NO334380B1

NO334380B1 - A floating wind turbine with wave energy inverters

Info

Publication number: NO334380B1
Application number: NO20120295A
Authority: NO
Inventors: Torgeir Moan; Made Jaya Muliawan; Madjid Karimirad; Zhen Gao
Original assignee: Ntnu Technology Transfer As
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2014-02-24
Also published as: NO20120295A1

Abstract

Oppfinnelsen er en flytende vindturbin omfattende en vindturbinrotor (1) montert i et tårn (3) på en søyle og tårnstruktur (4, 3) omfattende en hovedsakelig vertikal dyp, ballastert søyle (4) med oppdrift og fortøyd i en fortøyning (7), hvor turbinrotoren (1) er koblet til en første elektrisk kraftgenerator (11). Den flytende vindturbinen omfatter de følgende trekk: - At søyle- og tårnstrukturen (4, 3) er utstyrt med en toroide (62) med oppdrift og anordnet ved middelvannlinjen omkring søyle og tårnstrukturen (4, 3); - at toroiden (62) oscillerer med sjøbølgene i en aksial retning med en bevegelse relativt til søyle- og tårnstrukturen (4, 3), - at toroiden (62) er utstyrt med et kraftavtakersystem (120) koblet til en andre elektrisk kraftgenerator (121). Det således modifiserte flytende vindturbinen vil således være mer effektiv, spesielt i den lavere vindhastighetsområdet.The invention is a floating wind turbine comprising a wind turbine rotor (1) mounted in a tower (3) on a column and tower structure (4, 3) comprising a substantially vertical deep ballast column (4) with buoyancy and moored in a mooring (7), wherein the turbine rotor (1) is connected to a first electric power generator (11). The floating wind turbine comprises the following features: - The column and tower structure (4, 3) is provided with a buoyant toroid (62) and arranged at the mean water line around the column and the tower structure (4, 3); - that the toroid (62) oscillates with the sea waves in an axial direction with a movement relative to the column and tower structure (4, 3), - that the toroid (62) is provided with a piston system (120) coupled to a second electric power generator (121) ). The liquid wind turbine thus modified will thus be more efficient, especially in the lower wind speed range.

Description

Innledning Introduction

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder en vindturbin montert på toppen av et tårn som bæres av en flytende søylebøye, spesielt en ballastert søylebøye fortøyd til sjøbunnen, hvor en bølgeenergiomformer er forbundet til den samme søylebøyen og tårnstrukturen ved middelvannslinjen. The present invention relates to a wind turbine mounted on top of a tower supported by a floating column buoy, in particular a ballasted column buoy moored to the seabed, where a wave energy converter is connected to the same column buoy and tower structure at the mean water line.

Bakgrunnsteknikk Background technology

Vindturbiner montert på toppen av et tårn båret på en flytende søylebøye er kjent fra WO2010/122316 som beskriver en styring for en flytende vindturbin. Styringen regulerer hastigheten av turbinen ved å regulere dreiemomentet av en last på rotoren slik at rotorhastigheten varierer som respons på bølgeindusert bevegelse. Wind turbines mounted on top of a tower carried on a floating column buoy are known from WO2010/122316 which describes a control for a floating wind turbine. The control regulates the speed of the turbine by regulating the torque of a load on the rotor so that the rotor speed varies in response to wave-induced motion.

Bølgeenergigeneratorer er kjent fra en aksesymmetrisk vertikal flytende struktur som omfatter nedre og øvre koaksiale og gjensidig vertikalt oscillerende legemer hvor det øvre legemet er en toroide og hvor det nedre legemet er en vertikalt orientert ballastert flottør med tilnærmet nøytral oppdrift, hvor legemene har forskjellige hivfrekvenser. Den relative bevegelsen utnyttes via en hydraulisk kraftoverføring for å generere elektrisk energi. Wave energy generators are known from an axisymmetric vertical floating structure comprising lower and upper coaxial and mutually vertically oscillating bodies where the upper body is a toroid and where the lower body is a vertically oriented ballasted float with approximately neutral buoyancy, where the bodies have different heaving frequencies. The relative motion is utilized via a hydraulic power transmission to generate electrical energy.

En slik bølgeenergigenerator er kjent fra norsk patent N0324789 til Wavebob Ltd. Det beskriver en innretning for å omforme bølgeenergi. Det omfatter i det minste to innretninger som hver omfatter en overflateflottør, hvor i det minste en av overflateflottørene er fast forbundet til et nedsenket legeme. Bevegelsen av de to anordningene som en respons på en passerende bølge kan utnyttes til å oppnå en energiomforming. Such a wave energy generator is known from Norwegian patent N0324789 to Wavebob Ltd. It describes a device for converting wave energy. It comprises at least two devices, each of which comprises a surface float, where at least one of the surface floats is firmly connected to a submerged body. The movement of the two devices as a response to a passing wave can be exploited to achieve an energy conversion.

US-patentsøknad US2003/0145587 beskriver et vind- og bølgeenergikraftverk som omfatter en vindmølle med en rotor og en bølgeaktuert vannpumpe som kan drive en turbin hvis utmatings-aksling driver en elektrisk generator. Vindmøllen omfatter et rørformet tårn som er fast forankret på sjøbunnen og omslutter en lagringstank mellom sjøoverflaten og vindmøllens rotor, hvilken tank kan fylles med vann ved hjelp av pumpen via en tilbakeslagsventil, og hvorfra vann kan ledes til turbinen. US patent application US2003/0145587 describes a wind and wave energy power plant comprising a windmill with a rotor and a wave actuated water pump capable of driving a turbine whose output shaft drives an electric generator. The windmill comprises a tubular tower which is firmly anchored to the seabed and encloses a storage tank between the sea surface and the windmill's rotor, which tank can be filled with water using the pump via a non-return valve, and from which water can be directed to the turbine.

US-patentsøknad US2010/0230965 beskriver flytende vindturbiner omfattende et tårn med oppdrift og et aksielt innrettet ballastlegeme under tårnet. Aksiale vertikale krefter som oppstår mellom det flytende tårnet og ballastlegemet blir omdannet til mekanisk energi i en tannstangssammenkoblingen mellom disse, som videre omdannes til elektrisk energi i en generator. US patent application US2010/0230965 describes floating wind turbines comprising a tower with buoyancy and an axially aligned ballast body below the tower. Axial vertical forces arising between the floating tower and the ballast body are converted into mechanical energy in a rack-and-pinion connection between them, which is further converted into electrical energy in a generator.

US-patentsøknad 2012/0001431 beskriver en bølgeenergigenerator med en eller flere såkalte "bølgemedfølgere", altså flyteelementer, koblet til en fast struktur som tårnet i en vindturbin, og en energikonverter som konverterer kinetisk energi fra bevegelsen av bølgemedfølgeren til elektrisk energi, hvori bølgemedfølgeren er forbundet med den faste strukturen via en justeringsmekanisme innrettet til å justere posisjonen til bølgemedfølgeren for å bevege den rotasjonsmessig og/eller vertikalt i forhold til den faste strukturen, slik at justeringsmekanismen tillater justering av rekkevidden for bevegelsen av bølgemedfølgeren. US patent application 2012/0001431 describes a wave energy generator with one or more so-called "wave companions", i.e. floating elements, connected to a fixed structure such as the tower of a wind turbine, and an energy converter that converts kinetic energy from the movement of the wave companion into electrical energy, in which the wave companion is connected to the fixed structure via an adjustment mechanism adapted to adjust the position of the wave follower to move it rotationally and/or vertically relative to the fixed structure, such that the adjustment mechanism allows adjustment of the range of movement of the wave follower.

Kort sammendrag av oppfinnelsen Brief summary of the invention

Oppfinnelsen er definert i det vedlagte krav 1. Forskjellige utførelser av oppfinnelsen er definert i de avhengige kravene. The invention is defined in the attached claim 1. Various embodiments of the invention are defined in the dependent claims.

Kort figurforklaring Short figure explanation

Oppfinnelsen og dens forskjellige utførelser er illustrert i de vedlagte tegningene, hvori The invention and its various embodiments are illustrated in the attached drawings, in which

Fig. 1 er et forenklet perspektivriss av oppfinnelsen og viser en vindturbin montert i en nacelle på toppen av et tårn på en flytende søyle, med en toroide av en bølgeenergi-omformer anordnet flytende i skvalpesonen på den flytende søyle- og tårnstrukturen, hvor toroiden er innrettet til å ri på bølgene langs den generelle vertikale langsgående aksen for strukturen. Fig. 1 is a simplified perspective view of the invention and shows a wind turbine mounted in a nacelle on top of a tower on a floating column, with a toroid of a wave energy converter arranged floating in the splash zone of the floating column and tower structure, the toroid being arranged to ride the waves along the general vertical longitudinal axis of the structure.

I den høyre nedre del av Fig. 1 er det illustrert et fortøyningssystem for en søyle- og tårnstruktur brukt i en modellert utførelse av oppfinnelsen. Fig. 2 er et forenklet riss av det samme og viser en snitt av toroiden med en føring og stoppemekanisme for toroiden. Fig. 3 viser en bølgeenergiomformer fra bakgrunnsteknikken som omfatter en toroide som rir på en vertikal del av en ballastert bøye med stort dyptgående. Fig. 4a viser vertikal- og horisontalsnitt gjennom toroide-delen av systemet ifølge oppfinnelsen, og et detaljert horisontalsnitt av et hjul mellom søylen og toroiden. Fig. 4b viser vertikal- og horisontalsnitt av toroidens effektuttakssystem i en utførelse med hydraulisk system, som bruker flere sylindere. Fig. 4c viser et svært forenklet vertikalsnitt av de hydrauliske sylinderne på begge sider av søylen i en utførelse som tilsvarer den i Fig. 4b. Fig. 4d viser vertikal- og horisontalsnitt av en alternativ utførelse av toroidens effektuttaksystem i en annen utførelse av dens hydrauliske system, som bruker én sylinder. Fig. 4e er en svært forenklet vertikalsnitt av den hydrauliske sylinderen på hver side av søylen i den alternative utførelsen som tilsvarer den i Fig. 4d. Fig. 5a er et pitch-bevegelsesspektrum (venstre) av en "kun søyle" og en utførelse av oppfinnelsen modellert for to forskjellige situasjoner: uten (kun søyle, heltrukken linje) og med den tillagte bøyestrukturen (stiplet linje) , en dempet toroide-bølgeenergiomformer som modifiserer pitch-karakteristikaene. Fig. 5b er vindeffektproduksjon for et vindhastighetseksempel på 8 m/s, som er under den nominelle hastighetsgrensen for modellutførelsen av vindturbinen. Effektproduksjonen er modellert for de samme to forskjellige situasjonene: en flytende vindturbin uten (heltrukken linje) og med (stiplet linje) toroiden ifølge oppfinnelsen. Tidsspennet for Fig. 5b er 100 sekunder (fra 2000 til 2100 sekunder). Den dominerende bølgeperioden Tp er klart synlig i effektproduksjonen, men viktigere er det at effektproduksjonen er høyere med oppfinnelsen. Fig. 5c viser vindeffektproduksjonen som i Fig. 5b, men for et tidsspenn fra 0 til 3600 sekunder; en time. Vindeneffektproduksjon er modellert for en periode mellom 0 og 3 600 sekunder(1 hr) for "under vindhastighetsgrense" tilfellet for 8 m/s. Tilfellene "over grensen" vil generere samme effekt på grunn av vindturbinens reguleringssystem, og er således ikke relevant for å vise forskjellene i produksjonsrater. Fig. 6 viser en hengslet utførelse av en toroide som kan ettermonteres og / eller fjernet fra en søyle- og tårnstruktur til sjøs, en utførelse av toroiden for transport og til frakobling på en søyle- og tårnstruktur. Fig. 7 viser, i den øvre delen: kurver av gjennomsnittlig pitch (ys) og standardavvik (ysSTD) for en vindturbingenerator på en "kun søyle"-utførelse, og gjennomsnittlig pitch (yc) og standardavvik (ycSTD) for en vindturbin på en søyle med oppfinnelsen, for abscisseverdier av middelvindhastighet og vindeffekt. I den nedre delen viser Fig. 7 en kurve for gjennomsnitts vindeffektproduksjon (Pc, Ps) og deres STD (PcSTD, PsSTD) som funksjon av vindhastighet. De følgende parametre for vind og bølger ifølge en JONSWAP spektrum har blitt brukt: In the lower right part of Fig. 1, a mooring system for a column and tower structure used in a modeled embodiment of the invention is illustrated. Fig. 2 is a simplified drawing of the same and shows a section of the toroid with a guide and stopping mechanism for the toroid. Fig. 3 shows a wave energy converter from the background art comprising a toroid riding on a vertical part of a ballasted buoy with a large draft. Fig. 4a shows a vertical and horizontal section through the toroid part of the system according to the invention, and a detailed horizontal section of a wheel between the column and the toroid. Fig. 4b shows vertical and horizontal sections of the toroid's power take-off system in an embodiment with a hydraulic system, which uses several cylinders. Fig. 4c shows a very simplified vertical section of the hydraulic cylinders on both sides of the column in an embodiment that corresponds to that in Fig. 4b. Fig. 4d shows vertical and horizontal sections of an alternative embodiment of the toroid's power take-off system in another embodiment of its hydraulic system, which uses one cylinder. Fig. 4e is a very simplified vertical section of the hydraulic cylinder on each side of the column in the alternative embodiment corresponding to that in Fig. 4d. Fig. 5a is a pitch motion spectrum (left) of a "bar only" and an embodiment of the invention modeled for two different situations: without (bar only, solid line) and with the added bending structure (dashed line), a damped toroidal wave energy converter that modifies the pitch characteristics. Fig. 5b is wind power production for a wind speed example of 8 m/s, which is below the nominal speed limit for the model version of the wind turbine. The power production is modeled for the same two different situations: a floating wind turbine without (solid line) and with (dashed line) the toroid according to the invention. The time span for Fig. 5b is 100 seconds (from 2000 to 2100 seconds). The dominant wave period Tp is clearly visible in the power output, but more importantly, the power output is higher with the invention. Fig. 5c shows the wind power production as in Fig. 5b, but for a time span from 0 to 3600 seconds; one hour. Wind power production is modeled for a period between 0 and 3,600 seconds (1 hr) for the "below wind speed limit" case of 8 m/s. The cases "above the limit" will generate the same effect due to the wind turbine's regulation system, and are thus not relevant to show the differences in production rates. Fig. 6 shows a hinged embodiment of a toroid which can be retrofitted and/or removed from a pillar and tower structure at sea, an embodiment of the toroid for transport and for disconnection on a pillar and tower structure. Fig. 7 shows, in the upper part: average pitch (ys) and standard deviation (ysSTD) curves for a wind turbine generator on a "pillar only" design, and average pitch (yc) and standard deviation (ycSTD) for a wind turbine on a column with the invention, for abscissa values of mean wind speed and wind power. In the lower part, Fig. 7 shows a curve for average wind power output (Pc, Ps) and their STD (PcSTD, PsSTD) as a function of wind speed. The following parameters for wind and waves according to a JONSWAP spectrum have been used:

Fordeler ved oppfinnelsen Advantages of the invention

En første fordel ved oppfinnelsen er utnyttelsen av felles kraftkabler for overføring av elektrisk energi fra hver kombinert flytende vindturbin og bølgeenergiomformer. Lengden av effektkabler påkrevet for et array av søyler ifølge oppfinnelsen blir vesentlig redusert sammenlignet med en array av bølgeenergiomfomere anordnet innimellom søylene. A first advantage of the invention is the utilization of common power cables for the transmission of electrical energy from each combined floating wind turbine and wave energy converter. The length of power cables required for an array of columns according to the invention is substantially reduced compared to an array of wave energy transformers arranged between the columns.

En andre fordel ved oppfinnelsen er utnyttelsen av et felles fortøyningssystem som allerede eksisterer for den flytende vindturbinen. A second advantage of the invention is the utilization of a common mooring system that already exists for the floating wind turbine.

En tredje fordel ved oppfinnelsen er den vesentlig reduserte kombinerte massen av bølgeenergikonverteren idet den kan ri på den allerede eksisterende strukturen av det flytende vertikale søylen og tårnet. A third advantage of the invention is the substantially reduced combined mass of the wave energy converter as it can ride on the already existing structure of the floating vertical column and tower.

En fjerde og veldig vesentlig fordel ved oppfinnelsen er at energiutmatingen fra en gjenstand ifølge oppfinnelsen er modellert til å være høyere enn energiutmatingen fra den modellerte vindgeneratoren og fra bølgeenergikonverteren når de regnes adskilt. I dette henseende er effektutmatingen av den kombinerte anordningen høyere enn summen av energiutmatingen fra komponentene hver for seg. Energiutmatingen fra vindturbindelen av oppfinnelsen er høyere med en arbeidende bølgeenergigenerator enn uten en slik bølgeenergigenerator, vennligst se Fig. 5b og Fig. 5c, men også Fig. 7. Kurvene illustrerer pitchbevegelse for "tårn alene" og for oppfinnelsen indikert som "kombinert". Vindeffekten i kombinert modus er høyere enn vindeffekten for "tårn alene". Virkningen er mest uttrykt under en nominell vindhastighet for vindturbinen. Således er forhøyet vindeffektproduksjon en ganske overraskende virkning av oppfinnelsen. A fourth and very significant advantage of the invention is that the energy output from an object according to the invention is modeled to be higher than the energy output from the modeled wind generator and from the wave energy converter when they are calculated separately. In this respect, the power output of the combined device is higher than the sum of the energy output from the components individually. The energy output from the wind turbine part of the invention is higher with a working wave energy generator than without such a wave energy generator, please see Fig. 5b and Fig. 5c, but also Fig. 7. The curves illustrate pitch movement for "tower alone" and for the invention indicated as "combined". The combined mode wind effect is higher than the "tower alone" wind effect. The effect is most pronounced below a nominal wind speed for the wind turbine. Thus, increased wind power production is a rather surprising effect of the invention.

Utførelser av oppfinnelsen Embodiments of the invention

Oppfinnelsen er illustrert i de vedlagte tegningene og en generell illustrasjon av oppfinnelsen er gitt i Fig. 1 som viser den flytende toroiden anordnet ved middelvannlinjen omkring den vertikale flytende kombinerte søyle- og tårn som bærer en "vindmølle", dvs. en vindturbin på toppen av tårnet, hvor vindturbinen er for å generere elektrisk energi. The invention is illustrated in the accompanying drawings and a general illustration of the invention is given in Fig. 1 which shows the floating toroid arranged at the mean waterline around the vertical floating combined column and tower carrying a "windmill", i.e. a wind turbine on top of the tower, where the wind turbine is to generate electrical energy.

Oppfinnelsen som er illustrert er en flytende vindturbin som omfatter en vindturbinrotor (1) på et tårn (3) på en kombinert søyle- og tårnstruktur (4, 3). Søyle- og tårnstrukturen omfatter en hovedsakelig vertikal flytende og dyp, ballastert søyle (4) holdt i posisjon ved hjelp av en fortøyning (7). På grunn av bølger og vind vil søylen og tårnet ha en gjennomsnittlig helning og dynamisk pitchbevegelse som må overvåkes nøye og styres. The invention illustrated is a floating wind turbine comprising a wind turbine rotor (1) on a tower (3) on a combined column and tower structure (4, 3). The column and tower structure comprises a mainly vertical floating and deep ballasted column (4) held in position by means of a mooring (7). Due to waves and wind, the column and tower will have an average tilt and dynamic pitch movement that must be carefully monitored and controlled.

Turbinrotoren (1) er forbundet til en første elektrisk effektgenerator (11). I en utførelse kan rotoren være forbundet via en mekanisk girboks til akselen av den første elektriske effektgeneratoren (11) som så er anordnet i en nacelle på toppen av tårnet, men andre løsninger slik som hydraulisk overføring til generatoren kan brukes, og da kan den elektriske effektgeneratoren (11) anordnes hvor som helst i tårnet eller søylen, under nacellen. The turbine rotor (1) is connected to a first electric power generator (11). In one embodiment, the rotor can be connected via a mechanical gearbox to the shaft of the first electric power generator (11) which is then arranged in a nacelle on top of the tower, but other solutions such as hydraulic transmission to the generator can be used, and then the electric the power generator (11) is arranged anywhere in the tower or column, under the nacelle.

De nye trekkene ved oppfinnelsen omfatter at søyle- og tårnstrukturen (4, 3) er fremskaffet med en flytende toroide (62) anordnet ved middelvannlinjen om søyle- og tårnstrukturen (4, 3), vennligst se Fig. 1 og 2. The novel features of the invention include that the pillar and tower structure (4, 3) is provided with a floating toroid (62) arranged at the mid-water line of the pillar and tower structure (4, 3), please see Fig. 1 and 2.

Toroiden (62) er innrettet for å svinge med sjøbølger i en aksial retning, dvs. i den tilnærmet vertikale retningen, i en bevegelse i forhold til bevegelsen av søyle- og tårnstrukturen (4, 3). Toroiden (62) er utstyrt med et kraftuttakssystem The toroid (62) is arranged to oscillate with sea waves in an axial direction, i.e. in the approximately vertical direction, in a movement relative to the movement of the column and tower structure (4, 3). The toroid (62) is equipped with a power take-off system

(120) som omdanner deler av energien av den relative bevegelsen og er koblet til en andre elektrisk effektgenerator (120) which converts part of the energy of the relative motion and is connected to a second electrical power generator

(121) . (121) .

I en utførelse av oppfinnelsen blir effektuttaket overført via en felles effektkabel for overføring av elektrisk energi fra den kombinerte flytende vindturbinen og bølgeenergiomformeren ifølge oppfinnelsen. Den felles effektkabelen er forbundet til et kraftnettverk. In one embodiment of the invention, the power output is transmitted via a common power cable for the transmission of electrical energy from the combined floating wind turbine and the wave energy converter according to the invention. The common power cable is connected to a power network.

Turbinrotoren (1) er montert på en aksel som bæres av aksellagere (131) i en nacelle (13) på tårnet (3) . I en utførelse av oppfinnelsen er nacellen (13) anordnet på et roterende lager (132) med en aksiell rotasjon på tårnet (3), som er nødvendig dersom tårnet og søylestrukturen tillates å dreie asimutalt i dens fortøyninger. The turbine rotor (1) is mounted on a shaft which is carried by shaft bearings (131) in a nacelle (13) on the tower (3). In one embodiment of the invention, the nacelle (13) is arranged on a rotating bearing (132) with an axial rotation of the tower (3), which is necessary if the tower and column structure are allowed to rotate azimuthally in its moorings.

Som man vil se fra Fig. 1 og 2 er der ingen skarp overgang fra toppen av søylen til bunnen av tårnet, den kan være glatt eller svakt konisk. En tårnbasis (31) av tårnet (3) og en søyletoppdel av søylestrukturen (4) danner en hovedsakelig jevn overgang nær skvalpesonen mellom tårnet (3) og søylen (4). Vennligst legg merke til at jeg har benyttet begrepet "kombinert søyle- og tårnstruktur (4, 3)" for å beskrive en aksielt innrettet søyle-bøyesylinder som understøtter et tårn. As you will see from Fig. 1 and 2, there is no sharp transition from the top of the column to the bottom of the tower, it can be smooth or slightly conical. A tower base (31) of the tower (3) and a column top part of the column structure (4) form a substantially smooth transition near the splash zone between the tower (3) and the column (4). Please note that I have used the term "combined column and tower structure (4, 3)" to describe an axially aligned column-bending cylinder supporting a tower.

I modelleringen er det benyttet en sjøvannstetthet på 1025 kg/m<3>. Vi har betraktet søylen (4) som den delen av søyle- og tårnstrukturen som er under vannlinjen, se Fig. 2. In the modelling, a seawater density of 1025 kg/m<3> has been used. We have considered the column (4) as the part of the column and tower structure that is below the waterline, see Fig. 2.

Utførelsen av det kombinerte søyle og tårn med toroiden ifølge oppfinnelsen er modellert som et tolegemers-system. Det modellerte tolegemers-systemet har blitt modellert ved bruk av tekniske trekk tilgjengelig i et regnemaskinprogram kalt SIMO utviklet av Marintek for å simulere bevegelser og posisjonsstabilitets-oppførsel av komplekse systemer og opphengte laster. SIMO sin vesentlige egenskap for det foreliggende formålet er dens fleksible modellering av flerlegemes-systemer som tillater innføring av både mekanisk og hydrodynamisk kobling mellom søyle- og tårnstrukturen og toroiden. The embodiment of the combined column and tower with the toroid according to the invention is modeled as a two-body system. The modeled two-body system has been modeled using engineering features available in a calculator program called SIMO developed by Marintek to simulate the motions and positional stability behavior of complex systems and suspended loads. SIMO's essential feature for the present purpose is its flexible modeling of multibody systems that allows the introduction of both mechanical and hydrodynamic coupling between the column and tower structure and the toroid.

Kraftavtakersystemet er koblingen mellom de to hovedkom-ponentene av systemet og og blir modellert på en forenklet måte som en ideell lineær demper (Bpto) og fjær (Kpto) som kobler bevegelsen mellom de to legemene. Parametrene har blitt satt til Bpto = 8000 kN s/m og Kpto = 50 kN/m, vennligst se The power take-off system is the connection between the two main components of the system and is modeled in a simplified way as an ideal linear damper (Bpto) and spring (Kpto) that connects the movement between the two bodies. The parameters have been set to Bpto = 8000 kN s/m and Kpto = 50 kN/m, please see

tabellen nedenfor. the table below.

Det totale fortrengningsvolumet av den flytende vindturbinen med søyle- og tårnstrukturen er 8015 m<3>, med en total masse på 8216 tonn (inklusive tårn, turbin, etc), sett bort fra den flytende toroiden (62). The total displacement volume of the floating wind turbine with the column and tower structure is 8015 m<3>, with a total mass of 8216 tonnes (including tower, turbine, etc), excluding the floating toroid (62).

I den dynamisk modellerte oppfinnelsen har de følgende parametre blitt brukt som en eksempelutførelse: In the dynamically modeled invention, the following parameters have been used as an exemplary embodiment:

Som man ser fra tabellen ovenfor bidrar toroiden (62) ubetydelig med et tillegg på 107 60 t m<2>til treghetsmomentet ixxsom er 69840000 t m<2>for den kombinerte søyle- og tårnstrukturen. Imidlertid skal vi se at oppfinnelsen i vesentlig grad påvirker den dynamiske oppførselen for tårn- og søylestrukturen slik at den gir mer produsert energi i en grad som ikke var forventet. As can be seen from the table above, the toroid (62) contributes insignificantly with an addition of 107 60 t m<2>to the moment of inertia ixx which is 69840000 t m<2>for the combined column and tower structure. However, we shall see that the invention significantly affects the dynamic behavior of the tower and column structure so that it provides more produced energy to an extent that was not expected.

For fortøyningen illustrert i Fig. 1, nedre del, har følgende parametre blitt benyttet: For the mooring illustrated in Fig. 1, lower part, the following parameters have been used:

Andre dimensjoner for søye, tårn, maksimal vindturbin-effektutmating, toroiden eller kraftavtakersystemet og fortøyningen kan forestilles, og de gitte parametrene skal på ingen måte begrense oppfinnelsens omfang, ettersom oppfinnerne tror at virkningen av oppfinnelsen ikke bare forekommer for de verdiene av parametre som har blitt benyttet i modelleringen. Other dimensions for the ram, tower, maximum wind turbine power output, the toroid or power take-off system and the mooring are conceivable, and the given parameters shall in no way limit the scope of the invention, as the inventors believe that the effect of the invention does not occur only for the values of parameters that have been used in the modelling.

Modelleringen som benytter parametre fra eksempelutførelsen uten en toroide, indikert som "kun søyle" og for oppfinnelsen indikert som "kombinert konsept" kan oppsummeres med de følgende effektutmatinger som følger: The modeling using parameters from the exemplary embodiment without a toroid, indicated as "column only" and for the invention indicated as "combined concept" can be summarized with the following power outputs as follows:

I henhold til modelleringen kan energiutmatingen fra en anordning ifølge oppfinnelsen modelleres til å være høyere enn energiutmatingen fra den modellerte vindgeneratoren og fra bølgeenergiomformeren regnet adskilt. Detaljer vil bli diskutert nedenfor. According to the modelling, the energy output from a device according to the invention can be modeled to be higher than the energy output from the modeled wind generator and from the wave energy converter calculated separately. Details will be discussed below.

Vennligst bemerk at begrepet "bølgeenergi" i tabellen nedenfor må forstås som "absorbert energi" for effektutmatingen fra toroidens bølgeeffekt-avtakersystem: det er effekten som absorberes av det dempede fjærsystemet og ikke nødvendigvis effektutmatingen fra generatoren på grunn av tap i systemet, og bør gjennomgående multiplisere med en eller annen virkningsfaktor mindre enn 1. Please note that the term "wave energy" in the table below must be understood as "absorbed energy" for the power output from the toroidal wave power collector system: it is the power absorbed by the damped spring system and not necessarily the power output from the generator due to losses in the system, and should consistently multiply by some power factor less than 1.

Som et eksempel som ligger godt under den nominelle vindhastigheten for den modellerte vindturbinen, hvor turbinreguleringssystemet ikke kutter effektutmatingen, vennligst se "tilfelle nr. 1" ovenfor: For en middelvindhastighet på 8 m/s og en sjøtilstand Hs på 2,5 m og en bølgeperiode på 9,8 s er gjennomsnitts vindeffektutmating fra vindturbindrevet generator alene, uten oppfinnelsen, 1727 kW og dens standardavvik 244.35 kW, vennligst se spesielt Fig. 5b som viser effektproduksjon over 100 sekunder, men også Fig. 5c som spenner over en tidsperiode på 1 time. For oppfinnelsen, for de samme vind- og bølgeforhold, er vindeffektgeneratorens gjennomsnittlige effektutmating 1820 kW, vennligst også se Fig. 5b og 5c, og med en lavere standardavvik, 233,2 kW, som er både mer effekt og mer stabil effektutmating enn uten toroiden. I tillegg til den potensielle bølgegenererte effektutmatingen fra toroiden er beregnet til å være 275,4 kW med et standardavvik på 379,9 kW, vennligst se tabellen ovenfor. As an example well below the nominal wind speed of the modeled wind turbine, where the turbine control system does not cut the power output, please see "Case No. 1" above: For a mean wind speed of 8 m/s and a sea state Hs of 2.5 m and a wave period of 9.8 s, the average wind power output from the wind turbine driven generator alone, without the invention, is 1727 kW and its standard deviation 244.35 kW, please see especially Fig. 5b which shows power production over 100 seconds, but also Fig. 5c which spans a time period of 1 hour. For the invention, for the same wind and wave conditions, the average power output of the wind power generator is 1820 kW, please also see Fig. 5b and 5c, and with a lower standard deviation, 233.2 kW, which is both more power and more stable power output than without the toroid . In addition, the potential wave generated power output from the toroid is calculated to be 275.4 kW with a standard deviation of 379.9 kW, please refer to the table above.

For høyere vindhastigheter vil vindturbinreguleringssystemet forhindre en rotorhastighet som overskrider den nominelle hastigheten eller en energiproduksjon (Pc, Ps) over dens nominelle verdi ved å regulere pitch [for vindturbinbladene] eller girforholdet, vennligst se Fig. 7, nedre kurver. For higher wind speeds, the wind turbine control system will prevent a rotor speed exceeding the rated speed or an energy output (Pc, Ps) above its rated value by regulating the pitch [of the wind turbine blades] or the gear ratio, please see Fig. 7, lower curves.

Som et eksempel nær under en nominell vindhastighet for en vindturbin, nær den vindhastigheten hvor As an example close to below a nominal wind speed for a wind turbine, close to the wind speed where

turbinreguleringssystemet begynner å kutte effektutmatingen over denne hastigheten, vennligst se "tilfelle nr. 2" ovenfor: for en middelvindhastighet på 11,2 m/s, og en sjøtilstand Hs på 3 m og en bølgeperiode på 10 s, er gjennomsnitts vindeffekt-utmating fra vindturbindreven generator alene, uten oppfinnelsen, på 4573 kW og dens standardavvik er 328 kW. For oppfinnelsen for samme vind og sjøtilstand er the turbine control system starts to cut the power output above this speed, please see "case no. 2" above: for an average wind speed of 11.2 m/s, and a sea state Hs of 3 m and a wave period of 10 s, the average wind power output is from wind turbine driven generator alone, without the invention, of 4573 kW and its standard deviation is 328 kW. For the invention for the same wind and sea state is

vindeffektgeneratorens gjennomsnittlige vindeffektutmating 4875 kW og med en lavere standardavvik: 296,5 kW, som både er mer effekt og mer stabil effektutmating enn uten en toroide. I tillegg er den potensielle bølgeenergi-genererte effektutmatingen fra toroiden beregnet til å være 420,9 kW med et standardavvik på 57 6,2 kW. the wind power generator average wind power output 4875 kW and with a lower standard deviation: 296.5 kW, which is both more power and more stable power output than without a toroid. In addition, the potential wave energy-generated power output from the toroid is calculated to be 420.9 kW with a standard deviation of 57 6.2 kW.

Den gjennomsnittlige energiutmatingen av vindturbindelen av oppfinnelsen er således høyere når man bruker en arbeidende bølgeenergi-generator enn uten en slik bølgeenergigenerator, vennligst også se spesielt Fig. 5b og Fig. 5c som viser modellert vindturbin-effektproduksjon for en vindhastighet på 8 m/s som er vesentlig over den nominelle hastigheten for vindturbinen. Vindeffekten i kombinert modus er høyere enn vindeffekten for "kun søyle". Dette er en ganske overraskende effekt av oppfinnelsen. The average energy output of the wind turbine part of the invention is thus higher when using a working wave energy generator than without such a wave energy generator, please also see in particular Fig. 5b and Fig. 5c which show modeled wind turbine power output for a wind speed of 8 m/s which is significantly above the nominal speed of the wind turbine. The wind effect in combined mode is higher than the wind effect for "pillar only". This is a rather surprising effect of the invention.

Videre ser vi at standardavviket for tilfellene nr. 1 og 2, hvori standardavviket for den produserte vindeffekt er redusert fra 244,35 og 327,95 til 233,2 og 296,46 respektive, og dette betyr at effektproduksjons-stabiliteten fra vindgeneratoren blir forbedret for lavere vindhastigheter. Effektproduksjons-stabiliteten for tilfellene nr. 3 og 4 for høyere vindhastigheten er veldig høy både uten og med oppfinnelsen på grunn av virkningen av reguleringssystemet, med neglisjerbare RMS-verdier på 12,39 kW og 8,167 kW uten en toroide, og 13,13 kW og 8,713 kW med en toroide. Uansett så er den forøkte vindeffekt-produksjonsstabiliteten for lavere vindhastigheter nok en fordel ved oppfinnelsen. Furthermore, we see that the standard deviation for cases no. 1 and 2, in which the standard deviation for the produced wind power is reduced from 244.35 and 327.95 to 233.2 and 296.46 respectively, and this means that the power production stability from the wind generator is improved for lower wind speeds. The power output stability for cases #3 and #4 for the higher wind speed is very high both without and with the invention due to the effect of the regulation system, with negligible RMS values of 12.39 kW and 8.167 kW without a toroid, and 13.13 kW and 8.713 kW with a toroid. In any case, the increased wind effect production stability for lower wind speeds is another advantage of the invention.

Strekkspenningskraften på fortøyningslinene har blitt beregnet og viser en ubetydelig økning for alle sjøtilstandene. The tension force on the mooring lines has been calculated and shows an insignificant increase for all sea conditions.

I en utførelse av oppfinnelsen er toroiden (62) utstyrt med ledehjul (4, 3) i dens aksielle, hovedsakelig vertikale retning. Dimensjonen og antallet av ledehjulene (64) vil avhenge av de gjensidige kreftene mellom søyle- og tårnstrukturen (4, 3) og toroiden (62). In one embodiment of the invention, the toroid (62) is equipped with guide wheels (4, 3) in its axial, mainly vertical direction. The dimension and number of guide wheels (64) will depend on the mutual forces between the pillar and tower structure (4, 3) and the toroid (62).

I en utførelse av oppfinnelsen omfatter effekt-avtakersystemet In one embodiment of the invention, the power take-off system comprises

(120) et hydraulisk effektavtakersystem (63) for å omforme den relative bevegelsen til hydraulisk energi for å kjøre den andre elektriske effektgeneratoren (121), vennligst se nedenfor. Fig. 4b viser vertikale og horisontale snitt av toroidens effektavtakersystem i en hydraulisk systemutførelse, som bruker flere sylindere, og i en videre utførelse som deler bærestruktur med endestopp-strukturene som strekker seg radielt ut fra den nedre delen av tårnet. Fig. 4c er en sterkt forenklet vertikalsnitt av de hydrauliske sylinderene på begge sider av søylen i en utførelse som tilsvarer den i Fig. 4b, hvori hver hydraulisk sylinder er forbundet med en reguleringsmanifold til en lukket hydraulisk krets med en hydraulisk motor, fortrinnsvis med fortrengningsstyring, som driver en elektrisk generator. Fig. 4d viser vertikale og horisontale snitt av en alternativ utførelse av toroidens effekt-avtakersystem i en annen hydraulisk systemutførelse, ved bruk av en sylinder, med den ene sylinderen hvor den har en separet bærestruktur som strekker seg radielt ut fra den nedre delen av tårnet, uavhengig av endestoppstrukturene. Fig. 4e er et svært forenklet vertikalsnitt av den hydrauliske sylindren på begge sider av søylen i den alternative utførelsen tilsvarende den i Fig. 4d, hvor den enkle hydrauliske sylinderen er forbundet via en reguleringsmanifold til en lukket hydraulisk krets med en hydraulisk motor, fortrinnsvis med fortrengningsstyring, som driver en elektrisk generator. (120) a hydraulic power take-off system (63) to convert the relative motion into hydraulic energy to drive the second electric power generator (121), please see below. Fig. 4b shows vertical and horizontal sections of the toroid's power take-off system in a hydraulic system design, which uses several cylinders, and in a further design that shares a support structure with the end stop structures that extend radially from the lower part of the tower. Fig. 4c is a greatly simplified vertical section of the hydraulic cylinders on both sides of the column in an embodiment corresponding to that in Fig. 4b, in which each hydraulic cylinder is connected by a control manifold to a closed hydraulic circuit with a hydraulic motor, preferably with displacement control , which drives an electric generator. Fig. 4d shows vertical and horizontal sections of an alternative embodiment of the toroid's power take-off system in another hydraulic system embodiment, using a cylinder, with one cylinder having a separate support structure extending radially from the lower part of the tower , regardless of the end stop structures. Fig. 4e is a very simplified vertical section of the hydraulic cylinder on both sides of the column in the alternative embodiment corresponding to that in Fig. 4d, where the simple hydraulic cylinder is connected via a control manifold to a closed hydraulic circuit with a hydraulic motor, preferably with displacement control, which drives an electric generator.

Ifølge en alternativ utførelse av effektavtakersystemet (120) kan det omfatte et elektromagnetisk induktivt system (123) som utnytter deler av den relative bevegelsen mellom hjelpe-bøyestrukturen (61) og søyle- og tårnstrukturen (4, 3). Det elektromagnetiske induktive systemet kan omfatte en statisk induserende spole (122) i søylen, og en reaktiv bevegelig spole (123) i toroiden, slik at man genererer elektrisk energi i den statiske spolen som således utgjør en del av den andre elektriske generatoren (121) hvorfra energien kan eksporteres til nettet via effektkabelen som ellers brukes for å transportere energien bort fra vindturbinen. According to an alternative embodiment of the power take-off system (120), it may comprise an electromagnetic inductive system (123) which utilizes parts of the relative movement between the auxiliary bending structure (61) and the column and tower structure (4, 3). The electromagnetic inductive system can comprise a static inducing coil (122) in the column, and a reactive moving coil (123) in the toroid, so that electrical energy is generated in the static coil which thus forms part of the second electrical generator (121) from where the energy can be exported to the grid via the power cable which is otherwise used to transport the energy away from the wind turbine.

I en utførelse av oppfinnelsen omfatter den flytende vindturbinens effektavtakersystem (120) ledehjul (64) som er direkte eller indirekte koblet til den elektriske effektgeneratoren (121). In one embodiment of the invention, the floating wind turbine's power take-off system (120) comprises guide wheels (64) which are directly or indirectly connected to the electric power generator (121).

I en utførelse av oppfinnelsen blir hivbevegelses-karakteristika for bøyestrukturen (61) avstemt i forhold til hivbevegelseskarakteristika for tårn- og søylestrukturen (3, 4) for å forbedre energiutmatingen av den andre elektriske effektgeneratoren (12). In one embodiment of the invention, heave movement characteristics of the bending structure (61) are matched in relation to the heave movement characteristics of the tower and pillar structure (3, 4) to improve the energy output of the second electric power generator (12).

Toroiden (62) kan omfatte en ballasttank (611). Ballasttanken The toroid (62) may comprise a ballast tank (611). The ballast tank

(611) kan i seg selv utgjøre toroisen (62) som sådan og være utatyrt med et ventil- og pumpesystem (612) innrettet for å justere dens ballast ved å pumpe sjøvann inn eller ut. Ballasteringen kan være del av avstemningen. Andre parametre for å avstemme toroidens relative bevegelse med hensyn til søyle- og tårnstrukturen omfatter å justere effektavtaker-systemets kraftkarakteristika og den øvre og nedre endefjærens karakteristika. (611) may itself constitute the toroid (62) as such and be fitted with a valve and pump system (612) arranged to adjust its ballast by pumping seawater in or out. The ballasting can be part of the vote. Other parameters for tuning the relative movement of the toroid with respect to the column and tower structure include adjusting the power characteristics of the power take-off system and the characteristics of the upper and lower end springs.

I en utførelse av oppfinnelsen er den første og den andre elektriske effektgeneratoren (11, 12) kombinert i én generator. Dette er spesielt nyttig dersom man benytter en hydraulisk overføring til generatoren og at generatoren er anordnet i tårn- og søylestrukturen. En slik kombinasjon kan således ytterligere øke effektutmatingen av den kombinerte innretningen ifølge oppfinnelsen uten å øke vekten og kostnadene ved generatorsystemet i vesentlig grad. In one embodiment of the invention, the first and the second electric power generator (11, 12) are combined in one generator. This is particularly useful if a hydraulic transmission is used for the generator and the generator is arranged in the tower and pillar structure. Such a combination can thus further increase the power output of the combined device according to the invention without significantly increasing the weight and costs of the generator system.

Oppfinnelsen sett i et videre aspekt The invention seen in a further aspect

Dersom man ser oppdriftsstrukturen (61) i et videre aspekt kan den betraktes som en pitch-demper (12) som modifiserer den dynamiske bevegelsen av søylen; i det minste den pitch-dynamiske bevegelsen av søyle- og tårnstrukturen (4, 3). Således kan oppfinnelsen defineres som en flytende vindturbin med en turbinrotor (1) i et tårn (3) av en kombinert søyle- og tårnstruktur (4, 3) som omfatter hovedsakelig vertikal flytende og dyp, ballastert søyle (4) fortøyd i en fortøyning (7), hvor turbinrotoren (1) er forbundet med en første elektrisk effektgenerator (11), hvori søyle- og tårnstrukturen (4, 3) er utstyrt med en flytende tilleggsstruktur (61) anordnet i skvalpesonen av søyle- og tårnstrukturen (4, 3); hvor den flytende strukturen (61) svinger med sjøbølger i en relativ bevegelse i en aksiell retning av søyle- og tårnstrukturen (4, 3), hvor den flytende strukturen (61) er utstyrt med en demper (12) som modifiserer i det minste en pitch-dynamisk bevegelse av søyle- og tårnstrukturen (4, 3). If one sees the buoyancy structure (61) in a further aspect, it can be considered as a pitch damper (12) which modifies the dynamic movement of the column; at least the pitch-dynamic movement of the pillar and tower structure (4, 3). Thus, the invention can be defined as a floating wind turbine with a turbine rotor (1) in a tower (3) of a combined column and tower structure (4, 3) comprising mainly a vertical floating and deep, ballasted column (4) moored in a mooring ( 7), where the turbine rotor (1) is connected to a first electric power generator (11), in which the column and tower structure (4, 3) is equipped with a floating additional structure (61) arranged in the splash zone of the column and tower structure (4, 3 ); wherein the floating structure (61) oscillates with sea waves in a relative movement in an axial direction of the column and tower structure (4, 3), wherein the floating structure (61) is equipped with a damper (12) which modifies at least one pitch-dynamic movement of the column and tower structure (4, 3).

I denne veldig vide og generelle definisjonen av oppfinnelsen blir den flytende strukturen faktisk ikke nødvendigvis brukt til å generere elektrisk energi; vindturbinen i seg selv produserer mer energi til og med uten hensyn til noen effektutmating fra bølgeenergi-omformerdelen (6) av den flytende strukturen (61), noe som er en fordel i seg selv. Vennligst se Fig. 5 og Fig. 7 som viser at energiutmatingen fra vindgeneratoren i seg selv er høyere med en løpende toroide enn uten. Vennligst bemerk at "demperen" (12) i denne definisjonen ikke bare er en mekanisk demper, men som omformer den ellers pitch-iboende energi via effektavtakersystemet til elektrisk energi. Demperen (12) i denne sammenhengen er utstyrt med bølgeenergi-omformeren (6) omfattende effektavtakersystemet (120) koblet til den andre elektriske effektgeneratoren (121). Indeed, in this very broad and general definition of the invention, the floating structure is not necessarily used to generate electrical energy; the wind turbine itself produces more energy even without regard to any power output from the wave energy converter part (6) of the floating structure (61), which is an advantage in itself. Please see Fig. 5 and Fig. 7 which show that the energy output from the wind generator itself is higher with a running toroid than without. Please note that the "damper" (12) in this definition is not simply a mechanical damper, but converts the otherwise pitch-inherent energy via the power take-off system into electrical energy. The damper (12) in this context is equipped with the wave energy converter (6) comprising the power take-off system (120) connected to the second electrical power generator (121).

Claims

1. A floating wind turbine comprising - a wind turbine rotor (1) mounted in a tower (3) on a column and tower structure (4, 3) comprising a mainly vertical deep ballasted column (4) with buoyancy and moored in a mooring (7 ), - where the turbine rotor (1) is connected to a first electric power generator (11), <*>that the pillar and tower structure (4, 3) is equipped with a toroid (61, 62) with buoyancy and arranged at the mean water line around the pillar and tower structure (4, 3); <*>where the toroid (61, 62) oscillates with the sea waves in an axial direction with a movement relative to the column and tower structure (4, 3), <*>where the toroid (61, 62) is equipped with a power take-off system (120) connected to a second electric power generator (121), characterized in that the heave movement characteristics of the toroid (61) are arranged to be matched in relation to the heave movement of the column and tower structure (3, 4) to improve the energy output from the second electrical power generator (121) .

2. The floating wind turbine according to claim 1, wherein the toroid is equipped with guide wheels (64) arranged to run along the column and tower structure (4, 3) in its axial, substantially vertical direction.

3. The floating wind turbine according to claim 1 or 2, wherein the power take-off system (120) comprises a hydraulic power take-off system (63) arranged to convert the relative motion into hydraulic energy to drive the second electrical power generator (121).

4. The floating wind turbine according to any one of the preceding claims, wherein the power take-off system (120) comprises an electromagnetic inductive system (123) which utilizes the relative movement between the auxiliary buoyancy structure (61) and the column and tower structure (4, 3).

5. The floating wind turbine according to claim 2, where the power take-off system (120) comprises that the guide wheels (64) are connected directly or indirectly to the second electric power generator (121).

The floating wind turbine according to any one of the preceding claims, wherein the toroid (62) comprises a ballast tank (611).

7. The floating wind turbine according to claim 6, where the ballast tank (611) is constituted by the toroid (62) itself, and equipped with a valve and pump system (612) arranged to adjust its ballast by pumping seawater in or out.

8. The floating wind turbine according to any one of the preceding claims, wherein a tower base (31) of the tower (3) and a column top portion (41) of the column portion (4) form a substantially smooth transition near the mean water line, between the tower (3) and the pillar (4) .

9. The floating wind turbine according to any one of the preceding claims, where the turbine rotor is mounted on a shaft carried in shaft bearings (131) in a nacelle (13) on the tower (3).

10. The floating wind turbine according to claim 9, in which the nacelle (13) is arranged on a rotating bearing (132) with an axial rotation of the tower (3).

11. The floating wind turbine according to any one of the preceding claims, wherein the first and second electric power generators (11, 12) are combined into one generator driven by the wind turbine (1) and the toroid (62) with buoyancy. The invention is a floating wind turbine comprising- a wind turbine rotor (1) mounted in a tower (3) on a column and tower structure (4, 3) comprising a mainly vertical deep ballasted column (4) with buoyancy and moored in a mooring (7 ), - where the turbine rotor (1) is connected to a first electric power generator (11). The floating wind turbine comprises the following features:<*>that the column and tower structure (4, 3) is equipped with a toroid (62) with buoyancy and arranged at the mid-water line around the column and tower structure (4, 3); <*>that the toroid (62) oscillates with the sea waves in an axial direction with a movement relative to the column and tower structure (4, 3), <*>that the toroid (62) is equipped with a power take-off system (120) connected to a second electric power generator (121). The thus modified floating wind turbine will thus be more efficient, especially in the lower wind speed range. (Fig. 2 for the summary)