DE102010020219B3

DE102010020219B3 - Wellenenergiekonverter mit hoher Generatordrehzahl

Info

Publication number: DE102010020219B3
Application number: DE102010020219A
Authority: DE
Inventors: Dr. Gimsa Andreas
Original assignee: Enerlyt Technik GmbH
Current assignee: Enerlyt Technik GmbH
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2011-09-29
Anticipated expiration: 2030-05-12

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Wellenenergiekonverter, der bei hoher Effizienz einen einfachen und robusten Aufbau besitzt, eine hohe Generatordrehzahl erzeugt und der darüber hinaus für ein breites Band von Wellenlängen und Amplituden geeignet ist.

Description

Es sind die verschiedensten Anordnungen von Wellenenergiekonvertern bekannt. Es gibt Systeme mit Lineargeneratoren (Firma Westwave), schaukelnde Anordnungen (Firma Kloss), Kolbensysteme (Firma AW Energy Oy), Gasdrucksysteme und viele andere mehr. Diesen Systeme haften folgende Schwierigkeiten an: Sie können zwar Wellenenergie in elektrische Energie umwandeln, haben dabei jedoch einen niedrigen Wirkungsgrad.
Die geringe Frequenz und die wechselnden Amplituden der Wasserwellen stellen für Lineargeneratoren eine schwer zu beherrschende Herausforderung dar. Deren Wirkungsgrade sind vor allem bei hohen Frequenzen hoch. Dazu kommt ein komplizierter Aufbau im Vergleich mit handelsüblichen Drehgeneratoren. Eine nutzbringende Optimierung für ein breites Amplitudenband der Wasserwellen ist wegen unterschiedlicher Überlappungsbereiche von Oszillator und Stator schwierig.
Systeme, die die hohe Leistungsdichte der Wasserwelle erst in eine Gasdruckschwingung umsetzen, sind mit hohen Umwandlungsverlusten behaftet.
Die meisten der bekannt gewordenen Systeme besitzen neben ihrem niedrigen Wirkungsgrad einen hohen Preis.
Die Veröffentlichung WO 2010/007418 A2 zeigt einen Wellenenergiekonverter der mit 2 Hauptelementen arbeitet: Einer auf der Meeresoberfläche schwimmenden Boje und einem unter Wasser liegendem gekapselten Lineargeneratorteil, das am Meeresgrund mit einem Seil befestigt ist und das nach oben über ein weiteres Zugseil mit der Boje wechselwirken kann. Die Nachteile dieses Systems sind darin zu sehen, dass der Generator nur mit der niedrigen Wellenfrequenz arbeiten kann und dass die Hauptbaugruppe unter Wasser liegt und damit Wasser eindringen kann und die Wartung erschwert ist. Da keine Linearführung zwischen den Hauptbaugruppen besteht, sondern lediglich eine gelenkige Ankopplung des Zugseils vorhanden ist, können Strömung und Wind dazu führen, dass bei Schrägstellung der Boje gegenüber dem gekapselten Lineargeneratorteil die verwertbare Wellenamplitude geschälert wird.
Die Patentschrift DE 60 2004 006 297 T2 beschreibt einen Wellenenergiekonverter der mit einem auf dem Wasser schwimmenden rotierenden Gehäuse arbeitet, das über ein Zugseil mit einem unter Wasser liegenden Auftriebskörper verbunden ist. Die pendelnde Rotation des Gehäuses entsteht mit der Wellenbewegung durch das Auf- und Abwickeln des Zugseils auf seinem Außenumfang.
Im Gehäuse wird die Rotationsenergie in elektrische Energie umgewandelt.
Da auch bei dieser Erfindung keine Linearführung zwischen den Hauptbaugruppen besteht, können auch hier Strömung und Wind dazu führen, dass bei Schrägstellung des rotierenden Gehäuses gegenüber dem unter Wasser liegenden Auftriebskörper die verwertbare Wellenamplitude geschälert wird. Die pendelnde Rotation des Gehäuses auf der Wasseroberfläche führt darüber hinaus zu Reibungsverlusten.
Die vorliegende Erfindung beseitigt die geschilderten Schwierigkeiten.
Der Aufbau des erfindungsgemäßen Wellenenergiekonverters (1 und 2) ist dadurch gekennzeichnet, dass er aus 2 Hauptbauteilen besteht: Einem Schwimmkörper (1), der unter Wasser liegt, durch seinen Auftrieb zur Meeresoberfläche strebt und in horizontaler Lage zum Meeresgrund abgespannt ist und einer Generatorboje (2), die auf dem Wasser schwimmt, mit dem Schwimmkörper (1) gelenkig und über ein aufrollbares Zugseil (4) verbunden ist und sich ihm gegenüber vertikal- linear mit den Wellen auf- und abwärts bewegt.
Der Schwimmkörper (1) und die Generatorboje (2) sind mit einer Druckfeder (3), die die Gewichtsenergie der Generatorboje (2) aufnehmen kann, gekoppelt und beide Hauptbauteile stehen über das Zugseil (4) miteinander in Wechselwirkung.
Die Auslegungen der Druckfeder (3) bezüglich ihrer Federkonstante und des Schwimmkörpers (1) bezüglich seines Auftriebes müssen so sein, dass die Generatorboje (2) über die Druckfeder (3) bei der Abwärtsbewegung den Schwimmkörper (1) nicht in eine tiefere Lage unter Wasser drücken kann, sondern nur die Druckfeder (3) spannt.
In Kraftflussrichtung enthält die Generatorboje (2) die folgenden wesentlichen Bauteile:

– Ein Zugseil (4), das sich mit dem Wellengang auf einem Spulenkörper (5) auf- und abwickelt und dessen unteres Ende am Schwimmkörper (1) befestigt ist
– Einen Spulenkörper (5), der das Zugseil (4) aufnimmt
– Eine Pendelwelle (6), die sich mit dem Zugseil hin und her dreht
– Eine Feder (7), deren eines Ende mit der Pendelwelle (6) und deren anderes Ende mit der Rahmenkonstruktion (8) der Generatorboje (2) fest verbunden ist, die der Vorspannung des Zugseiles (4) dient und die das abgewickelte Seil (4) wieder zurück zieht und damit den Aufwickelvorgang antreibt
– Einen Freilauf (9), der die Pendelwelle (6) mit dem Getriebe verbindet und dafür sorgt, dass sich die angetriebenen Räder des Getriebes (10) immer nur in eine Richtung drehen
– Ein Getriebe (10), zwischen Pendel- und Generatorwelle zur Drehzahlerhöhung
– Eine Generatorwelle (11) mit Schwungrad (12)
– Einen Generator (13)

Die Anordnung des Freilaufes (9) kann zwischen Pendelwelle (6) und Getriebe (10) erfolgen, jedoch auch in einer alternativen Ausbildung zwischen Generatorwelle (11) und Getriebe (10) oder innerhalb des Getriebes (10) erfolgen.
Die Außenringe der Kugellager beider Wellen (6) und (11), das Federgehäuse und das Generatorgehäuse sind fest mit der Rahmenkonstruktion (8) verbunden, die sich auf der Innenseite des Domes der Generatorboje (2) befindet.
Wellendichtungen (14) dichten die Pendelwelle (6) gegenüber dem Spritzwasser im Bereich des Innenrohres (17) wasserdicht ab.
Anstelle des Zugseiles (4) kann auch eine linear geführte Zahnstange zum Einsatz kommen. Der Spulenkörper (5) wird bei dieser Variante dann als Zahnrad ausgeführt, das die Pendelwelle (6) antreibt. Nachteilig dabei sind die größere Bauhöhe der entsprechend modifizierten Generatorboje (2), die Reibung der Zahnstange gegen das Zahnrad und die benötigte Linearführung der Zahnstange. Allerdings kann die Funktion der Druckfeder (3), die sonst die Gewichtsenergie der Generatorboje (2) aufnimmt, von der Feder (7) übernommen werden, da kein Zugseil (4) mehr vorhanden und einzuziehen ist.
Funktion
Der Wellenenergiekonverter muss entsprechend den typischen Wellenamplituden ausgelegt werden. Bei ruhiger See schwimmt die Generatorboje (2) auf der Meeresoberfläche und der Schwimmkörper (1) befindet sich so tief unter Wasser, dass jeweils 2 Schenkel der 3 Schenkelpaare im selben mittleren Winkel zueinander stehen (zwischen dem von 3 und 4).
Mit der anlaufenden Welle fährt die Generatorboje (2) durch den Auftrieb des unten befestigten Schwimmringes auf den Wellenberg (3). Das Zugseil (4) zieht tangential am Spulenkörper (5) und wickelt sich ab während der Spulenkörper (5) in Drehung gerät. Durch die Bewegung des Spulenkörpers (5), der fest mit der Pendelwelle (6) verbunden ist, werden das Getriebe (10), die Generatorwelle (11), das Schwungrad (12) und der Generator (13) angetrieben. Im Generator wird ein Stromfluss erzeugt. Bei dieser Aufwärtsbewegung der Generatorboje (2) wird die Feder (7), die bereits vor der Aufwärtsbewegung der Generatorboje (2) eine Vorspannung hatte, weiter gespannt.
Gleichzeitig mit der Aufwärtsbewegung der Generatorboje (2) wird die Druckfeder (3) entspannt und die in ihr gespeicherte Energie ebenfalls über das Zugseil (4) zum Generator (13) übertragen.
Nachdem der Wellenberg die Generatorboje (2) passiert hat, fährt sie senkrecht hinab in das Wellental (4). Der Freilauf (9) entkoppelt bei der jetzt entgegen gesetzten Drehrichtung der Pendelwelle (6) diese von der weiter fortlaufenden Bewegung des Getriebes (10), der Generatorwelle (11), des Schwungrades (12) und des Generatorläufers in (13). Die Feder (7) wickelt das Zugseil (4) auf den Spulenkörper (5). Durch das Eigengewicht der Generatorboje (2) wird während ihrer Abwärtsbewegung in das Wellental die Druckfeder (3) gespannt. Damit arbeitet dieser Wellenenergiekonverter doppelt wirkend: Er wandelt sowohl bei seiner Aufwärts- als auch bei seiner Abwärtsbewegung die Meeresenergie in elektrische Energie um.
Das Schwungrad (12) sorgt gemeinsam mit den anderen drehenden trägen Massen für eine gleichmäßig hohe Drehzahl der Generatorwelle (11).
Um ein mögliches Zusammenstoßen von Schwimmkörper (1) und Generatorboje (2) abzufedern, können zwischen beiden Bauteilen elastische Pufferelemente zum Einsatz kommen. Die Pufferwirkung tritt jedoch auch durch kurzzeitig tieferes Eintauchen des Schwimmkörpers (1) in Folge des Zusammenstoßes ein.
Um ein mögliches Überstrecken der 3 Gelenke der Linearführung (15) zu vermeiden, können in ihnen Anschläge angeordnet werden. Alternativ dazu kann die Begrenzung der Aufwärtsbewegung der Generatorboje (2) über das abgewickelte Zugseil (4) erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Schwimmkörper, der zum Meeresboden hin abgespannt ist
2: Generatorboje, die sich mit der Welle auf und ab bewegt
3: Druckfeder, die die Gewichtsenergie aufnimmt
4: Zugseil, das sich mit der Wellenbewegung auf- und abwickelt
5: Spulenkörper, der das Zugseil (4) aufnimmt
6: Pendelwelle, die sich mit der Zugseilbewegung hin und her dreht
7: Feder, die das Zugseil (4) straff hält
8: Rahmenkonstruktion der Generatorboje
9: Freilauf
10: Getriebe
11: Generatorwelle
12: Schwungrad
13: Generator
14: Dichtungen der Pendelwelle (6)
15: Linearführung der Generatorboje (2)
16: Abspannung des Schwimmkörpers (1) zum Meeresgrund
17: Innenrohr zur wasserdichten Abgrenzung von Zugseil (4) und Spulenkörper (5) vom Innenraum der Generatorboje (2)
18: Stromanschluss

Claims

Wellenenergiekonverter, der aus 2 Hauptbauteilen besteht, einem Schwimmkörper (1), der unter Wasser liegt, durch seinen Auftrieb zur Meeresoberfläche strebt und in horizontaler Lage zum Meeresgrund abgespannt ist und einer Generatorboje (2), die auf dem Wasser schwimmt, mit dem Schwimmkörper über ein aufrollbares Zugseil (4) verbunden ist und sich ihm gegenüber vertikal- linear mit den Wellen auf- und abwärts bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine gelenkige Verbindung zwischen Generatorboje (2) und Schwimmkörper (1) ausgebildet ist, wobei 3 Schenkelpaare (15) gelenkig an der Generatorboje (2) und am Schwimmkörper (1) befestigt sind und zwischen ihren Schenkeln jeweils ein Gelenk aufweisen.
Wellenenergiekonverter, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper (1) und die Generatorboje (2) mit einer Feder (3), die die Gewichtsenergie der Generatorboje (2) aufnehmen kann, gekoppelt sind und beide Hauptbauteile über das Zugseil (4) miteinander in Wechselwirkung stehen.
Wellenenergiekonverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatorboje in Kraftflussrichtung folgende wesentlichen Bauteile enthält: • Zugseil (4), das sich mit dem Wellengang auf einem Spulenkörper (5) auf- und abwickelt und dessen unteres Ende am Schwimmkörper (1) befestigt ist • Spulenkörper (5), der das Zugseil (4) aufnimmt • Pendelwelle (6), die sich mit dem Zugseil hin und her dreht • Feder (7), deren eines Ende mit der Pendelwelle (6) und deren anderes Ende mit der Rahmenkonstruktion (8) der Generatorboje (2) fest verbunden ist, die der Vorspannung des Zugseiles (4) dient und die das abgewickelte Seil (4) wieder zurück zieht und damit den Aufwickelvorgang antreibt • Freilauf (9), der die Pendelwelle (6) mit dem Getriebe verbindet und dafür sorgt, dass sich die angetriebenen Räder des Getriebes (10) immer nur in eine Richtung drehen • Getriebe (10), zwischen Pendel- und Generatorwelle zur Drehzahlerhöhung • Generatorwelle (11) mit Schwungrad (12) • Generator (13)
Wellenenergiekonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des Freilaufes (9) nicht zwischen Pendelwelle (6) und Getriebe, sondern zwischen Generatorwelle (11) und Getriebe (10) oder innerhalb des Getriebes erfolgt.
Wellenenergiekonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugseil (4) mittig durch den Boden der Generatorboje (2) geführt ist.