DE10055846A1 - Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenenergie in elektrische Energie - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenenergie in elektrische Energie mit einer von einem schwimmenden Objekt (232, 233, 234) getragenen, schwingfähigen in oder an einer Führungseinrichtung (101, 201) angeordneten Masse (108, 208), welche durch die Wellenbewegung relativ zur Führungsrichtung (101, 201) in Schwingbewegungen versetzt wird, und mit einem Energiewandler (110, 210) zur Umwandlung der Energie der Schwingbewegungen der Masse (108, 208) in elektrische Energie. Die Vorrichtung weist eine Steuerungseinrichtung (1) zur Steuerung des Energiewandlers (110, 210) in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit zwischen der Masse (108, 208) und der Führungseinrichtung (101, 201) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenenergie in elektrische Energie mit einer von einem schwimmenden Objekt getragenen, schwingfähig in oder an einer Führungseinrichtung angeordneten Masse, welche durch die Wellenbewegungen relativ zu einer Führungseinrichtung in Schwingbewegungen versetzt wird, und welche mit einem Stromerzeuger zur Umwandlung der Energie der Schwingbewegungen der Masse in elektrische Energie verbunden ist.

Zur Nutzbarmachung von sogenannten umweltfreundlichen, regenerativen Energiequellen hat es in den letzten Jahren bzw. Jahrzehnten zahlreiche Entwicklungen auf dem Gebiet der Windenergie gegeben. Infolgedessen bestehen inzwischen zahlreiche Windenergieanlagen, die im größeren, kommerziellen Stil Windenergie nutzen. Obwohl ein wesentlicher Teil des weltweiten Windpotentials auf offener See durch Reibung an der Wasseroberfläche in Wellenenergie umgewandelt wird, und folglich ein erhebliches Energiepotential bei einer Nutzung von Meereswellenenergie zur Verfügung stehen würde, liegt die Entwicklung der entsprechenden Technologie, was eine Nutzung in größerem Umfang betrifft, im Verhältnis zu anderen Technologien zur Nutzung regenerativer Energie noch weit zurück.

Selbst auf Wasserfahrzeugen, auf denen üblicherweise Bedarf an elektrischer Energie besteht, wird diese Energiequelle in der Regel noch nicht genutzt. Bei Wasserfahrzeugen, die von Verbrennungsmotoren angetrieben werden, wird entsprechend elektrische Energie abgezweigt. Wasserfahrzeuge, die nicht von Verbrennungsmotoren angetrieben werden, nutzen als unmittelbare Energiequellen üblicherweise Akkumulatoren, die entweder an Netzanschlussmöglichkeiten an Stegen und Bootsanlegern, über spezielle mit Verbrennungsmotoren angetriebene Kleingeneratoren oder ggf. durch Wind- oder Solargeneratoren nachgeladen werden.

Als Alternative hierzu wird in der WO 99/44410 ein Gerät zum Nachladen elektrischer Akkumulatoren vorgeschlagen, welches auf Wasserfahrzeugen montiert werden kann, und welches die Energie der schaukelnden Bewegungen des Wasserfahrzeugs in elektrische Energie für den Akkumulator umsetzt. Hierbei wird der aufzuladende Akkumulator in einem Gestell oder Gehäuse, welches fest im Fahrzeug montiert ist, schwingfähig angebracht. Aufgrund der Trägheit der Masse bewegt sich der Akkumulator relativ zum Gestell oder Gehäuse. Diese Relativbewegungen werden zum Betrieb eines elektrischen Generators genutzt. Der Akkumulator ist hierbei über geeignete Federn, Stoßdämpfer und Lenker so am Gestell befestigt, dass er relativ zum Gestell in der Vertikalachse des Wasserfahrzeugs schwingt. Ein solches Gerät kann auch dazu benutzt werden, elektrisch betriebene Signaltonnen, Messbojen oder ähnliche Einrichtungen autark mit Energie zu versorgen.

Weitere Vorrichtungen der eingangs genannten Art werden in der US 3,696,251 beschrieben. Bei einer ersten dort beschriebenen Variante wird die Schwungmasse in einem Gestell auf parallel angeordneten Druckfedern gelagert. Bei einer anderen Variante in dieser Schrift ist die Schwungmasse an obenseitig an der Schwungmasse angreifenden Zugfedern im Träger aufgehängt. Die Umwandlung der kinetischen Energie erfolgt hierbei jeweils mittels eines Lineargenerators, wobei der Sekundärteil mit der Spule, in der die Spannung induziert wird, Teil der Schwungmasse ist, und der Primärteil, welcher das Magnetfeld erzeugt, feststeht.

Bei dem Funktionsprinzip, nach dem die vorgenannten Vorrichtungen arbeiten, werden die Bewegungen einer Schwungmasse genutzt, deren Gehalt an kinetischer Energie sich periodisch ändert. In den Endlagen ist jeweils keine relative kinetische Energie vorhanden - die Schwungmasse wird jeweils bis zur Differenzgeschwindigkeit 0 abgebremst und ihre Bewegungsrichtung wird umgekehrt. Auf dem Weg zwischen den Endlagen erreicht die Masse dann jeweils ein Maximum an relativer kinetischer Energie. Durch den Energiewandler wird der Schwungmasse die kinetische Energie teilweise entzogen und in elektrische Energie umgewandelt. Dieses führt zwangsläufig zu einer relativ starken Dämpfung der Bewegungen. Insbesondere bei nur schwachen Schaukelbewegungen kann dieses dazu führen, dass die Masse daran gehindert wird, aufzuschaukeln. Aus diesem Grunde ist es in der Regel erst bei stärkeren Wellenbewegungen möglich, mit einer solchen Vorrichtung elektrische Energie in einem nennenswerten Umfang zu gewinnen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zu diesem Stand der Technik zu schaffen, welche auch eine Ausnutzung von relativ geringen Wellenbewegungen zu Gewinnung von elektrischer Energie ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß weist hierbei die Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf, welche die Stromabnahme in Abhängigkeit von der Relativ­ geschwindigkeit zwischen der Schwungmasse und der Führungs­ einrichtung steuert. Das heißt, dass in zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Relativbewegung der Schwungmasse zu ihrer Führungseinrichtung diese gesteuert gedämpft werden kann.

Vorzugsweise sorgt die Steuerung dafür, das die Schwingbewegungen erst oberhalb einer ersten vorgegeben Mindestrelativgeschwindigkeit durch den Energiewandler gedämpft werden. Erst wenn die erste vor­ gegebene Mindestgeschwindigkeit überschritten ist, wird die Strom­ abnahme ein geschaltet. Durch eine derartige Freischaltung der Schwingbewegungen der Schwungmasse unterhalb einer ersten Mindest­ relativgeschwindigkeit wird es möglich, dass die Schwungmasse zunächst ungedämpft aufgeschaukelt wird, und erst dann, wenn eine benötigte Mindestmenge an kinetischer Energie vorhanden ist, wird diese zur Gewinnung elektrischen Stroms genutzt. Bei relativ geringen Wellen­ bewegungen wird immer dann pulsartig Energie aus dem System ab­ gezweigt, wenn die damit verbundene Dämpfung das System nicht soweit belastet hat, dass die Relativgeschwindigkeit unter eine zweite vorgegebene Relativgeschwindigkeit gesunken ist, welche kleiner ist als die erste vorgegebene Mindestrelativgeschwindigkeit. Ist die Relativge­ schwindigkeit kleiner geworden als die zweite vorgegebene Relativge­ schwindigkeit, wird die Stromabnahme unterbrochen und dadurch Gelegenheit gegeben, die Schwungmasse wieder ungedämpft aufzuschaukeln.

Sind dagegen die Wellenbewegungen groß genug, so dass die Relativ­ geschwindigkeit zwischen Schwungmasse und Führungseinrichtung oberhalb der ersten Mindestrelativgeschwindigkeit größer wird, obwohl der Energiewandler durch Stromabnahme gebremst wird, kann durch die Steuerung die Stromabnahme und damit die Dämpfung der Größe der Relativbewegung entsprechend vergrößert werden.

Die Art der Freischaltung bzw. Belastung der Schwingbewegungen durch die Gewinnung elektrischer Energie kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Sie hängt unter anderem von der Art des verwendeten Energiewandlers ab.

Bei einem Ausführungsbeispiel wird mittels der Steuerung der Energie­ wandler in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit elektrisch belastet, indem er erst oberhalb einer ersten Mindestrelativge­ schwindigkeit durch den Stromverbraucher, beispielsweise durch eine Ladeelektronik und den entsprechenden Akkumulator, beschaltet wird. Diese Methode kann insbesondere dann vorteilhaft benutzt werden, wenn der Energiewandler unmittelbar von den Schwungmasse angetrieben wird. Wenn der Energiewandler z. B. ein Lineargenerator ist, dessen Primärteil fest mit der Führungseinrichtung und dessen Sekundärteil fest mit der Schwungmasse verbunden ist, oder umgekehrt.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung eine zusätzliche elektrische Last, beispielsweise einen elektrischen Widerstand, auf. Dieser kann zum Beispiel bei extrem starken Schaukel­ bewegungen, bei vollgeladenem Akkumulator oder vor Wartungsarbeiten zugeschaltet werden, um die Geschwindigkeit der Relativbewegungen zu begrenzen bzw. diese fast vollständig zu unterdrücken.

Wenn der Energiewandler nur mittelbar von der Schwungmasse ange­ trieben wird, wenn zum Beispiel eine Kupplung oder ein Getriebe zwischengeschaltet ist, ist eine Steuerung der Belastung auf andere Weise möglich. So kann in solchen Fällen zum Beispiel auch eine mechanische Entkopplung eines zum Energiewandler gehörenden Generators von den Bewegungen der Schwungmasse erfolgen. Ein Ausführungsbeispiel hier­ für ist eine Vorrichtung, bei der die Bewegungen der Schwungmasse zunächst zum Pumpen eines Mediums und die Strömung dieses Mediums indirekt zum Antrieb eines Generators genutzt wird. In einem solchen Fall ist dem Generator eine Turbine oder dergleichen vorgeschaltet, welche vom Medium angetrieben wird und mit dem Generator gekoppelt sein kann. Hierbei kann die Kopplung zwischen dem Generator und dem Teil, welches den Generator antreibt, beispielsweise einer Turbine, variiert oder sogar aufgehoben werden.

Vorzugsweise wird über das einfache Ein- und Ausschalten der Belastung auch oberhalb der Mindestrelativgeschwindigkeit die Belastung proportional zur Relativgeschwindigkeit der Schwungmasse gesteuert. Das heißt, die Dämpfung der Schwingbewegung durch den Energie­ wandler wird mit der Größe der zur Verfügung stehenden kinetischen Energie gesteigert.

Die Steuereinrichtung muss selbstverständlich Mittel zur Erfassung der Relativgeschwindigkeit zwischen der Schwungmasse und der Führungseinrichtung aufweisen. Hierfür kann es sich im Prinzip um ein beliebiges Geschwindigkeitsmessgerät handeln. Insbesondere in den Fällen, in denen die Steuerungseinrichtung die elektrische Belastung des Energiewandlers verändert, die Kopplung zwischen dem Generator und dem Teil, welches den Generator antreibt, weder variiert noch aufgehoben wird, kann im einfachsten Fall ein Spannungsmessgerät verwendet werden, welches permanent die vom Generator erzeugte Spannung misst. Diese Spannung ist ein Maß für die Relativgeschwindigkeit.

Der Aufbau der Vorrichtung, insbesondere der Aufbau der Schwung­ masse und der Führungseinrichtung, sowie die Art der Übertragung der Schwingbewegungen auf den Energiewandler können im Prinzip beliebig sein. Entscheidend ist, dass die Schwungmasse durch Wellenbewegungen hin- und herbewegt wird und die dabei entstehende kinetische Energie genutzt werden kann.

Unter dem Begriff "Führungseinrichtung" ist im Sinne dieser Schrift jede Halterung oder Führung zu verstehen, an der die Schwungmasse schwingfähig gehalten wird und welche feststehend bezüglich des schwimmenden Objektes ist. Der Begriff "Schwingbewegung" ist als jede Hin- und Herbewegung einer Masse zu verstehen. Das heißt, er umfasst auch Roll- oder Rutschbewegungen innerhalb bzw. entlang der Führungseinrichtung.

Alternativ kann es sich bei der Führungseinrichtung beispielsweise um einen Zylinderraum einer Pumpeinrichtung handeln, wobei die Schwung­ masse als Verdrängungskörper in dem Zylinderraum frei entlang der Längsachse des Zylinderraums beweglich angeordnet ist und dabei den Zylinderraum in zwei Teilräume trennt, die wiederum über ein Verbindungsleitungssystem untereinander verbunden sind.

Eine solche Vorrichtung arbeitet nach dem Prinzip, dass durch des Hin- und Herschwingen des Verdrängungskörpers ein Medium in der Pump­ einrichtung durch das Verbindungsleitungssystem ständig hin- und hergepumpt wird und die Druck- und Bewegungsenergie des Mediums in dem Verbindungsleitungssystem durch eine Turbine oder Ähnliches abgenommen wird, welche mit einem Generator gekoppelt sein kann.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der nach dem soeben beschriebenen Prinzip arbeitenden Vorrichtungen, weist der Ver­ drängungskörper Kugelform auf. Eine solche im Zylinderraum aufgrund der Wellenbewegungen hin- und herrollende Kugel hat einen besonders geringen Widerstand, so dass der Wirkungsgrad gegenüber einem im Zylinderraum hin- und herrutschenden Körper günstiger ist.

Die Erfindung ist im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dort dargestellten Merkmale sowie die oben und nachfolgend beschriebenen Merkmale können nicht nur in den genannten Kombinationen, sondern auch einzeln oder in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Außerdem wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Merkmale, die nur bezüglich der Vorrichtung ausgeführt werden, auch bezüglich des Verfahrens erfindungswesentlich sein können und umgekehrt.

Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer erfindungs­ gemäßen Steuerungseinrichtung zur geschwindigkeitsabhängigen Belastung eines Energiewandlers, wobei der Stromverbraucher ein nachzuladender Akkumulator ist;

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungs­ gemäße Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel entlang der Schnittlinie C-D der Fig. 3;

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung durch die Vorrichtung gemäß Fig. 2 entlang der Schnittlinie A-B;

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung durch die Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 entlang der Schnittlinie E-F in Fig. 3;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungs­ beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, teilweise geschnitten entlang der Schnittlinie G-H in Fig. 6;

Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung durch die Vorrichtung gemäß Fig. 5 entlang der Schnittlinie I-J;

Fig. 7 eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem kugelförmigen Verdrängungskörper als Schwungmasse;

Fig. 8 eine Draufsicht mit Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, welche nach dem Funktionsprinzip gemäß Fig. 7 arbeitet, mit mehreren parallel angeordneten Pumpeinheiten;

Fig. 9 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 8 entlang der Schnittlinie K-M.

Bei dem in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung als Führungseinrichtung 101 ein im wesentlichen quaderförmiges, geschlossenes Gehäuse 101 mit einer Bodenplatte 103, einer parallel obenseitig angeordneten Deckenplatte 102 sowie rings umlaufenden Wänden 104 auf. Durch das geschlossene Gehäuse 101 ist die Vorrichtung gegen Eingriffe von außen und gegen Seewasser weitgehend geschützt.

Senkrecht in der Mitte des Gehäuses 101 erstreckt sich ein von der Bodenplatte 103 zur Deckenplatte 102 durchgehendes Führungsrohr 112, in dem Permanentmagnetscheiben 113 übereinander angeordnet sind. Das Führungsrohr 112 mit den innenliegenden Permanentmagnetscheiben 113 bildet den permanentmagnetischen Primärteil 111 des Linear­ generators 110, welcher in diesem Fall als Energiewandler 110 dient.

Der Sekundärteil 117 des Lineargenerators 110 weist einen ringförmigen Spulenkörper 118 auf, in welchem sich entsprechende Wicklungen befinden, in denen beim Bewegen des Spulenkörpers 118 entlang des permanentmagnetischen Primärteils 111 eine Spannung induziert wird. In radialer Richtung befinden sich beiderseits vom Spulenkörper 118 Trägerringe 120, welche durch einen äußeren Generatorgehäusemantel 122 untereinander verbunden sind. An ihrer inneren, zum Führungsrohr 112 weisenden Wandung sind die Trägerringe 120 jeweils mit Führungselementen 119, beispielsweise Gleit- oder Kugellagern, ausgestattet, sodass der Spulenkörper 118 mit nur geringem Abstand am Führungsrohr 112 entlang bewegt werden kann.

Dieses so ausgebildete, stabile Sekundärteil 117 des Lineargenerators 110 ist mit einem Aufnahmegestell 125 fest verbunden, in welchem an zwei sich radial gegenüberliegenden Seiten jeweils Akkumulatoren 7 untergebracht sind. Oberhalb des einen Akkumulators 7 befindet sich im Aufnahmegestell 125 die Steuerungseinrichtung 1. Die stromleitenden Verbindungen zwischen den Akkumulatoren 7 und der Steuerungs­ einrichtung 1 sind nicht dargestellt. Oberhalb des anderen Akkumulators 7 befindet sich ein Ausgleichsgewicht 128.

An den radial sich gegenüberliegenden, jeweils senkrecht zu den Akkumulatoren 7 liegenden Seiten des Sekundärteils 117 verlaufen jeweils mehrere parallel nebeneinander angeordnete Zugfedern 106. Diese Zugfedern 106 sind mit an ihren oberen Enden angeformten Haken 107 an geeigneten Aufhängebolzen 105 in der Deckenplatte 102 des Gehäuses 101 aufgehängt. Untenseits ist in entsprechenden Haken 107 der Zugfedern 106 die gesamte Schwungmasse 108 mit geeigneten, am Aufnahmegestell 125 befestigten Aufnahmebolzen 123 eingehängt.

An der Bodenplatte 103 und an der Deckenplatte 102 ist koaxial um das Führungsrohr 112 jeweils eine Endlagenbegrenzung in Form einer Druckfeder 129 angebracht.

Um eine unzulässig große Verdrehung des Trägergestells 125 um dessen Achse L gegenüber dem Gehäuse 101 zu verhindern, ist das Träger­ gestell 125 jeweils an seinen Stirnenden über eine Verdrehsicherung 130 mit dem Gehäuse 101 verbunden. Die Längen der Verdreh­ sicherungen 130 und die Abstände zwischen dem Trägergestell 125 und dem Gehäuse 101 sind so gewählt, dass einerseits die vertikalen Relativbewegungen zwischen Trägergestell 125 und Gehäuse 101 nicht durch die Verdrehsicherungen 130 behindert werden, andererseits das Trägergestell 125 nicht an das Gehäuse 101 anstoßen kann. In einer besonders vorteilhaften Ausführung können die Verdreh­ sicherungen 130 auch als Ableitungen für den elektrischen Strom aus den Akkumulatoren 7 genutzt werden.

In den Fig. 5 und 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt. Auch diese Ausführungsbeispiel weist als Führungseinrichtung ein geschlossenes Gehäuse 101 mit einer Bodenplatte 103, einer Decken­ platte 102 und umlaufenden Gehäusewänden 104 auf. Es handelt sich hierbei jedoch um ein zylindrisches Gehäuse 101.

Die Steuerungseinrichtung 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel oberhalb des Gehäuses 101 auf der Deckenplatte 102 angebracht.

Auch dieses Ausführungsbeispiel weist als Primärteil 111 ein mit Permanentmagnetscheiben 113 befülltes Führungsrohr 112 auf. Das Führungsrohr 112 erstreckt sich jedoch - anders als bei dem ersten Ausführungsbeispiel - nicht von der Bodenplatte 103 bis zur Decken­ platte 102, sondern ist kürzer als die Bauhöhe des Gehäuses 101. An der unteren Stirnseite ist am Führungsrohr 112 eine Anlauf und Befestigungsscheibe 115 angeordnet. Diese Anlauf und Befestigungs­ scheibe 115 weist wiederum Aufhängebolzen 116 auf, mit denen die Anlauf und Befestigungsscheibe 115 an den unteren Enden der Zugfedern 106 eingehängt ist, welche parallel zum Führungsrohr 112 nach oben über diese hinaus verlaufen und mit ihren oberen Enden an der Deckenplatte 102 des Gehäuses 101 eingehängt ist. An dessen oberer Stirnseite befindet sich am Führungsrohr 112 eine Anlaufscheibe 114.

Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden folglich das Führungsrohr 112, die untere Anlauf und Befestigungsscheibe 115 und die obere Anlauf­ scheibe 114 die Schwungmasse 108. Stattdessen ist der Sekundärteil 117 des Lineargenerators 110 fest im Gehäuse 101 der Vorrichtung angebracht. Die nachzuladenden Akkumulatoren befinden sich nicht innerhalb der Vorrichtung, sondern sind separat anzuordnen. Die stromleitenden Verbindungen zwischen der Steuerungseinrichtung 1 und den nachzuladenden Akkumulatoren sind, ebenso wie die nachzuladenden Akkumulatoren, nicht dargestellt.

Der Sekundärteil 117 besteht - wie beim ersten Ausführungsbeispiel - aus einem Spulenkörper 118, oben und unten angeordneten Träger­ ringen 120, einem umlaufenden Generatorgehäusemantel 122 und in den Trägerringen 120 befindlichen Führungselementen 119. Die stromleitenden Verbindungen zwischen dem Spulenkörper 118 und der Steuerungseinrichtung 1 sind nicht dargestellt.

Über an den Trägerringen 120 angreifende Traversen 121 ist der Sekundärteil 117 im Gehäuse 101 an den Gehäusewänden 104 befestigt. Die Zugfedern 106, welche die Schwungmasse 108 tragen, verlaufen seitlich an den Traversen 121 vorbei. Es handelt sich hierbei um acht symmetrisch jeweils in etwa halbkreisförmig um die Führungsachse L angeordnete Zugfedern 106 (siehe Fig. 6).

Auch diese Ausführungsform weist untenseitig an der Bodenplatte 103 und obenseitig an der Deckenplatte 102 jeweils koaxial zur Führungs­ achse L angeordnete Endlagenbegrenzungen in Form von Druck­ federn 129 auf, gegen welche die Anlauf und Befestigungsscheibe 115 bzw. die Anlaufscheibe 114 der Schwungmasse 108 laufen können, und die die gleiche Funktion erfüllen wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 2 bis 4.

Fig. 7 zeigt schematisch den Aufbau eines Ausführungsbeispiels, welches nach einem völlig anderen Prinzip arbeitet. In einem Schwimmkörper 232 befindet sich eine Pumpvorrichtung 202, welche im Wesentlichen aus einem Zylinderraum 201 besteht, dessen stirnseitige Enden über ein im Wesentlichen aus einer Verbindungsleitung 211 bestehendes Verbindungsleitungssystem 212 untereinander verbunden sind. Im Zylinderraum 201 befindet sich ein Verdrängungskörper in Form einer Kugel 208, deren Durchmesser so gewählt ist, dass sie den Zylinderraum 201 relativ dicht in zwei getrennte Teilräume unterteilt. Die stirnseitigen Enden des Zylinderraums 201 sind kalottenförmig ausgebildet, wobei der Radius jeweils dem der Kugel 208 angepasst ist. Der Zylinderraum 201 bildet in diesem Ausführungsbeispiel die Führungseinrichtung, in der die von der Kugel 208 gebildete Schwung­ masse hin- und herschwingen kann.

Der Energiewandler 210 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen aus einer Turbine 220 und einem von der Turbine 220 angetriebenen Generator 222. Die Turbine 220 befindet sich in der Verbindungsleitung 211 und kann über eine Welle 223 den rotatorischen Generator 222 antreiben. Die Welle 223 ist in den Lagern 224 und 225 gelagert. Die Steuerungseinrichtung 1 ist am Generator 222 angebracht. In der Verbindungsleitung 211 befindet sich zudem das Ventil 238, welches durch den elektrischen Ventilantrieb 239 betätigt werden kann. Die zur Vorrichtung gehörenden Akkumulatoren sind ebenso wie die stromführenden Verbindungen zwischen dem Generator 222, der Steuerungseinrichtung 1, dem Ventilantrieb 239 und den Akkumulatoren nicht dargestellt.

An der Verbindungsleitung 211 befindet sich ein Ausgleichsbehälter 229. Der Zylinderraum 201, die Verbindungsleitung 211 und der Ausgleichs­ behälter 229 sind mit einem Medium 230, im Ausführungsbeispiel einer Hydraulikflüssigkeit befüllt. Das Medium wird durch ein Gas 231 im Ausgleichsbehälter 229 mit Druck beaufschlagt.

Der Schwimmkörper 232 weist untenseitig eine Befestigungsöse 235 auf, mit der der Schwimmkörper 232 im Meer verankert werden kann. Die Verankerung mittels der Befestigungsöse 235 kann so erfolgen, dass der Schwimmkörper 232 Wellenbewegungen vertikal folgen und sich selbsttätig entsprechend der Laufrichtung R der Wellen ausrichten kann, sodass die Längsrichtung L' des Zylinderraums 201 annähernd recht­ winklig zur jeweils anlaufenden Wellenfront steht.

Das Arbeitsprinzip der Vorrichtung gemäß Fig. 7 ist wie folgt: Bei einem in der Laufrichtung R der Wellen auflaufenden Wellenberg wird der Schwimmkörper 232 mit der Pumpeinrichtung 202 zunächst ein eine Richtung gekippt, wodurch die Kugel 208 im Zylinderraum 201 aufgrund der Schwerkraft nach unten (bei der Wellenlaufrichtung R als nach links) rollt und das Medium 230 vom linken Teil des Zylinderraums 201 durch die Verbindungsleitung 211 in den rechten Teil des Zylinderraums 201 pumpt. Wenn der Schwimmkörper 232 den Kamm des Wellenbergs passiert hat, wird er automatisch auf der ablaufenden Seite in die andere Richtung gekippt, wodurch dann wiederum die Kugel 208 im Zylinder­ raum 201 in die rechte Hälfte nach unten rollt und das Medium 230 von der rechten Seite des Zylinderraums 201 in die linke Seite zurückpumpt. Im Wellental wechselt dann wieder die Neigungsrichtung, sodass die Kugel 208 durch die Wellenbewegungen permanent in Längsrichtung L' des Zylinderraums 201 hin- und herschwingt und dabei das Medium 230 durch die Verbindungsleitung 211 hin- und herpumpt. Durch das die Verbindungsleitung durchströmende Medium 230 wird die Turbine 220 angetrieben, die ihrerseits den Generator 222 antreiben kann.

Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen 1 und 2, bei denen ein elektrischer Widerstand 6 zugeschaltet werden kann, wenn die Schwingbewegungen der Schwungmasse 108 gedämpft werden sollen, kann die Steuerungseinrichtung 1 im Ausführungsbeispiel 3 auch auf einen elektrischen Ventilantrieb 239 wirken, welcher ein Ventil 240 in der Verbindungsleitung 211 entsprechend öffnen oder schließen kann. Ein ganz oder teilweise geschlossenes Ventil 238 in der Verbindungs­ leitung 211 hindert das Medium 230 am Durchfluss und kann so die Schwingbewegungen der Kugel 208 dämpfen bzw. unterbinden.

Größere Leistungen sind zu erreichen, indem mehrere Pumpeinheiten parallel gekoppelt werden, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 der Fall ist.

Diese Vorrichtung besteht aus zwei Schwimmkörpern 233 und 234, welche durch vier rohrförmige Zylinderräume 201 sowie eine zentrale, rohrförmige Durchgangsleitung 215 miteinander verbunden sind. Die parallelen Zylinderräume 201 weisen jeweils wieder kalottenförmige Endstücke 206 auf. Jeder Zylinderraum 201 ist mit einer Kugel 208 bestückt.

Die Schwimmkörper 233 und 234 weisen jeweils in einem zu den Zylinderräumen 201 weisenden Abschnitt eine quer über alle Zylinder­ räume 201 verlaufende durchgehende Kammer 214 auf, welche jeweils mit der zentralen Durchgangsleitung 215 verbunden sind. An den stirnseitigen Endstücken 206 der Zylinderkammern 201 befinden sich Anschlussstutzen 207, an denen jeweils gekrümmte Leitungen 213 befestigt sind, welche wiederum in die durchgehenden Kammern 214 führen. Jeweils in eine der gekrümmten Leitungen 213 pro Zylinderraum 201 ist ein Ventil 239 eingesetzt, welches von einem Ventilantrieb 240 betätigt werden kann.

Das Verbindungsleitungssystem 212 besteht bei diesem Ausführungs­ beispiel aus den Anschlussstutzen 207, den gekrümmten Leitungen 213, den durchgehenden Kammern 214 und der Durchgangsleitung 215.

In den Flanschstücken 207 an den Endstücken 206 der Zylinderräume 201 sind jeweils Federn 238 angebracht, die als Dämpfungselemente für die in ihre Endlagen einlaufenden Kugeln 208 dienen. Derartige Dämpfungs­ elemente können selbstverständlich auch in der Vorrichtung gemäß Fig. 7 eingebaut werden.

In der Durchgangsleitung 215 befindet sich eine Turbine 220, welche durch eine Turbinenwelle 223 mit einem Generator 222 verbunden ist. An der Rückseite des Generators 222 ist die Steuerungseinheit 1 ange­ bracht. An der dem Generator gegenüberliegenden Seite befindet sich an der durchgehenden Kammer 214 ein Ausgleichsbehälter 229. Die zur Vorrichtung gehörenden Akkumulatoren sind ebenso wie die stromführenden Verbindungen zwischen dem Generator 222, der Steuerungseinrichtung 1, dem Ventilantrieb 239 und den Akkumulatoren nicht dargestellt.

Ein Querschnitt entlang der Schnittlinie K-M der Fig. 8 ist in Fig. 9 gezeigt.

Auch das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 8 und 9 weist untenseitig jeweils eine Befestigungseinrichtung in Form einer oder mehrerer Ösen 235 auf, an der die Vorrichtung so verankert werden kann, dass sich die Schwimmkörper 233 und 234 sich so ausrichten, dass die Längsachsen der Zylinderräume 201 annähernd rechtwinklig zur anlaufenden Wellenfront verlaufen.

Durch an den Schwimmkörpern 233 und 234 jeweils passend angeordnete Verbindungselemente, im Ausführungsbeispiel die Ösen 236 und 237, sind mehrere solche Vorrichtungen hintereinander koppelbar. Auf diese Weise lassen sich grundsätzlich beliebig lange Ketten von hintereinander liegenden "Energieerzeugungsmodulen" zusammenstellen.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung 1 für die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 2 bis 6 mit einem Linear­ generator 110 beispielhaft dargestellt. Diese Steuerungseinrichtung weist ein Spannungsmessgerät 3 auf, welches die jeweils im Sekundärteil 117 des Lineargenerators 110 induzierte Spannung messen kann. Die gemessene Spannung ist proportional zur Relativgeschwindigkeit zwischen dem Sekundärteil 117 und dem Primärteil 111 des Lineargenerators 110. Außerdem weist die Steuerungseinrichtung 1 ein Steuerungselement 2 auf, welches das geschwindigkeitsabhängige Signal des Spannungsmessgeräts 3 auswertet und erst oberhalb einer ersten vorgegebenen Mindestrelativgeschwindigkeit zwischen dem Sekundär­ teil 117 und dem Primärteil 111 des Lineargenerators 110, welche gleichgroß sein kann wie die Relativgeschwindigkeit zwischen der Schwungmasse 108 und der Führungseinrichtung 101, über ein geeignetes Schaltelement 4 den Lineargenerator 110 elektrisch belastet, Energie entzieht und diese zum Beispiel dem Akkumulator 7 als Ladeenergie zuführt.

Durch die unbelasteten Schwingbewegungen der Schwungmasse 108 unterhalb einer ersten Mindestrelativgeschwindigkeit wird es möglich, dass die Schwungmasse 108 zunächst ungedämpft aufgeschaukelt wird und erst dann, wenn eine benötigte Mindestmenge an kinetischer Energie vorhanden ist, wird diese zur Gewinnung elektrischen Stromes genutzt.

Bei relativ geringen Wellenbewegungen kann immer dann pulsartig Energie aus dem System abgezweigt werden, wenn die damit verbundene Dämpfung das System nicht soweit belastet hat, dass die Relativ­ geschwindigkeit zwischen Sekundärteil 117 und Primärteil 111 unter eine zweite Mindestrelativgeschwindigkeit gesunken ist, welche kleiner ist als die erste Mindestrelativgeschwindigkeit.

Sinkt die Relativgeschwindigkeit unter die zweite Mindestrelativ geschwindigkeit, wird das Schaltelement 4 die Stromabnahme wieder unterbrechen und dadurch Gelegenheit gegeben, die Schwungmasse 108 wieder ungedämpft aufzuschaukeln.

Sind dagegen die Wellenbewegungen groß genug, so dass die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Sekundärteil 117 und dem Primärteil 111 oberhalb der zweiten Mindestrelativgeschwindigkeit bleibt, bleibt das Schaltelement 4 geschlossen und die Stromabnahme aufrecht­ erhalten.

Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades wird erzielt, wenn die Stromabnahme nicht nur zu geeigneten Zeitpunkten ein. bzw. ausge­ schaltet wird, sondern auch durch das Steuerungselement 2 dafür gesorgt wird, dass die Belastung jeweils proportional zur Relativgeschwindigkeit ist. Sind die Wellenbewegungen also stark genug, so dass die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Sekundärteil 117 und dem Primärteil 111 oberhalb der ersten Mindestrelativgeschwindigkeit größer wird, obwohl der Lineargenerator 110 durch Stromabnahme gebremst wird, kann durch das Steuerungselement 2 die Stromabnahme und damit die Dämpfung der größeren Relativgeschwindigkeit zwischen Sekundärteil 117 und Primärteil 111 entsprechend vergrößert werden.

Die Steuerungseinheit 1 weist außerdem einen zusätzlichen Lastwider­ stand 6 auf, welcher über ein weiteres von dem Steuerungselement 2 gesteuertes Schaltelement 5 zugeschaltet werden kann. Diese Schaltung kann genutzt werden, um die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Sekundärteil 117 und dem Primärteil 111 des Lineargenerators 110 an einer vorgegebenen Maximalgeschwindigkeit zu begrenzen. Das kann zum Beispiel bei sehr starkem Seegang notwendig sein, um unter anderem die vom Lineargenerator 110 erzeugte elektrische Spannung zu begrenzen.

Die dauerhafte Aufschaltung des zusätzlichen Lastwiderstandes 6 kann sinnvoll eingesetzt werden, wenn die Schwingbewegungen der Schwung­ masse 108 möglichst ganz unterbunden werden sollen. Das kann zum Beispiel sinnvoll sein, wenn der zu ladende Akkumulator voll ist und kein Strom mehr gewonnen werden soll. Oder wenn die Vorrichtung vor Wartungsarbeiten aus Sicherheitsgründen zur Ruhe gebracht werden soll.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 7 bis 9 mit einem mittels einer Turbine angetriebenen rotativen Generator, kann ebenfalls die erzeugte Spannung als Maß für die Relativgeschwindigkeit dienen und entsprechend die prinzipiell gleiche Schaltung zur Anwendung kommen. Alternativ kann hierbei aber auch ein Gerät zum Messen der Strömungs­ geschwindigkeit zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit verwendet werden.

Anstatt einen zusätzlichen Lastwiderstand zuzuschalten kann bei den Ausführungsbeispielen gemäß der Fig. 7 bis 9 das Steuerungs­ element 2 auf den jeweiligen Ventilantrieb 239 eines oder mehrerer Ventile 240 wirken.

Ebenso kann beispielsweise durch das Steuerungselement 2 und ein geeignetes Schaltelement 4 eine Kupplung zwischen Turbine 220 und Generator 222 ein- bzw. ausgeschaltet werden, sodass der Generator 222 nur oberhalb einer vorgegebenen Mindestrelativgeschwindigkeit angetrieben werden muss.

Ebenso kann im Prinzip durch das Steuerungselement 2 und einen geeigneten Stellantrieb das Übersetzungsverhältnis eines zwischen der Turbine 220 und dem Generator 222 installierten geeigneten Getriebes verändert werden.

Claims (25)

1. Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenenergie in elektrische Energie mit einer von einem schwimmenden Objekt (232, 233, 234) getragenen, schwingfähig in oder an einer Führungseinrichtung (101, 201) angeordneten Masse (108, 208), welche durch die Wellenbewegungen relativ zur Führungseinrichtung (101, 201) in Schwingbewegungen versetzt wird und mit einem Energiewandler (110, 210) zur Umwandlung der Energie der Schwingbewegungen der Masse (108, 208) in elektrische Energie, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung (1) zur Steuerung der Stromerzeugung in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit zwischen der Masse (108, 208) und der Führungseinheit (101, 201).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (1) oberhalb einer vorgegebenen Mindest­ relativgeschwindigkeit mittels des Energiewandlers (110, 210) der Schwingbewegung Energie entzieht.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (1) unterhalb einer zweiten, geringeren Relativgeschwindigkeit den Energiewandler (110, 210) wieder entlastet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (1) in Abhängigkeit von der Relativ­ geschwindigkeit den Energiewandler (110, 210) elektrisch belastet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine zusätzliche elektrische Last (6) zum Dämpfen der Schwingbewegungen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (110) einen Linear­ generator (110) umfaßt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine in oder an der Führungseinrichtung (101) im Wesentlichen in vertikaler Richtung schwingfähig angeordneten Schwungmasse (108).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse (108) an Federelementen (107) in oder an der Führungseinrichtung (101) aufgehängt ist, welche zumindest teilweise von oben nach entlang der Schwungmasse (108) verlaufen und in einem unteren Bereich der Schwungmasse (108) an dieser befestigt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse (108) entlang einer einzelnen Führung (111, 117) geführt wird und die Führung (111, 117) einen Primärteil (111) und/ oder einen Sekundärteil (117) des Lineargenerators (110) umfasst und an der Schwungmasse entsprechend ein Sekundärteil (117) und/oder Primärteil (111) des Lineargenerators (110) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Führungsrohr (112), welches zumindest teilweise mit permanent- magnetischem Material (113) befüllt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse (108) mindestens einen Akkumulator (7) zum Speichern der erzeugten elektrischen Energie umfasst.

12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch elastische Endlagenbegrenzungen (129) für die Bewegungen der Schwungmasse (108).

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung einen Zylinderraum (201) einer Pumpeinrichtung (202) umfasst und die Schwungmasse als Verdrängungskörper (208) in dem Zylinderraum (201) frei entlang einer Längsachse (L') des Zylinderraums (201) beweglich angeordnet ist, wobei der Verdrängungskörper (208) den Zylinder­ raum (201) in zwei Teilräume trennt, die durch ein Verbindungs­ leitungssystem (212) miteinander verbunden sind, und dass der Energiewandler (210) an das Verbindungsleitungssystem (212) angeschlossen ist, wobei die Pumpeinrichtung (202) so ausgelegt ist, dass aufgrund einer durch die Wellen erzeugten horizontalen Schaukelbewegung der Zylinderraum (201) um eine quer zu seiner Längsachse (L') verlaufende horizontale Achse schwingt, wobei die Längsachse (L') bei den Schaukelbewegungen im Mittel horizontal ausgerichtet ist und dabei der Verdrängungs­ körper (208) im Zylinderraum hin- und herbewegt wird und ein Medium (230), welches den Energiewandler (210) antreibt, durch das Verbindungsleitungssystem (212) pumpt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (208) eine Kugelform aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (210) eine im Verbindungsleitungssystem (212) angeordnete Turbine (220) und einen von der Turbine (220) angetriebenen Generator (222) aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Mittel zum Einstellen der Kopplung zwischen Turbine (220) und Generator (222).

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsleitungssystem (212) ein Ventilsystem aufweist, welches so geschaltet ist, dass unabhängig von der Bewegungsrichtung des Verdrängungskörpers (208) im Zylinderraum (201) die Turbine (220) vom Medium (230) aus der gleichen Richtung angeströmt wird.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, gekennzeichnet durch eine die Teilräume des Zylinderraums (201) direkt miteinander verbindende Verbindungsleitung (211, 215) und eine darin angeordnete Turbine (220), die sich unabhängig von der Strömungs­ richtung des Mediums (230) durch die Verbindungsleitung (211, 215) in der gleichen Drehrichtung dreht.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, gekennzeichnet durch mehrere parallel zueinander angeordnete Zylinderräume (201) mit jeweils einem Verdrängungskörper (208) darin.

20. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativgeschwindigkeit der Masse (108, 208) zur Führungs­ einrichtung (101, 201) gemessen wird und in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit der Schwingbewegungen Energie entzogen und diese einer Nutzung oder Speicherung zugeführt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingbewegung, wenn sie eine vorgegebene Mindestrelativ­ geschwindigkeit überschritten hat, Energie entzogen und diese einer Nutzung oder Speicherung zugeführt wird.

22. Verfahren nach den Ansprüchen 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingbewegung, wenn sie eine zweite vorgegebene Relativgeschwindigkeit, welche geringer ist als die vorgegebene Mindestgeschwindigkeit, wieder unterschreitet, keine Energie mehr entzogen wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (110, 210) in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit elektrisch belastet wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abbremsen der Schwingbewegungen der Energiewandler (110, 210) mit einer zusätzlichen elektrischen Last (6) beschaltet wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abbremsen der Schwingbewegungen ein in das Verbindungsleitungssystem (212) eingesetztes Ventil (240) geschlossen wird.