Das Windkraftwerk
Zunächst brauchen wir sehr große schwimmfähige Windkraftwerke, die am Meeresboden fest verankert sind, große Strommengen erzeugen, größten Stürmen trotzen, dauerhaltbar sind und dabei geringste Herstellungs- und Betriebskosten verursachen. Nachfolgend ist ein solches Windkraftwerk beschrieben.
Schwimmfähiges Windkraftwerk mit Unterwasserantrieb zur weitgehenden Kompensation aller auf das Windkraftwerk wirkenden Windschubkräfte.
Die Erfindung betrifft schwimmfähige Windkraftwerke, bei denen die gesamten Windschubkräfte, die jeweils auf diese schwimmfähigen Windkraftwerke wirken, weitgehend durch einen gegen diese Windschubkräfte gerichteten Unterwasserantrieb kompensiert werden, wodurch der Aufwand zum Verankern am Meeresboden bei diesen schwimmfähigen Windkraftwerken entscheidend vielfach verringert wird. Hierdurch werden diese schwimmfähigen Windkraftwerke insbesondere für die Verankerung in der Tiefsee geeignet. Dadurch werden die großen Windenergien über den Ozeanen weitestgehend äußerst wirtschaftlich in Strom wandelbar.
Die bekannten schwimmfähigen Windkraftwerke haben insbesondere den wesentlichen Nachteil, daß die gesamten, sehr großen Windschubkräfte durch Verankerungen am Meeresboden sicher abgefangen werden müssen. Dies führt insbesondere bei Verankerungen in der Tiefsee zu unverhältnismäßig hohem Aufwand für die Anker und insbesondere für die Ankerseile, für die durch obigen Nachteil jeweils ein extrem großer, kaum zu vertretender Materialaufwand erforderlich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, schwimmfähige Windkraftwerke zu schaffen, bei denen die auf diese schwimmfähigen Windkraftwerke wirkenden gesamten Windschubkräfte, die jeweils durch den Wind auf die gesamte Windkraftwerkskonstruktion bewirkt werden, durch gegen diese gesamten Windschubkräfte wirkende Schubkräfte weitgehend kompensiert werden, wobei der für die Erzeugung der entgegen wirkenden Schubkräfte benötigte Energiebedarf nur einen Teil der durch das schwimmfähige Windkraftwerk erzeugten Energie betragen darf.
Die Aufgabe wird durch schwimmfähige Windkraftwerke gelöst, bei denen ein Teil der durch den Rotor erzeugten Nutzenergie dazu genutzt wird, einen Unterwasserrotor anzutreiben, dessen Schubkraft wirkenden Windschubkräften den gesamten auf das schwimmfähige Windkraftwerk entgegen gerichtet ist und diese jeweils weitgehend kompensiert. Dabei ist es vorteilhaft, dass diese schwimmfähigen Windkraftwerke eine Tragkonstruktion haben, die über dem Wasserspiegel aus in Windrichtung strömungsgünstig gestalteten Fachwerkvollprofilstützen bestehen, die dadurch nur einen verhältnismäßig sehr geringen Windwiderstand verursachen. In diesen Sinne ist es unter anderem auch vorteilhaft eine, Fachwerktragkonstruktion zu wählen, bei denen die Rotorwelle vor und hinter den Rotorblättern gelagert ist. In diesem Sinne Windschubkraft vermindernd wirkt sich auch eine sehr hohe Schnelllaufzahl des Rotor aus, weil hierdurch die Rotorflügelfläche gering wird und somit Starkwinde hier weniger Schubkräfte bewirken. Zu berücksichtigen ist, dass je größer der Durchmesser des Unterwasserrotors im Verhältnis zum Durchmesser des vom Wind angetriebenen Rotors ist, desto geringer ist der Energiebedarf zum Antrieb des Unterwasserrotors im Verhältnis zur insgesamt erzeugten Energie der schwimmfähigen Windkraftwerke. Damit die Schubkraftkompensation auch bei stärksten Winden erhalten bleibt, sind diese schwimmfähigen Windkraftwerke auch bei diesen stärksten Stürmen nicht abzuschalten, nur entsprechend zu drosseln. Der Unterwasserrotor kann mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder mittels einer Kombination dieser Antriebsmöglichkeiten angetrieben werde. Besonders vorteilhaft ist es, den Unterwasserrotor hydraulisch anzutreiben, weil hierbei keine mehrfache Energiewandlung bzw. auch kein Getriebe erforderlich sind und zudem eine Regelung des hydraulischen Antriebes durch Strömungsdrosselung möglich ist. Mit dieser Strömungsdrosselung wird auch die Rotordrehzahl regelbar.
Diese Erfindung dient insbesondere der wirtschaftlichen Nutzung der hohen Windenergien auf den Ozeanen. Daher ist es auch technisch und wirtschaftlich wesentlich von Vorteil, sehr große schwimmfähige Windkraftanlagen, z.B. Windkraftanlagen mit etwa 200 m Rotordurchmesser, in Serie zu bauen, weil die Wirtschaftlichkeit der Energieerzeugung hierbei insbesondere wesentlich von der Baugröße sowie der Größe der Serie abhängt. Baugrößen dieser schwimmfähigen Windkraftwerke von bis weit über 200 m Rotordurchmesser sind möglich, wenn die Windkräfte, die auf die Rotorblätter wirken, durch Zugstränge mit sehr hohen Festigkeitseigenschaften abgefangen werden.
Eine Ausführung des schwimmfähigen Windkraftwerkes mit Unterwasserantrieb zur weitgehenden Kompensation aller auf das Windkraftwerk wirkenden Windschubkräfte zeigen die Zeichnungen.
Diese Zeichnungen zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführung der für die Verankerung in der Tiefsee geeigneten schwimmfähigen Windkraftwerke mit Unterwasserantrieb zur weitgehenden Kompensation aller auf das Windkraftwerk wirkenden Windschubkräfte. Diese Windkraftanlage hat einen Rotordurchmesser von 200 m, ist für eine sehr hohe Schnell-Laufzahl von 16 ausgelegt und hat einen Unterwasserrotor von 100 m Durchmesser. Dieses Windkraftwerk erbringt bei einer jahresdurchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 8 m/sec eine durchschnittliche Nettonutzleistung von mindestens 7000 KW. Die Rotorwelle 1 ist aus Stahlschleudergußrohren zusammengeschweißt. Die Rotorblätter 4 bestehen aus relativ dünnwandigen, dadurch sehr strömungsverlustarmen Vollprofilen, die aus Epoxydharz mit sehr hohem Anteil unidirektional angeordneten Kohlefasern bestehen. Diese Rotorblätter 4 sind starr angeordnet. Die Luftströmungs- und Schwingungskräfte, die an den Rotorblättern 4 wirken, werden durch die hinteren Zugstränge 5 abgefangen die aus materialgeprüftem, dauerhaft korrosionsgeschütztem rundem Federstahl mit höchsten Festigkeitseigenschaften bestehen und mit strömungsgünstigen Verkleidungen aus Kunststoff verkleidet sind, wobei sich diese Verkleidungen jeweils so ausrichten, dass sich der Strömungswiderstand minimiert. Die Zugstränge 5 sind jeweils so nach hinten gerichtet angeordnet, daß sie näherungsweise den resultierenden Auftriebskräften in den jeweils befestigten Rotorblattbereichen entgegen gerichtet sind.
Die Einzelheit X, in Fig. 6 dargestellt, stellt die Verzweigung eines dieser Zugstränge 5 dar, die dazu dient, dass die Drehmomente am Rotorblatt 4, die jeweils bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten auftreten, nur zu geringen elastischen Verdrehungen am Rotorblatt 4 führen. Der Rotor ist stallgeregelt (dass heißt durch Strömungsabriß) und zusätzlich durch hydraulische Drosselung, die der Hydraulikpumpe 3 nachgeschaltet ist. Die vorgespannten Zugstränge 6 sind den Zugsträngen 5 entgegen gerichtet angeordnet und dienen dazu, dass die Rotorblätter 4 auch bei geringen Windgeschwindigkeiten oder Windstille nicht knicken und die Gewichtskräfte der Rotorblätter abgefangen werden. Die Zugstränge (6) bestehen ebenfalls aus materialgeprüftem, dauerhaft korrosionsgeschütztem Federstahl höchster Festigkeitseigenschaften und sind ebenfalls mit strömungsgünstig geformten Kunststoffverkleidungen versehen, die den Strömungswiderstand minimieren. Der Rotor treibt direkt ein Getriebe 2 und eine Hydraulikpumpe 3, die hier eine dauerhaltbare Flügelzellenpumpe ist und die ohne Strömungsd rosselung einen Flüssigkeitsdruck von ca. 25 bar aufbauen kann und die mit Strömungsdrosselung einen Flüssigkeitsdruck von ca. 100 bar erreichen kann. Ein der Flügelzellenpumpe 3 nachgeschaltetes automatisch geregeltes Drosselventil regelt, durch Bremswirkung in der Flügelzellenpumpe 3, die maximale Rotordrehzahl. Diese Drehzahlregelung begrenzt auch, in Verbindung mit dem Strömungsabriss an den Rotorblättern 4, die maximale Leistungsabgabe des Rotors dieser Windkraftanlage auf etwa höchstens 15000 KW. Das Drosselventil kann auch zum vollständigen Abschalten des Rotors genutzt werden. Dieses schwimmfähige Windkraftwerk wird bei starken Winden, auch bei stärksten Stürmen, nicht abgeschaltet, so dass auch dann eine weitgehende Kompensation der gesamten Windschubkräfte durch den Unterwasserrotor 11 gegeben ist. Das Getriebe 2 treibt einen Drehstromgenerator 7, der für eine maximale Spannung von 500 Volt ausgelegt ist. Das Getriebe 2, das von der Rotorwelle angetrieben wird, die Hydraulikpumpe 3 und der Drehstromgenerator 7 bilden eine zusammengeflanschte Einheit, die auf dem schwimmfähigen Tragwerk befestigt ist. Das Tragwerk besteht aus Fachwerkstützen die aus strömungsgünstig geformten, korrosionsgeschützten, miteinander durch Schweißen verbundenen Vollprofilen, aus Stahl bestehen (oder aus entsprechendem Rundstahl, der strömungsgünstig verkleidet ist) und 3 Stück kugelförmigen, hohlen und dauerhaft korrosionsgeschützten Schwimmkörpern 14 u. 15 aus Stahlguß. Etwa in der Mitte der senkrechten Unterwasser-Fachwerkstütze 9 ist der hydraulische Flügelzellenmotor 10 angeflanscht, der den Unterwasserrotor 11 antreibt. Die senkrechte Unterwasser-Fachwerkstütze 9 ist an dem hinteren Schwimmkörper 15 dauerhaft fest und korrosionsgeschützt angeflanscht. 2 Stück schräg verlaufende Unterwasserstützen 12, die etwas unterhalb des Flügelzellenmotors 10 mit der senkrechten Unterwasserstütze 9 durch flanschen dauerhaft korrosionsgeschützt und fest verbunden sind und am anderen Ende durch flanschen dauerhaft korrosionsgeschützt und fest jeweils mit einem der beiden vorderen Schwimmkörper verbunden sind, dienen unter Anderem dazu, die Biegemomente in der senkrechten Unterwasserstütze 9 klein werden zu lassen. Am unteren Ende ist eine horizontal drehbar gelagerte Platte 19 befestigt, die in der Mitte eine Bohrung für die Durchführung des Stromkabels 18 aufweist. An dieser horizontal drehbar gelagerten Platte 19 sind drei Stück Seile 20 aus hochfest gerecktem Polyetylen befestigt. Diese Seile 20 sind am Meeresboden jeweils an einem schweren Anker 21 aus Gußeisen befestigt. Die beiden vorderen Schwimmkörper 14 haben einen Abstand von ca. 60 Metern zueinander und sind mit einer Stütze untereinander fest verbunden.
Dieses schwimmfähige Windkraftwerk bedarf keiner Einrichtung zur Windnachführung, da es sich durch die Windschubkräfte in Verbindung mit der drehbaren Befestigung am hinteren Ende selbsttätig ausrichtet. Zwei Stück Rohrleitungen 8 verbinden die Flügelzellenpumpe 7 mit dem Flügelzellenmotor 10. Durch diese Rohrleitung 8 wird das hydraulische Medium (z.B. Hydrauliköl), dass den Flügelzellenmotor 10 antreibt, mit Hilfe der Flügelzellenpumpe 7 gepumpt. Die Rohrleitungen 8 sind im Bereich über dem Wasser strömungsgünstig verkleidet. Die Schwimmkörper sind mit allen angrenzenden Stützen dauerhaft korrosionsgeschützt und dauerhaft fest miteinander verschraubt.
Die Zugstränge 5 und 6 können auch aus hoch festen unidirektional kohlefaserverstärkten (extrem stark vorgespannten) runden Epoxydharzsträngen bestehen, die jeweils an den Rotorblättern 4 und an der Rotorwelle 1 befestigt sind und mit strömungsgünstig geformten Verkleidungen aus leichtem dünnwandigen Kunststoff verkleidet sind. Diese Zugstränge 5 und 6 sind dann im befestigten Bereich mit größerem Querschnitt versehen, so dass sich hier durch geeignete Befestigungselemente mindestens gleiche Dauerfestigkeiten ergeben, wie in den übrigen Bereichen der Zugstränge 5 und 6. Alle Elemente dieses schwimmfähigen Windkraftwerkes sind in ihren Festigkeitseigenschaften so ausgelegt, dass sie extremen Windgeschwindigkeiten von 75 m/sec kurzzeitig sicher standhalten und können dadurch stärksten Stürmen trotzen.
Um extrem niedrigfrequente Ströme zu erzeugen, kann es sehr vorteilhaft sein, das der Rotor einen Drehstromgenerator direkt antreibt. Dieser Drehstromgenerator ist hier vorteilhaft ein Synchrongenerator der mit den anderen Synchrongeneratoren eines Windkraftwerksparks synchron arbeitet. Dieser Drehstromgenerator kann verschiedene Wicklungen aufweisen, die bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten geschaltet werden, so dass man immer einen Drehstrom von Gleicher Frequenz erzeugen kann. Es ist auch sinnvoll, dass das Windkraftwerk mit einen Drehstromtransformator bestückt ist, mittels dem dann der Drehstrom auf eine wesentlich höhere Phasenspannung transformiert wird.
Bezugszeichenliste:
| Rotorwelle | 1 |
| Getriebe | 2 |
| Hydraulikpumpe | 3 |
| Rotorblätter | 4 |
| Zugstrang | 5 |
| Zugstrang | 6 |
| Drehstromgenerator | 7 |
| Rohrleitung | 8 |
| senkrechte Unterwasser-Fachwerkstütze | 9 |
| Flügelzellenmotor | 10 |
| Unterwasserrotor | 11 |
| Unterwasserstütze | 12 |
| Unterwasserseil | 13 |
| Schwimmkörper | 14 |
| Schwimmkörper | 15 |
| Fachwerkstütze hinten | 16 |
| Fachwerkstütze schräg | 17 |
| Stromkabel | 18 |
| drehbar gelagerte Platte | 19 |
| Ankerseile | 20 |
| Anker | 21 |
| Lagerstütze | 22 |
| Lager | 23 |