DE102014204248A1

DE102014204248A1 - Verfahren zum Betreiben einer Wellenenergieanlage und Wellenenergieanlage

Info

Publication number: DE102014204248A1
Application number: DE102014204248.8A
Authority: DE
Inventors: Alexander PODDEY; Nik Scharmann; Benjamin Hagemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2015-09-10
Also published as: GB2525966A; GB201503854D0

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wellenenergieanlage (1) zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines Fluids in eine andere Energieform, wobei die Wellenenergieanlage (1) wenigstens einen um eine Rotordrehachse (x) drehbar gelagerten Hebelarm (4), der einen Kopplungskörper (3) trägt, und einen mit dem wenigstens einen drehbar gelagerten Hebelarm (4) gekoppelten Energiewandler (2, 7) aufweist, wobei eine Zirkulationsstärke an dem Kopplungskörper (3) in Abhängigkeit von einem Phasenwinkel (Δ) zwischen einer Winkelstellung (Ψ1) des wenigstens einen Hebelarms (4) und einem Strömungswinkel (Ψ) der Wellenbewegung vorgegeben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wellenenergieanlage zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung und eine solche Wellenenergieanlage.
Stand der Technik
Wellenenergieanlagen (auch als Wellenenergiekonverter oder Wellenkraftwerke bezeichnet) wandeln die Energie von Meereswellen in eine andere Energieform, z. B. zur Gewinnung elektrischen Stromes. Neuere Konstruktionsansätze verwenden dabei rotierende Einheiten (Rotoren), die die Wellenbewegung in ein Drehmoment wandeln. Diese können einen oder mehrere Hebelarme mit daran befestigten Kopplungskörpern aufweisen. Hydrodynamische Auftriebskörper (d. h. Körper, die bei Umströmung einen Auftrieb erzeugen, wie zum Beispiel Auftriebsprofile und/oder Flettner-Rotoren mit Nutzung des Magnus-Effekts) können als Kopplungskörper zum Einsatz kommen, mittels derer aus der anströmenden Welle Auftriebskräfte und durch die Anordnung der Kopplungskörper an dem Hebelarm ein Drehmoment erzeugt wird, das in eine Rotationsbewegung des Hebelarms um eine Rotordrehachse 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.
Beispielsweise aus der DE 10 2011 105 177 A1 ist ein Anlagenkonzept bekannt, bei dem der Auftrieb eines umströmten Auftriebskörpers in eine Rotationsbewegung umgesetzt wird. Der Rotor mit seinen Kopplungskörpern soll vorteilhafterweise weitgehend wellensynchron, d. h. mit einer mittleren Drehgeschwindigkeit, die der der Wellenorbitalbewegung entspricht oder proportional hierzu ist, orbitieren. Entspricht beispielsweise die Rotationsfrequenz des Rotors der Wellenfrequenz, ergeben sich weitgehend stationäre Anströmbedingungen an den Kopplungskörpern, die zu einem weitgehend kontinuierlichen Drehmoment an der Rotorwelle führen. Dieses kann direkt in einen Generator gespeist werden. Übermäßige mechanische Belastungen und/oder Ungleichmäßigkeiten in der Ausgangsleistung der Wellenenergieanlage werden hierdurch vermieden.
Insbesondere im offenen Meer existieren jedoch sehr unterschiedliche Wellenzustände. Hierzu gehören neben sogenannten Altseen, bei denen die Wellen sehr regelmäßig auftreten, auch Wellenzustände, bei denen sich die Wellencharakteristik durch Überlagerung verschiedener Wellen kontinuierlich ändert. Der erste Wellenzustand wird im Rahmen dieser Anmeldung als ”monochromatisch”, der zweite Wellenzustand als ”multichromatisch” bezeichnet. Vollständig monochromatische Wellenzustände kommen in der Natur kaum vor, so dass unter den Begriff ”monochromatisch” auch Wellen mit einer gewissen, jedoch geringen, Multichromatik fallen.
Wenngleich sich die Wellenzustände in der Regel nicht schlagartig ändern und zudem relativ gut prädizierbar sind, kann in der Praxis die Rotationsgeschwindigkeit eines entsprechenden Rotors häufig nicht hinreichend rasch angepasst werden. Dies gilt insbesondere für multichromatische Wellenzustände. In der DE 10 2012 012 096 A1 wird daher eine Synchronität nur im zeitlichen Mittel pro Umdrehung gefordert. Auch diese Betriebsart liefert jedoch in realen Gewässern, insbesondere im Meer, nicht in allen Situationen optimale Ergebnisse.
Die Erfindung will daher den Betrieb von gattungsgemäßen Wellenenergieanlagen bei multichromatischen Wellenzuständen verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Wellenenergieanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung schafft die Möglichkeit, eine Wellenenergieanlage insbesondere bei multichromatischen Wellen mit einer möglichst hohen Energieausbeute, also effizient, zu betreiben. Dies wird erreicht, indem der synchrone Betrieb aufgegeben wird und in dem asynchronen Betrieb eine Zirkulationsstärke an mindestens einem Kopplungskörper, welcher von wenigstens einem Hebelarm des Rotors der Wellenenergieanlage getragen wird, in Abhängigkeit von einem Phasenwinkel zwischen der Winkelstellung des wenigstens einen Hebelarms und dem Strömungswinkel der Wellenbewegung beeinflusst bzw. moduliert wird.
In multichromatischen Wellen (auch irreguläre Welle genannt) kann es zu einem plötzlichen Umspringen der welleninduzierten Orbitalströmung kommen. Dies passiert häufig zu Zeitpunkten, zu denen die Strömung nahezu verschwindet. Für solche Fälle ist es energetisch außerordentlich ungünstig, den Rotor diesen Sprüngen nachzuführen, d. h. bei einem synchronen Betrieb des Rotors mit der Wellenbewegung zu bleiben. Die Strömungsgeschwindigkeit ist in solchen Situationen verschwindend gering, weshalb ein Energiegewinn aufgrund von hydrodynamischen Verlusten meist ohnehin nicht gegeben ist. Vielmehr kann es durch Reaktionskräfte bspw. zu unzulässig hohen Drehmomentanforderungen am Triebstrang oder der unerwünschten Abstrahlung von Wellen kommen. Erfindungsgemäß wird daher vom synchronen Betrieb abgewichen und der Rotor bewusst asynchron zur Wellenbewegung betrieben. Um Energieverluste oder ungewollte Kräfte zu verhindern oder zumindest zu verringern, wird daher die Zirkulationsstärke an dem Kopplungskörper gezielt vorgegeben. Damit können die ungewollten Kräfte reduziert werden.
Vorzugsweise wird die Zirkulationsstärke verändert, indem ein Verstellparameter, der eine Stärke einer Kopplung des Kopplungskörpers mit dem Fluid beeinflusst, verändert wird.
Sind die Kopplungskörper als hydrodynamische Kopplungskörper ausgebildet, ist der Verstellparameter insbesondere ein sog. Pitchwinkel bzw. Anstellwinkel. Da die Zirkulationsstärke unter anderem vom Anströmwinkel bzw. Angriffswinkel an einem hydrodynamischen Kopplungskörper abhängt, kann die Zirkulationsstärke z. B. auf einfache Weise durch Veränderung des Pitchwinkels geändert werden. Auch eine Änderung der Rotationsgeschwindigkeit kann von dem Verstellparameter umfasst sein. Sind die Kopplungskörper Flettner-Rotoren, d. h. Zylinder mit zusätzlich Eigenrotation, können die Rotationsgeschwindigkeit und/oder die Rotationsrichtung der Flettner-Rotoren als Verstellparameter angepasst werden.
Da bei bestimmten Phasenwinkeln, insbesondere bei ca. 90°, keine oder kaum Energie aus der Welle entnommen werden kann, jedoch aufgrund von bspw. Strömungswiderständen Energieverluste entstehen, ist es sinnvoll, die Zirkulationsstärke der Zirkulation abhängig vom Phasenwinkel anzupassen. Eine gewünschte Reduzierung kann insbesondere dadurch erfolgen, dass der Betrag der Zirkulationsstärke reduziert wird, so dass Energieverluste minimiert werden. Da sich der Phasenwinkel kontinuierlich ändert, durchläuft er somit auch immer wieder die gleichen Werte. Eine Veränderung der Zirkulationsstärke kann daher vorzugsweise mittels Modulation mit einer trigonometrischen Funktion, bspw. einer Kosinus-Funktion, erfolgen. Eine trigonometrische Funktion ist besonders gut geeignet, da sich mit ihrer Hilfe ein für eine gute Energieentnahme nötiger Vorzeichenwechsel des Phasenwinkels ohne Weiteres ergibt. Je nach Gegebenheiten kann auch in gewissem Maße vom Verlauf einer trigonometrischen Funktion abgewichen werden.
Vorteilhafterweise wird die Zirkulationsstärke in stetiger Weise verändert, d. h. es finden keine abrupten Übergänge statt. Eine Zirkulationsänderung bringt immer, meist unerwünschte, Begleiteffekte mit sich. So werden dabei z. B. instationäre Kräfte oder Wellenabstrahlung erzeugt. Eine möglichst geringe Änderung der Zirkulationsstärke ist daher sinnvoll. Dies kann bspw. auch mittels Modulation mit einer trigonometrischen Funktion erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein erfindungsgemäßes Verfahren bei einer Wellenenergieanlage mit einem Rotor, der zwei Kopplungskörper, die in Bezug auf den Drehpunkt des Rotors um 180° +/– 45°, bevorzugt um 180° +/– 20°, besonders bevorzugt um 180° +/– 10° und ganz bevorzugt um 180° versetzt sind, umfasst, eingesetzt. Dies ist vorteilhaft, da sich unerwünschte Wellenabstrahlungen der beiden Kopplungskörper zumindest weitestgehend auslöschen. Dies kann durch die Wellentheorie erklärt werden, da sich Wellen, die um 180° phasenversetzt sind, auslöschen. Bei einer von 180° abweichenden Versetzung findet zumindest noch eine teilweise Auslöschung statt. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb. Ebenso sind eine höhere gerade Anzahl Kopplungskörper, die dann je um einen gleichen Winkel zueinander versetzt sind, möglich, da sich je zwei gegenüberliegende Kopplungskörper hinsichtlich unerwünschter Wellenabstrahlung ausgleichen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird ein erfindungsgemäßes Verfahren bei einer Wellenenergieanlage mit einem Rotor, der einen oder eine höhere ungerade Anzahl Kopplungskörper, die in Bezug auf den Drehpunkt des Rotors um je einen gleichen oder zumindest weitestgehend gleichen Winkel zueinander versetzt sind, umfasst, eingesetzt. Ein Effizienznachteil, der sich durch eine ungerade Anzahl von Kopplungskörpern ergibt (da bei einer geraden Anzahl jeweils gegenüberliegende Kopplungskörper unerwünschte Wellenabstrahlungen effizient auslöschen könnten), kann gegenüber einem Rotor mit einem zusätzlichen Flügel und entsprechend gerader Anzahl an Kopplungskörpern durch eine Kosteneinsparung ausgeglichen oder sogar übertroffen werden, da z. B. ein Hebelarm (bei beidseitiger Lagerung des Kopplungskörpers entsprechend zwei Hebelarme), ein Kopplungskörper sowie zugehörige Verstellaktorik und Sensorik weniger benötigt werden.
Eine erfindungsgemäße Wellenenergieanlage ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, insbesondere ist eine Steuereinrichtung einer Wellenenergieanlage, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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.
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.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage in perspektivischer Ansicht.
2 zeigt die Wellenenergieanlage gemäß 1 in einer Seitenansicht und veranschaulicht den Pitchwinkel α_P und den Phasenwinkel Δ zwischen Rotor und Orbitalströmung.
3 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage in perspektivischer Ansicht mit einem alternativen Rotor.
4 zeigt einen resultierenden Anströmwinkel α₁ und resultierende Kräfte an einem der Kopplungskörper aus 2 vergrößert.
5 bis 9 zeigen Oberflächenerhebungen durch Abstrahlung von Wellen an einer Wasseroberfläche bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in verschiedenen Ausgestaltungen bei einer erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage mit einem Rotor mit zwei Kopplungskörpern.
10 zeigt eine Oberflächenerhebung bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausgestaltung bei einer erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage mit einem Rotor mit einem Kopplungskörper.
11 zeigt eine Ausgangsleistung eines Rotors mit einer Rotoreinheit bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausgestaltung.
12 zeigt Ausgangsleistungen eines Rotors mit zwei phasenversetzten Rotoreinheiten bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausgestaltung
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. Auf eine wiederholte Erläuterung wird der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
Die vorgestellte Erfindung bezieht sich auf den Betrieb von rotierenden Anlagen zur Gewinnung von Energie aus bewegten Fluiden, beispielsweise aus dem Meer. Das Funktionsprinzip solcher Anlagen wird im Folgenden zunächst unter Bezugnahme auf die 1 und 2 erläutert.
1 zeigt eine Wellenenergieanlage 1 mit einer Rotorbasis 2, einem Gehäuse 7 und vier (je zwei pro Seite) jeweils über Hebelarme 4 an der Rotorbasis 2 befestigte Kopplungskörper 3. Die Wellenenergieanlage 1 ist zum Betrieb unterhalb der Wasseroberfläche eines welligen Gewässers – beispielsweise eines Ozeans – vorgesehen. 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 Fluid und Kopplungskörper zu beeinflussen. Der Freiheitsgrad der Verstelleinrichtungen wird hier durch Verstellparameter (Pitchwinkel) beschrieben. Alternativ kann im Fall von Flettner-Rotoren als Kopplungskörper auch die Rotationsgeschwindigkeit der Flettner-Rotoren angepasst werden. Bei den Verstelleinrichtungen handelt es sich vorzugsweise um hydraulische (oder elektromotorische oder pneumatische) Verstelleinrichtungen. Vorzugsweise steht auch eine Sensorik 6 zum Erfassen der aktuellen Verstellung bereit. Die Komponenten 2, 3, 4, 5, 6 sind Bestandteile eines Rotors 11, welcher um eine Rotordrehachse x rotiert.
Das Gehäuse 7 ist Bestandteil eines Rahmens 12. Der Rotor 11 ist relativ zum Rahmen 12 drehbar gelagert. Der Rahmen 12 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 ein Getriebe oder ein hydrostatischer Triebstrang 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 der Wellenenergieanlage 1. Nicht dargestellt ist eine vorgesehene Befestigung der Wellenenergieanlage 1 am Meeresgrund, die beispielsweise durch ein Mooringsystem, insbesondere einen Monopile und ganz besonders durch eine Jacket-Struktur, erfolgen kann. Ergänzend sei zudem angemerkt, dass auch eine Ausprägung mit jeweils zwei Hebelarmen pro Kopplungskörper mit einer entsprechend beidseitigen Lagerung vorteilhaft sein kann.
2 zeigt eine Seitenansicht der Anlage mit um 90° zu der in 1 gezeigten Stellung verdrehten Hebelarmen. Die Verstellparameter sind als Pitchwinkel α_P,i zwischen der Profilsehne der Kopplungskörper 3 und der Tangente (mit einem Pfeil dargestellt) an der Kreisbahn durch den Aufhängepunkt (Drehpunkt) der Kopplungskörper erkennbar. Vorzugsweise sind die Kopplungskörper 3 an ihrem Druckpunkt aufgehängt, um im Betrieb auftretende Rotationsmomente auf die Kopplungskörper und damit die Anforderungen an die Halterung und/oder die Verstelleinrichtungen zu reduzieren.
Die Darstellung der Kopplungskörper in 2 und in den weiteren Figuren erfolgt nur beispielhaft zur Definition der unterschiedlichen Maschinenparameter. Zusätzlich kann auch eine Krümmung der Kopplungskörper an die Kreisbahn vorteilhaft sein.
In 3 ist schematisch eine perspektivische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage 1' dargestellt. Die Wellenenergieanlage 1' gemäß 3 unterscheidet sich von der Wellenenergieanlage 1 gemäß 1 oder 2 im Wesentlichen durch den Rotor 11', welcher hier drei Hebelarme 4 auf einer Seite hat. Er kann auch zweiseitig mit je drei Hebelarmen pro Seite ausgebildet sein. Die Hebelarme 4 sind hier um jeweils 120° zueinander versetzt in Bezug auf die Drehachse 9 angeordnet.
Die Wellenenergieanlage 1 (gilt ebenso für 1') ist von einem Strömungsvektorfeld ν → umgeben. Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird davon ausgegangen, dass es sich bei der Anströmung um die Orbitalströmung von Meereswellen, deren Richtung sich kontinuierlich ändert, handelt. Im dargestellten Fall ist die Drehung der Orbitalströmung entgegen dem Uhrzeigersinn orientiert, die dazugehörige Welle breitet sich also von rechts nach links aus. Im monochromatischen Fall ändert sich die Anströmungsrichtung an der Rotordrehachse (x in 1) dabei mit der Winkelgeschwindigkeit Ω = 2πf = const., wobei f die Frequenz der monochromatischen Welle darstellt. In multichromatischen Wellen unterliegt Ω dagegen einer zeitlichen Änderung, Ω = f(t), da die Frequenz f eine Funktion der Zeit ist, f = f(t). Durch die Anströmung entstehen Kräfte an den Kopplungskörpern. Dadurch verändert sich der Winkel Ψ₁ (”Rotorwinkel”) der Rotorbasis 2 gegenüber der Horizontalen mit der Drehgeschwindigkeit ω₁ = Ψ ·₁ (Ψ ·₁ bezeichnet die Ableitung der zeitabhängigen Größe Ψ₁ nach der Zeit). Dementsprechend bezeichnet Ψ den Winkel zwischen der Strömungsrichtung und der Horizontalen, welcher im Folgenden als ”Strömungswinkel” bezeichnet wird.
Am Rotor 11 wirkt ein veränderbares Lastmoment M_L zwischen der Rotorbasis 2 und dem Gehäuse 7 bzw. Rahmen 12. Das Lastmoment kann in positiver Richtung (entgegen der Rotationsgeschwindigkeit ω₁) aber auch in negativer Richtung (also antreibend) wirken. Das Lastmoment wird beispielsweise durch eine Stromerzeugung im Generator verursacht.
Ein Winkel zwischen der Rotororientierung, die durch eine untere gestrichelte Linie veranschaulicht ist, die durch die Rotordrehachse und den Aufhängepunkt eines ausgezeichneten Kopplungskörpers verläuft, und der Richtung der Orbitalströmung, die durch eine obere gestrichelte Linie veranschaulicht ist, die durch einen der Geschwindigkeitspfeile ν → verläuft, wird als Phasenwinkel Δ = Ψ – Ψ₁ bezeichnet, dessen Betrag durch die Einstellung des Antriebsmoments und/oder des Lastmoments beeinflusst werden kann.
Im Rahmen der Erfindung wird die Wellenenergieanlage asynchron zur Orbitalbewegung betrieben, d. h. der Phasenwinkel Δ = Ψ – Ψ₁ variiert über die Zeit und Ω ≠ ω₁, d. h. die Rotationsgeschwindigkeit ω₁ des Hebelarms 4 um die Rotordrehachse x, 9 entspricht im zeitlichen Mittel über eine oder mehrere Umdrehungen nicht der Orbitalgeschwindigkeit Ω der Wellenbewegung. Somit ändert sich der Phasenwinkel Δ kontinuierlich und durchläuft den gesamten Winkelbereich von 0° bis 360°.
In 4 sind die sich ergebenden Anströmungsverhältnisse und die sich einstellenden Kräfte an den Kopplungskörpern, die zu einem Antriebsmoment führen, beispielhaft an einem Kopplungskörper dargestellt.
An dem Kopplungskörper (Index i = 1) sind in der Figur die lokalen Anströmungen durch die Orbitalströmung (v_W,1) (w für Welle) und durch die Eigenrotation (v_T,1) (T für Tangente), die als Vektorsumme aus diesen beiden Anströmungen resultierende Anströmung (v_R,1) (R für Resultat) sowie der sich ergebende Anströmwinkel α_i zwischen resultierender Anströmung v_R,1 und Profilsehne S dargestellt. Dargestellt sind darüber hinaus die sich ergebenden Auftriebs- und Wderstandskräfte F_Auf,1 bzw. F_Wid,1 am Kopplungskörper, die sowohl vom Betrag der Anströmgeschwindigkeit v_R,1 als auch vom Anströmwinkel α₁ und damit auch vom Pitchwinkel α_P,1 abhängig sind und – wie bekannt – senkrecht (F_Auf,1) bzw. parallel (F_Wid,1) zur Richtung von v_R,1 orientiert sind. Die Summe aus α₁ und α_P,1 ist mit α_R,1 angegeben.
Im Falle von stationären multichromatischen Wellen (Wellen mit mehreren, unterschiedlichen Frequenz- und Amplitudenanteilen, diese Anteile sind jedoch konstant) oder multichromatischen Wellen (die Frequenz- und Amplitudenanteile sind zeitveränderlich) kann als lokale Orbitalströmung (v_W,1) ein sich effektiv ergebender Wert, z. B. ein Mittelwert oder ein Wert des Hauptanteils, verwendet werden. Die lokale Orbitalströmung kann gemessen oder berechnet werden.
Für den dargestellten Fall ergibt sich durch die Auftriebskraft F_Auf,1 ein Rotordrehmoment entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn und durch die Widerstandskraft F_Wid,1 ein betragsmäßig kleineres Rotordrehmoment in entgegengesetzter Richtung (also im Uhrzeigersinn). Die Summe aus beiden Rotordrehmomenten führt zu einer Rotation des Rotors 11, deren Geschwindigkeit durch Beeinflussung des Antriebsmoments und/oder des Lastmoments eingestellt werden kann.
Aus resultierender Anströmung v_R,i und Anströmwinkel α_i lässt sich eine als Zirkulationsstärke Γ_i bezeichnete Größe definieren, die die Zirkulation bzw. Strömung an bzw. um einen Kopplungskörper i angibt. In einer vereinfachten zweidimensionalen Modellvorstellung ergibt sich die Zirkulationsstärke Γ_i als Γ_i = ½·C_a(α_i)·v_R,i·S_i, mit dem Auftriebsbeiwert C_a(α_i), der u. a. vom Anströmwinkel α_i abhängt. Durch die Zirkulationsstärke Γ_i lässt sich charakterisieren, welche Energie der Welle entnehmbar ist.
In der folgenden Beschreibung werden spezifische Phasenwinkelwerte zwischen der Winkelstellung des Hebelarms und dem Strömungswinkel der Wellenbewegung (Δ_i) exemplarisch verwendet. In der Praxis können diese Winkel auch nur in etwa berücksichtigt werden, d. h. z. B. Δ_i +/– 45°, Δ_i +/– 20°, Δ_i +/– 10°.
Die aus der Welle entnehmbare Energie ist jedoch Abhängig vom Phasenwinkel Δ_i. So ist bspw. bei einem Phasenwinkel von Δ₁ = 0°, wie in etwa in 4 gezeigt, die Energieausbeute nahezu optimal. Bei einem Phasenwinkel von Δ_i = 90° bspw. ist jedoch keine oder kaum Energie aus der Welle entnehmbar, da zwischen zwei um 90° phasenversetzte Wellen (ein- und abgestrahlte Welle am Kopplungskörper) prinzipbedingt keine Wechselwirkung möglich ist, wie die Wellentheorie zeigt. Vielmehr muss für Δ_i = 90° Energie vom Rotor 1 aufgebracht werden, um bspw. Strömungswiderstände am Kopplungskörper zu überwinden, um die Rotation aufrecht zu erhalten.
Bei einem Phasenwinkel von Δ_i = 180° ist das für zumindest annähernd optimale Energieentnahme notwendige Vorzeichen der Zirkulationsstärke Γ_i im Vergleich zu Δ_i = 0° umgekehrt zu wählen, Γ(Δ = 0°)= –Γ(Δ = 180°). Bei zwei gleichförmig über den Umfang des Rotors 1 angeordneten Kopplungskörpern 3 vertauschen somit beide Kopplungskörper 3 ihre Wirkung, eine optimale Energieausbeute ist somit genau wie bei Δ = 0° möglich.
Um nun die Energieverluste bei ungünstigem Phasenwinkel zu minimieren oder zumindest zu verringern, ist es vorteilhaft die Zirkulationsstärke Γ_i während des Durchlaufs des Phasenwinkels Δ_i, d. h. während des Betriebs der Wellenenergieanlage, kontinuierlich zu verändern. Insbesondere sollte die Zirkulationsstärke Γ_i bei einem Phasenwinkel von Δ_i = 90° = 270° Null sein, Γ_i(Δ_i = 90° = 270°) = 0.
Um das beschriebene Verhalten von Γ_i(Δ_i) zu erhalten, kann die Zirkulationsstärke (insbesondere durch Vorgabe des Anströmwinkels α_i) entsprechend moduliert werden, wozu sich bspw. eine trigonometrische Funktion wie die Kosinus-Funktion eignet. Dementsprechend kann eine effektive, an den Kopplungskörpern i wirkende Zirkulationsstärke Γ_i,eff gemäß Γ_i,eff = Γ_ref·cos(Δ_i) gewählt werden, wobei Γ_ref eine optimale Zirkulationsstärke, bspw. bei Δ_i = 0° ist.
Die Veränderung der Zirkulationsstärke Γ_i am Kopplungskörper 3 _i kann z. B. durch Veränderung des Anstellwinkels bzw. Pitchwinkels α_P,i, erfolgen. Dadurch verändert sich auch der Anströmwinkel α_i und somit die Zirkulationsstärke Γ_i.
Unerwünschte Abstrahlungen von Wellen an den Kopplungskörpern 3, die einen Energieverlust bedeuten, können dadurch systematisch unterdrückt oder zumindest verringert werden. Solche Abstrahlungen sind ggf. an der Wasseroberfläche als Oberflächenerhebungen sichtbar.
Weiter bringt eine Änderung der Zirkulationsstärke, insbesondere eine schnelle bzw. abrupte Änderung, immer Begleiteffekte mit sich, welche zumeist unerwünscht sind. Dies sind bspw. instationäre Kräfte am Rotor und weitere unerwünschte Wellenabstrahlung, was Abnutzung der Wellenenergieanlage und/oder Energieverlust bedeutet. Dies kann vermieden werden, indem eine Änderung der Zirkulationsstärke in stetiger Weise vorgenommen wird. Erreicht werden kann dies bspw. ebenso durch die oben bereits erwähnte Modulation mit einer Kosinus-Funktion. Denkbar sind jedoch auch andere Funktionen, die eine entsprechende stetige Änderung gewährleisten.
In den 5 bis 9 sind Oberflächenerhebungen durch Abstrahlung von Wellen bei dem Betrieb einer erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage mit einem Rotor mit zwei Kopplungskörpern und Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in verschiedenen Ausgestaltungen, insbesondere in Form von verschiedenen Rotationsgeschwindigkeiten und entsprechender Veränderung der Zirkulationsstärke mittels Modulation dargestellt.
In horizontaler Richtung ist der Ort in m dargestellt, wobei sich der Rotor jeweils bei einer Position von 750 m befindet. In vertikaler Richtung ist jeweils die Oberflächenerhebung in m dargestellt. Die Ausbreitungsrichtung der Wellen ist von links nach rechts.
In einer vereinfachten Modellvorstellung ist die Wechselwirkungseigenschaft des Rotors mit einer einfallenden Welle abhängig davon, wie gut eine der einfallenden Welle um 180° phasenversetzte Welle von der Maschineposition in Wellenfortschrittsrichtung abgestrahlt werden kann. Um z. B. eine monochromatische Welle absorbieren zu können muss eine gleichfrequente, um 180° phasenverschobene Welle vom Rotor (wenn ohne einfallende Welle betrieben) abgestrahlt werden können. Unerwünschte Abstrahlungen zeigen sich dann in Abweichungen der abwärtslaufenden Welle und in aufwärtslaufenden Anteile (in den Figuren links vom Rotor).
Die Fähigkeit (ohne einfallende Wellen) monochromatische Wellen (abwärts von der Maschine in Wellenausbreitungsrichtung) abstrahlen zu können, ist daher ein Qualitätsmerkmal für die Bewertung von Betriebsmodi.
In 5 ist eine erwartete durch den Rotor 1 verursachte Oberflächenerhebung bei einer Periodendauer des Rotors von 8 s und mit konstanter Zirkulationsstärke gezeigt. Dies dient als Referenz-Beispiel für die folgenden Darstellungen in den 6 bis 9.
In 6 ist eine Oberflächenerhebung bei asynchronem Betrieb und einer Kosinusmodulierten Zirkulationsstärke gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die Periodendauer des Rotors beträgt hier 4 s, d. h. die Rotationsfrequenz des Rotors entspricht dem Doppelten der Frequenz der Darstellung in 5. Die Frequenz der abgestrahlten Welle hingegen entspricht der Frequenz der 5, d. h. einer Periodendauer von 8 s. Dies erklärt sich durch die Modulation der Zirkulationsstärke(n) Γ_i gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren. Wellen mit anderen Frequenzen, insbesondere solchen wie der der Rotation des Rotors, welche keine effektive Wechselwirkung ermöglichen würden, sind nicht mehr vorhanden oder zumindest weitestgehend unterdrückt.
Weiter ist zu sehen, dass zwar die Amplitude der Oberflächenerhebung der abgestrahlten Welle geringer ist als im Referenz-Beispiel aus 5, was durch die im zeitlichen Mittel verringerte Zirkulationsstärke zustande kommt. Jedoch entspricht die Frequenz trotz der halben Drehzahl der gewünschten Frequenz (hier Periodendauer 8 s). Dies ist für eine effektive Wechselwirkung wichtig. Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren kann also auch im asynchronen Betrieb (Rotorperiode ungleich Wellenperiode) effizient an unterschiedliche multichromatische Wellen angekoppelt werden.
In 7 ist das Beispiel aus 6 gezeigt, wobei jedoch eine abrupte Änderung bei der Veränderung der Zirkulationsstärke erfolgt, hier durch eine Modulation mittels einer Signum-Funktion der Kosinus-Funktion, d. h. Γ_i,eff = Γ_ref·sign(cos(Δ_i)). Diese abrupte Änderung hat eine deutliche Auswirkung auf die Oberflächenerhebung, d. h. auf die Abstrahlung von Wellen, was an der zusätzlichen Erhebung im Bereich von 400 m bis 750 m zu sehen ist. Die in diesem Bereich dargestellte Welle breitet sich von rechts nach links aus, also entgegen der Ausbreitungsrichtung der nicht dargestellten Meereswelle. Eine effektive Wechselwirkung ist jedoch mit Wellen entgegen der Ausbreitungsrichtung nicht möglich. Solche abrupten Änderungen sollten daher aus Energieeffizienzgründen, wie bereits erwähnt, vermieden werden.
In den 8 und 9 sind analoge Beispiele wie in den 6 und 7 gezeigt, jedoch mit im Vergleich zur Referenzdarstellung in 5 halber Rotationsfrequenz, d. h. einer Periodendauer von 16 s. Hier ist erneut zu sehen, dass es eine abrupte Änderung der Zirkulationsstärke zu vermeiden gilt und dass die Modulation der Zirkulationsstärke im asynchronen Betrieb effizienter ist als ein Betrieb mit sprunghafter Änderung der Zirkulationsstärke, wenngleich auch der Effekt nicht so deutlich ausgeprägt ist wie bei einer doppelten Periodendauer.
Wie bereits erwähnt, löschen sich unerwünschte Wellenabstrahlungen bei geeignet angeordneten Kopplungskörpern (z. B. zwei gegenüberliegenden Kopplungskörpern, u. U. auch bei einer ungeraden Anzahl an Kopplungskörpern) am Rotor zumindest weitestgehend aus. Dazu ist in 10 beispielhaft eine Oberflächenerhebung bei asynchronem Betrieb eines Rotors mit nur einem Kopplungskörper bei sonst gleichen Bedingungen wie in 6 gezeigt (asynchroner Betrieb meint: die Periodendauer der Rotor-Rotation, hier 4 s, weicht von der Periodendauer der abgestrahlten Hauptwelle ab). Hier sind deutlich die zusätzlichen Erhebungen zu sehen, die daraus resultieren, dass keine geeignet angeordneten Kopplungskörper (z. B. ein gegenüberliegende Kopplungskörper) vorhanden sind, wodurch sich die unerwünschten Wellenabstrahlungen auslöschen könnten.
Ein Rotor sollte demnach bevorzugt eine gerade Anzahl an Kopplungskörpern aufweisen, wobei je zwei Kopplungskörper um 180° versetzt sind und jeweils gegenseitig unerwünschte Wellenabstrahlungen auslöschen. Wie bereits erwähnt, sind auch andere geeignete Positionen und Anzahlen von Kopplungskörpern möglich, sodass sich unerwünschte Wellenabstrahlungen auslöschen. Unerwünschte Effekte, die bei einem synchronen Betrieb durch einen nachteiligen Phasenwinkel bei den zusätzlichen Kopplungskörperpaaren auftreten würden, sind bei einem asynchronen Betrieb jedoch, insbesondere bei einem Betrieb gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren, nicht relevant, da sich der Phasenwinkel kontinuierlich ändert, da bei einem erfindungsgemäßen Verfahren diese Änderung berücksichtigt wird. Es muss somit nicht zwangsweise ein Synchronbetrieb aufrechterhalten werden und trotzdem kann effizient an die Welle angekoppelt werden.
In 11 ist eine skalierte Ausgangsleistung eines Rotors, der gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren, d. h. modulierter Zirkulationsstärke, betrieben wird gegenüber dem Phasenwinkel Δ gezeigt. Entsprechend ist die Ausgangsleistung bei einem Phasenwinkel von bspw. Δ = 0° oder Δ = 180° maximal, bei einem Phasenwinkel von bspw. Δ = 90° und Δ = 270° jedoch minimal, da dort ja die Zirkulationsstärke auf ein Minimum reduziert wird. Diese gezeigte Ausgangsleistung gilt sowohl für einen Rotor mit einem oder zwei um 180° versetzt angeordneten Kopplungskörpern, jeweils auch als Rotoreinheit bezeichnet, da die unerwünschten Wellenabstrahlung hier nicht betrachtet wird.
In 12 sind Ausgangsleistungen 20, 21 von zwei Rotoreinheiten, die jeweils zwei Kopplungskörper aufweisen, gegenüber dem Phasenwinkel Δ gezeigt. Dabei sind die beiden Rotoreinheiten um 90° phasenversetzt. Eine einfache Addition beider Ausgangsleistungen 20, 21 würde zu der gesamten Ausgangsleistung 22 führen. Da jedoch aus einer Welle nicht zweimal die gleiche Energie entnommen werden kann und durch eine Erhöhung der Anzahl der Rotoreinheiten ggf. weitere Verluste durch bspw. Strömungswiderstände hinzukommen, ist in der Realität eine geringere Ausgangsleistung, etwa wie durch 23 oder 24 dargestellt, zu erwarten. Zumindest für die ersten zusätzlichen Rotoreinheiten erhöht sich jedoch üblicherweise der Mittelwert der Ausgangsleistung. Außerdem wird durch eine höhere Anzahl an Rotoreinheiten die Ausgangsleistung geglättet.
Wird nun insgesamt eine ungerade Anzahl an Kopplungskörpern am Rotor angeordnet, bspw. drei Kopplungskörper, so werden diese bevorzugt um jeweils einen gleichen Winkel, also bspw. 120°, zueinander versetzt angeordnet. Dadurch ergeben sich u. U. Nachteile hinsichtlich der Energieausbeute gegenüber beispielsweise vier entsprechend um 90° versetzt angeordneten Kopplungskörpern, da Abstrahlungen ggf. nicht mehr optimal ausgelöscht werden, jedoch wird eine erhebliche Kostenersparnis durch dieses Weglassen des einen Kopplungskörpers, des/der Hebelarme, der Verstellaktorik und einer Sensorik erzielt. Je nach weiteren Faktoren wie bspw. örtlichen Gegebenheiten des Gewässers oder genauem Aufbau der Wellenenergieanlage kann die Kostenersparnis die Nachteile bzgl. der Energieausbeute aufwiegen oder gar übertreffen. So lässt sich je nach Gegebenheiten eine wirtschaftlich optimale Anzahl an Kopplungskörpern bestimmen, die insbesondere ungerade sein kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011105177 A1 [0003]
DE 102012012096 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Wellenenergieanlage (1) zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines Fluids in eine andere Energieform, wobei die Wellenenergieanlage (1) wenigstens einen um eine Rotordrehachse (x) drehbar gelagerten Hebelarm (4), der einen Kopplungskörper (3) trägt, und einen mit dem wenigstens einen drehbar gelagerten Hebelarm (4) gekoppelten Energiewandler (2, 7) aufweist, wobei eine Zirkulationsstärke an dem Kopplungskörper (3) in Abhängigkeit von einem Phasenwinkel (Δ) zwischen einer Winkelstellung (Ψ₁) des wenigstens einen Hebelarms (4) und einem Strömungswinkel (Ψ) der Wellenbewegung vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rotationsgeschwindigkeit (ω₁) des wenigstens einen Hebelarms (4) um die Rotordrehachse (x) im zeitlichen Mittel über eine oder mehrere Umdrehungen nicht einer Orbitalgeschwindigkeit (Ω) der Wellenbewegung entspricht,
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wellenenergieanlage (1) so betrieben wird, dass der Phasenwinkel (Δ) mit der Zeit alle Werte von 0° bis 360° einnimmt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zirkulationsstärke bei einem Phasenwinkel (Δ) von 90° +/– 20°, insbesondere 90° +/– 10°, weiter insbesondere 90° und/oder 270° +/– 20°, insbesondere 270° +/– 10°, weiter insbesondere 270° zu Null vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zirkulationsstärke bei einem Phasenwinkel (Δ) von 0° +/– 20°, insbesondere 0° +/– 10°, weiter insbesondere 0° zu dem Negativen der Zirkulationsstärke bei einem Phasenwinkel (Δ) von 180° +/– 20°, insbesondere 180° +/– 10°, weiter insbesondere 180° vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zirkulationsstärke vorgegeben wird, indem ein Verstellparameter (α_P,1, α_P,2), der eine Stärke einer Kopplung des Kopplungskörpers (3) mit dem Fluid beeinflusst, vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Kopplungskörper (3) ein hydrodynamischer Kopplungskörper (3) ist und wobei ein Pitchwinkel (α_P,1, α_P,2) des hydrodynamischen Kopplungskörpers (3) als Verstellparameter vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zirkulationsstärke in stetiger Weise verändert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zirkulationsstärke nach Maßgabe einer trigonometrischen Funktion verändert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wellenenergieanlage (1) bei multichromatischen Wellen betrieben wird.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Wellenenergieanlage (1) zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines Fluids in eine andere Energieform, aufweisend wenigstens einen um eine Rotordrehachse (x, 9) drehbar gelagerten Hebelarm (4), der einen Kopplungskörper (3) trägt, einen mit dem drehbar gelagerten Hebelarm (4) gekoppelten Energiewandler (2, 7) sowie eine Recheneinheit nach Anspruch 11.
Wellenenergieanlage (1) nach Anspruch 12, der eine gerade Anzahl an Hebelarmen (4), insbesondere zwei oder vier oder mehr, oder der eine ungerade Anzahl an Hebelarmen (4), insbesondere einen oder drei oder mehr, aufweist.
Wellenenergieanlage (1) nach Anspruch 13, wobei die Hebelarme in Bezug auf die Rotordrehachse (x, 9) um je einen Winkel 360°/(Anzahl der Hebelarme) +/– 20°, insbesondere 360°/(Anzahl der Hebelarme) +/– 10°, weiter insbesondere 360°/(Anzahl der Hebelarme) zueinander versetzt sind.