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Die Anmeldung betrifft allgemein die Netzanbindung eines Offshore-Windparks an ein Onshore-Netz. Insbesondere betriff die Anmeldung ein Windenergiesystem und ein Windenergieverfahren für einen Offshore-Windpark. Darüber hinaus betrifft die Anmeldung eine Verwendung eines supraleitenden Transformators zum Transformieren der Spannung eines Generators einer Windenergieanlage eines Offshore-Windparks.
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Das Interesse an der Nutzung von Offshore-Windenergie ist in den letzten Jahren weltweit stark gestiegen. Ein Grund dafür ist, dass die Windgeschwindigkeiten offshore (d. h., der Küste vorgelagert) potentiell höher sind als an Land (onshore), was zu einer deutlich höheren Energieproduktion führt. Eine 10%-ige Zunahme der Windgeschwindigkeit führt, theoretisch, zu einer 30%-igen Zunahme der elektrischen Energieproduktion. Zudem gehen gerade den Ländern in Zentraleuropa, und hier insbesondere Deutschland, geeignete Standorte zum Aufstellen von Windenergieanalagen onshore aus. Darüber hinaus fördern einige Länder xid spielen kann (vgl.
Thomas Ackermann, "Wind Power in Power Windenergiesystems", Wiley, 2012).
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Ein Problem bei der Nutzung der Offshore-Windenergie besteht jedoch darin, dass die Investitionskosten deutlich höher liegen als für Onshore-Installationen. Ein bedeutender Kostenpunkt ist hier die Netzanbindung eines Offshore-Windparks an ein Onshore-Netz. Bei einigen der heute üblichen Offshore-Windparks, wie etwa Nysted oder Horns Rev in Dänemark, wird hierzu zunächst die niedrige Generatorspannung, zum Beispiel, 690 V, in jeder Windenergieanlage des Parks mittels eines Transformators auf eine mittlere Spannung von, zum Beispiel, 33 kV transformiert. Die Ausgänge der einzelnen Transformatoren werden mittels eines Seekabels auf einer separaten Offshore-Transformator-Plattform zusammengeführt und dort auf eine Hochspannung von, zum Beispiel, 132 kV bis 220 kV transformiert, um hiermit die nachfolgende Übertragung der erzeugten elektrischen Energie über eine Wechselstromleitung an das Onshore-Netz durchzuführen. (Alternativ kann, wie etwa in Deutschland, die Übertragung auch über eine Gleichstromleitung erfolgen.) Diese zweite Transformation ist technisch erforderlich, um die hohen elektrischen Leistungen über die zum Teil sehr großen Entfernungen bis zur Küste (bei Horns Rev beispielsweise etwa 15 km, bei Nysted etwa 10 km, und in Deutschland mit Gleichstrom sogar über 100 km) mit nur vergleichsweise geringen Verlusten durchführen zu können.
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Die beschriebene Netzanbindung ist mit hohen Kosten und einem hohen Installationsaufwand verbunden. Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Netzanbindung eines Offshore-Windparks an ein Onshore-Netz vorzusehen, die mit geringeren Kosten und einem geringeren Installationsaufwand realisiert werden kann.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Windenergiesystem für einen Offshore-Windpark vorgesehen, wobei das Windenergiesystem umfasst:
- – eine Windenergieanlage mit einem Generator zum Erzeugen elektrischer Energie aus Wind; und
- – einen supraleitenden Transformator zum Transformieren der Spannung des Generators auf eine Hochspannung zur Bereitstellung der erzeugten elektrischen Energie, vorzugsweise, zur Übertragung der erzeugten elektrischen Energie an ein Onshore-Netz.
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Durch die Verwendung eines supraleitenden Transformators, der die niedrige Generatorspannung, zum Beispiel, 690 V, direkt auf eine Hochspannung zur Bereitstellung der erzeugten elektrischen Energie, vorzugsweise, zur Übertragung der elektrischen Energie an ein Onshore-Netz, transformiert, kann ggf. auf eine separate Offshore-Transformator-Plattform verzichtet werden, was zu einer erheblichen Kostenreduktion führt und den Installationsaufwand verringert. Statt einer mehrfachen Transformation der Generatorspannung, wie sie bei den vorstehend genannten Offshore-Windparks eingesetzt wird, kann die Transformation hier unter Einsatz der Supraleitung ggf. in einem einzigen Schritt erfolgen.
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Die Formulierung „Erzeugen elektrischer Energie aus Wind” ist hier in dem Sinne zu verstehen, dass Energie aus dem Wind in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Es ist bevorzugt, dass die Hochspannung in einem Bereich von 66 kV bis 400 kV, vorzugsweise, von 110 kV bis 400 kV liegt.
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Hierbei sind größere Werte der Hochspannung vorteilhaft, beispielsweise, um eine Übertragung der erzeugten elektrischen Energie an das Onshore-Netz über größere Entfernungen, vorzugsweise, wenigstens 20 km, noch bevorzugter, wenigstens 50 km, am bevorzugtesten, wenigstens 100 km, zu ermöglichen. Aber auch wenn doch eine separate Offshore-Transformator-Plattform vorgesehen ist, zum Beispiel, um die erzeugte elektrische Energie zur Übertragung an das Onshore-Netz über eine sehr große Entfernung auf eine Hochspannung von beispielsweise 400 kV zu transformieren (oder, um die erzeugte elektrische Energie zur Übertragung über eine Gleichstromleitung zu transformieren), sind größere Werte der Hochspannung, auf die die Spannung des Generators der Windenergieanlage mittels des supraleitenden Transformators transformiert wird, von Vorteil, da sie es erlauben, eine größere Anzahl von Windenergiesystemen an eine gemeinsame Übertragungsleitung anzuschließen (siehe unten).
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Supraleitende Transformatoren, die zu dem beschriebenen Zweck in dem Windenergiesystem des Offshore-Windparks verwendet werden können, sind zum Beispiel in André Berger, „Entwicklung strombegrenzter, supraleitender Transformatoren", Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnologie, 2011 beschrieben.
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Es ist bevorzugt, dass der supraleitende Transformator in der Windenergieanlage, insbesondere im Turm oder in der Gondel, angeordnet ist.
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In Supraleitern, wie sie in supraleitenden Transformatoren verwendet werden, fallen aufgrund des im supraleitenden Zustand vernachlässigbaren elektrischen Widerstands praktisch keine oder zumindest nur sehr geringe Stromwärmeverluste an. Daher können sie mit wesentlich höheren Stromdichten betrieben werden als normalleitende Werkstoffe. Durch die Erhöhung der Stromdichte in den Leitern reduziert sich die Leiterquerschnittsfläche und durch die Reduktion der Stromwärmeverluste können die Kühlkanäle zwischen den einzelnen Lagen der Wicklungen reduziert werden. Die gesamte Reduktion des Wicklungsvolumens wirkt sich sowohl auf das Gesamtvolumen des Transformators als auch auf dessen Gewicht aus. Gegenüber konventionellen Transformatoren können supraleitende Transformatoren damit bis zu 50% kompakter und bis zu 50% leichter sein. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die Verwendung von Supraleitern eine sehr kompakte Bauweise supraleitender Transformatoren mit sehr hohen Übersetzungsverhältnissen bei gleichzeitig akzeptablen Streureaktanzen ermöglicht. Damit ist, im Gegensatz zu konventionellen Transformatorausführungen, deren Abmessungen bei der für Offshore-Windenergieanlagen geforderten Leistungsklasse (zum Beispiel, 10 MW), zu groß sind, um den Transformator in die Windenergieanalage zu integrieren, eine Anordnung im Turm oder ggf. auch in der Gondel möglich. Ein Optimierungsverfahren, um den supraleitenden Transformator nach einem der Kriterien Volumen, Gewicht, Verlustleistung oder Materialkosten in gewünschter Weise auszulegen, ist detailliert im Kapitel 4 („Entwurfsgang für supraleitende Transformatoren”) der oben genannten Dissertation von André Berger beschrieben.
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Es ist ferner bevorzugt, dass in dem supraleitenden Transformator flüssiger Stickstoff als Isoliermittel verwendet wird.
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Dies hat den weiteren Vorteil einer reduzierten Wärmelast. Außerdem ist der supraleitende Transformator bei der Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel nicht brennbar und stellt kein Risiko für das Gewässer dar, d. h., der supraleitende Transformator weist eine verbesserte Umweltverträglichkeit auf.
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Es ist bevorzugt, dass der supraleitende Transformator eine Transformatorwicklung umfasst, die an ihrer Oberseite einen Normalleiter, vorzugsweise, einen Kupferleiter, und an ihrer Unterseite einen Supraleiter aufweist.
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Der Vorteil einer solchen „hybriden” Transformatorwicklung liegt insbesondere in den geringeren Herstellungskosten, da ein Normalleiter, vorzugsweise, ein Kupferleiter, kostengünstiger ist als ein Supraleiter.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Offshore-Windpark, umfassend eine Mehrzahl von Windenergiesystemen nach Anspruch 1, vorgesehen.
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In einer Ausführungsform ist die Mehrzahl von Windenergiesystemen an eine gemeinsame Übertragungsleitung zur Übertragung der elektrischen Energie an ein Onshore-Netz angeschlossen.
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Bei einem solchen Offshore-Windpark kann, wie oben beschrieben, auf eine separate Offshore-Transformator-Plattform verzichtet werden, da statt einer mehrfachen Transformation der Generatorspannung die Transformation hier unter Einsatz der Supraleitung in einem einzigen Schritt erfolgt.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Mehrzahl von Windenergiesystemen an eine gemeinsame Übertragungsleitung zur Übertragung der elektrischen Energie an eine separate Offshore-Transformator-Plattform angeschlossen.
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Sowohl in der ersten als auch in der zweiten Ausführungsform ist es bevorzugt, dass die Anzahl der Mehrzahl von Windenergiesystemen wenigstens 10, vorzugsweise, wenigstens 20, noch bevorzugter, wenigstens 30 beträgt.
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Die höchstmögliche Anzahl der Mehrzahl von Windenergiesystemen, die an die gemeinsame Übertragungsleitung angeschlossen werden können, hängt zum einen von der oder den Leistung(en) der Windenergieanlagen und zum anderen von dem Wert der Hochspannung ab.
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Gegenüber den heute üblichen Offshore-Windparks, bei denen die niedrige Generatorspannung in jeder Windenergieanlage des Parks mittels eines herkömmlichen Transformators auf eine mittlere Spannung von, zum Beispiel, 33 kV transformiert wird, und bei denen in der Regel nur wenige, beispielsweise, 4 bis 5, leistungsstarke Windenergieanlagen an eine gemeinsame Übertragungsleitung zur Übertragung der elektrischen Energie an eine Offshore-Transformator-Plattform angeschlossen sind, können durch die Verwendung supraleitender Transformatoren zum Transformieren der Spannungen der Generatoren auf eine Hochspannung eine größere Anzahl von Windenergiesystemen mit leistungsstarken Windenergieanlagen (zum Beispiel, 10 MW) an eine gemeinsame Übertragungsleitung angeschlossen werden.
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Es ist bevorzugt, dass in jedem Windenergiesystem die Leistung der Windenergieanlage größer oder gleich 10 MW ist.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Windenergieverfahren für einen Offshore-Windpark vorgesehen, wobei das Windenergieverfahren umfasst:
- – Erzeugen elektrischer Energie aus Wind mittels eines Generators einer Windenergieanlage des Offshore-Windparks; und
- – Transformieren der Spannung des Generators auf eine Hochspannung zur Bereitstellung der erzeugten elektrischen Energie, vorzugsweise, zur Übertragung der erzeugten elektrischen Energie an ein Onshore-Netz, mittels eines supraleitenden Transformators.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung eines supraleitenden Transformators zum Transformieren der Spannung eines Generators, zum Erzeugen elektrischer Energie aus Wind, einer Windenergieanlage eines Offshore-Windparks auf eine Hochspannung zur Bereitstellung der erzeugten elektrischen Energie, vorzugsweise, zur Übertragung der erzeugten elektrischen Energie an ein Onshore-Netz vorgesehen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung auch jede Kombination der abhängigen Ansprüche mit dem entsprechenden unabhängigen Anspruch sein kann.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren beschrieben, wobei
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1 schematisch und exemplarisch eine Netzanbindung eines Offshore-Windparks an ein Onshore-Netz, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, zeigt,
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2 schematisch und exemplarisch eine erste Ausführungsform einer Netzanbindung eines Offshore-Windparks an ein Onshore-Netz gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, und
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3 schematisch und exemplarisch eine zweite Ausführungsform einer Netzanbindung eines Offshore-Windparks an ein Onshore-Netz der vorliegenden Erfindung zeigt, und
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4 schematisch ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Windenergieverfahrens für einen Offshore-Windpark gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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In der Beschreibung und in den Figuren werden zur Vermeidung von Wiederholungen gleiche oder sich entsprechende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, sofern keine weitere Differenzierung erforderlich oder sinnvoll ist.
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1 zeigt schematisch und exemplarisch eine Netzanbindung eines Offshore-Windparks 10 an ein Onshore-Netz 1, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. In der Figur dargestellt ist nur eine einzige Windenergieanlage 11 des Offshore-Windparks 10 – in der Realität weist ein solcher Park häufig eine Vielzahl von Windenergieanlagen auf (bei Horns Rev sind beispielsweise 80 Anlagen im Einsatz, bei Nysted 72). Die Windenergieanlage 11 umfasst einen Generator 12 zum Erzeugen elektrischer Energie aus Wind. In diesem Beispiel ist in der Windenergieanlage 11, zum Beispiel, im Turm 13 oder in der Gondel 14, ein konventioneller Transformator (in der Figur nicht gezeigt) angeordnet, mittels dessen die niedrige Spannung des Generators 12, zum Beispiel, 690 V, auf eine mittlere Spannung von, hier, 33 kV transformiert wird. Die Ausgänge einer Mehrzahl der Vielzahl von Transformatoren werden mittels eines Seekabels 15 auf einer separaten Offshore-Transformator-Plattform 16 zusammengeführt und dort auf eine Hochspannung von, hier, 155 kV transformiert, um hiermit die nachfolgende Übertragung der erzeugten elektrischen Energie – hier, über ein Seekabel 17 – an das Onshore-Netz 1 durchzuführen. Diese zweite Transformation ist technisch erforderlich, um die hohen elektrischen Leistungen über die zum Teil sehr großen Entfernungen bis zur Küste (bei Horns Rev beispielsweise etwa 15 km und bei Nysted etwa 10 km) mit nur vergleichsweise geringen Verlusten durchführen zu können. Onshore kann dann ggf. eine weitere Transformation der übertragenen elektrischen Energie stattfinden, zum Beispiel, auf eine Hochspannung von 400 kV.
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2 zeigt schematisch und exemplarisch eine erste Ausführungsform einer Netzanbindung eines Offshore-Windparks 20 an ein Onshore-Netz 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. In der Figur dargestellt sind fünf Windenergieanlagen 21 des Offshore-Windparks 20 (wobei hier nur eine mit Bezugszeichen versehen ist) – in der Realität kann ein solcher Park eine Vielzahl von Windenergieanlagen aufweisen. Die Windenergieanlage 21 umfasst einen Generator 22 zum Erzeugen elektrischer Energie aus Wind. Des Weiteren ist in der Windenergieanlage 21, hier, im Turm 23, ein supraleitender Transformator 28 angeordnet, mittels dessen die niedrige Spannung des Generators 22, zum Beispiel, 690 V, auf eine Hochspannung, hier, 220 kV, zur Übertragung der erzeugten elektrischen Energie an das Onshore-Netz 1 transformiert wird.
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In dieser Ausführungsform umfasst der supraleitende Transformator 28 eine Transformatorwicklung (in der Figur nicht gezeigt), die an ihrer Oberseite einen Normalleiter, hier, einen Kupferleiter, und an ihrer Unterseite einen Supraleiter aufweist. Als Isoliermittel wird flüssiger Stickstoff in dem supraleitenden Transformator 28 verwendet.
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Die Windenergieanlage 21 und der supraleitende Transformator 28 werden hier auch als „Windenergiesystem” bezeichnet. In dem gezeigten Beispiel erfolgt die Übertragung der elektrischen Energie an das Onshore-Netz 1 über eine gemeinsame Übertragungsleitung 27 – hier, ein Seekabel – an die eine Mehrzahl von Windenergiesystemen angeschlossen ist. Wie oben beschrieben, hängt die höchstmögliche Anzahl der Mehrzahl von Windenergiesystemen, die an die gemeinsame Übertragungsleitung 27 angeschlossen werden können, zum einen von der oder den Leistung(en) der Windenergieanlagen 21 und zum anderen von dem Wert der Hochspannung ab. Bei dem in dieser Ausführungsform gewählten Wert der Hochspannung von 220 kV könnten beispielsweise bis zu 40 Windenergiesysteme mit Windenergieanlagen mit einer Leistung von jeweils 10 MW an die gemeinsame Übertragungsleitung 27 angeschlossen werden.
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Durch die Verwendung des supraleitenden Transformators 28, der die niedrige Generatorspannung direkt auf eine Hochspannung zur Übertragung der erzeugten elektrischen Energie an das Onshore-Netz 1 transformiert, kann auf die separate Offshore-Transformator-Plattform 16, wie sie in der 1 gezeigt ist, verzichtet werden, was zu einer erheblichen Kostenreduktion führt und den Installationsaufwand verringert. Statt einer mehrfachen Transformation der Generatorspannung, wie sie bei dem Offshore-Windpark 10 eingesetzt wird, kann die Transformation hier unter Einsatz der Supraleitung in einem einzigen Schritt erfolgen.
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3 zeigt schematisch und exemplarisch eine zweite Ausführungsform einer Netzanbindung eines Offshore-Windparks 30 an ein Onshore-Netz 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. In der Figur dargestellt sind fünf Windenergieanlagen 31 des Offshore-Windparks 30 (wobei hier nur eine mit Bezugszeichen versehen ist) – in der Realität kann ein solcher Park eine Vielzahl von Windenergieanlagen aufweisen. Die Windenergieanlage 31 umfasst einen Generator 32 zum Erzeugen elektrischer Energie aus Wind. Des Weiteren ist in der Windenergieanlage 31, hier, im Turm 33, ein supraleitender Transformator 38 angeordnet, mittels dessen die niedrige Spannung des Generators 32, zum Beispiel, 690 V, auf eine Hochspannung, hier, 220 kV, zur Bereitstellung der erzeugten elektrischen Energie transformiert wird. Der Offshore-Windpark 30 unterscheidet sich von dem in der 2 gezeigten Offshore-Windpark 20 lediglich dadurch, dass hier doch eine separate Offshore-Transformator-Plattform 36 vorgesehen ist, auf der die erzeugte elektrische Energie zur Übertragung an das Onshore-Netz 1 – hier, über ein Seekabel 37 – über eine sehr große Entfernung auf eine Hochspannung von, hier, 400 kV transformiert wird.
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In dieser Ausführungsform umfasst der supraleitende Transformator 38 eine Transformatorwicklung (in der Figur nicht gezeigt), die an ihrer Oberseite einen Normalleiter, hier, einen Kupferleiter, und an ihrer Unterseite einen Supraleiter aufweist. Als Isoliermittel wird flüssiger Stickstoff in dem supraleitenden Transformator 38 verwendet.
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Die Windenergieanlage 31 und der supraleitende Transformator 38 werden hier auch als „Windenergiesystem” bezeichnet. In dem gezeigten Beispiel erfolgt die Übertragung der elektrischen Energie an die separate Offshore-Transformator-Plattform 36 über eine gemeinsame Übertragungsleitung 35 – hier, ein Seekabel – an die eine Mehrzahl von Windenergiesystemen angeschlossen ist. Wie oben beschrieben, hängt die höchstmögliche Anzahl der Mehrzahl von Windenergiesystemen, die an die gemeinsame Übertragungsleitung 35 angeschlossen werden können, zum einen von der oder den Leistung(en) der Windenergieanlagen 31 und zum anderen von dem Wert der Hochspannung ab. Bei dem in dieser Ausführungsform gewählten Wert der Hochspannung von 220 kV könnten beispielsweise bis zu 40 Windenergiesysteme mit Windenergieanlagen mit einer Leistung von jeweils 10 MW an die gemeinsame Übertragungsleitung 35 angeschlossen werden.
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4 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Windenergieverfahrens für einen Offshore-Windpark gemäß der vorliegenden Erfindung. In Schritt S1 wird elektrische Energie aus Wind mittels eines Generators einer Windenergieanlage des Offshore-Windparks erzeugt. In Schritt S2 wird die Spannung des Generators mittels eines supraleitenden Transformators auf eine Hochspannung zur Bereitstellung der erzeugten elektrischen Energie, vorzugsweise, zur Übertragung der erzeugten elektrischen Energie an ein Onshore-Netz transformiert.
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Während in den in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen der supraleitende Transformator 28, 38 im Turm 23, 33 der Windenergieanlage 21, 31 angeordnet ist, kann in anderen Ausführungsformen der supraleitende Transformator 28, 38 auch woanders, beispielsweise in der Gondel 24, 34 der Windenergieanlage 21, 31 oder in einem an/bei der Windenergieanlage 21, 31 angeordneten Transformatorhaus (in den Figuren nicht gezeigt) angeordnet sein.
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Obwohl in den in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen der supraleitende Transformator 28, 38 eine Transformatorwicklung (in den Figuren nicht gezeigt) umfasst, die an ihrer Oberseite einen Normalleiter, hier, einen Kupferleiter, und an ihrer Unterseite einen Supraleiter aufweist, kann in anderen Ausführungsformen die Transformatorwicklung auch anders ausgestaltet sein, beispielsweise, auch an ihrer Oberseite einen Supraleiter aufweisen.
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Während in den in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen flüssiger Stickstoff als Isoliermittel in dem supraleitenden Transformator 28 verwendet wird, kann in anderen Ausführungsformen auch ein anderes geeignetes Isoliermittel verwendet werden.
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In den Ansprüchen schließen die Wörter „aufweisen” und „umfassen” nicht andere Elemente oder Schritte aus und der unbestimmte Artikel „ein” schließt eine Mehrzahl nicht aus.
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Die Tatsache, dass einzelne Funktionen und/oder Elemente in unterschiedlichen abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind, bedeutet nicht, dass nicht auch eine Kombination dieser Funktionen und/oder Elemente vorteilhaft verwendet werden könnte.
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Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht derart zu verstehen, dass der Gegenstand und der Schutzbereich der Ansprüche durch diese Bezugszeichen eingeschränkt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Thomas Ackermann, ”Wind Power in Power Windenergiesystems”, Wiley, 2012 [0002]
- André Berger, „Entwicklung strombegrenzter, supraleitender Transformatoren”, Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnologie, 2011 [0010]
