NO325903B1 - Nedvinds vindkraftverk og en fremgangsmate for drift av et nedvinds vindkraftverk - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et nedvinds vindkraftverk (1) med et tårn (2), et maskinhus (3) og en turbin (4) opplagret i huset (3). Turbinen (4) definerer et omdreiningsplan og er tilpasset for å kunne dreies til en stilling hovedsakelig normalt på vindretningen. Minst to vaiere (6) er forbundet med tårnet (2) i sin ene ende, og hver vaier er festet i minst ett innfestingspunkt i den andre enden for å holde tårnet i en oppreist stilling under drift. Hver vaier kan innta minst en første og en andre posisjon. Vaieren i den første posisjonen strekker seg i en skrå vinkel nedover fra et innfestingspunkt i eller i nærheten av senteret for de horisontale krefter som påføres tårnet av turbinen under drift. I andre posisjon er hver vaier ført ut av omdreiningsplånet, slik at turbinplanet kan dreie rundt en vertikal akse uten at vaieren er til hinder for dette. Videre beskrives en framgangsmåte for drift av et nedvinds vindkraftverk av denne type.

Description

Oppfinnelsen vedrører et nedvinds vindkraftverk, og fremgangsmåte for drift av et nedvinds vindkraftverk. I vindkraftverket i henhold til oppfinnelsen ledes turbinens aksialkraft til underlaget, for eksempel bunnen av et vannlegeme, fra i hovedsak turbinens navhøyde. Dette fører til vesentlig momentavlastning av tårn og underliggende konstruksjon, sammenlignet med konvensjonelle vindkraftverk. Vindkraftverket består av tårn, maskinhus og nedvindsturbin opplagret i huset. Maskinhuset kan også være en integrert del av tårnet, eller deler av tårnet. Tårnet, eller deler av det, kan evt. dreies med turbinen. I ordinær drift holdes vindkraftverket oppreist av minst en vaier, som på oppvindssiden er festet med sin ene ende i en øvre posisjon, til øvre del av tårnet eller maskinhuset, og med sin andre ende til underlaget, f eks bunnen av et vannlegeme. Vaiere på nedvindsiden inntar en lavere, nedre posisjon for å unngå konflikt med turbinen.

Et vindkraftverk brukes til å omdanne bevegelsesenergien i vind til mekanisk energi. Denne energien omdannes deretter til elektrisk energi. Et standard vindkraftverk på land består av et tårn som er fast innspent på bakken, med et maskinhus på toppen. Til maskinhuset er det festet en horisontalakset oppvindsturbin som kan dreies aktivt opp mot vinden. Mange alternative utførelser er kommersielt tilgjenglige, men relativt lite brukt. Fra 1980-tallet og til i dag har vindkraftverkenes størrelse økt betydelig, fra noen titalls kW pr stk tii enheter på 3- 5 MW. Samtidig har kWh-kostnaden blitt betydelig redusert. I dag finnes det vindkraftparker både på land og i vann (offshore). De fleste offshoreinstallasjonene står med tårnet fast innspent i bunnen på grunt vann. Ved å plassere vindkraftverk på dypt vann kan det tilgjengelige ressursgrunnlaget utvides, både fordi arealene er store og fordi vindhastigheten er høyere. Estetiske konflikter og problemer knyttet til alternativ arealbruk blir betydelig redusert, og risikoen for skade på liv og eiendom blir bortimot eliminert. Vindkraftverk på dypt vann vil for de fleste praktiske formål holdes oppe av flytelementer og forankres til bunnen.

Norsk patentsøknad 2002 6179 beskriver en flytende vindturbin som fritt kan dreie rundt forankringsorganet. Det er festet et rammeverk i tårnet bestående av et stag mellom tårnet og et ytterligere flytelegeme, og en vaier mellom flytelegemet og tårnets øvre del, slik at tårnet, staget og vaieren danner en trekant. Under visse driftsforhold, hvis bunnvaierens retning er i forlengelsen av vaieren mellom det ytterligere flytelegemet og tårnet, kan full momentavlastning av tårnet oppnås. Kravet til flytelegeme og ballast vil under disse forhold sterkt reduseres. Under andre driftsforhold er man henvist tii å ha et stort opprettende moment ved hjelp av høy oppdrift og mye ballast.

Norsk patentsøknad 2002 5440, "Anordning for anbringelse av vindmøller i et vannlegeme og metode for anbringelse av samme", beskriver et flytende vindkraftverk montert på et understell. Understellet omfatter et flyteelement og eventuelt en søyle fastmontert under flyteelementet, og hvor kabler er montert til vindkraftverkets tårn, flyteelementet og/eller søylen og til havbunnen. I to utførelseseksempler er kablenes innfesting i tårnet i hhv nedre del av turbinplanet, og i nærheten av maskinhuset. I sistnevnte tilfelle forutsettes det at turbinplanet er forskjøvet langt ut i horisontal retning og/eller at kablene festes i en meget spiss vinkel med tårnet. En spiss vinkel mellom tårn og kabler reduserer moment-avlastningen og øker kravene til oppdrift, ballast og/eller strekk i bunnkablene.

NO 317.431 beskriver et vindkraftverk som flyter på dypt vann og er forankret til sjøbunnen med et torsjonsstivt strekkstag. Krengningen av tårnet begrenses ved at senteret for oppdrift ligger over konstruksjonens samlede tyngepunkt. Det store bøyemomentet forårsaket av turbinens aksialkraft, f. eks. om konstruksjonens tyngdepunkt, må tas opp ved momentet gitt av oppdriftskraften og oppdriftskraftens momentarm til tyngdepunktet. Strekk-kraften i staget gir ikke andre bidrag enn at oppdriften i konstruksjonen kan gjøres større enn konstruksjonens vekt.

WO 2004/097217 beskriver en variant av NO 317.431, hvor en svivel i forankrings-punktet på havbunnen gir konstruksjonen anledning til å rotere om vertikalaksen, slik at vindturbinen kan orienteres nedvinds uten en yaw-mekanisme. Forholdene vedrørende krengning av tårnet er som beskrevet under NO 317.431.

WO 01/7392 beskriver en flytende vindturbin montert på en flåte, med flere ballast-tanker som kan fylles/tømmes for å justere krengningsvinkelen. Selv om tårnet over vann avlastes ved hjelp av en line mellom tårnets øvre del og flåten, må fremdeles hele krengningsmomentet forårsaket av turbinens aksialkraft tas opp ved hjelp av oppdrift og ballast.

De ovenfor nevnte publikasjonene beskriver, med unntak av NO 2002 6179 og til dels NO 2002 5440, ulike måter å utforme flytende vindkraftverk med ballast og flyteelementer og/ eller forspente strekkstag - for å kunne ta opp momentet som skapes av de aksielle kreftene på turbinen og den lange momentarmen som dannes av tårnet. Problemene forbundet med disse er at ingen av konseptene reduserer det initiale momentet, de har kun ulike måter å motvirke det på. Foreliggende oppfinnelse overkommer denne begrensningen ved å avlaste konstruksjonen for den aksielle kraften som virker i navhøyde - og lede denne kraften via en eller flere kabler ned til underlaget, evt bunnen av et vannlegeme. Fordelen er at hele konstruksjonen kan dimensjoneres med et betydelig mindre opprettende moment, noe som fører til vesentlig redusert vekt.

I likhet med foreliggende oppfinnelse, beskrives i NO 2002 6179 en vindkraftverk som i hovedsak er momentavlastet ved å lede aksialkrefter fra turbinen ned til bunnen av et vannlegeme. Imidlertid kjennetegnes NO 2002 6179 bl.a. av at vindkraftverket vil bevege seg i en sirkel rundt et forankringspunkt. Møllens posisjon i denne sirkelen bestemmes av den til enhver tid gjeldende vindretning. Reposisjonering langs sirkelbanen tar tid og gir derfor produksjonstap. Videre karakteriseres oppfinnelsen i NO 2002 6179 av et horisontalt stag med et flytelegeme i enden. Denne delen av konstruksjonen er orientert normalt på bevegelsesretningen langs sirkelbanen, noe som i alle praktiske utførelser vil gi vesentlig bevegelsesmotstand ved reposisjonering. Videre vil denne delen av konstruksjonen være svært utsatt for bølgepåkjenning. Møllen som beskrives i NO 2002 6179 har ikke vesentlig mer sideveis stabilitet enn det som oppnås med konstruksjonens selvopprettende moment. Det er også et problem ved denne løsningen at hver vindmølle krever et stort areal, avhengig av vanndybde, og dette er problematisk spesielt under oppføring av vindmølleparker.

I NO 2002 5440 vises i figur 6 en utførelse med innfesting av bunnkabler i tårnets øvre del. Konflikten med turbinplanet vises ikke i figuren, men det bemerkes i søknaden at (turbin) huset må forlenges i en slik utførelse. Denne løsningen vil virke svært begrensende på muligheten til å momentavlaste tårn og underliggende konstruksjon.

De fleste kjente konseptstudier for vindkraft på dypt vann tar utgangspunkt i at vindkraftverkene utføres som flytende konstruksjoner med et opprettende moment som er tilstrekkelig til å motvirke momentet fra turbinen under drift. For beskrevne konstruksjoner kan mer enn 50 % av konstruksjonsvekten direkte tilskrives behovet for opprettende moment. I en utførelse som flytende vindkraftverk kan foreliggende oppfinnelse gi vesentlige reduksjoner i behovet for opprettende moment. Dette gir mulighet for betydelige vekt- og dermed kostnadsreduksjoner. Videre reduseres arealbehovet i forhold til møller som føres i en sirkel.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å redusere kravet til opprettende moment for undervannskonstruksjonen ved å lede turbinens horisontale kraftkomponent direkte til havbunnen, samtidig som turbinen kan dreies uten å komme i konflikt med vaieren.

Med foreliggende oppfinnelse vil horisontale krefter kunne ledes bort fra bort fra toppen av tårnet, uten at det stilles tilsvarende krav til utforming av maskinhuset som i NO 2002 5440. Til forskjell fra NO 2002 6179, vil en med foreliggende oppfinnelse kunne oppnå dette uten at vindkraftverket flyter i en sirkelbane rundt et forankringspunkt. Foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å la vindkraftverket ligge stille i hovedsakelig samme posisjon og kan forankres på flere punkter, slik at det oppnås stor grad av sideveis stabilitet, med sideplasserte forankringsvaiere strammet i nedre posisjon.

Foreliggende oppfinnelse vedrører et nedvinds vindkraftverk med et tårn, et maskinhus og en turbin opplagret i huset. Tårnet kan være laget av stål, aluminium, komposittmaterialer, betong eller andre egnede materialer, og kan være konstruert som en sylinder, et fagverk, eller andre løsninger eller kombinasjoner av løsninger, tilpasset øvrige elementer i vindkraftverket og de lokale forhold. Oppfinnelsen kan benyttes på land, på grunt vann og på dypt vann. På dypt vann kan vindkraftverket flyte, evt. med regulerbar flyteevne og/eller ballast og et selvopprettende moment. Turbinen kan være en nedvindsturbin. Den kan ha fast eller variabel-, evt. syklisk pitch og definerer et sirkulært omdreiningsplan gitt av turbinbladenes radielle utstrekning. Turbinen er tilpasset for å kunne dreies til en stilling hovedsakelig normalt på vindretningen. Minst tre vaiere (barduner, stag, kabler, tau, rep, kjetting, en kombinasjon av disse eller andre innretninger som er egnet til å oppta strekkrefter) er innfestet i tårnet eller maskinhuset i sin ene ende, og i minst ett innfestingspunkt i den andre enden for å holde tårnet i en oppreist stilling under drift. Hver vaier kan innta minst en første og en andre posisjon, der vaieren i den første posisjonen, på i hovedsak oppvindsside, strekker seg nedover i en skrå vinkel fra et innfestingspunkt i eller i nærheten av senteret for de krefter som påføres tårnet av turbinen under drift; og i den andre posisjonen, på i hovedsak nedvindssiden og evt. på høyre og venstre side av tårnet, avhengig av antall vaiere, er vaierne ført ut av omdreiningsplanet, slik at turbinen kan dreie rundt en vertikal akse uten at en eller flere vaiere forhindrer dette. Dette kan oppnås ved at den enkelte vaiers effektive festepunkt på tårnet senkes utenfor turbinplanet, eller ved at vaieren gis nok slakk til at den henger hovedsakelig rett nedover langs tårnet; langt nok ned til at vaieren ikke kommer i veien for turbinen. For å stabilisere vaieren i nedre posisjon, kan den i det første tilfellet strammes, for eksempel ved at den trekkes inn mot det senkede festepunkt. Vaierne kan også innta mellomposisjoner ved behov.

Vindkraftverket kan være plassert i et vannlegeme, og dets nedre del kan omfatte ett eller flere flyteelementer og ballast, slik at det kan flyte i oppreist stilling i vannlegemet uten stramme vaiere.

Vaierne kan være festet med sin nedre ende til bunnen av vannlegemet og ytterligere minst en vaier kan være festet til vindkraftverkets i hovedsak nederste punkt i sin ene ende og til bunnen av vannlegemet med den andre enden.

Hele eller deler av vindkraftverkets tårn kan bestå av to søyler som er plassert på hver sin side av tårnets vertikale senterakse, slik at søylenes vindturbulens ved fremherskende vindretning i hovedsak treffer turbinen til siden(e) for en vertikal linje gjennom turbinens nav.

Hele eller deler av vindkraftverkets tårn kan dreies med turbinen rundt en vertikal akse.

Hele eller deler av vindkraftverkets tårn kan være utstyrt med strømlinjebekledning som reduserer strømningsmotstanden i luft og/eller vann.

Vaierne kan bringes mellom den første og den andre posisjonen med en mekanisme omfattende minst to styrbart drevene tromler forbundet med tårnet. Minst to trinser kan være forbundet med tårnet og være plassert i en avstand i tårnets lengderetning fra tromlene. Justeringsvaiere med en lengde, innfestet i de styrbart drevene tromler kan forløpe over trinsene og tilbake til de styrbart drevene tromlene. Vaierne kan være innfestet et sted langs lengden av justeringsvaierne, slik at drift av de styrbart drevene tromlene vil føre justeringsvaierne i tårnets lengderetning og derved kunne heve eller senke vaiernes innfestingspunkt i forhold til tårnets lengderetning.

Vaierne kan alternativt bringes mellom den første og den andre posisjonen med en mekanisme omfattende minst to styrbart drevene tromler forbundet med tårnet. Justeringsvaiere med en lengde, kan være innfestet i de styrbart drevene tromlene og justeringsvaierne kan være innfestet et sted langs lengden av vaierne slik at justeringsvaierne kan trekke vaierne inn mot tårnet.

Alternativt kan vaierne være innfestet i tårnet via sleider eller vogner forløpende i spor eller skinner langs tårnet for heving og senking av vaierne. Sleidene kan drives av vanlige linearaktuatorer, kjeder eller lignende.

Videre omfatter oppfinnelsen en fremgangsmåte for drift av et nedvinds vindkraftverk med en vindturbin og vaiere med variabelt innfestingspunkt. Vaierne kan innta oppvinds og nedvinds posisjoner når kraftverket er i drift. Fremgangs-måten omfatter trinn med å flytte av festevaiere fra en første, øvre posisjon i vindkraftverkets tårn til en andre, nedre posisjon, dreie vindturbinen rundt en vertikal akse, og flytting oppvinds vaiere fra andre til første posisjon når turbinplanet er innstilt i hovedsak normalt på vindretningen.

Festevaierne kan strammes i sin andre, nedre posisjon.

Festevaierne kan strammes i sin første, øvre posisjon.

Oppfinnelsen vil herunder bli nærmere beskrevet ved hjelp av figurer hvor:

Figur 1 viser en prinsipiell utførelsesform med vaiere ned til tre punkter i underlaget.

Figur 2 viser samme utførelsesform som figur 1, med endret vindretning.

Figur 3 viser et flytende vindkraftverk, forankret til en havbunn.

Figur 4 viser forslag til utførelse av en mekanisme for forflytning av vaiere mellom en øvre og en nedre posisjon Figur 5 viser et vindkraftverk med et todelt tårn som er fast orientert i forhold til omgivelsene.

Figur 6 viser et vindkraftverk med todelt tårn som kan dreies med turbinen.

Figur 7 viser en mekanisme for flytting og stramming av vaiere.

På figur 1 vises et vindkraftverk 1, omfattende et tårn 2, et maskinhus 3 med turbin 4 og annet utstyr (ikke vist på figuren) for drift av vindkraftverket. Maskinhuset 3 kan dreies rundt en vertikal akse, slik at turbinplanet til enhver tid holdes normalt på vindretningen. I figuren vises turbinens sveipte areal, turbinplanet, ikke de enkelte turbinblader. Tårnet 2 er festet i underlaget 5. Vaiere 6a, 6b og 6c er festet med sin øvre ende i tårnet og sin nedre ende i underlaget 5.

Vinden blåser fra venstre, og oppvinds vaiere 6a og 6b er ført opp til sin øvre posisjon, slik at de derfra kan lede krefter ned til underlaget. Vaieren 6c er ført til sin nedre posisjon for ikke å komme i konflikt med turbinen 4.1 denne posisjonen strekkes vaieren 6c nedover fra tårnet med en horisontal retningskomponent hovedsakelig i vindens retning, og vil i liten grad oppta krefter av betydning for vindkraftverkets stabilitet.

I figur 2 vises samme utførelse som i figur 1, men nå med vinden fra høyre side. Dette driftsmoduset er ikke helt analogt til det som vises i figur 1, idet kun én vaier 6c nå befinner seg oppvinds og i øvre posisjon. Vaierne 6a og 6b, som ligger nedvinds i nedre posisjon, strammes for å bidra til sideveis stabilitet.

På figur 3 vises et slikt vindkraftverk 1 flytende på overflaten av et vannlegeme 7, f. eks. havet. Tårnet 2 er ført fra vannflaten 7 og videre ned i vannet, hvor dets undervannsdel 8 består av flyteelementer 8a og evt. ballast 8b. Vaierne 6 kan være festet med sin nedre ende til bunnen av vannlegemet 5, f eks havbunnen. Ytterligere minst én vaier 9 kan være festet til tårnets i hovedsak nederste punkt 8b i sin ene ende og til bunnen av vannlegemet med den andre enden. Ved å forspenne denne vaieren, evt. kombinert med en slank utførelse av tårnet 8 i den bølgepåkjente del, vil en kunne begrense den vertikale bevegelsen som forårsakes av bølgebevegelser.

På figur 3 kommer vinden skrått inn fra høyre. To nedvinds vaiere 6a og 6b er derfor i nedre posisjon. De to oppvinds vaierne 6c og 6d er i øvre posisjon for å ta opp horisontale og vertikale krefter, og dermed også bidra til sideveis stabilitet. I en slik utførelse kan vindkraftverkets opprettende moment begrenses til et minimum som er nødvendig for å oppnå stabilitet når vindkraftverket ikke er i produksjon, for eksempel ved vaierbrudd, slik at samlet vekt holdes lav. På egnede havdyp vil flere vindkraftverk kunne plasseres i parker, forankret med en innbyrdes avstand som gjør det hensiktsmessig å dele forankringspunkter. På figur 3 antydes i perspektiv et kvadratisk segment på bunnen av vannlegemet, f eks havbunnen, hvorpå hvert av de fire hjørnene kan utgjøre et festepunkt 10 a, 10 b, 10 c og 10 d. for det skisserte vindkraftverket og ytterligere tre andre, nærliggende vindkraftverk. Om en også benytter forankring av tårnets nederste punkt, vil det i de sentrale delene av en slik park kun være nødvendig med to ekstra forankringspunkter pr vindkraftverk.

På dypt vann vil det være lite hensiktsmessig å spenne fast tårnets nedre del 8b i bunnen av vannlegemet, f.eks havbunnen. Dermed vil konstruksjonen få begrenset moment til kontrollert yawbevegelse; dreining av turbinen rundt en vertikal akse. For å bidra til større moment kan det strekkes to eller flere vaiere fra et eller flere fester i bunnen av vannlegemet. Vaiere fra samme punkt på bunnen festes da på hver sin side av tårnets vertikale akse.

På figur 4 vises dette i en ytterligere en utførelse av et flytende vindkraftverk, med en perspektivskisse av den øvre del av tårnet og deler av turbinen. Henvisningene til havbunnen korresponderer med forrige figur (figur 3). Figur 4 er for øvrig vist i medvinds retning, og viser også et utførelseseksempel på en mekanisme for forflytning av vaiere fra øvre til nedre posisjon: Maskinhuset 3 med turbinen 4 er plassert på den øverste del av tårnet 2, hvorpå det kan rotere rundt en vertikal akse. Fra hvert av de fire festepunktene 10 a, 10 b, 10 c og 10 d på havbunnen (i figur 3) er det strukket to vaiere - henholdsvis 6a, 6b, 6c og 6d - opp til øverste del av tårnet 2. Ved at de to vaierne fra hvert punkt føres opp til hver sin side av tårnet etableres mulighet for moment til yawkontroll, ved at forankringskreftene fordeles asymmetrisk på de to vaierne. Alternativt kan én vaier strekkes fra hvert festepunkt 10 a, 10 b, 10 c og 10 d - og splittes til to vaiere, som deretter festes på hver sin side av tårnets senterakse som vist. For hver vaier 6 som er festet til tårnet, er det satt opp en mekanisme for flytting av vaierens posisjoner, bestående av en øvre passiv trommel 11 og en nedre, motordrevet trommel 12 med motor/girboks 13. Motor/girboks kan være av konvensjonell utførelse, med hydraulisk, pneumatisk eller elektrisk drift. En egen vaier eller justeringsvaier 14 er innspent med sin ene ende i nedre trommel, viklet noen ganger rundt denne, for så å tres rundt øvre trommel 11 og ned igjen til nedre trommel 12, der den er viklet noen ganger rundt og festet. Vaierne 6c er festet på vaierne 14 og følger med denne opp og ned, samt inn på nedre trommel når motor/gir 13 kjøres tilstrekkelig lenge i én omdreiningsretning. Dette gir mulighet for å flytte vaier 6c mellom øvre og nedre posisjon, og gir også mulighet for å stramme vaieren 6c i begge posisjoner. Antallet viklinger i endene av vaier 14, på trommel 11 og trommel 12, bestemmer hvor mye vaier 6c kan strammes inn i henholdsvis nedre og øvre posisjon. Kraften og stabiliseringseffekten som oppstår ved stramming av vaier 6c vil for øvrig være avhengig av bl a vaierens elastisitet og lengde. I figuren vises de nedre tromler 12 for begge vaiere 6c montert sammen med felles motor/gir 13. Dersom det er ønskelig at vaierne skal gi større moment til yawkontroll i nedre posisjon, kan tromlene 12 med hver sin motor/gir 13 plasseres på hver sin side av tårnaksen, slik det er vist for de øvre tromlene 11. For å gi moment til yawkontroll kan evt. de to tromlene 12 stramme inn de to vaierne 6c i øvre posisjon uavhengig av hverandre. Utformingen av tromlene må tilpasses mht flenser, materialvalg og størrelse - til vaiertype og belastningssituasjoner. Tilsvarende kan det være aktuelt å supplere med ledehjul som stabiliserer vaierne i vertikal og horisontal retning. Styringen av vaierposisjonene samordnes med yawkontrollen, slik at turbinen ikke vil kunne dreies til en stilling der den kommer i konflikt med en vaier i øvre posisjon. Dette kan i sin enkleste form skje gjennom en konvensjonell forrigling, men vil mer hensiktsmessig integreres i et styringssystem for hele vindkraftverket, der alle vaiere, yawkontroll, bremser og evt. styring av turbinens azimuthposisjon i parkert tilstand samordnes - og knyttes til målinger av vind- og bølgehøyde, samt en prediktiv værmodell som evt. kan innhente data fra sensorer monterte på vindkraftverket eller fra andre kilder, for eksempel satelittmålinger.

Hele eller deler av vindkraftverkets tårn kan bestå av to søyler som er plassert på hver sin side av tårnets vertikale senterakse. Tårnet kan enten stå fast orientert i forhold til omgivelsene, eller dreie med maskinhuset og turbinen. Tårnkonstruk-sjonen kan i det første tilfellet orienteres slik at søylenes vindturbulens ved fremherskende vindretning i hovedsak treffer turbinen til siden(e) for en vertikal linje gjennom turbinens nav. Dette vil kunne redusere de dynamiske påkjenninger på turbinen, ettersom turbulensen ikke vil treffe hvert enkelt turbinblad i full radiell utstrekning samtidig. I stedet vil et turbulenspåvirkningen foregå i et avgrenset område av turbinbladet, og bevege seg utover på bladet og inn igjen - en gang pr. omdreining.

Figur 5 viser en utførelse med fast orientert, todelt tårn. Maskinhuset 3 med turbinen 4 er plassert på den øverste del av tårnet 2, hvorpå det kan rotere rundt en vertikal akse. Maskinhusets 3 horisontale utstrekning må i dette utførelses-eksemplet være noe større enn ved en enkel tårnkonstruksjon, slik at turbinen kan passere det bredeste tverrsnittet av tårnet 2. Figuren viser også ytterligere en mekanisme for flytting av vaiere mellom øvre og nedre posisjon: Fra hvert av de fire festepunktene 10 a, 10 b, 10 c og 10 d på havbunnen (som i figur 3) er det strukket en vaier, henholdsvis 6a, 6b, 6c og 6d, som er splittet i to ved punktet 16 før den er festet til tromlene 11 i øverste del av tårnet 2. For hver vaier 6 som er festet til tårnet, er det satt opp en mekanisme for flytting av vaierens posisjoner, bestående av en øvre motordrevet trommel 11 og en nedre motordrevet trommel 12. En egen vaier 15 er festet til forankringsvaieren 6c der denne splittes i to, i punktet 16. Ved flytting av vaier 6c fra øvre til nedre posisjon slakkes de splittede vaierne ut fra motordrevne øvre tromler 11, mens nedre motordrevet trommel 12 strammer in vaier 15, som dermed trekker vaier 6c mot tårnet, inn i nedre posisjon, slik at turbinplanet kan dreies.

Enten tårnet i hovedtrekk er av konvensjonell type, eller om det består av to søyler, kan hele eller deler av vindkraftverkets tårn utføres slik at det (tårnet) dreies med turbinen rundt en vertikal akse. En turbin som følger et tårn med to søyler i dreiningen rundt en vertikal akse vil da kunne orienteres slik at turbulensene til enhver tid og ved enhver vindretning gir minst mulig påkjenning på turbinen. For at forankringsvaierne skal holdes orientert i sine faste retninger, mot forankringspunktene, kan de festes i kranser som ikke følger tårnet dreining rundt en vertikal akse.

Figur 6 viser en slik utførelse. Turbinen 4 og maskinhuset 3 er festet på et sylindrisk element 19 som utgjør den øverste delen av et todelt tårnsegment 16, og som dreier rundt med dette. Det sirkulære element 19 er omsluttet av en krans 17 som gir feste for øvre tromler 11. Den nedre del av tårnet 2 er fast orientert, og følger ikke turbinen 4 og tårnsegmentet 16 ved dreining. Øverst på nedre del av tårnet 2 festes nedre tromler 18. Ved dreining av turbinen vil dermed det todelte segmentet 16 følge med rundt, mens kransen 17 med øvre tromler og nedre del av tårnet 2 med nedre tromler vil stå i ro. Figuren viser ikke detaljer av mekanismen for flytting av vaiere mellom øvre og nedre posisjon.

Flere mekanismer kan benyttes til å forflytte fortøyningsvaiere mellom øvre og nedre posisjon. De enkleste kan være passive, ved at vindkraftverket tillates å forflytte seg i vindens retning, slik at nedvinds vaier slakkes til den kan trekkes ut av øverste posisjoner, f eks vha vekter. Denne og nærliggende løsninger kan imidlertid i noen situasjoner gi begrenset sikkerhet, og vil heller ikke gi mulighet for å kontrollere fortøyningskreftene vha stramming i nedre posisjon. En detalj av en utførelse som gir kontroll med fortøyningskreftene både i øvre og nedre posisjon er skissert i figur 7. En øvre passiv trommel 11 er plassert øverst i tårnet, nær turbinens navhøyde. En nedre, todelt motordrevet trommel 12 er plassert under turbinplanets nederste punkt. En egen vaier 14 er innspent med sin ene ende i den ene delen 12a av nedre trommel, viklet noen ganger rundt denne, for så å tres rundt øvre trommel 11 og ned igjen til den andre delen 12b av nedre trommel 12, der den er viklet noen ganger rundt og festet. Enden av fortøyningsvaieren 6 er festet på vaieren 14 og følger med denne opp og ned. Fra vist posisjon i figuren vil vaieren 6 trekkes mot øvre posisjon ved å kjøre nedre motordrevne trommel i moturs omdreiningsretning. Motsatt vil den trekkes mot nedre posisjon ved at vaier 14 kjøres i medurs retning. I sistnevnte tilfelle vil den passive trommelen 19 definere høyden på nedre posisjon for vaier 6,selv om vaier 14 strammes ytterligere i medurs retning. Hensikten med å innføre trommelen 19 er dels å kunne bestemme nedre posisjon uavhengig av den motordrevne trommelens plassering, dels å kunne stramme vaieren i nedre posisjon også med vaier-løsninger der skjøtepunktet mellom vaier 6 og vaier 14 er for sensitivt til å kunne vikles inn flere omganger på en trommel. Således vil avstanden B definere den lengden som kan strammes inn etter at skjøtepunktet mellom vaierne 6 og 14, uten at skjøtepunktet mellom de to vaierne vikles inn i nedre trommel 12. Avstanden A bør være tilnærmet lik - eller større enn vindturbinens radius. For å sikre at vaier 14 entrer nedre trommel 12a tangentielt, er det satt inn to justeringstromler 20. Alle de viste delene av mekanismen er festet til vindkraftverket, f eks til tårnet. Vaier 6 er festet i sin ene ende til vaier 14, i sin andre ende til et festepunkt på bunnen av et vannlegeme, f eks havbunnen. Som generisk løsning vil mekanismen kunne ha en rekke utførelser, der plassering av hoved-tromler og støttetromler kan varieres.

Vind og strøm vil utsette flytende vindkraftverk for horisontale krefter over- og under vann. Enten vindkraftverket er i produksjonsmodus eller ikke, kan vinden påføre konstruksjonen horisontale krefter som overstiger et kritisk nivå. For å redusere disse kreftene, kan tårnet utstyres med strømlinjebekledning: Tårn som ikke kan dreies, utstyres med strømlinjebekledning som passivt eller aktivt dreies opp mot vinden slik at kreftene på tårnet blir redusert. Ved bruk av dreibare tårn kan strømlinjebekledning monteres fast til tårnet.

På tilsvarende måte som vinden påfører overvannskonstruksjonen store krefter, kan store strømhastigheter føre til uønskede, horisontale krefter på undervannskonstruksjonen. For å unngå uønskede konflikter mellom kreftenes størrelse og retning over- og under vann, kan tårnet utstyres med strømlinjebekledning under vannlinjen. Disse kan være fastmonterte om tårnet kan dreies med strømretningen uavhengig av turbinplanets orientering. I tilfeller der tårnet ikke kan dreies med strømretningen, kan strømlinjebekledningen være fritt opplagret, slik at de passivt dreier opp mot strømretningen. Dette forutsetter at den vertikale akse gjennom strømlinjebekledningen aerodynamiske senter plasseres bak omdreiningsaksen for strømlinjebekledningens oppheng, sett i strømningsretningen.

Yawkontroll av vindkraftturbinen kan utføres med støtte i det moment som oppstår gjennom asymmetrisk sideveis fordeling av kreftene som opptas i forankringsvaierne, men turbinen kan også utstyres med syklisk pitchkontroll, slik at yawbevegelse (dreining av turbinplanet rundt en vertikal akse) kan utføres eller assisteres ved hjelp denne.

Claims (11)

1. Nedvinds vindkraftverk (1) med et tårn (2), et maskinhus (3) og en turbin (4) opplagret i huset (3), idet turbinen (4) definerer et omdreiningsplan og er tilpasset for å kunne dreies til en stilling hovedsakelig normalt på vindretningen, idet minst tre vaiere (6) er forbundet med tårnet (2) i sin ene ende, og hver vaier er festet i minst ett innfestingspunkt i den andre enden, karakterisert ved at: hver vaier kan innta minst en første og en andre posisjon, der vaieren i den første posisjonen strekker seg i en skrå vinkel nedover fra et innfestingspunkt i eller i nærheten av senteret for de horisontale krefter som påføres tårnet av turbinen under drift; og der hver vaier i andre posisjon er ført ut av omdreiningsplanet, slik at turbinplanet kan dreie rundt en vertikal akse uten at vaieren er til hinder for dette.

2. Vindkraftverk ifølge krav 1 plassert i et vannlegeme, karakterisert v e d at dets nedre del omfatter av et eller flere flyteelementer (8a) og ballast (8b), slik at det kan flyte i oppreist stilling i vannlegemet uten stramme vaiere (6).

3. Vindkraftverk i følge krav 2, karakterisert ved at vaierne (6) er festet med sin nedre ende til bunnen (5) av vannlegemet og at ytterligere minst en vaier (9) er festet til vindkraftverkets (2) i hovedsak nederste punkt i sin ene ende og til bunnen (5) av vannlegemet med den andre enden.

4. Vindkraftverk i følge krav 1-3, karakterisert ved at hele eller deler av vindkraftverkets (1) tårn (2) består av to søyler (16) som er plassert på hver sin side av tårnets (2) vertikale senterakse, slik at søylenes vindturbulens ved fremherskende vindretning i hovedsak treffer turbinen (4) til siden(e) for en vertikal linje gjennom turbinens (4) nav.

5. Vindkraftverk i følge krav 1-4, karakterisert ved at hele eller deler av vindkraftverkets (1) tårn (2) kan dreies med turbinen (4) rundt en vertikal akse.

6. Vindkraftverk i følge krav 1-5, karakterisert ved at hele eller deler av vindkraftverkets (1) tårn (2) er utstyrt med strømlinjebekledning som reduserer strømningsmotstanden i luft og/eller vann.

7. Vindkraftverk i følge et av de foregående krav, karakterisert ved at: vaierne (6) bringes mellom den første og den andre posisjonen med en mekanisme omfattende; minst to styrbart drevene tromler (12) forbundet med tårnet (2); minst to trinser (11) forbundet med tårnet (2) og plassert i en avstand i tårnets lengderetning fra tromlene (12); ytterligere vaiere (14) med en lengde, innfestet i de styrbart drevene tromler (12) forløpende over trinsene (11) og tilbake til de styrbart drevene tromlene (12); og vaierne (6) er innfestet et sted langs lengden av justeringsvaierne (14), slik at drift av de styrbart drevene tromlene (12) vil føre justeringsvaierne (14) i tårnets (2) lengderetning og derved kunne heve eller senke vaiernes (6) innfestingspunkt i forhold til tårnets (2) lengderetning.

8. Vindkraftverk i følge krav 1 - 6, karakterisert ved at vaierne (6) bringes mellom den første og den andre posisjonen med en mekanisme omfattende: minst to styrbart drevene tromler (12) forbundet med tårnet (2); ytterligere vaiere (14) med en lengde, innfestet i de styrbart drevene tromler (12); og idet justeringsvaierne (14) er innfestet et sted langs lengden av vaierne (6) slik at justeringsvaierne (14) kan trekke vaierne (6) inn mot tårnet (2).

9. Fremgangsmåte for drift av et nedvinds vindkraftverk (1) med en vindturbin (4) og vaiere (6) med variabelt innfestingspunkt hvor vaierne (6) kan innta I oppvinds og nedvinds posisjoner når kraftverket er i drift hvori den omfatter følgende trinn: flytting av festevaiere (6) fra en første, øvre posisjon i vindkraftverkets tårn (2) til en andre, nedre posisjon; dreiing av vindturbinen (4) rundt en vertikal akse; og flytting av oppvinds vaiere (6) fra andre til første posisjon når turbinplanet er innstilt i hovedsak normalt på vindretningen.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, hvor festevaierne (6) strammes i sin andre, nedre posisjon.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, hvor festevaierne (6) strammes i sin første, øvre posisjon.