DE3224976C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Windenergiekonverter im Offshore-Bereich,
die auf künstlichen Inseln montiert sind. Es sind bereits
Vorschläge bekannt, wonach künstliche Inseln, die aus in den Meeresboden
gerammten Pfählen und einer Plattform bestehen, zur Aufnahme
von Windenergiekonvertern dienen. Es ist auch bereits vorgeschlagen
worden, Traggerüste mit Plattformen zu versehen, diese bis zu ihrem
Einsatzstandort im schwimmfähigen Zustand zu schleppen und dort abzusenken.
Überholungen und Reparaturen, sowohl an den künstlichen
Inseln als auch an den Windenergiekonvertern, müssen hier vor Ort
vorgenommen werden. Ein Abschleppen in einen nahegelegenen Hafen
ist nicht möglich. Außerdem muß eine Rotorgondel-Schwenkeinrichtung
die Windausrichtung im einzelnen übernehmen. Es ist dieserhalb bereits
vorgeschlagen worden, die Windenergiekonverter auf Schiffsrümpfen
zu installieren und diese am Einsatzort zu verankern. Solche
schwimmenden Schiffskörper können bei der Ausrichtung in den Wind
durch Meeresströmungen abgelenkt werden, wodurch eine verwindungs-
und spannungsfreie Ablenkung des Seekabels bei dieser Anordnung
nicht mehr gewährleistet ist. Auch die Unterbringung von mehreren
Rotoren, die sich gegenseitig nicht abschatten, bereitet
Schwierigkeiten.
Da für die Elektrizitätsgewinnung aus Windenergie in großem Maßstab
eine im Flachland angrenzende Bucht ein sehr geeigneter
Standort ist, wobei auf See die Windenergie gleichmäßiger über
das Jahr verteilt ist, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, für die Aufnahme der Windenergiekonverter das
geeignete Konzept einer schwimmenden Plattform zu finden. Das
bedeutet, daß die Plattform mehrere Windenergiekonverter
aufnehmen muß und daß die Plattform die Bewegungen
aus Dünung, Seegang sowie die Schwingungen aus Brechern gut
dämpfen kann. Darüber hinaus muß die Plattform auch bei schweren
Vereisungsbedigungen sowie bei gewaltsamer örtlicher Beschädigung
der Außenstruktur, z. B. durch Kollision, mit ihrer
Nutzlast schwimmfähig bleiben. Die Abstände zwischen den einzelnen
positionierten Konverterinseln sind so groß zu wählen, daß
in diesem Gebiet die Küsten- und Sportschiffahrt sowie die
Fischerei nicht behindert wird und außerdem ein gewisser Wert
der Energieentnahme pro Quadratmeter Wasseroberfäche nicht
überschritten wird. Ferner müssen die bei den einzelnen Konvertern
bestehenden Abschattungseffekte und die daraus resultierenden
Leistungseinbußen vermieden bzw. klein gehalten werden.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den Merkmalen
im Kennzeichen des Anspruchs 1.
Weitere vorzugsweise Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die schwimmende Plattform muß eine genaue und sichere Positionierung
ermöglichen. Dieses ist allein dadurch bedingt, daß sie in
den Seekarten für die Schiffahrt eingetragen werden muß. Die
schwimmende Plattform wird sich mit ihren Windenergiekonvertern
selbsttätig und nur über Windkraft so ausrichten, daß die Rotoren
mit ihrer Arbeitsfläche in den Wind zeigen. Hierbei dürfen sich
die einzelnen Rotoren nicht gegenseitig abschatten, und bei horizontalachsigen
Rotoren kann auf die technisch aufwendige und die
Zuverlässigkeit mindernde Gondelschwenkeinrichtung verzichtet werden.
Die Ausführung der Plattform wird so gestaltet, daß
Meeresströmungen, z. B. Ebbe und Flut, keinen Einfluß auf die
Windausrichtung ausüben.
Nach der Erfindung wird sich die Plattform aufgrund der wechselnden
Windrichtung und der ständigen Windausrichtung um ihre Verankerung
drehen. Die Abführung der elektrischen Energie sowie die Steuerleitungsverbindung
wird so konstruiert, daß das Seekabel unabhängig
von den Drehungen der Plattform verwindungs- und spannungsfrei
mit der Plattform verbunden bleibt. Hierdurch sind auch die
vertikalen Bewegungen der Plattform sowie das Schwimmen um ihren
Verankerungspunkt berücksichtigt.
Die Plattform ist mit mehr als einem Windenergiekonverter ausgerüstet.
Sie ist ferner so ausgelegt, daß die Konverter bei Reparaturen,
Wartung, Inspektionen in eine Überholungsstätte, z. B. Werft
im Hafen, geschleppt werden können. Daraus resultiert die Anforderung
an die Erfindung, daß die Plattform modular aufgebaut ist,
daß die einzelnen Module leicht miteinander verbunden und ausgetauscht
werden können, daß pro Windenergiekonverter ein Plattformsegment
vorgesehen ist, daß die einzelnen Segmente gleich und untereinander
austauschbar sind.
Dieses bedingt wiederum, daß die Restplattform mit den verbleibenden
Windenergiekonvertern sogar bis zu einem einzigen verbleibenden
Energiekonverter voll funktionsfähig bleibt.
In den Zeichnungen sind Lösungsvorschläge wie folgt gezeigt:
Fig. 1a, 1b und Fig. 2 eine schwimmende Plattform mit drei
Horizontalachsen-Konvertern. Die Plattform
reagiert neutral auf Meeresströmungen.
Fig. 3 und Fig. 4 eine schwimmende Plattform mit drei
Horizontalachsen-Konvertern. Die Plattform
ist nicht wasserströmungsneutral,
dafür aber einfacher in der Ausführung
und mit geringerem Materialaufwand herstellbar.
Ihr Einsatz ist nur in Bereichen
möglich, wo keine oder nur geringe
Meeresströmungen auftreten. Geringe Wasserströmungen
können durch Hilfseinrichtungen
kompensiert werden.
Fig. 5 und Fig. 6 eine schwimmende Plattform mit drei Vertikalachsen-
Konvertern. Die Plattform reagiert
neutral auf Meeresströmungen.
Die Plattform ist mit drei Horizontalachsen-Konvertern 1a, 1b und
1c ausgerüstet, die auf zugehörigen schwimmenden Plattformsegmenten
(Pontons) 2a, 2b und 2c angebracht sind. Diese drei Module bilden
im Rahmen des kreisförmigen Plattformaußenkörpers einen Ausschnitt
von 60°. Sie sind genau gleich in den Abmessungen und untereinander
austauschbar.
Die Plattformsegmente 2a, 2b, 2c werden durch die drei Verbindungsschwimmkörper
3a, 3b und 3c mit gleichem Plattformaußendurchmesser
miteinander verbunden. Diese Ringkörper bilden ebenfalls im Rahmen
des kreisförmigen Plattformaußenkörpers einen Ausschnitt von 60°,
sind genau gleich in den Abmessungen und untereinander austauschbar.
Der modular aufgebaute, zylindrische Außenring der Plattform wird
über drei Gelenkbrücken 4a, 4b und 4c mit dem inneren Ringschwimmkörper
5 gelenkig verbunden. Alle drei Gelenkbrücken sind bei zentrischer
Lage von Plattformaußenkörper und innerem Ringschwimmkörper
leicht nach oben durchgeknickt. Durch ihr Eigengewicht zentrieren
sie die schwimmenden Ringkörper zueinander. Bei stoßartigen
Belastungen, wie sie durch auf den Außenringkörper auftreffende
Wellen z. B. verursacht werden, können die Gelenkbrücken
unterschiedlich ausknicken und damit Stoßbelastungen elastisch
auffangen. Hierzu sind außerdem elastische Anschlüsse zwischen
Ringkörper und Gelenkbrücken erforderlich. Auch unterschiedliche
vertikale Bewegungen zwischen den Ringkörpern, wie sie durch Dünung
und Seegang verursacht werden, können hierdurch ermöglicht
und ausgeglichen werden. Örtliche Spannungskonzentrationen werden
vermieden.
Die Positionierung der schwimmenden Plattform erfolgt durch den
zylindrischen Zentralschwimmkörper 6, der mit mindestens drei
Ankern 7 örtlich fixiert ist. Das Gewicht der Ankerketten sowie
ihre gewählte Länge lassen eine vertikale Bewegung des Zentralschwimmkörpers,
verursacht durch Wellen oder Gezeiten, sowie
auch ein elastisches seitliches Ausschwenken in einem gewissen
Umfang zu. Der so verankerte Zentralschwimmköprer 6 schwimmt
in der mittigen zylindrischen Öffnung des Ringschwimmkörpers 5.
Zwischen den beiden Schwimmkörpern 5 und 6 befindet sich ein Spalt,
der einerseits voneinander unabhängige vertikale Bewegungen sowie
wie eine sichere seitliche Führung zuläßt, andererseits aber ein
Verkanten der Körper vermeidet. Die Oberflächen der gegeneinander
reibenden Zylinderflächen werden durch geeignete, auswechselbare
und im Wasser- und Schiffbau bewährte Materialien, wie
z. B. Hartholz, ausgekleidet.
Durch die beschriebene Anordnung von Zentralschwimmmkörper 6 und
Ringschwimmkörper 5 kann die gesamte schwimmende Plattform mit
ihren Windenergiekonvertern sich um ihren Positionierungspunkt
frei drehen und vertikal bewegen. Außerdem ist in einem gewissen
Umfang ein elastisches seitliches Ausweichen entgegen einer
zentrierenden Kraft möglich.
Die von den Windenergiekonvertern erzeugte elektrische Energie
wird über geeignete Kabel einem wasserdichten Gehäuse 8 zugeführt,
in dem die elektrischen Geräte untergebracht sind, die
für eine Aufbereitung des Stromes für seinen Weitertransport
an Land erforderlich sind. Von hier aus wird der aufbereitete
elektrische Strom einer Vorrichtung 9 zugeführt, die an einer geeigneten
Hilfskonstruktion über der mittigen Bohrung im Zentralschwimmkörper
6 angebracht ist und die die Aufgabe hat, die
elektrische Energie sowie elektrische Steuersignale aus der
sich frei drehenden Plattform an das eigentliche Seekabel 10,
das nicht verdreht werden darf, zu übertragen. Die Vorrichtung 9
kann z. B. aus einer geeigneten, gegen Spritzwasser abgedichteten
Schleifringanlage bestehen. Das Seekabel 10 wird zunächst
in einem Schutzrohr 11 von der Vorrichtung 9 durch die Bohrung
in dem Zentralschwimmkörper 6 geführt. Von hier aus wird es in
großen Spiralen, die die vertikalen und horizontalen Bewegungen
der Plattform auffangen, einem Verankerungskörper 12, z. B.
einem Betonklotz, zugeführt, an dem das Seekabel befestigt
ist und von wo aus es in den Meeresboden eingespült zum Land
hin verläuft.
So wie in der Draufsicht auf Fig. 1 die drei Windenergiekonverter
auf der Plattform angeordnet und ausgerichtet sind, richtet
diese ihre Lage zur herrschenden Windrichtung (Pfeil) selbstäntig
aus. Die Rotoren stellen ihre Arbeitsfläche dabei
senkrecht zum Wind. Das automatische Ausrichten ergibt sich dabei
durch ein Einpendeln auf gleiche Winddruck-Momente der beiden
hinteren Rotoren 1b und 1c auf den Drehpunkt der freidrehenden
Plattform. Würde z. B. die Windrichtung gegenüber der Pfeilrichtung
gemäß Fig. 1 nach rechts herum auswandern, dann würde der
linke hintere Rotor 1c teilweise in den Windschatten des vorderen
Rotors 1a gelangen und dadurch ein kleineres Moment um die
Drehachse der Plattform erzeugen als der nicht abgeschattete
Rotor 1b. Die Plattform dreht sich dann so lange, bis wieder ein
Momentengleichgewicht hergestellt ist.
Wenn es erforderlich wird, kann das Ausrichten in den Wind durch
die Installation eines Seitenrades 13 unterstützt werden. Ihre
Funktion besteht darin, daß die Propeller sich automatisch in
Drehung versetzen, wenn die Windrichtung nicht senkrecht zu ihrer
Drehachse steht. Die Steigung des linken Propellers ist entgegengesetzt
zu der des rechten Propellers angeordnet. Somit ist die
Drehrichtung auch entgegengesetzt, je nachdem, ob der Wind von
der linken oder rechten Seite einfällt. Die Drehbewegung der Seitenräder
wird über zwei Winkelgetriebe auf eine Schiffsschraube 14
geleitet, deren Drehachse tangential zum Drehkreis der Plattform
angeordnet ist. Über das Moment "Schraubenschub mal Radius zum
Drehpunkt der Plattform" wird diese so lange gedreht, bis die
Drehachse von den Seitenrädern 13 wieder senkrecht zur Windrichtung
steht. Das ist aber genau die Position, bei der die Arbeitsflächen
der Rotoren 1a, 1b und 1c ebenfalls senkrecht zur Windrichtung
stehen. Die Installation so eines Hilfsantriebes zum Ausrichten
der Plattform in den Wind kann insbesondere dann erforderlich
werden, wenn es gilt, den Einfluß von Meeresströmungen
zu kompensieren.
Für den Fall, daß ein Windenergiekonverter zur Reparatur oder zu einer
Grundüberholung in den Hafen geschleppt werden muß, kann der betreffende
Schwimmkörper aufgrund der elastischen Verbundkonstruktion aus
der kreisförmigen Plattform herausgelöst werden.
Wird nun ein Windenergiekonverter mit seinem Plattformsegment aus
der Plattform herausgenommen und soll in den Hafen geschleppt werden,
dann muß die Gondel geschwenkt werden, wie in Fig. 1a gezeigt.
Die Größe des Plattformsegmentes und Lage des Windenergiekonverters
müssen bei der Auslegung so gewählt werden, daß ein Kentern
beim Schleppen mit Sicherheit nicht möglich ist. Hierzu, wie
auch für das Einschwimmen der Plattformsegmente, sind diese mit
mehreren einzelnen Trimmtanks ausgerüstet, die dosiert geflutet
oder gelenzt werden können.
Beim Einfahren eines Plattformsegmentes 2 wird der richtige Abstand
zum Mittelpunkt durch die zugehörige Gelenkbrücke 4 gegeben.
Beim Einfahren eines Verbindungsschwimmkörpers 3 wird dessen Lage durch
abnehmbare Anschläge 15 an den Plattformsegmenten 2 fixiert. An
den sich berührenden Seitenflächen von Ringschwimmkörper und Plattformsegment
sind geeignete Führungen angebracht, die das Ein- und
Ausfahren erleichtern und die ganz oder teilweise die Kräfte
übertragen, die im geschlossenen Verband der Plattform auftreten.
Außerdem kann beim Ein- oder Ausfahren der Tiefgang beider Module
2 und 3 durch dosiertes Fluten oder Lenzen der vorgesehenen Trimmtanks
verändert und eingestellt werden. Nach dem Einfahren eines
Moduls 2 oder 3 bis in seine Endstellung in der Plattform wird
dieser mit den benachbarten Modulen durch geeignete Verbindungselemente
verbunden. Die Verbindungsstellen müssen dabei in einem gewissen
Bereich elastisch bleiben, damit örtliche Spannungskonzentrationen
niedrig gehalten werden.
Damit der Zentralschwimmkörper 6 in die mittige zylindrische Öffnung
des Ringschwimmkörpers 5 gelangen kann, muß der Schwimmkörper 6
durch Fluten so weit abgesenkt werden, daß der Körper 5 darüber gezogen
werden kann. Anschließend wird der Zentralschwimmkörper 6
wieder gelenzt und dadurch zum Aufschwimmen gebracht.
In den Fig. 3 und 4 ist eine Plattform gezeigt, die gegenüber der
vorgenannten Lösung einen vereinfachten Aufbau mit drei runden, die
Windenergiekonverter tragenden Schwimmkörpern 16a, 16b und 16c hat.
Diese Schwimmkörper sind über die drei steifen Verbindungsbrücken
17a, 17b und 17c mit den Ringschwimmkörper 5 verbunden. Die Anschlußstellen
zwischen den Schwimmkörpern und Verbindungsbrücken
sind so ausgeführt, daß sie gegenüber vertikalen Kräften in einem
gewissen Umfang elastisch sind, wodurch örtliche Spannungsspitzen
gering gehalten werden.
Beim Herausnehmen von einem Windenergiekonverter mit seinem Schwimmkörper
müssen nicht mehr, wie zuvor erwähnt, die Gondeln mit
ihren Rotoren auf eine neue Lage zueinander gedreht werden. Vielmehr
haben die kreisrunden Schwimmkörper 16 in 120° Abständen Flanschflächen
zum Anschließen an die Verbindungsbrücken 17.
Aufgrund der fehlenden geschlossenen Kreisform reagiert diese schwimmende
Plattform auf Meeresströmungen nicht mehr neutral. Deshalb
kann sie nur dort eingesetzt werden, wo keine Meeresströmung auftritt.
Schwache Wasserströmungen können kompensiert werden, entweder
durch eine Hilfseinrichtung wie das Seitenrad 13 oder durch
ein Ruder 18 unter jeder Schwimmplattform 16. Diese Ruder müssen,
über die Messung der Windrichtung geregelt, eingestellt werden.
Die übrigen Vorgänge, wie Windausrichtung, Auswechselbarkeit, Verankerung
und Ableitung der elektrischen Energie und Kabelführung,
sind die gleichen, wie zuvor erwähnt.
Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Vorschlag, bei dem anstatt der Windenergiekonverter
mit horizontaler Achse solche mit vertikaler Achse
auf den Plattformsegmenten angebracht sind.
Diese arbeiten grundsätzlich unabhängig von der Windrichtung.
Claims (11)
1. Windenergiekonverter auf schwimmenden Plattformen im Offshorebereich
mit Plattformen aus modularen, austauschbaren und
auf dem Seewege transportierbaren Elementen, dadurch gekennzeichnet,
daß jeweils drei Konverter (1) einer
schwimmenden Plattform (20) zugeordnet sind, die aus einem den
Zentralschwimmkörper (6) umgebenden Ringschwimmkörper (5) aufgebaut
ist, der über Gelenkbrücken (4) mit die Windenergiekonverter
(1) tragenden Schwimmkörpern (2, 16) verbunden ist, welche
durch Verbindungsschwimmkörper (3) zu einer geschlossenen
Ringstruktur ausgebildet sind,
daß die schwimmenden Elemente (2, 16, 3, 4, 5) um einen mittig angeordneten, durch mindestens drei Anker (7) örtlich fixierten, zylindrischen Zentralschwimmkörper (6) frei drehbar sind, und
daß die drei Konverter (1) zusammenhängend durch die schwimmende Plattform (20) selbsttätig senkrecht zur jeweils herrschenden Windrichtung ausrichtbar sind.
daß die schwimmenden Elemente (2, 16, 3, 4, 5) um einen mittig angeordneten, durch mindestens drei Anker (7) örtlich fixierten, zylindrischen Zentralschwimmkörper (6) frei drehbar sind, und
daß die drei Konverter (1) zusammenhängend durch die schwimmende Plattform (20) selbsttätig senkrecht zur jeweils herrschenden Windrichtung ausrichtbar sind.
2. Windenergiekonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Ringschwimmkörper
(5) und dem mittig in diesem schwimmenden zylindrischen Zentralschwimmkörper
(6) ein ausreichender Bewegungsspalt gebildet
ist.
3. Windenergiekonverter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die drei Schwimmkörper
(2) im Rahmen des kreisförmigen Außenkörpers der Plattform
(20) einen Ausschnitt von 60 Grad bilden.
4. Windenergiekonverter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die, die ringförmige Außenform
der Plattform (20) bildenden Segmente von jeweils drei
Schwimmkörpern (2) und Verbindungsschwimmkörpern (3), elastisch
miteinander verbunden werden.
5. Windenergiekonverter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der modular aufgebaute zylindrische
Außenring (2, 3) der Plattform (20) über drei Gelenkbrücken
(4) mit dem inneren Ringschwimmkörper (5) gelenkig und elastisch
verbunden ist.
6. Windenergiekonverter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gelenkbrücken (4) bei zentrischer Lage
des Plattformaußenringkörpers (2, 3) sowie des Ringschwimmkörpers
(5) nach oben durchgeknickt sind.
7. Windenergiekonverter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Konverter tragenden
Schwimmkörper (16) kreisförmig sind und über steife Verbindungsbrücken
(17) mit dem Ringschwimmkörper (5) elastisch verbunden
sind.
8. Windenergiekonverter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwimmkörper (16) in 120 Grad
Abständen Flanschflächen zum Anschließen der Verbindungsbrücken
(17) besitzen.
9. Windenergiekonverter nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ableitung der elektrischen
Energie über eine Vorrichtung (9) erfolgt, die mittig im Zentralschwimmkörper
(6) angebracht ist.
10. Windenergiekonverter nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausrichtung in den Wind durch
Schiffsschrauben (14) antreibende Seitenräder (13) unterstützt
werden kann.
11. Windenergiekonverter nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausrichtung in den Wind über
eine Meßeinrichtung, die auf eine Stellvorrichtung wirkt, um ein
im Wasser wirksames Ruder (18) zu verstellen, unterstützt werden
kann.
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DE3224976C2 true DE3224976C2 (de) | 1991-12-19 |
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Family Applications (1)
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DE (1) | DE3224976A1 (de) |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ZELCK, GERD, ING. (GRAD.), 2105 SEEVETAL, DE |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
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