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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum kavitationsreduzierten Betreiben eines Wellenenergiekonverters, Mittel zur Implementierung eines derartigen Verfahrens sowie einen entsprechend betreibbaren Wellenenergiekonverter.
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Stand der Technik
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Zur Umwandlung von Energie aus Wasserbewegungen in Gewässern in nutzbare Energie ist eine Reihe unterschiedlicher Vorrichtungen bekannt. Eine Übersicht hierzu gibt beispielsweise
G. Boyle, "Renewable Energy", 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004. Derartige Vorrichtungen werden hier als ”Wellenenergiekonverter” bezeichnet.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Wellenenergiekonverter von Interesse, die mit ihren bewegten Teilen unter der Wasseroberfläche angeordnet sind und die eine dort vorliegende Wellenorbitalbewegung ausnutzen. Die Wellenorbitalbewegung kann mittels Rotoren in eine Rotationsbewegung umgesetzt werden. Hierzu können Rotoren mit Kopplungskörpern, z. B. hydrodynamischen Auftriebsprofilen, verwendet werden. Ein derartiges System ist in der
US 2010/0150716 A1 offenbart. Rotoren mit hydrodynamischen Auftriebsprofilen werden nachfolgend kurz als Auftriebsläufer bezeichnet.
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Es ist bekannt, dass an schnell bewegten Objekten im Wasser, beispielsweise Laufrädern von Kreiselpumpen, Wasserturbinen oder Propellern (Schiffsschrauben), aber auch an den Auftriebsläufern von Wellenenergiekonvertern, sogenannte Kavitation auftreten kann, die zu einer Reduktion der Effizienz und zu Beschädigungen führen kann.
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Unter Kavitation versteht man die Bildung und Auflösung von dampf- oder luftgefüllten Hohlräumen (Blasen) in Flüssigkeiten, die entweder durch Unterschreiten des Sättigungsdruckes (Ausgasung gelöster Luft) oder durch Unterschreiten des Dampfdruckes (Verdampfen von Flüssigkeit) verursacht wird. Insbesondere die Dampfkavitation bei Unterschreiten des Dampfdruckes soll hier betrachtet werden. Gemäß dem Bernoullischen Gesetz fällt der Gesamtdruck einer Flüssigkeit umso mehr ab, je mehr deren Geschwindigkeit entlang eins Stromfadens ansteigt (quadratischer Zusammenhang). Wenn der Gesamtdruck den Dampfdruck unterschreitet, kommt es zum Verdampfen und Ausgasen der Flüssigkeit. Hierdurch gebildete Dampfblasen werden in Gebiete höheren Druckes mitgerissen, wo der Gesamtdruck den Dampfdruck wieder überschreitet. Hierdurch kondensiert der Dampf in den Dampfblasen schlagartig und die Blase implodiert, wobei extreme Druck- und Temperaturspitzen auftreten können. Diese Ereignisse können in ihrer Vielzahl zu einer lokalen Plastifizierung, Versprödung und Versagen von mechanischen Strukturen führen, was als Kavitationserosion bezeichnet wird und ein komplettes Bauteilversagen zur Folge haben kann.
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Wenngleich die vorliegende Anmeldung überwiegend auf Wellenenergiekonverter mit Auftriebsläufern und die hier verbauten Auftriebsprofile Bezug nimmt, kann die Erfindung auch bei anderen Typen von Wellenenergiekonvertern zum Einsatz kommen, deren bewegliche Teile sich so schnell im Wasser bewegen, dass Kavitation auftreten kann.
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Die Druckverteilung um einen Auftriebsläufer hängt unter anderem von der Anströmgeschwindigkeit, der Flügelform und dem Anstellwinkel ab. Die typische Druckverteilung um Auftriebsprofil eines Auftriebsläufers ist in der 2 veranschaulicht und im Rahmen der Figurenbeschreibung erläutert.
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Zur Vermeidung von Kavitation ist eine genaue Kenntnis der Druckverteilung wichtig. Die Druckverteilung um bewegliche Teile wie Auftriebsprofile wird typischerweise in gerichteter Strömung ermittelt (z. B. im Windkanal und/oder durch Simulation). Bei den eingangs erwähnten Wellenenergiekonvertern bewegen sich die beweglichen Teile jedoch auf einer Kreisbahn, weswegen die Strömungsverhältnisse unter Realbedingungen von derartigen idealisierten Verhältnissen grundlegend abweichen.
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Es besteht daher weiterhin der Bedarf nach verbesserten Möglichkeiten zur Kavitationsreduktion bei Wellenenergiekonvertern.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum kavitationsreduzierten Betreiben eines Wellenenergiekonverters, Mittel zur Implementierung eines derartigen Verfahrens sowie einen entsprechend betreibbaren Wellenenergiekonverter mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters vorgeschlagen, bei dem zur Vermeidung von Kavitation an wenigstens einem beweglichen Element des Wellenenergiekonverters, beispielsweise einem Auftriebsprofil, eine Position, Lage und/oder Geometrie bzw. Form des wenigstens einen beweglichen Elements eingestellt wird. Die Einstellung erfolgt dabei so, dass ein Gesamtdruck, insbesondere der minimale Gesamtdruck an der Oberfläche bzw. in der unmittelbaren Umgebung des Elements, oberhalb eines unteren Schwellwerts, insbesondere des momentanen Dampfdruckes, bleibt. Der Gesamtdruck wird auf Grundlage wenigstens einer die Kavitation an dem wenigstens einen beweglichen Element beeinflussenden Größe bestimmt. Die wenigstens eine die Kavitation an dem wenigstens einen beweglichen Element beeinflussende Größe kann vorzugsweise durch Erfassungsmittel, wie Sensoren, erfasst werden.
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Wie unten im Detail erläutert, richten sich die Kavitationsneigung und der Ort möglicher Kavitationsereignisse an einem Auftriebsprofil insbesondere nach dem Anstellwinkel (als Lage des Elements) dieses Profils gegenüber einem anströmenden Wasserkörper. Durch die Anstellung wird aufgrund der unterschiedlichen Umströmung des Auftriebsprofils ein grundsätzlich erwünschter Sog auf einer Seite des Auftriebsprofils erzeugt, der wiederum zum Auftrieb beiträgt. Der Sog korreliert mit der Anströmgeschwindigkeit (d. h. Relativgeschwindigkeit zwischen Wasserkörper und Profil). An Orten maximalen Sogs entstehen daher möglicherweise derart niedrige Gesamtdrücke, dass Kavitation auftritt. Entsprechende Maximalwerte eines auf das Auftriebsprofil wirkenden Sogs und damit einer entsprechenden Anströmgeschwindigkeit werden im Rahmen dieser Anmeldung als ”Saugspitzen” bezeichnet. Der kritische Bereich in Bezug auf die Entstehung von entsprechenden Kavitationsblasen ist bei einem positiven Anstellwinkel gegenüber dem anströmenden Wasserkörper der vordere Bereich der Saugseite im Bereich des betragsmäßigen Maximums des Sogs. An dieser Stelle weist das das Auftriebsprofil umströmende Fluid die höchste Anströmgeschwindigkeit auf. Der Gesamtdruck des Wassers vermindert sich an dieser Stelle auf ein Minimum.
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Aufgrund des vorzugsweise weitgehend synchronen Betriebs eines Wellenenergiekonverters zur Wellenbewegung ist die Winkelgeschwindigkeit des Rotors weitgehend vorgegeben. Die Periodendauern von für die Energiegewinnung relevanten Wellenlängenbereich liegen in einem Bereich von 6 bis 20 Sekunden. Die Anströmgeschwindigkeit selbst kann daher nicht verändert werden. Zusammen mit der Länge der Hebelarme des entsprechenden Rotors, d. h. dem Umlaufradius der Auftriebsprofile um eine Rotorachse als Position des Elements, ergibt sich hierdurch eine Umfangsgeschwindigkeit der Auftriebsprofile mit einer entsprechenden Relativanströmung, der sich zusätzlich die Orbitalströmung der Wellenbewegung überlagert. Bei typischen Maschinenabmessungen mit Umlaufradien zwischen 5 und 30 m ergibt sich der wesentliche Anteil der Flügelanströmung dabei aus der Drehbewegung des Rotors. Hohe Anströmgeschwindigkeiten insbesondere in Kombination mit großen Anströmwinkeln sind hierbei tendenziell kritischer, da sich hierdurch der Gesamtdruck auf der Saugseite reduziert und damit die Bildung von Gasblasen begünstigt wird.
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Wie erläutert, unterscheidet sich die Druckverteilung an entsprechenden Profilen in gerichteter Strömung grundsätzlich von den Strömungsverhältnisse im realen Einsatzfeld der Wellenenergiekonverter. Diesen spezifischen Strömungsverhältnissen kann durch eine geeignete Transformation der Profilgeometrie Rechnung getragen werden. Eine entsprechende Transformation kann beispielsweise eine Krümmung der Profilgeometrie in Sehnenrichtung entsprechend der beim Umlaufen beschriebenen Kreisbahn umfassen. Die Erfindung eignet sich auch für entsprechend transformierte Profile.
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Die vorliegende Erfindung kann auch mit weiteren, an sich bekannten Maßnahmen zur Vermeidung von Kavitation, beispielsweise einer Fluidverbindung der Druck- mit der Saugseite, Luftinjektion und einer rückspringenden Stufe auf der Saugseite kombiniert werden. Hierbei kann beispielsweise eine Optimierung der Flügelprofile zur Reduktion entsprechender Saugspitzen erfolgen, die mit einer Begrenzung des Rotordurchmessers gekoppelt werden können. Hierdurch werden die Anströmgeschwindigkeiten verringert. Die erfindungsgemäße Einstellung der Position, Lage und/oder Geometrie des wenigstens einen beweglichen Elements eines Wellenenergiekonverters, beispielsweise eines Auftriebsprofils, umfasst eine geeignete Betriebsstrategie zur Verstellung des Anstellwinkels, um übermäßige Saugspitzen und damit Kavitation zu reduzieren oder zu verhindern.
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Die erläuterten Maßnahmen können dazu führen, dass sich die Auftriebsbeiwerte und damit die Leistungsfähigkeit eines entsprechenden Wellenenergiekonverters zumindest teilweise reduzieren. Durch die Reduzierung der Kavitation ermöglicht die vorliegende Erfindung dennoch insgesamt geringere Stromgestehungskosten, insbesondere im Offshorebereich, da hier typischerweise die Wartungskosten überproportional in die Stromgestehungskosten eingehen. Erfindungsgemäß kann auch eine Mischoptimierung erfolgen, bei der für bestimmte, zeitlich und/oder betrieblich weniger relevante Betriebszustände eine (geringfügige) Kavitation zugelassen und insgesamt dennoch ein möglichst optimaler Energieertrag gewährleistet wird. Die Erfindung ermöglicht daher eine Gesamtsystemoptimierung, innerhalb derer die Kavitation reduziert wird. Diese Betriebsarten sind von einem kavitationsreduzierten Betrieb umfasst.
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Ein wichtiger Parameter zur Reduktion bzw. Vermeidung der Kavitation ist die Profilgeometrie der verwendeten Auftriebsprofile. Diese wirkt sich direkt auf die Ausbildung des Druckfeldes um das Auftriebsprofil aus. Ein erfindungsgemäßer Wellenenergiekonverter ist daher vorteilhafterweise mit Auftriebsprofilen ausgestattet, die in den typischen Betriebsfällen des Wellenenergiekonverters keine ausgeprägten Saugspitzen aufweisen. In diesem Zusammenhang können mit besonderem Vorteil sogenannte Eppler-Profile zum Einsatz kommen.
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Auch andere Profilgeometrien können in die genannte Richtung optimiert werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, die Profilgeometrie im Betrieb einstellbar vorzusehen, um das Profil an unterschiedliche Betriebszustände anpassen zu können. Im Rahmen dieser Anmeldung ist insbesondere vorgesehen, eine Position von Bauteilen an einem entsprechenden Profil zu verändern. Dies kann beispielsweise eine Verstellung verstellbarer Klappen umfassen. Eine entsprechende Optimierung kann auch, wie eingangs erläutert, zunächst in gerichtete Strömung, d. h. beispielsweise in einem Strömungskanal, erfolgen. Ein entsprechend optimiertes Profil kann mit Hilfe konformer Abbildung für den konkreten Anwendungsfall in einem Wellenenergiekonverter mit gekrümmter Anströmung optimiert werden.
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Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Veränderung eines Anstellwinkels des wenigstens einen beweglichen Elements in Abhängigkeit von einer Kavitationsneigung bzw. einer entsprechenden Größe. Wie auch im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren näher erläutert, ist die Druckverteilung an einem symmetrischen Profil sehr stark vom Anstellwinkel abhängig. In entsprechender Weise gilt dies auch für asymmetrische Profile. Dieses Verhalten kann dazu genutzt werden, die Höhe der Saugspitzen im Betrieb durch geeignete Einstellung des Anstellwinkels zu begrenzen. Dies kann auch und insbesondere für ein entsprechend optimiertes Profil erfolgen. Eine entsprechende Optimierung bzw. optimierte Ansteuerung kann auch umfassen, eine Steuerungs-/Regelungsstrategie für den Anstellwinkel mit beliebigem Regelziel (z. B. maximalem Energieertrag) eine Steuerung/Regelung zu überlagern, die die Kavitation reduziert.
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Wie zuvor erläutert, entstehen Kavitationsblasen bei Unterschreiten des Dampfdrucks. Auch der lokal vorliegende tiefenabhängige hydrostatische Druck des Wassers ist daher für die Bildung von Kavitationsblasen von Relevanz. Der Gesamtdruck ist nicht nur von der Ausprägung der Saugspitzen, sondern auch vom vorliegenden Umgebungsdruck (hydrostatisch) abhängig. Mit zunehmender Wassersäule über dem Profil ergibt sich daher ein günstigeres Kavitationsverhalten. Dementsprechend kann in einer Steuerungs-/Regelstrategie zur Kavitationsreduktion vorgesehen sein, in Abhängigkeit vom vorliegenden Umgebungsdruck bzw. der Höhe der Wassersäule über dem Auftriebsprofil, den Anstellwinkel und/oder die Form des entsprechenden Profils einzustellen. Wie erläutert ist, ist ein ebenfalls wichtiger Parameter bei der Entstehung der Kavitation die Anströmgeschwindigkeit des Profils. Diese hängt wesentlich vom Rotordurchmesser ab, wie zuvor erläutert. Erfindungsgemäß kann deshalb auch eine Veränderung des Umlaufradius des wenigstens einen beweglichen Elements an dem Wellenenergiekonverter eingestellt werden, so dass sich die Umlaufgeschwindigkeit bei gleicher Drehzahl verringert.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. eine Ansteuereinheit eines Wellenenergiekonverters, ist als Mittel zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere programmtechnisch dazu eingerichtet, das Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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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.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt die Wellenorbitalbewegungen unter der Oberfläche eines wellig bewegten Gewässers in schematischer Darstellung.
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2 zeigt die auf ein Auftriebsprofil wirkenden Drücke bei festem Anstellwinkel in schematischer Darstellung.
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3 zeigt die Kavitationsbereiche an einem Auftriebsprofil in Abhängigkeit vom Anstellwinkel in schematischer Darstellung.
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4 zeigt die auf ein Auftriebsprofil in Abhängigkeit vom Anstellwinkel wirkenden Drücke in schematischer Darstellung.
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5 zeigt einen Wellenenergiekonverter, der für einen erfindungsgemäßen Betrieb eingerichtet ist, in schematischer Darstellung.
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6 zeigt den Wellenenergiekonverter der 5 in schematischer Darstellung zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Maßnahmen.
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7 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Ablaufplans.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In den Figuren tragen gleiche oder gleich wirkende Elemente identische Bezugszeichen. Auf eine wiederholte Erläuterung wird verzichtet.
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1 zeigt Wellenorbitalbewegungen unter der Oberfläche eines wellig bewegten Gewässers in schematischer Darstellung. Eine Welle an der Oberfläche des Gewässers ist mit 10 bezeichnet. An einer Position A liegt ein Wellenberg, an einer Position C ein Wellental vor. Die Welle breitet sich in einer Wellenausbreitungsrichtung 11 aus. An den Positionen B und D befinden sich die Übergänge Wellenberg/Wellental bzw. Wellentall/Wellenberg. Die mittlere Gewässeroberfläche ist mit 12 bezeichnet.
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Aufgrund der Wellenbewegung ergeben sich unterhalb der Oberfläche des Gewässers Wellenorbitalbewegungen in Form von Orbitalbahnen 13, die nur teilweise mit Bezugszeichen versehen sind. Unmittelbar unter der Oberfläche des Gewässers weisen diese Orbitalbahnen 13 jeweils Radien r auf, die der Amplitude der Welle 10 entsprechen. Die Radien verringern sich mit zunehmender Distanz zur Oberfläche des Gewässers. Im Tiefwasser sind die Orbitalbahnen 13 kreisförmig, im Flachwasser zunehmend elliptisch.
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Die lokale Wasserbewegung ist in der 1 jeweils in Form kurzer, fetter Pfeile schematisch dargestellt, die den jeweiligen Bewegungsvektoren v entsprechen. Unter einem Wellenberg an Position A bewegt sich die Gesamtheit der Wasserteilchen dabei in Richtung der Wellenausbreitungsrichtung 11. Unter einem Wellental an Position C bewegt sich die Gesamtheit der Wasserteilchen der Wellenausbreitungsrichtung 11 entgegen. Beim Übergang von einem Wellenberg (Position A) zu einem Wellental (Position C), und zwar in Wellenausbreitungsrichtung fortschreitend, kommt es an Position B zu einer Situation, in der sich die Gesamtheit der Wasserteilchen senkrecht nach oben bewegt. Umgekehrt bewegt sich beim Übergang von einem Wellental (Position C) zu einem Wellenberg (Position A), wiederum in Wellenausbreitungsrichtung 11 fortschreitend, die Gesamtheit der Wasserteilchen senkrecht nach unten. Insgesamt ergibt sich an einer festen Position eine kontinuierliche Änderung der Anströmrichtung, deren Rotationsgeschwindigkeit der Wellenfrequenz entspricht. Bei multichromatischen Wellen besteht eine zeitliche Variabilität.
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Die Anströmrichtung und die Anströmgeschwindigkeit relativ zu einem beweglichen Element eines Wellenenergiekonverters, beispielsweise einem Auftriebsprofil, sind Größen, die eine Kavitation oder Kavitationsneigung an diesem beweglichen Element beeinflussen. Das bewegliche Element kann auf Grundlage dieser Größen eingestellt werden.
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In der 2 sind die auf ein Auftriebsprofil z. B. eines Wellenenergiekonverters wirkenden Drücke bei festem Anstellwinkel in schematischer Darstellung in Form eines Kräftediagrams 20 gezeigt. Das Auftriebsprofil ist mit 3 bezeichnet. Es ist im dargestellten Beispiel in einem Anstellwinkel α von 5° gegenüber einer Anströmrichtung angestellt. Das Auftriebsprofil 3 erstreckt sich über eine auf der x-Achse aufgetragene Länge (Sehnenlänge) von 0 bis 1,0 (relative Größen). Es ist als symmetrisches Auftriebsprofil 3 ausgebildet. Auf der y-Achse ist der Druckbeiwert Cp an Oberseite (Saugseite) und Unterseite (Druckseite) in dimensionslosen Einheiten angegeben. Ein Druckverlauf an der Saugseite des Auftriebsprofils ist mit 21, ein Druckverlauf an der Druckseite des Auftriebsprofils 3 mit 22 angegeben.
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Wie aus der 2 ersichtlich, liegt der kritische Bereich in Bezug auf die Entstehung von Kavitationsblasen im vorderen Bereich der Saugseite im Bereich des betragsmäßigen Maximums des saugseitigen Druckverlaufs 21, das auch als Saugspitze bezeichnet wird und in der Figur bei einem Cp-Wert von ca. –1,75 liegt. In diesem Bereich weist das das Auftriebsprofil 3 umströmende Wasser die höchste Anströmgeschwindigkeit auf. Der Gesamtdruck besitzt daher an dieser Stelle sein Minimum. Wie erläutert, wird hierdurch gegebenenfalls der Dampfdruck des Fluids unterschritten, so dass sich entsprechende Gasblasen bilden.
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In 3 ist ein Kavitationsdiagram eines entsprechenden Auftriebsprofils 3 angegeben und insgesamt mit 30 bezeichnet. Auf der y-Achse ist die Kavitationszahl σ0 gegen einen Anstellwinkel α auf der x-Achse aufgetragen. Ein kavitationsfreier Bereich liegt oberhalb der Kurve 31 und ist bei der Einstellung des Anstellwinkels α des Auftriebsprofils 3 vorteilhafterweise einzuhalten. Wie aus der 3 ersichtlich, ergibt sich in Abhängigkeit vom Anstellwinkel α jeweils ein unterschiedlicher Grenzwert für das Auftreten von Kavitation. Der Ort der größten Kavitationsneigung ist in der 3 dabei jeweils mit 32 veranschaulicht.
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In der 4 ist, entsprechend der 2, der Druckverlauf an einem entsprechenden Auftriebsprofil 3, das hier beispielsweise als NACA 0015-Profil ausgebildet ist, dargestellt. Im Gegensatz zu der 2, in der nur ein fester Anstellwinkel betrachtet wurde, sind hier die Anstellwinkel verändert. Die Achsenbezeichnungen entsprechen im Wesentlichen jenen der 2. Die Kurven stellen jeweils den Druckverlauf für unterschiedliche Anstellwinkel von 0°, 3°, 6° und 9° auf Saugseite (9°:41, 6°:42, 3°:43, 0°:44) und Druckseite (0°:44, 3°:45, 6°:46, 9°:47).
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In 5 ist ein Wellenenergiekonverter gezeigt, der sich die in der 1 gezeigte Wellenorbitalbewegung zu Nutze machen kann. Der Wellenenergiekonverter ist insgesamt mit 1 bezeichnet. Er weist einen Rotor 2, 3, 4 mit einer Rotorbasis 2 auf, an der über Rotor- bzw. Hebelarme 4 längliche Auftriebsprofile 3 angebracht sind. In 1 ist ein einseitiger Rotor gezeigt, das Verfahren kann jedoch auch bei zweiseitigen Rotoren durchgeführt werden.
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Die Auftriebsprofile 3 sind mit einem Ende mit den Hebelarmen 4 verbunden und beispielsweise über Verstelleinrichtungen 5 in einem Winkel (sogenannter Pitchwinkel) um ihre Längsachse drehbar. Die Verstelleinrichtungen 5 können alternativ oder zusätzlich auch dazu ausgebildet sein, die Auftriebsprofile 3 jeweils in einem Verstellbereich 8 zu verschieben, wodurch ein Umlaufradius der Auftriebsprofile 3 um das Zentrum des Rotors 2, 3, 4 bzw. eine entsprechende Rotationsachse verändert werden kann, oder die Form bzw. Geometrie der Auftriebsprofile 3 zu verändern.
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Den Verstelleinrichtungen 5 können entsprechende Geber 6 zugeordnet sein, die beispielsweise als Mittel zur Erfassung einer Geschwindigkeit eines die Auftriebsprofile 3 anströmenden Wasserkörpers und/oder als Mittel zur Erfassung eines Gesamtdrucks ausgebildet sind. Die Geber 6 können dabei individuell jedem Auftriebsprofil 3 zugeordnet sein, um eine möglichst exakte Erfassung der lokal vorherrschenden Bedingungen zu ermöglichen. Alternativ können entsprechende Geber 6 jedoch auch gemeinsam für mehrere Auftriebsprofile 3 vorgesehen sein, was eine kostengünstigere Erstellung und einfachere Auswertung ermöglicht. Die Geber 6 können auch an einem anderen als dem dargestellten Ort, beispielsweise an einem Zentrum eines Wellenenergiekonverterparks, angeordnet sein. Die Geber 6 können auch Positionsgeber umfassen, die einen jeweils eingestellten Anstellwinkel des betreffenden Auftriebsprofils 3 an eine Steuereinrichtung ausgeben können.
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Die Auftriebsprofile 3 sind, bezogen auf die Achse des Rotors 2, 3, 4, in einem Winkel von 180° versetzt zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind die Auftriebsprofile 3 in der Nähe ihres Druckpunktes mit den Hebelarmen 4 verbunden, um im Betrieb auftretende Rotationsmomente auf die Auftriebsprofile 3 und damit die Anforderungen an die Halterung und/oder die Verstelleinrichtungen zu reduzieren. Der radiale Abstand zwischen einem Aufhängungspunkt eines Auftriebsprofils 3 und der Rotorachse beträgt beispielsweise 1 m bis 50 m, vorzugsweise 2 m bis 40 m und besonders bevorzugt 6 m bis 30 m. Er ist, wie erwähnt, in einem Stellbereich 8 verstellbar. Die Sehnenlänge der Auftriebsprofile 3 beträgt beispielsweise 1 m bis 8 m, die größte Längserstreckung beispielsweise 6 m oder mehr.
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Der Wellenenergiekonverter 1 weist einen integrierten Generator auf. Hierbei ist die Rotorbasis 2 drehbar in einem Generatorgehäuse 7 gelagert. Die Rotorbasis 2 bildet den Läufer des Generators, das Generatorgehäuse 7 dessen Stator. Die erforderlichen elektrischen Einrichtungen, wie Spulen und Leitungen, sind nicht dargestellt. Auf diese Weise kann eine durch die Wellenorbitalbewegung induzierte Rotationsbewegung der Rotorbasis 2 mit den hieran über die Hebelarme 4 angebrachten Auftriebsprofilen 3 direkt in elektrische Energie umgesetzt werden.
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Wenngleich in der 5 ein Wellenenergiekonverter 1 gezeigt ist, bei dem die Auftriebsprofile 3 über ihre Hebelarme 4 nur an einer Seite einer Rotorbasis 2 angebracht sind, kann die Erfindung auch bei Wellenenergiekonvertern 1 zum Einsatz kommen, bei denen an beiden Seiten der Rotorbasis 2 Hebelarme 4 bzw. Auftriebsprofile 3 befestigt sind. Auch müssen die Rotorarme 4 nicht notwendigerweise in der dargestellten Weise ausgebildet sein. Beispielsweise können die Auftriebsprofile 3 auch über ein scheibenförmiges Element mit der Rotorbasis 2 verbunden sein. Die Auftriebsprofile 3 sind ferner nur Beispiele für bewegliche Elemente, an denen eine Kavitation auftreten kann. Die Erfindung ist, wie erwähnt, auch bei anderen Typen von Wellenenergiekonvertern 1 einsetzbar.
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In 6 ist der Wellenenergiekonverter 1 der 5 nochmals in Draufsicht auf die Rotorbasis 2 und stärker schematisch gezeigt. Wie erwähnt, weist der Wellenenergiekonverter 1 ein Generatorgehäuse 7 mit elektrischem Generator und einen daran drehbar gelagerten Rotor 2, 3, 4 mit einer Rotorbasis 2 und zwei jeweils über Rotorarme 4 drehfest an der Rotorbasis 2 angebrachten Kopplungskörpern in Form hydrodynamischer Auftriebsprofile 3 auf.
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Die Auftriebsprofile 3 ragen in der 6 von hinten nach vorne in den Wasserkörper. Eine Steuereinheit ist schematisch dargestellt und mit 200 bezeichnet.
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Der Rotor 2, 3, 4 sei unterhalb der Wasseroberfläche eines wellig bewegten Gewässers, beispielsweise eines Ozeans, angeordnet. Eine Rotationsachse des Rotors (senkrecht zur Zeichenebene) sei weitgehend horizontal orientiert.
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Durch die Verstelleinrichtungen 5 (nur am rechten Auftriebsprofil bezeichnet) kann ein Anstell- bzw. Pitchwinkel α der beiden Auftriebsprofile 3 gegenüber einer jeweils senkrecht nach oben bzw. unten verlaufenden Tangente zum Rotor (nur am linken Auftriebsprofil gezeigt) eingestellt werden. Die Anstellwinkel α der beiden Auftriebsprofile sind vorzugsweise einander entgegen gerichtet orientiert und weisen beispielsweise Werte von –20° bis +20° auf. Insbesondere beim Anfahren des Wellenenergiekonverters 1 oder geringer Kavitationsneigung können jedoch auch größere Anstellwinkel vorgesehen sein.
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Die Anstellwinkel können insbesondere in Abhängigkeit von einer die Kavitation an dem den Auftriebsprofilen 3 beeinflussenden Größe eingestellt werden. Beispielsweise kann ein Verstellumfang in Abhängigkeit von einer entsprechenden Größe beschränkt werden. Vorzugsweise können die Anstellwinkel α unabhängig voneinander verstellt werden. Bei den Verstelleinrichtungen 5 kann es sich um elektromotorische Verstelleinrichtungen, vorzugsweise mit Schrittmotoren, um hydraulische und/oder um pneumatische Komponenten handeln.
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Den beiden Verstelleinrichtungen 5 können, wie erwähnt, Geber 6 zugeordnet sein. Eine weitere, nicht dargestellte Sensorik kann den Rotationswinkel der Rotorbasis 2 gegenüber dem Gehäuse 7 bestimmen, aufgrund derer ein Phasenversatz des Rotors 2, 3, 4 zum anregenden Wellenfeld als Parameterwert ermitteln lässt. Die Erfindung eignet sich jedoch auch für Anlagen ohne Verstelleinrichtungen 5 zur Verstellung der Anstell- bzw. Pitchwinkel α und/oder entsprechende Sensorik. Wie bereits zuvor erläutert, kann es alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, die Verstelleinrichtungen 5 derart auszubilden, dass die Auftriebsprofile 3 in einem Verstellbereich 8 verschoben werden können (nur bezüglich des rechten Auftriebprofils 3 dargestellt), wodurch ein Umlaufradius der Auftriebsprofile 3 um das Zentrum des Rotors 2, 3, 4 bzw. eine entsprechende Rotationsachse verändert werden kann.
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Der Wellenenergiekonverter 1 wird von der Orbitalströmung mit einer Geschwindigkeit ν → angeströmt. Dabei handelt es sich um die Orbitalströmung von Meereswellen (siehe 1), deren Richtung sich kontinuierlich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω ändert. Bei sogenannten monochromatischen Wellen ändert sich die Strömungsrichtung dabei mit der Winkelgeschwindigkeit Ω = 2πf = const., wobei f die Frequenz der monochromatischen Welle darstellt. In multichromatischen Wellen unterliegt Ω einer zeitlichen Änderung, Ω = f(t), da die Frequenz f eine Funktion der Zeit ist, f = f(t). Die 6 zeigt damit eine Momentaufnahme. Im dargestellten Fall ist die Drehung der Orbitalströmung entgegen dem Uhrzeigersinn orientiert, die dazugehörige Welle breitet sich also von rechts nach links aus.
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Durch die Einwirkung der Strömung mit der Geschwindigkeit ν → auf die Auftriebsprofile 3 und die Bewegung der Auftriebsprofile 3 durch den Wasserkörper werden jeweils ein Auftrieb (angegeben jeweils durch den Kraftvektor F) und dadurch ein auf den Rotor 2, 3, 4 wirkendes erstes Drehmoment erzeugt. Zur Einstellung der Drehgeschwindigkeit kann auf den Rotor 2, 3, 4 ein vorzugsweise veränderbares zweites Drehmoment in Form eines Widerstands, also eines Bremsmoments, oder eines Beschleunigungsmoments aufgebracht werden. Mittel zur Erzeugung des zweiten Drehmoments können durch den Generator realisiert sein.
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Zwischen der Rotororientierung, die durch eine untere gestrichelte Linie veranschaulicht ist, und 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, und die durch einen der Geschwindigkeitspfeile ν → verläuft, besteht ein Phasenwinkel bzw. -versatz Δ, dessen Betrag als Parameterwert durch eine geeignete Einstellung des ersten und/oder des zweiten Drehmoments beeinflusst werden kann. Die Darstellung der Auftriebsprofile 3 in den 5 und 6 erfolgt nur beispielhaft zur Definition der unterschiedlichen Betriebsparameter. So können im Betrieb die Anstellwinkel der beiden Auftriebsprofile 3 auch entgegengesetzt zur Darstellung ausgeführt sein. Das in 6 linke Auftriebsprofil 3 wäre dann nach innen verstellt und das in 6 rechte Auftriebsprofil 3 nach außen. Dabei kann entgegen dieser schematischen Darstellung mit ungekrümmten symmetrischen Profilen auch der Einsatz von anderen Profilgeometrien vorgesehen sein, die zudem vorzugsweise auch noch in Bezug auf die kreisförmige Bahnlinie angepasst und/oder transformiert sein können.
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7 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Ablaufplans, der insgesamt mit 100 bezeichnet ist. Das mit 100 veranschaulichte Verfahren ist beispielsweise in einer Ansteuereinheit 200 eines Wellenenergiekonverters 1 wie zuvor dargestellt, implementiert. Das Verfahren beginnt in einem Schritt 101 mit einer Erfassung bzw. Ermittlung einer Größe, die eine Kavitation an wenigstens einem beweglichen Element, beispielsweise einem Auftriebsprofil 3 des Wellenenergiekonverters 1, beeinflusst. Wie erläutert, kann es sich hierbei beispielsweise um eine Geschwindigkeit eines Wasserkörpers, eine Anströmgeschwindigkeit zwischen Auftriebsprofil 3 und Wasserkörper, einen hydrostatischen Druck des Wasserkörpers, der auf dem entsprechenden Auftriebsprofil lastet, und/oder einen Gesamtdruck handeln. Entsprechende Größen sind mit 110 bezeichnet. In einem Schritt 102 erfolgt auf dieser Grundlage die Bestimmung einer Kavitationsneigung, insbesondere des minimalen Gesamtdrucks an der Oberfläche bzw. in der unmittelbaren Umgebung des Auftriebsprofils. Die Form des Auftriebsprofils ist in der Anlage bekannt, Anstellwinkel und Anströmgeschwindigkeit sind aus bekannten bzw. gemessenen Größen leicht bestimmbar. Daraus können Ort und Wert des minimalen Gesamtdrucks berechnet werden. Alternativ ist auch die direkte Bestimmung des Gesamtdrucks mit Hilfe von Drucksensoren möglich, indem diese an den neuralgischen Punkten montiert werden. Beispielsweise kann die Saugspitze an einem entsprechenden Auftriebsprofil, wie in Zusammenhang mit den 2 und 4 erläutert, ermittelt werden. Es erfolgt ein Vergleich mit einem Dampfdruck als unteren Schwellwert, welcher vorzugsweise in Abhängigkeit von der Temperatur und der Höhe der Wassersäule über dem Profil bzw. über der Anlage beispielweise einer Speichereinrichtung einer den Wellenenergiekonverter steuernden Recheneinheit entnommen wird.
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Das Unterschreiten des Dampfdruckes wird durch Ausgeben einer entsprechenden Stellgröße in einem Schritt 103 verhindert, das bewirkt, dass in einem Wellenenergiekonverter die Position und/oder Lage des wenigstens einen beweglichen Elements eingestellt wird. Dies ist mit 120 veranschaulicht. Wie erläutert, kann die Position beispielsweise in Form einer Veränderung eines Umlaufradius und/oder die Lage in Form einer Veränderung eines Anstellwinkels verändert werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Veränderung der Geometrie durch die Veränderung der Position bestimmter Bauteile, beispielsweise von Anstellklappen und dergleichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0150716 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- G. Boyle, ”Renewable Energy”, 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004 [0002]
