Energiewandlungseinheiten untereinander verbindendem Seilsystem.

Offshore-Windenergieanlagen mit im Gewässergrund verankerten Gründungen sind bereits seit langem bekannt, wobei auch für diese bereits Konstruktionen mit einer Mehrzahl von Energiewandlungseinheiten vorgeschlagen worden sind; vgl. GB 2 443 886 A, DE 10 2012 020 052 B3.

Schwimmende Windenergieanlagen, die eine schwimmende Gründung, also ein

schwimmendes Fundament aufweisen, zeigen üblicherweise einen Aufbau mit einem auf einem schwimmenden Fundament angeordneten Turm, der beispielsweise eine aus einem Rotor, einem Rotorlager, einem Getriebe und einem Generator bestehende

Energiewandlungseinheit aufweist; vgl. GB 2 489 158 A, DE 10 2014 109 212 AI .

Als eher seltener Fall ist aus der WO 2014/060 420 AI eine schwimmende

Windenergieanlage mit zwei Rotoren bekannt, die auf einem als„ballasted SPAR" ausgebildeten schwimmenden Fundament aufgebracht sind. Die beiden

Energiewandlungseinheiten sind dabei an den freien Enden zweier Ausleger angebracht, die auf dem SPAR montiert und über Abspannungen miteinander verbunden sind. Die Anlagen sind als Leeläufer ausgelegt und sollen sich gemeinsam selbständig in den Wind ausrichten. Dafür ist um den Spar ein Lager im Unterwasserbereich angeordnet, das bei den in Frage kommenden Anlagengrößen einen Durchmesser im Bereich von 8-10 m haben muss. Derartige Lager sind im Moment nicht vorhanden und wenn dann nur sehr arbeits- und kostenaufwändig herzustellen.

Ferner ist bereits jetzt schon abzusehen, dass das ganze strukturelle System aus SPAR-Floater und darüber angeordneten Windenergieanlagen zu heftigen und gedämpften

Drehschwingungen neigen wird, da fast überhaupt keine Torsionssteifigkeit gegeben ist.

Schließlich müssen die Ausleger, an deren Enden die beiden Turbinen befestigt sind, die Schublasten der Rotoren als Biegemomente in die SPAR-Struktur einleiten. Dieses wiederum erfordert einen hohen Materialeinsatz.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine mit wenig Material- und Arbeitsaufwand

herzustellende schwimmende Windenergieanlage zu schaffen, die den durch den Wind und die Wellen auf die schwimmende Windenergieanlage einwirkenden Lasten standhält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die schwimmende Windenergieanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder. Im Gegensatz zu der aus der WO 2014/060 420 AI bekannten Anlage wird bei der schwimmenden Windenergieanlage nach der Erfindung die als Halbtaucher ausgebildete Schwimmstruktur nicht nur an einer Stelle ins Wasser eintauchen, sondern an räumlich in einer Ebene verteilten Punkten. Dieses führt dazu, das die Schwimmstabilität wesentlich grösser und der Tiefgang wesentlich geringer sind und die gesamte Struktur aufgrund ihrer räumlichen horizontalen Ausdehnung eine Torsionssteifigkeit auf weist und damit stabil im Wasser den Windrichtungsänderungen nachgeführt werden kann.

Insbesondere wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Windenergieanlage nach der Erfindung eine Y-Struktur im Unterwasserbereich eingesetzt an deren drei Enden drei Auftriebskörper („ /oa/er") angeordnet sind. An den oberen Enden dieser Floater außerhalb der Wasserzone, werden die Abspannungen des Seilsystems an die

Energiewandlungseinheiten geführt. Zwischen den beiden Energiewandlungseinheiten befindet sich eine zusätzliche Abspannung, die die Gewichtlasten der beiden Energiewandlungseinheiten aufnimmt. Die beiden Abspannungen von den beiden Anlagen zum Luv-seitig angeordneten Floater dienen dazu die Schublasten, die von den Rotoren erzeugt werden, aufzunehmen und in die Floater- und Y-Struktur einzuleiten. Die beiden Ausleger die die Energiewandlungseinheiten an den jeweiligen Enden tragen, werden dabei nur wenig durch Biegemomente beansprucht.

Die unterhalb der beiden Energiewandlungseinheiten angeordneten Abspannungen haben die Aufgabe, den Rückwärtsschub beim Abbremsen der Anlage aufzunehmen und in die Leeseitig angeordneten Floater einzuleiten. Das Seilsystem ist so hoch vorgespannt, das bei keinem anzunehmenden Lastfall ein Seil entlastet wird und keine Vorspannung mehr aufweist.

Die Floater sind vorzugsweise in der Neigung der einzelnen Abspannungen angeordnet. So ist der Luv-Floater von der Seite gesehen zum Turm hin geneigt im Winkel der Luv- Abspannungen.

Die Lee-Floater sind ebenfalls zum Turm hingeneigt im Winkel der Lee- Ab Spannungen. Die Vorspannung der jeweils an jeder Energiewandlungseinheit angelenkten Abspannungen wird so eingestellt, dass die resultierende Kraft aus allen Vorspannungen genau in der Achse der Ausleger wirkt. Diese Ausgestaltung führt dazu, dass keine Biegemomente in die

Auslegerstruktur eingeleitet werden, sondern nur Druckkräfte.

Die Position der Anlenkpunkte der an der Anlage zusammenlaufenden Abspannungen ist so zu wählen, dass auf möglichst kurzen Abständen geringe Strukturbelastungen erzeugt werden. Vorteilhaft ist es dabei, die Abspannseile auf einem Punkt zusammen laufen zu lassen.

Durch die Schrägstellung der Floater kommt es zusätzlich zu einem vorteilhaften

Lastübertragungsverhalten. Die Wellenlasten einerseits zusammen mit den Lasten der Abspannungen werden nämlich (teilweise) durch die Auftriebskräfte am Floater kompensiert, sodass das Y-Fundament geringer belastet wird und weniger stark dimensioniert werden muss. Ferner kann durch die gezielte Flutung der Y-Fundamentkammern das Biegemoment im Y-Fundament weiter verringert werden. Erfindungsgemäß ist also eine Windenergieanlage vorgesehen, die ein als Halbtaucher ausgebildetes schwimmendes Fundament, einen auf dem schwimmenden Fundament angeordneten Turm, wenigstens zwei sich vom Turm erstreckende Auslegern, jeweils eine am freien Ende jedes Auslegers angeordnete Energiewandlungseinheit, und ein das Fundament mit den Energiewandlungseinheiten und die Energiewandlungseinheiten untereinander verbindendes Seilsystem aufweist, wobei das Seilsystem eine Vorspannung besitzt, deren Betrag größer als im Betrieb der Windenergieanlage zu erwartende, der Vorspannung entgegenwirkende Lasten ist. Das Seilsystem ist speziell so ausgebildet, dass auf den Turm, die Ausleger und die

Energiewandlungseinheiten wirkenden Schubkräfte über die vorgespannten Seile in das Fundament geleitet werden. Die Vorspannung muss daher so groß sein, dass kein Seil zu irgendeinem Zeitpunkt erschlaffen kann. Das Seilsystem kann grundsätzlich aus einem einzigen Seil bestehen. Bevorzugt besteht das Seilsystem jedoch aus einer Mehrzahl von Seilen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung liegt der sich aus der Vorspannung des Seilsystems ergebende Kraftvektor bei Verwendung der Windenergieanlage im zeitlichen Mittel in der Achse der Ausleger.

Bevorzugt ist das schwimmende Fundament als Y-förmige Plattform mit einem langen Arm und zwei kurzen Armen ausgebildet ist, wobei der Turm im Verbindungspunkt der drei Arme angeordnet ist.

Besonders bevorzugt ist die Windenergieanlage dabei als Lee-Läufer ausgebildet und der Turm nach Lee geneigt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung wird erreicht, wenn wenigstens zwei

Energiewandlungseinheiten oberhalb des freien Endes der kurzen Arme angeordnet sind.

Das Seilsystem ist insbesondere derart ausgebildet, dass dieses am freien Ende des langen Arms und/oder an den freien Enden der kurzen Arme angelenkt ist. Alternativ ist das Seilsystem nur am freien Ende des langen Arms angelenkt, wobei die Energiewandlungseinheiten zusätzlich mittels Stützen mit den freien Enden der kurzen Arme verbunden sind.

Speziell weist das schwimmende Fundament an den freien Enden seiner Arme auf seiner dem Turm zugewandten Seite jeweils einen fest mit dem Fundament verbundenen Auftriebskörper auf. Diese Auftriebskörper sind besonders bevorzugt derart angeordnet, dass die Längsachse jedes Auftriebskörpers in wenigstens einer Ebene auf eine Energiewandlungseinheit ausgerichtet ist.

Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist auch vorgesehen, dass die schwimmende Windenergieanlage mit zwei Energiewandlungseinheiten mit jeweils einem Zweiblatt-Rotor ausgestattet ist, wobei die Längsachse der Rotorblätter der beiden Energiewandlungseinheiten zueinander im Betrieb mit einer Phasenverschiebung von 90° geregelt werden.

Speziell ist bei einer Ausgestaltung mit zwei Energiewandlungseinheiten mit jeweils einem Rotor mit wenigstens einem Rotorblatt der Drehsinn der beiden Rotoren gegensinnig ausgelegt, sodass die Kreiselkräfte auf die Gesamtstruktur ausgeglichen sind.

Wird die Anlage jedoch gebremst und die Rotoren in die Parkstellung verbracht sind die Rotorblätter in der Parkstellung identisch, speziell horizontal ausgerichtet.

Der Vorteil der Erfindung liegt unter anderem auch darin, dass eine Offshore- Windenergieanlage bereit gestellt werden kann, deren Gesamtleistung sich aus mehreren Einzelanlagen zusammensetzt. Insbesondere kommen für die technische Realisierung einer solchen erfindungsgemäßen Windenergieanlage gängige Anlagen mittlerer Leistung zum Einsatz, die bereits erprobt sind und in Serie kostengünstig gebaut werden, sodass auf Einzelanlagen geringerer Leistung zurückgegriffen werden kann, die auch bereits eine entsprechende Zulassung aufweisen. Dadurch wird der Arbeits- und Zeitaufwand zur Erstellung der erfindungsgemäßen Windenergieanlage erheblich verringert. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten, besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer besonders bevorzugt ausgestalteten

Windenergieanlage nach der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht von Luv;

Fig. 2 die Windenergieanlage gemäß erstem Ausführungsbeispiel in einer

perspektivischen Ansicht von Lee;

Fig. 3 die Windenergieanlage gemäß erstem Ausführungsbeispiel in einer

Seitenansicht;

Fig. 4 die Windenergieanlage gemäß erstem Ausführungsbeispiel in einer

Frontalansicht von Lee;

Fig. 5 die Windenergieanlage gemäß erstem Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht;

Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer besonders bevorzugt ausgestalteten

Windenergieanlage nach der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht von Luv;

Fig. 7 die Windenergieanlage gemäß zweitem Ausführungsbeispiel in einer

perspektivischen Ansicht von Lee;

Fig. 8 die Windenergieanlage gemäß zweitem Ausführungsbeispiel in einer

Seitenansicht;

Fig. 9 die Windenergieanlage gemäß zweitem Ausführungsbeispiel in einer

Frontalansicht von Lee;

Fig. 10 die Windenergieanlage gemäß zweitem Ausführungsbeispiel in einer

Draufsicht; Fig. 11 ein drittes Ausführungsbeispiel einer besonders bevorzugt ausgestalteten

Windenergieanlage nach der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht von Luv;

Fig. 12 die Windenergieanlage gemäß drittem Ausführungsbeispiel in einer

perspektivischen Ansicht von Lee;

Fig. 13 die Windenergieanlage gemäß drittem Ausführungsbeispiel in einer

Seitenansicht;

Fig. 14 die Windenergieanlage gemäß drittem Ausführungsbeispiel in einer

Frontalansicht von Lee; und

Fig. 15 die Windenergieanlage gemäß drittem Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer besonders bevorzugt ausgestalteten

Windenergieanlage nach der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht von Luv. Die sich daran anschließenden Abbildungen Fig. 2 bis 5 zeigen dieselbe Windenergieanlage in den weiteren oben genannten Ansichten.

Die dargestellte Windenergieanlage 10 weist ein als Halbtaucher ausgebildetes

schwimmenden Fundament 20 auf, mit einem auf dem schwimmenden Fundament 20 angeordneten Turm 30 und zwei sich vom Turm 30 erstreckenden Auslegern 40. Jeweils am freien Ende jedes Auslegers 40ist eine Energiewandlungseinheit 50 angeordnet, wobei schließlich ein das Fundament 20 mit den Energiewandlungseinheiten 50 und die

Energiewandlungseinheiten 50 untereinander verbindendes, aus einer Mehrzahl von Seilen gebildetes Seilsystem 60 zur Einleitung der auf den Turm 30, die Ausleger 40 und die

Energiewandlungseinheiten 50 wirkenden Schubkräfte in das Fundament 20 vorgesehen ist und das Seilsystem 60 eine Vorspannung aufweist, deren Betrag größer als im Betrieb der Windenergieanlage 10 zu erwartende, der Vorspannung entgegenwirkende Lasten ist. Insbesondere ist das Seilsystem 60 so ausgestaltet, dass der aus der Vorspannung des

Seilsystems 60 ergebende Kraftvektor bei Verwendung der Windenergieanlage 10 im zeitlichen Mittel in der Achse der Ausleger 40 liegt. Das schwimmende Fundament 20 ist als Y-förmige Plattform mit einem langen Arm 22 und zwei kurzen Armen 24, 26 ausgebildet, wobei der Turm 30 im Verbindungspunkt der drei Arme 22, 24, 26 angeordnet ist.

Der Turm 30 kann als Auftriebskörper 28 („Floater") ausgebildet sein.

Das Seilsystem 60 kann unmittelbar am Fundament 20 angeschlagen oder mittelbar mit dem Fundament 20 dadurch verbunden sein, das das Seilsystem 60 mit den an den freien Enden des Fundaments 20 angeordneten Auftriebskörpern 28 verbunden ist. Die Abbildungen zeigen, dass die Windenergieanlage 10 als Lee-Läufer ausgebildet und der Turm 30 nach Lee geneigt ist. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit die

Energiewandlungseinheiten 50 so anzuordnen, dass die Energiewandlungseinheiten 50 jeweils oberhalb des freien Endes eines kurzen Arms 24, 26 angeordnet sind. Wie die Ansichten deutlich zeigen ist die Längsachse jedes Auftriebskörpers 28 in wenigstens einer Ebene auf eine Energiewandlungseinheit 50 ausgerichtet, sodass sich eine optimale Krafteinleitung in die Strukturen der Windenergieanlage 10 ergibt.

Die Windenergieanlage 10 ist so ausgebildet, dass der Drehsinn der beiden Rotoren der Energiewandlungseinheiten 50 gegensinnig ist. Diese Ausgestaltung wirkt sich insgesamt positiv auf das dynamische Verhalten der schwimmenden Windenergieanlage 10 aus, da die Kreiselkräfte kompensiert werden.

Speziell sind die Rotorblätter im Betrieb zueinander phasenverschoben ausgerichtet - im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Blätter der Energiewandlungseinheiten 50 also zueinander um 90° phasenverschoben angeordnet. Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer besonders bevorzugt ausgestalteten Windenergieanlage nach der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht von Luv. Die sich daran anschließenden Abbildungen Fig. 7 bis 10 zeigen dieselbe Windenergieanlage in den weiteren oben genannten Ansichten.

Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Seilsystem am freien Ende des langen Arms 22 des Fundaments 20 angelenkt ist und die Energiewandlungseinheiten 50 mittels Stützen 70 mit den freien Enden der kurzen Arme 24, 26 verbunden sind.

Im zweiten Ausführungsbeispiel sind die die Energiewandlungseinheiten 50 mit den freien Enden der kurzen Arme 24, 26 verbindenden Seile 60 also durch Stützen 70 ersetzt, die insbesondere in Bezug auf deren Längsachse inkompressibel und torsionssteif sind. Diese Ausgestaltung unterstützt die Einleitung der auf die Energiewandlungseinheiten 50 wirkenden Schubkräfte in das Fundament 20, bedeutet jedoch im Verhältnis zum ersten Ausführungsbeispiel einen erhöhten Materialbedarf. Dieser erhöhte Materialbedarf ist aber in Abhängigkeit von den in bestimmten Regionen auftretenden Windlasten durchaus gerechtfertigt, wobei das Seilsystem 60, das den langen Arm 22 des Fundaments 20 mit den Energiewandlungseinheiten 50 und die Energiewandlungseinheiten 50 miteinander verbindet, weiterhin die erfindungsgemäßen Vorteile aufweist.

Fig. 11 zeigt schließlich ein drittes Ausführungsbeispiel einer besonders bevorzugt ausgestalteten Windenergieanlage nach der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht von Luv. Die sich daran anschließenden Abbildungen Fig. 12 bis 15 zeigen dieselbe Windenergieanlage in den weiteren oben genannten Ansichten.

Im Unterschied zu dem in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind nicht nur zwei Energiewandlungseinheiten 50, sondern drei Energiewandlungseinheiten vorgesehen. Dabei ist der Turm 30 über den Ansatzpunkt der beiden Ausleger 40 hinaus verlängert und trägt an seinem Ende eine weitere Energiewandlungseinheit 50. Diese auf dem Turm 30 angeordnete dritte Energiewandlungseinheit 50 ist bevorzugt mit den anderen beiden Energiewandlungseinheiten 50 identisch ausgebildet. Alternativ kann die dritte Energiewandlungseinheit 50 aber auch beispielsweise mit einem 3-Blatt-Rotor ausgestaltet sein, wobei die an den Auslegern 40 angeordneten Energiewandlungseinheiten mit einem 2-Blatt-Rotor ausgestattet sind.

Das Seilsystem 60 dieses Ausführungsbeispiels ist jedenfalls insofern komplexer ausgestaltet, dass das Fundament 20 mit jeder Energiewandlungseinheit 50 und die Energiewandlungseinheiten 50 untereinander mittels Seilen 60 verspannt ist.