DE102013219973A1

DE102013219973A1 - Unterwasserkraftwerk

Info

Publication number: DE102013219973A1
Application number: DE102013219973.2A
Authority: DE
Inventors: Klaus Sommerkorn
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2015-04-02
Also published as: WO2015049069A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Unterwasserkraftwerk, umfassend die folgenden Merkmale: – eine Wasserturbine mit einem Rotor, der wenigstens ein Blatt aufweist; – eine mit der Wasserturbine in Triebverbindung stehenden Generator; – eine Gondel zum Aufnehmen von Wasserturbine und Generator; – eine Tragkonstruktion, umfassend einen Pfahl, der mit seinem unteren Ende in eine Bohrung im Gewässergrund eingelassen und darin eingespannt ist, und der die Gondel trägt; – der Pfahl ist in einen unteren und einen oberen Abschnitt unterteilt; – die beiden Abschnitte sind durch eine Schnapp- oder Steck- oder Klemm- oder Schraub- oder Reibschluss- oder Formschluss-Verbindung fest miteinander verbindbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Unterwasserkraftwerk gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Unterwasserkraftwerke sind bekannt. Sie können in Form von freistehenden Einheiten mit rotorförmigen Wasserturbinen zur Energiegewinnung aus einem Fließgewässer oder einer Meeresströmung, insbesondere einer Gezeitenströmung, ausgebildet sein. Derartige Unterwasserkraftwerke können aber auch als Onshore- oder Offshore-Windkraftanlagen ausgebildet sein. Auf DE 10 2013 001 212 wird verwiesen.
Typischerweise sind derartige Unterwasserkraftwerke vollständig tauchende Anlagen, sodass die wenigstens eine Turbineneinheit des Unterwasserkraftwerks in dessen Betrieb vollständig unter Wasser angeordnet ist. Es gibt auch Tragstrukturen, die über den Wasserspiegel hinausragen. Die Turbineneinheit ist dabei von einer Gründungsstruktur getragen. Derartige Gründungsstrukturen sind üblicherweise Schwerkraftfundamente oder Fundamente aus Stahlkonstruktionen wie zum Beispiel Dreibeine oder Pfahl- oder Pfostenbauten. In der Regel sind solche Gründungsstrukturen zur Turbineneinheit als Pfosten oder Träger ausgeführt. Der Querschnitt dieser muss dabei nicht notwendigermaßen rund sein, denn auch ein eckiger, ovaler oder linienförmiger Querschnitt ist denkbar. Die vorliegende Erfindung betrifft derartige gattungsgemäßige Unterwasserkraftwerke.
Die Gründungsstruktur nimmt dabei Kräfte und Momente auf, die durch die Anströmung des Unterwasserkraftwerks entstehen. Sie leitet diese in das umgebende Erdreich, beispielsweise den Gewässergrund, weiter.
Die vorliegende Erfindung betrifft Gründungsstrukturen, die einen Pfahl umfassen. Der Pfahl ist mit seinem unteren Ende in eine Bohrung im Gewässergrund eingelassen und darin eingespannt, beispielsweise durch Einbetonieren, während er mit seinem oberen Ende die Gondel trägt, die ihrerseits die Wasserturbine und den Generator aufnimmt. Ein einziger Pfahl kann auch zwei oder mehrere Energieeinheiten tragen, deren jede eine Wasserturbine und einen Generator umfasst.
Die Gründung der Tragkonstruktion ist problematisch. Der Pfahl soll nach seiner Montage vertikal stehen. Zu diesem Zwecke wird er bei seinem Montieren von einer Positioniervorrichtung in vertikaler Position gehalten. Die Positioniervorrichtung umgibt den Pfahl mit einem Führungsring oder Rohr. Der Führungsring ist seinerseits getragen von Streben, die in Draufsicht z.B. sternförmig angeordnet sind und sich ihrerseits auf dem Gewässerboden abstützen. Nach dem Gründen des Pfahles muss die Positioniervorrichtung entfernt werden, und zwar durch Anheben und Abziehen über das obere Ende des Pfahles. Dies bedeutet, dass die Gondel noch nicht am Pfahl fixiert ist. Sie kann somit erst nach Gründen des Pfahles und nach Abziehen der Positioniervorrichtung am oberen Ende des Pfahles fixiert werden. Das obere Ende des Pfahles darf auch keine Konsole tragen, die ihrerseits die Gondel trägt, da sich dann die Positioniervorrichtung wiederum nicht nach oben abziehen lässt. Die Verbindung zwischen dem oberen Ende des Pfahles und der Gondel ist somit nur eine punktförmige, und damit eine wenig stabile.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Unterwasserkraftwerk gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu gestalten, dass sich die Gründung des Pfahles und die Gesamtmontage leichter als bisher durchführen lässt. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Demgemäß wird Folgendes vorgenommen:

– Der Pfahl wird in einen unteren und einen oberen Abschnitt unterteilt.
– Die beiden Abschnitte werden durch eine Schnapp- oder Steck- oder Klemmverbindung fest miteinander verbunden. Auch ist eine Schraubverbindung, eine reibschlüssige Verbindung oder eine formschlüssige Verbindung möglich. Die Verbindung soll leicht und ohne Geschicklichkeit des Personals herstellbar sein und auch in situ durchführbar, somit auf dem Meer und womöglich bei Seegang.

Damit wird Folgendes erzielt: Der untere Abschnitt des Pfahles lässt sich einwandfrei in vertikaler Ausrichtung montieren, und zwar mit Hilfe einer Positioniervorrichtung der beschriebenen Art. Der untere Abschnitt des Pfahles ist zweckmäßigerweise derart bemessen, dass sein oberes Ende über den Meerseboden hinaus ragt. Nach vollendeter Gründung lässt sich die Positioniervorrichtung ohne Schwierigkeit nach oben über das obere Ende des unteren Abschnittes abziehen. Sodann wird der obere Abschnitt in den unteren Abschnitt durch die genannte einfache Schnellverbindung mit dem unteren Abschnitt verbunden.
Der obere Abschnitt des Pfahles kann ohne weiteres eine plattenförmige Konsole tragen, auf die die Gondel aufgesetzt wird. Damit wird eine stabile Verbindung zwischen dem oberen Abschnitt des Pfahles und der Gondel sichergestellt. Auch kann die Montage von Gondel, Konsole und oberem Abschnitt des Pfahles bereits an Land erfolgen. Jedenfalls muss sie nicht in situ hergestellt werden.
Bei einer erfindungsgemäßen Gestaltung des Unterwasserkraftwerkes werden jegliche Unterwasserarbeiten vermieden. Dies ist ganz wichtig, da solche Arbeiten aufwändig und gefährlich sind und Spezialisten erfordern, eingeschlossen Taucher.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
1 zeigt in schematischer Darstellung im Aufriss ein Unterwasserkraftwerk mit einer Positioniervorrichtung vor dem Verbinden der beiden Pfahlabschnitte.
2 veranschaulicht in vergrößertem Maßstab das obere Ende des unteren Abschnitts eines Pfahles.
3 zeigt in schematischer Darstellung den Verbindungsbereich zwischen dem oberen und dem unteren Abschnitt eines Pfahles mit einer Stützvorrichtung.
4 zeigt einen Teil des unteren Pfahlabschnittes 7.2 in Seitenansicht.
Das in 1 gezeigte Unterwasserkraftwerk umfasst eine Wasserturbine 1 mit einem Rotor 1.1. Der Rotor 1.1 ist angeströmt, beispielsweise durch die Strömung eines Flusses oder durch Meeresströmung. Siehe Pfeil 2. Ein Generator 3 steht mit der Wasserturbine 1 in Triebverbindung, und zwar über eine Welle 4. Zwischen diesen beiden kann auch ein Getriebe geschaltet sein.
Wasserturbine 1 und Generator 3 mit Welle 4 befinden sich in einer Gondel 5. Die Gondel 5 ruht auf einer plattenförmigen Konsole 6.
Das entscheidende Bauteil ist ein Pfahl 7, unterteilt in einen oberen Abschnitt 7.1 und einen unteren Abschnitt 7.2. Diese beiden sind fest miteinander verbunden, wie noch erläutert werden soll.
Der untere Pfahlabschnitt 7.2 ist in eine Bohrung 8 im Gewässergrund 9 eingelassen. Ein Zwischenraum zwischen der Laibung der Bohrung 8 und der Mantelfläche des unteren Pfahlabschnittes 7.2 ist mit einer Betonfüllung 10 ausgefüllt.
Es ist eine Positioniervorrichtung 11 vorgesehen. Diese umfasst einen Führungsring 11.1 sowie eine Anzahl von Streben 11.2. Die Streben sind an den Führungsring angelenkt und mit ihren unteren Enden im Gewässergrund 9 verkrallt. Führungsring 11.1 umschließt den unteren Pfahlabschnitt 7.2 mit einem gewissen Spiel, sodass ein gegenseitiges Verschieben zwischen dem unteren Pfahlabschnitt 7.2 und dem Führungsring 11.1 beim Montieren möglich ist, gleichzeitig aber eine Führung des unteren Pfahlabschnittes 7.2 erzielt wird, sodass der untere Pfahlabschnitt 7.2 nach der Montage vertikal im Meeresgrund 9 steht und durch die Betonfüllung 10 im Gewässergrund 9 fest verankert ist.
In diesem Zustand ist der obere Pfahlabschnitt 7.1 mit der Konsole 6 und der Gondel 5 noch nicht auf den unteren Pfahlabschnitt 7.2 aufgesetzt und verbunden. Die Positioniervorrichtung 11 kann daher nach oben abgehoben werden, und somit über das obere Ende des unteren Pfahlabschnittes 7.2 abgezogen werden.
Nunmehr werden die beiden Pfahlabschnitte 7.1 und 7.2 miteinander vereinigt. Dabei können der obere Pfahlabschnitt 7.1, die Konsole 6 und die Gondel 5 bereits baulich miteinander vereinigt sein. Konsole 6 kann sich bis zum unteren Ende des oberen Pfahlabschnittes 7.1 erstrecken.
Die Verbindung zwischen den beiden Pfahlabschnitten 7.1 und 7.2 soll extrem einfach herstellbar, aber sehr zuverlässig sein. Dies lässt sich auf verschiedene Weise erreichen. Eine Möglichkeit ist in 2 veranschaulicht. Dort sieht man das obere Ende des unteren Pfahlabschnittes 7.2 in einem Längsschnitt.
Der untere Pfahlabschnitt 7.2 weist demgemäß drei Unterabschnitte auf, nämlich die Unterabschnitte 7.2.1, 7.2.2 und 7.2.3. Die drei Unterabschnitte verjüngen sich von oben nach unten. Der obere Unterabschnitt 7.2.1 ist stark trichterförmig, sodass der obere Pfahlabschnitt 7.1 von oben her kommend in diesen leicht einführbar ist. Der nachfolgende Unterabschnitt 7.2.2 verjüngt sich unter einem etwas geringeren Konuswinkel, als der vorausgegangene Unterabschnitt. Stößt die Unterkante des oberen Pfahlabschnittes 7.1 an den Unterabschnitt 7.2.2 an, so findet ein Klemmen zwischen den beiden Pfahlabschnitten 7.1 und 7.2 statt, was mit zunehmendem Einstecken des oberen in den unteren Pfahlabschnitt zu einem zunehmenden Klemmen führt, und damit zu einer zuverlässigen Verspannung.
Es ist auch denkbar, einen Trichter vorzusehen, der die Gestalt aufweist, so wie in 2 gezeigt, und der dem Einfüllen von Beton in den Zwischenraum zwischen der Laibung der Bohrung 8 und der Umfangsfläche des unteren Pfahlabschnittes 7.2 dient. In diesem Falle ist der Durchmesser des Abschnittes 7.2.3 derart bemessen, dass er in den genannten Zwischenraum einfügbar ist. Ein solcher Trichter kann Bestandteil der Positioniervorrichtung 11 sein. Nach dem Einfüllen von Beton wird er – genau wie die Positioniervorrichtung 11 – nach oben vom unteren Pfahlabschnitt 7.2 herausgezogen, damit die beiden Pfahlabschnitte 7.1 und 7.2 miteinander vereinigt werden können.
Weitere Möglichkeiten des schnellen und zuverlässigen Verbindens sind denkbar, beispielsweise in Gestalt eines Schnappverschlusses, bei welchem ein plötzliches Eingreifen des einen Pfahlabschnittes in den anderen erfolgt. Der untere Pfahlabschnitt 7.2 kann in einem spitzen Konus auslaufen. In jedem Falle können die beiden Pfahlabschnitte dadurch miteinander vereinigt werden, dass sich das untere Endes des oberen Pfahlabschnittes 7.1 mit dem oberen Ende des unteren Pfahlabschnittes 7.2 aufgrund der Schwerkraft verkeilt.
Die Schelle 12.1 kann an jeder Stelle eines der beiden Pfahlabschnitte angreifen. Die Behälter 12.3 können ihrerseits durch Pfähle im Gewässerboden verankert sein.
Eine interessante Ausführungsform ergibt aus 3. Hier ist der obere Pfahlabschnitt 7.1 mit einer Dauer-Fixiervorrichtung 12 versehen. Der obere Pfahlabschnitt 7.1 ist von einer Schelle 12.1 fest umschlossen. An der Schelle sind mehrere Stützen 12.2 mit ihren oberen Enden angelenkt. Es lassen sich beispielsweise zwei, drei oder vier solcher Stützen verwenden. In Draufsicht gesehen sind diese strahlenförmig angeordnet.
An den unteren Enden der Stützen 12.2 befinden sich Behälter 12.3. Diese dienen der Aufnahme von Ballast, beispielsweise von Beton, dass in die Behälter 12.3 nach dem Zusammenfügen der beiden Pfahlabschnitte 7.1, 7.2 eingegossen wird. Auch Steine können als Ballast verwendet werden.
Die Stützen 12.2 mit den Behältern 12.3 können vor dem Zusammenstecken oder Zusammenfügen der beiden Pfahlabschnitte 7.1, 7.2 hochgeklappt sein und am oberen Pfahlabschnitt 7.1 anliegen, sodass das Zusammenfügen der beiden Pfahlabschnitte nicht behindert wird. Nach dem Zusammenfügen werden die Stützen 12.2 mit den Behältern 12.3 heruntergeklappt. Es ist auch denkbar, die Stützen 12.2 erst nach dem Zusammenfügen der beiden Pfahlabschnitte zu montieren und erst dann umzuklappen.
Die beiden Pfahlabschnitte 7.1 und 7.2 werden im Allgemeinen als Rohre ausgeführt werden. Es ist jedoch auch denkbar, dass der andere Pfahlabschnitt wenigstens auf einem Teil seiner Länge massiv ist. Auch folgende Lösung ist denkbar: Wird der untere Pfahlabschnitt 7.2 rohrförmig ausgeführt, so kann die Wandung Löcher oder Durchbrüche aufweisen, beispielsweise wie in 4 gezeigt. Dort sieht man eine Perforation – siehe die Löcher 7.3. Damit lässt sich folgendes durchführen: In den unteren Pfahlabschnitt 7.2 wird flüssiger Beton eingeführt. Dieser füllt nicht nur den Innenraum des unteren Pfahlabschnittes 7.2 a, sondern der flüssige Beton tritt auch durch die Löcher 7.3 nach außen hindurch in den Spaltraum zwischen der Mantelfläche des unteren Pfahlabschnittes 7.2 und der Laibung der Bohrung 8, und füllt auch diesen Zwischenraum aus. Der im Innenraum des unteren Pfahlabschnittes 7.2 befindliche Beton dient als Ballast und erhöht somit die Steifigkeit des gesamten Tragwerks.
Zurück zur 1 mit der dort gezeigten Positioniervorrichtung 11. Es ist denkbar, dass man diese Vorrichtung nach dem Gründen des unteren Pfahlabschnittes 7.2 nicht etwa nach oben abzieht, sondern an Ort und Stelle lässt. Dabei sollte Führungsring 11.1 den unteren Pfahlabschnitt fest umschließen; die Streben 11.2 sollten zuverlässig im Gewässergrund 9 verankert werden. Auf diese Weise wird die Positioniervorrichtung 11 zu der in 3 beschriebenen Fixiervorrichtung 12.
Bezugszeichenliste

1: Wasserturbine
1.1: Rotor
2: Strömung
3: Generator
4: Welle
5: Gondel
6: Konsole
7.1: oberer Pfahlabschnitt
7.2: unterer Pfahlabschnitt
7.2.1: Teil des unteren Pfahlabschnittes
7.2.2.: Teil des unteren Pfahlabschnittes
7.2.3: Teil des unteren Pfahlabschnittes
7.3: Löcher
8: Bohrung
9: Gewässergrund
10: Betonfüllung
11: Positioniervorrichtung
11.1: Führungsring
11.2: Streben
12: Fixiervorrichtung
12.1: Schelle
12.2: Stützen
12.3: Behälter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013001212 [0002]

Claims

Unterwasserkraftwerk, umfassend die folgenden Merkmale: 1.1 eine Wasserturbine (1) mit einem Rotor (1.1), der wenigstens ein Blatt aufweist; 1.2 eine mit der Wasserturbine (1) in Triebverbindung stehenden Generator (3); 1.3 eine Gondel (5) zum Aufnehmen wenigstens einer Energieeinheit, jeweils umfassend eine Wasserturbine (1) und einen Generator (3); 1.4 eine Tragkonstruktion, umfassend wenigstens einen Pfahl, der mit seinem unteren Ende in eine Bohrung (8) im Gewässergrund (9) eingelassen und darin eingespannt ist, und der die Gondel (5) trägt; 1.5 der betreffende Pfahl ist in einen unteren und einen oberen Abschnitt (7.2, 7.1) unterteilt; 1.6 die beiden Abschnitte (7.1, 7.2) sind durch eine Schnapp- oder Steck- oder Klemm- oder Schraub- oder Reibschluss- oder Formschluss-Verbindung fest miteinander verbindbar.
Unterwasserkraftwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 2.1 es ist eine Fixiervorrichtung (12) vorgesehen; 2.2 die Fixiervorrichtung umfasst eine Schelle (12.1), die am oberen oder unteren Pfahlabschnitt (7.1, 7.2) fixiert ist; 2.3 es sind eine oder mehrere Stützen (12.2) vorgesehen, die mit ihrem einen Ende an der Schelle (12.1) angelenkt sind, und deren anderes Ende am Gewässergrund (9) angreift.
Unterwasserkraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an die unteren Enden der Stützen (12.2) Behälter (12.3) zum Aufnehmen von Beton oder einem anderen Ballast angeschlossen sind.
Unterwasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem oberen Ende des oberen Abschnittes (7.1) und der Gondel (5) eine diese tragende Konsole (6) angeordnet ist.
Unterwasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Pfahlabschnitt (7.2) als Hülse ausgeführt ist und Perforationen aufweist.
Unterwasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Pfahlabschnitt (7.2) an seinem oberen Ende verzweigt ist, und dass dem oberen Ende einer jeden Verzweigung ein oberer Pfahlabschnitt zugeordnet ist.
Unterwasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Pfahlabschnitt (7.1) an seinem oberen Ende verzweigt ist.
Unterwasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 8.1 es ist eine Positioniervorrichtung (11) vorgesehen; 8.2 die Positioniervorrichtung weist einen Führungsring (11.1) sowie eine Anzahl von Streben (11.2) auf; 8.3 die Streben (11.2) sind an den Führungsring (11.1) angelenkt und mit ihren unteren Enden im Gewässergrund (9) verkrallt.
Unterwasserkraftwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsring (11.1) nach dem Positionieren des unteren Pfahlabschnittes (7.2) mit diesem fest verbindbar ist.