DE19633590A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Wellenenergie - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von WellenenergieInfo
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Description
Meereswellenenergie ist wegen eines zweidimensional aufkon
zentrierten erheblichen Potentials bezüglich ihrer Gewin
nung sehr geeignet für eine künftige Energieversorgung
weltwirtschaftlicher Bedürfnisse. So ist die je Quadratme
ter Meeresoberfläche gewinnbare Wellenleistung bei mittle
rem Seegang (nach Beaufort-Skala 4, entsprechend "mäßige
Brise") etwa gleich der stetig eingestrahlten Solarenergie
(etwa 1000 Watt/m2 im Meeresniveau bei senkrechtem Son
nenstand), d. h. alle zugeführte Sonnenenergie bleibt zu
nächst im Mittel weitgehend im Bewegungszustand der Meeres
oberfläche gespeichert. Mit anwachsendem Seegang und zuneh
mend unterschiedlicher lokaler Konzentrierung wird schließ
lich bei Sturm sogar das Hundertfache dieses Wertes über
schritten. In ihrem Aufkommen ist Wellenenergie daher ver
gleichbar zur bisherigen Energiegewinnung durch Fossilien
verbrennung bzw. aus der Atomkernspaltung.
Inzwischen weltweit unternommene Versuche zur Wellenenergie
gewinnung zeigten Anfälligkeit der vorwiegend überseeischen
mechanischen Anordnungen gegen schwere Seegangsverhältnisse-
insbesondere bei Lokalisierung in der heftig bewegten Kü
stenbrandung. Dies verhinderte bisher die Entwicklung grö
ßerer kommerzieller Anlagen.
Es wurde nun gefunden, daß eine Beeinträch
tigung durch Seegangsverhältnisse weitestgehend vermieden
werden kann, wenn die Abnahme der umzuwandelnden Wellenener
gie über einen der vertikalen Wellenbewegung folgenden
Schwimmkörper bewirkt wird und mittels einer Kraftübertra
gungseinrichtung dem in einer solchen Seetiefe gelagerten
und mit dem Meeresgrund fest verbundenen Elektrogenerator
zugeführt wird, wo das oberflächliche Bewegungsverhalten
bereits weitgehend abgeklungen ist. So dringen nach ozeano
graphischer Erkenntnis (S. Günther: Physikalische Geogra
phie. Sammlung Göschen Nr. 26 G.J. Göschen'sche Verlags
handlung GmbH, Berlin und Leipzig 1913, S. 91) selbst Orkane
mit ihrem Bewegungsantrieb nur wenige Meter tief in das In
nere des Meeres ein, während schon in etwas größerer Tiefe
vollständige Ruhe herrscht.
Zur Kraftübertragung von der bewegten Meeresoberfläche zum
je nach Seeverhältnissen in der Meerestiefe von etwa 20 bis
50 Metern gelagerten Elektrogenerator kann sowohl ein mecha
nischer Exzenterantrieb als auch ein hydraulischer Kraft
schluß dienen. Für die Übertragung einer Wellenleistung von
etwa 10 Megawatt ist eine Stangenkraft des Exzentergestän
ges von etwa 6.107 Newton zu beherrschen. Bei einer Zug
festigkeit von Stahl mit etwa 500 N/mm2 ist dies durch einen
Doppel-T-Träger der Breite etwa 70 cm, der Basislängen je
30 cm und einer Stegdicke von 11 cm zu bewältigen. Für eine
Stangenlänge von 20 Metern hat der Träger ein Gewicht von
etwa 19 Tonnen.
Die relativ langsame Wellenschwingung mit Wellenperioden von
etwa 1 bis 15 Sekunden erfordert für den Betrieb eines hoch
tourigen (Tourenzahlen zwischen 60 und 1500 UPM) Elektro
generators die Zwischenschaltung von Getrieben. Dies kann
sowohl mit mechanischen als auch hydraulischen Maßnahmen
(z. B. nach Föttinger) geschehen.
Bei Verwendung von hydraulischer Kraftübertragung kann ge
mäß einer Anordnung nach Fig. 1 mit einer zwischenge
schalteten Umkehrturbine im verengten Strömungsrohr von
dieser auch die Getriebefunktion im wesentlichen übernommen
werden. Die Umkehrturbine stellt eine gleichsinnige An
triebsrichtung des Elektrogenerators sicher - selbst bei
Umkehrung der Strömungsrichtung des Meerwassers im hydrau
lischen Antriebsrohr. Bei der im allgemeinen relativ hohen
Masse des Generatorläufers wird auch gleichzeitig eine
Laufglättung trotz der Wellenschwingung bewirkt.
Die Turbinenanordnung besteht in der Fig. 1 aus zwei Kap
lanturbine-artigen Elementen, wobei deren Laufradschaufeln
um jeweils eine senkrecht auf der Rotationsachse stehenden
Nebenachse schwenkbar befestigt sind. Bei Umkehrung der
Wasserströmung im Turbinenrohr klappen die Laufradschaufeln
automatisch bis zu einem zweiten Anschlag um, so daß auch
mit Umkehrung der Strömungsrichtung der Drehsinn der Rota
tionsachse erhalten bleibt (Fig. 2). Die Verwendung von
mehrfachen Turbinensätzen, wobei die einzelnen Elemente auf
der Rotationsachse vorzugsweise gegeneinander winkelmäßig
versetzt sind, kann der Verbesserung des hydraulischen Wir
kungsgrades der Anordnung dienen.
Zur Kompensation des in etwa 6-stündigem Wechsel ("Ebbe-
Flut-Ebbe-Flut" in 24 Stunden) erfolgenden Tidenhubes von
je nach Meeresregion von etwa 1 bis 10 Metern (mitunter auch
noch darüber) besitzt der senkrechte Teil des den hydrauli
schen Antrieb bewirkenden Strömungsrohres eine Länge von
etwa bis zu 50 Metern. Sein oberes Ende befindet sich etwa
20 Meter unterhalb des ruhigen Seeniveaus. Als Richtregel
für diesen Abstand dient die Summe aus Tidenhub und halber
maximaler Wellenhöhe - was allerdings in den jeweiligen See
lokalisationen zu unterschiedlichen Werten führen kann.
Der Durchmesser des senkrechten Strömungsrohres beträgt bei
einer genutzten Wellenfrontbreite von 100 Metern etwa 10 Me
ter. Vor Übergang in den etwa 5 Meter langen waagerechten
Teil, welcher die Wasserkraftmaschine (Turbine) enthält,
verjüngt sich das Rohr auf etwa 1 Meter Durchmesser. Dies
bedeutet im Turbinenbereich eine etwa Verhundertfachung der
Strömungsgeschwindigkeit im Vergleich zur Geschwindigkeit
der vertikalen Wellenbewegung und bewirkt damit eine Anpas
sung an das hohe Drehzahlerfordernis des Elektrogenerators.
Die Wasserverdrängung im senkrechten Strömungsrohranteil
wird durch einen am oberflächlichen Schwimmkörper befestig
ten und mit Dichtungsringen ausgestatteten Kolben bewirkt,
der sich gemäß der Wellenbewegung jeweils auf- und abwärts
bewegt. Zur Vermeidung von evtl. klemmenden Kippbewegungen
kann der Schwimmkörper durch Führungseinrichtungen zusätz
lich auf das Strömungsrohr zentriert werden.
Sowohl das Strömungsrohr als auch der gegen den Seewasser
einfluß gekapselte Elektrogenerator sind am Seeboden mittels
Senkkasten-Gründung fest verankert. Die gewonnene Energie
wird über Seekabel (Belastbarkeit bis 500 Megawatt je Kabel)
dem Verbraucher, gegebenenfalls auch in größerer Entfernung
auf dem Festland, zugeführt.
Das Aufkommen an Wellenenergie kann je nach den Seegangsver
hältnissen bis zu sehr beträchtlichen Werten ansteigen. Für
einen Schwimmkörper (Floß) an der Meeresoberfläche mit einer
Breite in der Wellenfront von 100 Metern und einer Länge,
die etwa der halben Wellenlänge (λ/2) in Metern entspricht,
werden mechanische Leistungen (ÅW) umgesetzt, wie sie die
Tabelle ausweist. Der unterschiedliche Seegang wird hier
gemäß seemännischer Erfahrung durch die Zuordnung zur Wind
bezeichnung nach der Beaufort-Skala gekennzeichnet. Bereits
bei leichtem Seegang (entsprechend Beaufort 4) werden Wel
lenleistungen je Quadratmeter beobachtet (letzte Spalte der
Tabelle), wie sie bisher mit Solarzellen unter günstigen
Voraussetzungen erhalten wurden, d. h. etwa 200 Watt/m2. Zu
nehmender Seegang (etwa bis Beaufort 8) läßt schon die Grö
ßenordnung von etwa 100 Megawatt/100 m Wellenfront errei
chen.
Für die Errichtung von Wellenkraftwerken mit konventionel
len Kapazitäten von etwa einigen hundert bis tausend Mega
watt empfehlen sich durch den verstärkten Seegang bedingt
besonders herausragende Lokalisationen der Meeresgebiete.
Diese sind bestimmt durch ausgeprägte ozeanische Strömungs
verhältnisse bzw. geeignete zonale Witterungsbedingungen.
Vor allein durch britische und portugiesische Forscher (etwa
M.T. Pontes u. Mitarbeiter: An Atlas of the Wave Energy
Resource in Europe. 14th Offshore Mechanics and Arctic En
gineering Conference 1995) wurden die Europa umgebenden
Meere (Nordsee, Atlantik und Mittelmeer) auf vorzugsweise
Eignung untersucht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von Wellen
energie vermeidet durch die unterseeische Übertragung der
Energie auf ebenfalls unterseeisch gelagerte Elektrogene
ratoren den erfahrungsgemäß zerstörerischen Angriff schwe
rer Seezustände auf die Energiegewinnungsanlagen. Die höch
sten zu erwartenden Wellenhöhen liegen etwa zwischen 10 bis
20 Metern. Die Lagerung der gekapselten Generatoren in etwa
50 Metern Seetiefe dämpft die Kraft des Wellenschlages wei
testgehend. Demgegenüber zeigt der Wellenschlag in der Kü
stenbrandung bei schwerer See ganz allgemein Zerstörungs
potentiale, die je Meter Küstenfront der Zertrümmerung von
100 und mehr Tonnen Küstengestein entsprechen können. Wie
mehrfache weltweite Erfahrung inzwischen gezeigt hat, sind
in der Küstenbrandungsregion errichtete Wellenkraftwerke
diesen Angriffen immer wieder erlegen.
Claims (5)
1. Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Wellenener
gie, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Wellenbewe
gung ihre kinetische Energie mittels eines in der Wasser
oberfläche befindlichen Schwimmkörpers über eine untersee
isch angeordnete Kraftübertragungseinrichtung zu einem mit
dem Meeresgrund fest verbundenen Elektrogenerator überträgt.
2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kraftübertragung durch einen mechani
schen Exzenterantrieb bewirkt wird, wodurch die Energie der
vertikalen oberflächlichen Wellenbewegung als Rotationsener
gie des Elektrogenerators übertragen wird.
3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kraftübertragung zur Umwandlung der
vertikalen Wellenenergie in Rotationsenergie des Elektro
generators durch hydraulischen Kraftschluß über eine Tur
binen-Anordnung erfolgt.
4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die hydraulische Kraftübertragung über
Einschaltung von Umkehrturbinen erfolgt, wodurch bei jewei
liger Umkehrung der vertikalen Wellenbewegung die gleich
sinnige Drehrichtung des Elektrogenerators gewährleistet
wird.
5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, 3 und 4, da
durch gekennzeichnet, daß die Laufradschaufeln der Umkehr
turbine sich automatisch unter dem Druck der einströmenden
Wassermenge in ihrer Einstellung umkehren, so daß die Dreh
richtung der Turbinenachse von der wechselweise umkehrenden
Wasserströmungsrichtung unverändert bleibt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19633590A DE19633590A1 (de) | 1996-08-21 | 1996-08-21 | Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Wellenenergie |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19633590A DE19633590A1 (de) | 1996-08-21 | 1996-08-21 | Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Wellenenergie |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19633590A1 true DE19633590A1 (de) | 1999-03-11 |
Family
ID=7803157
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19633590A Withdrawn DE19633590A1 (de) | 1996-08-21 | 1996-08-21 | Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Wellenenergie |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19633590A1 (de) |
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-
1996
- 1996-08-21 DE DE19633590A patent/DE19633590A1/de not_active Withdrawn
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