DE102013019229A1

DE102013019229A1 - Gezeitengenerator

Info

Publication number: DE102013019229A1
Application number: DE102013019229.3A
Authority: DE
Inventors: Matthias Kay
Original assignee: Astrium GmbH
Current assignee: ArianeGroup GmbH
Priority date: 2013-11-16
Filing date: 2013-11-16
Publication date: 2015-05-21
Anticipated expiration: 2033-11-17
Also published as: DE102013019229B4

Abstract

Ein Gezeitengenerator für die Erzeugung elektrischer Energie aus dem Wellenhub und aus der Meeresströmung besteht aus einer Kombination wenigstens eines Wellengenerators und wenigstens eines Strömungsgenerators, die zusammen mit einer Seezeicheneinheit, einer Zentraleinheit, einer Auftriebs- und Richtungseinheit, wenigstens einer Strömungsturbine mit einem Rotor sowie einer mechanischen Blattverstellung in angenähert vertikaler Richtung bewegbar auf einer Starrachse angeordnet sind. Die Starrachse ist in einem auf dem Meeresboden ruhenden und dort verankerten Grundgewicht unterhalb der Wasseroberfläche gelagert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gezeitengenerator für die Erzeugung elektrischer Energie aus dem Wellenhub und aus der Meeresströmung.
Ein Meeresströmungskraftwerk ist laut Wikipedia ein Wasserkraftwerk, das aus der natürlichen Meeresströmung Elektrizität erzeugt. Es wird dabei nicht, wie bei den meisten anderen Wasserkraftanlagen, ein Stauwerk errichtet, sondern die Turbine steht an einem Mast frei in der Strömung. Zu den entscheidenden Vorteilen derartiger Meeresströmungskraftwerke zählt die Tatsache, dass Meeresströmungen kontinuierlich fließen und sich dadurch gut vorhersagen lassen, wodurch sich die Qualität eines Standortes gut einschätzen läßt. Zudem benötigen Meeresströmungskraftwerke eine nur geringe Strömungsgeschwindigkeiten, da die Dichte des Wassers wesentlich größer als die von Luft ist.
Kommerzielle Meeresströmungskraftwerke sind in der Regel komplett in das umgebende Wasser eingetaucht, da eine Durchmischung der Wasserströmung mit Luft zu einem rapiden Sinken der Dichte der Strömung und damit einem Leistungseinbruch führen würde. Zudem werden in diesem Fall Probleme, wie Korrosion aufgrund höherer Luftzufuhr, vermieden. Meeresströmungskraftwerke sind in ihrem Betrieb ähnlich umweltverträglich wie Windkraftanlagen oder Solarkraftwerke, da ihre Turbinen keine Abfallstoffe, wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid, emittieren. Auch sind infolge der langsamen Rotation des Rotors Meeresströmungskraftwerke für Fische und andere Meerestiere praktisch ungefährlich.
Zu den Nachteilen von Meeresströmungskraftwerken gehört ihre mangelnde Wirtschaftlichkeit; außerdem ist in der Nähe derartiger Anlagen nur dann ein effektiver Fischfang möglich, wenn der Wasserspiegel über der Turbine ausreichend hoch ist. Ferner sind bei der Errichtung der Turbinen Wechselwirkungen mit möglichen Schiffsbewegungen zu berücksichtigen. Auch stellt die Installation der Anlagen eine wasserbau- und stahlbautechnische Herausforderung dar, weil Bauarbeiten auf offener See oder in Flüssen anspruchsvoll sind und die Baumaterialien unterwassertauglich und gegen Salzangriff gerüstet sein müssen. Ihre Wartung ist häufig aufwendig, da sich die Anlagen unter Wasser befinden und dadurch schwer erreichbar sind.
Demgegenüber schwimmt ein Wellengenerator gleichsam im Meer bzw. er wird lediglich auf dem Meeresboden verankert, wie dies beispielsweise auf der Website ”http://www.slimlife.eu/wellengenerator.html” beschrieben ist. Die schwimmende Anlage wird dabei einfach zu ihrem vorgesehenen Standort geschleppt und dort verankert. Allerdings sind die Energieausbeuten eines reinen Wellengenerators vergleichweise gering.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine optimale Nutzung der Meeresenergie ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Kombination wenigstens eines Wellengenerators und wenigstens eines Strömungsgenerators, die zusammen mit einer Seezeicheneinheit, einer Zentraleinheit, einer Auftriebs- und Richtungseinheit, wenigstens einer Strömungsturbine mit einem Rotor sowie einer mechanischen Blattverstellung in angenähert vertikaler Richtung bewegbar auf einer Starrachse angeordnet sind, und dass letztere in einem auf dem Meeresboden ruhenden und dort gegebenenfalls verankerbaren Grundgewicht unterhalb der Wasseroberfläche lagerbar ist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung eines Gezeitengenerators,
2 den schematischen Aufbau eines Teils der in 1 gezeigten Anordnung,
3 ein Detail der in 1 gezeigten Anordnung und
4–13 in schematischer Darstellung weiter Details der in 1 gezeigten Anordnung.
Der in 1 dargestellte Gezeitengenerator stellt eine Kombination von Wellen- und Strömungsgenerator dar und besteht aus einer Seezeicheneinheit 1, einer Zentraleinheit 2 mit einem Wellengenerator 3 sowie zwei Strömungsgeneratoren 4, einer asymmetrischen Auftriebs- und Richtungseinheit 5, einer Strömungsturbine mit einem vertikalen Rotor 6 sowie einer mechanischen Blattverstellung 7, die allesamt in angenähert vertikaler Richtung bewegbar auf einer Starrachse 8 angeordnet sind. Letztere ist in einem auf dem Meeresboden ruhenden und dort gegebenenfalls verankerten Grundgewicht 9 unterhalb der Wasseroberfläche 10 gelagert.
Der in 2 dargestellte, schwenkbar unter Wasser angeordnete Teil des Gezeitengenerators besteht aus dem Grundgewicht 9 sowie einer gelenkig ausgebildeten mechanischen und elektrischen Kupplung 11. Das Grundgewicht 9 hält den Gezeitengenerator auf seiner Position und enthält ferner die Zuführung zu einem Seekabel 12. Die mechanische Kupplung dient als schwenkbares Gelenk zwischen dem Grundgewicht 9 und der Starrachse 8 und verfügt über eine flexible Leitungsdurchführung. Die elektrische Kupplung ist als Stecker im Gelenk zwischen der Starrachse 8 und dem Grundgewicht 9 ausgebildet, ihre Kontakte können von oben mechanisch betätigt werden. Die Starrachse 8 besteht im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels aus einem Edelstahlrohr, das mit einem Linksgewinde zum Einschrauben in die mechanische Kupplung versehen ist sowie mit einem Drehmechanismus, der von oben durch einen Kran zu betätigen ist. Die innenliegenden Stromzuführungen und Hydraulikleitungen 13 sind im vorliegenden Fall zweiadrig ausgeführt, wobei die Adern in eine Vergußmasse 14 eingebettet sind, wie dies insbesondere in 3 erkennbar ist.
Die 4 und 5 zeigen Komponenten des in vertikaler Richtung beweglich auf der Starrachse 8 gehalterten Teiles der Anordnung. In 4 sind dabei insbesondere noch einmal die Zentraleinheit 2 sowie die Strömungsturbine mit dem Rotor 6 dargestellt, die sich in Abhängigkeit von der Höhe der Wasseroberfläche 10 auf der Starrachse 8 heben und senken. Analoges gilt auch für die in 5 zusätzlich dargestellte, oberhalb der Zentraleinheit 2 angeordnete Seezeicheneinheit 1. In dieser Figur sind ferner auch noch einmal die zwei in der Zentraleinheit 2 angeordneten Strömungsgeneratoren 4 sowie der Wellengenerator 3 schematisch gezeigt, die auch bereits in 1 erkennbar sind. Der Wellengenerator 3 ist außerdem im Detail auch noch einmal in den 13 und 14 dargestellt, wobei seine Funktion im Zusammenhang mit diesen Figuren noch näher erläutert wird.
Zunächst aber sollen anhand der nachfolgenden Figuren Aufbau und Funktionsweise der Auftriebs- und Richtungseinheit 5 näher erläutert werden, die in 6 noch einmal zusammen mit der Seezeicheneinheit 1 schematisch dargestellt ist. Diese Auftriebs- und Richtungseinheit 5 ist um die Zentraleinheit 2 herum angeordnet und asymmetrisch aufgebaut. Eine wichtige Komponente dieser Auftriebs- und Richtungseinheit 5 ist eine Finne 15. Diese Finne 15 hält die Auftriebs- und Richtungseinheit 5 immer in der Strömung, wobei sie leicht gegenläufig profiliert bzw. montiert ist. Die Dreh- und Anlaufrichtung der Strömungsturbine mit dem Rotor 6 entgegen dem Uhrzeigersinn erzeugt auf die Finne 15 einen in der Darstellung gemäß 6, aber insbesondere auch gemäß der Darstellung in 7 linksdrehenden Druck.
Kreisförmige, außermittig angeordnete Anlaufschienen 7 steuern die Stellung der Blätter des Rotors 6, indem sie einen ungleichmäßigen Druck auf Steuerschiffchen 16 ausüben. Sie drücken die Steuerschiffchen 16 der Rotorblätter 6 im Lastlauf in die richtige Position. Die Blätter 6 erhalten im Leerlauf keinen Gegendruck und pendeln von selbst in die widerstandsarme Position. Die Lage der Anlaufschienen 7 muss der Strömungsrichtung entsprechend ausgerichtet sein, aus diesem Grund ist sie unten an der Auftriebs- und Richtungseinheit 5 montiert. Bei einer Änderung der Strömungsrichtung richtet sich dadurch die Auftriebs- und Richtungseinheit 5 jeweils über die Finne 15 neu aus. Die Steuerschiffchen 16 sind oben auf dem Flansch quer zur Stellung der Rotorblätter 6 montiert.
Eine insbesondere in den 8 bis 10 dargestellte Ballastierung 17 sorgt bei fehlendem Andruck für eine leichte Vorlastigkeit der Auftriebs- und Richtungseinheit 5. Die Anlaufschienen 7 drehen sich dabei zusammen mit der Auftriebs- und Richtungseinheit 5 und nicht mit der Zentraleinheit 2. Die asymmetrische Form der Auftriebs- und Richtungseinheit 5 sorgt dabei für eine Zunahme des Auftriebsvolumens.
Die Ballastierung 17 kann auch, wie in 10 dargestellt, aus mehreren Gewichtseinheiten 19 bestehen, die auf einer kreisförmigen Schiene 18 innerhalb der Auftriebs- und Richtungseinheit 5 verschiebbar gelagert sind und die entsprechend der Krängung verstellt werden. zunehmender Schräglage der Anordnung infolge von Wind oder Strömungsstärke. Der Krängungswinkel der gesamten Anordnung und die Position der Gewichtseinheiten 17 bzw. 19 dienen dabei dem Ausgleich der Lastigkeit.
Die Zentraleinheit 2 ist über vier bis acht Lager 20 mit der Auftriebs- und Richtungseinheit 5 verbunden. Die außen liegende Auftriebs- und Richtungseinheit 5 ist drehbar angeordnet, während die Zentraleinheit 2 starr mit der vertikalen Achse 8 verbunden ist.
Die vertikale Achse 8 weist ferner in ihrem oberen Bereich, d. h. im Halterungsbereich der Zentraleinheit 2, vier Nuten 21 auf, in denen der Flansch eine mit der Achse 8 starr verbundene Position der Zentraleinheit 2 gewährleistet. Dies ist speziell in der 11 dargestellt. Dadurch ist die Zentraleinheit 2 nicht drehbar, kann aber sich und damit das gesamte Gerät ohne die als Stator dienende vertikale Achse 8 auf- und absenken.
13 zeigt den hydraulischen Zylinder 22 des Wellengenerators. Der Hydraulik-Zylinder nimmt den Hub und die Senkung der Schwimmeinheit (Zentraleinheit und Auftriebs- und Richtungseinheit) und des Rotators im Seegang als alternierende Druckbewegung auf. Die Druckkräfte werden in einem Ölkreislauf mit Hilfe von Hydraulik-Leitungen in die Zentraleinheit übertragen. Dort befindet sich der Hydraulikgenerator, der mit Hilfe von Ventilen den Öldruck in einer synchronen Strömung durch eine Turbine leitet.
Nick-Bewegungen der Schwimmeinheit werden durch anlaufende Wellen erzeugt, bevor ein Hub oder eine Senkung erzeugt wird. Diese Nick-Bewegung wird von dem Hydraulik-Zylinder ebenfalls erfasst. Die variable Länge des Hydraulik-Zylinders 22 gleicht den vollen Tidenhub aus.
Das gesamte Gerät könnte beispielsweise ein Gewicht von etwa 30 Tonnen aufweisen, es wird im Drei- bis Viersekundentakt entsprechend eines Wellenhubes von beispielsweise einem Meter auf und ab gesenkt, wodurch etwa 100 kW einwirken.
Die Strömungsgeneratoren 4 wandeln die mechanische Drehung des oberen Flansches der Strömungsturbine in elektrische Energie um. Hier kann eine Über- oder Untersetzung gewählt werden, um die Drehzahl der Strömungsturbine in eine optimale Drehzahl des Generators zu übersetzen. Ihre Anzahl und Größe wird dabei entsprechend der zu erwartenden Leistung festgelegt.
Die Zentraleinheit 2 ist mit den vertikal laufenden Nuten 21 starr auf der vertikalen Achse 8 gelagert und dadurch gegen eine Verdrehung gesichert. Die Auftriebs- und Richtungseinheit 5 ist drehbar an der Zentraleinheit 2 gelagert und erhält ihre Richtungsstabilität aus der in der Strömung liegenden Finne 15. Die Schwimmeinheit, d. h. die Zentraleinheit 2 und die Auftriebs- und Richtungseinheit 5, begrenzt die seitliche Neigung der vertikalen Achse 8 durch Wind und Strom durch entsprechend verteilte Auftriebskräfte sowie durch die Massenverhältnisse Auftrieb gegen Gewicht.
Die schiffbautechnische Berechnung dieser Schwimmeinheit muss mit zunehmender Neigung mehr Gegenauftrieb erzeugen, d. h. eine Kraft, die entgegen den Kräften die durch eine Krängung durch Wind und Strömung hervorgerufen werden, ein aufrichtendes Moment erzeugt. Die Hydraulik des Wellengenerators 3 ist in einem geschlossenen Flüssigkeitskreislauf-System mit konstanter Flüssigkeitsmenge mit einer Turbine verbunden. Der Zylinder schaltet Ventile, die in Hub- oder Senkbewegung eine synchrone Strömungsrichtung durch eine Turbine erzeugen.
Die gesamte Anordnung wird ähnlich wie ein Seezeichen ausgebracht und enthält eine Achse sowie eine Befestigung mit schwenkbarem Gelenk am Meeresboden. Die Schwimmeinheit hält die Strömungsturbine auch bei Seegang auf gleichbleibender Tiefe im Wasser. Der Hydraulische Zylinder des Wellengenerators ist durch seine Länge in der Lage, den örtlichen Tidenhub in axialer Bewegung auszugleichen.
Die gesamte, aus der Schwimmeinheit 2, 5, dem Stator 8 sowie dem Rotor 6 bestehende Anordnung ist als Gesamtes ausbring- und rückholbar, um notwendig werdende Wartungen an Land durchführen zu können. Dazu fährt ein Errichterschiff zur Seeposition und entnimmt nach dem automatisierten Lösen der Kupplung am Meeresboden das komplette Gerät per Kran. Die Kabelverlegung erfolgt auf dem Meeresgrund durch Seekabel, die Einspeisung in das Stromnetz an Land geschieht dann nach erfolgter Umformung. Wartung und Instandhaltung der verlegten Einheit kann komplett an Land stattfinden. Ein Spezialfahrzeug in Form eines Errichterschiffes, ähnlich einem Tonnenleger, tauscht dazu die komplette Einheit vor Ort aus und die erforderlichen Inspektionen, Wartung und Reparaturen werden dann auf einem Tonnenhof vorgenommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.slimlife.eu/wellengenerator.html [0005]

Claims

Gezeitengenerator für die Erzeugung elektrischer Energie aus dem Wellenhub und aus der Meeresströmung, gekennzeichnet durch eine Kombination wenigstens eines Wellengenerators (3) und wenigstens eines Strömungsgenerators (4), die zusammen mit einer Seezeicheneinheit (1), einer Zentraleinheit (2), einer Auftriebs- und Richtungseinheit (5), wenigstens einer Strömungsturbine mit einem Rotor (6) sowie einer mechanischen Blattverstellung (7) in angenähert vertikaler Richtung bewegbar auf einer Starrachse (8) angeordnet sind, und dass letztere in einem auf dem Meeresboden ruhenden und dort gegebenenfalls verankerbaren Grundgewicht (9) unterhalb der Wasseroberfläche (10) lagerbar ist.
Gezeitengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der schwenkbar unter Wasser angeordnete Teil aus dem Grundgewicht (9) sowie einer gelenkig ausgebildeten mechanischen und elektrischen Kupplung (11) besteht.
Gezeitengenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundgewicht (9) den Gezeitengenerator auf seiner Position hält und die Zuführung zu einem Seekabel (12) enthält.
Gezeitengenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Kupplung (11) als schwenkbares Gelenk zwischen dem Grundgewicht (9) und der Starrachse (8) dient.
Gezeitengenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kupplung (11) als Stecker im Gelenk zwischen der Starrachse (8) und dem Grundgewicht (9) ausgebildet ist und dass ihre Kontakte von oberhalb der Meeresoberfläche mechanisch betätigbar sind.
Gezeitengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentraleinheit (2) sowie die Strömungsturbine mit dem Rotor (6) in Abhängigkeit von der Höhe der Wasseroberfläche (10) auf der Starrachse (8) heb- und senkbar ausgebildet sind.
Gezeitengenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die oberhalb der Zentraleinheit (2) angeordnete Seezeicheneinheit (1) heb- und senkbar ausgebildet ist.
Gezeitengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebs- und Richtungseinheit (5) um die Zentraleinheit (2) herum angeordnet und asymmetrisch aufgebaut ist.
Gezeitengenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebs- und Richtungseinheit (5) mit einer Finne (15) ausgestattet ist, die gegenläufig profiliert ist und die die Auftriebs- und Richtungseinheit (5) in der Strömung hält.
Gezeitengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass kreisförmige, außermittig angeordnete Anlaufschienen (7) die Stellung der Blätter des Rotors (6) steuern, indem sie einen ungleichmäßigen Druck auf Steuerschiffchen (16) ausüben.
Gezeitengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ballastierung (17) für eine leichte Vorlastigkeit der Auftriebs- und Richtungseinheit (5) sorgt.
Gezeitengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufschienen (7) sich zusammen mit der Auftriebs- und Richtungseinheit (5) und nicht mit der Zentraleinheit (2) drehen.