DE102012002820A1 - Wave energy machine for conversion of orbital energy of circulating water flow of sea into useful energy, has coupling body aligned with crank axle, where crank axis or crankshaft rotating pivoting arm is displaceable in peripheral movement - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Wellenkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a wave force machine according to the preamble of
Die Erfindung betrifft eine Wellenkraftmaschine zur Umwandlung von Wellenenergie von Gewässern in nutzbare Energie. Es ist eine Vielzahl von derartigen Maschinen im Stand der Technik bekannt. Diese können nach ihrem Einsatzort unterschieden werden, je nachdem, ob sie auf hoher See oder in Küstennähe angeordnet sind. Eine andere Unterscheidung bezieht sich darauf, wie die Energie aus der Wellenbewegung entnommen wird. So sind auf der Wasseroberfläche schwimmende Bojen bzw. Schwimmkörper bekannt, so dass durch deren Heben und Senken beispielsweise ein Lineargenerator angetrieben wird. Bei einem anderen Maschinenkonzept, dem sogenannten „Wave Roller” wird am Meeresboden ein flächiges Widerstandselement angebracht, der auf Grund der Bewegung der Wassermoleküle hin und her gekippt wird. Die Bewegungsenergie des Widerstandselements wird in einem Generator beispielsweise in elektrische Energie umgewandelt. Eine Übersicht über Wellenkraftwerke ist in dem Buch „Renewable Energy” von Godfrey Boyle gezeigt.The invention relates to a wave power machine for converting wave energy from water into usable energy. A variety of such machines are known in the art. These can be differentiated according to their location, depending on whether they are located on the high seas or near the coast. Another distinction relates to how the energy is taken from the wave motion. So floating buoys or floating bodies are known on the water surface, so that by raising and lowering, for example, a linear generator is driven. In another machine concept, the so-called "Wave Roller", a planar resistance element is attached to the seabed, which is tilted back and forth due to the movement of the water molecules. The kinetic energy of the resistance element is converted in a generator, for example, into electrical energy. An overview of wave power plants is shown in the book "Renewable Energy" by Godfrey Boyle.
Weiterhin sind Wellenkraftmaschinen bekannt, die im Wesentlichen unter der Wasseroberfläche angeordnet sind, und deren Kurbel- bzw. Rotorwelle von einer umlaufenden Orbitalströmung von Wasserteilchen in Rotation versetzt wird.Furthermore, wave force machines are known, which are arranged substantially below the water surface, and whose crankshaft or rotor shaft is set in rotation by a circulating orbital flow of water particles.
Basierend auf diesem Prinzip ist ein Maschinenkonzept aus der im
In der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Wellenkraftmaschine zur Nutzung einer umlaufenden Orbitalströmung eines welligen Gewässers über Kopplungskörper mit gegenüber dem Stand der Technik verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.The invention is based on the object to provide a wave engine for use of a circulating orbital flow of a wavy body of water over coupling body with respect to the prior art improved efficiency.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wellenkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.This object is achieved by a wave force machine with the features of
Die erfindungsgemäße getauchte Wellenkraftmaschine dient zur Umwandlung von Energie einer umlaufenden Orbitalströmung eines welligen Gewässers – insbesondere eines Meeres – über zumindest einen Kopplungskörper. Die Energie wird in Rotationsenergie um eine Kurbelachse beziehungsweise in Rotationsenergie einer an den Kopplungskörper gekoppelten Kurbelwelle gewandelt. Diese Achse oder Welle ist dabei über zumindest einen umlaufenden Schwenkarm in eine umlaufende Bewegung um eine Hauptachse versetzbar. Damit kann der umlaufende Kopplungskörper der erfindungsgemäßen Wellenkraftmaschine an die auf ihn einwirkende Gesamtströmung angepasst werden, die – wie oben beschrieben – eine Überlagerung aus der „von außen” einwirkenden umlaufenden Orbitalströmung und einer Relativströmung ist. Letztere Komponente der Gesamtströmung ergibt sich durch die gewünschte Drehbewegung des Kopplungskörpers. Durch den erfindungsgemäßen Schwenkarm kann der Kopplungskörper aus dem Bereich der Gesamtströmung mit gegensätzlichen Richtungen heraus in einheitlich gerichtete Strömungsbereiche versetzt und dort gehalten werden. Damit ist der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Wellenkraftmaschine verbessert.The submerged wave force machine according to the invention serves to convert energy of a circulating orbital flow of a wavy body of water - in particular of a sea - over at least one coupling body. The energy is converted into rotational energy about a crank axis or in rotational energy of a coupled to the coupling body crankshaft. This axis or shaft is displaceable over at least one circumferential pivot arm in a circumferential movement about a major axis. Thus, the circumferential coupling body of the wave force machine according to the invention can be adapted to the total flow acting on it, which - as described above - is a superposition of the "outside" acting circumferential orbital flow and a relative flow. The latter component of the total flow results from the desired rotational movement of the coupling body. By virtue of the swivel arm according to the invention, the coupling body can be displaced from the area of the total flow with opposing directions into uniformly directed flow areas and held there. Thus, the efficiency of the wave force machine according to the invention is improved.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.Further advantageous embodiments of the invention are described in the dependent claims.
Vorzugsweise erstreckt sich der zumindest eine Schwenkarm von einem unter Wasser weitgehend ortsfest gehaltenen Schwenkarmlager zur Kurbelachse beziehungsweise zur Kurbelwelle, wobei eine Länge des Schwenkarms etwa einem zumindest mittleren Abstand eines umlaufenden Auges vom Schwenkarmlager entspricht. Dabei ist eine weitgehende Synchronizität zwischen der Orbitalbewegung und der Rotation des Schwenkarms vorgesehen. Das Auge entsteht im Gewässer dort, wo sich die Orbitalströmung und die Relativströmung kompensieren, wo also die aus Orbitalströmung und Relativströmung gebildete Gesamtströmung Null ergibt. Damit kann der Kopplungskörper um das Auge rotieren und wird dabei von der Gesamtströmung stets aus einer Richtung beaufschlagt.Preferably, the at least one swivel arm extends from a swivel arm bearing, which is largely stationary under water, to the crank axle or crankshaft, wherein a length of the swivel arm corresponds approximately to an at least average distance of a circumferential eye from the swivel arm bearing. In this case, a substantial synchronicity between the orbital motion and the rotation of the pivot arm is provided. The eye is formed in the body of water where the orbital flow and the relative flow are compensated, ie where the total flow formed by orbital flow and relative flow is zero. So that can The coupling body rotate around the eye and is thereby acted upon by the total flow always from one direction.
Bei verschieden Wellenamplituden und verschiedene Wassertiefen der Wellenkraftmaschine ergeben sich unterschiedliche Abstände des Auges vom Schwenkarmlager. Um diesem Effekt Rechnung zu tragen, ist bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wellenkraftmaschine die Länge des Schwenkarms einstellbar.At different wave amplitudes and different water depths of the wave force machine different distances of the eye arise from Schwenkarmlager. To take this effect into account, the length of the swivel arm is adjustable in a particularly preferred embodiment of the wave force machine according to the invention.
Wenn zwei Kopplungskörper der Kurbelachse zugeordnet beziehungsweise wenn zwei Koppfungskörper an die Kurbelwelle gekoppelt oder daran befestigt sind, und wenn die beiden Kopplungskörper punktsymmetrisch zur Kurbelachse beziehungsweise zur Kurbelwelle angeordnet sind, sind die Belastungen des zumindest einen Schwenkarmlagers theoretisch eliminiert und praktisch weitgehend reduziert.If two coupling bodies are assigned to the crank axle or if two coupling bodies are coupled to or attached to the crankshaft, and if the two coupling bodies are arranged point symmetrical to the crank axle or crankshaft, the loads of the at least one swivel arm bearing are theoretically eliminated and practically reduced substantially.
Bei einer fertigungstechnisch einfachen Ausgestaltung hat der Kopplungskörper über quer zur Gesamtströmung auszurichtende Länge einen konstanten Querschnitt.In a manufacturing technology simple embodiment of the coupling body has to be aligned across the total flow length a constant cross-section.
Gemäß einer ersten prinzipiellen Variante ist der Kopplungskörper ein Widerstandsläufer beziehungsweise ein Widerstandselement.According to a first basic variant, the coupling body is a resistance rotor or a resistance element.
Dabei kann das Widerstandselement flächig oder plattenartig sein. Dabei kann seine Kante mit der Kurbelachse zusammenfallen beziehungsweise das Widerstandselement kann direkt über seine Kante an der Kurbelwelle befestigt sein. Das Widerstandselement kann auch konvex oder konkav oder zylinderförmig sein. Es kann auch ein flächiges längliches Widerstandselement vorgesehen sein, dass um seine Längsachse gebogen ist, also im Querschnitt eine Krümmung aufweist.In this case, the resistance element may be flat or plate-like. In this case, its edge coincide with the crank axle or the resistance element can be attached directly to its edge on the crankshaft. The resistance element may also be convex or concave or cylindrical. It can also be provided a planar elongated resistance element that is bent about its longitudinal axis, that has a curvature in cross section.
Bei einer besonders energieeffizienten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wellenkraftmaschine bilden zwei Widerstandselemente zusammen einen Savoniusrotor, Dieser kann auch mehr als zwei konkave Widerstandslemente haben.In a particularly energy-efficient development of the wave force machine according to the invention two resistance elements together form a Savoniusrotor, this can also have more than two concave Widerstandslemente.
Gemäß einer zweiten prinzipiellen Variante beinhaltet der Kopplungskörper ein Auftriebskörper, z. B. ein Flügelprofil.According to a second basic variant of the coupling body includes a buoyant body, for. B. a sash profile.
Wenn der Kopplungskörper über zumindest einen Hebelarm, insbesondere über zwei Hebelarme an die Kurbelwelle gekoppelt ist, kann der Kopplungskörper in einen radial vom Auge beabstandeten Bereich mit optimaler (z. B. vergrößerter) Gesamtströmung versetzt und dort gehalten werden.If the coupling body is coupled to the crankshaft via at least one lever arm, in particular via two lever arms, the coupling body can be displaced in an area spaced radially from the eye with optimum (eg enlarged) total flow and held there.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zumindest eine Kopplungskörper – ggf. über den oder die Hebelarme – an einen Generator oder an eine Hydropumpe gekoppelt, der beziehungsweise die an einem umlaufenden äußeren Endabschnitt des Schwenkarms befestigt ist. Damit kann die Energie der Drehbewegung der Kurbelwelle beziehungsweise der Kurbelachse im Leistungsfluss direkt nach ihrer Entstehung in elektrische beziehungsweise in hydraulische Energie gewandelt werden. Dabei muss in einem Schwenkarmlager eine drehbare Übertragungsvorrichtung der jeweiligen Energieform geschaffen werden.In a particularly preferred embodiment of the invention, the at least one coupling body - possibly via the lever arms or the - coupled to a generator or to a hydraulic pump, which is attached to a peripheral outer end portion of the pivot arm. Thus, the energy of the rotational movement of the crankshaft or the crank axle in the power flow can be converted into electrical or hydraulic energy directly after its formation. It must be created in a Schwenkarmlager a rotatable transmission device of the respective energy form.
Der zumindest eine Schwenkarm mit der Kurbelwelle beziehungsweise mit der Kurbelachse und mit dem zumindest einen Kopplungskörper kann passiv – z. B. durch Wetterfahnen – angetrieben und mit der umlaufenden Orbitalströmung und synchronisiert sein.The at least one swivel arm with the crankshaft or with the crank axle and with the at least one coupling body can passively -. B. by weather vanes - driven and with the orbital flow and be synchronized.
Alternativ kann die umlaufende Bewegung des zumindest einen Schwenkarms mit der Kurbelwelle beziehungsweise mit der Kurbelachse und mit dem zumindest einen Kopplungskörper aktiv (z. B. durch einen Elektro- oder Hydraulikmotor) angetrieben und mit der umlaufenden Orbitalströmung synchronisiert sein.Alternatively, the circulating movement of the at least one pivot arm with the crankshaft or with the crank axle and with the at least one coupling body can be actively driven (for example by an electric or hydraulic motor) and synchronized with the circulating orbital flow.
Zur Leistungsmaximierung können mehrere Kurbelachsen einem gemeinsamen Rahmen zugeordnet sind beziehungsweise es können mehrere Kurbelwellen über die weitgehend ortsfesten Schwenkarmlager in einem gemeinsamen Rahmen gelagert sein. Zum Ausgleich von Kräften der Wellenbewegung beziehungsweise Orbitalströmung kann sich der Rahmen dabei über zumindest eine Wellenlänge erstrecken.To maximize the performance, a plurality of crankshafts can be assigned to a common frame, or a plurality of crankshafts can be mounted in a common frame via the largely stationary swivel arm bearings. To compensate for forces of the wave motion or orbital flow, the frame may extend over at least one wavelength.
Vorzugsweise ist an der erfindungsgemäßen Wellenkraftmaschine oder an ihrem Rahmen zumindest ein Auftriebskörper vorgesehen, dessen Auftrieb einstellbar ist. Damit kann eine Schwimm- bzw. Schwebehöhe der Maschine eingestellt werden und an verschieden Wellengrößen angepasst werden, da sich die Orbitalströmung mit der Wassertiefe ändert.Preferably, at least one buoyancy body is provided on the wave force machine according to the invention or on its frame, the buoyancy of which is adjustable. Thus, a floating or flying height of the machine can be adjusted and adapted to different wave sizes, since the orbital flow changes with the depth of water.
Die Kurbelachse beziehungsweise Kurbelwelle oder die gesamte Wellenkraftmaschine ist vorzugsweise über eine aktive oder passive Ausrichtvorrichtung um eine Hochachse drehbar, so dass sie in einem optimalen Betriebszustand quer zur Anströmungsrichtung der Welle und zur Orbitalströmung ausgerichteten ist. Damit ist zur Wirkungsgradoptimierung die Wellenkraftmaschine an verschiedene Wetterbedingungen anpassbar.The crank axle or crankshaft or the entire wave force machine is preferably rotatable about a vertical axis via an active or passive alignment device, so that it is oriented in an optimum operating state transversely to the direction of flow of the shaft and to the orbital flow. In order to optimize the efficiency, the wave force machine can be adapted to different weather conditions.
Vorzugsweise hat der zumindest eine Kopplungskörper eine längliche Form und ist parallel zur Kurbelwelle beziehungsweise Kurbelachse angeordnet. Damit ist der zumindest eine Kopplungskörper im optimalen Betriebszustand ebenfalls quer zur Anströmungsrichtung der Welle und der Orbitalströmung ausgerichtet.Preferably, the at least one coupling body has an elongated shape and is parallel to the crankshaft or crank axle arranged. Thus, the at least one coupling body in the optimum operating state is also aligned transversely to the direction of flow of the shaft and the orbital flow.
In einer vorrichtungstechnisch einfachen und konstruktiv stabilen Weiterbildung ist an den beiden seitlichen Endabschnitten des zumindest einen Kopplungskörpers jeweils ein Schwenkarm vorgesehen.In a device-technically simple and structurally stable development in each case a pivot arm is provided at the two lateral end portions of the at least one coupling body.
In einer weiteren vorzugsweisen Weiterbildung können an den Stirnseiten des zumindest einen Kopplungskörpers scheibenförmige Deckplatten vorgesehen sein, um die Funktionalität weiter zu erhöhen.In a further preferred development, disc-shaped cover plates can be provided on the end faces of the at least one coupling body in order to further increase the functionality.
Im Folgenden werden anhand der Figuren verschiede Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:In the following, various embodiments of the invention will be described in detail with reference to FIGS. Show it:
Wasserteilchen, die sich an der Wasseroberfläche
Der Durchmesser der Orbitalbahnen ist an der Wasseroberfläche
Ab einer Wassertiefe von der Hälfte der Wellenlänge ist nahezu keine Orbitalbewegung mehr vorhanden. Daher sind die erfindungsgemäßen Wellenkraftmaschinen zur Aufnahme der Energie der Orbitalbewegung vergleichsweise dicht unterhalb der Wasseroberfläche
Die
Die
Über eine nicht gezeigte Wetterfahne, die an zumindest einem der beiden Schwenkarme
Über die Zeit betrachtet bewegt sich auch das Auge
Abweichend von dem gezeigten Ausführungsbeispielen können auch Widerstandselemente vorgesehen sein, deren radiale Erstreckung deutlich über die in den
Abweichend von den gezeigten Ausführungsbeispielen können auch Auftriebsprofile um die Kurbelachse
Offenbart ist eine getauchte Wellenkraftmaschine, die zur Umwandlung von Energie einer umlaufenden Orbitalströmung eines welligen Gewässers – insbesondere eines Meeres – zumindest einen Kopplungskörper aufweist. Die Energie wird in Rotationsenergie um eine abstrakte Kurbelachse beziehungsweise um eine konkrete an den Kopplungskörper gekoppelten Kurbelwelle gewandelt. Diese ist dabei über zumindest einen umlaufenden Schwenkarm in eine umlaufende Bewegung um eine Hauptachse versetzt. Damit kann die erfindungsgemäße Wellenkraftmaschine an die auf den umlaufenden Kopplungskörper einwirkende Gesamtströmung angepasst werden, die eine Überlagerung aus der „von außen” einwirkenden umlaufenden Orbitalströmung und einer Relativströmung ist. Letztere Komponente der Gesamtströmung ergibt sich durch die gewünschte Drehbewegung des Kopplungskörpers und wird erfindungsgemäß bei der Auslegung der Maschine berücksichtigt. Durch den erfindungsgemäßen Schwenkarm kann der zumindest eine Kopplungskörper aus dem Bereich der Gesamtströmung mit gegensätzlichen Richtungen heraus in einheitlich gerichtete Strömungsbereich versetzt und dort gehalten werden.Disclosed is a submerged wave force machine, which has at least one coupling body for the conversion of energy of a circulating orbital flow of a wavy body of water - in particular of a sea. The energy is converted into rotational energy by an abstract crank axis or by a specific crankshaft coupled to the coupling body. This is offset by at least one circumferential pivot arm in a circumferential movement about a major axis. Thus, the inventive Wave engine are adapted to the acting on the rotating coupling body total flow, which is a superposition of the "externally acting" circulating orbital flow and a relative flow. The latter component of the total flow results from the desired rotational movement of the coupling body and is considered according to the invention in the design of the machine. By virtue of the swivel arm according to the invention, the at least one coupling body can be displaced from the area of the total flow with opposing directions into a uniformly directed flow area and held there.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Wasseroberflächewater surface
- 1a1a
- WellenbergWellenberg
- 1b1b
- Wellentaltrough
- 22
- Rahmenframe
- 33
- Orbitalströmungorbital flow
- 44
- Ausbreitungsrichtungpropagation direction
- 66
- SchwenkarmlagerSchwenkarmlager
- 88th
- Schwenkarmswivel arm
- 1010
- umlaufender Endabschnittcircumferential end section
- 1212
- Augeeye
- 1414
- Kurbelachsecrank axle
- 1616
- Hauptachsemain axis
- 1818
- Umlaufpfeilcirculation arrow
- 2020
- Gesamtströmungtotal flow
- 22; 12322; 123
- Widerstandselementresistive element
- 222, 223222, 223
- konkav gekrümmtes Widerstandselementconcave curved resistance element
- 24; 22424; 224
- Umlaufpfeilcirculation arrow
- 2626
- Generatorgenerator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102010009653 A1 [0005] DE 102010009653 A1 [0005]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Jahr 2007 erschienenen Veröffentlichung „A rotating wing for the generation of energy from waves” von Pinkster et al. [0004] Published in 2007, "A rotating wing for the generation of energy from waves" by Pinkster et al. [0004]
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-
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- 2012-02-11 DE DE102012002820A patent/DE102012002820A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |