WO2014094979A1 - Method and means for reducing cavitation in wave energy converters - Google Patents

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Benjamin Hagemann
Nik Scharmann
Alexander Poddey
Nicolas Houis
Markus Perschall
Jasper Behrendt
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Robert Bosch Gmbh
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Abstract

The invention relates to a method for operating a wave energy converter (1) in a body of water, according to which method, in order to avoid cavitation on at least one movable element (3) of the wave energy converter (1), at least one variable influencing the cavitation on the at least one movable element (3) is ascertained, a total pressure, particularly a minimum total pressure is determined at at least one point (32) on the movable element (3) from the at least one variable influencing the cavitation on the at least one movable element, the total pressure determined is compared with a lower threshold value and a position, orientation and/or geometry of the at least one movable element (3) is set on the basis of this comparison.

Description

Verfahren und Mittel zur Kavitationsreduktion bei Wellenenergiekonvertern  Method and means for cavitation reduction in wave energy converters
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum kavitationsreduzierten Betreiben eines Wellenenergiekonverters, Mittel zur Implementierung eines derartigen Verfahrens sowie einen entsprechend betreibbaren Wellenenergiekonverter. The present invention relates to a method for cavitation-reduced operation of a wave energy converter, means for implementing such a method and a corresponding operable wave energy converter.
Stand der Technik State of the art
Zur Umwandlung von Energie aus Wasserbewegungen in Gewässern in nutzbare Energie ist eine Reihe unterschiedlicher Vorrichtungen bekannt. Eine Übersicht hierzu gibt beispiels- weise G. Boyle, "Renewable Energy", 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004. Derartige Vorrichtungen werden hier als "Wellenenergiekonverter" bezeichnet. For the conversion of energy from water movements in water into usable energy a number of different devices are known. For example, G. Boyle, "Renewable Energy," 2nd Ed., Oxford University Press, Oxford 2004. Such devices are referred to herein as "wave energy converters."
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Wellenenergiekonverter von Interesse, 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. Rotoren mit hydrodynamischen Auftriebsprofilen werden nachfolgend kurz als Auftriebsläufer bezeichnet. Wave energy converters, which are arranged with their moving parts under the water surface and exploit a wave orbital motion present there, are of particular interest in the context of the present invention. The wave orbital motion can be converted into a rotational movement by means of rotors. For this purpose, rotors with coupling bodies, e.g. hydrodynamic lift profiles. Such a system is disclosed in US 2010/0150716 A1. Rotors with hydrodynamic lift profiles are referred to below as buoyancy runners.
Es ist bekannt, dass an schnell bewegten Objekten im Wasser, beispielsweise Laufrädern von Kreiselpumpen, Wasserturbinen oder Propellern (Schiffsschrauben), aber auch an den Auftriebsläufern von Wellenenergiekonvertern, sogenannte Kavitation auftreten kann, die zu einer Reduktion der Effizienz und zu Beschädigungen führen kann. It is known that so-called cavitation can occur on rapidly moving objects in the water, for example impellers of centrifugal pumps, water turbines or propellers (ship propellers), but also on the lift rotors of wave energy converters, which can lead to a reduction in efficiency and damage.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Unter Kavitation versteht man die Bildung und Auflösung von dampf- oder luftgefüllten Hohlräumen (Blasen) in Flüssigkeiten, die entweder durch Unterschreiten des Sättigungsdruckes (Ausgasung gelöster Luft) oder durch Unterschreiten des Dampfdruckes (Verdampfen von Flüssigkeit) verursacht wird. Insbesondere die Dampfkavitation bei Unterschreiten des Dampfdruckes soll hier betrachtet werden. Gemäß dem Bernoullischen Gesetz fällt der Gesamtdruck einer Flüssigkeit umso mehr ab, je mehr deren Geschwindigkeit entlang eins Stromfadens ansteigt (quadratischer Zusammenhang). Wenn der Gesamtdruck den Dampfdruck unterschreitet, kommt es zum Verdampfen und Ausgasen der Flüssigkeit. Hierdurch gebildete Dampfblasen werden in Gebiete höheren Druckes mitgerissen, wo der Gesamt- druck den Dampfdruck wieder überschreitet. Hierdurch kondensiert der Dampf in denCONFIRMATION COPY Cavitation is the formation and dissolution of vapor or air-filled cavities (bubbles) in liquids, which is caused either by falling below the saturation pressure (degassing of dissolved air) or by falling below the vapor pressure (evaporation of liquid). In particular, the steam cavitation falls below the vapor pressure should be considered here. According to the Bernoulli law, the more the velocity of the liquid increases along one streamline (quadratic relationship), the more the total pressure of a liquid drops. If the total pressure falls below the vapor pressure, vaporization and outgassing of the liquid occur. As a result, vapor bubbles formed are entrained in regions of higher pressure, where the total pressure again exceeds the vapor pressure. This condenses the steam in the
Dampfblasen schlagartig und die Blase implodiert, wobei extreme Druck- und Temperaturspitzen auftreten können. Diese Ereignisse können in ihrer Vielzahl zu einer lokalen Steam bubbles abruptly and the bubble implodes, with extreme pressure and temperature peaks may occur. These events can be local in their variety
Plastifizierung, Versprödung und Versagen von mechanischen Strukturen führen, was als Kavitationserosion bezeichnet wird und ein komplettes Bauteilversagen zur Folge haben kann. Plastification, embrittlement, and failure of mechanical structures, which is called cavitation erosion, can result in complete component failure.
Wenngleich die vorliegende Anmeldung überwiegend auf Wellenenergiekonverter mit Auftriebsläufern und die hier verbauten Auftriebsprofile Bezug nimmt, kann die Erfindung auch bei anderen Typen von Wellenenergiekonvertern zum Einsatz kommen, deren bewegliche Teile sich so schnell im Wasser bewegen, dass Kavitation auftreten kann. Although the present application primarily refers to wave energy converters with buoyancy rotors and the lift profiles built in here, the invention can also be applied to other types of wave energy converters whose moving parts move so fast in the water that cavitation can occur.
Die Druckverteilung um einen Auftriebsläufer hängt unter anderem von der Anströmgeschwindigkeit, der Flügelform und dem Anstellwinkel ab. Die typische Druckverteilung um Auftriebsprofil eines Auftriebsläufers ist in der Figur 2 veranschaulicht und im Rahmen der Figurenbeschreibung erläutert. The pressure distribution around a lift rotor depends, among other things, on the flow velocity, the wing shape and the angle of attack. The typical pressure distribution around buoyancy profile of a buoyancy rotor is illustrated in FIG. 2 and explained in the context of the description of the figures.
Zur Vermeidung von Kavitation ist eine genaue Kenntnis der Druckverteilung wichtig. Die Druckverteilung um bewegliche Teile wie Auftriebsprofile wird typischerweise in gerichteter Strömung ermittelt (z.B. im Windkanal und/oder durch Simulation). Bei den eingangs er- wähnten Wellenenergiekonvertern bewegen sich die beweglichen Teile jedoch auf einer Kreisbahn, weswegen die Strömungsverhältnisse unter Realbedingungen von derartigen idealisierten Verhältnissen grundlegend abweichen. Es besteht daher weiterhin der Bedarf nach verbesserten Möglichkeiten zur Kavitationsreduktion bei Wellenenergiekonvertern. To avoid cavitation, it is important to have a precise knowledge of the pressure distribution. The pressure distribution around moving parts such as buoyancy profiles is typically determined in directional flow (eg in the wind tunnel and / or by simulation). In the wave energy converters mentioned at the outset, however, the moving parts move in a circular path, which is why the flow conditions fundamentally deviate from such idealized conditions under real conditions. Therefore, there is still a need for improved cavitation reduction options for wave energy converters.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum kavitationsreduzierten Betreiben eines Wellenenergiekonverters, Mittel zur Implementierung eines derartigen Verfahrens sowie einen entsprechend betreibbaren Wellenenergiekonverter mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Ge- genstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Against this background, the present invention proposes a method for cavitation-reduced operation of a wave energy converter, means for implementing such a method and a correspondingly operable wave energy converter with the features of the independent claims. Preferred embodiments are subject matter of the subclaims and the following description.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters vorge- schlagen, bei dem zur Vermeidung von Kavitation an wenigstens einem beweglichen Element des Wellenenergiekonverters, beispielsweise einem Auftriebsprofil, eine Position, Lage und/oder Geometrie bzw. Form des wenigstens einen beweglichen Elements eingestellt wird. Die Einstellung erfolgt dabei so, dass ein Gesamtdruck, insbesondere der minimale Gesamtdruck an der Oberfläche bzw. in der unmittelbaren Umgebung des Elements, ober- halb eines unteren Schwellwerts, insbesondere des momentanen Dampfdruckes, bleibt. Der Gesamtdruck wird auf Grundlage wenigstens einer die Kavitation an dem wenigstens einen beweglichen Element beeinflussenden Größe bestimmt. Die wenigstens eine die Kavitation an dem wenigstens einen beweglichen Element beeinflussende Größe kann vorzugsweise durch Erfassungsmittel, wie Sensoren, erfasst werden. According to the invention, a method is proposed for operating a wave energy converter in which a position, position and / or geometry or shape of the at least one movable element is adjusted to avoid cavitation on at least one movable element of the wave energy converter, for example a lift profile. The adjustment takes place so that a total pressure, in particular the minimum total pressure at the surface or in the immediate vicinity of the element, remains above a lower threshold value, in particular the instantaneous vapor pressure. The total pressure is determined on the basis of at least one variable influencing the cavitation at the at least one movable element. The at least one variable influencing the cavitation on the at least one movable element can preferably be detected by detection means, such as sensors.
Wie unten im Detail erläutert, richten sich die Kavitationsneigung und der Ort möglicher Kavitationsereignisse an einem Auftriebsprofil insbesondere nach dem Anstellwinkel (als Lage des Elements) dieses Profils gegenüber einem anströmenden Wasserkörper. Durch die Anstellung wird aufgrund der unterschiedlichen Umströmung des Auftriebsprofils ein grundsätz- lieh erwünschter Sog auf einer Seite des Auftriebsprofils erzeugt, der wiederum zum Auftrieb beiträgt. Der Sog korreliert mit der Anströmgeschwindigkeit (d.h. Relativgeschwindigkeit zwischen Wasserkörper und Profil). An Orten maximalen Sogs entstehen daher möglicherweise derart niedrige Gesamtdrücke, dass Kavitation auftritt. Entsprechende Maximalwerte eines auf das Auftriebsprofil wirkenden Sogs und damit einer entsprechenden Anströmgeschwin- digkeit werden im Rahmen dieser Anmeldung als "Saugspitzen" bezeichnet. Der kritische Bereich in Bezug auf die Entstehung von entsprechenden Kavitationsblasen ist bei einem positiven Anstellwinkel gegenüber dem anströmenden Wasserkörper der vordere Bereich der Saugseite im Bereich des betragsmäßigen Maximums des Sogs. An dieser Stelle weist das das Auftriebsprofil umströmende Fluid die höchste Anströmgeschwindigkeit auf. Der Gesamtdruck des Wassers vermindert sich an dieser Stelle auf ein Minimum. As explained in detail below, the cavitation slope and the location of possible cavitation events are based on a buoyancy profile, in particular according to the angle of attack (as position of the element) of this profile with respect to an incoming water body. As a result of the employment, due to the different flow around the buoyancy profile, a basically desired suction is generated on one side of the buoyancy profile, which in turn contributes to buoyancy. The suction correlates with the flow velocity (ie relative velocity between water body and profile). In places of maximum suction, therefore, such low total pressures may arise that cavitation occurs. Corresponding maximum values of a suction acting on the buoyancy profile and thus a corresponding inflow velocity In the context of this application, the term "suction tips" is used. The critical area with respect to the formation of corresponding cavitation bubbles is, in the case of a positive angle of attack with respect to the oncoming body of water, the front area of the suction side in the area of the absolute maximum of the suction. At this point, the fluid flowing around the buoyancy profile has the highest flow velocity. The total pressure of the water at this point is reduced to a minimum.
Aufgrund des vorzugsweise weitgehend synchronen Betriebs eines Wellenenergiekonverters zur Wellenbewegung ist die Winkelgeschwindigkeit des Rotors weitgehend vorgegeben. Die Periodendauern von für die Energiegewinnung relevanten Wellenlängenbereich liegen in einem Bereich von 6 bis 20 Sekunden. Die Anströmgeschwindigkeit selbst kann daher nicht verändert werden. Zusammen mit der Länge der Hebelarme des entsprechenden Rotors, d.h. dem Umlaufradius der Auftriebsprofile um eine Rotorachse als Position des Elements, ergibt sich hierdurch eine Umfangsgeschwindigkeit der Auftriebsprofile mit einer entspre- chenden Relativanströmung, der sich zusätzlich die Orbitalströmung der Wellenbewegung überlagert. Bei typischen Maschinenabmessungen mit Umlaufradien zwischen 5 und 30 m ergibt sich der wesentliche Anteil der Flügelanströmung dabei aus der Drehbewegung des Rotors. Hohe Anströmgeschwindigkeiten insbesondere in Kombination mit großen Anströmwinkeln sind hierbei tendenziell kritischer, da sich hierdurch der Gesamtdruck auf der Saug- seite reduziert und damit die Bildung von Gasblasen begünstigt wird. Due to the preferably largely synchronous operation of a wave energy converter for wave motion, the angular velocity of the rotor is largely predetermined. The periods of energy-relevant wavelength range are in a range of 6 to 20 seconds. The flow velocity itself can therefore not be changed. Along with the length of the lever arms of the corresponding rotor, i. the circumferential radius of the lift profiles around a rotor axis as the position of the element, this results in a peripheral speed of the lift profiles with a corresponding relative inflow, which is additionally superimposed on the orbital flow of the wave motion. With typical machine dimensions with circumferential radii between 5 and 30 m, the essential part of the wing inflow results from the rotational movement of the rotor. High flow velocities, in particular in combination with large flow angles, tend to be more critical as this reduces the total pressure on the suction side and thus favors the formation of gas bubbles.
Wie erläutert, unterscheidet sich die Druckverteilung an entsprechenden Profilen in gerichteter Strömung grundsätzlich von den Strömungsverhältnisse im realen Einsatzfeld der Wel- lenenergiekonverter. Diesen spezifischen Strömungsverhältnissen kann durch eine geeigne- te Transformation der Profilgeometrie Rechnung getragen werden. Eine entsprechende Transformation kann beispielsweise eine Krümmung der Profilgeometrie in Sehnenrichtung entsprechend der beim Umlaufen beschriebenen Kreisbahn umfassen. Die Erfindung eignet sich auch für entsprechend transformierte Profile. Die vorliegende Erfindung kann auch mit weiteren, an sich bekannten Maßnahmen zur Vermeidung von Kavitation, beispielsweise einer Fluidverbindung der Druck- mit der Saugseite, Luftinjektion und einer rückspringenden Stufe auf der Saugseite kombiniert werden. Hierbei kann beispielsweise eine Optimierung der Flügelprofile zur Reduktion entsprechender Saugspitzen erfolgen, die mit einer Begrenzung des Rotordurchmessers gekoppelt werden kön- nen. Hierdurch werden die Anströmgeschwindigkeiten verringert. Die erfindungsgemäße Einstellung der Position, Lage und/oder Geometrie des wenigstens einen beweglichen Elements eines Wellenenergiekonverters, beispielsweise eines Auftriebsprofils, umfasst eine geeignete Betriebsstrategie zur Verstellung des Anstellwinkels, um übermäßige Saugspitzen und damit Kavitation zu reduzieren oder zu verhindern. As explained above, the pressure distribution on corresponding profiles in directed flow basically differs from the flow conditions in the real field of application of the wave energy converters. These specific flow conditions can be taken into account by suitable transformation of the profile geometry. A corresponding transformation may include, for example, a curvature of the profile geometry in the chordwise direction corresponding to the circular path described during the revolution. The invention is also suitable for correspondingly transformed profiles. The present invention may also be combined with other measures known per se to avoid cavitation, for example a fluid connection of the pressure with the suction side, air injection and a receding step on the suction side. In this case, for example, an optimization of the airfoils for reducing corresponding suction tips can be done, which can be coupled with a limitation of the rotor diameter. NEN. As a result, the flow velocities are reduced. The adjustment according to the invention of the position, position and / or geometry of the at least one movable element of a wave energy converter, for example a buoyancy profile, comprises a suitable operating strategy for adjusting the angle of attack in order to reduce or prevent excessive suction tips and thus cavitation.
Die erläuterten Maßnahmen können dazu führen, dass sich die Auftriebsbeiwerte und damit die Leistungsfähigkeit eines entsprechenden Wellenenergiekonverters zumindest teilweise reduzieren. Durch die Reduzierung der Kavitation ermöglicht die vorliegende Erfindung den- noch insgesamt geringere Stromgestehungskosten, insbesondere im Offshorebereich, da hier typischerweise die Wartungskosten überproportional in die Stromgestehungskosten eingehen. Erfindungsgemäß kann auch eine Mischoptimierung erfolgen, bei der für bestimmte, zeitlich und/oder betrieblich weniger relevante Betriebszustände eine (geringfügige) Kavitation zugelassen und insgesamt dennoch ein möglichst optimaler Energieertrag ge- währleistet wird. Die Erfindung ermöglicht daher eine Gesamtsystemoptimierung, innerhalb derer die Kavitation reduziert wird. Diese Betriebsarten sind von einem kavitationsreduzierten Betrieb umfasst. The described measures can lead to at least partially reduce the lift coefficients and thus the performance of a corresponding wave energy converter. By reducing the cavitation, the present invention still allows overall lower cost of electricity, especially in the offshore area, since typically the maintenance costs are disproportionately included in the electricity production costs. According to the invention, a mixed optimization can also take place in which (slight) cavitation is permitted for certain operating states which are less relevant in terms of time and / or operation and, overall, the best possible energy yield is nevertheless ensured. The invention therefore enables an overall system optimization, within which cavitation is reduced. These operating modes are comprised of a reduced-cavitation operation.
Ein wichtiger Parameter zur Reduktion bzw. Vermeidung der Kavitation ist die Profilgeomet- rie der verwendeten Auftriebsprofile. Diese wirkt sich direkt auf die Ausbildung des Druckfeldes um das Auftriebsprofil aus. Ein erfindungsgemäßer Wellenenergiekonverter ist daher vorteilhafterweise mit Auftriebsprofilen ausgestattet, die in den typischen Betriebsfällen des Wellenenergiekonverters keine ausgeprägten Saugspitzen aufweisen. In diesem Zusammenhang können mit besonderem Vorteil sogenannte Eppler-Profile zum Einsatz kommen. An important parameter for reducing or avoiding cavitation is the profile geometry of the buoyancy profiles used. This has a direct effect on the formation of the pressure field around the buoyancy profile. An inventive wave energy converter is therefore advantageously equipped with buoyancy profiles, which have no pronounced suction peaks in the typical operating cases of the wave energy converter. In this context, so-called Eppler profiles can be used with particular advantage.
Auch andere Profilgeometrien können in die genannte Richtung optimiert werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, die Profilgeometrie im Betrieb einstellbar vorzusehen, um das Profil an unterschiedliche Betriebszustände anpassen zu können. Im Rahmen dieser Anmeldung ist insbesondere vorgesehen, eine Position von Bauteilen an einem entsprechenden Profil zu verändern. Dies kann beispielsweise eine Verstellung verstellbarer Klappen umfassen. Eine entsprechende Optimierung kann auch, wie eingangs erläutert, zunächst in gerichtete Strömung, d.h. beispielsweise in einem Strömungskanal, erfolgen. Ein entsprechend optimiertes Profil kann mit Hilfe konformer Abbildung für den konkreten Anwendungsfall in einem Wellenenergiekonverter mit gekrümmter Anströmung optimiert werden. Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Veränderung eines Anstellwinkels des wenigstens einen beweglichen Elements in Abhängigkeit von einer Kavitationsneigung bzw. einer entsprechenden Größe. Wie auch im Zusammenhang mit den beigefügten Figu- ren näher erläutert, ist die Druckverteilung an einem symmetrischen Profil sehr stark vom Anstellwinkel abhängig. In entsprechender Weise gilt dies auch für asymmetrische Profile. Dieses Verhalten kann dazu genutzt werden, die Höhe der Saugspitzen im Betrieb durch geeignete Einstellung des Anstellwinkels zu begrenzen. Dies kann auch und insbesondere für ein entsprechend optimiertes Profil erfolgen. Eine entsprechende Optimierung bzw. opti- mierte Ansteuerung kann auch umfassen, eine Steuerungs-/Regelungsstrategie für den Anstellwinkel mit beliebigem Regelziel (z.B. maximalem Energieertrag) eine Steuerung/Regelung zu überlagern, die die Kavitation reduziert. Other profile geometries can also be optimized in the mentioned direction. In particular, it may be provided to provide the profile geometry adjustable during operation in order to be able to adapt the profile to different operating states. In the context of this application is particularly provided to change a position of components on a corresponding profile. This may include, for example, an adjustment of adjustable flaps. A corresponding optimization can also, as explained above, initially in directed flow, ie, for example, in a flow channel occur. A correspondingly optimized profile can be optimized with the aid of conformal mapping for the specific application in a wave energy converter with a curved flow. An essential aspect of the present invention is the change of an angle of attack of the at least one movable element in dependence on a Kavitationsneigung or a corresponding size. As also explained in more detail in connection with the accompanying figures, the pressure distribution on a symmetrical profile is very strongly dependent on the angle of attack. Correspondingly, this also applies to asymmetrical profiles. This behavior can be used to limit the height of the suction tips during operation by suitably adjusting the angle of attack. This can also be done and in particular for a correspondingly optimized profile. A corresponding optimization or optimized activation can also include a control / regulation strategy for the angle of attack with any control target (eg maximum energy yield) to superimpose a control / regulation that reduces the cavitation.
Wie zuvor erläutert, entstehen Kavitationsblasen bei Unterschreiten des Dampfdrucks. Auch der lokal vorliegende tiefenabhängige hydrostatische Druck des Wassers ist daher für die Bildung von Kavitationsblasen von Relevanz. Der Gesamtdruck ist nicht nur von der Ausprägung der Saugspitzen, sondern auch vom vorliegenden Umgebungsdruck (hydrostatisch) abhängig. Mit zunehmender Wassersäule über dem Profil ergibt sich daher ein günstigeres Kavitationsverhalten. Dementsprechend kann in einer Steuerungs-/ Regelstrategie zur Kavi- tationsreduktion vorgesehen sein, in Abhängigkeit vom vorliegenden Umgebungsdruck bzw. der Höhe der Wassersäule über dem Auftriebsprofil, den Anstellwinkel und/oder die Form des entsprechenden Profils einzustellen. Wie erläutert ist, ist ein ebenfalls wichtiger Parameter bei der Entstehung der Kavitation die Anströmgeschwindigkeit des Profils. Diese hängt wesentlich vom Rotordurchmesser ab, wie zuvor erläutert. Erfindungsgemäß kann deshalb auch eine Veränderung des Umlaufradius des wenigstens einen beweglichen Elements an dem Wellenenergiekonverter eingestellt werden, so dass sich die Umlaufgeschwindigkeit bei gleicher Drehzahl verringert. As explained above, cavitation bubbles are formed when the vapor pressure falls below. The locally present depth-dependent hydrostatic pressure of the water is therefore of relevance for the formation of cavitation bubbles. The total pressure is not only dependent on the characteristics of the suction tips, but also on the existing ambient pressure (hydrostatic). With increasing water column above the profile therefore results in a more favorable cavitation. Accordingly, it can be provided in a control / regulation strategy for cavitation reduction to set the angle of attack and / or the shape of the corresponding profile as a function of the prevailing ambient pressure or the height of the water column above the buoyancy profile. As explained above, an equally important parameter in the formation of cavitation is the inflow velocity of the profile. This depends essentially on the rotor diameter, as explained above. Therefore, according to the invention, it is also possible to set a change in the radius of rotation of the at least one movable element on the wave energy converter so that the rotational speed is reduced at the same rotational speed.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. eine Ansteuereinheit eines Wellenenergiekon- verters, ist als Mittel zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere programmtechnisch dazu eingerichtet, das Verfahren durchzuführen. An arithmetic unit according to the invention, e.g. a drive unit of a wave energy converter, is set up as a means for implementing the method according to the invention, in particular programmatically to carry out the method.
Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash- Speicher, EEPRÖMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Also, the implementation of the invention in the form of software is advantageous because this allows very low cost, especially if an executing processor still is used for further tasks and therefore exists anyway. Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, floppy disks, hard disks, flash memories, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs, and the like. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
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. Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. Figurenbeschreibung The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing. figure description
Figur 1 zeigt die Wellenorbitalbewegungen unter der Oberfläche eines wellig bewegten Gewässers in schematischer Darstellung. Figur 2 zeigt die auf ein Auftriebsprofil wirkenden Drücke bei festem Anstellwinkel in schematischer Darstellung. Figure 1 shows the Wellenorbitalbewegungen below the surface of a wavy moving water in a schematic representation. Figure 2 shows the forces acting on a buoyancy profile pressures at a fixed angle in a schematic representation.
Figur 3 zeigt die Kavitationsbereiche an einem Auftriebsprofil in Abhängigkeit vom Anstellwinkel in schematischer Darstellung. FIG. 3 shows a schematic representation of the cavitation regions on a buoyancy profile as a function of the angle of attack.
Figur 4 zeigt die auf ein Auftriebs profil in Abhängigkeit vom Anstellwinkel wirkenden Drücke in schematischer Darstellung. Figure 4 shows the profile acting on a buoyancy profile as a function of the angle pressures in a schematic representation.
Figur 5 zeigt einen Wellenenergiekonverter, der für einen erfindungsgemäßen Betrieb einge- richtet ist, in schematischer Darstellung. FIG. 5 shows a schematic illustration of a wave energy converter which is set up for an operation according to the invention.
Figur 6 zeigt den Wellenenergiekonverter der Figur 5 in schematischer Darstellung zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Maßnahmen. Figur 7 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Ablaufplans. Figure 6 shows the wave energy converter of Figure 5 in a schematic representation to illustrate the inventive measures. FIG. 7 illustrates a method according to an embodiment of the invention in the form of a schematic flow chart.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung Detailed description of the drawing
In den Figuren tragen gleiche oder gleich wirkende Elemente identische Bezugszeichen. Auf eine wiederholte Erläuterung wird verzichtet. In the figures, identical or equivalent elements carry identical reference numerals. A repeated explanation is omitted.
Figur 1 zeigt Wellenorbitalbewegungen unter der Oberfläche eines wellig bewegten Gewäs- sers 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 1 1 aus. An den Positionen B und D befinden sich die Übergänge Wellenberg/Wellental bzw. Wellental/Wellenberg. Die mittlere Gewässeroberfläche ist mit 12 bezeichnet. FIG. 1 shows a schematic representation of shaft orbital movements under the surface of a wavy moving water. A wave on the surface of the water is designated 10. At a position A there is a wave crest, at a position C a wave trough. The wave propagates in a wave propagation direction 1 1. At positions B and D are the transitions Wellenberg / Wellental and Wellental / Wellenberg. The mean water surface is designated 12.
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 verrin- gern sich mit zunehmender Distanz zur Oberfläche des Gewässers. Im Tiefwasser sind die Orbitalbahnen 13 kreisförmig, im Flachwasser zunehmend elliptisch. 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.
Die lokale Wasserbewegung ist in der Figur 1 jeweils in Form kurzer, fetter Pfeile schematisch dargestellt, die den jeweiligen Bewegungsvektoren v entsprechen. Unter einem Wel- lenberg an Position A bewegt sich die Gesamtheit der Wasserteilchen dabei in Richtung der Wellenausbreitungsrichtung 1 1. Unter einem Wellental an Position C bewegt sich die Gesamtheit der Wasserteilchen der Wellenausbreitungsrichtung 1 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. The local water movement is shown schematically in FIG. 1 in the form of short, bold arrows which correspond to the respective motion vectors v. Under a wave at position A, the entirety of the water particles moves in the direction of the wave propagation direction 1. Under a wave trough at position C, the entirety of the water particles moves towards the wave propagation direction 1. In the transition from a wave crest (position A) to a wave trough (position C) progressing in the wave propagation direction, at position B there is a situation in which the entirety of the water particles move vertically upward. Conversely, in the transition from a wave trough (position C) to a wave crest (position A), again progressing in wave propagation direction 11, the entirety of the water particles moves vertically downwards. Altogether, at a fixed position, there is a continuous change in the Direction of flow whose rotational speed corresponds to the wave frequency. In multichromatic waves there is a temporal variability.
Die Anströmrichtung und die Anströmgeschwindigkeit relativ zu einem beweglichen Element eines Wellenenergiekonverters, beispielsweise einem Auftriebsprofil, sind Größen, die eine Kavitation oder Kavitationsneigung an diesem beweglichen Element beeinflussen. Das bewegliche Element kann auf Grundlage dieser Größen eingestellt werden. The inflow direction and the inflow velocity relative to a movable element of a wave energy converter, for example a buoyancy profile, are variables which influence a cavitation or cavitation tendency on this movable element. The movable element can be adjusted based on these quantities.
In der Figur 2 sind die auf ein Auftriebsprofil z.B. eines Wellenenergiekonverters wirkenden Drücke bei festem Anstellwinkel in schematischer Darstellung in Form eines Kräftediagrams 20 gezeigt. Das Auftriebsprofil ist mit 3 bezeichnet. Es ist im dargestellten Beispiel in einem Anstellwinkel α von 5° gegenüber einer Anströmrichtung angestellt. Das Auftriebsprofil 3 erstreckt sich über eine auf der x-Achse aufgetragene Länge (Sehnenlänge) von 0 bis 1 ,0 (relative Größen). Es ist als symmetrisches Auftriebsprofil 3 ausgebildet. Auf der y-Achse ist der Druckbeiwert Cp an Oberseite (Saugseite) und Unterseite (Druckseite) in dimensionslosen Einheiten angegeben. Ein Druckverlauf an der Saugseite des Auftriebsprofils ist mit 21 , ein Druckverlauf an der Druckseite des Auftriebsprofils 3 mit 22 angegeben. In FIG. 2, the pressures acting on a buoyancy profile, for example of a wave energy converter, at a fixed angle of attack are shown schematically in the form of a force diagram 20. The buoyancy profile is designated 3. It is employed in the illustrated example in an angle of attack α of 5 ° with respect to a direction of flow. The buoyancy profile 3 extends over a length plotted on the x-axis (chord length) from 0 to 1, 0 (relative sizes). It is designed as a symmetrical buoyancy profile 3. The pressure coefficient C p at the top (suction side) and bottom (pressure side) in dimensionless units is indicated on the y-axis. A pressure curve on the suction side of the buoyancy profile is indicated at 21, a pressure curve on the pressure side of the buoyancy profile 3 with 22.
Wie aus der Figur 2 ersichtlich, liegt der kritische Bereich in Bezug auf die Entstehung von Kavitationsblasen im vorderen Bereich der Saugseite im Bereich des betragsmäßigen Maximums des saugseitigen Druckverlaufs 21 , das auch als Saugspitze bezeichnet wird und in der Figur bei einem Cp-Wert von ca. -1 ,75 liegt. In diesem Bereich weist das das Auftriebsprofil 3 umströmende Wasser die höchste Anströmgeschwindigkeit auf. Der Gesamtdruck besitzt daher an dieser Stelle sein Minimum. Wie erläutert, wird hierdurch gegebenenfalls der Dampfdruck des Fluids unterschritten, so dass sich entsprechende Gasblasen bilden. As seen from Figure 2, the critical region is located with respect to the formation of cavitation bubbles in the front region of the suction side in the region of amount-maximum of the suction-side pressure curve 21, which is also called a suction tip and p in the figure with a C value of about -1, 75 is. In this area, the water flowing around the buoyancy profile 3 has the highest flow velocity. The total pressure therefore has its minimum at this point. As explained, this may possibly be below the vapor pressure of the fluid, so that corresponding gas bubbles form.
In Figur 3 ist ein Kavitationsdiagram eines entsprechenden Auftriebsprofils 3 angegeben und insgesamt mit 30 bezeichnet. Auf der y-Achse ist die Kavitationszahl σ0 gegen einen Anstellwinkel α auf der x-Achse aufgetragen. Ein kavitationsfreier Bereich liegt oberhalb der Kurve 31 und ist bei der Einstellung des Anstellwinkels α des Auftriebsprofils 3 vorteilhafterweise einzuhalten. Wie aus der Figur 3 ersichtlich, ergibt sich in Abhängigkeit vom Anstellwinkel α jeweils ein unterschiedlicher Grenzwert für das Auftreten von Kavitation. Der Ort der größten Kavitationsneigung ist in der Figur 3 dabei jeweils mit 32 veranschaulicht. In der Figur 4 ist, entsprechend der Figur 2, der Druckverlauf an einem entsprechenden Auftriebsprofil 3, das hier beispielsweise als NACA 0015-Profil ausgebildet ist, dargestellt. Im Gegensatz zu der Figur 2, in der nur ein fester Anstellwinkel betrachtet wurde, sind hier die Anstellwinkel verändert. Die Achsenbezeichnungen entsprechen im Wesentlichen jenen der Figur 2. Die Kurven stellen jeweils den Druckverlauf für unterschiedliche Anstellwinkel von 0°, 3°, 6° und 9° auf Saugseite (9°:41 , 6°:42, 3°:43, 0°:44) und Druckseite (0°:44, 3°:45, 6°:46, 9°:47). FIG. 3 shows a cavitation diagram of a corresponding buoyancy profile 3 and denotes 30 as a whole. On the y-axis, the cavitation number σ 0 is plotted against an angle of attack α on the x-axis. A cavitation-free region is above the curve 31 and is to be maintained in the adjustment of the angle of attack α of the lift profile 3 advantageously. As can be seen from FIG. 3, a different limit value for the occurrence of cavitation results depending on the angle of attack α. The location of the greatest cavitation inclination is illustrated in FIG. In the figure 4, according to the figure 2, the pressure profile at a corresponding buoyancy profile 3, which is here formed for example as NACA 0015 profile shown. In contrast to Figure 2, in which only a fixed angle was considered, the angles of attack are changed here. The axis designations correspond essentially to those of FIG. 2. The curves in each case show the pressure curve for different angles of attack of 0 °, 3 °, 6 ° and 9 ° on the suction side (9 °: 41, 6 °: 42, 3 °: 43, 0 °: 44) and pressure side (0 °: 44, 3 °: 45, 6 °: 46, 9 °: 47).
In Figur 5 ist ein Wellenenergiekonverter gezeigt, der sich die in der Figur 1 gezeigte Wel- lenorbitalbewegung 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. Die VerStelleinrichtungen 5 können alternativ oder zusätzlich auch dazu ausgebildet sein, die Auftriebsprofile 3 jeweils in einem Verstellbereich 8 zu verschieben, wodurch ein Umlaufradius der Auftriebsprofile 3 um das Zentrum des Rotors 2, 3, 4 bzw. eine entsprechende Rotationsachse verändert werden kann, oder die Form bzw. Geometrie der Auftriebsprofile 3 zu verändern. FIG. 5 shows a wave energy converter which can make use of the wave orbital movement shown in FIG. 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. In Figure 1, 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 may alternatively or additionally also be designed to displace the buoyancy profiles 3 in each case in an adjustment region 8, whereby a circumferential radius of the buoyancy profiles 3 about the center of the rotor 2, 3, 4 or a corresponding rotation axis can be changed or Shape or geometry of the lift profiles 3 to change.
Den Versteileinrichtungen 5 können entsprechende Geber 6 zugeordnet sein, die beispielsweise als Mittel zur Erfassung einer Geschwindigkeit eines die Auftriebsprofile 3 anströmen- den Wasserkörpers und/oder als Mittel zur Erfassung eines Gesamtdrucks ausgebildet sind. Die Geber 6 können dabei individuell jedem Auftriebsprofil 3 zugeordnet sein, um eine möglichst exakte Erfassung der lokal vorherrschenden Bedingungen zu ermöglichen. Alternativ können entsprechende Geber 6 jedoch auch gemeinsam für mehrere Auftriebsprofile 3 vorgesehen sein, was eine kostengünstigere Erstellung und einfachere Auswertung ermöglicht. Die Geber 6 können auch an einem anderen als dem dargestellten Ort, beispielsweise an einem Zentrum eines Wellenenergiekonverterparks, angeordnet sein. Die Geber 6 können auch Positionsgeber umfassen, die einen jeweils eingestellten Anstellwinkel des betreffenden Auftriebsprofils 3 an eine Steuereinrichtung ausgeben können. 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 Rotationsmomente auf die Auftriebsprofile 3 und damit die Anforderungen an die Halterung und/oder die Versteileinrichtungen 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. Er ist, wie erwähnt, in einem Stellbereich 8 verstellbar. Die Sehnenlänge der Auftriebsprofile 3 beträgt beispielsweise 1 m bis 8 m, die größte Längserstreckung beispielsweise 6 m oder mehr. The adjusting devices 5 may be associated with corresponding encoders 6, which are designed, for example, as a means for detecting a speed of the water body flowing into the lift profiles 3 and / or as a means for detecting a total pressure. The encoders 6 can be assigned individually to each lift profile 3 in order to enable the most exact possible detection of the locally prevailing conditions. Alternatively, however, corresponding donors 6 may also be provided in common for a plurality of lift profiles 3, which allows a more cost-effective creation and easier evaluation. The encoders 6 can also be arranged at a location other than that shown, for example at a center of a wave energy converter park. The encoders 6 can also comprise position encoders which can output a respective set angle of attack of the relevant lift profile 3 to a control device. 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 for 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. He is, as mentioned, adjustable in a control range 8. The chord length of the lift profiles 3 is, for example, 1 m to 8 m, the largest longitudinal extent, for example, 6 m or more.
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. The wave energy converter 1 has an integrated generator. Here, 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. In this way, 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.
Wenngleich in der Figur 5 ein Wellenenergiekonverter 1 gezeigt ist, bei dem die Auftriebs- profile 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. Die Auftriebsprofile 3 sind ferner nur Beispiele für bewegliche Elemente, an denen eine Kavitation auftreten kann. Die Erfindung ist, wie erwähnt, auch bei anderen Typen von Wellenenergiekonvertern 1 einsetzbar. Although a wave energy converter 1 is shown in FIG. 5, 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, on both sides of the rotor base 2 lever arms 4 and 3 Auftriebsprofile are attached. Also, the rotor arms 4 need not necessarily be formed as shown. For example, the lift profiles 3 can also be connected to the rotor base 2 via a disk-shaped element. The buoyancy profiles 3 are also only examples of movable elements on which cavitation can occur. As mentioned, the invention can also be used with other types of wave energy converters 1.
In Figur 6 ist der Wellenenergiekonverter 1 der Figur 5 nochmals in Draufsicht auf die Rotor- basis 2 und stärker schematisch gezeigt. Wie erwähnt, weist der Wellenenergiekonverter 1 ein Generatorgehäuse 7 mit elektrischem Generator 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 6 von hinten nach vorne in den Wasserkörper. Eine Steuereinheit ist schematisch dargestellt und mit 200 bezeichnet. In Figure 6, the wave energy converter 1 of Figure 5 is again shown in plan view of the rotor base 2 and more schematically. As already mentioned, the wave energy converter 1 has a generator housing 7 with an electric generator 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 6 from back to front in the body of water. A control unit is shown schematically and designated 200.
Der Rotor 2, 3, 4 sei unterhalb der Wasseroberfläche eines wellig bewegten Gewässers, beispielsweise eines Ozeans, angeordnet. Eine Rotationsachse des Rotors (senkrecht zur Zeichenebene) sei weitgehend horizontal orientiert. The rotor 2, 3, 4 is below the water surface of a wavy moving body of water, such as an ocean, arranged. An axis of rotation of the rotor (perpendicular to the plane of the drawing) is oriented largely horizontally.
Durch die VerStelleinrichtungen 5 (nur am rechten Auftriebsprofil bezeichnet) kann ein Anstell- bzw. Pitchwinkel α 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 oder geringer Kavitationsneigung können jedoch auch größere Anstellwinkel vorgesehen sein. By adjusting devices 5 (only on the right buoyancy profile called), a pitch or pitch angle α of the two buoyancy profiles 3 with respect to each perpendicular up or down tangent to the rotor (shown only on the left buoyancy profile) can be adjusted. The angle of attack α of the two lift profiles are preferably oriented counter to one another and have, for example, values of -20 ° to + 20 °. In particular, when starting the wave energy converter 1 or low Kavitationsneigung but larger angles of attack can be provided.
Die Anstellwinkel können insbesondere in Abhängigkeit von einer die Kavitation an dem den Auftriebsprofilen 3 beeinflussenden Größe eingestellt werden. Beispielsweise kann ein Verstellumfang in Abhängigkeit von einer entsprechenden Größe beschränkt werden. Vorzugsweise können die Anstellwinkel α unabhängig voneinander verstellt werden. Bei den Vers- telleinrichtungen 5 kann es sich um elektromotorische Versteileinrichtungen, vorzugsweise mit Schrittmotoren, um hydraulische und/oder um pneumatische Komponenten handeln. The angles of attack can be set in particular as a function of the cavitation on the size influencing the buoyancy profiles 3. For example, an adjustment amount can be limited depending on a corresponding size. Preferably, the angle of attack α can be adjusted independently. The displacement devices 5 may be electromotive adjusting devices, preferably with stepper motors, hydraulic and / or pneumatic components.
Den beiden VerStelleinrichtungen 5 können, wie erwähnt, Geber 6 zugeordnet sein. Eine weitere, nicht dargestellte Sensorik kann den Rotationswinkel der Rotorbasis 2 gegenüber dem Gehäuse 7 bestimmen, aufgrund derer ein Phasenversatz des Rotors 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. Wie bereits zuvor erläutert, kann es alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, die Versteileinrichtungen 5 derart auszubilden, dass die Auftriebs- profile 3 in einem Verstellbereich 8 verschoben werden können (nur bezüglich des rechten Auftriebprofils 3 dargestellt), wodurch ein Umlaufradius der Auftriebsprofile 3 um das Zentrum des Rotors 2, 3, 4 bzw. eine entsprechende Rotationsachse verändert werden kann. Der Wellenenergiekonverter 1 wird von der Orbitalströmung mit einer Geschwindigkeit ~ angeströmt. Dabei handelt es sich um die Orbitalströmung von Meereswellen (siehe Figur 1), deren Richtung sich kontinuierlich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω ändert. Bei sogenannten monochromatischen Wellen ändert sich die Strömungsrichtung dabei mit der Win- kelgeschwindigkeit Ω = 2 π f = const., wobei f die Frequenz 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 6 zeigt damit eine Momentaufnahme. Im dargestellten Fall ist die Drehung der Orbitalströmung entgegen dem Uhrzeigersinn orientiert, die dazugehörige Welle breitet sich also von rechts nach links aus. As mentioned, encoders 6 can be assigned to the two adjusting devices 5. Another sensor, not shown, can determine the angle of rotation of the rotor base 2 relative to the housing 7, on the basis of which a phase offset of the rotor 2, 3, 4 to the exciting wave field can be determined as the parameter value. However, the invention is also suitable for systems without adjustment devices 5 for adjusting the pitch or pitch angle α and / or corresponding sensors. As already explained above, it can alternatively or additionally be provided to form the adjusting devices 5 in such a way that the lifting profiles 3 can be displaced in an adjustment region 8 (shown only with respect to the right-hand uplift profile 3), whereby a circumferential radius of the lift profiles 3 around the Center of the rotor 2, 3, 4 or a corresponding axis of rotation can be changed. The wave energy converter 1 is flown by the orbital flow at a speed ~ . This is the orbital flow of sea waves (see FIG. 1) whose direction changes continuously with an angular velocity Ω. In so-called monochromatic waves, the flow direction changes with the angular velocity Ω = 2 π f = const., Where f represents the frequency of the monochromatic wave. In multichromatic waves, Ω undergoes a temporal change, Ω = f (t), since the frequency f is a function of time, f = f (t). FIG. 6 thus shows a snapshot. In the case shown, the rotation of the orbital flow is oriented in the counterclockwise direction, ie the associated wave propagates from right to left.
Durch die Einwirkung der Strömung mit der Geschwindigkeit ΊΪ auf die Auftriebsprofile 3 und die Bewegung der Auftriebsprofile 3 durch den Wasserkörper 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 Drehgeschwindigkeit kann auf den Ro- tor 2, 3, 4 ein vorzugsweise veränderbares zweites Drehmoment in Form eines Widerstands, also eines Bremsmoments, oder eines Beschleunigungsmoments aufgebracht werden. Mittel zur Erzeugung des zweiten Drehmoments können durch den Generator realisiert sein. As a result of the action of the flow at the speed ΊΪ on the buoyancy profiles 3 and the movement of the buoyancy profiles 3 through the water body, respectively a buoyancy (indicated by the force vector F) and thereby a first torque acting on the rotor 2, 3, 4 are generated. To set the rotational speed, a preferably variable second torque in the form of a resistance, that is to say a braking torque, or an acceleration torque can be applied to the rotor 2, 3, 4. Means for generating the second torque may be realized by the generator.
Zwischen der Rotororientierung, die durch eine untere gestrichelte Linie veranschaulicht ist, und 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, und die durch einen der Geschwindigkeitspfeile ~? 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. Die Darstellung der Auftriebsprofile 3 in den Figuren 5 und 6 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 6 linke Auftriebsprofil 3 wäre dann nach innen verstellt und das in Figur 6 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 vorzugsweise auch noch in Bezug auf die kreisförmige Bahnlinie angepasst und/oder transformiert sein können. Figur 7 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Ablaufplans, der insgesamt mit 100 bezeichnet ist. Das mit 100 veranschaulichte Verfahren ist beispielsweise in einer Ansteuereinheit 200 eines Wellenenergie- konverters 1 wie zuvor dargestellt, implementiert. Das Verfahren beginnt in einem Schritt 101 mit einer Erfassung bzw. Ermittlung einer Größe, die eine Kavitation an wenigstens einem beweglichen Element, beispielsweise einem Auftriebsprofil 3 des Wellenenergiekonver- ters 1 , beeinflusst. Wie erläutert, kann es sich hierbei beispielsweise um eine Geschwindigkeit eines Wasserkörpers, eine Anströmgeschwindigkeit zwischen Auftriebsprofil 3 und Wasserkörper, einen hydrostatischen Druck des Wasserkörpers, der auf dem entsprechen- den Auftriebsprofil lastet, und/oder einen Gesamtdruck handeln. Entsprechende Größen sind mit 1 0 bezeichnet. In einem Schritt 102 erfolgt auf dieser Grundlage die Bestimmung einer Kavitationsneigung, insbesondere des minimalen Gesamtdrucks an der Oberfläche bzw. in der unmittelbaren Umgebung des Auftriebsprofils. Die Form des Auftriebsprofils ist in der Anlage bekannt, Anstellwinkel und Anströmgeschwindigkeit sind aus bekannten bzw. gemessenen Größen leicht bestimmbar. Daraus können Ort und Wert des minimalen Gesamtdrucks berechnet werden. Alternativ ist auch die direkte Bestimmung des Gesamtdrucks mit Hilfe von Drucksensoren möglich, indem diese an den neuralgischen Punkten montiert werden. Beispielsweise kann die Saugspitze an einem entsprechenden Auftriebsprofil, wie in Zusammenhang mit den Figuren 2 und 4 erläutert, ermittelt werden. Es erfolgt ein Vergleich mit einem Dampfdruck als unteren Schwellwert, welcher vorzugsweise in Abhängigkeit von der Temperatur und der Höhe der Wassersäule über dem Profil bzw. über der Anlage beispielweise einer Speichereinrichtung einer den Wellenenergiekonverter steuernden Recheneinheit entnommen wird. Das Unterschreiten des Dampfdruckes wird durch Ausgeben einer entsprechenden Stellgröße in einem Schritt 103 verhindert, das bewirkt, dass in einem Wellenenergiekonverter die Position und/oder Lage des wenigstens einen beweglichen Elements eingestellt wird. Dies ist mit 120 veranschaulicht. Wie erläutert, kann die Position beispielsweise in Form einer Veränderung eines Umlaufradius und/oder die Lage in Form einer Veränderung eines An- Stellwinkels verändert werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Veränderung der Geometrie durch die Veränderung der Position bestimmter Bauteile, beispielsweise von Anstellklappen und dergleichen. Between the rotor orientation, which is illustrated by a lower dashed line and which passes through the rotor axis and the center of the two adjusting devices 5, and the direction of the orbital flow, which is illustrated by an upper dashed line, and by one of the velocity arrows ? is, there is a phase angle or offset Δ, the amount of which can be influenced as a parameter value by a suitable adjustment of the first and / or second torque. The illustration of the lift profiles 3 in FIGS. 5 and 6 takes place only as an example for the definition of the different operating parameters. Thus, during operation, the angle of attack of the two buoyancy profiles 3 can also be designed opposite to the representation. The left buoyancy profile 3 in FIG. 6 would then be adjusted inwards and the right buoyancy profile 3 in FIG. 6 outwards. In this case, contrary to this schematic representation with non-curved symmetrical profiles, the use of other profile geometries can also be provided, which moreover can preferably also be adapted and / or transformed with respect to the circular path line. FIG. 7 illustrates a method according to an embodiment of the invention in the form of a schematic flow chart, which is denoted overall by 100. The method illustrated at 100 is implemented, for example, in a drive unit 200 of a wave energy converter 1 as previously shown. The method begins in a step 101 with detection or determination of a variable which influences a cavitation on at least one movable element, for example a buoyancy profile 3 of the wave energy converter 1. As explained, this may be, for example, a velocity of a water body, a flow velocity between buoyancy profile 3 and water body, a hydrostatic pressure of the water body, which bears on the corresponding buoyancy profile, and / or a total pressure. Corresponding sizes are designated 1 0. In a step 102, on this basis, the determination of a cavitation tendency, in particular the minimum total pressure at the surface or in the immediate vicinity of the buoyancy profile takes place. The shape of the lift profile is known in the system, angle of attack and flow velocity are easily determined from known or measured variables. From this, the location and value of the minimum total pressure can be calculated. Alternatively, the direct determination of the total pressure by means of pressure sensors is possible by mounting them at the neuralgic points. For example, the suction tip on a corresponding buoyancy profile, as explained in connection with Figures 2 and 4, are determined. There is a comparison with a vapor pressure as the lower threshold value, which is preferably taken as a function of the temperature and the height of the water column over the profile or over the system, for example, a memory device of a wave energy converter controlling arithmetic unit. The undershooting of the vapor pressure is prevented by outputting a corresponding manipulated variable in a step 103, which causes the position and / or position of the at least one movable element to be set in a wave energy converter. This is illustrated by 120. As explained, the position can be changed, for example, in the form of a change of a radius of rotation and / or the position in the form of a change in a setting angle. Another possibility is to change the geometry by changing the position of certain components, such as parking flaps and the like.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren (100) zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters (1) in einem Wasserkörper, bei dem zur Vermeidung von Kavitation an wenigstens einem beweglichen Element (3) des Wellenenergiekonverters (1): 1. Method (100) for operating a wave energy converter (1) in a body of water, in which, in order to avoid cavitation on at least one movable element (3) of the wave energy converter (1):
- wenigstens eine die Kavitation an dem wenigstens einen beweglichen Element (3) beein- flussende Größe ermittelt wird, - at least one variable influencing the cavitation on the at least one movable element (3) is determined,
- aus der wenigstens einen die Kavitation an dem wenigstens einen beweglichen Element (3) beeinflussenden Größe ein, insbesondere minimaler, Gesamtdruck an wenigstens einem Ort (32) an dem beweglichen Element (3) bestimmt wird, - from the at least one variable influencing the cavitation on the at least one movable element (3), a total pressure, in particular a minimum, is determined at at least one location (32) on the movable element (3),
- der bestimmte Gesamtdruck mit einem unteren Schwellwert verglichen wird und - the determined total pressure is compared with a lower threshold value and
- eine Position, Lage und/oder Geometrie des wenigstens einen beweglichen Elements (3) auf Grundlage des Vergleichs eingestellt werden. - A position, location and/or geometry of the at least one movable element (3) can be adjusted based on the comparison.
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1 , bei dem der bestimmte Gesamtdruck mit einem Dampfdruck als unteren Schwellwert verglichen wird. 2. Method (100) according to claim 1, in which the determined total pressure is compared with a vapor pressure as a lower threshold value.
3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die wenigstens eine die Kavitation an dem wenigstens einen beweglichen Element (3) beeinflussende Größe einen hydrostatischen Druck eines auf dem wenigstens einen beweglichen Element (3) lastenden Wasserkörpers und/oder eine Anströmgeschwindigkeit eines das wenigstens eine bewegliche Ele- ment (3) anströmenden Wasserkörpers umfasst. 3. Method (100) according to claim 1 or 2, in which the at least one variable influencing the cavitation on the at least one movable element (3) is a hydrostatic pressure of a body of water bearing on the at least one movable element (3) and / or an inflow velocity a body of water flowing towards the at least one movable element (3).
4. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die wenigstens eine die Kavitation an dem wenigstens einen beweglichen Element (3) beeinflussende Größe die Position, Lage und/oder Geometrie des wenigstens einen beweglichen Elements (3) umfasst. 4. Method (100) according to one of the preceding claims, in which the at least one variable influencing the cavitation on the at least one movable element (3) comprises the position, location and / or geometry of the at least one movable element (3).
5. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Position des wenigstens einen beweglichen Elements (3) auf Grundlage der wenigstens einen die Kavitation an dem wenigstens einem beweglichen Element (3) beeinflussenden Größe in Form einer Veränderung eines Umlaufradius des wenigstens einem beweglichen Elements (3) an dem Wellenenergiekonverter (1) eingestellt wird. 5. Method (100) according to one of the preceding claims, in which the position of the at least one movable element (3) is based on the at least one variable influencing the cavitation on the at least one movable element (3). a change in a rotation radius of the at least one movable element (3) on the wave energy converter (1) is adjusted.
6. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Lage des wenigstens einen beweglichen Elements (3) auf Grundlage der wenigstens einen die Kavitation an dem wenigstens einem beweglichen Element (3) beeinflussenden Größe in Form einer Veränderung eines Anstellwinkels des wenigstens einem beweglichen Elements (3) an dem Wellenenergiekonverter (1) eingestellt wird. 6. Method (100) according to one of the preceding claims, in which the position of the at least one movable element (3) is based on the at least one variable influencing the cavitation on the at least one movable element (3) in the form of a change in an angle of attack of the at least a movable element (3) on the wave energy converter (1).
7. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Geometrie des wenigstens einen beweglichen Elements (3) auf Grundlage der wenigstens einen die Kavitation an dem wenigstens einem beweglichen Element (3) beeinflussenden Größe in Form einer Veränderung einer Position von Bauteilen, die an dem wenigstens einen beweglichen Element (3) angebracht sind, eingestellt wird. 7. Method (100) according to one of the preceding claims, in which the geometry of the at least one movable element (3) is based on the at least one variable influencing the cavitation on the at least one movable element (3) in the form of a change in a position of components , which are attached to the at least one movable element (3), is adjusted.
8 Wellenenergiekonverter (1), der zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist, mit wenigstens einer VerStelleinrichtung (5), die dazu eingerichtet, eine Position, Lage und/oder Geometrie des wenigstens einen beweglichen Elements (3) auf Grundlage der wenigstens einen die Kavitation an dem wenigstens einem beweglichen Element (3) beeinflussenden Größe einzustellen. 8 wave energy converter (1), which is set up to carry out a method according to one of the preceding claims, with at least one adjusting device (5) which is set up to determine a position, location and / or geometry of the at least one movable element (3) based on the to set at least one variable influencing the cavitation on the at least one movable element (3).
9. Wellenenergiekonverter (1) nach Anspruch 8, bei der die wenigstens eine Versteileinrichtung (5) Mittel zur Veränderung eines Umlaufradius des wenigstens einen beweglichen Elements (3), Mittel zur Veränderung eines Anstellwinkels des wenigstens einen bewegli- chen Elements (3) und/oder Mittel zur Veränderung einer Position von Bauteilen an dem wenigstens einen beweglichen Element (3) des Wellenenergiekonverters (1) umfasst. 9. Wave energy converter (1) according to claim 8, in which the at least one adjusting device (5) has means for changing a rotation radius of the at least one movable element (3), means for changing an angle of attack of the at least one movable element (3) and / or means for changing a position of components on the at least one movable element (3) of the wave energy converter (1).
10. Wellenenergiekonverter (1) nach Anspruch 8 oder 9, der Mittel (6) zur Erfassung einer Geschwindigkeit eines das wenigstens eine bewegliche Element (3) anströmenden Wasserkörpers und/oder Mittel zur Erfassung eines Drucks eines auf dem wenigstens einen beweglichen Element (3) lastenden Wasserkörpers umfasst. 10. Wave energy converter (1) according to claim 8 or 9, the means (6) for detecting a speed of a body of water flowing towards the at least one movable element (3) and / or means for detecting a pressure on the at least one movable element (3). burdensome body of water.
1 1. Wellenenergiekonverter (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem das wenigstens eine bewegliche Element (3) ein Eppler-Profil ist. 1 1. Wave energy converter (1) according to one of claims 8 to 10, in which the at least one movable element (3) is an Eppler profile.
12. Wellenenergiekonverter (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , bei dem das wenigstens eine bewegliche Element (3) ein an eine gekrümmte Bewegung transformiertes Profil ist. 12. Wave energy converter (1) according to one of claims 8 to 11, in which the at least one movable element (3) is a profile transformed to a curved movement.
13. Ansteuereinheit (200), insbesondere eines Wellenenergiekonverters (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 8 bis 12, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen. 13. Control unit (200), in particular a wave energy converter (1) according to one of the preceding claims 8 to 12, which is set up to carry out a method according to one of the preceding claims 1 to 7.
14. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die eine Recheneinheit, insbesondere die Ansteuereinheit (200) nach Anspruch 13 veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn sie auf der Recheneinheit ausgeführt werden. 14. Computer program with program code means which cause a computing unit, in particular the control unit (200) according to claim 13, to carry out a method according to one of claims 1 to 7 when they are executed on the computing unit.
15. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerpro- gramm nach Anspruch 14. 15. Machine-readable storage medium with a computer program stored thereon according to claim 14.
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