DE102006057383A1

DE102006057383A1 - Turbinenanlage zum Nutzen von Energie aus Meereswellen

Info

Publication number: DE102006057383A1
Application number: DE102006057383A
Authority: DE
Inventors: William Kenneth Tease; Janet Lees
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2008-06-05
Also published as: EP2100033A2; JP5213872B2; CA2671784A1; KR20090086461A; CL2007003474A1; WO2008067939A2; AU2007327989A1; WO2008067939A3; KR101384558B1; CN101675242A; US8388301B2; NZ577411A; US20090317230A1; JP2010511832A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenanlage zum Ausnutzen von Energie aus Meereswellen
- mit einer Kammer, die an ihrem unteren und an ihrem oberen Ende je eine Öffnung aufweist;
- mit einem an beiden Enden offenen Rohr zum Führen einer Luftströmung;
- das untere Ende der Kammer ist zum Eintauchen in Meerwasser bestimmt, und die Öffnung des oberen Endes ist an eines der Enden des Rohres angeschlossen;
- mit einer vom Rohr umschlossenen, zu diesem koaxial angeordneten Energieeinheit;
- es ist eine Vorrichtung zum Reinigen der Rotorblätter von Ablagerungen beziehungsweise zum Verhindern des Bildens von Ablagerungen auf den Rotorblättern vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenanlage zum Ausnutzen von Meereswellen und zum Umsetzen der darin enthaltenen Energie in elektrische Energie. Solche Anlagen sind beispielsweise aus EP 0 000 441 A1 und GB 2 250 321 A bekannt geworden.
Anlagen dieser Art sind wie folgt aufgebaut: Sie umfassen eine Kammer, die an ihrem unteren Ende offen ist und mit diesem offenen Ende in das Meer eintaucht. An ihrem oberen Ende hat sie ebenfalls eine Öffnung. Es ist ferner ein Rohr vorgesehen, das dem Führen einer Luftströmung dient. Das Rohr ist mit seinem einen offenen Ende an die obere Öffnung der Kammer angeschlossen. Im Rohr befindet sich eine von diesem umschlossene und koaxial zum Rohr angeordnete Energieeinheit mit einem Turbinenrotor sowie ggf. mit einem mit dem Rotor in Triebverbindung stehenden elektrischen Generator.
Der Spiegel des Meerwassers innerhalb der Kammer hebt und senkt sich ständig zufolge der Wellen des Meeres; die Wellenbewegung wirkt somit in die Kammer hinein. Mit jedem Heben des Wasserspiegels ist ein Verdrängen des in der Kammer befindlichen Luftquantums enthalten. Die Luft wird beim Heben des Wasserspiegels verdrängt und strömt durch die obere Öffnung der Kammer und somit auch durch das Rohr, in welchem sich die Turbine befindet. Der Luftstrom treibt die Turbine an, und damit auch den elektrischen Generator, der als solcher elektrische Energie erzeugt.
Beim Absenken des Wasserspiegels in der Kammer findet derselbe Vorgang statt, nur dass der Luftstrom sich umkehrt. Es gibt mechanische Möglichkeiten, den Turbinenrotor in ein- und demselben Drehsinn umlaufen zu lassen, ungeachtet der Richtung des Luftstromes. Eine solche Möglichkeit ist beispielsweise in GB 1 595 700 B beschrieben.
Die in den Weltmeeren enthaltene Wellenenergie ist unerschöpflich. Die mittlere Jahreswellenenergie liegt bei einer Tiefe von 10 m in der Größenordnung von 10 kW/m, und in einer Tiefe von 40 m bei 50 kW/m. Das Problem liegt jedoch darin, die reichlich vorhandene Energie auf wirtschaftliche Weise auszunutzen, so dass die Kosten pro Kilowattstunde wettbewerbsfähig sind. Dies ist bei zahlreichen Anlagen zum Umsetzen von erneuerbarer Energie, so wie sie in der Natur anfällt, in wirtschaftlich verwertbare Energie zu akzeptablen Kosten häufig nicht möglich. Die Wirtschaftlichkeit einer Anlage der beschriebenen Art hängt somit sehr stark vom Wirkungsgrad ab. Die Möglichkeiten der Einflussnahme sind beschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Anlagen der eingangs genannten Art derart zu gestalten und zu verbessern, dass ihr Wirkungsgrad gesteigert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der selbständigen Ansprüche gelöst.
Die Erfinder haben folgendes erkannt:
Bei Turbinenanlagen zum Umsetzen von Meeresenergie in elektrische Energie kommt es zu Ablagerungen von Partikeln aller Art auf den Flächen der Rotorblätter. Die Ablagerungen schlagen sich aus dem Luftstrom nieder, der durch das Turbinenrohr hindurchtritt. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Luft kein Wasser in flüssiger Form enthält. Die Luft ist jedoch feuchtigkeitsbeladen und enthält auch Meeressalze. Hieraus bildet sich ein Niederschlag, der so fein ist, dass er mit dem bloßen Auge nicht erkannt wird, weshalb er auch bisher nicht aufgefallen ist. Dieser Niederschlag hat eine Rauigkeit, die den Luftstrom an der Grenzfläche zu den Rotorblättern abbremst oder zu einer Ablösung des Luftstromes führt, und damit zu einer Verringerung des Wirkungsgrades der Turbine und somit der Gesamtanlage führt. Die genannte Rauhigkeit kann auch auf organische Substanzen zurückzuführen sein, die im Laufe der Zeit an den Rotorblättern anwachsen.
Demgemäß besteht die Lösung des Problemes darin, Maßnahmen zu treffen, um die Flächen der Rotorblätter frei zu halten von den genannten Niederschlägen und Ablagerungen, oder, falls sich solche bereits gebildet haben, diese zu entfernen.
Die erfindungsgemäße Lösung umfasst zwei Alternativen. Als wohl einfachste Maßnahme bietet sich eine Sprüheinrichtung an, die auf die Rotorblätter einen Strahl eines Reinigungsmediums spritzt, beispielsweise Wasser. Andere Maßnahmen sind ebenfalls möglich, zum Beispiel das Behandeln der Flächen der Rotorblätter mit einem Lösungsmittel. In jedem Falle ist eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Behandlung denkbar.
Die zweite Alternative besteht darin, die Oberflächen der Rotorblätter aus einem Material zu bilden, das eine Mikroorganismen tötende Wirkung hat. Hier kommt beispielsweise Kupfer oder eine Kupferverbindung in Betracht, aber auch sonstige Materialien. Hierdurch wird das Entstehen von Algen und sonstigen Mikroorganismen von Anfang an verhindert. Auch kommt ein Material in Betracht, das aufgrund seines chemischen oder physikalischen Aufbaus die Oberflächenspannung der benutzten Bauteile derart verändert, dass ein Anlagern und Anwachsen unerwünschter Stoffe verhindert wird.
In der Praxis haben sich bedeutende Erfolge eingestellt. So konnte der Wirkungsgrad durch ein Waschen der Blätter erheblich gesteigert werden.
Die Erfindung lässt sich auch anwenden bei unmittelbarer Ausnutzung der Energie der Meereswellen. Hier kommen beispielsweise Kreiselpumpen in Betracht, die Bestandteil von Wasserentsalzungsanlagen sein können. Jedenfalls lässt sich die Erfindung auch anwenden bei Anlagen, bei denen die mechanische Energie nicht in elektrische Energie umgesetzt wird, und die demgemäss keinen Generator aufweisen.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
1 zeigt in einer schematischen perspektivischen Ansicht ein Wellenenergiekraftwerk.
2 zeigt das Wellenenergiekraftwerk gemäß 1 in einem Vertikalschnitt.
3 zeigt in perspektivischer Darstellung eine sogenannte Wells-Turbine als energieerzeugende Einheit.
4 zeigt einen Teil des Gegenstandes von 3 in vergrößerter Darstellung.
5 zeigt einen Teil des Gegenstandes von 4 in vergrößerter Darstellung.
6 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ansicht eines Blattes einer Turbine mit Ablagerungen im Kantenbereich des Blattes.
7 ist ein Diagramm, das die Wirkungsgradverbesserung (vorher/nachher) über dem Verhältnis zwischen der axialen Strömungsgeschwindigkeit und der tangentialen Geschwindigkeit.
Das in 1 gezeigte Wellenenergiekraftwerk befindet sich in einem Küstenbereich, am besten in einer fjordartigen Bucht. Die Bucht steht mit der offenen See in Verbindung. Das Wasser befindet sich ständig in Bewegung – siehe die Wellen 2. Vom Kraftwerk ist im wesentlichen nur eine Kammer 1 zu sehen.
Die Kammer ist unten offen, wie man aus 2 erkennt. Die Wellen 2 gelangen zur Kammer 1. Sie führen dazu, dass sich der Pegel in der Kammer in vertikaler Richtung zwischen einem unteren und einem oberen Pegel hebt und senkt – siehe die beiden vertikalen Pfeile.
Beim Anheben des Wasserspiegels wird die in der Kammer 1 eingeschlossene Luft nach oben verdrängt. Sie strömt entlang dem gekrümmten Pfeil. Sie verlässt die Kammer 1 durch die obere Öffnung 3. An die obere Öffnung 3 ist ein Kanal 4 angeschlossen. Dieser enthält eine Energieerzeugungseinheit 5. Der Energieerzeugungseinheit 5 ist ein Klappenventil 6 vorgeschaltet. Der Aufbau der Energieerzeugungseinheit 5 ergibt sich genauer aus den 3 bis 6. Die 3 zeigt eine Rohrturbine 5. Diese weist ein Rohr 5.1 auf, das beim Betrieb des Kraftwerkes von Luft durchströmt ist, die aus Kammer 1 verdrängt wird.
Die Rohrturbine ist eine Turbine, deren Rotor stets in ein und demselben Drehsinn umläuft, ungeachtet der Richtung des Luftstromes. Siehe GB-A-1 595 700 .
Wie man aus 3 erkennt, umfasst die Rohrturbine 5 ferner zwei Rotoren 5.2, 5.3. Diese sind zum Rohr 5.1 koaxial angeordnet und von diesem umschlossen. Die beiden Rotoren 5.2, 5.3 arbeiten auf einen Generator 5.4. Dabei sind die beiden Rotoren 5.2, 5.3 derart gestaltet und angeordnet, dass sie stets in ein und demselben Drehsinn umlaufen, ungeachtet dessen, von welcher Seite der Luftstrom in das Rohr 5.1 eintritt. Dies ist deshalb notwendig beziehungsweise vorteilhaft, weil die Luft beim Anheben des Wasserspiegels in Kammer 1 landeinwärts strömt, und beim Absenken landauswärts.
Der Generator 5.4 gibt elektrische Energie an ein hier nicht dargestelltes Stromnetz ab.
Die 4 und 5 lassen in vergrößerter Darstellung eine Spritzdüse 5.5 erkennen, die an eine Spritzwasserleitung 5.6 angeschlossen ist. Siehe auch 5. An die Spritzwasserleitung 5.6 sind im allgemeinen mehr Spritzdüsen angeschlossen, die derart gerichtet sind, dass die Spritzstrahlen auf die Blätter der beiden Rotoren 5.2 und 5.3 treffen.
Aus 6 erkennt man das Ausmaß der auskristallisierten Salze im Bereich der Ein- oder Austrittskanten von Turbinenblättern. Die Ablagerungen erreichen im Laufe von Wochen oder Monaten ein erhebliches Ausmaß, wenn ihr Entstehen nicht mittels Maßnahmen gemäß der Erfindung verhindert wird. Siehe das im Querschnitt dargestellte Rotorblatt 7 mit Ablagerungen 8.
Das in 7 gezeigte Diagramm stellt auf der Abszisse das Verhältnis Fi zwischen der Geschwindigkeit der auf ein Rotorblatt auftreffenden Luft und der tangentialen Umlaufgeschwindigkeit des Rotors dar. Auf der Ordinate ist der Wirkungsgrad η der Turbine aufgetragen. Dabei veranschaulichen die Kreise den Wirkungsgrad η nach Aufspritzen von Reinigungsflüssigkeit auf die Turbinenblätter, und die Quadrate den Verlauf des Wirkungsgrades ohne Anwendung der Erfindung.

1: Kammer
2: Wellen
3: Kammeröffnung
4: Kanal
5: Energieerzeugungseinheit
5.1: Rohr
5.2: Rotor
5.3: Rotor
5.4: Generator
5.5: Spritzdüse
5.6: Spritzwasserleitung
6: Klappenventil
7: Rotorblatt
8: Ablagerungen

Claims

Turbinenanlage zum Ausnutzen von Energie aus Meereswellen (2) 1.1 mit einer Kammer (1), die an ihrem unteren und an ihrem oberen Ende je eine Öffnung (3) aufweist; 1.2 mit einem an beiden Enden offenen Rohr (5.1) zum Führen einer Luftströmung; 1.3 das untere Ende der Kammer (1) ist zum Eintauchen in Meerwasser bestimmt, und die Öffnung (3) des oberen Endes ist an eines der Enden des Rohres (5.1) angeschlossen; 1.4 mit einer vom Rohr (5.1) umschlossenen, zu diesem koaxial angeordneten Energieeinheit (5); 1.5 es ist eine Vorrichtung (5.5, 5.6) zum Reinigen der Rotorblätter von Ablagerungen beziehungsweise zum Verhindern des Bildens von Ablagerungen auf den Rotorblättern vorgesehen.
Turbinenanlage zum Ausnutzen von Energie aus Meereswellen (2): 2.1 mit einer Kammer (1), die an ihrem unteren und an ihrem oberen Ende je eine Öffnung (3) aufweist; 2.2 mit einem an beiden Enden offenen Rohr (5.1) zum Führen einer Luftströmung; 2.3 das untere Ende der Kammer (1) ist zum Eintauchen in Meerwasser bestimmt, und die Öffnung (3) des oberen Endes ist an eines der Enden des Rohres (5.1) angeschlossen; 2.4 mit einer vom Rohr (5.1) umschlossenen, zu diesem koaxial angeordneten Energieeinheit (5); 2.5 die Oberflächen der Rotorblätter und/oder des Turbinengehäuses und dessen Einbauten sind aus einem Material gebildet, das eine Mikroorganismen tötende oder wachstumshemmende Wirkung aufweist, oder durch ihren chemischen und physikalischen Aufbau die Oberflächenspannung der benetzten Bauteile (Turbinenschaufel, Turbinengehäuse, Einbauten) derart verändert, dass ein Anlagern und Anwachsen von Salzkristallen, biologischen und anorganischen Materialen verhindert werden kann.
Turbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 3.1 die Energieeinheit (5) umfasst wenigstens einen Turbinenrotor (5.2, 5.3) mit Rotorblättern sowie einen zum Rotor (5.2, 5.3) koaxialen und mit diesem in Triebverbindung stehenden Generator (5.4);
Turbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Turbinenrotoren (5.2, 5.3) vorgesehen sind.
Turbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rotor ungeachtet der Richtung der anströmenden Luft seine Drehzahl beibehält.