Die Grenzen der Offshore Windparks liegen im Aufwand der Fundamentierung
der Windturbinen. Die Ursache liegt an der großen Belastung durch die Windkraft
der freistehenden Pylone. Kosten von bis zu 25% der Gesamtanlage fließen in die
Fundamente, Aufstellung und Transport derselben.
Bei größeren Tiefen ist der Offshore Windpark derzeit unwirtschaftlich auf
Grund der aufwändigen Fundamente. Dies liegt daran, dass das Biegemoment auf
das Fundament bei zusätzlicher Tiefe anwächst.
Die vorliegende Anmeldung hat sich zur Aufgabe gestellt diese hohen Kosten bei
Offshore Anlagen wesentlich zu reduzieren. Dies ist dadurch möglich, dass durch
die Abspannung keine wesentlichen Biegemomente auf das Fundament wirken. Das
Fundament wird auf reine Druck -
Belastung reduziert.
Das um 75% reduzierte Biegemoment wirkt sich auf die Schlankheit der Türme
aus.
Zusätzlich ergibt sich ein besserer Wirkungsgrad bei Neigung der
Propellerachse, sodass die Luftströmung zu Boden gelenkt wird.
Bei der Verwendung von drehbaren Türmen ergibt sich eine verbesserte
Anströmung des Propellers. Die drehbaren Türme werden im Topp mit Lager
versehen sind an denen die Abspannung angreift und sind am Boden mit
hydrostatischer Schmierung ausgestattet. Dadurch kann der Turm als
strömungsgünstiger flacher Flügel ausgebildet werden. Geringere Anströmfläche
und laminare Anströmung des nun hinten angebrachten Propellers sind die
Ursache. Dies hebt bei weiten die zusätzliche Anströmfläche durch den
aufgesetzten Turm auf.
Darüber hinaus bieten sich Vorteile zur Verbesserung der Windenergie
Nutzung und der Möglichkeit Photovoltaik Anlagen zu installieren. Der volle
Vorteil der neuen Verankerung ergibt sich bei Neugestaltung der Türme von
Windturbinen. Es gibt auch Vorschläge bestehende Windparks damit nachträglich auszustatten.
Ergänzung von bestehenden Windparks mit Aufsatztürmen
Ergänzung mit Solaranlagen für bestehenden Windparks mit Aufsatztürmen
Onshore Neuanlagen,Offshore
Neuanlagen für größere Meerestiefen
Ausführungsformen
der Fundamente:
Die Ausführung der Fundamente bei auskragenden Türmen hängt im Wesentlichen
von der Lage also entweder Offshore oder Onshore, den Bodenbeschaffenheiten und
der Größe der Windturbinen ab.
Bei Schwerkraftgründungen werden die Anlagen durch das Gewicht des Fundamentes am Meeresboden
fixiert. Diese Methode kommt von der Brückenbautechnik: Senkkästen werden an
der Küste in einem Trockendock aus Stahl und Beton gebaut, zum
Errichtungsstandort per Schiff hinausgezogen und nach dem Absenken auf den
Meeresboden mit Kies und Sand gefüllt. Ein Vorteil der Betonsenkkästen ist der
große Widerstand bei Eisgang. Nachteile sind die hohen Kosten bei größeren
Tiefen.
Die Schwerkraftgründungen sind
bisher nur in flachen Gewässern mit niedriger Wassertiefe (< 10 m) erprobt
und sind für größere Tiefen unwirtschaftlich.
Monopile- Konstruktionen aus Stahl sind die einfachste Methode für Offshore- Fundamente. Sie bestehen aus
Stahlrohren, die in den Meeresboden eingetrieben werden. Diese Methode ist für
die 2 MW bis 3 MW-Klasse in Wassertiefen bis circa 20 Metern und für die 3 MW
bis 5 MW-Klasse in Wassertiefen bis ungefähr 15 Metern besonders
wirtschaftlich. Sie können relativ einfach und schnell installiert werden.
Jedoch werden für die Errichtung schwere Rammgeräte benötigt
Tripod- Quadripod- oder Gitterturmkonstruktionen sind für größere Tiefen (> 20 Meter) und Anlagenleistungen (< 5 MW)
erforderlich. Diese Methode wurde vom Bau von Ölbohrplattformen abgeleitet.
Der Turm der Windenergieanlage
ist mit einem Stahlrohrrahmen verbunden und verteilt die Kräfte auf mehrere
Beine oder einen Gitterturm. Diese können entweder mit einer Pfahlgründung oder
mit einer Schwerkraftgründung am Meeresboden verankert werden.
Für die Pfahlgründung können erheblich kleinere Querschnitte als beim Monopile verwendet werden.
Dies macht die Rammarbeiten wesentlich einfacher.
Bucket Fundament
Dieses Fundament besteht aus
einem nach unten geöffneten Stahlzylinder. Dieser Zylinder wird auf den
Meeresboden gesetzt und anschließend leergepumpt. Der so im Inneren des
Fundaments erzeugte Unterdruck saugt das Fundament in den Meeresboden.
Das Bucket-Fundament (bucket –
engl.: Eimer) eignet sich nur für homogene Böden. Für das Aufstellen sind keine
Rammarbeiten notwendig. Dies macht diese Fundamentbauweise besonders
umweltschonend. Nach Ablauf der Lebensdauer der Anlage lässt es sich sehr
einfach durch Einpumpen von Luft wieder demontieren.
Schwimmendes Fundament
Für Wassertiefen von mehr als
50 Metern sind Fundamente, die mit dem Meeresboden fest verankert sind, für
Windenergieanlagen schwer zu realisieren. Daher liegt der Gedanke nahe,
schwimmende Fundamente zu entwickeln.
Ein Schwimmkörper ist über
Seile mit dem Meeresboden verankert. In der Ölindustrie gibt es bereits
Erfahrungen mit solchen Fundamenten.
Windkräfte
Kräfte Momente Verluste: Wie alle Maschinen erreichen
auch reale Windkraftanlagen das theoretische Maximum nicht. Aerodynamische
Verluste ergeben sich durch Luftreibung an den Blättern, durch Wirbelschleppen
an den Blattspitzen und durch Drall im Nachlauf des Rotors. Bei modernen
Anlagen reduzieren diese Verluste den Leistungsbeiwert von cP,Betz
≈ 0,593 auf cP = 0,4 bis 0,5. Von den genannten 320 W/m²
(bei 17m/s) sind also bis zu 160 W/m² zu erwarten. Ein Rotor mit
113 m Durchmesser (10.000 m² Fläche) gibt dann 1,6 Megawatt (Näherungsweise
= v³) an die Welle ab. Zur Berechnung der Leistung am Netzanschluss müssen
zusätzlich noch die Wirkungsgrade aller mechanischen und elektrischen
Maschinenteile berücksichtigt werden.
Der Freiträger oder auskragende Träger wird durch die Windreaktionskraft F
belastet. Das Biegemoment berechnet sich aus Höhe H x F. Dieses Biegemoment ist
alleine vom Fundament zu übernehmen. Bei einem Rotordurchmesser von 113m ergibt
sich eine Fläche von 10.000m².
Bei einer Windgeschwindigkeit von 17m/s (60km/h) ergibt sich ca. eine
Windkraft von 290 N/m² (Näherungsweise = v²). Also gesamt 2,9 Million Newton
also ca. 290 t. Bei 100m Nabenhöhe also ein Biegemoment von 290 MNm.
Nachteile
beim Stand der Technik:
Trotz zahlreicher Vorschläge
die Fundamente durch Abspannungen zu verbilligen sind die Grenzen der
Wirtschaftlich erreicht.
Vorteile der
vorliegenden Erfindung:
Der gelenkig gelagerte Turm (freiaufliegend) ist wohl doppelt so hoch wie
beim derzeitigen Stand der Technik, wird aber nur mit halb so hohem Biegemoment
belastet. Die Grenzen liegen in szul (bei 300 N/mm² oder 300.000.000 N/m² = 300 MN/m²)des
Werkstoffes für Stahl.
Das maximale Biegemoment ergibt sich aus M = W . szul . Beim Vergleich für gleichbleibendes szul und halbem M ergibt sich für den
neuen Turm das halbe Wiederstandsmoment. Für
eine Rohr ergibt sich r = (W / (p . s))-² (Näherung bei dünnen Wandstärken W = p . s . r²).
Dies gilt nur für einen Rotor.
Die Windkräfte müssen also pro Rotor abgestützt werden.
Turbinenturm:
Um einen Durchhang von 100m zu
ermöglichen ist es notwendig mit der Seilaufhängung über den Rotor zu gehen.
Dies führt zu einem Konzept mit Aufhängung des Turbinengehäuses mittels
Laufring rund um den Turm.
Die enormen Betonmassen für
das Fundament können dann jedoch reduziert werden, da die Türme im Windpark ja
über Seile miteinander verbunden sind. Das Fundament des Turmes lediglich die
Vertikallasten tragen muss. Die seitliche Abspannung des gesamten Seilnetzes
übernehmen dann die Horizontalkräfte aus der Windbelastung. Es gibt Konzepte
mit Abspannungen (siehe Stand der Technik 6), wobei die Seile jedoch unterhalb
des Rotordurchmessers am Turm angreifen. Damit ergeben sich wesentlich höhere
Horizontalkräfte.
Durch die
Abspannung aller Türme über eine Seilkonstruktion und die gelenkige Lagerung
der Türme werden Fundamentkosten eingespart. Eigentlich genügen Platten, die am
Boden aufgelegt werden, um die Vertikallast abzufangen. Biegemomente, die ja zu
riesigen Fundamenten führen, treten ja nur innerhalb des Turmes auf und
belasten nicht das Fundament.
Dieses neue Turmkonzept wird
wesentliche Kosten in Richtung:
Fundament ,
Reduzierung der Biegesteifigkeit des Turmes,
einsparen.
Weiter ergibt sich die Nutzung
der zusätzlichen Solarenergie im Windpark und
des Windleiteffektes der Folien für besseren Wirkungsgrad der Rotoren.
Vermeiden des „Hochströmens“ des Windes. (Siehe Stand der Technik 6)
Wird die Seilkonstruktion an den Abspannstellen
verkürzbar und verlängerbar ausgeführt, können alle Türme vom Wind weggeneigt
und die Rotoren nach unten geneigt werden, und der Nutzen der in
WO2004/011799 angeführten Windleitung
nach unten wird umgesetzt. Werden die Türme über ein kugelförmiges Axiallager
mit hydrostatischer Schmierung ausgestattet (Aufschwimmen), können die Türme
vom seilgestützten Topplager aus gedreht werden. Falls die Gondel in der Höhe
verstellbar ausgeführt wird, werden Vorteile wie Anpassung an die Windsituation
verbessert, Service- und Montagearbeit vereinfacht.
Stand der Technik
Ausführungsformen
der Abspannung
Abspannungen sind derzeit nur
bis unterhalb des Laufkreises der Rotoren möglich. Damit wird der Hebelarm zum
Angriff der Windkraft sehr klein und die Spannkraft sehr hoch
Stand der Technik 6 in WO03098038
stellt einen Turm gelenkig gelagert mit einem Lager 13 am Boden stehend mit
Abspannung 17, die unterhalb der Rotorblätter am Turm 18 angreift.
Die Stand der Technik 7,
WO2004/011799 löst das Problem des
Ausweichens des Windes nach oben zusammen mit der Verlangsamung der Windgeschwindigkeit
mittels Neigung der Windräder. Der vorliegende Vorschlag nutzt die ausrollbaren
großflächigen Planen als Leitwerk zum Lenken des Windes in den Bereich der
Windräder.
Die Stand der Technik 8,
EP2604501 zeigt die Verankerung von Windrädern mittels Abspannung unterhalb des
Rotorbereiches. Vorliegend wird vorgeschlagen, den Turm über die Gondel
weiterzuführen und die Abspannung oberhalb der Turbinen zu gestalten.
Als Stand der Technik 9 gilt das
Aufsetzen der Gondel auf den Turm. Ein Vorschlag zur Weiterführung des Turmes
über die obere Spitze der Turbine wurde in den Dokumenten noch nicht gefunden.
Stand der Technik 10 mit auskragendem Turm. Angedeutet
ist unterhalb des Rotors eine Seilabspannung (79). Diese wird jedoch wegen des
geringen Durchhanges und der Nähe zum Wasser wenig Effekte auf die Reduzierung
der Biegemomente bewirken und auch für die Anbringung von Solareinrichtung
nicht geeignet sein.
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