WO2014090374A2 - Verfahren zur optimierung von kenngrössenwerten bei wellenenergiekonvertern und mittel zur implementierung des verfahrens - Google Patents

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    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the present invention relates to a method for optimizing characteristic values of parameters in a number of structurally corresponding units of at least one wave energy converter and means for implementing such a method.
  • wave energy converters are of interest, which are arranged with their moving parts under the water surface and exploit a wave orbital motion present there.
  • the wave orbital motion can be converted into a rotational movement by means of rotors.
  • rotors with coupling bodies e.g. hydrodynamic lift profiles.
  • the invention can be used in all wave energy converters in which certain characteristics of each set operating parameters and prevailing conditions are influenced.
  • Such characteristic quantities can be, for example, an instantaneous torque, an instantaneous energy yield, an average torque, an average energy yield, a uniformity of an energy feed by the wave energy converter into a network and the reduction of damaging loads (eg due to cavitation).
  • K can be, for example, an instantaneous torque, an instantaneous energy yield, an average torque, an average energy yield, a uniformity of an energy feed by the wave energy converter into a network and the reduction of damaging loads (eg due to cavitation).
  • K can be, for example, an instantaneous torque, an instantaneous energy yield, an average torque, an average energy yield, a uniformity of an energy feed by the wave energy converter into a network and the reduction of damaging loads (eg due to cavitation).
  • characteristic values can be specified by numerical values, referred to below as characteristic values.
  • One of the goals of machine control or regulation with which a wave energy converter is operated is to optimize the characteristic values.
  • Operating parameters, hereinafter referred to as P
  • ⁇ In the case of rotating wave energy converters with adjustable coupling bodies, these include, for example, an angle of attack (pitch angle) of the coupling bodies, a phase offset of the wave energy converter to an exciting wave field and an adjustable generator torque.
  • a diving depth or adjustable characteristics of the anchoring mooring, eg variable spring stiffness, additional variable masses
  • the operating parameters can also be specified in the form of corresponding variables, referred to below as parameter parameters.
  • the basic conditions hereinafter referred to as R, can not be actively set; the wave energy converter can at most be adapted to them.
  • the framework conditions include, for example, a stimulating wave field, prevailing currents and fixed values of mooring. Characteristic parameters, operating parameters and boundary conditions are either known, because they are actively set, or can be determined at the location of the wave energy converter or remotely as measured variables.
  • control strategies are used which are based on a model-based understanding of the machine behavior.
  • the result of the control depends on both the quality (quality, temporal resolution, etc.) of the input variables, for example the measured quantities, and on the quality of the underlying model.
  • quality quality, temporal resolution, etc.
  • the detection of the required parameters for example, to describe a flow field, sometimes very expensive.
  • the method proposed according to the invention serves to optimize the characteristic values explained above and / or to hold correspondingly optimized characteristic values for a number of units of at least one wave energy converter corresponding to one another.
  • Such structurally corresponding units may be units at one or more different wave energy converters.
  • a wave energy converter can be formed on two sides, ie have a rotating base, from which lift profiles extend on both sides.
  • the lift profiles on both sides of the base ie the two sides of the wave energy converter
  • so-called squirrel-cage rotors are known, which are arranged at an axial distance from each other, and between which the buoyancy profiles extend, two rotor bases.
  • the two rotor bases are where, for example, a positive or negative Moment can be adjusted, also two structurally equivalent units.
  • the method proposed according to the invention comprises the setting of respectively different parameter values in the structurally corresponding units, which are included in the optimization method according to the invention.
  • the method according to the invention will be described below mainly with reference to exactly two wave energy converters, but it can be expanded at any time to a larger number of wave energy converters or be carried out at two or more structurally corresponding units of only one or more wave energy converters.
  • the method according to the invention is fully functional even when using a double combination. It is also possible to use sizes with more than two wave energy converters or structurally corresponding units. These exist, for example, in wave energy converter parks with an arbitrarily large number of wave energy converters and are continuously determined there.
  • a larger number of wave energy converters or structurally corresponding units included in the optimization method according to the invention provides, in particular, a faster convergence, ie a more rapid optimization and / or a higher reliability or stability of the optimization method carried out according to the invention.
  • the invention comprises simultaneously adjusting the parameter values of at least two or a multiplicity of operating parameters, but may also be carried out with only one parameter value or operating parameter.
  • the parameter values form a multi-dimensional state space which can be changed overall in a desired direction.
  • a simplification is made to the effect that only two characteristic values are described in each case. In practice, however, a very large number of parameters with corresponding characteristic values can be included. These too form a multi-dimensional state space. Overall, the following description includes a number of such simplifications.
  • the operating parameters, the framework conditions and / or the parameters, or their respective values describe multi-dimensional state spaces in which the corresponding values represent vectors.
  • one of the particular advantages of the method proposed according to the invention is that, in order to optimize or maintain a correspondingly optimized value in a multidimensional space, it is sufficient to sample this space at two suitable locations.
  • That unit is determined from the number of structurally corresponding units in which at least one of the characteristic values of the one or more parameters comes closest to a detectable quality value, that is, deviates least in absolute terms or otherwise in a writable manner.
  • the parameter value set for this unit can be set as an intermediate value. In other words, the unit that best meets the characteristic specifications is determined.
  • a detectable quality value may be a numerically determinable target value. However, it may also be, for example, a maximum and / or a minimum value.
  • a corresponding quality value therefore does not necessarily have to be predetermined as a numerical value, but can also be present, for example, in the form of a (positive or negative) infinite value.
  • a determinable quality value does not have to be determined a priori may be known but may also arise only when carrying out the method according to the invention.
  • a maximum value is sought.
  • a quality value is a minimum value.
  • a detectable quality value may also be a uniformity value, for example an energy feed into a network, occurring moments or the like.
  • the parameter value is incremented for each unit from the number of units corresponding to each other, where the set parameter value is less than the intermediate value or at the set parameter value both the largest parameter value corresponding to the number of units corresponding to one another adjusted as well as the intermediate value.
  • the parameter value is reduced for each unit from the number of structurally equivalent units, where the set parameter value is higher than the intermediate value or at the set parameter value both the smallest parameter value, which was set in the number of structurally corresponding units, as well as the intermediate value. For units where none of these conditions apply, there will be no change.
  • a plurality of parameter values of a corresponding state space can also be changed accordingly in the form of a corresponding parameter vector. The explanations apply in the same way.
  • the parameter values set in each case when determining the intermediate value define a range of values with a minimum value and a maximum value.
  • the case that the set parameter value for one unit corresponds to the largest of the parameter values (ie the maximum value) and the intermediate value set for the number of structurally corresponding units leads to the conclusion that the maximum of a corresponding optimum curve is still outside the stated value range.
  • This increases the parameter values of all units. This applies to a maximum optimum to be achieved. The same applies, however, to a minimum to be achieved.
  • the case of the parameter value set for one of the units is the lowest of the parameter values set in the number of wave energy converters (ie the minimum value) and the Intermediate value corresponds to the conclusion, the minimum of a corresponding optimum curve is still outside of the stated value range. This reduces the parameter values of all units.
  • the maximum (or minimum) of a corresponding optimum curve lies within the value range, so that parameter values are to be adjusted such that the units move (converge) in the direction of the maximum. This is done by increasing the parameter values for a part (or even only one) of the units and decreasing the parameter values for another part (or even only one) of the units.
  • the unit whose parameter value corresponds to the intermediate value may also be changed or held constant with respect to the parameter value until, in the iteratively repeated procedure, another one of the units has the "best” setting.
  • the method according to the invention is then continued again with the determination of at least one characteristic value of one or more of the parameters in the number of units corresponding to one another.
  • that unit is determined in which at least one of the characteristic values of the one or more characteristic values comes closest to the ascertainable quality value and the parameter value set in this unit is defined as an intermediate value. This is followed by an adjustment (ie increase and / or decrease) of the parameter values as explained above.
  • the unit is determined on each pass, in which at least one of the characteristic values of the one or more parameters is a predetermined target value Next comes, a corresponding "running out" of the optimum can be prevented by the changed conditions. In this case, the above-mentioned conditions for adjusting the parameter values are again satisfied and the optimum can be followed accordingly. This is the mo- del tracking mentioned in the beginning.
  • control unit controls or regulates a number of structurally corresponding units of wave energy converters according to the correspondingly explained principles.
  • Figure 1 shows shaft orbital movements under the surface of a wavy moving water in a schematic representation and corresponding framework conditions.
  • Figure 2 shows a wave energy converter, the characteristics of which can be optimized according to an embodiment of the invention, in a schematic representation.
  • FIG. 3 shows boundary conditions acting on the wave energy converter of FIG. 2 as well as adjusted operating parameters and correspondingly obtained characteristics.
  • FIG. 4 illustrates an optimization of two wave energy converters according to an embodiment of the invention in the form of operating parameter / characteristic diagrams.
  • FIG. 5 illustrates an optimization of two wave energy converters according to an embodiment of the invention in the form of an operating parameter / characteristic diagram.
  • FIG. 6 illustrates a method according to an embodiment of the invention in the form of a schematic flow chart.
  • identical or equivalent elements carry identical reference numerals. A repeated explanation is omitted.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of wave orbital motions under the surface of a wavy moving body of water.
  • a wave on the surface of the water is designated 10.
  • the wave propagates in a wave propagation direction 11.
  • the mean water surface is designated 12.
  • orbital paths 13 Due to the wave motion below the surface of the water wave orbital movements result in the form of orbital paths 13, which are only partially provided with reference numerals. Immediately below the surface of the water body, these orbital paths 13 each have radii r, which correspond to the amplitude of the shaft 10. The radii decrease with increasing distance to the surface of the water. In deep water, the orbital trajectories 13 are circular, in the shallow water increasingly elliptical. The local water movement is shown in FIG. 1 in each case in the form of short, bold arrows which correspond to the respective motion vectors v. Under a wave crest at position A, the entirety of the water particles moves in the direction of the wave propagation direction 11.
  • the wave propagation direction 11, the radii of the orbital trajectories 13, their rotational speed and thus the exciting wave field as well as prevailing currents and the anchoring of the wave energy converter (mooring) at the seabed are conditions R, under which a wave energy converter is operated.
  • FIG. 2 shows a wave energy converter which can make use of such a wave orbit movement.
  • the wave energy converter is designated overall by 1. It has a rotor 2, 3, 4 with a rotor base 2, on which over rotor or lever arms 4 elongated lift profiles 3 are mounted.
  • a single-sided rotor is shown, but the method can also be performed in two-sided rotors.
  • the lift profiles 3 are connected at one end to the lever arms 4 and, for example, via adjusting devices 5 at an angle (so-called pitch angle) about its longitudinal axis rotatable.
  • the adjusting devices 5 can be assigned 6 position encoder.
  • the respectively set pitch angles represent parameter values of operating parameters, the measured values measured by the position transmitters 6 are the measured angles corresponding to the pitch angles.
  • the buoyancy profiles 3 are, relative to the axis of the rotor 2, 3, 4, offset from one another at an angle of 180 °.
  • the buoyancy profiles 3 are preferably connected to the lever arms 4 in the vicinity of their pressure point in order to reduce rotational torques occurring during operation to the buoyancy profiles 3 and thus to reduce the requirements placed on the holder and / or the adjusting devices.
  • the radial distance between a suspension point of a buoyancy profile 3 and the rotor axis is, for example, 1 m to 50 m, preferably 2 m to 40 m and particularly preferably 6 m to 30 m.
  • the chord length of the lift profiles 3 is for example 1 m to 8 m.
  • the maximum longitudinal extent may be, for example, 6 m or more.
  • the wave energy converter 1 has an integrated generator.
  • the rotor base 2 is rotatably mounted in a generator housing 7.
  • the rotor base 2 forms the rotor of the generator, the generator housing 7 whose stator.
  • the required electrical equipment such as coils and cables are not shown.
  • a rotational movement of the rotor base 2 induced by the wave orbital motion can be directly converted into electrical energy with the lift profiles 3 attached thereto via the lever arms 4.
  • an instantaneous torque generated by means of the rotor 2, 3, 4 or introduced into the generator is a parameter K, which is indicated by a corresponding characteristic value can be expressed.
  • wave energy converter 1 is shown in FIG. 2, in which the lift profiles 3 are attached via their lever arms 4 to only one side of a rotor base 2, the invention can also be used with wave energy converters 1 in which lever arms are provided on both sides of the rotor base 2 4 or buoyancy profiles 3 are attached.
  • FIG. 3 again shows the wave energy converter 1 of FIG. 2 in plan view of the rotor base 2.
  • the wave energy converter 1 has a generator housing 7 and a rotor 2, 3, 4 rotatably mounted thereon with a rotor base 2 and two coupling bodies in the form of hydrodynamic lift profiles 3 attached to the rotor base 2 in each case via rotor arms 4.
  • the buoyancy profiles 3 protrude in the figure 3 from the back to the front in the body of water.
  • a control unit is shown schematically and designated 200.
  • the rotor 2, 3, 4 is below the water surface of a wavy moving body of water, such as an ocean, arranged.
  • a wavy moving body of water such as an ocean
  • the orbital trajectories 23 (see FIG. 1) of the water particles are largely circular.
  • An axis of rotation of the rotor (perpendicular to the plane of the paper) is largely oriented horizontally and largely perpendicular to the direction of propagation 21 of the waves 20 of the wavy moving body of water.
  • a Anstell- or pitch angle ⁇ (ie, a parameter value P) of the two buoyancy profiles 3 against each perpendicular up or down tangent to the rotor (shown only on the left buoyancy profile) set become.
  • the angle of attack ⁇ of the two lift profiles are preferably oriented opposite to each other and have, for example Values from -20 ° to + 20 °. In particular, when starting the wave energy converter 1 but larger angles of attack can be provided. Preferably, the angle of attack ⁇ can be adjusted independently.
  • the adjusting devices 5 may be, for example, electromotive adjusting devices, preferably with stepping motors, and / or hydraulic and / or pneumatic components.
  • the two adjusting devices 5 can, as mentioned, be associated with position encoders 6 for determining the current angle of attack ⁇ , as a result of which a corresponding measured variable can be obtained.
  • a further sensor system can determine the angle of rotation of the rotor base 2 relative to the housing 7 as a further measured variable, on the basis of which a phase offset of the rotor 2, 3, 4 to the exciting wave field can be determined as a parameter value.
  • the invention is also suitable for systems without adjustment devices 5 for adjusting the pitch or pitch angle ⁇ and / or corresponding sensors.
  • the wave energy converter 1 is flown by the orbital flow at an on-flow rate ⁇ $.
  • the flow is the orbital flow of sea waves (see FIG.
  • FIG. 3 thus shows a snapshot.
  • the method according to the invention comprises corresponding (local) adaptations.
  • the rotation of the orbital flow is oriented in the counterclockwise direction, ie the associated wave propagates from right to left. It is envisaged that the rotor 2, 3, 4 rotates in synchronism with the orbital flow of the wave motion with an angular velocity ⁇ , wherein the term of synchronicity in multichromatic waves is to be understood in the time average.
  • a buoyancy indicated in each case by the force vector F
  • a preferably variable second torque can be applied to the rotor 2, 3, 4. ment in the form of a resistor, so a braking torque, or an acceleration torque can be applied, which also represent an operating parameter P.
  • Means for generating the second torque can be arranged for example between the rotor base 2 and the generator housing 7.
  • phase angle or offset ⁇ the amount of which can be influenced as a parameter value by a suitable adjustment of the first and / or second torque.
  • a phase angle of -45 ° to 45 ° preferably from -25 ° to 25 ° and particularly preferably from -15 ° to 15 ° for generating the first torque appears to be particularly advantageous, since here in the orbital flow 1? and the flow due to the self-rotation are oriented largely perpendicular to each other, which leads to a maximization of the rotor torque.
  • Unconstrained symmetrical profiles can also be provided using other profile geometries, which moreover can also be adapted and / or transformed with respect to the circular path.
  • FIG. 4 illustrates an optimization of two wave energy converters according to an embodiment of the invention in the form of operating parameter / characteristic diagrams A to D.
  • the following explanations also apply, for example, to structurally corresponding units of only one wave energy converter or several wave energy converters.
  • a parameter value of an operating parameter P is plotted on the x-axis and a characteristic value of a characteristic variable K obtained on the y-axis.
  • the framework conditions are assumed to be constant in the explanation of FIG.
  • the characteristic values of the parameters K follow an optimum curve 400, which however is not known before carrying out the method according to the invention. With the points 401 and 402, characteristic values obtained in each case with corresponding parameter values are indicated.
  • the parameter value in diagram A represents an adjustment angle (pitch angle) of a lift profile of a wave energy converter.
  • the parameter K indicates the torque thus obtained.
  • the torque at point 401 is less than the torque at point 402.
  • the wave energy converter, in which a pitch angle corresponding to the point 401 is set thus provides a lower torque than the Welleenenergykonverter, in which a point 402 corresponding pitch angle is set.
  • the correspondingly set parameter values may have a predetermined distance d from each other.
  • This distance d may, for example, depend on the position on an optimum curve 400, which is determined in a previous iteration step, for example according to the slope of the optimum curve 400.
  • the setting corresponding to Item 402 obviously results in an improved torque.
  • the one of the number of wave energy converters here from the two wave energy converters
  • the characteristic value for example that relating to the torque
  • the wave energy converter would use the characteristic value value 402 selected.
  • the parameter value set here is set as an intermediate value and is at the same time the largest of the parameter values set in the number of wave energy converters.
  • the method illustrated in two wave energy converters can be easily transferred to several wave energy converters. The same applies to structurally equivalent units.
  • the parameter values for the operating parameter P are increased.
  • the result is shown in diagram B, which otherwise corresponds to diagram A.
  • the "old" value 401 is indicated again in the diagram B.
  • the correspondingly adjusted (increased) parameter values are designated 401 'and 402'.
  • the adjustment takes place, for example, with a step size s between the (old) parameter value 401 and the new operating meter value 401 '.
  • this step size may be based on a shape, for example, a slope of the optimum curve 400, are determined. Near the optimum, that is, with decreasing steepness of the optimum curve 400, for example, a finer step adjustment can be made. It can be seen from diagram B that obviously further optimization can be achieved by increasing the parameter values.
  • the operating parameters B and the framework conditions R in reality open up a state space of the system.
  • the resulting properties of a position in the state space correspond to the parameters K explained above.
  • the core of the invention is thus the linking of data (K, P, R), which are determined during operation at more than one position in the state space, so that From this, it is possible to derive operating / control adjustments which allow optimization or maintenance of optimized operating states.
  • the different positions in the state space are not occupied by one and the same machine or one and the same machine part (wave energy converter or unit thereof) but by different units.
  • the measurement effort to be applied or the required modeling depth is reduced.
  • a falsification of results or a deterioration of the machine behavior by testing different states with a system during operation is reduced.
  • the previously explained distance between d and the step size s can be made variable. Typically, the distance near the optimum is reduced to bring the individual units close to the optimum operating condition.
  • the step size is typically chosen in a compromise between convergence speed and stability.
  • the determined characteristics or the course of the characteristics (eg from the history) can be used.
  • FIG. 4 While in the framework of FIG. 4 the framework conditions were assumed to be constant, this is not the case in reality. Usually the general conditions change over time. For example, the strength of the flow field applied to the lift profiles may change based on depth and / or space effects, as explained with reference to FIG. FIG. 5 serves to illustrate this situation.
  • the axes K and P of the diagram shown in FIG. 5 correspond to the axes K opt and P of FIG. 4.
  • the diagrams A to C of FIG. 4 each represent a plane section through FIG for given conditions R at a time t.
  • the axis R (t) denotes the change in the framework conditions over time.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a method according to a particularly preferred embodiment of the invention.
  • the method is designated overall by 100.
  • the method 100 begins in step 110 with the setting of respectively different parameter values for an operating parameter P at a number of structurally corresponding units of the wave energy converter 1 or those involved in the method.
  • a step 120 a determination is made of at least one characteristic value of one or more parameters K in the number of structurally corresponding units.
  • the one of the number of structurally corresponding units is determined in which at least one of the characteristic values of the one or more characteristic variables K comes closest to a detectable quality value.
  • the parameter value currently set for this unit is set as intermediate value 131, as illustrated by a corresponding arrow.
  • a next step 140 an adjustment of the parameter value is carried out if necessary. This includes increasing the parameter value at each of the number of units structurally equivalent, where the currently set parameter value is less than the intermediate value or the largest of the parameter values set in the number of mutually corresponding units and the intermediate value. Further, in step 140, decreasing the parameter value occurs at each of the number of units structurally equivalent, wherein the set parameter value is higher than the intermediate value or the smallest of the parameter values set in the number of units corresponding to each other and the intermediate value.
  • step 120 At least one characteristic variable value of one or more parameters K is determined at the number of units corresponding to one another, etc.

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Abstract

Ein Verfahren (100) zur Optimierung von Kenngrößenwerten von Kenngrößen (K) bei einer Anzahl einander baulich entsprechender Einheiten wenigstens eines Wellenenergiekonverters (1), wobei die Kenngrößenwerte durch nicht einstellbare Rahmenbedingungen (R) und durch einstellbare Betriebsparameter (P) beeinflussbar sind und das Verfahren (100) für wenigstens einen der Betriebsparameter (P) umfasst (a) das Einstellen (110) von jeweils unterschiedlichen Parameterwerten für den Betriebsparameter (P) bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, (b) das Bestimmen (120) jeweils zumindest eines Kenngrößenwerts einer oder mehrerer der Kenngrößen (K) bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, (c) das Ermitteln (130) derjenigen aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei der zumindest einer der Kenngrößenwerte der einen oder mehreren Kenngrößen (K) einem feststellbaren Gütewert am nächsten kommt, und Festlegen des bei dieser Einheit eingestellten Parameterwerts als Zwischenwert, (c) das Erhöhen (140) des Parameterwerts bei jeder aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei der der eingestellte Parameterwert geringer ist als der Zwischenwert oder dem größten der bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten eingestellten Parameterwerten und dem Zwischenwert entspricht und Verringern (140) des Parameterwerts bei jeder aus Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei der der eingestellte Parameterwert höher ist als der Zwischenwert oder dem kleinsten der bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten eingestellten Parameterwerte und dem Zwischenwert entspricht, und (d) Fortsetzen des Verfahrens mit Schritt (b). Eine entsprechend eingerichtete Steuereinheit (200) ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Verfahren zur Optimierung von Kenngrößenwerten bei Wellenenergiekonvertern und Mittel zur Implementierung des Verfahrens
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung von Kenngrößenwerten von Kenngrößen bei einer Anzahl von einander baulich entsprechenden Einheiten wenigstens eines Wellenenergiekonverters und Mittel zur Implementierung eines derartigen Verfahrens.
Stand der Technik
Zur Umwandlung von Energie aus Wasserbewegungen in Gewässern in nutzbare Energie ist eine Reihe unterschiedlicher Vorrichtungen bekannt. Eine Übersicht hierzu gibt beispielsweise G. Boyle, "Renewable Energy", 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004. Derartige Vorrichtungen werden auch als "Wellenenergiekonverter" bezeichnet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Wellenenergiekonverter von In- teresse, die mit ihren bewegten Teilen unter der Wasseroberfläche angeordnet sind und die eine dort vorliegende Wellenorbitalbewegung ausnutzen. Die Wellenorbitalbewegung kann mittels Rotoren in eine Rotationsbewegung umgesetzt werden. Hierzu können Rotoren mit Kopplungskörpern, z.B. hydrodynamischen Auftriebsprofilen, verwendet werden. Ein derartiges System ist in der US 2010/0150716 A1 offenbart.
Die Erfindung kann jedoch bei allen Wellenenergiekonvertern eingesetzt werden, bei denen bestimmte Kenngrößen von jeweils eingestellten Betriebsparametern und jeweils vorherrschenden Rahmenbedingungen beeinflusst werden.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Solche Kenngrößen, nachfolgend mit K bezeichnet, können beispielsweise ein momentanes Drehmoment, einen momentanen Energieertrag, ein mittleres Drehmoment, einen mittleren Energieertrag, eine Gleichmäßigkeit einer Energieeinspeisung durch den Wellenenergiekon- verter in ein Netz und die Reduktion von schädigenden Lasten (z.B. aufgrund von Kavitation) umfassen. Sie lassen sich durch numerische Werte, nachfolgend als Kenngrößenwerte bezeichnet, angeben. Ziel einer Maschinensteuerung oder -regelung, mit der ein Wellenener- giekonverter betrieben wird, ist es unter anderem, die Kenngrößenwerte zu optimieren. Betriebsparameter, nachfolgend mit P bezeichnet, umfassen im Sprachgebrauch dieser Anmeldung solche Größen, die an einem Wellenenergiekonverter aktiv eingestellt werden können. Bei rotierenden Wellenenergiekonvertern mit verstellbaren Kopplungskörpern umfassen diese beispielsweise einen Anstellwinkel (Pitchwinkel) der Kopplungskörper, einen Phasenversatz des Wellenenergiekonverters zu einem anregenden Wellenfeld und ein ein- stellbares Generatormoment. Auch eine Tauchtiefe oder einstellbare Eigenschaften der Verankerung (Mooring, z.B. veränderbare Federsteifigkeit, zusätzliche veränderbare Massen) sind Betriebsparameter. Auch die Betriebsparameter lassen sich in Form entsprechender Größen, nachfolgend als Parametergrößen bezeichnet, angeben. Im Gegensatz dazu lassen sich die Rahmenbedingungen, nachfolgend mit R bezeichnet, nicht aktiv einstellen, der Wellenenergiekonverter kann allenfalls an diese angepasst werden. Die Rahmenbedingungen umfassen beispielsweise ein anregendes Wellenfeld, vorherrschende Strömungen und feste Werte des Moorings. Kenngrößen, Betriebsparameter und Rahmenbedingungen sind entweder bekannt, weil aktiv eingestellt, oder können am Ort des Wellenenergiekonverters oder entfernt zu diesem als Messgrößen bestimmt werden.
In bekannten Ansätzen zur Optimierung der Kenngrößenwerte werden Regelstrategien ver- wendet, welche auf einem modellhaften Verständnis des Maschinenverhaltens basieren. Das Regelergebnis ist damit jedoch sowohl von der Qualität (Güte, zeitliche Auflösung etc.) der Eingangsgrößen, beispielsweise der Messgrößen, als auch von der Qualität des zugrunde liegenden Modells abhängig. Häufig kann nur ein Teil der Effekte, die das Maschinenverhalten beschreiben, modelliert oder in Echtzeit (zur Regelung im Betrieb) berechnet werden. Außerdem ist die Erfassung der benötigten Messgrößen, beispielsweise zur Beschreibung eines Strömungsfelds, bisweilen sehr aufwendig.
Es besteht daher der Bedarf nach Verfahren, die es erlauben, eine oder mehrere Kenngrö- ßenwerte durch eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung im Betrieb zu optimieren bzw. auf einem optimalen Wert zu halten, was nachfolgend auch als Modenverfolgung bezeichnet wird, und dabei den Messaufwand bzw. die Modellierungstiefe zu verringern.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Optimierung von Kenngrößenwerten von Kenngrößen bei einer Anzahl von einander baulich entsprechenden Einheiten wenigstens eines Wellenenergiekonverters sowie eine Steuereinheit, die zur Durchführung eines derartigen Verfahrens eingerichtet ist, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorge- schlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren, zu dessen Durchführung auch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Steuereinheit eingerichtet ist, dient zur Optimierung der eingangs erläuterten Kenngrößenwerte und/oder zum Halten von entsprechend optimierten Kenngrößenwerten bei einer Anzahl von einander baulich entsprechenden Einheiten wenigstens eines Wellenenergiekonverters.
Bei derartigen einander baulich entsprechenden Einheiten kann es sich um Einheiten an einem oder an mehreren unterschiedlichen Wellenenergiekonvertern handeln. Beispielsweise kann ein Wellenenergiekonverter zweiseitig ausgebildet sein, d.h. eine rotierende Basis aufweisen, von der ausgehend sich zu beiden Seiten Auftriebsprofile erstrecken. Bei den Auftriebsprofilen auf den beiden Seiten der Basis (also den zwei Seiten des Wellenenergiekonverters) handelt es sich um einander baulich entsprechende Einheiten. Ferner sind beispielsweise sogenannte Käfigläufer bekannt, die zwei Rotorbasen in einem Axialabstand zueinander angeordnet sind, und zwischen denen sich die Auftriebsprofile erstrecken. In diesem Fall sind die zwei Rotorbasen, an denen beispielsweise ein positives oder negatives Moment eingestellt werden kann, ebenfalls zwei einander baulich entsprechende Einheiten. Insbesondere bei den zweiseitigen Wellenenergiekonvertern ist es wichtig, eine Verstimmung zwischen beiden Seiten, also eine Asymmetrie, zu vermeiden. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt dies.
Einander baulich entsprechende Einheiten finden sich selbstverständlich auch bei einer Anzahl unterschiedlicher, jedoch im Wesentlichen gleichartig aufgebauter Wellenenergiekon- verter, beispielsweise eines Wellenenergiekonverterparks. Kenngrößenwerte können direkt gemessen werden, es kann sich jedoch auch um entsprechende Mittelwerte, abgeleitete Größen und dergleichen handeln. Diese Kenngrößenwerte sind, wie eingangs erläutert, durch einstellbare Betriebsparameter und durch nicht einstellbare Rahmenbedingungen beeinflussbar. Für wenigstens einen der zuvor erläuterten Betriebsparameter umfasst das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren das Einstellen von jeweils unterschiedlichen Parameterwerten bei den einander baulich entsprechenden Einheiten, die in das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren einbezogen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend überwiegend unter Bezugnahme auf genau zwei Wellenenergiekonverter beschrieben, es kann jedoch jederzeit auf eine größere Anzahl von Wellenenergiekonvertern erweitert oder bei zwei oder mehreren einander baulich entsprechenden Einheiten nur eines oder mehrerer Wellenenergiekonverter durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bereits bei Verwendung einer Zweifachkombi- nation voll funktionsfähig. Es können auch Größen bei mehr als zwei Wellenenergiekonvertern oder einander baulich entsprechenden Einheiten verwendet werden. Diese liegen z.B. in Wellenenergiekonverterparks mit einer beliebig großen Anzahl von Wellenenergiekonvertern vor und werden dort laufend ermittelt. Eine größere Anzahl in das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren einbezogener Wellenenergiekonverter oder einander baulich entspre- chender Einheiten liefert insbesondere eine schnellere Konvergenz, d.h. eine raschere Optimierung und/oder eine höhere Zuverlässigkeit bzw. Stabilität des erfindungsgemäß durchgeführten Optimierungsverfahrens. Die Erfindung umfasst insbesondere, die Parameterwerte wenigstens zweier oder einer Vielzahl von Betriebsparametern gleichzeitig zu verstellen, kann jedoch auch mit nur einem Parameterwert bzw. Betriebsparameter durchgeführt werden. Im ersteren Fall bilden die Parameterwerte einen mehrdimensionalen Zustandsraum, der insgesamt in eine gewünschte Richtung verändert werden kann.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt anschließend ein Bestimmen jeweils zumindest eines Kenngrößenwerts einer oder mehrerer der Kenngrößen bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten des oder der Wellenenergiekonverter. Auch hier wird nachfolgend eine Vereinfachung dahingehend vorgenommen, dass nur jeweils zwei Kenngrößenwerte beschrieben werden. In der Praxis kann jedoch eine sehr große Anzahl von Kenngrößen mit entsprechenden Kenngrößenwerten einbezogen werden. Auch diese bilden einen mehrdimensionalen Zustandsraum. Insgesamt umfasst die nachfolgende Beschreibung eine Reihe derartiger Vereinfachungen. In der Realität beschreiben, wie teilweise erläutert, die Betriebsparameter, die Rahmenbedingungen und/oder die Kenngrößen, bzw. ihre jeweiligen Werte, mehrdimensionale Zu- standsräume, in denen die entsprechenden Werte Vektoren darstellen. Einer der besonderen Vorteile des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ist jedoch der, dass es zur Optimierung bzw. zum Halten eines entsprechend optimierten Werts in einem mehrdimensionalen Raum ausreichend ist, diesen Raum an zwei geeigneten Stellen zu beproben.
Erfindungsgemäß wird diejenige Einheit aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten ermittelt, bei der zumindest einer der Kenngrößenwerte der einen oder mehre- ren Kenngrößen einem feststellbaren Gütewert am nächsten kommt, also betragsmäßig oder in einer sonst beschreibbaren Weise am geringsten von diesem abweicht. Der bei dieser Einheit eingestellte Parameterwert kann als Zwischenwert festgelegt werden. Mit anderen Worten wird die Einheit ermittelt, die die Kenngrößenvorgaben am besten erfüllt. Bei einem feststellbaren Gütewert kann es sich um einen numerisch bestimmbaren Zielwert handeln. Es kann sich jedoch auch beispielsweise um einen Maximal- und/oder einen Minimalwert handeln. Ein entsprechender Gütewert muss daher nicht notwendigerweise als Zahlenwert vorgegeben sein, sondern kann auch beispielsweise in Form eines (positiven oder negativen) unendlichen Werts vorliegen. Ein feststellbarer Gütewert muss nicht a priori be- kannt sein sondern kann sich auch erst bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben. Bezüglich der eingangs erläuterten Kenngrößen, wie dem momentanen Drehmoment, dem momentanen Energieertrag, dem mittleren Drehmoment, dem mittleren Energieertrag und der Gleichmäßigkeit der Energieeinspeisung, bzw. den diese Kenngrößen angebenden Kenngrößenwerten, wird ein Maximalwert angestrebt. Umgekehrt ist beispielsweise hinsichtlich solcher Kenngrößenwerte, die schädigende Lasten angeben, ein Gütewert ein Minimalwert. Bei einem feststellbaren Gütewert kann es sich jedoch auch um einen Gleichmäßigkeitswert, beispielsweise einer Energieeinspeisung in ein Netz, auftretender Momente oder dergleichen handeln.
Nach diesem Schritt erfolgt ein Erhöhen des Parameterwerts bei jeder Einheit aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei der der eingestellte Parameterwert geringer ist als der Zwischenwert oder bei der der eingestellte Parameterwert sowohl dem größten Parameterwert, der bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten eingestellt wurde, als auch dem Zwischenwert entspricht. Ein Verringern des Parameterwerts erfolgt bei jeder Einheit aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei der der eingestellte Parameterwert höher ist als der Zwischenwert oder bei der der eingestellte Parameterwert sowohl dem kleinsten Parameterwert, der bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten eingestellt wurde, als auch dem Zwischenwert entspricht. Bei den Einheiten, bei denen keine dieser Bedingungen zutrifft, erfolgt keine Veränderung. Wie erwähnt, können auch mehrere Parameterwerte eines entsprechenden Zu- standsraums in Form eines entsprechenden Parametervektors entsprechend verändert werden. Die Erläuterungen gelten hierfür in gleicher Weise. Die jeweils bei der Ermittlung des Zwischenwerts eingestellten Parameterwerte definieren einen Wertebereich mit einem Minimalwert und einem Maximalwert. Der Fall, dass der eingestellte Parameterwert bei einer Einheit dem größten der bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten eingestellten Parameterwerte (also dem Maximalwert) und dem Zwischenwert entspricht, lässt den Schluss zu, das Maximum einer entsprechenden Optimumskurve noch außerhalb des genannten Wertebereichs liegt. Damit werden die Parameterwerte aller Einheiten erhöht. Dies gilt für ein zu erreichendes maximales Optimum. Entsprechendes gilt jedoch auch für ein zu erreichendes Minimum: So lässt der Fall, dass der eingestellte Parameterwert bei einer der Einheiten dem geringsten der bei der Anzahl von Wellenenergiekonvertern eingestellten Parameterwerte (also dem Minimalwert) und dem Zwischenwert entspricht, den Schluss zu, das Minimum einer entsprechenden Optimumskurve noch außerhalb des genannten Wertebereichs liegt. Damit werden die Parameterwerte aller Einheiten verringert. In anderen Fällen liegt das Maximum (bzw. Minimum) einer entsprechenden Optimumskurve innerhalb des Wertebereichs, so dass Parameterwerte so zu verstellen sind, dass sich die Einheiten in Richtung des Maximums bewegen (konvergieren). Dies erfolgt durch Erhöhen der Parameterwerte bei einem Teil (oder auch nur einer) der Einheiten und durch Verringern der Parameterwerte bei einem anderen Teil (oder auch nur einer) der Einheiten. Die Einheit, deren Parameterwert dem Zwischenwert entspricht (also die momentan "am besten" eingestellte Einheit) kann ebenfalls verändert oder so lange bezüglich des Parameterwerts konstant gehalten werden, bis bei dem iterativ wiederholten Verfahren eine andere der Einheiten die "beste" Einstellung besitzt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird anschließend erneut mit dem Bestimmen jeweils zumindest eines Kenngrößenwerts einer oder mehrerer der Kenngrößen bei der Anzahl von einander baulich entsprechenden Einheiten fortgesetzt. Erneut wird anschließend diejenige Einheit ermittelt, bei der zumindest einer der Kenngrößenwerte der einen oder mehreren Kenngrößen dem feststellbaren Gütewert am nächsten kommt und der bei dieser Einheit eingestellte Parameterwert als Zwischenwert festgelegt. Anschließend folgt erneut eine Verstellung (also Erhöhung und/oder Verringerung) der Parameterwerte wie oben erläutert.
Dies erfolgt so lange, gegebenenfalls unter Verringerung der bei der Verstellung (Erhöhen oder Verringern) verwendeten Schrittweite, bis alle aus der Anzahl der einander baulich ent- sprechenden Einheiten auf oder um den entsprechend ermittelten Optimalwert eingestellt wurden. Dabei können alle Einheiten exakt auf den ermittelten Optimalwert eingestellt werden. Um eine kontinuierliche Nachführung zu ermöglichen, wird jedoch vorteilhafterweise eine gewisse Spreizung eingehalten. Das Verfahren kann beliebig fortgesetzt werden, auch wenn der Parameterwert bei einem oder auch nach mehreren Durchläufen bei keiner der Einheiten verstellt wurde. Denn es kann die Situation eintreten, dass sich nun die Rahmenbedingungen verändern und hierdurch eine Abweichung vom Optimum herbeiführen.
Weil aber bei jedem Durchgang diejenige Einheit ermittelt wird, bei der zumindest einer der Kenngrößenwerte der einen oder mehreren Kenngrößen einem vorgegebenen Zielwert am nächsten kommt, kann ein entsprechendes "Herauslaufen" aus dem Optimum durch die veränderten Rahmenbedingungen verhindert werden. In diesem Fall sind die oben genannten Bedingungen für die Verstellung der Parameterwerte erneut erfüllt und dem Optimum kann entsprechend gefolgt werden. Hierbei handelt es sich um die eingangs erwähnte Mo- denverfolgung.
Zu Merkmalen und Vorteilen der erfindungsgemäß ebenfalls vorgeschlagenen Steuereinheit sei auf die obigen und die nachfolgenden Erläuterungen verwiesen. Die Steuereinheit steuert bzw. regelt eine Anzahl einander baulich entsprechender Einheiten von Wellenenergie- konvertern nach den entsprechend erläuterten Prinzipien.
Die Erfindung und bevorzugte Ausgestaltungen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt Wellenorbitalbewegungen unter der Oberfläche eines wellig bewegten Gewässers in schematischer Darstellung und entsprechende Rahmenbedingungen. Figur 2 zeigt einen Wellenenergiekonverter, dessen Kenngrößen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung optimiert werden können, in schematischer Darstellung.
Figur 3 zeigt auf den Wellenenergiekonverter der Figur 2 einwirkende Rahmenbedingungen sowie eingestellte Betriebsparameter und entsprechend erhaltene Kenngrößen.
Figur 4 veranschaulicht eine Optimierung zweier Wellenenergiekonverter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form von Betriebsparameter-/Kenngrößendiagrammen.
Figur 5 veranschaulicht eine Optimierung zweier Wellenenergiekonverter gemäß einer Aus- führungsform der Erfindung in Form eines Betriebsparameter-/Kenngrößendiagramms.
Figur 6 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Ablaufplans. In den Figuren tragen gleiche oder gleich wirkende Elemente identische Bezugszeichen. Auf eine wiederholte Erläuterung wird verzichtet.
Ausführungsformen der Erfindung.
Figur 1 zeigt Wellenorbitalbewegungen unter der Oberfläche eines wellig bewegten Gewässers in schematischer Darstellung. Eine Welle an der Oberfläche des Gewässers ist mit 10 bezeichnet. An einer Position A liegt ein Wellenberg, an einer Position C ein Wellental vor. Die Welle breitet sich in einer Wellenausbreitungsrichtung 11 aus. An den Positionen B und D befinden sich die Übergänge Wellenberg/Wellental bzw. Wellental/Wellenberg. Die mittlere Gewässeroberfläche ist mit 12 bezeichnet.
Aufgrund der Wellenbewegung ergeben sich unterhalb der Oberfläche des Gewässers Wellenorbitalbewegungen in Form von Orbitalbahnen 13, die nur teilweise mit Bezugszeichen versehen sind. Unmittelbar unter der Oberfläche des Gewässers weisen diese Orbitalbahnen 13 jeweils Radien r auf, die der Amplitude der Welle 10 entsprechen. Die Radien verringern sich mit zunehmender Distanz zur Oberfläche des Gewässers. Im Tiefwasser sind die Orbitalbahnen 13 kreisförmig, im Flachwasser zunehmend elliptisch. Die lokale Wasserbewegung ist in der Figur 1 jeweils in Form kurzer, fetter Pfeile dargestellt, die den jeweiligen Bewegungsvektoren v entsprechen. Unter einem Wellenberg an Position A bewegt sich die Gesamtheit der Wasserteilchen dabei in Richtung der Wellenausbreitungsrichtung 11. Unter einem Wellental an Position C bewegt sich die Gesamtheit der Wasserteilchen der Wellenausbreitungsrichtung 11 entgegen. Beim Übergang von einem Wellenberg (Position A) zu einem Wellental (Position C), und zwar in Wellenausbreitungsrichtung fortschreitend, kommt es an Position B zu einer Situation, in der sich die Gesamtheit der Wasserteilchen senkrecht nach oben bewegt. Umgekehrt bewegt sich beim Übergang von einem Wellental (Position C) zu einem Wellenberg (Position A), wiederum in Wellenausbreitungsrichtung 11 fortschreitend, die Gesamtheit der Wasserteilchen senkrecht nach unten. Insgesamt ergibt sich an einer festen Position eine kontinuierliche Änderung der Anströmrichtung, deren Rotationsgeschwindigkeit der Wellenfrequenz entspricht. Bei multichromatischen Wellen besteht eine zeitliche Variabilität. Die Wellenausbreitungsrichtung 11 , die Radien der Orbitalbahnen 13, deren Rotationsgeschwindigkeit und damit das anregende Wellenfeld sowie vorherrschende Strömungen und die Verankerung des Wellenenergiekonverters (Mooring) am Meeresgrund sind Rahmenbedingungen R, unter denen ein Wellenenergiekonverter betrieben wird.
In Figur 2 ist ein Wellenenergiekonverter gezeigt, der sich eine derartige Wellenorbitalbewe- gung zu Nutze machen kann. Der Wellenenergiekonverter ist insgesamt mit 1 bezeichnet. Er weist einen Rotor 2, 3, 4 mit einer Rotorbasis 2 auf, an der über Rotor- bzw. Hebelarme 4 längliche Auftriebsprofile 3 angebracht sind. In Figur 1 ist ein einseitiger Rotor gezeigt, das Verfahren kann jedoch auch bei zweiseitigen Rotoren durchgeführt werden. Die Auftriebsprofile 3 sind mit einem Ende mit den Hebelarmen 4 verbunden und beispielsweise über Versteileinrichtungen 5 in einem Winkel (sogenannter Pitchwinkel) um ihre Längsachse drehbar. Den Versteileinrichtungen 5 können Positionsgeber 6 zugeordnet sein. Die jeweils eingestellten Pitchwinkel stellen Parameterwerte von Betriebsparametern, die durch die Po- sitionsgeber 6 gemessenen Werte der Pitchwinkel entsprechende Messgrößen dar.
Die Auftriebsprofile 3 sind, bezogen auf die Achse des Rotors 2, 3, 4, in einem Winkel von 180° versetzt zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind die Auftriebsprofile 3 in der Nähe ihres Druckpunktes mit den Hebelarmen 4 verbunden, um im Betrieb auftretende Rotati- onsmomente auf die Auftriebsprofile 3 und damit die Anforderungen an die Halterung und/oder die VerStelleinrichtungen zu reduzieren. Der radiale Abstand zwischen einem Aufhängungspunkt eines Auftriebsprofils 3 und der Rotorachse beträgt beispielsweise 1 m bis 50 m, vorzugsweise 2 m bis 40 m und besonders bevorzugt 6 m bis 30 m. Die Sehnenlänge der Auftriebsprofile 3 beträgt beispielsweise 1 m bis 8 m. Die größte Längserstreckung kann beispielsweise 6 m oder mehr betragen.
Der Wellenenergiekonverter 1 weist einen integrierten Generator auf. Hierbei ist die Rotorbasis 2 drehbar in einem Generatorgehäuse 7 gelagert. Die Rotorbasis 2 bildet den Läufer des Generators, das Generatorgehäuse 7 dessen Stator. Die erforderlichen elektrischen Einrichtungen wie Spulen und Leitungen sind nicht dargestellt. Auf diese Weise kann eine durch die Wellenorbitalbewegung induzierte Rotationsbewegung der Rotorbasis 2 mit den hieran über die Hebelarme 4 angebrachten Auftriebsprofilen 3 direkt in elektrische Energie umgesetzt werden. Beispielsweise ist ein mittels des Rotors 2, 3, 4 erzeugtes bzw. in den Generator eingeleitetes momentanes Drehmoment eine Kenngröße K, die sich durch einen entsprechenden Kenngrößenwert ausdrücken lässt. Entsprechendes gilt für den momentanen Energieertrag, der auf Grundlage dieses Drehmoments erhalten wird, ein mittleres Drehmoment, einen mittleren Energieertrag und eine Gleichmäßigkeit einer Energieeinspeisung durch den Wellenenergiekonverter in ein Netz.
Wenngleich in der Figur 2 ein Wellenenergiekonverter 1 gezeigt ist, bei dem die Auftriebsprofile 3 über ihre Hebelarme 4 nur an einer Seite einer Rotorbasis 2 angebracht sind, kann die Erfindung auch bei Wellenenergiekonvertern 1 zum Einsatz kommen, bei denen an beiden Seiten der Rotorbasis 2 Hebelarme 4 bzw. Auftriebsprofile 3 befestigt sind.
Auch müssen die Rotorarme 4 nicht notwendigerweise in der dargestellten Weise ausgebildet sein. Beispielsweise können die Auftriebsprofile 3 auch über ein scheibenförmiges Element mit der Rotorbasis 2 verbunden sein. In Figur 3 ist der Wellenenergiekonverter 1 der Figur 2 nochmals in Draufsicht auf die Rotorbasis 2 gezeigt. Wie erwähnt, weist der Wellenenergiekonverter 1 ein Generatorgehäuse 7 und einen daran drehbar gelagerten Rotor 2, 3, 4 mit einer Rotorbasis 2 und zwei jeweils über Rotorarme 4 drehfest an der Rotorbasis 2 angebrachten Kopplungskörpern in Form hydrodynamischer Auftriebsprofile 3 auf. Die Auftriebsprofile 3 ragen in der Figur 3 von hin- ten nach vorne in den Wasserkörper. Eine Steuereinheit ist schematisch dargestellt und mit 200 bezeichnet.
Der Rotor 2, 3, 4 sei unterhalb der Wasseroberfläche eines wellig bewegten Gewässers, beispielsweise eines Ozeans, angeordnet. Hierbei sollen beispielsweise Tiefwasserbedin- gungen vorliegen, bei denen die Orbitalbahnen 23 (vgl. Figur 1) der Wasserteilchen weitgehend kreisförmig verlaufen. Eine Rotationsachse des Rotors (senkrecht zur Papierebene) sei weitgehend horizontal und weitgehend senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 21 der Wellen 20 des wellig bewegten Gewässers orientiert. Durch die Versteileinrichtungen 5 (nur am rechten Auftriebsprofil bezeichnet) kann ein Anstell- bzw. Pitchwinkel α (also ein Parameterwert P) der beiden Auftriebsprofile 3 gegenüber einer jeweils senkrecht nach oben bzw. unten verlaufenden Tangente zum Rotor (nur am linken Auftriebsprofil gezeigt) eingestellt werden. Die Anstellwinkel α der beiden Auftriebsprofile sind vorzugsweise einander entgegen gerichtet orientiert und weisen beispielsweise Werte von -20° bis +20° auf. Insbesondere beim Anfahren des Wellenenergiekonverters 1 können jedoch auch größere Anstellwinkel vorgesehen sein. Vorzugweise können die Anstellwinkel α unabhängig voneinander verstellt werden. Bei den VerStelleinrichtungen 5 kann es sich beispielsweise um elektromotorische Versteileinrichtungen, vorzugsweise mit Schrittmotoren, und/oder um hydraulische und/oder pneumatische Komponenten handeln.
Den beiden Versteileinrichtungen 5 können, wie erwähnt, Positionsgeber 6 zur Bestimmung der aktuellen Anstellwinkel α zugeordnet sein, wodurch eine entsprechende Messgröße erhalten werden kann. Eine weitere, nicht dargestellte Sensorik kann den Rotationswinkel der Rotorbasis 2 gegenüber dem Gehäuse 7 als weitere Messgröße bestimmen, aufgrund derer ein Phasenversatz des Rotor 2, 3, 4 zum anregenden Wellenfeld als Parameterwert ermitteln lässt. Die Erfindung eignet sich jedoch auch für Anlagen ohne Versteileinrichtungen 5 zur Verstellung der Anstell- bzw. Pitchwinkel α und/oder entsprechende Sensorik. Der Wellenenergiekonverter 1 wird von der Orbitalströmung mit einer AnStrömungsgeschwindigkeit ~$ angeströmt. Dabei handelt es sich bei der Anströmung um die Orbitalströmung von Meereswellen (siehe Figur 1), deren Richtung sich kontinuierlich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω ändert. Bei sogenannten monochromatischen Wellen ändert sich die An- strömungsrichtung dabei mit der Winkelgeschwindigkeit Ω = 2 π f = const., wobei f die Fre- quenz der monochromatischen Welle darstellt. In multichromatischen Wellen unterliegt Ω einer zeitlichen Änderung, Ω = f(t), da die Frequenz f eine Funktion der Zeit ist, f = f(t). Die Figur 3 zeigt damit eine Momentaufnahme. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst im Fall multichromatischer Wellen entsprechende (lokale) Anpassungen. Im dargestellten Fall ist die Drehung der Orbitalströmung entgegen dem Uhrzeigersinn orientiert, die dazugehörige Welle breitet sich also von rechts nach links aus. Es ist vorgesehen, dass der Rotor 2, 3, 4 synchron zur Orbitalströmung der Wellenbewegung mit einer Winkelgeschwindigkeit ω rotiert, wobei der Begriff der Synchronizität bei multichromatischen Wellen im zeitlichen Mittel zu verstehen ist.
Durch die Einwirkung der Strömung mit der AnStrömungsgeschwindigkeit ~^auf die Auftriebsprofile 3 werden jeweils ein Auftrieb (angegeben jeweils durch den Kraftvektor F) und dadurch ein auf den Rotor 2, 3, 4 wirkendes erstes Drehmoment erzeugt. Zur Einstellung der Synchronizität kann auf den Rotor 2, 3, 4 ein vorzugsweise veränderbares zweites Drehmo- ment in Form eines Widerstands, also eines Bremsmoments, oder eines Beschleunigungsmoments aufgebracht werden, welche ebenfalls einen Betriebsparameter P darstellen. Mittel zur Erzeugung des zweiten Drehmoments können dabei beispielsweise zwischen der Rotorbasis 2 und dem Generatorgehäuse 7 angeordnet sein.
Zwischen der Rotororientierung, die durch eine untere gestrichelte Linie veranschaulicht ist, und die durch die Rotorachse und die Mitte der beiden VerStelleinrichtungen 5 verläuft, und der Richtung der Orbitalströmung, die die durch eine obere gestrichelte Linie veranschaulicht ist, und die durch einen der Geschwindigkeitspfeile ~v? verläuft, besteht ein Phasenwinkel bzw. -versatz Δ, dessen Betrag als Parameterwert durch eine geeignete 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 1? und die Anströmung aufgrund der Eigenrotation weitgehend senkrecht zueinander orientiert sind, was zu einer Maximierung des Rotormoments führt.
Die Darstellung der Auftriebsprofile 3 in den Figuren 2 und 3 erfolgt nur beispielhaft zur Definition der unterschiedlichen Betriebsparameter. So können im Betrieb die Anstellwinkel der beiden Auftriebsprofile 3 auch entgegengesetzt zur Darstellung ausgeführt sein. Das in Figur 3 linke Auftriebsprofil 3 wäre dann nach innen verstellt und das in Figur 3 rechte Auftriebsprofil 3 nach außen. Dabei kann entgegen dieser schematischen Darstellung mit
ungekrümmten symmetrischen Profilen auch der Einsatz von anderen Profilgeometrien vorgesehen sein, die zudem auch noch in Bezug auf die kreisförmige Bahnlinie angepasst und/oder transformiert sein können.
In der Figur 4 ist eine Optimierung zweier Wellenenergiekonverter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form von Betriebsparameter-/Kenngrößendiagrammen A bis D veranschaulicht. In gleicher weise gelten die nachfolgenden Erläuterungen aber auch beispielsweise für einander baulich entsprechende Einheiten nur eines Wellenenergiekonver- ters oder mehrerer Wellenenergiekonverter. In diesen Diagrammen sind jeweils ein Parameterwert eines Betriebsparameters P auf der x-Achse und ein hierbei erhaltener Kenngrößenwert einer Kenngröße K auf der y-Achse aufgetragen. Die Rahmenbedingungen werden bei der Erläuterung der Figur 4 als konstant angenommen. Die Kenngrößenwerte der Kenngrößen K folgen einer Optimumskurve 400, die jedoch vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht bekannt ist. Mit den Punkten 401 und 402 sind jeweils bei entsprechenden Parameterwerten erhaltene Kenngrößen angegeben. Diese Kenngrößen unterscheiden sich durch Ihren y-Wert, also den Kenngrößen- wert. Beispielsweise stellt der Parameterwert in Diagramm A einen Verstellwinkel (Pitch- winkel) eines Auftriebsprofiles eines Wellenenergiekonverters dar. Die Kenngröße K gibt das hierdurch erhaltene Drehmoment an. Das Drehmoment bei Punkt 401 ist geringer als das Drehmoment bei Punkt 402. Der Wellenenergiekonverter, bei dem ein dem Punkt 401 entsprechender Pitchwinkel eingestellt ist, liefert also ein geringeres Drehmoment als der Wel- lenenergiekonverter, bei dem ein dem Punkt 402 entsprechender Pitchwinkel eingestellt ist.
Die entsprechend eingestellten Parameterwerte können einen vorgegebenen Abstand d zueinander aufweisen. Dieser Abstand d kann sich beispielsweise nach der Lage auf einer Optimumskurve 400 richten, der in einem vorigen Iterationsschritt ermittelt wird, beispiels- weise nach der Steigung der Optimumskurve 400.
Aus den Ergebnissen, die in Diagramm A dargestellt sind, kann abgeleitet werden, dass die Punkt 402 entsprechende Einstellung offensichtlich ein verbessertes Drehmoment ergibt. Wird, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, derjenige aus der Anzahl von Wellenenergie- konvertern (hier aus den zwei Wellenenergiekonvertern) ausgewählt, bei dem der Kenngrößenwert, beispielsweise jener bezüglich des Drehmoments, einem vorgegebenen Zielwert (Maximum) am nächsten kommt, würde der Wellenenergiekonverter mit dem Kenngrößenwert 402 ausgewählt. Der hier eingestellte Kenngrößenwert wird als Zwischenwert festgelegt und ist gleichzeitig der größte der bei der Anzahl von Wellenenergiekonvertern eingestellten Parameterwerte. Das bei zwei Wellenenergiekonvertern veranschaulichte Verfahren lässt sich ohne weiteres auf mehrere Wellenenergiekonverter übertragen. Gleiches gilt für einander baulich entsprechende Einheiten.
Aufgrund dieser Feststellung werden die Parameterwerte für den Betriebsparameter P da- her erhöht. Das Ergebnis ist in Diagramm B gezeigt, das im Übrigen dem Diagramm A entspricht. Der "alte" Wert 401 ist in dem Diagramm B erneut angegeben. Die entsprechend verstellten (erhöhten) Parameterwerte sind mit 401' und 402' bezeichnet. Die Verstellung erfolgt beispielsweise mit einer Schrittweite s zwischen dem (alten) Parameterwert 401 und dem neuen Betriebsmeterwert 401'. Auch diese Schrittweite kann auf Grundlage einer Form, beispielsweise einer Steigung der Optimumskurve 400, ermittelt werden. Nahe dem Optimum, also bei abnehmender Steilheit der Optimumskurve 400, kann beispielsweise eine feinschrittigere Verstellung erfolgen. Aus dem Diagramm B geht hervor, dass offensichtlich eine weitere Optimierung durch eine Erhöhung der Parameterwerte erfolgen kann.
Dies führt letztlich zu einer Situation, wie sie in dem Diagramm C dargestellt ist. In dieser Situation liegen die nun mit 401" und 402" bezeichneten Punkte am Scheitelpunkt der Optimumskurve 400. Eine weitere (lokale) Optimierung kann nun dadurch erfolgen, dass die Parameterwerte 401" und 402" aufeinander zugeführt werden. Dies ist jedoch nicht weiter veranschaulicht.
Die Betriebsparameter B und die Rahmenbedingungen R spannen in der Realität einen Zu- standsraum des Systems auf. Die resultierenden Eigenschaften einer Position im Zustands- raum entsprechen den zuvor erläuterten Kenngrößen K. Kern der Erfindung ist also die Ver- knüpfung von Daten (K, P, R), welche während des Betriebs an mehr als einer Position im Zustandsraum ermittelt werden, sodass hieraus Betriebs-/Regelanpassungen abgeleitet werden können, welche eine Optimierung oder Beibehaltung von optimierten Betriebszu- ständen erlauben. Die unterschiedlichen Positionen im Zustandsraum werden dabei nicht von ein und derselben Maschine bzw. ein und demselben Maschinenteil (Wellenenergiekon- verter oder Einheit hiervon) sondern durch unterschiedliche Einheiten eingenommen.
Hierdurch wird einerseits der aufzubringende Messaufwand bzw. die benötigte Modellierungstiefe verringert. Andererseits wird eine Verfälschung von Ergebnissen bzw. eine Beeinträchtigung des Maschinenverhaltens durch das Testen unterschiedlicher Zustände mit ei- nem System während des Betriebs verringert. Der zuvor erläuterte Abstand zwischen d und die Schrittweite s kann variabel gestaltet werden. Typischerweise wird der Abstand in der Nähe des Optimums verringert, um die einzelnen Einheiten nahe an den optimalen Betriebszustand heranzuführen. Die Schrittweite wird typischerweise in einem Kompromiss zwischen Konvergenzgeschwindigkeit und Stabilität gewählt. Als Basis für die Schrittweiten- und Ab- Standssteuerung können beispielsweise die ermittelten Kenngrößen oder der Verlauf der Kenngrößen (z. B. aus der Historie) verwendet werden.
Während im Rahmen der Figur 4 die Rahmenbedingungen als konstant angenommen wurden, ist dies in der Realität nicht der Fall. Üblicherweise ändern sich die Rahmenbedingun- gen über die Zeit. Beispielsweise kann sich die Stärke des an den Auftriebsprofilen anliegenden Strömungsfelds auf Grundlage von Tiefen- und/oder Raumeffekten, wie unter Bezugnahme auf die Figur 1 erläutert, ändern. Zur Veranschaulichung dieser Situation dient die Figur 5. Die Achsen K und P des in Figur 5 dargestellten Diagramms entsprechen den Ach- sen Kopt und P der Figur 4. Die Diagramme A bis C der Figur 4 stellen dabei jeweils einen Ebenenschnitt durch die Figur 5 für gegebene Rahmenbedingungen R zu einem Zeitpunkt t dar. Die Achse R(t) bezeichnet die Änderung der Rahmenbedingungen über die Zeit.
Ein Punkt mit festem Parameterwert wird sich entlang der Achse R(t) bei einer entsprechen- der zeitlichen Entwicklung der Rahmenbedingungen bewegen, welche von außen vorgegeben und nicht beeinflussbar ist. Dies ist in der Figur 5 durch die mit Kreuzen angegebenen Positionen für P = 0,5 und fünf unterschiedliche Zeitpunkte dargestellt. Wird nun das zu optimierende System aus zwei Einheiten an einer Position 501 "gestartet" und die Veränderung der Parameterwerte entsprechend dem zuvor erläuterten Vorgehen durchgeführt, findet zu- sätzlich zur Parallelverschiebung entlang R(t) ein "Aufsteigen" des Systems in Richtung P und damit eine Optimierung (Maximierung) des Kenngrößenwerts K statt.
Die Bewegung des entsprechenden Systems ist in der Figur 5 durch die Positionen 511 , 512, 521 , 522 usw. dargestellt. Es ist ersichtlich, dass sich mit dem oben erläuterten Vorge- hen eine fortlaufende Optimierung der Parameterwerte ergibt. Im Bereich R(t) = 0 ...1 ist in diesem Beispiel P = 1 ,5 optimal. Die Punkte konvergieren auf diesem Wert. Bei R(t) > 1 findet eine Verschiebung eines Optimums in Richtung P = 1 ,0 statt. Die zwei Werte folgen dieser Verschiebung automatisch, sodass ein optimaler Betrieb auch bei veränderlichen Rahmenbedingungen gewährleistet ist. Dieses Vorgehen kann auch als sogenannte Modenver- folgung bezeichnet werden.
Die Figur 6 zeigt ein Verfahren gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung. Das Verfahren ist insgesamt mit 100 bezeichnet. Das Verfahren 100 beginnt in einem Schritt 110 mit dem Einstellen von jeweils unterschiedlichen Parameterwerten für einen Betriebsparameter P bei einer Anzahl von einander baulich entsprechenden Einheiten des oder der Wellenenergiekonverter 1 , die in das Verfahren einbezogen werden. In einem Schritt 120 erfolgt anschließend ein Bestimmen jeweils zumindest eines Kenngrößenwerts einer oder mehrerer Kenngrößen K bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten. Anschließend wird in einem Schritt 130 diejenige aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten ermittelt, bei der zumindest einer der Kenngrößenwerte der einen oder mehreren Kenngrößen K einem feststellbaren Gütewert am nächsten kommt. Der bei dieser Einheit momentan eingestellte Parameterwert wird als Zwischenwert 131 festgelegt, wie durch einen entsprechenden Pfeil veranschaulicht.
In einem nächsten Schritt 140 erfolgt gegebenenfalls ein Verstellen des Parameterwerts. Dies umfasst ein Erhöhen des Parameterwerts bei jeder aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei der der momentan eingestellte Parameterwert geringer ist als der Zwischenwert oder dem größten der bei der Anzahl der einander baulich entsprechen- den Einheiten eingestellten Parameterwerte und dem Zwischenwert entspricht. Ferner erfolgt in Schritt 140 ein Verringern des Parameterwerts bei jeder aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei dem der eingestellte Parameterwert höher ist als der Zwischenwert oder dem kleinsten der bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten eingestellten Parameterwerte und dem Zwischenwert entspricht.
Das Verfahren kehrt dann zu Schritt 120 zurück. Erneut erfolgt anschließend ein Bestimmen jeweils zumindest eines Kenngrößenwerts einer oder mehrerer Kenngrößen K bei der der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten usw.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (100) zur Optimierung von Kenngrößenwerten von Kenngrößen (K) bei einer Anzahl von einander baulich entsprechenden Einheiten wenigstens eines Wellenener- giekonverters (1), wobei die Kenngrößenwerte sowohl durch nicht einstellbare Rahmenbedingungen (R) als auch durch einstellbare Betriebsparameter (P) beeinflussbar sind und das Verfahren (100) für wenigstens einen der Betriebsparameter (P) umfasst: a) Einstellen (110) von jeweils unterschiedlichen Parameterwerten für den Betriebsparameter (P) bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, b) Bestimmen (120) jeweils zumindest eines Kenngrößenwerts einer oder mehrerer der Kenngrößen (K) bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, c) Ermitteln (130) derjenigen aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei der zumindest einer der Kenngrößenwerte der einen oder mehreren Kenngrößen (K) einem feststellbaren Gütewert am nächsten kommt, und Festlegen des bei dieser Einheit eingestellten Parameterwerts als Zwischenwert, c) Erhöhen (140) des Parameterwerts bei jeder aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei der der eingestellte Parameterwert geringer ist als der Zwischenwert oder dem größten der bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten eingestellten Parameterwerte und dem Zwischenwert entspricht und Verringern (140) des Parameterwerts bei jeder aus Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei der der eingestellte Parameterwert höher ist als der Zwischenwert oder dem kleinsten der bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten eingestellten Parameterwerte und dem Zwischenwert entspricht, d) Fortsetzen des Verfahrens mit Schritt b).
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1 , bei dem die Parameterwerte in Schritt a) in vorgegebenen Werteabständen zueinander eingestellt (110) werden.
3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Parameterwerte in Schritt c) mit einer vorgegebenen Schrittweite erhöht und/oder verringert (140) werden.
4. Verfahren (100) nach Anspruch 3, bei dem die Schrittweite auf Grundlage wenigstens eines in Schritt b) bestimmten (120) Kenngrößenwerts vorgegeben wird.
5. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das periodisch während des Betriebs des wenigstens einen Wellenenergiekonverters (1) durchgeführt wird.
6. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das bei einer festgestellten Veränderung wenigstens einer der Rahmenbedingungen (R) durchgeführt wird.
7. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Rahmenbe- dingungen (R), die Betriebsparameter (P) und/oder die Kenngrößen (K) jeweils als Vektoren in einem mehrdimensionalen Zustandsraum bestimmt bzw. ermittelt werden.
8. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Rahmenbedingungen ein anregendes Wellenfeld, Strömungen und/oder eine Verankerung umfassen.
9. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Betriebsparameter (P) einen Anstellwinkel von Kopplungskörpern, einen Phasenversatz zu einem anregenden Wellenfeld und/oder ein Generatormoment umfassen.
10. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Kenngrößen (K) ein momentanes Drehmoment, einen momentanen Energieertrag, ein mittleres Drehmoment, einen mittleren Energieertrag, eine Gleichmäßigkeit einer Energieeinspeisung und/oder eine Reduktion von schädigenden Lasten umfassen.
11. Steuereinheit (200), die zur Durchführung eines Verfahrens (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist, mit Mitteln zum Einstellen ( 10) der jeweils unterschiedlichen Parameterwerte für den Betriebsparameter (P) bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten des wenigstens einen Wellenenergiekonverters (1), Mitteln zum Bestimmen (120) des jeweils zumindest einen Kenngrößenwerts der einen oder der mehreren Kenngrößen (K) bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, Mitteln zum Ermitteln (130) derjenigen aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei der zumindest einer der Kenngrößenwerte der einen oder mehreren Kenngrößen (K) einem vorgegebenem Zielwert am nächsten kommt, und zum Festlegen des bei dieser Einheit eingestellten Parameterwerts als Zwischenwert, und Mitteln zum Erhöhen (140) des Parameterwerts bei jeder aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei der der eingestellte Parameterwert geringer ist als der Zwischenwert oder dem größten der bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten eingestellten Parameterwerte und dem Zwischenwert entspricht und Verringern (140) des Parameterwerts bei jeder aus der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten, bei der der eingestellte Parameterwert höher ist als der Zwischenwert oder dem kleinsten der bei der Anzahl der einander baulich entsprechenden Einheiten eingestellten Parameterwerte und dem Zwischenwert entspricht.
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