WO2012130386A1 - Kraftwerk zur energiegewinnung aus einer gewässerströmung und verfahren für dessen betrieb - Google Patents

Kraftwerk zur energiegewinnung aus einer gewässerströmung und verfahren für dessen betrieb Download PDF

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flow
rotation
axial turbine
stop
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Norman Perner
Jochen Weilepp
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Voith Patent Gmbh
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    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • Power plant for generating energy from a stream of water and method for its operation
  • the invention relates to a power plant according to the preamble of claim 1 for the production of energy from a stream of water with a varying
  • Main flow direction in particular a tidal flow, and a method for its operation.
  • GB 2347976 A is to rotatably fix the rotor blades of an axial turbine to a hub and to perform a 180 ° rotation about the longitudinal axes of the rotor blades for the tidal exchange.
  • the advantage of this approach is that efficient rotor blade profiles designed for unidirectional flow can be used.
  • the increased rotor blade profiles designed for unidirectional flow can be used.
  • Blade angle adjustment mechanism the complexity of the rotor blade connection.
  • the controller for the blade angle adjustment must work very reliable because . Incorrect flow can lead to serious system damage.
  • the known devices for the total tracking of an axial turbine for a tidal power plant either allow a rotational movement of the
  • Machine nacelle about a vertical axis or a rotation about a substantially horizontal axis.
  • DE 10 2007 013 293 A1 and GB 2 431 207 A for both configurations is the
  • Rotary device associated with a rotation angle range of at least 180 ° to allow the operation of the system with incoming and outgoing tidal flow.
  • tidal power plants are based on a stationary plant with rotor blades articulated rigidly on an axial turbine. Adaptation to the tidal change is effected by a bidirectionally inflatable profile of the rotor blades. For this purpose, double-axis symmetric elliptical profiles can be used. This is on the
  • Drive components for a rotary device used for tracking can be dispensed with.
  • the invention is based on the object, a power plant for generating energy from a stream of water whose flow direction is temporally variable, specify that has a low-maintenance design.
  • the power plant should efficiently use a directionally variable stream of water
  • the power plant operates in cyclic alternation in windward and in the Lee safely and the relative angle between the axis of rotation of the axial turbine and Hauptanströmungsutter is tracked only in a limited rotation angle range less than 180 ° to asymmetries of Tidenzykluses or
  • the rotating device allows for adjusting the relative angle between
  • the rotating device has a first stop and a second stop for limiting the angle of rotation to an angular range of less than 180 °.
  • the rotation angle range is less than 90 ° and particularly preferably less than 60 °.
  • the first and second stops are preferably set according to the asymmetry of the tidal flow at the plant site.
  • a rotation angle range is less than 45 ° advantageous because the system tracked to the main Hauptanströmungsraumen and the rotating device structurally simple can.
  • the rotating unit with the
  • Axial turbine mounted on a nacelle and arranged the rotating device between the nacelle and the support structure. Accordingly, the moving of the rotating device within the predetermined rotation angle range
  • Rotary axis of the axial turbine adjusted relative to the direction of flow.
  • a possible embodiment of the rotating device comprises a rotation axis which extends horizontally and which is perpendicular to the axis of rotation of the axial turbine.
  • Overload detection device used at the power plant with a
  • Control device for the rotating device is in communication.
  • the power plant comprises a flow measuring device for determining the currently present main flow direction, which communicates with a control device for the rotary device.
  • Distributed sensors and / or volume measurement methods are preferably used for the flow measuring device in order to be able to detect the flow conditions over the entire area swept by the rotor or to estimate them with sufficient accuracy.
  • a sonar an ultrasonic Doppler profile flow meter (ADCP) or a laser Doppler anemometer in question.
  • ADCP ultrasonic Doppler profile flow meter
  • vortex flowmeters for measuring the flow field, vortex flowmeters,
  • Strain gauges are used at the areas acted upon by the flow.
  • the sensory components are preferably arranged around the plant or on stationary plant parts, such as the support structure. she However, they can also be placed on moving system components such as the hood of the rotor, the coupling connection to the tower or the machine nacelle.
  • the measured values are averaged on a time scale of several minutes and examined for the occurrence of flow anomalies, such as the formation of vertebrae.
  • a location-adapted tidal model can be stored for controlling the turning device. This is based on a tide prediction, based on the lunar calendar for the present
  • Site-specific corrections can be determined during operation from the accumulated actual flow data. It is also conceivable to use data from the energy production of the plant and the times at which the plant standstill occurs to determine the correction factors. In addition, a control of the rotating device is conceivable, which aligns the system so that the output power is optimized. For this an MPP controller can be used.
  • the rotating device no change in position of the axis of rotation of the axial turbine relative to the stationary system.
  • the rotary device stands with a power plant component in
  • a compound associated with a flow surrounding the axial turbine flow housing is therefore a shell turbine with an axial turbine enclosed by a flow housing.
  • Preferred is a movable design of the inflow and outflow areas of the
  • Main flow direction are adjustable. Also conceivable is the rotation of the entire flow housing or a rotation of components of the axial turbine upstream or downstream nozzle. According to the invention, the angle of rotation for the respective power plant component is on an angular range is limited to less than 180 °, so that the flow at the axial turbine reverses in a Tidencic.
  • FIG 1 shows an inventive power plant according to the sectional view A-A of Figure 2.
  • Figure 2 shows an embodiment of a power plant according to the invention in
  • FIG. 3 shows an asymmetrical tidal ellipse.
  • Figures 4a, 4b show the power plant of Figure 1 for different
  • FIGS 5a, 5b show an alternative embodiment of an inventive
  • FIG. 2 schematically shows in simplified form a power plant according to the invention
  • the axial turbine 4 has a horizontal axis of rotation 5, which is aligned parallel to the main flow direction 2.
  • Main flow direction 2 represents a velocity-weighted averaging of the flow in the region which is defined by the rotor circle of the axial turbine 4. As sketched by the double arrow, there is a varying
  • the rotor blades 6.1, 6.2 which are fixed in a torsionally rigid manner to a rotor head 7 of the rotating unit 3 of the axial turbine 4, are designed as bidirectionally drivable rotor blades 6.1, 6.2.
  • the necessary bidirectionally flowable profile typically a double-symmetrical or S-shaped profile, extends at least over a partial region of the longitudinal extension of the sheet.
  • an additional turning device 13 is provided for a system designed for the combined windward and leeward operation, which allows a partial rotation of the machine nacelle 8.
  • the rotation takes place about the plant vertical axis, which in the present case forms the axis of rotation 20.
  • the interface between the rotating part 18 of the plant and the fixed part 27 is located on a tower adapter on the nacelle 8, which is at a
  • Coupling device 12 is placed on a support member 9.
  • the support element 9 rests on a foundation part 10, through which the support on
  • FIG. 2 also outlines a flow measuring device 21 on the stationary part 27, which serves to detect the main flow direction 2.
  • Measuring signals are transmitted to a control device 22, which for
  • Control and / or regulation of the rotary drive 23 for the rotary device 13 is provided.
  • Figure 1 shows the section A-A of Figure 2, wherein for clarity of the
  • FIG. 13 only the rotation angle limiting device is simplified outlined. Shown are a first stop 15 and a second stop 16 on the stationary part 27. These act with a projection 19 on the rotating part for limiting a rotation angle range 17 for the rotating device 13
  • Plant tracking within the rotation angle range 17 are performed.
  • the main flow direction 2 sketched in FIG. 1 shows a relative angle 14 to the axis of rotation 5 of the axial turbine 4 for a windward or leeward flow, which can be recirculated through the rotary device 13.
  • Such variations of the main inflow direction 2 which may occur for tides at certain plant locations are shown in Figure 3 - illustrated is an asymmetric tidal ellipse. In this case, the main flow direction within a
  • Main inflow directions 2.4, 2.5, 2.6 are shown for the ebb phase.
  • Turning device 13 tracked position In this case, there is a relative angle 14 between the rotation axis 5 and the main flow direction 2.8. This is preferably on a time scale of a few minutes through the Rotary device 13 corrected, with a time averaging and filtering for the measurement data of the main flow direction 2.8 are based.
  • FIGS. 5a, 5b A simplified embodiment of the invention is outlined in FIGS. 5a, 5b. Shown is a power plant according to the invention in side view in two
  • the rotating device 13 has a horizontally extending axis of rotation 20.2, which is a tilting movement of the
  • Machine nacelle 8 on the tower adapter, which forms the stationary part 27 allows.
  • the nacelle 8 abuts a first stop 15.1 of the rotating device 13 and is in the operating position.
  • Outlined is an alternating main flow direction 2, which leads to a bidirectional flow at the axial turbine 4 and to a combined windward and leeward operation.
  • an overload detection device 24 which is in communication with the overload sensors 25.1, 25.2, the flow field is measured.
  • the overload detection device 24 which is in communication with the overload sensors 25.1, 25.2, the flow field is measured.
  • the relative angle 14 between the rotation axis 5 and the main flow direction 2 set for this embodiment for system regulation by the rotary device 13 corresponds to the rotational angle range defined by the position of the first stop 15.1 and the second stop 16.1, which is less than 45 ° in the present case.
  • a buoyancy tank 26 in the nacelle 8 can be used. By blowing out the buoyancy tank 26 creates a positive buoyancy, the buoyancy tank 26
  • Machine nacelle 8 rotates together with the axial turbine 4 in the partially raised position shown in Figure 5b.
  • the righting moment must be sufficiently large that the back pressure of a leeward flow does not return the nacelle 8 to the first stop 15.1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk zur Energiegewinnung aus einer Gewässerströmung mit einer variierenden Hauptanströmungsrichtung, umfassend eine umlaufende Einheit mit einer Axialturbine, der eine Rotationsachse zugeordnet ist und die wenigstens ein Rotorblatt umfasst; wobei das Rotorblatt drehstarr an einem Rotorkopf der umlaufenden Einheit befestigt ist; und wobei das Rotorblatt für den Luv- und Lee-Betrieb wenigstens über einen Teilbereich seiner Längserstreckung ein bidirektional anströmbares Profil aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehvorrichtung für eine Kraftwerkskomponente zur Einstellung eines Relativwinkels zwischen der Rotationsachse und der Hauptströmungsrichtung vorliegt, wobei der Drehvorrichtung ein erster Anschlag und ein zweiter Anschlag zugeordnet sind, die den Bewegungsbereich der Drehvorrichtung auf einen Drehwinkelbereich kleiner als 180° beschränken.

Description

Kraftwerk zur Energiegewinnung aus einer Gewässerströmung und Verfahren für dessen Betrieb
Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 zur Energiegewinnung aus einer Gewässerströmung mit einer variierenden
Hauptanströmungsrichtung, insbesondere eine Gezeitenströmung, sowie ein Verfahren für dessen Betrieb.
Zur Anpassung von Gezeitenkraftwerken an eine zyklische Änderung der
Anströmungsrichtung im Verlauf von Ebbe und Flut wurden unterschiedliche Konzepte vorgeschlagen. Eine Möglichkeit, die beispielsweise durch die
GB 2347976 A beschrieben wird, besteht darin, die Rotorblätter einer Axialturbine drehbar an einer Nabe zu befestigen und für den Tidenwechsel eine 180°-Drehung um die Längsachsen der Rotorblätter auszuführen. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass effiziente, für eine unidirektionale Anströmung ausgelegte Rotorblattprofile verwendet werden können. Allerdings erhöht der
Blattwinkelverstellmechanismus die Komplexität der Rotorblattanbindung. Darüber hinaus muss die Steuerung für die Blattwinkeleinstellung sehr zuverlässig arbeiten, da. eine Falschanströmung zu schweren Anlagenschäden führen kann.
Ein weiteres, die Verwendung eines unidirektional anströmbaren Rotorblattprofils ermöglichendes Anlagenkonzept für Gezeitenkraftwerke zur Anpassung an den Tidenwechsel besteht in einer Gesamtnachführung der die Turbine lagernden Komponente. Typischerweise ist dies ein Gondelgehäuse mit der
Lagerungseinrichtung für eine Axialturbine. Bekannt ist das Konzept aus der Windkraft - hierzu wird exemplarisch auf die US 2008/0111379 AI verwiesen, wobei eine Drehvorrichtung für das Gondelgehäuse eines Gezeitenkraftwerks eine Drehung um 180° ausführen muss. Der zu diesem Zweck verwendete Drehantrieb kann beispielsweise elektrisch oder hydraulisch erfolgen. Denkbar ist auch die Verwendung eines externen Antriebs in Form eines Strahlruders, das Kräfte auf ein Gondelgehäuse einleitet - hierzu wird beispielhaft auf die US 2010/0038911 AI verwiesen. Denkbar ist auch die Verwendung einer passiv wirkenden
Drehvorrichtung, beispielsweise mittels einer Lee-Anordnung der Axialturbine. Im Falle eines beispielsweise in der KR 1020090116152 A offenbarten Luv-Designs sind flossenförmige, leeseitig liegende Strömungsleitflächen zur Ausrichtung der Anlage notwendig.
Die bekannten Vorrichtungen zur Gesamtnachführung einer Axialturbine für ein Gezeitenkraftwerk ermöglichen entweder eine Drehbewegung der
Maschinengondel um eine Hochachse oder eine Drehung um eine im Wesentlichen horizontal verlaufende Achse. Für Letzteres wird auf die DE 10 2007 013 293 AI und die GB 2 431 207 A verwiesen. Für beide Konfigurationen ist der
Drehvorrichtung ein Drehwinkelbereich von mindestens 180° zugeordnet, um den Betrieb der Anlage bei ein- und auslaufender Tideströmung zu ermöglichen.
Ein weiteres Anlagenkonzept für Gezeitenkraftwerke geht von einer ortsfesten Anlage mit drehstarr an einer Axialturbine angelenkten Rotorblättern aus. Die Anpassung an den Tidenwechsel wird durch ein bidirektional anströmbares Profil der Rotorblätter bewirkt. Zu diesem Zweck können doppeltachssymmetrische, ellipsenförmige Profile verwendet werden. Hierzu wird auf die
WO 2006/125959 AI verwiesen. Eine Alternative stellen Profile mit einer
Punktsymmetrie und einer Wölbung dar, sodass die Skelettlinie einem S-Schlag folgt - hierzu wird auf die US 2007/0231148 AI verwiesen. Die Verwendung drehstarr angelenkter Rotorblätter mit bidirektional anströmbaren Profilen führt zu robusten und wartungsarmen Anlagen, da auf zusätzliche Lagerungs- und
Antriebskomponenten für eine zur Nachführung verwendete Dreh Vorrichtung verzichtet werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftwerk zur Energiegewinnung aus einer Gewässerströmung, deren Strömungsrichtung zeitlich variabel ist, anzugeben, das ein möglichst wartungsarmes Design aufweist. Zusätzlich soll das Kraftwerk eine richtungsvariable Gewässerströmung effizient zur
Energiegewinnung nutzen und zugleich eine konstruktiv einfache Abregelung für den Überlastfall aufweisen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Erfindungsgemäß wird eine Anlage mit einer bidirektional anströmbaren Axialturbine mit drehstarr angelenkten Rotorblättern, die für den kombinierten Luv- und Lee-Betrieb ein bidirektional anströmbares Profil aufweist, mit einer Drehvorrichtung kombiniert, die keine vollständige
Richtungsumkehr zulässt und stattdessen lediglich eine Teildrehung bewirkt.
Demnach arbeitet das Kraftwerk im zyklischen Wechsel im Luv- und im Leebetrieb und der Relativwinkel zwischen der Rotationsachse der Axialturbine und der Hauptanströmungsrichtung wird lediglich in einem begrenzten Drehwinkelbereich kleiner als 180° nachgeführt, um Asymmetrien des Tidenzykluses oder
meteorologisch bedingte Anströmungsvariationen auszugleichen. Darüber hinaus ermöglicht die Drehvorrichtung zur Anpassung des Relativwinkels zwischen
Rotationsachse und Hauptanströmungsrichtung im Überlastfall eine
Anlagenabregelung, indem der Relativwinkel auf die durch Anschläge vorgegebene Maximalwinkelabweichung geführt wird.
Die Drehvorrichtung weist einen ersten Anschlag und einen zweiten Anschlag zur Begrenzung des Drehwinkels auf einen Winkelbereich kleiner als 180° auf. Als Folge kann die Steuerungsvorrichtung konstruktiv vereinfacht werden, da eine Fehlsteuerung der Drehvorrichtung nicht zu einer grundlegenden
Falschanströmung des für den Luv- und den Lee-Betrieb ausgelegten Rotors führen kann. Daher gefährdet ein Ausfall der Drehvorrichtung nicht die gesamte Anlage. Darüber hinaus resultiert aus der erfindungsgemäß vorgesehenen Teildrehung in einem Drehwinkelbereich kleiner als 180° eine konstruktive Vereinfachung der Antriebe und der Lagerung für die Drehvorrichtung. So kann die Linearbewegung eines Hydraulikzylinders mittels einer mechanischen Umlenkung zur Ausführung einer Drehung um einen begrenzten Winkelbereich verwendet werden. Außerdem können Ruder und Flossen an der Maschinengondel zum Antrieb der
Drehvorrichtung dienen, ohne dass diese eine große Auskraglänge in Lee-Richtung aufweisen, da durch die Anschläge der Drehvorrichtung die drehbare
Kraftwerkskomponente durch die Vorgabe eines begrenzten Drehwinkel bereichs nicht gänzlich falsch zur Strömung stehen kann. Um die Ausführung des
Drehantriebs möglichst zu vereinfachen wird der Drehwinkelbereich der
Drehvorrichtung möglichst eng gefasst und an den Anlagenstandort angepasst. Für eine bevorzugte Ausgestaltung ist der Drehwinkelbereich kleiner als 90° und besonders bevorzugt kleiner als 60°. Ferner werden der erste und zweite Anschlag bevorzugt entsprechend der Asymmetrie der Tidenströmung am Anlagenstandort eingestellt. Für asymmetrische Tidenellipsen mit einer Winkelabweichung kleiner als 30° von der 180°-Relativlage für die gemittelten Anströmungsrichtungen bei Ebbe einerseits und Flut andererseits ist ein Drehwinkelbereich kleiner als 45° vorteilhaft, da die Anlage zu den wesentlichen Hauptanströmungsrichtungen nachgeführt und die Drehvorrichtung konstruktiv einfach ausgeführt werden kann.
Für eine bevorzugte Ausgestaltung wird die umlaufende Einheit mit der
Axialturbine an einer Maschinengondel gelagert und die Drehvorrichtung zwischen der Maschinengondel und der Stützstruktur angeordnet. Demnach ist die von der Drehvorrichtung innerhalb des vorgegebenen Drehwinkelbereichs bewegte
Kraftwerkskomponente die Maschinengondel. Entsprechend wird die
Rotationsachse der Axialturbine relativ zur Anströmungsrichtung nachgestellt. Als Anströmungsrichtung wird dabei eine Hauptanströmungsrichtung angenommen, die im Rotorkreis der Axialturbine eine Mittelung des Strömungsfelds darstellt. Eine mögliche Ausführungsform der Drehvorrichtung umfasst eine Drehachse, die horizontal verläuft und die senkrecht zur Rotationsachse der Axialturbine steht. Für eine Ausgestaltung mit einer Maschinengondel und einer daran gelagerten Axialturbine besteht so die Möglichkeit, durch eine begrenzte Kippbewegung der Maschinengondel die Rotationsachse der Axialturbine von der
Hauptanströmungsrichtung wegzuführen, um zur Anlagenabregelung die
Rotorkennlinie zu verändern. Hierzu wird bevorzugt eine
Überlastdetektionseinrichtung am Kraftwerk verwendet, die mit einer
Steuerungseinrichtung für die Drehvorrichtung in Verbindung steht.
Zur effizienten Energieausnutzung an einem Standort mit einer unsymmetrischen Tidenellipse wird eine Drehvorrichtung mit einer vertikal verlaufenden und senkrecht zur Rotationsachse der Axialturbine stehenden Drehachse bevorzugt. Diese ermöglicht, eine wetterbedingte Variation der Hauptanströmungsrichtung sowie standortspezifische Richtungsabweichungen einer ein- oder auslaufenden Tidenströmung auszugleichen, die durch das Relief am Gewässergrund verursacht werden. Zu diesem Zweck umfasst das Kraftwerk eine Strömungsmessvorrichtung zur Bestimmung der aktuell vorliegenden Hauptanströmungsrichtung, die mit einer Steuerungseinrichtung für die Drehvorrichtung in Verbindung steht.
Für die Strömungsmessvorrichtung werden bevorzugt verteilte Sensoren und/oder Volumenmessmethoden angewandt, um die Strömungsverhältnisse über die gesamte vom Rotor überstrichene Fläche zu erfassen oder hinreichend genau abschätzen zu können. Hierzu kommt ein Sonar, ein Ultraschall-Doppler-Profil- Strömungsmesser (ADCP) oder ein Laser-Doppler-Anemometer in Frage. Ferner können zur Vermessung des Strömungsfelds Wirbeldurchflussmesser,
Staudruckrohre, Differentialdrucksensoren oder indirekte Messsysteme wie
Dehnungsmessstreifen an den von der Strömung beaufschlagten Bereichen verwendet werden. Die sensorischen Komponenten werden bevorzugt um die Anlage oder auf ortsfesten Anlagenteilen, wie der Stützstruktur, angeordnet. Sie können aber auch auf mitbewegten Anlagenkomponenten wie der Haube des Rotors, dem Kopplungsanschluss zum Turm oder der Maschinengondel platziert werden. Des Weiteren werden die Messwerte auf einer Zeitskala von mehreren Minuten gemittelt und auf das Auftreten von Strömungsanomalien, etwa die Ausbildung von Wirbeln, hin untersucht. Außerdem kann zur Steuerung der Drehvorrichtung ein standortangepasstes Gezeitenmodell hinterlegt werden. Dies basiert auf einer Gezeitenvoraussage, ausgehend vom Mondkalender für den vorliegenden
Standort, die durch standortspezifische Korrekturen verfeinert ist. Die
standortspezifischen Korrekturen können im Betrieb aus den akkumulierten Messdaten der tatsächlichen Anströmung bestimmt werden. Denkbar ist ferner, Daten aus der Energiegewinnung der Anlage sowie die Zeiten zu denen der Anlagenstillstand eintritt zur Bestimmung der Korrekturfaktoren heranzuziehen. Darüber hinaus ist eine Steuerung der Drehvorrichtung denkbar, die die Anlage so ausrichtet, dass die Ausgangsleistung optimiert wird. Hierzu kann ein MPP-Regler verwendet werden.
Für eine Weitergestaltung der Erfindung erfolgt durch die Drehvorrichtung kein Lagewechsel der Rotationsachse der Axialturbine relativ zum ortsfesten System. Stattdessen steht die Drehvorrichtung mit einer Kraftwerkskomponente in
Verbindung, die einem die Axialturbine umhüllenden Strömungsgehäuse zugeordnet ist. Ausgangspunkt ist demnach eine Mantelturbine mit einer von einem Strömungsgehäuse umschlossenen Axialturbine. Bevorzugt ist eine bewegliche Ausbildung der Zu- und Abströmungsbereiche des
Strömungsgehäuses, sodass diese relativ zu einer variierenden
Hauptanströmungsrichtung einstellbar sind. Denkbar ist auch die Drehung des gesamten Strömungsgehäuses oder eine Verdrehung von Komponenten eines der Axialturbine vor- oder nachgeschalteten Leitapparats. Erfindungsgemäß ist der Drehwinkel für die jeweilige Kraftwerkskomponente auf einen Winkelbereich kleiner als 180° beschränkt, sodass sich die Durchströmung an der Axialturbine bei einem Tidenwechsel umkehrt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit Figurendarstellungen genauer erläutert, die Folgendes darstellen:
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftwerk gemäß der Schnittansicht A-A aus Figur 2.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftwerks in
Seitenansicht.
Figur 3 zeigt eine asymmetrische Tidenellipse.
Figuren 4a, 4b zeigen das Kraftwerk aus Figur 1 für unterschiedliche
Anströmungsbedingungen.
Figuren 5a, 5b zeigen eine Ausführungsalternative eines erfindungsgemäßen
Kraftwerks in Seitenansicht im Normalbetrieb und in
Überlaststellung.
Figur 2 zeigt schematisch vereinfacht ein erfindungsgemäßes Kraftwerk in
Seitenansicht. Dargestellt ist eine an einer Maschinengondel 8 gelagerte
Axialturbine 4. Dabei weist die Axialturbine 4 eine horizontale Drehachse 5 auf, die parallel zur Hauptanströmungsrichtung 2 ausgerichtet wird. Die
Hauptanströmungsrichtung 2 stellt eine geschwindigkeitsgewichtete Mittelung der Anströmung in jenem Bereich dar, der durch den Rotorkreis der Axialturbine 4 festgelegt wird. Wie durch den Doppelpfeil skizziert, liegt eine variierende
Hauptanströmungsrichtung 2 im Sinne eines zyklischen Wechsels der
Strömungsrichtung vor, die die Axialturbine 4 wechselnd im Luv- und im Lee- Betrieb antreibt. Entsprechend werden die Rotorblätter 6.1, 6.2, die drehstarr an einem Rotorkopf 7 der umlaufenden Einheit 3 der Axialturbine 4 befestigt sind, als bidirektional anströmbare Rotorblätter 6.1, 6.2 ausgelegt. Das hierfür notwendige bidirektional anströmbare Profil, typischerweise ein doppeJtachssymmetrisches oder S-schlagförmiges Profil, zieht sich wenigstens über einen Teilbereich der Längserstreckung des Blatts.
Erfindungsgemäß ist für eine für den kombinierten Luv- und Lee-Betrieb ausgelegte Anlage eine zusätzliche Drehvorrichtung 13 vorgesehen, die eine Teildrehung der Maschinengondel 8 ermöglicht. Die Drehung erfolgt um die Anlagenhochachse, die vorliegend die Drehachse 20 bildet. Wie dargestellt, liegt die Schnittstelle zwischen dem drehenden Teil 18 der Anlage und dem ortsfesten Teil 27 an einem Turmadapter an der Maschinengondel 8, der an einer
Kopplungsvorrichtung 12 auf ein Stützelement 9 aufgesetzt ist. Dabei ruht das Stützelement 9 auf einem Fundamentteil 10, durch das die Abstützung am
Gewässergrund 11 bewirkt wird.
In Figur 2 ist ferner eine Strömungsmessvorrichtung 21 am ortsfesten Teil 27 skizziert, die zur Erfassung der Hauptanströmungsrichtung 2 dient. Die
Messsignale werden an eine Steuerungseinrichtung 22 übermittelt, die zur
Steuerung und/oder Regelung des Drehantriebs 23 für die Dreh Vorrichtung 13 vorgesehen ist.
Figur 1 zeigt den Schnitt A-A aus Figur 2, wobei zur Verdeutlichung der
Drehvorrichtung 13 lediglich die Drehwinkelbegrenzungseinrichtung vereinfacht skizziert ist. Dargestellt sind ein erster Anschlag 15 und ein zweiter Anschlag 16 am ortsfesten Teil 27. Diese wirken mit einem Vorsprung 19 am drehenden Teil zur Begrenzung eines Drehwinkelbereichs 17 für die Drehvorrichtung 13
zusammen. Für die vorliegende Ausgestaltung ergibt sich für die Maschinengondel 8 ein Drehwinkelbereich 17 von 90° um die Drehachse 20. Durch einen im
Einzelnen in Figur 1 nicht dargestellten Drehantrieb kann eine
Anlagennachführung innerhalb des Drehwinkelbereichs 17 ausgeführt werden.
Die in Figur 1 skizzierte Hauptanströmungsrichtung 2 zeigt für eine Luv- oder Lee- Anströmung einen Relativwinkel 14 zur Rotationsachse 5 der Axialturbine 4, der durch die Drehvorrichtung 13 zurückgeführt werden kann. Solche Variationen der Hauptanströmungsrichtung 2, die für Gezeiten an bestimmten Anlagenstandorten auftreten können, sind in Figur 3 gezeigt - illustriert ist eine asymmetrische Tidenellipse. Dabei kann die Hauptanströmungsrichtung innerhalb einer
Tidenphase aufgrund standortspezifischer Gegebenheiten oder bedingt durch Wettereinflüsse variieren. Dies ist in Figur 3 anhand der
Hauptanströmungsrichtungen 2.1, 2.2, 2.3 für die Flutphase und der
Hauptanströmungsrichtungen 2.4, 2.5, 2.6 für die Ebbephase dargestellt.
Ersichtlich ist ferner, dass die der Ebbe und der Flut zugeordneten Teile der Tidenellipse nicht symmetrisch angelegt sind, wobei sich eine solche
Strömungscharakteristik aus dem am Gewässergrund vorliegenden Relief und dem Verlauf der Küstenlinie sowie dem Standort vor- oder nachgelagerten Inseln oder seetechnischen Bauwerken ergibt.
In den Figuren 4a und 4b ist die Anlagenstellung für zwei unterschiedliche
Anströmungssituationen dargestellt. In Figur 4a führt die vorliegende
Hauptanströmungsrichtung 2.7 zu einem Lee-Betrieb der Anlage, wie dargestellt verlaufen die Rotationsachse 5 und die Hauptanströmungsrichtung 2.7 parallel. Figur 2.8 zeigt das Kraftwerk 1 im Luv-Betrieb und in einer durch die
Drehvorrichtung 13 nachgeführten Stellung. Dabei liegt ein Relativwinkel 14 zwischen der Rotationsachse 5 und der Hauptanströmungsrichtung 2.8 vor. Dieser wird vorzugsweise auf einer Zeitskala von einigen Minuten durch die Drehvorrichtung 13 korrigiert, wobei eine zeitliche Mittelung und eine Filterung für die Messdaten der Hauptanströmungsrichtung 2.8 zugrundegelegt werden.
Eine vereinfachte Ausführung der Erfindung ist in den Figuren 5a, 5b skizziert. Gezeigt ist ein erfindungsgemäßes Kraftwerk in Seitenansicht in zwei
unterschiedlichen Betriebsstellungen. Vorliegend weist die Drehvorrichtung 13 eine horizontal verlaufende Drehachse 20.2 auf, die eine Kippbewegung der
Maschinengondel 8 am Turmadapter, der den ortsfesten Teil 27 bildet, ermöglicht. In Figur 5a liegt die Maschinengondel 8 an einem ersten Anschlag 15.1 der Drehvorrichtung 13 an und befindet sich in Betriebsstellung. Skizziert ist eine wechselnde Hauptanströmungsrichtung 2, die zu einer bidirektionalen Anströmung an der Axialturbine 4 und zu einem kombinierten Luv- und Lee-Betrieb führt.
Mittels einer Überlastdetektionseinrichtung 24, die mit den Überlastsensoren 25.1, 25.2 in Verbindung steht, wird das Strömungsfeld vermessen. Im Fall einer
Hauptanströmungsrichtung 2, deren Geschwindigkeit oberhalb eines festgelegten Schwellwerts liegt, wird zur Entlastung der Axialturbine 4 eine Kippbewegung der Maschinengondel 8 um die Drehachse 20 bis zum Erreichen des zweiten Anschlags 16.1 bewirkt. Diese in Figur 5a dargestellte Betriebsstellung führt zu einer
Schräganströmung, die die Lasten an den Rotorblättern 6.1, 6.2 verringert. Die Lastreduktion beruht auf einer Verkleinerung der Projektionsfläche des
Rotorkreises auf eine zur Hauptanströmungsrichtung 2 senkrechte Ebene. Ferner führt die Schräganströmung zu einer Veränderung der Rotorkennlinie die die Leistungsaufnahme und die Rotorlasten verändert. Der für diese Ausführung zur Anlagenabregelung von der Drehvorrichtung 13 eingestellte Relativwinkel 14 zwischen der Rotationsachse 5 und der Hauptanströmungsrichtung 2 entspricht dem durch die Lage des ersten Anschlags 15.1 und des zweiten Anschlags 16.1 festgelegten Drehwinkelbereich, der vorliegend kleiner als 45° ist. Zur Überführung der Maschinengondel 8 von der in Figur 5a gezeigten
Betriebsstellung zu der durch Figur 5b illustrierten, abgeregelten Stellung, kann ein Auftriebstank 26 in der Maschinengondel 8 verwendet werden. Durch das Ausblasen des Auftriebstanks 26 entsteht ein positiver Auftrieb, der die
Maschinengondel 8 mitsamt der Axialturbine 4 in die in Figur 5b gezeigte, teilaufgerichtete Stellung dreht. Das aufrichtende Moment muss so hinreichend groß sein, dass auch der Staudruck einer Lee-Anströmung die Maschinengondel 8 nicht zum ersten Anschlag 15.1 zurückführt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Schutzansprüchen.
Bezugszeichenliste
Kraftwerk
..,2.8 Hauptanströmungsrichtung
3 umlaufende Einheit
4 Axialturbine
5 Rotationsachse
6.1, 6.2 Rotorblatt
7 Rotorkopf
8 Maschinengondel
9 Stützelement
10 Fundamentteil
11 Gewässergrund
12 Kopplungsvorrichtung
13 Drehvorrichtung
14 Relativwinkel
15, 15.1 erster Anschlag
16, 16.1 zweiter Anschlag
17 Drehwinkelbereich
18 drehender Teil
19 Vorsprung
20, 20.2 Drehachse
21 Ström u ngsmessvorrichtu ng
22 Steuerungseinrichtung
23 Drehantrieb
24 Überlastdetektionseinrichtung
25.1, 25.2 Überlastsensoren
26 Auftriebstank
27 ortsfester Teil
28 Tidenellipse

Claims

Patentansprüche
1. Kraftwerk zur Energiegewinnung aus einer Gewässerströmung mit einer variierenden Hauptanströmungsrichtung (2), umfassend
1.1 eine umlaufende Einheit (3) mit einer Axialturbine (4), der eine
Rotationsachse (5) zugeordnet ist und die wenigstens ein Rotorblatt (6.1, 6.2) umfasst;
1.2 wobei das Rotorblatt (6.1, 6.2) drehstarr an einem Rotorkopf (7) der
umlaufenden Einheit (3) befestigt ist; und
1.3 wobei das Rotorblatt (6.1, 6.2) für den Luv- und Lee-Betrieb wenigstens über einen Teilbereich seiner Längserstreckung ein bidirektional
anströmbares Profil aufweist;
dadurch gekennzeichnet, dass
1.4 eine Drehvorrichtung (13) für eine Kraftwerkskomponente zur Einstellung eines Relativwinkels (14) zwischen der Rotationsachse (5) und der
Hauptströmungsrichtung (2) vorliegt, wobei der Drehvorrichtung (13) ein erster Anschlag (15) und ein zweiter Anschlag (16) zugeordnet sind, die den Bewegungsbereich der Drehvorrichtung (13) auf einen
Drehwinkelbereich (17) kleiner als 180° beschränken.
2. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Einheit (3) an einer Maschinengondel (8) gelagert ist, die von einem
Stützelement (9) getragen wird, wobei die Drehvorrichtung (13) zwischen der Maschinengondel (8) und dem Stützelement (9) angeordnet ist.
3. Kraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Drehvorrichtung (13) eine Drehachse (20.2) umfasst, die horizontal verläuft und welche senkrecht zur Rotationsachse (5) der Axialturbine (4) steht. Kraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehvorrichtung (13) eine Drehachse (20) umfasst, die vertikal verläuft senkrecht zur Rotationsachse (5) der Axialturbine (4) steht.
Kraftwerk nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Axialturbine (4) frei von der Gewässerströmung umströmt wird und die Drehvorrichtung (13) so angelegt ist, dass die Lage der Rotationsachse (5) innerhalb des Drehwinkelbereichs (17) einstellbar ist.
Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialturbine (4) von einem Strömungsgehäuse umschlossen ist und die Drehvorrichtung (13) so angelegt ist, dass die Lage wenigstens einer Strömungsgehäusekomponente einstellbar ist.
7. Kraftwerk nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Kraftwerk eine Strömungsmessvorrichtung (21) zur Bestimmung der Hauptanströmungsrichtung (2) umfasst, die mit einer Steuerungseinrichtung (22) für die Drehvorrichtung (13) in Verbindung steht.
8. Kraftwerk nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Kraftwerk eine Überlastdetektionseinrichtung (24) umfasst, die mit einer Steuerungseinrichtung (22) für die Drehvorrichtung (13) in Verbindung steht.
9. Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerks für die Energiegewinnung aus einer Gewässerströmung mit einer variierenden Hauptanströmungsrichtung (2) mit einer umlaufenden Einheit (3) umfassend eine Axialturbine (4), der eine Rotationsachse (5) zugeordnet ist und die wenigstens ein Rotorblatt (6.1, 6.2) umfasst, wobei das Rotorblatt (6.1, 6.2) drehstarr an dem Rotorkopf (7) der umlaufenden Einheit (3) befestigt ist; und
wobei das Rotorblatt (6.1, 6.2) für den Luv- und Lee-Betrieb über wenigstens einen Teilbereich seiner Längserstreckung ein bidirektional anströmbares Profil aufweist;
mit dem Verfahrensschritt
einer Einstellung eines Relativwinkels (14) zwischen der Rotationsachse (5) und der Hauptanströmungsrichtung (2) mittels einer Drehvorrichtung (13), der ein erster Anschlag (15) und ein zweiter Anschlag (16) zugeordnet sind, wobei die Einstellung des Relativwinkels (14) in einem Drehwinkelbereich (17) ausgeführt wird, der durch den ersten Anschlag (15) und den zweiten Anschlag (16) auf einen Winkelbereich kleiner als 180° beschränkt ist.
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