DE4324110C2 - Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserwellenenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserwellenenergie mit wenig­ stens einer unter der Wasseroberfläche angeordneten Tur­ bine oder dergl. zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Strömungsenergie.

Fortlaufende Bestrebungen zur Nutzung regenerativer Ener­ giequellen führen auch zu einer Aufwertung der Wasser­ kraftnutzung. Hierzu gehört auch die Nutzung der Wellen­ energie der Ozeane. Das vom Wind angefachte Auf und Ab der Wellen ist weltweit gesehen ein riesiges Energiepo­ tential, da die Wellenenergie an den Küsten fortwährend, wenn auch unterschiedlich, vorhanden ist. Meereswellen enthalten sowohl die kinetische Energie der horizontalen Wellenbewegung und der Orbitalbewegung als auch die po­ tentielle Energie aus dem Druckunterschied zwischen Wel­ lenberg und Wellental.

Zur Umwandlung dieser Wellenenergie in elektrische Ener­ gie sind bereits Vorrichtungen bekannt geworden, die als Schwimmersysteme ausgebildet sind. Diese Schwimmersysteme nutzen nur die von der Wellenoberfläche erzeugte Relativ­ bewegung zwischen zwei oder mehreren Festkörpern, von de­ nen mindestens einer ein Schwimmer ist, der von den Wel­ len auf- und abbewegt wird. Eine bekannte Vorrichtung dieser Art wird von einem gelenkigen Floß gebildet, wel­ ches aus einzelnen, mit Scharnieren verbundenen Gliedern besteht, die von den Wellen relativ zueinander bewegt werden. Über Kolbenpumpen kann die Bewegung zur Kompres­ sion einer Flüssigkeit genutzt werden, welche dann einer speziellen Turbine zugeführt wird, die einen Generator antreibt. Diese Vorrichtungen haben sich in der Praxis allerdings noch nicht durchgesetzt.

Bekannt sind ferner Vorrichtungen, die nach dem Prinzip einer oszillierenden Wassersäule arbeiten. Diese einen Luftstau erzeugende Systeme haben gemeinsam, daß sie die Wellenbewegung in das Oszillieren einer Wassermasse in einen Festkörper umsetzen. Bekannte Lösungen weisen als Festkörper einen Schwimmer auf, der mit einem annähernd vertikalen Loch versehen ist. Die Wassersäule in diesem Loch kommuniziert mit dem umgebenen Meerwasser und führt bei Wellengang oszillierende Bewegungen aus, durch die entweder eine Wasserturbine oder eine über dem Loch ange­ brachte Luftturbine angetrieben werden kann. Diese Systeme können beispielsweise für die Energieversorgung von Leuchtbojen (geringe Leistungen) angesetzt werden. Derartige Vorrichtungen werden insbesondere auch in Wel­ lenbrecher integriert, was es ermöglicht, einen Teil der Baukosten einzusparen.

Da diese Vorrichtungen im wesentlichen oberhalb der Was­ seroberfläche angeordnet sind, meist in Verbindung mit Wellenbrechern, ist der Verwendungszweck eingeschränkt, insbesondere ist eine Nutzung vor Stränden weitgehend ausgeschlossen. Darüber hinaus wird durch diese teilweise oberhalb der Wasseroberfläche angeordneten Vorrichtungen die Schiffahrt beeinträchtigt und insbesondere sind die Elemente der Vorrichtung korrosionsgefährdet.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der FR-2,497,877 bekannt. In dieser Druckschrift ist eine Konstruktion of­ fenbart, die aus einer Turbine mit einer direkten rohr­ förmigen Ummantelung und einem Rahmengestell besteht. Das Rahmengestell ist beidseitig so geformt, daß es zwei kom­ binierte Einläufe/Ausläufe bildet. Es wird eine rohrarti­ ge Konstruktion beschrieben, deren Funktionsfähigkeit aus der Offenbarung dieser Druckschrift insgesamt nicht hin­ reichend klar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, mit der die Umwandlung von Wasserwellenenergie in elek­ trische Energie verbessert werden kann, wobei insbesonde­ re die Küstenbereiche möglichst nicht wesentlich beein­ trächtigt werden sollen.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs be­ zeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Turbine oder dergl. unter wenigstens einer unter der Was­ seroberfläche im wesentlichen horizontal angeordneten Platte angeordnet ist, wobei die Platte in einer Tauch­ tiefe angeordnet ist, die etwa 1/3 der von den Wellen be­ einflußten Wassertiefe entspricht.

Es ist bereits untersucht worden, daß getauchte horizon­ tale Platten, die unterhalb der Wasseroberfläche angeord­ net werden, als Wellenbrecher eingesetzt werden können, die eine vergleichbare Energiedissipation wie ein norma­ ler Unterwasserwellenbrecher liefern. Es ist nun jedoch überraschend gefunden worden, daß die unter einer solchen Platte entstehende pulsierende Plattenunterströmung auch erhalten bleibt, wenn der Fließquerschnitt unter der Platte deutlich eingeschränkt wird. Es hat sich dabei herausgestellt, daß diese Strömung zum Antrieb einer Tur­ bine genutzt werden kann, wodurch sich die Möglichkeit bietet, ein getauchtes Wellenenergiekraftwerk zu ent­ wickeln.

Derartige getauchte Vorrichtungen zur Energieumwandlung waren bisher nicht möglich, da mit ihnen nur ein unwe­ sentlicher Teil der über die Wassertiefe verteilten Ener­ gie genutzt werden konnte. Durch die erfindungsgemäße Umleitung von in Oberflächennähe vorhandener Energie un­ ter die Platte in die pulsierende Strömung besteht nun­ mehr überraschend diese Möglichkeit. Dabei ist gegenüber bekannten Vorrichtungen die Empfindlichkeit gegenüber extremem Seegang sehr viel geringer, da sich die Vorrich­ tung vollständig unter Wasser befindet. Dadurch ist auch die Korrosionsgefahr im Wasserwechselbereich verhindert. Gleichermaßen ist durch die Anordnung unter der Wasser­ oberfläche auch eine Gefährdung, zumindest für die Klein­ schiffahrt, nicht gegeben. Die Vorrichtung kann gleich­ zeitig auch als Küstenschutz verwendet werden, da die Schutzwirkung auch bei einem Ausfall der Turbine nicht verloren geht. Wird die Durchflußöffnung der Turbine ver­ schlossen, wirkt die Vorrichtung als Unterwasserbarriere, wird sie nicht gedämpft, wirkt sie wie ein Plattenwellen­ brecher. Die Vorrichtung ist einfach, da eine Turbine be­ kannter Bauart und keine teure Spezialkonstruktion ver­ wendet werden muß, die Stromerzeugung wird preiswert und zuverlässig.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß vor dem Einströmbereich der Turbine Strömungs­ leitelemente angeordnet sind. Durch diese vorzugsweise etwa trichterförmig ausgebildeten Leitelemente kann die Strömungsenergie unter der Platte noch besser ausgenutzt werden.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Platte und die Turbine in einer gemeinsamen An­ ordnung fest mit der Wasserbodenfläche verankert ist. Grundsätzlich ist es alternativ auch möglich, die Platte unterhalb eines Schwimmers anzuordnen, in den meisten An­ wendungsfällen wird jedoch eine stationäre Anordnung von Vorteil sein.

Weiter hat es sich als besonders günstig erwiesen, daß die Länge der Platte etwa gleich oder größer als die mittlere Wellenlänge der Wasserwellen ausgebildet ist, wobei vor­ zugsweise die Plattenlänge etwa der mittleren Wellenlänge der Wasserwellen entspricht.

Je nach Breite der verwendeten Platte ist es vorteilhaft möglich, daß unter einer Platte nebeneinander eine Mehrzahl von Turbinen angeordnet sind.

Da jedoch die Plattenbreite aus konstruktiven Gründen be­ grenzt ist, sieht die Erfindung auch vor, daß die Vorrich­ tung eine Mehrzahl von nebeneinander im Abstand voneinander angeordneten Platten aufweist, wobei selbstverständlich un­ ter jeder Platte wenigstens eine Turbine angeordnet ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 in vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 2 die Vorrichtung nach Fig. 1 ohne Turbine zur Veran­ schaulichung des Strömungsbildes und

Fig. 3 die unterschiedlichen Strömungsbereiche eines Plattenwellenbrechers.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von elek­ trischer Energie aus Wasserwellenenergie ist in prinziphaf­ ter Darstellung in Fig. 1 dargestellt. Dabei ist im Quer­ schnitt ein Meeresküstenbereich mit einer Wasserbodenfläche 1 und einer Wasseroberfläche 2 dargestellt, wobei die vor­ handenen Wasserwellen durch die durchgezogene Linie 3 ange­ deutet sind. Die Wellen schreiten dabei an der Wasserober­ fläche 2 in Richtung des Pfeiles 4 fort.

Unterhalb der Wasseroberfläche 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung angeordnet, die allgemein mit 5 bezeichnet ist. Diese Vorrichtung 5 weist wenigstens eine unterhalb der Wasseroberfläche 2 angeordnete horizontale Platte 6 auf, unter welcher eine Turbine 7 zur Erzeugung von elektrischer Energie angeordnet ist. Die Anordnung der Turbine 7 ist da­ bei so getroffen, daß die durch die Pfeile 8 angedeutete Rückströmung unter der Platte 6, die sich, wie sich überra­ schend herausgestellt hat, einstellt, vollständig durch die Turbine 7 tritt. Die Turbine 7 ist in üblicher Weise mit einem Generator oder dgl. zur Stromerzeugung verbunden, was im einzelnen nicht dargestellt ist.

Vor und ggf. auch hinter dem Einströmbereich der Turbine 7 sind Strömungsleitelemente angeordnet, die in Fig. 1 ange­ deutet und mit 9 bezeichnet sind. Diese Strömungsleitele­ mente 9 bilden vorzugsweise einen Teil einer aus der Platte 6, der Turbine 7 und den Leitelementen 9 gebildeten gemein­ samen Anordnung, welche vorzugsweise in der Wasserbodenflä­ che 1 verankert ist.

Alternativ könnte hier auch eine nicht stationäre Anordnung der Vorrichtung 5 vorgesehen sein, indem beispielsweise die Platte 6 unterhalb eines an der Wasseroberfläche 2 befind­ lichen Schwimmers angeordnet wäre, mit entsprechender An­ ordnung der Turbine 7 unterhalb der Platte 6. Die Platte 6 besteht vorzugsweise aus Stahlbeton, während die mit Wasser in Kontakt kommenden Teile der Turbine 7 vorzugsweise aus nicht rostendem Stahl bestehen.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Platte 6 in einer Tauchtiefe angeordnet ist, die einem Drittel der Wassertiefe entspricht.

Die physikalischen Strömungsvorgänge eines Plattenwellen­ brechers, die auf überraschende Weise für die erfindungsge­ mäße Vorrichtung 5 nutzbar gemacht worden sind, sind in den Fig. 2 und 3 im einzelnen dargestellt, wobei dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwandt sind, sofern gleiche Teile betroffen sind.

Der physikalische Vorgang bei einem derartigen Plattenwel­ lenbrecher (Platte 6) unterscheidet sich grundsätzlich vom herkömmlichen Wellenbrecher, bei dem die Wellenhöhe durch Energiereflektion am den Querschnitt verbauenden Körper und durch Reibung an der Bauwerksoberfläche reduziert wird.

Gemäß Fig. 3 werden vier Bereiche in der Umgebung der Plat­ te 6 definiert, nämlich die Bereiche 1, 2 und 3 mit einer freien Oberfläche, wobei die Wassertiefe im Bereich 2, ver­ glichen mit den Bereichen 1 und 3, wesentlich geringer ist, und ein Bereich 4, wo keine freie Oberfläche vorhanden ist, so daß sich dort auch keine Orbitalbewegung der Wasserteil­ chen ausbilden kann.

Erreicht eine Welle die Platte 6, so wird sie zweigeteilt. Der Energieanteil, der in den Bereich 2 hineinläuft, er­ zeugt eine neue Flachwasserwelle, die durch eine geringere Wassertiefe bestimmt ist. Der Teil, der in den Bereich 4 eindringt, erzeugt eine horizontale Strömung (Druckwelle). Da die Flachwasserwelle eine höhere Geschwindigkeit als die Druckwelle unterhalb der Platte 6 hat, erreicht sie den Be­ reich 3 zuerst. Ihre Energie wird auf die angrenzenden Be­ reiche verteilt (einschließlich Bereich 4), im Bereich 3 bildet sich erneut eine Schwerewelle aus. Im Bereich 4 ent­ steht eine Strömung entgegen der Wellenausbreitungsrich­ tung. Deren Strömungsenergie überlagert sich mit der aus dem Bereich 1 in den Bereich 4 eingetragenen Energie. In Abhängigkeit von den Platten- und Wellenparametern kann sich eine zeitabhängige pulsierende Strömung mit einem Mas­ sentransport in oder entgegen der Wellenfortschrittsrich­ tung ergeben.

In günstigen Fällen entwickelt sich eine Plattenumströmung in Folge des Massentransportes aus den Bereichen 1 und 4 in den Bereich 2 (Plattenvorderkante), des Massentransports durch die Flachwasserwelle im Bereich 2 zum Bereich 3, des Massentransports aus Bereich 2 in den Bereich 4 (Platten­ hinterkante) und der Strömung im Bereich 4, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Die Strömung im Bereich 4 macht es den Druckwellenanteilen folgender Wellen unmöglich, in den Bereich unterhalb der Platte 6 einzudringen. Die Energie wird stärker zur Ober­ fläche abgelenkt, die Umströmung verstärkt. Durch das Strö­ mungshindernis muß jedoch auch ein Teil der Energie in den Bereich 1 zurückreflektiert werden, damit einschließlich der durch die Umströmung zurücktransportierten Energie ein Gleichgewicht entstehen kann. Somit wird ein Teil der ein­ treffenden Wellenenergie von der Konstruktion reflektiert.

Es hat sich nun überraschend herausgestellt, daß diese Strömungsverhältnisse, d. h. insbesondere die entstehende pulsierende Plattenunterströmung auch erhalten bleibt, wenn der Fließquerschnitt unter der Platte 6 deutlich einge­ schränkt wird und in Form der erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 unterhalb der Platte 6 eine Turbine 7 angeordnet wird.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Aus­ führungsbeispiel beschränkt. Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind möglich, ohne den Grund­ gedanken zu verlassen. So können beispielsweise mehrere Platten 6 mit darunter angeordneten Turbinen 7 vorgesehen sein, es kann auch vorgesehen sein, bei entsprechend brei­ ten Platten 6 mehrere Turbinen 7 unterhalb einer Platte 6 anzuordnen und dgl. mehr. Grundsätzlich ist es auch mög­ lich, die Strömungsenergie unter der Platte 6 anders aus zu­ nutzen als zur Erzeugung elektrischer Energie, z. B. zum Pumpen von Flüssigkeiten oder dgl.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Was­ serwellenenergie mit wenigstens einer unter der Wasserober­ fläche angeordneten Turbine oder dgl. zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Strömungsenergie, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (7) oder dgl. unter wenigstens einer unter der Wasseroberfläche im wesentlichen horizontal angeordne­ ten Platte (6) angeordnet ist, wobei die Platte (6) in ei­ ner Tauchtiefe angeordnet ist, die etwa 1/3 der von den Wellen beeinflußten Wassertiefe entspricht.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einströmbereich der Turbine (7) Strömungsleit­ elemente (8) angeordnet sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (6) und die Turbine (7) in einer gemeinsamen Anordnung fest mit der Wasserbodenfläche (1) verankert sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Platte (6) etwa gleich oder größer als die mittlere Wellenlänge der Wasserwellen ausgebildet ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß unter einer Platte (6) nebeneinander eine Mehrzahl von Turbinen (7) angeordnet sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Mehrzahl von nebeneinander im Abstand von­ einander angeordnete Platten (6) aufweist.