NO20230302A1 - - Google Patents

Description

TURBINSTRUKTUR FOR EN FLERHET VINDTURBINER

Denne patentsøknaden omhandler en ny type turbinstruktur for en flerhet vindturbiner som gjør det mulig å bygge enklere, lettere, større og rimeligere strukturer. Oppfinnelsens område er som definert i innledningen i krav 1. Man vil også med denne teknologien ifølge oppfinnelsen, kunne bygge betydelig høyere strukturer og på den måten få et mindre arealmessig fotavtrykk pr produsert kilowattime elektrisk energi.

Strukturer ifølge oppfinnelsen vil kunne benyttes både på landbaserte og flytende konsepter.

BAKGRUNN

Utvikling av vindkraftteknologi: Utviklingen av dagens vindkraftteknologi har sin opprinnelse i enkle vindmøller som ble brukt til å male korn og pumpe vann. Det var spesielt i Nederland man først utviklet og tok i bruk denne teknologien. Senere fant man ut at man kunne benytte vindmøller som turbiner til å produsere elektrisk strøm, ved å koble rotoren til en dynamo. Utviklingen fortsatte og man utviklet større og større og mere avanserte vindturbiner. Vindturbinene var i denne perioden utelukkende plassert på land.

Ettersom stadig flere vindturbiner ble bygget, begynte man å plassere vindturbinene på grunt vann i havet, der vindturbinene var fundamentert til bunnen. I den senere tid han man også begynt å plassere vindturbiner på store flytere på dypt vann.

Frem til nå har alle vindturbiner i prinsippet vært helt like. De har nesten alle en yaw-funksjon. Det vi si at generatoren og rotoren blir dreiet ved hjelp av en liten elektrisk motor, slik at rotoren alltid peker mot vindretningen. De aller fleste konvensjonelle vindturbiner har også pitch-blader, der bladene kan roteres rundt sin lengdeakse i forhold til vindstyrken.

Det er verdt å merke seg at det er kommet noen konsepter som utfordrer den etablerte teknologi. Det er bla. kjent multirotor-teknolog, der mange relativt små vindturbiner er plassert i en stor konstruksjon montert på en flyter, der hele konstruksjonen dreies om en turret, slik at turbinene alltid vender mot vindretningen.

SAMMENDRAG AV OPPFINNELSEN

Turbinstrukturen gjør det mulig på en effektiv, kostnadsbesparende og arealeffektiv måte å etablere og benytte multirotor-teknologi på land. Løsningen kan benyttes til vindkraftanlegg både på land og til havs, dvs. som bunnfaste eller på flytende installasjoner.

For å kunne utnytte denne teknologien optimalt på land, vil det i de fleste tilfeller være en forutsetning at man etablerer den på steder med mest mulig ensrettet vindretning og der det i tillegg er kraftig vind relativt ofte.

For å kunne etablere vindkraftverk med multirotor-teknologi både lokalisert på land og på en flytende installasjon, ifølge denne oppfinnelsen, var det en del utfordringer som måtte finne sin løsning og løsningene er funnet og omtalt i denne patentsøknaden.

Ifølge oppfinnelsen er det frembrakt en turbinstruktur for en flerhet vindturbiner, omfattende minst to opprett stående tårn hvert med innbyrdes avstand, idet hvert tårn nederst er festet til et underliggende fundament via et hengsel. Hvert tårn er forbundet med et naboliggende tårn med et antall tårnkabler, for å sikre at tårnene i drift holdes innbyrdes parallelle. Turbinstrukturen er sikret med fremre og bakre skråstilte kabler som forbinder tårnene med et underlag, for å styre turbinstrukturens svingebevegelse frem og tilbake om hengslene mot eller med en dominerende vindretning. På fremsiden av hvert tårn er det tilveiebrakt et antall vindturbiner over hverandre oppetter tårnet.

I en utførelsesform støttes hvert ytre tårn i en rekke av tårn av en eller flere sideveis kabler for avstivning, og for å holde tårnene tilnærmet innbyrdes parallelt begrenset, og slik at tårnkablene mellom to tårn holdes strammet.

I en utførelsesform har kablene på fremsiden og baksiden av tårnene individuell forspenning som er utført på en slik måte at når vinden presser tårnene bakover vil de beholde en tilnærmet rett linje og man unngår å få store spenning og påfølgende utmattelse i turbinstrukturen, og hele turbinstrukturen beveger seg som en enhet om hengslene.

I en utførelsesform er det montert støttekabler vinkelrett på kablene og ned til små fundamenter på bakken, idet hver av støttekablene omfatter en spiralfjær med en tilhørende støtdemper.

I en utførelsesform er tårnene bygget av ekstrudert lettmetall som er seksjonert i deler tilpasset helikopterløft og der delene blir skrudd sammen.

I en utførelsesform er hver vindturbin montert i en avstand ut fra fremsiden til sitt respektive tårn som gjør det mulig å etablere en heisløsning på tårnets fremside og innenfor vindturbinen.

I en utførelsesform er en heisvogn montert mellom to tårn for vedlikehold eller skifte av vindturbiner på begge sider av to tilstøtende tårn, idet en heisvogn kun er montert i annethvert tårn-mellomrom

I en utførelsesform er heisvognen er festet til tårnene med løpehjul som går inne i delvis lukkede skinner/løpebaner som er en del av turbinstrukturen, og heisvognen beveges opp og ned ved hjelp av vinsjdrevet vaier.

I en utførelsesform blir heisvognen koblet til eksisterende vaiere som henger i delvis lukkede skinnesystemer på fremsiden av tårnene og der vaierne går over løpehjul på toppen av tårnene og ned på baksiden eller på et av sidene av tårnene og ned til et vinsj-system som kan løfte heisvognen opp eller ned.

I en utførelsesform er heisvonen festet til en skinnegående vogn som kan forflytte heisvognen nede på bakken sidelengs i forhold til turbinstrukturen og på denne skinnegående vognen er det etablert en eller flere vinsjer som blir koblet til vaierne som henger på tårnene.

Ifølge oppfinnelsen er turbinstrukturen til landbaserte og havbaserte riggkonstruksjoner.

Utfordringene som er funnet løsning på og omtalt i denne patentsøknaden er:

DESIGN INKLUDERT BARDUNSTØTTE BYGGEMETODE HEIS-SYSTEM

DESIGN IINKLUDERT BARDUNSTØTTE PÅ EN FLYTENDE INSTALLASJON

Disse vesentlige detaljer skal forklares nedenfor under henvisning til de vedlagte figurene, hvori: Figur 1 viser en vindturbinrigg sett rett forfra.

Figur 2 viser et sideriss av en mast med en turbin ragende ut på fremsiden.

Figur 3 viser hvordan hver mast/tårn i riggen er hengslet til en sokkel.

Figur 4 viser et plansnitt av en heis med en arbeidsplattform tilknytte to innbyrdes naboliggende tårn i riggen.

Figur 5 viser et sideriss at deler av et tårn, og antyder plasseringen av heisen med arbeidsplattform i forhold til den utstikkende akslingen med turbin og turbinvinger.

Figur 1 viser en turbinstruktur 10 omfattende tre sidestilte master eller tårn 12 som hver har montert et antall turbingeneratorer slik som vindturbiner 14a,14b på seg. På den midterste masten 12 i figuren er det antydet to slike vindturbiner 14a, 14b. Den ene vindturbinen 14b er montert over den andre vindturbinen 14a på masten 12. Hver vindturbin 14 omfatter turbinblader 16. Sett i et planriss står mastene 12 på linje, idet hver av dem opplagret delvis svingbare om et hengsel-ledd 18 i en sokkel eller et fundament 20 på et underlag 22. Underlaget 22 kan være f.eks. bakken eller del av en flytende konstruksjon. Hengsellagringen av hvert tårn 12 vises forstørret i figurene 2 og 3. Slike hengselledd er i seg selv velkjente.

DESIGN INKLUDERT BARDUNSTØTTE

For at det skal være økonomisk interessant å bygge multirotor-vindkraftverk på land må disse kraftverkene bygges meget store, gjerne med en høyde på 300 meter eller mere og tilsvarende eller større bredde. Dette er utfordrende og turbinstrukturen 10 omfatter mange tårn 12 som står ved siden av hverandre og holdes på plass av en flerhet kabler 40 forankret til bakken både på fremsiden (mot vindretningen) og på baksiden. Dette er vist i figur 2. På hvert tårn 12 kan det gjerne være ni turbingeneratorer 14a,b eller flere anordnet over hverandre på hvert tårn/mast.

For å få en effektiv konstruksjon, blir mange slike tårn 12, plassert ved siden av hverandre hver på sitt hengsle 18. To naboliggende tårn 12 er innbyrdes forbundet med horisontale og skråstilte tårnkabler 15 av stål eller kunstfiber. Naboliggende forstås som et tårn 12 som er plassert nærmest et annet tårn 12. Hvert tårn 12 kan fortrinnsvis være bygget som en velkjent fagverkskonstruksjon med firkantet plansnitt/riss. Fra det ytre tårnet 12 i hver rekke er det dessuten montert et antall skråstilte barduner eller kabler 17 sideveis ned mot et feste på underlaget 22, slik at man oppnår en effektiv fagverksavstivning av vindturbinriggen. Kablene 17 er altså strukket i en retning på tvers av dominerende vindretning. Kablene 17 bidrar til å spenne opp tårnene sideveis slik at tårnkablene 15 mellom hvert tårn hele tiden holdes stramme. Dette settet av tårnkabler 15 mellom hvert tårn og de sideveis strukkede kablene 17 er antydet på figur 1. Et sett av lignende kabler er også strukket mellom tårnene fra ulike høyder og på skrå ned mot et bakkefeste både fra forsiden og baksiden av riggen.

Når man bygger store konstruksjoner på denne måten, vil ikke bare hvert enkelt tårn men også hele konstruksjonen bevege seg litt frem og tilbake som en følge av vindkreftene som virker på den. Dette vil føre til svært store spenninger og utmattelse spesielt på de horisontale bjelkene i hvert tårn. For å unngå dette er problemet løst på følgende måte:

Hvert tårn er forbundet til et fundament 20 på underlaget 22 ved hjelp av hengsleleddet 18.

Fundamentet 20 kan være av betong. Fundamentet 20 og underlaget 22 kan være del av samme element eller konstruksjon. I tillegg har bardunene (som ikke er vist spesifikt på figurene) fremover (mot vindretningen) og bakover forskjellig forspenning og stivhet/tykkelse. Når man gjør det på denne måten, vil hvert tårn 12 rotere på hengslet 18, frem og tilbake som en tilnærmet rett linje og man vil unngå bøyninger og interne spenninger i riggen/konstruksjonen. Det er likevel i enkelte tilfeller en viss fare for at tårnene 12 og kablene 17 kan komme i resonans-svingninger med påfølgende utmattelse og ødeleggelse av konstruksjonen. Dette kan løses ved å sette dempning på bardunkablene 17. I praksis kan dette gjøres ved å montere støttekabler vinkelrett på bardunkablene og ned til små fundamenter på bakken. På disse støttekablene blir det montert en spiralfjær med en tilhørende støtdemper. Hele dempningssystemet kan sammenlignes med fjærsystemet på en personbil. Dette vil stabilisere hele strukturen. Figur 1 viser settene av horisontale og skråstilte tårnkabler 15 mellom tårnene 12, og de skråstilte sideveis kablene 17. Barduner/kabler fra tårnene på skrå framover (mot vindretningen) og bakover mot bakkefeste er ikke vist.

BYGGEMETODE

Det kan være særdeles utfordrende å bygge en konstruksjon ute i terrenget, på fjellplatå eller lignende. Konstruksjonen vil gjerne være 300 meter eller høyere og det finnes i realiteten ikke mobile kransystemer som vil kunne gjøre denne jobben. Bygging av en slik turbinstruktur vil derfor kunne utføresmed helikopter på omtrent samme måte som man i dag bygger kraftlinjer og høye tårn.

For å kunne gjøre dette vil det være en stor fordel at praktisk talt hele turbinstrukturen er av aluminium eller annet lettmetall, for å spare vekt. Som figurene viser kan hvert tårn 12 ha et firkantet planriss. Hele strukturen må designes på en slik måte at den kan stykkes opp i mange seksjoner, som har en vekt tilpasset helikopter-løft og disse seksjonene må så kunne skrues sammen. Dvs. at tårnene er sammensatt i seksjoner som løftes på plass en etter enn oppover i tårnhøyden, hvoretter bardunene monteres samtidig. Det er nødvendig å designe et guide-system som gjør det unødvendig for personell å oppholde seg i konstruksjonen når helikopteret setter på plass en seksjon. Dette guide-systemet har et selv-låsende klikksystem som automatisk låser tårn-delen som henger under helikopteret til tårnet som er under bygging.

HEIS-SYSTEM

For å få et multirotor-vindkraftverk til å fungere, vil det være nødvendig å kunne vedlikeholde og skifte ut turbiner på en enkel og rask måte. Dette kan gjøres med et heis-system som kan betjene alle turbinene.

Det er kjent et heis-system på et multirotor-vindkraftverk på en flytende installasjon. Dette heissystemet omfatter en heis montert bak de fremre tårnene som turbinene er festet på. Denne heisen er montert mellom tårnene, og den blir dermed stående inne i strukturen. Dette systemet vil fungere men det vil mange steder være utfordrende å løfte turbinene forbi de fremste tårnene og gjennom strukturen.

Ifølge denne patentsøknaden er det gjort en del vesentlige forandringer som gjør heis-systemet vesentlig enklere og mere funksjonelt, og slik at det ikke vil forstyrre kabeloppsettet mellom tårnene.

Dette heissystemet er beskrevet med henvisning til figurene 4 og 5:

Turbinene som er montert på tårnene, blir flyttet fremover, slik at det blir en større avstand mellom turbinbladene og framsiden til tårnstrukturen. Avstanden vil typisk kunne være 4 meter eller større for å gjøre plass til en heis med en arbeidsplattform som er bevegbar forankret til fremsiden av tårnene. Når man gjør denne endringen, vil det være mulig å montere heis-systemet på fremsiden av tårnene. Det blir da vesentlig enklere å vedlikeholde eller ta ned/skifte turbiner eller blader.

Det er utviklet et nytt løftesystem for heisen. Heisvognen 30 er montert mellom to tårn 12 men i fremkanten av to tårn 12 ved siden av hverandre, slik det vises på figur 4 og 5, og heisen benyttes til vedlikehold eller til å skifte turbiner på begge sider (av de to tilstøtende tårnene 12) og det er derfor bare nødvendig at heisvognen 30 er montert i annethvert tårn-mellomrom.

Heisvognen 30 kan være festet til tårnene 12 med løpehjul som går inne i delvis lukkede skinner/løpebaner (i bjelker som sammen danner underskårne føringsspor) som er en del av tårnstrukturen, særlig i de fremre hjørnene 36, 38 (fig 4) av de respektive tårnene.

Inne i disse delvis lukkede skinnene (sporene) går det en vaier i hver skinne helt opp til toppen av tårnene, over et løpehjul og ned igjen i en egen løpebane bak de delvis lukkede skinnene.

Langsmed multirotor-strukturen på fremsiden, nede på bakken er det montert en skinnebane (som kan utgjøre arbeidsplattformen med sin heis) og på denne skinnebanen er det en hjulgående vogn.

Vognene kan ha fremdriftsmotor (hydraulisk, elektrisk eller diesel/bensin) eller et vinsj-arrangement for fremdrift.

På denne hjulgående vognen er det montert to store vinsjer 32 hhv 34 som kan kobles til vaierne som går langsmed tårnene, i tillegg er det også en heisvogn oppå den hjulgående vognen. Denne heisvognen kan også kobles til vaierne som henger på tårnene. Den fremre del av plattformen omfatter et utfellbart gitterverk/rekkverk 33 som kan benyttes som et underlag for å lette tilkomsten til deler av turbinen og propellene som rager fremfor riggen.

Heis-systemet fungere på følgende måte: Når man skal skifte ut en turbin eller utføre service, blir den hjulgående vognen 31 kjørt frem til riktig tårn-rekke mellomrom. Løftevaierne (de som henger langsmed tårnene) blir koblet til de to vinsjene på den hjulgående vognen og til heisvognen. I tillegg må den hjulgående vognen festes, f.eks. med kabler, til underlaget, så den ikke blir løftet opp. Løftevaierne blir også koblet til heisvognen.

Det er nå et system som kan løfte heisvognen helt opp til toppen av tårnene og betjene turbiner festet på tårnene på begge sider av heisvognen.

-På heisvognene er det montert diverse utstyr som kraner, jekkesystemer og lignende, som blir brukt til å skifte turbiner eller utføre service.

-På heisvognen er det også praktisk å anlegge et lite oppholdsrom og toalett for det personellet som skal jobbe ut fra heisvognen.

DESIGN INKLUDERT BARDUNSTØTTE PÅ EN FLYTENDE INSTALLASJON

Dersom turbin-strukturen skal etableres på en flytende installasjon, må det gjøres en del endringer. På en flytende struktur vil bardunkablene både foran og bak seil-strukturen måtte ende i tilnærmet et punkt. Man vil ikke her ha muligheten for sideveis bardunering av strukturen. Det betyr at når kablene både foran og bak strukturen ender i et punkt foran strukturen og et punkt bak strukturen og bardunkablene vil derfor trekke tårnrekkene mot sentrum av strukturen. For å hindre dette må det designes relativt kraftige horisontale dragerer på tvers av strukturen og bardunkablene må festes til disse horisontale dragerne eller i den samme høyden som dragerne er plassert.

Det vil også på en slik flytende konstruksjon være nødvendig med forspenning av bardunkablene, men det er ønskelig at denne forspenningen blir så liten som mulig for å unngå at man må overdimensjonere turbin-strukturen og selve flyteren som en konsekvens av høy forspenning.

Når man benytter en relativt lav forspenning vil det få som konsekvens at seilstrukturen vil bevege seg en del og bli presset bakover som en følge av vinden. Dette vil igjen medføre at bardunkablene på baksiden av strukturen blir slakke. Dette i kombinasjon av bevegelser på den flytende konstruksjonen generert av bølger, vil lett føre til at hele turbinstrukturen kan komme i resonans med de fatale følger som det vi medføre.

Dette kan løses ved å holde forspenningen på de bakerste kablene konstant. Dette kan gjøres hydraulisk eller elektrisk/mekanisk, men det enkleste vil kanskje være å benytte lodd festet til de bakerste kablene.

Et eksempel:

Det er 36 kabelbarduner på fremsiden av strukturen og 36 kabelbarduner på baksiden av strukturen. Hver kabel har en MBL («Mean Breaking Load») på 400 tonn. Den maksimale teoretiske belastningen som hver kabel kan bli utsatt for er 100 tonn.

Kablene på baksiden av strukturen, er hver enkelt, festet til et fritthengende lodd med en vekt på 8000 kg. Det er monterte en sperre, slik at loddene ikke kan løftes høyere enn til et visst punkt. Lengden på kablene er tilpasset, slik at når loddene når det høyeste punktet vil tårnstrukturen stå loddrett.

Kablene på fremsiden blir deretter forspent med 10 tonn. Dette medfører at de fritthengende loddene blir trukket opp til sitt høyeste punkt og stoppes av den monterte sperren som hindrer de i å løfte seg mer.

Kablene både på fremsiden og baksiden av strukturen vil nå ha en forspenning på 10 tonn. Når denne strukturen nå blir utsatt for kraftig vind forfra, vil strukturen bli presset litt bakover, med den følge at loddene som er festet til kablene bak strukturen, drar kablene nedover på grunn av tyngden til loddene og kablene på baksiden av strukturen vil aldri ha en forspenning som er mindre enn 8000 kg. Dette systemet vil da kunne hindre at turbins-strukturen kommer i resonans.

Claims (10)

PATENTKRAV

1.

Turbinstruktur (10) for en flerhet vindturbiner (14, 14a,b), omfattende:

minst to opprett stående tårn (12) hvert med innbyrdes avstand, idet hvert tårn (12) nederst er festet til et underliggende fundament (20) via et hengsel (18);

hvert tårn (12) er forbundet med et naboliggende tårn (12) med et antall tårnkabler (15), for å sikre at tårnene (12) i drift holdes innbyrdes parallelle;

turbinstrukturen (10) er sikret med fremre og bakre skråstilte kabler (40) som forbinder tårnene (12) med et underlag (22), for å styre turbinstrukturens (10) svingebevegelse frem og tilbake om hengslene (18) mot eller med en dominerende vindretning;

på fremsiden av hvert tårn (12) er det tilveiebrakt et antall vindturbiner (14, 14a,b) over hverandre oppetter tårnet (12).

2.

Turbinstruktur (10) for en flerhet vindturbiner (14, 14a,b) ifølge krav 1, hvori hvert ytre tårn (12) i en rekke av tårn (12) støttes av en eller flere sideveis kabler (17) for avstivning, og for å holde tårnene (12) tilnærmet innbyrdes parallelt begrenset, og slik at tårnkablene (15) mellom to tårn (12) holdes strammet.

3.

Turbinstruktur (10) for en flerhet vindturbiner (14, 14a,b) ifølge krav 1 og 2, hvori kablene (40) på fremsiden og baksiden av tårnene har individuell forspenning som er utført på en slik måte at når vinden presser tårnene bakover vil de beholde en tilnærmet rett linje og man unngår å få store spenning og påfølgende utmattelse i turbinstrukturen (10), og hele turbinstrukturen (10) beveger seg som en enhet om hengslene (18).

4.

Turbinstruktur (10) for en flerhet vindturbiner (14, 14a,b) ifølge krav 1 og 2, hvori det er montert støttekabler vinkelrett på kablene (40) og ned til små fundamenter på bakken (22), idet hver av støttekablene omfatter en spiralfjær med en tilhørende støtdemper.

5.

Turbinstruktur (10) for en flerhet vindturbiner (14, 14a,b) ifølge et av kravene 1-4, hvori tårnene (12) er bygget av ekstrudert lettmetall som er seksjonert i deler tilpasset helikopterløft og der delene blir skrudd sammen.

6.

Turbinstruktur (10) for en flerhet vindturbiner (14, 14a,b) ifølge et av kravene 1-5, hvori hver vindturbin (14, 14a,b) er montert i en avstand ut fra fremsiden til sitt respektive tårn (12) som gjør det mulig å etablere en heisløsning på tårnets (12) fremside og innenfor vindturbinen (14, 14a,b).

7.

Turbinstruktur (10) for en flerhet vindturbiner (14, 14a,b) ifølge et av de foregående krav, hvori en heisvogn (30) er montert mellom to tårn (12) for vedlikehold eller skifte av vindturbiner (14, 14a,b) på begge sider av to nabotårn (12), idet en heisvogn (30) kun er montert i annethvert tårnmellomrom.

8.

Turbinstruktur (10) for en flerhet vindturbiner (14, 14a,b) ifølge krav 7, hvori heisvognen (30) er festet til tårnene (12) med løpehjul som går inne i delvis lukkede skinner/løpebaner som er en del av turbinstrukturen (10), og heisvognen (30) beveges opp og ned ved hjelp av vinsjdrevet vaier.

9.

Turbinstruktur (10) for en flerhet vindturbiner (14, 14a,b) ifølge krav 7 og 8, hvori heisvognen (30) blir koblet til eksisterende vaiere som henger i delvis lukkede skinnesystemer på fremsiden av tårnene og der vaierne går over løpehjul på toppen av tårnene (12) og ned på baksiden eller på et av sidene av tårnene (12) og ned til et vinsj-system som kan løfte heisvognen (30) opp eller ned.

10.

Turbinstruktur (10) for en flerhet vindturbiner (14, 14a,b) ifølge et kravene 7-9, hvori heisvonen (30) er festet til en skinnegående vogn som kan forflytte heisvognen (30) nede på bakken (20) sidelengs i forhold til turbinstrukturen (10) og på denne skinnegående vognen er det etablert en eller flere vinsjer som blir koblet til vaierne som henger på tårnene (12).

Anvendelse av turbinstrukturen (10) ifølge et av de foregående krav, til anvendelse på landbaserte og havbaserte riggkonstruksjoner.