DE69735092T2 - Meerwellen-energiegenerator - Google Patents

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DE69735092T2
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blades
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Tom Randwick DENNISS
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    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02BHYDRAULIC ENGINEERING
    • E02B9/00Water-power plants; Layout, construction or equipment, methods of, or apparatus for, making same
    • E02B9/08Tide or wave power plants
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/12Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Turbinen, insbesondere (aber nicht ausschließlich) zur Verwendung in Systemen zum Nutzbarmachen und Umwandeln der Energie aus Meereswellen in besser nutzbare Energieformen wie etwa elektrische Energie.
  • Insbesondere betrifft die Erfindung ein wellengetriebenes Energiegewinnungssystem, bei dem die oszillierende Meereswellenbewegung dazu genutzt wird, ein Luftvolumen zu verdrängen, um eine mit einem elektrischen Generator verbundene windgetriebene Turbine anzutreiben. Die Wellen können in eine speziell ausgebildete Luftverdichtungskammer geleitet werden, in deren Auslass eine geeignet betätigbare Windturbine angeordnet ist.
  • Zu diesem Zweck weisen die verschiedenen Gebiete von Interesse Folgendes auf eine Wellenfokussiereinrichtung; eine Luftverdichtungskammeranordnung, die zur Verwendung mit einer Wellenfokussiereinrichtung besonders geeignet ist; und eine Windturbine, die so betätigbar ist, dass sie sich unter periodischen Umkehrluftströmungsbedingungen der oben angegebenen Art unidirektional dreht.
  • Es versteht sich, dass die Erfindung hier zwar im Zusammenhang mit einem kompletten Energieumwandlungssystem beschrieben ist, die Turbine jedoch zur Verwendung auf anderen nicht damit in Beziehung stehenden Anwendungsgebieten geeignet sein kann. Alternativ kann sie in ähnliche Energieumwandlungsysteme eingebaut sein, wenn sie mit neuen oder bestehenden alternativen Komponenten kombiniert ist, die in diesem Dokument nicht im Einzelnen beschrieben sind.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Überlegungen hinsichtlich der beschränkten Ressourcen von herkömmlichen brennbaren Kohlenwasserstoff-Brenntstoffquellen und schädlicher Emissionen, die aus ihrer Verwendung resultieren, haben erhebliche Forschungsarbeiten in Bezug auf nachhaltige umweltfreundliche Energiequellen wie etwa Wellen, Wind, Gezeiten, Geothermie und Sonnenenergie ausgelöst.
  • Es sind zwar signifikante technologische Fortschritte bei der Umwandlung von Energie von einigen dieser alternativen Gebiete wie etwa Wind- und Sonnenenergie gemacht worden; die meisten von den bis heute vorgeschlagenen wellengetriebenen Erzeugungssysteme sind jedoch physisch nicht anwendbar und/oder wirtschaftlich nicht brauchbar.
  • In diesem Zusammenhang sind zahlreiche verschiedene Typen von wellengetriebenen Erzeugungssystemen vorgeschlagen worden, von denen die meisten auf dem Grundprinzip der Nutzung der der Bewegung von Wellen innewohnenden Vertikalbewegung beruhen, um eine entsprechende Vedrängung einer Komponente des Erzeugungssystems zu bewirken. Sämtliche von den bisher vorgeschlagenen Systemen haben jedoch ihre Beschränkungen.
  • Beispielsweise verwendet ein derartiges System oszillierende Schwimmpaddel, deren Bewegung direkt oder indirekt in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese Schwimmpaddelsysteme haben jedoch im Allgemeinen einen geringen Energieumwandlungs-Wirkungsgrad und können ungünstigen Wetterbedingungen nicht standhalten. Dies bedeutet entweder, dass solche System auf Küstenstandorte beschränkt sind, die nur mäßige und vorhersagbare Wellenformen haben, oder dass die Systeme zu einer geeigneten Schutzvorrichtung verbracht werden müssen, wenn Stürme erwartet werden.
  • Andere Systeme umfassen diejenigen, die auf dem Gedanken des Kanalisierens der Wellen durch Wasserverdrängerpumpen oder alternativ in große Speicher oder Reservoire beruht, wobei anschließend der hydrostatische Druck des gespeicherten Wassers dazu genutzt wird, einen Turbinengenerator oder dergleichen anzutreiben. Auch hier ist der gesamte Energieumwandlungs-Wirkungsgrad angesichts der damit verbundenen Investitionskosten relativ gering.
  • Einer der vielversprechendsten bisher vorgeschlagenen alternativen Systemtypen, auf dem die vorliegende Erfindung beruht, ist der Typ, bei dem die Vertikalbewegung der Wellen in eine Drehbewegung umgewandelt wird, um einen Generator direkt oder indirekt anzutreiben. Bei diesen Systemen wird das steigende und fallende Seewasser zu einer Luftverdichtungskammer kanalisiert und in dieser nutzbar gemacht. Die Kammer hat an ihrem Ausgang einen Auslasskanal oder einen Lufttrichter, in dem eine Windturbine von der Art angeordnet ist, die so betätigbar ist, dass sie sich unter den von der Wellenbewegung induzierten periodisch oszillierenden Luftströmungen unidirektional dreht.
  • Die Hauptmängel dieser letzteren wellengetriebenen Luftturbinensysteme sind wiederum die begrenzten insgesamt erzielbaren Energieausbeuten. Dies ist hauptsächlich zurückzuführen auf die Beschränkungen, die erstens hinsichtlich der Mittel zum Fokussieren der Wellenenergie für die Maximierung der Wellenverdrängungsamplitude und zweitens hinsichtlich der der Turbinenkonstruktion innewohnenden Betriebswirkungsgrade bestehen.
  • Erstens beruhen die meisten der bekannten Wellenfokussiereinrichtungen auf dem planaren Zurückwerfen der Wellenfront und/oder auf der Kanalisierung der Wellenfront durch eine verengte Öffnung, so dass die vertikale Verdrängung oder Amplitude der Welle vergrößert wird. Wieder andere weisen verschiedene Einrichtungen auf, um die Formation des Meeresbodens zu verändern, um die Wellenausbreitung auf steuerbare Weise zu unterbrechen, um dadurch die Wellenamplitude an einer vorbestimmten Stelle zu maximieren. Auch diese Systemtypen sind bisher in Bezug auf die maximal erzielbare Wellenverstärkung unter Berücksichtigung eines gegebenen Kapitaleinsatzes beschränkt.
  • Zweitens sind die meisten bekannten Turbinen zur Drehung mit gleichbleibender Geschwindigkeit als Reaktion auf die Fluidströmung in nur einer Richtung ausgebildet und sind daher nicht imstande, als Reaktion auf die Umkehrfluidströmungsbedingungen, die bei wellengetriebenen Anwendungen der oben genannten Art vorliegen, kontinuierlich zu arbeiten. Es sind jedoch eine Reihe von speziell ausgebildeten unidirektionalen Turbinen für diese Umkehrströmungsbedingungen konstruiert worden, wobei die am häufigsten eingesetzten auf der als "Wells"-Turbine bekannten Turbine beruhen.
  • Die ursprüngliche Wells-Turbine war eine Einstufen-Konstruktion vom axialen Gebläsetyp, die sich in Radialrichtung erstreckende Schaufeln mit Flügelprofil hatte, die im Allgemeinen symmetrisch um die Sehne herum angeordnet sind, wobei die Schaufeln mit ihren Ebenen mit Nullauftrieb senkrecht zu der Rotorachse befestigt sind.
  • Von diesen frühen Turbinen war jedoch bekannt, dass sie blockierten, was häufig in der Abschaltung der Anlage zur Nutzbarmachung von Wellenenergie resultierte. Dieses Blockieren tritt aufgrund der Tatsache auf, dass eine solche Turbine um zu erwartende Luftströmungswerte herum konstruiert werden muss, wogegen die Größe der in die Turbinenkammer eintretenden Wellen nicht für sämtliche Fälle gesteuert werden kann. Wenn eine größere Welle in die Kammer eintritt, bewirkt also ihre Bewegungsgröße eine entsprechend größere Luftströmungsrate durch die Turbinenschaufeln. Da die Rotationsrate der Schaufeln angesichts ihrer Schaufelkonfiguration nicht entsprechend größer werden kann, um dieser erhöhten Luftströmung zu begegnen, vergrößert sich der Anströmwinkel der Luftströmung an den Schaufeln über den Blockierwinkel hinaus, und die Turbine schaltet ab.
  • Einige spätere bekannte Einrichtungen haben versucht, dieses Problem zu überwinden, indem zwei Einstufen-Wells-Turbinen effektiv in Reihe eingebaut wurden, was in einer Zweistufen-Turbine resultierte. Dieses modifizierte System löst zwar das Blockierproblem, jedoch auf Kosten des Gesamtwirkungsgrads. Der Grund dafür ist, dass es den ersten Schaufelsatz opfert, indem es zulässt, dass er entsprechend blockiert und abschaltet, wobei dann der zweite Schaufelsatz den Betrieb mit reduzierter Geschwindigkeit und reduziertem Wirkungsgrad fortsetzt. Dies ist auf die Gesamtluftströmungsrate zurückzuführen, die nunmehr durch das Blockieren und die Unterbrechung der Luftströmung durch die ersten Turbine verringert und vergleichmäßigt worden ist.
  • Diese bekannten Turbinen beruhen ferner gewöhnlich auf einer Niedrigdrehzahl-Konstruktion mit großer Masse, um eine gleichmäßige kontinuierliche Rotation unter periodisch sich umkehrenden Antriebsluftströmungen der in Betracht gezogenen Art zu gewährleisten.
  • Es versteht sich deshalb, dass die meisten bekannten Turbinen, die für diesen Anwendungstyp geeignet sind, häufig von ziemlich komplexer Konstruktion sind und gewöhnlich erhebliche Beschränkungen hinsichtlich der Betriebsbedingungen und/oder Wirkungsgrade haben.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine bereitzustellen, die einen oder mehrere der oben genannten Nachteile des Stands der Technik überwindet oder mindestens mildert oder zumindest eine brauchbare Alternative dazu bietet und die in einem Wellenenergiegewinnungssystem verwendet werden kann.
  • US-A-5 005 357 beschreibt eine Turbine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung stellet eine Turbine gemäß Anspruch 1 bereit.
  • Die Turbine kann in Kombination mit einer Fokussierungs- und -Verstärkungskonstruktion für ebene Wellen verwendet werden, wobei die Konstruktion eine offenseitige Bucht aufweist, die von einer im Allgemeinen aufrechten Wand begrenzt ist, wobei die Wand an ihrem Innenumfang so ausgebildet ist, dass sie im Querschnitt von der Buchtöffnung ausgehend zwei konvergierende Arme mit im Allgemeinen teilweise parabolischer Krümmung definiert, wobei die Symmetrieachsen jeder Parabel, von der die Arme abgeleitet sind, parallel sind und die Arme in der Nähe ihrer konvergierenden Enden miteinander verbunden sind, um einen gemeinsamen Scheitel zu bilden, wobei die Wand so orientiert ist, dass eine sich vorwärts bewegende Wellenfront in einer Richtung allgemein parallel zu der Symmetrieachse eingelassen wird, so dass die Welle beim Zurückwerfen von der Wand zu einem Energienutzbarmachungsbereich nahe dem Scheitel an dem oder in der Nähe des Fokus jeder von den Parabeln konvergiert, so dass die vertikale Verdrängung der Welle an diesem Bereich verstärkt wird.
  • Vorteilhafterweise sind die konvergierende Arme der teilweise parabolischen Krümmung an dem gemeinsamen Scheitel durch einen Endwandbereich miteinander verbunden, der auch den hinteren Wandbereich einer Luftverdichtungskammer definiert, wobei der vordere Bereich der Kammer bevorzugt von einem vorderen Wandabschnitt definiert ist, der sich von dem hinteren Bereich so nach vorn erstreckt, dass er einen vorbestimmten Bereich um den Energienutzbarmachungsbereich herum umschreibt, wobei sich der vordere Wandabschnitt nur teilweise unter dem zu erwartenden Wasserspiegel erstreckt, so dass das Wasser unter die vordere Wand und aufwärts in die Kammer strömen kann.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wand so ausgebildet, dass sie im Querschnitt an ihrem Innenumfang einen Endteil einer einzelnen Parabel oder einer guten Näherung davon definiert, wobei die Wellen beim Zurückwerfen von der Wand in einem Bereich an dem oder nahe dem einzigen Fokus dieser Parabel konvergieren.
  • Bei einer anderen Ausführungsform, die vielleicht weniger teuer in der Herstellung ist, weist die Konstruktion eine Luftverdichtungskammer auf, wobei der hintere Wandbereich teilweise von der vorhandenen Küstenlinie gebildet sein kann und die Bucht einfach durch zwei möglicherweise relativ kurze Arme mit teilweise parabolischer Krümmung definiert ist, die sich von den Kammerwänden erstrecken. Im Allgemeinen wird ein Kompromiss in Bezug auf die Länge der parabolisch gekrümmten Arme durch Verlängerung des Querschnittsbereichs der Luftverdichtungskammer kompensiert, der den Energienutzbarmachungsbereich umschreibt.
  • Bevorzugt ist die Bucht ferner an ihrer Basis von einem im Allgemeinen planaren Meeresboden begrenzt, der entlang einer zu der Symmetrieachse der Parabel im Allgemeinen senkrechten Richtung von gleichbleibender Tiefe ist. Die Tiefe und Neigung (falls vorhanden) des Meeresbodens kann in Abhängigkeit von lokalen Schichtungen und Wellenbedingungen sowie der Axt und Weise, wie die verstärkten Wellen für die Energiegewinnung nutzbar gemacht werden sollen, variieren. Das allgemeine Ziel ist es, die lokalen Bedingungen zu optimieren, um die Wellenvergrößerung zu maximieren, und zwar im Idealfall ohne die Wellen zu brechen, bevor sie in den Nutzbarmachungsbereich eintreten. Beispielsweise kann bei einer bevorzugten Ausführungsform der Meeresboden zu dem Nutzbarmachungsbereich hin ansteigen, um dazu beizutragen, das Wasser an dieser Stelle weiter nach oben zu drücken.
  • Bevorzugt sollte die fokale Distanz der Parabel kleiner als oder gleich 1/7 der Wellenlänge der einlaufenden Wellen sein, was in den meisten Fällen in einer fokalen Distanz zwischen 5 und 15 m resultiert.
  • Bevorzugt sind die Schaufeln jeweils mit der Nabe so verbunden, dass der eingeschlossene Winkel zwischen der Sehnenebene des Flügelprofils und der Achse der Nabe gleich einem Wert zwischen 0° und 90° und stärker bevorzugt zwischen 0° und beispielsweise 45° ist.
  • Vorteilhafterweise ist der oben genannte maximal eingeschlossene Winkel einstellbar. Er wird synchron mit der Umkehrfluidströmung umgekehrt, um dadurch den Anströmwinkel für die Fluidströmung in beiden Richtungen zu optimieren.
  • Es versteht sich, dass es zahlreiche Möglichkeiten gibt, die Schaufelsteigung umzukehren, wobei diese beispielsweise die Verwendung einer motorgetriebenen Kegelgetriebebaugruppe einschließen, die so angeordnet ist, dass sie ein mittiges Einsteckende, an dem jede Schaufel montiert ist, dreht. Bei einer anderen Abwandlung ist jede Schaufel an einem Einsteckende montiert, das einen seitlich versetzten Betriebsarm aufweist, der mit einer spiralförmig genuteten Betätigungswelle zusammenwirkt, die längs der Achse des Rotors wechselseitig verschiebbar ist.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die für eine bestimmte Menge von Bedingungen geeignet ist, ist der maximal eingeschlossene Winkel gleich einem Wert zwischen +30° und –30° und ist umkehrbar, damit er der Umkehrfluidströmung entspricht. Bei einer anderen Ausführungsform, die für Anwendungsgebiete der hier beschriebenen Art besonders geeignet ist und bei der das Arbeitsfluid ein Gas wie etwa Luft ist, erfolgt die Richtungsumkehr der Schaufelsteigung durch Mittel, die auf einen Druckmessumformer reagieren, der so angeordnet ist, dass er den Umkehrpunkt der Gasströmung detektiert.
  • Vorteilhafterweise sind die Schaufeln um die mittige Nabe herum gleich beabstandet. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen, die für bestimmte Anwendungsgebiete geeignet sind, hat der Rotor zwischen 4 und 16 Schaufeln. Der Bedeckungsgrad kann hochvariabel sein und liegt häufig im Bereich zwischen 0,2 und 0,8. Das bevorzugte Schaufelsehnenverhältnis ist 18 %, und das bevorzugte Schaufelprofil umfasst zwei miteinander vereinte Halbvorderteile eines Standardflügels nach NACA 65-418.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Meereswellen-Energiegewinnungssystem bereitgestellt, wobei das System umfasst:
    Wellenfokussierungsmittel, die zum Vergrößern der periodischen vertikalen Berg-Tal-Verschiebung von einlaufenden Wellen an einem vorgegebenen Querschnittsort, der einen Energienutzbarmachungsbereich definiert, dienen; eine Luftverdichtungskammer, die im Allgemeinen einen Unterwasser-Wassereinlass aufweist, der an oder in unmittelbarer Nähe neben dem Nutzbarmachungsbereich angeordnet ist, damit die periodisch oszillierenden Wellen ein über denselben befindliches Luftvolumen verschieben können und dadurch eine entsprechende periodische Umkehrluftströmung erzeugen; wobei die Verdichtungskammer außerdem einen Luftauslass aufweist, in dem eine luftgetriebene Turbine angeordnet ist, die sich so betreiben lässt, dass sie sich als Reaktion auf die Umkehrluftströmung unidirektional dreht; wobei die Turbine Anspruch 1 entspricht.
  • Bevorzugt weisen die Wellenfokussierungsmittel eine allgemein parabolische Fokussierungs- und -Verstärkungskonstruktion für ebene Wellen nach dem ersten Aspekt der Erfindung auf, wobei der Fokus der Parabel in dem vorgegebenen Querschnittsort liegt.
  • Vorteilhafterweise ist die Luftverdichtungskammer konfiguriert, um vom Wassereinlass aus zum Luftauslass hin zusammenzulaufen, damit die Luftströmung beschleunigt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kammer einen Lufttrichter neben ihrem Auslass, in dessen Engstelle die luftgetriebene Turbine angeordnet ist.
  • Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen können der Luftverdichtungskammerauslass und/oder das Gehäuse und/oder die der Turbine zugeordneten Ständer Leitschaufeln umfassen, um die Richtung der Luftströmung in die und/oder aus der Turbine zu optimieren.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; diese zeigen in:
  • 1 eine schematische Draufsicht auf eine Wellenokussierungs- und Verstärkungskonstruktion nach einer ersten Ausführungsform, wobei die Wandarme von der Buchtöffnung ausgehend von zwei teilweise parabolischen Abschnitten gebildet sind, die parallele und voneinander beabstandete Symmetrieachsen haben;
  • 2 eine schematische mit Computer erstellte Perspektivansicht einer Fokussierungs- und Verstärkungskonstruktion für ebene Wellen nach einer zweiten Ausführungsform, wobei die Wand im Allgemeinen von einem Endbereich einer einzelnen Parabel definiert ist, wobei die maximale Wellentalverschiebung gezeigt ist, die an dem Nutzbarmachungsbereich erzielbar ist;
  • 3 eine schematische mit Computer erstellte Perspektivansicht der in 2 gezeigten Konstruktion, wobei die maximale Wellenbergverschiebung gezeigt ist, die an dem Energienutzbarmachungsbereich erzielbar ist;
  • 4 eine grafische mit Maßstab versehene Darstellung der in den 2 und 3 gezeigten parabolischen Wellenfokussierungskonstruktion für ebene Wellen nach der zweiten Ausführungsform;
  • 5 eine im Schnitt schematische Draufsicht auf eine teilweise parabolische Wellenfokussierungs- und Verstärkungskonstruktion für ebene Wellen nach einer dritten Ausführungsform;
  • 6 eine schematische Perspektivansicht eines Turbinenrotors nach einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei die Schaufeln unter einem eingeschlossenen Winkel von 0° zu der Achse der mittigen Nabe befestigt sind;
  • 7 eine schematische Perspektivansicht eines Turbinenrotors nach einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei die Schaufelsteigung verstellbar ist und als Reaktion auf die hin- und hergehende Luftströmung durch die Turbine umkehrbar ist;
  • 8 eine Teilansicht des Turbinenrotors von 7, die eine Schaufel und ihre Verbindung mit der Nabe zeigt;
  • 9 einen schematischen Querschnitt einer Schaufel des in den 6, 7 und 8 gezeigten Turbinenrotors;
  • 10 eine schematische Schnittansicht, die einen Turbinenschaufelsteigungsänderungs- und Richtungsumkehrmechanismus nach einer ersten Ausführungsform zeigt;
  • 11 eine teilweise Draufsicht auf den in 10 gezeigten Mechanismus;
  • 12 eine schematische Ansicht, die einen Turbinenschaufelsteigungsänderungs- und Richtungsumkehrmechanismus nach einer zweiten Ausführungsform zeigt;
  • 13 eine teilweise Draufsicht auf den in 12 gezeigten Mechanismus; und
  • 14 eine schematische Schnittansicht einer Meereswellen-Energiegewinnungsvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung.
  • BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen, die eine erste Ausführungsform einer Wellenfokussierungskonstruktion zeigt, die allgemein mit 1 bezeichnet ist.
  • Die Konstruktion 1 weist eine offenseitige Bucht 2 auf, die von einem allgemeinen aufrechten Seeuferdamm 3 begrenzt ist. Die Wand 3 ist an ihrem Innenumfang 4 konkav gekrümmt, um im Querschnitt zwei konvergierende Arme 5 mit im Allgemeinen teilweise parabolischer Krümmung zu definieren, wobei die jeweiligen Symmetrieachsen 6 und 7 der Parabeln, von denen die Arme abgeleitet sind, parallel sind. Die Arme 5 sind in der Nähe ihrer konvergierenden Enden miteinander verbunden, um einen gemeinsamen Scheitel 8 zu bilden. Die Wand 3 ist so orientiert, dass sie eine sich vorwärts bewegende Wellenfront aufnimmt, die sich in einer allgemein parallelen Richtung zu den Symmetrieachsen 6 und 7 ausbreitet.
  • 5 zeigt eine andere Abwandlung der in 1 gezeigten Konstruktion, die angewandt werden kann, wenn es zu teuer oder nicht möglich ist, den Seeuferdamm der Bucht entweder als Teil der umgebenden Küstenlinie zu konstruieren oder lange parabolische Arme zu haben, die sich in die Bucht erstrecken. In diesem Fall wird ein Kompromiss erzielt, indem relativ kurze teilweise parabolische Arme 5 konstruiert werden, die an einen gemeinsamen Scheitel 8 direkt angeschlossen sind, der gleichzeitig die hinteren Wandbereiche einer zugeordneten Luftverdichtungskammer bildet, die im Querschnitt bei 11 gezeigt ist.
  • Die 2, 3 und 4 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform, bei der die Konstruktion als ein Endbereich einer einzelnen Parabel oder einer guten Näherung davon ausgebildet ist, die einen einzigen Fokus 9 hat.
  • Meereswellen enthalten enorme Energiemengen, da sie jedoch im Allgemeinen ebene Wellen sind, wird die Energie in jedem Wellenkamm entlang diesem Wellenkamm ausgebreitet. Das Ziel der parabolischen oder teilweise parabolischen Wellenfokussierungs- und -Verstärkungskonstruktion ist es, diese Energie zu einem zentralen Bereich zu transportieren oder zu konvergieren, von dem aus diese Energie besser nutzbar gemacht werden kann.
  • Im Betrieb wird die Wellenfokussierungskonstruktion wie beschrieben so orientiert, dass sich die ebene Welle zu der parabolischen oder teilweise parabolischen Wand 3 hin in einer Richtung vorwärts bewegt, die zu der Symmetrieachse (oder den Symmetrieachsen) 6 und 7 allgemein parallel ist. Beim Auftreffen auf die parabolischen Abschnitte 5 der Wand 3 werden die Wellen zurückgeworfen und konvergieren zu dem entsprechenden Fokus 9 oder den Fokussen 9 und 10 jeder entsprechenden Parabel. Wenn die Wand wie bei der in den 2, 3 und 4 gezeigten bevorzugten zweiten Ausführungsform einen Teil einer einzelnen Parabel definiert, konvergiert die Welle zu dem einzigen Fokus 9 hin als eine kreisförmige oder polare Welle. An diesem Punkt ist die Verschiebungsamplitude der Welle signifikant vergrößert worden, so dass sie zu dem perfekten Querschnittsort geworden ist, an dem geeignete Mittel zum Umwandeln dieser Meereswasserverschiebung in eine andere besser nutzbare Energieform positioniert sein sollen. Dieser Ort ist als der Energienutzbarmachungsbereich definiert, der allgemein bei 12 gezeigt ist und der in 5 hinsichtlich seiner Lage der Luftverdichtungskammer 11 entspricht. Es versteht sich, dass die Querschnittsgröße dieses Bereichs nicht festgelegt ist und seine Bestimmung teilweise von der erzielten Energieausbreitung innerhalb dieses Bereichs abhängig ist.
  • Es ist zu beachten, dass es einige Bedingungen gibt, die eingehalten werden müssen, um mit der oben beschriebenen im Allgemeinen parabolischen oder teilweise parabolischen Wellenfokussierungs- und -Verstärkungskonstruktion eine maximale Energiefokussierung zu erzielen.
  • Erstens sollten sich die Wellenkämme im Idealfall weitgehend parallel zu der oder jeder Symmetrieachse 6 und 7 der Parabel ausbreiten. Es scheint, dass geringfügige Abweichungen mit nur geringen Energieverlusten toleriert werden können; je größer jedoch der Winkel zwischen der Symmetrieachse oder den Symmetrieachsen und der Wellenausbreitungsrichtung ist, desto weiter ausgebreitet ist der Bereich der Energiekonzentration, wodurch das System weniger wirkungsvoll ist. Dies ist im Allgemeinen kein großes Problem, vorausgesetzt die Wellenfokussierungskonstruktion wird beim Einbau richtig orientiert, da Wellen an der Küste ihren Einfallswinkel aufgrund der Anströmbathometrie nicht stark verändern.
  • Wenn der Abschnitt der ebenen Welle in den Bereich der Parabel eintritt, sollte der Meeresboden im Idealfall über die Achse der Parabel oder Parabeln einigermaßen flach oder planar sein, um die Wellenrichtung nicht zu stören, und ausreichend tief liegen oder anderweitig so ausgebildet sein, dass das Brechen der Wellenkämme vor ihrem Eintritt in den Nutzbarmachungsbereich verhindert wird, da sie aufgrund von nichtlinearen Wirkungen wachsen. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass für einen bestimmten Anwendungsfall eine Tiefe an der Buchtöffnung von ungefähr 6 m für die meisten Brandungsbedingungen, mit Ausnahme der größten, ausreichend sein sollte.
  • Wenn die Energie anfangs aufgrund einer sehr kabbeligen und unregelmäßigen einlaufenden Welle zerstreut wird, dann wird ein Teil der Energie von dem Fokus oder den Fokussen 9 und 10 weg gestreut. Die Energieverluste aufgrund dieser Tatsache oder irgendeiner von den oben genannten Bedingungen können durch angemessene Wahl der fokalen Distanz verringert werden, so dass die Wellen weder die Zeit noch den Raum haben, sich innerhalb des parabolischen Bereichs stark zu verändern. Auch hier haben Voruntersuchungen gezeigt, dass eine fokale Distanz von ungefähr 1/7 der Wellenlänge bei einer großen Vielfalt von Anwendungsgebieten geeignet sein sollte. Da Wellen typischerweise eine Länge von 35 bis 105 m haben, ergibt dies eine fokale Distanz von ungefähr 5 bis 15 m.
  • Das Potenzial einer Wellenfokussierungseinrichtung dieser Art ist beträchtlich, wobei Computersimulationen zeigen, dass 24 % mehr Energie in den parabolischen Bereich fließt, als in einer nicht fokussierten Welle einer Länge vorhanden ist, die der Öffnungsbreite der Parabel entspricht. Dies ergibt eine Wellenvergrößerung in der Größenordnung von 3. Bisher durchgeführte Tests haben gezeigt, dass ein Vergrößerungsfaktor von 2,5 ohne weiteres erzielbar ist.
  • Es versteht sich jedoch, dass es in Wirklichkeit zu Verlusten kommt, die verhindern, dass die maximalen theoretischen Energiewerte erhalten werden. Beispielsweise ist im praktischen Betrieb der Einzelparabelkonstruktion die kreisförmige Welle, die auf den Fokus konvergiert, in der Tat kein ganzer Kreis, da an der offenen Meeresseite ein Sektor fehlt. An den Rändern dieses fehlenden Sektors erfolgt eine gewisse Zerstreuung von Energie in den Bereich der Parabel. Zu Verlusten kommt es auch durch störendes Zurückwerfen von Wellen von Küstenausbildungen, die sich in der Nähe der parabolischen Bucht befinden, und durch Unregelmäßigkeiten des Meeresbodens.
  • Nachstehend werden bevorzugten Mittel zum Erzielen dieser Energiegewinnung und -umwandlung unter Bezugnahme auf die 6 bis 14 beschrieben.
  • 6 zeigt einen Rotor 20 einer Turbine nach einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung, der so betätigbar ist, dass er sich unidirektional dreht, wenn er von sich umkehrenden, allgemeinen axialen Fluidströmungen durchströmt wird.
  • Der Rotor 20 weist eine mittige Nabe 21 auf, die eine Achse 22 hat, von der sich eine Vielzahl von geraden radial verlaufenden Schaufeln 23 mit Flügelprofil erstrecken.
  • Vorteilhafterweise haben die Schaufeln 23 ein Flügelprofil der in 9 gezeigten allgemeinen Konfiguration, wobei sie an der einen Seite eine allgemein planare Oberfläche 24 und an der gegenüberliegenden Seite eine allgemein konvexe Oberfläche 25 haben. Die Sehne, die auch das bezeichnet, was als die sich in Längsrichtung erstreckende Sehnenebene der Schaufeln bezeichnet wird, ist allgemein bei 26 gezeigt. Wie gezeigt, ist ferner der Querschnitt jeder Schaufel um eine Linie 27 herum, welche die maximale Wölbungshöhe des Schaufelabschnitts definiert wird, ungefähr symmetrisch und ist außerdem entlang seiner sich in Radialrichtung erstreckenden Länge allgemein gleichbleibend.
  • Bei der in 6 gezeigten ersten Ausführungsform ist die Sehnenebene jeder Schaufel mit der mittigen Nabenachse 22 gerade ausgefluchtet oder parallel dazu, d. h. unter einem eingeschlossenen Winkel von 0°. Dadurch hat ein Luftstrom, der aus jeder Axialrichtung in die Turbine eintritt, den gleichen Einfallswinkel mit den Rotorschaufeln 23 und bewirkt die gleiche resultierende Drehung des Rotors, wie gezeigt. Dabei ist die resultierende Kraft, die in jeder Strömungsrichtung auf die allgemein planare Schaufeloberfläche 24 aufgebracht wird, während das Fluid vorbei strömt, aufgrund des Bernoulli-Effekts und der resultierenden Druckdifferenz zwischen den planaren und konvexen Seiten der Schaufeln in der gleichen Richtung, wobei die Größe von den relativen Luftströmungen in den zwei entgegengesetzten Richtungen abhängig ist.
  • Diese unveränderliche Schaufelkonfiguration mag zwar für verschiedene Anwendungsfälle mit geringer Geschwindigkeit zufriedenstellend sein; mit zunehmender Drehgeschwindigkeit des Rotors ist jedoch der Anströmwinkel der Antriebsströmung nicht mehr optimal, was sich auf den Betriebswirkungsgrad der Turbine auswirkt.
  • Um dieses Problem zu lösen, wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit veränderlicher Steigung vorgeschlagen, die in den 7 und 8 gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform ist jede von den Schaufeln 23 mit der mittigen Nabe 21 durch ein mittiges Einsteckende 28 oder dergleichen verbunden, was durch irgendeine geeignete innere Einrichtung das Drehen der Schaufel erleichtert, so dass ihre Steigung verändert wird.
  • Es ist zu beachten, dass die Einrichtung zum Verstellen der Schaufelsteigung bevorzugt so ausgebildet ist, dass die Steigung synchron mit der Umkehrfluidströmung durch den Rotor automatisch umgekehrt werden kann, so dass der Anströmwinkel in beiden Richtungen optimiert wird. Selbstverständlich würde dann, wenn der Rotor zur Optimierung in nur einer Richtung angeordnet ist, die nachteilige Wirkung bei einer Richtungsumkehr der Luftströmung in den meisten Fällen irgendwelche Vorteile, die möglicherweise gegenüber der in 4 gezeigten unveränderlichen parallelen Schaufelkonfiguration erzielbar wären, weit übersteigen.
  • In den 10 bis 13 sind nur beispielhaft zwei geeignete Einrichtungen gezeigt. Dabei zeigen die 10 und 11 eine einfache Anordnung, wobei jede Schaufel 23 durch eine Buchse 29 an einem mittig angeordneten Einsteckende 28 befestigt ist, das seinerseits mit der Rotornabe 21 starr verbunden ist. Ein geeigneter Motor 30, der ein sich in Axialrichtung erstreckendes Ritzel 31 antreibt, ist mit der Nabe 21 ebenfalls starr verbunden. Das Ritzel kämmt mit einer Geradverzahnung 32, die ein zugeordnetes ringförmiges Kegelrad 33 hat, das um die mittige Nabe 21 herum frei drehen kann.
  • Die Buchse 29 des mittigen Einsteckendes 28 der Schaufel 23 hat an ihrem Ende ein kleineres Kegelrad 34, das mit dem ringförmigen Kegelrad 33 kämmt. Für jede Schaufel ist eine gleichartige Anordnung vorgesehen. Auf diese Weise ist es möglich, während die Turbine mit hoher Geschwindigkeit dreht, die Neigung der Schaufeln relativ zu der Rotorachse durch die beschriebene Getriebeeinrichtung zu verändern.
  • Die 12 und 13 zeigen eine alternative Anordnung, bei der das Drehen der Schaufeln 23 durch eine wechselseitige Axialbewegung eines diagonal genuteten Betätigungsbunds 35 bewirkt wird. Die Bundnuten sind mit Stiften 36 in Eingriff, die an seitlich versetzten Betätigungsarmen 37 angebracht sind, so dass bewirkt wird, dass sich die Schaufeln um das mittige Einsteckende 28 herum drehen.
  • Es versteht sich für den Fachmann auf dem Gebiet der Turbinenkonstruktion, dass es eine Reihe von Parametern gibt, die im Hinblick auf die speziellen Bedingungen und den Energiegehalt jeder vorgeschlagenen Anwendung für eine Turbine dieses Typs bewertet werden müssen. Diese Parameter umfassen das Seitenverhältnisses der Schaufeln (Sehnenverhältnis), die Sehnenlänge der Schaufel, den Bedeckungsgrad der Turbine (effektiv ein Verhältnis von Schaufellänge zu Nabendurchmesser), die Schaufelanzahl und den maximalen Winkel, durch den sich die Schaufeln zu der Luftströmung drehen können (d. h. die Schaufelsteigung). Ein Beispiel, das für eine spezielle Anwendung als geeignet vorgeschlagen wird, hat ein Schaufelsehnenverhältnis von 18 %, eine Sehnenlänge von 0,4 m, einen Nabendurchmesser von 1,2 m, eine Schaufellänge von 0,45 m, insgesamt 12 Schaufeln und einen maximal eingeschlossenen Winkel zwischen der Sehnenebene der Schaufeln und der Nabenachse von 30°. Das bevorzugte Schaufelprofil weist zwei miteinander vereinte Halbvorderteile eines Standardflügels nach NACA 65-418 auf.
  • Es wird nun auf 14 Bezug genommen, die eine schematische Schnittansicht eines Meereswellen-Energiegewinnungssystems 40 nach einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt.
  • Das System 40 weist Wellenfokussierungsmittel auf, die allgemein bei 41 gezeigt sind und zum Vergrößern der periodischen vertikalen Berg-Tal-Verschiebung von einlaufenden Wellen an einem vorgegebenen Querschnittsort oder einem Nutzbarmachungsbereich 12 dienen, dessen Mitte durch die Linie 42 bezeichnet ist.
  • An oder in unmittelbarer Nähe des Querschnittsorts 42 angeordnet befindet sich eine Luftverdichtungskammer 43, die den Nutzbarmachungsbereich umschreibt. Die Kammer hat einen allgemein unter Wasser befindlichen Wassereinlass 44 und ist so bemessen, dass dann, wenn die periodisch oszillierenden Wellen eingelassen werden, dadurch ein Luftvolumen 45 verdrängt wird, um eine entsprechende periodische Umkehrluftströmung zu erzeugen.
  • Vorteilhafterweise konvergiert die Verdichtungskammer zu einem Luftauslass 46 hin, in dem oder in dessen Nähe eine luftgetriebene Turbine angeordnet ist, die allgemein bei 47 gezeigt ist.
  • Im Betrieb werden die einlaufenden Wellen so fokussiert, dass die periodische vertikale Berg-Tal-Verschiebung der Wellen in der Nähe des Orts 42 vergrößert wird. Auf diese Weise oszilliert eine hin- und hergehende Wassermasse oder Wassersäule durch den Wassereinlass 44 innerhalb der Luftverdichtungskammer 43 und wirkt dadurch wie ein Kolben auf das darüber befindliche Luftvolumen 45. Beispielsweise wird bei einem Aufwärtshub der Welle das Luftvolumen 45 zu dem Luftauslass 46 hin verdrängt, wobei die konvergierenden Kammerwände und Kanalausbildungen eine Beschleunigung der verdrängten Luftströmung bewirken. Diese beschleunigte Luftströmung wird dann durch die luftgetriebene Turbine gepresst, deren Rotation dazu genutzt werden kann, einen Generator oder dergleichen anzutreiben. Mit Abklingen der Wellen wird Luft nach unten in die Kammer gesaugt, was wiederum die Rotation der Turbine bewirkt, die so ausgebildet ist, dass sie als Reaktion auf die Umkehrluftströme unidirektional arbeitet.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform verwendet das System die parabolische Wellenfokussierungseinrichtung der 1 bis 5 in Verbindung mit der unidirektionalen Turbine der Erfindung. Dadurch werden die außergewöhnlichen Wirkungen jeder von diesen Einrichtungen miteinander vereinigt und resultieren in einem äußerst brauchbaren Wellenenergiegewinnungsverfahren.
  • Wie bereits angedeutet, versteht es sich jedoch, dass die Turbine auf anderen Anwendungsgebieten oder in Kombination mit alternativen Einrichtungen, die hier nicht im Einzelnen beschrieben sind, verwendet werden kann. Insbesondere kann die Turbine auf zahlreichen nicht damit in Beziehung stehenden Anwendungsgebieten mit einem großen Bereich von Betriebsfluiden eingesetzt werden.

Claims (14)

  1. Turbine, die sich so betreiben lässt, dass sie sich unidirektional dreht, wenn sie im Allgemeinen axialen Umkehrfluidströmungen durch dieselbe ausgesetzt ist; wobei die Turbine einen Rotor (20) umfasst, der eine mittige Nabe (21) und eine Vielzahl von geraden, sich in Radialrichtung erstreckenden. Schaufeln (23) umfasst, die jeweils mit der Nabe (21) verbunden sind; wobei die Steigung der Schaufeln umkehrbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt einer jeden Schaufel (23) ein Flügelprofil ist, das im Wesentlichen um eine Linie (27), die die maximale Wölbungshöhe des Querschnitts definiert, symmetrisch ist und längs der sich in Radialrichtung erstreckenden Länge der Schaufel im Allgemeinen gleichbleibend ist, wodurch die im Wesentlichen symmetrische Flügelprofilform der Schaufeln (23) und deren Ausrichtung in Bezug auf die Nabe (21) die unidirektionale Drehung des Rotors (20) als Reaktion auf die axialen Umkehrfluidströmungen durch denselben erleichtert; wobei die Turbine einen Messumformer umfasst, der angeordnet ist, um die Richtungsumkehr der Fluidströmung durch die Turbine zu detektieren sowie Mitttel, die auf den Messumformer reagieren, um die Steigung der Schaufeln in Synchronisation mit der Umkehrfluidströmung umzukehren.
  2. Turbine nach Anspruch 1, bei der die Schaufeln (23) jeweils mit der Nabe (21) so verbunden sind, dass der maximal eingeschlossene Winkel zwischen der Sehnenebene (26) des Flügelprofils und der Achse (22) der Nabe (21) gleich einem Wert zwischen 0° und 90° ist.
  3. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Steigung der Schaufeln (23) variabel verstellbar ist.
  4. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die einen Schaufelsteigungsänderungs- oder Richtungsumkehrmechanismus umfasst, der eine geeignet angetriebene Kegelgetriebebaugruppe (33, 34) umfasst, die mit der Nabe (21) eingebaut und angeordnet ist um jede Schaufel (23) um ein mittiges Einsteckende (28) zu drehen, mit Hilfe dessen sie an der Nabe (21) montiert ist.
  5. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die einen Schaufelsteigungsänderungs- oder Richtungsumkehrmechanismus umfasst, bei dem jede Schaufel (23) an einem Einsteckende (28) montiert ist, das einen seitlich versetzten Betriebsarm (37) aufweist, der mit einer diagonal genuteten Betätigungswelle (35) zusammenwirkt, die längs der Achse des Rotors (20) wechselseitig verschiebbar ist, um dadurch die Drehung der Schaufel (23) um das Einsteckende (28) zu bewirken.
  6. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die maximale Steigung oder der eingeschlossene Winkel gleich einem Wert zwischen –30° und +30° ist.
  7. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Rotor (20) zwischen 4 und 16 Schaufeln (23) aufweist.
  8. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Bedeckungsgrad im Bereich zwischen 0,2 und 0,8 liegt.
  9. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Schaufelsehnenverhältnis 18% beträgt
  10. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das Schaufelprofil zwei miteinander vereinte Halbvorderteile eines Standardflügels nach NACA 65-418 umfasst.
  11. Meereswellen-Energiegewinnungssystem, umfassend: Wellenfokussierungsmittel (41), die zum Vergrößern der periodischen vertikalen Berg-Tal-Verschiebung von einlaufenden Wellen an einem vorgegebenen Querschnittsort (12) dienen; eine Luftverdichtungskammer (43), die im Allgemeinen einen Unterwasser-Wassereinlass (44) aufweist, der an oder in unmittelbarer Nähe neben dem vorgegebenen Querschnittsort angeordnet ist, damit die periodisch oszillierenden Wellen ein über denselben befindliches Luftvolumen (45) verschieben können und dadurch eine entsprechende periodische Umkehrluftströmung erzeugen; wobei die Verdichtungskammer (43) außerdem einen Luftauslass (46) aufweist, in dem eine luftgetriebene Turbine (47) angeordnet ist, die sich so betreiben lässt, dass sie sich als Reaktion auf die Umkehrluftströmung unidirektional dreht; wobei die Turbine (47) einem der Ansprüche 1 bis 10 entspricht.
  12. Meereswellen-Energiegewinnungssystem nach Anspruch 11, bei dem die Luftverdichtungskammer (43) konfiguriert ist, um vom Wassereinlass aus zum Luftauslass hin zusammenzulaufen, damit die Luftströmung beschleunigt wird.
  13. Meereswellen-Energiegewinnungssystem nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Luftverdichtungskammer (43) einen Lufttrichter neben deren Auslass (46) umfasst, in dessen Engstelle die luftgetriebene Turbine (47) angeordnet ist.
  14. Meereswellen-Energiegewinnungssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem der Luftverdichtungs-Kammerauslass (46) und/oder das der Turbine (47) zugeordnete Gehäuse Leitschaufeln umfasst, um die Richtung der Luftströmung in die und/oder aus der Turbine zu optimieren.
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