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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 A1 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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GB 228,914 A zeigt
eine Vorrichtung zum Gewinnen von Energie aus Wellenkraft, bei der
zwei Platten im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Dabei soll sich die untere Platte, welche auf der Wasseroberfläche schwimmt
und sich über Federn
gegen die obere Platte abstützt,
angetrieben von Wellen oszillierend bewegen. Die dadurch angetriebenen
Kolbenstangen, welche durch die obere Platte längs ihrer Längsachse geführt sind,
setzen einen Kurbelantrieb in Bewegung, der wiederum einen Dynamo
antreibt.
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US 5,499,889 zeigt eine
an schwimmenden Pfeilern gehaltene Trägerstruktur, an welcher Schwimmkörper aufgehängt sind,
welche durch die Wellenbewegung ausgelenkt werden. Die Schwimmkörper werden
dabei vertikal nach oben durch die Wellen angehoben und fallen durch
die Schwerkraft wieder auf die Wasseroberfläche zurück.
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US 4,622,473 zeigt im Prinzip
eine ähnliche Vorrichtung
wie
US 5,499,889 , wobei
hier in der Art einer Kolbenmaschine Kolben durch Schwimmkörper in
einem Zylinder bewegt werden, wodurch ein weiteres Fluid in Bewegung
gesetzt wird. Die Strömung des
zweiten Fluids wird dann zur Energiegewinnung verwendet. Dabei werden
Kolben bei einem Durchgang einer Welle über einen Schwimmkörper in
dem Zylinder nach oben bewegt, wobei sich das Zylindervolumen verkleinert.
Nach Durchgang der Welle sinkt der Schwimmkörper wieder ab, wodurch sich
das Volumen im Zylinderkörper
vergrößert und
das zweite Fluid in dem Zylinderraum eindringen kann. Die Anlage
arbeitet also nach dem Prinzip einer Kolbenpumpe.
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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