Strömungskraftwerk
Die Erfindung betrifft ein Strömungskraftwerk zur Stromerzeugung mit mindestens einer Strömungskraftmaschine, die ein Fundament aufweist und einen an dem Fundament verankerten Mast, einen an dem Mast um den Mast rotierbar angebrachten Vertikalachsenrotor, mittels dessen eine Ausgangswelle antreibbar ist, und einen zur Stromerzeugung mit der Ausgangswelle verbundenen Generator.
Strömungskraftwerke mit Vertikalachsenrotoren der vorbeschriebenen Art sind beispielsweise aus DE 10105570 B4 bekannt. Gegenüber allgemein bekannten Horizontalachsenrotoren (sogenannten „Windmühlen") sind Vertikalachsenrotoren durch ihre quer zur Strömungsrichtung liegende Rotationsachse im Betrieb von dieser grundsätzlich unabhängig, müssen also nicht mittels aufwändiger Technik „in den Wind" nachgeführt werden. Sie sind so nicht nur mechanisch einfacher und damit wartungsfreundlicher. Mit ihren nicht radial, sondern parallel zur Rotationsachse angeordneten Rotorblättern zeichnen sie sich durch einen deutlich kompakteren Aufbau aus und sind gegenüber schnell wechselnden Strömungsgeschwindigkeiten und -richtungen deutlich unempfindlicher.
Ein großes Energiepotential für Strömungskraftwerke liegt wegen der dort auftretenden hohen Windgeschwindigkeiten im Of fshore-B ereich der Kontinente. Aufgrund der eingeschränkten Zugänglichkeit gegenüber Strömungskraftwerken auf dem Land kommen hier die prinzipbedingten Vorteile von Vertikal- gegenüber Horizontalrotoren - einfacher Aufbau, Unempfindlichkeit und Wartungsfreundlichkeit - besonders zum Tragen.
Solche Strömungskraftwerke und Strömungskraftmaschinen offenbaren beispielsweise DE 197 14 512 Al, DE 38 32 851 Al, EP 1 096 144 A2 und DE 202 06 234 Ul. Letztere schlägt vor, mit zwei Vertikalachsenrotoren ein autonome, schwimmfähige Meerwasserentsalzungsanlage zu betreiben. Die Vertikalachsenrotoren sind übereinander an einer äußeren und einer inneren Hohlwelle befestigt und treiben einen als Gegengewicht unter Wasser angeordneten Generator an, der die elektrische Energie für die integrierte Entsalzung liefert.
Im weiteren technologischen Umfeld der Erfindung offenbart FR 2 818 326 Al ein windgetriebenes, schwimmfähiges Rührwerk für die Belüftung eines Gewässers: Zwei
übereinander an einer äußeren Hohlwelle und einer inneren Welle befestigte, gegenläufig rotierende Vertikalachsenrotoren treiben unmittelbar jeweils einen von zwei Rührern an.
Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Strömungskraftwerk bereitzustellen, das sich bei einfachem Aufbau durch eine hohe Leistungsausbeute auszeichnet.
Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Vertikalachsenrotor (29) unterhalb einer Wasserlinie angeordnet ist. Durch die Ausnutzung der im Vergleich zu strömender Luft signifikant höheren Strömungsenergie eines strömenden Fließgewässers wird die Leistungsausbeute des Strömungskraftwerks auf besonders einfache Weise gesteigert.
In einem erfindungsgemäßen Strömungskraftwerk kann der Vertikalachsenrotor insbesondere in einem von dem Wasser durchströmten Kanal oder Rohr angeordnet sein. In einer Vielzahl fluidtechnischer Anwendungen - beispielsweise in Bewässerungs- und Abwasserkanälen sowie in Zuläufen von Kläranlagen treten hohe Strömungsgeschwindigkeiten auf, die durch Einbauten in den Fließquerschnitt gedrosselt werden. Die überschüssige Strömungsenergie wird im Stand der Technik in Wärme umgewandelt - ein erfindungsgemäßes Strömungskraftwerk ermöglicht mit geringem technischem Aufwand die Umwandlung in technisch nutzbare elektrische Energie.
In gleicher Weise kann ein erfindungsgemäßes Strömungskraftwerk auch in einem strömenden, natürlichen Fließgewässer - insbesondere in einem Flusslauf, in einem Meeresstrom oder in einer Tidenströmung - zum Einsatz kommen, um die jeweilige Strömungsgeschwindigkeit gezielt zu reduzieren und/oder die Strömungsenergie technisch nutzbar zu machen.
Besonders bevorzugt ist in einem erfindungsgemäßen Strömungskraftwerk der
Vertikalachsenrotor ein Auftriebsläufer, wie er - für Windkraftmaschinen - aus
DE 101 05 570 Al bekannt ist. Der Wirkungsgrad in der Umsetzung der Strömungsenergie
des Fließgewässers in technisch nutzbare Energie wird so gegenüber Widerstandsläufern signifikant gesteigert.
In einer Strömungskraftmaschine eines erfindungsgemäßen Strömungskraftwerks kann vorzugsweise an dem Mast um den Mast rotierbar ein weiterer Vertikalachsenrotor angebracht werden, mittels dessen eine weitere Ausgangswelle zur Stromerzeugung antreibbar ist. So wird der Energieertrag mit gleich bleibendem Anschlussaufwand verdoppelt. Die Vertikalachsenrotoren können als Module gefertigt und angeboten werden.
An einem solchen Strömungskraftmaschine eines erfindungsgemäßen Strömungskraftwerks kann insbesondere der Generator zwischen dem Vertikalachsenrotor und dem weiteren Vertikalachsenrotor angeordnet sein und von beiden gemeinsam angetrieben werden. Die Strömungskraftmaschine eines solchen erfindungsgemäßen Strömungskraftwerks mit nur einem - gemeinsamen - Generator für beide Vertikalachsenrotoren ist in Bezug auf die Generator- und Wandlertechnik nicht komplexer als eine (bekannte) Strömungskraftmaschine mit einem einzigen Rotor.
Vorzugsweise ist an einer solchen Strömungskraftmaschine aus Rotor und Stator des Generators jeweils einer mit der Ausgangswelle und ein anderer mit der weiteren Ausgangswelle - also der Rotor mit der Ausgangswelle und der Stator mit der weiteren Ausgangswelle oder umgekehrt - verbunden und mittels dieser antreibbar. Hierbei können entweder bereits die beiden Vertikalachsenrotoren gegenläufig um den Mast rotieren, oder die Rotationsrichtung einer der Ausgangswellen wird durch ein einfaches, zwischengeschaltetes Getriebe umgekehrt. Alternativ kann der Rotor eines einzelnen Generators (mit feststehendem Stator) über ein Differentialgetriebe von beiden Ausgangswellen gemeinsam angetrieben werden.
Weiterhin alternativ weist eine solche Strömungskraftmaschine einen mit der weiteren Ausgangswelle verbundenen weiteren Generator auf. Die Generatoren können so sehr nahe bei den jeweiligen Vertikalachsenrotoren angeordnet werden, um die erforderliche Länge der Ausgangswellen zu beschränken. Insbesondere kann ein Generatorgehäuse einer solchen Strömungskraftmaschine ohne separate Ausgangswelle unmittelbar mit dem Läufer eines Vertikalachsenrotors verbunden sein. Die Verbindung zwischen Rotorläufer
und Generatorgehäuse erfüllt dann die Funktion der Ausgangswelle - nämlich die Übertragung der Rotationsenergie des Rotorläufers auf den Generator.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Generator der Strömungskraftmaschine eines erfindungsgemäßen Strömungskraftwerks in dem Fundament angeordnet. Insbesondere im rauen Offshore-Betrieb ist der Generator so vor äußeren Einflüssen gut geschützt.
Besonders vorteilhafter Weise ist das Fundament der Strömungskraftmaschine eines erfindungsgemäßen Strömungskraftwerks ein Auftriebskörper, beispielsweise ein an oder oberflächennah unter der Oberfläche eines Gewässers schwimmender „Schwimmkörper". Da die Amplitude der Wellenbewegung exponentiell mit dem Abstand von der Wasseroberfläche sinkt, kann der Auftriebskörper eines solchen erfindungsgemäßen Strömungskraftwerks derart positioniert werden, dass die Wellenbewegung sich auf den Betrieb nicht relevant auswirkt. Eine erfindungsgemäß „schwimmende" Strömungskraftmaschine kann insbesondere mittels Spannseilen an Ankerpunkten beispielsweise auf dem Grund des Gewässers, also im Wesentlichen ohne Bauarbeiten unter Wasser installiert und beispielsweise auch bei wechselnden Wasserständen betrieben werden.
„Schwimmende" Strömungskraftmaschinen können vergleichsweise einfach für Wartung, Reparatur oder Austausch aus einem Strömungskraftwerk gelöst und an Land gebracht oder bedarfsweise zur Anpassung an geänderte Strömungsverhältnisse innerhalb eines Strömungskraftwerks umgesetzt, aus dem Strömungskraftwerk entfernt oder diesem hinzugefügt werden.
Ein erfindungs gemäßes Strömungskraftwerk weist mindestens eine erfindungsgemäße Strömungskraftmaschine auf. Das erfindungsgemäße Strömungskraftwerk zeichnet sich dann durch die vorstehend ausgeführten Vorteile der erfindungs gemäßen Strömungskraftmaschine aus.
In einem erfindungsgemäßen Strömungskraftwerk kann insbesondere in einer Offshore- Anwendung der Vertikalachsenrotor einer erfindungsgemäßen Strömungskraftmaschine in strömenden Gewässer, der weitere Vertikalachsenrotor der Strömungskraftmaschine in strömender Luft angeordnet sein. So nutzt der Vertikalachsenrotor die Strömungsenergie
des Gewässers (beispielsweise aufgrund Gezeiten) und der weitere Vertikalachsenrotor die Strömungsenergie der Luft.
Eine Strömungskraftmaschine eines erfindungsgemäßen Strömungskraftwerks kann beispielsweise im Boden des Gewässers fest verankert sein. Alternativ kann an einer solchen Strömungskraftmaschine einer der beiden Vertikalachsenrotoren oberhalb und der andere unterhalb eines als Auftriebskörper ausgebildeten Fundaments angeordnet sein. Auch Kombinationen dieser Bauweisen von Strömungskraftmaschinen in einem erfindungsgemäßen Strömungskraftwerk sind möglich.
In einem erfindungsgemäßen Strömungskraftwerk kann ein schwimmendes Fundament einer solchen Strömungskraftmaschine insbesondere mittels Spannseilen ausschließlich an anderen Strömungskraftmaschinen des Strömungskraftwerks verankert sein. Mindestens ein Fundament einer Strömungskraftmaschine in einem solchen erfindungsgemäßen Strömungskraftwerk muss aber mit dem Grund des Gewässers verbunden sein, um ein Abtreiben des Strömungskraftwerks zu vermeiden.
Durch ein solches erfindungsgemäßes Strömungskraftwerk werden die Verankerungspunkte am Meeresgrund und damit die erforderlichen Unterwasser- Bauarbeiten für die Installation eines erfindungsgemäßen Strömungskraftwerks deutlich reduziert.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine erste Strömungskraftmaschine,
Fig. 2 eine zweite Strömungskraftmaschine,
Fig. 3 eine dritte Strömungskraftmaschine,
Fig. 4 eine vierte Strömungskraftmaschine,
Fig. 5 a ein erstes erfindungsgemäßes Strömungskraftwerk in einer Seitenansicht und
Fig. 5b das erste erfindungsgemäße Strömungskraftwerk in einer Draufsicht,
Fig. 6 eine fünfte Strömungskraftmaschine,
Fig. 7 eine sechste Strömungskraftmaschine
Fig. 8 eine siebte Strömungskraftmaschine und
Fig. 9 ein zweites erfindungsgemäßes Strömungskraftwerk in einer Seitenansicht.
Die in Figur 1 gezeigte erste Strömungskraftmaschine 1 eines nicht weiter dargestellten erfindungsgemäßen Strömungskraftwerks weist ein - insbesondere gemauertes oder betoniertes - Fundament 2 am Grund 3 eines Gewässers 4 auf. An dem Fundament 2 ist ein vertikal verlaufender, über die Wasserlinie 5 des Gewässers 4 hinaus ragender Mast 6 der Strömungskraftmaschine 1 verankert.
An dem Mast 6 ist unterhalb der Wasserlinie 5 ein Vertikalachs enrotor 7 so angebracht, dass er von dem strömenden Gewässer 4 angetrieben und um den Mast 6 in Rotation versetzt wird. Unmittelbar unterhalb des Vertikalachsenrotors 7 ist an dem Mast 6 ein Generator 8 angebracht. Als Rotor des Generators 8 ist dessen Gehäuse unmittelbar mit dem Läufer des Vertikalachsenrotors 7, der Stator des Generators 8 ist mit dem Mast 6 verbunden.
Oberhalb der Wasserlinie 5 ist an dem Mast 6 ein weiterer Vertikalachsenrotor 9 so angebracht, dass er von der über dem Gewässer 4 strömenden Luft angetrieben und um den Mast 6 in Rotation versetzt wird. Unmittelbar unterhalb des weiteren Vertikalachsenrotors 9 ist an dem Mast 6 ein weiterer Generator 10 angebracht. Als Rotor des weiteren Generators 10 ist wiederum dessen Gehäuse unmittelbar mit dem Läufer des Vertikalachsenrotors 9, der Stator des weiteren Generators 10 ist mit dem Mast 6 verbunden.
Die Rotoren und Statoren der Generatoren 8 und 10 sowie die Läufer der Vertikalachsenrotoren 7 und 9 und deren Verbindung mit den Generatoren 8 und 10 sind nicht im Detail dargestellt.
Die in Figur 2 gezeigte zweite Strömungskraftmaschine 11 eines nicht weiter dargestellten erfindungsgemäßen Strömungskraftwerks weist ein aus einem Auftriebskörper 12 bestehendes Fundament 13 auf, das im Wesentlichen auf dem Niveau der Wasserlinie 5 des Gewässers 4 schwimmt und mittels Ankerseilen 14 am Grund 3 des Gewässers 4 verankert ist. An dem Fundament 13 ist ein vertikal verlaufender, über und unter die Wasserlinie 5 des Gewässers 4 ragender rohrförmiger Mast 15 der
Strömungskraftmaschine 11 verankert. Im Bereich des Fundaments 13 ist der Mast 15 zu einem Generatorgehäuse 16 erweitert.
Die Anordnung des Vertikalachsenrotors 17 und des weiteren Vertikalachsenrotors 18 entspricht der Anordnung bei der ersten Strömungskraftmaschine 1.
Unterhalb der Wasserlinie 5 ist in dem Generatorgehäuse 16 ein Generator 19 angebracht. Der Rotor des Generators 19 ist mit einer innerhalb des Masts 15 rotierbar gelagerten Ausgangswelle 20 des Vertikalachsenrotors 17, der Stator mit dem Mast 15 verbunden. Die Ausgangswelle 20 ist am offenen Ende des rohrförmigen Mantels des Masts 15 mit dem Vertikalachsenrotor 17 verdrehfest gekoppelt.
Oberhalb der Wasserlinie 5 ist in dem Generatorgehäuse 16 ein weiterer Generator 21 angebracht. Der Rotor des weiteren Generators 21 ist mit einer innerhalb des Masts 15 rotierbar gelagerten weiteren Ausgangswelle 22 des weiteren Vertikalachsenrotors 18, der Stator des weiteren Generators 21 mit dem Mast 15 verbunden.
Rotoren und Statoren des Generators 19 und des weiteren Generators 21 sind nicht im Detail dargestellt.
Die in Figur 3 gezeigte dritte Strömungskraftmaschine 23 weist wie die zweite Strömungskraftmaschine 11 ein aus einem Auftriebskörper 24 bestehendes, mittels Anker seilen 25 verankertes Fundament 26 und einen im Bereich des Fundaments zu einem Generatorgehäuse 27 erweiterten rohrförmigen Mast 28 auf.
Die Anordnung des Vertikalachsenrotors 29 und des weiteren Vertikalachsenrotors 30 sowie der Ausgangswelle 31 und der weiteren Ausgangswelle 32 entspricht der Anordnung bei der zweiten Strömungskraftmaschine 11.
In dem Generatorgehäuse 27 ist ein einzelner Generator 33 angebracht. Der Rotor des Generators 33 ist mit der Ausgangswelle 31, der Stator des Generators 33 mit der weiteren Ausgangswelle 32 verbunden. Der Stator des Generators 33 ist hierzu in dem Generatorgehäuse 27 um eine vertikale Achse rotierbar gelagert. Rotor und Stator des Generators 33 sind wiederum nicht dargestellt.
Der Vertikalachsenrotor 29 und der weitere Vertikalachsenrotor 30 der dritten Strömungskraftmaschine 23 rotieren gegenläufig, also mit entgegengesetztem Umlaufsinn um den Mast 28.
Die in Figur 4 gezeigte vierte Strömungskraftmaschine 34 eines nicht weiter dargestellten erfindungsgemäßen Strömungskraftwerks weist wie die erste Strömungskraftmaschine 1 ein Fundament 35 am Grund 3 des Gewässers 4 mit hieran verankertem Mast 36 und zur weiteren Stabilisierung außerdem wie die dritte Strömungskraftmaschine 23 ein aus einem Auftriebskörper 37 bestehendes, mittels Ankerseilen 38 verankertes zweites Fundament 39 auf.
Die Anordnung des Vertikalachsenrotors 40 und des weiteren Vertikalachsenrotors 41, der Ausgangswelle und der weiteren Ausgangswelle 42 sowie des rotierbar in einem Generatorgehäuse 43 gelagerten gemeinsamen Generators 44 entspricht der Anordnung bei der dritten Strömungskraftmaschine 23. Rotor und Stator des Generators 44 sowie die Ausgangswelle des Vertikalachsenrotors 40 sind nicht im Detail dargestellt.
Die erste Strömungskraftmaschine 1 und die vierte Strömungskraftmaschine 34 sind besonders für den Einsatz in flachem Gewässer 4 mit höchstens geringem Tidenhub geeignet. Die zweite Strömungskraftmaschine 11 und die dritte Strömungskraftmaschine 23 können durch die Verankerung mittels Ankerseilen 14, 25 auch in tiefem Gewässer 4 sowie in Gewässer 4 mit stärkeren Tidenhub zum Einsatz kommen.
Das in den Figuren 5a und 5b ausschnittsweise gezeigte erfindungsgemäße Strömungskraftwerk 45 weist eine Vielzahl von in mehreren Reihen 46 angeordneten dritten Strömungskraftmaschinen 23 auf. Im Gegensatz zu der Darstellung der Verankerung einer einzelnen Strömungskraftmaschine 23 in Figur 3 sind diese in dem Strömungskraftwerk 45 durch Spannseile 47 untereinander verbunden.
Das Fundament 26 jeder Strömungskraftmaschine 23 ist an jeder Ecke 48 sowohl mit einer diagonal gegenüber liegenden Strömungskraftmaschine 23 der benachbarten Reihe 46 sowie mit dem Mast 28 der in derselben Reihe 46 benachbarten Strömungskraftmaschine 23 mittels jeweils eines Spannseils 47 verbunden. Lediglich
einzelne der Strömungskraftmaschinen 23 des Strömungskraftwerks 45 sind mittels Ankerseilen 49 im Grund 3 des Gewässers 4 verankert.
Die in Figur 6 gezeigte fünfte Strömungskraftmaschine 50 eines nicht weiter dargestellten erfindungsgemäßen Strömungskraftwerks entspricht im Wesentlichen der ersten Strömungskraftmaschine 1 und ist daher insoweit mit denselben Ziffern gekennzeichnet, weist jedoch keinen zweiten Vertikalachsenrotor oberhalb der Wasserlinie 5 auf.
Die in Figur 7 gezeigte sechste Strömungskraftmaschine 51 entspricht im Wesentlichen der zweiten Strömungskraftmaschine 11 und ist daher insoweit mit denselben Ziffern gekennzeichnet, weist jedoch keinen zweiten Vertikalachsenrotor oberhalb der Wasserlinie 5 auf.
Die in Figur 8 gezeigte siebte Strömungskraftmaschine 52 eines nicht weiter dargestellten erfindungsgemäßen Strömungskraftwerks entspricht im Wesentlichen der dritten Strömungskraftmaschine 23 und ist daher insoweit mit denselben Ziffern gekennzeichnet. Die Strömungskraftmaschine 52 ist jedoch vollständig unter der Wasserlinie 5 angeordnet.
Das in Figur 9 ausschnittsweise gezeigte zweite erfindungsgemäße Strömungskraftwerk 53 entspricht im Wesentlichen dem ersten Strömungskraftwerk 45 und ist daher insoweit mit denselben Ziffern gekennzeichnet. Sie ist jedoch aus einer Vielzahl der sechsten Strömungskraftmaschinen 51 aufgebaut, deren schwimmende Fundamente 13 vollständig unterhalb der Wasserlinie 5 liegen. Das zweite Strömungskraftwerk vermeidet so jede optische Beeinträchtigung und eignet sich damit insbesondere für den Einsatz in touristisch genutzten Gebieten.
Figuren sind
Strömungskraftmaschine
Fundament
Grund
Gewässer
Wasserlinie
Mast
Vertikalachsenrotor
Generator
Vertikalachsenrotor
Generator
Strömungskraftmaschine
Auftriebskörper
Fundament
Ankerseil
Mast
Generatorgehäuse
Vertikalachsenrotor
Vertikalachs enrotor
Generator
Ausgangswelle
Generator
Ausgangswelle
Strömungskraftmaschine
Auftriebskörper
Ankerseil
Fundament
Generatorgehäuse
Mast
Vertikalachsenrotor
Vertikalachsenrotor
Ausgangswelle Ausgangswelle Generator Strömungskraftmaschine Fundament Mast Auftriebskörper Ankerseil Fundament Vertikalachsenrotor Vertikalachsenrotor Ausgangswelle Generatorgehäuse Generator Strömungskraftwerk Reihe Spannseil Ecke Ankerseil Strömungskraftmaschine Strömungskraftmaschine Strömungskraftmaschine Strömungskraftwerk