DE102010024334A1

DE102010024334A1 - Wellenenergieanlage mit Lineargenerator

Info

Publication number: DE102010024334A1
Application number: DE102010024334A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Fass; Nik Scharmann; Daniel Thull
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2011-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wellenenergieanlage (1) mit einem Lineargenerator (2). Der Lineargenerator (2) weist einen Stator (3) und einen Läufer (4) auf. Der Läufer (4) weist Magnete (5) auf und der Stator (3) enthält Spulen (6). Der Läufer (4) ist mit seinen Magneten (5) zur Energiegewinnung unter Erzeugung von Wechselstrom gegenüber den Spulen (6) linear bewegbar. Der Stator (3) ist in einem Schwebekörper (7) derart angeordnet ist, dass der Läufer (4) nahezu vertikal in dem Stator (3) auf- und abgleiten kann. Der Läufer (4) ist über eine Schiebedurchführung (8) des Schwebekörpers (7) mit einem Schwimmkörper (9) gekoppelt und folgt dem Auf- und Abschwingen des Wellengangs (10). Dabei induziert der Läufer (4) Wechselstrom in den Spulen (6) des Stators (3). Anstelle eines rückstellenden Federelements (11) sind parallel zu den Spulen (6) des Stators (3) Kondensatoren (12) angeordnet, die zum Ausüben von Rückstellmomenten auf den Läufer (4) geladen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellenenergieanlage mit einem Lineargenerator. Der Lineargenerator weist einen Stator und einen Läufer auf. Der Läufer weist Magnete auf und der Stator enthält Spulen. Der Läufer ist mit seinen Magneten zur Energiegewinnung unter Erzeugung von Strom gegenüber den Spulen linear bewegbar.
Eine derartige Wellenenergieanlage ist aus der Druckschrift US 7,304,399 B1 bekannt. Dabei ist der Läufer mit einem Schwimmkörper verbunden, so dass Hebekräfte von dem Schwimmkörper auf den Läufer übertragen werden. Federelementmittel üben ihrerseits eine Kraft auf den Läufer in entgegen gesetzter Richtung zur Hebekraft aus. Dabei dienen die Federelementmittel dazu, den Läufer gegenüber dem Stator in einem Schwebezustand zu halten. Die Steifigkeit der Federmittel und die Masse des Läufers in ihrer Eigenfrequenz sind auf die Frequenz des Wellenganges und damit die Frequenz des Schwimmkörpers abgestimmt.
Prinzipielle Ersatzschaltbilder einer derartigen Wellenenergieanlage zeigen 6.1, 6.2 und 6.3. In 6.1 wird der Wellengang 10 durch eine geschwungene Linie symbolisiert und dieser liefert hier einen Wellenhub 16. Diesem Wellenhub 16 folgt ein Schwimmkörper 9. An den Schwimmkörper 9 ist ein Masse-Feder-System gekoppelt, das die Masse des Läufers 18 und die Feder, mit der der Läufer in einer schwebenden Position gehalten wird, symbolisiert.
Gemäß 6.2 ist der Reaktionskörper, der den Läufer enthält, ein langer frei schwimmender Pfosten. Dieser weist eine andere Eigenfrequenz als der Schwimmer auf. Deshalb ist er im Ersatzschaltbild mit einer zweiten Welle 100 gekoppelt, die eine anderen Wellenhub und eine andere Frequenz als die Welle 10 hat.
In 6.3 sind der Schwimmer 9 und der Läufer 18 schwimmend auf der Welle, wobei der Läufer 18 über einen Dämpfer 19 mit dem Meeresboden 200 gekoppelt ist.
Dieses Ersatzschaltbild kann auch ein Fußpunkt erregtes Feder-Masse-Dämpfer-Schwinger-System im einfachsten Fall darstellen, welches durch die Wellenbewegung angeregt wird. Der Dämpfer 19 dient als so genanntes ”power take off” Element. Dem schwingenden System wird dabei mechanische Energie entzogen, die dann in elektrische Energie umgewandelt wird. Bei herkömmlichen Wellenenergiegewinnungsanlagen wird der Dämpfer meist über einen Hydraulikkolben realisiert, der dann einen Hydromotor antreibt und der dann mit einem konventionell rotierenden Generator gekoppelt ist. Dabei dient die Hydraulik nur als Dämpfer.
Um ein schwingungsfähiges System aufrecht zu erhalten, wird noch eine Rückstellfeder benötigt. Das kann entweder über eine parallel geschaltete Gasdruckfeder oder den Auftrieb eines zweiten Körpers oder des Schwimmers geschehen. In beiden Fällen bedeutet dies weitere teure verschleißbehaftete Teile und im Fall eines zusätzlichen Auftriebkörpers eine komplizierte Abdichtung gegenüber dem Seewasser.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Schaffung eines möglichst einfachen verbesserten Systems zur Wellenenergienutzung in einer Wellenenergieanlage zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Wellenenergieanlage mit einem Lineargenerator geschaffen. Der Lineargenerator weist einen Stator und einen Läufer auf. Der Läufer weist Magnete auf und der Stator enthält Spulen. Der Läufer ist mit seinen Magneten zur Energiegewinnung unter Erzeugung von Strom gegenüber den Spulen linear bewegbar. Ein Schwimmkörper ist zum Folgen dem Auf- und Abschwingen eines Wellengangs vorgesehen. Die Wellenenergieanlage weist auch einen Reaktionskörper zum Ausführen einer Relativbewegung in Bezug auf den Schwimmkörper auf.
Der Stator in einem ersten der Körper Schwimmkörper und Reaktionskörper derart angeordnet ist, dass der Läufer (4) entlang dem Stator (3) auf- und abgleiten kann. Der Läufer ist mit dem zweiten der Körper Schwimmkörper und Reaktionskörper gekoppelt und induziert Wechselstrom in den Spulen des Stators. Eine Stelleinrichtung ist zum Ausüben von Rückstellkräften auf den Läufer durch Einprägen von Strömen durch die Spulen oder durch Anlegen von Spannung an den Spulen vorgesehen ist.
Als Rückstellkraft wird eine Kraft bezeichnet, die auf den Läufer in Richtung einer vorbestimmten Position in Bezug auf den Stator wirkt. Eine derartige Wellenenergieanlage hat den Vorteil, dass eine deutlich bessere Anpassbarkeit möglich ist, da mit Hilfe der Stelleinrichtung die Steifigkeit des Systems variiert werden kann, während bei einer Federaufhängung das System an die Steifigkeit der Feder gebunden ist. Schließlich lässt sich mit dieser Wellenenergieanlage ein höherer Ertrag bei geringeren Kosten erzielen.
Bei einer kontinuierlichen Anregung durch den Wellengang ist es nun möglich, dem System Energie zu entziehen und in ein Netz einzuspeisen.
Wird diesem Schwingkreis die elektrische Energie entzogen, zum Beispiel über eine Leistungselektronik mit angeschlossenem Netzwerk, so klingt die Schwingung ab, sie wird gedämpft. Durch den Wellengang wird jedoch kontinuierlich Energie zugeführt, ohne dass die anregende Schwingung der Wellenbewegung durch den Schwimmkörper zu stark beeinflusst wird. Folglich ist es möglich, dass Feder- und Dämpfungseigenschaften durch den Generator selbst mit geeigneter Elektronik, ohne zusätzlich mechanische Federn einzusetzen, realisiert werden können.
Vorzugsweise ist als Stator eine Spulenanordnung aus sich kreuzenden Spulen vorgesehen, wobei im Kreuzungszentrum der Spulen Permanentmagnete auf einem magnetischen Fluss führenden Träger befestigt sind und die Permanentmagnete orthogonal zu den Spulenachsen angeordnet sind und den Läufer bilden.
Der in der Wellenenergieanlage vorgesehene Reaktionskörper weist mit dem Stator eine Massenträgheit auf, die um ein Vielfaches größer ist als die Massenträgheit des Läufers, so dass durch Ankoppeln des Läufers an die anregenden Schwingungen des Wellenganges, ohne zusätzliche zurückstellende Federn, eine optimale Energienutzung erreicht werden kann.
Darüber hinaus sind auch Wellenenergieanlagen vorgesehen, in denen die Massenträgheit des Läufers um ein Vielfaches größer ist als die Massenträgheit des Reaktionskörpers, so dass durch Ankoppeln des Stators an die anregenden Schwingungen des Wellenganges, ohne zusätzliche zurückstellende Federn, eine optimale Energienutzung erreicht werden kann.
Die Schwingfrequenz aus der Masse des Läufers, der Induktivität der Spulen des Stators und der Kapazität der Kondensatoren ist auf die Frequenz des Wellengangs abgestimmt, so dass es zu Resonanzwechselwirkungen kommt. Der erzeugte Strom kann über einen IGBT-gesteuerten Frequenzwandler in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Da auch in einer derartigen Leistungselektronik ein Zwischenspeicherkreis mit Kondensatoren vorgesehen ist, kann bereits dieser zur Berechnung der erforderlichen Kapazität zum Ersatz oder zur Unterstützung der sonst üblichen Federmechanik beitragen.
Außerdem kann eine Anpassung der Eigenfrequenz der Wellenenergieanlage an die Frequenz des Wellenganges durch eine Masseänderung des Läufers vorgesehen werden. Dazu können dem Läufer an seinen Enden zusätzliche Gewichte aufgelegt werden.
Außerdem kann die Eigenfrequenz des Reaktionskörpers durch Zu- und/oder Abpumpen von Meerwasser vorgesehen werden, um eine deutliche Entkopplung des Stators von der Auf- und Abbewegung des Läufers zu erzielen. Außerdem ist es möglich, den Lineargenerator in einem Gehäuse zu kapseln, wobei die Kapsel in dem Reaktionskörper fixiert ist. Das hat den Vorteil, dass der Lineargenerator mit der Kapsel aus dem Reaktionskörper entnehmbar ist und somit die Wellenenergieanlage wartungsfreundlicher gestaltet werden kann.
Als Stelleinrichtung kann ein Frequenzwandler genutzt werden. Mit einem solchen ist es möglich, den Lineargenerator sowohl im Generatorbetrieb als auch im Motorbetrieb anzusteuern, um somit die gewünschten Federungs- und Dämpfungseigenschaften des Systems einzustellen.
In einer Ausführungsform ist die Rückstellkraft proportional zu einer relativen Position zwischen Läufer und Stator. Dies bedeutet, dass bei Großauslenkung zwischen Läufer und Stator die Rückstellkraft groß ist, während sie bei geringen Auslenkungen zwischen Läufer und Stator gering ist. Somit ist die Rückstellkraft sowie die Stoke'sche Kraft proportional zu der Relativposition. Somit bildet die Rückstellkraft eine mechanische Feder zwischen Läufer und Stator nach.
In einer weiteren Ausführungsform setzt sich die Rückstellkraft aus der Summe zweier Teilkräfte zusammen. Die erste Teilkraft ist proportional zu einer Relativposition zwischen Läufer und Stator und die zweite Teilkraft ist proportional zu einer Relativgeschwindigkeit zwischen Läufer und Stator. Somit wird nicht nur mit Hilfe der ersten Teilkraft die Federsteifigkeit des Systems geändert, sondern auch die in dem System vorhandene Dämpfung.
Somit können diese beiden Parameter Federsteifigkeit und Dämpfungsgrad jeweils auf die Frequenz und die Höhe der Welle abgestimmt werden. Dazu ist an einer Ausführungsform ein Sensor vorgesehen, der die Höhe der Welle misst.
Die Rückstellkraft ist vorzugsweise abhängig von der Masse des Läufers und der Federsteifigkeit des Rückstellfederelements. Damit wird die Gesamtfedersteifigkeit unter Berücksichtigung der Federsteifigkeit des bereits bestehenden Rückstellfederelements eingestellt.
In einer Ausführungsform wird die Stelleinrichtung von einer Regeleinrichtung angesteuert, die aus einem gemessenen Strom durch die Spulen und/oder einer gemessenen Spannung, die über die Spulen anliegt, die Stelleinrichtung ansteuert. Mit einer solchen Regeleinrichtung wird entsprechend einer direkten Momentenkontrolle (auch DTC - Direct Torque Control) die Wellenenergieanlage sehr genau angesteuert.
Vorzugsweise enthält die Regelanlage einen internen Speicher für elektrische Energie, in dem von dem Lineargenerator erzeugte Energie zwischengespeichert wird und aus dem elektrische Energie zum Erzeugen der Rückstellkräfte entnommen wird. Der interne Speicher bildet einen Zwischenspeicher für Energie, so dass diese nicht nur aus dem Netz entnommen wird bzw. nicht nur in dieses Netz eingespeist wird. Somit bleibt das Netz im wesentlichen unbelastet von dem lediglich temporären Transport von Energie von dem Lineargenerator zu dem Internspeicher und zurück.
Andererseits ist es auch möglich, die Auslenkung des Läufers derart zu begrenzen, dass ein maximaler Wellenhub nicht mehr zur Energiegewinnung genutzt werden kann. Das kann vorzugsweise dadurch gelöst werden, dass die lineare Auslenkung des Permanentmagnete aufweisenden Bereichs des Trägers mechanisch durch einen Anschlag begrenzt wird, so dass der Läufer bei Umkehr der linearen Bewegung mindestens bis zur Hälfte der wirksamen Länge des Spulenkörpers in dem Spulenkörper verbleibt oder in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mindestens bis zu zwei Dritteln der wirksamen Länge des Spulenkörpers in dem Spulenkörper verbleibt. Alles, was an Wellenhub bzw. an linearer Auslenkung des Permanentmagnete aufweisenden Bereichs des Läufers hinausgeht, kann dann zur Energiegewinnung nicht mehr genutzt werden, was einer Limitierung der Wellenenergieanlage bei Sturmfluten gleichkommt.
Vorzugsweise ist der Läufer mit dem Wellenhub über eine Schiebedurchführung des Reaktionskörpers gekoppelt, wobei die Masse des Stators mit der Masse des Läufers über die elektromechanische Kraft gekoppelt ist, welche sich in Abhängigkeit der zusätzlichen Kondensatoren einstellt.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wellenenergieanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine Prinzipskizze eines Lineargenerators der Wellenenergieanlage gemäß 1;
3 zeigt ein erstes schematisches Blockschaltbild der Wellenenergieanlage gemäß 1;
4 zeigt ein erweitertes schematisches Blockschaltbild der Wellenenergieanlage gemäß 1;
5 zeigt eine Prinzipskizze einer gekapselten Anlage;
6 zeigt ein Ersatzschaltbild der Funktionsweise einer Wellenenergieanlage gemäß dem Stand der Technik.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wellenenergieanlage 1 mit einem Lineargenerator 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dazu ist der Lineargenerator 2 in einem Reaktionskörper 7 angeordnet, der über ein Ankerseil 22 mit dem Meeresgrund verbunden ist. In dem Reaktionskörper 7 ist in einem Gehäuse 14 der Lineargenerator 2 angeordnet. Ein Statur 3 des Lineargenerators 2 ist in Form eines Spulenkörpers 17 mit sich kreuzenden Spulen 6 in dem Reaktionskörper so ausgerichtet, dass ein Läufer 4 in dem Spulenkörper 17 mit Permanentmagneten auf einem magnetischen Fluss führenden Träger sich auf und ab bewegen kann. Der Läufer 4 ist dabei an einer Verbindungsstange 23 mit einem Schwimmkörper 9 verbunden, der dem Wellengang 10 mit einem Wellenhub 16 mit der Frequenz des Wellenganges 10 folgen kann.
Der Läufer 4 induziert dabei in dem Spulenkörper 17 einen entsprechend dem Wellengang 16 vorgegebenen niederfrequenten Wechselstrom, der über eine nicht gezeigte Leistungselektronik mit einem Frequenzumwandler dem öffentlichen Netz zugeführt werden kann. Dadurch wird eine vertikale Komponente der Bewegung des Schwimmkörpers 9 für die Energiegewinnung mit Hilfe der Energiegewinnungsanlage 1 nutzbar gemacht. Ein Hub ±Δh zwischen einem ruhigen Wasserspiegel 24 und einem Wellengang 10 wird genutzt, um den Läufer 4 im Bereich des Spulenkörpers 17 des Stators 3 linear auf und ab zu bewegen.
Um zu verhindern, dass bei einem extremen Wellengang der Läufer 4 vollständig aus dem Bereich des Stators 3 gezogen wird, sind ein oberer Anschlag 25, aus dem die Verbindungsstange 23 herausragt und ein unterer Anschlag am Boden des Schwimmkörpers 7 vorgesehen. Der Läufer 4 ist mit Permanentmagneten bestückt und in seiner Länge derart auf die wirksame Länge des Spulenkörpers 17 abgestimmt, dass bei mittlerem und hohem Wellengang 10 bei Umkehr der linearen Bewegung mindestens ein Ende des Permanentmagneten aufweisenden Bereichs des Läufers innerhalb der wirksamen Länge des Spulenkörpers 17 und das andere Ende des Permanentmagneten aufweisenden Bereichs des Läufers 4 außerhalb der wirksamen Länge des Spulenkörpers 8 angeordnet ist. Derartige Positionen einer Bewegungsumkehr sind in 1 mit gestrichelten Linien dargestellt.
Bemerkenswert an dieser Wellenenergieanlage 1 ist, dass der Läufer 4 bzw. der Schwimmkörper 7 keinerlei zusätzliche Federelemente aufweist, um den Läufer 4 innerhalb des Stators bei ruhiger See in einem Schwebezustand zu halten. Auch sind in dieser Ausführungsform keinerlei Rückhohlfedern vorgesehen, um ein mechanisch mit einer Eigenfrequenz schwingendes System in dem Schwimmkörper 7 aufzubauen. Eine derartige Eigenfrequenz wird vielmehr elektronisch durch einen Schwingkreis eingestellt, der sich aus der Induktivität des Spulenkörpers 17 und zusätzlichen Kondensatoren, beispielsweise in der Leistungselektronik zusammensetzt. Diese Kondensatoren indem Zwischenkreis des Frequenzumwandlers, die dafür sorgen, dass die relativ niedrige Frequenz des Wellenganges 10 in eine Netzfrequenz umgesetzt wird, können auch durch Kondensatoren, die zu den Spulen 6 des Spulenkörpers 17 parallel geschaltet sind, unterstützt werden, um die Resonanzfrequenz des elektronischen Schwingkreises an die Frequenz des Wellenganges 10 anzupassen.
2 zeigt eine längs geschnittene perspektivische Ansicht eines Lineargenerators 2 der Ausführungsform der Erfindung gemäß 1. Ein derartiger Lineargenerator 2 weist einen Träger 13 auf, der in dieser Ausführungsform der Erfindung rechteckig oder quadratisch ausgeführt ist und auf seinen Längsseiten 27 und 28 permanentmagnetische Plättchen 29 aufweist, deren Struktur in einer vergrößerten Darstellung mit 2A gezeigt wird. Dabei sind die permanentmagnetischen Plättchen 29 derart ausgerichtet, dass die Nord-Süd-Orientierung der Permanentmagnete 5 orthogonal zur Längsachse des Trägers 13 angeordnet ist.
Die Gesamtlänge des Trägers 13 kann größer sein als die Länge l_L des mit Permanentmagnet versehenen Bereichs des Trägers 13 sein, so dass die Enden 30 und 31 des Trägers 13 diesen aktiven Bereich mit permanentmagnetischen Plättchen 29 sind vor Beschädigungen schützen. Die permanentmagnetischen Plättchen 29, wie in 2A vergrößert gezeigt, sind beispielsweise durch eine Klebstoffnaht mit den Längsseiten 27 und 28 das Trägers 13 verbunden.
Der Stator 4 wird hier mit Hilfe von Spulen 6, die zwischen den Spulenkörperenden 32 und 33 mit ihren Windungen 34 den Träger 13 umgeben, realisiert, wobei die wirksame Länge l_S des Spulenkörpers 17 deutlich kürzer ist als die Länge l_L mit den permanentmagnetischen Plättchen 29. Der Träger 13 kann dazu aus einem magnetischen Fluss führenden Material aufgebaut sein. Die Windungen 34 der Spulen 6 sind vorzugsweise aus einem mit einer Isolationsschicht versehenen Kupferlegierungsdraht hergestellt.
3 zeigt ein erstes schematisches Blockschaltbild der Wellenenergieanlage gemäß 1. In 3 symbolisiert der erste Block 35 die Kondensatoren 12, die zur Bildung eines elektronischen Schwingkreises parallel zu den Spulen des Stators geschaltet sind, und der zweite Block 36 den Lineargenerator 2 mit seinem Spulenkörper, mit dem die Kondensatoren 12 der 3 elektrisch verbunden sind, um einen elektronischen Schwingkreis aus einer Induktivität der Spulen und der Kapazität der Kondensatoren in Zusammenwirken mit der Masse des Läufers zu bilden.
4 zeigt ein erweitertes schematisches Blockschaltbild der Wellenenergieanlage gemäß 1, wobei zwischen den Blöcken 35 und 36 ein weiterer Schaltungsblock 37 angeordnet ist, welche vorzugsweise in dem Frequenzumsetzer angeordnet ist, wobei ein Zwischenkreis ein Speicherelement in Form eines Kondensators aufweist, der ebenfalls zu der Schwingkapazität des elektrischen Schwingkreises beitragen kann.
5 zeigt eine Prinzipskizze der gekapselten Wellenenergieanlage 1, in welcher der Lineargenerator 2 mit einer eigenen Gehäusekapsel 15 versehen ist, so dass diese Kapsel aus dem in 1 gezeigten Reaktionskörper 7 zu Wartungs- und Reparaturarbeiten komplett entnommen werden kann.
6.1, 6.2, 6.3 zeigen Ersatzschaltbilder der Funktionsweise einiger Wellenenergieanlagen 20 gemäß dem Stand der Technik, die einleitend bereits erörtert wurde, so dass sich an dieser Stelle eine erneute Erörterung erübrigt.
7 zeigt eine Prinzipskizze der Funktionsweise der Wellenenergieanlage 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Funktionsweise wird anhand der Elemente der Welle 70, des Pointabsorbers 71, des Lineargenerators 72, einer Leistungselektronik 74, eines Netzes 75, eines Impedanzreglers 76, eines internen Energiespeichers 77 und der Optimierungsvorrichtung 78 gezeigt.
Die Welle 70 steht mit dem Pointabsorber 71 in Wirkverbindung, da sie für das Auf und Ab der beweglichen Teile des Pointabsorbers sorgt. Der Lineargenerator 72 als Teil des Pointabsorbers ist mit der geregelten Leistungselektronik 74 verbunden, die Schalter enthält, die den Strom durch die Spulen des Stators steuern. Geregelt wird die geregelte Leistungselektronik 74 durch den Impedanzregler 76, der Informationen über den Wellenhub von der Welle 70, über die Position des Schwimmkörpers von dem Pointabsorber 71 und die Auslenkung des Läufers gegenüber dem Stator von dem Lineargenerator 72 enthält. Die geregelte Leistungselektronik speist zudem Energie in den internen Energiespeicher 76, der seinerseits auch Energie durch die geregelte Leistungselektronik in den Lineargenerator 72 speisen kann. Die Leistungselektronik 74 steht auch in Verbindung mit dem Netz 75, das die von dem Lineargenerator erzeugte elektrische Energie letztlich aufnimmt und an die an das Netz 75 angeschlossenen Verbraucher abgibt.
Die Optimierungsvorrichtung 78 empfängt eine Information über den Wellenhub von der Welle 70, Informationen über die momentanen Kenngrößen des elektrischen Netzes 75, wie zum Beispiel Amplitude, Phase und Sequenz der im Netz 75 herrschenden Wechselspannung, sowie eine Information über den Ladezustand des internen Energiespeichers 77. Die Optimierungsvorrichtung steuert entsprechend dieser Information den Impedanzregler 76 an.
In einer Ausführungsform wird die Leistungselektronik 74 von dem Impedanzregler 76 derart angesteuert, dass eine elektromagnetische Kraft auf die Masse des Läufers wirkt, welche proportional zu der Bewegung der Masse ist und somit eine einstellbare Federsteifigkeit darstellt, wobei eine in dem System befindliche konventionelle Federsteifigkeit systematisch mit berücksichtigt wird.
Die Federsteifigkeit wird so angepasst, dass die resultierende Resonanzfrequenz des Pointabsorbers 71 an die Wellenfrequenz angepasst wird. Die überlagerte Optimierungsvorrichtung 78 übernimmt diese Aufgabe, und zwar derart, dass möglichst viel Energie von der Welle absorbiert wird.
Dafür wird die Leistungselektronik 74 von dem Impedanzregler 76 derart angesteuert, dass eine elektromagnetische Kraft auf die Masse wirkt, welche proportional der Geschwindigkeit der Masse ist und somit eine einstellbare Dämpfung bewirkt. Auf diese Weise kann der Masse gezielt Energie entzogen werden, welche dann über die Leistungselektronik 74 entweder dem internen Energiespeicher 77 oder dem Netz 75 zugeführt wird. Der interne Energiespeicher 77 stellt zudem die notwendige Energie zur Verfügung, damit die Vorgaben des Impedanzreglers 76 mittels der Leistungselektronik 74 in jedem Betriebsfall umgesetzt werden können.
Es wird ermöglicht, dass eine elektrische Feder und eine elektrische Dämpfung gleichzeitig realisiert werden. Eine Kombination von Feder und Dämpfer wird dabei als Impedanz bezeichnet. Die Regelvorrichtung, welche eine beliebige Impedanz realisiert, wird als der Impedanzregler 76 bezeichnet. Die Optimierungsvorrichtung 78 kann in Abhängigkeit der Energie des internen Energiespeichers 77, der aktuell verfügbaren Energie der Welle 70, die von dem aktuellen Seegang abhängt, sowie der Leistungsanforderung des Energieversorgers eine Sollimpedanz ermitteln. Die Sollimpedanz wird durch den Impedanzregler 76 mit Hilfe der Leistungselektronik 74 im System umgesetzt.
Das System Schwimmer, Masse, Feder, Dämpfer und Generator kann als inhomogene lineare Differenzialgleichung zweiter Ordnung beschrieben werden: mẍ + dẋ + cx = F₁ + F₂
Dabei ist m die Masse des Pointabsorbers, d die Systemdämpfung, zum Beispiel durch Reibung oder durch einen parallel geschalteten Hydraulikdämpfer. c ist die fest installierte Federsteifigkeit einer Feder, die zwischen dem Läufer und Stator des Lineargenerators geschaltet ist. F₁ ist Kraft, die Anregung des Pointabsorbers durch die Weile darstellt, und F₂ ist die Kraft, die mit Hilfe des Impedanzreglers 76 in Zusammenwirken mit der Leistungselektronik 74 bereitgestellt wird. x ist die relative Position zwischen Läufer 4 und Stator 3. Bei x = 0 ist der Läufer 4 in einer Mittenposition bezüglich dem Stator 3.
Es wird angenommen, dass F₂ aus zwei Bestandteilen besteht: F₂ = F_c + F_d
F_c ist der Anteil der Kraft F₂, mit dem die Resonanzfrequenz des Systems eingestellt wird. Dies erfolgt durch Variation der Federsteifigkeit. F_c wird folgendermaßen eingestellt: F_c = –(ĉ – c)x.
Damit folgt mẍ + dẋ + cx = F₁ + F_d – (ẋ – c)x mẍ + dẋ + ẋx = F₁ + F_d.
Die Grenzfrequenz f₉ ergibt sich somit zu
somit folgt
und somit für den Regleranteil
F_c wird dadurch eingestellt, dass zunächst die gewünschte Resonanzfrequenz f₉ gewählt wird. Diese befindet sich in der Regel in der Nähe der Frequenz der Welle, da bei dieser Resonanzfrequenz die meiste elektrische Energie aus der Wellenbewegung erzeugbar ist. c ist die Steifigkeit der Feder, die auch bekannt ist. Es wird jeweils die Auslenkung x gemessen und entsprechend die Kraft F_c proportional zu der Auslenkung x eingestellt.
Mit dem Ansatz F_d = –(d ^ – d)ẋ wird analog eine beliebige Dämpfung eingestellt.
Basierend auf der Lyapunov-Theorie kann diese Funktion F_d eine beliebige Form annehmen, wobei jedoch die Sektorbedingung –F_d(ẋ)ẋ ≥ 0 erfüllt werden muss, um Stabilität des Systems zu gewährleisten, das heißt, um dem System Energie zu entziehen. Ein Beispiel, wie die Funktion f_d(ẋ) in Abhängigkeit von ẋ aussehen könnte, ist in 8a gezeigt. 8b zeigt eine Alternative, bei der die Funktion F_d(ẋ) im linken oberen Quadranten asymtotisch entlang einer senkrechten Gerade verläuft. Diese Begrenzung dient dazu, das System bei zu hohen Geschwindigkeiten zu schützen. Die Funktion F_d kann somit viele verschiedene Formen annehmen. Ziel der Optimierung ist es, diejenige Funktion auszuwählen, welche den Energieertrag maximiert.
Die Regelung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer sogenannten Direct Torque Control (DTC, direkte Momentenkontrolle). Bei einer solchen wird der magnetische Fluss und das Moment mit Hilfe der gemessenen Spannung und der Ströme durch die Spuren des Stators abgeschätzt. So werden dabei Vorgabewerte für die Kraft, in diesem Fall F₂, gesetzt.
Die Frequenz und Umrichter, die eingesetzt werden, sind in der Lage, Energie aus einem Zwischenkreis zum Lineargenerator und zurück in den Zwischenkreis zu übertragen. Dazu werden beispielsweise rückspeisefähige Umrichter verwendet; solche können auch größere Energiemengen ohne unnötigen Energieverlust in beide Richtungen leiten.
Bezugszeichenliste

1: Wellenenergieanlage
2: Lineargenerator
3: Stator
4: Läufer
5: Magnet
6: Spule
7: Reaktionskörper
8: Schiebedurchführung
9: Schwimmkörper
10: Wellengang
11: Federelement
12: Kondensator
13: Träger (des Läufers)
14: Gehäuse
15: Kapsel
16: Wellenhub
17: Spulenkörper
18: Masse
19: Dämpfer
20: Wellenenergieanlage (Stand der Technik)
22: Ankerseil
23: Verbindungsstange
24: Wasserspiegel
25: oberer Anschlag
26: unterer Anschlag
27: Längsseite
28: Längsseite
29: permanentmagnetische Plättchen
30: Ende des Trägers
31: Ende des Trägers
32: Ende des Spulenkörpers
33: Ende des Spulenkörpers
34: Verwindungen
lL: wirksame Länge des Läufers
lS: Statorlänge bzw. Länge des Spulenkörpers
Δh: Wellenhub

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7304399 B1 [0002]

Claims

Wellenenergieanlage (1) mit einem Lineargenerator (2), wobei der Lineargenerator (2) einen Stator (3) und einen Läufer (4) aufweist, und wobei der Läufer (4) Magnete (5) aufweist und der Stator (3) Spulen (6) enthält, und wobei der Läufer (4) zur Erzeugung von elektrischer Energie gegenüber den Spulen (6) linear bewegbar ist, wobei ein Schwimmkörper (9) zum Folgen dem Auf- und Abschwingen eines Wellengangs (10) und ein Reaktionskörper (7) zum Ausführen einer Relativbewegung in Bezug auf den Schwimmkörper (9) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass – der Stator (3) in einem ersten der Körper Schwimmkörper (9) und Reaktionskörper (7) derart angeordnet ist, dass der Läufer (4) entlang dem Stator (3) auf- und abgleiten kann; – der Läufer (4) mit dem zweiten der Körper Schwimmkörper (9) und Reaktionskörper (7) gekoppelt ist und Wechselstrom in den Spulen (6) des Stators (3) induziert; – eine Stelleinrichtung (74) zum Ausüben von Rückstellkräften auf den Läufer (4) durch Einprägen von Strömen durch die Spulen (6) oder durch Anlegen von Spannung an den Spulen (6) vorgesehen ist.
Wellenenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stator (3) eine Spulenanordnung aus sich kreuzenden Spulen (6) vorgesehen ist, wobei im Kreuzungszentrum der Spulen (6) Permanentmagnete auf einem magnetischen Fluss führenden Träger (13) befestigt sind, und wobei die Permanentmagnete orthogonal zu den Spulenachsen angeordnet sind und den Läufer (4) bilden.
Wellenenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwebekörper (7) mit dem Stator (3) eine Massenträgheit aufweist, die um ein Vielfaches größer ist als die Massenträgheit des Läufers (4).
Wellenenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufers (4) eine Massenträgheit aufweist, die um ein Vielfaches größer ist als die Massenträgheit des Schwebekörpers (7) mit dem Stator (3).
Wellenenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung einen Frequenzwandler enthält.
Wellenenergieanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraft proportional zu einer Relativposition (x) zwischen Läufer (4) und Stator (3) ist.
Wellenenergieanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraft (F₂) sich aus der Summe zweier Teilkräfte zusammensetzt, von denen die erste Teilkraft (F_c) proportional zu einer Relativposition zwischen Läufer und Stator und die zweite Teilkraft (F_d) proportional zu einer Relativgeschwindigkeit zwischen Läufer und Stator ist.
Wellenenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraft abhängig von der Masse des Läufers und der Federsteifigkeit des rückstellenden Federelements (11) ist.
Wellenenergieanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reglereinrichtung (76), die aus einem gemessenen Strom durch die Spulen (6) und/oder einer gemessenen Spannung, die über den Spulen (6) anliegt, die Stelleinrichtung (7) ansteuert, vorgesehen ist.
Wellenenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein interner Speicher (77) für elektrische Energie vorgesehen ist, in dem von dem Lineargenerator (2) erzeugte Energie zwischengespeichert wird und aus dem elektrische Energie zum Erzeugen der Rückstellkräfte entnommen wird.
Wellenenergieanlage einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lineargenerator (2) in einem Gehäuse (14) gekapselt ist, wobei die Kapsel (15) in dem Schwebekörper (7) fixiert ist.
Wellenenergieanlage einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung der Eigenfrequenz des Schwebekörpers (7) durch Zu- und/oder Abpumpen von Meerwasser vorgesehen ist.
Wellenenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine beliebige Federsteifigkeit durch Zu- und Abschaltung von Kondensatoren (12) einstellbar ist.
Wellenenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Stators (3) größer ist als der erwartete maximale Wellenhub (16).
Wellenenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (4) mit dem Wellenhub (16) über eine Schiebedurchführung (8) des Schwebekörpers (7) gekoppelt ist, wobei die Masse des Stators (3) mit der Masse des Läufers (4) über eine Phasenverschiebung durch zusätzliche Kondensatoren (12) gekoppelt ist.
Wellenenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Auslenkung des Läufers (4) mechanisch durch einen Anschlag (25, 26) derart begrenzt ist, dass der Läufer (4) bei Umkehr der linearen Bewegung mindestens bis zur Hälfte der Länge (l_S) des Spulenkörpers (17) in dem Spulenkörper (17) verbleibt.
Wellenenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Auslenkung des Läufers (4) mechanisch durch einen Anschlag (25, 26) derart begrenzt ist, dass die Läufer (4) bei Umkehr der linearen Bewegung mindestens bis zu zwei Dritteln der Länge (l_S) des Spulenkörpers (17) in dem Spulenkörper (17) verbleibt.