DE10061450A1 - Tidal or water flow kinetic energy station uses pressure faces on swivel axes rocking onto endstops in radial planes between swivel and rotor axes to form underwater power generator - Google Patents

Tidal or water flow kinetic energy station uses pressure faces on swivel axes rocking onto endstops in radial planes between swivel and rotor axes to form underwater power generator

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Abstract

The pressure faces (4-7) move to and fro on the swivel axes (8) and encounter endstops (9) in the radial planes between swivel axes and rotor axis (19). Radially directed arms (21-24 and 31-34) towards the swivel axis on the ends of the pressure faces lie onto the ends of the rotor axis. The rotor axis stands vertical to form the rotor shaft of an underwater electric generator and the radially directed arms are designed as low-resistance flow profiles, here set at the generator endfaces and edgedly encircled by a wheel rim. The generator motors briefly provide the starting moment for the rotor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzbarmachung der kinetischen Energie strömenden Wassers mit mehreren um eine gemeinsame Rotorachse kreisenden Druckflächen, die um parallel und mit Abstand zur Rotorachse angeordneten Achsen schwenkbar sind, insbesondere zur Energiegewinnung aus Gezeitenströmungen des Meeres.The invention relates to a device for harnessing the kinetic energy flowing water with several orbiting around a common rotor axis Printing areas that are arranged around axes parallel and at a distance from the rotor axis are pivotable, especially for energy generation from tidal currents Sea.

Gezeitenkraftwerke sind Wasserkraftwerke zur Nutzung der durch Ebbe und Flut zur Verfügung stehenden potentiellen und kinetischen Energie des Wassers zur Stromerzeugung. Sie werden im allgemeinen an Flußmündungen oder Meeresbuchten errichtet. Eine geeignete Bucht wird zum Beispiel durch einen Damm mit Wehr und Maschinenhaus abgetrennt. Bei Flut wird die Bucht bei offenem Wehr gefüllt und beim höchsten Wasserstand geschlossen. Ist die Flut soweit zurückgegangen, daß eine maximale Fallhöhe vorhanden ist, wird der Beckeninhalt zur Stromerzeugung ausgenutzt. Auch bereits beim Einströmen des Wassers in das Becken kann Energie gewonnen werden. Vorteilhaft hierbei sind die kleineren Pausenzeiten in der Stromgewinnung. Nachteilig ist der erforderliche Tidenhub von mindestens 3 m. Deshalb sind nur wenige Buchten für eine Herstellung von Gezeitenkraftwerken geeignet. Ein weiterer Nachteil ist die nur periodisch anfallende Energie. Deshalb sind Gezeitenkraftwerke nur im Rahmen eines Verbundbetriebes wirtschaftlich. Ungünstig sind ferner die hohen Kosten, die besonders durch den Dammbau entstehen und Umweltbeeinflußungen durch Veränderung der Meeresströmung mit Auswirkungen auf die Tier und Pflanzenwelt. Ferner bestehen Gefahren einer raschen Verlandung vor und in den Becken, sowie die nur beschränkte Betriebszeit, da die Stromerzeugung nur so lange möglich ist, wie ein ausreichendes Gefälle zwischen dem Staubecken und dem Meer und umgekehrt besteht.Tidal power plants are hydropower plants for the use of ebb and flow Available potential and kinetic energy of the water Power generation. They are generally found at estuaries or inlets built. A suitable bay is, for example, a dam with weir and Machine house separated. At high tide, the bay is filled with the weir open and at highest water level closed. Has the tide decreased so far that a maximum fall height is available, the pool content for electricity generation exploited. Even when the water flows into the pool, energy can be consumed be won. The shorter break times in the Electricity. A disadvantage is the required tidal range of at least 3 m. Therefore only a few bays are suitable for the production of tidal power plants. On Another disadvantage is the periodic energy. That is why Tidal power plants only economically within the framework of a combined operation. Unfavorable  are also the high costs that arise especially from dam construction and Environmental impacts due to changes in ocean currents the flora and fauna. There are also dangers of rapid silting up before and in the basin, as well as the limited operating time, since the electricity generation is only so is possible for a long time, such as a sufficient gradient between the reservoir and the Sea and vice versa.

Zur Vermeidung dieser Nachteile sind bereits Lösungen vorgeschlagen worden, wonach um senkrechte Laufradachsen rotierende Laufräder mit horizontal angeströmten Schaufeln vorgeschlagen worden, welche in einer Turbinenkammer angeordnet sind. Wasserkraftwerke mit solchen Laufrädern sollen nach der DE 44 23 278 A1 auf einem Flußbett oder dem Meeresgrund im Bereich von Gezeitenströmungen verankert werden. Die Konstruktion ist im Hinblick auf die angestrebte Einfachheit der Herstellung und Minimierung der Wartungsarbeiten noch zu aufwendig.To avoid these disadvantages, solutions have already been proposed, according to which impellers rotating about vertical impeller axes with horizontally flowed Blades have been proposed, which are arranged in a turbine chamber. Hydropower plants with such impellers are said to be in accordance with DE 44 23 278 A1 River bed or the seabed can be anchored in the area of tidal currents. The design is aimed at simplicity of manufacture and Minimizing maintenance work is still too time-consuming.

Eine weitere Einrichtung zur Nutzung der Meeresströmung ist für den Einsatz vor der Küste Cornwalls im Kanal Bristol geplant, wie aus einer Veröffentlichung der Fachzeitschrift "Marineforum", 312000 hervorging. Die Einrichtung zeigt einen Propellerrotor mit horizontaler Drehachse. Der Propeller ist an einem turmartigen Unterwasserbauwerk installiert und überträgt die Rotation mittels Getriebe in das turmartige Unterwassergebäude zum Antrieb eines Generators. Der Konstruktions- und Bauaufwand der Gesamteinrichtung ist erheblich und nur für besondere Standorte geeignet.Another facility for using the ocean current is for use before Cornwall's coastline in the Bristol Channel is planned as from a publication of the Journal "Marineforum", 312000 emerged. The facility shows one Propeller rotor with a horizontal axis of rotation. The propeller is on a tower-like The underwater structure installs and transmits the rotation into the gearbox tower-like underwater building to drive a generator. The construction and The construction of the entire facility is considerable and only for special locations suitable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Nutzbarmachung der Strömungsenergie des Wassers zu schaffen, die konstruktiv von größter Einfachheit ist, schon bei geringer Wassertiefe einsetzbar und mit geringsten Arbeitsaufwand gewartet werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß für die einleitend genannte Vorrichtung die Druckflächen pendelartig an den Schwenkachsen befestigt und in den Radialebenen zwischen den Schwenkachsen und der Rotorachse Anschlagelemente für die Druckflächen angeordnet sind. The invention is based on the object of a device for utilizing the Creating flow energy of water that is structurally of the greatest simplicity Can be used even at shallow water and is maintained with the least amount of work can be. The invention solves this problem in that for the above mentioned Device attached to the swivel axes in a pendulum-like manner and in the Radial planes between the swivel axes and the rotor axis stop elements for the printing areas are arranged.  

Die erfindungsgemäß gestaltete Vorrichtung als Antriebsmaschine für einen elektrischen Generator kann sowohl mit einer vertikal ausgerichteten, als auch horizontalen Rotorachse auf ein gegebenenfalls vorbereitetes Fundament am Meeresboden abgesenkt werden. Dabei kommt es auf eine genaue Ausrichtung, ob horizontal oder vertikal nicht an. Der Erfindungsgegenstand kann in zahlreichen Einheiten, weitgehend angepaßt an die Topographie des Meeresbodens, installiert werden, wobei bereits Tidenhübe von erheblich weniger als 3 m wirtschaftlich genutzt werden können. Durch die verhältnismäßig kurze Stillstandsperiode mit Strömungsumkehr zwischen ablaufendem und auflaufendem Wasser in den Gezeitenbereichen kann eine wirtschaftliche Gesamtnutzung durch einen Verbund vieler an unterschiedlichen geographischen Orten installierter Vorrichtungen erreicht werden. Nicht mit wenigen größeren Einheiten, sondern mit einer Vielzahl kleiner und kleinster Einheiten läßt sich eine wirtschaftliche Nutzung erreichen. Voraussetzung ist die äußerst preiswerte Herstellbarkeit in Folge einfachster Konstruktionen.The device designed according to the invention as a drive machine for an electrical Generator can be both vertical and horizontal Rotor axis on a possibly prepared foundation on the seabed be lowered. It depends on a precise alignment, whether horizontal or vertically not. The subject of the invention can be in numerous units, largely adapted to the topography of the seabed, being installed, already Tide strokes of considerably less than 3 m can be used economically. By the relatively short standstill period with flow reversal between running and running water in the tidal areas can be a total economic use through a combination of many different geographic locations of installed devices. Not with a few larger units, but with a multitude of small and smallest units achieve economic use. The prerequisite is the extremely inexpensive Producibility due to the simplest constructions.

Vorteilhafterweise können die Schwenkachsen der Druckflächen mit ihren Enden an sich von der Rotorachse radial erstreckenden Tragarmen zu befestigt werden, welche sich an den Enden der Rotorachse befinden. Vorzugsweise ist die Rotorachse als Läuferwelle eines elektrischen Unterwassergenerators ausgebildet. An dessen stirnseitigen Enden können die radialen Tragarme angeordnet sein und widerstandsarme Strömungsprofile aufweisen. Aus statischen Gründen können die Tragarme gemeinsam von einem Radkranz eingefaßt sein.The ends of the pivot axes of the pressure surfaces can advantageously be on to be attached radially extending from the rotor axis support arms, which are located at the ends of the rotor axis. The rotor axis is preferably as Rotor shaft of an electric underwater generator is formed. On whose The radial support arms can be arranged at the front ends and have low resistance Have flow profiles. The support arms can be used together for structural reasons be surrounded by a rim.

Der Erfindungsgegenstand zeigt eine zur Rotorachse völlig symmetrische Konstruktion, so daß Vorkehrungen zur Verbesserung des Anfahrverhaltens bei der Umkehr der Strömungsrichtung des Gezeitenwassers vorteilhaft sind. Diese Vorkehrungen sollten im Rahmen der Gesamtkonstruktion von größter technischer Einfachheit sein, was durch die Möglichkeit, den Unterwassergenerator zur Erzeugung eines auf den Rotor wirkenden Anfahrmoments in den Motorbetrieb umzusteuern gegeben ist. Die Drehrichtung des Generators kann beliebig sein. Alternativ sind als Anfahrhilfen Zusatzflächen einsetzbar. Sie können asymmetrisch über den Rotationskreis verteilt an den Außenseiten der Tragarme angeordnet sein. Vorteilhaft ist die Befestigung von Zusatzflächen an zwei senkrecht zueinander gerichteten Tragarmpaaren. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers mit zunehmendem Abstand vom Boden anwächst, also höhenabhängig ist, wird sich trotz einer möglichen Symmetrieposition der Zusatzflächen zur Anströmung ein für ein Anfahrdrehmoment ausreichender Kraftüberschuß einstellen, insbesondere auch deshalb, weil die Symmetriepositionen 45° und 135° (Fig. 4) der Zusatzflächen einem labilen Gleichgewichtszustand äquivalent ist.The subject of the invention shows a construction which is completely symmetrical with respect to the rotor axis, so that measures for improving the starting behavior when reversing the direction of flow of the tidal water are advantageous. These precautions should be of the greatest technical simplicity in the context of the overall construction, which is given by the possibility of reversing the underwater generator to generate a starting torque acting on the rotor in engine operation. The direction of rotation of the generator can be arbitrary. Alternatively, additional surfaces can be used as starting aids. They can be arranged asymmetrically over the rotation circle on the outside of the support arms. It is advantageous to attach additional surfaces to two pairs of support arms that are oriented perpendicular to one another. Taking into account the fact that the flow velocity of the water increases with increasing distance from the ground, i.e. it depends on the height, a sufficient excess force for a starting torque will occur despite a possible symmetry position of the additional surfaces for the inflow, in particular also because the symmetry positions 45 ° and 135 ° ( Fig. 4) of the additional areas is an unstable equilibrium state equivalent.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt und nachstehend erläutert. Es zeigen:In the drawing, an embodiment of the invention is shown schematically and explained below. Show it:

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung des Rotors, Fig. 1 is a perspective view of the rotor,

Fig. 2 eine Ansicht in Strömungsrichtung, Fig. 2 is a view in the direction of flow,

Fig. 3 eine Stirnansicht quer zur Strömungsrichtung mit im Uhrzeigersinn drehendem Rotor, Fig. 3 is an end view transverse to the flow direction with the rotor rotates clockwise,

Fig. 4 eine weitere Stirnansicht quer zur Strömungsrichtung gemäß Fig. 3 jedoch mit um 45° gedrehtem Rotor und FIG. 4 shows a further end view transversely to the direction of flow according to FIG. 3 but with the rotor rotated through 45 ° and

Fig. 5 die Stirnansicht der Rotors gemäß Fig. 3 jedoch nach einer Strömungsrichtungsumkehr. Fig. 5 shows the end view of the rotor according to Fig. 3 but after a flow direction reversal.

Der Rotor 1 besteht im wesentlichen aus zwei koaxial und mit Abstand zueinander angeordneten Radkreuzen 2 und 3 mit Tragarmen 21, 22, 23, 24 und 31, 32, 33, 34 zum Halten von plattenförmigen Druckflächen 4, 5, 6 und 7. Die Druckflächen sind um Achsen 8 schwenkbar. Das freie pendelartige Durchschwingen der Druckflächen um 360° wird durch stabförmige Anschläge 9 verhindert. Die Schwenkachsen erstrecken sich parallel zur gemeinsamen Rotorachse 10 und sind mit ihren Enden in den Tragarmen gelagert. An den Tragarmen 31 und 34 des gezeigten Beispiels sind nach außen und quer zur Strömungsrichtung weisende Zusatzflächen 40 als mechanische Anfahrhilfen befestigt.The rotor 1 consists essentially of two coaxial and spaced-apart wheel crosses 2 and 3 with support arms 21 , 22 , 23 , 24 and 31 , 32 , 33 , 34 for holding plate-shaped pressure surfaces 4 , 5 , 6 and 7 . The pressure surfaces can be swiveled about axes 8 . The free pendulum-like swinging of the pressure surfaces through 360 ° is prevented by rod-shaped stops 9 . The pivot axes extend parallel to the common rotor axis 10 and are supported with their ends in the support arms. Additional surfaces 40 pointing outwards and transversely to the direction of flow are attached to the support arms 31 and 34 of the example shown as mechanical starting aids.

Die Fig. 2 zeigt ein mögliches Beispiel einer Aufstellung des Rotors auf dem Meeresboden mit horizontal ausgerichteter Rotorachse. Fig. 2 shows a possible example of installation of the rotor on the seabed with a horizontally oriented rotor axis.

Die Fig. 3 bis 5 lassen die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung erkennen. Bei der für den Betrachter von links nach rechts gerichteten Strömung bewegt sich der Tragarm 31 mit der am Anschlag 9 anliegenden Druckfläche 4 im Uhrzeigersinn von der Position 0° über die Position 45° (Fig. 4) zunächst bis zur Position 90°. Beim Erreichen dieser Position wird die Druckfläche vom Anschlag 9 abgehoben und schwenkt in die Strömungsrichtung wie die Position der Druckfläche 5 zeigt. Diese Position wird von der Druckfläche bei der weiteren Rotation des Tragarms über die Position 180° bis knapp unter 270° eingehalten. Dann gelangt die Druckfläche erneut zur Anlage an den Anschlag 9, wie die Position der Druckfläche 7 des Tragarms 34 erkennen läßt. Bei der Anlage am Anschlag nimmt die Druckfläche erneut Druck auf, der über die Schwenkachse 8 und den Anschlag 9 auf den Kraftarm in Drehrichtung übertragen wird. Bei dem gezeigten Beispiel ist die Drehbewegung über den Bereich 270°-360°/0°-90° krafterzeugend, während die zweite Drehkreishälfte 90°-180°-270° als kraftfreier Dreh- oder Leerlaufbereich bezeichnet werden kann. FIGS. 3 to 5 allow the operation of the device according to the invention seen. In the case of the flow directed from left to right for the viewer, the support arm 31 with the pressure surface 4 resting against the stop 9 moves clockwise from the position 0 ° through the position 45 ° ( FIG. 4) initially to the position 90 °. When this position is reached, the pressure surface is lifted from the stop 9 and swivels in the direction of flow as the position of the pressure surface 5 shows. This position is maintained by the pressure surface during further rotation of the support arm via the position 180 ° to just under 270 °. Then the pressure surface comes to rest against the stop 9 , as can be seen from the position of the pressure surface 7 of the support arm 34 . When contacting the stop, the pressure surface again takes up pressure, which is transmitted to the power arm in the direction of rotation via the pivot axis 8 and the stop 9 . In the example shown, the rotary movement over the range 270 ° -360 ° / 0 ° -90 ° generates force, while the second half of the rotating circle 90 ° -180 ° -270 ° can be described as a force-free rotating or idling range.

Nach einer Umkehr der Strömungsrichtung beim Gezeitenwechsel nach den Stillständen bei Hoch- und Niedrigwasser läuft der Vorgang in umgekehrter Weise ab, wobei der Wechsel der Strömungsrichtung nicht immer mit einer Drehrichtungsumkehr des Rotors verbunden sein muß.After a reversal of the flow direction when the tide changes after the stoppages at high and low water, the process is reversed, with the The direction of flow does not always change with a reversal of the direction of rotation of the rotor must be connected.

Zur Erleichterung des Anfahrens des Rotors für eine beliebige Drehrichtung kann der Generator kurzzeitig um maximal 180° Drehung in den Motorbetrieb umgesteuert werden, was in Abhängigkeit von einer Mindestströmungsgeschwindigkeit des Wassers automatisch erfolgen kann. Ein ausreichendes Anfahrmoment können auch die starren Zusatzflächen 40 sicherstellen, deren Wirkung sich auch dann nicht vollständig aufhebt, wenn sie eine symmetrische Position zur Strömung einnehmen (Fig. 4). Die symmetrische Position entspricht einem Gleichgewichtszustand, der jedoch labil ist, so daß bereits geringste, höhenabhängige Differenzen der Strömungsgeschwindigkeiten zu einem ausreichenden Anfahrmoment führen.To make it easier to start the rotor for any direction of rotation, the generator can be briefly switched to motor operation by a maximum of 180 ° rotation, which can take place automatically depending on a minimum flow rate of the water. A sufficient starting torque can also be ensured by the rigid additional surfaces 40 , the effect of which does not cancel out completely even if they assume a symmetrical position with respect to the flow ( FIG. 4). The symmetrical position corresponds to a state of equilibrium, which is however unstable, so that even the smallest, height-dependent differences in the flow velocities lead to a sufficient starting torque.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Nutzbarmachung der kinetischen Energie strömenden Wassers mit mehreren, um eine gemeinsame Rotorachse kreisenden Druckflächen, die um parallel und mit Abstand zur Rotorachse angeordneten Achsen schwenkbar sind, insbesondere zur Energiegewinnung aus Gezeitenströmungen des Meeres, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckflächen (4, 5, 6, 7) pendelartig an den Schwenkachsen (8) befestigt und in den Radialebenen zwischen den Schwenkachsen und der Rotorachse (10) Anschlagelemente (9) für die Druckflächen angeordnet sind.1. Device for utilizing the kinetic energy of flowing water with a plurality of pressure surfaces orbiting around a common rotor axis, which can be pivoted about axes arranged parallel and at a distance from the rotor axis, in particular for generating energy from tidal currents of the sea, characterized in that the pressure surfaces ( 4 , 5 , 6 , 7 ) attached to the swivel axes ( 8 ) in a pendulum-like manner and stop elements ( 9 ) for the pressure surfaces are arranged in the radial planes between the swivel axes and the rotor axis ( 10 ). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachsen der Druckflächen mit ihren Enden an zur Rotorachse radial gerichteten Tragarmen (21, 22, 23, 24; 31, 32, 33, 34) befestigt sind, welche sich an den Enden der Rotorachse befinden.2. Device according to claim 1, characterized in that the pivot axes of the pressure surfaces are attached with their ends to radially directed to the rotor axis support arms ( 21 , 22 , 23 , 24 ; 31 , 32 , 33 , 34 ), which are at the ends of the Rotor axis. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorachse vertikal ausgerichtet ist.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the Rotor axis is aligned vertically. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorachse als Läuferwelle eines elektrischen Unterwassergenerators ausgebildet ist. 4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the Rotor axis is designed as a rotor shaft of an electric underwater generator.   5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Tragarme widerstandsarme Strömungsprofile aufweisen.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the radial support arms have low-resistance flow profiles. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragarme an den Stirnseiten des Unterwassergenerators angeordnet sind.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the Support arms are arranged on the end faces of the underwater generator. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Tragarme von einem Radkranz eingefaßt sind.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the free ends of the support arms are surrounded by a wheel rim. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterwassergenerator zur Erzeugung eines auf den Rotor wirkenden Anfahrdrehmoments kurzzeitig in den Motorbetrieb umsteuerbar ist.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the Underwater generator for generating one acting on the rotor Starting torque can be briefly changed over to motor operation. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß asymmetrisch über den Rotationskreis verteilte und quer zur Strömungsrichtung gestellte Zusatzflächen an den radialen Tragarmen befestigt sind.9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that distributed asymmetrically over the rotation circle and transverse to the flow direction provided additional surfaces are attached to the radial support arms.
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