SE536302C2 - Ett vindkraftverk för konvertering av vindenergi till elektrisk energi till havs - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppfinning avser ett vindkraftverk för konverteringav vindenergi till elektrisk energi till havs, innefattande ett flertalvindturbiner (2), ett flytbart ramverk inkluderande åtminstone tvåstödelement (3a-b) anpassade att stödja vindturbinerna och in-rättade så att en öppning (7) skapas mellan stödelementen, ochett arrangemang för anslutning av ramverket till fundamentet in-rättat till havs, inkluderande en långsträckt balk (9) utbredandesig igenom öppningen i ramverket och utskjutande på båda sidorom ramverket, en anslutningsenhet (10) för anslutning av enände (17) hos balken till fundamentet, och ett flertal vajrar (14a-h) inrättade mellan balken och ramverket i syfte att mekanisktansluta balken till ramverket. (Fig. 1)

Description

25 30 35 536 302 inte har tillräckligt utrymme för att röra sig och således utsätts kabeln för höga töjningar.

MÅLSÄTTNING OCH SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Målsättningen med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett förbättrat vindkraftverk lämpligt för konvertering av vindenergi till elektrisk energi till havs, vilket undviker ovannämnda problem.

Enligt uppfinningen uppnås denna målsättning genom ett vind- kraftverk såsom definierat i kravet 1.

Ett sådant vindkraftverk kännetecknas av att arrangemanget för anslutning av ramverket till fundamentet innefattar en långsträckt balk utbredande sig genom en öppning i ramverket och utskju- tande på båda sidor om ramverket, en anslutningsenhet för an- slutning av en ände hos balken till fundamentet och ett flertal vaj- rar inrättade mellan balken och ramverket i syfte att mekaniskt ansluta balken till ramverket. Företrädesvis är vajrarna gjorda av rostfritt stål.

Arrangemanget med stödbalken och vajrarna tillhandahåller en flexibel anslutning mellan fundamenten och ramverket och redu- cerar de dynamiska spänningarna på ramverket. Genom arran- gemanget med vajrar optimeras utnyttjandet av material och så- ledes reduceras vikten hos arrangemanget i förhållande till ar- rangemang enligt teknikens stàndpunkt. Resonansproblem redu- ceras också genom karakteristiken hos vajrarna.

Enligt en utföringsform av uppfinningen inkluderar vajerarrange- manget åtminstone sex vajrar, varvid åtminstone tre av vajrarna är inrättade mellan en ände hos balken och ramverket, och åt- minstone tre av vajrarna är inrättade mellan den motsatta änden hos balken och ramverket. Sådant arrangemang håller balken i en fixerad position i förhållande till ramverket i både horisontal och vertikal riktning. 10 15 20 25 30 35 536 302 Enligt en utföringsform av uppfinningen inkluderar vajerarrange- manget åtminstone åtta vajrar, varvid åtminstone fyra av vajrarna är inrättade mellan en ände hos balken och ramverket och åtmin- stone fyra av vajrarna är inrättade mellan den motsatta änden hos balken och ramverket. Denna utföringsform tillhandahåller ett robust arrangemang som ansluter ramverket till fundamentet.

Med åtta vajrar fördelas krafterna bättre så att spänningar och material reduceras.

Enligt en utföringsform av uppfinningen skapar stödelementen ett plan och balken är inrättad vinklad i förhållande till planet. Före- trädesvis är vinkeln mellan balken och planet inom intervallet 80° - 30°. Denna utföringsform möjliggör att balken ansluts till fun- damentet under ytan hos vattnet och i närheten till botten hos havet medan turbinerna och stödelementen är upprätta. Det är fördelaktigt att ha anslutningspunkter mellan kraftverket och fun- dament nära havsbotten eftersom böjmomenten och spänningar- na på fundamentet kommer att reduceras drastiskt.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är vajrarna inrättade så att längden hos vajrarna är justerbara för att möjliggöra justering av vinkeln mellan balken och planet som skapas av stödelemen- ten. Den nödvändiga vinkeln mellan balken och planet skapad av stödelementen beror på djupet hos havet vid platsen för kraftver- ket. Den här utföringsformen gör det möjligt att anpassa vinkeln mellan balken och planet skapad av stödelementen till olika vat- tendjup, och samtidigt få änden hos balken nära nivån hos havs- botten medan stödelementen är vertikala. Dessutom tillhandahål- ler den här utföringsformen bättre möjligheter att upprätta struk- turen vid ett skeppsverk genom successivt ändra vinkeln för att upprätta strukturen i vattnet. Den här utföringsformen tillhanda- håller även en möjlighet att eliminera det bakre flytkraftelementet och att luta strukturen framåt mot det främre flytkraftselementet.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar nämnda arran- gemang anslutningselement för anslutning av nämnda vajrar till ramverket och till balken, och nämnda anslutningselement är in- 10 15 20 25 30 35 536 302 rättade för att möjliggöra justering av längden hos vajrarna. Ge- nom utnyttjande av justerbara anslutningar hos vajrarna till ram- verket är det möjligt att ändra vinkeln mellan balken och ramver- ket.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är de två stödelementen inrättade på avstånd från varandra, och ramverket inkluderar en gallerstruktur ansluten till stödelementen i syfte att stötta stöd- elementen. Till exempel är de två stödelementen diagonalt stad- gade. Genom användning av en gallerstruktur och vajrar reduce- ras böjspänningen i stödelementen signifikant i förhållande till traditionella landbaserade vindkraftverk. Stödelementen är till exempel rörformade vilket gör dem flytbara.

KORT BESKRIVNING AV RlTNlNGARNA Uppfinningen kommer nu att förklaras i detalj genom beskrivning av olika utföringsformer av uppfinningen och med hänvisning till bifogade figurer.

Fig.1 visar en perspektivvy av ett vindkraftverk enligt en första utföringsform av uppfinningen.

Fig. 2 visar en sidovy av ett vindkraftverk visat i figur 1, när vindkraftverket är i en transportposition.

Fig. 3 visar en sidovy av vindkraftverket visat i figur 1, när vindkraftverket är anslutet till ett fundament i havet och färdigt för drift.

Fig. 4 visar en bakre vy av vindkraftverket visat i figur 1.

Fig. 5 visar en bakre vy av vindkraftverket enligt en andra utföringsform av uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 535 302 DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGS- FORMER AV UPPFINNINGEN Figurerna 1 - 4 visar ett vindkraftverk anpassat att konvertera vindenergi till elektrisk energi till havs enligt en första utförings- form av uppfinningen. Vindkraftverket inkluderar ett flertal vind- turbiner 2. l den här utföringsformen inkluderar vindkraftverket två vindturbiner 2. Emellertid, i en annan utföringsform av upp- finningen är det möjligt att vindkraftverket inkluderar tre eller fle- ra vindturbiner. Vindkraftverket inkluderar dessutom ett flytande ramverk inkluderande åtminstone två stödelement 3a, 3b anpas- sade att stödja vindturbinerna 2. Stödelementen är làngsträckta.

I den här utföringsformen är stödelementen två ihåliga rör inrät- tade parallellt på ett avstànd från varandra sà att en öppning 7 skapas mellan stödelementen. Vindturbinerna 2 är mekaniskt an- slutna till övre ändar hos stödelementen. Vindkraftverket är ut- format så att stödelementen 3-b är vertikalt inrättade när kraft- verket är i drift.

Ramverket inkluderar dessutom en làngsträckt pontonenhet 4 in- rättad mellan stödelementen 3a-b. Pontonenheten 4 är också rör- formad. Pontonenheten 4 är mekaniskt ansluten till nedre ändar hos stödelementen. l en annan utföringsform är det möjligt att ha tre eller flera stödelement som stödjer tre eller flera vindturbiner.

Till exempel är stödelementen 3a-b och pontonen 4 tillverkade av rör. Rören bidrar med viss flytkraft och stabiliserar i rullriktning- en.

Ramverket inkluderar dessutom en gallerstruktur, till exempel ett diagonalt stag 5 anslutet till stödelementen 3a-b i syfte att stötta stödelementen. Det är fördelaktigt att använda ett diagonalt stöd för att stabilisera stödelementen och att reducera böjspänningar i ramverket. Det är självklart möjligt att använda andra typer av arrangemang för att stötta stödelementen.

Vindkraftverket inkluderar dessutom ett arrangemang för anslut- ning av ett ramverk till ett fundament inrättat i havet i syfte att 10 15 20 25 30 35 536 302 hålla vindkraftverket vid en fixerad position i havet. Fundamentet är till exempel en boj, en påle/stolpe eller undervattenstorn. I det här exemplet är fundamenten en påle 8. Pâlen 8 är förankrad i botten på havet, såsom visas i figur 3. Det här arrangemang in- nefattar en långsträckt balk 9, företrädesvis tillverkad av rostfritt stål eller aluminium. Till exempel kan balken vara solid, rörfor- mad eller ha en gallerstruktur. Den långsträckta balken 9, fort- sättningsvis benämnd stödbalk, är inrättad så att den utbreder sig genom öppningen 7 mellan stödelementen 3a-b och utskjuter på båda sidor om ramverket, såsom visas i figur 2 och 3. Stöd- elementen 3a-b och pontonen 4 skapar ett plan. Balken 9 är in- rättad vinklad i förhållande till planet. Stödbalken är varken vin- kelrät mot planet eller parallell med planet. Företrädesvis är bal- ken inrättad med en vinkel relativt planet som är inom intervallet 30° - 80°, beroende på vattendjup.

En ände hos balken 9 är tillhandahållen med en anslutningsenhet 10 för anslutning av balken till pålen 8. Anslutningsenheten 10 är utformad så att det är möjligt att röra anslutningsenheten i en vertikal riktning i förhållande till pålen men inte i en horisontal riktning. Vardera ände hos balken 9 är tillhandahållen med flyt- kraftelement 12a, 12b som också kan användas som viktelement.

En första ände 17 hos balken 9 är tillhandahållen med ett främre flytkraftelement 12a och en andra ände 18 hos balken 9 är till- handahàllen med ett bakre flytkraftelement 12a. Åtminstone det främre flytkraftelementet 12a är ihåligt och inkluderar ett utrym- me med ett inlopp anpassad att mottaga luft och vatten, och kraftverket inkluderar medel för styrning av nivån hos vattnet i utrymmet för att möjliggöra en användare att ändra relationen mellan luft och vatten i utrymmet i syfte att förändra flytkraften hos flytkraftelementet. l en föredragen utföringsform av uppfin- ningen inkluderar det bakre flytkraftelementet 12a också ett ut- rymme inkluderande ett inlopp anpassat att mottaga luft och vat- ten, och kraftverket inkluderar medel, till exempel en ventil, för att kontrollera nivån hos vattnet i utrymmet för att möjliggöra en användare att förändra förhållandet mellan luft och vatten i ut- rymmet i syfte att förändra flytkraften hos flytkraftelementet. Det 10 15 20 25 30 35 536 302 är fördelaktigt att fylla flytkraftelementet med vatten efter kraft- verket har installerats på sin plats. Detta betyder att massa till- förs till kraftverket vilket reducerar rörelser i vattnet. Det är mer effektivt att tillägga massa vid en position längre bort från an- slutningspunkten till fundamentet än vid en position närmare an- slutningspunkten.

Vindkraftverket innefattar dessutom ett flertal vajrar 14a-h. före- trädesvis tillverkade av stål eller polyester inrättade mellan stöd- balken 9 och ramverket i syfte att mekaniskt ansluta balken till ramverket. Balken 9 och stödelementen är tillhandahållna med ett flertal kabelinfästningar 15 för underlättande av infästning av vajrarna. Kabelinfästningarna är till exempel en slinga eller en ring. Ändarna hos vajrarna är också tillhandahållna med motsva- rande infästningar, till exempel krokar. Arrangemanget med vaj- rar möjliggör ett optimal utnyttjande av material och således re- ducerar vikten hos kraftverket. lnfästningen av vajrar till ramver- ket kan också vara justerbara, exempelvis kan vajer 14a och va- jer 14e vara en kontinuerlig vajer och 14b och 14f kan vara en kontinuerlig vajer, som visas i figur 4. Anslutningen av ramverket kan vara en klämanordning inuti stödelementen 3a-b som håller den relativa positionen hos vajeranslutningspunkten och röret 3 i en önskad position. l utföringsformen visad i figur 1 - 4 är àtta vajrar inrättade mellan balken och ramverket. Fyra av vajrarna 14a-d är inrättade mellan ramverket och änden hos balken som inkluderar anslutningsen- heten 10, och fyra av vajrarna 14e-h är inrättade mellan ramver- ket och motsatta ände hos balken. l den här utföringsformen är vajrarna 14a och 14c anslutna mellan en första ände 17 hos bal- ken och stödelementet 3a, vajrarna 14b och 14b är anslutna mel- lan den första änden 17 hos balken och stödelementet 3b. Vaj- rarna 14e och 14g är anslutna mellan en andra ände 18 hos bal- ken och stödelementen 3a, vajrarna 14f och 14h är anslutna mel- lan den andra änden 18 hos balken och stödelementet 3b. Så som ses i figur 1 och 4 är stödbalken 9 fri från ramverket, det vill säga den är inte i kontakt med ramverket, och är endast ansluten 10 15 20 25 30 35 535 302 till ramverket genom vajrarna 14a-h. Eftersom stödbalken 9 inte har någon anslutning till ramverket förutom genom vajrarna 14a- h introduceras inga krafter mellan balken 9 och ramverket.

Figur 2 visar vindkraftverket i en transportposition, i vilket det är möjligt att bogsera kraftverket. vindkraftverket transporteras till pålen 8 medels båt. Under transporten av vindkraftverket fylls flytkraftelementen 12a-b med luft för att hälla vindkraftverket flytande under transporten. Genom att förändra förhållandet mel- lan vatten och luft i det främre flytkraftelementet 12a är det möj- ligt att höja och sänka den främre delen av vindkraftverket.

När vindkraftverket har nått pålen 8 ansluts anslutningsenheten 10 till den övre delen hos pålen 8. När kraftverket har anslutits till pålen 8 fylls det främre flytkraftelementet 12a med vatten så att vindkraftverket lutas framåt, som ses i figur 3. Den främre än- den 17 hos balken 9 inkluderande anslutningsenheten 10 sänks tills de har nått en stopposition nära botten hos pålen 8 i denna position påverkas inte flytkraftelementet 12a-b av ofördelaktiga rörelser hos ramverket pà grund av vågrörelser i vattnet. Ram- verket 3a-b, 4 och balken 9 är utformade så att stödelementen 3a-b är huvudsakligen vertikala och planet hos turbinerna är pa- rallellt med det vertikala planet när kraftverket är förankrat. På grund av att förankringspunkten är närmare botten hos havet re- duceras böjspänningar på pålen 8 avsevärt, och därför behöver pålen endast dimensioneras huvudsakligen för skjuvkrafter med små böjmoment.

En strömkabel 16 är positionerad på botten hos havet och utbre- der sig genom pålen 8. Strömkabeln 16 är ansluten till vindkraft- verket ovanför ytan hos vattnet efter anslutningen till pålen. En fördel med detta är att strömkabeln 16 inte rör sig i vattnet på grund av rörelser hos ramverket, såsom i jämförelse hos lösning- en när balken 9 är ansluten till en boj.

Figur 5 visar en bakre vy av vindkraftverket enligt en andra utfö- ringsform av uppfinningen. Denna utföringsform skiljer sig från 10 15 20 25 30 35 536 302 den första utföringsformen genom att vajerarrangemanget endast har sex vajrar istället för åtta i den första utföringsformen. Vaj- rarna 14c och 14d har bytts ut med en enda vajer 14i. PÅ samma sätt har vajrarna 14g och 14h bytts ut med en enda vajer (inte visad).

Figur 6 visar ett exempel på ett anslutningselement 16 för an- slutning av vajrarna 14a-i till ramverket och till balken, vilket an- slutningselement gör det möjligt att justera längden hos vajrarna på båda sidor om ramverket för att möjliggöra justering av vin- keln a mellan balken 9 och planet som skapas av stödelementen.

Anslutningselementet 6 inkluderar en bobin roterbart inrättad i förhållandet till stödelementet. Vajrarna 14e och 14a är delar av en vajer som är upprullad på rullen 16. Längderna hos delarna 14e och 14a kommer förändras vid rotation hos bobinen så att när vajerdelen 14a förlängs, förkortas vajerdelen 14e, och vice versa. Till exempel drivs rotationen hos bobinen av en motor. I detta exempel är motorn 14 inrättad inuti det ihåliga stödelemen- tet 3a. Om ett sådant anslutningselement 16 används i utförings- formen visad i figur 1 är ramverket tillhandahàllen med fyra rul- lar, en första för vajrarna 14a och 14e, en andra för vajrarna 14b och 14f, en tredje för vajrarna 14c och 14g, och en fjärde för vaj- rarna 14d och 14h.

Det här vindkraftverket är stort, till exempel är längden hos bal- ken omkring 150m. Delen hos balken som utbreder sig i en rikt- ning mot pålen 8 är till exempel omkring 100m och delen hos balken som utbreder sig i motsatt riktning är till exempel omkring 50m.

En fördel med kraftverket enligt föreliggande uppfinning är att det är möjligt att positionera den på grunt vatten. En annan fördel i förhållande till kraftverket enligt teknikens ståndpunkt är att vind- turbinerna endast har ett stödelement till centrum hos en rotor hos vindturbinen. Detta arrangemang reduceras störningar och problem med dynamisk dimensionering av ramverket. 536 302 10 Föreliggande uppfinning är inte begränsad till utföringsformerna som visade utan kan varieras och modifieras inom omfånget hos följande krav. Till exempel kan kraftverket inkludera fler än två stödelement och fler än tvâ vindturbiner.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 536 302 PATENTKRÅV

1. Ett vindkraftverk för konvertering av vindenergi till elektrisk energi till havs, innefattande: - ett flertal vindturbiner (2), - ett flytbart ramverk innefattande åtminstone två stödelement (3a-b) anpassade att stödja vindturbinerna och inrättade så att en öppning (7) skapas mellan stödelementen, och - ett arrangemang för anslutning av ramverket till ett fundament inrättat till havs, varvid nämnda arrangemang innefattar: - en långsträckt balk (9) utbredande sig genom nämnda öppning i ramverket och utskjutande på båda sidor om ramverket, - en anslutningsenhet (10) för anslutning av en ände hos balken till fundamentet, och - ett flertal vajrar (14a-i) inrättade mellan nämnda balk och nämn- da ramverk i syfte att mekaniskt ansluta balken till ramverket, kännetecknat av att åtminstone tre av nämnda vajrar (14a-d) är inrättade mellan en ände hos balken och ramverket och åtminstone tre av nämnda vajrar (14e-h) är inrättade mellan den motsatta änden hos balken och ramverket.

2. Ett vindkraftverk enligt krav 1, varvid åtminstone fyra av nämnda vajrar är inrättade mellan en ände hos balken och ram- verket och åtminstone fyra av nämnda vajrar är inrättade mellan den motsatta änden hos balken och ramverket.

3. Vindkraftverket enligt något av de föregående kraven, var- vid nämnda stödelement (3a-b) skapar ett plan och nämnda balk (9) är inrättad vinklad i förhållande till nämnda plan.

4. Vindkraftverk enligt krav 3, varvid vinkeln (a) mellan nämn- da balk och nämnda plan är inom intervallet 30° och 80°, företrä- desvis 50°-70°. 10 15 20 25 536 302 l2

5. Vindkraftverket enligt krav 3, varvid nämnda vajrar är inrät- tade så att längden hos vajrarna är justerbara för att möjliggöra justering av vinkeln (a) mellan nämnda balk (9) och nämnda plan skapat av stödelementen.

6. Vindkraftverket enligt krav 5, varvid nämnda arrangemang innefattar anslutningselement (16) för anslutning av nämnda vaj- rar (14a-i) till ramverket och till balken, och nämnda anslutnings- element är inrättade för att möjliggöra justering av längden hos nämnda vajrar.

7. Vindkraftverket enligt något av de föregående kraven, var- vid nämnda ramverk inkluderar en långsträckt pontonenhet (4) inrättad mellan nämnda stödelement (3a-b).

8. Vindkraftverk enligt något av de föregående kraven, varvid de två stödelementen (3a-b) är inrättade på ett avstånd från var- andra, och ramverket inkluderar en gallerstruktur ansluten till stödelementen (3a-b) i syfte att stötta stödelementen.

9. Vindkraftverket enligt något av de föregående kraven, var- vid nämnda två stödelement (3a-b) är rörformade.