DE4345270C2 - 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 Relativbewegung 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 Auf­ stellungsort hauptsächlich vorhanden ist. Bei anderen als dieser Frequenz ist die Energieausbeute deutlich schlechter.

In der britischen Patentanmeldung GB 2 169684 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, daß 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 Kammersystems erreichen.

Da die Systeme mit der Außenluft durch die Turbine oder eventuell durch (gesteuerte) Ein- und Auslaßklappen verbunden sind, ist das System von den durch die gewählte Konstruktion bedingten physikalischen Vorgängen (z. B. Dampfbildung) abhängig. Dies erzeugt sowohl Energieverluste (z. B. durch die Umwandlung von Energie bei der Dampfbildung und der nachfolgenden Kondensation) als auch Betriebsprobleme (z. B. durch die Ungleichheit von Ein- und Ausströmung).

Ähnliche Systeme, bei denen die Turbine in geeigneter Weise in einem geschlossenen Kreislauf betrieben wird, d. h. die Luft wird aus der Oszillationskammer über eine Speicherkammer zur Turbine und weiter durch eine weitere Speicherkammer zurück in die Oszillationskammer geleitet, wobei die Luftströmung durch Ventile geregelt wird, sind seit mindestens 1907 bekannt (E. J. Bissell, deutsches Patent 2 12 289). Sie sind bisher allerdings noch nicht realisiert worden, da das System bisher bis auf die Gleich­ richtung der Turbinendurchströmung - die bei modernen Turbinentypen nicht mehr zwingend benötigt wird - keine Veränderung oder Vorteile aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Umwandlung von Wasserwellenenergie in elektrische Energie verbessert werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

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 Oszillationsbedingungen verändert werden. Es hat sich dabei herausgestellt, daß sich hierdurch die Möglichkeit bietet, die Betriebseigenschaften des Kraftwerks deutlich zu verbessern.

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.

Dies kann dadurch erreicht werden, daß das Strömungssystem, das die Turbine antreibt, gegenüber der Umgebung abgekapselt ist und mit der Außenluft nur durch ein System verbunden ist, das es ermöglicht, den Innendruck kontrolliert zu verändern. Durch den Abschluß des Systems gegenüber der Außenluft wird erreicht, daß eine Innendruckänderung des Systems dahingehend benutzt werden kann, das Luftvolumen der Oszillationskammer zu ändern, um so die Resonanzfrequenz des Systems zu beeinflussen. Hierbei ist sowohl eine Verminderung als auch eine Erhöhung des Innendrucks möglich.

Darüber hinaus ist es durch diese Vorrichtung zur Innendruckänderung auch über­ raschend möglich geworden, daß der Innendruck des Systems derart erhöht werden kann, daß keine Wasserdampfbildung während der Abwärtsbewegung der Wasser­ masse entsteht. Die dazu sonst notwendige Energie kann zum Betrieb des Systems benutzt werden. (Die Öffnung der Oszillationskammer zum umgebenden Wasser muß dabei selbstverständlich so tief liegen, daß die Luft nicht unten aus der Kammer entweichen kann.) Durch diese Änderungen der Betriebsbedingungen des Wellenenergiekraftwerks wird die Stromerzeugung preiswerter, da Energieverluste vermindert werden und die Energieumwandlung optimiert wird. Alternativ ist es durch eine Druckminderung im System auch möglich, dafür zu sorgen, daß der Wasserdampf nicht kondensiert und entsprechend auch nicht ständig neu gebildet werden muß.

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.

Das System kann auch mit Sicherheitsventilen gegenüber der Umgebungsluft ausgestattet sein.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist das System mit einer Vorrichtung ausgestattet, die die Innendruckveränderung 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 mit geschlossener Luftzirkulation.

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 und üblich ist, d. h. ohne Speicherkammern und 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 ausgeatmet", 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 Stromerzeugung eines solchen Systems ist optimal, wenn die natürliche Eigenfrequenz des Schwingungssystems, das durch den Einlaß 6, die Wassersäule 9, die Luft­ masse 11, die Turbine 8 und den Auslaß 7 gebildet wird, mit der Frequenz der ankommenden Wellen übereinstimmt.

Eine andere mögliche Ausführung eines solchen Systems weist die Besonderheit auf, daß keine Öffnung 7 gegenüber der Außenluft vorhanden ist. Bei der in Fig. 2 dar­ gestellten Konstruktion ist die Turbine 8 statt dessen z. B. zwischen zwei durch Ventile 12 gesteuerten Zuleitungen angeordnet. Der zum Betrieb notwendige Druckunterschied wird in zwei Druckspeichern 13 zwischengespeichert.

Wie sich überraschend herausgestellt hat, läßt sich die Gesamtmenge der erzeugten Energie deutlich erhöhen, wenn in das System eine erfindungsgemäße Vorrichtung eingebaut wird, mit der sich die natürliche Eigenfrequenz des ursprünglichen Schwingungssystems verändern läßt. In Fig. 2 ist diese Vorrichtung beispielhaft dargestellt. Wie sich ebenfalls überraschend herausgestellt hat, lassen sich durch den erfindungsgemäßen Einbau der Vorrichtungen auch die Betriebsbedingungen im Inneren der Kammer 5 positiv beeinflussen. Hierbei ist es z. B. möglich den Innendruck in der Kammer 5 derart zu steuern, daß der Dampfdruck in der Kammer nicht unterschritten wird. Die Energie, die für den Übergang von dem flüssigen in den dampfförmigen Zustand notwendig ist und die bei der anschließenden Kondensation wieder frei wird, steht dann als Strömungsenergie zur Verfügung und kann zur Energieproduktion genutzt werden.

Die in Fig. 2 beispielhaft dargestellte Vorrichtung, mit der sich Betriebsbedingungen oder Resonanzfrequenz beeinflussen lassen, ist eine Ausführungsmöglichkeit, andere Bauformen sind ebenfalls möglich und sinnvoll.

Die Ausführungsbeispiele sind in Kombination und in Ergänzung mit anderen Maßnahmen zu sehen, wie z. B. der Verwendung von mehreren Oszillationskammern 5 (deren Stirnwände vorzugsweise um einen bestimmten Teil der Wellenlänge 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.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsmöglichkeit besteht im Hinzufügen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 14, mit der dem System gezielt Luft hinzugefügt bzw. Luft aus dem System entnommen werden kann. Über eine Druckänderung im System lassen sich die Größe der Wassermasse 9 und der Luftmasse 11 ändern und damit die Betriebseigenschaften. Es lassen sich die Gesamtmenge der Luftsäule 11 und der oszillierenden Wassermenge 9 in der Oszillationskammer verändern, die ein entscheidendes Kriterium für die Resonanzfrequenz des Systems der oszillierenden Wassersäule sind.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mit einer Luftturbine (7) ausgestattet, die zwischen zwei Speicherkammern (13) angeordnet ist, die über zwei die Luftströmung richtende Ventile (12) mit mindestens einer Kammer (5) verbunden sind, 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 eine Vorrichtung (14) vorhanden ist, den Innendruck in dem geschlossenen System zu verändern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Oszillationskammern (5) an eine Turbine (7) angeschlossen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 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.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Turbinen (7) an eine Oszillationskammer (5) angeschlossen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung vorhanden ist, die die Innendruckveränderung durch Meß­ ergebnisse regelt, die aus den ankommenden Wellen gewonnen sind.