DE102010027361A1

DE102010027361A1 - Wellenhubkraftwerk mit vertikaler Führung

Info

Publication number: DE102010027361A1
Application number: DE102010027361A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2012-01-19

Abstract

Verfahren und Vorrichtung bestehend aus einem Schwimmkörper und einer mechanischen Vorrichtung, die den Auftrieb von Wellen in elektrische Energie umwandelt. Der Wellenhub von Gewässern verrichtet an einem Schwimmkörper eine Auftriebsarbeit, die bei dem Hub zur Stromerzeugung und zum Teil zur Erzeugung potentieller Energie an dem Eigengewicht des Schwimmkörpers genutzt wird. Die potentielle Energie des Schwimmkörpers wird bei dem Absenken des Schwimmkörpers vermindert um die Verluste der Vorrichtung über eine mechanische Vorrichtung und einen Generator in Strom umgewandelt. Das Verfahren wird zur Erzeugung von Grundlaststrom eingesetzt.

Description

Bedeutung der Stromerzeugung aus Meeresenergie
Die fossilen Energieträger Erdöl, Erdgas, Kohle und Uran gehen zur Neige. Ihr Gebrauch hat zu einer weltweiten Erwärmung des Klimas geführt. Die Nutzung der Atomenergie ist mit unkalkulierbaren Gefahren verbunden. Die angeblich friedliche Nutzung der Atomenergie trägt zu einer immer weiteren Verbreitung von Atomwaffen bei.
Obwohl Meeresenergie über hohe Energiepotentiale verfügt, steht Ihre Nutzung durch die Menschen erst am Anfang der Entwicklung. Inzwischen gibt es erste Pilotprojekte ²⁾³⁾⁴⁾, die die Nutzung der Wellenenergie erproben.
Physikalische Grundlagen¹⁾

Mechanische Arbeit und elektrische Arbeit sind äquivalent. Es gilt: 1 Nm = 1 Ws

Das Anheben bzw. Absenken einer Masse ist mit dem Einsatz bzw. dem Gewinn von Energie verbunden. Wird die Masse von 1 kg an der Erdoberfläche um 1 m angehoben, so ist eine Arbeit von 9,81 Nm = 9,81 Ws zu verrichten.
Die aufgewendete Arbeit zum Anheben des Körpers ist eine potentielle Energie, die beim Absenken des Körpers zurück gewonnen werden kann. Das Anheben eines Körpers kann damit zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden. In der nachfolgenden Beispielrechnung wird vereinfachend das Anheben von 1 kg um 1 m mit 10 Ws angesetzt.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass Bootsstege mit Führungsrollen an Pfählen so geführt werden, dass sie mit dem Gezeitenhub aufschwimmen und bei Ebbe wieder absinken.
Es ist bekannt, dass große Schwimmkörper (z. B. Frachtschiffe) bei Seegang weniger stark angehoben werden als kleine Schwimmkörper (z. B. Lotsenboote)
Die Umwandlung rotierender und linearer Bewegungsvorgänge in elektrische Energie sind Stand der Technik⁵⁾.
Alle Verfahren und Komponenten, die zur Umwandlung der Auftriebs- und Absenkbewegung eines Schwimmkörpers in Strom benötigt werden, stehen in ausgereifter Form zur Verfügung und können auf dem Markt problemlos beschafft werden.
Probleme beim Stand der Technik
Verfahren und Techniken zur Erzeugung elektrischer Energie unter Nutzung der Schwerkraft werden bis heute nur bei den bekannten Wasserkraftwerken angewandt. Die Umwandlung von Wellenenergie in elektrische Energie wird ansatzweise seit kurzer Zeit bei verschiedenen Wellenkraftwerken²⁾³⁾⁴⁾ erprobt.
Lösung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen zu entwickeln, die den Auftrieb eines Schwimmkörpers durch Wellen für die Erzeugung elektrischer Energie nutzen.
Der Auftrieb des Schwimmkörpers verrichtet eine mechanische Arbeit, die gleichzeitig einen Stromgenerator antreibt und an dem Eigengewicht des Schwimmkörpers potentielle Energie erzeugt. Die potentielle Energie des Schwimmkörpers wird beim Absenken in elektrische Energie umgewandelt.
Wellenhubkraftwerk mit vertikaler Führung
Zeichnung 1: verdeutlicht die Funktionsweise eines Wellenhubkraftwerks mit vertikaler Führung
Der Schwimmkörper 1 ist mit dem Ballastmaterial 32 (z. B. Kies, Beton) teilweise gefüllt. Er wird durch Wellen um den Hub 2 angehoben und anschließend wieder abgesenkt. Der Schwimmkörper 1 umschließt einen Pfahl 3, der in dem Gewässergrund 4 verankert ist.
Die horizontale Bewegung der Wellen wird über Führungsrollen 5, die über die Führungsstreben 6 mit dem Schwimmkörper 1 verbunden sind, von dem Pfahl 3 aufgefangen und neutralisiert.
Die vertikale Auftriebskraft der Welle wird auf die Führungsstrebe 6 und das Zahnrad 10 der Stromerzeugungseinheit 7 übertragen. Das Zahnrad 10 wird an einer Zahnstange 9 (siehe Skizze 1b), die an dem Pfahl 3 befestigt ist, entlang geführt und in Drehung versetzt. Das Zahnrad 10 treibt die Stromerzeugungseinheit 7 an.
Der erzeugte Strom wird von einem Stromwandler 13 aufbereitet und in das Netz 20 eingespeist.
Zeichnung 1a zeigt die schematische Anordnung der Hauptkomponenten der Stromerzeugungseinheit 7: Zahnrad 10, Getriebe 11, Stromgenerator 12, Stromwandler 13.
Überschreitet oder unterschreitet die Wellenhöhe bei Sturm den zulässigen Hubbereich, so schaltet der Stromwandler 13 eine elektrische Bremse (z. B. Kurzschluss) ein, die den Schwimmkörper 1 über das Zahnrad 10 im zulässigen Hubbereich festhält.
Zeichnung 1b zeigt den Querschnitt der Führungsvorrichtung: Der Schwimmkörper 1 umfasst den Pfahl 3. An dem Pfahl 3 sind U-förmige Führungsschienen 8 angebracht. Die Führungsstrebe 6 ist mit dem Schwimmkörper 1 fest verbunden und führt die Führungsrolle 5 in der Führungsschiene 8.
In eine der Führungsschienen 8 ist eine Zahnstange 9 befestigt. Das Zahnrad 10 ist zusätzlich zu den Führungsrollen 5 an der Führungsstrebe 6 des Schwimmkörpers angebracht. Das Zahnrad 10 wird an der Zahnstange 9 entlang geführt und in Drehung versetzt. Es treibt die Stromversorgungseinheit 7 an.
Zeichnung 2 und 2a veranschaulichen die Funktionsweise eines Wellenhubkraftwerks mit Lineargenerator⁵⁾
Der Pfahl 3 ist als Rohr ausgebildet. Die Halterungen 14 befestigen den Lineargenerator 15 im Pfahl 3. Die Längsachse 19 des Lineargenerators ist mit der Führungsstrebe 6 fest verbunden und wird mit den Bewegungen des Schwimmkörpers 1 angehoben und abgesenkt. Der Aktuator 18 des Lineargenerators 15 ist an der Längsachse 19 des Lineargenerators 15 angebracht. Der Aktuator 18 erzeugt ein wechselndes Magnetfeld, das in dem Stator 16 des Lineargenerators einen Strom induziert. Der erzeugte Strom wird über den Stromwandler 13 in das Stromnetz 20 eingespeist.
Zeichnung 2a zeigt in Anlehnung an Schustek⁵⁾ die konzentrische Anordnung der Hauptkomponenten des Lineargenerators 15. Die Längsachse 19 und der Aktuator 18 sind fest miteinander verbunden. Der Luftspalt 17 ermöglicht die Bewegung des Aktuators 18 in Längsrichtung.
Der Stator 16 ist über die Halterung 14 mit dem Pfahlrohr 3 fest verbunden. Der Stator 16 enthält die Spulen, in denen der Strom induziert wird. Auch in diesem Fall wird der zulässige Hubbereich durch eine elektrische Bremse begrenzt.
Zeichnung 3 veranschaulicht die Funktionsweise eines Wellenhubkraftwerks mit hydraulischer Pumpvorrichtung.
An den Pfahl 3 ist rechts und links je ein Pumpzylinder 27 angebracht. Die Zeichnung stellt nur den Anschluss des linken Pumpzylinders 27 dar. Der Schaft des Pumpenkolbens 28 ist mit der Führungsstrebe 6 des Schwimmkörpers 1 fest verbunden. Die Komponenten 21, 22, 23, 11, 12 und 13 der Stromerzeugungseinheit sind auf dem Pfahl 3 befestigt.
Die Hub- und Senkbewegung des Schwimmkörpers 1 leistet eine Arbeit an dem Pumpenkolben 28. Das Hydraulikmedium (z. B.: Wasser, Öl, Luftl) wird in den Druckbehälter 22 gepresst. Das Regelventil 24 öffnet sich, wenn der Druck in dem Druckbehälter 22 ausreicht, die Turbine 23 anzutreiben. Die Turbine 23 treibt ihrerseits das Getriebe 11 und den Stromgenerator 12 an. Der erzeugte Strom wird über den Stromwandler 13 aufbereitet und in das Netz eingespeist.
Die Durchlaufventile 25 und 26 werden wechselseitig so geöffnet, dass die Hydraulikflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter entnommen wird und in die druckfreie Zylinderkammer einströmt. Gleichzeitig geben die entgegengesetzt geöffneten Durchlaufventile 25 und 26 den Weg zum Druckbehälter 22 frei.
Der zulässige Hubbereich des Schwimmkörpers 1 wird begrenzt, indem alle vier Durchlaufventile 25, 26 geschlossen werden.
Zeichnung 4 veranschaulicht die Funktionsweise eines Wellenkraftwerks, bei dem mehrere Wellenhubkraftwerke 31 an einen Ponton angebracht sind.
An dem Ponton 29 sind oben und unten Querträger 30 angebracht, die über den Ponton herausragen. Zwischen den Querträgern 30 sind sechs Wellenhubkraftwerke 31 (Funktionsweise siehe Zeichnungen 1 bis 3) befestigt. Die Wellenhubkraftwerke 31 wandeln den relativen Wellenhub 2 der Schwimmkörper zu dem des Pontons 29 in elektrische Energie um.
Vorteile vertikal geführter Wellenhubkraftwerke
Wellenhubkraftwerke verbrennen keine fossilen Energieträger.
Der Entwicklungsaufwand, die Herstellkosten und die Amortisationszeiten sind gering.
Wellenhubkraftwerke mit vertikaler Führung können in allen Gewässern mit ausreichendem Wellenhub errichtet werden. Mehrere Wellenhubkraftwerke mit Vertikalhub können zu großen Einheiten zusammengefasst werden.
Wellenhubkraftwerke, die an Pontons oder Schiffen angebracht werden, können an jeden Ort der Weltmeere oder großer Gewässer transportiert und dort betrieben werden. Sie können abgelegene Inseln oder Küstenabschnitte mit Strom versorgen.
Die Küstenregionen aller großen Gewässer kommen als Standort in Frage. Wellenhubkraftwerke können Ufer nah (bis ca. 20 m Tiefe) errichtet werden oder in Bauwerke (z. B. Hafenanlagen) integriert werden.
Die Größe und die geometrische Form der Schwimmkörper können an die Wellenhöhen der verschiedenen Standorte angepasst werden. Die Höhe des Wellenhubs und des Gezeitenhubs können baulich berücksichtigt werden.
Der Platzbedarf von Wellenkraftwerken mit Vertikalhub ist gering. Wellenhubkraftwerke sind umweltfreundlich und haben geringe Auswirkungen auf die Gewässerökologie. Das Gefahrenpotential ist gering.
Eine Beispielrechnung verdeutlicht die erzielbaren Potentiale:
Der Schwimmkörper habe die Form eines nach unten gekehrten Pyramidenstumpfes mit dem mittleren Radius von 5 m und der Höhe von 1 m. Das Verdrängungsvolumen des Schwimmkörpers beträgt ca. 75 m³, das entspricht einer Auftriebskraft von ca. 75 t. Das Eigengewicht des Schwimmkörpers wird mit dem Ballastmaterial 32 auf 36 t eingestellt.
Der Auftrieb des voll eintauchenden Schwimmkörpers reicht aus, um den Schwimmkörper anzuheben und eine Auftriebskraft von 360.000 N auf die Stromerzeugungseinheit zu übertragen. Beim Absenken wandelt das Eigengewicht des Schwimmkörpers die potentielle Energie in ca. der gleichen Größe um.
Unterstellt man für einen Standort im Jahresmittel einen Wellenhub von 1 m, so verrichtet das Wellenhubkraftwerk in einem Hubzyklus eine Arbeit von 0,2 kWh. Bei einer Wellenfrequenz von 5 Hüben pro Minute werden in einer Stunde 60 kWh potentielle Energie umgewandelt. Bei einem Wirkungsgrad von 70%, ergibt sich eine Tagesleistung von ca. 1000 kWh oder im Jahr 360 MWh. Diese Strommenge reicht rechnerisch aus, um ca. 100 Haushalte zu versorgen.
Werden an einem Ponton von 100 m Länge 20 Wellenhubkraftwerke angebracht, so erbringt die gesamte Anlage im Durchschnitt eine Leistung von 1,2 MW und erzeugt jährlich 7.200 MWh elektrische Energie.
Bezugszeichenliste

1: Schwimmkörper
2: Wellenhub
3: Pfahl
4: Gewässergrund
5: Führungsrolle
6: Führungsstrebe
7: Stromerzeugungseinheit
8: Führungsschiene
9: Zahnschiene
10: Zahnrad
11: Getriebe
12: Stromgenerator
13: Stromwandler
14: Halterung Lineargenerator
15: Lineargenerator
16: Lineargenerator: Stator
17: Lineargenerator: Luftspalt
18: Lineargenerator: Aktuator
19: Lineargenerator: Längsachse
20: Stromnetz
21: Ausgleichsbehälter
22: Druckbehälter
23: Turbine
24: Regelventil
25: Durchlaufventil auf
26: Durchlaufventil zu
27: Pumpenzylinder
28: Pumpenkolben und Kolbenschaft
29: Ponton
30: Querträger
31: Wellenhubkraftwerk
32: Ballastmaterial

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwimmkörper an einem Pfahl, Bauwerk oder Ponton vertikal geführt und von Wellen angehoben und wieder abgesenkt wird. Der Auftrieb und die potentielle Energie des Schwimmkörpers verrichten Arbeit, die über eine mechanische, hydraulische, pneumatische oder elektrische Vorrichtung in elektrische Energie umgewandelt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper an einem oder mehreren Pfählen oder an einem Bauwerk, das auf dem Gewässergrund verankert ist, vertikal geführt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine vertikale Führung an einem schwimmenden Ponton oder Schiff angebracht wird und der Schwimmkörper relativ zu dem Ponton/Schiff eine Hub- und Senkbewegung ausführt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Form und das Gewicht des Schwimmkörpers so dimensioniert sind, dass die Hub- und Senkbewegung des Schwimmkörpers eine hohe Arbeitsleistung erbringt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Führung des Schwimmkörpers durch Rollen oder andere Gleitvorrichtungen unter geringem Energieverlust erfolgt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Hub- und Senkbewegung des Schwimmkörpers über ein Zahnrad, das an einer Zahnstange geführt wird, eine Drehbewegung erzeugt, die über einen Stromgenerator in elektrische Energie umgewandelt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Hub- und Senkbewegung des Schwimmkörpers über eine hydraulische oder pneumatische Vorrichtung eine Turbine antreibt, die über einen Stromgenerator elektrische Energie erzeugt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Hub- und Senkbewegung des Schwimmkörpers einen linearen Stromgenerator antreibt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 und dadurch gekennzeichnet, dass der Hub- und Senkbereich des Schwimmkörpers durch eine mechanische, elektrische oder hydraulische Bremse begrenzt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das schwankende Stromaufkommen der Stromerzeuger über einen Stromwandler entsprechend den Anforderungen des öffentlichen Netzes oder anderer Verbraucher umgewandelt wird.