DE102010024489A1

DE102010024489A1 - Wellenkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010024489A1
Application number: DE102010024489A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Andreas Wulff
Current assignee: BALTIC-POWER GMBH & CO. KG, DE
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2011-12-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur mittelbaren Umwandlung von der in Meereswellen gespeicherten Bewegungsenergie in insbesondere elektrische Energie. Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu mittelbarer Umwandlung von Meereswellenenergie in bevorzugt elektrische Energie vorzuschlagen, die als einfache und robuste Konstruktion ausgeführt ist, einen hohen Wirkungsgrad und eine gute Betriebssicherheit unabhängig von der jeweiligen Wellencharakteristik besitzt und auch im Offshore-Bereich einsetzbar ist. Erfindungsgemäß ist der feste Träger ein im Gewässerboden verankertes Rammrohr (01, dessen oberes Ende oberhalb des größtmöglichen Wellenberges liegt, auf dem oberen Ende ist ein Drehkranz (02) befestigt, an dem mindestens ein Schwimmerhebel (04) um 360° horizontal drehbar und vertikal schwenkbar gelagert ist. Der Schwimmerhebel (04) ist als zweiseitiger Hebel ausgebildet und das abtriebsseitige Hebelteil ist im Bereich der Hebellagerstelle (10) nach oben abgewinkelt und am Ende mit einem etwa horizontalen, bogenförmigen Verzahnungssektor (05) verbunden. Auf dem Drehkranz (02) ist ein Oberteil (03) mit sich vertikal bis oberhalb des bogenförmigen Verzahnungssektors (05) erstreckenden Rahmen befestigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur mittelbaren Umwandlung von der in Meereswellen gespeicherten Bewegungsenergie in insbesondere elektrische Energie.
Stand der Technik
Das Wachstum der Weltbevölkerung sowie die Erhöhung des Lebensstandards der Menschen führt zu einem ansteigenden Energiebedarf. Um die begrenzten Vorkommen an fossilen Brennstoffen zu schonen, ist es zwingend notwendig, den Energiebedarf der Menschheit aus regenerativen, umweltschonenden Energien zu erzeugen. Dazu gehört auch die Wellenenergie der Seen und Meere. Hierfür wurden bereits mehrere Lösungen zur Energiegewinnung vorgeschlagen.
Aus der DE 698 16 412 T2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie durch Verwendung von Kräften der Meereswellen bekannt. Die dortige Anordnung geht von einem Schwimmer aus, der von den Meereswellen auf- und abbewegt wird. Der Schwimmer ist mit einem senkrechten Metallbalken gekoppelt, der die Schwimmerbewegung auf einen Hebel überträgt. Der Hebel ist in einer Stützhalterung gelagert, die als Hebeldrehpunkt dient. Ein gebogener Metallbalken der an seinen zwei Endbereichen Zahnradketten aufnimmt, führt analog zur Bewegung des Schwimmers eine auf- und abwärtsgehende Bewegung aus, wobei die entsprechenden Kräfte über den Hebel übertragen werden. Zwei Zahnräder bilden mit den Ketten eine Wirkpaarung, um die lineare, senkrechte Bewegung in eine Drehbewegung umzuwandeln. Die Drehbewegung der Zahnräder wird auf einen Generator geführt, um elektrische Energie zu erzeugen.
In der WO 2009147241 20091210 ist eine Anordnung zur mittelbaren Umwandlung von Meereswellenenergie in elektrische Energie beschrieben. Bestehend aus einem Schwimmkörper, einen mit dem Schwimmkörper in Verbindung stehenden, an einem Gestell gelenkig angeschlagenen Hebelarm, ein geführtes Zahnstangenpaar, welches mit mindestens einem, am Gestell gelagerten Ritzel in Verbindung steht, sowie einen Generator, der direkt oder über ein Getriebe vom Ritzel angetrieben ist, wobei weiterhin das Zahnstangenpaar kraftseitig mit dem Hebelarm gekoppelt ist.
Die JP 2006-233948 A beschreibt einen Wellengenerator, der ebenfalls eine Hebelkonstruktion aufweist. An einem ersten Hebelende ist ein Schwimmkörper angebracht. Am gegenüberliegenden Ende befindet sich eine Gleitfläche. Auf dieser Gleitfläche bewegen sich zwei hohlzylindrische Hülsen, die jeweils an eine Zahnstange kraftseitig gekoppelt werden. Die Bewegung des Schwimmkörpers führt, bedingt durch die Lagerung des Hebels an einem Drehpunkt, zu einer entsprechenden Auf- und Abwärtsbewegung des gegenüberliegenden Hebelendes. Dort können die Zahnstangen die auf- und abwärtsgehende Bewegung auf einen zwischen den Zahnstangen angeordnetes Ritzel übertragen, so dass eine Drehbewegung entsteht, die weiter auf einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie geleitet wird. Jede der Zahnstangen hat eine bestimmte Bewegungsrichtung, bei der eine Kraftübertragung auf das Ritzel möglich ist. Dadurch soll sowohl beim Aufwärts- als auch beim Abwärtsbewegen der Hebel die Bewegungsenergie auf das Ritzel wirken können. Durch die direkte Lagerung der Zahnstangen mittels Hülsen am Hebelstangenende ergeben sich unterschiedliche Bewegungsbereiche der Zahnstangen, insbesondere dann, wenn ein sehr großer Weg zwischen Auf- und Abwärtsbewegung des Hebelarmendes zurückgelegt wird. Weiter wirken sich Kraftvektoren, die nicht optimal in tangentiale Richtung des Ritzels angreifen, verschlechternd auf den Wirkungsgrad einer derartig gestalteten Vorrichtung aus.
Bei der Gewinnung von Energie aus einer Wellenbewegung gemäß der JP 05248335 ist ein Hebelarm, der einseitig mit einem Schwimmkörper in Verbindung steht, in einer Richtung auf ein drehbares Ritzel wirkend angeordnet. Nach dem bekannten Sperrklinkenprinzip kann bei dieser Lösung nur die bei einer Bewegungsrichtung, nämlich der Auf- oder der Abwärtsbewegung des Schwimmers entstehende Energie auf das Ritzel übertragen werden.
Durch die Sonneneinstrahlung wird den Weltmeeren sehr viel Energie zugeführt. Die auf der Wasseroberfläche auftreffende Sonnenstrahlung verursacht Wärmegradienten, die eine lokale und globale Luftströmung bewirken. Zwischen der Wasseroberfläche und den Luftströmungen kommt es zu Wechselwirkungen. Die Unterschichten der bewegten Atmosphäre werden an der Wasseroberfläche abgebremst. Dabei kommt es zu einer Beschleunigung der oberen Wasserschichten. Bei anhaltender Einwirkung der Luftströmungen entstehen Wellen, die auch als Windwellen bezeichnet werden. Charakteristische Größen einer Welle sind Wellenhöhe und Wellenperioden. Der Gesamtenergiegehalt einer sinusförmigen Welle im Tiefwasserbereich setzt sich zu gleichen Teilen aus kinetischer und potentieller Energie zusammen. Die Wellencharakteristik ist sehr unterschiedlich. Es ist deshalb eine weite Anpassung der Wellenkraftmaschine an die konkreten Einsatzbedingungen erforderlich.
Die aufgeführten Lösungen besitzen mehrere Nachteile. Der Einsatzort ist begrenzt auf Uferbereiche oder es sind teure Schwimmkörper/Schiffen erforderlich. Weiterhin ist der erzeugbare Strom hinsichtlich Leistung und Frequenz sehr unstabil. Die Lösungen können deshalb die zur Verfügung stehende Wellenenergie nur in unzureichender Weise nutzen, so das bisher keine effektiven Wellenkraftmaschinen im Einsatz sind.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu mittelbarer Umwandlung von Meereswellenenergie in bevorzugt elektrische Energie vorzuschlagen, die als einfache und robuste Konstruktion ausgeführt ist, einen hohen Wirkungsgrad und eine gute Betriebssicherheit unabhängig von der jeweiligen Wellencharakteristik besitzt und auch im Offshore-Bereich einsetzbar ist.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Wellenkraftmaschine nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche 2 bis 11 zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung darstellen.
Gemäß Merkmal eins des 1. Anspruches ist der feste Träger ein im Gewässerboden verankertes Rammrohr (01), dessen oberes Ende oberhalb des größtmöglichen Wellenberges liegt. Ein Rammrohr (01), welches im harten Boden auch durch eine Bohrung oder Betonierung verankert werden kann, ermöglicht Standorte im Offshorebereich mit guter Wellencharakteristik zu nutzen. Der Kostenaufwand ist relativ niedrig und die Höhe des Rohrendes über dem Wasserspiegel ist entsprechend der maximalen Wellenhöhe, Länge des Schwimmerhebels (04) usw. variabel zu gestalten.
Nach Merkmal 2 ist auf dem oberen Ende des Rammrohres (01) ein Drehkranz (02) befestigt, an dem mindestens ein Schwimmerhebel (04) um 360° horizontal drehbar und vertikal schwenkbar gelagert ist. Dadurch kann sich der Schwimmer (06) immer in die optimale Stellung zur anströmenden Welle ausrichten. Wellen aus allen Strömungsrichtungen können somit genutzt werden.
Nach Merkmal 3 ist der Schwimmerhebel (04) als zweiseitiger Hebel ausgebildet und das abtriebsseitige Hebelteil im Bereich der Hebellagerstelle (10) nach oben abgewinkelt. An dessen Ende ist etwa horizontal ein bogenförmiger Verzahnungssektor (05) befestigt. Durch die Abwinklung werden alle weiteren Baueinheiten nach oben, höher über dem Wasserspiegel verlegt und sind besser wassergeschützt sowie von einem Schiff aus einfacher zugänglich. Der Verzahnungssektor (05) kann nach rechts gemäß 1 oder nach links verlaufend gemäß 3 am Ende des abtriebsseitige Hebelteils befestigt werden. In Verbindung mit dem Winkel nach Anspruch 4 kann so der Schwenkbereich in Abhängigkeit von der Länge des Schwimmerhebels (04), bzw. der Wellenhöhe variiert werden.
Gemäß Merkmal 4 ist auf dem Drehkranz (02) ein Oberteil (03) mit sich vertikal bis oberhalb des bogenförmigen Verzahnungs-sektors (05) erstreckenden Rahmen befestigt. An diesem sind die Hebellagerstelle (10), Zahnräder (08), die Kupplung mit Übersetzungsgetriebe (09), der Generator (11) und die Steuer- und Regeleinheit (12) angeordnet. Das sich mitdrehende Oberteil (03) ermöglicht es, die vorhandenen Kräfte immer in der gleichen Ebene aufzunehmen. Weiterhin liegen alle weiteren Baueinheiten oberhalb des Drehkranzes (02). In Verbindung mit einer Verkleidung (13) gemäß Anspruch 4 ist so ein guter Schutz gegen Wasser und damit gegen eine Korrosion vorhanden.
Die Unteransprüche 2 bis 7 enthalten bevorzugten Ausbildungen von mechanischen Baugruppen der Wellenkraftmaschine. Die Unteransprüche 8 bis 11 enthalten neue Lösungen, um einen Strom mit möglichst konstanter Frequenz, unabhängig von der aktuellen Wellencharakteristik, herzustellen. Das ist wesentlich für die Einspeisung in ein Stromnetz und erspart zumindest teilweise teure Frequenzwandler.
Gemäß den Ansprüchen 8 und 9 werden hierfür Strom- oder Pressluftspeicher eingesetzt, die eine abfallenden Drehzahl des Generators (11), z. B. wenn der Schwimmer (06) sich im Wellental oder auf einem Wellenberg befindet, ausgleichen. Die Ansprüche 10 und 11 in Verbindung mit dem Getriebe nach Anspruch 6 schlagen eine mechanische Änderung der Übersetzungsverhältnisse vor, die in Abhängigkeit von Sensoren für die Wellen- bzw. Schwimmerbewegung über eine Steuer- und Regeleinheit (12) realisiert wird.
Beispiele
Mit der Wellenkraftmaschine wird die Bewegungsenergie, die aus dem Höhenunterschied zwischen Wellenberg und Wellental der Meereswelle resultiert, in elektrische Energie umgewandelt. Hierbei handelt es sich um eine Energieerzeugungseinheit, bei der mittels eines Schwimmers die Bewegungsenergie der Meereswellen aufgenommen wird und über eine mechanische Übertragungseinheit die Schwenkbewegung in eine Drehbewegung umgewandelt wird. Die Auf- und Abwärtsbewegung der Meereswellen werden in Drehbewegungen umgewandelt, so dass über einen Generator Elektroenergie erzeugen werden kann. Entsprechend der Anlagencharakteristik ist eine Zwischenspeicherung der erzeugten Energie möglich. Die Effizienz der Wellenkraftmaschine wird maßgeblich von der „Abtastfähigkeit” des Schwimmers beeinflusst. Dabei spielen die Form des Schwimmers und dessen Anbindung an die Hebel eine maßgebliche Rolle.
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
1 zeigt die Wellenkraftmaschine mit Verkleidung, wobei Schwimmer und Ruder auf dem Wellenberg schwimmen,
2 zeigt das Oberteil 3 mit Einzelheiten,
3 zeigt die Wellenkraftmaschine, wobei Schwimmer und Ruder im Wellental liegen.
Wie aus den Figuren ersichtlich, ist ein Schwimmer 06 am Ende eines Schwimmerhebelpaares 04 beweglich angeordnet. Die weiteren Enden des Schwimmerhebelpaares 04 sind über die Hebellagerstellen 10 mit einem Oberteil 03 verbunden. Der Wirkungsgrad der Wellenkraftmaschine wird maßgeblich von der Fähigkeit des Schwimmers 06, das Bewegungsprofil der Meereswelle möglichst gut nachzubilden, bestimmt. Dabei spielen die Form des Schwimmers 06 und dessen bewegliche Lagerung über die Schwimmerhebelpaare 04 eine wesentliche Rolle. Zudem wird mittels des Ruders 07 die Wellenkraftmaschine immer in die optimale Stellung zur Bewegungsrichtung der anströmenden Meereswelle gebracht.
Das Oberteil 03, dass die Hebellagerstellen 10, die gesamten Antriebs- und Steuerungseinheiten und eine Wartungsplattform aufnimmt, ist mittels eines Drehkranzes 02 mit einem Rammrohr 01 verbunden. Das Rammrohr 01 wird unter Berücksichtigung der tatsächlichen Bodenverhältnisse in den Meeresboden eingebracht und verankert.
Über die Verzahnungssektoren 05 der abtriebsseitigen Hebelteile, die mit den Zahnrädern 08 im Eingriff stehen, erfolgt die Umwandlung der Hubbewegung des Schwimmers 06 in eine Drehbewegung. Über die Zahnräder 08 wird die Rotationsenergie mittels einer Kupplungs-Getriebeeinheit 09 auf den Generator 11 übertragen. Eine Verkleidung 13 schützt die Aufbauten, wie Generator 11 und Steuer- und Regeleinheit 12, auf dem Oberteil 03 vor den schwierigen Umwelteinflüssen.
Zum Schutz der Wellenkraftmaschine vor Überlastung kann es zweckmäßig sein, eine Rutschkupplung vorzusehen. Grundsätzlich ist durch das Anbringen eines ausklappbaren zweiten Schwimmers am Schwimmer 06 eine Doppelnutzung der ankommenden Welle bei geringer Dünung und großem Wellenabstand möglich.
Zur Stabilisierung der Frequenz des Generatorstromes kann ein Teil des erzeugten Stromes bei hoher Leistung des Generators 11 oder einem Minderverbrauch im Netz zwischengespeichert werden, indem der Hohlraum des Schwimmers 06 als Pressluftspeicher ausgeführt wird. Mit einer Leitung am Schwimmerhebel 04 wird die Verbindung vom Pressluftspeicher zum Kompressor und zum Druckluftmotor hergestellt. Beide Maschinen sind über eine Kupplung wahlweise mit dem Generator 11 zu verbinden. So das ein Drehmoment gesteuert abgenommen oder zugeführt werden kann.
An der Wellenkraftmaschine sind Sensoren zur Abtastung der Bewegungscharakteristik der anströmenden Welle bzw. zur Überwachung des zurückgelegten Hubes des Schwimmers 06 angebracht. Dadurch ist es möglich, durch die Steuerung der Getriebeübersetzung und/oder Zuschaltung von Kompressor oder Druckluftmotor eine nahezu konstante Drehzahl des Generators 11 zu garantieren.
Bezugszeichenliste

01: Rammrohr
02: Drehkranz
03: Oberteil mit Hebellagerung, Antrieb und Steuerung
04: Schwimmerhebel
05: Verzahnungssektor
06: Schwimmer
07: Ruder
08: Zahnrad
09: Kupplung, mehrstufiges oder stufenloses Übersetzungsgetriebe
10: Hebellagerstelle
11: Generator
12: Steuer- und Regeleinheit
13: Verkleidung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 69816412 T2 [0003]
WO 2009147241 [0004]
WO 20091210 [0004]
JP 2006-233948 A [0005]
JP 05248335 [0006]

Claims

Wellenkraftmaschine zur Erzeugung von insbesondere elektrischer Energie, bestehend aus mindestens einem sich mit der Wellenbewegung bewegenden Schwimmer, der über einen Hebel mit Verzahnung oder Triebstockstange mit einem Zahnrad und über ein Getriebe mit einem Generator im Eingriff steht, wobei der Hebel und die weiteren Elemente auf einem festen Träger gelagert sind, so das die Wellenbewegung in eine Drehbewegung des Generators umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass der feste Träger ein im Gewässerboden verankertes Rammrohr (01) ist, dessen oberes Ende oberhalb des größtmöglichen Wellenberges liegt, – auf dem oberen Ende ein Drehkranz (02) befestigt ist, an dem mindestens ein Schwimmerhebel (04) um 360° horizontal drehbar und vertikal schwenkbar gelagert ist, so dass der Schwimmer (06) sich immer in die optimale Stellung zur anströmenden Welle ausrichtet, – der Schwimmerhebel (04) als zweiseitiger Hebel ausgebildet und das abtriebsseitige Hebelteil im Bereich der Hebellagerstelle (10) nach oben abgewinkelt ist und am Ende mit einem etwa horizontalen, bogenförmigen Verzahnungssektor (05) verbunden ist, – und auf dem Drehkranz (02) ein Oberteil (03) mit sich vertikal bis oberhalb des bogenförmigen Verzahnungssektors (05) erstreckenden Rahmen befestigt ist, an dem die Hebellagerstelle (10), Zahnräder (08), die Kupplung mit Übersetzungsgetriebe (09), der Generator (11) und die Steuer- und Regeleinheit (12) befestigt sind.
Wellenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmer (06) mit mindesten einem selbsttätig arbeitenden Ruder (07) ausgerüstet ist und damit ein optimales Ausrichten zu den anströmenden Meereswelle ermöglicht wird.
Wellenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmer (06) vorzugsweise über zwei Schwimmerhebel (04) am Drehkranz schwenkbar gelagert ist und der Winkel zwischen dem abtriebsseitigen Hebelteil und dem Schwimmerhebel (04) im Bereich von 30° bis 90° liegt.
Wellenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil mit Hebellagerung, Antrieb und Steuerung (03) von einer Verkleidung (13) umschlossen ist, die auf dem Drehkranz (02) befestigt ist, wobei für die Bewegung der/des Schwimmerhebel/s (04) entsprechende Führungsschlitze ausgebildet sind.
Wellenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Schwimmers (06) auf der Anströmseite als Kreisabschnitt ausgebildet ist.
Wellenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine lösbare Kupplung, ein regelbares, mehrstufiges oder stufenloses Übersetzungsgetriebe (09) zwischen abtriebsseitigen Hebelteil und Generator (11) angeordnet sind.
Wellenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Schwimmer (06) ein zweiter ausklappbarer Schwimmer befestigt ist, der bei geringer Dünung und großem Wellenabstand eine Doppelnutzung der ankommenden Welle ermöglicht.
Wellenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (11) zusätzlich mit einem Stromspeicher oder Kompressor und Pressluftspeicher verbunden ist, so das ein Teil des erzeugten Stromes bei hoher Leistung des Generators (11) oder einem Minderverbrauch im Netz zwischengespeichert wird und diese Energie zur Stabilisierung der Frequenz des Generatorstromes verwendet wird.
Wellenkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmer (06) als Pressluftspeicher ausgebildet ist und mit einer Leitung am Schwimmerhebel (04) mit dem Kompressor und einem Druckluftmotor in Verbindung steht, die beide mit dem Generator (11) zuschaltbar verbunden sind.
Wellenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Sensoren die anströmende Welle abgetastet und/oder der zurückgelegte Hub des Schwimmers (06) überwacht und über eine Steuer- und Regeleinheit (12) die Getriebeübersetzung entsprechend verändert wird, um eine nahezu konstante Drehzahl des Generators zu ermöglichen.
Wellenkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Schwimmerhebels (04) teleskopartig, in Abhängigkeit von der Wellencharakteristik, über eine Steuer- und Regeleinheit (12) veränderbar ist.