DE10306225A1

DE10306225A1 - In einem Gewässer fixierte Anlage

Info

Publication number: DE10306225A1
Application number: DE10306225A
Authority: DE
Inventors: Peter Kelemen
Original assignee: Kelemen Peter Dipl-Ing
Current assignee: Kelemen Peter Dipl-Ing
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02

Abstract

Eine in einem Gewässer (5) relativ zum Gewässergrund (11) fixierte Anlage mit einem Nutzaufbau (1) und mehreren sternförmig zum Nutzaufbau (1) angeordneten Ballastkörpern (7), zur Fixierung der Anlage, wird ohne eine aus Sicherheitsgründen erforderliche übergroße Dimensionierung der Verankerung dennoch auch in Extremzuständen sicher dadurch gehalten, dass die Ballastkörper (7) durch mit dem Nutzaufbau (1) verbundene, in ihren unteren Bereichen mit dem Wasser kommunizierende Behälter gebildet sind, die mit einem fluiddicht ausgebildeten Oberteil ein darin gefangenes Volumen (V1, V2, V3) eines gegenüber Wasser leichteren Fluids halten, dass Fluidleitungen (8) zwischen den Ballastkörpern (7) und dem Nutzaufbau (1) vorgesehen sind und dass der Nutzaufbau (1) eine Steuerung (9) aufweist, mit der das Fluidvolumen (V1, V2, V3) in den einzelnen Ballastkörpern (7) steuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine in einem Gewässer relativ zum Gewässergrund fixierte Anlage mit einem Nutzaufbau und mehreren sternförmig zum Nutzaufbau angeordneten Ballastkörpern, zur Fixierung der Anlage.
Es sind Offshore-Anlagen bekannt, bei denen der Nutzaufbau als Auftriebskörper ausgebildet ist und gegen seine Auftriebskraft zumindest teilweise unter Wasser gezogen und am Meeresboden mittels in den Meeresboden eingegossener Verankerungspfähle, Fundamente usw. verankert wird. Bei der aus der DE 134 847 A1 bekannten Vorrichtung, sind in den Meeresboden Pfahlanker eingebracht worden. Von dort aus erstrecken sich Ketten in einer solchen Länge zu einem Auftriebskörper, dass dieser in der zumindest teilweise unter Wasser gezogenen Position gehalten wird.
Der Auftriebskörper ist als Hohlkörper ausgebildet und entwickelt seine Auftriebskraft durch das eingeschlossene Luftvolumen.
Der Aufbau einer derartigen Offshore-Anlage erfordert einen nicht unerheblichen Aufwand für den Transport des als Auftriebskörper dienenden geschlossenen Hohlkörpers, der aufgrund seiner benötigten Abmessungen ein schweres und damit schwer zu transportierendes Bauelement darstellt, das in seiner Verwendung unflexibel ist.
Es ist ferner bereits vorgeschlagen worden, eine derartige Anlage statt mit Verankerungspfählen o. dgl. mit Ballastkörpern zu fixieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der eingangs erwähnten Art so auszubilden, dass bei einer hohen Sicherheit auch gegen Extremsituationen eine vereinfachte Fixierung der Anlage am Gewässergrund möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Anlage der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass die Ballastkörper durch mit dem Nutzaufbau verbundene, in ihren unteren Bereichen mit dem Wasser kommunizierende Behälter gebildet sind, die mit einem fluiddicht ausgebildeten Oberteil ein darin gefangenes Volumen eines gegenüber Wasser leichteren Fluids halten, dass Fluidleitungen zwischen den Ballastkörpern und dem Nutzaufbau vorgesehen sind und dass der Nutzaufbau eine Steuerung aufweist, mit der das Fluidvolumen in den einzelnen Ballastkörpern steuerbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Anlage werden somit Ballastkörper verwendet, die einen durch das steuerbare Fluidvolumen steuerbaren Auftriebsanteil enthalten, sodass der Ballast durch den einzelnen Ballastkörper steuerbar ist, beispielsweise in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Kippmomente detektierenden Sensoreinrichtung. Bekanntlich bewirken sowohl die Wellenbewegungen des Gewässers als auch Wind auf den Nutzaufbau einwirkende Kippmomente, die von dem aus Auftriebskörper und Ballastkörpern bestehenden Verankerungssystem aufgenommen werden müssen, um ein Kippen, beispielsweise einer einen Turm mit Windrad aufweisenden Winkraftanlage, zu verhindern. Die durch den Auftriebskörper und die Ballastkörper bewirkte Verankerung des Nutzaufbaus ist regelmäßig in der Lage, für Normalzustände, die beispielsweise bis zu 5 bis 6 Windstärken bei normalem Wellengang reichen können, die auftretenden Kippmomente aufzunehmen. Für die darüber hinaus gehenden „Extremzustände" müsste die Verankerung mit hohem Aufwand so ausgelegt werden, dass auch die in diesen Extremzuständen auftretenden Kippmomente sicher aufgenommen werden. Diese hochdimensionierte Verankerung kann erfindungsgemäß dadurch vermieden werden, dass insbesondere für die Extremzustände eine von den angreifenden Kippmomenten abhängige Steuerung des Ballasts der Ballastkörper vorgenommen wird, um über die Ballastkörper etwaigen Kipplagen des Nutzaufbaus entgegenzuwirken. Da die Ballastkörper vorzugsweise starr mit dem Nutzaufbau verbunden sind, wird die durch die alle Ballastkörper erzeugte „Vorspannung" gegen ein momentan einwirkendes Kippmoment auf den Nutzaufbau übertragen.
Da die erfindungsgemäße Steuerung des Auftriebs der Ballastkörper Kippmomenten entgegenwirkt, nicht jedoch eine Fixierung gegen durch Strömung des Gewässers oder Windeinwirkung bewirkte Horizontalverschiebungen der Anlage sicherstellt, ist vorzugsweise der Nutzaufbau und/oder die Anordnung der Ballastkörper gegen Horizontalverschiebungen am Gewässergrund fixiert. Diese Fixierung, die in herkömmlicher Weise durch einen oder mehrere Zugpfähle oder durch ein oder mehrere auf dem Gewässergrund aufliegende Gewichte erfolgen kann, kann wegen der Sicherung nur gegen Horizontalkräfte relativ einfach gehalten sein.
Es ist dabei möglich, die Ballastkörper selbst relativ zum Gewässergrund zu fixieren oder auch die Ballastkörper auf dem Gewässergrund aufliegend oder in einem weichen Gewässergrund (z.B. Schlick) in etwas eingesunkenen Zustand zu positionieren, sodass sie selbst die Sicherung gegen die Horizontalverschiebung der Anlage bewirken.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Steuerung der Fluidvolumina der Ballastkörper in einem Regelkreis mit der Sensoreinrichtung, die für die Sensierung der Lage und/oder von Kipppkräften bzw. Kippmomenten ausgelegt sein kann und der Steuerung. Dabei ist es zweckmäßig, den Regelkreis erst beim Überschreiten einer vorbestimmten Grenzsituation der Kipplage des Nutzaufbaus wirksam schaltbar einzurichten, sodass eine Regelung erst einsetzt, wenn eine relevante Lageabweichung vom normalen Betriebszustand oder eine einen Schwellwert überschreitende Kippkraft detektiert wird. In diesem Fall wird die Regelung nur für die oben erwähnten „Extremzustände" durchgeführt. Die Festlegung der vorbestimmten Grenzsituation der Kipplage kann beispielsweise für eine Windkraftanlage als eine Überschreitung eines Kippwinkelwertes relativ zur Lotrechten festgelegt werden. Dabei wird es im Allgemeinen zweckmäßig sein, über einen gewissen Zeitraum eine mehrfache Überschreitung der Kipplage in einer bestimmten Richtung festzustellen, bevor die Regelung einsetzt, damit nicht zufällige „Ausreißerzustände" zu einer Regelung führen, die gar nicht einer tatsächlich bestehenden Extrembelastung in einer detektierten Richtung entsprechen.
Die die Kippmomente detektierende Sensoreinrichtung kann einen Lagesensor, Kraftsensor und/oder Beschleunigungssensor o. dgl. enthalten.
Das den Auftrieb der Ballastkörper bewirkende Fluid kann eine gegenüber Wasser leichtere Flüssigkeit sein, bevorzugt ist jedoch die Verwendung eines Gases, zweckmäßigerweise von Luft.
Vorzugsweise kann der Nutzaufbau selbst mit einem eigenen steuerbaren Fluidvolumen zur Einstellung einer Auftriebskraft versehen sein. Dabei kann auch wenigstens ein Anteil des Volumens des Nutzaufbaus durch die Ballastkörper gegen die Auftriebskraft des Fluidvolumens des Nutzaufbaus unter Wasser gehalten werden.
Bei einer Windkraftanlage, die einen mit einem Windrad versehenen Turm aufweist, kann der Auftriebskörper des Nutzaufbaus dadurch realisiert sein, dass der Turm in seinem unteren Ende ein bis unter den Wasserstand des Gewässers ragendes Gasvolumen aufweist. Zweckmäßigerweise ist das untere Ende des Turmes zum Eintauchen in das Gewässer vorgesehen und unten offen ausgebildet.
In ähnlicher Weise können auch die Aufriebskörper unten offene Behälter aufweisen bzw. sein.
Die erfindungsgemäße Anlage eignet sich mit Vorteil auch für eine Gründung mit Ballastkörper in einer Schlickschicht. Da die durch die Ballastkörper auf den Schlick ausgeübten Eindringkräfte durch die Steuerung des Auftriebs der Ballastkörper begrenzt werden können, lässt sich ein immer tieferes Eindringen der Ballastkörper in den Schlick verhindern. Die Gründung lässt sich noch dadurch stabilisieren, dass die Ballastkörper mit einem umlaufenden, krempenartig vorstehenden Rand versehen sind, der eine gewisse Verankerung des Ballastkörpers in dem Schlick bewirkt.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer in einem Gewässer fixierten Windkraftanlage mit drei Ballastkörpern, deren Auftrieb/Ballast einzeln regelbar ist
2 eine Draufsicht (ohne Windrad) auf die Anlage gemäß 1.
Die in der Zeichnung dargestellte Windkraftanlage weist einen Turm 1 auf, an dessen oberen Ende ein Windrad 2 mit einem Generator 3 drehbar montiert ist, sodass das Windrad 2 immer in den Wind gestellt werden kann.
Der Turm 1 weist ein unteres Ende 4 auf, das unter einen Wasserspiegel W eines Gewässers 5 ragt, und zwar soweit, dass das untere Ende 4 des Turms 1 auch bei extremen Tidehüben und Wellengängen immer bis unter die Wasseroberfläche W ragt. Der Turm 1 ist über ein Gestänge 6 mit drei Ballastkörpern 7 verbunden, die, wie 2 verdeutlicht, sternförmig im Winkelabstand von 120° zueinander auf einem Radius liegen, um den Turm 1 herum angeordnet sind. Die Ballastkörper 7 sind als unten offene Behälter ausgebildet, die im oberen Bereich gasdicht sind, und so Gasvolumina V1, V2, V3 einschließen. Mit den Gasvolumina V1, V2, V3 kommunizieren Gasleitungen 8, die im Turm 1 mit einer Steuerung 9 verbunden sind. Mittels der Steuerung können die Gasvolumina V1, V2, V3 vergrößert oder verkleinert werden. Hierzu ist mit der Steuerung 9 durch einen Pfeil G symbolisierter Lagesensor 10 verbunden, der Abweichungen der Achse des Turms 1 von der Lotrechten detektiert. Führt ein auf das Windrad 2 einwirkender Horizontalmoment H, W zu einem Kippmoment M, W, das in 1 in der Zeichenebene von links nach rechts gerichtet ist, verringert die Steuerung 9 das Volumen V2 und vergrößert die Volumina V1 und V3, wodurch ein Gegenmoment erzeugt wird, das den Turm 1 in der Zeichenebene von rechts nach links beaufschlagt und so das Kippmoment M, W kompensiert.
Um ein seitliches Driften des Turmes 1 relativ zum Gewässergrund 11 zu verhindern, ist auf den Gewässergrund 11 ein Gewicht 12 aufgesetzt, das mit einer Kette 13 mit dem unteren Ende 4 des Turms 1 verbunden ist. Es ist denkbar, auch das Gewicht 12 mit einem steuerbaren Gasvolumen zu versehen, um die Einsinktiefe des Gewichts 12 in den Gewässergrund 11, insbesondere beim Vorhandensein einer mächtigeren Schlickschicht, steuern zu können.
Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, die Ballastkörper 7 selbst auf dem Gewässergrund 11 aufsetzen zu lassen. Durch die Auftriebsregelung werden Belastungsspitzen, und damit ein übermäßig tiefes Einsinken der Ballastkörper 7 in den Gewässergrund 11, vermieden.
1 verdeutlicht, dass der Turm 1 an seinem weit unter der Wasseroberfläche W liegenden unteren Ende 4 offen ausgebildet ist, sodass in dem unteren Ende 4, wie in den Ballastkörpern 7 ein Luftvolumen V4 gefangen ist, dessen Größe ebenfalls mit der Steuerung 9 steuerbar sein kann, um die von den Ballastkörpern 7 unter Wasser gehaltene Auftriebskraft des Turms 1 den jeweiligen Belastungen anpassen zu können. Ferner ist das Luftvolumen V4 geeignet, einen Notzustand zu definieren, der beim Ausfall der Regelung der Ballastkörper 7 oder bei durch die Steuerung 9 nicht mehr kompensierbaren Extremzuständen wirksam wird, indem das Luftvolumen V4 durch die Steuerung 9 vollständig geflutet wird, sodass der Turm 1 in Richtung Gewässergrund 11 abgesenkt wird oder die Belastung durch die Ballastkörper 7 auf dem Gewässergrund verstärkt wird, um ein Kippen des Turms 1 in nicht vorhersehbaren Extremzuständen verhindern zu können.

Claims

In einem Gewässer (5) relativ zum Gewässergrund (1 1) fixierte Anlage mit einem Nutzaufbau (1) und mehreren sternförmig zum Nutzaufbau (1) angeordneten Ballastkörpern (7), zur Fixierung der Anlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Ballastkörper (7) durch mit dem Nutzaufbau (1) verbundene, in ihren unteren Bereichen mit dem Wasser kommunizierende Behälter gebildet sind, die mit einem fluiddicht ausgebildeten Oberteil ein darin gefangenes Volumen (V1, V2, V3) eines gegenüber Wasser leichteren Fluids halten, dass Fluidleitungen (8) zwischen den Ballastkörpern (7) und dem Nutzaufbau (1) vorgesehen sind und dass der Nutzaufbau (1) eine Steuerung (9) aufweist, mit der das Fluidvolumen (V1, V2, V3) in den einzelnen Ballastkörpern (7) steuerbar ist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutzaufbau (1) und/oder die Anordnung der Ballastkörper (7) gegen Horizontalverschiebungen am Gewässergrund (11) fixiert sind.
Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ballastkörper (7) selbst relativ zum Gewässergrund (11) fixiert sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Fluidvolumina (V1, V2, V3) der Ballastkörper (7) in einem Regelkreis erfolgt, der mit einer am Nutzaufbau (1) angebrachten Sensoreinrichtung (10) für die Lage und/oder am Nutzaufbau angreifende Kippkräfte und der Steuerung (9) gebildet ist.
Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis beim Überschreiten einer vorbestimmten Grenzsituation der Kipplage des Nutzaufbaus (1) wirksam schaltbar ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ballastkörper, insbesondere im nicht wirksam geschalteten Zustand des Regelkreises, auf dem oder im Gewässergrund (11) liegend positioniert sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein Gas, vorzugsweise Luft, ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebskörper (7) unten offene Behälter aufweisen.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutzaufbau (1) mit einem eigenen steuerbaren Fluidvolumen (V4) zur Einstellung einer Auftriebskraft versehen ist.
Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutzaufbau ein Turm (1) einer Windkraftanlage ist, der in seinem unteren Bereich (4) ein bis unter die Wasseroberfläche (W) des Gewässers (5) ragendes gefangenes Gasvolumen (V4) aufweist.
Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (1) ein zum Eintauchen in das Gewässer (5) vorgesehenes, offenes unteres Ende (4) aufweist.
Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Anteil des Volumens des Nutzaufbaus (1) durch die Ballastkörper (7) gegen die Auftriebskraft des Fluidvolumens (V4) des Nutzaufbaus (1) unter Wasser gehalten wird.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ballastkörper (7) starr mit dem Nutzaufbau (1) verbunden sind.