DE4324110A1 - Device for generating electric power (electric energy) from water wave energy - Google Patents
Device for generating electric power (electric energy) from water wave energyInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserwellenenergie.The invention relates to a device for generating electrical energy from water wave energy.
Fortlaufende Bestrebungen zur Nutzung regenerativer Ener giequellen führen auch zu einer Aufwertung der Wasserkraft nutzung. Hierzu gehört auch die Nutzung der Wellenenergie der Ozeane. Das vom Wind angefachte Auf und Ab der Wellen ist weltweit gesehen ein riesiges Energiepotential, da die Wellenenergie an den Küsten fortwährend, wenn auch unter schiedlich, vorhanden ist. Meereswellen enthalten sowohl die kinetische Energie der horizontalen Wellenbewegung und der Orbitalbewegung als auch die potentielle Energie aus dem Druckunterschied zwischen Wellenberg und Wellental.Ongoing efforts to use renewable energy Sources of energy also lead to an upgrading of hydropower use. This also includes the use of wave energy of the oceans. The ups and downs of the waves fanned by the wind is a huge energy potential worldwide because the Wave energy on the coasts constantly, albeit below different, is present. Ocean waves contain both the kinetic energy of the horizontal wave motion and the orbital movement as well as the potential energy the pressure difference between Wellenberg and Wellental.
Zur Umwandlung dieser Wellenenergie in elektrische Energie sind bereits Vorrichtungen bekannt geworden, die als Schwimmersysteme ausgebildet sind. Diese Schwimmersysteme nutzen nur die von der Wellenoberfläche erzeugte Relativbe wegung zwischen zwei oder mehreren Festkörpern, von denen mindestens einer ein Schwimmer ist, der von den Wellen auf- und abbewegt wird. Eine bekannte Vorrichtung dieser Art wird von einem gelenkigen Floß gebildet, welches aus ein zelnen, mit Scharnieren verbundenen Gliedern besteht, die von den Wellen relativ zueinander bewegt werden. Über Kol benpumpen kann die Bewegung zur Kompression einer Flüssigkeit genutzt werden, welche dann einer speziellen Turbine zugeführt wird, die einen Generator antreibt. Diese Vor richtungen haben sich in der Praxis allerdings noch nicht durchgesetzt.To convert this wave energy into electrical energy devices have already become known which Float systems are designed. These float systems use only the relative be generated by the wave surface movement between two or more solids, one of which at least one is a swimmer caught by the waves and is moved. A known device of this type is formed by an articulated raft, which from a individual, hinged links are moved relative to each other by the waves. About col can pump the movement to compress a liquid be used, which is then a special turbine is fed, which drives a generator. This before However, there are no directions in practice yet enforced.
Bekannt sind ferner Vorrichtungen, die nach dem Prinzip ei ner oszillierenden Wassersäule arbeiten. Diese einen Luft stau erzeugende Systeme haben gemeinsam, daß sie die Wel lenbewegung in das Oszillieren einer Wassermasse in einen Festkörper umsetzen. Bekannte Lösungen weisen als Festkör per einen Schwimmer auf, der mit einem annähernd vertikalen Loch versehen ist. Die Wassersäule in diesem Loch kommuni ziert mit dem umgebenen Meerwasser und führt bei Wellengang oszillierende Bewegungen aus, durch die entweder eine Was serturbine oder eine über dem Loch angebrachte Luftturbine angetrieben werden kann. Diese Systeme können beispielswei se für die Energieversorgung von Leuchtbojen (geringe Lei stungen) angesetzt werden. Derartige Vorrichtungen werden insbesondere auch in Wellenbrecher integriert, was es er möglicht, einen Teil der Baukosten einzusparen.Devices are also known which operate according to the principle an oscillating water column. This one air jam-producing systems have in common that they are the world movement into the oscillation of a mass of water into one Implement solid body. Known solutions show as solid by a float with an approximately vertical Hole is provided. The water column in this communal hole decorates with the surrounding sea water and leads in waves oscillating movements through which either a what turbine or an air turbine mounted over the hole can be driven. These systems can, for example se for the energy supply of light buoys (low lei stung). Such devices are especially integrated into breakwater what he did possible to save part of the construction costs.
Da diese Vorrichtungen im wesentlichen oberhalb der Wasser oberfläche angeordnet sind, meist in Verbindung mit Wellen brechern, ist der Verwendungszweck eingeschränkt, insbeson dere ist eine Nutzung vor Stränden weitgehend ausgeschlos sen. Darüber hinaus wird durch diese teilsweise oberhalb der Wasseroberfläche angeordneten Vorrichtungen die Schiffahrt beeinträchtigt und insbesondere sind die Elemen te der Vorrichtung korrosionsgefährdet.Because these devices are essentially above the water are arranged on the surface, usually in connection with waves break, the intended use is restricted, in particular the use in front of beaches is largely excluded sen. In addition, this is partly above devices arranged on the water surface Shipping is impaired and in particular the elemen The device is at risk of corrosion.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Lösung zu schaf fen, mit der die Umwandlung von Wasserwellenenergie in elektrische Energie verbessert werden kann, wobei insbeson dere die Küstenbereiche möglichst nicht wesentlich beein trächtigt werden sollen.The object of the invention is therefore to create a solution with which the conversion of water wave energy into electrical energy can be improved, in particular that do not significantly affect the coastal areas should be pregnant.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs be zeichneten Art erfindungsgemäß durch wenigstens eine unter der Wasseroberfläche im wesentlichen horizontal angeordnete Platte gelöst, unter welcher eine Turbine oder dgl. zur Er zeugung von elektrischer Energie aus Strömungsenergie ange ordnet ist.This task is with a device of the beginning subscribed type according to the invention by at least one under of the water surface arranged essentially horizontally Plate solved, under which a turbine or the like. Er Generation of electrical energy from flow energy is arranged.
Es ist bereits untersucht worden, daß getauchte horizontale Platten, die unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet wer den, als Wellenbrecher eingesetzt werden können, die eine vergleichbare Energiedissipation wie ein normaler Unterwas serwellenbrecher liefern. Es ist nun jedoch überraschend gefunden worden, daß die unter einer solchen Platte entste hende pulsierende Plattenunterströmung auch erhalten bleibt, wenn der Fließquerschnitt unter der Platte deutlich eingeschränkt wird. Es hat sich dabei herausgestellt, daß diese Strömung zum Antrieb einer Turbine genutzt werden kann, wodurch sich die Möglichkeit bietet, ein getauchtes Wellenenergiekraftwerk zu entwickeln.It has already been studied that submerged horizontal Plates placed below the water surface that can be used as a breakwater, the one comparable energy dissipation to a normal underwater deliver breakwater. However, it is now surprising found that it emerged under such a plate pulsating plate undercurrent remains when the flow cross section under the plate is clear is restricted. It has been found that this flow can be used to drive a turbine can, which offers the possibility of a submerged To develop wave energy power plant.
Derartige getauchte Vorrichtungen zur Energieumwandlung wa ren bisher nicht möglich, da mit ihnen nur ein unwesentli cher Teil der über die Wassertiefe verteilten Energie ge nutzt werden konnte. Durch die erfindungsgemäße Umleitung von in Oberflächennähe vorhandener Energie unter die Platte in die pulsierende Strömung besteht nunmehr überraschend diese Möglichkeit. Dabei ist gegenüber bekannten Vorrich tungen die Empfindlichkeit gegenüber extremem Seegang sehr viel geringer, da sich die Vorrichtung vollständig unter Wasser befindet. Dadurch ist auch die Korrosionsgefahr im Wasserwechselbereich verhindert. Gleichermaßen ist durch die Anordnung unter der Wasseroberfläche auch eine Gefähr dung, zumindest für die Kleinschiffahrt, nicht gegeben. Die Vorrichtung kann gleichzeitig auch als Küstenschutz verwen det werden, da die Schutzwirkung auch bei einem Ausfall der Turbine nicht verloren geht. Wird die Durchflußöffnung der Turbine verschlossen, wirkt die Vorrichtung als Unterwas serbarriere, wird sie nicht gedämpft, wirkt sie wie ein Plattenwellenbrecher. Die Vorrichtung ist einfach, da eine Turbine bekannter Bauart und keine teure Spezialkonstrukti on verwendet werden muß, die Stromerzeugung wird preiswert und zuverlässig.Such immersed devices for energy conversion wa so far not possible because with them only an insignificant part of the energy distributed over the water depth could be used. Through the redirection according to the invention of energy present near the surface under the plate into the pulsating flow now surprisingly exists this possibility. It is compared to known Vorrich the sensitivity to extreme sea conditions much less because the device is completely under Water. This also increases the risk of corrosion in the Water exchange area prevented. Likewise, is through the arrangement under the water surface is also a danger dung, at least for small shipping, not given. The The device can also be used as coastal protection be detected, since the protective effect even if the Turbine is not lost. If the flow opening of the When the turbine is closed, the device acts as underwater barrier, if it is not dampened, it acts as if Plate breakwater. The device is simple because one Turbine of known design and no expensive special construction on must be used, the electricity generation is inexpensive and reliable.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese hen, daß vor dem Einströmbereich der Turbine Strömungsleit elemente angeordnet sind. Durch diese vorzugsweise etwa trichterförmig ausgebildeten Leitelemente kann die Strö mungsenergie unter der Platte noch besser ausgenutzt wer den.In an advantageous embodiment of the invention, it is provided hen that flow guide before the inflow area of the turbine elements are arranged. By this preferably about funnel-shaped guide elements, the flow mung energy under the plate even better exploited the.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Platte und die Turbine in einer gemeinsamen Anordnung fest mit der Wasserbodenfläche verankert ist. Grundsätzlich ist es alternativ auch möglich, die Platte unterhalb eines Schwimmers anzuordnen, in den meisten Anwendungsfällen wird jedoch eine stationäre Anordnung von Vorteil sein.In a particularly preferred embodiment it is provided that the plate and the turbine in a common arrangement is firmly anchored to the surface of the water floor. Basically it is alternatively also possible to place the plate below a Arranging floats in most use cases will however, a stationary arrangement may be beneficial.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Platte in einer Tauchtiefe angeordnet ist, die in etwa einem Drittel der Wassertiefe entspricht.It has proven to be particularly advantageous if the plate is arranged at a depth that is approximately corresponds to a third of the water depth.
Weiter hat es sich als besonders günstig erwiesen, daß die Länge der Platte etwa gleich oder größer als die mittlere Wellenlänge der Wasserwellen ausgebildet ist, wobei vor zugsweise die Plattenlänge etwa der mittleren Wellenlänge der Wasserwellen entspricht.It has also proven to be particularly favorable that the Length of the plate about the same or greater than the middle Wavelength of the water waves is formed, in front preferably the plate length is about the middle wavelength corresponds to the water waves.
Je nach Breite der verwendeten Platte ist es vorteilhaft möglich, daß unter einer Platte nebeneinander eine Mehrzahl von Turbinen angeordnet sind.Depending on the width of the plate used, it is advantageous possible that a plurality side by side under a plate are arranged by turbines.
Da jedoch die Plattenbreite aus konstruktiven Gründen be grenzt ist, sieht die Erfindung auch vor, daß die Vorrich tung eine Mehrzahl von nebeneinander im Abstand voneinander angeordneten Platten aufweist, wobei selbstvertändlich un ter jeder Platte wenigstens eine Turbine angeordnet ist.However, since the plate width be for constructional reasons is limited, the invention also provides that the Vorrich tion a plurality of side by side at a distance from each other arranged plates, which of course un ter each plate is arranged at least one turbine.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei spielsweise näher erläutert. Diese zeigt inThe invention is below with reference to the drawing explained in more detail, for example. This shows in
Fig. 1 in vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung, Fig. 1 is a simplified representation of a device according to the invention,
Fig. 2 die Vorrichtung nach Fig. 1 ohne Turbine zur Veran schaulichung des Strömungsbildes und Fig. 2 shows the device of FIG. 1 without a turbine to Veranichung the flow pattern and
Fig. 3 die unterschiedlichen Strömungsbereiche eines Plattenwellenbrechers. Fig. 3 shows the different flow areas of a plate breakwater.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von elek trischer Energie aus Wasserwellenenergie ist in prinziphaf ter Darstellung in Fig. 1 dargestellt. Dabei ist im Quer schnitt ein Meeresküstenbereich mit einer Wasserbodenfläche 1 und einer Wasseroberfläche 2 dargestellt, wobei die vor handenen Wasserwellen durch die durchgezogene Linie 3 ange deutet sind. Die Wellen schreiten dabei an der Wasserober fläche 2 in Richtung des Pfeiles 4 fort.A device according to the invention for generating electrical energy from water wave energy is shown in principle in Fig. 1. A cross section of a sea coast area with a water bottom surface 1 and a water surface 2 is shown, the existing water waves being indicated by the solid line 3 . The waves move on the water surface 2 in the direction of arrow 4 .
Unterhalb der Wasseroberfläche 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung angeordnet, die allgemein mit 5 bezeichnet ist. Diese Vorrichtung 5 weist wenigstens eine unterhalb der Wasseroberfläche 2 angeordnete horizontale Platte 6 auf, unter welcher eine Turbine 7 zur Erzeugung von elektrischer Energie angeordnet ist. Die Anordnung der Turbine 7 ist da bei so getroffen, daß die durch die Pfeile 8 angedeutete Rückströmung unter der Platte 6, die sich, wie sich überra schend herausgestellt hat, einstellt, vollständig durch die Turbine 7 tritt. Die Turbine 7 ist in üblicher Weise mit einem Generator oder dgl. zur Stromerzeugung verbunden, was im einzelnen nicht dargestellt ist.A device according to the invention, generally designated 5 , is arranged below the water surface 2 . This device 5 has at least one horizontal plate 6 arranged below the water surface 2 , under which a turbine 7 for generating electrical energy is arranged. The arrangement of the turbine 7 is such that the return flow indicated by the arrows 8 under the plate 6 , which, as has been found to be surprising, occurs completely through the turbine 7 . The turbine 7 is connected in the usual way to a generator or the like for generating electricity, which is not shown in detail.
Vor und ggf. auch hinter dem Einströmbereich der Turbine 7 sind Strömungsleitelemente angeordnet, die in Fig. 1 ange deutet und mit 9 bezeichnet sind. Diese Strömungsleitele mente 9 bilden vorzugsweise einen Teil einer aus der Platte 6, der Turbine 7 und den Leitelementen 9 gebildeten gemein samen Anordnung, welche vorzugsweise in der Wasserbodenflä che 1 verankert ist.In front of and possibly also behind the inflow region of the turbine 7 , flow guide elements are arranged which are indicated in FIG. 1 and are designated by 9 . This Strömungsleitele elements 9 preferably form part of a 9 formed in common seed arrangement which preferably che in the Wasserbodenflä 1 is anchored in the plate 6 of the turbine 7 and the guide elements.
Alternativ könnte hier auch eine nicht stationäre Anordnung der Vorrichtung 5 vorgesehen sein, indem beispielsweise die Platte 6 unterhalb eines an der Wasseroberfläche 2 befind lichen Schwimmers angeordnet wäre, mit entsprechender An ordnung der Turbine 7 unterhalb der Platte 6. Die Platte 6 besteht vorzugsweise aus Stahlbeton, während die mit Wasser in Kontakt kommenden Teile der Turbine 7 vorzugsweise aus nicht rostendem Stahl bestehen.Alternatively, a non-stationary arrangement of the device 5 could also be provided here, for example by arranging the plate 6 below a float located on the water surface 2 , with a corresponding arrangement of the turbine 7 below the plate 6 . The plate 6 is preferably made of reinforced concrete, while the parts of the turbine 7 which come into contact with water are preferably made of stainless steel.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Platte 6 in einer Tauchtiefe angeordnet ist, die einem Drittel der Wassertiefe entspricht.It has proven to be particularly advantageous if the plate 6 is arranged at a depth which corresponds to one third of the water depth.
Die physikalischen Strömungsvorgänge eines Plattenwellen brechers, die auf überraschende Weise für die erfindungsge mäße Vorrichtung 5 nutzbar gemacht worden sind, sind in den Fig. 2 und 3 im einzelnen dargestellt, wobei dieselben Bezugs Zeichen wie in Fig. 1 verwandt sind, sofern gleiche Teile betroffen sind.The physical flow processes of a plate wave crusher, which have surprisingly been made usable for the device 5 according to the invention, are shown in FIGS . 2 and 3 in detail, the same reference numerals as in FIG. 1 being used if the same parts are affected are.
Der physikalische Vorgang bei einem derartigen Plattenwel lenbrecher (Platte 6) unterscheidet sich grundsätzlich vom herkömmlichen Wellenbrecher, bei dem die Wellenhöhe durch Energiereflektion am den Querschnitt verbauenden Körper und durch Reibung an der Bauwerksoberfläche reduziert wird.The physical process in such a Plattenwel lenbrecher (plate 6 ) differs fundamentally from the conventional breakwater, in which the wave height is reduced by energy reflection on the cross-section body and by friction on the surface of the building.
Gemäß Fig. 3 werden vier Bereiche in der Umgebung der Plat te 6 definiert, nämlich die Bereiche 1, 2 und 3 mit einer freien Oberfläche, wobei die Wassertiefe im Bereich 2, ver glichen mit den Bereichen 1 und 3, wesentlich geringer ist, und ein Bereich 4, wo keine freie Oberfläche vorhanden ist, so daß sich dort auch keine Orbitalbewegung der Wasserteil chen ausbilden kann.Referring to FIG. 3, four areas are th in the vicinity of the Plat 6 defined, namely the areas 1, 2 and 3 with a free surface, wherein the water depth in the range 2, ver aligned with the areas 1 and 3, substantially lower, and an area 4 where there is no free surface, so that no orbital movement of the water part can form there.
Erreicht eine Welle die Platte 6, so wird sie zweigeteilt. Der Energieanteil, der in den Bereich 2 hineinläuft, er zeugt eine neue Flachwasserwelle, die durch eine geringere Wassertiefe bestimmt ist. Der Teil, der in den Bereich 4 eindringt, erzeugt eine horizontale Strömung (Druckwelle). Da die Flachwasserwelle eine höhere Geschwindigkeit als die Druckwelle unterhalb der Platte 6 hat, erreicht sie den Be reich 3 zuerst. Ihre Energie wird auf die angrenzenden Be reiche verteilt (einschließlich Bereich 4), im Bereich 3 bildet sich erneut eine Schwerewelle aus. Im Bereich 4 ent steht eine Strömung entgegen der Wellenausbreitungsrich tung. Deren Strömungsenergie überlagert sich mit der aus dem Bereich 1 in den Bereich 4 eingetragenen Energie. In Abhängigkeit von den Platten- und Wellenparametern kann sich eine zeitabhängige pulsierende Strömung mit einem Mas sentransport in oder entgegen der Wellenfortschrittsrich tung ergeben.If a shaft reaches plate 6 , it is divided into two. The energy portion that runs into area 2 creates a new shallow water wave, which is determined by a lower water depth. The part that penetrates into area 4 creates a horizontal flow (pressure wave). Since the flat water wave has a higher speed than the pressure wave below the plate 6 , it reaches the loading area 3 first. Your energy is distributed to the adjacent areas (including area 4 ), in area 3 a gravity wave forms again. In area 4 , a flow arises against the direction of wave propagation. Their flow energy overlaps with the energy entered from area 1 into area 4 . Depending on the plate and shaft parameters, a time-dependent pulsating flow with mass transport in or against the direction of shaft progress can result.
In günstigen Fällen entwickelt sich eine Plattenumströmung in Folge des Massentransportes aus den Bereichen 1 und 4 in den Bereich 2 (Plattenvorderkante), des Massentransports durch die Flachwasserwelle im Bereich 2 zum Bereich 3, des Massentransports aus Bereich 2 in den Bereich 4 (Platten hinterkante) und der Strömung im Bereich 4, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.In favorable cases, a flow around the plate develops as a result of mass transport from areas 1 and 4 to area 2 (plate leading edge), mass transport by the shallow water wave in area 2 to area 3 , mass transport from area 2 to area 4 (plate rear edge) and the flow in area 4 , as shown in FIG. 2.
Die Strömung im Bereich 4 macht es den Druckwellenanteilen folgender Wellen unmöglich, in den Bereich unterhalb der Platte 6 einzudringen. Die Energie wird stärker zur Ober fläche abgelenkt, die Umströmung verstärkt. Durch das Strö mungshindernis muß jedoch auch ein Teil der Energie in den Bereich 1 zurückreflektiert werden, damit einschließlich der durch die Umströmung zurücktransportierten Energie ein Gleichgewicht entstehen kann. Somit wird ein Teil der ein treffenden Wellenenergie von der Konstruktion reflektiert.The flow in the area 4 makes it impossible for the pressure wave components of the following waves to penetrate into the area below the plate 6 . The energy is deflected more strongly to the surface, the flow around is increased. Due to the flow obstacle, however, part of the energy must also be reflected back into area 1 so that an equilibrium can arise, including the energy transported back by the flow. Thus part of the incoming wave energy is reflected by the construction.
Es hat sich nun überraschend herausgestellt, daß diese Strömungsverhältnisse, d. h. insbesondere die entstehende pulsierende Plattenunterströmung auch erhalten bleibt, wenn der Fließquerschnitt unter der Platte 6 deutlich einge schränkt wird und in Form der erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 unterhalb der Platte 6 eine Turbine 7 angeordnet wird.It has now surprisingly turned out that these flow conditions, ie in particular the resulting pulsating plate underflow, are also maintained if the flow cross section under the plate 6 is clearly limited and a turbine 7 is arranged below the plate 6 in the form of the device 5 according to the invention.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Aus führungsbeispiel beschränkt. Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind möglich, ohne den Grund gedanken zu verlassen. So können beispielsweise mehrere Platten 6 mit darunter angeordneten Turbinen 7 vorgesehen sein, es kann auch vorgesehen sein, bei entsprechend brei ten Platten 6 mehrere Turbinen 7 unterhalb einer Platte 6 anzuordnen und dgl. mehr. Grundsätzlich ist es auch mög lich, die Strömungsenergie unter der Platte 6 anders auszu nutzen als zur Erzeugung elektrischer Energie, z. B. zum Pumpen von Flüssigkeiten oder dgl.Of course, the invention is not limited to the exemplary embodiment shown. Further configurations of the device according to the invention are possible without leaving the basic idea. For example, a plurality of plates 6 with turbines 7 arranged underneath can be provided, it can also be provided to arrange a plurality of turbines 7 below a plate 6 with correspondingly wide plates 6 and the like. More. Basically, it is also possible to use the flow energy under the plate 6 differently than to generate electrical energy, for. B. for pumping liquids or the like.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |