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Die Erfindung betrifft eine regenerative Offshore-Energieanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In der im Jahr 2007 erschienenen Veröffentlichung „A rotating wing for the generation of energy from waves” von Pinkster et al. ist ein Konzept für eine Wellenenergieanlage gezeigt, die zur Umwandlung der Energie einer Wellenbewegung dient. Dabei wird eine von Wasserteilchen beschriebe umlaufende Orbitalströmung in oder unter der Welle genutzt, um ein Auftriebsprofil anzuströmen. Der Auftrieb des mit der Orbitalströmung umlaufenden Profils wird in Rotation einer Rotorwelle umgewandelt.
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Die
DE 10 2009 035 928 A1 zeigt ebenfalls eine Wellenenergieanlage, die zur Umwandlung der Energie einer umlaufenden Orbitalströmung dient. Dabei wird von der Orbitalströmung ein Widerstandselement mitgenommen, das eine Rotorwelle in Rotation versetzt.
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Nachteilig an derartigen Offshore-Energieanlagen ist der vorrichtungstechnische Aufwand z. B. für Verankerungen am Meeresboden oder für Schwimmkörper und für Stabilisierungen und die im Verhältnis zum vorrichtungstechnischen Aufwand geringe Energieausbeute insbesondere bei geringem Wellengang.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde eine Offshore-Energieanlage zu schaffen, deren Energieausbeute im Verhältnis zum vorrichtungstechnischen Aufwand verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Offshore-Energieanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Offshore-Energieanlage hat zumindest eine Wellenenergieanlage zur Umwandlung von Energie einer umlaufenden Orbitalströmung einer Wellenbewegung, wobei die Energie zumindest teilweise in Rotationsenergie eines um jeweils eine zugeordneten Rotationsachse rotierenden Rotors wandelbar ist (Wave-Harrow). Dabei weist die Energieanlage zusätzlich zumindest eine Windturbine auf. Damit ist eine Energieanlage geschaffen, bei der durch die Kombination zweier gemäß dem Stand der Technik getrennt konstruierter und aufgestellter Anlagen Synergien nutzbar sind. So ergibt sich z. B. nur eine Verankerung an einer Stelle des Meeresbodens oder nur eine Schwimmvorrichtung der Energieanlage. Auch die Energie- bzw. Leistungswandlung kann zentralisiert erfolgen. Damit ist die Energieausbeute im Verhältnis zum vorrichtungstechnischen Aufwand der Energieanlage verbessert. Wenn Wind und Wellen zeitversetzt anfallen, ist mit der erfindungsgemäßen Energieanlage eine vergleichmäßigte Energiewandlung möglich.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung hat zur Wandlung der Energie des Rotors der Wellenenergieanlage und/oder der zumindest einen Windturbine mindestens einen Generator. Wenn für die gesamte Energieanlage nur ein Generator vorgesehen ist, reduziert sich ihr vorrichtungstechnischer Aufwand. Dem oder den Generatoren kann ein Getriebe – insbesondere ein Summiergetriebe – vorgeschaltet sein. Eine jeweilige Abtriebswelle der Windturbine kann in Abhängigkeit von einer Windsensorik an den Generator – insbesondere über eine Kupplung – koppelbar sein. Alternativ oder in Ergänzung kann der zumindest eine Rotor der Wellenenergieanlage in Abhängigkeit einer Wellensensorik an den Generator – insbesondere über eine Kupplung – koppelbar sein. Wenn ein Getriebe vorgesehen ist, erfolgt die Kopplung indirekt über das Getriebe an den Generator.
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Es sind Konfigurationen der zumindest einen Wellenenergieanlage mit und ohne Rotorwelle denkbar. Im letzteren Fall können Kopplungskörper der Rotoren über Hebelarme direkt an den Generator gekoppelt sein. Kopplungskörper können Widerstandselemente und/oder Auftriebselemente sein.
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Die Energieanlage kann schwimmend ausgeführt sein und ein Mooring (mit Tauen oder Ketten) aufweisen, oder sie kann – insbesondere über Pilonen – am Meeresboden verankert sein.
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Um den Schwerpunkt der Energieanlage möglichst niedrig zu halten wird es bevorzugt, wenn der Generator – bzw. bei verschiedenen Generatoren insbesondere der Generator der Windturbine – in der Nähe der ruhigen bzw. ruhenden Wasseroberfläche bzw. der Still-Water-Line (SWL) angeordnet ist. Dabei kann bei getrennten Generatoren insbesondere der Generator der Wellenenergieanlage getaucht unterhalb der SWL und besonders bevorzugt koaxial zu der Rotorachse angeordnet sein.
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Eine erste Variante der Windturbine ist als „horizontal-axis-wind-turbine” (HAWT) ausgebildet, bei der die erstgenannte Abtriebswelle etwa horizontal angeordnet ist. Dabei kann die Windturbine eine weitere etwa vertikale Abtriebswelle aufweisen, die über ein Umlenkgetriebe – insbesondere zwei Kegelräder – an die horizontale Abtriebswelle gekoppelt ist. Durch eine derartige vertikale Abtriebswelle wird es ermöglicht, das anfallende Drehmoment zu einem gemeinsam mit der Wellenenergieanlage genutzten Generator zu führen. Dadurch ist eine Weiterbildung mit gutem Wirkungsgrad geschaffen.
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Dabei wird es bevorzugt, wenn die Windturbine in Abhängigkeit einer Windrichtung nachführbar ist. Damit kann bei unterschiedlichen Windrichtungen der Wirkungsgrad der Windturbine maximiert werden.
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Eine zweite Variante der Windturbine ist als vertical-axis-wind-turbine (VAWT) ausgebildet, bei der die Abtriebswelle etwa vertikal angeordnet ist. Diese benötigen keine Umlenkung bzw. Abwinklung der Abtriebswelle und keine Nachführung.
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Dabei kann die mindestens eine VAWT 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 aufweisen.
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Vorzugsweise ist die Wellenergieanlage in Abhängigkeit einer Wellenausbreitungsrichtung nachführbar. Damit kann bei unterschiedlichen Wellenrichtungen der Wirkungsgrad der Wellenenergieanlage maximiert werden.
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An den Rotor der Wellenenergieanlage(n) ist zumindest ein mit der Orbitalströmung um die Rotorachse umlaufender Kopplungskörper gekoppelt. Dabei kann es sich um zumindest ein Widerstandselement und/oder zumindest ein Auftriebselement handeln. Diese können derart angeordnet sein, dass das auf den Rotor wirkende Drehmoment maximiert wird. Dabei wird insbesondere eine Kombination aus zwei Auftriebselementen bevorzugt. Weiterhin kann der Anstellwinkel der Auftriebselemente in Abhängigkeit von der lokalen Anströmung einstellbar sein. Weiterhin kann die Drehgeschwindigkeit des Rotors insbesondere durch eine Anpassung des abgegriffenen Generatormoments einstellbar sein. Dabei wird es als besonders vorteilhaft erachtet, wenn sich zwischen Rotordrehung und Orbitalströmung ein weitgehend konstanter Phasenversatz einstellt.
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Im Folgenden werden anhand der Figuren verschiede Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
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1a und 1b ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Offshore-Energieanlage in zwei verschiedenen Zuständen;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Offshore-Energieanlage in einer schematischen Darstellung;
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Offshore-Energieanlage in einer schematischen Darstellung;
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4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Offshore-Energieanlage in einer schematischen Darstellung;
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5 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Offshore-Energieanlage; und
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6 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Offshore-Energieanlage.
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Die 1a und 1b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieanlage in zwei verschiedenen Zuständen. Die Energieanlage hat unterhalb einer welligen Wasseroberfläche 1 eines Meeres eine Wellenenergieanlage 2 und oberhalb der Wasseroberfläche 1 eine Windturbine 4. Die Energieanlage ist schwimmend ausgeführt und über eine als Kette 6 realisiertes Mooring am Meeresboden 8 verankert.
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Es wird eine Wellen-Ausbreitungsrichtung 10 und eine Windrichtung 12 (in den 1a und 1b von links nach rechts gemäß den Pfeilen) angenommen. Unter der Wasseroberfläche 1 ergibt sich durch die Wellen eine umlaufende Orbitalströmung. Diese führt unterhalb eines Wellenberges gemäß 1a zu einer Anströmungsrichtung 14 der Wellenenergieanlage 2 in Wellen-Ausbreitungsrichtung 10. Unterhalb eines Wellentales gemäß 1b führt die umlaufende Orbitalströmung zu eine Anströmungsrichtung 16 der Wellenenergieanlage 2 entgegen der Wellen-Ausbreitungsrichtung 10.
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Die Energieanlage hat ein Gehäuse 18, das über eine (nicht näher gezeigte) Auftriebsvorrichtung schwebend zwischen der Wasseroberfläche 1 und dem Meeresboden 8 gehalten wird. Weiterhin kann die Energieanlage über (nicht gezeigte) Dämpfungsplatten im Wasser stabilisiert werden.
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Die Wellenenergieanlage 2 ist in 1 in einer Seitenansicht dargestellt und wird aktiv oder passiv stets derart ausgerichtet, dass zwei an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 18 angebrachte Auftriebsrotoren 20a, 20b stets weitgehend quer zur Wellen-Ausbreitungsrichtung 10 angeordnet sind. Jeder Auftriebsrotore 20a, 20b hat zwei als Flügelprofil ausgebildete Auftriebskörper, deren Auftriebskraft als Drehmoment um die Rotationsachse wirkt. Dabei können zusätzlich nicht dargestellte Verstelleinrichtungen für Anstellwinkel der Flügelprofile vorgesehen sein, um diese entsprechend der lokal vorliegenden Strömungsbedingungen optimal auszurichten und so eine Maximierung des Rotordrehmoments zu erreichen.
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Die Windturbine 4 ist an einer Oberseite des Gehäuses 18 angeordnet und besteht im Wesentlichen aus einer weitgehend senkrecht ausgerichteten Abtriebswelle 22, an deren aus dem Wasser herausragenden oberen Teil zumindest zwei gekrümmte Profile 24a, 24b derart befestigt sind, dass sie einen Darrieus-Rotor bilden. Damit bildet die Windturbine 4 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine Vertical-Axis-Wind-Turbine VAWT, die unabhängig von der Windrichtung 12 über ihre Abtriebswelle 22 zusätzliche rotatorische Energie in die Energieanlage einspeist.
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Die gleichzeitig oder zeitversetzt anfallende rotatorische Energie einerseits der Windturbine 4 und andererseits der beiden Rotoren 20a, 20b der Wellenenergieanlage 2 treiben mindestens einen im Gehäuse 18 angeordneten (nicht gezeigten) Generator an, dessen elektrische Energie über eine (ebenfalls nicht gezeigte) elektrische Leitung zum Festland übertragen wird. Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, dass die beiden dargestellten Auftriebsrotoren 20a, 20b fest gekoppelt sind, so dass sich im Prinzip eine Variante mit einem einstückigen Rotor ergibt.
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Vorzugsweise können Kupplungen vorgesehen sein, um Windturbine und/oder Wellenenergieanlage von dem mindestens einen Generator zu entkoppeln, sollte der Energieeintrag entsprechend niedrig sein.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieanlage in einer schematischen Darstellung. Eine Wellenenergieanlage 102 hat zwei Widerstandsläufer bzw. Widerstandsrotoren 120a, 120b, während eine Windturbine 104 als Horizontal-Axis-Wind-Turbine (HAWT) ausgebildet ist.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Wasseroberfläche 101 dargestellt, deren mittlere Höhe zwischen einem Wellenberg (vgl. 1a) und einem Wellental (vgl. 1b) durch die ruhende Wasseroberfläche 101 definiert ist. Es sind eine Wellen-Ausbreitungsrichtung 110 und eine Windrichtung 112 in die Zeichenebene hinein angenommen. Dem entsprechend sind unter der Wasseroberfläche die beiden Widerstandsläufer 120a, 120b in einer Frontalansicht dargestellt.
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Die Windturbine ist 104 als Horizontal-Axis-Wind-Turbine (HAWT) ausgebildet. Diese kann in dem etwa senkrechten Mast eine darin aufgenommene Abtriebswelle 123 aufweisen. Am oberen Endabschnitt des Mastes und der Abtriebswelle 123 ist eine etwa horizontal ausgerichtete Abtriebswelle 122 vorgesehen. An der horizontal ausgerichteten Abtriebswelle 122 ist ein aus vorzugsweise drei Rotorblättern 124a, 124b, 124c bestehendes Windrad angeordnet. Dabei kann die horizontale Abtriebswelle 122 über eine (nicht gezeigte) Kegelradstufe und über die Abtriebswelle 123 an einen (nicht gezeigten) Generator gekoppelt sein. Wie mit Bezug zu ersten Ausführungsbeispiel erläutert, sind an den Generator ebenfalls die beiden Rotoren Widerstandsrotoren 120a, 120b der Wellenenergieanlage 2 gekoppelt.
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieanlage in einer schematischen Darstellung. Dabei entspricht die Windturbine 4 derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels (1a und 1b), während die Wellenenergieanlage 102 dem zweiten Ausführungsbeispiel (2) entspricht. Dabei ist die Energieanlage gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel über eine feste Pilone 106 am Meeresboden 8 verankert.
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4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieanlage in einer schematischen Darstellung. Dabei ist die Windturbine 104 des zweiten Ausführungsbeispiels (vgl. 2) mit der Wellenenergieanlage 102 der vorhergehenden Ausführungsbeispiele (vgl. 2 und 3) kombiniert. Die Energieanlage ist über die Pilone 106 des dritten Ausführungsbeispiels (vgl. 3) am Meeresboden 8 fest verankert.
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5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieanlage in einer perspektivischen Ansicht. Dabei ist ein im Wesentlichen rechteckig geformter aus Stäben gebildeter Rahmen 428 einer Wellenenergieanlage 402 vorgesehen, der etwa waagerecht unter der Wasseroberfläche 1 über (nicht gezeigte) biegeschlaffe Zugmittel (z. B. in Form eines Catenery Mooring) am Meeresboden 8 verankert ist.
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Der Rahmen 428 trägt in seinem Innern vier Rotoren 420a, 420b, 420c, 420d, die die wesentlichen Komponenten einer Wellenenergieanlage 402 bilden. Der Rahmen 428 wird derart zur Wellen-Ausbreitungsrichtung 10 ausgerichtet, dass zwei längere Abschnitte des Rahmens 428 im Wesentlichen entlang der Wellen-Ausbreitungsrichtung 10 und die Rotoren 420a–d im Wesentlichen quer dazu ausgerichtet sind. Dabei werden die vier Rotoren 420a–d von der umlaufenden Orbitalströmung, die sich aus der Wellenbewegung ergibt, angeströmt und in Rotation versetzt, so dass um die Rotorachsen ein Drehmoment wirkt. Dieses kann an jedem der vier Rotoren 420a–d über einen eigenen (nicht dargestellten) Generator in Strom gewandelt werden, alternativ ist jedoch auch die Zusammenführung der Drehmomente in einen gemeinsamen Generator mit geeigneten Mitteln möglich. Von den beiden längeren Abschnitten des Rahmens 428 nach oben erstreckt sich jeweils eine Windturbine 4, die gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel als windrichtungsunabhängiger Darrieus-Rotor ausgebildet ist.
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6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieanlage. Sie hat eine Wellenergieanlage 502 mit einem Rahmen 428 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel (vgl. 5). Am Rahmen 428 sind zwei Windturbinen 4 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel (vgl. 5) angebracht. Abweichend vom fünften Ausführungsbeispiel hat das sechste Ausführungsbeispiel vier Rotoren, die als kreiszylindrische Widerstandsrotoren 520a, 520b, 520c, 520d ausgebildet sind, und die die wesentlichen Komponenten einer Wellenenergieanlage 502 bilden. Die Längsachsen der vier Widerstandsrotoren 520a–520d sind exzentrisch über Hebelarme zu einer jeweiligen Rotationsachse angeordnet, wobei die Hebelarme beidseitig in den längeren Abschnitten des Rahmens 428 gelagert sind. Dabei werden die vier Widerstandsrotoren 520a–520d von der umlaufenden Orbitalströmung, die sich aus der Wellenbewegung ergibt, auf umlaufenden Kreisbahnen um die jeweilige Rotationsachse mitgenommen.
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Offenbart ist eine Offshore-Energieanlage mit einer Wellenenergieanlage zur Umwandlung von Energie einer umlaufenden Orbitalströmung einer Wellenbewegung in mechanische Energie mindestens eines Rotors z. B. nach dem Wave-Harrow-Prinzip. Dabei weist die Energieanlage zusätzlich zumindest eine Windturbine auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009035928 A1 [0003]
