DE19846796A1

DE19846796A1 - Schwimmendes Windenergieanlagen-System

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Publication number: DE19846796A1
Application number: DE19846796A
Authority: DE
Inventors: Dieter Kolbert; Frank Richert; Christoph Geisler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-10
Filing date: 1998-10-10
Publication date: 2000-04-13

Abstract

Das schwimmende Windenergieanlagen (WEA)-System wandelt die im turbulenzarmen Meereswind enthaltene kinetische Energie der Luftströmung in elektrische Energie um. Es besteht aus einer Balkenstruktur, die auf Schwimmkörpern befestigt ist und mehrere nebeneinander angeordnete Windenergieanlagen trägt. Da die Rauhigkeitslängen auf dem Meer niedriger sind als an Land, müssen hier keine hohen Nabenhöhen, die nur durch kostenintensive Bauweise erreicht werden können, verwirklicht werden. Bei schwerem Seegang und damit einhergehenden extremen Betriebsbedingungen, wird von den Zweiblatt-Rotoren die horizontale Position eingenommen. Somit ist ein genügender Sicherheitsabstand zwischen den Rotorblättern und den Meereswellen in solchen Situationen gewährleistet. DOLLAR A Das schwimmende WEA-System ermöglicht den Einsatz von erprobten Serien-WEAs in der wirtschaftlich günstigen Leistungsklasse von 500 kW bis 1 MW. Die Windrichtungsnachführung des WEA-Systems geschieht passiv aufgrund des Winddrucks und einer entsprechenden Verankerung mit zwei Ankerketten. Das schwimmende WEA-System kann weitgehend von der Meerestiefe unabhängig positioniert und betrieben werden. Durch den Ausfall einer WEA fällt nicht notwendigerweise das Gesamtsystem aus.

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Bekannt sind Windenergieanlagen (WEA), die an Land fundamentiert sind und die vor allem in windreichen Gegenden wirtschaftlich arbeiten.

Akzeptanzprobleme an Land und bessere Windbedingungen auf See lassen den WEA-Einsatz auf See, also Offshore, als wirtschaftlich lohnend erscheinen. Bislang verwirklicht sind unseres Wissens nach Offshore WEAs in Dänemark und in den Niederlanden, die in geringen Wassertiefen bis zu 20 m auf sogenannten mono piles oder Caisson-Gründungen fundamentiert sind [1]. Die Onshore WEAs mit den geringsten spezifischen Energieerzeugungskosten sind die WEAs in der Leistungsklasse um 600 kW [2]. Bei Offshore WEAs sind die spezifischen Energieerzeugungskosten wegen der aufwendigen Gründung höher. Um diese zu verringern, müssen bei den Offshore WEAs die Rotordurchmesser und die Rotordrehzahlen vergrößert werden, was bewirkt, dass die Leistung der WEA erhöht wird.

Nachteile des Stands der Technik

Nach unseren Informationen gibt es im Süden Englands bereits Ausschreibungen für Offshore-Projekte für Atlantik-Meerestiefen zwischen 50 m und 100 m. Da, behält man die spezifischen Energieerzeugungskosten im Auge, die Offshore-WEAs um so größer werden müssen, je tiefer gegründet werden muss, wäre der Nachweis, dass Offshore-WEAs schwimmend betrieben werden können, gleichzusetzen mit dem Nachweis, dass ab einer bestimmten Meerestiefe das schwimmende WEA-System die wirtschaftlich betrachtet günstigste Lösung darstellt. Als Haupt-Nachteil des Stands bzw. des Trends in der WEA-Offshore-Technik muss bewertet werden, dass man sich, indem man sich hinbewegt in Richtung Bau von Groß-WEAs, den nachgewiesenermaßen wirtschaftlichsten Bereich der WEA-Größe mit der Leistungsklasse um 600 kW verlässt. Dass große WEAs mit einer Leistung über 1 MW kaum oder wenig erfolgreich erprobt oder betrieben worden sind, muß außerdem als nachteilig betrachtet werden, wenn diese bei monopile- oder Massenfundamentierungs-Offshore-Systemen im tiefen Wasser zum Einsatz kommen würden, denn Wartungs- und Reparaturkosten erhöhen sich in diesem Fall überproportional im Vergleich zu erprobten Serien-WEAs im Leistungsbereich zwischen 500 kW und 1 MW. Als weitere diesbezügliche Nachteile müssen alle typischen Nachteile von Groß-WEAs über 1 MW gesehen werden, die im Bereich der Technik bei der Produktion, Aufstellung und des Betriebs der Anlagen vorhanden und nicht wegzudiskutieren sind [3].

Aufgabe der Erfindung

1) Die Hauptaufgabe des schwimmenden WEA-Systems ist es, die im turbulenzarmen Meereswind enthaltene kinetische Energie der Luftströmung auf offener See in elektrische Energie umzuwandeln. Da die Rauhigkeitslänge der Meeresoberfläche gering ist, braucht hierbei nicht hoch gebaut zu werden.
2) Die Aufgabe der Erfindung ist es außerdem, daß sie ihre Hauptaufgabe möglichst weitgehend unabhängig von der Meerestiefe erfüllen kann.
3) Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Schaffung der Möglichkeit zur Integration von Wasserstoff-Produktionsanlagen in das System, falls sich in Zukunft der Wirkungsgradverlust beim Transport von elektrischer Energie mit Seekabel über weitere Strecken nicht weiter als heute möglich reduzieren läßt.
4) Zusätzliche Aufgabe der Erfindung ist es, ihre Hauptaufgabe unter Zuhilfenahme der passiven Nutzungsmöglichkeit der Windrichtungsnachführung zu erfüllen, falls die örtlichen Gegebenheiten dies zulassen.
5) Zusätzliche Aufgabe der Erfindung soll es sein, dass bei Störfällen möglichst der Ausfall des Gesamtsystems vermieden wird.

Lösung der an die Erfindung gestellten Aufgaben

Diese Aufgaben werden durch die Konstruktion oder Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.

Vorteile der Erfindung

1) Die Stromerzeugung geschieht mit konventionellen, erprobten Serien-WEAs mit der Leistungsklasse zwischen 500 kW und 1 MW. Konkret von uns geplant sind beispielsweise schwimmende WEA-Systeme mit je drei WEAs zu 750 kW. Zum Einsatz kommen sollen WEAs mit Zweiblatt-Pitch-System [4]. Durch die Anordnung von drei WEAs auf einem Querträger, Anwendungsbeispiel 1 (Fig. 1 - Fig. 5) bzw. einem relativ flach gehaltenen Trägersystem, Anwendungsbeispiel 2 (Fig. 6 - Fig. 8), hat man den Vorteil, eine große Durchströmungsfläche zu erhalten, ohne hoch und teuer bauen zu müssen.
Durch die Möglichkeit bei gefährlichem Sturm und starkem Seegang die Rotoren der WEAs horizontal zu parken, kann der Sicherheitsabstand von maximaler Wellenhöhe zu Rotorkreis-Tiefstpunkt ersetzt werden durch den Sicherheitsabstand maximale Wellenhöhe zu Querträger. Diese Parkposition bewirkt bei gefährlichen Stürmen für das WEA-System eine mechanische Entlastung.
2) Das schwimmende WEA-System hat den Vorteil, dass es genau soweit von der Meerestiefe unabhängig betrieben werden kann, wie die Fixierung des Systems durch zwei Ankerketten, Trossen oder ähnliches, dies zulässt. Dies bedeutet, dass das schwimmende WEA-System im Vergleich zu festgegründeten Offshore-WEA-Systemen, wirtschaftlich gesehen, umso günstiger abschneidet, je tiefer die Meeresstelle ist, an der das schwimmende WEA-System noch betrieben werden kann.
3) Es ist bei dem schwimmenden WEA-System von Vorteil, dass bei der Katamaran-ähnlichen Auslegung entweder auf den Schwimmkörpern oder auf einer eventuell einzufügenden Plattform zwischen den Schwimmkörpern genügend Aufbaufläche geschaffen werden kann, die beispielsweise die Produktion, die Speicherung und die Verlademöglichkeit von Wasserstoff erlaubt.
4) Auch bei konventionellen Onshore-Serien-WEAS ist das Nachführen des Turmkopfes in den Wind wegen des dafür vergleichsweise hohen, notwendigen technischen Aufwandes problematisch. Es ist ein großer Vorteil des schwimmenden WEA-Systems, das, aus sicherheitstechnischen Gründen, an zwei Ketten oder ähnlichen, eventuell leichteren Befestigungsmitteln verankerte System passiv im Wind treiben lassen zu können. Sollten schräg oder quer zur Windrichtung auftretende Meeresströmungen dies erschweren, müssen aktiv betriebene Ruder oder Antriebe an den Schwimmkörpern vorgesehen werden, die diesbezüglich korrigierend eingreifen. Der Ausrichtungsabgleich nach der Windrichtung geschieht über Windrichtungs-Sensoren, die auf den Gondeldächern der zwei, auf dem Querträger des WEA-Systems jeweils außen sitzenden WEAs angebracht sind. Sollte der rein passive Windrichtungsbetrieb möglich sein, würde das schwimmende WEA-System bei Flaute orientierungslos auf See treiben. Da das System verankert ist, wäre dies bei Flaute unproblematisch. Bei aufkommendem Wind richtet sich das schwimmende WEA-System aufgrund der Art der Verankerung mit einer doppelten, am Verankerungspunkt zusammengeführten Verankerung, selbständig nach der Windrichtung aus. Es ist weiterhin als Vorteil zu sehen, dass beispielsweise bei dem Riss einer Kette das WEA-System aus dem Wind drehen würde, worauf das Betriebsführungssystem die WEAs sofort in die Parkposition steuern würde und gegebenenfalls einen automatisierten Funk- Service-Hilferuf versenden würde.
5) Ähnlich wie bei dem Betrieb von Windparks an Land ergibt sich beim schwimmenden WEA-System der Vorteil, dass durch den Ausfall einer WEA nicht das ganze WEA-System zum erliegen kommt. Bei einer Aufrechterhaltung eines symmetrischen Systems bezüglich der WEA-Anordnung, wie dies in den Ausführungsbeispielen dargelegt wird, ist es jedoch aus Gründen der stabilen Ausrichtung nach dem Wind notwendig, dass beispielsweise beim Ausfall einer Rand-WEA, die gegenüberliegende WEA, ebenfalls abgeschaltet werden muß. Beim Ausfall, der zentral sitzenden WEA sind hier keine Kompensationsmaßnahmen nötig.
6) Die einreihige Anordnung der WEAs auf dem schwimmenden WEA-System, vermeidet den Nachteil der Leistungsminderung durch Windparkeffekte, wie sie bei einer zwei- oder mehrreihigen Anordnung auftreten würde.
7) Das schwimmende WEA-System bietet die Möglichkeit zur seefesten Leichtbauweise, bei der auf die bei der konventionellen Offshore-Technik eingesetzten Fachwerk-Kran-Bauweise zurückgegriffen werden kann.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Der Erfindung sind Darstellungen von drei Ausführungsbeispielen beigefügt.

Das Ausführungsbeispiel 1 der Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung in Fig. 1 - Fig. 5 dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Das Ausführungsbeispiel 2 ist in der beiliegenden Zeichnung in Fig. 6 - Fig. 8 dargestellt. Das Ausführungsbeispiel 3 ist in der beiliegenden Zeichnung in Fig. 9 und Fig. 10 zu sehen.

Ausführungsbeispiel 1

Auf der Zeichnung in Fig. 1 - Fig. 5 wird die Gesamt-Konstruktion des Schwimmendes WEA-Systems im Produktionsbetrieb in drei Ansichten (Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 5) gezeigt. Darüber sind zwei Ansichten des WEA-Systems dargestellt, welche die bei gefährlichen Stürmen das gesamte Trägersystem entlastende Parkposition (Fig. 1 und Fig. 4) zeigt.

Das schwimmende WEA-System besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus drei WEAs vom Typ Zwei-Blatt-Pitch wie in [4] beschrieben, allerdings mit 44 m Rotordurchmesser und einer Nenndrehzahl von ca. 38 Rotorumdrehungen pro Minute, so dass sich eine Nennleistung von 3 × 750 kW bei einer Windgeschwindigkeit von 13 m/s ergibt.

Die Gesamt-Rotorkreisfläche beträgt 3 × 1520,53 m² = 4561,6 m². Um Strömungsrückstau-Probleme zu vermeiden wurde ein Rotorkreisabstand von 17 m gewählt. Die drei WEA (1) (Fig. 5) sind in zwei Raumachsen symmetrisch positioniert und auf einem 122 m langen Querträger (4) (Fig. 3) starr fixiert aufgesetzt. Die WEAs bzw. die WEA-Köpfe auch Gondeln genannt (1) (Fig. 5) sind in diesem Beispiel also nicht azimutal drehfähig (Gierbewegung) gegenüber dem Querträger (4) (Fig. 3) ausgeführt. Der die drei WEA tragende Querträger (4) wird von je zwei Seitenstützen (5) (Fig. 5) getragen. Zur maximalen Steifigkeitsauslegung parallel zur Windrichtung wurde für die Seitenstützenkonstruktion die Anordnung eines gleichseitigen Dreiecks gewählt. Dadurch soll die Schwingungsübertragung von den aus der Windrichtung kommenden Wellen zu Schwingungen angeregten Schwimmkörpern auf die WEA-Köpfe weitestgehend unterdrückt werden. Die Seitenstützen stehen auf Katamaran-ähnlich angeordneten Schwimmkörpern (3) (Fig. 3). Die Fußpunkte der Seitenstützen sind in Längs- und Querrichtung mit vier Streben (6) (Fig. 3) und (7) (Fig. 5) verbunden. Zwei Streben (6) davon verbinden die Schwimmkörper (3) miteinander und je eine Strebe (7) verläuft längs auf bzw. unmittelbar über den zwei Schwimmkörpern zwischen den Fußpunkten der Seitenstützen (5).

Die Schwimmkörper (3) sind in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Durchmesser von 7 m und einer Länge von 40 m ausgeführt. Bei halb eingetauchten Schiwimmkörpern ergibt sich eine Auftriebskraft, die ohne Berücksichtigung der Masse der Schwimmkörper 1539 Tonnen entspricht.

Die Möglichkeit der Variation dieser Auftriebskraft der Schwimmkörper unter Berücksichtigung der Masse der Schwimmkörper ist gegeben durch I) Durchmesseränderung, II) Längenänderung, III) Eintauchtiefe und IV) Materialwahl. Die Schwimmkörper können aus Kunststoff, Stahl oder Beton ausgeführt sein. Die Träger, Stützen und Streben können aus Profilstäben, Fachwerkauslegern oder speziell zu entwerfenden Trag-Struktur- Konstruktionen ausgeführt werden. Zu verwendende Materialien müssen nach der an sie gestellten Anforderung und bezüglich der Kosten optimiert sein. Die Gewichte der WEAs werden auf 3 × 50 t bis 3 × 70 t geschätzt. Das Gewicht der tragenden Konstruktion hängt von den Anforderungen ab, wie sie von den Ergebnissen aus Lastfallbeispielen und Simulationsrechnungen gefordert werden.

Das in der Zeichnung [5] in Fig. 1 bis Fig. 5 dargestellte WEA-System ist als Luv-Läufer System, also als ein dem Wind zugewandtes System, ausgeführt. Es ist aber ebenso eine Lee-Läufer-Variante möglich.

Am vorderen Teil jedes Schwimmkörpers ist je eine Ankerkette (2) (Fig. 5) oder eine vergleichbare seefeste Befestigungsmöglichkeit, die weniger korrosionsgefährdet oder leichter bzw. masseärmer ausgeführt werden kann, zur Verankerung am Meeresgrund vorgesehen. Für die von den beiden Schwimmkörpern ausgehende Befestigungsmöglichkeit, ist auf dem Meeresgrund nur ein gemeinsamer Befestigungspunkt vorgesehen. Dies kann ein entsprechend den Erfordernissen ausgeführter Anker, ein Block mit einer schweren Masse oder eine direkte Befestigung auf festem oder felsigem Grund sein.

Wenn Oberflächen-Meeresströmungen standortbedingt nicht mit der Windrichtung übereinstimmen sollten, muß das WEA-System mit einer Ruder- Einrichtung ausgestattet werden. Das können am Schwimmkörper anzubringende Heck-Ruder oder aktive Antriebe zur Navigation sein. Die Ruder- oder Antriebssteuerung muss in diesem Fall von der Gesamtsteuerung des WEA-Systems mit erfasst sein.

Ausführungsbeispiel 2 und 3

Die in der Zeichnung [5] in Fig. 6 bis Fig. 8 und Fig. 9 bis Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen zum Ausführungsbeispiel 1 im wesentlichen konforme Varianten, deren Gesamthöhe größer ist, aber mit stärkerer Kompaktheit des gesamten WEA-Systems. Damit verringern sich hinsichtlich der Belastungen die wirksamen Hebellängen und der notwendige konstruktive Aufwand zum Erreichen der erforderlichen Festigkeit. Das Ausführungsbeispiel 2, dargestellt in Fig. 6 bis Fig. 8, zeigt in drei Ansichten drei gleichgroße WEAs, die alle in Luv-Richtung angeordnet sind. Das Ausführungsbeispiel 3, dargestellt in Fig. 9 und Fig. 10, zeigt schematisch in zwei Ansichten, einer dreidimensionalen Darstellung (Fig. 9) und einer Draufsicht (Fig. 10), drei unterschiedlich große WEAs, wovon die beiden außen sitzenden, kleineren WEAs luvseitig angeordnet sind und die größere zentral sitzende WEA in Luv- Richtung angeordnet ist.

Anhang und Literatur

[1] Entwicklung und Chancen auf See; Fachzeitschrift: Wind Energie Aktuell 3/96; Verlag: Winkra-Recom Messe- und Verlags-GmbH, Kommunikation für Regenerative Energien, Leisewitzstr. 37, 30175 Hannover
[2] Windenergie, Theorie, Anwendung, Messung; 2. Auflage; Molly, Jens-Peter; Verlag: C.F. Müller Karlsruhe
[3] Windkraftanlagen, Grundlagen und Entwurf; 3. Auflage; Gasch, Robert; Verlag: B.G. Teubner Stuttgart 1996
[4] Technische Beschreibung - Windkraftanlage Ventis V12; Ventis Energy GmbH, Ernst-Böhme-Str. 27, 38112 Braunschweig
[5] Entwurf 1, 2 u. 3,: Schwimmendes WEA-System; Zeichnung, 3 Blätter; C. Geißler, D. Kolbert, F. Richert, R. Schemmink; 1998; Braunschweig
[6] Windkraftanlage (Wka) mit fest angeschlossenen Rotorblättern an einem Außenläufer-Ringgenerator, Richert, Frank, Schulweg 3, 38518 Gifhorn
[7] Windenergieanlagen; Sicherheitsanforderungen; ENV 61400-1; Februar 1995; Verlag: Beuth, Berlin

Claims

1. Vorrichtung zum Halten und Tragen von elektrischen Strom erzeugenden WEAs (1) (Fig. 5) auf dem Meer (bekannt sind massen- oder monopile gegründete Systeme), dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere WEAs (1) (Fig. 5) auf einem schwimmenden System befestigt ist bzw. befestigt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die WEAs so dicht wie möglich über der Meeresoberfläche, im Extremfall einheitlich auf einer Höhe aufgereiht, angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die WEAs symmetrisch zur Mitte (Position auf halbem Abstand zwischen den Schwimmkörpern) des schwimmenden Systems angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere WEAs nebeneinander, quer zur Windrichtung angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei extremen Betriebsbedingungen von den WEAs die spezielle Parkposition (Fig. 1 u. Fig. 4) u. [7], die nur von WEAs mit Zweiblatt-Rotor [4] realisierbar ist, eingenommen werden können. Die Zweiblatt- Rotoren nehmen hierbei eine horizontale Rotor-Stellung ein. Zweiblatt-Rotoren von Pitch-WEAs [4] u. [7] nehmen zusätzlich noch die Fahnenstellung ein.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Aufbau auf mindestens zwei parallel, bzw. aufgrund strömungstechnisch bedingter und zu erfüllender Anforderungen annähernd parallel, angeordneter Schwimmkörper basiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verankerung mit zwei Ketten oder vergleichbaren Befestigungsmitteln, eine passive Windrichtungsnachführung des Gesamtsystems gegeben ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Schiffs-bzw. Auftriebskörper [(3) Fig. 3] Schiffsruder bzw. Schiffsantriebe angebracht sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die WEA-Anordnungskombination Luv und oder Lee (aus Gründen der strömungstechnischer Optimierung des Gesamtsystems) gewählt wird (denn bei wechselnder Anordnung von Luv- und Lee-WEAs wechselt der Rotordrehsinn bei gegebenem Einheitsdrehsinn der Einzel WEAs).

10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Pitch-WEAs [4] wahlweise ersetzbar sind durch a) Wölbklappen-WEAs [6], b) Stall-WEAs, c) drehzahlfeste und drehzahlfreie WEAs, und d) andere patentrechtlich nicht geschützte WEAs für den Netzparalell- und/oder Inselbetrieb.

11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Plattform zur Aufnahme von Geräten, beispielsweise im Zusammenhang mit einer Wasserstoffproduktion, gegeben ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachung per Satellitenfunk oder Vergleichbarem realisiert wird.