DE102012013752A1

DE102012013752A1 - Wasserkraftanlage für ungleichmäßige Strömungsverhältnisse

Info

Publication number: DE102012013752A1
Application number: DE102012013752.4A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2014-01-16
Also published as: WO2014009441A1

Abstract

Die Wasserkraftanlage mit einer Turbinenanordnung, die mindestens eine Einzelturbine aufweist, die als eine Radialturbine mit einer vertikalen Rotationsachse ausgebildet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenanordnung in mehrere vertikale Segmente mit jeweils mindestens einer unabhängig rotierenden Einzelturbine (3, 5, 7) unterteilt ist, dass die Drehzahlen und Drehmomente der Einzelturbinen voneinander unabhängig sind, dass jede Einzelturbine mit einer separaten Hydraulikpumpe antriebsmäßig verbunden ist und dass die Hydraulikpumpen mit einem außerhalb des Wassers angeordneten elektrischen Generator und/oder einem Hydraulikspeicher und/oder einer Meerwasser-Entsalzungsanlage verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage mit einer Turbinenanordnung, die mindestens eine Einzelturbine aufweist, die als eine Radialturbine mit einer vertikalen Rotationsachse ausgebildet ist.
Stand der Technik
Eine Radialturbine mit einer vertikalen Rotationsachse kann unter bestimmten Umständen in ihrer Effizienz eingeschränkt sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in unterschiedlichen Tiefen unterschiedlich ist. In diesem Fall bewegt sich der Rotor der Radialturbine nur bezüglich einer bestimmten Tiefe mit der optimalen Rotationsgeschwindigkeit. Oberhalb und unterhalb dieser Tiefe bewegt sich der Rotor entweder zu langsam oder zu schnell. Bewegt der Rotor sich zu langsam im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit, so entnimmt er deutlich weniger Energie aus der Strömung als bei der optimalen Drehzahl, die dieser aktuellen Strömung entspricht. Bewegt er sich hingegen zu schnell, so gibt der Rotor Energie an die Strömung ab, anstatt Strömungsenergie aufzunehmen und in Rotationsenergie umzuwandeln. Der Rotor wird an dieser Stelle also gebremst und leitet einen Teil der an anderer Stelle des Rotors aufgenommenen kinetischen Energie wieder zurück in die Strömung. Noch nachteiliger sind Strömungen, bei denen sich die Strömungsrichtung in einer bestimmten Tiefe umkehrt. Dies kann im Extremfall dazu führen, dass sich die Turbine überhaupt nicht dreht, obwohl genug Strömungsenergie vorhanden ist.
Aufgabe und Lösung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung: Daher soll bei der Wasserkraftanlage der eingangs genannten Art der energetische Wirkungsgrad bei nicht gleichmäßigen Strömungsbedingungen erheblich verbessert werden. Zusätzlich soll die Wasserkraftanlage auch bei zeitlich veränderlichen Strömungsbedingungen, also einer fluktuierenden Strömung, einen optimalen Wirkungsgrad erreichen.
Diese Aufgabe wird bei einer Wasserkraftanlage für ungleichmäßige Strömungsverhältnisse der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Turbinenanordnung in mehrere vertikale Segmente mit jeweils mindestens einer unabhängig rotierenden Einzelturbine unterteilt ist,
dass die Drehzahlen und Drehmomente der Einzelturbinen voneinander unabhängig sind,
dass jede Einzelturbine mit einer separaten Hydraulikpumpe antriebsmäßig verbunden ist und
dass die Hydraulikpumpen mit einem außerhalb des Wassers angeordneten elektrischen Generator und/oder einem Hydraulikspeicher und/oder einer Meerwasser-Entsalzungsanlage verbunden sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
Durch die Segmentierung der Wasserkraftanlage entlang der Wassertiefe rotieren die Turbinen in jeder Wassertiefe mit der optimalen Drehzahl. Eine gegenseitige Behinderung der Turbinen findet nicht mehr statt. Auch wenn die Strömungsrichtung sich ändern sollte, wird bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 eine optimale Energieausbeute erreicht, da sich in diesem Fall die Radialturbinen um die Schwenkachse genau wieder in Strömungsrichtung drehen, um die maximale Strömungsenergie zu ernten.
Vorzugsweise ist eine Regeleinrichtung vorgesehen und die Hydraulikpumpe ist über die Regeleinrichtung zur Erzielung eines optimalen TSR-Wertes (Tip Speed Ratio) verstellbar.
Vorzugsweise wird die Hydraulikpumpe passend zur Strömungsgeschwindigkeit so gesteuert, dass durch die Regelung der erzeugten Leistung ein elektronmagnetisches Bremsmoment auf die Turbine übertragen wird, um eine optimale Schnelllaufzahl zur Energieumwandlung einzustellen, die zwischen 45% und 65% bezogen auf die Schnelllaufzahl (englisch tip speed ratio = TSR) der ungebremsten Turbine beträgt. Dadurch wird erreicht, dass stets die maximal mögliche Energie geerntet werden kann.
Eine noch bessere Anpassung an unterschiedliche Strömungsverhältnisse in unterschiedlichen Tiefen wird nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erreicht, wenn die Radialturbinen selber in mehrere längs einer Welle einzeln gelagerte Einzelturbinen aufgeteilt sind.
Zur Vermeidung von Turbulenzbildung ist die Kante des V-förmigen Verteilers vorzugsweise abgerundet.
Um für alle eventuell zeitlich veränderlichen Strömungsverhältnisse optimale Betriebsbedingungen zu erreichen, wird weiterhin vorgeschlagen, dass der Abstand des V-förmigen Verteilers zu den Turbinen verstellbar ist.
Damit über einen möglichst großen Strömungsquerschnitt Energie geerntet werden kann, wird vorgeschlagen, dass die Wasserkraftanlagen im Abstand nebeneinander angeordnet sind (5). Alternativ oder gleichzeitig kann auch vorgesehen sein, dass die Wasserkraftanlagen hintereinander und versetzt angeordnet sind (4a und 4b).
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In allen Zeichnungen haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert.
Es zeigen
1a eine schematische Darstellung der Wasserkraftanlage mit einer Turbinenanordnung, die in drei vertikale Segmente unterteilt ist, wobei jedes Segment zwei Zwillingsturbinen aufweist, befestigt an einem Ponton,
1b eine schematische Darstellung gemäß 1a, wobei aber die Turbinenanordnung am Boden 2, zum Beispiel am Meeresboden, befestigt ist,
2a eine Anordnung entsprechend 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel, wobei jedes Segment aber nur eine Zwillingsturbine aufweist, und die Turbinenanordnung an einem Ponton befestigt ist,
2b eine schematische Darstellung gemäß 2a, wobei die Turbinenanordnung am Boden 2, zum Beispiel am Meeresboden, befestigt ist,
3 die eingesetzte Zwillingsturbine in perspektivischer Darstellung,
4a eine Ansicht von oben auf eine Anordnung von drei hintereinander und versetzt stehender Wasserkraftanlagen gemäß der Erfindung,
4b eine Ansicht von oben auf eine andere Anordnung von fünf hintereinander und versetzt stehender Wasserkraftanlagen gemäß der Erfindung,
5 eine entsprechende Anordnung von erfindungsgemäßen Wasserkraftanlagen, die nebeneinander stehen und außerdem Leitbleche aufweisen,
6 eine Anordnung von zwei erfindungsgemäßen Wasserkraftanlagen, ebenfalls von oben gesehen, mit zusätzlichen äußeren Leitblechen und
7 einen schematischen Querschnitt durch die Zwillingsturbinenanordnung entsprechend 3.
Bei der Wasserkraftanlage nach 1a ist die Turbinenanordnung an einem Ponton 1 befestigt. Alternativ kann die Wasserkraftanlage auch am Boden, zum Beispiel am Meeresboden, befestigt sein (1b).
Die Turbinenanordnung besteht aus drei vertikalen Segmenten, die jeweils zwei Zwillingsturbinen 3, 4, 5, 6, 7, 8 aufweisen. Die Generatoranordnung beziehungsweise die separate Hydraulikpumpe für jede Einzelturbine ist der Deutlichkeit halber in den 1a und 1b nicht dargestellt.
Die 2a und 2b zeigen eine ähnliche Anordnung wie die 1a und 1b, aber hier ist in jedem der drei Segmente nur eine Zwillingsturbine 3, 5, 7 vorgesehen.
Der Aufbau der Zwillingsturbine geht aus den 3 und 7 hervor und ist im Einzelnen in den internationalen Patentanmeldungen WO 2012/079711 A und WO 2012/038043 A des Anmelders beschrieben. Der besondere Vorteil liegt in der geringen Empfindlichkeit dieser Turbine gegenüber einem Bewuchs mit Algen, usw. („Fouling”). Die durch den Bewuchs rauere Oberfläche wirkt sich sogar positiv auf die Leistung der Turbine aus.
Zwischen einer Bodenplatte 9 und einer Dachplatte 10 sind die Einzelturbinen 11 und 12 sowie ein V-förmiger Verteiler 13 befestigt. Die Einzelturbinen 11 und 12 rotieren mit ihren Turbinenschaufeln 15 um die Rotationsachse 16. Die Schwenkachse 14 in 7 stimmt mit der Achse des Tragmastes 17 in 3 überein.
Die Anordnungen von mehreren Wasserkraftanlagen in den 4a, 4b und 5 zeigen zum einen ein nebeneinander und versetzt angeordnetes System zur besseren Ausnutzung der Strömungsenergie über eine größere Querschnittsbreite. Die Strömung ist durch Pfeile angedeutet.
Von besonderem Vorteil ist die Anordnung nach 4b, in der hinter einer Reihe von drei Wasserkraftanlagen 19, 20, 21 eine weitere Reihe von zwei Wasserkraftanlagen 24, 25 so versetzt angeordnet ist, dass sie jeweils die Lücken zwischen den drei Wasserkraftanlagen 19, 20, 21 der vorderen Reihe abdeckt. In diesem Fall brauchen die vorderen drei Wasserkraftanlagen 19, 20, 21 nur den halben Querschnitt als bei einer Anordnung ohne die hintere Reihe der Wasserkraftanlagen 24, 25 zu haben und erzeugen dennoch die volle Leistung. Insgesamt ist diese Anordnung wirtschaftlicher als eine Anordnung ohne die hintere Reihe, aber mit Wasserkraftanlagen 19, 20, 21, die den doppelt so großen Querschnitt haben.
In der Anordnung nach 5 dienen die zusätzlichen Verteiler 18 zur Umlenkung der Strömung auf die dahinter versetzt stehenden Wasserkraftanlagen 19, 20, 21. Dadurch wird die ansonsten frei zwischen den Wasserkraftanlagen 19, 20, 21 fließende Strömungsenergie ausgenutzt, indem sie auf die Wasserkraftanlagen gerichtet wird.
Durch das Anbringen von zwei zusätzlichen Leitblechen 22, 23 entsprechend 6 entsteht der so genannte Venturi-Effekt. Der Venturi-Effekt steigert die Effizienz der Turbinen.
In einem Ausführungsbeispiel hat die Wasserkraftanlage drei Segmente zu je 5 Metern und damit eine Gesamtlänge von etwa 15 Metern.
Die Art der eingesetzten Turbine kann unterschiedlich sein. Es handelt sich vorzugsweise um eine Turbine nach dem Savonius-Typ, da diese sehr schnell auf Strömungen mit variierenden Richtungen und auf Querströmungen reagiert. Aber auch Darrieus-Turbinen oder Durchströmturbinen (Cross-flow turbines) und andere Turbinen sind einsetzbar. Der V-förmige Verteiler 13 kann ebenfalls unterschiedlich ausgebildet sein, zum Beispiel eher als eine Halbschale in Form eines Halbkreises anstelle eines V.
Auch weitere Variationen der Erfindung sind möglich, ohne den Schutzumfang zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Ponton
2: Boden (Meeresboden)
3: Zwillingsturbine
4: Zwillingsturbine
5: Zwillingsturbine
6: Zwillingsturbine
7: Zwillingsturbine
8: Zwillingsturbine
9: Bodenplatte
10: Dachplatte
11: Einzelturbine
12: Einzelturbine
13: V-förmiger Verteiler
14: Schwenkachse
15: Turbinenschaufel
16: Rotationsachse der Einzelturbinen
17: Tragmast
18: zusätzlicher Verteiler
19: Wasserkraftanlage
20: Wasserkraftanlage
21: Wasserkraftanlage
22: äußeres Leitblech
23: äußeres Leitblech
24: Wasserkraftanlage
25: Wasserkraftanlage

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

WO 2012/079711 A [0028]
WO 2012/038043 A [0028]

Claims

Wasserkraftanlage mit einer Turbinenanordnung, die mindestens eine Einzelturbine aufweist, die als eine Radialturbine mit einer vertikalen Rotationsachse ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenanordnung in mehrere vertikale Segmente mit jeweils mindestens einer unabhängig rotierenden Einzelturbine unterteilt ist, dass die Drehzahlen und Drehmomente der Einzelturbinen voneinander unabhängig sind, dass jede Einzelturbine mit einer separaten Hydraulikpumpe antriebsmäßig verbunden ist und dass die Hydraulikpumpen mit einem außerhalb des Wassers angeordneten elektrischen Generator und/oder einem Hydraulikspeicher und/oder einer Meerwasser-Entsalzungsanlage verbunden sind.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung vorgesehen ist und die Hydraulikpumpe über die Regeleinrichtung zum Einstellen der optimalen Schnelllaufzahl der Turbine verstellbar ist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikpumpen eine direkte mechanische Antriebsverbindung mit den Einzelturbine haben.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikpumpen mit Hydrauliköl betrieben und an einen außerhalb des Wassers angeordneten elektrischen Generator angeschlossen sind.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikpumpen hydraulische Wasserpumpen sind, mit Meerwasser betrieben und an eine außerhalb des Wassers angeordnete Meerwasser-Entsalzungsanlage angeschlossen sind.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment mindestens eine Zwillingsturbine (3, 4, 5, 6, 7, 8) aufweist und dass jede Zwillingsturbine zwei nebeneinander und parallel ausgerichtete Einzelturbinen (11, 12) mit einer vertikalen Rotationsachse umfasst, die miteinander verbunden und um eine Schwenkachse (14) parallel zu den Turbinenachsen (16) verschwenkbar sind, wobei die Schwenkachse und ein V-förmiger Verteiler (13) außerhalb der Verbindungslinie der Turbinenachsen und beide auf der gleichen Seite der Verbindungslinie liegen.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (14) eine Drehverbindung zur Halterung für die Turbinen aufweist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Turbinen jeder Zwillingsturbine in gegenläufiger Richtung rotieren.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserkraftanlage an einem Mast oder Fundament und vorzugsweise an einem Ponton (1) befestigt ist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wasserkraftanlage selbstständig ohne motorgetriebene Nachführeinrichtung und ohne Steuerung und ohne zusätzliche Leitflächen in die optimale Wasser-Strömungsrichtung dreht.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich äußere Leitflächen (22, 23) auf der gleichen Seite wie der V-förmige Verteiler (13) angeordnet sind.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum selbsttätigen Annähern der Radialturbinen beim Erreichen einer vorgegebenen Wassergeschwindigkeit vorgesehen ist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante des V-förmigen Verteilers (13) abgerundet ist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des V-förmigen Verteilers zu den Turbinen verstellbar ist.
Anordnung von mehreren Wasserkraftanlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserkraftanlagen (19, 20, 21) in einer vorderen Reihe und im Abstand nebeneinander und quer zur Strömung angeordnet sind, dass weitere Wasserkraftanlagen (24, 25) hinter der vorderen Reihe, im Abstand nebeneinander und versetzt zur vorderen Reihe angeordnet sind.