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Die
Erfindung betrifft eine Wellenenergieanlage gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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In
Anbetracht der zunehmenden Knappheit von zur Energieversorgung erforderlichen
Rohstoffen rücken von Naturkräften angetriebene
Energieanlagen, wie beispielsweise Windenergieanlagen, Sonnenenergieanlagen
und Wellenenergieanlagen in den Vordergrund.
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Unter www.awsocean.com ist
eine mit „Wave-Swing” bezeichnete Wellenenergieanlage
beschrieben, bei der ein Schwimmkörper am Meeresboden verankert
und mit einem Floater ausgeführt ist, der durch den Wellengang
in oszillierende Vertikalbewegungen (senkrecht zur Wasseroberfläche)
versetzt wird. Diese oszillierende Bewegung des Floaters kann mit
einem beweglichen Teil eines Lineargenerators gekoppelt sein, der
in einem gegenüber dem Floater fest stehenden Basisteil
des Schwimmkörpers aufgenommen ist. Entsprechend der Bewegung des
Floaters führt dann ein Aktuator des Lineargenerators aufgrund
des Wellengangs eine entsprechende oszillierende Bewegung aus, so
dass an einem Stator des Lineargenerators eine induzierte Wechselspannung
abgegriffen werden kann. Anstelle des in den Schwimmkörper
integrierten Lineargenerators kann über den Floater alternativ
auch eine Hydropumpe angetrieben werden, so dass die über
den Wellengang an den Floater abgegebene Energie zunächst
in hydraulische Energie umgewandelt wird. Mittels eines Wandlers
kann dann diese hydraulische Energie in elektrische Energie umgewandelt
werden.
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Nachteilig
bei dem „Wave-Swing”-System ist, dass ein vergleichsweise
hoher vorrichtungstechnischer Aufwand erforderlich ist, um den Schwimmkörper
mit seinem Floater, einem gehäuseartigen Basisteil und
einer sich zwischen diesen erstreckenden Membran sowie zur Verankerung
des Schwimmkörpers am Meeresboden erforderlich ist.
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In
den Druckschriften
EP
1 623 110 B1 und
EP
1 444 435 B1 ist eine unter der Bezeichnung „Wave
Roller” bekannte Wellenenergieanlage gezeigt, bei der ein
plattenförmiger, mit einem Auftrieb versehener Körper
entlang einer Seitenkante gelenkig am Meeresboden verankert ist.
Diese Platte – im Folgenden Wellenplatte genannt – führt aufgrund
der Umlaufbewegungsbahn der Wasserteilchen während des
Wellengangs eine Schwenkbewegung um das Gelenk aus. Diese Schwenkbewegung
der Wellenplatte wird auf eine Pumpe übertragen, über
die Druckmittel aus einem Tank angesaugt und mit Druck beaufschlagt
einem Speicher oder einem Verbraucher zugeführt wird.
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Diese
Wellenenergieanlagen haben zwar gegenüber den Wave-Swing-Systemen
einen vergleichsweise einfachen Aufbau – in der Praxis
zeigte es sich jedoch, dass der Wirkungsgrad der Wave Roller-Systeme
aufgrund des kleinen Schwenkwinkels relativ gering ist.
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Demgegenüber
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute
Wellenenergieanlage mit verbessertem Wirkungsgrad auszubilden.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Wellenenergieanlage mit den Merkmalen des
Patentanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß hat
die Wellenenergieanlage eine unter Wasser angeordnete Wellenplatte, die
an einer ortsfest abgestützten Koppeleinrichtung gelenkig
gelagert ist, so dass sie bei Wellengang eine etwa oszillierende
Bewegung durchführt und die kinetische Energie der Wellenplatte über
einen Wandler zur Versorgung von Verbrauchern oder dergleichen nutzbar
ist. Erfindungsgemäß ist die Koppeleinrichtung
als Mehrlenkeranordnung ausgeführt.
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Eine
derartige Mehrlenkeranordnung ermöglicht es, die Kinematik
der Wellenplattelagerung so auszulegen, dass die Wellenenergie in
optimaler Weise in kinetische Energie der Wellenplatte umgesetzt
wird. D. h. in Abwendung von der bisherigen Vorgehensweise, bei
der die Wellenplatte lediglich eine Schwenkbewegung um eine sich
entlang einer Plattenseitenkante erstreckenden Schwenkachse durchführt,
wird bei der erfindungsgemäßen Lösung die
Wellenplatte über die Mehrlenkeranordnung so geführt,
dass sie anstelle der reinen Schwenkbewegung eine Bewegung mit einem
translatorischen Anteil, d. h. einer Verschiebung der Platte relativ
zum Boden des Gewässers durchführt. Aufgrund dieser translatorischen
Kinematik wird die Relativgeschwindigkeit der Platte mit Bezug zu
den Wasserteilchen über die Plattenhöhe vergleichmäßigt.
Bei der bekannten Lösung ist die Bewegungsgeschwindigkeit der
Wellenplatte im Bereich des Schwenkgelenkes nahezu 0, so dass im
Gelenkbereich eine große Kraft mit geringem Hebel wirkt
während die Bewegungsgeschwindigkeit in den vom Gelenk
entfern ten, wasserspiegelseitigen Endabschnitten der Wellenplatte relativ
hoch ist. Aufgrund dieser erfindungsgemäße über
die Plattenhöhe vergleichmäßigten Relativgeschwindigkeiten
kann eine wesentlich höhere Energieausbeute als bei der
herkömmlichen Lösung erzielt werden.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
die Mehrlenkeranordnung so ausgeführt, dass der translatorische
Bewegungsanteil im Wesentlichen in Horizontalrichtung erfolgt.
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Bei
einem besonders einfach aufgebauten Ausführungsbeispiel
ist die Mehrlenkeranordnung als Parallelogrammlenkeranordnung ausgeführt.
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Diese
Parallelogrammlenkeranordnung kann einen Parallelogrammrahmen haben,
der durch rahmenförmig zusammengefügte Stützstreben
gebildet ist, wobei die Wellenplatte eine Diagonale dieses Parallelogrammrahmens
bildet.
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Der
vorrichtungstechnische Aufwand für die Mehrlenkeranordnung
ist besonders gering, wenn diese Stützstreben des Parallelogrammrahmens gleich
lang ausgeführt sind, so dass der Rahmen ein regelmäßiges
Viereck ausbildet.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Parallelogrammlenkeranordnung
mit zwei Parallelogrammlenkern ausgeführt, die einerseits
an dem Parallelogrammrahmen und andererseits an einem Fundament
oder dergleichen angelenkt sind. Dabei erstreckt sich dann der Parallelogrammrahmen
im Bereich zwischen den beiden Parallelogrammlenkern.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel sind die beiden Parallelogrammlenker
parallel zueinander angeordnet, so dass entsprechend die Wellenplatte
eine translatorische Bewegung – vorzugsweise in Horizontalrichtung – durchführt.
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Alternativ
können die Parallelogrammlenker auch schräg zueinander
angestellt sein, so dass die translatorische Bewegung der Wellenplatte
von einer rotatorischen Bewegung überlagert wird. D. h.
die Platte wird durch den Wellengang seitlich versetzt und dabei
noch verschwenkt.
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Zur
Verbesserung der Steifigkeit der Wellenenergieanlage kann die Wellenplatte über
zwei parallel zueinander angeordnete Parallelogrammlenkeranordnungen
abgestützt sein.
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Die
Führung der Wellenplatte ist dann besonders exakt, wenn
diese Parallelogrammlenkeranordnungen über Querstreben
miteinander verbunden sind.
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Bei
einem besonders einfach aufgebauten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist der Wandler als Pumpe ausgeführt, die
in Wirkverbindung mit einem beweglichen Teil der Mehrlenkeranordnung, vorzugsweise
mit dem Parallelogrammlenker der Parallelogrammlenkeranordnung steht.
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Diese
Pumpe kann beispielsweise als doppeltwirkende Pumpe ausgeführt
sein, deren Kolbenstange an der Parallelogrammlenkeranordnung angelenkt
ist.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden
anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
stark vereinfachte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Wellenenergieanlage;
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2 eine
Vorderansicht der Wellenenergieanlage aus 1 und
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3 eine
Prinzipskizze zur Verdeutlichung der Bewegung einer Wellenplatte
der Wellenenergieanlage gemäß 1 aufgrund
des einwirkenden Wellengangs.
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Die
eingangs beschriebenen Wellenenergieanlagen des Typs Wave-Swing
oder Wave Roller werden im Flachwasserbereich eingesetzt, in dem das
Verhältnis der Wassertiefe zur Wellenlänge kleiner
als 0,5 ist. In Bereichen größerer Wassertiefe
bewegen sich die Wasserteilchen beim Passieren einer Welle im Wesentlichen
auf einer Kreisbahn, deren Radius unterhalb des Wasserspiegels maximal
ist und mit zunehmender Wassertiefe etwa auf 0 abnimmt. Im oben
genannten Flachwasserbereich ist diese Orbitalbahn der Wasserteilchen
beim Passieren einer Welle etwa ellipsenförmig ausgebildet,
wobei die parallel zum Wasserspiegel verlaufende Horizontalkomponente
der Ellipse in erster Näherung unabhängig von
der Wassertiefe ist. Die Vertikalerstreckung dieser elliptischen
Orbitalbahn der Wasserteilchen im Flachwasserbereich ist im Bereich
des Wasserspiegels maximal und nimmt zum Boden des Gewässers
hin ab, so dass die Wasserteilchen in dem bodennahen Bereich lediglich
noch eine translatorische Bewegung in Horizontalrichtung durchführen.
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Bei
den eingangs genannten Wave-Swing-Systemen werden im Wesentlichen
die Vertikalkomponenten der Wasserteilchenzirkulation ausgenützt,
während beim Wave Roller-System im Wesentlichen die Horizontalkomponenten
der Orbitalbewegung ausgenutzt werden.
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1 zeigt
eine Wellenenergieanlage 1, deren Grundaufbau an das Wave
Roller-System angelehnt ist. Dabei können mehrere der in 1 dargestellten
Power-Take-Offs (PTO) parallel geschaltet im Flachwasserbereich
am Meeresboden verankert werden. Jedes dieser PTO 1 hat
gemäß den 1 und 2 eine
etwa rechteckförmige Wellenplatte 2, wobei beim
dargestellten Ausführungsbeispiel die Erstreckung in Vertikalrichtung – d.
h. senkrecht zum Wasserspiegel – größer
ist als die Erstreckung in Horizontalrichtung (parallel zum Wasserspiegel).
Diese Wellenplatte 2 ist über zwei Parallelogrammlenkeranordnungen 4, 6,
von denen in der Seitenansicht gemäß 1 lediglich
eine (6) sichtbar ist, gelenkig an einem auf dem Gewässerboden
ausgebildeten Fundament 8 abgestützt. Wie insbesondere
aus 1 hervorgeht, besteht jede Parallelogrammlenkeranordnung 4, 6 aus
einem Parallelogrammrahmen 10, der in der Ansicht gemäß 1 ein
Quadrat aufspannt, dessen in Vertikalrichtung verlaufende Diagonale
durch die Wellenplatte 2 gebildet ist. Der Parallelogrammrahmen 10 ist
aus vier rechtwinklig zueinander angeordneten Stützstreben 12, 14, 16, 18 ausgebildet,
die starr miteinander verbunden sind. In den beiden von der Wellenplatte 2 entfernten
Eckbereichen des Parallelogrammrahmens 10, d. h. im Verbindungsbereich
der Stützstreben 14, 16 einerseits und 12, 18 andererseits
ist jeweils ein Gelenk 20, 22 ausgebildet, an
dem jeweils ein Parallelogrammlenker 24, 26 angelenkt
ist. Der von dem jeweiligen Gelenk 20, 22 entfernte
Endabschnitt der beiden Parallelogrammlenker 24, 26 jeder
Parallelogrammlenkeranordnung 4, 6 ist über
ein Schwenkgelenk 28 bzw. 30 an dem Fundament 8 abgestützt.
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Bei
dem in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel verlaufen die beiden Parallelogrammlenker 24, 26 in
der dargestellten Grundposition des PTO parallel zueinander in Vertikalrichtung.
Wie vorstehend erwähnt, ist der Aufbau der in 1 nicht
sichtbaren Parallelogrammlenkeranordnung 4 entsprechend
der Parallelogrammlenkeranordnung 6. Dementsprechend sind
die in 2 sichtbaren Bauelemente der Parallelogrammlenkeranordnung 4 mit
einem „'” gekennzeichnet.
Wie aus der Darstellung gemäß 2 hervorgeht,
sind die beiden durch die Streben 14, 16 bzw. 14', 16' gebildeten Eckbereiche
durch eine Querstrebe 32 miteinander verbunden. Die in 2 nicht
sichtbaren, mit Bezug zur Zeichenebene „hinten liegenden” Eckbereich
zwischen den Stützstreben 12, 18 sind
durch eine entsprechende Querstrebe miteinander ver bunden. Diese
Querstreben verlaufen in etwa parallel oder koaxial zur Achse der
beiden Gelenke 20, 22.
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Wie
vorstehend erläutert, ist die Orbitalbewegung der Wasserteilchen
im Flachwasserbereich in Vertikalrichtung (parallel zum Wasserspiegel) über der
Wasserhöhe in etwa konstant, während die Vertikalbewegung
der Wasserteilchen zum Boden des Gewässers hin abnimmt – die
entsprechenden Orbitalbahnen der Wasserteilchen sind in 3 gestrichelt
angedeutet. Die im Wasser „stehende” Wellenplatte 2 wird
von diesen zirkulierenden Wasserteilchen mit einer Kraft beaufschlagt,
die gemäß der Darstellung in 3 aufgrund
der Parallelogrammführung über die Parallelogrammlenkeranordnungen 4, 6 zu
einer Horizontalbewegung der Wellenplatte 2 führt.
D. h. die Wellenplatte 2 wird aus der in 1 dargestellten
und in 3 mit einer durchgezogenen Linie gekennzeichneten
Grundposition heraus, in der die beiden Parallelogrammlenker 24, 26 in
Vertikalrichtung angeordnet sind, seitlich nach links oder rechts
versetzt, wobei die Parallelogrammlenkeranordnung 4, 6 um
die beiden Schwenkgelenke 28, 30 verschwenkt,
so dass die Wellenplatte 2 beispielsweise in die gestrichelte
Position verschoben wird. Mit anderen Worten gesagt, die Wellenplatte 2 führt aufgrund
des Wellengangs eine translatorische Bewegung in Horizontalrichtung
durch. Dabei ist die Relativgeschwindigkeit v1,
v2 mit Bezug zu den Wasserteilchen über
die gesamte Plattenhöhe H (siehe 1) im Wesentlichen
konstant, so dass auch die entsprechend der Relativgeschwindigkeit
auf die Wellenplatte übertragene Kraft über die
Höhe H konstant ist. Durch diese konstante Kraftbeaufschlagung ist
die Energieausbeute bei der über eine Parallelogrammlenkeranordnung 4, 6 geführte
Wellenplatte 2 wesentlich höher als bei der bekannten
Lösung, bei der die Wellenplatte um ein Gelenk verschwenkt. Aufgrund
dieser Parallelogrammführung wird die Wellenplatte 2 in
der gestrichelten Position auch etwas nach unten, zum Fundament 8 hin
versetzt – diese Bewegungskomponente spielt jedoch im Vergleich
zur Horizontalbewegung keine Rolle.
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Bei
der vorbeschriebenen Kinematik der Parallelogrammlenkeranordnung
führt die Wellenplatte 2 lediglich eine translatorische
Bewegung durch. Diese translatorische Bewegung kann von einer rotatorischen
Bewegung überlagert werden, wenn die beiden Parallelogrammlenker 24, 26 nicht
parallel zueinander angeordnet werden sondern beispielsweise schräg
zueinander angestellt sind. Eine derartige Lösung ist in 1 mit
gestrichelten Linien angedeutet. Bei derartigen schräg
angestellten Parallelogrammlenkern 24, 26 bewegen
sich die Gelenke 20, 22 auf den in 1 gestrichelt
angedeuteten Bewegungsbahnen A, B. Entsprechend wird bei einer Verschiebung
der Wellenplatte 2 nach links (1) das Gelenk 20 ebenfalls
nach links und in Richtung zum Wasserspiegel versetzt, während
das Gelenk 22 nach links und in Richtung des Fundamen tes 8 abgesenkt
wird – dementsprechend kippt die Wellenplatte 2 entgegen
des Uhrzeigersinns, so dass die translatorische Bewegung von einer
rotatorischen Bewegung überlagert wird. Bei dem in 1 gestrichelt angedeuteten
Ausführungsbeispiel laufen die beiden Parallelogrammlenker 24, 26 zum
Fundament 8 hin aufeinander zu – in kinematischer
Umkehr könnten die beiden Parallelogrammlenker 24, 26 auch
zu den Gelenken 20, 22 hin aufeinander zu laufen.
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Die
Relativbewegung der Wellenplatte 2 im Wasser wird auf einen
Wandler übertragen, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel
als Pumpe 32 ausgeführt ist. Diese ist beispielsweise
als doppelt wirkende Pumpe ausgeführt, deren Kolbenstange 34 über
ein Kolbenstangengelenk 36 mit der Parallelogrammlenkeranordnung,
beispielsweise mit dem Parallelogrammlenker 26 oder einer
Querstrebe verbunden ist. Ein Zylinder 38 der Pumpe 32 ist über
ein Fundamentgelenk 40 am Fundament 8 angelenkt,
so dass die Pumpe 32 der Parallelogrammlenkeranordnungen 4, 6 folgen
kann. Der sich jeweils vergrößernde Druckraum
ist über nicht dargestellte Saugleitungen mit einem Druckmitteltank
und der sich verkleinernde Druckraum über Druckleitungen
mit einem Speicher verbunden, so dass beim Hub des Kolbens 42 Druckmittel
in den sich vergrößernden Druckraum angesaugt
und aus dem sich verkleinernden Druckraum mit Hochdruck beaufschlagt
in den Speicher gefördert wird. Als Druckmittel kann beispielsweise Hydrauliköl
oder Luft verwendet werden. Prinzipiell ist es auch möglich, über
die Bewegung der Wellenplatte 2 einen Lineargenerator oder
dergleichen anzutreiben, so dass die kinetische Energie der Wellenplatte
direkt in elektrische Energie umgesetzt wird.
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Offenbart
ist eine Wellenenergieanlage mit einer unter Wasser angeordneten
Wellenplatte, die über eine Mehrlenkeranordnung derart
gelagert ist, dass sie bei einer Bewegung aufgrund eines Wellengangs
eine Bewegung mit einem translatorischen Bewegungsanteil ausführt.
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- 1
- PTO
- 2
- Wellenplatte
- 4
- Parallelogrammlenkeranordnung
- 6
- Parallelogrammlenkeranordnung
- 8
- Fundament
- 10
- Parallelogrammrahmen
- 12
- Stützstrebe
- 14
- Stützstrebe
- 16
- Stützstrebe
- 18
- Stützstrebe
- 20
- Gelenk
- 22
- Gelenk
- 24
- Parallelogrammstrebe
- 26
- Parallelogrammstrebe
- 28
- Schwenkgelenk
- 30
- Schwenkgelenk
- 32
- Pumpe
- 34
- Kolbenstange
- 36
- Kobenstangengelenk
- 38
- Zylinder
- 40
- Fundamentgelenk
- 42
- Kolben
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1623110
B1 [0005]
- - EP 1444435 B1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - www.awsocean.com [0003]