DE3201173A1 - "gezeiten-kraftwerk" - Google Patents

"gezeiten-kraftwerk"

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DE3201173A1 DE19823201173 DE3201173A DE3201173A1 DE 3201173 A1 DE3201173 A1 DE 3201173A1 DE 19823201173 DE19823201173 DE 19823201173 DE 3201173 A DE3201173 A DE 3201173A DE 3201173 A1 DE3201173 A1 DE 3201173A1
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Description

Escher Wyss GmbH, 7980 Ravensburg Gezeiten-Kraftwerk
Die Erfindung betrifft ein Gezeiten-Kraftwerk zur Ausnützung des Niveau-Unterschiedes des Meeres bei Ebbe und Flut zur Energiegewinnung mit wenigstens einer zwischen einem vom Meer abgetrennten Speicher-Reservoir und dem Meer angeordneten Wasserturbine mit wenigstens angenähert horizontaler Achse, mit wenigstens einem Verbindungs-Kanal zwischem dem Reservoir und dem Meer und mit wenigstens einem Absperrorgan zur Sperrung des Wasserdurchlaufs durch die Turbine oder den Kanal.
Es sind bereits zahlreiche Gezeiten-Kraftwerke beschrieben worden, bei denen bei einem durch eine Mauer oder einen Damm vom Meer abgetrennten Speicherbecken oder Reservoir bei steigender Flut das Wasser vom Meer über eine Wasserturbine in das Speicherbecken geleitet wird, bei sinkender Flut oder Ebbe dieser Durchströmungsweg durch Klappen oder Schieber geschlossen wird und ein entgegengesetzter Weg vom Speicherbecken über die Turbine in das Meer geöffnet wird. Dabei wird die Turbine in beiden Gezeitenphasen in der gleichen Richtung durchflossen und gibt in beiden Phasen Energie ab. Dabei wurde von der Vorstellung ausgegangen, dass zur Gewinnung einer möglichst grossen Energie möglichst beide Gezeitenphasen oder Strömungsrichtungen ausgenützt werden müssen.
Bei solchen, beispielsweise in der DE 98 894 oder FR 1 075 360 beschriebenen Gezeiten-Kraftwerken ist im Damm oder der Staumauer eine Wasserturbine mit vorzugs-
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weise vertikaler Achse angeordnet, welche sowohl meerseitig als auch reservoirseitig je einen Einlauf und je einen Auslauf aufweist. Im Rhythmus der Gezeiten wird wechselweise jeweils ein Einlauf an der einen Seite und ein Auslauf an der anderen Seite durch verschiebbare Schützen- oder Dammtafeln geöffnet bzw. geschlossen. Wenn beide Einlaufe der Turbine gleichzeitig geschlossen sind, so entsteht unterhalb der Turbine ein freier Durchlaufkanal vom Meer zum Reservoir.
Nachteilig an diesen vorbekannten Gezeiten-Kraftwerken ist, dass die Energiegewinnung nur in Gezeitenphasen stattfindet, bei denen eine schnelle Aenderung des Meeres-Niveaus eintritt, also vorzugsweise zwischen dem maximalen und minimalen Wasserstand. Zu diesen Zeiten ist jedoch der für die Leistung der Turbine massgebende Niveau-Unterschied auf beiden Seiten des Dammes nur relativ gering, und die mit brauchbarem Wirkungsgrad ausnützbaren Zeiten sind nur kurz. Weiterhin ist nachteilig, dass auf beiden Seiten der Turbine unter Druck betätigbare und daher teure und aufwendige Absperrorgane erforderlich sind. Darüber hinaus erfordert die Anordnung der Turbine mit vertikaler Achse und über der Turbine auf dieser Achse angebrachtem elektrischen Generator eine erhebliche Bauhöhe des gesamten Kraftwerkes, und der unter der Turbine liegende Durchströmungskanal bedingt eine zusätzliche Bautiefe. Der Bauaufwand und die Kosten solcher vorbekannten Kraftwerke waren daher erheblich, abgesehen vom keineswegs optimalen Wirkungsgrad und der durch die Komplexität der Anlage bedingten Störanfälligkeit.
Weiter ist aus US 4 261 171 ein Gezeiten-Kraftwerk mit einer Rohrturbine mit horizontaler Achse bekanntgewor-
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den, wobei zwischen dem Meer und dem Speicher-Reservoir nur ein Durchströmungskanal vorgesehen ist. Um sowohl bei steigender als auch bei sinkender Flut eine Energiegewinnung bei gleicher Durchströmungsrichtung der Turbine zu ermöglichen, ist die Turbine um 180° drehbar ausgebildet. Um eine freie Strömung vom Meer in das Reservoir oder umgekehrt zu erreichen, ist die Turbine in vertikaler oder horizontaler Richtung verschiebbar ausgebildet, so dass bei einer solchen Verschiebung der Durchströmungskanal freigegeben wird. Nachteilig ist hierbei die aufwendige, komplizierte und störanfällige Mechanik für das Drehen und Verschieben der Turbine.
Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, die erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere ein Gezeiten-Kraftwerk mit verbessertem Wirkungsgrad und höherer Leistung der Turbine zu schaffen, wobei der bauliche Aufwand und die Bauhöhe und Bautiefe vermindert sind, sowie eine geringere Anzahl von aufwendigen und störanfälligen Organen benötigt wird.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst,dass die Turbine angeordnet und ausgebildet ist, nur bei Durchströmung vom Reservoir zum Meer Energie abzugeben, dass der Kanal oberhalb der Turbine angeordnet ist, und dass das Absperrorgan reservoirseitig angeordnet und in vorzugsweise vertikaler Richtung unter Druck setzbar und so beweglich ist, dass durch seine Bewegung entweder die Turbine oder der Kanal absperrbar ist.
Beim Betrieb dieses Gezeiten-Kraftwerkes wird das Absperrorgan bei steigender Flut so angeordnet, dass der Kanal offen ist und das Meerwasser in das Reservoir einströmen kann. Bei sinkender Flut oder Ebbe wird da-
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gegen das Absperrorgan so angeordnet, dass der Kanal geschlossen ist und das Wasser vom Reservoir durch die Turbine ins Meer zurückströmt und dabei Energie liefert. Dabei ist nur ein einziges unter Druck setzbares, vorzugsweise als vertikal bewegliche Schütze oder Dammtafel ausgebildetes Absperrorgan erforderlich, welches sowohl zum Oeffnen und Schliessen des Kanales als auch der Turbine verwendet wird. Dies wird insbesondere dadurch möglich, dass der Kanal oberhalb der Turbine angeordnet ist, so dass die gesamte Breite der Staumauer oder des Dammes zur Energiegewinnung durch Turbinen ausgenützt werden kann.
Ueberraschenderweise zeigte sich zudem, dass bei einem solchen Kraftwerk,bei dem bei Flut das Reservoir schnell aufgefüllt wird und nur bei sinkender Flut oder Ebbe durch das aus dem Speicher-Reservoir zurückfliessende Wasser Energie erzeugt wird, über den ganzen Ebbe-Flut-Zyklus betrachtet, ein besserer Wirkungsgrad und eine höhere Leistung erzielbar sind, als bei vorbekannten Gezeiten-Kraftwerken, bei denen versucht wurde, sowohl bei steigender Flut als auch bei sinkendem Wasserstand Energie zu gewinnen. Obwohl erfindungsgemäss nur bei fallender Flut Energie erzeugt wird, zeigte es sich, dass die praktisch ausnützbaren Zeiten, in denen ein genügender Niveau-Unterschied zwischen Reservoir und dem Meeresspiegel herrscht, länger sind, als bei Gezeiten-Kraftwerken bekannter Art, so dass der Wirkungsgrad und die erzielbare Leistung deutlich verbessert sind, abgesehen von der einfacheren und störunanfälligeren Konstruktion. Um ein schnelles Auffüllen des Reservoirs bei einsetzender Flut zu gewährleisten, ist es günstig, wenn der Querschnitt des Kanals grosser ausgelegt ist, als der wirksame Rohrquerschnitt der Turbine.
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Bei einer zweckmässigen Weiterbildung der Erfindung können der gleichen Turbine zugeordnete zusätzliche Absperrorgane vorgesehen sein, die jedoch einfacher ausgeführt sein können, so dass sie nur bei einem Niveau-Ausgleich setzbar sind. Solche zusätzlichen Schützen können dazu dienen, sowohl die Turbine als auch den Kanal beidseitig abzuschotten, um eine Revision der Anlage zu ermöglichen.
Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele, anhand derer weitere zweckmässige Ausgestaltungen der Erfindung und weitere Vorteile offenbar werden, erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Gezeiten-Kraftwerk in Aufsicht
Fig. 2 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Gezeiten-Kraftwerk bei Flut
Fig. 3 zeigt einen Vertikalschnitt durch dieses Gezeiten-Kraftwerk bei Ebbe
Fig. 4 zeigt ein weiteres Gezeiten-Kraftwerk im Revisions-Zustand
In Figur 1 und in den folgenden Figuren ist vom offenen Meer 1 eine Meeresbucht 2 durch einen Damm oder eine Sperrmauer 3 abgetrennt, in welcher nebeneinander mehrere Kraftwerkeinheiten 4, beispielsweise 3 Einheiten 41, 42, 43 angeordnet sind. Jede dieser Kraftwerkeinheiten weist einen Kanal 4 bzw. 4 , 42 und 43 zwischen dem
Meer 1 und dem Reservoir 2 auf. Unter jedem dieser Και 7 3
näle ist eine Wasserturbine 5 bzw. 5 , 5*, 5 angeordnet. Reservoirseitig werden die Kanäle 4 und die Turbine 5 durch jeweils ein Absperrorgan 6 bzw. 6', 6 und 6 wahlweise abgeschlossen.
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. 9.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Kraftwerkeinheit bei Flut. Dabei ist das Absperrorgan 6 vor den Einlauf der Turbine 5 gesetzt, so dass diese gesperrt ist, während der Kanal 4 geöffnet ist, so dass das Wasser vom Meer 1 in das Reservoir 2 relativ schnell einströmen kann. Da der Kanal 4 den gesamten Raum oberhalb der Turbine 5 einnehmen kann, d.h. da dessen Querschnitt grosser als der wirksame Turbinenquerschnitt ist, so wird das Einströmen des Wassers optimal begünstigt, ohne dass Platz für die Anordnung der Turbinen verlorengeht.
Unterhalb des minimalen Wasserspiegels bei Ebbe ist die Wasserturbine 5 so angeordnet, dass eine Durchströmung unter Energieabgabe nur in Richtung vom Reservoir 2 zum offenen Meer 1 stattfinden kann. Die Turbine ist im dargestellten Beispiel als Aussenkranz-Rohrturbine ausgebildet und weist einen zentralen Anströmkörper 7 auf, der mittels Trennwänden 7 im Dammfundament 3 verankert ist und der ein Laufrad 8 und schliessbare Leitschaufeln 9 trägt. Am Aussenkranz 8 des Laufrades ist der Rotor 10 eines elektrischen Generators befestigt, während dessen Stator 11 im Fundament 3 gelagert ist. Die Achse der Turbine 5 ist vorzugsweise horizontal ausgerichtet, jedoch sind Neigungen bis zu einem gewissen Grade zulässig, ohne die Vorteile der erfindungsgemässen Anordnung zu verlieren.
Im Damm oder in der Sperrmauer 3 ist ein wenigstens angenähert vertikaler Schlitz 12 vorgesehen, wobei auch hier gewisse Neigungen zulässig sind. Dieser Schlitz ist so ausgebildet, das in ihm das vorzugsweise als Dammtafel ausgebildete Absperrorgan 6 auch unter Druck nach unten gleiten kann. Oberhalb des Kanales 4 und oberhalb des maximalen Meeresspiegels befindet sich ein
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Maschinenraum 14 mit einem Motor 15, mit dem das Absperr organ 6 über ein Seil oder ein Kabel 16 wieder in die obere Position angehoben werden kann. Somit ist wahlweise entweder der Kanal 4 oder die Turbine 5 reservoirseitig absperrbar, auch bei einem Niveau-Unterschied auf beiden Seiten des Dammes oder der Sperrmauer.
Während Figur 2 eine Kraftwerkeinheit zeigt, bei der der Durchfluss durch die Turbine 5 durch das Absperrorgan 6 blockiert wird, während der Kanal 4 für den Wasserdurchfluss geöffnet ist, zeigt Figur 3 die gleiche Kraftwerkeinheit mit angehobenem Absperrorgan 6 wobei der Durchfluss durch die Turbine 5 geöffnet, die Durchströmung des Kanals 4 jedoch blockiert ist. Bei Betrieb des Gezeiten-Kraftwerkes wird nun das Absperrorgan so betätigt, dass bei steigender Flut, wie in Fig. 2 dargestellt ist, der Kanal 4 geöffnet ist und das Wasser ohne wesentliche Behinderung vom Meer 1 in das Speicher-Reservoir 2 einströmen kann und dieses schnell bis zum maximalen Wasserstand füllt. Sobald dieser Zustand erreicht ist, wird das Absperrorgan 6 in die Position nach Fig. 3 angehoben, so dass der Kanal 4 nunmehr gesperrt ist. Der Durchfluss durch die Turbine 5 ist nunmehr jedoch geöffnet, und zwar in derjenigen Strömungsrichtung, in welcher Energie erzeugt wird. Das Wasser kann nun aus dem Reservoir 2 durch die Turbine in das offene Meer unter Energieabgabe zurückfliessen. Dabei . kann ein beträchtlicher Teil der gesamten Gezeitenphase vom maximalen bis zum minimalen Wasserstand ausgenützt werden, so dass der Wirkungsgrad optimal wird.
Es wird bemerkt, dass die Einrichtung zum Anheben des Absperrorganes 6 auch so ausgeführt sein kann, dass das Absperrorgan ganz nach oben aus dem Kanal 4 herausgezogen werden kann. In diesem Fall sind sowohl der Ka-
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nal 4 als auch die Turbine in der entsprechenden Phase offen. Dies ist zweckmässig, wenn die Turbine 5 mit einem Leitapparat 9 versehen ist, mit dem sie auch ohne Absperrorgan geschlossen werden kann. In diesem Fall dient das Absperrorgan 6 nur zum Sperren der Turbine 5 im Notfall, d.h. beim Versagen des Leitapparates 9. Eine geringfügig grössere Bauhöhe wird dabei in Kauf genommen.
In Figur 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer Kraftwerkeinheit im Revisionszustand dargestellt. Dabei sind identische Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen, wie in den vorangehenden Figuren. Um eine Revision der Anlage, beispielsweise im Störungsfall oder bei der periodischen Wartung zu ermöglichen, ist oberhalb des maximalen Wasserspiegels und des Kanals 4 ein fahrbarer Kranwagen 20 vorgesehen. Dieser Kranwagen ist über die einzelnen Kraftwerkeinheiten fahrbar und gestattet es, Teile der Einheit, z.B. auszuwechselnde Turbinenteile, an Land zu bringen und Austauschteile heranzufahren. Um eine nötige Revision durchzuführen, wird zunächst das Absperrorgan 6 reservoirseitig vor die Turbine 5 gebracht. Durch den offenen Kanal 4 erfolgt dabei ein Niveau-Ausgleich zwischen offenem Meer 1 und Reservoir Nunmehr werden vom Kranwagen 20 weitere Absperrorgane oder Schützen 17, 18 und 19 herangeführt, die in den freien Raum des Schlitzes 12 oberhalb des Absperrorganes 6 und in einen weiteren Schlitz 13 auf der Meerseite der Turbine eingesetzt werden und somit die Turbine 5 und den Kanal 4 auf beiden Seiten absperren. Nunmehr wird die Turbine 5 durch Oeffnen von Deckeln 21 und 22 am Boden des Kanals zugänglich und es können die nötigen Austauscharbeiten vorgenommen werden. Da die Schützen 17, 18 und 19 nur bei Niveaugleichheit gesetzt werden, können sie von wesentlich einfacherer Ausführung sein,
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als das Absperrorgan 6, welches als ständig benutztes Betriebsorgan unter Druck störungsfrei betätigbar sein muss. Die beschriebene Anordnung kommt also mit einem einzigen derartigen Organ aus.
Statt einer Aussenkranz-Rohrturbine wurde im Beispiel nach Figur 4 ein anderer Turbinentyp verwendet, nämlich eine sogenannte Bulb-Turbine, bei dem der elektrische Generator 23 im Inneren des Anströmkörpers 7 auf der Achse des Laufrades 8 angeordnet ist. Es wird bemerkt, dass im Rahmen des Erfindungsgedankens auch andere Ausführungen von Wasserturbinen Verwendung finden können, z.B. Turbinen ohne oder mit nicht-schliessbarem Leitapparat, ebenso andere dem Fachmann bekannte Absperrorgane, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen und die damit erzielbaren technischen Vorteile zu verlieren. Ausserdem ist im Beispiel statt einer mit einem Seil arbeitenden Hebevorrichtung für das Absperrorgan 6 eine ölhydraulische Hebevorrichtung vorgesehen. Diese weist beispielsweise im Unterteil des Dammes 3 unterhalb des Schlitzes 12 vorgesehene Teleskop-Hebevorrichtungen 24 auf, die über Leitungen 25 je nach Betriebsphase mit OeI unter entsprechendem Druck zum Ein- oder Ausfahren der Teleskope versorgt werden. Diese Ausführung hat den Vor teil, dass ein Maschinenraum entfällt und die Bauhöhe weiter verkleinert ist. Auch andere Ausführungen von Hebevorrichtungen sind im Rahmen der Erfindung möglich.
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Claims (12)

  1. Patentansprüche
    Gezeiten-Kraftwerk zur Ausnützung des Niveau-Unterschiedes des Meeres bei Ebbe und Flut zur Energiegewinnung mit wenigstens einer zwischen einem vom Meer (1) abgetrennten Speicher-Reservoir (2) und dem Meer (1) angeordneten Wasserturbine (5) mit wenigstens angenähert horizontaler Achse, mit wenigstens einem Verbindungs-Kanal (4) zwischen dem Reservoir und dem Meer, und wenigstens einem Absperrorgan (6) zur Sperrung des Wasserdurchlaufs durch die Turbine oder den Kanal, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (5) angeordnet und ausgebildet ist, nur bei Durchströmung vom Reservoir (2) zum Meer (1) Energie abzugeben, dass der Kanal (4) oberhalb der Turbine (5) angeordnet ist, und dass das Absperrorgan (6) reservoirseitig angeordnet und in vorzugsweise vertikaler Richtung unter Druck setzbar und so beweglich ist, dass durch seine Bewegung entweder die Turbine oder der Kanal absperrbar ist.
  2. 2. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrorgan (6) als in wenigstens angenähert vertikalen Schlitzen (12) gleitbare Tafelschütze ausgebildet ist.
  3. 3. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (5) als Rohrturbine mit einem in einem Rohr rotierenden Laufrad (8) und einem zentralen Anströmkörper (7) ausgebildet ist.
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  4. 4. Kraftwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine 5 als Bulb-Turbine ausgebildet ist, bei der im zentralen Anströmkörper (7) ein elektrischer Generator (23) vorgesehen ist.
  5. 5. Kraftwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (5) als Aussenkranz-Turbine ausgebildet ist, wobei am Aussenkranz (8 ) des Laufrades (8) ein elektrischer Generator (10, 11) vorgesehen ist.
  6. 6. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Durchströmungsrichtung vor dem Laufrad (8) ein schliessbarer Leitapparat (9) vorgesehen ist.
  7. 7. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (4) einen grösseren Querschnitt aufweist, als der wirksame Querschnitt der Turbine (5).
  8. 8. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrorgan (6) zusätzlich in eine Stellung bewegbar ist, in der sowohl die Turbine (5) als auch der Kanal (4) offen sind.
  9. 9. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zusätzliches Absperrorgan (17, 18, 19) vorgesehen ist, welches so ausgebildet ist, dass es bei Niveaugleichheit von Reservoir (2) und Meer (1) oder bei geringem Wasserdruck setzbar ist und die Turbine (5) meerseitig und/oder den Kanal (4) meerseitig und/oder reservoirseitig absperrt.
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  10. 10. Verfahren zum Betrieb eines Gezeiten-Kraftwerkes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrorgan (6) bei steigender Flut so angeordnet wird, das der Kanal offen ist und eine Durchströmung vom Meer (1) in das Reservoir (2) erlaubt, und bei sinkender Flut und Eintritt der Ebbe so, dass der Kanal geschlossen und die Turbine zur Durchströmung vom Reservoir (2) zum Meer (1) geöffnet ist.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschlussorgan (6) bei steigender Flut so angeordnet wird, dass die Turbine (5) geschlossen wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Absperrorgane (17,18,19) zum Zwecke der Revision der Turbine bei Niveaugleichheit von Reservoir (2) und Meer (1) gleichzeitig gesetzt werden, so dass Turbine (5) und Kanal (4) sowohl vom Reservoir als auch vom Meer abgesperrt sind.
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