DE10113409A1 - Wind und Wellen Kraftanlage - Google Patents

Abstract

Eine Wind- und Wellenkraftanlage, die im Kontinentalschelf installiert ist, nur einen Energieträger hat und auf mindestens drei Säulen (2) steht. Diese Säulen sind fest mit den Böden (1) verbunden. Diese werden im Meeresboden durch Schwemmrohre (SR) eingeschwemmt. Schwimmer (3) hat verstellbare Führungselemente am Traggestell. Hydraulikpumpe (4) setzt Wellenbewegung in Energie um, die in den Hochdruckspeichern (2a) gesammelt wird. Diese Speicher haben Luftkissen und sind auch als Verspannelemente der Säulen verwendet. Die Posaune (5) liefert Hydrauliköl vom Speicher (6) an die Nebenschwimmer-Pumpen. Diese geben die Energie über den Verbindungsflansch in den Hohlschaft (4a). Schiebekolbenanordnung (4b) leitet Drucköl von den Pumpen in die Speicher (2a). An die Arbeitsplattform (7) sind (4) und (5) und Turmgestänge (12) montiert. Dieses trägt Drehgestell (9) und Rotorgondel (8). Doppelrohr (10) sorgt für Zu- und Abfluss des Energieträgers. Alle Pumpen sind doppelwirkend. Die Nebenschwimmer (11) und deren Pumpen übertragen auch noch die Energie kleinerer Wellen. Die Axialmotor getriebenen Generatoren werden entsprechend der erzeugten Ölmenge zugeschaltet. Dieses vereinfacht die Phasensteuerung.

Description

Stand der Technik

Meine Gedanken wurden aktiviert durch zahlreiche Berichte, die übereinstimmend feststellten, dass an Land kaum noch Möglichkeiten für Grosswindanlagen bestehen. Die Auflagen, um Belästigung zu vermeiden, sind sehr hoch.

Auf dem Kontinentalschelf ist überall reichlich Raum vorhanden. Naheliegend ist die Idee dort Wind und Wellenkraftanlagen zu installieren.

Bei einer Recherche in Aachen fand ich zahlreiche Veröffentlichungen, aber wenige die patentiert wurden.

Eine Kombination von Wind und Wellenkraftanlagen ist nur in der Offenlegung DE 44 23 454 A1 beschrieben.

Die Offenlegung DE 32 20 381 A1 beschreibt eine Spindelübertragung, die Hubenergie in verwertbare Drehbewegung umsetzt. Eine Flutung des Schwimmers ist seit langem Stand der Technik um eine Anpassung zu erreichen, angeführt bei den Beschreibungen von Bojen und anderen Schwimmkörpern. Eine Führungseindtellung ist nicht vorhanden und schnelle Wartung ist nicht vorgesehen.

Die Offenlegungen für hydraulische Kraftübertragung sind zahlreich. Aber eine Ausführung ist nach diesen Vorschlägen noch nicht erfolgt.

Die auf Land betriebenen Anlagen sind mit Stromerzeugern und Bremsen ausgestattet, um eine gleichmäßige Umdrehung zu erreichen. Bei Windgeschwindigkeiten um 30 m/sec. ist die Leistungsfähigkeit meistens erreicht. Die Anlage muss abgeschaltet werden, da Steuerung nicht mehr möglich ist.

Beschreibung Zeichnung: WWK1

Die Anlage besteht aus: Boden (1), Säulen (2), Hauptschwimmer (3), Hydraulikzylinder (4), Zuleitung (5), Speichertank (6), Arbeitsplattform (7), Windgenerator (8), Drehgestell (9), Zu und Ableitung der Hydraulik (10), Nebenschwimmer nebst Hydraulik (11) und Turmgestänge der Windanlage (12). Die Druckspeicher (2a) sind in den Säulen (2) verankert.

Die mit Axialölmotoren betriebenen Generatoren (G) und die Steuerelektronik sind auf Plattform (7) installiert.

Eine Fundamentanfertigung unter Wasser bereitet erhebliche Schwierigkeiten. Anfertigung von Teilen an Land, die komplettiert, am Ort der Aufstellung mittels Wasserdruck eingeschwemmt werden, ist einfacher. Wasser wird am unterem Rand der Bodenplatten aus einzementierten Schwemmrohren SR gedrückt. Diese haben für mehrere Einheiten je einen Anschluß und Regulierung wird dadurch machbar. So erfolgt Einschwemmung in den Sand. Der Austritt des Schwemmwassers erfolgt durch Luken (L) im oberem Bereich der Böden (1). Durch diese Luken wird dann der restliche Hohlraum aufgefüllt. Die Säulen (2), sind mit den Bodenplatten (1) durch Zuggestänge und Verkleben fest verbunden. In den Säulen sind die Druckspeicher (2a) verspannt. Die Säulen können in mehreren Teilen aus Schleuderbeton hergestellt werden. Die Verbindungsstellen haben Recesse um seitliches Verschieben zu verhindern. Die Aussendurchmesser sind Massgenau einzuhalten. Die recessierten Verbindungen sind vor dem Zusammenfügen und Verkleben plangenau und laufend mit entsprechenden Toleranzen zu schleifen.

Zeichnung: WWK1 verdeutlicht auch den Ölfluss.

Bei sich senkendem Hauptschwimmer fließt vom Speicher (6) Öl unter Niederdruck in den oberen Hubraum von Hauptzylinder (4). Wird von einem der Nebenschwimmer noch verwertbare Menge Öl abgegeben, wird diese durch die Hohlwelle (4a) an den Druckspeicher geleitet. Die unteren Bohrungen sind durch den nach oben verschobenen Hauptzylinderkolben frei gegeben (4b). Der untere Teil des Hauptzylinders drückt Öl in die Druckspeicher (2a). Die Zu und Ableitungen sowie Ventile der doppelwirkenden Zylinder an Haupt und Nebenschwimmern sind für schnellen Durchlass auszulegen. Posaune (5) ist die bewegliche Niederdruckeitung, 5 und 4 sind durch Faltenbälge geschützt. Von dort erfolgt auf der Hauptschwimmerebene die Zuleitung zu den Nebenschwimmern über Schlauchleitungen. Die Druckzuleitung von den Neben­ schwimmern werden am Flansch der Trägerkonstruktion (30 Zeichnung WKL1) mon­ tiert und führen in den Hohlschaft der Hauptpumpe. Der Ölfluss zu und von der Gondel erfolgt über die Zentralleitung (10).

Bei Aufwärtsbewegung erfolgt fast ein Vollhub der Nebenschwimmer, die Leistung wird voll übertragen, da sich auch gleichzeitig der Hauptschwimmer hebt und die oberen Bohrungen im Kolbenbereich (4b) frei gegeben werden.

Auf Arbeitsplattform (7) sind nach Endmontage, die Generatoranlagen (G) und Räume für das Wartungspersonal sowie die Steuerelektronik untergebracht. Ausbau und Montage erfolgt nach Aufstellung.

Zeichnung: WK3A

Zeigt Aufbau der Rotorgondel (8) Drehgestell (9) (Bei mehrgondeligem Aufbau nicht vorhanden) Zu und Ableitung (10). Zuleitungen für die Rotorblattverstellung (16) Steuerzylinder der Blattverstellung (17) Überlastungsventil und Leitungen (18) die den Überlastölfluss (22) durch die Hohlwelle (24) in den Niederdruckleiter abführt. Die Leitungen sind an dem gehärteten Endstück, welches mit der Hohlwelle durch Zentrierungen genau läuft und fest verschraubt ist, verbunden. Werden Rotorblätter überlastet, reagieren die Überlastventile schnell und effektiv, da die Überlastleitungen über genügend grossen Durchmesser vertilgen. Nach Abklingen der Böe wird, auf den durch die vom Computer errechneten Einstellwinkel, zurückgestellt. Haupt und Drucklager (19). Schrägverzahnte Zahnräder oder Riemen (20), übertragen die Kraft auf gesteuerte Axialkolbenpumpe (21).

Durch diese Anordnung wird immer Öl mit gleichmäßigem Druck an die Hauptspeicher abgegeben. Die Drehzahl ist nur durch die Belastbarkeit der Rotorblätter begrenzt!

Zeichnung: WK2B

Statt des üblichen Dreiflüglers kann eine Verteilergondel (14) auf Drehgestell (9), drei oder mehrere Gondeln (8) tragen. Diese Verteilergondel ermöglicht Drehen der Gondeln (8) in günstigste Montageposition. Demontierbare Arbeitshilfen (15) an Turmgerüst (12) ermöglichen eine leichtere Montage. Öl Zu und Abfluss kann durch die Verbindungsgestänge erfolgen. Die kleineren Rotorblätter sind erheblich unempfindlich gegen Windböen und wesentlich billiger in der Herstellung.

Die Kosten-Nutzen Analyse für diesen Teil der Anlage ist besonders zu beachten. Überlastauschaltung für jedes Rotorblatt ermöglicht eine Kraftausnutzung bei wesentlich größeren Windgeschwindigkeiten als 30 m/sec. Die Axial-Hydraulikpumpen regulieren die abgegebene Menge bei gleichem Druck. Dadurch ist die Drehzahl des Rotors nicht von Bedeutung für einen gleichmäßigen Öldruck. Die gesammelte Energie beider Anlagen wird in die Hochdruckspeicher (2a) abgegeben. In Abhägigkeit der anfallenden Ölmenge werden eine oder mehrere Generator-Hydraulik-Motor- Einheiten (G) auf der Arbeitsplattform (7) betrieben. Diese Einheiten sind leicht zu steuern und gewährleisten einen phasengleichen Strom. In den Hochdruck Stahl­ zylindern (2a) sind Luftkissen, die eine gleichmäßig Druckabgabe gewährleisten. Die Zylinder sind im Fuß und Oberteil der Säulen (2) verspannt. Diese Anordnung erhöht die Standfestigkeit der gesamten Einheit. Ein Kühlsystem im Ölrücklauf sorgt für optimale Bedingungen der hydraulischen Anlage.

Zeichnung: WKL 1

Wellenenergieanlagen erfordern eine leichtgängige und genaue Führung um die auftretenden Kräfte schnell und möglichst reibungslos zu übertragen. Durch eine konische Führungsschiene genau justiert an (30) und der mit gleicher Steigung eingeschobenen Rollenleisten (25) wird das Spiel vollkommen ausgeglichen. Mehrere Rollenführungen für jede Säule (2) sind machbar. Diese Konstruktion ermöglicht einen kompletten und schnellen Austausch der gesamten Führungselemente in kurzer Frist.

Eine sorgfältige und regelmäßige Wartung dieser wichtigen Teile ist eine Grundbedingung für eine einwandfreie Funktion. Ein schnelles und genaues Zentrieren und Einstellung des Spiels ist durch diese Anordnung gewährleistet.

In den mit Elastomeren (26) beschichteten Rollen (27) können Nadellager (28) verwen­ det werden. Diese sind abgedichtet durch mehrlippige Dichtungen (29). Bolzen (32) werden durch Kappen (33) gehalten und von ausen abgedichtet. Sind seewasserfeste Gleitmaterialien existent, ist eine Wassergleitlageranordnung vorzuziehen. Eine Halteplatte ermöglicht Einstellung des genauen Spiels der Rollenleisten (25). Teile (30) symbolisieren den Hauptschwimmerträger mit Rollenleiste (25). Die Hauptschwimmer (31), entsprechend Anzahl der Säulen, und sind mehrteilig. Die Nebenschwimmer bestehen aus mehreren Kammern und sind ähnlich Schlauchbooten Gas gefüllt, ausgeschäumt oder Beides. Ein Schutz der Hauptschwimmer wird dadurch erhöht. Bei eventueller Beschädigung besteht nicht die Gefahr, das die gesamte Anlage ausfällt. Austausch am Standort kann leicht erfolgen.

Die Anzahl der zuschaltbaren Generatoreinheiten ist abhängig von der erzeugten Öl­ menge, die in die Druckspeichern gepumpt wird. Somit ist eine maximale Energie­ verwertung bei fast allen Wetterbedingungen möglich. Wenn die Windkraft abflaut, ist immer noch Wellenenergie vorhanden.

Ein Zentralüberastventil schützt die gesamte Hydraulik.

Aufstellung, Transport und Höhe der Anlage

Bedingt durch den Standort, ist vom Meeresboden bis zur Hochflut die Säulenhöhe A gegeben. Die maximale Wellenhöhe bei einem Orkan, plus Sicherheitsabstand und A ergibt die Gesamthöhe bis zur Arbeitsplattform(7). Ideal ist, die Teile 1, 2,3 und 7 an Land zu montieren. Nach Fluten des Docks ist dann der Transport mittels Schwimmhilfen möglich. Die Aufstellung erfordert sehr große Schwimmkräne (Vorhanden?). Einzeltransport der Böden und Säulen ist mit heutigen Mitteln machbar. Der komplett montierte Rahmen (30) wird an die erste eingeschwemmte Säule mittels einer Hilfsklammer montiert. Diese Klammer ist mit einer kurzen Rollenführung ähnlich der (25) versehen. Die Kurzführung liegt der (25) gegenüber. Dadurch ist eine senkrechte Halterung für die zweite Säule hergestellt. Diese noch am Kran hängend, wird nach gleichem Schema montiert. Genaues Einschwemmen ist somit gewährleistet. An den oberen Säulenenden ist Parallelität zu kontrollieren. Hilfsanker und Seile erleichtern das Ausrichten. Mittels Einspüldruck ist die Regulierung ebenfalls möglich. Die Nächste (Nächsten) Säule ist nach gleichem Schema zu montieren. Hilfsrollenführungen und Hilfsseile sind zu entfernen. Weitere Montage ist mit Hochbaumethoden durchführbar. Die Energie mehrerer Anlagen kann zu einer Trans­ formatorstation und von dort an Land geleitet werden.

Voraussetzung für Rentabilität ist, das eine größere Serie dieser Anlagen hergestellt wird. Wenn eine Staffelung erfolgt, die eine erhebliche Wellenbrechung zur Folge hat, ist eine Küstenschutzmaßnahme ohne extra Kosten durchgeführt. Diese nicht unerhebliche Einsparung ist zu beachten! Nicht verwertbare Energie, die anfällt bei idealen Bedingungen in der Nacht, kann in Form von erzeugtem Wasserstoff für Kraftfahrzeuge gespeichert werden. Eine nicht unerhebliche Anzahl Arbeitskräfte finden für längere Zeit Beschäftigung während der Bauperiode.

Claims (8)

1. Für eine Wind und Wellenkraftanlage die im Kontinentalschelf installiert ist und einen Energieträger für Wind und Wellenenergie hat. Das diese auf mindestens drei Säulen steht, die im Meeresboden eingeschwemmt sind.

2. Nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch in die Bodenteile eingegossenen Schwemm­ rohre welche in mindestens drei unabhängige Einheiten, mit je einem Anschluß für die Spülleitungen versehen sind. Diese Bodenteile haben Ausslassöfnungen am unterem Rand und Luken am Oberteil.

3. Nach Anspruch 2 gekennzeichnet, das die Bodenteile Verrippungen und Verstärkungen aufweisen, mit Aussparung und Bohrungen versehen sind, in welche die Unterteile der Säulen verschraubt und verklebt werden.

4. Das die Säulen aus mehreren Betonteilen hergestellt und abgesetzt sind, um seitliche Verschiebung zu verhindern. Gekennzeichnet das die abgesetzten Seiten vor dem Verkleben geschliffen werden um Parallelität zu gewährleisten und die Säulenaußendurchmesser maßgenau gegossen sind. Gekennzeichnet das die Säulen nach dem Verkleben mit den innen liegenden Hochdruckbehältern verspannt sind und dadurch die Säulen verstärkt werden.

5. Die nach Anspruch 1 erstellte Anlage mit einer Konstruktion versehen ist, welche die Ver­ bindung von den Haupt und Nebenschwimmer und der Zentralpumpe herstellt. Diese ist gekennzeichnet durch konische Führungsleisten, die der Anzahl der Säulen entsprechen und diesen zentral genüber liegen. Das mit den eingeschobenen Rollenführungen, die noch Nachstellspiel haben, eine genaue und leichtgängige Führung an den Säulen entsteht. Das in dieser Konstruktion die Hauptschwimmersegmente eingeschoben und befestigt sind und diese einzeln ausgewechselt werden können.

6. Die Pumpzylinder und Zentralschwimmerkonstruktion verbindende Kolbenstange ist hohl. Am unterem Verbindungsteil befinden sich die Anschlüsse der Nebenschwimmer Druck­ leitungen. Gekennzeichnet dadurch das der den Kolben tragende Teil als Schiebeventil ausgelegt ist und durch diese Anordnung das Drucköl von den Nebenschwimmern bei sich bewegendem Hauptschwimmer in die Druckspeicher geleitet wird und das der Neben­ schwimmer Ölzufluss durch eine Posaunenleitung erfolgt.

7. Die Windenergie wird nicht direkt in Strom umgewandelt. Diese Anlage ist gekennzeichnet dadurch das eine steuerbare Pumpe die erzeugte Energie in die Druckspeicher drückt und durch eine Hohlwelle, die am Ende einen durch Zentrierungen genau laufenden und gehärteten Überträger für drei Druckleitungen und einer Ableitung hat. Gekennzeichnet, das diese Leitungen zur Hydraulischen Steuerung der Rotorblätter durch die Welle in die Rotoraufhängung geleitet werden und dort mit Steuerzylindern und Überlastschutzventilen und Überlastöl Rücklauf verbunden sind.

8. Die Umwandlung in phasengleichen Strom erfolgt auf der Arbeitsplattform durch Generatoren, die mit gesteuerten Axialpumpen angetriebenen werden. Gekennzeichnet das nur mehrere Generatoren zugeschaltet werden, wenn entsprechende Ölmenge gefördert wird. Im Fall einer Blockierung eine Notschaltung das Öl direkt von den Zylindern und Pumpen in die Speichertanks leitet.