DE602004007006T2

DE602004007006T2 - Durch gezeitenströmungen angetriebener energieerzeuger

Info

Publication number: DE602004007006T2
Application number: DE602004007006T
Authority: DE
Inventors: Per Kollandsrud
Original assignee: TIDETEC AS
Current assignee: TIDETEC AS
Priority date: 2003-08-14
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2024-08-13
Also published as: CN1836101A; RU2315890C2; DE602004007006D1; KR100790082B1; JP4571134B2; CA2534555A1; NO318654B1; CA2534555C; ES2287771T3; KR20060060011A; NO20033625D0; EP1654458B1; PT1654458E; CN100532830C; ATE364788T1; RU2006107934A; WO2005017349A1; JP2007502383A; EP1654458A1

Description

Die Erfindung betrifft Anlagen zur Erzeugung von elektrischer Energie aus offenen, fließenden Wassermassen, im Wesentlichen Gezeitenströmungen, hauptsächlich in Meerengen. Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine Energieerzeugungsvorrichtung, die von Gezeitenströmungen angetrieben wird, umfassend eine Turbine, die so in einem Turbinengehäuse gelagert ist, dass sie sich darin um eine im Wesentlichen vertikale Achse dreht.
Die Erfindung ist dort von besonderem Interesse, wo auch ein Bedarf an einer Straßen- und/oder Brückenverbindung besteht.
Gezeitenströmungen im Meer entstehen durch die Gravitationskräfte des Mondes und der Sonne. Riesige Wassermassen werden vor und zurück gedrückt und bilden Ebbe und Flut. Diese Wellen bewegen sich aufgrund der Erddrehung in Richtung Westen und haben in den größten Ozeanen eine Wellenhöhe von weniger als einem Meter. Wenn diese Gezeitenwellen in Engstellen gelangen, treten stärkere Tidenhube auf. Ein Beispiel dafür ist der Ärmelkanal mit bis zu 15 Metern Differenz zwischen hoher Tide und niedriger Tide. An anderen Orten, zum Beispiel im Oslofjord, kann die Differenz zwischen hoher Tide und niedriger Tide klein sein. Dies ist durch geographische Gegebenheiten bedingt.
Das von den Gravitationskräften der Himmelskörper beeinflusste rhythmische Ansteigen und Sinken der Meeresoberfläche kann eine lange Zeit im Voraus berechnet werden. Solche Berechnungen werden in Gezeitentabellen für die am meisten befahrenen Meere niedergeschrieben. Genau diese vorhersehbare Komponente der Gezeitenströmungen, der astronomische Tidenhub, kann für die Stromerzeugung verwendet werden. Darüber hinaus gibt es eine meteorologische Komponente, die durch Wind- und Luftdruck bedingt ist. Ein Bespiel dafür ist der Oslofjord, wo anhaltender niedriger Druck und ein Südwind zusätzliche Wassermassen in das Fjordsystem hineindrängen können. Diese Komponente ist nicht für die Stromerzeugung verwendbar. Während der Planungsphase muss jedoch berücksichtigt werden, dass sowohl die meteorologische Komponente als auch die astronomische Komponente gleichzeitig auftreten können.
Eine Studie in der EU kommt zu dem Schluss, dass ein Potenzial für Gezeitenenergie von mehr als 100 TWh besteht, hauptsächlich im Küstenbereich von Großbritannien und Frankreich. Geeignete Orte in Norwegen für Gezeitenkraftwerke finden sich entlang der Küste von dem nördlichen Teil von Westnorwegen bis zur Grenze mit Russland. Im Gegensatz zu Wind und Wellen, die von instabilen geophysikalischen Prozessen gesteuert werden, ist die astronomische Komponente von Gezeitenströmungen eine stabile und vorhersehbare Energiequelle.
Die Energie in Gezeitenströmungen kann gewonnen werden, indem man den Höhenunterschied zwischen hoher Tide und niedriger Tide (potenzielle Energie) verwendet, indem man sich die kinetische Energie in dem Wasserfluss zunutze macht oder durch eine Kombination von diesen Energieformen.
Die Energiegewinnung von Gezeitenströmungen kann bis zu speziellen Mühlenkonstruktionen in Frankreich und Spanien vor dem elften Jahrhundert zurückverfolgt werden. Derzeit befinden sich nur wenige Gezeitenkraftwerke in Betrieb. Die bekanntesten sind eine große Anlage in La Rance in Frankreich mit 24 Turbinen und eine kleinere Anlage in Kislogubsk in Russland. Eine gemeinsame Besonderheit dieser Anlagen ist die Verwendung von ortsfest montierten Turbinen des Typs Kaplan-Turbine mit verstellbaren Leitschaufeln und verstellbaren Turbinenschaufeln. Wenn die Tide sich umkehrt, trifft der Wasserfluss zunächst die Leitschaufeln, nachdem er durch die Turbine geströmt ist. Dadurch reduziert sich die Leistungsfähigkeit der Turbine.
Die norwegische Patentanmeldung 2001 0737 lehrt ein System für eine Pfahlverankerung am Boden mit einer vollständig unter Wasser befindlichen Turbine/Generator-Einheit. Das Dokument beschreibt Systeme zum Verbinden mit und zum Trennen von dem Pfahlfundament.
US 5,440,176 lehrt Anlagen zur Stromerzeugung, die unter Wasser befindliche Rahmenstrukturen mit Turbine/Generator-Einheiten umfassen, die in der Lage sind, angehoben oder abgesenkt und individuell gedreht zu werden.
Des Weiteren lehrt GB 2 298 004 ein Gezeitenkraftwerk, in dem die Turbine in einem Strömungskanal in einem Damm oder in einer Landenge mit einer darauf verlaufenden Straße installiert ist. US 4,468,153 lehrt ein Gezeitenkraftwerk mit einer Turbine, die umgedreht werden kann, so dass die Bewegung der Tide in beide Richtungen genutzt werden kann. WO 00/50768 und GB 2 311 566 lehren jeweils Wasserturbinen, die zur Verwendung von fließendem Wasser konstruiert sind, insbesondere von Gezeitenströmungen. Die Turbine ist auf einem Pfahl oder auf einer Säule gelagert, der bzw. die umgedreht werden kann.
Es besteht daher ein Bedarf an einer Vorrichtung zum kostengünstigen Erzeugen von elektrischer Energie aus Gezeitenströmungen, bei der die Maschinenausstattung rasch und effizient aus dem Meer herausgezogen und zum Beispiel zu einer Wartungseinrichtung gebracht werden kann, ohne dass Taucher oder kostspielige Kranschiffe benötigt werden. Ferner ist es wünschenswert, einen einfachen Turbinenaufbau mit einer hohen Leistungsfähigkeit zu bieten, unabhängig von der Richtung des Wasserstroms. Ferner ist es wünschenswert, eine Stromerzeugungsvorrichtung zu bieten, die so angeordnet ist, dass der eigentliche Generator und sonstige elektrische Installationen sich über dem höchsten verzeichneten Wasserstand befinden und somit geschützt und für Betrieb und Wartung leicht zugänglich sind.
Die Erfindung löst diese Probleme, indem sie eine Vorrichtung bietet, die eine Turbine umfasst, die so in einem Turbinengehäuse gelagert ist, dass sie sich darin um eine im Wesentlichen vertikale Achse dreht, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine an einer Tragsäule befestigt ist, die an einem unteren Teil drehbar in dem unteren Teil des Turbinengehäuses gestützt ist, und die an einem oberen Teil in der horizontalen Ebene von einer Vielzahl von Drehelementen gestützt ist, die mit einem Teil der Innenwand des Turbinengehäuses in Eingriff stehen, wobei die Turbine selektiv in dem Turbinengehäuse gedreht werden kann, so dass die Turbine in Bezug auf die vorwiegende Richtung des Wasserstroms zu jedem Zeitpunkt optimal positioniert ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den beigefügten abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 offenbart.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine solide und schwingungsdämpfende Verbindung zwischen der Stahlstruktur der Turbine und der Rohbeton-Innenwand des Turbinengehäuses zu erhalten. Die Ausführungsform stellt bescheidene Ansprüche an die Betonfläche und an das Innenprofil des Turbinengehäuses, wobei sämtliche etwaige Unregelmäßigkeiten von Dichtungen absorbiert werden.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung detaillierter beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen identische Teile mit den selben Bezugszeichen bezeichnet sind.
1 ist eine Schnittansicht von drei der erfindungsgemäßen Vorrichtungen, die in Reihe angebracht sind, um eine Strecke zu bilden, wobei eine der Vorrichtungen im Schnitt dargestellt ist.
2 ist eine vereinfachte Darstellung der in 1 gezeigten Anordnung in Draufsicht.
3 ist ein Querschnitt in der Ebene C-C in 1.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Turbine 10 mit Turbinenschaufeln 12, die an einer Tragsäule 22 in einem Turbinengehäuse 30 montiert ist. Das Turbinengehäuse kann aus Beton gefertigt sein und ein Fertigteil sein, das schwimmend positioniert und an der gewünschten Stelle auf dem Meeresboden installiert wird, so dass der oberste Teil (die Strecke 40) sich über dem höchsten verzeichneten Wasserstand befindet. Das in 1 gezeigte Turbinengehäuse 30 ist abgesehen von der Durchflussöffnung 32, durch welche die Gezeitenströmungen fließen, verschlossen. In 1 wurde in dem Turbinengehäuse auf der äußersten rechten Seite die Turbinengehäuseabdeckung entfernt, um den Innenaufbau des Gehäuses und die Anbringung der Turbine zu zeigen. Aus den Figuren ist ersichtlich, dass die Turbine mit einem Generator 38 verbunden ist (der sich geeigneterweise in einem Generatorgehäuse 39 auf einer Ebene mit der Strecke 40 befindet). Dies bietet den Vorteil, dass der Generator 38 sich sicher über dem höchsten verzeichneten Wasserstand befindet und leicht für Betrieb und Wartung zugänglich ist.
2 zeigt die Anordnung in Draufsicht, wobei die Turbinengehäuse 30 eine Zugangsöffnung 45 haben, die normalerweise von einer Abdeckung 44 bedeckt ist. Bei der Installation, bei aufwändiger Wartung und beim Zurückholen der kompletten Generator/Turbine-Einheit kann ein Installationsmittel 42, wie zum Beispiel ein Fahrzeug, leicht über der Zugangsöffnung 45 positioniert werden und die komplette Generator/Turbine-Einheit zurückholen oder absenken.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst also, wie erwähnt, eine Turbine 10, die an einer Tragsäule 22 befestigt ist. An ihrem oberen Ende ist die Tragsäule mit einem Generator 38 verbunden, und an ihrem unteren Ende wird sie an einem Punkt 24 auf dem Boden des Turbinengehäuses gestützt. Der untere Stützpunkt kann vorteilhafterweise eine wassergeschmierte Schwenkverbindung sein, zum Beispiel aus Gummi, was der gesamten, die Turbine stützenden Säulenanordnung ermöglicht, sich um die vertikale Achse zu drehen.
Die 1 und 3 zeigen ein im Wesentlichen kreisförmiges Element 28, das an der Tragsäule über dem Generator angebracht ist. Dieses Element verjüngt sich in die Richtung der Turbine, so dass sich die Durchflussöffnung 32 des Turbinengehäuses auf eine Größe verkleinert, die fast gleich dem Durchmesser ist, der von den Turbinenschaufeln 12 definiert wird. Natürlich ist es wohl bekannt, das sogenannte Venturi-Prinzip zu verwenden, um einerseits den Durchsatz zu erhöhen und andererseits möglichst viel Energie aus den Wassermassen zu gewinnen.
Der Bereich in dem Turbinengehäuse über diesem Element 28 sollte vorzugsweise trocken sein, was heißen soll, dass kein Wasser in diesen Raum fließen sollte. Um der Tragsäule 22 eine horizontale Stütze zu bieten, ist an dem oberen Teil der Tragsäule eine Vielzahl von Drehelementen 36 vorgesehen, die mit einem Teil der Innenwand des Turbinengehäuses in Eingriff stehen, wenn die Anlage sich in Betrieb befindet. Diese Drehelemente (die Figuren zeigen drei von ihnen) sind vorzugsweise hydraulisch oder elektrisch betriebene Gummiräder. Abgesehen davon, dass diese Drehelemente oder Räder 36 eine horizontale Stütze bieten, können sie also auch die eigentliche Drehung der Turbine bewirken, wenn dies in Bezug auf die Richtung des Wasserflusses wünschenswert ist. Wenn die Turbine bei wechselnder Tide gedreht werden soll, werden die Räder 36 einfach betätigt, und die Reibung zwischen den Rädern und der Innenwand des Turbinengehäuses bewirkt die Drehung der Tragsäule 22. Die Räder 36 sind vorzugsweise mit einem Fluid oder mehreren Fluiden gefüllt, zum Beispiel mit Luft und/oder einem anderen Gas und/oder einer Flüssigkeit.
Um ein Auslaufen von dem Flussbereich in den Teil über dem kreisförmigen Element 28 zu verhindern, kann um den größten Umfang des kreisförmigen Elements 28 herum eine Dichtung vorgesehen sein. Diese Dichtung 34 kann zum Beispiel ein Gummiröhrchen sein, das unter Verwendung von hydraulischen oder pneumatischen Anlagen wahlweise gedehnt und zusammengezogen werden kann und zusätzlich zu seiner vorstehend genannten Funktion dazu beitragen kann, die Tragsäule in der gewünschten Position zu halten (mit anderen Worten eine Art Verriegelungsmechanismus), und verhindern kann, dass Schwingungen (und damit Geräusche) von der Turbine in das Turbinengehäuse gelangen, wenn die Turbine in Betrieb ist. Ferner absorbiert die Dichtung 34 effizient Unregelmäßigkeiten in der Innenwand des Turbinengehäuses. Die Festigkeit der Dichtung kann vorteilhaft in Abhängigkeit von den effektiven Lasten und Schwingungen angepasst werden. Des Weiteren kann die Dichtung vorteilhaft entleert werden, wenn die Turbine sich dreht, und aufgeblasen werden, wenn die Turbine in die neue gewünschte Position gedreht wird. Solches Aufblasen und Entleeren kann vorteilhafterweise automatisiert und im Einklang mit den Richtungswechseln des Gezeitenflusses mit der Drehung der Turbine synchronisiert werden.
Wie man weiß, ist es wichtig, dass ein größtmöglicher Anteil der Energie von den Wassermassen an die Turbinenschaufeln übertragen wird. Das heißt, dass es wünschenswert ist, dass das Wasser sich möglichst ungehindert drehen kann, nachdem es durch die Turbinenschaufeln geflossen ist. Dies wird auf bekannte Weise durch Leitschaufeln erreicht, die den Wassermassen eine bestimmte Drehung verleihen, die entgegengesetzt zu der Drehrichtung der Turbinen ist, bevor die Wassermassen auf die Turbinenschaufeln treffen. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dies dadurch gelöst, dass die Tragsäule 22 selbst in der Form von Leitschaufeln ausgebildet ist. 3 zeigt dies; siehe die Schnittdarstellung A-A und die Schnittdarstellung B-B, aus denen ersichtlich ist, dass die Tragsäule ein Querschnittsprofil hat, das eine Drehung verleiht, die entgegengesetzt zu der Drehrichtung ist, die dem Wasserfluss verliehen wird, wenn er durch die Turbinenschaufeln 12 fließt.
Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, kann eine beliebige Anzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen in Reihe angeordnet werden, so dass sie einen Unterbau für eine Strecke 40 bilden. Das Turbinengehäuse 30 kann, wie erwähnt, ein Fertigteil sein, das schwimmend positioniert werden kann. Die Erfindung bietet also eine Vorrichtung zur Bereitstellung von kostengünstiger elektrischer Energie aus Gezeitenströmungen. Die Maschinenanlagen können rasch und effizient aus dem Meer herausgezogen und zu einer Wartungseinrichtung gebracht werden, ohne dass Taucher und kostspielige Kranschiffe benötigt werden. Während dem Hochziehen und der Installation der Einheit können die Drehelemente (die Gummiräder) 36 entleert werden, um das Hochziehen bzw. das Absenken der Einheit zu erleichtern.
Nach dem Positionieren der Einheit in dem Turbinengehäuse werden die Räder aufgeblasen, bis der gewünschte Kontakt mit der Innenwand 31 erreicht ist.
Wie erwähnt, erfolgt die Steuerung der Drehelemente und der Dichtungen automatisch, vorzugsweise per Computersteuerung, wenn der Gezeitenfluss sich umkehrt. Das Druckmedium im Inneren der Dichtung (z.B. ein flaches Röhrchen) 34 wird entnommen, so dass sie ihre Ruhestellung einnimmt, die im Allgemeinen in einem gewissen Abstand von der Betonwand ist. Anschließend werden die Rotationsmotoren gestartet, und die Drehelemente 36 werden bewegt, bis die Turbine um 180° gedreht wurde. Im Anschluss daran wird ein Druckmedium in die Dichtung gepumpt, die dann in ihrem aufgeblasenen Zustand eine feste, aber nachgiebige Verbindung zwischen der Turbine und dem Turbinengehäuse bietet.
Die Erfindung bietet einen einfachen Turbinenaufbau von hoher Effizienz in beide Richtungen des Wasserflusses. Anfällige Anlagen wie zum Beispiel der Generator und andere elektrische Anlagen werden geschützt über dem höchsten normalen Wasserstand platziert. Des Weiteren erhält man eine kostengünstige und schwingungsgedämpfte Verbindung zwischen der Turbine/Generator-Einheit und dem Turbinengehäuse.

Claims

Energieerzeuger, der von Gezeitenströmungen angetrieben wird und eine Turbine (10) umfasst, die so in einem Turbinengehäuse (30) gelagert ist, dass sie sich darin um eine im Wesentlichen vertikale Achse dreht, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (10) mit einer Tragsäule (22) verbunden ist, die an einem unteren Teil drehbar in dem unteren Teil des Turbinengehäuses gestützt wird (24), und die in einem oberen Teil in der horizontalen Ebene von einer Vielzahl von Drehelementen (36) gestützt wird, die in einem Teil der Innenwand des Turbinengehäuses eingerastet sind, wobei die Turbine selektiv in dem Turbinengehäuse gedreht werden kann, so dass die Turbine in Bezug auf die vorwiegende Richtung des Wasserstroms zu jedem Zeitpunkt optimal positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehelemente (36) in Bewegung gesetzt werden können und dadurch die selektive Drehung der Turbine bewirken.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehelemente hydraulisch oder elektrisch betriebene Räder sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Element (28) auf der Tragsäule zwischen der Turbine (10) und den Drehelementen (36), deren Teil in Richtung der Turbine spitz zuläuft, um die Durchflussöffnung (32) des Turbinengehäuses auf eine Größe zu reduzieren, die fast gleich dem von den Turbinenschaufeln (12) definierten Durchmesser ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Dichtung (34) auf einem im Wesentlichen kreisförmigen Element (28) in der horizontalen Ebene auf der Tragsäule, die einen größeren Umfang hat als die Tragsäule, wobei das Element zwischen der Turbine (10) und den Drehelementen (36) angeordnet ist, und wobei die Dichtung entlang des größten Umfangs des kreisförmigen Elements (28) angeordnet ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (34) zum Halten der Tragsäule in der gewünschten Position selektiv mit einem umgebenden Teil der Innenwand (31) des Turbinengehäuses in Kontakt gebracht werden kann, um zu verhindern, dass Wasser in den Raum über dem kreisförmigen Element (28) eintritt, und um zu verhindern, dass Vibrationen von der Turbine zu dem Turbinengehäuse (30) wandern, wenn die Turbine in Betrieb ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Tragsäule (22) in Form von Leitschaufeln ausgebildet ist, um zu bewirken, dass dem Wasserstrom während des Betriebs eine Drehrichtung gegeben wird, die der Drehrichtung entgegengesetzt ist, die dem Wasserstrom beim Vorbeifließen an den Turbinenschaufeln (12) gegeben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen inneren Durchgang in der Tragsäule (22) für einen Energietransfer zwischen der Turbine (10) und einem Generator (38) gesorgt wird, und dass sich der Generator auf einer Ebene über dem kreisförmigen Element (28) befindet, vorzugsweise über dem Turbinengehäuse (30).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (30) ein Fertigteil ist, das an den Ort, an dem Energie erzeugt werden soll, gebracht und auf dem Meeresboden installiert werden kann, so dass sich dann ein oberes Teil des Turbinengehäuses auf einer Ebene befindet, die über dem registrierten normalen Wasserspiegel liegt.