NO325261B1 - Forankringsarrangement for flytende vindturbininstallasjoner. - Google Patents

Abstract

Oppankringsarrangement for en flytende vindturbininstallasjon, hvilken vindturbininstallasjon innbefatter et flytelegeme (7), et over flytelegemet anordnet tårn (8), en oppå tårnet i forhold til vindretningen dreibart anordnet generator (9) med en vindpropell (10), samt et ankerlinearrangement (6) forbundet med ankere eller forankringer på havbunnen. De enkelte ankerlinene (11) er hver for seg, i en viss avstand fra flytelegemet (7), ved et festepunkt (5) på den enkelte ankerline, forbundet med doble liner (2, 3) som skrår utover og er festet til flytelegemet (7) i et deltaformet arrangement.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et forankringsarrangement for en flytende vindturbininstallasjon, hvilken vindturbininstallasjon innbefatter et flytelegeme, et over flytelegemet anordnet tårn, en oppå tårnet i forhold til vindretningen dreibart anordnet generator med en vindpropell, samt et ankerlinearrangement forbundet med ankere på havbunnen.

Fordelen ved å benytte flytende vindturbiner er at det åpnes for nærmest ubegrenset tilgang til installasjonsområder ved at havområder med relativt stor vanndybde kan benyttes.

Normalt er vindturbiner anordnet slik at propellen er vendt opp mot vinden med tårnet anordnet nedstrøms vindretningen. Dette er for unngå at vindstrømmen forstyrres før den passerer propellen noe som kan føre til tap av energi og uheldige vibrasjoner og impulser i turbinen.

For å kontrollere dette kreves det aktiv retningskorrigering av turbinen om tårnets vertikale akse når vinden skifter retning. Det oppnås normalt ved at det er arrangert en roterende lagerkrans med en ring- og pinjongløsning mellom toppen av tårnet og turbinhuset.

Dreiningen forsørges av et system som registrerer vindretningen og via en motor automatisk driver pinjongen slik at rotoren vendes opp mot vinden.

Dette fungerer greit når tårnet står på et fast fundament som er tilfelle ved landinstallasjoner og installasjoner til havs på små vanndybder.

Når tårnet er montert på et flytende understell må det sørges for at det er tilstrekkelig motstand mot dreining om vertikalaksen slik at aktiv rotasjon av turbinhuset fungerer og at hele innretningen ikke dreies for mye når vindturbinnen utsettes for skjevlaster fra vinden.

Motstand mot dreining forsørges av ankerlinene som er forspente med en viss kraft. Når ankerlinene er festet direkte på en slank sylinderformet konstruksjon , som forklart under, gir det liten motstand mot dreining siden ankerlinen blir festet nær dreieaksen. Motstanden mot dreining oppstår når tårnet dreies ut fra likevektsposisjonen og det oppstår en rettende arm som funksjon av vinkelen (a) og radien (r) fra rotasjonsaksen til linefestet. Rettende arm (a) er da:

Rettende kraft tilsvarer normalkomponenten, Fn, på rotasjonsaksen av forspenningen til linen, og rettende moment blir da:

Momentmotstanden mot dreining er således, som vist ovenfor, en sinusfunksjon med et maksimum ved 90 grader (se senere avsnitt). Ved små dreievinkler vil dreiemotstanden virke som en lineær rotasjonsfjær.

Fra US patentskrift nr. 3 082 608 er det tidligere kjent en oppankret plattform med triangulær utforming. Fra hvert hjørne, med fortrinnsvis 20° vinkel, strekker det seg to kjettinger eller wirer som er forbundet med tunge lodd anordnet på havbunnen, idet det fra hvert lodd strekker seg ytterligere forankringsliner til tunge ankere plassert lenger borte fra plattformen. Hensikten med denne løsningen er først og fremst å skaffe tilveie en oppankringsløsning som er innrettet til å eliminere plattformens bevegelser fra bølger. Løsningen vil kunne gi motstand mot dreiing, men vil være uegnet for oppankring av en slank sylinderformet flytende vindturbin fordi det forutsettes at det er stor avstand mellom de tre festepunktene for ankerlinene . Den kjente løsningen er basert på et stramt forankringssystem, noe som gir meget store dynamiske krefter i ankerlinene. I tillegg er forankringsløsningen tung og komplisert, som i sin tur medfører høye kostnader til fremstilling og installasjon.

Med foreliggende oppfinnelse er det kommet frem til en løsning for oppankring en flytende vindturbininstallasjon der det er gjort mulig å øke vesentlig den initiale motstanden mot rotasjon om vertikalaksen. Videre er det kommet frem til en løsning som er meget enkel og kan anvendes for oppankring av vindturbininstallasjoner på store havdyp.

Oppfinnelsen er karakterisert at de enkelte ankerlinene hver for seg, i en viss avstand fra flytelegemet, ved et festepunkt på den enkelte ankerline, er forbundet med minst to liner som hver skrår utover og er festet til flytelegemet i et deltaformet arrangement slik at utøves et rettende moment mot rotasjon av flytelegemet,

Mr <=> Fn x a = Fn x sin(a) x r, der:

Fn er normalkomponenten på rotasjonsaksen av forspenningen til den respektive linen, (a) er vinkelen som den respektive linen danner i retning utover i forhold til ankerlinen, og (r) er radien fra rotasjonsaksen for flytelegemet til linens festepunkt på dette, som angitt i vedføyde selvstendige krav 1.

De uselvstendige kravene 2-6 angir fordelaktige trekk ved oppfinnelsen.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere ved hjelp av eksempel og med henvisning til vedføyde figurer hvor: Fig. 1 viser perspektivskisse av en flytende vindturbin med et oppankringsarrangement

ifølge foreliggende oppfinnelse,

Fig. 2 viser en prinsippskisse av oppankringsarrangementet i henhold til oppfinnelsen

vist i Fig. 1, og

Fig. 3 viser et diagram der dreiemotstanden (dreiemomentet) er beregnet med utgangspunkt i dreievinkelen for et konvensjonelt ankersystem sammenholdt med foreliggende oppfinnelse.

Som nevnt viser Fig.1 en perspektivskisse av en flytende vindturbininstallasjon 1 med et oppankringsarrangement 6 i henhold til oppfinnelsen. Vindturbinen innbefatter, foruten forankringslinene 11, et fortrinnsvis sirkulært, langstrakt flytelegeme 7, et tårn 8 anordnet på flytelegemet 7, samt en på toppen av tårnet, i forhold til vindretningen, dreibart anordnet generator 9 med en vindpropell 10. Den langstrakte formen er valgt ut fra ønsket om å oppnå lavt deplasement med god stabilitet og dermed liten påvirkning fra bølger og vind. Vekter 12 kan videre hensiktsmessig være anordnet på ankerlinene for å oppnå nødvendig strekk i disse.

Som det videre fremgår av ankerlinearrangementet 6 vist i Fig. 2, så er det benyttet tre ankerliner 11 med 120 graders mellomrom. De enkelte ankerlinene 11 er hver for seg ved den ene enden festet til ankere eller forankringer på havbunnen (ikke vist), og i den andre enden i en viss avstand fra flytelegemet 7, ved et festepunkt 5, forbundet med to liner 2 og 3 som skrår utover og er festet til flytelegemet 7 i parvis, felles anordnede braketter 4. Hver av ankerlinene 11 danner med dette et deltaformet mønster eller y-formet forgrening ved/mot innfestingen til flytelegemet 7. Det skal i denne sammenheng bemerkes at selv om det i det her vist eksempel benyttes én line, 2 og én line 3, som hver strekker seg i samme vinkel mot de respektive festebrakettene 4 på flytelegemet, så kan det benyttes 2 eller flere liner 2 og to eller flere liner 3 som hver strekker seg med ulik vinkel mot forskjellige festebraketter på flytelegemet.

Lengden på linene 11 er, avhengig av havdypet hvor vindturbinen er plassert, relativt lange og forspenningen i de enkelte ankerlinene kan være i størrelsesorden 1000 kN . Linenes vinkel i forhold til horisontalplanet er ca. 30-70 grader, og lengden av linene 2, 3 kan, avhengig av dimensjonene til vindturbininstallasjonen og flytelegemet for øvrig, være i størrelsesorden 50m.

Med disse antydete verdiene viser beregninger at arrangementet i henhold til oppfinnelsen er i størrelsesorden 9 ganger stivere mot rotasjon enn det som ville ha vært oppnådd med en konvensjonell løsning der ankerlinene er festet direkte til flytelegemet, uten linene anordnet i deltaform.

Karakteristikken for rotasjonsstivhet med en konvensjonell løsning og deltalineløsningen i henhold til oppfinnelsen er vist i Fig. 3.

Som nevnt viser Fig. 3 et diagram der dreiemotstanden (dreiemomentet) er beregnet med utgangspunkt i dreievinkelen for et konvensjonelt ankersystem sammenholdt med foreliggende oppfinnelse. Ved dreining om den vertikale rotasjonsaksen vil forspenningslasten fra ankerlinen gradvis økes i den ene splittlinen, mens den andre avlastes tilsvarende. Når dreievinkelen får en viss størrelse vil det bli slakk i den avlastede linen. Ved hvilken dreievinkel det oppstår slakk er avhengig av lengden på deltalinene, eller avstanden mellom splittpunktet og den vertikale dreieaksen. Ved små vinkler, før det oppstår slakk i den ene lina, vil arrangement fungere som om innfestningspunktet på bøya er flyttet ut til festepunktet på forankringslina. Dette vil gi en stor arm R slik at det rettende momentet blir:

Når dreievinkelen oppnår en kritisk vinkel (/?) slik at det blir slakk i den ene lina vil momentøkningen være liten til maksimum moment er oppnådd. Kritisk vinkel for slakk i den ene deltalinjen er i det her beregnede tilfelle som det vil fremgå av Fig.3 i størrelsesorden 6 grader. Kurven får her en knekk ved et moment som overkant av 14000 kNm,

Med den økte initiale dreiemotstanden oppnådd med dette arrangement, vil aktiv retningskontroll av turbinen kunne foretas med en akseptabel responsvinkel i tårnet. For et konvensjonelt ankersystem, vil man videre se av figuren at motstanden mot dreiing øker slakt til det oppnås en maksimum dreiemotstand ved nærmere 90 graders vinkel.

Oppfinnelsen slik den er definert i kravene er ikke begrenset til den utførelse som er vist i figurene og beskrevet det foranstående, således kan det i stedet for tre ankerliner benyttes fire eller flere ankeliner 11 hver med tilsvarende liner 2, 3 anordnet i et deltaformet arrangement. Anvendelse av tre ankerliner med 120 graders mellomrom anses imidlertid å representere den enkleste og billigste løsningen.

Claims (6)

1. Oppankringsarrangement for en flytende vindturbininstallasjon, hvilken vindturbininstallasjon innbefatter et flytelegeme (7), et over flytelegemet anordnet tårn (8), en oppå tårnet i forhold til vindretningen dreibart anordnet generator (9) med en vindpropell (10), samt et ankerlinearrangement (6) forbundet med ankere eller forankringer på havbunnen, karakterisert ved at de enkelte ankerlinene (11) hver for seg, i en viss avstand fra flytelegemet (7), ved et festepunkt (5) på den enkelte ankerline, er forbundet med minst to liner (2, 3) som hver skrår utover og er festet til flytelegemet (7) i et deltaformet arrangement slik at utøves et rettende moment mot rotasjon av flytelegemet, Mr = Fn x a = Fn x sin(a) x r, der: Fn er normalkomponenten på rotasjonsaksen av forspenningen til den respektive linen (2, 3), (a) er vinkelen som den respektive linen (2, 3) danner i retning utover i forhold til ankerlinen (11), og (r) er radien fra rotasjonsaksen for flytelegemet (7) til linens festepunkt (5) på dette.

2. Oppankringsarrangement i følge krav 1, karakterisert ved at ankerlinearrangementet (6) innbefatter tre ankerliner (11) anordnet symmetrisk med 120° mellomrom.

3. Oppankringsarrangement i følge kravene 1 og 2, karakterisert ved at linene (2, 3) i det deltaformede arrangementet er anordnet i en vinkel for forhold til hverandre på mellom 20 og 60 grader.

4. Oppankringsarrangement i følge kravene 1 og 2, karakterisert ved at linene (2, 3) i det deltaformede arrangementet er anordnet i en vinkel i forhold til horisontalplanet på mellom 30 og 70 grader.

5. Oppankringsarrangement i følge de foregående krav 1-4, karakterisert ved at linene (2, 3) i det deltaformede arrangementet er festet til flytelegemet (7) med størst mulig avstand for festepunktene på flytelegemet.

6. Oppankringsarrangement i følge de foregående krav 1 - 5, karakterisert ved at linene (2, 3) i det deltaformede arrangementet er parvis festet til felles braketter (4) på flytelegemet (7).