DE102013217180A1 - Current power plant - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Unterwasser-Strömungskraftwerk, umfassend die folgenden Merkmale: – eine Wasserturbine mit wenigstens einem Blatt; – einem mit der Wasserturbine in Triebverbindung stehenden Generator; – eine Gondel zum Aufnehmen und/oder Tragen von Generator, Welle und Turbine; – eine auf dem Gewässergrund stehende oder in diesen eingelassene Tragkonstruktion. Das erfindungsgemäße Unterwasser-Strömungskraftwerk ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: – das einzelne Blatt ist aus wenigstens zwei Teilen unterschiedlicher Eigenschaften und/oder Gestalt aufgebaut; – die Blattteile sind voneinander trennbar und austauschbar durch gleiche, gleichartige oder ähnliche oder andere Blattteile.The invention relates to an underwater current power plant, comprising the following features: a water turbine with at least one blade; A generator in drive connection with the water turbine; A gondola for receiving and / or carrying the generator, shaft and turbine; - A standing on the bottom of the water or embedded in this support structure. The underwater current power plant according to the invention is characterized by the following features: the single blade is made up of at least two parts of different characteristics and / or shape; - The leaf parts are separable from each other and interchangeable by the same, similar or similar or other leaf parts.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strömungskraftwerk gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. The invention relates to a flow power plant according to the preamble of claim 1.

Strömungskraftwerke sind bekannt. Sie können in Form von freistehenden Einheiten mit rotorförmigen Wasserturbinen zur Energiegewinnung aus einem Fließgewässer oder einer Meeresströmung, insbesondere einer Gezeitenströmung, ausgebildet sein. Derartige Strömungskraftwerke können aber auch als Onshore- oder Offshore-Windkraftanlagen ausgebildet sein. Auf DE 10 2013 001 212 wird verwiesen. Flow power plants are known. They can be designed in the form of free-standing units with rotor-shaped water turbines for generating energy from a flowing water or a sea current, in particular a tidal current. Such flow power plants can also be designed as onshore or offshore wind turbines. On DE 10 2013 001 212 will be referred.

Typischerweise sind derartige Strömungskraftwerke vollständig tauchende Anlagen, sodass die wenigstens eine Turbineneinheit des Strömungskraftwerks in dessen Betrieb vollständig unter Wasser angeordnet ist. Die Turbineneinheit ist dabei von einer Gründungsstruktur getragen. Derartige Gründungsstrukturen sind üblicherweise Schwerkraftfundamente oder Fundamente aus Stahlkonstruktionen wie zum Beispiel Dreibeine oder Pfahl- oder Pfostenbauten. In der Regel sind solche Gründungsstrukturen zur Turbineneinheit hin pfostenartig ausgeführt. Der Querschnitt dieser muss dabei nicht notwendigermaßen rund sein, denn auch ein ovaler oder linienförmiger Querschnitt ist denkbar. Die vorliegende Erfindung betrifft derartige gattungsgemäßige Strömungskraftwerke. Typically, such flow power plants are completely submerged facilities, so that the at least one turbine unit of the flow power plant is completely submerged in its operation. The turbine unit is supported by a foundation structure. Such foundation structures are usually gravity foundations or foundations of steel structures such as tripods or post or post structures. As a rule, such foundation structures are designed post-like to the turbine unit. The cross section of this does not necessarily have to be round, because even an oval or linear cross section is conceivable. The present invention relates to such generic flow power plants.

Die Gründungsstruktur nimmt dabei Kräfte und Momente auf, die durch die Anströmung des Strömungskraftwerks entstehen. Sie leitet diese in das umgebende Erdreich, beispielsweise den Gewässergrund, weiter. The foundation structure absorbs forces and moments caused by the flow of the flow power plant. It forwards these into the surrounding soil, for example the river bottom.

Gründungsstrukturen können beispielweise einen Stützpfeiler umfassen, der mit einem Fundament am Gewässergrund verbunden ist. Herkömmlich wird dabei der Stützpfeiler sich zur Turbineneinheit hin verjüngt ausgeführt. Dadurch wird eine Strömungsbeeinflussung des als Strömungswiderstand wirkenden verjüngten Querschnitts des Stützpfeilers vermindert. Dies wirkt sich auch positiv auf den Wirkungsgrad eines solchen Strömungskraftwerks aus. Die schlanke Ausführung des Stützpfeilers im Bereich der Anbindung an die Turbine hat jedoch den Nachteil, dass insbesondere in dessen unterem Teil eine kritische Stelle der Festigkeit vorliegt. An dieser kann oftmals ein Grenzwert für die maximale oder schwellende Last der Materialspannung des Stützpfeilers erreichen, welcher dem Maximalwert für die erwartete Lebensdauer des Stützpfeilers entspricht. Damit ist eine weitere Reduktion des Querschnitts des Stützpfeilers technisch nicht mehr möglich. Foundation structures may include, for example, a buttress that is connected to a foundation at the bottom of the water. Conventionally, the support pillar is tapered towards the turbine unit. As a result, a flow influencing of the flow resistance acting as a tapered cross section of the buttress is reduced. This also has a positive effect on the efficiency of such a flow power plant. However, the slim design of the support pillar in the region of the connection to the turbine has the disadvantage that, in particular in its lower part, a critical point of the strength is present. At this often can reach a limit for the maximum or swelling load of the material tension of the buttress, which corresponds to the maximum value for the expected life of the buttress. For a further reduction of the cross section of the buttress is technically no longer possible.

Die Stahlkonstruktionen der Gründungsstruktur sind dem Meerwasser ständig ausgesetzt. Meerwasser ist bekanntlich aggressiv und bewirkt einen starken Alterungsprozess der Strukturen. Auch findet im Laufe der Zeit ein starker maritimer Bewuchs durch Algen, Muscheln und so weiter statt, der ebenfalls die Dauerfestigkeit der Strukturen beeinträchtigt. The steel structures of the foundation structure are constantly exposed to seawater. Seawater is known to be aggressive and causes a strong aging process of the structures. Also, over time, there is a strong marine fouling by algae, shells and so on, which also affects the fatigue strength of the structures.

Die Blätter der Wasserturbine sind einteilig. Sie stehen mit der Welle beziehungsweise Nabe der Wasserturbine in Triebverbindung. Im Allgemeinen sind sie an diese angeflanscht. The leaves of the water turbine are one-piece. They are in drive connection with the shaft or hub of the water turbine. Generally, they are flanged to them.

Das Design eines Strömungskraftwerkes ist von einer Vielzahl von Parametern abhängig. Ganz wichtig ist der Standort. Dieser bestimmt das Anströmungsregime, das heißt die Kräfte, die sich aus der Strömung ergeben. Die Strömung kann stark oder schwach sein. Sie kann in der Zeiteinheit variieren. Es können Turbulenzströmungen auftreten. Bei Tidenkraftwerken kehrt die Strömung sogar um. Die Kräfte, die auf das Kraftwerk einwirken, hängen somit von dessen Standard ab. Hieraus ergibt sich, dass Unterwasserkraftwerke der genannten Art je nach Standort voneinander verschieden sein müssen. Das Anströmungsregime eines bestimmten Kraftwerkes ist daher maßgeblich für die auftretenden Kräfte. The design of a flow power plant depends on a large number of parameters. Very important is the location. This determines the flow regime, that is, the forces that result from the flow. The flow can be strong or weak. It can vary in the unit of time. Turbulence flows can occur. In tidal power plants, the flow even reverses. The forces acting on the power plant thus depend on its standard. It follows that underwater power plants of the type mentioned must be different depending on the location. The flow regime of a particular power plant is therefore crucial for the forces occurring.

Demgemäß muss die Konstruktion eines Kraftwerkes an den Standort angepasst werden. Es kann daher keine einheitliche Konstruktion geben. Da die Bauteile der Kraftwerke somit nicht gleich sind, kann es auch keine großen Stückzahlen einer Serie geben. Accordingly, the design of a power plant must be adapted to the location. It can therefore not give a uniform construction. Since the components of the power plants are thus not the same, there can be no large numbers of a series.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Unterwasser-Strömungskraftwerk gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu gestalten, dass trotz der Ungleichheiten aller Kraftwerke Serien mit größeren Stückzahlen konzipiert werden können. The invention has for its object to make an underwater flow power plant according to the preamble of claim 1 such that despite the inequalities of all power plants series can be designed with larger quantities.

Diese Aufgabe wird mittels eines Kraftwerkes gemäß Anspruch 1 gelöst. Demgemäß wird das einzelne Blatt aus Teilen unterschiedlicher Eigenschaften aufgebaut, und die Teile sind voneinander trennbar und gegenüber gleichen, oder gleichartigen oder ähnlichen oder ganz anders gestalteten Teilen austauschbar. This object is achieved by means of a power plant according to claim 1. Accordingly, the single sheet is constructed of parts of different characteristics, and the parts are separable from each other and exchangeable with the same or similar or similar or entirely different shaped parts.

Hierdurch wird im Einzelnen folgendes erreicht: Es lassen sich Großserien von Blättern herstellen. Dabei umfasst das einzelne Blatt zwei Bauteile, nämlich ein Bauteil, das sich im Bereich der Drehachse der Turbine befindet, und ein weiteres Bauteil, das radial außerhalb liegt. Die beiden Bauteile sind voneinander leicht trennbar. Das äußere Teil ist abnehmbar und kann ersetzt werden durch ein Teil anderer Gestalt und gegebenenfalls aus anderem Material. Insbesondere kann durch den Austausch aus einem relativ kurzen Blatt ein relativ langes Blatt gemacht werden. Alle übrigen Bauteile des Strömungskraftwerkes bleiben gleich, beispielsweise die Tragkonstruktion, die Gondel, der Generator usw. Alle diese Teile, die unverändert bleiben, lassen sich in Serie fertigen. Die Serien sind Großserien und demgemäß kostengünstig. In this way, the following is achieved in detail: It can be produced large series of sheets. In this case, the single sheet comprises two components, namely a component, which is located in the region of the axis of rotation of the turbine, and another component, which is radially outward. The two components are easily separable from each other. The outer part is removable and can be replaced by a part of another shape and optionally of other material. In particular, by replacing a relatively short sheet, a relatively long sheet can be made. All other components of the flow power plant remain the same, for example the Support structure, the nacelle, the generator, etc. All these parts, which remain unchanged, can be mass-produced. The series are large series and therefore inexpensive.

Auch kann das radial innere Teil des Blattes in Großserie gefertigt werden, da es seine Gestalt nicht verändert. Das radial innere Teil eines Blattes kann beispielsweise aus hochfestem Stahl gefertigt werden, das radial äußere Teil jedoch aus einem Kompositmaterial. Also, the radially inner part of the sheet can be mass produced because it does not change its shape. The radially inner part of a sheet can be made of high-strength steel, for example, but the radially outer part of a composite material.

Durch den Austausch der Blattspitze (zum Beispiel für ein längeres Blatt) lässt sich das gesamte Kraftwerk für ganz unterschiedliche Strömungsregime einsetzen. Großserien erlauben somit eine Mengenrationalisierung und damit eine Kostensenkung. By replacing the blade tip (for example for a longer blade), the entire power plant can be used for very different flow regimes. Large series thus allow a quantity rationalization and thus a cost reduction.

Der Stand der Technik sowie die Erfindung sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt: The prior art and the invention are explained in more detail with reference to the drawing. The following is shown in detail:

1 zeigt im Aufriss und in schematischer Darstellung einen Offshore-Energiepark mit zwei Unterwasser-Strömungskraftwerken. 1 shows an elevation and a schematic representation of an offshore energy park with two underwater power plants.

2 zeigt ebenfalls in schematischer Darstellung und im Aufriss ein vorbekanntes Strömungskraftwerk mit Veranschaulichung der Kräfte. 2 also shows in schematic representation and in elevation a previously known flow power plant with an illustration of the forces.

3 zeigt im Aufriss und in schematischer Darstellung ein Kraftwerk gemäß der Erfindung mit Blättern einer ersten Konfiguration. 3 shows in elevation and in schematic representation a power plant according to the invention with blades of a first configuration.

4 zeigt den Gegenstand von 3 mit Blättern einer zweiten Konfiguration. 4 shows the item of 3 with leaves of a second configuration.

Der in 1 gezeigte Offshore-Energiepark umfasst zwei Strömungskraftwerke gemäß der Erfindung. Die beiden Strömungskraftwerke sind baugleich. Sie umfassen jeweils eine Energieeinheit, umfassend eine Turbine 1 sowie einen Generator, der hier nicht gezeigt ist. Turbine und Generator befinden sich in einer torpedoförmigen Gondel. The in 1 shown offshore energy park comprises two flow power plants according to the invention. The two flow power plants are identical. They each include a power unit comprising a turbine 1 and a generator, which is not shown here. Turbine and generator are located in a torpedo-shaped nacelle.

Auf dem Meeresboden steht jeweils eine Tragkonstruktion 2. Sie kann im Meeresboden durch Einlassen von Pfählen verankert sein. Sie kann aber auch durch entsprechendes Eigengewicht mit dem Meeresboden genügend fest verbunden sein. Die Tragkonstruktion 2 umfasst einen Turm 2.1 sowie gegebenenfalls Stäbe 2.2. On the seabed there is a support structure 2 , It can be anchored in the seabed by piling. But it can also be sufficiently firmly connected by appropriate weight with the seabed. The supporting structure 2 includes a tower 2.1 and optionally rods 2.2 ,

In 2 erkennt man wiederum eine Turbine 1. Diese umfasst unter anderem eine Anzahl von Blättern 1.1, eine die Blätter 1.1 tragende Nabe 1.2, eine Turbinenwelle 1.3. Ein Generator 4 steht über ein Getriebe 5 mit der Welle 1.3 in Triebverbindung. Generator 4, Getriebe 5 sowie Welle 1.3 sind von einer Gondel 3 aufgenommen. In 2 you recognize a turbine again 1 , This includes, among other things, a number of leaves 1.1 , one the leaves 1.1 carrying hub 1.2 , a turbine shaft 1.3 , A generator 4 is about a gearbox 5 with the wave 1.3 in drive connection. generator 4 , Transmission 5 as well as wave 1.3 are from a gondola 3 added.

Das Tragwerk 2 umfasst wiederum einen Turm 2.1 sowie einen Fuß 2.3. Der Fuß kann eine Betonplatte sein, die durch hohes Gewicht für die notwendige Standfestigkeit sorgt. Das Tragwerk kann aber auch lediglich aus einem Turm bestehen (Monopile), der in den Gewässergrund 6 eingelassen ist. Jedenfalls befindet sich das Kraftwerk vollständig unter dem Wasserspiegel 7. The structure 2 again includes a tower 2.1 as well as a foot 2.3 , The foot can be a concrete slab, which ensures the necessary stability by high weight. The structure can also consist only of a tower (monopile), which in the water body 6 is admitted. In any case, the power plant is completely below the water level 7 ,

Die beiden 3 und 4 betreffen ein und dasselbe Kraftwerk. Die Bauteile sind im Wesentlichen dieselben, wie bei dem Kraftwerk gemäß 2, das den Stand der Technik veranschaulicht. Jedoch sind die Blätter verschieden. Wie man sieht, besteht das einzelne Blatt 1.1 aus zwei Blattteilen 1.1.1 und 1.1.2. Diese sind an eine Trennfuge 1.1.3 zusammengefügt. The two 3 and 4 concern one and the same power plant. The components are essentially the same as in the power plant according to 2 that illustrates the state of the art. However, the leaves are different. As you can see, the single sheet exists 1.1 from two leaf parts 1.1.1 and 1.1.2 , These are at a parting line 1.1.3 together.

Das der Nabe 1.2 nahe Blattteil 1.1.1 bleibt mit der Nabe 1.2 stets fest verbunden. Es besteht aus einem hochfesten Stahl. Hingegen ist das der Nabe ferne Teil 1.1.2 abnehmbar. Man erkennt aus den beiden 3 und 4, dass Nabenteil 1.1.2 gemäß 4 etwas kürzer als Nabenteil 1.1.2 gemäß 3 ist. That's the hub 1.2 near leaf part 1.1.1 stays with the hub 1.2 always firmly connected. It consists of a high-strength steel. On the other hand, the hub is a distant part 1.1.2 removable. One recognizes from the two 3 and 4 that hub part 1.1.2 according to 4 a bit shorter than the hub part 1.1.2 according to 3 is.

Die geschilderte Konstruktion der Blätter ermöglicht die folgenden Vorteile:
Sämtliche Bauteile – ausgenommen die abnehmbaren nabenfernen Teile der Blätter, somit die Teile 1.1.2 – können in Großserien gefertigt werden, somit in hohen Stückzahlen, was die Fertigungskosten für diese Teile senkt. Die nabenfernen Teile 1.1.2 der Blätter hingegen sind zu gestalten und zu dimensionieren entsprechend der speziellen Anforderungen, abhängig vom Standort und vom Strömungsregime. The described construction of the blades offers the following advantages:
All components - except for the removable parts of the blades that are distant from the hub, thus the parts 1.1.2 - can be mass produced, thus in high volumes, which lowers the manufacturing cost of these parts. The remote parts 1.1.2 The leaves, on the other hand, have to be designed and dimensioned according to the special requirements, depending on the location and flow regime.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass nabenferne Blattteile 1.1.2 dann ausgetauscht werden können, wenn sie schadhaft sind, beispielsweise infolge Korrosion, oder mit Algen besetzt. Die übrigen Bauteile außer den genannten Bauteilen 1.1.2 hingegen können da verbleiben, wo sie sind. Another advantage is that the blade is removed from the blade 1.1.2 can then be replaced if they are defective, for example as a result of corrosion, or occupied by algae. The other components except the mentioned components 1.1.2 however, they can stay where they are.

Die Mittel zum zuverlässigen Zusammenfügen der Bauteile 1.1.1 und 1.1.2 sollten derart gewählt werden, dass ein Abnehmen der nabenfernen Blatteile leicht möglich ist, dass aber gleichzeitig ein Zusammenfügen mit den nabennahen Blattteilen 1.1.1 schnell und vor allem zuverlässig erfolgt. The means for reliable assembly of the components 1.1.1 and 1.1.2 should be chosen such that it is easily possible to remove the blade parts which are distant from the nose, but at the same time to assemble them with the blade parts near the hub 1.1.1 fast and above all reliable.

Gemäß einem interessanten, hier nicht dargestellten weiteren Gedanken kann das einzelne Blatt aus einem festen Kern und einer diesen umgebenen Hülle bestehen. Die Hülle kann als festes Bauteil auf den Kern aufgeschoben werden. Sie kann aber auch durch Aufwickeln von Strängen auf den Kern erzeugt werden. Die Hülle kann schließlich eine Folie sein. Diese Lösung hat den Vorteil, dass sie bei Algenbesatz vom Kern einfach abgerissen werden kann, und dass sodann eine neue Folie aufgebracht wird. Die Folie lässt sich auf jegliche Weise mit dem Kern fest verbinden, beispielsweise durch Kleben. Auch lassen sich Selbstklebefolien verwenden. According to an interesting further idea, not shown here, the single leaf may consist of a solid core and a shell surrounded by it. The shell can be pushed onto the core as a solid component. But you can also by winding strands on the Core generated. The envelope may eventually be a foil. This solution has the advantage that it can be easily torn off the algae bedding from the core, and then a new film is applied. The film can be firmly connected to the core in any way, for example by gluing. You can also use self-adhesive films.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1

Turbine turbine

1.1 1.1

Turbinenblatt turbine blade

1.1.1 1.1.1

nabennaher Teil des Turbinenblattes near-hub of the turbine blade

1.1.2 1.1.2

nabenferner Teil des Turbinenblattes remote from the turbine blade

1.1.3 1.1.3

Trennfuge parting line

1.2 1.2

Turbinennabe turbine hub

1.3 1.3

Turbinenwelle turbine shaft

2 2

Tragkonstruktion supporting structure

2.1 2.1

Turm tower

2.2 2.2

Stäbe rods

2.3 2.3

Fußfoot

3 3

Gondel gondola

4 4

Generator generator

5 5

Getriebe transmission

6 6

Gewässergrund body of water

7 7

Wasserspiegel water level

8 8th

Kraftvektoren force vectors

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• DE 102013001212 [0002] DE 102013001212 [0002]

Claims (5)

Unterwasser-Strömungskraftwerk, umfassend die folgenden Merkmale: 1.1 eine Wasserturbine (1) mit wenigstens einem Blatt (1.1); 1.2 einem mit der Wasserturbine (1) in Triebverbindung stehenden Generator (4); 1.3 eine Gondel (3) zum Aufnehmen und/oder Tragen von Generator (4), Welle (1.3) und Turbine (1); 1.4 eine auf dem Gewässergrund (6) stehende oder in diesen eingelassene Tragkonstruktion (2); gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 1.5 das einzelne Blatt ist aus wenigstens zwei Teilen (1.1.1, 1.1.2) unterschiedlicher Eigenschaften und/oder Gestalt aufgebaut; 1.6 die Blattteile (1.1.1, 1.1.2) sind voneinander trennbar und austauschbar durch gleiche, gleichartige oder ähnliche oder andere Blattteile. Underwater current power plant, comprising the following features: 1.1 a water turbine ( 1 ) with at least one sheet ( 1.1 ); 1.2 one with the water turbine ( 1 ) in drive connection generator ( 4 ); 1.3 a gondola ( 3 ) for receiving and / or carrying generator ( 4 ), Wave ( 1.3 ) and turbine ( 1 ); 1.4 one on the river bottom ( 6 ) or embedded in this support structure ( 2 ); characterized by the following features: 1.5 the single sheet is of at least two parts ( 1.1.1 . 1.1.2 ) constructed of different properties and / or shape; 1.6 the leaf parts ( 1.1.1 . 1.1.2 ) are separable from each other and interchangeable by the same, similar or similar or other leaf parts. Unterwasser-Strömungskraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das einzelne Blatt (1.1) der Nabe (1.2) nahe Teile (1.1.1) sowie der Nabe (1.2) ferne Teile (1.1.2) umfasst. Underwater current power plant according to claim 1, characterized in that the single sheet ( 1.1 ) the hub ( 1.2 ) near parts ( 1.1.1 ) and the hub ( 1.2 ) remote parts ( 1.1.2 ). Unterwasser-Strömungskraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattteile (1.1.1, 1.1.2) durch Steck-, Schraub-, Klemm- oder Schnappverbindungen aneinander koppelbar sind. Underwater current power plant according to claim 2, characterized in that the leaf parts ( 1.1.1 . 1.1.2 ) can be coupled to each other by plug, screw, clamp or snap connections. Unterwasser-Strömungskraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das einzelne Blatt einen festen Kern sowie eine den Kern umgebende Hülle aufweist. Underwater current power plant according to one of claims 1 to 3, characterized in that the single sheet has a solid core and a core surrounding the shell. Unterwasser-Strömungskraftwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle auf den Kern aufgeschoben oder auf Strängen aufgewickelt ist. Underwater flow power plant according to claim 4, characterized in that the sheath is pushed onto the core or wound up on strands.

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