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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenenergiekonverter mit wenigstens einem Rotor, der zur Umwandlung einer Wellenbewegung in eine Rotationsbewegung des wenigstens einen Rotors eingerichtet ist, sowie ein Verfahren zur Umwandlung von Wellenenergie, bei dem ein derartiger Wellenenergiekonverter eingesetzt wird.
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Stand der Technik
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Zur Umwandlung von Energie aus Wasserbewegungen in Gewässern in nutzbare Energie ist eine Reihe unterschiedlicher Vorrichtungen bekannt. Eine Übersicht hierzu gibt beispielsweise
G. Boyle, "Renewable Energy", 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004. Derartige Vorrichtungen werden auch als ”Wellenenergiekonverter” bezeichnet.
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In Wellenenergiekonvertern kann die Energie der jeweiligen Wasserbewegung auf unterschiedliche Weise entnommen werden. So sind auf der Wasseroberfläche schwimmende Bojen bekannt, durch deren Heben und Senken ein Lineargenerator angetrieben wird. Auch kann am Gewässerboden ein flächiges Widerstandselement angebracht werden, das durch die Wasserbewegung hin und her gekippt wird. Die Bewegungsenergie wird in einem Generator beispielsweise in elektrische Energie umgewandelt.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Wellenenergiekonverter von Interesse, die mit ihren bewegten Teilen unter der Wasseroberfläche angeordnet sind, und die eine dort vorliegende Wellenorbitalbewegung ausnutzen.
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Die Wellenorbitalbewegung kann mittels Rotoren in eine Rotationsbewegung umgesetzt werden. Hierzu können Rotoren mit Kopplungskörpern, z. B. hydrodynamischen Auftriebsprofilen, verwendet werden. Ein derartiges System ist in der
US 2010/0150716 A1 offenbart.
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Wie bei allen hydrodynamischen Auftriebsprofilen mit endlicher Länge treten auch hier an den Enden der Auftriebsprofile durch die Druckunterschiede zwischen Druck- und Saugseite induzierte Verwirbelungen auf, die auch als Wirbelschleppen bekannt sind. Diese können zu einer erheblichen Einschränkung in der Effizienz führen.
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Aus dem Flugzeugbau ist bekannt, elliptische Auftriebsprofile einzusetzen, die die Bildung von Wirbelschleppen in gewissem Umfang reduzieren. Alternativ dazu können auch geschlossene Profilsysteme eingesetzt werden, bei denen die Enden der Auftriebsprofile gekrümmt sind und entsprechend zusammengeführt werden (sogenannte Looped Wings). Derartige Profile sind jedoch aufwendig in der Fertigung. Als kleinste Ausbaustufe können sogenannte Winglets an den Enden der Auftriebsprofile eingesetzt werden, die jedoch an die jeweils vorherrschenden Strömungsbedingungen angepasst werden müssen. So werden Winglets in der Avionik immer an das Reiseprofil (Kurz-/Langstrecke) adaptiert.
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Bei Wellenenergiekonvertern, insbesondere bei solchen mit rotierenden Auftriebsprofilen, besteht weiterhin der Bedarf nach entsprechenden Verbesserungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Wellenenergiekonverter mit wenigstens einem Rotor, der zur Umwandlung einer Wellenbewegung in eine Rotationsbewegung des wenigstens einen Rotors eingerichtet ist, und ein Verfahren zur Umwandlung von Wellenenergie, bei dem ein derartiger Wellenenergiekonverter eingesetzt wird, vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei Wellenenergiekonvertern, insbesondere bei solchen mit rotierenden Auftriebsprofilen, Wirbelschleppen nicht notwendigerweise vermieden werden müssen, sondern sogar gewinnbringend für den Betrieb eingesetzt werden können. Hierdurch ist eine Steigerung der Effizienz möglich.
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In einem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Wellenenergiekonverter mit wenigstens einem Rotor, der zur Umwandlung einer Wellenbewegung in eine Rotationsbewegung des wenigstens einen Rotors eingerichtet ist, sind wenigstens zwei längliche Auftriebsprofile mit jeweils einem Ende mit einer Rotorbasis und im Bereich ihrer (oder an ihren) freien, nicht mit der Rotorbasis verbundenen Enden jeweils paarweise über Wirbelschleppenleiteinrichtungen miteinander verbunden.
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Vorteilhafterweise sind zwei Auftriebsprofile am Rotor eines erfindungsgemäßen Wellenenergiekonverters um 180° versetzt angeordnet. Dabei ist die Orientierung der beiden Auftriebsprofile vorzugsweise derart, dass bei einem Auftriebsprofil die Saugseite radial nach innen und bei dem anderen Auftriebsprofil radial nach außen hin orientiert ist. Der Auftrieb ist bei beiden Auftriebsprofilen daher grundsätzlich in eine Richtung orientiert. Die Saugseite, und damit die Richtung des Auftriebs, ergibt sich durch die Form der Auftriebsprofile und die Anströmung im Wasserkörper, wie nachfolgend erläutert.
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Hierdurch weist die jeweilige Rotation der Wirbelschleppen der Auftriebsprofile, wie im Detail unter Bezugnahme auf 4 veranschaulicht, eine gegenläufige Orientierung auf. Da beide Auftriebsprofile außerdem auf einer durch eine Rotorbasis und/oder entsprechende Hebelarme definierten Kreisbahn um eine Rotorachse umlaufen, trifft ein Auftriebsprofil damit jeweils auf die Wirbelschleppe des anderen Auftriebsprofils mit jeweils entgegen gerichteter Rotationsrichtung. Vorteilhafterweise beeinflussen sich die gegenläufig orientiert rotierenden Wirbelschleppensysteme der beiden Auftriebsprofile dabei wechselseitig positiv, so dass der Einfluss des durch die Auftriebsprofile herkömmlicherweise induzierten Widerstands deutlich gemildert oder aufgehoben werden kann. Dieser Effekt beruht auf dem Prinzip der Energieerhaltung. d. h. gegensätzlich gerichtete Wirbel löschen sich aus. Wenn man die Energiedissipation der die Wirbelschleppen bzw. der sie verursachenden Randwirbel durch viskose Effekte des Fluids vernachlässigt, und daher die Energie der Wirbelschleppen bzw. Randwirbel auf einer Kreisbahn, auf der sie anschließend auf das nachfolgende Auftriebsprofil treffen, zeitlich konstant bleibt, ist keine zusätzliche Leistung bzw. Energie zur weiteren Erzeugung entsprechender Wirbel (durch das nachfolgende Auftriebsprofil) erforderlich. Hierdurch verschwindet auch der induzierte Widerstand. Damit dieser Effekt eintreten kann, ist sicherzustellen, dass die Wirbelschleppen bzw. Randwirbel auf der entsprechenden Kreisbahn bleiben und nicht in das umgebende Fluid abgedrängt werden. Dies ist durch die erfindungsgemäßen Wirbelschleppenleiteinrichtungen gewährleistet. Falls mehr als zwei Auftriebsprofile verwendet werden, werden alle Auftriebsprofile mittels entsprechender Wirbelschleppenleiteinrichtungen paarweise miteinander verbunden. Solange das durch die Wirbelschleppen gebildete Wirbelfeld in Position gehalten wird und die Gesamtenergie des Wirbelfeldes sich nicht ändert (was gerade bei zeitlich periodischen Systemen eindeutig der Fall ist) entstehen keine Verluste durch die Randwirbel (falls man, wie erwähnt, die Viskosität des Fluids vernachlässigt).
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Die Anordnung entspricht dabei, übertragen auf eine lineare Bewegung, im Wesentlichen einer Aneinanderreihung von unendlich vielen Auftriebsprofilen, von denen jeweils abwechselnd die Druck- und die Saugseite nach oben orientiert ist. Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Rotor weist daher vorteilhafterweise eine gerade Anzahl an Auftriebsprofilen auf, die jeweils zueinander alternierende Saugseiten aufweisen.
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Die erfindungsgemäß vorgesehenen Wirbelschleppenleiteinrichtungen zwischen den freien Enden der Auftriebsprofile stellen dabei also sicher, dass die Wirbelschleppen durch Strömungseffekte und/oder durch Bewegungen des Rotors aus der Rotorbahn der Flügel herausgetragen werden. Sie verhindern damit, dass der genannte positive Aufhebungseffekt vermindert wird oder wegfällt. Ein derartiges ”Heraustragen” meint dabei explizit auch eine Ablenkung hin zur Rotormitte, wie sie auch bei nicht strömungsbeeinflussten Wellenenergiekonvertern herkömmlicherweise auftritt.
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Vorteilhafterweise sind Wirbelschleppenleiteinrichtungen, die die Auftriebsprofile eines entsprechenden Wellenenergiekonverters an ihren freien Enden jeweils paarweise verbinden, als weitgehend halbkreisförmige Leitelemente ausgebildet. Diese verlaufen insbesondere entlang der erwähnten Kreisbahn, die die Auftriebsprofile während ihrer Rotation beschreiben, und auf der auch die Wirbelschleppen umlaufen sollen. Sie verbinden die jeweils hintere freie Ecke eines Auftriebsprofils mit der entsprechenden vorderen freien Ecke des nachfolgenden Auftriebsprofils. Die Begriffe ”vorne” und ”hinten” beziehen sich auf die Rotationsrichtung. Vorteilhafterweise sind die Wirbelschleppenleiteinrichtungen flexibel ausgebildet, um ein Verstellen der Anstellwinkel der Auftriebsprofile zu ermöglichen.
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Die Wirbelschleppenleiteinrichtungen können dabei beispielsweise massiv (also in Form stabförmiger Elemente, die entsprechend der Kreisbahn gekrümmt sind) ausgebildet sein. Sie können in diesem Fall beispielsweise einen runden Querschnitt aufweisen. Hierbei verlaufen die Wirbel der Wirbelschleppen vorteilhafterweise konzentrisch um die Wirbelschleppenleiteinrichtungen, so dass die Wirbelschleppen auf dem Ringquerschnitt bleiben. In einer anderen Ausführungsform können auch beispielsweise rohrförmige Elemente zum Einsatz kommen, die ebenfalls entsprechend der Kreisbahn gekrümmt und durch die Auftriebsprofile unterbrochen sind. Die Wirbel der Wirbelschleppen werden hierbei in die rohrförmige Wirbelschleppenleiteinrichtung geleitet, verlaufen hier also in den anstatt wie zuvor um die Wirbelschleppenleiteinrichtungen. Der Durchmesser einer entsprechenden rohrförmigen Wirbelschleppenleiteinrichtung ist dabei vorteilhafterweise ausreichend groß zu wählen, damit der Widerstand der Rohrdurchströmung nicht zu groß wird. Als günstig haben sich hierbei Durchmesser von beispielsweise ca. 0,5 m erwiesen. Eine rohrförmige Wirbelschleppenleiteinrichtung kann auch mit einer günstigen Querschnittsgeometrie versehen werden, die die Einleitung der Wirbelschleppen erleichtert. Das jeweils verwendete Material weist vorteilhafterweise eine glatte Oberfläche oder eine definierte Rauhigkeit auf, um Reibungsverluste zu minimieren. Die Querschnittsform ist bei beiden genannten Ausführungsformen vorteilhafterweise über die Länge des Elementes konstant.
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Die Wirbelschleppenleiteinrichtungen stellen damit auch für Fälle, in denen seitliche Strömungen, eine seitliche Drehung eines Wellenenergiekonverters und/oder andere Effekte auftreten, sicher, dass die Wirbelschleppen entlang dieser Leitelemente verlaufen.
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Zu Merkmalen und Vorteilen des erfindungsgemäß ebenfalls vorgeschlagenen Verfahrens zur Umwandlung von Wellenenergie sei auf die obigen und die nachfolgenden Erläuterungen verwiesen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Einsatz der Wirbelschleppenleiteinrichtung besonders effizient.
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Die Erfindung und bevorzugte Ausgestaltungen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt die Bildung von Verwirbelungen an einem durch ein Medium angeströmten Auftriebsprofil in schematischer Darstellung.
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2 zeigt Wellenorbitalbewegungen unter der Oberfläche eines wellig bewegten Gewässers in schematischer Darstellung.
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3 zeigt einen nicht erfindungsgemäßen Wellenenergiekonverter mit Auftriebsprofilen in schematischer Darstellung.
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4 zeigt die Anströmung des Wellenenergiekonverters der 3 und die hierdurch erfolgende Bildung von Wirbelschleppen.
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5 zeigt einen erfindungsgemäßen Wellenenergiekonverter mit Auftriebsprofilen und Wirbelschleppenleiteinrichtungen in schematischer Darstellung.
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In den Figuren tragen gleiche oder gleich wirkende Elemente identische Bezugszeichen. Auf eine wiederholte Erläuterung wird verzichtet.
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Ausführungsformen der Erfindung.
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1 zeigt ein stark vereinfachtes Schema zur Bildung von Verwirbelungen an einem durch ein Medium angeströmten Auftriebsprofil 10. Bei dem Medium kann es sich beispielsweise um Wasser oder Luft handeln. Das Auftriebsprofil 10 ist damit als aero- oder hydrodynamisches Auftriebsprofil ausgebildet.
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Durch die Anströmung, die hier relativ zu dem Auftriebsprofil 10 in einer Anströmrichtung 11 erfolgt, kommt es zu unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten oberhalb und unterhalb des Auftriebsprofils 10, so dass sich ein Auftrieb (hier nach oben gerichtet und mit einem Kraftvektor F bezeichnet) ergibt. Dieser ”zieht” an einer sogenannten Saugseite (hier der Oberseite) des Auftriebsprofils 10. Die gegenüberliegende Seite (hier die Unterseite) wird auch als Druckseite des Auftriebsprofils 10 bezeichnet.
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Das Auftriebsprofil 10 hat eine endliche Länge, so dass sich die bereits erwähnten Verwirbelungen an seinen Enden ergeben. Die Enden des Auftriebsprofils 10 setzen sich dabei parallel zur Anströmrichtung in gestrichelt dargestellten fiktiven Projektionslinien fort. Aufgrund der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten ober- und unterhalb des Auftriebsprofils kommt es zu Bildung von Wirbelschleppen, die hier schematisch in Form von Wirbeln 12 veranschaulicht sind. Diese sind nur teilweise mit Bezugszeichen versehen.
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Die Bewegung des Mediums führt dabei jeweils hinter dem Auftriebsprofil 10 (von der Anströmrichtung aus gesehen) zu einer Rotation des Mediums in einer Richtung von unterhalb nach oberhalb des Auftriebsprofils 10, also von dessen Druck- zu dessen Saugseite. Die Wirbelschleppen stellen damit rotierende Walzen dar, die sich von den Enden des Auftriebsprofils 10 nach hinten erstrecken. Diese sind in der 1 idealisiert dargestellt. Sie verlaufen in der Realität nicht parallel zu den gestrichelt dargestellten Projektionslinien. Bei Flugzeugen divergieren die Wirbelschleppen beispielsweise von der Flugzeugachse nach außen und sind zusätzlich in Richtung der Erdoberfläche nach unten geneigt. Die Durchmesser der Wirbelschleppen, also die Radien der Wirbel 12, vergrößern sich in der Regel mit dem Abstand zum Auftriebsprofil 10. Neben den freien Wirbeln 12, die zu den Wirbelschleppen führen, können gegebenenfalls auch sogenannte gebundene Wirbel 13 beobachtet werden, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch eine geringere Rolle spielen.
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2 zeigt Wellenorbitalbewegungen unter der Oberfläche eines wellig bewegten Gewässers in schematischer Darstellung. Eine Welle an der Oberfläche des Gewässers ist mit 20 bezeichnet. An einer Position A liegt ein Wellenberg, an einer Position C ein Wellental vor. Die Welle breitet sich in einer Ausbreitungsrichtung 21 aus. An den Positionen B und D befinden sich die Übergänge Wellenberg/Wellental bzw. Wellental/Wellenberg. Die mittlere Gewässeroberfläche ist mit 22 bezeichnet.
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Aufgrund der Wellenbewegung ergeben sich unterhalb der Oberfläche des Gewässers Wellenorbitalbewegungen in Form von Orbitalbahnen 23, die nur teilweise mit Bezugszeichen versehen sind. Unmittelbar unter der Oberfläche des Gewässers weisen diese Orbitalbahnen 23 jeweils Radien r auf, die der Amplitude der Welle 20 entsprechen. Die Radien verringern sich mit zunehmender Distanz zur Oberfläche des Gewässers. Im Tiefwasser sind die Orbitalbahnen 23 kreisförmig, im Flachwasser zunehmend elliptisch.
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Die lokale Wasserbewegung ist in der 2 jeweils in Form kurzer, fetter Pfeile dargestellt, die den jeweiligen Bewegungsvektoren v entsprechen. Unter einem Wellenberg an Position A bewegt sich die Gesamtheit der Wasserteilchen dabei in Richtung der Wellenausbreitungsrichtung 21. Unter einem Wellental an Position C bewegt sich die Gesamtheit der Wasserteilchen der Wellenausbreitungsrichtung entgegen. Beim Übergang von einem Wellenberg (Position A) zu einem Wellental (Position C), und zwar in Wellenausbreitungsrichtung fortschreitend, kommt es an Position B zu einer Situation, in der sich die Gesamtheit der Wasserteilchen senkrecht nach oben bewegt. Umgekehrt bewegt sich beim Übergang von einem Wellental (Position C) zu einem Wellenberg (Position A), wiederum in Wellenausbreitungsrichtung 21 fortschreitend, die Gesamtheit der Wasserteilchen senkrecht nach unten. Insgesamt ergibt sich hierdurch an einer festen Position eine kontinuierliche Änderung der Anströmrichtung, deren Rotationsgeschwindigkeit der Wellenfrequenz entspricht.
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In 3 ist ein nicht erfindungsgemäßer Wellenenergiekonverter gezeigt, der sich eine derartige Wellenorbitalbewegung zu Nutze machen kann. Der Wellenenergiekonverter ist insgesamt mit 1 bezeichnet. Er weist einen Rotor 2, 3, 4 mit einer Rotorbasis 2 auf, an der über Rotor- bzw. Hebelarme 4 längliche Auftriebsprofile 3 angebracht sind. Die Auftriebsprofile 3 sind mit einem Ende mit den Hebelarmen 4 verbunden und über beispielsweise über Verstelleinrichtungen 5 in einem Winkel (sogenannter Pitchwinkel) um ihre Längsachse drehbar. Den Verstelleinrichtungen 5 können hierzu Positionsgeber 6 zugeordnet sein.
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Die Auftriebsprofile 3 sind, bezogen auf die Achse des Rotors 2, 3, 4, in einem Winkel von 180° zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind die Auftriebsprofile 3 in der Nähe ihres Druckpunktes mit den Hebelarmen 4 verbunden, um im Betrieb auftretende Rotationsmomente auf die Auftriebsprofile 3 und damit die Anforderungen an die Halterung und/oder die Verstelleinrichtungen zu reduzieren.
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Der radiale Abstand zwischen einem Aufhängungspunkt eines Auftriebsprofils 3 und der Rotorachse beträgt 1 m bis 50 m, vorzugsweise 2 m bis 40 m und besonders bevorzugt 6 m bis 30 m. Die Sehnenlänge der Auftriebsprofile 3 beträgt beispielsweise 1 m bis 8 m. Die größte Längserstreckung kann beispielsweise 6 m oder mehr betragen.
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Der Wellenenergiekonverter 1 weist einen integrierten Generator auf. Hierbei ist die Rotorbasis 2 drehbar in einem Generatorgehäuse 7 gelagert. Die Rotorbasis 2 bildet den Läufer des Generators, das Generatorgehäuse 7 dessen Stator. Die erforderlichen elektrischen Einrichtungen wie Spulen und Leitungen sind nicht dargestellt. Auf diese Weise kann eine durch die Wellenorbitalbewegung induzierte Rotationsbewegung der Rotorbasis 2 mit den hieran über die Hebelarme 4 angebrachten Auftriebsprofilen 3 direkt in elektrische Energie umgesetzt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht nur bei derartigen Wellenenergiekonvertern mit integriertem Generator einsetzbar sondern auch für Systeme geeignet, in denen die Rotationsbewegung beispielsweise über ein Getriebe in einen Generator eingeleitet wird.
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Wenngleich in der 3 ein Wellenenergiekonverter 1 gezeigt ist, bei dem die Auftriebsprofile 3 über ihre Hebelarme 4 nur an einer Seite einer Rotorbasis 2 angebracht sind, kann die Erfindung auch bei Wellenenergiekonvertern 1 zum Einsatz kommen, bei denen an beiden Seiten der Rotorbasis 2 Hebelarme 4 bzw. Auftriebsprofile 3 befestigt sind.
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Auch müssen die Rotorarme 4 nicht notwendigerweise in der dargestellten Weise ausgebildet sein. Beispielsweise können die Auftriebsprofile 3 auch über ein scheibenförmiges Element mit der Rotorbasis 2 verbunden sein. Für die Erfindung wesentlich ist, dass ein Wellenenergiekonverter 1 über längliche Auftriebsprofile 3 verfügt, die mit einem Ende mit einer Rotorbasis 2 verbunden sind und mit ihrem jeweils anderen Ende frei in den Wasserkörper ragen. Wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4 erläutert, kommt es hierdurch an den freien Enden der Auftriebsprofile 3 zur Bildung von Wirbelschleppen. Diese können in dem in 5 gezeigten Wellenenergiekonverter effizient genutzt werden.
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In 4 ist der Wellenenergiekonverter 1 der 3 nochmals in Draufsicht auf die Rotorbasis 2 gezeigt. Wie erwähnt, weist der Wellenenergiekonverter 1 ein Generatorgehäuse 7 und einen daran drehbar gelagerten Rotor 2, 3, 4 mit einer Rotorbasis 2 und zwei jeweils über Rotorarme 4 drehfest an der Rotorbasis 2 angebrachten Kopplungskörpern in Form hydrodynamischer Auftriebsprofile 3 auf. Die Auftriebsprofile 3 ragen in der 3 von hinten nach vorne in den Wasserkörper.
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Der Rotor 2, 3, 4 sei unterhalb der Wasseroberfläche eines wellig bewegten Gewässers, beispielsweise eines Ozeans, angeordnet. Hierbei sollen beispielsweise Tiefwasserbedingungen vorliegen, bei denen die Orbitalbahnen 23 der Wassermoleküle weitgehend kreisförmig verlaufen. Eine Rotationsachse des Rotors (senkrecht zur Papierebene) sei weitgehend horizontal und weitgehend senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 21 der Wellen 20 des wellig bewegten Gewässers orientiert.
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Durch die Verstelleinrichtungen 5 (nur am rechten Auftriebsprofil bezeichnet) kann ein Anstell- bzw. Pitchwinkel α der beiden Auftriebsprofile 3 gegenüber einer jeweils senkrecht nach oben bzw. unten verlaufenden Tangente zum Rotor (nur am linken Auftriebsprofil gezeigt) eingestellt werden. Die Anstellwinkel α der beiden Auftriebsprofile sind vorzugsweise einander entgegen gerichtet orientiert und weisen beispielsweise Werte von –20° bis +20° auf. Insbesondere beim Anfahren des Wellenenergiekonverters 1 können jedoch auch größere Anstellwinkel vorgesehen sein. Vorzugweise können die Anstellwinkel α unabhängig voneinander verstellt werden. Bei den Verstelleinrichtungen 5 kann es sich beispielsweise um elektromotorische Verstelleinrichtungen, vorzugsweise mit Schrittmotoren, und/oder um hydraulische und/oder pneumatische Komponenten handeln.
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Den beiden Verstelleinrichtungen 5 können, wie erwähnt, Positionsgeber 6 zur Bestimmung der aktuellen Anstellwinkel α zugeordnet sein. Eine weitere, nicht dargestellte Sensorik kann den Rotationswinkel der Rotorbasis 2 gegenüber dem Gehäuse 7 bestimmen. Die Erfindung eignet sich jedoch auch für Anlagen ohne Verstelleinrichtungen 5 zur Verstellung der Anstell- bzw. Pitchwinkel α und/oder entsprechende Sensorik.
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Der Wellenenergiekonverter 1 wird von der Orbitalströmung mit einer Anströmungsgeschwindigkeit ν → angeströmt. Dabei handelt es sich bei der Anströmung um die Orbitalströmung von Meereswellen (siehe 2), deren Richtung sich kontinuierlich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω ändert. Die 4 zeigt damit eine Momentaufnahme.
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Im dargestellten Fall ist die Drehung der Orbitalströmung entgegen dem Uhrzeigersinn orientiert, die dazugehörige Welle breitet sich also von rechts nach links aus. Bei sogenannten monochromatischen Wellen ändert sich die Anströmungsrichtung dabei mit der Winkelgeschwindigkeit Ω = 2πf = const., wobei f die Frequenz der monochromatischen Welle darstellt. In multichromatischen Wellen unterliegt Ω einer zeitlichen Änderung, Ω = f(t), da die Frequenz f eine Funktion der Zeit ist, f = f(t). Es ist vorgesehen, dass der Rotor 2, 3, 4 synchron zur Orbitalströmung der Wellenbewegung mit einer Winkelgeschwindigkeit ω rotiert, wobei der Begriff der Synchronizität im zeitlichen Mittel zu verstehen ist.
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Durch die Einwirkung der Strömung mit der Anströmungsgeschwindigkeit ν → auf die Auftriebsprofile 3 wird jeweils ein Auftrieb (angegeben jeweils durch den Kraftvektor F) und dadurch ein auf den Rotor 2, 3, 4 wirkendes erstes Drehmoment erzeugt. Zur Einstellung der Synchronität kann auf den Rotor 2, 3, 4 ein vorzugsweise veränderbares zweites Drehmoment in Form eines Widerstands, also eines Bremsmoments, oder eines Beschleunigungsmoments aufgebracht werden. Mittel zur Erzeugung des zweiten Drehmoments können zwischen der Rotorbasis 2 und dem Generatorgehäuse 7 angeordnet sein.
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Zwischen der Rotororientierung, die durch eine untere gestrichelte Linie veranschaulicht ist, und die durch die Rotorachse und die Mitte der beiden Verstelleinrichtungen 5 verläuft, und der Richtung der Orbitalströmung, die die durch eine obere gestrichelte Linie veranschaulicht ist, und die durch einen der Geschwindigkeitspfeile ν → verläuft, besteht ein Phasenwinkel Δ, dessen Betrag durch eine geeignete Einstellung des ersten und/oder des zweiten Drehmoments beeinflusst werden kann. Dabei erscheint ein Phasenwinkel von –45° bis 45°, vorzugsweise von –25° bis 25° und besonders bevorzugt von –15° bis 15° zur Erzeugung des ersten Drehmoments als besonders vorteilhaft, da hier bei die Orbitalströmung 1 und die Anströmung aufgrund der Eigenrotation weitgehend senkrecht zueinander orientiert sind, was zu einer Maximierung des Rotormoments führt.
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Die Darstellung der Auftriebsprofile 3 in den 4 und 5 erfolgt nur beispielhaft zur Definition der unterschiedlichen Maschinenparameter. So können im Betrieb die Anstellwinkel der beiden Auftriebsprofile 3 auch entgegengesetzt zur Darstellung ausgeführt sein. Das in 4 linke Auftriebsprofil 3 wäre dann nach innen verstellt und das in 4 rechte Auftriebsprofil 3 nach außen. Dabei kann entgegen dieser schematischen Darstellung mit ungekrümmten symmetrischen Profilen auch der Einsatz von anderen Profilgeometrien vorgesehen sein, die zudem auch noch in Bezug auf die kreisförmige Bahnlinie angepasst und/oder transformiert sein können.
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Durch Rotation des Rotors 2, 3, 4 bilden sich auch hier an den Enden der Auftriebsprofile 3 Wirbelschleppen aus, die erneut in Form von Wirbeln 12 und dabei stark schematisiert dargestellt sind. Die Wirbel 12 bezeichnen die sich ausbildenden Wirbel an den freien Enden der Auftriebsprofile 3, die nicht an den Hebelarmen 4 angebracht sind.
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Aufgrund der Rotationsbewegung ω liegt die Saugseite des in der 4 linken Auftriebsprofils 3 bei dem Anstellwinkel α radial innen (wie durch den Kraftvektor F veranschaulicht), die Druckseite radial außen. Die Saugseite des in der 4 rechten Auftriebsprofils 3 liegt bei dem entsprechenden Anstellwinkel α radial außen, die Druckseite radial innen. Die Rotationsbewegung der Wirbelschleppen erfolgt daher in der dargestellten Pfeilrichtung, wobei die von den beiden Auftriebsprofilen 3 jeweils erzeugten Wirbelschleppen in ihrer Rotationsrichtung einander entgegengesetzt sind.
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In der Realität laufen entsprechende Wirbelschleppen nicht in der Papierebene um den Mittelpunkt des Rotors 2, 3, 4 um, sondern konvergieren beispielsweise bezüglich der Rotorachse und/oder laufen aus der Papierebene heraus. Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
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Hierbei wird durch geeignete Wirbelschleppenleiteinrichtungen zwischen den Auftriebsprofilen 3 dafür gesorgt, dass die Wirbelschleppen des jeweils einen Auftriebsprofils auf das jeweils nächstfolgende Auftriebsprofil (in Rotationsrichtung) gelenkt werden.
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Ein derartiger Wellenenergiekonverter ist in der 5 gezeigt. Entsprechende Wirbelschleppenleiteinrichtungen sind hier mit 8 bezeichnet. Die Wirbelschleppenleiteinrichtungen 8 sind jeweils in Form halbkreisförmiger Leitelemente ausgeführt, welche die freien Enden der Auftriebsprofile 3 jeweils paarweise miteinander verbinden. Es ist insbesondere erkennbar, dass die Leitelemente jeweils eine in einer Rotationsrichtung vorne liegende freie Ecke 31 eines Auftriebsprofils 3 mit einer in der Rotationsrichtung hinten liegenden freien Ecke 32 des anderen Auftriebsprofils 3 verbinden. Um eine Verstellbarkeit der Auftriebsprofile 3 über die Verstelleinrichtungen 5 auch hier zu gewährleisten, sind die Wirbelschleppenleiteinrichtungen 8 vorzugsweise elastisch ausgebildet.
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Wenngleich in der 5 flache Strukturen als Wirbelschleppenleiteinrichtungen 8 gezeigt sind, werden als Wirbelschleppenleiteinrichtungen 8 vorteilhafterweise stabförmige oder rohrförmige Elemente, beispielsweise mit rundem Querschnitt, verwendet. Die Merkmale und Vorteile dieser Ausführungsformen wurden zuvor erläutert. Die Wirbelschleppenleiteinrichtungen 8 können beispielsweise aus Metall und/oder Kunststoff bestehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0150716 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- G. Boyle, ”Renewable Energy”, 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004 [0002]
