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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenenergie in
elektrische Energie. Die Notwendigkeit der Nutzung regenerativer Energie ist
ebenso wenig bestritten wie die Erkenntnis, dass alle Möglichkeiten der Gewinnung
regenerativer Energie genutzt werden müssen, wenn diese Energieformen eine
wesentliche Rolle spielen sollen.
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Auch die Energie der Meereswellen, an deren Nutzung in einigen Ländern seit
Jahren gearbeitet wird, gehört dazu.
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Die Bedingungen im Meerwasser oder dessen unmittelbarer Umgebung sind
technikfeindlich. Das hat zu der Erkenntnis geführt, dass nur geschlossene Systeme, also
solche, bei denen die aktiven technischen Teile durch eine robuste Kapselung vor den
negativen Umgebungsbedingungen geschützt sind, langzeitstabile Energiegewinnung
aus der Energie der Meereswellen ermöglichen.
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In der DE 100 08 661.6 wird ein schwimmendes Gerät vorgeschlagen, bei dem ein als
Kolben wirkender Verdrängungskörper in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten System
durch die durch Wellen verursachte Schaukelbewegungen hin- und herbewegt wird und
die dadurch hin- und hergepumte Flüssigkeit über eine in den Flüssigkeitsstrom
eingesetzte Turbine - vorzugsweise eine Wells-Turbine - einen Generator antreibt.
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Diese Anordnung stellt einen erheblichen technischen Aufwand dar, der beim Betrieb
solcher Geräte einen entsprechenden Wartungsaufwand, besonders bedingt durch die
mechanischen Komponenten der Turbine und des Generators, zur Folge hat. Zudem
wird der Gesamtwirkungsgrad solcher Geräte durch die vielfache Energieumwandlung
innerhalb der Geräte - potentielle Energie des Verdrängungskörpers -
Strömungsenergie der Flüssigkeit - kinetische Energie der Turbine und des
Generatorselektrische Energie - negativ beeinflusst.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zu diesem Stand der
Technik zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird die Vorrichtung, die Möglichkeiten des geschlossenen Systems
nutzend, mit einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit - einem Elektrolyt - befüllt und zur
Umwandlung der Strömungsenergie in elektrische Energie ein
magneto-hydrodynamischer Generator (MHD-Generator) in die Flüssigkeit eingesetzt.
Die Wirkungsweise eines solchen magneto-hydrodynamischen Generators wird im
folgenden anhand der beigefügten zeichnerischen Darstellung Fig. 1 (teilweise
geschnitten) beispielhaft erklärt:
Ein isolierender Träger 1 bildet einen Kanal, der an zwei gegenüberliegenden Seiten
entsprechend gepolte Magnete 2 - vorzugsweise Permanentmagnete 2 - und an den
beiden anderen, gegenüberliegenden Seiten Elektroden 3 aufweist. Die Elektroden 3
sind mit den Stromabnehmern 4 verbunden.
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Durch den Kanal im isolierenden Träger 1 wird eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit
(Elektrolyt) gedrückt, welche dabei auch das durch die Magnete 2 erzeugte Magnetfeld
durchströmt. Die positiven und negativen Ladungsträger werden entgegengesetzt aus
dem Elektrolyt heraus abgelenkt (Lorentz-Kraft) und den Elektroden 3 zugeführt.
Durch den Hall-Effekt wird senkrecht zur Bewegungsrichtung des Elektrolyts und den
magnetischen Feldlinien eine Spannung induziert, die an den Stromabnehmern 4
abgegriffen werden kann.
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Andere geeignete Bauformen eines magneto-hydrodynamischen Generators sind
grundsätzlich ebenfalls einsetzbar.
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Um eine Leistungssteigerung zu ermöglichen, kann eine Vielzahl solcher oder ähnlicher
Elemente in den Strom des Elektrolyts eingesetzt und elektrisch miteinander verbunden
werden.
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Auf diese Weise kann Strömungsenergie der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit
(Elektrolyt) in der Vorrichtung unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt werden.
Über den Verdrängungsköper hinaus sind keine zyklisch bewegten mechanischen Teile
innerhalb solcher Vorrichtungen notwendig.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen
anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dort dargestellten sowie die
oben und nachfolgend beschriebenen Merkmale können nicht nur in den genannten
Kombinationen, sondern auch einzeln und in anderen Kombinationen
erfindungswesentlich sein. Es stellen dar:
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Fig. 2 einen schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem kugelförmigen
Verdrängungskörper;
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Fig. 3 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 2 entlang der
Schnittlinie C-C';
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Fig. 4 einen schematische Schnittdarstellung einer erflndungsgemäßen Vorrichtung
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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Fig. 5 eine Draufsicht mit Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit
mehreren parallel angeordneten Pumpräumen;
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Fig. 6 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 5 entlang der
Schnittlinie A-A';
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Fig. 7 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 5 entlang der
Schnittlinie B-B';
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Fig. 8 eine Draufsicht auf mehrere hintereinander gekoppelte Vorrichtungen gemäß
Fig. 5.
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Fig. 2 zeigt den Aufbau einer erflndungsgemäßen Vorrichtung in einer besonders
einfachen Ausführungsform. In einem Schwimmkörper S. in diesem
Ausführungsbeispiel ein Tank, befindet sich eine Pumpvorrichtung 6, welche im wesentlichen aus
einem Pumpraum 7 besteht, dessen stirnseitige Enden durch Verbindungsleitungen 8
und 9 mit einem MHD-Generator 10 verbunden sind.
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Der Pumpraum 7 hat einen kreisförmigen Querschnitt. Im Pumpraum 7 befindet sich
ein Verdrängungskörper in Form einer Kugel 11, deren Durchmesser an den
Durchmesser des Pumpraums 7 so angepasst ist, dass die Kugel 11 den Pumpraum 7
relativ dicht in zwei Teilräume unterteilt. Die stirnseitigen Enden des Pumpraums 7 sind
kalottenförmig ausgebildet.
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An der Verbindungsleitung 9 befindet sich ein geschlossener Ausgleichsbehälter 13.
Der Pumpraum 7, die Verbindungsleitungen 8 und 9 und der MHD-Generator 10 sind
vollständig, der Ausgleichsbehälter 13 teilweise mit einem elektrisch leitfähigen
Pumpmedium (Elektrolyt) 12 gefüllt.
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Oberhalb des elektrisch leitfähigen Pumpmediums (Elektrolyt) 12 im Ausgleichsbehälter
befindet sich ein Gas 14, durch welches das elektrisch leitfähige Pumpmedium
(Elektrolyt) 12 mit Druck beaufschlagt wird. Dadurch können Volumenveränderungen,
wie sie durch Temperaturänderungen oder durch geringfügige Leckagen entstehen
können, ausgeglichen werden.
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Oberhalb des MHD-Generators 10 ist eine elektrische Steuerung 15 angebracht, welche
den von MHD-Generator 10 gelieferten Strom den jeweiligen Erfordernissen
anzupassen vermag.
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Wird der Schwimmkörper 5 - z. B. unter der Einwirkung von Wellen - so geschaukelt,
das die Längsachse L des Pumpraums 7 wechselweise nach einer oder der anderen
Seite hin aus der Horizontalen herausbewegt und geneigt wird, wird die Kugel 11 in die
jeweils tiefere Endlage im Pumpraum 7 zu rollen bestrebt sein und dabei das elektrisch
leitfähige Pumpmedium (Elektrolyt) 12 in ihrer Laufrichtung aus dem Pumpraum 7
verdrängen und durch die Verbindungsleitungen 8 bzw. 9 und den MHD-Generator 10
pumpen. Beim Durchströmen des HMD-Generators 10 kann dieser aktiv werden und
Strömungsenergie des elektrisch leitfähigen Pumpmediums (Elektrolyt) 12 unmittelbar
in elektrische Energie umwandeln.
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Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 2 entlang der
Schnittlinie C-C'.
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Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel. Der wesentliche Unterschied zu der
in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung besteht darin, das hier als Verdrängungskörper 16
ein zylinderförmiger Kolben 16 verwendet wird, welcher auf einer zentrisch und koaxial
zur Längsachse des Pumpraums 7 angeordneten Führung 17 gelagert ist. Hierzu ist der
zylindrische Kolben 16 zentrisch durchbohrt und weist jeweils endseitig
Führungselemente 18 auf. Die Stirnseiten des dargestellten Pumpraums 7 sind entsprechend der
Zylinderform des Verdrängungskörpers 16 flach ausgebildet.
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Die Schwimmkörper 5 der in den Fig. 2 und 4 dargestellten Vorrichtungen weisen
jeweils unterseits eine Befestigungsöse 19 auf, mit deren Hilfe die Vorrichtungen im
Meer verankert werden können.
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Um größere Leistungen zu erzielen, können mehrer Pumpvorrichtungen 6 gekoppelt
werden, wie dieses in Fig. 5 dargestellt ist. Diese Vorrichtung besteht aus zwei
Schwimmkörpern 20 und 21, welche durch vier rohrförmige Pumpräume 7 sowie eine
zentrale Verbindungsleitung 22 miteinander verbunden sind. Jeder der Pumpräume 7 ist
mit einer Kugel 11 als Verdrängungskörper 11 bestückt und weist kalottenförmige
Endstücke 23 auf.
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Auf ihrer jeweils den Pumpräumen 7 zugewandten Seite ist innerhalb der
Schwimmkörper 20/21 eine durchgehende Kammer 24 abgeteilt. Diese Kammern 24 sind mit der
zentralen Verbindungsleitung 22 verbunden. An der kalottenförmigen Endstücken 23
der Pumpräume 7 sind Anschlussstutzen 25 angebracht, an denen wiederum jeweils
gekrümmte Leitungen 26 befestigt sind, welche ihrerseits in die durchgehenden
Kammern 24 führen. Auf diese Weise sind durch die Anschlussstutzen 25, die
gekrümmten Leitungen 26, die durchgehenden Kammern 24 und die zentrale
Verbindungsleitung 22 alle dem Schwimmkörper 20 zugewandten Teile der Pumpräume 7
mit allen dem Schwimmkörper 21 zugewandten Teilen der Pumpräume 7 verbunden.
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In die zentrale Verbindungsleitung 22 ist der MHD-Generator 10 eingesetzt, so dass
der gesamte, durch die Rollbewegungen der kugelförmigen Verdrängungskörper 11
erzeugte Volumenstrom durch den MHD-Generator 10 geführt werden kann.
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Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 5 entlang der
Schnittlinie A-A',
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Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 5 entlang der
Schnittlinie B-B'.
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Unterhalb der zentralen Verbindungsleitung 22 ist die elektrische Steuerung 15
angebracht, welche den von MHD-Generator 10 gelieferten Strom den jeweiligen
Erfordernissen anzupassen vermag.
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Ebenso befindet sich dort die Befestigungsöse 19, mit deren Hilfe die Vorrichtungen im
Meer verankert werden können.
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An den Schwimmern 20 und 21 befinden sich entsprechend geformte
Verbindungselemente 27 und 28, mit deren Hilfe mehrere Vorrichtungen gemäß Fig. 5 zu Ketten
hintereinanderliegender "Energiegewinnungsmodule" verbinden lassen, wie in Fig. 8
dargestellt ist.