EP2614252A2

EP2614252A2 - Vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie in strömenden gewässern

Info

Publication number: EP2614252A2
Application number: EP11754864.4A
Authority: EP
Inventors: Fritz Mondl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2013-07-17
Also published as: AT510322A1; AT510322B1; WO2012032048A3; WO2012032048A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zur Erzeugung elektrischer Energie in strömenden Gewässern, insbesondere mit Gezeitenströmung, wobei ein im Wesentlichen starrer Haltemast (101) sowie zumindest ein im Wesentlichen normal zu dem Haltemast (101) angeordneter Ausleger vorgesehen sind, wobei an dem zumindest einen Ausleger (104) beidseits des Haltemastes (101) zumindest eine stromerzeugende Turbine (106) angeordnet ist, der Haltemast (101) um einen Haltepunkt (102) allseitig verschwenkbar ist, und die Turbinen (106) an dem Ausleger (104) um eine zweite Schwenkachse parallel zu dem Ausleger (104) verschwenkbar angeordnet sind.

Description

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie in strömenden Gewässern

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie in strömenden Gewässern, insbesondere mit Gezeitenströmung, wobei ein im Wesentlichen starrer Haltemast, sowie zumindest ein im Wesentlichen normal zu dem Haltemast angeordneter Ausleger vorgesehen sind, an dem zumindest einen Ausleger beidseits des Haltemastes zumindest eine stromerzeugende Turbine angeordnet ist und der Haltemast um einen Haltepunkt allseitig verschwenkbar ist.

Bei Gezeitenkraftwerken handelt es sich um Wasserkraftwerke, die potenzielle und kinetische Energie aus dem Tidenhub des Meeres in elektrischen Strom umwandeln. Hierbei wird die natürliche Meeresströmung ausgenützt.

In der WO 2008/1140119 A2 wird ein Turbinensystem der eingangs erwähnten Art beschrieben, das über einen Haltemast mit daran befindlichen Auslegern verfügt, wobei an diesen Auslegern Turbinen angeordnet sind. Das gesamte System ist im Wesentlichen schwebend im Gewässer untergebracht, um die in unterschiedlichen Tiefen auftretenden Strömungen ausnützen zu können. Hierbei werden jedoch die Turbinen unterschiedlich stark belastet; des Weiteren richtet sich dieses System aufgrund seines sperrigen Aufbaus nur langsam in die sich verändernde Strömungsrichtung aus. Werden diese Turbinen jedoch nicht korrekt angeströmt, kommt es zu hohen Belastungen insbesondere der Rotorblätter, wodurch diese vorzeitig verschleißen und ausgetauscht werden müssen. Eine ähnliche Vorrichtung kann auch der WO 2009/093052 AI entnommen werden.

In der GB 2 348 249 A wird eine Vorrichtung offenbart, die über einen Haltemast verfügt, der am Gewässergrund verschwenkbar befestigt ist, wobei an dem Haltemast eine Turbine mit einem Auftriebskörper angeordnet ist. Auch dieses System ist aufgrund seines sperrigen Aufbaus nicht in der Lage, rasch auf Änderungen in der Strömung zu reagieren, so dass keine optimale Anströmung der Rotoren von vorne innerhalb kürzester Zeit erfolgen kann. Damit steigt auch hier die Anfälligkeit insbesondere der Rotorblätter, aber auch der Verankerung des Haltemastes am Untergrund.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zur Verfügung zu stellen, die völlig selbsttätig die Turbinen in Strömungsrichtung der jeweiligen Strömung ausrichtet, so dass es möglich ist, die Rotoren mit perfekten Auftriebsprofilen immer in optimaler Weise aus der jeweiligen Richtung anströmen zu lassen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass der Haltemast um einen Haltepunkt allseitig verschwenkbar ist, und die Turbinen an dem Ausleger um eine zweite Schwenkachse parallel zu dem Ausleger verschwenkbar angeordnet sind. Im Gegensatz zu dem bekannt gewordenen Stand der Technik ist die Turbine um eine horizontal verlaufende Schwenkachse bewegbar, so dass sie optimal an die jeweilige Meeresströmung angepasst werden kann, bzw. sich selbsttätig ausrichtet, während gleichzeitig der Haltemast, der in einem Haltepunkt, beispielsweise einem Kugelgelenk, am Gewässergrund fixiert ist, allseitig verschwenkbar ist. Unter "allseitige Verschwenkbarkeit" wird im Rahmen dieser Offenbarung eine Ver- schwenkbarkeit (des Haltemastes) sowohl um eine vertikale wie auch horizontale Schwenkachse verstanden, so dass der Haltemast fixiert im Haltepunkt am Gewässergrund jede Position innerhalb einer Halbkugel, deren Radius dem Haltemast entspricht und deren Schnittfläche in der Ebene des Gewässergrundes liegt, einnehmen kann. Durch Kombination der Schwenkachsen des Haltemasts mit der Schwenkachse der Turbinen im Wesentlichen parallel zum Ausleger können sich die Turbinen optimal in der Meeresströmung ausrichten, der Verschwenkwinkel des Haltemastes in einer Ebene beträgt hierbei bevorzugterweise bis 60° zur Senkrechten, in die jeweilige Strömungsrichtung. Durch die optimale Anströmung bieten die Turbinen im Gegensatz zu den bekannt gewordenen Konzepten immer einen optimalen Wirkungsgrad. Gleichzeitig weist die Vorrichtung dennoch einen einfachen Aufbau auf und ist kostengünstig und besonders einfach zu warten.

Um eine besonders einfache Wartung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu ermöglichen, ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass der zumindest eine Ausleger an einen im Wesentlichen zylindrischen Halteelement angeordnet ist, das auf dem Haltemast anordenbar bist. Hierbei wird das Halteelement auf einen am Gewässergrund angeordneten Haltemast aufgesetzt, wobei die beiden Längsachsen vom Halteelement und Haltemast im Wesentlichen zusammenfallen. Die beiden Turbinen sind hierbei an dem Ausleger des Halteelements angeordnet. Sind nun Wartungsarbeiten an den Turbinen vorzunehmen, so muss lediglich das Halteelement von dem Haltemast abgezogen werden, während der wesentlich längere Haltemast im Gewässer verbleibt. Hierfür weist vorzugsweise das Halteelement an seinem oberen Ende eine Öse auf, in die ein Haken beispielsweise eines Krans eingreifen kann, um das Halteelement vom Haltemast abzuziehen.

Die Turbine weist einen Rotor, sowie ein Gehäuse zur Aufnahme eines Stromgenerators auf, wobei bevorzugterweise an dem dem Rotor abgewandten Ende des Gehäuses zumindest ein Leitelement angeordnet ist. Da sich die Strömungsrichtungen bei Ebbe und Flut umkehren, ist eine besonders flexible Vorrichtung not- wendig. Hierfür ist das Leitelement vorgesehen, das die Aufgabe hat, die Turbine insbesondere während des Strömungswechsels in die jeweilige Meeresströmung um die parallel zum Ausleger angeordnete Schwenkachse zu verschwenken und sie in dieser Position zu stabilisieren. Es weist hierbei besonders bevorzugt eine fischschwanzähnliche Form auf.

In dem Gehäuse ist in einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ein drehzahlvariabler Generator angeordnet. Dieser Generatortyp hat den Vorteil, dass er auch bei geringer Strömung und demzufolge geringen Drehzahlen des Rotors bereits elektrischen Strom liefert. Aus dem gleichen Grund ist auch eine Anpassung der Neigungsverstellung der Rotorflügel der Turbine nicht notwendig, um eine optimale Drehleistung des Rotors für den Betrieb des Generators zu erhalten. Des Weiteren ist der Aufbau des Generators besonders einfach, weil er kein Übersetzungsgetriebe und damit keine Schmierung benötigt. Bei der Verwendung in einem Gezeitenkraftwerk ist dies in Hinblick auf die notwendigen Wartungsintervalle der Turbine besonders relevant.

Die Ausrichtung der Turbine wird weiter dadurch begünstigt, dass an dem Gehäuse ein Auftriebskörper angeordnet ist, dessen Längsachse bevorzugterweise mit der Rotorachse der Turbine im Wesentlichen zusammenfällt. Da der Haltemast selbsttätig verschwenkbar ist, wobei der Winkel der Verschwenkung aus der Senkrechten von der Stärke der Meeresströmung abhängig ist, nimmt der Auftriebskörper Einfluss auf den Verschwenkwinkel des Haltemasts, so dass der tatsächliche Verschwenkwinkel aus der Meeresströmung in Abhängigkeit von der Auftriebskraft resultiert. Alternativ oder zusätzlich zu der Anordnung des Auftriebskörpers an dem Gehäuse der Turbine können auch ein oder mehrere Auftriebskörper beispielsweise am Ausleger oder am Halteelement der Vorrichtung angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist das Gehäuse selbst als Auftriebskörper ausgebildet, was den Aufbau und die Wartung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders vereinfacht.

Um zu verhindern, dass bei besonders starken Meeresströmungen die Rotoren der Turbinen den Meeresgrund berühren, weil der Haltemast aufgrund der starken Strömung zu stark verschwenkt ist, ist in einer weiteren Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass der Haltemast teleskopartig verlängerbar ist, wobei diese Verlängerung vorzugsweise gegen eine Federkraft erfolgt. Solange die Meeresströmung im Normalbereich ist, wird die Neigung des Haltemastes aus der Senkrechten durch den Auftrieb des zumindest einen Auftriebskörpers bestimmt. Sollte jedoch dessen Auftrieb nicht ausreichen, um einen Mindestwinkel zwischen Haltemast und Gewässergrund einzuhalten, so verlängert sich bei starker Strömung der Haltemast, sobald die Meeresströmung die Federkraft, die den Haltemast in seinem unverlängerten Grundzustand hält, kompensiert, und die Turbine wird durch die Verlängerung in einem größeren Abstand zum Gewässergrund positioniert.

Im Folgenden wird anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels mit zugehörigen Figuren näher erläutert. Darin zeigen :

Fig. 1 in einer schematischen Ansicht unterschiedliche Betriebszustände der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 das Positionieren der Vorrichtung aus Fig. 1 in dem Gewässer; und

Fig. 3 eine Detailansicht der Vorrichtung aus Fig. 1 im Bereich der Turbinen.

In der Figur 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zur Gewinnung von elektrischem Strom in unterschiedlichen Betriebszuständen dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Haltemast 101 auf, der bei der vorliegenden Ausführung der Erfindung in einer Ebene über einen Anker- oder Haltepunkt 102 verschwenkbar ist, wie mit Pfeil A dargestellt. Auf dem Haltemast 101 ist eine Halteelement 103 angeordnet, das - wie in der Figur 1 gezeigt - auf einfache Weise mittels Kran 200, der sich beispielsweise auf einem Boot 300 befindet, auf dem Haltemast 101 gestülpt wird.

Insbesondere in der Figur 2 ist ersichtlich, wie das Halteelement 103 mittels Kran 200 auf dem Haltemast 101 aufgesetzt wird und entlang des Haltemastes 101 unterhalb der Wasserlinie E, die dem Wasserstand bei Ebbe entspricht, angeordnet wird.

Gemäß Figur 3, die die Anordnung des Halteelements 103 auf dem Haltemast 101 im Detail zeigt, ist ersichtlich, dass das Halteelement 103 über einen Ausleger 104 verfügt, an dessen beiden Enden jeweils eine Turbine 106 angeordnet ist. Diese Turbine 106 weist einen Rotor 107 auf, der mit einem Generator (nicht dargestellt) in Verbindung steht. Das Gehäuse 108 der Turbine 106 weist eine im Wesentlichen fischähnliche Form auf, wobei an dem, dem Rotor abgewandten, Ende ein fischschwanzähnliches Leitelement 109 angeordnet ist. Das Gehäuse

108 der Turbine 106 wirkt hierbei als Auftriebskörper, während das Leitelement

109 die Ausrichtung der Turbine 106 in der jeweiligen Meeresströmung begünstigt.

Dies ist insbesondere in der Figur 1 ersichtlich, in welcher die unterschiedlichen Meereshöhen, nämlich Tiefstand bei Ebbe (E) mittlerer Wasserstand (M) sowie Wasserhochstand (F) bei Flut dargestellt sind. Wirkt kaum bis gar keine Strömung auf die Vorrichtung 100, ist die Längsachse der Turbine 106 aufgrund der Auftriebswirkung des Turbinengehäuses 108 im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet. Bei stärkerer Strömung - durch Pfeil B symbolisiert - wird der Haltemast 101 aus der Senkrechten verschwenkt, während sich die Turbine 106 in Strömungsrichtung ausrichtet. Der Verschwenkwin- kel α resultiert hierbei aus der Kraft der Strömung B in Abhängigkeit von der Auftriebskraft des Turbinengehäuses 108.

Bei Ebbe und Flut ändert sich jeweils die Richtung der Meeresströmung. Bei starker Strömung (Pfeil C) wird der Haltemast 101 stärker verschwenkt, während sich die Turbine 106 wiederum in der Strömung optimal ausrichtet. Dieses Ausrichten erfolgt hierbei stets um eine horizontal verlaufenden Achse, die im Wesentlichen der Längsachse des Auslegers 104 entspricht. Die Rotoren 107 der Turbine sind hierbei stets der Strömung zugewandten, so dass es - im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannt gewordenen sogenannten "Leeläufern" - nicht zu einem Strömungsabriss kommt, der bei den Leerläufern auftritt, wenn sich der Rotor hinter den Ausleger bewegt. Dieser Strömungsabriss bewirkt eine hohe mechanische Belastung der Rotorblätter 107, die dadurch schneller verschleißen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 ist insbesondere aufgrund ihres kompakten und einfachen Aufbaus sowie der Wahl geeigneter Materialien besonders zuverlässig und wartungsarm, wodurch sie zum Einsatz speziell in Küstenbereichen von Ozeanen bevorzugt geeignet ist.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Vorrichtung (100) zur Erzeugung elektrischer Energie in strömenden Gewässern, insbesondere mit Gezeitenströmung, wobei ein im Wesentlichen starrer Haltemast (101) sowie zumindest ein im Wesentlichen normal zu dem Haltemast (101) angeordneter Ausleger vorgesehen sind, wobei an dem zumindest einen Ausleger (104) beidseits des Haltemastes (101) zumindest eine stromerzeugende Turbine (106) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltemast (101) um einen Haltepunkt (102) allseitig verschwenkbar ist, und die Turbinen (106) an dem Ausleger (104) um eine zweite Schwenkachse parallel zu dem Ausleger (104) verschwenkbar angeordnet sind.

2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltemast (101) am Gewässergrund an dem Haltepunkt (102) anordenbar und verschwenkbar ist, wobei der Verschwenkwinkel (a) in einer Ebene vorzugsweise bis zu 60° zur Senkrechten beträgt.

3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ausleger (104) an einem im Wesentlichen zylindrischen Halteelement (103) angeordnet ist, das auf den Haltemast (101) anordenbar ist.

4. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (106) einen Rotor (107) sowie ein Gehäuse (108) zur Aufnahme eines Stromgenerators aufweist, wobei an dem dem Rotor (107) abgewandten Ende des Gehäuses (108) zumindest ein Leitelement (109) angeordnet ist.

5. Vorrichtung (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der im Gehäuse (108) angeordnete Stromgenerator ein drehzahlvariabler Generator ist.

6. Vorrichtung (100) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gehäuse (108) ein Auftriebskörper angeordnet ist, dessen Längsachse vorzugsweise im Wesentlichen mit der Rotorachse der Turbine (106) zusammenfällt.

7. Vorrichtung (100) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (108) als Auftriebskörper ausgebildet ist.

8. Vorrichtung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftriebskörper an seinem dem Rotor (106) abgewandten Ende ein fisch- schwanzartiges Leitelement (109) aufweist.

9. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltemast (101) vorzugsweise gegen eine Federkraft teleskopartig verlängerbar ist.

2011 09 06

Ha