DE102004060275A1 - Materialsparender Strömungskonverter und dessen Verwendung als Wellenkraftwerk - Google Patents

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Abstract

Strömungs- und Wellenkonverter zur Energiegewinnung aus natürlichen Luft- und Wasserströmungen, bestehend aus einer gitterförmigen, in einem Rahmen aufgespannten Anordnung länglicher, elastischer Rotoren mit zugehörigen Wandlerelementen.

Description

  • Wind und Wasserkraft werden schon lange von den Menschen genutzt. Häufig wird die Energie natürlicher Strömungen durch Rotoren in mechanische Drehbewegung umgewandelt. Inzwischen kennt man eine große Vielfalt unterschiedlichster Rotoren, die sich grob in zwei Kategorien einteilen lassen: Die sogenannten Widerstandsläufer werden von Reibungskräften gedreht, bei Auftriebsläufern sind es hingegen die Auftriebskräfte an aerodynamischen Profilen.
  • Die überwiegende Mehrzahl heutiger Windenergieanlagen arbeitet mit Propellern, also typischen Auftriebsläufern. Sie müssen in der Strömung ausgerichtet werden und erreichen Wirkungsgrade bis zu 50%.
  • Ein bekannter Vertreter der Widerstandläufer ist der Savonius-Rotor. Zwei oder mehr gebogene Schaufeln, etwa zwei Fasshälften, sind gleichsinnig um eine Achse herum angeordnet. Die Strömung findet in den Schaufelöffnungen einen höheren Widerstand als jenseits der Achse in den Schaufelrückseiten. Die Differenz der Reibungskräfte zu beiden Seiten der Achse erzeugt ein nutzbares Drehmoment. Der entscheidende Vorteil des Savonius-Rotors ist seine Unabhängigkeit von der Strömungsrichtung. Er erreicht aber nur einen Wirkungsgrad von 23%. Der Savonius-Rotor gilt allgemein als schwer und langsam, Leistung wird bislang mit hohem Einsatz von Material erkauft.
  • Es gibt zahlreiche Vorschläge, die auf den Meeren überall vorkommende Wellenbewegung in nützliche Energieformen umzuwandeln. Die große Vielfalt von Ansätzen kann hier nicht umfassend erörtert werden, nur einige Beispiele.
  • Derzeit am intensivsten erforscht ist das Prinzip der oszillierend Wassersäule, Stichwort „Oscillating Water Column (OWC)". Dieses System nutzt die Luftkompression in einem Hohlraum, dessen untere Begrenzung durch die sich auf und ab bewegende Wasseroberfläche gebildet wird. Die Luft des Hohlraums lässt man über eine Wells-Turbine ein und aus strömen. Die Wells-Turbine dreht sich dabei kontinuierlich in eine Richtung und treibt einen Stromgenerator. Grundlage des OWC ist die Erfahrung, dass die Übersetzung der langsamen Wellenbewegung in eine schnelle Bewegung zur Stromerzeugung durch Verengung eines Luftstroms besonders einfach gelingt. Wichtig ist hier das geringe spezifische Gewicht der Luft, das eine sehr große Beschleunigung ermöglicht. Darüber hinaus kann die kompressible Luft große Wellen gut abfangen.
  • Die Verengung eines Stroms von Hydrauliköl findet sich in der Seeschlange „PELAMIS". Druck entsteht hier bei der Verformung eines gegliederten, schlangenartigen Schwimmkörpers. Hydraulische Motoren erzeugen daraus eine nutzbare Drehbewegung. Der Ausgleich von Druckspitzen erfordert hier besondere Maßnahmen.
  • Ein bereits realisierter Ansatz ist der „TAPered CHANnel (TAPCHAN)". Die auf den Strand auflaufenden Wellen werden über einen ansteigenden, spitz zulaufenden Kanal in ein erhöhtes Becken geleitet, aus dem es durch eine Turbine wieder in das Meer zurücklaufen kann. Durch die Verengung des Kanals werden auch kleine Wellen soweit erhöht, dass sie in das Becken gelangen können.
  • Vereinzelt wurde auch schon versucht, die Wellenenergie direkt mit Hilfe von Turbinen in Drehbewegung zu verwandeln. Keiner der bislang bekannten Vorschläge erlaubt eine wirklich einfache, billige und zuverlässige Energiegewinnung aus Meereswellen.
  • Erfindung
  • Ziel der Erfindung ist ein effizienter und materialsparender Strömungskonverter, der auf dem Widerstandsläufer beruht. Er dient zur Gewinnung von Energie aus natürlichen Luft- und Wasserströmungen, und insbesondere aus der Orbitalströmung in Meereswellen.
  • Grundelement ist ein Rotor mit elastischen Schaufeln wie in 1. Effektive Fläche und Hebelwirkung der treibenden Schaufeln vergrößert sich im Strömungsdruck, die der rücklaufenden Schaufeln wird kleiner. Elastizität erhöht die Differenz der Reibungskräfte und verbessert damit den Wirkungsgrad. Der Ruhezustand ist zum Vergleich gestrichelt dargestellt.
  • Gitterförmige, parallele Anordnung vieler Rotoren hat gegenüber einem einzelnen Rotor mit gleichem Strömungsquerschnitt erhebliche Vorteile: Das Gitter hat einen höheren Wirkungsgrad und benötigt gleichzeitig weniger Material. Darüber hinaus drehen sich die kleinen Rotoren schneller. 2 zeigt oben einen einzelnen Rotor, unten ein Gitter aus vier kleineren Rotoren im weiteren Strömungsfeld. Die axiale Ausdehnung der Rotoren ist in beiden Fällen gleich. Gitter und Einzelrotor erfassen daher den selben Strömungsquerschnitt und damit auch die selbe Strömungsleistung.
  • Im größeren Strömungszusammenhang wirkt der einzelne Rotor wie ein zylindrisches Hindernis, das Gitter hingegen wie eine Platte. Da der Widerstand einer Platte erheblich größer ist als der eines Zylinders, nehmen die Fluidteilchen beim Gitter eher den unbequemen Weg über die Rotorschaufeln als beim Einzelrotor. Während die Strömung dem großen Rotor weiträumig ausweicht, ist dies beim Gitter nur schwer möglich. Der Wirkungsgrad des Gitters ist daher besser.
  • Zwischen den Rotoren des Gitters verengt sich der Strömungsquerschnitt und die Geschwindigkeit des Fluids wird größer. Die Rotoren werden dann schneller und mit größerer Kraft gedreht. Bei abnehmendem Rotorabstand erhöht sich daher der Wirkungsgrad des Gitters. Gleichzeitig verringert sich aber der durchtretende Strom und damit die Leistung, so dass ein optimaler Rotorabstand zu suchen ist.
  • Bei gleich bleibender Rotorlänge und abnehmendem Radius verkleinert sich die von einem Rotor erfasste Strömung linear, sein Volumen sinkt aber quadratisch. Die vier kleinen Rotoren des Gitters benötigen daher nur ein Viertel von dem Material des großen Rotors und sind trotz höherer Leistung entsprechend leichter und billiger.
  • Der Übergang zu immer kleineren Rotordurchmessern findet seine Grenze in der Festigkeit des Materials. Bei gleich bleibender Länge muss eine immer dünner werdende Achse dem Verbiegen im Strömungsdruck wiederstehen. Das Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Rotorachsen wie die Saiten einer Harfe über einen Rahmen gespannt sind. Der kleinstmögliche Rotordurchmesser wird dann bei gegebener Länge und Strömung von der Zugfestigkeit der Achse bestimmt. Der Rahmen besteht typischerweise aus Rohren und ist erheblich stärker und biegesteifer als die Rotorachsen. Die Rotoren sind drehbar auf den Achsen gelagert, die Achsen selbst drehen sich nicht.
  • 3 zeigt den Aufbau eines Rotors für den Einsatz im Meer. Er hat beispielsweise einen Durchmesser von 16 cm, seine Länge beträgt 21 m, der Rotorabstand ist 25 cm. Die Rotorblätter bestehen aus einem weichen, elastischen Material wie Gummi. Da ein weicher und zugleich langer Rotor nicht in der Lage wäre, das in seiner Mitte entstehende Drehmoment an seine Enden zu leiten, umschließt dieser eine harte Transmissionswelle. Diese läuft auf einem Gleitlager um die gespannte Achse. Die verwendeten Materialien sind Meerwasserbeständig.
  • Die von den Rotoren erzeugte Leistung soll schließlich in elektrischen Strom umgewandelt werden. Dazu befinden sich an beiden Enden jedes Rotors kleine Stromgeneratoren (4). Das in der Mitte eines Rotors erzeugte Drehmoment muss von diesem selbst an seine Enden übertragen werden. Die beidseitige Leistungsentnahme verdoppelt bei geringer Torsionsfestigkeit des Rotors seine maximal mögliche Länge. Die Stromgeneratoren sind der Einfachheit halber mit auf die Rotorachsen montiert, typischerweise ohne Zwischenschalten eines Übersetzungsgetriebes. Die Drehzahlen sind wegen der kleinen Rotordurchmesser bereits ausreichend hoch. Auf eine mechanische Kopplung der Rotoren wird verzichtet. Die einzelnen Rotorleistungen werden auf der elektrischen Seite zusammengeschaltet. Eine Steuerung der Rotoren ist nicht vorgesehen. Der erzeugte Strom wird rein elektronisch an die Verbraucherseite angepasst.
  • Die gitterartig im Rahmen aufgespannten, elastischen Widerstandsrotoren bilden als technische Einheit einen vielseitig einsetzbaren Strömungskonverter. Zwar überträgt sich die Richtungsunabhängigkeit der Einzelrotoren nur bedingt auf die Gesamtanordnung, doch dafür verbessert sich deutlich der Wirkungsgrad und die Materialeffizienz. Zur Wiederherstellung der Richtungsunabhängigkeit kann man beispielsweise zwei Strömungskonverter senkrecht zueinander aufstellen.
  • Der Strömungskonverter kann sowohl in der Luft wie auch im Wasser eingesetzt werden. Man könnte ihn beispielsweise auf Hausdächern montieren. Als stromerzeugendem Wild- oder Blendschutzzaun entlang von Autobahnen würden seine Rotorgeräusche vom Verkehrslärm überdeckt. Quer durch ein Fließgewässer gespannt könnte der Strömungskonverter eine umweltschonende Nutzung der Wasserkraft ermöglichen, ohne großräumige Uferverbauung, und ohne die Unterbrechung von Tierwegen.
  • Besonders geeignet ist der Strömungskonverter zur Energiegewinnung auf dem Meer. Neben der naheliegenden Anwendung auf horizontale Meeresströmungen kann er auch als Wellenkonverter die Orbitalströmung in Meereswellen nutzen. 5 veranschaulicht die Strömungsverhältnisse an einem horizontalen, dicht unter der Meeresoberfläche liegenden Rotor. Die kleinen Pfeile zeigen die Fließrichtung des Wassers unter einer von links heranlaufenden Welle. Mit dem voranschreiten der Welle ändern sich diese Richtungen ständig. Ein richtungsunabhängiger Rotor wird bei seitlich heranlaufender Welle immer radial angeströmt und folglich angetrieben (5, oben). Auch eine längs des Rotors laufende Welle erzeugt eine radiale Strömungskomponente, die allerdings ungleichmäßig verteilt ist (5, unten). Im kleinräumig heterogenen Orbitalströmungsfeld kommt es darauf an, dass der Rotordurchmesser deutlich kleiner ist als Wellenlänge und Amplitude der Wasserwelle. Der Rotor sollte hingegen möglichst lang sein damit die sich entlang seiner Achse summierenden Kräfte eine gleichmäßiges Drehmoment ergeben. Genau diese Voraussetzungen sind mit dem vorgeschlagenen Strömungskonverter erfüllt.
  • Zur Nutzung der Wellenbewegung werden Rotorengitter horizontal unter die Wasseroberfläche gebracht. 6 zeigt einen schwimmfähigen Rahmen mit vier Rotorengittern. An den Ecken befinden sich Schwimmkörper mit ausblasbaren Ballasttanks. Damit kann das Gitter in der Tiefe eingestellt, zur Wartung an die Oberflache gehoben, oder bei Sturm in tieferes Wasser gesenkt werden.
  • Ein kleines Wellenkraftwerk wie in 6 hat beispielsweise die Abmessungen 48 × 48 m, die Rotorlänge der vier quadratischen Gitter beträgt 21 m. Bei einem Rotordurchmesser von 16 cm und einem Rotorabstand von 25 cm sind 336 Rotoren aufgespannt, an ihren Enden befinden sich insgesamt 672 kleine Generatoren. Die Gitterebene liegt etwa 1 m unter der mittleren Wasseroberfläche. Gelegentliches austauchen der Rotoren bei großen Wellen ist unproblematisch. Bei Sturm lässt sich das Gitter bis auf 7 m absenken.
  • Gegen die Bewegung der Wasseroberfläche ist der schwimmende Wellenkonverter teils durch seine Trägheit stabilisiert, teils dadurch, dass sich die über seine große Fläche summierten Wasserkräfte weitgehend aufheben. Weiterhin wird jede Bewegung relativ zum Wasserkörper von den Rotorengittern gedämpft und in elektrischen Strom verwandelt. Widerstandskörper an der Ankerkette, etwa quer gestellte Platten, können zusätzlich die Beweglichkeit des Wellenkonverters gegenüber tiefen und damit ruhigen Wasserschichten einschränken. Wegen der Stabilisierung können große Wellen die Lage des Wellenkonverters nicht plötzlich verändern und rollen über diesen hinweg. 7 zeigt schematisch die Verankerung des Wellenkraftwerks. Sie soll das wegtreiben der Anlage verhindern. Die über einen Auftriebskörper durchhängende Ankerkette sorgt für klar definierte Haltekräfte und schafft Spielraum bei schwerer See.
  • Vorsichtig geschätzt, hat eine mittlere Nordseewelle eine Leistung von 14 kW pro Meter Wellenfront. Trifft diese Front auf die insgesamt 42 m breiten Rotorengitter des obigen Beispiels, und nimmt man an, dass sie auf ihrem ebenso 42 m langen Weg durch die Gitter größtenteils absorbiert wird, dann kann man nach Abzug aller Verluste eine mittlere Dauerleistung von 150 bis 200 kW erwarten. In anderen Meeren findet man mittlere Energiedichten bis 100 kW/m, vor allem auf dem offenen Ozean. Dort könnte das Beispielkraftwerk sogar 1 MW und mehr leisten. An den Küsten von Nordspanien und Schottland sind es immerhin noch knapp 50 kW/m, bei Stürmen wurden dort auch schon 1000 kW/m gemessen.
  • Die geschätzte Leistung des Wellenkonverters übertrifft im Tagesmittel diejenige eines gleich großen Solarmoduls um ein Mehrfaches, aber kostet nur einen Bruchteil davon. Hinzu kommt, dass die Wellenenergie zu jeder Tages- und Nachtzeit zur Verfügung steht, insbesondere auch bei Dunkelheit und bei trübem Wetter. In den Herbst- und Wintermonaten, wenn in den gemäßigten Breiten die Tage kürzer sind und die Gebäude beheizt werden, steht sie sogar vermehrt zur Verfügung.
  • Außer einer einfachen Verankerung besitzt der vorgeschlagene Wellenkonverter keinen Bezug zum Meeresboden. Im Gegensatz zu anderen Systemen sind hier keine aufwendigen Bauarbeiten unter Wasser erforderlich, auch keine treuren geologischen Untersuchungen des Meeresbodens. Es gibt keine Einschränkungen hinsichtlich der Wassertiefe oder der Bodenbeschaffenheit. Der Wellenkonverter wird in einer Werft gefertigt und von dort an seinen Einsatzort geschleppt, wo er ohne weiteres Ansehen des Bodens verankert wird. Seine Mobilität erlaubt es, ihn von Zeit zu Zeit in eine Werft zu bringen um ihn dort zu warten und zu reinigen.
  • Im offenen Ozean könnte man auf eine Verankerung verzichten und das Wellenkraftwerk stattdessen rechnergesteuert mit Hilfe von Segeln oder Zugdrachen und unter Ausnutzung von Meeresströmungen in einem günstigen Meeresgebiet halten. Der aus dem Wind gewonnene Vortrieb würde von den Rotorengittern in zusätzliche Nutzleistung umgewandelt. Die erzeugte Energie müsste dann in Form von Wasserstoff mit Schiffen zum Festland transportiert werden.
  • Die Statik des Wellenkonverters entspricht der eines Tennisschlägers. Sie kann Kraftspitzen bei hereinbrechenden, großen Wellen gut auffangen und abfedern, und diese gleichmäßig auf den Rahmen verteilen. Die Rahmen bieten den Wasserkräften nur wenig Angriffsfläche. Durch große Wellen taucht das Gitter einfach hindurch. Auch die elastischen Rotorblätter federn die hereinbrechenden Wassermassen gut ab. Sie könnten bei extremen Belastungen reversibel nach hinten umklappen und dadurch ihren Strömungswiderstand verkleinern.
  • Der vorgeschlagene Wellenkonverter kann wegen seiner wellenschluckenden Eigenschaften dem Küstenschutz dienen.
  • Die direkte Umsetzung der Wellenenergie mittels Rotoren bedeutet eine erhebliche Vereinfachung gegenüber konkurrierenden Ansätzen. Ineffiziente Zwischenschritte wie das komprimieren von Luft oder die Transformation linearer Bewegung in Rotation werden vermieden. Der hier vorgestellte Wellenkonverter erschließt die unerschöpfliche Energie der Meereswellen mit einem kaum zu unterbietenden Minimum an Material und Kosten.

Claims (6)

  1. Strömungskonverter zur Energiegewinnung aus natürlichen Luft- und Wasserströmungen, bestehend aus einer gitterförmigen, in einem Rahmen aufgespannten Anordnung länglicher, elastischer Rotoren mit zugehörigen Wandlerelementen.
  2. Strömungskonverter nach Patentanspruch 1, der als Wellenkonverter zur Energiegewinnung aus Meereswellen eingesetzt wird.
  3. Effizienzverbesserung unidirektionaler Widerstandsläufer-Rotoren in Strömungskonvertern nach Patentanspruch 1 durch die Verwendung elastischer Schaufeln.
  4. Effizienzverbesserung unidirektionaler Widerstandsläufer-Rotoren in Strömungskonvertern nach Patentanspruch 1 durch deren eng-parallele, gitterförmige Anordnung.
  5. Steigerung der Biegefestigkeit länglicher Rotoren in Strömungskonvertern nach Patentanspruch 1 durch das Aufspannen der Rotorachsen in einer Rahmenkonstruktion.
  6. Erzeugung zusätzlicher Nutzleistung an einem schwimmenden Strömungskonverter nach Patentanspruch 1 oder 2 dadurch, dass dieser mit Segeln oder Zugdrachen durch das Wasser gezogen wird.
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