DE102011105177A1

DE102011105177A1 - Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters und Wellenenergiekonverter

Info

Publication number: DE102011105177A1
Application number: DE102011105177A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Hagemann; Nik Scharmann; Daniel Thull; Michael Hilsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2012-12-20
Also published as: WO2012171600A1; EP2721286A1; US20140202146A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters (1) zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines Fluids in eine andere Energieform, mit wenigstens einem Rotor (11) und wenigstens einem mit dem wenigstens einen Rotor gekoppelten Energiewandler, wobei durch die Wellenbewegung ein auf den wenigstens einen Rotor (11) wirkendes erstes Drehmoment und durch den wenigstens einen Energiewandler ein auf den wenigstens einen Rotor (11) wirkendes zweites Drehmoment (M1) erzeugt wird, wobei im Rahmen einer Energieumwandlungssteuerung das zweite Drehmoment (M1) vorgegeben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters und einen Wellenenergiekonverter.
Stand der Technik
Zur Umwandlung von Energie aus Wellenbewegungen in Gewässern in nutzbare Energie sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Vorrichtungen bekannt, die auf hoher See oder in Küstennähe eingesetzt werden können. Eine Übersicht über Wellenenergiekraftwerke gibt beispielsweise G. Boyle, "Renewable Energy", 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004.
Unterschiede ergeben sich unter anderem in der Art, in der die Energie der Wellenbewegung entnommen wird. So sind auf der Wasseroberfläche schwimmende Bojen bzw. Schwimmkörper bekannt, durch deren Heben und Senken beispielsweise ein Lineargenerator angetrieben wird. Bei einem anderen Maschinenkonzept, dem sogenannten ”Wave Roller”, wird am Meeresboden ein flächiges Widerstandselement angebracht, das durch die Wellenbewegung hin und her gekippt wird. Die Bewegungsenergie des Widerstandselements wird in einem Generator beispielsweise in elektrische Energie umgewandelt. In derartigen oszillierenden Systemen kann allerdings nur ein maximaler Energieertrag von 0,5 erreicht werden, so dass ihre Wirtschaftlichkeit in der Regel nicht zufriedenstellend ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Wellenenergiekonverter von Interesse, die im Wesentlichen unter der Wasseroberfläche angeordnet sind, und bei denen eine Kurbel- bzw. Rotorwelle durch die Wellenbewegung in Rotation versetzt wird.
Aus der Veröffentlichung von Pinkster et al., "A rotating wing for the generation of energy from waves", 22. International Workshop an Water Waves and Floating Bodies (IWWWFB), Plitvice, 2007, ist in diesem Zusammenhang ein Anlagenkonzept bekannt, bei dem der Auftrieb eines angeströmten Auftriebsläufers, also eines einen hydrodynamischen Auftrieb erzeugenden Kopplungskörpers, in eine Rotationsbewegung umgesetzt wird.
Ferner offenbart die US 2010/0150716 A1 ein System aus mehreren schnelllaufenden Rotoren mit Auftriebsläufern, bei dem die Rotorperiode kleiner als die Wellenperiode ist und eine separate Profilverstellung vorgenommen wird. Durch eine geeignete, jedoch nicht näher offenbarte Verstellung der Auftriebsläufer sollen resultierende Kräfte auf das System erzeugt werden, die für unterschiedliche Zwecke einsetzbar sind. Nachteilig an dem in der US 2010/0150716 A1 offenbarten System ist der Einsatz von schnelllaufenden Rotoren vom Voith-Schneider-Typ, die einen hohen Aufwand bei der Verstellung der Auftriebsläufer erfordern. Diese müssen kontinuierlich in einem nicht unbeträchtlichen Winkelbereich verstellt werden, um den jeweils an dem Auftriebsläufer vorherrschenden Anströmbedingungen angepasst zu werden. Zum Ausgleich der auf die Einzelrotoren wirkenden, aus Rotor- und Generatormoment resultierenden Kräfte sind zudem stets mehrere Rotoren in definierten Abständen zueinander erforderlich.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zu Grunde, rotierende Wellenenergiekonverter, insbesondere im Sinne einer größeren Energieausbeute und eines geringeren konstruktiven und/oder steuerungstechnischen Aufwands, zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Anmeldung ein Verfahren zum Betreiben eines Wellenkraftwerks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Möglichkeit, einen möglichst großen Energieertrag der Maschine über ein gewisses Zeitfenster zu erzielen. Dafür werden in unterschiedlichen Ausführungsformen gezielt verschiedene Größen innerhalb der Anlage vorgegeben. Zum Steuern der Energieumwandlung wird erfindungsgemäß ein zweites Drehmoment gezielt vorgegeben, welches durch einen mit dem Rotor gekoppelten Energiewandler bereitgestellt wird. Unter ”Vorgeben” wird im Rahmen dieser Anmeldung sowohl eine Steuerung im offenen Regelkreis (auch als Stellen oder Vorsteuern bezeichnet) als auch – mehr bevorzugt – eine Steuerung im geschlossenen Regelkreis (auch als Regeln bezeichnet) verstanden. Die Energieumwandlungssteuerung dient insbesondere dazu, eine erwünschte Energie über einen erwünschten Zeitraum abzugeben.
Die Energieumwandlungssteuerung beeinflusst daher in bevorzugter Ausführungsform auch die Ausrichtung von Gehäuse bzw. Rahmen (Stator) und der Kopplungskörper zum umgebenden Strömungsfeld, so dass diese optimal (im Sinne der gewünschten Energieausbeute) über das betrachtete Zeitfenster sind.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung wird die Energieumwandlungssteuerung mit einer Lagesteuerung verknüpft, um unerwünschte Änderungen der Lage (x-, y-, und z-Koordinate sowie Verdrehung θ um alle drei Achsen) der Maschine zu verhindern, sodass keine Gefährdung der Anlage und/oder der Umgebung entsteht. Die Erfindung ermöglicht auch eine gezielte Verschiebung oder Verdrehung der Maschine im Raum und/oder eine Stabilisierung.
Die hier vorgestellte Erfindung betrachtet ganz allgemein Anlagen mit rotatorischem Wirkprinzip, z. B. auch Konverter mit mehreren Rotoren, wie z. B. in 5 dargestellt. Die nachfolgenden Ausführungen gelten daher grundsätzlich für Wellenenergiekonverter mit einem oder mehreren Rotoren.
Insgesamt wird ein Wellenenergiekonverter mit wenigstens einem, wie unten erläutert, vorteilhafterweise synchron oder weitgehend synchron zu einer Wellen(orbital)bewegung bzw. -strömung rotierenden Rotor zur Wandlung von Energie aus einem welligen Gewässer bereitgestellt, der energetisch und steuerungstechnisch vorteilhaft ist, und bei dem zudem durch einen entsprechenden Betrieb gezielt (resultierende) Kräfte beeinflusst und für eine Beeinflussung des Gesamtsystems nutzbar gemacht werden können. Mit einem derartigen Wellenenergiekonverter kann bei geeigneter Auslegung und Betriebsführung nahezu eine vollständige Auslöschung und damit Ausnutzung der einlaufenden Welle erreicht werden. Dies gilt insbesondere für monochromatische Wellen. Die Verstellung der in einem entsprechenden Wellenenergiekonverter verwendeten Auftriebsläufer, also von Kopplungskörpern, die dafür eingerichtet sind, eine Wellenbewegung in eine Auftriebskraft und damit in ein Drehmoment eines Rotors umzusetzen, muss aufgrund des synchronen oder weitgehend synchronen Betriebs nicht oder nur in einem geringen Umfang erfolgen, da eine Anströmung eines entsprechenden Profils hierbei über die gesamte Rotation des das Profil tragenden Rotors hinweg weitgehend aus einer gleichen Anströmrichtung erfolgt. Eine Anpassung eines Anstellwinkels γ, wie bei den bekannten Voith-Schneider-Rotoren (auch als Pitchen bezeichnet), ist daher nicht erforderlich, kann jedoch vorteilhaft sein.
In Meereswellen bewegen sich die Wasserpartikel auf weitgehend kreisförmigen sogenannten Orbitalbahnen (in Form einer Orbitalbewegung bzw. Orbitalströmung, wobei beide Begriffe auch synonym verwendet werden). Dabei bewegen sich die Wasserpartikel unter einem Wellenberg in Ausbreitungsrichtung der Welle, unter dem Wellental entgegen der Wellenausbreitungsrichtung und in den beiden Nulldurchgängen aufwärts bzw. abwärts. Die Strömungsrichtung an einem festen Punkt unter der Wasseroberfläche (nachfolgend als lokale bzw. momentane Anströmung bezeichnet) ändert sich also kontinuierlich mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit O. Die Orbitalströmung ist im Tiefwasser weitgehend kreisförmig, im Flachwasser werden aus den kreisförmigen Orbitalen zunehmend flach liegende Ellipsen. Eine Strömung kann der Orbitalströmung überlagert sein.
Die Orbitalradien sind abhängig von der Tauchtiefe. Sie sind an der Oberfläche maximal – hier entspricht der Orbitaldurchmesser der Wellenhöhe – und nehmen mit zunehmender Wassertiefe exponentiell ab. Bei einer Wassertiefe von etwa der halben Wellenlänge kann daher nur noch ca. 5% der Energie gewonnen werden wie nahe der Wasseroberfläche. Getauchte Wellenenergiekonverter werden deswegen vorzugsweise oberflächennah betrieben.
Vorteilhafterweise ist ein Rotor mit weitgehend horizontaler Rotorachse und mindestens einem Kopplungskörper vorgesehen. Der Rotor rotiert vorteilhafterweise synchron mit der Orbitalströmung mit einer Winkelgeschwindigkeit ω und wird über den wenigstens einen Kopplungskörper von der Orbitalströmung angetrieben. Mit anderen Worten wird also durch die Wellenbewegung des Wassers, genauer durch seine Orbitalströmung, ein Drehmoment (im Rahmen dieser Erfindung als ”erstes Drehmoment” oder ”Rotor(dreh)moment” bezeichnet), erzeugt, das auf den Rotor wirkt. Stimmen die Periodendauer der Rotorrotationsbewegung und jene der Orbitalströmung, zumindest in einem gewissen Umfang, überein (zum hier verwendeten Begriff der ”Synchronität” vgl. unten), so ergibt sich, abgesehen von dem erwähnten Tiefeneffekt sowie von Breiteneffekten bei großen Rotordurchmessern, am Kopplungskörper stets eine konstante lokale Anströmung. Hierdurch kann der Wellenbewegung kontinuierlich Energie entzogen und durch den Rotor in ein nutzbares Drehmoment gewandelt werden.
Unter dem Begriff ”Kopplungskörper” sei in diesem Zusammenhang jede Struktur verstanden, durch die sich die Energie eines anströmenden Fluids in eine Rotorbewegung bzw. ein entsprechendes Rotormoment einkoppeln lässt. Kopplungskörper können, wie unten erläutert, insbesondere als Auftriebsläufer (auch als ”Flügel” bezeichnet) ausgebildet sein, jedoch auch Widerstandsläufer umfassen.
Der Begriff der ”Synchronität” kann dabei eine Rotorrotationsbewegung bezeichnen, aufgrund derer sich zu jedem Zeitpunkt eine vollständige Übereinstimmung zwischen der Lage des Rotors und der Richtung der lokalen Anströmung, die durch die Orbitalströmung zustande kommt, ergibt. Vorteilhafterweise kann eine ”synchrone” Rotorrotationsbewegung aber auch derart erfolgen, dass sich zwischen der Lage des Rotors bzw. wenigstens eines an dem Rotor angeordneten Kopplungskörpers und der lokalen Anströmung ein definierter Winkel oder ein definierter Winkelbereich (d. h. der Phasenwinkel wird über ein Umdrehung innerhalb des Winkelbereichs gehalten) ergibt. Es ergibt sich daher ein definierter Phasenversatz bzw. Phasenwinkel Δ zwischen Rotorrotationsbewegung ω und Orbitalströmung O. Die ”Lage” des Rotors bzw. des wenigstens einen an dem Rotor angeordneten Kopplungskörpers ist dabei stets z. B. durch eine gedachte Linie durch die Rotorachse und bspw. die Drehachse oder den Schwerpunkt eines Kopplungskörpers definierbar.
Eine derartige Synchronität ist insbesondere für monochromatische Wellenzustände, d. h. Wellenzustände mit stets konstanter Orbitalströmung O, direkt ableitbar. Unter Realbedingungen, d. h. in realen Seegängen, in denen sich Orbitalgeschwindigkeit und -durchmesser durch wechselseitige Überlagerung von Wellen, durch wechselnden Windeinfluss und dergleichen ändern (sogenannte multichromatische Wellenzustände), kann jedoch ebenfalls vorgesehen sein, dass die Maschine unter einem nur in einem gewissen Rahmen konstanten Winkel zur jeweiligen aktuellen Anströmung betrieben wird. Hierbei lässt sich ein Winkelbereich definieren, innerhalb dessen die Synchronität noch als eingehalten angesehen wird. Dies kann durch geeignete steuerungstechnische Maßnahmen unter Einbeziehung der Verstellung wenigstens eines Kopplungskörpers zur Erzeugung des erwähnten ersten Drehmoments und/oder eines bremsend oder beschleunigend wirkenden zweiten Drehmoments des Energiewandlers erreicht werden. Nicht alle Kopplungskörper müssen dabei notwendigerweise verstellt werden oder über eine entsprechende Verstellmöglichkeit verfügen. Insbesondere ist keine synchrone Verstellung mehrerer Kopplungskörper erforderlich.
Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass auf eine vollständige Synchronität, bei der die Anströmung des wenigstens einen Kopplungskörpers lokal immer aus der gleichen Richtung erfolgt, verzichtet wird. Stattdessen kann der Rotor auf mindestens eine Hauptkomponente der Welle (z. B. eine Hauptschwingungsmode überlagerter Wellen) synchronisiert werden und damit zeitweise der lokalen Strömung vor- bzw. nacheilen. Dies kann durch eine entsprechende Anpassung des ersten und/oder zweiten Drehmoments erreicht werden. Auch ein derartiger Betrieb ist noch von dem Begriff ”synchron” umfasst, ebenso wie eine Schwankung des Phasenwinkels in gewissen Bereichen, die dazu führt, dass der Rotor zwischenzeitlich eine Beschleunigung (positiv oder negativ) gegenüber der Wellenphase erfahren kann.
Die Drehzahl eines ”synchronen” oder ”weitgehend synchronen” Rotors stimmt daher in etwa, d. h. innerhalb bestimmter Grenzen, mit der jeweils aktuell vorherrschenden Wellendrehzahl überein. Abweichungen akkumulieren sich hierbei nicht, sondern werden weitgehend gegenseitig oder über die Zeit bzw. ein gewisses Zeitfenster ausgeglichen. Ein wesentlicher Aspekt der Energieumwandlungssteuerung kann darin bestehen, eine Synchronität zu erhalten.
Besonders bevorzugt werden Kopplungskörper aus der Klasse der Auftriebsläufer verwendet, die bei einer Anströmung unter einem Anströmungswinkel a neben einer Widerstandskraft in Richtung der lokalen Anströmung insbesondere eine im Wesentlichen senkrecht zur Anströmung gerichtete Auftriebskraft erzeugen. Dabei kann es sich beispielsweise um Auftriebsläufer mit Profilen gemäß dem NACA-Standard (National Advisory Committee for Aeronautics) handeln, die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Profile beschränkt. Besonders bevorzugt können Eppler-Profile zum Einsatz kommen. Bei einem entsprechenden Rotor ergibt sich die lokale Anströmung und der damit verknüpfte Anströmwinkel a dabei aus einer Überlagerung der Orbitalströmung v_Welle in der zuvor erläuterten lokalen bzw. momentanen Wellenanströmrichtung, der Rotationsgeschwindigkeit des Auftriebsläufers v_Rotor am Rotor und dem Anstellwinkel γ des Auftriebsläufers. Damit kann insbesondere durch eine Verstellung des Anstellwinkels γ des wenigstens einen Auftriebsläufers die Ausrichtung des Auftriebsläufers auf die lokal vorliegenden Anströmungsverhältnisse optimiert werden. Weiterhin sind auch eine Verwendung von Klappen ähnlich wie jene an Flugzeugflügeln und/oder eine Änderung der Auftriebsprofilgeometrie (sogenanntes ”Morphing”) zur Beeinflussung der Anströmung möglich. Die genannten Änderungen seien von der Formulierung ”Formveränderung” umfasst.
Das erwähnte erste Drehmoment kann daher z. B. über den Anstellwinkel γ beeinflusst werden. Es ist bekannt, dass mit steigendem Anströmwinkel a die resultierenden Kräfte auf den Auftriebsläufer zunehmen, bis bei der sogenannten Stallgrenze, bei der ein Strömungsabriss erfolgt, ein Einbruch des Auftriebsbeiwerts zu beobachten ist. Die resultierenden Kräfte steigen ebenfalls mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit. Das bedeutet, dass über eine Änderung des Anstellwinkels γ und damit verbunden des Anströmwinkels a die resultierenden Kräfte und damit das auf den Rotor wirkende Drehmoment beeinflusst werden können.
Das erwähnte zweite Drehmoment, nachfolgend auch als ”Generatormoment” bezeichnet, wirkt sich ebenfalls auf die Rotationsgeschwindigkeit v_Rotor aus und beeinflusst damit ebenfalls den Anströmwinkel a. Das zweite Moment stellt im konventionellen Betrieb von Energieerzeugungsanlagen ein Bremsmoment dar, das durch die Wechselwirkung eines Generatorläufers mit dem zugehörigen Ständer zustande kommt und in elektrische Energie umgesetzt wird. Ein entsprechender Energiewandler in Form eines Generators kann jedoch zumindest während bestimmter Zeiträume auch motorisch betrieben werden, so dass das zweite Moment auch in Form eines Beschleunigungsmoments auf den Rotor wirken kann. Um die vorteilhafte Synchronität zu erreichen, kann das Generatormoment passend zur aktuellen Auftriebsprofileinstellung und den daraus resultierenden Kräften/Momenten so eingestellt werden, dass sich die gewünschte Rotationsgeschwindigkeit mit dem richtigen Phasenversatz zur Orbitalströmung einstellt. Eine Beeinflussung des Generatormoments kann u. a. durch Beeinflussung eines Erregerstroms durch den Läufer (bei fremderregten Maschinen) und/oder durch die Ansteuerung der Kommutierung eines dem Ständer nachgeschalteten Stromrichters erfolgen.
Aus den Kräften an den einzelnen Kopplungskörpern ergibt sich aus der vektoriellen Überlagerung schließlich eine Rotorkraft, die als senkrecht zur Rotorachse gerichtete Lagerkraft (auch als Reaktionskraft bezeichnet) auf das Gehäuse des Rotors wirkt. Diese ändert ihre Richtung kontinuierlich, da sich auch die Anströmung des Rotors und die Position der Kopplungskörper kontinuierlich ändern. Im zeitlichen Mittel ergibt sich bei einer gewollten oder ungewollten Asymmetrie der Lagerkraft über die Zeit eine Effektivkraft, die ebenfalls senkrecht zur Rotorachse wirkt und in Form einer translatorischen oder, bei mehreren Rotoren, als Kombination translatorischer Kräfte, eine Lage eines entsprechenden Wellenenergiekonverters beeinflussen und gezielt zur Lagebeeinflussung genutzt werden kann. Bei entsprechender Ausgestaltung der Kopplungskörper, z. B. bei schräger Anordnung ihrer Längsachsen, kann auch eine senkrecht zur Rotorachse gerichtete Lagerkraft erzeugt werden, wie an anderer Stelle näher erläutert.
Da der Rotor vorzugsweise als unter der Oberfläche eines welligen Gewässers schwimmendes System ausgeführt ist, wirkt die erläuterte Rotorkraft als verschiebende Kraft auf den Gesamtrotor und muss entsprechend abgestützt werden, wenn sich die Position des Rotors nicht verändern soll. Wie erwähnt, wird dies beispielsweise in der US 2010/0150716 A1 durch die Bereitstellung mehrerer Rotoren, deren Kräfte einander entgegenwirken, erzielt. Über eine Umdrehung kompensieren sich dabei die Verschiebungen, wenn von konstanten Anströmbedingungen an den Kopplungskörpern und gleichen Einstellungen der Anstellwinkel γ und damit des ersten Drehmoments und einem konstanten zweiten Drehmoment ausgegangen wird.
Durch eine geeignete Änderung der Rotorkraft durch Beeinflussung des ersten und/oder zeiten Drehmoments kann also unter Einhaltung der Synchronität auch erreicht werden, dass sich die Rotorkräfte pro Umdrehung nicht kompensieren, so dass bspw. eine Verschiebung des Rotors senkrecht zu seiner Rotationsachse erzielt werden kann.
Weist ein Rotor mehrere Kopplungskörper auf, so kann vorgesehen sein, dass jeder Kopplungskörper über eine eigene Verstellvorrichtung verfügt, so dass die Kopplungskörper unabhängig voneinander eingestellt werden können. Vorteilhaftweise werden die Kopplungskörper auf die jeweils lokal vorliegenden Strömungsbedingungen eingestellt. Dadurch können auch Tiefen- und Breiteneffekte ausgeglichen werden. Bei dem zuvor erläuterten ”synchroner” Betrieb wird das Generatormoment dabei auf das durch die Summe der Kopplungskörper erzeugte Rotormoment abgestimmt.
Zur Steuerung des Wellenenergiekonverters ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen. Diese nutzt als Steuergrößen das verstellbare zweite Drehmoment des mindestens einen Rotors und/oder das verstellbare erste Drehmoment, bspw. durch die Verstellung des mindestens einen Kopplungskörpers. Neben den Maschinenzustandsgrößen mit Erfassung von Rotorwinkel und/oder Kopplungskörperverstellung kann das aktuell vorliegende lokale Strömungsfeld der Welle genutzt werden. Dieses kann mit entsprechenden Sensoren bestimmt werden. Dabei können diese Sensoren mitrotierend auf Teilen des Rotors und/oder auf dem Gehäuse und/oder unabhängig von der Maschine, vorzugsweise dieser vorgelagert angeordnet sein. Eine lokale, regionale und globale Erfassung eines Strömungsfelds, einer Wellenausbreitungsrichtung, einer Orbitalströmung und dergleichen kann vorgesehen sein, wobei sich eine ”lokale” Erfassung auf die unmittelbar an einer Komponente eines Wellenenergiekonverters vorherrschenden Bedingungen, eine ”regionale” Erfassung auf Komponentengruppen oder eine Einzelanlage und eine ”globale” Erfassung auf das Gesamtsystem oder einen entsprechenden Anlagenpark beziehen kann. Hierdurch kann eine prädiktive Messung und Vorhersage von Wellenzuständen vorgenommen werden. Messgrößen können beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit und/oder Strömungsrichtung und/oder Wellenhöhe und/oder Wellenlänge und/oder Periodendauer und/oder Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und/oder Maschinenbewegung und/oder Haltemomente der Kopplungskörperverstellung und/oder Verstellmomente der Kopplungskörper und/oder das Rotormoment und/oder in ein Mooring eingeleitete Kräfte sein.
Vorzugsweise lassen sich aus den Messgrößen die aktuell vorliegenden Anströmverhältnisse am Kopplungskörper bestimmen, so dass dieser und/oder das zweite Drehmoment entsprechend eingestellt werden können, um die übergeordneten Regelziele zu erreichen.
Besonders bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass durch geeignete Messungen vorgelagert vor der Maschine oder einem Park aus mehreren Maschinen das gesamte sich ausbreitende Strömungsfeld bekannt ist. Durch geeignete Berechnungen kann damit die folgende lokale Anströmung an der Maschine bestimmt werden, wodurch eine besonders genaue Steuerung der Anlage ermöglicht wird. Mit derartigen Messungen wird es insbesondere möglich, eine übergeordnete Steuerung der Maschine, die sich beispielsweise auf eine Hauptkomponente der einlaufenden Welle ausrichtet, zu implementieren. Damit ist ein besonders robuster Maschinenbetrieb möglich.
Alle Rotoren drehen sich relativ zu einem oder mehreren miteinander verbundenen Gehäusen. Diese Gehäuse können weitgehend starr oder verstellbar miteinander verbunden sein. Die Verbindung aller Gehäuse miteinander wird als Rahmen bezeichnet. Vorzugsweise kann über eine Verstellvorrichtung der Abstand von Rotoren untereinander (bspw. der Abstand der Teilanlagen 1a und 1b in 5 in y Richtung) verändert werden, oder auch eine Verdrehung der einzelnen Gehäuse und Rotoren (Rotationsebene) zueinander erreicht werden. Die Positionen und Verdrehungen der Teilanlagen zueinander werden in einem Vektor p → zusammengefasst. Die ggf. zur Verfügung stehenden Verstellparameter aller Kopplungskörper werden dann im Vektor zusammengefasst. Dabei kann ein Kopplungskörper keinen Freiheitsgrad besitzen (und damit keinen zugehörigen Verstellparameter), genau einen Freiheitsgrad oder auch mehrere Freiheitsgrade (z. B. Änderung eines Anstellwinkels und Verdrehung des verwendeten Flügelprofils, Veränderung von Klappenpositionen, Formveränderungen usw.)
Das Bremsmoment zwischen dem Rotor i und dem Gehäuse i wird als M_i bezeichnet und alle betrachteten Bremsmomente im Vektor M → zusammengefasst. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass es sich bei dem Gehäuse um den Ständer eines direktgetriebenen Generators und bei der Rotorbasis um den Läufer dieses direktgetriebenen Generators handelt. Alternativ sind jedoch auch ändere Triebstrangvarianten denkbar, die neben oder anstelle eines Generators ein Getriebe und/oder hydraulische Komponenten, wie z. B. Pumpen, enthält. Das Bremsmoment kann ausschließlich positiv oder positiv und negativ sein. Das Bremsmoment kann zusätzlich oder auch ausschließlich durch eine geeignete Bremse realisiert sein. Außerdem kann die Realisierung der Bremsmomente für die verschiedenen Rotoren unterschiedlich sein.
Der Drehwinkel und die Drehgeschwindigkeit des Rotors i werden als ψ_i bzw. ω_i bezeichnet und die entsprechenden Größen für alle Rotoren in den Vektoren ψ → bzw. ω → zusammengefasst. Die Position eines festgelegten Punkts (bspw. Schwerpunkt) des Rahmens wird mit (x, y, z) bezeichnet und die Verdrehung des Rahmens um festgelegte Achsen durch diesen Punkt als (Θ_x, Θ_y, Θ_z) (zusammengefasst im Vektor θ →).
Die Erfindung beinhaltet eine gezielte Vorgabe des Bremsmoments M →. Die Erfindung beinhaltet in bevorzugter Ausführungsform auch eine gezielte Vorgabe der Verstellparameter γ → der Kopplungskörper und/oder der hydrostatische Auftriebskräfte F →_B und/oder der Rahmengeometrie p → und/oder des Schubs von einem oder mehreren Zusatzantrieben. Zur Umsetzung der Erfindung ist zweckmäßigerweise eine entsprechend programmtechnisch eingerichtete Recheneinheit vorhanden. Hinsichtlich weiterer Details wird auf 4 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
Die Vektoren γ →, M →, F →_B , p → können kein Element (wenn keine Stelleinrichtung für diese Größe vorhanden ist), genau ein Element oder auch beliebig viele Elemente beinhalten, je nach Zahl der insgesamt vorhandenen Verstelleinrichtungen und Freiheitsgrade der verstellbaren Bremsmomente, Kopplungskörper und verstellbaren Auftriebskräfte. Das Ziel der Vorgabe dieser Größen umfasst wenigstens ein Element aus der Gruppe, welche umfasst: Maximierung der durch die Anlage produzierten Energie über ein bestimmtes Zeitintervall, Sicherstellung einer möglichst konstanten Leistung (Stromerzeugung), Stabilisierung der Position r → des Rahmens im Raum, Stabilisierung der Verdrehung θ → des Rahmens, eine gezielte Verschiebung der Maschine, eine gezielte Drehung der Maschine, eine gezielte Schwingungsanregung und ein Anlaufen der Maschine.
Die Erfindung ermöglicht einen besonders wirtschaftlichen Betrieb der Anlage, da stets zur Energieerzeugung geeignete Bedingungen sichergestellt sind. Bei bestimmten, nichtidealen Strömungsbedingungen (z. B. verhältnismäßig schnelle Änderung der Strömungsbedingungen innerhalb weniger Minuten), wird die Umwandlung der Wellenenergie in eine nutzbare Energieform durch die Erfindung überhaupt erst möglich. Die Erfindung ermöglicht auch eine Stabilisierung der Rotorachse im Raum und eine Stabilisierung oder gezielte Veränderung der Tauchtiefe und der damit verbundenen Mooringkräfte. Dadurch können die Verankerung der Anlage und evtl. vorhandene Zusatzantriebe klein und kostengünstig dimensioniert werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wellenenergiekonverters in perspektivischer Ansicht.
2 zeigt den Wellenenergiekonverter gemäß 1 in einer Seitenansicht und veranschaulicht den Anstellwinkel γ und den Phasenwinkel Δ zwischen Rotor und Orbitalströmung.
3 zeigt resultierende Anströmwinkel a₁ und a₂ und resultierende Kräfte an den Kopplungskörpern des Rotors aus 2.
4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wellenenergiekonverters in perspektivischer Ansicht.
5 zeigt eine Anlage aus drei Wellenenergiekonvertern gemäß 1 in perspektivischer Ansicht.
6 zeigt ein allgemeines Regelschema zur Steuerung eines Wellenenergiekonverters.
7 zeigt ein erstes Regelschema zur Verstellung eines Bremsmoments gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt ein zweites Regelschema zur Verstellung eines Bremsmoments mit getrennter Vorsteuerung und Regelung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
9 zeigt ein Regelschema zur Verstellung eines Bremsmoments und von Kopplungskörpern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
10 zeigt ein Regelschema einer kombinierten Energieumwandlungs- und Lagesteuerung zur Verstellung eines Bremsmoments, von Kopplungskörpern und einer Auftriebskraft gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
11 zeigt ein Blockschaltbild der Lagesteuerung gemäß 10.
12 zeigt ein Blockschaltbild der Energieumwandlungssteuerung gemäß 10.
13 zeigt ein Modell der Kopplungskörper für die Energieumwandlungssteuerung gemäß 12.
14 zeigt eine Variante der Lagesteuerung gemäß 11.
15 zeigt eine weitere Variante der Lagesteuerung gemäß 11.
In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben. Auf eine wiederholte Erläuterung wird der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
Die vorgestellte Erfindung bezieht sich auf den Betrieb von rotierenden Anlagen zur Gewinnung von Energie aus bewegten Fluiden, beispielsweise aus dem Meer. Das Funktionsprinzip solcher Anlagen wird im Folgenden zunächst unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 erläutert.
1 zeigt einen Wellenenergiekonverter 1 mit einer Rotorbasis 2, einem Gehäuse 7 und vier jeweils über Hebelarme 4 drehfest an der Rotorbasis 2 befestigte Kopplungskörper 3. Der Wellenenergiekonverter 1 ist zum Betrieb unterhalb der Wasseroberfläche eines welligen Gewässers – beispielsweise eines Ozeans – vorgesehen. Die Kopplungskörper 3 sind im gezeigten Beispiel als Auftriebsprofile ausgeführt. Die Komponenten 2, 3, 4 sind Bestandteile eines Rotors 11. Die Position des Gehäuses 7 wird durch die Position r → = (x, y, z) des Gehäuseschwerpunkts und die Verdrehung θ → = (Θ_x, Θ_y, Θ_z) des Gehäuses um die x-, y- und z-Achse beschrieben. Das Gehäuse 7 ist Bestandteil eines Rahmens 12. Der Rotor 11 ist relativ zum Rahmen 12 drehbar gelagert. Es sei darauf hingewiesen, dass in der gezeigten Darstellung insbesondere alle Hebelarme 4 drehfest an ein und derselben Rotorbasis 2 befestigt sind. Der Rahmen 12 ist drehfest mit einem Ständer eines direktgetriebenen Generators verbunden, der Rotor 11 (hier die Rotorbasis 2) ist drehfest mit einem Läufer dieses direktgetriebenen Generators verbunden.
Die Kopplungskörper 3 sind als Auftriebsläufer ausgebildet und in einem Winkel von 180° zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind die Auftriebsläufer in der Nähe ihres Druckpunktes gehaltert, um im Betrieb auftretende Rotationsmomente auf die Auftriebsläufer und damit die Anforderungen an die Halterung und/oder die Verstelleinrichtungen zu reduzieren.
Zweckmäßigerweise steht für jeden der Kopplungskörper 3 (üblicherweise ebenfalls als Bestandteil des Rotors) eine Verstelleinrichtung 5 mit mindestens einem Freiheitsgrad zur Verfügung, um die Stellung (z. B. ”Pitchwinkel”) des jeweiligen Kopplungskörpers zu verändern und damit die Wechselwirkung zwischen Fluid und Kopplungskörper zu beeinflussen. Der Freiheitsgrad der Verstelleinrichtungen wird hier durch Verstellparameter γ₁ bis γ₄ beschrieben. Bei den Verstelleinrichtungen handelt es sich vorzugsweise um elektromotorische Verstelleinrichtungen. Vorzugsweise steht auch eine Sensorik 6 zum Erfassen der aktuellen Verstellung bereit.
2 zeigt eine Seitenansicht der Anlage bei um 90° verdrehten Hebelarmen. Die Verstellparameter γ₁ und γ₂ (wie auch die Verstellparameter γ₃ und γ₄) bezeichnen bei dem vorliegenden Beispiel die Anstellwinkel der Kopplungskörper 3 zur Tangente (mit einem Pfeil dargestellt) der Kreisbahn durch den Aufhängepunkt (Drehpunkt) der Kopplungskörper.
Der Wellenenergiekonverter 1 ist von einem Strömungsvektorfeld ν → umgeben. Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird davon ausgegangen, dass es sich bei der Anströmung um die Orbitalströmung von Meereswellen, deren Richtung sich kontinuierlich ändert, handelt. Im dargestellten Fall ist die Drehung der Orbitalströmung entgegen dem Uhrzeigersinn orientiert, die dazugehörige Welle breitet sich also von rechts nach links aus. Im monochromatischen Fall ändert sich die Anströmungsrichtung dabei mit der Winkelgeschwindigkeit O = 2pf = const., wobei f die Frequenz der monochromatischen Welle darstellt. In multichromatischen Wellen unterliegt O dagegen einer zeitlichen Änderung, O = f(t), da die Frequenz f eine Funktion der Zeit ist, f = f(t). Durch die Anströmung entstehen Kräfte an den Kopplungskörpern. Dadurch verändert sich der Winkel ψ₁, der Rotorbasis 2 gegenüber der Horizontalen mit der Drehgeschwindigkeit ω₁ = ψ .₁ , ( ψ .₁ bezeichnet die Ableitung der zeitabhängigen Größe ψ₁ nach der Zeit). Es ist vorgesehen, dass der Rotor 2, 3, 4 synchron zur Orbitalströmung der Wellenbewegung mit ω₁ rotiert, wobei der Begriff der Synchronität in der zuvor erläuterten Weise zu verstehen ist. Hierbei gilt beispielsweise O ≈ ω₁. Ein Wert oder ein Wertebereich für eine Winkelgeschwindigkeit ω₁ des Rotors wird also auf Grundlage einer Winkelgeschwindigkeit O der Orbitalströmung vorgegeben oder an diese angepasst. Hierbei kann eine konstante Steuerung oder eine kurzzeitige bzw. kurzfristige Anpassung erfolgen.
Am Rotor 11 wirkt ein veränderbares Bremsmoment M₁ zwischen der Rotorbasis 2 und dem Gehäuse 7 bzw. Rahmen 12. Das Bremsmoment kann in positiver Richtung (entgegen der Drehgeschwindigkeit ω₁) aber auch in negativer Richtung (also antreibend) wirken.
Zwischen der Rotororientierung, die durch eine untere gestrichelte Linie veranschaulicht ist, die durch die Rotorachse und die Mitte der beiden Verstelleinrichtungen 5 verläuft, und der Richtung der Orbitalströmung, die die durch eine obere gestrichelte Linie veranschaulicht ist, die durch einen der Geschwindigkeitspfeile ν → verläuft, besteht ein Phasenwinkel Δ, dessen Betrag durch die Einstellung des ersten und/oder des zweiten Drehmoments beeinflusst werden kann. Dabei erscheint ein Phasenwinkel von –45° bis 45°, vorzugsweise von –25° bis 25° und besonders bevorzugt von –15° bis 15° zur Erzeugung des ersten Drehmoments als besonders vorteilhaft, da hier bei die Orbitalströmung v_Welle und die Anströmung aufgrund der Eigenrotation v_Rotor (siehe 3) weitgehend senkrecht zueinander orientiert sind, was zu einer Maximierung des Rotormoments führt. Unter Einhaltung der geforderten Synchronität gilt Δ ~ const., wobei im Rahmen der Erfindung – wie bereits zuvor beschrieben – auch ein Pendeln um einen Mittelwert von Δ als synchron verstanden wird. Die Darstellung der Kopplungskörper in der 2 und in den weiteren Figuren erfolgt nur beispielhaft zur Definition der unterschiedlichen Maschinenparameter. Vorzugsweise werden im Betrieb die Anstellwinkel der beiden Kopplungskörper entgegengesetzt zur Darstellung ausgeführt. Der in 2 linke Kopplungskörper wäre dann nach innen verstellt und der in 2 rechte Kopplungskörper nach außen.
In 3 sind die sich ergebenden Anströmungsverhältnisse und die sich einstellenden Kräfte an den Kopplungskörpern, die zu einem Rotordrehmoment führen, dargestellt. Dabei wird vereinfachend davon ausgegangen, dass die Strömung über den gesamten Rotorquerschnitt gleichförmig ausgeprägt ist und einen gleichen Betrag und eine gleiche Richtung aufweist. Insbesondere für Rotoren mit großen Radialerstreckungen kann es jedoch dazu kommen, dass sich die verschiedenen Kopplungskörper 3 des Rotors 11 relativ zur Welle an unterschiedlichen Positionen befinden, was zu einer lokal verschiedenen Anströmungsrichtung führt. Dies kann jedoch beispielsweise mit Hilfe einer individuellen Einstellung des jeweiligen Anstellwinkels γ ausgeglichen werden.
An beiden Kopplungskörpern sind in 3 die lokalen Anströmungen durch die Orbitalströmung (v_{Welle, i}) und durch die Eigenrotation (v_{Rotor, i}), die als Vektorsumme aus diesen beiden Anströmungen resultierende Anströmgeschwindigkeit (v_{resultierend, i}) sowie die sich ergebenden Anströmwinkel a₁ und a₂ dargestellt. Abgeleitet sind darüber hinaus die sich ergebenden Auftriebs- und Widerstandskräfte F_{Auf, i} und F_{Wid, i} an beiden Kopplungskörpern, die sowohl vom Betrag der Anströmgeschwindigkeit als auch von den Anströmwinkeln a₁ und a₂ und damit auch von den Anstellwinkeln γ₁ und γ₂ abhängig sind und senkrecht bzw. parallel zur Richtung von v_{resultierend, i} orientiert sind.
Für den dargestellten Fall ergibt sich durch die beiden Auftriebskräfte F_{Auf, i} ein Rotordrehmoment entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn und durch die beiden Widerstandskräfte F_{Wid, i} ein betragsmäßig kleineres Rotordrehmoment in entgegengesetzter Richtung (also im Uhrzeigersinn). Die Summe aus beiden Rotordrehmomenten führt zu einer Rotation des Rotors 11, deren Geschwindigkeit durch das verstellbare zweite Drehmoment eingestellt werden kann.
Wird die im Rahmen der Erfindung geforderte Synchronität mit Δ ≈ const. erreicht, so ist aus 3 unmittelbar ersichtlich, dass für monochromatische Fälle, in denen der Betrag der Strömung v_{Welle, i} und die Winkelgeschwindigkeit O konstant bleiben, sich die Anströmbedingungen der beiden Kopplungskörper 3 über die Drehung des Rotors nicht ändern. Dies bedeutet, dass mit konstanten Anstellwinkeln γ ein konstantes Rotormoment erzeugt wird, das mit einem konstanten zweiten Drehmoment eines entsprechenden Generators abgegriffen werden kann.
Aus den an den Kopplungskörpern angreifenden Kräften ergibt sich neben einem Rotormoment auch eine resultierende Rotorkraft durch vektorielle Addition von F_{Auf, 1}, F_{Wid, 1}, F_{Auf, 2} und F_{Wid, 2}. Diese wirkt als Lagerkraft auf das Gehäuse und muss entsprechend abgestützt werden, wenn eine Verschiebung des Gehäuses unerwünscht ist. Während das Rotormoment bei Annahme gleicher Anströmbedingungen (v_{Welle, i}, Δ, O, ω, a₁, a₂, γ₁, γ₂ = const.) konstant bleibt, gilt dies für die resultierende Rotorkraft nur betragsmäßig. Aufgrund der sich ständig ändernden Strömungsrichtung der Orbitalströmung und der synchronen Rotordrehung ändert sich auch die Richtung der Rotorkraft entsprechend.
Neben einer Beeinflussung des Rotormoments durch eine Verstellung der Anstellwinkel γ und/oder eine Verstellung des Phasenwinkels Δ kann auch der Betrag dieser Rotorkraft durch eine Änderung der Anstellwinkel γ (wodurch sich die Anströmwinkel a ändern), durch eine Änderung der Rotorwinkelgeschwindigkeit ω und/oder des Phasenwinkels Δ – beispielsweise durch Änderung des als zweiten Moments aufgebrachten Generatormoments (wodurch sich v_{Rotor, i} ändert) und/oder durch eine Kombination dieser Änderungen beeinflusst werden. Dabei wird vorzugsweise die in der Einleitung beschriebene Synchronität eingehalten.
Durch eine geeignete Verstellung dieser Stellgrößen pro Umdrehung und einer damit verbundenen Änderung der Rotorkraft kann der Wellenenergiekonverter in jede beliebige radiale Richtung bewegt werden. Hierbei sei angemerkt, dass die Darstellung in 3 lediglich eine senkrecht zur Rotationsachse gerichteten Orbitalströmung umfasst, die keine Strömungskomponenten in Richtung der Zeichenebene aufweist. Wird im Gegensatz dazu, wie unter Realbedingungen der Fall, der Rotor schräg angeströmt, so ergibt sich eine Rotorkraft, die neben einer senkrecht zur Rotorachse gerichteten Kraftkomponente auch eine axiale Kraftkomponente aufweist. Diese rührt daher, dass die hydrodynamische Widerstandskraft eines Kopplungskörpers in Richtung der lokalen Anströmung gerichtet ist.
In 4 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform dargestellt, welche gegenüber den 1, 2 und 3 zusätzlich Dämpfungsplatten 10 zur Lagestabilisierung vorsieht, die über Träger 9 weitgehend starr mit dem Gehäuse 7 der Anlage verbunden sind. Zusätzlich ist ein Auftriebssystem 8 vorgesehen, das aus Tanks besteht, die mit Fluid befüllt oder auch entleert werden können. Auf diese Weise können die an den Auftriebskörpern 8 angreifenden Auftriebskräfte F₁, F₂, ... (zusammengefasst im Vektor F →_B ) verändert werden. Die Auftriebskräfte können durch das Umpumpen von Fluid zwischen den Tanks oder zwischen Tanks und der Anlagenumgebung verändert werden. Das Auftriebssystem 8 kann auch verfahrbare Gewichte aufweisen, um den Angriffspunkt einer Gewichtskraft zu verändern und einen ähnlichen Effekt wie die Änderung von Auftriebskräften herbeizuführen. Auftriebssystem 8, Träger 9 und Dämpfungsplatten 10 sind Bestandteile des Rahmens 12.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Mooring vorgesehen sein, welches nicht in den Figuren dargestellt ist.
5 zeigt eine alternative Ausführung eines vorteilhaften Wellenenergiekonverters mit weitgehend horizontaler Rahmenerstreckung und einer Mehrzahl von Teilanlagen 1a, 1b, 1c.
Ein bevorzugter grundsätzlicher Aufbau eines erfindungsgemäßen Wellenenergiekonverters ist in 6 in einem Blockdiagramm dargestellt. Der Wellenenergiekonverter weist eine als Regelstrecke wirkende Maschine 500 (bspw. aufweisend Gehäuse, Rotor, Energiewandler, Auftriebssystem usw.) auf. Die Maschine 500 dient in erster Linie zur Erzeugung von Strom und zur Abgabe desselben an ein Stromnetz 600.
Auf die Maschine 500 wirken Umgebungsbedingungen 510 (Strömungen, Mooringkräfte, Gewichtskräfte, Auftriebskräfte usw.) ein. Diese werden zumindest teilweise erfasst und einem Block 520 zur Messung und Signalverarbeitung zugeführt. Dem Block 520 werden auch Maschinengrößen (z. B. Ist-Position ψ → des Rotors, r →, θ → des Rahmens, Ist-Stellung der γ → Kopplungskörper) zugeführt.
Der Block 520 misst und verarbeitet ggf. die erhaltenen Größen und gibt Ergebnisse an eine Steuereinheit 530 aus. Diese bestimmt in Abhängigkeit von den zugeführten Ergebnissen einen oder mehrere Steuergrößen (Soll-Werte γ →, M →, F →_B , p →) und beaufschlagt damit die Maschine 500. Zusätzlich können unterlagerte Steuer- oder Regelkreise in der Maschine vorgesehen sein, wie weiter unten beschrieben.
Über verschiedene Sensoren werden die Positionen (insbesondere Verstellparameter wie Pitchwinkel) der Kopplungskörper, die Kräfte F →_koppl zwischen den einzelnen Kopplungskörpern und dem Rahmen, die Position (x, y, z) und Verdrehung (θ_x, θ_y, θ_z) des Rahmens gemessen. Diese Größen können gefiltert werden und werden dann direkt an die einzelnen Steuerungen weitergeleitet.
Um Informationen über das die Anlage umgebende Strömungsvektorfeld zu gewinnen, sind zwei Ansätze möglich.
Der erste Ansatz bezieht sich auf die Situation, dass Messdaten bzgl. des Fluids (z. B. Strömungsvektoren, Oberfächendaten, Druckmessungen etc.) zur Verfügung stehen, die aber für die Steuerung der Anlage nicht ausreichen. Zum Beispiel könnten Oberflächenerhebungen gemessen werden, für die Anlagensteuerung ist es aber von Bedeutung, die Richtung des Strömungsvektors an der Anlage zu kennen. in diesem Fall wird die Richtung des Strömungsvektors an der Anlage über ein Modell des Fluids berechnet. In einem einfachen Fall steht eine mathematische Funktion zur Verfügung, die direkt die Richtung des Strömungsvektors aus aktuellen Oberflächendaten berechnet. Im Allgemeinen können aber auch dynamische, durch Differenzialgleichungen gegebene Modelle verwendet werden, die durch ein numerisches Integrationsverfahren berechnet werden. Diese Modelle werden verwendet, um fehlende Messinformationen zu berechnen. Die zur Verfügung stehenden Messdaten werden verwendet, um die verwendeten Modelle fortlaufend zu korrigieren.
Der zweite Ansatz kann verwendet werden, um den ersten Ansatz zu verbessern oder auch für den Fall, dass keine Messdaten bzgl. des Fluids zur Verfügung stehen. Hier werden Messdaten aus der Anlage (Tauchtiefe, Beschleunigung, Verkippung etc.) verwendet, um Informationen über die Strömungsbedingungen um die Anlage herum zu gewinnen. Das geschieht, indem ein Modell der Wechselwirkung zwischen der Anlage und dem umgebenden Strömungsvektorfeld verwendet wird. Mittels dieses Modells und den Messdaten aus der Anlage können dann Informationen über das Strömungsvektorfeld berechnet werden. Stehen zusätzlich noch Messdaten bzgl. des Fluids zur Verfügung verbessern sich natürlich die Informationen über das Strömungsvektorfeld.
Eine Kenntnis des Strömungsvektorfelds um die Anlage ist hilfreich für die Erzeugung von Sollwerten, z. B. um einen Sollwert für die Tauchtiefe der Anlage zu berechnen. Basierend auf Strömungsdaten ist eine Schätzung der Haupt-Wellenrichtung hilfreich, um einen Sollwert für die Orientierung θ_z der Anlage zu erzeugen. Auch für ein geeignetes Pitchen und eine geeignete Momentensteuerung sind Strömungsinformationen hilfreich.
Für jeden messbaren Verstellparameter γ_i (bezeichnet eine Komponente des Vektors γ →) kann im Rahmen einer unterlagerten Steuerung ein Standardregelkreis (z. B. PI-Regler mit Anti-Windup) vorgesehen sein, bei dem über die Variation einer Stellgröße (z. B. Strom durch einen Elektromotor, Volumenstrom einer hydraulischen Vorrichtung) die gemessene Regelgröße γ_i entsprechend der Vorgabe aus dem Block 530 eingeregelt wird. Für jeden nicht gemessenen Verstellparameter ist eine Steuerung vorgesehen, die ganz ohne Rückkopplung von Messwerten oder basierend auf der Messung anderer Größen arbeitet.
Für jedes mess- und verstellbare Bremsmoment M kann ebenso unterlagert ein Regelkreis vorgesehen sein, bei dem über die Variation einer Stellgröße (z. B. Läuferstrom, Ständerstrom, Schaltschema eines dem Generator nachgeschalteten Stromumrichters) das Moment M_i entsprechend der Vorgabe aus dem Block 530 eingeregelt wird. Für jedes nicht gemessene Moment ist eine Steuerung vorgesehen, die ganz ohne Rückkopplung von Messwerten oder basierend auf der Messung anderer Größen arbeitet.
Für jeden mess- und verstellbaren Rahmenparameter p_i kann ebenso unterlagert ein Regelkreis vorgesehen sein, bei dem über die Variation einer Stellgröße (z. B. Fluidstrom durch ein Hydraulikventil) der Rahmenparameter p_i entsprechend der Vorgabe aus dem Block 530 eingeregelt wird. Für jeden nicht gemessenen Rahmenparameter ist eine Steuerung vorgesehen, die ganz ohne Rückkopplung von Messwerten oder basierend auf der Messung anderer Größen arbeitet.
Auch für die Befüllung der Auftriebskörper können einfache Steuerungen vorgesehen sein. Zusätzlich sind einfache Steuerungen für evtl. vorhandene Zusatzantriebe vorgesehen.
Ein vorteilhafter Effekt der unterlagerten Steuerungen ist, dass die Größen γ →, M →, F →_B , p → direkt als virtuelle Stellgrößen zur Verfügung stehen.
Es kann ein übergeordneter Koordinator 540 vorgesehen sein, der die Anlage in Abhängigkeit von einem Benutzerwunsch 501 koordiniert, bspw. einen Betriebsmodus ändert. Der Koordinator kommuniziert vorzugsweise mit allen anderen Steuerungssystemen, verfügt über Informationen bezüglich Netzauslastung und/oder berücksichtigt Benutzerwünsche. Bspw. kann vorgesehen sein, zwischen den Betriebsmodi ”Energieerzeugung”, ”Positionswechsel”, ”Wartungsmodus”, ”Sicherheitsmodus” (Abtauchen der Anlage bei Sturm), ”Ruhemodus” (Einspeisen von Strom ins Leitungsnetz nicht möglich oder nicht erwünscht), ”Testbetrieb” (für die Inbetriebnahme oder Fehlersuche) umzuschalten. Daneben können auch andere Betriebsmodi vorgesehen sein.
Die Darstellungen in den 7 bis 9 basieren auf der Darstellung gemäß 6. Gleiche Elemente sind darin mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zur besseren Verständlichkeit wird von einer Anlage mit einem Rotor ausgegangen, bei der nur ein verstellbares Bremsmoment M als zweites Drehmoment, ein Winkel ψ und/oder eine Drehgeschwindigkeiten ω beachtet werden müssen. Eine Verallgemeinerung für den Fall mit mehreren Rotoren ist leicht möglich, indem die unten angegebenen Berechnungen für jede Komponente von M →, ψ →, ω → getrennt vorgenommen werden. In bzw. an der Maschine 500 werden die Winkel ψ → und/oder die Drehgeschwindigkeiten ω → und/oder Eigenschaften des Strömungsvektorfelds ν → gemessen. Eine Messgröße kann auch mittels der Signalverarbeitung aus einer anderen Größe durch Integration, Differentiation oder auch mithilfe eines Filters, das ein Modell der Anlage enthalten kann, berechnet werden. Die vektorwertige Größe w → bezeichnet veränderbare Eingänge der Steuerung, wie zum Beispiel Sollwerte oder verstellbare Parameter.
In 7 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung als Regelschema dargestellt. Als Stellgröße wird nur das Bremsmoment M → verwendet. Das Schema gemäß 8 entspricht dem gemäß 7, wobei jedoch der Block 530 in einen Steuerblock 531 mit Rückkopplung (”Regelblock”) und einen Steuerblock 532 ohne Rückkopplung (”Vorsteuerblock”) aufgeteilt ist.
8 ist eine spezielle Umsetzung eines besonders vorteilhaften, allgemeinen zweistufigen Steuerungskonzepts am Beispiel lediglich der Steuerung des zweiten Drehmoments. Das Konzept an sich ist jedoch zur Steuerung aller Größen geeignet. Der erste Teil stellt eine sogenannte modellbasierte Vorsteuerung dar. Dabei wird die Kenntnis des mathematischen Modells der Anlage (vgl. auch Beschreibung zu den 11 bis 15) derart ausgenutzt, dass aus der Kenntnis von Zustandsdaten (insbesondere der Anregung, also der Welle, in Form des Anströmwinkels und des Betrags der Anströmgeschwindigkeit) das vorzugebende zweite Drehmoment berechnet wird. Dabei können insbesondere auch Zustandsdaten, die über den momentanen Zeitpunkt hinausgehen, einbezogen werden. Dies ist insbesondere in multichromatischen Wellen wichtig, da hier teilweise auch ein ”Durchfahren” von kleineren Oberschwingungen sinnvoll sein kann. Die Zustandsdaten können auf verschiedene Arten sensorisch erfasst werden, wie in dieser Anmeldung beschrieben. Dadurch ist eine zeitliche Vorausschau der. Anströmungsverhältnisse am Ort der Maschine möglich. Aus den Daten kann unter der Verwendung der Potenzialtheorie und somit unter Kenntnis der aktuellen und zukünftigen Strömungsverhältnisse um die Maschine und insbesondere den/die Kopplungskörper ein erwünschtes Maschinenverhalten und damit das vorzugebende zweite Drehmoment berechnet werden.
Der zweite Teil des Steuerungskonzeptes besteht nun darin, die Abweichungen des Systems von den gemeinsam mit der Vorsteuerung berechneten optimalen Trajektorien auszuregeln. Dies kann in einer Ausführungsform der Steuerung darin bestehen, das zweite Drehmoment (Generatormoment) und das erste Drehmoment (z. B. über die Verstellparameter der Kopplungskörper) derart zu regeln, dass ein erwünschtes Ziel erreicht wird, wie z. B. Maximierung der absorbierten Leistung, hohe Stetigkeit der absorbierten Leistung, Lebensdauermaximierung der Lasten, Überlastschutz und Begrenzung der absorbierten Leistung (Überleben im Sturm), Kombinationen davon, von einem Verbraucher vorgegebene Leistungsprofile.
Zusammenfassend wird in der ersten Stufe basierend auf Zustandsdaten eine Steuergröße im Steuerblock 532 ermittelt. In der zweiten Stufe werden die Abweichungen des Systems von dem bestimmten Sollverhalten durch den Block 531 nachgeregelt. Mit einem derartigen zweistufigen Konzeptansatz kann ein Maschinenverhalten erreicht werden, dass die Punkte Synchronität und Energieertrag von rotierenden Maschinen optimiert. Dieses zweistufige Konzept ist nicht auf rotierende Maschinen beschränkt, sondern kann auch auf andere Systeme, wie z. B. ”Point Absorber” oder ähnliche übertragen werden.
Eine besonders einfach zu implementierende Variante ist durch 8 bei Weglassen des Blocks 531 gegeben. in einer reinen Vorsteuerung wird direkt ein konstantes Bremsmoment M₀ M = M₀ (1) vorgegeben, sodass sich stationär eine Drehzahl ω_Stationär (M₀) > 0 einstellt. Die von der Anlage im Stationärbetrieb erzeugte Leistung ist dann P = Mω_Stationär(M₀) > 0, d. h. die Anlage erzeugt zu jedem Zeitpunkt Energie. M₀ kann abhängig vom aktuellen Seegang eingestellt werden, bspw. zunehmend mit zunehmender Wellenhöhe.
Ein Nachteil dieser Variante ist, dass bei einem groß gewählten M₀ und einer kurzfristigen Änderung des Seegangs des große Bremsmoment zu einer Verringerung von ω führt. Bei bestimmten Anlagenkonfigurationen kann diese Verringerung der Winkelgeschwindigkeit dazu führen, dass die Strömung an den Kopplungskörpern abreißt und die Anlage zum Stillstand kommt bzw. allgemeiner dass die Synchronität verloren geht. Abhilfe schaffte hier eine Variante der Steuerung in 7 mit dem Regelgesetz M = k(ω – w), (2) d. h. das Bremsmoment hängt von einem konstanten Reglerparameter k > 0 (Moment wirkt als Bremsmoment entgegen der Drehrichtung des Rotors, vgl. 2) und der Differenz der Drehzahl ω von einem Sollwert w < ω_Stationär ab. Die Größe ω_Stationär bezeichnet dabei die Anlagendrehzahl, die sich ohne Bremsmoment (bzw. bei einem nur kleinen Bremsmoment) stationär einstellt. Kommt es unter dem Regelgesetz (2) zu einer Verlangsamung der Anlage durch kurzfristige Strömungsänderungen, so sinkt automatisch auch das Bremsmoment M und die Anlage wird wieder schneller. Durch dieses Regelgesetz wird eine deutlich stabilere Drehbewegung der Anlage erreicht. Dennoch ist lediglich die Messung der Anlagendrehzahl erforderlich. Die Anlagendrehzahl kann auch basierend auf anderen Messgrößen berechnet werden. Weiterer Vorteil des Regelgesetzes (2) ist, dass das Anlaufen der Anlage aus dem Stillstand unterstützt wird: Solange die Anlagendrehzahl ω kleiner als w ist, wirkt ein antreibendes Moment auf den Rotor. Unter dieser Bedingung verbraucht die Anlage Energie, erst wenn ω größer als w ist, beginnt der Betrieb mit Energieerzeugung.
Eine weitere Verbesserung des Regelgesetzes (2) ist möglich, indem es um eine winkelabhängige Funktion f_p(Ψ) erweitert wird, sodass das Regelgesetz M = k(ω – w₁) + f_p(Ψ) (3) resultiert. Die Funktion f_p(Ψ) ist periodisch, wobei für die hier beschriebene Anlagenart insbesondere 2π- oder π-periodische Funktionen (gleichbedeutend 360° bzw. 180° periodisch) zweckmäßig sind. Durch die Erweiterung des Regelgesetzes (2) um die Funktion f_p(Ψ) kann berücksichtigt werden, dass abhängig vom Rotationswinkel der Anlage ein anderes Bremsmoment geeignet ist, um einen maximalen Energieertrag zu erhalten. Weitere Verbesserungen des Regelgesetzes (3) sind möglich, indem zur Maximierung der Leistungserzeugung, zur Verbesserung der Stabilität der Rotationsbewegung oder zur Verbesserung des Anlaufverhaltens nichtlineare Gesetze der Form M = f 1 / nichtlin(ω, w₁) + f_p(Ψ) (4) oder noch allgemeiner M = f 2 / nichtlin (ω, w₁, Ψ) verwendet werden. Ebenfalls ist es denkbar, den Regler dynamisch auszulegen, sodass das Regelgesetz nicht nur durch eine algebraische Gleichung der Form (1), (2), (3) etc. gegeben ist, sondern zusätzlich noch durch eine Differentialgleichung.
Eine andere Form von Regelgesetz kann verwendet werden, wenn Informationen bezüglich des Strömungsvektorfelds um die Anlage und/oder bezüglich der Fluidoberfläche an und um die Anlagenposition herum zur Verfügung stehen. In diesem Fall kann ein Sollwert w_winkel für den Rotationswinkel Ψ berechnet werden, bei dem die Ausrichtung der Anlage relativ zum Strömungsvektorfeld ein maximales Vortriebsmoment ergibt. Ein geeigneter Regelalgorithmus wird dann mit der Regelabweichung w_winkel – Ψ beaufschlagt und verändert das Bremsmoment so, dass die Regelabweichung verschwindet (einfache Möglichkeit: PI-Regler; verbesserte Möglichkeit: Kaskadensteuerung aus PI-Regler für die Drehzahl und P-Regler für den Drehwinkel) oder sich stets in einem kleinen Bereich bewegt (einfache Möglichkeit P-Regler). Dadurch wird die überwiegende Synchronität des Rotors mit dem umgebenden Strömungsfeld sichergestellt.
9 zeigt einer Erweiterung der Ausführungsformen gemäß 7 oder 8 für den Fall zusätzlich verstellbarer Kopplungskörper. Im Beispiel ist eine Vorsteuerung 533 für die Kopplungskörper vorgesehen, welche abhängig von w → und den Größen ψ →, ω → Werte für die Freiheitsgrade γ → der Kopplungskörper als Steuergrößen ausgibt. Dies geschieht vorzugsweise basierend auf einem Modell der Anlage, welches verwendet wird, um γ → so einzustellen, dass die Leistung als Summe aller Integrale
über den Zeitraum von t₀ bis t₁ maximal wird. Der Spezialfall t₀ -> t₁ umfasst die Ausführungsform, dass die Leistung zu jedem Zeitpunkt maximal ist. Prinzipiell sind die Freiheitsgrade der Kopplungskörper und/oder das Bremsmoment so einzustellen, dass überwiegende Synchronität des Rotors mit dem Strömungsvektorfeld erreicht wird.
In Weiterbildung der Erfindung wird eine Kombination aus Energieumwandlungs- und Lagesteuerung umgesetzt, wie sie nachfolgend unter Bezugnahme auf 10 beschreiben wird. 10 zeigt dabei in einem Blockdiagramm einen abgewandelten Steuerblock 630, der einen Block 631 für die Leistungssteuerung, einen Block 632 für die Lagesteuerung sowie einen Block 633 für das Zusammenführen von Steuergrößen aufweist.
Die von den beiden Blöcken 631 und 632 erzeugten Steuergrößen γ →¹ , M →¹ bzw. γ →² , M →² werden im Block 633 gewichtet und in die virtuellen Stellgrößen γ →, M → umgerechnet. Eine Gewichtung der Steuergrößen ist besonders vorteilhaft, da die beiden Teilsteuerungen 631 und 632 in bestimmten Situationen gegeneinander arbeiten können. Beispielsweise kann eine besonders stabile Lage besonders wenig Leistung liefern und umgekehrt. Dann kann der gesamte Regelkreis ohne Gewichtung instabil werden.
Es bietet sich an, die gewünschten Stellgrößen der Lagesteuerung und der Energieumwandlungssteuerung in Abhängigkeit vom Betriebsmodus gewichtet zur tatsächlichen Stellgröße zusammenzufassen. Bspw. in einem Betriebsmodus ”Energieumwandlung” wird hauptsächlich die Stellgröße von der Energieumwandlungssteuerung verwendet und nur ein sehr begrenzter Eingriff der Lagesteuerung zugelassen, um zu vermeiden, dass sich die Anlage zu sehr von ihrer Sollposition und Ausrichtung entfernt. Die Gewichtung wird adaptiv durchgeführt, sodass bei einer zu starken Änderung der Anlagenposition die Lagesteuerung mehr Gewicht bekommt bzw. bei einem zu starken Abfall des Bremsmoments die Energieumwandlungssteuerung mehr Gewicht bekommt. Diese Gewichtung ist vorteilhaft, da im Betrieb immer wieder Situationen auftreten werden, in denen die Lagesteuerung entgegen der Energieumwandlungssteuerung arbeiten wird (z. B. wenn die Lagesteuerung das Bremsmoment verkleinern will, um einer Änderung des Lastwinkels entgegenzuwirken, während die Energieumwandlungssteuerung ein möglichst großes Bremsmoment fordert).
Der Block 632 für die Lagesteuerung erzeugt zusätzlich noch die virtuelle(n) Stellgröße(n) F →_B .
Eine bevorzugte Ausgestaltung für den Block 632 für die Lagesteuerung ist in 11 dargestellt. Die in 11 gezeigte Lagesteuerung umfasst zwei wesentliche Teile, einen Teil 710 für die schnell auf die Lage wirkenden virtuellen Stellgrößen γ →² , M →² und einen Teil 720 für die eher langsam veränderbaren Kräfte F →_B durch Auftriebskörper. Der Teil 710 umfasst einen Block 711 für eine Sollwerterzeugung und ggf. Trajektorienplanung, einen Block 712 für die Steuerung eines Lastwinkels, einen Block 713 für die Steuerung eines Kippwinkels, einen Block 714 für die Steuerung einer Orientierung zur Wellenrichtung, einen Block 715x für die Steuerung einer x-Position, einen Block 715y für die Steuerung einer y-Position, einen Block 716 für die Steuerung einer Tauchtiefe und einen Block 717 für eine Steuergrößentransformation.
Der Teil 710 umfasst einen Block 722 für die Steuerung eines Lastmoments, einen Block 723 für die Steuerung eines Kippmoments, einen Block 724 für die Steuerung einer Auftriebskraft und einen Block 727 für eine Steuergrößentransformation.
Grundlage des schnellen Teils 710 der Lagesteuerung ist, dass über gezieltes Verstellen der Kopplungskörper 3 und Bremsmomente M → Kräfte in x-, y- und z-Richtung sowie Momente um alle Achsen auf den Rahmen 12 ausgeübt werden können. Bei Kenntnis der aktuellen Strömungsbedingungen, Einstellparameter und Geschwindigkeiten der Kopplungskörper können die aktuellen Kopplungskörperparameter und Bremsmomente in resultierende Momente M res / x , M res / y , M res / z sowie resultierende F res / x , F res / y , F res / z umgerechnet werden. Das Auflösen dieser Gleichungen nach den Kopplungskörperparametern und Bremsmomenten führt zu der in 11 dargestellten Stellgrößentransformation. Sollten die Gleichungen über- oder unterbestimmt sein, so wird abhängig vom aktuellen Betriebsmodus eine Optimierung durchgeführt, um die in der aktuellen Situation bestmöglichen Kopplungskörperparameter Verstellparameter der Kopplungskörper und Bremsmomente zu berechnen. Sind die Gleichungen zum Beispiel unterbestimmt, so können die dadurch entstehenden Freiheitsgrade im Sicherheitsmodus genutzt werden, um die Tauchtiefe der Anlage (Bewegung in z-Richtung) möglichst schnell zu verändern.
Basierend auf der Stellgrößentransformation werden fünf Eingrößenregler mit den virtuellen Stellgrößen M res / x , M res / y , M res / z , F res / x , F res / y , F res / z und den Regelgrößen Lastwinkel θ_x, Kippwinkel θ_y, Orientierung θ_z, Positionen x und y und Tauchtiefe z entworfen. Für die Auslegung dieser Regler kann ein Modell der Anlage verwendet werden, das auf Gleichungen der technischen Mechanik und der Strömungsmechanik beruht. Um trotz Änderungen der Anlagendynamik, z. B. durch Biofouling, eine hohe Regelgüte zu erzielen, können adaptive Regelalgorithmen verwendet werden. Sollwerte für die Regelgrößen können basierend auf der aktuellen Strömungssituation und einer Prädiktion der zukünftigen Strömungsverhältnisse berechnet werden. Eine Trajektorienplanung wandelt diese Sollwerte in von der Anlage durchführbare Bewegungsabläufe um. Bei bestimmten Anlagenkonfigurationen ist es nicht möglich, eine Kraft z. B. direkt in x-Richtung (Rotationsachse) durch Verstellen der der Kopplungskörper und Bremsmomente aufzubringen. insbesondere in solchen Fällen ist eine Trajektorienplanung wichtig, um Sollwerte für den Orientierungsregler (Regelgröße θ_z) und den Positionsregler (Regelgröße hier nur γ) so vorzugeben, dass eine Kombination von Drehungen und translatorischen Bewegungen zu einer effektiven Bewegung in x-Richtung führen.
Der untere, langsame Teil 720 der Lagesteuerung berücksichtigt den Effekt, dass die Tauchtiefe z, die Drehung des Rahmens 12 um die x-Achse (Lastwinkel) und die Drehung des Rahmens um die y-Achse (Kippwinkel) auf zwei unterschiedliche Arten verändert werden können. Zum Einen kann, wie schon beschrieben, eine Verstellung der Kopplungskörper und Bremsmomente vorgenommen werden. Zum anderen können diese Größen auch über eine Veränderung der Auftriebskräfte F →_B beeinflusst werden.
Die Stellgrößentransformation 727 beruht darauf, dass die aus den Auftriebskräften F →_B resultierenden Momente M B / x und M B / y um die x- bzw. y-Achse des Rahmens 12 sowie die resultierende Auftriebskraft F B / z in z-Richtung über Gleichungen berechnet werden können.
Ein Auflösen dieser Gleichungen nach der Auftriebskraft F →_B führt zu der genannten Stellgrößentransformation.
Die Steuerungen 722, 723, 724 für das Lastmoment, Kippmoment und die Tauchkraft besitzen als Regelgröße die Größen M res / x , M res / y , bzw. F res / z , die Steuerungen des Lastwinkels, Kippwinkels und der Tauchtiefe als Stellgröße ausgeben. Sollwert der Regelgrößen M res / x , M res / y , und F res / z ist jeweils Null, d. h. das Ziel der unteren drei Steuerungen in 11 ist es, die Verstellparameter der Kopplungskörper und Bremsmomente γ →² , M →² möglichst wenig für die Lagesteuerung zu verwenden. Auf diese Weise bestehen möglichst viele Freiheitsgrade für eine optimale Energieumwandlung. Stellgröße für die unteren Regler sind die Momente M B / x und M B / y und die Kraft F B / z . Tritt zum Beispiel ein Lastsprung auf, der zu einer unerwünschten Änderung im Lastwinkel θ_x führt, so wird zunächst die Steuerung 712 des Lastwinkels reagieren und ein Moment M res / x auf die Anlage aufprägen, um dieser Änderung entgegenzuwirken. Um das Moment M res / x wieder auf seinen Sollwert Null zu regeln, bewirkt die Steuerung 722 des Lastmoments eine Änderung der Auftriebskräfte, sodass ein zusätzliches rückstellendes Moment auf die Anlage erzeugt wird. Aufgrund der Verdrehung der Anlage durch dieses langsam anwachsende Moment reduziert die Steuerung 712 des Lastwinkels langsam ihre Stellgröße, bis schließlich das notwendige Moment zur Kompensation des Lastsprungs vollständig durch die Auftriebskörper aufgebracht wird.
Für die Auslegung der Regler 722, 723, 724 für das Lastmoment, Kippmoment und die hydrostatische Auftriebskraft kann ein Modell der Anlage verwendet werden, das auf Grundgleichungen der technischen Mechanik beruht und Strömungseffekte, Added-Mass Effekte sowie Kräfte durch das Mooring berücksichtigt. Da für die Auslegung dieser Regler neben der Anlagendynamik auch die Dynamik der adaptiven Lastwinkel-, Kippwinkel- und Tauchtiefen-Regler von Bedeutung ist, werden die Regler zweckmäßigerweise adaptiv gestaltet.
Eine bevorzugte Ausgestaltung für den Block 631 für die Steuerung der Energieumwandlung ist in 12 dargestellt. Der in 11 gezeigte Block erzeugt die Stellgrößen γ →¹ , M →¹ , sodass die Anlage bei der aktuellen Rahmenlage und den aktuellen Strömungsbedingungen den erwünschten Energieertrag erzeugt. Die Steuerung besteht aus einer Komponente 812 für die Verstellparameter der Kopplungskörper, einer Komponente 813 für die Bremsmomente und einer Adaptionskomponente 814. Diese Komponenten basieren auf einem in 13 gezeigten Modell 815 der Kräfte F →_koppl , auf die Kopplungskörper in Folge der Position ψ →, der Geschwindigkeit ω → und der Verstellparameter der Kopplungskörper γ → sowie der Strömungsverhältnisse ν → um die Anlage.
Die Vorgabe der Verstellparameter der Kopplungskörper verwendet dieses Modell, um bei gegebener Position ψ → und Geschwindigkeit ω → die Verstellparameter der Kopplungskörper so zu bestimmen, dass das erste Drehmoment maximal wird. Die Verstellparameter der Kopplungskörper, die zu maximalem ersten Drehmoment führen, werden als ausgegeben. Das dafür zu lösende Optimierungsproblem wird numerisch oder analytisch gelöst.
Der Adaptionsblock 814 dient dazu, das in 13 gezeigte Modell 815 der Kopplungskörper während des Anlagenbetriebs fortlaufend zu verbessern. Zu diesem Zweck müssen alle Eingänge und Ausgänge des Modells bekannt sein. Die Größen ψ →, ω →, ν → stehen aus der Messung und Signalverarbeitung zur Verfügung. Als Verstellparameter der Kopplungskörper wird der Wert nach dem Gewichtungsblock oder eine Messung der Verstellparameter der Kopplungskörpers aus den unterlagerten Regelkreisen verwendet. Die Kräfte F →_koppl werden entweder direkt über Kraftsensoren gemessen oder indirekt über Momentensensoren, Beschleunigungssensoren oder das am Rotor wirkende Bremsmoment bestimmt. Mittels dieser Signale kann das Modell 815 der Kopplungskörper aus 13 auf seine Gültigkeit überprüft werden und soweit nötig fortlaufend angepasst werden.
Die Adaption des Anlagenmodells in 13 kann noch verbessert werden, indem die Verstellung des ersten und/oder zweiten Drehmoments (z. B. die Bewegung der Verstellparameter der Kopplungskörper γ →) zusätzlich mit einer Wellenform (z. B. periodisch, sinusförmig) kleiner Amplitude überlagert wird. Damit kann festgestellt werden, ob eine weitere Änderung bspw. der Verstellparameter der Kopplungskörper noch zu einer Vergrößerung der Kräfte F →_koppl führt und gegebenenfalls eine zusätzliche Adaption des Anlagenmodells oder auch eine Verbesserung der Lösung des Optimierungsproblems zur Bestimmung der Verstellparameter der Kopplungskörper vorgenommen werden.
Die Vorgabe des zweiten Drehmoments beruht ebenfalls wesentlich auf dem Modell in 13. Aus diesem Modell lässt sich leicht das erste Moment MFluid, iM i / Fluid erstes Momentauf die Welle des Generators i berechnen. Die Drehgeschwindigkeit ⌊⌉_iω_i dieses Generators folgt der Differenzialgleichung erstes moment Mfluid, i + M brems, l zweites moment J_iω ._i = M i / Fluid + M i / Brems. (6)
Die erzeugte elektrische Energie im Zeitraum von t₀ bis t₁ ist
Die Stellgröße M i / Brems wird dann aus einer Maximierung des Integrals (7) über M i / Brems unter Beachtung der Nebenbedingung (6) berechnet. Für diesen Zweck ist eine Prädiktion des Strömungsvektorfelds um die Anlage zweckmäßig. Die Länge des Zeitintervalls von t₀ bis t₁ ist ein Einstellparameter. Bei der Maximierung von (7) wird vorzugsweise das im Rahmen der Pitch-Steuerung fortlaufend adaptierte Modell verwendet, um den Term M i / Fluid zu bestimmen. Die Änderung von M i / Brems kann ebenfalls mit einer Wellenform (z. B. periodisch, sinusförmig) kleiner Amplitude überlagert werden, um den Adaptionsprozess des Modells zu verbessern (vgl. oben).
In den 14 und 15 sind zwei alternative Ausführungsformen der Lagesteuerung gemäß 11 dargestellt.
Eine Variante mit vereinfachter Lagesteuerung ohne Auftriebskräfte ist in 14 gezeigt. Lastwinkel, Kippwinkel, Orientierung, Position und Tauchtiefe werden hier nur über das erste und zweite Bremsmoment geregelt, indem, wie oben erläutert, eine resultierende Kraft erzeugt wird. Anhand dieser Figur wird nun erneut auf die Gewichtung von Energieumwandlungs- und Lagesteuerung eingegangen. Ein wichtiger Aspekt für die Gewichtung ist, dass die Energieumwandlungs- und Lagesteuerung für die Berechnung der Größen γ →¹ , M →¹ bzw. γ →² , M →² jeweils mit einer Stellgrößenbeschränkung versehen sind. Das soll am Beispiel der Steuerung des Lastwinkels 712 in 14 erläutert werden. Trotz Abweichung zwischen Sollwert und Istwert des Lastwinkels darf sich ab einem gewissen Betrag die Stellgröße M res / x nicht mehr vergrößern. Zusätzlich muss verhindert werden, dass Variablen innerhalb der Steuerung des Lastwinkels immer weiter anwachsen, sobald die Stellgröße M res / x ihren Maximal- oder Minimalwert erreicht hat, und trotzdem noch eine Abweichung zwischen Soll- und Istwert des Lastwinkels besteht. Anderenfalls ist eine sinnvolle Gewichtung der Größen γ →¹ , M →¹ und γ →² , M →² nicht möglich, wenn z. B. die Lastwinkelsteuerung entgegengesetzt der Energieumwandlungssteuerung arbeitet.
Eine Variante mit weiter vereinfachter Lagesteuerung ist in 15 gezeigt. Lastwinkel, Kippwinkel und Tauchtiefe werden hier nur über die Auftriebskräfte geregelt, d. h. Verstellparameter der Kopplungskörper γ →² und Bremsmomente M →² werden nur für die Orientierung zur Wellenrichtung und die Position in x- und y-Richtung verwendet. Für Anlagenkonfigurationen, die sich durch spezielle Strömungseigenschaften in Kombination mit dem Mooring automatisch in Wellenrichtung ausrichten, kann überdies die Orientierungssteuerung 714 entfallen. Für Anlagen für Standorte mit verschwindender Drift-Strömung kann zusätzlich auch die Positionssteuerung 715x, 715y entfallen. Dies führt ggf. auch zu einem Wegfall der Gewichtung.
Gemäß einer weiteren Variante kann auf die Steuerungen 712, 713 des Lastwinkels und/oder Kippwinkels verzichtet werden, wenn die Dynamik von Lastwinkel und/oder Kippwinkel z. B. durch Dämpfungsplatten ausreichend gedämpft ist und die Sollwinkellage der Anlage durch geeignete konstante Auftriebskräfte ausreichend stabil ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2010/0150716 A1 [0006, 0006, 0026]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

G. Boyle, ”Renewable Energy”, 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004 [0002]
Pinkster et al., ”A rotating wing for the generation of energy from waves”, 22. International Workshop an Water Waves and Floating Bodies (IWWWFB), Plitvice, 2007 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters (1) zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines Fluids in eine andere Energieform, mit wenigstens einem Rotor (11) und wenigstens einem mit dem wenigstens einen Rotor gekoppelten Energiewandler, wobei durch die Wellenbewegung ein auf den wenigstens einen Rotor (11) wirkendes erstes Drehmoment und durch den wenigstens einen Energiewandler ein auf den wenigstens einen Rotor (11) wirkendes zweites Drehmoment (M₁, M →, M →¹ , M →² ) erzeugt wird, wobei im Rahmen einer Energieumwandlungssteuerung (631) das zweite Drehmoment (M₁, M →, M →¹ , M →² ) vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Energieumwandlungssteuerung (631) einen Vorsteueranteil (532) und einen Regelanteil (531) aufweist, wobei in dem Vorsteueranteil (532) ein mathematisches Modell (815) des Wellenenergiekonverters zur Vorgabe von Sollwerten verwendet wird und in dem Regelanteil (531) Abweichungen zwischen Istwerten und den Sollwerten ausgeregelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Vorgeben des zweiten Drehmoments (M₁, M →, M →¹ , M →² ) eine überlagerte Wellenform kleiner Amplitude umfasst, um das mathematische Modell (815) zu verbessern, indem festgestellt wird, zu welchem Ergebnis eine Änderung eines Verstellparameters für das zweite Drehmoment führt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Rahmen der Energieumwandlungssteuerung (631) auch das erste Drehmoment vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 4, der zumindest auf Anspruch 2 rückbezogen ist, wobei das Vorgeben des ersten Drehmoments eine überlagerte Wellenform kleiner Amplitude umfasst, um das mathematische Modell (815) zu verbessern, indem festgestellt wird, zu welchem Ergebnis eine Änderung eines Verstellparameters (γ →, γ →¹ , γ →² ) für das erste Drehmoment führt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei wenigstens ein von dem wenigstens einen Rotor (11) umfasster Kopplungskörper (3) verwendet wird, um aus der Wellenbewegung durch Erzeugen einer hydrodynamischen Auftriebskraft (F_{Auf, 1}, F_{Auf, 2}) das erste Drehmoment zu erzeugen, wobei insbesondere Betrag und/oder Richtung der hydrodynamischen Auftriebskraft durch Verändern einer Stellung (γ₁, γ₂, γ₃, γ₄, γ →, γ →¹ , γ →² ) und/oder einer Form (γ →, γ →¹ , γ →² ) des wenigstens einen Kopplungskörpers (3) vorgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 6, der zumindest auf Anspruch 2 rückbezogen ist, wobei das Vorgeben der Stellung (γ₁, γ₂, γ₃, γ₄, γ →, γ →¹ , γ →² ) und/oder Form (γ →, γ →¹ , γ →² ) des wenigstens einen Kopplungskörpers (3) eine überlagerte Wellenform kleiner Amplitude umfasst, um das mathematische Modell (815) zu verbessern, indem festgestellt wird, zu welchem Ergebnis eine Änderung der Stellung γ₁, γ₂, γ₃, γ₄, γ →, γ →¹ , γ →² ) und/oder Form (γ →, γ →¹ , γ →² ) führt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wellenbewegung eine Orbitalströmung ist und eine Rotationsbewegung des wenigstens einen Rotors (11) um die Rotorachse durch Vorgeben des ersten und/oder zweiten Drehmoments weitgehend oder vollständig mit der Orbitalströmung synchronisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Phasenwinkel (Δ) zwischen der Orbitalströmung und der Rotationsbewegung des wenigstens einen Rotors (11) auf einen Wert oder innerhalb eines Wertebereichs eingestellt oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auch im Rahmen einer Lagesteuerung (632) das zweite Drehmoment (M₁, M →, M →¹ , M →² ) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auch im Rahmen einer Lagesteuerung (632) das erste Drehmoment vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 10 und 11, wobei eine erwünschte, senkrecht zu einer Rotationsachse (x) des wenigstens einen Rotors (11) wirkende Effektivkraft durch Vorgeben des ersten und zweiten Drehmoments im Rahmen der Lagesteuerung (632) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die sich im Rahmen der Energieumwandlungssteuerung (631) und die sich im Rahmen der Lagesteuerung (632) jeweils ergebenden Vorgaben des ersten und/oder zweiten Drehmoments ( γ →¹ , M →¹ , γ →² , M →² ) jeweils mit einem Gewichtungsfaktor versehen zu einer Gesamtvorgabe des ersten und/oder zweiten Drehmoments zusammengefasst werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der jeweilige Gewichtungsfaktor in Abhängigkeit von einem Betriebsmodus vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei bei einer einen Positionsänderungsschwellwert überschreitenden Änderung der Anlagenposition die Vorgabe im Rahmen der Lagesteuerung (632) mehr Gewicht bekommt und bei einem einen unteren Momentschwellwert unterschreitenden zweiten Drehmoment (M₁, M →, M →¹ , M →² ) die Vorgabe im Rahmen der Energieumwandlungssteuerung (631) mehr Gewicht bekommt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die sich im Rahmen der Energieumwandlungssteuerung (631) und die sich im Rahmen der Lagesteuerung (632) jeweils ergebenden Vorgaben des ersten und zweiten Drehmoments einer Stellgrößenbeschränkung unterliegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei im Rahmen der Lagesteuerung (632) zusätzlich wenigstens eine erwünschte, auf einen Rahmen (12) des Wellenenergiekonverters (1) wirkende hydrostatische Auftriebskraft ( F →_B ) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Vorgeben des zweiten Drehmoments (M₁, M →, M →¹ , M →² ) ein Vorgeben eines konstanten Bremsmoments M = M₀ umfasst, wobei M₀ einen konstanten Wert bezeichnet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Vorgeben des zweiten Drehmoments M₁, M →, M →¹ , M →² ) ein Vorgeben eines von einer Drehzahl ω des Rotors (11) abhängigen Drehmoments M = k(ω – w) umfasst, wobei k einen Reglerparameter und w einen Sollwert bezeichnet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Vorgeben des zweiten Drehmoments (M₁, M →, M →¹ , M →² ) ein Vorgeben eines von einer Drehwinkelstellung Ψ des Rotors abhängigen Drehmoments M = f_p(Ψ) umfasst, wobei f_p(Ψ) eine hinsichtlich der Rotorumdrehung periodische Funktion bezeichnet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Vorgeben des zweiten Drehmoments (M₁, M →, M →¹ , M →² ) ein Vorgeben eines von einer Drehzahl ω des Rotors (11) und von einer Drehwinkelstellung Ψ des Rotors abhängigen Drehmoments M = f 2 / nichtlin (ω, w, Ψ) umfasst, wobei f 2 / nichtlin (ω, w, Ψ) eine nichtlineare Funktion ist und w einen Sollwert bezeichnet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei lokale, regionale und/oder globale Anströmbedingungen des Fluids bezüglich des Wellenenergiekonverters (1) und/oder seiner Komponenten und/oder eine Ausrichtung des Wellenenergiekonverters (1) und/oder ein Bewegungszustand des Wellenenergiekonverters (1) und/oder ein Phasenwinkel (Δ) zwischen einer Orbitalströmung und einer Rotationsbewegung des wenigstens einen Rotors, insbesondere zeitlich, als Betriebsbedingungen messtechnisch oder modellbasiert ermittelt und für die Energieumwandlungssteuerung (631) und/oder Lagesteuerung (632) herangezogen werden.
Wellenenergiekonverter (1) zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines Fluids in eine andere Energieform, mit wenigstens einem Rotor (11) und wenigstens einem mit dem wenigstens einen Rotor gekoppelten Energiewandler, wobei der wenigstens eine Rotor (11) dazu eingerichtet ist, aus der Wellenbewegung ein auf den wenigstens einen Rotor (11) wirkendes erstes Drehmoment zu erzeugen, wobei der wenigstens eine Energiewandler dazu eingerichtet ist, ein auf den wenigstens einen Rotor (11) wirkendes zweites Drehmoment (M₁, M →, M →¹ , M →² ) zu erzeugen, mit einer Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, im Rahmen einer Energieumwandlungssteuerung (631) durch entsprechende Ansteuerung des Wellenenergiekonverters das zweite Drehmoment (M₁, M →, M →¹ , M →² ) vorzugeben.
Wellenenergiekonverter nach Anspruch 23, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22 durchzuführen.