EP3601787A1 - Floating offshore wind power plant having a vertical rotor and modular wind farm comprising a plurality of such wind power plants - Google Patents

Floating offshore wind power plant having a vertical rotor and modular wind farm comprising a plurality of such wind power plants

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EP3601787A1
EP3601787A1 EP18713646.0A EP18713646A EP3601787A1 EP 3601787 A1 EP3601787 A1 EP 3601787A1 EP 18713646 A EP18713646 A EP 18713646A EP 3601787 A1 EP3601787 A1 EP 3601787A1
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EP
European Patent Office
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wind
rotor
wind turbine
rotor blades
generator
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Withdrawn
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EP18713646.0A
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Athanasios DAFNIS
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Individual
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    • F03D3/005Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  the axis being vertical
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    • F03D13/20Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors
    • F03D13/25Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors specially adapted for offshore installation
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    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/74Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a on a
  • Water surface floating offshore wind turbine with a rotor with a shaft rotatable about a vertical axis of rotation.
  • the shaft communicates with a generator that converts a rotary motion of the shaft into electrical energy.
  • the wind turbine has a floating body, which provides buoyancy, so that the wind turbine can float on the water surface.
  • the invention relates to an offshore wind farm, which includes several such offshore
  • Wind turbines includes. Worldwide, there is an increasing trend towards offshore wind power generation. These have opposite
  • Wind turbines correspond to the classic configuration with a horizontal axis of rotation and are based on so-called
  • the classic configuration includes a relatively tall tower, a gondola at the top of the tower, a powertrain with or without gears, a generator and control electronics in the nacelle, a rotor with horizontal rotating shaft and
  • Wind tracking systems for the gondola (Yaw system) and for the rotor blades (pitch system).
  • Yaw system Wind tracking systems for the gondola
  • pitch system rotor blades
  • HWKA horizontal axis wind turbines
  • Structural unit called a single
  • Wind turbine houses Such a module can be isolated or part of a variable, modular
  • the modular, platform-type surface erection for the installation of aerodynamic converters makes installation, logistics, inner-park cabling, maintenance and operational management processes less expensive, less risky and technically / practically easier to implement.
  • a vertical axis rotor arrangement (vertical axis wind energy plants, VWEA) of the aerodynamic converter allows functionally the necessary lowering of heavy components of the drive train. This can make it difficult to overturn the wind turbine in strong winds and / or rough seas.
  • VWEA is, for example, from US 2016/0327027 AI, in which, for example, the generator is arranged at the lower end of the rotor on a floating body of the system.
  • VWEA promise a whole range of advantages in the onshore operating sector. VWEA need, for example, no wind tracking, whereby the design and construction costs is lower. In areas with constant, fast
  • Powertrain such as gearboxes, generators and
  • Suspension bearings can be installed near the ground at a VWEA. Also, the VWEA's gravity acts as a constant load on all rotor blades. In contrast, the rotor blades are cyclically loaded by gravity in a HWEA and thereby, depending on the
  • the present invention has the object, an offshore wind turbine with a rotor with a vertical axis of rotation for energy in the MW range, to design and further develop that their use in the offshore area is optimized, especially in terms of higher
  • Wind turbine of the type mentioned proposed that the generator disposed in the float and a service flap in the float from above the
  • 'offshore' is understood to mean not only the open sea. Rather, this term is in the context of the invention, larger inland waters, especially lakes (eg Caspian Sea, Lake Constance) include, on which the floating wind turbine or a composite of several wind turbines wind farm could be built. According to the present invention, therefore, the generator is not simply arranged on the floating support structure, but deliberately arranged in a closed float of the system, so that no additional housing for the
  • the float has a service flap that allows service technicians access to the generator when needed to service or repair it.
  • the service flap that allows service technicians access to the generator when needed to service or repair it.
  • Service hatch designed so large that the service technician can climb into the floating body in order to locally maintain the generator, to repair or exchange commercially available defective standard components.
  • the service technician arrives at the float by means of a service ship or a helicopter at short notice.
  • Separate swimming modules same design can serve as both helicopter landing pads as well as service ship docking. From there, he has direct access to the generator via the service flap and does not have to move from the float to a separate one
  • provided service door has direct access to the generator.
  • the generator is at least for the most part
  • the generator is designed as a flat-lying and rest torque-free ring generator, the without
  • the speed of the rotor can be kept constant in a wide range, regardless of the wind speed and / or direction, so that energy at a constant frequency, preferably the desired power frequency (eg traction current 16.7 Hz, 25 Hz in North America, 50 Hz in Europe), can be generated directly.
  • a constant frequency preferably the desired power frequency (eg traction current 16.7 Hz, 25 Hz in North America, 50 Hz in Europe)
  • Such flat ring generators may have a diameter of> 10 m (so-called.
  • Large ring generators can in particular have diameters of 10 to 25 m.
  • Tipping ensures (so-called gyroscopic effect).
  • a gyroscopic effect is understood to mean the self-steering effect caused by centrifugal forces, that of a system (here: the wind turbine) due to the rotational movement
  • Wind turbine serve on the one hand to improve the
  • Constant-velocity properties additionally promoted in gusty wind.
  • the ring generator a
  • Power generating portion having a generator stator and a generator rotor and a storage portion which is formed, a magnetic bearing of the shaft at least in a direction parallel to the vertical axis of rotation to
  • the storage section preferably has a first circular or annular section with magnets of a certain polarity and a second section associated therewith with magnets of the same polarity, so that the two sections repel each other and in
  • considered vertical direction forms an air gap between the two sections, so that the two sections in the vertical direction without material contact alone through
  • the magnets can, for example, as superconducting magnets or be designed as a regulated electromagnet.
  • the magnetic bearing can be passive, active or as a
  • the transverse forces acting in the horizontal direction can be achieved by conventional mechanical bearings (ball bearings, plain bearings,
  • the storage section is designed to realize a magnetic bearing of the shaft also in a direction transverse to the vertical axis of rotation.
  • the magnets may, for example, be designed as superconducting magnets or as a controlled electromagnets.
  • the magnetic bearing can be designed as passive, active or as an electrodynamic magnetic bearing.
  • the storage section of the ring generator be offset and spaced from the power generating section on the
  • the storage portion may be formed in the direction of the vertical axis of rotation and / or transversely to the power generating portion on the ring generator.
  • the rotor has a plurality of rotor blades, each having a substantially vertical span. Depending on the rotor blade geometry and for setting an optimal or appropriate torque curve around the
  • Rotary axis can be conical up or down
  • Wind power components means.
  • Wind turbines are reduced, which increases the density of the wind farm.
  • the rotor has a plurality of rotor blades, which are each arranged at a distance from the axis of rotation, wherein the span of the respective
  • Rotor blades has a helical shape around the axis of rotation / rotary shaft. It is very particularly preferred if the rotor blades are twisted around the axis of rotation by a part of a circumference of the rotor which corresponds to at least one reciprocal of the total number of rotor blades of the rotor. So it is conceivable, for example, that when using three circumferentially evenly distributed around the axis of rotation arranged rotor blades of each rotor blade is rotated by at least 1/3 of the circumference about the axis of rotation, that extends from the lower end to the upper end in a circumferential region of at least 120 °.
  • VAWIAN type (rotor with two straight, rigid leaves in H-shape)
  • Twister Double helix shape or triple helix shape, so-called Twister).
  • Rotor blade geometry (rotor blade surface, span, extension, tread depth) the rotor blades in the lower area larger
  • a triple Heiix form of rotor blades has one
  • the necessary inertia mass required to maintain the angular momentum can be accommodated in the float (module) (see, for example, permanent magnets for the runner)
  • Ring generator in particular with a diameter> 10 m, and the bottom bearing of the rotating assembly).
  • Anchoring concept allows a wind tracking of individual or all wind turbines of a wind farm. This can e.g. be achieved by motorized drive modules between the floats of individual wind turbines.
  • the present invention proposes that the
  • Wind turbine a Global Navigation Satellite System, subsequently GNSS, to get a current position of the
  • Wind turbine to be able to detect a drive to change the position and / or orientation of the wind turbine on the water surface, and having a control or regulating device connected to the GNSS and the
  • Drive is in communication to drive the drive in response to the detected position of the wind turbine to the wind turbine in a desired position and / or
  • Orientation of the wind turbine can be varied to the
  • the invention also proposes a modular offshore wind farm, which has several offshore according to the invention
  • Wind turbines includes.
  • the individual wind turbines of the wind farm are rigidly connected.
  • Ship landing modules can be arranged over which people (eg., Maintenance and inspection personnel) can be placed on the wind farm. In this case, it is advantageous if only at least one selected wind turbine of the wind farm, for example.
  • Wind farms a GNSS, to detect a current position of the wind farm and having at least two engines for propulsion to determine the position and / or orientation of the whole wind farm on the water surface in a wind farm
  • FIG. 1 shows a wind turbine according to the invention according to a first preferred embodiment in one
  • Figure 2 is a perspective view of a part of
  • FIG. 3 shows a wind turbine according to the invention according to a further preferred embodiment in a perspective view
  • Figure 4 shows an embodiment of a rotor of a
  • Figure 5 is a horizontal section through an upper end of another embodiment of a rotor of a wind turbine according to the invention.
  • Figure 6 is a horizontal section through a lower end of
  • FIG. 7a shows a wind turbine according to the invention according to a further preferred embodiment in one
  • Figure 8 is an exemplary rotor blade of a
  • FIG. 9a two exemplary rotor blades of a
  • Figure 9b-9d details of the rotor blades of Figure 9a
  • Figure 11 is a plan view of a wind farm according to the invention comprising a plurality of wind turbines according to the invention
  • FIG. 12 shows a section of a lower part of a
  • Wind turbine according to the invention according to a further preferred embodiment
  • FIG. 13 shows a section of a device according to the invention
  • Wind turbine according to another preferred embodiment in a perspective view Wind turbine according to another preferred embodiment in a perspective view.
  • Figure 15 shows a detail of a lower part of
  • Wind turbine of Figure 14 according to another preferred embodiment.
  • FIG. 1 shows a side view partly in section of a wind power plant according to the invention.
  • the wind turbine is designated in its entirety by the reference numeral 10. It is a floating offshore
  • Wind turbine with a rotor 12 with a rotatable about a vertical axis of rotation 14 shaft 16.
  • the shaft 16 is in communication with a generator, which is designated in its entirety by the reference numeral 18.
  • the generator 18 converts a rotational movement of the shaft 16 into electrical energy.
  • the wind turbine 10 comprises at least one
  • the float 30 ensures the
  • the generator 18 is disposed in the float 30, preferably below the water surface 32. Further, the generator 18 via one or more service flaps 34, which in the float 30th
  • the opened service flaps 34 are shown by dashed lines in FIG. 1 by way of example.
  • closed service flaps 34 of the float 30 is waterproof, so that no water in the interior of the
  • Float 30 can penetrate.
  • a water level sensor (not shown) and / or a bilge pump (not shown) can be arranged inside the float 30 be.
  • the shaft 16 may be mounted in the floating body 30 by means of one or more radial bearings 36 and / or by means of one or more thrust bearings 38.
  • the generator 18 via the service flaps 34 is particularly quick and easy to reach for service technicians, so that maintenance and / or repair of the generator 18 within a particularly short time is possible and the
  • the generator 18 is preferably designed as a flat-lying large ring generator and shown in Figure 1 in section. Of course, other types of
  • the generator 18 includes
  • Such ring generators 18 can be arranged particularly advantageous in the large floating body 30 of the wind turbine 10, since the float 30 to obtain a desired
  • Minimum level of floating stability (protection against tipping over) anyway, must have a certain minimum size and the floating stability of the wind turbine 10 is the better, the larger the float 30 is.
  • large floating bodies are also desired here, in order to achieve a suitable minimum distance from neighboring ones
  • Installation distances of wind turbines within a wind farm are based on the flow-induced
  • the rotating ring generator 18 or the rotating rotor 22 provides additional "active" stability of both the rotor shaft itself (rotational stability) and the entire wind turbine 10 with respect to its swimming behavior (floating stability).
  • Both the stator 20 and the rotor 22 are annular in the example shown.
  • the rotor 22 is connected to the shaft 16 via a support structure 24 in connection.
  • the stator 20 is by means of another support structure 25 on the wall
  • Rotor 22 of the generator 18 in a rotation about the axis 14 relative to the stator 20.
  • the rotor 22 of the generator 18 can be stored by means of a magnetic bearing or otherwise.
  • the rotor 22 has permanent magnets distributed with varying polarity around the circumference and the stator 20 has a plurality of coils, a current is induced by the rotation of the rotor 22 in the coils.
  • the rotation of the rotor 12 of the wind turbine 10 can by adjusting the
  • Angle of attack of the rotor blades 13 and / or be varied by selective braking of the rotor 12 such that
  • Transmission between the rotor 12 of the wind turbine 10 and the rotor 22 of the generator 18 is always generated energy of a desired constant mains frequency (for example, 25 Hz or 50 Hz).
  • the floating body 30 is anchored to the seabed 42 by means of prestressed or sagging lines 40. This will ensure that the
  • Wind turbine 10 is always positioned at a predetermined position with respect to the seabed 42 without a foundation in the seabed 42 and a complex and expensive support structure for the wind turbine 10 would have to be provided. Of course, other measures are conceivable, the wind turbine 10 in a predetermined position
  • the depth T between the water surface 32 and the seabed 42, in which the wind turbine 10 is anchored, is preferably over 40 m, preferably even over 50 m.
  • the wind turbine 10 could even be anchored in water depths T of over 100 m.
  • the height H of the wind turbine 10 measured from the Water surface 32 may be some 10 m. Basically, in the wind turbine 10 of the invention greater height H than conventional floating offshore
  • Wind turbines are realized because the focus of the system 10 is particularly low and the flat
  • Large ring generator 18 provides additional passive swimming stability.
  • FIG. 2 shows a part of the wind power plant from FIG. 1 in a perspective view.
  • the rotor 12 is shown with the rotor blades 13.
  • the stator 20 and the rotor 22 of the generator 18 are shown.
  • the floating body 30 is not shown in FIG. It can be seen that the rotor 12 has three rigid rotor blades 13, which are each arranged at a distance from the axis of rotation 14 of the shaft 16. It is in this example, therefore, a so-called. Ii-rotor 12.
  • a larger or smaller number of rotor blades 13 may be provided.
  • the rotor blades 13 have a straight span, that is, the longitudinal axes 15 of the rotor blades 13 are straight and parallel to each other and parallel to the axis of rotation 14. Further, the rotor blades 13 at their upper and lower ends the same tread depth t 0 and t u .
  • Rotor blades 13 are used, which will be explained in more detail below.
  • FIG. 3 a wind turbine 10 with a different type of rotor 12 is shown. It can be clearly seen that the tread depth t 0 at the top of the
  • Rotor blades 13 is less than the tread depth t u at the lower end. This takes into account the fact that the wind speeds just above the
  • Rotor blades 13 are optimally adapted. As a result, the operability of the wind turbine 10 and the rotor 12 can be ensured even with stronger winds. In addition, this can be used to vary the speed of the rotor 12. By optimally setting the local angle of attack, the rotational speed of the rotor 12 can thus be kept substantially constant, regardless of the wind force.
  • FIG. 4 shows yet another type of rotor 12 for the wind power plant 10 according to the invention. It is about this is a kind of Darrieus rotor 12 (so-called Twister).
  • the rotor 12 has a plurality of rotor blades 13, which are each arranged at a distance from the axis of rotation 14.
  • the spans 15 of the rotor blades 13 are twisted about the axis of rotation 14, so that there is a helical shape.
  • the rotor 12 has a plurality of rotor blades 13, which are each arranged at a distance from the axis of rotation 14.
  • the spans 15 of the rotor blades 13 are twisted about the axis of rotation 14, so that there is a helical shape.
  • the rotor 12 has a plurality of rotor blades 13, which are each arranged at a distance from the axis of rotation 14.
  • the spans 15 of the rotor blades 13 are twisted about the axis of rotation 14, so that
  • Rotor blades 13 each offset by a portion of a circumference about the axis of rotation 14, which in about a reciprocal of the
  • Total number of rotor blades 13 of the rotor 12 corresponds.
  • each of the rotor blades 13 thus extends from its lower end to its upper end over a range of approximately 120 ° (360 ° circumference / 3 rotor blades).
  • Rotor blades 13 in a view from above are shown by way of example in FIG. A corresponding section through a lower end of such rotor blades 13 is shown in FIG.
  • FIGS. 7a and 7b Furthermore, wind turbines 10 with a different type of rotor 12 are shown in FIGS. 7a and 7b.
  • the rotor 12 has a plurality of rotor blades 13, which have a conical shape relative to the axis of rotation 14.
  • Rotor blade pitches can be used to regulate torque through the lever arm action.
  • FIG. 7a a distance of the rotor blades 13 to the axis of rotation 14 at the lower end (a u ) of the rotor blades 13 greater than at the upper end (a 0 ).
  • a distance of the rotor blades 13 from the axis of rotation 14 at the lower end (a u ) of the rotor blades 13 is smaller than at the upper end (a 0 ), so that at
  • Generally conically directed lift surfaces, pointed up or tapered down blade configurations, can also contribute to the tuning of an optimal torque, which is achieved by suitably adapting the lever arms of the torque-generating wind forces on the rotor
  • Rotor blade 13 along the span is made possible.
  • Wind turbine 10 serve on the one hand to improve the passive floating stability by the low center of gravity and on the other hand to improve the moment of inertia of the rotor 12, so that even in gusty winds, it will continue to rotate at almost undiminished speed, even if the wind briefly subsides. This construction allows it
  • Wind turbine 10 without affecting the
  • Constant-velocity properties additionally promoted in gusty wind.
  • the ring generator 18 may include a power generating portion 80 having a generator stator 20 and a generator rotor 22, and a bearing portion 82 configured to support a magnetic bearing of the shaft 16 at least in one
  • the bearing section 82 preferably has a first circular or annular section 84 with magnets of a specific polarity and at least one associated second section 86 with magnets
  • Air gap 88 forms, so that the two sections 84, 86 are mounted in the vertical direction without material contact solely by magnetic forces.
  • the bearings after the rotor 12 and - if present - the transmission module the most-common reason for failure of the wind turbine 10.
  • the magnets may, for example, be designed as superconducting magnets or else as controlled electromagnets.
  • the magnetic bearing can be designed as passive, active or as an electrodynamic magnetic bearing.
  • an air gap 92 is formed between the homopolar magnets 84, 90 in the horizontal direction.
  • the magnets 84, 90 for example, as superconducting magnets or as controlled
  • Electromagnets may be formed.
  • the magnetic bearing can be designed as passive, active or as an electrodynamic magnetic bearing.
  • the storage section 82 of the ring generator 18 be offset and spaced from it
  • the storage section 82 is offset in the direction of the vertical axis of rotation 14
  • Rotary axis 14 offset from the power generating portion 80 may be formed on the ring generator 18.
  • a plurality of storage sections 82 are formed on the ring generator 18.
  • at least a conventional mechanical bearing vorzug So the at
  • Figure 8 is an example of a rotor blade 13 a
  • the rotor blade tip 13a is provided in the upper region with a winglet 19 to those through the Pressure compensation induced to minimize edge vortex effects.
  • a winglet 19 may be provided on the tips 13a of all or only a few rotor blades 13 of a wind turbine 10.
  • FIG. 9a by way of example, two rotor blades 13 of a wind power plant 10 are shown, where vortex generators 19a are directed onto the suction surface 13b of the suction axis 13b directed towards the axis of rotation 14
  • Wind turbine 10 are provided on the seabed 42 by lines 40 an arrangement that autonomous positioning and alignment of the wind turbine 10 with respect to the
  • the arrangement includes a Global Navigation Satellite System (GNSS) 50 to a current GNSS 50 to a current GNSS 50
  • Position of the wind turbine 10 can be detected using satellite signals 52. Furthermore, the arrangement comprises a drive 54 to the position and / or orientation of the
  • the drive is as one Ship propeller trained. This can be rotated about an axis of rotation 56 to the direction of propulsion through the
  • the drive can also be designed differently, for example.
  • the arrangement also comprises a control or regulation device 58, which is connected to the GNSS 50 and the drive 54 in order to control the drive 54 as a function of the detected position of the wind turbine 10 in order to move the wind turbine 10 into a desired position and / or. or alignment on the
  • a rechargeable battery 60 may be provided. This could, for example, be charged by the current generated by the generator 18.
  • the wind turbine 10 of Figure 10 with any of the rotors 12 described above and shown in Figures 1 to 9 can be combined.
  • FIG 11 an example of a wind farm 70 is shown, which is modularly constructed from a plurality of wind turbines 10 of the type described above.
  • the floating body 30 in the plan view of such an outer peripheral shape that they can be arranged side by side from several sides and secured to each other.
  • the floats 30 have the shape of a uniform
  • the floating body 30 may also have the shape of any other polygon. From the dimensions In the plan view, the floating body 30 is designed so large that the flat-lying large ring generator 18 and possibly other components of the wind power plants 10, for example. Frequency converter and / or control electronics, can be accommodated therein (eg length and width of
  • Float 30 each 12 to 18 m).
  • the floats 30 of the individual wind turbines 10 are preferably rigidly connected. In this case, it would be sufficient if at least one of the wind turbines 10 is anchored to the seabed 42 via lines 40 or has an arrangement 50, 54, 58 for self-sufficient positioning and alignment of the wind turbine 10 with respect to the seabed 42.
  • Floating modules of the same design may be attached to a floating body of one or more wind turbines 10 and serve both as helicopter landing pads 30b and as service ship docking locations 30c.
  • FIG. 13 shows part of a further exemplary embodiment of a wind power plant 10 according to the invention.
  • the rotor 12 has three rotor blades 13 which are connected to their rotor blades
  • Rotor blades 13 have an asymmetrical, curved profile in the manner of an aircraft wing.
  • the convexly curved surfaces of the rotor blades 13 are directed inwards in the direction of the axis of rotation 14.
  • the radius of the rotor 12 that is the Distance between the axis of rotation 14 of the rotor and a
  • Longitudinal axis 15 can be adjusted manually.
  • the illustrated rotor 12 is realized without wind tracking, since the orientation of the rotor blades 13 about their respective longitudinal axis 15 can not be varied during operation of the wind turbine.
  • Rotor blades 13 winglets 19 are provided. It is also conceivable vortex generators (not shown) in the manner of
  • Vortex generators 19a of Figure 9b to arrange on the rotational axis 14 directed to the suction surface of the rotor blades 13, in the vicinity and along the trailing edge 13c of the leaves thirteenth
  • FIG. 14 shows a part of a further exemplary embodiment of a wind power plant 10 according to the invention.
  • the rotor 12 shown here is equipped with an adjustable wind track.
  • the orientation of the rotor blades 13 about their respective longitudinal axis 15 during operation of the wind turbine 10 can be varied (so-called pitch system). It can be realized a permanent pitch control depending on wind direction and wind speed. As a result, it is also possible, when the rotor 12 is at a standstill, to set the wind load optimally
  • this rotor 12 may be equipped with winglets 19 and / or vortex generators 19 a, which, however, both are not shown here. In contrast to the rotor blades 13 from FIG. 13, these have a feature in FIG. 14 symmetrical profile and therefore can be special
  • Wind turbines 10 according to the invention can also be a geometric distortion of the rotor blades 13 to their
  • FIG. 15 shows the example of FIG
  • Storage section 82 which - as in the example in Figure 12 - in the radial direction offset to the
  • a motor 12a arranged in the rotor 12 can be seen very nicely, which can adjust a rotor blade 13 of the rotor 12 about the longitudinal axis 15 and thus the angle of attack of the blade 13 via a gear (not shown). It is advisable to provide on the float 30, at least in the area of the service flap 34, but preferably around the entire rotor 12 around, a security fence 30a, which prevents people in the
  • the wind turbine 10 according to the invention can thus have one or more of the following features:
  • a vertical axis rotor 12 preferably in
  • Lightweight design Preferably two or three rotor blades 13 per rotor 12, which are distributed uniformly over the circumference of the rotor 12 (in two rotor blades 13 have these in the circumferential direction a distance of about 180 ° to each other, with three rotor blades of about 120 °), wherein
  • more than three rotor blades 13 per rotor 12 can be provided.
  • Rotor blades 13 (3D strand design in double helical form or preferably in triple helix shape according to FIG. 4).
  • Rotor blades 13 are arranged on the lateral surface of a cylinder (see Figures 1 to 6 and 10) or preferably a cone (conical arrangement, see Figure 7a, tapering up here, and Figure 7b, tapering down here).
  • the floating body 30 have a suitable shape that allows a modular structure of wind farms 70 from several wind turbines 10 attached to each other.
  • Generator 18 is preferably not a transmission for converting the rotational speed of rotor 12 to another rotational speed of annular generator rotor 22; the generator rotor 22 rotates at the same speed as the rotor 12 of the

Abstract

The invention relates to an offshore wind power plant (10) that floats on the surface of the water (32), comprising a rotor (12) with a shaft (16) that can rotate about a vertical axis of rotation (14), wherein the shaft (16) is connected to a generator (18), which converts a rotational movement of the shaft (16) into electrical energy, and comprising at least one float (30). To design and develop the wind power plant (10) so as to optimise use thereof offshore, in particular with regard to increased availability and improved efficiency (overall costs for producing, erecting and operating the wind power plant (10) in relation to the amount of energy generated), the generator (18) is arranged in the float (30) and can be accessed from above the surface of the water (32) via a service hatch (34) in the float (30). The generator (18) is preferably a large ring generator that lies flat in the float (30) and is driven directly by the rotor (12).

Description

Schwimmende offshore Windkraftanlage mit einem vertikalen Rotor und Windpark in Modularbauweise umfassend mehrere solcher Windkraftanlagen  Floating offshore wind turbine with a vertical rotor and wind farm in modular design comprising several such wind turbines
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine auf einer The present invention relates to a on a
Wasseroberfläche schwimmende offshore Windkraftanlage mit einem Rotor mit einer um eine vertikale Drehachse rotierbaren Welle. Die Welle steht mit einem Generator in Verbindung, der eine Drehbewegung der Welle in elektrische Energie umwandelt. Ferner verfügt die Windkraftanlage über einen Schwimmkörper, der für Auftrieb sorgt, sodass die Windkraftanlage auf der Wasseroberfläche schwimmen kann. Ferner betrifft die Erfindung einen offshore Windpark, der mehrere solcher offshore Water surface floating offshore wind turbine with a rotor with a shaft rotatable about a vertical axis of rotation. The shaft communicates with a generator that converts a rotary motion of the shaft into electrical energy. Furthermore, the wind turbine has a floating body, which provides buoyancy, so that the wind turbine can float on the water surface. Furthermore, the invention relates to an offshore wind farm, which includes several such offshore
Windkraftanlagen umfasst. Weltweit ist bei der Windenergiegewinnung zunehmend ein Trend zu Offshore-Anlagen zu erkennen. Diese haben gegenüber Wind turbines includes. Worldwide, there is an increasing trend towards offshore wind power generation. These have opposite
Onshore-Windkraftanlagen strömungsdynamische Vorteile und führen zu einer geringeren Beeinträchtigung der Umwelt im Bereich von Siedlungsgebieten. Auch Deutschland beteiligt sich mit der Errichtung der ersten Windparks vor der deutschen Küste an dieser Entwicklung. Die dort vorgesehenen Onshore wind turbines flow dynamic advantages and lead to a lower impact on the environment in the area of residential areas. Germany is also involved in this development with the construction of the first wind farms off the German coast. The provided there
Windturbinen entsprechen der klassischen Konfiguration mit horizontaler Drehachse und werden auf sogenannten Wind turbines correspond to the classic configuration with a horizontal axis of rotation and are based on so-called
Gründungsstrukturen am Meeresboden installiert. Die klassische Konfiguration umfasst einen relativ hohen Turm, eine Gondel am oberen Ende des Turms, einen Antriebsstrang mit oder ohne Getriebe, einen Generator und eine Steuerungselektronik in der Gondel, einen Rotor mit horizontaler Drehwelle und Founding structures installed on the seabed. The classic configuration includes a relatively tall tower, a gondola at the top of the tower, a powertrain with or without gears, a generator and control electronics in the nacelle, a rotor with horizontal rotating shaft and
Rotorblättern an den Rotornabenflanschen sowie Rotor blades on the rotor hub flanges as well
Windnachführungssysteme für die Gondel (Yaw-System) und für die Rotorblätter (Pitch-System) . Als Gründungsstruktur wird diejenige Konstruktion bezeichnet, die sich zwischen der Wind tracking systems for the gondola (Yaw system) and for the rotor blades (pitch system). As a foundation structure that construction is called, which is between the
Gründung im Meeresboden und der einzelnen Windturbine, also im Wasser und Wasser/Luft-Grenzbereich befindet. Diese Founded in the seabed and the individual wind turbine, so in the water and water / air boundary area is located. These
klassischen Windkraftanlagen nutzen zur Energiegewinnung die technologischen Standards horizontalachsiger Windkraftanlagen (HWKA) , wie sie auch im Onshore-Betriebsbereich eingesetzt werden. Die verwendete Technologie verspricht eine hohe Classic wind turbines use the technological standards of horizontal axis wind turbines (HWKA) for energy generation, as they are also used in the onshore operating area. The technology used promises a high
Effizienz der Einzelanlage und damit bei Wassertiefen bis 40 m trotz aller hiermit verbundenen, technisch bedingten Efficiency of the single plant and thus with water depths up to 40 m despite all related technical reasons
AufStellungsproblemen eine rentable Energiegewinnung. Aus umweltpolitischer Sicht ist die großflächige Verankerung von Gründungsstrukturen im Meeresboden allerdings fragwürdig, und aus technischer und wirtschaftlicher Sicht wird eine A problem of profitable energy production. From an environmental perspective, the large-scale anchoring of Founding structures in the seabed, however, questionable, and from a technical and economic point of view, a
Flächenausdehnung in Bereiche größerer Meerestiefen Area expansion into areas of greater depths of the sea
kompliziert und unrentabel werden. become complicated and unprofitable.
Eine alternative Lösung, die auch umweltverträglicher und wirtschaftlicher ist, kann die Windenergiegewinnung auf schwimmenden Plattformen (sog. Bargen) bieten. Unter Plattform ist eine Tragstruktur mit Schwimmkörpern zu verstehen, welche Tragstruktur eine bestimmte Anzahl von optimal positionierten Windturbinen aufnehmen kann. Idealerweise wird eine modulare Bauweise angestrebt, bei der ein Modul eine schwimmende An alternative solution, which is also more environmentally friendly and economical, can provide wind energy production on floating platforms (so-called barges). Under platform is to be understood a support structure with floats, which support structure can accommodate a certain number of optimally positioned wind turbines. Ideally, a modular design is sought in which a module is a floating one
Tragstruktureinheit bezeichnet, die eine einzelne Structural unit called a single
Windkraftanlage beherbergt. Ein solches Modul kann isoliert aufgestellt werden oder Teil einer variablen, modular Wind turbine houses. Such a module can be isolated or part of a variable, modular
aufgebauten Verknüpfungsanordnung mehrerer Module sein. Eine Stromerzeugung durch schwimmende, modular zusammengesetzte Windparks kann dabei denjenigen aus Windturbinen, die auf festen Fundamenten installiert werden, in vielerlei Hinsicht überlegen sein. Die schwimmende Anordnung stellt aufgrund des Wegfalls der Fundamente eine umweltschonendere Variante der Offshore-Energiegewinnung dar, kann durch flexible constructed linkage arrangement of several modules. Power generation from floating, modular wind farms can outperform those from wind turbines installed on solid foundations in many ways. Due to the omission of the foundations, the floating arrangement represents a more environmentally friendly variant of offshore energy production, which can be achieved by means of a flexible system
topologische Optimierung der einzelnen Windturbinen eine höhere Leistung bezogen auf eine Gesamtfläche erzielen und bei Fehlfunktionen oder Ausfall von wichtigen Komponenten der Anlagen eine höhere Betriebsverfügbarkeit durch einen Topological optimization of individual wind turbines achieve a higher performance in relation to a total area and in case of malfunctions or failure of important components of the plants a higher operational availability by a
unkomplizierten Modulaustausch ermöglichen. Einzelne Module können einfach an Land gebracht werden, so dass zum Beispiel Wartung, Reparatur oder Ertüchtigung (sog. repowering) facilitate uncomplicated module exchange. Individual modules can be easily landed, so for example Maintenance, repair or upgrading (so-called repowering)
kostengünstig mit Onshore-Einsatztechniken ausgeführt werden kann . can be inexpensively carried out with onshore deployment techniques.
Das Konzept der Windenergiegewinnung auf schwimmenden The concept of wind energy production on floating
Plattformen stellt definitiv eine Neuentwicklung von Platforms is definitely a new development of
kompletten Windenergieanlagen dar. Verglichen mit den Onshore- WEA (Windenergieanlagen) und den heutigen Trends im Offshore- Bereich können hier neue Strategien der Erschließung Compared to onshore wind turbines and today's offshore trends, new strategies can be developed here
zweckmäßiger Windenergiestandorte vorgestellt werden und appropriate wind energy sites are presented and
Windparks neuer Art errichtet werden. New type of wind farms to be built.
Aufgrund der Schwimmfähigkeit und der modularen Due to the buoyancy and the modular
Zusammenstellung der Plattformen stellt dieses Konzept eine umweltschonendere Version als andere Offshore-Konzepte mit Gründungsstrukturen dar. Hinzu kommt eine sehr hohe Compilation of the platforms, this concept is a more environmentally friendly version than other offshore concepts with start-up structures dar. Added to a very high
Wiederherstellungs-/Recyclingeffizienz , wobei nach Ablauf der Lebensdauer die Möglichkeit eines naturgerechten und Recovery / recycling efficiency, whereby at the end of the life, the possibility of a natural and
vollständigen Rückbaus des gesamten Windparks gegeben ist. complete demolition of the entire wind farm is given.
Durch die modulare, plattformartige Flächenerrichtung zur Aufstellung der aerodynamischen Wandler (Windenergiekonverter) werden Installations- , Logistik-, Innerparkverkabelungs- , Instandhaitungs- und Betriebsführungsprozesse kostengünstiger, risikoärmer und technisch/praktisch einfacher umsetzbar. The modular, platform-type surface erection for the installation of aerodynamic converters (wind energy converters) makes installation, logistics, inner-park cabling, maintenance and operational management processes less expensive, less risky and technically / practically easier to implement.
Darüber hinaus wird mittels ausgeklügelter Austausch- und Reparaturkonzepte eine höhere Verfügbarkeit ermöglicht als bei den jetzigen Offshore-Konzepten . Die Entwicklung von Windenergiegewinnungssystemen auf schwimmfähigen, modular gekoppelten Tragstrukturen setzt die Synergie unterschiedlicher Technologiefelder voraus. Ein fundamentaler Faktor dieser Synergie stellt die Schnittstelle zwischen maritimen Technologieentwicklungen und den In addition, through sophisticated replacement and repair concepts, a higher availability is possible than with the current offshore concepts. The development of wind energy harvesting systems on buoyant, modularly coupled support structures requires the synergy of different technology fields. A fundamental factor of this synergy is the interface between maritime technology developments and the
Entwicklungen neuer Typen von Windenergiekonvertern dar. Es ist offensichtlich, dass eine Überführung der Standardbauform, bestehend aus Turm, Gondel mit integriertem Developments of new types of wind energy converters. It is obvious that a transfer of the standard design, consisting of tower, gondola with integrated
Gesamtantriebsstrang und Rotor, auf eine schwimmfähige Total drive train and rotor, on a buoyant
Tragstruktur nicht ohne weiteres umsetzbar ist. Eine Support structure is not readily feasible. A
schwimmende Konstruktion erfordert eine deutliche floating construction requires a clear
Schwerpunktverlagerungen Richtung Wasseroberfläche (besser noch tiefer) und eine Reduzierung der Masse im Vergleich zu herkömmlichen WKA (Windkraftanlagen) . Die Herausforderung besteht nicht allein in der Entwicklung geeigneter Typen von Windenergiekonvertern, sondern erstreckt sich auch auf die Entwicklung von Rotorblattbauweisen in Extremleichtbauweise und neue Antriebsstrangkonzepte. Shifting emphasis towards the water surface (better still deeper) and a reduction in mass compared to conventional wind turbines. The challenge lies not only in the development of suitable types of wind energy converters, but also extends to the development of extremely light-weight rotor blade designs and new powertrain concepts.
Eine vertikalachsige Rotoranordnung (Vertikalachse-Wind- Energie Anlagen, VWEA) des aerodynamischen Wandlers ermöglicht funktionsbedingt die notwendige Tieferlegung von schweren Baugruppen des Antriebsstrangs. Dadurch kann ein Umkippen der Windkraftanlage bei starkem Wind und/oder rauem Seegang erschwert werden. Eine derartige VWEA ist bspw. aus der US 2016/0327027 AI, bei der bspw. der Generator am unteren Ende des Rotors auf einem Schwimmkörper der Anlage angeordnet ist. Dabei ist jedoch problematisch, dass für den Generator ein eigenes Gehäuse vorgesehen werden muss, um ihn vor A vertical axis rotor arrangement (vertical axis wind energy plants, VWEA) of the aerodynamic converter allows functionally the necessary lowering of heavy components of the drive train. This can make it difficult to overturn the wind turbine in strong winds and / or rough seas. Such a VWEA is, for example, from US 2016/0327027 AI, in which, for example, the generator is arranged at the lower end of the rotor on a floating body of the system. However, it is problematic that for the generator own housing must be provided to him in front
Feuchtigkeit, Salz, Korrosion und mechanischen Einflüssen zu schützen. Ferner ist die Schwimmstabilität der bekannten VWEA noch nicht optimal . Moisture, salt, corrosion and mechanical influences. Furthermore, the floating stability of the known VWEA is not yet optimal.
Auf der Basis statistischer Analysen ist bei der Gestaltung von WEA aus heutiger Sicht weniger der erreichbare On the basis of statistical analyzes, the design of wind turbines is less achievable from today's perspective
Wirkungsgrad für die Bemessung bedeutsam, sondern die Efficiency for the design significant, but the
gesamten, tatsächlichen Stromentstehungskosten. In dieser Betrachtungsweise versprechen VWEA im Onshore-Betriebsbereich eine ganze Reihe von Vorteilen. VWEA benötigen beispielweise keine Windnachführung, wodurch der Gestaltungs- und Bauaufwand niedriger wird. In Bereichen mit ständiger, schnell total, actual power generation costs. In this perspective, VWEA promise a whole range of advantages in the onshore operating sector. VWEA need, for example, no wind tracking, whereby the design and construction costs is lower. In areas with constant, fast
wechselnder Windrichtung ist diese Nachführung aufgrund der Trägheit der Gondel, der Rotorblätter, der Messketten und der Versteileinrichtungen nicht möglich, so dass der Rotor einer HWEA zeitweise nicht optimal angeströmt wird. changing wind direction, this tracking is not possible due to the inertia of the nacelle, the rotor blades, the measuring chains and the adjusting devices, so that the rotor of a HWEA is temporarily not optimally flowing.
Schwere und wartungsintensive Komponenten aus dem Heavy and maintenance intensive components from the
Antriebsstrang wie Getriebe, Generatoren und Powertrain such as gearboxes, generators and
Aufhängungslagerungen können bei einer VWEA in Bodennähe installiert werden. Auch wirkt die Schwerkraft bei der VWEA als konstante Last auf alle Rotorblätter. Im Gegensatz dazu werden die Rotorblätter bei einer HWEA durch die Schwerkraft zyklisch belastet und sind dadurch, abhängig von der Suspension bearings can be installed near the ground at a VWEA. Also, the VWEA's gravity acts as a constant load on all rotor blades. In contrast, the rotor blades are cyclically loaded by gravity in a HWEA and thereby, depending on the
Spannweite, extremen Wechsellasten ausgesetzt. Span, exposed to extreme alternating loads.
Die Gegenüberstellung der Ausführungen in den The comparison of the versions in the
unterschiedlichen Literaturquellen macht jedoch deutlich, dass für die VWEA bisher noch keine intensive und systematische Forschung vorangetrieben wurde. Dies gilt besonders für However, different sources of literature make it clear that For the VWEA, no intensive and systematic research has yet been pursued. This is especially true for
Großanlagen in MW-Bereich, sodass noch viele technologische Entwicklungsreserven vorhanden sind. Large plants in the MW range, so that there are still many technological development reserves available.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Offshore Windkraftanlage mit einem Rotor mit einer vertikalen Drehachse zur Energiegewinnung im MW-Bereich, dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass ihr Einsatz im Offshore-Bereich optimiert wird, insbesondere hinsichtlich höherer Starting from the described prior art, the present invention has the object, an offshore wind turbine with a rotor with a vertical axis of rotation for energy in the MW range, to design and further develop that their use in the offshore area is optimized, especially in terms of higher
Verfügbarkeit und verbesserter Effizienz (Gesamtkosten für Herstellung, Errichtung und Betrieb der Windkraftanlage im Verhältnis zu der generierten Energiemenge) . Availability and improved efficiency (total cost of producing, constructing and operating the wind turbine in relation to the amount of energy generated).
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von der To solve this problem is based on the
Windkraftanlage der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass der Generator in dem Schwimmkörper angeordnet und über eine Serviceklappe in dem Schwimmkörper von oberhalb der Wind turbine of the type mentioned proposed that the generator disposed in the float and a service flap in the float from above the
Wasseroberfläche zugänglich ist. Water surface is accessible.
Unter 'offshore' im Sinne der vorliegenden Erfindung wird nicht nur das offene Meer verstanden. Vielmehr soll dieser Begriff im Rahmen der Erfindung auch größere Binnengewässer, insbesondere Binnenseen (z.B. kaspisches Meer, Bodensee), umfassen, auf denen die schwimmende Windkraftanlage bzw. ein aus mehreren Windkraftanlagen zusammengesetzter Windpark errichtet werden könnte. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird also der Generator nicht einfach auf der schwimmenden Tragstruktur angeordnet, sondern bewusst in einem abgeschlossenen Schwimmkörper der Anlage angeordnet, so dass kein zusätzliches Gehäuse für den For the purposes of the present invention, 'offshore' is understood to mean not only the open sea. Rather, this term is in the context of the invention, larger inland waters, especially lakes (eg Caspian Sea, Lake Constance) include, on which the floating wind turbine or a composite of several wind turbines wind farm could be built. According to the present invention, therefore, the generator is not simply arranged on the floating support structure, but deliberately arranged in a closed float of the system, so that no additional housing for the
Generator (und eventuell weiterer mechanischer Generator (and possibly further mechanical
und/elektrischer Komponenten, wie bspw. ein Getriebe oder ein Frequenzumrichter) mehr erforderlich ist. Die in dem and / electrical components, such as a gear or a frequency converter) is more required. The in the
Schwimmkörper verfügbare Räumlichkeit erlaubt zudem die Float available space also allows the
Konzipierung und Einsatz beliebig großer Generatoren. Dies ist insofern unproblematisch, weil ein größerer Schwimmkörper zur Aufnahme größerer und schwerer Generatoren für mehr passive Schwimmstabilität der Windkraftanlage gegen Umkippen sorgt. Dies beruht auf der Tatsache, dass der Angriffspunkt für die Gewichtskraft konstruktiv unschwer unterhalb des Design and use of arbitrarily large generators. This is unproblematic insofar as a larger float to accommodate larger and heavier generators for more passive floating stability of the wind turbine ensures against tipping over. This is due to the fact that the point of application for the weight force constructively below the
Angriffspunkts für die Auftriebskraft angeordnet werden kann und somit ein stabiler Gleichgewichtszustand hervorgebracht wird . Can be arranged attack point for the buoyancy force and thus a stable equilibrium state is produced.
Um die Verfügbarkeit der Windkraftanlage zu verbessern, verfügt der Schwimmkörper über eine Serviceklappe, über die Servicetechniker bei Bedarf Zugang zu dem Generator haben, um ihn zu warten oder zu reparieren. Vorzugsweise ist die To improve the availability of the wind turbine, the float has a service flap that allows service technicians access to the generator when needed to service or repair it. Preferably, the
Serviceklappe so groß ausgebildet, dass der Servicetechniker in den Schwimmkörper hinein klettern kann, um dort vor Ort den Generator zu warten, zu reparieren oder marktübliche defekte Standardkomponenten auszutauschen. Der Servicetechniker gelangt mittels eines Serviceschiffes oder eines Hubschraubers kurzfristig auf den Schwimmkörper. Gesonderte Schwimmmodule gleicher Bauweise können sowohl als Hubschraub-Landeplätze als auch als Service-Schiff-Andockungsstellen dienen. Von dort hat er über die Serviceklappe direkt Zugang zu dem Generator und muss nicht erst von dem Schwimmkörper zu einem separaten Service hatch designed so large that the service technician can climb into the floating body in order to locally maintain the generator, to repair or exchange commercially available defective standard components. The service technician arrives at the float by means of a service ship or a helicopter at short notice. Separate swimming modules same design can serve as both helicopter landing pads as well as service ship docking. From there, he has direct access to the generator via the service flap and does not have to move from the float to a separate one
Gehäuse des Generators gehen. Insbesondere bei schwimmenden Windkraftanlagen kann jeder zurückzulegende Weg über Deck oder auf Leitern, Laufstegen mühsam oder sogar gefährlich sein. Insofern stellt es eine deutliche Verbesserung dar, wenn der Servicetechniker von dem Schwimmkörper und die darin Go housing of the generator. In particular, in floating wind turbines can be made any way over deck or on ladders, catwalks tedious or even dangerous. In this respect, it represents a significant improvement when the service technician of the float and the in it
vorgesehene Serviceklappe direkt Zugang zu dem Generator hat. provided service door has direct access to the generator.
Vorzugsweise ist der Generator zumindest größtenteils Preferably, the generator is at least for the most part
unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet, um den Schwerpunkt der Windkraftanlage möglichst weit nach unten zu verlagern und so ein Umkippen der Windkraftanlage aufgrund von starken Wind und/oder rauem Seegang zu verhindern. arranged below the water surface in order to shift the center of gravity of the wind turbine as far as possible down and thus prevent the tipping of the wind turbine due to strong wind and / or rough seas.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Generator als ein flachliegender und rastmomentfreier Ringgenerator ausgebildet ist, der ohne According to an advantageous embodiment of the invention it is proposed that the generator is designed as a flat-lying and rest torque-free ring generator, the without
Zwischenschaltung eines Getriebes direkt mit der Rotorwelle in Verbindung steht und ohne Zwischenschaltung eines Interposition of a gearbox is directly connected to the rotor shaft and without interposition of a
Frequenzumrichters direkt Energie einer geforderten Inverter directly energy of a required
Netzfrequenz erzeugt. Durch Verstellen der Neigung der Mains frequency generated. By adjusting the inclination of the
Rotorblätter und/oder gezieltes Abbremsen des Rotors kann die Drehzahl des Rotors in einem weiten Bereich unabhängig von der Windgeschwindigkeit und/oder -richtung konstant gehalten werden, so dass Energie mit einer konstanten Frequenz, vorzugsweise der gewünschten Netzfrequenz (z.B. Bahnstrom 16,7 Hz, 25 Hz in Nordamerika, 50 Hz in Europa), direkt erzeugt werden kann. Solche flachliegenden Ringgeneratoren können einen Durchmesser von > 10 m aufweisen (sog. Rotor blades and / or targeted deceleration of the rotor, the speed of the rotor can be kept constant in a wide range, regardless of the wind speed and / or direction, so that energy at a constant frequency, preferably the desired power frequency (eg traction current 16.7 Hz, 25 Hz in North America, 50 Hz in Europe), can be generated directly. Such flat ring generators may have a diameter of> 10 m (so-called.
Großringgeneratoren) . Großringgeneratoren können insbesondere Durchmesser von 10 bis 25 m haben. Mittels adäquater  Large ring generators). Large ring generators can in particular have diameters of 10 to 25 m. By means of adequate
Umrichterverkettung ermöglichen sie eine störungsfreie Inverter linkage enables trouble-free operation
Direkterzeugung (d.h. ohne Frequenzumrichter) der Direct generation (i.e., without frequency converter) of
erforderlichen Netzfrequenzen auch bei begrenzter required mains frequencies even with limited
Umdrehungszahl . Number of revolutions.
Ein flachliegender Ringgenerator hat zudem den Vorteil, dass der Läufer während des Betriebs um eine vertikale Drehachse rotiert und dabei aufgrund von Kreiselkräften die A flat-lying ring generator also has the advantage that the rotor rotates during operation about a vertical axis of rotation and thereby due to centrifugal forces the
Windkraftanlage aktiv stabilisiert und zusätzlich gegen Wind turbine actively stabilized and additionally against
Umkippen sichert (sog. gyroskopischer Effekt) . Unter einem gyroskopischen Effekt versteht man den durch Kreiselkräfte hervorgerufenen Selbststeuerungseffekt, der einem System (hier: der Windkraftanlage) aufgrund der Drehbewegung Tipping ensures (so-called gyroscopic effect). A gyroscopic effect is understood to mean the self-steering effect caused by centrifugal forces, that of a system (here: the wind turbine) due to the rotational movement
einzelner Elemente (hier: eines rotierenden Teils des single elements (here: a rotating part of the
Generators) innewohnend (inhärent) ist. Dabei handelt es sich nicht nur um eine Schwimmstabilisierung aufgrund des Generator) is inherent. This is not just about swimming stabilization due to the
Trägheitsmoments, sondern auch um dynamische Vorgänge im Zusammenhang mit der Drehimpulserhaltung, die das System auch bei Störungen (hier: Neigung aufgrund von Wind und/oder Seegang) in einen stabilen Zustand zurückführen können. Moment of inertia, but also dynamic processes associated with the conservation of angular momentum, which can return the system even in case of disturbances (here: slope due to wind and / or sea state) in a stable state.
Aufgrund des großen Durchmessers des Ringgenerators und der relativ schweren rotierenden Massen sind die dabei wirkenden Kräfte zudem relativ groß, so dass sich eine besonders große Schwimmstabilität der Windkraftanlage ergibt. Due to the large diameter of the ring generator and the relatively heavy rotating masses are the acting Forces also relatively large, so that there is a particularly large floating stability of the wind turbine.
Die großen festen und beweglichen Massen am Fuße der The big solid and mobile masses at the foot of the
Windkraftanlage dienen einerseits zur Verbesserung der Wind turbine serve on the one hand to improve the
passiven Schwimmstabilität durch den tiefen Schwerpunkt und andererseits zur Verbesserung des Trägheitsmoments des Rotors, damit dieser auch bei böigem Wind auch dann mit nahezu passive floating stability due to the low center of gravity and on the other hand to improve the moment of inertia of the rotor, so that even with gusty wind even with almost
unverminderter Geschwindigkeit weiterdreht, wenn der Wind kurzzeitig nachlässt. Diese Konstruktion erlaubt es undiminished speed continues to turn when the wind abates for a short time. This construction allows it
gleichzeitig, den oberen Teil der Windkraftanlage, at the same time, the upper part of the wind turbine,
insbesondere den Rotor, ohne Beeinträchtigung der in particular the rotor, without affecting the
Gleichlaufeigenschaften bei böigem Wind in Leichtbauweise auszugestalten. Dadurch wird die Stabilität der To design synchronous running characteristics in gusty wind in lightweight construction. This will increase the stability of the
Windkraftanlage ohne Beeinträchtigung der Wind turbine without affecting the
Gleichlaufeigenschaften bei böigem Wind zusätzlich gefördert.  Constant-velocity properties additionally promoted in gusty wind.
Im Allgemeinen tragen folgende Effekte kumulativ zur In general, the following effects contribute cumulatively
Schwimmstabilität bzw. zur Verbesserung des Schwimmverhaltens des Schwimmkörpers mit integriertem Großringgeneratoren bei : Floating stability or to improve the floating behavior of the float with integrated ring generators at:
1) Angriffspunkt der Gewichtskraft unterhalb des 1) Point of application of the weight below the
Angriffspunktes der Auftriebskraft. Dadurch wird eine passive Erhaltung des Gleichgewichtszustands gewährleistet. Point of attack of the buoyancy force. This ensures passive maintenance of the state of equilibrium.
2) Große Kipp-Trägheitsmomente wegen der großflächigen 2) Large tilting moment of inertia because of the large area
Platzierung von festen und rotierenden Schwermassen innerhalb des Schwimmkörpers. Dadurch wird eine „nervöse" Placement of fixed and rotating masses within the float. This will make a "nervous"
Schwimmreaktion des Schwimmkörpers wegen großen Seegangs und/oder böigen Windes unterdrückt und 3) Erhaltung des Drehimpulses durch die rotierenden Teile der Windkraftanlage, grundsätzlich durch die Massen des Floating reaction of the floating body is suppressed due to great sea and / or gusty wind and 3) Preservation of the angular momentum by the rotating parts of the wind turbine, basically by the masses of the wind turbine
Generatorläufers, sodass dadurch eine zusätzliche aktive Erhaltung der Kippstabilität gewährsleistet wird. Generatorläufer, so that an additional active preservation of the tipping stability is guaranteed.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Ringgenerator einen According to an advantageous embodiment of the invention, it is proposed that the ring generator a
Energieerzeugungsabschnitt mit einem Generatorstator und einem Generatorläufer sowie einen Lagerungsabschnitt aufweist, der ausgebildet ist, eine Magnetlagerung der Welle zumindest in einer Richtung parallel zu der vertikalen Drehachse zu  Power generating portion having a generator stator and a generator rotor and a storage portion which is formed, a magnetic bearing of the shaft at least in a direction parallel to the vertical axis of rotation to
realisieren. Der Lagerungsabschnitt weist vorzugsweise einen ersten kreis- oder kreisringförmigen Abschnitt mit Magneten einer bestimmten Polarität sowie einen diesem zugeordneten zweiten Abschnitt mit Magneten derselben Polarität auf, so dass sich die beiden Abschnitte abstoßen und sich in realize. The storage section preferably has a first circular or annular section with magnets of a certain polarity and a second section associated therewith with magnets of the same polarity, so that the two sections repel each other and in
vertikaler Richtung betrachtet zwischen den beiden Abschnitten ein Luftspalt ausbildet, so dass die beiden Abschnitte in vertikaler Richtung ohne Materialkontakt allein durch considered vertical direction forms an air gap between the two sections, so that the two sections in the vertical direction without material contact alone through
magnetische Kräfte gelagert sind. Bei einer Windkraftanlage stellen die Lager nach dem Rotor und der Getriebeeinheit (meist Zahnräder) den nächst-häufigsten Grund für einen magnetic forces are stored. In a wind turbine bearings after the rotor and the gear unit (usually gears) the next-most common reason for one
Ausfall der Windkraftanlage dar. Bei einem Rotor mit Failure of the wind turbine dar. With a rotor with
vertikaler Drehachse wirken die größten Kräfte in vertikaler Richtung. Durch die besondere Ausgestaltung der Lager zur Aufnahme der Vertikalkräfte als Magnetlager kann die vertical axis of rotation, the greatest forces act in the vertical direction. Due to the special design of the bearing for receiving the vertical forces as a magnetic bearing, the
Verfügbarkeit der Windkraftanlage entscheidend verbessert werden. Die Magnete können bspw. als supraleitende Magnete oder aber als geregelte Elektromagneten ausgebildet sein. Die Magnetlagerung kann als passive, aktive oder als ein Availability of the wind turbine can be significantly improved. The magnets can, for example, as superconducting magnets or be designed as a regulated electromagnet. The magnetic bearing can be passive, active or as a
elektrodynamisches Magnetlager ausgebildet sein. be formed electrodynamic magnetic bearing.
Die in horizontaler Richtung wirkenden Querkräfte können durch herkömmliche mechanische Lager (Kugellager, Gleitlager, The transverse forces acting in the horizontal direction can be achieved by conventional mechanical bearings (ball bearings, plain bearings,
Wälzlager, etc.) aufgenommen werden. Das ist relativ Rolling, etc.) are added. This is relative
problemlos möglich, da bei Windkraftanlagen mit einem Rotor mit vertikaler Drehachse die horizontalen Kräfte weitgehend symmetrisch wirken. In einer Weiterbildung der Erfindung ist es aber auch möglich, dass der Lagerungsabschnitt ausgebildet ist, eine Magnetlagerung der Welle auch in einer Richtung quer zu der vertikalen Drehachse zu realisieren. Auch hier können die Magnete bspw. als supraleitende Magnete oder aber als geregelte Elektromagnete ausgebildet sein. Die Magnetlagerung kann als passive, aktive oder als ein elektrodynamisches Magnetlager ausgebildet sein. problem-free, since in wind turbines with a rotor with a vertical axis of rotation, the horizontal forces act largely symmetrical. In a further development of the invention, however, it is also possible that the storage section is designed to realize a magnetic bearing of the shaft also in a direction transverse to the vertical axis of rotation. Again, the magnets may, for example, be designed as superconducting magnets or as a controlled electromagnets. The magnetic bearing can be designed as passive, active or as an electrodynamic magnetic bearing.
Um eine unerwünschte Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern zur Energieerzeugung und den Magnetfeldern für die Lagerung zu verringern oder gar ganz zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass der Lagerungsabschnitt des Ringgenerators versetzt und beabstandet zu dem Energieerzeugungsabschnitt an dem In order to reduce or even avoid unwanted interaction between the magnetic fields for power generation and the magnetic fields for storage, it is proposed that the storage section of the ring generator be offset and spaced from the power generating section on the
Ringgenerator ausgebildet ist. Der Lagerungsabschnitt kann in Richtung der vertikalen Drehachse und/oder quer dazu zu dem Energieerzeugungsabschnitt an dem Ringgenerator ausgebildet sein. Zur Realisierung einer möglichst sicheren und Ring generator is formed. The storage portion may be formed in the direction of the vertical axis of rotation and / or transversely to the power generating portion on the ring generator. To realize a safe and possible
zuverlässigen Lagerung ist es denkbar, dass mehrere Reliable storage, it is conceivable that several
Lagerungsabschnitte an dem Ringgenerator ausgebildet sind. Ferner ist es denkbar, auch mindestens ein konventionelles mechanisches Lager vorzugsehen, das beim Ausfall des Storage sections are formed on the ring generator. It is also conceivable, at least a conventional mechanical bearing vorzugsehen that in case of failure of
magnetischen Lagers die Lagerungsfunktion übernimmt. magnetic bearing takes over the storage function.
Bei Offshore-Windkraftanlagen kann man sich die besondere Strömungsdynamik über der Wasseroberfläche zunutze machen, wonach die Windgeschwindigkeiten in einer geringen Höhe oberhalb der Wasseroberfläche deutlich größer sind als in der entsprechenden Höhe oberhalb dem Festland der Erdoberfläche (vgl. die unterschiedlichen Strömungsgrenzschichtprofile an Land und auf See) . Auf See sind die Grenzschichtprofile In offshore wind turbines, one can take advantage of the particular flow dynamics above the water surface, according to which the wind velocities at a low altitude above the water surface are significantly greater than at the corresponding altitude above the continental surface (see different flow boundary layer profiles on land and at sea ). At sea, the boundary layer profiles
"fülliger". Der Grund hierfür liegt in der unterschiedlichen Rauigkeit der Oberflächen. Auf dem Festland sorgen Gebäude, spezielle Geländetopografien (Berge und Täler) sowie Pflanzen (Büsche und Bäume) für eine relativ hohe Rauigkeit, wohingegen die Wasseroberfläche auf dem Meer oder einem See deutlich weniger Rauigkeit aufweist. Bei Offshore-Windkraftanlagen kann somit bereits der in geringen Höhen unmittelbar oberhalb der Wasseroberfläche herrschende Wind zur Energiegewinnung genutzt werden, so dass die Rotorblätter eines vertikalen Rotors bereits unmittelbar (z.B. wenige Meter) oberhalb der "Plump". The reason for this lies in the different roughness of the surfaces. On the mainland, buildings, special terrain topographies (mountains and valleys) and plants (shrubs and trees) provide relatively high roughness, whereas the water surface at sea or in a lake has significantly less roughness. In offshore wind power plants, therefore, the wind prevailing at low altitudes immediately above the water surface can already be used for energy generation, so that the rotor blades of a vertical rotor are already directly (for example a few meters) above the wind turbine
Wasseroberfläche eine mit Wind beaufschlagbare Wirkfläche haben sollten. Ferner nehmen die Windgeschwindigkeiten mit zunehmender Höhe von der Wasseroberfläche zu. Um trotzdem für eine über die Spannweite der Rotorblätter weitgehend konstante Kraftbeaufschlagung der Rotorblätter zu sorgen, kann es vorteilhaft sein, wenn die Wirkfläche im unteren Bereich der Rotorblätter größer ist als im oberen Bereich. In diesem Sinne wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, dass der Rotor mehrere Rotorblätter aufweist, die jeweils eine im Wesentlichen vertikale Spannweite haben. Abhängig von der Rotorblattgeometrie und zur Einstellung eines optimalen bzw. zweckmäßigen Drehmomentverlaufs um die Water surface should have a windable impact surface. Furthermore, the wind speeds increase with increasing altitude from the water surface. Nevertheless, in order to ensure a largely constant application of force to the rotor blades over the span of the rotor blades, it can be advantageous if the effective area in the lower region of the rotor blades is greater than in the upper region. In this sense is proposed according to a preferred embodiment of the invention, that the rotor has a plurality of rotor blades, each having a substantially vertical span. Depending on the rotor blade geometry and for setting an optimal or appropriate torque curve around the
Drehachse können sie konisch nach oben oder nach unten Rotary axis can be conical up or down
zulaufen . to run.
Im Allgemeinen tragen bei einer Rotorblattgeometrie mit einer konstanten Profiltiefe konisch spitz nach oben In general, with a rotor blade geometry with a constant tread depth, conically pointed upwards
zusammenlaufende Rotorblätter zur Regulierung des converging rotor blades for regulating the
Drehmomentverlaufs bei . Bevorzugt wird aber eine größere Torque curve at. But preferred is a larger
Profiltiefe der Rotorblätter am unteren Ende der Rotorblätter vorgesehen als am oberen Ende. In diesem Fall sind konisch nach unten zulaufenden Rotorblätter von Vorteil, weil - neben einer zweckmäßigen Regulierung des Drehmomentverlaufs - die nach oben gerichteten Kraftkomponenten der Profile depth of the rotor blades at the lower end of the rotor blades provided as at the upper end. In this case, conically tapered rotor blades are advantageous because - in addition to an appropriate regulation of the torque curve - the upward force components of
Auftriebskraftverteilung gegen das Rotorgewicht wirken, was zu einer Entlastung der Lagerung des Rotors führt. Dadurch können neue Aufhängungs- und Lagerungskonzepte mit reduziertem  Buoyancy distribution against the rotor weight act, which leads to a relief of the bearing of the rotor. This allows new suspension and storage concepts with reduced
Verbrauch von umweltbelastenden Schmierstoffen eingesetzt werden. Insbesondere können dadurch umweltfreundliche Consumption of polluting lubricants are used. In particular, this can be environmentally friendly
(hydraulische) Gleitlager, (magnetische) Permanentmagnetlager oder (pneumatische) Luftlager oder eine Kombination dieser Lager eingesetzt werden.  (hydraulic) plain bearings, (magnetic) permanent magnetic bearings or (pneumatic) air bearings or a combination of these bearings are used.
Zur Erhöhung der aerodynamischen Leistung werden die To increase the aerodynamic performance, the
Rotorblattspitzen im oberen Bereich mit Winglets versehen, um die durch den Druckausgleich induzierten Randwirbeleffekte zu minimieren. Dadurch wird die Auftriebsverteilung am oberen Blattspitzenbereich bei gleicher Profiltiefe "fülliger", was eine gleichzeitige Erhöhung der Drehmoment erzeugenden Rotor blade tips in the upper area with winglets provided to the induced by the pressure compensation Randwirbeleffekte too minimize. As a result, the buoyancy distribution at the upper blade tip area at the same tread depth "fuller", resulting in a simultaneous increase in the torque-generating
Windkraftkomponenten bedeutet . Darüber hinaus führen Wind power components means. In addition, lead
abgeschwächte Randwirbel zu einem störungsärmeren weakened edge vortex to a lower noise
Strömungsnachlauffeld der angeströmten Windkraftanlage. Dies wäre bei der Gestaltung von Windparks vorteilhaft, weil die aerodynamische Leistung benachbarter Windkraftanlagen weniger beeinträchtigt wird. Dadurch kann der erforderliche Abstand von nebeneinander angeordneten modular zusammengesetzten Flow tracking field of the wind turbine. This would be advantageous in the design of wind farms because the aerodynamic performance of adjacent wind turbines is less affected. As a result, the required distance from juxtaposed modular composite
Windkraftanlagen verringert werden, was die Belegungsdichte des Windparks erhöht. Das Aufbringen von Wirbelgeneratoren auf die Saugoberfläche der Rotorblätter, in der Nähe und entlang der Hinterkante der Blätter, wird eine frühzeitige Wind turbines are reduced, which increases the density of the wind farm. The application of vortex generators to the suction surface of the rotor blades, near and along the trailing edge of the blades, becomes premature
Strömungsablösung bei größeren Anstellwinkeln entlang der Spannweite verhindert. Somit werden die rotierenden Blätter länger in einem aerodynamisch optimalen Zustand verweilen. Flow separation at larger angles of attack along the span prevented. Thus, the rotating blades will linger longer in an aerodynamically optimal state.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Rotor mehrere Rotorblätter aufweist, die jeweils in einem Abstand zu der Drehachse angeordnet sind, wobei die Spannweite der jeweiligen It is also proposed that the rotor has a plurality of rotor blades, which are each arranged at a distance from the axis of rotation, wherein the span of the respective
Rotorblätter eine helix- förmige Gestalt um die Drehachse/ Drehwelle aufweist. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Rotorblätter jeweils um einen Teil eines Umfangs des Rotors, der mindestens einem Kehrwert der Gesamtzahl an Rotorblättern des Rotors entspricht, um die Drehachse verdreht/ verdrillt sind. So ist es bspw. denkbar, dass bei Verwendung von drei umfangsseitig gleichmäßig verteilt um die Drehachse angeordneten Rotorblättern jedes Rotorblatt um mindestens 1/3 des Umfangs um die Drehachse verdreht ist, sich also von dem unteren Ende zu dem oberen Ende hin in einem Umfangsbereich von mindestens 120° erstreckt. Rotor blades has a helical shape around the axis of rotation / rotary shaft. It is very particularly preferred if the rotor blades are twisted around the axis of rotation by a part of a circumference of the rotor which corresponds to at least one reciprocal of the total number of rotor blades of the rotor. So it is conceivable, for example, that when using three circumferentially evenly distributed around the axis of rotation arranged rotor blades of each rotor blade is rotated by at least 1/3 of the circumference about the axis of rotation, that extends from the lower end to the upper end in a circumferential region of at least 120 °.
Somit ergibt sich als mögliche Geometrie der Rotorblätter:This results in a possible geometry of the rotor blades:
- Darrieus-Typ (Rotor mit zwei bogenförmigen, elastischen Blättern) , - Darrieus type (rotor with two curved, elastic leaves),
- VAWIAN-Typ (Rotor mit zwei geraden, starren Blättern in H- Form) ,  VAWIAN type (rotor with two straight, rigid leaves in H-shape),
- H-Darrieus-Typ (Rotor mit mehreren geraden, starren  - H-Darrieus type (rotor with several straight, rigid
Blättern) , und Scrolling), and
- „verdrillte", starre Rotorblätter (3D-Strangdesign in  - "twisted", rigid rotor blades (3D strand design in
Doppel-Helix-Form oder Dreifach-Helix-Form, sog. Twister).Double helix shape or triple helix shape, so-called Twister).
Für alle oben erwähnten Geometrien können die Rotorblätter zur optimalen Nutzung der Wind-Anströmung wegen der For all the above-mentioned geometries, the rotor blades for optimal use of the wind flow due to the
atmosphärischen Windströmungs-Grenzschichten entlang ihrer Spannweite eine zunehmende Profiltiefe aufweisen. Aus der Sicht einer strukturmechanischen/ aerodynamischen atmospheric wind flow boundary layers along their span have an increasing tread depth. From the perspective of a structural / aerodynamic
Gegenüberstellung bezüglich Lasttragfähigkeit und maximaler Windenergiegewinnung werden bei der Optimierung der Comparison in terms of load carrying capacity and maximum wind energy production are in the optimization of
Rotorblattgeometrie (Rotorblattfläche, Spannweite, Streckung, Profiltiefe) die Rotorblätter im unteren Bereich größere Rotor blade geometry (rotor blade surface, span, extension, tread depth) the rotor blades in the lower area larger
Profitiefen als im oberen Bereich aufweisen. Eine Profit depths than the upper range. A
entsprechende Blattverwindung entlang der Spannweite, das Einsetzen von Winglets an den oberen Rotorblattspitzen und die Platzierung von Wirbelgeneratoren werden die aerodynamische Wirkung zusätzlich deutlich erhöhen. Eine Dreifach-Heiix-Form von Rotorblättern weist einen corresponding blade twist along the span, the insertion of winglets at the upper rotor blade tips and the placement of vortex generators will additionally increase the aerodynamic effect significantly. A triple Heiix form of rotor blades has one
nachweisbar vergleichbar vibrationsarmen Betrieb auf, was mechanisch und umweltspezifisch (geräuscharm) von großem demonstrably comparable to low vibration operation on what mechanically and environmentally specific (low noise) of large
Vorteil ist. Advantage is.
Des Weiteren können bei der Windkraftanlage mit vertikaler Drehachse neue Konzepte von Strukturbauweisen zum Einsatz kommen, die gegenwärtig allenfalls im Bereich des Flugzeugbaus verwendet werden, um die Rotorblattstruktur und die Furthermore, in the wind turbine with vertical axis of rotation new concepts of structural designs can be used, which are currently used at best in the field of aircraft to the rotor blade structure and the
drehmomentübertragenden Wellen und Achsen bei weiterhin ausreichender Festigkeit und Strukturstabilität in torque transmitting shafts and axles while still having sufficient strength and structural stability in
Extremleichtbauweise herstellen zu können. Bei der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen wird eine fasergerechte Extremely lightweight construction to be able to produce. When using fiber composites is a fiber-friendly
Herstellung angestrebt, die noch leichtere Entwürfe unter Einhaltung der Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen ermöglicht . Production sought, which allows even lighter designs in compliance with the strength and stiffness requirements.
Die notwendige/ erforderliche Trägheitsmasse zur Erhaltung des Drehimpulses kann in dem Schwimmkörper (Modul) untergebracht werden (siehe z.B. Permanentmagnete für den Läufer des The necessary inertia mass required to maintain the angular momentum can be accommodated in the float (module) (see, for example, permanent magnets for the runner)
Ringgenerators, insbesondere mit Durchmesser >10 m, und die Bodenlagerung der Drehanordnung) . Ring generator, in particular with a diameter> 10 m, and the bottom bearing of the rotating assembly).
Eine extremer Leichtbau der aerodynamisch beaufschlagten An extreme lightweight construction of the aerodynamically charged
Drehanordnung hat neben den strukturmechanischen Vorteilen auch eine besondere Auswirkung auf die Material- und Drehanordnung has in addition to the structural advantages mechanical also a special effect on the material and
Transportkosten, auf die Handhabung bei Montagen- und Transport costs, handling on assembly and
Austauschaktivitäten sowie auf die Umweltfreundlichkeit und Recyclingeffizienz aufgrund der Verwendung von weniger Exchange activities as well as on the environmental friendliness and Recycling efficiency due to the use of less
Material . Material.
Es ist denkbar, dass die Windkraftanlage über durchhängende oder vorgespannte Leinen am Grund des Wassers verankert ist, auf dem die Windkraftanlage schwimmt. Mit Hilfe der Leinen kann die WKA selbst bei relativ großen Tiefen an einer It is conceivable that the wind turbine is anchored by sagging or biased lines at the bottom of the water on which the wind turbine floats. With the help of the lines, the WKA can even at relatively large depths at one
bestimmten Position über dem Meeresgrund verankert werden. Das Ausbringen der Leinen ist wesentlich einfacher, anchored to a certain position above the seabed. The application of the lines is much easier
kostengünstiger und weniger Arbeit als die Herstellung eines Fundaments für nicht schwimmfähige, fest im Meeresboden verankerte WKAs . Es ist jedoch vorteilhaft, wenn das less expensive and less work than building a foundation for non-buoyant, seabed-anchored WCAs. However, it is advantageous if that
Verankerungskonzept eine Windnachführung einzelner oder aller Windkraftanlagen eines Windparks erlaubt. Dies kann z.B. durch motorisierte Antriebsmodule zwischen den Schwimmkörpern einzelner Windkraftanlagen erzielt werden. Anchoring concept allows a wind tracking of individual or all wind turbines of a wind farm. This can e.g. be achieved by motorized drive modules between the floats of individual wind turbines.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der According to another advantageous embodiment of
vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die The present invention proposes that the
Windkraftanlage ein Global Navigation Satellite System, nachfolgend GNSS, um eine aktuelle Position der Wind turbine a Global Navigation Satellite System, subsequently GNSS, to get a current position of the
Windkraftanlage erfassen zu können, einen Antrieb, um die Position und/oder Ausrichtung der Windkraftanlage auf der Wasseroberfläche verändern zu können, und eine Steuer- oder Regelungseinrichtung aufweist, die mit dem GNSS und dem Wind turbine to be able to detect a drive to change the position and / or orientation of the wind turbine on the water surface, and having a control or regulating device connected to the GNSS and the
Antrieb in Verbindung steht, um den Antrieb in Abhängigkeit von der erfassten Position der Windkraftanlage anzusteuern, um die Windkraftanlage in eine gewünschte Position und/oder Drive is in communication to drive the drive in response to the detected position of the wind turbine to the wind turbine in a desired position and / or
Ausrichtung auf der Wasseroberfläche zu bringen. Auf diese Weise ist es möglich, dass sich die Windkraftanlage selbstständig in eine gewünschte Position bewegt und dort verbleibt. Zudem kann durch Berücksichtigung der Windrichtung und -stärke bei der Ansteuerung des Antriebs auch die To bring alignment to the water surface. To this It is possible that the wind turbine automatically moves to a desired position and remains there. In addition, by taking into account the wind direction and strength in the control of the drive and the
Ausrichtung der Windkraftanlage variiert werden, um die Orientation of the wind turbine can be varied to the
Energiegewinnung unabhängig von den Windverhältnissen zu optimieren . Optimize energy production regardless of the wind conditions.
Die Erfindung schlägt auch einen modular aufgebauten offshore Windpark vor, der mehrere erfindungsgemäße offshore The invention also proposes a modular offshore wind farm, which has several offshore according to the invention
Windkraftanlagen umfasst. Vorzugsweise sind die einzelnen Windkraftanlagen des Windparks starr miteinander verbunden. Zwischen den Schwimmkörpern einzelner Windkraftanlagen oder seitlich davon können Hubschrauber-Landeplatzmodule oder Wind turbines includes. Preferably, the individual wind turbines of the wind farm are rigidly connected. Between the floats of individual wind turbines or laterally there may be heliport modules or
Schiffs-Anlegemodule angeordnet sein, über die Personen (bspw. Wartungs- und Inspektionspersonal) auf dem Windpark abgesetzt werden können. In diesem Fall ist es dann vorteilhaft, wenn lediglich mindestens eine ausgewählte Windkraftanlage des Windparks, bspw. ein Hubschrauber-Landeplatzmodul des Ship landing modules can be arranged over which people (eg., Maintenance and inspection personnel) can be placed on the wind farm. In this case, it is advantageous if only at least one selected wind turbine of the wind farm, for example. A heliport landing module of
Windparks, ein GNSS, um eine aktuelle Position des Windparks erfassen zu können, und mindestens zwei Motoren zum Antrieb aufweist, um die Position und/oder Ausrichtung des gesamten Windparks auf der Wasseroberfläche im Rahmen eines Wind farms, a GNSS, to detect a current position of the wind farm and having at least two engines for propulsion to determine the position and / or orientation of the whole wind farm on the water surface in a wind farm
Windnachführungssystems verändern zu können. Wind tracking system to change.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform in einer Further features and advantages of the present invention will be explained in more detail below with reference to the figures. Show it: 1 shows a wind turbine according to the invention according to a first preferred embodiment in one
Seitenansicht teilweise im Schnitt;  Side view partly in section;
Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Figure 2 is a perspective view of a part of
Windkraftanlage aus Figur 1 ;  Wind turbine of Figure 1;
Figur 3 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht; 3 shows a wind turbine according to the invention according to a further preferred embodiment in a perspective view;
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines Rotors einer Figure 4 shows an embodiment of a rotor of a
erfindungsgemäßen Windkraftanlage in einer perspektivischen Ansicht;  wind turbine according to the invention in a perspective view;
Figur 5 einen Horizontalschnitt durch ein oberes Ende eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Rotors einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage ; Figure 5 is a horizontal section through an upper end of another embodiment of a rotor of a wind turbine according to the invention;
Figur 6 einen Horizontalschnitt durch ein unteres Ende des Figure 6 is a horizontal section through a lower end of
Ausführungsbeispiels eines Rotors einer  Embodiment of a rotor of a
erfindungsgemäßen Windkraftanlage aus Figur 5;  inventive wind turbine of Figure 5;
Figur 7a eine erfindungsgemäße Windkraftanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer 7a shows a wind turbine according to the invention according to a further preferred embodiment in one
Seitenansicht ; Figur 7b eine erfindungsgemäße Windkraftanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer Side view; Figure 7b, a wind turbine according to the invention according to another preferred embodiment in one
Seitenansicht ;  Side view;
Figur 8 ein beispielhaftes Rotorblatt einer Figure 8 is an exemplary rotor blade of a
erfindungsgemäßen Windkraftanlage ;  wind turbine according to the invention;
Figur 9a zwei beispielhafte Rotorblätter einer FIG. 9a two exemplary rotor blades of a
erfindungsgemäßen Windkraftanlage ;  wind turbine according to the invention;
Figur 9b-9d Details der Rotorblätter aus Figur 9a; Figure 9b-9d details of the rotor blades of Figure 9a;
Figur 10 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer 10 shows a wind turbine according to the invention according to a further preferred embodiment in one
Seitenansicht teilweise im Schnitt;  Side view partly in section;
Figur 11 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Windpark umfassend mehrere erfindungsgemäße Windkraftanlagen; Figure 11 is a plan view of a wind farm according to the invention comprising a plurality of wind turbines according to the invention;
Figur 12 einen Ausschnitt eines unteren Teils einer FIG. 12 shows a section of a lower part of a
erfindungsgemäßen Windkraftanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;  Wind turbine according to the invention according to a further preferred embodiment;
Figur 13 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen FIG. 13 shows a section of a device according to the invention
Windkraftanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht; Figur 14 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Wind turbine according to another preferred embodiment in a perspective view; Figure 14 shows a detail of an inventive
Windkraftanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht; und  Wind turbine according to another preferred embodiment in a perspective view; and
Figur 15 einen Ausschnitt eines unteren Teils der Figure 15 shows a detail of a lower part of
Windkraftanlage aus Figur 14 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.  Wind turbine of Figure 14 according to another preferred embodiment.
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage dargestellt, die jeweils verschiedene Merkmale aufweisen. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele in beliebiger Weise miteinander zu kombinieren, selbst wenn die nicht ausdrücklich in den Figuren dargestellt ist oder in der Beschreibung erläutert ist. Die einzelnen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können also in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Below, various embodiments of a wind turbine according to the invention are shown, each having different characteristics. Of course, it is also conceivable to combine the features of the individual embodiments in any way with each other, even if not explicitly shown in the figures or is explained in the description. The individual features of the various embodiments can therefore be combined with one another in any desired manner.
In Figur 1 ist eine Seitenansicht teilweise im Schnitt einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage gezeigt. Die Windkraftanlage ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Dabei handelt es sich um eine schwimmende offshore FIG. 1 shows a side view partly in section of a wind power plant according to the invention. The wind turbine is designated in its entirety by the reference numeral 10. It is a floating offshore
Windkraftanlage mit einem Rotor 12 mit einer um eine vertikale Drehachse 14 rotierbaren Welle 16. Die Welle 16 steht mit einem Generator in Verbindung, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet ist. Der Generator 18 wandelt eine Drehbewegung der Welle 16 in elektrische Energie um. Ferner umfasst die Windkraftanlage 10 mindestens einen Wind turbine with a rotor 12 with a rotatable about a vertical axis of rotation 14 shaft 16. The shaft 16 is in communication with a generator, which is designated in its entirety by the reference numeral 18. The generator 18 converts a rotational movement of the shaft 16 into electrical energy. Furthermore, the wind turbine 10 comprises at least one
Schwimmkörper 30. Der Schwimmkörper 30 sorgt für den Float 30. The float 30 ensures the
notwendigen Auftrieb, so dass die gesamte Windkraftanlage 10 auf einer Wasseroberfläche 32 schwimmen kann. necessary buoyancy so that the entire wind turbine 10 can float on a water surface 32.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Generator 18 in dem Schwimmkörper 30 vorzugsweise unterhalb der Wasseroberfläche 32 angeordnet. Ferner ist der Generator 18 über eine oder mehrere Serviceklappen 34, die in dem Schwimmkörper 30 According to the present invention, the generator 18 is disposed in the float 30, preferably below the water surface 32. Further, the generator 18 via one or more service flaps 34, which in the float 30th
ausgebildet sind, von oberhalb der Wasseroberfläche 32 are formed, from above the water surface 32nd
zugänglich. Die geöffneten Serviceklappen 34 sind in Figur 1 beispielhaft mit gestrichelten Linien eingezeichnet. Bei verschlossenen Serviceklappen 34 ist der Schwimmkörper 30 wasserdicht, so dass kein Wasser in das Innere des accessible. The opened service flaps 34 are shown by dashed lines in FIG. 1 by way of example. In closed service flaps 34 of the float 30 is waterproof, so that no water in the interior of the
Schwimmkörpers 30 eindringen kann. Für den Fall, dass doch einmal Wasser eindringen sollte (z.B. durch eine kurzzeitig geöffnete Serviceklappe 34 oder aufgrund eines Lecks in dem Schwimmkörper 30) , kann im Inneren des Schwimmkörpers 30 ein Wasserstandssensor (nicht dargestellt) und/oder eine Lenzpumpe (nicht dargestellt) angeordnet sein. Die Welle 16 kann mittels eines oder mehrerer Radiallager 36 und/oder mittels eines oder mehrerer Axiallager 38 in dem Schwimmkörper 30 gelagert sein. Float 30 can penetrate. In the event that water should ever penetrate (eg by a service door 34 opened for a short time or due to a leak in the float 30), a water level sensor (not shown) and / or a bilge pump (not shown) can be arranged inside the float 30 be. The shaft 16 may be mounted in the floating body 30 by means of one or more radial bearings 36 and / or by means of one or more thrust bearings 38.
In der Figur 1 schwimmt der Schwimmkörper 30 auf der In Figure 1, the float 30 floats on the
Wasseroberfläche 32. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, dass der Schwimmkörper vollständig unter Wasser angeordnet wäre, wobei dann die Serviceklappe 34 am Ende eines über die Wasseroberfläche ragenden Rohrs oder Schnorchels angeordnet wäre, über das/den das Innere des Schwimmkörpers 30 zugänglich ist . Water surface 32. Of course, it would also be conceivable that the float would be completely submerged, in which case the service flap 34 at the end of a projecting over the water surface pipe or snorkel arranged would be about the / the interior of the float 30 is accessible.
Durch die Anordnung des Generators 18 in dem Schwimmkörper 30, vorzugsweise unterhalb der Wasseroberfläche 32, wird der Due to the arrangement of the generator 18 in the float 30, preferably below the water surface 32, the
Schwerpunkt der Windkraftanlage 10 möglichst weit nach unten verlagert, so dass sich eine besonders hohe passive Focus of the wind turbine 10 moves as far down as possible, so that a particularly high passive
Schwimmstabilität der Windkraftanlage 10 gegen Umkippen ergibt. Zudem ist der Generator 18 über die Serviceklappen 34 besonders schnell und einfach für Servicetechniker erreichbar, so dass eine Wartung und/oder Reparatur des Generators 18 innerhalb besonders kurzer Zeit möglich ist und die Floating stability of the wind turbine 10 against tipping results. In addition, the generator 18 via the service flaps 34 is particularly quick and easy to reach for service technicians, so that maintenance and / or repair of the generator 18 within a particularly short time is possible and the
Verfügbarkeit der Windkraftanlage 10 steigt. Availability of wind turbine 10 increases.
Der Generator 18 ist vorzugsweise als ein flach liegender Großringgenerator ausgebildet und in Figur 1 im Schnitt gezeigt. Selbstverständlich können auch andere Arten von The generator 18 is preferably designed as a flat-lying large ring generator and shown in Figure 1 in section. Of course, other types of
Generatoren verwendet werden. Der Generator 18 umfasst Generators are used. The generator 18 includes
insbesondere einen Generatorstator 20 und einen relativ dazu drehenden Generatorläufer 22. Gegenwärtige Großringgeneratoren für den on-shore Betrieb weisen einen Durchmesser von ca. 5 m auf. Neuere Forschungsergebnisse melden erhebliche in particular a generator stator 20 and a generator rotor 22 rotating relative thereto. Current large ring generators for on-shore operation have a diameter of approximately 5 m. Recent research reports significant
Leistungssteigerungen bei Ringgeneratoren mit einem Increased performance in ring generators with one
Durchmesser in der Größenordnung von mehr als 10 m. Derartige Ringgeneratoren 18 lassen sich besonders vorteilhaft in dem großen Schwimmkörper 30 der Windkraftanlage 10 anordnen, da der Schwimmkörper 30 zur Erlangung eines gewünschten Diameter on the order of more than 10 m. Such ring generators 18 can be arranged particularly advantageous in the large floating body 30 of the wind turbine 10, since the float 30 to obtain a desired
Mindestmaßes an Schwimmstabilität (Sicherung gegen Umkippen) sowieso eine gewisse Mindestgröße aufweisen muss und die Schwimmstabilität der Windkraftanlage 10 umso besser ist, desto großflächiger der Schwimmkörper 30 ist. Außerdem werden hier umfangspezifisch auch große Schwimmkörper erwünscht, um einen zweckmäßigen Mindestabstand von benachbarten Minimum level of floating stability (protection against tipping over) anyway, must have a certain minimum size and the floating stability of the wind turbine 10 is the better, the larger the float 30 is. In addition, large floating bodies are also desired here, in order to achieve a suitable minimum distance from neighboring ones
Windkraftanlagen in einem modular aufgebauten Windpark zu erzielen, wenn benachbarte Windkraftanlagen jeweils mit ihren Schwimmkörpern aneinandergrenzen . Optimale To achieve wind turbines in a modular wind farm, when adjacent wind turbines each adjoin each other with their floats. optimal
Aufstellungsabstände von Windkraftanlagen innerhalb eines Windparks werden auf der Basis der strömungsinduzierten Installation distances of wind turbines within a wind farm are based on the flow-induced
Nachlauffeider der einzelnen Windkraftanlagen definiert (vgl . Figur 9) . Zudem sorgt der drehende Ringgenerator 18 bzw. der drehend Läufer 22 aufgrund des gyroskopischen Effekts und der dadurch wirkenden Kreiselkräfte für zusätzliche "aktive" Stabilität sowohl der Rotorwelle selbst (Drehstabilität) als auch der gesamten der Windkraftanlage 10 bezüglich ihres Schwimmverhaltens (Schwimmstabilität) . Sowohl der Stator 20 als auch der Läufer 22 sind in dem dargestellten Beispiel ringförmig ausgebildet. Der Läufer22 steht mit der Welle 16 über eine Tragstruktur 24 in Verbindung. Der Stator 20 ist mittels einer anderen Tragstruktur 25 an der Wandung Afterfeed of the individual wind turbines defined (see Figure 9). In addition, due to the gyroscopic effect and the centrifugal forces acting thereon, the rotating ring generator 18 or the rotating rotor 22 provides additional "active" stability of both the rotor shaft itself (rotational stability) and the entire wind turbine 10 with respect to its swimming behavior (floating stability). Both the stator 20 and the rotor 22 are annular in the example shown. The rotor 22 is connected to the shaft 16 via a support structure 24 in connection. The stator 20 is by means of another support structure 25 on the wall
(alternativ auch auf dem Boden) des Schwimmkörpers 30  (Alternatively, on the floor) of the float 30th
befestigt . attached.
Eine Drehung des Rotors 12 der Windkraftanlage 10 durch A rotation of the rotor 12 of the wind turbine 10 through
Beaufschlagung der Rotorblätter 13 mit Wind versetzt den Actuation of the rotor blades 13 with wind offset the
Läufer 22 des Generators 18 in eine Drehung um die Achse 14 relativ zu dem Stator 20. Der Läufer 22 des Generators 18 kann mittels eines Magnetlagers oder auf sonstige Weise gelagert sein. Wenn der Läufer 22 Dauermagnete, die mit wechselnder Polarität über den Umfang verteilt sind, und der Stator 20 mehrere Spulen aufweist, wird durch die Drehung des Läufer 22 in den Spulen ein Strom induziert. Die Drehung des Rotors 12 der Windkraftanlage 10 kann durch Verstellen des Rotor 22 of the generator 18 in a rotation about the axis 14 relative to the stator 20. The rotor 22 of the generator 18 can be stored by means of a magnetic bearing or otherwise. When the rotor 22 has permanent magnets distributed with varying polarity around the circumference and the stator 20 has a plurality of coils, a current is induced by the rotation of the rotor 22 in the coils. The rotation of the rotor 12 of the wind turbine 10 can by adjusting the
Anstellwinkels der Rotorblätter 13 und/oder durch gezieltes Abbremsen des Rotors 12 derart variiert werden, dass Angle of attack of the rotor blades 13 and / or be varied by selective braking of the rotor 12 such that
unabhängig von der aktuellen Windsituation und ohne ein regardless of the current wind situation and without one
Getriebe zwischen dem Rotor 12 der Windkraftanlage 10 und dem Läufer 22 des Generators 18 stets Energie einer gewünschten konstanten Netzfrequenz (z.B. 25 Hz oder 50 Hz) erzeugt wird. Transmission between the rotor 12 of the wind turbine 10 and the rotor 22 of the generator 18 is always generated energy of a desired constant mains frequency (for example, 25 Hz or 50 Hz).
In dem dargestellten Beispiel ist der Schwimmkörper 30 mittels vorgespannter oder durchhängender Leinen 40 am Meeresgrund 42 verankert. Dadurch wird sichergestellt, dass die In the example shown, the floating body 30 is anchored to the seabed 42 by means of prestressed or sagging lines 40. This will ensure that the
Windkraftanlage 10 stets an einer vorgegebenen Position bezüglich des Meeresgrunds 42 positioniert ist, ohne dass ein Fundament im Meeresgrund 42 und eine aufwendige und teure Tragkonstruktion für die Windkraftanlage 10 vorgesehen werden müsste. Selbstverständlich sind auch andere Maßnahmen denkbar, die Windkraftanlage 10 in einer vorgebebenen Position Wind turbine 10 is always positioned at a predetermined position with respect to the seabed 42 without a foundation in the seabed 42 and a complex and expensive support structure for the wind turbine 10 would have to be provided. Of course, other measures are conceivable, the wind turbine 10 in a predetermined position
bezüglich des Meeresgrunds 42 zu halten. Die Tiefe T zwischen der Wasseroberfläche 32 und dem Meeresgrund 42, in dem die Windkraftanlage 10 verankert ist, beträgt vorzugsweise über 40 m, vorzugsweise sogar über 50 m. Die Windkraftanlage 10 könnte sogar in Wassertiefen T von über 100 m verankert werden. Die Höhe H der Windkraftanlage 10 gemessen ab der Wasseroberfläche 32 kann einige 10 m betragen. Grundsätzlich können bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage 10 größere Höhe H als bei herkömmlichen schwimmenden offshore with respect to the seabed 42. The depth T between the water surface 32 and the seabed 42, in which the wind turbine 10 is anchored, is preferably over 40 m, preferably even over 50 m. The wind turbine 10 could even be anchored in water depths T of over 100 m. The height H of the wind turbine 10 measured from the Water surface 32 may be some 10 m. Basically, in the wind turbine 10 of the invention greater height H than conventional floating offshore
Windkraftanlagen realisiert werden, da der Schwerpunkt der Anlage 10 besonders niedrig liegt und der flachliegende Wind turbines are realized because the focus of the system 10 is particularly low and the flat
Großringgenerator 18 für zusätzliche passive Schwimmstabilität sorgt . Large ring generator 18 provides additional passive swimming stability.
In Figur 2 ist ein Teil der Windkraftanlage aus Figur 1 in perspektivischer Ansicht gezeigt. Insbesondere ist der Rotor 12 mit den Rotorblättern 13 gezeigt. Ferner sind der Stator 20 und der Läufer 22 des Generators 18 gezeigt. Der Schwimmkörper 30 ist in Figur 2 nicht gezeigt. Es ist zu erkennen, dass der Rotor 12 drei starre Rotorblätter 13 aufweist, die jeweils in einem Abstand zu der Drehachse 14 der Welle 16 angeordnet sind. Es handelt sich in diesem Beispiel also um einen sog. Ii- Rotor 12. Selbstverständlich kann auch eine größere oder geringere Anzahl an Rotorblättern 13 vorgesehen sein. Die Rotorblätter 13 haben eine gerade Spannweite, das heißt die Längsachsen 15 der Rotorblätter 13 sind gerade und verlaufen parallel zueinander und parallel zu der Drehachse 14. Ferner haben die Rotorblätter 13 an ihren oberen und unteren Enden die gleiche Profiltiefe t0 bzw. tu. Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung auch andere Rotoren 12 bzw. FIG. 2 shows a part of the wind power plant from FIG. 1 in a perspective view. In particular, the rotor 12 is shown with the rotor blades 13. Further, the stator 20 and the rotor 22 of the generator 18 are shown. The floating body 30 is not shown in FIG. It can be seen that the rotor 12 has three rigid rotor blades 13, which are each arranged at a distance from the axis of rotation 14 of the shaft 16. It is in this example, therefore, a so-called. Ii-rotor 12. Of course, a larger or smaller number of rotor blades 13 may be provided. The rotor blades 13 have a straight span, that is, the longitudinal axes 15 of the rotor blades 13 are straight and parallel to each other and parallel to the axis of rotation 14. Further, the rotor blades 13 at their upper and lower ends the same tread depth t 0 and t u . Of course, in the context of the invention, other rotors 12 and
Rotorblätter 13 eingesetzt werden, was nachfolgend noch näher erläutert wird. So ist bspw. in Figur 3 eine Windkraftanlage 10 mit einer anderen Art von Rotor 12 gezeigt. Dabei ist deutlich zu erkennen, dass die Profiltiefe t0 am oberen Ende der Rotor blades 13 are used, which will be explained in more detail below. For example, in FIG. 3 a wind turbine 10 with a different type of rotor 12 is shown. It can be clearly seen that the tread depth t 0 at the top of the
Rotorblätter 13 geringer ist als die Profiltiefe tu am unteren Ende ist. Dadurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die Windgeschwindigkeiten unmittelbar oberhalb der Rotor blades 13 is less than the tread depth t u at the lower end. This takes into account the fact that the wind speeds just above the
Wasseroberfläche 32 geringer sind als in größeren Höhen H zur Wasseroberfläche 32. Durch die größere Profiltiefe t am unteren Ende als oberen Ende der Rotorblätter 13 wirkt trotz unterschiedlicher Windgeschwindigkeiten in verschiedenen Höhen H eine weitgehend konstante Auftriebsverteilung entlang der Spannweite der Rotorblätter 13. Zudem wird der Schwerpunkt der Windkraftanlage 10 durch die größeren Massen an den unteren Enden der Rotorblätter 13 nach unten verlagert, was die passive Schwimmstabilität der Windkraftanlage 10 gegen Due to the greater tread depth t at the lower end than the upper end of the rotor blades 13 acts despite varying wind speeds at different heights H a largely constant buoyancy distribution along the span of the rotor blades 13. In addition, the focus the wind turbine 10 is displaced by the larger masses at the lower ends of the rotor blades 13 down, which the passive floating stability of the wind turbine 10 against
Umkippen fördert. Durch eine geometrische Verwindung der Upset promotes. Through a geometric twist of the
Rotorblätter 13 um ihre Längsachsen 15 (entlang der Rotor blades 13 about their longitudinal axes 15 (along the
Spannweite) kann zudem der lokale Anstellwinkel der Span) can also the local angle of the
Rotorblätter 13 optimal angepasst werden. Dadurch kann die Betriebsfähigkeit der Windkraftanlage 10 bzw. des Rotors 12 auch bei stärkeren Winden gewährleistet werden. Zudem kann dies zur Variation der Drehzahl des Rotors 12 genutzt werden. Durch optimales Einstellen der lokalen Anstellwinkel kann also unabhängig von der Windstärke die Drehzahl des Rotors 12 weitgehend konstant gehalten werden. Rotor blades 13 are optimally adapted. As a result, the operability of the wind turbine 10 and the rotor 12 can be ensured even with stronger winds. In addition, this can be used to vary the speed of the rotor 12. By optimally setting the local angle of attack, the rotational speed of the rotor 12 can thus be kept substantially constant, regardless of the wind force.
In Figur 4 ist noch eine andere Art von Rotor 12 für die erfindungsgemäße Windkraftanlage 10 gezeigt. Es handelt sich dabei um eine Art Darrieus-Rotor 12 (sog. Twister) . Der Rotor 12 weist mehrere Rotorblätter 13 auf, die jeweils in einem Abstand zu der Drehachse 14 angeordnet sind. Die Spannweiten 15 der Rotorblätter 13 sind um die Drehachse 14 verdrillt, so dass sich eine Helix-Form ergibt. Vorzugsweise sind die FIG. 4 shows yet another type of rotor 12 for the wind power plant 10 according to the invention. It is about this is a kind of Darrieus rotor 12 (so-called Twister). The rotor 12 has a plurality of rotor blades 13, which are each arranged at a distance from the axis of rotation 14. The spans 15 of the rotor blades 13 are twisted about the axis of rotation 14, so that there is a helical shape. Preferably, the
Rotorblätter 13 jeweils um einen Teil eines Umfangs um die Drehachse 14 versetzt, der in etwa einem Kehrwert der Rotor blades 13 each offset by a portion of a circumference about the axis of rotation 14, which in about a reciprocal of the
Gesamtzahl an Rotorblättern 13 des Rotors 12 entspricht. In dem dargestellten Beispiel mit drei Rotorblättern 13 erstreckt sich jedes der Rotorblätter 13 von seinem unteren zu seinem oberen Ende somit über einen Bereich von etwa 120° (360° Umfang / 3 Rotorblätter) . Total number of rotor blades 13 of the rotor 12 corresponds. In the illustrated example with three rotor blades 13, each of the rotor blades 13 thus extends from its lower end to its upper end over a range of approximately 120 ° (360 ° circumference / 3 rotor blades).
Wenn man den Rotor 12 aus Figur 3 mit dem Rotor 12 aus Figur 4 kombiniert, erhält man einen Rotor 12, bei dem zum einen die Profiltiefe t0 am oberen Ende der Rotorblätter 13 geringer ist als die Profiltiefe tu am unteren Ende und die Längsachsen 15 der Rotorblätter 13 zudem um die Drehachse 14 verdreht sind. Ein Schnitt durch ein oberes Ende derart ausgestalteter If one combines the rotor 12 of Figure 3 with the rotor 12 of Figure 4, one obtains a rotor 12, in which the tread depth t 0 at the upper end of the rotor blades 13 is less than the profile depth t u at the lower end and the longitudinal axes 15 of the rotor blades 13 are also rotated about the axis of rotation 14. A section through an upper end of such ausgestalteter
Rotorblätter 13 in einer Ansicht von oben ist beispielhaft in Figur 5 gezeigt. Ein entsprechender Schnitt durch ein unteres Ende solcher Rotorblätter 13 ist in Figur 6 gezeigt. Rotor blades 13 in a view from above are shown by way of example in FIG. A corresponding section through a lower end of such rotor blades 13 is shown in FIG.
Ferner sind in den Figuren 7a und 7b Windkraftanlagen 10 mit einer anderen Art von Rotor 12 gezeigt. Der Rotor 12 weist mehrere Rotorblätter 13 auf, die einen konischen Verlauf relativ zur Drehachse 14 aufweisen. Derartige Furthermore, wind turbines 10 with a different type of rotor 12 are shown in FIGS. 7a and 7b. The rotor 12 has a plurality of rotor blades 13, which have a conical shape relative to the axis of rotation 14. such
Rotorblattneigungen können zur Regulierung des Drehmoments durch die Hebelarmeinwirkung genutzt werden. In Figur 7a ist ein Abstand der Rotorblätter 13 zu der Drehachse 14 am unteren Ende (au) der Rotorblätter 13 größer als am oberen Ende (a0) . In Bezug auf die Figur 7b ist ein Abstand der Rotorblätter 13 zu der Drehachse 14 am unteren Ende (au) der Rotorblätter 13 kleiner als am oberen Ende (a0) , so dass bei einer Rotor blade pitches can be used to regulate torque through the lever arm action. In FIG. 7a a distance of the rotor blades 13 to the axis of rotation 14 at the lower end (a u ) of the rotor blades 13 greater than at the upper end (a 0 ). With reference to FIG. 7b, a distance of the rotor blades 13 from the axis of rotation 14 at the lower end (a u ) of the rotor blades 13 is smaller than at the upper end (a 0 ), so that at
Beaufschlagung der Rotorblätter 13 mit Wind eine nach oben gerichtete Kraftkomponente FE auf den Rotor 12 wirkt. Mit FN ist die Normalkomponente der Auftriebskraft durch die Actuation of the rotor blades 13 with wind an upward force component F E acts on the rotor 12. With F N , the normal component of the buoyancy force is the
Beaufschlagung eines Rotorblatts 13 mit Wind bezeichnet. Die Normalkraft FN teilt sich auf in eine der Zentrifugalkraft Fz entgegen gerichtete Kraftkomponente FR und eine Komponente FE auf, die gegen die Schwerkraft wirkt. Auf diese Weise können die Lager zur Lagerung des Rotors 12 bzw. der Welle 16, insbesondere die Axiallager 38, entlastet werden. Dies erlaubt es, im Bereich der Windkraftanlagen völlig neuartige Lager zur Lagerung des Rotors 12 einzusetzen, bspw. Gleitlager, Applying a rotor blade 13 designated with wind. The normal force F N is divided into a centrifugal force F z opposing force component F R and a component F E , which acts against gravity. In this way, the bearings for supporting the rotor 12 and the shaft 16, in particular the thrust bearings 38, can be relieved. This makes it possible to use completely new bearings for supporting the rotor 12 in the area of wind power plants, for example sliding bearings,
Magnetlager (vgl. Figur 12) oder sogar Luftlager. Im Magnetic bearing (see Figure 12) or even air bearings. in the
Allgenmeinen konisch gerichtete Auftriebsflächen, spitz nach oben oder spitz nach unten zulaufenden Rotorblatt- Konfigurationen, können auch zur Abstimmung eines optimalen Drehmoments beitragen, was durch eine zweckmäßige Anpassung der Hebelarme der drehmomenterzeugenden Windkräfte am Generally conically directed lift surfaces, pointed up or tapered down blade configurations, can also contribute to the tuning of an optimal torque, which is achieved by suitably adapting the lever arms of the torque-generating wind forces on the rotor
Rotorblatt 13 entlang der Spannweite ermöglicht wird. Rotor blade 13 along the span is made possible.
Die großen Massen am Fuße der erfindungsgemäßen The big masses at the foot of the invention
Windkraftanlage 10 dienen einerseits zur Verbesserung der passiven Schwimmstabilität durch den tiefen Schwerpunkt und andererseits zur Verbesserung des Trägheitsmoments des Rotors 12, damit dieser auch bei böigem Wind auch dann mit nahezu unverminderter Geschwindigkeit weiterdreht, wenn der Wind kurzzeitig nachlässt. Diese Konstruktion erlaubt es Wind turbine 10 serve on the one hand to improve the passive floating stability by the low center of gravity and on the other hand to improve the moment of inertia of the rotor 12, so that even in gusty winds, it will continue to rotate at almost undiminished speed, even if the wind briefly subsides. This construction allows it
gleichzeitig, den oberen Teil der Windkraftanlage 10, at the same time, the upper part of the wind turbine 10,
insbesondere den Rotor 12, ohne Beeinträchtigung der in particular the rotor 12, without affecting the
Gleichlaufeigenschaften bei böigem Wind in Leichtbauweise auszugestalten. Dadurch wird die Schwimmstabilität der To design synchronous running characteristics in gusty wind in lightweight construction. As a result, the floating stability of
Windkraftanlage 10 ohne Beeinträchtigung der Wind turbine 10 without affecting the
Gleichlaufeigenschaften bei böigem Wind zusätzlich gefördert.  Constant-velocity properties additionally promoted in gusty wind.
Der Ringgenerator 18 kann einen Energieerzeugungsabschnitt 80 mit einem Generatorstator 20 und einem Generatorläufer 22 sowie einen Lagerungsabschnitt 82 aufweist, der ausgebildet ist, eine Magnetlagerung der Welle 16 zumindest in einer The ring generator 18 may include a power generating portion 80 having a generator stator 20 and a generator rotor 22, and a bearing portion 82 configured to support a magnetic bearing of the shaft 16 at least in one
Richtung parallel zu der vertikalen Drehachse 14 zu Direction parallel to the vertical axis of rotation 14 too
realisieren. Der Lagerungsabschnitt 82 weist vorzugsweise einen ersten kreis- oder kreisringförmigen Abschnitt 84 mit Magneten einer bestimmten Polarität sowie mindestens einen diesem zugeordneten zweiten Abschnitt 86 mit Magneten realize. The bearing section 82 preferably has a first circular or annular section 84 with magnets of a specific polarity and at least one associated second section 86 with magnets
derselben Polarität auf, so dass sich die beiden Abschnitte 84, 86 abstoßen und sich in vertikaler Richtung betrachtet zwischen den beiden Abschnitten 84, 86 mindestens ein the same polarity, so that the two sections 84, 86 repel and viewed in the vertical direction between the two sections 84, 86 at least one
Luftspalt 88 ausbildet, so dass die beiden Abschnitte 84, 86 in vertikaler Richtung ohne Materialkontakt allein durch magnetische Kräfte gelagert sind. Bei einer Windkraftanlage 10 stellen die Lager nach dem Rotor 12 und - sofern vorhanden - dem Getriebemodul den meist-häufigsten Grund für einen Ausfall der Windkraftanlage 10 dar. Bei einem Rotor 12 mit vertikaler Drehachse 14 wirken die größten Massenkräfte auch in vertikaler Richtung (Gewichtskräfte) , da sich die Air gap 88 forms, so that the two sections 84, 86 are mounted in the vertical direction without material contact solely by magnetic forces. In a wind turbine 10, the bearings after the rotor 12 and - if present - the transmission module the most-common reason for failure of the wind turbine 10. In a rotor 12 with vertical Rotary axis 14, the largest mass forces act in the vertical direction (weight forces), since the
Zentrifugalkräfte gegenseitig kompensieren. Durch die Compensate each other for centrifugal forces. By the
besondere Ausgestaltung der Lager 82 zur Aufnahme der special embodiment of the bearing 82 for receiving the
Vertikalkräfte als Magnetlager kann die Verfügbarkeit der Windkraftanlage 10 entscheidend verbessert werden. Die Magnete können bspw. als supraleitende Magnete oder aber als geregelte Elektromagneten ausgebildet sein. Die Magnetlagerung kann als passive, aktive oder als ein elektrodynamisches Magnetlager ausgebildet sein. Vertical forces as a magnetic bearing, the availability of the wind turbine 10 can be significantly improved. The magnets may, for example, be designed as superconducting magnets or else as controlled electromagnets. The magnetic bearing can be designed as passive, active or as an electrodynamic magnetic bearing.
Die in horizontaler Richtung wirkenden Querkräfte, meist aerodynamische Kräfte, können durch herkömmliche mechanische Lager (Kugellager, Gleitlager, Wälzlager, etc.; vgl. Lager 36) aufgenommen werden. Das ist relativ problemlos möglich, da bei Windkraftanlagen 10 mit einem Rotor 12 mit vertikaler The transverse forces acting in a horizontal direction, usually aerodynamic forces, can be absorbed by conventional mechanical bearings (ball bearings, plain bearings, roller bearings, etc., cf bearing 36). This is relatively easy, since in wind turbines 10 with a rotor 12 with vertical
Drehachse 14 die resultierende Querbelastung klein ist. In einer Weiterbildung der Erfindung ist es aber auch möglich, dass der Lagerungsabschnitt 82 ausgebildet ist, eine Rotary axis 14, the resulting lateral load is small. In a further development of the invention, it is also possible that the storage section 82 is formed, a
Magnetlagerung der Welle 16 auch in einer Richtung quer zu der vertikalen Drehachse 14 zu realisieren. Dabei ist zwischen gleichpoligen Magneten 84, 90 in horizontaler Richtung ein Luftspalt 92 ausgebildet. Auch hier können die Magnete 84, 90 bspw. als supraleitende Magnete oder aber als geregelte Magnetic bearing of the shaft 16 to realize in a direction transverse to the vertical axis of rotation 14. In this case, an air gap 92 is formed between the homopolar magnets 84, 90 in the horizontal direction. Again, the magnets 84, 90, for example, as superconducting magnets or as controlled
Elektromagnete ausgebildet sein. Die Magnetlagerung kann als passive, aktive oder als ein elektrodynamisches Magnetlager ausgebildet sein. Um eine unerwünschte Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern zur Energieerzeugung (im Abschnitt 80) und den Magnetfeldern für die Lagerung (im Abschnitt 82) zu verringern oder gar ganz zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass der Lagerungsabschnitt 82 des Ringgenerators 18 versetzt und beabstandet zu dem Electromagnets may be formed. The magnetic bearing can be designed as passive, active or as an electrodynamic magnetic bearing. In order to reduce or even avoid unwanted interaction between the energy generating magnetic fields (in section 80) and the magnetic fields for storage (in section 82), it is proposed that the storage section 82 of the ring generator 18 be offset and spaced from it
Energieerzeugungsabschnitt 80 an dem Ringgenerator 18 Power generating section 80 on the ring generator 18th
ausgebildet ist. In Figur 12 ist der Lagerungsabschnitt 82 in Richtung der vertikalen Drehachse 14 versetzt zu dem is trained. In FIG. 12, the storage section 82 is offset in the direction of the vertical axis of rotation 14
Energieerzeugungsabschnitt 80 an dem Ringgenerator 18 Power generating section 80 on the ring generator 18th
ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann der educated. Alternatively or additionally, the
Lagerungsabschnitt 82 aber auch quer zu der vertikalen Storage section 82 but also transverse to the vertical
Drehachse 14 versetzt zu dem Energieerzeugungsabschnitt 80 an dem Ringgenerator 18 ausgebildet sein. Zur Realisierung einer möglichst sicheren und zuverlässigen Lagerung ist es denkbar, dass mehrere Lagerungsabschnitte 82 an dem Ringgenerator 18 ausgebildet sind. Ferner ist es denkbar, auch mindestens ein konventionelles mechanisches Lager vorzugsehen, das beim Rotary axis 14 offset from the power generating portion 80 may be formed on the ring generator 18. To realize a safe and reliable storage as possible, it is conceivable that a plurality of storage sections 82 are formed on the ring generator 18. It is also conceivable, at least a conventional mechanical bearing vorzugsehen, the at
Ausfall des magnetischen Lagers 82 die Lagerungsfunktion übernimmt . Failure of the magnetic bearing 82 takes over the storage function.
Alle zuvor beschriebenen unterschiedlichen Arten von Rotoren 12 bzw. deren jeweilige Merkmale können nach Belieben All of the above-described different types of rotors 12 or their respective features may be arbitrary
miteinander kombiniert werden, um für den Einzelfall einen optimalen Rotor 12 zu erhalten. be combined with each other to obtain an optimal rotor 12 for the individual case.
In Figur 8 ist beispielhaft ein Rotorblatt 13 einer In Figure 8 is an example of a rotor blade 13 a
Windkraftanlage 10 gezeigt, bei dem zur Erhöhung der Wind turbine 10 shown in which to increase the
aerodynamischen Leistung die Rotorblattspitze 13a im oberen Bereich mit einem Winglet 19 versehen ist, um die durch den Druckausgleich induzierten Randwirbeleffekte zu minimieren. Ein Winglet 19 kann auf den Spitzen 13a von allen oder nur einigen Rotorblättern 13 einer Windkraftanlage 10 vorgesehen werden. In Figur 9a sind beispielhaft zwei Rotorblätter 13 einer Windkraftanlage 10 gezeigt, wo Wirbelgeneratoren 19a auf die zur Drehachse 14 gerichtete Saugoberfläche 13b der aerodynamic performance, the rotor blade tip 13a is provided in the upper region with a winglet 19 to those through the Pressure compensation induced to minimize edge vortex effects. A winglet 19 may be provided on the tips 13a of all or only a few rotor blades 13 of a wind turbine 10. In FIG. 9a, by way of example, two rotor blades 13 of a wind power plant 10 are shown, where vortex generators 19a are directed onto the suction surface 13b of the suction axis 13b directed towards the axis of rotation 14
Rotorblätter 13, in der Nähe und entlang der Hinterkante 13c der Blätter 13 angeordnet sind. Dadurch wird eine frühzeitige Strömungsablösung bei größeren Anstellwinkeln entlang der Spannweite verhindert. Die Figuren 9b bis 9d zeigen Details der nebeneinander angeordneten Wirbelgeneratoren 19a. Diese können beispielsweise folgende Abmessungen aufweisen: H = 10 bis 20 mm, L ungefähr 40 mm, S = 30 bis 50 mm, ß = 15° bis 20°, und der Abstand Z = 3xH bis 5xH = 30 bis 100 mm. Rotor blades 13, in the vicinity and along the trailing edge 13c of the blades 13 are arranged. This prevents early flow separation at larger angles of incidence along the span. FIGS. 9b to 9d show details of the side-by-side vortex generators 19a. These may for example have the following dimensions: H = 10 to 20 mm, L about 40 mm, S = 30 to 50 mm, ß = 15 ° to 20 °, and the distance Z = 3xH to 5xH = 30 to 100 mm.
In Figur 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer In Figure 10 is another embodiment of a
erfindungsgemäßen Windkraftanlage 10 dargestellt. Dabei kann zusätzlich oder alternativ zu der Verankerung der Wind turbine 10 according to the invention shown. It can additionally or alternatively to the anchoring of the
Windkraftanlage 10 am Meeresgrund 42 durch Leinen 40 eine Anordnung vorgesehen werden, die ein autarkes Positionieren und Ausrichten der Windkraftanlage 10 bezüglich des Wind turbine 10 are provided on the seabed 42 by lines 40 an arrangement that autonomous positioning and alignment of the wind turbine 10 with respect to the
Meeresgrunds 42 erlaubt. Die Anordnung umfasst ein Global Navigation Satellite System (GNSS) 50, um eine aktuelle Seabed 42 allowed. The arrangement includes a Global Navigation Satellite System (GNSS) 50 to a current
Position der Windkraftanlage 10 anhand von Satellitensignalen 52 erfassen zu können. Ferner umfasst die Anordnung einen Antrieb 54, um die Position und/oder Ausrichtung der Position of the wind turbine 10 can be detected using satellite signals 52. Furthermore, the arrangement comprises a drive 54 to the position and / or orientation of the
Windkraftanlage 10 auf der Wasseroberfläche 32 verändern zu können. In diesem Beispiel ist der Antrieb als eine Schiffsschraube ausgebildet. Diese kann um eine Drehachse 56 gedreht werden, um die Richtung des Vortriebs durch den Wind turbine 10 on the water surface 32 to change. In this example the drive is as one Ship propeller trained. This can be rotated about an axis of rotation 56 to the direction of propulsion through the
Antrieb 54 zu verändern. Selbstverständlich kann der Antrieb auch anders ausgebildet sein, bspw. als ein in seiner Richtung veränderbarer Wasserstrahlantrieb. Schließlich umfasst die Anordnung noch eine Steuer- oder Regelungseinrichtung 58, die mit dem GNSS 50 und dem Antrieb 54 in Verbindung steht, um den Antrieb 54 in Abhängigkeit von der erfassten Position der Windkraftanlage 10 anzusteuern, um die Windkraftanlage 10 in eine gewünschte Position und/oder Ausrichtung auf der Drive 54 to change. Of course, the drive can also be designed differently, for example. As a variable in its direction water jet drive. Finally, the arrangement also comprises a control or regulation device 58, which is connected to the GNSS 50 and the drive 54 in order to control the drive 54 as a function of the detected position of the wind turbine 10 in order to move the wind turbine 10 into a desired position and / or. or alignment on the
Wasseroberfläche 32 zu bringen. Zur Energieversorgung der Anordnung bzw. ihrer Komponenten 50, 54, 58 kann eine wieder aufladbare Batterie 60 vorgesehen sein. Diese könnte bspw. durch den durch den Generator 18 erzeugten Strom geladen werden. Selbstverständlich ist auch die Windkraftanlage 10 aus Figur 10 mit einem beliebigen der oben beschriebenen und in den Figuren 1 bis 9 gezeigten Rotoren 12 kombinierbar. To bring water surface 32. For the energy supply of the arrangement or its components 50, 54, 58, a rechargeable battery 60 may be provided. This could, for example, be charged by the current generated by the generator 18. Of course, the wind turbine 10 of Figure 10 with any of the rotors 12 described above and shown in Figures 1 to 9 can be combined.
In Figur 11 ist ein Beispiel für einen Windpark 70 gezeigt, der aus mehreren Windkraftanlagen 10 der oben beschriebenen Art modular aufgebaut ist. Dabei haben die Schwimmkörper 30 in der Draufsicht eine solche äußere Umfangsform, dass sie von mehreren Seiten nebeneinander angeordnet und aneinander befestigt werden können. In dem dargestellten Beispiel haben die Schwimmkörper 30 die Form eines gleichmäßigen In Figure 11, an example of a wind farm 70 is shown, which is modularly constructed from a plurality of wind turbines 10 of the type described above. In this case, the floating body 30 in the plan view of such an outer peripheral shape that they can be arranged side by side from several sides and secured to each other. In the illustrated example, the floats 30 have the shape of a uniform
(gleichschenkligen und gleichwinkligen) Oktagons .  (isosceles and equiangular) octagons.
Selbstverständlich können die Schwimmkörper 30 auch die Form eines beliebig anderen Polygons aufweisen. Von den Abmessungen her ist der Schwimmkörper 30 in der Draufsicht so groß ausgebildet, dass der flachliegende Großringgenerator 18 und eventuell noch andere Komponenten der Windkraftanlagen 10, bspw. Frequenzumrichter und/oder Steuerungselektronik, darin aufgenommen werden können (z.B. Länge und Breite des Of course, the floating body 30 may also have the shape of any other polygon. From the dimensions In the plan view, the floating body 30 is designed so large that the flat-lying large ring generator 18 and possibly other components of the wind power plants 10, for example. Frequency converter and / or control electronics, can be accommodated therein (eg length and width of
Schwimmkörpers 30 jeweils 12 bis 18 m) . Die Schwimmkörper 30 der einzelnen Windkraftanlagen 10 sind vorzugsweise starr miteinander verbunden. In diesem Fall würde es ausreichen, wenn mindestens eine der Windkraftanlagen 10 über Leinen 40 am Meeresgrund 42 verankert ist oder eine Anordnung 50, 54, 58 zum autarken Positionieren und Ausrichten der Windkraftanlage 10 bezüglich des Meeresgrunds 42 aufweist. Gesonderte Float 30 each 12 to 18 m). The floats 30 of the individual wind turbines 10 are preferably rigidly connected. In this case, it would be sufficient if at least one of the wind turbines 10 is anchored to the seabed 42 via lines 40 or has an arrangement 50, 54, 58 for self-sufficient positioning and alignment of the wind turbine 10 with respect to the seabed 42. separate
Schwimmmodule gleicher Bauweise können an einem Schwimmkörper einer oder mehrerer Windkraftanlagen 10 befestigt sein und sowohl als Hubschrauber-Landeplätze 30b als auch als Service- Schiff-Andockungsstellen 30c dienen. Floating modules of the same design may be attached to a floating body of one or more wind turbines 10 and serve both as helicopter landing pads 30b and as service ship docking locations 30c.
Figur 13 zeigt einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 10. In dem Beispiel hat der Rotor 12 drei Rotorblätter 13, die an ihren FIG. 13 shows part of a further exemplary embodiment of a wind power plant 10 according to the invention. In the example, the rotor 12 has three rotor blades 13 which are connected to their rotor blades
Unterseiten an einer Stützstruktur des Rotors 12 befestigt sind. Selbstverständlich kann auch eine andere Anzahl an Rotorblättern 13 pro Rotor 12 vorgesehen sein. Die Bottoms are attached to a support structure of the rotor 12. Of course, a different number of rotor blades 13 per rotor 12 may be provided. The
Rotorblätter 13 haben ein unsymmetrisches, gewölbtes Profil nach der Art eines Flugzeugflügels. Die konvex gewölbten Flächen der Rotorblätter 13 sind nach innen in Richtung der Drehachse 14 gerichtet . Bei Inbetriebnahme oder Wartung der Windkraftanlage 10 der Radius des Rotors 12, das heißt der Abstand zwischen der Drehachse 14 des Rotors und einer Rotor blades 13 have an asymmetrical, curved profile in the manner of an aircraft wing. The convexly curved surfaces of the rotor blades 13 are directed inwards in the direction of the axis of rotation 14. During commissioning or maintenance of the wind turbine 10, the radius of the rotor 12, that is the Distance between the axis of rotation 14 of the rotor and a
Längsachse 15 der Rotorblätter 13 sowie gegebenenfalls auch eine Ausrichtung der Rotorblätter 13 um ihre jeweilige Longitudinal axis 15 of the rotor blades 13 and optionally also an orientation of the rotor blades 13 about their respective
Längsachse 15 manuell eingestellt werden. Der dargestellte Rotor 12 ist ohne eine Windnachführung realisiert, da die Ausrichtung der Rotorblätter 13 um ihre jeweilige Längsachse 15 nicht während des Betriebs der Windkraftanlage variiert werden kann. Im Bereich eines oberen Endes 13a der Longitudinal axis 15 can be adjusted manually. The illustrated rotor 12 is realized without wind tracking, since the orientation of the rotor blades 13 about their respective longitudinal axis 15 can not be varied during operation of the wind turbine. In the area of an upper end 13a of the
Rotorblätter 13 sind Winglets 19 vorgesehen. Ebenso ist es denkbar, Wirbelgeneratoren (nicht gezeigt) nach Art der Rotor blades 13 winglets 19 are provided. It is also conceivable vortex generators (not shown) in the manner of
Wirbelgeneratoren 19a aus Figur 9b auf der zur Drehachse 14 gerichteten Saugoberfläche der Rotorblätter 13 anzuordnen, in der Nähe und entlang der Hinterkante 13c der Blätter 13. Vortex generators 19a of Figure 9b to arrange on the rotational axis 14 directed to the suction surface of the rotor blades 13, in the vicinity and along the trailing edge 13c of the leaves thirteenth
Figur 14 zeigt einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 10. Im Unterschied zu dem Beispiel aus Figur 13 ist der hier gezeigte Rotor 12 mit einer regelbaren Windnachführung ausgestattet . Dabei kann die Ausrichtung der Rotorblätter 13 um ihre jeweilige Längsachse 15 während des Betriebs der Windkraftanlage 10 variiert werden (sog. Pitch-System) . Es kann eine permanente Pitch-Regelung abhängig von Windrichtung und Windgeschwindigkeit realisiert werden. Dadurch ist es auch möglich, bei Stillstand des Rotors 12 eine optimale Einstellung zur Windlastminderung FIG. 14 shows a part of a further exemplary embodiment of a wind power plant 10 according to the invention. In contrast to the example from FIG. 13, the rotor 12 shown here is equipped with an adjustable wind track. In this case, the orientation of the rotor blades 13 about their respective longitudinal axis 15 during operation of the wind turbine 10 can be varied (so-called pitch system). It can be realized a permanent pitch control depending on wind direction and wind speed. As a result, it is also possible, when the rotor 12 is at a standstill, to set the wind load optimally
einzustellen. Auch dieser Rotor 12 kann mit Winglets 19 und/oder Wirbelgeneratoren 19a ausgestattet sein, die hier jedoch beide nicht eingezeichnet sind. Im Unterschied zu den Rotorblättern 13 aus Figur 13 haben diese in Figur 14 ein symmetrisches Profil und können deshalb besonders adjust. Also, this rotor 12 may be equipped with winglets 19 and / or vortex generators 19 a, which, however, both are not shown here. In contrast to the rotor blades 13 from FIG. 13, these have a feature in FIG. 14 symmetrical profile and therefore can be special
kostengünstig hergestellt werden. be produced inexpensively.
Die in den Figuren 13 und 14 gezeigten Rotoren 12 von The rotors 12 shown in FIGS. 13 and 14 of FIG
erfindungsgemäßen Windkraftanlagen 10 können zudem eine geometrische Verwindung der Rotorblätter 13 um ihre Wind turbines 10 according to the invention can also be a geometric distortion of the rotor blades 13 to their
Längsachsen 15 (entlang der Spannweite) aufweisen. Have longitudinal axes 15 (along the span).
Figur 15 zeigt für das Beispiel aus Figur 14 den FIG. 15 shows the example of FIG
Lagerungsabschnitt 82, der - wie bei dem Beispiel in Figur 12 - in radialer Richtung versetzt zu dem Storage section 82, which - as in the example in Figure 12 - in the radial direction offset to the
Energieerzeugungsabschnitt 80 an dem Ringgenerator 18 Power generating section 80 on the ring generator 18th
ausgebildet ist. Selbstverständlich sind auch hier andere Ausgestaltungen und Anordnungen von Lagerungsabschnitt 82 und Energieerzeugungsabschnitt 80 denkbar. Sehr schön zu erkennen ist ein in dem Rotor 12 angeordneter Motor 12a, der über ein Getriebe (nicht dargestellt) ein Rotorblatt 13 des Rotors 12 um die Längsachse 15 und damit den Anstellwinkel des Blatts 13 verstellen kann. Es empfiehlt sich, auf dem Schwimmkörper 30 zumindest im Bereich der Serviceklappe 34, vorzugsweise aber um den gesamten Rotor 12 herum, einen Sicherheitszaun 30a vorzusehen, der verhindert, dass Personen in den is trained. Of course, other configurations and arrangements of storage section 82 and power generation section 80 are also conceivable here. A motor 12a arranged in the rotor 12 can be seen very nicely, which can adjust a rotor blade 13 of the rotor 12 about the longitudinal axis 15 and thus the angle of attack of the blade 13 via a gear (not shown). It is advisable to provide on the float 30, at least in the area of the service flap 34, but preferably around the entire rotor 12 around, a security fence 30a, which prevents people in the
Gefahrenbereich der Rotorblätter 13 gelangen können. Hazardous area of the rotor blades 13 can get.
Zusammenfassend kann die erfindungsgemäße Windkraftanlage 10 somit eines oder mehrere der nachfolgend aufgeführten Merkmale aufweisen : In summary, the wind turbine 10 according to the invention can thus have one or more of the following features:
- Einen vertikalachsigen Rotor 12, vorzugsweise in - A vertical axis rotor 12, preferably in
Leichtbauweise entworfen. - Vorzugsweise zwei oder drei Rotorblätter 13 je Rotor 12, die gleichmäßig über den Umfang des Rotors 12 verteilt angeordnet sind (bei zwei Rotorblättern 13 haben diese in Umfangsrichtung einen Abstand von etwa 180° zueinander, bei drei Rotorblättern von etwa 120°), wobei Lightweight design. - Preferably two or three rotor blades 13 per rotor 12, which are distributed uniformly over the circumference of the rotor 12 (in two rotor blades 13 have these in the circumferential direction a distance of about 180 ° to each other, with three rotor blades of about 120 °), wherein
grundsätzlich auch mehr als drei Rotorblätter 13 je Rotor 12 vorgesehen werden können.  In principle, more than three rotor blades 13 per rotor 12 can be provided.
- Geometrie der Blätter 13: Darrieus-Typ (Rotor 12 mit - geometry of the leaves 13: Darrieus type (rotor 12 with
flexiblen, bogenförmigen Blättern 13 kanadischer Art) , H- Darrieus-Typ (Rotor 12 mit geraden, starren Blättern 13 gemäß Figuren 1, 2 und 10), „verdrillte" starre  flexible, arcuate leaves 13 Canadian style), H-Darrieus type (rotor 12 with straight, rigid leaves 13 according to Figures 1, 2 and 10), "twisted" rigid
Rotorblätter 13 (3D-Strangdesign in Doppel-Helix-Form oder vorzugsweise in Dreifach-Helix-Form gemäß Figur 4) .  Rotor blades 13 (3D strand design in double helical form or preferably in triple helix shape according to FIG. 4).
- Rotorblätter 13 mit wachsender Profiltiefe t entlang der Spannweite vom oberen Ende (t0) zum unteren Ende (tu) der Blätter 13 (t0 < tu) , zur optimaler Nutzung der Wind- Anströmung wegen der atmosphärischen Grenzschicht. - Rotor blades 13 with increasing tread depth t along the span from the upper end (t 0 ) to the lower end (t u ) of the leaves 13 (t 0 <t u ), for optimal use of the wind flow due to the atmospheric boundary layer.
- Rotorblätter 13 sind auf der Mantelfläche eines Zylinders (vgl. Figuren 1 bis 6 und 10) oder vorzugsweise eines Kegels (konische Anordnung, vgl. Figur 7a, hier nach oben spitz zulaufend, und Figur 7b, hier nach unten spitz zulaufend) angeordnet . - Rotor blades 13 are arranged on the lateral surface of a cylinder (see Figures 1 to 6 and 10) or preferably a cone (conical arrangement, see Figure 7a, tapering up here, and Figure 7b, tapering down here).
- Auf schwimmenden Plattformen (Schwimmkörper 30) montiert. - Mounted on floating platforms (Float 30).
- Einen im Inneren des Schwimmkörpers 30 angeordneten - One arranged inside the float 30
Generator 18, vorzugsweise in Form eines flachliegenden Großringkondensators mit einer Leistung von mindestens 7,5 MW . Generator 18, preferably in the form of a flat lying Large ring capacitor with a capacity of at least 7.5 MW.
- Mindestens eine Serviceklappe 34 in der Außenhaut des At least one service flap 34 in the outer skin of the
Schwimmkörpers 30 oberhalb der Wasseroberfläche 32.  Float 30 above the water surface 32nd
- Die Schwimmkörper 30 haben eine geeignete Form, die einen modularen Aufbau von Windparks 70 aus mehreren aneinander befestigten Windkraftanlagen 10 ermöglicht. - The floating body 30 have a suitable shape that allows a modular structure of wind farms 70 from several wind turbines 10 attached to each other.
- Zwischen Rotor 12 der Windkraftanlage 10 und dem Between rotor 12 of the wind turbine 10 and the
Generator 18 ist vorzugsweise kein Getriebe zum Umsetzen der Drehzahl des Rotors 12 in eine andere Drehzahl des Ringgeneratorläufers 22; der Generatorläufer 22 rotiert mit der gleichen Drehzahl wie der Rotor 12 der  Generator 18 is preferably not a transmission for converting the rotational speed of rotor 12 to another rotational speed of annular generator rotor 22; the generator rotor 22 rotates at the same speed as the rotor 12 of the
Windkraftanlage 10.  Wind turbine 10.
- Lagerung der Rotorwelle 16 in dem Schwimmkörper 30 - Storage of the rotor shaft 16 in the float 30th
mittels neuartiger Lagerkonzepte, z.B. Gleitlagerung, Permanentmagnetlagerung, Luftlagerung oder einer  by means of novel storage concepts, e.g. Slide bearing, permanent magnet bearing, air bearing or a
Kombination solcher Lagerkonzepte.  Combination of such storage concepts.
- Antriebsanordnung mit einem GNSS 50, einem Antrieb 54 und einer Steuer- oder Regelungseinrichtung 58 zum autonomen Positionieren und Ausrichten der Windkraftanlage 10 bezüglich des Meeresgrunds 42. - Drive arrangement with a GNSS 50, a drive 54 and a control or regulating device 58 for autonomous positioning and alignment of the wind turbine 10 with respect to the seabed 42nd

Claims

Patentansprüche  claims
1. Auf einer Wasseroberfläche (32) schwimmende offshore 1. Floating offshore on a water surface (32)
Windkraftanlage (10) mit einem Rotor (12) mit einer um eine vertikale Drehachse (14) rotierbaren Welle (16) , wobei die Welle (16) mit einem Generator (18) in  Wind turbine (10) having a rotor (12) with a shaft (16) rotatable about a vertical axis of rotation (14), the shaft (16) being connected to a generator (18) in
Verbindung steht, der eine Drehbewegung der Welle (16) in elektrische Energie umwandelt, und mit mindestens einem Schwimmkörper (30) , dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (18) in dem Schwimmkörper (30) angeordnet und über eine Serviceklappe (34) in dem Schwimmkörper (30) von oberhalb der Wasseroberfläche (32) zugänglich ist.  Connection, which converts a rotational movement of the shaft (16) into electrical energy, and at least one floating body (30), characterized in that the generator (18) in the float (30) and arranged via a service flap (34) in the Float (30) from above the water surface (32) is accessible.
2. Windkraftanlage (10) nach Anspruch 1, dadurch 2. Wind power plant (10) according to claim 1, characterized
gekennzeichnet, dass der Generator (18) als ein  characterized in that the generator (18) as a
flachliegender Ringgenerator ausgebildet ist, der ohne Zwischenschaltung eines Getriebes direkt mit der Welle (16) in Verbindung steht und ohne Zwischenschaltung eines Frequenzumrichters direkt Energie einer geforderten  flat-lying ring generator is formed, which is directly connected to the shaft (16) without the interposition of a transmission and without the interposition of a frequency converter directly required energy
Netzfrequenz erzeugt.  Mains frequency generated.
3. Windkraftanlage (10) nach Anspruch 2, dadurch 3. Wind power plant (10) according to claim 2, characterized
gekennzeichnet, dass der Ringgenerator (18) einen  in that the ring generator (18) has a
Energieerzeugungsabschnitt mit einem Generatorstator (20) und einem Generatorläufer (22) sowie einen  Power generation section with a generator stator (20) and a generator rotor (22) and a
Lagerungsabschnitt aufweist, der ausgebildet ist, eine Magnetlagerung der Welle (16) zumindest in einer Richtung parallel zu der vertikalen Drehachse (14) zu realisieren. Storage portion which is adapted to realize a magnetic bearing of the shaft (16) at least in a direction parallel to the vertical axis of rotation (14).
4. Windkraftanlage (10) nach Anspruch 3, dadurch 4. Wind power plant (10) according to claim 3, characterized
gekennzeichnet, dass der Lagerungsabschnitt ausgebildet ist, eine Magnetlagerung der Welle (16) auch in einer Richtung quer zu der vertikalen Drehachse (14) zu  characterized in that the bearing portion is adapted to a magnetic bearing of the shaft (16) also in a direction transverse to the vertical axis of rotation (14)
realisieren .  realize.
5. Windkraftanlage (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch 5. Wind power plant (10) according to claim 3 or 4, characterized
gekennzeichnet, dass der Lagerungsabschnitt des  characterized in that the storage section of the
Ringgenerators (18) in Richtung der vertikalen Drehachse (14) versetzt zu dem Energieerzeugungsabschnitt an dem Ringgenerator (18) ausgebildet ist.  Ring generator (18) in the direction of the vertical axis of rotation (14) offset from the power generating portion to the ring generator (18) is formed.
6. Windkraftanlage (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch 6. Wind power plant (10) according to claim 3 or 4, characterized
gekennzeichnet, dass der Lagerungsabschnitt des  characterized in that the storage section of the
Ringgenerators (18) quer zu der vertikalen Drehachse (14) versetzt zu dem Energieerzeugungsabschnitt an dem  Ring generator (18) transversely to the vertical axis of rotation (14) offset to the power generation section on the
Ringgenerator (18) ausgebildet ist.  Ring generator (18) is formed.
7. Windkraftanlage (10) nach einem der vorangehenden 7. Wind turbine (10) according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) mehrere Rotorblätter (13) aufweist, die jeweils eine im Wesentlichen vertikale Spannweite entlang einer  Claims, characterized in that the rotor (12) has a plurality of rotor blades (13), each having a substantially vertical span along a
Längsachse (15) haben und die jeweils in einem Abstand zu der Drehachse (14) angeordnet sind, wobei eine  Have longitudinal axis (15) and which are each arranged at a distance from the axis of rotation (14), wherein a
Profiltiefe (t) der Rotorblätter (13) am unteren Ende (tu) der Rotorblätter (13) größer ist als am oberen Ende (t0) . Profile depth (t) of the rotor blades (13) at the lower end (t u ) of the rotor blades (13) is greater than at the upper end (t 0 ).
8. Windkraftanlage (10) nach einem der vorangehenden 8. Wind turbine (10) according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) mehrere Rotorblätter (13) aufweist, die jeweils eine Spannweite entlang einer Längsachse (15) haben und in einem Abstand zu der Drehachse (14) angeordnet sind, wobei die Längsachsen (15) der Rotorblätter (13) um die Drehachse (16) des Rotors (12) verdreht sind. Claims, characterized in that the rotor (12) comprises a plurality of rotor blades (13), each having a Span along a longitudinal axis (15) and are arranged at a distance from the axis of rotation (14), wherein the longitudinal axes (15) of the rotor blades (13) about the rotational axis (16) of the rotor (12) are rotated.
9. Windkraftanlage (10) nach Anspruch 8, dadurch 9. Wind power plant (10) according to claim 8, characterized
gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (13) jeweils um einen Teil eines Umfangs, der mindestens dem Kehrwert der Gesamtzahl an Rotorblättern (13) des Rotors (12)  in that the rotor blades (13) are each provided with a part of a circumference which is at least the reciprocal of the total number of rotor blades (13) of the rotor (12).
multipliziert mit 360° entspricht, um die Drehachse (14) verdrillt sind.  multiplied by 360 ° corresponds to the rotation axis (14) are twisted.
10. Windkraftanlage (10) nach einem der vorangehenden 10. Wind turbine (10) according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) mehrere Rotorblätter (13) aufweist, die jeweils eine Spannweite entlang einer Längsachse (15) haben und in einem Abstand zu der Drehachse (14) angeordnet sind, wobei ein Abstand (a) der Rotorblätter (13) zu der  Claims, characterized in that the rotor (12) has a plurality of rotor blades (13), each having a span along a longitudinal axis (15) and arranged at a distance from the axis of rotation (14), wherein a distance (a) of the rotor blades (13) to the
Drehachse (14) am unteren Ende (au) der Rotorblätter (13) kleiner ist als am oberen Ende (a0) , so dass bei einer Beaufschlagung der Rotorblätter (13) mit Wind eine nach oben gerichtete Kraftkomponente (FL) auf den Rotor (12) wirkt . Rotary axis (14) at the lower end (a u ) of the rotor blades (13) is smaller than at the upper end (a 0 ), so that when an impact of the rotor blades (13) with wind an upward force component (F L ) on the Rotor (12) acts.
11. Windkraftanlage (10) nach einem der vorangehenden 11. Wind turbine (10) according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die  Claims, characterized in that the
Windkraftanlage (10) über durchhängende oder vorgespannte Leinen (40) am Grund (42) des Wassers verankert ist, auf dem die Windkraftanlage (10) schwimmt. Wind turbine (10) via sagging or prestressed lines (40) is anchored to the bottom (42) of the water on which the wind turbine (10) floats.
12. Windkraftanlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage (10) ein Global Navigation Satellite System (50) , nachfolgend GNSS, um eine aktuelle Position der Windkraftanlage (10) zu erfassen, einen Antrieb (54) , um die Position und/oder Ausrichtung der Windkraftanlage (10) auf der 12. Wind power plant (10) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the wind turbine (10) a Global Navigation Satellite System (50), hereinafter GNSS to capture a current position of the wind turbine (10), a drive ( 54) to the position and / or orientation of the wind turbine (10) on the
Wasseroberfläche (32) zu verändern, und eine Steuer- oder Regelungseinrichtung (58) aufweist, die mit dem GNSS (50) und dem Antrieb (54) in Verbindung steht, um den Antrieb Water surface (32) to change, and a control device (58), which communicates with the GNSS (50) and the drive (54) to the drive
(54) in Abhängigkeit von der erfassten Position der (54) depending on the detected position of the
Windkraftanlage (10) anzusteuern, um die Windkraftanlage Wind turbine (10) to control the wind turbine
(10) in eine gewünschte Position und/oder Ausrichtung auf der Wasseroberfläche (32) zu bringen. (10) to a desired position and / or orientation on the water surface (32).
13. Offshore Windpark (70) umfassend mehrere offshore 13. Offshore Wind Farm (70) comprising several offshore
Windkraftanlagen (10) , dadurch gekennzeichnet, dass der Windpark (70) aus mehreren Windkraftanlagen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 modular aufgebaut ist.  Wind power plants (10), characterized in that the wind farm (70) from several wind turbines (10) according to one of claims 1 to 12 has a modular structure.
14. Windpark (70) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlagen (10) des Windparks (70) starr miteinander verbunden sind. 14. Wind farm (70) according to claim 13, characterized in that the wind turbines (10) of the wind farm (70) are rigidly interconnected.
15. Windpark (70) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich mindestens eine ausgewählte 15. Wind farm (70) according to claim 14, characterized in that only at least one selected
Windkraftanlage (10) des Windparks (70) ein GNSS (50) , um eine aktuelle Position der Windkraftanlage (10) zu erfassen, und einen Antrieb (54) aufweist, um die Position und/oder Ausrichtung des gesamten Windparks (70) auf der Wasseroberfläche (32) zu verändern. Wind turbine (10) of the wind farm (70) a GNSS (50) to detect a current position of the wind turbine (10), and a drive (54) to the Position and / or orientation of the entire wind farm (70) on the water surface (32) to change.
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