DE202014004373U1

DE202014004373U1 - ln die Gründungsstruktur eines Offshore-Bauwerkes integriertes Umspannwerk für Windparks

Info

Publication number: DE202014004373U1
Application number: DE202014004373.6U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2014-06-24
Anticipated expiration: 2024-05-29

Abstract

Umspannwerk für den Einsatz auf See, bei welchem die Komponenten (4) des Umspannwerkes in einem Offshore-Bauwerk angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese Komponenten zumindest teilweise innerhalb der durch die Gründungsstruktur oder den Turm eines Offshore-Bauwerkes dargestellte Hohlstrukturelemente (2) eingefügt werden, sowie das diese Hohlstrukturelemente (2) in ihrer Struktur-, Größe-, Gestaltung-, und Anordnung derart ausgelegt sind, dass eine Platzierung der Komponenten des Umspannwerkes (4) entsprechend ihrer jeweiligen Masse, ihren Abmessungen und den jeweils erforderlichen Betriebsbedingungenermöglicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Offshore-Bauwerk, bei dem Strukturelemente der Gründung und der Tragkonstruktion dieses Bauwerkes derart gestaltet werden, dass sie Funktionseinheiten eines Offshore-Umspannwerkes aufnehmen können.
Durch die beschriebene Lösung kann ganz oder teilweise auf die dem Stand der Technikentsprechenden Plattformen für die seeseitig zu errichtenden Umspannwerke dieser Windparks verzichtet werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine besonders kompakte Gestaltung eines seeseitigen Umspannwerkes für Offshore-Umspannwerke.
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 des Umspannwerkes am Seeboden verankert werden.
Bekannt ist die Positionierung des zu einer Windkraftanlage gehörenden Transformators in der Gondel oder im Turm einer Windkraftanlage.
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 DE 10 2004 042 066 beschrieben.
In allen diesen Fällen, ist die Erstellung der Umspannplattform mit erheblichen Kosten verbunden. Ein weiterer Nachteil ist der erhebliche Aufwand beim Austausch großer Komponenten zum Beispiel der Transformatoren im Reparaturfall.
Ziel der Erfindung ist es die genannten Nachteile zu vermeiden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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, lacket-Fundamente, die eine Stahlfachwerkkonstruktion aufweisen, Tripod Fundamente, die eine Dreibeinkonstruktion aus Stahlrohren aufweisen, welche unter Wassereinen Hauptpfahl stützt, Tripile-Fundamente, die drei am Meeresboden verankerte Pfähle aus Stahlrohr aufweisen, auf welche über Wasser eine Dreibeinkonstruktion aufgesetzt wird, oder Mehrpfahlsysteme.
Erfindungsgemäß werden die genannten Gründungsstrukturen zur Unterbringung und/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.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht mehrere miteinander verbundene Hohlstrukturelemente der Umspannplattform vor, die zusammen Sektionen des Umspannwerkesund/oder weitere Funktionsbereiche bilden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden jeweils akustisch sensible Funktionsbereiche (Beispielsweise Wohnbereiche) von den geräuschintensiven Bereichen (zum Beispiel den Transformatoren) getrennt in verschiedenen Hohlstrukturelementen angeordnet.
Die Gewichtskraft der Komponenten des Umspannwerkes (insbesondere der Leistungstransformatoren) in der Gründungsstruktur führt zu einer Erhöhung der Massederselben 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 Windkraftanlageim Seeboden vereinfacht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden jene Baugruppen des Umspannwerkes, welche eine erhöhte brandschutztechnische Sicherheit erfordern, derart in den Hohlstrukturelementen der Gründung platziert, dass sich ein großer Abstand zu den mit einem höheren Brandrisikobehafteten Baugruppen (Beispielsweise den Transformatoren) ergibt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Verbindungselemente zwischen den zur Aufnahme der Komponenten des Umspannwerkes dienenden Hohlstrukturelementen und/oder die Verbindungselemente zwischen den Tragrohren und dem Turm der Windkraftanlage mit einer speziellen Brand- und Feuerschutzwand ausgerüstet.
Die Wärme abgebenden Komponenten des Offshore-Umspannwerkes werden je nach abzuführender Verlustleistung und Umgebungsbedingungen mittels Seewasser, oder Umgebungsluft gekühlt.
Vorteilhafterweise können die großen Außenflächen der Hohlstrukturen der Gründung des Offshore-Bauwerkes in die Kühlung der Komponenten des Umspannwerkes einbezogen werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden Funktionseinheiten des Umspannwerkes einphasig ausgeführt und die Komponenten jeweils einer Phase in verschiedenen Gründungspfeilern oder Querverstrebungen der Gründungsstrukturuntergebracht. Vorteilhafterweise werden die Komponenten einer Phase teilweise oder ganz zu einem Modul verbunden. Damit ergibt sich eine vereinfachte Fertigung und Reservehaltung für die Funktionseinheiten. Durch die Nutzung von 4 Hohlstrukturelementen wird es möglich, elektrische Komponenten für eine Phase als Ersatz für den Ausfall einer Komponente bereitzustellen. Insbesondere die Bereitstellung eines Reservetransformators in der vorgenannten Weise erspart aufwändige seeseitige Ausbau- und Transportprozesse im Schadensfall.
In gleicher Weise lässt sich der Parallelbetrieb von Funktionseinheiten des Offshore Umspannwerkes vorteilhaft realisieren.
Vorteilhafterweise werden die zur Platzierung der Funktionsbaugruppen des Offshore Umspannwerkes dienenden Hohlstrukturelemente mit verschließbaren Öffnungen zum Austausch von Komponenten versehen.
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. Durch diese Bauweise ist auch die Unterbringung von Drehstromtransformatoren größter Leistung in den beschriebenen Hohlstrukturen möglich.
Vorzugsweise sind die der Aufnahme von Funktionselementen des Umspannwerkes dienenden Räume der Hohlstrukturelemente gegenüber der Umgebung des Offshore-Umspannwerkes hermetisch abgeschlossen und mit einem leichten Überdruck beaufschlagt.
Weiterhin schließt die beschriebene Anordnung auch die so genannten selbst schwimmenden Offshore-Umspannwerke ein, dann können die ausfahrbaren Tragsäulen und/oder ihr Gehäuse zur Bildung der erfindungsgemäßen Struktur genutzt werden.
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.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß gestalteten Umspannwerkes. Entsprechend 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 (1.1) dieser Windkraftanlage (1) derart gestaltet, dass sie die wesentlich größeren Komponenten (4) für das zur Netzanbindung eines oder mehrerer Offshore-Windparks notwendige Umspannwerk aufnehmen kann. Im Ausführungsbeispiel sind die Leistungstransformatoren (4.1) des Umspannwerkes als einphasige Einheiten in einer Hohlstruktur (2) der Gründung platziert. Weitere Komponenten des Umspannwerkes (4) sind zu gekapselten Funktionseinheitenzusammengefasst und in ihrer Form und ihren Abmessungen an die Hohlstrukturelemente (2) der Gründungsstruktur angepasst. Die der Aufnahme der Baugruppen des Umspannwerkes dienenden Hohlstrukturelemente (2) sind im Ausführungsbeispiel durch verschließbare Montageöffnungen (2.7) vor Umgebungseinflüssen geschützt. Diese Montageöffnungen sind in ihrer Größe und Ausführung derart gestaltet, dass der Austausch von Komponenten des Umspannwerkes ermöglicht wird.
Im Ausführungsbeispiel der 2 werden die horizontalen oder geneigten Verbindungselemente (2.4) zwischen den Hohlstrukturelementen (2) mit einem Weg ausgestattet, welcher den Transport von Personal und Material ermöglicht. In der gezeigten Ausführungsform werden die Verbindungselemente zwischen den Tragrohren (2.4) und/oder die Verbindungselemente zwischen den Tragrohren und dem Turm (2) mit einer speziellen Flamm- und Feuerschutzwand (3.1) ausgerüstet. Diese Feuerschutzwand ist im Ausführungsbeispiel mit speziellen Brandschutztüren ausgestattet. Vorteilhafterweise werden Funktionsbereiche des Umspannwerkes, welche einen erhöhten brandschutztechnischen Schutzumfang erfordern, beispielsweise Wohnbereiche für das Wartungspersonal derart im Offshore-Bauwerk platziert, dass sich ein großer Abstand zu den Hohlstrukturelementen ergibt, welche mit Komponenten bestückt sind, welche ein höheres Brandrisiko aufweisen (Beispielsweise öl gefüllten Transformatoren). Weitere Komponenten (4), beispielsweise eisenlose Drosseln (4.5) des Umspannwerkes sind im Ausführungsbeispiel ebenfalls im Turm angeordnet. Um die Abmessungen des Turmes dafür nutzen zu können, sind diese Bauteile ganz oder teilweise von einem Isolierfluid umgeben. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden die fluidbefüllten Behälter für Komponenten (4) des Umspannwerkes zumindest teilweise durch die Wandung der Hohlstrukturelemente (2) der Gründungs-, oder Turmstruktur (1.1) gebildet. In einer hier dargestellten besonderen Ausführungsform der Erfindung ist ein Leistungstransformator (4.1) derart in der Gründungsstruktur angeordnet, dass die Joche des Magnetkerns dieses Transformators in gleicher Richtung wie die Achse der den Transformator umhüllenden Hohlstruktur ausgerichtet sind. 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 (12.5) mittels eines Hebezeuges (13) auf ein Seefahrzeug (12) verladen werden können. Zweckmäßigerweise können insbesondere die großvolumigen und schweren Komponenten als Einphasensysteme ausgeführt werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Lösung wird jeweils eine zusätzliche Einheit dieser Komponenten als Reserveeinheit vorinstalliert.
3 zeigt ein zur Nutzung großer elektrischer Komponenten eines Umspannwerkes geeignetes Ausführungsbeispiel. Durch Anordnung einer Gründungsstruktur mit Hohlstrukturen großen Durchmessers (2) lassen sich vorteilhaft auch sehr große Komponenten (4) eines Umspannwerkes integrieren. Der Turm der Windkraftanlage ist auch hier mit einer Aufnahmevorrichtung für ein Hebezeug (13) versehen. Weiterhin zeigt das Ausführungsbeispiel eine besondere Ausgestaltung der Erfindung bezüglich des eingesetzten Transformators. Im Ausführungsbeispiel ist ein Hohlstrukturelement (2) der Gründung einer Windkraftanlage mit einem Transformator (4.1) ausgestattet, welcher als Drehstrom-Manteltyp ausgeführt ist. Dieser ist derart im Funktionsmodul angeordnet, das die Wicklungsachsen in gleicher Richtung wie die Achse des zylindrischen Funktionsmoduls (7.1) ausgerichtet sind. Auf diese Weise wird die Platzierung von Transformatoren bis zu höchsten Leistungen in den Hohlstrukturelementen (2) der Gründung eines Offshore-Bauwerkes möglich.
4 zeigt eine Draufsicht des Offshorebauwerkes. Erfindungsgemäß sind die Hohlstrukturelemente (2) der Gründung mit Mitteln zur Aufnahme der Komponenten des Offshore-Umspannwerkes ausgestattet. Es ergibt sich eine radial vom zentralen Hohlstrukturelement der Gründung beabstandete Anordnung der Funktionsmodule. Die Anordnung wird mit einem am Turm der Windkraftanlageangeordneten Hebezeug oder Kran (13) versehen, dessen Schwenkbereich und Ausladung derart gewählt werden, dass alle der Aufnahme von Bauteilern des Umspannwerkes dienenden Hohlstrukturelemente (2) erreichbar sind. Im Ausführungsbeispiel sind die Baugruppen des Umspannwerkes in 3 Hohlstrukturelementender Gründungsstruktur (2) angeordnet. Weiterhin werden im Ausführungsbeispiel 2 Hohlstrukturelemente (U1, U2) zur Bildung des Umspannwerkes und ein Hohlstrukturelemente als Wohn-, und Wartungseinheit (W) genutzt.
5.1, 5.2, 5.3 zeigen eine Auswahl weiterer Anordnungsmöglichkeiten der Komponenten des Umspannwerkes in den Hohlstrukturelementen der Gründung einer Windkraftanlage.
5.1 zeigt die Bildung eines Umspannwerkes aus einphasigen Umspanneinheiten (U, V, W), welche jeweils in einem der 3 Hohlstrukturelemente (2) der Gründungsstruktur angeordnet sind.
5.2 stellt die Nutzung eines 4. Hohlstrukturelementes zur Bildung einer einphasigen Reserveeinheit dar.
5.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Bildung von 2 Drehstromeinheiten aus 6 einphasigen Komponenten, welche in verschiedenen Hohlstrukturelementen der Gründungsstruktur (2) angeordnet sind.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass mehrere Komponenten (4) turmartig mittels eines Gerüstes (9.1) übereinander innerhalb der von der Gründungsstruktur oder dem Turm gebildeten Hohlstrukturelemente (2) angeordnet werden. Erfindungsgemäß wird die entstehende Anordnung beweglich gelagert. Dadurch ergibt sich eine mittels Führungseinrichtungen innerhalb der Hohlstrukturelemente (2) verschiebbare Anordnung. 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 ist mit einer dicht verschließbaren Öffnung (2.5) versehen.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem bestimmte Komponenten (4, 4.8) eines Umspannwerkes in gekapselten Modulen zusammengefasst sind. Diese sind im Ausführungsbeispiel beweglich innerhalb einer Hohlstruktur (2) der Gründung angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind die Bauteile innerhalb der fluidbefüllten Kapselung elektrisch miteinander verbunden. Durch die Kombination verschiedener Bauteile (4) innerhalb solcher fluidbefüllten Gehäuse lässt sich in erheblichem Maße das Bauvolumen derartiger Anlagen verringern, da weitgehend auf aufwändige Hochspannungsdurchführungen verzichtet werden kann und die erforderlichen elektrischen Abstände deutlich reduziert werden. Der Zugang für Wartungsarbeiten erfolgt auch in diesem Beispiel über einen in einer horizontalen Verbindungsstruktur (2.4) angeordneten Wartungsgang. Die Verbindung zur vertikalen Hohlstruktur ist auch in diesem Beispiel mit einer Tür- oder Wartungsöffnung (2.5) versehen. Die bewegliche Anordnung des Moduls ermöglicht die Positionierung der zu wartenden Baugruppen in Höhe der Wartungsöffnung (2.5) oder einem anderen zugänglichen Bereich und damit die Möglichkeit zu Reparaturarbeiten, oder den Austausch von Bauteilen. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung stellt die Hohlstruktur (2) zumindest teilweise die Wandung/Kapselung für ein mit einem Fluid befülltes Modul dar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004042066 [0006]

Claims

Umspannwerk für den Einsatz auf See, bei welchem die Komponenten (4) des Umspannwerkes in einem Offshore-Bauwerk angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese Komponenten zumindest teilweise innerhalb der durch die Gründungsstruktur oder den Turm eines Offshore-Bauwerkes dargestellte Hohlstrukturelemente (2) eingefügt werden, sowie das diese Hohlstrukturelemente (2) in ihrer Struktur-, Größe-, Gestaltung-, und Anordnung derart ausgelegt sind, dass eine Platzierung der Komponenten des Umspannwerkes (4) entsprechend ihrer jeweiligen Masse, ihren Abmessungen und den jeweils erforderlichen Betriebsbedingungenermöglicht wird.
Offshore-Umspannwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gründungsstruktur einen zentral angeordneten Turm (1.1) für eine Windkraftanlage (1) trägt und diese Gründungsstruktur mehrere radial zum Turm beabstandete Tragstrukturen (2) einschließt.
Umspannwerk nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Platzierung der Funktionsbaugruppen des Offshore-Umspannwerkes dienenden Hohlstrukturelemente (2) mit verschließbaren Öffnungen (2.7) zum Austausch von Komponentenversehen sind und diese derart angeordnet sind, dass Komponenten des Offshore-Umspannwerkes (4) mittels eines Hebezeuges (13) auf ein Seefahrzeug (12) verladen werden können.
Offshore-Umspannwerk, nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen oder geneigten Verbindungselemente (2.4) zwischen den vertikalen Hohlstrukturelementen (2) des Offshore-Bauwerkes mit einem Weg (2.6) ausgestattet sind, welcher den Transport von Personal und Material zwischen den Funktionseinheiten ermöglicht, sowie das innerhalb dieser Verbindungsstrukturen (2.4) elektrischen Verbindungsleitungen (4.9) zwischen den in verschiedenen Hohlstrukturelementen (2) angeordneten Komponenten (4) des Umspannwerkes verlegt sind.
Offshore-Umspannwerk, nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen der Hohlstrukturelemente der Gründungsstruktur mit Brandschutzwällen (3.1) ausgestattet sind und diese zumindest teilweise mit Brandschutztüren (3.2) versehen sind.
Umspannwerk nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem zentralen Pfeiler oder dem Turm (1.1) einer Windkraftanlage ein drehbares Hebezeug (13) derart angebracht ist, dass dessen Dreh- und Schwenkbereich die Hohlstrukturelemente (2) überstreicht, welche zur Aufnahme von Komponenten des Umspannwerkes (4) vorgesehen sind.
Umspannwerk nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten jeweils einer Phase in verschiedenen Gründungspfeilern (2) oder Querverstrebungen (2.4) der Gründungsstruktur angeordnet werden.
Umspannwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Hohlstrukturelemente (2; 2.3) der Gründungsstruktur zur Platzierung von einphasigen Reservemodulen Anwendung finden.
Umspannwerk nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Transformator (4.1) derart in einem Hohlstrukturelement (2) der Gründungsstruktur oder des Turmes angeordnet ist, dass die Wicklungsachse in gleicher Richtung wie die Rohrstrukturachse ausgerichtet ist und der Transformator als Manteltyp ausgeführt ist.
Umspannwerk nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Komponenten (4) turmartig mittels eines Gerüstes (9.1) übereinander innerhalb der von der Gründungsstruktur oder dem Turm gebildeten Hohlstrukturelemente (2) angeordnet werden.
Umspannwerk nach einem der vorgenannten Ansprüche, vorzugsweise Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Gerüst (9.1) auf dem die Komponenten (4) angeordnet sind derart gestaltet ist, dass es eine mittels Führungseinrichtungen innerhalb der Hohlstrukturelemente (2) verschiebbare Anordnung angibt.
Umspannwerk nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannung führenden elektrischen Baugruppen (4) zumindest teilweise in gekapselten Gefäßen (30) untergebracht sind und diese mit einem Isolierfluid (22) befüllt werden, wobei die Kapselung entweder durch ein innerhalb der Hohlstruktur angeordnetes Gefäß, oder zumindest teilweise durch die Hohlstruktur (2) der Gründung- oder des Turmes des Offshore-Bauwerkes gebildet wird.
Umspannwerk nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die elektrischen Komponenten (4) des Umspannwerkes umschließende Gehäuse und/oder die der Aufnahme von Komponenten des Umspannwerkes dienende Hohlstruktur (2) der Gründungoder des Turmes des Offshore-Bauwerkes als elektrische oder magnetische Abschirmung der elektrischen Komponenten des Umspannwerkes ausgebildet ist.