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Die Erfindung betrifft eine Plattform-Vorrichtung für Offshore-Windkraftanlagen.
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Plattform-Vorrichtungen der eingangs genannten Art werden im Stand der Technik verwendet, um insbesondere in Offshore-Anlagen mittels Generatoren durch Wandlung mechanischer Energie elektrischen Strom zu erzeugen. Die bekannten Plattform-Vorrichtungen weisen indes den Nachteil auf, dass zwei auf einer schwimmenden Plattform-Einrichtung angeordnete benachbarte Windkraftturbinen unter bestimmten Windverhältnissen so positioniert sind, dass eine zweite Windkraftturbine sich im Windschatten einer benachbarten ersten Windkraftturbine befindet und somit die Energieausbeute der zweiten Windkraftturbine gegenüber einer durch korrigierte Positionierung der zweiten Windkraftturbine erzeugbaren maximalen Energieausbeute zurückbleibt.
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Herstellungs-, Montage- und Instandhaltungskosten von Offshore Windkraftparks sind bei Anlagen mit horizontaler Rotorachse (HAWT) im Vergleich zu Onshore Anlagen wesentlich höher. Die Investitionskosten von Onshore Parks betragen je nach Turmhöhe 1 bis 1,5 Mio. € pro MW installierter Leistung. Bei den bis jetzt in der deutschen Nord und Ostsee gebauten Windparks betrugen die spezifischen Investitionskosten im günstigsten Fall 4,14 Mio. €/MW im ungünstigsten über 6 Mio. €/MW (beide ohne Netzanbindung). Ohne Subventionen durch die Einspeisevergütung lassen sich diese Parks nicht rentabel betreiben.
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Schwimmende Anlagen mit vertikaler Rotordrehachse VAWT) sind für den Offshore Betrieb wesentlich besser geeignet. Die Investitionskosten liegen hier bei 2,2 bis 2,5 Mio. €/MW weitestgehend unabhängig von der Wassertiefe und der Küstenentfernung. Sie können mit der für Onshore Windparks geltenden Einspeisevergütung rentabel betrieben werden.
- – Auf Grund ihres niedrigeren und zentralen Schwerpunktes können VAWTs viel einfacher als schwimmende Anlagen auf dem Meer betrieben werden. Trotz der im Vergleich zu HAWTs geringeren Nabenhöhe (40–45 Meter) kann man die gleichen Stromerträge generieren.
- – Schwimmende VAWTs können bereits bei einer Wassertiefe ab 15 Meter eingesetzt werden und sind bereits hier wesentlich kostengünstiger, wie HAWTs mit Fundament.
- – VAWT Windparks mit Doppelturbinen benötigen knapp ein Zehntel der Fläche von Windparks mit Propelleranlagen. 100 MW Leistung lassen sich auf einer Fläche von etwas mehr wie 1 km2 installieren. Dies ist möglich, weil die von den einzelnen Turbinen erzeugten Turbulenzen keine negativen Auswirkungen auf die benachbarten Turbinen haben. So beträgt die Windgeschwindigkeit nach einer Doppelturbine bereits nach dem 5-fachen Turbinendurchmesser wieder annähernd 100 Prozent.
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Bei diesem Abstand sind die Windparkverluste sehr gering. Bei HAWTs ist dies erst nach dem 14-fachen Rotordurchmesser der Fall. Hier wird aber meistens ein sehr viel geringerer Turbinenabstand gewählt, was mit entsprechend hohen Windparkverlusten verbunden ist.
- – Ein VAWT Windpark kann mit kleinen kostengünstigeren Turbinen (0,5 bis 0,75 MW) aufgebaut werden, die als Doppelturbinen auf einer Plattform montiert werden. Dies und der geringe Abstand (maximal 150 Meter bei 30 Meter Turbinendurchmesser) vereinfacht die Windparkwartung erheblich.
- – Plattformschwankungen verursacht durch Wellengang und Windböen haben keinen Einfluss auf die Aerodynamik an einem VAWT Rotor. HAWTs reagieren sehr empfindlich auf diese Schwankungen, da sich hierdurch permanent der Anströmwinkel der Rotorblätter ändert. Tension-leg Plattformen können zwar Schwankungen minimieren, sind aber im Vergleich zu den hier verwendeten Pontonplattformen sehr viel aufwendiger und somit um ein vielfaches teurer.
- – Die komplette Montage einschließlich Verkabelung ist an Land möglich. Danach können die Anlagen einzeln oder im Verbund an den Bestimmungsort geschleppt werden. Hierfür sind keine Spezialschiffe notwendig.
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Voraussetzung für den Offshore Betrieb von VAWTs ist eine Leistungsregelung nach Erreichen der Nennleistung. Eine aerodynamische Regelung durch verstellen der Rotorblätter ist auch bei VAWTs möglich und wirtschaftlich realisierbar. Verstellbare Rotorblätter ermöglichen bei einem H Darrieus zusätzlich eine Optimierung der Profilumströmung und somit eine Verbesserung des Hochlaufverhaltens beim Starten des Rotors. Der Rotor startet von alleine. Ferner kann die Leistung bei schwachem Wind wesentlich gesteigert werden.
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Weiter ermöglicht diese Pitch-Regelung eine Verdrehung und Ausrichtung der schwimmenden Plattform optimal zur Windrichtung. Es sind keine zusätzlichen Verstell-Einrichtungen notwendig um die Plattformen zu verdrehen.
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VAWTs haben im Vergleich zu HAWTs einen geringeren Rotorwirkungsgrad. Durch vergrößern der Rotorfläche und herabsetzen der Nennwindgeschwindigkeit kann man erreichen, dass die Leistungskurven von HAWT und VAWT annähernd deckungsgleich sind. Beim Preisvergleich von Turbinen in der gleichen Leistungsklasse (1 bis 1,5 MW) sind VAWTs rund 20 Prozent teurer (0,8 Mio. €/MW HAWT bez. 0,95 Mio. €/MW VAWT). Im Offshore Bereich werden bei HAWTs immer größere Turbinen (4 MW und mehr) eingesetzt um die Gründungskosten zu reduzieren. Bei einer 4 MW Turbine liegen die Kosten jedoch bereits bei 1,2 Mio. €/MW.
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Ein weiteres Problem bei VAWTs ist das sich innerhalb einer Rotorumdrehung ändernde Vortriebsmoment. Bei einem mit drei Flügeln versehenen Darrieus Rotor mit geraden Blättern erhöht beziehungsweise verringert es sich alle 60 Grad um maximal 33 Prozent.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Plattform-Vorrichtung zu schaffen, bei der eine unter gegebenen Windverhältnissen maximierte Energieausbeute durch windtechnisch optimale Positionierung zweier an jeweils einem Ende einer Plattform-Einrichtung angeordneter Windkraftturbinen ermöglicht ist und somit der Wirkungsgrad gegenüber den bekannten Plattform-Vorrichtungen verbessert ist.
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Für eine Plattform-Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an einer als Schwimmkörper ausgebildete Plattform-Einrichtung zwei sich gegenüberstehende Masten als Träger jeweils einer vertikalachsigen Windkraftturbine (VAWT) angebracht sind, wobei im Bereich des Schwerpunktes der Plattform-Einrichtung eine Fixiereinrichtung vorgesehen ist, die die Plattform-Einrichtung innerhalb eines vorgegebenen Areals oberhalb eines vorgegebenen Punktes des Meeresbodens fixiert und dadurch eine Drehbarkeit der Plattform-Einrichtung um den als Drehpunkt fungierenden Schwerpunkt bewirkt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei der erfindungsgemäßen Plattform-Vorrichtung wird durch die Merkmalskombination, dass an einer als Schwimmkörper ausgebildete Plattform-Einrichtung zwei sich gegenüberstehende Masten als Träger jeweils einer vertikalachsigen Windkraftturbine (VAWT) angebracht sind, wobei im Bereich des Schwerpunktes der Plattform-Einrichtung eine Fixiereinrichtung vorgesehen ist, die die Plattform-Einrichtung innerhalb eines vorgegebenen Areals oberhalb eines vorgegebenen Punktes des Meeresbodens fixiert und dadurch eine Drehbarkeit der Plattform-Einrichtung um den als Drehpunkt fungierenden Schwerpunkt bewirkt, erreicht, dass eine zweite Windkraftturbine durch adaptierte Rotation der Plattform-Einrichtung um den Schwerpunkt aus dem Windschatten einer benachbarten ersten Windkraftturbine heraus bewegbar ist und somit die Energieausbeute der zweiten Windkraftturbine unter allen Windverhältnissen maximierbar ist.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plattform-Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Schwerpunkt der Plattform-Einrichtung mittels einer Kette mit einem an dem vorgegebenen Punkt des Meeresbodens vorgesehenen Bodenanker verankert ist. Alternativ kann der Schwerpunkt der Plattform-Einrichtung auch mittels einer Kette mit einem oberhalb des vorgegebenen Punktes des Meeresbodens angeordneten Treibanker verankert sein.
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Vorzugsweise ist die Plattform-Einrichtung im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet, wobei im Bereich der sich gegenüberstehenden Enden des Quaders jeweils eine vertikalachsige Windkraftturbine (VAWT) angebracht ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Plattform-Einrichtung im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet, wobei im Bereich sich diametral gegenüberstehender Punkte der Peripherie der kreisförmigen Plattform-Einrichtung jeweils eine vertikalachsige Windkraftturbine (VAWT) angeordnet ist.
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Gemäß einer wichtigen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plattform-Vorrichtung ist eine Drehung der Plattform-Einrichtung durch eine für eine um einen vorherbestimmten Winkel auszuführende Drehung angepasste Änderung des dem Wind durch mindestens eine der vertikalachsigen Windkraftturbinen entgegengesetzten Luftwiderstandes bewirkt. Eine Änderung des dem Wind entgegengesetzten Luftwiderstandes einer vertikalachsigen Windkraftturbine ist dabei vorzugsweise durch Änderung der von der vertikalachsigen Windkraftturbine produzierten elektrischen Leistung bewirkt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plattform-Vorrichtung ist eine vertikalachsige Windkraftturbine unterhalb der Plattform-Einrichtung mit einem am Ende einer sich unterhalb der Wasseroberfläche erstreckenden Verlängerung des Mastes der vertikalachsigen Windkraftturbine angeordneten Gegengewicht versehen.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plattform-Vorrichtung ist eine vertikalachsige Windkraftturbine in der Plattform-Einrichtung mittels eines allseitig verschwenkbaren Kipp-Gelenkes verankert, um durch Wellenbewegung verursachte, von der Vertikalen abweichende Neigungen der vertikalachsigen Windkraftturbine auszugleichen.
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Die vertikalachsige Windkraftturbine (VAWT) ist vorzugsweise als Darrieus Windkraftturbine ausgebildet. Eine Änderung des dem Wind entgegengesetzten Luftwiderstandes wird dabei durch Verstellen der Rotorblätter um die zentrale Achse (Äderung des Anstellwinkels bzw. des Pitches der Rotorblätter) der Windkraftturbine bewirkt.
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Die erfindungsgemäße Plattform-Vorrichtung wird im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt ist. Darin zeigen:
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1 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ansicht von schräg oben;
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2 eine Detailansicht der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung
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3 ein Rotorblatt der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer teilweise geschnittenen Ansicht von vorne;
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4 die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Ansicht von oben.
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Die in den 1 bis 4 dargestellte erfindungsgemäße Plattform-Vorrichtung 100 für Offshore-Windkraftanlagen enthält zwei Masten 110 als Träger jeweils einer vertikalachsigen Windkraftturbine 150 (VAWT), wobei die Masten 110 an sich gegenüberstehenden Enden einer als Schwimmkörper ausgebildeten Plattform-Einrichtung 100 angebracht sind.
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Im Bereich des Schwerpunktes der Plattform-Einrichtung 100 ist eine Fixiereinrichtung vorgesehen, die die Plattform-Einrichtung 100 innerhalb eines vorgegebenen Areals oberhalb eines vorgegebenen Punktes des Meeresbodens fixiert und dadurch eine Drehbarkeit der Plattform-Einrichtung 100 um den als Drehpunkt 120 fungierenden Schwerpunkt bewirkt.
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Der Schwerpunkt der Plattform-Einrichtung 100 ist mittels einer Kette 130 mit einem an dem vorgegebenen Punkt des Meeresbodens vorgesehenen Bodenanker 140 verankert.
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Die Plattform-Einrichtung 100 ist im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet, wobei im Bereich der sich gegenüberstehenden Enden des Quaders jeweils eine vertikalachsige Windkraftturbine 150 (VAWT) angebracht ist.
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Eine Drehung der Plattform-Einrichtung 100 kann durch Änderung des dem Wind durch mindestens eine der vertikalachsigen Windkraftturbinen 150 entgegengesetzten Luftwiderstandes bewirkt werden, wodurch eine für eine um einen vorherbestimmten Winkel auszuführende Drehung herbeigeführt wird.
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Eine Änderung des dem Wind entgegengesetzten Luftwiderstandes einer vertikalachsigen Windkraftturbine 150 geht dabei Einher mit einer Änderung der von der vertikalachsigen Windkraftturbine 150 produzierten Leistung.
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Eine jede vertikalachsige Windkraftturbine 150 ist unterhalb der Plattform-Einrichtung 100 mit einem am Ende einer sich unterhalb der Wasseroberfläche erstreckenden Verlängerung 111 des Mastes 110 der vertikalachsigen Windkraftturbine 150 angeordneten Gegengewicht 112 versehen.
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Des Weiteren ist eine jede vertikalachsige Windkraftturbine 150 in der Plattform-Einrichtung 100 mittels eines allseitig verschwenkbaren Kipp-Gelenkes 151 verankert, um durch Wellenbewegung verursachte, von der Vertikalen abweichende Neigungen der vertikalachsigen Windkraftturbine 150 auszugleichen.
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Die vertikalachsige Windkraftturbine 150 (VAWT) ist als Darrieus Windkraftturbine ausgebildet. Eine Änderung des dem Wind entgegengesetzten Luftwiderstandes wird dabei durch Verstellen der Rotorblätter 160 um die zentrale Achse 161 (Äderung des Anstellwinkels bzw. des Pitches der Rotorblätter) der Windkraftturbine bewirkt.
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Ein Rotor besteht aus drei Flügeln mit je vier bis sechs Rotorblättern 160. An dem Gehäuse und sind die Blätter 160 drehbar gelagert. In dem Gehäuse ist neben dem Lager der Blätter der hydraulische Stellmotor mit Winkelcodierer zur Blattverstellung untergebracht. Drehpunkt und Schwerpunkt eines Blattes ist der stabile Druckpunkt des symmetrischen Profils. Dies ermöglicht minimale Stellmomente beim Drehen der Blätter.
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Die Vorteile von Rotorblattsegmenten sind geringe Biegebelastung, günstige Herstellungskosten und ein problemloser Transport.
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Das Profil eines Rotorblattes 160 ist über die gesamte Länge gleich. Deshalb kann es kostengünstig aus Holz gefertigt werden.
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Eine Doppelturbine weit ein Oberwasserteil und Unterwasserteil sowie eine Verankerung auf. Die einzelnen Turbinen 150 haben im Unterwasserbereich Gegengewichte 112, die den Schwerpunkt unter die Wasseroberfläche absenken. Sie beschränken außerdem den Neigungswinkel der Turbinen 150 bei maximalen Windlasten auf 10 Grad.
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Eine Mehrzahl von Pontons kann zu einer Plattform zusammengesetzt werden. Auf der Plattform werden die Netzkabel in einem festen Kabelkanal verlegt. Das Netzkabel verläuft weiter über die Seile der Verankerung und Gehäuse auf den Meeresboden und von dort zur nächsten Turbine.
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Ein Turbinenmast 110 ist mit einem Gegengewicht 112 versehen. Der Mast 110 ist im Gehäuse rotierend gelagert. Es dreht sich also die gesamte Turbine 150 einschließlich Mast 110 und Gegengewicht 112. Neben der Turbinenlagerung ist auch ein Direct Drive Generator untergebracht.
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Das Gehäuse ist mit einem Gelenk mit der Plattform verbunden. Hierdurch wird der Wellengang um die Längsrichtung nur auf die Plattform übertragen und hat keine Auswirkung auf die Neigung der Turbine.
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In einer zentralen Technikeinheit einer Turbine sind alle elektrischen und hydraulischen Einheiten untergebracht. Dieser Bereich ist von der Wellengicht nicht erreichbar und somit vor Spritzwasser geschützt.
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Die Bodenverankerung
140 besteht aus einem oder mehreren Stahlbehältern die auf dem Meeresgrund platziert werden und danach mit Schüttgut hoher Dichte (z.B. Eisenerz oder Schwerbeton) befüllt werden. Die Verbindung zwischen Bodenanker
140 und Plattform
100 wird durch Stahlseile
130 oder Stahlketten
130 hergestellt. Die Länge der Seile
130 hängt von der maximalen Wellenhöhe (Jahrhundertwelle) ab, damit die Plattform
100 in dieser frei aufsteigen kann. Die Verbindung zwischen Seilen
130 und Ponton
100 ist drehbar um ein verdrillen der Seile und des Netzkabels zu verhindern. Daten:
| Einzelturbine Durchmesser | 30 Meter |
| Blatthöhe | 60 Meter |
| Gesamthöhe | 80 Meter |
| Leistung | 550 KW |
| Doppelturbine Leistung | 1,1 MW |
| Plattform Länge | 40 Meter |
| Höhe | 4 Meter |
| Breite | 2,5 Meter |
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Das oben erläuterte Ausführungsbeispiel der Erfindung dient lediglich dem Zweck eines besseren Verständnisses der durch die Ansprüche vorgegebenen erfindungsgemäßen Lehre, die als solche durch das Ausführungsbeispiel nicht eingeschränkt ist.
