DE4331988C2 - Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserwellenenergie - Google Patents

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.