Die Erfindung betrifft ein Strömungskraftwerk sowie ein Verfahren für dessen Betrieb, insbesondere ein in einer Meeresströmung freistehendes

Gezeitenkraftwerk und ein Betriebsverfahren für eine solche Anlage.

Neben den im Folgenden betrachteten Gezeitenkraftwerken kommen zur

Ausführung der Erfindung weitere Strömungskraftwerke, insbesondere

Flusswasserkraftwerke oder Windkraftanlagen, in Frage. Für die Ausnutzung von Gezeitenströmungen wurden freistehende, d.h. außerhalb einer Dammstruktur angelegte Anlagen vorgeschlagen. Dabei kann der Rotor eines solchen

Gezeitenkraftwerks entweder frei umströmt werden oder zur

Strömungsbeschleunigung in einem Venturi-Gehäuse angeordnet sein. Für die nachfolgenden Betrachtungen wird von einem propellerförmigen Rotor

ausgegangen, dem eine horizontale Drehachse zugeordnet ist. Ferner lassen sich dem Rotor eine horizontale Querachse und eine vertikale Hochachse zuordnen. Dabei bilden die Drehachse, die Querachse und die Hochachse ein orthogonales Dreibein. Der Rotor des Gezeitenkraftwerks treibt üblicherweise einen elektrischen

Generator zur Energiegewinnung an. Dabei kann eine drehstarre Verbindung zwischen dem Rotor und dem elektrischen Generator vorliegen, sodass das durch den elektrischen Generator erzeugte Generatormoment beim Betrieb unmittelbar bremsend auf den Rotor wirkt. Denkbar ist eine alternative Gestaltung, für die die Triebverbindung vom Rotor zum elektrischen Generator mittelbar erfolgt. Dabei kann anstatt einer drehstarren Verbindung ein hydrodynamischer Kreislauf, wie eine hydrodynamische Kupplung oder ein hydrodynamischer Wandler, im

Antriebsstrang zwischengeschaltet sein. Ferner ist eine Ausgestaltung denkbar, für die die Rotorleistung mittels hydrostatischer Komponenten auf den elektrischen Generator übertragen wird. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Antriebsstrangs wird im

Folgenden von einer Anlage ausgegangen, bei der der elektrische Generator im Normalbetrieb mittels des Generatormoments bremsend auf den Rotor wirkt und sich am Rotor abhängig von der vorliegenden Anströmung und dem angelegten Generatormoment eine bestimmte Drehzahl einstellt. Ausgehend von einer Vermessung des Strömungsfelds am Rotor kann ein Betrieb entlang einer

Anlagenkennlinie erfolgen. Dabei wird im leistungsoptimalen Betrieb das stützende Generatormoment so eingestellt, dass am Rotor eine Drehzahl resultiert, die den Leistungsbeiwert maximiert. Alternativ zu einem Kennlinienbetrieb kann der leistüngsoptimale Arbeitspunkt aus den Leistungsdaten mittels eines MPP-Reglers bestimmt werden.

Erreicht das Strömungskraftwerk die Nennleistung, so erfolgt typischerweise eine Leistungsabregelung. Damit wird der leistungsoptimale Betrieb verlassen und es schließt sich ein leistungsbegrenzter Betrieb an, für den die Leistungsaufnahme des Rotors zum Schutz der für die Netzaufschaltung verwendeten

leistungselektronischen Komponenten begrenzt wird. Für Windkraftanlagen werden zu diesem Zweck typischerweise die Einstellwinkel der Rotorblätter angepasst oder es erfolgt eine Leistungsabregelung durch einen Strömungsabriss am Rotor. Aufgrund einer schwierigen Zugänglichkeit der Anlagen für

Wartungsarbeiten wird für Gezeitenkraftwerke ein vereinfachtes Design ohne eine Blattwinkeleinstellvorrichtung bevorzugt, sodass die erste Variante der

Leistungsabregelung für eine solche Anlage nicht ausgeführt werden kann. Auch die zweite Variante ist nachteilig, da beim Eintritt eines Strömungsabrisses hohe Schubkräfte auf die Rotorblätter wirken. Zur Lösung wird durch die DE 10 2008 053 732 vorgeschlagen, zur Leistungsabregelung die Anlage in den

Schnelllaufbereich zu führen. Mit zunehmender Schnelllaufzahl sinkt der

Leistungsbeiwert des Rotors, sodass ein leistungsbegrenzter Betrieb ausgeführt werden kann. Für Rotoren mit starr angelenkten Rotorblättern und einem Auftriebsläufer-Design resultiert für Gezeitenkraftwerke im leistungsbegrenzten Betrieb eine hohe Belastung. Wesentlich ist die Schubkraft des Rotors in Richtung der Drehachse sowie das Kippmoment des Rotors. Dabei resultiert das Kippmoment aus einem vertikalen Strömungsprofil am Rotor, d.h. die AnStrömungsgeschwindigkeit über die vom Rotor überstrichene Fläche ist von der Wassertiefe abhängig, sodass die Bilanz der Schubkräfte zwischen der oberen Hälfte des Rotorkreises und der unteren Hälfte ein Ungleichgewicht aufweist.

Zur Umsetzung einer leistungsoptimalen und leistungsbegrenzten Anlagenführung muss der Antriebsstrang eines gattungsgemäßen Strömungskraftwerks im gesamten Betriebsbereich zur Abstützung der eingeleiteten Schubkräfte und Kippmomente ausgelegt sein. Hieraus resultieren konstruktiv aufwendige und großbauende Antriebsstränge. Zusätzlich sind massive Konstruktionen zur

Ausführung einer Stützstruktur sowie für die Fundamentierung notwendig. Ferner können innerhalb eines Gezeitenkraftwerkparks mit mehreren Anlagen die

Anströmungsbedingungen so stark variieren, dass unterschiedliche

Anlagenauslegungen vorteilhaft wären. Eine standortspezifische Anpassung der Strömungskraftwerke auf die zu erwartenden Rotorlasten ist jedoch aufwendig, sodass typischerweise einheitliche Anlagen mit einer hinreichend bemessenen Sicherheitsreserve verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die voranstehend genannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Strömungskraftwerk,

insbesondere zur Energiegewinnung aus Gezeiten, anzugeben, das die aus den Schublasten am Rotor resultierenden Kräfte und Momente im Antriebsstrang verringert. Des Weiteren ist ein Betriebsverfahren anzugeben, das den

Antriebsstrang bei Starkanströmung entlastet. Das Betriebsverfahren soll robust und einfach auszuführen sein. Ferner soll maritimer Bewuchs die Anlage und das Betriebsverfahren möglichst geringfügig beeinflussen. Des Weiteren soll eine Möglichkeit zur möglichst einfachen standortspezifischen Anpassung

gattungsgemäßer Strömungskraftwerke gegeben sein. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfinder haben erkannt, dass die Schubkraft des Rotors in Richtung der Drehachse sowie das Kippmoment um eine zur Anlagenhochachse und zur

Drehachse senkrechten Querachse des Rotors beim Betrieb überwacht werden muss. Erreicht die Schubkraft einen Schubkraft-Schwellwert oder entsprechend das Kippmoment ein Kippmoment-Schwellwert wird der aktuell vorliegende leistungsoptimale oder leistungsbegrenzte Betrieb verlassen und stattdessen ein lastbegrenzter Betrieb eingeleitet. Hierzu wird das vom elektrischen Generator auf den Rotor aufgebrachte bremsende Moment verringert, sodass der Rotor bis zu einem neuen Arbeitspunkt beschleunigt, der bei einer höheren Rotordrehzahl und damit einer größeren Schnelllaufzahl liegt. Hierdurch werden die Schubkraft sowie das Kippmoment unter dem jeweils vorgegebenen Schwellwert gehalten. Dabei wird in Kauf genommen, dass im Bereich höherer Schnelllaufzahlen der

Leistungsbeiwert abfällt, sodass die Anlage während der Phase einer

Starkanströmung weniger Leistung aufnimmt. Dies kann jedoch im Jahresmittel aufgrund der durch den lastbegrenzten Betrieb möglichen, verbesserten

Rotorauslegung ausgeglichen werden. Des Weiteren kann die Gesamtanlage verschlankt werden.

Das Kippmoment des Rotors erreicht einen vorgegebenen Kippmoment- Schwellwert, wenn ein ausgeprägtes vertikales Strömungsprofil vorliegt. Dies ist dann der Fall, wenn aufgrund meteorlogisch bedingter Einflüsse, beispielsweise durch Winde, eine starke oberflächennahe Strömung vorliegt. Dabei kann unter Wind- und Welleneinfluss die Belastung stark variieren, sodass insbesondere Laststöße abzufangen sind. Getrennt hiervon wird der Fall einer zu großen

Schubkraft in Richtung der Drehachse behandelt, wobei je nach Art der

vorliegenden Grenzbelastung eine Kennlinie für den Schubbeiwert oder für die Abhängigkeit des Kippmoments von der Schnelllaufzahl für die Anlagenführung herangezogen wird. In beiden Fällen wird die Rotordrehzahl so weit erhöht, dass eine Schnelllaufzahl resultiert, für die die Lasten unterhalb der gewählten

Schwellwerte liegen. Bevorzugt wird der leistungsbegrenzte Betrieb so ausgeführt, dass ein Sollwert für die Schubkraft und/oder für das Kippmoment vorgegeben wird, wobei diese Sollwerte unterhalb der jeweiligen Schwellwerte für die Schubkraft und das Kippmoment liegen. Lässt sich eine der Belastungen, d.h. die Schubkraft oder das Kippmoment, als begrenzende Belastung identifizieren, wird für diese Belastung ein zeitlicher Mittelwert gebildet und dieser in Abhängigkeit der Lastsollvorgabe konstant gehalten.

Die Erhöhung der Rotordrehzahl im lastbegrenzten Betrieb zur Verringerung der Schubkraft und des Kippmoments kann bis zur Durchgangsdrehzahl ausgeführt werden. In diesem Fall fällt das bremsende Moment des elektrischen Generators vollständig weg und die umlaufende Einheit mit dem Rotor muss lediglich die Lagerverluste überwinden. Die sich für den Freilauf einstellende

Durchgangsdrehzahl stellt die obere Grenze des lastbegrenzten Betriebs dar. Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wird an einem gattungsgemäßen Strömungskraftwerk eine Lastdetektionseinrichtung verwendet, die die Schubkraft und/oder das Kippmoment des Rotors ermittelt und an eine Steuerungseinrichtung weitergibt. Die Steuerungseinrichtung umfasst eine

Steuerung oder Regelung für das Generatormoment, die in der Lage ist, neben Messdaten zur AnStrömungsgeschwindigkeit die Werte der Schubkraft und/oder des Kippmoments zu verarbeiten. Hierbei kommen wiederum kennlinienbasierte Verfahren unter zusätzlicher Berücksichtigung von Lastkennlinien für die

Schubkraft und für das Kippmoment in Frage. Alternativ kann eine Regelung auf eine vorgegebene zeitlich gemittelte Last erfolgen. Dabei wird zur Bestimmung der Schubkraft und des Kippmoments entweder das im Rotorkreis vorliegende

Strömungsfeld vermessen und die Last aus einem Anlagenmodell ermittelt oder die Lasten werden durch Lastmessvorrichtungen abgeleitet. Dies können beispielsweise Dehnungsmessstreifen an Abschnitten des Rotorblatts oder

Drucksensoren in den Lagern sein. Zur Bestimmung des Strömungsfelds am Rotor werden vorzugsweise Sensoren verwendet, die nach dem ADCP-Prinzip arbeiten.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Lastabregelung zur Begrenzung der Schubkraft des Rotors sowie des Rotorkippmoments ermöglicht es, den Antriebsstrang auf die vorgegebenen Schubkraft- und Kippmoment-Schwellwerte auszulegen. Dies betrifft insbesondere die Lagerung der umlaufenden Einheit sowie die daran anschließenden Haltestrukturen zur Lastableitung in der Maschinengondel. Dies ermöglicht eine Modularisierung der Anlage, wobei von einem einheitlichen

Antriebsstrang ausgegangen und die Rotorcharakteristik standortspezifisch angepasst wird. Im einfachsten Fall wird der Rotordurchmesser variiert. Weitere Abweichungen der Rotorcharakteristik ergeben sich durch die Einstellung einer

Tiefenverteilung des Profils und/oder des Verwindungsverlaufs. Durch eine solche Maßnahme können für einen Strömungskraftwerkspark unterschiedlich ausgelegte Anlagen verwendet werden, indem lediglich der Rotor an das jeweils vorliegende Leistungshistogramm und die zu erwartenden Kippmomente angepasst wird und Standardkomponenten für den Antriebsstrang verwendet werden. Für alle Anlagen wird dann ein einheitlicher Schwellwert für die Belastung festgelegt, ab dem der lastbegrenzte Betrieb eingeleitet wird. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit Figurendarstellungen genauer erläutert. In diesen ist im Einzelnen Folgendes dargestellt: zeigt den Verlauf der Schubkraft gegen die

AnStrömungsgeschwindigkeit am Rotor für einen erfindungsgemäßen Betrieb eines Strömungskraftwerks. zeigt die vom Rotor aufgenommene Leistung für eine

Betriebsführung gemäß Figur 1. zeigt ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf der Schubkraft mit einem erfindungsgemäßen Übergang zum schubkraftbegrenzten Betrieb. zeigt eine Gangkurve für die Leistung eines erfindunggemäßen Strömungskraftwerks. zeigt den Verlauf des Kippmoments im Verhältnis zur

AnStrömungsgeschwindigkeit am Rotor für einen erfindungsgemäß lastbegrenzten Betrieb mit einem kippmomentbegrenzten Betriebsbereich und einem schubkraftbegrenzten Betriebsbereich. zeigt den Verlauf der Schubkraft und die vom Rotor aufgenommenen Leistung für eine Betriebsführung gemäß Figur 5.

Figur 7 zeigt ein erfindungsgemäßes Strömungskraftwerk in

teilangeschnittener Ansicht. Figur 8 zeigt einen Strömungskraftwerkspark mit zwei Strömungskraftwerken mit baugleichen Antriebssträngen und Rotoren mit unterschiedlicher Rotorcharakteristik.

Figur 9 zeigt den Verlauf des Leistungsbeiwerts, des Schubbeiwerts und eines exemplarischen Beiwerts für das Kippmoment gegen die

Schnelllaufzahl.

Figur 7 zeigt ein erfindungsgemäßes Strömungskraftwerk 1, das zur Gewinnung von Energie aus Gezeiten verwendet wird. Das Strömungskraftwerk 1 umfasst einen Rotor 3, dessen Rotorblätter drehstarr an einer Nabe befestigt sind. Der Rotor 3 ist Teil einer umlaufenden Einheit 2, die ferner eine Haube 4 und eine Antriebswelle 25 umfasst. Dabei ist die Antriebswelle 25 drehstarr mit einem Generatorläufer 6.2 eines elektrischen Generators 6 gekoppelt.

Zur Lagerung der umlaufenden Einheit 2 dienen Radiallager 11.1, 11.2 sowie ein Axiallager 12. Diese sind zum Teil in einer Maschinengondel 14 angeordnet, die zusätzlich den elektrischen Generator 6 aufnimmt. Die Maschinengondel 14 ist auf eine Tragstruktur 7 aufgesetzt. Diese wiederum wird von einem Fundamentteil 8 getragen, das als Schwerkraftfundament ausgebildet ist. Weitere

Gründungsvarianten sind denkbar, so kann die Tragstruktur 7 als Turm

ausgebildet sein, der in ein Bohrfundament am Gewässergrund 9 eingesetzt ist.

Der Rotor 3 legt eine horizontale Drehachse 21 fest. Hierzu verläuft senkrecht eine vertikale Hochachse 22. Zur Drehachse 21 und zur Hochachse 22

senkrechtstehend ist eine Querachse 23 festgelegt, die in der vorliegenden

Darstellung lotrecht zur Papierebene verläuft.

Für einen als Auftriebsläufer gestalteten Rotor 3 resultieren als Folge der

Anströmung Auftriebs- und Widerstandskräfte, die in Tangential- und Schubkräfte zerlegt werden können. Die Gesamtheit der Kräfte am Rotor 3 in Richtung der Drehachse 21 bilden die Schubkraft F. Ferner liegt bei einem vertikalen

Strömungsprofil für die dargestellte Anströmung 24 ein Ungleichgewicht der Schubkräfte im oberen Halbkreis der vom Rotor 3 überstrichenen Fläche im Vergleich zum unteren Halbkreis vor. Hieraus resultiert ein Drehmoment um die Querachse 23, das vorliegend als Kippmoment M bezeichnet wird.

Das erfindungsgemäße Strömungskraftwerk 1 umfasst eine

Lastdetektionseinrichtung 26, der Lastmessvorrichtungen 13.1, 13.2, 13.3 zugeordnet sind. -Exemplarisch ist eine Lastmessvorrichtung 13.1 im Bereich der Axiallager 12 vorgesehen. Diese misst die Schubkraft F sowie das Kippmoment M anhand der Lagerkräfte. Eine weitere Lastmessvorrichtung 13.2 ist an der

Tragstruktur 7 angebracht. Ferner werden Schubkräfte auf den Rotor 3 mittels eines Dehnungsmessstreifens, der in ein Rotorblatt aufgenommen ist, gemessen. Dieser bildet eine dritte Lastmessvorrichtung 13.3. Die einzelnen

Lastmessvorrichtungen 13.1 - 13.3 können mit der Lastdetektionseinrichtung 26 verkabelt werden oder es liegt ein Datenaustausch über ein funkbasiertes System vor. Die Lastdetektionseinrichtung 26 steht mit einer Steuereinrichtung 15 in

Verbindung oder ist in diese aufgenommen. Dabei umfasst die Steuereinrichtung

15 eine Regelungsvorrichtung 5, die so ausgelegt ist, dass das Generatormoment beim Erreichen eines Schubkraft-Schwellwerts F _L für die Schubkraft F und/oder beim Erreichen eines Kippmoment-Schwellwerts M _L für das Kippmoment M das Generatormoment so steuert oder regelt, dass der Rotor 3 in einem

lastbegrenzten Betrieb B _L geführt wird. Hierzu wird über den Frequenzumrichter 16, der zur Aufschaltung des elektrischen Generators 6 auf ein Verbundnetz 20 dient, ein Generatormoment GM eingestellt. Dabei umfasst der Frequenzumrichter

16 einen generatorseitigen Gleichrichter 17, ein Gleichspannungszwischenkreis 19 und einen netzseitigen Wechselrichter 18. Die Führung des Generatormoments GM erfolgt über den generatorseitigen Gleichrichter 17, der an den Generatorstator 6.1 des elektrischen Generators 6 mittels einer Steuerung oder Regelung einen Laststrom vorgibt, um die Statorspannungskomponenten (d, q) anzupassen. Durch diese Vorgabe für das Generatormoment GM, die durch die vorliegende drehstarre Kopplung an den Rotor 3 weitergegeben wird, erfolgt der erfindungsgemäße lastbegrenzte Betrieb B _L .

Figur 9 zeigt schematisch vereinfacht den Leistungsbeiwert c _P gegen die

Schnelllaufzahl λ. Unter der Schnelllaufzahl λ wird das Verhältnis zwischen der Blattspitzengeschwindigkeit des Rotors 3 und der AnStrömungsgeschwindigkeit v verstanden. Dabei stellt die AnStrömungsgeschwindigkeit v eine Mittelung des Strömungsfelds über die vom Rotor 3 überstrichene Fläche 3 dar.

Der Leistungsbeiwert c _p berechnet sich aus der vom Rotor aufgenommenen Leistung P, der Dichte p des Strömungsmediums, der

AnStrömungsgeschwindigkeit v sowie dem Rotorradius r wie folgt: p

Cp = Der Leistungsbeiwert c _P weist ein Maximum für eine leistungsoptimale

Schnelllaufzahl Ao _pt auf. Demnach wird im leistungsoptimalen Betrieb ein gattungsgemäßes Strömungskraftwerk 1 mit der leistungsoptimalen

Schnelllaufzahl λο _Ρ ι betrieben. Dabei kann zur Betriebsführung das Strömungsfeld am Rotor 3 vermessen werden. Hierzu ist exemplarisch in Figur 7 eine

Strömungsmessvorrichtung 8 gezeigt, die beispielsweise als Ultraschall-Doppler- Profil-Strömungsmesser (ADCP) ausgebildet sein kann. Figur 9 zeigt ferner den Schubbeiwert c _F gegen die Schnelllaufzahl λ. Dabei wird der Schubbeiwert c _F aus der Schubkraft F, der Dichte p des Strömungsmediums, der AnStrömungsgeschwindigkeit v sowie dem Rotorradius r wie folgt bestimmt:

F

~ρ·ν ² ·π·Γ ²

C _F =

Des Weiteren ist in Figur 9 der Kippmomentbeiwert c _K für ein vorgegebenes Strömungsprofil dargestellt, wobei in erster Näherung q< als proportional zum Produkt aus CF und dem Rotorradius r angenommen werden kann.

Wie in Figur 1 skizziert, wird das Strömungskraftwerk 1 für

AnStrömungsgeschwindigkeiten v kleiner v ₀ im leistungsoptimalen Betrieb Bi mit einer leistungsoptimalen Schnelllaufzahl ^ _pt geführt. Hierzu wird das

Generatormoment GM in Abhängigkeit der gemessenen

AnStrömungsgeschwindigkeit eingestellt oder die Anlage wird auf der Grundlage einer bekannten Kennlinie gesteuert, sodass auf eine Strömungsmessvorrichtung 28 verzichtet werden kann.

Bei einer AnStrömungsgeschwindigkeit v ₀ ist die Nominalleistung P _r des

Strömungskraftwerks erreicht und für höhere AnStrömungsgeschwindigkeiten bis vi folgt der leistungsbegrenzte Betrieb B ₂ , für den ein solches Generatormoment GM vorgegeben ist, dass eine leistungsbegrenzte Schnelllaufzahl λ _Γ resultiert, die die aufgenommene Leistung P im Mittel auf die Nominalleistung P _r beschränkt. Dabei ist die leistungsbegrenzte Schnelllaufzahl λ _Γ größer als die leistungsoptimale Schnelllaufzahl λο _Ρ( .

Wie aus Figur 1 ersichtlich, steigt im leistungsbegrenzten Betrieb B ₂ die Schubkraft F mit zunehmender AnStrömungsgeschwindigkeit v an, bis der Schubkraft- Schwellwert F _L erreicht ist. Dann verlässt die Anlagenführung den leistungsbegrenzten Betrieb B ₂ und geht in einen lastbegrenzten Betrieb B _L über. Dies ist anhand des in Figur 3 skizzierten zeitlichen Verlaufs für die Schubkraft F dargestellt. Für eine gemittelte AnStrömungsgeschwindigkeit v oberhalb v ₀ übersteigt die Schubkraft den Schubkraft-Schwellwert F _L . Aufgrund dieses

Ereignisses setzt der lastbegrenzte Betrieb B _L ein - vorliegend der schubbegrenzte Betrieb B ₃ .

Bevorzugt wird der lastbegrenzte Betrieb B _L als Kennlinienbetrieb ausgeführt für den nicht nur die gemittelte AnStrömungsgeschwindigkeit v am Rotor, sondern zusätzlich die Schubkraft und/oder das auf den Rotor wirkende Kippmoment berücksichtigt wird. Besonders bevorzugt wird für das vorliegende

Ausführungsbeispiel ein Schubkraft-Sollwert F _s unterhalb des Schubkraft- Schwellwerts F _L vorgegeben, um sicherzustellen, dass die aufgrund der

Systemträgheit und durch Regelabweichung auftretenden Schwankungen unterhalb des vorgegebenen Schubkraft-Schwellwerts F _L gehalten werden. Dabei kann die Regelung adaptiv ausgeführt sein, um auf die vorliegenden

Geschwindigkeitsfluktuationen in der Anströmung reagieren zu können.

In der vereinfachten Skizze von Figur 1 ist der lastbegrenzte Betrieb B _L im Bereich zwischen den gemittelten AnStrömungsgeschwindigkeiten Vi und v ₂ skizziert. Die vorliegend zu begrenzende Last ist die Schubkraft F, sodass als lastbegrenzter Betrieb B _L ein schubbegrenzter Betrieb B ₃ mit einer schubbegrenzten

Schnelllaufzahl λ _? zugeordnet ist. Ersichtlich ist, dass der Rotor 3 des

Strömungskraftwerks 1 weiter in den Schnelllaufbereich geführt wird,

entsprechend liegt im lastbegrenzten Betrieb B _L die lastbegrenzte Schnelllaufzahl λι _, oberhalb der leistungsbegrenzten Schnelllaufzahl λ _Γ . Hieraus resultiert der in der Figur 2 skizzierte Leistungsabfall im lastbegrenzten Betrieb B _L .

Der lastbegrenzte Betrieb BL kann lediglich bis zu einer Grenzgeschwindigkeit für die Anströmung bei v ₂ ausgeführt werden, für die eine der Durchgangsdrehzahl zugeordnete Schnelllaufzahl λα erreicht wird. Eine weitere Erhöhung der

Schnelllaufzahl λ ist bei zunehmender AnStrömungsgeschwindigkeit v nicht mehr möglich, sodass die Lasten auf den Antriebsstrang erneut zunehmen.

Exemplarisch ist hierzu für den Betrieb bei der Durchgangsdrehzahl B ₄ in Figur 1 ein erneuter Anstieg der Schubkraft F gezeigt. Daher ist das Anlagendesign so auszulegen, dass der Betrieb bei der Durchgangsdrehzahl B ₄ außerhalb des für den vorliegenden Anlagenstandort vorhergesagten Leistungsspektrums liegt.

Figur 4 verdeutlicht die erfindungsgemäße Anlagenführung anhand einer

Gangkurve. Auf der Abszisse sind die Betriebsstunden aufgetragen und auf der

Ordinate die vom Rotor 3 aufgenommene Leistung P. Die Gangkurve repräsentiert die Betriebsdauer, für die eine vorgegebene Anlagenleistung überschritten wird. Ersichtlich ist, dass für eine Betriebsdauer T _r - T ₂ die Anlage im

leistungsbegrenzten Betrieb B ₂ geführt wird und damit die Nominalleistung P _r erzielt wird. Steigt die in der Strömung vorliegende Leistung, wie durch den gestrichelt dargestellten Teil der Gangkurve illustriert, weiter an, erfolgt

erfindungsgemäß der lastbegrenzte Betrieb B _L/ sodass für eine geringe Betriebszeit T ₂ aufgrund der Lastbegrenzung bei besonders hohen

Strömungsgeschwindigkeiten die Anlagenleistung unterhalb der Normalleistung P _r liegt. Trotz dieses Leistungseinbruchs während weniger Betriebsstunden mit höchster Belastung der Anlage ist der Gesamtleistungsertrag eines

erfindungsgemäßen Strömungskraftwerks dennoch erhöht, da aufgrund der Lastbeschränkung der Rotor großbauend ausgelegt werden kann und so die Leistungsausbeute im mittleren Bereich des Leistungsspektrums erhöht wird.

Figur 5 skizziert ein weiteres Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen lastbegrenzten Betrieb B _L , wobei sich aus dem gegen die Schnelllaufzahl λ aufgetragenen Kippmoment M ergibt, dass bei der AnStrömungsgeschwindigkeit v ₀ der Kippmoment-Sch well wert M _L erreicht wird. Damit erfolgt der Übergang zum lastbegrenzten Betrieb B _L - vorliegend zum kippmomentbegrenzten Betrieb B ₅ . Hierzu wird eine gegenüber der leistungsoptimalen Schnelllaufdrehzahl Xo _pt größere lastbegrenzte Schnelllaufzahl _L eingestellt. Vorliegend folgt der Verlauf der Schnelllaufzahlen λ zwischen den gemittelten AnStrömungsgeschwindigkeiten v ₀ und i im kippmomentbegrenzten Betrieb B ₅ der kippmomentbegrenzten Leistungszahl λ _Μ . Hieraus resultiert der in Figur 6 gezeigte Abfall der vom Rotor 3 aufgenommenen Leistung P im kippmomentbegrenzten Betrieb B5. Für die vorliegende Ausgestaltung wird angenommen, dass in diesem Betriebsbereich mit zunehmender AnStrömungsgeschwindigkeit v die vom Rotor aufgenommene Schubkraft F wie in Figur 6 skizziert weiter ansteigt, bis der Schubkraft- Schwellwert FL für eine AnStrömungsgeschwindigkeit Vi erreicht wird. Ab dieser gemittelten AnStrömungsgeschwindigkeit vi wird der lastbegrenzte Betrieb B _L als schubbegrenzter Betrieb B3 weitergeführt. Hierzu folgt, wie in Figur 5 dargestellt, die Schnelllaufzahl λ der schubbegrenzten Schnelllaufzahl λ _Ρ . Als Folge bleibt die Schubkraft F im Wesentlichen konstant und das Kippmoment M sinkt mit zunehmender AnStrömungsgeschwindigkeit v. Das im Zusammenhang mit den

Figuren 5 und 6 erläuterte Ausführungsbeispiel ist lediglich exemplarisch. Denkbar ist ein lastbegrenzter Betrieb B _L , der ausschließlich als kippmomentbegrenzter Betrieb B5 ausgeführt wird. Eine Lastbegrenzung mit einer Vorgabe für den Schubkraft-Schwellwert F _L und den Kippmoment-Schwellwert M _L ermöglicht eine Vereinfachung der

Anlagenmodularisierung. Zur Verdeutlichung ist in Figur 8 ein

Strömungskraftwerkspark mit einem ersten Strömungskraftwerk 1.1 und einem zweiten Strömungskraftwerk 1.2 dargestellt. Für die Strömungskraftwerke 1.1 und 1.2 liegen Anströmungen 24.1, 24.2 mit einem unterschiedlichen Strömungsprofil vor. Dabei wird zur Anlagenanpassung von einem übereinstimmend ausgebildeten Antriebsstrang 27 für das erste Strömungskraftwerk 1.1 und für das zweite Strömungskraftwerk 1.2 ausgegangen. Dies betrifft insbesondere die

Lagerungskomponenten wie das in Figur 7 dargestellte Radiallager 11.1,. 11.2 sowie das Axiallager 12 und die Antriebswelle 25. Des Weiteren stimmen die Maschinengondel 14 und die im Einzelnen nicht dargestellten lasttragenden Strukturen zwischen dem Antriebsstrang 27 und der jeweiligen Tragstruktur 7.1, 7.2 des ersten Strömungskraftwerks 1.1 und des zweiten Strömungskraftwerks 1.2 überein. An den Anlagenstandort angepasst wird die Rotorcharakteristik.

Vorliegend ist ein erster Rotor 3.1 mit einem Rotorradius ri dargestellt, der den Rotorradius r ₂ des zweiten Rotors 3.2 übersteigt. Ferner ist die Länge der als Turm ausgebildeten Tragstruktur 7.1 des ersten Strömungskraftwerks 1.1 im Vergleich zur Länge der Tragstruktur 7.2 des zweiten Strömungskraftwerks so angepasst, dass der Scheitel des ersten Rotors 3.1 auf der gleichen Tauchtiefe wie der Scheitel des zweiten Rotors 3.2 liegt. Für das Fundament 8.1, 8.2 ist eine

Anpassung an die Länge der Tragstruktur 7.1, 7.2 möglich. Für eine einfachere Ausführung wird jedoch ein einheitliches Fundament 8.1, 8.2 verwendet.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung in Rahmen der nachfolgenden

Schutzansprüche sind denkbar. Beispielsweise kann die Häufigkeit für die der Schubkraft-Schwellwert F _L und der Kippmoment-Schwellwert M _L erreicht wird, erfasst und abgespeichert werden, um die Notwendigkeit einer

Wartungsmaßnahme festlegen zu können.

Bezugszeichenliste

1 Strömungskraftwerk

1.1 erstes Strömungskraftwerk

1.2 zweites Strömungskraftwerk

2 umlaufende Einheit

3 Rotor

3.1 erster Rotor

3.2 zweiter Rotor

4 Haube

5 Regelungsvorrichtung

6 elektrischer Generator

6.1 Generatorstator

6.2 Generatorläufer

7, 7.1, 7.2 Tragstruktur

8, 8.1, 8.2 Fundament

9 Gewässergrund

10 Wasseroberfläche

11.1, 11.2 Radiallager

12 Axiallager

13.1, 13.2 Lastmessvorrichtung

14 Maschinengondel

15 Steuereinrichtung

16 Frequenzumrichter

17 generatorseitiger Gleichrichter

18 netzseitiger Wechselrichter

19 Gleichspannungszwischenkreis

20 Verbundnetz

21 Drehachse .

22 Hochachse 23 Querachse

24, 24.1,

24.2 Anströmung

25 Antriebswelle

26 Lastdetektionseinrichtung

27 Antriebsstrang

28 Strömungsmessvorrichtung λ Schnelllaufzahl

λύ der Durchgangsdrehzahl zugeordnete Schnelllaufzahl

Xopt leistungsoptimale Schnelllaufzahl

λ _Γ leistungsbegrenzte Schnelllaufzahl

λι_ lastbegrenzte Schnelllaufzahl

λ? schubbegrenzte Schnelllaufzahl

λΜ kippmomentbegrenzte Schnelllaufzahl

P Leistung

F Schubkraft

F _r . nominale Schubkraft

F _L Schubkraft-Schwellwert

F _s Schubkraft-Sollwert

P _r Nominalleistung

v, V _0/

vi, V2 gemittelte AnStrömungsgeschwindigkeit

v _n nominale AnStrömungsgeschwindigkeit ^"

Bi leistungsoptimaler Betrieb

B ₂ leistungsbegrenzter Betrieb

B ₃ schubbegrenzter Betrieb

B ₄ Betrieb bei der Durchgangsdrehzahl

B ₅ kippmomentbegrenzter Betrieb

B _L lastbegrenzter Betrieb max Maximalgeschwindigkeit

Cp Leistungsbeiwert c _F Schubbeiwert

c _K Kippmomentbeiwert n _d Durchgangsdrehzahl

M Kippmoment

M _L Kippmomentschwellwert r, ri, Γ2 Rotorradius

GM Generatormoment

T Betriebsdauer