WO2012171600A1 - Verfahren zum betreiben eines wellenenergiekonverters - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines wellenenergiekonverters Download PDF

Info

Publication number
WO2012171600A1
WO2012171600A1 PCT/EP2012/001752 EP2012001752W WO2012171600A1 WO 2012171600 A1 WO2012171600 A1 WO 2012171600A1 EP 2012001752 W EP2012001752 W EP 2012001752W WO 2012171600 A1 WO2012171600 A1 WO 2012171600A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
torque
rotor
control
wave
energy converter
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/001752
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin Hagemann
Nik Scharmann
Daniel Thull
Michael Hilsch
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to EP12717201.3A priority Critical patent/EP2721286A1/de
Priority to US14/126,817 priority patent/US20140202146A1/en
Publication of WO2012171600A1 publication Critical patent/WO2012171600A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/12—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
    • 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
    • F03B13/16—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 using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem"
    • F03B13/18—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 using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" where the other member, i.e. rem is fixed, at least at one point, with respect to the sea bed or shore
    • F03B13/1805—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 using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" where the other member, i.e. rem is fixed, at least at one point, with respect to the sea bed or shore and the wom is hinged to the rem
    • F03B13/1825—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 using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" where the other member, i.e. rem is fixed, at least at one point, with respect to the sea bed or shore and the wom is hinged to the rem for 360° rotation
    • F03B13/183—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 using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" where the other member, i.e. rem is fixed, at least at one point, with respect to the sea bed or shore and the wom is hinged to the rem for 360° rotation of a turbine-like wom
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B15/00—Controlling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the present invention relates to a method of operating a wave energy converter and a wave energy converter.
  • Floating known by the lifting and lowering, for example, a Lineargenera- tor is driven.
  • the so-called "Wave Roller” a planar resistance element is attached to the seabed, which is tilted back and forth by the wave motion.
  • the kinetic energy of the resistance element is converted in a generator, for example, into electrical energy.
  • a maximum energy yield of 0.5 can be achieved, so that their economic efficiency is generally unsatisfactory.
  • wave energy converters are of interest, which are arranged substantially below the water surface, and in which a crankshaft or rotor shaft is set in rotation by the wave motion.
  • a crankshaft or rotor shaft is set in rotation by the wave motion.
  • US 2010/0150716 A1 discloses a system of several high-speed rotors with buoyancy rotors in which the rotor period is smaller than the wave period and a separate profile adjustment is made. By a suitable, but not further disclosed adjustment of the lift rotor resulting forces to be generated on the system, which can be used for different purposes.
  • a disadvantage of the system disclosed in US 2010/0150716 A1 is the use of high-speed rotors of the Voith-Schneider type, which require a great deal of effort in adjusting the lift rotor. These must be continuously adjusted in a not inconsiderable angle range in order to be adapted to the prevailing flow conditions prevailing on the lift rotor. To compensate for the forces acting on the individual rotors, resulting from rotor and generator torque forces more rotors are always required at defined distances from each other.
  • the object of the invention is to improve rotating wave energy converters, in particular in the sense of a greater energy yield and a lower constructional and / or control-related expense. Disclosure of the invention
  • the invention provides a way to achieve the largest possible energy yield of the machine over a certain time window.
  • a second torque is specifically predetermined, which is provided by an energy converter coupled to the rotor.
  • predetermining is understood as meaning both open-loop control (also referred to as digits or pilot control) and, more preferably, closed-loop control (also referred to as rules).
  • the energy conversion control serves to deliver a desired energy over a desired period of time.
  • the energy conversion control also influences the orientation of the housing or frame (stator) and the coupling body to the surrounding flow field, so that they are optimal (in terms of the desired energy yield) over the considered time window.
  • the energy conversion control is linked to a position control to prevent unwanted changes in the position (x, y, and z coordinate and rotation ⁇ about all three axes) of the machine, so that no risk to the system and / or the Environment arises.
  • the invention also enables a targeted displacement or rotation of the machine in space and / or a stabilization.
  • the invention presented here generally considers systems with a rotary action principle, e.g. also converters with multiple rotors, such. shown in FIG.
  • the following explanations therefore apply in principle to wave energy converters with one or more rotors.
  • a wave energy converter with at least one, as explained below, advantageously provides synchronous or largely synchronous to a wave (orbital) movement or - rotating rotor for converting energy from a wavy body of water, which is energetically and control technology advantageous, and in which additionally by a corresponding operation targeted (resulting) forces can be influenced and made available for influencing the overall system.
  • a wave energy converter can be a suitable design and operation almost a complete extinction and thus utilization of the incoming wave can be achieved. This is especially true for monochromatic waves.
  • the adjustment of the lift rotor used in a corresponding wave energy converter, ie of coupling bodies, which are adapted to implement a wave motion in a buoyancy force and thus in a torque of a rotor, does not or only to a small extent due to the synchronous or largely synchronous operation, since an incident flow of a corresponding profile is largely carried out over the entire rotation of the profile-carrying rotor away from a same direction of flow.
  • An adjustment of an angle of attack ⁇ as in the known Voith-Schneider rotors (also referred to as pitches), is therefore not necessary, but may be advantageous.
  • the water particles move on largely circular so-called orbital orbits (in the form of an orbital motion or orbital flow, whereby both terms are also used synonymously).
  • the water particles move under a wave crest in the direction of propagation of the wave, under the wave trough against the wave propagation direction and in the two zero crossings upwards or downwards.
  • the flow direction at a fixed point below the water surface (hereinafter referred to as local or instantaneous flow) thus changes continuously with a certain angular velocity O.
  • the orbital flow is largely circular in deep water, in shallow water from the circular orbitals are increasingly flat lying ellipses. A flow may be superimposed on the orbital flow.
  • the orbital radii are dependent on the depth. They are maximal at the surface - here the orbital diameter corresponds to the wave height - and decrease exponentially with increasing water depth. At a water depth of about half the wavelength, therefore, only about 5% of the energy can be obtained as near the water surface. Submerged wave energy converters are therefore preferably operated close to the surface.
  • a rotor is provided with a substantially horizontal rotor axis and at least one coupling body.
  • the rotor advantageously rotates synchronously with the orbital flow at an angular velocity ⁇ and is driven by the orbital flow via the at least one coupling body.
  • a torque in the context of this invention referred to as "first torque” or “rotor (rotating) moment
  • first torque in the context of this invention referred to as "first torque” or “rotor (rotating) moment
  • the coupling Body always a constant local flow.
  • the wave motion can be continuously withdrawn energy and converted by the rotor into a usable torque.
  • coupling body means any structure by means of which the energy of an inflowing fluid can be coupled into a rotor movement or a corresponding rotor moment.
  • Coupling bodies can, as explained below, be designed in particular as a lift rotor (also referred to as a "wing”), but also comprise resistance rotors.
  • the term “synchronicity” may refer to a rotor rotation movement, due to which there is a complete match between the position of the rotor and the direction of the local flow, which is caused by the orbital flow at any time.
  • a "synchronous" rotor rotation movement can also take place in such a way that a defined angle or a defined angular range (ie the phase angle becomes over a revolution within the angular range between the position of the rotor or at least one coupling body arranged on the rotor and the local flow held).
  • the result is therefore a defined phase offset or phase angle ⁇ between the rotor rotational movement ⁇ and the orbital flow O.
  • the "position" of the rotor or of the at least one coupling body arranged on the rotor is always e.g. definable by an imaginary line through the rotor axis and, for example, the axis of rotation or the center of gravity of a coupling body.
  • Such synchronicity is directly derivable especially for monochromatic wave states, ie wave states with always constant orbital flow O.
  • monochromatic wave states ie wave states with always constant orbital flow O.
  • multichromatic wave states it can also be provided that the machine under one only in a certain Frame constant angle to the current flow is operated. This can be a win- define the scope within which the synchronicity is still regarded as being complied with.
  • suitable control measures including the adjustment of at least one coupling body for generating said first torque and / or a braking or accelerating second torque of the energy converter. Not all coupling bodies must necessarily be adjusted or have a corresponding adjustment. In particular, no synchronous adjustment of multiple coupling body is required.
  • the rotor may be synchronized to at least one major component of the shaft (e.g., a major mode of superimposed shafts), thereby temporarily leading or lagging the local flow. This can be achieved by a corresponding adaptation of the first and / or second torque.
  • Such an operation is also encompassed by the term "synchronous", as well as a fluctuation of the phase angle in certain areas, which causes the rotor to experience an acceleration (positive or negative) in the meantime in relation to the wave phase.
  • the speed of a "synchronous" or “substantially synchronous” rotor is therefore approximately equal, i. within certain limits, coincide with the currently prevailing shaft speed. Deviations do not accumulate, but are largely compensated for each other or over time or a certain time window.
  • An essential aspect of energy conversion control may be to maintain synchronicity.
  • Coupling bodies from the class of buoyancy runners are particularly preferably used, which, in particular, generate a buoyancy force directed essentially perpendicular to the flow in the case of an incident flow at a flow angle a in addition to a resistance force in the direction of the local flow.
  • These may, for example, be lift runners with profiles according to the NACA standard (National Advisory Committee for Aeronautics), but the invention is not limited to such profiles. Particularly preferred Eppler profiles can be used.
  • the mentioned first torque can therefore be e.g. be influenced by the angle of attack ⁇ . It is known that with increasing angle of attack a, the resulting forces increase on the lift rotor until a break in the lift coefficient is observed in the so-called stall boundary, where a stall occurs. The resulting forces also increase with increasing flow velocity. This means that the resulting forces and thus the torque acting on the rotor can be influenced via a change in the angle of attack ⁇ and, associated therewith, the angle of incidence ⁇ .
  • the aforementioned second torque also has an effect on the rotational speed v rotor and thus also influences the angle of attack a.
  • the second moment is in the conventional operation of power generation systems, a braking torque that comes about through the interaction of a generator rotor with the associated stator and is converted into electrical energy.
  • a corresponding energy converter in the form of a generator can also be operated by a motor, at least during certain periods of time, so that the second torque can also act on the rotor in the form of an acceleration torque.
  • the generator torque can be adjusted in accordance with the current lift profile setting and the forces / moments resulting therefrom in such a way that the desired rotational speed is set with the correct phase offset to the orbital flow.
  • An influencing of the generator torque can take place, inter alia, by influencing an excitation current through the rotor (in the case of separately excited machines) and / or by controlling the commutation of a power converter connected downstream of the stator. From the forces on the individual coupling bodies, the vectorial superposition finally results in a rotor force which acts as a bearing force directed perpendicular to the rotor axis (also referred to as a reaction force) on the housing of the rotor.
  • an effective force which likewise acts perpendicular to the rotor axis and in the form of a translatory or, in the case of several rotors, as a combination of translatory forces, influences a position of a corresponding wave energy converter and, in the case of a desired or unwanted asymmetry of the bearing force over time can be used specifically to influence the situation.
  • a directed perpendicular to the rotor axis bearing force can be generated, as explained in more detail elsewhere.
  • the rotor is preferably designed as a system floating under the surface of an undulating body of water
  • the explained rotor force acts as a shifting force on the entire rotor and must be supported accordingly if the position of the rotor is not to change.
  • this is achieved, for example, in US 2010/0150716 A1 by providing a plurality of rotors whose forces counteract one another. The displacements compensate each other over one revolution when the attack angle ⁇ and thus the first torque and a constant second torque are assumed by constant contact current conditions at the coupling bodies and the same settings.
  • each coupling body has its own adjusting device, so that the coupling bodies can be adjusted independently of one another.
  • the coupling bodies are adjusted to the locally present flow conditions. This also compensates for depth and width effects.
  • the generator torque is matched to the rotor torque generated by the sum of the coupling bodies.
  • a control device For controlling the wave energy converter, a control device is provided. This utilizes as control variables the adjustable second torque of the at least one rotor and / or the adjustable first torque, for example by adjusting the at least one coupling body.
  • the current local flow field of the shaft can be used. This can be determined with appropriate sensors. These sensors can be arranged co-rotating on parts of the rotor and / or on the housing and / or independently of the machine, preferably this upstream.
  • a local, regional and global detection of a flow field, a wave propagation direction, an orbital flow and the like can be provided, wherein a "local” detection on the conditions directly on a component of a wave energy converter, a "regional” detection on component groups or a Single system and a “global” capture on the entire system or a corresponding plant park can relate.
  • a predictive measurement and prediction of wave states can be made.
  • Measured variables can be, for example, the flow velocity and / or flow direction and / or wave height and / or wavelength and / or period duration and / or wave propagation velocity and / or machine movement and / or holding moments of the coupling body adjustment and / or adjustment moments of the coupling bodies and / or the rotor moment and / or or be moored forces.
  • the currently prevailing inflow conditions on the coupling body can preferably be determined from the measured variables, so that this and / or the second torque can be adjusted accordingly in order to achieve the higher-level control objectives.
  • the entire propagating flow field is known by suitable measurements upstream of the machine or a park of several machines.
  • suitable calculations the following local power generation on the machine can thus be determined, which enables a particularly precise control of the system.
  • a higher-level control of the machine for example, to a main component the incoming wave aligns to implement. This makes a particularly robust machine operation possible.
  • All rotors rotate relative to one or more interconnected housings. These housings can be connected to each other largely rigid or adjustable. The connection of all housings with each other is called frame. Preferably, the distance between rotors with one another (for example, the spacing of the units 1a and 1b in FIG. 5 in the y direction) can be changed by means of an adjusting device, or a rotation of the individual housings and rotors (rotation plane) relative to one another can be achieved.
  • the positions and rotations of the units to each other are summarized in a vector p.
  • the possibly available adjustment parameters of all coupling bodies are then combined in the vector ⁇ . In this case, a coupling body no
  • the braking torque between the rotor i and the housing i is referred to as M i and summarized all the braking torques considered in the vector M.
  • the housing is the stator of a directly driven generator and the rotor base is the rotor of this directly driven generator.
  • other driveline variants are conceivable, which in addition to or instead of a generator, a transmission and / or hydraulic components, such as pumps, contains.
  • the braking torque can only be positive or positive and negative.
  • the braking torque can be additionally or exclusively realized by a suitable brake.
  • the realization of the braking torques for the different rotors may be different.
  • the angle of rotation and the rotational speed of the rotor i are referred to as ⁇ ⁇ or co t and summarized the corresponding sizes for all rotors in the vectors ⁇ and ⁇ .
  • the position of a fixed point (eg center of gravity) of the frame is indicated by (x, y, z) and the rotation of the frame around fixed axes through this point as ( ⁇ , 0 y , ⁇ ⁇ ) (summarized in the vector ⁇ ).
  • the invention includes a specific specification of the braking torque M.
  • the invention also includes a targeted specification of the adjustment parameters ⁇ of the coupling bodies and / or the hydrostatic buoyancy forces F B and / or the frame geometry p and / or the thrust of one or more auxiliary drives.
  • a corresponding program-technically equipped arithmetic unit is expediently present. For further details, reference is made to FIG. 4 and the associated description.
  • the vectors ⁇ , M, F B , p can not be an element (if no actuator for this
  • exactly one element or any number of elements include, depending on the number of total existing adjusting devices and degrees of freedom of the adjustable braking torques, coupling body and adjustable buoyancy forces.
  • the goal of specifying these quantities comprises at least one element from the group, which comprises: maximizing the energy produced by the plant over a specific time interval, ensuring as constant a power as possible (power generation), stabilizing the position r of the frame in space, stabilization the rotation ⁇ of the frame, a targeted shift of the machine, a targeted rotation of the machine, a targeted vibration excitation and a start-up of the machine.
  • the invention enables a particularly economical operation of the system, since conditions are always ensured for the generation of energy.
  • non-ideal flow conditions eg, relatively rapid change in flow conditions within a few minutes
  • the invention also makes it possible to stabilize the rotor axis in space and to stabilize or specifically change the depth of immersion and the associated mooring forces. As a result, the anchoring of the system and possibly existing auxiliary drives can be dimensioned small and cost-effective. Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of a wave energy converter according to the invention in a perspective view.
  • Figure 2 shows the wave energy converter of Figure 1 in a side view and illustrates the angle of attack ⁇ and the phase angle ⁇ between the rotor and orbital flow.
  • FIG. 3 shows the resulting angle of incidence a 1 and a 2 and resulting forces on the coupling bodies of the rotor from FIG. 2.
  • FIG. 4 shows a further preferred embodiment of a wave energy converter according to the invention in a perspective view.
  • FIG. 5 shows a plant consisting of three wave energy converters according to FIG. 1 in a perspective view.
  • FIG. 6 shows a general control scheme for controlling a wave energy converter.
  • Figure 7 shows a first control scheme for adjusting a braking torque according to preferred embodiment of the invention.
  • Figure 8 shows a second control scheme for adjusting a braking torque with separate feedforward control and regulation according to a preferred embodiment of the invention.
  • Figure 9 shows a control scheme for adjusting a braking torque and coupling bodies according to a preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 10 shows a control scheme of a combined energy conversion and attitude control for adjusting a braking torque, coupling bodies and a buoyancy force according to a preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 11 shows a block diagram of the attitude control according to FIG. 10.
  • FIG. 12 shows a block diagram of the energy conversion control according to FIG. 10.
  • FIG. 13 shows a model of the coupling bodies for the energy conversion control according to FIG. 12.
  • FIG. 14 shows a variant of the attitude control according to FIG.
  • FIG. 15 shows a further variant of the attitude control according to FIG.
  • FIG. 1 shows a wave energy converter 1 with a rotor base 2, a housing 7 and four coupling bodies 3 fastened to the rotor base 2 in each case via lever arms 4.
  • the wave energy converter 1 is provided for operation below the water surface of an undulating body of water, for example an ocean.
  • the coupling body 3 are executed in the example shown as buoyancy profiles.
  • the components 2, 3, 4 are components of a rotor 1 1.
  • the position of the housing 7 by the position r (x, y, z) of the
  • the housing 7 is part of a frame 12.
  • the rotor 11 is rotatably mounted relative to the frame 12. It should be noted that, in particular, all of the lever arms 4 are fastened in a rotationally fixed manner to one and the same rotor base 2 in the illustration shown.
  • the frame 12 is rotatably connected to a stator of a directly driven generator, the rotor 1 1 (here the rotor base 2) is rotatably connected to a rotor of this directly driven generator.
  • the coupling body 3 are designed as buoyancy runners and arranged at an angle of 180 ° to each other.
  • the buoyancy runners are supported in the vicinity of their pressure point in order to reduce rotational torques occurring during operation to the buoyancy runners and thus the requirements for the holder and / or the adjusting devices.
  • an adjusting device 5 with at least one degree of freedom is available for each of the coupling bodies 3 (usually likewise as part of the rotor) in order to change the position (eg "pitch angle") of the respective coupling body and thus influence the interaction between fluid and coupling body.
  • the degree of freedom of the adjusting devices is described here by adjusting parameters ⁇ ⁇ to ⁇ 4 .
  • the adjusting devices are preferably electromotive adjusting devices.
  • a sensor 6 is available for detecting the current adjustment.
  • Figure 2 shows a side view of the system at 90 ° twisted lever arms.
  • the adjusting parameters y, and ⁇ 2 (as well as the adjustment parameters ⁇ ⁇ and ⁇ ) in the present example denote the angles of incidence of the coupling bodies 3 to the tangent (represented by an arrow) of the circular path through the suspension point (pivot point) of the coupling bodies.
  • the wave energy converter 1 is surrounded by a flow vector field v.
  • the flow is the orbital flow of eereswellen, the direction of which changes continuously.
  • the rotation of the orbital flow is oriented in the counterclockwise direction, ie the associated wave propagates from right to left.
  • the rotor 2, 3, 4 rotates synchronously with the orbital flow of the wave motion with u> i, whereby the term of synchronicity is to be understood in the manner explained above.
  • O « ⁇ 1 A value or a range of values for an angular velocity ⁇ of the rotor is thus predefined or adapted on the basis of an angular velocity O of the orbital flow. This can be done a constant control or a short-term or short-term adjustment.
  • a variable braking torque acts on the rotor 1 1 between the rotor base 2 and the housing 7 or frame 12. The braking torque can act in a positive direction (counter to the rotational speed ⁇ ) but also in a negative direction (ie driving). ⁇
  • phase angle ⁇ whose amount can be influenced by the setting of the first and / or the second torque.
  • a phase angle of -45 ° to 45 ° appear, preferably from -25 ° to 25 ° and particularly preferably of -15 ° to 15 ° for generating the first torque to be particularly advantageous, since at the orbital flow We v n e and the Flow due to the self-rotation v rotor (see Figure 3) are oriented largely perpendicular to each other, which leads to a maximization of rotor torque.
  • a rotor torque in the counterclockwise direction results from the two buoyancy forces F Aufii and a smaller rotor torque in the opposite direction (ie clockwise) due to the two resistance forces F WidJ .
  • the sum of both rotor torques leads to a rotation of the rotor 1 1, whose speed can be adjusted by the adjustable second torque.
  • the amount of this rotor force can also be changed by changing the angle of attack ⁇ (which changes the angle of attack a) by changing the rotor angular velocity ⁇ and / or Phase angle ⁇ - for example, by changing the generator torque applied as a second torque (whereby v rotor , i changes) and / or are influenced by a combination of these changes.
  • the synchronicity described in the introduction is preferably maintained.
  • the wave energy converter can be moved in any desired radial direction.
  • the illustration in FIG. 3 only includes an orbital flow directed perpendicular to the axis of rotation, which has no flow components in the direction of the plane of the drawing.
  • the rotor flows obliquely, so there is a rotor force, in addition to a directed perpendicular to the rotor axis force component and an axial Force component has. This is due to the fact that the hydrodynamic resistance of a coupling body is directed in the direction of the local flow.
  • FIG. 4 shows a further preferred embodiment which, in addition to FIGS. 1, 2 and 3, additionally provides damping plates 10 for position stabilization, which are connected largely rigidly to the housing 7 of the installation via supports 9.
  • a buoyancy system 8 is provided, which consists of tanks that can be filled with fluid or emptied. In this way, the attacking on the buoyancy bodies 8
  • Buoyancy forces F 1 , F 2 , ... are changed.
  • the buoyancy forces can be changed by pumping fluid between tanks or between tanks and the plant environment.
  • the buoyancy system 8 may also include traveling weights to change the point of application of a weight force and to bring about a similar effect as the change of buoyancy forces.
  • Buoyancy system 8, support 9 and damping plates 10 are components of the frame 12.
  • a mooring may be provided, which is not shown in the figures.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of an advantageous wave energy converter with a largely horizontal frame extension and a plurality of subsystems 1 a, 1 b, 1 c.
  • FIG. 6 A preferred basic structure of a wave energy converter according to the invention is shown in FIG. 6 in a block diagram.
  • the wave energy converter has a machine 500 acting as a controlled system (for example comprising housing, rotor, energy converter, buoyancy system, etc.).
  • the machine 500 primarily serves to generate electricity and deliver it to a power grid 600.
  • Environmental conditions 510 flows, mooring forces, weight forces, buoyancy forces, etc. act on the machine 500. These are at least partially detected and fed to a block 520 for measurement and signal processing. Block 520 will also
  • Machine sizes e.g., actual position ⁇ of the rotor, r, 9 of the frame, actual position ⁇ of the
  • the block 520 measures and, if appropriate, processes the obtained quantities and outputs results to a control unit 530. This determines one or more control variables (setpoint values ⁇ , ⁇ , ⁇ ⁇ , ⁇ ) as a function of the supplied results and thus loads the machine 500.
  • control variables setpoint values ⁇ , ⁇ , ⁇ ⁇ , ⁇
  • subordinate control loops can be provided in the machine, as described below described.
  • Various sensors measure the positions (in particular adjustment parameters such as pitch angle) of the coupling bodies, the forces ⁇ 1 between the individual coupling bodies and the frame, the position (xyz) and rotation ( ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ , ⁇ 2 ) of the frame. These quantities can be filtered and then forwarded directly to the individual controllers.
  • the first approach relates to the situation where fluid measurement data (e.g., flow vectors, surface data, pressure measurements, etc.) are available but insufficient to control the equipment.
  • fluid measurement data e.g., flow vectors, surface data, pressure measurements, etc.
  • surface elevations could be measured, but for plant control it is important to know the direction of the flow vector at the plant.
  • the direction of the flow vector at the plant is calculated by a model of the fluid.
  • a mathematical function is available that directly calculates the direction of the flow vector from actual surface data.
  • dynamic models given by differential equations can be used, which are calculated by a numerical integration method. These models are used to calculate missing measurement information.
  • the available measurement data is used to continuously correct the models used.
  • the second approach can be used to improve the first approach or even in the event that no fluid measurement data is available.
  • measured data from the plant depth, acceleration, tilt, etc.
  • the second approach is done by using a model of the interaction between the plant and the surrounding flow vector field.
  • Information about the flow vector field can then be calculated using this model and the measurement data from the plant. If, in addition, measurement data relating to the fluid is available, the information about the flow vector field naturally improves.
  • a knowledge of the flow vector field around the plant is helpful for the generation of nominal values, eg to calculate a setpoint for the depth of immersion of the plant. Based on flow data, an estimate of the main wave direction is helpful to generate a setpoint for the orientation ⁇ ⁇ of the plant. Flow information is also helpful for suitable pitching and suitable torque control.
  • ⁇ For every measurable adjustment parameter ⁇ . (Designates a component of the vector ⁇ ) may be provided as part of a subordinate control, a standard control loop (eg Pl controller with anti-windup), in which the variation of a manipulated variable (eg current through an electric motor, volume flow of a hydraulic device) Controlled variable Y t is adjusted according to the default from the block 530.
  • a control For each unmeasured adjustment parameter, a control is provided which operates without feedback from measurements or based on the measurement of other variables.
  • a control loop for each measurable and adjustable braking torque M, may also be provided under a control loop in which via the variation of a manipulated variable (eg rotor current, stator current, circuit diagram of a generator downstream of the power converter) the moment M j is adjusted according to the default from the block 530 , For each non-measured moment, a control is provided which works without feedback from measured values or based on the measurement of other variables.
  • a manipulated variable eg rotor current, stator current, circuit diagram of a generator downstream of the power converter
  • a control loop can also be provided which is subordinated and in which the frame parameter p i is adjusted in accordance with the specification from block 530 via the variation of a manipulated variable (eg fluid flow through a hydraulic valve).
  • a manipulated variable eg fluid flow through a hydraulic valve.
  • a higher-level coordinator 540 which coordinates the system in response to a user request 501, for example, changes an operating mode.
  • the coordinator preferably communicates with all other control systems, has information regarding network utilization and / or accommodates user requests. For example. it can be provided between the operating modes “power generation”, “position change”, “maintenance mode”, “safety mode” (immersion of the system in case of storm), “sleep mode” (feeding power into the mains network is not possible or not desired), “test mode “(for commissioning or troubleshooting) to switch.
  • other modes of operation may be provided.
  • FIGS. 7 to 9 are based on the representation according to FIG. 6. The same elements are provided with the same reference symbols therein.
  • a system with a rotor is assumed in which only an adjustable braking torque M as the second torque, an angle ⁇ and / or a rotational speed ⁇ must be taken into account.
  • Generalization for the multiple-rotor case is easily possible by making the calculations given below separately for each component of M, ⁇ , ⁇ .
  • the angles ⁇ and / or the rotational speeds ⁇ and / or properties of the flow vector field v are measured.
  • a measured variable can also be calculated by means of signal processing from another variable by integration, differentiation or also by means of a filter which can contain a model of the plant.
  • FIG. 7 shows a first preferred embodiment of the invention as a control scheme. As a control variable only the braking torque M is used.
  • the scheme of Figure 8 is similar to that of Figure 7, but block 530 is divided into a control block 531 with feedback (“control block”) and a control block 532 with no feedback (“pre-control block”).
  • Figure 8 is a specific implementation of a particularly advantageous, general two-stage control concept using only the control of the second torque as an example.
  • the first part represents a so-called model-based precontrol.
  • the knowledge of the mathematical model of the plant (see also description to the figures 1 1 to 15) is exploited in such a way that from the knowledge of state data (in particular the excitation, thus the wave, in the form of the angle of attack and the magnitude of the inflow velocity), the second torque to be specified is calculated.
  • state data in particular the excitation, thus the wave, in the form of the angle of attack and the magnitude of the inflow velocity
  • the second torque to be specified is calculated.
  • status data that go beyond the current time can also be included. This is particularly important in multichromatic waves, since sometimes a "driving through" of smaller harmonics can be useful here.
  • condition data can be sensed in various ways, as described in this application. This is a temporal perspective of. Flow conditions at the location of the machine possible. From the data, using the potential theory and thus knowing the current and future flow conditions around the machine and in particular the coupling body, a desired machine behavior and thus the second torque to be specified can be calculated.
  • the second part of the control concept consists of correcting the deviations of the system from the optimal trajectories calculated together with the pre-control. In one embodiment of the control, this may be to regulate the second torque (generator torque) and the first torque (eg via the adjustment parameters of the coupling bodies) such that a desired target is achieved, such as maximizing the absorbed power, high continuity absorbed power, lifetime maximization of loads, overload protection and limitation of absorbed power (Survival in the storm), combinations thereof, given by a consumer performance profiles.
  • a control variable is determined in control block 532.
  • the deviations of the system from the determined target behavior are readjusted by the block 531.
  • M 0 can be adjusted depending on the current sea state, eg increasingly with increasing wave height.
  • a disadvantage of this variant is that with a largely selected M 0 and a short-term change in the sea state, the large braking torque leads to a reduction of ⁇ . In certain plant configurations, this reduction in angular velocity can cause the flow on the coupling bodies to break off and the plant to stall, or more generally, to lose synchrony. Remedy a variant of the control in Figure 7 with the control law
  • the braking torque depends on a constant controller parameter k> 0 (torque acts as a braking torque against the direction of rotation of the rotor, see Figure 2) and the difference of the rotational speed ⁇ on a desired value w ⁇ 5 / 3 ⁇ (0 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ designates the system speed, which sets stationary with no braking torque (or with only a small braking torque) If the system slows down due to short-term flow changes under the control law (2), the braking torque M also automatically decreases and the system gets faster again. By this rule law a much more stable rotational movement of the system is achieved. Nevertheless, only the measurement of the system speed is required. The system speed can also be calculated based on other parameters.
  • control law (2) Another advantage of the control law (2) is that the startup of the system is supported from standstill: As long as the system speed ⁇ is less than w, a driving moment acts on the rotor. Under this condition, the system consumes energy, only when ⁇ is greater than w, the operation begins with energy production.
  • control law (2) is possible by extending it by an angle-dependent function ( ⁇ ), so that the control law
  • the function ⁇ ( ⁇ ) is periodic, with particular preference being given to 2 ⁇ or ⁇ -periodic functions (equivalent to 360 ° or 180 ° periodically) for the type of system described here.
  • control law may be used when information regarding the flow vector field is available around the equipment and / or with respect to the fluid surface at and around the equipment position.
  • a setpoint angle for the rotation angle ⁇ can be calculated, in which the orientation of the system relative to the flow vector field results in a maximum propulsion torque.
  • a suitable control algorithm is then applied with the control deviation w Yiinkel - ⁇ and changes this Braking torque so that the control deviation disappears (simple option: PI controller, improved possibility: cascade control from PI controller for the speed and P controller for the angle of rotation) or always moves within a small range (simple option P controller).
  • FIG. 9 shows an extension of the embodiments according to FIG. 7 or 8 for the case of additionally adjustable coupling bodies.
  • a feedforward control 533 is provided for the coupling bodies, which outputs values for the degrees of freedom ⁇ of the coupling bodies as control variables as a function of w and the variables ⁇ , ⁇ . This is preferably done based on a model of the plant which is used to set ⁇ such that the power is the sum of all integrals
  • t 0 -> includes the embodiment that the power is maximum at any time.
  • the degrees of freedom of the coupling bodies and / or the braking torque must be adjusted so that predominant synchronicity of the rotor with the flow vector field is achieved.
  • FIG. 10 shows in a block diagram a modified control block 630 which has a block 631 for the power control, a position control block 632 and a block 633 for combining control variables.
  • the control variables 631 and 632 generated by the two blocks ⁇ ⁇ ⁇ or ⁇ 2, ⁇ 2 are weighted in block 633 and ⁇ in the virtual manipulated variables, M converted.
  • a weighting of the control variables is particularly advantageous since the two sub-controllers 631 and 632 can work against each other in certain situations. For example, a particularly stable position can provide very little power and vice versa. Then the entire control loop can become unstable without weighting.
  • the desired manipulated variables of the attitude control and the energy conversion control in dependence on the operating mode weighted to the actual manipulated variable.
  • the manipulated variable from the power conversion control is mainly used and only a very limited engagement of the attitude control is permitted to avoid the plant moving too far away from its nominal position and orientation.
  • the weighting is carried out adaptively, so that if the system position is changed too much, the position control gets more weight or if the braking torque drops too much, the energy conversion control gains more weight.
  • the position control block 632 additionally generates the virtual manipulated variable (s)
  • the attitude control shown in FIG. 11 comprises two essential parts, a part 710 for the virtual manipulated variables ⁇ 2 , ⁇ 2 acting quickly on the position, and a part 720 for the rather slowly variable forces F B through buoyant bodies.
  • the part 710 includes a set point generation and trajectory planning block 711, a load angle control block 712, a tilt angle control block 713, a shaft orientation control block 714, a control control block 715x an x position, a y-position control block 715y, an immersion depth control block 716, and a control quantity transformation block 717.
  • the part 710 includes a load torque control block 722, a tilt torque control block 723, a buoyancy force control block 724, and a control quantity transformation block 727.
  • the basis of the fast part 710 of the attitude control is that by targeted adjustment of the
  • Coupling body 3 and braking torques M forces in the x-, y- and z-direction as well as moments about all axes on the frame 12 can be exercised. Knowing the current flow conditions, adjustment parameters and coupling body velocities, the actual coupling body parameters and braking torques can be converted into resulting moments M r TM, M r "and resultant forces F, F TM, F z r ".
  • trajectory planning is important in order to predetermine target values for the orientation controller (controlled variable ⁇ ⁇ ) and the position controller (controlled variable here only y) in such a way that a combination of rotations and translatory movements leads to an effective movement in the x-direction
  • the lower, slow portion 720 of the attitude control takes into account the effect that the depth of immersion z, the rotation of the frame 12 about the x-axis (load angle) and the rotation of the frame about the y-axis (tilt angle) can be changed in two different ways .
  • an adjustment of the coupling body and braking torques can be made.
  • these sizes can also have one
  • the regulating variable transformation 727 based on the fact that the resultant of the lift forces F B moments M B and M B can be calculated in the z-direction via equations about the x and y-axis of the frame 12, and the resulting buoyancy force Ff.
  • the controls 722, 723, 724 for the load torque, overturning moment and the dipping force have as variables the variables Mf, Mf or F 2 res , which control the load angle,
  • Mf and F 2 ra are each zero, ie the goal of the lower three controls in Figure 1 1 is to use the adjustment parameters of the coupling body and braking torques ⁇ 2 , ⁇ 2 as little as possible for the attitude control. In this way, there are as many degrees of freedom as possible for optimal energy conversion.
  • the manipulated variable for the lower controllers are the moments
  • the controller 7 2 of the load angle will initially react and impose a moment M f on the system to counteract this change.
  • the load torque control 722 effects a change in the lift forces, so that an additional restoring torque is generated on the system. Due to the rotation of the system by this slowly increasing moment, the control 712 of the load angle slowly reduces its manipulated variable, until finally the necessary moment to compensate for the load jump is completely applied by the buoyancy bodies.
  • a model of the plant can be used that is based on fundamental equations of the technical mechanics and takes into account flow effects, added-mass effects as well as forces due to mooring. Since the dynamics of the adaptive load angle, tilt angle and dip depth controllers are important for the design of these controllers in addition to the system dynamics, the controllers are expediently designed to be adaptive.
  • FIG. 11 A preferred embodiment for the energy conversion control block 631 is shown in FIG.
  • the block shown in FIG. 11 generates the manipulated variables ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ , so that the system generates the desired energy output at the current frame position and the current flow conditions.
  • the controller consists of a component 812 for the adjustment parameters of the coupling body, a component 813 for the braking torques and an adaptation component 814. These components are based on an example shown in Fi gure 13 Model 815, the forces ⁇ ⁇ ⁇ 1 on the coupling body in consequence of the position ⁇ , the speed ⁇ and the adjustment parameter of the coupling body ⁇ and the
  • the specification of the adjustment parameters of the coupling bodies uses this model to determine the adjustment parameters of the coupling bodies at a given position ⁇ and speed ⁇ such that the first torque becomes maximum.
  • the adjustment parameters of the coupling bodies which lead to maximum first torque, are output as ⁇ ⁇ .
  • the optimization problem to be solved is solved numerically or analytically.
  • Adaptation block 814 serves to continuously improve the coupling body model 815 shown in FIG. 13 during plant operation. For this purpose, all inputs and outputs of the model must be known.
  • the quantities ⁇ , ⁇ , ⁇ are available from measurement and signal processing.
  • As adjustment parameter of the coupling body ⁇ the value after the weighting block or a measurement of the adjustment parameters of the coupling body from the subordinate control loops is used.
  • the forces _F to ⁇ are either measured directly via force sensors or indirectly via torque sensors, acceleration sensors or the braking torque acting on the rotor determined.
  • the model 815 of the coupling body of FIG. 13 can be checked for validity and, if necessary, continuously adapted.
  • the adaptation of the system model in FIG. 13 can be further improved by additionally superimposing the adjustment of the first and / or second torque (eg the movement of the adjustment parameters of the coupling bodies .gamma.) With a waveform (eg periodically, sinusoidally) of small amplitude.
  • the generated electrical energy in the period from t 0 to is
  • the manipulated variable M B ' rems is then under a maximization of the integral (7) via M B ' rems under
  • FIGS. 14 and 15 show two alternative embodiments of the attitude control according to FIG. 11.
  • ⁇ 2 are each provided with a manipulated variable restriction. This is the example of the
  • Tilt angle and depth are here controlled only by the buoyancy forces, ie adjustment parameters of the coupling body ⁇ 2 and braking moments M 2 are used only for orientation to the shaft direction and the position in the x and y direction.
  • the orientation control 714 can also be dispensed with.
  • the position control 715x, 715y can also be omitted. This possibly also leads to a loss of weighting.
  • the controls 712, 713 of the load angle and / or tilt angle can be dispensed with if the dynamics of load angle and / or tilt angle angle, for example. Damping plates is sufficiently damped and the desired angular position of the system is sufficiently stable by suitable constant buoyancy forces.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters (1) zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines Fluids in eine andere Energieform, mit wenigstens einem Rotor (11) und wenigstens einem mit dem wenigstens einen Rotor gekoppelten Energiewandler, wobei durch die Wellenbewegung ein auf den wenigstens einen Rotor (11) wirkendes erstes Drehmoment und durch den wenigstens einen Energiewandler ein auf den wenigstens einen Rotor (11) wirkendes zweites Drehmoment (M1) erzeugt wird, wobei im Rahmen einer Energieumwandlungssteuerung das zweite Drehmoment (Μ1) vorgegeben wird.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters und einen Wellenenergiekonverter.
Stand der Technik
Zur Umwandlung von Energie aus Wellenbewegungen in Gewässern in nutzbare Energie sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Vorrichtungen bekannt, die auf hoher See oder in Küstennähe eingesetzt werden können. Eine Übersicht über Wellenenergiekraftwer- ke gibt beispielsweise G. Boyle, "Renewable Energy", 2. Aufl., Oxford University Press, Ox- ford 2004.
Unterschiede ergeben sich unter anderem in der Art, in der die Energie der Wellenbewegung entnommen wird. So sind auf der Wasseroberfläche schwimmende Bojen bzw.
Schwimmkörper bekannt, durch deren Heben und Senken beispielsweise ein Lineargenera- tor angetrieben wird. Bei einem anderen Maschinenkonzept, dem sogenannten "Wave Roller", wird am Meeresboden ein flächiges Widerstandselement angebracht, das durch die Wellenbewegung hin und her gekippt wird. Die Bewegungsenergie des Widerstandselements wird in einem Generator beispielsweise in elektrische Energie umgewandelt. In derartigen oszillierenden Systemen kann allerdings nur ein maximaler Energieertrag von 0,5 er- reicht werden, so dass ihre Wirtschaftlichkeit in der Regel nicht zufriedenstellend ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Wellenenergiekonverter von Interesse, die im Wesentlichen unter der Wasseroberfläche angeordnet sind, und bei denen eine Kurbel- bzw. Rotorwelle durch die Wellenbewegung in Rotation versetzt wird. l Aus der Veröffentlichung von Pinkster et al., "A rotating wing for the generation of energy from waves", 22. International Workshop on Water Waves and Floating Bodies (IWWWFB), Plitvice, 2007, ist in diesem Zusammenhang ein Anlagenkonzept bekannt, bei dem der Auf- trieb eines angeströmten Auftriebsläufers, also eines einen hydrodynamischen Auftrieb erzeugenden Kopplungskörpers, in eine Rotationsbewegung umgesetzt wird.
Ferner offenbart die US 2010/0150716 A1 ein System aus mehreren schnelllaufenden Rotoren mit Auftriebsläufern, bei dem die Rotorperiode kleiner als die Wellenperiode ist und eine separate Profilverstellung vorgenommen wird. Durch eine geeignete, jedoch nicht näher offenbarte Verstellung der Auftriebsläufer sollen resultierende Kräfte auf das System erzeugt werden, die für unterschiedliche Zwecke einsetzbar sind. Nachteilig an dem in der US 2010/0150716 A1 offenbarten System ist der Einsatz von schnelllaufenden Rotoren vom Voith-Schneider-Typ, die einen hohen Aufwand bei der Verstellung der Auftriebsläufer erfordern. Diese müssen kontinuierlich in einem nicht unbeträchtlichen Winkelbereich verstellt werden, um den jeweils an dem Auftriebsläufer vorherrschenden Anströmbedingungen an- gepasst zu werden. Zum Ausgleich der auf die Einzelrotoren wirkenden, aus Rotor- und Generatormoment resultierenden Kräfte sind zudem stets mehrere Rotoren in definierten Abständen zueinander erforderlich.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zu Grunde, rotierende Wellenenergiekon- verter, insbesondere im Sinne einer größeren Energieausbeute und eines geringeren konstruktiven und/oder steuerungstechnischen Aufwands, zu verbessern. Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Anmeldung ein Verfahren zum Betreiben eines Wellenkraftwerks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Möglichkeit, einen möglichst großen Energieertrag der Maschine über ein gewisses Zeitfenster zu erzielen. Dafür werden in unterschiedlichen Ausführungs- formen gezielt verschiedene Größen innerhalb der Anlage vorgegeben. Zum Steuern der Energieumwandlung wird erfindungsgemäß ein zweites Drehmoment gezielt vorgegeben, welches durch einen mit dem Rotor gekoppelten Energiewandler bereitgestellt wird. Unter "Vorgeben" wird im Rahmen dieser Anmeldung sowohl eine Steuerung im offenen Regel- kreis (auch als Stellen oder Vorsteuern bezeichnet) als auch - mehr bevorzugt - eine Steuerung im geschlossenen Regelkreis (auch als Regeln bezeichnet) verstanden. Die Energieumwandlungssteuerung dient insbesondere dazu, eine erwünschte Energie über einen erwünschten Zeitraum abzugeben. Die Energieumwandlungssteuerung beeinflusst daher in bevorzugter Ausführungsform auch die Ausrichtung von Gehäuse bzw. Rahmen (Stator) und der Kopplungskörper zum umgebenden Strömungsfeld, so dass diese optimal (im Sinne der gewünschten Energieausbeute) über das betrachtete Zeitfenster sind. In weiter bevorzugter Ausgestaltung wird die Energieumwandlungssteuerung mit einer Lagesteuerung verknüpft, um unerwünschte Änderungen der Lage (x-, y-, und z-Koordinate sowie Verdrehung Θ um alle drei Achsen) der Maschine zu verhindern, sodass keine Gefährdung der Anlage und/oder der Umgebung entsteht. Die Erfindung ermöglicht auch eine gezielte Verschiebung oder Verdrehung der Maschine im Raum und/oder eine Stabilisie- rung.
Die hier vorgestellte Erfindung betrachtet ganz allgemein Anlagen mit rotatorischem Wirkprinzip, z.B. auch Konverter mit mehreren Rotoren, wie z.B. in Figur 5 dargestellt. Die nachfolgenden Ausführungen gelten daher grundsätzlich für Wellenenergiekonverter mit einem oder mehreren Rotoren.
Insgesamt wird ein Wellenenergiekonverter mit wenigstens einem, wie unten erläutert, vorteilhafterweise synchron oder weitgehend synchron zu einer Wellen(orbital)bewegung bzw. - Strömung rotierenden Rotor zur Wandlung von Energie aus einem welligen Gewässer be- reitgestellt, der energetisch und steuerungstechnisch vorteilhaft ist, und bei dem zudem durch einen entsprechenden Betrieb gezielt (resultierende) Kräfte beeinflusst und für eine Beeinflussung des Gesamtsystems nutzbar gemacht werden können. Mit einem derartigen Wellenenergiekonverter kann bei geeigneter Auslegung und Betriebsführung nahezu eine vollständige Auslöschung und damit Ausnutzung der einlaufenden Welle erreicht werden. Dies gilt insbesondere für monochromatische Wellen. Die Verstellung der in einem entsprechenden Wellenenergiekonverter verwendeten Auftriebsläufer, also von Kopplungskörpern, die dafür eingerichtet sind, eine Wellenbewegung in eine Auftriebskraft und damit in ein Drehmoment eines Rotors umzusetzen, muss aufgrund des synchronen oder weitgehend synchronen Betriebs nicht oder nur in einem geringen Umfang erfolgen, da eine Anströmung eines entsprechenden Profils hierbei über die gesamte Rotation des das Profil tragenden Rotors hinweg weitgehend aus einer gleichen Anströmrichtung erfolgt. Eine Anpassung eines Anstellwinkels γ, wie bei den bekannten Voith-Schneider-Rotoren (auch als Pitchen be- zeichnet), ist daher nicht erforderlich, kann jedoch vorteilhaft sein.
In Meereswellen bewegen sich die Wasserpartikel auf weitgehend kreisförmigen sogenannten Orbitalbahnen (in Form einer Orbitalbewegung bzw. Orbitalströmung, wobei beide Begriffe auch synonym verwendet werden). Dabei bewegen sich die Wasserpartikel unter einem Wellenberg in Ausbreitungsrichtung der Welle, unter dem Wellental entgegen der Wellenausbreitungsrichtung und in den beiden Nulldurchgängen aufwärts bzw. abwärts. Die Strömungsrichtung an einem festen Punkt unter der Wasseroberfläche (nachfolgend als lokale bzw. momentane Anströmung bezeichnet) ändert sich also kontinuierlich mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit O. Die Orbitalströmung ist im Tiefwasser weitgehend kreisförmig, im Flachwasser werden aus den kreisförmigen Orbitalen zunehmend flach liegende Ellipsen. Eine Strömung kann der Orbitalströmung überlagert sein.
Die Orbitalradien sind abhängig von der Tauchtiefe. Sie sind an der Oberfläche maximal - hier entspricht der Orbitaldurchmesser der Wellenhöhe - und nehmen mit zunehmender Wassertiefe exponentiell ab. Bei einer Wassertiefe von etwa der halben Wellenlänge kann daher nur noch ca. 5% der Energie gewonnen werden wie nahe der Wasseroberfläche. Getauchte Wellenenergiekonverter werden deswegen vorzugsweise oberflächennah betrieben.
Vorteilhafterweise ist ein Rotor mit weitgehend horizontaler Rotorachse und mindestens ei- nem Kopplungskörper vorgesehen. Der Rotor rotiert vorteilhafterweise synchron mit der Orbitalströmung mit einer Winkelgeschwindigkeit ω und wird über den wenigstens einen Kopplungskörper von der Orbitalströmung angetrieben. Mit anderen Worten wird also durch die Wellenbewegung des Wassers, genauer durch seine Orbitalströmung, ein Drehmoment (im Rahmen dieser Erfindung als "erstes Drehmoment" oder "Rotor(dreh)moment" bezeichnet), erzeugt, das auf den Rotor wirkt. Stimmen die Periodendauer der Rotorrotationsbewegung und jene der Orbitalströmung, zumindest in einem gewissen Umfang, überein (zum hier verwendeten Begriff der "Synchronität" vgl. unten), so ergibt sich, abgesehen von dem erwähnten Tiefeneffekt sowie von Breiteneffekten bei großen Rotordurchmessern, am Kopplungs- körper stets eine konstante lokale Anströmung. Hierdurch kann der Wellenbewegung kontinuierlich Energie entzogen und durch den Rotor in ein nutzbares Drehmoment gewandelt werden.
Unter dem Begriff "Kopplungskörper" sei in diesem Zusammenhang jede Struktur verstan- den, durch die sich die Energie eines anströmenden Fluids in eine Rotorbewegung bzw. ein entsprechendes Rotormoment einkoppeln lässt. Kopplungskörper können, wie unten erläutert, insbesondere als Auftriebsläufer (auch als "Flügel" bezeichnet) ausgebildet sein, jedoch auch Widerstandsläufer umfassen. Der Begriff der "Synchronität" kann dabei eine Rotorrotationsbewegung bezeichnen, aufgrund derer sich zu jedem Zeitpunkt eine vollständige Übereinstimmung zwischen der Lage des Rotors und der Richtung der lokalen Anströmung, die durch die Orbitalströmung zustande kommt, ergibt. Vorteilhafterweise kann eine "synchrone" Rotorrotationsbewegung aber auch derart erfolgen, dass sich zwischen der Lage des Rotors bzw. wenigstens eines an dem Rotor angeordneten Kopplungskörpers und der lokalen Anströmung ein definierter Winkel oder ein definierter Winkelbereich (d.h. der Phasenwinkel wird über ein Umdrehung innerhalb des Winkelbereichs gehalten) ergibt. Es ergibt sich daher ein definierter Phasenversatz bzw. Phasenwinkel Δ zwischen Rotorrotationsbewegung ω und Orbitalströmung O. Die "Lage" des Rotors bzw. des wenigstens einen an dem Rotor angeordneten Kopplungs- körpers ist dabei stets z.B. durch eine gedachte Linie durch die Rotorachse und bspw. die Drehachse oder den Schwerpunkt eines Kopplungskörpers definierbar.
Eine derartige Synchronität ist insbesondere für monochromatische Wellenzustände, d.h. Wellenzustände mit stets konstanter Orbitalströmung O, direkt ableitbar. Unter Realbedin- gungen, d.h. in realen Seegängen, in denen sich Orbitalgeschwindigkeit und -durchmesser durch wechselseitige Überlagerung von Wellen, durch wechselnden Windeinfluss und dergleichen ändern (sogenannte multichromatische Wellenzustände), kann jedoch ebenfalls vorgesehen sein, dass die Maschine unter einem nur in einem gewissen Rahmen konstanten Winkel zur jeweiligen aktuellen Anströmung betrieben wird. Hierbei lässt sich ein Win- kelbereich definieren, innerhalb dessen die Synchronität noch als eingehalten angesehen wird. Dies kann durch geeignete steuerungstechnische Maßnahmen unter Einbeziehung der Verstellung wenigstens eines Kopplungskörpers zur Erzeugung des erwähnten ersten Drehmoments und/oder eines bremsend oder beschleunigend wirkenden zweiten Drehmo- ments des Energiewandlers erreicht werden. Nicht alle Kopplungskörper müssen dabei notwendigerweise verstellt werden oder über eine entsprechende Verstellmöglichkeit verfügen. Insbesondere ist keine synchrone Verstellung mehrerer Kopplungskörper erforderlich.
Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass auf eine vollständige Synchronität, bei der die Anströmung des wenigstens einen Kopplungskörpers lokal immer aus der gleichen Richtung erfolgt, verzichtet wird. Stattdessen kann der Rotor auf mindestens eine Hauptkomponente der Welle (z.B. eine Hauptschwingungsmode überlagerter Wellen) synchronisiert werden und damit zeitweise der lokalen Strömung vor- bzw. nacheilen. Dies kann durch eine entsprechende Anpassung des ersten und/oder zweiten Drehmoments erreicht werden. Auch ein derartiger Betrieb ist noch von dem Begriff "synchron" umfasst, ebenso wie eine Schwankung des Phasenwinkels in gewissen Bereichen, die dazu führt, dass der Rotor zwischenzeitlich eine Beschleunigung (positiv oder negativ) gegenüber der Wellenphase erfahren kann.
Die Drehzahl eines "synchronen" oder "weitgehend synchronen" Rotors stimmt daher in etwa, d.h. innerhalb bestimmter Grenzen, mit der jeweils aktuell vorherrschenden Wellendrehzahl überein. Abweichungen akkumulieren sich hierbei nicht, sondern werden weitgehend gegenseitig oder über die Zeit bzw. ein gewisses Zeitfenster ausgeglichen. Ein wesentlicher Aspekt der Energieumwandlungssteuerung kann darin bestehen, eine Synchronität zu erhalten.
Besonders bevorzugt werden Kopplungskörper aus der Klasse der Auftriebsläufer verwendet, die bei einer Anströmung unter einem Anströmungswinkel a neben einer Widerstandskraft in Richtung der lokalen Anströmung insbesondere eine im Wesentlichen senkrecht zur Anströmung gerichtete Auftriebskraft erzeugen. Dabei kann es sich beispielsweise um Auftriebsläufer mit Profilen gemäß dem NACA-Standard (National Advisory Committee for Ae- ronautics) handeln, die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Profile beschränkt. Besonders bevorzugt können Eppler-Profile zum Einsatz kommen. Bei einem entsprechenden Rotor ergibt sich die lokale Anströmung und der damit verknüpfte Anströmwinkel a dabei aus einer Überlagerung der Orbitalströmung vWeiie in der zuvor erläuterten lokalen bzw. momentanen Wellenanströmrichtung, der Rotationsgeschwindigkeit des Auftriebsläufers vRotor am Rotor und dem Anstellwinkel γ des Auftriebsläufers. Damit kann insbesondere durch eine Verstellung des Anstellwinkels γ des wenigstens einen Auftriebsläufers die Ausrichtung des Auftriebsläufers auf die lokal vorliegenden Anströmungsverhältnisse optimiert werden. Weiterhin sind auch eine Verwendung von Klappen ähnlich wie jene an Flugzeugflügeln und/oder eine Änderung der Auftriebsprofilgeometrie (sogenanntes "Morphing") zur Beeinflussung der Anströmung möglich. Die genannten Änderungen seien von der Formulierung "Formveränderung" umfasst.
Das erwähnte erste Drehmoment kann daher z.B. über den Anstellwinkel γ beeinflusst werden. Es ist bekannt, dass mit steigendem Anströmwinkel a die resultierenden Kräfte auf den Auftriebsläufer zunehmen, bis bei der sogenannten Stallgrenze, bei der ein Strömungsabriss erfolgt, ein Einbruch des Auftriebsbeiwerts zu beobachten ist. Die resultierenden Kräfte stei- gen ebenfalls mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit. Das bedeutet, dass über eine Änderung des Anstellwinkels γ und damit verbunden des Anströmwinkels a die resultierenden Kräfte und damit das auf den Rotor wirkende Drehmoment beeinflusst werden können.
Das erwähnte zweite Drehmoment, nachfolgend auch als "Generatormoment" bezeichnet, wirkt sich ebenfalls auf die Rotationsgeschwindigkeit vRotor aus und beeinflusst damit ebenfalls den Anströmwinkel a. Das zweite Moment stellt im konventionellen Betrieb von Energieerzeugungsanlagen ein Bremsmoment dar, das durch die Wechselwirkung eines Generatorläufers mit dem zugehörigen Ständer zustande kommt und in elektrische Energie umgesetzt wird. Ein entsprechender Energiewandler in Form eines Generators kann jedoch zu- mindest während bestimmter Zeiträume auch motorisch betrieben werden, so dass das zweite Moment auch in Form eines Beschleunigungsmoments auf den Rotor wirken kann. Um die vorteilhafte Synchronität zu erreichen, kann das Generatormoment passend zur aktuellen Auftriebsprofileinstellung und den daraus resultierenden Kräften/Momenten so eingestellt werden, dass sich die gewünschte Rotationsgeschwindigkeit mit dem richtigen Pha- senversatz zur Orbitalströmung einstellt. Eine Beeinflussung des Generatormoments kann u.a. durch Beeinflussung eines Erregerstroms durch den Läufer (bei fremderregten Maschinen) und/oder durch die Ansteuerung der Kommutierung eines dem Ständer nachgeschalteten Stromrichters erfolgen. Aus den Kräften an den einzelnen Kopplungskörpern ergibt sich aus der vektoriellen Überlagerung schließlich eine Rotorkraft, die als senkrecht zur Rotorachse gerichtete Lagerkraft (auch als Reaktionskraft bezeichnet) auf das Gehäuse des Rotors wirkt. Diese ändert ihre Richtung kontinuierlich, da sich auch die Anströmung des Rotors und die Position der Kopp- lungskörper kontinuierlich ändern. Im zeitlichen Mittel ergibt sich bei einer gewollten oder ungewollten Asymmetrie der Lagerkraft über die Zeit eine Effektivkraft, die ebenfalls senkrecht zur Rotorachse wirkt und in Form einer translatorischen oder, bei mehreren Rotoren, als Kombination translatorischer Kräfte, eine Lage eines entsprechenden Wellenenergiekon- verters beeinflussen und gezielt zur Lagebeeinflussung genutzt werden kann. Bei entspre- chender Ausgestaltung der Kopplungskörper, z.B. bei schräger Anordnung ihrer Längsachsen, kann auch eine senkrecht zur Rotorachse gerichtete Lagerkraft erzeugt werden, wie an anderer Stelle näher erläutert.
Da der Rotor vorzugsweise als unter der Oberfläche eines welligen Gewässers schwimmen- des System ausgeführt ist, wirkt die erläuterte Rotorkraft als verschiebende Kraft auf den Gesamtrotor und muss entsprechend abgestützt werden, wenn sich die Position des Rotors nicht verändern soll. Wie erwähnt, wird dies beispielsweise in der US 2010/0150716 Aldurch die Bereitstellung mehrerer Rotoren, deren Kräfte einander entgegenwirken, erzielt. Über eine Umdrehung kompensieren sich dabei die Verschiebungen, wenn von konstanten An- Strömbedingungen an den Kopplungskörpern und gleichen Einstellungen der Anstellwinkel γ und damit des ersten Drehmoments und einem konstanten zweiten Drehmoment ausgegangen wird.
Durch eine geeignete Änderung der Rotorkraft durch Beeinflussung des ersten und/oder zeiten Drehmoments kann also unter Einhaltung der Synchronität auch erreicht werden, dass sich die Rotorkräfte pro Umdrehung nicht kompensieren, so dass bspw. eine Verschiebung des Rotors senkrecht zu seiner Rotationsachse erzielt werden kann.
Weist ein Rotor mehrere Kopplungskörper auf, so kann vorgesehen sein, dass jeder Kopp- lungskörper über eine eigene Versteilvorrichtung verfügt, so dass die Kopplungskörper unabhängig voneinander eingestellt werden können. Vorteilhaftweise werden die Kopplungskörper auf die jeweils lokal vorliegenden Strömungsbedingungen eingestellt. Dadurch können auch Tiefen- und Breiteneffekte ausgeglichen werden. Bei dem zuvor erläuterten "syn- chronen" Betrieb wird das Generatormoment dabei auf das durch die Summe der Kopplungskörper erzeugte Rotormoment abgestimmt.
Zur Steuerung des Wellenenergiekonverters ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen. Diese nutzt als Steuergrößen das verstellbare zweite Drehmoment des mindestens einen Rotors und/oder das verstellbare erste Drehmoment, bspw. durch die Verstellung des mindestens einen Kopplungskörpers. Neben den Maschinenzustandsgrößen mit Erfassung von Rotorwinkel und/oder Kopplungskörperverstellung kann das aktuell vorliegende lokale Strömungsfeld der Welle genutzt werden. Dieses kann mit entsprechenden Sensoren bestimmt werden. Dabei können diese Sensoren mitrotierend auf Teilen des Rotors und/oder auf dem Gehäuse und/oder unabhängig von der Maschine, vorzugsweise dieser vorgelagert angeordnet sein. Eine lokale, regionale und globale Erfassung eines Strömungsfelds, einer Wellenausbreitungsrichtung, einer Orbitalströmung und dergleichen kann vorgesehen sein, wobei sich eine "lokale" Erfassung auf die unmittelbar an einer Komponente eines Wellenener- giekonverters vorherrschenden Bedingungen, eine "regionale" Erfassung auf Komponentengruppen oder eine Einzelanlage und eine "globale" Erfassung auf das Gesamtsystem oder einen entsprechenden Anlagenpark beziehen kann. Hierdurch kann eine prädiktive Messung und Vorhersage von Wellenzuständen vorgenommen werden. Messgrößen können beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit und/oder Strömungsrichtung und/oder Wellenhö- he und/oder Wellenlänge und/oder Periodendauer und/oder Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und/oder Maschinenbewegung und/oder Haltemomente der Kopplungskörperverstellung und/oder Verstellmomente der Kopplungskörper und/oder das Rotormoment und/oder in ein Mooring eingeleitete Kräfte sein. Vorzugsweise lassen sich aus den Messgrößen die aktuell vorliegenden Anströmverhältnisse am Kopplungskörper bestimmen, so dass dieser und/oder das zweite Drehmoment entsprechend eingestellt werden können, um die übergeordneten Regelziele zu erreichen.
Besonders bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass durch geeignete Messungen vorgelagert vor der Maschine oder einem Park aus mehreren Maschinen das gesamte sich ausbreitende Strömungsfeld bekannt ist. Durch geeignete Berechnungen kann damit die folgende lokale Anstromung an der Maschine bestimmt werden, wodurch eine besonders genaue Steuerung der Anlage ermöglicht wird. Mit derartigen Messungen wird es insbesondere möglich, eine übergeordnete Steuerung der Maschine, die sich beispielsweise auf eine Hauptkomponente der einlaufenden Welle ausrichtet, zu implementieren. Damit ist ein besonders robuster Maschinenbetrieb möglich.
Alle Rotoren drehen sich relativ zu einem oder mehreren miteinander verbundenen Gehäu- sen. Diese Gehäuse können weitgehend starr oder verstellbar miteinander verbunden sein. Die Verbindung aller Gehäuse miteinander wird als Rahmen bezeichnet. Vorzugsweise kann über eine Verstellvorrichtung der Abstand von Rotoren untereinander (bspw. der Abstand der Teilanlagen 1a und 1 b in Figur 5 in y Richtung) verändert werden, oder auch eine Verdrehung der einzelnen Gehäuse und Rotoren (Rotationsebene) zueinander erreicht werden. Die Positionen und Verdrehungen der Teilanlagen zueinander werden in einem Vektor p zusammengefasst. Die ggf. zur Verfügung stehenden Verstellparameter aller Kopplungskörper werden dann im Vektor γ zusammengefasst. Dabei kann ein Kopplungskörper keinen
Freiheitsgrad besitzen (und damit keinen zugehörigen Verstellparameter), genau einen Freiheitsgrad oder auch mehrere Freiheitsgrade (z.B. Änderung eines Anstellwinkels und Ver- drehung des verwendeten Flügelprofils, Veränderung von Klappenpositionen, Formveränderungen usw.)
Das Bremsmoment zwischen dem Rotor i und dem Gehäuse i wird als Mi bezeichnet und alle betrachteten Bremsmomente im Vektor M zusammengefasst. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass es sich bei dem Gehäuse um den Ständer eines direktgetriebenen Generators und bei der Rotorbasis um den Läufer dieses direktgetriebenen Generators handelt. Alternativ sind jedoch auch andere Triebstrangvarianten denkbar, die neben oder anstelle eines Generators ein Getriebe und/oder hydraulische Komponenten, wie z.B. Pumpen, enthält. Das Bremsmoment kann ausschließlich positiv oder positiv und negativ sein. Das Bremsmoment kann zusätzlich oder auch ausschließlich durch eine geeignete Bremse realisiert sein. Außerdem kann die Realisierung der Bremsmomente für die verschiedenen Rotoren unterschiedlich sein.
Der Drehwinkel und die Drehgeschwindigkeit des Rotors i werden als ψί bzw. cot bezeichnet und die entsprechenden Größen für alle Rotoren in den Vektoren ψ bzw. ώ zusammengefasst. Die Position eines festgelegten Punkts (bspw. Schwerpunkt) des Rahmens wird mit (x,y,z) bezeichnet und die Verdrehung des Rahmens um festgelegte Achsen durch diesen Punkt als ( Θ , 0y , Θζ ) (zusammengefasst im Vektor θ ).
Die Erfindung beinhaltet eine gezielte Vorgabe des Bremsmoments M . Die Erfindung bein- haltet in bevorzugter Ausführungsform auch eine gezielte Vorgabe der Verstellparameter γ der Kopplungskörper und/oder der hydrostatische Auftriebskräfte FB und/oder der Rahmengeometrie p und/oder des Schubs von einem oder mehreren Zusatzantrieben. Zur Umsetzung der Erfindung ist zweckmäßigerweise eine entsprechend programmtechnisch eingerichtete Recheneinheit vorhanden. Hinsichtlich weiterer Details wird auf Figur 4 und die zu- gehörige Beschreibung verwiesen.
Die Vektoren γ , M , FB , p können kein Element (wenn keine Stelleinrichtung für diese
Größe vorhanden ist), genau ein Element oder auch beliebig viele Elemente beinhalten, je nach Zahl der insgesamt vorhandenen VerStelleinrichtungen und Freiheitsgrade der verstell- baren Bremsmomente, Kopplungskörper und verstellbaren Auftriebskräfte. Das Ziel der Vorgabe dieser Größen umfasst wenigstens ein Element aus der Gruppe, welche umfasst: Ma- ximierung der durch die Anlage produzierten Energie über ein bestimmtes Zeitintervall, Sicherstellung einer möglichst konstanten Leistung (Stromerzeugung), Stabilisierung der Position r des Rahmens im Raum, Stabilisierung der Verdrehung Θ des Rahmens, eine geziel- te Verschiebung der Maschine, eine gezielte Drehung der Maschine, eine gezielte Schwingungsanregung und ein Anlaufen der Maschine.
Die Erfindung ermöglicht einen besonders wirtschaftlichen Betrieb der Anlage, da stets zur Energieerzeugung geeignete Bedingungen sichergestellt sind. Bei bestimmten, nichtidealen Strömungsbedingungen (z.B. verhältnismäßig schnelle Änderung der Strömungsbedingungen innerhalb weniger Minuten), wird die Umwandlung der Wellenenergie in eine nutzbare Energieform durch die Erfindung überhaupt erst möglich. Die Erfindung ermöglicht auch eine Stabilisierung der Rotorachse im Raum und eine Stabilisierung oder gezielte Veränderung der Tauchtiefe und der damit verbundenen Mooringkräfte. Dadurch können die Verankerung der Anlage und evtl. vorhandene Zusatzantriebe klein und kostengünstig dimensioniert werden. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wellenenergie- konverters in perspektivischer Ansicht.
Figur 2 zeigt den Wellenenergiekonverter gemäß Figur 1 in einer Seitenansicht und veranschaulicht den Anstellwinkel γ und den Phasenwinkel Δ zwischen Rotor und Orbitalströmung.
Figur 3 zeigt resultierende Anströmwinkel a-ι und a2 und resultierende Kräfte an den Kopplungskörpern des Rotors aus Figur 2.
Figur 4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wel- lenenergiekonverters in perspektivischer Ansicht.
Figur 5 zeigt eine Anlage aus drei Wellenenergiekonvertern gemäß Figur 1 in perspektivischer Ansicht.
Figur 6 zeigt ein allgemeines Regelschema zür Steuerung eines Wellenenergiekonver- ters. Figur 7 zeigt ein erstes Regelschema zur Verstellung eines Bremsmoments gemäß bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 8 zeigt ein zweites Regelschema zur Verstellung eines Bremsmoments mit getrennter Vorsteuerung und Regelung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 9 zeigt ein Regelschema zur Verstellung eines Bremsmoments und von Kopplungskörpern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 10 zeigt ein Regelschema einer kombinierten Energieumwandlungs- und Lagesteuerung zur Verstellung eines Bremsmoments, von Kopplungskörpern und einer Auftriebskraft gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Figur 11 zeigt ein Blockschaltbild der Lagesteuerung gemäß Figur 10.
Figur 12 zeigt ein Blockschaltbild der Energieumwandlungssteuerung gemäß Figur 10.
Figur 13 zeigt ein Modell der Kopplungskörper für die Energieumwandlungssteuerung ge- maß Figur 12.
Figur 14 zeigt eine Variante der Lagesteuerung gemäß Figur 1 1.
Figur 15 zeigt eine weitere Variante der Lagesteuerung gemäß Figur 1 1.
In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben. Auf eine wiederholte Erläuterung wird der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
Die vorgestellte Erfindung bezieht sich auf den Betrieb von rotierenden Anlagen zur Gewin- nung von Energie aus bewegten Fluiden, beispielsweise aus dem Meer. Das Funktionsprinzip solcher Anlagen wird im Folgenden zunächst unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 erläutert. Figur 1 zeigt einen Wellenenergiekonverter 1 mit einer Rotorbasis 2, einem Gehäuse 7 und vier jeweils über Hebelarme 4 drehfest an der Rotorbasis 2 befestigte Kopplungskörper 3. Der Wellenenergiekonverter 1 ist zum Betrieb unterhalb der Wasseroberfläche eines welligen Gewässers - beispielsweise eines Ozeans - vorgesehen. Die Kopplungskörper 3 sind im gezeigten Beispiel als Auftriebsprofile ausgeführt. Die Komponenten 2, 3, 4 sind Bestandteile eines Rotors 1 1. Die Position des Gehäuses 7 wird durch die Position r =(x,y,z) des
Gehäuseschwerpunkts und die Verdrehung Θ ={ @x,Qy ,@z ) des Gehäuses um die x-, y- und z-Achse beschrieben. Das Gehäuse 7 ist Bestandteil eines Rahmens 12. Der Rotor 11 ist relativ zum Rahmen 12 drehbar gelagert. Es sei darauf hingewiesen, dass in der gezeig- ten Darstellung insbesondere alle Hebelarme 4 drehfest an ein und derselben Rotorbasis 2 befestigt sind. Der Rahmen 12 ist drehfest mit einem Ständer eines direktgetriebenen Generators verbunden, der Rotor 1 1 (hier die Rotorbasis 2) ist drehfest mit einem Läufer dieses direktgetriebenen Generators verbunden. Die Kopplungskörper 3 sind als Auftriebsläufer ausgebildet und in einem Winkel von 180° zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind die Auftriebsläufer in der Nähe ihres Druckpunktes gehaltert, um im Betrieb auftretende Rotationsmomente auf die Auftriebsläufer und damit die Anforderungen an die Halterung und/oder die Versteileinrichtungen zu reduzieren. Zweckmäßigerweise steht für jeden der Kopplungskörper 3 (üblicherweise ebenfalls als Bestandteil des Rotors) eine VerStelleinrichtung 5 mit mindestens einem Freiheitsgrad zur Verfügung, um die Stellung (z.B. "Pitchwinkel") des jeweiligen Kopplungskörpers zu verändern und damit die Wechselwirkung zwischen Fluid und Kopplungskörper zu beeinflussen. Der Freiheitsgrad der Versteileinrichtungen wird hier durch Verstellparameter γχ bis γ4 be- schrieben. Bei den VerStelleinrichtungen handelt es sich vorzugsweise um elektromotorische VerStelleinrichtungen. Vorzugsweise steht auch eine Sensorik 6 zum Erfassen der aktuellen Verstellung bereit.
Figur 2 zeigt eine Seitenansicht der Anlage bei um 90° verdrehten Hebelarmen. Die Ver- Stellparameter y, und γ2 (wie auch die Verstellparameter γ} und γ ) bezeichnen bei dem vorliegenden Beispiel die Anstellwinkel der Kopplungskörper 3 zur Tangente (mit einem Pfeil dargestellt) der Kreisbahn durch den Aufhängepunkt (Drehpunkt) der Kopplungskörper. Der Wellenenergiekonverter 1 ist von einem Strömungsvektorfeld v umgeben. Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird davon ausgegangen, dass es sich bei der Anströmung um die Orbitalströmung von eereswellen, deren Richtung sich kontinuierlich ändert, handelt. Im dargestellten Fall ist die Drehung der Orbitalströmung entgegen dem Uhrzeigersinn orientiert, die dazugehörige Welle breitet sich also von rechts nach links aus. Im monochromatischen Fall ändert sich die Anströmungsrichtung dabei mit der Winkelgeschwindigkeit O = 2pf = const., wobei f die Frequenz der monochromatischen Welle darstellt. In multichromatischen Wellen unterliegt O dagegen einer zeitlichen Änderung, O = (t), da die Frequenz f eine Funktion der Zeit ist, f = f[t). Durch die Anströmung entstehen Kräfte an den Kopp- lungskörpern. Dadurch verändert sich der Winkel ψχ der Rotorbasis 2 gegenüber der Horizontalen mit der Drehgeschwindigkeit ωχ = ψχ ( ψχ bezeichnet die Ableitung der zeitabhängigen Größe ψλ nach der Zeit). Es ist vorgesehen, dass der Rotor 2,3,4 synchron zur Orbitalströmung der Wellenbewegung mit u>i rotiert, wobei der Begriff der Synchronität in der zuvor erläuterten Weise zu verstehen ist. Hierbei gilt beispielsweise O « ω1. Ein Wert oder ein Wertebereich für eine Winkelgeschwindigkeit ω, des Rotors wird also auf Grundlage einer Winkelgeschwindigkeit O der Orbitalströmung vorgegeben oder an diese angepasst. Hierbei kann eine konstante Steuerung oder eine kurzzeitige bzw. kurzfristige Anpassung erfolgen. Am Rotor 1 1 wirkt ein veränderbares Bremsmoment , zwischen der Rotorbasis 2 und dem Gehäuse 7 bzw. Rahmen 12. Das Bremsmoment kann in positiver Richtung (entgegen der Drehgeschwindigkeit ω ) aber auch in negativer Richtung (also antreibend) wirken. ·
Zwischen der Rotororientierung, die durch eine untere gestrichelte Linie veranschaulicht ist, die durch die Rotorachse und die Mitte der beiden Versteileinrichtungen 5 verläuft, und der Richtung der Orbitalströmung, die die durch eine obere gestrichelte Linie veranschaulicht ist, die durch einen der Geschwindigkeitspfeile v verläuft, besteht ein Phasenwinkel Δ, dessen Betrag durch die Einstellung des ersten und/oder des zweiten Drehmoments beeinflusst werden kann. Dabei erscheint ein Phasenwinkel von -45° bis 45°, vorzugsweise von -25° bis 25° und besonders bevorzugt von -15° bis 15° zur Erzeugung des ersten Drehmoments als besonders vorteilhaft, da hier bei die Orbitalströmung vWene und die Anströmung aufgrund der Eigenrotation vRotor (siehe Figur 3) weitgehend senkrecht zueinander orientiert sind, was zu einer Maximierung des Rotormoments führt. Unter Einhaltung der geforderten Synchroni- tät gilt Δ ~ const., wobei im Rahmen der Erfindung - wie bereits zuvor beschrieben - auch ein Pendeln um einen Mittelwert von Δ als synchron verstanden wird. Die Darstellung der Kopplungskörper in der Figur 2 und in den weiteren Figuren erfolgt nur beispielhaft zur Defi- nition der unterschiedlichen Maschinenparameter. Vorzugsweise werden im Betrieb die Anstellwinkel der beiden Kopplungskörper entgegengesetzt zur Darstellung ausgeführt. Der in Figur 2 linke Kopplungskörper wäre dann nach innen verstellt und der in Figur 2 rechte Kopplungskörper nach außen. In Figur 3 sind die sich ergebenden Anströmungsverhältnisse und die sich einstellenden Kräfte an den Kopplungskörpern, die zu einem Rotordrehmoment führen, dargestellt. Dabei wird vereinfachend davon ausgegangen, dass die Strömung über den gesamten Rotorquerschnitt gleichförmig ausgeprägt ist und einen gleichen Betrag und eine gleiche Richtung aufweist. Insbesondere für Rotoren mit großen Radialerstreckungen kann es jedoch dazu kommen, dass sich die verschiedenen Kopplungskörper 3 des Rotors 1 1 relativ zur Welle an unterschiedlichen Positionen befinden, was zu einer lokal verschiedenen Anströmungsrich- tung führt. Dies kann jedoch beispielsweise mit Hilfe einer individuellen Einstellung des jeweiligen Anstellwinkels γ ausgeglichen werden. An beiden Kopplungskörpern sind in Figur 3 die lokalen Anströmungen durch die Orbitalströmung (vweiie.i) und durch die Eigenrotation (vRot0r,i), die als Vektorsumme aus diesen beiden Anströmungen resultierende Anströmgeschwindigkeit (vreSuitierend.i) sowie die sich ergebenden Anströmwinkel a! und a2 dargestellt. Abgeleitet sind darüber hinaus die sich ergebenden Auftriebs- und Widerstandskräfte FAUf,i und Fwidii an beiden Kopplungskörpern, die sowohl vom Betrag der Anströmgeschwindigkeit als auch von den Anströmwinkeln ζ und a2 und damit auch von den Anstellwinkeln γ, und γ2 abhängig sind und senkrecht bzw. parallel zur Richtung von vresuitierendii orientiert sind.
Für den dargestellten Fall ergibt sich durch die beiden Auftriebskräfte FAufii ein Rotordreh- moment entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn und durch die beiden Widerstandskräfte FWidJ ein betragsmäßig kleineres Rotordrehmoment in entgegengesetzter Richtung (also im Uhrzeigersinn). Die Summe aus beiden Rotordrehmomenten führt zu einer Rotation des Rotors 1 1 , deren Geschwindigkeit durch das verstellbare zweite Drehmoment eingestellt werden kann. Wird die im Rahmen der Erfindung geforderte Synchronität mit Δ « const. erreicht, so ist aus Figur 3 unmittelbar ersichtlich, dass für monochromatische Fälle, in denen der Betrag der Strömung vWeiie i und die Winkelgeschwindigkeit O konstant bleiben, sich die Anströmbe- dingungen der beiden Kopplungskörper 3 über die Drehung des Rotors nicht ändern. Dies bedeutet, dass mit konstanten Anstellwinkeln γ ein konstantes Rotormoment erzeugt wird, das mit einem konstanten zweiten Drehmoment eines entsprechenden Generators abgegriffen werden kann.
Aus den an den Kopplungskörpern angreifenden Kräften ergibt sich neben einem Rotormoment auch eine resultierende Rotorkraft durch vektorielle Addition von FAuf.i. Fwid.i, Auf,2 und Fwid,2- Diese wirkt als Lagerkraft auf das Gehäuse und muss entsprechend abgestützt werden, wenn eine Verschiebung des Gehäuses unerwünscht ist. Während das Rotormoment bei Annahme gleicher Anströmbedingungen (vWeiie,i. Δ, O, ω, a1 t a2, Yi. Y2 = const.) konstant bleibt, gilt dies für die resultierende Rotorkraft nur betragsmäßig. Aufgrund der sich ständig ändernden Strömungsrichtung der Orbitalströmung und der synchronen Rotordrehung ändert sich auch die Richtung der Rotorkraft entsprechend.
Neben einer Beeinflussung des Rotormoments durch eine Verstellung der Anstellwinkel γ und/oder eine Verstellung des Phasenwinkels Δ kann auch der Betrag dieser Rotorkraft durch eine Änderung der Anstellwinkel γ (wodurch sich die Anströmwinkel a ändern), durch eine Änderung der Rotorwinkelgeschwindigkeit ω und/oder des Phasenwinkels Δ - beispielsweise durch Änderung des als zweiten Moments aufgebrachten Generatormoments (wodurch sich vRotor,i ändert) und/oder durch eine Kombination dieser Änderungen beeinflusst werden. Dabei wird vorzugsweise die in der Einleitung beschriebene Synchronität eingehalten.
Durch eine geeignete Verstellung dieser Stellgrößen pro Umdrehung und einer damit verbundenen Änderung der Rotorkraft kann der Wellenenergiekonverter in jede beliebige radia- le Richtung bewegt werden. Hierbei sei angemerkt, dass die Darstellung in Figur 3 lediglich eine senkrecht zur Rotationsachse gerichteten Orbitalströmung umfasst, die keine Strömungskomponenten in Richtung der Zeichenebene aufweist. Wird im Gegensatz dazu, wie unter Realbedingungen der Fall, der Rotor schräg angeströmt, so ergibt sich eine Rotorkraft, die neben einer senkrecht zur Rotorachse gerichteten Kraftkomponente auch eine axiale Kraftkomponente aufweist. Diese rührt daher, dass die hydrodynamische Widerstandskraft eines Kopplungskörpers in Richtung der lokalen Anströmung gerichtet ist.
In Figur 4 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform dargestellt, welche gegenüber den Figuren 1 , 2 und 3 zusätzlich Dämpfungsplatten 10 zur Lagestabilisierung vorsieht, die über Träger 9 weitgehend starr mit dem Gehäuse 7 der Anlage verbunden sind. Zusätzlich ist ein Auftriebssystem 8 vorgesehen, das aus Tanks besteht, die mit Fluid befüllt oder auch entleert werden können. Auf diese Weise können die an den Auftriebskörpern 8 angreifenden
Auftriebskräfte F1 ,F2,... (zusammengefasst im Vektor FB ) verändert werden. Die Auftriebs- kräfte können durch das Umpumpen von Fluid zwischen den Tanks oder zwischen Tanks und der Anlagenumgebung verändert werden. Das Auftriebssystem 8 kann auch verfahrbare Gewichte aufweisen, um den Angriffspunkt einer Gewichtskraft zu verändern und einen ähnlichen Effekt wie die Änderung von Auftriebskräften herbeizuführen. Auftriebssystem 8, Träger 9 und Dämpfungsplatten 10 sind Bestandteile des Rahmens 12.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Mooring vorgesehen sein, welches nicht in den Figuren dargestellt ist.
Figur 5 zeigt eine alternative Ausführung eines vorteilhaften Wellenenergiekonverters mit weitgehend horizontaler Rahmenerstreckung und einer Mehrzahl von Teilanlagen 1 a, 1 b, 1c.
Ein bevorzugter grundsätzlicher Aufbau eines erfindungsgemäßen Wellenenergiekonverters ist in Figur 6 in einem Blockdiagramm dargestellt. Der Wellenenergiekonverter weist eine als Regelstrecke wirkende Maschine 500 (bspw. aufweisend Gehäuse, Rotor, Energiewandler, Auftriebssystem usw.) auf. Die Maschine 500 dient in erster Linie zur Erzeugung von Strom und zur Abgabe desselben an ein Stromnetz 600.
Auf die Maschine 500 wirken Umgebungsbedingungen 510 (Strömungen, Mooringkräfte, Gewichtskräfte, Auftriebskräfte usw.) ein. Diese werden zumindest teilweise erfasst und ei- nem Block 520 zur Messung und Signalverarbeitung zugeführt. Dem Block 520 werden auch
Maschinengrößen (z.B. Ist-Position ψ des Rotors, r,9 des Rahmens, Ist-Stellung γ der
Kopplungskörper) zugeführt. Der Block 520 misst und verarbeitet ggf. die erhaltenen Größen und gibt Ergebnisse an eine Steuereinheit 530 aus. Diese bestimmt in Abhängigkeit von den zugeführten Ergebnissen einen oder mehrere Steuergrößen (Soll-Werte γ,Μ,ΡΒ , ρ ) und beaufschlagt damit die Maschine 500. Zusätzlich können unterlagerte Steuer- oder Regelkreise in der Maschine vorge- sehen sein, wie weiter unten beschrieben.
Über verschiedene Sensoren werden die Positionen (insbesondere Verstellparameter wie Pitchwinkel) der Kopplungskörper, die Kräfte ^ρρ1 zwischen den einzelnen Kopplungskörpern und dem Rahmen, die Position (x.y.z) und Verdrehung ( θχ , θγ , θ2 ) des Rahmens ge- messen. Diese Größen können gefiltert werden und werden dann direkt an die einzelnen Steuerungen weitergeleitet.
Um Informationen über das die Anlage umgebende Strömungsvektorfeld zu gewinnen, sind zwei Ansätze möglich.
Der erste Ansatz bezieht sich auf die Situation, dass Messdaten bzgl. des Fluids (z.B. Strömungsvektoren, Oberfächendaten, Druckmessungen etc.) zur Verfügung stehen, die aber für die Steuerung der Anlage nicht ausreichen. Zum Beispiel könnten Oberflächenerhebungen gemessen werden, für die Anlagensteuerung ist es aber von Bedeutung, die Richtung des Strömungsvektors an der Anlage zu kennen. In diesem Fall wird die Richtung des Strömungsvektors an der Anlage über ein Modell des Fluids berechnet. In einem einfachen Fall steht eine mathematische Funktion zur Verfügung, die direkt die Richtung des Strömungsvektors aus aktuellen Oberflächendaten berechnet. Im Allgemeinen können aber auch dynamische, durch Differenzialgleichungen gegebene Modelle verwendet werden, die durch ein numerisches Integrationsverfahren berechnet werden. Diese Modelle werden verwendet, um fehlende Messinformationen zu berechnen. Die zur Verfügung stehenden Messdaten werden verwendet, um die verwendeten Modelle fortlaufend zu korrigieren.
Der zweite Ansatz kann verwendet werden, um den ersten Ansatz zu verbessern oder auch für den Fall, dass keine Messdaten bzgl. des Fluids zur Verfügung stehen. Hier werden Messdaten aus der Anlage (Tauchtiefe, Beschleunigung, Verkippung etc.) verwendet, um Informationen über die Strömungsbedingungen um die Anlage herum zu gewinnen. Das geschieht, indem ein Modell der Wechselwirkung zwischen der Anlage und dem umgebenden Strömungsvektorfeld verwendet wird. Mittels dieses Modells und den Messdaten aus der Anlage können dann Informationen über das Strömungsvektorfeld berechnet werden. Stehen zusätzlich noch Messdaten bzgl. des Fluids zur Verfügung verbessern sich natürlich die Informationen über das Strömungsvektorfeld.
Eine Kenntnis des Strömungsvektorfelds um die Anlage ist hilfreich für die Erzeugung von Sollwerten, z.B. um einen Sollwert für die Tauchtiefe der Anlage zu berechnen. Basierend auf Strömungsdaten ist eine Schätzung der Haupt-Wellenrichtung hilfreich, um einen Soll- wert für die Orientierung θζ der Anlage zu erzeugen. Auch für ein geeignetes Pitchen und eine geeignete Momentensteuerung sind Strömungsinformationen hilfreich.
Für jeden messbaren Verstellparameter γ. (bezeichnet eine Komponente des Vektors γ ) kann im Rahmen einer unterlagerten Steuerung ein Standardregelkreis (z.B. Pl-Regler mit Anti-Windup) vorgesehen sein, bei dem über die Variation einer Stellgröße (z.B. Strom durch einen Elektromotor, Volumenstrom einer hydraulischen Vorrichtung) die gemessene Regelgröße Yt entsprechend der Vorgabe aus dem Block 530 eingeregelt wird. Für jeden nicht gemessenen Verstellparameter ist eine Steuerung vorgesehen, die ganz ohne Rückkopplung von Messwerten oder basierend auf der Messung anderer Größen arbeitet.
Für jedes mess- und verstellbare Bremsmoment M, kann ebenso unterlagert ein Regelkreis vorgesehen sein, bei dem über die Variation einer Stellgröße (z.B. Läuferstrom, Ständerstrom, Schaltschema eines dem Generator nachgeschalteten Stromumrichters) das Moment Mj entsprechend der Vorgabe aus dem Block 530 eingeregelt wird. Für jedes nicht gemes- sene Moment ist eine Steuerung vorgesehen, die ganz ohne Rückkopplung von Messwerten oder basierend auf der Messung anderer Größen arbeitet.
Für jeden mess- und verstellbaren Rahmenparameter kann ebenso unterlagert ein Regelkreis vorgesehen sein, bei dem über die Variation einer Stellgröße (z.B. Fluidstrom durch ein Hydraulikventil) der Rahmenparameter pi entsprechend der Vorgabe aus dem Block 530 eingeregelt wird. Für jeden nicht gemessenen Rahmenparameter ist eine Steuerung vorgesehen, die ganz ohne Rückkopplung von Messwerten oder basierend auf der Messung anderer Größen arbeitet.
Auch für die Befüllung der Auftriebskörper können einfache Steuerungen vorgesehen sein. Zusätzlich sind einfache Steuerungen für evtl. vorhandene Zusatzantriebe vorgesehen.
Ein vorteilhafter Effekt der unterlagerten Steuerungen ist, dass die Größen y,M,FB,p direkt als virtuelle Stellgrößen zur Verfügung stehen. Es kann ein übergeordneter Koordinator 540 vorgesehen sein, der die Anlage in Abhängigkeit von einem Benutzerwunsch 501 koordiniert, bspw. einen Betriebsmodus ändert. Der Koordinator kommuniziert vorzugsweise mit allen anderen Steuerungssystemen, verfügt über Informationen bezüglich Netzauslastung und/oder berücksichtigt Benutzerwünsche. Bspw. kann vorgesehen sein, zwischen den Betriebsmodi "Energieerzeugung", "Positions- Wechsel", "Wartungsmodus", "Sicherheitsmodus" (Abtauchen der Anlage bei Sturm), "Ruhemodus" (Einspeisen von Strom ins Leitungsnetz nicht möglich oder nicht erwünscht), "Testbetrieb" (für die Inbetriebnahme oder Fehlersuche) umzuschalten. Daneben können auch andere Betriebsmodi vorgesehen sein. Die Darstellungen in den Figuren 7 bis 9 basieren auf der Darstellung gemäß Figur 6. Gleiche Elemente sind darin mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zur besseren Verständlichkeit wird von einer Anlage mit einem Rotor ausgegangen, bei der nur ein verstellbares Bremsmoment M als zweites Drehmoment, ein Winkel ψ und/oder eine Drehgeschwindigkeiten ω beachtet werden müssen. Eine Verallgemeinerung für den Fall mit mehreren Roto- ren ist leicht möglich, indem die unten angegebenen Berechnungen für jede Komponente von M , ψ , ώ getrennt vorgenommen werden. In bzw. an der Maschine 500 werden die Winkel ψ und/oder die Drehgeschwindigkeiten ώ und/oder Eigenschaften des Strömungsvektorfelds v gemessen. Eine Messgröße kann auch mittels der Signalverarbeitung aus einer anderen Größe durch Integration, Differentiation oder auch mithilfe eines Filters, das ein Modell der Anlage enthalten kann, berechnet werden. Die vektorwertige Größe w bezeichnet veränderbare Eingänge der Steuerung, wie zum Beispiel Sollwerte oder verstellbare Parameter. In Figur 7 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung als Regelschema dargestellt. Als Stellgröße wird nur das Bremsmoment M verwendet. Das Schema gemäß Figur 8 entspricht dem gemäß Figur 7, wobei jedoch der Block 530 in einen Steuerblock 531 mit Rückkopplung ("Regelblock") und einen Steuerblock 532 ohne Rückkopplung ("Vorsteuerblock") aufgeteilt ist.
Figur 8 ist eine spezielle Umsetzung eines besonders vorteilhaften, allgemeinen zweistufigen Steuerungskonzepts am Beispiel lediglich der Steuerung des zweiten Drehmoments. Das Konzept an sich ist jedoch zur Steuerung aller Größen geeignet. Der erste Teil stellt eine sogenannte modellbasierte Vorsteuerung dar. Dabei wird die Kenntnis des mathematischen Modells der Anlage (vgl. auch Beschreibung zu den Figuren 1 1 bis 15) derart ausgenutzt, dass aus der Kenntnis von Zustandsdaten (insbesondere der Anregung, also der Welle, in Form des Anströmwinkels und des Betrags der Anströmgeschwindigkeit) das vorzuge- bende zweite Drehmoment berechnet wird. Dabei können insbesondere auch Zustandsdaten, die über den momentanen Zeitpunkt hinausgehen, einbezogen werden. Dies ist insbesondere in multichromatischen Wellen wichtig, da hier teilweise auch ein "Durchfahren" von kleineren Oberschwingungen sinnvoll sein kann. Die Zustandsdaten können auf verschiedene Arten sensorisch erfasst werden, wie in dieser Anmeldung beschrieben. Dadurch ist eine zeitliche Vorausschau der. Anströmungsverhältnisse am Ort der Maschine möglich. Aus den Daten kann unter der Verwendung der Potenzialtheorie und somit unter Kenntnis der aktuellen und zukünftigen Strömungsverhältnisse um die Maschine und insbesondere den/die Kopplungskörper ein erwünschtes Maschinenverhalten und damit das vorzugebende zweite Drehmoment berechnet werden.
Der zweite Teil des Steuerungskonzeptes besteht nun darin, die Abweichungen des Systems von den gemeinsam mit der Vorsteuerung berechneten optimalen Trajektorien auszu- regeln. Dies kann in einer Ausführungsform der Steuerung darin bestehen, das zweite Drehmoment (Generatormoment) und das erste Drehmoment (z.B. über die Verstellparame- ter der Kopplungskörper) derart zu regeln, dass ein erwünschtes Ziel erreicht wird, wie z.B. Maximierung der absorbierten Leistung, hohe Stetigkeit der absorbierten Leistung, Lebens- dauermaximierung der Lasten, Überlastschutz und Begrenzung der absorbierten Leistung (Überleben im Sturm), Kombinationen davon, von einem Verbraucher vorgegebene Leistungsprofile.
Zusammenfassend wird in der ersten Stufe basierend auf Zustandsdaten eine Steuergröße im Steuerblock 532 ermittelt. In der zweiten Stufe werden die Abweichungen des Systems von dem bestimmten Sollverhalten durch den Block 531 nachgeregelt. Mit einem derartigen zweistufigen Konzeptansatz kann ein Maschinenverhalten erreicht werden, dass die Punkte Synchronität und Energieertrag von rotierenden Maschinen optimiert. Dieses zweistufige Konzept ist nicht auf rotierende Maschinen beschränkt, sondern kann auch auf andere Sys- teme, wie z.B. "Point Absorber" oder ähnliche übertragen werden.
Eine besonders einfach zu implementierende Variante ist durch Figur 8 bei Weglassen des Blocks 531 gegeben. In einer reinen Vorsteuerung wird direkt ein konstantes Bremsmoment M0
M = M0 (1 )
vorgegeben, sodass sich stationär eine Drehzahl ostalionär (M0) > 0 einstellt. Die von der Anlage im Stationärbetrieb erzeugte Leistung ist dann P = Mcoslalionär (M0) > 0 , d.h. die Anlage erzeugt zu jedem Zeitpunkt Energie. M0 kann abhängig vom aktuellen Seegang eingestellt werden, bspw. zunehmend mit zunehmender Wellenhöhe.
Ein Nachteil dieser Variante ist, dass bei einem groß gewählten M0 und einer kurzfristigen Änderung des Seegangs das große Bremsmoment zu einer Verringerung von ω führt. Bei bestimmten Anlagenkonfigurationen kann diese Verringerung der Winkelgeschwindigkeit dazu führen, dass die Strömung an den Kopplungskörpern abreißt und die Anlage zum Stillstand kommt bzw. allgemeiner dass die Synchronität verloren geht. Abhilfe schaffte hier eine Variante der Steuerung in Figur 7 mit dem Regelgesetz
M = - w) , (2)
d.h. das Bremsmoment hängt von einem konstanten Reglerparameter k > 0 (Moment wirkt als Bremsmoment entgegen der Drehrichtung des Rotors, vgl. Figur 2) und der Differenz der Drehzahl ω von einem Sollwert w < ω5/3ί(0^ ab. Die Größe ω^αοη τ bezeichnet dabei die Anlagendrehzahl, die sich ohne Bremsmoment (bzw. bei einem nur kleinen Bremsmoment) stationär einstellt. Kommt es unter dem Regelgesetz (2) zu einer Verlangsamung der Anlage durch kurzfristige Strömungsänderungen, so sinkt automatisch auch das Bremsmoment M und die Anlage wird wieder schneller. Durch dieses Regelgesetz wird eine deutlich stabilere Drehbewegung der Anlage erreicht. Dennoch ist lediglich die Messung der Anlagendrehzahl erforderlich. Die Anlagendrehzahl kann auch basierend auf anderen Messgrößen berechnet werden. Weiterer Vorteil des Regelgesetzes (2) ist, dass das Anlaufen der Anlage aus dem Stillstand unterstützt wird: Solange die Anlagendrehzahl ω kleiner als w ist, wirkt ein antreibendes Moment auf den Rotor. Unter dieser Bedingung verbraucht die Anlage Energie, erst wenn ω größer als w ist, beginnt der Betrieb mit Energieerzeugung.
Eine weitere Verbesserung des Regelgesetzes (2) ist möglich, indem es um eine winkelab- hängige Funktion (Ψ) erweitert wird, sodass das Regelgesetz
M = k(co - wl ) + fp (V) (3)
resultiert. Die Funktion Ρ (Ψ) ist periodisch, wobei für die hier beschriebene Anlagenart insbesondere 2π- oder π -periodische Funktionen (gleichbedeutend 360° bzw. 180° periodisch) zweckmäßig sind. Durch die Erweiterung des Regelgesetzes (2) um die Funktion kann berücksichtigt werden, dass abhängig vom Rotationswinkel der Anlage ein anderes Bremsmoment geeignet ist, um einen maximalen Energieertrag zu erhalten. Weitere Verbesserungen des Regelgesetzes (3) sind möglich, indem zur Maximierung der Leistungserzeugung, zur Verbesserung der Stabilität der Rotationsbewegung oder zur Verbesserung des Anlaufverhaltens nichtlineare Gesetze der Form
M = f:ichllin (a>,wx) + fp (V) (4)
oder noch allgemeiner M = f^ichüin { , w ,^) verwendet werden. Ebenfalls ist es denkbar, den Regler dynamisch auszulegen, sodass das Regelgesetz nicht nur durch eine algebraische Gleichung der Form (1 ), (2), (3) etc. gegeben ist, sondern zusätzlich noch durch eine Differentialgleichung.
Eine andere Form von Regelgesetz kann verwendet werden, wenn Informationen bezüglich des Strömungsvektorfelds um die Anlage und/oder bezüglich der Fluidoberfläche an und um die Anlagenposition herum zur Verfügung stehen. In diesem Fall kann ein Sollwert wwinkel für den Rotationswinkel Ψ berechnet werden, bei dem die Ausrichtung der Anlage relativ zum Strömungsvektorfeld ein maximales Vortriebsmoment ergibt. Ein geeigneter Regelalgorithmus wird dann mit der Regelabweichung wYiinkel - Ψ beaufschlagt und verändert das Bremsmoment so, dass die Regelabweichung verschwindet (einfache Möglichkeit: Pl- Regler; verbesserte Möglichkeit: Kaskadensteuerung aus Pl-Regler für die Drehzahl und P- Regler für den Drehwinkel) oder sich stets in einem kleinen Bereich bewegt (einfache Möglichkeit P-Regler). Dadurch wird die überwiegende Synchronität des Rotors mit dem umge- benden Strömungsfeld sichergestellt.
Figur 9 zeigt einer Erweiterung der Ausführungsformen gemäß Figur 7 oder 8 für den Fall zusätzlich verstellbarer Kopplungskörper. Im Beispiel ist eine Vorsteuerung 533 für die Kopplungskörper vorgesehen, welche abhängig von w und den Größen ψ, ώ Werte für die Freiheitsgrade γ der Kopplungskörper als Steuergrößen ausgibt. Dies geschieht vorzugsweise basierend auf einem Modell der Anlage, welches verwendet wird, um γ so einzustellen, dass die Leistung als Summe aller Integrale
Figure imgf000026_0001
über den Zeitraum von t0 bis f, maximal wird. Der Spezialfall t0 -> umfasst die Ausfüh- rungsform, dass die Leistung zu jedem Zeitpunkt maximal ist. Prinzipiell sind die Freiheitsgrade der Kopplungskörper und/oder das Bremsmoment so einzustellen, dass überwiegende Synchronität des Rotors mit dem Strömungsvektorfeld erreicht wird.
In Weiterbildung der Erfindung wird eine Kombination aus Energieumwandlungs- und Lage- Steuerung umgesetzt, wie sie nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur 10 beschreiben wird. Figur 10 zeigt dabei in einem Blockdiagramm einen abgewandelten Steuerblock 630, der einen Block 631 für die Leistungssteuerung, einen Block 632 für die Lagesteuerung sowie einen Block 633 für das Zusammenführen von Steuergrößen aufweist. Die von den beiden Blöcken 631 und 632 erzeugten Steuergrößen γ Μι bzw. γ2 ,Μ2 werden im Block 633 gewichtet und in die virtuellen Stellgrößen γ ,M umgerechnet. Eine Gewichtung der Steuergrößen ist besonders vorteilhaft, da die beiden Teilsteuerungen 631 und 632 in bestimmten Situationen gegeneinander arbeiten können. Beispielsweise kann eine besonders stabile Lage besonders wenig Leistung liefern und umgekehrt. Dann kann der gesamte Regelkreis ohne Gewichtung instabil werden. Es bietet sich an, die gewünschten Stellgrößen der Lagesteuerung und der Energieumwandlungssteuerung in Abhängigkeit vom Betriebsmodus gewichtet zur tatsächlichen Stellgröße zusammenzufassen. Bspw. in einem Betriebsmodus "Energieumwandlung" wird hauptsächlich die Stellgröße von der Energieumwandlungssteuerung verwendet und nur ein sehr be- grenzter Eingriff der Lagesteuerung zugelassen, um zu vermeiden, dass sich die Anlage zu sehr von ihrer Sollposition und Ausrichtung entfernt. Die Gewichtung wird adaptiv durchgeführt, sodass bei einer zu starken Änderung der Anlagenposition die Lagesteuerung mehr Gewicht bekommt bzw. bei einem zu starken Abfall des Bremsmoments die Energieumwandlungssteuerung mehr Gewicht bekommt. Diese Gewichtung ist vorteilhaft, da im Be- trieb immer wieder Situationen auftreten werden, in denen die Lagesteuerung entgegen der Energieumwandlungssteuerung arbeiten wird (z.B. wenn die Lagesteuerung das Bremsmoment verkleinern will, um einer Änderung des Lastwinkels entgegenzuwirken, während die Energieumwandlungssteuerung ein möglichst großes Bremsmoment fordert). Der Block 632 für die Lagesteuerung erzeugt zusätzlich noch die virtuelle(n) Stellgröße(n)
Eine bevorzugte Ausgestaltung für den Block 632 für die Lagesteuerung ist in Figur 1 1 dargestellt. Die in Figur 11 gezeigte Lagesteuerung umfasst zwei wesentliche Teile, einen Teil 710 für die schnell auf die Lage wirkenden virtuellen Stellgrößen γ2 ,Μ2 und einen Teil 720 für die eher langsam veränderbaren Kräfte FB durch Auftriebskörper. Der Teil 710 umfasst einen Block 711 für eine Sollwerterzeugung und ggf. Trajektorienplanung, einen Block 712 für die Steuerung eines Lastwinkels, einen Block 713 für die Steuerung eines Kippwinkels, einen Block 714 für die Steuerung einer Orientierung zur Wellenrichtung, einen Block 715x für die Steuerung einer x-Position, einen Block 715y für die Steuerung einer y-Position, einen Block 716 für die Steuerung einer Tauchtiefe und einen Block 717 für eine Steuergrößentransformation.
Der Teil 710 umfasst einen Block 722 für die Steuerung eines Lastmoments, einen Block 723 für die Steuerung eines Kippmoments, einen Block 724 für die Steuerung einer Auftriebskraft und einen Block 727 für eine Steuergrößentransformation. Grundlage des schnellen Teils 710 der Lagesteuerung ist, dass über gezieltes Verstellen der
Kopplungskörper 3 und Bremsmomente M Kräfte in x-, y- und z-Richtung sowie Momente um alle Achsen auf den Rahmen 12 ausgeübt werden können. Bei Kenntnis der aktuellen Strömungsbedingungen, Einstellparameter und Geschwindigkeiten der Kopplungskörper können die aktuellen Kopplungskörperparameter und Bremsmomente in resultierende Momente Mr™ ,Mr" sowie resultierende Kräfte F ,F™,Fz r" umgerechnet werden. Das
Auflösen dieser Gleichungen nach den Kopplungskörperparametern und Bremsmomenten führt zu der in Figur 11 dargestellten Stellgrößentransformation. Sollten die Gleichungen über- oder unterbestimmt sein, so wird abhängig vom aktuellen Betriebsmodus eine Opti- mierung durchgeführt, um die in der aktuellen Situation bestmöglichen Kopplungskörperpa- rameterVerstellparameter der Kopplungskörper und Bremsmomente zu berechnen. Sind die Gleichungen zum Beispiel unterbestimmt, so können die dadurch entstehenden Freiheitsgrade im Sicherheitsmodus genutzt werden, um die Tauchtiefe der Anlage (Bewegung in z- Richtung) möglichst schnell zu verändern.
Basierend auf der Stellgrößentransformation werden fünf Eingrößenregler mit den virtuellen Stellgrößen M™ ,Μ ,ΜΤ , F ,F™,Fz res und den Regelgrößen Lastwinkel θχ , Kippwinkel 9y , Orientierung θζ , Positionen x und y und Tauchtiefe z entworfen. Für die Auslegung dieser Regler kann ein Modell der Anlage verwendet werden, das auf Gleichungen der tech- nischen Mechanik und der Strömungsmechanik beruht. Um trotz Änderungen der Anlagendynamik, z.B. durch Biofouling, eine hohe Regelgüte zu erzielen, können adaptive Regelalgorithmen verwendet werden. Sollwerte für die Regelgrößen können basierend auf der aktuellen Strömungssituation und einer Prädiktion der zukünftigen Strömungsverhältnisse berechnet werden. Eine Trajektorienplanung wandelt diese Sollwerte in von der Anlage durch- führbare Bewegungsabläufe um. Bei bestimmten Anlagenkonfigurationen ist es nicht möglich, eine Kraft z.B. direkt in x-Richtung (Rotationsachse) durch Verstellen der der Kopplungskörper und Bremsmomente aufzubringen. Insbesondere in solchen Fällen ist eine Trajektorienplanung wichtig, um Sollwerte für den Orientierungsregler (Regelgröße θζ ) und den Positionsregler (Regelgröße hier nur y) so vorzugeben, dass eine Kombination von Drehun- gen und translatorischen Bewegungen zu einer effektiven Bewegung in x-Richtung führen. Der untere, langsame Teil 720 der Lagesteuerung berücksichtigt den Effekt, dass die Tauchtiefe z, die Drehung des Rahmens 12 um die x-Achse (Lastwinkel) und die Drehung des Rahmens um die y-Achse (Kippwinkel) auf zwei unterschiedliche Arten verändert werden können. Zum Einen kann, wie schon beschrieben, eine Verstellung der Kopplungskörper und Bremsmomente vorgenommen werden. Zum anderen können diese Größen auch über eine
Veränderung der Auftriebskräfte FB beeinflusst werden.
Die Stellgrößentransformation 727 beruht darauf, dass die aus den Auftriebskräften FB resultierenden Momente MB und MB um die x- bzw. y-Achse des Rahmens 12 sowie die resultierende Auftriebskraft Ff in z-Richtung über Gleichungen berechnet werden können.
Ein Auflösen dieser Gleichungen nach der Auftriebskraft FB führt zu der genannten Stell- g röße ntra nsf o rm atio n .
Die Steuerungen 722, 723, 724 für das Lastmoment, Kippmoment und die Tauchkraft besit- zen als Regelgröße die Größen Mf , Mf bzw. F2 res , die die Steuerungen des Lastwinkels,
Kippwinkels und der Tauchtiefe als Stellgröße ausgeben. Sollwert der Regelgrößen Mf ,
Mf und F2 ra ist jeweils Null, d.h. das Ziel der unteren drei Steuerungen in Figur 1 1 ist es, die Verstellparameter der Kopplungskörper und Bremsmomente γ2 ,Μ2 möglichst wenig für die Lagesteuerung zu verwenden. Auf diese Weise bestehen möglichst viele Freiheitsgrade für eine optimale Energieumwandlung. Stellgröße für die unteren Regler sind die Momente
MB , MB und die Kraft Ff . Tritt zum Beispiel ein Lastsprung auf, der zu einer unerwünschten Änderung im Lastwinkel θχ führt, so wird zunächst die Steuerung 7 2 des Lastwinkels reagieren und ein Moment Mf auf die Anlage aufprägen, um dieser Änderung entgegenzuwirken. Um das Moment Mf wieder auf seinen Sollwert Null zu regeln, bewirkt die Steu- erung 722 des Lastmoments eine Änderung der Auftriebskräfte, sodass ein zusätzliches rückstellendes Moment auf die Anlage erzeugt wird. Aufgrund der Verdrehung der Anlage durch dieses langsam anwachsende Moment reduziert die Steuerung 712 des Lastwinkels langsam ihre Stellgröße, bis schließlich das notwendige Moment zur Kompensation des Lastsprungs vollständig durch die Auftriebskörper aufgebracht wird. Für die Auslegung der Regler 722, 723, 724 für das Lastmoment, Kippmoment und die hydrostatische Auftriebskraft kann ein Modell der Anlage verwendet werden, das auf Grundgleichungen der technischen Mechanik beruht und Strömungseffekte, Added-Mass Effekte so- wie Kräfte durch das Mooring berücksichtigt. Da für die Auslegung dieser Regler neben der Anlagendynamik auch die Dynamik der adaptiven Lastwinkel-, Kippwinkel- und Tauchtiefen- Regler von Bedeutung ist, werden die Regler zweckmäßigerweise adaptiv gestaltet.
Eine bevorzugte Ausgestaltung für den Block 631 für die Steuerung der Energieumwandlung ist in Figur 12 dargestellt. Der in Figur 11 gezeigte Block erzeugt die Stellgrößen γχ,Μλ , sodass die Anlage bei der aktuellen Rahmenlage und den aktuellen Strömungsbedingungen den erwünschten Energieertrag erzeugt. Die Steuerung besteht aus einer Komponente 812 für die Verstellparameter der Kopplungskörper, einer Komponente 813 für die Bremsmomente und einer Adaptionskomponente 814. Diese Komponenten basieren auf einem in Fi- gur 13 gezeigten Modell 815 der Kräfte Ρ^ρρ1 auf die Kopplungskörper in Folge der Position ψ , der Geschwindigkeit ώ und der Verstellparameter der Kopplungskörper γ sowie der
Strömungsverhältnisse v um die Anlage.
Die Vorgabe der Verstellparameter der Kopplungskörper verwendet dieses Modell, um bei gegebener Position ψ und Geschwindigkeit ώ die Verstellparameter der Kopplungskörper so zu bestimmen, dass das erste Drehmoment maximal wird. Die Verstellparameter der Kopplungskörper, die zu maximalem ersten Drehmoment führen, werden als γχ ausgegeben. Das dafür zu lösende Optimierungsproblem wird numerisch oder analytisch gelöst. Der Adaptionsblock 814 dient dazu, das in Figur 13 gezeigte Modell 815 der Kopplungskörper während des Anlagenbetriebs fortlaufend zu verbessern. Zu diesem Zweck müssen alle Eingänge und Ausgänge des Modells bekannt sein. Die Größen ψ,ώ,ν stehen aus der Messung und Signalverarbeitung zur Verfügung. Als Verstellparameter der Kopplungskörper γ wird der Wert nach dem Gewichtungsblock oder eine Messung der Verstellparameter der Kopplungskörpers aus den unterlagerten Regelkreisen verwendet. Die Kräfte _Fto ^ werden entweder direkt über Kraftsensoren gemessen oder indirekt über Momentensensoren, Be- schleunigungssensoren oder das am Rotor wirkende Bremsmoment bestimmt. Mittels dieser Signale kann das Modell 815 der Kopplungskörper aus Figur 13 auf seine Gültigkeit überprüft werden und soweit nötig fortlaufend angepasst werden. Die Adaption des Anlagenmodells in Figur 13 kann noch verbessert werden, indem die Verstellung des ersten und/oder zweiten Drehmoments (z.B. die Bewegung der Verstellparameter der Kopplungskörper γ ) zusätzlich mit einer Wellenform (z.B. periodisch, sinusförmig) kleiner Amplitude überlagert wird. Damit kann festgestellt werden, ob eine weitere Änderung bspw. der Verstellparameter der Kopplungskörper noch zu einer Vergrößerung der Kräfte führt und gegebenenfalls eine zusätzliche Adaption des Anlagenmodells oder auch eine Verbesserung der Lösung des Optimierungsproblems zur Bestimmung der Verstellparameter der Kopplungskörper vorgenommen werden.
Die Vorgabe des zweiten Drehmoments beruht ebenfalls wesentlich auf dem Modell in Figur 13. Aus diesem Modell lässt sich leicht das erste Moment MFluid, \ MF'luid erstes Momentauf die Welle des Generators i berechnen. Die Drehgeschwindigkeit dieses Generators folgt der Differenzialgleichung
erstes moment Mfluid, i + M brems, I zweites moment
JA = MP'Ui + MB'n l . (6)
Die erzeugte elektrische Energie im Zeitraum von t0 bis ist
)pi {T)dT = \MB i rems {T) i r)dT . (7)
Ό Ό
Die Stellgröße MB'rems wird dann aus einer Maximierung des Integrals (7) über MB' rems unter
Beachtung der Nebenbedingung (6) berechnet. Für diesen Zweck ist eine Prädiktion des Strömungsvektorfelds um die Anlage zweckmäßig. Die Länge des Zeitintervalls von t0 bis ist ein Einstellparameter. Bei der Maximierung von (7) wird vorzugsweise das im Rahmen der Pitch-Steuerung fortlaufend adaptierte Modell verwendet, um den Term Mn' uid zu bestimmen. Die Änderung von MB'rems kann ebenfalls mit einer Wellenform (z.B. periodisch, sinusförmig) kleiner Amplitude überlagert werden, um den Adaptionsprozess des Modells zu verbessern (vgl. oben). In den Figuren 14 und 15 sind zwei alternative Ausführungsformen der Lagesteuerung gemäß Figur 11 dargestellt.
Eine Variante mit vereinfachter Lagesteuerung ohne Auftriebskräfte ist in Figur 14 gezeigt. Lastwinkel, Kippwinkel, Orientierung, Position und Tauchtiefe werden hier nur über das erste und zweite Bremsmoment geregelt, indem, wie oben erläutert, eine resultierende Kraft erzeugt wird. Anhand dieser Figur wird nun erneut auf die Gewichtung von Energieumwand- lungs- und Lagesteuerung eingegangen. Ein wichtiger Aspekt für die Gewichtung ist, dass die Energieumwandlungs- und Lagesteuerung für die Berechnung der Größen ', 1 bzw.
2 ,Μ2 jeweils mit einer Stellgrößenbeschränkung versehen sind. Das soll am Beispiel der
Steuerung des Lastwinkels 712 in Figur 14 erläutert werden. Trotz Abweichung zwischen Sollwert und Istwert des Lastwinkels darf sich ab einem gewissen Betrag die Stellgröße
Mr" nicht mehr vergrößern. Zusätzlich muss verhindert werden, dass Variablen innerhalb der Steuerung des Lastwinkels immer weiter anwachsen, sobald die Stellgröße Mr" ihren Maximal- oder Minimalwert erreicht hat, und trotzdem noch eine Abweichung zwischen Soll- und Istwert des Lastwinkels besteht. Anderenfalls ist eine sinnvolle Gewichtung der Größen γ Μ und f2 ,M2 nicht möglich, wenn z.B. die Lastwinkelsteuerung entgegengesetzt der
Energieumwandlungssteuerung arbeitet. Eine Variante mit weiter vereinfachter Lagesteuerung ist in Figur 15 gezeigt. Lastwinkel,
Kippwinkel und Tauchtiefe werden hier nur über die Auftriebskräfte geregelt, d.h. Verstellparameter der Kopplungskörper γ2 und Bremsmomente M2 werden nur für die Orientierung zur Wellenrichtung und die Position in x- und y-Richtung verwendet. Für Anlagenkonfigurationen, die sich durch spezielle Strömungseigenschaften in Kombination mit dem Mooring automatisch in Wellenrichtung ausrichten, kann überdies die Orientierungssteuerung 714 entfallen. Für Anlagen für Standorte mit verschwindender Drift-Strömung kann zusätzlich auch die Positionssteuerung 715x, 715y entfallen. Dies führt ggf. auch zu einem Wegfall der Gewichtung. Gemäß einer weiteren Variante kann auf die Steuerungen 712, 713 des Lastwinkels und/oder Kippwinkels verzichtet werden, wenn die Dynamik von Lastwinkel und/oder Kipp- winkel z.B. durch. Dämpfungsplatten ausreichend gedämpft ist und die Sollwinkellage der Anlage durch geeignete konstante Auftriebskräfte ausreichend stabil ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters (1 ) zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines Fluids in eine andere Energieform,
mit wenigstens einem Rotor (11 ) und wenigstens einem mit dem wenigstens einen Rotor gekoppelten Energiewandler,
wobei durch die Wellenbewegung ein auf den wenigstens einen Rotor (1 1 ) wirkendes erstes Drehmoment und durch den wenigstens einen Energiewandler ein auf den wenigstens einen
Rotor (11 ) wirkendes zweites Drehmoment (Μ-ι, M , Μ , M2 ) erzeugt wird,
wobei im Rahmen einer Energieumwandlungssteuerung (631 ) das zweite Drehmoment (M1 f
M , Mx , M2 ) vorgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Energieumwandlungssteuerung (631 ) einen Vorsteueranteil (532) und einen Regelanteil (531 ) aufweist, wobei in dem Vorsteueranteil (532) ein mathematisches Modell (815) des Wellenenergiekonverters zur Vorgabe von Sollwerten verwendet wird und in dem Regelanteil (531 ) Abweichungen zwischen Istwerten und den Sollwerten ausgeregelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Vorgeben des zweiten Drehmoments (M^ M , M , M2 ) eine überlagerte Wellenform kleiner Amplitude umfasst, um das mathematische Modell (815) zu verbessern, indem festgestellt wird, zu welchem Ergebnis eine Änderung eines Verstellparameters für das zweite Drehmoment führt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Rahmen der Energie- Umwandlungssteuerung (631 ) auch das erste Drehmoment vorgegeben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, der zumindest auf Anspruch 2 rückbezogen ist, wobei das Vorgeben des ersten Drehmoments eine überlagerte Wellenform kleiner Amplitude umfasst, um das mathematische Modell (815) zu verbessern, indem festgestellt wird, zu wel- chem Ergebnis eine Änderung eines Verstellparameters { y,y 2 ) für das erste Drehmoment führt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei wenigstens ein von dem wenigstens einen Rotor (1 1 ) umfasster Kopplungskörper (3) verwendet wird, um aus der Wellenbewegung durch Erzeugen einer hydrodynamischen Auftriebskraft (FAuf>1, FAuf,2) das erste Drehmoment zu erzeugen, wobei insbesondere Betrag und/oder Richtung der hydrodynamischen Auf- triebskraft durch Verändern einer Stellung ( γλ , γ2 , γ3 , γ ■ γ ,γ γ2 ) und/oder einer Form
( ?,y y2 ) des wenigstens einen Kopplungskörpers (3) vorgegeben werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, der zumindest auf Anspruch 2 rückbezogen ist, wobei das Vorgeben der Stellung ( γ , γ2 , γ} , γ ■ γ , γ 1 , γ 2 )und/oder Form ( γ , γ 1 , γ 2 ) des wenigstens einen Kopplungskörpers (3) eine überlagerte Wellenform kleiner Amplitude umfasst, um das mathematische Modell (81 5) zu verbessern, indem festgestellt wird, zu welchem Ergebnis eine Änderung der Stellung γ , γ2 , γ} , γ4■ γ,γ γ2 ) und/oder Form ( γ,γ γ2 ) führt.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wellenbewegung eine Orbitalströmung ist und eine Rotationsbewegung des wenigstens einen Rotors (1 1 ) um die Rotorachse durch Vorgeben des ersten und/oder zweiten Drehmoments weitgehend oder vollständig mit der Orbitalströmung synchronisiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Phasenwinkel (Δ) zwischen der Orbitalströ- mung und der Rotationsbewegung des wenigstens einen Rotors (1 1 ) auf einen Wert oder innerhalb eines Wertebereichs eingestellt oder geregelt wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auch im Rahmen einer Lagesteuerung (632) das zweite Drehmoment (ML M , Mx , M2 ) vorgegeben wird.
1 1 . Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auch im Rahmen einer Lagesteuerung (632) das erste Drehmoment vorgegeben wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 und 1 1 , wobei eine erwünschte, senkrecht zu einer Ro- tationsachse (x) des wenigstens einen Rotors (1 1 ) wirkende Effektivkraft durch Vorgeben des ersten und zweiten Drehmoments im Rahmen der Lagesteuerung (632) vorgegeben wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die sich im Rahmen der Energieumwandlungssteuerung (631 ) und die sich im Rahmen der Lagesteuerung (632) jeweils ergebenden Vorgaben des ersten und/oder zweiten Drehmoments (γ ', ' ; γ 2 ,Μ2 ) jeweils mit einem Gewichtungsfaktor versehen zu einer Gesamtvorgabe des ersten und/oder zweiten Drehmoments zusammengefasst werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der jeweilige Gewichtungsfaktor in Abhängigkeit von einem Betriebsmodus vorgegeben wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei bei einer einen Positionsänderungs- schwellwert überschreitenden Änderung der Anlagenposition die Vorgabe im Rahmen der Lagesteuerung (632) mehr Gewicht bekommt und bei einem einen unteren Momentschwellwert unterschreitenden zweiten Drehmoment (M1 t M , 1 , M2 ) die Vorgabe im Rahmen der Energieumwandlungssteuerung (631 ) mehr Gewicht bekommt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die sich im Rahmen der Energieumwandlungssteuerung (631 ) und die sich im Rahmen der Lagesteuerung (632) jeweils ergebenden Vorgaben des ersten und zweiten Drehmoments einer Stellgrößenbeschrän- kung unterliegen.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei im Rahmen der Lagesteuerung (632) zusätzlich wenigstens eine erwünschte, auf einen Rahmen (12) des Wellenener- giekonverters (1 ) wirkende hydrostatische Auftriebskraft ( FB ) vorgegeben wird.
18. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Vorgeben des zweiten Drehmoments (M1 t M , 1 , M2 ) ein Vorgeben eines konstanten Bremsmoments M = M0 umfasst, wobei M0 einen konstanten Wert bezeichnet.
19. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Vorgeben des zweiten Drehmoments (M1 p M , 1 , M2 ) ein Vorgeben eines von einer Drehzahl ω des Rotors (1 1 ) abhängigen Drehmoments M = / (tü - w) umfasst, wobei k einen Reglerparameter und w einen Sollwert bezeichnet.
20. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Vorgeben des zwei- ten Drehmoments (Μ^ M , M , M2 ) ein Vorgeben eines von einer Drehwinkelstellung Ψ des Rotors abhängigen Drehmoments M = (Ψ) umfasst, wobei / (Ψ) eine hinsichtlich der Rotorumdrehung periodische Funktion bezeichnet.
21. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Vorgeben des zwei- ten Drehmoments (ML M , M1 , M2 ) ein Vorgeben eines von einer Drehzahl ω des Rotors (1 1 ) und von einer Drehwinkelstellung Ψ des Rotors abhängigen Drehmoments
M = η^Λ</ί- (0>, νν,Ψ) umfasst, wobei /^^ (ω, ',Ψ) eine nichtlineare Funktion ist und w einen Sollwert bezeichnet.
22. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei lokale, regionale und/oder globale Anströmbedingungen des Fluids bezüglich des Wellenenergiekonverters (1 ) und/oder seiner Komponenten und/oder eine Ausrichtung des Wellenenergiekonverters (1 ) und/oder ein Bewegungszustand des Wellenenergiekonverters (1 ) und/oder ein Phasenwinkel (Δ) zwischen einer Orbitalströmung und einer Rotationsbewegung des wenigstens einen Rotors, insbesondere zeitlich, als Betriebsbedingungen messtechnisch oder modellbasiert ermittelt und für die Energieumwandlungssteuerung (631 ) und/oder Lagesteuerung (632) herangezogen werden.
23. Wellenenergiekonverter (1 ) zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewe- gung eines Fluids in eine andere Energieform,
mit wenigstens einem Rotor (11 ) und wenigstens einem mit dem wenigstens einen Rotor gekoppelten Energiewandler,
wobei der wenigstens eine Rotor (1 1 ) dazu eingerichtet ist, aus der Wellenbewegung ein auf den wenigstens einen Rotor (1 1 ) wirkendes erstes Drehmoment zu erzeugen,
wobei der wenigstens eine Energiewandler dazu eingerichtet ist, ein auf den wenigstens einen Rotor (11 ) wirkendes zweites Drehmoment (Μ^ M , M M2 ) zu erzeugen, mit einer Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, im Rahmen einer Energieumwandlungssteuerung (631 ) durch entsprechende Ansteuerung des Wellenenergiekonverters das zweite Drehmoment (ML M , Mx , 2 ) vorzugeben.
24. Wellenenergiekonverter nach Anspruch 23, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22 durchzuführen.
PCT/EP2012/001752 2011-06-17 2012-04-24 Verfahren zum betreiben eines wellenenergiekonverters WO2012171600A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP12717201.3A EP2721286A1 (de) 2011-06-17 2012-04-24 Verfahren zum betreiben eines wellenenergiekonverters
US14/126,817 US20140202146A1 (en) 2011-06-17 2012-04-24 Method for operating a wave energy converter

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011105177.9 2011-06-17
DE102011105177A DE102011105177A1 (de) 2011-06-17 2011-06-17 Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters und Wellenenergiekonverter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012171600A1 true WO2012171600A1 (de) 2012-12-20

Family

ID=46017786

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/001752 WO2012171600A1 (de) 2011-06-17 2012-04-24 Verfahren zum betreiben eines wellenenergiekonverters

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20140202146A1 (de)
EP (1) EP2721286A1 (de)
DE (1) DE102011105177A1 (de)
WO (1) WO2012171600A1 (de)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011105169A1 (de) * 2011-06-17 2012-12-20 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters und Wellenenergiekonverter
DE102012012096A1 (de) 2012-06-18 2013-12-19 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines Fluids in eine andere Energieform
DE102013002127A1 (de) 2013-02-08 2014-08-14 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Bestimmung eines Wellenerhebungs- und/oder Geschwindigkeitspotentialfelds in einem wellenbewegten Gewässer
DE102013007667A1 (de) 2013-05-06 2014-11-06 Robert Bosch Gmbh Ausrichtung eines Wellenenergiekonverters zum umgebenden Gewässer
DE102013009876A1 (de) 2013-06-13 2014-12-18 Robert Bosch Gmbh Bestimmung der Eigengeschwindigkeit einer Geschwindigkeitssensoreinrichtung in einem Gewässer zur Korrektur des Messsignals
DE102013216339A1 (de) 2013-08-19 2015-02-19 Robert Bosch Gmbh Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit einer rotierenden Wellenenergieanlage in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit
DE102014204248A1 (de) 2014-03-07 2015-09-10 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Wellenenergieanlage und Wellenenergieanlage
DE102014204249A1 (de) 2014-03-07 2015-09-10 Robert Bosch Gmbh Wellenenergiekonverter mit Energiequelle für Aktuator
CN107110105B (zh) * 2015-01-09 2019-06-11 威洛合股公司 用于调整波浪发电设备中的质量和旋轮转子的转矩的方法和系统
LU102112B1 (en) * 2020-10-13 2022-04-13 Luxembourg Inst Science & Tech List Ocean wave energy harvesting system and process

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007056400A1 (de) * 2007-07-02 2009-01-08 Robert Bosch Gmbh Wandler und Verfahren zum Wandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie
US20100150716A1 (en) 2006-07-10 2010-06-17 Siegel Stefan Guenther Cyclical wave energy converter
GB2467011A (en) * 2009-01-20 2010-07-21 Aquamarine Power Ltd Wave energy power take off control system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100150716A1 (en) 2006-07-10 2010-06-17 Siegel Stefan Guenther Cyclical wave energy converter
DE102007056400A1 (de) * 2007-07-02 2009-01-08 Robert Bosch Gmbh Wandler und Verfahren zum Wandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie
GB2467011A (en) * 2009-01-20 2010-07-21 Aquamarine Power Ltd Wave energy power take off control system

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
G. BOYLE: "Renewable Energy", 2004, OXFORD UNIVERSITY PRESS
PINKSTER ET AL.: "A rotating wing for the generation of energy from waves", 22. INTERNATIONAL WORKSHOP ON WATER WAVES AND FLOATING BODIES (IWWWFB), PLITVICE, 2007

Also Published As

Publication number Publication date
EP2721286A1 (de) 2014-04-23
US20140202146A1 (en) 2014-07-24
DE102011105177A1 (de) 2012-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2721286A1 (de) Verfahren zum betreiben eines wellenenergiekonverters
DE19739164B4 (de) Windenergieanlage
DE60218328T2 (de) Rotor mit teleskopischem blättern und steuerungskriterien
EP2225461B1 (de) Verfahren zum betreiben einer windenergieanlage
EP1290343B1 (de) Azimutantrieb für windenergieanlagen
EP2535557A2 (de) Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters und Wellenenergiekonverter
WO2011157342A2 (de) Verfahren und vorrichtung zur verhinderung einer querschwingung einer windenergieanlage
EP2677164A1 (de) Wellenenergiekonverter, zugehöriges Betriebsverfahren und Steuereinrichtung
DE102010044433A1 (de) Verfahren zur Drehzahlregelung einer Windenergieanlage
DE112012005771T5 (de) Windkraftanlage und Verfahren zum Bestimmen von Windkraftanlagenparametern
DE112015004928T5 (de) Schwimmende Unterwasser-Meeresströmungsstromerzeugungsvorrichtung
EP2589794A2 (de) Ausrichtung eines Wellenenergiekonverters zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines Fluids in eine andere Energieform
DE102012012096A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines Fluids in eine andere Energieform
EP2604849A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer in einem wellenbewegten Gewässer befindlichen Maschine
EP2539578B1 (de) Wellenenergieanlage
EP2435691B1 (de) Energiewandlungseinrichtung zur umwandlung von wellenenergie
DE102018113531A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage sowie Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Windenergieanlage und Windenergieanlage mit einem Rotor und einem über den Rotor angetriebenen Generator
EP2914844B1 (de) Verfahren zum betreiben einer windenergieanlage, windenergieanlage und steuerungseinrichtung für eine windenergieanlage
EP3559446B1 (de) Verfahren zum steuern einer windenergieanlage
EP2721285A1 (de) Wellenenergiekonverter und verfahren zum betreiben eines wellenenergiekonverters
WO2012171598A1 (de) Wellenenergiekonverter und verfahren zum betreiben eines wellenenergiekonverters
WO2012007111A2 (de) Verfahren und vorrichtung zur bereitstellung eines anstellwinkel-korrektursignals für ein vorbestimmtes rotorblatt einer windkraftanlage
DE102008053247A1 (de) Halteeinheit und Verfahren zur Ausrichtung eines flächigen Elements auf die Sonne
WO2012006647A2 (de) Wasserkraft-staudruckmaschine
WO2015024732A1 (de) Steuerung der rotationsgeschwindigkeit einer rotierenden wellenenergieanlage in abhängigkeit von der strömungsgeschwindigkeit

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12717201

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2012717201

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2012717201

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14126817

Country of ref document: US