NO330856B1 - Liquid wind turbines - Google Patents

Abstract

Flytende vindkraftverk der forbindelsene (6) mellom tårnet(3) og flyteren (5) løper gjennom vannflata slik at tre eller flere adskilte vannlinjearealer dannes med tilhørende tanker for oppdrift (8). Tankene for oppdrift (8) kan ballasteres slik at enheten trimmes mot gunstigste posisjon for å holde rotoren mest mulig vertikal. Forankringslinene(11) kan festes ved tanker for oppdrift (8) slik at radius fra senter og linestrekk gir god retningsstabilitetfor rotoren (1). Flere adskilte vannlinjearealer gir en stiv og solid utforming av hovedstrukturen. Kombinert med aktiv ballastering gir oppfinnelsen et lett og kostnadseffektivt, flytende vindkraftverk.Liquid wind turbines where the connections (6) between the tower (3) and the float (5) run through the water surface so that three or more separate water-line areas are formed with associated tanks for buoyancy (8). The buoyancy tanks (8) can be ballasted so that the unit is trimmed to the most favorable position to keep the rotor as vertical as possible. The anchoring lines (11) can be fixed by tanks for buoyancy (8) so that the radius from the center and the line tension provide good directional stability for the rotor (1). Several separate waterline areas give a rigid and solid design of the main structure. Combined with active ballast, the invention provides a light and cost-effective, floating wind turbine.

Description

Oppfinnelsens område Field of the invention

Oppfinnelsen vedrører generelt vindkraftbasert utvinning av energi fra havområder. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen et flytende vindkraftverk og hvordan dette arrangeres på sjøen. The invention generally relates to wind power-based extraction of energy from sea areas. More particularly, the invention relates to a floating wind power plant and how this is arranged at sea.

Teknikkens stand State of the art

Vindkraftutvinning på land er blitt en voksende og omfangsrik bransje på grunn av ny teknologi kombinert med et udekket behov for store mengder fornybar energi. Nesten utelukkende består vindmøller i dag av landbaserte anlegg som følger. Tårnet er en kon søyle av stål som avsluttes mot en svingkrans med et hus øverst der rotoren er festet inn. Huset inneholder typisk transmisjons- og generatorsystemer med mer. Rotoren består typisk av et senter (eng. hub) av stål der tre ikke avstivede blader av glass- eller karbonfiberarmert herdeplast er montert. Store opptredende krefter i blader kan medføre mange meter defleksjon og dermed fare for konflikt mellom rotorblad og tårn. For å motvirke dette peker rotorens senter oppover i forhold til horisontal linje, typisk 3 - 6°. Dessuten bygges bladene gjerne med krumning vekk fra tårnet samt at dimensjoner og materialtykkelser må økes. Videre benyttes det kostbare materialer som karbonfiber for å gi bladene tilstrekkelig stivhet. Wind power extraction on land has become a growing and extensive industry due to new technology combined with an unmet need for large amounts of renewable energy. Wind turbines today almost exclusively consist of land-based facilities as follows. The tower is a conical steel column that terminates at a turning ring with a housing at the top where the rotor is attached. The house typically contains transmission and generator systems and more. The rotor typically consists of a center (eng. hub) of steel where three non-stiffened blades of glass or carbon fiber-reinforced thermosetting plastic are mounted. Large acting forces in the blades can cause many meters of deflection and thus the risk of conflict between the rotor blade and the tower. To counteract this, the center of the rotor points upwards in relation to the horizontal line, typically 3 - 6°. In addition, the blades are often built with curvature away from the tower and dimensions and material thicknesses must be increased. Furthermore, expensive materials such as carbon fiber are used to give the blades sufficient stiffness.

Det finnes alternativ utførelser for rotoren og her nevnes spesielt patent nummer 326268 "Vindkraftverkrotor", der rotoren er stivet av slik at maksimale defleksjoner inn mot tårnet kan reduseres betydelig. Denne rotoren gir plass til et tårn som er bredere der vingetuppene passerer og dette gjør det lettere å bygge tårnet som en struktur med tre eller flere bein. There are alternative designs for the rotor and mention is made here of patent number 326268 "Wind turbine rotor", where the rotor is stiffened so that maximum deflections towards the tower can be significantly reduced. This rotor allows for a tower that is wider where the wingtips pass and this makes it easier to build the tower as a structure with three or more legs.

For utnyttelse av vindkraft på sjøen benytter bransjen i hovedsak samme teknologi som på land mens fundamentet som søyletårnet står på nødvendigvis vil ha en annen utførelse. Dette fundamentet er typisk bunnfast for grunne havområder 10 til 30 meter dybde. Fundamentene må tilpasses vindmølle, dybde, bunnforhold, transport, installasjon og sammenkobling av vindmølla. Bunnfaste installasjoner krever transport, løfting og installasjon av alle deler i et vanskelig miljø og dette øker kostnadene for vindkraft på sjøen. For the utilization of wind power at sea, the industry mainly uses the same technology as on land, while the foundation on which the pillar tower stands will necessarily have a different design. This foundation is typically rock-solid for shallow sea areas 10 to 30 meters deep. The foundations must be adapted to the wind turbine, depth, bottom conditions, transport, installation and connection of the wind turbine. Fixed installations require transport, lifting and installation of all parts in a difficult environment and this increases the costs of offshore wind power.

En flytende løsning vil lett bli mer standard og ha stort potensial for effektiv produksjon og installasjon av enhetene, der en enhet er komplett flytesystem med vindturbin og forankring. En flyter for dette må ha tilstrekkelig oppdrift og trolig også et moderat vannlinjeareal for å unngå eksitasjon av bølgene. En vindmølle med tårn har et høyt tyngdepunkt og kreftene mot rotor og tårn gir store krengende momenter i flyteren. En flytende løsning trenger derfor mye stabilitet for å kunne holde rotoren i tilstrekkelig grad opp mot vinden. Dette er teknisk mulig å gjøre men en stor utfordring dersom man skal gjøre dette på materialøkonomisk effektiv måte. A floating solution will easily become more standard and have great potential for efficient production and installation of the units, where a unit is a complete floating system with wind turbine and anchoring. A float for this must have sufficient buoyancy and probably also a moderate waterline area to avoid excitation of the waves. A windmill with a tower has a high center of gravity and the forces against the rotor and tower produce large heeling moments in the float. A liquid solution therefore needs a lot of stability to be able to hold the rotor sufficiently up against the wind. This is technically possible to do, but a major challenge if this is to be done in an economically efficient way.

For et fullstendi g bilde av teknikkens stand bør også værkreftene i havet nevnes: Havets elementer opptrer ikke med jevne og pålitelige krefter men kan ha brå endringer og typisk sykliske og uregelmessige variasjoner. "Wind Energy Handbook" (av Tony Burton, David Sharpe, NickJenkins, Ervin Bossanyi, ISBN 0471489972, John Wiley & Sons Limited 2001, West Sussex, England) viser hvordan vindspekteret har forskjellig intensitet, avhengig av opptredende frekvens. Intensiteten vil typisk være høy mellom 30 sekunder og 3 minutter grunnet turbulens over sjøen. Dernest vil vindspekteret ha en forhøyet intensitet knyttet til værsituasjoner som er typiske for morgen og kveld. For det tredje vil vinden ha intensitet knyttet til det været som følger kommende høy- og lavtrykk med mér. Slike variasjoner kan typisk skje døgnkontinuerlig eller hver åttende dag. For a complete picture of the state of the art, the weather forces in the sea should also be mentioned: The elements of the sea do not act with steady and reliable forces but can have sudden changes and typically cyclical and irregular variations. "Wind Energy Handbook" (by Tony Burton, David Sharpe, NickJenkins, Ervin Bossanyi, ISBN 0471489972, John Wiley & Sons Limited 2001, West Sussex, England) shows how the wind spectrum has different intensity depending on the frequency of occurrence. The intensity will typically be high between 30 seconds and 3 minutes due to turbulence over the sea. Secondly, the wind spectrum will have an increased intensity linked to weather situations that are typical for morning and evening. Thirdly, the wind will have an intensity linked to the weather that follows the coming high and low pressure with me. Such variations can typically occur around the clock or every eight days.

En rekke patent-publikasjoner har løsninger på fundamentering av vindmøller. Her vises til: A number of patent publications have solutions for the foundations of wind turbines. This refers to:

Dl: GB 2378679 A Dl: GB 2378679 A

D2: WO 2009064737 Al D2: WO 2009064737 Al

D3: WO 03004869 Al D3: WO 03004869 Al

I publikasjon Dl er det vist flere adskilte oppdriftstanker under vann. Men disse skal primært gi strekk i de vertikale stagene ned mot bunnen. De skal derfor være væsketomme og de kan være påsatt overtrykk av gass for å begrense strukturelle dimensjoner. De er derfor uegnet for hel eller delvis vannfylling, dette vil være risikabelt for hele enheten. Motvirkning av krenging ved aktiv flytting av ballast er ikke aktuelt. I motsetning til vår oppfinnelse beskriver ikke Dl en konstruksjon som penetrerer vannflata flere steder enn ett. Dette gir en langt mindre hensiktsmessig og strukturelt effektiv konstruksjon. In publication Dl, several separate underwater buoyancy tanks are shown. But these should primarily provide tension in the vertical struts down towards the bottom. They must therefore be liquid-free and they can be pressurized with gas to limit structural dimensions. They are therefore unsuitable for full or partial water filling, this will be risky for the whole unit. Counteraction of heeling by active movement of ballast is not relevant. In contrast to our invention, D1 does not describe a construction that penetrates the water surface in more places than one. This results in a far less appropriate and structurally efficient construction.

D2 foreviser riktignok en løsning med flere strukturelle elementer som penetrerer vannlinjearealet. Hensikten er at dette gir redusert vannlinjeareal og mindre eksitasjon fra bølgene. Men avstandene mellom arealene er små og det er ikke indikert at disse gir større hydrodynamisk stabilitet eller at de inneholder tanker som kan ballasteres og gi noen merkbar påvirking av krengevinkel. D2 beskriver ikke den løsning eller de formål som foreliggende oppfinnelse inneholder med hensyn til adskilte arealer, effektiv ballastering og dessuten en sterk, effektiv og stiv struktur. D2 certainly presents a solution with several structural elements that penetrate the waterline area. The purpose is that this results in a reduced waterline area and less excitation from the waves. But the distances between the areas are small and it is not indicated that these provide greater hydrodynamic stability or that they contain tanks that can be ballasted and give any noticeable influence on the angle of heel. D2 does not describe the solution or the purposes that the present invention contains with regard to separate areas, effective ballasting and furthermore a strong, efficient and rigid structure.

Både Dl, D2 baserer seg på bruk av stramme forankringer såsom strekkstag for å gi vindmøllene en Both Dl, D2 are based on the use of tight anchorages such as tie rods to give the wind turbines a

oppreist stilling. Slike stive forankringsløsninger er som regel kostbare og utfordrende å installere og kombinere til de egenskaper og bevegelser som et flytende legeme har. Vår foreliggende oppfinnelse unngår slike kompliserte løsninger ved å benytte fast og bevegelig ballast. Fast ballast installert lavt i en flyter gir ikke rettende moment før flyteren krenger. Bevegelig ballast trimmer og krenger flyteren ved å tilføre momenter. Begge disse metodene er lite egnet for kombinasjon med stive forankringer som i Dl og D2, og vår oppfinnelse skiller seg derfor vesentlig fra disse. upright position. Such rigid anchoring solutions are usually expensive and challenging to install and combine to the characteristics and movements of a floating body. Our present invention avoids such complicated solutions by using fixed and movable ballast. Fixed ballast installed low in a float does not provide a righting moment before the float capsizes. Movable ballast trims and tips the float by adding moments. Both of these methods are not suitable for combination with rigid anchorages as in D1 and D2, and our invention therefore differs significantly from these.

D3 indikerer flere mulige løsninger og teknikker for å holde fundament og vindmølle i nær vertikal stilling. I figur 8 gir D3 også en løsning med flere oppdriftskammere og et system for ballastering, men uten at D3 beskriver en løsning med flere vannlinjearealer: Vindmølla kobles til underliggende struktur gjennom en "transition piece" (5) i høyde med vannlinja, og vi forstår fra tekst og figurer at strukturen bygges ut sideveis under denne. D3 utnytter dermed ikke muligheten til effektiv fundamentering av vindmølla på de adskilte tankene. I forhold til D3 har vår oppfinnelse kombinert en kostnadseffektiv stabilisator (9) med et svært effektivt tårn med skråstilte bein som løper gjennom vannlinja med relativt stor innbyrdes avstand. Der lander de rett ned på adskilte tanker velegnet for stabilisering av krengevinkler ved tømming/fylling/flytting av ballast i disse tankene. D3 indicates several possible solutions and techniques for keeping the foundation and windmill in a near vertical position. In Figure 8, D3 also provides a solution with several buoyancy chambers and a system for ballasting, but without D3 describing a solution with several waterline areas: The wind turbine is connected to the underlying structure through a "transition piece" (5) at the height of the waterline, and we understand from text and figures that the structure is built out laterally below this. D3 thus does not make use of the possibility of effective foundations for the wind turbine on the separate tanks. In relation to D3, our invention has combined a cost-effective stabilizer (9) with a highly efficient tower with inclined legs that run through the waterline at a relatively large distance from each other. There they land straight down on separate tanks, suitable for stabilizing heeling angles when emptying/filling/moving ballast in these tanks.

Dl, D2 og D3 gir hver for seg enkelte elementer som kan gjenkjennes i foreliggende oppfinnelse. Men en kombinasjon av foreliggende trekk og de totale egenskaper som derved oppnås er ikke funnet i noen av disse. D1, D2 and D3 each provide individual elements that can be recognized in the present invention. But a combination of the present features and the total properties thereby achieved is not found in any of these.

Windsea AS, ref. www. windsea. no. foreslått å ha tre vindmøller på samme halvt nedsenkbare struktur. Avstanden bør typisk være minst like stor som rotordiameteren og gjerne mye mer for å unngå at turbinene forstyrrer hverandre, for eksempel når vinden dreier. En mølleavstand på litt over 100 meter tilsier en omfattende, flytende struktur i bølgesonen som er utsatt for store sykliske påkjenninger. Vannlinjearealet gir flyteren stabilitet. Men det tøffe miljøet i bølgesonen og faseforskjell for innkommende bølger tilsier likevel at man bør unngå stor utstrekning i dette området. Løsningen er basert på hele tre møller som ikke uten videre er lette å skalere opp i størrelse. Windsea AS, reference www. windsea. no. proposed to have three wind turbines on the same semi-submersible structure. The distance should typically be at least as large as the rotor diameter and preferably much more to avoid the turbines interfering with each other, for example when the wind is turning. A mill distance of just over 100 meters indicates an extensive, floating structure in the wave zone which is exposed to large cyclical stresses. The waterline area gives the float stability. However, the harsh environment in the wave zone and the phase difference for incoming waves still suggest that large areas should be avoided in this area. The solution is based on three mills, which are not easily scaled up in size.

Som et alternativ til stabilitet fra vannlinjeareal kan avgjørende stabilitet frambringes ved å feste en lang enhet med lavt tyngdepunkt vertikalt under enheten. Tyngdepunktet senkes godt nedenfor oppdriftssenteret. Patentsøknadene 20060883 og 20076042 "Flytende Vindturbininstallasjon" viser med prinsippskisser mulige løsninger der man benytter en kon søyle som tårn, og der dette fortsetter i en rørformet struktur nedover i dypet. Statoils "Hywind" prototype prosjekt bygger på dette prinsippet. Et tyngdepunkt lavere enn oppdriftssenteret virker rettende når enheten krenger, men forutsetter altså at krenging skjer før noe av dette kan kompenseres. As an alternative to stability from the waterline area, decisive stability can be produced by attaching a long unit with a low center of gravity vertically below the unit. The center of gravity is lowered well below the center of buoyancy. The patent applications 20060883 and 20076042 "Floating Wind Turbine Installation" show principle sketches of possible solutions where a conical column is used as a tower, and where this continues in a tubular structure down into the depths. Statoil's "Hywind" prototype project is based on this principle. A center of gravity lower than the center of buoyancy acts to correct when the unit capsizes, but therefore requires that capping occurs before any of this can be compensated.

Sway AS er et selskap med lignende løsning, se patent no. 317431. Sway benytter seg av medvinds-turbiner som i normale lastsituasjoner trekker rotorbladene vekk fra tårnet. For øvrig er oppvinds-turbiner altoverveiende i bruk og dette inkluderer 2.3 MW-Hywind prototypen som altså er bygget. Felles for Hywind og Sway- løsningene er at flyteren er en mer eller mindre vertikal og rørformet struktur med ett enkelt vannlinjeareal. Fordi utstrekningen i horisontal retning er svært moderat er det i praksis ingen mulighet for å trimme flyteren ved omballastering, og vannlinjearealets utstrekning er så moderat at den ikke bidrar merkbart til stabiliteten. Sway-tårnet skal krenge méd vinden til tross for alle strømkrefter som kan komme i helt andre retninger. For Hywind gir vindkreftene at turbinen krenger med vinden slik at rotoren peker ytterligere i været enn de 6° som rotorakselen allerede har for å unngå kontakt mellom blader og tårn. Forankringssystemets utforming kan forverre og trolig også forbedre dette. Både strømkrefter og bølgekrefter er svært ofte frikoblet fra vindens retning og styrke. De kan komme fra helt tilfeldige retninger enn vinden og således bedre eller forverre rotorsenterets vinkel i forhold til horisontal linje. Sway AS is a company with a similar solution, see patent no. 317431. Sway uses downwind turbines which in normal load situations pull the rotor blades away from the tower. Otherwise, upwind turbines are predominantly in use and this includes the 2.3 MW Hywind prototype which has thus been built. What the Hywind and Sway solutions have in common is that the float is a more or less vertical and tubular structure with a single waterline area. Because the extent in the horizontal direction is very moderate, there is in practice no possibility of trimming the float when re-ballasting, and the extent of the waterline area is so moderate that it does not contribute noticeably to stability. The Sway tower must tilt with the wind despite all currents that may come in completely different directions. For Hywind, the wind forces cause the turbine to heel with the wind so that the rotor points further into the air than the 6° that the rotor shaft already has to avoid contact between the blades and the tower. The anchoring system's design can worsen and probably also improve this. Both current forces and wave forces are very often decoupled from the direction and strength of the wind. They can come from completely random directions than the wind and thus improve or worsen the angle of the rotor center in relation to the horizontal line.

Når rotorens retning avviker betydelig fra horisontal linje gir dette variasjon i strømningsforholdene rundt rotorbladene for hver runde ved at relativ hastighet og retning for innkommende vind varierer. Resultatet av dette blir tap av rotorvirkningsgrad og økt syklisk belastning på blader og systemer for regulering av disse. When the direction of the rotor deviates significantly from the horizontal line, this results in variation in the flow conditions around the rotor blades for each round in that the relative speed and direction of the incoming wind varies. The result of this is a loss of rotor efficiency and increased cyclic load on blades and systems for regulating them.

Ingen av de tidligere nevnte oppfinnelsene /løsningene presenterer de karakteristiske trekkene ved foreliggende oppfinnelse. Problemer med løsninger i følge teknikkens stand er som følger: En flyter for vindmølle bør ha begrenset utstrekning i bølgesonen men ha tilstrekkelig stabilitet mot de krengende og trimmende krefter som virker på konstruksjonen. Den faste ballasten gir sikker, passiv stabilitet som begrenser de store krengevinkler. Et aktivt ballastsystem vil ytterligere motvirke mer langsiktige værsituasjoner og strømforhold ved aktivt å krenge enheten mot disse kreftene. Disse to mekanismene supplerer hverandre effektivt og gir gode driftsforhold for rotor og mølle. None of the previously mentioned inventions/solutions present the characteristic features of the present invention. Problems with solutions according to the state of the art are as follows: A float for a wind turbine should have a limited extent in the wave zone but have sufficient stability against the tilting and trimming forces acting on the structure. The fixed ballast provides safe, passive stability that limits the large heeling angles. An active ballast system will further counteract more long-term weather situations and current conditions by actively tilting the unit against these forces. These two mechanisms complement each other effectively and provide good operating conditions for rotor and mill.

Oppfinnelsen girøket stabilitet uten å øke vannlinjearealet ved at det finnes flere og adskilte The invention provides increased stability without increasing the waterline area by having several and separate ones

vannlinjearealer med tilstrekkelig avstand. waterline areas with sufficient distance.

Oppfinnesen har et arrangement med adskilte ballasttanker med tilstrekkelig innbyrdes avstand. Disse vil hovedsakelig gi oppdrift. Men ved å ballastere slik at enheten krenger mot gunstigste posisjon vil dette i stor grad redusere behovet for fast ballast og øket deplasement. Dermed kan omfanget av fast ballast og tilhørende oppdrift reduseres til anslagsvis det halve. The invention has an arrangement with separate ballast tanks with sufficient mutual distance. These will mainly provide buoyancy. But by ballasting so that the unit tilts towards the most favorable position, this will greatly reduce the need for fixed ballast and increased displacement. In this way, the amount of solid ballast and associated buoyancy can be reduced to approximately half.

Bøyekrefter fra tårnet vil effektivt bli transportert gjennom flyteren i stor avstand fra senteret. Dette gir øket momentarm, mindre krefter og lavere spenninger. Dette gir betydelige besparelser for materialbruk og produksjonskostnader. Bending forces from the tower will be effectively transported through the float at a great distance from the centre. This results in an increased torque arm, lower forces and lower voltages. This provides significant savings for material use and production costs.

Utførelsen muliggjør bruken av et lett og stivt tårn der maskinelt utstyr kan installeres på et romslig dekk over bølgesonen. Her kan transformatorer, reservedeler og kraftelektronikk med mer installeres. The design enables the use of a light and rigid tower where mechanical equipment can be installed on a spacious deck above the wave zone. Transformers, spare parts and power electronics and more can be installed here.

Rotoren må rettes mot vinden og denne vil ofte få skjev belastning som gir torsjon i tårnet og flyteren. Flyterens arrangement legger til rette for at ankerlinene enkelt kan festes i god avstand fra senteret og dermed gir oppfinnelsen økt retningsstabilitetfor det flytende vindkraftverket. The rotor must be directed towards the wind and this will often get a skewed load which causes torsion in the tower and the float. The floater's arrangement makes it possible for the anchor lines to be easily fixed at a good distance from the centre, and thus the invention provides increased directional stability for the floating wind power plant.

Oppsummering av oppfinnelsen Summary of the invention

Oppfinnelsen vedrører et flytende vindkraftverk. Ved å forsyne flyter og tårnstruktur med minst tre forbindelser og minst tre adskilte vannlinjearealer gir dette et bidrag til stabiliteten uten at man behøver å øke vannlinjearealet. The invention relates to a floating wind power plant. By providing floats and tower structure with at least three connections and at least three separate waterline areas, this makes a contribution to stability without having to increase the waterline area.

Disse vannlinjearealene vil hovedsakelig utgjøre oppdriftstanker. Tankene forbindes med stive strukturer og eventuelt via stive strukturer er tankene også forbundet med en struktur nedover i dypet som benevnes som stabilisator. Stabilisatoren vil typisk ha fast ballast i nedre del og denne ballasten bidrar vesentlig til å senke tyngdepunktet og gi grunnleggende stabilitet for det flytende vindkraftverket. De adskilte oppdriftstankene kan delvis fylles med bevegelig ballast slik at man kan etablere et system for automatisk trimming og krenging av enheten. Dette ballastsystemet skal først og fremst motvirke krengning fra døgn/timeskontinuerlig vind, strøm og andre krengemomenter som virker over lenger tid. These waterline areas will mainly constitute buoyancy tanks. The tanks are connected to rigid structures and, possibly via rigid structures, the tanks are also connected to a structure down in the depth known as a stabilizer. The stabilizer will typically have fixed ballast in the lower part and this ballast contributes significantly to lowering the center of gravity and providing basic stability for the floating wind power plant. The separate buoyancy tanks can be partially filled with movable ballast so that a system can be established for automatic trimming and heeling of the unit. This ballast system must primarily counteract heeling from 24/7 continuous wind, current and other heeling moments that act over a longer period of time.

Bøyekrefter i systemet transporteres effektivt gjennom elementene i vannlinjen med stor avstand til senteret. Dette gir muligheter for moderate materialdimensjoner og tilsvarende lave byggekostnader. Bending forces in the system are efficiently transported through the elements in the waterline with a large distance to the centre. This provides opportunities for moderate material dimensions and correspondingly low construction costs.

Noen positive effekter av oppfinnelsen kan oppsummeres slik: Some positive effects of the invention can be summarized as follows:

Det flytende vindkraftverket har en innebygget, grunnleggende og passiv stabilitet som gir en The floating wind power plant has a built-in, basic and passive stability that gives a

trygg oppførsel i alle situasjoner. safe behavior in all situations.

Et moderat vannlinjeareal bidrar til stabiliteten av systemet men uten å få store horisontale A moderate waterline area contributes to the stability of the system but without getting large horizontal ones

og vertikale bølgekrefter inn i systemet. and vertical wave forces into the system.

Flyteren har et aktivt ballastsystem som krenger og trimmer til mest mulig gunstige midlere The floater has an active ballast system that tilts and trims to the most favorable possible means

posisjoner. Dette gir effektiv energiproduksjon. positions. This provides efficient energy production.

Flyteren har en solid og kraftig struktur som sammen med tårnet tåler de totale bøyekrefter The float has a solid and strong structure which, together with the tower, withstands the total bending forces

med svært moderat forbruk av materialer. with very moderate consumption of materials.

Flyterstrukturen trenger ikke større dypgang eller mer materialer enn tilsvarende teknologi til tross for mer en dobbelt så stor installert effekt. Oppfinnelsen bidrar derfor til mer effektive og produktive enheter ved at disse gir mer energi per kilo installert materialmengde. Og dette gir en betydelig estimert reduksjon av totale kostnader for hawind i forhold til andre kjente prototyper. The floating structure does not need a greater draft or more materials than similar technology, despite more than twice the installed power. The invention therefore contributes to more efficient and productive units by providing more energy per kilogram of installed material. And this provides a significant estimated reduction in total costs for hawind compared to other known prototypes.

Utførelsen gir muligheter for større flytende vindmøller enn før. The design provides opportunities for larger floating wind turbines than before.

Forankringsliner kan festes til oppdriftstankene slik at flytersystemet blir torsjonsstivt når Anchoring lines can be attached to the buoyancy tanks so that the floatation system becomes torsionally rigid when

ankerlinene er satt. Dette er en enkel og effektiv metode. the anchor lines are set. This is a simple and effective method.

Avstanden mellom vannlinjearealene gir tilsvarende muligheter for et romslig utstyrdekk lenger oppe i tårnet, fortrinnsvis over skvalpesonen. The distance between the waterline areas provides corresponding opportunities for a spacious equipment deck further up in the tower, preferably above the splash zone.

Kortfattet beskrivelse av tegningene Brief description of the drawings

Den påfølgende detaljerte beskrivelsen av utførelser av oppfinnelsen sett i sammenheng med de vedheftede tegningene vil gi en mer fullstendig forståelse av oppfinnelsen. The following detailed description of embodiments of the invention seen in conjunction with the attached drawings will provide a more complete understanding of the invention.

Figur 1 viser et oppslag med oppfinnelsen inkludert med vindturbin og alle de hoveddeler Figure 1 shows a layout with the invention included with the wind turbine and all the main parts

som her er navnsatt og nummerert. Skraverte områder er ballast. which are here named and numbered. Shaded areas are ballast.

■Figur 2 viser hele enheten med store middelkrefter mot rotor, vindkrefter mot tårn og ugunstige strømforhold. Ingen aktiv ballastering er utført og situasjonen gir stor medvinds krenging. ■Figure 2 shows the entire unit with large mean forces against the rotor, wind forces against the tower and unfavorable current conditions. No active ballasting has been carried out and the situation results in considerable downwind heeling.

Figur 3 viser hele enheten i normal operasjon ved gjennomsnittelige krefter og aktiv ballastering som motvirker medvinds krenging. Enheten krenger mot vinden og dette gir gode forhold for effektiv energiproduksjon. Figure 3 shows the entire unit in normal operation with average forces and active ballasting which counteracts heeling downwind. The unit tilts against the wind and this provides good conditions for efficient energy production.

Beskrivelse av utførelser av oppfinnelsen Description of embodiments of the invention

Med referanse til figur 1 og figur 3 beskrives i det videre et utførelseseksempel av flyter for vindkraftverk i følge oppfinnelsen. Utførelsen er tenkt å ha en generatorkapasitet 5 MW, transmisjons/generatorsystem kan være direktedrevet eller mer konvensjonelt med gir og generator. Rotoren har typisk radius 63 meter og senteraksen 90 meter fra vannlinjen. Et utstyrsdekk er lokalisert i tårnet, 26 meter fra vannlinjen. Selve flyteren veier 400 tonn og har 3 vertikale søyler 04,2 meter som tårnet hviler ned mot. Flyteren har bevegelig ballast 500 tonn i form av ferskvann. Stabilisatoren er festet under flyteren 40 meter under vannlinjen. I tillegg til sin egen vekt har denne fast ballast i form av tung grus/sand i bunnen, 1900 tonn. Ellers er stabilisatoren vannfylt. Total vekt i operasjon er 5 000 tonn og dypgangen vil da være 90 meter. With reference to Figure 1 and Figure 3, an exemplary embodiment of floats for wind power plants according to the invention is described below. The design is intended to have a generator capacity of 5 MW, the transmission/generator system can be direct driven or more conventional with gear and generator. The rotor typically has a radius of 63 meters and the center axis 90 meters from the waterline. An equipment deck is located in the tower, 26 meters from the waterline. The float itself weighs 400 tonnes and has 3 vertical columns 04.2 meters against which the tower rests. The float has a movable ballast of 500 tonnes in the form of fresh water. The stabilizer is fixed under the float 40 meters below the waterline. In addition to its own weight, this has fixed ballast in the form of heavy gravel/sand in the bottom, 1900 tonnes. Otherwise, the stabilizer is filled with water. Total weight in operation is 5,000 tonnes and the draft will then be 90 metres.

Enheten er forsynt med tre ankerliner og et enkelt ballastsystem som styres av en logikk. Ballasttankene vil være tre stykker og vil hovedsakelig bestå av tanker for oppdrift (8) i forbindelse med vannlinjearealet. Vindkraftverket er tenkt å være ubemannet og nær vedlikeholdsfritt men skal ha tilgjengelig alle nødvendige systemer for tilkomst, sikkerhet, service, produksjon av elektrisk kraft, eksport via kabelforbindelse og også alle andre maritime systemer for ballastering, forankring, lanterneføring med mer. The unit is equipped with three anchor lines and a simple ballast system which is controlled by a logic. The ballast tanks will be three pieces and will mainly consist of tanks for buoyancy (8) in connection with the waterline area. The wind power plant is intended to be unmanned and almost maintenance-free, but must have available all necessary systems for access, safety, service, production of electrical power, export via cable connection and also all other maritime systems for ballasting, anchoring, lantern guidance and more.

Fartøysstabiliteten uttrykkes ved metasenterhøyden GM som beregnes til 18 m. Anslått største vindmoment i operasjon, 72 MNm giren kvasi-statisk medvinds krengevinkel 5°. Disse kan væres størst når vindhastigheten er typisk 12 m/s og rotoren bremser og utnytter vinden maksimalt. Som regel vil krengende moment fra vinden være lavere, mens bølger og strøm kan virke både rettende og krengende i forhold til dette igjen. The vessel's stability is expressed by the metacenter height GM, which is calculated to be 18 m. Estimated greatest wind torque in operation, 72 MNm, gives the quasi-static downwind heeling angle 5°. These can be greatest when the wind speed is typically 12 m/s and the rotor brakes and makes maximum use of the wind. As a rule, the overturning moment from the wind will be lower, while waves and currents can act both righting and overturning in relation to this again.

Bruk av ballastsystemet vil kunne trimme enheten typisk 3-4°. Vi anslår at ballastsystemet normalt vil kunne trimme enheten mer enn de motvirkende kreftene slik at enheten kan krenge mot vinden og således gi rotoren gode forhold under de vanligst opptredende tilstander, se figur 3. Use of the ballast system will be able to trim the unit typically 3-4°. We estimate that the ballast system will normally be able to trim the unit more than the counteracting forces so that the unit can tilt against the wind and thus give the rotor good conditions under the most common conditions, see figure 3.

I tillegg til de midlere kvasi-statiske vinklene som er nevnt vil det være betydelig dynamikk i systemet spesielt grunnet varierende vindkrefter. Sykliske bevegelser av rotoren langs rotoraksen kan dempes ved aktiv regulering av rotorbladene som for andre vindkraftverk. In addition to the average quasi-static angles mentioned, there will be significant dynamics in the system, especially due to varying wind forces. Cyclic movements of the rotor along the rotor axis can be dampened by active regulation of the rotor blades as for other wind power plants.

Lite vannlinjeareal kombinert med stor masse, viskøs demping og stor metasenterhøyde motvirker hiv og rullebevegelser fra bølger og vindkraftverket skal utformes slik at man unngår typiske egensvingefrekvenser. Small waterline area combined with large mass, viscous damping and large metacenter height counteracts heave and roll movements from waves and the wind power plant must be designed so that typical natural oscillation frequencies are avoided.

Mest aktuelle materialer for tårn, flyter og stabilisator er stål og betong. Stabilisatoren vil bli ballasten med tung sand/grus når denne er i operasjon. I tillegg skal det fylles i vann til noen meter over grusen. The most relevant materials for towers, floats and stabilizers are steel and concrete. The stabilizer will become the ballast with heavy sand/gravel when it is in operation. In addition, it must be filled with water to a few meters above the gravel.

Ballastsystemet er påtenkt å ta mer langsiktige trimmeoperasjoner og pumpene skal ha en kapasitet typisk 2x100 m<3>/n. Pumper og ventiler er drevet av tilgjengelig strøm om bord. Pumpesystemet skal være automatisert og styrt av en logikk der blant annet krengevinkler og værforhold er input. Dersom hele eller deler av ballastsystemet faller ut vil enheten fortsatt kunne operere med noe redusert effektivitet. The ballast system is intended to handle more long-term trimming operations and the pumps are to have a capacity of typically 2x100 m<3>/n. Pumps and valves are powered by available power on board. The pumping system must be automated and controlled by a logic where, among other things, angles of inclination and weather conditions are input. If all or part of the ballast system fails, the unit will still be able to operate with somewhat reduced efficiency.

Framstilling kan skje på flere måter men det synes naturlig å lage disse delene i større seksjoner på land eller i dokk før de settes på sjøen, kobles sammen og ballasteres. Tårn med rotorhus og rotor kan monteres, funksjonstestes og eventuelt prøvekjøres ved land og hele enheten kan taues til feltet der den forankres og kobles til strømnettet. Manufacturing can take place in several ways, but it seems natural to make these parts in larger sections on land or in a dock before they are put on the sea, connected together and ballasted. Tower with rotor housing and rotor can be assembled, functionally tested and possibly trial driven on land and the entire unit can be towed to the field where it is anchored and connected to the power grid.

Claims (4)

1. Flytende vindkraftverk omfattende - en rotor(l), et rotorhus (2)med nødvendige transmisjoner og eventuelle strømgeneratorsystemer - et tårn (3) over vann, med minst tre bein (søyler) (12) og eventuelt utstyrsdekk (4) en flyter (5) koblet sammen med beina (12) med strukturelle forbindelser (6) - tanker for oppdrift (8) i flyteren stive strukturer (7) i flyteren, - en lang konstruksjon, - stabilisator (9) festet mot flyteren der denne kan ha betydelig med ballast i nedre del (10) tre eller flere forankringsliner (11) der det flytende vindkraftverket erkarakterisert vedat stabilisatoren (9) med innhold gir en stor og grunnleggende stabilitet til fartøyet, at beina (12) møter flyteren (5) slik at minst tre vannlinjearealer med betydelig avstand dannes, at ved hver av disse forbindelsene (6) dannes tanker for oppdrift og/eller for ballastering, og at disse tankene anordnes med et ballastsystem som bidrar til å trimme enheten gunstig i forhold til strøm og bølgedriftskrefter, og opp mot vinden slik at rotorens midlere posisjon er mest mulig rettet mot vinden.1. Floating wind turbine comprising - a rotor(l), a rotor housing (2) with the necessary transmissions and any power generator systems - a tower (3) above water, with at least three legs (columns) (12) and any equipment deck (4) a float (5) connected to the legs (12) with structural connections (6) - tanks for buoyancy (8) in the float rigid structures (7) in the float, - a long construction, - stabilizer (9) attached to the float where this can have significant ballast in the lower part (10) three or more anchor lines (11) where the floating wind power plant is characterized by the stabilizer (9) with its contents gives great and fundamental stability to the vessel, that the legs (12) meet the float (5) so that at least three waterline areas with considerable distance are formed, that at each of these connections (6) tanks are formed for buoyancy and/or for ballasting, and that these tanks are arranged with a ballast system that helps trim the unit favorably in relation to current and wave drift forces, and up against the wind so that the rotor's middle position is as much as possible directed towards the wind. 2. Flytende vindkraftverk i følge krav 1 der flyterens (5) tanker for oppdrift (8) er forbundet med hverandre og stabilisatoren (9)med stive strukturer(7).2. Floating wind power plant according to claim 1 where the floater's (5) tanks for buoyancy (8) are connected to each other and the stabilizer (9) with rigid structures (7). 3. Flytende vindkraftverk ifølge krav 1 til 2 der forankringslinene (11) kan festes slik at festepunktenes radius fra senter og linestrekk gir retningsstabilitet for flyteren og for rotoren (1) opp mot vinden.3. Floating wind power plant according to claims 1 to 2 where the anchor lines (11) can be attached so that the radius of the attachment points from the center and line stretch provides directional stability for the float and for the rotor (1) upwind. 4. Flytende vindkraftverk ifølge krav 1 til 1, der vindkraftverkets utforming gir god plass til et utstyrsdekk (4) mellom tårnets bein på en elevasjon som gjør dette lite utsatt for sjø.4. Floating wind power plant according to claim 1 to 1, where the design of the wind power plant provides plenty of space for an equipment deck (4) between the legs of the tower at an elevation that makes it little exposed to the sea.