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Die Erfindung betrifft die Netzanbindung von Offshore-Windparks.
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Dabei wird der Offshore-Windpark, bestehend aus einer Vielzahl von Windkraftanlagen welche über Kabel mit mindestens einem auf See befindlichem Umspannwerk zur Netzanbindung verbunden sind, derart gestaltet, dass dieses Umspannwerk ganz- oder teilweise am Standort einer der zum Windpark gehörigen Windkraftanlagen platziert ist und mechanisch mit der Gründung oder dem Turm dieser Windkraftanlage verbunden ist.
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Dabei werden Strukturelemente des Turmes einer Windkraftanlage derart gestaltet und genutzt, dass sie die Komponenten des seeseitigen Umspannwerkes solcher Windparks aufnehmen.
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Durch die beschriebene Lösung kann ganz oder teilweise auf die dem Stand der Technik entsprechenden Plattformen für die seeseitig zu errichtenden Umspannwerke dieser Windparks verzichtet werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine besonders kompakte Gestaltung eines seeseitigen Umspannwerkes für Offshore-Umspannwerke.
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Bekannt ist die seeseitige Errichtung von Umspannwerken auf speziellen Plattformen, welche auf See montiert werden. Weiterhin bekannt ist die Verwendung selbstschwimmender Plattformen, welche dann am Aufstellungsort am Seeboden verankert werden.
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Bekannt ist die Positionierung des zu einer Windkraftanlage gehörenden Transformators in der Gondel oder im Turm einer Windkraftanlage.
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Bekannt ist weiterhin die Gründung der Fundamente von Windenergieanlagen auf mehreren in den Meeresboden eingerammten Gründungsrohren, welche über ein den Turm tragenden. Stützgerüst miteinander verbunden sind. Bekannte Vertreter solcher Konstruktionen sind Tripod und Tripile Fundamente. Ein solches Fundament ist in
DE102004042066 beschrieben.
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In herkömmlichen Umspannwerken führen die erforderlichen elektrischen Luftabstände zu einem erheblichen Raumbedarf.
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Werden solche Umspannwerke im Offshore-Bereich eingesetzt, macht sich der Volumenbedarf durch die notwendigen großen Plattformen, Einhausungen für Komponenten, Fundamente, und Gründungsstrukturen als besonderer Kostentreiber bemerkbar.
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Einen besonders hoher Volumen- und Flächenbedarf verursachen die für HGÜ erforderlichen Konverterstationen.
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Im Stand der Technik werden auch die seeseitigen Konverterstationen für HGÜ-Anlagen auf speziellen Offshore-Plattformen untergebracht. Hier kommt es zu einer besonderen Verschärfung der Raumsituation.
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In allen diesen Fällen, ist die Erstellung der Umspannplattform mit erheblichen Kosten verbunden.
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Ein weiterer Nachteil ist der erhebliche Aufwand beim Austausch großer Komponenten, zum Beispiel der Transformatoren, im Reparaturfall.
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Ziel der Erfindung ist es die genannten Nachteile zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Offshore-Windpark, bestehend aus einer Vielzahl von Windkraftanlagen welche über Kabel mit mindestens einem auf See befindlichem Umspannwerk zur Netzanbindung verbunden sind, wird derart gestaltet, dass das seeseitige Umspannwerk zur Netzanbindung am Standort einer der zum Windpark gehörigen Windkraftanlagen platziert ist und mechanisch mit der Gründung des Turmes dieser Windkraftanlage verbunden ist.
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Das zur Netzanbindung erforderliche Umspannwerk wird in die Gründungs-, und Turmstruktur einer oder mehrerer der vorhandenen Windkraftanlagen integriert. Die nach dem Stand der Technik üblichen separaten Plattformen zur Aufnahme dieser Umspannwerke entfallen.
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Die Türme von Windkraftanlagen weisen meist Fundamente auf, welche aus Stahlrohren gebildet sind. Dabei kommen in Abhängigkeit von den jeweiligen Einsatzbedingungen verschiedene Konstruktionen zum Einsatz, beispielsweise Monopile-Fundamente, die nur einen einzelnen Pfahl aufweisen, Jacket-Fundamente, die eine Stahlfachwerkkonstruktion aufweisen, Tripod-Fundamente, die eine Dreibeinkonstruktion aus Stahlrohren aufweisen, welche unter Wasser einen Hauptpfahl stützt, Tripile-Fundamente, die drei am Meeresboden verankerte Pfähle aus Stahlrohr aufweisen, auf welche über Wasser eine Dreibeinkonstruktion aufgesetzt wird, oder Mehrpfahlsysteme.
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Erfindungsgemäß werden der Turm und/oder die genannten Gründungsstrukturen zur Unterbringung oder als Gehäuse für die Komponenten des Umspannwerkes genutzt. Dazu werden erfindungsgemäß die Abmessungen der genannten Hohlstrukturen derart dimensioniert, dass eine Platzierung der Komponenten des Umspannwerkes ermöglicht wird. Die Komponenten werden entsprechend ihrer Masse, ihren Abmessungen und den jeweils erforderlichen Betriebsbedingungen in den Hohlstrukturen platziert.
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Erfindungsgemäß können die Komponenten des Umspannwerkes auf die Gründungs- und Turmstruktur mehrerer Windkraftanlagen verteilt werden. Dabei ist eine Aufteilung, sowohl nach Funktionsbaugruppen als auch die Aufteilung in Einphaseneinheiten möglich. Insbesondere für HGÜ-Anlagen mit ihrem großen Raumbedarf bietet sich eine Aufteilung nach Funktionsbaugruppen auf die Gründungsstruktur mehrerer Windkraftanlagen an.
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Die Gewichtskraft der Komponenten des Umspannwerkes (insbesondere der Leistungstransformatoren) in der Gründungsstruktur führt zu einer Erhöhung der Masse derselben und trägt damit zur Erhöhung der Stabilität des Offshore-Bauwerkes bei. Bei der in mehreren Ausführungsformen bevorzugten Platzierung der schweren Komponenten des Umspannwerkes im unteren Bereich des Offshore-Bauwerkes wird der Schwerpunkt der Gründungs- und Turmstruktur der Anlage in Richtung Seeboden verlagert und damit die für hohe Windgeschwindigkeiten erforderliche Verankerung des Fundamentes der Windkraftanlage im Seeboden vereinfacht.
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Vorteilhafterweise können die großen Außenflächen der Hohlstrukturen der Gründung des Offshore-Bauwerkes in die Kühlung der Komponenten des Umspannwerkes einbezogen werden.
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Zweckmäßigerweise können insbesondere die großvolumigen und schweren Komponenten, zum Beispiel die Leistungstransformatoren als Einphasensysteme ausgeführt werden.
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Vorteilhafterweise werden die zur Platzierung der Funktionsbaugruppen des Offshore-Umspannwerkes dienenden Hohlstrukturelemente mit verschließbaren Öffnungen zum Austausch von Komponenten versehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird der Transformator als Drehstrom-Manteltyp ausgeführt und derart in den rohrförmigen Strukturen des Turmes oder der Gründungsstruktur eingebracht, dass die Wicklungsachse in gleicher Richtung wie die Rohrstrukturachse ausgerichtet ist.
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Durch diese Bauweise ist auch die Unterbringung von Drehstromtransformatoren größter Leistung in den beschriebenen Hohlstrukturen möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen die Komponenten vollständig oder zu wesentlichen Teilen in einem mit einem Isolierfluid befüllten Gehäuse zu platzieren. Durch den Verzicht auf Schnittstellen an der Luft, entfallen die internen großen Mindestabstände in Luft, sowie die Gleitstrecken an Luft und es können die wesentlich kleineren erforderlichen Abstände des gewählten Fluides genutzt werden.
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Die Einbettung der Komponenten in ein Isolierfluid führt durch die dann vorhandene Kapselung aller Komponenten, weiterhin zu einer Verringerung des Umwelteinflusses und damit zu einer Verminderung der Korrosions- und Alterungseffekte.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erhalten die Hauptkomponenten dabei eigene mit dem Isoliermedium befüllte Kammern. Dadurch wird die Gestaltung separater Kühlkreisläufe möglich. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei Reparatur einer Komponente, die anderen Komponenten und Funktionsteile mit dem Isoliermedium befüllt (imprägniert) bleiben und damit beispielweise keine zusätzlichen Maßnahmen vor der Inbetriebnahme notwendig sind (zum Beispiel Trocknungs- oder Prüfprozesse für Wicklungen).
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird innerhalb der Hohlstrukturelemente ein aus zylindrischer Feststoffisolation bestehendes elektrisches Barrierensystem aufgebaut.
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Zur Abführung der Verlustleistung der Ventilanordnung werden nach dem Stand der Technik flüssige Kühlmittel (vorzugsweise entionisiertes Wasser) verwendet. Dieses Kühlmittel wird erfindungsgemäß über elektrisch isolierte Rohrsysteme derart zu den Ventilanordnungen geführt, dass es zu keinem Durchbruch der zylindrischen Feststoffisolation und/oder der Barrierenanordnung kommt.
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Der Innenraum einer HGÜ-Stromrichterhalle mit dem Wechselrichter ist im Regelfall wegen der elektromagnetischen Verträglichkeit komplett metallisch vom Außenbereich geschirmt. Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird auch die HGÜ-Stromrichterhalle in die Hohlstrukturelemente der Gründungsstruktur integriert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die erforderliche Schirmung ganz oder teilweise durch die metallische Hohlstruktur der Gründung eines Offshore-Bauwerkes oder des Turmes einer Windkraftanlage gebildet.
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In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird die turmförmig angeordnete Ventilstruktur in einem vertikal beweglichen Gerüst befestigt. Dieses Gerüst wird derartig aufgebaut, dass es mittels entsprechender Hubvorrichtungen schrittweise angehoben oder gesenkt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform wird eine seitliche Verstrebung der Gründungsstruktur als Revisions- und/oder Transportzugang zu der vertikalen Baukastenstruktur genutzt.
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Der Übergang von der vertikalen die Anlagenkonstruktion beherbergenden Hohlstruktur zu dem als Zugang dienenden rohrförmigen Querträger wird mit einer dicht verschließbaren Öffnung versehen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Isolationssystem mit einem Barrierensystem versehen, welches im Zugangsbereich über verschiebbare Zwischenbarrieren verfügt.
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Zu Revisionen wird nun im entsprechenden Bereich das Isolierfluid abgelassen und die Anordnung kann durch die Öffnung zum Querträger betreten werden.
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Um Thyristoren oder IGBT's auszutauschen, kann nun die Zwischenbarriere verschoben werden und die Ventileinheit wird zugänglich.
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Die selbige Vorgehensweise ist auch für weitere Komponenten des Umspannwerkes umsetzbar. Die Ventilabschnitte können mit Steuerkondensatoren und/oder Überspannungsableitern verschaltet sein, welche ebenfalls im isolierten Segment der beschriebenen Anordnung angebracht werden.
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Um eine wirtschaftliche Fertigung und einfache Reparatur der HGÜ-Ventilanordnung zu ermöglichen, besteht jedes HGÜ-Ventil aus einer von der jeweiligen Spannung abhängigen Anzahl identischer Thyristor- oder IGBT-Modulen. Diese können zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit mit einer so genannten Ventildrossel verschalten werden. Die in der Erfindung beschriebene modulare Anordnung bezieht je nach Anwendungsfall diese Drossel mit ein.
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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 von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Offshore Windpark (40), welcher mit einer bestimmten Anzahl von Windkraftanlagen (1) ausgestattet ist. Das zur Netzanbindung erforderliche Umspannwerk (42) ist in die Gründungsstruktur einer der vorhandenen Windkraftanlagen (1) integriert. Die nach dem Stand der Technik üblichen separaten Plattformen zur Aufnahme dieser Umspannwerke entfallen.
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2 zeigt eine Anordnung mehrerer Windparks (40). Die Windkraftanlagen versorgen im Ausführungsbeispiel jeweils 2 AC-Umspannwerke (42.1). Von diesen wird über AC-Hochspannungskabel (43.1) die seeseitige Konverterstation (42.2) einer HGÜ-Übertragungsstrecke (43.2) versorgt.
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Erfindungsgemäß können die Komponenten des Umspannwerkes (41.1/41.2) auf die Gründungs- und Turmstruktur mehrerer Windkraftanlagen (1) verteilt werden. Dabei ist eine Aufteilung, sowohl nach Funktionsbaugruppen als auch die Aufteilung in Einphaseneinheiten möglich. Insbesondere für HGÜ-Anlagen mit ihrem großen Raumbedarf bietet sich eine Aufteilung nach Funktionsbaugruppen auf mehrere Windkraftanlagen (1) an.
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3 zeigt eine erfindungsgemäß gestaltete Windkraftanlage. Entsprechen dem Stand der Technik befindet sich der zur Windkraftanlage gehörende Transformator (1.8/1.9) in der Gondel (1.6) oder dem Turm (1.1) der entsprechenden Windkraftanlage. Erfindungsgemäß wird die Gründungs- (2) und/oder Turmstruktur dieser Windkraftanlage derart gestaltet, dass sie die Komponenten (4) für das zur Netzanbindung eines oder mehrerer Offshore-Windparks (40) notwendige Umspannwerk (42) aufnehmen kann. Die nach dem Stand der Technik üblichen Plattformen zur Aufnahme dieser Umspannwerke entfallen.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem das seeseitigen Umspannwerk (42) des Windparks in einem Gehäuse untergebracht ist, welches direkt auf der Monopile Gründung (2) des Turmes (1.1) der Windkraftanlage (1) aufgesetzt ist. Die Monopile Gründung ist derart ausgeführt, dass sie das Umspannwerk tragen kann. Die Anordnung der Komponenten (4) erfolgt im Gehäuse des Umspannwerkes zweckmäßigerweise derart, dass keine oder nur eine geringe Verlagerung des Schwerpunktes des Gesamtbauwerkes erfolgt.
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Beim in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Umspannwerk (42) an der den Turm (1.1) der Windkraftanlage tragenden dreibeinigen Gründungsstruktur angebracht. Diese ist im Ausführungsbeispiel als so genanntes ”Tripile-Fundament” ausgeführt. Dieses Fundament ist durch seine Stützweite auch für größere Wassertiefen geeignet. Im Ausführungsbeispiel sind Komponenten (4) des Umspannwerkes in der Hohlstruktur des Turmes untergebracht. Zweckmäßigerweise erfolgt im oberen Teil des Turmes die Unterbringung von Komponenten des Umspannwerkes, welche eine geringe Masse aufweisen und einen geringen Wartungsbedarf haben. Im Ausführungsbeispiel ist das Umspannwerk mit einer in einem Stahlpfeiler der Gründungsstruktur befindlichen Kühlanlage verbunden.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem der untere Bereich des Turmes (2) derart gestaltet wurde, dass er die großen Komponenten des Umspannwerkes aufnehmen kann. Im Beispiel sind die Leistungstransformatoren (4.1) im unteren Bereich des Turmes untergebracht. Weitere Komponenten (4), beispielsweise eisenlose Drosseln (4.5) des Umspannwerkes sind ebenfalls im Turm angeordnet. Um die Abmessungen des Turmes dafür nutzen zu können, sind diese Bauteile ganz oder teilweise von einem Isolierfluid umgeben. Die zur Platzierung der Funktionsbaugruppen des Offshore-Umspannwerkes dienenden Hohlstrukturelemente (2) sind mit verschließbaren Öffnungen (2.7) zum Austausch von Komponenten versehen und derart angeordnet, dass Komponenten des Offshore-Umspannwerkes im Reparaturfalle (4) mittels eines Hebezeuges (13) auf ein Seefahrzeug (12) verladen werden können. Zweckmäßigerweise können insbesondere die großvolumigen und schweren Komponenten als Einphasensysteme ausgeführt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Lösung wird jeweils eine zusätzliche Einheit dieser Komponenten als Reserveeinheit vorinstalliert.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem die Hohlstruktur der Gründung (2) derart gestaltet wurde, dass sie in der Lage ist die großvolumigen Komponenten (4.1) des Umspannwerkes aufzunehmen. Auf der Gründungsstruktur ist eine verschließbare Montageöffnung (2.7) zum Austausch von Komponenten vorgesehen. Weiterhin ist am Turm (1.1) eine Aufnahmevorrichtung für ein bewegliches Hebezeug (13) angebracht. In der dargestellten Ausführungsform sind die Mittelachsen der Gründungsstruktur (2) und des Turmes (1.1) der Windkraftanlage zueinander verschoben, so dass es möglich wird auch große Komponenten (4.1) im Reparaturfalle auszutauschen und auf ein Seefahrzeug (12) zu verladen.
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In 8 ist eine Ausführung der beschriebenen Lösung auf einem Schwerkraftfundament (60) dargestellt. Dieses wird im Ausführungsbeispiel durch einen Betonblock (60) gebildet, welcher auf dem Seeboden (51) platziert wird. In diesem befindet sich die Verankerung für den Turm (1.1) der Windkraftanlage. In die Fundamentstruktur (60) werden Hohlstrukturen (65) zur Aufnahme der Komponenten (4) des Offshore-Umspannwerkes eingebunden. Diese Hohlstrukturen (65) werden mit einer verschließbaren Montageöffnung (2.7) versehen und derart angeordnet dass sie mittels eines am Turm (1.1) montierbaren beweglichen Hebezeuges (13) erreichbar sind.
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Solche Schwerkraftfundamente sind auch in Wannenform ausführbar und können dann Schwimmfähigkeit erreichen. In diesem Falle ist die beschriebene Lösung analog umsetzbar.
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9 zeigt die Platzierung von elektrischen Komponenten (4.5) eines Umspannwerkes in einem Gefäß (30), welches mit einem Fluid (22) befüllt ist. Dieses wird innerhalb der Hohlstruktur (2) angeordnet. Diese Anordnung ist im Beispiel mit einer magnetischen Abschirmung (28) versehen, welche vorteilhafterweise an der Hohlstruktur der Gründung (2) befestigt werden kann. Ebenso ist eine Schirmung durch eine entsprechende Ausführung des Gefäßes (30) aus einem Leiterwerkstoff möglich. Die Fluidbefüllung ermöglicht die Realisierung der erforderlichen elektrischen Abstände innerhalb der Gründungsstruktur.
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Im Ausführungsbeispiel ist eine eisenlose Drossel (4.5) innerhalb des fluidgefüllten Gefäßes angeordnet. Im Ausführungsbeispiel wird das Gefäß (30) durch einen Isolationswerkstoff gebildet und innerhalb der Gründungsstruktur (2) der Windkraftanlage angeordnet. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird das zylindrische Gefäß der eisenlosen Drossel (4.5) mit einer koaxialen angeordneten Wandung (30.4) versehen, welche einen Innenraum bildet.
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Dieser Innenraum ist sowohl als ständiger Luftraum ausbildbar, oder es sind Vorrichtungen vorgesehen welche ein Ablassen des Fluides im Bedarfsfall ermöglichen. Somit ist innerhalb der Drossel ein Wartungsweg bildbar, welcher natürlich nur außerhalb des Betriebes der Anlage nutzbar ist.
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Durch die beschriebene Anordnung bleibt die Wicklung der Drossel trotz Bildung eines Begehungsweges immer vom Fluid imprägniert.
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Diese Anordnung ermöglicht beispielsweise die Stapelung von Drosseln großer Durchmesser in sonst kaum nutzbaren Abschnitten der Gründungsstruktur.
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10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem Komponenten (4) vollständig in einem fluidbefüllten Raum angeordnet sind. Durch den Verzicht auf Schnittstellen an der Luft, entfallen die internen großen Mindestabstände in Luft, sowie die Gleitstrecken an Luft.
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Das elektrische Isolationssystem des Ausführungsbeispiels ist mit den Barrieren (21) einer Feststoff-, oder Mischisolation ausgestattet. In der dargestellten Ausführungsform wird eine seitliche Verstrebung der Gründungsstruktur (2.4) als Revisions- und/oder Transportzugang zu der vertikalen Baukastenstruktur genutzt. Der Übergang von der vertikalen die Anlagenkonstruktion beherbergenden Hohlstruktur zu dem als Zugang dienenden rohrförmigen Querträger wird mit einer dicht verschließbaren Öffnung (2.7) versehen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Isolationssystem mit einem Barrierensystem versehen, welches im Zugangsbereich über verschiebbare Zwischenbarrieren (21.3) verfügt. Zu Revisionen wird nun im entsprechenden Bereich das Isolierfluid (22) abgelassen und die Anordnung kann durch die Öffnung (2.7) zum Querträger (2.4) betreten werden.
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Um Komponenten zu warten, oder Thyristoren oder IGBT's einer Ventileinheit auszutauschen, kann nun die Zwischenbarriere (21.3) verschoben werden und Komponente (Beispielsweise eine Drossel oder Ventileinheit) wird zugänglich.
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Diese Anordnung ermöglicht die Anordnung einer Vielzahl von elektrischen Komponenten auf kleinem Raum und damit die Integration in die vorhandenen Hohlstrukturelemente eines Offshore-Bauwerkes, bei Gewährleistung der Zugänglichkeit im Reparaturfall.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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