DE60221802T2 - Schwimmende offshore-windkraftanlage - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine schwimmende Offshore-Windkraftanlage, insbesondere eine schwimmende Offshore-Windkraftanlage, die stabil im Offshore-Bereich installiert werden kann und die ermöglicht, eine Mehrzahl von Windkrafteinheiten rationell daran anzuordnen, wobei jede der Einheiten in der Lage ist, stabil mit hohem Wirkungsgrad Elektrizität zu erzeugen.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Windkraftanlagen finden große Beachtung als eine der angewandten umweltfreundlichen Technologien, die natürliche Energie nutzen, und einige von ihnen finden bereits praktische Anwendung und stehen in Betrieb. Man rechnet damit, dass derartige Anlagen in Zukunft zusehends Anwendung finden werden.
  • Verschiedene Offshore-Windkraftanlagen wurden vorgeschlagen, da bei im Offshore-Bereich installierten Windkraftanlagen der Wind stärker und mit gleichmäßigerer Geschwindigkeit als bei den am Land installierten eintrifft und erwartet werden kann, dass diese mit höherem Wirkungsgrad Elektrizität erzeugen (siehe z.B. DE-A-3224976 ).
  • JP 2000-213451 A offenbart zum Bespiel ein Windstromerzeugungssystem, bei dem ein Mast und ein hohler Basisblock in einem Werk vorgefertigt werden. Der Basisblock ist auf dem Meeresboden installiert und durch ein darin angeordnetes Gewicht unbeweglich gemacht. Über ein Verbindungsstück an dem Basisblock angeordnet und befestigt ist der Mast, an welchem ein Windstromgenerator installiert ist. Ein derartiges Windstromerzeugungssystem kann im Offshore-Bereich oder an einem ähnlichen Ort in einem kurzen Zeitraum ohne nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt errichtet werden und somit Elektrizität erzeugen.
  • Ferner offenbart JP 2000-272581 A eine Windkraftanlage auf dem Wasser, bei welcher ein Windstromgenerator in Form eines propellerartigen Windrades über eine Säule an einer Konstruktion angeordnet ist, die mittels einer Mehrzahl von Schwimmkörpern, die in gleichen Abständen rund um einen Umfang der Konstruktion angeordnet sind, auf dem Wasser schwimmt, wodurch auf der Konstruktion Elektrizität erzeugt wird. Wenn eine Menge zu erzeugender Elektrizität erhöht werden soll, werden mehrere der oben beschriebenen Konstruktionen über Verbindungsstangen seitlich miteinander verbunden.
  • Ferner offenbart JP 11-336653 A ein auf dem Wasser bewegliches Windstromerzeugungssystem, bei dem eine Rahmenkonstruktion auf dem Meer schwimmt, um jedwede Beschädigung durch Kollisionen oder dergleichen zu verhindern und die Lebensdauer zu verbessern. Innerhalb und entlang der Rahmenkonstruktion schwimmen eine Mehrzahl von Behältern, die mit der Rahmenkonstruktion verbunden sind, zum Anbringen von Windrädern daran. Eine Anzahl von Windrädern ist an jedem der Behälter und entlang einer kreisförmigen oder vieleckigen Linie über Montagesäulen angeordnet. Die mit der Rahmenkonstruktion verbundenen Behälter sind über Verbindungsstangen miteinander verbunden. Die Rahmenkonstruktion, die auf dem Meer durch Antriebsmittel bewegbar ist, welche einen Motor, eine Schraube und ein Ruder, die an jedem der Behälter vorgesehen sind, umfassen, kann durch ihre Bewegung die gewaltige und enorme Windenergie, die durch einen Taifun oder dergleichen erzeugt wird, nutzen. Die jeweiligen Windräder werden durch automatische Richtungseinstellung und automatische Drehzahleinstellung in Abhängigkeit von jedweder Veränderung der Windgeschwindigkeit stets geeignet gegen den Wind ausgerichtet, wodurch mit optimaler Drehzahl Elektrizität erzeugt wird.
  • Das oben genannte in JP 2000-213451 A offenbarte Windstromerzeugungssystem, dessen Windstromgenerator an dem Mast angeordnet ist, der an dem Basisblock am Meeresboden befestigt ist, kann eine stabilere Installation des Windstromgenerators verglichen mit jener des auf dem Wasser schwimmenden Typs ermöglichen; allerdings wird die Installation eventuell schwierig, falls der Meeresboden weich ist. Darüber hinaus wird mit zunehmender Tiefe des Wassers die Größe des zu installierenden Mastes immer größer und die Installationskosten immer höher, was eine erhebliche Einschränkung mit Hinblick auf Meeresgebiete, wo der Mast installiert werden kann, zur Folge hat. Daher ist es unzweckmäßig, ein derartiges Windstromerzeugungssystem in Meeresgebieten mit größeren Tiefen zu installieren. Insbesondere wenn mehrere Masten installiert werden sollen, um eine Menge zu erzeugender Elektrizität zu erhöhen, kommt es zu dem Problem, dass die Kosten weiter erhöht werden.
  • Andererseits kann der Meeresboden weich sein, auch wenn die Tiefe des Wassers scheinbar gering ist, wodurch es instabil wird, den Windstromgenerator an dem Mast anzuordnen. Es muss dann, um die Stabilität des Windstromgenerators sicherzustellen, ein größer ausgelegter Stützmechanismus, beispielsweise durch Verlängern der Beine des Mastes bis in eine Schicht aus hartem Untergrundgestein unter dem weichen Meeresboden, vorgesehen werden, was eine Zunahme der Installationskosten zur Folge hat.
  • Das in JP 2000-272581 A offenbarte Windstromerzeugungssystem auf dem Wasser, bei dem der einzige Windstromgenerator an der Konstruktion angeordnet ist, die mittels der Schwimmkörper, die in gleichen Abständen rund um den Umfang der Konstruktion angeordnet sind, auf dem Wasser schwimmt, pflegt im Offshore-Bereich durch Wellenbewegungen beeinträchtigt zu werden. Um einen Kippwinkel, eine beschleunigte Geschwindigkeit und dergleichen der Konstruktion innerhalb zulässiger Bereiche für den Generator zu halten, muss die Auslegung der Konstruktion und der Schwimmkörper vergrößert werden, was einen Kostenzuwachs zur Folge hat. Ferner können, wenn mehrere Konstruktionen über Verbindungsstangen miteinander verbunden werden, um eine Menge zu erzeugender Elektrizität zu erhöhen, alle Windräder einmal geeignet gegen den Wind ausgerichtet werden; allerdings werden die jeweiligen Windräder nicht stets in Abhängigkeit auf jedwede Änderung der Richtung des Windes optimal gegen den Wind ausgerichtet gehalten. Ein Windstromgenerator an einer luvwärtigen oder vorderen Seite kann durch einen Windstromgenerator an einer leewärtigen oder hinteren Seite in Richtung des Windes überdeckt werden; in diesem Fall kann der in Windrichtung nachgelagerte Stromgenerator durch jedwede auf den in Windrichtung vorgelagerten Stromgenerator zurückzuführende Turbulenz beeinträchtigt werden, was zu einer Reduktion des Wirkungsgrades bei der Erzeugung von Elektrizität führt. Es müssen dann, um jedwede Beeinträchtigung durch Turbulenzen zu minimieren, Abstände zwischen den Windstromgeneratoren vergrößert werden, was zu einer Vergrößerung der Aggregratgröße derartiger Konstruktionen führt.
  • Das in JP 11-336653 A offenbarte auf dem Wasser bewegbare Windstromerzeugungssystem, bei dem die Windräder über die Säulen entlang der kreisförmigen oder vieleckigen Linie an jedem der Behälter innerhalb der Rahmenkonstruktion miteinander angeordnet sind, wobei jeder der Behälter automatische Richtungseinstellung und automatische Drehzahleinstellung in Abhängigkeit von Änderungen der Windgeschwindigkeit aufweist, ist imstande, sogar bei Änderungen der Richtung des Windes alle Windräder geeignet gegen den Wind auszurichten; allerdings können, da die Windräder entlang der kreisförmigen oder vieleckigen Linie miteinander angeordnet sind, nicht alle Windräder den Wind unter optimalen Bedingungen entgegennehmen. Konkret kann ein Windstromgenerator auf einer luvwärtigen oder vorderen Seite in Richtung des Windes mit einem Windstromgenerator auf einer leewärtigen oder hinteren Seite fluchtend ausgerichtet sein, was bewirkt, dass der in Windrichtung vorgelagerte Windstromgenerator durch jedwede Turbulenz infolge des in Windrichtung nachgelagerten Stromgenerators beeinträchtigt wird, was eine Reduktion des Wirkungsgrades bei der Erzeugung von Elektrizität zur Folge hat. Er müssen dann, um jedwede Beeinträchtigung durch Turbulenzen zu verhindern, Abstände zwischen den Windrädern mit dem nachteiligen Ergebnis, dass die Größe des Systems dadurch zunimmt, erhöht werden.
  • Die Erfindung wurde in Anbetracht der oben beschriebenen Probleme gemacht, die bei den herkömmlichen Technologien auftreten, und stellt eine schwimmende Offshore-Windkraftanlage bereit, bei der ein Schwimmkörper an einem Einpunkt-Verankerungssystem verankert ist, um den Schwimmkörper stets in einer konstanten Ausrichtung zum Wind zu halten, wobei der Schwimmkörper eine Gestalt aufweist, welche die effektive Anordnung der Windstromerzeugungseinheiten daran ermöglicht, um einen höheren Wirkungsgrad beim Erzeugen von Elektrizität mittels der Windstromerzeugungseinheiten zu erzielen, wobei der Schwimmkörper in Wellen stabil ist, wobei der Schwimmkörper einfach erweiterbar ist, um eine Menge zu erzeugender Elektrizität durch eine Erhöhung der Anzahl der an dem Schwimmkörper angebrachten Windstromerzeugungseinheiten zu ändern.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Um die oben genannten Probleme zu lösen, führten die Erfinder umfangreiche Studien und Forschungsarbeiten durch, um festzustellen, dass bei einem herkömmlichen Offshore-Windstromerzeugungsystem oder einer herkömmlichen Offshore-Windkraftanlage dessen/deren Stabilität im Offshore-Bereich beispielsweise durch Installieren eines Windstromgenerators an einer Konstruktion, die durch mehrere Schwimmkörper, die entlang einem Umfang der Konstruktion angeordnet sind, auf dem Wasser schwimmt, oder durch Installieren von Windrädern entlang einer kreisförmigen oder vieleckigen Linie an jedem der Behälter zum Anbringen der Windräder daran erreicht wird und dass, in einem Fall, in dem mehrere Stromgeneratoren vorgesehen sind, um eine Menge zu erzeugender Elektrizität zu steigern, die Windräder einmal geeignet gegen eine bestimmte Windrichtung ausgerichtet werden können; allerdings kann eine derartige Anordnung der Windräder nicht unbedingt optimal sein, wenn sich die Windrichtung ändert. Die Erfinder haben Mittel oder Maßnahmen zum Lösen des Problems verschiedenartig erforscht und die Erfindung vervollständigt.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist, einen Schwimmkörper an einem Einpunkt-Verankerungssystem zu verankern, derart, dass der Schwimmkörper stets mit einer konstanten Ausrichtung zum Wind ausgerichtet ist, wodurch mehrere Windstromerzeugungseinheiten an dem Schwimmkörper stets in einer konstanten Ausrichtung zum Wind gehalten werden.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen Schwimmkörper mit einer Gestalt bereitzustellen, welche die rationelle Anordnung von Stromerzeugungseinheiten daran ermöglicht, wodurch eine kompakte Größe des Schwimmkörpers und ein hoher Wirkungsgrad beim Erzeugen von Elektrizität mittels der jeweiligen Windstromerzeugungseinheiten erzielt werden.
  • Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, die Stabilität eines Schwimmkörpers in Wellen zu verbessern.
  • Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen Schwimmkörper einfach erweiterbar auszuführen, um eine Menge zu erzeugender Elektrizität durch eine Erhöhung der Anzahl der an dem Schwimmkörper angebrachten Windstromerzeugungseinheiten zu ändern.
  • Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Anordnung aus Windstromerzeugungseinheiten bereitzustellen, um keine gegenseitige Beeinträchtigung durch auf Windstromerzeugungseinheiten zurückzuführende Turbulenzen zu verursachen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Draufsicht einer schwimmenden Offshore-Windkraftanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und zeigt eine Grundkonstruktion mit drei Windstromerzeugungseinheiten;
  • 2 ist eine schematische Vorderansicht der in 1 dargestellten Windstromerzeugungsanlage von einer luvwärtigen Seite aus betrachtet;
  • 3 ist eine schematische Draufsicht einer Modifikation der in 1 dargestellten Ausführungsform;
  • 4 ist eine vergrößerte Seitenansicht, die eine Ausführungsform eines Einpunkt-Verankerungssystems darstellt;
  • 5 ist eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Einpunkt-Verankerungssystems;
  • 6 ist eine Seitenansicht noch einer weiteren Ausführungsform des Einpunkt-Verankerungssystems;
  • 7 ist eine schematische Draufsicht einer schwimmenden Offshore-Windkraftanlage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Schwimmkörper seitlich erweitert ist, um daran fünf Windstromerzeugungseinheiten aufzuweisen;
  • 8 ist eine schematische Vorderansicht der in 7 dargestellten Windkraftanlage von der luvwärtigen Seite aus betrachtet;
  • 9 ist eine schematische Draufsicht einer schwimmenden Offshore-Windkraftanlage gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei eine schwimmende Konstruktion seitlich erweitert ist, um daran sieben Windstromerzeugungseinheiten aufzuweisen;
  • 10 ist eine schematische Draufsicht einer Modifikation der in 7 dargestellten Ausführungsform mit Verbindungsgliedern in Form von Fachwerkträgern;
  • 11 ist eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform mit Hinzufügung einer Windstromerzeugungseinheit zu der in 1 dargestellten Ausführungsform;
  • 12 ist eine Seitenansicht der in 11 dargestellten Windkraftanlage;
  • 13 ist eine schematische Draufsicht einer schwimmenden Offshore-Windkraftanlage gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei eine schwimmende Konstruktion seitlich und in Längsrichtung erweitert ist, um daran dreizehn Windstromerzeugungseinheiten aufzuweisen; und
  • 14 ist eine Seitenansicht der in 13 dargestellten Windkraftanlage.
  • BESTE MÖGLICHKEIT DER UMSETZUNG DER ERFINDUNG
  • Ausführungsformen der Erfindung werden unten mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher offenbart.
  • 1 und 2 zeigen eine schwimmende Offshore-Windkraftanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als Grundkonstruktion mit drei daran angeordneten Windstromerzeugungseinheiten. 1 und 2 sind eine schematische Draufsicht bzw. eine schematische Vorderansicht.
  • Die schwimmende Offshore-Windkraftanlage 1 umfasst ein Einpunkt-Verankerungssystem 10, das im Offshore-Bereich an dem Meeresboden verankert ist, einen Schwimmkörper 20, der an dem Verankerungssystem 10 verankert und in einer konstanten Ausrichtung zum Wind ausgerichtet ist, und Windstromerzeugungseinheiten 30, die an dem Schwimmkörper 20 angebracht sind, derart, dass jedwede auf die Windstromerzeugungseinheiten zurückzuführenden Turbulenzen einander nie beeinträchtigen.
  • Der Schwimmkörper 20, der die schwimmende Offshore-Windkraftanlage 1 bildet, ist halbuntertauchbar, um seine Querschnittfläche, welche die Wasseroberfläche durchquert, zu reduzieren und dadurch jedwede Schwankung des Schwimmkörpers auf Grund von Wellenbewegungen zu unterdrücken. Der Schwimmkörper 20 umfasst vertikale hohle Säulenglieder 21, welche die Wasseroberfläche durchqueren und über und unter dieser angeordnet sind, und hohle Verbindungsglieder 22, welche die Säulenglieder 21 unter der Wasseroberfläche miteinander verbinden.
  • Ein derartiger Schwimmkörper 20, der die Säulenglieder 21 und die Verbindungsglieder 22 umfasst, ist im Grunde genommen so konstruiert, dass er durch Zusammenbauen von drei Säulengliedern 21 und drei Verbindungsgliedern 22 ein Dreieck 23a vorsieht. 1 zeigt einen Fall, bei dem die Verbindungsglieder 22 von gleicher Länge zusammengebaut sind, um ein gleichseitiges Dreieck vorzusehen; alternativ dazu kann ein gleichschenkeliges oder anderes Dreieck vorgesehen werden.
  • Die Säulenglieder 21 können hohl und von kreisförmigem Querschnitt sein; alternativ können sie hohl und zur Vereinfachung der Herstellung beispielsweise von rechteckigem oder vieleckigem Querschnitt sein. Die Verbindungsglieder 22 können hohle Rohre mit beispielsweise kreisförmigem oder rechteckigem Querschnitt sein. Jedes der Säulenglieder 21 und der Verbindungsglieder 22 kann je nach Bedarf durch Vorsehen einer Verstärkungsrippe oder dergleichen darin verstärkt sein.
  • Der Schwimmkörper 20 kann durch Vorsehen, wie in 3 dargestellt, von Verstärkungsgliedern 24 innerhalb des Dreiecks 23a des Schwimmkörpers 20, welche die Verbindungsglieder 22 miteinander verbinden, weiter verstärkt werden.
  • An jedem der oben genannten drei Säulenglieder 21 angebracht ist eine Windstromerzeugungseinheit 30, die ein Windrad 31 umfasst, das an einem Mast 7 angebracht und mittels eines bekannten Richtungseinstellmechanismus geeignet gegen den Wind ausgerichtet wird.
  • Der Schwimmkörper 20 ist an einem Einpunkt-Verankerungssystem 10 verankert, das im Offshore-Bereich schwimmt und am Meeresboden verankert ist. Als Verankerungssystem 10 kann eine herkömmliche Verankerungseinheit zum Arretieren einer Offshore-Konstruktion an Ort und Stelle, beispielsweise eine Turmverankerungseinheit, die in 4 dargestellt ist, verwendet werden; ein Turm 12 in Form eines Drehtisches ist an einem Joch 11 angebracht, des von einem Säulenglied 21S an einer Ecke des Dreiecks 23a des Schwimmkörpers 20 nach außen vorragt, und ist mittels mehrerer Verankerungsketten 13 und Anker 14 (siehe 13) am Meeresboden verankert, wodurch die Verankerung des Schwimmkörpers 20 im Offshore-Bereich hergestellt wird.
  • Insbesondere ragt das Joch 11 nach vorne und horizontal durch einstückiges Verbinden desselben mit dem Säulenglied 21S an der Ecke des Dreiecks 23a des Schwimmkörpers 20 vor und ist durch einen Verstärkungsarm 15 verstärkt. Das Joch 11 ist über ein Lager 16 mit dem Turm 12 verbunden, derart, dass der Schwimmkörper 20 horizontal um einen Verankerungspunkt 17 des Turmes 12 drehbar ist. In diesem Fall ist ein unterseeisches Kabel 40 über den Turm 12 mit dem Schwimmkörper 20 verbunden.
  • Das Einpunkt-Verankerungssystem 10 muss lediglich eine Last in dem Maß tragen, in dem der Schwimmkörper 20 am Abdriften gehindert wird. Daher kann, auch wenn der Meeresboden eventuell weich ist, die schwimmende Offshore-Windkraftanlage 1 durch das einfach konstruierte Einpunkt-Verankerungssystem 10 stabil an Ort und Stelle verankert werden.
  • Demnach kann das Einpunkt-Verankerungssystem 10 in Form eines Masts 41 von einfacher Konstruktion, der, wie aus 5 hervorgeht, auf dem Meeresboden installiert ist, bereitgestellt werden, wobei der Schwimmkörper 20 über ein einzige Verankerungsleine 43 an einem Rotor 42 an dem Mast 41 verankert ist. Alternativ dazu kann, wie in 6 dargestellt ist, eine Boje 44 über eine Mehrzahl von Ketten 13 und Ankern 14 am Meeresboden verankert sein, wobei der Schwimmkörper 20 über eine einzige Verankerungsleine 43 an der Boje 44 verankert ist. Jedenfalls können verschiedene Arten von Einpunkt-Verankerungssystemen verwendet werden, die ermöglichen, den Schwimmkörper 20 an dem einzigen Verankerungspunkt 17 zu verankern. In den Fällen aus 5 und 6 ist das unterseeische Kabel 40 entweder über den Rotor 42 an dem Mast 41 oder die Boje 44 mit dem Schwimmkörper 20 verbunden.
  • Der Schwimmkörper 20, der das Säulenglied 21S an der Ecke des Dreiecks 23a aufweist und an dem einzigen Verankerungssystem 10 verankert ist, ist um den Verankerungspunkt 17 an der Oberfläche des Meeres entsprechend der Windrichtung horizontal drehbar. Der Schwimmkörper 20 ist wie in 1 dargestellt stabilisiert, derart, dass das linke und das rechte Verbindungsglied 22 in Bezug auf den Verankerungspunkt 17. beidseitig symmetrisch gegen den Wind von der luvwärtigen Seite angeordnet sind und Lasten, mit denen der Schwimmkörper 20 auf der linken und der rechten Seite beaufschlagt wird, ausgewogen sind. Die drei Windstromerzeugungseinheiten 30 sind, wie in 2 dargestellt ist, seitlich in gleichen Abständen angeordnet, wenn sie von der vorderen oder luvwärtigen Seite betrachtet werden. Die Auslegung des Dreiecks 23a ist vorgegeben, derart, dass die Windstromerzeugungseinheiten 30 derart voneinander beabstandet werden, dass sie keine gegenseitige Beeinträchtigung durch von auf die Windräder 31 zurückzuführende Turbulenzen verursachen.
  • In 1 bewirken Lasten durch den Wind von einer luvwärtigen Seite, mit denen die jeweiligen Windräder 31 der Windstromerzeugungseinheiten 30 beaufschlagt werden, dass die Windräder 31 durch den automatischen Richtungseinstellmechanismus jeweils geeignet gegen den Wind ausgerichtet werden. Andererseits dreht sich der Schwimmkörper 20, bei dem das Säulenglied 21S an der Ecke des Dreiecks 23a an dem Einpunkt-Verankerungssystem 10 verankert ist, entsprechend der Windrichtung um den Verankerungspunkt 17, derart, dass die Lasten, mit denen der Schwimmkörper 20 auf der linken und der rechten Seite beaufschlagt wird, ausgewogen sind; die ausgewogene Ausrichtung wird aufrechterhalten, auch wenn sich die Windrichtung ändert. In 1 ist der Schwimmkörper 20 beidseitig symmetrisch in Bezug auf den Verankerungspunkt 17 gegen den Wind ausgerichtet, während das Verbindungsglied 22' an der Basis des Dreiecks 23a orthogonal auf die Windrichtung angeordnet ist, was die seitlichen Abstände zwischen den Windstromerzeugungseinheiten 30 in Bezug auf die Windrichtung stets maximal hält.
  • Bei einem bekannten Schwimmkörper, der durch Verankern in einer vorgegebenen Richtung befestigt ist und an welchem eine Mehrzahl von Windrädern angeordnet sind, müssen in Anbetracht einer Änderung der Windrichtung Abstände zwischen den Windrädern in der orthogonal zur Windrichtung verlaufenden Richtung und der parallel zur Windrichtung verlaufenden Richtung etwa drei bzw. zehn Mal so lang wie ein Durchmesser D der Windräder sein. Andererseits können bei der oben beschriebenen schwimmenden Offshore-Windkraftanlage 1, bei der die Windräder 31 mit deren relativen Positionen in Bezug auf die Windrichtung unverändert sind, auch wenn sich die Windrichtung ändert, und welche rationell konstruiert ist, um die Windräder 31 an den Ecken des Dreiecks 23a anzuordnen, das größenmäßig so ausgelegt ist, dass keine Beeinträchtigung durch auf die Windräder 31 zurückzuführende Turbulenzen verursacht wird, die Abstände zwischen den Windrädern 31 auf zwei Mal so lang wie der Durchmesser D des Windrades verkürzt werden. Dies ermöglicht nicht nur, dass der Schwimmkörper 20 eine kompakte Größe erhält, sondern verhindert auch jedwede gegenseitige Beeinträchtigung durch auf die Windräder 31 zurückzuführende Turbulenzen, so dass stets ein maximaler Wirkungsgrad bei der Erzeugung von Elektrizität erzielt werden kann.
  • Der Schwimmkörper 20, der das Dreieck 23a als Grundgestalt aufweist und halbuntertauchbar ist, wird durch äußere Kräfte, beispielsweise Windkräfte, Gezeitenkräfte und Wellenbewegungen, kaum beeinflusst und kann im Offshore-Bereich stabil sein. Daher kann im Offshore-Bereich, wo eine starke Windkraft verfügbar ist, eine effiziente Windstromerzeugung realisiert werden.
  • Der Schwimmkörper 20 ändert seine Richtung mit einer Zeitverzögerung in Abhängigkeit von einer Änderung der Windrichtung; darüber hinaus kann eine Richtungsbeziehung zwischen dem Schwimmkörper 20 und dem Wind auf Grund der Einwirkung der Gezeitenkräfte, Wellenbewegungen usw., mit Ausnahme der Windkraft, nicht immer konstant gehalten werden, was jedoch nicht zu der Reduktion des Wirkungsgrades bei der Erzeugung von Elektrizität durch die Windstromerzeugungseinheiten 30 führt, da die Windräder 31 durch die automatischen Richtungseinstellmechanismen sofort geeignet gegen den Wind ausgerichtet werden.
  • Durch die jeweiligen Windstromerzeugungseinheiten 30 erzeugter elektrischer Strom wird über das unterseeische Kabel 40, das mit dem Einpunkt-Verankerungssystem 10 verbunden ist, zum Land usw. übertragen.
  • Wenn man bei der schwimmenden Offshore-Windkraftanlage 1, die wie oben beschrieben konstruiert ist, annimmt, dass der Durchmesser der Windräder 31, nehmen wir mal an, 80 m beträgt, dann kann der Abstand zwischen den Mittelpunkten der beiden Säulenglieder 21, die über das Verbindungsglied 22 des Schwimmkörpers 20 miteinander verbunden sind, 160 m betragen; und ein Durchmesser von jedem der Säulenglieder 21 und eine Höhe des Masts 7 der Windstromerzeugungseinheit 30 daran können beispielsweise 15 bzw. 60 m betragen.
  • Bei einer derartigen schwimmenden Offshore-Windkraftanlage 1 kann der Schwimmkörper 20 an dem einfach konstruierten Einpunkt-Verankerungssystem 10 verankert sein, selbst in Meeresregionen mit großer Wassertiefe und rauen Wellenbedingungen, so dass verglichen mit einem Fall, bei dem ein Windstromgenerator an einem Mast angeordnet ist, der am Meeresboden befestigt ist, eine erhebliche Erweiterung des Bereichs von für die Installation geeigneten Meeresregionen erzielt werden kann.
  • Der Schwimmkörper 20, bei dem die Windstromerzeugungseinheiten 30 an den Ecken des Dreiecks 23a angeordnet sind, ermöglicht die rationale Anordnung der Windstromerzeugungseinheiten 30 daran, um die größenmäßige Kompaktheit des Schwimmkörpers 20 zu verbessern, und kann problemlos eine Änderung der zu erzeugenden Elektrizitätsmenge durch Erhöhung der Anzahl von Winderzeugungseinheiten 30 daran bewältigen.
  • 7 und 8 zeigen eine schwimmende Offshore-Windkraftanlage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei der Schwimmkörper 20 zur Anordnung von fünf Wind stromerzeugungseinheiten daran seitlich erweitert ist, wobei 7 und 8 eine schematische Draufsicht bzw. eine schematische Vorderansicht sind. Bei dieser schwimmenden Offshore-Windkraftanlage 2 ist ein Fall dargestellt, bei dem die Grundkonstruktion des Schwimmkörpers 20 in Form eines einzigen Dreiecks 23a, welche in 1 dargestellt ist, seitlich erweitert ist.
  • Konkret sind auf entgegengesetzten Seiten des einzigen Dreiecks 23a umgekehrte Dreiecke 23b angebracht, die jeweils ein Säulenglied 21 und zwei Verbindungsglieder 22 umfassen, wobei die Verbindungsglieder 22' an der Basis der Dreiecke 23a und 23b zu einander parallel sind. An jedem der fünf Säulenglieder 21 ist eine Windstromerzeugungseinheit 30 angebracht. Ebenfalls zeigt 7 in diesem Fall die Dreiecke 23a und 23b als gleichseitige Dreiecke; allerdings können die Dreiecke gleichschenkelige oder andere Dreiecke sein, beispielsweise indem die Verbindungsglieder 22' als Basis der Dreiecke 23a und 23b mit einer anderen Länge als das andere Verbindungsglied 22 ausgebildet werden.
  • Ebenfalls ist bei der in 7 dargestellten schwimmenden Offshore-Windkraftanlage 2 der Schwimmkörper 20, der seitlich erweitert, um daran fünf Windstromerzeugungseinheiten 30 aufzuweisen, in Bezug auf den Verankerungspunkt 17 beidseitig symmetrisch, so dass der Schwimmkörper 20 gegen den Wind stabilisiert wird, der von einer luvwärtigen Seite herströmt, wie aus 7 hervorgeht, wobei die Lasten, mit denen der Schwimmkörper 20 auf der linken und der rechten Seite beaufschlagt wird, ausgewogen sind. Die fünf Windstromerzeugungseinheiten 30 sind seitlich gleich voneinander beabstandet, wie in 8 dargestellt ist, wenn sie von der vorderen oder luvwärtigen Seite betrachtet werden. Die Auslegung der Dreiecke 23a und 23b ist vorgegeben, derart, dass die Windstromerzeugungseinheiten 30 voneinander beabstandet sind, um keine gegenseitige Beeinträchti gung durch auf die Windräder 31 zurückzuführende Turbulenzen zu verursachen; beispielsweise kann diese Beabstandung derart vorgegeben sein, dass sie zweimal so lang wie der Durchmesser D der Windräder 31 ist.
  • Im Vergleich mit dem Fall aus 1 ist die in 7 dargestellte schwimmende Offshore-Windkraftanlage 2 in der Lage, eine größere Elektrizitätsmenge zu erzeugen; darüber hinaus bewirkt sie eine weitere Stabilisierung gegenüber seitlichen Wellenbewegungen, da der Schwimmkörper 20 seitlich erweitert ist.
  • 9 zeigt eine schwimmende Windkraftanlage gemäß der Erfindung, bei welcher der in 7 dargestellte Schwimmkörper 20 zur Hinzufügung von zwei weiteren Windstromerzeugungseinheiten 30 weiter seitlich erweitert ist, um insgesamt sieben Windstromerzeugungseinheiten 30 daran aufzuweisen. Seitlich an den, an entgegengesetzten Enden der und außerhalb der umgekehrten Dreiecke 23b, die in 7 dargestellt sind, sind zwei Dreiecke 23a hinzugefügt, wobei jedes ein Säulenglied 21 und zwei Verbindungsglieder 22 umfasst.
  • Auf diese Weise kann die Anzahl der Windstromerzeugungseinheiten 30 auf dem Schwimmkörper ohne Weiteres durch erweiterndes Montieren von abwechselnd umgekehrten Dreiecken 23b und Dreiecken 23a, seitlich, an entgegengesetzten Enden und außerhalb des Kerndreiecks 23a, erhöht werden, wobei sein einziges Säulenglied 21S an dem Verankerungspunkt verankert ist, wodurch es möglich ist, ohne Weiteres jedweden Bedarf an einer erhöhten zu erzeugenden Elektrizitätsmenge zu decken.
  • 10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer schwimmenden Offshore-Windkraftanlage gemäß der Erfindung. Diese schwimmende Offshore-Windkraftanlage 4 unterscheidet sich von den oben beschriebenen in der Konstruktion des Schwimm körpers 20, derart, dass Verbindungsglieder 25 zum Verbinden der Säulenglieder 21 miteinander in Form von Fachwerkträgern vorliegen, um eine Gewichteinsparung im Vergleich mit den oben genannten Verbindungsgliedern 22 in Form von hohlen Rohren zu erzielen. 10 veranschaulicht einen Fall, bei dem sich der in 7 dargestellte Schwimmkörper 20 aus den Verbindungsgliedern 25 in Form von Fachwerkträgern zusammensetzt; natürlich ist dies auch auf jeden beliebigen der Schwimmkörper 20 aus 1, 3 und 9 anwendbar.
  • Auch bei der Verwendung des Schwimmkörpers 20 mit derartigen Verbindungsgliedern 25 in Form von Fachwerkträgern zum Verbinden der Säulenglieder 21 miteinander werden Wirkungen und Vorteile erzielt, die den bereits in Bezug auf die schwimmenden Offshore-Windkraftanlagen 1, 2 und 3 beschriebenen ähnlich sind.
  • 11 und 12 zeigen eine schwimmende Offshore-Windkraftanlage 5, bei welcher der Konstruktion des Schwimmkörpers 20, die in 1 dargestellt ist und drei Stromerzeugungseinheiten 30 an dem einzigen Dreieck 23a aufweist, eine weitere Windstromerzeugungseinheit 30 hinzugefügt wurde, um dadurch insgesamt vier Windstromerzeugungseinheiten aufzuweisen. Diese schwimmende Offshore-Windkraftanlage 5 weist ein inneres Säulenglied 46 auf, das über innere Verbindungsglieder 45 innerhalb des Dreiecks 23a angeordnet ist, wobei eine Windstromerzeugungseinheit 30 an dem inneren Säulenglied 46 angebracht ist.
  • In diesem Fall ist die Windstromerzeugungseinheit 30 an dem Säulenglied 21S, das an den Verankerungspunkt 17 angrenzt, in fluchtender Ausrichtung mit jener an dem inneren Säulenglied 46 in der Richtung des Windes angeordnet; demnach ist die letztere oder hintere Windstromerzeugungseinheit 30 an dem inneren Säulenglied 46 mit einem längeren Mast 47 versehen, an welchem ein Windrad 31 angebracht ist, um eine Höhe aufzuweisen, die verglichen mit jener der ersteren oder vorderen Windstromerzeugungseinheit 30 an dem Säulenglied 21S größer ist. Dies ermöglicht eine Anordnung der hinteren Windstromerzeugungseinheit 30, die nicht durch auf die vordere Windstromerzeugungseinheit 30 zurückzuführende Turbulenzen beeinträchtigt wird. Alternativ dazu kann die vordere Windstromerzeugungseinheit 30 eine Höhe aufweisen, die verglichen mit jener der hinteren Windstromerzeugungseinheit 30 größer ist, was jedoch nicht vorzuziehen ist, da die hintere Windstromerzeugungseinheit 30 durch auf den Mast 7 der vorderen Windstromerzeugungseinheit 30 zurückzuführende Turbulenzen beeinträchtigt werden kann.
  • Eine derartige Bereitstellung des inneren Säulengliedes 46 innerhalb des Dreiecks 23a und die Hinzufügung einer Windstromerzeugungseinheit 30 an dem inneren Säulenglied 46, wie in 11 und 12 dargestellt ist, kann auch auf das Dreieck 23a und das umgekehrte Dreieck 23b der in 1, 7 und 9 dargestellten Schwimmkörper 20 angewandt werden.
  • 13 und 14 zeigen eine schwimmende Offshore-Windkraftanlage 6 gemäß der Erfindung, bei welcher der in 9 dargestellte Schwimmkörper 20 nach hinten erweitert ist, um zwölf Windstromerzeugungseinheiten 30 daran aufzuweisen. Bei dieser schwimmenden Offshore-Windkraftanlage 6 ist der Schwimmkörper 20 derart zusammengebaut, dass ein umgekehrtes Dreieck 23b und ein Dreieck 23a hinter dem Dreieck 23a bzw. dem umgekehrten Dreieck 23b zur Erweiterung in Längsrichtung sowie zur seitlichen Erweiterung angeordnet sind. Wenngleich der Schwimmkörper 20 auf jede beliebige Größe erweitert werden kann, wird vorgezogen, den Schwimmkörper 20 derart zu erweitern, dass er in Bezug auf das Säulenglied 21S, das an dem Einpunkt-Verankerungssystem 10, d.h. dem Verankerungspunkt 17, verankert ist, beidseitig symmetrisch ist. Eine derartige Erweiterung des Schwimmkörpers 20 ermöglicht eine große Anzahl von Windstromerzeugungs einheiten 30 daran, wodurch eine zu erzeugende Elektrizitätsmenge beträchtlich erhöht wird.
  • Bei dem erweiterten Schwimmkörper 20, der in 13 und 14 dargestellt ist, sind die Windstromerzeugungseinheiten 30 an den Säulengliedern 21 angeordnet, von denen einige in fluchtender Ausrichtung mit einander in der Windrichtung angeordnet sein können. Um dies zu lösen, weist die hintere der miteinander in fluchtender Ausrichtung stehenden Windstromerzeugungseinheiten 30 einen längeren Mast 47 auf, an dem ein Windrad 31 angebracht ist, um eine Höhe aufzuweisen, die größer als die vordere Windstromerzeugungseinheit 30 ist. Damit wird sichergestellt, dass die hintere Windstromerzeugungseinheit 30 derart angeordnet ist, dass sie nicht durch auf die vordere Windstromerzeugungseinheit 30 zurückzuführende Turbulenzen beeinträchtigt wird.
  • Gemäß einer beliebigen der oben im Detail beschriebenen schwimmenden Offshore-Windkraftanlagen 1 bis 6 ist ein halbuntertauchbarer Schwimmkörper in Form von mindestens einem Dreieck 23a zusammengesetzt, das Säulenglieder 21 und Verbindungsglieder 22 umfasst, wobei eine Windstromerzeugungseinheit 30 an jedem der Säulenglieder 21 an den Ecken des Schwimmkörpers 20 angebracht ist, wobei eines 21S der Säulenglieder des Schwimmkörpers 20 horizontal drehbar an einem Einpunkt-Verankerungssystem 10 verankert ist, welches am Meeresboden verankert ist. Infolgedessen können mehrere Windstromerzeugungseinheiten 30 rational an dem Schwimmkörper 20 mit einer derartigen Beabstandung voneinander angeordnet werden, dass jedwede auf diese selbst zurückzuführenden Turbulenzen niemals einander beeinträchtigen und der Schwimmkörper 20 stets in einer konstanten Ausrichtung zum Wind gehalten werden kann, wodurch eine größenmäßige Kompaktheit des Schwimmkörpers 20 und die Erzeugung von Elektrizität mit hohem Wirkungsgrad erzielt werden.
  • Die Tatsache, dass bei dem Schwimmkörper 20 die Säulenglieder 21 die Wasseroberfläche durchqueren und dieser halbuntertauchbar ist, unterdrückt die durch Wellenbewegungen verursachte Schwankung des Schwimmkörpers 20 und verbessert dessen Stabilität in Wellen.
  • Der Schwimmkörper 20, der einen vereinfachten Aufbau mit dem Dreieck 23a als Grundkonstruktion aufweist, weist eine hervorragende Festigkeit und Konstruktion auf und kann einfach seitlich und in Längsrichtung erweitert werden, um die Anzahl von Windstromerzeugungseinheiten 30 daran zu erhöhen, wodurch eine zu erzeugende Elektrizitätsmenge ohne Weiteres gesteigert werden kann. Der erweiterte Schwimmkörper 20, der in einer Ebene die Form von Fachwerkträgern annimmt, erhöht dessen Stabilität sowie dessen Festigkeit.
  • Was die in der Richtung des Windes miteinander fluchtend ausgerichteten Windstromerzeugungseinheiten 30 betrifft, ist die hintere der Stromerzeugungseinheiten 30 eingestellt, um eine größere Höhe als die vordere aufzuweisen, so dass verhindert wird, dass erstere durch irgendwelche auf letztere zurückzuführenden Turbulenzen beeinträchtigt wird.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Bei einer schwimmenden Offshore-Windkraftanlage mit Windstromerzeugungseinheiten an einem Schwimmkörper, der im Offshore-Bereich schwimmt, ist ein Schwimmkörper mit einem Dreieck als Grundkonstruktion an einem Einpunkt-Verankerungssystem verankert. Infolgedessen kann der Schwimmkörper in einer konstanten Ausrichtung zum Wind gehalten werden; die Windstromerzeugungseinheiten können rational an dem Schwimmkörper angeordnet werden, um durch die Windstromerzeugungseinheiten mit hohem Wirkungsgrad Elektrizität zu erzeugen; wobei der Schwimmkörper in Wellen stabil gehalten werden kann; und wobei der Schwimmkörper ohne Weiteres erweitert werden kann, um eine zu erzeugende Elektrizitätsmenge durch Erhöhung der Anzahl von Windstromerzeugungseinheiten zu ändern.

Claims (11)

  1. Schwimmende Offshore-Windkraftanlage, umfassend eine Windstromerzeugungseinheit (30), einen Schwimmkörper (20), der die Windstromerzeugungseinheit (30) trägt, und ein Einpunkt-Verankerungssystem (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper (20) drei halbuntertauchbare Säulenglieder (21) und drei Verbindungsglieder (22), welche die Säulenglieder (21) miteinander verbinden und in einer Ebene in Form eines Dreiecks angeordnet sind, wobei die Säulenglieder (21) an dessen Ecken angeordnet sind, umfasst und dass eines der Säulenglieder (21) ausgebildet ist, um an dem Einpunkt-Verankerungssystem (10) verankert zu werden.
  2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dreieck ein gleichseitiges Dreieck ist.
  3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem der Säulenglieder (21) des Schwimmkörpers eine Windstromerzeugungseinheit (30) angebracht ist.
  4. Anlage nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Windstromerzeugungseinheit (30) ein Windrad (31) und einen automatischen Richtungseinstellmechanismus zum Ausrichten des Windrades gegen den Wind umfasst.
  5. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein inneres Säulenglied (46) innerhalb des Dreiecks angeordnet ist und mit jedem der Verbindungsglieder (22) über jeweilige innere Verbindungsglieder (45) verbunden ist, wobei eine weitere Windstromerzeugungseinheit (30) an dem inneren Säulenglied (46) angebracht ist, wobei die weitere Windstromerzeugungsein heit (30) von den beiden Säulengliedern (21), die nicht ausgebildet sind, um an dem Einpunkt-Verankerungssystem (10) verankert zu werden, in einem im Wesentlichen gleichen Abstand angeordnet ist und höher als die Windstromerzeugungseinheit (30) an dem Säulenglied (21) ist, welches ausgebildet ist, um an dem Einpunkt-Verankerungssystem (10) verankert zu werden.
  6. Anlage nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper (20) eine Mehrzahl von zusätzlichen Säulengliedern (21) aufweist, wobei alle Säulenglieder (21) in einer oder mehreren parallelen Linien von angrenzenden Dreiecken angeordnet sind, wobei die Dreiecke der oder jeder Linie von alternierender Ausrichtung sind, wobei die drei Säulenglieder (21) jedes Dreiecks durch Verbindungsglieder (22) miteinander verbunden sind, wobei jeweils zwei aneinander angrenzende Dreiecke in einer Linie ein gemeinsames Verbindungsglied (22) umfassen.
  7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Säulenglieder (21) in zwei oder mehr angrenzenden parallelen Linien von Dreiecken angeordnet sind, wobei jedes angrenzende Paar von Dreiecken in verschiedenen Linien ein gemeinsames Verbindungsglied (22) umfasst und eine entgegengesetzte Ausrichtung aufweist.
  8. Anlage nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Windstromerzeugungseinheit (30), die an einem Säulenglied (21) angebracht ist, welches keinen Teil eines Dreiecks darstellt, das in der Linie von Dreiecken angeordnet ist, in welcher das Säulenglied (21) angeordnet ist, das zur Verbindung mit dem Einpunkt-Verankerungssystem (10) ausgebildet ist, im Wesentlichen auf einer Linie angeordnet ist, die sich durch ein vorderes Säulenglied (21) erstreckt, welches einen Teil eines Dreiecks bildet, das in einer Linie von Dreiecken angeordnet ist, die näher bei dem Säulenglied (21) liegt, das zur Verbindung mit dem Einpunkt-Verankerungssystem (10) ausgebildet ist, senkrecht zu der Länge der Linien aus Dreiecken, höher ist als die Windstromerzeugungseinheit (30), die an dem vorderen Säulenglied (21) angebracht ist.
  9. Anlage nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper (20) um eine Linie symmetrisch ist, die sich quer zu der Länge der Linie(n) aus Dreiecken durch das Säulenglied (21), das ausgebildet ist, um an dem Einpunkt-Verankerungssystem (10) verankert zu werden, erstreckt.
  10. Anlage nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsglieder (22) in Form von hohlen Rohren vorliegen.
  11. Anlage nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsglieder (22) in Form von Fachwerksträgern vorliegen.
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