DE102018126255A1

DE102018126255A1 - Getauchte Reaktionsstruktur für einen Wellenenergiewandler

Info

Publication number: DE102018126255A1
Application number: DE102018126255.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Peckolt
Original assignee: Nemos GmbH
Current assignee: Nemos GmbH
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2020-04-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wellenenergiewandler mit einem oder mehreren Schwimmkörpern (13) und einer lose verankerten getauchten Reaktionsstruktur (15), wobei die Reaktionsstruktur eine längliche Gestalt aufweist und gemäß ihrer Längserstreckung zur Wellenfortschrittsrichtung aktiv oder passiv ausgerichtet werden kann.

Description

Gründungsstrukturen von, am Seeboden steif angebundenen, Wellenkraftwerken müssen hohe Lasten ableiten und erzeugen hohe Kosten. Insbesondere die Installation der Verankerungen solcher Systeme führen durch aufwendige Prozesse im Offshore-Bereich und durch erforderliche Spezialschiffe zu erheblichen Aufwänden, die sich negativ auf die Stromgestehungskosten und damit auf die Gesamtwirtschaftlichkeit der Anlagen auswirken. Ferner können weitere ähnliche finanzielle Belastungen durch erforderliche Wartungs- und Rückbauarbeiten entstehen. In besonderem Maße zeigt sich diese Problemstellungen an Standorten mit großer Entfernung zum Ufer oder bei großen Wassertiefen.
Erfordert das Anlagenkonzept und der Standort eine Tidenanpassung, muss diese in üblichen Anlagen häufig über aufwändige und teure, aktive Einstellvorrichtung realisiert werden.
Im Stand der Technik werden daher Systeme mit lose verankerten, getauchten Strukturen (REM für „Reaction Member“) vorgeschlagen, die als Reaktionspartner für den Schwimmkörper dienen sollen. Über eine Energiewandlungseinheit wird die Relativbewegung zwischen dem an der Oberfläche bewegten Auftriebskörper (Aktuator) und dem REM genutzt. Bisher werden jedoch lediglich Systeme vorgeschlagen, mit denen vorwiegend die Vertikalbewegung (Freiheitsgrad: „heave“) genutzt wird. Zudem weisen bekannte Systeme, wie vorgeschlagen in US 2013/0341927 , keine Vorzugsrichtung auf. Da sie nicht zu den Wellen ausgerichtet werden können, müssen sie dafür gerüstet sein, in sämtlichen Richtungen ernten zu können, was Kosten für mehrere Energiewandlungseinheiten für das Ernten in verschiedenen Wellenrichtungen erfordert. Dabei wird im Betreib immer nur ein Teil der Energiewandlungseinheiten mit voller Auslastung genutzt und weitere vorhandene kostenintensive Energiewandlungseinheiten (insbesondere auf der wellenabgewandten Seite) tragen kaum zum Energieertrag der Anlage bei. Das Gesamtsystem ist somit aus wirtschaftlicher Hinsicht schlecht ausgelastet, was sich in ungünstig hohen Stromgestehungskosten äußert.
Zudem führen nicht ausrichtbare Systeme, wie auch beschrieben in US 2011/012358 , zu Schwimmkörpern mit rotationssymmetrischer Gestalt. Diese sind in ihrer hydromechanischen Wirkungsweise nicht für eine Wellenrichtung optimiert, erzielen eine begrenzte Wirkbreite und führen zu verhältnismäßig geringen Energieerträgen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Wellenenergiewandler mit einer lose verankerten getauchten Struktur (REM) 15 vorgeschlagen die über spezielle Anordnungen aktiv oder passiv ausgerichtet werden kann, insbesondere wie in den 1-3 dargestellte Ausführungsbeispiele, auf welche sich das vorstehende und die folgenden Bezugszeichen beziehen. Mit aktiv ist gemeint, dass das Gesamtsystem durch äußere Verankerungen 18 in eine Orientierung gebracht wird, die beispielsweise der vorherrschenden mittleren Wellenrichtung entspricht. Mit passiv ist gemeint, dass das Gesamtsystem durch die Einwirkung der Wellen 23 ausgerichtet wird. Dies geschieht, indem die Verankerung zu einem Punkt an die Struktur angeknüpft wird, die vom Schwerpunkt der mittleren Wellenlasten entfernt ist. Bei Abweichen von einer Orientierung entlang der Wellenfortschrittsrichtung entsteht durch die Kraft der Wellen ein rückstellendes Moment, welche das System in Richtung Wellenfortschrittsrichtung ausrichtet.
Damit kann die Struktur sowie der Schwimmkörper 13 (oder mehrere Schwimmkörper) eine längliche Gestalt aufweisen und es können in mehreren funktionalen Aspekten erhebliche Vorteile durch eine Vorzugsrichtung realisiert werden. Dies betrifft sowohl die getauchte Struktur, die derart gestaltet werden kann, dass sie in der Vorzugsrichtung ein erhöhtes Trägheitsmoment aufweist und dadurch mit geringem baulichem Aufwand einen verhältnismäßig guten Widerhalt für den Schwimmkörper bietet. Zudem soll gemäß der Erfindung im ausgerichteten System auch die Energiewandlung 14 nur auf der jeweils wellenzugewandten Seite erfolgen. Kosten für gering ausgelastete Energiewandlungseinheiten auf der wellenabgewandten Seite 8 (auf der eine geringere Bewegung stattfindet) können somit eingespart werden. Auch der Auftriebskörper kann eine Vorzugsrichtung bekommen und damit eine erhöhte Wirkbreite und verbesserte hydromechanische Wirkungsweise erhalten. Über eine beabstandete Anknüpfung von zwei Zugsträngen wird er zu der erfindungsgemäß ausrichtbaren Struktur ausgerichtet, vorzugsweise nahezu orthogonal dazu.
Des Weiteren kann die getauchte Struktur ein oder mehrere spezielle Elemente 16, 16a, 17, 17a enthalten, welche zu einer erhöhten hydromechanischen Trägheit und einem erhöhten hydromechanischen Widerstand führen. Hierdurch wird ein besserer Widerhalt für Relativbewegungen des Auftriebskörpers in Wellenvorschubrichtung geboten und damit in besonderem Maße das Wandeln der Wellenenergie durch sogenannte „Surge“-Bewegungen, zusätzlich zur „heave“-Bewegung, ermöglicht.
Des Weiteren sind gemäß der Erfindung folgende Ausführungsmerkmale und Varianten vorgesehen:

Bei einem ausreichend lang bemessenen Zugstrang 18 zur Verankerung kann sich das Gesamtsystem selbsttätig in seiner Höhe zum aktuellen Wasserstand bzw. zur Tide anpassen. Das Verankerungssystem kann beispielsweise mit einer einfachen, durchhängenden Kette realisiert werden, die an einer Schwergewichtsgründung 21 oder einem anderen Anker angeschlagen ist. Alternativ kann auch eine Verbindung mit S-förmigem Verlauf verwendet werden, bei dem Auftriebselemente 20 („Riser“) und Gewichtselemente 19 („Sinker“) im Zusammenspiel die Verbindung auf dem Weg zum Ankersystem federt und/oder dämpft.

Die Befestigung der Verankerung an der getauchten Struktur kann an einer geeigneten Position relativ zum Schwerpunkt der rücktreibenden Kräfte angeordnet werden (zwischen horizontalen Plattenelementen und Auftriebskörper), damit das Gesamtsystem in gewünschter Lage bleibt bzw. einen gewissen Trimmwinkel nicht übersteigt (Zugwinkel durch Gewicht/ Verankerungspunkt bestimmt). Dadurch wird bei erhöhter mittlerer Zugkraft die wellenzugewandte Seite vermehrt nach unten gezogen, um einem Vertrimmen entgegenzuwirken.
Die lose Verankerung mit Feder und/oder Dämpfungselement wird derart dimensioniert, dass erforderliche Bewegungsamplitude vollständig bereitgestellt wird, der Strang niemals straff wird und es somit nicht zu sonst üblichen Spitzenlasten kommt. Im Idealfall so, dass sich das System im geringen Maße mit der Orbitalbewegung der Welle mitbewegen kann und keinen Anschlag erfährt, so dass nur eine mittlere (niedrige und gleichmäßige) Kraft auf die Gründung wirkt.
Die Orientierung des Wellenenergiewandlers kann durch mehrere Verankerungssysteme auf einen gewünschten Winkelsektor begrenzt werden.
Alternativ oder ergänzend kann die Orientierung des Wellenenergiewandlers durch einen aktiven Antrieb eingestellt werden.
Der vorgeschlagene Aufbau mit einem oder mehreren Schwimmkörpern, die relativ zu einer getauchten, lose verankerte Gründungsstruktur arbeiten, ermöglicht, dass das Gesamtsystem mit eigenem Auftrieb zum Installationsstandort geschleppt werden kann und dort ohne Spezialschiffe installiert werden kann.
Die getauchte Struktur kann einen elektrischen Knotenpunkt besitzen, der mit allen auf der getauchten Struktur befindlichen Generatoreinheiten verbunden ist und der als eine zentrale Schnittstelle zur netzseitigen elektrischen Anbindung dient.
Mehrere Systeme an einer Struktur angeordnet, insbesondere in Reihe mehrere Elemente (vgl. 2). Innerer Ausgleich der Kräfte der einzelnen Systeme insbesondere in horizontaler Richtung aufgrund des Phasenversatzes der durch Wellen angeregten Kräfte und Bewegungen der Teilsysteme.
In einem alternativen Verwendungsszenario kann das beschriebene Gesamtsystem auch aktiv bewegt werden unter Zuführung elektrischer Energie und zum Erzeugen von Wellen genutzt werden, insbesondere zum Erzeugen von Wellen in Ufernähe für Freizeitaktivitäten wie Wellenreiten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2013/0341927 [0003]
US 2011012358 [0004]

Claims

Wellenenergiewandler mit einem oder mehreren Schwimmkörpern (13) und einer lose verankerten getauchten Reaktionsstruktur (15), dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsstruktur eine längliche Gestalt aufweist und gemäß ihrer Längserstreckung zur Wellenfortschrittsrichtung aktiv oder passiv ausgerichtet werden kann.
Wellenenergiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Schwimmkörper (13) mit jeweils zwei Zugsträngen (1, 8) mit der Reaktionsstruktur (15) verbunden ist/sind und die Angriffspunkte der Zugmittel an der Reaktionsstruktur in ihrer Längsrichtung beabstandet sind. Diese Beabstandung beträgt insbesondere mehr als 50 % der Länge der Reaktionsstruktur, insbesondere mehr als 70 % der Länge der Reaktionsstruktur.
Wellenenergiewandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Schwimmkörper (13) eine längliche Form aufweisen und die Angriffspunkte der Zugmittel (1 und 8) am Schwimmkörper quer zur Längserstreckung beabstandet sind und sich beide in Längsrichtung etwa mittig befinden, sodass der Schwimmkörper sich eigenständig ausrichtet.
Wellenenergiewandler nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die längliche Reaktionsstruktur (15) in ihrer Mitte schlanker ausgeführt ist als im Bereich der Angriffspunkte der Zugmittel (1, 8) oder sie in einer günstigen Ausführungsform aus zwei platten-, schaufel- oder trichterartigen Strukturen (16, 16a, 17, 17a) im Bereich der Anknüpfungspunkte der Zugmittel aufgebaut ist, wobei die beiden Strukturen mit einer Druckstrebe verbunden sind.
Wellenenergiewandler nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die getauchte Reaktionsstruktur (15) ein oder mehrere Elemente (17, 17a) mit großer räumlicher Ausdehnung in einer horizontal liegenden Ebene beinhaltet, die in besonderer Weise eine hydromechanische Trägheit und einen hydromechanischen Widerstand in vertikaler Richtung erzeugen.
Wellenenergiewandler nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die getauchte Reaktionsstruktur (15) ein oder mehrere Elemente (16, 16a) mit großer räumlicher Ausdehnung in vertikaler Richtung und in einer Richtung quer zur Struktur beinhaltet, die in besonderer Weise eine hydromechanische Trägheit und einen hydromechanischen Widerstand in Wellenfortschrittsrichtung erzeugen.
Wellenenergiewandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (16) mit großer räumlicher Ausdehnung in vertikaler Richtung und Querrichtung vorwiegend an der wellenabgewandten Seite der Reaktionsstruktur (15) angeordnet sind, vorzugsweise im ersten Viertel der Längserstreckung.
Wellenenergiewandler nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtsystem über einen losen Zugstrang (18) zu einer Gründungsstruktur (21) am Meeresboden (22) befestigt ist, wobei der Zugstrang Elemente zum Federn und/ oder Dämpfen in Zugrichtung beinhalten kann, insbesondere ein oder mehrere Gewichtselemente (19) und/oder Auftriebselemente (20).
Wellenenergiewandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugstrang (18) zur Anbindung an eine Gründungsstruktur (21) an der getauchten Reaktionsstruktur (15) derart an der wellenzugewandten Seite der Struktur angebunden ist, dass sich das Gesamtsystem zur mittleren Wellenfortschrittsrichtung ausgerichtet werden kann.
Wellenenergiewandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugstrang (18) zur Anbindung an eine Gründungsstruktur (21) an der getauchten Reaktionsstruktur (15) in einer vertikalen Position an der getauchten Reaktionsstruktur (15) angebunden ist oder einen schrägen Zugwinkel nach schräg unten erfährt, dass die Reaktionsstruktur (15) auch bei zunehmenden Wellengang (23) und einer damit verbundenen zunehmenden mittleren horizontalen Kraft auf den Schwimmkörper (13) in möglichst horizontaler Ausrichtung bleibt.
Wellenenergiewandler nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die getauchte Reaktionsstruktur (15) ballastiert ist und über die zwei oder mehr Zugstränge (1, 8) hängend an einem oder mehreren Auftriebskörper (13) befestigt ist, die einen Auftriebsüberschuss aufweisen, so dass sich eine mittlere Eintauchung der Auftriebskörper bzw. eine mittlere vertikale Position der Auftriebskörpers zur Wasseroberfläche einstellt, wodurch sich das System durch seine Schwimmlage passiv an unterschiedliche Wasserstände anpasst.
Wellenenergiewandler nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der Zugstränge (1, 8) mit einem Federsystem vorgespannt werden und sich damit im Ruhezustand ein Gleichgewicht zwischen der Abtriebskraft der ballastierten, getauchten Reaktionsstruktur (15) und der Federkraft einstellt.
Wellenenergiewandler nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtsystem durch weitere Verbindungen (18, 19, 20, 21) zum Meeresoden (22) in seiner Ausrichtung fixiert bzw. in seiner Orientierung auf ein bestimmtes Winkelsegment begrenzt wird.