DE102010008976A1 - Wave force machine for catching and usable making of energy contained in sea waves, has multiple rotors supported in swiveling manner, which is shifted by current from each direction in turn crossing respective axis of rotation - Google Patents

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Abstract

The wave force machine has multiple rotors supported in swiveling manner, which is shifted by current from each direction in turn crossing the respective axis of rotation, a transmission, which synchronizes the rotating motion of the flow rotors, and a mounting plate, with which the flow rotors itself partly leave in the orbital current of water waves. A flow rotor is longer in axial direction and the axes of rotation of two directly neighboring rotors are parallel.

Description

Ziel dieser Erfindung ist das Auffangen und Nutzbarmachen von in Meereswellen enthaltener Energie.The aim of this invention is the capture and utilization of energy contained in ocean waves.

Stand der Technik ist unter anderem ein Array von länglichen Savonius-Rotoren, die nahe nebeneinander in einem gemeinsamen Rahmen aufgespannt sind. Bringt man dieses „Rotorarray” nahe unter eine unruhige Wasseroberfläche, so werden die Rotoren von der dort herrschenden Orbitalströmung in Drehung versetzt. An den Rotoren wird über geeignete Wandler eine Nutzleistung abgegriffen ( DE 10 2004 060 275 ).The state of the art is, inter alia, an array of oblong Savonius rotors, which are clamped close to each other in a common frame. Bringing this "rotor array" close to a turbulent water surface, the rotors are rotated by the prevailing orbital flow in rotation. On the rotors a useful power is tapped via suitable converters ( DE 10 2004 060 275 ).

Die Verwendung einer Vielzahl kleiner Rotoren anstelle eines großen spart Material und Gewicht bei gleicher Leistung und vervielfacht die Drehgeschwindigkeit. Kleinere Rotoren können auch kleinere Wellen und damit ein größeres Spektrum der Wellenenergie nutzen. Doch das Rotorarray ist mehr als nur die Summe seiner Rotoren: Im größeren Strömungszusammenhang wirkt es, anders als ein einzelner Rotor, wie eine Wand, der eine quere Strömung nicht so leicht ausweichen kann. Das Wasser wird dann zwischen den Rotoren hindurch gedrückt und dabei beschleunigt. Die schnellere Strömung treibt die Rotoren effizienter an.The use of a large number of small rotors instead of a large saves material and weight at the same power and multiplies the rotational speed. Smaller rotors can also use smaller waves and thus a larger spectrum of wave energy. But the rotor array is more than just the sum of its rotors: in the larger flow context, unlike a single rotor, it acts like a wall that can not easily avoid a transverse flow. The water is then forced through between the rotors and thereby accelerated. The faster flow drives the rotors more efficiently.

Die vorliegende Erfindung will nun das Zusammenwirken benachbarter Rotoren in einem Rotorarray verbessern.The present invention now seeks to improve the interaction of adjacent rotors in a rotor array.

Grundelement der verbesserten Wellenkraftmaschine ist erfindungsgemäß ein nur zweiblättriger Savonius-Rotor mit einem flach S-förmigen Profil wie in 6, der „S-Rotor”. Anders als ein vielblättriger Savonius-Rotor ist der S-Rotor kein reiner Widerstandsläufer, sondern erzeugt einen wesentlichen Teil seines Drehmoments effizient durch hydrodynamischen Auftrieb. Vor allem dann, wenn das Rotorprofil zeitweilig längs der Strömung ausgerichtet ist. Die konkaven Seiten der Rotorblätter sind hier strömungsgünstig verfüllt, was gleichzeitig die Stabilität der Rotoren gegenüber der Wellenkraft erhöht. Die Rotorblätter sind hier im Wesentlichen starr. S-Rotoren sind bereits bekannt als Rotationsflügel von allerlei Windspielzeug.The basic element of the improved wave force machine according to the invention is a two-bladed Savonius rotor with a flat S-shaped profile as in FIG 6 , the "S-rotor". Unlike a multi-bladed Savonius rotor, the S-rotor is not a pure drag rotor, but efficiently generates a significant portion of its torque through hydrodynamic lift. Especially when the rotor profile is temporarily aligned along the flow. The concave sides of the rotor blades are here filled streamlined, which at the same time increases the stability of the rotors against the wave force. The rotor blades are essentially rigid here. S-rotors are already known as rotary wings of all sorts of wind toys.

Savonius-Rotoren verwenden einen wesentlichen Teil der Strömungsenergie dazu, das sie umgebende Fluid in Rotation zu versetzen. Diese Rotationsenergie ist für eine Nutzung zumeist verloren, was mit für die geringe Effizienz solcher Rotoren verantwortlich ist. In einem Rotorarray kann sich hingegen die abgestrahlte Rotationsleistung auf benachbarte Rotoren auswirken und diese sogar unterstützen. Letzteres gelingt erfindungsgemäß dann am besten, wenn benachbarte Savonius-Rotoren sich im entgegen gesetzten Sinne drehen und zu diesem Zweck spiegelbildliche Profile haben. Die von den einzelnen Rotoren ausgehenden Rotationsströmungen heben jetzt einander auf, die Energie bleibt dem Array erhalten.Savonius rotors use a significant portion of the flow energy to cause the surrounding fluid to rotate. This rotational energy is mostly lost for use, which is responsible for the low efficiency of such rotors. In a rotor array, however, the radiated rotational power can affect adjacent rotors and even support them. The latter succeeds according to the invention best when adjacent Savonius rotors rotate in the opposite direction and for this purpose have mirror-image profiles. The rotational flows emanating from the individual rotors now cancel each other out, the energy is retained in the array.

Es ist Stand der Technik, Savonius-Rotoren zur Verbesserung ihrer Effizienz mit Leitelementen zu umgeben, welche die Strömung auf die sich in Strömungsrichtung bewegenden Rotorblätter lenken oder die zurück kommenden Rotorblätter abschirmen. In einem Rotorarray können benachbarte Rotoren die Funktion solcher Leitelemente übernehmen, wenn die Rotoren in geeigneter Weise synchronisiert sind. Die Rotoren der neuen Wellenkraftmaschine sind darum erfindungsgemäß durch ein Zahnradgetriebe gekoppelt, und zwar derart, dass immer wenn ein Rotor im Profil längs der Strömung ausgerichtet ist, seine jeweiligen Nachbarn quer stehen, und umgekehrt.It is state of the art to surround Savonius rotors to improve their efficiency with vanes, which direct the flow on the moving blades in the flow direction or shield the backward rotor blades. In a rotor array, adjacent rotors can take over the function of such vanes when the rotors are properly synchronized. The rotors of the new wave engine are therefore according to the invention coupled by a gear transmission, in such a way that whenever a rotor is aligned in profile along the flow, its respective neighbors are transverse, and vice versa.

Genauer betrachtet erfüllt jeder Rotor im Verlauf seiner Drehung abwechselnd zwei unterschiedliche Funktionen, in Abhängigkeit von seiner momentanen Stellung zur Strömung. Die erste Funktion ist das effiziente Erzeugen von Drehmoment, vorzugsweise durch hydrodynamischen Auftrieb bei beschleunigter Anströmung. Dies geschieht, wenn der Rotor längs der Strömung ausgerichtet ist. Die zweite Funktion ist das Unterstützen von benachbarten Rotoren durch ein Umlenken der Strömung zu diesen hin. Dies geschieht, wenn der Rotor quer zur Strömung steht. 5 gibt davon eine Vorstellung.More specifically, each rotor alternately performs two different functions as it rotates, depending on its instantaneous position with respect to the flow. The first function is the efficient generation of torque, preferably by hydrodynamic lift with accelerated flow. This happens when the rotor is aligned along the flow. The second function is to support adjacent rotors by redirecting the flow toward them. This happens when the rotor is transverse to the flow. 5 gives it an idea.

Die Synchronisierung erlaubt es auch, die Rotorabstände enger zu wählen, wodurch sich die wechselseitige Beeinflussung der Rotoren verstärkt. Insbesondere bei Abständen von weniger als einem Rotordurchmesser käme es ohne eine Synchronisierung zur Kollision benachbarter Rotoren. Die Kopplung der Rotoren bewirkt auch einen gleichmäßigeren Verlauf des Drehmoments.The synchronization also makes it possible to choose the rotor distances narrower, which increases the mutual influence of the rotors. In particular, at distances of less than a rotor diameter would occur without a synchronization to the collision of adjacent rotors. The coupling of the rotors also causes a more even course of the torque.

Das Zahnradgetriebe besteht vorzugsweise aus gleichartigen Zahnrädern, wenigsten eines auf jeder Rotorwelle. Sie stehen mit den Zahnrädern der benachbarten Rotoren im Eingriff. Die Zahnräder müssen zur Synchronisierung nur vergleichsweise geringe Kräfte übertragen, da alle Rotoren einer mehr oder weniger gleichen Strömung ausgesetzt sind.The gear transmission is preferably made of similar gears, at least one on each rotor shaft. They mesh with the gears of the adjacent rotors. The gears must transmit only relatively small forces for synchronization, since all rotors are exposed to a more or less equal flow.

Die koppelnden Zahnräder sind erfindungsgemäß auch Teil einer Zahnradpumpe, welche als Leistungswandler die Leistungen der Einzelrotoren sammelt und in Form von hydraulischer Leistung zur Verfügung stellt. Die Zahnräder werden zu diesem Zweck in einem gemeinsamen Pumpengehäuse dicht eingeschlossen. Als hydraulische Flüssigkeit dient im einfachsten Fall Meerwasser aus der Umgebung, welches zur Vermeidung von Bewuchs oder Verschmutzung möglichst in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird. Die gewonnene Leistung kann durch Druckrohre an andere Orte geleitet werden, kann hydraulische Maschinen und Stromgeneratoren antreiben, kann Meerwasser in höher gelegene Sammelbecken befördern oder es durch Entsalzungsfilter pressen. Zahnradpumpen können grundsätzlich auch sehr hohe Drucke erzeugen, wie sie für die Entsalzung benötigt werden.According to the invention, the coupling gears are also part of a gear pump which, as a power converter, collects the powers of the individual rotors and makes them available in the form of hydraulic power. The gears are sealed for this purpose in a common pump housing. As a hydraulic fluid used in the simplest case, seawater from the Environment, which is guided to avoid fouling or pollution in a closed circuit. The recovered power can be routed through pressure pipes to other locations, power hydraulic machines and power generators, move seawater to higher reservoirs or squeeze it through desalination filters. Gear pumps can in principle produce very high pressures, as they are needed for desalination.

Anstelle der Zahnradpumpe kann selbstverständlich auch ein anderer Leistungswandler zum Einsatz kommen, insbesondere ein elektromechanischer Wandler. Anstatt mit kämmenden Zahnrädern können die Rotoren auch auf andere Weise gekoppelt sein, etwa durch ein Pleuel- oder ein Kettengetriebe.Of course, another power converter can be used instead of the gear pump, in particular an electromechanical converter. Instead of meshing gears, the rotors can also be coupled in other ways, such as a connecting rod or a chain transmission.

Die S-Rotoren bestehen vorzugsweise aus einem schlagzähen Kunststoff wie z. B. Polyethylen. So sind sie kostengünstig und leicht und werden vom Salzwasser nicht korrodiert. Die Rotoren werden am einfachsten scheibenweise entlang ihrer Achsen aufgebaut und durch Spannstäbe zusammengehalten, die im Inneren der Rotoren verlaufen. Die Rotorscheiben kann man z. B. mit einem Wasserstrahl aus Kunststoffplatten ausschneiden.The S-rotors are preferably made of an impact-resistant plastic such. As polyethylene. So they are inexpensive and lightweight and are not corroded by salt water. The rotors are most easily built up disk-wise along their axes and held together by tie rods that run inside the rotors. The rotor disks can be z. B. cut with a water jet of plastic plates.

Die S-Rotoren drehen sich auf Gleitlagern um Achsen aus meerwasserbeständigem Stahl. Als Gleitlager genügt im einfachsten Fall ein Loch in der Rotormitte, mit etwas Fett und Umgebungswasser geschmiert. Die Achsen sind von beiden Enden her in einem stabilen Rahmen aufgespannt und können daher auch bei geringem Durchmesser einer hohen Belastung standhalten.The S rotors rotate on plain bearings around shafts made of seawater-resistant steel. As a plain bearing is sufficient in the simplest case, a hole in the rotor center, lubricated with some grease and ambient water. The axles are clamped from both ends in a stable frame and can therefore withstand high load even with a small diameter.

Auch die Zahnräder und andere Teile der Zahnradpumpe bestehen vorzugsweise aus Kunststoff. Sie werden, wie die Rotoren, z. B. als Wasserstrahlzuschnitte gefertigt und mit diesen verspannt.The gears and other parts of the gear pump are preferably made of plastic. They are, like the rotors, z. B. manufactured as water jet blanks and braced with these.

Nachfolgend werden die Zeichnungen näher erläutert.The drawings are explained in more detail below.

1 zeigt das Herzstück der Wellenkraftmaschine, nämlich das Array der S-Rotoren (1) und wie diese mit Zahnrädern (6) gekoppelt sind. Die Rotoren sind drehbar um unbewegliche Achsen (4) gelagert. 1 shows the heart of the wave engine, namely the array of S rotors ( 1 ) and how these with gears ( 6 ) are coupled. The rotors are rotatable about immovable axes ( 4 ) stored.

2 zeigt die Wellenkraftmaschine im Schnitt. Die Rotoren (1) sind mit ihren Achsen in einem Rahmen (3) eingespannt. Auf den Rotoren ist eine Hydraulikpumpe gelagert, bestehend aus Pumpengehäuse (7) und Zahnrädern (6). Zu sehen ist auch ein Hydraulikanschluss (8). Die Schnittflächen sind schraffiert. 2 shows the wave engine in section. The rotors ( 1 ) are with their axes in a frame ( 3 ) clamped. On the rotors a hydraulic pump is mounted, consisting of pump housing ( 7 ) and gears ( 6 ). You can also see a hydraulic connection ( 8th ). The cut surfaces are hatched.

3 zeigt die Wellenkraftmaschine als Ganzes. 3 shows the wave engine as a whole.

4 zeigt den Drehsinn der S-Rotoren im Array. Benachbarte Rotoren haben spiegelbildliche Profile. 4 shows the sense of rotation of the S rotors in the array. Neighboring rotors have mirror-image profiles.

5 zeigt eine Momentaufnahme der Stromlinien in einem Rotorarray. Richtung und Stärke der Orbitalströmung ändern sich ständig, sowie auch die Rotorstellungen. Zwischen den Rotoren ist die Strömung allgemein stark beschleunigt. Dies bewirkt eine höhere Drehzahl und ein größeres Drehmoment der Rotoren, in jeder Stellung. 5 shows a snapshot of the streamlines in a rotor array. Direction and strength of the orbital flow are constantly changing, as well as the rotor positions. Between the rotors, the flow is generally greatly accelerated. This causes a higher speed and a larger torque of the rotors, in any position.

6 zeigt das Profil eines S-Rotors. In der Mitte befindet sich die Rotorachse (4). Der Rotor (1) sei hier aus mehreren Teilen aufgebaut, etwa aus Scheiben, die in axialer Richtung von zwei Spannstäben (5) zusammengehalten werden. 6 shows the profile of an S-rotor. In the middle is the rotor axis ( 4 ). The rotor ( 1 ) is made up of several parts, such as discs, in the axial direction of two tension rods ( 5 ) are held together.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102004060275 [0002] DE 102004060275 [0002]

Claims (14)

Wellenkraftmaschine zum Auffangen und Nutzbarmachen von in Meereswellen enthaltener Energie, umfassend eine Mehrzahl von drehbar gelagerten Strömungsrotoren, die durch Strömung aus jeder die jeweilige Drehachse kreuzenden Richtung in Drehung versetzt werden, ein Getriebe, welches die Drehbewegungen der Strömungsrotoren synchronisiert, eine Halterung, mit welcher die Strömungsrotoren sich wenigstens teilweise in der Orbitalströmung von Wasserwellen positionieren lassen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strömungsrotor in Achsrichtung länger ist als ein Mehrfaches seines größten Durchmessers, dass jeder Strömungsrotor wenigstens einen der anderen Strömungsrotoren als unmittelbaren Nachbarn nahe neben sich hat, wobei die Drehachsen zweier unmittelbar benachbarter Rotoren im Wesentlichen parallel sind und ihr Abstand höchstens drei Rotordurchmesser beträgt, dass jeder Strömungsrotor zumindest abschnittweise im Verlauf seiner Drehung und in Abhängigkeit von seiner momentanen Stellung zur Strömung abwechselnd zwei unterschiedliche Funktionen erfüllt, und zwar erstens das vornehmliche, effiziente Erzeugen eines Drehmoments in einer so genannten „Längsstellung”, und zweitens das vornehmliche Umlenken der Strömung auf seine unmittelbaren Nachbarn, zu deren Unterstützung, in einer so genannten „Querstellung”, dass jeder Strömungsrotor zumindest abschnittweise sich in Längsstellung befindet, wenn seine unmittelbaren Nachbarn gerade in Querstellung sind, dass jeder Strömungsrotor zumindest abschnittweise sich in Querstellung befindet, wenn seine unmittelbaren Nachbarn gerade in Längsstellung sind, dass unmittelbar benachbarte Strömungsrotoren sich im einander entgegen gesetzten Sinne drehen.A wave force machine for collecting and utilizing energy contained in sea waves, comprising a plurality of rotatably mounted flow rotors which are rotated by flow from each direction crossing the respective rotation axis, a transmission which synchronizes the rotational movements of the flow rotors, a support with which the Flow rotors can be positioned at least partially in the orbital flow of water waves, characterized in that each flow rotor in the axial direction is longer than a multiple of its largest diameter, that each flow rotor has at least one of the other flow rotors as an immediate neighbor next to it, the axes of rotation of two directly adjacent rotors are substantially parallel and their distance is at most three rotor diameters, that each flow rotor at least in sections during its rotation and depending on its momentary In the position to the flow alternately fulfills two different functions, firstly the predominantly efficient generation of a torque in a so-called "longitudinal position", and secondly the predominant deflection of the flow to its immediate neighbors, in order to assist them, in a so-called "transverse position "That each flow rotor is at least partially in the longitudinal position, when its immediate neighbors are straight in transverse position, that each flow rotor is at least partially in transverse position, when its immediate neighbors are straight in the longitudinal position that immediately adjacent flow rotors are in opposite directions rotate. Wellenkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer der Strömungsrotoren überall ein im Wesentlichen gleiches Querschnittsprofil aufweist, welches entlang der Achse gewunden sein kann.Wave force machine according to claim 1, wherein at least one of the flow rotors has a substantially equal cross-sectional profile everywhere, which may be wound along the axis. Wellenkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens einer der Strömungsrotoren ein Savonius-Rotor ist, oder eine Variante eines solchen.Wave force machine according to claim 1 or 2, wherein at least one of the flow rotors is a Savonius rotor, or a variant of such. Wellenkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Strömungsrotoren ein S-förmiges Querschnittsprofil aufweist, welches in seiner Längsstellung vornehmlich durch hydrodynamischen Auftrieb ein Drehmoment erzeugt.Wave force machine according to one of the preceding claims, wherein at least one of the flow rotors has an S-shaped cross-sectional profile, which generates in its longitudinal position primarily by hydrodynamic buoyancy torque. Wellenkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Getriebe ein Zahnradgetriebe ist.Wave force machine according to one of the preceding claims, wherein the transmission is a gear transmission. Wellenkraftmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Zahnradgetriebe Teil einer Zahnradpumpe ist.Wave force machine according to the preceding claim, wherein the gear transmission is part of a gear pump. Wellenkraftmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Zahnradpumpe Druckwasser erzeugt.Wave force machine according to the preceding claim, wherein the gear pump generates pressurized water. Wellenkraftmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Zahnradpumpe Meerwasser durch ein Entsalzungsfilter presst.Wave force machine according to the preceding claim, wherein the gear pump presses seawater through a desalination filter. Wellenkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei diese an einer schwimmenden Plattform oder an einem Schiffsrumpf befestigt ist.Wave force machine according to one of the preceding claims, wherein it is attached to a floating platform or to a ship's hull. Wellenkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Teil derselben, insbesondere ein Strömungsrotor, in Richtung einer Drehachse aus Scheiben zusammengesetzt ist.Wave force machine according to one of the preceding claims, wherein at least a part thereof, in particular a flow rotor, is composed in the direction of a rotation axis of discs. Wellenkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Teil derselben, insbesondere ein Strömungsrotor, aus Kunststoff besteht, und vorzugsweise aus wiederverwertetem Kunststoff.Wave force machine according to one of the preceding claims, wherein at least a part thereof, in particular a flow rotor, consists of plastic, and preferably made of recycled plastic. Wellenkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei anstelle des Zahnradgetriebes ein anderes Getriebe zum Einsatz kommt, insbesondere ein Kettengetriebe oder ein Pleuelgetriebe.Wave engine according to one of the preceding claims, wherein instead of the gear transmission another gear is used, in particular a chain transmission or a conrod gear. Wellenkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei anstelle der Zahnradpumpe ein anderer Leistungswandler zum Einsatz kommt, insbesondere ein elektromechanischer Wandler.Wave engine according to one of the preceding claims, wherein instead of the gear pump another power converter is used, in particular an electromechanical converter. Wellenkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei diese auch oder ausschließlich von einer anderen Strömung angetrieben wird, als von der Orbitalströmung der Meereswellen, insbesondere von einer Gezeitenströmung, oder auch in anderem Fluid als Wasser.Wave force machine according to one of the preceding claims, wherein this is also or exclusively driven by a different flow, as of the orbital flow of the sea waves, in particular of a tidal current, or in other fluid than water.
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