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Die Erfindung betrifft ein Unterwasser-Wellenkraftwerk zum Erzeugen von elektrischem Strom aus Wellenenergie, mit einem Schwimmkörper, der mit einer Unterwassereinheit durch ein flexibles Haltemittel verbunden ist, einem in der Unterwassereinheit angeordneten, eine Rotorwelle aufweisenden Generator für die Stromerzeugung,
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Stand der Technik
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Vorschläge und Installationen von Wellenkraftwerken sind hinlänglich bekannt. Hierzu gehören beispielsweise Systeme, die unter den Namen „Pneumatische Kammern”, „Wave Dragon”, Wave Roller”, „CETO” oder „Pendulor” bekanntgeworden sind (siehe www.http://wikipedia.org). Diesen bekannten Systemen ist gemeinsam, dass die Energieerzeugung mit Wasserwellen vor allem an der Wasseroberfläche stattfindet und die Umsetzung sehr komplex ist. Die Energieerzeugung an der Wasseroberfläche hat den Nachteil, dass das Wellenkraftwerk starken destruktiven natürlichen Kräften wie Wind und Wellengang ausgesetzt ist. Wird das Wellenkraftwerk aus diesem Grund sehr widerstandsfähig konstruiert, brechen sich die Wellen und eine Nutzung der Wellenenergie ist nur in begrenztem Umfang möglich. Wird im Gegensatz dazu das Wellenkraftwerk in Hinsicht auf eine möglichst hohe Ausbeute der Wellenenergie ausgelegt, ist das Wellenkraftwerk weniger widerstandsfähig. Das Wellenkraftwerk ist somit den destruktiven Kräften an der Wasseroberfläche nahezu schutzlos ausgeliefert und kann deshalb im Einsatz stark beschädigt oder sogar zerstört werden.
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Aus der
WO 2003/058054 A1 ist eine Wellenkraftwerkeinheit zur Erzeugung von elektrischen Strom mit einem schwimmenden Körper und einem rotierenden Elektrogenerator bekannt, der mechanisch mit dem schwimmenden Körper verbunden ist, bei der ein mechanisches Mittel zur Umwandlung senkrechter Bewegungen des schwimmenden Körpers in Rotationsbewegungen des Generators vorgesehen ist. Der Rotor des Generators ist mit einem Drehkörper verbunden, wobei der Drehkörper mit dem Mittel zur Bewegungsumwandlung verbunden ist und zumindest der Teil des Mittels zur Bewegungsumwandlung aus einem Bauteil, beispielsweise Kabel, besteht, das aufgewickelt werden kann. Das Mittel zur Bewegungsumwandlung ist mit seinem oberen Ende am Schwimmkörper und mit seinem unteren Ende am Drehkörper befestigt. Der Generator ist in einem am Meeresboden fest verankerten flüssigkeitsdichten Gehause untergebracht. Diese bekannte Lösung hat den Nachteil, dass der Aufwand für die statische und starre Verankerung des Gehäuses mit einer Bodenplatte am Meeresboden erheblich ist. Außerdem ist der Drehkörper mit Rohrwelle und dem Lager für die Rohrwelle ständig dem Meerwasser und Unterwasserströmungen ausgesetzt, was einen vorzeitigen Verschleiß nicht ausschließt. Die starre Befestigung der Rohrwelle des Drehkörpers zur Auf- und Abwickeln des Kabels an der Bodenplatte hat weiterhin den Nachteil, dass der Wickelvorgang durch die Kabelführung behindert wird, wodurch nicht zu vernachlässigende Reibungsverluste, insbesondere bei Auslenkung des Schwimmkörpers, entstehen und der Wirkungsgrad des Wellenkraftwerks herabgesetzt wird. Des Weiteren ist aus de
WO 2011/126451 A1 ein Unterwellenkraftwerk bekannt, das eine Unterwassereinheit besitzt, die in einem Hohlkörper einen Generator und ein Getriebe mit Ballastraum zur Aufnahme von Wasser und Luft für die Abstimmung der Wassertiefe aufweist, Die Unterwassereinheit ist einerseits mit einem Schwimmkörper über ein Seil so verbunden, dass in Abhängigkeit der Auf- und Abbewegung des Schwimmkorpers die Rotorwelle beim Auf- und Abwickeln des Seils zur Erzeugung von elektrischen Strom in Drehung versetzt wird.
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Aufgabenstellung
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Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Unterwasser-Wellenkraftwerk zum Erzeugen von elektrischem Strom vorzuschlagen, das den wirkungsgrad des Unterwasser-Wellenkraftwerks erhoht, den Verschleiß der Baueinheiten senkt und zugleich den Aufwand für die Montage unter Einsparung von Material und Kosten reduziert.
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Diese Aufgabe wird durch ein Unterwasser-Wellenkraftwerk der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Unterwasser-Wellenkraftwerks sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, die Unterwassereinheit des Wellenkraftwerks als einen zwischen Seilen flexibel befestigten im Wasser schwebenden Körper auszubilden.
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Erreicht wird dies dadurch, dass die Unterwassereinheit ein zumindest den Generator, ein mit einer eingangs- und ausgangsseitigen Getriebewelle (16, 20) versehenen Getriebe und eine mit der eingangsseitigen Getriebewelle wirkverbundenen Federeinrichtung enthaltener Hohlkörper ist, der einen Ballastraum zur Aufnahme und Abgabe von Wasser aufweist, wobei der Hohlkörper einerends mit dem am Schwimmkörper befestigten Haltemittel und anderenends mit einem durch einen Anker am Boden gehaltenen, an der Federeinrichtung angreifenden Federseil einer Seilzugseinrichtung so verbunden ist, dass der Hohlkörper in Abhängigkeit der Auf- und Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers an der Wasseroberfläche einen Schwebezustand einnimmt und die Rotorwelle durch ein Spannen und Ziehen des Federseils an der Federeinrichtung zur Erzeugung von elektrischen Strom in Drehung versetzt wird.
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Von wesentlicher Bedeutung ist es, dass das zum Schwimmkörper gehörende Haltemittel und das Federseil der Seilzugseinrichtung zueinander vertikal fluchtend zum Schwerpunkt des Hohlkörpers angeordnet sind, so dass sichergestellt ist, dass das Haltemittel und das Federseil nach Auslenkung des Hohlkörpers infolge der Wellenbewegung wieder in eine vertikale Flucht zueinander gebracht werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Unterwasser-Wellenkraftwerks umfasst die Seilzugeinrichtung eine flüssigkeitsdicht gekapselte Rückzugseinrichtung, die das Federseil der Seilzugeinrichtung bei einer Abwärtsbewegung des Hohlkörpers automatisch aufrollt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der Hohlkörper eine stromlinienförmige Gestalt, vorzugsweise U-Boot- oder Zeppelinform, um den Strömungswiderstand des Hohlkörpers unter Wasser zu minimieren. Der Ballastraum des Hohlkörpers kann so angeordnet sein, dass dieser den Hohlkörper umschließt oder aber Teilbereiche des Hohlkörpers umfasst.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das mit dem Schwimmkörper verbundene Haltemittel ein Kabel, Seil oder eine Kette sein kann. Der Schwimmkörper besteht aus einem leichten Kunststoff und ist mit Luft, Gas oder Gasgemisch gefüllt, um einen ausreichenden Auftrieb zu gewährleisten.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können mehrere Unterwasser-Wellenkraftwerke infolge ihrer leichten Montierbarkeit nebeneinander zu einem Verbund zusammengeschaltet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Federeinrichtung eine Spiralfeder, deren Drehebene senkrecht zur eingangsseitigen Getriebewelle ausgerichtet ist, wobei das innere Ende der Spiralfeder mit der Getriebewelle wirkverbunden und das äußere Ende der Spiralfeder direkt mit dem Federseil verbunden ist.
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Weiterhin ist nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die eingangsseitige Getriebewelle mit einem Freilauf versehen ist, der die Federeinrichtung mit der eingangsseitigen Getriebewelle nur bei einer Aufwärtsbewegung des Hohlkörpers verbindet und die dadurch erzeugte Drehbewegung auf das Getriebe überträgt, welche die Drehzahl der eingangsseitigen Getriebewelle an den Drehzahlbereich des Generators anpasst.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Unterwasser-Wellenkraftwerks ist vorgesehen, dass die abgangsseitige Getriebewelle des Getriebes über eine Rutschkupplung mit der Rotorwelle des Generators drehverbunden ist. Dadurch ist sichergestellt, dass eine Überlast des Generators vermieden wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Unterwasser-Wellenkraftwerks ist zwischen der Rotorwelle des Generators und abgangsseitigen Getriebewelle des Getriebes ein Energiespeicher, vorzugsweise ein Schwungrad, angeordnet. Der Energiespeicher gewährleistet, dass der Generator auch bei Abwärtsbewegung des Hohlkörpers, in der kein Drehmoment anliegt, seine Rotation solange beibehält bis durch die Aufwärtsbewegung erneut die Getriebewelle angetrieben wird.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
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Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Unterwasser-Wellenkraftwerks;
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2 eine schematische Schnittdarstellung des Hohlkörpers und
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3 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Unterwasser-Wellenkraftwerks.
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Die 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau des erfindungsgemäßen Unterwasser-Wellenkraftwerkes 1, das im Wesentlichen aus einem an der Wasseroberfläche 2 platzierten Schwimmkörper 3, einem am Schwimmkörper 3 befestigten flexiblen Haltemittel 4, beispielsweise Kabel, Seil oder Kette, einem an dem Haltemittel 4 angelenkten Hohlkörper 5, der die stromerzeugenden Aggregate aufnimmt, und einer Seilzugeinrichtung 6 mit Federseil 7, dessen dem Boden 8 des Meeres oder Gewässer zugewandtes Ende an einem im Boden 8 befindlicher Anker 9 und dessen anderes Ende am Hohlkörper 5 befestigt ist. Der Anker 9 kann ein Schiffsanker oder auch im Boden 8 eingelassen sein.
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Zweckmaßigerweise besteht der Schwimmkörper 3 aus einem hohlen Körper aus Kunststoff, der mit Luft, Gas oder einem Gasgemisch gefüllt ist, um einen ausreichend großen Auftrieb für den Hohlkörper 5 bereitzustellen. Als Haltemittel 4 kommen Seile, ketten aber auch Kabel zum Einsatz kommen.
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Die Seilzugeinrichtung 6 hat eine flüssigkeitsdicht gekapselte, durch Federkraft betätigte Rückzugseinrichtung 7a, die bestrebt ist, das Federseil 7 bei einer Abwärtsbewegung des Hohlkörpers 5 automatisch aufzurollen.
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Die 2 zeigt den Hohlkörper 5 in Form einer stromlinienförmigen Gestalt. Der Hohlkörper 5 weist einen mit Wasser flutbaren oder von Wasser ausblasbaren Ballastraum 10 auf, um den Hohlkörper 5 im Wasser im Schwebezustand zu halten, damit die Auf- und Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers 3 möglichst verlustfrei mit dem Hohlkörper 5 erfasst werden kann. Der Ballastraum 10 kann den Hohlkörper 5 umschließen oder nur Teilbereiche des Hohlkörpers 5 umfassen. Die Befestigungspunkte für das Haltemittel 4 und dem Federseil 7 am Hohlkörper 5 liegen in einer vertikalen Flucht zueinander bezogen auf den Schwerpunkt des Hohlkörpers 5, wodurch der Schwimmkörper 3 versucht, den Hohlkörper 5 vertikal nach oben und das Federseil 7 im Zusammenwirken mit der Rückzugseinrichtung 9 letzteren vertikal nach unten zu ziehen, so dass der Hohlkörper 5 in seiner Position lotrecht ausgerichtet wird. Als Haltemittel 4 können sowohl Seile, Ketten oder auch Kabel zum Einsatz kommen.
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Der Hohlkörper 5 enthalt den Generator 11 zum Erzeugen des elektrischen Stroms, eine Federeinrichtung 12 und ein Getriebe 13 in einem gegen den Ballastraum gekapselten Raum. Das Federseil 7 der Seilzugeinrichtung 6 ist durch eine im Hohlkörper 5 angeordnete Gleitringdichtung 14 zu der Federeinrichtung 12 mit einer Spiralfeder 15 geführt, deren Drehebene senkrecht zur eingangsseitigen Getriebewelle 16 des Getriebes 13 liegt. Das innere Ende 17 der Spiralfeder 15 ist an der eingangsseitigen Getriebewelle 16 fixiert und das andere Ende 18 der Spiralfeder 15 am Federseil 7 befestigt. Durch die Aufwärtsbewegung des Schwimmkörpers 3 auf den Wellenkamm wird das Federseil 7 gegen die Spiralfeder 15 der Federeinrichtung 12 gespannt und gezogen, so dass die eingangsseitige Getriebewelle 16 in Drehung versetzt wird. Vollzieht der Schwimmkorper 3 durch Bewegung vom Wellenkamm WK in das Wellental WT eine Abwärtsbewegung, bewegt sich auch der Hohlkörper 5 abwärts, wobei die Rückzugseinrichtung 9 für das automatische Aufrollen des Federseils 7 sorgt. Die eingangsseitige Getriebewelle 16 besitzt einen Freilauf 19, der so ausgelegt ist, dass die eingangsseitige Getriebewelle 16 durch die Federkraft der Spiralfeder 15 nicht entgegengesetzt drehen kann. Das Getriebe 13 übersetzt die Eingangsdrehzahl in eine an den Drehzahlbereich des Generators 11 angepasste Ausgangsdrehzahl, die von der ausgangsseitigen Getriebewelle 20 an die Rotorwelle 21 des Generators 11 abgegeben wird. Die ausgangsseitige Getriebewelle 20 ist über eine Rutschkupplung 22 und einen Energiespeicher 23, beispielsweise einem Schwungrad, mit der Rotorwelle 21 wirkverbunden. Die Rutschkupplung 22 sichert den Generator 11 gegen eine mögliche Überlast. Bedingt durch den Freilauf 19 kann die eingangsseitige Getriebewelle 16 nur bei einer Aufwärtsbewegung angetrieben werden. Um eine Verlangsamung oder gar ein Stoppen der Rotation entgegenzuwirken, ist der Energiespeicher 23 ausgelegt, dass er ein ausreichendes Drehmoment für die Rotorwelle 21 des Generators 11 während der Abwärtsbewegung bereitstellt.
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Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Unterwasser-Wellenkraftwerk 1 wird nachfolgend anhand der 3 näher erläutert. Der Hohlkörper 5 ist durch das Federseil 7 am Boden 8 fest verankert. Der Schwimmkörper 3 und der daran mit dem Haltemittel 4 befestigte Hohlkörper 5 überwinden bei der Bewegung zwischen Wellental WT und Wellenkamm WK, den Höhenunterschied Δh und vollziehen eine Aufwartsbewegung (siehe senkrechte Pfeilrichtung P1 nach oben in 3). Durch die feste Verankerung am Boden 8 wird das Federseil 7 bei der Überwindung des Höhenunterschieds Δh gespannt und gezogen, so dass die eingangsseitige Getriebewelle 16 durch die Spiralfeder 15 in Drehung versetzt wird. Diese so gewonnene Drehzahl wird mit dem Getriebe 13 an die Drehzahl des Generators 11 angepasst und zur Stromerzeugung genutzt. Der erzeugte Strom wird aus dem Hohlkörper 5 durch nicht weiter dargestellte Steuergeräte und elektrische Kabel entsprechenden Schaltstationen zugeführt.
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Es können, ohne die Erfindung zu verlassen, mehrere erfindungsgemäße Unterwasser-Wellenkraftwerke 1 nebeneinander angeordnet werden, da die Verankerung am Boden einfach und kostengunstig ist. Natürlich ist es auch möglich, ein bestehendes Unterwasser-Wellenkraftwerk umzusetzen. Bei der Installation des Unterwasser-Wellenkraftwerkes 1 sollte beachtet werden, dass das Federseil 7 teilweise ausgezogen wird, um die komplette Aufwärtsbewegung vom Wellental WT zum Wellenkamm WK zur Erzeugung der Drehbewegung nutzen zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Unterwasser-Wellenkraftwerk
- 2
- Wasseroberfläche
- 3
- Schwimmkörper
- 4
- Haltemittel
- 5
- Hohlkörper, Unterwassereinheit
- 6
- Seilzugeinrichtung
- 7
- Federseil
- 7a
- Rückzugseinrichtung
- 8
- Boden
- 9
- Rückzugseinrichtung
- 10
- Ballastraum vom 5
- 11
- Generator
- 12
- Federeinrichtung
- 13
- Getriebe
- 14
- Gleitringdichtung/dynamische Dichtung
- 15
- Spiralfeder
- 16
- Eingangsseitige Getriebewelle
- 17
- Inneres Ende von 15
- 18
- Äußeres Ende von 15
- 19
- Freilauf
- 20
- Ausgangsseitige Getriebewelle
- 21
- Rotorwelle von 11
- 22
- Rutschkupplung
- 23
- Energiespeicher
- P1
- Aufwärtsbewegung
- P2
- Abwärtsbewegung
- WK
- Wellenkamm
- WT
- Wellental
- Δh
- Höhenunterschied zwischen WK und WT
