WO2014009441A1 - Wasserkraftanlage für ungleichmässige strömungsverhältnisse - Google Patents

Wasserkraftanlage für ungleichmässige strömungsverhältnisse Download PDF

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    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the invention relates to a hydropower plant with a turbine arrangement, which has at least one single turbine, which is designed as a radial turbine with a vertical axis of rotation.
  • a radial turbine with a vertical axis of rotation can under certain
  • Circumstances be limited in their efficiency. This is especially true when the flow velocity of the water is different at different depths. In this case, the rotor of the radial turbine moves only at a certain depth with the optimum rotational speed. Above and below this depth, the rotor either moves too slowly or too fast. If the rotor moves too slowly compared to the flow velocity, it draws much less energy from the flow than at the optimal speed, which is the current one
  • the energy efficiency should not be significantly improved in the case of non-uniform flow conditions.
  • the hydropower plant should achieve optimal efficiency even with temporally variable flow conditions, ie a fluctuating flow.
  • This task is at a hydropower plant for uneven
  • Flow conditions of the type mentioned in the present invention achieved in that the turbine assembly is divided into a plurality of vertical segments, each with at least one independently rotating single turbine,
  • the hydraulic pumps are connected to an electric generator arranged outside the water and / or a hydraulic accumulator and / or a desalination plant.
  • a control device is provided and the hydraulic pump is adjustable via the control device to achieve an optimum TSR value (tip speed ratio).
  • the edge of the V-shaped manifold is preferably rounded.
  • the distance of the V-shaped distributor is adjustable to the turbines.
  • the hydropower plants be arranged at a distance next to one another (FIG. 5). Alternatively or simultaneously, it can also be provided that the hydropower plants are arranged one after the other and offset (FIGS. 4a and 4b).
  • Figure la is a schematic representation of the hydropower plant with a
  • Turbine assembly divided into three vertical segments, each segment having two twin turbines attached to a pontoon,
  • Figure lb is a schematic representation of Figure la, but with the
  • Turbine assembly is attached to the ground 2, for example at the seafloor,
  • Figure 2a shows an arrangement according to Figure 1 after a third
  • each segment has only one twin turbine, and the turbine assembly is attached to a pontoon,
  • Figure 2b is a schematic representation of Figure 2a, wherein the
  • Turbine assembly is attached to the ground 2, for example at the seafloor,
  • FIG. 3 is a perspective view of the twin turbine used;
  • FIG. 4 a is a top view of an arrangement of three hydropower plants arranged one behind the other and staggered according to the invention;
  • Figure 4b is a top view of another arrangement of five
  • FIG. 5 shows a corresponding arrangement of the invention
  • FIG. 6 shows an arrangement of two hydroelectric plants according to the invention, also seen from above, with additional outer baffles and
  • FIG. 7 shows a schematic cross section through the twin turbine arrangement according to FIG. 3.
  • the turbine arrangement is fastened to a pontoon 1.
  • the hydropower plant can also be fixed to the ground, for example on the seabed (FIG. 1b).
  • the turbine arrangement consists of three vertical segments, each having two twin turbines 3, 4, 5, 6, 7, 8.
  • the generator assembly or the separate hydraulic pump for each individual turbine is the sake of clarity in the
  • FIGS 2a and 2b show a similar arrangement as the figures la and lb, but here only one twin turbine 3, 5, 7 is provided in each of the three segments.
  • twin turbine The construction of the twin turbine is shown in Figures 3 and 7 and is described in detail in the international patent applications WO 2012/079711 A and WO 2012/038043 A of the applicant.
  • the particular advantage lies in the low sensitivity of this turbine to a fouling with algae, etc. ("fouling")
  • fouling The rougher by the vegetation surface even has a positive effect on the
  • FIGS. 4a, 4b and 5 show, on the one hand, a system arranged next to one another and staggered for better utilization of the flow energy over a larger cross-sectional width. The flow is indicated by arrows.
  • Hydroelectric power plants 24, 25 arranged offset so that they each cover the gaps between the three hydropower plants 19, 20, 21 of the front row.
  • the front three hydropower plants 19, 20, 21 need only have half the cross-section than in an arrangement without the rear row of hydropower plants 24, 25 and still produce the full power.
  • this arrangement is more economical than an arrangement without the back row, but with
  • the additional distributors 18 serve to deflect the flow to the hydroelectric plants 19, 20, 21, which are staggered behind them.
  • the hydropower plant has three segments of 5 meters each and thus a total length of about 15 meters.
  • the type of turbine used can be different. It is about
  • V-shaped manifold 13 can also be designed differently, for example, rather than a half-shell in the form of a semicircle instead of a V.
  • the brackets are possibly the concrete names from the description of the brackets

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Description

Wasserkraftanlage für ungleichmäßige Strömungsverhältnisse
Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage mit einer Turbinenanordnung, die mindestens eine Einzelturbine aufweist, die als eine Radialturbine mit einer vertikalen Rotationsachse ausgebildet ist.
Stand der Technik
Eine Radialturbine mit einer vertikalen Rotationsachse kann unter bestimmten
Umständen in ihrer Effizienz eingeschränkt sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in unterschiedlichen Tiefen unterschiedlich ist. In diesem Fall bewegt sich der Rotor der Radialturbine nur bezüglich einer bestimmten Tiefe mit der optimalen Rotationsgeschwindigkeit. Oberhalb und unterhalb dieser Tiefe bewegt sich der Rotor entweder zu langsam oder zu schnell. Bewegt der Rotor sich zu langsam im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit, so entnimmt er deutlich weniger Energie aus der Strömung als bei der optimalen Drehzahl, die dieser aktuellen
Strömung entspricht. Bewegt er sich hingegen zu schnell, so gibt der Rotor Energie an die Strömung ab, anstatt Strömungsenergie aufzunehmen und in Rotationsenergie umzuwandeln. Der Rotor wird an dieser Stelle also gebremst und leitet einen Teil der an anderer Stelle des Rotors aufgenommenen kinetischen Energie wieder zurück in die Strömung. Noch nachteiliger sind Strömungen, bei denen sich die Strömungsrichtung in einer bestimmten Tiefe umkehrt. Dies kann im Extremfall dazu führen, dass sich die Turbine überhaupt nicht dreht, obwohl genug Strömungsenergie vorhanden ist.
Aufgabe und Lösung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung: Daher soll bei der Wasserkraftanlage der eingangs genannten Art der energetische Wirkungsgrad bei nicht gleichmäßigen Strömungsbedingungen erheblich verbessert werden. Zusätzlich soll die Wasserkraftanlage auch bei zeitlich veränderlichen Strömungsbedingungen, also einer fluktuierenden Strömung, einen optimalen Wirkungsgrad erreichen.
Diese Aufgabe wird bei einer Wasserkraftanlage für ungleichmäßige
Strömungsverhältnisse der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Turbinenanordnung in mehrere vertikale Segmente mit jeweils mindestens einer unabhängig rotierenden Einzelturbine unterteilt ist,
dass die Drehzahlen und Drehmomente der Einzelturbinen voneinander unabhängig sind, dass jede Einzelturbine mit einer separaten Hydraulikpumpe antriebsmäßig verbunden ist und
dass die Hydraulikpumpen mit einem außerhalb des Wassers angeordneten elektrischen Generator und/oder einem Hydraulikspeicher und/oder einer Meerwasser- Entsalzungsanlage verbunden sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
Durch die Segmentierung der Wasserkraftanlage entlang der Wassertiefe rotieren die Turbinen in jeder Wassertiefe mit der optimalen Drehzahl. Eine gegenseitige
Behinderung der Turbinen findet nicht mehr statt. Auch wenn die Strömungsrichtung sich ändern sollte, wird bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 eine optimale Energieausbeute erreicht, da sich in diesem Fall die Radialturbinen um die Schwenkachse genau wieder in Strömungsrichtung drehen, um die maximale Strömungsenergie zu ernten.
Vorzugsweise ist eine Regeleinrichtung vorgesehen und die Hydraulikpumpe ist über die Regeleinrichtung zur Erzielung eines optimalen TSR-Wertes (Tip Speed Ratio) verstellbar.
Vorzugsweise wird die Hydraulikpumpe passend zur Strömungsgeschwindigkeit so gesteuert, dass durch die Regelung der erzeugten Leistung ein elektronmagnetisches Bremsmoment auf die Turbine übertragen wird, um eine optimale Schnelllaufzahl zur Energieumwandlung einzustellen, die zwischen 45 % und 65 % bezogen auf die Schnelllaufzahl (englisch tip speed ratio = TSR) der ungebremsten Turbine beträgt.
Dadurch wird erreicht, dass stets die maximal mögliche Energie geerntet werden kann.
Eine noch bessere Anpassung an unterschiedliche Strömungsverhältnisse in unterschiedlichen Tiefen wird nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erreicht, wenn die Radialturbinen selber in mehrere längs einer Welle einzeln gelagerte
Einzelturbinen aufgeteilt sind.
Zur Vermeidung von Turbulenzbildung ist die Kante des V-förmigen Verteilers vorzugsweise abgerundet. Um für alle eventuell zeitlich veränderlichen Strömungsverhältnisse optimale
Betriebsbedingungen zu erreichen, wird weiterhin vorgeschlagen, dass der Abstand des V-förmigen Verteilers zu den Turbinen verstellbar ist.
Damit über einen möglichst großen Strömungsquerschnitt Energie geerntet werden kann, wird vorgeschlagen, dass die Wasserkraftanlagen im Abstand nebeneinander angeordnet sind (Figur 5). Alternativ oder gleichzeitig kann auch vorgesehen sein, dass die Wasserkraftanlagen hintereinander und versetzt angeordnet sind (Figuren 4a und 4b).
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In allen Zeichnungen haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert.
Es zeigen
Figur la eine schematische Darstellung der Wasserkraftanlage mit einer
Turbinenanordnung, die in drei vertikale Segmente unterteilt ist, wobei jedes Segment zwei Zwillingsturbinen aufweist, befestigt an einem Ponton,
Figur lb eine schematische Darstellung gemäß Figur la, wobei aber die
Turbinenanordnung am Boden 2, zum Beispiel am Meeresboden, befestigt ist,
Figur 2a eine Anordnung entsprechend Figur 1 nach einem dritten
Ausführungsbeispiel, wobei jedes Segment aber nur eine Zwillingsturbine aufweist, und die Turbinenanordnung an einem Ponton befestigt ist,
Figur 2b eine schematische Darstellung gemäß Figur 2a, wobei die
Turbinenanordnung am Boden 2, zum Beispiel am Meeresboden, befestigt ist,
Figur 3 die eingesetzte Zwillingsturbine in perspektivischer Darstellung, Figur 4a eine Ansicht von oben auf eine Anordnung von drei hintereinander und versetzt stehender Wasserkraftanlagen gemäß der Erfindung, Figur 4b eine Ansicht von oben auf eine andere Anordnung von fünf
hintereinander und versetzt stehender Wasserkraftanlagen gemäß der Erfindung,
Figur 5 eine entsprechende Anordnung von erfindungsgemäßen
Wasserkraftanlagen, die nebeneinander stehen und außerdem Leitbleche aufweisen,
Figur 6 eine Anordnung von zwei erfindungsgemäßen Wasserkraftanlagen, ebenfalls von oben gesehen, mit zusätzlichen äußeren Leitblechen und
Figur 7 einen schematischen Querschnitt durch die Zwillingsturbinenanordnung entsprechend Figur 3.
Bei der Wasserkraftanlage nach Figur la ist die Turbinenanordnung an einem Ponton 1 befestigt. Alternativ kann die Wasserkraftanlage auch am Boden, zum Beispiel am Meeresboden, befestigt sein (Figur lb).
Die Turbinenanordnung besteht aus drei vertikalen Segmenten, die jeweils zwei Zwillingsturbinen 3, 4, 5, 6, 7, 8 aufweisen. Die Generatoranordnung beziehungsweise die separate Hydraulikpumpe für jede Einzel turbine ist der Deutlichkeit halber in den
Figuren la und lb nicht dargestellt.
Die Figuren 2a und 2b zeigen eine ähnliche Anordnung wie die Figuren la und lb, aber hier ist in jedem der drei Segmente nur eine Zwillingsturbine 3, 5, 7 vorgesehen.
Der Aufbau der Zwillingsturbine geht aus den Figuren 3 und 7 hervor und ist im Einzelnen in den internationalen Patentanmeldungen WO 2012/079711 A und WO 2012/038043 A des Anmelders beschrieben. Der besondere Vorteil liegt in der geringen Empfindlichkeit dieser Turbine gegenüber einem Bewuchs mit Algen, usw. („Fouling"). Die durch den Bewuchs rauere Oberfläche wirkt sich sogar positiv auf die
Leistung der Turbine aus.
Zwischen einer Bodenplatte 9 und einer Dachplatte 10 sind die Einzel turbinen 11 und 12 sowie ein V-förmiger Verteiler 13 befestigt. Die Einzelturbinen 11 und 12 rotieren mit ihren Turbinenschaufeln 15 um die Rotationsachse 16. Die Schwenkachse 14 in Figur 7 stimmt mit der Achse des Tragmastes 17 in Figur 3 überein. Die Anordnungen von mehreren Wasserkraftanlagen in den Figuren 4a, 4b und 5 zeigen zum einen ein nebeneinander und versetzt angeordnetes System zur besseren Ausnutzung der Strömungsenergie über eine größere Querschnittsbreite. Die Strömung ist durch Pfeile angedeutet.
Von besonderem Vorteil ist die Anordnung nach Figur 4b, in der hinter einer Reihe von drei Wasserkraftanlagen 19, 20, 21 eine weitere Reihe von zwei
Wasserkraftanlagen 24, 25 so versetzt angeordnet ist, dass sie jeweils die Lücken zwischen den drei Wasserkraftanlagen 19, 20, 21 der vorderen Reihe abdeckt. In diesem Fall brauchen die vorderen drei Wasserkraftanlagen 19, 20, 21 nur den halben Querschnitt als bei einer Anordnung ohne die hintere Reihe der Wasserkraftanlagen 24, 25 zu haben und erzeugen dennoch die volle Leistung. Insgesamt ist diese Anordnung wirtschaftlicher als eine Anordnung ohne die hintere Reihe, aber mit
Wasserkraftanlagen 19, 20, 21, die den doppelt so großen Querschnitt haben.
In der Anordnung nach Figur 5 dienen die zusätzlichen Verteiler 18 zur Umlenkung der Strömung auf die dahinter versetzt stehenden Wasserkraftanlagen 19, 20, 21.
Dadurch wird die ansonsten frei zwischen den Wasserkraftanlagen 19, 20, 21 fließende Strömungsenergie ausgenutzt, indem sie auf die Wasserkraftanlagen gerichtet wird.
Durch das Anbringen von zwei zusätzlichen Leitblechen 22, 23 entsprechend Figur 6 entsteht der so genannte Venturi-Effekt. Der Venturi- Effekt steigert die Effizienz der Turbinen. In einem Ausführungsbeispiel hat die Wasserkraftanlage drei Segmente zu je 5 Metern und damit eine Gesamtlänge von etwa 15 Metern.
Die Art der eingesetzten Turbine kann unterschiedlich sein. Es handelt sich
vorzugsweise um eine Turbine nach dem Savonius-Typ, da diese sehr schnell auf Strömungen mit variierenden Richtungen und auf Querströmungen reagiert. Aber auch Darrieus-Turbinen oder Durchströmturbinen (Cross-flow turbines) und andere
Turbinen sind einsetzbar. Der V-förmige Verteiler 13 kann ebenfalls unterschiedlich ausgebildet sein, zum Beispiel eher als eine Halbschale in Form eines Halbkreises anstelle eines V.
Auch weitere Variationen der Erfindung sind möglich, ohne den Schutzumfang zu verlassen. Bezugszeichenliste
Klammern stehen ggfs. die konkreten Bezeichnungen aus der Beschreibung des
Ausführungsbeispiels)
1 Ponton
2 Boden (Meeresboden)
3 Zwillingsturbine
4 Zwillingsturbine
5 Zwillingsturbine
6 Zwillingsturbine
7 Zwillingsturbine
8 Zwillingsturbine
9 Bodenplatte
10 Dachplatte
11 Einzelturbine
12 Einzelturbine
13 V-förmiger Verteiler
14 Schwenkachse
15 Turbinenschaufel
16 Rotationsachse der Einzelturbinen
17 Tragmast
18 zusätzlicher Verteiler
19 Wasserkraftanlage
20 Wasserkraftanlage
21 Wasserkraftanlage
22 äußeres Leitblech
23 äußeres Leitblech
24 Wasserkraftanlage
25 Wasserkraftanlage

Claims

Ansprüche
Wasserkraftanlage mit einer Turbinenanordnung, die mindestens eine Einzelturbine aufweist, die als eine Radialturbine mit einer vertikalen Rotationsachse ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Turbinenanordnung in mehrere vertikale Segmente mit jeweils mindestens einer unabhängig rotierenden Einzelturbine unterteilt ist, dass die Drehzahlen und Drehmomente der Einzelturbinen voneinander unabhängig sind,
dass jede Einzelturbine mit einer separaten Hydraulikpumpe antriebsmäßig verbunden ist und
dass die Hydraulikpumpen mit einem außerhalb des Wassers angeordneten elektrischen Generator und/oder einem Hydraulikspeicher und/oder einer Meerwasser-Entsalzungsanlage verbunden sind.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Regeleinrichtung vorgesehen ist und die Hydraulikpumpe über die Regeleinrichtung zum Einstellen der optimalen Schnelllaufzahl der Turbine verstellbar ist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hydraulikpumpen eine direkte mechanische Antriebsverbindung den Einzelturbine haben.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hydraulikpumpen mit Hydrauliköl betrieben und an einen außerhalb des Wassers angeordneten elektrischen Generator angeschlossen sind.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hydraulikpumpen hydraulische Wasserpumpen sind, mit Meerwasser betrieben und an eine außerhalb des Wassers angeordnete Meerwasser- Entsalzungsanlage angeschlossen sind. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass jedes Segment mindestens eine Zwillingsturbine (3, 4, 5, 6, 7, 8) aufweist und
dass jede Zwillingsturbine zwei nebeneinander und parallel ausgerichtete Einzelturbinen (11, 12) mit einer vertikalen Rotationsachse umfasst, die miteinander verbunden und um eine Schwenkachse (14) parallel zu den
Turbinenachsen (16) verschwenkbar sind, wobei die Schwenkachse und ein V- förmiger Verteiler (13) außerhalb der Verbindungslinie der Turbinenachsen und beide auf der gleichen Seite der Verbindungslinie liegen.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schwenkachse (14) eine Drehverbindung zur Halterung für die Turbinen aufweist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Turbinen jeder Zwillingsturbine in gegenläufiger Richtung rotieren.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wasserkraftanlage an einem Mast oder Fundament und vorzugsweise an einem Ponton (1) befestigt ist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Wasserkraftanlage selbstständig ohne motorgetriebene
Nachführeinrichtung und ohne Steuerung und ohne zusätzliche Leitflächen in die optimale Wasser-Strömungsrichtung dreht.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich äußere Leitflächen (22, 23) auf der gleichen Seite wie der V- förmige Verteiler (13) angeordnet sind. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Einrichtung zum selbsttätigen Annähern der Radialturbinen beim Erreichen einer vorgegebenen Wassergeschwindigkeit vorgesehen ist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kante des V-förmigen Verteilers (13) abgerundet ist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abstand des V-förmigen Verteilers zu den Turbinen verstellbar ist.
Anordnung von mehreren Wasserkraftanlagen nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wasserkraftanlagen (19, 20, 21) in einer vorderen Reihe und im Abstand nebeneinander und quer zur Strömung angeordnet sind,
dass weitere Wasserkraftanlagen (24, 25) hinter der vorderen Reihe, im Abstand nebeneinander und versetzt zur vorderen Reihe angeordnet sind.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen
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