DE102012213213A1 - Swimming platform for wind turbines - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schwimmplattform für Windkraftturbinen, umfassend: mindestens zwei längliche Schwimmkörper, die im Wesentlichen senkrecht schwimmen; mindestens ein erstes Verbindungselement; und mindestens ein zweites Verbindungselement, das eine mittig angeordnete Verankerung umfasst. Die mindestens zwei Schwimmkörper sind jeweils über ein erstes Verbindungselement schwenkbar miteinander verbunden, die mindestens zwei Schwimmkörper jeweils über ein zweites Verbindungselement schwenkbar miteinander verbunden sind. Das erste und das zweite Verbindungselement sind im Wesentlichen parallel zueinander, so dass ein paralleles Schwingen der Schwimmkörper zueinander in der Ebene möglich ist, die durch die senkrechten Schwimmkörperachsen der jeweils zwei verbundenen Schwimmkörper definiert ist.The present invention relates to a floating platform for wind turbines, comprising: at least two elongated floating bodies that float substantially vertically; at least one first connecting element; and at least one second connecting element, which comprises a centrally arranged anchoring. The at least two floating bodies are each pivotally connected to one another via a first connecting element, and the at least two floating bodies are each pivotably connected to one another via a second connecting element. The first and the second connecting element are essentially parallel to one another, so that a parallel swinging of the floating bodies to one another is possible in the plane which is defined by the vertical floating body axes of the two connected floating bodies.
Description
Technisches Gebiet der ErfindungTechnical field of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet von Windkraftanlagen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Schwimmplattform für Windkraftturbinen, wie etwa Vertikalachsenwindturbinen (VAWTs) oder Horizontalachsenwindturbinen (HAWTs), die zwei gekoppelte Schwimmkörper umfasst.The present invention relates to the technical field of wind turbines. In particular, the present invention relates to a floating platform for wind turbines, such as vertical axis wind turbines (VAWTs) or horizontal axis wind turbines (HAWTs) comprising two coupled floats.
Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the Prior Art
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.). Windkraftanlagen auf Wasserflächen bieten besondere Vorteile, da hier zumeist gleichmäßige Windbedingungen herrschen, die eine gleichbleibend hohe Stromausbeute versprechen. In the course of the further development of wind power plants, in particular for power generation from wind energy, more and more extensive construction measures are being made in order to construct large so-called wind farms, consisting of many individual wind power plants. As a result, the search for undeveloped suitable locations for such wind turbines is becoming increasingly difficult. In order to develop sufficient expansion areas for wind farms, hard-to-reach or difficult-to-open areas come to the fore, such as Water surfaces (seas, lakes, rivers, etc.). Wind turbines on water surfaces offer particular advantages, since here usually uniform wind conditions prevail, which promise a consistently high current efficiency.
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 keine Standortänderungen vorgenommen werden können. Daher gibt es Bemühungen schwimmfähige Windkraftanlagen zu entwickeln. However, the safe construction of wind turbines on water surfaces is difficult and expensive. In addition, conventional wind turbines erected on water surfaces are rigidly and inflexibly fixed on their predetermined pedestals, so that subsequently no location changes can be made. Therefore, there are efforts to develop buoyant wind turbines.
Die
Jedoch sind solche einzelnen Schwimmkörper sehr anfällig gegen Wellen und können durch diese einfach umgestoßen oder, über die Schwingfrequenz des Schwimmkörpers, umgekippt oder unter Wasser gedrückt werden. Ein einzelner Schwimmkörper verhält sich im Wasser wie ein senkrecht aufgehängtes Federpendel mit einer Eigenfrequenz, wobei die Auftriebskraft des Schwimmkörpers die senkrechte Federrückstellkraft des Federpendels ersetzt. Ist die Frequenz oder ein Vielfaches der Frequenz der Wellen auf dem Gewässer sehr nah an dieser Eigenfrequenz kann ein zu einem ungewollten Aufschwingen dieses Pendels kommen. Diese Effekte sind aus der Architektur bekannt. In Fall eines Schwimmkörpers könnten solche Effekte die gesamte Anlage kippen oder unter Wasser drücken, was zu irreparablen Schäden führen kann.However, such individual floats are very susceptible to waves and can easily be knocked over by these or, over the vibration frequency of the float, overturned or submerged under water. A single float behaves in the water as a vertically suspended spring pendulum with a natural frequency, wherein the buoyancy of the floating body replaces the vertical spring restoring force of the spring pendulum. If the frequency or a multiple of the frequency of the waves on the body of water is very close to this natural frequency, an unwanted swinging of this pendulum may occur. These effects are known from architecture. In the case of a float, such effects could tilt or submerge the entire system, resulting in irreparable damage.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Um diese Probleme im Stand der Technik zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine Schwimmplattform für Windkraftturbinen gemäß Anspruch 1 bereit, umfassend mindestens zwei längliche Schwimmkörper, die im Wesentlichen senkrecht schwimmen und, die jeweils mindestens ein erstes Verbindungselement und mindestens ein zweites Verbindungselement, das eine mittig angeordnete Verankerung aufweist, umfassen. Die mindestens zwei Schwimmkörper sind jeweils über das erste Verbindungselement und über das zweite Verbindungselement schwenkbar miteinander verbunden, wobei das erste und das zweite Verbindungselement im Wesentlichen parallel zueinander sind. Die Schwenkebene verläuft dabei durch die beiden senkrechten Längsachsen der Schwimmkörper. Das zweite Verbindungselement ist dabei bevorzugt das obere Verbindungselement und somit näher an der Wasseroberfläche. Alternativ kann das zweite Verbindungselement auch als unteres Verbindungselement angeordnet sein.To solve these problems in the prior art, the present invention provides a wind turbine swimming platform according to
Die erfindungsgemäße Schwimmplattform kann weiterhin in den Schwimmkörpern wenigstens einen Schwingungsdämpfer umfassen. Wenigstens eines der Verbindungselemente kann jeweils innerhalb wenigstens eines Schwimmkörpers mit einem Generator gekoppelt sein, der geeignet ist, um aus den welleninduzierten relativen Schwingungen der Schwimmkörper elektrischen Strom zu erzeugen. Die mindestens zwei Schwimmkörper können hohl sein, eine im Wesentlichen runde Querschnittsfläche haben und jeweils einen im Wesentlichen zylindrischen Oberteil mit einem ersten Durchmesser und einen im Wesentlichen zylindrischen Unterteil mit einem zweiten Durchmesser, der größer als der erste Durchmesser ist, umfassen. Außerdem können die mindestens zwei Schwimmkörper jeweils einen im Wesentlichen kegelstumpfförmigen Mittelteil umfassen.The swimming platform according to the invention may further comprise at least one vibration damper in the floats. At least one of the connecting elements may each be coupled within at least one floating body to a generator adapted to generate electric current from the wave-induced relative oscillations of the floating bodies. The at least two floating bodies may be hollow, have a substantially round cross-sectional area and each comprise a substantially cylindrical upper part with a first diameter and a substantially cylindrical lower part with a second diameter which is larger than the first diameter. In addition, the at least two floating bodies may each comprise a substantially frusto-conical middle part.
Der Oberteil der erfindungsgemäßen Schwimmplattform kann im Bereich der Wasseroberfläche als ein Fachwerkträger ausgebildet sein, um einen Widerstand der mindestens zwei Schwimmkörper gegen auftreffende Wellen oder Wasserströmungen zu verringern. The upper part of the floating platform according to the invention may be formed in the region of the water surface as a truss girder to reduce a resistance of the at least two floats against impinging waves or water currents.
Die mindestens zwei Schwimmkörper können aus einem Metall, wie etwa einem gebogenen Blech oder durch ein Betonschalengussverfahren unter Verwendung von Beton oder einem Betongemisch hergestellt werden. Die mindestens zwei Schwimmkörper können jeweils durch Platten in mindestens drei Segmente unterteilt sein, wobei wenigstens eines der unteren Segmente Ballast umfasst. In der erfindungsgemäßen Schwimmplattform kann mindestens ein Segment als ein Ballasttank ausgebildet sein, um eine Schwimmhöhe der Schwimmkörper einzustellen. Innerhalb jeweils wenigstens eines Segments der mindestens zwei Schwimmkörper können ein Modul oder mehrere Module angeordnet sein, wobei das Modul oder die Module wenigstens eine Vorrichtung aus einer Gruppe bestehend aus einer Anlagensteuerungsvorrichtung, einer Wasserpumpe, einem Stromumformer, einem Stromgleichrichter, einem Stromtransformator, einer Stromspeichervorrichtung, einer Produktionseinheit für Wasserstoff und einer Speichervorrichtung für Wasserstoff umfassen. The at least two floats may be made of a metal such as a bent sheet or a concrete shell casting process using concrete or a concrete mix. The at least two floating bodies may each be divided by plates into at least three segments, wherein at least one of the lower segments comprises ballast. In the floating platform according to the invention, at least one segment may be designed as a ballast tank in order to set a floating height of the floating bodies. Within each of at least one segment of the at least two floating bodies, one or more modules may be arranged, the module or modules comprising at least one of a plant control device, a water pump, a current transformer, a current rectifier, a current transformer, a current storage device, a hydrogen production unit and a hydrogen storage device.
Bevorzugt umfasst die Schwimmplattform weiterhin mindestens zwei Windkraftturbinen, die jeweils an der Oberseite einer der mindestens zwei Schwimmkörper angeordnet sind. Diese Windkraftturbinen sind dabei bevorzugt von gleicher Bauart. Die Verankerung der erfindungsgemäßen Schwimmplattform kann mindestens ein Paar Spulen umfassen, um Strom induktiv von der Schwimmplattform an ein Stromkabel zu übertragen. Optional kann die Verankerung ein oberes Verankerungselement und ein unteres Verankerungselement umfassen, die jeweils einen im Wesentlichen ringförmigen Vorsprung aufweisen, die ineinander greifen. Die Vorsprünge können dabei einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt aufweisen, um zu erlauben, dass das erste Verankerungselement und das zweite Verankerungselement zueinander um 360° drehbar sind. Das oberen und das untere Verankerungselement können weiterhin interne Bohrungen aufweisen, die einen angreifenden Wasserdruck bei vertikalen Bewegungen der Verankerung an durch Zug- oder Druckkräfte belastete Reibungsflächen an den Verankerungselementen bzw. ihrer ringförmigen Vorsprünge leiten, so dass ein Wasserfilm die Reibung an den belasteten Stellen reduziert.Preferably, the swimming platform further comprises at least two wind turbines, which are each arranged on the upper side of one of the at least two floating bodies. These wind turbines are preferably of the same type. The anchoring of the floating platform according to the invention may comprise at least one pair of coils for inductively transmitting power from the floating platform to a power cable. Optionally, the anchoring may comprise an upper anchoring element and a lower anchoring element, each having a substantially annular projection which engage each other. The projections may have a substantially L-shaped cross-section, in order to allow the first anchoring element and the second anchoring element are rotatable by 360 ° to each other. The upper and lower anchoring members may further include internal bores which direct an attacking water pressure upon vertical movements of the anchorage to tensile or compressive loaded friction surfaces on the anchoring elements or their annular projections, such that a film of water reduces friction at the loaded locations ,
Die Windkraftturbinen sind bevorzugt Vertikalrotorwindturbinen bzw. Vertikalachsenwindturbinen (VAWT), jedoch können auch Horizontalachsenwindturbinen als Windkraftturbinen verwendet werden. Eine Rotationsrichtung mindestens einer der Vertikalrotorwindturbinen kann gegensätzlich zu einer Rotationsrichtung einer jeweils anderen Vertikalrotorwindturbine auf einem anderen Schwimmkörper der Schwimmplattform sein.The wind turbines are preferably vertical rotor wind turbines or vertical axis wind turbines (VAWT), but horizontal axis wind turbines can also be used as wind turbines. A rotational direction of at least one of the vertical rotor wind turbines may be opposite to a direction of rotation of a respective other vertical rotor wind turbine on another floating body of the floating platform.
Die oben beschriebene Schwimmplattform kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass die Drehmomente, die durch die Windturbinen erzeugt werden, auf das erste Verbindungselement übertragen werden. In diesem Fall können sich die Drehmomente, die durch die Windturbinen erzeugt und auf das erste Verbindungselement übertragen werden, zu null addieren.The floating platform described above may be further characterized in that the torques generated by the wind turbines are transmitted to the first connecting element. In this case, the torques generated by the wind turbines and transmitted to the first connector may add up to zero.
Alternativ können die Drehzahlen der Vertikalrotorwindturbinen durch selektive Bremsung einzelner Vertikalrotorwindturbinen variierbar sein, um ein Drehmoment der Plattform durch unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten der Vertikalrotorwindturbinen zu erzeugen.Alternatively, the speeds of the vertical rotor wind turbines may be variable by selectively braking individual vertical rotor wind turbines to produce a torque of the platform through different rotational speeds of the vertical rotor wind turbines.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Schwimmplattformsystem, das mindestens zwei der oben beschriebenen Schwimmplattformen umfasst. Weiterhin können Windrichtungssensoren, die an den Schwimmplattformen vorgesehen sind und Windrichtungsdaten zu Anlagensteuerungen der Schwimmplattformen übermitteln, vorgesehen sein, wobei die Anlagensteuerungen geeignet sind, um miteinander zu kommunizieren und um, zusammen mit Daten aus den Windrichtungssensoren, automatisch eine bezüglich der Stromausbeute der Vertikalrotorwindturbinen verbesserte Ausrichtung jeder einzelnen Schwimmplattform zu berechnen und durch selektives Bremsen der Vertikalrotorwindturbinen umzusetzen.Another aspect of the present invention is a swimming platform system comprising at least two of the above-described floating platforms. Further, wind direction sensors provided on the floating platforms and transmitting wind direction data to platform controls of the floating platforms may be provided, the plant controllers being adapted to communicate with each other and, together with data from the wind direction sensors, automatically align with the vertical rotor wind turbines in terms of power efficiency calculate each individual swimming platform and implement it by selective braking of the vertical rotor wind turbines.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die im Folgenden beschriebnen Zeichnungen sind schematische Zeichnungen. Dabei werden in sowohl in der Beschreibung als auch in den Zeichnungen gleiche oder ähnliche Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.The drawings described below are schematic drawings. Here, in both the description and in the drawings, the same or similar parts are designated by the same reference numerals.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die mindestens zwei Schwimmkörper
Die Schwimmkörper
Die Bohrungen
Zusätzlich dazu kann der Oberteil
Wie weiter in
Außerdem kann mindestens ein Segment als ein Ballasttank ausgebildet sein, um eine Schwimmhöhe der Schwimmkörper
Innerhalb der Segmente der Schwimmplattform
Die Drehzahlen der Vertikalrotorwindturbinen
Eine zusätzliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Schwimmplattformsystem aus mindestens zwei der oben beschriebenen Schwimmplattformen
Die oben beschriebene optimierte Ausrichtung ermöglicht jeder einzelnen Windkraftturbine eine erhöhte Energieausbeute durch verbesserte Windbedingungen, da der Windschatten durch andere Windkraftturbine minimiert werden kann. Die berechnete optimierte Ausrichtung der Plattformen
Die obige Ausführungsform beschreibt eine Plattform
Man kann ein erfindungsgemäßes schwimmfähiges Windkraftsystem
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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