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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung
elektrischer Energie aus einer Meeresströmung, wobei die erzeugte elektrische
Energie insbesondere in ein elektrisches Netz mit einer im Wesentlichen
konstanten Netzfrequenz eingespeist wird.
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Meeresströmungen bieten
ein großes
Potential zur Gewinnung elektrischer Energie, ohne dass bei der
Energieerzeugung Emissionen freigesetzt werden. Solche Meeresströmungen liegen
entweder dauerhaft vor, ein Beispiel hierfür ist der Golfstrom, oder sie
werden durch Gezeiten verursacht. Für Letzteres sind insbesondere
Gebiete interessant, bei denen der Tidenhub besonders stark ist
und bei welchen geographische Besonderheiten, wie beispielsweise
enge Durchströmungsbereiche
oder besonders ausgeformte Buchtbereiche, zu einer ausgeprägten Meeresströmung führen. Liegen
besondere Bedingungen vor, so kann der Wellengang zum Antrieb von
getauchten Strömungskraftmaschinen
ausgenutzt werden. Solche Bedingungen können durch künstliche
Maßnahmen,
wie Einströmungsbecken, geschaffen
werden, durch welche die den Wellen innewohnende kinetische Energie
ausgenutzt werden kann.
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Eine
der Besonderheiten beim Antrieb einer Wasserturbine durch eine Meeresströmung ist
in einem zeitlich variablen Leistungseintrag zu sehen. Solche zeitlichen
Fluktuationen treten auch in Dauerströmungsgebieten auf. Dieser Umstand
ist zunächst erstaunlich,
dennoch zeigen Messungen bei Strömungskraftmaschinen
mit einer üblichen
Tauchtiefe von einigen zehn Metern beispielsweise im Golfstrom,
dass für
derartige Energieerzeugungsanlagen mit einem zeitlich variablen
Leistungseintrag zu rechnen ist. Dies liegt zum einen an Wettereinflüssen und
den hieraus resultierenden Wellenbewegungen. Zum anderen haben Messungen
das Auftreten von Turbulenzen in Meeresströmungen nachgewiesen. Diese
liegen sowohl bei Gezeitenströmungen wie
auch bei dauerhaften Strömungsmustern
im Meer vor und sind insbesondere in einem Wassertiefenbereich bis
zu 50 Metern ausgeprägt,
der bevorzugt zur Energieerzeugung vorgesehen ist.
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Neben
der zeitlichen Schwankung der in einer Meeresströmung zur Verfügung stehenden
kinetischen Energie sind Besonderheiten bezüglich der Charakteristik und
Dynamik bei der mechanischen Energiewandlung der kinetischen Energie
des Strömungsmediums
in die kinetische Energie einer Wasserkraftturbine zu beachten.
Somit liegt auf der Eingangswelle eine System inhärente Charakteristik
für die
Leistungskonvertierung vor, die einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit
der Meeresströmung
ein optimales Drehzahl-/Drehmomentenverhältnis entsprechend
der Schnelllaufzahl für
die Leistungsaufnahme zuordnet, welches wiederum von der Geometrie
und der Gestaltung des Leistungsaufnehmers abhängt.
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Diese
Charakteristik der Leistungskonvertierung liegt auch bei anderen
Strömungsmaschinen, etwa
Windkraftmaschinen, vor. Strömungskraftmaschinen
zur Entnahme von Energie aus einer Meeresströmung unterscheiden sich aber
von Windkraftanlagen, da aufgrund der höheren Dichte des Strömungsmediums
ein hohes Drehmoment auf den Leistungsaufnehmer bewirkt wird und
dieser daher im Verhältnis
zu den weiteren Komponenten der Energieerzeugungsanlage, etwa einem
Antriebsstrang und dem elektrischen Generator sowie den mechanischen
Haltestrukturen, kleinbauend ist. Hieraus folgt die Notwendigkeit,
den Antriebsstrang und die elektrische Maschine der Energieerzeugungsanlage ebenfalls
möglichst
kleinbauend auszubilden, um die Gesamtanlage in strömungstechnischer
Hinsicht zu verbessern. Bezüglich
der in der Energieerzeugungsanlage verwendeten elektrischen Generatoren besteht
jedoch ein Hindernis bei einer angestrebten Verringerung der Baugröße darin,
dass der von der Meeresströmung
angetriebene Leistungsaufnehmer mit relativ geringer Drehzahl von
typischerweise unter 20 U/min umläuft. Ohne Zwischenschaltung
von Getrieben zwischen Wasserturbine und elektrischem Generator
führt eine
geringe Umlaufgeschwindigkeit der elektrischen Maschine zwingend
zu einer Vergrößerung der
Baugröße.
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Speist
eine von einer Meeresströmung
angetriebene Energieerzeugungsanlage elektrische Energie in ein
elektrisches Verbundnetz ein, welches eine starre Netzfrequenz aufweist,
so ergeben sich weitere Anforderungen. Wird von einer variablen
Drehzahl des Leistungsaufnehmers, d. h. der Wasserturbine, der Energieerzeugungsanlage
ausgegangen, so führt
ein ebenfalls drehzahlvariabel betriebener elektrischer Generator
zur Notwendigkeit, Frequenzumrichter zur Einspeisung in das elektrische
Verbundnetz zu verwenden. Diese regen den elektrischen Generator
mit der erforderlichen Frequenz an bzw. sorgen für die Kompensation einer Differenz
zur bestehenden Netzfrequenz. Dieser Ansatz ist aber insofern mit
Schwierigkeiten behaftet, da die Besonderheiten der Leistungskonvertierungscharakteristik bei
Strömungskraftmaschinen
nur unzureichend von Frequenzumrichtern abgebildet werden können. Hierbei
ist es nur mit entsprechend hohem Aufwand möglich, zu einer adäquaten Netzeinspeisequalität insbesondere
in Bezug auf die Oberschwingungsbelastung und die Erzeugung von
Blindleistungen zu gelangen.
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Wird
stattdessen ein alternativer Weg beschritten und die Wasserturbine
so ausgebildet, dass beispielsweise durch die Einstellung von Schaufelradwinkeln,
eine Drehzahlkonstanz des Leistungsaufnehmers sichergestellt wird,
so kann auch ein wenigstens mittelbar vom Leistungsaufnehmer angetriebener
elektrischer Generator drehzahlstarr ausgebildet werden. Solche
drehzahlstarren Energieerzeugungsanlagen können bei der Verwendung von asynchronen
Generatoren aufgrund des prinzipienbedingten Schlupfes auf einfache
Art und Weise auf ein elektrisches Verbundnetz aufgeschaltet werden. Nachteilig
ist jedoch, dass durch die Einstellung der Schaufelradstellung zur
Konstanthaltung der Drehzahl des Leistungsaufnehmers eine verminderte
Energieeffizienz resultiert, d. h. der Leistungsaufnehmer kann der
Meeresströmung
nicht die maximale Energie entnehmen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung
elektrischer Energie aus einer Meeresströmung sowie ein Verfahren zum Betrieb derselben
anzugeben, welche die voranstehend beschriebenen Nachteile überwindet.
Insbesondere soll eine solche Energieerzeugungsanlage im Teillastbereich
mit einer variablen Drehzahl des Leistungsaufnehmers bei gleichzeitig
konstanter Drehzahl des elektrischen Generators betrieben werden
können.
Ferner soll die Energieerzeugungsanlage die Realisierung weiterer
Betriebszustände
erlauben. Insbesondere soll oberhalb einer Drehzahlschwelle eine
Drehzahlabregelung des Leistungsaufnehmers möglich sein, um das Auftreten
von Kavitation zu verhindern und die Fischpopulation vor schädigenden
Umlaufdrehzahlen zu schützen.
Im Leistungsbereich der Drehzahlkonstanz sollte eine Stoßreduktion
und eine Kurzzeitenergiespeicherung zum Auffangen und Verwerten
von Laststößen und
Leistungsspitzen möglich
sein. Ferner soll die Energieerzeugungsanlage im Volllastbereich
eine Momentenabregelung sowie besondere Betriebszustände, wie
das Stilllegen und die Reaktion auf einen Lastabwurf, realisieren
können.
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Zur
Lösung
der Aufgabe hat der Erfinder zunächst
erkannt, dass eine von einer Meeresströmung angetriebene Wasserturbine über ein
Getriebe mit einem schnell laufenden elektrischen Generator verbunden
werden muss, um den elektrischen Generator im Verhältnis zur
Wasserturbine hinreichend kleinbauend ausbilden zu können. Zusätzlich erfindungsgemäß wird die
Verbindung zwischen der Wasserturbine und dem elektrischen Generator
mittels eines Antriebsstrangs hergestellt, welcher ein hydrodynamisches
Getriebe umfasst. Das hydrodynamische Getriebe dient zum einen der
Drehzahlübersetzung, zum
anderen zur Realisierung der Drehzahlvariabilität der Wasserturbine bei gleichzeitiger
Drehzahlkonstanz des elektrischen Generators. Dies wird durch die
Regelung und Steuerung wenigstens einer hydrodynamischen Komponente
im hydrodynamischen Getriebe bewirkt, wobei insbesondere eine Ausbildung
des hydrodynamischen Getriebes als Leistungsverzweigungsgetriebe
bevorzugt wird.
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Entsprechend
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der erfindungsgemäße Antriebsstrang ein Überlagerungsgetriebe,
beispielsweise ein Planetengetriebe, zur Leistungsverzweigung in
einen ersten Leistungszweig und wenigstens einen zweiten Leistungszweig.
Im ersten Leistungszweig ist eine schnell umlaufende Welle zum Antrieb
eines elektrischen Generators angeordnet. Der zweite Leistungszweig
steht mit dem ersten Leistungszweig über eine hydrodynamische Komponente,
beispielsweise einen hydrodynamischen Wandler, eine hydrodynamische
Kupplung oder einen Trilockwandler, in wenigstens mittelbarer Wirkverbindung.
Durch die Regelung und Steuerung des Leistungsflusses über die
hydrodynamische Komponente und des Grades der Kopplung zwischen
dem ersten Leistungszweig und dem zweiten Leistungszweig kann die
Drehzahlvariabilität des
Leistungsaufnehmers und damit eine maximale Energieentnahme aus
der Meeresströmung
bei gleichzeitig konstanter Drehzahl des elektrischen Generators
sichergestellt werden.
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Beim
Anlaufen der Wasserturbine aus dem Stand wird der elektrische Generator
zunächst
beschleunigt bis er seine Solldrehzahl erreicht und eine Synchronisation
mit dem elektrischen Netz durchgeführt werden kann. Im dann erreichten
Normalbetrieb prägt
die Netzfrequenz dem elektrischen Generator und damit dem ersten
Leistungszweig eine von der Polzahl abhängige Solldrehzahl auf. Eine
typische Drehzahl des elektrischen Generators ist beispielsweise
1500 U/min, so dass kleinbauende elektrische Generatoren verwendet
werden können.
Außerdem ist
bei derart hohen Drehzahlen auf der Welle des ersten Leistungszweigs
auch ein effektiver Betrieb einer wenigstens mittelbar mit dem ersten
Leistungszweig verbundenen hydrodynamischen Komponente, die dem
zweiten Leistungszweig zugeordnet ist, möglich. Aufgrund des durch die
hydrodynamische Komponente geregelten bzw. gesteuerten Leistungsflusses
zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungszweig ist es nun möglich, die
Wasserturbine mit einer für
die Leistungskonvertierung optimalen Drehzahl zu führen.
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Wird
als hydrodynamische Komponente zur Schaffung einer Verbindung zwischen
dem ersten und dem zweiten Leistungszweig ein hydrodynamischer Stellwandler
verwendet, so zeigt sich, dass bezüglich des Drehzahl-/Leistungs-
und des Drehzahl-/Momentverhältnisses
die Charakteristik des Stellwandlers der Charakteristik des Leistungsaufnehmers
entspricht. Dies kann zur Realisierung eines Selbstregelungseffekts
ausgenutzt werden. Ein Antriebsstrang mit einem Stellwandler kann
so ausgelegt werden, dass mit einer bestimmten, im Wesentlichen
konstanten Stellung des Leitrades des Stellwandlers die Wasserturbine
bezüglich
ihrer Drehzahl leistungsoptimal bei gleichzeitig konstanter Umlaufdrehzahl
des elektrischen Generators geführt werden
kann. Demnach ist bei Verwendung eines Stellwandlers im leistungsverzweigten
Antriebsstrang einer erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage
keine Regelung im eigentlichen Sinne zur Einstellung einer leistungsoptimalen
Drehzahl der Wasserturbine notwendig.
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Zur
Vermeidung der Bildung von Kavitationsblasen darf eine maximale
Drehzahl der Wasserturbine nicht überschritten werden. Außerdem steigt
mit zunehmender Drehzahl der Wasserturbine die Verletzungsgefahr
für Meerestiere.
Ab einer bestimmten Drehzahlschwelle, welche im einzelnen von der
Gestaltung und der Größe der Wasserturbine
sowie der vorliegenden Strömungsrichtung
und Strömungsgeschwindigkeit
abhängt,
wird daher entsprechend einer bevorzugten Gestaltung der Energieerzeugungsanlage
bzw. entsprechend eines bevorzugten Betriebsverfahrens eine Begrenzung
der Umlaufgeschwindigkeit der Wasserturbine vorgenommen. Je nach
Art der Auslegung wird einer dieser beiden Faktoren entscheidend
bei der Festlegung einer oberen Drehzahlschwelle für die Wasserturbine
der Energieerzeugungsanlage sein.
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Für die erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage
wird die Drehzahlführung
zur Drehzahlbegrenzung der Wasserturbine mittels der gewählten Einstellung
für die
hydrodynamische Komponente im hydrodynamischen Getriebe bewirkt.
Wird beispielsweise ein Stellwandler verwendet und ist der Antriebsstrang
der erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage
vorteilhaft leistungsverzweigt ausgebildet, so kann der Leistungsübertragung
vom ersten Leistungszweig zum zweiten Leistungszweig über eine
Veränderung
der Einstellung des Leitrads des Stellwandlers bewirkt werden. Im
Allgemeinen wird hierzu jene Leitradstellung verlassen, bei der
die Wasserturbine leistungsoptimal geführt wird.
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Der
Schwelldrehzahl ist bei einer optimalen Leistungsaufnahme, d. h.
einer Leistungsaufnahme entlang der Parabolik, auch eine Schwelle
in der Leistungsaufnahme zugeordnet. Bei Variationen in der Eingangsleistung,
welche oberhalb dieser Leistungsschwelle liegt, ist es zur Einhaltung
der Drehzahlkonstanz der Wasserturbine notwendig, die hydrodynamische
Komponente im hydrodynamischen Getriebe zu regeln. Die hierfür notwendigen
Sensoren zur Erfassung der Drehzahl der Wasserturbine sowie die
Ausbildung eines auf die hydrodynamische Komponente wirkenden Reglers
können
im Rahmen des fachmännischen
Könnens
realisiert werden.
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Ein
besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage
mit hydrodynamischem Getriebe ist darin zu sehen, dass für den Betriebszustand
einer drehzahlabgeregelten Wasserturbine Fluktuationen im Leistungseintrag
und insbesondere zeitlich schnell wechselnde Lastschwankungen gedämpft werden
und deren Energieeintrag zur kurzfristigen Beschleunigung der Wasserturbine
und damit als Kurzzeitenergiespeicher genutzt werden können. Diese
Eigenschaft begründet
sich darin, dass durch die geregelte oder gesteuerte Einstellung der
hydrodynamischen Komponente ein bestimmter Arbeitspunkt festlegt
ist. Um diesen Arbeitspunkt sind dann in einem bestimmten Drehzahlintervall Schwankungen
in der Drehzahl der Wasserturbine möglich. Hierfür wird eine
Schwankungsbreite von ± 10
% und bevorzugt ± 5
% und insbesondere bevorzugt ± 3
% noch toleriert.
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Trifft
nun aufgrund eines Turbulenzeffekts ein Laststoß auf die Wasserturbine auf,
so wird die Drehzahl in einem gewissen Umfang ansteigen und damit
die kurzzeitig zur Verfügung
gestellte zusätzliche
Leistung in das System einfließen.
Dies hat zum einen den Zweck, dass diese zusätzliche Leistung nutzbar wird,
und zum anderen, dass Laststöße abgefedert
und nicht durch die mechanischen Haltestrukturen aufgenommen werden
müssen.
Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Reduzierung der Drehmomentenstöße im Triebstrang
und somit auf die Standzeit der Energieerzeugungsanlage aus.
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Im
Teillastbereich, in dem die erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage
leistungsoptimal entlang der Parabolik und vorteilhafterweise ab
einer bestimmten Drehzahlschwelle drehzahlbegrenzt bzw. drehzahlgeführt betrieben
wird, schließt
sich der Volllastbereich an. Dieser ist dadurch charakterisiert, dass
ein Maximaldrehmoment auf dem Leistungsaufnehmer erreicht wird.
Oberhalb dieser Drehmomentschwelle findet eine Drehmomentabregelung
für die Wasserturbine
statt, wobei für
die erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage
neben der Einstellung der hydrodynamischen Komponente im Antriebsstrang zusätzliche
Stellelemente verwendet werden, die die von der Wasserturbine aufgenommene
Leistung begrenzen. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird durch eine
Veränderung
der Winkelstellung der Schaufelräder
der Wasserturbine eine Leistungsbegrenzung erzielt, welche aber
langsame Reaktionszeiten aufweist, während durch die Einstellung
der hydrodynamischen Komponente, im Fall eines Stellwandlers durch
die Einstellung des Stellrades, eine kurzzeitige Leistungsbegrenzung
für den
elektrischen Generator vorgenommen wird. Somit kann das träge System
der Winkelverstellung der Schaufelräder der Wasserturbine kurzzeitig
mit dem schneller einstellbaren Stellwandler überbrückt werden.
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Wird
als hydrodynamische Komponente anstatt eines Stellwandlers eine
hydrodynamische Kupplung verwendet, so kann keine Selbstregelung zur
leistungsoptimalen Führung
der Wasserturbine realisiert werden. Für diesen Fall muss die Einstellung
der hydrodynamischen Kupplung aktiv geregelt werden, um im Teillastbereich
die Drehzahl der Wasserturbine leistungsoptimal entlang der Parabolik
zu führen.
Vorteilhaft bei der Verwendung einer hydrodynamischen Kupplung anstatt
eines Stellwandlers ist jedoch eine Steigerung der Leistungseffizienz
des Antriebsstrangs insbesondere unter Volllastbedingungen. Wird
als alternative hydrodynamische Komponente ein Trilockwandler verwendet,
so ergeben sich ebenfalls bezüglich
der Effizienz in bestimmten Leistungsbereichen bzw. Betriebsphasen
Vorteile gegenüber
einem hydrodynamischen Stellwandler.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Figuren genauer beschrieben. Im Einzelnen
ist Folgendes dargestellt:
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage
in schematisch vereinfachter Art und Weise.
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2 zeigt
eine bevorzugte Ausgestaltung des Antriebsstrangs der Energieerzeugungsanlage mit
einem ersten und einem zweiten Leistungszweig.
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3 zeigt
drei Betriebsbereiche einer erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage
im Drehzahl-/Drehmomentdiagramm.
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4 zeigt
den Selbstregelungseffekt bei Verwendung eines hydrodynamischen
Stellwandlers im Antriebsstrang zur Realisierung einer leistungsoptimalen
Drehzahlführung
im Teillastbereich.
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5 stellt
die Einstellung des Leitrades eines hydrodynamischen Stellwandlers
beim Übergang
zwischen den einzelnen Betriebsbereichen aus 3.
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6 illustriert
die Kurzzeitenergiespeicherung und die Laststoßreduktion einer erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage
im drehzahlabgeriegelten Bereich.
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7 zeigt
in schematisch vereinfachter Weise drei Regelungsebenen für den Betrieb
einer erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage.
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1 zeigt
die erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage
in schematisch vereinfachter Art und Weise. Hierbei wird ein elektrischer
Generator 11, der an ein elektrisches Netz 60 angekoppelt
ist, mittels einer Wasserturbine 3 wenigstens mittelbar angetrieben.
Die Wasserturbine 3 kann im Rahmen des fachmännischen
Ermessens ausgestaltet sein. Beispielsweise kann eine zwei- oder
mehrflügelige Propellerstruktur
gewählt
werden. Ferner können
um die Wasserturbine zusätzliche
Strukturen vorgesehen werden, welche zum Schutz oder zur Leitung
der Strömung
dienen. Erfindungsgemäß wird zwischen der
Wasserturbine 3 und dem elektrischen Generator 11 ein
hydrodynamischer Antriebsstrang 1 verwendet. Unter einem
hydrodynamischen Antriebsstrang 1 wird in der vorliegenden
Erfindung ein leistungsverzweigter Antriebsstrang verstanden, der
einen ersten Leistungszweig 7 und wenigstens einen zweiten Leistungszweig 18 umfasst.
Zur Leistungsverzweigung der antriebsseitig dem hydrodynamischen
Antriebsstrang zugeführten
Leistung wird ein Leistungsverzweigungsgetriebe verwendet, beispielsweise kann
dies ein Planetenradsatz sein. Abtriebsseitig des Leistungsverzweigungsgetriebes 5 wird
mittels einer hydrodynamischen Komponente, die dem zweiten Leistungszweig
zugeordnet ist, eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten
Leistungszweig 7, 18 hergestellt, so dass es möglich ist,
ausgehend von einer konstanten Umlaufgeschwindigkeit des elektrischen
Generators 11 der Wasserturbine 3 unterschiedliche
Umlaufgeschwindigkeiten aufzuprägen.
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Die
Energieerzeugungsanlage kann ferner optionale Komponenten aufweisen.
Dies sind zusätzliche
Getriebe, die dem hydrodynamischen Antriebsstrang vor- oder nachgeschaltet
sind. In 1 dient eine als Planetenradgetriebe
ausgebildete Übersetzungsstufe 4 zu
einer ersten Übersetzung
der Drehzahl der Wasserturbine. Ferner kann zwischen dem hydrodynamischen
Antriebsstrang 1 und dem elektrischen Generator 11 ein Übertragungselement 50 vorgesehen
sein, welches eine Kupplung und/oder einer Bremse umfasst. Diese
können
sich auch zwischen dem zusätzlichen
Getriebe 4 und dem hydrodynamischen Antriebsstrang 1 befinden.
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In 1 werden
im Einzelnen die mechanischen Halterungsstrukturen für die Energieerzeugungsanlage
nicht dargestellt. Bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der die in 1 gezeigten Komponenten
als Baueinheit zusammengefasst und mit einem wasserdichten Gehäuse umhüllt sind,
so dass diese Baueinheit als ganzes tauchbar ist. Diese Baueinheit
kann dann entlang einer Stützstruktur
bis auf eine für
die Energiegewinnung bevorzugte Tiefe gebracht werden.
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2 zeigt
eine vorteilhafte Ausgestaltung des hydrodynamischen Antriebsstrangs 1 einer
erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage.
Hierbei ist im Einzelnen dessen Eingangswelle 2 mit der Wasserturbine 3 einer
erfindungsgemäßen Windkraftanlage
wenigstens mittelbar verbunden. Im vorliegenden Fall ist ein Getriebe 4 mit
einem konstanten Übersetzungsverhältnis zwischen
dem Rotor 3 der Windkraftmaschine und der Eingangswelle 2 platziert.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird
als Leistungsverzweigungsgetriebe 5 des Antriebsstranges 1 ein
Planetenradgetriebe verwendet, wobei die Eingangswelle 2 mit
dem Planetenradträger 6 in
Verbindung steht. Im Leistungsverzweigungsgetriebe 5 liegen
nun zwei Leistungszweige vor, der erste Leistungszweig 7 führt Leistung über das
Sonnenrad 9 des Planetenradgetriebes zur Ausgangswelle 10 des
Antriebsstrangs. Diese Ausgangswelle 10 treibt wenigstens
mittelbar den elektrischen Generator 11 an und steht in
Wirkverbindung mit dem hydrodynamischen Stellwandler 12.
Hierzu ist die Ausgangswelle 10 wenigstens mittelbar mit dem
Pumpenrad 13 des hydrodynamischen Stellwandlers 12 verbunden.
Als Reaktionsglied 15 wird im hydrodynamischen Wandler 12 ein
Leitrad mit Stellschaufeln verwendet, mit dem der Leistungsfluss auf
das Turbinenrad 14 eingestellt werden kann. Über das
Turbinenrad 14 erfolgt wiederum ein Leistungsrückfluss,
der über
einen zweiten, starren Planetenradsatz 16 geführt wird,
und seinerseits auf das Außenrad 17 des
Leistungsverzweigungsgetriebes 5 wirkt und das Übersetzungsverhältnis beeinflusst. Dies
stellt den zweiten Leistungszweig 18 des Leistungsverzweigungsgetriebes
dar, der dem Leistungsrückfluss
dient.
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Für den Betrieb
der erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage
werden drei wesentliche Betriebsbereiche unterschieden. Diese sind
in 3 skizziert. Hierbei ist die von der Wasserturbine
aufgenommene Leistung in beliebigen Einheiten in Abhängigkeit
der Drehzahl der Wasserturbine ebenfalls in beliebigen Einheiten
dargestellt.
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In
einem mit I bezeichneten Bereich wird die Energieerzeugungsanlage
in Teillast betrieben. Dieser beginnt ab einer bestimmten Drehzahl
und endet bei einer bestimmten Drehzahlschwelle Dmax.
Die in 3 dargestellte Kurve im Betriebsbereich I stellt eine
Sollkurve dar, welche eine leistungsoptimale Drehzahlführung der
Wasserturbine 3 skizziert. Einem bestimmten Leistungseintrag
wird demnach eine optimale Drehzahl der Wasserturbine 3 zugeordnet.
Dreht die Wasserturbine 3 mit einer geringeren oder einer
höheren
Drehzahl als die optimale Drehzahl, so kann von der Energieerzeugungsanlage
keine optimale Leistung der Meeresströmung entzogen werden. In der
vorliegenden Anmeldung wird für
eine leistungsoptimale Drehzahlführung
im Betriebsbereich I auch der Begriff einer Drehzahlführung entlang
der Parabolik verwendet.
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Für die erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage
wird ein elektrischer Generator 11 mit einer konstanten,
vorzugsweise schnellen Umlaufdrehzahl verwendet. Einmal an die Netzfrequenz
gekoppelte Synchrongeneratoren werden in ihrer Umlaufdrehzahl durch
das elektrische Verbundsnetz 60 gestützt. Dies gilt in einem hinreichenden
Umfang auch für
Asynchrongeneratoren, wenn diese in einem steil verlaufenden Linearbereich
betrieben werden. Ausgehend von dieser konstanten Drehzahl des elektrischen
Generators 11 wird durch die Steuerung und/oder Regelung
der Wirkverbindung zwischen dem ersten Leistungszweig 7 und
dem zweiten Leistungszweig 18 des Antriebsstrangs 1,
d. h. des Leistungsflusses über
die hydrodynamische Komponente, die eingangsseitige Drehzahl des
Antriebsstrangs und damit die Drehzahl der Wasserturbine 3 so
geführt,
dass diese immer mit einer leistungsoptimalen Drehzahl umläuft.
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Wird
als hydrodynamische Komponente ein hydrodynamischer Stellwandler 12 verwendet,
so ergibt sich der Vorteil, dass zur leistungsoptimalen Drehzahlführung der
Wasserturbine 3 keine Regelung im eigentlichen Sinne, sondern
ein systeminhärenter
Selbstregelungseffekt verwendet werden kann. Dies ist als Illustration
in 4 dargestellt. Hierbei stellt die Kurve E die
vom Windrotor aufgenommene Leistung dar, Kurve F ist die Leistung
auf dem Sonnenrad 9, Kurve G die vom Antriebsstrang übertragene
Leistung und Kurve H gibt die über
den zweiten Leistungszweig 18 vom hydrodynamischen Wandler 12 auf
das Leistungsverzweigungsgetriebe 5 zurückfließende Leistung an. Zusätzlich ist
die Einstellung des Leitrades 15 des hydrodynamischen Stellwandlers
dargestellt. Sichtbar ist, dass bei einer optimalen Leistungsaufnahme
entlang der Parabolik, die durch die Charakteristik des Antriebsstrangs 1 nachgebildet
werden kann, mit einer über
den gesamten dargestellten Teillastbereich mit einer im Wesentlichen
gleich bleibenden Leitradstellung des hydrodynamischen Wandlers 12 gearbeitet
werden kann. Diese Einstellung wird nachfolgend als die justierte
Einstellung des hydrodynamischen Wandlers 12 bezeichnet.
Es ist also keine Regelung des Leitrads nötig, um die Konstanz der Ausgangsdrehzahl des
Antriebsstrangs zur Beschickung des elektrischen Generators 11 bei
gleichzeitiger variabler optimaler Wasserturbinendrehzahl zu erreichen.
Hierbei wird darauf verwiesen, dass die Steilheit der die Leistungsaufnahme
charakterisierenden Parabel durch die Übersetzungsdimensionierung
der Komponenten des Leistungsverzweigungsgetriebes in Verbindung mit
der Dimensionierung des hydrodynamischen Wandlers eingestellt werden
kann. Diese Charakteristik des erfindungsgemäßen Antriebsstranges 1 wird
nachfolgend als Selbstregelung bezeichnet.
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Der
Betriebsbereich I, bei dem leistungsoptimal unter Teillastbedingungen
einer Meeresströmung
kinetische Energie durch den Leistungsaufnehmer der erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage
entnommen wird, könnte
nun entlang der Leistungsparabolik bis zum Volllastbereich mit konstanter
Drehzahl geführt
werden. Üblicherweise würde bei
einer solchen Betriebsführung
aber ab einem bestimmten Leistungeintrag eine Drehzahlschwelle Dmax überschritten,
welche zur Kavitationsvermeidung oder zum Schutz des Fischbestands
zu beachten ist. Ab dieser Schwelldrehzahl Dmax wird
daher vorzugsweise der Betriebsbereich I verlassen und zu einem
Betriebsbereich II übergewechselt,
der durch eine Konstanthaltung der Drehzahl der Wasserturbine gekennzeichnet
ist.
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Für die Ausgestaltung
des Antriebsstrangs 1 mit einem hydrodynamischen Stellwandler 12 als
hydrodynamische Komponente ist in 5 der Übergang
zwischen den einzelnen Betriebsbereichen gezeigt. Im Betriebsbereich
I mit leistungsoptimaler Drehzahlführung wird im Sinne des Selbstregelungseffekts
mit einer im Wesentlichen gleich bleibenden Leitradstellung, im
vorliegenden Fall bei 25 % des Stellweges gearbeitet. Beim Übergang
vom Betriebsbereich I auf den drehzahlbegrenzten Betriebsbereich
II wird diese optimale Leitradstellung verlassen und das Leitrad
des hydrodynamischen Stellwandler 12 in Abhängigkeit
des Leistungseintrags an der Wasserturbine 3 so nachgestellt,
dass die Wasserturbinendrehzahl im Wesentlichen konstant bleibt
und lediglich das von der Wasserturbine 3 aufgenommene
Drehmoment und damit die aufgenommene Leistung variiert. Im Betriebsbereich
II kann in einer Ausgestaltung anstatt einer tatsächlichen
Drehzahlschwelle ein bestimmter Drehzahlverlauf, bevorzugt ein besonders
steiler Drehzahlverlauf, gewählt
werden. Charakterisierend für
den Betriebsbereich II ist, dass die leistungsoptimale Drehzahlführung verlassen
wird.
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Ferner
ist in 5 der Übergang
des drehzahlbegrenzten Betriebsbereichs II auf dem drehmomentbegrenzten
Betriebsbereich III dargestellt. Hierbei wird die Steuerung und/oder
Regelung zum Bewirken einer Drehzahlkonstanz oberhalb eines Schwellmoments
an der Windturbine 3 verlassen. Um nun eine unerwünschte Zunahme
der Leistungserzeugung der Wasserturbine 3 im Betriebsbereich
III zu verhindern, wird mit zusätzlichen
Maßnahmen, beispielsweise
eine Veränderung
der Schaufelradstellung der Wasserturbine 3 oder einer
Verstellung eines zugeordneten Leitapparats, der Leistungseintrag
durch die Wasserturbine 3 begrenzt und damit ein weiterer
Drehzahlanstieg zur Drehmomentenbegrenzung verhindert. Zur Überbrückung der
trägen Regelung
der Schaufelradstellung der Wasserturbine 3 bei Leistungszunahme
im Betriebsbereich III wird zunächst
die Leitradstellung des hydrodynamischen Stellwandlers 12 geändert, um
kurzzeitige Momentenstöße bzw.
-erhöhungen
durch den Antriebsstrang abzuwenden, was aber eine kurzfristige
Drehzahlerhöhung
der Wasserturbine bewirkt, diese wird aber durch die im zweiten
Schritt erfolgende Schaufelradverstellung der Wasserturbine 3 eingegrenzt.
Dies ist im Einzelnen in 5 nicht dargestellt.
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6 stellt
nun den Fall des Betriebsbereichs II dar, bei dem durch die Dejustage
des hydrodynamischen Stellwandlers 12 oberhalb einer bestimmten
Drehzahlschwellbereichs eine bestimmte Solldrehzahl der Wasserturbine 3 aufgeprägt wird. Die
dargestellte Kurvenschar stellt unterschiedliche Leitradstellungen
(H = 25 %–100
% Stellweg) dar. Im vorliegenden Fall ist der hydrodynamische Stellwandler
bei mit einer Leitradstellung von H = 25 % Stellwert justiert. Aus 6 ist
ersichtlich, dass durch die Dejustage des hydrodynamischen Stellwandlers 12 unterschiedliche
Arbeitspunkte gewählt
werden können.
Dies eröffnet
die Möglichkeit,
die Drehzahl der Wasserturbine 3 einzustellen. Im einfachsten
Fall wird so die Drehzahl begrenzt, zusätzlich ist es möglich, die
Arbeitspunkte für
die gewünschte
Drehzahl der Wasserturbine 3 entlang einer Kurve einzustellen,
die von dem durch die Wasserturbine 3 aufgenommenen Drehmoment
abhängt.
Hierdurch ist es möglich,
insbesondere die Weichheit des Antriebsstrangs an der Grenze zum
Volllastbetrieb anzupassen.
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Um
jeden durch Dejustage des hydrodynamischen Stellwandlers eingestellten
Arbeitspunkt im Betriebsbereich II ergibt sich wiederum die parabolische
Leistungsaufnahmecharakteristik, welche bei variierenden Strömungsgeschwindigkeiten
durchlaufen wird. Diese Situation ist in 6 dargestellt.
Hierbei ist zu beachten, dass die Einstellung eines bestimmten Arbeitspunkts
langsam, d. h. im Sekunden- bis Minutenbereich, vorgenommen werden
kann und in Abhängigkeit
zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit
steht. Die möglichen
Schwankungen um diesen Arbeitspunkt, die durch die Systemcharakteristik des
Antriebsstrangs bei Verwendung eines hydrodynamischen Wandlers 12 jeweils
durch eine Selbstregelung ausgeglichen werden, sind kurzzeitige
Effekte, die durch Fluktuationen entstehen. Diese Schwankungsbreite
sollte ± 30
% der gewünschten Drehzahl
im Arbeitspunkt, bevorzugt ± 10
% und insbesondere bevorzugt ± 5
% nicht überschreiten.
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Neben
den voranstehend beschriebenen Betriebsbereichen I–III können auch
zusätzliche
Betriebszustände
auftreten, etwa das Anfahren oder Abschalten der Energieerzeugungsanlage,
die Synchronisation des elektrischen Generators mit der Netzfrequenz,
ein Lastabwurf, ein Notstopp oder spezielle Betriebszustände, etwa
ein Test- oder Schonbetrieb. Zur Realisierung der unterschiedlichen
Betriebsbereiche und Betriebszustände wird eine Ausgestaltung
der Regelung und Steuerung für die
erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage
in Form einer hierarchischen Struktur mit einer Unterteilung in
drei Regelungsebenen bevorzugt. Dies ist in 7 skizziert.
Die erste Regelungsebene ist die Energieerzeugungsanlage selbst.
Bevorzugt wird hierbei die Ausbildung des Antriebsstrangs der Energieerzeugungsanlage
mit einem hydrodynamischen Stellwandler als hydrodynamische Komponente,
was zu einer Selbstregelung führt.
Gleichwohl sind alternative hydrodynamische Komponenten, wie eine
hydrodynamische Kupplung oder ein Trilockwandler aus Effizienzgründen ebenso
denkbar. Für
diesen Fall muss diese systeminhärente
Selbstregelung durch eine aktive Regelung zur Drehzahlführung der Wasserturbine
ersetzt werden. Diese erste Regelungsebene wird von der zweiten
Regelungsebene überlagert,
welche die Regler für
die Schaufelradstellung, die Einstellung der hydrodynamischen Komponente
und einen Regler für
die Leistungselektronik des Generators umfasst. In dieser Ebene
findet für
jeden der genannten Regler ein Soll-Ist-Wertvergleich statt, woraufhin entsprechende
Stellsignale ausgegeben werden.
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Erfindungsgemäß ist nicht
jeder Regler der zweiten Regelungsebene für alle Betriebsbereiche bzw.
Betriebszustände
aktiviert. Eine Steuerung der Regleraktivierung sowie einer Reglergewichtung bzw.
einem graduierten Umschalten zwischen einzelnen Reglern wird durch
die dritte Regelungsebene bewirkt. Diese wählt nicht nur in Abhängigkeit
des Betriebszustandes bzw. des Betriebsbereiches die zu regelnden
Größen aus,
sondern es ist auch möglich,
für ein
und dieselbe Größe, z. B.
der Schaufelradstellung, unterschiedliche Regler oder unterschiedliche
Reglereinstellungen zu verwenden. Hierdurch kann die Regelungscharakteristik
und die Regelungsgeschwindigkeit auf die jeweils spezielle Situation
angepasst werden. Ferner ergibt sich über die dritte Regelungsebene
als übergeordnete
Steuerungsebene eine Einstellung der Reglersollwerte sowie der gewählten Arbeitspunkte.