DE10300214A1

DE10300214A1 - Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere

Info

Publication number: DE10300214A1
Application number: DE2003100214
Authority: DE
Inventors: Friedrich Hensberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2004-07-22

Abstract

Bei der Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere handelt es sich um Einrichtungen, mit der sehr große Drehstromleistungen über größte Entfernungen, insbesondere über den Ozeanen, energieverlustarm und wirtschaftlichst übertragen werden können. Es wird hierbei extrem niedrigfrequenter Drehstrom mittels parallelgeschalteter und in Reihe geschalteter Transformatore auf extrem hohe Spannung transformiert. Dieser höchstgespannte, extrem niedrigfrequente Drehstrom wird dann über Freileitungen, die auf dem Meer von schwimmfähigen, elektrisch isolierten Tragwerken getragen werden und auf dem Land von elektrisch isolierten Masten getragen werden, übertragen. Diese Einrichtungen dienen insbesondere zur Stromübertragung von großen schwimmenden küstenfernen Windparks auf den Ozeanen und zur weitestgehenden internationalen Stromvernetzung.

Description

Die Erfindung betrifft zum einen Einrichtungen die insbesondere zur wirtschaftlichen Übertragung von sehr großen Strommengen dienen, die mittels großen Parks von Windkraftanlagen in sehr großen Küstenabständen auf den Weltmeeren gewonnen werden und zum anderen Einrichtungen die einen weitestgehenden, sehr wirtschaftlichen energieverlustarmen internationalen Verbund von elektrischer Energie ermöglichen.
Die heutigen Einrichtungen zur Drehstromübertragung haben den wesentlichen Nachteil, dass bei großen Stromübertragungsentfernungen hohe Energieverluste entstehen, so dass die wirtschaftlichen Übertragungsentfernungen auf etwa 1000 Km begrenzt sind und die Hochspannungsgleichstromübertragung hat im Wesentlichen die Nachteile, dass die Gleichstromübertragung durch Meere auf eine maximale wirtschaftliche Spannung von etwa 500 000 Volt beschränkt ist, weil sonst der Aufwandt für die elektrische Isolierung zu groß wird. Durch diese Spannungsbegrenzung werden auch die erforderlichen Leitungsquerschnitte sehr groß. Außerdem ist das Gleichrichten von höheren Spannungen mit entsprechend höheren Energieverlusten verbunden. Dazu kommen dann noch die höheren Transformatorenergieverluste.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde diese Nachteile zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch extrem niedrigfrequenten Drehstrom mit extrem hoher Spannung gelöst. Hierbei wird beispielsweise in großen schwimmfähigen Windkraftwerkparks auf einem Ozean küstenfern extrem niedrigfequenter Drehstrom erzeugt. Dieser extrem niedrigfrequente Drehstrom wird mittels parallel- und in reihegeschalteter Drehstromtransformatoren auf Hochspannung transformiert. Die einzelnen Phasen dieses hochgespannten Drehstroms werden dann getrennt von einander mittels in Reihe geschalteter Wechselstromtransformatoren auf höchste Spannung (beispielsweise 5 000 000 Volt) transformiert. Die Verlustenergie der hier benötigten Transformatore ist extrem gering, weil durch die extrem niedrige Drehstromfrequenz nur eine extrem geringe Ummagnetisierungsenergie für die Transformatorenbleche erforderlich ist, so dass bei entsprechender Transformatorenwicklungs-Auslegung, beim Transformieren des Drehstromes auf höchste Spannung, insgesamt nur relativ geringe Energieverluste entstehen. Die Transformatoren sind auf einer entsprechend großen, auf dem Meer schwimmfähigen, am Meeresboden fest verankerten, elektrisch höchstspannungsisolierenden, sehr stabilen Plattform fest montiert. Die drei Phasen des höchst gespannten Drehstroms werden vorteilhaft getrennt voneinander über Stromleitungen, die auf schwimmfähigen, am Meeresboden fest verankerten, elektrisch isolierenden Tragwerken befestigt sind, übertragen. Für die Stromübertragung über Land werden feststehende elektrisch sicher isolierende Strommaste verwendet. Die Wandlung des höchtsgespannten Drehstroms am Bestimmungsort auf eine benötigte niedrigere Spannungsebene wird mittels in reihe- und parallel geschalteter Wechselstrom- und Drehstromtransformatoren bewirkt. Bei Drehstromübertragung im extrem niedrigfrequenten Bereichen werden, bei den relativ geringen Leitungsquerschnitten die bei dem extrem hochgespannten, extrem niedrigfrequenten Drehstrom nur erforderlich sind, die induktiven Energieverluste weitestgehend vernachlässigbar klein, so dass die Leitungsdurchmesser wesentlich größer sein können als beispielsweise bei 50 Hz-Wechselstrom. Beispielsweise genügt für die Fernübertragung einer Drehstromleistung von 10 000 000 KW, bei einer Phasenspannung von 5 000 000 Volt und einer Frequenz von 0,2 Hz je Phase eine Stromleitung von 40 mm Durchmesser aus AlMgSiF37, um etwa nur 4% Energieverlust bei einer Übertragungsentfernung von 10 000 Km zu haben. Bei einer günstigen Auslegung der Transformatoren kann für die Stromübertragung über 10 000 Km ein Gesamtwirkungsgrad von etwa 92% wirtschaftlichst erreicht werden.
Eine Ausführung der Einrichtung zur großtechnische Drehstromfernübertragung über Land und Meere zeigen die Zeichnungen. Die Zeichnungen zeigen im einzelnen
1 zeigt die Ansicht von schwimmfähigen Tragwerken mit Stromleitung. 2 zeigt die Draufsicht von schwimmfähigen Tragwerken mit Stromleitung. 3 zeigt eine Stromleitung 1 mit einer sich nach dem Wind ausrichtenden Strömungswiderstand verringernden Stromleitungsverkleidung 6.
4 zeigt einen Mast 3 im Querschnitt mit einer sich nach dem Wind ausrichtenden Strömungswiderstand verringernden Mastverkleidung 7.
Eine Ausführung einer Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere ist in folgender Beschreibung beschrieben:
Ein Park von großen schwimmfähigen Windkraftwerken, der 10 000 Km von der Küste entfernt ist, liefert einen Drehstrom von im Durchschnitt 10 000 000 KW Leistung. Die Spannung des gelieferten Drehstromes beträgt 50 000 Volt. Die Frequenz dieses Drehstroms beträgt 0,2 Hertz. In einer ersten Stufe wird dieser Drehstrom mittels 100 Stück parallel geschalteter Drehstromtransformatore auf eine Phasenspannung von 500 000 Volt transformiert. In einer zweiten Stufe wird dieser Drehstrom durch 5 Stück parallel geschalteter Drehstromtransformatore auf eine Phasenspannung von 1 000 000 Volt transformiert. In den nächste Stufen werden die einzelnen Phasen des Drehstroms mit in Reihe geschalteter Wechselstromtransformatore auf eine Phasenspannung von 5 000 000 Volt transformiert. Die Transformatore sind auf einer schwimmenden, extrem hohe Spannung sicher elektrisch isolierenden Plattform fest montiert. Diese Plattform ist am Meeresboden sturmsicher mehrfach fest Verankert. Vor der ersten Stufe der Drehstromtransformatore sind jeweils Fehlerstrom-, Sicherungs- und Ausschalter angebracht. Der auf höchste Spannung von 5 000 000 Volt Phasenspannung transformierte Drehstrom wird über drei voneinander getrennter Stromleitungen 1, die jeweils einen Durchmesser von 40 mm haben und aus AlMgSi1F32 bestehen, zur Küste geleitet. Diese Stromleitungen 1 sind auf schwimmfähigen, elektrisch sicher isolierenden Tragwerken befestigt, die am Meeresgrund mehrfach fest verankert sind. Die Abstände zwischen den Tragwerken betragen in Stromleitungsrichtung jeweils 1000 Meter. Das Durchhängen der Stromleitung 1 zwischen zwei Tragwerken beträgt maximal 50 Meter. Ein Tragwerk besteht aus einem Mast 3, den Seilen 2, den drei Fachwerken 4, den drei Schwimmkörpern 5, den drei Ankerseilen 8 und den drei Ankern 9. Der Mast 3 ist ein senkrecht angeordnetes an den Fachwerken 4 befestigtes und durch hochfeste elektrisch isolierende Seile 2 gehaltenes Rohr mit einem Außendurchmesser von 160 mm und einem Innendurchmesser von 100 mm und besteht aus Epoxydharz mit 75% in Längsrichtung angeordneten Kohlefasern und ist ca. 160 m hoch. Die Fachwerkträger 4 sind Schweißkonstruktionen aus runden Baustahlrohren, sind mit dauerhaften Korrosionsschutz versehen und in der Mitte des Tragwerks miteinander fest verbunden. Die drei Fachwerkträger sind jeweils 40 Meter lang und an den äußeren Enden sind zylinderförmige Schwimmkörper 5 aus dauerhaft korrosionsgeschütztem Stahlguß befestigt deren Mittenachsen senkrecht angeordnet sind. Die Schwimmkörper 5 sind jeweils mittels eines Ankerseiles 8 aus gereckten Polyetylenfasern bestehend und mit Polyetylenfolie umwickelt mit den Ankern 9, die aus massiven Grauguß bestehen, am Meeresboden, beispielsweise in 4000 Metern Meerestiefe fest verbunden. Um die Belastungen durch Windkräfte auf die Tragwerke zu minimieren, so dass sich insgesamt erhebliche Materialeinsparungen, insbesondere bei den Ankerseile 8 und Ankern 9 ergeben, sind die Stromleitungen 1 mit um diese Stromleitungen 1 schwenkbaren strömungsgünstig geformten Stromleitungsverkleidungen aus Kunststoff versehen und in gleicher Weise sind die Masten 3 weitgehend mit Mastverkleidungen 7 versehen. In gleicher Weise sind auch die Seile 2 verkleidet. Durch diese sich nach dem Wind ausrichtenden Verkleidungen wird der Luftströmungswiderstand etwa um den Faktor 4 gesenkt. Insgesamt werden für die 10 000 Km Drehstromübertragungsstrecke 30 000 Stück Tragwerke benötigt. Die Tragwerke sind oben mit Leuchtfeuern versehen, die mittels mit einem sich drehenden Lichtleitfaserbündel von unten mit Licht gespeist werden und von unten gedreht werde. Das Lichtleitfaserbündel ist von unten durch den Mast 3 geführt. Die Energie für das Licht wird beispielsweise mittels Solarzellen gewonnen, die über die Schwimmkörpern befestigt sind.
Es gibt noch viele Ausführungen dieser Einrichtungen zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere.
Die besonderen Vorteile dieser Erfindung sind einmal, dass hiermit zum Einen äußerst verlustarme weltweite Stromverbünde erstellt werden können und zum anderen, was noch bedeutungsvoller sein wird, dass hierdurch zukünftig die Windenergien über die Weltmeere weitestgehend äußerst wirtschaftlich und weitestgehend verlustarm nutzbar gemacht werden können.

1: Stromleitung
2: Seil
3: Mast
4: Fachwerk
5: Schwimmkörper
6: Stromleitungsverkleidung
7: Mastverkleidung
8: Ankerseil
9: Anker

Claims

Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere, dadurch gekennzeichnet, dass Drehstrom von hoher bis sehr hoher Leistung und extrem niedriger Frequenz, mittels parallel- und in reihegeschalteter Drehstrom- und Wechselstromtransformatore, auf extrem hohe Spannung, in der Größenordnung von etwa 3 000 000 Volt bis 10 000 000 Volt, transformiert wird und über große bis extrem große Entfernungen, von etwa 1000 Km bis über 10 000 Km, über drei oder mehr elektrisch voneinander getrennte Stromleitungen, die auf elektrisch sicher isolierten Tragwerken befestigt sind, übertragen wird, wobei diese Tragwerke auf dem Meer schwimmfähig und am Meeresboden fest verankert sind und auf dem Land feststehend sind und dass der extrem hochgespannte, extrem niedrigfrequente Drehstrom an den Stromempfängerorten, mittels in reihe- und (wenn erforderlich) parallelgeschalteter Wechselstrom- und Drehstromtransformatoren, auf niedrigere Spannungsebenen transformiert wird.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstrom- und Wechselstromtransformatore auf einer schwimmfähigen, elektrisch höchste Spannungen isolierende Plattform oder mehrere Plattformen fest montiert sind und dass diese Plattform am Meeresgrund fest verankert ist, bzw. dass diese Plattformen am Meeresgrund fest verankert sind.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder beiden der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsstromleitungen und wenn erforderlich auch Ausgangsstromleitungen, das heißt vor dem hochtranformieren des Drehstromes wenn nötig auch nach dem niedertransformieren des Drehstromes, mit Fehlerstrom-, Schutz- und Ausschaltern versehen sind.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein schwimmfähiges Tragwerk, das am Meeresboden fest verankert ist, aus einem Mast (3) oder mehreren Masten (3) aus hochspannungsisolierendem Material, wie beispielsweise Kunststoff, besteht/bestehen, der/die von einem oder mehreren Schwimmkörper/Schwimmkörpern getragen wird/werden.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass drei Schwimmkörper (5) etwa gleich weit voneinander entfernt angeordnet sind und durch Fachwerke (4) miteinander verbunden sind, wobei die Fachwerke (4) in der Mitte zwischen den drei Schwimmkörpern (5) miteinander fest verschraubt, verschweißt oder vernietet sind und dass ein Mast (3) senkrecht zu den Schwimmkörpern (5) angeordnet ist, der in der Mitte zwischen den Schwimmkörpern (5) an der Fachwerkverbindung befestigt ist.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmkörper (5) dauerhaft korrosionsgeschützte Hohlkörper aus Stahlguß sind.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fachwerke (4) aus dauerhaft korrosionsgeschützten runden Stahlstäben bestehen die durch Schweißen miteinander verbunden sind.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fachwerke (4) weitgehend oder ganz unter der Wasseroberfläche befinden.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Masten (3) aus unidirektional kohlefaserverstärktem Kunststoff wie Epoxydharz bestehen.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mast (3) einen runden Querschnitt mit einer mittigen Bohrung hat in der ein Lichtleitfaserbündel drehbar angeordnet ist, dass oben am Mast (3) einen Hohlspiegel dreht und beleuchtet.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mast (3) durch elektrisch isolierende hochfeste Seile (2) in seiner Lage gehalten wird, wobei die Seile (2) jeweils an einem Ende am Mast (3) und am anderen Ende an einem der Schwimmkörper (5) oder am Fachwerk (4) befestigt sind.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils oben am Mast (3) eine Stromleitung (1) befestigt ist.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Schwimmkörper (5) jeweils mittels einem Ankerseil (8), aus Kunststoff oder korrosionsgeschütztem Federstahl, mit einem Anker (9) am Meeresboden fest verbunden ist, wobei die Anker (9) am Meeresboden einen großen Abstand zueinander aufweisen.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerseil (8) aus hochfesten gereckten Polyetylenfasern besteht und durch eine Ummantelung aus Kunststoff oder einer korrosionsbeständige Metallumwicklung geschützt ist.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (9) ein schwerer Anker (9) aus Grauguß ist.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleitungen (1) mit Stromleitungsverkleidungen (6) aus Kunststoff verkleidet sind, die um die Stromleitung (1) leicht drehbar sind, eine strömungsgünstige Form haben und sich durch die Windkraft selbsttätig zur Windrichtung hin ausrichten.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Mast (3) mit Mastverkleidungen (7) aus Kunststoff verkleidet ist, die um den Mast (3) leicht drehbar sind, eine strömungsgünstige Form haben und sich durch die Windkraft selbsttätig zur Windrichtung hin ausrichten.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Seile (2) mit Verkleidungen aus Kunststoff verkleidet sind, die um die Seile (2) leicht drehbar sind, eine strömungsgünstige Form haben und sich durch die Windkraft selbsttätig zur Windrichtung ausrichten.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Masten (3) auf dem Lande in oder an einem Fundament befestigt sind und aus unidirektional faserverstärktem Kunststoff wie Epoxydharz mit Kohlefaserverstärkung bestehen.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Masten (3) auf dem Lande mit Mastverkleidungen (7) aus Kunststoff verkleidet sind, die um die Masten (3) leicht drehbar sind, eine strömungsgünstige Form haben und sich durch die Windkraft selbsttätig zur Windrichtung ausrichten.
Einrichtung zur großtechnischen Drehstromübertragung über Land und Meere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Stromleitungen für die Phasen des Drehstroms, in elektrisch sicherem Abstand zu einander jeweils auf einem Mast (3) auf einem Tragwerk, oder jeweils auf einem Mast (3) in elektrisch sicherem Abstand zueinander auf einem Tragwerk befestigt sind.