DE3235842A1

DE3235842A1 - Fluessigkeitswellenenergieabsorber

Info

Publication number: DE3235842A1
Application number: DE19823235842
Authority: DE
Inventors: Nils Oslo Ambli; Knut 7000 Trondheim Boenke; Oddbjoern 7028 Kattem Malmo
Original assignee: Kvaerner Brug AS
Current assignee: Kvaerner Brug AS
Priority date: 1981-10-02
Filing date: 1982-09-28
Publication date: 1983-04-21
Also published as: FR2514048B1; NO153542C; NO813344L; SE8205424L; GB2108590B; AU550828B2; FR2514048A1; AU8880282A; SE8205424D0; SE450723B; GB2108590A; JPH0128225B2; JPS5872678A; NO153542B

Description

KVAERNER BRUG A/S
Oslo 1 (Norwegen)

Flüssigkeitswellenenergieabsorber

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitswellenenergieabsorber, bei dem die Energieabsorption von der Frequenz der Wellen abhängig ist.

Derartige Wellenenergieabsorber arbeiten beispielsweise nach dem Prinzip des resonant schwingungsfähigen Festkörpers (Boje) oder nach dem Prinzip der schwingenden Wassersäule.

Die Erfindung wurde insbesondere im Zusammenhang mit einem Wellenenergiekraftwerk entwickelt, in dem die Wellenenergie nicht nur absorbiert, sondern zum Erzeugen von elektrischer Energie ausgenutzt wird.

In derartigen Wellenenergieabsorbern entspricht bei konstanter Energie und sich verändernder Frequenz der ankommenden Wellen der Verlauf der Schwincungsamplitude einer Resonanzkennlinie. Bei dieser Schwingungsform ist die Bandbreite relativ schmal. Daher besteht ein Bedürfnis nach einer größeren Bandbreite. Diese kann gemäß der Erfindung durch die Anwendung der sogenannten "Hafenresonanz¹¹ erzielt werden, wobei eine zusätzliche Schwingungsform erhalten wird. Gemäß der Erfindung wird diese Hafenresonanz dadurch erzielt, daß im Bereich des Wellenenergieabsorbers Begrenzungsflächen vorgesehen und gegebenenfalls an ihm befestigt sind, die derart angeordnet sind, daß die Abhängigkeit der Energieabsorption von der Wellenfrequenz ein neues Maximum oder mehrere neue Maxima bei Frequenzen besitzt, die von der Anordnung der Begrenzungsflächen abhängig sind.

Bei der Hafenresonanz ist die Lage der Resonanzkurve auf der Frequenzskala von der Länge der Begrenzungsflächen

abhängig. Durch geeignete Ausbildung der Begrenzungsflächen und des Wellenenergieabsorbers kann man daher die Lage der beiden Resonanzkurven so bestimmen, daß sie zusammen dem System eine vorteilhafte Bandbreite in dem in Frage kommenden Frequenzbereich geben.

Die Anordnung der Begrenzungsflächen wird nach der bekannten Wellentheorie berechnet, wobei vorzugsweise auch die Topographie des Standortes berücksichtigt wird.

Der Erfindungsgedanke kann in zahlreichen Ausführungsformen verwirklicht werden. Nachstehend wird die Erfindung anhand eines praktisch ausführbaren Wellenenergiekraftwerks beschrieben, in dem eine am Meeresgrund verankerte, unter Wasser befindliche Betonkonstruktion einen Raum enthält, der unter Wasser eine Öffnung besitzt, durch die Flüssigkeit ein- und ausströmen kann, so daß die im Innern des Raums befindliche, aus Meerwasser bestehende Flüssigkeit in Schwingungen versetzt wird, die auf eine im oberen Teil des Raums befindliche Luftmasse wirken und bewirken, daß die Luft durch eine Luftturbine strömt, die einen elektrischen Generator antreibt.

In den beigefügten Zeichnungen zeigt Figur 1 im Längsschnitt ein Wellenenergiekraftwerk,

Figur 2 einen Querschnitt durch das Wellenenergiekraf twerk,

Figur 3 in größerem Maßstab einen Horizontalschnitt durch das Wellenenergiekraftwerk längs der Linie III-III in Figur 1 und

Figur 4 einen Teil des Bereichs, in dem die Turbine und der Generator angeordnet sind.

Das Wellenenergiekraftwerk besitzt eine Betonkonstruktion mit einem Sockel 1, aufwärtsgerichteten Seitenwänden 2, 3, einer aufwärtsgerichteten Rückwand 4, einem Dach 5 und einer Querwand 6, die sich zwischen den Seitenwänden 2, 3 von dem Dach 5 abwärts erstreckt und im Abstand über dem Sockel 1 endet und mit diesem eine Öffnung 7 begrenzt, die in einen Raum führt,

RAD ORIGINAL

der von den Seitenwänden 2, 3, der Rückwand 4, dem Dach 5 und der Basis 1 begrenzt ist.

In den Zeichnungen erkennt man, daß der Sockel 1 hohl ist und Ballasträume 9 enthält, und daß die Querwand 6 ebenfalls hohl ist und beispielsweise Räume zur Aufnahme von Geräten und von Einrichtungen enthalten kann, die dem Personal zur Verfügung stehen, usw. Teile der Seitenwände 2, 3 erstrecken sich über das Dach 5 hinaus aufwärts und bilden dort einen oben offenen Aufnahmeraum 39 für Ballast.

Außerhalb der Querwand 6, auf der Eintrittsseite der Öffnung 7, sind die Seitenwände 2, 3 mit Wandfortsätzen 10, 11 versehen, die gemäß dem in der Figur 3 gezeigten Horizontalschnitt ebenso wie Teile der Seitenwände 2, 3 hohl sein können, so daß sie die Festigkeit der Konstruktion erhöhen und Ballast aufnehmen können.

Im oberen Teil des Raums 8, unterhalb des Daches 5, wird durch Wände 12, 13, die sich von dem Dach abwärts erstrecken, ein Raum abgeteilt, der durch eine Öffnung 14 auswärts offen ist, in der eine Luftturbine 15 und ein von dieser angetriebener elektrischer Generator 16 angeordnet sind. Die untere Begrenzung dieses abgeteilten Raums wird von einem Rost 17 gebildet, der sich zwischen den Wänden 12, 13 erstreckt und einen Teil einer Einrichtung bildet, die einen Eintritt von Wasser aus dem Raum 8 in die Luftturbine verhindert. Diese Schutzeinrichtung besitzt außerdem einen Schwimmkörper 18, der in einem Käfig 19 eingeschlossen ist.

Im oberen Teil des Raumes 8 begrenzen die Seitenwände 2 und 3 und die Wände 12, 13 abwärts offene Abteile 20 und 21.

Vorstehend wurde schon erwähnt, daß das Wellenenergiekraftwerk als eine Betonkonstruktion ausgeführt ist. Diese wird im Trockendock gegossen, worauf die erforderlichen Maschinen eingebaut werden und Ballast eingefüllt wird, so daß die Betonkonstruktion einwandfrei und stabil schwimmfähig ist.

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Dann kann die Betonkonstruktion als Ganzes schwimmend an den beabsichtigten Standort des Kraftwerks geschleppt und dort ohne Verwendung von Kränen untergetaucht werden, indem die für die Aufnahme von Ballast bestimmten Hohlräume mit der erforderlichen Menge Wasser gefüllt werden. Danach kann noch Ballast hinzugefügt werden, u. a., in dem aufwärts offenen Raum 39 oberhalb des Daches 5 der Betonkonstruktion. Wenn die Betonkonstruktion dann durch ein nicht gezeigtes Kabel mit dem Land verbunden worden ist, kann das Wellenenergiekraftwerk zum Erzeugen von elektrischer Energie verwendet werden.

Das Wellenenergiekraftwerk arbeitet wie folgt: Der Raum 8 ist ein Schwingraum, der mit dem umgebenden Meerwasser durch die unter Wasser befindliche Öffnung 7 kommuniziert, die der vorherrschenden Richtung der ankommenden Wellen zugekehrt ist. Die ankommenden Wellen versetzen dann die Wassersäule im Schwingraum in Schwingungen. Bei einer konstanten Amplitude und variierender Frequenz der ankommenden Wellen variiert die Schwingungsamplitude entsprechend einer Resonanzkennlinie. Bei dieser Schwingungsform ist die Bandbreite jedoch relativ klein. Zur Erzielung einer größeren Bandbreite ist die Betonkonstruktion auf beiden Seiten der Öffnung 7 mit den vorstehend besprochenen Wandfortsätzen 10 und 11 versehen, so daß vor der Öffnung eine weitere Schwingungsform erhalten wird, die als "Hafenresonanz" bezeichnet werden kann.

Bei der Hafenresonanz ist die Lage der Resonanzkurve auf der Frequenzskala von der Länge der Wandfortsätze 10, 11 abhängig, welche die vorstehend erwähnten Begrenzungsflächen bilden. Dagegen ist die Lage der Resonanzkurve für die Schwingungen der Wassersäule von der Geometrie des Schwingraumes abhängig. Infolgedessen können die Lagen der beiden Resonanzkurven unabhängig voneinander gewählt werden, so daß sie zusammen gewährleisten, daß das System in dem in Frage kommenden Frequenzbereich eine vorteilhafte Bandbreite hat.

Die Wassersäule in dem Schwingraum wirkt wie ein Kolben, - 5 -

BAD

der Luft durch die Luftturbine 15 abwechselnd herausdrückt und einsaugt. Diese Turbine ist von an sich bekannter Art und hat unabhängig von der Richtung, in der die Luft durch die Turbine strömt, stets denselben Drehsinn. Daher braucht die Luftströmung nicht mit Hilfe von Ventilen gleichgerichtet zu werden, was bei den großen hier verwendeten Luftmengen schwierig wäre. Der Rotor der Luftturbine kann beispielsweise acht Schaufeln in Form von symmetrischen Flügeln haben, deren Mittellinie in der Rotationsebene liegt. Es sind ferner feststehende Leitschaufeln 22 vorgesehen, die auch die Umschließung des Generators 16 tragen, der von der von der Luftturbine erzeugten Energie angetrieben wird. Durch den Luftwiderstand der Luftturbine werden die Schwingungen gedämpft. Die Ausgangsleistung der Turbine muß so gewählt werden, daß eine optimale Dämpfung, d. h. ein möglichst hoher Energiewirkungsgrad, erzielt wird. In einem praktisch verwirklichbaren Ausführungsbeispiel hat der Rotor der Turbine einen Außendurchmesser von 8,4 m und eine Drehzahl von 428 U/min. Man kann die Turbine nicht so auslegen, daß sie der höchsten Drehzahl gewachsen ist, auf die sie im unbelasteten Zustand hochlaufen kann. Um bei vom Netz abgeschalteten Generator ein Durchgehen der Turbine zu verhindern, ist es daher ratsam, dafür zu sorgen, daß in diesem Fall der Generator automatisch mit einem elektrischen Bremswiderstand verbunden wird, so daß dann die Drehzahl soweit abgesenkt wird, daß eine an der Turbine vorgesehene, mechanische Bremse wirksam werden und den Generator anhalten und im Stillstand halten kann. Wenn alle anderen Maßnahmen versagen, kann die mechanische Bremse verhindern, daß der Generator mit der Höchstdrehzahl läuft, wobei in diesem Fall nur die Bremseinrichtung beschädigt wird. Einzelheiten der Bremseinrichtung sind nicht dargestellt, weil ihre Ausbildung im Rahmen des fachmännischen Könnens liegt und bekannte Komponenten verwendet werden können.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die maximale durchschnittliche Ausgangsleistung während mehrerer

Wellenperioden 4 MW. Es wurde ein Synchrongenerator mit festgelegter Drehzahl gewählt, so daß während der Wellenperiode keine Vergleichmaßigung durch das Schwungmoment der rotierenden Massen erfolgt. Infolgedessen steigt die Ausgangsleistung des Generators in jeder Wellenperiode zweimal von Null auf ein Maximum von 8 MW. Bei einer Überschreitung dieses Maximums wird der Generator vom Netz abgeschaltet und zum Stillstand gebremst.

Wenn die mit voller Drehzahl laufenden Turbinenschaufeln ins Wasser tauchen, brechen sie ab, so daß die Anlage zerstört wird. Daher muß auch bei sehr hohen Wellen verhindert werden, daß die Wassersäule aufwärts bis zu der Turbine schwingt. Zu diesem Zweck ist der Turbine ein Schwimmerventil vorgeschaltet, das aus einer elastischen, aufblasbaren Gummihülse 18 besteht, die von der Wassersäule bis zur Anlage an dem Rost 17 gehoben wird, so daß dessen Öffnungen geschlossen und die über dem Rost liegenden Räume von dem Schwingraum getrennt werden. Wenn die schwingende Wassersäule noch höher steigt, drückt sie die in den abgeteilten Räumen 20, 21 eingeschlossenen Luftvolumina zusammen, so daß eine weiche Dämpfung erzielt und verhindert wird, daß die Wassersäule an das Dach der Betonkonstruktion schlägt.

Das Wellenenergiekraftwerk ist normalerweise unbemannt, doch können sich bei seiner Inbetriebnahme und gegebenenfalls auch zu anderen Zeiten Personen an Bord befinden. Man kann das Wellenenergiekraftwerk von einem Boot über einen unterwindseitigen, kleinen Kai 23 betreten oder mit einem Hubschrauber darauf landen. Wie vorstehend erwähnt wurde, kann die hohle Querwand 6 mit Räumen für Geräte und für von dem Personal zu benutzende Einrichtungen versehen werden. In den zwischen dem Schwimmerventil bzw. dem Rost 17 und dem Aggregat 15, 16 befindlichen Raum kann man durch eine Luftschleuse 24 gelangen. Längs der Wände 12, 13 sind Laufstege 25 vorgesehen, die zu dem Aggregat 15, 16 führen.

Normalerweise sind die Druckschwankungen nicht so stark, — 7 —

daß das Personal diese Laufstege nicht benutzen kann, jedenfalls wenn die Turbine mit niedriger Leistung arbeitet.

Auf dem. Dach des Wellenenergiekraftwerks ist ein Joch 26 mit zwei Seilscheiben 2 7 und 28 befestigt. Wenn das Aggregat 15, 16 zur Instandhaltung ausgebaut werden soll, wird oben auf dem Joch eine Seilwinde 29 montiert (siehe Figur 4), beispielsweise mit Hilfe eines Hubschraubers, und wird das Windenseil um die Seilscheiben herum und durch eine in dem Dach oberhalb des Aggregats vorgesehene Luke geführt. Dann kann man die Teile gemäß Figur 4 in ein Boot herunterlassen. Das Aggregat wird in Form einer wasserdichten Einheit ein- und ausgebaut.

Die Begrenzungsflächen können an dem Wellenenergieabsorber befestigt sein, wie dies in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bei den Fortsätzen 10, 11 der Seitenwände der Fall ist, oder sie können aus von dem Wellenenergieabsorber getrennten Wandelementen oder anderen Körpern gebildet werden. Sie können auch von Wandelementen gebildet werden, die sich vom Sockel aufwärts erstrecken, so daß das Meerwasser zwischen den Wandelementen und den die Öffnung 7 begrenzenden Flächen der Seitenwände 2 und 3 strömen kann.

Das Wellenenergiekraftwerk kann mit mehreren nebeneinanderliegenden Schwingräumen ausgebildet sein, doch ist es aus für den Fachmann verständlichen Gründen zweckmäßiger, das Kraftwerk in der dargestellten und vorstehend beschriebenen Weise auszuführen, weil dadurch der Bau und die Installation des Kraftwerks erleichtert werden.

Zum Erzeugen einer befriedigenden Leistung an einem Standort kann man beispielsweise 50 Einheiten der dargestellten und vorstehend beschriebenen Art beispielsweise in Abständen von etwa 80 m längs der Küste nebeneinander anordnen. Einen Eindruck von den Abmessungen erhält man, wenn man bedenkt, daß das in den Zeichnungen dargestellte Kraftwerk etwa 30 m tief eingetaucht wird.

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Die Wellenenergieabsorber können in der Fortpflanzungsrichtung der ankommenden Wellen relativ zueinander beliebig angeordnet werden. Man kann die Absorber auch in gleichen Abständen voneinander in einer Reihe anordnen, die zu der Fortpflanzungsrichtung der ankommenden Wellen rechtwinklig oder parallel ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

lJ Flüssigkeitswellenenergieabsorber, bei dem die Energieabsorption von der Frequenz der Wellen abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Wellenenergieabsorbers Begrenzungsflächen vorgesehen und gegebenenfalls an ihm befestigt sind, die derart angeordnet sind, daß die Abhängigkeit der Energieabsorption von der Wellenfrequenz ein neues Maximum oder mehrere neue Maxima bei Frequenzen besitzt, die von der Anordnung der Begrenzungsflächen abhängig sind.
2. Flüssigkeitswellenenergieabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er nach dem Prinzip einer schwingenden Wassersäule arbeitet.
3. Flüssigkeitswellenabsorber nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß er nach dem Prinzip eines resonant schwingungsfähigen Festkörpers (Boje) arbeitet.
4. Flüssigkeitswellenenergieabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung der Anordnung der Begrenzungsflächen die Topographie des Standortes mitberücksichtigt wird.
5. Flüssigkeitswellenenergieabsorber, insbesondere zum Dämpfen von Wasserwellen und vorzugsweise zum Ausnutzen der Energie der Wasserwellen, mit einem Raum, der eine unter Wasser befindliche Öffnung besitzt, durch welche die Flüssigkeit ein- und austreten kann, so daß die im Innern des Raums befindliche Flüssigkeitsmasse in Schwingungen versetzt wird, und eine Einrichtung zur Entnahme von Energie von dem schwingenden System durch Dämpfen der Schwingungen der Flüssigkeitsmasse, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten der Öffnung Begrenzungsflächen bildende Wandelemente derart angeordnet sind, daß infolge der Abhängigkeit der Energieabsorption von der Frequenz der Wellen ein neues Maximum oder mehrere neue Maxima bei Frequenzen erhalten werden, die von der Anordnung der Begrenzungsflächen abhängig sind.

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6. Flüssigkeitswellenenergieabsorber nach Anspruch 5, in dem die zur Energieentnahme dienende Dämpfungseinrichtung einen in dem genannten Raum oberhalb der Flüssigkeitsmasse angeordneten, luftgefüllten, abgeteilten Raum und eine Luftturbine besitzt, auf welche die Luftströmungen einwirken, die durch die Schwingungen der Flüssigkeitsmasse im Innern des sie enthaltenden Raumes verursacht werden, gekennzeichnet durch ein Schwimmerventil, das verhindert, daß die Flüssigkeitsmasse bis zu der Luftturbine aufwärtsschwingt.
7. Flüssigkeitswellenabsorber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwimmerventil einen horizontalen Rost besitzt, der in dem Schwingraum oberhalb der Flüssigkeitsmasse angeordnet ist, und einen Schwimmkörper, der von der zur Luftturbine hin aufwärtsschwingenden Flüssigkeitsmasse bis zur Anlage an der unteren Fläche des Rostes gehoben werden kann.
8. Flüssigkeitswellenenergieabsorber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmkörper ein aufgeblasener elastischer Körper, beispielsweise eine aufgeblasene Gummihülse, ist.
9. Flüssigkeitswellenabsorber nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Schwimmerventils und seitlich von ihm ein nach unten offner, abgeteilter Raum vorhanden ist.