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Die
Erfindung betrifft Wellen- oder Impulskraftwerke, welches die natürlich
auftretenden Energien aus Wellen- oder Windstößen
in nutzbare Energie umwandeln.
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Wasserwellen
oder Windstöße – die z. B. von Fahrzeugen
beim Vorbeifahren an einem Gegenstand erzeugt werden – sind
nach wie vor Energieformen, die nur schwer genutzt werden können.
Windstöße bzw. Luftdruckwellen, wie sie von Fahrzeugen beim
Vorbei- bzw. Entlangfahren erzeugt werden, können als Luftwellen
im Rahmen der Erfindung ähnlich betrachtet werden, wie
Wasserwellen, welche beispielsweise in Ozeanen auftreten. Fährt
ein Fahrzeug an einem Verkehrsschild vorbei, so löst es
an dem Verkehrsschild eine wellenartige Druckveränderung
aus. Gleiches gilt auch für ein Fahrzeug, welches z. B.
neben einer Leitplanke entlang fährt und dessen verdrängte
Luft während des Vorbeifahrens an der Leitplanke eine sich
mit dem Fahrzeug mitbewegende Druckerhöhung erzeugt und
so eine Welle die Leitplanke entlangläuft.
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Zur
Vereinfachung der Beschreibung des Erfindungsgedankens soll der
Erfindungsgedanke anhand von Wasserwellen beschrieben werden, jedoch ist
der Erfindungsgedanke darauf nicht beschränkt, da der Erfindungsgedanke
in jedem Medium, in welchem Wellen erzeugbar sind, angewendet werden kann,
dabei ist der Erfindungsgedanke nicht von der Wellenausdehnungsrichtung
abhängig, solange die mit der Welle einhergehende Bewegung
des sich wellenförmig bewegenden Mediums eine oszillierende
Bewegungen eines Aktuators des erfindungsgemäßen
Wellen- oder Impulskraftwerk hervorruft.
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Vielfach
wird im Stand der Technik das Prinzip zweier sich relativ zueinander
bewegender Körper zur Energieumwandlung der Wellenenergie
in nutzbare Energie verwendet. Dabei werden oftmals Vorrichtungen
verwendet, die sich oszillierend mit der Wellenbewegung auf und
ab bewegen und ihre Bewegungsenergie über Linear- oder
Drehantriebe in nutzbare Energien umwandeln. Bei den nutzbaren Energien
handelt es sich dabei meist um hydraulische oder elektrische Energie.
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EP 0 496 146 A1 zeigt
eine Wellenenergieumwandlungseinrichtung mit vertikal ausgerichteten, mit
dem Meeresgrund fest verbundenen Führungsstangen, an denen
torusförmige Schwimmkörper der Wasseroberfläche
folgend oszillierend auf und ab bewegt werden. Durch diese vertikale
Bewegung der Schwimmkörper wird über einen Generator
Gleichstrom erzeugt, der wiederum dazu verwendet wird, Wasser elektrolytisch
in Wasserstoff und Sau erstoff aufzuspalten. Durch die feste Verankerung
der Führungsstangen im Meeresboden ist die beschriebene Vorrichtung
stark gezeitenabhängig und somit auch sehr anfällig
bei schwerer See. Sie kann ferner aufgrund der Verankerung der Führungsstangen
nur in geringen bis mittleren Wassertiefen eingesetzt werden. Ein
Offshore-Einsatz ist für eine derartige Anlage ungeeignet.
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Damit
sowohl die Wasserspiegelstandsunterschiede auf Grund der Gezeiten
als auch Wetterbedingungen gut kompensiert werden können,
muss die Länge der Führungsstangen entsprechend
lang ausgelegt sein, damit die volle Amplitude der Welle in nutzbare
Energie umgesetzt werden kann. Ferner sind die Führungsstangen,
welche ebenfalls zur Befestigung der gesamten Anlage dienen, weiterhin
so auszulegen, dass sie sämtlichen Witterungsbedingungen
standhalten, da sie ortsfest mit dem Meeresboden verbunden sind.
Damit wirkt auf die Vorrichtung gemäß
EP 0 496 146 A1 die
komplette Wasserkraft der auf sie zuströmenden Wellen,
wodurch die Ausgestaltung der Führungen der Schwimmkörper entsprechend
stabil sein muss.
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WO 99/28622 beschreibt
ein Wellenkraftwerk mit flächig ausgedehnten Pontonen,
die durch die Wellenkraft klappbar zu einer Trägerstruktur,
welche schwimmend im Wasser angeordnet ist, bewegbar sind. Durch
die Klappbewegung der Pontone wird hydraulische Energie erzeugt,
welche ans Festland ableitbar ist. Die bevorzugt langgestreckte
Ausrichtung der beschriebenen Vorrichtung arbeitet dabei bauartbedingt
in einem sehr niedrigen Frequenzbereich, da auf Grund der langgestreckten
Ausbildung nicht jeder Wellenberg und jedes Wellental nachgeführt
werden kann. Die Größe der Pontone lässt
auch eine Hochseefähigkeit (Off-Shore-Fähigkeit)
nicht zu. Durch die langgestreckte Ausbildung der Anlage ist auch
deren Ausrichtung längs zur Wellenausdehnungsrichtung – in
der die Anlage bevorzug betrieben wird – erschwert, was
durch die feste Anbindung durch Leinen am Festland zusätzlich
erschwert wird. Wellen, die quer zur Längsrichtung der
Anlage verlaufen können von dieser nicht nur nicht verwertet werden,
sondern stehen der Beweglichkeit der Klappbarkeit der Pontone entgegen
und können so unter Umständen der Anlage Schäden
zufügen.
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WO 01/73289 A1 zeigt
eine Wellenenergieumwandlungsvorrichtung mit einem Schwimmkörper, der
an einer im Wasser schwimmend gelagerten Führung linear
und kippbar gelagert ist. Für die Umwandlung der Wellenenergie
in nutzbare Energie sollen hierbei sowohl die linearen Bewegungsanteile
als auch Kippbewegungen des Schwimmkörpers ausgenutzt werden.
Die bevorzugt mittels Generatoren umgewandelte elektrische Energie
soll dann ans Festland geleitet werden. Diese in Art einer Boje
taumelnde Vorrichtung wandelt Wellenenergie in elektrische Energie
um, jedoch können damit keine quantitativ nutzbaren Mengen
an Energie erzeugt werden. Die für den Off-Shore-Einsatz
geeignete Vorrichtung ist beispielsweise zum Beleuchten von Bojen
einsetzbar, jedoch trägt nur eine einzige Schwimmereinheit das
gesamte Gewicht der Vorrichtung inklusive des Aktuators. Dadurch
kommt eine Relativbewegung zwischen Schwimmer und Aktuator nur bei
rasch erfolgenden stark beschleunigten Bewegungen zustande. Wird
die Vorrichtung langsam bewegt, so bewegen sich Aktuator und Schwimmer
gleichförmig, wobei keine Energie umgewandelt werden kann.
Der Wirkungsgrad der Vorrichtung nimmt also mit Zunahme rauer Seeverhältnisse
zu.
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Für
den Fachmann ergibt sich also die Aufgabe, eine Vorrichtung vorzusehen,
die die Wellenenergie in nutzbare Energie umwandelt, wobei eine einfache
und robuste Bauform zur effizienten Energieumwandlung ausgebildet
sein soll. Ferner stellt sich die Aufgabe, wie eine solche Vorrichtung
ausgebildet werden soll, damit sie unabhängig von der Wassertiefe
und unabhängig von den Gezeiten bzw. unempfindlich gegenüber
Witterungsbedingungen ist. Außerdem sollen Wellen unterschiedlicher
Richtungen, unterschiedlicher Amplituden und Frequenzen gleichermaßen
nutzbar sein.
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Die
Aufgabe wird durch ein Wellenkraftwerk gemäß Anspruch
1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in
den Unteransprüchen 2 bis 12 angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Wellen- oder Impulskraftwerk
weist eine Vielzahl von flächig, im Wesentlichen nebeneinander
angeordneten Schwimmkörpern auf, die durch Wellen angetrieben
werden und sich dabei unabhängig voneinander oszillierend
entlang von Führungen bewegen. Die Führungen sind dabei
so angeordnet, dass sie im Wesentlichen in Richtung der Amplitude
der Wellen zeigen. Im Falle von Druckwellen, wie z. B. Luftdruckwellen,
erzeugt durch vorbeifahrende Fahrzeuge, können die Führungen
bspw. auch im Wesentlichen parallel zur Fahrtrichtung von Fahrzeugen
stehen, die etwa an einem Verkehrsschild vorbei- oder unter einem
solchen hindurchfahren. Sind die Luftdruckkörper bspw.
an Leitplanken angebracht, so sind ihre zugehörigen Führungen
im Wesentlichen senkrecht zu Fahrrichtung der Fahrzeuge angeordnet.
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Die
an den Führungen geführten Schwimmkörper
(Luftdruckkörper) können sich einzeln unabhängig
von dem jeweilig benachbarten Schwimmkörper in Längsrichtung
der Führungen oszillierend bewegen. Die Schwimmkörper
sind dabei so ausgebildet, dass sie auf Grund ihrer geometrischen
Abmessungen nicht aneinander stoßen. Die Schwimmkörper
können in jeder Form sowohl rund als auch rechteckig bzw.
quadratisch – gesehen in der Ebene quer zur Bewegungsrichtung – ausgebildet
sein. Die einzelnen Schwimmkörper weisen keine mechanische Verbindung
untereinander auf und können sich somit entlang ihrer jeweiligen
Führung frei bewegen. Im Falle eines Flüssigkeitswellenkraftwerks
sind die Schwimmkörper derart ausgebildet, dass sie auf
der Oberfläche schwimmen, d. h. ihre Auftriebskraft größer
ist als ihre immanente Gewichtskraft. Bevorzugt sind die einzelnen
Auftriebskräfte so groß, dass das Gewicht der
Trägerstruktur durch die Summe der Auftriebskräfte
der Schwimmkörper ohne weiteres gehalten werden kann, wobei
der Wirkungsgrad der Anlage mit steigendem Auftriebskraftüberschuss
der Schwimmkörper gegenüber der Gewichtskraft
des Kraftwerkes steigt, da hierdurch die Beweglichkeit der Schwimmkörper
gegenüber der Trägerstruktur gesteigert wird.
Somit werden im Falle eines Wasserwellenkraftwerks die Schwimmkörper
bevorzugt Hohlkörper, Schaumstoffkörper oder Körper
aus ähnlich leichtem Volumenmaterial sein.
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Im
Falle von Luft als wellenbewegtes Medium ist jeder Körper
geeignet, der durch die Luftbewegung in Bewegung versetzt werden
kann. Bevorzugt finden hier plattenförmige Schwimmkörper,
welche hier auch als Luftdruckkörper bezeichnet werden
Anwendung, die flächig gegen die Bewegungsrichtung der
wellenförmig bewegten Luft an Führungen vorgespannt
sind und von diesen geführt werden. Eine sich neben einem
fahrenden Fahrzeug ausbildende Druckwelle, die sich gleichzeitig
horizontal und vertikal ausbreitet, kann dabei die Luftwiderstandselemente
relativ zu der Trägerstruktur, an der die Führungen
für die Widerstandskörper angeordnet sind, bewegen,
wobei die Führungen in Ausbreitungsrichtung der von dem
fahrenden Fahrzeug erzeugten Druckwelle weisen.
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Die
Führungen, welche in Kraftrichtung bzw. Amplitudenrichtung
der Welle angeordnet sind, sind über Verstrebungen fest
miteinander verbunden. Die Verstrebungen sind dabei bevorzugt so
angeordnet, dass freie Enden der Führungen ausgebildet
sind, entlang denen sich die Schwimmkörper frei bewegen können.
Die so einseitig in einer Trägerstruktur (Verstrebungen)
aufgenommenen Führungen sind zueinander im Wesentlichen
parallel angeordnet, so dass die Verstrebungen mit den Führungen
eine nagelbrett-artige Trägerstruktur ausbilden. Die Länge
der Führungsstangen richtet sich nach der jeweiligen zu erwartenden
Wellenhöhe, der daraus resultierenden Wellenkraft und der
dadurch ausgelösten Hubbewegung. Auf jeden Fall reichen
sie nicht bis zum Gewässergrund.
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Die über
die Führungen geführten Schwimmkörper
bzw. Luftwiderstandskörper sind gleichzeitig über
elastische Elemente gegenüber der Trägerstruktur
vorgespannt, so dass die einzelnen Schwimmkörper nach einer
Auslenkung wieder in Richtung ihrer Ausgangsposition zurückbewegt
werden. Durch die flächenhafte, im Wesentlichen parallel zur
Wasseroberfläche ausgerichtete, ausgedehnte und in sich
steife Trägerstruktur können sich die Schwimmkörper
individuell an den Führungsstangen bewegen. Die Trägerstruktur,
welche auch plattenförmig ausgebildet sein kann, agiert
dabei als eine träge Masse, da sie im Vergleich zu einem
einzelnen Schwimmkörper nicht nur großflächig
ausgebildet ist, sondern alle Schwimmkörper als eine Trägerstruktur überspannt.
Während ein Schwimmkörper bevorzugt in der Ebene
quer zur Amplitude bzw. Bewegungsrichtung kleiner ausgebildet ist
als der Abstand zwischen zwei Wellenbergen, d. h. kleiner als die
Wellenlänge, ist die Trägerstruktur in einer parallelen Ebene
in ihren Abmessungen mindestens so groß wie eine Wellenlänge
ausgebildet. Bevorzugt überspannt die Trägerstruktur
jedoch eine Vielzahl von Wellen. Damit wird erreicht, dass die Trägerstruktur gegenüber
der Vielzahl der Schwimmkörper in Amplitudenrichtung, welche
im Wesentlichen der Bewegungs- bzw. der Ozillationsrichtung der
Schwimmkörper entspricht, unbewegt bleibt. Dabei steigt
die Trägheit der Trägerstruktur mit ihrer Ausdehnung,
d. h. je größer die Trägerstruktur, desto
ruhiger kann die diese bspw. im Wasser schwimmend gehalten werden. Trägerstrukturen
für Impulskraftwerke aus bewegter Luft können
jedoch ortsfest befestig werden, um so gegenüber den Bewegungskörpern
an der Stelle zu verharren.
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Durch
die Ausbildung der Trägerstruktur größer
als die Wellenlänge der Wellen, welche die Schwimmkörper
zur oszillierenden Bewegung anregen, wird eine Vorrichtung bereitgestellt,
die ähnlich einem Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs ausgebildet
ist. Kraftfahrzeuge weisen üblicherweise eine Einzelradaufhängung
auf, was bedeutet, dass jedes einzelne Rad unabhängig von
den anderen Rädern des Fahrzeugs Ein- bzw. Ausfedern kann,
wobei die darüber angeordnete Trägerstruktur (Karosserie)
möglichst unbeeinflusst von diesen Vorgängen bleibt. Ähnlich einem
Kraftfahrzeug weist die erfindungsgemäße Energieumwandlungsvorrichtung
für Wellenenergie eine Vielzahl an der Trägerstruktur
vorgespannt angeordneten und an Führungen geführten
Schwimmkörper auf, die sich aufgrund des erheblichen Trägheitsunterschiedes
zwischen Schwimmkörper und Trägerstruktur unabhängig
voneinander entlang der Führungen bewegen können. Ähnlich
einem Kraftfahrzeug wird die Trägerstruktur der erfindungsgemäßen
Vorrichtung durch die Summe der Federkräfte beabstandet
von den Schwimmkörpern gehalten. Im Falle einer vertikal über
den Schwimmkörpern eines erfindungsgemäßen
Wellenkraftwerks angeordneten Trägerstruktur, wird diese
von den Schwimmkörpern sozusagen getragen. Die Trägerstruktur
ist also auf der Vielzahl der Schwimmkörper elastisch in Amplitudenrichtung
der Wellen gelagert, ähnlich eines Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs.
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Die
Vielzahl der Schwimmkörper bewegen sich gesehen in Wellenausdehnungsrichtung
wellenförmig nacheinander, wie eine Welle, die durch das Wellenkraftwerk
läuft, dabei heben und senken sich die Schwimmkörper
relativ zur Trägerstruktur während des Durchgangs
der Welle (ähnlich einer „La Ola-Welle” in
einem Sportstadion). Gleiches gilt für Druckwellen oder
Stoßwellen, welche bspw. durch ein an einem Verkehrsschild,
Leitplanke oder ähnlichem vorbeifahrendem Fahrzeug erzeugt
werden. Hier wird kurzzeitig vom vorbeifahrenden Fahrzeug eine Luftdruckkraft
auf die Druckkörper (Schwimmkörper) der Vorrichtung
erzeugt, die die Druckkörper entlang von Führungen
auf die Trägerstruktur zu oder weg bewegen.
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Im
Allgemeinen gilt, dass je kleiner die Schwimmkörper desto
genauer d. h. empfindlicher können die Schwimmkörper
auf Niveauunterschiede bzw. Druckunterschiede reagieren und die
Wellenbewegung mitmachen. Dabei ist von entscheidender Bedeutung,
wie das Flächengewicht der Schwimmkörper gegenüber
dem Flächengewicht der Trägerstruktur ausgebildet
ist. Unter Flächengewicht soll hierbei das Gewicht bzw.
die Auftriebskraft des Schwimmkörpers bezogen auf seine
flächenhafte Ausdehnung quer zur Bewegungsrichtung verstanden
werden. Für die richtige Auslegung der Größen bzw.
der Gewichtsverhältnisse zwischen Trägerstruktur,
elastischem Element und Schwimmkörper sind die vor Ort
herrschenden Verhältnisse zu berücksichtigen.
Dabei spielen geologische Einflüsse ebenso eine Rolle,
wie Witterungseinflüsse oder auch das Verkehrsaufkommen
auf Kraftfahrstraßen oder Eisenbahnstrecken und Ähnlichem.
Nicht außer Acht gelassen werden darf dabei eine Bestimmung
der maximal zu erwartenden Wellenbewegungen bzw. Wellenkräften,
wobei durch Vorsehen geeigneter Anschläge für
die Schwimmkörper an den Führungsstangen eine
Beschädigung der Vorrichtung durch Überlast weitestgehend
ausgeschlossen werden kann. Durch Vorsehen solcher Anschläge
kann bspw. ein Durchschlagen der Schwimmkörper auf die
Trägerstruktur verhindert werden.
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Die
insgesamt im Falle von Wasserkraftwerken schwimmend gelagerte Anordnung
der gesamten Vorrichtung ist unabhängig von den Gezeiten,
d. h. Ebbe und Flut, und auch weitestgehend unempfindlich gegen
Witterungsveränderungen, wie Sturm oder hoher Seegang.
Dies macht die erfindungsgemäße Vorrichtung somit
auch auf offshore-tauglich, d. h. sie kann auch auf hoher See eingesetzt
werden, da sie sich automatisch dem Wasserspiegel anpasst.
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Jedoch
muss die sich teppichartig über die Wasseroberfläche
ausbreitende Vorrichtung mit einer Leine gegen Abdriften gesichert
werden. Eine solche Leine kann bspw. an einem Punkt der Vorrichtung
befestigt werden und kann mit einem anderen Punkt mit dem Erdboden
oder bspw. mit einem Anker, einer Bohrinsel oder einem Schiff verbunden
sein. Selbstredend kann das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk auch über
mehrere Leinen und Anbindungspunkte ortsfest gegenüber
dem Boden quer zur Bewegungsrichtung der Schwimmkörper
verankert werden. Jedoch ist eine Ankerung nicht unbedingt erforderlich. Eine
Befestigung an einer Muring ist ebenfalls ausreichend. Jedenfalls
ist eine Sicherung gegen ungewolltes Wegschwimmen für die
Funktion der erfindungsgemäßen Wellenkraftumwandlungsvorrichtung
ausreichend. Eine die vertikale Bewegungsfreiheit einschränkende
Befestigung der Anlage bspw. mit dem Boden ist jedoch zu vermeiden.
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Wird
das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk in seiner
flächenartigen bspw. teppichartigen Ausdehnung nur über
einen Punkt mittels einer Leine gegen Abtreiben gesichert, so kann
sich das Wellenkraftwerk, ähnlich einem Schiff, bspw. um
einen Anker drehen und sich so nach der vorherrschenden Wellenrichtung
ausrichten. Wie jeder angeströmte Körper wird
sich auch die erfindungsgemäße Wellenkraftumwandlungsvorrichtung
immer mit der Seite gegen die Wellenausdehnungsrichtung stellen,
die den geringsten Wellenwiderstand aufweist. Somit ist eine bevorzugte
Ausführungsform für die flächenhafte
Anordnung der Schwimmkörper an einer Trägerstruktur,
die einer tropfenförmigen Gestalt, betrachtet in einer
Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung der Schwimmkörper.
Andere Gestaltungsformen wie bspw. eine runde, dreieckige, rechteckige
oder sonstige flächige Gestaltung sind aber ebenfalls vom
Erfindungsgedanken umfasst.
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Der
Anbindungspunkt einer Leine Kette oder Ähnlichem zum Sichern
des Kraftwerks gegen Abtreiben muss dabei nicht unbedingt am Rand
der Vorrichtung angeordnet sein, sondern kann auch in der Ebene
der flächenhaften Ausdehnung in etwa mittig angeordnet
sein, sodass sich die Vorrichtung gewissermaßen um sich
selbst drehen kann.
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Ist
das Kraftwerk z. B. mit einem Eckpunkt an einer Leine angebunden,
welche bspw. mit einem Anker mit dem z. B. Meeresboden verbunden
ist, so muss darauf geachtet werden, dass im kompletten Schwenkbereich
um den Anker keine weiteren Gegenstände vorhanden sind,
die zu einer Kollision mit dem Wellenkraftwerk führen können.
Bezieht man die Ausbeute der umwandelbaren Wellenenergie auf die
durch das Wellenkraftwerk bedeckte Fläche so erkennt man,
dass hier, speziell durch die große Ausdehnung quer zur
Wellenausdehnungsrichtung, eine sehr hohe Energieumwandlungseffizienz
erreicht wird, selbst wenn man einen Bereich absperren muss, in
dem das Wellenkraftwerk frei schwenkbar sein muss. Folglich wird
man den Anbindungspunkt zur Sicherung gegen Abdriften des Wellenkraftwerks möglichst
zentral wählen, so dass die freizuhaltende Fläche
möglichst klein ist.
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Wie
oben schon ausgeführt, ist das erfindungsgemäße
Wellenkraftwerk unabhängig von den Gezeiten, da es auf
der Wasseroberfläche schwimmt und keinen fixen Abstand
zum Meeresboden bzw. Seeboden oder Flussboden aufweist. Damit sind auch
Kräfte, welche quer zur Amplitudenrichtung der Wellen wirken,
durch die Vorrichtung besser ausgleichbar, da solche Kräfte
leicht abgefedert werden können. Ferner taucht die erfindungsgemäße
Vorrichtung aufgrund ihrer schwimmend gelagerten Einzelschwimmkörperaufhängung
nicht sehr tief in das wellenbewegte Medium ein, sodass Querkräfte
nur eine geringe Angriffsfläche finden. Da die Führungen also
nicht bis zum Grund hinabreichen müssen, können
diese im Vergleich zur Vorrichtung aus dem Stand der Technik vergleichsweise
dünn ausgebildet sein, womit ihre Kraftangriffsfläche
für Querkräfte gering ist, welche aufgrund des
geringen Tief gangs der Führungen weiter reduziert ist.
Damit können die Führungen im Vergleich zum Stand
der Technik nicht nur leichter sondern auch kostengünstiger
hergestellt werden.
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Die
Führungen, welche bevorzugt nur einseitig mit der Trägerstruktur
verbunden sind, können in einer anderen Ausführungsform
auch an den der Trägerstruktur gegenüberliegenden
Enden miteinander verbunden sein, um bspw. ihre Steifigkeit in Querrichtung
und ihre Parallelität untereinander zu unterstützen.
Genauso wie die freien Enden der Führungen in einer Ausführungsform
in Richtung Boden bzw. gegen die Aufwärtsbewegung bzw.
Druckwellenrichtung weisen, ist auch eine umgekehrte Anordnung denkbar
bei der die Trägerstruktur bspw. unterhalb des Wasserspiegels
angeordnet und somit an den Schwimmkörpern aufgehängt
ist. Dass eine solche Umkehrung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen
Wellenkraftwerks mit vom Erfindungsgedanken umfasst ist, ist für
einen Fachmann selbstverständlich. Zur Vermeidung von Wiederholungen
wird hier auf eine detailliertere Darstellung verzichtet.
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Durch
die im Wesentlichen frei schwimmende Anordnung der Vorrichtung mit
Sicherung gegen Abdriften mittels einer oder mehrerer Leinen, Ketten o. Ä.
ist eine große Betriebssicherheit des Wellenkraftwerks
gegeben, da weder Gezeiten noch starker Wellengang oder starker
Wind der Funktionstüchtigkeit des erfindungsgemäßen
Wellenkraftwerkes entgegenstehen. Sollte jedoch aufgrund von extremen Wetterlagen,
wie z. B. Wirbelstürmen oder dergleichen, dennoch die Gefahr
bestehen, dass sich das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk
von seiner Leine löst oder sonstige Gefahren, wie Losreißen
oder Kippen der Vorrichtung bestehen, so können die Schwimmkörper
geflutet werden, sodass das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk
unter die Wasseroberfläche abtaucht. Dabei ist bspw. eine
Flutung der Schwimmkörper derart denkbar, dass die gesamte Anordnung
unterwasser in einem Gleichgewicht ist und sozusagen knapp unter
der Wasseroberfläche schwebt, damit das Kraftwerk bei Wetterbesserung wieder
einfach, z. B. über Leinen geborgen werden kann. Selbstredend
ist natürlich eine Absenkung bis auf den Boden bspw. den
Meeresboden eine weitere Möglichkeit die erfindungsgemäße
Vorrichtung aus einer Gefahrenzone herauszubringen, damit bspw. der
Schiffsverkehr nicht behindert wird. Über Pressluft, welche
den einzelnen Schwimmkörpern zugeführt wird, kann
das Medium, auf dem das Kraftwerk schwimmen soll, vor oder nach
dem Aufstieg zur Oberfläche aus der Vorrichtung wieder
ausgeblasen werden.
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Da
es zu solchen Extremsituationen nur selten kommt bzw. in solch gefährdeten
Zonen nur derartige Wellenkraftwerke, die mit einem Unwetterschutz
ausgestattet sind, verwendet werden sollen, ist die Funktionstüchtigkeit
des vorgeschlagenen Wellenkraftwerks praktisch immer und überall
in Wellenbewegten Medien gegeben.
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In
welche Energie die Bewegungsenergie umgewandelt werden soll, wird
bspw. durch Parameter wie durchschnittliche Wellenlänge,
durchschnittliche Wellenhöhe, durchschnittliche Windgeschwindigkeiten,
geologische Verhältnisse, Veränderungen über
die Jahreszeiten hinweg, Wassertemperaturen, maximale Wellenhöhe,
etc. beeinflusst. Dies gilt nicht nur für die Auslegung
der Abmessungen der einzelnen Schwimmkörper und damit des
Trägerkörpers, sondern insbesondere hinsichtlich
der Frage, welche nutzbare Energie das erfindungsgemäße
Wellenkraftwerk zur Verfügung stellen soll, bspw. welche Energie
ein potentieller Abnehmer aufnehmen kann. Im Allgemeinen kommen
hierfür elektrische, hydraulische, pneumatische oder optische
Energien in Frage. Die zahlreichen im Stand der Erfindung beschriebenen
Vorrichtungen zur Umwandlung der Wellen- bzw. Bewegungsenergie der
Schwimm- bzw. Bewegungskörper in eine der vorgenannten
Energiearten können hierbei zum Teil Anwendung finden.
Gleichfalls von entscheidender Bedeutung ist, welche Verbraucher
von der Wellenenergieanlage mit Energie versorgt werden sollen.
So wird man bspw. einen Anzeiger für Untiefen bevorzugt
mit elektrischer Energie versorgen, damit dieser Licht abstrahlen
und vorbeifahrende Schiffe warnen kann. Jedoch wird man zur Wandlung
großer elektrischer Energiemengen eventuell hydraulische
Energie aus dem Wellenkraftwerk bevorzugen.
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Eine
Möglichkeit der Energieumwandlung aus der oszillierenden
Bewegung der Schwimmkörper ist mittels Induktion, wobei
die Führungsstangen hierbei einen magnetischen Kern darstellen
können. Eine umgekehrte Anordnung ist für den
Fachmann hierbei ebenso vorstellbar. Aus vielen induktiv erzeugten
Strömen (Stromstößen) kann dann über eine
geeignete Vorrichtung nach Aufsummieren der Ströme ein
konstanter Strom erzeugt werden. Dabei kann die Höhe der
einzelnen durch die Relativbewegung der Schwimmkörper gegenüber
den Führungen erzeugten Ströme, d. h. die Höhe
der Stromstärke bzw. Spannung, unterschiedlich sein. Durch
die Vielzahl der Schwimmkörper bildet sich eine Durchschnittsstromstärke
bzw. Durchschnittsspannung aus, welche genutzt werden kann.
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Vorzugsweise
wird zur Umwandlung der Bewegungsenergie der Schwimmkörper
in die gewünschte Energieart die kinetische Energie mittels Übertragungselementen – die
auf den Schwimmkörpern und auf den Führungen und/oder
der Trägerstruktur angeordnet sein können – auf
Energieumwandlungseinrichtungen übertragen. Hierbei kommen
die verschiedensten Elemente in Frage, die die Bewegungsenergie
der Schwimmkörper aufnehmen und/oder direkt umwandeln können,
wie z. B. Generatoren, Pumpen, Kolben, etc. So kann ein Schwimmkörper
etwa mittels eines Mitnehmers einen in der Führung angeordneten
Kolben bewegen, der wiederum ein Fluid in Bewegung oder unter Druck
setzt. Ein Schwimmkörper kann aber auch eine Art Pleuel
aufweisen, welches beispielsweise einen Drehantrieb an der dem Schwimmkörper
zugehörigen Führung antreibt.
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Die
bevorzugte Art der Energiewandlung ist das Ausnutzen des induktiven
Effektes, wobei die Übertragungselemente dabei Magnete
und elektrische Leiter aufweisen. Egal welche Umwandlungsart gewählt
wird, es muss gewährleistet bleiben, dass sich die Schwimmkörper
unabhängig voneinander entlang ihrer Führungen
bewegen können. Eine Kopplung der Bewegungen der Schwimmkörper
führt zu Einschränkungen der Beweglichkeit der Schwimmkörper
und die von der Welle übertragbare Energie wäre
nur beschränkt oder gar nicht aufnehmbar.
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Durch
die obigen Darstellungen weist ein erfindungsgemäßes
Wellen- oder Impulskraftwerk gemäß der Erfindung
eine Vielzahl von Vorteilen auf, wie z. B. eine einfache und robuste
Bauform. Dies wird zum einen dadurch erreicht, dass durch die in sich
steife Trägerstruktur die Schwimmkörper unabhängig
voneinander relativ zu der Trägerstruktur oszillieren können
und dabei unabhängig voneinander die Bewegungsenergie in
andere Energieformen umwandeln können. Die Trägerstruktur
bildet eine im Wesentlichen unbewegliche Ebene und folgt nicht der
Wellenbewegung. Jedoch kann das erfindungsgemäße
Wellenkraftwerk den Wasserniveauunterschieden, die durch die Gezeiten
hervorgerufen werden, ohne weiteres folgen und benötigt
auch keine Anpassung bei Gezeiten- oder Wasserstandwechsel. Eine
aufwendige Kopplung der Schwimmkörper untereinander entfällt
vollständig. Weitere Vorteile ergeben sich aus der freien
Formgebung der Trägerstruktur. Speziell in den Abmaßen
in Allgemein horizontaler oder vertikaler Richtung ist die Anlage
leicht skalierbar. Die Anlage kann dadurch auch auf den Bedarf,
welcher durch das Wellenkraftwerk gedeckt werden soll, individuell
angepasst werden.
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Ebenfalls
von Vorteil ist bei der freien Formgebung, dass strömungsangepasste
Formen leicht realisierbar sind. Da zusätzlich keine Abhängigkeit zur
Wassertiefe bzw. eine fast vollständige Witterungsunabhängigkeit
gegeben ist, kann das Kraftwerk kontinuierlich das ganze Jahr über
betrieben werden, solange das sie umgebende Medium ein Fluid bzw.
ein Gas ist.
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Im
Vergleich zu Energieumwandlungsvorrichtungen aus Wellen, welche
aus dem Stand der Technik bekannt sind, können durch die
flächenhafte Ausdehnung der erfindungsgemäßen
Energieanlage auch große Mengen an Energie aus der Wellenbewegung
z. B. der Meeresoberfläche aufgenommen werden. So sind
bspw. Anlagen mit einer Ausdehnung von mehreren Fußballfeldern
ohne weiteres vorstellbar und auch realisierbar. Für kleinere
Anwendungen, wie z. B. zur Energieumwandlung aus vorbeifahrenden
Fahrzeugen an Leitplanken von Kraftfahrstraßen, kann die
Anlage mit Platten zur Windaufnahme/Druckwellenaufnahme auch bspw.
in Bierdeckelgröße ausgeführt werden.
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Durch
die gute Unabhängigkeit von äußeren Einflüssen
ist die erfindungsgemäße Anlage speziell bei der
Erzeugung von nutzbarer Energie aus Wellenbewegungen auch offshore-fähig,
was bspw. bei der Energieversorgung von Hochseebohrinseln von Vorteil
sein kann. Auch kann eine erfindungsgemäße Anlage
in wenig zugänglichen Gebieten installiert werden und bspw.
im Falle von Energiewandlung in elektrische Energie bspw. mit einem
Unterseekabel an das Festland liefern.
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Aufgrund
des einfachen Aufbaus und der sich daraus ergebenden Robustheit
kann die erfindungsgemäße Anlage auch unabhängig
von Wassertemperaturen oder Lufttemperaturen eingesetzt werden,
solange diese im Vorfeld als Temperatur- Arbeitsbereich definiert
wurden. So kann eine erfindungsgemäße Anlage bspw.
sowohl in der Südsee als auch in der Nordsee zum Einsatz
kommen oder auch an Verkehrswegen von Großstädten
oder Dörfern installiert werden.
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Für
eine weitere Steigerung der Energieumwandlungseffizienz bezogen
auf die belegte Fläche können auf der Trägerstruktur
weitere Energieumwandlungsvorrichtungen vorgesehen werden. So ist es
z. B. denkbar auf der der Wasseroberfläche abgewandten
Seite der Trägerstruktur, Sonnenkollektoren zur Umwandlung
von Sonnenenergie in elektrische Energie (Photovoltaik) oder Sonnenenergie
in thermische Energie (Solarthermie) zusätzlich anzuordnen.
Es können aber auch andere Vorrichtungen aus der schwimmenden
Trägerstruktur der erfindungsgemäßen
Energieumwandlungsanlage Nutzen ziehen wie z. B. Windenergieanlagen,
wenn diese so angeordnet werden, dass die Trägerstruktur
weiterhin im Allgemeinen horizontal auf der Wasseroberfläche,
d. h. senkrecht zur Auslenkungsrichtung der Schwimmkörper,
angeordnet bleibt.
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Denkbar
ist aber auch der umgekehrte Fall in dem bspw. in Windparks der
zwischen den einzelnen Windrädern nicht ohne Weiteres nutzbare
Raum von einem erfindungsgemäßen Impulskraftwerk überspannt
werden kann., Dabei können bspw. zwischen zwei, drei, vier
oder mehreren Stützpfeiler der Windräder zur Erzeugung
elektrischer Energie aus Windkraft ein oder mehrere erfindungsgemäße
Impulskraftwerke – auch vertikal übereinander
-derart angebracht werden, dass die bewegte Luft, welche zwischen
den Pfosten der Windräder hindurch strömt die einzelnen
Bewegungskörper/Luftwiderstandskörper in Bewegung
versetzt. Damit wird zum einen eine bessere energetische Flächenausnutzung
der vorhandenen Windparks erreicht und zum anderen eine gute infrastrukturelle
Einbindung zweier verschiedener Energieumwandlungseinrichtungen
realisiert.
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Bei
Windenergieanlagenparks die in Ufernähe eines Gewässers
errichtet sind, gilt das oben genannte sinngemäß d.
h. die erfindungsgemäße Energieumwandlungsvorrichtung
kann dort auch mit Wellenkraft betrieben werden, wobei die Trägerstruktur entweder
schwimmend über der Wasseroberfläche oder schwimmend
unter der Wasseroberfläche angeordnet ist. Über
ein, zwei oder mehreren Pfosten der Windanlage kann das erfindungsgemäße
Wellenkraftwerk dann gegen Abtreiben gesichert werden.
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Die
oben erfolgten Darstellungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung soll nun anhand von Figuren an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dargestellt
werden. Die bevorzugte Ausführungsform wird beispielhaft
anhand eines Wasserwellenkraftwerkes dargestellt, wobei die gemachten
Ausführungen sinngemäß auch für
ein Impulskraftwerk, welches durch Luftimpulse angetrieben wird,
gelten. Die Ausführungsform wird in zwei Figuren dargestellt
und beschrieben, dabei zeigen:
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1 eine
perspektivische schematische Darstellung eines Wellenkraftwerks
gemäß der Erfindung;
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2 eine
perspektivische schematische Darstellung eines flächenhaft
ausgebildeten Wellenkraftwerks gemäß der Erfindung;
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In 1 ist
beispielhaft eine Welle (10) dargestellt, auf der ein erfindungsgemäßes
Wellenkraftwerk 1 angeordnet ist. Das beispielhaft aus
vier Schwimmkörpern 2 mit den zugehörigen
vier Führungen 4 ausgebildete Kraftwerk ist in 1 vereinfacht dargestellt,
um den Grundgedanken der Erfindung zu verdeutlichen. Die verschiedenen
Schwimmkörper 2 können, wie aus 1 ersichtlich,
unabhängig voneinander an den Führungen 4 im
Wesentlichen senkrecht auf und ab oszillieren. Die Führungsstangen 4 sind
hierbei im Wesentlichen senkrecht, d. h. vertikal zur Wasseroberfläche
ausgerichtet und werden über Verstrebungen 6 in
Position gehalten. Dabei sind die Führungen 4,
welche im Bereich der Verstrebungen zusammen mit diesen eine Trägerstruktur 12 ausbilden,
nur mit einem Ende in der Trägerstruktur aufgenommen. Die
freien Enden der Führungen weisen auf den Meeresgrund.
Wie bereits oben ausgeführt müssen die Führungen 4 nicht
notwendigerweise nur über Verstrebungen 6 miteinander
verbunden sein, sodass ihre parallele Anordnung zueinander gewährleistet
ist, sondern dies kann durch jegliche andere Maßnahme,
welche dem Fachmann geläufig ist erfolgen. Ebenfalls ist
es nicht zwingend notwendig, dass die anderen Enden der Führungen,
welche nicht durch die Trägerstruktur aufgenommen sind,
abweichend von der Darstellung in 1 ebenfalls
miteinander verbunden sind, solange die Schwimmkörper in
ihrer unabhängigen oszillierenden Bewegung nicht behindert
werden.
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Die
in 1 beispielhaft dargestellte Anlage zeigt die Schwimmkörper 2 durch
elastische Elemente 8 gegenüber der Trägerstruktur 12 vorgespannt, welche
in dieser Ausführungsform Zug-Druck-Federn sind. Dabei
sind die Federn je nach relativer Position des Schwimmkör pers 2 zur
Führung 4 entweder auf Druck oder auf Zug belastet.
Damit wird sichergestellt dass der Schwimmkörper um eine
Zwischenposition an seiner jeweiligen Führung pendeln kann,
und die Trägerstruktur weitgehend horizontal, elastisch,
in etwa parallel zur Wasseroberfläche gehalten wird. Je weniger
sich die Trägerstruktur mit den darin oder daran befindlichen
Führungen bewegt und gegenüber den Schwimmkörpern 2 in
Ruhe ist, desto effektiver kann eine Energieumwandlung der Wellenenergie
in nutzbare Energie erfolgen. Eine flächenmäßige
Vergrößerung der Anlage führt zu einer
Verringerung der Bewegung der Trägerstruktur.
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In 1 ist
ein Wellenkraftwerk beispielhaft mit vier Schwimmkörpern 2 dargestellt,
was eine praktikable Untergrenze der Ausführung eines erfindungsgemäßen
Wellen- oder Impulskraftwerks darstellt. Zwar ist theoretisch ein
erfindungsgemäßes Wellenkraftwerk mit nur zwei
Schwimmkörpern 2 und zwei Führungen 4 mit
dem entsprechenden Versteifungen 6 vorstellbar, jedoch
dürfte das Kippmoment, welches eine solche Anordnung aufweist,
derart groß sein, dass ein effiziente Energieumwandlung
nicht sinnvoll ist. Die in 1 gezeigte
Anordnung mit vier Schwimmkörpern 2 und vier Führungen 4 kann
somit als Grundmodul verstanden werden, wobei die Verbindung derartiger
Grundmodule genauso steif, biegefest sowie zug- und druckfest ausgebildet
sein muss, wie die Verbindung der Führungen untereinander
innerhalb des Moduls. Aus fertigungstechnischen Gründen
kann es von Vorteil sein, den Aufbau eines Wellenkraftwerks gemäß der
Erfindung modular zu gestalten und beispielsweise von Zweier oder
Vierer-Modulen auszugehen.
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2 zeigt
ein aus einer Vielzahl von Schwimmkörper und Führungen
aufgebauten Wellenkraftwerk in rechteckiger Ausführungsform,
welches teppichartig die Meeresoberfläche bedeckt. Lässt
man die angedeuteten Wellen 10 gedanklich durch den Teppich
laufen so ist leicht ersichtlich, dass eine Welle, die die aufeinanderfolgenden
Schwimmkörper zeitlich nacheinander wellenförmig
auslenkt, wenn die Welle durch das Wellenkraftwerk läuft
(vergleichbar mit einer „La-Ola-Welle” durch ein
Sportstadion). Mittels der einzelnen Schwimmkörper wird
die Welle von den einzelnen Schwimmkörpern sozusagen nachgebildet,
d. h. die Wellenform wird durch die Vielzahl der Schwimmkörper
kopiert. Da sich nicht alle Schwimmkörper gleichzeitig
auf einem Wellenberg oder in einem Wellental befinden bleibt bei
entsprechend großer Auslegung des Wellenkraftwerks die
Summe der Auftriebskräfte im Gleichgewicht mit der Summe
der Gewichtskräfte, wodurch die Trägerstruktur
in ihrer räumlichen Anordnung relativ zur Wasseroberfläche
im Wesentlichen unbewegt bleibt. Jeder Schwimmkörper verhält
sich dabei ähnlich einem Fahrzeugrad, welches an einem
Auto befestigt ist, das über eine unebene Schotterstrecke
fährt.
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Aus 2 wird
ebenfalls ersichtlich, dass über die Vielzahl der Verstrebungen
bzw. Verbindungen zwischen den einzelnen Führungen 4 Leitungen ausgebildet
sein können, um bspw. die umgewandelte Energie zentral
einem Energiespeicher zuzuführen. Dabei können
die einzelnen Leitungen zusammengefasst werden oder aber auch über
die Eckpunkte aus dem teppichartigen Wellenkraftwerk abgeleitet
werden.
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2 macht
auch deutlich, dass die fachwerkartige Struktur der Trägerstruktur
ebenfalls als eine geschlossene Platte ausgebildet sein kann, solange
die Führungen 4 im Wesentlichen parallel zueinander
in vertikaler Ausrichtung in der Bewegungsrichtung der Schwimmkörper
ausgerichtet bleiben.
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1 und
auch 2 zeigen auf, dass die Führungen nicht
nur auf einer Seite miteinander verbunden sein müssen,
sondern auch auf der freien Seite durch Verstrebungen oder sonstige
Einrichtungen miteinander Verbunden sein können, um die
Parallelität der Führungen und deren Steifigkeit
zu erhöhen.
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2 macht
weiterhin deutlich, dass von der ausgebildeten Trägerstruktur
weitere Vorrichtungen getragen werden können, wie z. B.
Energiespeicher, Vorrichtungen zum Weiterleiten der umgewandelten Energie
oder auch Solarzellen, etc.
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- 1
- Wellen-
oder Impulskraftwerk
- 2
- Schwimmkörper
- 4
- Führung
- 5
- Verstrebung
- 6
- Trägerstruktur
- 8
- Elastisches
Element
- 10
- Welle/Wasseroberfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0496146
A1 [0005, 0006]
- - WO 99/28622 [0007]
- - WO 01/73289 A1 [0008]