WO2012171599A1 - Wellenenergiekonverter und verfahren zum betreiben eines wellenenergiekonverters - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a wave energy converter for converting energy from a wave motion of a fluid into another form of energy and a corresponding method.
- Floating known by the lifting and lowering, for example, a linear generator is driven.
- the so-called "Wave Roller” a planar resistance element is attached to the seabed, which is tilted back and forth by the wave motion.
- the kinetic energy of the resistance element is converted in a generator, for example, into electrical energy.
- a maximum damping or load factor of 0.5 can be achieved, so that their economic efficiency is generally unsatisfactory.
- particular wave energy converters are of interest, which are arranged substantially below the water surface, and in which a crankshaft or rotor shaft is set in rotation by the wave motion.
- US 2010/0150716 A1 discloses a system of several high-speed rotors with buoyancy rotors in which the rotor period is smaller than the wave period and a separate profile adjustment is made. By a suitable, but not further disclosed adjustment of the lift rotor resulting forces to be generated on the system, which can be used for different purposes.
- a disadvantage of the system disclosed in US 2010/0150716 A1 is the use of high-speed rotors of the Voith-Schneider type, which require a great deal of effort in adjusting the lift rotor. These must be continuously adjusted in a not inconsiderable angle range in order to be adapted to the prevailing flow conditions prevailing on the lift rotor. To compensate for the forces acting on the individual rotors, resulting from rotor and generator torque forces more rotors are always required at defined distances from each other.
- the object of the invention is to improve rotating wave energy converters, in particular in the sense of a greater energy yield and a lower constructional and / or control-related expense.
- a wave energy converter for converting energy from a wave movement of a fluid into another form of energy with at least one rotor, which is coupled to at least one energy converter.
- the rotor has a two-sided rotor base with respect to its plane of rotation, wherein at least one coupling body is mounted on each side of the rotor base.
- the forces acting on a generator coupled to the rotor and convertible into usable energy can be increased, and the position of a corresponding wave energy converter can be selectively controlled by deliberately influencing effective moments on both sides of the two-sided rotor base, as explained below , If the forces acting on both sides of the two-sided rotor base are different, a torque acting perpendicularly to the axis of rotation of the two-sided rotor can be generated on the rotor and thus a rotation of the wave energy converter can be effected.
- a precise alignment, e.g. to a wave propagation direction, is possible. Not all coupling body must necessarily be designed to be adjustable, an adjustability of only a portion of the coupling body is sufficient.
- an adjustment of the coupling body can be completely dispensed with, so that only by a generator torque, as explained below, specifically the respective acting forces can be influenced. This results in a particularly robust construction and a reduced maintenance susceptibility, especially in view of the harsh conditions on the high seas.
- At least one coupling body may be adjustably formed on at least one side of the rotor base, wherein corresponding adjusting means are provided for adjusting the at least one coupling body on the at least one side of the two-sided rotor base.
- corresponding adjusting means are provided for adjusting the at least one coupling body on the at least one side of the two-sided rotor base.
- different configurations may be advantageous.
- a different moment influencing on two sides of a corresponding double-sided rotor is already possible in that only one coupling body is adjustable on one side of a double-sided rotor, the one or the other, but not on the other side, in particular.
- several or all of the coupling bodies may be adjustable on one side, but not on the other side.
- configurations can be used in which an adjustment of several or all coupling body on both sides is possible. Depending on the scope of the adjustment results in a more or less expensive construction. The higher the The degree of adjustability is the more flexible a corresponding rotor can be adapted or
- a plurality of rotors can be used in a corresponding device or a corresponding method, with which in each case an identical or deviating effective force is generated.
- the generated effective forces can overlap to a total force, which can be influenced by the respective contributions.
- An advantageous method comprises operating a wave energy converter having at least one rotor and at least one energy converter coupled to the at least one rotor, wherein the shaft movement causes a first torque acting on the at least one rotor and the second at least one energy converter acting on the at least one rotor Torque is generated.
- the "first" torque is composed of the two “first” torques acting on each side of the rotor.
- a desired effective force acting perpendicular to a rotation axis of the at least one rotor is set by adjusting the first and / or second torque.
- a corresponding wave energy converter can also operate with only one rotor, since it can even compensate for any moments acting on it perpendicular to the axis of rotation or superimposed forces and therefore no oppositely directed force of a second or further rotor is required .
- the invention presented here generally considers plants with a rotary action principle, eg also converters with several rotors, as shown for example in FIG. The following explanations therefore apply in principle to wave energy converters with one or more rotors.
- a wave energy converter with at least one, as explained below, advantageously provided synchronously or largely synchronously to a wave (orbital) movement or flow rotating rotor for the conversion of energy from a wavy body, which is energetically and control technology advantageous, and at in addition, by a corresponding operation or constructive design aims to influence resulting forces and be harnessed for influencing the overall system.
- a wave energy converter can be achieved with a suitable design and operation almost complete extinction and thus utilization of the incoming wave. This is especially true for monochromatic waves.
- the adjustment of the lift rotor used in a corresponding wave energy converter, ie of coupling bodies, which are adapted to implement a wave motion in a buoyancy force and thus in a torque of a rotor, does not or only to a small extent due to the synchronous or largely synchronous operation, since an incident flow of a corresponding profile is largely carried out over the entire rotation of the profile-carrying rotor away from a same direction of flow.
- An adjustment of an angle of attack ⁇ as in the known Voith-Schneider rotors (also referred to as Pitchen), is therefore not necessary, but may be advantageous.
- the water particles move on largely circular so-called orbital orbits (in the form of an orbital motion or orbital flow, whereby both terms are also used synonymously).
- the water particles move under a wave crest in the direction of propagation of the wave, under the wave trough against the wave propagation direction and in the two zero crossings upwards or downwards.
- the flow direction at a fixed point below the water surface (referred to as local or instantaneous flow) thus changes continuously with a certain angular velocity O.
- the orbital flow is largely circular in the deep water, and in the shallow water the circular orbitals become increasingly flat ellipses , A flow may be superimposed on the orbital flow.
- the orbital radii are dependent on the depth. They are maximal at the surface - here the orbital diameter corresponds to the wave height - and decrease exponentially with increasing water depth. At a water depth of about half the wavelength, therefore, only about 5% of the energy can be obtained as near the water surface. Submerged wave energy converters are therefore preferably operated close to the surface.
- a rotor is provided with a substantially horizontal rotor axis and at least one coupling body.
- the rotor advantageously rotates synchronously with the orbital flow at an angular velocity ⁇ and is transmitted via the at least one coupling head. body driven by the orbital flow.
- first torque referred to in the context of this invention as "first torque” or “rotor torque”
- rotor torque acts on the rotor Rotor rotation movement and those of the orbital flow, at least to some extent, match (for the term “synchronicity” used here below), so there is always a constant local flow on the coupling body apart from the mentioned depth effect and width effects at large rotor diameters
- the wave motion can be continuously withdrawn from energy and converted by the rotor into a usable torque.
- Coupled body is understood to mean any structure by means of which the energy of an inflowing fluid can be coupled into a rotor movement or a corresponding rotor moment.
- Coupling bodies can, as explained below, be designed in particular as a lift rotor (also referred to as a "wing”), but also comprise resistance rotors.
- synchronicity may refer to a rotor rotation movement, due to which there is a complete match between the position of the rotor and the direction of the local flow, which is caused by the orbital flow at any time.
- a "synchronous" rotor rotation movement can also take place such that a defined angle or a defined angular range (ie the phase angle is over a revolution within the angular range) results.
- the result is therefore a defined phase offset or phase angle ⁇ between the rotor rotational movement ⁇ and the orbital flow O.
- the "position" of the rotor or of the at least one coupling body arranged on the rotor is always e.g. definable by an imaginary line through the rotor axis and, for example, the axis of rotation or the center of gravity of a coupling body.
- Such synchronicity is directly derivable especially for monochromatic wave states, ie wave states with always constant orbital flow O.
- monochromatic wave states ie wave states with always constant orbital flow O.
- multichromatic wave states ie in real sea conditions where orbital velocity and diameter are due to mutual superposition of waves, changing wind influence and Same, change (so-called multichromatic wave states), but can also be provided that the machine is operated under a constant angle only to a certain extent to the respective current flow.
- an angular range can be defined within which the synchronicity is still considered to be maintained.
- suitable control measures including the adjustment of at least one coupling body for generating said first torque and / or a braking or accelerating second torque of the energy converter. Not all coupling bodies must necessarily be adjusted or have a corresponding adjustment. In particular, no synchronous adjustment of multiple coupling body is required.
- the rotor may be synchronized to at least one major component of the shaft (e.g., a major mode of superimposed shafts), thereby temporarily leading or lagging the local flow. This can be achieved by a corresponding adaptation of the first and / or second torque.
- Such an operation is also encompassed by the term "synchronous", as well as a fluctuation of the phase angle in certain areas, which causes the rotor to experience an acceleration (positive or negative) in relation to the wave phase in the meantime.
- the aforementioned first torque which, as mentioned, may consist of a plurality of first torques, can therefore be used, for example. be influenced by the angle of attack ⁇ . It is known that with increasing angle of attack a, the resulting forces increase on the lift rotor until a break in the lift coefficient is observed in the so-called stall boundary, where a stall occurs. The resulting forces also increase with increasing flow velocity. This means that the resulting forces and thus the torque acting on the rotor can be influenced via a change in the angle of attack ⁇ and, associated therewith, the angle of incidence ⁇ .
- a second torque acting on the rotor may be provided by an energy converter coupled to the rotor or its rotor base.
- This second moment also referred to below as the "generator torque”
- the generator torque likewise has an effect on the rotational speed VR 0 tor and thus likewise influences the angle of attack a.
- the second moment is in the conventional operation of power generation systems, a braking torque that comes about through the interaction of a generator rotor with the associated stator and is converted into electrical energy.
- a corresponding energy converter in the form of a generator can also be operated by a motor, at least during certain periods of time, so that the second torque can also act on the rotor in the form of an acceleration torque.
- the generator torque can be set in accordance with the current lift profile setting and the resulting forces / moments in such a way that the desired rotational speed with the correct phase offset to orbital flow sets.
- An influencing of the generator torque can take place, inter alia, by influencing an excitation current through the rotor (in the case of separately excited machines) and / or by controlling the commutation of a power converter connected downstream of the stator.
- a rotor force which acts as a bearing force directed perpendicular to the rotor axis (also referred to as a reaction force) on the housing of the rotor.
- an effective force which likewise acts perpendicular to the rotor axis and in the form of a translatory or, in the case of several rotors, as a combination of translatory forces, influences a position of a corresponding wave energy converter and, in the case of a desired or unwanted asymmetry of the bearing force over time can be used specifically to influence the situation.
- a directed perpendicular to the rotor axis bearing force can be generated, as explained in more detail elsewhere.
- the rotor is preferably designed as a system floating under the surface of an undulating body of water, the explained rotor force acts as a shifting force on the entire rotor and must be supported accordingly if the position of the rotor is not to change.
- this is achieved for example in US 2010/0150716 A1 by providing a plurality of rotors whose forces counteract each other. The displacements compensate each other over one revolution when the attack angle ⁇ and thus the first torque and a constant second torque are assumed by constant contact current conditions at the coupling bodies and the same settings.
- a suitable change in the rotor force by influencing the first and / or time torque can thus be achieved while maintaining the synchronicity that the rotor forces per revolution not compensate, so that, for example, a displacement of the rotor can be achieved perpendicular to its axis of rotation.
- a rotor has a plurality of coupling bodies, it can be provided that each coupling body has its own adjusting device, so that the coupling bodies can be set independently of one another.
- the coupling bodies are adjusted to the locally present flow conditions. This also compensates for depth and width effects.
- the generator torque is adjusted to the rotor torque generated by the sum of the coupling bodies.
- the rotor may have a bearing on both sides for coupling body, wherein a Ver adjusting system for the at least one coupling body may be provided on one side or on both sides.
- a Ver adjusting system for the at least one coupling body may be provided on one side or on both sides.
- an embodiment with a one-sided mounting of the at least one coupling body and a free end is provided.
- a housing is advantageously provided, on which it is rotatably supported.
- the second torque is preferably realized by an energy converter, such as a generator.
- a generator such as a generator
- This can in particular be a directly driven generator, as this driveline losses are minimized.
- the interposition of a transmission is possible.
- the coupling bodies can be connected directly or indirectly via corresponding lever arms to the rotor of the directly driven generator.
- the coupling bodies are thus mounted at a distance from the axis of rotation.
- the lever arms can be designed as struts or appropriately designed spacing means which connect the coupling bodies to the rotor, however, a lever arm can also be realized via a corresponding disc-like structure and only fulfill the physical function of a lever. Depending on the configuration, this results in fluidic or structural advantages.
- the adjusting system for adjusting the at least one coupling body may be a system for changing the setting angle ⁇ .
- an adjustment of flaps on the at least one coupling body is similar to Aircraft wings or a change in the coupling body geometry (morphing) possible.
- the adjustment can be done by an electric motor - preferably with stepper motors - and / or hydraulically and / or pneumatically.
- a coupled adjustment of the various coupling bodies may be provided, in which the coupling bodies are connected to a central adjusting device, for example via corresponding adjusting levers. This limits the flexibility of the machine only slightly, but can lead to a simplification of the overall structure.
- the length and angular position of the lever arm of the at least one lift rotor is adjustable in order to move the machine to different shaft conditions, e.g. different orbital radii, to be able to adapt.
- Rotors may be used in which the coupling bodies are aligned with their longitudinal axes substantially parallel to the rotor axis.
- the coupling body can also be arranged at an angle to the rotor, wherein their longitudinal axes at least temporarily run obliquely to the axis of rotation of the rotor.
- the longitudinal axes may converge or diverge or be laterally offset from each other.
- the angular arrangement can relate to both the radial and the tangential orientation.
- an angular arrangement of the at least one coupling body that affects the radial alignment has a stabilizing effect on the system performance to a certain extent. Thus, for different wave states, a different optimum coupling is obtained. development body radius.
- this can be made adjustable.
- a radial-angled arrangement of the coupling body in this case in particular means that the machine can be operated over a wider range of wave states in the vicinity of an optimum.
- the overall system thus behaves more tolerant and allows operation over a wider range of wave states, eg at different orbital radii.
- the angularity can be designed adjustable. Such adjustability of the coupling body angle may be easier to implement than a change in a Hebelarmbone.
- a corresponding angular arrangement in particular in the form of diverging or converging coupling body, can also be used to generate an axial force on a respective rotor, in addition to a previously mentioned and explained in more detail below effective force perpendicular to the rotor axis to compensate for other forces or Position change can be used.
- a control device For controlling the wave energy converter or the rotor and the acting forces, a control device is provided. This uses as control variables the adjustable second torque of the at least one rotor and / or the adjustable first torque, for example by the adjustment of the at least one coupling body, so the first torque.
- the current local flow field of the shaft can be used. This can be determined with appropriate sensors. These sensors can be arranged co-rotating on parts of the rotor and / or on the housing and / or independently of the machine, preferably this upstream or downstream.
- a local, regional and global detection of a flow field, a wave propagation direction, an orbital flow and the like may be provided, wherein a "local" detection on the conditions directly prevailing on a component of a wave energy converter, a "regional” detection on component groups or a single system and can relate a "global” recording to the entire system or a corresponding system park.
- Measured variables can be, for example, the flow velocity and / or flow direction and / or wave height and / or wavelength and / or period duration and / or wave propagation velocity and / or machine movement and / or holding moments of the coupling body.
- the currently prevailing inflow ratios on the coupling body can preferably be determined from the measured variables, so that this and / or the second torque can be adjusted accordingly in order to achieve the higher-level control objectives.
- the entire propagating flow field is known by suitable measurements upstream of the machine or a park of several machines.
- suitable calculations By means of suitable calculations, the following local flow on the machine can be determined, thus enabling particularly precise control of the system.
- With such measurements it becomes possible, in particular, to implement a higher-level control of the machine, which, for example, aligns with a main component of the incoming wave. This makes particularly robust machine operation possible.
- FIG. 1 shows a wave energy converter with a rotor with two lift rotors in a side view and illustrates the angle of attack ⁇ and the phase angle ⁇ between rotor and orbital flow.
- FIG. 2 shows resulting angle of incidence and a 2 and resultant forces on the coupling bodies of the rotor from FIG. 1.
- FIG. 3 illustrates a method for influencing an effective force on the basis of phase angle, angle of incidence, torque and force profiles.
- Figure 4 shows a wave energy converter with a rotor in a side view with a large radial extent with different flow of the coupling body and resulting forces.
- FIG. 5 shows two rotors for converting energy from a wave motion with disc-shaped rotor bases in a perspective view.
- Figure 6 shows a wave energy converter with a rotor for the conversion of energy from a wave motion with lever arms for attachment of coupling bodies in a perspective view.
- FIG. 7 shows a wave energy converter with a rotor for converting energy from a wave motion with a rotor base designed as a generator rotor in a perspective view.
- Figure 8 shows rotors for the conversion of energy from a wave motion with oblique coupling bodies in a perspective view.
- FIG. 9 shows a further wave energy converter for converting energy from a wave motion with oblique coupling bodies in a side view and a plan view.
- FIG. 10 shows a wave energy converter with a rotor for converting energy from a wave motion with a double-sided coupling body arrangement in a perspective view.
- FIG. 11 shows a further wave energy converter with a rotor for converting energy from a wave motion with a double-sided coupling body arrangement in a perspective view.
- FIG. 12 shows a further wave energy converter with a rotor for converting energy from a wave motion with a double-sided coupling body arrangement in a perspective view.
- FIG. 13 shows a wave energy converter with a rotor for converting energy from a wave motion with a double-sided coupling body arrangement to a holding structure in a perspective view.
- FIG. 14 shows a wave energy converter with a rotor for converting energy from a wave motion to a holding structure and with an anchoring device in a side view.
- FIG. 15 shows several wave energy converters with rotors for converting energy from a wave movement on a holding structure in a perspective view.
- FIG. 16 shows a plurality of wave energy converters with rotors for converting energy from a wave motion to a support structure with double-sided coupling body arrangement in a perspective view.
- FIG. 17 shows several wave energy converters with rotors for converting energy from a wave motion to a support structure with partially double-sided coupling body arrangement in a perspective view.
- FIG. 18 illustrates the arrangement of sensors on and around a wave energy converter with rotor for converting energy from a wave motion on a support structure in a side view.
- FIG. 19 illustrates possible changes in shape of coupling bodies in a perspective view. Detailed description of the drawings
- the wave energy converter 1 shows a wave energy converter 1 with a rotor 2, 3, 4 with a rotor base 2, a housing 7, and two coupling bodies 3 fastened to the rotor base 2 so as to be non-rotatable via lever arms 4.
- the rotor 2, 3, 4 is located below the water surface of an undulating body of water, for example an ocean. Its axis of rotation is oriented largely horizontally and largely perpendicular to the current propagation direction of the waves of the undulating body of water.
- the coupling body 3 are executed in the example shown as buoyancy profiles.
- deep-water conditions are to be present, in which the orbital paths of the water molecules, as explained, are largely circular.
- the rotating components of the wave energy converter are provided with a largely neutral buoyancy in order to avoid a preferred position.
- the coupling body 3 are designed as buoyancy runners and arranged at an angle of 180 ° to each other.
- the buoyancy runners are supported in the vicinity of their pressure point in order to reduce rotational torques occurring during operation to the buoyancy runners and thus the requirements for the holder and / or the adjusting devices.
- the radial distance between the suspension point of a coupling body and rotor axis is 1 m to 50 m, preferably 2 m to 40 m, more preferably 4 m to 30 m and most preferably 5 m to 20 m.
- two adjusting devices 5 for adjusting the angle of attack ⁇ and ⁇ 2 of the coupling body 3 between the wing chord and the tangent.
- the two angles of incidence and ⁇ 2 are preferably oriented in opposite directions and preferably have values of
- angles of attack ⁇ and ⁇ 2 can be adjusted independently.
- the adjustment devices can be, for example, electromotive adjustment devices-preferably with stepper motors-and / or hydraulic and / or pneumatic components.
- the two adjusting devices 5 can also each have a sensor 6 for determining the current angle of attack Yi and v 2 . Another, not shown, sensors can determine the state of rotation of the rotor base 2.
- the wave energy converter 1 is impinged by the orbital flow with an onflow velocity Vweiie.
- the incoming flow is the orbital flow of sea waves whose direction changes continuously.
- the rotation of the orbital flow is oriented in the counterclockwise direction, ie the associated wave propagates from right to left.
- the rotor 2, 3, 4 rotates in synchronism with the orbital flow of the wave motion at an angular velocity ⁇ , whereby the term synchronicity is to be understood in the manner explained above.
- ⁇ ⁇ .
- a value or a range of values for an angular velocity ⁇ of the rotor is thus predefined or adapted on the basis of an angular velocity O of the orbital flow. In this case, a constant control or a short-term or short-term adjustment can take place.
- a first torque acting on the rotor 2, 3, 4 is generated.
- a preferably variable second torque in the form of a resistor that is a braking torque, or an acceleration torque can be applied to the rotor 2, 3, 4.
- Means for generating the second torque are arranged between the rotor base 2 and the housing 7.
- the housing 7 is the stator of a directly driven generator and the rotor base 2 is the rotor of this directly driven generator whose bearing, windings etc. are not shown.
- the means for generating the second torque in addition to a generator also include a transmission and / or hydraulic components, such as pumps.
- the means of production of the second torque may additionally or exclusively include a suitable brake.
- phase angle .DELTA whose amount can be influenced by the setting of the first and / or the second torque.
- a phase angle of -45 ° to 45 °, preferably from -25 ° to 25 ° and particularly preferably from -15 ° to 15 ° for generating the first torque appears to be particularly advantageous, since here at the orbital flow v We iie and the flow due to the self-rotation v Ro t 0 r (see Figure 2) are largely oriented perpendicular to each other, which leads to a maximization of the rotor torque.
- Adhering to the required synchronicity, ⁇ const., Whereby in the context of the invention, as already described above, oscillation about an average value of ⁇ is also considered to be synchronous.
- FIG. 2 shows the local influxes by the orbital flow (vweiie.i) and by the intrinsic rotation (v ro tor, i), the inflow velocity (v reS uit Schl, i) resulting as vector sum from these two inflows, and the resultant effects on both coupling bodies - Bending angle of attack ⁇ and a 2 shown.
- the buoyancy arising and resistance forces F Aufii and F W id, i to the two coupling bodies ⁇ both the magnitude of the flow velocity as well as the angles of attack a ⁇ and a 2 and thus also of the angles of attack ⁇ and 2 are derived also depends are perpendicular and parallel to the direction of v reS uraerend.i oriented.
- the amount of this rotor force can also be changed by changing the angle of attack ⁇ (which changes the angle of attack a) by changing the rotor angular velocity ⁇ and / or Phase angle ⁇ - at-
- the generator torque applied as a second torque (whereby v rotor changes) and / or be influenced by a combination of these changes.
- the synchronicity described in the introduction is preferably maintained.
- the resulting forces on the coupling bodies are maximized by large angles of incidence ⁇ , resulting in a large resultant force on the rotor in the flow direction (to the right).
- the second torque in the form of the generator torque is also increased in a suitable manner, since the large angle of attack a also results in large rotor torques, which otherwise lead to an acceleration of the rotor and thus to would lead to a change in the phase angle ⁇ .
- the rotor force is expediently influenced when it is oriented in or counter to the direction in which, for example, a displacement is to be achieved.
- the two angle can ⁇ particular to take account of locally different flow conditions (v We iie may vary, particularly with large rotor extensions and for multi-chromatic flow conditions) can be varied independently of each other in a suitable manner, wherein the generator torque then to achieve absolute synchronicity is suitably tuned to the respective resulting rotor torque. This can have an effect on the line of action of the rotor force and thus influence the vibration behavior of the rotor 1.
- the wave energy converter machine can also be moved vertically or in any spatial directions perpendicular to the rotor axis.
- Such a method can also be used to orbital flow superimposed forces - for example, by ocean currents or similar. compensate - and prevent drifting of the machine. This reduces in particular the requirements for anchoring.
- provision can be made for utilizing the generation of directed resultant forces in order to stabilize the overall system of the machine and / or balance forces.
- a similar procedure results, except that in this case the changes do not have to be made periodically, since the flow direction does not change periodically.
- a displacement of the rotor by cyclically influencing the resulting rotor force can also be achieved by a suitable adjustment of only either the first or the second torque.
- phase angle ⁇ can be varied in a bandwidth between -90 ° ⁇ ⁇ 90 °.
- the angles of incidence ⁇ are in this case preferably in opposite directions - one coupling body is turned inwards (pitched), while the other coupling body is pitched outwards (absolute value) to a fixed value of 0 ° to 20 °, preferably of 3 ° to 15 ° ° and more preferably adjusted from 5 ° to 12 ° and most preferably from 7 ° to 10 °.
- a rotor may also be used in which the second torque constant is set to an average value whose phase angle ⁇ and / or its rotor force takes place while maintaining the required synchronicity by suitably changing the angle of attack ⁇ .
- a wave energy converter 1 is shown in Figure 4, in which the diameter is so large that the direction of flow v We iie the two coupling body 3 fails differently.
- the rotor rotates counterclockwise, the wave propagation direction is oriented from right to left and denoted by W. Below the wave minimum, the water particles move largely horizontally from left to right.
- the left coupling body is still arranged slightly in front of the minimum, so that v We iie, i points slightly downwards and not yet completely oriented horizontally (same flow as in Figure 2).
- both effects can be suitably used or compensated for by a suitable adaptation of the angle of attack ⁇ -that is to say an adjustment of the first torque-and of the second torque, in order to ensure synchronicity even under such conditions and / or the rotor force in a suitable manner influence.
- phase angle ⁇ is defined as the angle between the connecting line of the coupling body 3 facing the orbital flow and the center of rotation and the radial direction of flow of the rotor center.
- FIG. 5 shows two embodiments of the wave energy converter 1. These each have two coupling bodies 3, which are mounted on one or both sides of a rotor base 2.
- the coupling body can be equipped with an adjustment system 5, which serves for the active adjustment of the angle of attack ⁇ of the coupling body.
- the second side can be rotatably mounted, but alternatively, a two-sided attachment of an adjustment system 5 is possible.
- sensors 6 may be provided for determining the angle of attack ⁇ .
- An unillustrated sensor for determining the rotational position ⁇ of the rotor base 2 may also be provided.
- an energy converter 8 which may include, for example, a directly driven generator.
- rotors in which the coupling body or bodies are arranged only on one side of the rotor base 2, are combined under the generic term of one-sided rotors. Double-sided rotors accordingly have a two-sided rotor base 2 with respect to their plane of rotation, at least one coupling body being mounted on each side of the two-sided rotor base 2.
- FIG. 6 shows a perspective view of a wave energy converter 1 with a one-sided rotor, in which the coupling bodies 3 are held by lever arms 4 on a rotor base 2 mounted in a housing 7. It can advantageously be provided that the housing 7 and the rotor base 2 are stators and rotors of a directly driven generator. A rotor shaft 9 as in FIG. 6 is no longer contained here, which leads to savings in structural costs.
- the length of the lever arms 4 can be made adjustable.
- FIG. 7 shows an alternative wave energy converter 1 with a one-sided rotor 2, 3, in which the coupling bodies 3 are coupled directly to a rotor base 2 designed as a rotor of a directly driven generator. Adjustment systems for adjusting the coupling body 3 and sensors for condition monitoring / position determination are not shown, but may be provided. Again, a wave 9 is omitted.
- Figure 8 shows another wave energy converter 1 with rotor 2,3,4 with coupling bodies 3, in which the coupling body 3 are not oriented parallel to the axis of rotation of the rotor 1, but have a tilt in the radial direction, so that with respect to the rotor axis angle ßi and Set ß2. This tilting can for each coupling body. 3 be executed differently and be independently adjustable and be superimposed on the possibly existing adjustment of the angle of attack ⁇ .
- the rotor 1 according to FIG. 7 unites . Quasi different machine radii in one machine, so that a part of the rotor is always optimally designed for the current wave state. In particular, in combination with an adjustment for this angle results in a particularly advantageous rotor with superior properties.
- FIG. 9 shows two views of a further possibility in which the coupling bodies 3 do not run parallel to the axis of rotation.
- FIG. 10 shows a particularly preferred embodiment of a wave energy converter 10 with a rotor.
- This is characterized in that coupling bodies 3 are arranged on both sides of the rotor base 2.
- such rotors are referred to by the term "double-sided rotor".
- the properties and characteristics mentioned above in the explanations to the figures 1 to 9 can be applied and transferred individually or in combination. This means that an angle of attack ⁇ of each coupling body 3 and / or the resistance and / or the phase angle ⁇ can be adjustable, so that the operation management is based on (largely)
- Synchronicity is aligned, and / or that by suitable adjustment of the angle of attack ⁇ , ß and / or d and / or the second torque and / or the phase angle .DELTA.
- the resultant rotor force on the rotor rotation can be varied so that there is a resultant force, which can be used for a displacement of the wave energy converter and / or for compensation of superimposed forces, such as, for example, by currents, and / or for a specific vibration excitation and / or stabilization of the wave energy converter.
- the free ends of the coupling body are each mounted in a common base, as shown for a single-sided rotor in Figure 5.
- the wave propagation direction of a monochromatic wave is directed perpendicular to the axis of rotation of the rotor, this leads to the fact that the coupling bodies arranged in pairs next to one another ideally experience absolutely identical incident flow conditions.
- the angles of incidence ⁇ of these coupling bodies arranged side by side can preferably be set identically. If, in real operation, a deviating flow of the two rotor halves results, the angle of attack of each coupling Body 3 are individually adjusted so that the local flow optimally pronounced.
- a rotation of the wave energy converter 10 about an axis can be achieved which is oriented perpendicular to the rotor axis.
- the wave energy converter 10 can be rotated in operation by differently influencing the angles of incidence ⁇ , ⁇ and / or ⁇ of the coupling bodies 3 and / or by adjusting the resistance about its vertical axis. This can be used particularly advantageously for aligning the wave energy converter 10 such that its rotor axis is largely oriented perpendicular to the wave propagation direction currently present.
- FIG. 11 shows a further embodiment of a wave energy converter 10 with coupling bodies 3 arranged on both sides.
- the rotor base 2 is arranged in two (partial) rotor bases 2 with rotor shaft 9 arranged therebetween and an energy converter 8 arranged thereon, which for example comprises a generator and / or a Gear can contain, split.
- an energy converter 8 arranged thereon, which for example comprises a generator and / or a Gear can contain, split.
- the two sides of the rotor shaft over the shaft if appropriate, are largely torsionally rigid, interconnected and rotate synchronously, this configuration is as a understood bilateral rotor, for which the properties described in connection with Figure 10 also apply.
- Also known as a double-sided rotor is an assembly which is assembled from two single-sided rotors such that the two rotors have substantially the same orientation during operation.
- FIG. 12 shows a further embodiment of a wave energy converter 10 with rotor 10 on both sides.
- the energy converter is realized as a directly driven generator 11, which forms the rotatably held housing 7 of the wave energy converter as an integral component of the wave energy converter 10 with its stator and in which the coupling bodies 3 are directly connected via lever arms the rotor 2 acting as rotor 2 of the generator 11 are coupled.
- the wave energy converter 10 of this expression forms a particularly compact design, in which by waiving a wave 9 structural costs are minimized.
- This embodiment can also be combined with the previously described embodiments and operating strategies.
- FIG. 13 shows a wave energy converter 20 which, in addition to a wave energy converter 10 according to FIG. 12, contains further elements.
- damping plates 21 which are connected largely rigidly to the housing 7 or a stator of a directly driven generator via a frame 22.
- the damping plates 21 are located in deeper water than the rotor. In these larger water depths, the orbital motion of the water molecules caused by the wave motion is significantly reduced, so that the damping plates 21 lead to a stabilization of the wave energy converter 20.
- stabilization of the wave energy converter 20 in accordance with the strategies described above can be superimposed during operation with targeted influencing of the resulting rotor force.
- Such stabilization is advantageous in order to keep the axis of rotation to a first approximation stationary. Without such stabilization, the rotor forces would cause the rotation axis to orbitalize in an extreme case with a phase shift with the orbital flow, whereby the flow conditions of the coupling body 3 would change fundamentally. The functionality of the wave energy converter would be adversely affected by this. However, it should be understood that a wave energy converter as well by other means, which need not include damping plates, can be stabilized accordingly.
- the two damping plates are shown horizontally.
- configurations are also considered advantageous in which the damping plates are oriented differently.
- both plates could be oppositely tilted 45 ° so that they enclose a 90 ° angle with each other.
- Other configurations will be apparent to those skilled in the art.
- other damper plate geometries and / or counts can be used.
- the damping plates 21 are adjustable in their angle and / or in their damping effect.
- the influencing of the damping effect can be achieved, for example, by changing the fluid permeability.
- the damping behavior of the wave energy converter 20 can also be influenced by the forces cyclically altered under certain circumstances.
- a hydrostatic buoyancy system 23 may be provided, through which the depth of the wave energy converter, for example by pumping in and out of a fluid, can be adjusted. In this case, the lift for a steady-state fall is adjusted so that it compensates for the weight of the machine and the mooring minus the buoyancy due to immersion in water. Since the rotating parts of the rotor 10 preferably have a largely neutral buoyancy, thus essentially the weight forces of housing, frame, damping plates and a mooring device explained below must be taken into account.
- the depth can be easily regulated, for example, to protect the machine by shifting to greater depths of water from too large wave conditions with too high energy levels or be to the surface for maintenance - promote.
- the machine control of the wave energy converter 20 can be accommodated in the housing of the buoyancy system 23.
- one-sided rotors 1 can also be used.
- the wave energy converter 20 of Figure 13 in a body of wavy water with an anchorage 24 on the seabed, which preferably takes place via a mooring, in particular via a Catenery Mooring, but alternatively can be designed as a rigid anchorage shown.
- a wave propagation direction is designated by W.
- the wave energy converter 20 is connected to the seabed via one or more chains and corresponding anchors.
- Corresponding moorings are typically formed of metal chains and may also include at least one plastic rope in their upper region.
- the wave energy converter-side end of the mooring is attached to the incoming shaft facing part of the frame 22 and / or the incoming shaft facing damper plate 21.
- some self-alignment of the waveguide energy converter to the wave propagation direction already takes place. This can be supported by corresponding additional passive (weather vane) and / or active systems (rotor control, azimuth tracking).
- buoyancy and anchoring can also be used particularly advantageous as a support for the generator torque. Shown are also caused by these two systems forces F Moorin g (largely downwards) and F Auft neb (largely directed upward).
- F Moorin g largely downwards
- F Auft neb largely directed upward
- a rotation of the wave energy converter 20 in the illustrated configuration is induced in the clockwise direction (in the direction of rotation of the rotor 10).
- the two forces shown produce a rotation directed counter to this rotation, which increases with increasing tilting of the wave energy converter 20.
- a tilt of the machine can carry out removal of a generator torque to a lifting of the moorings, whereby F Moor j ng increases. This has an increasing effect on the supporting counter-torque.
- the buoyancy can also be actively changed in order to further increase the counter-momentum for stabilizing the wave energy converter.
- FIG. 15 shows a wave energy converter 30 with three (partial) wave energy converters 1 with one-sided (partial) rotors according to FIG.
- the (partial) wave energy converter with largely parallel rotor axis are mounted in a horizontally oriented frame 31, so that the rotors are arranged below the water surface and their Rotor axles are oriented largely perpendicular to the incoming shaft.
- the distance from the first to the last rotor corresponds approximately to the wavelength of the eer wave, so that for the assumed case of a monochromatic wave, the foremost and the rearmost rotor have the same orientation, while the central rotor is rotated by 180 °.
- All three rotors rotate counter-clockwise, so the shaft runs over the machine from behind.
- Wavelengths of sea waves are between 40 m and 360 m, with typical waves having wavelengths of 80 m to 200 m. Since the rotors are each flown from different directions - their position under the shaft is different - results in each rotor, a specific expression of the direction of the respective rotor force. This effect can be used to stabilize the wave energy converter 30 by controlling the individual rotors 1 while maintaining a high degree of synchronicity by adjusting the resistance and / or the angles of incidence ⁇ , ⁇ and / or d such that the resulting Rotor book the rotors 1 cancel each other largely.
- a plurality of buoyancy systems 23 are advantageously mounted on the frame 31 and / or the rotors, with the aid of which the depth can be regulated and by the anchoring (not shown) (this preferably engages the part of the frame 31 facing the incoming shaft)
- the anchoring (not shown) (this preferably engages the part of the frame 31 facing the incoming shaft)
- the frame 31 may be designed so that the distance between the rotors 1 is adjustable, so that the machine length can be tuned to the current wavelength.
- damping plates may be provided for further stabilization, which may be arranged in greater depth.
- buoyancy systems could be used be arranged on at least one cross member. Such, preferably horizontally oriented, cross member may be arranged for example at the rear end of the frame.
- the frame 31 of the wave energy converter is designed as a floating frame and that the submerged under the water surface rotors 1 are mounted with a substantially horizontal rotor axis via a correspondingly executed frame construction rotatably mounted on the floating frame.
- FIG. 16 shows an alternative embodiment of an advantageous wave energy converter 30 with a largely horizontal frame extension and a plurality of rotors on both sides. Compared to a one-sided rotor arrangement, this is a particularly advantageous embodiment because it reduces the number of generators.
- FIG. 17 shows a further alternative embodiment of an advantageous wave converter 30 with a combination of a two-sided rotor and a plurality of single-sided rotors and a substantially horizontal frame extension.
- the frame 31 is designed as V in order to avoid shading between the different rotors and / or to minimize.
- there is already a largely vertical flow of the rotor axes which can be further optimized, for example, by influencing the rotor forces.
- the preferably existing buoyancy systems can already generate a counter-torque, but it is also possible to include the anchoring forces of the mooring system 24, as described in connection with FIG. 14.
- additional bracing and / or bracing can be provided.
- a stabilization can be provided by the use of damping plates similar to FIG. 13.
- the wave energy converter 30 according to FIGS. 15 to 17 can also be influenced by influencing the rotor forces of the individual rotors in their position and in their movement behavior. In particular, a rotation about the vertical axis is possible when the different rotors are controlled / regulated accordingly.
- stabilization of the wave energy converter 30 is additionally effected by the flow-induced forces acting on the frame 31. These are also directed in different directions and can at least partially compensate.
- FIG. 18 shows different preferred sensor positions for mounting sensors for determining the flow conditions on a wave energy converter 20 and particularly preferably for determining the local flow conditions at the coupling bodies of a wave energy converter. In addition, it is also possible to determine its movement behavior with sensors mounted on the wave energy converter 20.
- a wave propagation direction is designated by W.
- sensors can float on the rotor (position 101) and / or on the coupling bodies (position 102) and / or on the frame (position 103) and / or under the water surface in the vicinity of the machine (position 104) and / or on the water surface Close to the machine (position 105) and / or on the seabed below the machine (position 106) and / or below the water surface floating upstream of the machine (or a park of several machines) (position 107) and / or on the seabed of the machine (or a park of several machines) upstream (position 108) and / or floating the machine (or a park of several machines) upstream (position 109) and / or above the water surface (position 110) - be arranged - for example in a satellite.
- Additional corresponding sensors 105 'to 109' may be arranged on the leeward side, relative to the wave propagation direction. Such leeward sensors allow the determination of an interaction of the wave energy converter with the received waves. Based on this knowledge, the result of the interaction checked and if necessary, the interaction targeted by a machine control to be changed.
- sensors and corresponding combinations can be used:
- Inertial sensors for measuring different translational and / or rotational acceleration forces
- Anemometer for determining a flow velocity
- Torque sensors for determining the adjustment and / or holding forces of the coupling body adjustment system
- Satellites for determining the surface geometry of the ocean area GPS data for determining machine position and / or movement,
- the instantaneous local onflow conditions of the coupling bodies and / or the flow field around the machine and / or the flow field and / or the natural oscillations of the machine converging on the machine / park can be determined in a predictive manner, so that the second braking torque and / or the angle of attack ⁇ , ß and / or ⁇ of the coupling body 3 can be adjusted to achieve the control / regulation objectives in a suitable manner.
- control / regulation goals include, in particular, maintaining a synchronicity and / or avoiding a stall on the coupling bodies and / or influencing the rotor forces for stabilization and / or displacement and / or targeted vibration excitation and / or or a rotation of the system for correct alignment with the incoming shaft.
- the depth as well as the support moment can be influenced.
- the damping plate resistance By adapting the damping plate resistance, the machine vibration behavior can also be influenced.
- Measurements of the flow field which already take place in front of the machine or a park of several machines, and from which the flow field applied to the machine (s) at a later point in time, may appear to be particularly advantageous. Together with a virtual model of the machine, a feedforward control of the manipulated variables can be derived from this, which is then adjusted by a control. Such a procedure makes it possible, in particular, to computationally record the essential energy-carrying wave components in multichromatic sea states and to adjust the control / regulation of the energy converter in a suitable manner to them.
- FIG. 19 shows alternative possibilities, in particular flaps, known from the aircraft industry for changing the angle of attack ⁇ of a lift rotor and / or its shape and designating them 201 to 210, with which the flow around and thus buoyancy and / or resistance forces can be influenced , It can be provided to equip the coupling body 3 additionally or alternatively to an actuator for adjusting the angle of attack Y, ß and / or ⁇ with one or more of these means.
- the use of so-called winglets for influencing the buoyancy behavior at the free wing tips is considered.
- Symmetrical profiles have been used in the figures for the sake of simplicity. It should be expressly noted that curved profiles can be used. In addition, the profiles used can be adapted in their curvature to the flow conditions (curved flow).
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Abstract
Die Erfindung betrifft Wellenenergiekonverter (1, 10, 20, 30) zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines Fluids in eine andere Energieform, mit wenigstens einem Rotor, der mit wenigstens einem Energiewandler (8) gekoppelt ist und eine bezüglich seiner Rotationsebene zweiseitige Rotorbasis (2) aufweist, wobei an jeder Seite der Rotorbasis (2) wenigstens ein Kopplungskörper (3) angebracht ist.
Description
Wellenenergiekonverter und Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Wellenenergiekonverter zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines Fluids in eine andere Energieform und ein entsprechendes Verfahren. Stand der Technik
Zur Umwandlung von Energie aus Wellenbewegungen in Gewässern in nutzbare Energie sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Vorrichtungen bekannt, die auf hoher See oder in Küstennähe eingesetzt werden können. Eine Übersicht über Wellenenergiekraftwer- ke gibt beispielsweise G. Boyle, "Renewable Energy", 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004.
Unterschiede ergeben sich unter anderem in der Art, in der die Energie der Wellenbewegung entnommen wird. So sind auf der Wasseroberfläche schwimmende Bojen bzw.
Schwimmkörper bekannt, durch deren Heben und Senken beispielsweise ein Lineargenerator angetrieben wird. Bei einem anderen Maschinenkonzept, dem sogenannten "Wave Roller", wird am Meeresboden ein flächiges Widerstandselement angebracht, das durch die Wellenbewegung hin und her gekippt wird. Die Bewegungsenergie des Widerstandselements wird in einem Generator beispielsweise in elektrische Energie umgewandelt. In derar- tigen oszillierenden Systemen kann allerdings nur ein maximaler Dämpfungs- bzw. Lastfaktor von 0,5 erreicht werden, so dass ihre Wirtschaftlichkeit in der Regel nicht zufriedenstellend ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Wellenenergiekonverter von Interesse, die im Wesentlichen unter der Wasseroberfläche angeordnet sind, und bei denen eine Kurbel- bzw. Rotorwelle durch die Wellenbewegung in Rotation versetzt wird. Aus der Veröffentlichung von Pinkster et al., "A rotating wing for the generation of energy from waves", 22. International Workshop on Water Waves and Floating Bodies (IWWWFB), Plitvice, 2007, ist in diesem Zusammenhang ein Anlagenkonzept bekannt, bei dem der Auftrieb eines angeströmten Auftriebsläufers, also eines einen hydrodynamischen Auftrieb erzeugenden Kopplungskörpers, in eine Rotationsbewegung umgesetzt wird.
Ferner offenbart die US 2010/0150716 A1 ein System aus mehreren schnelllaufenden Rotoren mit Auftriebsläufern, bei dem die Rotorperiode kleiner als die Wellenperiode ist und eine separate Profilverstellung vorgenommen wird. Durch eine geeignete, jedoch nicht näher offenbarte Verstellung der Auftriebsläufer sollen resultierende Kräfte auf das System erzeugt werden, die für unterschiedliche Zwecke einsetzbar sind. Nachteilig an dem in der US 2010/0150716 A1 offenbarten System ist der Einsatz von schnelllaufenden Rotoren vom Voith-Schneider-Typ, die einen hohen Aufwand bei der Verstellung der Auftriebsläufer erfordern. Diese müssen kontinuierlich in einem nicht unbeträchtlichen Winkelbereich verstellt werden, um den jeweils an dem Auftriebsläufer vorherrschenden Anströmbedingungen an- gepasst zu werden. Zum Ausgleich der auf die Einzelrotoren wirkenden, aus Rotor- und Generatormoment resultierenden Kräfte sind zudem stets mehrere Rotoren in definierten Abständen zueinander erforderlich.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zu Grunde, rotierende Wellenenergiekon- verter, insbesondere im Sinne einer größeren Energieausbeute und eines geringeren konstruktiven und/oder steuerungstechnischen Aufwands, zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung einen Wellenenergiekonverter und ein entsprechendes Betriebsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Wellenenergiekonverter zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines Fluids in eine andere Energieform mit wenigstens einem Rotor vor- geschlagen, der mit wenigstens einem Energiewandler gekoppelt ist. Der Rotor weist eine bezüglich seiner Rotationsebene zweiseitige Rotorbasis auf, wobei an jeder Seite der Rotorbasis wenigstens ein Kopplungskörper angebracht ist. Hierdurch können insbesondere die auf einen mit dem Rotor gekoppelten Generator einwirkenden, in nutzbare Energie umsetzbaren Kräfte vergrößert werden und es kann durch eine gezielte Beeinflussung von Effek- tivmomenten auf beiden Seiten der zweiseitigen Rotorbasis, wie unten erläutert, die Lage eines entsprechenden Wellenenergiekonverters gezielt gesteuert werden. Sind die auf beiden Seiten der zweiseitigen Rotorbasis wirkenden Kräfte unterschiedlich, kann ein senkrecht zur Rotationsachse des zweiseitigen Rotors wirkendes Drehmoment auf den Rotor erzeugt und damit eine Drehung des Wellenenergiekonverters bewirkt werden. Eine präzise Ausrich- tung, z.B. zu einer Wellenausbreitungsrichtung, ist damit möglich. Nicht alle Kopplungskörper müssen hierbei notwendigerweise verstellbar ausgebildet sein, eine Verstellbarkeit nur eines Teils der Kopplungskörper reicht aus. In bestimmten Fällen kann auch auf eine Verstellbarkeit der Kopplungskörper vollständig verzichtet werden, so dass auch nur durch ein Generatormoment, wie unten erläutert, gezielt die jeweils wirkenden Kräfte beeinflusst wer- den können. Hierdurch ergibt sich eine besonders robuste Konstruktion und eine reduzierte Wartungsanfälligkeit, insbesondere in Anbetracht der rauen Bedingungen auf hoher See.
Insgesamt kann daher wenigstens ein Kopplungskörper auf wenigstens einer Seite der Rotorbasis verstellbar ausgebildet sein, wobei entsprechende Stellmittel zum Verstellen des wenigstens einen Kopplungskörpers auf der wenigstens einen Seite der zweiseitigen Rotorbasis vorgesehen sind. Hierbei können unterschiedliche Konfigurationen vorteilhaft sein. Eine unterschiedliche Momentenbeeinflussung auf zwei Seiten eines entsprechenden doppelseitigen Rotors ist bereits dadurch möglich, dass nur ein Kopplungskörper auf einer Seite einer doppelseitigen Rotors verstellbar ausgebildet ist, der oder die anderen, insbesondere auf der zweiten Seite, jedoch nicht. Alternativ können mehrere oder alle Kopplungskörper auf einer Seite verstellbar ausgebildet sein, jene auf der anderen Seite jedoch nicht. Schließlich können auch Konfigurationen zum Einsatz kommen, in denen eine Verstellung mehrerer oder aller Kopplungskörper auf beiden Seiten möglich ist. Je nach Umfang der Verstellmöglichkeiten ergibt sich eine mehr oder weniger aufwendige Konstruktion. Je höher der Ver-
stellbarkeitsgrad ist, desto flexibler kann ein entsprechender Rotor angepasst oder beein- flusst werden.
In einer entsprechenden Vorrichtung oder einem entsprechenden Verfahren können insbe- sondere mehrere Rotoren, darunter ein- und zweiseitige Rotoren, verwendet werden mit denen jeweils eine gleiche oder abweichende Effektivkraft erzeugt wird. Die erzeugten Effektivkräfte können sich zu einer Gesamtkraft überlagern, die durch die jeweiligen Beiträge be- einflusst werden kann. Ein vorteilhaftes Verfahren umfasst das Betreiben eines Wellenenergiekonverters mit wenigstens einem Rotor und wenigstens einem mit dem wenigstens einen Rotor gekoppelten Energiewandler, wobei durch die Wellenbewegung ein auf den wenigstens einen Rotor wirkendes erstes Drehmoment und durch den wenigstens einen Energiewandler ein auf den wenigstens einen Rotor wirkendes zweites Drehmoment erzeugt wird. Bei dem erfindungs- gemäßen doppelseitigen Rotor versteht sich, dass sich das "erste" Drehmoment aus den beiden "ersten" Drehmomenten, die auf jeder Seite des Rotors wirken, zusammensetzt. Erfindungsgemäß wird eine erwünschte, senkrecht zu einer Rotationsachse des wenigstens einen Rotors wirkende Effektivkraft durch Einstellen des ersten und/oder zweiten Drehmoments eingestellt. Hierdurch lässt sich, wie unten ausführlich erläutert, unter anderem ein entsprechender Wellenenergiekonverter auch mit nur einem Rotor betreiben, da dieser selbst etwaige auf ihn wirkende Momente senkrecht zur Rotationsachse oder überlagerte Kräfte ausgleichen kann und daher keine entgegen gerichtete Kraft eines zweiten oder weiteren Rotors benötigt wird. Die hier vorgestellte Erfindung betrachtet ganz allgemein Anlagen mit rotatorischem Wirkprinzip, z.B. auch Konverter mit mehreren Rotoren, wie z.B. in Figur 15 dargestellt. Die nachfolgenden Ausführungen gelten daher grundsätzlich für Wellenenergiekonverter mit einem oder mehreren Rotoren. Insgesamt wird damit ein Wellenenergiekonverter mit wenigstens einem, wie unten erläutert, vorteilhafterweise synchron oder weitgehend synchron zu einer Wellen(orbital)bewegung bzw. -Strömung rotierenden Rotor zur Wandlung von Energie aus einem welligen Gewässer bereitgestellt, der energetisch und steuerungstechnisch vorteilhaft ist, und bei dem zudem durch einen entsprechenden Betrieb bzw. eine entsprechende konstruktive Auslegung ge-
zielt resultierende Kräfte beeinflusst und für eine Beeinflussung des Gesamtsystems nutzbar gemacht werden können. Mit einem derartigen Wellenenergiekonverter kann bei geeigneter Auslegung und Betriebsführung nahezu eine vollständige Auslöschung und damit Ausnutzung der einlaufenden Welle erreicht werden. Dies gilt insbesondere für monochromatische Wellen. Die Verstellung der in einem entsprechenden Wellenenergiekonverter verwendeten Auftriebsläufer, also von Kopplungskörpern, die dafür eingerichtet sind, eine Wellenbewegung in eine Auftriebskraft und damit in ein Drehmoment eines Rotors umzusetzen, muss aufgrund des synchronen oder weitgehend synchronen Betriebs nicht oder nur in einem geringen Umfang erfolgen, da eine Anströmung eines entsprechenden Profils hierbei über die gesamte Rotation des das Profil tragenden Rotors hinweg weitgehend aus einer gleichen Anströmrichtung erfolgt. Eine Anpassung eines Anstellwinkels γ, wie bei den bekannten Voith-Schneider-Rotoren (auch als Pitchen bezeichnet), ist daher nicht erforderlich, kann jedoch vorteilhaft sein. In Meereswellen bewegen sich die Wasserpartikel auf weitgehend kreisförmigen sogenannten Orbitalbahnen (in Form einer Orbitalbewegung bzw. Orbitalströmung, wobei beide Begriffe auch synonym verwendet werden). Dabei bewegen sich die Wasserpartikel unter einem Wellenberg in Ausbreitungsrichtung der Welle, unter dem Wellental entgegen der Wellenausbreitungsrichtung und in den beiden Nulldurchgängen aufwärts bzw. abwärts. Die Strö- mungsrichtung an einem festen Punkt unter der Wasseroberfläche (nachfolgend als lokale bzw. momentane Anströmung bezeichnet) ändert sich also kontinuierlich mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit O. Die Orbitalströmung ist im Tiefwasser weitgehend kreisförmig, im Flachwasser werden aus den kreisförmigen Orbitalen zunehmend flach liegende Ellipsen. Eine Strömung kann der Orbitalströmung überlagert sein.
Die Orbitalradien sind abhängig von der Tauchtiefe. Sie sind an der Oberfläche maximal - hier entspricht der Orbitaldurchmesser der Wellenhöhe - und nehmen mit zunehmender Wassertiefe exponentiell ab. Bei einer Wassertiefe von etwa der halben Wellenlänge kann daher nur noch ca. 5% der Energie gewonnen werden wie nahe der Wasseroberfläche. Ge- tauchte Wellenenergiewandler werden deswegen vorzugsweise oberflächennah betrieben.
Vorteilhafterweise ist ein Rotor mit weitgehend horizontaler Rotorachse und mindestens einem Kopplungskörper vorgesehen. Der Rotor rotiert vorteilhafterweise synchron mit der Orbitalströmung mit einer Winkelgeschwindigkeit ω und wird über den wenigstens einen Kopp-
lungskörper von der Orbitalströmung angetrieben. Mit anderen Worten wird also durch die Wellenbewegung des Wassers, genauer durch seine Orbitalströmung, ein Drehmoment (im Rahmen dieser Erfindung als "erstes Drehmoment" oder "Rotor(dreh)moment" bezeichnet, erzeugt, das auf den Rotor wirkt. Stimmen die Periodendauer der Rotorrotationsbewegung und jene der Orbitalströmung, zumindest in einem gewissen Umfang, überein (zum hier verwendeten Begriff der "Synchronität" vgl. unten), so ergibt sich, abgesehen von dem erwähnten Tiefeneffekt sowie von Breiteneffekten bei großen Rotordurchmessern, am Kopplungskörper stets eine konstante lokale Anströmung. Hierdurch kann der Wellenbewegung kontinuierlich Energie entzogen und durch den Rotor in ein nutzbares Drehmoment gewandelt werden.
Unter dem Begriff "Kopplungskörper" sei in diesem Zusammenhang jede Struktur verstanden, durch die sich die Energie eines anströmenden Fluids in eine Rotorbewegung bzw. ein entsprechendes Rotormoment einkoppeln lässt. Kopplungskörper können, wie unten erläu- tert, insbesondere als Auftriebsläufer (auch als "Flügel" bezeichnet) ausgebildet sein, jedoch auch Widerstandsläufer umfassen.
Der Begriff der "Synchronität" kann dabei eine Rotorrotationsbewegung bezeichnen, aufgrund derer sich zu jedem Zeitpunkt eine vollständige Übereinstimmung zwischen der Lage des Rotors und der Richtung der lokalen Anströmung, die durch die Orbitalströmung zustande kommt, ergibt. Vorteilhafterweise kann eine "synchrone" Rotorrotationsbewegung aber auch derart erfolgen, dass sich zwischen der Lage des Rotors, bzw. wenigstens eines an dem Rotor angeordneten Kopplungskörpers, und der lokalen Anströmung ein definierter Winkel oder ein definierter Winkelbereich (d.h. der Phasenwinkel wird über ein Umdrehung innerhalb des Winkelbereichs gehalten) ergibt. Es ergibt sich daher ein definierter Phasenversatz bzw. Phasenwinkel Δ zwischen Rotorrotationsbewegung ω und Orbitalströmung O. Die "Lage" des Rotors bzw. des wenigstens einen an dem Rotor angeordneten Kopplungskörpers ist dabei stets z.B. durch eine gedachte Linie durch die Rotorachse und bspw. die Drehachse oder den Schwerpunkt eines Kopplungskörpers definierbar.
Eine derartige Synchronität ist insbesondere für monochromatische Wellenzustände, d.h. Wellenzustände mit stets konstanter Orbitalströmung O, direkt ableitbar. Unter Realbedingungen, d.h. in realen Seegängen, in denen sich Orbitalgeschwindigkeit und -durchmesser durch wechselseitige Überlagerung von Wellen, durch wechselnden Windeinfluss und der-
gleichen, ändern (sogenannte multichromatische Wellenzustände), kann jedoch ebenfalls vorgesehen sein, dass die Maschine unter einem nur in einem gewissen Rahmen konstanten Winkel zur jeweiligen aktuellen Anströmung betrieben wird. Hierbei lässt sich ein Winkelbereich definieren, innerhalb dessen die Synchronität noch als eingehalten angesehen wird. Dies kann durch geeignete steuerungstechnische Maßnahmen unter Einbeziehung der Verstellung wenigstens eines Kopplungskörpers zur Erzeugung des erwähnten ersten Drehmoments und/oder eines bremsend oder beschleunigend wirkenden zweiten Drehmoments des Energiewandlers erreicht werden. Nicht alle Kopplungskörper müssen dabei notwendigerweise verstellt werden oder über eine entsprechende Verstellmöglichkeit verfügen. Insbesondere ist keine synchrone Verstellung mehrerer Kopplungskörper erforderlich.
Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass auf eine vollständige Synchronität, bei der die Anströmung des wenigstens einen Kopplungskörpers lokal immer aus der gleichen Richtung erfolgt, verzichtet wird. Stattdessen kann der Rotor auf mindestens eine Haupt- komponente der Welle (z.B. eine Hauptschwingungsmode überlagerter Wellen) synchronisiert werden und damit zeitweise der lokalen Strömung vor- bzw. nacheilen. Dies kann durch eine entsprechende Anpassung des ersten und/oder zweiten Drehmoments erreicht werden. Auch ein derartiger Betrieb ist noch von dem Begriff "synchron" umfasst, ebenso wie eine Schwankung des Phasenwinkels in gewissen Bereichen, die dazu führt, dass der Rotor zwi- schenzeitlich eine Beschleunigung (positiv oder negativ) gegenüber der Wellenphase erfahren kann.
Die Drehzahl eines "synchronen" oder "weitgehend synchronen" Rotors stimmt daher in etwa, d.h. innerhalb bestimmter Grenzen, mit der jeweils aktuell vorherrschenden Wellendreh- zahl überein. Abweichungen akkumulieren sich hierbei nicht, sondern werden weitgehend gegenseitig oder über die Zeit bzw. ein gewisses Zeitfenster ausgeglichen. Ein wesentlicher Aspekt eines Steuerungsverfahrens für einen entsprechenden Konverter kann darin bestehen, die erläuterte Synchronität zu erhalten. Besonders bevorzugt werden Kopplungskörper aus der Klasse der Auftriebsläufer verwendet, die bei einer Anströmung unter einem Anströmungswinkel a neben einer Widerstandskraft in Richtung der lokalen Anströmung insbesondere eine im Wesentlichen senkrecht zur Anströmung gerichtete Auftriebskraft erzeugen. Dabei kann es sich beispielsweise um Auftriebsläufer mit Profilen gemäß dem NACA-Standard (National Advisory Committee for Ae-
ronautics) handeln, die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Profile beschränkt. Besonders bevorzugt können Eppler-Profile zum Einsatz kommen. Bei einem entsprechenden Rotor ergibt sich die lokale Anströmung und der damit verknüpfte Anströmwinkel a dabei aus einer Überlagerung der Orbitalströmung vWeiie in der zuvor erläuterten lokalen bzw. momen- tanen Wellenanströmrichtung, der Rotationsgeschwindigkeit des Auftriebsläufers vRotor am Rotor und dem Anstellwinkel γ des Auftriebsläufers. Damit kann insbesondere durch eine Verstellung des Anstellwinkels γ des wenigstens einen Auftriebsläufers die Ausrichtung des Auftriebsläufers auf die lokal vorliegenden Anströmungsverhältnisse optimiert werden. Weiterhin sind auch eine Verwendung von Klappen ähnlich wie jene an Flugzeugflügeln und/oder eine Änderung der Auftriebsprofilgeometrie (sogenanntes "Morphing") zur Beeinflussung der Anströmung möglich. Die genannten Änderungen seien von der Formulierung "Formveränderung" umfasst.
Das erwähnte erste Drehmoment - das sich, wie erwähnt, ggf. aus mehreren ersten Dreh- momenten zusammensetzt - kann daher z.B. über den Anstellwinkel γ beeinflusst werden. Es ist bekannt, dass mit steigendem Anströmwinkel a die resultierenden Kräfte auf den Auftriebsläufer zunehmen, bis bei der sogenannten Stallgrenze, bei der ein Strömungsabriss erfolgt, ein Einbruch des Auftriebsbeiwerts zu beobachten ist. Die resultierenden Kräfte steigen ebenfalls mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit. Das bedeutet, dass über eine Änderung des Anstellwinkels γ und damit verbunden des Anströmwinkels a die resultierenden Kräfte und damit das auf den Rotor wirkende Drehmoment beeinflusst werden können.
Ein zweites auf den Rotor wirkendes Moment kann durch einen mit dem Rotor bzw. seiner Rotorbasis gekoppelten Energiewandler bereitgestellt werden. Dieses zweite Moment, nach- folgend auch als "Generatormoment" bezeichnet, wirkt sich ebenfalls auf die Rotationsgeschwindigkeit VR0tor aus und beeinflusst damit ebenfalls den Anströmwinkel a. Das zweite Moment stellt im konventionellen Betrieb von Energieerzeugungsanlagen ein Bremsmoment dar, das durch die Wechselwirkung eines Generatorläufers mit dem zugehörigen Ständer zustande kommt und in elektrische Energie umgesetzt wird. Ein entsprechender Energie- wandler in Form eines Generators kann jedoch zumindest während bestimmter Zeiträume auch motorisch betrieben werden, so dass das zweite Moment auch in Form eines Beschleunigungsmoments auf den Rotor wirken kann. Um die vorteilhafte Synchronität zu erreichen, kann das Generatormoment passend zur aktuellen Auftriebsprofileinstellung und den daraus resultierenden Kräften/Momenten so eingestellt werden, dass sich die ge-
wünschte Rotationsgeschwindigkeit mit dem richtigen Phasenversatz zur Orbitalströmung einstellt. Eine Beeinflussung des Generatormoments kann u.a. durch Beeinflussung eines Erregerstroms durch den Läufer (bei fremderregten Maschinen) und/oder durch die Ansteue- rung der Kommutierung eines dem Ständer nachgeschalteten Stromrichters erfolgen.
Aus den Kräften an den einzelnen Kopplungskörpern ergibt sich aus der vektoriellen Überlagerung schließlich eine Rotorkraft, die als senkrecht zur Rotorachse gerichtete Lagerkraft (auch als Reaktionskraft bezeichnet) auf das Gehäuse des Rotors wirkt. Diese ändert ihre Richtung kontinuierlich, da sich auch die Anströmung des Rotors und die Position der Kopp- lungskörper kontinuierlich ändern. Im zeitlichen Mittel ergibt sich bei einer gewollten oder ungewollten Asymmetrie der Lagerkraft über die Zeit eine Effektivkraft, die ebenfalls senkrecht zur Rotorachse wirkt und in Form einer translatorischen oder, bei mehreren Rotoren, als Kombination translatorischer Kräfte, eine Lage eines entsprechenden Wellenenergiekon- verters beeinflussen und gezielt zur Lagebeeinflussung genutzt werden kann. Bei entspre- chender Ausgestaltung der Kopplungskörper, z.B. bei schräger Anordnung ihrer Längsachsen, kann auch eine senkrecht zur Rotorachse gerichtete Lagerkraft erzeugt werden, wie an anderer Stelle näher erläutert.
Da der Rotor vorzugsweise als unter der Oberfläche eines welligen Gewässers schwimmen- des System ausgeführt ist, wirkt die erläuterte Rotorkraft als verschiebende Kraft auf den Gesamtrotor und muss entsprechend abgestützt werden, wenn sich die Position des Rotors nicht verändern soll. Wie erwähnt, wird dies beispielsweise in der US 2010/0150716 A1 durch die Bereitstellung mehrerer Rotoren, deren Kräfte einander entgegenwirken, erzielt. Über eine Umdrehung kompensieren sich dabei die Verschiebungen, wenn von konstanten An- Strömbedingungen an den Kopplungskörpern und gleichen Einstellungen der Anstellwinkel γ und damit des ersten Drehmoments und einem konstanten zweiten Drehmoment ausgegangen wird.
Durch eine geeignete Änderung der Rotorkraft durch Beeinflussung des ersten und/oder zeiten Drehmoments kann also unter Einhaltung der Synchronität auch erreicht werden, dass sich die Rotorkräfte pro Umdrehung nicht kompensieren, so dass bspw. eine Verschiebung des Rotors senkrecht zu seiner Rotationsachse erzielt werden kann.
Weist ein Rotor mehrere Kopplungskörper auf, so kann vorgesehen sein, dass jeder Kopplungskörper über eine eigene Versteilvorrichtung verfügt, so dass die Kopplungskörper unabhängig voneinander eingestellt werden können. Vorteilhaftweise werden die Kopplungskörper auf die jeweils lokal vorliegenden Strömungsbedingungen eingestellt. Dadurch kön- nen auch Tiefen- und Breiteneffekte ausgeglichen werden. Bei dem zuvor erläuterten "synchronen" Betrieb wird das Generatormoment dabei auf das durch die Summe der Kopplungskörper erzeugte Rotormoment abgestimmt.
Der Rotor kann eine beidseitige Lagerung für Kopplungskörper aufweisen, wobei ein Ver- Stellsystem für den mindestens einen Kopplungskörper einseitig oder beidseitig vorgesehen sein kann. Alternativ ist eine Ausführung mit einer einseitigen Halterung des mindestens einen Kopplungskörpers und einem freien Ende vorgesehen.
Zur Halterung des Rotors ist vorteilhafterweise ein Gehäuse vorgesehen, an dem dieser drehbar gehaltert ist. Das zweite Drehmoment wird vorzugsweise durch einen Energiewandler, wie einem Generator, realisiert. Dabei kann es sich insbesondere um einen direktgetriebenen Generator handeln, da hierbei Triebstrangverluste minimiert werden. Alternativ ist jedoch auch die Zwischenschaltung eines Getriebes möglich. Auch die Erzeugung eines Drucks in einem geeigneten Medium mit Hilfe einer Pumpe ist möglich. Dieser Druck stellt bereits eine nutzbare Energieform dar, er kann jedoch z.B. mit Hilfe eines Hydromotors (erneut) in ein Drehmoment gewandelt und in einen Generator gespeist werden.
Die Kopplungskörper können direkt oder indirekt über entsprechende Hebelarme mit dem Rotor des direktgetriebenen Generators verbunden sein. Vorteilhafterweise sind die Kopp- lungskörper also in einem Abstand zur Rotationsachse angebracht. Die Hebelarme können dabei als Streben bzw. entsprechend ausgebildete Beabstandungsmittel ausgebildet sein, die die Kopplungskörper mit dem Rotor verbinden, ein Hebelarm kann jedoch auch über eine entsprechende scheibenartige Struktur realisiert sein und nur die physikalische Funktion eines Hebels erfüllen. Je nach Ausgestaltung ergeben sich hierbei strömungstechnische oder konstruktive Vorteile.
Bei dem Verstellsystem zur Verstellung des mindestens einen Kopplungskörpers kann es sich, wie erwähnt, um ein System zur Änderung des Anstellwinkels γ handeln. Alternativ ist auch eine Verstellung von Klappen an dem mindestens einen Kopplungskörper ähnlich zu
Flugzeugflügeln oder eine Änderung der Kopplungskörpergeometrie (Morphing) möglich. Die Verstellung kann elektromotorisch - vorzugsweise mit Schrittmotoren - und/oder hydraulisch und/oder pneumatisch erfolgen. Alternativ oder zusätzlich zu einer Einzelverstellung für jeden Kopplungskörper kann eine gekoppelte Verstellung der verschiedenen Kopplungskörper vorgesehen sein, bei dem die Kopplungskörper beispielsweise über entsprechende Verstellhebel mit einer zentralen Versteileinrichtung verbunden sind. Dies schränkt die Flexibilität der Maschine nur geringfügig ein, kann jedoch zu einer Vereinfachung des Gesamtaufbaus führen.
Bei der Geometrie der bevorzugt zum Einsatz kommenden Auftriebsläufer können reine extrudierte/prismatische Strukturen zum Einsatz kommen, bei denen sich der Kopplungskörperquerschnitt über die Kopplungskörperlänge nicht ändert. Es ist insbesondere für den Fall einer einseitigen Halterung erfindungsgemäß jedoch auch vorgesehen, 3D- Kopplungskörpergeometrie mit sich verjüngenden Kopplungskörperenden und/oder einer Pfeilung einzusetzen, wie sie auch im Flugzeugbau zum Einsatz kommen. Diese wirken sich positiv auf die Kopplungskörperstabilität/Biegelinie aus. Darüber hinaus führt eine Kopplungskörperverjüngung an der Kopplungskörperspitze zur Reduktion von Randwirbeln, die zu Effizienzverlusten führen können. Hier können zusätzlich auch noch Winglets an einem und/oder beiden Kopplungskörperenden zum Einsatz kommen.
Es kann vorgesehen sein, dass Länge und Winkellage des Hebelarms des mindestens einen Auftriebsläufers einstellbar ist, um die Maschine an verschiedene Wellenzustände, z.B. unterschiedliche Orbitalradien, anpassen zu können.
Es können Rotoren verwendet werden, bei denen die Kopplungskörper mit ihren Längsachsen weitgehend parallel zur Rotorachse ausgerichtet sind. Die Kopplungskörper können jedoch auch winkelig am Rotor angeordnet sein, wobei ihre Längsachsen zumindest zeitweise schräg zur Rotationsachse des Rotors laufen. Die Längsachsen können konvergieren oder divergieren oder seitlich zueinander versetzt angeordnet sein. Dabei kann die winkelige Anordnung sowohl die radiale als auch die tangentiale Ausrichtung betreffen. Dabei wirkt sich insbesondere eine die radiale Ausrichtung betreffende winkelige Anordnung des mindestens einen Kopplungsköpers in einem gewissen Grad stabilisierend auf die Anlagenperformance aus. So ergibt sich für verschiedene Wellenzustände ein verschiedener optimaler Kopp-
lungskörperradius. Wie oben beschrieben, kann dieser einstellbar ausgeführt sein. Eine radial-winkelige Anordnung der Kopplungskörper führt hierbei insbesondere dazu, dass die Maschine über einen breiteren Bereich an Wellenzuständen in der Nähe eines Optimums betrieben werden kann. Die Gesamtanlage verhält sich also gewissermaßen toleranter und erlaubt einen Betrieb über einen größeren Bereich an Wellenzuständen, z.B. bei unterschiedlichen Orbitalradien. Zudem kann die Winkeligkeit einstellbar ausgebildet sein. Eine derartige Verstellbarkeit des Kopplungskörperwinkels ist unter Umständen einfacher zu realisieren als eine Änderung einer Hebelarmlänge. Eine entsprechende winkelige Anordnung, insbesondere in Form divergierender oder konvergierender Kopplungskörper, kann auch dazu genutzt werden, um eine axiale Kraft auf einen betreffenden Rotor zu erzeugen, die neben einer zuvor erwähnten und nachfolgend noch genauer erläuterten Effektivkraft senkrecht zur Rotorachse zum Ausgleich anderer Kräfte oder zur Positionsveränderung eingesetzt werden kann.
Zur Steuerung des Wellenenergiekonverters bzw. des Rotors und der wirkenden Kräfte ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen. Diese nutzt als Steuergrößen das verstellbare zweite Drehmoment des mindestens einen Rotors und/oder das verstellbare erste Drehmoment, z.B. durch die Verstellung des mindestens einen Kopplungskörpers, also das erste Drehmoment. Neben den Maschinenzustandsgrößen mit Erfassung von Rotorwinkel und/oder Kopplungskörperverstellung kann das aktuell vorliegende lokale Strömungsfeld der Welle genutzt werden. Dieses kann mit entsprechenden Sensoren bestimmt werden. Dabei können diese Sensoren mitrotierend auf Teilen des Rotors und/oder auf dem Gehäuse und/oder unabhängig von der Maschine, vorzugsweise dieser vor- oder nachgelagert ange- ordnet sein. Eine lokale, regionale und globale Erfassung eines Strömungsfelds, einer Wellenausbreitungsrichtung, einer Orbitalströmung und dergleichen kann vorgesehen sein, wobei sich eine "lokale" Erfassung auf die unmittelbar an einer Komponente eines Wellenenergiekonverters vorherrschenden Bedingungen, eine "regionale" Erfassung auf Komponentengruppen oder eine Einzelanlage und eine "globale" Erfassung auf das Gesamtsystem oder einen entsprechenden Anlagenpark beziehen kann. Hierdurch kann eine prädiktive Messung und Vorhersage von Wellenzuständen vorgenommen werden. Messgrößen können beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit und/oder Strömungsrichtung und/oder Wellenhöhe und/oder Wellenlänge und/oder Periodendauer und/oder Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und/oder Maschinenbewegung und/oder Haltemomente der Kopplungskörperverstel-
lung und/oder Verstellmomente der Kopplungskörper und/oder das Rotormoment und/oder in ein Mooring eingeleitete Kräfte sein.
Vorzugsweise lassen sich aus den Messgrößen die aktuell vorliegenden Anströmverhältnis- se am Kopplungskörper bestimmen, so dass dieser und/oder das zweite Drehmoment entsprechend eingestellt werden können, um die übergeordneten Regelziele zu erreichen.
Besonders bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass durch geeignete Messungen vorgelagert vor der Maschine oder einem Park aus mehreren Maschinen das gesamte sich ausbreitende Strömungsfeld bekannt ist. Durch geeignete Berechnungen kann damit die folgende lokale Anströmung an der Maschine bestimmt werden, wodurch eine besonders genaue Steuerung der Anlage ermöglicht wird. Mit derartigen Messungen wird es insbesondere möglich, eine übergeordnete Steuerung der Maschine, die sich beispielsweise auf eine Hauptkomponente der einlaufenden Welle ausrichtet, zu implementieren. Damit ist ein besonders robuster Ma- schinenbetrieb möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung Figur 1 zeigt einen Wellenenergiekonverter mit einem Rotor mit zwei Auftriebsläufern in einer Seitenansicht und veranschaulicht den Anstellwinkel γ und den Phasenwinkel Δ zwischen Rotor und Orbitalströmung.
Figur 2 zeigt resultierende Anströmwinkel und a2 und resultierende Kräfte an den Kopplungskörpern des Rotors aus Figur 1.
Figur 3 veranschaulicht ein Verfahren zur Beeinflussung einer Effektivkraft anhand von Pha- senwinkel-, Anstellwinkel-, Momenten- und Kraftverläufen.
Figur 4 zeigt einen Wellenenergiekonverter mit einem Rotor in einer Seitenansicht mit großer radialer Ausdehnung mit unterschiedlicher Anströmung der Kopplungskörper und sich ergebende Kräfte.
Figur 5 zeigt zwei Rotoren zur Wandlung von Energie aus einer Wellenbewegung mit scheibenförmigen Rotorbasen in perspektivischer Ansicht.
Figur 6 zeigt einen Wellenenergiekonverter mit einem Rotor zur Wandlung von Energie aus einer Wellenbewegung mit Hebelarmen zur Anbringung von Kopplungskörpern in perspektivischer Ansicht.
Figur 7 zeigt einen Wellenenergiekonverter mit einem Rotor zur Wandlung von Energie aus einer Wellenbewegung mit einer als Generatorläufer ausgebildeten Rotorbasis in perspekti- vischer Ansicht.
Figur 8 zeigt Rotoren zur Wandlung von Energie aus einer Wellenbewegung mit schrägen Kopplungskörpern in perspektivischer Ansicht. Figur 9 zeigt einen weiteren Wellenenergiekonverter zur Wandlung von Energie aus einer Wellenbewegung mit schrägen Kopplungskörpern in einer Seitenansicht und einer Draufsicht.
Figur 10 zeigt einen Wellenenergiekonverter mit einem Rotor zur Wandlung von Ener- gie aus einer Wellenbewegung mit doppelseitiger Kopplungskörperanordnung in perspektivischer Ansicht.
Figur 11 zeigt einen weiteren Wellenenergiekonverter mit einem Rotor zur Wandlung von Energie aus einer Wellenbewegung mit doppelseitiger Kopplungskörperanordnung in perspektivischer Ansicht. Figur 12 zeigt einen weiteren Wellenenergiekonverter mit einem Rotor zur Wandlung von Energie aus einer Wellenbewegung mit doppelseitiger Kopplungskörperanordnung in perspektivischer Ansicht.
Figur 13 zeigt einen Wellenenergiekonverter mit einem Rotor zur Wandlung von Ener- gie aus einer Wellenbewegung mit doppelseitiger Kopplungskörperanordnung an einer Haltestruktur in perspektivischer Ansicht.
Figur 14 zeigt einen Wellenenergiekonverter mit einem Rotor zur Wandlung von Energie aus einer Wellenbewegung an einer Haltestruktur und mit einer Verankerungseinrichtung in einer Seitenansicht.
Figur 15 zeigt mehrere Wellenenergiekonverter mit Rotoren zur Wandlung von Energie aus einer Wellenbewegung an einer Haltestruktur in perspektivischer Ansicht. Figur 16 zeigt mehrere Wellenenergiekonverter mit Rotoren zur Wandlung von Energie aus einer Wellenbewegung an einer Haltestruktur mit doppelseitiger Kopplungskörperanordnung in perspektivischer Ansicht.
Figur 17 zeigt mehrere Wellenenergiekonverter mit Rotoren zur Wandlung von Energie aus einer Wellenbewegung an einer Haltestruktur mit teilweise doppelseitiger Kopplungskörperanordnung in perspektivischer Ansicht.
Figur 18 veranschaulicht die Anordnung von Sensoren an und um einen Wellenenergiekonverter mit Rotor zur Wandlung von Energie aus einer Wellenbewegung an einer Hal- testruktur in einer Seitenansicht.
Figur 19 veranschaulicht mögliche Formveränderungen an Kopplungskörpern in perspektivischer Ansicht.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben. Auf eine wiederholte Erläuterung wird der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
In Figur 1 ist ein Wellenenergiekonverter 1 mit einem Rotor 2,3,4 mit einer Rotorbasis 2, einem Gehäuse 7 und zwei jeweils über Hebelarme 4 drehfest an der Rotorbasis 2 befestigten Kopplungskörpern 3 dargestellt. Der Rotor 2,3,4 sei unterhalb der Wasseroberfläche eines welligen Gewässers - beispielsweise eines Ozeans - angeordnet. Seine Rotations- achse sei weitgehend horizontal und weitgehend senkrecht zur aktuellen Ausbreitungsrichtung der Wellen des welligen Gewässers orientiert. Die Kopplungskörper 3 sind im gezeigten Beispiel als Auftriebsprofile ausgeführt. Hierbei sollen Tiefwasserbedingungen vorliegen, bei denen die Orbitalbahnen der Wassermoleküle, wie erläutert, weitgehend kreisförmig verlaufen. Vorzugsweise sind die rotierenden Komponenten des Wellenenergiekonverters dabei mit einem weitgehend neutralen Auftrieb versehen, um eine Vorzugsposition zu vermeiden.
Die Kopplungskörper 3 sind als Auftriebsläufer ausgebildet und in einem Winkel von 180° zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind die Auftriebsläufer in der Nähe ihres Druckpunktes gehaltert, um im Betrieb auftretende Rotationsmomente auf die Auftriebsläufer und damit die Anforderungen an die Halterung und/oder die Versteileinrichtungen zu reduzieren.
Der radiale Abstand zwischen Aufhängungspunkt eines Kopplungskörpers und Rotorachse beträgt 1 m bis 50 m, vorzugsweise 2 m bis 40m, besonders bevorzugt 4 m bis 30 m und ganz besonders bevorzugt 5 m bis 20 m.
Zusätzlich dargestellt sind zwei Versteileinrichtungen 5 zur Verstellung der Anstellwinkel ΥΊ und γ2 der Kopplungskörper 3 zwischen Flügelsehne und Tangente. Die beiden Anstellwinkel und γ2 sind vorzugsweise entgegengerichtet orientiert und weisen vorzugsweise Werte von
-20° bis 20° auf. Insbesondere beim Anfahren der Maschine können jedoch auch größere Anstellwinkel vorgesehen sein. Vorzugweise können die Anstellwinkel γτ und γ2 unabhängig voneinander verstellt werden. Bei den Versteileinrichtungen kann es sich beispielsweise um elektromotorische Versteileinrichtungen - vorzugsweise mit Schrittmotoren - und/oder um hydraulische und/oder pneumatische Komponenten handeln.
Die beiden Versteileinrichtungen 5 können zudem jeweils eine Sensorik 6 zur Bestimmung der aktuellen Anstellwinkel Yi und v2 aufweisen. Eine weitere, nicht dargestellte Sensorik kann den Rotationszustand der Rotorbasis 2 bestimmen.
Der Wellenenergiekonverter 1 wird von der Orbitalströmung mit einer AnStrömungsgeschwindigkeit Vweiie angeströmt. Dabei handelt es sich bei der Anströmung um die Orbitalströmung von Meereswellen, deren Richtung sich kontinuierlich ändert. Im dargestellten Fall ist die Drehung der Orbitalströmung entgegen dem Uhrzeigersinn orientiert, die dazugehöri- ge Welle breitet sich also von rechts nach links aus. Im monochromatischen Fall ändert sich die Anströmungsrichtung dabei mit der Winkelgeschwindigkeit O = 2 p f = cons , wobei f die Frequenz der monochromatischen Welle darstellt. In multichromatischen Wellen unterliegt O dagegen einer zeitlichen Änderung, O = /(t), da die Frequenz f eine Funktion der Zeit ist, f = f[t). Es ist vorgesehen, dass der Rotor 2,3,4 synchron zur Orbitalströmung der Wel- lenbewegung mit einer Winkelgeschwindigkeit ω rotiert, wobei der Begriff der Synchronität in der zuvor erläuterten Weise zu verstehen ist. Hierbei gilt beispielsweise Ω = ω. Ein Wert oder ein Wertebereich für eine Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors wird also auf Grundlage einer Winkelgeschwindigkeit O der Orbitalströmung vorgegeben oder an diese angepasst. Hierbei kann eine konstante Regelung oder eine kurzzeitige bzw. kurzfristige Anpassung erfolgen.
Durch die Einwirkung der Strömung mit der AnStrömungsgeschwindigkeit vWene auf die Kopplungskörper wird, wie unten näher erläutert, ein auf den Rotor 2,3,4 wirkendes erstes Drehmoment erzeugt. Vorgesehen ist darüber hinaus, dass auf den Rotor 2,3,4 ein vorzugsweise veränderbares zweites Drehmoment in Form eines Widerstands, also eines Bremsmoments, oder eines Beschleunigungsmoments aufbringbar ist. Mittel zur Erzeugung des zweiten Drehmoments sind zwischen der Rotorbasis 2 und dem Gehäuse 7 angeordnet. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass es sich bei dem Gehäuse 7 den Ständer eines direktgetriebenen Generators und bei der Rotorbasis 2 um den Läufer dieses direktgetriebenen Ge- nerators handelt, dessen Lagerung, Wicklungen etc. nicht dargestellt sind. Alternativ dazu können jedoch auch andere Triebstrangvarianten vorgesehen sein, bei denen die Mittel zur Erzeugung des zweiten Moments neben einem Generator auch noch ein Getriebe und/oder hydraulische Komponenten, wie zum Beispiel Pumpen, umfassen. Die Mittel zur Erzeugung
des zweiten Moments können zusätzlich oder auch ausschließlich eine geeignete Bremse umfassen.
Zwischen der Rotororientierung, die durch eine untere gestrichelte Linie veranschaulicht ist, die durch die Rotorachse und die Mitte der beiden Versteileinrichtungen 5 verläuft, und der Richtung der Orbitalströmung, die die durch eine obere gestrichelte Linie veranschaulicht ist, die durch einen der Geschwindigkeitspfeile vWeiie verläuft, besteht ein Phasenwinkel Δ, dessen Betrag durch die Einstellung des ersten und/oder des zweiten Drehmoments beeinflusst werden kann. Dabei erscheint ein Phasenwinkel von -45° bis 45°, vorzugsweise von -25° bis 25° und besonders bevorzugt von -15° bis 15° zur Erzeugung des ersten Drehmoments als besonders vorteilhaft, da hier bei die Orbitalströmung vWeiie und die Anströmung aufgrund der Eigenrotation vRot0r (siehe Figur 2) weitgehend senkrecht zueinander orientiert sind, was zu einer Maximierung des Rotormoments führt. Unter Einhaltung der geforderten Synchroni- tät gilt Δ = const., wobei im Rahmen der Erfindung - wie bereits zuvor beschrieben - auch ein Pendeln um einen Mittelwert von Δ als synchron verstanden wird. Die Darstellung der Kopplungskörper in der Figur 1 und in den weiteren Figuren erfolgt nur beispielhaft zur Definition der unterschiedlichen Maschinenparameter. Vorzugsweise werden im Betrieb die Anstellwinkel der beiden Kopplungskörper entgegengesetzt zur Darstellung ausgeführt. Der in Figur 1 linke Kopplungskörper wäre dann nach innen verstellt und der in Figur 1 rechte Kopplungskörper nach außen.
In Figur 2 sind die sich ergebenden Anströmungsverhältnisse und die sich einstellenden Kräfte an den Kopplungskörpern, die zu einem Rotordrehmoment führen, dargestellt. Dabei wird vereinfachend davon ausgegangen, dass die Strömung über den gesamten Rotorquer- schnitt gleichförmig ausgeprägt ist und einen gleichen Betrag und eine gleiche Richtung aufweist. Insbesondere für Rotoren mit großen Radialerstreckungen kann es jedoch dazu kommen, dass sich die verschiedenen Kopplungskörper 3 des Rotors 2,3,4 relativ zur Welle an unterschiedlichen Positionen befinden, was zu einer lokal verschiedenen Anströmungs- richtung führt. Dies kann jedoch beispielsweise mit Hilfe einer individuellen Einstellung des jeweiligen Anstellwinkels γ ausgeglichen werden.
An beiden Kopplungskörpern sind in Figur 2 die lokalen Anströmungen durch die Orbitalströmung (vweiie.i) und durch die Eigenrotation (vRotor,i), die als Vektorsumme aus diesen beiden Anströmungen resultierende Anströmgeschwindigkeit (vreSuitierend,i) sowie die sich erge-
benden Anströmwinkel ^ und a2 dargestellt. Abgeleitet sind darüber hinaus die sich ergebenden Auftriebs- und Widerstandskräfte FAufii und FWid,i an beiden Kopplungskörpern, die sowohl vom Betrag der Anströmgeschwindigkeit als auch von den Anströmwinkeln a^ und a2 und damit auch von den Anstellwinkeln ΥΊ und γ2 abhängig sind und senkrecht bzw. parallel zur Richtung von vreSuraerend.i orientiert sind.
Für den dargestellten Fall ergibt sich durch die beiden Auftriebskräfte FAuf;, ein Rotordrehmoment entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn und durch die beiden Widerstandskräfte FWidii ein betragsmäßig kleineres Rotordrehmoment in entgegengesetzter Richtung (also im Uhr- zeigersinn). Die Summe aus beiden Rotordrehmomenten führt zu einer Rotation des Rotors 1 , deren Geschwindigkeit durch das Gegendrehmoment durch das verstellbare zweite Drehmoment eingestellt werden kann.
Wird die im Rahmen der Erfindung geforderte Synchronität mit Δ = const. erreicht, so ist aus Figur 2 unmittelbar ersichtlich, dass für monochromatische Fälle, in denen der Betrag der Strömung Vweiie.i und die Winkelgeschwindigkeit O konstant bleiben, sich die Anströmbedingungen der beiden Kopplungskörper 3 über die Drehung des Rotors nicht ändern. Dies bedeutet, dass mit konstanten Anstellwinkeln γ ein konstantes Rotormoment erzeugt wird, das mit einem konstanten zweiten Drehmoment eines entsprechenden Generators abgegriffen werden kann.
Aus den an den Kopplungskörpern angreifenden Kräften ergibt sich neben einem Rotormoment auch eine resultierende Rotorkraft durch vektorielle Addition von FAuf,i , FWicli1, FAufi2 und FWid,2- Diese wirkt als Lagerkraft auf das Gehäuse und muss entsprechend abgestützt wer- den, wenn eine Verschiebung des Gehäuses unerwünscht ist. Während das Rotormoment bei Annahme gleicher Anströmbedingungen (vWetie.,, Δ, Ω, ω, C , a2, Yi , γ2 = const.) konstant bleibt, gilt dies für die resultierende Rotorkraft nur betragsmäßig. Aufgrund der sich ständig ändernden Strömungsrichtung der Orbitalströmung und der synchronen Rotordrehung ändert sich auch die Richtung der Rotorkraft entsprechend.
Neben einer Beeinflussung des Rotormoments durch eine Verstellung der Anstellwinkel γ und/oder eine Verstellung des Phasenwinkels Δ kann auch der Betrag dieser Rotorkraft durch eine Änderung der Anstellwinkel γ (wodurch sich die Anströmwinkel a ändern), durch eine Änderung der Rotorwinkelgeschwindigkeit ω und/oder des Phasenwinkels Δ - bei-
spielsweise durch Änderung des als zweiten Moments aufgebrachten Generatormoments (wodurch sich vRotor ändert) und/oder durch eine Kombination dieser Änderungen beeinflusst werden. Dabei wird vorzugsweise die in der Einleitung beschriebene Synchronität eingehalten.
Durch eine geeignete Verstellung dieser Stellgrößen pro Umdrehung und einer damit verbundenen Änderung der Rotorkraft kann der Wellenenergiekonverter in jede beliebige radiale Richtung bewegt werden. Hierbei sei angemerkt, dass die Darstellung in Figur 2 lediglich eine senkrecht zur Rotationsachse gerichteten Orbitalströmung umfasst, die keine Strö- mungskomponenten in Richtung der Zeichenebene aufweist. Wird im Gegensatz dazu, wie unter Realbedingungen der Fall, der Rotor schräg angeströmt, so ergibt sich eine Rotorkraft, die neben einer senkrecht zur Rotorachse gerichteten Kraftkomponente auch eine axiale Kraftkomponente aufweist. Diese rührt daher, dass die hydrodynamische Widerstandskraft eines Kopplungskörpers in Richtung der lokalen Anströmung gerichtet ist.
Ein mögliches Vorgehen zur Beeinflussung der Rotorkraft während einer Umdrehung ist qualitativ in Figur 3 dargestellt. Dabei wird angenommen, dass bei Einhaltung einer strikten Synchronität (Δ = const.) und, vereinfachend zunächst auch für monochromatische Wellenzustände, eine Verschiebung des Wellenenergiekonverters 1 aus Figur 1 in horizontaler Richtung nach rechts erreicht werden soll, dass der Rotor für Θ = 0 von links angeströmt wird, und das die resultierende Rotorkraft in etwa in Anströmungsrichtung gerichtet ist. Für abweichende Richtungen der Rotorkraft kann das im Folgenden beschriebene Vorgehen in geeigneter Weise angepasst werden. In den einzelnen Graphen der Figur 3 ist jeweils ein Phasenwinkel Δ, ein erster und ein zweiter Anstellwinkel und γ2, ein zweites Moment - hier als Generatormoment MGen dargestellt - und eine Effektivkraft FRes über einen Phasenwinkel Θ dargestellt.
Hierzu werden beispielsweise in einem Bereich von ca. 320° < Θ <40° die resultierenden Kräfte an den Kopplungskörpern durch große Anstellwinkel γ maximiert, wodurch sich eine große resultierende Kraft auf den Rotor in Strömungsrichtung (nach rechts) ergibt. Um strikte Synchronität zu erreichen, wird das zweite Drehmoment in Form des Generatormoments in geeigneter Weise ebenfalls erhöht, da sich durch die großen Anströmwinkel a auch große Rotormomente ergeben, die ansonsten zu einer Beschleunigung des Rotors und damit zu
einer Änderung des Phasenwinkels Δ führen würden. Für den Bereich von ca. 140° < Θ < 220°, in dem die Anströmung von rechts erfolgt - die Rotorkraft ist damit weitgehend nach links gerichtet - werden diese Werte entsprechend reduziert, so dass die nach links gerichtete Kraft entsprechend geringer ausfällt. Für die dazwischen liegenden Bereiche mit An- Strömungen von unten und von oben werden beide Werte auf einen mittleren Wert eingestellt, so dass sich hier die nach oben und unten gerichteten Kräfte über eine Umdrehung weitgehend aufheben. Insgesamt ergibt sich damit pro Umdrehung eine Verlagerung des Wellenenergiekonverters 1 um eine entsprechende Strecke nach rechts in horizontaler Richtung.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Rotorkraft zweckmäßigerweise dann be- einflusst wird, wenn sie in bzw. entgegen zu der Richtung orientiert ist, in der zum Beispiel eine Verschiebung erreicht werden soll. Dabei können die beiden Anstellwinkel γ insbesondere zur Berücksichtigung von lokal abweichenden Strömungsverhältnissen (vWeiie kann ins- besondere bei großen Rotorerstreckungen bzw. bei multichromatischen Strömungsbedingungen unterschiedlich sein) auch unabhängig voneinander in geeigneter Weise verändert werden, wobei das Generatormoment dann zur Erreichung von absoluter Synchronität in geeigneter Weise auf das jeweils resultierende Rotormoment abgestimmt wird. Dies kann Auswirkungen auf die Wirklinie der Rotorkraft haben und somit das Schwingungsverhalten des Rotors 1 beeinflussen.
Ein ähnlicher Effekt ergäbe sich, wenn in Figur 3 auf eine der beiden Änderungen verzichtet würde. Auch dann würde eine entsprechende Gesamtverschiebung des Systems, allerdings mit reduzierter Geschwindigkeit, erfolgen.
Ähnlich kann der Wellenenergiekonverter Maschine auch vertikal oder in beliebige Raumrichtungen senkrecht zur Rotorachse verschoben werden. Ein derartiges Verfahren kann auch dazu genutzt werden, der Orbitalströmung überlagerte Kräfte - beispielsweise durch Meeresströmungen o.ä. auszugleichen - und ein Abdriften der Maschine zu verhindern. Dies reduziert insbesondere auch die Anforderungen an die Verankerung. Ferner kann vorgesehen sein, die Erzeugung von gerichteten resultierenden Kräften zu nutzen, um das Gesamtsystem Maschine zu stabilisieren und/oder Kräfte auszugleichen.
Für multichromatische Wellenfälle ergibt sich ein ähnliches Verfahren, nur dass hierbei die Änderungen nicht periodisch erfolgen müssen, da sich die Strömungsrichtung nicht periodisch ändert. Durch geeignete Sensorik kann die aktuelle Strömungsrichtung - besonders bevorzugt übrigens die lokale Anströmung vWeiie der einzelnen Kopplungskörper 3 - jedoch detektiert werden, so dass eine entsprechende Steuerung/Regelung der Maschine zur Erzeugung von gerichteten resultierenden Kräften möglich ist.
Wird auf die Einhaltung einer absoluten Synchronität verzichtet und damit ein Schwanken das Phasenwinkels Δ um einen Mittelwert zugelassen, so kann eine Verschiebung des Ro- tors durch zyklische Beeinflussung der resultierenden Rotorkraft auch durch eine geeignete Verstellung nur entweder des ersten oder des zweiten Drehmoments erreicht werden.
Wird beispielsweise bei konstantem zweitem Drehmomentmindestens einer der beiden Anstellwinkel γ erhöht, so ergeben sich daraus höhere Kräfte FAuf und FWid an dem mindestens einen der beiden Kopplungskörper 3 sowie damit verbunden der resultierenden Rotorkraft und ein größeres Rotormoment. Da das zweite Drehmoment konstant gehalten wird, führt dies zu einer Beschleunigung des Rotors und damit einer Änderung des Phasenwinkels Δ. Eine Verringerung der Anstellwinkel γ führt zu reduzierten Kräften und bei konstantem zweitem Drehmoment zu einer Abbremsung und damit zu einer Änderung des Phasenwinkels Δ in gegenläufiger Richtung.
Ein Schwanken des Phasenwinkels Δ um einen Mittelwert Δ = 0° ist vorgesehen. Um diesen erweiterten Synchronitätsbegriff zu erfüllen, ist dabei vorgesehen, dass der Phasenwinkel Δ in einer Bandbreite zwischen -90° < Δ <90° variiert werden kann.
Sollte durch besondere Umstände im Betrieb ein Fall auftreten, in dem der Phasenwinkel Δ diese Vorgabe verletzte, so können die Anstellwinkel γ der Kopplungskörper in ihrem Vorzeichen vertauscht werden, so dass für das weitere Vorgehen wieder der zuvor genannte Phasenwinkel erreicht wird.
Durch geeignete Wahl der Änderungsintervalle über die Rotordrehung kann damit ebenfalls eine Positionsbeeinflussung durch gezielte Variation der resultierenden Rotorkraft nur durch Änderung der Anstellwinkel γ erreicht werden.
Gleiches gilt für eine Änderung des zweiten Moments bei konstanten Anstellwinkeln γ - also konstantem ersten Moment. Auch hierdurch ergibt sich eine Änderung des Phasenwinkels Δ und der Rotorkraft, die in geeigneter Weise variiert werden kann. Vorteilhaft können auch Zwischenlösungen zwischen den beschriebenen Fällen mit der Verstellung nur eines der Drehmomente und einer gemeinsamen Verstellung beider Größen zur Beeinflussung der Rotorkraft bei gleichzeitiger Einhaltung der Synchronitätsanforderung sein. Insbesondere für reale multichromatische Seegänge werden sich im Realfall eher Mischzustände einstellen, wenn beide Größen beeinflusst werden.
Es ist damit möglich, auch bei Rotoren ohne einstellbare Anstellwinkel γ oder ohne einstellbares zweites Drehmoment die geforderte Synchronität, insbesondere auch für multichromatische Seegänge, einzuhalten. Hierbei kann ein Rotor mit fest eingestellten Anstellwinkeln γ verwendet werden, dessen Phasenwinkel Δ und/oder dessen Effektivkraft über eine Anpas- sung nur des zweiten Moments erfolgt. Vorteilhaft an diesem System ist die Reduktion der Systemkomplexität durch Entfall von aktiven Verstellelementen. Die Anstellwinkel γ werden hierbei vorzugsweise gegenläufig - der eine Kopplungskörper ist nach innen angestellt (ge- pitcht), während der andere Kopplungskörper nach außen gepitcht ist - (betragsmäßig) auf einen festen Wert von 0° bis 20°, vorzugsweise von 3° bis 15° und besonders bevorzugt von 5° bis 12° und ganz besonders bevorzugt von 7° bis 10° eingestellt.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass nur einer der beiden Kopplungskörper über eine VerStelleinrichtung verfügt, während der andere Kopplungskörper 3 mit einem festen Anstellwinkel γ montiert ist.
Alternativ kann auch ein Rotor verwendet werden, bei dem das zweite Drehmomentkonstant auf einen mittleren Wert eingestellt ist, dessen Phasenwinkel Δ und/oder dessen Rotorkraft unter Einhaltung der geforderten Synchronität durch geeignete Änderung der Anstellwinkel γ erfolgt.
Zur Verdeutlichung des Effekts von großen Rotorerstreckungen im Vergleich zur Wellenlänge ist in Figur 4 ein Wellenenergiekonverter 1 dargestellt, bei dem der Durchmesser so groß ist, dass die Anströmungsrichtung vWeiie der beiden Kopplungskörper 3 unterschiedlich ausfällt. Dabei dreht der Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn, die Wellenausbreitungsrichtung ist
von rechts nach links orientiert und mit W bezeichnet. Unter dem Wellenminimum bewegen sich dabei die Wasserpartikel weitgehend horizontal von links nach rechts. Der linke Kopplungskörper ist noch etwas vor dem Minimum angeordnet, so dass vWeiie,i leicht nach unten weist und noch nicht vollständig horizontal orientiert ist (gleiche Anströmung wie in Figur 2).
Im Gegensatz hierzu ist das Minimum bereits an der Position des rechten Kopplungskörpers vorbeigezogen, so dass die Anströmung vWene.2 hier bereits von schräg unten erfolgt. Dies führt zu geänderten Anströmverhältnissen mit einer anderen Anströmgeschwindigkeit vreSuitie- rend.2 und einem anderen Anströmwinkel a2 als in Figur 2, bei der angenommen wurde, das die Anströmrichtung an beiden Kopplungskörpern identisch sei. Damit ändern sich auch Betrag und Wirkrichtung der beiden Kräfte FAuf,2 und Fwid,2 an diesem Kopplungskörper und dadurch auch die Rotorkraft und das Rotormoment entsprechend.
Ein ähnlicher Effekt ergibt sich durch die exponentielle Tiefenabhängigkeit der Strömungs- geschwindigkeit der Orbitalströmung. Bei vertikaler Orientierung des Rotors aus Figur 2 (Drehung um 90°) wird bei großen Rotorerstreckungen im Vergleich zur Wellenlänge der untere Kopplungskörper 3 mit geringeren Strömungsgeschwindigkeiten beaufschlagt, als der obere Kopplungskörper 3. Auch dieser Effekt wirkt sich entsprecht auf die Rotorkraft und das Rotormoment aus.
Beide Effekte können jedoch durch eine geeignete Anpassung der Anstellwinkels γ - also eine Einstellung des ersten Drehmoments - und des zweiten Drehmoments in geeigneter Weise genutzt bzw. kompensiert werden, um auch unter derartigen Bedingungen weiterhin Synchronität zu gewährleisten und/oder die Rotorkraft in geeigneter Weise zu beeinflussen.
Für den Fall großer Rotorradien mit ungleicher Anströmung der Kopplungskörper wird der Phasenwinkel Δ als Winkel zwischen der Verbindungslinie des der Orbitalströmung zugewandten Kopplungskörpers 3 und dem Rotationszentrum und der radialen Anströmungsrich- tung des Rotorzentrums definiert.
In Figur 5 sind zwei Ausführungsformen des Wellenenergiekonverters 1 dargestellt. Diese weisen jeweils zwei Kopplungskörper 3 auf, die ein- oder beidseitig an einer Rotorbasis 2 gelagert sind. Die Kopplungskörper können mit einem Verstellsystem 5 ausgestattet sein, das zur aktiven Verstellung des Anstellwinkels γ der Kopplungskörper dient. Bei beidseitiger
Lagerung der Kopplungskörper kann die zweite Seite drehbar gelagert sein, alternativ ist aber auch eine beidseitige Anbringung eines Verstellsystems 5 möglich. Zusätzlich können Sensoren 6 zur Bestimmung des Anstellwinkels γ vorgesehen sein. Ein nicht dargestellter Sensor zur Bestimmung der Drehposition Θ der Rotorbasis 2 kann ebenfalls vorgesehen sein.
An der Rotorbasis 2 greift an einer Rotorwelle 9 ein Energiewandler 8 an, der beispielsweise einen direktgetriebenen Generator enthalten kann. Im Rahmen dieser Schrift werden Rotoren, bei denen der oder die Kopplungskörper nur auf einer Seite der Rotorbasis 2 angeordnet sind, unter dem Oberbegriff einseitige Rotoren zu- sammengefasst. Doppelseitige Rotoren weisen entsprechend eine bezüglich ihrer Rotationsebene zweiseitige Rotorbasis 2 auf, wobei an jeder Seite der zweiseitigen Rotorbasis 2 wenigstens ein Kopplungskörpers angebracht ist.
Figur 6 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Wellenenergiekonverter 1 mit einseitigem Rotor, bei dem die Kopplungskörper 3 über Hebelarme 4 an einer in einem Gehäuse 7 gelagerten Rotorbasis 2 gehaltert sind. Dabei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass es sich bei dem Gehäuse 7 und der Rotorbasis 2 um Ständer und Läufer eines direktgetriebe- nen Generators handelt. Eine Rotorwelle 9 wie in Figur 6 ist hier nicht mehr enthalten, was zu Einsparungen an Strukturkosten führt. Die Länge der Hebelarme 4 kann einstellbar ausgeführt sein.
In Figur 7 ist ein alternativer Wellenenergiekonverter 1 mit einseitigem Rotor 2,3 dargestellt, bei dem die Kopplungskörper 3 direkt an eine als Läufer eines direktgetriebenen Generators ausgeführte Rotorbasis 2 angekoppelt sind. Verstellsysteme zur Verstellung der Kopplungskörper 3 und Sensoren zur Zustandsüberwachung/Lagebestimmung sind nicht dargestellt, können jedoch vorgesehen sein. Auch hier wird auf eine Welle 9 verzichtet. Figur 8 zeigt einen weiteren Wellenenergiekonverter 1 mit Rotor 2,3,4 mit Kopplungskörpern 3, bei dem die Kopplungskörper 3 nicht parallel zur Rotationsachse des Rotors 1 orientiert sind, sondern eine Verkippung in radialer Richtung aufweisen, so dass sich gegenüber der Rotorachse Winkel ßi und ß2 einstellen. Diese Verkippung kann für jeden Kopplungskörper 3
anders ausgeführt und unabhängig einstellbar sein und der evtl. vorhandenen Verstellung des Anstellwinkels γ überlagert sein.
Ein Vorteil einer derartigen Kopplungskörperverstellung liegt in einem breitbandigeren Ma- schinenverhalten. So ist eine Maschine mit parallel zur Rotationsachse angeordneten Kopplungskörpern optimal für einen bestimmten Wellenzustand mit einer entsprechenden Wellenhöhe und Periodendauer ausgelegt und kann diese Welle im Idealfall optimal auslöschen. In der Realität treten jedoch sehr unterschiedliche Wellenzustände auf, insbesondere auch (mehrfache) Überlagerungen verschiedener Wellenzustände.
Der Rotor 1 gemäß Figur 7 vereint dabei. quasi verschiedene Maschinenradien in einer Maschine, so dass ein Teil des Rotors immer optimal für den aktuellen Wellenzustand ausgelegt ist. Insbesondere in Kombination mit einer Verstellmöglichkeit für diesen Winkel ergibt sich damit ein besonders vorteilhafter Rotor mit überlegenen Eigenschaften.
Wie in Figur 8 links dargestellt, besteht zudem die Möglichkeit, sämtliche Kopplungskörper 3 nach außen zu verstellen, oder, in Figur 8 rechts, die Verstellung vorzugsweise gegenläufig vorzunehmen, wie dies auch für die Anstellwinkel γ vorgesehen ist. Nicht dargestellt ist die dritte Möglichkeit, bei der die Kopplungskörper alle nach innen verstellt sind, diese kann je- doch ebenfalls vorteilhaft sein.
Durch eine in radialer Richtung verkippte Verstellung der Kopplungskörper kann zudem vorteilhafterweise Einfluss auf die Richtung der Rotorkraft bzw. Effektivkraft genommen werden. Da die hydrodynamische Auftriebskraft senkrecht zur lokalen Anströmung orientiert ist, ergibt sich durch eine Verstellung des Kopplungskörpers in radialer Richtung neben einer senkrecht zur Rotationsachse gerichteten Rotorkraftkomponente auch eine axiale Rotorkraftkomponente. Diese kann vorteilhaft zur Stabilisierung und/oder Bewegung des Rotors genutzt werden. In Figur 9 sind zwei Ansichten einer weiteren Möglichkeit dargestellt, bei der die Kopplungskörper 3 nicht parallel zur Rotationsachse verlaufen. Hier ergibt sich eine axiale Verkippung , so dass sich gegenüber der Rotorachse Winkel und d2 einstellen, die über entsprechende VerStelleinrichtungen 5 einstellbar ausgeführt sein kann. Eine derartige Verkippung entspricht in gewissem Umfang einer Pfeilung, wie sie bei Flugzeugflügeln ebenfalls zum Ein-
satz kommt, wodurch die entsprechenden und an sich bekannten Vorteile erzielt werden können.
Vorteilhafterweise ist auch eine Kombination der in den Figuren 8 und 9 dargestellten Ab- weichungen der Kopplungskörperorientierung von einer rotationsachsenparallelen Ausrichtung insbesondere überlagert zum Anstellwinkel γ der Kopplungskörper 3 vorgesehen.
In Figur 10 ist eine besonders bevorzugte Ausgestaltung eines Wellenenergiekonverters 10 mit Rotor dargestellt. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass an der Rotorbasis 2 beidseitig Kopplungskörper 3 angeordnet sind. Wie erwähnt, werden derartige Rotoren mit dem Begriff "beidseitiger Rotor" bezeichnet. Auf diesen Wellenenergiekonverter mit beidseitigem Rotor können die zuvor in den Erläuterungen zu den Figuren 1 bis 9 genannten Eigenschaften und Ausprägungen einzeln oder in Kombination angewandt und übertragen werden. Dies bedeutet, dass ein Anstellwinkel γ jedes Kopplungskörpers 3 und/oder der Widerstand und/oder der Phasenwinkel Δ einstellbar sein können, dass die Betriebsführung auf (weitgehende)
Synchronität ausgerichtet ist, und/oder dass durch geeignete Verstellung der Anstellwinkel γ, ß und/oder d und/oder des zweiten Drehmoments und/oder des Phasenwinkels Δ die resultierende Rotorkraft über die Rotordrehung so variiert werden kann, dass sich eine resultierende Kraft ergibt, die für eine Verschiebung des Wellenenergiekonverters und/oder zum Ausgleich von überlagerten Kräften, wie zum Beispiel durch Strömungen, und/oder für eine gezielte Schwingungsanregung und/oder Stabilisierung des Wellenenergiekonverters genutzt werden kann.
Vorteilhafterweise kann zudem vorgesehen sein, dass die freien Enden der Kopplungskörper jeweils in einer gemeinsamen Basis gelagert sind, wie dies für einen einseitigen Rotor in Figur 5 dargestellt ist.
Ist die Wellenausbreitungsrichtung einer monochromatischen Welle senkrecht zur Rotationsachse des Rotors gerichtet, so führt dies dazu, dass die jeweils paarweise nebeneinan- der angeordneten Kopplungskörper im Idealfall absolut identische Anströmungsbedingungen erfahren. Für diesen Fall können die Anstellwinkel γ dieser nebeneinander angeordneten Kopplungskörper vorzugsweise identisch eingestellt. Ergibt sich im realen Betriebsfall eine abweichende Anströmung der beiden Rotorhälften, so kann der Anstellwinkel jedes Kopp-
lungskörpers 3 individuell so eingestellt werden, dass sich die lokale Anströmung optimal ausprägt.
Dabei ergibt sich aus der Überlagerung der Kräfte aller Kopplungskörper 3 ein Rotormoment und eine Rotorkraft, die jeweils von den lokalen Anströmungsbedingungen abhängen und die durch Anpassung der Anstellwinkel γ, ß und/oder δ und/oder des Widerstands kontinuierlich geändert werden können. Damit können auch für einen derartigen Wellenenergiekonverter mit beidseitigem Rotor im Zusammenhang mit Figur 3 erläuterten (Teil- )Synchronitätsbedingungen und die Erzeugung von resultierenden Kräften umgesetzt wer- den.
Gegenüber einem Wellenenergiekonverter 1 mit einseitigem Rotor gemäß den vorigen Abbildungen kann mit einem Wellenenergiekonverter 10 mit beidseitigem Rotor auch eine Rotation des Wellenenergiekonverter 10 um eine Achse erreicht werden, die senkrecht zur Ro- torachse orientiert ist. Hierbei kann der Wellenenergiekonverter 10 im Betrieb durch unterschiedliche Beeinflussung der Anstellwinkel γ, ß und/oder δ der Kopplungskörper 3 und/oder durch Anpassung des Widerstands um seine vertikale Achse gedreht werden. Das kann besonders vorteilhaft dazu genutzt werden, den Wellenenergiekonverter 10 so auszurichten, dass seine Rotorachse weitgehend senkrecht zur aktuell vorliegenden Wellenausbreitungs- richtung orientiert ist.
Dazu können die im Zusammenhang mit Figur 3 erläuterten Strategien zur Erzeugung von gerichteten resultierenden Kräften auf diesen Wellenenergiekonverter 10 mit beidseitigem Rotor derart übertragen werden, dass die beiden Rotorseiten beispielsweise entgegenge- richtet gesteuert/geregelt werden. Mögliche Strategien zur Drehung eines Wellenenergie- konverters mit beidseitigem Rotor um die vertikale Achse sind für den Fachmann direkt ableitbar.
Figur 11 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Wellenenergiekonverters 10 mit beidseitig angeordneten Kopplungskörpern 3. Bei dieser ist die Rotorbasis 2 in zwei (Teil-)Rotorbasen 2 mit dazwischen angeordneter Rotorwelle 9 und einem an diesem angeordneten Energiewandler 8, der beispielsweise einen Generator und/oder ein Getriebe enthalten kann, aufgeteilt. Da die beiden Rotorseiten über die Welle, falls zweckmäßig weitgehend torsionssteif, miteinander verbunden sind und damit synchron rotieren, wird diese Konfiguration als ein
beidseitiger Rotor verstanden, für den die in Zusammenhang mit Figur 10 beschriebenen Eigenschaften ebenfalls gelten. Ebenfalls als beidseitiger Rotor wird eine Baugruppe verstanden, die aus zwei einseitigen Rotoren derart zusammengefügt wird, dass die beiden Rotoren im Betrieb weitgehend die gleiche Orientierung aufweisen.
In Figur 12 ist eine weitere Ausführungsform eines Wellenenergiekonverters 10 mit beidseitigem Rotor 10 dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine bevorzugte Ausführung, bei der der Energiewandler als direktgetriebenen Generator 11 realisiert ist, der als integraler Bestandteil des Wellenenergiekonverters 10 mit seinem Ständer das drehfest gehaltene Ge- häuse 7 des Wellenenergiekonverters bildet und bei dem die Kopplungskörper 3 über Hebelarme direkt an den als Rotorbasis 2 wirkenden Läufer 2 des Generators 11 gekoppelt sind. Damit bildet der Wellenenergiekonverter 10 dieser Ausprägung eine besonders kompakte Bauform, bei der durch Verzicht auf eine Welle 9 Strukturkosten minimiert werden. Auch diese Ausführungsform ist mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen und Be- triebsstrategien kombinierbar.
In Figur 13 ist ein Wellenenergiekonverter 20 dargestellt, der neben einem Wellenenergiekonverter 10 gemäß Figur 12 weitere Elemente enthält. Dabei handelt es sich im Einzelnen um Dämpfungsplatten 21 , die über einen Rahmen 22 weitgehend starr mit dem Gehäuse 7 bzw. einem Ständer eines direktgetriebenen Generators verbunden sind. Die Dämpfungsplatten 21 befinden sich in größeren Wassertiefen als der Rotor. In diesen größeren Wassertiefen ist die durch die Wellenbewegung verursachte Orbitalbewegung der Wassermoleküle deutlich reduziert, so dass die Dämpfungsplatten 21 zu einer Abstützung bzw. Stabilisierung des Wellenenergiekonverters 20 führen. Dabei kann im Betrieb zusätzlich eine Sta- bilisierung des Wellenenergiekonverters 20 gemäß der oben beschriebenen Strategien mit einer gezielten Beeinflussung der resultierenden Rotorkraft überlagert werden.
Eine derartige Stabilisierung ist vorteilhaft, um die Rotationsachse in erster Näherung stationär zu halten. Ohne eine derartige Stabilisierung würden die Rotorkräfte dazu führen, dass die Rotationsachse im Extremfall unter einem Phasenversatz mit der Orbitalströmung orbitie- ren würde, wodurch sich die Anströmverhältnisse der Kopplungskörper 3 fundamental verändern würden. Die Funktionalität des Wellenenergiekonverters würde hierdurch negativ beeinflusst. Es sei jedoch zu verstehen gegeben, dass ein Wellenenergiekonverter auch
durch andere Mittel, die keine Dämpfungsplatten umfassen müssen, entsprechend stabilisiert werden kann.
Beispielhaft sind die beiden Dämpfungsplatten horizontal dargestellt. Es werden jedoch auch Konfigurationen als vorteilhaft angesehen, bei denen die Dämpfungsplatten anders orientiert sind. Beispielsweise könnten beide Platten gegensätzlich um 45° verkippt angeordnet werden, so dass sie miteinander einen 90°-Winkel einschließen. Andere Konfigurationen sind für den Fachmann herleitbar. Auch können andere Dämpfungsplattengeometrien und/oder - anzahlen eingesetzt werden.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Dämpfungsplatten 21 in ihrem Winkel und/oder in ihrer Dämpfungswirkung verstellbar sind. Die Beeinflussung der Dämpfungswirkung kann beispielsweise durch eine Änderung der Fluiddurchlässigkeit erreicht werden. Auch durch eine unter Umständen zyklisch veränderte Dämpfung lässt sich das Antwortver- halten des Wellenenergiekonverters 20 auf die eingeleiteten Kräfte beeinflussen.
Neben den Dämpfungsplatten 21 kann ein hydrostatisches Auftriebssystem 23 vorgesehen sein, durch das die Tauchtiefe des Wellenenergiekonverters, beispielsweise durch Ein- und Auspumpen eines Fluids, eingestellt werden kann. Dabei ist der Auftrieb für einen stationä- ren Fall so eingestellt, dass er die Gewichtskraft der Maschine und des Moorings abzüglich des durch das Eintauchen in Wasser herrschenden Auftriebs ausgleicht. Da die rotierenden Teile des Rotors 10 vorzugsweise einen weitgehend neutralen Auftrieb aufweisen, müssen damit im Wesentlichen die Gewichtskräfte von Gehäuse, Rahmen, Dämpfungsplatten und einer unten erläuterten Mooringeinrichtung berücksichtigt werden.
Durch kleine Änderungen des Auftriebs kann insbesondere in Verbindung mit einem sogenannten Catenery-Mooring die Tauchtiefe leicht reguliert werden, beispielsweise um die Maschine durch Verlagerung in größere Wassertiefen vor zu großen Wellenzuständen mit zu hohen Energiegehalten zu schützen oder um sie für Wartungsfälle an die Oberfläche zu be- fördern.
In dem Gehäuse des Auftriebssystems 23 kann zudem auch die Maschinensteuerung des Wellenenergiekonverters 20 untergebracht sein. Alternativ zu einem beidseitigen Rotor 10 können im Übrigen auch einseitige Rotoren 1 zum Einsatz kommen.
In Figur 14 ist der Wellenenergiekonverter 20 aus Figur 13 in einem Körper aus welligem Wasser mit einer Verankerung 24 am Meeresgrund, die vorzugsweise über ein Mooring, insbesondere über ein Catenery-Mooring erfolgt, alternativ aber auch als starre Verankerung ausgeführt sein kann, dargestellt. Eine Wellenausbreitungsrichtung ist mit W bezeichnet. Der Wellenenergiekonverter 20 ist über eine oder mehrere Ketten und entsprechende Anker mit dem Meeresgrund verbunden. Entsprechende Moorings sind typischerweise aus Metallketten gebildet und können insbesondere im ihrem oberen Bereich auch mindestens ein Kunststoffseil beinhalten.
Das wellenenergiekonverterseitige Ende des Moorings ist am der einlaufenden Welle zugewandten Teil des Rahmens 22 und/oder der der einlaufenden Welle zugewandten Dämpfungsplatte 21 befestigt. Dadurch erfolgt bereits eine gewisse Selbstausrichtung des Wel- lenenergiekonverters zur Wellenausbreitungsrichtung (Wetterfahneneffekt). Diese kann durch entsprechende zusätzliche passive (Wetterfahne) und/oder aktive Systeme (Rotorsteuerung, Azimutnachführung) unterstützt werden.
Die Kombination aus Auftrieb und Verankerung kann darüber hinaus besonders vorteilhaft als Abstützung für das Generatormoment genutzt werden. Dargestellt sind ebenfalls die durch diese beiden Systeme verursachten Kräfte FMooring (weitgehend nach unten gerichtet) und FAuftneb (weitgehend nach oben gerichtet). Bei Abgriff eines Drehmoments durch den Widerstand wird in der dargestellten Konfiguration eine Rotation des Wellenenergiekonver- ters 20 im Uhrzeigersinn induziert (in Rotationsrichtung des Rotors 10). Die beiden dargestellten Kräfte erzeugen ein dieser Rotation entgegen gerichtetes Drehmoment, das mit steigender Verkippung des Wellenenergiekonverters 20 ansteigt. Zusätzlich kann eine Verkippung der Maschine durch Entnahme eines Generatormoments zu einem Anheben des Moorings führen, wodurch FMoorjng ansteigt. Dies wirkt sich erhöhend auf das abstützende Gegenmoment aus. Zusätzlich kann auch der Auftrieb aktiv verändert werden, um das Gegenmoment zur Stabilisierung des Wellenenergiekonverters weiter zu erhöhen.
In Figur 15 ist ein Wellenenergiekonverter 30 mit drei (Teil-)Wellenenergiekonvertern 1 mit einseitigen (Teil-)Rotoren gemäß Figur 6 dargestellt. Dabei sind die (Teil-) Wellenenergiekonverter mit weitgehend paralleler Rotorachse in einem horizontal orientierten Rahmen 31 montiert, so dass die Rotoren unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet sind und ihre
Rotorachsen weitgehend senkrecht zur einlaufen Welle orientiert sind. In dem dargestellten Fall entspricht der Abstand vom ersten bis zum letzten Rotor in etwa der Wellenlänge der eereswelle so dass für den angenommenen Fall einer monochromatischen Welle der vorderste und der hinterste Rotor die gleiche Orientierung aufweisen, währende der mittlere Rotor um 180° verdreht ist. Dabei rotieren alle drei Rotoren entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn, die Welle läuft also von hinten über die Maschine. Wellenlängen von Meereswellen liegen zwischen 40 m und 360 m, wobei typische Wellen Wellenlängen von 80 m bis 200 m aufweisen. Da die Rotoren jeweils aus verschiedenen Richtungen angeströmt werden - ihre Position unter der Welle ist unterschiedlich - ergibt sich an jedem Rotor eine spezifische Ausprägung der Richtung der jeweiligen Rotorkraft. Dieser Effekt kann genutzt werden, um den Wellen- energiekonverter 30 zu stabilisieren, indem die einzelnen Rotoren 1 unter Beibehaltung einer weitgehenden Synchronität durch Verstellung des Widerstands und/oder der Anstellwinkel γ, ß und/oder d derart gesteuert/geregelt werden, dass die resultierenden Rotorkräfte der Rotoren 1 sich gegenseitig weitgehend aufheben.
An dem Rahmen 31 und/oder den Rotoren sind vorteilhafterweise mehrere Auftriebssysteme 23 angebracht, mit Hilfe derer die Tauchtiefe reguliert werden kann sowie durch die zusam- men mit der nicht dargestellten Verankerung (diese greift vorzugsweise am der einlaufenden Welle zugewandten Teil des Rahmens 31 an und kann beispielsweise als Mooring, insbesondere als Catenery-Mooring ausgeführt sein) ein das Dämpfungsmoment abstützendes Gegenmoment erzeugt werden kann. Dabei kann der Rahmen 31 so ausgeführt sein, dass der Abstand zwischen den Rotoren 1 einstellbar ist, so dass die Maschinenlänge auf die aktuelle Wellenlänge abgestimmt werden kann. Es werden jedoch auch Maschinen erwogen, die deutlich länger als eine Wellenlänge ausgebildet sind und eine andere Anzahl an Rotoren aufweisen, was zu einer weiteren Verbesserung der Maschinenstabilität durch die Überlagerung der eingeleiteten Kräfte führt.
Zusätzlich können zur weiteren Stabilisierung Dämpfungsplatten vorgesehen sein, die in größerer Wassertiefe angeordnet sein können. Ebenfalls zur weiteren Stabilisierung der Anlage, insbesondere gegenüber einer Rotation um die Längsachse, könnten Auftriebssysteme
an mindestens einem Querträger angeordnet sein. Ein solcher, vorzugsweise horizontal orientierter, Querträger kann beispielsweise am hinteren Ende des Rahmens angeordnet sein.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Rahmen 31 des Wellenenergiekonverters als schwimmender Rahmen ausgeführt ist und dass die getaucht unter der Wasseroberfläche angeordneten Rotoren 1 mit weitgehend horizontaler Rotorachse über eine entsprechend ausgeführte Rahmenkonstruktion drehbar an dem schwimmenden Rahmen gehaltert sind.
Figur 16 zeigt eine alternative Ausführung eines vorteilhaften Wellenenergiekonverters 30 mit weitgehend horizontaler Rahmenerstreckung und einer Mehrzahl von beidseitigen Rotoren. Im Vergleich zu einer Anordnung mit einseitigen Rotoren ist dies ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform, da dadurch die Anzahl der Generatoren reduziert wird.
Figur 17 zeigt eine weitere alternative Ausführung eines vorteilhaften Wellenkonverters 30 mit einer Kombination aus einem beiseitigen Rotor und einer Mehrzahl an einseitigen Rotoren und einer weitgehend horizontalen Rahmenerstreckung. Dabei ist der Rahmen 31 als V ausgeführt, um eine Abschattung zwischen den verschiedenen Rotoren zu vermeiden und/oder zu minimieren. Ebenfalls dargestellt ist eine Verankerung 24, die vorzugsweise an der Spitze der V- förmigen Anordnung angreift, so dass sich der Wellenenergiekonverter 30 durch Wetterfahneneffekte vorzugsweise weitgehend selbstständig so zur Welle ausrichtet, so dass er von dieser von vorne angeströmt wird. Dadurch erfolgt bereits eine weitgehend senkrechte An- strömung der Rotorachsen, die beispielsweise durch die Beeinflussung der Rotorkräfte noch weiter optimiert werden kann.
Die vorzugsweise vorhandenen Auftriebssysteme können bereits ein Gegendrehmoment erzeugen, es ist aber auch eine Einbeziehung der Verankerungskräfte des Mooringsystems 24 möglich, wie es im Zusammenhang mit Figur 14 beschrieben wurde. Zur Stabilisierung des Rahmens können zusätzlich Abspannungen und/oder Verstrebungen vorgesehen sein. Zudem kann auch eine Stabilisierung durch den Einsatz von Dämpfungsplatten ähnlich wie in Figur 13 vorgesehen sein.
Auch der Wellenenergiekonverter 30 gemäß den Figuren 15 bis 17 kann durch Beeinflussung der Rotorkräfte der einzelnen Rotoren in seiner Position und in seinem Bewegungsverhalten beeinflusst werden. Insbesondere ist dabei auch eine Drehung um die vertikale Achse möglich, wenn die verschiedenen Rotoren entsprechend gesteuert/geregelt werden.
Neben einer Stabilisierung durch die Rotorkräfte erfolgt zusätzlich auch noch eine Stabilisierung des Wellenenergiekonverters 30 durch die am Rahmen 31 angreifenden strömungsin- duzierten Kräfte. Auch diese sind in verschiedene Richtungen gerichtet und können sich mindestens teilweise ausgleichen.
Figur 18 zeigt unterschiedliche bevorzugte Sensorpositionen zur Anbringung von Sensoren zur Bestimmung der Strömungsverhältnisse an einem Wellenenergiekonverter 20 und besonders bevorzugt zur Bestimmung der lokalen Anströmungsverhältnisse an den Kopplungskörpern eines Wellenenergiekonverters. Darüber hinaus lässt sich mit auf dem Wellen- energiekonverter 20 angebrachten Sensoren auch dessen Bewegungsverhalten bestimmen. Eine Wellenausbreitungsrichtung ist mit W bezeichnet.
Zur Erreichung der geforderten Synchronität und/oder der gezielten Beeinflussung der Rotorkräfte ist die Kenntnis der Anströmungsverhältnisse an den Kopplungskörpern, dabei ins- besondere die lokale Strömungsgeschwindigkeit und -richtung vorteilhaft. Hierzu können Sensoren auf dem Rotor (Position 101 ) und/oder auf den Kopplungskörpern (Position 102) und/oder auf dem Rahmen (Position 103) und/oder unter der Wasseroberfläche schwimmend in Maschinennähe (Position 104) und/oder auf der Wasseroberfläche in Maschinennähe (Position 105) und/oder auf dem Meeresgrund unterhalb der Maschine (Position 106) und/oder unter der Wasseroberfläche schwimmend der Maschine (oder einem Park aus mehreren Maschinen) vorgelagert (Position 107) und/oder auf dem Meeresgrund der Maschine (oder einem Park aus mehreren Maschinen) vorgelagert (Position 108) und/oder schwimmend der Maschine (oder einem Park aus mehreren Maschinen) vorgelagert (Position 109) und/oder oberhalb der Wasseroberfläche (Position 110) - zum Beispiel in einem Satelliten - angeordnet sein. Zusätzliche entsprechende Sensoren 105' bis 109' können, bezogen auf die Wellenausbreitungsrichtung, leeseitig angeordnet sein. Derartige leeseitige Sensoren ermöglichen die Bestimmung einer Interaktion des Wellenenergiekonverters mit den eingegangen Wellen. Auf Grund dieser Kenntnis kann das Ergebnis der Interaktion
überprüft und ggf. die Interaktion zielgerichtet über eine Maschinensteuerung verändert werden.
Hierbei können Sensoren und entsprechende Kombinationen, unter anderem aus folgenden Klassen, zum Einsatz kommen:
• Drucksensoren (zur Differenz- und/oder Absolutdruckbestimmung) zur Bestimmung von hydrostatischen und/oder hydrodynamischen Drücken,
• Ultraschallsensoren zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten, vorteil- hafterweise in mehreren Dimensionen,
• Lasersensoren zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten und/oder einer Geometrie einer Wasseroberfläche,
• Beschleunigungssensoren zur Bestimmung von Strömungsverhältnissen
und/oder von Bewegungen des Gesamtsystems und/oder des Rotors und/oder der Oberflächengeschwindigkeiten eines Wasserkörpers und/oder zur Bestimmung der Ausrichtung eines Körpers über die Detektion des Erdschwerefeldes,
• Inertialsensoren zur Messung unterschiedlicher translatorischer und/oder rotatorischer Beschleunigungskräfte,
• Massenstrommesser/Durchflusssensoren und Hitzdrahtanemometer zur Be- Stimmung einer Strömungsgeschwindigkeit,
• Biegewandler zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit,
• Dehnungssensoren zur Bestimmung der Verformung der Kopplungskörper,
• Anemometer zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit,
• Wirikelsensoren (absolut oder inkrementell), Tachometer zur Bestimmung von Anstellwinkel der Kopplungskörper und/oder des Drehwinkels des Rotors,
• Drehmomentsensoren zur Bestimmung der Verstell- und/oder Haltekräfte des Kopplungskörperverstellsystems,
• Kraftsensoren zur Bestimmung der Rotorkraft hinsichtlich Betrag und Richtung,
• Satelliten zur Bestimmung der Oberflächengeometrie des Ozeangebiets, · GPS-Daten zur Bestimmung von Maschinenposition und/oder -bewegung,
• Gyroskope zur Bestimmung einer Drehrate.
Aus diesen Sensorsignalen lassen sich die momentanen lokalen Anströmbedingungen der Kopplungskörper und/oder das Strömungsfeld um die Maschine und/oder das auf die Maschine/den Park aus mehreren Maschinen zulaufende Strömungsfeld und/oder die Eigenschwingungen der Maschine insbesondere prädiktiv ermitteln, so dass das zweite Bremsmoment und/oder die Anstellwinkel γ, ß und/oder δ der Kopplungskörper 3 zur Erreichung der Steuer-/Regelziele in geeigneter Weise eingestellt werden können.
Zu den Steuer-/Regelzielen gehören neben einer Optimierung des Rotormoments insbesondere die Einhaltung einer Synchronität und/oder die Vermeidung eines Strömungsabrisses an den Kopplungskörpem und/oder die Beeinflussung der Rotorkräfte zu einer Stabilisierung und/oder einer Verschiebung und/oder einer gezielten Schwingungsanregung und/oder einer Drehung der Anlage zur lagerichtigen Ausrichtung zur einlaufenden Welle. Ferner können über die Steuerung/Regelung mit einer Veränderung des mindestens einen Auftriebssystems auch die Tauchtiefe sowie auch das Abstützmoment beeinflusst werden. Über eine Anpassung des Dämpfungsplattenwiderstands kann das Maschinenschwingverhalten ebenfalls beeinflusst werden.
Besonders vorteilhaft erscheinen dabei Messungen des Strömungsfeldes, die bereits vor der Maschine oder einem Park aus mehreren Maschinen erfolgen und aus denen das zu einem späteren Zeitpunkt an der/den Maschinen anliegende Strömungsfeld berechnet werden kann. Zusammen mit einem virtuellen Modell der Maschine kann daraus eine Vorsteuerung der Stellgrößen abgeleitet werden, die dann durch eine Regelung angepasst wird. Durch ein derartiges Vorgehen wird es insbesondere möglich, in multichromatischen Seegangszustän- den die wesentlichen energietragenden Wellenanteile rechnerisch zu erfassen und die Steuerung/Regelung des Energiekonverters in geeigneter Weise auf diese abzustimmen.
In Figur 19 sind aus dem Flugzeugbau bekannte alternative Möglichkeiten, insbesondere Klappen, zu einer Änderung des Anstellwinkels γ eines Auftriebsläufers und/oder seiner Form dargestellt und mit 201 bis 210 bezeichnet, mit denen sich die Umströmung und damit Auftriebs- und/oder Widerstandskräfte beeinflussen lassen. Es kann vorgesehen sein, die Kopplungskörper 3 zusätzlich oder alternativ zu einer Aktorik zur Verstellung der Anstellwinkels Y, ß und/oder δ mit einer oder mehrerer dieser Mittel auszustatten.
Dabei wird insbesondere der Einsatz von sogenannten Winglets zur Beeinflussung des Auftriebsverhaltens an den freien Flügelenden erwogen. Alternativ ist es auch möglich, die freien Flügelenden mit einer zweiten Rotorbasis zu versehen, und so auch die mechanische Stabilität des Gesamtsystems zu erhöhen.
In den Abbildungen wurden der Einfachheit halber symmetrische Profile verwendet. Hier sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass auch gekrümmte Profile eingesetzt werden können. Darüber hinaus können die eingesetzten Profile in ihrer Krümmung an die Strömungsbedingungen (gekrümmte Strömung) angepasst werden.
Claims
1. Wellenenergiekonverter (1 , 10, 20, 30) zur Umwandlung von Energie aus einer Wellenbewegung eines Fluids in eine andere Energieform, mit wenigstens einem Rotor, der mit wenigstens einem Energiewandler (8) gekoppelt ist und eine bezüglich seiner Rotationsebene zweiseitige Rotorbasis (2) aufweist, wobei an jeder Seite der Rotorbasis (2) wenigstens ein Kopplungskörper (3) angebracht ist.
2. Wellenenergiekonverter (1 , 10, 20, 30) nach Anspruch 1 , bei dem wenigstens ein Kopplungskörper (3) auf wenigstens einer Seite der Rotorbasis (2) verstellbar ausgebildet ist.
3. Wellenenergiekonverter (1 , 10, 20, 30) nach Anspruch 2, bei dem wenigstens ein Kopplungskörper (3) auf jeder Seite der Rotorbasis (2) verstellbar ausgebildet ist und wobei Mittel (5) zur unabhängigen oder gemeinsamen Verstellung der Kopplungskörper (3) vorgesehen sind.
4. Wellenenergiekonverter (1 , 10, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kopplungskörper (3) dazu eingerichtet sind, aus der Wellenbewegung durch Er- zeugen einer hydrodynamischen Auftriebskraft ein auf den Rotor wirkendes erstes Drehmomente zu erzeugen, wobei eine Steuereinrichtung insbesondere dazu eingerichtet ist, Betrag und/oder Richtung der hydrodynamischen Auftriebskraft durch Verändern einer Stellung und/oder einer Form des wenigstens einen Kopplungskörpers (3) einzustellen.
5. Wellenenergiekonverter (1 , 10, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Kopplungskörper (3) an wenigstens einer Rotorbasis (2) von der Rotationsachse des wenigstens einen Rotors beabstandet angebracht ist.
6. Wellenenergiekonverter (1 , 10, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Energiewandler (8) als direktgetriebener Generator (11 ) ausgebildet ist, wobei der wenigstens eine Rotor (10) der Antrieb des Generators ist und insbesondere der Läufer des direktgetriebenen Generators (11) die Rotorbasis (2) des wenigstens einen Rotors (10) bildet.
7. Wellenenergiekonverter (1 , 10, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der der Rotor als einseitiger Rotor ausgebildet ist und nur auf einer Seite der Rotorbasis (2) wenigstens ein Kopplungskörper (3) angebracht ist.
8. Wellenenergiekonverter (1 , 10, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, der wenigstens einen Stabilisierungsrahmen (22) und/oder Dämpfungsplatten (21 ) zur Stabilisierung des Wellenenergiekonverters (1 , 10, 20, 30), Verankerungsmittel (24) zur Verankerung des Wellenenergiekonverters (1 , 10, 20, 30) und/oder Drehmomentabstützmittel zur Aufnahme eines Drehmoments aufweist.
9. Wellenenergiekonverter (1 , 10, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, der mehrere an einer länglichen, insbesondere V-förmigen Struktur (31 ) angebrachte ein- und/oder zweiseitige Rotoren aufweist. 10. Wellenenergiekonverter (1 , 10, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, der Mittel (23) zur Veränderung einer hydrostatischen Auftriebskraft aufweist, die insbesondere zur Einstellung einer Tauchtiefe und/oder zum Verkippen des Wellenenergiekonverters (1 ,
10. 20, 30) in dem Fluid und/oder zur Beaufschlagung des Wellenenergiekonverters (1 , 10, 20, 30) mit einem Drehmoment eingerichtet sind.
11. Wellenenergiekonverter (1 , 0, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, der zumindest einen Sensor und/oder zumindest ein Sensorsystem zur Bestimmung einer Rotor- und/oder Kopplungskörperstellung und/oder eines Phasenwinkels zwischen einer Orbitalströmung und einer Rotationsbewegung des wenigstens einen Rotors und/oder eines Be- triebszustands des Wellenenergiekonverters (1 , 10, 20, 30) und/oder eines Wellenzustands, insbesondere einer Wellenhöhe, einer Wellenlänge, einer Wellenfrequenz, einer Wellenausbreitungsrichtung und/oder einer Wellenausbreitungsgeschwindigkeit, und/oder eines Strömungsfelds und/oder einer Anströmrichtung aufweist, wobei der zumindest eine Sensor und/oder das zumindest eine Sensorsystem an dem Wellenenergiekonverter (1 , 10, 20, 30), in seiner Umgebung und/oder entfernt hiervon angeordnete Sensoren aufweist.
12. Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters (1 , 10, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem durch die Kopplungskörper (3) auf beiden Seiten der Rotorbasis gleiche oder unterschiedliche auf den Rotor wirkende erste Drehmomente er- zeugt werden, und bei dem durch den Energiewandler (7) ein auf den Rotor wirkendes zweites Drehmoment erzeugt wird.
13. Verfahren zum Betreiben eines Wellenenergiekonverters (1 , 10, 20, 30) nach An- spruch 12, bei dem eine erwünschte, senkrecht zu der Rotationsachse des wenigstens einen Rotors (10) wirkende Effektivkraft durch Einstellen der ersten Drehmomente und/oder des zweiten Drehmoments eingestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei durch die erzeugte Effektivkraft eine Position des Wellenenergiekonverters (1 , 10, 20, 30) in dem Fluid in lateraler und/oder vertikaler
Richtung verändert und/oder der Wellenenergiekonverter in dem Fluid lateral und/oder vertikal ausgerichtet und/oder gedreht wird und/oder einer auf den Wellenenergiekonverter (1 , 10, 20, 30) wirkenden Kraft, insbesondere aufgrund von weitgehend kontinuierlichen Flu- idströmungen, entgegen gewirkt, und/oder der Wellenenergiekonverter (1 , 10, 20, 30) stabi- lisiert und/oder ein Bewegungszustand des Wellenenergiekonverters (1 , 10, 20, 30) gezielt geändert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Wellenenergiekonverter (1 , 10, 20, 30) zu einer in dem Fluid bestimmten Orbitalströmung und/oder Wellenausbreitungsrichtung ausge- richtet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei mehrere Rotoren verwendet werden und jeweils eine gleiche oder abweichende Effektivkraft erzeugt wird.
17. Verfahren nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche,
wobei die Wellenbewegung eine Orbitalströmung ist und eine Rotationsbewegung des wenigstens einen Rotors um die Rotorachse durch gezieltes Einstellen des ersten und/oder zweiten Drehmoments weitgehend oder vollständig mit der Orbitalströmung synchronisiert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei ein Phasenwinkel zwischen der Orbitalströmung und der Rotationsbewegung des wenigstens einen Rotors auf einen Wert oder innerhalb eines Wertebereichs eingestellt oder geregelt wird.
19. Verfahren nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, wobei die ersten Drehmomente und/oder das zweite Drehmoment zyklisch, jeweils insbesondere einer Frequenz der Wellenbewegung und/oder einer Rotationsbewegung des wenigstens einen Rotors entsprechend, verändert wird, wobei die Effektivkraft eine im zeitlichen Mittel aus einer auf eine Haltestruktur des wenigstens einen Rotors wirkenden Reaktionskraft resultierende Kraft ist.
20. Verfahren nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche, wobei lokale, regionale und/oder globale Anströmbedingungen des Fluids bezüglich des Wellenenergiekonver- ters (1 , 10, 20, 30) und/oder seiner Komponenten und/oder eine Ausrichtung des Wellen- energiekonverters (1 , 10, 20, 30) und/oder ein Bewegungszustand des Wellenenergiekon- verters (1 , 10, 20, 30) und/oder ein Phasenwinkel zwischen einer Orbitalströmung und einer Rotationsbewegung des wenigstens einen Rotors, insbesondere zeitlich, als Betriebsbedingungen erfasst und zur Einstellung der ersten Drehmomente und/oder des zweiten Dreh- moments herangezogen werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei multichromatische Schwankungen der Betriebsbedingungen erfasst und insbesondere Hauptmoden in den multichromatischen Schwankungen zur Einstellung des ersten und/oder zweiten Drehmoments herangezogen werden.
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