EP2691633A1 - Power plant for obtaining energy from a flow of a body of water, and method for the operation thereof - Google Patents

Power plant for obtaining energy from a flow of a body of water, and method for the operation thereof

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EP2691633A1
EP2691633A1 EP12709521.4A EP12709521A EP2691633A1 EP 2691633 A1 EP2691633 A1 EP 2691633A1 EP 12709521 A EP12709521 A EP 12709521A EP 2691633 A1 EP2691633 A1 EP 2691633A1
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EP
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power plant
flow
rotation
axial turbine
stop
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EP12709521.4A
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Norman Perner
Jochen Weilepp
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Voith Patent GmbH
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Abstract

The invention relates to a power plant for obtaining energy from a flow of a body of water with a varying main incident flow direction, comprising a rotating unit with an axial turbine which is assigned an axis of rotation and which comprises at least one rotor blade; wherein the rotor blade is fastened in a rotationally conjoint manner to a rotor head of the rotating unit; and wherein the rotor blade has, at least over a partial region of the longitudinal extent thereof, a profile which can be impinged on by flow bidirectionally for windward and leeward operation. The invention is characterized in that a rotary device is provided for a power plant component for adjusting a relative angle between the axis of rotation and the main flow direction, wherein the rotary device is assigned a first stop and a second stop which limit the range of movement of the rotary device to a range of angle of rotation of less than 180°.

Description

Kraftwerk zur Energiegewinnung aus einer Gewässerströmung und Verfahren für dessen Betrieb  Power plant for generating energy from a stream of water and method for its operation
Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 zur Energiegewinnung aus einer Gewässerströmung mit einer variierenden The invention relates to a power plant according to the preamble of claim 1 for the production of energy from a stream of water with a varying
Hauptanströmungsrichtung, insbesondere eine Gezeitenströmung, sowie ein Verfahren für dessen Betrieb.  Main flow direction, in particular a tidal flow, and a method for its operation.
Zur Anpassung von Gezeitenkraftwerken an eine zyklische Änderung der For the adaptation of tidal power plants to a cyclical change of the
Anströmungsrichtung im Verlauf von Ebbe und Flut wurden unterschiedliche Konzepte vorgeschlagen. Eine Möglichkeit, die beispielsweise durch die Direction of flow in the course of ebb and flow, different concepts have been proposed. One way, for example, by the
GB 2347976 A beschrieben wird, besteht darin, die Rotorblätter einer Axialturbine drehbar an einer Nabe zu befestigen und für den Tidenwechsel eine 180°-Drehung um die Längsachsen der Rotorblätter auszuführen. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass effiziente, für eine unidirektionale Anströmung ausgelegte Rotorblattprofile verwendet werden können. Allerdings erhöht der GB 2347976 A, is to rotatably fix the rotor blades of an axial turbine to a hub and to perform a 180 ° rotation about the longitudinal axes of the rotor blades for the tidal exchange. The advantage of this approach is that efficient rotor blade profiles designed for unidirectional flow can be used. However, the increased
Blattwinkelverstellmechanismus die Komplexität der Rotorblattanbindung. Darüber hinaus muss die Steuerung für die Blattwinkeleinstellung sehr zuverlässig arbeiten, da. eine Falschanströmung zu schweren Anlagenschäden führen kann. Blade angle adjustment mechanism the complexity of the rotor blade connection. In addition, the controller for the blade angle adjustment must work very reliable because . Incorrect flow can lead to serious system damage.
Ein weiteres, die Verwendung eines unidirektional anströmbaren Rotorblattprofils ermöglichendes Anlagenkonzept für Gezeitenkraftwerke zur Anpassung an den Tidenwechsel besteht in einer Gesamtnachführung der die Turbine lagernden Komponente. Typischerweise ist dies ein Gondelgehäuse mit der Another, the use of a unidirectionally inflatable rotor blade profile enabling plant concept for tidal power plants to adapt to the Tidenwechsel consists in a total tracking of the turbine-bearing component. Typically, this is a nacelle housing with the
Lagerungseinrichtung für eine Axialturbine. Bekannt ist das Konzept aus der Windkraft - hierzu wird exemplarisch auf die US 2008/0111379 AI verwiesen, wobei eine Drehvorrichtung für das Gondelgehäuse eines Gezeitenkraftwerks eine Drehung um 180° ausführen muss. Der zu diesem Zweck verwendete Drehantrieb kann beispielsweise elektrisch oder hydraulisch erfolgen. Denkbar ist auch die Verwendung eines externen Antriebs in Form eines Strahlruders, das Kräfte auf ein Gondelgehäuse einleitet - hierzu wird beispielhaft auf die US 2010/0038911 AI verwiesen. Denkbar ist auch die Verwendung einer passiv wirkenden Storage device for an axial turbine. Known is the concept of wind power - this reference is made by way of example to the US 2008/0111379 AI, with a rotating device for the nacelle housing of a tidal power plant must perform a rotation of 180 °. The rotary drive used for this purpose can be done, for example, electrically or hydraulically. It is also conceivable to use an external drive in the form of a thruster, the forces on initiating a nacelle housing - this is referenced, for example, to US 2010/0038911 AI. Also conceivable is the use of a passive-acting
Drehvorrichtung, beispielsweise mittels einer Lee-Anordnung der Axialturbine. Im Falle eines beispielsweise in der KR 1020090116152 A offenbarten Luv-Designs sind flossenförmige, leeseitig liegende Strömungsleitflächen zur Ausrichtung der Anlage notwendig. Turning device, for example by means of a leeward arrangement of the axial turbine. In the case of a windward design disclosed, for example, in DE 1020090116152 A, fin-shaped, leeward-lying flow guide surfaces are necessary for aligning the installation.
Die bekannten Vorrichtungen zur Gesamtnachführung einer Axialturbine für ein Gezeitenkraftwerk ermöglichen entweder eine Drehbewegung der The known devices for the total tracking of an axial turbine for a tidal power plant either allow a rotational movement of the
Maschinengondel um eine Hochachse oder eine Drehung um eine im Wesentlichen horizontal verlaufende Achse. Für Letzteres wird auf die DE 10 2007 013 293 AI und die GB 2 431 207 A verwiesen. Für beide Konfigurationen ist der Machine nacelle about a vertical axis or a rotation about a substantially horizontal axis. For the latter, reference is made to DE 10 2007 013 293 A1 and GB 2 431 207 A. For both configurations is the
Drehvorrichtung ein Drehwinkelbereich von mindestens 180° zugeordnet, um den Betrieb der Anlage bei ein- und auslaufender Tideströmung zu ermöglichen. Rotary device associated with a rotation angle range of at least 180 ° to allow the operation of the system with incoming and outgoing tidal flow.
Ein weiteres Anlagenkonzept für Gezeitenkraftwerke geht von einer ortsfesten Anlage mit drehstarr an einer Axialturbine angelenkten Rotorblättern aus. Die Anpassung an den Tidenwechsel wird durch ein bidirektional anströmbares Profil der Rotorblätter bewirkt. Zu diesem Zweck können doppeltachssymmetrische, ellipsenförmige Profile verwendet werden. Hierzu wird auf die Another plant concept for tidal power plants is based on a stationary plant with rotor blades articulated rigidly on an axial turbine. Adaptation to the tidal change is effected by a bidirectionally inflatable profile of the rotor blades. For this purpose, double-axis symmetric elliptical profiles can be used. This is on the
WO 2006/125959 AI verwiesen. Eine Alternative stellen Profile mit einer  WO 2006/125959 AI referenced. An alternative are profiles with a
Punktsymmetrie und einer Wölbung dar, sodass die Skelettlinie einem S-Schlag folgt - hierzu wird auf die US 2007/0231148 AI verwiesen. Die Verwendung drehstarr angelenkter Rotorblätter mit bidirektional anströmbaren Profilen führt zu robusten und wartungsarmen Anlagen, da auf zusätzliche Lagerungs- und Point symmetry and a vault, so that the skeleton line an S-beat follows - this is referred to the US 2007/0231148 AI. The use of torsionally rigidly hinged rotor blades with bidirectionally inflowable profiles leads to robust and low-maintenance systems, since additional storage and
Antriebskomponenten für eine zur Nachführung verwendete Dreh Vorrichtung verzichtet werden kann.  Drive components for a rotary device used for tracking can be dispensed with.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftwerk zur Energiegewinnung aus einer Gewässerströmung, deren Strömungsrichtung zeitlich variabel ist, anzugeben, das ein möglichst wartungsarmes Design aufweist. Zusätzlich soll das Kraftwerk eine richtungsvariable Gewässerströmung effizient zur The invention is based on the object, a power plant for generating energy from a stream of water whose flow direction is temporally variable, specify that has a low-maintenance design. In addition, the power plant should efficiently use a directionally variable stream of water
Energiegewinnung nutzen und zugleich eine konstruktiv einfache Abregelung für den Überlastfall aufweisen. Use energy generation and at the same time have a structurally simple Abregelung for the overload case.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Erfindungsgemäß wird eine Anlage mit einer bidirektional anströmbaren Axialturbine mit drehstarr angelenkten Rotorblättern, die für den kombinierten Luv- und Lee-Betrieb ein bidirektional anströmbares Profil aufweist, mit einer Drehvorrichtung kombiniert, die keine vollständige The object underlying the invention is solved by the features of the independent claims. According to the invention, a system with a bidirectionally flowable axial turbine with rotationally fixedly articulated rotor blades, which has a bidirectionally flow-in profile for the combined windward and leeward operation, is combined with a rotary device which does not complete
Richtungsumkehr zulässt und stattdessen lediglich eine Teildrehung bewirkt.  Direction reversal allows and instead causes only a partial rotation.
Demnach arbeitet das Kraftwerk im zyklischen Wechsel im Luv- und im Leebetrieb und der Relativwinkel zwischen der Rotationsachse der Axialturbine und der Hauptanströmungsrichtung wird lediglich in einem begrenzten Drehwinkelbereich kleiner als 180° nachgeführt, um Asymmetrien des Tidenzykluses oder Accordingly, the power plant operates in cyclic alternation in windward and in the Leebetrieb and the relative angle between the axis of rotation of the axial turbine and Hauptanströmungsrichtung is tracked only in a limited rotation angle range less than 180 ° to asymmetries of Tidenzykluses or
meteorologisch bedingte Anströmungsvariationen auszugleichen. Darüber hinaus ermöglicht die Drehvorrichtung zur Anpassung des Relativwinkels zwischen compensate for meteorological induced flow variations. In addition, the rotating device allows for adjusting the relative angle between
Rotationsachse und Hauptanströmungsrichtung im Überlastfall eine Rotation axis and main flow direction in case of overload a
Anlagenabregelung, indem der Relativwinkel auf die durch Anschläge vorgegebene Maximalwinkelabweichung geführt wird. System control by the relative angle is guided to the predetermined by stops maximum angle deviation.
Die Drehvorrichtung weist einen ersten Anschlag und einen zweiten Anschlag zur Begrenzung des Drehwinkels auf einen Winkelbereich kleiner als 180° auf. Als Folge kann die Steuerungsvorrichtung konstruktiv vereinfacht werden, da eine Fehlsteuerung der Drehvorrichtung nicht zu einer grundlegenden The rotating device has a first stop and a second stop for limiting the angle of rotation to an angular range of less than 180 °. As a result, the control device can be simplified structurally, since a malfunction of the rotary device is not a fundamental
Falschanströmung des für den Luv- und den Lee-Betrieb ausgelegten Rotors führen kann. Daher gefährdet ein Ausfall der Drehvorrichtung nicht die gesamte Anlage. Darüber hinaus resultiert aus der erfindungsgemäß vorgesehenen Teildrehung in einem Drehwinkelbereich kleiner als 180° eine konstruktive Vereinfachung der Antriebe und der Lagerung für die Drehvorrichtung. So kann die Linearbewegung eines Hydraulikzylinders mittels einer mechanischen Umlenkung zur Ausführung einer Drehung um einen begrenzten Winkelbereich verwendet werden. Außerdem können Ruder und Flossen an der Maschinengondel zum Antrieb der Incorrect flow of designed for the windward and leeward operation rotor can lead. Therefore, a failure of the rotating device does not endanger the entire system. In addition, resulting from the inventively provided partial rotation in a rotation angle range smaller than 180 °, a constructive simplification of the drives and the storage for the rotating device. Thus, the linear movement of a hydraulic cylinder can be used by means of a mechanical deflection to perform a rotation by a limited angular range. In addition, rudders and fins on the nacelle to drive the
Drehvorrichtung dienen, ohne dass diese eine große Auskraglänge in Lee-Richtung aufweisen, da durch die Anschläge der Drehvorrichtung die drehbare Turning serve, without that they have a large projecting length in the leeward direction, as by the stops of the rotating device, the rotatable
Kraftwerkskomponente durch die Vorgabe eines begrenzten Drehwinkel bereichs nicht gänzlich falsch zur Strömung stehen kann. Um die Ausführung des Power plant component by the specification of a limited rotation angle range can not be completely wrong to the flow. To the execution of the
Drehantriebs möglichst zu vereinfachen wird der Drehwinkelbereich der Rotary drive as possible to simplify the rotation angle range of
Drehvorrichtung möglichst eng gefasst und an den Anlagenstandort angepasst. Für eine bevorzugte Ausgestaltung ist der Drehwinkelbereich kleiner als 90° und besonders bevorzugt kleiner als 60°. Ferner werden der erste und zweite Anschlag bevorzugt entsprechend der Asymmetrie der Tidenströmung am Anlagenstandort eingestellt. Für asymmetrische Tidenellipsen mit einer Winkelabweichung kleiner als 30° von der 180°-Relativlage für die gemittelten Anströmungsrichtungen bei Ebbe einerseits und Flut andererseits ist ein Drehwinkelbereich kleiner als 45° vorteilhaft, da die Anlage zu den wesentlichen Hauptanströmungsrichtungen nachgeführt und die Drehvorrichtung konstruktiv einfach ausgeführt werden kann. Turning device as narrow as possible and adapted to the plant location. For a preferred embodiment, the rotation angle range is less than 90 ° and particularly preferably less than 60 °. Further, the first and second stops are preferably set according to the asymmetry of the tidal flow at the plant site. For asymmetric tidal ellipses with an angular deviation of less than 30 ° from the 180 ° relative position for the averaged directions at low tide on the one hand and high tide on the other hand, a rotation angle range is less than 45 ° advantageous because the system tracked to the main Hauptanströmungsrichtungen and the rotating device structurally simple can.
Für eine bevorzugte Ausgestaltung wird die umlaufende Einheit mit der For a preferred embodiment, the rotating unit with the
Axialturbine an einer Maschinengondel gelagert und die Drehvorrichtung zwischen der Maschinengondel und der Stützstruktur angeordnet. Demnach ist die von der Drehvorrichtung innerhalb des vorgegebenen Drehwinkelbereichs bewegte Axial turbine mounted on a nacelle and arranged the rotating device between the nacelle and the support structure. Accordingly, the moving of the rotating device within the predetermined rotation angle range
Kraftwerkskomponente die Maschinengondel. Entsprechend wird die Power plant component the engine nacelle. Accordingly, the
Rotationsachse der Axialturbine relativ zur Anströmungsrichtung nachgestellt. Als Anströmungsrichtung wird dabei eine Hauptanströmungsrichtung angenommen, die im Rotorkreis der Axialturbine eine Mittelung des Strömungsfelds darstellt. Eine mögliche Ausführungsform der Drehvorrichtung umfasst eine Drehachse, die horizontal verläuft und die senkrecht zur Rotationsachse der Axialturbine steht. Für eine Ausgestaltung mit einer Maschinengondel und einer daran gelagerten Axialturbine besteht so die Möglichkeit, durch eine begrenzte Kippbewegung der Maschinengondel die Rotationsachse der Axialturbine von der Rotary axis of the axial turbine adjusted relative to the direction of flow. As flow direction while a Hauptanströmungsrichtung is assumed, which represents an averaging of the flow field in the rotor circuit of the axial turbine. A possible embodiment of the rotating device comprises a rotation axis which extends horizontally and which is perpendicular to the axis of rotation of the axial turbine. For an embodiment with a nacelle and an axial turbine mounted thereon, it is possible by a limited tilting movement of the nacelle, the axis of rotation of the axial turbine of the
Hauptanströmungsrichtung wegzuführen, um zur Anlagenabregelung die  Main direction of flow away, in order to plant shutdown the
Rotorkennlinie zu verändern. Hierzu wird bevorzugt eine Change rotor characteristic. For this purpose, a preferred
Überlastdetektionseinrichtung am Kraftwerk verwendet, die mit einer Overload detection device used at the power plant with a
Steuerungseinrichtung für die Drehvorrichtung in Verbindung steht. Control device for the rotating device is in communication.
Zur effizienten Energieausnutzung an einem Standort mit einer unsymmetrischen Tidenellipse wird eine Drehvorrichtung mit einer vertikal verlaufenden und senkrecht zur Rotationsachse der Axialturbine stehenden Drehachse bevorzugt. Diese ermöglicht, eine wetterbedingte Variation der Hauptanströmungsrichtung sowie standortspezifische Richtungsabweichungen einer ein- oder auslaufenden Tidenströmung auszugleichen, die durch das Relief am Gewässergrund verursacht werden. Zu diesem Zweck umfasst das Kraftwerk eine Strömungsmessvorrichtung zur Bestimmung der aktuell vorliegenden Hauptanströmungsrichtung, die mit einer Steuerungseinrichtung für die Drehvorrichtung in Verbindung steht. For efficient energy utilization at a location with an asymmetrical Tidenellipse a rotary device with a vertically extending and perpendicular to the axis of rotation of the axial turbine axis of rotation is preferred. This makes it possible to compensate for a weather-related variation of the main flow direction as well as site-specific directional deviations of an incoming or outgoing tidal flow, which are caused by the relief at the water bottom. For this purpose, the power plant comprises a flow measuring device for determining the currently present main flow direction, which communicates with a control device for the rotary device.
Für die Strömungsmessvorrichtung werden bevorzugt verteilte Sensoren und/oder Volumenmessmethoden angewandt, um die Strömungsverhältnisse über die gesamte vom Rotor überstrichene Fläche zu erfassen oder hinreichend genau abschätzen zu können. Hierzu kommt ein Sonar, ein Ultraschall-Doppler-Profil- Strömungsmesser (ADCP) oder ein Laser-Doppler-Anemometer in Frage. Ferner können zur Vermessung des Strömungsfelds Wirbeldurchflussmesser, Distributed sensors and / or volume measurement methods are preferably used for the flow measuring device in order to be able to detect the flow conditions over the entire area swept by the rotor or to estimate them with sufficient accuracy. For this purpose, a sonar, an ultrasonic Doppler profile flow meter (ADCP) or a laser Doppler anemometer in question. Further, for measuring the flow field, vortex flowmeters,
Staudruckrohre, Differentialdrucksensoren oder indirekte Messsysteme wie Back pressure pipes, differential pressure sensors or indirect measuring systems such as
Dehnungsmessstreifen an den von der Strömung beaufschlagten Bereichen verwendet werden. Die sensorischen Komponenten werden bevorzugt um die Anlage oder auf ortsfesten Anlagenteilen, wie der Stützstruktur, angeordnet. Sie können aber auch auf mitbewegten Anlagenkomponenten wie der Haube des Rotors, dem Kopplungsanschluss zum Turm oder der Maschinengondel platziert werden. Des Weiteren werden die Messwerte auf einer Zeitskala von mehreren Minuten gemittelt und auf das Auftreten von Strömungsanomalien, etwa die Ausbildung von Wirbeln, hin untersucht. Außerdem kann zur Steuerung der Drehvorrichtung ein standortangepasstes Gezeitenmodell hinterlegt werden. Dies basiert auf einer Gezeitenvoraussage, ausgehend vom Mondkalender für den vorliegenden Strain gauges are used at the areas acted upon by the flow. The sensory components are preferably arranged around the plant or on stationary plant parts, such as the support structure. she However, they can also be placed on moving system components such as the hood of the rotor, the coupling connection to the tower or the machine nacelle. Furthermore, the measured values are averaged on a time scale of several minutes and examined for the occurrence of flow anomalies, such as the formation of vertebrae. In addition, a location-adapted tidal model can be stored for controlling the turning device. This is based on a tide prediction, based on the lunar calendar for the present
Standort, die durch standortspezifische Korrekturen verfeinert ist. Die Location refined by site-specific fixes. The
standortspezifischen Korrekturen können im Betrieb aus den akkumulierten Messdaten der tatsächlichen Anströmung bestimmt werden. Denkbar ist ferner, Daten aus der Energiegewinnung der Anlage sowie die Zeiten zu denen der Anlagenstillstand eintritt zur Bestimmung der Korrekturfaktoren heranzuziehen. Darüber hinaus ist eine Steuerung der Drehvorrichtung denkbar, die die Anlage so ausrichtet, dass die Ausgangsleistung optimiert wird. Hierzu kann ein MPP-Regler verwendet werden. Site-specific corrections can be determined during operation from the accumulated actual flow data. It is also conceivable to use data from the energy production of the plant and the times at which the plant standstill occurs to determine the correction factors. In addition, a control of the rotating device is conceivable, which aligns the system so that the output power is optimized. For this an MPP controller can be used.
Für eine Weitergestaltung der Erfindung erfolgt durch die Drehvorrichtung kein Lagewechsel der Rotationsachse der Axialturbine relativ zum ortsfesten System. Stattdessen steht die Drehvorrichtung mit einer Kraftwerkskomponente in For a further embodiment of the invention is carried out by the rotating device no change in position of the axis of rotation of the axial turbine relative to the stationary system. Instead, the rotary device stands with a power plant component in
Verbindung, die einem die Axialturbine umhüllenden Strömungsgehäuse zugeordnet ist. Ausgangspunkt ist demnach eine Mantelturbine mit einer von einem Strömungsgehäuse umschlossenen Axialturbine. Bevorzugt ist eine bewegliche Ausbildung der Zu- und Abströmungsbereiche des A compound associated with a flow surrounding the axial turbine flow housing. The starting point is therefore a shell turbine with an axial turbine enclosed by a flow housing. Preferred is a movable design of the inflow and outflow areas of the
Strömungsgehäuses, sodass diese relativ zu einer variierenden Flow housing, so that this relative to a varying
Hauptanströmungsrichtung einstellbar sind. Denkbar ist auch die Drehung des gesamten Strömungsgehäuses oder eine Verdrehung von Komponenten eines der Axialturbine vor- oder nachgeschalteten Leitapparats. Erfindungsgemäß ist der Drehwinkel für die jeweilige Kraftwerkskomponente auf einen Winkelbereich kleiner als 180° beschränkt, sodass sich die Durchströmung an der Axialturbine bei einem Tidenwechsel umkehrt. Main flow direction are adjustable. Also conceivable is the rotation of the entire flow housing or a rotation of components of the axial turbine upstream or downstream nozzle. According to the invention, the angle of rotation for the respective power plant component is on an angular range is limited to less than 180 °, so that the flow at the axial turbine reverses in a Tidenwechsel.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit Figurendarstellungen genauer erläutert, die Folgendes darstellen: The invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in connection with figure representations, which represent the following:
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftwerk gemäß der Schnittansicht A-A aus Figur 2. 1 shows an inventive power plant according to the sectional view A-A of Figure 2.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftwerks in Figure 2 shows an embodiment of a power plant according to the invention in
Seitenansicht.  Side view.
Figur 3 zeigt eine asymmetrische Tidenellipse. FIG. 3 shows an asymmetrical tidal ellipse.
Figuren 4a, 4b zeigen das Kraftwerk aus Figur 1 für unterschiedliche Figures 4a, 4b show the power plant of Figure 1 for different
Anströmungsbedingungen.  Anströmungsbedingungen.
Figuren 5a, 5b zeigen eine Ausführungsalternative eines erfindungsgemäßen Figures 5a, 5b show an alternative embodiment of an inventive
Kraftwerks in Seitenansicht im Normalbetrieb und in  Power plant in side view in normal operation and in
Überlaststellung.  Overload position.
Figur 2 zeigt schematisch vereinfacht ein erfindungsgemäßes Kraftwerk in FIG. 2 schematically shows in simplified form a power plant according to the invention
Seitenansicht. Dargestellt ist eine an einer Maschinengondel 8 gelagerte Side view. Shown is a mounted on a nacelle 8
Axialturbine 4. Dabei weist die Axialturbine 4 eine horizontale Drehachse 5 auf, die parallel zur Hauptanströmungsrichtung 2 ausgerichtet wird. Die Axial turbine 4. In this case, the axial turbine 4 has a horizontal axis of rotation 5, which is aligned parallel to the main flow direction 2. The
Hauptanströmungsrichtung 2 stellt eine geschwindigkeitsgewichtete Mittelung der Anströmung in jenem Bereich dar, der durch den Rotorkreis der Axialturbine 4 festgelegt wird. Wie durch den Doppelpfeil skizziert, liegt eine variierende Main flow direction 2 represents a velocity-weighted averaging of the flow in the region which is defined by the rotor circle of the axial turbine 4. As sketched by the double arrow, there is a varying
Hauptanströmungsrichtung 2 im Sinne eines zyklischen Wechsels der Hauptanströmungsrichtung 2 in the sense of a cyclic change of
Strömungsrichtung vor, die die Axialturbine 4 wechselnd im Luv- und im Lee- Betrieb antreibt. Entsprechend werden die Rotorblätter 6.1, 6.2, die drehstarr an einem Rotorkopf 7 der umlaufenden Einheit 3 der Axialturbine 4 befestigt sind, als bidirektional anströmbare Rotorblätter 6.1, 6.2 ausgelegt. Das hierfür notwendige bidirektional anströmbare Profil, typischerweise ein doppeJtachssymmetrisches oder S-schlagförmiges Profil, zieht sich wenigstens über einen Teilbereich der Längserstreckung des Blatts. Direction of flow that drives the axial turbine 4 alternately in windward and in lee mode. Accordingly, the rotor blades 6.1, 6.2, which are fixed in a torsionally rigid manner to a rotor head 7 of the rotating unit 3 of the axial turbine 4, are designed as bidirectionally drivable rotor blades 6.1, 6.2. The necessary bidirectionally flowable profile, typically a double-symmetrical or S-shaped profile, extends at least over a partial region of the longitudinal extension of the sheet.
Erfindungsgemäß ist für eine für den kombinierten Luv- und Lee-Betrieb ausgelegte Anlage eine zusätzliche Drehvorrichtung 13 vorgesehen, die eine Teildrehung der Maschinengondel 8 ermöglicht. Die Drehung erfolgt um die Anlagenhochachse, die vorliegend die Drehachse 20 bildet. Wie dargestellt, liegt die Schnittstelle zwischen dem drehenden Teil 18 der Anlage und dem ortsfesten Teil 27 an einem Turmadapter an der Maschinengondel 8, der an einer According to the invention, an additional turning device 13 is provided for a system designed for the combined windward and leeward operation, which allows a partial rotation of the machine nacelle 8. The rotation takes place about the plant vertical axis, which in the present case forms the axis of rotation 20. As shown, the interface between the rotating part 18 of the plant and the fixed part 27 is located on a tower adapter on the nacelle 8, which is at a
Kopplungsvorrichtung 12 auf ein Stützelement 9 aufgesetzt ist. Dabei ruht das Stützelement 9 auf einem Fundamentteil 10, durch das die Abstützung am Coupling device 12 is placed on a support member 9. In this case, the support element 9 rests on a foundation part 10, through which the support on
Gewässergrund 11 bewirkt wird. River bottom 11 is effected.
In Figur 2 ist ferner eine Strömungsmessvorrichtung 21 am ortsfesten Teil 27 skizziert, die zur Erfassung der Hauptanströmungsrichtung 2 dient. Die FIG. 2 also outlines a flow measuring device 21 on the stationary part 27, which serves to detect the main flow direction 2. The
Messsignale werden an eine Steuerungseinrichtung 22 übermittelt, die zur Measuring signals are transmitted to a control device 22, which for
Steuerung und/oder Regelung des Drehantriebs 23 für die Dreh Vorrichtung 13 vorgesehen ist. Control and / or regulation of the rotary drive 23 for the rotary device 13 is provided.
Figur 1 zeigt den Schnitt A-A aus Figur 2, wobei zur Verdeutlichung der Figure 1 shows the section A-A of Figure 2, wherein for clarity of the
Drehvorrichtung 13 lediglich die Drehwinkelbegrenzungseinrichtung vereinfacht skizziert ist. Dargestellt sind ein erster Anschlag 15 und ein zweiter Anschlag 16 am ortsfesten Teil 27. Diese wirken mit einem Vorsprung 19 am drehenden Teil zur Begrenzung eines Drehwinkelbereichs 17 für die Drehvorrichtung 13 Turning device 13 only the rotation angle limiting device is simplified outlined. Shown are a first stop 15 and a second stop 16 on the stationary part 27. These act with a projection 19 on the rotating part for limiting a rotation angle range 17 for the rotating device 13
zusammen. Für die vorliegende Ausgestaltung ergibt sich für die Maschinengondel 8 ein Drehwinkelbereich 17 von 90° um die Drehachse 20. Durch einen im together. For the present embodiment results for the nacelle 8, a rotation angle range 17 of 90 ° about the axis of rotation 20. By a in the
Einzelnen in Figur 1 nicht dargestellten Drehantrieb kann eine Individual rotary drive, not shown in Figure 1, a
Anlagennachführung innerhalb des Drehwinkelbereichs 17 ausgeführt werden. Plant tracking within the rotation angle range 17 are performed.
Die in Figur 1 skizzierte Hauptanströmungsrichtung 2 zeigt für eine Luv- oder Lee- Anströmung einen Relativwinkel 14 zur Rotationsachse 5 der Axialturbine 4, der durch die Drehvorrichtung 13 zurückgeführt werden kann. Solche Variationen der Hauptanströmungsrichtung 2, die für Gezeiten an bestimmten Anlagenstandorten auftreten können, sind in Figur 3 gezeigt - illustriert ist eine asymmetrische Tidenellipse. Dabei kann die Hauptanströmungsrichtung innerhalb einer The main flow direction 2 sketched in FIG. 1 shows a relative angle 14 to the axis of rotation 5 of the axial turbine 4 for a windward or leeward flow, which can be recirculated through the rotary device 13. Such variations of the main inflow direction 2 which may occur for tides at certain plant locations are shown in Figure 3 - illustrated is an asymmetric tidal ellipse. In this case, the main flow direction within a
Tidenphase aufgrund standortspezifischer Gegebenheiten oder bedingt durch Wettereinflüsse variieren. Dies ist in Figur 3 anhand der Tidal phase due to site-specific conditions or due to weather conditions vary. This is shown in FIG
Hauptanströmungsrichtungen 2.1, 2.2, 2.3 für die Flutphase und der Main flow directions 2.1, 2.2, 2.3 for the flood phase and the
Hauptanströmungsrichtungen 2.4, 2.5, 2.6 für die Ebbephase dargestellt.  Main inflow directions 2.4, 2.5, 2.6 are shown for the ebb phase.
Ersichtlich ist ferner, dass die der Ebbe und der Flut zugeordneten Teile der Tidenellipse nicht symmetrisch angelegt sind, wobei sich eine solche It can also be seen that the parts of the tidal ellipse associated with the ebb and the tide are not symmetrical, with one such
Strömungscharakteristik aus dem am Gewässergrund vorliegenden Relief und dem Verlauf der Küstenlinie sowie dem Standort vor- oder nachgelagerten Inseln oder seetechnischen Bauwerken ergibt. Flow characteristic of the present at the river bottom relief and the course of the coastline and the location upstream or downstream islands or marine engineering structures results.
In den Figuren 4a und 4b ist die Anlagenstellung für zwei unterschiedliche In Figures 4a and 4b, the plant position for two different
Anströmungssituationen dargestellt. In Figur 4a führt die vorliegende Flowing situations shown. In Figure 4a, the present leads
Hauptanströmungsrichtung 2.7 zu einem Lee-Betrieb der Anlage, wie dargestellt verlaufen die Rotationsachse 5 und die Hauptanströmungsrichtung 2.7 parallel. Figur 2.8 zeigt das Kraftwerk 1 im Luv-Betrieb und in einer durch die Main flow direction 2.7 to a leeward operation of the system, as shown, the axis of rotation 5 and the main flow direction 2.7 are parallel. Figure 2.8 shows the power plant 1 in windward operation and in a by the
Drehvorrichtung 13 nachgeführten Stellung. Dabei liegt ein Relativwinkel 14 zwischen der Rotationsachse 5 und der Hauptanströmungsrichtung 2.8 vor. Dieser wird vorzugsweise auf einer Zeitskala von einigen Minuten durch die Drehvorrichtung 13 korrigiert, wobei eine zeitliche Mittelung und eine Filterung für die Messdaten der Hauptanströmungsrichtung 2.8 zugrundegelegt werden. Turning device 13 tracked position. In this case, there is a relative angle 14 between the rotation axis 5 and the main flow direction 2.8. This is preferably on a time scale of a few minutes through the Rotary device 13 corrected, with a time averaging and filtering for the measurement data of the main flow direction 2.8 are based.
Eine vereinfachte Ausführung der Erfindung ist in den Figuren 5a, 5b skizziert. Gezeigt ist ein erfindungsgemäßes Kraftwerk in Seitenansicht in zwei A simplified embodiment of the invention is outlined in FIGS. 5a, 5b. Shown is a power plant according to the invention in side view in two
unterschiedlichen Betriebsstellungen. Vorliegend weist die Drehvorrichtung 13 eine horizontal verlaufende Drehachse 20.2 auf, die eine Kippbewegung der different operating positions. In the present case, the rotating device 13 has a horizontally extending axis of rotation 20.2, which is a tilting movement of the
Maschinengondel 8 am Turmadapter, der den ortsfesten Teil 27 bildet, ermöglicht. In Figur 5a liegt die Maschinengondel 8 an einem ersten Anschlag 15.1 der Drehvorrichtung 13 an und befindet sich in Betriebsstellung. Skizziert ist eine wechselnde Hauptanströmungsrichtung 2, die zu einer bidirektionalen Anströmung an der Axialturbine 4 und zu einem kombinierten Luv- und Lee-Betrieb führt. Machine nacelle 8 on the tower adapter, which forms the stationary part 27 allows. In Figure 5a, the nacelle 8 abuts a first stop 15.1 of the rotating device 13 and is in the operating position. Outlined is an alternating main flow direction 2, which leads to a bidirectional flow at the axial turbine 4 and to a combined windward and leeward operation.
Mittels einer Überlastdetektionseinrichtung 24, die mit den Überlastsensoren 25.1, 25.2 in Verbindung steht, wird das Strömungsfeld vermessen. Im Fall einerBy means of an overload detection device 24, which is in communication with the overload sensors 25.1, 25.2, the flow field is measured. In the case of one
Hauptanströmungsrichtung 2, deren Geschwindigkeit oberhalb eines festgelegten Schwellwerts liegt, wird zur Entlastung der Axialturbine 4 eine Kippbewegung der Maschinengondel 8 um die Drehachse 20 bis zum Erreichen des zweiten Anschlags 16.1 bewirkt. Diese in Figur 5a dargestellte Betriebsstellung führt zu einer Hauptanströmungsrichtung 2, the speed is above a predetermined threshold, is effected to relieve the axial turbine 4, a tilting movement of the machine nacelle 8 about the rotation axis 20 until reaching the second stopper 16.1. This operating position shown in Figure 5a leads to a
Schräganströmung, die die Lasten an den Rotorblättern 6.1, 6.2 verringert. Die Lastreduktion beruht auf einer Verkleinerung der Projektionsfläche des Oblique flow, which reduces the loads on the rotor blades 6.1, 6.2. The load reduction is based on a reduction of the projection area of the
Rotorkreises auf eine zur Hauptanströmungsrichtung 2 senkrechte Ebene. Ferner führt die Schräganströmung zu einer Veränderung der Rotorkennlinie die die Leistungsaufnahme und die Rotorlasten verändert. Der für diese Ausführung zur Anlagenabregelung von der Drehvorrichtung 13 eingestellte Relativwinkel 14 zwischen der Rotationsachse 5 und der Hauptanströmungsrichtung 2 entspricht dem durch die Lage des ersten Anschlags 15.1 und des zweiten Anschlags 16.1 festgelegten Drehwinkelbereich, der vorliegend kleiner als 45° ist. Zur Überführung der Maschinengondel 8 von der in Figur 5a gezeigten Rotor circuit on a plane perpendicular to the main flow direction 2 level. Furthermore, the oblique flow leads to a change in the rotor characteristic which changes the power consumption and the rotor loads. The relative angle 14 between the rotation axis 5 and the main flow direction 2 set for this embodiment for system regulation by the rotary device 13 corresponds to the rotational angle range defined by the position of the first stop 15.1 and the second stop 16.1, which is less than 45 ° in the present case. To transfer the nacelle 8 from that shown in Figure 5a
Betriebsstellung zu der durch Figur 5b illustrierten, abgeregelten Stellung, kann ein Auftriebstank 26 in der Maschinengondel 8 verwendet werden. Durch das Ausblasen des Auftriebstanks 26 entsteht ein positiver Auftrieb, der die Operating position to the illustrated in Figure 5b, regulated position, a buoyancy tank 26 in the nacelle 8 can be used. By blowing out the buoyancy tank 26 creates a positive buoyancy, the
Maschinengondel 8 mitsamt der Axialturbine 4 in die in Figur 5b gezeigte, teilaufgerichtete Stellung dreht. Das aufrichtende Moment muss so hinreichend groß sein, dass auch der Staudruck einer Lee-Anströmung die Maschinengondel 8 nicht zum ersten Anschlag 15.1 zurückführt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Schutzansprüchen. Machine nacelle 8 rotates together with the axial turbine 4 in the partially raised position shown in Figure 5b. The righting moment must be sufficiently large that the back pressure of a leeward flow does not return the nacelle 8 to the first stop 15.1. Further embodiments of the invention will become apparent from the following claims.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
Kraftwerk power plant
..,2.8 Hauptanströmungsrichtung  .., 2.8 Main flow direction
3 umlaufende Einheit  3 revolving unit
4 Axialturbine  4 axial turbine
5 Rotationsachse  5 rotation axis
6.1, 6.2 Rotorblatt  6.1, 6.2 Rotor blade
7 Rotorkopf  7 rotor head
8 Maschinengondel  8 nacelle
9 Stützelement  9 support element
10 Fundamentteil  10 foundation part
11 Gewässergrund  11 body of water
12 Kopplungsvorrichtung  12 coupling device
13 Drehvorrichtung  13 turning device
14 Relativwinkel  14 relative angle
15, 15.1 erster Anschlag  15, 15.1 first stop
16, 16.1 zweiter Anschlag  16, 16.1 second stop
17 Drehwinkelbereich  17 rotation angle range
18 drehender Teil  18 rotating part
19 Vorsprung  19 advantage
20, 20.2 Drehachse  20, 20.2 axis of rotation
21 Ström u ngsmessvorrichtu ng  21 flow measuring device
22 Steuerungseinrichtung  22 control device
23 Drehantrieb  23 rotary drive
24 Überlastdetektionseinrichtung 24 Overload detection device
25.1, 25.2 Überlastsensoren 25.1, 25.2 Overload sensors
26 Auftriebstank  26 buoyancy tank
27 ortsfester Teil  27 stationary part
28 Tidenellipse  28 tidal ellipse

Claims

Patentansprüche  claims
1. Kraftwerk zur Energiegewinnung aus einer Gewässerströmung mit einer variierenden Hauptanströmungsrichtung (2), umfassend A power plant for generating energy from a stream of water having a varying main flow direction (2), comprising
1.1 eine umlaufende Einheit (3) mit einer Axialturbine (4), der eine  1.1 a peripheral unit (3) with an axial turbine (4), the one
Rotationsachse (5) zugeordnet ist und die wenigstens ein Rotorblatt (6.1, 6.2) umfasst;  Is associated with rotation axis (5) and the at least one rotor blade (6.1, 6.2) comprises;
1.2 wobei das Rotorblatt (6.1, 6.2) drehstarr an einem Rotorkopf (7) der  1.2 wherein the rotor blade (6.1, 6.2) rotationally fixed to a rotor head (7) of the
umlaufenden Einheit (3) befestigt ist; und  encircling unit (3) is attached; and
1.3 wobei das Rotorblatt (6.1, 6.2) für den Luv- und Lee-Betrieb wenigstens über einen Teilbereich seiner Längserstreckung ein bidirektional  1.3 wherein the rotor blade (6.1, 6.2) for the windward and leeward operation at least over a portion of its longitudinal extent a bidirectional
anströmbares Profil aufweist;  having inflowable profile;
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
1.4 eine Drehvorrichtung (13) für eine Kraftwerkskomponente zur Einstellung eines Relativwinkels (14) zwischen der Rotationsachse (5) und der  1.4 a rotating device (13) for a power plant component for adjusting a relative angle (14) between the rotation axis (5) and the
Hauptströmungsrichtung (2) vorliegt, wobei der Drehvorrichtung (13) ein erster Anschlag (15) und ein zweiter Anschlag (16) zugeordnet sind, die den Bewegungsbereich der Drehvorrichtung (13) auf einen  Main direction of flow (2) is present, wherein the rotary device (13) is associated with a first stop (15) and a second stop (16), the movement range of the rotating device (13) to a
Drehwinkelbereich (17) kleiner als 180° beschränken.  Restrict rotation angle range (17) smaller than 180 °.
2. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Einheit (3) an einer Maschinengondel (8) gelagert ist, die von einem 2. Power plant according to claim 1, characterized in that the revolving unit (3) is mounted on a nacelle (8), which of a
Stützelement (9) getragen wird, wobei die Drehvorrichtung (13) zwischen der Maschinengondel (8) und dem Stützelement (9) angeordnet ist.  Support member (9) is supported, wherein the rotating device (13) between the nacelle (8) and the support element (9) is arranged.
3. Kraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die 3. Power plant according to claim 2, characterized in that the
Drehvorrichtung (13) eine Drehachse (20.2) umfasst, die horizontal verläuft und welche senkrecht zur Rotationsachse (5) der Axialturbine (4) steht. Kraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehvorrichtung (13) eine Drehachse (20) umfasst, die vertikal verläuft senkrecht zur Rotationsachse (5) der Axialturbine (4) steht. Turning device (13) comprises a rotation axis (20.2) which extends horizontally and which is perpendicular to the axis of rotation (5) of the axial turbine (4). Power plant according to claim 2, characterized in that the rotary device (13) comprises a rotation axis (20) which extends vertically to the axis of rotation (5) of the axial turbine (4).
Kraftwerk nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch Power plant according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die Axialturbine (4) frei von der Gewässerströmung umströmt wird und die Drehvorrichtung (13) so angelegt ist, dass die Lage der Rotationsachse (5) innerhalb des Drehwinkelbereichs (17) einstellbar ist.  characterized in that the axial turbine (4) is flowed around freely of the water flow and the rotating device (13) is arranged so that the position of the rotation axis (5) within the rotation angle range (17) is adjustable.
Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialturbine (4) von einem Strömungsgehäuse umschlossen ist und die Drehvorrichtung (13) so angelegt ist, dass die Lage wenigstens einer Strömungsgehäusekomponente einstellbar ist. Power plant according to one of claims 1 - 4, characterized in that the axial turbine (4) is enclosed by a flow housing and the rotating device (13) is applied so that the position of at least one flow housing component is adjustable.
7. Kraftwerk nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch 7. Power plant according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass das Kraftwerk eine Strömungsmessvorrichtung (21) zur Bestimmung der Hauptanströmungsrichtung (2) umfasst, die mit einer Steuerungseinrichtung (22) für die Drehvorrichtung (13) in Verbindung steht.  in that the power plant comprises a flow measuring device (21) for determining the main flow direction (2), which is connected to a control device (22) for the rotary device (13).
8. Kraftwerk nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch 8. Power plant according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass das Kraftwerk eine Überlastdetektionseinrichtung (24) umfasst, die mit einer Steuerungseinrichtung (22) für die Drehvorrichtung (13) in Verbindung steht.  characterized in that the power plant comprises an overload detection device (24) which is connected to a control device (22) for the rotary device (13).
9. Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerks für die Energiegewinnung aus einer Gewässerströmung mit einer variierenden Hauptanströmungsrichtung (2) mit einer umlaufenden Einheit (3) umfassend eine Axialturbine (4), der eine Rotationsachse (5) zugeordnet ist und die wenigstens ein Rotorblatt (6.1, 6.2) umfasst, wobei das Rotorblatt (6.1, 6.2) drehstarr an dem Rotorkopf (7) der umlaufenden Einheit (3) befestigt ist; und 9. A method for operating a power plant for the production of energy from a stream of water with a varying main direction of flow (2) with a rotating unit (3) comprising an axial turbine (4), which is associated with a rotation axis (5) and the at least one rotor blade (6.1, 6.2), wherein the rotor blade (6.1, 6.2) rotationally fixed to the rotor head (7) of the rotating Unit (3) is attached; and
wobei das Rotorblatt (6.1, 6.2) für den Luv- und Lee-Betrieb über wenigstens einen Teilbereich seiner Längserstreckung ein bidirektional anströmbares Profil aufweist; wherein the rotor blade (6.1, 6.2) for the windward and leeward operation over at least a portion of its longitudinal extension has a bi-directional inflow profile;
mit dem Verfahrensschritt with the process step
einer Einstellung eines Relativwinkels (14) zwischen der Rotationsachse (5) und der Hauptanströmungsrichtung (2) mittels einer Drehvorrichtung (13), der ein erster Anschlag (15) und ein zweiter Anschlag (16) zugeordnet sind, wobei die Einstellung des Relativwinkels (14) in einem Drehwinkelbereich (17) ausgeführt wird, der durch den ersten Anschlag (15) und den zweiten Anschlag (16) auf einen Winkelbereich kleiner als 180° beschränkt ist. a setting of a relative angle (14) between the rotation axis (5) and the main flow direction (2) by means of a rotating device (13), which are associated with a first stop (15) and a second stop (16), wherein the setting of the relative angle (14 ) is performed in a rotation angle range (17) which is limited by the first stop (15) and the second stop (16) to an angular range smaller than 180 °.
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