DE102011118254A1

DE102011118254A1 - Regenerative Offshore-Energieanlage

Info

Publication number: DE102011118254A1
Application number: DE102011118254A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Hagemann; Nik Scharmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2013-05-16

Abstract

Offenbart ist eine kombinierte Offshore-Energieanlage, die zur Wandlung von Windenergie über zumindest eine Windturbine mit etwa vertikaler Rotorachse (VAWT) und zur Wandlung von Wellenergie über zumindest eine Wellenturbine dient, wobei letztere in Wirkverbindung mit einer oszillierenden Wassersäule (OWC) steht. Die beiden Turbinen sind mechanisch koppelbar oder dauernd gekoppelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine kombinierte regenerative Offshore-Energieanlage für Windenergie und für Wellenergie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die EP 2 090 774 A1 zeigt eine kombinierte regenerative Offshore-Energieanlage. Sie hat eine Windkraftanlage mit horizontaler Rotorachse (HAWT). Im Innern des Turms der Windkraftanlage ist eine zusätzliche Turbine angeordnet, bei der es sich vorzugsweise um eine Wells-Turbine handelt. Diese wird durch oszillierende Luftströmung angetrieben, die durch einen steigenden und fallenden Wasserspiegel in dem nach unten offenen Turm erzeugt wird. Die Bewegung des Wasserspiegels wird durch die Wellenbewegung des Meeres erzeugt.
Nachteilig an derartigen kombinierten Energieanlagen für Windenergie und für Wellenergie ist die an einer Gondel installierte und damit weit über dem Meeresspiegel angeordnete Masse, die die gesamte Energieanlage destabilisiert. Weiterhin muss der Rotor der Windkraftanlage nachgeführt werden.
In der JP 750-171080 ist eine kombinierte regenerative Energieanlage mit vergleichsweise niedrigem Schwerpunkt beschrieben, bei der von einer oszillierenden Wassersäule eine oszillierende Luftbewegung erzeugt wird, deren Energie über eine Turbine in Strom gewandelt wird. Zusätzlich sind zwei Windturbinen mit vertikaler Rotorachse bzw. vertical-axis-wind-turbines (VAWT) vorgesehen, über die ein weiterer Luftstrom erzeugt wird. Dieser wird dem erstgenannten Luftstrom überlagert bzw. zugeführt, so dass die gemeinsame Turbine und der gemeinsame Generator die Energie beider Luftströme in Strom wandelt.
Nachteilig an derartigen kombinierten Energieanlagen sind die Wirkungsgradverluste bei der Wandlung der Windenergie über eine Turbine, deren Rotation dazu genutzt wird, einen weiteren Luftstrom zu erzeugen, der wiederum von einer Turbine und einem Generator in Strom gewandelt wird.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine kombinierte Offshore-Energieanlage zu schaffen, die einen optimierten Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Offshore-Energieanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemäße kombinierte Offshore-Energieanlage dient zur Wandlung von Windenergie über zumindest eine Windturbine mit etwa vertikaler Rotorachse (VAWT) und zur Wandlung von Wellenergie über zumindest eine Wellenturbine, die in Wirkverbindung mit einer oszillierenden Wassersäule (OWC) steht. Die beiden Turbinen sind mechanisch koppelbar oder dauernd gekoppelt. Damit ist eine mechanische verlustarme Weiterleitung bzw. Zusammenführung der von der Windturbine gewandelten Leistung mit der von der Wellenturbine gewandelten Leistung möglich.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung hat mindestens einen Generator. Damit kann die zusammengeführte Energie der beiden Turbinen in Strom gewandelt werden. Wenn genau ein gemeinsamer Generator vorgesehen ist, ist der vorrichtungstechnische Aufwand minimiert.
Zur Wirkungsgradoptimierung wird ein dem Generator vorgeschaltetes Getriebe bevorzugt. Dies kann insbesondere ein Summiergetriebe sein.
Zur weiteren Wirkungsgradoptimierung kann die Windturbine in Abhängigkeit von einer Windsensorik an den Generator – insbesondere über eine Kupplung – koppelbar sein. Alternativ oder in Ergänzung kann auch die Wellenturbine in Abhängigkeit einer Wellensensorik an den Generator – insbesondere über eine Kupplung – koppelbar sein. Dabei kann die Koppelung auch indirekt über das Getriebe sein.
Wenn der Generator in der Nähe der ruhigen beziehungsweise ruhenden Wasseroberfläche bzw. der Still-Water-Line SWL angeordnet ist, ist der Schwerpunkt der erfindungsgemäßen Offshore-Energieanlage niedrig gehalten und ihre Stabilität verbessert.
Vorzugsweise ist für die Turbine eine Bremsvorrichtung und/oder einer Blockiervorrichtung vorgesehen.
Bei bevorzugten Weiterbildungen ist die Wellenturbine eine Wells-Turbine mit zumindest einem Rotor, die unabhängig von der Anströmungsrichtung in die gleiche Richtung rotiert und/oder eine Turbine mit verstellbaren Rotorblättern – z. B. eine Dennis-Auld-Turbine, bei der die Rotorblätter an die durch die oszillierende Wassersäule entstehenden unterschiedlichen Anströmrichtungen des Wassers oder eines daran gekoppelten Fluids alternierend angepasst werden können.
Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist eine Umlenkvorrichtung für eine Fluidströmung der oszillierenden Wassersäule oder eines daran gekoppelten Fluids vorgesehen, wobei die Wellenturbine eine Impulsturbine mit Leitblechen ist. Mit der Umlenkvorrichtung kann die Fluidströmung der oszillierenden Wassersäule oder des daran gekoppelten Fluids alternierend angepasst und umgelenkt werden, so dass die Impulsturbine stets aus einer Richtung angeströmt wird.
Bei bevorzugten Weiterbildungen weist die zumindest eine Windturbine einen Savonius-Rotor und/oder einen Darrieus-Rotor und/oder einen Voith-Schneider-Rotor und/oder eine Gorlov-Turbine und/oder einen C-Rotor und/oder einen Lenz-Rotor und/oder eine Tesla-Turbine auf.
Es wird bevorzugt, wenn die Windturbine – insbesondere ihre Rotorwelle – und die Wellenturbine – insbesondere ihre Rotorwelle – und der Generator im Wesentlichen etwa koaxial zueinander angeordnet sind. Wenn ein Getriebe vorgesehen ist, kann dieses bzw. können seine Wellen auch koaxial zu den o. g. Bauteilen angeordnet sein.
Bei einer bevorzugten Variante ist die erfindungsgemäße Offshore-Energieanlage fest am Meeresboden verankert.
Bei einer anderen bevorzugten Variante schwimmt die erfindungsgemäße Offshore-Energieanlage und ist über ein Mooring – insbesondere Slack- oder Taunt-Mooring – am Meeresboden verankert.
Zur weiteren Wirkungsgradoptimierung kann ein von der oszillierenden Wassersäule erzeugter Luftstrom – insbesondere über einen Luftauslass – derart ausgerichtet sein, dass er antreibend auf die Windturbine wirkt.
Zusätzlich kann die oszillierende Wassersäule ein weiteres Fluid – insbesondere Luft – beinhalten, das durch zumindest eine Membran vom Seewasser getrennt ist, und das antreibend auf die Wellenturbine wirkt. Damit wird die Wellenturbine nicht von Seewasser beaufschlagt und ihre Lebensdauer verlängert.
Im Folgenden werden anhand der Figuren verschiede Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Offshore-Energieanlage in einem seitlichen schematischen Schnitt;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Offshore-Energieanlage in einem seitlichen schematischen Schnitt.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieanlage in einem seitlichen schematischen Schnitt. Sie hat einen Auftriebskörper 1, der an einer welligen Wasseroberfläche 2 eines Meeres schwimmt. Dabei ist der Auftriebskörper 1 über ein Mooring am Meeresboden (nicht gezeigt) verankert, so dass die Energieanlage in weitgehend gleichbleibender Höhe gehalten ist und wenig auf die Wellenbewegung reagiert. Alternativ oder zusätzlich kann eine geringe Systemantwort der Energieanlage durch eine große Massenträgheit erreicht werden. Dadurch entsteht im Innern des Auftriebskörpers 1 in Abhängigkeit der Wellenbewegung eine (nur grob schematisch dargestellte) oszillierende Wassersäule 4 (vgl. Doppelpfeil). Über diese wird im Innern des Auftriebskörpers 1 eine weitgehend kontinuierlich alternierende Luftstrom 9 erzeugt. Von dieser Luftbewegung 9 wird eine Wells-Turbine 6 beaufschlagt, deren Rotor in der Lage ist, trotz unterschiedlicher Anströmungsrichtung eine gleichgerichtete Rotation einer senkrecht angeordneten Welle 8 zu erzeugen. Die Wells-Turbine 6 kann über eine Kupplung 16 von der gemeinsamen Welle 8 entkoppelt werden.
An einem (in 1) oberen Endabschnitt der gleichen Welle 8 ist ein Darrieus-Rotor 10 angeordnet. Dieser wandelt die Energie eines seitlich auftreffenden Windes 12 in Rotation der Welle 8, wobei auch der Darrieus-Rotor über eine Kupplung 14 von der Welle 8 entkoppelt werden kann.
Die vom Darrieus-Rotor 10 gewandelte Windenergie und die von der Wells-Turbine 6 gewandelte Wellenenergie wird über ein Getriebe 18 über- oder untersetzt und schließlich von einem Generator 20 in elektrische Energie gewandelt.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen kombinierten Energieanlage sind verschiedene Energieformen nutzbar, wobei der vorrichtungstechnische Aufwand – insbesondere für das gemeinsame Getriebe 18 und den gemeinsamen Generator 20 – minimiert sind.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieanlage in einem seitlichen schematischen Schnitt. Die Energieanlage ist als fest am Meeresboden 105 installierte Variante ausgeführt. Dabei ist ein Hauptkörper 101 über einen Ständer 103 am Meeresboden 105 befestigt. Damit hat die (nur grob schematisch dargestellte) oszillierende Wassersäule 4 eine maximierte Amplitude. Eine dadurch wie mit Bezug zu 1 erläuterte indirekt angetriebene Wells-Turbine 106 hat gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zwei Rotoren und treibt über die Kupplung 14 und ein Getriebe 119 einen Generator 120 der Energieanlage an.
Weiterhin wird der Generator 120 über ein Getriebe 118 von einer Kombination aus einem Darrieus-Rotor 10 und einem Savonius-Rotor 111 über eine Kupplung 14 angetrieben. Die beiden Rotoren 10, 111 sind gemeinsam als „vertical-axis-wind-turbine” (VAWT) ausgebildet. Dabei ist die VAWT 10, 111 und die Wells-Turbine 106 mit ihren jeweiligen Getrieben 118, 119 und dem gemeinsamen Generator 120 konzentrisch zueinander angeordnet.
Offenbart ist eine kombinierte Offshore-Energieanlage, die zur Wandlung von Windenergie über zumindest eine Windturbine mit etwa vertikaler Rotorachse (VAWT) und zur Wandlung von Wellenergie über zumindest eine Wellenturbine dient, wobei letztere in Wirkverbindung mit einer oszillierenden Wassersäule (OWC) steht. Die beiden Turbinen sind mechanisch koppelbar oder dauernd gekoppelt.
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

EP 2090774 A1 [0002]
JP 750-171080 [0004]

Claims

Kombinierte Offshore-Energieanlage für Windenergie und für Wellenergie mit zumindest einer Windturbine (10; 111) mit etwa vertikaler Rotorachse und mit zumindest einer Wellenturbine (6; 106), die in Wirkverbindung mit einer oszillierenden Wassersäule steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinen (6, 10; 106, 111) mechanisch koppelbar sind.
Offshore-Energieanlage nach Anspruch 1 mit mindestens einem Generator (20; 120).
Offshore-Energieanlage nach Anspruch 2 mit einem Getriebe (18; 118, 119), das dem Generator (20; 120) vorgeschaltet ist.
Offshore-Energieanlage nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Windturbine (10, 12) in Abhängigkeit von einer Windsensorik an den Generator (20; 120) koppelbar ist, und/oder wobei die Wellenturbine (6; 106) in Abhängigkeit einer Wellensensorik an den Generator (20; 120) koppelbar ist.
Offshore-Energieanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Generator (20; 120) in der Nähe der ruhigen Wasseroberfläche angeordnet ist.
Offshore-Energieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Bremsvorrichtung und/oder einer Blockiervorrichtung.
Offshore-Energieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wellenturbine eine Wells-Turbine (6; 106) mit zumindest einem Rotor und/oder eine Turbine mit verstellbaren Rotorblättern ist.
Offshore-Energieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Umlenkvorrichtung für eine Fluidströmung der oszillierenden Wassersäule, wobei die Wellenturbine eine Impulsturbine.
Offshore-Energieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Windturbine einen Savonius-Rotor (111) und/oder einen Darrieus-Rotor (10) und/oder einen Voith-Schneider-Rotor und/oder eine Gorlov-Turbine und/oder einen C-Rotor und/oder einen Lenz-Rotor und/oder eine Tesla-Turbine aufweist.
Offshore-Energieanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Windturbine (10; 111) und die Wellenturbine (6; 106) und der Generator (20; 120) im Wesentlichen etwa koaxial zueinander angeordnet sind.
Offshore-Energieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die fest am Meeresboden (105) verankert ist.
Offshore-Energieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die schwimmend ist und über ein Mooring am Meeresboden verankert ist.
Offshore-Energieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein von der oszillierenden Wassersäule (4) erzeugter Luftstrom antreibend auf die Windturbine wirkt.
Offshore-Energieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die oszillierende Wassersäule (4) ein zusätzliches Fluid hat, das antreibend auf die Wellenturbine (6; 106) wirkt, und das durch zumindest eine Membran vom Seewasser getrennt ist.