DE19726504A1

DE19726504A1 - Wellenbrechender Seegangskonverter

Info

Publication number: DE19726504A1
Application number: DE19726504A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr Wandrey
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-06-23
Filing date: 1997-06-23
Publication date: 1999-01-28

Description

Unter den zahlreichen Konverter-Konzepten zur Umwandlung von See gangsenergie in elektrischen Strom beruht eines auf der Focussierung von Meereswellen. Die von E. Mehlum and J. Stammes in Norwegen entwickelte und von der Firma Norwave unter dem Namen "Tapchan" realisierte Focussie rungsanlage setzt geomorphologisch geeignete, selten auffindbare Küsten abschnitte voraus und dient allein der Energieumwandlung. Da zur Focus sierung selber keine optimalen hydrodynamischen Form- und Lenkelemente eingesetzt werden, erfolgt diese unter beträchtlichen Turbulenz-Verlusten.

Innerhalb des Küstenschutzes sind mir keine Wellenbrecher bekannt, die die Seeggangsenergie durch Focussierung für die Stromerzeugung nutzbar machen.

Literatur

- Mehlum, E. und Stammes. J.: On the Focusing of Ocean Swells and its Significance in Power Production. Sentralinstitut for Industriell Forskning. Report 0138. 1977.
- dies.: Power Productions Based on Focusing of Ocean Swells. Symposium on Wave Energy Utilization. 1979.
- TAPCHAN Wave Power Plants. Norwave S.A. 1983.
- Dursthoff, Wilhelm: Nutzung der Seegangsenergie. Universität Hannover. Franzius-Institut. 1992.

Die Aufgabe war es, einen focussierenden Konvertertyp zu entwickeln, der nicht nur flexibel einsetzbar ist und ein Höchstmaß an Leistung erbringt, sondern sich auch als Wellenbrecher mit Hafen- und Küstenschutz bauten kombinieren läßt.

Erfindungsgemäß wird diese Problemstellung dadurch gelöst, daß die Längshälften von mindestens zwei stromlinienförmigen, nach hinten offenen Profilwangen, deren Mittelachsen in Wellenangriffsrichtung verlaufen und deren konvexe Bugseiten zum Meer zeigen, über eine ansteigende Böschungs sohle zu einer Konvertereinheit miteinander verbunden werden. Hierdurch entsteht zwischen ihnen ein sich verengender, ansteigender, turbulenzarmer Strömungskanal. Der wellenbrechende Seegangskonverter erzielt seine Doppel funktion, indem er der angreifenden Welle nicht nur - wie herkömmliche Wellenbrecher auch - kinetische und potentielle Energie entzieht, sondern ihre Wassermassen hydrodynamisch focussiert und sie auf ein höheres Niveau hebt, wo sie in einem Staubecken als potentielle Energie zur Verwandlung in mechanische und elektrische Energie gespeichert werden.

Wegen der Verwendung baugleicher Profilteile sind die Konvertereinheiten- wie Fig. 1 veranschaulicht - zu beliebig langen Fronten staffelbar.

Das stromlinienförmige Profil wird in Fig. 2 dargestellt. Das konkret anzuwendende Wangenprofil in horizontaler Ebene ergibt sich aus der ertrag reichsten mittleren Wellenlänge und -periode, der daraus resultierenden durchschnittlichen Wellengeschwindigkeit und -beschleunigung sowie aus der durchschnittlichen Wasserdichte und der Oberflächenbeschaffenheit der umströmten Wangen und Böschungen (Reynoldzahl).

Bezugszeichenliste

1

angreifende Welle

2

Profilwange

3

Strömungskanalsohle

4

Strömungskanal

5

Mündungsscharte

6

Überstreifkante

7

überschiessendes Wasser

8

Staubecken

9

Turbinen-Wasseraustritt

10

Rücklaufbecken

11

Staubecken-Rückwand

12

Wasserpforte

13

Ventilklappe.

Die Höhe der Profilwangen (2) bestimmt sich außer nach der wirtschaftlich nutzbaren Wellenhöhe nach der für einen effizienten Sturmflutschutz erwarteten Tiden- und Wellenhöhe (Jahrhundertflut).

Um bei überdurchschnittlich hohen Wellen und Wasserständen ein besseres Überlaufen zu erreichen, werden die Wangen-Oberkanten in Strö mungsrichtung mit zunehmenden Radien zu Überstreifkanten (6) abgerundet. Ob die hiermit erzielbare Wirkungsgradsteigerung den arbeitstechnischen Mehraufwand rechtfertigt, müssen Versuche erweisen.

Die Höhe der Mündungsscharte (5) über Normalnull und ihre Weite werden außer durch das örtliche Wellenklima durch den maximal erzielbaren Arbeitsbetrag pro Zeiteinheit bestimmt. Dieser ermittelt sich differential aus Volumenstrom und Überlaufhöhe: Mit wachsender Überlaufhöhe verringert sich der Volumenstrom pro Konvertereinheit, mit sinkender Überlaufhöhe erhöht sich dieser. Die Wahl der Turbinen (z. B. Kaplan-Niederdruckturbinen) und Generatoren ergibt sich aus den Werten für das durchschnittliche Gefälle und den Volumenstrom sowie die Anzahl der Konvertereinheiten und dem Speicherbeckeninhalt.

Die vorzugsweisen Einsatzbereiche des wellenbrechenden Seegangskonverters zeigen die Fig. 6, 7 und 8. Es sind

- die ufergebundene Anlage mit teilweise natürlich vorgegebenen Staubecken (Fig. 6)
- die Off-shore-Anlage (Fig. 7)
- die Molen-Anlage (Fig. 8 zeigt eine Mole mit in Wellenrichtung versetzten Konvertereinheiten)

Die Mittellinien der Profilwangen verlaufen in Hauptwellenrichtung. Diese kann jedoch - bezogen auf die Uferlinie - nur in der Off-shore-Version wesentlich vom 90-Grad-Winkel abweichen. Aufgrund der Refraktion der Wellen bei abnehmender Wassertiefe treffen alle Wellen annähernd rechtwink lig am Ufer ein. Diese Tatsache gleicht den Nachteil der ufernahen Versionen gegenüber Offshore Anlagen aus, der darin liegt, daß die Welle durch den ansteigenden Grund in Ufernähe bereits Energie eingebüßt hat.

Bei der ufergebundenen Konverter-Version (Fig. 6) erfolgt der Turbinen-Wasser austritt (9) in ein durch entsprechende Dämmvorrichtungen gegen Seegang bewehrtes Rücklaufbecken (10) am Ende der Konverterfront, bei bei er Off-Shore-Version (Fig.7) in den Wellenschatten der Anlage und bei der Molenversion des Konverters (Fig. 8) in das beruhigte Wasser des Hafenbeckens. Die Ufer-Version ist dann sinnvoll, wenn die Kombination mit einer Hafenanlage nicht gewünscht ist, die Topologie jedoch ein natür liches Staubecken (Felsenbucht) ganz oder teilweise bereithält und Küsten schutzmaßnahmen erwünscht sind.

Als ein für den maximalen Jahresleistungs-Eintrag durchschnittlich erzeug bares Gefälle ist - den Modellversuchen im Maßstab 1 : 100 zufolge - an freien Nordatlantikküsten mit etwa vier Metern zu rechnen. Über den der Realität stark genäherten Wirkungsgrad werden Untersuchungen Aufschluß geben, die im Großen Wellenkanal (GWK) des Franzius-Instituts der TH Hannover geplant sind.

Für die Wangenkonstruktion können sowohl massive, miteinander verzapfte, im Grund verankerte Profile aus Stahlbeton wie auch entsprechend geformte, mit Sand füllbare Schwimmbehälter (Caissons) zur Anwendung kommen.

Im Gegensatz zu den mir bekannten Focussierungs-Anlagen erreicht der wellenbrechende Seegangskonverter bei einem Minimum an Turbulenzen ein Maximum an Energie-Abschöpfung. Auch für die wellenbrechende Funktion des Seegangskonverters wirkt sich die Wahl von stromlinienförmigen Profil wangen günstig aus: Im Vergleich zu monofunktionalen Böschungs-Wellen brechern ist die Angriffsfläche der Wellen vergrößert. Der durch die Beschleunigung der focussierten Wellen bewirkte Druckverlust und die Formsteife der Wangen wirken sich günstig auf den Materialeinsatz aus, so daß die energieliefernde Komponente relativ kostengünstig zu erreichen ist. - Die geomorphologisch relative Unabhängigkeit der Konverter-Anlage ermöglicht einen weltweit universellen Einsatz.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 2-5 dargestellt: Der auf die Brecheranlage angreifende Breitenabschnitt der Welle (1) wird im energiereicheren oberen Bereich des Seegangs durch die Profilwangen (2) geteilt und gezwungen, sie zu umströmen. Hierbei trifft er auf den Abschnitt der Nachbarwange und vereint sich mit diesem. Aus der besonderen Formgebung der Wangen resultiert eine turbulenzarme, energiereiche Focus sierung der Wassermassen, die auf der als schiefe Ebene wirkenden Böschung (3) zusätzlich gebündelt und gegen die Schwerkraft den Strömungskanal (4) aufwärts gestoßen werden. Über die Mündungsscharte (5) und die wahlweise abgerundeten Überstreifkanten (6) der Wange-Enden ergießt sich das überschießende Wasser (7) ins Staubecken (8). Die hydrodynamische Focussierung bewirkt eine Beschleunigung der Welle, die Überwindung des zunehmenden Höhenunterschieds eine Verlangsamung, die jedoch so bemessen sein muß, daß die kinetische Energie der Welle noch einen maximalen Betrag an Wassermasse über die Schwelle der Mündungsscharte bewegt.

Mit wachsender Höhe und sich verringerndem Kanalquerschnitt verwandeln sich die kinetischen Energieanteile der Welle zunehmend in potentielle. Die ins Staubecken eingeströmte Wassermasse steht mit der im Vergleich zu Normalnull erreichten Niveaudifferenz als potentielle Energie zur Verfügung. Von der Überschreitung eines definierten Becken-Wasser standes an wird die kinetische Energie ihres Rückstroms auf Normal-Null zur Verwandlung in mechanische und elektrische Energie genutzt.

Die erweiterte Ausstattung der Profilwangen ist im Patentanspruch 2 vermerkt. Diese Weiterbildung erlaubt es, mithilfe druckgesteuerter Wasser pforten auch Wellenhöhen und Tidenstände zu nutzen, welche die aus dem Örtlichen Wellenklima sich errechnende günstigste Auslegungshöhe der Mündungsscharte nicht erreichen, aber bei Verwendung geeigneter Turbinen sich für eine Ausbeutung lohnen. Sie bedeuten also eine dynamische Anpas sung des Konverters an den unteren Teil des Tiden- und Amplitudenspek trums.

Ein Ausführungsbeispiel zu Patentanspruch 2 zeigen die Fig. 9 und 10: Die schräg zur Einströmrichtung in die Profilwangen (2) eingezogenen Pforten (12) enthalten zur Beckenseite sich Öffnende, in geschlossener Position mit der Stromseite der Profilwangen gleichlaufende Ventilklappen (13). Diese werden ggf. durch den Druck des ruhenden Beckenwassers ge schlossen. Geöffnet werden sie dagegen durch die aufsteigende Welle; jedoch nur dann, wenn der Wasserpegel im Becken unterhalb der betreffenden Pfortensohle liegt bzw. der Außendruck den Innendruck übertrifft.

Der für das Öffnen der Ventilklappen wirksame Außendruck wächst in dem Maße, wie die Geschwindigkeit der einströmenden Wassermassen abnimmt - was das Einströmen in die Wasserpforten unterstützt. Der Druck nimmt dagegen mit größeren Wellenhöhen und entsprechend höheren Stromgeschwindigkeiten ab - was wiederum die Schließwirkung der Klappen begünstigt und damit Wirbelbildungen an der Profilwange reduziert.

Um bei Wasserständen, die die Pfortensohle nur knapp übertreten, ein Rückstreichen des Beckenwassers in Richtung Strömungskanal zu verhindern, werden die Verschlußklappen so angebracht, daß - wenn weder von innen noch von außen Wasserdruck anliegt - ihre Schwerkraft sie "sanft" in die Fassung fallen läßt.

Die in den Fig. 9 und 10 stufig angeordneten drei einzelnen Wasser pforten können auch - kostensparend - durch eine einzige, mit der Böschung parallel laufende langgezogene Wasserpforte ersetzt werden. Diese enthält wie das zweite Ausführungsbeispiel in Fig. 11 andeutet - mehrere anein anderliegende Ventilklappen (13), die sich von oben nach unten schließend überlappen. So können noch kleinere Niveaudiffentiale im unteren Teil des Tiden- und Amplitudenspektrums abgeschöpft werden.

Claims

1. Wellenbrechender Seegangskonverter, der die kinetische und potentielle Energie des Seegangs durch vertikale und horizontale Focussierung in nutzbare Energie der Lage verwandelt, wobei mindestens zwei stromlinien förmige, nach hinten offene Profilwangen, deren Mittelachsen in Wellenan griffsrichtung verlaufen und deren konvexe Bugseite zum Meer zeigt, über eine ansteigende Böschungssohle miteinander verbunden werden. Hierdurch entsteht zwischen den Profilwangen ein sich verengender, ansteigender Strömungskanal, welcher der angreifenden Welle kinetische und potentielle Energie entzieht, indem er ihre Wassermassen hydrodynamisch focussiert, sie auf ein höheres Niveau hebt und damit als potentielle Energie nutzbar macht.

2. In die Profilwangen stufig eingezogene, wasserstandgesteuerte Einweg-Wasser pforten, durch die auch geringere durchschnittliche Wellenamplituden als die der Auslegungshöhe zugrundegelegten genutzt werden können.