförmig ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Turm oder Mast der Offshore-Windkraftanlage auf der Vorrichtung drehbar angeordnet. Dies hat mehrere Vorteile. Da sich die Vorrichtung im unteren Bereich der Offshore-Windkraftanlage befindet, kann sie leicht kontrolliert und gewartet werden. Außerdem liegt der Massenmittelpunkt der Offshore-Windkraftanlage tiefer, was statisch günstig ist. Bei einer Korrektur der Neigung befinden sich außerdem alle Abschnitte der Offshore-Windkraftanlage oberhalb der Vorrichtung in vertikaler Position, was ebenfalls statische Vorteile hat.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine Zeichnung als nicht einschränkendes Beispiel beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Merkmale den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind. Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
Alle Figuren zeigen schematische Ansichten zur Veranschaulichung des technischen Prinzips. Einzelheiten, die nach dem Stand der Technik der Technik bekannt sind, wie Mittel zur Aufnahme von auftretenden Kräften, Befestigungsmittel, Stellmotoren, usw. sind nicht dargestellt.
Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
1 eine schematische, perspektivische Ansicht der Vorrichtung;
2 einen vertikalen Schnitt durch die Vorrichtung in einer schematischen Ansicht;
3 einen vertikalen Schnitt durch die Vorrichtung mit Lagern zur Aufnahme von Längs- und Querkräften;
4 einen vertikalen Schnitt durch die Vorrichtung in einer Offshore-Windkraftanlage; und
5 einen vertikalen Schnitt durch die Vorrichtung in einer Offshore-Windkraftanlage mit Schräglage.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung 10. Diese weist vier aufeinander angeordnete Elemente 4, 1, 2, 3 auf, die im Wesentlichen kreishohlzylinderförmig bzw. ringförmig ausgebildet sind. Aus Gründen der Anschaulichkeit sind die Elemente 3, 1, 2, 4 aufeinander schwebend dargestellt.
Das untere Element 4 bildet dabei die Basis und ist auf einem (nicht gezeigten) horizontalen Boden 103 (nicht gezeigt, siehe 3) einer Offshore-Windkraftanlage 100 fixiert, d.h. nicht drehbar befestigt. Auf seiner Oberseite weist das untere Element 4 eine ringförmige, horizontale Führungsfläche 41 auf.
Auf dem untere Element 4, bzw. auf dessen oberer Führungsfläche 41, ist ein erstes drehbar gelagertes Element 1 mittels seiner unteren, horizontalen Führungsfläche 12 angeordnet. Für das erste drehbare Element 1 ist außerdem eine obere Führungsfläche 11 vorgesehen, deren Ebene im Verhältnis zur Ebene der unteren, horizontalen Führungsfläche 12 eine Neigung aufweist.
Auf dem ersten drehbar gelagerten Element 1, bzw. auf dessen oberer, geneigter Führungsfläche 11, ist ein zweites drehbar gelagertes Element 2 angeordnet, und zwar mittels seiner unteren, geneigten Führungsfläche 22. Die Ebenen der Führungsflächen 11, 22 beider Elemente 1, 2 weisen denselben Neigungswinkel auf. Das zweite drehbare Element 2 entspricht damit im Wesentlichen einem mit der Oberseite nach unten gedrehten ersten drehbaren Element 1. Das zweite drehbare Element 2 weist demgemäß eine obere Führungsfläche 21 auf, deren Ebene, in der gezeigten Drehstellung der Elemente 1, 2 zueinander, nicht geneigt ist, sondern horizontal verläuft.
Auf dem zweiten drehbar gelagerten Element 2, bzw. auf dessen oberer Führungsfläche 21, ist ein drittes drehbar gelagertes Element 3 angeordnet, und zwar mittels seiner unteren Führungsfläche 32, deren Ebene im Verhältnis zur Drehachse des Elements 3 orthogonal, in der Darstellung horizontal verläuft. Das dritte drehbar gelagertes Element 3 weist außerdem eine obere, horizontal verlaufende Kontaktfläche 31 auf.
Die 2 zeigt die Vorrichtung 10 mit den aufeinander angeordneten Elementen 4, 1, 2, 3 aus 1 in einem vertikalen Schnitt. Jeweils zwischen den oberen Führungsflächen 41, 11, 21 und den unteren Führungsflächen 12, 22, 42 sind Rollen angeordnet, so dass drei Wälzlager gebildet werden, die eine leichte Drehung der Elemente 1, 2, 4 gegeneinander ermöglichen.
3 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung 10 mit mehreren, zusätzlichen Rillenkugellagern 43, 13, 23, 33. Die Lager 43, 13, 23, 33 nehmen beim Betrieb der Vorrichtung 10 wirkende Längs- und Querkräfte auf. Außerdem unterbinden sie unerwünschte Bewegungen der Elemente 1, 2, 3 in axialen und radialen Richtungen, so dass nur Drehbewegungen der Elemente 1, 2, 3 gegeneinander möglich sind.
4 zeigt die Vorrichtung 10 im eingebauten Zustand mit einem Ausschnitt einer Offshore-Windkraftanlage 100, deren Längsachse 104 vertikal ausgerichtet ist und sich in normaler Lage befindet. Die Vorrichtung 10 ist mittels ihres unteren, nicht drehbaren Elementes 4 fest auf dem Boden 103 der Offshore-Windkraftanlage 100 fixiert, also oberhalb der Wasserlinie und im unteren Bereich des Turmes 101. Der Turm 101 ist auf den Kontaktflächen 31 des oberen Elements 3 befestigt. Da das Element 3 mittels eines (nicht gezeigten) Stellmotors drehbar auf dem darunter angeordneten Element 2 gelagert ist, lässt sich der gesamte Turm drehen. Dadurch kann die obere (nicht gezeigte) Gondel mit dem Rotor der Windrichtung nachgeführt werden. Der Vorteil gegenüber den bekannten Windrichtungsnachführungen besteht darin, sich die Vorrichtung 10 nicht im Bereich der (nicht gezeigten) oberen Gondel sondern im unteren Bereich des Turmes 101 befindet und deshalb einfacher kontrolliert und gewartet werden kann. Außerdem liegt das Gewicht der Vorrichtung 10 und damit der Massenmittelpunkt der Offshore-Windkraftanlage 100 insgesamt tiefer, was statisch günstig ist.
Bei der dargestellten Betriebsart der Vorrichtung 10 bleiben das erste drehbar gelagerten Element 1 und das zweite drehbar gelagerte Element 2 so zueinander gedreht, dass sich die Neigungswinkel ihrer aufeinander angeordneten Führungsflächen 11, 22 (siehe 1, 2) derart ausgleichen, dass die obere Führungsfläche 21 des zweiten drehbaren Elements 2 horizontal, d.h. orthogonal zur vertikalen Längsachse 104 des Turms 101 verläuft. Die Vorrichtung 10 wird also nur zur Windrichtungsnachführung verwendet, eine Drehung des oberen Elements 3 und damit des Turmes 101 ändert dessen Neigung nicht.
5 zeigt einen vertikalen Schnitt durch die Vorrichtung 10 in einer Offshore-Windkraftanlage 100 wie in 3, aber mit dem Unterschied, dass sich dessen Fundament durch oben beschriebene Vorgänge auf oder im Meeresboden (nicht gezeigt) in einer Schräglage befindet. Die Längsachse 104 der Offshore-Windkraftanlage 100 ist also im Verhältnis zur Vertikalen 105 geneigt.
In 5 ist dargestellt, dass in einem solchen Fall durch die Vorrichtung 10 die Schräglage des Turms 101 der Offshore-Windkraftanlage 100 ausgeglichen werden kann. Hierzu werden das erste Element und das zweite Element 2 gegeneinander verdreht. Dabei neigt sich das zweite Element 2 im Verhältnis zur Drehachse des ersten Elements 1, d.h. es knickt ab, wobei der Neigungswinkel von der Neigung der Führungsflächen 11, 22 (siehe 1, 2) und der Drehstellung der beiden Elemente 1, 2 zueinander abhängt. Der Neigungswinkel kann stufenlos so eingestellt werden, dass er dem Neigungswinkel 104 der Offshore-Windkraftanlage 100 bzw. dem des Turms 101 entspricht. Das erste Element 1 wird danach in eine Drehstellung gebracht, bei die obere Führungsfläche 21 des zweiten Elements 2 gerade horizontal verläuft. Dadurch kompensieren sich der Neigungswinkel des zweiten Elements 2 und der Neigungswinkel des Turms 101 der Offshore-Windkraftanlage 100, so dass der Turm 101 im Verhältnis zum Meeresboden wieder eine vertikale Position einnimmt.
Die Drehung der Elemente 1, 2 kann mit einem Prozessor mit Neigungssensoren und Stellmotoren automatisiert erfolgen. Zumindest kleinere Schräglagen von Offshore-Windkraftanlagen 100 können so ständig überwacht und ausgeglichen werden, ohne dass aufwändige Reparaturen am Fundament notwendig sind. Außerdem können die durchschnittliche Laufzeit und Leistungsausbeute erhöht werden.
Bezugszeichenliste

1: Erstes drehbares Element
2: Zweites drehbares Element
3: Drittes drehbares Element
4: Unteres, fixiertes Element
5: Wälzlagerkugeln
10: Vorrichtung
11: Obere, geneigte Führungsfläche
12: Untere, nicht geneigte Führungsfläche
21: Obere, nicht geneigte Führungsfläche
22: Untere, geneigte Führungsfläche
31: Obere, nicht geneigte Kontaktfläche
32: Untere, nicht geneigte Führungsfläche
41: Obere, nicht geneigte Führungsfläche
100: Offshore-Windkraftanlage
101: Turm
102: Gründung
103: Turmboden
104: Längsachse
105: Vertikale

Claims

Vorrichtung (10) zur Ausrichtung von Offshore-Windkraftanlagen (100), die ein unteres, fixiertes Element (4) aufweist, auf dem ein erstes drehbar gelagertes Element (1) mit einer geneigten, oberen Führungsfläche (11) angeordnet ist, auf der ein zweites drehbar gelagertes Element (2) mittels einer geneigten, unteren Führungsfläche (21) angeordnet ist, so dass durch Drehung der Elemente (1, 2) gegeneinander das zweite Element (2) stufenlos neigbar ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebenen der Führungsflächen (11, 21) beider Elemente (1, 2) dieselbe Neigung aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes drehbar gelagertes Element (3) vorgesehen ist, welches vorzugsweise auf dem zweiten Element (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (1, 2, 3, 4) im Wesentlichen scheibenförmig, ringförmig oder kreishohlzylinderförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (101) oder Mast der Offshore-Windkraftanlage (100) auf der Vorrichtung (10) drehbar angeordnet ist.
Offshore-Windkraftanlage (100), dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung (10) zu deren Ausrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.