NL2001663C2 - Systeem en werkwijze voor energiewinning. - Google Patents

Description

P84338NL00

Titel; Systeem en werkwijze voor energiewinning

De uitvinding betreft een systeem voor energiewinning, voorzien van een op zee geplaatste offshore windmolen.

De uitvinding betreft ook een werkwijze voor het winnen van energie, waarbij op zee een rotor van een windmolen door wind. wordt 5 aangedreven.

Het is bekend dat offshore windmolenparken gebruik kunnen maken van de relatief grote hoeveelheden wind en ruimte die aanwezig is op open zee, voor het omzetten van windenergie in elektrische energie. Bijvoorbeeld winnen deze windmolenparken hoeveelheden van 200 tot 500 10 MW per jaar.

Een nadeel van windmolens die in dergelijke parken worden toegepast is dat ze relatief duur zijn. In de generator, kabels, bijvoorbeeld switch-gear elektriciteitskabels, en/of elektronica van de windturbines is veelal koper aanwezig. Door afwisselende windsnelheden leveren de 15 windmolens bijvoorbeeld maar gedurende 3Ö tot 50% van de tijd dat ze beschikbaar zijn energie. De rest van de tijd, in het bijzonder bij te lage of te bqge wind, staan de windmolens bijvoorbeeld stil en blijft de capaciteit van de windmolen onbenut. Hierdoor kan het zijn dat het gebruik van een windturbine en/of een windmolenpark, en in het bijzonder de toep assing van 20 het relatief dure koper, gedurende lange tijd niet rendabel is.

De relatief grote hoeveelheid componenten in een Windturbine maken de windmolen erg complex. Ook dient de ondersteuningsconstructie van bestaande offshore windmolens relatief zwaar te zijn uitgevoerd, aangezien de kop van de windmolen is voorzien van een relatief zware 25 generator.

2

Sen doel van de uitvinding is derhalve een alternatief te bieden voor bestaande offshore windmolens en/of windmolenparken, en/of een alternatieve werkwijze te bieden voor het winnen van energie op zee.

Dit doel en/of andere doelen kunnen worden bereikt met een 5 systeem volgens conclusie X.

Dit doel en/of andere doelen kunnen ook worden bereikt met een werkwijze volgens conclusie 18.

Verdere voordelige uitvoeringsvormen volgens de uitvinding zijn weergegeven in de volgconclusies en zullen tevens blijken uit de 10 beschrijving, waarin de uitvinding in meerdere uitvoeringsyoorbeelden aan de hand van de bijgevoegde tekeningen nader wordt beschreven. Daarin toont:

Hg. 1 op schematische wijze een systeem voor energiewinning;

Hg. 2 op eveneens schematische wijze een transformatorplatfbrm. 15 In deze beschrijving hebben gelijke of corresponderende delen gelijke of corresponderende verwijzingscijfers. In de tekening zijn slechts als voorbeeld uitvoeringsvormen getoond. De daarbij gebruikte elementen zijn slechts als voorbeeld genoemd en dienen geenszins beperkend te worden uitgelegd 20 ' In figuur 1 is op schematische wijze een uitvoeringsvorm van een systeem 1 voor energiewinning met een offshore windmolen 2 getoond. In deze beschrijving kan onder “offshore” bijvoorbeeld “op zee” pf “in zee” worden begrepen. De windmolen 2 is in zee 3 geplaatst en is voorzien van een mechanisch aangedreven waterpomp 4. De pomp 4 pompt in gebruik Via 25 ëen waterleidingstelsel 5 zeewater uit de zee 3 door het waterleidingstelsel 5 richting een generator 6 die wordt aange dreven door het gepompte zeewater. De pomp 4 is bij voorkeur ingericht in de kop 7, ook wel gondel genoemd, van de windmolen 2. De kop 7 is tevens voorzien van een rotor 8, waarvan de as 9 bij voorkeur ongeveer horizontaal is opgesteld en welke 30 rotor 8 bijvoorbeeld is voorzien van tenminste twee wieken 10. Bij voorkeur 3 strekt een aandrijfas XI van de pomp 4 zich ongeveer in het verlengde Van de rotajtieas 12 van de rotoras 9 uit, en/of ie de aandrijfas 11 direct met de rotoras 9 verbonden, en/of is de rotoras 9 onderdeel van de aandrijfas .11, zpdat de pomp 4 op voordelige wijze direct door de rotoras 9 kan worden 5 aangedreven.

Het waterleidingstelsel 5 is voorzien yan tenminste één waterleiding 13. De waterleiding 13 strekt zich bijvoorbeeld tenminste deels uit in de windmolenmast 14 tussen het zeewater en de pomp 4, zodat zeewater uit de zee 3 kan worden gepompt door de windmolen 2. De 10 waterleiding 13 zou zich bijvoorbeeld ook langs of althans nabij de mast 14 kunnen uitstrekken. Voor het oppompen van zeewater strekt zich een eerste einddeel van het waterleidingstelsel 5 tot beneden het oppervlak 16 van de zee 3 uit. In gebruik wordt het zeewater door de waterleiding 13 in een lichting 17 omhoog gepompt, en via de pomp 4 in een richting 13 omlaag, en 15 vervolgens richting de generator 6 voor aandrijving daarvan.

Bijvoorbeeld omvat de mast 14 een buisvormige constructie of een frame 15 of iets dèrgelijks. De mast 14 is bij voorkeur voorzien van een fundament of voet voor verankering van de molen 2 in de zeebodem.

Tussen de windmolen 2 en de generator 6 strekt zich bijvoorbeeld 20 een-waterleiding 19 uit, die zich bij voorkeur tenminste deels door en/of onder en/of over de zeebodem 20 uitstrekt. De generator 6 kan bijvoorbeeld op een platform 21 zijn ingericht, welk platform 21 bij voorkeur deels boven het zeeoppervlak 16 is Dpgesteld, bijvoorbeeld zodat de generator 6 tenminste deels boven het zeeoppervlak 16 kan worden opgesteld. In een 25 andere uitvoeringsvorm is de generator 6 bijvoorbeeld geheel of deels onder water opgesteld. Vanaf de generator 6 strékt zich bijvoorbeeld tenminste één elektriciteitskabel 22 uit door het zeewater en/of, onder en/of Over de zeebodem 20 om de door de generator 6 opgewekte elektrische energie naar land te voeren. Een tweede einddeel van het waterleidingstelsel 5 kan 30 ervoor zorgdragen dat het gebruikte zeewater Weer terügstroomt in de zee 3.

4

Deze uitvoeringsvorm betreft een open waterleidingssysteem waarin zeewater uit de zee 3 wordt opgepompt en na aandrijving van de generator 6 terug in de zee 3 stroomt.

In een andere uitvoeringsvorm betreft bet waterstelsel 5 5 bijvoorbeeld een tenminste deels gesloten systeem, waarbij in hoofdzaak hetzelfde zeewater meer dan één keer wordt rondgepompt. Nadat bet zeewater de generator 6 is gepasseerd wordt bet nogmaals door de pomp 4 rondgepompt.

In een voorkeursmtyoeringsvoirm van het systeem 1 drijft de rotor 10 8 de pomp 4 aan, drijft de pomp 4 bet zeewater aan zodat dit door bet waterleidingstelsel 5 stroomt, en drijft bet door het waterleidingstelsel 5 stromende zeewater uiteindelijk de generator 6 aan, voor bet opwekken van elektrische energie.

In nog een uitvoeringsvorm is het systeem 1, in het bijzonder bet 15 waterleidingstelsel 5 voorzien van een bassin 23 waarin gepompt zeewater kan worden opgeslagen. Een transformatorplatform 21 met daarop een bassin 23 is schematisch getoond in figuur 2. Aangezien de generator € relatief zwaar en/of groot is in vergelijking met conventionele windmolengeneratoren is bet voordelige deze op een separaat platform 21 te 20 plaatsen. Het platform 21 biedt de mogelijkheid de generator 6 relatief eenvoudig te benaderen voor onderhoud en/of het verwisselen van de generator 6. Het bassin 23 is bijvoorbeeld middels een waterleidmguitvoer 24 gekoppeld met de generator 6, zodat in bet bassin 23 opgeslagen zeewater kan worden gebruikt voor bet aandrijven van de generator 6. Hét 25 opgeslagen zeewater kan bijvoorbeeld middels zwaartekracht door de uitvoer 24 naar de generator 6 stromen. Het waterleidingstelsel 5 is zodanig ingericht dat de snelheid en/of druk van bet zeewater dat uit bet bassin 23 stroom boog genoeg kan zijn om de generator 8 aan te drijven voor bet opwekken van elektrische energie. Ook kan bij het bassin 23 bijvoorbeeld 30 een tweede waterpomp zijn Voorzien voor het opvoeren van de snelheid of 5 druk, en/of kan het water deels door reeds genoemde door de rotor 8 aangedreven pomp 4 worden aangedreven.

In een uitvoeringsvorm is het waterleidingstelsel 5 ingericht om het gepompte zeewater direct langs of door de generator 6 te leiden ter 5 aandrijving daarvan. Daartoe is bijvoorbeeld geen bassin 23 voorzien, of is bijvoorbeeld een wateromleiding 25 voorzien, die het zeewater het bassin 23 laat passeren, bijvoorbeeld doordat de omleiding 25 zich door het bassin 23 uitstrekt of zich om het bassin 23 heen uitstrekt.

In een uitvoeringsvorm is het waterleidingstelsel 5 vooraan van 10 een aansturing 26 die is ingericht om een hoeveelheid zeewater die de generator 6 aandiijft te doseren. De aansturing 26 omvat bijvoorbeeld een voorgeprogrammeerd elektrisch circuit. De aansturing 26 is bijvoorbeeld ingericht om bij een relatief hoge hoeveelheid gepompt zeewater, bijvoorbeeld bij relatief veel vond, tenminste een deel van bet gepompte 15 zeewater in bet bassin 23 te leiden. In deze beschrijving kan onder relatief veel wind een relatief hoge windsnelheid worden begrepen. Daartoe is bet waterleidingstelsel 5 bijvoorbeeld voorzien van een klepmechanisme 27. Wanneer relatief veel zeewater door bet waterleidingstelsel 5 wordt gepompt, bijvoorbeeld veroorzaakt door relatief veel wind, kan ervoor 20 worden gekozen een deel van bet zeewater, of al bet zeewater, in bet bassin 23 te leiden voor later gebruik, bijvoorbeeld als dé windsnelheid is afgenomen. Het klepmechanisme 27 wordt daartoe bijvoorbeeld door de aansturing 26 aangestuurd om tenminste een deel van bet zeewater in bet bassin 23 te leiden. Bijvoorbeeld ontvangt de aansturing 26 daartoe een 25 signaal van een meetsysteem dat de snelheid en/of druk van bet zeewater in bet waterleidingstelsel 5 meet, ën/of de snelheid en/of druk van het zeewater dat de generator 6 aandrijft en/of de hoeveelheid opgewekte energie door de generator 6. Er kan bijvoorbeeld worden gekozen Om een resterend deel van het zeewater door de omleiding 25 te laten stromen, direct naar de 80 generator 6 en/of terug in de zee te geleiden.

6

In een uitvoeringsvorm is de aansturing 26 ingericht om bij een relatief lage hoeveelheid gepompt zeewater een bepaalde hoeveelheid uit het bassin 23 naar de generator 6 te leiden, bijvoorbeeld ten einde de generator 6 over een relatief lange tijdsperiode met een relatief constante hoeveelheid 5 zeewater aan te kunnen drijven met zeewater uit het bassin 23. Daartoe is het waterleidingstelsel 5 bijvoorbeeld voorzien van een tweede klepmechanisme 28 die het water in de uitvoer 24 kan laten stromen, althans in een tenminste deels open toestand.

Zoals ondermeer uit bovenbeschreven uitvoeringsvormen blijkt, 10 kan het systeem 1 zodanig worden ingericht dat de generator 6 gedurende vooraf bepaalde perioden Telatief constant in gebruik is en/of zodat pieken en dalen in de opgewekte energie kunnen worden tegengegaan. Ook kan de hoeveelheid zeewater dat de generator 6 aandrijft worden gedoseerd. In een uitvoeringsvorm wordt gedurende lange, relatief continue perioden de 15 maximale capaciteit van de generator 6 en/of de electririteitskabels 22 benut en/of een maximale of althans gewenste hoeveelheid elektrische energie opgewekt.

In een uitvoeringsvorm is het waterleidingstelsel 5 en in het bijzonder do waterleiding 13 ingericht om een maximale hoeveelheid water 20 te Leiden. In het bijzonder is de omtrek van de waterleidingen 13,19 zodanig groot dat een maximale hoeveelheid zeewater door de leidingen 13, 19 kan stromen als de pomp 4 op maximaal vermogen zeewater door de leidingen 13, 19 pompt. Dit betekent dat de rotor 8 ook bij hoge windsnelheden kan draaien, ook op snelheden waarbij de conventionele turbines zouden wordèn 25 uitgezet. In deze uitvoeringsvorm Wordt bet aangelegde waterleidingstelsel 5 gebruikt bij hoge windsnelheden, terwijl bij diezelfde windsnelheden de kabels en/of generator van conventionele windmolens niet in gebruik zouden worden genomen omdat de maximale capaciteit dan zou worden overschreden. Het waterleidingstelsel 5 is derhalve niet alleen goedkoper, 7 maar heeft ook een hoger rendement, dan conventionele generatoren en/of elektriciteitskabels in conventionele windmolens.

In een uitvoeringsvorm wordt de uitvinding toegepast in een ofishore windmolenpark. Hierbij zijn meerdere, bijvoorbeeld tientallen of 5 meer dan honderd, windmolens 2 voorzien. Élke windmolen 2 kan zijn voorzien van een pomp 4 voor het pompen van zeewater. Bij voorkeur wordt hierbij zeewater recht uit de zee rondgepompt in een open circuit. De pompen 4 drijven het zeewater bijvoorbeeld gezamenlijk door het waterleidingstelsel 5, bijvoorbeeld door een waterleiding 19 onderzee, 10 waarmee bijvoorbeeld één generator 6 wordt aangedreven. Het aansluiten van meerdere pompen 4 op één generator 6 heeft ondermeer het voordeel dat maar één generator 6 hoeft te worden onderhouden. De generator 6 doet -hierbij dienst als een waterkrachtcentrale. Deze uitvoeringsvorm heeft ondermeer als voordeel dat relatief grote hoeveelheden dure en/of 15 onderhoudsgevoelige generatoren 6 kunnen worden tegengegaan.

De pump 4 in de windmolen 2 geeft de rotatie-energie door in de vorm Van druk' en/of snelheidsverhoging van het zeewater in het waterleidingstelsel 5. In een uitvoeringsvorm wordt de pomp 4 bijvoorbeeld relatief onderaan de mast 14, of bijvoorbeeld ongeveer ter hoogte van het 20 zeeoppervlak 16 op de mast 14 ingericht. Op deze wijze hoeft geen pomp 4 in de kop 5 van de molen 2 te worden ingericht. Hierbij is bijvoorbeeld een as voorzien die de rotatie van de rotor 8 in verticale richting naar beneden overbrengt op de pomp 4. Een voordeel van deze uitvoeringsvorm is ondermeer dat geen pomp 4 in de kop 5 hoeft te worden ingericht, 25 Onderhoud of vervanging van de pomp 4 kan tevens eenvoudig worden ttitgevoerd.

In een andere uitvoeringsvorm, bijvoorbeeld zoals is getoond in figuur 1, is de pomp 4 in de kop 5 van de windmolen 2 ingericht. Dit heeft ondermeer als voordeel dat de aandrijfas 11 van de pomp 4 zich in het 30 verlengde van de rotoras 9 kan uitstrekken, zodat dë rotatie van de rotor 8 8 relatief efficiënt kan worden overgebracht voor aandrijving van de pomp 4. Het zeewater wordt dan langs de mast 14 omhoog gepompt door de pomp 4, waarvoor slechts een relatief goedkope waterleiding 13 hoeft te worden geïnstalleerd, In weer een andere uitvoeringsvorm is een windmolen 2 5 voorzien van meerdere pompen 2, bijvoorbeeld ingericht in of nabij de kop 5, en/of in of nabij de mast 14 van de windmolen 2.

Ten opzichte van conventionele offshore windmolens 2 heeft het inrichten van de pomp 4, dan wel in de kop 5, dan wel in of aan de mast 14, ondermeer het voordeel dat de topmassa van de windmolen 2 beperkt kan 10 blijven, aangezien een waterpomp 4 relatief licht kan worden uitgévoerd ten opzichte van een generator voor een conventionele windturbine. Een relatief lichte topmassa kan de dynamica van de windmolen 2 ten goede komen. Door de lichtere pomp 4 kan tevens de windmolen 2 lichter, en/of eenvoudiger en/of goedkoper worden geconstrueerd. Bovendien is een pomp 15 4, in het bijzonder een mechanische waterpomp 4, in veel gevallen minder onderhoudsgevoelig dan een generator 6. Ook kan gebruik van koper in de molen 2 worden tegengegaan, waardoor de kosten beperkt kunnen blijven. Door niet een conventionele windturbinegenerator maar een waterpomp 4 in of bij de windmolen 2 toe te passen kan het aantal componenten in de 20 windmolen 2 beperkt blijven, wat de faalkans in dè windmolen 2 kan verminderen alsmede de beschikbaarheid van de windmolen 2 kan verhogen.

In een uitvoeringsvorm is het systeem 1, in het bijzonder de pomp 4, het waterleidingstelsel 4 en/of de generator 6, aangepast voor het gebruik 25 van zeewater. Bij voorkeur wordt gebruik gemaakt van corrosiebestendig materiaal, in het bijzonder corrosiebestendige koppelingen en/of voorzieningen dm groei van zeegewassen of dergelijke op delen van het systeem 1 te voorkomen.

Het systeem 1 volgens de uitvinding kan bij voorkeur op zee 30 worden toegepast, maar is in principe ook geschikt voor toepassing in 9 andere wateren, zoals bijvoorbeeld meren, rivieren en dergelijke. In plaats van zeewater kan in principe ook Zoet water of een andere vloeistof worden toegepast.

Doordat de windmolenparken voorzien van systemen 1 volgens de 5 uitvinding relatief voordelig kunnen worden geconstrueerd, kunnen deze bijvoorbeeld met relatief veel windmolens 2 worden ingericht. Bijvoorbeeld omvatten deze systemen 1 energiecentrales die tenminste 200 MW (Megawatt) groot zijn, in het bijzonder tenminste 500 MW. In nog een uitvoeringsvorm worden bijvoorbeeld bestaande windmolens 2 aangepast 10 om te worden toegepast in een systeem 1 volgens de uitvinding.

De beschreven en vele vergelijkbare variaties, evenals combinaties daarvan, worden geacht binnen het door de conclusies geschetste raam van de uitvinding te vallen. Uiteraard kunnen verschillende aspecten van verschillende uitvoeringsvormen en/of combinaties daarvan met elkaar 15 worden gecombineerd en uitgewisseld. Er dient aldus niet tot slechts de genoemde uitvoeringsvormen te worden beperkt

Claims (15)

1. Systeem voor energiewinning, voorzien van een op zee geplaatste offshore windmolen, omvatten een rotor; een waterpomp die 'is gekoppeld aan d.e rotor om daardoor te worden aangedreven voor het pompen van zeewater, 5 een waterleidingstelsel gekoppeld aan de waterpomp voor het doorvoeren van het gepompte zeewater; en een generator die is gekoppeld aan genoemd waterleidingstelsel, en die is ongericht om door het gepompte zeewater te worden aangedreven voor het opwekken van elektrische energie.

2. Systeem volgens conclusie 1, waarbij het waterleidingstelsel is voorzien van een bassin voor opslag van het gepompte zeewater, waarbij het bassin is gekoppeld met de generator, zodat het opgeslagen zeewater kan worden gebruikt voor het aandrijven van de generator.

3. Systeem volgens conclusie 1 of 2, waarbij het waterleidingstelsel is 15 ingericht om het gepompte zeewater direct langs de generator te leiden ter aandrijving daarvan.

4, ' Systeem volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het waterleidingstelsel is voorzien van een aansturing die is ingericht om de druk en/of snelheid van het zeewater dat de generator aandrijft te doseren.

5. Systeem volgens conclusie 4, waarbij de aansturing is ingericht om bij een relatief grote hoeveelheid gepompt zeewater een bepaalde hoeveelheid daarvan naar het bassin te leiden, en om bij een relatief lage hoeveelheid gepompt zeewater een bepaalde hoeveelheid uit het bassin naar de generator te leiden.

6. Systeem volgens één der conclusies 2 - 5, waarbij een offshore platform is voorzien, wélk platform is voorzien van genoemde generator en genoemd bassin.

7. Systeem volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de waterpomp zich in de kop van de windmolen, nabij de rotor bevindt,

8. Systeem volgens conclusie 7, waarbij een rotor van de windmolen is voormen van een rotatie-as die ongeveer horizontaal is, en waarbij een 5 aandrijfas van de pomp zich. ongeveer in het verlengde van de rotatie-as uitstrekt.

9. Systeem volgens één der voorgaande conclusies, voorzien van meerdere windmolens, waarbij de pompen zijn ingericht om gezamenlijk één generator aan te drijven.

10. Systeem volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de waterleiding is voormen van tenminste één waterleiding waarvan de omtrek groot genoeg is om op maximaal vermogen gepompt zeewater door te laten.

11. 'Bouwpakket voor een systeem volgens één der voorgaande conclusies, voorzien van 15 een windmolen, omvatten een rotor; een waterpomp die is ingericht om te worden gekoppeld aan de rotor om daardoor te worden aangedreven voor het pompen van zeewater, tenminste één waterleidingstelsel voor het doorvoeren van het gepompte zeewater; en 20. een generator die is ingericht om te worden gekoppeld asm genoemd waterleidingstelsel, en om door het gepompte zeewater te worden aangedreven voor het opwekken van elektrische energie.

12. Gebruik van zeewater in een windmolen, de windmolen Omvattende een rotor, een door die rotor aangedreven waterpomp voor het 25 pompen van het zeewater voor het aandrijven van een generator, en een waterleidingstelsel voor het geleiden van het zeewater,

13. Werkwijze voor het winnen van energie, waarbij pp zee een rotor van een windmolen door wind wordt aangedreven, waarbij de rotor een waterpomp aandrijft, waarbij de waterpomp door genoemde aandrijving 30 zeewater uit de zee door een waterleidingstelsel pompt dat het gepompte zeewater naar een generator leidt, waarbij de generator door genoemd zeewater wordt aangedreven voor het opwekken van elektrische energie.

14, Werkwijze volgens conclusie 13, waarbij de opgewekte elektrische energie naar land Wordt geleid.

15. Werkwijze volgens conclusie 13 of 14, waarbij met behulp van een windmolenpark op zee meerdere waterpompen worden aangedreven voor het met zeewater aandxijven van één generator.