DE102010013619A1

DE102010013619A1 - Wellenenergieanlage

Info

Publication number: DE102010013619A1
Application number: DE102010013619A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Hagemann; Nik Scharmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2011-10-06
Also published as: WO2011120630A1

Abstract

Offenbart wird folglich eine Wellenenergieanlage mit zumindest einer Kurbelwelle, an die Kopplungskörper zur Ankopplung der Kurbelwelle an die wellenausgelöste Orbitalbewegung von Wassermolekülen angeschlossen sind. Erfindungsgemäß bestehen die Kopplungskörper aus zumindest zwei gegensätzlich ausgerichteten Auftriebskörpern, deren Auftriebskräfte sich gegenseitig aufheben. Gemäß einem Aspekt sind die Auftriebsläufer jeweils im Druckpunkt oder Druckpunkt nahen Bereich an Kurbeln angeschlossen. Gemäß einem anderen Aspekt ist zumindest ein Auftriebskörper unmittelbar an die Kurbelwelle in einem Druckpunkt entfernten Bereich des jeweiligen Antriebskörpers vorzugsweise im Bereich der Profilnase (Profilvorderkante) oder der Profilspitze (Profilhinterkante) angeschlossen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellenenergieanlage zur Umwandlung von Wellenenergie in nutzbare Energie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Wellenkraftwerke stellen eine besondere Form der Wasserkraftwerke dar. Sie nutzen die Energie der Meereswellen zur Bereitstellung einer nutzbaren Energie wie beispielsweise eines elektrischen Stroms. Wellenkraft zählt somit zu den erneuerbaren Energien, sodass ein Wellenkraftwerk als besonders umweltfreundlich gilt.
Im Unterschied zu einem Gezeitenkraftwerk wird hierbei nicht der Tidenhub ausgenutzt, um die Energiedifferenz zwischen Ebbe und Flut zu nutzen, sondern die kontinuierliche Wellenbewegung. Die 13 zeigt in einer vereinfachten schematischen Seitenansicht eine Wellenenergieanlage dieser Gattung, mittels welcher es bei ihrer Platzierung unmittelbar unter der Wasseroberfläche möglich ist, die Wellenenergie effizient zu nutzen. Hierbei macht sich die Wellenenergieanlage die Bewegung der Wassermoleküle unterhalb der Wasseroberfläche zu nutze, die von der Welle ausgelöst wird. Im Konkreten bewegen sich Wassermoleküle, die sich im Bereich einer Welle befinden, aufgrund der Wellenbewegung auf einer Orbitalbahn, die nahe der Wasseroberfläche einen größeren Kreisbahndurchmesser hat als in größeren Wassertiefen. An dem Beispiel gemäß der 13 wird dies näher verdeutlicht.
Demzufolge befindet sich an einem bestimmten Ort der Wasserspiegel 1 an einem so genannten Wellenberg 1a (oberer Scheitelpunkt der Welle), bevor er sinkt, den Nulldurchgang durchläuft, um schließlich ein Wellental 1c (unterer Scheitelpunkt der Welle) zu erreichen. Anschließend steigt der Wasserspiegel 1 wieder an, durchläuft wiederum den Nulldurchgang, um wieder ein Maximum 1a zu erreichen. Danach beginnt die (sinusförmige) Bewegung erneut.
Wassermoleküle, die sich an der Wasseroberfläche 1 des Wellenbergs 1a oder unmittelbar unter dem Wellenberg 1a befinden, bewegen sich in der Ausbreitungsrichtung 9 (Wellenlaufrichtung), die in 13 als nach rechts gerichtet angenommen ist, gleichförmig mit der Welle. Beim anschließenden Nulldurchgang bewegen sich diese Wassermoleküle nach unten (in Tiefenrichtung), im Wellental in die zur Wellenausbreitungsrichtung entgegengesetzte Richtung, also gemäß der 13 nach links und schließlich beim darauffolgenden Nulldurchgang wieder nach oben.
Hieraus ergibt sich, dass die betroffenen Wassermoleküle sich auf den vorstehend erwähnten Orbitalbahnen bewegen, von denen in der 13 zwei Orbitalbahnen 7a, 7c beispielhaft dargestellt sind. Der Durchmesser dieser Orbitalbahnen ist an der Wasseroberfläche im Wesentlichen gleich dem Höhenunterschied zwischen dem Wellental 1c und dem Wellenberg 1a und nimmt, wie bereits angedeutet wurde, mit zunehmender Wassertiefe ab, wobei ab einer Wassertiefe von ca. der Hälfte der Wellenlänge nahezu keine Orbitalbewegung mehr erkennbar ist. Die Strömungsgeschwindigkeit einer Orbitalströmung ist ferner in ihrem oberen Bereich höher als in ihrem unteren Bereich. In flachem Wasser bewegen sich die Wassermoleküle zudem nicht mehr auf einer Kreisbahn sondern auf ellipsenförmigen Bahnen.
Um die Energie der auf besagter Orbitalbahn sich bewegenden Wassermoleküle zu nutzen, werden sogenannte Kopplungskörper verwendet, die an einen Rotor oder eine Kurbel einer Wellenenergieanlage dieser Gattung angeschlossen sind, um den Rotor/Kurbel an die unter der Welle verlaufende Orbitalbewegung der Wassermoleküle anzukoppeln. Hierfür sind grundsätzlich zumindest zwei Arten von Kopplungskörpern verwendbar:

– Auftriebsläufer sind Körper mit einem Profil, das bei Umströmen von einem Fluid (Wasser) vergleichbar zum Tragflügel eines Flugzeugs eine Auftriebskraft erzeugt, die bei einer entsprechenden Anstellung des Auftriebsläufers bezüglich der Kurbel/Rotors ein Drehmoment bewirkt;
– Widerstandsläufer sind Körper, welche die Druckkraft anströmender Wassermoleküle nutzen, um ein Drehmoment zu erzeugen.

Aus dem Stand der Technik sind Wellenenergieanlagen dieser Gattung bekannt, welche sowohl Auftriebs- als auch Widerstandsläufer als Kopplungskörper vorsehen. Beispielsweise gemäß einem hausinternen Stand der Technik ist es der Anmelderin bekannt, den Rotor einer Wellenenergieanlage mit einer Kombination aus einem Auftriebs- und einem Widerstandsläufer zu bestücken, woraus sich eine besonders vorteilhafte Kombination der auf die Kopplungskörper wirkenden Kräfte ergibt, die zu einer besonders stabilen Gesamtlage führt. Insbesondere können durch die Kombination der prinzipiell unterschiedlichen Kopplungskörper an einer Kurbelwelle Unregelmäßigkeiten in der Drehgeschwindigkeit des Rotors (z. B. Voreilen eines Widerstandsläufers) zumindest teilweise kompensiert werden. Ferner üben die zumindest zwei Kopplungskörper ein hohes Drehmoment auf die Kurbelwelle aus, wodurch bereits ein insgesamt hoher Wirkungsgrad der Anlage erzielt werden kann.
Indessen werden insbesondere bei Verwendung eines Widerstandsläufers Kräfte in radialer Richtung in den Rotor und damit in die Anlage induziert, die zu einer räumlichen Verlagerung der Anlage bezüglich der Welle führen. In sofern entstehen hierdurch Verluste, die sich negativ auf den Wirkungsgrad der Anlage auswirken.
Angesichts dieses Stands der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wellenenergieanlage dieser Gattung zu schaffen, deren Wirkungsgrad weiter erhöht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Wellenenergieanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht demzufolge darin, durch die Anordnung beispielweise von zwei Auftriebskörpern an einer gemeinsamen Welle ein Kräftepaar zu erzeugen, das zu einem im Wesentlichen reinen Drehmoment führt, die ansonsten jedoch auftretenden Radialkräfte ähnlich wie bei der Verwendung von Widerstandsläufern oder eines einzelnen Auftriebsläufers vermieden werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung hat die Wellenenergieanlage folglich zumindest eine Kurbelwelle, an die Kopplungskörper zur Ankopplung der Kurbelwelle an die wellenausgelöste Orbitalbewegung von Wassermolekülen angeschlossen sind. Die Kopplungskörper sind aus zumindest zwei Auftriebskörpern gebildet. Idealerweise sind diese bezüglich der Kurbelwelle so ausgerichtet, dass deren Auftriebskräfte auf parallelen Kraftlinien mit gegensätzlicher Orientierung verlaufen, so dass sie sich aufheben bzw. zumindest verringern – die resultierende Kraft auf die Gesamtmaschine also reduziert wird. Damit wirken in einer stationären, d. h. richtungskonstanten Strömung, bei der die Kurbel eine stabile Winkellage bezüglich der Strömung einnimmt, auf die Kurbelwelle im Wesentlichen nur Drehmomente. Hierdurch erlauben die zwei oder mehr Auftriebskörper eine vergleichsweise effiziente Ausnutzung der Orbitalbewegung, insbesondere ein hohes Abtriebsmoment der Kurbel (des Rotors). Des Weiteren kommt die Kurbel (der Rotor) bei einer Drehung der Strömungsrichtung in Bewegung und folgt dabei der (Orbital-)Strömung mit einem bestimmten Winkelversatz in Abhängigkeit von seinem Abtriebsmoment, das an der Kurbelwelle abgegriffen wird. Idealer Weise steigen die auf den Rotor einwirkenden ”Nachführkräfte” mit steigendem Winkelversatz (steigendem Abtriebsmoment) gegenüber der stabilen Lage an, bis ein maximal zulässiger Winkelversatz erreicht ist (Stallgrenze).
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Kurbelwelle bekannter Maßen vorzugsweise über ein Getriebe beispielsweise mit einem Generator zur Transformation der Wellenenergie in nutzbare Energie wie elektrischen Strom wirkverbunden ist. Des Weiteren ist die gesamte Wellenenergieanlage derart konstruiert, dass sie einen im Wesentlichen neutralen Auftrieb hat, bzw. durch vorzugsweise änderbare Auftriebskörper in einer stabilen Tauchposition gehalten werden kann, sodass die Kopplungskörper einen hohen Wirkungsgrad erreichen. Dieser Wirkungsgrad wird insbesondere dann erhalten, wenn die gesamte Wellenenergieanlage derart ausgerichtet ist, dass sich die Kurbelwelle (Kurbelwellen) im Wesentlichen horizontal und im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der ankommenden Wellen ausrichtet.
Vorzugsweise sind die Auftriebskörper über Kurbeln an die Kurbelwelle gekoppelt, die jeweils im Druckpunkt oder Druckpunkt nahen Bereich des betreffenden Auftriebskörpers an diesen angeschlossen sind. Der Druckpunkt eines Auftriebskörperprofils (wie ein Flügelprofil) ist jener Punkt, durch den die Kraftlinien der Auftriebs- und Widerstandskräfte (Strömungsresultierende Kräfte) verlaufen. Durch eine derartige Lagerung werden unnötige die gesamte Konstruktion ggf. überstrapazierende Drehmomente auf die Auftriebskörper sowie deren Befestigungen an den Kurbeln (Rotoren) vermieden.
Allen bisher angeführten Auftriebsläufern ist gemein, dass sie an einem Kurbeltrieb angebracht sind, um ein Drehmoment in eine Kurbelwelle zu übertragen. Ein derartiger Kurbeltrieb beinhaltet jedoch eine konstruktive Komplexität mit zusätzlichen mechanischen Lagern und Befestigungen für die Kopplungskörper an den Kurbeln sowie Komponenten, die in der maritimen Einsatzumgebung hohen Anforderungen ausgesetzt sind. Demzufolge ist es notwendig, die Halterung der Auftriebsläufer möglichst einfach zu gestalten, indem, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein kurbeltriebfreier Lösungsansatz beschrieben wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist zumindest ein Auftriebskörper unmittelbar an die Kurbelwelle in einem Druckpunkt entfernten Bereich des jeweiligen Antriebskörpers vorzugsweise im Bereich der Vorderkante (Profilnase) oder der (Profil-)hinterkante angeschlossen.
Aufgrund der druckpunktfernen Befestigung der Auftriebsläufer unmittelbar an der Abtriebswelle ergibt sich durch die Auftriebskraft im Druckpunkt ein Drehmoment an der Abtriebswelle, das durch entsprechende Mittel beispielsweise in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Je größer der Abstand zwischen der Welle und dem Druckpunkt ist, desto größer ist das abgreifbare Drehmoment bei gleicher Anströmung. Demzufolge kann die Abtriebswelle sowohl in Richtung zum Nasenfußpunkt oder in Richtung Flügelspitze (Profilhinterkante) verschoben sein. Durch die Verschieberichtung bezüglich des Druckpunkts wird in Kombination mit der Profilausgestaltung auch die Drehrichtung des Auftriebsläufers bestimmt. Diese sollte so gewählt sein, dass die Drehrichtung der Kurbelwelle mit der Orientierung der Orbitalströmung passt.
Wie bei der Montage der Auftriebskörper an der Abtriebswelle über Kurbeln ergibt sich auch bei der direkten ”Offset”-Montage der Auftriebskörper an der Abtriebswelle gemäß der unmittelbar vorstehenden Beschreibung bei Erzeugung eines Kräftepaares entsprechender Ausrichtung, dass ein weitgehend reines Drehmoment auf die Abtriebswelle angelegt wird, ohne dass radial wirkende Kräfte abgestützt werden müssten.
Vorzugsweise ist eine Anstellwinkel-Einstelleinrichtung vorgesehen, über die der Winkel der Profilsehne von zumindest einem der Auftriebskörper bezüglich der Profilsehne des zumindest anderen Auftriebskörpers (gemeinsam oder individuell) veränderbar ist. Es hat sich hier gezeigt, dass in erfindungsgemäßen Ausführungsformen mit zumindest zwei kombinierten Auftriebskörpern(-läufern) an einem gemeinsamen Kurbeltrieb eine gute Regelung der Rotationsgeschwindigkeit vorteilhaft ist, beispielsweise um weitgehend gleichförmige Einsatzbedingungen ohne Strömungsabrisse und dergleichen sicher zu stellen. Eine derartige Regelung kann grundsätzlich über das an der Abtriebswelle abgegriffene Drehmoment erfolgen, wie die vorstehend bereits angedeutet wurde. Ein größeres Drehmoment führt dabei zu einer stärkeren Bedämpfung und damit zu einer geringeren Umlaufgeschwindigkeit der Auftriebsläufer (größerer Winkelversatz).
Alternativ ist jedoch über die Anstellwinkel-Einstelleinrichtung ein sogenanntes ”Pitchen” der Auftriebskörper möglich, also eine Änderung des Anströmwinkels. Dadurch kann die Auftriebskraft und damit das an der Abtriebswelle angreifende Drehmoment variiert werden, was insbesondere bei einem konstanten Drehmomentabgriff zu einer Umlaufgeschwindigkeitsänderung führt. Prinzipiell ist natürlich auch eine Kombination der vorstehenden Maßnahmen möglich. Alternativ ist auch eine Änderung der Flügelgeometrie, beispielsweise über verstellbare Klappen möglich, wie nachfolgend noch beschrieben wird. Auch dadurch kann das Drehmoment entsprechend beeinflusst werden.
Bei der Kombination von zwei gegensätzlich ausgerichteten Auftriebsläufern zu einem Doppelläufer an einer Kurbelwelle ergibt sich eine besonders einfache Möglichkeit des ”Pitchens”, nämlich dann, wenn zwischen den beiden Auftriebsläufern, z. B. an den Profilhinterkanten ein oder mehrere längenverstellbare Antriebe (Kolben-Zylinder-Einheiten, Spindelantriebe, Teleskopmechanismen, etc.) angebracht sind. Durch Verstellen dieser Antriebe kann dann der Winkel zwischen den beiden Profilen (bzw. deren Profilsehnen) und damit auch der Winkel zur Anströmung verändert werden. Vorteilhaft wäre hierbei noch die Sicherstellung der weitgehend parallelen Ausrichtung des Antriebs zu den Hebelarmen (Kurbeln) des Kurbelantriebs. Alternativ zu der Beibehaltung einer parallelen Ausrichtung des Antriebs können auch beide Auftriebsläufer mit einer Blockiereinrichtung an der Kurbelwelle angeordnet sein. Wird nur eine der beiden Blockierungen gelöst, so kann der andere Auftriebsläufer mit dem Antrieb relativ zu dem einen Auftriebsläufer verstellt werden. Die Anordnung einer Anstellwinkel-Einstelleinrichtung ist jedoch grudsätzlich auch bei der direkten ”Offset”-Montage der Auftriebskörper an der Abtriebswelle gemäß vorstehender Beschreibung möglich.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, die Auftriebskörper mit so genannten Winglets zu versehen, um Wirbelzöpfe an den (in Flügellängenrichtung gesehenen) Auftriebskörperenden zu verringern, die zu einer Reduktion der Auftriebskraft und damit des abgreifbaren Drehmoments und folgerichtig der Leistung der Anlage führen würden. Zusätzlich wird durch derartige Winglets der induzierte Strömungswiderstand der Flügel reduziert. Diese Winglets haben den zusätzlichen Vorteil, dass sich die Anlage bezüglich der Wellenverlaufsrichtung so anordnet, dass die Abtriebswellen quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Auftriebskörper mit unterschiedlichen Profilen ausgebildet sind, um unterschiedliche Anstellwinkel und/oder Auftriebskräfte zu realisieren. Damit ist es prinzipiell möglich, die Auftriebskörper so anzuordnen, dass sich deren Strömungen jeweils beeinflussen oder unbeeinflusst lassen, je nach Anwendungsfall.
Dies ermöglicht es ferner, dass die wirksamen Hebelarme der Auftriebskörper vorzugsweise unterschiedlich lang sind, um unterschiedliche Drehmomente zu erzeugen. Auch ist es unabhängig hiervon möglich, dass mehrere Auftriebskörper an einer Kurbel nach Art eines Mehrdeckers montiert sind. Hierdurch können die Profillängen insgesamt verkürzt und bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten größere Drehmomente erzeugt werden.
Vorteilhaft ist es auch, dass die Auftriebskörper mit Hochauftriebshilfen versehen sind, die voreingestellt oder dynamisch über entsprechende Betätigungseinrichtungen verstellbar sind. Hierdurch können die Auftriebsläufer an sich verändernde Strömungsbedingungen angepasst werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Dämpfung oder ein Phasenwinkel einer Drehbewegung der Kurbelwelle gegenüber der umlaufenden Orbitalströmung einstellbar oder regelbar ist. Vorzugsweise ist die Dämpfung und/oder der Phasenwinkel über einen an einem Arbeitsanschluss einer Hydropumpe als Drehmomentwandlungsmittel wirkenden Gegendruck und/oder über ein Drehmoment an einem elektrischen Generator als Drehmomentwandlungsmittel geregelt. Alternativ ist es möglich, dass die Dämpfung und/oder der Phasenwinkel über eine schwenkbare oder drehbare Widerstandsfläche oder über eine Bremse, insbesondere Wirbelstrombremse geregelt ist. Schließlich kann es alternativ vorgesehen sein, dass die Dämpfung und/oder der Phasenwinkel über Pitchen – also eine Veränderung des Anstellwinkels des Auftriebskörpers bezüglich der Anströmung – und/oder über eine Änderung der Flügelgeometrie und/oder über eine Änderung der Länge des Kurbel-Hebelarms und/oder über eine Änderung des Winkels zwischen der Kurbel und dem Auftriebskörper geregelt ist.
Ferner sieht ein Aspekt der Erfindung vor, dass das vorgesehene Mittel zur Wandlung des von der Kurbelwelle abgegebenen Drehmoments eine Hydropumpe oder ein Getriebe mit nachgeschaltetem Generator ist, wobei das Mittel zur Wandlung des Drehmoments von der Kurbelwelle antreibbar ist.
Des Weiteren ist die Wellenenergieanlage gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung mit mehreren Kurbelwellen ausgerüstet, die etwa in gleicher Tiefe des Fluids angeordnet und zusammen in einem etwa rahmenförmigen Träger gelagert sind. Vorzugsweise erstreckt sich der Rahmen über mehrere Wellenberge und/oder über mehrere Wellentäler. Weiter vorzugsweise ist am Träger eine horizontale und/oder vertikale Dämpfungsplatte vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung können im Fluid Drucksensoren und/oder drehmomentarme Wetterfahnenrotoren und/oder Paare von winklig zueinander angeordneten piezoelektrischen Biegewandlern oder optische Sensoren, insbesondere mit einem Laser, vorgesehen sein. Solche Sensoren sind am vorgenannten Träger befestigt und dienen z. B. der Steuerung der Dämpfung, des Phasenwinkel, und ggf. der Ausrichtung des Trägers in Bezug auf die Wellenrichtung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kurbeltrieb-Einheit für eine Wellenenergieanlage gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 zeigt die Kurbeltrieb-Einheit gemäß der 1 in einer abgewandelten Form, d. h. mit umgekehrt eingebauten Auftriebsläufern;
3 zeigt das Strömungsverhalten eines den Auftriebsläufer umströmenden Mediums sowie die Anwendung von Strömungsleitelementen (vorzugsweise Winglets) zur positiven Beeinflussung des Strömungsverhaltens;
4 zeigt eine weitere Abwandlung der Kurbeltrieb-Einheit gemäß einer der 1 bis 3 aus- (nach-)gerüstet mit einer Anstellwinkel-Einstelleinrichtung;
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Kurbeltrieb-Einheit für eine Wellenenergieanlage gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung (ohne externe Kurbeln);
6 zeigt eine weitere Abwandlung der Kurbeltrieb-Einheit gemäß einer der 1 bis 5 mit zumindest einem drehbar aufgehängten Auftriebsläufer zum Ausgleich der Auftriebskräfte bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten an den Auftriebsläufern;
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Kurbeltrieb-Einheit für eine Wellenenergieanlage gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorzugsweise ebenfalls zum Ausgleichen von unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten an den Auftriebsläufern sowie (nahezu) ohne gegenseitige Beeinflussung der jeweiligen Umströmungen;
8 zeigt eine Abwandlung der Kurbeltrieb-Einheit gemäß der 7 zur Erreichung einer gegenseitigen Beeinflussung der Auftriebsläufer;
9 zeigt eine weitere Abwandlung der Kurbeltrieb-Einheit gemäß der 7 oder 8 in Mehrdeckerausführung;
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Kurbeltrieb-Einheit für eine Wellenenergieanlage gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem zusätzlichen Trimmungs-Auftriebsläufer;
11 zeigt eine schematische Darstellung einer Kurbeltrieb-Einheit für eine Wellenenergieanlage gemäß einem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welcher die Auftriebsläufer nach Art von Turbinenschaufeln eines Turbinentriebwerks (Vorflügel mit nachfolgendem Hauptflügel) angeordnet sind;
12 zeigt eine schematische Darstellung einer Kurbeltrieb-Einheit für eine Wellenenergieanlage gemäß einem sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wonach einer der Auftriebsläufer mit Hochauftriebsprofilen ausgerüstet ist und
13 zeigt eine prinzipielle Wellenenergieanlage, in die anstelle der dort dargestellten Kurbeltrieb-Einheiten ein oder mehrere Kurbeltrieb-Einheiten gemäß einer der vorstehenden 1 bis 12 eingebaut sein können.
In 1 ist eine Kopplungskörperkonstruktion (Kurbeltrieb-Einheit) für eine Wellenenergieanlage zur Umwandlung einer Orbitalbewegung von Wassermolekülen in nutzbare Energie gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.
Im Konkreten ist eine Kurbeltrieb-Einheit 10 dargestellt, wie sie ggf. mehrfach in einer einzigen Wellenenergieanlage verbaut ist, die beispielhaft in der 13 dargestellt ist. Demzufolge hat die Kurbeltrieb-Einheit 10 eine Kurbel- oder Abtriebswelle 12, die vorzugsweise zwischen zwei parallel ausgerichteten Trägerelementen (nicht weiter gezeigt) drehbar gelagert ist. Dabei kann eine Mehrzahl an derartigen Kurbelwellen im Parallelabstand zueinander sowie längs der Trägerelemente angeordnet sein. An der Abtriebswelle 12 sind vorliegend zwei Kurbeln bzw. Rotoren 14 fixiert, die radial von der Abtriebswelle 12 um die gleiche Länge vorragen. Im ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die beiden Kurbeln 14 im Wesentlichen 180° winkelversetzt zueinander angeordnet, wobei jedoch auch ein anderer Versatzwinkel vorgesehen sein kann.
An den freien Enden jeder Kurbel 14 ist ein Kopplungskörper in Form eines Auftriebskörpers oder- läufers 16 angebracht (d. h. im vorliegenden Fall zwei Auftriebsläufer). Jeder Auftriebsläufer 16 hat im (dargestellten) Querschnitt ein Tragflügelprofil mit einer unsymmetrischen Skelettlinie, d. h. einer Oberseite, die in Profiltiefenrichtung gesehen stärker gewölbt ist als die Unterseite.
An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, dass auch symmetrische Profile oder einfach Platten mit einem entsprechenden Anstellwinkel zum Einsatz kommen können.
Beide Auftriebstäufer 16 haben vorzugsweise die gleiche Profilform sowie die gleiche Abmessung und sind jeweils in ihrem Druckpunkt oder in einem druckpunktnahen Bereich an der betreffenden Kurbel 14 fest fixiert. Dabei sind sie gegensätzlich zueinander gelagert, d. h. beide Auftriebsläufer 16 sind so an den Kurbelenden gehalten, dass ihre jeweiligen Unterseiten einander zugewandt sind. Ferner ist ein Auftriebsläufer 16a unter einen stumpfen Winkel zu der jeweiligen Kurbel 14 ausgerichtet, derart, dass seine Profilsehne quasi eine Verlängerung der jeweiligen Kurbel 14 bildet. Der andere Auftriebsläufer 16b ist unter einem spitzen Winkel zur jeweiligen Kurbel 14 ausgerichtet, derart, dass sich die Profilsehnen beider Auftriebskörper 16 nahezu parallel bzw. in einem (windschiefen) spitzen Winkel zueinander anordnen.
Die Ausrichtung der Auftriebsläufer 16 bezüglich der Rotoren 14 erfolgt dabei im Wesentlichen unter den folgenden drei Gesichtspunkten:

– Die Auftriebsläufer 16 müssen so angeordnet sein, dass sie in einem regulären Betriebszustand unter einem für das Läuferprofil optimalen Winkel von den auf der Orbitalbahn sich bewegenden Wassermolekülen angeströmt werden, um jeweils die maximale Auftriebskraft zu erzeugen. Zu berücksichtigen ist hier auch die überlagerte Eigenbewegung der Auftriebsläufer 16 durch die Rotation um die Kurbel 12. Da die beiden Läufer 16 seitenverkehrt zueinander an den vorzugsweise ca. 180° versetzten Rotoren 14 montiert sind, ergeben sich zwei in gleiche Richtung wirkende Drehmomente, die auf die Abtriebswelle übertragen werden.
– Die im Druckpunkt der jeweiligen Läuferprofile angreifenden Auftriebskräfte können sich erfindungsgemäß im Wesentlichen aufheben, d. h. die Läuferprofile sind so zueinander ausgerichtet, dass die hierdurch erzeugten, entgegengesetzt wirkenden Auftriebskräfte nahezu parallel und gegensätzlich orientiert zueinander gerichtet sind.
– Die Lage der Auftriebsläufer 16 bezüglich der jeweiligen Rotoren 14 ist so gewählt, dass ein möglichst großer Hebelarm wirksam ist, um ein großes Drehmoment zu erzeugen.

Durch diese Maßnahmen wird erreicht, dass an der gemeinsamen Abtriebswelle 12 nur ein (weitestgehend reines) Drehmoment vorliegt, wohingegen sich durch den jeweiligen Auftrieb ein (gegensätzlich ausgerichtetes) Kräftepaar ergibt, das sich gegenseitig neutralisiert (im Sinne von verringert).
Durch die Anordnung der vorzugsweise zwei Auftriebsläufer 16 gemäß der 1, d. h. aufgrund dessen, dass der gemäß der 1 obere Auftriebsläufer 16a mit seiner Oberseite nach oben und der untere Auftriebsläufer 16b mit seiner Oberseite nach unten montiert ist, ergibt sich eine gemeinsame Drehmomentrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn. Dabei sei darauf hingewiesen, dass die beiden Auftriebsläufer 16 auch in genau umgekehrter Ausrichtung an den jeweiligen Rotoren 14 montiert sein können. Zusätzlich wäre auch die gleiche Ausrichtung der Auftriebsläufer mit um 90° nach links verkippten Rotoren 14 möglich, die ein Drehmoment im Uhrzeigersinn erzeugen würde.
Dieser Einbau wird beispielweise in der Ausführungsform gemäß der 2 dargestellt. Demzufolge ist der obere Auftriebsläufer 16a mit seiner Oberseite nach unten und der untere Auftriebsläufer 16b mit seiner Oberseite nach oben an den Rotoren 14 fixiert, wodurch sich eine gemeinsame Drehmomentrichtung in Uhrzeigerrichtung ergibt.
Abschließend sei hierzu noch erwähnt, dass der vorstehend genannte 180°-Winkelversatz der beiden Kurbeln 14 sowie die dargestellte Winkellage der zwei Auftriebsläufer 16 bezüglich ihrer zugehörigen Kurbel 14 nur beispielhaft ist, wobei wie bereits angedeutet wurde weitere Winkeleinstellungen zwischen Kurbel 14 und Auftriebsläufer 16 denkbar sind und in Abhängigkeit des geplanten Einsatzes der Wellenkraftanlage analytisch optimiert werden können.
Besonders vorteilhaft ist jedoch in jedem Fall eine Lagerung der Auftriebsläufer 16 in ihrem jeweiligen Druckpunkt bzw. in der unmittelbaren Nähe davon. Durch eine derartige Lagerung werden nämlich Drehmomente auf die Befestigung zwischen Rotor 14 und Auftriebsläufer 16 weitgehend vermieden (bzw. reduziert). Da im Fall eines unsymmetrischen Profils für den Auftriebskörper 16, wie er in den 1 und 2 dargestellt ist, die genaue Druckpunktlage vom Anstellwinkel des Profits zur Strömungsrichtung abhängig ist und entsprechend längs der Profiltiefe wandert, ist die Befestigung des Profils genau im Druckpunkt praktisch nicht möglich. Eine Ausnahme bildet hier jedoch ein im Querschnitt symmetrisches Profil, dessen Druckpunktlage Anstellwinkel-unabhängig ist und das sich ebenfalls als Auftriebsläufer eignet.
Zur Optimierung des Wirkungsgrads der Kurbeltrieb-Einheit 10 können insbesondere bei den Auftriebsläufern 16 zahlreiche strömungstechnische Maßnahmen ergriffen werden, wie sie u. a. auch im Flugzeugbau eingesetzt werden.
In der 3 sind beispielhaft die Verwirbelungen eines Fluids, im konkreten Fall des Mediums ”Wasser” gezeigt, wie sie bei einer Umströmung eines Auftriebsläufers 16 der erfindungsgemäßen Bauart auftreten. Demzufolge ergeben sich insbesondere an den Profilenden in Profillängsrichtung gesehen sogenannte Wirbelzöpfe, die den durch die Auftriebskräfte induzierten Widerstand des Profils erhöhen und sich somit nachteilig auf den Wirkungsgrad des Profils auswirken. Um diese Wirbelzöpfe an den beiden Auftriebsläuferenden zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, die zu einer Verringerung der Auftriebskraft und damit des Drehmoments und folgerichtig der Leistung der jeweiligen Kurbeltrieb-Einheit 10 führen würden, können die Auftriebsläufer 16 mit so genannten Winglets 18 ausgestattet werden (analog zu den Winglets an den freien Enden von Tragflügeln). Im einfachsten Fall sind an den beiden Längsenden jedes Auftriebsläufers 16 flache Platten oder Scheiben befestigt, die sich in Profiltiefenrichtung erstrecken und ein Abgleiten der Strömung über die Längsenden der Auftriebsläufer 16 verhindern. Diese Platten/Winglets können entgegen dem in der Luftfahrt üblichen Stand der Technik relativ großflächig ausgeführt sein. Es sind Ausführungsformen möglich, bei denen eine gemeinsame Platte für beide Auftriebsläufer gemeinschaftlich genutzt wird. In diesem Fall können die Platten auch als halternde Aufnahme für die Auftriebsläufer genutzt werden. Die Kurbelwelle könnte dann nicht durchgängig zwischen den Läufern verlaufen, sondern wäre auf zwei außen an den Platten/Winglets angreifende Wellenzapfen reduziert.
Diese Winglets 18 haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie die Wellenenergieanlage längs der Wellenlaufrichtung ausrichten, wodurch die Abtriebswellen 12 der Kurbeltrieb-Einheiten 10 quer zur Welle zu liegen kommen. Auf diese Weise wird eine optimale Anströmung der einzelnen Auftriebsläufer 16 gewährleistet. Um den Ausrichtungseffekt zu verstärken, können die Platten auch im Zwischenbereich der Auftriebsläuferenden angebracht sein. Dadurch wird zudem auch eine verbesserte Stabilität zur Aufnahme der im Betrieb auftretenden Kräfte und Momente erreicht.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, die Rotationsgeschwindigkeit der Auftriebsläufer 16 zu regeln, um weitgehend gleichförmige Einsatzbedingungen ohne Strömungsabrisse und dergleichen und insbesondere eine lagerichtige Ausrichtung der Auftriebsläufer zu den anströmenden Fluidpartikeln sicher zu stellen. Eine derartige Regelung kann grundsätzlich über das an der Abtriebswelle 12 abgegriffene Drehmoment erfolgen. Ein größeres Drehmoment bewirkt zwangläufig ein Abbremsen der Rotationsgeschwindigkeit und umgekehrt.
Alternativ oder zusätzlich ist jedoch auch eine Verstellung des Anstellwinkels des Auftriebsläufers 16 eine geeignete Maßnahme, die erzielbare Auftriebskraft zu beeinflussen und damit die Rotationsgeschwindigkeit (über den induzierten Widerstand) zu variieren. Zur Verstellung des Anstellwinkels des Auftriebsläufers 16 steht eine Vielzahl von konstruktiven Möglichkeiten zur Verfügung, von denen nachfolgend eine Ausführungsform anhand der 4 näher beschrieben werden soll. Alternativ ist aber auch eine Änderung der Flügelgeometrie beispielsweise durch entsprechende Klappen möglich.
Demzufolge ergibt sich bei der Kombination von zwei Auftriebsläufern 16 die einfache Möglichkeit des ”Pitchens”, indem als eine mögliche Variante zwischen den Profil hinterkanten ein oder mehrere Hydraulikzylinder 20 angebracht sind, welche die Profilhinterkanten voneinander wegdrücken oder zueinander ziehen. Durch Aus- und Einfahren der Hydraulikzylinder 20 wird der Winkel zwischen den beiden Auftriebsläufern 16 und damit auch der Winkel zur Anströmung auf einfache Weise verändert. Des Weiteren zeigt die 4 den Hydraulikzylinder 20 im Wesentlichen parallel zu den Kurbeln (Rotoren) 14, an denen die Auftriebsläufer 16 in diesem Fall drehbar gelagert sind, wodurch sich im Querschnitt gemäß der 4 eine Art Parallelogramm ergibt (Sonderfall für diese Position). Hier sei darauf hingewiesen, dass das „Pitchen” auch durch andere konstruktive Maßnahmen möglich ist.
Trotz der vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur optimierten Bereitstellung einer Kurbeltrieb-Einheit 10 ausschließlich bestückt mit Auftriebsläufern 16, stellen die Kurbeln (Rotoren) 14, an denen die Auftriebsläufer 16 montiert sind, eine kritische Stelle dar, da diese erhebliche Drehmomente übertragen müssen und ferner äußeren Einflüssen im ”Offshore”-Einsatz ausgesetzt sind. Es ist also prinzipiell vorteilhaft, die Kurbeltrieb-Einheit 10 möglichst einfach zu konstruieren und damit standfester zu machen. Ein Lösungsansatz für dieses Problem ist in den Ausführungsbeispiel gemäß der 5 umgesetzt.
Demnach hat die Kurbeltrieb-Einheit 10 gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine gemeinsame Abtriebswelle 12, an der vorliegend zwei Auftriebsläufer 16 unmittelbar (d. h. ohne Zwischenschaltung einer separaten Kurbel) montiert sind. Im Konkreten sind an der Abtriebswelle 12 in einem Winkelversatz von ca. 180° (kann hiervon jedoch auch deutlich abweichen, eventuell sogar einstellbar bzw. Flügel mit veränderbarem Profit) zwei Auftriebsläufer 16 mit jeweils unsymmetrischem Tragflügelprofil vergleichbar zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen drehfest fixiert, derart, dass sich die Oberseite des einen Auftriebsläufers 16b nach oben und die Oberseite des anderen Auftriebsläufers 16a nach unten ausrichten. Das hierdurch sich ergebende Auftriebskräftepaar ist folglich im Wesentlichen gegensätzlich ausgerichtet und hebt sich somit im Wesentlichen auf, sodass ein im Wesentlichen reines Drehmoment auf die Abtriebswelle 12 übertragen wird. Der eine (linke) Auftriebsläufer 16 ist ferner an seiner jeweiligen Profilhinterkante an der Abtriebswelle 12 fixiert, wohin gegen der andere (rechte) Auftriebsläufer an seinem Nasenfußpunkt montiert ist. Anstelle des gezeigten Flügelprofils könnte auch eine entsprechend geschwungene Platte vorgesehen sein, wodurch sich jedoch generell im Querschnitt gemäß der 5 eine S-Form einstellt. Vorzugsweise können die Auftriebsläufer 16 einstückig mit der Abtriebswelle 12 bzw. einem Bestandteil von dieser ausgeformt sein.
Entscheidend bei dieser Anordnung ist es, den Befestigungspunkt zwischen Auftriebsläufer 16 und Abtriebswelle 12 in einen Druckpunkt fernen Bereich zu legen, um hierdurch einen Hebelarm zu generieren. Die Ausrichtung des Auftriebsläufers 16 wird dann so gewählt, dass dieser optimal von der Orbitalströmung der Wassermoleküle angeströmt wird. D. h., die Befestigung des einen Auftriebsläufers 16a an seiner Profilhinterkante ist nur eine denkbare Möglichkeit, wobei je nach Anstellwinkel des Profils und damit die Lage des Druckpunkts auch eine Befestigung an der Profilnase des Auftriebsläufers 16a ggf. geeignet wäre.
Auch in dieser Ausführungsform ist die Einstellbarkeit des Anstellwinkels von Vorteil. Dies könnte beispielsweise durch einen Drehantrieb im Bereich des Montagepunkts zwischen Auftriebsläufer 16 und Abtriebswelle 12 erfolgen, wodurch auch eine individuelle (separate) Einstellung der Auftriebsläufer 16 möglich wäre. Auch eine Änderung der Flügelgeometrie wäre denkbar.
Schließlich sind die vorzugsweise zwei Auftriebsläufer 16 gemäß der 5 hinsichtlich Form und Größe ähnlich. Es besteht jedoch die prinzipielle Möglichkeit, die Auftriebsläufer 16 unterschiedlich (d. h. ungleich) zu gestalten.
Bei der Verwendung von mehreren Auftriebskörpern 16 hat sich gezeigt, dass infolge unterschiedlicher Anströmgeschwindigkeiten am oberen 16a und unteren Auftriebsläufer 16b unterschiedliche Auftriebskräfte erzeugt werden. Im Ergebnis kann dies dazu führen, dass radiale Kräfte in die Abtriebswelle 12 eingeleitet werden, die abgestützt werden müssen. Auch zeigen Kurbeltrieb-Einheiten 10 ausschließlich bestückt mit Auftriebsläufern 16 eine weniger ausgeprägte regelungstechnische Stabilität. Maßnahmen zur Abschwächung dieser Probleme werden nachfolgend anhand der 6 bis 12 beschrieben, die einzeln oder in Kombination ergriffen werden können.
Der Auftriebsbeiwert eines Flügelprofils (Auftriebsläufers) ist u. a. eine Funktion des Anstellwinkels. Wird dieser größer, so steigt der Auftriebsbeiwert an bis zum Strömungsabriss (Stall). Steigt nun die Phasenlagendifferenz zwischen der Anströmung und der jeweiligen Flügelposition, so würde der Auftriebsbeiwert des oberen Flügels 16a fallen und der des unteren Flügels 16b ansteigen. Eine solche Kurbeltrieb-Einheit 10 wäre demnach instabil, da die Phasenlagendifferenz ansteigt (ohne Änderung des Drehmoments), bis letztlich der untere Flügel 16b (zuerst) einen Strömungsabriss erfährt, d. h. in Stall läuft.
Dieser Effekt lässt sich beispielsweise gemäß der 6 dadurch vermeiden, indem der dort gezeigte untere Flügel 16b frei drehbar (eine gewisse Dämpfung sollte jedoch vorgesehen sein) nahe seinem Druckpunkt an der Kurbel (Rotor) 14 aufgehängt ist. Da der Druckpunkt bei dem gezeigten unsymmetrischen Profil des Auftriebsläufers 16 mit steigendem Anstellwinkel in Richtung seiner Flügelhinterkante wandert, stellt sich das Flügelprofil quasi selbsttätig auf den entsprechenden (geringeren) Anstellwinkel zurück. Ferner ist es möglich (alternativ oder zusätzlich), gemäß der 7 den Hebelarm des dort gezeigten oberen Flügels 16a gegenüber dem unteren Flügel 16b zu verkürzen (oder umgekehrt). Im Konkreten ist der dort gezeigte untere Flügel 16b über eine Kurbel 14 an der Abtriebswelle 12 montiert, wohingegen der obere Flügel 16a unmittelbar an der Abtriebswelle 12, vorliegend im Bereich seiner Profilnase fixiert ist. Dadurch wird auch erreicht, dass der untere Flügel 16b gegenüber dem oberen Flügel in Drehrichtung gesehen vorrückt (Kraftvektor des unteren Flügels 16b liegt vor der Profilnase des oberen Flügels 16a; Kraftvektor des oberen Flügels 16a liegt weit in Richtung Hinterkante des unteren Flügels 16b) und sich dadurch beide Umströmungen nicht überlagern oder sich gegenseitig beeinflussen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die dargestellten Flügelkombinationen und -anordnungen nur beispielhaft sind und der angestrebte Effekt auch durch andere Anordnungen erzielbar ist.
Die Variante gemäß der 8 sieht vor, nunmehr den dort gezeigten oberen Flügel 16a über eine Kurbel 14 mit der Abtriebswelle 12 zu verbinden, wobei die Kurbel 14 im Bereich seines Druckpunkts angeschlossen sein kann. Der in der 8 untere Flügel 16b ist direkt (ohne Kurbel) an der gemeinsamen Abtriebswelle 12 fixiert und zwar in einem Druckpunkt entfernten Bereich (in Richtung seiner Profilhinterkante). Hierdurch ist eine positive Interaktion der Flügel untereinander möglich, da die Druckseiten zueinander orientiert sind und sich damit die Umströmungen mit hoher Geschwindigkeit gegenseitig beeinflussen (Venturi-Düsen-Effekt).
Die 9 zeigt eine weitere Variante, wonach zumindest eine Kurbel 14 mit zwei Auftriebsläufern 16b (entspricht dem unteren Flügel 16b der vorstehend beschriebenen Varianten) nach dem Prinzip eines Doppeldeckers bestückt ist. Der obere Flügel 16a ist dabei unmittelbar an der gemeinsamen Abtriebswelle 12 im Bereich seiner Profilnase montiert, kann jedoch alternativ auch an einer Kurbel befestigt sein.
Typischer Weise befindet sich der Druckpunkt eines Flügels etwa bei 0.25–0.33*Tiefe des Flügels. Um demzufolge noch ein Drehmoment zu erzeugen, muss die Aufhängung des Flügels im Fall der kurbellosen Variante außerhalb dieses Bereichs (größer oder kleiner) liegen. Dadurch entstehen jedoch parasitäre Umfangsgeschwindigkeiten (was immer gilt, außer für Lagerung im oder nahe dem Nasenfußpunkt), welche den Wirkungsgrad der Kurbeltrieb-Einheit 10 verändern. Diesem Phänomen wirkt die vorstehend beschriebene Mehrdeckeranordnung entgegen. D. h. die zwei übereinander angeordneten Auftriebsläufer 16b an der einen Kurbel 14 sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie jeweils eine erzeugte Auftriebskraft entsprechend dem jeweiligen wirksamen Hebelarm als Drehmoment in die gemeinsame Abtriebswelle 12 einleiten. Sofern die beiden (oder mehrere) untere Läufer 16b nahe aneinander platziert sind, können sich deren Umströmungen gegenseitig beeinflussen etwa nach dem Prinzip eines Vor- und Nachflügels. In diesem Fall dient der Vorflügel im Wesentlichen zur Beschleunigung der Oberseitenumströmung (sowie Verzögerung eines Stalls) am Nach-(Haupt-)Flügel und damit zur Steigerung der Auftriebskraft.
In der 10 ist eine weitere Variante für die Anordnung von mehreren Auftriebskörpern 16 an einer gemeinsamen Abtriebswelle 12 dargestellt.
Demzufolge sind zwei Hauptauftriebsläufer 16 über Kurbeln 14 an der Abtriebswelle 12 montiert, wobei die Kurbeln 14 unter einem vorbestimmten Winkelversatz von beispielsweise 170–180° zueinander ausgerichtet sind. Zumindest einer der Auftriebsläufer (gemäß der 10 der obere Auftriebsläufer 16a) ist ferner so an dem freien Ende der einen Kurbel 14 fixiert, dass sich dessen Profilsehne im Wesentlichen in Verlängerung zur Kurbel 14 ausrichtet, so dass der Auftriebskraftvektor nahezu senkrecht zur Kurbel 14 verläuft. Damit wird ein deutlich höheres Drehmoment in die Abtriebswelle 12 induziert. Jedoch entsteht bei dieser Variante das Problem, dass das durch die zwei Hauptauftriebsläufer 16 erzeugte Kräftepaar nicht (im Wesentlichen) parallel zueinander verlaufen und sich somit auch nicht mehr (nahezu vollständig) kompensieren. Die Abtriebswelle 12 würde in diesem Fall zusätzlich zu dem gemeinsamen Drehmoment auch von einer radial ausgerichteten Kraft belastet werden.
Um diese Kraft zu verringern (zu kompensieren) ist an der Kurbeltrieb-Einheit 10 gemäß der 10 ein zusätzlicher Hilfs- oder Trimmungsauftriebsläufer 22 über eine dritte (Hilfs-)Kurbel 24 an der gemeinsamen Abtriebswelle 12 fixiert, der so angeordnet und angestellt ist, dass seine Auftriebskraft den unkompensierten Kraftvektorteil der Hauptauftriebsläufer 16 ausgleicht.
In der Abwandlung des Erfindungsgegenstands gemäß der 11 ist eine Anordnung zweier Auftriebsläufer 16 gewählt, durch die eine gegenseitige Strömungsbeeinflussung in einer vorherbestimmten Weise bezweckt wird.
Im Konkreten ist ein (gemäß der 11 oberer) Auftriebsläufer 16a unmittelbar an der gemeinsamen Abtriebswelle 12 fixiert und zwar in einem vom Druckpunkt entfernten Bereich nahe der Profilhinterkante dieses Auftriebsläufers 16a. Der andere (gemäß der 11 untere) Auftriebsläufer 16b ist über eine Kurbel 14 an der Abtriebswelle 12 montiert, wobei die Kurbel 12 vorzugsweise in dessen Druckpunkt (bzw. druckpunktnah) angeschlossen ist.
Die beiden Flügel 16 sind demzufolge so angeordnet, dass die (Ab-)Strömung des einen (oberen) Auftriebsläufers 16a auf die Unterseite des anderen (unteren) Auftriebläufers 16b trifft und eine erneute Umleitung erfährt. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit an der Oberseite des unteren Auftriebsläufers 16b zwangsweise angehoben und damit dessen Auftriebskraft gesteigert.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass bei den Auftriebsläufern 16 der vorstehenden Ausführungsbeispiele sowie deren Abwandlungen strömungsleitende Maßnahmen zur Auftriebsbeiwertseinstellung ergriffen werden können, wie sie auch aus dem Flugzeugbau bekannt sind und wie sie beispielhaft in der 12 dargestellt werden.
So können die Auftriebsläufer durchströmbar sein und/oder mit einem klappbaren Nachflügel (siehe 12) und/oder einem Vorflügel ausgerüstet sein, die entweder auf einen bestimmten Klappenwinkel eingestellt oder einstellbar sind. Derartige Maßnahmen sind im Stand der Technik auch als Hochauftriebshilfen bekannt und bewirken für sich oder in Kombination eine Steigerung/Verringerung des Auftriebsbeiwerts des Auftriebsläufers 16 bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit.
Offenbart wird folglich eine Wellenenergieanlage mit zumindest einer Kurbelwelle, an die Kopplungskörper zur Ankopplung der Kurbelwelle an die wellenausgelöste Orbitalbewegung von Wassermolekülen angeschlossen sind. Erfindungsgemäß bestehen die Kopplungskörper aus zumindest zwei gegensätzlich ausgerichteten Auftriebskörpern, deren Auftriebskräfte sich gegenseitig aufheben. Gemäß einem Aspekt sind die Auftriebsläufer jeweils im Druckpunkt oder Druckpunkt nahen Bereich an Kurbeln angeschlossen. Gemäß einem anderen Aspekt ist zumindest ein Auftriebskörper unmittelbar an die Kurbelwelle in einem Druckpunkt entfernten Bereich des jeweiligen Antriebskörpers vorzugsweise im Bereich der Profilnase (Profilvorderkante) oder der Profilspitze (Profilhinterkante) angeschlossen.
Bezugszeichenliste

10: Kurbeltrieb-Einheit
12: Abtriebswelle
14: Kurbel/Rotor
16: Auftriebsläufer
16a: oberer Auftriebsläufer
16b: unterer Auftriebsläufer
18: Winglet
20: Anstellwinkel-Einstelleinrichtung/Hydraulikzylinder
22: Hilfsauftriebsläufer
24: Hilfskurbel

Claims

Wellenenergieanlage mit zumindest einer Kurbelwelle (12), an die Kopplungskörper (16) zur Ankopplung der Kurbelwelle (12) an die wellenausgelöste Orbitalbewegung von Wassermolekülen angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungskörper (16) aus zumindest zwei Auftriebskörpern (16a, 16b) bestehen.
Wellenenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Auftriebsläufer (16) gegensätzlich zueinander orientiert sind und dass deren Auftriebskräfte auf weitgehend parallelen Kraftwirkungslinien verlaufen, sodass im Wesentlichen ein Drehmoment in die Anlage eingeleitet wird.
Wellenenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebskörper (16a, 16b) über Kurbeln (14) an die Kurbelwelle (12) gekoppelt sind.
Wellenenergieanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbeln (14) jeweils im Druckpunkt oder druckpunktnahen Bereich des Auftriebskörpers (16a, 16b) an diese angeschlossen sind.
Wellenenergieanlage vorzugsweise nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Auftriebskörper (16a, 16b) unmittelbar an die Kurbelwelle (12) in einem vom Druckpunkt entfernten Bereich des jeweiligen Antriebskörpers (16a, 16b) vorzugsweise im Bereich der Profilnase oder der Profilspitze angeschlossen ist.
Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anstellwinkel-Einstelleinrichtung (20), über die der Winkel der Profilsehne von zumindest einem der Auftriebskörper (16a, 16b) bezüglich der Kurbelwelle veränderbar ist und/oder einer Geometrie-Änderungseinrichtung zur Veränderung der Geometrie von zumindest einem Auftriebskörper (16a, 16b).
Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebskörper (16a, 16b) mit Winglets (18) versehen sind, wobei vorzugsweise mindestens eine gemeinsame Winglet für die Auftriebskörper (16a, 16b) auch als Ersatz einer Kurbel vorgesehen sein kann und/oder zur Stabilisierung mindestens ein plattenförmiges Winglet im Bereich zwischen den Auftriebsläuferenden angeordnet ist.
Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebskörper (16a, 16b) mit unterschiedlichen Profilen und/oder unterschiedlichen Abmessungen zueinander ausgebildet sind.
Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Auftriebskörper (16a, 16b) im Bereich seines Druckpunkts frei drehbar an der Kurbel (14) aufgehängt ist.
Wellenenergieanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehung des zumindest einen drehbar gelagerten Auftriebskörpers vorzugsweise einstellbar bedämpfbar ist.
Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die wirksamen Hebelarme der Auftriebskörper (16a, 16b) unterschiedlich zueinander sind.
Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Auftriebskörper (16b) an einer Kurbel (14) nach Art eines Mehrdeckers montiert sind.
Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Hilfskopplungskörper (22), der so dimensioniert und getrennt von den Auftriebskörpern (16a, 16b) bezüglich der Kurbelwelle (12) positionierbar ist, dass durch ihn ein weitgehendes Kräftegleichgewicht aller erzeugten Kräfte einstellbar ist.
Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Auftriebskörper (16a, 16b) mit Hochauftriebshilfen versehen ist, die voreingestellt oder dynamisch über entsprechende Betätigungseinrichtungen verstellbar sind.
Wellenenergieanlage nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei eine Dämpfung oder ein Phasenwinkel (β) einer Drehbewegung der Kurbelwelle (208a) gegenüber der umlaufenden Orbitalströmung einstellbar oder regelbar ist.
Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zur Wandlung des Drehmoments eine Hydropumpe oder ein Getriebe mit einem Generator oder ein direkt angetriebener Generator ist, wobei das Mittel zur Wandlung des Drehmoments von der Kurbelwelle (12) antreibbar ist.
Wellenenergieanlage nach Anspruch 15 in Verbindung mit Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung und/oder der Phasenwinkel (β) über einen an einem Arbeitsanschluss der Hydropumpe wirkenden Gegendruck geregelt ist und/oder Drehmoment am elektrischen Generator.
Wellenenergieanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung und/oder der Phasenwinkel (β) über eine schwenkbare oder drehbare Widerstandsfläche oder über eine Bremse, insbesondere Wirbelstrombremse, geregelt ist.
Wellenenergieanlage nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung und/oder der Phasenwinkel (β) über Pitchen oder über eine Änderung der Länge eines Hebelarms zwischen Kurbelwelle (12) und Kopplungskörpern (16) oder über eine Einstellung der Geometrie des Flügelprofils der Kopplungskörper (16) oder über eine Änderung des Winkels zwischen Hebelarm und Kopplungskörper (16) geregelt ist.