DE602005002044T2 - Aus einer wasserturbine und einem generator bestehende anordnung, deren rotor direkt mit jeder der turbinenschaufeln verbunden ist - Google Patents

Aus einer wasserturbine und einem generator bestehende anordnung, deren rotor direkt mit jeder der turbinenschaufeln verbunden ist Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung, die eine Wasserturbine und einen sich drehenden elektrischen Generator aufweist, dessen Rotor mit der Turbine verbunden ist, wobei die Turbine einen Blättersatz von zumindest drei axial ausgerichteten Blättern aufweist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist in erster Linie, aber nicht ausschließlich, für Anwendungen einer Produktion von elektrischer Energie aus Unterwasserströmungen in Meeren und Wasserläufen gedacht. Meeresströmungen können durch Gezeitenwasser, Unterschiede bei Temperatur oder Salzgehalt, die Corioliskraft der Erdrotation, wie z. B. den Golfstrom, oder durch einen Niveauunterschied, z. B. auf jeder Seite von Meeresengen, hervorgerufen werden.
  • Die Fließgeschwindigkeit des Wassers in Meeresströmungen ist in der Regel ziemlich gemäßigt, d. h. sie liegt typischerweise bei nur wenigen m/s und kann höchstens 5 m/s betragen. Die Fließgeschwindigkeit in unregulierten Wasserläufen liegt in der Regel in derselben Größenordnung, kann jedoch bei Stromstellen auf bis zu 10 bis 15 m/s ansteigen.
  • Gegenwärtig wird die Energiequelle, die Unterwasserströmungen bieten, sehr wenig für die Erzeugung von Elektrizität genutzt. Dies hängt vor Allem von Schwierigkeiten ab, eine wirtschaftlich wettbewerbsfähige Technologie für dieselbe zu erzielen. In diesem Zusammenhang stellt die niedrige Fließgeschwindigkeit eines der Probleme dar. Damit Energie aus solchen Flüssen genutzt werden kann, müssen Turbinen mit einer geringen Drehzahl und einem hohen Drehmoment verwendet werden.
  • Unter diesen Bedingungen ist ein zweckmäßiger Turbinentyp ein derartiger, der axial ausgerichtete Blätter aufweist. Üblicherweise ist ein solcher gebildet, indem die Blätter desselben über im Wesentlichen radial ausgerichtete Streben mit einer Welle verbunden sind, wobei die Welle wiederum mit dem Rotor des Generators verbunden ist. Bei Anwendungen, bei denen eine Turbine mit relativ großen Abmessungen erforderlich ist, wirken große Belastungen auf die Struktur, die die Blätter trägt. Dies kann ein Risiko von Verzerrungen und Schwingungen bei Konstruktionen mit sich bringen, was zu einer verschlechterten Geometrie der Einstellung der Blätter und einem damit einhergehenden verschlechterten Wirkungsgrad führen kann. Dies kann besonders heikel sein, wenn der Wasserfluss, der die Turbine antreibt, instabil ist, d. h. dass es zu Schwankungen der Fließgeschwindigkeit und -richtung kommt. Dies kann z. B. bei bestimmten Arten von Unterwasserströmungen der Fall sein, bei denen Wellenbewegungen an der Oberfläche und Gezeitenwasser eine Strömung beinträchtigen, die in anderer Hinsicht stabil ist. Darüber wird die Turbine durch die erforderliche lasttragende Struktur kompliziert und plump.
  • Das Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, diese Probleme zu beseitigen oder zumindest zu verringern.
  • Die WO 03/016714 A offenbart eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die gestellte Aufgabe ist dadurch erreicht worden, dass eine Anordnung von der Art, wie sie in dem Oberbegriff von Anspruch 1 definiert ist, das spezielle Merkmale aufweist, dass jedes Blatt einzeln und direkt mit dem Rotor des Generators verbunden ist.
  • Durch die Tatsache, dass die Blätter direkt durch den Rotor getragen werden, erübrigt sich der Bedarf nach einer besonderen lasttragenden Struktur für dasselbe. Der Rotor, der normalerweise ein relativ fester und robuster Körper ist, stellt einen guten Halt für die Blätter an zumindest einem Ende derselben sicher. Dadurch erhalten die Blätter besser definierte und stabilere Positionen. Darüber hinaus wird die gesamte Komplexität der Anordnung dadurch verringert, dass die lasttragende Struktur viel einfacher wird und zu einem großen Teil aus einer Komponente besteht, die aus anderen Gründen ohnehin vorhanden ist. Somit wird eine Anordnung gemäß der Erfindung in Situationen, in denen eine große Anordnung erforderlich ist, und in denen die Fließbedingungen nicht immer stabil sind, sehr vorteilhaft.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Anordnung weist die Turbine eine erste Gruppe von Blättern, die zu einer ersten Richtung von dem Rotor ausgerichtet ist, und eine zweite Gruppe von Blättern, die zu der entgegengesetzten Richtung von dem Rotor ausgerichtet ist, auf, wobei jede Gruppe zumindest drei Blätter aufweist.
  • Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die gesamte Anordnung eine Symmetrie erhält, die hinsichtlich eines Tragens der unterschiedlichen Arten von auftretenden Kräften vorteilhaft ist. Die Zweirichtungsanordnung hat ebenso zur Folge, dass jedes Blatt kürzer gemacht werden kann, was dem Teil eines jeden Blattes, der am weitesten von dem Anschluss in dem Rotor entfernt ist, zusätzliche Formstabilität verleiht. Alternativ kann eine Turbine vorgesehen werden, die eine größere Gesamtaxiallänge aufweist.
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jedes Blatt in der ersten Gruppe in Ausrichtung mit einem Blatt in der zweiten Gruppe angeordnet. Dadurch wird die Symmetrie der Anordnung zusätzlich erhöht, was noch mehr stabile Betriebscharakteristika zur Folge hat.
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Blätter, die in gemeinsamer Ausrichtung angeordnet sind, direkt miteinander mechanisch verbunden. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass die Blätter einander in Paaren dadurch stabilisieren, dass Biegekräfte auf einem der Blätter durch Biegekräfte auf dem anderen getragen werden.
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird jedes Blatt mittels einer Strebeneinrichtung verstrebt. Auch wenn die Anordnung gemäß der Erfindung prinzipiell den Bedarf nach dem Verstreben von dem einen, das direkt von dem Rotor erhalten wird, beseitigt, kann es häufig vorteilhaft sein, die Blätter mit ergänzender Verstrebung zu versehen, um die Stabilität der Blätter zu verbessern. Jedoch kann die Strebeneinrichtung deshalb wesentlich einfacher und schwächer als in einer herkömmlichen Turbine sein, bei der die Blätter gänzlich durch eine Strebenkonstruktion getragen sind. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Blätter in erster Linie durch den Rotor getragen sind und derselbe ihnen Stabilität verleiht.
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Strebeneinrichtung Elemente, die Blätter miteinander verbinden. Dadurch wird eine Verstrebung auf eine einfache Weise erreicht.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Elemente radial nach innen von dem jeweiligen Blatt ausgerichtet und mit den radial innersten Enden derselben miteinander verbunden. Gemäß einem alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Elemente zwischen jedem benachbarten Blatt in der Umfangsrichtung.
  • Diese beiden Alternativen haben zur Folge, dass die Verstrebung mit einem relativ einfachen konstruktiven Entwurf der Elemente, die die Strebeneinrichtung bilden, stabil wird.
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jedes Blatt über eine Verbindungsvorrichtung mit dem Rotor verbunden. Dadurch wird erreicht, dass eine Übertragung schädlicher Biegemomente und eines Drehmoments von den Blättern auf den Rotor begrenzt werden kann.
  • Gemäß einem zusätzlichen bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Rotor Permanentmagnete auf, wodurch derselbe robust und unempfindlich gegenüber Betriebsstörungen bei der elektromagnetischen Umwandlung von Energie wird.
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Stator in einem wasserdichten Gehäuse eingekapselt. Somit wird der Generator auf eine zweckmäßige Weise angepasst, um in einem unterseeischen Umfeld zu fungieren.
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Rotor radial außerhalb des Stators und in derselben axialen Ebene wie der Stator angeordnet. Dadurch wird die Anordnung sowohl in der axialen als auch in der radialen Richtung kompakt.
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Stator mit einem Hochspannungskabel bewickelt, das mit einem Kern eines leitenden Materials, einer ersten Schicht halbleitenden Materials, die das leitende Material umgibt, einer Schicht isolierenden Materials, die die erste Schicht umgibt, und einer zweiten Schicht halbleitenden Materials, die das isolierende Material umgibt, ausgestattet ist.
  • Mittels einer Bewicklung dieser Art wird es ermöglicht, die Induktion von Strom mit sehr hoher Spannung zu bewerkstelligen, da das umliegende elektrische Feld homogen wird. Aufgrund der Tatsache, dass der Strom dadurch niedriger gehalten werden kann, nehmen Verluste und eine Abgabe von Wärme ab.
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Stator des Generators drehbar und mit einer Turbine verbunden, die angeordnet ist, um den Stator in der entgegengesetzten Richtung zu dem Rotor zu drehen.
  • Die elektromotorische Kraft E, die in einer Spule induziert wird, wird gemäß dem Faradayschen Gesetz anhand der Relation
    Figure 00060001
    bestimmt, wobei N die Anzahl der Windungen und Φ der magnetische Fluss ist. Dies bedeutet, dass
    Figure 00060002
    bei einem langsam laufenden Rotor klein wird, und zu einer kleinen induzierten elektromotorischen Kraft führt. Durch die Tatsache, dass sich auch der Stator dreht, und dass die Drehrichtung desselben entgegen der Richtung des Rotors gerichtet ist, ist die relative Bewegung zwischen Rotor und Stator die Summe der Drehzahl derselben. Dadurch erhöht sich der Term
    Figure 00060003
    entsprechend. Somit wird der Term verdoppelt, wenn sich der Stator mit derselben Geschwindigkeit wie der Rotor dreht, was zu einer doppelten induzierten elektromotorischen Kraft im Vergleich zu der in einem stationären Stator führt.
  • Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der Stator zum Dreiphasen-Betrieb bewickelt.
  • Die oben genannten bevorzugten Ausführungsbeispiele der erfundenen Anordnung sind in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Die Vorteile der erfundenen Anordnung sind besonders wertvoll, wenn die Anordnung für die Produktion von Energie aus Unterwasserströmungen verwendet wird.
  • Daher besteht ein zweiter Aspekt der Erfindung aus einer Verwendung der erfundenen Anordnung zu der Erzeugung von elektrischem Strom aus Unterwasserströmungen.
  • Die Erfindung wird durch die folgende detaillierte Beschreibung vorteilhafter Ausführungsbeispiele derselben näher erklärt, wobei auf die angehängten Zeichnungsfiguren Bezug genommen wird.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • 3 bis 5 sind schematische Endansichten verschiedener Beispiele des Turbinenentwurfs gemäß der Erfindung.
  • 6 ist eine schematische perspektivische Ansicht der Turbine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 7 stellt ein Detail der Erfindung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dar.
  • 8 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • 9 ist ein Querschnitt durch ein Kabel, das bei der Statorbewicklung in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird.
  • Beschreibung vorteilhafter Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines ersten Beispiels einer Anordnung gemäß der Erfindung. Die Anordnung besteht aus einem Generator 1 und einer Turbine 2. Der Generator 1 weist einen externen Stator 3 auf, der in einem Rahmen 7 angeordnet ist, welcher auf dem Meeresboden ruht. Die entsprechende Welle 8 von vier axial ausgerichtet Blättern 5 ist an dem internen Rotor 4 befestigt. An den Enden derselben, die von dem Rotor 4 abgewandt sind, sind die Blätter 5 mittels vier Streben 6 verstrebt, wobei jede derselben sich zwischen zwei benachbarten Blättern 5 erstreckt. Eine Unterwasserströmung A bringt die Turbine 2 zum Drehen und somit auch den Rotor 4, wodurch Strom in den Windungen des Stators induziert wird. Ausgangskabel zeigen an, dass es sich um einen Dreiphasen-Betrieb handelt. Alternativ können die Blätter natürlich auch von dem Rotor aus nach unten ausgerichtet sein.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 ist der Rotor 4 radial außerhalb des Stators 3 angeordnet. Der Stator wird durch einen Ständer (nicht gezeigt) getragen, der auf dem Meeresboden ruht. An dem Rotor sind zwei Gruppen von Blättern 5a, 5b zu der axial entgegengesetzten Richtung hin befestigt. Jedes Blatt 5a in der ersten Gruppe ist in Ausrichtung mit einem Blatt 5b in der zweiten Gruppe angeordnet. Jedes gegenüberliegende Paar von Blättern 5a, 5b ist miteinander verbunden.
  • In den 3 bis 5 ist in Endansichten verschiedener Beispiele dargestellt, wie die Blätter, deren Enden von dem Rotor abgewandt sind, aneinander verstrebt werden können. In dem Beispiel gemäß 3 weist die Turbine fünf Blätter 5 auf, und die Strebenanordnung entspricht im Prinzip der, die in 1 gezeigt ist.
  • In der 4, bei der die Turbine drei Blätter 5 aufweist, sind die Streben 5 radial ausgerichtet und in der Mitte miteinander verbunden.
  • In der 5, bei der die Turbine sechs Blätter 5 aufweist, sind die Streben 5 wie in 4 radial ausgerichtet, aber hier sind sie mit einem zentral angeordneten ringförmigen Verstrebungselement 9 verbunden.
  • Alternativ können die Streben 5 natürlich in einem Abstand von den Enden der Blätter angeordnet sein. Darüber hinaus kann eine Mehrzahl von axial verteilten Streben angeordnet sein. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in der 6 veranschaulicht.
  • Die 7 veranschaulicht einen Verbindungsanschluss eines Blattes 5, wobei die Welle 8 desselben über eine Verbindungsvorrichtung 10 an dem Rotor 4 befestigt ist.
  • Die 8 veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel, das einen externen Rotor 4 mit drei Blättern 5 auf der Turbine 2 und einen internen Stator 3 aufweist. Hier ist der Stator angeordnet, um sich zu drehen, und ist mit einer Turbine 22 verbunden, die drei Blätter 25 aufweist. Die Blätter 25 der Statorturbine sind auf eine solche Weise gewinkelt angeordnet, dass der Stator sich in der entgegengesetzten Richtung B zu der Drehrichtung C des Rotors dreht.
  • In der 9 ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Statorbewicklung des Generators veranschaulicht. Der Stator ist mit einem Hochspannungskabel bewickelt, und die Figur ist ein Querschnitt durch ein solches. Das Kabel besteht aus einem Kern, der einen oder mehrere Drahtleiter 31 aus Kupfer aufweist. Der Kern ist von einer inneren halbleitenden Schicht 32 umgeben. Außerhalb derselben ist eine Schicht aus einer festen Isolierung 33, z. B. einer PEX-Isolierung, angeordnet. Um die Isolierung ist eine äußere halbleitende Schicht 34 angeordnet. Jede der halbleitenden Schichten bildet eine Äquipotentialfläche.
  • Die Figuren, die oben beschrieben worden sind, sind dahingehend schematisch, dass zum Verständnis der Erfindung weniger wichtige Details mit dem Zweck der Betonung der spezifischen Aspekte, die wichtig für die Erfindung sind, nicht berücksichtigt sind.
  • In der Regel weist eine Anordnung gemäß der Erfindung eine Größe auf, die einem Turbinendurchmesser von 2 bis 10 m entspricht. Jedoch können bei einer lokalen Energieversorgung an nur einen oder wenige Benutzer kleinere Größen in dem Bereich eines Rotordurchmessers von 0,5-2 m in Betracht gezogen werden. Bei bestimmten Anwendungen, wie z. B. im Golfstrom auf hoher See, können sehr große Abmessungen mit einem Rotordurchmesser von bis zu 100 m in Betracht gezogen werden.

Claims (16)

  1. Anordnung, die eine Wasserturbine (2) und einen sich drehenden elektrischen Generator (1) aufweist, dessen Rotor (4) mit der Turbine (2) verbunden ist, wobei die Turbine (2) zumindest drei axial ausgerichtete Blätter (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Blatt (5) einzeln direkt mit dem Rotor (4) des Generators (1) verbunden ist.
  2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (2) eine erste Gruppe von Blättern (5a), die zu einer ersten Richtung von dem Rotor (4) ausgerichtet ist, und eine zweite Gruppe von Blättern (5b), die zu der entgegengesetzten Richtung von dem Rotor (4) ausgerichtet ist, umfasst, wobei jede Gruppe zumindest 3 Blätter (5a, 5b) aufweist.
  3. Anordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Blatt (5a) in der ersten Gruppe mit einem Blatt (5b) in der zweiten Gruppe in gemeinsamer Ausrichtung angeordnet ist.
  4. Anordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blätter (5a, 5b), die in gemeinsamer Ausrichtung angeordnet sind, direkt mechanisch miteinander verbunden sind.
  5. Anordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Blatt (5) durch eine Strebeneinrichtung verstrebt ist.
  6. Anordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strebeneinrichtung Elemente (6) aufweist, die die Blätter (5) miteinander verbinden.
  7. Anordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strebeneinrichtung ein Element (6) aufweist, das von dem jeweiligen Blatt (5) radial nach innen gerichtet ist, wobei die radial innersten Enden dieses Elements miteinander verbunden sind.
  8. Anordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strebeneinrichtung Elemente aufweist, die sich zwischen jedem benachbarten Blatt in der Umfangsrichtung erstrecken.
  9. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Blatt (5) über eine Verbindungsvorrichtung (10) mit dem Rotor verbunden ist.
  10. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) Permanentmagnete (21) aufweist.
  11. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (3) in einem wasserdichten Gehäuse eingekapselt ist.
  12. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor radial außerhalb des Stators und in derselben axialen Ebene wie der Stator positioniert ist.
  13. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator mit einem Hochspannungskabel bewickelt ist, das mit einem Kern (31) aus leitendem Material, einer ersten Schicht (32) aus halbleitendem Material, die das leitende Material umgibt, einer Schicht (33) aus isolierendem Material, die die erste Schicht (32) umgibt, und einer zweiten Schicht (34) aus halbleitendem Material, die das isolierende Material umgibt, ausgestattet ist.
  14. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (3) des Generators drehbar und mit einer Turbine (22) verbunden ist, die angeordnet ist, um den Stator (3) in der entgegengesetzten Richtung zu dem Rotor (4) zu drehen.
  15. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (9) zum Dreiphasen-Betrieb bewickelt ist.
  16. Verwendung einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 zu der Erzeugung von elektrischem Strom aus Unterwasserströmungen.
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