DE20206234U1 - Floatable wind turbine - Google Patents
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Description
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Schwimmfähige Windkraftanlage Floating wind turbine
Die Erfindung betrifft eine schwimmfähige Windkraftanlage, die im küstennahen Bereich verankert werden kann und in schlecht erschlossenen oder erschließbaren Gebieten möglichst kostengünstig Energie erzeugt. Diese Energie kann beispielsweise zum Betrieb einer Meerwasserentsalzungsanlage eingesetzt werden.The invention relates to a floating wind turbine that can be anchored near the coast and generates energy as cost-effectively as possible in poorly developed or undeveloped areas. This energy can be used, for example, to operate a seawater desalination plant.
Für die Meerwasser-Entsalzung gibt es verschiedene Systeme, die alle einen verhältnismäßig hohen Energiebedarf besitzen. Fast alle Anlagen zur Meerwasserentsalzung werden mit Dieselaggregaten betrieben, die wiederum entsprechende Generatoren zur Erzeugung der benötigten elektrischen Energie antreiben. Somit wird durch den Betrieb herkömmlicher Meerwasser-Entsalzungsanlagen Umwelt und Klima durch die Abgasemission und die entstehende Kühlwärme belastet. Darüber hinaus besteht die Schwierigkeit, derartige Anlagen in schwer zugänglichen Küstenbereichen ohne entsprechende Infrastruktur zu errichten.There are various systems for seawater desalination, all of which have a relatively high energy requirement. Almost all seawater desalination plants are operated with diesel generators, which in turn drive the corresponding generators to produce the required electrical energy. The operation of conventional seawater desalination plants therefore places a burden on the environment and climate through exhaust emissions and the resulting cooling heat. In addition, it is difficult to build such plants in coastal areas that are difficult to access and do not have the appropriate infrastructure.
Die gleichen Probleme einer erschwerten Installation treten bei herkömmlichen Windkraftanlagen auf, die bei großer Dimensionierung nur äußerst schwierig zu transportieren sind und häufig nicht zu den für die Erzeugung von Windenergie am besten geeigneten Orten gebracht werden können.The same problems of difficult installation occur with conventional wind turbines, which, when large, are extremely difficult to transport and often cannot be transported to the locations most suitable for generating wind energy.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dezentrale Energieversorgungseinrichtung vorzuschlagen, die auch an schwer zugänglichen Küstenbereichen installiert werden kann und mit einer Meerwasser-Entsalzung koppelbar ist.The invention is based on the object of proposing a decentralized energy supply facility that can also be installed in coastal areas that are difficult to access and can be coupled with seawater desalination.
Diese Aufgabe wird durch eine schwimmfähige Windkraftanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a floating wind turbine having the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung folgen aus den übrigen Ansprüchen.Advantageous embodiments of the invention follow from the remaining claims.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine schwimmfähige Windkraftanlage vorzuschlagen, die einen Auftriebskörper aufweist, von dem sich an entgegengesetzten Seiten eine Rotoreinheit und ein Unterwasserteil zur Stabilisierung der Windkraftanlage erstrecken. Die Rotoreinheit umfasst hierbei mindestens einen Gelhard-Rotor.The invention is based on the idea of proposing a floating wind turbine that has a buoyancy body from which a rotor unit and an underwater part extend on opposite sides to stabilize the wind turbine. The rotor unit comprises at least one Gelhard rotor.
Ein Gelhard-Rotor, wie er später anhand der Fig. 1 dargestellt werden wird, entspricht im wesentlichen Aufbau einem Darrieus-H-Rotor, dessen Vorteile darin liegen, dass der Rotor um eine vertikale Achse rotiert, wodurch die bei Horizontalachsanlagen auftretenden Kippmomente nicht vorliegen. Gelhard-Rotoren sind preisgünstig in der Herstellung, da eine einfache Mastbauweise möglich ist, keine zusätzlichen Windnachführungen nötig sind, wie dies bei Horizontalachsanlagen der Fall ist und die einzelnen Rotorblätter eine einfache Flügelform aufweisen. Darüber hinaus ist die schwimmfähige Windkraftanlage mit Gelhard-Rotoren auch nahezu wartungsfrei, da insbesondere durch die gleichförmige Drehbewegung eine sehr hohe Lebensdauer erzielt werden kann. Darüber hinaus ist die Windkraftanlage selbstanlaufend und besitzt sehr niedrige Betriebskosten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass dieA Gelhard rotor, as will be shown later in Fig. 1, is essentially the same in structure as a Darrieus H rotor, the advantages of which are that the rotor rotates around a vertical axis, which means that the tilting moments that occur with horizontal axis systems are not present. Gelhard rotors are inexpensive to manufacture because a simple mast construction is possible, no additional wind tracking is required, as is the case with horizontal axis systems, and the individual rotor blades have a simple wing shape. In addition, the floating wind turbine with Gelhard rotors is also almost maintenance-free, as a very long service life can be achieved, particularly due to the uniform rotation. In addition, the wind turbine is self-starting and has very low operating costs. Another advantage is that the
schwimmfähige Windkraftanlage mit mindestens einem Gelhard-Rotor geräuscharm ist, weil keine unangenehmen, schlagenden Rotorgeräusche (sogenannte Schlagschatten) auftreten.A floating wind turbine with at least one Gelhard rotor is quiet because no unpleasant, beating rotor noises (so-called shadows) occur.
Ein letzter Vorteil, der mit der Verwendung mindestens eines Gelhard-Rotors verbunden ist, besteht darin, dass die Windkraftanlage bereits bei sehr geringen Windstärken von etwa 2,25m/s (Windstärke 2) anläuft.A final advantage associated with the use of at least one Gelhard rotor is that the wind turbine starts up even at very low wind speeds of around 2.25 m/s (wind force 2).
Die schwimmfähige Windkraftanlage schwimmend auf dem Wasserweg zu dem gewünschten Aufstellort transportiert werden und über geeignete Anker auf dem Gewässergrund verankert werden.The floating wind turbine is transported by water to the desired installation location and anchored to the waterbed using suitable anchors.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung folgen aus den übrigen Ansprüchen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im Unterwasserteil der schwimmfähigen Windkraftanlage ein als Kreisel ausgebildeter Rotationskörper vorgesehen, der in Rotationsrichtung antreibbar ist. Diese Gestaltung besitzt mehrere Vorteile. Zum einen muss im Unterwasserteil ein entsprechendes Gewicht vorgesehen sein, um bei Wellenschlag das stabilisierende und aufrichtende Moment der Windkraftanlage zu erzeugen. Zu diesem Zweck muss ähnlich einem Kiel im Bootsbau ein hohes Gewicht im Bereich des Unterwasserteils vorgesehen werden. Indem sich im Unterwasserteil ein als Kreisel antreibbarer Rotationskörper befindet, wird zum einen das für die Stabilisierung der Windkraftanlage benötigte Gewicht vorgesehen und gleichzeitig dieses Gewicht auch zur Speicherung von kinetischer Energie verwendet. Ein Rotationskörper im Unterwasserteil, der beispielsweise einen Durchmesser von etwa 2m und eine Höhe von etwa Im besitzen kann, kann bei schneller Rotation ein beträchtliches Maß an kinetischer Energie speichern und somit klimatisch bedingte Änderungen der verfügbaren Windenergie puffern.Preferred embodiments of the invention follow from the remaining claims. According to a preferred embodiment of the invention, a rotating body designed as a gyroscope is provided in the underwater part of the floating wind turbine, which can be driven in the direction of rotation. This design has several advantages. Firstly, an appropriate weight must be provided in the underwater part in order to generate the stabilizing and righting moment of the wind turbine when waves hit. For this purpose, a high weight must be provided in the area of the underwater part, similar to a keel in boat building. By having a rotating body that can be driven as a gyroscope in the underwater part, the weight required to stabilize the wind turbine is provided and at the same time this weight is also used to store kinetic energy. A rotating body in the underwater part, which can have a diameter of about 2m and a height of about 1m, for example, can store a considerable amount of kinetic energy when rotating quickly and thus buffer climatically induced changes in the available wind energy.
Vorzugsweise besitzt der Rotationskörper auf seiner Umfangsfläche Pole und wirkt gemeinsam mit einer Spulenanordnung an der umgebenden Innenwandung des Unterwasserteils als Vielpolgenerator. Diese Lösung stellt neben den zwei obengenannten Funktionen des Bereitstellens eines ausreichenden Gewichts zur Stabilisierung der Windkraftanlage und der Speicherung von kinetischer Energie eine dritte Funktion des Rotationskörpers bereit. Der Rotationskörper wirkt als Vielpolgenerator zur Erzeugung von elektrischer Energie.Preferably, the rotating body has poles on its circumferential surface and acts together with a coil arrangement on the surrounding inner wall of the underwater part as a multi-pole generator. In addition to the two functions mentioned above of providing sufficient weight to stabilize the wind turbine and storing kinetic energy, this solution provides a third function of the rotating body. The rotating body acts as a multi-pole generator for generating electrical energy.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Unterwasserteil gegenüber dem Auftriebskörper dicht abschließbar und evakuierbar. Das dichte Abschließen des Unterwasserteils erfolgt zum einen im Hinblick auf die Betriebssicherheit der gesamten Anlage, die bei Ausbildung als ein Mehrkammersystem auch bei einer Beschädigung des Auftriebskörpers noch eine unbeschädigte Kammer mit entsprechendem Auftrieb bereitstellen kann. Andererseits lässt sich durch das Evakuieren des Unterwasserteils, in dem sich der Rotationskörper befindet, der Reibungswiderstand bei der Drehung des als Kreisel ausgebildeten Rotationskörpers entsprechend dem Evakuierungsgrad minimieren, wodurch entsprechende Verluste verringert werden können.According to a preferred embodiment, the underwater part can be tightly sealed and evacuated from the buoyancy body. The tight sealing of the underwater part is done on the one hand with regard to the operational safety of the entire system, which, when designed as a multi-chamber system, can still provide an undamaged chamber with appropriate buoyancy even if the buoyancy body is damaged. On the other hand, by evacuating the underwater part in which the rotating body is located, the frictional resistance during rotation of the rotating body designed as a gyroscope can be minimized in accordance with the degree of evacuation, which can reduce corresponding losses.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Rotoreinheit zwei Gelhard-Rotoren, deren Rotorwellen koaxial zueinander angeordnet sind und die bei Windbeaufschlagung in gegensinnigen Drehrichtungen rotieren. Durch diese spezielle Ausgestaltung von zwei gegensinnig rotierenden Rotoren wird kein seitliches Drehmoment mehr erzeugt, da sich die Drehmomente der beiden Rotoren gegeneinander aufheben. Wenn sich die Drehmomente der Rotoren aufheben, ist die Verankerung der schwimmfähigen Windkraftanlage auch bei nicht optimaler Beschaffenheit des Meeresbodens möglich, da die Verankerungen keine DrehmomenteAccording to a preferred embodiment of the invention, the rotor unit comprises two Gelhard rotors, the rotor shafts of which are arranged coaxially to one another and which rotate in opposite directions when exposed to wind. This special design of two counter-rotating rotors means that no lateral torque is generated, since the torques of the two rotors cancel each other out. If the torques of the rotors cancel each other out, the anchoring of the floating wind turbine is possible even if the seabed is not of optimal quality, since the anchors do not generate any torques.
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mehr auffangen müssen, sondern in erster Linie der Standortfixierung dienen.no longer have to absorb, but primarily serve to fix the location.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung treibt jede Rotorwelle jeweils eine Zahnradpumpe an, mit der Hydraulikflüssigkeit in einen zugehörigen Hydraulikkreislauf förderbar ist. Mit anderen Worten wirkt jede Rotorwelle auf eine Zahnradpumpe und jede Zahnradpumpe besitzt einen unabhängigen Hydraulikkreislauf. Bei der Verwendung von zwei Gelhard-Rotoren sind somit zwei Hydraulikkreisläufe vorhanden, wobei die Hydraulikflüssigkeit jeweils durch eine mit einer Rotorwelle verbundene Zahnradpumpe gefördert wird. Zahnradpumpen zeichnen sich insbesondere durch ihren verschleißfreien und wartungsfreien Betrieb aus.According to a preferred embodiment of the invention, each rotor shaft drives a gear pump, with which hydraulic fluid can be pumped into an associated hydraulic circuit. In other words, each rotor shaft acts on a gear pump and each gear pump has an independent hydraulic circuit. When two Gelhard rotors are used, two hydraulic circuits are thus present, with the hydraulic fluid being pumped by a gear pump connected to a rotor shaft. Gear pumps are particularly characterized by their wear-free and maintenance-free operation.
Vorzugsweise umfasst jeder Hydraulikkreislauf einen Zahnradmotor, durch dessen Zahnradbewegung der zum Vielpolgenerator gehörende Rotationskörper antreibbar ist. Somit wird der Generator nicht mechanisch, sondern hydraulisch von den beiden Rotoren angetrieben. Die Vorteile liegen darin, dass durch die Maßnahme eine Übersetzung erreicht werden kann. Die Drehzahl der koaxial zueinander angeordneten Rotorwellen liegt bei normalem Antrieb bei etwa 70 - 80 U/min - eine Drehzahl, die für den Antrieb des Generators zu gering ist. Um eine Übersetzung zu erreichen, werden für die gesamte Kraftübertragung der beiden Rotoren ein jeweils getrennter Hydraulikkreislauf eingesetzt und die Zahnradpumpen in Bezug auf das Volumen so viel größer gewählt als die Zahnradmotoren, wie die auf der Antriebsseite erforderliche Übersetzung für den Generator dies erfordert. Auf diese Weise lässt sich eine verschleißfreie und wartungsfreie Kraftübertragung erzielen.Preferably, each hydraulic circuit includes a gear motor, the gear movement of which can drive the rotating body belonging to the multi-pole generator. The generator is thus driven hydraulically by the two rotors rather than mechanically. The advantage is that this measure enables a gear ratio to be achieved. The speed of the coaxially arranged rotor shafts is around 70 - 80 rpm with a normal drive - a speed that is too low to drive the generator. In order to achieve a gear ratio, a separate hydraulic circuit is used for the entire power transmission of the two rotors and the gear pumps are selected to be so much larger in terms of volume than the gear motors as the gear ratio required for the generator on the drive side requires. In this way, wear-free and maintenance-free power transmission can be achieved.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist weiterhin ein Zwischengetriebe und/oder ein Freilauf zwischen jedem Zahnradmotor und dem als Generator wirkenden Rotationskörper vorgesehen. Der Freilauf wird benötigt, damit dieAccording to a preferred embodiment, an intermediate gear and/or a freewheel is provided between each gear motor and the rotating body acting as a generator. The freewheel is required so that the
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Windkraftanlage bei Windstille nicht den Rotationskörper bremst bzw. bei längerer Windstille zum Stillstand bringen kann. Ein zwischengeschaltetes Getriebe kann vorgesehen sein, um die gewünschten Übersetzungsverhältnisse konstruktiv auf die optimalen Werte festlegen zu können. Die Zahnradmotoren können beispielsweise über ein zwischengeschaltetes Planetengetriebe auf den Rotationskörper wirken.Wind turbine does not brake the rotating body when there is no wind or can bring it to a standstill when there is no wind for a long time. An intermediate gearbox can be provided in order to be able to constructively set the desired gear ratios to the optimal values. The gear motors can, for example, act on the rotating body via an intermediate planetary gearbox.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in jedem Hydraulikkreislauf eine Bypassleitung um den Zahnradmotor vorgesehen sowie auch ein Dreiwegeventil, mit dem die Durchflussverteilung zwischen der Bypassleitung und der Strömungsleitung zum Zahnradmotor einstellbar ist. Durch diese Maßnahme kann die Kraftübertagung zwischen den Rotorwellen und dem Rotationskörper des Generators problemlos getrennt und wieder eingekuppelt werden und, falls nach einer weiter bevorzugten Ausführungsform das Dreiwegeventil in jedem Hydraulikkreislauf mit einem Drehzahlbegrenzer zusammenwirkt, der mechanisch oder informationstechnisch mit dem Rotationskörper gekoppelt ist, auch die festzulegende maximale Drehzahl gesteuert werden. Indem ein Drehzahlregler bei Überschreiten der maximalen Drehzahl das hydraulische Dreiwegeventil entsprechend steuert, lässt sich eine sichere, zuverlässige und vor allem auch kostengünstige Steuerung der Drehzahlbegrenzung erreichen.According to a preferred embodiment of the invention, a bypass line around the gear motor is provided in each hydraulic circuit, as well as a three-way valve with which the flow distribution between the bypass line and the flow line to the gear motor can be adjusted. This measure makes it easy to disconnect and reconnect the power transmission between the rotor shafts and the rotating body of the generator and, if, according to a further preferred embodiment, the three-way valve in each hydraulic circuit works together with a speed limiter that is mechanically or informationally coupled to the rotating body, the maximum speed to be set can also be controlled. By having a speed controller control the hydraulic three-way valve accordingly when the maximum speed is exceeded, a safe, reliable and, above all, cost-effective control of the speed limit can be achieved.
Vorzugsweise umfasst die schwimmfähige Windkraftanlage eine Meerwasser-Entsalzungsanlage, die im Bereich des Auftriebskörpers angeordnet ist und über die erzeugte Windenergie betreibbar ist. Der durch die Windkraftanlage gewonnene umweltfreundliche Strom betreibt somit eine integrierte Meerwasser-Entsalzungsanlage, mit der die Meerwasserentsalzung und somit die dezentrale Trinkwasserversorgung kostengünstig erreicht werden kann. Der Betrieb der entsprechenden Pumpen zum Ansaugen von Meerwasser und zum Pumpen von Trinkwasser können ebenfalls über die erzeugte elektrische Energie betrieben werden.The floating wind turbine preferably includes a seawater desalination plant that is located in the area of the buoyancy body and can be operated using the wind energy generated. The environmentally friendly electricity generated by the wind turbine thus operates an integrated seawater desalination plant, with which seawater desalination and thus decentralized drinking water supply can be achieved cost-effectively. The operation of the corresponding pumps for sucking in seawater and pumping drinking water can also be operated using the electrical energy generated.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die gesamte schwimmfähige Windkraftanlage weiterhin eine Einrichtung zur Pufferung der elektrischen Energie umfasst. Nachdem der Rotationskörper im Unterwasserteil bereits eine Pufferung der kinetischen Energie vornimmt und eine möglichst gleichmäßige Abgabe von elektrischer Energie über den Generator vorsieht, kann durch eine gesonderte Pufferung der elektrischen Energie die Meerwasser-Entsalzungsanlage bedarfsorientiert geregelt werden und es können durch das Vorsehen einer zusätzlichen Pufferung für elektrische Energie längere Zeiten von Windflaute überbrückt werden. Für die Pufferung der elektrischen Energie können verschiedene Systeme wie Batterien eingesetzt werden oder aber es wird eine zusätzliche Anlage zur Elektrolyse von Wasser, eine Einrichtung zur Wasserstoffspeicherung sowie eine Brennstoffzelle vorgesehen. Alternativ können jedoch auch andere in der Technik bekannte Systeme zur Speicherung elektrischer Energie eingesetzt werden.It has proven particularly advantageous if the entire floating wind turbine also includes a device for buffering the electrical energy. Since the rotating body in the underwater part already buffers the kinetic energy and provides as even a release of electrical energy as possible via the generator, the seawater desalination plant can be regulated as needed by separately buffering the electrical energy and longer periods of calm wind can be bridged by providing additional buffering for electrical energy. Various systems such as batteries can be used to buffer the electrical energy, or an additional system for electrolyzing water, a device for storing hydrogen and a fuel cell can be provided. Alternatively, however, other systems known in technology for storing electrical energy can also be used.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht der schwimmfähigen Windkraftanlage mit zwei übereinander angeordneten Gelhard-Rotoren;Fig. 1 shows a schematic view of the floating wind turbine with two Gelhard rotors arranged one above the other;
Fig. 2a zeigt eine Draufsicht auf den unteren, d.h. näher zur Wasseroberfläche angeordneten Rotor,·Fig. 2a shows a top view of the lower rotor, i.e. the rotor located closer to the water surface,
Fig. 2b zeigt eine Draufsicht auf den oberen Rotor,· undFig. 2b shows a top view of the upper rotor, and
Fig. 3 erläutert schematisch die Kraftübertragung zwischen den Rotorwellen und dem Vielpolgenerator.Fig. 3 schematically explains the power transmission between the rotor shafts and the multi-pole generator.
i9-0k.iii9-0k.ii
In der nachfolgenden Beschreibung werden jeweils dieselben Bauelemente mit denselben Referenzziffern bezeichnet werden.In the following description, the same components will be designated by the same reference numbers.
Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße schwimmfähige Windkraftanlage. Die allgemein mit Referenzziffer 10 bezeichnete Windkraftanlage schwimmt in einem Gewässer, dessen Wasseroberfläche schematisch in Fig. 1 gezeigt ist. Die Windkraftanlage 10 besteht aus einem Auftriebskörper 12, der rotationssymmetrisch ausgebildet ist und neben einem im wesentlichen zylinderförmigen Schwimmteil 12a ein fest mit dem Schwimmteil verbundenes, kegelstumpfförmiges Aufsat&zgr;teil besitzt, die gemeinsam ein Auftriebsgehäuse bilden, in dem später näher erläuterte Aggregate der Gesamtanlage 10 untergebracht sind, die kegelstumpfförmige Form oberhalb der Wasseroberfläche dient dazu, sowohl für den Wind für auch den Wellenschlag nur eine geringe Angriffsfläche zu bieten.Fig. 1 shows the floating wind turbine according to the invention. The wind turbine, generally designated by reference number 10, floats in a body of water, the water surface of which is shown schematically in Fig. 1. The wind turbine 10 consists of a buoyancy body 12 which is rotationally symmetrical and, in addition to an essentially cylindrical floating part 12a, has a truncated cone-shaped attachment part which is firmly connected to the floating part, which together form a buoyancy housing in which the units of the overall system 10, which are explained in more detail later, are housed. The truncated cone shape above the water surface serves to offer only a small surface area for both the wind and the waves to attack.
Auf der einen Seite des Auftriebskörpers 12 ist mit diesem fest ein Unterwasserteil 14 verbunden, das als Senkkiel wirkt und die gesamte Windkraftanlage 10 stabilisiert, d.h. auch bei starkem Wellengang ruhig lässt und bei einer unerwünschten Neigung der gesamten Windkraftanlage diese wieder in die senkrechte Lage zurückführt. Am Unterwasserteil 14 sind eine oder mehrere Verankerungselemente 16 befestigt, mit denen die Windkraftanlage auf dem Gewässerboden (nicht dargestellt) über Anker oder ähnliches verankert wird.On one side of the buoyancy body 12, an underwater part 14 is firmly connected to it, which acts as a keel and stabilizes the entire wind turbine 10, i.e. it keeps it steady even in heavy waves and returns the entire wind turbine to a vertical position if it tilts undesirably. One or more anchoring elements 16 are attached to the underwater part 14, with which the wind turbine is anchored to the bottom of the water (not shown) using anchors or similar.
Auf der dem Unterwasserteil 14 entgegensetzten Seite des Auftriebskörpers ist die Rotoreinheit 18 vorgesehen, die aus zwei übereinander angeordneten Gelhard-Rotoren 18a und 18b besteht. Die beiden Rotoren 18a und 18b sind jeweils um eine vertikale Achse 2 0 drehbar und koaxial zueinander angeordnet, wie später anhand der Erläuterung der Fig. 2a und 2b deutlicher wird.On the side of the buoyancy body opposite the underwater part 14, the rotor unit 18 is provided, which consists of two Gelhard rotors 18a and 18b arranged one above the other. The two rotors 18a and 18b can each be rotated about a vertical axis 20 and are arranged coaxially to one another, as will become clearer later from the explanation of Figs. 2a and 2b.
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Der Auftriebskörper 12 ist mit einer Einstiegsluke 22 versehen, die, ähnlich wie bei U-Booten, vollständig verschlossen werden kann und absolute Dichtheit gewährleistet. Die Luke ist möglichst weit oben, d.h. direkt neben dem Tragrohr 24 für die Rotoren 18a, 18b angeordnet und zusätzlich mit einem Gitter 26 umgeben, das als Schutz gegen Wellenschlag dient. Von der Luke ausgehend befinden sich Steigleitern in den Auftriebskörper 12 und das Unterwasserteil 14 hinein. Das Unterwasserteil könnte im Bereich 14a, welches das Verbindungsrohr vom Auftriebskörper 12 zu dem erweiterten Unterwasserteil 14b, welches den später erläuterten Rotationskörper aufnimmt, mit einem Durchmesser von etwa 1,0m versehen sein, so dass eine Person bequem mit einer Steigleiter in den Unterwasserteil gelangen kann.The buoyancy body 12 is provided with an access hatch 22 which, similar to submarines, can be completely closed and ensures absolute tightness. The hatch is arranged as high up as possible, i.e. directly next to the support tube 24 for the rotors 18a, 18b, and is additionally surrounded by a grid 26 which serves as protection against wave impact. Starting from the hatch there are ladders leading into the buoyancy body 12 and the underwater part 14. The underwater part could be provided with a diameter of approximately 1.0 m in the area 14a, which is the connecting pipe from the buoyancy body 12 to the extended underwater part 14b, which accommodates the rotating body explained later, so that a person can easily reach the underwater part using a ladder.
Das Unterwasserteil 14 der Windkraftanlage 10 besteht aus einem Verbindungsrohr 14a sowie einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Unterwassergehäuse 14b, in dem sich ein Rotationskörper 28 befindet, der als Kreisel ausgebildet ist und, wie später erläutert werden wird, durch die Drehung der Rotoren 18a, 18b in Drehung versetzt wird. Der Rotationskörper 28 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit magnetischen Polen 3 0 versehen, die mit einer am Gehäuse 14b angeordneten Spule 32 zusammenwirken und gemeinsam einen Vielpolgenerator bilden, der bei der Rotation des Rotationskörpers 28 elektrische Energie erzeugt.The underwater part 14 of the wind turbine 10 consists of a connecting pipe 14a and a rotationally symmetrical underwater housing 14b in which there is a rotating body 28 which is designed as a gyroscope and, as will be explained later, is set in rotation by the rotation of the rotors 18a, 18b. In the present embodiment, the rotating body 28 is provided with magnetic poles 30 which interact with a coil 32 arranged on the housing 14b and together form a multi-pole generator which generates electrical energy when the rotating body 28 rotates.
In den Fig. 2a und 2b sind die beiden Rotoren 18a und 18b im Schnitt dargestellt. Es handelt sich somit um eine horizontale Schnittebene beim Einsatz der schwimmfähigen Windkraftanlage auf ruhigem Wasser. Wie aus den Fig. 2a und 2b ersichtlich ist, sind jeweils drei Rotorblätter 34 mit stromlinienförmigem Profil starr mit einem Gestänge 36 verbunden, das wiederum starr mit einer Hohlachse 38a für den Rotor 18a bzw. 38b für den Rotor 18b verbunden ist. Der Außendurchmesser der Hohlwelle 38b sowie der Innendurchmesser der Hohlwelle 38a sind so aufeinander abgestimmt, dass dieIn Fig. 2a and 2b, the two rotors 18a and 18b are shown in section. This is a horizontal section plane when using the floating wind turbine on calm water. As can be seen from Fig. 2a and 2b, three rotor blades 34 with a streamlined profile are rigidly connected to a rod assembly 36, which in turn is rigidly connected to a hollow axle 38a for the rotor 18a or 38b for the rotor 18b. The outer diameter of the hollow shaft 38b and the inner diameter of the hollow shaft 38a are coordinated so that the
Hohlwelle 38b des Rotors 18b innerhalb der Hohlwelle 38a des Rotors 18a angeordnet werden kann. Bei der Beaufschlagung durch Wind von einer bestimmten Windrichtung her, wird durch die Profilierung der Rotorblätter eine Drehung des gesamten Rotors bestehend aus Rotorblättern, Gestänge und Hohlwelle erzeugt. Da, wie aus einem Vergleich der Fig. 2a sowie 2b deutlich wird, die Anordnung der profilierten Rotorblätter bei beiden Rotoren unterschiedlich ist, resultiert auch eine entgegengesetzte Drehrichtung der beiden Rotoren 18a und 18b. Dies wiederum bedingt, dass die beim Betrieb der Windkraftanlage erzeugten Drehmomente an den Rotorwellen 3 8a und 38b gegensinnig zueinander sind, sich gegenseitig aufheben und daher nicht aufgefangen werden müssen. Bei Windkraftanlagen, die stationär an Land betrieben werden, lassen sich die auftretenden Drehmomente bequem über das Fundament der Windkraftanlage auffangen. Im Falle der erfindungsgemäßen schwimmenden Windkraftanlage muss ein derartiges Drehmoment aber über die Verankerung 16 zwischen Unterwasserteil und dem Gewässerboden aufgefangen werden, weshalb bei größer dimensionierten Anlagen dies nicht mehr möglich ist bzw. nur mit erheblichen Schwierigkeiten verwirklicht werden kann und daher die spezielle Ausgestaltung mit zwei gegensinnig zueinander rotierenden Rotoren besondere Vorteile besitzt.Hollow shaft 38b of the rotor 18b can be arranged inside the hollow shaft 38a of the rotor 18a. When exposed to wind from a certain wind direction, the profiling of the rotor blades causes the entire rotor, consisting of rotor blades, rods and hollow shaft, to rotate. Since, as is clear from a comparison of Fig. 2a and 2b, the arrangement of the profiled rotor blades is different for the two rotors, this also results in the two rotors 18a and 18b rotating in opposite directions. This in turn means that the torques generated on the rotor shafts 38a and 38b during operation of the wind turbine are in opposite directions to one another, cancel each other out and therefore do not need to be absorbed. In wind turbines that are operated stationary on land, the torques that occur can be easily absorbed via the foundation of the wind turbine. In the case of the floating wind turbine according to the invention, however, such a torque must be absorbed via the anchorage 16 between the underwater part and the bottom of the water, which is why this is no longer possible in larger-dimensioned systems or can only be achieved with considerable difficulty and therefore the special design with two rotors rotating in opposite directions to each other has particular advantages.
Im Bereich des Auftriebskörpers kann sich eine Meerwasser-Entsalzungsanlage befinden, die neben den hierfür benötigten Armaturen und Instrumenten auch die erforderliche Steuerungs-, Regel- und Kontrollinstrumente aufnimmt. Im Unterwasserteil kann zweckmäßigerweise neben dem bereits beschriebenen Rotationskörper 28, der als Teil eines Vielpolgenerators eingesetzt werden kann, auch eine Speichereinrichtung für elektrische Energie in Form einer Wasserstoffelektrolyse sowie Brennstoffzelle, Hochdruckflaschen für die Speicherung von Wasserstoff oder auch Pufferbatterien für den Notstrom untergebracht werden.In the area of the buoyancy body, there can be a seawater desalination plant, which, in addition to the fittings and instruments required for this, also accommodates the necessary control, regulating and monitoring instruments. In the underwater part, in addition to the already described rotating body 28, which can be used as part of a multi-pole generator, a storage device for electrical energy in the form of hydrogen electrolysis as well as fuel cells, high-pressure bottles for storing hydrogen or buffer batteries for emergency power can be conveniently accommodated.
\· &igr;\· &igr;
Im Bereich der Verbindung 14a zwischen dem Auftriebskörper und dem Unterwasserteil 14 kann eine dicht abschließbare Luke vorgesehen sein. Diese Luke unterteilt die aus Auftriebskörper 12 und Unterwasserteil 14 bestehende Einheit in zwei Kammern, so dass im Falle einer möglichen Beschädigung durch die noch verbleibende Kammer ein ausreichender Restauftrieb vorhanden ist. Die dicht abschließende Luke ermöglicht es aber auch, den Unterwasserteil zu evakuieren, damit der Rotationskörper 28 bei seiner Drehung keine Luftreibung zu überwinden hat und somit der Energieverlust minimiert wird.A tightly sealable hatch can be provided in the area of the connection 14a between the buoyancy body and the underwater part 14. This hatch divides the unit consisting of the buoyancy body 12 and the underwater part 14 into two chambers so that in the event of possible damage to the remaining chamber there is sufficient residual buoyancy. The tightly sealable hatch also makes it possible to evacuate the underwater part so that the rotating body 28 does not have to overcome air friction during its rotation and thus the energy loss is minimized.
Fig. 3 zeigt stark schematisch die Funktion der gesamten Anlage nach der hierin beschriebenen Ausführungsform. Die einzelnen Bauteile sind sowohl schematisch dargestellt als auch auf der Zeichenebene an einer Stelle angeordnet, welche für die leichtere Darstellung der Wechselwirkung zwischen den einzelnen Bauteilen geeignet ist, nicht aber die korrekte geometrische Lage der einzelnen Bauteile wiedergibt. So ist beispielsweise, wie oben beschrieben wurde, die Meerwasser-Entsalzungsanlage vorzugsweise im Auftriebskörper 12 angeordnet, während sie im vorliegenden Beispiel auf der Zeicheneben der Fig. 3 unter dem Rotationskörper dargestellt ist.Fig. 3 shows the function of the entire system in a highly schematic manner according to the embodiment described here. The individual components are both shown schematically and arranged on the plane of the drawing at a location which is suitable for easier representation of the interaction between the individual components, but does not represent the correct geometric position of the individual components. For example, as described above, the seawater desalination system is preferably arranged in the buoyancy body 12, while in the present example it is shown on the plane of the drawing in Fig. 3 below the rotating body.
Wendet man sich Fig. 3 zu, so sind die zu den beiden Rotoren 18a sowie 18b gehörigen Hohlwellen 38a und 38b schematisch dargestellt. Die Hohlwelle des Rotors 18b, d.h. die Achse 38b, ist direkt mit einer ersten Zahnradpumpe 40 drehstarr verbunden und treibt durch ihre Rotation die erste Zahnradpumpe 40 an. Die Hohlwelle 38a des Rotors 18a ist ebenfalls drehstarr mit der zweiten Zahnradpumpe 42 verbunden. Im vorliegenden Beispiel der Hohlwelle 38a wurde schematisch dargestellt, dass die Hohlwellen nicht direkt mit den Zahnradpumpen verbunden sein müssen, sondern auch ein zwischengeschaltetes Getriebe vorhanden sein kann, wie durchTurning to Fig. 3, the hollow shafts 38a and 38b belonging to the two rotors 18a and 18b are shown schematically. The hollow shaft of the rotor 18b, i.e. the axis 38b, is directly connected to a first gear pump 40 in a rotationally rigid manner and drives the first gear pump 40 through its rotation. The hollow shaft 38a of the rotor 18a is also connected to the second gear pump 42 in a rotationally rigid manner. In the present example of the hollow shaft 38a, it was shown schematically that the hollow shafts do not have to be directly connected to the gear pumps, but that an intermediate gear can also be present, as shown by
die Referenzziffer 44 in Bezug auf die außenliegende Hohlwelle 38a angedeutet ist.the reference number 44 is indicated in relation to the external hollow shaft 38a.
Sowohl der ersten Zahnradpumpe 4 0 sowie der zweiten Zahnradpumpe 42 ist jeweils ein getrennter Hydraulikkreis zugeordnet. Da die Strömung in beiden Hydraulikkreisen jedoch übereinstimmt, können die voneinander getrennten Hydraulikkreise im folgenden gemeinsam diskutiert werden. Über die Zahnradpumpen 40 und 42 wird die in den Hydraulikkreisen befindliche Hydraulikflüssigkeit durch die Rohrleitungen gepumpt und gelangt in Pfeilrichtung A zu einem Dreiwegeventil 46 bzw. 48, über das die Hydraulikflüssigkeit auf die Teilströme Bl und B2 aufgeteilt werden kann. Das Dreiwegeventil 46 bzw. 48 kann selbstverständlich so betätigt werden, dass Hydraulikflüssigkeit nur durch den Pfad Bl oder B2 oder aber auch in vorgegebenen Verhältnissen durch beide Pfade gleichzeitig strömt. Während der Pfad Bl durch die jedem Hydraulikkreis zugeordnete weitere Zahnradpumpe 5 0 bzw. 52 strömt, die als ein Zahnradmotor wirkt und durch die Strömung der Hydraulikflüssigkeit in Drehung versetzt wird, dienen die Pfade Bl als Bypass um die Zahnradmotoren 5 0 und 52 herum. Nachdem die Teilleitungen Bl und B2 wieder miteinander vereinigt wurden, strömt die Hydraulikflüssigkeit über den Rückführpfad C zu den ersten Zahnradpumpen 4 0 und 42 zurück.A separate hydraulic circuit is assigned to both the first gear pump 40 and the second gear pump 42. However, since the flow in both hydraulic circuits is the same, the separate hydraulic circuits can be discussed together below. The hydraulic fluid in the hydraulic circuits is pumped through the pipes via the gear pumps 40 and 42 and reaches a three-way valve 46 or 48 in the direction of arrow A, via which the hydraulic fluid can be divided into the partial flows Bl and B2. The three-way valve 46 or 48 can of course be operated in such a way that hydraulic fluid only flows through path Bl or B2 or also through both paths simultaneously in predetermined ratios. While the path Bl flows through the additional gear pump 5 0 or 52 assigned to each hydraulic circuit, which acts as a gear motor and is set in rotation by the flow of the hydraulic fluid, the paths Bl serve as a bypass around the gear motors 5 0 and 52. After the partial lines Bl and B2 have been reunited, the hydraulic fluid flows back to the first gear pumps 4 0 and 42 via the return path C.
Die Zahnradmotoren 5 0 und 52 werden durch die strömende Hydraulikflüssigkeit in Rotation versetzt und wirken auf den Rotationskörper 28, der im Unterwasserteil angeordnet ist und in Form eines Kreisels in Drehung versetzt werden kann. Die Übertragung der kinetischen Energie zwischen den Zahnradpumpen 5 0 und 52 und dem Rotationskörper 2 8 kann über zwischengeschaltete Getriebe 54 und 56 erfolgen, die vorzugsweise jeweils mit einem Freilauf versehen sind, damit bei geringen Windgeschwindigkeiten und, daraus resultierend, einer geringen Förderleistung der Zahnradpumpen 40 und 42 und einer geringen Drehgeschwindigkeit der Zahnradmotoren 5 0 undThe gear motors 5 0 and 52 are set in rotation by the flowing hydraulic fluid and act on the rotating body 28, which is arranged in the underwater part and can be set in rotation in the form of a gyroscope. The transfer of the kinetic energy between the gear pumps 5 0 and 52 and the rotating body 2 8 can take place via intermediate gears 54 and 56, which are preferably each provided with a freewheel so that at low wind speeds and, as a result, a low delivery capacity of the gear pumps 40 and 42 and a low rotational speed of the gear motors 5 0 and
52 entsprechend der Rotationskörper 28 nicht gebremst oder gar zum Stillstand gebracht werden kann. Andererseits ist auch eine Vorkehrung getroffen, damit der Rotationskörper 28 keine zu hohe Geschwindigkeit erreichen kann. Dies ist in Form eines Drehzahlbegrenzers 58 verwirklicht, der drehstarr mit dem Rotationskörper 28 verbunden ist und in einer dem Fachmann geläufigen Weise zum Beispiel über einen Fliehkraftmechanismus wirken kann. Der Drehzahlbegrenzer 58 steht über die Verbindungen 60 entweder direkt mechanisch in Verbindung mit den Dreiwegeventilen 46 und 48 oder aber in Informationsverbindung mit diesen. Wird die Drehzahl des Rotationskörpers 28 entsprechend der Vorgabe zu hoch, so öffnen die Dreiwegeventile 46 und 48 den Bypasspfad B2, so dass weniger Hydraulikflüssigkeit für den Antrieb der Zahnradmotoren 50 und 52 zur Verfügung steht.52, the rotating body 28 cannot be braked or even brought to a standstill. On the other hand, a precaution has also been taken to ensure that the rotating body 28 cannot reach too high a speed. This is implemented in the form of a speed limiter 58, which is rigidly connected to the rotating body 28 and can act in a manner familiar to those skilled in the art, for example via a centrifugal mechanism. The speed limiter 58 is either directly mechanically connected to the three-way valves 46 and 48 via the connections 60, or is in information communication with them. If the speed of the rotating body 28 becomes too high according to the specification, the three-way valves 46 and 48 open the bypass path B2, so that less hydraulic fluid is available to drive the gear motors 50 and 52.
Der Rotationskörper 28 ist, wie oben anhand der Fig. 1 bereits erläutert wurde, mit Magnetpolen 3 0 versehen, die mit einer Spule 32 zusammenwirken und aus dem Rotationskörper 28 und der umgebenden Spulenanordnung 32 einen Vielpolgenerator machen, der elektrische Energie erzeugt. Die erzeugte elektrische Energie wird zunächst vorzugsweise einer Energiepufferungseinrichtung 62 zugeführt, die beispielsweise die vom Vielpolgenerator erzeugte elektrische Energie in einer ersten Teileinheit 64 zur Wasserstoffelektrolyse einsetzen kann. Der erzeugte Wasserstoff kann in einer weiteren Teileinheit 66, z.B. in Form von Hochdruckflaschen, gespeichert werden und über ein Stromaggregat 68, z.B. in form einer Brennstoffzelle wieder zur Verfügung gestellt werden, um eine Meerwasser-Entsalzungsanlage 70 zu betreiben, der in Pfeilrichtung E Meerwasser zugeführt wird und aus der in Pfeilrichtung F Trinkwasser abgepumpt wird und über eine Leitung an das nahestehende Ufer gefördert wird. Die Meerwasser-Entsalzungsanlage kann nach einem beliebigen Verfahren arbeiten, das heute in der Technik bekannt ist, vorzugsweise arbeitet die Meerwasser-Entsalzungsanlage 70 aber nach dem Umkehrosmoseverfahren.As already explained above with reference to Fig. 1, the rotating body 28 is provided with magnetic poles 30 which interact with a coil 32 and turn the rotating body 28 and the surrounding coil arrangement 32 into a multi-pole generator which generates electrical energy. The electrical energy generated is first preferably fed to an energy buffering device 62 which can, for example, use the electrical energy generated by the multi-pole generator in a first sub-unit 64 for hydrogen electrolysis. The hydrogen generated can be stored in a further sub-unit 66, e.g. in the form of high-pressure bottles, and made available again via a power generator 68, e.g. in the form of a fuel cell, in order to operate a seawater desalination plant 70 to which seawater is fed in the direction of arrow E and from which drinking water is pumped out in the direction of arrow F and conveyed via a pipe to the nearby shore. The seawater desalination plant can operate according to any process known in the art today, but preferably the seawater desalination plant 70 operates according to the reverse osmosis process.
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Durch das Zusammenwirken der Pufferung von kinetischer Energie im Rotationskörper 2 8 und der Pufferung von elektrischer Energie in der Energiepufferungseinrichtung lassen sich auch klimabedingte längere Windflauten überbrücken und trotzdem mit geringen Kosten die benötigte Energie für den Betrieb einer energieaufwendigen Meerwasserentsalzung bereitstellen.Through the interaction of the buffering of kinetic energy in the rotating body 2 8 and the buffering of electrical energy in the energy buffering device, even longer periods of calm wind caused by climate change can be bridged and the energy required to operate an energy-intensive seawater desalination plant can still be provided at low cost.
Aufgrund der Verwendung von Gelhard-Rotoren ist die schwimmfähige Windkraftanlage nicht nur problemlos und wartungsfrei zu betreiben, sondern kann auch sehr günstige kW-Stundenpreise erreichen, der bei Anlagen bis 10 kW bei max. 0,05 EUR und bei Anlagen ab 10 kW bei etwa 0,04 EUR liegt. Gleichzeitig wird die Umwelt entlastet und, bei Verwendung derartiger Meerwasser-Entsalzungsanlagen zur Deckung des Trinkwasserbedarfes, die durch Klimaveränderung entstehende Wasserzunahme in den Meeren kompensiert.Due to the use of Gelhard rotors, the floating wind turbine is not only easy to operate and maintenance-free, but can also achieve very low kW-hour prices, which are max. EUR 0.05 for systems up to 10 kW and around EUR 0.04 for systems over 10 kW. At the same time, the burden on the environment is reduced and, when such seawater desalination plants are used to meet drinking water requirements, the increase in water in the seas caused by climate change is compensated.
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Legal Events
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Effective date: 20020912 |
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R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20051110 |
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R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
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R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20100512 |
|
R071 | Expiry of right | ||
R071 | Expiry of right |