DE102007024528A1

DE102007024528A1 - Energieerzeugungsanlage, angetrieben durch eine Wind- oder Wasserströmung

Info

Publication number: DE102007024528A1
Application number: DE102007024528A
Authority: DE
Inventors: Norman Perner; Benjamin Holstein
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2008-11-27
Also published as: WO2008141747A2; TW200908516A; WO2008141747A3

Abstract

Energieerzeugungsanlage zur Gewinnung elektrischer Energie aus einer Wasser- oder Luftströmung, umfassend: - eine Turbine; - einen elektrischen Generator, mit einer koaxialen Anordnung von Läufer und Stator, wobei der Läufer ein Außenläufer und Teil einer ringförmigen Stützstruktur für die Turbine ist und wobei der elektrische Generator ein fremderregter Synchrongenerator ist und im Läufer Erregerwicklungen angeordnet sind; - eine Erregereinrichtung, die bürstenlos Erregerleistung den Erregerwicklungen zuführt; - gegen das Umgebungsmedium abgekapselte Bereiche, die dem Läufer und dem Stator zugeordnet sind, wobei in den abgekapselten Bereichen die elektronischen Komponenten und/oder wenigstens ein Teil der Generatorkomponenten der Energieerzeugungsanlage aufgenommen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine durch eine Wind- oder Wasserströmung angetriebene Energieerzeugungsanlage, insbesondere eine Energieerzeugungsanlage zur Gewinnung elektrischer Energie aus einer Fließwasser- oder Meeresströmung oder durch Windkraft im Offshore-Bereich.
Unabhängig von Dammstrukturen ausgebildete, tauchende Energieerzeugungsanlagen, die durch die kinetische Energie einer Wasserströmung, insbesondere einer Meeresströmung, angetrieben werden, stellen ein großes Potential zur Ausnutzung regenerativer Energiequellen dar. Hierbei lässt sich aufgrund der hohen Dichte des Strömungsmediums bereits eine geringe Strömungsgeschwindigkeit von etwa 2 bis 2,5 m/s zur wirtschaftlichen Energiegewinnung ausnutzen. Derartige Strömungsverhältnisse können entweder als Gezeitenströmung vorliegen oder es werden andere Meeresströmungen ausgenutzt, welche insbesondere an Meerengen wirtschaftlich verwertbare Geschwindigkeiten erreichen können. Derartige Strömungen können Strömungskraftwerke antreiben, welche eine ähnliche Gestaltung wie Windenergieanlagen aufweisen, das heißt als Wasserturbinen werden Laufräder mit Rotorblättern verwendet. Allerdings sind auch andere Wasserturbinenkonzepte, etwa Vertikalturbinen und Rohrturbinen, denkbar. Ferner können solche gattungsgemäß freistehenden, tauchenden Energieerzeugungsanlagen auch in Fließgewässern Verwendung finden, in denen aufgrund von Vorgaben durch den Umweltschutz oder die Verkehrsschifffahrt keine Staustufen mit darin eingelagerten Wasserturbinen errichtet werden können.
Eine grundlegende Schwierigkeit beim Betrieb der genannten freistehenden, tauchenden Energieerzeugungsanlagen und beim Betrieb von Windkraftanlagen im Offshore-Bereich besteht darin, dass deren Wartung aufwendig ist. Im Fall einer tauchenden Energieerzeugungsanlage muss zur Ausführung einer Servicemaßnahme die Wasserturbine und der elektrische Generator über den Wasserspiegel angehoben werden. Aufgrund der Abhängigkeit von den Wetterbedingungen und dem Wellengang sind schwimmende Kransysteme für diese Aufgabe nachteilig, so dass die tauchenden Energieerzeugungsanlagen vielfach als schwimmfähige Einheiten ausgebildet werden, welche eine Verankerung am Gewässergrund aufweisen. Derart schwimmfähige Einheiten können so gestaltet sein, dass für den Servicefall ein Auftreiben an die Wasseroberfläche möglich ist. Gemäß einer alternativen Gestaltung umfasst die tauchende Energieerzeugungsanlage eine Trag- und Stützstruktur, insbesondere einer säulenförmigen Anordnung, die auf dem Meeresgrund steht und an der typischerweise eine Baueinheit aus elektrischem Generator und Wasserturbine befestigt ist. Wird diese Trag- und Stützstruktur bis zum Wasserspiegel fortgesetzt, so ist es möglich, die Energieerzeugungsanlage für den Wartungsfall vertikal an dieser Struktur zu verfahren. Hierzu kann den Stütz- und Tragstrukturen ein Hebemechanismus zugeordnet werden. Neben der konstruktiven aufwendigen Gestaltung ist für eine solche Konstruktion nachteilig, dass die über dem Wasserspiegel und knapp darunter angeordneten Strukturen für die Schifffahrt gefährliche Hindernisse darstellen können.
Ähnliche Probleme treten für Offshore-Windkraftanlagen auf, die einer ständigen Korrosion durch die sie umgebende Salznebelatmosphäre ausgesetzt sind. Wartungsarbeiten sind bereits aufgrund des Standorts schwierig auszuführen. Darüber hinaus werden zukünftige Offshore-Windkraftanlagen leistungsstark und großbauend ausgeführt, was wiederum besondere Anforderungen an Hubsysteme zur Wartung stellt.
Ausgehend von der Wartungsproblematik der gattungsgemäßen Energieerzeugungsanlagen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein getauchtes Strömungskraftwerk oder eine Windkraftanlage so auszugestalten, dass diese wartungsarm sind, und möglichst gänzlich auf einen Service verzichtet werden kann. Neben der Korrosionsbeständigkeit und Robustheit sollte sich die Energieerzeugungsanlage durch eine konstruktiv einfache Gestaltung auszeichnen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage weist zur Erhöhung der Ausfallsicherheit eine reduzierte Anzahl von Einzelkomponenten auf. Insbesondere wird durch einen Direktantrieb des Generators zum einen die Komponentenanzahl im Antriebsstrang verringert, zum anderen wird durch den Verzicht auf Getriebekomponenten erreicht, dass die typischerweise langsame Bewegung der Wasser- oder Windturbine unmittelbar auf den Generatorläufer übertragen wird und so der mit der Laufleistung verbundene Verschleiß sinkt. Demnach wird eine Baueinheit aus Turbine und Generatorläufer verwendet, wobei bevorzugt die Komponenten des Generatorläufers in eine ringförmige Stützstruktur integriert sind, die Teil der Tragstruktur der Turbine ist. Dabei wird bevorzugt die Turbine propellerförmig ausgebildet, wobei die ringförmige Stützstruktur als Nabe dient, an der die Propellerblätter befestigt sind.
Bevorzugt ist der Generator als hochpoliger Synchrongenerator und insbesondere als Ringgenerator ausgebildet und kann bei langsamer Umlaufgeschwindigkeit eine induzierte Spannung erzeugen, deren Frequenz einem schnell laufenden Generator entspricht. Alternative Ausgestaltungen für derart langsam laufende elektrische Generatoren können darin bestehen, dass die Vielzahl der Pole nicht auf einem einzigen Umfang eines ringförmigen Läufer-Stator-Paares ausgebildet ist, sondern dass diese Pole auf mehrere axial beabstandete Generatoreinheiten verteilt werden.
Ferner wird bevorzugt das magnetische Erregerfeld der Synchronmaschine durch Erregerwicklungen im Generatorläufer erzeugt. Gegenüber der Verwendung von Permanentmagneten bietet die Fremderregung den Vorteil, einen Generator mit größerem Spaltabstand ausbilden zu können, was für die Anforderung bezüglich der Verwindungssteifigkeit der großbauenden Energieerzeugungsanlage und für die Ausbildung der Lagerung für die Baueinheit aus Turbine und Generatorläufer von Bedeutung ist. Ferner kann über die Gleichstromzuführung zu den Erregerwicklungen Einfluss auf den Blindleistungshaushalt der Synchronmaschine genommen werden, so dass die zur Netzanbindung des Synchrongenerators verwendeten Frequenzumrichter vereinfacht werden können.
Zur Zuführung des Erregerstroms zum Generatorläufer wird ein berührungslos gestaltetes Erregersystem verwendet. Wird als Erregersystem ein getrennt aufgestellter Erregerumformer oder eine statische Erregereinrichtung, das heißt eine Stromrichtererregung, verwendet, so muss der normalerweise zur Übergabe der Gleichstromleistung an den Generatorläufer verwendete Schleifring durch ein System zur induktiven Energieübertragung ersetzt werden. Dies setzt jedoch eine Wechselspannung voraus, so dass zu beiden Seiten des Spalts Wechselrichter verwendet werden.
Gemäß einer Ausgestaltungsvariante wird von der Erregereinrichtung, beispielsweise über den Erregertransformator im Fall einer statischen Erregereinrichtung, Wechselspannung der Vorrichtung für die kontaktlose, induktive Energieübertragung zugeleitet, die Gleichrichtung erfolgt dann im umlaufenden Teil, das heißt dem Generatorläufer. Bevorzugt wird für diese Aufgabe ein Thyristorstromumrichter verwendet, der netzgeführt wird, das heißt der Thyristorstromumrichter wird netzabhängig geregelt. Die für die Netzführung notwendigen Stellsignale der Regelung werden wiederum berührungslos und vorzugsweise induktiv von der Stator- zur Läuferseite über den Spalt hinweg übertragen.
Eine weitere Ausgestaltungsvariante einer schleifringlosen Erregerleistungsübertragung kann durch die Integration einer Drehstromerregermaschine in die umlaufende Baueinheit aus Turbine und Generatorläufer realisiert werden. Ebenfalls umlaufende Diodengleichrichter dienen dann der Einspeisung von Gleichstrom in die Erregerwicklungen des Generatorläufers. Diese Diodengleichrichter sind ungesteuert, die Regelung für den Erregerstrom erfolgt stattdessen statorseitig über die feststehende Erregereinrichtung für die umlaufende Drehstromerregermaschine, beispielsweise über einen netzgeregelten Thyristor.
Als weiteres erfindungsgemäßes Merkmal weist die Energieerzeugungsanlage einen vom Umgebungsmedium abgekapselten Bereich auf, der dem Stator des elektrischen Generators zugeordnet wird. Ein entsprechend gekapselter Bereich ist bevorzugt im Läufer vorgesehen, in dem zumindest die korrosionsanfälligen mitrotierenden Komponenten des Erregersystems aufgenommen sind. Bevorzugt werden zusätzlich die Erregerwicklungen im abgedichteten Läuferbereich aufgenommen. Diese Bereiche werden gegenüber dem Außenbereich ausschließlich statisch abgedichtet, das heißt in diesen Bereich greift keine bewegliche Einheit ein. Insbesondere wird der statorseitig abgedichtete Bereich nicht von einer mit der Turbine verbundenen Welle durchdrungen, so dass auf bewegte Dichtungskomponenten verzichtet werden kann.
Im statorseitig abgedichteten Bereich sind alle für die Anlagensteuerung notwendigen Komponenten einschließlich der feststehenden Teile des Erregersystems und den Komponenten zur Netzaufschaltung, zum Beispiel ein Frequenzumrichter, untergebracht. Bevorzugt wird ferner eine Ausgestaltung bei der die Ankerwicklungen des Stators im vom Umgebungsmedium abgekapselten, Bereich angeordnet sind. Hierfür ist für eine bevorzugte Ausgestaltung ein Spaltrohr vorgesehen, das heißt im Bereich des Spalts zwischen dem Generatorläufer und dem Stator des elektrischen Generators verläuft eine Trennwand, durch die das magnetische Feld zur Wechselwirkung zwischen Läufer und Stator hindurchdringt, welche jedoch die stationären Komponenten des elektrischen Generators vom Außenbereich abtrennt, ohne dass wartungsanfällige Wellendichtungen verwendet werden müssen. Die Abtrennung führt zu einem flüssigkeitsdicht abgeschlossenen Innenbereich im Falle einer von einer Wasserströmung angetriebenen Energieerzeugungsanlage und entsprechend zu einem gasdicht abgeschlossenen Innenbereich für eine Windkraftanlage.
In einer anderen Ausgestaltungsvariante wird anstatt eines Spaltrohrs der Bereich der Statorwicklungen vergossen, wobei insbesondere im Falle einer Energieerzeugungsanlage für Meeresströmungen ein Seewasser resistentes Material verwendet werden muss. Entsprechend ist im Fall von Offshore-Windkraftanlagen ein korrosionssicheres Material zu wählen. Neben dem vergossenen Bereich wird bevorzugt ein gegen das Umgebungsmedium abgedichteter Bereich vorgesehen, in dem die voranstehend genannten elektronischen Komponenten der Energieerzeugungsanlage untergebracht werden.
Eine vereinfachte Ausgestaltung ordnete die Ankerwicklungen außerhalb des vom Umgebungsmedium abgekapselten Bereichs an. Für diese Ausführung ist es notwendig das Ständerblechpaket und die Ankerwicklungen korrosionsbeständig auszubilden.
Besonders bevorzugt zur Realisierung des Direktantriebs ist eine Baueinheit bestehend aus Wasser- oder Windturbine, die im Folgenden als Turbine bezeichnet wird, und dem Läufer des elektrischen Generators. Wird der elektrische Generator als Ringgenerator ausgestaltet, so wird besonders bevorzugt ein ringförmiger Außenläufer des Generators verwendet, welcher gleichzeitig als Stützstruktur für eine propellerförmige Turbine dient. Demnach werden die zur Drehachse hinweisenden Enden der Propellerblätter mit einer ringförmigen Stützstruktur verbunden, welche im Bereich ihres Innenumfanges gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Abfolge von Erregerwicklungen zur Felderzeugung trägt. Folglich sind die Turbine und die den Läufer des Generators aufnehmende ringförmige Stützstruktur baulich verbunden und koaxial und konzentrisch angeordnet. Radial innerhalb und wiederum konzentrisch zu dieser Baueinheit befindet sich das Statorgehäuse mit den darin aufgenommen und abgekapselten oder eingegossenen Statorwicklungen.
Die ringförmige Stützstruktur wird vorzugsweise einen Radius aufweisen, der zum einen an die mechanischen Anforderungen zur Abstützung des Lasteintrags durch die Turbine und zum anderen an das Bauraumerfordernis zur Unterbringung des Generatorläufers angepasst ist. Die propellerförmige Turbine kann dann als Außenläufer großbauend ausgeführt werden, was aufgrund der großen Turbinendurchmesser zu leistungsstarken Energieerzeugungsanlagen führt.
Als weitere bevorzugte Maßnahme wird die Lagerung der ringförmigen Stützstruktur so ausgeführt, dass die über die Turbine eingetragenen statischen und dynamischen Momente zu möglichst geringen Lagerkräften führen. Bevorzugt wird daher die Lagerung unmittelbar im Bereich des Spalts zwischen Läufer und Stator des elektrischen Generators angeordnet. Besonders bevorzugt wird die Lagerung gegen das den Stator kapselnde Statorgehäuse abgestützt und auf einem möglichst großen Außenumfang angeordnet. Darüber hinaus werden wenigstens zwei Lager mit einem hinreichenden Axialabstand bevorzugt, so dass durch die gegenüberliegenden Lagerbereiche hohe Kippmomente abgefangen werden können und gleichzeitig die Verformung der Lagerkomponenten in einem für eine Dauerbelastung geeigneten Bereich verbleibt.
Bevorzugt werden Lager mit Wälzkörpern verwendet, die in Lagerschalen aufgenommen sind, welche in der ringförmigen Stützstruktur und auf der Gegenseite außenseitig am Statorgehäuse ausgebildet sind. Aufgrund der Anordnung der Turbine radial außen kann die Größe der ringförmigen Stützstruktur und damit der Durchmesser der Lagerschalen so gewählt werden, dass deren präzise Herstellung ausführbar ist. Als Alternative zu Lagern mit Wälzkörpern können Gleitlager verwendet werden, die wiederum Ablaufflächen aufweisen, die auf der ringförmigen Stützstruktur und dem Statorgehäuse ausgebildet sind.
Durch die bevorzugte Lagerung im Bereich des Stator-Läufer-Spalts des elektrischen Generators ist es darüber hinaus möglich, den Spaltabstand auch bei starken Belastungen möglichst konstant zu halten, wodurch geringe Spaltabstände und damit ein hoher Wirkungsgrad des Generators realisiert werden können. Darüber hinaus ist es möglich, als Lagerungskomponenten aufgrund der minimierten Lagerkräfte wassergeschmierte Lager zu verwenden, welche außerhalb des Statorgehäuses und damit im flüssigkeitsumströmten Bereich der Energieerzeugungsanlage Verwendung finden, ohne dass ein Austrag von ölbasierten Schmiermitteln aus der Lagerung an das Umgebungswasser erfolgt. Bevorzugt wird allerdings ein Schmiermittelsystem für die Lagerung verwendet, das einen umweltverträglichen Schmierstoff, typischerweise ein Fett, zur Ausführung einer Verlustschmierung einsetzt. Durch den ständigen Austritt des Schmierstoffs aus dem Lager zur Umgebungsströmung werden die in das Lager eingedrungenen Festkörperpartikel nach außen transportiert. Dabei kann für die Verlustschmierung ein Reservoir für den Schmierstoff beispielsweise in der Gondel oder der Stützstruktur vorgesehen sein und zum Einpressen des Schmierstoffs in das Lager eine Fördervorrichtung oder ein hydrostatischer Druck verwendet werden, der durch eine entsprechende Anordnung des Reservoirs relativ zu den Lagern erzeugt wird. Außerdem ist eine Gestaltung denkbar, für die dem Lager ein Schmierstoff zugeführt wird und gleichzeitig das Umgebungsmedium eindringen kann, so dass für den Fall einer von einer Wasserströmung angetriebenen Energieerzeugungsanlage im Lager eine Emulsion aus Umgebungswasser und Schmierstoff vorliegen wird.
Für eine alternative Ausgestaltung wird die Lagerung mit einer gewissen Entfernung zum Spalt aufgeführt. So ist eine Lagerung für einen Außenläufer denkbar, bei die Lagerschalen radial innerhalb des Spalts angeordnet sind. Eine mögliche Ausführung besteht in der Verwendung eines seitlich am Statorgehäuse angeordneten Lagers und einer topfförmigen Tragstruktur mit der sich der Außenläufer gegen das Lager abstützt.
Gemäß einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Energieerzeugungsanlage werden die Lagerkomponenten vor abrasiven Komponenten im Strömungswasser geschützt, bei Meeresströmungen sind dies insbesondere von der Strömung mitgeschleppte Sedimente. In Fall von Windkraftanlagen werden Probleme durch Partikel, wie Sandkörner, die von der Luftströmung transportiert werden verursacht. Im einfachsten Fall wird der Schutz durch die Zuordnung von Dichtungskomponenten, wie einer Labyrinthdichtung, zu einem Lager erreicht, so dass dies von der Außenseite her durch ein erstes, filternd wirkendes Element getrennt ist. Ergänzend oder alternativ ist gemäß einer Weitergestaltung zwischen dem Statorgehäuse und der ringförmigen Stützstruktur eine Vorrichtung vorgesehen, welche eine nach außen gerichtete Strömung von gefiltertem Umgebungswasser für eine von einer Wasserströmung angetriebene Energieerzeugungsanlage bewirkt. Für eine erfindungsgemäße Windkraftanlage wird entsprechend eine Spülung mit gefilterter Luft oder einem anderen Spülgas erfolgen. Zur besseren Verständlichkeit wird nachfolgend eine Ausgestaltung einer Dichtungs- oder Lagerspülung nur für eine von einer Wasserströmung angetriebene Energieerzeugungsanlage dargestellt. Für eine Windkraftanlage kann ein Fachmann entsprechende Anpassungen vornehmen.
Besonders vorteilhaft werden demnach die wassergeschmierten Lager mit gefiltertem Wasser in auswärtiger Richtung durchströmt, was besonders einfach bei einer zweireihigen Lageranordnung und einer zwischen den axial beabstandeten Lagerkomponenten vorgesehenen Filterwasserzufuhr gelingt. Wird zusätzlich zum Schutz eine Dichtungskomponente, etwa eine Labyrinthdichtung, am Außenbereich des Lagers vorgesehen, so kann gemäß einer alternativen Gestaltung die nach außen gerichtete Durchströmung mit gefiltertem Wasser entweder nur durch die Dichtungskomponente erfolgen, so dass eine Anschwemmung von abrasiven Stoffen zum Lager verhindert wird. Entsprechend einer Weitergestaltung erfolgt der Filterwasserfluss sowohl durch das Lager, wie auch nachfolgend durch das am Außenbereich zugeordnete Dichtungselement, so dass sowohl eine Lagerspülung, wie auch eine Dichtungsspülung realisiert werden kann. Auch eine Lagerspülung ohne eine gleichzeitige Dichtungsspülung oder alternativ der Verzicht auf die störungsanfällige Dichtung und die Verwendung eines offenen Lagers mit einer Lagerspülung durch Filterwasser ist möglich. Eine entsprechende Anordnung von Dichtungskomponenten kann auch für den Fall einer Verlustschmierung für das Lager vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Turbine mit verstellbaren Schaufeln ausgestaltet. Im Fall einer propellerförmigen Geometrie für die Turbine kann aufgrund der Winkelblatteinstellung eine Regelung der Leistungsaufnahme und der Drehzahl erfolgen. Zur Realisierung einer solchen, an die jeweiligen Strömungsbedingungen beziehungsweise die Betriebssituation angepassten Einstellung der Turbine, ist es notwendig, für die Baueinheit aus Generatorläufer und Turbine eine separate Energiequelle zum Betrieb der Stellelemente für die Anpassung der Turbine vorzusehen. Hierzu kann eine umlaufende, der rotierenden Baueinheit zugeordnete Hydraulikpumpe verwendet werden, welche beispielsweise eine Verzahnung auf dem Statorgehäuse kämmt und welche für den Betrieb hydraulischer Stelleinrichtungen zur Anpassung der Turbine dient. Alternativ kann der Energieübertrag und/oder eine Signalübertragung, beispielsweise von Steuer- und Überwachungssignalen und Signalen für die Sensorik, vom Statorgehäuse zur rotierenden Baueinheit berührungsfrei, induktiv erfolgen, wodurch ein elektrischer Stellantrieb insbesondere zur Winkelblattverstellung realisiert werden kann. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist in der rotierenden Baueinheit ein Generator vorgesehen, dessen Erregerfeld im feststehenden Teil ausgebildet wird. Diese Variante bietet sich insbesondere dann an, wenn dieser Generator zugleich das läuferseitige Erregerfeld der Energieerzeugungsanlage speist.
Gemäß einer alternativen Gestaltung wird auf eine aktive Verstellung der Turbine, das heißt im Fall einer propellerförmig gestalteten Turbine auf die Blattwinkeleinstellung, verzichtet. Diese erhöht durch die hieraus folgende Reduktion der Komponentenanzahl wiederum die Ausfallsicherheit. Allerdings besteht der Nachteil darin, dass Vorkehrungen getroffen werden müssen, um im Falle eines Lastabwurfs möglichst rasch den Energieeintrag durch die Turbine zu verringern. Für das sichere Abbremsen der Turbine wird gemäß einer Weitergestaltung der Erfindung eine solche Konstruktion der Turbine gewählt, welche nur im Falle eines anliegenden Generatormoments, das heißt für den Normalbetriebsfall, die Turbinenblätter in die Angriffsstellung dreht und für den Fall, dass das Generatormoment schlagartig wegbricht, die Turbine durch die Strömungskräfte an den Turbinenblättern automatisch in eine Nichtangriffsstellung zurückgeführt wird, wodurch das unkontrollierte Hochlaufen der Turbine auch ohne aufwändige Bremseinrichtungen minimiert werden kann.
Umgesetzt wird dieses Konzept dadurch, dass die Turbine wenigstens zwei Teilkomponenten umfasst, welche durch die Einwirkung des Generatormoments relativ zueinander verdreht werden und hierbei die Turbinenblätter in die Strömung drehen. Falls ein Lastabwurf auftritt, wird diese Relativverdrehung aufgrund des Wegfalls des Generatormoments durch die Stömungskräfte zurückgeführt, so dass das Generatormoment das eigentliche Stell- und Steuerorgan bildet, wobei die Stellkraft zur Aktivstellung der Turbine aus dem Generatormoment resultiert – dies stellt den Normalbetriebsfall dar. Gesteuert, das heißt ausgelöst, wird das Herausdrehen der Turbinenblätter aus der Strömung wiederum durch den Wegfall des Generatormoments.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Figuren dargestellt. Diese zeigen im Einzelnen Folgendes:
1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage im Axialschnitt.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage gemäß 1 in einer Ausgestaltung mit einer Pumpen-Filter-Einrichtung für die Lager- und/oder Dichtungsspülung.
3 zeigt eine Pumpen-Filter-Einrichtung für eine erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage, die nach dem Zentrifugalprinzip arbeitet und selbstreinigend ist.
4 zeigt für eine erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage zwei Varianten für eine Blattwinkelverstellung mit separater, beziehungsweise gekapselter Energieerzeugung.
5a und 5b zeigen schematisch vereinfacht eine über das Generatormoment gesteuerte Aktiv- und Passivstellung der Turbine.
6a und 6b zeigen bevorzugte Ausgestaltungen für das Erregersystem des fremderregten Synchrongenerators der erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage.
7 zeigt schematisch vereinfacht eine Ausgestaltung mit einer eine Verlustschmierung umfassenden Lagerung.
1 zeigt das erfindungsgemäße Grundkonzept einer wartungsarmen Energieerzeugungsanlage im Axialschnitt. Entsprechend des Pfeils erfolgt ein Anströmen durch die Meeres- beziehungsweise Flusswasserströmung oder Luftströmung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Turbine 1 propellerförmig ausgebildet und umfasst für das gezeigte Ausführungsbeispiel wenigstens zwei Propellerblätter 54.
Erfindungsgemäß ist die Turbine 1 direkt, das heißt ohne Zwischenschaltung von Getriebestufen, mit dem Läufer 3 eines elektrischen Generators 2 verbunden, wobei besonders bevorzugt eine kompakte Baueinheit in koaxialer, konzentrischer Anordnung entsprechend der Darstellung gemäß 1 verwendet wird. Hierbei sind die Propellerblätter 54 der Turbine 1 radial innen an eine ringförmige Stützstruktur 60 angelenkt, wobei in die ringförmige Stützstruktur 60 die magnetischen Komponenten des Läufers 3 integriert sind.
Bevorzugt wird hierbei die Anordnung von mehreren Erregerspulen am Innenumfang der ringförmigen Stützstruktur 60, wobei das Erregersystem 80 im Läufer 3 einen Erregerstrom erzeugt ohne zur Überbrückung des Spalts Schleifringe zu verwenden. Hierzu kann entweder eine Einrichtung zur berührungslosen Energieübertragung 81 verwendet werden, wobei 6a eine bevorzugte Ausgestaltung zeigt, oder es wird ein mitrotierender Außenpol-Drehstromgenerator 92 in den Läufer 3 aufgenommen, die in 6b in einer bevorzugten Ausgestaltung dargestellt wird. Diese bevorzugten Erregungssysteme 80 werden in der weiteren Beschreibung noch genauer dargestellt. Hierbei sind die statorseitigen und die läuferseitigen Komponenten des Erregersystems jeweils in einem vom Umgebungsmedium über ausschließlich statische Dichtungen abgekapselten Bereich angeordnet.
Der Stator 4 mit Elektroblechpaketen und Ankerwicklungen des elektrischen Generators 2 befindet sich gemäß einer bevorzugte Ausgestaltung innerhalb eines flüssigkeitsabgedichteten, trockenen Statorgehäuses 5, so dass ein Wandungsbereich 5.1 im Spalt 63 zwischen dem Läufer 3 und dem Stator 4 des elektrischen Generators 2 den gekapselten Bereich innerhalb des Statorgehäuses vom umspülten Außenläufer trennt. Der Stator 4 ist gegenüber dem Läufer 4 koaxial bezüglich der Achse 60 sowie konzentrisch, innenliegend angeordnet. Neben dem abgedichteten Statorgehäuse 5 kann die Gondel 70 der Energieerzeugungsanlage weitere Bereiche umfassen, beispielsweise eine Gehäusehaube 62, die nicht vollständig gegenüber dem Umgebungsmedium abgedichtet sind. Weiterhin ist die Anbindung der Gondel 70 und eine Stütz- und Tragstruktur im Einzelnen nicht in den Figuren dargestellt.
Der Wandungsbereich 5.1 im Spalt 63 zwischen Läufer 3 und Stator 4 muss aus einem Material bestehen, welches das Magnetfeld des Läufers möglichst wenig abschwächt. Für die erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage wird hierbei besonders austenitischer Stahl zur Ausbildung des flüssigkeitsdichten Statorgehäuses 5 bevorzugt. Dieser ist bei normalen Temperaturen im Wesentlichen unmagnetisch. Darüber hinaus ist ein korrosionsbeständiges Material zu wählen, insbesondere beim Betrieb der Energieerzeugungsanlage in Salzwasser oder einer Salznebelatmosphäre. Alternativ können metallische Legierungen auf der Basis von Aluminium und Zink Anwendung finden, wobei diese Korrosionsschutzbeschichtungen auf Polymerbasis aufweisen können.
Als elektrischer Generator 2 wird bevorzugt ein hochpoliger Synchrongenerator in Form eines Ringgenerators verwendet, welcher über Frequenzumrichter auf ein Leitungsnetz aufgeschaltet wird.
Weiterhin wird für die erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage eine Lagerung 6 im Bereich des Spalts 63 zwischen Läufer 3 und dem Stator 4 des elektrischen Generators 2 vorgesehen. Die Lagerung 6 der ringförmigen Stützstruktur 60, in die der Läufer 3 integriert ist, wird bevorzugt zweireihig ausgebildet und besteht aus wenigstens zwei axial beabstandeten Lagerkomponenten 6.1 und 6.2, die sich jeweils axial benachbart zum Spalt 63 anschließen. Diese dienen dazu, einen bestimmten Spaltabstand einzustellen und die Turbinenkräfte abzustützen. Durch eine solchermaßen angeordnete Lagerung ist es möglich, die durch die Turbine 1 aufgenommenen Momente im Bereich des Außenumfangs des Statorgehäuses 5 einzuleiten. Aufgrund der großbauenden Lagerkomponenten 6.1, 6.2 und deren große axiale und radiale Ersteckung ist es möglich, die in den Lagerkomponenten 6.1 und 6.2, insbesondere den Lagerschalen auftretenden Presskräfte und die daraus resultierenden Deformationen gering zu halten. Durch diese Maßnahme können auch für die hohen, auf eine Turbine 1 wirkenden dynamischen und statischen Momente Lagerkomponenten 6.1, 6.2 verwendet werden, welche als wassergeschmierte Lager ausgebildet sind. Dies ist besonders wichtig, im Hinblick darauf, dass ein umströmter Außenläufer verwendet wird und der Bereich des Spalts 63 ebenfalls vom Triebwasser geflutet wird.
Die Ausbildung des Lagers 6 kann im Rahmen des fachmännischen Ermessens gewählt werden und einreihige Zylinderrollenlager mit hinreichender axialer Erstreckung oder zweireihige, axial beabstandete Kugelrollenlager, vorzugsweise mit Keramikeinlage, oder Gleitlagerbuchsen umfassen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung werden die Lager 6 so ausgestaltet, dass sie der bewegten Baueinheit, umfassend die ringförmige Stützstruktur 60 mit integriertem Läufer 3 und die Turbine 1, zusätzlichen Halt in axialer Richtung verleihen. Ferner können die Lagerschalen im Statorgehäuse 5 und in der ringförmigen Stützstruktur 60 ausgebildet werden. Deren Durchmesser sind so hinreichend groß, dass die Lagerkräftepresskräfte klein bleiben. Andererseits sind, aufgrund der Anordnung der ringförmigen Stützstruktur 60 radial innen zur Turbine 1, die Durchmesser Lagerschalen gegenüber jenen einer ummantelten Turbine klein, so dass Lagerschalen in diesen Bauteilen noch präzise hergestellt werden können.
Darüber hinaus erlaubt die erfindungsgemäße Lagerung 6 der umlaufenden Komponenten durch ein sich auf dem Statorgehäuse 5 und insbesondere dessen Außenumfang abstützende Lagerschale auch bei starken Momentenbelastungen, den Spaltabstand zwischen dem Läufer 3 und dem Stator 4 des elektrischen Generators 2 konstant zu halten und auch für solche Bedingungen die Lagerkräfte so weit zu minimieren, dass ohne besonderen konstruktiven Aufwand einfache und robuster Lagerkomponenten entweder mit einer Wasser- oder einer Verlustschmierung mit einem biologisch abbaubaren Schmiermittel verwendet werden können.
Ferner ist es denkbar, anstatt der koaxialen Anordnung von Generatorläufer 3 und Stator 4 eine scheibenförmige Anordnung vorzusehen, wobei erfindungsgemäß wiederum ein flüssigkeitsdichtes Statorgehäuse vorliegt und die drehbare Baueinheit aus Generatorläufer 3 und Turbine 1 über eine Lagerung vorzugsweise auf dem Außenumfang des Statorgehäuses abgestützt wird. Alternativ kann die Lagerabstützung auf dem Statorgehäuse auch stirnseitig auf einem großen Radius erfolgen. Diese Variante ist im Einzelnen nicht in den Figuren dargestellt.
Zusammengefasst zeichnet sich die gemäß 1 gezeigte Energieerzeugungseinrichtung dadurch aus, dass durch den direkten Generatorantrieb verschleißanfällige Getriebekomponenten überflüssig sind. Darüber hinaus wird durch rein statische Dichtungen abgedichteter Innenbereich im Statorgehäuse 5 und bevorzugt auch im Läufergehäuse gebildet, in dem alle feuchtigkeits- oder korrosionsempfindlichen elektrischen Steuerungs- und Leistungskomponenten untergebracht sind. Ferner ist der elektrische Generator 2 als fremderregter Synchrongenerator ausgebildet, wobei das Erregersystem so ausgebildet ist, dass zwischen Läufer 3 und Stator 4 keine Schleifringe vorgesehen sind. Im Folgenden wird die in den 6a und 6b dargestellte Systematik bevorzugter Erregersysteme genauer beschrieben:
6a zeigt eine statische Erregereinrichtung, dessen Komponenten auf einem ortsfesten Teil 90, das heißt statorseitig, und einen umlaufenden Teil 91, das heißt läuferseitig, ausgebildet sind. Die für den Erregungsstrom I_E notwendige Energie wird dem elektrischen Netz 83 über einen Erregertransformator 84 entnommen, alternativ könnte eine separate Drehstromerregermaschine verwendet werden. Die resultierenden Phasenströme werden einer Einrichtung zur berührungslosen, induktiven Signalübertragung zugeführt und als Wechselströme induktiv über den Spalt zum umlaufenden Teil übertragen. Eventuell werden hierzu zusätzliche Frequenzumrichter verwendet. Im umlaufenden Teil ist ein Thyristorstromumrichter 88 angeordnet, dem der berührungslos übertragene Drehstrom zur Gleichrichtung zugeleitet wird und der den Erregerstrom I_E für die Erregerwicklung 89 ausgibt. Der Thyristorstromumrichter 88 ist über die Regelungseinrichtung 85 netzgeführt, hierzu kann eine Phasenanschnittsteuerung verwendet werden. Die Übertragung der Stellsignale von der Regelungseinrichtung 85 im ortsfesten Teil 90 zum Thyristorstromumrichter 88 im umlaufenden Teil geschieht mittels einer Einrichtung zur berührungslosen Signalübertragung 86 oder erfolgt zusätzlich zur Leistungsübertragung in der Einrichtung 87.
6a zeigt eine alternative Gestaltung des Erregersystems, wobei in diesem Fall der Thyristorstromumrichter 88 im ortsfesten Teil 90 angeordnet ist und das Erregerfeld für eine Außenpol-Drehstromerregermaschine 92 bestromt, die im umlaufenden Teil 91 untergebracht ist. Über mitrotierende Diodengleichrichter 93 wird dann der Erregerstrom I_E erzeugt. Dieses sind ungesteuert, da die Netzführung über den im ortsfesten Teil 90 angeordneten Thyristorstromumrichter 88 und das zugeordnete Regelungssystem 85 realisiert wird.
Eine Meeresströmung mit einem hohen Sedimentanteil, insbesondere Sand und dergleichen, kann zu einem Lagerverschleiß führen. Entsprechendes gilt für Windkraftanlagen aufgrund der in der Luftströmung transportierten Partikel. Die Erfinder haben daher erkannt, dass eine vorteilhafte Weitergestaltung der Erfindung eine Lager- und/oder Dichtungsspülung umfasst. Eine erste Ausführung ist in 2 gezeigt. Zunächst wird gemäß des vergrößerten Ausschnitts zusätzlich zum Lager 6 ein Dichtungselement 7, insbesondere eine Labyrinthdichtung, vorgesehen. Diese unterdrückt den Eintrag von Sedimenten in den Lagerbereich und wirkt wie ein Filter. Allerdings sind aufgrund der hohen, auf die Turbine 1 wirkenden Momente geringfügige Relativbewegungen nicht auszuschließen, welche eine Variation der Spaltpassung in den Dichtungselementen 7 bewirken. Daher wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung eine Vorrichtung vorgesehen, welche ein ständiges Ausströmen von gefiltertem Umgebungswasser beziehungsweise gefilterter Umgebungsluft aus dem Lagerbereich heraus bewirkt. Im einfachsten Fall werden hierbei lediglich die Filterelemente 7 durchströmt, so dass ein Eindringen von abrasiven Medien aus der Umgebungsströmung unterbunden wird. Besonders bevorzugt wird jedoch eine zusätzliche Lagerspülung, welche beispielsweise dadurch bewirkt werden kann, dass im Spaltbereich zwischen den mit axialem Abstand seitlich angeordneten Lagerelementen 6.1 und 6.2 ein Zustrom des gefilterten Umgebungsmediums bewirkt wird.
Gemäß der in 2 schematisch vereinfachten Darstellung wird hierbei in der Gehäusehaube 62 der Energieerzeugungsanlage ein Filter 8, beispielsweise ein Kartuschenfilter, vorgesehen. Wird das Umgebungsmedium diesem Filter 8 in Achsnähe zugeführt und sodann radial nach außen geleitet, wird durch die Flüssigkeitsmitnahme im Ringspalt automatisch eine Sogwirkung in den nach radial außen verlaufenden Zuleitungen vom Filter 8 zum Spalt 63 entstehen, so dass bereits durch die Drehbewegung der Turbine 1 die nach außen gerichtete Strömung durch die Lager 6.1, 6.2 beziehungsweise durch die Dichtungselemente 7 gebildet wird. Zusätzlich kann eine Filterpumpe 9 vorgesehen sein, die dazu dient, das gefilterte Umgebungsmedium verstärkt in den Spalt 63 einzupressen und somit die Lager- beziehungsweise Dichtungsdurchströmung zu verbessern. Das Filtersystem 8 und die Filterpumpe 9 bilden eine Pumpen-Filter-Einrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform wird in 3 ein selbstreinigender, auf dem Fliehkraftprinzip beruhender Filter 8 zur Erzeugung von gereinigtem Umgebungsmedium für die Lagerspülung dargestellt. Dieser weist ein tellerförmiges Element 10 in der Gehäusehaube 62 auf, an dessen konisch geformten Außenwandungen 11 zugeführte Schmutzstoffe bei einer Drehbewegung, angetrieben durch eine Kopplung zur Turbine, nach außen und damit in seitliche Richtung vom übrigen Filterwasserstrom getrennt wegbefördert werden, wobei an der Haubenaußenseite entsprechende Auslassöffnungen 64 für die ausgesonderten Schmutzstoffe vorgesehen sein können.
Die Pumpen-Filter-Einrichtung kann außerhalb des abgedichteten Statorgehäuses 5 ungebracht sein, was wiederum die Kapselung vereinfacht. Alternativ wird die Pumpen-Filter-Einrichtung im abgedichteten Statorgehäuse 5 angeordnet, wodurch die Vorkehrungen für den Korrosionsschutz der Pumpen-Filter-Einrichtung vereinfacht werden. Bevorzugt wird die Pumpen-Filter-Einrichtung mittig im Statorgehäuse 5 angeordnet und weist eine hydraulische Durchführung auf, die einen Auslass im Bereich der Dichtungselemente 7 und/oder der Lagerung 6 mündet.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung werden die wassergeschmierten Lager durch Lager mit Fettschmierung ersetzt, die als Verlustschmierung mit einem umweltverträglichen Fett ausgeführt werden kann. Auch weitere umweltverträgliche Schmierstoffe sind denkbar. Das austretende Fett transportiert abrasive Feststoffe aus den Lagern zum Außenbereich. Ein Ausführungsbeispiel ist schematisch vereinfacht in 7 gezeigt. Dargestellt ist ein Schmierstoffreservoir 95, das in der Tragstruktur der Energieerzeugungsanlage untergebracht ist. Dabei besteht vorteilhaft eine solche Zugänglichkeit, dass ein Nachfüllen des Schmierstoffreservoirs 95 während des Betriebs der Energieerzeugungsanlage möglich ist. Durch die angehobene Anordnung des Schmierstoffreservoirs 95 entsteht in der Schmierstoffzuleitung 96 ein hydrostatischer Druck, der den Schmierstoff in das entsprechende Lager einpresst, wobei gewollter, ständiger Austritt des Schmiermittels aus dem Lager zur Umgebungsströmung hin erfolgt. Dabei ist die Schmierstoffzuleitung beispielsweise durch die Verwendung flexibler Komponenten und Drehdurchführungen so ausgestaltet, dass eine Strömungsnachführung der Energieerzeugungsanlage oder das Anfahren einer Wartungsstellung möglich ist. Für weitere, im Einzelnen nicht dargestellte Ausgestaltungen einer Verlustschmierung kann das Schmierstoffreservoir 95 in der Gondel angeordnet sein und die Zuführung des Schmierstoffs zum Lager mittels einer Schmierstoffpumpe verfolgen.
In 4 wird eine Weitergestaltung der Erfindung gezeigt, welche das Konzept eines abgedichteten, abgeschlossenen Generatorgehäuses 5 mit einer Einstellmöglichkeit für die Turbine 1 verbindet. Für den Fall, dass die Turbine 1 in Form eines Propellers ausgebildet wird, ist diese Verstellmöglichkeit bevorzugt eine Winkeleinstellung der Propellerblätter 54. Für eine hydraulische Verstellung ist eine fluidische Verbindung zwischen dem Statorgehäuse 5 und den hierauf ablaufenden rotierenden Komponenten der Energieerzeugungsanlage notwendig, um die hydraulischen Komponenten durch einen Zustrom von Arbeitsmedium aus dem Inneren des Statorgehäuses zu versorgen. Hierzu kann ein hydraulischer Verteiler mit einer Drehdurchführung am Statorgehäuse 5 vorgesehen sein, was im Einzelnen jedoch nicht in den Figuren dargestellt ist. Um jedoch gänzlich auf bewegte Dichtungskomponenten am Statorgehäuse 5 verzichten zu können, wird stattdessen eine mit der rotierenden Baueinheit umlaufende Hydraulikpumpe 30 verwendet, welche über ein Ritzel 31 einen feststehenden Zahnkranz 32 kämmt, der beispielsweise in Verbindung zum Statorgehäuse 5 steht. Beim Umlauf der Turbine 1 kann bei einem eingestellten Wirkeingriff der Hydraulikmotor 30 angetrieben und über im Einzelnen nicht dargestellte hydraulische Komponenten, etwa ein Reservoir und Hydraulikventile, ein hydraulisches Stellelement 33 zur Blattwinkelverstellung betätigt werden.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung, welche im oberen Bereich von 4 schematisch skizziert dargestellt ist, wird anstatt eines hydraulischen Antriebs ein elektromotorischer verwendet, wobei die Energieversorgung für die elektrischen Stellantriebe 21 über eine induktive Energieübertragung von der feststehenden Seite zur umlaufenden Seite mittels einer Spulenanordung erfolgt. Entsprechend können Signale induktiv übertragen werden. Vorteilhafterweise wird hierzu ein Spulenkranz 20.1, beispielsweise im feststehenden Teil, vorgesehen, welche so verschaltet ist, dass synchron zur Drehbewegung der umlaufenden Seite in einer mitbewegten Einzelspule 20.2 eine Spannung induziert werden kann. Im Rahmen des fachmännischen Könnens kann anstatt dieser einzelnen mitbewegten Spule eine Vielzahl bewegter Spulen verwendet werden. Auch ist es denkbar, den Spulenkranz 20.1 im umlaufenden Teil aufzunehmen und eine oder mehrere Gegenspulen im feststehenden Teil vorzusehen.
Wird für eine alternative Gestaltung der erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage auf eine aktive Verstellung der Turbine 1 verzichtet, so kann für den Fall eines Lastabwurfs der Leistungseintrag dennoch minimiert werden, wenn die Turbine 1 so gestaltet ist, dass deren Aktivierung von einem anliegenden Generatormoment abhängt und bei dessen Wegfall automatisch eine Rückführung auf eine Passivstellung bewirkt wird. Hierbei ist beachtlich, dass eine solche Konstruktion ohne aufwändige Steuerung realisiert werden kann, wenn das Generatormoment mechanisch auf eine Winkeleinstelleinrichtung für die Turbinenschaufeln übertragen wird.
Eine mögliche Ausgestaltung dieses Prinzips ist in den 5a und 5b dargestellt, wobei eine propellerförmige Turbine 1 verwendet wird und die beiden Ansichten schematisch vereinfacht als Draufsichten die ringförmige Stützstruktur 60 entlang der Propellerachsen gezeigt sind. Die ringförmige Stützstruktur 60 umfasst einen ersten Teil 50 und einen die magnetischen Komponenten und insbesondere die Permanentmagneten des Läufers 3 tragenden zweitem Teil 51, über den während des Normalbetriebs das Generatormoment wirkt. Diese beiden Teile 50, 51 sind relativ zueinander in Umfangsrichtung verdrehbar, wobei durch eine solche Relativdrehung der Einstellwinkel der Propellerblätter verändert wird. Hierzu sind in den 5a und 5b exemplarisch Draufsichten auf jeweils ein Propellerblatt 54 dargestellt sowie dessen Anlenkpunkte auf dem ersten Teil 50 und auf dem zweiten Teil 51.
Erfolgt nun eine drehbare Lagerung an einem ersten Anlenkpunkt 52 auf dem ersten Teil 50 in einem luvseitigen Bereich des Propellerblatts 54, so wird die in den 5a und 5b skizzierte Strömungsrichtung des Wassers V_W in Richtung einer Parallelstellung des Propellerblatts wirken, das heißt würde nur der erste Anlenkpunkt 52 auf dem ersten Teil 50 vorliegen, so wäre die Folge ein Herausdrehen des Propellerblatts 54 aus der Eingriffstellung, für die die Turbine 1 der Umgebungsströmung im Wesentlichen keine Leistung entnimmt.
Auf dem zweiten Teil 51, über das das Generatormoment wirkt, ist ein zweiter Anlenkpunkt 53 vorgesehen, der dazu dient durch die Stützwirkung des Generatormoments die Propellerblätter 54 in die Strömung zu drehen und damit die Turbine 1 zu aktivieren. Die Wirkungsweise ergibt sich aus dem Vergleich der 5a und 5b. In 5b ist die Wirkung des Generatormoments ersichtlich. Dieses wird als Rückstellkraft in Umfangsrichtung entgegen der Drehrichtung des Läufers 3 wirken (siehe hierzu in 5b die Kraftrichtung F_Mag auf die magnetischen Komponenten). Ist nun der zweite Anlenkpunkt 53 leeseitig gegenüber der Propellerblattachse verlagert, so erfolgt aufgrund der Rückhaltekraft auf das zweite Teil 51 und die relative Verdrehbarkeit zwischen dem ersten Teil 50 und dem zweiten Teil 51 ein automatisches Einkippen und damit ein in die Strömung stellen der Rotorblätter der Turbine 1. Dieser Fall ist in 5b dargestellt, wobei die Verbindungsachse des ersten Anlenkpunkts 52 und des zweiten Anlenkpunkts 53 einen bestimmten Anstellwinkel gegen die Strömungsrichtung F_W einnehmen wird, das heißt das Propellerblatt 54 kann aus der Umgebungsströmung Leistung aufnehmen und den Generator antreiben. Ohne Leistungsabnahme am elektrischen Generator, das heißt im Falle eines Lastabwurfs, fällt die selektiv nur auf das zweite Teil wirkende, den Umlauf der Turbine 1 bremsende Kraft aus dem Generatormoment weg und die auf das Profil der Propellerblätter einwirkenden Strömungskräfte werden eine Zurückführen auf die in 5a gezeigte, aus der Strömung gedrehten Stellung bewirken. Entsprechend kann die Turbine 1 für Wartungszwecke angehalten werden.
Das zugrundeliegende Konzept, wonach die Turbine 1 aufgrund der Relativbewegung von zwei Teilkomponenten der Stütz- und Tragstruktur aktiviert und deaktiviert wird und auf eines dieser beiden Teile während des Betriebs ein höheres, rückhaltend wirkendes Generatormoment im Vergleich zum anderen Teil wirkt, kann im Detail im Rahmen des fachmännischen Könnens weitergestaltet werden. Für das in 5a und 5b gezeigte Ausführungsbeispiel kann der zweite, leeseitige und vom Generatormoment gebremste Anlenkpunkt 53 ein Stelllager aufweisen, was eine gewisse Relativbewegung entlang des Blattprofils für den Anlenkpunkt ermöglicht, welche zur Realisierung einer kombinierten Relativbewegung des ersten Teils und des zweiten Teils 50, 51 und der Drehbewegung des Propellerblatts 54 um seine Propellerachse notwendig ist. Schematisch vereinfacht wird hierfür in den 5a und 5b eine Langlochanordnung gezeigt, entlang derer der zweite Anlenkpunkt 53 je nach vorliegender Winkelstellung entlanggleiten kann. Ferner wird bevorzugt, die Relativbewegung zwischen dem ersten Teil 50 und dem zweiten Teil 51 zu begrenzen. Hierfür dienen Anschläge. Ein erster Anschlag dient hierbei für die nichtaktive Stellung gemäß 5a dazu, einen gewissen minimalen Propellerblattwinkel beizubehalten, der auch für den Leerlauffall eine minimale Leistungsaufnahme durch die Turbine ermöglicht, welche dazu dient, die Reibungskräfte so weit zu überwinden, dass eine langsame Umlaufdrehzahl für den Leerlaufbetrieb vorliegt. Allerdings muss durch die Wahl des Anschlags sicher verhindert werden, dass auch bei der maximal möglichen anliegenden Strömung ein Turbinenhochlauf verhindert wird. Weiterhin kann ein zweiter Anschlag für die Betriebsstellung gemäß 5b vorgesehen sein, der dazu dient, einen maximalen Propellerblattwinkel festzulegen, so dass die beiden Anlenkpunkte 52 und 53 entlastet werden.
Das voranstehend beschriebene Konzept einer über das Generatordrehmoment bewirkten Selbststeuerung der Turbine und die automatische Reaktionsmöglichkeit auf einen Lastabwurf ermöglicht es, eine zusätzliche Bremse zur Festsetzung der Turbine kleinbauend auszubilden. Darüber hinaus besteht eine effiziente Bremswirkung durch Reibelemente, welche im Bereich des Umfangs des Läufers ausgebildet sind, und auf die entsprechende Gegenelemente vom Statorgehäuse aus einwirken. Bei einem Außenläufer, welcher auf dem Statorgehäuse und damit auf einem großen Außendurchmesser gelagert ist, ist diese Bremswirkung durch einfache und damit wiederum wartungsarme Komponenten realisierbar.
Das voranstehend dargelegte Prinzip kann in einer Weitergestaltung dazu verwendet werden, das Generatormoment als Kraftquelle und als Stellsignal zur Winkeleinstellung der Propellerblätter zu verwenden. Außerdem können die Endanschläge aktiv nachgestellt werden.

1: Turbine
2: elektrischer Generator
3: Läufer
4: Stator
5: Statorgehäuse
5.1: Wandungsbereich
6: Lagerung
6.1, 6.2: Lagerkomponenten
7: Dichtungselement
8: Filtersystem
9: Filterpumpe
10: tellerförmiges Element
11: konisch geformte Außenwandungen
20.1: Spulenkranz
20.2: Einzelspule
30: Hydraulikmotor
31: Ritzel
32: Zahnkranz
33: hydraulisches Stellelement
50: erster Teil
51: zweiter Teil
52: erster Anlenkpunkt
53: zweiter Anlenkpunkt
54: Propellerblatt
60: ringförmige Stützstruktur
61: Achse
62: Gehäusehaube
63: Spalt
70: Gondel
80: Erregersystem
81: Einrichtung zur berührungslosen Energieübertragung
82: Ankerwicklungen des Synchrongenerators
83: elektrisches Netz
84: Erregertransformator
85: Regelungseinrichtung
86: berührungslose, induktive Signalübertragung
87: berührungslose, induktive Energieübertragung
88: Thyristorstromumrichter
89: Erregerwicklung
90: ortsfester Teil
91: umlaufender Teil
92: Außenpol-Drehstromerregermaschine
93: Diodengleichrichter
95: Schmierstoffreservoir
96: Schmierstoffzuleitung
I_E: Erregerstrom

Claims

Energieerzeugungsanlage zur Gewinnung elektrischer Energie aus einer Wasser- oder Luftströmung, umfassend: 1.1 eine Turbine (1); 1.2 einen elektrischen Generator (2), mit einer koaxialen Anordnung von Läufer (3) und Stator (4), wobei der Läufer (3) ein Außenläufer und Teil einer ringförmigen Stützstruktur (60) für die Turbine (1) ist und wobei der elektrische Generator (2) ein fremderregter Synchrongenerator ist und im Läufer (3) Erregerwicklungen angeordnet sind; 1.3 eine Erregereinrichtung (90), die bürstenlos Erregerleistung den Erregerwicklungen zuführt; 1.4 gegen das Umgebungsmedium abgekapselte Bereiche, die dem Läufer (3) und dem Stator (4) zugeordnet sind, wobei in den abgekapselten Bereichen die elektronischen Komponenten und/oder wenigstens ein Teil der Generatorkomponenten der Energieerzeugungsanlage aufgenommen sind.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, durch gekennzeichnet, dass in den abgedichteten Bereich, der dem Läufer (3) zugeordnet ist, die Erregerwicklungen des Läufers (3), und in den abgedichteten Bereich, der dem Stator (4) zugeordnet ist, die Ankerwicklungen des Stators (4) aufgenommen werden.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gegen das Umgebungsmedium abgekapselte Bereich, der dem Stator (4) zugeordnet ist, durch ein gegenüber dem Umgebungsmedium abgedichtetes Statorgehäuse (5) festgelegt wird, wobei ein Wandungsbereich (5.1) des abgedichteten Statorgehäuses (5) im Bereich des Spalts (63) zwischen Läufer (3) und Stator (4) so verläuft, dass der Läufer (3) radial außerhalb des abgedichteten Statorgehäuses (5) angeordnet ist und die magnetische Wechselwirkung zwischen Läufer (3) und Stator (4) durch diesen Wandungsbereich (5.1) hindurch erfolgt.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagerung (6) für den Läufer (3) angrenzend an den Spalt (63) und zwischen Läufer (3) und Stator (4) angeordnet ist und sich am Außenumfang des abgedichteten Statorgehäuses (5) abstützt.
Energieerzeugungsanlage nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugungsanlge eine Lagerung (6) mit wassergeschmierten Lager umfasst.
Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung (6) wenigstens ein Lager mit einer Verlustschmierung umfasst, bei der ständig ein Schmierstoff zum Außenbereich hin austritt.
Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung (6) mehrreihig ausgebildet ist, wobei zueinander in axialer Richtung beabstandete erste und zweite Lagerkomponenten (6.1, 6.2) der Lagerung (6) den Spalt (63) zwischen Läufer (3) und Stator (4) lateral begrenzen.
Energieerzeugungsanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Generator (2) als Ringgenerator ausgebildet ist.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandungsbereich (5.1) des abgedichteten Statorgehäuses (5) im Spalt (63) zwischen Läufer (3) und Stator (4) aus einem korrosionsbeständigen, nichtmagnetischen Werkstoff und besonders bevorzugt aus einem korrosionsbeständigen, nicht-ferromagnetischen Werkstoff besteht.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für den Wandungsbereich (5.1) ein austenitischer Stahl verwendet wird.
Energieerzeugungsanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagensteuerung und/oder Komponenten der Leistungselektronik und/oder Frequenzumrichter innerhalb des gegen das Umgebungsmedium abgekapselten Bereiches, der dem Stator (4) zugeordnet ist, untergebracht sind.
Energieerzeugungsanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerung (6) Dichtungselemente (7) zugeordnet sind, welche die Lagerung (6) zum Außenraum hin gegen das Eindringen abrasiver Stoffe abdichten.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtungselemente (7) Labyrinthdichtungen verwendet werden.
Energieerzeugungsanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spüleinrichtung zur Erzeugung einer nach außen gerichteten Durchströmung der Dichtungselemente (7) mit gefiltertem Umgebungsmedium vorgesehen ist.
Energieerzeugungsanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Spüleinrichtung zur Spülung des Lagers (6) vorgesehen ist, wobei gefiltertes Umgebungsmedium als Spülmedium verwendet wird.
Energieerzeugungsanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Spüleinrichtung eine Pumpen-Filter-Einrichtung umfasst, die zur Entnahme und Filterung von Umgebungsmedium dient.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen-Filter-Einrichtung außerhalb des Statorgehäuses (5) angeordnet ist und eine wenigstens mittelbare mechanische Antriebsverbindung zur Turbine (1) aufweist.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen-Filter-Einrichtung im Innern des abgedichteten Statorgehäuses (5) angeordnet ist.
Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen-Filter-Einrichtung nach dem Zentrifugalprinzip arbeitet.
Energieerzeugungsanlage nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (1) wenigstens zwei Rotorblätter umfasst, denen eine Vorrichtung zur Blattwinkelverstellung zugeordnet ist, wobei die Einrichtung zur Blattwinkelverstellung eine autarke Energieerzeugungseinheit umfasst oder eine Einrichtung, welcher durch induktive Kopplung vom flüssigkeitsdichten abgedichteten Statorgehäuse (5) aus Energie zugeführt wird.
Energieerzeugungsanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (1) bewegbare Elemente für die Leistungsaufnahme aufweist und diese durch die Wirkung des Generatordrehmoments in die aktive Stellung zur Leistungsaufnahme gebracht werden und für den Fall eines wegfallenden Generatormoments durch die Strömung auf eine passive Stellung zurückgeführt werden, bei der der Leistungseintrag reduziert ist.