DE102010005437A1

DE102010005437A1 - Energiegewinnung aus Druckschwankungen

Info

Publication number: DE102010005437A1
Application number: DE102010005437A
Authority: DE
Inventors: Mathias Bachmayer; Robert Huber
Original assignee: Huber Robert 84030
Current assignee: Huber Robert 84030
Priority date: 2010-01-24
Filing date: 2010-01-24
Publication date: 2011-07-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Energiegewinnung in Folge von Druckschwankungen z. B. Luftdruckschwankungen oder auch Tiefendruckschwankungen in Folge von Fluidwellenbewegungen (z. B. Meereswellen). Die hier beschriebene Vorrichtung eignet sich – in entsprechender technischer Ausführung – sowohl für sehr langsam ablaufende Druckänderungen z. B. Luftdruckschwankungen als auch für relativ häufige Änderungen z. B. in Form von Tiefendruckschwankungen durch Wellenbewegungen. Als Anwendungen kommen sowohl autonome Energieversorgungszenarien und Ersatz von Batterien als auch regenerative Energieerzeugung im industriellen Maßstab. Ein zentraler Aspekt der Erfindung ist das Vorhalten eines Reservoirs, mittels dessen sich die Druckschwankungen in Energie wandeln lassen. Das Reservoir ist über Grenzflächen M (mechanischer Art wie z. B. Membranen oder auch Phasengrenzflächen) von der Umgebung getrennt. Von außen wirkende Druckschwankungen führen nun zu einer Druckdifferenz zwischen Reservoir (p2) und Umgebung (p1), die in Bewegung und über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Das Grundprinzip ist in 0 gezeigt. Die Erfindung beschäftigt sich mit mehreren Variationen dieses Grundprinzips insbesondere mit verschiedenen Ausführungen der Membran und des Generators.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Energiegewinnung in Folge von Druckschwankungen. Ursache hierfür sind z. B. Luftdruckschwankungen, Tiefendruckschwankungen in Folge von Fluidwellenbewegungen. Die hier beschriebene Vorrichtung eignet sich – in entsprechender technischer Ausführung – sowohl für sehr langsam ablaufende Druckänderungen z. B. Luftdruckschwankungen als auch für relativ häufige Änderungen z. B. in Form von Tiefendruckschwankungen in Folge einer Wellenbewegung.
Stand der Technik
Die Nutzung der Wellenenergie ist mit verschiedenen Prinzipien möglich:

• Oszillierende Wassersäulen z. B. in Verbindung mit pneumatischen Kammern (OCW Kraftwerke). Dabei wird ein- und ausströmende Luft in einer Kammer, in der sich der Wasserspiegel durch eine Verbindung zum Meer hebt und senkt, durch einen Windgenerator genutzt.
• Nutzung der Relativbewegung von Schwimmkörpern zueinander oder zum Ufer bzw. Meeresboden (sog. Seeschlangen oder Bojen)
• Nutzung der Energie auflaufender Wellen auf eine Rampe (z. B. Projekt Wave Dragon)
• Nutzung der Strömungen von Bodenwellen

Aufgabenstellung
Oftmals besteht der Bedarf nach einer autonomen Energieversorgung. Zur mobilen Energieversorgung werden oftmals Batterien eingesetzt. Allerdings setzt dies Mindestwartungsperioden zur Wiederaufladung/Auswechselung voraus, um eine Mindestspannung zu gewährleisten. Da die dazu nötige Wartungsarbeit einen oftmals nicht unerheblichen Kostenfaktor darstellt, ist eine autonome Energieerzeugereinheit wünschenswert. Beispielhaft wäre hier eine moderne Anwendung aus dem Transportwesen zu nennen: Moderne Transportbehälter haben zunehmend einen eigenen Energieversorgungsbedarf um z. B. aktive RFIDs mit Spannung zu versorgen. Die Spannungsversorgung solcher Behältnisse wäre eine mögliche Anwendung der vorliegenden Erfindung.
Eine weitere Anwendung können sogenannte Energieparks sein. D. h. ein massenhafter Einsatz der hier beschriebenen Erfindung, zum Zwecke der Energieerzeugung vom industriellen Maßstab bis hin zur Versorgung abgelegener Energieverbraucher. Im Besonderen sollte hier die Nutzung von Druckschwankungen im Meer genannt werden, ohne z. B. den Schiffsverkehr zu beeinträchtigen.
Um derartige Druckschwankungen nutzbar zu machen – gerade wenn selbige sehr langsam von statten gehen – benötigt man Vorrichtungen wie in dieser Erfindung beschrieben.
Erfindung
Der erste Teil der vorliegenden Erfindung nutzt die Druckschwankung im Besonderen unterhalb der Wasseroberfläche z. B. in Bodennähe. Die Druckschwankungen können unter anderem z. B. durch Wellen-, Gezeitenbewegungen oder allgemeinen Meeresströmungen entstehen. Dies bietet den Vorteil den Schiffsverkehr nicht zu beeinflussen und bzgl. Aufbauort kaum durch die Meerestiefe beschränkt zu sein.
Der zweite Teil umfasst eine Vorrichtung zur Umsetzung dieser oder auf andere Art und Weise erzeugter Druckschwankungen (z. B. Luftdruckschwankungen) in Bewegung. Diese Bewegung kann z. B. in elektrische Energie oder auch andere Energieformen (hydraulische oder potentielle Energie) gewandelt werden.
Zentrale Rolle in beiden Teilen kommt dem Vorhalten eines Reservoirs zu, mittels dessen sich die Druckschwankungen in Energie wandeln lassen. Das Reservoir ist über Grenzflächen von der Umgebung getrennt. Dabei können mechanische als auch Phasengrenzflächen das Reservoir abgrenzen.
Ausführungsbeispiele – Erzeugung einer Druckdifferenz mittels Reservoir
Genutzt werden Druckschwankungen insbesondere unterhalb der Wasseroberfläche z. B. verankert am Meeresgrund. Die Druckschwankungen können unter anderem z. B. durch Wellen-, Gezeitenbewegungen oder allgemeinen Meeresströmungen entstehen. Auf Grund des oszillierenden Tiefendrucks ergibt sich zwischen einem Reservoir und der Umgebung (z. B. Meer) eine Druckdifferenz die nutzbar gemacht werden kann. Als Reservoir kann z. B. ein mit Luft oder einem anderen kompressiblem Fluid gefüllter Behälter dienen. Das Reservoir ist über Grenzflächen von der Umgebung getrennt. Dabei können mechanische als auch Phasengrenzflächen das Reservoir abgrenzen.
1 zeigt ein durch die Wandung W von einer unmittelbaren Umgebung abgegrenztes Reservoir R. Im Reservoir R herrscht der Druck p_R während in einer Umgebung U der Druck p_U vorliegt. Wird nun das Reservoir R mittels einer oder mehrerer Strömungspassagen K mit einer Querschnittsfläche A mit U verbunden, d. h. K durchstößt W, erfolgt bei einer vorliegenden Druckdifferenz ein Druckausgleich der einen Volumenstrom Q zu Folge hat. Der Volumenstrom Q kann nun mittels einer Vorrichtung zur Umwandlung der kinetischen Energie des Fluids in eine andere Energieform z. B. mechanische, elektrische oder auch thermische Energie genutzt werden. Die für den Volumenstrom erforderliche Druckdifferenz entsteht z. B. durch natürliche oder in Folge von Transportvorgängen -insbesondere in vertikaler Richtung- entstehenden Druckschwankungen, z. B. Luft- oder Tiefendruckschwankungen.
Als Reservoir R kann zum Beispiel ein extra dafür vorgesehenes Behältnis als auch ohnehin vorhandene abgeschlossene Hohlräume eines Gegenstands – z. B. doppelte Wandungen von Transportbehältnissen – benutzt werden.
Ein konkretes Beispiel zur Anwendung dieses Prinzips wäre eine autonome Energieversorgung der RFID-Elektronik eines Transportbehälters, wie sie z. B. in der Luftfracht verwendet werden. Als Reservoir kann z. B. der Hohlraum zwischen doppelten Wänden des Behälters dienen. Der Druckunterschied kann z. B. durch Höhenunterschiede oder atmosphärische Luftdruckschwankungen aufgebaut werden.
Ausführungsbeispiele – Nutzung der Druckdifferenz
Die z. B. nach E oder anderweitig erzeugten Druckdifferenzen können mittels des in 1 dargestellten Grundprinzips in Energie gewandelt werden. Dabei besteht die Vorrichtung immer aus einem Reservoir mit Druck p₂ das über eine bewegliche Grenzfläche mit der Umgebung mit Druck p₁ interagiert. Die Grenzfläche kann z. B. mittels einer elastischen Membran oder einer Phasengrenzfläche dargestellt werden. Die Bewegung der Grenzfläche wird zum Generator G übertragen. Ein weiteres Merkmal ist eine Vorrichtung G zur Wandlung der Volumenänderung des Reservoirs in eine andere Energieform. Der Generator kann sich dabei innerhalb oder außerhalb des Reservoirs befinden.
Das Prinzip in 2 ist, dass die Druckänderung in eine mechanische Bewegung umgesetzt wird. Beispielhaft erkennt man mechanisch mit der Membran gekoppelte Permanentmagnete oder andere magnetische Stoffe, die in Folge Ihrer Relativbewegung zu Spulen eine Spannung induzieren, die unter zu Hilfenahme entsprechender Umrichterelektronik zur Energiegewinnung genutzt wird. Ferner ist noch eine Zahnstange zu erkennen, was die Möglichkeit andeuten soll, auch mechanische Bewegungen erzeugen zu können.
Die Verwendung der Membran ist vor allem bei Anwendugsfällen mit sehr langsamen Druckänderungen von Vorteil, da z. B. Leckageströme vermieden werden können.
In 3 werden zur Erzeugung von ruckartigen Bewegungen Haltekräfte, die ein definiertes Losbrechen zur Folge haben verwendet. Als Haltekräfte sind magnetische Kräfte (z. B. zwischen ferritischem Material und den Magneten) aber auch andere mechanischen Konstruktionen (z. B. Kugelarretierung) denkbar. Soll die Translation in Folge des Druckausgleichs direkt in elektrische Energie gewandelt werden, können so die Induktionsspannungsamplituden vor allem bei Anwendungsfällen mit langsamen Druckänderungen erhöht werden.
4 zeigt ein Reservoir, an das eine oder mehrere Membranen (M) angrenzen. Im Extremfall kann auch das ganze Reservoir komplett durch die Membran(en) begrenzt sein. Die Druckänderung führt zu einer Änderung der Wölbung der Membran, die genutzt werden kann. Eine Möglichkeit diese Änderung der Wölbung zu nutzen ist die Verwendung von Piezobauteilen oder Piezofolien (Pi), die mit auf der Membran aufgebracht sind oder mit dieser verbunden sind. 5 zeigt eine Vorrichtung zur Nutzung langsamer Druckänderungen. Dazu wird eine Membran (M) mit fester Struktur verwendet, die mindestens zwei Ruhelagen einnehmen kann. In der Skizze sind beispielhaft zwei solche Ruhelagen (I und II) gezeichnet. Das System ist so ausgelegt, dass bei den zu erwartenden Druckschwankungen die Membran ruckartig von einer Ruhelage in die andere wechselt. Somit ist eine gewisse Mindestkraft notwendig. Denkbar sind hier auch mehrere kaskadenartig aufeinander aufbauende Ruhelagen, z. B. durch Verwendung von Membranen, die konzentrisch aus Materialien mit unterschiedlicher Steifigkeit aufgebaut sind. Zur Nutzung der Bewegung können wie oben Piezobauteile verwendet werden. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Spulen und magnetischen Materialien. Durch die Bewegung der Membran wird eine Änderung des magnetischen Flusses in der Spule S₁ erzeugt. Dabei kann sowohl wie gezeichnet die Membran selbst magnetisch sein oder mit magnetischem Material (Mag) verbunden sein als auch Spule und Magnet vertauscht sein. Ebenfalls ist es möglich, die Bewegung der Membran über einen Mechanismus auf eine geeignete Anordnung von Spule und Magnet zu übertragen.

Claims

Energieerzeugung mittels einer Vorrichtung bestehend aus Reservoir, Membran und generatorischer Einheit zur Wandlung von Druckschwankungen der Umgebung in Energie.
Nutzung der Tiefendruckschwankungen im Meer in Verbindung mit einer Vorrichtung wie in den Ausführungsbeispielen unter F beschrieben, zur Erzeugung von elektrischer oder direkt mechanischer Energie.
Nutzung der Tiefendruckschwankungen im Meer in Verbindung mit 1 optional ergänzt durch einen Generator zur Umwandlung in elektrische Energie.
Nutzung von Luftdruckschwankungen in Verbindung mit 1. Im Besonderen zur Verwendung bei mobilen Transportkisten, wobei das Reservoir entweder durch den hermetisch zu verschließenden Frachtraum oder durch eine doppelwandige Ausführung der Kiste realisiert wird.
Nutzung von Luftdruckschwankungen in Verbindung mit einem der Ausführungsbeispiele aus F. Im Besonderen zur Verwendung bei mobilen Transportkisten, wobei das Reservoir entweder durch den hermetisch zu verschließenden Frachtraum oder durch eine doppelwandige Ausführung der Kiste realisiert wird.
Vorrichtungen nach 1. jedoch ohne Membran.
Behältnis mit darin schwimmendem Schwimmer zur Übertragung der Fluidbewegung an einen Generator.
Verwendung einer Membran in einer Anwendung gemäß 1. zur Trennung von Reservoir und Umgebung um auch langsame Druckänderungen leckagestromfrei umsetzen zu können.
Verwendung von Membranen mit Steifigkeit, die auf Grund ihrer Anordnung zwei oder mehrere Ruhepositionen aufweisen, und in Folge des Differenzdrucks von einer zur anderen Ruheposition wechseln. Somit führen langsame Druckänderungen zu ruckartigen, diskreten Bewegungen.
Vorrichtung um Ausgleichsbewegungen der Membran ruckartig erfolgen zu lassen in Verbindung mit elektrischer Energiegewinnung, z. B. in magnetischer oder auch mechanischer Ausführung (z. B. magnetische Haltekräfte, Kugelarretierungen, Feder, Membran mit mehreren Ruhelagen „Knackfrosch” oder ähnlichen)