DE4331988C2 - Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserwellenenergie - Google Patents
Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus WasserwellenenergieInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus
Wasserwellenenergie.
Fortlaufende Bestrebungen zur Nutzung regenerativer Energiequellen führen auch zu
einer Aufwertung der Wasserkraftnutzung. Hierzu gehört auch die Nutzung der
Wellenenergie der Ozeane. Das vom Wind angefachte Auf und Ab der Wellen ist
weltweit gesehen ein riesiges Energiepotential, da die Wellenenergie an den Küsten
fortwährend, wenn auch unterschiedlich, vorhanden ist. Meereswellen enthalten sowohl
die kinetische Energie der horizontalen Wellenbewegung und der Orbitalbewegung als
auch die potentielle Energie aus dem Druckunterschied zwischen Wellenberg und
Wellental.
Zur Umwandlung dieser Wellenenergie in elektrische Energie sind bereits
Vorrichtungen bekannt geworden, die als Schwimmersysteme ausgebildet sind. Diese
Schwimmersysteme nutzen nur die von der Wellenoberfläche erzeugte Relativ
bewegung zwischen zwei oder mehreren Festkörpern, von denen mindestens einer ein
Schwimmer ist, der von den Wellen auf- und abbewegt wird. Eine bekannte Vorrichtung
dieser Art wird von einem gelenkigen Floß gebildet, welches aus einzelnen, mit
Scharnieren verbundenen Gliedern besteht, die von den Wellen relativ zueinander
bewegt werden. Über Kolbenpumpen kann die Bewegung zur Kompression einer
Flüssigkeit genutzt werden, welche dann einer speziellen Turbine zugeführt wird, die
einen Generator antreibt. Diese Vorrichtungen haben sich in der Praxis allerdings noch
nicht durchgesetzt.
Bekannt sind ferner Vorrichtungen, die nach dem Prinzip einer oszillierenden
Wassersäule arbeiten. Diese Systeme haben gemeinsam, daß sie die Wellen
bewegung in das Oszillieren einer Wassermasse in einem Festkörper umsetzen. Die
übliche Ausführung wandelt diese Wasserbewegung wiederum in eine oszillierende
Luftbewegung um, die dann eine Turbine antreibt.
Bekannte Lösungen weisen als Festkörper einen Schwimmer auf, der mit einem
annähernd vertikalen Loch versehen ist. Die Wassersäule in diesem Loch kommuniziert
mit dem umgebenden Meerwasser und führt bei Wellengang oszillierende Bewegungen
aus, durch die entweder eine Wasserturbine oder eine über dem Loch angebrachte
Luftturbine angetrieben werden kann. Diese Systeme können beispielsweise für die
Energieversorgung von Leuchtbojen (geringere Leistungen) eingesetzt werden.
Für größere Systeme werden große Kammern gebaut, die insbesondere auch in
Wellenbrecher integriert werden können, um einen Teil der Baukosten einzusparen.
Da die Wirkung dieser Vorrichtungen im wesentlichen durch eine Übereinstimmung
zwischen
- - der natürlichen Eigenfrequenz des Systems, bedingt durch die Kombination der Geometrie des Einlaufs des Wassers in die Kammer, dem Luft- und Wasservolumen in der Kammer und dem Widerstand des Auslasses der Luft aus der Kammer (einschließlich der Turbine), und
- - der Frequenz der ankommenden Wellen
gekennzeichnet ist, wird das System der Wellenfrequenz angepaßt, die am
Aufstellungsort hauptsächlich vorhanden ist. Bei anderen als dieser Frequenz ist die
Energieausbeute deutlich schlechter.
In der britischen Patentanmeldung GB 2 169 684 A beschreibt M. French eine Technik
ein mechanisches Schwingungssystem durch "Latching" zu beeinflussen. Hierbei wird
versucht durch zeitweiliges Fixieren eines Teiles der Federlänge eines mechanischen
Massenschwingers zwischen zwei Resonanzfrequenzen dieses Massenschwingers hin-
und herzuschalten. Durch diese Aktion entsteht ein Verhalten des Schwingungs
systems, das einem Resonanzverhalten bei einer Frequenz ähnelt, die zwischen den
beiden ursprünglichen Frequenzen liegt. Bezogen auf ein Wellenenergiekraftwerk der
soeben beschriebenen Art bedeutete dies, das der Luftstrom von der Oszillations
kammer zur Turbine während einer Schwingung zeitweise durch ein Ventil (eine
Klappe) unterbrochen werden muß. Zwischen Turbine und Ventil muß noch ein
genügend großes Restvolumen bestehen, durch das eine Restströmung zum Antrieb
der Turbine erhalten bleibt, solange das Ventil geschlossen ist. Die Blockade der Luft
strömung - die zur Energieerzeugung genutzt werden soll - zur Vergrößerung der
Leistung ist sicherlich keine glückliche Lösung, zumal auch nur ein resonanzähnliches
Verhalten erreicht werden kann.
Durch die Anordnung eines sogenannten Vorhafens, der im wesentlichen aus
Leitwänden besteht, läßt sich eine Spreizung des nutzbaren Frequenzbereiches oder
alternativ eine Verstärkung der Wirkung bei der Resonanzfrequenz des Kammer
systems erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, mit der die Umwandlung von
Wasserwellenenergie in elektrische Energie verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art erfindungs
gemäß durch wenigstens eine zwischen den Meereswellen und der Turbine ange
ordnete Vorrichtung erzeugt, mit der das Betriebsverhalten der Wellenenergiewandlers
(aktiv oder passiv) verändert werden kann.
Es ist bereits untersucht worden, daß Wellenenergiewandler, die nach dem Prinzip der
oszillierenden Wassersäule die Luft zwischen Kammer(n) und Umgebung austauschen
zur Erzeugung von elektrischem Strom eingesetzt werden können. Es ist weiterhin
versucht worden, den Luftstrom durch die Turbine durch den Einsatz von gekapselten
Systemen sowie Ventilen und Druckspeichern zu vergleichmäßigen. Es ist nun jedoch
überraschend gefunden worden, daß die zum Antrieb der Turbine notwendige
Strömung durch ein System verstärkt werden kann, bei dem die Oszillations
bedingungen verändert werden. Es hat sich dabei herausgestellt, daß sich hierdurch
die Möglichkeit bietet, die Betriebseigenschaften des Kraftwerks deutlich zu ver
bessern.
Durch den erfindungsgemäßen Einbau von Zusatzsystemen in das System besteht
nunmehr überraschend die Möglichkeit, den Betriebsbereich des Kraftwerkes zu
erweitern und Verluste im System zu vermindern. Durch diese Änderungen der
Betriebsbedingungen des Wellenenergiekraftwerks wird die Stromerzeugung
preiswerter, da die erzeugte Energiemenge - bei gleichbleibender Grundkonstruktion -
vergrößert wird.
Die wichtigste hierbei zu verändernde Größe ist die Resonanzfrequenz des Systems.
Durch die Veränderung der Resonanzfrequenz kann an Tagen, an denen die Wellen
mit einer anderen als der optimalen Frequenz eintreffen, mehr Energie erzeugt werden,
als mit einer nur für eine Frequenz ausgelegten Vorrichtung; die Gesamteffizienz des
Systems steigt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, in dem System zusätzlich
zur Oszillationskammer (bzw. den Oszillationskammern) mindestens eine weitere
Kammer anzuordnen, die mit der Oszillationskammer durch einen Verschluß verbunden
ist, so daß die Größe des Systemvolumens verändert werden kann. Eine zusätzliche
Beeinflussung der Betriebseigenschaften kann durch ein oder mehrere Regelorgane
zwischen Oszillations- und Ergänzungskammer erreicht werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die zusätzliche Kammer oder die Oszillationskammer
mit einer Vorrichtung ausgerüstet, die die Größe des Kammervolumens verändert. In
ganz besonders vorteilhafter Gestaltung kann dies konstruktiv durch Ein- und Ablassen
von Wasser in die Kammer geschehen; es sind jedoch auch andere Lösungen - wie
z. B. wasser- oder luftgefüllte flexible Körper - denkbar, die in der Kammer angeordnet
sind. Eine zusätzliche Beeinflussung der Betriebseigenschaften kann durch ein oder
mehrere Regelorgane zwischen dem Wasser in der Oszillationskammer und dem
Wasser in der Ergänzungskammer erreicht werden. In einer günstigen Ausführung
kann dann die Größe der Masse der schwingenden Wassersäule gesteuert werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann auch im Einlaufbereich eine Vorrichtung
angeordnet werden, die die Größe des Einlaufquerschnitts verändert oder den
Einlaufquerschnitt verschließt, wodurch die der Kammer maximal zugeführte Energie
begrenzt werden kann.
In günstiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das System im Inneren mit
mehreren z. B. durch Ventile gesteuerten Innenkammern auszustatten, die es
ermöglichen, den Luftstrom durch die Turbine zu vergleichmäßigen und somit die
Qualität der erzeugten Energie zu verbessern.
In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, mehrere Oszillationskammern an eine
Turbine anzuschließen, um den Energiefluß weiter zu vergleichmäßigen.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist das System mit einer Vorrichtung
ausgestattet, die die veränderlichen Einrichtungen durch Meßergebnisse der am
Bauwerk eintreffenden Wellen optimiert.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.
Diese zeigen in
Fig. 1 in vereinfachender Darstellung eine Vorrichtung nach dem Prinzip der
oszillierenden Wassersäule ohne erfindungsgemäße Installationen,
Fig. 2 in vereinfachender Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach dem
Prinzip der oszillierenden Wassersäule.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus
Wasserwellenenergie ist in prinziphafter Darstellung in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 1 ist in
ähnlicher Darstellung ein Wellenenergiewandler nach dem Prinzip der oszillierenden
Wassersäule dargestellt, wie er bisher bekannt ist, d. h. ohne die erfindungsgemäßen
Vorrichtungen. An dieser Fig. 1 sollen zunächst die grundlegenden Teile und Prinzipien
erläutert werden, wobei die in Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen dann auch in der
anderen Zeichnung verwendet werden, sofern gleiche Teile betroffen sind.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt einen Meeresküstenbereich mit einer Wasserbodenfläche 1
und einer Wasseroberfläche 2, wobei die vorhandenen Wasserwellen durch die dicke
durchgezogene Linie 3 angedeutet sind. Die Wellen schreiten in Richtung des Pfeiles 4
fort.
Auf der Wasserbodenfläche 1 steht eine Kammer 5, die in ihrem vorderen Bereich
unterhalb der Wasseroberfläche 2 eine Öffnung 6 aufweist, die es der Energie der
Wellen ermöglicht, in die Kammer vorzudringen. Die Kammer 5, die vorzugsweise in
Stahlbeton ausgeführt wird, ist durch eine weitere Öffnung 7 mit der Umgebungsluft
verbunden, wobei zwischen der eigentlichen Kammer 5 und der Öffnung 7 eine Turbine
8 eingebaut ist. Die mit Wasser in Kontakt kommenden Teile der Turbine 8 werden
bevorzugt aus nicht rostendem Stahl hergestellt. Die in der Kammer 5 eingeschlossene
Wassersäule 9 bewegt sich auf Grund der durch die Öffnung 6 eingetragenen
Wellenenergie mit der Frequenz der ankommenden Wellen. Die über der
Wasseroberfläche 10 dieser Wassersäule 9 ebenfalls in der Kammer eingeschlossene
Luftmasse 11 wird auf Grund dieser Bewegung durch die Öffnung 7 "ein- und aus
geatmet", wobei die Strömungsenergie in der Turbine 8 teilweise in Strom umgewandelt
wird. Die Turbine 8 ist dazu in üblicher Weise mit einem Generator oder dergleichen zur
Stromerzeugung verbunden, was im einzelnen nicht dargestellt ist. Die Strom
erzeugung eines solchen Systems ist optimal, wenn die natürliche Eigenfrequenz des
Schwingungssystems, das durch den Einlaß 6, die Wassersäule 9, die Luftmasse 11,
die Turbine 8 und den Auslaß 7 gebildet wird, mit der Frequenz der ankommenden
Wellen übereinstimmt.
Wie sich überraschend herausgestellt hat, läßt sich die Gesamtmenge der erzeugten
Energie deutlich erhöhen, wenn in das System erfindungsgemäße Vorrichtungen
eingebaut werden, mit denen sich die natürliche Eigenfrequenz des ursprünglichen
Schwingungssystems verändern läßt. In Fig. 2 sind diese Vorrichtungen beispielhaft
dargestellt, wobei in einer tatsächlichen Ausführung ein oder mehrere dieser Beispiele
oder auch andere als die Ausführungsbeispiele installiert werden können. Wie sich
ebenfalls überraschend herausgestellt hat, lassen sich durch den erfindungsgemäßen
Einbau der Vorrichtungen auch die Betriebsbedingungen im Inneren der Kammer 5
positiv beeinflussen. Eine mögliche positive Beeinflussung der Betriebsbedingungen ist
die Steuerung des Ein- bzw. Auslaufwiderstands, mit der eine Vergleichmäßigung des
Turbinendurchflusses erreicht werden kann.
Die in Fig. 2 beispielhaft dargestellten Vorrichtungen, mit denen sich Betriebs
bedingungen oder Resonanzfrequenz - größtenteils gleichzeitig - beeinflussen lassen,
sind Ausführungsmöglichkeiten, andere Bauformen sind ebenfalls möglich und sinnvoll.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsmöglichkeit ist die Abtrennung eines Teiles der
Oszillationskammer 5 durch eine Wand 12, hinter der sich eine Wassermenge 13
befindet, die von der Oszillationsschwingung abgetrennt ist. Die Wand 12 wird, wie die
Kammer 5, bevorzugt aus Stahlbeton hergestellt. Die Höhe des Wasserspiegels 14 in
dieser Teilkammer kann durch Zuführung von Wasser von außen oder aus der
Oszillationskammer verändert werden. Damit läßt sich die Gesamtmenge der Luftsäule
11 in der Oszillationskammer 5 variieren, die ein entscheidendes Kriterium für die
Resonanzfrequenz des Systems der oszillierenden Wassersäule ist. In sehr
vorteilhafter Ausführung ist es auch möglich, die Wassermenge 13 mit der
oszillierenden Wassermenge 9 durch ein Regelorgan 15, vorzugsweise in Ausführung
aus nicht rostendem Stahl oder Kunststoff, zu verbinden. Mit diesem Regelorgan 15
läßt sich das Mitschwingverhalten der abgetrennten Wassermenge 13 frei variieren -
zwischen den (eingeschlossenen) Extremen, daß die Wassermenge 13 vollständig
abgeschlossen ist und daß die Wassermenge 13 vollständig mit der oszillierenden
Wassersäule 9 mitschwingt. Durch die Änderung der bewegten Wassermasse wird
ebenfalls die Resonanzfrequenz des Systems verändert. In beiden Fällen wird jedoch
auch das Betriebsverhalten deutlich verändert, es werden die Drücke in der
Oszillationskammer und die ausgetauschte Luftmenge beeinflußt.
Eine vorteilhafte Ausführungsmöglichkeit ist der Einbau von flexiblen Körpern 16 in die
Oszillationskammer, deren Volumen durch das Ein- und Auspumpen von Luft oder
Wasser (oder anderen Stoffen) verändert werden kann. Die "aufgeblasene" Form der
flexiblen Körper 16 ist durch eine gepunktete Linie dargestellt. Diese Körper 16 werden
bevorzugt aus Kunststoffen hergestellt, wie sie z. B. für die Herstellung von Schlauch
booten oder ähnlichem Verwendung finden. Ein unterhalb des Kammerwasser
spiegels 10 befindlicher flexibler Körper 16 beeinflußt das Volumen der mit
schwingenden Wassermasse 9, ein oberhalb des Kammerwasserspiegels 10 befind
licher flexibler Körper 16 beeinflußt das Volumen der mitschwingenden Luftmasse 11.
Eine weitere Ausführungsmöglichkeit ist der Anbau einer Zusatzkammer 17 an die
Oszillationskammer 5, durch deren kontrolliertes Hinzufügen zum Schwingungssystem
durch ein Regelorgan 18 sich ebenfalls die Frequenz und das Luftvolumen des
Schwingungssystemes verändern lassen.
Eine weitere sehr günstige Einrichtung, um das Betriebsverhalten des Systems zu
verändern, ist der Einbau eines flexiblen Körpers 19 oder eines anderen Verschluß
systems an der Öffnung 6 der Kammer 5 zu den ankommenden Wellen. Die
"aufgeblasene" Form des flexiblen Körpers 19 ist wiederum durch eine gepunktete Linie
dargestellt. Als Material für diesen flexiblen Körper 19 zum Verschluß, bzw. zur
Regelung der Größe der Einlaßöffnung 6, kommen Kunststoffe in Frage, wie sie z. B.
zur Erhöhung von Flußwehren durch flexible aufgesetzte Körper eingesetzt werden. Die
mit diesem Körper 19 mögliche Regelung der Größe des Einlaufquerschnittes 6
beeinflußt wiederum direkt die Frequenzeigenschaften des Systems. Sie bietet darüber
hinaus jedoch auch die Möglichkeit, die Betriebsbedingungen des Systems
dahingehend zu verändern, daß der Eintrag von Wellenenergie (die größer ist als die
vom System maximal zu verarbeitende) verhindert werden kann. Dadurch wird es
möglich, das System nicht sicherheitshalber komplett abzuschalten um Zerstörungen
zu verhindern, sondern nur mit der verminderten Energie weiterzuarbeiten. Bei
genügend schneller Reaktion des Verschlußsystems 19 und unter Verwendung eines
geeigneten Steuersystems, das die Höhe der ankommenden Wellen 3 bestimmt, kann
dies auch für einzelne besonders große Wellen erfolgen. Der Einbau eines solchen
Verschlusses 19 verbessert die Betriebsbedingungen auch dahingehend, daß es
möglich wird, auch bei hohem Seegang die Schwingungskammer 5 von den Wellen
abzutrennen, so daß Arbeiten im Inneren der Kammer 5, an der Turbine 8 oder
anderen Anbauten vorgenommen werden können. Die Ausfallzeiten und die
Betriebssicherheit der Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus
Wasserwellenenergie können verbessert werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich auch erwiesen, im Zulaufbereich der Turbine einen
steuerbaren Druckspeicher 20 anzuordnen, mit dem zu große Druckspitzen abge
fangen werden können. Die gespeicherte Energie der Druckspitze kann anschließend
wieder abgegeben werden, die Turbinendurchströmung und damit die Energie
erzeugung werden vergleichsmäßigt.
Alle bisherigen Ausführungsbeispiele sind in Kombination und in Ergänzung mit
anderen Maßnahmen zu sehen, wie z. B. der Verwendung von mehreren Oszillations
kammern 5 (deren Stirnwände vorzugsweise um einen bestimmten Teil der Wellen
länge gegeneinander versetzt angeordnet sind) für den Antrieb einer Turbine 8, die
Verwendung eines Systems, mit dem die ankommenden Wellen bestimmt und von dem
die Regelorgane gesteuert werden, etc.
Alle genannten Möglichkeiten sind für ein offenes und ein luftseitig geschlossenes
OWC-System verwendbar. Andere Möglichkeiten, die Betriebseigenschaften, die
Resonanzfrequenz und die physikalischen Betriebsbedingungen während des Betriebs
zu beeinflussen sind ebenfalls denkbar.
Claims (11)
1. Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels einer Luftturbine (7),
ausgestattet mit mindestens einer Kammer (5), in der Wasser (9) durch
Meereswellen (3) angeregt oszillieren kann, wodurch die über dem Wasser in der
Kammer befindliche Luftsäule (11) so in Schwingung versetzt wird, daß sie in
Resonanz mit der Wellenfrequenz schwingt,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Inneren der Kammer (5) mindestens eine Vorrichtung (16) angeordnet ist,
deren Volumen veränderbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich zur Oszillationskammer (5) mindestens eine weitere Kammer (17)
angeordnet ist, mit der die Größe des Systemvolumens verändert wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einer der Kammern ein Teil abgetrennt ist, in dem der Wasserstand (14)
verändert werden kann, um das Luftvolumen im System zu verändern.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Oszillationskammer (5) ein Teil abgetrennt ist, dessen Wassersäule
(13) ebenfalls abgetrennt werden kann, um das Volumen der mitschwingenden
Wassersäule des Systems zu verändern.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zusatzkammern über ein oder mehrere Regelorgane (15, 18) mit der
Oszillationskammer verbunden sind, so daß die Beeinflussung beliebig verändert
werden kann.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Einlaufbereich eine Vorrichtung (19) angeordnet ist, die die Größe des
Einlaufwiderstandes über die Größe des Einlaufquerschnitts (6) verändert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Einlaufbereich eine Vorrichtung (19) angeordnet ist, die die Größe des
Einlaufwiderstandes durch kurzzeitiges Verschließen des Einlaufquerschnitts (6)
verändert.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein steuerbarer Druckspeicher (20) angeordnet ist, mit dem die
Turbinendurchströmung durch kurzzeitige Verminderung oder Verstärkung
verändert werden kann.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Oszillationskammern (5) an eine Turbine (7) angeschlossen sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zusätzlichen Oszillationskammern (5), die an eine Turbine (7)
angeschlossen sind, gegenüber den ankommenden Wellen (4) so angeordnet
sind, daß sie mit einem Phasenunterschied schwingen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Turbinen (7) an eine Oszillationskammer (5) angeschlossen sind.
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