NO20200725A1

NO20200725A1 -

Info

Publication number: NO20200725A1
Application number: NO20200725A
Authority: NO
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2021-12-20
Also published as: WO2021256939A1; NO346376B1

Description

Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en flytende vindmøllekonstruksjon omfattende et fundament som flyter i en vannmasse, der det delvis nedsenkete fundamentet understøtter minst et tårn utstyrt med en vindmølle.

Beskrivelsen vedrører en oppfinnelse innenfor det tekniske feltet offshore vindenergi. Det beskrives en teknisk løsning for stabilisering av et flytende fundament for én eller flere vindmøller.

Oppfinnelsens bakgrunn

For å redusere forurensning og å begrense global oppvarming, er det ønskelig å utvikle teknologi som kan gjøre fornybar energi mer konkurransedyktig.

Offshore vind er en spesielt interessant ressurs relatert til fornybar energiutvinning. Det ligger et stort potensial i å utnytte havområder og vinden over slike områder til å utvinne elektrisk energi. En utfordring relatert til utvinning av energi fra offshore vind, er kostnaden. For at offshore vind skal kunne være en konkurransedyktig energikilde, er det avgjørende at kostnader relatert til produksjon, installasjon og drift og vedlikehold av offshore vindturbiner reduseres. For å nå dette målet er det viktig med utvikling av ny, kostnadseffektiv teknologi.

Det er utviklet et stort antall tekniske løsninger for produksjon av vindenergi offshore. Noen av disse er relatert til bunnfaste fundamenter, mens andre er relatert til flytende fundamenter. De flytende fundamentene er i mange tilfeller fordelaktige, særlig til bruk på store havdyp, typisk over 50 meter.

På havet blir en offshore vindturbin og dens fundament utsatt for sterke krefter fra vind, bølger og strøm. Særlig kritiske er vindkreftene. Beregninger har vist at de tiltende kreftene som virker på en vindturbin til havs typisk vil være 15 ganger så sterke i vindens primære retning relativt til en retning 90 grader på denne. For å hindre at en vindturbin tilter for mye under tøffe værforhold til havs, er det viktig at fundamentet er konstruert for å motvirke tilt forårsaket av nevnte krefter.

Omtale av kjent teknikk

Stabilitet mot tilt er en utfordring og kostnadsdriver ved flytende fundamenter, særlig for flytende fundamenter som skal brukes i områder med potensiale for voldsomme vind- og bølgeforhold. Eksisterende løsninger for å sikre stabilitet i slike områder er gjerne store, tunge og dyre. Et eksempel på en slik løsning er kjent som «Hywind».

Havvindløsningen «Hywind» inkluderer et eksempel på et fundament for en offshore vindturbin, hvor fundamentet er en flytende vertikal sparbøye. For å motvirke tiltende krefter når sparbøyen dypt ned i havet i operasjonell stilling, og den er gjerne svært tung. Tyngden skyldes i stor grad sparbøyeløsningens behov for rettende ballast. Dens størrelse gjør den kostbar å fremstille og å frakte til destinasjon til havs, og den gjør at «Hywind» ikke kan brukes i havområder med begrenset dybde.

Alternative løsninger for stabilisering inkluderer løsninger med oppdriftstårn som penetrerer vannflaten, hvor oppdriftstårnene er montert på en stiv delvis nedsenket plattform og hvor innretningens oppdriftskrefter virker gjennom oppdriftsenteret og gjennom metasenteret når innretningen krenger.

WO2019143282 A1 viser en flytende vindmøllekonstruksjon med to sidestilte og skråstilte tårn festet til et felles flytende rammeverkfundament som er delvis nedsenkbart hvor hovedoppdriften er plassert i hvert sitt yttertårn.

Formål med foreliggende oppfinnelse

Det er et formål med oppfinnelsen å frembringe en flytende vindmøllekonstruksjon med forbedret stabilitet.

I dette dokumentet beskrives en teknisk løsning som har fordeler over kjent teknikk for å stabilisere et fundament for en offshore vindturbin ved å motvirke tilt.

Å flytte stabilisatorarmene opp i strukturen og ut av vannet gjør at de ikke er eksponert for samme påvirkning fra krefter fra bølger som om de skulle være nedykket, og kan således designes der etter. Stabilisatorarmene vil da heller ikke fortrenge et vannvolum, og således ikke ha innvirkning på strukturens oppdrift.

Man kan videre bedre inspisere lastbærende og stabiliserende struktur både innvendig og utvendig, samt forenkle sammenstilling, sammenlignet med dagens løsninger

Oppsummering av oppfinnelsen

Overnevnte formål oppnås med en flytende vindmøllekonstruksjon omfattende et fundament som flyter i en vannmasse, der det delvis nedsenket fundamentet understøtter minst et tårn utstyrt med en vindmølle, hvori nevnte fundament omfatter en eller flere utadragende stabilisatorarmer, der nevnte stabilisatorarm(er) rager ut fra fundamentet i et område over en vannflate til vannmassen.

Stabilisatorarmen kan omfatte en overarm og en underarm. Underarmen kan i noen utførelser være anordnet med en vinkel i forhold til overarmen.

Videre kan underarmen være forbundet til overarmen i en ledd- eller hengselforbindelse. Alternativt kan underarmen være fritt opphengt til overarmen.

Det delvis nedsenket fundamentet kan i en utførelse understøtte et første og et andre tårn som i forhold til hverandre er sidestilte og skråstilte, og der en første stabilisatorarm til det første tårnet rager ut i motstående retning i forhold til en andre stabilisatorarm til det andre tårnet.

Den første og den andre stabilisatorarmen kan være festet til en skulderaksel som løper mellom det første og det andre tårnet.

Det delvis nedsenket fundamentet kan omfatte et langstrakt flyteelement som i en fremre del har en svingbar forankring og som i en bakenforliggende del omfatter nevnte tårn. Det delvis nedsenket elementet kan i enkelte utførelser strekke seg bakenfor nevnte tårn.

Det langstrakte flyteelementet kan være innrettet til å flyte under vannflaten i vannmassen, hvor på enkelte seksjoner eller hele røret kan være vannfylt eller innrettet med annen type ballast for å regulere innretningens COB og COG.

Under tilting av vindmøllekonstruksjon i vannmassen er nevnte stabilisatorarmer fortrinnsvis innrettet til å utøve en rettende kraft til vindmølle-konstruksjonen.

Lengden på stabilisatorarm (er) ut fra innretningen vil påvirke GZ «rettende arm» og således vil en lang stabilisatorarm være fordelaktig i forhold til en kort stabilisatorarm når det kommer til stabilitet. Dette samtidig som bølgenes effekt på innretningen vil avta jo lengre ut fra innretningen nevnte stabilisatorarm strekker seg.

Nevnte stabilisatorarm(er) rager ut og ned fra fundamentet mot vannflaten til vannmassen, og i det minste under tilting av vindmøllekonstruksjon rager nevnte stabilisatorarm ned i vannmassen eller blir trukket ut av en vannmasse, avhengig av stabilisatorarmens plassering i forhold til tilt retning, stabilisatorarm(er) er og innrettet til å bremse og således stabilisere vindmøllekonstruksjonens bevegelse.

Ved fritthengende underarm, vil underarmen typisk ha en vekt som tilsier at den vil synke ned i en vanmasse. Og således bidra med en redusert vekt som igjen bidrar til en rettende kraft om den senkes ned i en vannmasse ved tilt av innretning.

Stabilisatorarmene kan omfatter en nedre bremsekrage. Bremsekragen kan være en utadragende sirkulær skive frembrakt på stabilisatorarmens ytre og nedre ende.

Beskrivelse av figurer

Foretrukne utførelser av oppfinnelsen skal i det etterfølgende omtales mer detaljert med henvisning til de medfølgende figurene, hvori:

Figur 1-3 viser en første utførelse av en vindmøllekonstruksjon ifølge oppfinnelsen, sett henholdsvis i perspektiv, frontriss og toppriss.

Figur 4 viser i perspektiv en andre utførelse av en vindmøllekonstruksjon ifølge oppfinnelsen.

Figur 5 viser i perspektiv en tredje utførelse av en vindmøllekonstruksjon ifølge oppfinnelsen.

Figur 6 viser i perspektiv en fjerde utførelse av en vindmøllekonstruksjon ifølge oppfinnelsen.

Beskrivelse av foretrukne utførelser av oppfinnelsen

Oppfinnelsen relaterer til en stabiliserende struktur i form av en eller flere stabilisatorarmer 30 for et fundament 12 til en offshore vindmøllekonstruksjon. Den flytende vindmøllekonstruksjon omfattende et fundament 12 som flyter i en vannmasse 20, der det delvis nedsenkete fundamentet 12 understøtter minst et tårn 14 utstyrt med en vindturbin eller en vindmølle 16. Tårnets 14 nedre del vil naturlig utgjøre en del av fundamentet 12, og følgelig oppfattes fundamentet 12 til å omfatte nedre del av tårnet 14. Ifølge oppfinnelsen omfatter nevnte fundament 12, eller tårn 14, en eller flere utadragende stabilisatorarmer 30, der nevnte stabilisatorarm(er) 30 rager ut fra fundamentet 12 i et område over en vannflate til vannmassen 20.

Den delen av fundamentet 12 som flyter nede i vannmassen 20 kan være delvis fylt med vann eller annen ballast for ytterligere å stabilisere vindmøllekonstruksjonen, samt regulere innretningens COB og COG.

Stabilisatorarmen(e) 30 kan rage ut eller henge stivt, regulerbart eller fritt fra fundamentet 12 på en slik måte at en endring oppnås i en andel av stabilisatorarmen som er nedsenket i vannmassen 20 ved tilt av vindmøllekonstruksjonen.

I fig.1-3 er stabilisatorarmene 30 stivt festet til fundamentet 12, dvs. til den nedre delen av tårnet 14, og der hver stabilisatorarm 30 omfatter en overarm 32 festet til eller utstyrt med en underarm 34. Som vist i eksempelvis fig.1 og 2 rager overarmen 32 hovedsakelig rett ut, mens underarmen 34 rager nedover mot vannmassen 20. Underarmen 34 er i den viste utførelsen stivt festet til overarmen 32 via en stiv leddforbindelse 36 slik at underarmen er anordnet med en fast vinkel i forhold til overarmen 34. I den viste utførelsen er vinkelen mellom overarm 32 og underarm 34 rettvinklet, men underarmen 34 kan også være skråstilt anordnet i forhold til overarmen 32 i hvilken som helst annen vinkel.

Alternativt kan leddforbindelsen 36 være en ledd- eller hengselforbindelse som tillater fri eller styrt bevegelse av underarmen 34 i forhold til overarmen 32.

I fig.4-6 er stabilisatorarmen(e) 30 fritt oppheng, i den forstand at underarmen 34 er fritt bevegelig i forhold til overarmen 32. Underarmen 34 kan være opphengt til overarmen 32 via en leddforbindelse 36 i form av et stag, kjetting, wire eller lignende.

Ved å endre andelen av stabilisatorarmen 30 som er nedsenket i vann vil kraften stabilisatorarmen drar på vindmøllekonstruksjonen med endres. Dersom andelen øker, vil kraften reduseres. Dersom andelen minker, vil kraften økes.

Stabilisatorarmen 30 kan typisk omfatte eller bestå av et materiale av høy egenvekt om den har fritthengende underarm 34. Det kan videre være fordelaktig om stabilisatorarmen 30 omfatter eller består av et materiale som er relativt billig, som er relativt miljøvennlig og/eller som godt tåler harde værforhold offshore.

Stabilisatorarmen 30, dvs. nærmere bestemt underarmen 34, kan videre omfatte en nedre krage 38 som under bevegelse i vannet gir en bremsende effekt. Kragen 38 kan være i form av en utadragende sirkulær skive.

Det delvis nedsenket fundamentet 12 kan understøtte et første og et andre tårn 14 som i forhold til hverandre er sidestilte og skråstilte. Fig.1-4 viser to tvillingtårn 14 som er festet til det delvis nedsenket fundamentet 12, og der fundamentet omfatter et hovedsakelig langstrakt og horisontalt anordnet flyteelement 40 som i en fremre del har en forankring 42 for svingbar forankring og som i en bakre del omfatter nevnte tårn 14. En skulderaksel 44 løper mellom de to tårnene 14 og som kan være forbundet med overarmer 32 til stabilisatorarmene 30, der en første stabilisatorarm 30 til det første tårnet 14 rager ut i motstående retning i forhold til en andre stabilisatorarm 30 til det andre tårnet 14.

Flere andre bjelker eller stag 46 kan løpe mellom flyteelementet 40 og tårnene 14, og som kan fungere som avstivere for fundamentet og også som gangveier for service personell.

I en alternativ utførelsesform som vist i fig.4 kan fundamentet 12 omfatte to stabilisatorarmer 30, hver avhengt via leddforbindelsen 36 fra en skulderaksel 44 i form av en bjelke eksempelvis stivt tilkoplet en stiv fundamentstruktur. Den stive skulderakselen 44 kan sies å være en del av fundamentets stive struktur. Ved tilt av fundamentet 12 med to stabilisatorarmer 30 i en første retning, vil en første av de to stabilisatorarmene heves, mens den andre senkes. Ved tilt i en andre, motsatt retning, vil den første av de to stabilisatorarmene senkes, mens den andre heves.

Overarmen 32 kan være festet til fundamentet/tårnet 12,14 på en måte som gjør at den rager nedover mot en havoverflate når fundamentet står i normalstilling. Dette kan være fordelaktig fordi vinkelen kan påvirke hvorvidt en stabilisatorarm 30 beveger seg nærere eller lenger fra et fundamenttyngdepunkt ved tilt. Det kan være fordelaktig om en stabilisatorarm beveger seg bort fra et tyngdepunkt på en side hvor det er ønskelig med økt dreiemoment fra stabilisatorarmen for å stabilisere fundamentet mot tilt, og/eller det kan være fordelaktig om en stabilisatorarm beveger seg mot tyngdepunktet på en side hvor det er ønskelig med mindre dreiemoment fra stabilisatorarmen for å stabilisere fundamentet mot tilt. Ettersom dreiemomentet er gitt ved kraft ganger arm, er det fordelaktig, dersom det er ønskelig å øke dreiemomentet å øke både kraften og armen, mens det er fordelaktig å redusere kraft og arm om det er ønskelig med et lavere dreiemoment.

I en utførelsesform av oppfinnelsen som vist i fig.5 kan fundamentet 12 omfatte én stabilisatorarm 30 med en overarm 32 i form av en eller flere bjelker som rager ut fra fundamentet/tårnet 12,14, og med én underarm 34 fritt opphengt i overarmen 32. Stabilisatorarmen 30 kan da være opphengt slik at den, når fundamentet står i en normalstilling, på stille hav, er delvis nedsenket i vannmassen 20. Andelen av stabilisatorarmen som befinner seg under havets overflate når fundamentet står i normalstillingen kan være 50%, 30%, 70%, under 30% eller over 70%. «Andelen» kan vise til en andel av volumet av stabilisatorarmen eller en andel av massen til stabilisatorarmen. Ved en slik utførelsesform vil en tilt av fundamentet i én første retning senke stabilisatorarmen 30 slik at andelen som befinner seg under overflaten økes, mens tilt i en andre, motsatt retning, vil heve stabilisatorarmen slik at andelen som befinner seg under overflaten minskes. Når andelen av stabilisatorarmen som befinner seg under overflaten økes vil kraften som påføres fundamentet fra stabilisatorarmen reduseres. Når andelen av stabilisatorarmen som befinner seg under overflaten minskes, vil kraften som påføres fundamentet fra stabilisatorarmen økes. I utførelsesformen kan stabilisatorarmen være avhengt på en side av fundamentet, foran på fundamentet, eller bak på fundamentet.

Fig. 5 viser ett tårn 14 som er festet til det delvis nedsenket fundamentet 12, og der fundamentet omfatter et hovedsakelig langstrakt og horisontalt anordnet flyteelement 40 som i en fremre del har en forankring 42 for svingbar forankring.

I utførelsesformer av fundamentet hvor det har to eller flere stabilisatorarmer kan disse være symmetrisk festet til fundamentets stive struktur, slik som eksempelvis vist i fig.6. Andelen av hver stabilisatorarm 30 som under rolige forhold, når fundamentet/tårnet 12,14 står i normalstillingen, befinner seg under havoverflaten kan være lik for hver stabilisatorarm eller ulik. Andelen av en eller flere stabilisatorarmer som befinner seg under havoverflaten kan være 0%, eller over 0%. Andelen kan være 100%.

Fig. 6 viser ett tårn 14 som er festet til et stående og delvis nedsenket fundament 12, og der fundamentet omfatter en innretning 42 for svingbar forankring.

Stabilisatorarmen kan være utformet som en sylinder, som en kjegle, som en kube, eller ha en hvilken om helst annen form som er passende for formålet ved stabilisatorarmen.

Centre of Buoyancy - COB beskriver oppdrifts tyngdepunkt (senter for innretningens oppad virkende kraft). Centre of Gravity - COG beskriver innretningens tyngdepunkt (senter for innretningens nedad virkende kraft). Righting arm Distance - GZ, jo lengre rettende arm, jo mindre oppdrift trenger man på enden av armen for å få samme stabilitet.

Lav COG og høy COB resulterer i god stabilitet da GZ «rettende arm» blir lang ved påført krengning.

Vindmøllekonstruksjonen vist i fig.6 er kun utstyrt med ett tårn 14, hvilket tilsier at «senter oppdriften» kan være et legeme (plattform) som rager nedover i en vannmasse. Fig.1-5 viser et legeme (flyteelementet 40) som ligger horisontalt i en vanmasse. I de viste tilfellene ligger senter oppdriften nær opptil vannmassen noe som resulterer i en høytliggende COB som igjen er bra for stabilitet.

Claims

Patentkrav

1. Flytende vindmøllekonstruksjon, omfattende et fundament (12) som er delvis nedsenket i en vannmasse (20), der det delvis nedsenket fundamentet (12) understøtter minst et tårn (14) utstyrt med en vindmølle (16), karakterisert ved at nevnte fundament (12) omfatter en eller flere utadragende stabilisatorarmer (30), der nevnte stabilisatorarm(er) (30) rager ut fra fundamentet (12) i et område over en vannflate til vannmassen (20).

2. Flytende vindmøllekonstruksjon i samsvar med krav 1, karakterisert ved at stabilisatorarmen (30) omfatter en overarm (32) og en underarm (34).

3. Flytende vindmøllekonstruksjon i samsvar med krav 2, karakterisert ved at underarmen (34) er anordnet med en vinkel i forhold til overarmen (32).

4. Flytende vindmøllekonstruksjon i samsvar med krav 2, karakterisert ved at underarmen (34) er forbundet til overarmen (32) i en ledd- eller hengselforbindelse (36).

5. Flytende vindmøllekonstruksjon i samsvar med krav 2, karakterisert ved at underarmen (34) er fritt opphengt til overarmen (32).

6. Flytende vindmøllekonstruksjon i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det delvis nedsenket fundamentet (12) understøtter et første og et andre tårn (14) som i forhold til hverandre er sidestilte og skråstilte, der en første stabilisatorarm (30) til det første tårnet (14) rager ut i motstående retning i forhold til en andre stabilisatorarm (30) til det andre tårnet (14).

7. Flytende vindmøllekonstruksjon i samsvar med krav 6, karakterisert ved at den første og den andre stabilisatorarmen (30) er festet til en skulderaksel (44) som løper mellom det første og det andre tårnet (14).

8. Flytende vindmøllekonstruksjon i samsvar med krav 1, karakterisert ved at fundamentet (12) omfatter et langstrakt flyteelement (40) som i en fremre del har en forankring (42) for svingbar forankring og som i en bakenforliggende del omfatter nevnte tårn (14).

9. Flytende vindmøllekonstruksjon i samsvar med krav 8, karakterisert ved at det langstrakte flyteelementet (40) er innrettet til å flyte under vannflaten i vannmassen (20).

10. Flytende vindmøllekonstruksjon i samsvar med krav 1, karakterisert ved at under tilting av vindmøllekonstruksjon i vannmassen (20) er nevnte stabilisatorarmer (30) innrettet til å tilføre en rettende kraft til vindmøllekonstruksjonen.

11. Flytende vindmøllekonstruksjon i samsvar med krav 1, karakterisert ved at nevnte stabilisatorarm(er) (30) rager ut og ned fra fundamentet (12) mot vannflaten til vannmassen (20), og i det minste under tilting av vindmøllekonstruksjon rager nevnte stabilisatorarm (30) ned i vannmassen (20) og er innrettet til å bremse og stabilisere vindmøllekonstruksjonens bevegelse.

12. Flytende vindmøllekonstruksjon i samsvar med krav 1, karakterisert ved at nevnte stabilisatorarm(er) (30) omfatter en nedre bremsekrage (38).

13. Flytende vindmøllekonstruksjon i samsvar med krav 12, karakterisert ved at bremsekragen (38) er en utadragende sirkulær skive frembrakt på stabilisatorarmens (30) ytre og nedre ende.