DE102009008211A1

DE102009008211A1 - Energiegewinnung aus Wellen oder Impulsen

Info

Publication number: DE102009008211A1
Application number: DE102009008211A
Authority: DE
Inventors: Philipp Sinn
Original assignee: Individual
Current assignee: Sinn Power GmbH
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2029-02-11
Also published as: DE102009008211B4

Abstract

Wellenkraftwerk umgeben von Flüssigkeit bestehend aus einem Basisrohr, welches im Wesentlichen über die Grenzschicht zwischen Gas und Flüssigkeit ragt und auf der Flüssigkeitsseite eine Öffnung aufweist. Diese Öffnung ermöglicht einen Ausgleich des Flüssigkeitsdrucks in das Basisrohr. Entscheidend ist, dass der Raum über die zur Nutzung vorgesehene Amplitude der Welle zur Umgebung hin abgeschlossen ist. Eine vorbeilaufende Welle erzeugt eine auf und ab oszillierende Grenzschicht und somit sowohl auf der Gasseite als auch auf der Flüssigkeitsseite eine oszillierende Strömung in dem Basisrohr, ähnlich wie bei einem Kolben in einem Zylinder. Diese Strömung kann entweder gasseitig oder luftseitig über einen geeigneten Strömungsumwandler in nutzbare Energie (zum Beispiel Strom) umgewandelt werden. Vorzugsweise sind Varianten in niedrigen Gewässern als über dem Grund fixiert aber auch schwimmend und auch im Verbund vorstellbar. Grundsätzlich ist ein Kraftwerk wie erfindungsgemäß beschrieben äußerst robust, einfach und günstig. Außerdem verspricht die minimale Anzahl von nur einem bewegten Teil bei der bevorzugten Ausführung geringsten Verschleiß.

Description

Die Erfindung betrifft ein Aufbau, welcher die natürlich auftretende Energie aus Wellen in nutzbare Energie umwandelt.
Wellen auf Wasseroberflächen treten so gut wie in jedem größeren Gewässer auf. Wasserwellen können Energie über weite Stecken ohne nennenswerte Verluste transportieren. Wellen entstehen im Wesentlichen durch Winde, die an irgendeiner Stelle eines zusammenhängenden Gewässers ihre Energie in die Welle abgeben. Natürlich können noch andere Faktoren zur Bildung von Wasserwellen führen, im Wesentlichen spiegeln Wasserwellen jedoch die in lang gezogenen Wellen gebündelte Energie großer Windflächen wieder. Hieraus erklärt sich eine große natürlich Energiedichte, die es zu nutzen gilt.
Leider sind Wasserwellen speziell in gossen Gewässern wie den Weltmeeren schwer berechenbar. Oft sind Wellen sehr unruhig, haben unterschiedliche Höhen, Längen, Geschwindigkeiten und Richtungen. Die Technik zur Nutzung von Wasserwellen ist nicht nur oft aggressivem Salzwasser ausgesetzt, sondern auch der kontinuierlichen mechanischen Belastung. Speziell auch Extremsituationen, wie sie durch Stürme hervorgerufen werden, machen dieses große ungenutzte Potential an Energie sehr schwer erschließbar.
Zur Vereinfachung der Beschreibung des Erfindungsgedankens soll der Erfindungsgedanke an Hand von Wasserwellen beschrieben werden, jedoch ist der Erfindungsgedanke darauf nicht beschränkt, da er zwischen der Grenzschicht jeder Kombination zweier Medien, von Gas zu flüssig, 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 Bewegung eines Aktuators des erfindungsgemäßen Wellenkraftwerks hervorruft.
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 meist um hydraulische oder elektrische Energien. Anlagen dieses Prinzips gibt es primär an Küsten oder in niedrigen Gewässern, zum Teil auch schwimmend in tiefen Gewässern. Wegen des hohen Verschleißes bei mechanischen Verfahren zur Energiegewinnung ist es bislang noch nicht gelungen, Anlagen zu definieren, die auch bei dauerhafter Belastung eine hohe Lebensdauer versprechen.
Auch wenn in manchen mechanischen Systemen schon erste Lösungsansätze zur Bewältigung von extremen Bedingungen integriert sind, bleibt die Mechanik der wunde Punkt für diese Art von Wellenkraftwerken. Hinzu kommt, dass die meist großen Angriffsflächen von Anlagen beim bisherigen Stand der Technik insofern Nachteile aufweisen, als ihre bisweilen komplexe Mechanik rauen Witterungsbedingungen nicht and hält.
Des weiteren sind Methoden zur Nutzung der Wellenergie entwickelt worden, bei denen die Wellenberge in einem Überlaufbecken über dem Wasserniveau gesammelt werden, um mit Hilfe einer Turbine Energie über einen Rücklauf auf normales Meeresniveau zu gewinnen. Es gibt Anlagen, die fest verankert sind und mit Brandungswellen arbeiten sowie auch schwimmende Anlagen, die eine Energiegewinnung in tieferen Gewässern zulassen. Der Nachteil solcher Anlagen liegt in der nur geringen Energieausbeute in Relation zum Aufwand. Da das Becken deutlich über dem Wasserniveau liegen muss, um überhaupt einen Niveauunterschied zum Meerwasser darzustellen, können nur kleine Teile der Wellenberge energetisch genutzt werden. Außerdem können nur hohe Wellen genutzt werden, die über den Rand des Überlaufbeckens hinwegschwappen. Hinzu kommt, dass Küstenanlagen grundsätzlich Widerstand in der Bevölkerung hervorrufen. Die schwimmenden Varianten dieser Methode zur Nutzung von Wellen sind Gebilde, die aus fachmännischer Sicht wenig Chancen bieten, extremen Wetterbedingungen stand zu halten.
Zur Nutzung von Brandungswellen an Küsten hat man des weiteren Anlagen konstruiert, die aus einem luftdichtem Raum an Land bestehen, der einen Unterwasserzugang zum Meer hat und über einen mit einer Turbine besetzten Kanal mit der Außenluft verbunden ist. Die einlaufenden Wellen drücken über die unter der Wasseroberfläche liegende Verbindung Wasser in den Raum und lassen dort das Wasserniveau steigen und fallen. Das steigende und fallende Wasserniveau, angeregt durch den Wellendruck der eintreffenden Wellen, führt zur Kompression und Dekompression der Luft in dem Raum sowie zu einem alternierenden Luftstrom vom Gebäude nach außen und zurück nach innen, der eine Turbine aktiviert. Auf diese Weise wird der wechselnde Druck des Raums in nutzbare Energie gewandelt. Das relativ einfache Prinzip mit hoher energetischer Ausbeute hat bereits mehrer Pilotprojekte erfolgreich überstanden. Nachteilig an der Konstruktion ist, dass in den Rohrleitungen zwischen Meer und Land erhebliche Mengen an Wasser hin und her bewegt werden müssen, was zu Trägheitsverlusten führt. Ein anderer Nachteil liegt darin, dass dieser Anlagentyp umfangreiche Bauten auf dem Land erfordert, was mit rivalisierenden Nutzungen im Konflikt steht und auf den Widerstand der Bevölkerung stößt. Die menschenleeren Räume im Meer, abseits der Küsten, können mit dieser Methode bisher nicht erschlossen werden.
Angesichts des Verschleißproblems und der Probleme, die mit der Landnutzung verbunden sind, stellt sich für den Fachmann die Aufgabe, eine robuste und verschleißarme Vorrichtung im Wasser zu schaffen, die die Wellenenergie in nutzbare Energie umwandelt. Die Vorrichtung muss auch abseits der Küsten und unabhängig von der Wassertiefe oder den Gezeiten einsetzbar und unempfindlich gegenüber Witterungsbedingungen sein. Außerdem sollen Wellen unterschiedlicher Richtung, unterschiedlicher Amplitude und Frequenz gleichermaßen nutzbar sein und einen möglichst großen Teil ihrer Energie abgeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Wellenkraftwerk gemäß Anspruch 1. gelöst. Bevorzugte Ausführungen sind in den Unteransprüchen 2.–15. angegeben.
Das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk weist in seiner einfachsten Form ein auf beiden Seiten offenes Rohr (oder rohrähnliches Gebilde oder länglichen Raum) auf, im Folgenden Basisrohr genannt, welches auf einer Seite in das Wasser hineinragt und mit einem an einer Stelle den Querschnitt überspannenden Strömungsumwandler, so zum Beispiel einer Turbine, einem Strömungsrad oder einem Schwimmkörper, bestückt ist, der über einen Generator gekoppelt Strom erzeugt.
Wenn eine Strömung dieses Basisrohr durchströmt, wird über die Verzögerung des Mediums der Strömungswandler angeregt und Strom erzeugt.
Zur sinnvollen Nutzbarmachung der Energie aus Wellen muss dieses Basisrohr vorzugsweise ungefähr senkrecht zur Wasseroberfläche stehen. Je nach Einsatzgebiet muss das Basisrohr, zur optimalen Energieausbeute, mindestens über das Niveau der durchschnittlich auftretenden Wellenberge aus dem Wasser ragen und auf der anderen Seite mindestens unter das Niveau durchschnittlich auftretender Wellentäler in das Wasser ragen. Über dieses Mindestmaß hinaus ist eine Verlängerung möglich.
Es kann zweckmäßig sein, das Rohr dabei etwas zu neigen, oder leich kippflexibel zu gestalten, so dass es an seinem unteren Ende in die Strömungsrichtung der Wellen zeigt, damit die Kraft, die in der leichten Vorwärts- und Rückwärtsbewegung der Wellen steckt, ebenfalls genutzt werden kann. Auch ist des denkbar, das im Wesentlichen senkrecht stehende Basisrohr unten mit einem leicht gekrümmten und gegen die Wellen geöffneten Einlaufstutzen zu versehen, um so den Vorwärtsdrang der aufsteigenden und Rückwärtsdrang der absteigenden Wellen mit auszunutzen.
Voraussetzung für die Nutzbarmachung ist, dass das Basisrohr wie oben beschrieben in Oszillationsrichtung, also der schräg nach oben gerichteten Aufwärts- und schräg nach unten gerichteten Abwärtsbewegung der Wellen fixiert ist, gebremst wird oder gegenläufig zur Welle pendelt.
Bei einer nach beschriebener Ausführung mit dem Grund fest verbundenen Ausführung müssen bei der Längenbestimmung des Basisrohrs auch Gesamtniveauänderungen, so wie sie zum Beispiel durch die Gezeiten hervorgerufen werden, mit berücksichtigt werden. Grundsätzlich muss ein fixiertes Wellenkraftwerk mit der unteren Öffnung unter dem niedrigsten zu nutzenden Wasserniveau einschließlich des Wellentals liegen und mit der oberen Öffnung über dem höchsten zu nutzenden Wasserniveaus einschließlich des Wellenbergs.
Durch das Auf und Ab der Wellen relativ zur Position des Basisrohres steigt in dem Basisrohr im gleichen oder ähnlichen Maße das Wasserniveau, und es entsteht eine oszillierende Wasser- und Luftströmung im Basisrohr. Diese Strömung kann in elektrischen Strom gewandelt werden. Im einfachsten Fall kann man hier an eine Turbine oder ein Strömungsrad denken, die/das das Basisrohr an einer Stelle quer zur Strömungsrichtung überspannt. Aber natürlich ist genauso der Einsatz von beispielsweise hydraulischen oder rein mechanischen Energiewandlungssystemen vorstellbar. Einfach herzuleiten ist auch ein im Inneren des Basisrohrs an der Wasser-Luftgrenze schwimmender Körper, der induktiv, hydraulisch oder mechanisch seine Hubbewegungen gegenüber dem Basisrohr in energetisch nutzbare Kraft umsetzt. Solch ein schwimmender Körper wird in diesem Text ebenfalls als Strömungswandler angesehen, und zwar unabhängig davon, ob er sich geführt oder frei schwimmend bewegt.
Im Fall einer Turbine oder eines Strömungsrades, die im Basisrohr liegen, soll je nach Auslegungsfall oder Bedarfsfall der Strömungswandler entweder im flüssigen oder im gasförmigen Medium platziert sein, mit anderen Worten also entweder im Basisrohr auf der Luftseite oder im Basisrohr auf der Wasserseite.
Grundsätzlich gilt bei dieser Art von Wellenkraftwerk, dass hier viele Einheiten von Basisrohren mit integriertem Energiewandlungssystem einen großen gemeinsamen Verbund bilden, wobei es unerheblich ist, ob die einzelnen Einheiten in einigem Abstand zueinander stehen oder ähnlich wie zum Beispiel bei Bienenwaben eine gewisse Fläche überspannende Wabe ergeben. Für den Praxisfall wird ein Wellenkraftwerk mit annähernd vertikalen Basisrohren, die in gewissem Abstand zueinander platziert sind, von Vorteil sein, da dieses Kraftwerk die natürlich Laufrichtung von Wellen weniger behindert als eine geschlossene Einheit, was die Anfälligkeit gegenüber extremen Wetterbedingungen deutlich verringert.
Der Strömungsumwandler, der im einfachsten Fall aus einem Wind- oder Wasserrad und einem Dynamo besteht, soll möglichst schnell auf wechselnde Strömungsvorkommen reagieren können, um den unterschiedlichen Profilen von Wellen gerecht werden zu können. Hierfür empfiehlt es sich, kleine, leichte Bauteile als Strömungsumwandler/Stromwandlungseinheiten einzusetzen, die wenig eigene Trägheit besitzen. Von weiterem Vorteil wären Strömungen mit größeren Geschwindigkeiten, als sie von natürlichen Wellen in einem Basisrohr erzeugt vorkommen, um die Energie sinnvoll und kostengünstig nutzen zu können. Eine relativ verkleinerte Stromwandlungseinheit mit schnellen Strömungen wird dadurch erzielt, dass eine Verjüngung im Basisrohr auf Höhe des Strömungswandlers gesetzt wird. In dieser Verjüngung wird nach dem Venturiprinzip das durchströmende Medium beschleunigt, so dass seine Energie von einem Strömungswandler, der diesen Querschnitt überspannt, effizient aufgenommen werden kann. Das Wellenkraftwerk kann so besser verschiedene, auch kleine schnelle Wellen nutzen, und wird der Voraussicht nach so auch kostengünstiger.
In Küstennähe kann das Basisrohr des Wellenkraftwerks unter Wasser bis zum Grund verlängert werden und zum Beispiel direkt im Boden fixiert werden, so dass es ortsfest befestigt ist. Wichtig ist jedoch in dem Fall, in dem die Unterseite des Basisrohrs geschlossen wird, dass nach wie vor Wasser oder sonstiges Betriebsmedium, ohne großen Strömungsverlust und möglichst nahe unter der Unterseite der durchschnittlich auftretenden Wellentäler von außen in das Rohr eindringen kann, so dass ungehindert ein Druck- und damit Wasserniveauausgleich zwischen dem Basisrohrinneren und der unmittelbaren Umgebung des Basisrohrs entsteht. Hierzu eigen sich zum Beispiel Fenster die unter Wasser in dem Basisrohr integriert sind. Genauso sind andere Halterungen des Basisrohres denkbar, die selbst im Boden verankert sind und bei denen das Basisrohr unter dem Tiefstniveau der Wellentäler offen gelassen wird.
Gerade auch bei der Anbringung in Küstennähe kann eine leichte Neigung der Basisrohre, so dass sie an ihrem unteren Ende in die Wellenrichtung zeigen, nützlich sein. Genauso kommt auch hier ein leicht gekrümmter Einlaufstutzen in Frage.
Ein solcherart im Boden verankertes Wellenkraftwerk kann ohne weiters weitere Funktionen und zusätzliche Kräfte aufnehmen. So kann der Energiewandler mit jeglicher Art von Aufbauten oder Anbauten kombiniert werden, die sonst auch im Boden verankerte Rohre, Pfeiler oder ähnliches benötigen. So kann zum Beispiel das Basisrohr in verlängerter Form als Mast eines Windrads dienen, oder die Pfeiler von Stegen oder sonstigen Plateaus bilden. Es ist nicht erforderlich, dass das Basisrohr unten senkrecht unter die Wasseroberfläche geführt wird, auch seitliche Verlängerungen in das Umgebungswasser sind möglich, wenn nicht gar aus den beschriebenen Gründen sinnvoll. Auch die Hohlpfeiler bereits existierender und im Wasser verankerter Windräder können nach dieser Methode nachträglich umgebaut werden.
Es gibt grundsätzlich fünf Möglichkeiten, den Wellenhub im Rahmen des in dieser Patentschrift definierten Verfahrens in Energie zu verwandeln.

1. Die Strömung, die sich im Basisrohr über und unter der Grenzschicht Wasser/Luft befindet und mit dem Wellengang oszilliert, wird in dem Basisrohr mittels Strömungswandler nebst Generator in elektrischen Strom umgewandelt. Die Strömung im Basisrohr kann sowohl im Wasser als auch auf der Luftseite genutzt werden. Hierbei ist eine im Boden fixierte, eine auf dem Wasser schwimmende oder auch eine im Wasser schwebende Ausführung denkbar. Schwimmende als auch schwebende Varianten müssen gegen Abtrieb gesichert werden, und eine vertikale Oszillation des Basisrohrs mit den Wellen muss unterbunden/gebremst/umgekehrt werden. Schwebende Varianten müssen neben einer Abtriebssicherung auch in Lage und Niveau stabilisiert werden.
2. Die Luft, die sich über der Wasseroberfläche im Basisrohr befindet und mit dem Wellengang oszilliert, wird über Rückschlagventile oder anderweitig gesteuerte Ventile richtungweisend in ein Rohrsystem gelenkt, so dass ein Luftstrom von der Umgebungsluft in die Anlage und dann wieder nach außen entsteht, der an einer oder mehreren Stellen durch Turbinen oder Windräder nebst Generator in elektrischen Strom verwandelt wird. Die Anlage wirkt hier ähnlich wie eine Kompressorkolbenpumpe mit einem oder mehreren Zylindern, bei der der oszillierende Wasserstand wie ein Kolben wirkt, der den Luftstrom durch das Gerät erzeugt. Sie ist fest im Boden zu verankern oder auf Schwimmkörpern zu lagern, wobei die Anlage bei der schwimmenden Variante gegen Abtrieb gesichert werden muss und eine vertikale Oszillation des Basisrohrs mit den Wellen unterbunden, gebremst oder umgekehrt werden muss.
3. Die Luft oszilliert in einem geschlossenen (und nur durch ein Steuerungsrohr zur Anpassung des Luftdrucks mit der Außenwelt verbundenes) Rohrsystem, das mehrere Basisrohre verbindet, so dass die Bewegungsenergie auf dem Wege über Turbinen oder, Strömungsräder nebst Generator oder andere mechanische Umwandlungssysteme in elektrischen Strom verwandelt wird. Die Anlage schwimmt von allein und muss dann nur gegen Abdrift gesichert werden. Außerdem kann die Anlage schwebend im Wasser positioniert werden. Schwimmende oder schwebende Varianten müssen gegen Abtrieb gesichert werden, und eine vertikale Oszillation des Basisrohrs mit den Wellen muss unterbunden, gebremst oder umgekehrt werden. Schwebende Varianten müssen neben einer Abtriebssicherung auch in Lage und Niveau stabilisiert werden.
4. In Kombination von Verfahren 2 und 3 strömt die Luft in einem geschlossenen Rohrsystem entlang eines vorgegebenen Kreislaufs. Dabei wird wie bei Verfahren 2 über Ventile aus der Oszillation des Wasserstands in den Basisrohren ein gerichteter Luftstrom erzeugt, der an weitgehend beliebiger Stelle des Kreislaufs abgegriffen werden kann, um über Turbinen oder Windräder nebst Generator Strom herzustellen. Auch hier besteht der Kontakt zur Außenluft nur insoweit, als es ein kleines Verbindungsrohr mit einer Kompressor-Luftpumpe zur Sicherung des Druckniveaus geben muss. Auch diese Anlage kann selbst schwimmend oder im Wasser schwebend positioniert sein. Selbst schwimmende und auch schwebende Varianten müssen gegen Abtrieb gesichert werden, und eine vertikale Oszillation des Basisrohrs mit den Wellen muss unterbunden, gebremst oder umgekehrt werden. Schwebende Varianten müssen neben einer Abtriebssicherung auch in Lage und Niveau stabilisiert werden.
5. Als weitere Variante kann das in 4 beschriebene Gerät geflutet werden, so dass der Zirkulationskreislauf aus Wasser (oder einer anderen Flüssigkeit) statt aus Luft besteht. In diesem Fall ist die Anlage ganz unter Wasser zu halten, und das Auf- und Ab der Wellen führt über die Aus- und Einlassventile zu einem gerichteten Wasserstrom, dessen Energie mittels Turbine und Generator in Strom verwandelt wird. Diese Kraftwerksvariante muss im Boden verankert oder über Schwimmkörper und Ketten oder Seile vertikal in einer festen Position gehalten werden. Die Öffnungen der Basisrohre sind dicht unter der Wasseroberfläche zu halten, was quasi bedeutet, dass das Gerät gemäß Ausführung 4 (freilich mit dem Unterschied, dass an die Stelle der Luft nun ebenfalls Wasser tritt) auf den Kopfgestellt wird.

Auch das fest mit dem Boden verbundene Wellenkraftwerk der Bauart 1 ist als schwimmende Variante vorstellbar. So kann das Basisrohr durch einen Schwimmkörper oder Auftriebskörper getragen sein. Falls diese Möglichkeit bei Variante 1 vorgesehen werden soll, muss die Apparatur so fest im Boden verankert werden, dass der Auftrieb auch bei starker Wellengang ausreicht, die Konstruktion in der Vertikalen stabil zu halten. Dazu können im Meeresgrund fixierte Seile oder Ketten dienen, die in der Länge veränderbar sind. Das obere und untere Ende des Basisrohrs muss durch diese Vorrichtung wie oben beschrieben auf dem richtigen Niveau zur Energiegewinnung aus Wellen im Wasser gehalten werden. In dieser Bauform muss das Seil bzw. die Kette stets gespannt sein und neben Abtrift die vertikale Oszillation verhindern.
Als aussichtsreich erscheinen generell Varianten im Verbund die sich gegenseitig stabilisieren, denn sie erlauben eine wesentlich stabilere Positionierung der Geräte im bewegten Meer und ermöglichen schwächere Befestigungssysteme. Werden die im Verbund stehenden Basisrohre luftdicht verschlossen, so dass sich ein festes Luftpolster bildet, kann das zwischen Wasser und Rohrsystem eingeschlossene Luftvolumen auch für eigenen Auftrieb sorgen, so dass keine zusätzlichen Auftriebskörper benötigt werden. Das steigende und fallende Wasserniveau im Basisrohr führt dann zu einem Druckanstieg und Druckabfall im Basisrohr.
Die Anbindung jedes einzelnen Basisrohrs an den Grund sollte bei dieser Lösung vermieden werden, da dies unnötig aufwendig ist. Um trotzdem ein funktionsfähiges schwimmendes Wellenkraftwerk zu gewährleisten, können mehrere gleiche Basisrohre so mit einander verbunden werden, dass sie Parallel zueinander stehen und in etwa vertikal, also in Oszillationsrichtung der Welle, nicht gegeneinander pendeln können und fixiert sind, gegen die Oszillation der Welle gedämpft sind oder sich gegenseitig gegen die Oszillationsrichtung der Welle anregen. Die Basisrohre, welche in Kraftrichtung bzw. Amplitudenrichtung der Welle angeordnet sind, können beispielsweise über Verstrebungen fest mit einander verbunden sein. Die so einseitig in einer Trägerstruktur (zum Beispiel Verstrebung) aufgenommenen Basisrohre sind zueinander im Wesentlichen parallel angeordnet, so dass die Verstrebungen mit den Führungen eine nagelbrett-artige Trägerstruktur ausbilden. Werden die einzelnen Basisrohre/Wellenkraftwerke in Verbünden zusammengeschlossen, so verhindern sie gegenseitig eine durch die auftretenden Wellen verursachte Oszillationsbewegung, ähnlich wie ein großes Schiff stabiler im Wasser liegt als ein kleines.
Ohne weiteres vorstellbar ist für den Fachmann natürlich auch eine dicht gepackte, ohne Abstand zueinander, anliegende schwimmende Rohr- oder rohrähnlich Struktur, wie es zum Beispiel in Bienenwabenform vorstellbar ist. Weiter können die Rohr- oder rohrähnlichen Gebilde auch in der Flächenausdehnung, also parallel zur Wasseroberfläche, flexibel zueinander stehen, solange die vertikal fixierte Abhängigkeit zueinander bestehen bleibt.
Während das Wellenkraftwerk in Form des Basisrohrs horizontal kleiner ausgebildet ist als der Abstand zwischen zwei Wellenbergen (d. h., dass zum Beispiel der Basisrohrdurchmesser kleiner ist als die Wellenlänge), muss der Zusammenschluss mehrerer Basisrohre/Wellenkraftwerke mindestens so breit sein wie eine Wellenlänge. Bevorzugt überspannt der Zusammenschluss jedoch eine Vielzahl von Wellen.
Wenn auf Schwimmkörper verzichtet wird, muss jedes einzelne Basisrohr in der Lage sein, mindestens sein immanentes Gewicht mittels der oben beschriebenen Auftriebsmöglichkeiten zu tragen, so dass eine Kombination von vielen Basisrohren zu einem Wellenkraftwerk eine Art schwimmende Plattform oder schwimmendes Gerüst bildet.
Idealerweise wird ein steifes Gerüst mit vielen gleichen, parallel und annähernd senkrecht stehenden Basisrohren konzipiert. Die Kombination aus Basisrohreinheiten muss über mehre Wellenlängen ausgedehnt sein. Dies hat dann zur Folge, dass die durch die Wellen verursachten Hebungen und Senkungen des Wasserniveaus an den einzelnen Basisrohren sich nicht oder nur wenig auf die Position des Gesamtgebildes auswirken können. Indem das Gebilde auf einem festen Niveau gehalten wird, kann eine oszillierende Strömung in den Basisrohren aufgebaut werden. Die einzelnen Basisrohre/Wellenkraftwerke werden durch den Zusammenschluss im Gerüst daran gehindert, nach oben und unten zu oszillieren. Im Idealfall liegt das Gerüst trotz Wellengang ruhig im Wasser, in den einzelnen Basisrohren erzeugen die durchströmenden Wellen ein Heben und Senken des Wasserniveaus, welches wie oben beschrieben für die Strom- oder Energiegewinnung genutzt wird. Grundsätzlich steigt die Trägheit und damit die Stabilität eines Zusammenschlusses von schwimmenden Wellenkraftwerken mit ihrer Anzahl im Verbund und Ausdehnung über dem Wasser.
Die vermutlich aussichtsreichste Form, ein schwimmendes Wellenkraftwerk nach bisher genannter Methode aufzubauen, besteht aus einer Kombination parallel angeordneter, angenähert senkrecht stehender, gleicher Basisrohre, die im oberen Teil so verbunden sind, dass sich ein abgeschlossener Luftraum ergibt. Im praktischen Sinne ist das ein Gerüst von vielen im Wasser in etwa senkrecht sehenden gleichen Wellenkraftwerken, deren äußerliche Rohrform unter Wasser offen ist und die auf der Luftseite über dem Wasser mittels Rohrleitungen verbunden sind. Da der Rohrverbund geschlossen ist. erfährt das Gerüst automatisch einen ausgewogenen Auftrieb und schwimmt.
Der geschlossene Basisrohrverbund hat den Vorteil der wesentlich stabileren Lage auf der Wasseroberfläche. Wenn nämlich der Wasserstand mit der Welle steigt und fällt, verändert sich der Auftrieb der Luftmenge im Basisrohr in die Gegenrichtung, weil ein Teil der Luft an andere Stellen des Rohrsystems gepresst wird. Dieses Phänomen gilt für alle im Gas-Luftverbund stehenden Anlagenkomponenten und mittelt die Auftriebskräfte über die gesamte Wellenkraftanlage. Zu jeder Zeit gleicht sich so ein System automatisch auf das mittlere Wasserniveau aus. Keine Auftriebsenergie bleibt ungenutzt. Der konstante Auftrieb hat außerdem zur Folge, dass das Gerüst im Vergleich zu den anderen Methoden deutlich ruhiger im Wasser getragen wird, da die einzelnen rohähnlichen Wellenkraftwerksmodule bei Wellenanregung keinen zusätzlichen Auf- oder Abwärtsschub erfahren, was zusätzlich den Vorteil einer besseren energetischen Wellenausbeute und einer weniger aufwendigen Trägerkonstruktion mit sich bringt.
Bei der Variante 3, also der Variante mit oszillierenden Luftmengen im Rohrsystem, gibt es den Nachteil, dass die Wellenbewegung innerhalb des Rohrsystems einen Gegendruck auftaut, wie er bei der fest verankerten oder durch Schwimmkörper getragenen Variante 2 nicht auftritt. Im Extremfall einer sehr geringen Zahl verbundener Basisrohre kann dadurch der Wirkungsgrad erheblich eingeschränkt werden, doch verringert sich das Problem mit der Größe der Anlage, weil der Luftpuffer relativ zur Wellenbewegung im einzelnen Basisrohr dann größer ist.
Nahezu völlig vermeiden lässt sich dieses Problem mit der Variante 4, bei der mit Hilfe von Ventilen aus der Hubbewegung des Wassers in den senkrechten Basisrohren ein gleichgerichteter Luftstrom zum Generator bzw. Strömungsrad erzeugt wird. Die Kombination aus dem selbsttragenden Luftpolster im oberen Rohrsystem und der Gleichrichtung der Strömung in diesem System verbindet den Vorteil der niedrigen Installationskosten aufgrund der stabileren Positionierung im Wellengang mit dem Vorteil der höheren Energieausbeute.
Durch die Ausdehnung eines sich selbst tragenden schwimmenden Wellenkraftwerkzusammenschlusses, das luftdruckseitig ausgeglichen ist, dessen Dimensionen die Wellenlänge überragt und das die oszillierende Bewegung des Wassers in den einzelnen Basisrohren ausnutzt, 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, jedoch in Summe über diese Räder getragen wird. Ähnlich einem Kraftfahrzeug weist die erfindungsgemäße Energieumwandlungsvorrichtung für Wellenenergie eine Vielzahl an Basisrohren zur Energiegewinnung auf, die durch die zwischen der Struktur und dem Wasser eingeschlossene Luft Auftrieb erfahren. Im Gegensatz zum Auto steigt jedoch bei steigender Auslenkung (Welle) der Gegendruck (Federdruck beim Auto, Luftdruck in der Wellenkraftanlage) nicht, sondern gleicht sich über die anderen Basisrohre im Verbund aus.
Beim Durchlaufen einer Welle durch einen Zusammenschluss von Wellenkraftwerken heben und senken sich die Wasserniveaus in den einzelnen Rohren oder rohrähnlichen Gebilden in Wellenausdehnungsrichtung wellenförmig nacheinander, wie eine „La Ola-Welle”, die durch das Wellenkraftwerk läuft, und dabei wird der durchlaufenden Welle von jedem rohrförmigen Wellenkraftwerk zum nächsten Energie genommen und in Strom umgewandelt. Im Idealfall ist das Wasser auf der wellenabgewandten Seite des Zusammenschlusses beruhigt, und alle Energie aus der Welle ist absorbiert und in Strom umgewandelt worden.
Im Allgemeinen gilt, dass je kleiner im Wirkdurchmesser die Rohre oder rohrähnlichen Gebilde des Wellenkraftwerks ausgelegt sind, desto genauer d. h. empfindlicher können diese auf Niveauunterschiede bzw. Druckunterschiede erzeugt durch die Wellen reagieren und die Wellenbewegung mitmachen. Dabei ist bei einer schwimmenden Variante von entscheidender Bedeutung, wie das Flächengewicht des summierten Auftriebs der einzelnen rohrförmigen Wellenkraftwerke gegenüber dem Flächengewicht des gesamten Zusammenschlusses ausgebildet ist. Unter Flächengewicht soll hierbei das Gewicht bzw. die Auftriebskraft der rohrförmigen Wellenkraftwerke bezogen auf die gesamte flächenmäßige Ausdehnung quer zur Bewegungsrichtung verstanden werden. Für die richtige Auslegung der Größe 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. Nicht außer Acht gelassen werden darf dabei eine Bestimmung der maximal zu erwartenden Wellenbewegung bzw. Wellenkräfte. Die beispielsweise rohrförmigen Wellenkraftwerke, einzeln oder in einem Verbund stehen, müssen in ihrer Stärke und Dimensionierung hierfür ausgelegt sein.
Das schwimmende Wasserkraftwerk, das so beschrieben ist, funktioniert unabhängig von den Gezeiten, d. h. Ebbe und Flut, und ist auch weitestgehend unempfindlich gegen Witterungsveränderungen wie Sturm oder hohen Seegang. Dies macht die erfindungsgemäße Vorrichtung auch offshore-tauglich, d. h. sie kann auch auf hoher See eingesetzt werden, da sie sich automatisch dem Wasserspiegel anpasst.
Für selbst schwimmende Kraftwerke im nagelbrettartigen Verbund (wie oben beschrieben) gilt es immer, mindestens eine Vorrichtung gegen Abtrieb zu haben. Dies kann ein Anker, ein Seil, ein Mast oder sonstiges sein, muss jedoch die Niveauänderung des Wassers und somit die Niveauänderung der Anlage erlauben. Die teppichartig über die Wasseroberfläche ausgebreitete Vorrichtung muss mit beispielsweise einer Leine oder Kette gegen Abdrift gesichert werden. Eine solche Leine oder Kette kann beispielsweise an einem Punkt der Vorrichtung befestigt werden und kann mit dem Erdboden oder beispielsweise mit einem Anker, einer Bohrinsel oder einem Schiff verbunden sein. Selbstredend kann das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk auch über mehrere Leinen und Ketten sowie auch mehrere Anbindungspunkte ortsfest gegenüber dem Boden quer zur Bewegungsrichtung der Schwimmkörper verankert werden. Jedoch ist die Ankerung nicht unbedingt erforderlich. Eine Befestigung an einem Murring ist ebenfalls ausreichend. Jedenfalls ist eine Sicherung gegen ungewolltes Wegschwimmen für die Funktion der erfindungsgemäßen Wellenkraftumwandlungsvorrichtung ausreichend. Ist das selbst schwimmende Kraftwerk z. B. mit einem Eckpunkt an einer Leine angebunden, welche beispielsweise mittels eines Ankers mit dem z. B. Meeresboden verbunden ist, so wird der gesamte Zusammenschluss je nach Wind und Wellenrichtung schwenken. Hier 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 Ausdehnungsmöglichkeit quer zur Wellenausdehnungsrichtung, eine sehr hohe Energieumwandlungseffizienz erreichbar wird, selbst wenn man einen Bereich absperren muss, in dem das Wellenkraftwerk frei schwenkbar sein muss.
Es ist für den Fachmann leicht herzuleiten, dass ein Auftrieb erfahrendes Wellenkraftwerk, ob in Form von einzelnen rohrförmigen Wellenkraftwerken oder eines nagelbrettförmigen Verbunds, auch im Wasser schwebend gelagert werden kann. Da sich Wellen auch unter die Wasseroberfläche ausdehnen, kann eine derartiger Aufbau auch gewünscht sein.
Hierbei muss das Wellenkraftwerk mittels Seil, fixer Verbindung zum Boden oder sonstiger Anbindung nicht nur gegen Abtrieb gesichert werden, sondern mittels dieser auch in Lage und Niveau gehalten werden. Bei einer rechteckigen Ausdehnung eines Verbunds vieler Basisrohre kann ein solcher Wellenkraftwerksverbund zum Beispiel über vier an den Expunkten befindlichen Leinen im Wasser schweben und lagefixiert gehalten werden.
Selbstredend wird für jegliche Art eines Wellenkraftwerkes eine Methode zur Energiespeicherung oder Energieabführung für dessen Nutzbarmachung benötigt. Im Falle eines stromerzeugenden Kraftwerks kommt hierfür eine Tiefseeleitung in Frage, die bei einer schwimmenden Bauform auch die Schwenkbewegungen des Kraftwerks oder Niveauänderungen, erzeugt durch Gezeiten, mitmacht und erlaubt.
Grundsätzlich können Kraftwerke, die ihren Auftrieb durch das mit Wasser eingeschlossene Gas, hier also die Luft, erfahren, durch Zugabe oder Abgabe von Pressluft aus den Basisrohren im Niveau gehoben oder gesenkt werden. Die selbsttragenden Konstruktionen benötigen deshalb eine Möglichkeit, Pressluft hinzuzufügen oder Luft abzulassen. Speziell bei einem Verbund aus Basisrohren, die eine luftdruckausgeglichene Verbindung darstellen, kann so das Niveau der gesamten Wellenkraftwerksanlage auf sehr einfache Weise gehoben oder abgesenkt werden.
Durch die obigen Darstellungen weist das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik auf. Da das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk äußerlich aus vorzugsweise runden Basisrohren besteht, die entweder in Flachwasser fest mit dem Boden verankert sind oder in schwimmender Form allein oder im Zusammenschluss, an Seilen, Ketten oder anderweitig mit dem Boden verbunden sind, liegt hier eine äußerst robust Bauform vor. Sowohl ein schwimmender „Gitterrohrrahmen” als auch einzelne Rohre weisen in ihrer Bauform extreme Stabilität im Vergleich zu ihrer Angriffsfläche auf. Ohne Weiteres können die beschriebenen Konstruktionen so ausgelegt werden, dass sie den heftigsten natürlichen Einflüssen des Meeres standhalten.
Bei der Variante 1 und ggfs. auch 4 gilt, dass die im Inneren der Basisrohre sehr einfache Bauform von nur einem beweglichen Teil in Form des Strömungswandlers, welcher durch seine im Basisrohr liegenden Position gegen äußere Einflüsse geschützt ist, dieses Wellenkraftwerk im Vergleich zum Stand der Technik, nicht nur universell einsetzbar, sondern auch sturmsicher und durch die minimale Anzahl sich bewegender Teile erwartungsgemäß auch äußerst langlebig macht. Ähnliches gilt bei der für offene Gewässer präferierten Bauvariante 4, denn sie ist vollständig geschlossen und schützt so den oder die Strömungswandler ebenfalls gegen äußere Einflüsse, wenngleich der oder die Strömungswandler dort nicht im Basisrohr, sondern in dem die Basisrohre verbindenden Luftkreislauf untergebracht ist bzw. sind.
Sowohl die fest im Boden verankerte als auch die selbst schwimmende Ausführung erlauben außerdem nahezu unbegrenzte Einsatzmöglichkeiten in Gewässern oder flüssigen Medien. Im Vergleich zu Energieumwandelungsvorrichtungen aus Wellen, welche nach dem Stand der Technik bekannt sind, können durch die flächenhafte Ausdehnung der erfindungsgemäßen Energiegewinnungsanlage auch große Mengen an Energie aus der Wellenbewegung z. B. der Meeresoberfläche aufgenommen werden. So sind beispielsweise Anlagen mit einer Ausdehnung von mehren Fußballfeldern ohne weiteres vorstellbar und auch realisierbar, was speziell für die selbsttätig ohne Schwimmkörper schwimmenden Varianten gilt, bei denen sich das Luftpolster in den Basisrohren gegenläufig zur Wellenhöhe ändert und der Auftrieb somit automatisch stabilisierend reguliert wird.
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 beispielsweise sowohl in der Südsee als auch in der Nordsee zum Einsatz kommen.
Die in jedem Falle erfindungsgemäß sehr simple Bauform, ob als im Boden fixierte oder schwimmende Wellenkraftanlage, impliziert zudem ein äußerst vorteilhaftes Nutzen-Kosten-Verhältnis.
Für eine weitere Steigerung der Energieumwandlungseffizienz, bezogen auf die belegte Fläche und die nötigen Investitionen, kann die erfindungsgemäße Wellenkraftanlage auch mit weiteren Energieumwandlungsvorrichtungen oder sonstigen sich gegenseitig ergänzenden Bauformen kombiniert werden. So ist es denkbar, dass über Wasser sowohl für die schwimmende Bauform als auch für die mit dem Boden ortsfest verbundene Bauform Aufbauten zur Umwandlung von Sonnenenergie oder Windenergien getragen oder montiert werden. Es können aber auch andere Vorrichtung jeglicher Art wie Stege, Bohrinseln oder ähnliches auf diese Weise getragen werden.
Für den Fachmann selbstverständlich können die erfindungsgemäßen Energieumwandler auch unter der Wasseroberfläche als Befestigung für jegliche Haltevorrichtung sowie für Energieerzeuger verwendet werden.
Denkbar ist aber auch der umgekehrte Fall, in dem beispielsweise in Windparks der zwischen den einzelnen Windrädern nicht ohne weiteres nutzbare Raum von einem erfindungsgemäßen Wellenkraftwerk überspannt wird. Dabei können beispielsweise zwischen zwei, drei, vier oder mehreren Stützpfeilern der Windräder zur Erzeugung elektrischer Energie aus Windkraft ein oder mehrere erfindungsgemäße schwimmende Wellenkraftwerke gegen Abtrieb gesichert werden, oder es kann der sich bildende Raum mit im Boden fixierten Wellenkraftwerken ausgefüllt werden.
Die obige Darstellung der erfindergemäßen Vorrichtung sollen nun anhand von Figuren an fünf bevorzugten Ausführungsbeispielen dargestellt werden.
1 zeigt eine perspektivisch-schematische Darstellung eines Wellenkraftwerks, welches im Boden gemäß der Erfindung fixiert ist (Bezug zu Variante 1).
2 zeigt eine perspektivisch-schematische Darstellung des Verbunds von vier fest verankerten Wellenkraftwerken, die gasseitig miteinander verbunden sind, über Ventile einen gleichgerichteten Luftstrom erzeugen und sich Strömungswandler teilen (Bezug zu Variante 2).
3 zeigt eine perspektivisch-schematische Darstellung des Verbunds mehrerer schwimmender Wellenkraftwerke, die gasseitig über ein geschlossenes Rohrsystem verbunden und durch oszillierende Gasbewegungen gekennzeichnet sind, die durch mehrere Strömungswandler abgegriffen und in Strom verwandelt werden (Bezug zu Variante 3).
4 zeigt eine perspektivisch-schematische Darstellung des Verbunds mehrerer schwimmender Wellenkraftwerke, die gasseitig über ein geschlossenes Rohrsystem verbunden sind und einen durch Ventile gesteuerten gleichmäßigen Gasfluss gemäß Variante 2 aufweisen, der an einer oder mehreren Stellen zur Stromerzeugung mittels eines Strömungswandlers abgegriffen wird.
5 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines Wellenkraftwerks nach Variante 1 welches über Schwimmkörper und Verankerungen schwebend im Wasser gehalten wird.
6 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines Wellenkraftwerks nach Variante 4, bei dem über die Rückschlagventile statt des Luftkreislaufs ein Wasserkreislauf entsteht, dessen Energie abgegriffen wird. Da das Kraftwerk nach dieser Variante nicht selbst schwimmt, muss es über Schwimmkörper und/oder Verankerungen schwebend im Wasser gehalten werden.
In 1 ist beispielhaft eine Welle 7 dargestellt, mit einem erfindergemäßen Wellenkraftwerk 1, das beispielhaft mit einer Wasserturbine 2 ausgelegt ist, deren Rotationsenergie an einen Generator 3 abgegeben wird und in Strom umgewandelt wird. Durch das Vorbeilaufen der Welle 7 an dem Wasserkraftwerk 1 wird die Grenzschicht, Gas 8 (Luft) zu Flüssigkeit 9 (Wasser), der Welle am Wasserkraftwerk in nahezu senkrechter oszillierender Richtung auf- und ab bewegt. Da das Wellenkraftwerk ortsfest im Boden 18 gegen vertikale Oszillation fixiert ist, führen die Öffnungen 4 unterhalb der Grenzschicht in der Flüssigkeit zu einem Niveauausgleich der Grenzschicht 5 im Wellenkraftwerk, welche angeregt durch die Welle und mit der Welle auf und ab oszillierendeine Strömung im Wasserkraftwerk sowohl auf der Gasseite als auch auf der Flüssigkeitsseite erzeugt. Die Wasserturbine in 1 befindet sich an einer verjüngten Stelle 6 des Wasserkraftwerks, was zur Beschleunigung der oszillierenden Flüssigkeit in dem Kraftwerk führt und einen kleineren, weniger trägen Strömungsumwandler, bestehend aus Wasserturbine 2 und Generator 3, erlaubt.
In 2 sind vier Wellenkraftwerke 1 gleicher Bauart dargestellt, die im Boden 18, gegen vertikale Oszillation geschützt, fixiert sind. Alle Wellenkraftwerke weisen Druckausgleichsöffnungen 4 unterhalb der Welle 7 im flüssigen Medium 9 auf. Wie in 1 beschrieben, regen die vorbeilaufenden Wellen die Grenzschicht 5 der Kraftwerke zur auf- und abwärtigen Oszillation an. Die Oszillation des flüssigen Mediums führt zu gleichgerichteten Oszillation des gasförmigen Mediums, und über Auslassventile 10 und Einlassventile 12 wird hieraus ähnlich wie bei einer Kolbenpumpe ein gleichgerichteter Gasfluss 13 erzeugt, der mittels Turbinen 2 und Generator 3 in Strom verwandelt wird.
Alle Ausblasventile 10 sind, hier beispielhaft für vier Wellenkraftwerke, über eine Leitung 11 verbunden. Genauso sind alle Einlassventile 12 über eine andere Leitung 13 verbunden. Durch den Verbund der Auslassventile und den Verbund der Einlassventile wird in der Leitung eine einheitliche, starke Gasströmung erzeugt, welche es ermöglicht eine oder mehrere größere Srömungswandlereinheiten von beispielhaft Gasturbine 2 und Generator 3 zu verwenden.
(Der ausblasende und einblasende Luftstrom kann auch im Kreislauf geschlossen werden, so dass nur noch eine Strömungsumwandlereinheit zwischen gesammelten ausblasenden Leitungen und gesammelten einblasenden Leitungen geschaltet wird. Vgl. 4. Selbstredend können die perspektivisch schematischen Darstellungen aus 1 und 2 auch bei einem schwimmenden Verbund von Wellenkraftwerken, die jeweils durch externe Schwimmer getragen werden und sich gegenseitig, wie oberhalb im Text beschrieben, an einer vertikalen Oszillation hindern, angewandt werden. Vgl. 5.)
In 3 sind vier selbst schwimmende Wellenkraftwerke 1 gleicher Bauart im Verbund dargestellt, die beispielhaft über ein Seil 16 und beispielhaft über einen Anker gegen Abdrift im Boden 18 gesichert sind. Selbstredend könnte eine ähnliche Ausführung auch über andere Methoden gegen Abdrift gesichert werden. Jedes Wellenkraftwerk im Verbund ist hier beispielhaft mit einer gasseitigen Strömungsumwandlung, bestehend aus Gasturbine 2 und Generator 3 ausgestattet, wobei das Gas jeweils über eine Verjüngung 6 im Wellenkraftwerk auf Höhe des Strömungswandlers beschleunigt wird. Die Gasseiten der Wellenkraftwerke sind miteinander zur Umgebung luftdicht abgeschlossen und erzeugen somit einen gemeinsamen Auftriebskörper 14, der das immanente Gewicht der gesamten Anlage im Verbund trägt. In allen Einheiten des Wellenkraftwerks 1 herrscht somit der gleiche Druck. Vorbeilaufende Wellen 7 regen die Grenzschicht 5 innerhalb der Kraftwerke, die auf der Unterseite geöffnet sind 4, und somit den Druckausgleich durch die sich ändernde Wassersäule der Welle zulassen, zur vertikalen Oszillation an. Da die einzelnen Einheiten des Wellenkraftwerks 1 jedoch gasseitig miteinander verbunden sind, steigt bei der Auf- und Abwärtsbewegung der Grenzschicht 5 im Wellenkraftwerk 1 der Gasdruck nicht. Die Summe der sich ändernden Drücke bleibt im Mittel über die Basisrohre und die Zeit nahezu null, wenn hinreichend große Anlagen im Verbund geschaffen werden. Die durch die Welle angeregte Oszillation ist somit bei großen Anlagen nahezu ungehindert. Bei kleineren Anlagen kann freilich doch ein Gegendruck aufgebaut werden, wenn die Wellenbewegungen sich in der Summe nicht neutralisieren, was zu einem gewissen Wirkungsverlust führen kann. Die resultierende Strömung, hier beispielhaft auf der Gasseite, wird bei dieser Lösung nahe bei der Grenzfläche zwischen den Medien zur Stromgewinnung über Verjüngung 6, Gasturbine 2 und Generator 3 abgebaut und genutzt. Über die Laufrichtung der Welle wird von Wellenkraftwerk zu Wellenkraftwerk Energie aus der Welle genommen und in Strom umgewandelt.
Als Zusatz wird hier schematisch ein Kompressor 15 dargestellt, mittels dessen durch Zubringen von Umgebungsgas 8 in den Kraftwerksverbund 14 die gesamte Wellenkraftanlage angehoben werden kann und im umgekehrten Sinne durch Ablassen von Gas aus dem Kraftwerksverbund 14 in die Umgebung das gesamte Wellenkraftwerk abgesenkt oder sogar unter die Flüssigkeitsgrenzschicht gebracht werden kann.
In 4 ist eine Kombination von 2 und 3 dargestellt, nämlich ein selbst schwimmendes Kraftwerk, das zur energetischen Umwandlung von Wellenergie die jeweiligen Strömungsrichtungen bündelt. Dargestellt sind vier Wellenkraftwerke 1 gleicher Bauart, die nach unten hin geöffnet sind 4. Über Auslassventile 10 und Einlassventile 12 wird die Hubkraft gebündelt, die vorbeilaufende Wellen 7 mittels der Oszillation der Grenzschichten 5 in den Wellenkraftwerken 1 erzeugen, indem diese Ventile wechselnde Verbindungen zu einem Abluft- 11 bzw. Zuluftrohrverbund 13 herstellen, was einen gleichgerichteten Gasstrom in einem geschlossenen Kreislauf verursacht und mittels Turbine 2 und Generator 3 zur Stromerzeugung genutzt wird. Ähnlich wie in 3 ist das System gasseitig geschlossen und kann somit eigenen Auftrieb erzeugen. Auch gilt hier die gleiche vorteilhafte Auftriebssituation wie für 3, bei der der Hub der Grenzschicht durch eine Veränderung des Auftriebsvolumenanteils des Gases in den einzelnen Wellenkraftwerken kompensiert wird. Hinzu kommt, dass nur ein einziger Strömungs-Energiewandler benötigt wird.
Selbstredend muss eine schwimmende Bauart wie in 4 dargestellt über beispielsweise ein Seil 16 und einen Anker 17 mit dem Boden 18 gegen Abtrift gesichert werden, und wiederum ist wie in 3 über Kompressor 15 eine Niveauregulierung der Anlage vorzusehen. Und natürlich ist es möglich, die ganze Konstruktion mit Ausnahme der Druckluftzufuhr mittels entsprechend starker Seile oder Befestigungen unter die Wasseroberfläche zu ziehen.
In 5 sind beispielhaft sechs Wellenkraftwerke 1 gleicher Bauart dargestellt, die mittels Schwimmkörpern und Seilen fest im Boden verankert sind. Die Wellenkraftwerke funktionieren nach dem Prinzip aus Variante 1 nebst 1. Die einzelnen Wellenkraftwerke sind über Streben 20 gegenseitig fixiert und erfahren über einen Auftriebskörper 19 genug Auftrieb, um ihr eigenes immanentes Gewicht im Wasser 9 zu tragen. Über beispielsweise gespannte Seile 16 und Anker 17 ist der gesamte Verbund dicht unter der Wasseroberfläche vertikal in seiner Lage fixiert und kann auch nicht abdriften. Die einzelnen Wellenkraftwerke 1 sind an ihrer Ober- und Unterseite geöffnet 4, so dass vertikale Strömung durch diese hindurch strömen kann. Die darüber laufenden Wellen 7 führen auch zu einer Druckänderung bis unter die Wasseroberfläche. In den Wellenkraftwerken wird eine oszillierende Strömung aufgebaut, die mittels Strömungsumwandler, hier Wasserrad 2 und Generator 3, in Strom umgewandelt wird.
Schließlich zeigt 6 noch eine Kombination aus 4 und 5 insofern, als hier der Kraftwerksverbund gemäß Version 4 und 4 geflutet wird und mittels Schwimmkörper 19 und Seilverankerung 16/17 oder anderer Befestigungen dicht unter der Wasseroberfläche gehalten wird. Wie bei 5 gibt es auch bei dieser Lösung keine Grenzschicht zwischen Gas und Flüssigkeit, denn hier wird die Flüssigkeit selbst mittels der Ventile 10/12 in eine gleichgerichtete Bewegung gebracht. Der Wellenhub 7, der auch dicht unter der Wasseroberfläche noch zu einer Auf- und Abwärtsbewegung der Flüssigkeit 9 führt, wird durch die Auslass- 12 und Einlassventile 10 in einen gleichgerichteten Flüssigkeitskreislauf 11/13 übertragen, dessen Energie wiederum an einer oder nur wenigen Stellen durch groß dimensionierte Turbinen 2 und Generatoren 3 abgegriffen werden kann. Um die Wirksamkeit zu verbessern, ist es zweckmäßig, die Anordnung quasi auf den Kopf zu stellen, also die Öffnungen der Basisrohre nach oben zeigen zu lassen, und diese Öffnungen recht dicht unter dem Tiefpunkt der Wellentäler anzubringen, weil so ein maximaler Wellenhub für die Energieausbeute verwendet werden kann.
In keiner der schematisch dargestellten Figuren ist eine Verwertung, ein Abtransport oder eine Speicherung der Energie, hier beispielhaft als Strom, dargestellt. Selbstredend muss der zum Beispiel erzeugte Strom gleichgerichtet, zusammengeführt und mit dem Verbrauchernetz verbunden werden.
Ebenfalls in keinem der Figuren dargestellt ist für alle Beispiele der erfindungsgemäßen Beschreibungen eine parallele Ausdehnung vieler Kraftwerke zur Grenzschicht Gas (Luft) zu Flüssigkeit (Wasser), also der Wasseroberfläche, in Länge und Breite. Selbstredend wird hier in der Praxis immer eine Vielzahl von Wellenkraftwerken zu einem Kraftwerksverbund zusammengeschlossen.

1: einzelnes Wellenkraftwerk/Basisrohr
2: Strömungswandler (Turbine)
3: Generator
4: Öffnung für Flüssigkeitsdruckausgleich
5: Grenzschicht (Gas/Flüssigkeit) im Kraftwerk
6: Verjüngung
7: Welle
8: Gas (Luft)
9: Flüssigkeit (Wasser)
10: Ausblasventil
11: ausblasende Gasleitung
12: Einblasventil
13: Gasleitung in die Kraftwerke
14: kraftwerksübergreifender Gasverbund
15: ein- und ausblasender Kompressor
16: Seil gegen Abtrieb
17: Anker
18: Boden Grund
19: Schwimmkörper
20: Streben

Claims

Wellenkraftwerk in Form eines annähernd senkrecht an der Grenzschicht Gas (Luft) und Flüssigkeit (Wasser) befindlichen Rohrs, rohrähnlichen Gebildes oder länglichen Raums, im Folgenden Basisrohr genannt, welches in Oszillationsrichtung, also der annähernden Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Wellen, fixiert ist, in dieser Richtung gebremst ist oder gegenläufig zur Wellenamplitude pendelnd gehalten wird und welches mindestens mehr als um den Hub der zur Nutzung gewünschten oder auftretenden Wellenberge und Täler sowohl unter als auch über Wasser ragt, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisrohr mindestens an seiner Unterseite Öffnungen aufweist oder nach unten offen ist, so dass das Wasserniveau ungehindert mit der vorbeilaufenden Welle auf- und absteigen kann und einen Propeller, eine Turbine, einen Schwimmkörper oder sonstige Strömungsumwandler aktivieren kann, die quer zur Strömungsrichtung, an einer Stelle den Durchmesser oder Querschnitt überspannend, im Basisrohr platziert sind, um die durch die Wellen erzeugten Strömungen mittels Generator oder Induktion in Strom oder in kinetische Energie oder hydraulische Energie oder sonstige nutzbare Energieformen umzuwandeln. Die Auslegung muss so sein, dass zu keiner Zeit im Betrieb ein Strömungseinlass oder Druckausgleich zur Umgebung zwischen der Grenzschicht Gas (zum Beispiel Luft) und dem flüssigen Medium (zum Beispiel Wasser) und dem Strömungswandler liegt oder vorkommt.
Wellenkraftwerk nach Anspruch 1., bei dem der Strömungsumwandler im Basisrohr unter der Gas-Flüssigkeit-Grenzschicht, zum Beispiel in der Wasserseite liegt.
Wellenkraftwerk nach Anspruch 1., bei dem der Strömungsumwandler im Basisrohr über der Gas-Flüssigkeit-Grenzschicht liegt, zum Beispiel in der Luftseite.
Wellenkraftwerk nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem das Basisrohr an der Stelle des Strömungsumwandlers verjüngt ist.
Wellenkraftwerk nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem das Basisrohr bis zum Meeresboden verlängert und dort fest, biegefest, gehalten und fixiert ist.
Wellenkraftwerk nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Gasseite (Luftseite) zur Umgebung geschlossen ist und die oszillierenden Gasdrücke mehrerer Basisrohre der Richtung nach (Überdruck und Unterdruck), zum Beispiel über Verwendung entsprechender Rückschlagventile und Leitungen, gebündelt werden und sich gemeinsame Strömungsumwandler teilen.
Schwimmendes Wellenkraftwerk nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem das Basisrohr externe Auftriebskörper aufweist oder auf der Oberseite, Luftseite, im Verbund mit anderen Basisrohren luftdicht geschlossen ist und so viel Gas (Luft) über der durch die Welle oszillierenden Flüssigkeit (Wasser) einschließt, dass dadurch das Wellenkraftwerk immanenten Auftrieb erfährt und über eine flexible Befestigung am Boden (zum Beispiel ein Seil) auf dem richtigen Betriebsniveau zur Wasseroberfläche oszillationsneutral getragen wird.
Schwimmendes Wellenkraftwerk nach einem der vorigen Ansprüche, mit einem Verbund beliebig vieler parallel schwimmender Wellenkraftwerke in Form von Basisrohren, die in der Ebene zur Wasseroberfläche ausdehnbar sind und gegeneinander in ungefähr vertikaler Oszillationsrichtung, also der Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Wellen, fixiert sind, sich gegenseitig in Amplitudenrichtung bremsen oder sich so anregen, dass sie gegenläufig zur Wellenamplitude pendelnd gehalten werden.
Wellenkraftwerk nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die in der Ebene schwimmenden steif verbundenen Basisrohre, zur Umgebung hin luftdicht miteinander verbunden sind, so dass zwischen den einzelnen Einheiten ein Luft- oder Gasdruckausgleich beziehungsweise Gasraum entsteht, der den gesamten Verbund trägt und ausgleichend abfedert.
Wellenkraftwerk nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die in der Ebene schwimmenden steif verbundenen Basisrohre zur Umgebung hin luftdicht und strömungsgerichtet miteinander verbunden sind und bei dem die von den Wellenkraftwerken gebündelte, abführende Luft über einen Strömungswandler zur zuführenden Luft der Wellenkraftwerke hin einen geschlossenen Kreislauf bildet, der gleichzeitig den Auftrieb für die Anlage bildet oder unterstützt.
Schwimmendes an der Oberseite zur Umgebung luftdicht geschlossenes Wellenkraftwerk nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem über Ablassen oder Zufügen von Druckluft im Verbund der Basisrohre das Niveau zur Wasseroberfläche gehoben oder abgesenkt werden kann.
Schwimmendes Wellenkraftwerk nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem das Basisrohr oder der Zusammenschluss vieler Basisrohre über eine Kette oder Ketten, ein Seil oder Seile, einen Mast oder mehrere Masten oder ähnliches gegen Abtreiben gesichert wird.
Wellenkraftwerk nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem das Basisrohr oder der Verbund dieser Basisrohre zu einem am Boden stehenden oder schwimmenden Kraftwerksverbund den Mast eines Windkraftrads bildet oder ein Windkraftrad trägt, oder bei dem das Wellenkraftwerk zum Tragen oder zur Fixierung sonstiger Elemente verwendet wird.
Wellenkraftwerk nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die gesamte Anlage in schwebendem Zustand über Seile oder ähnliches unter der Wasseroberfläche in Niveau- und Lage stabil gehalten wird.
Wellenkraftwerke nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem der Wellendruck über Rückschlagventile oder Ventile, die ähnlich wie Rückschlagventile arbeiten, in einen gerichteten Wasserkreislauf verwandelt wird, dessen Energie über einen Strömungswandler abgegriffen wird.