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Wind
und Wasserkraft werden schon lange von den Menschen genutzt. Häufig wird
die Energie natürlicher
Strömungen
durch Rotoren in mechanische Drehbewegung umgewandelt. Inzwischen kennt
man eine große
Vielfalt unterschiedlichster Rotoren, die sich grob in zwei Kategorien
einteilen lassen: Die sogenannten Widerstandsläufer werden von Reibungskräften gedreht,
bei Auftriebsläufern
sind es hingegen die Auftriebskräfte
an aerodynamischen Profilen.
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Die überwiegende
Mehrzahl heutiger Windenergieanlagen arbeitet mit Propellern, also
typischen Auftriebsläufern.
Sie müssen
in der Strömung
ausgerichtet werden und erreichen Wirkungsgrade bis zu 50%.
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Ein
bekannter Vertreter der Widerstandläufer ist der Savonius-Rotor. Zwei oder
mehr gebogene Schaufeln, etwa zwei Fasshälften, sind gleichsinnig um
eine Achse herum angeordnet. Die Strömung findet in den Schaufelöffnungen
einen höheren
Widerstand als jenseits der Achse in den Schaufelrückseiten.
Die Differenz der Reibungskräfte
zu beiden Seiten der Achse erzeugt ein nutzbares Drehmoment. Der
entscheidende Vorteil des Savonius-Rotors ist seine Unabhängigkeit
von der Strömungsrichtung.
Er erreicht aber nur einen Wirkungsgrad von 23%. Der Savonius-Rotor
gilt allgemein als schwer und langsam, Leistung wird bislang mit
hohem Einsatz von Material erkauft.
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Es
gibt zahlreiche Vorschläge,
die auf den Meeren überall
vorkommende Wellenbewegung in nützliche
Energieformen umzuwandeln. Die große Vielfalt von Ansätzen kann
hier nicht umfassend erörtert
werden, nur einige Beispiele.
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Derzeit
am intensivsten erforscht ist das Prinzip der oszillierend Wassersäule, Stichwort „Oscillating
Water Column (OWC)".
Dieses System nutzt die Luftkompression in einem Hohlraum, dessen
untere Begrenzung durch die sich auf und ab bewegende Wasseroberfläche gebildet
wird. Die Luft des Hohlraums lässt
man über
eine Wells-Turbine ein und aus strömen. Die Wells-Turbine dreht
sich dabei kontinuierlich in eine Richtung und treibt einen Stromgenerator.
Grundlage des OWC ist die Erfahrung, dass die Übersetzung der langsamen Wellenbewegung
in eine schnelle Bewegung zur Stromerzeugung durch Verengung eines
Luftstroms besonders einfach gelingt. Wichtig ist hier das geringe
spezifische Gewicht der Luft, das eine sehr große Beschleunigung ermöglicht.
Darüber
hinaus kann die kompressible Luft große Wellen gut abfangen.
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Die
Verengung eines Stroms von Hydrauliköl findet sich in der Seeschlange „PELAMIS". Druck entsteht
hier bei der Verformung eines gegliederten, schlangenartigen Schwimmkörpers. Hydraulische Motoren
erzeugen daraus eine nutzbare Drehbewegung. Der Ausgleich von Druckspitzen
erfordert hier besondere Maßnahmen.
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Ein
bereits realisierter Ansatz ist der „TAPered CHANnel (TAPCHAN)". Die auf den Strand
auflaufenden Wellen werden über
einen ansteigenden, spitz zulaufenden Kanal in ein erhöhtes Becken
geleitet, aus dem es durch eine Turbine wieder in das Meer zurücklaufen
kann. Durch die Verengung des Kanals werden auch kleine Wellen soweit
erhöht, dass
sie in das Becken gelangen können.
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Vereinzelt
wurde auch schon versucht, die Wellenenergie direkt mit Hilfe von
Turbinen in Drehbewegung zu verwandeln. Keiner der bislang bekannten
Vorschläge
erlaubt eine wirklich einfache, billige und zuverlässige Energiegewinnung
aus Meereswellen.
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Erfindung
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Ziel
der Erfindung ist ein effizienter und materialsparender Strömungskonverter,
der auf dem Widerstandsläufer
beruht. Er dient zur Gewinnung von Energie aus natürlichen
Luft- und Wasserströmungen,
und insbesondere aus der Orbitalströmung in Meereswellen.
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Grundelement
ist ein Rotor mit elastischen Schaufeln wie in 1.
Effektive Fläche
und Hebelwirkung der treibenden Schaufeln vergrößert sich im Strömungsdruck,
die der rücklaufenden
Schaufeln wird kleiner. Elastizität erhöht die Differenz der Reibungskräfte und
verbessert damit den Wirkungsgrad. Der Ruhezustand ist zum Vergleich
gestrichelt dargestellt.
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Gitterförmige, parallele
Anordnung vieler Rotoren hat gegenüber einem einzelnen Rotor mit
gleichem Strömungsquerschnitt
erhebliche Vorteile: Das Gitter hat einen höheren Wirkungsgrad und benötigt gleichzeitig
weniger Material. Darüber
hinaus drehen sich die kleinen Rotoren schneller. 2 zeigt
oben einen einzelnen Rotor, unten ein Gitter aus vier kleineren
Rotoren im weiteren Strömungsfeld.
Die axiale Ausdehnung der Rotoren ist in beiden Fällen gleich. Gitter
und Einzelrotor erfassen daher den selben Strömungsquerschnitt und damit
auch die selbe Strömungsleistung.
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Im
größeren Strömungszusammenhang wirkt
der einzelne Rotor wie ein zylindrisches Hindernis, das Gitter hingegen
wie eine Platte. Da der Widerstand einer Platte erheblich größer ist
als der eines Zylinders, nehmen die Fluidteilchen beim Gitter eher
den unbequemen Weg über
die Rotorschaufeln als beim Einzelrotor. Während die Strömung dem großen Rotor
weiträumig
ausweicht, ist dies beim Gitter nur schwer möglich. Der Wirkungsgrad des
Gitters ist daher besser.
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Zwischen
den Rotoren des Gitters verengt sich der Strömungsquerschnitt und die Geschwindigkeit
des Fluids wird größer. Die
Rotoren werden dann schneller und mit größerer Kraft gedreht. Bei abnehmendem
Rotorabstand erhöht
sich daher der Wirkungsgrad des Gitters. Gleichzeitig verringert
sich aber der durchtretende Strom und damit die Leistung, so dass
ein optimaler Rotorabstand zu suchen ist.
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Bei
gleich bleibender Rotorlänge
und abnehmendem Radius verkleinert sich die von einem Rotor erfasste
Strömung
linear, sein Volumen sinkt aber quadratisch. Die vier kleinen Rotoren
des Gitters benötigen
daher nur ein Viertel von dem Material des großen Rotors und sind trotz höherer Leistung
entsprechend leichter und billiger.
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Der Übergang
zu immer kleineren Rotordurchmessern findet seine Grenze in der
Festigkeit des Materials. Bei gleich bleibender Länge muss
eine immer dünner
werdende Achse dem Verbiegen im Strömungsdruck wiederstehen. Das
Problem wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Rotorachsen wie die Saiten einer Harfe über einen Rahmen gespannt sind.
Der kleinstmögliche
Rotordurchmesser wird dann bei gegebener Länge und Strömung von der Zugfestigkeit
der Achse bestimmt. Der Rahmen besteht typischerweise aus Rohren
und ist erheblich stärker
und biegesteifer als die Rotorachsen. Die Rotoren sind drehbar auf
den Achsen gelagert, die Achsen selbst drehen sich nicht.
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3 zeigt
den Aufbau eines Rotors für
den Einsatz im Meer. Er hat beispielsweise einen Durchmesser von
16 cm, seine Länge
beträgt
21 m, der Rotorabstand ist 25 cm. Die Rotorblätter bestehen aus einem weichen,
elastischen Material wie Gummi. Da ein weicher und zugleich langer
Rotor nicht in der Lage wäre, das
in seiner Mitte entstehende Drehmoment an seine Enden zu leiten,
umschließt
dieser eine harte Transmissionswelle. Diese läuft auf einem Gleitlager um
die gespannte Achse. Die verwendeten Materialien sind Meerwasserbeständig.
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Die
von den Rotoren erzeugte Leistung soll schließlich in elektrischen Strom
umgewandelt werden. Dazu befinden sich an beiden Enden jedes Rotors
kleine Stromgeneratoren (4). Das in der Mitte eines Rotors
erzeugte Drehmoment muss von diesem selbst an seine Enden übertragen
werden. Die beidseitige Leistungsentnahme verdoppelt bei geringer
Torsionsfestigkeit des Rotors seine maximal mögliche Länge. Die Stromgeneratoren sind
der Einfachheit halber mit auf die Rotorachsen montiert, typischerweise
ohne Zwischenschalten eines Übersetzungsgetriebes.
Die Drehzahlen sind wegen der kleinen Rotordurchmesser bereits ausreichend
hoch. Auf eine mechanische Kopplung der Rotoren wird verzichtet.
Die einzelnen Rotorleistungen werden auf der elektrischen Seite
zusammengeschaltet. Eine Steuerung der Rotoren ist nicht vorgesehen.
Der erzeugte Strom wird rein elektronisch an die Verbraucherseite
angepasst.
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Die
gitterartig im Rahmen aufgespannten, elastischen Widerstandsrotoren
bilden als technische Einheit einen vielseitig einsetzbaren Strömungskonverter.
Zwar überträgt sich
die Richtungsunabhängigkeit
der Einzelrotoren nur bedingt auf die Gesamtanordnung, doch dafür verbessert
sich deutlich der Wirkungsgrad und die Materialeffizienz. Zur Wiederherstellung
der Richtungsunabhängigkeit kann
man beispielsweise zwei Strömungskonverter senkrecht
zueinander aufstellen.
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Der
Strömungskonverter
kann sowohl in der Luft wie auch im Wasser eingesetzt werden. Man könnte ihn
beispielsweise auf Hausdächern
montieren. Als stromerzeugendem Wild- oder Blendschutzzaun entlang
von Autobahnen würden
seine Rotorgeräusche
vom Verkehrslärm überdeckt.
Quer durch ein Fließgewässer gespannt
könnte
der Strömungskonverter
eine umweltschonende Nutzung der Wasserkraft ermöglichen, ohne großräumige Uferverbauung,
und ohne die Unterbrechung von Tierwegen.
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Besonders
geeignet ist der Strömungskonverter
zur Energiegewinnung auf dem Meer. Neben der naheliegenden Anwendung
auf horizontale Meeresströmungen
kann er auch als Wellenkonverter die Orbitalströmung in Meereswellen nutzen. 5 veranschaulicht
die Strömungsverhältnisse
an einem horizontalen, dicht unter der Meeresoberfläche liegenden
Rotor. Die kleinen Pfeile zeigen die Fließrichtung des Wassers unter
einer von links heranlaufenden Welle. Mit dem voranschreiten der
Welle ändern sich
diese Richtungen ständig.
Ein richtungsunabhängiger
Rotor wird bei seitlich heranlaufender Welle immer radial angeströmt und folglich
angetrieben (5, oben). Auch eine längs des
Rotors laufende Welle erzeugt eine radiale Strömungskomponente, die allerdings
ungleichmäßig verteilt
ist (5, unten). Im kleinräumig heterogenen Orbitalströmungsfeld
kommt es darauf an, dass der Rotordurchmesser deutlich kleiner ist
als Wellenlänge
und Amplitude der Wasserwelle. Der Rotor sollte hingegen möglichst lang
sein damit die sich entlang seiner Achse summierenden Kräfte eine
gleichmäßiges Drehmoment ergeben.
Genau diese Voraussetzungen sind mit dem vorgeschlagenen Strömungskonverter
erfüllt.
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Zur
Nutzung der Wellenbewegung werden Rotorengitter horizontal unter
die Wasseroberfläche gebracht. 6 zeigt
einen schwimmfähigen
Rahmen mit vier Rotorengittern. An den Ecken befinden sich Schwimmkörper mit
ausblasbaren Ballasttanks. Damit kann das Gitter in der Tiefe eingestellt,
zur Wartung an die Oberflache gehoben, oder bei Sturm in tieferes
Wasser gesenkt werden.
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Ein
kleines Wellenkraftwerk wie in 6 hat beispielsweise
die Abmessungen 48 × 48
m, die Rotorlänge
der vier quadratischen Gitter beträgt 21 m. Bei einem Rotordurchmesser
von 16 cm und einem Rotorabstand von 25 cm sind 336 Rotoren aufgespannt,
an ihren Enden befinden sich insgesamt 672 kleine Generatoren. Die
Gitterebene liegt etwa 1 m unter der mittleren Wasseroberfläche. Gelegentliches
austauchen der Rotoren bei großen
Wellen ist unproblematisch. Bei Sturm lässt sich das Gitter bis auf
7 m absenken.
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Gegen
die Bewegung der Wasseroberfläche ist
der schwimmende Wellenkonverter teils durch seine Trägheit stabilisiert,
teils dadurch, dass sich die über
seine große
Fläche
summierten Wasserkräfte weitgehend
aufheben. Weiterhin wird jede Bewegung relativ zum Wasserkörper von
den Rotorengittern gedämpft
und in elektrischen Strom verwandelt. Widerstandskörper an
der Ankerkette, etwa quer gestellte Platten, können zusätzlich die Beweglichkeit des
Wellenkonverters gegenüber
tiefen und damit ruhigen Wasserschichten einschränken. Wegen der Stabilisierung
können
große
Wellen die Lage des Wellenkonverters nicht plötzlich verändern und rollen über diesen
hinweg. 7 zeigt schematisch die Verankerung
des Wellenkraftwerks. Sie soll das wegtreiben der Anlage verhindern.
Die über
einen Auftriebskörper
durchhängende
Ankerkette sorgt für
klar definierte Haltekräfte
und schafft Spielraum bei schwerer See.
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Vorsichtig
geschätzt,
hat eine mittlere Nordseewelle eine Leistung von 14 kW pro Meter
Wellenfront. Trifft diese Front auf die insgesamt 42 m breiten Rotorengitter
des obigen Beispiels, und nimmt man an, dass sie auf ihrem ebenso
42 m langen Weg durch die Gitter größtenteils absorbiert wird,
dann kann man nach Abzug aller Verluste eine mittlere Dauerleistung von
150 bis 200 kW erwarten. In anderen Meeren findet man mittlere Energiedichten
bis 100 kW/m, vor allem auf dem offenen Ozean. Dort könnte das
Beispielkraftwerk sogar 1 MW und mehr leisten. An den Küsten von
Nordspanien und Schottland sind es immerhin noch knapp 50 kW/m,
bei Stürmen
wurden dort auch schon 1000 kW/m gemessen.
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Die
geschätzte
Leistung des Wellenkonverters übertrifft
im Tagesmittel diejenige eines gleich großen Solarmoduls um ein Mehrfaches,
aber kostet nur einen Bruchteil davon. Hinzu kommt, dass die Wellenenergie
zu jeder Tages- und Nachtzeit zur Verfügung steht, insbesondere auch
bei Dunkelheit und bei trübem
Wetter. In den Herbst- und Wintermonaten, wenn in den gemäßigten Breiten
die Tage kürzer sind
und die Gebäude
beheizt werden, steht sie sogar vermehrt zur Verfügung.
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Außer einer
einfachen Verankerung besitzt der vorgeschlagene Wellenkonverter
keinen Bezug zum Meeresboden. Im Gegensatz zu anderen Systemen sind
hier keine aufwendigen Bauarbeiten unter Wasser erforderlich, auch
keine treuren geologischen Untersuchungen des Meeresbodens. Es gibt keine
Einschränkungen
hinsichtlich der Wassertiefe oder der Bodenbeschaffenheit. Der Wellenkonverter wird
in einer Werft gefertigt und von dort an seinen Einsatzort geschleppt,
wo er ohne weiteres Ansehen des Bodens verankert wird. Seine Mobilität erlaubt es,
ihn von Zeit zu Zeit in eine Werft zu bringen um ihn dort zu warten
und zu reinigen.
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Im
offenen Ozean könnte
man auf eine Verankerung verzichten und das Wellenkraftwerk stattdessen
rechnergesteuert mit Hilfe von Segeln oder Zugdrachen und unter
Ausnutzung von Meeresströmungen
in einem günstigen
Meeresgebiet halten. Der aus dem Wind gewonnene Vortrieb würde von den
Rotorengittern in zusätzliche
Nutzleistung umgewandelt. Die erzeugte Energie müsste dann in Form von Wasserstoff
mit Schiffen zum Festland transportiert werden.
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Die
Statik des Wellenkonverters entspricht der eines Tennisschlägers. Sie
kann Kraftspitzen bei hereinbrechenden, großen Wellen gut auffangen und abfedern,
und diese gleichmäßig auf
den Rahmen verteilen. Die Rahmen bieten den Wasserkräften nur wenig
Angriffsfläche.
Durch große
Wellen taucht das Gitter einfach hindurch. Auch die elastischen
Rotorblätter
federn die hereinbrechenden Wassermassen gut ab. Sie könnten bei
extremen Belastungen reversibel nach hinten umklappen und dadurch
ihren Strömungswiderstand
verkleinern.
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Der
vorgeschlagene Wellenkonverter kann wegen seiner wellenschluckenden
Eigenschaften dem Küstenschutz
dienen.
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Die
direkte Umsetzung der Wellenenergie mittels Rotoren bedeutet eine
erhebliche Vereinfachung gegenüber
konkurrierenden Ansätzen.
Ineffiziente Zwischenschritte wie das komprimieren von Luft oder
die Transformation linearer Bewegung in Rotation werden vermieden.
Der hier vorgestellte Wellenkonverter erschließt die unerschöpfliche
Energie der Meereswellen mit einem kaum zu unterbietenden Minimum
an Material und Kosten.