DE3224976A1

DE3224976A1 - Windenergiekonverter im offshore-bereich

Info

Publication number: DE3224976A1
Application number: DE19823224976
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl.-Ing. 2875 Ganderkesee Gloyer; Gerd Ing.(grad.) 2105 Seeretal Zelck
Original assignee: Erno Raumfahrttechnik 2800 Bremen GmbH; Erno Raumfahrttechnik GmbH
Current assignee: Zelck Gerd Ing (grad) 2105 Seevetal De
Priority date: 1982-07-03
Filing date: 1982-07-03
Publication date: 1984-01-05
Also published as: DE3224976C2

Description

Windenergiekonverter im Offshore-Bereich
Die Erfindung bezieht sich auf Windenergiekonverter im Offshore-Bereich, die auf künstlichen Inseln montiert sind. Es sind bereits Vorschläge bekannt, wonach künstliche Inseln, die aus in den Meeresboden gerammten Pfählen und einer Plattform bestehen, zur Aufnahme von Windenergiekonvertern dienen. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, Traggerüste mit Plattformen zu versehen, diese bis zu ihrem Einsatzstandort im schwimmfähigen Zustand zu schleppen und dort abzusenken. Überholungen und Reparaturen, sowohl an den künstlichen Inseln als auch an den Windenergiekonvertern, müssen hier vor Ort vorgenommen werden. Ein Abschleppen in einen nahegelegenen Hafen ist nicht möglich. Außerdem muß eine Rotorgondel-Schwenkeinrichtung die Windausrichtung im einzelnen übernehmen. Es ist dieserhalb bereits vorgeschlagen worden, die Windenergiekonverter auf Schiffsrümpfen zu installieren und diese am Einsatzort zu verankern. Solche schwimmenden Schiffskörper können bei der Ausrichtung in den Wind durch Meeresströmungen abgelenkt werden, wodurch eine verwindungs-und spannungsfreie Ablenkung des Seekabels bei dieser Anordnung nicht mehr gewährleistet ist. Auch die Unterbringung von mehreren Rotoren, die sich gegenseitig nicht abschatten, -bereitet Schwierigkeiten.
Da für die Elektrizitätsgewinnung aus Windenergie in großem Maßstab eine im Flachland angrenzende Bucht ein sehr geeigneter Standort ist, wobei auf See die Windenergie gleichmäßiger über das Jahr verteilt ist, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, für die Aufnahme der Windenergiekonverter das geeignete Konzept einer schwimmenden Plattform zu finden. Das bedeutet, daß die Plattform mehrere mittelgroße Windenergiekonverter aufnehmen muß und daß die Plattform die Bewegungen aus Dünung, Seegang sowie die Schwingungen aus Brechern gut dämpfen kann. Darüber hinaus muß die Plattform auch bei schweren Vereisungsbedingungen sowie bei gewaltsamer örtlicher Beschädigung der Außenstruktur, z.B. durch Kollision, mit ihrer Nutzlast schwimmfähig bleiben. Die Abstände zwischen den einzelnene positionierten Konverterinseln sind so groß zu wählen, daß in diesem Gebiet die Küsten- ind Sportschiffahrt sowie die Fischerei nicht behindert wird und außerdem ein gewisser Wert der Energieentnahme pro Quadratmeter Wasseroberfläche nicht überschritten wird. Ferner müssen die bei den einzelnen Konvertern bestehenden Abschattungseffekte und die daraus resultierenden Leistungseinbußen vermieden bzw. klein gehalten werden.
Erfindungsgemäß geschieht das dadurch, daß jeweils drei Konverter einer schwimmenden Plattform zugeordnet sind, daß die Konverter auf Schwimmkörpern montiert sind, die lösbare Bestandteile der Plattform sind und daß die Schwimmkörper untereinander austauschbar sind. Die weiteren Lösungen der gestellten Aufgabe sind In den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche enthalten.
Die schwimmende Plattform muß eine genaue und sichere Positionierung ermöglicher . Dieses ist allein dadurch bedingt, daß sie in den Seekarten für die Schiffahrt eingetragen werden muß. Die schwimmende Plattform wird sich mit ihren Windenergiekonvertern selbsttätig und nur über Windkraft so ausrichten, daß die Rotoren mit ihrer Arbeitsfläche in den Wind zeigen. Hierbei dürfen sich die einzelnen Rotoren nicht gegenseitig abschatten, und bei horizontalachsigen Rotoren muß auf die technisch aufwendige und die Zuverlässigkeit mindernde Gondelschwenkeinrichtung verzichtet werden können. Die Ausführung der Plattform wird so gestaltet, daß Meeresströmungen, z.B. Ebbe und Flut, keinen Einfluß auf die Windausrichtung ausüben.
Nach der Erfindung wird sich die Plattform aufgrund der wechselnden Windrichtung und der ständigen Windausrichtung um ihre Verankerung drehen. Die Abführung der elektrischen Energie sowie die Steuerleitungsverbindung wird so konstruiert, daß das Seekabel unabhängig von den Drehungen der Plattform verwindungs- und spannungsfrei mit der Plattform verbunden bleibt. Hierdurch sind auch die vertikalen Bewegungen der Plattform sowie das Schwimmen um ihren Verankerungspunkt berücksichtigt.
Die Plattform ist mit mehr als einem Windenergiekonverter ausgerüstet. Sie ist ferner so ausgelegt, daß die Konverter bei Reparaturen, Wartung, Inspektionen in eine Überholungsstätte, z.B. Werft im Hafen, geschleppt werden können. Daraus resultiert die Anforderung an die Erfindung, daß die Pattform modular aufgebaut ist, daß die einzelnen Module leicht miteinander verbunden und ausgetauscht werden können, daß pro Windenergiekonverter ein Plattform segment vorgesehen ist, daß die einzelnen Segmente gleich und untereinander austauschbar sind.
Dieses bedingt wiederum, daß die Restplattform mit den verbleibenden Windenergiekonvertern sogar bis zu einem einzigen verbleibenden Energiekonverter voll funktionsfähig bleibt.
In den Zeichnungen sind Lösungsvorschläge wie folgt gezeigt: Fig. 1 und Fig. 2 Eine schwimmende Plattform mit drei Horizontalachsenionvertern. Die Plattform reagiert neutral auf Meeresströmungen.
Fig. 3 und Fig. 4 Eine schwimmende Plattform mit drei Horizontalachsenttevertern. Die Plattform ist nicht wasserströmungsneutral, dafür aber einfacher in der Ausführung und mit geringerem Materialaufwand herstellbar. ihr Einsatz ist nur in Bereichen möglich, wo keine oder nur geringe Meeresströmungen auftreten. Geringe Wasserströmungen können durch Hilfseinrichtungen kompensiert werden.
Fig. 5 und Fig. 6 Eine rshwimmende Plattform mit drei Vertikalachsen-Kcnvertern. Die Plattform reagiert neutral auf Meeresströmungen.
Die Plattform ist mit drei Horizontalachsen-Konvertern la, 1b und lc ausgerüstet, die auf zugehörigen schwimmenden Plattformsegmenten (Pontons) 2a, 2b und 2c angebracht sind. Diese drei Module bilden im Rahmen des kreisförmigen Plattformaußenkörpers einen Ausschnitt von 600. Sie sind genau gleich in den Abmessungen und untereinander austauschbar.
Die Plattformsegmente 2a, 2b, 2c werden durch die drei Verbindungsschwimmkörpor 3a, 3b und 3c mit gleichem Plattformaußendurchmesser miteinander verbunden Diese Ringkörper bilden ebenfalls im Rahmen des kreisförmigen Platiformcußenkörpers einen Ausschnitt von 600, sind genau gleich in den Abmessungen und untereinander austauschbar.
Der modular aufgebaute, zylindrische Außenring der Plattform wird über drei Gelenkbrücken 4a, 4b und 4c mit dem inneren Ringschwimmkörper 5 gelenkig verbunden. Alle drei Gelenkbrücken sind bei zentrischer Lage von Plattformaußenkörper und innerem Ringschwimmkörper leicht nach oben durchgeknickt. Durch ihr Eigengewicht zentrieren sie die schwimmenden Ringkörper zueinander. Bei stoßartigen Belastungen, wie sie durch auf den Außenringkörper auftreffende Wellen z.B. verursacht werden, können die Gelenkbrücken unterschiedlich ausknicken und damit Stoßbelastungen elastisch auffangen. Hierzu sind außerdem elastische Anschlüsse zwischen Ringkörper und Gelenkbrücken erforderlich. Auch unterschiedliche vertikale Bewegungen zwischen den Ringkörpern, wie sie durch Dünung und Seegang verursacht werden, können hierdurch ermöglicht und ausgeglichen werden. Örtliche Spannungkonzentrationen werden vermieden.
Die Positionierung der schwimmenden Plattform erfolgt durch den zylindrischen Zentralschwimmkörper 6, der mit mindestens drei Ankern 7 örtlich fixiert ist. Das Gewicht der Ankerketten sowie ihre gewählte Länge lassen eine vertikale Bewegung des Zentralschwimmkörpers, verursacht durch Wellen oder Gezeiten, sowie auch ein elastisches seitliches Ausschwenken in einem gewissen Umfang zu. Der so verankerte Zentralschwimmkörper 6 schwimmt in der mittigen zylindrischen Öffnung des Ringschwimmkörpers 5.
Zwischen den beiden Schwimmkörpern 5 und 6 befindet sich ein Spalt, der einerseits voneinander unabhängige vertikale Bewegungen so- wie eine sichere seitliche Führung zuläßt, andererseits aber ein Verkanten der Körper vermeidet. Die Oberflächen der gegeneinander reibenden Zylinderflächen werden durch geeignete, auswechselbare und im Wasser- und Schiffbau bewährte Materialien, wie z.B. Hartholz, ausgekleidet.
Durch die beschriebene Anordnung von Zentralschwimmkörper 6 und Ringschwimmkörper 5 kann die gesamte schwimmende Plattform mit ihren Windenergiekonvertern sich um ihren Positionierungspunkt frei drehen und vertikal bewegen. Außerdem ist in einem gewissen Umfang ein elastisches seitliches Ausweichen entgegen einer zentrierenden Kraft möglich.
Die von den Windenergiekonvertern erzeugte elektrische Energie wird über geeignete Kabel einem wasserdichten Gehäuse 8 zugeführt, in dem die elektrischen Geräte untergebracht sind, die für eine Aufbereitung des Stromes für seinen Weitertransport an Land erforderlich sind. Von hier aus wird der aufbereitete elektrische Strom einer Vorrichtung 9 zugeführt, die an einer geeigneten Hilfskonstruktion über der mittigen Bohrung im Zentralschwimmkörper 6 angebracht ist und die die Aufgabe hat, die elektrische Energie sowie elektrische Steuersignale aus der sich frei drehenden Plattform an das eigentliche Seekabel 10, das nicht verdreht werden darf, zu übertragen. Die Vorrichtung 9 kann z.B. aus einer geeigneten, gegen Spritzwasser abgedichteten Schleifringanlage bestehen. Das Seekabel 10 wird zunächst in einem Schutzrohr 11 von der Vorrichtung 9 durch die Bohrung in dem Zentralschwimmkörper 6 geführt. Von hier aus wird es in großen Spiralen, die die vertikalen und horizontalen Bewegungen der Plattform auffangen, einem Verankerungskörper 12, z.B.
einem Betonklotz, zugeführt, an dem das Seekabel befestigt ist und von wo aus es in den Meeresboden eingespült zum Land hin verläuft.
So wie in der Draufsicht auf Fig. 1 die drei Windenergiekonverter auf de, Plattform angeordnet und ausgerichtet sind, richtet diese ihre Lage zur herrschenden Windrichtung (Pfeil) selbständig so aus, Die Rotoren stellen ihre Arbeitsfläche dabei senkrecht zum Wind. Das automatische Ausrichten ergibt sich dabei durch ein Einpendelh auf gleiche Winddruck-Momente der beiden hinteren Rotoren 1b und 1c auf den Drehpunkt der freidrehenden Plattform. Würde z.B. die Windrichtung gegenüber der Pfeilrichtung gemäß Fig. 1 nach rechts herum auswandern, dann würde der linke hintere Rotor 1c teilweise in den Windschatten des vorderen Rotors la gelangen und dadurch ein kleineres Moment um die Drehachse der Plattform erzeugen als der nicht abgeschattete Rotor lb. Die Plattform dreht sich dann so lange, bis wieder ein Momentengleichgewicht hergestellt ist.
Wenn es erforderlich wird, kann das Ausrichten in den Wind durch die Installation eines Seitenrades 13 unterstützt werden. Ihre Funktion besteht darin, daß die Propeller sich automatisch in Drehung versetzen, wenn die Windrichtung nicht senkrecht zu ihrer Drehachse steht. Die Steigung des linken Propellers ist entgegengesetzt zu der des rechten Propellers angeordnet. Somit ist die Drehrichtung auch entgegengesetzt, je nachdem, ob.der Wind von der linken oder rechten Seite einfällt. Die Drehbewegung der Seitenräder wird über zwei Winkelgetriebe auf eine Schiffsschraube 14 geleitet, deren Drehachse tangential zum Drehkreis der Plattform angeordnet ist. Über das Moment "Schraubenschub mal Radius zum Drehpunkt der Plattform" wird diese so lange gedreht, bis die Drehachse von den Seitenrädern 13 wieder senkrecht zur Windrichtung steht. Das ist aber genau die Position, bei der die Arbeitsflächen der Rotoren la, lb und lc ebenfalls senkrecht zur Windrichtung stehen. Die Installation so eines Hilfsantriebes zum Ausrichten der Plattform in den Wind kann insbesondere dann erfor- derlich werden, wenn es gilt, den Einfluß von Meereströmungen zu kompensieren.
Wird nun ein Windenergiekonverter mit dem zugehörigen Plattform segment aus der gesamten Einheit herausgenommen, z.B weil der betreffende Windenergiekonverter zur Reparatur in den Hafen geschleppt werden muß, dann bleibt die Restplattform weiterhin funktionsfähig und kann sich automatisch in den Wind ausrichten, wenn die verbleibenden Windenergiekonverter eine Parallellage zum Wind, wie bei lb und 1c auf der Zeichnung Fig. 1 haben. Hierzu ist es gegebenenfalls, wenn z.B. bei der gegebenen Anordnung der Windenergiekonverter 1b herausgenommen. wird, erforderlich, die Gondeln der Rotoren zu drehen. Dieses Nachdrehen ist aber mit einer einfachen Törnvorrichtung bei einer sehr vereinfachten Gleitflächenlagerung der Gondel auf dem Turm zu bewerkstelligen und bedeutet eine erhebliche Verbilligung gegenüber der nicht erforderlichen geregelten Gondelnachführung wie bei fest installierten Windenergiekonvertern. Es sollte noch erwähnt werden, daß für jedes herausgenommene Plattformsegment ein Hilfssegment ohne Windenergiekonverter eingesetzt und mit den zugehörigen Gelenkbrücken 4 verbunden werden muß, damit die kreisförmige Plattform konstruktion steif bleibt und außerdem weiterhin auf Meeresströmungen neutral reagiert.
Es richtet sich die Plattform auch dann noch aus, wenn nur ein Windenergiekonverter verbleibt und deren Gondel so gedreht wurde, daß die Arbeitsfläche des Rotors in Richtung Plattform-Drehpunkt zeigt.
Wird nun ein Windenergiekonverter mit seinem Plattformsegment aus der Plattform herausgenommen.und soll in den Hafen geschleppt werden, dann muß die Gondel geschwenkt werden, wie in Fig. la gezeigt. Die Größe des Plattformsegmentes und Lage des Windenergie- konverters müssen bei der Auslegung so gewählt werden, daß ein Kentern beim Schleppen mit Sicherheit nicht möglich ist, Hierzu, wie auch für das Einschwimmen der Plattformsegmente, sind diese mit mehreren einzelnen TrimmtaIiks ausgerüstet, die dosiert geflutet oder gelenzt werden können.
Beim Einfahren eines Plattformsegmentes 2 wird der richtige Abstand zum Mittelpunkt durch die zugehörige Gelenkbrücke 4 gegeben.
Beim Einfahren eines Ringschwimmkörpers 3 wird dessen Lage durch abnehmbare Anschläge 15 an den Plattformsegmenten 2 fixiert. An den sich berührenden Seitenflächen von Ringschwimmkörper und Plattformsegment sind geeignete Führungen angebracht, die das Ein- und Ausfahren erleichtern und die ganz oder teilweise die Kräfte übertragen, die im geschlossenenVerband der Plattform auftreten.
Außerdem kann beim Ein- oder Ausfahren der Tiefgang beider Module 2 und 3 durch dosiertes Fluten oder Lenzen der vorgesehenen Trimmtanks verändert und eingestellt werden. Nach dem Einfahren eines Moduls 2 oder 3 bis in seine Endstellung in der Plattform wird dieser mit den benachbarten Modulen durch geeignete Verbindungselemente verbunden. Die Verbindungsstellen müssen dabei in einem gewissen Bereich elastisch bleiben, damit örtliche Spannungskonzentrationen niedrig gehalten werden.
Damit der Zentralschwimmkörper 6 in die mittige zylindrische Öffnung des Ringschwimmkörpers gelangen kann, muß der Schwimmkörper 6 durch Fluten so weit abgesenkt werden, daß der Körper 5 darüber gezogen werden kann. Anschließend wird der Zentralschwimmkörper 6 wieder gelenzt und dadurch zum Abschwimmen gebracht.
In den Figuren 3 und 4 ist die Plattform gezeigt, die gegenüber der vorgenannten Lösung einen vereinfachtenkifbau mit drei runden, die Windenergiekonverter tragenden Schwimmkörper 16a, 16b und 16c hat.
Diese Schwimmkörper sind über die drei steifen Verbindungsbrücken 17a, 17b und 17c mit dem Ringschwimmkörper 5 verbunden. Die Anschlußstellen zwischen den Schwimmkörpern und Verbindungsbrücken sind so ausgeführt, daß sie gegenüber vertikalen Kräften in einem gewissen Umfang elastisch sind, wodurch örtliche Spannungsspitzen gering gehalten werden.
Beim Herausnehmen von einem Windenergiekonverter mit seinem Schwimmkörper müssen nicht mehr, wie zuvor erwähnt, die Gondeln mit ihren Rotoren auf eine neue Lage zueinander gedreht werden. Vielmehr haben die kreisrunden Schw-immkörper 16 in 1200 Abständen Flanschflächen zum Anschließen an die Verbindungsbrücken 17.
Aufgrund der fehlenden geschlossenen Kreisform reagiert diese schwimmende Plattform auf Meeresströmungen nicht mehr neutral. Deshalb kann sie nur dort eingesetzt werden, wo keine Meeresströmung auftritt. Schwache Wasserströmungen können kompensiert werden, entweder durch eine Hilfseinrichtung wie das Seitenrad 13 oder durch ein Ruder 18 unter jeder Schwimmplattform 16. Diese Ruder müssen, über die Messung der Windrichtung geregelt, eingestellt werden.
Die übrigen Vorgänge, wie Windausrichtung, Auswechselbarkeit, Verankerung und Ableitung der elektr;;hen Energie und Kabelführung, sind die gleichen, wie zuvor erwähnt.
Die Figuren 5 und 6 zeigen einen Vorschldg, bei dem anstatt der Windenergiekonverter mit horizontaler Achse solche mit vertikaler Achse auf den Plattformsegmenten angebracht sind. Da diese unabhängig von der Windrichtung arbeiten, müssen nicht, wie zuvor erwähnt, Gondeln geschwenkt werden, wenn die Plattform nur mit zwei oder einem Windenergiekonverter arbeiten soll.

Claims

Patentansprüche 9 Windenergiekonverter auf künstlichen Inseln im Offshore-Bereich, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß jeweils drei Konverter (1) einer schw;..,menden Plattform (20) zugeordnet sind, daß die Konverter auf Schwimmkörpern (2, 16) montiert sind, die lösbare Bestandteile der Plattform (2G) sind, daß die Schwimmkörper (2, 16) untereinander austauschbar sind.
2. Windenergiekonverter nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß im Zentrum der Plattform (20) ein zylindrischer Zentralschwimmkörper (6) angeordnet ist, der durch mindestens drei Anker (7) örtlich fixierbar ist.
3. Windenergiekonverter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Zentralschwimmkörper (6) mittig in der zylindrischen Öffnung eines Ringschwimmkörpers (5) schwimmt und daß zwischen diesen Körpern (5, 6) ein ausreichender Bewegungsspalt gebildet ist.
4. Windenergiekonverter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gek e n n z e i c h ne t , daß die Plattform ringförmig ausgebildet ist und daß die Schwimmkörper Segmente der ringförmigen Plattform sind, die im Rahmen des kreisförmigen Plattform 0 außenkörpers einen Ausschnitt von 60 bilden.
5. Windenergiekonverter nach Anspruch 4, dadurch g e -k e n n z e i c h ne t , daß die Plattform (20) aus drei Plattformsegmenten in Form von Schwimmkörpern (2) für die Konverter und drei Verbindungsschwimmkörpern (3) als Verbindungselemente für die Plattformsegmente (2) besteht.
6. Windenergiekonverter nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der modular aufgebaute zylindrische Außenring (1, 2) der Plattform (20) über drei Gelenkbrücken (4) mit dem inneren Ringschwimmkörper (5) gelenkig verbunden ist.
7. Windenergiekonverter nach Anspruch 6, dadurch g e -k e n n z ei c h ne t , daß die Gelenkbrücken (4) bei zentrischer Lage des Plattformaußenringkörpers (1, 2) sowie des Ringschwimmkörpers (5) nach oben durchgeknickt sind.
8. Windenergiekonverter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die die Konverter tragenden Schwimmkörper (16) kreisförmig sind und über steife Verbindungsbrücken (17) mit dem Ringschwimmkörper (5) verbunden sind.
9. Windenergiekonverter nach Anspruch 8, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Schwimmkörper (16) in 1200 Abständen Flanschflächen zum Anschließen der Verbindungsbrücken (17) besitzen.
10. Windenergiekonverter nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Windkonverter mit horizontaler Achse ausgebildet sind.
11. Windenergiekonverter nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Windkonverter mit vertikaler Achse ausgebildet sind.
12. Windenergiekonverter nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Energieabnahme über eine Vorrichtung (9) erfolgt, die mittig im Zentralschwimmkörper (6) angebracht ist.
13. Windenergiekonverter nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Ausrichtung in den Wind durch ein Seitenrad (13) bewirkbar ist.
14. Windenergiekonverter nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gek e n n z e i c h ne t , daß die Ausrichtung in den Wind über eine Meßeinrichtung auf eine Stellvorrichtung wirkt, die ein im Wasser wirksames Ruder verstellt.