EP2100033A2 - Turbinenanlage zum nutzen von energie aus meereswellen - Google Patents

Turbinenanlage zum nutzen von energie aus meereswellen

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EP2100033A2
EP2100033A2 EP07846866A EP07846866A EP2100033A2 EP 2100033 A2 EP2100033 A2 EP 2100033A2 EP 07846866 A EP07846866 A EP 07846866A EP 07846866 A EP07846866 A EP 07846866A EP 2100033 A2 EP2100033 A2 EP 2100033A2
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EP
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turbine
turbine plant
rotor
chamber
rotor blades
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EP07846866A
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William Kenneth Tease
Janet Lees
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F03B13/14—Adaptations 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 using wave energy
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • Turbine plant for the benefit of energy from ocean waves
  • the invention relates to a turbine plant for exploiting ocean waves and for converting the energy contained therein into electrical energy.
  • Such systems have become known, for example, from EP 0 000441 A1 and GB 2 250 321 A.
  • Systems of this type are constructed as follows: They comprise a chamber which is open at its lower end and with this open end immersed in the sea. At its upper end, it also has an opening. There is further provided a pipe which serves to guide an air flow.
  • the tube is connected with its one open end to the upper opening of the chamber. In the tube is an enclosed by this and coaxial with the tube arranged energy unit with a turbine rotor and possibly with a standing in driving connection with the rotor electrical generator.
  • the mirror of the sea water within the chamber constantly rises and falls according to the waves of the sea; the wave motion thus acts into the chamber. With each lifting of the water level, a displacement of the air quantum in the chamber is contained. The air is lifted while lifting the
  • Water level displaces and flows through the upper opening of the chamber and thus through the pipe in which the turbine is located.
  • the air flow drives the turbine, and thus also the electric generator, which as such generates electrical energy.
  • the invention has for its object to design and improve systems of the type mentioned in such a way that their efficiency is increased.
  • the inventors have recognized the following:
  • the solution according to the invention comprises several alternatives. Probably the simplest measure is a spraying device that sprays a jet of liquid medium onto the rotor blades, for example water. It is essential that the medium is able to dissolve the salt deposited on the surfaces of the rotor blades. Also seawater comes here into consideration. In any case, a continuous or discontinuous treatment is conceivable.
  • the invention can also be applied by directly utilizing the energy of the sea waves.
  • pumps into consideration which may be part of desalination plants.
  • the invention can also be applied to systems in which the mechanical energy is not converted into electrical energy, and which accordingly have no generator.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view
  • FIG. 2 shows the wave energy power plant according to FIG. 1 in one
  • Figure 3 shows a perspective view of a so-called Wells turbine as an energy generating unit.
  • Figure 4 shows a part of the article of Figure 3 in an enlarged view.
  • Figure 5 shows a part of the article of Figure 4 in an enlarged
  • Figure 6 shows a perspective view of a sheet of a
  • Figure 7 is a graph showing the efficiency improvement
  • the wave energy power plant shown in Figure 1 is located in a coastal area, preferably in a funnel-shaped bay, where there is a high energy concentration.
  • the bay communicates with the open sea.
  • the water is constantly in motion - see the waves 2. From the power plant is essentially only a chamber 1 to see.
  • the chamber is open at the bottom, as can be seen from FIG.
  • the waves 2 go to chamber 1. They cause the level in the chamber to rise and fall in a vertical direction between a lower and an upper level - see the two vertical arrows.
  • the trapped in the chamber 1 air When lifting the water level, the trapped in the chamber 1 air is displaced upwards. It flows along the curved arrow. It leaves the chamber 1 through the upper opening 3. To the upper opening 3, a channel 4 is connected. This contains a power generation unit 5.
  • the power generation unit 5 is preceded by a flap valve 6.
  • the construction of the 3 shows a tube turbine 5. This has a tube 5.1, which is flowed through during operation of the power plant of air, which is displaced from chamber 1.
  • the tube turbine is a turbine whose rotor always revolves in one and the same sense of rotation, regardless of the direction of the air flow. See GB-A-1 595 700.
  • the tube turbine 5 furthermore comprises two rotors 5.2, 5.3. These are arranged coaxially to the tube 5.1 and enclosed by this.
  • the two rotors 5.2, 5.3 work on a generator 5.4.
  • the two rotors 5.2, 5.3 are designed and arranged such that they always rotate in one and the same direction of rotation, regardless of which side of the air flow enters the tube 5.1. This is necessary or advantageous because the air flows inland when raising the water level in chamber 1, and when lowering the land away.
  • the generator 5.4 outputs electrical energy to a power grid, not shown here.
  • Figures 4 and 5 can be seen in an enlarged view of a spray nozzle 5.5, which is connected to a spray water line 5.6. See also Figure 5. On the spray water line 5.6 more spray nozzles are generally connected, which are directed so that the splashing or dripping or dripping rays hit the blades of the two rotors 5.2 and 5.3.
  • FIG. 6 shows the extent of the crystallized salts in the region of the inlet or outlet edges of turbine blades.
  • the deposits reach a considerable extent in the course of weeks or months, if their formation is not prevented by measures according to the invention.
  • the graph shown in FIG. 7 represents on the abscissa the ratio Fi between the velocity of the air impinging on a rotor blade and the rotational speed of the rotor.
  • the ordinate plots the efficiency ⁇ of the turbine.
  • the circles illustrate the efficiency ⁇ after the application of solution liquid to the turbine blades, and the squares the course of the efficiency without application of the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenanlage zum Ausnutzen von Energie aus Meereswellen mit einer Kammer, die an ihrem unteren und an ihrem oberen Ende je eine Öffnung aufweist; mit einem an beiden Enden offenen Rohr zum Führen einer Luftströmung; das untere Ende der Kammer ist zum Eintauchen in Meerwasser bestimmt, und die Öffnung des oberen Endes ist an eines der Enden des Rohres angeschlossen; mit einer vom Rohr umschlossenen, zu diesem koaxial angeordneten Energieeinheit; es ist eine Vorrichtung zum Reinigen der Rotorblätter von Ablagerungen beziehungsweise zum Verhindern des Bildens von Ablagerungen auf den Rotorblättern vorgesehen.

Description

Turbinenanlage zum Nutzen von Energie aus Meereswellen
Die Erfindung betrifft eine Turbinenanlage zum Ausnutzen von Meereswellen und zum Umsetzen der darin enthaltenen Energie in elektrische Energie. Solche Anlagen sind beispielsweise aus EP 0 000441 A1 und GB 2 250 321 A bekannt geworden.
Anlagen dieser Art sind wie folgt aufgebaut: Sie umfassen eine Kammer, die an ihrem unteren Ende offen ist und mit diesem offenen Ende in das Meer eintaucht. An ihrem oberen Ende hat sie ebenfalls eine Öffnung. Es ist ferner ein Rohr vorgesehen, das dem Führen einer Luftströmung dient. Das Rohr ist mit seinem einen offenen Ende an die obere Öffnung der Kammer angeschlossen. Im Rohr befindet sich eine von diesem umschlossene und koaxial zum Rohr angeordnete Energieeinheit mit einem Turbinenrotor sowie ggf. mit einem mit dem Rotor in Triebverbindung stehenden elektrischen Generator.
Der Spiegel des Meerwassers innerhalb der Kammer hebt und senkt sich ständig zufolge der Wellen des Meeres; die Wellenbewegung wirkt somit in die Kammer hinein. Mit jedem Heben des Wasserspiegels ist ein Verdrängen des in der Kammer befindlichen Luftquantums enthalten. Die Luft wird beim Heben des
Wasserspiegels verdrängt und strömt durch die obere Öffnung der Kammer und somit auch durch das Rohr, in welchem sich die Turbine befindet. Der Luftstrom treibt die Turbine an, und damit auch den elektrischen Generator, der als solcher elektrische Energie erzeugt.
Beim Absenken des Wasserspiegels in der Kammer findet derselbe Vorgang statt, nur dass der Luftstrom sich umkehrt. Es gibt mechanische Möglichkeiten, den Turbinenrotor in ein- und demselben Drehsinn umlaufen zu lassen, ungeachtet der Richtung des Luftstromes. Eine solche Möglichkeit ist beispielsweise in GB 1 595 700 B beschrieben. Die in den Weltmeeren enthaltene Wellenenergie ist unerschöpflich. Die mittlere Jahreswellenenergie liegt bei einer Tiefe von 10 m in der Größenordnung von 10 kW/m, und bei einer Tiefe von 40 m bei 50 kW/m. Das Problem liegt jedoch darin, die reichlich vorhandene Energie auf wirtschaftliche Weise auszunutzen, so dass die Kosten pro Kilowattstunde wettbewerbsfähig sind. Dies ist bei zahlreichen
Anlagen zum Umsetzen von erneuerbarer Energie, so wie sie in der Natur anfällt, in wirtschaftlich verwertbare Energie zu akzeptablen Kosten häufig nicht möglich. Die Wirtschaftlichkeit einer Anlage der beschriebenen Art hängt somit sehr stark vom Wirkungsgrad ab. Die Möglichkeiten der Einflussnahme sind beschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Anlagen der eingangs genannten Art derart zu gestalten und zu verbessern, dass ihr Wirkungsgrad gesteigert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der selbständigen Ansprüche gelöst.
Die Erfinder haben folgendes erkannt:
Bei Turbinenanlagen zum Umsetzen von Meeresenergie in elektrische Energie kommt es zu Ablagerungen von Partikeln aller Art auf den Flächen der Rotorblätter. Die Ablagerungen schlagen sich aus dem Luftstrom nieder, der durch das Turbinenrohr hindurchtritt. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Luft kein Wasser in flüssiger Form enthält. Die Luft ist jedoch feuchtigkeitsbeladen und enthält auch Meeressalze. Hieraus bildet sich ein Niederschlag, der zunächst so fein ist, dass er mit dem bloßen Auge nicht erkannt wird, weshalb er auch bisher nicht aufgefallen ist. Dieser Niederschlag hat eine Rauigkeit, die den Luftstrom an der Grenzfläche zu den Rotorblättern abbremst oder zu einer Ablösung des Luftstromes führt, und damit zu einer Verringerung des Wirkungsgrades der Turbine und somit der Gesamtanlage führt. Die genannte Rauhigkeit kann auch auf organische Substanzen zurückzuführen sein, die im Laufe der Zeit an den Rotorblättern anwachsen. Demgemäß besteht die Lösung des Problemes darin, Maßnahmen zu treffen, um die Flächen der Rotorblätter frei zu halten von den genannten Niederschlägen und Ablagerungen, oder, falls sich solche bereits gebildet haben, diese zu entfernen.
Die erfindungsgemäße Lösung umfasst mehrere Alternativen. Als wohl einfachste Maßnahme bietet sich eine Sprüheinrichtung an, die auf die Rotorblätter einen Strahl eines flüssigen Mediums spritzt, beispielsweise Wasser. Wesentlich ist, dass das Medium in der Lage ist, das auf den Oberflächen der Rotorblätter niedergeschlagene Salz zu lösen. Auch Seewasser kommt hierbei in Betracht. In jedem Falle ist eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Behandlung denkbar.
Statt einer Flüssigkeit kommt auch in Betracht, die Rotorblätter mit einem feinen Sprühnebel zu beaufschlagen, oder zu bedampfen.
In der Praxis haben sich bedeutende Erfolge eingestellt. So konnte der
Wirkungsgrad durch ein Waschen der Blätter erheblich gesteigert werden.
Die Erfindung lässt sich auch anwenden bei unmittelbarer Ausnutzung der Energie der Meereswellen. Hier kommen beispielsweise Pumpen in Betracht, die Bestandteil von Wasserentsalzungsanlagen sein können. Jedenfalls lässt sich die Erfindung auch anwenden bei Anlagen, bei denen die mechanische Energie nicht in elektrische Energie umgesetzt wird, und die demgemäss keinen Generator aufweisen.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
Figur 1 zeigt in einer schematischen perspektivischen Ansicht ein
Wellenenergiekraftwerk.
Figur 2 zeigt das Wellenenergiekraftwerk gemäß Figur 1 in einem
Vertikalschnitt. Figur 3 zeigt in perspektivischer Darstellung eine sogenannte Wells-Turbine als energieerzeugende Einheit.
Figur 4 zeigt einen Teil des Gegenstandes von Figur 3 in vergrößerter Darstellung.
Figur 5 zeigt einen Teil des Gegenstandes von Figur 4 in vergrößerter
Darstellung.
Figur 6 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ansicht eines Blattes einer
Turbine mit Ablagerungen im Kantenbereich des Blattes.
Figur 7 ist ein Diagramm, das die Wirkungsgradverbesserung
(vorher/nachher) über dem Verhältnis zwischen der axialen Strömungsgeschwindigkeit und der tangentialen Geschwindigkeit.
Das in Figur 1 gezeigte Wellenenergiekraftwerk befindet sich in einem Küstenbereich, am besten in einer trichterförmigen Bucht, in denen eine hohe Energiekonzentration herrscht. Die Bucht steht mit der offenen See in Verbindung. Das Wasser befindet sich ständig in Bewegung - siehe die Wellen 2. Vom Kraftwerk ist im wesentlichen nur eine Kammer 1 zu sehen.
Die Kammer ist unten offen, wie man aus Figur 2 erkennt. Die Wellen 2 gelangen zur Kammer 1. Sie führen dazu, dass sich der Pegel in der Kammer in vertikaler Richtung zwischen einem unteren und einem oberen Pegel hebt und senkt - siehe die beiden vertikalen Pfeile.
Beim Anheben des Wasserspiegels wird die in der Kammer 1 eingeschlossene Luft nach oben verdrängt. Sie strömt entlang dem gekrümmten Pfeil. Sie verlässt die Kammer 1 durch die obere Öffnung 3. An die obere Öffnung 3 ist ein Kanal 4 angeschlossen. Dieser enthält eine Energieerzeugungseinheit 5. Der Energieerzeugungseinheit 5 ist ein Klappenventil 6 vorgeschaltet. Der Aufbau der Energieerzeugungseinheit 5 ergibt sich genauer aus den Figuren 3 bis 6. Die Figur 3 zeigt eine Rohrturbine 5. Diese weist ein Rohr 5.1 auf, das beim Betrieb des Kraftwerkes von Luft durchströmt ist, die aus Kammer 1 verdrängt wird.
Die Rohrturbine ist eine Turbine, deren Rotor stets in ein und demselben Drehsinn umläuft, ungeachtet der Richtung des Luftstromes. Siehe GB-A-1 595 700.
Wie man aus Figur 3 erkennt, umfasst die Rohrturbine 5 ferner zwei Rotoren 5.2, 5.3. Diese sind zum Rohr 5.1 koaxial angeordnet und von diesem umschlossen. Die beiden Rotoren 5.2, 5.3 arbeiten auf einen Generator 5.4. Dabei sind die beiden Rotoren 5.2, 5.3 derart gestaltet und angeordnet, dass sie stets in ein und demselben Drehsinn umlaufen, ungeachtet dessen, von welcher Seite der Luftstrom in das Rohr 5.1 eintritt. Dies ist deshalb notwendig beziehungsweise vorteilhaft, weil die Luft beim Anheben des Wasserspiegels in Kammer 1 landeinwärts strömt, und beim Absenken landauswärts.
Der Generator 5.4 gibt elektrische Energie an ein hier nicht dargestelltes Stromnetz ab.
Die Figuren 4 und 5 lassen in vergrößerter Darstellung eine Spritzdüse 5.5 erkennen, die an eine Spritzwasserleitung 5.6 angeschlossen ist. Siehe auch Figur 5. An die Spritzwasserleitung 5.6 sind im allgemeinen mehr Spritzdüsen angeschlossen, die derart gerichtet sind, dass die spritzenden oder träufelnden oder tropfenden Strahlen auf die Blätter der beiden Rotoren 5.2 und 5.3 treffen.
Aus Figur 6 erkennt man das Ausmaß der auskristallisierten Salze im Bereich der Ein- oder Austrittskanten von Turbinenblättern. Die Ablagerungen erreichen im Laufe von Wochen oder Monaten ein erhebliches Ausmaß, wenn ihr Entstehen nicht mittels Maßnahmen gemäß der Erfindung verhindert wird. Siehe das im Querschnitt dargestellte Rotorblatt 7 mit Ablagerungen 8. Das in Figur 7 gezeigte Diagramm stellt auf der Abszisse das Verhältnis Fi zwischen der Geschwindigkeit der auf ein Rotorblatt auftreffenden Luft und der tangentialen Umlaufgeschwindigkeit des Rotors dar. Auf der Ordinate ist der Wirkungsgrad η der Turbine aufgetragen. Dabei veranschaulichen die Kreise den Wirkungsgrad η nach dem Aufbringen von Lösungsflüssigkeit auf die Turbinenblätter, und die Quadrate den Verlauf des Wirkungsgrades ohne Anwendung der Erfindung.
Bezugszeichenliste
1 Kammer
2 Wellen
3 Kammeröffnung
4 Kanal
5 Energieerzeugungseinheit
5.1 Rohr
5.2 Rotor
5.3 Rotor
5.4 Generator
5.5 Spritzdüse
5.6 Spritzwasserleitung
6 Klappenventil
7 Rotorblatt
8 Ablagerungen

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenanlage zum Ausnutzen von Energie aus Meereswellen (2)
1.1 mit einer Kammer (1), die an ihrem unteren und an ihrem oberen Ende je eine Öffnung (3) aufweist;
1.2 mit einem an beiden Enden offenen Rohr (5.1) zum Führen einer Luftströmung;
1.3 das untere. Ende der Kammer (1) ist zum Eintauchen in Meerwasser bestimmt, und die Öffnung (3) des oberen Endes ist an eines der Enden des Rohres (5.1) angeschlossen;
1.4 mit einer vom Rohr (5.1) umschlossenen, zu diesem koaxial angeordneten Energieeinheit (5);
1.5 es ist eine Sprüheinrichtung (5.5, 5.6) vorgesehen, die an eine Quelle eines salzlösenden, flüssigen oder gasförmigen oder dampfförmigen Mediums angeschlossen ist, und die das Medium auf die Rotorblätter aufbringt.
2. Turbinenanlage nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
2.1 die Energieeinheit (5) umfasst wenigstens einen Turbinenrotor (5.2, 5.3) mit Rotorblättern sowie einen zum Rotor (5.2, 5.3) koaxialen und mit diesem in
Triebverbindung stehenden Generator (5.4);
3. Turbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Turbinenrotoren (5.2, 5.3) vorgesehen sind.
4. Turbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rotor ungeachtet der Richtung der anströmenden Luft seine Drehrichtung beibehält.
5. Verfahren zum Betreiben einer Turbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprüheinrichtung intermittierend betrieben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand der Oberfläche der Rotorblätter bezüglich seiner Rauhigkeit sowie anderer Eigenschaften erfasst wird, dass der Sensor ein hiervon abgeleitetes Signal erzeugt, und dass die Sprüheinrichtung in Abhängigkeit von dem Signal betätigt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Sprühmedium Wasser verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Sprühmedium Seewasser verwendet wird.
EP07846866A 2006-12-04 2007-11-29 Turbinenanlage zum nutzen von energie aus meereswellen Withdrawn EP2100033A2 (de)

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