WO2009130023A2 - Modulares unterwasserkraftwerk und verfahren für dessen montage - Google Patents

Modulares unterwasserkraftwerk und verfahren für dessen montage Download PDF

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    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the length of the section of the connecting cable between the first attachment point on the machine nacelle and the second attachment point on the boom and the length of the boom must be adjusted so that after coupling of the nacelle to the support structure of the boom comes to lie substantially on the water bottom ,
  • the immersion depth of the support structure is to be observed, more precisely, the distance of the coupling device to the support structure of the water surface.
  • the second attachment point of the connection cable on the extension arm it may therefore be necessary for the second attachment point of the connection cable on the extension arm not to constitute a fixed attachment, but for the connection cable to be guided in a controlled and movable manner through this second attachment point.
  • embodiments are conceivable for which the connecting cable is obtained in the second attachment point at the beginning of the lowering of the nacelle by means of a device intended therefor so as to length the length of the connecting cable between the first attachment point and the second
  • a strain relief between the first attachment point and the second attachment point is preferably provided.
  • different embodiments for example by means of a reinforced sheath of the connection cable, conceivable.
  • cable protection elements can be used at least along the connection cable section between the first attachment point and the second attachment point and / or at the exit region of the connection cable on the extension arm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Unterwasserkraftwerk, umfassend eine Tragstruktur zur Abstützung des Unterwasserkraftwerks am Gewässergrund; eine Maschinengondel, wobei die Tragstruktur und die Maschinengondel über eine Kopplungsvorrichtung lösbar miteinander verbindbar sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwasserkraftwerk ferner einen schwenkbar an der Tragstruktur angelenkten Ausleger umfasst; und ein Verbindungskabel, das einen ersten Befestigungspunkt an der Maschinengondel und das einen zweiten Befestigungspunkt am Ausleger aufweist; und eine Kabelführung, die einen sich zum Ausleger hin öffnenden Teilbereich aufweist.

Description

Modulares Unterwasserkraftwerk und Verfahren für dessen Montage
Die Erfindung betrifft ein modulares Unterwasserkraftwerk gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren für dessen Montage.
Unterwasserkraftwerke zur Ausnutzung einer Gewässerströmung, insbesondere einer Gezeitenströmung, können als freistehende Einheiten mit einer an einer Maschinengondel umlaufenden Wasserturbine ausgebildet sein, die typischerweise eine propellerförmige Gestalt hat. Dabei wird die Maschinengondel an einer Tragstruktur befestigt, die schwimmend oder auf einem Gewässergrund fundamentiert ausgebildet ist. Für eine modulare Ausführung solcher Unterwasserkraftwerke besteht eine lösbare Kopplungsvorrichtung zwischen der Maschinengondel und der Tragstruktur, so dass insbesondere zum Ausführen eines Anlagenservices die bestimmten Wartungszyklen unterliegenden Komponenten zur Inspektion über die Wasseroberfläche angehoben werden können.
Ein Beispiel für ein modular ausgebildetes Unterwasserkraftwerk wird durch die EP 1366287 A1 offenbart. Dabei wird auf ein aus Einzelkomponenten hergestelltes Fundament mit einer darauf aufbauenden Tragstruktur mittels einer Führungsseilanordnung eine Maschinengondel aufgesetzt. Eine der Schwierigkeiten bei diesem Montageschritt stellt die sichere Führung des Verbindungskabels dar, mit dem eine Verbindung zwischen den elektrischen Anlagekomponenten und einem landseitigen Versorgungsnetz hergestellt wird. Ein Absenken eines solchen Verbindungskabels muss synchron zur Maschinengondel erfolgen, so dass nicht durch eine Überlänge des Verbindungskabels die Gefahr eines Einwickeins in den Kopplungsbereich zwischen der Maschinengondel und der Tragstruktur besteht, beziehungsweise um zu verhindern, dass das Verbindungskabel in Undefinierter Weise um die Tragstruktur des Unterwasserkraftwerks verläuft und im schlimmsten Fall in den Flugkreis der Wasserturbine gerät. Hierzu wird in der genannten EP 1366287 A1 vorgeschlagen, entlang der Tragstruktur eine Führungsrinne für das Verbindungskabel vorzusehen, die, von einem starr an der Tragstruktur angelenkten Teil ausgehend, mittels eines zweiten, ausklappbaren Teils bis zum Gewässergrund reicht.
Entlang dieser Führungsrinne wird von einem Servicetaucher nach der erfolgten Kopplung der Maschinengondel an der Tragstruktur das Verbindungskabel angeordnet und befestigt. Ein solcher Einsatz von Tauchern ist aufwendig und gefährlich. Ferner ist bei jeder Servicemaßnahme, für die ein Anheben der Maschinengondel notwendig ist, die Befestigung des Verbindungskabels an der Führungsrinne zu lösen, was nach dem voranstehend dargelegten Konzept wiederum nur mittels eines Tauchers ausgeführt werden kann.
Eine vereinfachte Variante der Kabelführung wird durch die GB 2437534 A offenbart. Dabei geht von der Maschinengondel ein starrer Rohrstutzen aus, innerhalb dem ein Teilstück des Verbindungskabels läuft, wobei es sicher von der Kopplungsvorrichtung an der Stützstruktur sowie vom drehenden Anlagenteil ferngehalten wird. Nachteilig an einer solchen Gestaltung ist jedoch, dass der frei in der Umgebungsströmung angeordnete Stutzen hinreichend stabil und damit schwerbauend auszubilden ist. Ferner reicht er nicht bis zum Gewässergrund, so dass die Kabelführung ab dem Ausgang des Rohrstutzens wiederum Undefiniert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein modulares Unterwasserkraftwerk mit einer lösbar an der Tragstruktur befestigten Maschinengondel eine Vorrichtung und ein Verfahren zu sicheren Führung eines Verbindungskabels, das von der Maschinengondel ausgeht und üblicherweise zu einem Verbundnetz an Land führt, anzugeben. Diese soll in einfacher und sicherer Weise ausgebildet sein, dabei soll die Kabelführung beim Ankoppeln der Maschinengondel an der Tragstruktur automatisiert erfolgen und den Einsatz von Servicetaucherπ unnötig machen. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Dabei wird von einer Kabelführung, die bevorzugt rinnenförmig gestaltet ist, ausgegangen, welche entlang einer auf dem Gewässergrund stehenden Tragstruktur geführt ist. Bevorzugt verläuft die Kabelführung im oberen Teil mit einer gewissen, minimalen Neigung gegen die Vertikale entlang der Tragstruktur, so dass ein Verlauf im Strömungsschatten der tragenden Teile gewählt wird und die Auflage des Verbindungskabels in der Kabelführung sichergestellt ist. Im unteren Bereich geht die Kabelführung kontinuierlich in die Horizontale über und erreicht im Auslauf ohne wesentlichen Höhenversatz zur Umgebung den Bereich eines Scharniers für einen schwenkbar um die Tragstruktur angelenkten Ausleger.
Der Ausleger dient dazu, das Verbindungskabel bei einer Kopplung der Maschinengondel sicher zu führen und in die Kabelführung einzulegen, die zu diesem Zweck in Richtung auf den Ausleger offen ist und im Wesentlichen in der Schwenkebene des Auslegers liegt. Zu diesem Zweck ist das Verbindungskabel über einen ersten Befestigungspunkt an der Maschinengondel und einen zweiten Befestigungspunkt am Ausleger angebracht, wobei dieser zweite Befestigungspunkt gegenüber dem Scharnier des Auslegers an der Tragstruktur beabstandet ist. Aufgrund dieser Anordnung des Verbindungskabels führt das Absenken der Maschinengondel in Richtung der Kopplungsvorrichtung an der Tragstruktur zu einer synchronen Schwenkbewegung des Auslegers, die für eine mögliche Ausgestaltung motorisch unterstützt werden kann. Im einfachsten Fall erfolgt die Bewegung jedoch lediglich aufgrund des Eigengewichts des Auslegers entsprechend der Nachführung des Verbindungskabelabschnitts zwischen dem ersten Befestigungspunkt und dem zweiten Befestigungspunkt. Gemäß einer Ausgestaltungsalternative wird die Bewegung des Auslegers motorisch geführt oder der Ausleger wird in die Ablegerichtung vorgespannt. Ferner ist es denkbar, zur Sicherstellung einer minimalen Schrägstellung gegen die Vertikale in Richtung des Ablegens einen Anschlag vorzusehen. Durch die Führung des Verbindungskabels von der Maschinengondel zu einem von der Tragstruktur beabstandeten, zweiten Befestigungspunkt am Ausleger liegt beim Absenken der Maschinengondel ein solchermaßen hinreichender Zug nach außen in diesem Abschnitt des Verbindungskabels vor, dass ein Einwickeln in die Kopplungsvorrichtung sicher verhindert wird. Des Weiteren erfolgt das automatische Einlegen dieses Abschnitts des Verbindungskabels in der Führungsrinne. Hierzu wird eine hinreichend genaue Orientierung der Maschinengondel relativ zur Kabelführung vorgesehen, die durch eine geeignet ausgestaltete Kopplungseinrichtung sichergestellt wird.
Des Weiteren muss die Länge des Abschnitts des Verbindungskabels zwischen dem ersten Befestigungspunkt an der Maschinengondel und dem zweiten Befestigungspunkt am Ausleger und die Länge des Auslegers so abgestimmt sein, dass nach dem Ankoppeln der Maschinengondel an der Tragstruktur der Ausleger im Wesentlichen auf dem Gewässergrund zu liegen kommt. Außerdem ist die Tauchtiefe der Tragstruktur zu beachten, genauer gesagt der Abstand der Kopplungsvorrichtung an der Tragstruktur von der Wasseroberfläche. Insbesondere bei großen Tauchtiefen kann es daher erforderlich sein, dass der zweite Befestigungspunkt des Verbindungskabels am Ausleger keine fixe Befestigung darstellt, sondern dass das Verbindungskabel kontrolliert beweglich durch diesen zweiten Befestigungspunkt geführt werden kann. Dabei sind Ausgestaltungen denkbar, für die das Verbindungskabel im zweiten Befestigungspunkt zu Beginn des Absenkens der Maschinengondel mittels einer hierfür bestimmten Vorrichtung eingeholt wird, um so die Länge des Stücks des Verbindungskabels zwischen dem ersten Befestigungspunkt und dem zweiten
Befestigungspunkt in einem ersten Verfahrensschritt kontinuierlich zu verringern. Ist eine bestimmte Länge dieses Verbindungsstücks erreicht, die zu einer bestimmten Tauchtiefe der Maschinengondel korrespondiert, wird das Einholen des Verbindungskabels am zweiten Befestigungspunkt am Ausleger gestoppt. Dies kann durch einen geeigneten Klemmmechanismus erfolgen, so dass nachfolgend die Länge des Verbindungskabels zwischen dem ersten und zweiten Befestigungspunkt unverändert beibehalten wird und beim weiteren Absenken der Maschinengondel der Ausleger die voranstehend genannte Drehbewegung um das ihm zugeordnete Scharnier an der Tragstruktur ausführt, damit das Verbindungskabel kontrolliert mitnimmt und schlussendlich in der Kabelführung ablegt.
Für die weitere Führung des Verbindungskabels ausgehend vom zweiten Befestigungspunkt am Ausleger wird bevorzugt, das Verbindungskabel wenigstens entlang eines Teils der Erstreckung des Auslegers zurückzuführen. Besonders bevorzugt verläuft das Verbindungskabel im Ausleger, der zu diesem Zweck hohl ausgebildet ist. Dabei befindet sich bevorzugt der Austrittspunkt des
Verbindungskabels im Bereich des Scharniers des Auslegers und verläuft von dort aus entlang des Gewässergrunds bis zum Netzankopplungspunkt an Land.
Ferner wird bevorzugt eine Zugentlastung zwischen dem ersten Befestigungspunkt und dem zweiten Befestigungspunkt vorgesehen. Hierzu sind unterschiedliche Ausgestaltungen, beispielsweise mittels einer verstärkten Ummantelung des Verbindungskabels, denkbar. Des Weiteren können Kabelschutzelemente wenigstens entlang des Verbindungskabelabschnitts zwischen dem ersten Befestigungspunkt und dem zweiten Befestigungspunkt und/oder am Austrittsbereich des Verbindungskabels am Ausleger verwendet werden.
Die Kabelführung muss so gestaltet sein, dass durch die Drehbewegung des Auslegers mit dem Verbindungskabel der Einführungsbereich in die Kabelführung getroffen wird. Hierzu wird bevorzugt der sich zum Ausleger hin öffnende
Teilbereich der Kabelführung mit einem konischen Öffnungsbereich gestaltet, der zur sicheren Einführung des Verbindungskabels hinreichend breit ausgebildet ist. Insbesondere dieser Einfangbereich, wie auch der weitere Teil der Kabelführung, werden bevorzugt hydraulisch günstig angelegt. Denkbar ist hierfür eine wenigstens in Teilbereichen durchströmbare Gitterstruktur. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und im Zusammenhang mit Figurendarstelluπgen genauer erläutert. In diesen ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäß gestaltetes modulares Unterwasserkraftwerk beim Absenken der Maschinengondel.
Figur 2 zeigt das Unterwasserkraftwerk aus Figur 1 unmittelbar vor dem
Einkoppeln der Maschinengondel in die Tragstruktur.
Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Unterwasserkraftwerk nach der Kopplung der Maschinengondel an der Tragstruktur mit einem in die Kabelführung eingelegten Verbindungskabel und einem auf dem Gewässergrund abgelegten Ausleger.
Figur 1 skizziert ein modular ausgebildetes Unterwasserkraftwerk 1. Dieses umfasst eine Tragstruktur 4, die auf dem Gewässergrund 5 steht. Am oberen Ende der Tragstruktur 4 ist eine Aufnahme 12 vorgesehen, in die ein Stutzen 13 zur Ankopplung der Maschinengondel 2 einführbar ist. Dabei umfasst die Maschinengondel 2 wenigstens eine Wasserturbine 3, die vorliegend propellerförmig angelegt ist.
An der Maschinengondel 2 geht von einem ersten Befestigungspunkt 10 ein Verbindungskabel 8 aus. Ferner verläuft das Verbindungskabel 8 über einen Ausleger 6, der mit einem Scharnier 7 schwenkbar mit der Tragstruktur 4 verbunden ist. Dabei liegt am Ausleger 6 ein zweiter Befestigungspunkt 11 für das Verbindungskabel 8 vor, der so angeordnet ist, dass das Eigengewicht des schräg stehenden Auslegers 6 den Abschnitt des Verbindungskabels zwischen dem ersten Befestigungspunkt 10 und dem zweiten Befestigungspunkt 11 hinreichend spannt und diesen Abschnitt von der Aufnahme 12 in der Tragstruktur 4 sicher freihält. Ferner ist an der Tragstruktur 4 eine Kabeiführung 9 in Form einer zum Ausleger 6 hin offenen Rinne angelegt, die im oberen Teil im Wesentlichen entlang der Stützsäule der Tragstruktur 4 im Strömungsschatten der Anlage verläuft und im unteren Teil in einen gebogenen Abschnitt übergeht, der im Bereich des Scharniers 7 des Auslegers 6 zum Gewässergrund 5 hin ausläuft. Dabei ist die Kabelführung 9 so orientiert, dass für ein winkelgenaues Einführen des Stutzens 13 in der Aufnahme 12 das Verbindungskabel 8 durch die Bewegung des Auslegers 6 in der Kabelführung 9 abgelegt wird. Dies ist aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich.
Dabei zeigt Figur 2 die Ablage des Auslegers 6 auf dem Gewässergrund. Bei diesem Montageschritt befindet sich das Verbindungskabel 8 bereits im Nahbereich der Kabelführung 9, in der es beim gänzlichen Versenken des Stutzens 3 in der Aufnahme 12 zu liegen kommt. Hierdurch wird das Verbindungskabel 8 sicher und definiert geführt.
Im Falle eines Services, für den die Maschinengondel 2 zur Oberfläche gebracht wird, kann von diesem definierten Zustand der Kabelablage ausgehend, die Maschinengondel 2 angehoben werden, ohne dass damit zu rechnen ist, dass sich ein Teil des Verbindungskabels 8 in der Tragstruktur verfängt und zu Komplikationen beim Anheben der Maschinengondel führt.
Bezugszeichen liste
1 Unterwasserkraftwerk
2 Maschinengondel
3 Wasserturbine
4 Tragstruktur
5 Gewässergrund
6 Ausleger
7 Scharnier
8 Verbindungskabel
9 Kabelführung
10 erster Befestigungspunkt
11 zweiter Befestigungspunkt
12 Aufnahme
13 Stutzen

Claims

Patentansprüche
1. Unterwasserkraftwerk (1 ), umfassend
1.1 eine Tragstruktur (4) zur Abstützung des Unterwasserkraftwerks (1) am Gewässergrund (5);
1.2 eine Maschinengondel (2), wobei die Tragstruktur (4) und die Maschinengondel (2) über eine Kopplungsvorrichtung lösbar miteinander verbindbar sind; dadurch gekennzeichnet, dass 1.3 das Unterwasserkraftwerk (1 ) ferner einen schwenkbar an der Tragstruktur
(4) angelenkten Ausleger (6) umfasst; und 1.4 ein Verbindungskabel (8), das einen ersten Befestigungspunkt (10) an der
Maschinengondel (2) und das einen zweiten Befestigungspunkt (11) am
Ausleger (6) aufweist; und 1.5 eine Kabelführung (9), die einen sich zum Ausleger (6) hin öffnenden
Teilbereich aufweist.
2. Unterwasserkraftwerk (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelführung (9) an den tragstrukturseitigen Teil der Kopplungsvorrichtung anschließt und bis zur Basis der Tragstruktur (4) reicht.
3. Unterwasserkraftwerk (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelführung (9) im Wesentlichen in der Schwenkebene des Auslegers (6) verläuft.
4. Unterwasserkraftwerk (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelführung (9) als Rinne ausgebildet ist.
5. Unterwasserkraftwerk (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Verbindungskabelabschnitts zwischen dem ersten Befestigungspunkt (10) an der Maschinengondel (2) und dem zweiten Befestigungspunkt (11) am Ausleger (6) so festgelegt ist, dass bei der Kopplung der Maschinengondel (2) und der Tragstruktur (4) durch eine Drehbewegung des Auslegers (6) das Verbindungskabel (8) in die Kabelführung (9) eingelegt wird.
6. Unterwasserkraftwerk (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kopplungseinrichtung Mittel zur Ausrichtung des ersten Befestigungspunkts (10) des Verbindungskabels (8) an der Maschinengondel (2) relativ zur Kabelführung (9) vorgesehen sind.
7. Unterwasserkraftwerk (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung für eine vertikale Einführung eines Verbindungselements der Maschinengondel (2) in einer komplementär geformten Aufnahme (12) an der Tragstruktur (4) ausgebildet ist.
8. Unterwasserkraftwerk (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungskabel (8) ausgehend vom zweiten Befestigungspunkt (11) am Ausleger (6) im weiteren Verlauf entlang wenigstens eines Teils der Erstreckung des Auslegers (6) geführt ist.
9. Unterwasserkraftwerk (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Befestigungspunkt
(10) des Verbindungskabels (8) an der Maschinengondel (2) und dem zweiten Befestigungspunkt (11) am Ausleger (6) eine Zugentlastung vorgesehen ist.
10. Unterwasserkraftwerk (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungskabel (8) wenigstens im Bereich zwischen dem ersten Befestigungspunkt an der Maschinengondel (2) und dem zweiten Befestigungspunkt am Ausleger (6) mit Kabelschutzelementen verkleidet ist.
11. Verfahren zur Installation eines Unterwasserkraftwerks (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der
Kopplung der Maschinengondel (2) an der Tragstruktur (4) der Abschnitt des Verbindungskabels (8) zwischen dem ersten Befestigungspunkt (10) an der Maschinengondel (2) und dem zweiten Befestigungspunkt (11) am Ausleger (6) durch eine Drehbewegung des Auslegers (6) einen Minimalabstand zur Kopplungseinrichtung nicht unterschreitet und im
Verlauf der Kopplungsbewegung in die Kabelführung (9) eingelegt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kopplung der Maschinengondel (2) an die Tragstruktur (4) der Ausleger (6) aufgrund seines Eigengewichts eine Schwenkbewegung an der
Tragstruktur (4) ausführt, die vom Abschnitt des Verbindungskabels (8) zwischen dem ersten (10) Befestigungspunkt und dem zweiten Befestigungspunkt (11) und/oder Zugbelastung in diesem Abschnitt geführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkbewegung des Auslegers (6) an der Tragstruktur (4) mittels einer motorisch betriebenen Drehvorrichtung ausgeführt wird und/oder der Ausleger (6) in Ablegerichtung vorgespannt ist und/oder ein Anschlag zur Sicherstellung einer minimalen Neigung gegen die Vertikale in
Ablegerichtung verwendet wird.
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