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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines welligen Gewässers in eine andere Energieform.
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Stand der Technik
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Wellenkraftwerke (Wellenenergiekonverter) nutzen die Energie von Meereswellen zur Gewinnung elektrischen Stromes. Neuere Konstruktionsansätze verwenden dabei rotierende Einheiten (Rotoren), die die Wellenbewegung in ein Drehmoment wandeln. An diesen können hydrodynamische Auftriebskörper (d. h. Körper, die bei Umströmung einen Auftrieb erzeugen, wie zum Beispiel Auftriebsprofile und/oder Flettner-Rotoren mit Nutzung des Magnus-Effekts) als Kopplungskörper zum Einsatz kommen, mittels derer aus der anströmenden Welle Auftriebskräfte und durch die Anordnung der Kopplungskörper an dem Rotor ein Moment erzeugt wird, das in eine Rotationsbewegung des Rotors umsetzbar ist. Durch eine überlagerte Anströmung aus der Orbitalströmung der Wellenbewegung und der Eigendrehung des Rotors ergeben sich Auftriebskräfte an den Kopplungskörpern, wodurch ein Drehmoment in den Rotor eingeleitet wird. Aus
DE 10 2011 105 169 A1 ,
DE 10 2011 105 177 A1 ,
DE 10 2011 105 178 A1 und
DE 10 2011 105 170 A1 ist in diesem Zusammenhang ein Anlagenkonzept bekannt, bei dem der Auftrieb eines angeströmten Auftriebsläufers, also eines einen hydrodynamischen Auftrieb erzeugenden Kopplungskörpers, in eine Rotationsbewegung umgesetzt wird. In der
GB 2 226 572 A ist ein Wellenenergiekonverter mit Flettner-Rotoren offenbart.
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Es ist wünschenswert, den Betrieb von gattungsgemäßen Wellenenergiekonvertern zu verbessern und/oder die Komplexität/Stromgestehungskosten der Anlagen zu reduzieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines welligen Gewässers in eine andere Energieform, eine Recheneinheit zu dessen Durchführung sowie ein Wellenenergiekonverter mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung schafft die Möglichkeit, einen Wellenenergiekonverter relativ unaufwendig, aber dennoch mit relativ hoher Energieausbeute zu betreiben. Dies wird erreicht, indem auf die bisher (wie beispielsweise die einführend genannten Schriften oder die
US 7 686 583 B2 ) verlangte senkrechte Ausrichtung der Rotationsachse zur aktuellen Ausbreitungsrichtung der Wellen des welligen Gewässers (entspricht einer parallelen Ausrichtung der Rotationsachse zu den Wellenkämmen) verzichtet wird. Stattdessen wird der Wellenenergiekonverter so bezüglich der Wellenbewegung ausgerichtet, dass (zumindest zeitweise oder ständig) während des Betriebs die Rotordrehachse mit der Ausbreitungsrichtung der Wellenbewegung einen Winkel ungleich 90° einschließt. Es ergibt sich die Möglichkeit, eine deutlich vereinfachte Anlage zu entwickeln, die auf eine insbesondere aktive Azimuthausrichtung verzichtet.
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An einem spezifischen Standort kann die Charakteristik der Meereswellen über das Jahr verteilt schwanken – dies betrifft insbesondere auch die Ausbreitungsrichtung der einfallenden Wellen. Wie in dem Artikel
"Wave power variability over the northwest European shelf seas", Applied Energy 106 (2013) 31–46 beschrieben und in
13 gezeigt, können diese um große Winkel von ca. 100° schwanken.
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Bisher wurde davon ausgegangen, dass ein Wellenenergiekonverter vorzugsweise jeweils so auszurichten ist, dass die Rotationsachse weitgehend parallel zu den aktuell einlaufenden Wellenkämmen (und damit weitgehend senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung bzw. Wellenfortschrittsgeschwindigkeit) orientiert ist, um einen optimalen Energieertrag zu ermöglichen. Andernfalls ist die Orbitalströmung nicht senkrecht zu den Kopplungskörpern orientiert, so dass diese die Anströmung nicht optimal wandeln können. In der Praxis wird das dazu führen, dass ein Wellenenergiekonverter je nach Standort über einen Winkelbereich von ca. 100° oder mehr (um die vertikal orientierte z-Achse) drehbar sein muss, um für mögliche auftretende Wellenbewegungen optimal ausgerichtet zu sein.
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Im Rahmen der Erfindung wurde nun überraschenderweise festgestellt, dass Abweichungen von der beschriebenen Ausrichtung in diesem Winkelbereich zu weniger großen Energieeinbußen führen, als befürchtet, bei kleinen Abweichungen im einstelligen oder niedrigen zweistelligen Winkelbereich sogar eine Erhöhung des Energieertrags beobachtet werden kann. Vorzugsweise weicht der Winkel zwischen Rotationsachse und Wellenausbreitungsrichtung zumindest zeitweise mindestens um 1°, bevorzugt mindestens um 3°, besonders bevorzugt mindestens um 5° oder 7° und/oder höchstens um 25°, bevorzugt höchstens um 20°, ganz besonders bevorzugt höchstens um 17° oder 15° von 90° ab.
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Bei in einem Wellentank durchgeführten Versuchen mit schräg angeströmten rotierenden Wellenenergiekonvertermodellen konnte festgestellt werden, dass die Leistungsabnahme bei Schräganströmung deutlich geringer ausfällt, als zunächst erwartet (siehe 2). Überraschenderweise konnte dabei für kleinere Drehwinkel sogar eine leichte Zunahme des Energieertrags bei einigen Wellenzuständen festgestellt werden. Damit ergibt sich durch eine leicht verdrehte Anlage (Winkel zwischen Rotationsachse und einlaufenden Wellenkämmen z. B. mindestens 3° und/oder höchstens 25°) die Möglichkeit, die Anlageneffizienz zu steigern. Dies könnte auf eine Vergrößerung der angeströmten effektiven Kopplungskörperbreite durch die Schrägstellung zurückzuführen sein.
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Eine zumindest zeitweise oder ständige Abweichung von der Ausbreitungsrichtung während des Betriebs kann auch erreicht werden, indem auf eine (aktive und/oder passive) Azimuthnachführung, also auf eine Ausrichtung der Rotordrehachse bezüglich der Ausbreitungsrichtung der Wellenbewegung (bzw. bzgl. der Wellenkämme), verzichtet wird. Dies ermöglicht durch den Entfall entsprechender Aktorik andere Ausprägungsformen von Befestigungen für einen Wellenenergiekonverter, die einfacher und robuster ausgestaltet sein können. Dieser Gewinn an Einfachheit und Robustheit kann durch Kosteneinsparung bei Invest- und Betriebs- und Wartungskosten die evtl. geringeren Erträge bei zeitweiser stark schräger Anströmung deutlich überkompensieren. In dieser Ausführungsform ist vorgesehen, auf die Azimuthnachführung des Wellenenergiekonverters vollständig zu verzichten. Stattdessen wird in dieser Ausführungsform der Wellenenergiekonverter so ausgerichtet montiert, dass er entsprechend der am jeweiligen Standort vorherrschenden Ausbreitungsrichtung der (insbesondere energiereichen) Wellen orientiert ist (Rotationsachse weitgehend senkrecht zur Ausbreitungsrichtung). Dadurch lassen sich besonders einfache und robuste Verankerungskonzepte realisieren. Die am jeweiligen Standort auftretenden Ausbreitungsrichtungen der Wellen können beispielsweise über einen längeren Zeitraum ermittelt werden. Daraus kann dann eine am jeweiligen Standort vorherrschende Ausbreitungsrichtung ermittelt werden. Beispielsweise existieren Standorte, an denen die Ausbreitungsrichtung der einlaufenden Wellen über das Jahr verteilt in einem Bereich von kleiner gleich 90° liegen, bzw. an denen nur ein geringer Anteil der einlaufenden Wellen aus signifikant unterschiedlichen Richtungen einläuft und/oder an dem die Wellen mit stark abweichender Ausbreitungsrichtung nur einen kleinen Anteil an der an diesem Standort einlaufenden Wellenenergie haben. Für diese Standorte eignet sich besonders der Verzicht auf Azimuthnachführung.
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In einer ebenso bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Rotorachse gezielt verdreht zur senkrechten Konfiguration betrieben wird – vorzugsweise in Kombination mit einer (aktiven und/oder passiven) Azimuthnachführung. Es findet also vorzugsweise eine (aktive und/oder passive) Regelung des Winkels zwischen Rotationsachse und Wellenausbreitungsrichtung statt. Dadurch lassen sich die beobachteten Wirkungsgradsteigerungen erreichen. Die optimale Abweichung von der senkrechten Ausrichtung kann dabei von der Wellenlänge und/oder -frequenz und von der zu erwartenden Überlagerung unterschiedlicher Seezustände am Installationsort abhängen. Eine passive Azimuthnachführung ist beispielsweise ein drehbare Befestigung des Wellenenergiekonverters an einer Aufhängung, z. B. Mooring oder Monopile, entsprechend einer Fahne im Wind. Eine aktive Azimuthnachführung kann beispielsweise durch Erzeugung eines Drehmoments um die Vertikale, vgl.
DE 10 2011 105 170 A1 , oder durch Drehung um eine ortsfeste Aufhängung realisiert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Azimuthnachführung so ausgeführt, dass sie erst bei größeren Abweichungen von der bevorzugten schrägen Anströmung (z. B. bei Abweichungen über einem Abweichungsschwellwert von z. B. 10°–15° von dem bevorzugten Winkel ungleich 90° zwischen der Rotordrehachse und der Wellenausbreitungsrichtung) aktiv nachführt. Dadurch verringert sich der Nachführungsaufwand beträchtlich. Mit anderen Worten wird während des Betriebs ein Istwert des Winkels erfasst und auf einen Sollwert des Winkels geregelt, wobei ein Stelleingriff nur stattfindet, wenn ein Regelfehler zwischen dem Istwert des Winkels und dem Sollwert des Winkels einen Abweichungsschwellwert überschreitet.
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Wellen entstehen durch die Interaktion von Wind und Wasseroberfläche, wobei der Wind über längere Strecken (Fetch) über die Wasseroberfläche streicht und dadurch Wellenerzeugt. Diese Wellen breiten sich über weite Strecken in den Ozeanen aus. Daher ist es möglich, dass an einem bestimmten Punkt Wellensysteme aus zwei oder mehreren Richtungen, d. h. von geographisch unterschiedlichen Entstehungsorten einwirken. In diesem Fall hat die Wellenbewegung wenigstens zwei Ausbreitungsrichtungen. Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Wellenenergiekonverter in Seegangszuständen, die aus o. g. Überlagerung von zwei oder mehreren räumlich getrennten Wellensystemen bestehen., mit einem Einfallswinkel zwischen den einfallenden Wellensystemen von vorzugsweise < 120°, besonders bevorzugt < 90°, ganz besonders bevorzugt < 45° und ganz außerordentlich besonders bevorzugt < 30° betrieben, d. h. die Rotordrehachse schließt mit den wenigstens zwei Ausbreitungsrichtungen der Wellenbewegung jeweils einen Winkel ungleich 90° ein. Die Wellensysteme sind charakterisiert durch die spektralen Größen Hs (signifikante Wellenhöhe) und Te bzw. Tp (Periodendauer). Zur Berechnung der optimalen Ausrichtung der Anlage werden jeweils pro Wellensystem Vektoren mit Richtung der Wellenausbreitungsrichtung und Länge = Hs2 Te erzeugt. Da der Wellenenergiekonverter für verschiedene Wellensysteme (insbesondere Wellenlängen) unterschiedliche Wandlungseffizienzen besitzt, können zusätzlich die Vektoren mit der Wandlungseffizienz gewichtet (hier multipliziert) werden, um die Wellensysteme zu bevorzugen, die besonders hohe Wandlungseffizienzen versprechen. Beispielsweise durch vektorielle Addition der zu den Wellensystemen zugehörigen Vektoren lässt sich nun die Richtung der resultierenden Ausbreitungsrichtung bestimmen. Die Anlage sollte dann so orientiert werden, dass diese resultierende Ausbreitungsrichtung vorzugsweise senkrecht auf der Rotordrehachse steht oder eine oben beschriebene Abweichung von der senkrechten Ausrichtung hat. Dadurch kann in Summe eine deutlich größere Energiemenge absorbiert werden, als dies bei einer herkömmlichen Ausrichtung auf eine der sich überlagernden Komponenten möglich ist. Diese Lösung lässt sich vorteilhaft mit der Ausführungsform ohne Azimuthnachführung kombinieren, wobei dann die resultierende Ausbreitungsrichtung einer langfristigen Wellenbewegung (z. B. über ein Jahr) ermittelt und für die Ausrichtung des Wellenenergiekonverters verwendet wird.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät eines Wellenenergiekonverters, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes 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.
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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 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wellenenergiekonverters in perspektivischer Ansicht.
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2 in einem Diagramm einen Zusammenhang zwischen entnehmbarer Leistung und Winkelverdrehung zwischen Wellenkammlinie und Rotorachse für einen Modellversuch.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt einen Wellenenergiekonverter 1 mit einer Rotorbasis 2, einem Gehäuse 7 und vier jeweils über Hebelarme 4 an der Rotorbasis 2 befestigte Kopplungskörper 3. Die Hebelarme 4 sind an jeder Rotorseite in einer Grundstellung in einem Winkel von 180° zueinander angeordnet. Der Wellenenergiekonverter 1 ist zum Betrieb unterhalb der Wasseroberfläche eines welligen Gewässers – beispielsweise eines Ozeans – platziert. Die Kopplungskörper 3 sind im gezeigten Beispiel profiliert ausgeführt, können jedoch ebenso als Flettner-Rotoren, d. h. Zylinder mit zusätzlich Eigenrotation, ausgeführt sein. Zweckmäßigerweise steht für jeden der Kopplungskörper 3 eine Verstelleinrichtung 5 mit mindestens einem Freiheitsgrad zur Verfügung, um die Ausrichtung (z. B. ”Pitchwinkel”, d. h. der Winkel zwischen Profilsehne und Tangentialgeschwindigkeit) des jeweiligen Kopplungskörpers zu verändern und damit die Wechselwirkung zwischen Gewässer und Kopplungskörper zu beeinflussen. Der Freiheitsgrad der Verstelleinrichtungen wird hier durch Verstellparameter (Pitchwinkel) beschrieben. Alternativ kann im Fall von Flettnerrotoren als Kopplungskörper auch die Rotationsgeschwindigkeit der Flettnerrotoren angepasst werden. Bei den Verstelleinrichtungen handelt es sich vorzugsweise um hydraulische und/oder elektromotorische und/oder pneumatische Verstelleinrichtungen. Vorzugsweise weist der Wellenenergiekonverter 1 auch Sensorik 6 zum Erfassen der aktuellen Verstellung auf. Die Komponenten 2, 3, 4, 5, 6 sind Bestandteile eines Rotors 11, welcher um eine Rotordrehachse x rotiert. Diese ist weitgehend horizontal orientiert. Im Normalbetrieb ist der Rotor vollständig getaucht.
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Der Rotor 11 ist relativ zum Gehäuse 7 drehbar gelagert. Das Gehäuse 7 ist im gezeigten Beispiel drehfest mit einem Ständer eines direktgetriebenen Generators zur Stromerzeugung verbunden, der Rotor 11 (hier die Rotorbasis 2) ist drehfest mit einem Läufer dieses direktgetriebenen Generators verbunden. Es kann ebenso vorteilhaft ein Getriebe zwischen Rotorbasis und Generatorläufer vorgesehen sein. Eine Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, ist innerhalb des Gehäuses 7 angeordnet und dient zur Steuerung des Betriebs des Wellenenergiekonverters 1. Nicht dargestellt ist eine vorgesehene Befestigung des Wellenenergiekonverters 1 am Meeresgrund, die beispielsweise durch ein Mooringsystem und vorzugsweise durch einen Monopile erfolgen kann.
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Im Rahmen der Erfindung wird nun eine Abweichung der bisher geforderten Orthogonalität zwischen Rotorachse (x-Achse) und der Ausbreitungsrichtung der anströmenden Wellen akzeptiert. Herkömmlicherweise wird der Wellenenergiekonverter so ausgerichtet, dass die Ausbreitungsrichtung der anströmenden Wellen in der y-z-Ebene liegt. Im Rahmen der Erfindung wird nun eine Abweichung um einen Winkel φ akzeptiert oder sogar eingestellt, d. h. die Ausbreitungsrichtung der anströmenden Wellen schließt mit der y-z-Ebene den Winkel φ ein. Der Winkel φ tritt in entsprechender Weise auch zwischen den Wellenkammlinien (senkrecht zur Ausbreitung) und der Rotorachse (x-Achse) auf
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In 2 ist eine von einem Wellenenergiekonvertermodell erzeugte Leistung P gegen den Winkel φ in [°] aufgetragen. Es handelt sich hierbei um Messergebnisse, die bei Versuchen mit einem unter dem Winkel φ angeströmten Wellenenergiekonvertermodell in einem Wellentank ermittelt wurden. Hierbei wurden Anstellwinkel von 0°–42° getestet, woraus sich aus Symmetriegründen ein Öffnungswinkel von 84° ergibt, der an vielen potentiellen Standorten von Wellenenergiekraftwerken bereits alle einlaufenden Wellen abdeckt. Es ist erkennbar, dass die Leistungsabnahme bei Schräganströmung relativ gering ausfällt. Insbesondere führt eine Verdrehung von bis zu ca. 25° zu keiner übermäßigen Leistungsabnahme. Überraschenderweise konnte für kleinere Drehwinkel (im vorliegenden Beispiel in einem Bereich um ca. 13°) sogar eine Zunahme der erzeugten Leistung festgestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011105169 A1 [0002]
- DE 102011105177 A1 [0002]
- DE 102011105178 A1 [0002]
- DE 102011105170 A1 [0002, 0011]
- GB 2226572 A [0002]
- US 7686583 B2 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Wave power variability over the northwest European shelf seas”, Applied Energy 106 (2013) 31–46 [0006]
