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DE102024000107A1 - Sailing wind turbine vessel capable of pivoting for efficient and resilient energy production and transport - Google Patents

Sailing wind turbine vessel capable of pivoting for efficient and resilient energy production and transport Download PDF

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DE102024000107A1
DE102024000107A1 DE102024000107.7A DE102024000107A DE102024000107A1 DE 102024000107 A1 DE102024000107 A1 DE 102024000107A1 DE 102024000107 A DE102024000107 A DE 102024000107A DE 102024000107 A1 DE102024000107 A1 DE 102024000107A1
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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.

Figure DE102024000107A1_0000
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.
Figure DE102024000107A1_0000

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 ( National Renewable Energy Laboratory (NREL), Future of wind, Chapter 2.3 Offshore Wind Outlook to 2050, 2019 ). Tiefere und weiter entfernte Standorte für Offshore-Windturbinen mit festem Fundament erhöhen die technischen Schwierigkeiten und Kosten und haben daher zur Entwicklung schwimmender Plattformen für Offshore-Windturbinen geführt, was insbesondere für Küstengebiete ohne flache Gewässer relevant ist. 80 % des weltweiten Offshore-Windressourcenpotenzials liegt in Gewässern mit einer Tiefe von mehr als 60 m, was bedeutet, dass schwimmende Offshore-Windenergie erforderlich ist, um die Offshore-Windenergieproduktion (Global Wind Energy Council (GWEC), Floating Offshore Wind - A Global Opportunity, 2022) weiter zu skalieren. ( Bauer, NREL, 2022) (Joshua Bauer, NREL, Offshore Wind Energy: Technology Below the Water, 2022 ) zeigt verschiedene schwimmende Windturbinenkonzepte mit ihrer Verankerung im Meeresboden und der Verbindung zu dynamischen und statischen Stromkabeln.The current state of the art for offshore wind energy production is horizontal offshore wind turbines, which generate electrical energy and feed it into the onshore power grid via submarine cables. Recently, the use of gas pipelines in combination with Power-to-X technologies instead of power cables has also been investigated and piloted (https://aquaductus-offshore.de). Compared to onshore wind turbines, offshore wind turbines can harness stronger and more consistent winds at sea. Currently installed offshore wind turbines are predominantly fixed-foundation wind turbines, which are attached to the seabed by monopile, jacket, or similar foundations. These are currently limited to coastal waters up to 80 kilometers from the coast and less than 60 meters deep ( National Renewable Energy Laboratory (NREL), Future of wind, Chapter 2.3 Offshore Wind Outlook to 2050, 2019 Deeper and more remote locations for fixed-foundation offshore wind turbines increase technical difficulties and costs and have therefore led to the development of floating platforms for offshore wind turbines, which is particularly relevant for coastal areas without shallow waters. 80% of the world's offshore wind resource potential lies in waters deeper than 60 m, meaning that floating offshore wind is required to further scale offshore wind energy production (Global Wind Energy Council (GWEC), Floating Offshore Wind - A Global Opportunity, 2022). ( Bauer, NREL, 2022) (Joshua Bauer, NREL, Offshore Wind Energy: Technology Below the Water, 2022 ) shows various floating wind turbine concepts with their anchoring in the seabed and connection to dynamic and static power cables.

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:

  1. I. EINGESCHRÄNKTE SKALIERBARKEIT - Obwohl VSOW bis zu einer Wassertiefe von 1.000 m als technisch machbar gelten ( World Bank Energy Sector Management Assistance Program (ESMAP), Offshore Wind Technical Potential Analysis, Going Global Report, 2019 ), wird die maximale Tiefe für die kommerzielle Realisierbarkeit derzeit bei etwa 200-300 Metern Wassertiefe angenommen ( Impacts of water depth increase on offshore floating wind turbine dynamics, Ocean Engineering Volume 224, 2021 ). 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 ( Liu et al, Wind power distribution over the ocean, Geophysical Research Letters, Vol. 35, L13808, 2008 ), aber lassen sich durch die oben beschriebenen Einschränkungen durch VSOW nicht nutzen.
  2. 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.
  3. III. HOHER WARTUNGSAUFWAND/-KOSTEN - Materialermüdung, Korrosion und Komplikationen durch Fischereiaktivitäten führen zu zusätzlichen hohen Wartungskosten/-komplexität ( Floating Offshore Wind: Market and Technology Review, Carbon Trust, Prepared for the Scottish Government, 2015 ), 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 ( Operation and maintenance for floating wind turbines: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 163, July 2022 ) (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.
  4. 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 ).
  5. V. KOMPLEXITÄT DURCH REGULIERUNG - Dauerhafte Installationen in küstennahen Gewässern erfordern umfangreiche Genehmigungen ( IRENA and GWEC, Enabling frameworks for offshore wind scaleup: Innovations in permitting, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, 2023 ). Stromkabel und Verankerungen haben beispielsweise Auswirkungen auf die Fischerei, den Tourismus und die Tierwelt, wodurch Bedenken der Öffentlichkeit entstehen können, die adressiert werden müssen ( Inside the Global Race to Tap Potent Offshore Wind, IEEE Spectrum, 2023 ). Zum dem müssen in der Regel Pachtkosten bezahlt werden.
However, moored floating offshore wind turbines (VSOW) also have the following structural disadvantages:
  1. I. LIMITED SCALABILITY - Although VSOW are considered technically feasible up to a water depth of 1,000 m ( World Bank Energy Sector Management Assistance Program (ESMAP), Offshore Wind Technical Potential Analysis, Going Global Report, 2019 ), the maximum depth for commercial viability is currently assumed to be around 200-300 meters water depth ( Impacts of water depth increase on offshore floating wind turbine dynamics, Ocean Engineering Volume 224, 2021 ). 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 ( Liu et al, Wind power distribution over the ocean, Geophysical Research Letters, Vol. 35, L13808, 2008 ), but cannot be used due to the restrictions described above by VSOW.
  2. 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
  3. III. HIGH MAINTENANCE EFFORT/COSTS - Material fatigue, corrosion and complications from fishing activities lead to additional high maintenance costs/complexity ( Floating Offshore Wind: Market and Technology Review, Carbon Trust, Prepared for the Scottish Government, 2015 ), 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 ( Operation and maintenance for floating wind turbines: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 163, July 2022 ) (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.
  4. 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 ).
  5. V. COMPLEXITY DUE TO REGULATION - Permanent installations in coastal waters require extensive permits ( IRENA and GWEC, Enabling frameworks for offshore wind scaleup: Innovations in permitting, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, 2023 ). Power cables and anchorages, for example, have impacts on fishing, tourism, and wildlife, which can raise public concerns that need to be addressed ( Inside the Global Race to Tap Potent Offshore Wind, IEEE Spectrum, 2023 ). In addition, lease costs usually have to be paid.

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) Referenz (Ref.1) System for propulsion of boats by means of winds and streams and for recovery of energy (Vidal Jean Pierre, Patent: System for propulsion of boats by means of winds and streams and for recovery of energy US4371346A , 1983) Ansatz Illustration Auf einem Katamaran wird eine Windturbine installiert die mechanisch eine Schiffsschraube antreibt für den Antrieb des Katamarans. siehe 6 Stand der Technik Ref.1 Nachteile • System ist nicht für die Energieproduktion entwickelt. Diese wäre durch den hier gewählten Ansatz ineffizient, da die Rotationsenergie der Windturbine für einen mechanischen Schiffsantrieb genutzt wird. Dies würde das Potenzial der Windturbine für die Energieproduktion reduzieren. Der Ansatz zur Umwandlung der Rotationsenergie für den mechanischen Schiffsantrieb durch eine Wasserturbine erfordert die Wartung der mechanischen Teile und erzeugt zusätzlichen Materialverschleiß, wodurch die Effizienz weiter verringert würde. • Es findet keine dynamische Anpassung an die Windturbinenbewegungen entlang der drei Freiheitsgrade (Rollen, Neigen, Gieren) statt, die durch See- und Windbedingungen verursacht werden. Somit kann nicht sichergestellt werden, dass die Windturbine optimal in den Wind ausgerichtet wird, um ein Kränken aus dem Wind heraus wie bei einem Segelboot zu verhindern. • Der hohe Schwerpunkt aufgrund der oben angebrachten Turbine führt bei stürmischer See zu einer hohen Kentergefahr. Tabelle 2 Referenz (Ref.2) Referenz (Ref.2) Dynamically positioned floating offshore wind turbine concept ( R. Alwan et al, Investigation of a dynamically positioned floating off shore wind turbine concept, 2018 ) Ansatz Illustration Eine Windturbine wird auf einer schwimmenden Plattform installiert. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen schwimmenden Offshore-Windturbine verfügt sie über keine Verankerungen. Stattdessen werden Unterwasserpropeller eingesetzt, um die Windturbine stationär zu halten. Die schwimmende Windturbine wird optional auch mit einem integrierten Energiespeichersystem ausgestattet. siehe 7 Stand der Technik Ref.2 Nachteile • Die Unterwasserpropeller verbrauchen Strom, um zu verhindern, dass die Turbine in der Wind- und/oder Strömungsrichtung abdriftet, was die Nettoenergieproduktion verringert (siehe auch Xu et al. ( Xu, S., Murai, M., Wang, X., and Takahashi, K.: A novel conceptual design of a dynamically positioned floating wind turbine, Ocean Eng., 221, 108528, https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2020.108528, 2021 ), die aufzeigen, dass ca. 50%-80% der Energieproduktion zum Erhalten der stationären Position verbraucht werden). • Der stationäre Ansatz erschwert den Zugang zu entlegeneren Offshore-Gebieten mit höheren Windgeschwindigkeiten, die sich dynamisch aufgrund der Wetterentwicklung verändern. • Bei der Konstruktion werden Stabilitätsaspekte zur Bewältigung rauer Seebedingungen und die Anpassung an die drei Freiheitsgrade (Rollen, Neigen, Gieren), die durch See- und Windbedingungen verursacht werden, nicht berücksichtigt. Tabelle 3 Referenz (Ref.3) Referenz (Ref.3) Unmoored: a free-floating wind turbine invention and autonomous open-ocean wind farm concept (" Jack H Raisanen et al., Unmoored: a free-floating wind turbine invention and autonomous open-ocean wind farm concept, EERA DeepWind Offshore Wind R&D Conference, 2022 )17 Ansatz Illustration Freischwimmende Offshore-Windturbine für tiefe Gewässer, die einen großen Unterwasserpropeller verwendet, um ihre Position beizubehalten und sich bei Bedarf zu bewegen, während zwei kleine Propeller die Einheit drehen. siehe 8 Stand der Technik Ref.3 Nachteile • Der Ansatz verfügt über die gleichen Nachteile wie in (Ref.2) beschrieben. • Die vorgeschlagene Weiterentwicklung dieses Konzepts zur Verbindung mehrerer dieser freischwimmenden Windturbinen zu einem schwimmenden Windpark, kann die oben genannten Nachteile nicht wesentlich beseitigen. Es wird davon ausgegangen, dass Schlepper an jeder Ecke des Windparks die zusammengebundenen Windturbinen voneinander auf Distanz halten und an Zielpositionen ziehen, was wiederum zusätzliche Energie verbraucht. Tabelle 4 Referenz (Ref.4) Referenz (Ref.4) Autonomous Vessel Robot AI System ( Nelson James Kruschandl, Patent: Autonomous Vessel Robot AI System GB251173, 2013 ) Ansatz Illustration Beschreibt ein Schiff, das zum kontinuierlichen autonomen Betrieb auf See fähig ist und ausschließlich erneuerbare Energie nutzt. Nutzt Computer, Sensoren, Navigationsgeräte, terrestrischen Funk- und Satellitenkommunikation, mechanische, elektrische und hydraulische Aktuatoren sowie eine Mehrrumpfkonstruktion zur Kurshaltung und Navigation auf hoher See. keine Fig. vorhanden Nachteile • Es wird ausschließlich ein System zur autonomen Seefahrt beschreiben, jedoch kein System zur Energieproduktion. Tabelle 5 Referenz (Ref. 5) Referenz (Ref.5) Innovative Autonomously-Driven Offshore Wind Turbines: a prefeasibility analysis ( Xavier Martinez Beseler, Innovative Autonomously-Driven Offshore Wind Turbines: a prefeasibility analysis, DTU Department Electrical Engineering, 2019 ) Ansatz Illustration Autonom angetriebene Offshore-Windturbinenschiff auf Basis einer hydrodynamischen schwimmenden Plattform (ein Katamaran) mit einem Unterwasserpropeller für den Schiffsantrieb und einem Energiespeichersystem. siehe 9 Stand der Technik Ref.5 Nachteile • Es verbraucht Energie für den Antrieb des Wasserpropellers, was die Nettoenergieproduktion verringert. • Der hohe Schwerpunkt durch die hoch angebrachte Windturbine, geht mit einer hohen Kentergefahr bei stürmischer See einher. Tabelle 6 Referenz (Ref.6) Referenz (Ref.6) Wind Trawler: operation of a wind energy system in the far offshore environment ( Annan, A. M., Lackner, M. A., and Manwell, J. F.: Wind Trawler: operation of a wind energy system in the far offshore environment, J. Phys.-Conf. Ser., 1452, 012031, 2020 ) Ansatz Illustration Mobile schwimmende Wind- und Wasserturbine mit stromlinienförmigem Rumpf mit einer einzelnen montierten Windturbine und zwei montierten hydrokinetischen Unterwasserturbinen. Kombiniert mit Wasserstoffsynthese- und Speichersystem innerhalb der Unterstruktur. siehe 10 Stand der Technik Ref.6 Nachteile • Der Ansatz verursacht hohe Komplexität/Kosten für die Installation von Wind- und Wasserturbinen zur Energieerzeugung und Wasserpropellern für den Antrieb. • Ähnlich wie (Ref.5) verbraucht das auf Wasserpropellern basierende Antriebssystem Energie, was die Nettoenergieproduktion verringert. • Der hohe Schwerpunkt durch die hoch montierte Windturbine führt bei stürmischer See zu einer hohen Kentergefahr. Tabelle 7 Referenz (Ref.7) Referenz (Ref.7) Exploitation of the far-offshore wind energy resource by fleets of energy ships ( Aurelien Babarit et al, Exploitation of the far-offshore wind energy resource byfleets of energy ships-Part 1: Energy ship design and performance and Part 2 Updated ship design and cost of energy estimate, 2020, 2021 ) Ansatz Illustration Autonom auf der Hochsee segelndes Energieschiff, das Flettner-Rotoren als Windantrieb nutzt. Unter seinem Rumpf angebrachte Wasserturbinen dienen der Stromerzeugung. Power-to-X-Anlagen an Bord werden zur Speicherung der erzeugten Energie genutzt. siehe 11 Stand der Technik Ref.7 Nachteile • Die beschriebene Energieerzeugung hat Effizienznachteile, da Windenergie zunächst in kinetische Energie für den Schiffsantrieb umgewandelt werden muss, die dann mithilfe von Wasserturbinen in elektrische Energie umgewandelt wird. • Der vorgestellte ansatz Erfordert die zweimalige Anwendung des Betzschen Gesetzes statt einer einmaligen. • Die maximale Leistung, die dem Wind zur Energieerzeugung entnommen werden kann, muss statt des einmaligen Faktors 16/27 des Betz-Koeffizienten zweimal angewendet werden. Einmal bei der Energieentnahme aus dem Wind und ein zweites Mal bei der Energieentnahme aus der relativen Wasserströmung unterhalb des Energieschiffs mit den Wasserturbinen. Tabelle 8 Referenz (Ref.8) Referenz (Ref.8) Multi-objective optimization for an autonomous unmoored offshore wind energy system substructure ( Annan, A. M., Lackner, M. A., and Manwell, J. F.: Multi-objective optimization for an autonomous unmoored offshore wind energy system substructure, J. of Applied Energy, Volume 344, 121264, 2023 ) Ansatz Illustration Optimierte Rumpfstruktur für das in (Ref.6) genannte Wind Trawler-Konzept. Trimaran-Rumpfkonstruktion (Primärrumpf und zwei symmetrisch äquivalente Ausleger), optimiert mit Multi-Objective-Optimierung (MOO) für den bimodalen Betrieb als Energieerzeuger und Energietransporter im Hinblick auf gegensätzliche geometrische Längs- und Quereigenschaften. keine Fig. vorhanden Nachteile • Die geometrischen Parameter der Rumpfkonstruktion, die sowohl die Energieproduktion als auch die Investitionsausgaben (in Form der Baustahlmasse) beeinflussen, werden optimiert. Die in (Ref.6) genannten grundlegenden Nachteile bleiben jedoch bestehen. In light of these disadvantages, various approaches for free-floating offshore wind turbines have been developed. The following tables describe prior art references relevant to this invention in the field of free-floating offshore wind turbines. The tables name the reference, describe the approach with an illustration (if available), and describe its disadvantages, which are mitigated, among other things, by the present invention. Table 1 Reference (Ref.1) Reference (Ref.1) System for propulsion of boats by means of winds and streams and for recovery of energy (Vidal Jean Pierre, Patent: System for propulsion of boats by means of winds and streams and for recovery of energy US4371346A , 1983) Approach illustration A wind turbine is installed on a catamaran which mechanically drives a propeller to propel the catamaran. see 6 State of the art Ref.1 Disadvantages • The system is not designed for energy production. This would be inefficient with the approach chosen here, as the rotational energy of the wind turbine is used for mechanical ship propulsion. This would reduce the wind turbine's potential for energy production. The approach of converting the rotational energy for mechanical ship propulsion with a water turbine requires maintenance of the mechanical parts and creates additional material wear, which would further reduce efficiency. • There is no dynamic adaptation to the wind turbine movements along the three degrees of freedom (roll, pitch, yaw) caused by sea and wind conditions. Therefore, it cannot be guaranteed that the wind turbine is optimally aligned with the wind to prevent it from listing out of the wind, as with a sailboat. • The high center of gravity due to the turbine mounted on top leads to a high risk of capsizing in stormy seas. Table 2 Reference (Ref.2) Reference (Ref.2) Dynamically positioned floating offshore wind turbine concept ( R. Alwan et al, Investigation of a dynamically positioned floating off shore wind turbine concept, 2018 ) Approach illustration A wind turbine is installed on a floating platform. Unlike a conventional floating offshore wind turbine, it has no anchorages. Instead, underwater propellers are used to keep the wind turbine stationary. The floating wind turbine can also be optionally equipped with an integrated energy storage system. see 7 State of the art Ref.2 Disadvantages • The underwater propellers consume power to prevent the turbine from drifting in the direction of the wind and/or current, which reduces the net energy production (see also Xu et al. ( Xu, S., Murai, M., Wang, ), which show that approximately 50%-80% of the energy production is consumed to maintain the stationary position). • The stationary approach makes it difficult to access more remote offshore areas with higher wind speeds that change dynamically due to weather developments. • The design does not take into account stability aspects to cope with rough sea conditions and adaptation to the three degrees of freedom (roll, pitch, yaw) caused by sea and wind conditions. Table 3 Reference (Ref.3) Reference (Ref.3) Unmoored: a free-floating wind turbine invention and autonomous open-ocean wind farm concept (" Jack H Raisanen et al., Unmoored: a free-floating wind turbine invention and autonomous open-ocean wind farm concept, EERA DeepWind Offshore Wind R&D Conference, 2022 ) 17 Approach illustration Free-floating offshore wind turbine for deep waters that uses a large underwater propeller to maintain its position and move as needed, while two small propellers rotate the unit. see 8 State of the art Ref.3 Disadvantages • The approach has the same disadvantages as described in (Ref.2). • The proposed further development of this concept, linking several of these free-floating wind turbines into a floating wind farm, cannot significantly eliminate the aforementioned disadvantages. Tugboats at each corner of the wind farm are expected to keep the tethered wind turbines at a distance from each other and pull them to target positions, which in turn consumes additional energy. Table 4 Reference (Ref.4) Reference (Ref.4) Autonomous Vessel Robot AI System ( Nelson James Kruschandl, Patent: Autonomous Vessel Robot AI System GB251173, 2013 ) Approach illustration Describes a vessel capable of continuous autonomous operation at sea, powered exclusively by renewable energy. It utilizes computers, sensors, navigation equipment, terrestrial radio and satellite communications, mechanical, electrical, and hydraulic actuators, and a multi-hull design for course keeping and navigation on the high seas. no fig. available Disadvantages • It will only describe a system for autonomous maritime navigation, but not a system for energy production. Table 5 Reference (Ref. 5) Reference (Ref.5) Innovative Autonomously-Driven Offshore Wind Turbines: a prefeasibility analysis ( Xavier Martinez Beseler, Innovative Autonomously-Driven Offshore Wind Turbines: a prefeasibility analysis, DTU Department Electrical Engineering, 2019 ) Approach illustration Autonomously powered offshore wind turbine vessel based on a hydrodynamic floating platform (a catamaran) with an underwater propeller for ship propulsion and an energy storage system. see 9 State of the art Ref.5 Disadvantages • It consumes energy to drive the water propeller, which reduces net energy production. • The high center of gravity due to the high mounted wind turbine is associated with a high risk of capsizing in stormy seas. Table 6 Reference (Ref.6) Reference (Ref.6) Wind Trawler: operation of a wind energy system in the far offshore environment ( Annan, AM, Lackner, MA, and Manwell, JF: Wind Trawler: operation of a wind energy system in the far offshore environment, J. Phys.-Conf. Ser., 1452, 012031, 2020 ) Approach illustration Mobile floating wind and water turbine with a streamlined hull, featuring a single mounted wind turbine and two mounted underwater hydrokinetic turbines. Combined with a hydrogen synthesis and storage system within the substructure. see 10 State of the art Ref.6 Disadvantages • The approach causes high complexity/costs for the installation of wind and water turbines for power generation and water propellers for propulsion. • Similar to (Ref.5), the water propeller-based propulsion system consumes energy, which reduces the net energy production. • The high center of gravity due to the high-mounted wind turbine leads to a high risk of capsizing in stormy seas. Table 7 Reference (Ref.7) Reference (Ref.7) Exploitation of the far-offshore wind energy resource by fleets of energy ships ( Aurelien Babarit et al, Exploitation of the far-offshore wind energy resource by fleets of energy ships-Part 1: Energy ship design and performance and Part 2 Updated ship design and cost of energy estimate, 2020, 2021 ) Approach illustration An autonomously sailing energy vessel that uses Flettner rotors for wind propulsion. Water turbines mounted beneath its hull generate electricity. Power-to-X systems on board are used to store the generated energy. see 11 State of the art Ref.7 Disadvantages • The described energy generation has efficiency disadvantages because wind energy must first be converted into kinetic energy for ship propulsion, which is then converted into electrical energy using water turbines. • The proposed approach requires the application of Betz’s law twice instead of once. • The maximum power that can be extracted from the wind for energy generation must be applied twice, instead of the single factor of 16/27 of the Betz coefficient: once for the energy extraction from the wind and a second time for the energy extraction from the relative water current below the energy vessel with the water turbines. Table 8 Reference (Ref.8) Reference (Ref.8) Multi-objective optimization for an autonomous unmoored offshore wind energy system substructure ( Annan, AM, Lackner, MA, and Manwell, JF: Multi-objective optimization for an autonomous unmoored offshore wind energy system substructure, J. of Applied Energy, Volume 344, 121264, 2023 ) Approach illustration Optimized hull structure for the wind trawler concept mentioned in (Ref.6). Trimaran hull construction (primary hull and two symmetrically equivalent outriggers), optimized using multi-objective optimization (MOO) for bimodal operation as an energy generator and energy transporter with respect to opposing geometric longitudinal and transverse characteristics. no fig. available Disadvantages • The geometric parameters of the hull design, which affect both energy production and capital expenditure (in terms of structural steel mass), are optimized. However, the fundamental drawbacks mentioned in (Ref.6) remain.

Zusätzliche relevante Referenzen werden in folgenden Veröffentlichungen zitiert:

  • • „Counterintuitive Performance of Land and Sea Yachts“ von Kirk T. McDonald ( Kirk T. McDonald, Counterintuitive Performance of Land and Sea Yachts Joseph Henry Laboratories, Princeton University, Princeton, New Jersey 08544, 2021 ), liefert eine historische Übersicht von mit Windkraft angetrieben Propelleryachten.
  • • „ 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 ) liefert einen Vergleich zwischen einigen der oben beschrieben Referenzen.
Additional relevant references are cited in the following publications:
  • • “Counterintuitive Performance of Land and Sea Yachts” by Kirk T. McDonald ( Kirk T. McDonald, Counterintuitive Performance of Land and Sea Yachts Joseph Henry Laboratories, Princeton University, Princeton, New Jersey 08544, 2021 ), provides a historical overview of wind-powered propeller yachts.
  • • “ 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 ) provides a comparison between some of the references described above.

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:

  1. I. Erhöhung der Energieproduktion von Offshore-Windturbinen
    1. a) Erhöhung der Energieproduktion bei einer gegebenen Windkapazität
    2. b) Skalierung der Energieproduktion durch Erhöhung der adressierbaren Windkapazität
  2. II. Senkung der Kosten für die Offshore-Windenergieproduktion und deren Transport
    1. a) Senkung der Kosten bei der Fertigung und der Installation
    2. b) Senkung der Kosten während der Energieproduktion
    3. c) Senkung der Kosten für den Energietransport
The overall objective of the present invention is to overcome the above-described and other disadvantages of the prior art for the production and transport of offshore wind energy. The goal is to design a better solution that ultimately improves efficiency, i.e., increases the energy production of offshore wind turbines and/or reduces costs. This overall objective can be divided into the following sub-objectives, which the sailing wind turbine vessel (1) presented here is intended to achieve:
  1. I. Increasing energy production from offshore wind turbines
    1. a) Increasing energy production for a given wind capacity
    2. b) Scaling energy production by increasing addressable wind capacity
  2. II. Reducing the costs of offshore wind energy production and transport
    1. a) Reducing manufacturing and installation costs
    2. b) Reducing costs during energy production
    3. 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, 2, 3, 4 und 5 stellen die Erfindung gesamthaft dar. Im Folgenden werden die Vorrichtungen und Verfahren, die die Erfindung kennzeichnen, in 8 Abschnitten detailliert beschrieben.

  1. 1. Rotationssymmetrische Mehrrumpfschiffsarchitektur für die Fähigkeit zu Pivotieren
  2. 2. Segelmechanismus mit Steuerung der Windturbinenausrichtung zu Wind und Rümpfen
  3. 3. Elastische Halterung der segelnden Windturbinen mit freiem Rotorraum für die Fähigkeit zu Pivotieren
  4. 4. Aktive Kugelgelenksteuerung zum Gieren, Rollen und Neigen der Windturbinen
  5. 5. Oszillierende Blatteinstellung während der Rotorrotation zur Optimierung beim Gieren
  6. 6. Energiespeicherung an Bord mit hybridem elektromechanischen Energiemanagementsystem
  7. 7. Flutbare Rümpfe für absichtliches Pivotieren des Windturbinenschiffes und Unterwasserschutz
  8. 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
The present invention describes a sailing wind turbine vessel (1) capable of pivoting for efficient and resilient energy production and energy transport. The drawings 1 , 2 , 3 , 4 and 5 represent the invention as a whole. In the following, the devices and methods that characterize the invention are described in detail in 8 sections.
  1. 1. Rotationally symmetrical multihull ship architecture for pivoting capability
  2. 2. Sail mechanism with control of the wind turbine orientation to the wind and hulls
  3. 3. Elastic mounting of the sailing wind turbines with free rotor space for the ability to pivot
  4. 4. Active ball joint control for yaw, roll and pitch of the wind turbines
  5. 5. Oscillating blade adjustment during rotor rotation to optimize yaw
  6. 6. On-board energy storage with hybrid electromechanical energy management system
  7. 7. Floodable hulls for intentional pivoting of the wind turbine vessel and underwater protection
  8. 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. 12 zeigt drei Optionen mit drei bis fünf Rümpfen (3). Über diese drei Optionen hinaus kann die rotationssymmetrische Mehrrumpfschiffsarchitektur mit einer beliebigen Anzahl von Rümpfen (3) realisiert werden und es können beliebig viele Rümpfe (3) gleichzeitig auf dem Wasser schwimmen.The architecture of the wind turbine ship (1) comprises at least three hulls (3) which are installed rotationally symmetrically along the longitudinal axis of the wind turbine ship (1). 12 shows three options with three to five hulls (3). Beyond these three options, the rotationally symmetrical multihull architecture can be realized with any number of hulls (3), and any number of hulls (3) can be floating on the water simultaneously.

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. 13 zeigt den Mechanismus des Pivotierens des Windturbinenschiffes (1) in vier Schritten ausgehend von starker Wind- oder Welleneinwirkung.The rotationally symmetric architecture allows the wind turbine vessel (1) to pivot around its own longitudinal axis when exposed to strong winds or waves during sea storms. This means that the wind turbine vessel (1) can capsize while maintaining its full structural and functional integrity thanks to its rotationally symmetric design. The ability to pivot enables a lightweight design of the wind turbine vessel (1), as no structural countermeasures against capsizing need to be considered in the event of sea storms, strong gusts of wind, so-called "monster waves," or other harsh weather conditions. 13 shows the mechanism of pivoting the wind turbine ship (1) in four steps starting from strong wind or wave action.

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 14 dargestellt.The wind turbine (2) can be flexibly positioned in the wind. The rotation axis can have different yaw angles (to exclude any potential application, any degree numbers for γ) relative to the wind direction, e.g. from γ > -90° to γ < 90°, depending on the wind conditions and the navigational destination or the necessary sailing course, as in 14 shown.

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 ( US Department of Energy, Airfoils, Where the Turbine Meets the Wind, Wind Energy Technologies Office, www.energy.gov, 2023 ). 15 ( Richard J Crossly, Wind Turbine Blade Design Review, Journal of Wind Engineering, 2012 ) zeigt, wie eine Auftriebskraft (A), die von den rotierenden flügelförmigen Rotorblättern (6) erzeugt wird, zerlegt wird.The direction of the ship's hull (3) can also be flexibly turned into or against the wind, similar to a sailboat (SB). This combination of the orientation of the wind turbine (2) and the hull (3) to the wind enables the ship (1) to sail various courses, including tacking against the wind. The sailing mechanism presented here utilizes the wind forces generated by the aerodynamic properties of currently prevalent horizontal axis wind turbines (HAWT) and vane-shaped rotor blades (6) in combination with suitable yaw positions. Vane-shaped rotor blades (6) generate lift and drag as the wind turbine (2) rotates. They play a key role in improving the aerodynamic performance and structural durability of the rotor blades ( US Department of Energy, Airfoils, Where the Turbine Meets the Wind, Wind Energy Technologies Office, www.energy.gov, 2023 ). 15 ( Richard J Crossly, Wind Turbine Blade Design Review, Journal of Wind Engineering, 2012 ) shows how a lift force (A) generated by the rotating wing-shaped rotor blades (6) is decomposed.

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 15.The lift force (A) is decomposed into a torque (D) and a thrust force (S). The torque (D) rotates the rotor and generates electrical energy via the generator in the wind turbine (2). The thrust force (S) points perpendicular to the rotor plane, downwind along the rotation axis of the wind turbine (2). In a typical stationary wind turbine, this thrust force (S) is absorbed by the wind turbine tower and generates a reaction force R(dr) in 15 .

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 16 dargestellt.The wind turbine ship (1) uses this thrust (S) to sail, similar to a lift force (F AS ) that a curved sail generates in the wind. This lift force (F AS ), together with a drag force (Fws) on the keel or side line of the sailboat hull, results in a forward force (Fvs) of the sailboat (SB), as shown in 16 shown.

17 zeigt den Segelmechanismus für das Windturbinenschiff (1), das denselben Kurs wie das in 16 gezeigte Segelboot (SB) segelt. Die Schubkraft (S) senkrecht zur Rotorebene, wie in 15 beschrieben, wird in die Abdriftwiderstandskraft (Fww) und die resultierende Vorwärtskraft (Fwv) des Windturbinenschiffes zerlegt (1), die in die gewünschte Bewegungsrichtung zeigt. Der Abstand zwischen den Windturbinen (2) ist groß genug, um Nachlaufverluste zwischen den Windturbinen (2) zu mitgieren. Weitere Erklärungen dieses Segelmechanismus und der Segelsteuerung des Windturbinenschiffes (1) zu verschiedenen Segelkursen inklusive Amwindkurse zum Kreuzen gegen den Wind sind im Abschnitt AUSFÜHRUNGSBEISPIELE beschrieben. 17 shows the sailing mechanism for the wind turbine ship (1), which follows the same course as the one in 16 The thrust (S) perpendicular to the rotor plane, as shown in 15 described, is broken down into the drag force (Fww) and the resulting forward force (Fwv) of the wind turbine vessel (1), which points in the desired direction of movement. The distance between the wind turbines (2) is large enough to mitigate wake losses between the wind turbines (2). Further explanations of this sailing mechanism and the sail control of the wind turbine vessel (1) for various sailing courses, including upwind courses for tacking against the wind, are described in the EXAMPLES section.

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 14 beschrieben. Die Steuerung der Gierwinkel kann mit einem Kugelgelenk (8), wie in Abschnitt 4 dargestellt, oder alternativen Mitteln realisiert werden. Zweitens wird die Ausrichtung der Rümpfe entweder mit einem klassischen Ruder gesteuert, das beispielsweise am Heck der Rümpfe (3) angebracht ist. Alternativ, um die Notwendigkeit eines Ruders zu vermeiden, das die Komplexität und die Kosten erhöht, wird die Giersteuerung der hinteren und vorderen Turbine verwendet. Durch unterschiedliche Gierwinkel der Turbine (2.H) (Lenkung hinten) oder der vorderen Turbine (2.V) (Lenkung vorne) ergibt sich eine Lenkbewegung des Windturbinenschiffes (1). 18 zeigt die Steuerung einer Steuerbordkurve, bei der die hintere Turbine (2.H) parallel zur Längsachse des Windturbinenschiffes (1) gesteuert wird, als auch die Steuerung einer Backbordkurve, bei der stattdessen die vordere Turbine (2.V) parallel zur Längsachse des Windturbinenschiffes (1) gesteuert wird.The sail mechanism is controlled by two controls: First, the wind turbines (2) are flexibly rotated into the wind. The rotation axis can have different yaw angles relative to the wind direction, as shown in 14 described. Yaw angle control can be achieved with a ball joint (8), as shown in section 4, or alternative means. Second, the orientation of the hulls is controlled either with a conventional rudder, mounted, for example, at the stern of the hulls (3). Alternatively, to avoid the need for a rudder, which increases complexity and cost, yaw control of the rear and front turbines is used. By varying the yaw angles of the turbine (2.H) (rear steering) or the front turbine (2.V) (front steering), a steering movement of the wind turbine vessel (1) results. 18 shows the control of a starboard turn, in which the rear turbine (2.H) is controlled parallel to the longitudinal axis of the wind turbine vessel (1), as well as the control of a port turn, in which instead the front turbine (2.V) is controlled parallel to the longitudinal axis of the wind turbine vessel (1).

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 (siehe 17). 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).
The invention of the sailing mechanism with wind turbines (2) presented here is derived from the sailing concept of sailboats (SB), but it is not the same concept but a further development.
  • • 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 (see 17 ). 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 19 dargestellt, erforderlich für den hier präsentierten Segelmechanismus des Windturbinenschiffes (1).Therefore, an additional step, i.e. an additional force decomposition as shown in the flow chart in 19 shown, required for the sailing mechanism of the wind turbine ship presented here (1).

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 ( Daniel Micallef and Tonio Sant, Wind Turbines, - Design, Control and Applications, Chapter 2: Review of Wind Turbine Yaw Aerodynamics, Intech Open, 2016 ). Die Reduzierung bei der Umwandlung von kinetischer Windenergie in elektrische Leistung der Windturbine (2) (auch Leistungskoeffizient CP genannt25) liegt im Bereich von 80 % bis 100 % von CPmax (d.h. maximaler Leistungskoeffizient bei γ = 0°) im Gierwinkelbereich von γ > -30° bis γ < 30 ( Husaru et al, Effect of yaw angle on the global performances of Horizontal Axis Wind Turbine - QBlade simulation, 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 595 012047 ). Dieser Gierwinkelbereich ist für die oben beschriebenen Segelmanöver ausreichend (siehe auch Abschnitt AUSFÜHRUNGSBEISPIELE). Erst bei Gierwinkeln größer als 45° sinkt die von den Windturbinen erzeugte Leistung auf die Hälfte ( Husaru et al, Effect of yaw angle on the global performances of Horizontal Axis Wind Turbine - QBlade simulation, 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 595 012047 ), wie in 20 ( Husaru et al, Effect of yaw angle on the global performances of Horizontal Axis Wind Turbine - QBlade simulation, 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 595 012047 ) dargestellt. Die x-Achse zeigt den Gierwinkel an. Die Y-Achse zeigt den Leistungskoeffizienten (linke Seite) und die abgegebene Leistung in Watt (rechte Seite).While the rotation of the wind turbine (2) is used to drive the wind turbine ship (1) as described above, the rotation of the wind turbine (2) simultaneously generates electrical energy. However, with increasing yaw angle, which is a fundamental feature of the above-mentioned mechanism, the conversion of kinetic wind energy into electrical energy is reduced. The reduction of the rotor area facing the wind and aerodynamic effects such as dynamic flow separation at the rotor blades affect the power output. These effects have been intensively studied for onshore and offshore wind turbines ( Daniel Micallef and Tonio Sant, Wind Turbines, - Design, Control and Applications, Chapter 2: Review of Wind Turbine Yaw Aerodynamics, Intech Open, 2016 ). The reduction in the conversion of kinetic wind energy into electrical power of the wind turbine (2) (also called power coefficient CP 25 ) is in the range of 80 % to 100 % of CPmax (i.e. maximum power coefficient at γ = 0°) in the yaw angle range from γ > -30° to γ < 30 ( Husaru et al, Effect of yaw angle on the global performances of Horizontal Axis Wind Turbine - QBlade simulation, 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Closely. 595 012047 ). This yaw angle range is sufficient for the sailing maneuvers described above (see also the EXAMPLES section). Only at yaw angles greater than 45° does the power generated by the wind turbines drop by half ( Husaru et al, Effect of yaw angle on the global performances of Horizontal Axis Wind Turbine - QBlade simulation, 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Closely. 595 012047 ), as in 20 ( Husaru et al, Effect of yaw angle on the global performances of Horizontal Axis Wind Turbine - QBlade simulation, 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Closely. 595 012047 ). The x-axis indicates the yaw angle. The y-axis shows the power coefficient (left side) and the output power in watts (right side).

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 21 gezeigt (nicht Teil dieser Erfindung).The adjustment of the yaw angle and the desired sailing course is essential for the sailing mechanism of the wind turbine ship (1) as described in Section 2. In order for the wind turbines (2) to continue to rotate freely at various yaw angles γ > -90° to γ < 90°, a mount (4) is required that does not block the rotor blades (6) when rotating at any yaw angle. In a typical stationary wind turbine, the tower of the wind turbine is perpendicular to the rotor axis. In a stationary setup, this type of mounting enables the wind turbine (2) to rotate unblocked at any yaw angle. However, due to the rotationally symmetrical multi-hull construction, the invention presented here requires a different mount (4) for the ability to pivot, as presented in Section 1. After pivoting around the longitudinal axis of the wind turbine ship (1), the rotor blades (6) must still be able to rotate freely at any yaw angle and must not be blocked by the mount (4). Mounting the wind turbine on a tower (T) or similar support perpendicular to the rotor axis would block the rotor, as shown in 21 shown (not part of this invention).

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).

22 zeigt diesen freien Rotorraum (FR) markiert als schraffierte Fläche in einer zweidimensionalen Ansicht von oben. Der freie Rotorraum (FR) wird durch die maximalen Gierwinkel definiert. Wenn das Windturbinenschiff (1) um die Längsachse pivotiert, bildet die Querschnittsfläche von (FR) wie in 22 gezeigt, einen Rotationskörper, bei dem es sich um eine Kugel (K) handelt, die auf zwei Seiten von zwei eingebetteten Kegeln (EK) ausgehöhlt wird (siehe rechts in 22). 22 shows this free rotor space (FR) marked as a hatched area in a two-dimensional view from above. The free rotor space (FR) is defined by the maximum yaw angle. When the wind turbine vessel (1) pivots around the longitudinal axis, the cross-sectional area of (FR) forms as in 22 shown, a body of revolution, which is a sphere (K) hollowed out on two sides by two embedded cones (EK) (see right in 22 ).

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. 23 zeigt verschiedene Möglichkeiten, den freien Rotorraum (FR) beizubehalten, indem man zunächst der Richtung entlang der Rotorachse und erst hinter dem freien Rotorraum (FS) zur Rotorachse die Halterung (4) mit den Rümpfen (3) verbindet.To maintain free rotor space (FR), the supports (4) must first follow the direction along the rotor axis at a yaw angle of 0°, in this case equal to the longitudinal axis of the wind turbine vessel (1), before the supports (4) can run perpendicular to the rotor axis. In the latter direction, the supports (4) must finally be structurally connected to the hulls (3) to ensure the functional statics of the wind turbine vessel (1) with the wind turbines (2). 23 shows various ways of maintaining the free rotor space (FR) by first connecting the bracket (4) to the fuselages (3) in the direction along the rotor axis and only behind the free rotor space (FS) to the rotor axis.

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 ( R. D. Knight, „Elasticity,“ in Physics for Scientists and Engineers: A Strategie Approach, 2nd ed., U.S.A.: Pearson Addison-Wesley, 2008, pp. 278 ). Die meisten Materialien verfügen über eine gewisse Kraft oder einen Druck, bei dem sie sich elastisch verformen. Wird mehr Kraft oder Druck ausgeübt, kommt es zu einer plastischen Verformung ( Hawkes et al, „Deformation and Elasticity,“ in Physics for Scientists and Engineers, 1st ed. Toronto: Cengage, 2014, pp. 265-268 .). Die in dieser Erfindung vorgestellten Halterungen (4) werden aus diesem Grund elastisch gebogen oder verformt, so dass sie zusätzlich als Feder fungieren, die elastische potentielle Energie speichert. Diese Energie wird auch als elastische freie Energie bezeichnet ( P. M. Chaikin and T. C. Lubensky, Principles of Condensed Matter Physics, Chapter 6: Generalized Elasticity, Cambridge University Press, 1995 ), die eine Rückstellkraft (FR) gegen die Verformung erzeugt. 24 zeigt verschiedene Möglichkeiten der elastisch gebogenen Halterungen (4). Die hier vorliegende Erfindung umfasst diese Optionen und jene elastisch gebogenen Halterungen (4) von Windturbinen (2), bei denen die Rückstellkraft (FR) senkrecht wegführend von der der Längsachse des Windturbinenschiffes (1) wirkt und ist nicht auf die in 24 dargestellten Optionen beschränkt.The invention presented here focuses on elastically bent brackets (4). Elastically bent or deformed materials such as metals deform when pressed, pulled, and twisted and can return to their original shape after the external forces and pressures that caused the deformation cease ( RD Knight, “Elasticity,” in Physics for Scientists and Engineers: A Strategy Approach, 2nd ed., USA: Pearson Addison-Wesley, 2008, pp. 278 ). Most materials have a certain force or pressure at which they deform elastically. If more force or pressure is applied, plastic deformation occurs ( Hawkes et al, “Deformation and Elasticity,” in Physics for Scientists and Engineers, 1st ed. Toronto: Cengage, 2014, pp. 265-268 .). For this reason, the supports (4) presented in this invention are elastically bent or deformed, so that they also function as a spring that stores elastic potential energy. This energy is also referred to as elastic free energy ( PM Chaikin and TC Lubensky, Principles of Condensed Matter Physics, Chapter 6: Generalized Elasticity, Cambridge University Press, 1995 ), which generates a restoring force (F R ) against the deformation. 24 shows various options for elastically bent mounts (4). The present invention encompasses these options and those elastically bent mounts (4) of wind turbines (2), in which the restoring force (F R ) acts perpendicularly away from the longitudinal axis of the wind turbine vessel (1) and is not limited to the 24 options shown.

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 next section 4.

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)

25 zeigt die Rollbewegung der Windturbine (2) um die Längs-X-Achse des Windturbinenschiffes (1), die Neigebewegung um die Quer-Y-Achse und die Gierbewegung um die vertikale Z-Achse. 25 shows the roll movement of the wind turbine (2) around the longitudinal X-axis of the wind turbine ship (1), the pitch movement around the transverse Y-axis and the yaw movement around the vertical Z-axis.

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 20 bezüglich des Gierwinkels beschrieben, und der analoge Effekt muss auch bei den Roll- und Neigebewegungen berücksichtigt werden.The yaw motion of the wind turbine (2) has already been described in Section 2, along with how the yaw angle control is used for the sail mechanism of the wind turbine ship (1). In addition, the yaw motion of the wind turbine (2) is also influenced by the yaw motion of the wind turbine ship (1), which in turn is influenced by the sea and wind conditions, e.g. waves, currents, gusts of wind, or different wind strengths at different heights, so-called wind shear. Similarly, the roll and pitch movements of the wind turbine (2) are also influenced by the roll and pitch movements of the wind turbine ship (1), which in turn are influenced by the sea and wind conditions. This also includes the heeling of the ship (1), which is essentially a prolonged rolling motion of the wind turbine ship (1) caused by the wind force acting on the sails, or in this case the wind turbines (2). All of this can negatively impact the wind flow through the rotor plane of the wind turbine (2) and thus energy production. Uncontrolled roll, pitch, and yaw movements of the wind turbine (2) reduce the rotor surface facing the wind and change the wind flow on the wing-shaped rotor blades. This reduces the power output, as already shown in 20 with respect to the yaw angle, and the analogous effect must also be taken into account for the roll and pitch movements.

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. 26 zeigt die dreiachsige Steuerung des aktiven Kugelgelenks (8), einschließlich Rollen, Neigen und Gieren. 27 zeigt eine horizontale und zwei vertikale Installationsmöglichkeiten der aktiven Kugelgelenke (8) und wie sie strukturell mit der Windturbine (2) verbunden werden.For this reason, the present invention provides for controlling the roll, pitch, and yaw movements of the wind turbine (2) by means of an active ball joint (8). On the one hand, the active ball joint (8) is used to control the yaw angle of the wind turbine (2) for the sail mechanism of the wind turbine ship (1). On the other hand, the active ball joint (8) is used to counteract and thus neutralize the roll, pitch, and yaw movements of the wind turbine (2) caused by sea and wind conditions. 26 shows the three-axis control of the active ball joint (8), including roll, pitch and yaw. 27 shows one horizontal and two vertical installation options of the active ball joints (8) and how they are structurally connected to the wind turbine (2).

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 27.The horizontal ball joint installation offers an axisymmetric, lightweight solution. However, it requires a strong active ball joint torque to hold heavy wind turbines (2). The vertical active ball joint installation provides more favorable statics. However, a rotation motor (7) is required as an additional element. The rotation motor (7), e.g., electrically, hydraulically, or otherwise, rotates the active ball joint (8) together with the installed wind turbine (2) around the longitudinal axis of the wind turbine vessel (1). This allows the wind turbine (2) to be returned to this downward-hanging position after the wind turbine vessel (1) has been pivoted. This option has more favorable statics because the wind turbine (2) can be fixed at its center of mass, reducing the forces acting on the active ball joint (8). If it is technically more advantageous for the functioning of the active ball joint (8), the wind turbine (2) can also be installed in the same way standing on the active ball joint (8). This means by a 180° rotation of the vertical active ball joint (8) so that gravity pushes the ball head into the ball joint housing, see right side of 27 .

Das aktive Kugelgelenk kann elektromechanisch gebaut und gesteuert werden, wie in IEEE-Transactions of Robotics ( K. Abe, K. Tadakuma and R. Tadakuma, „ABENICS: Active Ball Joint Mechanism with Three-DoF Based on Spherical Gear Meshings,“ in IEEE Transactions on Robotics, vol. 37, no. 5, pp. 1806-1825, 2021 and patent application JP2023038119A filled in 2021) beschrieben. Eine weitere kardanische Implementierung des aktiven Kugelgelenks (8), hier sphärisches Parallelgelenk genannt, ist in (Skyentific, 2023) ( www.skyentific.com , Spherical Parallel Joint (stepper motors, 3DoF), 2023) dargestellt. Weitere alternative technische Ausführungsformen sind aktive magnetische Kugelgelenke. Aktive magnetische Kugelgelenke arbeiten reibungslos und wartungsfrei ( Fang Zhang et al., Electromagnetic Driving Modal and Control of Magnetic Levitation Spherical Active Joint, 3rd Annual International Conference on Mechanics and Mechanical, 2017 ). Ihr Energieverbrauch für die aktive Erzeugung elektromagnetischer Felder muss jedoch im Vergleich zur verbesserten Leistung der Windturbinen (2) berücksichtigt werden, die durch die Neutralisierung der extern verursachten Roll-, Neige- und Gierbewegungen erreicht wird. Weitere mögliche technische Ausführungsformen zur Steuerung der dreiachsigen Bewegungen sind: dreiachsige kardanische Aufhängung mit mechanischen Lagern oder aktiven Magnetlagern, kombinierte Schwenk- und Neigeeinheiten, Stewart-Plattformen oder sogenannte Hexapods auf einem Drehtisch oder künstliche Muskel-basierende Kugelgelenke (L. Grunert, Patent Offenlegungsschrift: Steuerbares Kugelgelenk, DE 10 2008 037 930 A1 , DPMA, 2010) oder eine anderweitige funktionsäquivalente Drei-Achsen-Steuerung.The active ball joint can be built and controlled electromechanically, as described in IEEE Transactions of Robotics ( K. Abe, K. Tadakuma and R. Tadakuma, “ABENICS: Active Ball Joint Mechanism with Three-DoF Based on Spherical Gear Meshings,” in IEEE Transactions on Robotics, vol. 37, no. 5, pp. 1806-1825, 2021 and patent application JP2023038119A filled in 2021). Another gimbal implementation of the active ball joint (8), here called spherical parallel joint, is described in (Skyentific, 2023) ( www.skyentific.com , Spherical Parallel Joint (stepper motors, 3DoF), 2023). Other alternative technical embodiments are active magnetic ball joints. Active magnetic ball joints operate smoothly and are maintenance-free ( Fang Zhang et al., Electromagnetic Driving Modal and Control of Magnetic Levitation Spherical Active Joint, 3rd Annual International Conference on Mechanics and Mechanical, 2017 ). However, their energy consumption for the active generation of electromagnetic fields must be considered in comparison to the improved performance of the wind turbines (2), which is achieved by neutralizing the externally induced roll, pitch, and yaw movements. Other possible technical embodiments for controlling the three-axis movements are: three-axis gimbal suspension with mechanical bearings or active magnetic bearings, combined pan and tilt units, Stewart platforms or so-called hexapods on a turntable, or artificial muscle-based ball joints (L. Grunert, Patent Disclosure: Controllable Ball Joint, DE 10 2008 037 930 A1 , DPMA, 2010) or another functionally equivalent three-axis control.

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 20). Aus diesem Grund verfügt die hier vorliegende Erfindung über einen Mechanismus zur oszillierenden Blatteinstellung während der Rotorrotation, um den Windanströmungswinkel an den Rotorblättern (6) zu optimieren, wenn sich die Turbine (2) in Gierstellung befindet. Es ist Stand der Technik, den Blatteinstellwinkel je nach Windverhältnissen anzupassen. Die Neuheit und das Schlüsselelement von diesem Teil der Erfindung besteht darin, dass der Blatteinstellwinkel des Rotorblattes (6) in einer oszillierenden Bewegung hin und her verstellt wird, und zwar nicht nur gelegentlich, wenn sich die Umgebungswindbedingungen ändern, sondern kontinuierlich während jeder Rotorrotation. Dadurch wird die Windströmung um die Rotorblätter (6) optimiert, da der Gierwinkel je nach Rotationsposition der Rotorblätter (6) beim Gieren der Windturbine (2) unterschiedlich auf die Rotorblätter (6) einwirkt. 28 zeigt die Windturbine (2) im Gierwinkel γ und ihre Rotorblätter (6) in verschiedenen Rotationspositionen. Die linke Seite zeigt die Ansicht von oben, wobei der wahre Wind angewinkelt von der Seite mit dem Gierwinkel γ kommt. Die rechte Seite zeigt ein Rotorblatt (6) in vier Rotationspositionen (0°, 90°, 180°, 270°). Dabei kommt die wahre Windrichtung aus der Betrachterperspektive und ist senkrecht in die Zeichenebene (hier gleichzeitig auch die Rotorebene) gerichtet mit einer Gierabweichung nach rechts von der Rotorachse.As described in Section 2, the yaw manipulation of the wind turbine (2) is fundamental to the sail mechanism of the wind turbine (2). However, as described, the torque of the wind turbine (2) and thus the power output decreases with increasing yaw angle (see 20 ). For this reason, the present invention has a mechanism for oscillating blade adjustment during rotor rotation in order to optimize the wind flow angle at the rotor blades (6) when the turbine (2) is in yaw position. It is state of the art to adapt the blade pitch angle depending on wind conditions. The novelty and key element of this part of the invention is that the blade pitch angle of the rotor blade (6) is adjusted back and forth in an oscillating movement, not just occasionally when the ambient wind conditions change, but continuously during each rotor rotation. This optimizes the wind flow around the rotor blades (6) because the yaw angle acts differently on the rotor blades (6) depending on the rotational position of the rotor blades (6) when the wind turbine (2) yaws. 28 shows the wind turbine (2) at yaw angle γ and its rotor blades (6) in different rotation positions. The left side shows the view from above, with the true wind coming from the side with yaw angle γ. The right side shows a rotor blade (6) in four rotation positions. tion positions (0°, 90°, 180°, 270°). The true wind direction is taken from the observer's perspective and is perpendicular to the plane of the drawing (here also the rotor plane) with a yaw deviation to the right of the rotor axis.

Vier Querschnitte QS0°, QS90°, QS180° und QS270° sind markiert. Die Zeichnungen 29 bis 32 zeigen die Winddreiecksvektordiagramme an diesen Querschnitten. Es zeigt sich, dass der optimale Blatteinstellwinkel γ an jeder Rotationsposition unterschiedlich ist, um die stromlinienförmige Windströmung um die flügelförmigen Rotorblätter (6) zu optimieren. Dies verbessert den Auftrieb des Rotorblattes (6) sowie die Erzeugung von Drehmoment und Schub. Der Anstellwinkel „α“ bleibt derselbe, da er mit dem flügelförmigen Profil des Rotorblattes (6) konstruktionsseitig festgelegt ist. Die verschiedenen Blatteinstellwinkel β0°, β90°, β180° und β270° für die vier Rotationspositionen (0°, 90°, 180°, 270°) des Rotorblattes (6) und entsprechende Blatteinstellwinkel für alle Rotorpositionen dazwischen definieren den oszillierenden Blatteinstellwinkel während der Rotorrotation zur Optimierung beim Gieren.Four cross sections QS0°, QS90°, QS180° and QS270° are marked. The drawings 29 until 32 show the wind triangle vector diagrams at these cross-sections. It can be seen that the optimal blade pitch angle γ is different at each rotation position in order to optimize the streamlined wind flow around the airfoil-shaped rotor blades (6). This improves the lift of the rotor blade (6) as well as the generation of torque and thrust. The angle of attack "α" remains the same because it is fixed by the design of the airfoil profile of the rotor blade (6). The different blade pitch angles β0°, β90°, β180° and β270° for the four rotation positions (0°, 90°, 180°, 270°) of the rotor blade (6) and corresponding blade pitch angles for all rotor positions in between define the oscillating blade pitch angle during rotor rotation for optimization during yaw.

29 zeigt das Winddreiecksvektordiagramm am Rotorblatt (6) im Querschnitt QS0° bei 0° Rotation. Der Unterschied zum klassischen Winddreiecksdiagramm einer horizontalen Windturbine mit flügelförmigen Rotorblattprofil (wie z.B. in Lehrbüchern ( Erich Hau, Windkraftanlagen: Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit, p. 93ff, 4th Edition, Springer, 2008 ) dargestellt) ist, dass die wahre Windrichtung aus einem Winkel γ kommt und sich die Windturbine (2) damit in Gierstellung befindet. Die Vektorzerlegung ergibt eine Anströmgeschwindigkeit w, die zu einem kleineren Blatteinstellwinkel β führt als in einem äquivalenten Szenario ohne Gierstellung mit frontalem Wind. 29 shows the wind triangle vector diagram at the rotor blade (6) in cross section QS0° at 0° rotation. The difference to the classic wind triangle diagram of a horizontal wind turbine with a wing-shaped rotor blade profile (as shown in textbooks ( Erich Hau, Wind Turbines: Fundamentals, Technology, Application, Economic Efficiency, p. 93ff, 4th Edition, Springer, 2008 )) is that the true wind direction comes from an angle γ, and the wind turbine (2) is thus in yaw position. The vector decomposition results in an inflow velocity w , which leads to a smaller blade pitch angle β than in an equivalent scenario without yaw position with frontal wind.

β kann wie folgt berechnet werden mit der β 0 ° = cos 1 ( u ( v 0 ° + u ) | u | | v 0 ° + u | ) α

Figure DE102024000107A1_0001
β can be calculated as follows with the β 0 ° = cos 1 ( u ( v 0 ° + u ) | u | | v 0 ° + u | ) α
Figure DE102024000107A1_0001

G1 basiert auf G2, G3 und G4 wie folgt: α + β 0 ° = χ 0 ° β 0 ° = χ 0 ° α

Figure DE102024000107A1_0002
χ 0 ° = cos 1 ( u w 0 ° | u | | w 0 ° | )
Figure DE102024000107A1_0003
w 0 ° = v 0 ° + u
Figure DE102024000107A1_0004
G1 is based on G2 , G3 and G4 as follows: α + β 0 ° = χ 0 ° β 0 ° = χ 0 ° α
Figure DE102024000107A1_0002
χ 0 ° = cos 1 ( u w 0 ° | u | | w 0 ° | )
Figure DE102024000107A1_0003
w 0 ° = v 0 ° + u
Figure DE102024000107A1_0004

30 zeigt das Winddreieck am Rotorblatt (6) im Querschnitt QS90° bei 90° Rotation. 30 beinhaltet eine 3D-Orientierungshilfe, die die Richtung des wahren Windes in dieser 90°-Rotationsposition des Rotorblatts (6) visualisiert. Um die Anströmgeschwindigkeit w90° abzuleiten, die auf den optimalen Blatteinstellwinkel des Rotorblattes (6) β90° einwirkt, ist eine Projektion der wahren Windgeschwindigkeit v90° auf die Rotorachse erforderlich. Nur diese projizierte Komponente hat Einfluss auf den Blatteinstellwinkel β90°, da die verbleibende Komponente parallel zur Längsachse des Rotorblatts (6) verläuft und somit unabhängig von der Länge dieser Komponente keinen Einfluss auf die Blatteinstellung haben kann. 30 shows the wind triangle on the rotor blade (6) in cross section QS90° at 90° rotation. 30 Includes a 3D orientation aid that visualizes the direction of the true wind in this 90° rotation position of the rotor blade (6). To derive the inflow velocity w 90° , which influences the optimal blade pitch angle of the rotor blade (6) β 90° , a projection of the true wind speed v 90° onto the rotor axis is required. Only this projected component influences the blade pitch angle β 90° , since the remaining component runs parallel to the longitudinal axis of the rotor blade (6) and thus cannot influence the blade pitch, regardless of the length of this component.

β90° kann wie folgt berechnet werden mit der β 90 ° = cos 1 ( u ( e ra cos ( γ ) | v 90 ° | + u ) | u | | e ra cos ( γ ) | v 90 ° | + u | ) α

Figure DE102024000107A1_0005
β 90° can be calculated as follows with the β 90 ° = cos 1 ( u ( e ra cos ( γ ) | v 90 ° | + u ) | u | | e ra cos ( γ ) | v 90 ° | + u | ) α
Figure DE102024000107A1_0005

G190° basiert auf G290°, G390°, G490° und G590° wie folgt: α + β 90 ° = χ 90 ° β 90 ° = χ 90 ° α

Figure DE102024000107A1_0006
χ 90 ° = cos 1 ( u w 90 ° | u | | w 90 ° | )
Figure DE102024000107A1_0007
w 90 ° = p 90 ° + u
Figure DE102024000107A1_0008
p 90 ° = e ra cos ( γ ) | v 90 ° | ,  e ra = Einheitsvektor parallel zur Rotorachse ( Richtung Referenzwind )
Figure DE102024000107A1_0009
G1 90° is based on G2 90° , G3 90° , G4 90° and G5 90° as follows: α + β 90 ° = χ 90 ° β 90 ° = χ 90 ° α
Figure DE102024000107A1_0006
χ 90 ° = cos 1 ( u w 90 ° | u | | w 90 ° | )
Figure DE102024000107A1_0007
w 90 ° = p 90 ° + u
Figure DE102024000107A1_0008
p 90 ° = e ra cos ( γ ) | v 90 ° | ,  e ra = Einheitsvektor parallel zur Rotorachse ( Richtung Referenzwind )
Figure DE102024000107A1_0009

31 zeigt das Winddreiecksvektordiagramm am Rotorblattquerschnitt QS180° bei 180° Rotation. Schon optisch erkennt man, dass β180° größer ist als β. Der Abschnitt AUSFÜHRUNGSBEISPIELE zeigt entsprechende Berechnungen und bestätigt dies. 31 shows the wind triangle vector diagram at the rotor blade cross-section QS 180° at 180° rotation. Visually, it is obvious that β 180° is greater than β . The section "Working Examples" shows corresponding calculations and confirms this.

β180° kann wie folgt berechnet werden mit der β 180 ° = cos 1 ( u ( v 180 ° + u ) | u | | v 180 ° + u | ) α

Figure DE102024000107A1_0010
β 180° can be calculated as follows with the β 180 ° = cos 1 ( u ( v 180 ° + u ) | u | | v 180 ° + u | ) α
Figure DE102024000107A1_0010

G1180° basiert auf G2180°, G3180° und G4180° wie folgt: α + β 180 ° = χ 180 ° β 180 ° = χ 180 ° α

Figure DE102024000107A1_0011
χ 180 ° = cos 1 ( u w 180 ° | u | | w 180 ° | )
Figure DE102024000107A1_0012
w 180 ° = v 180 ° + u
Figure DE102024000107A1_0013
G1 180° is based on G2 180° , G3 180° and G4 180° as follows: α + β 180 ° = χ 180 ° β 180 ° = χ 180 ° α
Figure DE102024000107A1_0011
χ 180 ° = cos 1 ( u w 180 ° | u | | w 180 ° | )
Figure DE102024000107A1_0012
w 180 ° = v 180 ° + u
Figure DE102024000107A1_0013

32 zeigt das Winddreiecksvektordiagramm am Rotorblattquerschnitt QS270° bei 270° Rotation. Auch hier ist eine Projektion, hier p270°, erforderlich, um den Windvektor abzuleiten, der den optimale Blatteinstellwinkel (6) beeinflusst. 32 shows the wind triangle vector diagram at the rotor blade cross-section QS 270° at 270° rotation. Here, too, a projection, here p 270° , is required to derive the wind vector that influences the optimal blade pitch angle (6).

β270° kann wie folgt berechnet werden mit der β 270 ° = cos 1 ( u ( e ra cos ( γ ) | v 270 ° | + u ) | u | | e ra cos ( γ ) | v 270 ° | + u | ) α

Figure DE102024000107A1_0014
β 270° can be calculated as follows with the β 270 ° = cos 1 ( u ( e ra cos ( γ ) | v 270 ° | + u ) | u | | e ra cos ( γ ) | v 270 ° | + u | ) α
Figure DE102024000107A1_0014

G1270° basiert auf G2270°, G3270°, G4270° und G5270° wie folgt: α + β 270 ° = χ 270 ° β 270 ° = χ 270 ° α

Figure DE102024000107A1_0015
χ 270 ° = cos 1 ( u w 270 ° | u | | w 270 ° | )
Figure DE102024000107A1_0016
w 270 ° = p 270 ° + u
Figure DE102024000107A1_0017
p 270 ° = e ra cos ( γ ) | v 270 ° | ,  e ra = Einheitsvektor parallel zur Rotorachse ( Richtung Referenzwind )
Figure DE102024000107A1_0018
Die verallgemeinerte Berechnungsgleichung für jeden Rotationswinkel ϱ
Figure DE102024000107A1_0019
des Rotorblatts (6) für β ϱ
Figure DE102024000107A1_0020
ist definiert durch, die wahre Windgeschwindigkeit v ϱ ,
Figure DE102024000107A1_0021
die einerseits auf die Rotorachse projiziert wird (Richtung Referenzwind), um p ϱ
Figure DE102024000107A1_0022
zu erhalten, und andererseits auf eine beliebige Parallele zur Umfangsgeschwindigkeit u, um eine Verlängerung der Umfangsgeschwindigkeit u+ zu erhalten. Vektoraddition von p ϱ + u + u +
Figure DE102024000107A1_0023
liefert die Anströmgeschwindigkeit w ϱ .
Figure DE102024000107A1_0024
Der Winkel zwischen u und w ϱ
Figure DE102024000107A1_0025
ergibt χ ϱ
Figure DE102024000107A1_0026
und dann β ϱ
Figure DE102024000107A1_0027
durch Abzug des Anstellwinkels α. Zusätzlich wird die Anströmgeschwindigkeit durch den relativen Fahrtwind beeinflusst, der durch die Vorwärtsbewegung des Windturbinenschiffes (1) verursacht wird. Dieser relative Fahrtwindvektor kann zusätzlich zur Berechnung der Anpassung des Blatteinstellwinkels β ϱ
Figure DE102024000107A1_0028
herangezogen werden. Berechnungen für den Blatteinstellwinkel β ϱ
Figure DE102024000107A1_0029
bei verschiedenen Rotationswinkeln ϱ
Figure DE102024000107A1_0030
finden sich im Abschnitt AUSFÜHRUNGSBEISPIELE. Es zeigt sich, dass β = BMin, und β180° = βMax. mit β < β90° < β180° > β270° > β und dementsprechend für alle Rotationswinkel zwischen den beschriebenen vier Fällen. 33 zeigt dieses Muster in einem qualitativen Oszillationsdiagramm mit dem Rotationswinkel des Rotorblatts (6) auf der horizontalen x-Achse und dem eingestellten Blatteinstellwinkels β auf der vertikalen y-Achse.G1 270° is based on G2 270° , G3 270° , G4 270° and G5 270° as follows: α + β 270 ° = χ 270 ° β 270 ° = χ 270 ° α
Figure DE102024000107A1_0015
χ 270 ° = cos 1 ( u w 270 ° | u | | w 270 ° | )
Figure DE102024000107A1_0016
w 270 ° = p 270 ° + u
Figure DE102024000107A1_0017
p 270 ° = e ra cos ( γ ) | v 270 ° | ,  e ra = Einheitsvektor parallel zur Rotorachse ( Richtung Referenzwind )
Figure DE102024000107A1_0018
The generalized calculation equation for each rotation angle ϱ
Figure DE102024000107A1_0019
of the rotor blade (6) for β ϱ
Figure DE102024000107A1_0020
is defined by the true wind speed v ϱ ,
Figure DE102024000107A1_0021
which is projected on the one hand onto the rotor axis (direction of reference wind) in order to p ϱ
Figure DE102024000107A1_0022
and on the other hand to any parallel to the circumferential velocity u to obtain an extension of the circumferential velocity u + . Vector addition of p ϱ + u + u +
Figure DE102024000107A1_0023
provides the flow velocity w ϱ .
Figure DE102024000107A1_0024
The angle between u and w ϱ
Figure DE102024000107A1_0025
results χ ϱ
Figure DE102024000107A1_0026
and then β ϱ
Figure DE102024000107A1_0027
by subtracting the angle of attack α. In addition, the approach speed is influenced by the relative wind force caused by the forward movement of the wind turbine vessel (1). This relative wind force vector can be used in addition to calculating the adjustment of the blade pitch angle β ϱ
Figure DE102024000107A1_0028
Calculations for the blade pitch angle β ϱ
Figure DE102024000107A1_0029
at different rotation angles ϱ
Figure DE102024000107A1_0030
can be found in the EXAMPLES section. It turns out that β = B Min , and β 180° = β Max . with β < β 90° < β 180° > β 270° > β and accordingly for all rotation angles between the four cases described. 33 shows this pattern in a qualitative oscillation diagram with the rotation angle of the rotor blade (6) on the horizontal x-axis and the set blade pitch angle β on the vertical y-axis.

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 ( David M. Warsinger, Emily W. Tow, Kishor G. Nayar, Laith A. Maswadeh, John H. Lienhard V, Energy efficiency of batch and semi-batch (CCRO) reverse osmosis desalination, Water Research, Volume 106, 2016 ) gegen eine salzabweisende Membran zu drücken. Der Prozess der Wasserstoffkomprimierung ist erforderlich, da Wasserstoff typischerweise von Brennstoffzellen bei niedrigem Druck (20-30 bar) erzeugt wird und komprimiert werden muss, um die Energiespeicherdichte zu erhöhen, beispielsweise durch den Einsatz von Kolben- oder Rotationskompressoren, also mechanischen Kompressoren (www.energy.gov/eere/fuelcells/gaseous-hydrogen-compression). 34 zeigt, wie das hybride elektromechanische Energiemanagementsystem in die Windturbine (2) integriert wird, indem ein oder mehrere Kompressoren oder ein anderes mechanisches Gerät (N) direkt am Antriebsstrang (9) installiert wird.The energy generated by the wind turbines (2) is stored on board the wind turbine ship (1). The energy storage is housed inside the hulls (3). The energy storage technology can be electric batteries or any liquid, gas, or solid-based energy storage system, e.g., fuels such as hydrogen, methanol, or ammonia. For the energy storage system, the core element of this part of the invention is to directly utilize the mechanical energy available at the drive train (9) of the wind turbine (2) for specific process steps of the electromechanical energy management. Instead of using part of the electrical energy generated by the wind turbines (2) for specific process steps of the energy management system that require mechanical energy, the mechanical energy provided by the wind turbine (2) at the drive train (9) is directly utilized. This has the advantage of avoiding inefficiencies that arise from converting the rotational energy, i.e., mechanical energy of the wind turbine (2), into electrical energy and back into mechanical energy. In the case of hydrogen storage, this can be used, for example, to desalinate seawater or to compress hydrogen to increase energy storage density. The process of desalinating seawater requires an operating pressure of 800 to 1000 psi to convert seawater to hydrogen by reverse osmosis ( David M. Warsinger, Emily W. Tow, Kishor G. Nayar, Laith A. Maswadeh, John H. Lienhard V, Energy efficiency of batch and semi-batch (CCRO) reverse osmosis desalination, Water Research, Volume 106, 2016 ) against a salt-repellent membrane. The process of hydrogen compression is necessary because hydrogen is typically produced by fuel cells at low pressure (20-30 bar) and must be compressed to increase energy storage density, for example, by using reciprocating or rotary compressors, i.e., mechanical compressors (www.energy.gov/eere/fuelcells/gaseous-hydrogen-compression). 34 shows how the hybrid electromechanical energy management system is integrated into the wind turbine (2) by installing one or more compressors or other mechanical device (N) directly on the drive train (9).

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. 35 zeigt den Mechanismus des absichtlichen Pivotierens in fünf Schritten. Der Schritt 2 ist dabei der Anwendungsfall zum Unterwasserschutz.The sailing wind turbine vessel (1) presented here has the ability to pivot around its longitudinal axis when exposed to harsh weather and sea conditions, while maintaining its full structural and functional integrity. The mechanism presented in this section also allows the wind turbine vessel (1) to pivot intentionally without external influence. This can be used for maintenance work. This can be useful for facilitating access to the upper part of the wind turbine vessel (1) or for utilizing redundant systems (e.g., rudders or engines installed at the ends of the hull) that can be used after pivoting. Furthermore, the intentional pivoting mechanism can be used to resiliently handle severe sea storms. The wind turbine vessel (1) can pivot underwater. This allows it to seek underwater shelter in stormy seas, reducing its exposure to stormy wind speeds and rough waves. 35 shows the mechanism of intentional pivoting in five steps. Step 2 is the underwater protection application.

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 35), indem ein oder mehrere Ventile geöffnet werden, um Wasser einströmen zu lassen, und ein oder mehrere zusätzliche Ventile, aus denen die Luft oder andere Gase im Inneren des Rumpfes (A) ausströmen können. Die flutbare Kammer des Rumpfes (A) füllt sich mit Wasser und sinkt dadurch. Zusätzlich wird Rumpf (B) heruntergezogen.Step 1 of the intentional pivoting mechanism begins with flooding of hull (A) (see 35 ) by opening one or more valves to allow water to flow in, and one or more additional valves to allow air or other gases inside the hull (A) to escape. The floodable chamber of the hull (A) fills with water and sinks. Additionally, the hull (B) is pulled down.

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.Step 2 completes this movement, and the wind turbine vessel (1) floats upside down on hulls (B) and (C), with hull (A) submerged. In this position, the wind turbine vessel (1) can seek shelter beneath the water's surface in the event of severe storms and critical winds or waves that could compromise the structural integrity of the wind turbine vessel (1). To support this maneuver, the wind turbine (2) is designed to be watertight.

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.Step 3 floats the wind turbine vessel (1) by partially flooding the hull (B) and, a little later, simultaneously partially filling the hull (A) with air or gas. This creates a downward movement of the hull (B) and an upward movement of the hull (A). Filling with air is achieved by pumping air through pipes or hoses from parts of the wind turbine vessel (1) that are above the water surface. Alternatively, if the energy storage system is based on a lighter-than-air gas, such as hydrogen, this gas can be used to fill the buoyancy chambers. The gas is released from the storage tanks into the floodable chambers via appropriate valves. The gas inflates the floodable chambers, and the water inside is forced out.

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.Step 4 stops the partial flooding of hull (B) once hull (B) and hull (A) are at the same height. Subsequently, both hulls (B) and (A) are completely filled with air or gas, allowing the wind turbine ship (1) to ascend.

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.Step 5 completes the buoyancy movement and the wind turbine ship (1) floats with two hulls (B) and (A) on the water surface, while hull (C) is in the air.

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
This section presents various hull improvements in addition to those already listed above:
  • 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 17). Um die Form des Rumpfes (3) zu verbessern mehr Abdriftwiderstandskraft (FWW) zu erzeugen im Vergleich zu einer einfachen zylindrischen Rumpfform wie bis hierhin präsentiert, verfügen die Rümpfe (3) optional über Finnen, die wie ein Kiel an den Rümpfen (3) fungieren. 36 zeigt die Finnen aus einer Rück- oder Frontquerschnittsansicht des Windturbinenschiffes (1) auf der linken Seite und aus einer Seitenansicht auf der rechten Seite.For the sailing mechanism described in section 2, the drag force (Fww) is of particular importance to ensure that the wind turbine vessel (1) is not drifted too strongly to leeward when sailing and thus cannot maintain the desired sailing course (see 17 ). In order to improve the shape of the hull (3) and to generate more drag force (F WW ) compared to a simple cylindrical hull shape as presented so far, the hulls (3) optionally have fins that act like a keel on the hulls (3). 36 shows the fins from a rear or front cross-sectional view of the wind turbine vessel (1) on the left and from a side view on the right.

Eine oder mehrere Finnen (10) sind aus flexiblem Material faltbar aufgebaut. 37 beschreibt den Faltmechanismus, der auf einem aktiven Gelenk (11) an der Vorderseite der Finne (10) basiert, einem Vorliek (12), das die Vorderseite der Finne (10) hält, und einem flexiblen Material (13), das sich zusammenzieht, wenn die Flosse gefaltet wird. Dreht sich das aktive Gelenk (11) nach oben, entfaltet sich die Finne (10). Dreht sich das aktive Gelenk (11) nach unten, faltet sich die Finne (10) zusammen. An den auf dem Wasser schwimmenden Rümpfen (3) sind unter Wasser die Finnen (10) vollständig aufgefaltet, um einen zusätzlichen Abdriftwiderstand zu erzeugen. Am oberen Rumpf (3) dienen die Finnen (10) als Segel, wenn das Windturbinenschiff (1) auf einem Am-Wind-Kurs segelt. Wenn das Windturbinenschiff (1) andere Kurse fährt, können die Finnen (10) zusammengefaltet werden, um keinen Widerstand zu erzeugen.One or more fins (10) are constructed from flexible material and are foldable. 37 describes the folding mechanism, which is based on an active joint (11) at the front of the fin (10), a luff (12) that holds the front of the fin (10), and a flexible material (13) that contracts when the fin is folded. When the active joint (11) rotates upwards, the fin (10) unfolds. When the active joint (11) rotates downwards, the fin (10) folds up. On the hulls (3) floating on the water, the fins (10) are fully unfolded underwater to create additional drift resistance. On the upper hull (3), the fins (10) serve as sails when the wind turbine vessel (1) is sailing on a close-hauled course. When the wind turbine vessel (1) is sailing on other courses, the fins (10) can be folded up to create no resistance.

8.1. Rumpferweiterungen mit Windtrichtereffekt8.1. Hull extensions with wind funnel effect

38 zeigt eine alternative Erweiterung für die Rümpfe (3). Diese Rumpferweiterung (13) erzeugt einen Windtrichtereffekt, der den Kapazitätsfaktor der Windturbinen (2) erhöht, indem sie zusätzliche Windströmung von oberhalb des Windturbinenschiffes (1) in die Rotorflächen der Windturbinen (2) leitet. Darüber hinaus entsteht hinter den Windturbinen (2) ein Unterdruck durch eine starke Wirbelbildung, die mehr Windströmung in die Windturbinen (2) saugt. Folglich erhöht dieser zusätzliche Windstrom die Leistungsabgabe ( Yuji Ohya and Takashi Karasudani, A Shrouded Wind Turbine Generating High Output Power with Wind-lens Technology, MDPI Energies journal, 2010 ). Dieser Windtrichtereffekt ist auf Halbwindkurs maximiert, wie in 38 im Querschnitt und in der Seitenansicht des Windturbinenschiffes (1) dargestellt. 38 shows an alternative extension for the hulls (3). This hull extension (13) creates a wind funnel effect, which increases the capacity factor of the wind turbines (2) by directing additional wind flow from above the wind turbine vessel (1) into the rotor surfaces of the wind turbines (2). In addition, a negative pressure is created behind the wind turbines (2) due to strong vortices, which suck more wind flow into the wind turbines (2). Consequently, this additional wind flow increases the power output ( Yuji Ohya and Takashi Karasudani, A Shrouded Wind Turbine Generating High Output Power with Wind-lens Technology, MDPI Energies journal, 2010 ). This wind funnel effect is maximized on a beam reach, as in 38 shown in cross-section and side view of the wind turbine ship (1).

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, US3279407A , 1964).
  • • 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 ).
The state of the art includes various hull shapes for multihull vessels, each optimized for different characteristics. For example:
  • • 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, US3279407A , 1964).
  • • 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 ).

39 zeigt einige der oben genannten Mehrrumpfformen im Querschnitt anhand ihrer benetzten Oberfläche, d. h. der Gesamtoberfläche des Rumpfes und der Anhänge unterhalb der Wasserlinie. 39 shows some of the above-mentioned multihull shapes in cross-section based on their wetted surface, i.e. the total surface area of the hull and appendages below the waterline.

Der in diesem Abschnitt vorgestellte Teil der Erfindung übernimmt jegliche Rumpfform eines Mehrrumpfschiffes (nicht auf die in 39 dargestellte Auswahl beschränkt) und dupliziert die benetzte Oberfläche in einer rotationssymmetrischen Spiegelung, um die Pivotfähigkeit des Windturbinenschiffes (1) zu ermöglichen und bildet so neuartige Formen für den Rumpf (3) für das hier vorgestellte Windturbinenschiff (1). Jeder Rumpf (3) des Windturbinenschiffes (1) weist zwei benetzte Oberflächen der gewählten Rumpfform auf. Entsprechend der Anzahl der Rümpfe (3) des Windturbinenschiffes (1) (siehe dazu 12 in Abschnitt 1) beträgt der Grad für die rotationssymmetrische Spiegelung: 360° dividiert durch die Anzahl der Rümpfe (3) des Windturbinenschiffes (1). Auf diese Weise ist die benetzte Oberfläche der Rumpfform (3) in jeder Pivotposition immer richtig zur Wasserebene ausgerichtet.The part of the invention presented in this section assumes any hull shape of a multihull ship (not limited to the 39 shown selection) and duplicates the wetted surface in a rotationally symmetric reflection to enable the pivoting capability of the wind turbine ship (1), thus forming novel shapes for the hull (3) for the wind turbine ship (1) presented here. Each hull (3) of the wind turbine ship (1) has two wetted surfaces of the selected hull shape. According to the number of hulls (3) of the wind turbine ship (1) (see 12 in section 1) The degree of rotationally symmetric reflection is: 360° divided by the number of hulls (3) of the wind turbine vessel (1). This ensures that the wetted surface of the hull form (3) is always correctly aligned with the water plane in every pivot position.

40 zeigt eine Kombination der ovalen und V-förmigen Rumpfoptionen für das Windturbinenschiff (1) mit drei Rümpfen vor und nach einer 120°-Drehung. 40 shows a combination of the oval and V-shaped hull options for the wind turbine ship (1) with three hulls before and after a 120° turn.

Die in 40 dargestellte Kombination aus einem ovalen und einem V-förmigen Rumpf (3) sorgt für einen Kieleffekt, der die Abdrift reduziert, wie in Abschnitt 8.1 dargestellt, und einen Windtrichtereffekt, der die Leistungsabgabe der Windturbine (2) erhöht, wie ebenfalls in Abschnitt 8.2 dargestellt.The 40 The combination of an oval and a V-shaped hull (3) shown provides a keel effect that reduces drift, as shown in section 8.1, and a wind funnel effect that increases the power output of the wind turbine (2), as also shown in section 8.2.

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:

  1. I. Erhöhung der Energieproduktion von Offshore-Windturbinen
    1. 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 bis zum Faktor 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.
      • 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. ( Dr. Martin Dörenkämper, Großskalige Windparkeffekte - Ein zentraler Beitrag zum wirtschaftlichen Betrieb eines Windparks, Blog Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme, 2022 ) 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.
      • 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 , US9139266B2 ) und umgesetzt (e.g. www.principlepower.comjwindfloatjadvantagejperformance) oder befinden sich noch in der Forschung (e. 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 ). 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.
      • 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 (siehe 20). 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 in Abschnitt 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.
    2. 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.
  2. II. Senkung der Kosten für die Offshore-Windenergieproduktion und deren Transport
    1. 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.
    2. 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 ( J. McMortand, Operation and maintenance for floating wind turbines: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 163, July 2022 ) 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.
      • 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).
    3. c) Senkung der Kosten für den Energietransport
      1. 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.
The present invention offers several advantages with regard to the goal of improving the efficiency of offshore energy production and transport, i.e., increasing energy production and/or reducing costs. These advantages relate to the stated objectives in the OBJECT OF THE INVENTION section and are achieved as follows:
  1. I. Increasing energy production from offshore wind turbines
    1. 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. 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 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.
      • 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 , US9139266B2 ) and implemented (e.g. www.principlepower.comjwindfloatjaadvantagejperformance) or are still in research (e. 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 ). 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.
      • 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 (see 20 ). 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 in section 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.
    2. 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.
  2. II. Reducing the costs of offshore wind energy production and transport
    1. 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.
    2. 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 ( J. McMortand, Operation and maintenance for floating wind turbines: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 163, July 2022 ) 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.
      • (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).
    3. c) Reducing the costs of energy transport
      1. 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.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELEEXAMPLES OF IMPLEMENTATION

i. Vier Segelkursbeispielei. Four sailing course examples

1. Vorwindkurs1. Downwind course

41 zeigt das Windturbinenschiff (1) auf Vorwindkurs. Die Windturbine (2) erzeugt eine Schubkraft (S) parallel zur Rotorachse in Leerichtung. Die Abdriftwiderstandskraft (FWW) ist im Vergleich zu den anderen Kursen relativ niedrig, da sie in diesem Kurs dem Vorwärtswiderstand des Rumpfes (3) entspricht, also der Wasserwiderstandskraft, die der Vorwärtsbewegung entgegenwirkt, die konstruktionsbedingt niedrig ist. Daher entspricht die Vorwärtskraft (FVW) der Schubkraft (S) minus der Abdriftwiderstandskraft (Fww), wie im Vektordiagramm auf der rechten Seite von 41 dargestellt. 41 shows the wind turbine vessel (1) on a downwind course. The wind turbine (2) generates a thrust force (S) parallel to the rotor axis in the leeward direction. The drag force (F WW ) is relatively low compared to the other courses, as in this course it corresponds to the forward drag of the hull (3), i.e. the water resistance force that counteracts the forward motion, which is low by design. Therefore, the forward force (F VW ) equals the thrust force (S) minus the drag force (F ww ), as shown in the vector diagram on the right side of 41 shown.

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

42 zeigt das Windturbinenschiff (1) auf einem Raumwindkurs. Wie in Abschnitt 2 erläutert, wird die Schubkraft (S) in die Abdriftwiderstandskraft (FWW) und die Vorwärtskraft (Fvw) zerlegt (siehe Vektorzerlegungsdiagramm auf der rechten Seite von 42). 42 shows the wind turbine ship (1) on a crosswind course. As explained in section 2, the thrust force (S) is decomposed into the drag force (F WW ) and the forward force (Fvw) (see vector decomposition diagram on the right side of 42 ).

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 20) zu einer relativ hohen Vorwärtskraft (Fvw) und Leistungsabgabe bei. Allerdings reduziert auch hier der relative Wind aus der Bewegung des Windturbinenschiffes (1) den scheinbaren Wind und führt zu einer resultierenden Gierabweichung der Windturbine (2) vom scheinbaren Wind in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Windturbinenschiffes (1).The rotation axes of the wind turbines (2) point directly into the wind. With sufficient spacing between the wind turbines (2), no wake losses (or at least significantly lower than in the previous example on a downwind course) reduce the generated power output and thrust. Furthermore, no yaw deviation contributes to the true wind direction (which would otherwise reduce the power output, see 20 ) contributes to a relatively high forward force (Fvw) and power output. However, here too, the relative wind from the movement of the wind turbine vessel (1) reduces the apparent wind and leads to a resulting yaw deviation of the wind turbine (2) from the apparent wind, depending on the speed of movement of the wind turbine vessel (1).

3. Halbwindkurs3. Beam reach

43 zeigt das Windturbinenschiff (1), wie es einen Halbwindkurs senkrecht zur Windrichtung segelt. Die Windturbinen (2) befinden sich in einem Gierwinkel von 30°. 43 shows the wind turbine ship (1) sailing a half-wind course perpendicular to the wind direction. The wind turbines (2) are at a yaw angle of 30°.

Durch die Gierabweichung von 30° wird die Leistungsabgabe auf 80% reduziert (siehe 20). Damit wird auch die Schubkraft (S) entsprechend reduziert und reduziert damit auch die Vorwärtskraft (FVW). Der relative Wind aus der Bewegung des Windturbinenschiffes (1) erhöht einerseits den scheinbaren Wind und erhöht andererseits je nach Bewegungsgeschwindigkeit des Windturbinenschiffes (1) auch den tatsächlichen Gierwinkel zum scheinbaren Wind. Bei einer sehr hohen Bewegungsgeschwindigkeit des Windturbinenschiffes (1) kombiniert mit einen geringen Gierwinkel (deutlich kleiner als die in 43 dargestellten 30°), können die Windturbinen (2) auf diesem Halbwindkurs bis zum 1,5-fachen der Leistungsabgabe erreichen verglichen mit sich nicht-bewegenden stationären Windturbinen (siehe Abschnitt VORTEILE DER ERFINDUNG).Due to the yaw deviation of 30°, the power output is reduced to 80% (see 20 ). This also reduces the thrust (S) accordingly and thus also reduces the forward force (F VW ). The relative wind from the movement of the wind turbine ship (1) increases the apparent wind on the one hand and, depending on the speed of movement of the wind turbine ship (1), also increases the actual yaw angle to the apparent wind on the other hand. At a very high speed of movement of the wind turbine ship (1) combined with a low yaw angle (significantly smaller than the 43 shown 30°), the wind turbines (2) on this half-wind course can achieve up to 1.5 times the power output compared to non-moving stationary wind turbines (see section ADVANTAGES OF THE INVENTION).

4. Amwindkurs4. Upwind course

44 zeigt das Windturbinenschiff (1) auf Anwindkurs segeln. Dieser Kurs ermöglicht es dem Windturbinenschiff (1), sukzessive gegen den Wind zu kreuzen, sodass das Windturbinenschiff (1) zusammen mit der Ausnutzung wechselnder Windrichtungen die volle Kontrolle über die Navigation zu jedem beliebigen Ziel hat. Die Rümpfe (3) werden leicht in den Wind gedreht, z.B. 18° Luv vom Halbwindkurs. Die Windturbinen (2) befinden sich noch im 30°-Gierwinkel. Der resultierende Winkel zwischen Schubkraft (S) und Abdriftwiderstandskraft (Fww) beträgt dann: 30° - 18° = 12°. Dadurch verringert sich die Vorwärtskraft (Fvw) und damit auch die Bewegungsgeschwindigkeit des Windturbinenschiffes (1). Der Einfluss des relativen Windes aus der Bewegung des Windturbinenschiffes (1) auf die Vergrößerung des Gierwinkels und auch auf den scheinbaren Wind wird durch die verringerte Bewegungsgeschwindigkeit ebenfalls geringer. 44 shows the wind turbine vessel (1) sailing on an upwind course. This course allows the wind turbine vessel (1) to gradually tack against the wind, so that, together with the utilization of changing wind directions, the wind turbine vessel (1) has full control over navigation to any destination. The hulls (3) are turned slightly into the wind, e.g. 18° upwind from the beam reach course. The wind turbines (2) are still at a 30° yaw angle. The resulting angle between thrust (S) and drag force (Fww) is then: 30° - 18° = 12°. This reduces the forward force (Fvw) and thus also the speed of movement of the wind turbine vessel (1). The influence of the relative wind from the movement of the wind turbine vessel (1) on the increase in the yaw angle and also on the apparent wind is also reduced due to the reduced speed of movement.

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)
The following sections show calculations of the oscillating blade pitch angle β for four rotor rotation scenarios at 0°, 90°, 180°, and 270° for a wind turbine (2). The wind turbine (2) has the following parameters in all four scenarios:
  • • 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 β = -1,6°, berechnet mit den entsprechenden Windgeschwindigkeitsvektoren:

  • u = 42  m/s ,  in Vektornotation ( x y z ) : u = ( 0 42 0 ) ,
    Figure DE102024000107A1_0031
    siehe Vektorraumdimensionen in 45
  • v 0 ° = 8  m/s ,  in Vektornotation : v 0 ° = ( 8   c o s ( 30 ° ) 8   s i n ( 30 ° ) 0 )
    Figure DE102024000107A1_0032
  • w 0 ° = 46,5  m/s ,  mit : w 0 ° = ( 8   c o s ( 30 ° ) 42 + 8   s i n ( 30 ° ) 0 ) = ( 6,9 46 0 ) ,
    Figure DE102024000107A1_0033
    siehe Abschnitt 5 Gleichung (G4)
Under the given scenario, the blade pitch angle at 0° rotor rotation is β = -1.6°, calculated with the corresponding wind speed vectors:
  • u = 42  m/s ,  in Vektornotation ( x y z ) : u = ( 0 42 0 ) ,
    Figure DE102024000107A1_0031
    see vector space dimensions in 45
  • v 0 ° = 8  m/s ,  in Vektornotation : v 0 ° = ( 8   c o s ( 30 ° ) 8   s i n ( 30 ° ) 0 )
    Figure DE102024000107A1_0032
  • w 0 ° = 46,5  m/s ,  mit : w 0 ° = ( 8   c o s ( 30 ° ) 42 + 8   s i n ( 30 ° ) 0 ) = ( 6,9 46 0 ) ,
    Figure DE102024000107A1_0033
    see section 5 equation (G4 )

Mit Abschnitt 5 Gleichung (G3) and (G2) erhält man (G1):

  • β 0 ° = c o s 1 ( ( 0 42 0 ) ( 6,9 46 0 ) | ( 0 42 0 ) | | ( 6,9 46 0 ) | ) 10 ° = c o s 1 ( 1932 42 46,5 ) 10 ° = 8,4 ° 10 ° = 1,6 °
    Figure DE102024000107A1_0034
Using Section 5 equation (G3 ) and (G2 ) we get (G1 ):
  • β 0 ° = c o s 1 ( ( 0 42 0 ) ( 6,9 46 0 ) | ( 0 42 0 ) | | ( 6,9 46 0 ) | ) 10 ° = c o s 1 ( 1932 42 46,5 ) 10 ° = 8,4 ° 10 ° = 1,6 °
    Figure DE102024000107A1_0034

45 zeigt die Berechnungsergebnisse im geometrischen Kontext. Zur Orientierung werden die Vektorraumdimensionen sowohl für die Frontalansicht als auch für die Draufsicht gezeigt. 45 shows the calculation results in a geometric context. For orientation, the vector space dimensions are shown for both the frontal and top views.

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:

  • u = 42  m/s ,  in Vektornotation ( x y z ) : u = ( 0 0 42 ) ,
    Figure DE102024000107A1_0035
    siehe Vektorraumdimensionen 46
  • • v90° = 8 m/s
  • p 90 ° = ( 8   c o s ( 30 ° ) 0 0 )
    Figure DE102024000107A1_0036
    siehe Abschnitt 5 Gleichung (G590°)
  • w 90 ° = 42,6  m/s ,  mit : w 90 ° = ( 8   c o s ( 30 ° ) 0 42 ) = ( 6,9 0 42 ) ,
    Figure DE102024000107A1_0037
    siehe Abschnitt 5 Gleichung (G490°)
Under the given scenario, the blade pitch angle at 90° rotor rotation is β 90° = -0.4°, calculated with the corresponding wind speed vectors:
  • u = 42  m/s ,  in Vektornotation ( x y z ) : u = ( 0 0 42 ) ,
    Figure DE102024000107A1_0035
    see vector space dimensions 46
  • • v 90° = 8 m/s
  • p 90 ° = ( 8   c o s ( 30 ° ) 0 0 )
    Figure DE102024000107A1_0036
    see section 5 equation (G5 90° )
  • w 90 ° = 42,6  m/s ,  mit : w 90 ° = ( 8   c o s ( 30 ° ) 0 42 ) = ( 6,9 0 42 ) ,
    Figure DE102024000107A1_0037
    see section 5 equation (G4 90° )

Mit Abschnitt 5 Gleichung (G390°) und (G290°) erhält man (G190°):

  • β 90 ° = c o s 1 ( ( 0 0 42 ) ( 6,9 0 42 ) | ( 0 0 42 ) | | ( 6,9 0 42 ) | ) 10 ° = c o s 1 ( 1764 42 42,6 ) 10 ° = 9,6 ° 10 ° = 0,4 °
    Figure DE102024000107A1_0038
Using Section 5 equation (G3 90° ) and (G2 90° ) we get (G1 90° ):
  • β 90 ° = c o s 1 ( ( 0 0 42 ) ( 6,9 0 42 ) | ( 0 0 42 ) | | ( 6,9 0 42 ) | ) 10 ° = c o s 1 ( 1764 42 42,6 ) 10 ° = 9,6 ° 10 ° = 0,4 °
    Figure DE102024000107A1_0038

46 zeigt die Berechnungsergebnisse im geometrischen Kontext. Zur Orientierung werden die Vektorraumdimensionen sowohl für die Frontalansicht als auch für die Draufsicht gezeigt. 46 shows the calculation results in a geometric context. For orientation, the vector space dimensions are shown for both the frontal and top views.

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:

  • u = 42  m/s ,  w in Vektornotation ( x y z ) : u = ( 0 42 0 ) ,
    Figure DE102024000107A1_0039
    siehe Vektorraumdimensionen 47
  • v 180 ° = 8  m/s ,  in Vektornotation : v 180 ° = ( 8   c o s ( 30 ° ) 8   s i n ( 30 ° ) 0 )
    Figure DE102024000107A1_0040
  • w 180 ° = 38,6  m/s ,  mit : w 180 ° = ( 8   c o s ( 30 ° ) 42 + 8   s i n ( 30 ° ) 0 ) = ( 6,9 38 0 ) ,
    Figure DE102024000107A1_0041
    siehe Abschnitt 5 Gleichung (G4180°)
Under the given scenario, the blade pitch angle at 180° rotor rotation is β 180° = 0.1°, calculated with the corresponding wind speed vectors:
  • u = 42  m/s ,  w in Vektornotation ( x y z ) : u = ( 0 42 0 ) ,
    Figure DE102024000107A1_0039
    see vector space dimensions 47
  • v 180 ° = 8  m/s ,  in Vektornotation : v 180 ° = ( 8   c o s ( 30 ° ) 8   s i n ( 30 ° ) 0 )
    Figure DE102024000107A1_0040
  • w 180 ° = 38,6  m/s ,  mit : w 180 ° = ( 8   c o s ( 30 ° ) 42 + 8   s i n ( 30 ° ) 0 ) = ( 6,9 38 0 ) ,
    Figure DE102024000107A1_0041
    see section 5 equation (G4 180° )

Mit Abschnitt 5 Gleichung (G3180°) und (G2180°) erhält man (G1180°):

  • β 180 ° = c o s 1 ( ( 0 42 0 ) ( 6,9 38 0 ) | ( 0 42 0 ) | | ( 6,9 38 0 ) | ) 10 ° = c o s 1 ( 1596 42 38,6 ) 10 ° = 10,1 ° 10 ° = 0,1 °
    Figure DE102024000107A1_0042
Using Section 5 equation (G3 180° ) and (G2 180° ) we get (G1 180° ):
  • β 180 ° = c o s 1 ( ( 0 42 0 ) ( 6,9 38 0 ) | ( 0 42 0 ) | | ( 6,9 38 0 ) | ) 10 ° = c o s 1 ( 1596 42 38,6 ) 10 ° = 10,1 ° 10 ° = 0,1 °
    Figure DE102024000107A1_0042

47 zeigt die Berechnungsergebnisse im geometrischen Kontext. Zur Orientierung werden die Vektorraumdimensionen sowohl für die Frontalansicht als auch für die Draufsicht gezeigt. 47 shows the calculation results in a geometric context. For orientation, the vector space dimensions are shown for both the frontal and top views.

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:

  • u = 42  m/s ,  in Vektornotation ( x y z ) : u = ( 0 0 42 ) ,
    Figure DE102024000107A1_0043
    siehe Vektorraumdimensionen in 48
  • • v270° = 8 m/s
  • p 270 ° = ( 8  cos ( 30 ° ) 0 0 )
    Figure DE102024000107A1_0044
    siehe Abschnitt 5 Gleichung (G5270°)
  • W 270 ° = 42,6  m/s ,  mit : w 270 ° = ( 8  cos ( 30 ° ) 0 42 ) = ( 6,9 0 42 ) ,
    Figure DE102024000107A1_0045
    siehe Abschnitt 5 Gleichung (G4270°)
Under the given scenario, the blade pitch angle at 270° rotor rotation is β 270° = -0.4°, calculated with the corresponding wind speed vectors:
  • u = 42  m/s ,  in Vektornotation ( x y z ) : u = ( 0 0 42 ) ,
    Figure DE102024000107A1_0043
    see vector space dimensions in 48
  • • v 270° = 8 m/s
  • p 270 ° = ( 8  cos ( 30 ° ) 0 0 )
    Figure DE102024000107A1_0044
    see section 5 equation (G5 270° )
  • W 270 ° = 42,6  m/s ,  mit : w 270 ° = ( 8  cos ( 30 ° ) 0 42 ) = ( 6,9 0 42 ) ,
    Figure DE102024000107A1_0045
    see section 5 equation (G4 270° )

Mit Abschnitt 5 Gleichung (G3270°) and (G2270°) erhält man (G1270°):

  • β 270 ° = cos 1 ( ( 0 0 42 ) ( 6,9 0 42 ) | ( 0 0 42 ) | | ( 6,9 0 42 ) | ) 10 ° = cos 1 ( 1764 42 42,6 ) 10 ° = 9,6 ° 10 ° = 0,4 °
    Figure DE102024000107A1_0046
Using Section 5 equation (G3 270° ) and (G2 270° ) we get (G1 270° ):
  • β 270 ° = cos 1 ( ( 0 0 42 ) ( 6,9 0 42 ) | ( 0 0 42 ) | | ( 6,9 0 42 ) | ) 10 ° = cos 1 ( 1764 42 42,6 ) 10 ° = 9,6 ° 10 ° = 0,4 °
    Figure DE102024000107A1_0046

48 zeigt die Berechnungsergebnisse im geometrischen Kontext. Zur Orientierung werden die Vektorraumdimensionen sowohl für die Frontalansicht als auch für die Draufsicht gezeigt. 48 shows the calculation results in a geometric context. For orientation, the vector space dimensions are shown for both the frontal and top views.

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 Section 5 and applied as an example in the calculations above, any other scenario for wind turbine parameters (2), wind conditions and rotor positions can be calculated.

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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Claims (9)

Schiff (1) zur effizienten und resilienten Energieproduktion aus Windkraft und zum Energietransport umfassend mindestens eine Windturbine (2) installiert auf dem Schiff (1) und einen Rumpf (3) des Schiffes (1), dadurch gekennzeichnet, dass a) der Rumpf (3) eine Mehrrumpfkonstruktion ist, die mindestens drei Rümpfe (3) aufweist, die rotationssymmetrisch zur Längsachse des Schiffes befestigt sind, wobei das Schiff (1) mit mindestens zwei Rümpfen (3) auf dem Wasser schwimmt und sich mindestens ein Rumpf (3) in der Luft und nicht auf dem Wasser befindet, so dass das Schiff (1) um seine Längsachse durch äußere oder innere Einwirkung rotiert (hier auch „pivotiert“ genannt) werden kann, so dass sich anschließend mindestens ein Rumpf (3), der sich zuvor in der Luft befand, anschließend auf dem Wasser schwimmt zusammen mit mindestens einem weiteren Rumpf (3) und somit das Schiff (1) weiterhin auf mindestens zwei Rümpfen schwimmt und/oder b) die Windturbine (2), eine aus dem Stand der Technik bekannte Windturbine ist, die zum einen zur elektrischen Energieproduktion genutzt wird und zum anderen zum Vortrieb und zur Steuerung des Schiffes (1) durch ein Verfahren, dass gekennzeichnet ist durch die Verwendung der Windturbine (2) als Segel durch eine geeignete Gierstellung der Windturbine (2) mit Gierwinkeln im Bereich γ > -90° bis γ < 90°, so dass 1) die Gierstellung der Windturbine (2) den Wind um flügelförmige Rotorblätter (6) strömen lässt, 2) die entstehende Windströmung einen Auftrieb (A) an der Leeseite der Rotorblätter (6) erzeugt, 3) der Auftrieb (A) zum einen in ein Drehmoment (D), welches die Windturbine (2) antreibt zerlegt wird, und zum anderen in eine Schubkraft (S), die parallel zur Rotorachse leewärts verläuft, 4) die Schubkraft (S) wiederum zerlegt wird in eine Abdriftwiderstandskraft (Fww) des Schiffes (1) und eine Vorwärtskraft (Fvw) des Schiffes, so dass mit geeignetem Gierwinkel γ ein Vortrieb des Schiffes (1) herbeigeführt wird, 5) das Schiff (1) nach Backbord und Steuerbord gesteuert werden kann, entweder mit einem aus dem Stand der Technik bekanntem Ruder oder Differentialmotorantrieb oder bei einem Schiff (1) mit mindestens zwei installierten Windturbinen (2), durch unterschiedliche Steuerung mindestens einer vorderen und mindestens einer hinteren Windturbine (2), die das Schiff (1) lenkt, entweder durch geeignete unterschiedliche Gierstellungen mindestens einer vorderen und mindestens einer hinteren Windturbine (2), die unterschiedliche Richtungen der Schubkraftvektoren zur Lenkung des Schiffes (1) ergeben oder durch unterschiedliches mechanisches oder aerodynamisches (d.h. durch Veränderung des Blatteinstellwinkels resultierendes) Bremsen der vorderen und hinteren Windturbinen (2) mit dem selben Effekt, so dass 6) alle segeltypischen Segelkurse vom Vorwindkurs bis zum Amwindkurs mit dem Schiff (1) durch die geeignete Gierstellung der Windturbinen (2) und der Steuerung des Schiffes (1) nach Backbord und Steuerbord gesegelt werden können und 7) durch die Vorwärtsbewegung des Schiffes (1) und den dadurch entstehenden Fahrtwind, die Leistungsabgabe der Windturbine (2) bis um das 1,5-Fache erhöht werden kann. A ship (1) for efficient and resilient energy production from wind power and for energy transport, comprising at least one wind turbine (2) installed on the ship (1) and a hull (3) of the ship (1), characterized in that a) the hull (3) is a multi-hull construction having at least three hulls (3) that are attached rotationally symmetrically to the longitudinal axis of the ship, wherein the ship (1) floats on the water with at least two hulls (3) and at least one hull (3) is in the air and not on the water, so that the ship (1) can be rotated (here also called "pivoted") about its longitudinal axis by external or internal influences, so that subsequently at least one hull (3), which was previously in the air, subsequently floats on the water together with at least one further hull (3) and thus the ship (1) continues to float on at least two hulls and/or b) the wind turbine (2) is a wind turbine known from the prior art, which is used for one is used for electrical energy production and the other for propulsion and steering of the ship (1) by a method which is characterized by the use of the wind turbine (2) as a sail by a suitable yaw position of the wind turbine (2) with yaw angles in the range γ > -90° to γ < 90°, so that 1) the yaw position of the wind turbine (2) allows the wind to flow around wing-shaped rotor blades (6), 2) the resulting wind flow generates a lift (A) on the leeward side of the rotor blades (6), 3) the lift (A) is split on the one hand into a torque (D), which drives the wind turbine (2), and on the other hand into a thrust force (S), which runs leeward parallel to the rotor axis, 4) the thrust force (S) is in turn split into a drift resistance force (Fww) of the ship (1) and a forward force (Fvw) of the ship, so that with a suitable yaw angle γ propulsion of the ship (1) is brought about, 5) the ship (1) can be steered to port and starboard, either with a rudder or differential motor drive known from the prior art or, in the case of a ship (1) with at least two installed wind turbines (2), by different control of at least one front and at least one rear wind turbine (2), which steers the ship (1), either by suitable different yaw positions of at least one front and at least one rear wind turbine (2), which result in different directions of the thrust vectors for steering the ship (1), or by different mechanical or aerodynamic (i.e. resulting from changing the blade pitch angle) braking of the front and rear wind turbines (2) with the same effect, so that 6) all typical sailing courses from the downwind course to the close-hauled course can be sailed with the ship (1) by the suitable yaw position of the wind turbines (2) and the steering of the ship (1) to port and starboard, and 7) Due to the forward movement of the ship (1) and the resulting wind, the power output of the wind turbine (2) can be increased by up to 1.5 times. Schiff (1) nach Anspruch 1, mit mindestens einer Halterung (4) und mindestens einer Wante (5), dadurch gekennzeichnet, dass a) die Windturbine (2) mit der Halterung (4) und der Wante (5) an den Rümpfen (3) installiert wird, b) die Halterung (4) aus einem elastisch gebogenen Material besteht, c) die Halterung (4) einen freien Rotorraum (FR) für die freie Rotation der Rotorblätter (6) bei Gierstellungen der Windturbine (2) mit Gierwinkel γ > -90° bis γ < 90° gewährleistet, d) die Halterung (4) diesen freien Rotorraum (FR) auch nach einer Rotation bzw. nach dem Pivotieren des Schiffes (1) um die Längsachse des Schiffes (1) gewährleistet, e) die Wante (5) zwischen je zwei Rümpfen befestigt wird und die durch die elastisch gebogene Halterung (4) auseinander gedrückten Rümpfe (3) so zusammenzieht, dass f) im Gleichgewicht die Rückstellkraft (FR) der elastisch gebogenen Halterung (4) zusammen mit der kontrahierenden Kraft (FK) der die Rümpfe (3) zusammenziehenden Wante (3) eine stabile Statik ergibt.Ship (1) to Claim 1 , with at least one bracket (4) and at least one shroud (5), characterized in that a) the wind turbine (2) is installed with the bracket (4) and the shroud (5) on the hulls (3), b) the bracket (4) is made of an elastically bent material, c) the bracket (4) ensures a free rotor space (FR) for the free rotation of the rotor blades (6) in yawing positions of the wind turbine (2) with a yaw angle γ > -90° to γ < 90°, d) the bracket (4) ensures this free rotor space (FR) even after a rotation or after pivoting of the ship (1) about the longitudinal axis of the ship (1), e) the shroud (5) is fastened between each two hulls and pulls the hulls (3) pushed apart by the elastically bent bracket (4) together in such a way that f) in equilibrium the restoring force (F R ) of the elastically bent bracket (4) together with the contracting force (F K ) of the shroud (3) pulling the hulls (3) together results in stable statics. Schiff (1) nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens einem Kugelgelenk (8), dadurch gekennzeichnet, dass a) die Windturbine (2) an der Halterung (4) mit dem Kugelgelenk (8) an dessen Bolzen befestigt ist, b) das Kugelgelenk (8) aktiv d.h. steuerbar ist und die Windturbine (2) entlang der dreidimensionalen x-y-z-Freiheitsgrade um die x-Achse Rollen kann, um die y-Achse Neigen kann und um die z-Achse Gieren kann, c) das Gehäuse des Kugelgelenks (8) horizontal an der Halterung (4) befestigt ist oder d) das Gehäuse des Kugelgelenks (8) vertikal nach unten gerichtet an der Halterung (4) befestigt ist und durch einen Drehmotor (7) um die Längsachse des Schiffes (1) rotiert werden kann oder e) das Gehäuse des Kugelgelenks (8) vertikal nach oben gerichtet an der Halterung (4) befestigt ist und durch einen Drehmotor (7) um die Längsachse des Schiffes (1) rotiert werden kann.Ship (1) according to one of the preceding claims with at least one ball joint (8), characterized in that a) the wind turbine (2) is fastened to the holder (4) with the ball joint (8) on its bolt, b) the ball joint (8) is active, ie controllable, and the wind turbine (2) can roll around the x-axis, tilt around the y-axis and yaw around the z-axis along the three-dimensional xyz degrees of freedom, c) the housing of the ball joint (8) is fastened horizontally to the holder (4) or d) the housing of the ball joint (8) is fastened vertically downwards to the holder (4) and can be rotated by a rotary motor (7) about the longitudinal axis of the ship (1) or e) the housing of the ball joint (8) is fastened vertically upwards to the holder (4) and can be rotated by a rotary motor (7) about the longitudinal axis of the ship (1). Schiff (1) nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem Verfahren zur Blatteinstellung der Rotorblätter (6) der Windturbine (2) in Gierstellung, dadurch gekennzeichnet, dass der Blatteinstellwinkel β ϱ
Figure DE102024000107A1_0047
oszillierend angepasst wird während der Rotation der Rotorblätter (6) entlang der Rotorachse der Windturbine (2) kontinuierlich bei jeder Rotationsposition a) durch Berechnung der Projektion des Vektors der wahren Windgeschwindigkeit v ϱ ,
Figure DE102024000107A1_0048
auf die Rotorachse (Richtung Referenzwind bei 0° Gierabweichung), um p ϱ
Figure DE102024000107A1_0049
zu erhalten, b) durch Berechnung der Projektion u+ des Vektors der wahren Windgeschwindigkeit v ϱ ,
Figure DE102024000107A1_0050
auf eine beliebige Parallele zur Umfangsgeschwindigkeit u bei der jeweiligen Rotorposition, d.h. u+ ist eine Verlängerung der Umfangsgeschwindigkeit u, c) durch Vektoraddition von p ϱ + u + u + + v FW ,
Figure DE102024000107A1_0051
um die Anströmgeschwindigkeit w ϱ
Figure DE102024000107A1_0052
bei der jeweiligen Rotorposition zu erhalten mit Geschwindigkeitsvektor vFW gegeben durch die Fahrtwindgeschwindigkeit, die sich durch die Vorwärtsbewegung des Schiffes (1) ergibt, d) durch Berechnung des Winkels zwischen u und w ϱ
Figure DE102024000107A1_0053
um den Winkel χ ϱ
Figure DE102024000107A1_0054
zu erhalten, der die Summe aus dem Blatteinstellwinkel β ϱ
Figure DE102024000107A1_0055
und dem bei der Konstruktion der Rotorblätter (6) festgelegten Anstellwinkels α ist, e) durch Berechnung des Blatteinstellwinkel β ϱ
Figure DE102024000107A1_0056
durch Subtraktion des Anstellwinkels α vom Winkel χ ϱ ,
Figure DE102024000107A1_0057
f) um dann die kontinuierliche Blatteinstellung an der jeweiligen Rotationsposition mit dem Blatteinstellwinkel β ϱ
Figure DE102024000107A1_0058
vorzunehmen und g) dieses Verfahren kontinuierlich für jede Rotationsposition der Rotorblätter (6) zu wiederholen.
Ship (1) according to one of the preceding claims with a method for blade adjustment of the rotor blades (6) of the wind turbine (2) in yaw position, characterized in that the blade adjustment angle β ϱ
Figure DE102024000107A1_0047
is adjusted oscillatingly during the rotation of the rotor blades (6) along the rotor axis of the wind turbine (2) continuously at each rotation position a) by calculating the projection of the vector of the true wind speed v ϱ ,
Figure DE102024000107A1_0048
to the rotor axis (direction of reference wind at 0° yaw deviation) to p ϱ
Figure DE102024000107A1_0049
b) by calculating the projection u + the vector of the true wind speed v ϱ ,
Figure DE102024000107A1_0050
to any parallel to the circumferential speed u at the respective rotor position, ie u + is an extension of the circumferential speed u, c) by vector addition of p ϱ + u + u + + v FW ,
Figure DE102024000107A1_0051
to the flow velocity w ϱ
Figure DE102024000107A1_0052
to be obtained at the respective rotor position with velocity vector v FW given by the wind speed resulting from the forward movement of the ship (1), d) by calculating the angle between u and w ϱ
Figure DE102024000107A1_0053
around the angle χ ϱ
Figure DE102024000107A1_0054
which is the sum of the blade pitch angle β ϱ
Figure DE102024000107A1_0055
and the angle of attack α determined during the design of the rotor blades (6), e) by calculating the blade pitch angle β ϱ
Figure DE102024000107A1_0056
by subtracting the angle of attack α from the angle χ ϱ ,
Figure DE102024000107A1_0057
f) to then continuously adjust the blade setting at the respective rotation position with the blade setting angle β ϱ
Figure DE102024000107A1_0058
and g) repeat this procedure continuously for each rotational position of the rotor blades (6).
Schiff (1) nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens einem Energiemanagementsystem an Bord des Schiffes (1), dadurch gekennzeichnet, dass a) das Energiemanagementsystem mindestens einen Energiespeicher an Bord des Schiffes (1) umfasst im Rumpf (3) oder in der Windturbine (2) oder andernorts auf dem Schiff (1), b) das Energiemanagementsystem hybrid elektromechanisch funktioniert, d.h. dass mindestens ein mechanisches Gerät (N) z.B. ein Kompressor oder ein Entsalzungsgerät, welches mechanische Energie benötigt, diese mechanische Energie direkt am Antriebsstrang (9) der Windturbine (2) nutzen kann und c) das mechanische Gerät (N) über Rohre oder Schläuche oder Teilantriebsstränge oder andere Verbindungselemente mit dem Energiespeicher an Bord des Schiffes (1) oder weiteren mechanischen Geräten (N) verbunden ist.Ship (1) according to one of the preceding claims with at least one energy management system on board the ship (1), characterized in that a) the energy management system comprises at least one energy storage device on board the ship (1) in the hull (3) or in the wind turbine (2) or elsewhere on the ship (1), b) the energy management system functions in a hybrid electromechanical manner, ie at least one mechanical device (N), e.g. a compressor or a desalination device, which requires mechanical energy, can use this mechanical energy directly on the drive train (9) of the wind turbine (2) and c) the mechanical device (N) is connected to the energy storage device on board the ship (1) or to further mechanical devices (N) via pipes or hoses or partial drive trains or other connecting elements. Schiff (1) nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens einem Rumpf (1), dadurch gekennzeichnet, dass a) der Rumpf (1) mit Wasser flutbar ist, b) der Rumpf (1) mit Luft aus der Umgebung oder einem Gas aus den Energiespeichern an Bord gefüllt werden kann, so dass c) ein Verfahren zum absichtlichen rotieren bzw. pivotieren um die Längsachse des Schiffes (1) wie folgt durchgeführt werden kann 1) mindestens ein Rumpf (A) wird geflutet und sinkt ab, 2) das Schiff (1) beginnt sich um die eigene Längsachse zu rotieren bzw. zu pivotieren und schwimmt dann verkehrt herum, d.h. mindestens ein Rumpf (B), der sich zuvor noch in der Luft befand, schwimmt auf der Wasseroberfläche und mindestens Rumpf (A) schwimmt unterhalb der Wasseroberfläche, 3) dann wird mindestens Rumpf (A) teilweise mit Luft oder Gas gefüllt und mindestens Rumpf (B) teilweise geflutet, 4) dann wird mindestens Rumpf (A) und mindestens Rumpf (B) mit Luft oder Gas befüllt und 5) mindestens beide Rümpfe (A) und (B) schwimmen auf, so dass das Schiff (1) um die Längsachse rotiert bzw. pivotiert ist.Ship (1) according to one of the preceding claims with at least one hull (1), characterized in that a) the hull (1) is floodable with water, b) the hull (1) can be filled with air from the environment or a gas from the energy storage devices on board, so that c) a method for intentionally rotating or pivoting about the longitudinal axis of the ship (1) can be carried out as follows: 1) at least one hull (A) is flooded and sinks, 2) the ship (1) begins to rotate or pivot about its own longitudinal axis and then floats upside down, i.e. at least one hull (B), which was previously in the air, floats on the water surface and at least hull (A) floats below the water surface, 3) then at least hull (A) is partially filled with air or gas and at least hull (B) is partially flooded, 4) then at least hull (A) and at least hull (B) are filled with air or gas and 5) at least both hulls (A) and (B) float, so that the ship (1) is rotated or pivoted around the longitudinal axis. Schiff (1) nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens einem Rumpf (3), dadurch gekennzeichnet, dass a) der Rumpf (1) mit mindestens einer Finne (10) erweitert wird, b) die Finne (10) aufgefaltet und zusammen gefaltet werden kann mittels eines aktiven d.h. steuerbarem Gelenk (11), c) die Finne (10) aus einem flexiblen Material (13) besteht, das an einem stabilen Vorliek (12) befestigt ist, das mit dem Gelenk (11) verbunden ist, so dass die Finne (10) zusammengefaltet werden kann.Ship (1) according to one of the preceding claims with at least one hull (3), characterized in that a) the hull (1) is extended with at least one fin (10), b) the fin (10) can be unfolded and folded together by means of an active, ie controllable, joint (11), c) the fin (10) consists of a flexible material (13) which is attached to a stable luff (12) which is connected to the joint (11) so that the fin (10) can be folded together. Schiff (1) nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens einem Rumpf (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Rumpf (1) mit mindestens einer Rumpferweiterung (13) mit Windtrichtereffekt entlang der Längsseite des Rumpfes (3) erweitert wird.Ship (1) according to one of the preceding claims with at least one hull (3), characterized in that the hull (1) is extended with at least one hull extension (13) with a wind funnel effect along the longitudinal side of the hull (3). Schiff (1) nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens einem Rumpf (3), dadurch gekennzeichnet, dass a) die Form des Rumpfes (3) durch Duplikation einer beliebigen Rumpfform eines Mehrrumpfschiffes entsteht, b) die Duplikation eine rotationssymmetrische Spiegelung der beliebigen Rumpfform eines Mehrrumpfschiffes ist und c) der Winkel der rotationssymmetrischen Spiegelung 360° geteilt durch die Anzahl der Rümpfe (3) des Schiffes (1) ist.Ship (1) according to one of the preceding claims with at least one hull (3), characterized in that a) the shape of the hull (3) is created by duplicating any hull shape of a multi-hull ship, b) the duplication is a rotationally symmetrical reflection of any hull shape of a multi-hull ship and c) the angle of the rotationally symmetrical reflection is 360° divided by the number of hulls (3) of the ship (1).
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