DE102018210620A1 - Floating bodies for carrying an energetic system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwimmkörper mit einer Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Komponente (510) eines schwimmenden Hochseewindparks.Der Schwimmkörper umfasst eine Wandung (201). Von einem Teil der Wandung ist eine Auftriebszone (210) des Schwimmkörpers und von einem anderen Teil der Wandung (201) ist eine Stabilisierungszone (220) des Schwimmkörpers umfasst. Der eine Teil ist zur zumindest teilweisen Anordnung unter einer Wasseroberfläche (50) und der andere Teil zur vollständigen Anordnung unter der Wasseroberfläche (50) vorgesehen. Die Kühlvorrichtung umfasst zumindest einen geschlossenen Hauptkühlkreislauf (410). Der Hauptkühlkreislauf (410) ist vorgerichtet, zumindest über den einen Teil der Wandung (201) gekühlt zu werden.The present invention relates to a floating body with a cooling device for cooling a component (510) of a floating ocean wind park. The floating body comprises a wall (201). A part of the wall comprises a buoyancy zone (210) of the floating body and another part of the wall (201) comprises a stabilization zone (220) of the floating body. One part is intended for at least partial arrangement under a water surface (50) and the other part for complete arrangement under the water surface (50). The cooling device comprises at least one closed main cooling circuit (410). The main cooling circuit (410) is arranged to be cooled at least over one part of the wall (201).
Description
Die Erfindung betrifft einen Schwimmkörper zum Tragen mindestens einer Komponente einer energetischen Anlage wie beispielsweise einer Vorrichtung zur Netzanbindung eines schwimmenden, auch als Floating-Offshore-Windparks bezeichneten Hochseewindparks.The invention relates to a floating body for carrying at least one component of an energy system, such as, for example, a device for connecting a floating ocean wind farm, also known as a floating offshore wind farm.
Eine energetische Anlage ist beispielsweise ein Kraftwerk, ein Umspannwerk, eine Konverter- oder Umrichertstation, oder ein zugehöriges elektrisches Bauteil, eine Windkraftanlage oder dergleichen.An energy system is, for example, a power plant, a substation, a converter or converter station, or an associated electrical component, a wind turbine or the like.
Zur Kühlung solcher Komponenten, beispielsweise eines Transformators, kann ein Kühlkreislauf verwendet werden. Im Kühlkreislauf kann beispielsweise ein Isolierfluid, wie z.B. ein mineralisches Öl oder eine Esterflüssigkeit, zirkulieren.A cooling circuit can be used to cool such components, for example a transformer. An insulating fluid, e.g. a mineral oil or an ester liquid.
Zirkulation des Isolierfluids kann beispielsweise durch natürliche Konvektion infolge von auf das Isolierfluid von der Komponente übertragener Wärme bewirkt werden. Die Abführung dieser Wärme aus dem Kühlkreislauf an Umgebungsluft kann durch passive oder aktiv getriebene Konvektion und Wärmestrahlung erfolgen. Solche Kühlkreisläufe werden auch als ONAN-Kühlvorrichtungen, kurz für Englisch: oil natural air natural, beziehungsweise, im Falle aktiv getriebener Kühlung, als ONAF-Kühlvorrichtungen, kurz für Englisch: oil natural air forced, bezeichnet.Circulation of the insulating fluid can be effected, for example, by natural convection as a result of heat transferred from the component to the insulating fluid. This heat can be removed from the cooling circuit to ambient air by passive or actively driven convection and heat radiation. Such cooling circuits are also referred to as ONAN cooling devices, short for English: oil natural air natural, or, in the case of actively driven cooling, as ONAF cooling devices, short for English: oil natural air forced.
ONAN-Kühlvorrichtungen haben eine erhebliche Masse und erfordern einen hohen Raumbedarf. Bei ONAF-Kühlvorrichtungen ist die aktiv getriebene Kühlung anfällig für Korrosion und/oder Defekte.ONAN cooling devices have a considerable mass and require a large amount of space. With ONAF cooling devices, the actively driven cooling is susceptible to corrosion and / or defects.
Seeseitige Konverterstation einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsstrecke, HGÜ, weisen auf Grund der notwendigen Ventilkühlung hohe abzuführende Wärmeverluste auf. Daher kommt in solchen Konverterstation beispielsweise ein Zweikreis-Kühlsystemen mit Süßwasser in einem geschlossenen Zwischenkreislauf und Salzwasser aus dem Meer in einem offenen Hauptkreislauf zum Einsatz.The sea side converter station of a high-voltage direct current transmission link, HVDC, has high heat losses to be dissipated due to the necessary valve cooling. For this reason, a converter circuit with fresh water in a closed intermediate circuit and salt water from the sea in an open main circuit is used, for example, in such a converter station.
Durch Fouling (Algen Muscheln und Polypen) kommt zu einer Verunreinigung der wärmeübertragenden Flächen im Hauptkreislauf des Wärmeüberträges zwischen Zwischen- und Hauptkreislauf und damit zu einer Verschlechterung der Wärmeübergangskoeffizienten.Fouling (algae mussels and polyps) leads to contamination of the heat-transferring surfaces in the main circuit of the heat transfer between the intermediate and main circuits and thus to a deterioration in the heat transfer coefficients.
In Seewasser nutzenden Kühlvorrichtungen wird daher zumeist eine Vorfiltration des Kühlwassers genutzt, die dafür erforderlichen Anlagen haben ebenfalls einen Wartungsbedarf.In cooling devices using seawater, a prefiltration of the cooling water is therefore mostly used, the systems required for this also require maintenance.
Aus
Die vorbekannten Schutzverfahren verhindern jedoch auch nicht die Korrosion des Hauptkreislaufs durch das Seewasser und den daraus resultierenden Wartungsbedarf insbesondere für die Kühler, Filter und Pumpen.However, the known protection methods do not prevent the main circuit from being corroded by the sea water and the resulting need for maintenance, in particular for the coolers, filters and pumps.
Zur Nutzung der Windenergie auf See in größeren Wassertiefen, die keine Fundamentierung der für die Netzanbindung notwendigen energetischen Anlage erlauben, können Schwimmkörper in der Form selbstschwimmender Plattformen zum Tragen der energetischen Anlage verwendet werden. Die Schwimmkörper sind dabei am Aufstellungsort am Meeresboden verankert.Floating bodies in the form of self-floating platforms can be used to support the energetic system in order to use the wind energy at sea in greater water depths, which do not allow the foundation of the energy system required for the grid connection. The floats are anchored to the installation site on the sea floor.
Der Schwimmkörper umfasst dabei üblicherweise eine Stabilisierungszone zur Lagestabilisierung des Schwimmkörpers und eine Auftriebszone, die die Schwimmfähigkeit bewirkt.The floating body usually comprises a stabilization zone for stabilizing the position of the floating body and a buoyancy zone which brings about the ability to float.
Der Schwimmkörper wird zumeist als eine Hohlstruktur aus Stahlrohren gebildet, die ein Fundamentvolumen bilden, welches sich zu einem großen Teil unter der Wasseroberfläche befindet.The floating body is mostly formed as a hollow structure made of steel pipes, which form a foundation volume, which is to a large extent below the water surface.
Die vorliegende Erfindung widmet sich der Aufgabe, den Aufbau von Komponenten zur Netzanbindung eines Hochseewindparks zu vereinfachen, den Wartungsbedarf dieser Komponenten, insbesondere ihrer Kühlanlage zu senken, Platzbedarf und Masse der Kühlanlage zu verringern sowie einen vereinfachten Schwimmkörper für oben genannte Anwendungen zur Verfügung zu stellen.The present invention is dedicated to the task of simplifying the construction of components for connecting a deep-sea wind farm, reducing the maintenance requirements of these components, in particular their cooling system, reducing the space and mass of the cooling system and providing a simplified floating body for the above-mentioned applications.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Gegenstände gelöst.This object is achieved by the subjects described in the independent claims.
Erfindungsgemäß wird ein Schwimmkörper mit Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Komponente einer Vorrichtung zur Netzanbindung eines schwimmenden Hochseewindparks zur Verfügung gestellt.According to the invention, a floating body with a cooling device for cooling a component of a device for connecting a floating ocean wind park is provided.
Der Schwimmkörper umfasst eine Wandung, wobei von einem Teil der Wandung eine Auftriebszone des Schwimmkörpers und von einem anderen Teil der Wandung eine Stabilisierungszone des Schwimmkörpers umfasst ist. Der eine Teil ist zur zumindest teilweisen Anordnung unter einer Wasseroberfläche vorgesehen. Der andere Teil ist zur vollständigen Anordnung unter der Wasseroberfläche vorgesehen. Die Kühlvorrichtung umfasst zumindest einen geschlossenen Hauptkühlkreislauf, wobei der geschlossene Hauptkühlkreislauf vorgerichtet ist, zumindest über den einen Teil der Wandung gekühlt zu werden.The floating body comprises a wall, a buoyancy zone of the floating body being encompassed by part of the wall and a stabilization zone of the floating body by another part of the wall. One part is intended for at least partial arrangement under a water surface. The other part is intended for complete placement under the water surface. The cooling device comprises at least a closed main cooling circuit, the closed main cooling circuit being arranged to be cooled at least over one part of the wall.
Durch die Kühlung über den im Wasser befindlichen Teil der Wandung, die die Auftriebszone des Schwimmkörpers umfasst, ist eine substanzielle Wärmeabfuhr möglich. Der Hauptkühlkreislauf kann insbesondere passiv ausgebildet werden, so dass Wartungsbedarf an Pumpen entfällt.Substantial heat dissipation is possible by cooling over the part of the wall in the water which comprises the buoyancy zone of the floating body. The main cooling circuit can in particular be designed to be passive, so that there is no need for maintenance on pumps.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wandung zylinderförmig und die Auftriebszone des Schwimmkörpers von einer weiteren zylindrischen, zur Wandung koaxial angeordneten Wandung mit einem geringeren Durchmesser als die Wandung umschlossen. Der Hauptkühlkreislauf ist so zumindest teilweise von der Wandung und der weiteren Wandung umfasst.In a preferred embodiment, the wall is cylindrical and the buoyancy zone of the floating body is surrounded by a further cylindrical wall which is arranged coaxially with the wall and has a smaller diameter than the wall. The main cooling circuit is thus at least partially encompassed by the wall and the further wall.
So kann eine besonders effiziente Kühlung einfach integriert werden.In this way, particularly efficient cooling can be easily integrated.
Die Stabilisierungszone des Schwimmkörpers kann von noch einer weiteren zylindrischen, zur Wandung koaxial angeordneten Wandung mit einem geringeren Durchmesser als die Wandung umschlossen sein, sodass der Hauptkühlkreislauf zumindest teilweise von der Wandung und der noch eine weitere Wandung umfasst ist. Dies verbessert die Kühlung weiter.The stabilization zone of the floating body can be enclosed by yet another cylindrical wall, which is arranged coaxially to the wall and has a smaller diameter than the wall, so that the main cooling circuit is at least partially encompassed by the wall and which also includes another wall. This further improves cooling.
In einer vorteilhaften Ausführung wird die zweite Wandung der Kühlvorrichtung durch ein auf die Wandung der Hohlstruktur aufgeschweißtes Profil, zum Beispiel ein U-Profil aus Stahl, dargestellt. Dieses kann sowohl vertikal, als auch ringförmig an der Wandung angeordnet werden.In an advantageous embodiment, the second wall of the cooling device is represented by a profile welded onto the wall of the hollow structure, for example a U-profile made of steel. This can be arranged both vertically and in a ring on the wall.
In besonders bevorzugten Ausgestaltungen umfasst die Stabilisierungszone bzw. Ballastzone des Schwimmkörpers eine oder mehrere Komponenten zur Netzanbindung. Dann entfällt die Notwendigkeit für einen Ballastkörper bzw. der notwendige Ballast kann erheblich reduziert werden.In particularly preferred configurations, the stabilization zone or ballast zone of the floating body comprises one or more components for network connection. Then there is no need for a ballast body or the necessary ballast can be significantly reduced.
In einer bevorzugten Ausführung sind Komponenten und / oder Ballastkörper umso tiefer im Schwimmkörper angeordnet, je größer ihre Masse bzw. ihre Dichte ist. Dadurch wird erreicht, dass der Massenschwerpunkt des Schwimmkörpers und damit auch der Massenschwerpunkt der gesamten schwimmenden Anordnung möglichst tief im Schwimmkörper liegt. Dadurch wird ein großes rückstellendes Moment entgegen einem, durch Winddruck und Seegang auf die schwimmende Anordnung wirkenden krängenden Moment erreicht. Somit werden sowieso erforderliche Komponenten der Netzanbindung eines Windparks als Ballastkörper genutzt. Weiterhin benötigen die derart untergebrachten Komponenten dann keine eigenen Gründungsstrukturen.In a preferred embodiment, components and / or ballast bodies are arranged deeper in the floating body, the greater their mass or their density. This ensures that the center of gravity of the floating body and thus also the center of mass of the entire floating arrangement is as deep as possible in the floating body. This achieves a large restoring moment against a heeling moment that acts on the floating arrangement due to wind pressure and sea conditions. Components of a wind farm's grid connection that are required anyway are used as ballast bodies. Furthermore, the components housed in this way then do not require their own foundation structures.
Der Hauptkühlkreislauf kann eine Pumpe umfassen.The main cooling circuit can include a pump.
Der Hauptkühlkreislauf kann über einen Wärmetauscher mit einem Zwischenkühlkreislauf verbunden sein, wobei der Zwischenkühlkreislauf eine weitere Pumpe umfassen und zur Kühlung der Komponente eingerichtet sein kann. Dies verbessert die Kühlung weiter.The main cooling circuit can be connected to an intermediate cooling circuit via a heat exchanger, wherein the intermediate cooling circuit can comprise a further pump and can be set up to cool the component. This further improves cooling.
Der Hauptkühlkreislauf kann passiv sein und kann vorgerichtet sein, um über einen im Wasser über der Komponente angeordneten Abschnitt der Wandung gekühlt zu werden. Dann ist der Hauptkühlkreislauf besonders wartungsarm.The main cooling circuit can be passive and can be arranged to be cooled via a section of the wall arranged in the water above the component. Then the main cooling circuit is particularly low-maintenance.
Bevorzugt wird der als äußere Kühlvorrichtung dienende Abschnitt der Wandung gegenüber der wärmeerzeugenden Komponente erhöht angeordnet. Dabei wird ein Abstand von der Mitte der Kühlvorrichtung zur thermischen Mitte der wärmeerzeugenden Komponente bevorzugt, welcher mindestens der halben Höhe des Innenraumes der wärmeerzeugenden Komponente entspricht. Der natürliche Antrieb der Kühlflüssigkeit wird durch die unterschiedliche Dichte der Kühlflüssigkeit in der wärmeerzeugenden Komponente und der Kühlanlage hervorgerufen.The section of the wall serving as the external cooling device is preferably arranged elevated in relation to the heat-generating component. A distance from the center of the cooling device to the thermal center of the heat-generating component is preferred, which corresponds to at least half the height of the interior of the heat-generating component. The natural drive of the coolant is caused by the different density of the coolant in the heat-generating component and the cooling system.
Ein Höhersetzen der Kaltölsäule in der Kühlvorrichtung bewirkt einen Anstieg der die Strömung Kühlmittels antreibenden Druckdifferenz. Damit wird ein hoher Eigenantrieb erreicht und in diesem Kühlkreislauf kann auf Pumpen verzichtet werden.Increasing the cold oil column in the cooling device causes an increase in the pressure difference driving the flow of coolant. A high level of self-propulsion is achieved and pumps are not required in this cooling circuit.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Hohlstrukturelement, welches in der Ballastzone des Schwimmkörpers angeordnet ist, wenigstens teilweise mit Kühlmittel des Hauptkühlkreislaufs befüllt ist, welches in den Hauptkühlkreislauf eingebunden ist. Dieser Kühlmittelspeicher stellt einen vereinfachten Wärmespeicher dar und trägt gleichzeitig als Ballastmasse zur Stabilisierung des Schwimmkörpers bei.A further embodiment of the invention provides that at least one hollow structure element, which is arranged in the ballast zone of the floating body, is at least partially filled with coolant from the main cooling circuit, which is integrated in the main cooling circuit. This coolant reservoir represents a simplified heat store and at the same time contributes as a ballast mass to stabilize the floating body.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht wenigstens einen in einem Hohlstrukturelement angeordneten Kühlmittelspeicher vor, der einen Wärmespeicher, insbesondere einen Wärmespeicher mit einer Wärmespeicherflüssigkeit zur Aufnahme von Wärme aus dem Kühlmittel, umfasst. Der hier genannte Wärmespeicher ist im eigentlichen Sinne ein Kältespeicher für die Zeiten in denen die Kühlanlage volle Leistung erbringen muss, zum Beispiel bei maximaler Leistung eines Offshore-Windparks bei Vollwind.A further embodiment of the invention provides at least one coolant reservoir arranged in a hollow structural element, which comprises a heat reservoir, in particular a heat reservoir with a heat storage fluid for absorbing heat from the coolant. The heat accumulator mentioned here is actually a cold accumulator for the times in which the cooling system has to perform at full capacity, for example at maximum output of an offshore wind farm in full wind.
Ein Wärmespeicher in einem Kühlmittelspeicher ermöglicht die Kühlung des Kühlmittels in dem Kühlmittelspeicher. Die Anordnung von Kühlmittelspeichern mit Wärmespeichern in Hohlstrukturelementen des Schwimmkörpers nutzt vorteilhaft die in den Hohlstrukturelementen vorhandenen Volumina zur platzsparenden und nahezu kostenfreien Unterbringung der Wärmespeicher. A heat store in a coolant store enables cooling of the coolant in the coolant store. The arrangement of coolant stores with heat stores in hollow structural elements of the floating body advantageously uses the volumes present in the hollow structural elements for space-saving and almost free accommodation of the heat stores.
Bevorzugt werden vorhandene Ballastkörper derart gestaltet und angeordnet, dass sie von der Kühlflüssigkeit durchströmt werden und damit als Wärmespeicher genutzt werden können. Dies ist zum Beispiel durch Kanäle für die Kühlflüssigkeit innerhalb der Ballastkörper möglich.Existing ballast bodies are preferably designed and arranged in such a way that the cooling liquid flows through them and can thus be used as a heat store. This is possible, for example, through channels for the coolant within the ballast body.
Eine Weiterentwicklung dieser Ausgestaltung sieht wenigstens eine innerhalb eines Wärmespeichers angeordnete Strömungsleitvorrichtung für eine Wärmespeicherflüssigkeit des Wärmespeichers vor. Beispielsweise eignen sich dafür Strömungsleitvorrichtungen mit verschachtelt angeordneten dünnwandigen Zylindern zur Strömungsleitung.A further development of this embodiment provides at least one flow guide device for a heat storage fluid of the heat storage device, which is arranged within a heat storage device. For example, flow guiding devices with nested thin-walled cylinders are suitable for flow guiding.
Durch eine Strömungsleitvorrichtung kann vorteilhaft ein so genanntes Abstehen von Wärmespeicherflüssigkeit in dem Wärmespeicher vermieden werden.A so-called protrusion of heat storage fluid in the heat storage device can advantageously be avoided by a flow guiding device.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht alternativ oder ergänzend zu Wärmespeichern mit Wärmespeicherflüssigkeit wenigstens einen in einem Hohlstrukturelement angeordneten Kühlmittelspeicher, der einen Latentwärmespeicher umfasst, vor. Mit Latentwärmespeichern lassen sich die Wärmekapazitäten und damit die Kühlleistungen von Wärmespeichern vorteilhaft erhöhen.Another embodiment of the invention provides, alternatively or in addition to heat stores with heat storage liquid, at least one coolant store arranged in a hollow structure element and comprising a latent heat store. With latent heat stores, the heat capacities and thus the cooling capacities of heat stores can be advantageously increased.
Vorzugsweise werden Phasenwechselmaterialien zur Wärme-/ Kältespeicherung genutzt. Bevorzugt lassen sich Paraffine und Paraffingemische von ihrem Enthalpie-Temperatur-Verlauf leicht auf den Temperaturbereich einer Offshore Kühlanlage abstimmen.Phase change materials are preferably used for heat / cold storage. Preferably, the enthalpy-temperature profile of paraffins and paraffin mixtures can easily be matched to the temperature range of an offshore cooling system.
Bevorzugt wird der als Kühlmittelspeicher und/oder Wärmespeicher vorgesehene Bereich der Kühlanlage in der Ballast- bzw. Stabilisierungszone des Schwimmkörpers angeordnet. Dadurch ist die Masse des Wärmespeichers und die sich dort befindliche Kühlflüssigkeit als Ballast zur Stabilisierung des Schwimmkörpers nutzbar.The area of the cooling system provided as a coolant store and / or heat store is preferably arranged in the ballast or stabilization zone of the floating body. As a result, the mass of the heat accumulator and the cooling liquid located there can be used as ballast for stabilizing the floating body.
Vorzugsweise ist der Hauptkühlkreislauf gegenüber der Umgebung der Umspannplattform hermetisch abgeschlossen. Dadurch wird das Eindringen von korrosivem Wasser und aggressiver Meeresluft aus der Umgebung der Umspannplattform in den Hauptkreislauf verhindert. Dies reduziert vorteilhaft die Korrosionsbelastung der Komponenten des Kühlkreislaufs, insbesondere der Pumpen, verringert dadurch auch den Wartungsaufwand für diese Komponenten und erhöht deren Betriebssicherheit.The main cooling circuit is preferably hermetically sealed from the surroundings of the transformer platform. This prevents the penetration of corrosive water and aggressive sea air from the area around the substation into the main circuit. This advantageously reduces the corrosion load on the components of the cooling circuit, in particular the pumps, thereby also reducing the maintenance effort for these components and increasing their operational reliability.
Bevorzugt sind die Räume, zum Ausgleich der thermisch bedingten Volumenschwankungen des Kühlmittels des Hauptkühlkreises unterhalb der Wasseroberfläche des Schwimmkörpers und in Kontakt zur Wandung des Schwimmkörpers angeordnet.The spaces are preferably arranged below the water surface of the floating body and in contact with the wall of the floating body to compensate for the thermally induced volume fluctuations of the coolant of the main cooling circuit.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Ballastflüssigkeit der Ballast- bzw. Stabilisierungszone des Schwimmkörpers als Wärmespeicher in den Hauptkühlkreislauf einbezogen. Dazu ist der Ballastraum in der Stabilisierungszone des Schwimmkörpers mit dem Hauptkühlkreislauf verbunden. Die Kühlflüssigkeit durchläuft diesen Ballastraum nach der Abkühlung in der durch die Wandung des Schwimmkörpers gebildeten Kühlvorrichtung. Da der so entstehende Wärmespeicher über ein im Verhältnis zur Kühlvorrichtung großes Volumen besitzen kann, lassen sich auf diese Weise Kühlleistungsspitzen der Komponenten zur Netzanbindung eines Offshore Windparks ausgleichen.In a preferred embodiment, the ballast liquid of the ballast or stabilization zone of the floating body is included as a heat store in the main cooling circuit. For this purpose, the ballast space in the stabilization zone of the float is connected to the main cooling circuit. The cooling liquid passes through this ballast space after cooling in the cooling device formed by the wall of the floating body. Since the heat storage thus created can have a large volume in relation to the cooling device, cooling power peaks of the components for the network connection of an offshore wind farm can be compensated in this way.
Bevorzugt ist der Schwimmkörper derart gestaltet, dass der als Kühlvorrichtung vorgesehene Abschnitt des Schwimmkörpers im Bereich der Auftriebszone nur einen geringen Teil eines horizontalen Flächenquerschnittes der Hohlstruktur des Schwimmkörpers beansprucht und damit der wesentliche Teil des horizontalen Flächenquerschnitts, bevorzugt mehr als 90%, als ein bevorzugt mit einem Gas gefüllter Auftriebskörper zur Verfügung steht.The floating body is preferably designed in such a way that the section of the floating body provided as a cooling device in the region of the buoyancy zone occupies only a small part of a horizontal surface cross section of the hollow structure of the floating body and thus the essential part of the horizontal surface cross section, preferably more than 90%, as one preferably a gas-filled buoyancy body is available.
Bei einem zylindrischen Schwimmkörper mit einer inneren zweiten Wandung bedeutet das, dass die Differenz zwischen den die Kühlflüssigkeit einschließenden Wandungen sehr klein im Verhältnis zu dem Durchmesser der Wandung ist.In the case of a cylindrical floating body with an inner second wall, this means that the difference between the walls enclosing the cooling liquid is very small in relation to the diameter of the wall.
Bevorzugt beträgt diese Durchmesserdifferenz weniger als 5% des Durchmessers der äußeren Wandung. Damit wird erreicht, dass der Massenschwerpunkt des Schwimmkörpers einen größeren Abstand zur Seeoberfläche hat und damit die Schwimmstabilität weiter erhöht wird.This difference in diameter is preferably less than 5% of the diameter of the outer wall. This ensures that the center of gravity of the floating body is at a greater distance from the surface of the lake and thus the swimming stability is further increased.
Eine weitere Ausgestaltung sieht wenigstens einen ein Gas enthaltenden Ausgleichsraum zur Aufnahme der thermisch bedingten Volumenschwankungen des Kühlmittels vor, somit werden die Volumenschwankungen des Kühlmittels durch Kompression des Gases aufgenommen. Vorteilhafterweise wird dieser Ausgleichsraum ebenfalls in einer Hohlstruktur des Schwimmkörpers unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet.A further embodiment provides at least one compensation space containing a gas for accommodating the thermally induced fluctuations in volume of the coolant, so the fluctuations in volume of the coolant are absorbed by compression of the gas. This compensation space is also advantageously arranged in a hollow structure of the float below the water surface.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung betrifft die einen Ballastkörper darstellenden Komponenten zur Netzanbindung, welche auf Grund ihrer durch die Funktion bedingten geometrischen Gestaltung das Volumen des ihr zugeordneten Ballastraumes nicht vollständig ausfüllen. Hier wird in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Volumendifferenz zwischen Ballastraum und den elektrischen Komponenten durch eine Ballastflüssigkeit aufgefüllt. Damit wird der für Ballast vorgesehene Raum optimal genutzt.Another preferred embodiment relates to those representing a ballast body Components for network connection which, due to their geometric design due to the function, do not completely fill the volume of the ballast space assigned to them. In a preferred embodiment of the invention, the volume difference between the ballast space and the electrical components is filled up by a ballast liquid. The space intended for ballast is thus optimally used.
In einer bevorzugten Ausführung kann das Kühlmittel des Hauptkühlkreislaufes zur Auffüllung genutzt werden und damit sowohl eine Funktion als Ballast zur Stabilisierung des Schwimmkörpers als auch als zusätzlicher Wärmespeicher übernehmen.In a preferred embodiment, the coolant of the main cooling circuit can be used for filling and thus take on both a function as a ballast for stabilizing the floating body and as an additional heat store.
Die Hohlstrukturelemente des Schwimmkörpers eignen sich besonders vorteilhaft als Kühlelemente und/oder Kühlmittelspeicher, da sie unterhalb des Wasserspiegels des die Umspannplattform umgebenden Wassers angeordnet sind und große Außenoberflächen zur Kühlung des Kühlmittels im Kühlkreislauf der Kühlanlage aufweisen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann auch das Kühlmittel selbst diese Ballastflüssigkeit darstellen.The hollow structural elements of the floating body are particularly advantageously suitable as cooling elements and / or coolant stores, since they are arranged below the water level of the water surrounding the transformer platform and have large outer surfaces for cooling the coolant in the cooling circuit of the cooling system.
In a preferred embodiment, the coolant itself can also represent this ballast liquid.
Der Schwimmkörper kann Strömungsleitvorrichtungen, die ausgebildet sein können, Wasserströmungen zu dem einen Teil der Wandung zu leiten, und/oder Versteifungselemente, die ausgebildet sein können, eine Kühlflüssigkeit des Hauptkühlkreislaufs zu führen, umfassen. Dies verbessert die Kühlung weiter.The floating body can comprise flow guiding devices, which can be designed to direct water flows to the one part of the wall, and / or stiffening elements, which can be designed to guide a cooling liquid of the main cooling circuit. This further improves cooling.
Der Hauptkühlkreislauf zumindest kann einen vertikalen Zylinderkühler, einen horizontalen Zylinderkühler, einen Rohrbündelkühler einen Zylinderrohrkühler einen einseitigen Spaltkühler und/oder einen Spiralrohrkühler umfassen. Dies verbessert die Kühlung weiter.The main cooling circuit can at least comprise a vertical cylinder cooler, a horizontal cylinder cooler, a tube bundle cooler, a cylinder tube cooler, a one-sided gap cooler and / or a spiral tube cooler. This further improves cooling.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, und -
4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1 a first embodiment of the invention, -
2 a second embodiment of the invention, -
3 a third embodiment of the invention, and -
4 a fourth embodiment of the invention.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind mit dem Schwimmkörper von „Floating-Offshore“-Konstruktionen befasst, die über eine große abgeschlossene, mit einem Gas (zumeist Luft) gefüllten Auftriebszone verfügen, deren Volumen von der zu tragenden Last bestimmt wird. Zumeist werden die Schwimmkörper im unteren Bereich - der Stabilisierungszone des Schwimmkörpers - mit Ballast gefüllt, um eine stabile Lage der „Floating-Offshore“-Konstruktionen zu erreichen.Embodiments of the present invention are concerned with the floating body of “floating offshore” constructions which have a large closed buoyancy zone filled with a gas (mostly air), the volume of which is determined by the load to be carried. Most of the floats in the lower area - the stabilization zone of the float - are filled with ballast in order to achieve a stable position of the "floating offshore" constructions.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Komponente einer Netzanbindung eines Hochseewindparks, beispielsweise eine Substation oder ein Transformator, als Ballast in der Stabilisierungszone des Schwimmkörpers angeordnet und die Wandung des Schwimmkörpers als Kühlfläche benutzt.According to one exemplary embodiment of the invention, a component of a network connection of an offshore wind farm, for example a substation or a transformer, is arranged as ballast in the stabilization zone of the floating body and the wall of the floating body is used as a cooling surface.
Im Ausführungsbeispiel kann auf den direkten von Pumpen angetriebenen Austausch von Seewasser verzichtet werden. Dazu wird die Verlustwärme der Komponenten der Offshore-Anlage über Wärmeaustauscher an einen Hauptkühlkreislauf übergeben. Dieser ist mit einem nicht oder wenig korrosionskritischen Medium gefüllt. Als Kühlmedium wird im Ausführungsbeispiel Süßwasser eingesetzt.In the exemplary embodiment, the direct exchange of sea water driven by pumps can be dispensed with. For this purpose, the heat loss from the components of the offshore plant is transferred to a main cooling circuit via heat exchangers. This is filled with a medium that is not or not very critical to corrosion. In the exemplary embodiment, fresh water is used as the cooling medium.
In einer Weiterbildung des Ausführungsbeispiels der Erfindung wird die Kühlvorrichtung als Zweikreis-Kühlsystem mit Hauptkühlkreislauf und Zwischenkühlkreislauf ausgeführt. Der Hauptkühler, der Hauptkühlkreislauf, wird durch in der Offshore-Struktur vorhandene oder an der Struktur zusätzlich angeordnete Rohrsegmente gebildet.In a further development of the exemplary embodiment of the invention, the cooling device is designed as a two-circuit cooling system with a main cooling circuit and an intermediate cooling circuit. The main cooler, the main cooling circuit, is formed by pipe segments which are present in the offshore structure or are additionally arranged on the structure.
Die auch als Gründungsstrukturen bezeichneten Schwimmkörper von schwimmenden Offshore-Energieerzeugungsanlagen werden zumeist aus Stahlrohren gebildet.The floating bodies of floating offshore power generation plants, also known as foundation structures, are mostly made of steel pipes.
Dabei kommt je nach Einsatzbedingungen eine Vielzahl von Konstruktionen zum Einsatz. Alle Bauformen haben die Gemeinsamkeit, dass sie eine ein großes aus Stahlrohren gebildetes Fundamentvolumen bilden, welches sich zu einem großen Teil unter der Wasseroberfläche befindet.Depending on the operating conditions, a variety of constructions are used. All designs have in common that they form a large foundation volume made of steel pipes, which is to a large extent below the water surface.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die gegebenen Rohrabschnitte derart angeordnet und miteinander verbunden, dass in dieser Anordnung ein Kühlmittel strömen kann. Diese verbundenen Rohrabschnitte sind dabei nun in den Hauptkühlkreislauf integriert. Die recht umfangreichen Konstruktionen des Schwimmkörpers verfügen über ein großes Volumen in welchem nun das Kühlmedium zirkuliert. Die Gesamtoberfläche der erfindungsgemäßen Anordnung, welche nun innen vom Kühlmedium und außen vom Seewasser umströmt wird, ist erheblich und ermöglicht eine effektive Kühlung der Offshore-Anlage.According to an embodiment of the invention, the given pipe sections are arranged and connected to one another in such a way that a coolant can flow in this arrangement. These connected pipe sections are now integrated in the main cooling circuit. The rather extensive constructions of the float have a large volume in which the cooling medium now circulates. The total surface of the arrangement according to the invention, which now flows around inside by the cooling medium and outside by the sea water is significant and enables effective cooling of the offshore plant.
Bei der beschriebenen Anordnung gibt es keine Pumpen, Filter und Kühler, welche von Seewasser durchflossen werden und es besteht nur sehr geringer Wartungsbedarf.In the arrangement described there are no pumps, filters and coolers through which seawater flows and there is only very little maintenance required.
Auf Grund der nun erhöhten Sicherheit kann auch eine Redundanz vermindert werden. Der geschlossene Kreislauf macht die Kühlmittelreinigung überflüssig. Ein beispielhaftes Kühlmittel ist Süßwasser.Due to the increased security, redundancy can also be reduced. The closed circuit makes coolant cleaning unnecessary. An exemplary coolant is fresh water.
In einer beispielhaften Weiterbildung ist durch Zusatzstoffe sichergestellt, dass Verschmutzungen im Hauptkühlkreislauf auch über mehrere Jahre in einem verträglichen Rahmen gehalten werden.In an exemplary further development, additives ensure that contamination in the main cooling circuit is kept within a tolerable framework even over several years.
Beispielsweise kann zur Korrosionsminderung und zum Schutz von Leitungsteilen über der Wasseroberfläche vor Frost dem Wasser ein Zusatz von Glysantin oder Korrosionshemmern beigemischt werden.For example, glysantine or corrosion inhibitors can be added to the water to reduce corrosion and to protect pipe parts above the water surface from frost.
Weiterbildungsbeispiele der Erfindung umfassen eine in das Innere der Gründungselemente der Offshore-Struktur eingebrachten zylindrische Wandung, die zur zylindrischen Wandung des Schwimmkörpers koaxial angeordnet ist. Dadurch lässt sich das Kühlmittelvolumen deutlich senken. In einer weiteren Weiterbildung sind zudem Kühlmittelströmungskanäle gebildet.Further development examples of the invention include a cylindrical wall which is introduced into the interior of the foundation elements of the offshore structure and which is arranged coaxially with the cylindrical wall of the floating body. This allows the coolant volume to be significantly reduced. In a further development, coolant flow channels are also formed.
Die Wahl des Querschnitts und Art der Verkopplung erfolgt derart, dass sich eine für den Wärmeaustausch optimale Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels ergibt.The cross-section and type of coupling are selected in such a way that the flow rate of the coolant is optimal for the heat exchange.
In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die rohrförmigen Offshore-Strukturelemente mit Versteifungen versehen. Dies erhöht die mechanische Festigkeit Und erlaubt daher die Wandungsstärke des Schwimmkörpers zu reduzieren. Die Versteifungen können zusätzlich derart ausgeführt sein, dass sie gleichzeitig eine Funktion als Kühlrippen übernehmen können.In a further exemplary embodiment of the invention, the tubular offshore structural elements are provided with stiffeners. This increases the mechanical strength and therefore allows the wall thickness of the float to be reduced. The stiffeners can additionally be designed in such a way that they can simultaneously take on a function as cooling fins.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind auf der Wand der Rohrsegmente oder Profile (zum Beispiel U-Profile) derart angebracht, dass sie Räume bilden, welche zum Kühlmitteltransport genutzt werden.In a further exemplary embodiment of the invention, the pipe segments or profiles (for example U-profiles) are attached to the wall in such a way that they form spaces which are used for the transport of coolant.
Um die erforderliche Pumpleistung im Hauptkühlkreislauf gering zu halten, erfolgt die Verbindung der Strukturelemente zu Kühlmittelkanälen in einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung derart, dass der natürliche durch die Schwerkraft (Dichteunterschied) getriebene Eigenantrieb des Kühlmittels unterstützt wird.In order to keep the required pump power in the main cooling circuit low, the structural elements are connected to coolant channels in an exemplary embodiment of the invention in such a way that the natural drive of the coolant, which is driven by gravity (density difference), is supported.
In einer besonderen Ausführungsform werden diese Kühler in als Kühlmittelspeicher genutzte Segmente der Floating Struktur integriert. Dabei werden die der Kühlung dienenden Strukturteile an der vom Seewasser umströmten Wandung der Segmente angeordnet.In a special embodiment, these coolers are integrated into segments of the floating structure used as coolant stores. The structural parts used for cooling are arranged on the wall of the segments around which seawater flows.
In diesem und anderen Ausführungsbeispielen sind die der Kühlung dienenden Strukturelemente der Schwimmkörper derart gestaltet, dass sie eine große Auffangfläche für die natürliche Wasserströmung bilden. Zusätzlich oder alternativ wird durch geeignete Strömungsleiteinrichtungen zusätzliche Wasserströmung zu den Kühlelementen und/oder als Kühler dienenden Strukturteilen des Fundaments geführt.In this and other exemplary embodiments, the structural elements of the floating bodies which serve for cooling are designed in such a way that they form a large collecting area for the natural water flow. Additionally or alternatively, additional water flow is led to the cooling elements and / or structural parts of the foundation serving as coolers by means of suitable flow guiding devices.
In einer besonderen beispielhaften Ausführung werden an der Außenhaut der auch als Rohrsegmente bezeichneten Strukturelemente der Schwimmkörper zusätzliche Wärme abgebende Flächen angebracht, welche in Bereichen mit günstigen Kühlmittelströmungsverhältnissen platziert sind. Diese Flächen sind je nach Strömungsverhältnissen sowohl horizontal als auch vertikal oder winklig angebracht. Die Form und Anordnung dieser Flächen ist so gewählt, sodass einerseits eine maximale Bestreichung mit dem Kühlmedium Wasser erfolgt und gleichzeitig eine Störung der Bestreichung anderer Wärme abgebender Teile vermieden wird.In a special exemplary embodiment, additional heat-emitting surfaces are attached to the outer skin of the structural elements of the floating bodies, which are also referred to as pipe segments, and are placed in areas with favorable coolant flow conditions. Depending on the flow conditions, these surfaces are either horizontally, vertically or angled. The shape and arrangement of these surfaces is selected so that on the one hand there is maximum coverage with the cooling medium water and at the same time a disturbance in the coverage of other parts emitting heat is avoided.
Die Versteifungen und/oder zusätzlichen Kühlflächen können als Strömungsleiteinrichtung ausgebildet sein.The stiffeners and / or additional cooling surfaces can be designed as a flow guiding device.
Das Prinzip eines Schwimmkörpers, dessen Wandung eine Auftriebszone und eine Stabilisierungszone des Schwimmkörpers umfasst, und der eine Kühlvorrichtung mit zumindest einem geschlossenen Hauptkühlkreislauf umfasst, wobei der Hauptkühlkreislauf vorgerichtet ist, zumindest über den einen Teil der Wandung gekühlt zu werden, lässt sich als Einzelkreislaufsystem oder als Zweikreislaufsystem mit Haupt- und Zwischenkühlkreislauf realisieren. Das Zweikreislaufsystem hat dabei den Vorteil, dass beim Einsatz zur Kühlung von Transformatoren der Bedarf an Isolierflüssigkeit im Zwischenkühlkreislauf gering gehalten werden kann.The principle of a floating body, the wall of which comprises a buoyancy zone and a stabilization zone of the floating body, and which comprises a cooling device with at least one closed main cooling circuit, the main cooling circuit being arranged to be cooled at least over one part of the wall, can be used as a single circuit system or as Implement a two-circuit system with a main and intermediate cooling circuit. The two-circuit system has the advantage that when it is used to cool transformers, the need for insulating liquid in the intermediate cooling circuit can be kept low.
Die Umspannplattform
Der Zwischenkühlkreislauf
Der Hauptkühlkreislauf
Mittels der zweiten Pumpe
Als Kühlmittel wird im Hauptkühlkreislauf
Die Standbeine bildenden Hohlstrukturelemente und die verbindenden Hohlstrukturelemente führen also Kühlmittel und sind in den Hauptkühlkreislauf
Dabei sind die das Kühlmittel umschließenden Wandungen mit nur einem geringen Abstand zueinander ausgeführt, um einerseits ein optimales Verhältnis zwischen wärmeabgebender Oberfläche und dem Volumen des Kühlmittels zu erreichen und zweitens den beanspruchten Raum für die Kühlanlage innerhalb der Auftriebszone
Weiterhin sind zusätzliche Kühlrippen
Das Kühlmittel wird mittels der zweiten Pumpe
An den Außenseiten der Standbeine bildenden Hohlstrukturelement sind jeweils erste Versteifungselemente angeordnet, die als die Außenoberflächen dieser Hohlstrukturelemente vergrößernde Kühlrippen zur Kühlung von Kühlmittel ausgebildet sind.First stiffening elements are arranged on the outer sides of the hollow structure elements forming the supporting legs, which are designed as cooling fins for cooling coolant that enlarge the outer surfaces of these hollow structure elements.
Im zweiten Ausführungsbeispiel, das in
Der zur Stabilisierung der Floating-Struktur erforderliche Ballast wird im Ausführungsbeispiel durch die Komponente
Im dritten Ausführungsbeispiel, das in
Ein Höhersetzen der Kaltölsäule in der Kühlvorrichtung bewirkt einen Anstieg der die Strömung Kühlmittels antreibenden Druckdifferenz. Damit wird ein hoher Eigenantrieb erreicht und in diesem Kühlkreislauf kann auf Pumpen verzichtet werden.Increasing the cold oil column in the cooling device causes an increase in the pressure difference driving the flow of coolant. A high level of self-propulsion is achieved and pumps are not required in this cooling circuit.
Weiterhin ist ein Wärmespeicher
Die an der Innenwand der Auftriebszone des Schwimmkörpers
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 5050
- Wasseroberflächewater surface
- 5151
- MeeresbodenSeabed
- 5252
- Meerwasser seawater
- 200200
- Schwimmkörperfloat
- 201201
- Wandungwall
- 210210
- Auftriebszoneupwelling
- 211211
- Teil der WandungPart of the wall
- 220220
- Stabilisierungs- bzw. BallastzoneStabilization or ballast zone
- 221221
- Teil der WandungPart of the wall
- 225225
- Ballastkörperballast body
- 229229
- Ballastflüssigkeitballast liquid
- 250250
- Auftriebskörper buoyancy
- 300300
- Hochseewindpark Offshore wind farm
- 400400
- Kühlvorrichtungcooler
- 410410
- HauptkühlkreislaufMain cooling circuit
- 411411
- weitere Wandungfurther wall
- 415415
- Pumpe des HauptkühlkreislaufsMain cooling circuit pump
- 419419
- Ausdehnungsgefäßexpansion tank
- 420420
- ZwischenkühlkreislaufIntermediate cooling circuit
- 421421
- noch weitere Wandungstill further wall
- 425425
- Pumpe des ZwischenkühlkreislaufsIntercooling circuit pump
- 430430
- Wärmetauscherheat exchangers
- 440440
- Versteifung / KühlrippeStiffening / cooling fin
- 450450
- KühlmittelspeicherCoolant storage
- 460460
- Wärmespeicher heat storage
- 500500
- Umspannplattform, Vorrichtung zur NetzanbindungSubstation platform, device for network connection
- 510, 520510, 520
- Komponentecomponent
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SIEMENS ENERGY GLOBAL GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, 80333 MUENCHEN, DE |
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