Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Relativgeschwindigkeit zwischen einem Bezugspunkt und einer Wasserströmung sowie eine Sensoreinrichtung zu dessen Durchführung.

Stand der Technik

Zur Umwandlung von Energie aus Wasserbewegungen in Gewässern in nutzbare Energie ist eine Reihe unterschiedlicher Vorrichtungen bekannt. Eine Übersicht hierzu gibt beispielswei- se G. Boyle, "Renewable Energy", 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004. Derartige Vorrichtungen werden hier als "Wellenenergiekonverter" bezeichnet.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Wellenenergiekonverter von Interesse, die mit ihren bewegten Teilen unter der Wasseroberfläche angeordnet sind und die eine dort vorliegende Wellenorbitalbewegung ausnutzen. Die Wellenorbitalbewegung kann mittels Rotoren in eine Rotationsbewegung umgesetzt werden. Hierzu können Rotoren mit Kopplungskörpern, z.B. hydrodynamischen Auftriebsprofilen, verwendet werden. Ein derartiges System ist in der DE 10 201 1 105 177 A1 offenbart. Die Erfindung kann jedoch bei allen Wellenenergiekonvertern und auch bei anderen in einem wellen bewegten Gewässer befind- liehen Anlagen eingesetzt werden, die von einer Wellenbewegung beeinflusst werden.

In derartigen Anlagen kann es von Vorteil sein, die zu erwartende Wellenbeaufschlagung vorab zu ermitteln, um insbesondere auftretende Belastungen vorhersagen zu können und entsprechende Anlagen bei Hochenergieszenarien notfalls in einen Schutzmodus versetzen zu können. Unter Hochenergieszenarien werden im Rahmen dieser Anmeldung beispielsweise Wellen mit ungewöhnlich hoher Geschwindigkeit, Amplitude oder einem bestimmten, die Anlagen belastenden Frequenzmuster verstanden. Darüber hinaus kann ein Wellenenergiekonverter bei Kenntnis der zu erwartenden Wellenbeaufschlagung angepasst an diese betrieben werden, um beispielsweise den Energieertrag des Wellenenergiekonverters zu maximieren.

Wellenbewegungen können mittels Doppler-Messungen, beispielsweise per Ultraschall, er- fasst werden. Sensoren zur Messung von Wasserströmungen, insbesondere Wasserströmungen, die auf Ultraschall basieren, können sich auf beweglichen Objekten befinden, z.B. Schiffen oder Bojen. Diese Sensoren sind unter der Wasseroberfläche platziert und benutzen den Dopplereffekt, bei dem die relative, radiale Geschwindigkeit (im zylindrischen Koordinatensystem gesehen) zwischen der Sensoreinrichtung und Rückstreuelemente (z. B. Se- dimente oder Plankton) gemessen wird. Offensichtlich verfälscht jedoch die Geschwindigkeit des Objekts, an dem die Sensoreinrichtung befestigt ist, die Messergebnisse.

Es ist daher wünschenswert, Sensoren zur Verfügung zu haben, die diese Bewegung autonom kompensieren können und dazu nicht auf Informationen von außen angewiesen sind.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Bestimmen einer Relativgeschwindigkeit zwischen einem Bezugspunkt und einer Wasserströmung, insbesondere einer Meeresströmung, sowie eine Sensoreinrichtung zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung ermöglicht die Korrektur der gemessenen Geschwindigkeit von Wasserströmungen, insbesondere mittels Dopplereffekts, um die Eigengeschwindigkeit der in dem Gewässer angeordneten Sensoreinrichtung. Die Kompensation erfolgt durch Ermittlung der Eigengeschwindigkeit und Richtung und Abzug von der gemessenen der Relativgeschwin- digkeit zwischen Sensoreinrichtung und Wasserströmung. Damit wird die Messgenauigkeit der Wasserströmung relativ zu einem ortsfesten Bezugspunkt erhöht.

Durch autonome Kompensation der Sensorgeschwindigkeit kann die Sensoreinrichtung ohne aufwendige Signalverarbeitung nach Erfassung der Messdaten genaue Strömungsmessdaten liefern. Die Kompensation erfolgt autonom, ohne dass eine Kommunikation mit externen Sensoren erfolgen muss. Die Erfindung funktioniert insbesondere auch in Unterwasseranwendungen, bei denen das Messen der Geschwindigkeit basierend auf dem Dopplereffekt über die Laufzeit eines Ultraschallechos vom Meeresboden nicht sinnvoll ist, z.B. aufgrund einer sehr großen Wassertiefe, die zu hohen Messfehlern aufgrund von Wasserströmungen, Temperatur- und Druckabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit führt. Neben der Hauptaufgabe, Wasserströmungen zu messen, liefert die Sensoreinrichtung auch Informationen über ihre eigene Geschwindigkeit. Die Erfindung bedient sich dazu im Wesentlichen zweier Schritte. Zum einen erfolgt eine übliche Messung der Relativgeschwindigkeit zwischen Sensoreinrichtung und Wasserströmung, insbesondere auf dem Dopplereffekt basierend, beispielswese unter Verwendung von Ultraschall. Zum anderen wird eine Beschleunigung und Drehung der Sensoreinrichtung mittels an der Sensoreinrichtung angebrachter Inertialsensoren (Beschleunigungs- und Dreh- sensoren) durchgeführt. Inertiale Messeinheiten beinhalten in der Regel drei orthogonal angeordnete Beschleunigungssensoren (auch als Translationssensoren bezeichnet), die die lineare Beschleunigung in x- bzw. y- bzw. z-Achse detektieren, woraus der die

translatorische Bewegung berechnet werden kann, und drei orthogonal angeordnete Drehratensensoren (auch als Gyroskopische Sensoren bezeichnet), die die die Winkelgeschwindig- keit um die x- bzw. y- bzw. z-Achse messen, woraus die Rotationsbewegung berechnet werden kann. Geeignete Inertialsensoren sind beispielsweise sogenannte MEMS-Sensoren (Mikroelektromechanische Systeme). Zur Verbesserung der Genauigkeit bzw. um eine Drift der oben genannten Sensoren zu korrigieren, können zusätzlich Magnetfeldsensoren (Kompasssensoren) verwendet werden.

Mittels der Inertialsensoren kann die aktuelle Geschwindigkeit und Richtung der Sensoreinrichtung bestimmt und zur Korrektur der gemessenen Relativgeschwindigkeit zwischen Sensoreinrichtung und Wasserströmung verwendet werden. Auf diese Weise kann sehr leicht die Relativgeschwindigkeit zwischen Wasserströmung und einem Bezugspunkt, welcher zweckmäßigerweise die Anlage ist, ermittelt werden.

Um die Geschwindigkeit und Richtung aus den Messdaten zu ermitteln, ist u.a. eine zeitliche Integration der Beschleunigungsdaten nötig. Je länger der betrachtete Zeitraum dauert, desto größer werden jedoch mögliche Fehler. Im Rahmen der Erfindung wird daher vorteilhafterweise ausgenutzt, dass in einem wellenbewegten Gewässer befindliche Sensoren hauptsächlich periodischen Bewegungen unterworfen sind. Bei einer periodischen Beschleunigung kann die Geschwindigkeit mittels Fourierzerlegung der gemessenen Beschleunigung a(f) einfach berechnet werden, ohne das Beschleunigungssignal integrieren zu müssen. Eine mittelwertfreie, harmonische Beschleunigung lässt sich wie folgt darstellen:

Daraus er ibt für die Geschwindigkeit:

Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber einer Integration von Sensorsignalen über einen langen Zeitraum.

Transiente Vorgänge (nicht harmonischer Form) sowie nicht periodische Beschleunigungen der Sensoreinrichtung lassen sich mit einer Kurzzeitintegration des Beschleunigungssignals berücksichtigen. Da es sich um eine Kurzzeitintegration (im Bereich von wenigen Sekunden) handelt, ist ein Integrationsfehler relativ klein und führt nicht zu signifikanten Verfälschungen.

Die bisher beschriebenen Abläufe ermöglichen die Kompensation von harmonischen Bewegungen (im mathematischen Sinn) sowie von Fehlorientierung der Sensoreinrichtung.

Die Kompensation von Bewegungen der Sensoreinrichtung mit konstanter Geschwindigkeit kann besonders gemäß nachfolgend beschriebener Erweiterung des Verfahrens geschehen. Solche Bewegungen unterliegen keiner Beschleunigung und können daher mittels einer Be- schleunigungsmessung nicht erkannt werden. Die bevorzugte Kompensation von Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit basiert auf der gemessenen Relativgeschwindigkeit zwischen Sensoreinrichtung und Wasserströmung, genauer den von der Wasserströmung bewegten Streuzentren. Bei Meereswellen besitzt die Geschwindigkeit der Streuzentren har- monische Komponenten, die den harmonischen Komponenten der Welle entsprechen. Die Frequenz dieser harmonischen Komponenten wird von der Eigengeschwindigkeit der Sensoreinrichtung nicht beeinflusst.

Es sind Wellenausbreitungsmodelle (z.B. lineare Wellentheorie) bekannt, die eine Beziehung zwischen Frequenzen, Wellenzahl, Phasen- und Gruppengeschwindigkeit der Welle etablieren. Diese Beziehung ist als Dispersionsgleichung bekannt und wird als Basis für die Kompensation von konstanten Geschwindigkeitsanteilen benutzt. Nähere Details finden sich hierzu in "Water Wave Mechanics for Engineers & Scientists (Advanced Series on Ocean Engineering Vol 2)", Robert G. Dean, Robert A. Dalrymple. Aus der Entfernung, die ein Ort einer bestimmten Phasenlage in einer gewissen Zeit zurücklegt, und der Phasengeschwindigkeit kann die Eigengeschwindigkeit der Sensoreinrichtung in Messrichtung bestimmt werden.

Die Dispersionsgleichung wird durch die Wellensteilheit (Quotient aus Wellenhöhe H und Wellenlänge L) wesentlich beeinflusst. Deshalb lässt sich diese Methode vorteilhaft mit einer Einrichtung zur Messung der Wellenhöhe kombinieren, beispielsweise einer Schwimmboje. Alternativ kann aus den Wellenmodellen einen Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Wellenhöhe bestimmt werden, so dass eine grobe (nicht kompensierte Messung) der Strömungsgeschwindigkeit hinreichend ist, um die für die herrschenden Strö- mungsbedingungen geeignete Dispersionsgleichung zu wählen.

η =— * cos ( k * x - co * t)

mit:

η: z-Koordinate der Wasseroberfläche u: Horizontalgeschwindigkeit

w: Vertikalgeschwindigkeit

k: Wellenzahl (2TT/L)

h: Wassertiefe

z: z-Koordinate, Ruhewasserspiegel z =0, Sohle z=- h

x: x-Koordinate, Ausbreitungsrichtung

Die Messung der Sensorgeschwindigkeit in Tiefenrichtung (z-Richtung, also vertikal) kann durch eine Druckmessung erfolgen. Beim Versenken der Sensoreinrichtung steigt nämlich der statische Druck p _stat am Ort der Sensoreinrichtung. Ist die Wellenhöhe bekannt, beispielsweise durch die obige Bestimmung, kann eine die gemessene Tiefe beeinflussende Veränderung der Wellenhöhe ebenfalls kompensiert werden. Die Ableitung des Drucks nach der Zeit und die Berücksichtigung der Wellenhöhe ermöglicht die Berechnung der Geschwindigkeit in z-Richtung. Die Kompensation des dynamischen Drucks kann z.B. durch Anwendung mehrerer Drucksensoren erzielt werden.

Es gilt nämlich:

P _s taA ^Z ) = ^k0nSt - + {P * g * ^Z )

dPstat — _n * _r , *—

dt dt

dz άη

— =— + v _z

¹ * ^d P _stat άη

p * g dt dt

mit:

p: Dichte

g: Erdbeschleunigung

Eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash- Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist 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 eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Figurenbeschreibung

Figur 1 zeigt einen Wellenenergiekonverter und eine Sensoreinrichtung, die erfindungsgemäß betrieben werden kann, in teilperspektivischer Darstellung. Detaillierte Beschreibung der Zeichnung

In Figur 1 ist ein bevorzugter, aber dennoch rein beispielhafter Wellenenergiekonverter gezeigt, der sich eine Wellenorbitalbewegung eines welligen Gewässers, insbesondere eines Meeres, zu Nutze machen kann. Der Wellenenergiekonverter ist insgesamt mit 1 bezeichnet. Er weist einen Rotor 2, 3, 4 mit einer Rotorbasis 2 auf, an der über Rotor- bzw. Hebelarme 4 längliche Auftriebsprofile 3 angebracht sind. Die Auftriebsprofile 3 sind mit einem Ende mit den Hebelarmen 4 verbunden und beispielsweise über Versteileinrichtungen 5 in einem Winkel (sogenannter Pitchwinkel) um ihre Längsachse drehbar. Den Versteileinrichtungen 5 können Positionsgeber 6 zugeordnet sein. Die Auftriebsprofile 3 sind, bezogen auf die Achse des Rotors 2, 3, 4, in einem Winkel von 180° versetzt zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind die Auftriebsprofile 3 in der Nähe ihres Druckpunktes mit den Hebelarmen 4 verbunden, um im Betrieb auftretende Rotations- momente auf die Auftriebsprofile 3 und damit die Anforderungen an die Halterung und/oder die Versteileinrichtungen zu reduzieren. Der radiale Abstand zwischen einem Aufhängungspunkt eines Auftriebsprofils 3 und der Rotorachse beträgt beispielsweise 1 m bis 50 m, vorzugsweise 2 m bis 40 m und besonders bevorzugt 6 m bis 30 m. Die Sehnenlänge der Auftriebsprofile 3 beträgt beispielsweise 1 m bis 8 m. Die größte Längserstreckung kann bei- spielsweise 6 m oder mehr betragen.

Der Wellenenergiekonverter 1 weist einen integrierten Generator auf. Hierbei ist die Rotorbasis 2 drehbar in einem Generatorgehäuse 7 gelagert. Die Rotorbasis 2 bildet den Läufer des Generators, das Generatorgehäuse 7 dessen Stator. Die erforderlichen elektrischen Einrichtungen wie Spulen und Leitungen sind nicht dargestellt. Auf diese Weise kann eine durch die Wellenorbitalbewegung induzierte Rotationsbewegung der Rotorbasis 2 mit den hieran über die Hebelarme 4 angebrachten Auftriebsprofilen 3 direkt in elektrische Energie umgesetzt werden. Entfernt von dem Wellenenergiekonverter 1 , beispielsweise an einer Tauchboje befestigt, ist eine Sensoreinrichtung 8 angeordnet, die in der Figur 2 stark schematisiert dargestellt ist. Die Sensoreinrichtung 8 weist einen Ultraschall-Doppler-Strömungsmesser (engl.: Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP)) auf. Der Ultraschall-Doppler-Strömungsmesser ist in einer Messrichtung x orientiert, die einer Anströmrichtung des Wellenenergiekonverters 1 ent- spricht.

Ein ADCP ist ein Aktivsonar, das die Doppler-Frequenzverschiebung des Nachhalls von Streukörpern im Wasser (vorwiegend Plankton) zur Bestimmung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit nutzt. Das Gerät ist mit drei oder vier voneinander unabhängigen Schwingern ('Transducer') ausgestattet, wobei die gegenüberliegenden jeweils Paare bilden. Jeweils ein Schwingerpaar misst die Horizontalbewegung in einer Richtung, die Vertikalbewegung wird von beiden parallel gemessen. Dazu geben die Geräte in festen Zeitintervallen Schallimpulse im Bereich von 500 kHz-10 MHz ab. Zwischen den Impulsen werden die zurück gestreuten Signale wieder empfangen. Diese erlauben über ihre Laufzeit eine Zuordnung zur relativen Entfernung zum Signalgeber (Transducer). Die Geräte können je nach Bauart und Konfiguration die dreidimensionale Wassergeschwindigkeit in verschiedenen Tiefenhorizonten messen. Bei einer rein horizontalen Messausrichtung (auch als H-ADCP bezeichnet) kann die Strömung kontinuierlich in einer definierten Tiefenschicht (d.h. für auf einer im Wesentlichen parallel zum Ruhewasserspiegel des Gewässers orientierten Messfläche befindliche Messorte) überwacht werden. Im Rahmen der Erfindung wird nun die Sensoreinrichtung 8 weiterhin mit einem oder mehreren Inertial- und/oder Kompasssensoren bzw. mit einer inertialen Messeinheit ausgerüstet. Der ADCP 8 ist dazu eingerichtet, seine Eigenbewegung zu ermitteln und zur Korrektur der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit zu verwenden. Er weist dazu auch eine Steuereinheit auf, auf der ein entsprechendes Computerprogramm abläuft.

Die Sensoreinrichtung 8 ist dazu eingerichtet, mittels der Ultraschall-Dopplermessung die Relativgeschwindigkeit zwischen Sensoreinrichtung und Wasserströmung in x-Richtung zu messen und daraus ein Messsignal v _x (t) zu erhalten. Für den Betrieb des Wellenenergiekon- verters 1 ist jedoch die Relativgeschwindigkeit zwischen Wellenenergiekonverter und Was- serströmung relevant, so dass die Messung um die Relativgeschwindigkeit zwischen Sensoreinrichtung 8 und Wellenenergiekonverter, der als ortsfester Bezugspunkt angenommen wird, korrigiert wird.

Der Sensoreinrichtung 8 ist daher auch dazu eingerichtet, mittels der inertialen Messeinheit seine eigene Beschleunigung, vorzugsweise in allen drei Raumrichtungen, a _x (t), a _y (t), a _z (t), über die Zeit zu erfassen.

Periodische Anteile der Beschleunigung können auf einfache Weise durch Fourieranalyse bestimmt und zur Korrektur der gemessenen Geschwindigkeit verwendet werden. Eine korri- gierte Geschwindigkeit v _x ^* (t) ergibt sich zu: (t) = v _x (t) - Σ— ^sin + <p _k ) Transiente Vorgänge (nicht harmonischer Form) sowie nicht periodische Beschleunigungen der Sensoreinrichtung lassen sich mit einer Kurzzeitintegration des Beschleunigungssignals berücksichtigen. Die bevorzugte Kompensation von Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit v _s basiert auf der gemessenen Relativgeschwindigkeit zwischen Sensoreinrichtung und Wasserströ- mung, v _x (t).

Im Rahmen der Kompensation wird eine Phase der Strömung entlang einer Messrichtung, welche vorzugsweise horizontal verläuft, zu einem ersten Zeitpunkt und zu einem späteren zweiten Zeitpunkt t ₂ gemessen. Es wird hier vereinfacht angenommen, dass der Seegang, d.h. auch die Strömungskomponente, nur einen harmonischen Anteil besitzt. Damit kann einfach ermittelt werden, an welchem Ort Xi sich das Maximum der Strömungskomponente zum Zeitpunkt befindet. Dies wird zum zweiten Zeitpunkt t ₂ wiederholt, woraus sich der Ort x ₂ ergibt. Die Entfernung dieser beiden Orte entspricht dem Produkt aus der Dauer (t2-ti) zwischen den beiden Messzeitpunkten und der Summe (v _P + v _s ) aus der Phasengeschwindigkeit v _P und der Eigengeschwindigkeit der Sensoreinrichtung v _s in Messrichtung. Hierbei wird angenommen, dass sich v _P und v _s zwischen und t ₂ nicht verändern. Die Phasengeschwindigkeit ist durch die Dispersionsgleichung

1 = g * k * tanh(k * h)

gegeben, so dass der konstante Anteil v _{x S} der Eigengeschwindigkeit der Sensoreinrichtung 8 in Messrichtung x berechnet werden kann. Die Messung der Sensorgeschwindigkeit in Querrichtung y, welche senkrecht zu der Messrichtung ist und horizontal verläuft, ist mit die- sem Messverfahren nicht möglich. Es kann nur auf die relative Geschwindigkeit zwischen Strömung und Sensoreinrichtung geschlossen werden, aber nicht auf die Eigengeschwindigkeit.

Weiterhin ist die Sensoreinrichtung 8 mit wenigstens einem Drucksensor ausgerüstet, der den Gesamtdruck misst, mit dem die Sensoreinrichtung 8 beaufschlagt wird. Mittels einer Druckmessung kann die Tiefe in z-Richtung, wie oben erläutert, ermittelt werden.