DE102009012168A1

DE102009012168A1 - Wellenenergieanlage

Info

Publication number: DE102009012168A1
Application number: DE102009012168A
Authority: DE
Inventors: Nik Scharmann; Christian Langenstein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2010-09-09

Abstract

Offenbart ist eine Wellenenergieanlage mit einem an einer welligen Oberfläche eines Gewässers angeordneten Schwimmkörper, der zumindest eine Winde aufweist, an der jeweils ein mit einem im Wesentlichen ortsfesten Fixpunkt verbundenes biegeschlaffes Windenzugmittel befestigt ist. Dabei ist jedes Windenzugmittel zumindest abschnittsweise auf der zugeordneten Winde aufgewickelt, wenn sich der Schwimmkörper in einem Wellental befindet, und zumindest abschnittsweise von der zugeordneten Winde abwickelt, wenn sich der Schwimmkörper auf einem Wellenkamm befindet. Bei einer Aufwärtsbewegung des Schwimmkörpers kann aus einer durch das zumindest eine Windenzugmittel erzeugten Rotation der zugeordneten Winde in eine erste Drehrichtung über je eine Maschine Energie gewonnen werden, während bei einer Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers die Winde in Gegenrichtung zur ersten Drehrichtung von der zugeordneten Maschine angetrieben wird. Dadurch ist eine Wellenenergieanlage mit verbessertem Wirkungsgrad und minimiertem vorrichtungstechnischem Aufwand insbesondere für die Aufwicklung der Windenzugmittel geschaffen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellenenergieanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Wellenergieanlagen haben einen Schwimmkörper, der durch die Wellen des Gewässers Auf- und Abwärtsbewegungen durchführt. Weiterhin habe sie ein Zugmittel, dessen eines Ende am Grund des Gewässers verankert ist, während ein anderer Endabschnitt von einer auf dem Schwimmkörper befestigten rotierenden Winde abgewickelt und danach wieder auf diese aufgewickelt wird. Bei einer Aufwärtsbewegung des Schwimmkörpers vergrößert sich der Abstand des Schwimmkörpers zum Grund des Gewässers, und der Endabschnitt wird entsprechend von der Winde abgewickelt. Die Energie dieser Rotationsbewegung wird meistens über einen Generator in elektrische Nutzenergie umgewandelt.
Nachteilig bei derartigen Wellenenergieanlagen ist, dass nach jeder Aufwärtsbewegung des Schwimmkörpers eine Abwärtsbewegung folgt, bei der Energie benötigt wird, um den Endabschnitt des Zugmittels wieder auf der Winde aufzuwickeln. Diese Aufgabe wird bei Wellenenergieanlagen gemäß dem Stand der Technik durch Spiralfedern gelöst, die bei einem Arbeitshub des Schwimmkörpers gespannt wird, und die diese Energie während der Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers wieder an die Winde abgeben.
Das US-Patent 7,045,912 B2 zeigt eine gattungsgemäße Wellenenergieanlage, deren Winde mit Generator am Grund des Gewässers angeordnet sind, während darüber ein Schwimmkörper schwimmt. Nachteilig an derartigen Anlagen ist, dass der Generator und die Elektrik unter Wasser gekapselt sein müssen.
Das US-Patent 4,228,360 offenbart eine Wellenenergieanlage, bei der die Probleme der Kapselung dadurch umgangen sind, dass unter Wasser eine am Grund verankerte Umlenkrolle angeordnet ist, während die Winde und der Generator am Ufer des Gewässers angeordnet sind. Nachteilig daran ist der Reibungsverlust des Zugmittels, das von einem möglichst wellenreichen Bereich des Gewässers zum Ufer reichen muss und über seine gesamte Länge eine oszillierende Bewegung ausführt.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Wellenenergieanlage mit verbessertem Wirkungsgrad und minimiertem vorrichtungstechnischem Aufwand zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wellenenergieanlage nach Patentanspruch 1.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Wellenenergieanlage hat einen an einer welligen Oberfläche eines Gewässers angeordneten Schwimmkörper mit zumindest einer Winde, an der jeweils ein mit einem etwa ortsfesten Fixpunkt verbundenes Windenzugmittel befestigt ist. Dabei ist jedes Windenzugmittel zumindest abschnittsweise auf der zugeordneten Winde aufgewickelt, wenn sich der Schwimmkörper in einem Wellental befindet, und zumindest abschnittsweise von der zugeordneten Winde abgewickelt, wenn sich der Schwimmkörper auf einem Wellenkamm befindet. Bei einer Aufwärtsbewegung des Schwimmkörpers kann aus einer Rotation der zugeordneten Winde in eine erste Drehrichtung über je eine Maschine Gesamtenergie gewonnen werden, während bei einer Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers die Winde in Gegenrichtung zur ersten Drehrichtung von der zugeordneten Maschine angetrieben werden kann. Dadurch ist eine Wellenenergieanlage mit verbessertem Wirkungsgrad und minimiertem vorrichtungstechnischem Aufwand geschaffen.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Wellenenergieanlage hat zumindest einen Energiespeicher zur Zwischenspeicherung von während der Aufwärtsbewegung gewonnener Speicherenergie. Dabei ist Gesamtenergie ≥ Speicherenergie. Während der Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers ist Wickelenergie (zum Aufwickeln der Winden) von dem Energiespeicher über die Maschinen an die zugeordneten Winden übertragbar. Dabei ist Speicherenergie ≥ Wickelenergie. Somit ist eine etwa gleichmäßige Energieabgabe der Wellenenergieanlage möglich, wenn ein Teil der Gesamtenergie während der Aufwärtsbewegung von der Anlage abgegeben wird, und ein anderer Teil als Speicherenergie gepuffert wird. Während der Abwärtsbewegung kann dann die Speicherenergie abzüglich der Wickelenergie von der Anlage abgegeben werden.
Vorzugsweise hat die Anlage eine gerade Anzahl von Winden und zugeordneten Windenzugmitteln, die jeweils paarweise ein Hauptzugmittel bilden. Dabei ist jeweils ein oberer Endabschnitt eines am Fixpunkt verankerten Grundzugmittels entlang jedem Hauptzugmittel verschiebbar befestigt. Vorzugsweise ist jedes Hauptzugmittel in einer an dem oberen Endabschnitt des Grundzugmittels befestigten Umlenkrolle geführt. Dadurch kann Zugmittellänge gespart werden, da nicht jedes einzelne Windenzugmittel bis zum Fixpunkt reichen muss. Außerdem kann auf diese Weise ein Zugkraftausgleich zwischen den beiden zugeordneten Windenzugmitteln stattfinden.
Die Zugmittellängen sind minimiert, wenn die Umlenkrollen unter Wasser nahe dem (tiefsten) Wellental angeordnet sind.
Um jedes Hauptzugmittel schrittweise durch die zugeordnete Umlenkrolle laufen lassen zu können und um den in Anlage mit der Umlenkrolle befindlichen Abschnitt des Hauptzugmittels auswechseln zu können, kann an jedem Windenzugmittel oder an jeder Winde oder an jeder Maschine eine Bremse vorgesehen sein. Somit kann die Lebensdauer des Hauptzugmittels erhöht werden, in dem es schrittweise von einer Winde auf die andere Winde umgespult wird.
Dabei können zwischen den Winden und den zugeordneten Maschinen jeweils Kupplungen angeordnet sein.
Um zu verhindern, dass bei der Aufwärtsbewegung des Schwimmkörpers mit paarweise verbundenen Windenzugmitteln nur die Winde mit dem geringeren Rotationswiderstand abgewickelt wird, können die Winden jeweils paarweise mechanisch gekoppelt sein.
Bei einer besonders bevorzugten Variante hat die erfindungsgemäße Wellenenergieanlage zwei elektrische Maschinen, die jeweils als Generator und als Motor betrieben werden können. Dabei ist der Energiespeicher von zumindest einem Kondensator gebildet. Dadurch ist eine elektrische Variante der Anlage geschaffen, die ein Grundzugmittel und ein aus zwei Windenzugmitteln bestehendes Hauptzugmittel hat. Die während der Aufwärtsbewegung im Generatorbetrieb gewonnene Gesamtenergie kann teilweise von der Anlage direkt abgegeben werden und teilweise in dem zumindest einen Kondensator gespeichert werden. Bei einer Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers kann ein größerer Teil der Speicherenergie zeitversetzt von der Anlage abgegeben werden, und ein kleinerer Teil der Speicherenergie treibt (als Wickelenergie) die im Motorbetrieb befindlichen elektrischen Maschinen an.
Je nach Auslegung sind die Maschinen jeweils Dreiphasen Wechselstrom-Maschinen mit zugeordneten Gleichrichtern und Wechselrichtern, die abwechselnd in Betrieb genommen werden können, oder die Maschinen sind Gleichstrommaschinen.
Um den erzeugten Strom in ein Dreiphasen-Wechselstrom-Netz einspeisen zu können, hat die Anlage zumindest einen Wechselrichter, der jeweils zwischen dem zumindest einem Kondensator und einem Dreiphasen-Wechselstrom-Netzanschluss angeordnet ist.
Zur Optimierung des Wirkungsgrades der Anlage können die Maschinen von Torque-Maschinen mit hohem Drehmoment gebildet sein, wie in der Offenlegungsschrift DE 10 2004 034 636 A1 gezeigt.
Vorzugsweise ist der Energiespeicher von Supercaps mit hoher Speicherkapazität gebildet.
Bei einer anderen besonders bevorzugten Variante hat die erfindungsgemäße Wellenenergieanlage zwei als Pumpe und als Motor betreibbare hydraulische Radialkolbeneinheiten. Diese haben jeweils einen mit einem Tank verbunden Niederdruckanschluss und einen mit dem Energiespeicher verbundenen Hochdruckanschluss. Dabei ist der Energiespeicher ein hydraulischer Hochdruckspeicher und ein hydraulischer Niederdruckspeicher. Dadurch ist eine hydraulische Variante der Anlage geschaffen, die ein Grundzugmittel und ein aus zwei Windenzugmitteln bestehendes Hauptzugmittel hat. Die während der Aufwärtsbewegung im Pumpenbetrieb gewonnene Gesamtenergie kann teilweise von der Anlage direkt abgegeben werden und teilweise in den Druckspeichern gespeichert werden. Bei einer Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers kann ein größerer Teil der Speicherenergie zeitversetzt von der Anlage abgegeben werden, und ein kleinerer Teil der Speicherenergie treibt (als Wickelenergie) die im Motorbetrieb befindlichen Radialkolbeneinheiten an.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der hydraulischen Variante ist ein Hochdruckanschluss jeder Radialkolbeneinheit über eine Hochdruckleitung mit einem Hochdruckanschluss eines hydraulischen Motors verbunden, dessen Niederdruckanschluss über eine Niederdruckleitung an den Niederdruckspeicher angeschlossen ist. Dabei ist der Hochdruckspeicher an der Hochdruckleitung angeschlossen. Ein derartig angeschlossener hydraulischer Motor lässt sich von einem Druckmittelstrom der Radialkolbeneinheit oder des Hydrospeichers antreiben.
Vorzugsweise ist in der Hochdruckleitung zwischen dem Hochdruckanschluss der Radialkolbeneinheit und dem Hochdruckspeicher ein zum Hochdruckspeicher bzw. zum Motor öffnendes Rückschlagventil angeordnet. Somit strömt während der Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers, bei der kein Druckmittel durch die Hochdruckleitung gefördert wird, das Druckmittel aus dem Hydrospeicher durch den Motor, wodurch eine Vergleichmäßigung der vom Motor abgegebenen Drehenergie erreicht wird.
Vorzugsweise ist zwischen der Niederdruckleitung und der Hochdruckleitung eine Verbindungsleitung angeordnet, in der ein zur Hochdruckleitung öffnendes Rückschlagventil vorgesehen ist. Dadurch kann während der Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher und vom Niederdruckanschluss des Motors zur Radialkolbeneinheit strömen und diese mit Wickelenergie (Energie zum Aufwickeln) versorgen.
Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist der Motor ein Verstellmotor, der über eine Abtriebswelle und eine Kupplung mit einem Asynchrongenerator verbunden ist.
Je nach Auslegung kann das Schluckvolumen jeder Radialkolbeneinheit verstellbar sein.
Je nach Wassertiefe ist der Fixpunkt am Grund des Gewässers oder an einer im Gewässer weitgehend ruhenden Vorrichtung (z. B. am Schwimmkörper einer Bohrinsel) angeordnet.
Im Folgenden werden anhand der Figuren zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage in einer Draufsicht;
2 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1 im seitlichen Schnitt;
3 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1 im seitlichen Schnitt;
4 ein Schaltbild des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1 bei einer Aufwärtsbewegung des Schwimmkörpers;
5 ein Schaltbild des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1 bei einer Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers;
6 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage in einer Draufsicht;
7 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 6 im seitlichen Schnitt;
8 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 6 im seitlichen Schnitt;
9 ein Schaltbild des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 6 bei einer Aufwärtsbewegung des Schwimmkörpers; und
10 ein Schaltbild des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 6 bei einer Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers.
Die 1 bis 3 zeigen schematisch ein erstes elektrisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage, wobei 1 eine Draufsicht und die 2 und 3 seitliche Schnitte zeigen.
Die Wellenenergieanlage hat einen weitgehend wasserdichten Schwimmkörper 1, dessen seitliche Wandung etwa die Form eines Kreiszylinders hat. Weiterhin hat der Schwimmkörper 1 einen gewölbten geschlossenen Deckel 2 und einen ebenfalls gewölbten Boden 4. Da der Schwimmkörper 1 weitgehend mit Luft gefüllt ist, schwimmt er auf einer möglichst wellenbehafteten Wasseroberfläche 6.
Nahe dem Mittelpunkt des Bodens 4 sind zwei abgedichtete Durchführungen 7a, 7b ausgebildet, durch die jeweils ein Endabschnitt 8a, 8b eines Hauptseils 8 geführt ist. Ein mittlerer Abschnitt des Hauptseils 8 ist über eine Umlenkrolle 10 geführt, die unterhalb des Schwimmkörpers 1 im Wasser angeordnet ist.
Der Durchmesser der Umlenkrolle 10 entspricht dem Abstand der beiden Durchführungen 7a, 7b im Boden 4 des Schwimmkörpers 1. Eine Achse der Umlenkrolle 10 ist über ein Grundseil 12 mit dem Grund 14 des Gewässers verbunden.
Jeder Endabschnitt 8a, 8b des Hauptseils 8 ist zumindest teilweise auf einer zugeordneten Winde 16a, 16b aufgewickelt. Die Winden 16a, 16b haben etwa kreis zylindrische Form, und ihre Längsachsen sind parallel zueinander angeordnet. Dabei weisen benachbarte Mantelflächenabschnitte einen Abstand zueinander auf, der demjenigen der beiden Durchführungen 7a, 7b im Boden 4 des Schwimmkörpers 1 entspricht. An diesen Mantelflächenabschnitten laufen die Endabschnitte 8a, 8b des Hauptseils 8 auf die jeweilige Winde 16a, 16b auf.
Mit jeder Winde 16a, 16b ist eine elektrische Dreiphasen-Wechselstrom-Maschine 18a, 18b gekoppelt, die jeweils als Motor und als Generator betrieben werden kann. Dabei ist jede Maschine 18a, 18b durch eine relativ niedrige Nenndrehzahl bei relativ hohem Drehmoment charakterisiert.
Jede Maschine 18a, 18b ist über elektrische Leitungen 20a, 20b mit einem Umrichter 22aa, 22b verbunden, der jeweils als Gleichrichter und als Wechselrichter betreiben werden kann. Die Umrichter 22a, 22b sind jeweils über elektrische Leitungen 24a, 24b mit Supercaps 26 verbunden, die von Kondensatoren mit hoher Kapazität gebildet sind.
4 und 5 zeigen jeweils ein Schaltbild des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage gemäß den 1 bis 3. Dabei ist nur eine Winde 16a dargestellt, die mechanisch an die zugeordnete Dreiphasen-Wechselstrom-Maschine 18a gekoppelt ist, die über die elektrischen Leitungen 20a und den Umrichter 22a mit den Supercaps 26 verbunden ist. Auf gleiche Weise ist die in den 4 und 5 nicht gezeigte Winde 16b mit der elektrischen Maschine 18b über die elektrischen Leitungen 20b und den Umrichter 22b an die Supercaps 26 angeschlossen.
Die Umrichter 22a, 22b können – wie in 4 symbolisiert – als Gleichrichter und – wie in 5 symbolisiert – als Dreiphasen-Wechselrichter betrieben werden. Der Umrichter 22a ist über die Leitungen 24a an die Supercaps 26 angeschlossen. Diese sind über die elektrischen Leitungen 28 und einen Dreiphasen-Wechselrichter 30 an einem (nicht gezeigten) Dreiphasen-Wechselstrom-Netzanschluss der erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage angeschlossen.
Im Folgenden wird die Funktion des ersten (elektrischen) Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage beschrieben.
Auf Grund des in seiner Länge nicht veränderbaren Grundseils 12, das die Umlenkrolle 10 auf gleichbleibender Höhe über dem Grund 16 des Gewässers hält, wird bei einer Aufwärtsbewegung des Schwimmkörpers 1 von einem Wellental zu einem Wellenkamm bzw. Wellenberg des Gewässers der gesamte Höhenunterschied des Schwimmkörpers 1 durch Abwickeln der Endabschnitte 8a, 8b des Hauptseils 8 von den zugeordneten Winden 16a, 16b ausgeglichen. Dabei entspricht die Summe der beiden abgewickelten Seillängen dem doppelten Höhenunterschied vom Wellental zum Wellenkamm, wobei eine ungleiche Verteilung der abgewickelten Seillängen zum Beispiel durch (nicht gezeigte) Bremsen erreicht werden kann. Die Bremsen können an den Endabschnitten 8a, 8b des Hauptseils 8 oder an den Winden 16a, 16b oder an den elektrischen Maschinen 18a, 18b wirken. Durch diese Funktion kann im Verlauf von aufeinander folgenden Aufwärts- und Abwärtsbewegungen des Schwimmkörpers 1 das Hauptseil 8 schrittweise von einer Winde 16a auf die andere Winde 16b umgespult werden.
4 zeigt die Funktion der Wellenenergieanlage bei einer Aufwärtsbewegung des Schwimmköpers 1. Dabei wird der Endabschnitt 8a des Hauptseils 8 von der Winde 16a abgewickelt, wodurch die Dreiphasen-Wechselstrom-Maschine 18a im Generatorbetrieb angetrieben wird. Der erzeugte Gesamtstrom wird über die Leitungen 20a, über den als Gleichrichter betriebenen Umrichter 22a und über die Leitungen 24a zu den Supercaps 26 geleitet. Dort wird der erzeugte Strom zu einem Anteil > 50% gespeichert und zu einem Anteil < 50% über die Leitungen 28 abgegeben. Dieser Anteil des erzeugten Gesamtstroms wird vom Wechselrichter 30 in Dreiphasen-Wechselstrom umgewandelt und wird so von der Wellenenergieanlage während der Aufwärtsbewegung des Schwimmkörpers 1 über den Netzanschluss an ein elektrisches Netz abgegeben.
5 zeigt den Betriebszustand der erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage bei der Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers 1 von einem Wellenkamm bzw. Wellenberg in ein Wellental am Beispiel der elektrischen Maschine 18a.
Die in den Supercaps 26 gespeicherte Ladung wird dabei zum Großteil über die Leitungen 28 abgegeben und über den Dreiphasen-Wechselrichter 30 in das Netz eingespeist.
Ein kleinerer Teil der in den Supercaps 26 gespeicherten Ladung wird als Strom über die Leitungen 24a, über den als Wechselrichter betriebenen Umrichter 22a und über die Leitungen 20a an die elektrische Maschinen 18a abgegeben. Dabei arbeitet die Maschine 18a als Dreiphasen-Wechselstrom-Motor, der die Winde 16a antreibt. Die Winde 16a rotiert entgegen der Drehrichtung bei der Aufwärtsbewegung des Schwimmkörpers 1 (gemäß 4). Durch diesen Antrieb bzw. durch diese Rotation wird der Endabschnitt 8a des inzwischen entspannten Hauptseils 8 auf die Winde 16a aufgewickelt.
Am Ende der Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers 1 bzw. am Ende des Betriebszustandes der erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage gemäß 5 erfolgt eine erneute Aufwärtsbewegung (siehe 4).
Der vorrichtungstechnische Aufwand zum Aufwickeln der Endabschnitte 8a, 8b des Hauptseils 8 ist bei der erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage gering, da der Generator zur Erzeugung der Nutzenenergie auch als Antrieb zum Aufwickeln des Hauptseils dienen kann. Der Energiespeicher dient auch zum Vergleichmäßigen des von der Wellenenergieanlage abgegebenen Stroms. Diese Vergleichmäßigung ermöglicht bei dem in den 1 bis 5 gezeigten ersten (elektrischen) Ausführungsbeispiel eine Auslegung der Anlage auf eine Nennleistung, die deutlich geringer ist als die Maximalleistung ihres Generators.
6 bis 8 zeigen eine schematische Darstellung eines zweiten (hydraulischen) Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage. Dabei zeigt 6 eine Draufsicht, während die 7 und 8 seitliche Schnitte zeigen.
Der Schwimmkörper 1 mit dem Deckel 2 und dem Boden 4, sowie das Hauptseil 8 mit der Umlenkrolle 10 und dem Grundseil 12 entsprechen denen des ersten Aus führungsbeispiels gemäß 1 bis 3. Weiterhin sind auch die durch Durchgangsausnehmungen im Boden 4 geführten Endabschnitte 8a, 8b und die entsprechenden Winden 16a, 16b auf gleiche Weise angeordnet, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert.
Anders als beim ersten Ausführungsbeispiel sind die Winden 16a, 16b jeweils mit einer hydraulischen Radialkolbeneinheit 118a, 118b mechanisch verbunden. Diese können als hydraulische Pumpen und als hydraulische Motoren betrieben werden.
Weiterhin sind in dem Schwimmkörper 1 ein Tank T, ein Hochdruckspeicher 120, ein Niederdruckspeicher 122 und ein hydraulischer Verstellmotor 124 in einem hydraulischen Kreis angeordnet.
Der Verstellmotor 124 ist mit einem elektrischen Asynchron-Generator 126 gekoppelt, über den die von der Wellenenergieanlage abgegebene elektrische Energie erzeugt wird.
Wie in 9 dargestellt ist, treiben beiden Winden 16a, 16b jeweils über Wellen mit Kupplungen die zugeordneten Radialkolbenmaschinen 118a, 118b an. Diese haben niederdruckseitig jeweils einen Tankanschluss und sind hochdruckseitig über eine gemeinsame Hockdruckleitung 128 und über einen Anschluss 130 mit dem Hochdruckspeicher 120 und mit einem Hochdruckanschluss 124a des Verstellmotors 124 verbunden. Zwischen der Hochdruckleitung 128 und dem Anschluss 130 ist ein Rückschlagventil 132 angeordnet, das von den beiden Radialkolbeneinheiten 118a, 118b zum Hochdruckspeicher 120 und zum Verstellmotor 124 öffnet.
Ein Niederdruckanschluss 124b des Verstellmotors 124 ist über eine Niederdruckleitung 134 an den Niederdruckspeicher 122 angeschlossen. Zwischen der Niederdruckleitung 134 und der Hochdruckleitung 128 ist eine Verbindungsleitung 136 angeordnet, in der ein von der Niederdruckleitung 134 zur Hochdruckleitung 128 öffnendes Rückschlagventil 138 vorgesehen ist.
Bei der Aufwärtsbewegung des Schwimmkörpers 1 werden die beiden Radialkolbeneinheiten 118a, 118b prinzipiell auf gleiche Weise angetrieben, wie mit Bezug zum ersten Ausführungsbeispiel erläutert wurde. Dabei werden die Radialkolbeneinheiten 118a, 118b als Pumpen betrieben, die parallel zueinander Druckmittel aus dem Tank T über die Hochdruckleitung 128 und über das Rückschlagventil 132 zum Anschluss 130 fördern. Dort verzweigt der Druckmittelstrom einerseits zum Hochdruckspeicher 120 (Anteil > 50%) und andererseits zum Hochdruckanschluss 124a des Verstellmotors 124 (Anteil < 50%). Der so angetriebene Verstellmotor 124 treibt über eine Welle den Asynchron-Generator 126 an, der auf diese Weise elektrische Energie erzeugt, die von der Wellenenergieanlage abgegeben wird.
Niederdruckseitig fließt das Druckmittel vom Niederdruckanschluss 124b des Verstellmotors 124 über die Niederdruckleitung 134 zum Niederdruckspeicher 122. Das Rückschlagventil 138 ist dabei geschlossen, da der Druck in der Hockdruckleitung 128 höher ist als in der Niederdruckleitung 134.
10 zeigt einen Betriebszustand bei einer Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers 1.
Aus dem geladenen Hochdruckspeicher 120 wird dabei Druckmittel zum Hochdruckanschluss 124a des Verstellmotors 124 gefördert, wodurch der Asynchron-Generator 126 angetrieben wird und elektrische Energie abgeben kann.
Niederdruckseitig strömt das Druckmittel vom Niederdruckanschluss 124b des Verstellmotors 124 durch die Niederdruckleitung 134 und das Rückschlagventil 138 zur Hochdruckleitung 128, in der während dieses Betriebszustandes Niederdruck herrscht. Hinzu kommt ein Druckmittelstrom aus dem Niederdruckspeicher 122, der ebenfalls über das Rückschlagventil 138 zur Hochdruckleitung 128 gerichtet ist.
In diesem Betriebszustand ist das Rückschlagsventil 132 geschlossen, da der Druck am Anschluss 130 höher ist als derjenige in der Hochdruckleitung 128.
Der vom Verstellmotor 124 und vom Niederdruckspeicher 122 abgegebene Druckmittelstrom strömt über die Hochdruckleitung 128 zu den beiden Radialkolbeneinheiten 118a, 118b, die nun als Motoren betrieben werden. Sie treiben die zugeordneten Winden 116a, 116b an, wobei die Drehrichtung entgegen derjenigen aus dem vorbeschriebenen Betriebszustand gerichtet ist. Dadurch werden die Endabschnitte 8a, 8b des inzwischen entlasteten Hauptseils 8 auf die zugeordneten Winden 16a, 16b aufgewickelt.
Die Wellenenergieanlage wird so lange auf diese Weise betrieben, bis der Schwimmkörper 1 den tiefsten Punkt im Wellental erreicht hat. In diesem Moment wird wieder auf den Betriebszustand gemäß 9 umgesteuert.
Auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wellenenergieanlage mit einem hydraulischen Zwischenkreis sind die vorbeschriebenen Vorteile gegeben: Durch die Druckspeicher 120, 122 kann auch während einer Abwärts bewegung des Schwimmkörpers Energie von der Wellenenergieanlage abgegeben werden, so dass der Generator 126 auf einen gleichmäßigen Betrieb mit geringerer Nennleistung ausgelegt werden kann, als bei Wellenenergieanlagen gemäß dem Stand der Technik.
Statt des beschriebenen Verstellmotors 124 kann auch ein Hochmomentmotor gemäß der Patentschrift DE 40 37 455 C1 eingesetzt werden.
Abweichend von den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann der Schwimmkörper auch unter der Wasseroberfläche angeordnet sein oder zumindest bei seiner Auswärtsbewegung unter die Wasseroberfläche gezogen werden. Dadurch ist sein Auftrieb und somit das Drehmoment an den Winden erhöht.
Statt der beschriebenen Seile können auch andere Zugmittel wie z. B. Ketten oder Drähte als zum Einsatz kommen.
Abweichen von den gezeigten Ausführungsbeispielen kann der Fixpunkt auch an einer ortsfesten Vorrichtung wie z. B. am Auftriebskörper einer Bohrinsel angeordnet sein.
Die Verteilung der Energieströme kann auch von der beschriebenen Verteilung abweichen. So kann ein Großteil der Gesamtenergie direkt (während der Aufwärtsbewegung des Schwimmkörpers) abgegeben werden und nur ein deutlich kleiner Teil (z. B. nur die benötigte Wickelenergie) zwischengespeichert werden.
Offenbart ist eine Wellenenergieanlage mit einem an einer welligen Oberfläche eines Gewässers angeordneten Schwimmkörper, der zumindest eine Winde aufweist, an der jeweils ein mit einem im Wesentlichen ortsfesten Fixpunkt verbundenes biegeschlaffes Windenzugmittel befestigt ist. Dabei ist jedes Windenzugmittel zumindest abschnittsweise auf der zugeordneten Winde aufgewickelt, wenn sich der Schwimmkörper in einem Wellental befindet, und zumindest abschnittsweise von der zugeordneten Winde abgewickelt, wenn sich der Schwimmkörper auf einem Wellenkamm befindet. Bei einer Aufwärtsbewegung des Schwimmkörpers kann aus einer durch das zumindest eine Windenzugmittel erzeugten Rotation der zugeordneten Winde in eine erste Drehrichtung über je eine Maschine Energie gewonnen werden, während bei einer Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers die Winde in Gegenrichtung zur ersten Drehrichtung von der zugeordneten Maschine angetrieben wird. Dadurch ist eine Wellenenergieanlage mit verbessertem Wirkungsgrad und minimiertem vorrichtungstechnischem Aufwand insbesondere für die Aufwicklung der Windenzugmittel geschaffen.

1: Schwimmkörper
2: Deckel
4: Boden
6: Wasseroberfläche
7a, 7b: Durchführung
8: Hauptseil
8a, 8b: Endabschnitt
10: Umlenkrolle
12: Grundseil
14: Grund
16a, 16b: Winde
18a, 18b: Dreiphasen-Wechselstrom-Maschine
20a, 20b: elektrische Leitungen
22a, 22b: Umrichter
24a, 24b: elektrische Leitungen
26: Supercaps
28: elektrische Leitungen
30: Dreiphasen-Wechselrichter
118a, 118b: Radialkolbeneinheit
120: Hochdruckspeicher
122: Niederdruckspeicher
124: Verstellmotor
124a: Hochdruckanschluss
124b: Niederdruckanschluss
126: Asynchron-Generator
128: Hochdruckleitung
130: Anschluss
132: Rückschlagventil
134: Niederdruckleitung
136: Verbindungsleitung
138: Rückschlagventil
T: Tank

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7045912 B2 [0004]
- US 4228360 [0005]
- DE 102004034636 A1 [0019]
- DE 4037455 C1 [0072]

Claims

Wellenenergieanlage mit einem an einer welligen Oberfläche (6) eines Gewässers angeordneten Schwimmkörper (1), der zumindest eine Winde (16a, 16b) aufweist, an der jeweils ein mit einem etwa ortsfesten Fixpunkt verbundenes biegeschlaffes Windenzugmittel (8a, 8b) befestigt ist, wobei jedes Windenzugmittel (8a, 8b) zumindest abschnittsweise auf der zugeordneten Winde (16a, 16b) aufgewickelt ist, wenn sich der Schwimmkörper (1) in einem Wellental befindet, und wobei jedes Windenzugmittel (8a, 8b) zumindest abschnittsweise von der zugeordneten Winde (16a, 16b) abgewickelt ist, wenn sich der Schwimmkörper (1) auf oder unter einem Wellenkamm befindet, und wobei während einer Aufwärtsbewegung des Schwimmkörpers aus einer Rotation der Winde in eine erste Drehrichtung über je eine Maschine (18a, 18b; 118a, 118b) Gesamtenergie gewinnbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers (1) jede Winde (16a, 16b) in Gegenrichtung zur ersten Drehrichtung von der zugeordneten Maschine (18a, 18b; 118a, 118b) antreibbar ist.
Wellenenergieanlage nach Patentanspruch 1 mit zumindest einem Energiespeicher (26; 120, 122) zur Zwischenspeicherung von während der Aufwärtsbewegung des Schwimmkörpers (1) gewonnener Speicherenergie, wobei während der Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers (1) Wickelenergie zum Aufwickeln der Winden von den Energiespeichern (26; 120, 122) über die Maschinen (18a, 18b; 118a, 118b) an die zugeordneten Winden (16a, 16b) übertragbar ist, und wobei Gesamtenergie ≥ Speicherenergie ≥ Wickelenergie.
Wellenenergieanlage nach Patentanspruch 1 oder 2 mit einer geraden Anzahl von Winden (16a, 16b) und zugeordneten Windenzugmitteln (8a, 8b), die jeweils paarweise ein Hauptzugmittel (8) bilden, wobei jeweils ein oberer Endabschnitt eines am Fixpunkt verankerten Grundzugmittels (12) entlang jedem Hauptzugmittel (8) verschiebbar befestigt ist.
Wellenenergieanlage nach Patentanspruch 3, wobei jedes Hauptzugmittel (8) in einer am oberen Endabschnitt des Grundzugmittels (12) befestigten Umlenkrolle (10) geführt ist.
Wellenenergieanlage nach Patentanspruch 4, wobei die Umlenkrollen (10) in der Nähe des Wellentals angeordnet sind.
Wellenenergieanlage nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, wobei an jedem Windenzugmittel (8a, 8b) oder an jeder Winde (16a, 16b) oder an jeder Maschine (18a, 18b; 118a, 118b) eine Bremse angeordnet ist.
Wellenenergieanlage nach einem der Patentansprüche 3 bis 6, wobei zwischen den Winden (16a, 16b) und den zugeordneten Maschinen (18a, 18b; 118a, 118b) jeweils Kupplungen vorgesehen sind.
Wellenenergieanlage nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, wobei die Winden (16a, 16b) jeweils paarweise mechanisch gekoppelt sind.
Wellenenergieanlage nach einem der vorhergehenden Patentansprüche mit zwei Maschinen, die jeweils von als Generator und als Motor betreibbaren elektrischen Maschinen (18a, 18b) gebildet sind, wobei der Energiespeicher von zumindest einem Kondensator (26) gebildet ist.
Wellenenergieanlage nach Patentanspruch 9, wobei die Maschinen jeweils Dreiphasen-Wechselstrom-Maschinen (18a, 18b) mit zugeordneten Gleichrichtern (22a, 22b) und Wechselrichtern (22a, 22b) sind, die abwechselnd in Betrieb nehmbar sind.
Wellenenergieanlage nach Patentanspruch 9, wobei die Maschinen Gleichstrommaschinen sind.
Wellenenergieanlage nach einem der Patentansprüche 9 bis 11 mit zumindest einem Wechselrichter (30), der jeweils zwischen dem zumindest einem Kondensator (26) und einem Dreiphasen-Wechselstrom-Netzanschluss angeordnet ist.
Wellenenergieanlage nach einem der Patentansprüche 9 bis 12, wobei die Maschinen von Torque-Maschinen mit hohem Drehmoment gebildet sind.
Wellenenergieanlage nach einem der Patentansprüche 9 bis 13, wobei der Energiespeicher von Supercaps (26) mit hoher Speicherkapazität gebildet ist.
Wellenenergieanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 8 mit zwei Maschinen, die jeweils von als Pumpe und als Motor betreibbaren hydraulischen Radialkolbeneinheiten (118a, 118b) gebildet sind, die jeweils einen mit einem Tank (T) verbunden Niederdruckanschluss und einen mit dem Energiespeicher verbundenen Hochdruckanschluss haben, wobei der Energiespeicher ein hydraulischer Hochdruckspeicher (120) und ein hydraulischer Niederdruckspeicher (122) ist.
Wellenenergieanlage nach Patentanspruch 15, wobei ein Hochdruckanschluss jeder Radialkolbeneinheit (118a, 118b) über eine Hochdruckleitung (128) mit einem Hochdruckanschluss (124a) eines hydraulischen Motors (124) verbunden ist, dessen Niederdruckanschluss (124b) über eine Niederdruckleitung (134) mit dem Niederdruckspeicher (122) verbunden ist, wobei der Hochdruckspeicher (120) an der Hochdruckleitung (128) angeschlossen ist.
Wellenenergieanlage nach Patentanspruch 15 oder 16, wobei in der Hochdruckleitung (128) zwischen den Hochdruckanschlüssen der Radialkolbeneinheiten (118a, 118b) und dem Hochdruckspeicher (120) ein zum Hochdruckspeicher (120) und zum Motor (124) öffnendes Rückschlagventil (132) angeordnet ist.
Wellenenergieanlage nach Patentanspruch 16 oder 17, wobei zwischen der Niederdruckleitung (134) und der Hochdruckleitung (128) eine Verbindungs leitung (138) angeordnet ist, in der ein zur Hochdruckleitung (128) öffnendes Rückschlagventil (138) vorgesehen ist.
Wellenenergieanlage nach einem der Patentansprüche 15 bis 18, wobei der Motor ein Verstellmotor (124) ist, der über eine Abtriebswelle und eine Kupplung mit einem Asynchron-Generator (126) verbunden ist.
Wellenenergieanlage nach einem der Patentansprüche 15 bis 19, wobei das Schluckvolumen jeder Radialkolbeneinheit (118a, 118b) verstellbar ist.
Wellenenergieanlage nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Fixpunkt am Grund (14) des Gewässers oder an einer im Gewässer etwa ruhenden Vorrichtung angeordnet ist.