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Die Erfindung betrifft eine Turbinenanlage zum Ausnutzen von Meeresenergie und zum Umsetzen der Energie in elektrische Energie. Solche Anlagen sind beispielsweise aus
EP 0 000 441 A1 und
GB 2 250 321 A bekannt geworden. Es handelt sich somit um eine Anlage, die das „Atmen” des Meeresspiegels ausnutzt, nicht aber um Gezeitenkraftwerk.
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Anlagen dieser Art sind wie folgt aufgebaut: Sie umfassen eine Kammer, die an ihrem unteren Ende offen ist und mit diesem offenen Ende in das Meer eintaucht. An ihrem oberen Ende hat sie ebenfalls eine Öffnung. Es ist ferner ein Rohr vorgesehen, das dem Führen einer Luftströmung dient. Das Rohr ist mit seinem einen offenen Ende an die obere Öffnung der Kammer angeschlossen. Im Rohr befindet sich eine von diesem umschlossene und koaxial zum Rohr angeordnete Energieeinheit mit einem Turbinenrotor sowie ggf. mit einem mit dem Rotor in Triebverbindung stehenden elektrischen Generator.
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Der Spiegel des Meerwassers innerhalb der Kammer hebt und senkt sich ständig zufolge der Wellen des Meeres; die Wellenbewegung wirkt somit in die Kammer hinein. Mit jedem Heben des Wasserspiegels ist ein Verdrängen des in der Kammer befindlichen Luftquantums enthalten. Die Luft wird beim Heben des Wasserspiegels verdrängt und strömt durch die obere Öffnung der Kammer und somit auch durch das Rohr, in welchem sich die Turbine befindet. Der Luftstrom treibt die Turbine an, und damit auch den elektrischen Generator, der als solcher elektrische Energie erzeugt.
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Beim Absenken des Wasserspiegels in der Kammer findet derselbe Vorgang statt, nur dass der Luftstrom sich umkehrt. Es gibt mechanische Möglichkeiten, den Turbinenrotor in ein- und demselben Drehsinn umlaufen zu lassen, ungeachtet der Richtung des Luftstromes. Eine solche Möglichkeit ist beispielsweise in
GB 1 595 700 A beschrieben.
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Die in den Weltmeeren enthaltene Wellenenergie ist unerschöpflich. Die mittlere Jahreswellenenergie liegt bei einer Tiefe von 10 m in der Größenordnung von 10 kW/m, und bei einer Tiefe von 40 m bei 50 kW/m. Das Problem liegt jedoch darin, die reichlich vorhandene Energie auf wirtschaftliche Weise auszunutzen, so dass die Kosten pro Kilowattstunde wettbewerbsfähig sind. Dies ist bei zahlreichen Anlagen zum Umsetzen von erneuerbarer Energie, so wie sie in der Natur anfällt, in wirtschaftlich verwertbare Energie zu akzeptablen Kosten häufig nicht möglich. Die Wirtschaftlichkeit einer Anlage der beschriebenen Art hängt somit sehr stark vom Wirkungsgrad ab. Die Möglichkeiten der Einflussnahme sind beschränkt.
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Ein großer Nachteil solcher Anlagen besteht darin, dass sich der Seegang ändert; er kann stärker oder schwächer sein. Der Meeresspiegel in der Kammer steigt somit zeitweise sehr stark an, und fällt auch wieder sehr stark ab. Die Folge hiervon ist, dass Meerwasser durch die im oberen Teil der Kammer vorgesehene Öffnung in das sich an die Öffnung anschließende Rohr eindringt und damit auch durch die Turbine hindurchströmt, was nicht gewollt ist. Auch kann der Zyklus der Auf- und Ab-Bewegung des Meeresspiegels dramatisch variieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenanlage der genannten Art derart zu gestalten, dass auch bei stürmischem Seegang kein Meerwasser durch die Öffnung hindurch zur Energieeinheit gelangt.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Der Erfinder hat eine sehr einfache und kostengünstige Lösung gefunden. Sie besteht in Folgendem:
- – Der Öffnung vor dem Rohr mit der Energieeinheit ist ein Absperrorgan vorgeschaltet.
- – Es ist ein Aktuator vorgesehen, der das Absperrorgan schließt, bevor der Meerwasserspiegel die Unterkante der Öffnung erreicht und der nach entsprechendem Absenken des Meereswasserspiegels das Absperrorgan wieder öffnet.
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Der Stand der Technik sowie die Erfindung sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei veranschaulichen die 1 bis 3 eine Anlage gemäß dem Stand der Technik, während die übrigen Figuren die Erfindung veranschaulichen.
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Im Einzelnen ist folgendes dargestellt:
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1 zeigt in einer schematischen perspektivischen Ansicht ein Wellenenergiekraftwerk.
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2 zeigt das Wellenenergiekraftwerk gemäß 1 in einem Vertikalschnitt.
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3 zeigt in perspektivischer Darstellung eine sogenannte Wells-Turbine als energieerzeugende Einheit.
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4 zeigt in einer schematischen Ansicht eine erfindungsgemäße Turbinenanlage mit geöffnetem Absperrorgan und einem Aktuator in Gestalt einer Kolben-Zylinder-Einheit.
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5 zeigt den Gegenstand von 4 mit geschlossenem Absperrorgan.
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6 zeigt eine erfindungsgemäße Turbinenanlage mit geöffnetem Absperrorgan und mit einem Schwimmer als Aktuator.
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7 zeigt den Gegenstand von 6 mit geschlossenem Absperrorgan.
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Das in 1 gezeigte Wellenenergiekraftwerk befindet sich in einem Küstenbereich, am besten in einer trichterförmigen Bucht, in denen eine hohe Energiekonzentration herrscht. Die Bucht steht mit der offenen See in Verbindung. Das Wasser befindet sich ständig in Bewegung – siehe die Wellen 2. Vom Kraftwerk ist im Wesentlichen nur eine Kammer 1 zu sehen.
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Die Kammer ist unten offen, wie man aus 2 erkennt. Die Wellen 2 gelangen zur Kammer 1. Sie führen dazu, dass sich der Pegel in der Kammer in vertikaler Richtung zwischen einem unteren und einem oberen Pegel hebt und senkt – siehe die beiden vertikalen Pfeile.
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Beim Anheben des Wasserspiegels wird die in der Kammer 1 eingeschlossene Luft nach oben verdrängt. Sie strömt entlang dem gekrümmten Pfeil. Sie verlässt die Kammer 1 durch die obere Öffnung 3. An die obere Öffnung 3 ist ein Rohr 4 angeschlossen. Dieser enthält eine Energieeinheit 5. Der Energieeinheit 5 ist ein Klappenventil 6 vorgeschaltet. Der Aufbau der Energieeinheit 5 ergibt sich genauer aus den 3 bis 6. Die 3 zeigt eine Rohrturbine 5. Diese weist ein Rohr 5.1 auf, das beim Betrieb des Kraftwerkes von Luft durchströmt ist, die aus Kammer 1 verdrängt wird.
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Die Rohrturbine ist eine Turbine, deren Rotor stets in ein und demselben Drehsinn umläuft, ungeachtet der Richtung des Luftstromes. Siehe
GB-A-1 595 700 .
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Wie man aus 3 erkennt, umfasst die Rohrturbine 5 ferner zwei Rotoren 5.2, 5.3. Diese sind zum Rohr 5.1 koaxial angeordnet und von diesem umschlossen. Die beiden Rotoren 5.2, 5.3 arbeiten auf einen Generator 5.4. Dabei sind die beiden Rotoren 5.2, 5.3 derart gestaltet und angeordnet, dass sie stets in ein und demselben Drehsinn umlaufen, ungeachtet dessen, von welcher Seite der Luftstrom in das Rohr 5.1 eintritt. Dies ist deshalb notwendig beziehungsweise. vorteilhaft, weil die Luft beim Anheben des Wasserspiegels in Kammer 1 landeinwärts strömt, und beim Absenken landauswärts.
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Der Generator 5.4 gibt elektrische Energie an ein hier nicht dargestelltes Stromnetz ab.
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Die in 4 gezeigte erfindungsgemäße Turbinenanlage umfasst eine Kammer 1 mit Wänden, die aus vorgefertigten Elementen aufgebaut sind. Sie können beispielsweise aus Beton bestehen oder aus einem äußeren Stahlgehäuse, das mit Beton ausgefüllt ist.
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Die Kammer ist wiederum unten offen, sodass von unten her Meerwasser eintritt. Siehe den Meerwasserspiegel 9.
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Die Kammer weist in ihrem oberen Bereich eine Öffnung 3 auf. An diese schließt sich ein Rohr 4 an. Das Rohr umschließt eine hier nicht gezeigte Energieeinheit, umfassend eine Pumpe und eine Turbine. Hierbei handelt es sich um eine Wells-Turbine. Diese liefert Energie bei Durchströmung in der einen oder der anderen Richtung.
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Der Öffnung 3 ist ein Absperrorgan 6 vorgeschaltet. Dabei handelt es sich um ein Schieberventil.
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Oberhalb des Schieberventiles befindet sich eine Kolben-Zylindereinheit 10. Auf den Kolben 10.1 wirkt der Druck im Luftraum oberhalb des Heereswasserspiegels 9. Der Kolben 10.1 ist mit dem Schieberventil 6 fest verbunden. Der Kolben 10.1 dient als Aktuator.
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Weiterhin sind ein Sensor sowie eine Auswertungseinheit vorgesehen. Beide sind hier nicht dargestellt. Der Sensor erfasst den Druck im Luftraum oberhalb des Meerwasserspiegels 9. Überschreitet dieser einen bestimmten Wert, so wird dies vom Sensor erfasst. Der Sensor liefert ein entsprechendes Signal an die Auswertungseinheit. Diese betätigt den Kolben 10.1 in dem Sinne, dass er die Schieberplatte 6 über die Öffnung 3 schiebt und diese damit absperrt.
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Dieser Zustand ist in 5 dargestellt.
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Bei der Ausführungsform gemäß der 6 und 7 besteht der Aktuator aus einem Schwimmer 11. Dieser greift an der Schieberplatte 6 an. Bevor der Meerwasserspiegel 9 die Unterkante der Öffnung 3 erreicht, steigt der Schwimmer 11 zusammen mit dem Meerwasserspiegel 9 an, sodass die Öffnung 3 durch den Ventilschieber 6 abgesperrt wird.
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Bei der Ausführungsform gemäß der 6 und 7 ist ein weiterer Schwimmer 11.1 vorgesehen. Dieser befindet sich unterhalb des Schwimmers 11 vor einem Auslass 12. Bei extremen Situationen kann Meerwasser durch den Auslass 12 austreten.
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Die Verschlusseinheiten, somit die Schieberplatten 6 gemäß den einzelnen Ausführungsformen, können jeweils mit einem Dämpfer ausgestattet sein, der das Öffnen der Verschlusseinheit drosselt. Bei konstant hohem Seegang würde dann die Verschlusseinheit in einer Drosselstellung quasi verbleiben. Aufgrund der Dämpfung würde sie nämlich nur einen kleineren Öffnungsweg zurücklegen und durch die nächste hohe Welle wieder geschlossen werden. Dies hätte weiterhin den Vorteil, dass die Verschlusseinheit mechanisch weniger beansprucht wird, als ohne Dämpfer.
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Zusätzlich kann mit der Verschlusseinheit ein Abblasventil verbunden sein, das beim Schließen der Verschlusseinheit zwangsläufig geöffnet wird. Dadurch werden die Druckbeanspruchungen von Verschlusseinheit und Kammer reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kammer
- 2
- Wellen
- 3
- Kammeröffnung
- 4
- Rohr
- 5
- Energieeinheit
- 5.1
- Rohr
- 5.2
- Rotor
- 5.3
- Rotor
- 5.4
- Generator
- 5.5
- Spritzdüse
- 5.6
- Spritzwasserleitung
- 6
- Klappenventil
- 7
- Rotorblatt
- 8
- Ablagerungen
- 9
- Meerwasserspiegel
- 10
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 10.1
- Koben
- 11
- Schwimmer
- 11.1
- Schwimmer
- 12
- Auslass
