DE102024000107A1 - Sailing wind turbine vessel capable of pivoting for efficient and resilient energy production and transport - Google Patents
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Abstract
TECHNISCHES GEBIET UND ANWENDUNGSBEREICH
Die Erfindung bezieht sich auf die Weiterentwicklung der Energieproduktion aus Offshore-Windkraft und deren Energietransport mittels eines neuartigen segelnden Windturbinenschiffes.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Erfindung beschreibt ein Windturbinenschiff (1), dass autonom auf hoher See mittels Windturbinen (2) segelt und Energie produziert, diese speichert und transportiert. Das Windturbinenschiff (1) ist ein Mehrrumpfschiff mit drei oder mehr Rümpfen (3), zwischen denen mindestens eine Windturbine (2) installiert ist. Die Rümpfe (3) sind rotationssymmetrisch parallel zur Längsachse des Windturbinenschiffes (1) installiert. Dies ermöglicht es dem Windturbinenschiff (1) zu pivotieren, d.h. um die eigene Längsachse zu rotieren, um resilient bei Seestürmen zu sein. Im Fall, dass es bei starkem Wind oder Wellengang kentert, behält es seine vollständige strukturelle und funktionale Integrität durch seine rotationssymmetrische Konstruktion. Die Windturbinen (2) werden auf zwei Arten gleichzeitig genutzt. Erstens für die Produktion von elektrischer Energie, die an Bord in den Rümpfen (3) gespeichert wird, z. B. in Batterien oder mit Power-to-Hydrogen. Zweitens werden die Windturbinen (2) mittels Gierbewegungen als Segel für den Antrieb und die Steuerung des Windturbinenschiffes (1) verwendet. Damit kann es autonom auf hoher See in Gebieten segeln, an denen die Windbedingungen für die Energieproduktion günstig sind, d.h. stärkere und gleichmäßigere Winde nutzen und die an Bord gespeicherte Energie dorthin transportieren, wo sie ins Energienetz eingespeist werden kann.
TECHNICAL FIELD AND SCOPE OF APPLICATION
The invention relates to the further development of energy production from offshore wind power and its energy transport by means of a novel sailing wind turbine ship.
SUMMARY
The invention describes a wind turbine ship (1) that sails autonomously on the high seas using wind turbines (2) and produces, stores, and transports energy. The wind turbine ship (1) is a multi-hull ship with three or more hulls (3), between which at least one wind turbine (2) is installed. The hulls (3) are installed rotationally symmetrically parallel to the longitudinal axis of the wind turbine ship (1). This enables the wind turbine ship (1) to pivot, i.e., rotate around its own longitudinal axis, in order to be resilient during sea storms. In the event of it capsizing in strong winds or waves, it retains its full structural and functional integrity thanks to its rotationally symmetric design. The wind turbines (2) are used in two ways simultaneously. Firstly, for the production of electrical energy, which is stored on board in the hulls (3), e.g., in batteries or with power-to-hydrogen. Second, the wind turbines (2) are used as sails for propulsion and steering of the wind turbine ship (1) through yaw movements. This allows it to sail autonomously on the high seas in areas where wind conditions are favorable for energy production, i.e., to take advantage of stronger and more consistent winds and transport the energy stored on board to where it can be fed into the energy grid.
Description
ANWENDUNGSGEBIETAREA OF APPLICATION
Die Erfindung bezieht sich auf die Weiterentwicklung der Energieproduktion aus Offshore-Windkraft und deren Energietransport mittels eines neuartigen segelnden Windturbinenschiffes.The invention relates to the further development of energy production from offshore wind power and its energy transport by means of a novel sailing wind turbine ship.
STAND DER TECHNIK UND SEINE VOR- UND NACHTEILESTATE OF THE ART AND ITS ADVANTAGES AND DISADVANTAGES
Der derzeit vorherrschende Stand der Technik für die Offshore-Windenergieproduktion sind horizontale Offshore-Windturbinen, die elektrische Energie erzeugen und über Seekabel in das Stromnetz an Land einspeisen. Kürzlich wurde auch die Verwendung von Gaspipelines in Kombination mit Power-to-X-Technologien anstelle von Stromkabeln untersucht und pilotiert (https://aquaductus-offshore.de). Offshore- Windturbinen können im Vergleich zu Onshore-Windturbinen einen stärkeren und gleichmäßigeren Wind auf See nutzen. Bei den derzeit installierten Offshore-Windturbinen handelt es sich überwiegend um Windturbinen mit festem Fundament, die durch Monopile-, Jacket- oder ähnliche Fundamente auf dem Meeresboden befestigt sind. Diese sind aktuell auf Küstengewässer mit einer Entfernung von bis zu 80 Kilometern von der Küste und einer Tiefe von weniger als 60 Metern beschränkt (
Verankerte schwimmende Offshore-Windturbinen (VSOW) bieten ein großes Potenzial zur Steigerung der Offshore-Windenergieproduktion in naher Zukunft. Die kommerzielle Rentabilität wird voraussichtlich zwischen 2025 und 2030 erwartet (DNV, Floating Offshore Wind: The Next Five Years, 2022). Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass VSOW weniger negative visuelle Auswirkungen haben als Onshore- und Offshore-Windturbinen mit festem Fundament nah an der Küste, da sie außer Sichtweite weiter entfernt von der Küste installiert werden können.Moored floating offshore wind turbines (VSOWs) offer great potential for increasing offshore wind energy production in the near future. Commercial viability is expected between 2025 and 2030 (DNV, Floating Offshore Wind: The Next Five Years, 2022). Another key advantage is that VSOWs have less negative visual impact than onshore and fixed-foundation offshore wind turbines close to the coast, as they can be installed out of sight farther from the coast.
Jedoch haben verankerte schwimmende Offshore-Windturbinen (VSOW) auch folgende strukturelle Nachteile:
- I. EINGESCHRÄNKTE SKALIERBARKEIT - Obwohl VSOW bis zu einer Wassertiefe von 1.000 m als technisch machbar gelten (
), wird die maximale Tiefe für die kommerzielle Realisierbarkeit derzeit bei etwa 200-300 Metern Wassertiefe angenommen (World Bank Energy Sector Management Assistance Program (ESMAP), Offshore Wind Technical Potential Analysis, Going Global Report, 2019 ). Angesichts der durchschnittlichen Tiefe des Ozeans von 3.800 m wird damit nur ein Bruchteil des Offshore-Windpotenzials durch VSOW adressiert. Darüber hinaus sind die Windgeschwindigkeiten in der Regel in weiter Entfernung vom Ufer höher und gleichmäßigere (Impacts of water depth increase on offshore floating wind turbine dynamics, Ocean Engineering Volume 224, 2021 ), aber lassen sich durch die oben beschriebenen Einschränkungen durch VSOW nicht nutzen.Liu et al, Wind power distribution over the ocean, Geophysical Research Letters, Vol. 35, L13808, 2008 - II. HOHE KOMPLEXITÄT/KOSTEN BEI DER INSTALLATION - Schwimmende Plattformen, Verankerungssysteme, dynamische und statische Stromkabel oder Gaspipelines und der Netzanschluss sind komplex und materialintensiv. Die Montage erfordert umfangreiche Hafeninfrastrukturen und die Installation auf offener See führt zu hoher Komplexität/Kosten, da spezielle Offshore-Installationsschiffe benötigt werden4.
- III. HOHER WARTUNGSAUFWAND/-KOSTEN - Materialermüdung, Korrosion und Komplikationen durch Fischereiaktivitäten führen zu zusätzlichen hohen Wartungskosten/-komplexität (
), da häufig Teile repariert und ersetzt werden müssen. Angesichts der rauen Umgebung auf offener See können schwimmende Plattformen und Windturbinen nicht vollständig auf See gewartet werden. Für den Austausch von größeren Komponenten oder um sehr hohe Kosten für oft schwer verfügbare Schwerlastschiffe, die Vorort Komponenten austauschen könnten, zu vermeiden, müssen sie mit speziellen und ebenfalls kostenintensiven Offshore-Installationsschiffen von den Verankerungen und Stromkabeln/Gaspipelines gelöst und zum Hafen zurückgeschleppt werden (Floating Offshore Wind: Market and Technology Review, Carbon Trust, Prepared for the Scottish Government, 2015 ) (sogenanntes „Tow-to-Shore“). All diese Komplexitäten/Kosten nehmen mit der Wassertiefe und der Entfernung von der Küste zu und tragen daher zu den eingangs erwähnten Skalierbarkeitseinschränkungen bei.Operation and maintenance for floating wind turbines: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 163, July 2022 - IV. AERODYNAMISCHE HERAUSFORDERUNGEN - Aufgrund der Plattform- und damit Windturbinenbewegungen auf offener See entlang von sechs Freiheitsgraden (Heben, Schwanken, Schwallen, Rollen, Neigen und Gieren) ergeben sich für VSOW aerodynamische Herausforderungen, die die Energieproduktion verringern und den Verschleiß erhöhen können (
).D. Micallef and A. Rezaeiha, Floating offshore wind turbine aerodynamics: Trends and future challenges, Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 152, 2021 - V. KOMPLEXITÄT DURCH REGULIERUNG - Dauerhafte Installationen in küstennahen Gewässern erfordern umfangreiche Genehmigungen (
). Stromkabel und Verankerungen haben beispielsweise Auswirkungen auf die Fischerei, den Tourismus und die Tierwelt, wodurch Bedenken der Öffentlichkeit entstehen können, die adressiert werden müssen (IRENA and GWEC, Enabling frameworks for offshore wind scaleup: Innovations in permitting, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, 2023 ). Zum dem müssen in der Regel Pachtkosten bezahlt werden.Inside the Global Race to Tap Potent Offshore Wind, IEEE Spectrum, 2023
- I. LIMITED SCALABILITY - Although VSOW are considered technically feasible up to a water depth of 1,000 m (
), the maximum depth for commercial viability is currently assumed to be around 200-300 meters water depth (World Bank Energy Sector Management Assistance Program (ESMAP), Offshore Wind Technical Potential Analysis, Going Global Report, 2019 ). Given the average ocean depth of 3,800 m, this only addresses a fraction of the offshore wind potential through VSOW. Furthermore, wind speeds are generally higher and more consistent further from shore (Impacts of water depth increase on offshore floating wind turbine dynamics, Ocean Engineering Volume 224, 2021 ), but cannot be used due to the restrictions described above by VSOW.Liu et al, Wind power distribution over the ocean, Geophysical Research Letters, Vol. 35, L13808, 2008 - II. HIGH COMPLEXITY/COST OF INSTALLATION - Floating platforms, mooring systems, dynamic and static power cables or gas pipelines, and grid connection are complex and material-intensive. Installation requires extensive port infrastructure, and offshore installation results in high complexity/cost, as dedicated offshore installation vessels are required. 4
- III. HIGH MAINTENANCE EFFORT/COSTS - Material fatigue, corrosion and complications from fishing activities lead to additional high maintenance costs/complexity (
), as parts often need to be repaired and replaced. Given the harsh environment on the open sea, floating platforms and wind turbines cannot be fully serviced at sea. For the replacement of larger components or to avoid very high costs for often hard-to-find heavy loads To avoid damage to vessels that could replace components on-site, they must be detached from the moorings and power cables/gas pipelines using special and equally costly offshore installation vessels and towed back to port (Floating Offshore Wind: Market and Technology Review, Carbon Trust, Prepared for the Scottish Government, 2015 ) (so-called "tow-to-shore"). All these complexities/costs increase with water depth and distance from the coast and therefore contribute to the scalability limitations mentioned above.Operation and maintenance for floating wind turbines: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 163, July 2022 - IV. AERODYNAMIC CHALLENGES - Due to the platform and thus wind turbine movements on the open sea along six degrees of freedom (heave, sway, surge, roll, pitch and yaw), VSOWs face aerodynamic challenges that can reduce energy production and increase wear (
).D. Micallef and A. Rezaeiha, Floating offshore wind turbine aerodynamics: Trends and future challenges, Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 152, 2021 - V. COMPLEXITY DUE TO REGULATION - Permanent installations in coastal waters require extensive permits (
). Power cables and anchorages, for example, have impacts on fishing, tourism, and wildlife, which can raise public concerns that need to be addressed (IRENA and GWEC, Enabling frameworks for offshore wind scaleup: Innovations in permitting, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, 2023 ). In addition, lease costs usually have to be paid.Inside the Global Race to Tap Potent Offshore Wind, IEEE Spectrum, 2023
Angesichts dieser Nachteile wurden verschiedene Ansätze für freischwimmende Offshore-Windturbinen entwickelt. Die folgenden Tabellen beschreiben Referenzen aus dem Stand der Technik, die im Zusammenhang mit dieser Erfindung im Bereich der freischwimmenden Offshore-Windturbinen relevant sind. Die Tabellen benennen die Referenz, beschreiben jeweils den Ansatz mit einer Illustration (falls vorhanden) und beschreiben deren Nachteile, die unter anderem von der hier vorliegenden Erfindung mitigiert werden. Tabelle 1 Referenz (Ref.1)
Zusätzliche relevante Referenzen werden in folgenden Veröffentlichungen zitiert:
- • „Counterintuitive Performance of Land and Sea Yachts“ von Kirk T. McDonald (
), liefert eine historische Übersicht von mit Windkraft angetrieben Propelleryachten.Kirk T. McDonald, Counterintuitive Performance of Land and Sea Yachts Joseph Henry Laboratories, Princeton University, Princeton, New Jersey 08544, 2021 - • „
) liefert einen Vergleich zwischen einigen der oben beschrieben Referenzen.Comparison of optimal power production and operation of unmoored floating offshore wind turbines and energy ships“ von P. Connolly and C. Crawford (Connolly and C. Crawford, Comparison of optimal power production and operation of unmoored floating offshore wind turbines and energy ships, Wind Energy Science, Articles Volume 8,issue 5 WES, 8, 725-746, 2023
- • “Counterintuitive Performance of Land and Sea Yachts” by Kirk T. McDonald (
), provides a historical overview of wind-powered propeller yachts.Kirk T. McDonald, Counterintuitive Performance of Land and Sea Yachts Joseph Henry Laboratories, Princeton University, Princeton, New Jersey 08544, 2021 - • “
) provides a comparison between some of the references described above.Comparison of optimal power production and operation of unmoored floating offshore wind turbines and energy ships” by P. Connolly and C. Crawford (Connolly and C. Crawford, Comparison of optimal power production and operation of unmoored floating offshore wind turbines and energy ships, Wind Energy Science, Articles Volume 8,issue 5 WES, 8, 725-746, 2023
AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION
Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben beschriebenen Nachteile und andere Nachteile des Stands der Technik für die Produktion und den Transport von Offshore-Windenergie zu überwinden. Das Ziel besteht darin, eine bessere Lösung zu entwerfen, die letztendlich die Effizienz verbessert, d. h. die Energieproduktion von Offshore-Windturbinen erhöht und/oder die Kosten senkt. Dieses Gesamtziel kann in die folgenden Unterziele unterteilt werden, die das hier vorgestellte segelnde Windturbinenschiff (1) erreichen soll:
- I. Erhöhung der Energieproduktion von Offshore-Windturbinen
- a) Erhöhung der Energieproduktion bei einer gegebenen Windkapazität
- b) Skalierung der Energieproduktion durch Erhöhung der adressierbaren Windkapazität
- II. Senkung der Kosten für die Offshore-Windenergieproduktion und deren Transport
- a) Senkung der Kosten bei der Fertigung und der Installation
- b) Senkung der Kosten während der Energieproduktion
- c) Senkung der Kosten für den Energietransport
- I. Increasing energy production from offshore wind turbines
- a) Increasing energy production for a given wind capacity
- b) Scaling energy production by increasing addressable wind capacity
- II. Reducing the costs of offshore wind energy production and transport
- a) Reducing manufacturing and installation costs
- b) Reducing costs during energy production
- c) Reducing the costs of energy transport
Der Abschnitt VORTEILE DER ERFINDUNG nimmt Bezug auf diese Zielsetzungen und beschreibt inwieweit sie erreicht werden durch das hier vorgestellte segelnden Windturbinenschiff (1) fähig zu Pivotieren für effiziente und resiliente Energieproduktion und Energietransport. Resilienz wird als Teil der Kostensenkung bei der Energieproduktion und für ersetzende Neuanfertigungen und Neuinstallationen betrachtet, da Resilienz Schäden, Reparatur- und Ersatzkosten reduziert.The ADVANTAGES OF THE INVENTION section refers to these objectives and describes how they are achieved by the sailing wind turbine vessel (1) presented here, capable of pivoting for efficient and resilient energy production and energy transport. Resilience is considered a component of cost reduction in energy production and for replacement new construction and new installations, as resilience reduces damage, repair, and replacement costs.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein segelndes Windturbinenschiff (1) fähig zu Pivotieren für effiziente und resiliente Energieproduktion und Energietransport. Die Zeichnungen
- 1. Rotationssymmetrische Mehrrumpfschiffsarchitektur für die Fähigkeit zu Pivotieren
- 2. Segelmechanismus mit Steuerung der Windturbinenausrichtung zu Wind und Rümpfen
- 3. Elastische Halterung der segelnden Windturbinen mit freiem Rotorraum für die Fähigkeit zu Pivotieren
- 4. Aktive Kugelgelenksteuerung zum Gieren, Rollen und Neigen der Windturbinen
- 5. Oszillierende Blatteinstellung während der Rotorrotation zur Optimierung beim Gieren
- 6. Energiespeicherung an Bord mit hybridem elektromechanischen Energiemanagementsystem
- 7. Flutbare Rümpfe für absichtliches Pivotieren des Windturbinenschiffes und Unterwasserschutz
- 8. Zusätzliche Rumpfverbesserungen
- 8.1. Finnen zur Reduktion der Abdrift und Verbesserung beim Kreuzen und Amwindsegeln
- 8.2. Rumpferweiterungen mit Windtrichtereffekt
- 8.3. Rumpfformen für die Fähigkeit zu Pivotieren
- 1. Rotationally symmetrical multihull ship architecture for pivoting capability
- 2. Sail mechanism with control of the wind turbine orientation to the wind and hulls
- 3. Elastic mounting of the sailing wind turbines with free rotor space for the ability to pivot
- 4. Active ball joint control for yaw, roll and pitch of the wind turbines
- 5. Oscillating blade adjustment during rotor rotation to optimize yaw
- 6. On-board energy storage with hybrid electromechanical energy management system
- 7. Floodable hulls for intentional pivoting of the wind turbine vessel and underwater protection
- 8. Additional hull improvements
- 8.1. Fins to reduce drift and improve tacking and close-hauled sailing
- 8.2. Hull extensions with wind funnel effect
- 8.3. Hull shapes for pivoting ability
1. Rotationssymmetrische Mehrrumpfschiffsarchitektur für die Fähigkeit zu Pivotieren1. Rotationally symmetrical multihull ship architecture for pivoting capability
Die Architektur des Windturbinenschiffes (1) umfasst mindestens drei Rümpfe (3) die rotationssymmetrisch entlang der Längsachse des Windturbinenschiffes (1) installiert sind.
Die rotationssymmetrische Architektur ermöglicht es dem Windturbinenschiff (1) sich um seine eigene Längsachse zu pivotieren, wenn es in Seestürmen von starkem Wind oder Wellengang betroffen ist. D.h. das Windturbinenschiff (1) kann kentern und behält dabei seine vollständige strukturelle und funktionale Integrität durch die rotationssymmetrische Konstruktion. Die Fähigkeit zu Pivotieren ermöglicht eine leichtgewichtige Konstruktion des Windturbinenschiff (1), da keine konstruktiven Gegenmaßnahmen gegen das Kentern im Falle von Seestürmen, starken Windböen oder sogenannten „Monsterwellen“ oder anderen rauen Wetterbedingungen berücksichtigt werden müssen.
Alle Installationen auf dem Windturbinenschiff (1) müssen die Fähigkeit zu Pivotieren berücksichtigen und somit die Funktionsfähigkeit in jeder beliebigen Ausrichtung um die Längsachse des Windturbinenschiffes (1) gewährleisten. Die in den folgenden Abschnitten vorgestellten Vorrichtungen und Verfahren berücksichtigen diese Anforderung.All installations on the wind turbine vessel (1) must take into account the ability to pivot, thus ensuring functionality in any orientation around the longitudinal axis of the wind turbine vessel (1). The devices and procedures presented in the following sections take this requirement into account.
2. Segelmechanismus mit Steuerung der Windturbinenausrichtung zu Wind und Rümpfen2. Sail mechanism with control of the wind turbine orientation to the wind and hulls
Die Windturbine (2) lässt sich flexibel in den Wind positionieren. Die Rotationsachse kann unterschiedliche Gierwinkel (Um keine potentiellen Anwendungsfälle auszuschließen gelten auch beliebige Gradzahlen für γ) relativ zur Windrichtung haben, z.B. von γ > -90° bis γ < 90°, abhängig von den Windbedingungen und dem Navigationsziel bzw. dem dazu notwendigen Segelkurs, wie in
Auch die Richtung des Schiffsrumpfes (3) lässt sich flexibel in den Wind oder gegen den Wind drehen, ähnlich wie bei einem Segelboot (SB). Diese Kombination aus Ausrichtung der Windturbine (2) und des Rumpfes (3) zum Wind ermöglicht es dem Schiff (1), verschiedene Kurse zu segeln, einschließlich des Kreuzens gegen den Wind. Der hier vorgestellte Segelmechanismus nutzt die Windkräfte, die durch aerodynamische Eigenschaften derzeit vorherrschender Windturbinen mit horizontaler Achse (HAWT) und flügelförmigen Rotorblättern (6) erzeugt werden in Kombination mit geeigneten Gierstellungen. Flügelförmige Rotorblätter (6) erzeugen Auftrieb und Widerstand, wenn sich die Windturbine (2) dreht. Sie spielen eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der aerodynamischen Leistung und der strukturellen Haltbarkeit der Rotorblätter (
Die Auftriebskraft (A) wird in ein Drehmoment (D) und eine Schubkraft (S) zerlegt. Das Drehmoment (D) dreht den Rotor und erzeugt elektrische Energie mittels des Generators in der Windturbine (2). Die Schubkraft (S) zeigt senkrecht zur Rotorebene leewärts entlang der Rotationsachse der Windturbine (2). In einer typischen stationären Windturbine wird diese Schubkraft (S) vom Turm der Windturbine absorbiert und erzeugt eine Reaktionskraft R(dr) in
In der hier präsentierten Erfindung wird diese Schubkraft (S) genutzt, um die strukturell mit der Windturbine (2) verbundenen Schiffsrümpfe (3) im Wasser nach Lee zu drücken. Aufgrund des Wasserwiderstands an der Leeseite des Rumpfs (3) bewegt sich das Schiff daher durch eine Vektorkraftzerlegung vorwärts, wie im Folgenden beschrieben.In the invention presented here, this thrust force (S) is used to push the ship's hulls (3), which are structurally connected to the wind turbine (2), to leeward in the water. Due to the water resistance on the leeward side of the hull (3), the ship therefore moves forward through a vector force decomposition, as described below.
Das Windturbinenschiff (1) nutzt diese Schubkraft (S) zum Segeln, ähnlich einer Auftriebskraft (FAS), die ein gewölbtes Segel im Wind erzeugt. Diese Auftriebskraft (FAS) die zusammen mit einer Abdriftwiderstandskraft (Fws) am Kiel bzw. der Seitenlinie des Segelbootsrumpfs zu einer Vorwärtskraft (Fvs) des Segelboots (SB) führt, wie in
Der Segelmechanismus wird durch zwei Steuerungen kontrolliert: Erstens werden die Windturbinen (2) flexibel in den Wind gedreht. Die Rotationsachse kann unterschiedliche Gierwinkel relativ zur Windrichtung haben, wie in
Anstatt den Gierwinkel der Windturbinen (2) unterschiedlich zu steuern, kann der gleiche Effekt durch aerodynamisches Bremsen der Windturbinen (2) durch Veränderung der Rotorblatteinstellung oder mechanisches Bremsen der Windturbinen (2) an der Rotorwelle erzielt werden. Die gebremsten Windturbinen (2) erzeugen eine geringere Auftriebskraft (A) und damit auch eine geringere Schubkraft (S). Aufgrund der relativ geringeren seitlichen Kraft am Heck (Backborddrehung) bzw. an der Vorderseite (Steuerborddrehung) drehen sich die Rümpfe (1) um den Mittelpunkt des Windturbinenschiffes (1) in die gewünschte Bewegungsrichtung.Instead of controlling the yaw angle of the wind turbines (2) differently, the same effect can be achieved by aerodynamically braking the wind turbines (2) by changing the rotor blade setting or by mechanically braking the wind turbines (2) on the rotor shaft. The braked wind turbines (2) generate a lower lift force (A) and thus also a lower thrust force (S). Due to the relatively lower lateral force at the stern (port turn) or at the front (starboard turn), the hulls (1) rotate around the center of the wind turbine vessel (1) in the desired direction of movement.
Die hier vorgestellte Erfindung des Segelmechanismus mit Windturbinen (2) ist abgeleitet vom Segelkonzept von Segelbooten (SB), jedoch handelt es sich nicht um dasselbe Konzept, sondern um eine Weiterentwicklung.
- • Beim Segelmechanismus eines Segelboots (SB) erfolgt die Umwandlung von Windenergie in kinetische Energie, die das Segelboot (SB) bewegt, direkter. Der Wind umströmt das gewölbte Segel (Schritt 1) und erzeugt ein Auftrieb (Schritt 2). Diese Auftriebskraft (FAS) ergibt zusammen mit der Driftwiderstandskraft (FWS) des Segelboots die Vorwärtskraft (FVS) (Schritt 3).
- • Beim Segelmechanismus des Windturbinenschiffs (1) ist es indirekter und erfordert einen zusätzlichen Energieumwandlungsschritt. Der Wind umströmt die Rotorblätter (6) (Schritt 1) und erzeugt einen Auftrieb auf der Oberseite des flügelförmigen Rotorblatts (6) (Schritt 2). Diese Auftriebskraft (L) wird in eine Schubkraft (S) senkrecht zur Rotorebene und ein Drehmoment (D) zerlegt (siehe
15 ) (Schritt 3). Die Schubkraft (S) drückt die Windturbine (2) entlang der Rotationsachse in Lee-Richtung (siehe17 ). Diese Schubkraft (S) wird wie die Auftriebskraft (FAS) am Segel des Segelboots (SB) verwendet, die zerlegt wird und zu einer Vorwärtskraft (FFV) des Windturbinenschiffes (1) führt. Dieser letzte Schritt bezieht sich auf (Schritt 3) des Segelmechanismus des Segelboots (SB) und entspricht (Schritt 4) des Segelmechanismus des Windturbinenschiffs (1).
- • In the sail mechanism of a sailboat (SB), the conversion of wind energy into kinetic energy, which moves the sailboat (SB), occurs more directly. The wind flows around the curved sail (step 1) and creates lift (step 2). This lift force (F AS ), together with the drag force (F WS ) of the sailboat, produces the forward force (F VS ) (step 3).
- • In the sail mechanism of the wind turbine ship (1), it is more indirect and requires an additional energy conversion step. The wind flows around the rotor blades (6) (step 1) and creates a lift on the upper side of the wing-shaped rotor blade (6) (step 2). This lift force (L) is decomposed into a thrust force (S) perpendicular to the rotor plane and a torque (D) (see
15 ) (Step 3). The thrust force (S) pushes the wind turbine (2) along the rotation axis in the leeward direction (see17 ). This thrust force (S) is used like the lift force (F AS ) on the sail of the sailboat (SB), which is decomposed and results in a forward force (FFV) of the wind turbine vessel (1). This last step refers to (step 3) the sail mechanism of the sailboat (SB) and corresponds to (step 4) the sail mechanism of the wind turbine vessel (1).
Daher ist ein zusätzlicher Schritt, d. h. eine zusätzliche Kraftzerlegung wie im Flussdiagramm in
Während die Rotation der Windturbine (2) wie oben beschrieben für den Antrieb des Windturbinenschiffes (1) genutzt wird, erzeugt die Rotation der Windturbine (2) gleichzeitig elektrische Energie. Mit zunehmendem Gierwinkel, der ein grundlegendes Merkmal des oben genannten Mechanismus ist, wird jedoch die Umwandlung von kinetischer Windenergie in elektrische Energie verringert. Die Verringerung der dem Wind zugewandten Rotorfläche und aerodynamische Effekte wie z.B. dynamischer Strömungsabriss an den Rotorblättern wirken sich auf die Leistungsabgabe aus. Diese Effekte wurden für Onshore- und Offshore-Windturbinen intensiv untersucht (
3. Elastische Halterung der segelnden Windturbinen mit freiem Rotorraum für die Fähigkeit zu Pivotieren3. Elastic mounting of the sailing wind turbines with free rotor space for the ability to pivot
Die Anpassung des Gierwinkels and den gewünschten Segelkurs ist wesentlich für den Segelmechanismus des Windturbinenschiffes (1) wie in Abschnitt 2 beschrieben. Damit die Windturbinen (2) in verschiedenen Gierwinkeln γ > -90° bis γ < 90° weiterhin frei rotieren können, ist eine Halterung (4) erforderlich, die die Rotorblätter (6) beim Rotieren in keinem Gierwinkel blockiert. Bei einer typischen stationären Windturbine steht der Turm der Windturbine senkrecht zur Rotorachse. Beim stationären Aufbau ermöglicht diese Montageart ein blockierungsfreies Drehen der Windturbine (2) in jedem beliebigen Gierwinkel. Jedoch benötigt die hier vorgestellte Erfindung durch die rotationssymmetrische Mehrrumpfskonstruktion für die Fähigkeit zu Pivotieren, wie in Abschnitt 1 vorgestellt eine andere Halterung (4). Nach dem Pivotieren um die Längsachse des Windturbinenschiffes (1) müssen die Rotorblätter (6) immer noch frei rotieren können bei jedem Gierwinkel und dürfen nicht durch die Halterung (4) blockiert werden. Die Halterung der Windturbine auf einem Turm (T) oder einer ähnlichen senkrecht zur Rotorachse befindenden Halterung, würde den Rotor blockieren, wie in
Die Halterung (4) muss einen Freiraum (FR) für die Rotation der Rotorblätter nach jeder Pivotierung des Windturbinenschiffes (1) bieten. In diesem freien Rotorraum (FR) können keine Halterungen (4) für die Windturbinen (2) montiert werden.The bracket (4) must provide a clearance (FR) for the rotation of the rotor blades after each pivoting of the wind turbine vessel (1). No brackets (4) for the wind turbines (2) can be mounted in this clearance (FR).
Um den freien Rotorraum (FR) zu erhalten, müssen die Halterungen (4) zunächst der Richtung entlang der Rotorachse bei Gierwinkel = 0° folgen, in diesem Fall gleich der Längsachse des Windturbinenschiffes (1), bevor die Halterungen (4) senkrecht zur Rotorachse verlaufen können. In letzterer Richtung müssen die Halterungen (4) schließlich mit den Rümpfen (3) strukturell verbunden werden, um eine funktionsfähige Statik des Windturbinenschiffes (1) mit den Windturbinen (2) zu gewährleisten.
Die hier präsentierte Erfindung fokussiert sich auf elastisch gebogene Halterungen (4). Elastisch gebogene oder verformte Materialien wie Metalle verformen sich beim Pressen, Ziehen und Verdrehen und können in ihre ursprüngliche Form zurückkehren, nachdem äußere Kräfte und Drücke, die die Verformung verursacht haben, aufhören (
Die Rückstellkräfte (FR) wirken senkrecht von der Längsachse weg und drücken so die Rümpfe (3) nach außen, d. h. die Rückstellkräfte (FR) wirken als expandierende Kräfte auf die Architektur der Rümpfe (3). Umgekehrt ziehen die kontrahierenden Kräfte (FK) der Wanten (5) die Rümpfe (3) zusammen. Insgesamt wirken die beiden Kräfte (FK) und (FR) in entgegengesetzte Richtungen. Im Gleichgewicht halten die kontrahierenden Kräfte (FK) und die Rückstellkräfte (FR) somit die Windturbine (2) und sorgen für eine stabile Statik. Gleichzeitig sorgen sie für eine elastische Halterung (4) der Windturbinen (2), die zur Stabilität und Resilienz des Windturbinenschiffes (1) beiträgt, da sowohl die Windturbinen (2) als auch die Rümpfe (3) federnd aufgehangen sind.The restoring forces (F R ) act perpendicularly away from the longitudinal axis and thus push the hulls (3) outwards, i.e. the restoring forces (F R ) act as expanding forces on the architecture of the hulls (3). Conversely, the contracting forces (F K ) of the shrouds (5) pull the hulls (3) together. Overall, the two forces (F K ) and (F R ) act in opposite directions. The contracting forces (F K ) and the restoring forces (F R ) thus keep the wind turbine (2) in balance and ensure stable statics. At the same time, they ensure an elastic mounting (4) for the wind turbines (2), which contributes to the stability and resilience of the wind turbine ship (1), since both the wind turbines (2) and the hulls (3) are spring-mounted.
Wie die Windturbinen (2) mit den oben beschriebenen Halterungen (4) verbunden werden, wird im nächsten Abschnitt 4 beschrieben.How the wind turbines (2) are connected to the brackets (4) described above is described in the
4. Aktive Kugelgelenksteuerung zum Gieren, Rollen und Neigen der Windturbine (2)4. Active ball joint control for yaw, roll and pitch of the wind turbine (2)
Die Gierbewegung der Windturbine (2) ist bereits in Abschnitt 2 beschrieben und wie die Steuerung des Gierwinkels für den Segelmechanismus des Windturbinenschiffs (1) verwendet wird. Zusätzlich wird die Gierbewegung der Windturbine (2) auch durch die Gierbewegung des Windturbinenschiffs (1) beeinflusst, die wiederum durch die See- und Windbedingungen beeinflusst wird durch z.B. durch Wellen, Strömungen, Windböen oder unterschiedliche Windstärken in verschiedenen Höhen sog. Windscherung. In ähnlicher Weise werden die Roll- und Neigebewegungen der Windturbine (2) auch durch die Roll- und Neigebewegungen des Windturbinenschiffes (1) beeinflusst, die wiederum durch die See- und Windbedingungen beeinflusst werden. Dazu gehört auch die Krängung des Schiffes (1), im Prinzip eine länger andauernde Rollbewegung des Windturbinenschiffes (1), die durch die Windkraft auf die Segel bzw. hier die Windturbinen (2) verursacht wird. All dies kann sich negativ auf die Windströmung durch die Rotorebene der Windturbine (2) und damit auf die Energieproduktion auswirken. Unkontrollierte Roll-, Neige- und Gierbewegungen der Windturbine (2) verkleinern die dem Wind zugewandte Rotorfläche und verändern die Windströmungen an den flügelförmigen Rotorblättern. Dies verringert die Leistungsabgabe, wie bereits in
Aus diesem Grund weißt die vorliegende Erfindung eine Steuerung der Roll-, Neige- und Gierbewegungen der Windturbine (2) mittels eines aktiven Kugelgelenkes (8) auf. Zum einen wird das aktive Kugelgelenk (8) genutzt, um den Gierwinkel der Windturbine (2) für den Segelmechanismus des Windturbinenschiffes (1) zu steuern. Zum anderen wird das aktive Kugelgelenk (8) genutzt, um den durch die See- und Windbedingungen hervorgebrachten Roll-, Neige- und Gierbewegungen der Windturbine (2) entgegenzuwirken und diese damit zu neutralisieren.
Die horizontale Kugelgelenkinstallation bietet eine achsensymmetrische leichtgewichtige Lösung. Es erfordert jedoch ein starkes aktives Kugelgelenkdrehmoment, um schwere Windturbinen (2) zu halten. Die vertikale aktive Kugelgelenkinstallation sorgt für eine günstigere Statik. Allerdings ist als zusätzliches Element ein Drehmotor (7) erforderlich. Der Drehmotor (7) dreht z. B. elektrisch oder hydraulisch oder anderweitig das aktive Kugelgelenk (8) zusammen mit der installierten Windturbine (2) um die Längsachse des Windturbinenschiffes (1). Dies ermöglicht die Windturbine (2) nach dem Pivotieren des Windturbinenschiffes (1) in diese nach unten hängende Position zurückzusetzen. Diese Option hat eine günstigere Statik, da die Windturbine (2) an ihrem Massenschwerpunkt fixiert werden kann, wodurch die Kräfte, die auf das aktive Kugelgelenk (8) wirken, geringer sind. Wenn es für die Funktionsweise des aktiven Kugelgelenks (8) technisch vorteilhafter ist, kann die Windturbine (2) auch auf die gleiche Weise stehend auf dem aktiven Kugelgelenk (8) installiert werden. D.h. durch eine 180°-Drehung des vertikalen aktiven Kugelgelenks (8), so dass die Schwerkraft den Kugelkopf in das Kugelgelenkgehäuse drückt, siehe rechte Seite von
Das aktive Kugelgelenk kann elektromechanisch gebaut und gesteuert werden, wie in IEEE-Transactions of Robotics (
5. Oszillierender Blatteinstellwinkel während der Rotorrotation zur Optimierung beim Gieren5. Oscillating blade pitch angle during rotor rotation to optimize yaw
Wie in Abschnitt 2 beschrieben, ist die Giermanipulation der Windturbine (2) von grundlegender Bedeutung für den Segelmechanismus der Windturbine (2). Allerdings nimmt, wie beschrieben, das Drehmoment der Windturbine (2) und damit die Leistungsabgabe mit zunehmendem Gierwinkel ab (siehe
Vier Querschnitte QS0°, QS90°, QS180° und QS270° sind markiert. Die Zeichnungen
β0° kann wie folgt berechnet werden mit der
G10° basiert auf G20°, G30° und G40° wie folgt:
β90° kann wie folgt berechnet werden mit der
G190° basiert auf G290°, G390°, G490° und G590° wie folgt:
β180° kann wie folgt berechnet werden mit der
G1180° basiert auf G2180°, G3180° und G4180° wie folgt:
β270° kann wie folgt berechnet werden mit der
G1270° basiert auf G2270°, G3270°, G4270° und G5270° wie folgt:
Typischerweise versucht man in der aerodynamischen Optimierung von Windturbinen, jegliche Art von oszillierenden Schwingungen zu eliminieren und zu vermeiden, da diese typischerweise die Vibrationskräfte und damit die Materialermüdung erhöhen. Hier handelt es sich jedoch um eine Gegenmaßnahme, um einen ansonsten oszillierenden Effekt zu neutralisieren oder zumindest zu reduzieren, der durch die sich ändernden Windströmungsverhältnisse während der Rotorrotation verursacht wird, wenn sich die Windturbine (2) in Gierstellung befindet. Oben wird die Einstellung des optimalen Blatteinstellwinkels für Windgeschwindigkeiten bis zur Nennwindgeschwindigkeit beschrieben, für die eine bestimmte Windturbine (2) ausgelegt ist. Bei höheren Windgeschwindigkeiten ist es Stand der Technik, den Blatteinstellwinkel zu ändern, um die vom Wind zum Generator übertragene Leistung bei höheren Nennwindgeschwindigkeiten zu steuern bzw. zu reduzieren. Der gleiche Mechanismus kann entsprechend auch mit dem hier vorgestellten Mechanismus zur Steuerung oszillierender Blatteinstellwinkel während der Rotorrotation zur Optimierung beim Gieren angewendet werden. Zur technischen Realisierbarkeit können Windsensoren aus dem Stand der Technik eingesetzt werden und der Blatteinstellwinkel durch Motoren, sogenannte Pitch-Aktuatoren, verändert werden. Eine Erweiterung des oben beschriebenen Mechanismus zur oszillierenden Blatteinstellung besteht darin, die Verdrehung der Rotorblätter (6) während der Rotorrotation auch dynamisch in eine Oszillation zu versetzen. Der genaue dynamische Verdrehungswinkel kann auf die gleiche Weise wie oben für den Blatteinstellwinkel des Rotorblattes (6) berechnet werden. Technisch lässt sich diese Erweiterung beispielsweise durch flexible Rotorblätter (6) und die dynamische Verstellung des Verdrehungswinkels an einzelnen Querschnitten mit elektrischen Servos oder anderen Aktuatoren umsetzen.Typically, the aerodynamic optimization of wind turbines attempts to eliminate and avoid any type of oscillating vibrations, as these typically increase vibration forces and thus material fatigue. However, this is a countermeasure to neutralize or at least reduce an otherwise oscillating effect caused by the changing wind flow conditions during rotor rotation when the wind turbine (2) is in yaw mode. The above describes the setting of the optimal blade pitch angle for wind speeds up to the rated wind speed for which a specific wind turbine (2) is designed. At higher wind speeds, it is state of the art to change the blade pitch angle in order to control or reduce the power transferred from the wind to the generator at higher rated wind speeds. The same mechanism can also be applied accordingly with the mechanism presented here for controlling oscillating blade pitch angles during rotor rotation for yaw optimization. For technical feasibility, state-of-the-art wind sensors can be used, and the blade pitch can be adjusted using motors, so-called pitch actuators. An extension of the mechanism for oscillating blade adjustment described above involves dynamically oscillating the rotation of the rotor blades (6) during rotor rotation. The exact dynamic rotation angle can be calculated in the same way as above for the blade pitch of the rotor blade (6). Technically, this extension can be implemented, for example, using flexible rotor blades (6) and dynamically adjusting the rotation angle at individual cross-sections using electric servos or other actuators.
6. Energiespeicherung an Bord mit hybridem elektromechanischem Energiemanagementsystem6. Onboard energy storage with hybrid electromechanical energy management system
Die von den Windturbinen (2) erzeugte Energie wird an Bord des Windturbinenschiffes (1) gespeichert. Der Energiespeicher ist im Inneren der Rümpfe (3) untergebracht. Bei der Energiespeichertechnologie kann es sich um elektrische Batterien oder ein beliebiges Energiespeichersystem auf Flüssigkeits-, Gas- oder Feststoffbasis handeln, z.B. Brennstoffe wie Wasserstoff, Methanol oder Ammoniak. Für das Energiespeichersystem besteht das Kernelement dieses Teils der Erfindung darin, die am Antriebsstrang (9) der Windturbine (2) verfügbare mechanische Energie für bestimmte Prozessschritte des elektromechanischen Energiemanagements direkt zu nutzen. Anstatt einen Teil der von den Windturbinen (2) erzeugten elektrischen Energie für bestimmte Prozessschritte des Energiemanagementsystems zu nutzen, die mechanische Energie benötigen, wird die mechanische Energie direkt genutzt, die die Windturbine (2) am Antriebsstrang (9) bietet. Dies hat den Vorteil, dass Ineffizienzen umgangen werden, die durch die Umwandlung der Rotationsenergie, also mechanischer Energie der Windturbine (2) in elektrische Energie und zurück in mechanische Energie entstehen. Im Falle der Wasserstoffspeicherung kann dies beispielsweise zur Entsalzung von Meerwasser oder zur Komprimierung von Wasserstoff zur Erhöhung der Energiespeicherdichte eingesetzt werden. Der Prozess zur Entsalzung von Meerwasser erfordert einen Betriebsdruck von 800 bis 1000 psi, um Meerwasser durch Umkehrosmose (
Die Kompressoren oder andere mechanische Geräte werden über Rohre oder Schläuche oder Teilantriebsstränge oder andere Verbindungselemente mit anderen Geräten wie Brennstoffzellen, Entsalzungsgeräten usw. verbunden. Die erzeugte elektrische Energie oder der erzeugte Wasserstoff, Methanol, Ammoniak oder andere Brennstoffe werden dann übertragen in die Rümpfe (3) mittels Kabel, Rohren oder -schläuchen oder anderen Mitteln, wo die Energiespeicher z.B. Batterien oder Kraftstofftanks platziert werden. Darüber hinaus sind in die Rümpfe (3) Entladeschnittstellen integriert, um einen externen Zugriff auf den Energiespeicher zu ermöglichen.The compressors or other mechanical devices are connected to other devices such as fuel cells, desalination units, etc. via pipes or hoses, partial drive trains, or other connecting elements. The generated electrical energy or the produced hydrogen, methanol, ammonia, or other fuels is then transferred to the hulls (3) via cables, pipes or hoses, or other means, where the energy storage devices, e.g., batteries or fuel tanks, are placed. Furthermore, discharge interfaces are integrated into the hulls (3) to enable external access to the energy storage device.
7. Flutbare Rümpfe für absichtliches Pivotieren des Windturbinenschiffes und Unterwasserschutz7. Floodable hulls for intentional pivoting of the wind turbine vessel and underwater protection
Das hier präsentierte segelnde Windturbinenschiff (1) hat die Fähigkeit, um die Längsachse zu pivotieren, wenn es rauen Wetter- und Seebedingungen ausgesetzt ist, und dabei seine vollständige strukturelle und funktionale Integrität zu behalten. Der in diesem Abschnitt präsentierte Mechanismus ermöglicht dem Windturbinenschiff (1) zusätzlich absichtlich zu Pivotieren ohne Äußeren Einfluss. Dies kann für Wartungsarbeiten nützlich sein, um den Zugang zum oberen Teil des Windturbinenschiffes (1) zu erleichtern oder um redundante Systeme (z.B. Ruder oder Motoren, die an den Rumpfenden installiert sind) zu nutzen, die nach dem Pivotieren genutzt werden können. Darüber hinaus kann der Mechanismus zum absichtlichen Pivotieren genutzt werden, um schwere Seestürme resilient zu bewältigen. Das Windturbinenschiff (1) kann unter Wasser pivotieren. Damit kann es bei stürmischer See Unterwasser Schutz suchen, um damit den stürmischen Windgeschwindigkeiten und stürmischen Wellengang weniger ausgesetzt zu sein.
Die Rümpfe (3) haben eine flutbare Kammer, die separiert ist von einer nicht flutbaren Kammer für das Energiespeichersystem, z.B. Batterien oder Kraftstofftanks. Wenn die flutbaren Kammern nicht geflutet sind, erzeugen sie einen Auftrieb, der es dem Windturbinenschiff (1) ermöglicht, zu schwimmen.The hulls (3) have a floodable compartment separated from a non-floodable compartment for the energy storage system, e.g., batteries or fuel tanks. When not flooded, the floodable compartments generate buoyancy that allows the wind turbine vessel (1) to float.
Schritt 1 des Mechanismus zum absichtlichen Pivotieren beginnt mit dem Fluten von Rumpf (A) (siehe
Schritt 2 schließt diese Bewegung ab und das Windturbinenschiff (1) schwimmt verkehrt herum auf Rumpf (B) und (C), wobei Rumpf (A) unter Wasser liegt. In dieser Position kann sich das Windturbinenschiff (1) im Falle schwerer Stürme und kritischer Winde oder Wellen, die die strukturelle Integrität des Windturbinenschiff (1) beeinträchtigen könnten, unter der Wasseroberfläche Schutz suchen. Um dieses Manöver zu unterstützen, ist die Windturbine (2) daher wasserdicht konstruiert.
Schritt 3 bringt das Windturbinenschiff (1) zum Aufschwimmen, indem es den Rumpf (B) teilweise flutet und etwas später gleichzeitig den Rumpf (A) teilweise mit Luft oder Gas befüllt. Dadurch entsteht eine Abwärtsbewegung des Rumpfes (B) und eine Aufwärtsbewegung des Rumpfes (A). Das Befüllen mit Luft durch Pumpen von Luft durch Rohre oder Schläuche aus Teilen des Windturbinenschiffes (1) erfolgen, die sich über der Wasseroberfläche befinden. Wenn das Energiespeichersystem alternativ auf einem Gas basiert, das leichter als Luft ist, beispielsweise Wasserstoff, kann dieses Gas zum Befüllen der Auftriebskammern verwendet werden. Das Gas wird aus den Speichertanks über entsprechende Ventile in die flutbaren Kammern abgelassen. Das Gas bläst die flutbaren Kammern auf und das Wasser im Inneren wird herausgedrückt.
Schritt 4 stoppt die teilweise Flutung von Rumpf (B), sobald Rumpf (B) und Rumpf (A) auf gleicher Höhe sind. Anschließend werden beide Rümpfe (B) und (A) vollständig mit Luft oder Gas befüllt und lassen so das Windturbinenschiff (1) aufsteigen.
Schritt 5 schließt die Auftriebsbewegung ab und das Windturbinenschiff (1) schwimmt mit zwei Rümpfen (B) und (A) auf der Wasseroberfläche, während Rumpf (C) in der Luft ist.
Auf diese Weise kann das Windturbinenschiff (1) einen absichtliches Pivotieren durchführen.In this way, the wind turbine ship (1) can perform an intentional pivoting.
8. Zusätzliche Rumpfverbesserungen8. Additional hull improvements
Dieser Abschnitt präsentiert verschiedene Rumpferverbesserungen zusätzlich zu den bereits oben aufgeführten:
- 8.1. Finnen zur Reduktion der Abdrift und Verbesserung beim Kreuzen und am Wind Segeln
- 8.2. Rumpferweiterungen mit Windtrichtereffekt
- 8.3. Rumpfformen für die Fähigkeit zu Pivotieren
- 8.1. Fins to reduce drift and improve sailing when sailing upwind and upwind
- 8.2. Hull extensions with wind funnel effect
- 8.3. Hull shapes for pivoting ability
8.1. Finnen zur Reduktion der Abdrift und Verbesserung beim Kreuzen und am Wind Segeln8.1. Fins to reduce drift and improve sailing when tacking and close-hauled
Für den Segelmechanismus, der in Abschnitt 2 beschrieben ist, ist die Abdriftwiderstandskraft (Fww) von besonderer Bedeutung, damit das Windturbinenschiff (1) beim Segeln nicht zu stark leewärts abgetrieben wird und damit nicht den gewünschten Segelkurs halten kann (siehe
Eine oder mehrere Finnen (10) sind aus flexiblem Material faltbar aufgebaut.
8.1. Rumpferweiterungen mit Windtrichtereffekt8.1. Hull extensions with wind funnel effect
Zusätzlich zum Windtrichtereffekt sorgt diese Rumpferweiterung (13) für einen Kieleffekt unterhalb der auf der Wasseroberfläche schwimmenden Rümpfe (3). Daher erhöht es die Abdriftwiderstandskraft (Fww) und verringert somit die Abdrift des Windturbinenschiffes (1), ähnlich wie die in Abschnitt 8.1 vorgestellte Rumpfverbesserung.In addition to the wind funnel effect, this hull extension (13) creates a keel effect below the hulls (3) floating on the water surface. Therefore, it increases the drag force (Fww) and thus reduces the drift of the wind turbine vessel (1), similar to the hull improvement presented in Section 8.1.
8.3. Rumpfformen für die Fähigkeit zu Pivotieren8.3. Hull shapes for pivoting ability
Im Stand der Technik sind verschiedene Rumpfformen für Mehrrumpfschiffe bekannt, die alle für unterschiedliche Eigenschaften optimiert wurden. Zum Beispiel:
- • Vertikal ovale Rumpfformen bieten einen höheren Abdriftwiderstand als kreisförmige Rumpfformen.
- • Flache Rumpfformen haben einen geringen Tiefgang.
- • V-förmige Rümpfe durchschneiden das Wasser und die Wellen und sorgen so für mehr Stabilität bei rauem Seegang. Darüber hinaus erzeugen sie eine Welle, die das Schiff hebt und so dessen Vorwärtswiderstand verringert.
- • Hydrofoil (Wassertragflügel)-Rumpfverlängerungen heben den Schiffsrumpf zum Teil vollständig über die Wasseroberfläche und reduzieren damit den Vorwärtswiderstand.
- • SWATH-Formen (Small Waterplane Area Twin Hull) haben einen relativ hohen Vorwärtswiderstand, sind daher langsamer, verhalten sich dafür aber bei schwerem Seegang deutlich ruhiger und schwanken weniger (Stenger Jacob Johannes, Patent: Surface vessel,
, 1964).US3279407A - • Asymmetrische Rumpfformen verringern den Interferenzwiderstand zwischen den Rümpfen (
).Yanuar et al., Drag reduction of X-pentamaran ship model with asymmetric-hull outrigger configurations and hull separation, Energy Reports of 6th International Conference on Power and Energy Systems Engineering (CPESE) Japan, 2019
- • Vertically oval hull shapes offer higher drift resistance than circular hull shapes.
- • Flat hull shapes have a shallow draft.
- • V-shaped hulls cut through the water and waves, providing greater stability in rough seas. They also create a wave that lifts the ship, reducing its forward drag.
- • Hydrofoil (waterfoil) hull extensions partially raise the ship’s hull completely above the water surface, thereby reducing forward drag.
- • SWATH forms (Small Waterplane Area Twin Hull) have a relatively high forward drag and are therefore slower, but behave much more calmly in heavy seas and sway less (Stenger Jacob Johannes, Patent: Surface vessel,
, 1964).US3279407A - • Asymmetrical hull shapes reduce interference resistance between the hulls (
).Yanuar et al., Drag reduction of X-pentamaran ship model with asymmetric-hull outrigger configurations and hull separation, Energy Reports of 6th International Conference on Power and Energy Systems Engineering (CPESE) Japan, 2019
Der in diesem Abschnitt vorgestellte Teil der Erfindung übernimmt jegliche Rumpfform eines Mehrrumpfschiffes (nicht auf die in
Die in
VORTEILE DER ERFINDUNGADVANTAGES OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung bietet mehrere Vorteile im Hinblick auf das Ziel, die Effizienz bei der Offshore Energieproduktion und deren Transport zu verbessern, d. h. die Energieproduktion zu steigern und/oder die Kosten zu senken. Diese Vorteile beziehen sich auf die erklärten Zielsetzungen aus dem Abschnitt AUFGABENSTELLUNG DER ERFINDUNG und werden wie folgt erreicht:
- I. Erhöhung der Energieproduktion von Offshore-Windturbinen
- a) Erhöhung der Energieproduktion bei einer gegebenen Windkapazität
- i) Direkte Umwandlung von Windkraft in elektrische Energie: Die hier vorgestellte Erfindung wandelt die kinetische Energie des Windes direkt in elektrische Energie um, ohne ineffiziente Umwege, wie z. B. zuerst ein Schiff mit der Windkraft zu bewegen um dann elektrische Energie mit Wasserturbinen unter dem Rumpf zu erzeugen, wie es im Stand der Technik dargestellt ist, zum Beispiel (Ref.6), (Ref.7) und (Ref.8). Diese Ansätze wandeln die Windkraft zunächst teilweise in kinetische Energie für den Schiffsantrieb um, die dann mithilfe von Wasserturbinen in elektrische Energie umgewandelt wird. Dies erfordert die zweimalige Anwendung des Betz'schen Gesetzes statt einer einmaligen. D.h. der Betz-
Koeffizient 16/27 muss zweimal anstatt nur einmal faktorisiert werden zur Berechnung der maximalen Leistung, die dem Wind zur Energiegewinnung entnommen werden kann (siehe auch Nachteile von (Ref.7) zur Erklärung). - ii) Direkte Nutzung der Windkraft für den Schiffsantrieb anstatt separatem Antriebsmotor: In der hier vorgestellten Erfindung werden die Windturbinen (2) auf zwei Arten gleichzeitig genutzt. Erstens für die elektrische Energieproduktion, die an Bord in den Rümpfen (3) gespeichert wird. Zweitens werden die Windturbinen (2) als Segel für den Schiffsantrieb genutzt. Im Vergleich zu anderen im Stand der Technik vorgestellten Ansätzen, beispielsweise (Ref.2), (Ref.3), (Ref.5), (Ref.6) und (Ref.8), verbraucht der hier vorgestellte Ansatz keine zuvor produzierte elektrische oder anderweitig gespeicherte Energie für ein separates Antriebssystem. Zusätzliche Effizienzverluste durch Umwandlung von einer Energieform in eine andere entfallen. Dadurch wird die Nettoenergiebilanz im Vergleich zum oben genannten Stand der Technik verbessert.
- iii) Nutzung erhöhter relativer Windgeschwindigkeiten durch die Vorwärtsbewegung des Windturbinenschiffes (1): Zusätzlich zu den beiden oben beschriebenen Vorteilen nutzt die hier vorgestellte Erfindung auch die erhöhte Geschwindigkeit des scheinbaren Windes, der durch die Kombination aus wahrem Wind und relativem Wind durch die Vorwärtsbewegung des Windturbinenschiffes (1) verursacht wird. Abhängig vom Segelkurs des Windturbinenschiffes (1) kann die Geschwindigkeit des scheinbaren Windes langsamer oder schneller sein als der ursprüngliche wahre Wind. Im Halbwindkurs nimmt der scheinbare Wind bei hoher Fahrtgeschwindigkeit im Vergleich zum wahren Wind deutlich zu. Trotz des Reduktionsfaktors, der durch den Gierwinkel zwischen der Windturbine (2) und diesem schnelleren scheinbaren Wind verursacht wird, kann der kubische Einfluss der Windgeschwindigkeit auf die Leistungsabgabe die Nettoleistungsabgabe um
1,5 im Vergleich zu einer sich nicht bewegenden stationären Windturbine, wie z.B. verankerte Offshore-Windturbinen aus dem Stand der Technik. Daher bietet dieser Halbwindkurs-Effekt ein erhebliches Potenzial zur Steigerung der Energieproduktion bei gegebener Windkapazität.bis zum Faktor - iv) Vermeidung von Nachlaufverlusten in Windparks: Nachlaufverluste sind ein entscheidender Faktor bei großskalierten Windparks. Bei bestimmten Windrichtungen und Windgeschwindigkeiten und dichten Abständen zwischen den Anlagen können Nachlaufverluste bis zu 30 % betragen. Ein optimiertes Layout für einen typischen Offshore-Windpark sorgt dafür, dass die Nachlaufverluste insgesamt
im Bereich von 10% oder weniger des potenziellen Jahresenergieertrags reduziert werden. ( ) Der Vorteil der hier vorgestellten Erfindung ist, dass es in einer Flotte von Windturbinenschiffen (1) keine Nachlaufverluste gibt. Durch die Mobilität können sich die Windturbinenschiffe (1) so zum Wind positionieren, dass Nachlaufverluste vermieden werden und somit im Vergleich zu stationären Windparks bis zu 10% mehr Leistungsabgabe erreicht werden kann.Dr. Martin Dörenkämper, Großskalige Windparkeffekte - Ein zentraler Beitrag zum wirtschaftlichen Betrieb eines Windparks, Blog Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme, 2022 - v) Adressierung von Bewegungen entlang der drei Freiheitsgrade direkt an der Windturbine (2): Bewegungen der Windturbine entlang von drei Freiheitsgraden (Roll-, Nick- und Gierbewegungen) verursacht durch See- und Windbedingungen, wirken sich negativ auf die Leistungsabgabe der Windturbine aus und erhöhen die Materialermüdung. Im Bereich der verankerten schwimmenden Windturbinen (siehe IV. AERODYNAMISCHE HERAUSFORDERUNGEN im Abschnitt STAND DER TECHNIK) wurden verschiedene Lösungen vorgestellt (e.g.
,D. Roddier and C. Cermelli, Patent: Floating wind turbine platform with ballast control and mooring system ) und umgesetzt (e.g. www.principlepower.comjwindfloatjadvantagejperformance) oder befinden sich noch in der Forschung (e.US9139266B2 ). Die Herausforderung der Roll-, Neige- und Gierbewegungen wird dort jedoch auf der Ebene der schwimmenden Plattform- und nicht auf der Turbinenebene angegangen. Für die Gegenbewegungen muss die gesamte schwimmende Plattform bewegt werden, was naturgemäß mehr Energie erfordert, als die Gegenbewegungen direkt auf Turbinenebene anzuwenden. Die hier vorgestellte Erfindung wendet die Gegenbewegungen auf eine energieeffizientere Art und Weise direkt an der Windturbine (2) an. Mit einem aktiven Kugelgelenk (8) werden Gegenbewegungen zum Gieren, Rollen und Neigen der Windturbine (2) gesteuert (siehe Abschnitt 4). Im Gegensatz dazu wird diese Herausforderung im Stand der Technik (Ref.1) bis (Ref.7) vorgestellten mobilen, nicht verankerten, schwimmenden Offshore-Windturbinen weder erwähnt noch angegangen. Nur (Ref.8) adressiert Rollbewegungen teilweise, indem unterschiedliche Krängungswinkel (5°, 10°, 15°) berücksichtigt und minimiert werden, um die Leistung der Windturbine zu verbessern, indem der Abstand der Trimaran-Ausleger vom Hauptrumpf vergrößert wird. Allerdings wird auch hier das Problem wieder auf Plattformebene angegangen und nicht direkt auf der Turbinenebene.g. B. Wen et al, Power performance of an offshore floating wind turbine in platform pitching motion, Energy journal, volume 154, 2018 or www.floatech-project.com - vi) Oszillierender Blatteinstellwinkel während der Rotorrotation zur Optimierung beim Gieren: Wie in
Abschnitt 2 beschrieben, ist die Gierstellung der Windturbine (2) von grundlegender Bedeutung für den Segelmechanismus des Windturbinenschiffes (1). Allerdings nimmt, wie beschrieben, das Drehmoment der Windturbine (2) und damit die Leistungsabgabe mit zunehmendem Gierwinkel ab (siehe20 ). Aus diesem Grund beinhaltet diese Erfindung einen Mechanismus zur oszillierenden Blatteinstellung während der Rotorrotation, um den Windströmungswinkel an den Flügelblättern zu optimieren, wenn sich die Windturbine (2) in einem Gierwinkel befindet und somit die Verringerung der Leistungsabgabe beim Gieren zu reduzieren. Es ist Stand der Technik, die Blatteinstellung je nach Windverhältnissen anzupassen. Die Neuheit und das wesentliche Element dieses Teils der Erfindung besteht darin, dass die Blatteinstellung in einer oszillierenden Hin- und Herbewegung verstellt wird, und zwar nicht nur gelegentlich, wenn sich die Windverhältnisse ändern, sondern kontinuierlich während jeder Rotorrotation. Dadurch wird die Windumströmung der Rotorblätter (6) wie inAbschnitt 5 beschrieben optimiert. Der Stand der Technik berücksichtigt kein Segeln mit Windturbinen. Daher werden dort keine vergleichbaren Optimierungen beschrieben. - vii) Erhöhte Leistungsabgabe durch Windtrichtereffekt der Rümpfe (3): Der Windtrichtereffekt zur Steigerung der Leistungsabgabe von Windturbinen ist im Stand der Technik bekannt. Jedoch wurde er noch nicht berücksichtigt für mobile freischwimmende segelnde Windturbinen (2) wie in
Abschnitt 8 beschrieben.
- i) Direkte Umwandlung von Windkraft in elektrische Energie: Die hier vorgestellte Erfindung wandelt die kinetische Energie des Windes direkt in elektrische Energie um, ohne ineffiziente Umwege, wie z. B. zuerst ein Schiff mit der Windkraft zu bewegen um dann elektrische Energie mit Wasserturbinen unter dem Rumpf zu erzeugen, wie es im Stand der Technik dargestellt ist, zum Beispiel (Ref.6), (Ref.7) und (Ref.8). Diese Ansätze wandeln die Windkraft zunächst teilweise in kinetische Energie für den Schiffsantrieb um, die dann mithilfe von Wasserturbinen in elektrische Energie umgewandelt wird. Dies erfordert die zweimalige Anwendung des Betz'schen Gesetzes statt einer einmaligen. D.h. der Betz-
- b) Skalierung der Energieproduktion durch Erhöhung der zugänglichen Windkapazität
- i) Zugang zu weit entfernten Offshore-Regionen mit stärkeren und gleichmäßigeren Winden: Stationär verankerte, schwimmende Offshore-Windturbinen sind wie im Abschnitt STAND DER TECHNIK in ihrer Skalierbarkeit eingeschränkt in Bezug auf Wassertiefe und Entfernung vom Ufer. Die hier präsentierte Erfindung teilt den Vorteil der freischwimmenden mobilen Windturbinenkonzepte (Ref.1) bis (Ref.8) des vorgestellten Standes der Technik, dass sie nicht durch diese Skalierbarkeitsbeschränkungen eingeschränkt ist und den Zugang zu weit entfernten Offshore-Regionen ermöglicht mit stärkeren und gleichmäßigeren Winden.
- ii) Weniger Einschränkungen durch Regulierung und langwierige Genehmigungsverfahren: Das freischwimmende mobile Konzept der hier vorgestellten Erfindung hat den Vorteil, Offshore-Regionen für die Windenergieerzeugung außerhalb küstennaher Hoheitsgewässer und d.h. außerhalb der 12-Seemeilen-Zonen und auch außerhalb der ausschließliche Wirtschaftszonen (AWZ) von 200-Seemeilen zu erschließen. Dies trägt dazu bei, ökologische und sozioökonomische Probleme im Zusammenhang mit Küstenregionen z.B. aus Sicht des Umweltschutzes oder der Fischerei und des Tourismus zu lindern. Dadurch verringert sich auch die Regulierungskomplexität, wie in V. REGULIERUNGSKOMPLEXITÄT im Abschnitt STAND DER TECHNIK beschrieben, da keine langwierigen Genehmigungsverfahren für ortsfeste Anlagen durchlaufen werden müssen.
- a) Erhöhung der Energieproduktion bei einer gegebenen Windkapazität
- II. Senkung der Kosten für die Offshore-Windenergieproduktion und deren Transport
- a) Senkung der Kosten bei der Fertigung und der Installation
- i) Fähigkeit zu Pivotieren und Unterwasserschutzstellung ermöglichen leichtgewichtige Architektur:
- Typischerweise muss jede Plattform oder jedes Schiff zur Gewinnung von Offshore-Windenergie mit einer sehr starken und robusten Architektur konstruiert werden, um den rauen Wind- und Seebedingungen auf dem Meer standzuhalten. Dadurch wird versucht, massive Roll-, Neige- und Gierbewegungen der Plattform oder des Schiffes zu verhindern. Verankerte schwimmende Offshore-Windplattformen zum Beispiel, verwenden schwere, halbtauchende Strukturen, um den Einfluss von starkem Wellengang zu reduzieren. Ein extremer Fall von Rollbewegungen, also das Kentern, wird durch Festmacheranker verhindert. Oder z.B. bei mobilen freischwimmenden Offshore-Windturbinen wie in (Ref.8) beschreiben durch Vergrößerung des Abstands zwischen den Trimaran-Auslegern und somit durch Erhöhung der Strukturmasse entgegnet. Die hier vorgestellte Erfindung hat den Vorteil, dass es konstruktionsbedingt nicht darauf ausgelegt ist, den rauen Wind- und Seebedingungen standzuhalten, sondern mit ihnen resilient umzugehen. Einerseits wird Roll-, Neige- und Gierbewegungen mit der aktiven Kugelgelenk (8)-basierten Steuerung entgegengewirkt und diese werden dadurch neutralisiert (siehe Abschnitt 4). Andererseits wird ein Kentern des Windturbinenschiffes (1) bei starkem Seegang und Sturm mit der Fähigkeit zu Pivotieren bewältigt (siehe Abschnitt 1). Bei sehr starken Stürmen kann das Windturbinenschiff (1) zudem die flutbaren Rümpfe nutzen und durch absichtliches Pivotieren unter Wasser Schutz suchen (siehe Abschnitt 7). Daher kann das hier vorgestellte Windturbinenschiff (1) mit einer viel leichteren Architektur gebaut werden, was die Baukosten und den Materialverbrauch senkt.
- ii) Leichte elastische Halterungen (4) und Wanten (5) statt schwerer Windturbinentürme: Typische dem Stand der Technik entsprechende horizontale Windturbinen sind auf vertikalen Türmen montiert. Dabei handelt es sich um schwere und starke Konstruktionen, da sie das gesamte Gewicht der Windturbine und des Rotors tragen und den aerodynamischen Windkräften und -lasten standhalten müssen. Insbesondere die Schubkraft entlang der Rotationsachse in Lee-Richtung erfordert eine sehr stabile und starke Statik des Turms. Für schwimmende Offshore-Windturbinen, verankerte oder freischwimmende, stationäre oder mobile, ist dieses Konzept grundsätzlich nachteilig, da der Schwerpunkt oben liegt und die Länge des Turms damit zur Vervielfachung der Roll-, Neige- und Gierbewegungen beiträgt. Die hier vorgestellte Erfindung hat den Vorteil, eine leichtere Halterung (4) zu verwenden. Die elastisch gebogenen Halterungen (4) halten zusammen mit den Wanten (5) die Windturbine (2) innerhalb des Windturbinenschiffes (1) und nicht an deren oberer Spitze (siehe Abschnitt 3), wodurch die Schwerpunktlage verbessert wird.
- iii) Für die Installation sind keine speziellen Offshore-Installationsschiffe erforderlich: Die hier vorgestellte Erfindung eines autonom segelnden Windturbinenschiffes (1), erfordert konstruktionsbedingt keine Unterstützung durch spezielle Offshore-Installationsschiffe. Das Windturbinenschiff (1) wird in einer Werft gebaut und navigiert dann selbständig an den Einsatzort. Dies ist ein Vorteil gegenüber dem Stand der Technik bei verankerten schwimmenden Offshore-Windturbinen, bei denen spezielle und teure Schiffe erforderlich sind, um die Windturbine zum Zielort zu schleppen und die Anker sowie Strom- oder Gasleitungen zu installieren, wie im Stand der Technik beschrieben.
- i) Fähigkeit zu Pivotieren und Unterwasserschutzstellung ermöglichen leichtgewichtige Architektur:
- b) Senkung der Kosten während der Energieproduktion
- i) Für die Wartung sind keine speziellen Offshore-Installationsschiffe erforderlich: Offshore-Wartung und -Support sind komplex/kostspielig, da der Einsatz von Wartungspersonal und Material auf hoher See anspruchsvoller ist als an Land. Darüber hinaus können verankerte schwimmende Windturbinenplattformen angesichts der rauen Seebedingungen nicht vollständig auf See gewartet werden, sondern müssen mit speziellen Offshore-Installationsschiffen von den Liegeplätzen und Kabeln/Pipelines gelöst und zurück zum Hafen geschleppt werden zum Austausch wichtiger Komponenten oder zur Vermeidung (
) von noch teureren und oft schwer verfügbaren Schwerlastschiffen, die den Austausch der Komponenten am Offshore-Standort übernehmen könnten. All diese Komplexitäten/Kosten nehmen mit der Wassertiefe und der Entfernung vom Ufer zu und tragen somit zu Einschränkungen der Skalierbarkeit bei. Im Gegensatz dazu arbeitet die hier vorgestellte Erfindung vollständig mobil und kehrt regulär für den integrierten Energietransport zur Entladung der gespeicherten Energie autonom und regelmäßig zum Hafen oder zur Nearshore- oder Offshore-Entladestation zurück, wo parallel auch regelmäßige Wartungen synergetisch durchgeführt werden können. Auch der Austausch größerer Komponenten kann vom mobilen Betriebsmodell profitieren und durchgeführt werden, wenn das Windturbinenschiff (1) autonom in den Hafen zurückkehrt. Dies wird durch mehrere Redundanzoptionen ermöglicht, z.B. kann der Betrieb mit zwei von drei Rümpfen (3) fortgesetzt werden, indem ein absichtliches Pivotieren durchgeführt wird oder indem man drei Windturbinen (2) auf einem Windturbinenschiff (1) installiert, so dass bei Ausfall einer noch zwei für den Segelantrieb und die Energieerzeugung genutzt werden können. Sollte das Windturbinenschiff (1) dennoch außer Betrieb sein, kann es ohne Demontage von Verankerungen oder Stromkabelinstallationen oder Pipelines zum Hafen zurückgeschleppt werden.J. McMortand, Operation and maintenance for floating wind turbines: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 163, July 2022 - ii) Weniger Schäden beim Betrieb auf hoher See durch Stürme: Schäden bei extremen Wetterbedingungen wie Hurrikanen und Taifunen oder durch sogenannte „Monster“-Wellen werden durch die Nutzung der Unterwasserschutzfähigkeit der flutbaren Rümpfe (3) reduziert (siehe Abschnitt 7).
- i) Für die Wartung sind keine speziellen Offshore-Installationsschiffe erforderlich: Offshore-Wartung und -Support sind komplex/kostspielig, da der Einsatz von Wartungspersonal und Material auf hoher See anspruchsvoller ist als an Land. Darüber hinaus können verankerte schwimmende Windturbinenplattformen angesichts der rauen Seebedingungen nicht vollständig auf See gewartet werden, sondern müssen mit speziellen Offshore-Installationsschiffen von den Liegeplätzen und Kabeln/Pipelines gelöst und zurück zum Hafen geschleppt werden zum Austausch wichtiger Komponenten oder zur Vermeidung (
- c) Senkung der Kosten für den Energietransport
- i) Flexibler mobile Energietransport ohne Netzanbindung: Dynamische Stromkabel und Exportkabel oder Gaspipelines, Umspannwerke und Netzanschlüsse stellen eine hohe Komplexität/Kostenbelastung für schwimmende Offshore-Windkraftlösungen aus dem Stand der Technik dar. Das hier vorgestellte segelnde Windturbinenschiff (1) hat den Vorteil, dass es autonom und mobil mit integriertem Energiespeicher betrieben werden kann. Dies ermöglicht es, die Energie dann und dort hinzu transportieren, wo sie benötigt wird, basierend auf einer vorausschauenden, optimierten dynamischen Routenplanung und Navigation unter Berücksichtigung der Windbedingungen auf der dynamisch geplanten Route und des Zeitplans für die Energielieferung an gewünschten Zielen, wie in
Abschnitt 6 dargestellt.
- i) Flexibler mobile Energietransport ohne Netzanbindung: Dynamische Stromkabel und Exportkabel oder Gaspipelines, Umspannwerke und Netzanschlüsse stellen eine hohe Komplexität/Kostenbelastung für schwimmende Offshore-Windkraftlösungen aus dem Stand der Technik dar. Das hier vorgestellte segelnde Windturbinenschiff (1) hat den Vorteil, dass es autonom und mobil mit integriertem Energiespeicher betrieben werden kann. Dies ermöglicht es, die Energie dann und dort hinzu transportieren, wo sie benötigt wird, basierend auf einer vorausschauenden, optimierten dynamischen Routenplanung und Navigation unter Berücksichtigung der Windbedingungen auf der dynamisch geplanten Route und des Zeitplans für die Energielieferung an gewünschten Zielen, wie in
- a) Senkung der Kosten bei der Fertigung und der Installation
- I. Increasing energy production from offshore wind turbines
- a) Increasing energy production for a given wind capacity
- i) Direct conversion of wind power to electrical energy: The invention presented here converts the kinetic energy of the wind directly into electrical energy, without inefficient detours, such as first propelling a ship with wind power and then generating electrical energy with water turbines under the hull, as shown in the prior art, for example (Ref.6), (Ref.7) and (Ref.8). These approaches first partially convert the wind power into kinetic energy for ship propulsion, which is then converted into electrical energy using water turbines. This requires the application of Betz's law twice instead of once. This means that the Betz coefficient 16/27 must be factored twice instead of just once to calculate the maximum power that can be extracted from the wind for energy generation (see also disadvantages of (Ref.7) for an explanation).
- ii) Direct use of wind power for ship propulsion instead of a separate propulsion engine: In the invention presented here, the wind turbines (2) are used in two ways simultaneously. Firstly, for electrical energy production, which is stored on board in the hulls (3). Secondly, the wind turbines (2) are used as sails for ship propulsion. Compared to other approaches presented in the prior art, for example (Ref.2), (Ref.3), (Ref.5), (Ref.6), and (Ref.8), the approach presented here does not consume previously produced electrical or otherwise stored energy for a separate propulsion system. Additional efficiency losses due to conversion from one form of energy to another are eliminated. This improves the net energy balance compared to the aforementioned prior art.
- iii) Utilization of increased relative wind speeds due to the forward motion of the wind turbine vessel (1): In addition to the two advantages described above, the invention presented here also utilizes the increased speed of the apparent wind caused by the combination of true wind and relative wind due to the forward motion of the wind turbine vessel (1). Depending on the sailing course of the wind turbine vessel (1), the speed of the apparent wind can be slower or faster than the original true wind. On a half-wind course, the apparent wind increases significantly at high cruising speed compared to the true wind. Despite the reduction factor caused by the yaw angle between the wind turbine (2) and this faster apparent wind, the cubic influence of wind speed on the power output can increase the net power output by up to a factor of 1.5 compared to a non-moving stationary wind turbine, such as moored offshore wind turbines of the prior art. Therefore, this half-wind course effect offers significant potential to increase energy production for a given wind capacity.
- iv) Avoiding wake losses in wind farms: Wake losses are a critical factor in large-scale wind farms. For certain wind directions and speeds, and with close spacing between turbines, wake losses can be as high as 30%. An optimized layout for a typical offshore wind farm ensures that overall wake losses are reduced to 10% or less of the potential annual energy yield.
The advantage of the invention presented here is that there are no wake losses in a fleet of wind turbine ships (1). Their mobility allows the wind turbine ships (1) to position themselves relative to the wind in such a way that wake losses are avoided, thus achieving up to 10% more power output compared to stationary wind farms.Dr. Martin Dörenkämper, Large-scale wind farm effects - A key contribution to the economic operation of a Wind farms, blog Fraunhofer Institute for Wind Energy Systems, 2022 - v) Addressing movements along the three degrees of freedom directly on the wind turbine (2): Movements of the wind turbine along three degrees of freedom (roll, pitch, and yaw) caused by sea and wind conditions negatively impact the power output of the wind turbine and increase material fatigue. In the field of moored floating wind turbines (see IV. AERODYNAMIC CHALLENGES in the STATE OF THE ART section), various solutions have been presented (e.g.
,D. Roddier and C. Cermelli, Patent: Floating wind turbine platform with ballast control and mooring system ) and implemented (e.g. www.principlepower.comjwindfloatjaadvantagejperformance) or are still in research (e.US9139266B2 ). However, the challenge of roll, pitch, and yaw movements is addressed there at the level of the floating platform and not at the turbine level. For the counter-movements, the entire floating platform must be moved, which naturally requires more energy than applying the counter-movements directly at the turbine level. The invention presented here applies the counter-movements directly to the wind turbine (2) in a more energy-efficient manner. Counter-movements for the yaw, roll, and pitch of the wind turbine (2) are controlled using an active ball joint (8) (see Section 4). In contrast, this challenge is neither mentioned nor addressed in the mobile, unmoored, floating offshore wind turbines presented in the prior art (Ref.1) to (Ref.7). Only (Ref.8) partially addresses roll motions by considering and minimizing different heel angles (5°, 10°, 15°) to improve wind turbine performance by increasing the distance of the trimaran booms from the main hull. However, here, too, the problem is addressed at the platform level rather than directly at the turbine level.G. B. Wen et al, Power performance of an offshore floating wind turbine in platform pitching motion, Energy journal, volume 154, 2018 or www.floatech-project.com - vi) Oscillating blade pitch angle during rotor rotation for yaw optimization: As described in
Section 2, the yaw position of the wind turbine (2) is of fundamental importance for the sailing mechanism of the wind turbine vessel (1). However, as described, the torque of the wind turbine (2) and thus the power output decreases with increasing yaw angle (see20 ). For this reason, this invention includes a mechanism for oscillating blade adjustment during rotor rotation in order to optimize the wind flow angle at the blades when the wind turbine (2) is at a yaw angle and thus reduce the reduction in power output during yaw. It is state of the art to adapt the blade adjustment depending on wind conditions. The novelty and essential element of this part of the invention is that the blade adjustment is adjusted in an oscillating back and forth motion, not just occasionally when wind conditions change, but continuously during each rotor rotation. This optimizes the wind flow around the rotor blades (6) as described insection 5. The state of the art does not take sailing with wind turbines into account. Therefore, no comparable optimizations are described there. - vii) Increased power output through the wind-funnel effect of the hulls (3): The wind-funnel effect for increasing the power output of wind turbines is known in the state of the art. However, it has not yet been considered for mobile, free-floating, sailing wind turbines (2) as described in
Section 8.
- b) Scaling energy production by increasing accessible wind capacity
- i) Access to remote offshore regions with stronger and more consistent winds: As discussed in the PRIOR ART section, stationary, floating offshore wind turbines are limited in their scalability with respect to water depth and distance from shore. The invention presented here shares the advantage of the free-floating mobile wind turbine concepts (Ref.1) to (Ref.8) of the presented prior art in that it is not limited by these scalability limitations and enables access to remote offshore regions with stronger and more consistent winds.
- ii) Fewer restrictions due to regulation and lengthy approval procedures: The free-floating mobile concept of the invention presented here has the advantage of being able to use offshore regions for wind energy production outside coastal territorial waters, i.e. outside the 12-nautical mile zones and also outside the exclusive economic zones (EEZ) of 200 nautical miles. This contributes to alleviating ecological and socioeconomic problems associated with coastal regions, for example, from the perspective of environmental protection, fisheries, and tourism. It also reduces regulatory complexity, as described in V. REGULATORY COMPLEXITY in the STATE OF THE ART section, since there is no need to go through lengthy permitting procedures for stationary installations.
- a) Increasing energy production for a given wind capacity
- II. Reducing the costs of offshore wind energy production and transport
- a) Reducing manufacturing and installation costs
- i) Pivoting capability and underwater protection position enable lightweight architecture:
- Typically, any platform or vessel used to generate offshore wind energy must be constructed with a very strong and robust architecture to withstand the harsh wind and sea conditions at sea. This is done to prevent massive roll, pitch, and yaw of the platform or vessel. Moored floating offshore wind platforms, for example, use heavy, semi-submersible structures to reduce the influence of strong waves. An extreme case of roll, i.e., capsizing, is prevented by mooring anchors. Or, for example, in mobile, free-floating offshore wind turbines as described in (Ref.8), this can be countered by increasing the distance between the trimaran booms and thus increasing the structural mass. The invention presented here has the advantage that, by design, it is not designed to withstand the harsh wind and sea conditions, but to cope with them resiliently. On the one hand, roll, pitch, and yaw movements are counteracted and neutralized with the active ball joint (8)-based control (see Section 4). On the other hand, capsizing of the wind turbine ship (1) in heavy seas and storms is managed with the ability to pivot (see Section 1). In very strong storms, the wind turbine ship (1) can also utilize the floodable hulls and seek shelter underwater by intentionally pivoting (see Section 7). Therefore, the wind turbine ship (1) presented here can be built with a much lighter architecture, which reduces construction costs and material consumption.
- ii) Lightweight elastic mounts (4) and shrouds (5) instead of heavy wind turbine towers: Typical state-of-the-art horizontal wind turbines are mounted on vertical towers. These are heavy and strong structures, as they must support the entire weight of the wind turbine and rotor and withstand the aerodynamic wind forces and loads. In particular, the thrust along the rotation axis in the leeward direction requires very stable and strong tower statics. For floating offshore wind turbines, whether moored or free-floating, stationary or mobile, this concept is fundamentally disadvantageous, as the center of gravity is at the top and the length of the tower thus contributes to multiplying the roll, pitch, and yaw movements. The invention presented here has the advantage of using a lighter mount (4). The elastically bent brackets (4) together with the shrouds (5) hold the wind turbine (2) inside the wind turbine vessel (1) and not at its upper tip (see section 3), thereby improving the center of gravity.
- iii) No special offshore installation vessels are required for installation: The invention of an autonomously sailing wind turbine vessel (1) presented here, by its design, does not require the support of special offshore installation vessels. The wind turbine vessel (1) is built in a shipyard and then navigates independently to the installation site. This is an advantage over the state of the art for anchored floating offshore wind turbines, which require special and expensive vessels to tow the wind turbine to the destination and install the anchors, as well as power or gas lines, as described in the prior art.
- i) Pivoting capability and underwater protection position enable lightweight architecture:
- b) Reducing costs during energy production
- i) No dedicated offshore installation vessels are required for maintenance: Offshore maintenance and support are complex/costly, as the deployment of maintenance personnel and equipment is more demanding offshore than onshore. Furthermore, given the harsh sea conditions, moored floating wind turbine platforms cannot be fully serviced at sea, but must be detached from the berths and cables/pipelines by dedicated offshore installation vessels and towed back to port for the replacement of critical components or to avoid (
) of even more expensive and often difficult to obtain heavy-lift vessels that could undertake the replacement of components at the offshore location. All of these complexities/costs increase with water depth and distance from shore, thus contributing to scalability limitations. In contrast, the invention presented here operates fully constantly mobile and returns regularly and autonomously to the port or to the nearshore or offshore unloading station for integrated energy transport to discharge the stored energy, where regular maintenance can also be carried out synergistically in parallel. The replacement of larger components can also benefit from the mobile operating model and be carried out when the wind turbine vessel (1) returns to the port autonomously. This is made possible by several redundancy options, e.g., operations can continue with two of three hulls (3) by deliberately pivoting or by installing three wind turbines (2) on a wind turbine vessel (1) so that if one fails, two can still be used for sail propulsion and energy generation. Should the wind turbine vessel (1) nevertheless be out of service, it can be towed back to the port without dismantling any moorings or power cable installations or pipelines.J. McMortand, Operation and maintenance for floating wind turbines: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 163, July 2022 - (ii) Reduced damage during offshore operations due to storms: Damage from extreme weather conditions such as hurricanes and typhoons or from so-called ‘monster’ waves is reduced by utilising the underwater protection capability of floodable hulls (3) (see Section 7).
- i) No dedicated offshore installation vessels are required for maintenance: Offshore maintenance and support are complex/costly, as the deployment of maintenance personnel and equipment is more demanding offshore than onshore. Furthermore, given the harsh sea conditions, moored floating wind turbine platforms cannot be fully serviced at sea, but must be detached from the berths and cables/pipelines by dedicated offshore installation vessels and towed back to port for the replacement of critical components or to avoid (
- c) Reducing the costs of energy transport
- i) Flexible mobile energy transport without grid connection: Dynamic power and export cables or gas pipelines, substations, and grid connections represent a high complexity/cost burden for state-of-the-art floating offshore wind power solutions. The sailing wind turbine vessel (1) presented here has the advantage of being able to operate autonomously and mobile with integrated energy storage. This allows energy to be transported when and where it is needed, based on predictive, optimized dynamic route planning and navigation, taking into account the wind conditions on the dynamically planned route and the schedule for energy delivery to desired destinations, as presented in
Section 6.
- i) Flexible mobile energy transport without grid connection: Dynamic power and export cables or gas pipelines, substations, and grid connections represent a high complexity/cost burden for state-of-the-art floating offshore wind power solutions. The sailing wind turbine vessel (1) presented here has the advantage of being able to operate autonomously and mobile with integrated energy storage. This allows energy to be transported when and where it is needed, based on predictive, optimized dynamic route planning and navigation, taking into account the wind conditions on the dynamically planned route and the schedule for energy delivery to desired destinations, as presented in
- a) Reducing manufacturing and installation costs
AUSFÜHRUNGSBEISPIELEEXAMPLES OF IMPLEMENTATION
i. Vier Segelkursbeispielei. Four sailing course examples
1. Vorwindkurs1. Downwind course
Im Vergleich zu den anderen Segelkursbeispielen ist der Vorwindkurs des Windturbinenschiffes (1) für eine effiziente Energieerzeugung insbesondere für Windturbinenschiffe (1) mit mehr als einer Windturbine (2) weniger geeignet, da a) die Windturbinen (2) in einer Reihe angeordnet sind, was zu erheblichen Nachlaufverlusteffekten führt und b) der relative Wind (Gegenwind) hervorgehend aus der Bewegung des Windturbinenschiffes (2) direkt entgegengesetzt der Windrichtung weht, was den scheinbaren Wind an der Windturbine (2) erheblich verringert.Compared to the other sailing course examples, the downwind course of the wind turbine vessel (1) is less suitable for efficient energy generation, especially for wind turbine vessels (1) with more than one wind turbine (2), because a) the wind turbines (2) are arranged in a row, which leads to significant wake loss effects and b) the relative wind (headwind) resulting from the movement of the wind turbine vessel (2) blows directly opposite to the wind direction, which significantly reduces the apparent wind at the wind turbine (2).
2. Raumwindkurs2. Downwind course
Die Rotationsachsen der Windturbinen (2) zeigen direkt in den Wind. Mit ausreichendem Abstand zwischen den Windturbinen (2) reduzieren keine Nachlaufverluste (oder zumindest deutlich geringere als im vorherigen Beispiel auf Vorwindkurs) die erzeugte Leistungsabgabe und den erzeugten Schub. Darüber hinaus trägt keine Gierabweichung zur Windrichtung des wahren Windes (die andernfalls die Leistungsabgabe verringern würde, siehe
3. Halbwindkurs3. Beam reach
Durch die Gierabweichung von 30° wird die Leistungsabgabe auf 80% reduziert (siehe
4. Amwindkurs4. Upwind course
Zusätzlich zu den vier beschriebenen Segelkursen kann jeder beliebige Kurs dazwischen mit dem Windturbinenschiff (1) gesegelt werden, mit Ausnahme des segeltypischen Bereichs direkt gegen den Wind auch sogenannte Totzone genannt. Die Auswirkungen auf die Leistungsabgabe der Windturbinen (2) und die Vorwärtskräfte (Fvw) und damit auf die Vorwärtsgeschwindigkeit des Windturbinenschiffes (1) sind dann ebenfalls eine Kombination der oben für die vier Kurse beschriebenen.In addition to the four described sailing courses, any course in between can be sailed with the wind turbine vessel (1), with the exception of the typical sailing area directly into the wind, also known as the dead zone. The effects on the power output of the wind turbines (2) and the forward forces (Fvw), and thus on the forward speed of the wind turbine vessel (1), are then also a combination of the courses described above for the four courses.
ii. Vier Berechnungen des oszillierenden Blatteinstellwinkelsii. Four calculations of the oscillating blade pitch angle
Die folgenden Abschnitte zeigen Berechnungen des oszillierenden Blatteinstellwinkels β für vier Szenarien der Rotorrotation bei 0°, 90°, 180° und 270° für eine Windturbine (2). Die Windturbine (2) weist in allen vier Szenarien folgende Parameter auf:
- • Durchmesser d: 100 m
- • Schnelllaufzahl A: 7
- • Anstellwinkel α: 10°
- • Gierwinkel y: 30°
- • ungestörte Windgeschwindigkeit am Standort der Windturbine vu: 12 m/s
- • wahre Windgeschwindigkeit an der Rotorebene v: 8 m/s (typischerweise 2/3 der tatsächlichen Windgeschwindigkeit vu)
- • Blattspitzengeschwindigkeit vt: 84 m/s (mit Schnelllaufzahl λ = 7 und vu = 12 m/s)
- • Diameter d: 100 m
- • Tip speed ratio A: 7
- • Angle of attack α: 10°
- • Yaw angle y: 30°
- • undisturbed wind speed at the location of the wind turbine v u : 12 m/s
- • True wind speed at the rotor plane v: 8 m/s (typically 2/3 of the actual wind speed v u )
- • Blade tip speed v t : 84 m/s (with tip speed ratio λ = 7 and v u = 12 m/s)
Die vier Szenarien betrachten jeweils den Querschnitt in der Mitte des Rotorblattes (6), wo die Rotationswindgeschwindigkeit u = 42 m/s (die Hälfte der Blattspitzengeschwindigkeit vt) beträgt.The four scenarios each consider the cross-section in the middle of the rotor blade (6), where the rotational wind speed u = 42 m/s (half of the blade tip speed v t ).
a) Blatteinstellwinkel bei 0° Rotorblattrotationa) Blade pitch angle at 0° rotor blade rotation
Unter dem gegebenen Szenario beträgt der Blatteinstellwinkel bei 0° Rotorrotation β0° = -1,6°, berechnet mit den entsprechenden Windgeschwindigkeitsvektoren:
- •
siehe Vektorraumdimensionen in45 - •
- •
sieheAbschnitt 5 Gleichung (G40°)
- •
see vector space dimensions in45 - •
- •
seesection 5 equation (G4 0° )
Mit Abschnitt 5 Gleichung (G30°) and (G20°) erhält man (G10°):
- •
- •
b) Blatteinstellwinkel bei 90° Rotorblattrotationb) Blade pitch angle at 90° rotor blade rotation
Unter dem gegebenen Szenario beträgt der Blatteinstellwinkel bei 90° Rotorrotation β90° = -0,4°, berechnet mit den entsprechenden Windgeschwindigkeitsvektoren:
- •
siehe Vektorraumdimensionen46 - • v90° = 8 m/s
- •
sieheAbschnitt 5 Gleichung (G590°) - •
sieheAbschnitt 5 Gleichung (G490°)
- •
see vector space dimensions46 - • v 90° = 8 m/s
- •
seesection 5 equation (G5 90° ) - •
seesection 5 equation (G4 90° )
Mit Abschnitt 5 Gleichung (G390°) und (G290°) erhält man (G190°):
- •
- •
c) Blatteinstellwinkel bei 180° Rotorblattrotationc) Blade pitch angle at 180° rotor blade rotation
Unter dem gegebenen Szenario beträgt der Blatteinstellwinkel bei 180° Rotorrotation β180° = 0,1°, berechnet mit den entsprechenden Windgeschwindigkeitsvektoren:
- •
siehe Vektorraumdimensionen47 - •
- •
sieheAbschnitt 5 Gleichung (G4180°)
- •
see vector space dimensions47 - •
- •
seesection 5 equation (G4 180° )
Mit Abschnitt 5 Gleichung (G3180°) und (G2180°) erhält man (G1180°):
- •
- •
d) Blatteinstellwinkel bei 270° Rotorblattrotationd) Blade pitch angle at 270° rotor blade rotation
Unter dem gegebenen Szenario beträgt der Blatteinstellwinkel bei 270° Rotorrotation β270° = -0,4°, berechnet mit den entsprechenden Windgeschwindigkeitsvektoren:
- •
siehe Vektorraumdimensionen in48 - • v270° = 8 m/s
- •
sieheAbschnitt 5 Gleichung (G5270°) - •
sieheAbschnitt 5 Gleichung (G4270°)
- •
see vector space dimensions in48 - • v 270° = 8 m/s
- •
seesection 5 equation (G5 270° ) - •
seesection 5 equation (G4 270° )
Mit Abschnitt 5 Gleichung (G3270°) and (G2270°) erhält man (G1270°):
- •
- •
Mit der gleichen Methode wie in Abschnitt 5 vorgestellt und in den obigen Berechnungen beispielhaft angewendet, kann jedes andere Szenario für Parameter der Windturbine (2), Windbedingungen und Rotorpositionen berechnet werden.Using the same method as presented in
Das obige Verfahren der oszillierenden Blatteinstellung und die entsprechenden Berechnungen können weiter erweitert werden, um einen zusätzlichen Windvektor zu berücksichtigen, der durch den relativen Wind des fahrenden Windturbinenschiffes (1) verursacht wird. Allerdings ist die Bewegungsgeschwindigkeit des fahrenden Windturbinenschiffes (1) relativ langsam im Vergleich zu den Offshore-Windgeschwindigkeiten und der Umfangsgeschwindigkeit an den Rotorblättern (6). Daher ist der Einfluss des relativen Windes des fahrenden Windturbinenschiffes (1) für die Gesamtberechnung der oszillierenden Blatteinstellwinkel weniger von Bedeutung und wird daher in den obigen Berechnungen vernachlässigt. Der Windvektor des Fahrtwindes kann hinzugefügt werden, um die Genauigkeit weiter zu erhöhen.The above oscillating blade pitch method and corresponding calculations can be further extended to consider an additional wind vector caused by the relative wind of the traveling wind turbine vessel (1). However, the moving speed of the traveling wind turbine vessel (1) is relatively slow compared to the offshore wind speeds and the peripheral speed at the rotor blades (6). Therefore, the influence of the relative wind of the traveling wind turbine vessel (1) is less significant for the overall calculation of the oscillating blade pitch angles and is therefore neglected in the above calculations. The wind vector of the headwind can be added to further increase the accuracy.
Unabhängig davon zeigt sich, dass eine im Uhrzeigersinn rotierende Windturbine (2) aerodynamische Vorteile auf einem Segelkurs mit einer gegierten Windturbine (2) bietet (siehe z. B. Halbwindkurs und Amwindkurs oben), wenn der Wind von der Backbordseite des Windturbinenschiffes (1) kommt. Dies ist die entgegengesetzte Situation, wie in den oben in ii. gezeigten Beispielrechnungen a) - d) mit Windrichtung von Steuerbord. Die scheinbare Windgeschwindigkeit in a) - d) ist bei gegebener Gierabweichung der Windturbine (2) oben am höchsten, d. h. bei 0° Rotation des Rotorblatts (6) und unten am niedrigsten, d. h. bei 180° Rotation des Rotorblatts (6). Obwohl auf dem Meer weitaus weniger als an Land, weht der Wind er in der Höhe typischerweise relativ stärker als in der Nähe der Oberfläche, was als Windscherung bezeichnet wird. Kommt der Wind also von der Backbordseite des Schiffes (1) statt von der Steuerbordseite, wie in a) - d) gezeigt, ist der scheinbare Wind an der unteren Position des Rotorblatts (6) d.h. bei 180° Rotorrotation relativ stärker und an der oberen Position d. h. bei 0° Rotation des Rotorblatts (6) relativ schwächer. Somit kann die oszillierende Blatteinstellung den Windscherungseffekt mit Wind von Backbord ausgleichen bzw. zumindest entgegenwirken und somit für eine ausgeglichenere Belastung der Windturbine (2) sorgen, was z. B. von Vorteil ist zur Reduzierung von Materialermüdung.Regardless, it can be seen that a clockwise rotating wind turbine (2) offers aerodynamic advantages on a sailing course with a yawed wind turbine (2) (see, for example, beam reach and close-hauled course above) when the wind is coming from the port side of the wind turbine vessel (1). This is the opposite situation to that shown in the example calculations a) - d) above in ii. with wind direction from starboard. The apparent wind speed in a) - d), for a given yaw deviation of the wind turbine (2), is highest at the top, i.e., at 0° rotation of the rotor blade (6), and lowest at the bottom, i.e., at 180° rotation of the rotor blade (6). Although far less strong at sea than on land, the wind is typically relatively stronger at altitude than near the surface, which is referred to as wind shear. If the wind comes from the port side of the ship (1) instead of the starboard side, as shown in a) - d), the apparent wind is relatively stronger at the lower position of the rotor blade (6), i.e., at 180° rotor rotation, and relatively weaker at the upper position, i.e., at 0° rotation of the rotor blade (6). Thus, the oscillating blade setting can compensate for or at least counteract the wind shear effect with wind from the port side, thus ensuring a more balanced load on the wind turbine (2), which is beneficial, for example, for reducing material fatigue.
Ein weiterer zu berücksichtigender Aspekt ist, dass die oszillierende Blatteinstellung auch Energie verbraucht. Für den Fall, dass dies unter bestimmten Umweltbedingungen (z.B. häufige Windrichtungswechsel, Windböen, Nachlaufverluste oder andere aerodynamische Effekte) keinen Nettovorteil für die Leistungsabgabe erbringt oder wenn ein relativ hoher Energieverbrauch für die kontinuierliche Nachsteuerung der Blatteinstellung vorliegt, kann die vorgestellte Methode weiterhin zur Berechnung der optimalen durchschnittlichen Blatteinstellung bei einem gegeben Gierwinkel der Windturbine (2) für einen spezifischen Segelkurs verwendet werden.Another aspect to consider is that oscillating blade pitch also consumes energy. In the event that this does not provide a net benefit for power output under certain environmental conditions (e.g., frequent wind direction changes, gusts, wake losses, or other aerodynamic effects), or if there is a relatively high energy consumption for continuously adjusting the blade pitch, the presented method can still be used to calculate the optimal average blade pitch for a given wind turbine yaw angle (2) for a specific sailing course.
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