DE102019118564B4

DE102019118564B4 - Windenergieanlage mit einem eine Mehrzahl von Auftriebskörpern aufweisenden schwimmenden Fundament

Info

Publication number: DE102019118564B4
Application number: DE102019118564.5A
Authority: DE
Inventors: Sönke Siegfriedsen
Original assignee: Aerodyn Consulting Singapore Pte Ltd
Current assignee: Aerodyn Consulting Singapore Pte Ltd
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2021-03-11
Anticipated expiration: 2039-07-10
Also published as: US20220250722A1; KR20220029750A; CN114080499A; EP3997336A1; WO2021005413A1; JP2022540162A; DE102019118564A1

Abstract

Windenergieanlage (10) mit einem eine Mehrzahl von Auftriebskörpern (30, 30') aufweisenden schwimmenden Fundament (20), wobei- die Auftriebskörper (30) aus einer Mehrzahl von als Hohlkörper ausgebildeten Auftriebskörperelementen (32, 34) gebildet sind, die in einer ersten Ebene und in einer unterhalb der ersten Ebene angeordneten weiteren Ebene konzentrisch um jeweils ein sich vom schwimmenden Fundament (20) erstreckendes Zentralelement (28) nebeneinander angeordnet und mit diesem verbunden sind, und- jedes Auftriebskörperelement (32, 34) eine sich am Zentralelement (28, 28') abstützende Oberfläche, eine dem Zentralelement (28) gegenüberliegend angeordnete, konvex geformte Oberfläche und zwei sich jeweils an einer Seitenfläche eines benachbarten Auftriebskörperelements (32, 34) abstützende Seitenflächen aufweistdadurch gekennzeichnet, dassdie konvex geformten Oberflächen der Auftriebskörperelemente (32, 34) gemeinsam, im Querschnitt durch die Auftriebskörperelemente (32, 34) gesehen, eine strömungsgünstige Querschnittsform in Form einer Ellipse, einer Linse oder einer Tropfenform, ausbilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem eine Mehrzahl von Auftriebskörpern aufweisenden schwimmenden Fundament mit den weiteren Merkmalen nach Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der EP 3 019 740 B1 ist eine besonders vorteilhaft konzipierte schwimmende Windenergieanlage bekannt, die ein sich in einer Ebene erstreckendes Y-förmiges Fundament aufweist, das durch Vermittlung von mit dem Fundament verbundenen Auftriebskörpern schwimmfähig eingerichtet ist. Wenngleich der EP 3 019 740 B1 keine besonderen Ausführungen zum Aufbau der Auftriebskörper zu entnehmen sind, ist den weiteren Patentanmeldungen der Anmelderin, beispielsweise der DE 10 2016 118 079 B3 oder der WO 2017 / 206 976 A1 zu entnehmen, dass die Auftriebskörper in vorteilhafter Weise fest mit dem Fundament verbunden sein sollten. So können die Auftriebskörper beispielsweise den Abschluss eines aus Beton gefertigten schwimmenden Fundaments darstellen und selbst aus Stahl gefertigt sein.
Eine andere Art eines schwimmenden Fundaments ist aus der WO 2014 / 044 453 A1 bekannt, das als in sich in einer Ebene erstreckendes dreieckiges Fundament entworfen ist, an dessen Eckpunkten sich aus der Ebene des Dreiecks erstreckende, aus Stahl gefertigte Stützsäulen angeordnet sind. Das Dreieck ist gleichseitig ausgebildet, wobei die Stützsäulen sich der jeweiligen Seitenhalbierenden folgend nach außerhalb des Dreiecks geneigt sind. Jede Stützsäule ist so eingerichtet, dass - in Bezug auf das dreieckige Fundament - an deren Außenseite eine Schwimmstruktur befestig ist, die jeweils aus einem eine Vielzahl von kleinteiligen Auftriebskammern aufnehmenden Käfig gebildet ist.
Eine alternative Ausgestaltung ist aus der EP 2 479 101 B1 bekannt, bei der die Auftriebskörper als um die Stützsäulen angeordnete Ringe ausgebildet sind. Dieser Aufbau entspricht im Wesentlichen der aus der CN 2 811 161 Y bekannten Konstruktion zur Ausbildung eines Schwimmkörpers, bei dem eine Mehrzahl von ringförmigen Auftriebskörpern um ein Zentralrohr angeordnet werden.
Nachteilig an den bekannten Auftriebskörpern ist, dass diese - entweder aufgrund deren Fertigung aus Stahl oder deren Kleinteiligkeit - sehr aufwändig herzustellen und aufwändig zu montieren sind. So bringt eine einstückige Fertigung eines Schwimmkörpers aufgrund dessen Größe erhebliche Probleme beim Transport, eine kleinteilige Fertigung eines Schwimmkörpers hingegen einen erhöhten Materialaufwand sowie Probleme bei der Installation mit sich. Speziell führen die kleinteiligen Ausgestaltungen zu allseitigen, speziell hydrostatischen Druckbelastungen, die - in Abhängigkeit von der Tauchtiefe - erhöhte Anforderungen an die Konstruktion und das für die Schwimmkörper verwendete Material stellen. Die bekannten Ausgestaltungen stehen damit einer leichtgewichtigen, materialschonenden Ausgestaltung eines Schwimmkörpers entgegen.
Weitere Schwimmkörper sind beispielsweise aus der US 2018 / 0 118 309 A1 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine schwimmende Windenergieanlage mit einem eine Mehrzahl von Auftriebskörpern aufweisenden schwimmenden Fundament zu schaffen, die insbesondere in Bezug auf die Auftriebskörper materialschonend und nur wenig arbeitsaufwändig herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Windenergieanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Erfindungsgemäß ist also eine Windenergieanlage mit einem eine Mehrzahl von Auftriebskörpern aufweisenden schwimmenden Fundament vorgesehen, wobei die Auftriebskörper aus einer Mehrzahl von als Hohlkörper ausgebildeten Auftriebskörperelementen gebildet sind, die jeweils in einer ersten Ebene und in einer unterhalb der ersten Ebene angeordneten weiteren Ebene konzentrisch um jeweils ein sich vom schwimmenden Fundament erstreckendes Zentralelement nebeneinander angeordnet lösbar mit diesem verbunden sind, wobei jedes Auftriebskörperelement eine sich am Zentralelement abstützende Oberfläche, eine dem Zentralelement gegenüberliegend angeordnete, konvex geformte Oberfläche und zwei sich jeweils an einer Seitenfläche eines benachbarten Auftriebskörperelements abstützende Seitenflächen aufweist, wobei die konvex geformten Oberflächen der Auftriebskörperelemente gemeinsam, im Querschnitt durch die Auftriebskörperelemente gesehen, eine strömungsgünstige Querschnittsform in Form einer Ellipse, einer Linse oder einer Tropfenform, ausbilden.
Bevorzugt weist die die konvex geformte Oberfläche ausbildende Außenwandung eine größere Beulstabilität aufgrund einer dickeren Wandstärke als die die Seitenflächen ausbildenden Wandungen oder aufgrund der Ausbildung als Sandwichteil auf. Diese Ausgestaltung als konvexe Fläche mit erhöhter Formstabilität ist sinnvoll, weil auf Grund des Eintauchens der Auftriebskörper ins Wasser der jeweilige hydrostatischen Wasserdruck auf die Außenwandung drückt.
Durch diese besondere Ausgestaltung ist die Fertigung von Auftriebskörpern ermöglicht, die bei geringem Materialeinsatz den hydrostatischen Druckbelastungen standhalten.
Insbesondere weist die die konvex geformte Oberfläche ausbildende Außenwandung eine dickere Wandstärke als die Seitenwandungen auf und/oder wird als Sandwichkonstruktion ausgeführt, sodass durch den lokalen Einsatz der verstärkten Struktur der Außenwandung, an der die äußere Druckbelastung ansetzt, an den sich gegenseitig abstützenden Strukturen der Auftriebskörperelemente Material gespart werden kann. Insgesamt ergibt sich dadurch eine wesentlich leichtere Konstruktion, die sich nicht nur positiv für den Transport der Elemente, sondern auch auf das Gesamtgewicht und die Kosten der Windenergieanlage auswirkt.
Speziell ist vorgesehen, dass die die konvex geformte Oberfläche ausbildende Außenwandung eine zwischen 1,2- und 2,5-fach dickere Wandstärke aufweist als die die Seitenflächen ausbildenden Wandungen
Die Größe der schwimmendenden Windenergieanlage erfordert eine Dimensionierung der Schwimmkörper, die bevorzugt einen mehrteiligen Aufbau der Schwimmkörper erforderlich macht. Im Gegensatz zum im Stand der Technik verfolgten Ansatz der „Kleinteiligkeit“ ist vorliegend vorgesehen, eine möglichst geringe Anzahl von Auftriebskörperelementen zu verwenden, die vorteilhaft in zwei Ebenen arrangiert sind.
Dabei sind die in der weiteren Ebene jeweils tiefer angeordneten Auftriebskörperelemente bevorzugt dickwandiger ausgebildet als die in der ersten Ebene angeordneten Auftriebskörperelemente, damit diese den in größerer Wassertiefe herrschenden höheren Drücken standhalten können. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, die Auftriebskörperelement mit einem erhöhten Luftdruck zu beaufschlagen, um dem äußeren Wasserdruck entgegenzuwirken und dadurch Materialstärke in der Struktur zu sparen. Vorteilhaft ist es dann, dass die in der weiteren Ebene angeordneten Auftriebskörperelemente einen höheren pneumatischen Innendruck aufweisen als die in der ersten Ebene angeordneten Auftriebskörperelemente, um so dem höheren Außendruck standzuhalten.
Bei mit einem single-mooring-point mit dem Meeresboden verbundenen schwimmenden Windenergieanlagen, die sich im Wasser komplett nach der Windrichtung ausrichten, werden die Extremwellen bei Sturmbedingungen immer in Richtung der Hauptachse der Schwimmstruktur verlaufen. Die Extremwellen dimensionieren die Auftriebskörperstruktur und die Verbindungskomponenten zum Fundament sowie die Mooring-Elemente und Anker derartiger Anlagen, wobei für diese Anlagentypen eine wesentlich günstigere Ausbildung dadurch erreicht wird, dass die konvex geformten Oberflächen der Auftriebskörperelemente gemeinsam, im Querschnitt durch die zusammengesetzte Auftriebskörperelemente gesehen, als ein einziger strömungsgünstiger Querschnitt in Tropfenform, in Form einer Ellipse oder in Form einer Linse ausgebildet ist.
Untersuchungen der Anmelderin haben nämlich gezeigt, dass der Wellenwiderstand eines elliptisch ausgebildeten Schwimmkörpers um den Faktor drei kleiner ist als ein entsprechend kreisrund ausgebildeter Schwimmkörper bei gleicher Auftriebskraft. Kann nun aber durch die elliptische Form der Schwimmkörper ein geringer maximaler Wellenwiderstand bei Extrembedingungen erreicht werden, ist es möglich, die zur Verankerung der schwimmenden Windenergieanlage am Gewässergrund benötigten Anker, Ketten, Drahtseile und Befestigungselemente geringer zu dimensionieren, sodass sich in Folge nicht nur ein geringerer Material- und Arbeitseinsatz, sondern auch ein geringerer Kostenaufwand ergibt.
Speziell beträgt das Verhältnis von Länge zu Breite der Ellipse sinnvoller Weise ca. 2:1. Wobei die längere Achse des Auftriebskörpers in Richtung der Wellen ausgerichtet ist.
Die Länge und/oder die Breite der einzelnen Auftriebskörperelemente entspricht weiter bevorzugt der äußeren Abmessung eines ISO-Containers. Insbesondere entsprechen die Maße der Auftriebskörperelemente den Maßen eines 40'-Containers, sodass diese problemlos mittels Trailern auf der Straße transportiert werden können. Speziell weisen die Auftriebskörperelemente einen Durchmesser oder Kantenlänge von ca. 2,5 m und eine Länge von ca. 12 m auf.
Durch die ermöglichte oder zumindest verbesserte Transportierbarkeit ist es möglich, die Schwimmkörper an einem anderen Ort als den Ort der Endmontage der schwimmenden Windenergieanlage als solcher zu fertigen. Darüber hinaus wird der aus der Mehrteiligkeit der Schwimmkörper resultierende Arbeitsaufwand so gering wie möglich gehalten.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Zentralelement einen polygonalen Querschnitt auf, sodass die Position der einzelnen Auftriebskörperelemente vorbestimmt und festgelegt ist. Dieses ermöglicht auch eine einfache Fehlersuche und gegebenenfalls Austausch eines einzelnen Auftriebskörperelements, sollte dieses defekt sein.
Die Auftriebskörperelemente sind bevorzugt aus Kunststoff, insbesondere glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigte Hohlkörper mit gegebenenfalls vorgesehenen Sandwichflächen zur Beulstabilisierung, die eine besonders leichte Konstruktion der Schwimmkörper ermöglichen.
Die Befestigung der Auftriebskörperelemente am Zentralelement erfolgt bevorzugt durch eine Mehrzahl von jeweils die Auftriebskörperelemente am Zentralelement befestigenden Schellen, wobei die Auftriebskörperelemente besonders bevorzugt auf deren konvex geformten Oberfläche wenigstens eine quer zu deren Längsachsen verlaufende Ausnehmung zur Aufnahme wenigstens einer Schelle aufweisen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten, besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer schwimmenden Windenergieanlage nach der Erfindung mit - im Querschnitt gesehen - elliptisch ausgebildeten Auftriebskörpern;
2 eine detaillierte Explosionsansicht der Windenergieanlage aus 1; und
3 eine Darstellung eines Details einer mit elliptisch ausgebildeten Auftriebskörpern versehenen in einer perspektivischen Ansicht (A), einer Seitenansicht (B) und in Draufsicht (C).

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer schwimmenden Windenergieanlage nach der Erfindung mit - im Querschnitt gesehen - elliptisch ausgebildeten Auftriebskörpern. Die schwimmende Windenergieanlage 10 weist das bei dieser Typ Anlage bekannte Y-förmig ausgebildete schwimmende Fundament 20, das über drei Auftriebskörper 30 verfügt, die an den freien Enden der das Fundament 20 bildenden Arme 22, 24, 26 befestigt sind. Die Auftriebskörper 30 sind im Querschnitt elliptisch ausgebildet und dienen zugleich der Abspannung des zwei Energiewandlungseinheiten aufweisenden Turms 40 der Windenergieanlage 10 mittels entsprechend vorgesehener Seile 50.
2 zeigt eine detaillierte Explosionsansicht der Windenergieanlage aus 1, in der aus Gründen der besseren Übersicht, einige der in 1 gezeigten Komponenten der Windenergieanlage 10 weggelassen wurden. So zeigt 2 lediglich einen Abschnitt des Fundaments 20, das mit einem sich aus der Ebene des Fundaments 20 erstreckenden Zentralelement 28 verbunden ist, um das herum eine den Auftriebskörper 30 aufbauende Mehrzahl von Auftriebskörperelementen 32, 34 angeordnet ist.
Der Auftriebskörper 30 ist im gezeigten Beispiel also aus einer Mehrzahl von als Hohlkörper ausgebildeten Auftriebskörperelementen 32, 34 gebildet, die in zwei Ebenen konzentrisch um das sich vom schwimmenden Fundament 20 erstreckende Zentralelement 28 nebeneinander angeordnet sind. Dabei sind die Auftriebskörperelemente 32, 34 mit dem Zentralelement 28 lösbar verbunden, sodass beispielsweise bei Beschädigung eines Auftriebskörperelements 32, 34 ein einfacher Austausch erfolgen kann.
Jedes Auftriebskörperelement 32, 34 weist eine sich am Zentralelement 28 abstützende Oberfläche, eine dem Zentralelement 28 gegenüberliegend angeordnete, konvex geformte Oberfläche und zwei sich jeweils an einer Seitenfläche eines benachbarten Auftriebskörperelements 32, 34 abstützende Seitenflächen auf. Die konvex geformten Oberflächen der Auftriebskörperelemente 32, 34 bilden gemeinsam, im Querschnitt durch die Auftriebskörperelemente 32, 34 gesehen, eine Ellipse aus, sodass der Auftriebskörper 30 insgesamt eine im Querschnitt elliptische Form erhält. Dabei weist die die konvex geformte Oberfläche ausbildende Außenwandung eine dickere Wandstärke als die die Seitenflächen ausbildenden Wandungen auf. Insbesondere weist die die konvex geformte Oberfläche ausbildende Außenwandung eine dickere Wandstärke als die die Seitenflächen ausbildenden Wandungen oder eine Sandwichsschale und ist so in der Lage bei verhältnismäßig leichter Bauweise dem ausschließlich von außen auf den Schwimmkörper 30 wirkenden hydrostatischen Wasserdruck entgegenzuwirken.
Zusätzlich ist vorgesehen, dass die unterhalb der ersten Ebene angeordnete weitere Ebene von Auftriebskörperelementen 34 dickwandiger ausgebildet sind als die in der ersten Ebene angeordneten Auftriebskörperelemente 32, wobei diese auch einen höheren pneumatischen Innendruck aufweisen können als die in der ersten Ebene angeordneten Auftriebskörperelemente 32. Diese Maßnahmen tragen den in größerer Wassertiefe herrschenden, auf die Auftriebskörperelemente 34 wirkenden höheren Druckverhältnissen Rechnung.
Dieser vorteilhafte Aufbau wird auch in 3 deutlich, die eine Darstellung eines Details einer mit elliptisch ausgebildeten Auftriebskörpern ausgebildeten Windenergieanlage in einer perspektivischen Ansicht (A), einer Seitenansicht (B) und in Draufsicht (C) wiedergibt. Wenngleich der Schwimmkörper 30 aus mehreren Einzelbestandteilen, nämlich den in zwei Ebenen angeordneten Auftriebskörperelementen 32, 34 besteht, weist der Schwimmkörper 30 eine nach Außen geschlossene Oberfläche auf. Dabei werden die von außen auf den Schwimmkörper 30 wirkenden hydrostatischen Druckkräfte über die Seitenwandungen der Auftriebskörperelemente 32, 34 in des Zentralelement 28 abgeleitet. Das Zentralelement 28 weist zudem die Anbindungen für die Abspannungsseile 50 des Turms 40 auf, sodass das Zentralelement 28 als lastübertragendes Bauteil die auf die Schwimmkörper 30 wirkenden hydrostatischen und -dynamischen Lasten, als auch die auf den Antriebsstrang wirkenden aerodynamischen Schublasten in das Fundament 20 überträgt.
Die Auftriebskörperelemente 32, 34 sind derart ausgebildet, dass diese in etwa den Maßen eines ISO-Containers entsprechen und eine Länge von etwa 12 m und einen Durchmesser oder Kantenlänge von ca. 2,50 m aufweisen. Durch diese Ausgestaltung ist es problemlos möglich, die Auftriebskörperelemente 32, 34 über Land und gegebenenfalls Wasser zu transportieren, ohne dass hierzu besondere Vorkehrungen getroffen werden müssten.

Claims

Windenergieanlage (10) mit einem eine Mehrzahl von Auftriebskörpern (30, 30') aufweisenden schwimmenden Fundament (20), wobei - die Auftriebskörper (30) aus einer Mehrzahl von als Hohlkörper ausgebildeten Auftriebskörperelementen (32, 34) gebildet sind, die in einer ersten Ebene und in einer unterhalb der ersten Ebene angeordneten weiteren Ebene konzentrisch um jeweils ein sich vom schwimmenden Fundament (20) erstreckendes Zentralelement (28) nebeneinander angeordnet und mit diesem verbunden sind, und - jedes Auftriebskörperelement (32, 34) eine sich am Zentralelement (28, 28') abstützende Oberfläche, eine dem Zentralelement (28) gegenüberliegend angeordnete, konvex geformte Oberfläche und zwei sich jeweils an einer Seitenfläche eines benachbarten Auftriebskörperelements (32, 34) abstützende Seitenflächen aufweist dadurch gekennzeichnet, dass die konvex geformten Oberflächen der Auftriebskörperelemente (32, 34) gemeinsam, im Querschnitt durch die Auftriebskörperelemente (32, 34) gesehen, eine strömungsgünstige Querschnittsform in Form einer Ellipse, einer Linse oder einer Tropfenform, ausbilden.
Windenergieanlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die konvex geformte Oberfläche ausbildende Außenwandung eine dickere Wandstärke als die die Seitenflächen ausbildenden Wandungen aufweist.
Windenergieanlage (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die konvex geformte Oberfläche ausbildende Außenwandung eine zwischen 1,2- und 2,5-fach dickere Wandstärke aufweist als die die Seitenflächen ausbildenden Wandungen.
Windenergieanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die konvex geformte Oberfläche ausbildende Außenwandung als Sandwichschale ausgeführt ist.
Windenergieanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebskörperelemente (34, 34') lösbar mit dem Zentralelement (28, 28') verbunden sind.
Windenergieanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der weiteren Ebene angeordneten Auftriebskörperelemente (34, 34') dickwandiger ausgebildet sind als die in der ersten Ebene angeordneten Auftriebskörperelemente (32, 32').
Windenergieanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der weiteren Ebene angeordneten Auftriebskörperelemente (34, 34') einen höheren pneumatischen Innendruck aufweisen als die in der ersten Ebene angeordneten Auftriebskörperelemente (32, 32').
Windenergieanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge zu Breite der strömungsgünstige Querschnittsform 2:1 beträgt.
Windenergieanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge und der maximale Durchmesser der Auftriebskörperelemente (32, 32', 34, 34') der äußeren Abmessung eines ISO-Containers entspricht.
Windenergieanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebskörperelemente (32, 34) einen Durchmesser von 2,5 m und eine Länge von 12 m aufweisen.
Windenergieanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralelement (28) einen polygonalen Querschnitt aufweist.
Windenergieanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebskörperelemente (32, 34) aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigte Hohlkörper sind.
Windenergieanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von jeweils die Auftriebskörperelemente (32, 34) am Zentralelement (28) befestigenden Schellen (40).
Windenergieanlage (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebskörperelemente (32, 34) auf deren konvex geformten Oberfläche wenigstens eine quer zu deren Längsachsen verlaufende Ausnehmung zur Aufnahme wenigstens einer Schelle (40) aufweisen.