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Ausführungsbeispiele beziehen sich auf das Gebiet der elektrischen Energiegewinnung und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie.
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Für die Erzeugung elektrischer Energie sind heutzutage viele unterschiedliche Konzepte bekannt. Diese reichen von Wasser- oder Windkraftwerken über Verbrennungskraftwerke bis hin zu Atomkraftwerken. Für die meisten dieser Konzepte ist ein elektrischer Generator notwendig, der Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Die Bewegungsenergie wird dem elektrischen Generator jedoch auf unterschiedliche Weisen zugeführt.
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Dabei wird in Zeiten schwindender natürlicher Ressourcen der Schwerpunkt immer mehr in Richtung erneuerbarer Energieformen verschoben werden. Ein mögliches Konzept dafür ist die Nutzung von Bewegungsenergien von schwingenden Körpern. Dabei kann es sich auch beispielsweise um die Bewegung von Flüssigkeiten handeln, wie es beispielsweise bei Wellenkraftwerken der Fall ist.
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Die Nutzung von Wellenenergie oder Wellenkraft als aufkommende erneuerbare Energie stellt jedoch anspruchsvolle Anforderungen. Technologien zur Ausnutzung von Wellenenergie stecken immer noch in der Anfangsphase. Sie müssen langfristig in Bezug auf Kosten wettbewerbsfähig zu bereits bewährten erneuerbaren Energietechnologien, wie z.B. am Land befindliche Windturbinen oder vor der Küste befindliche Windturbinen (on-/offshore), sein. Daher werden nur die kosteneffizientesten Energiekonverterkonzepte überleben, bevor die gewerbliche Verwendung beginnen wird. Wellenkrafteinrichtungen können in mehrere Hauptenergiekonvertertypen gruppiert werden. Eines der bekanntesten Konzepte ist das Punktabsorberprinzip, bei dem eine schwimmende Struktur durch seine konstante Bewegung in vertikaler Richtung Energie in allen Richtungen absorbiert, was in einem untergetauchten Betrieb oder in einem nicht untergetauchten Betrieb nahe der Wasseroberfläche erfolgen kann. Das Leistungserzeugungssystem kann unterschiedliche Formen annehmen, abhängig von der Konfiguration des Verdrängungskörpers, der Spule oder anderer Bauteile. Den bekannten Konzepten ist jedoch gemeinsam, dass die Energieausbeute gering und meistens sehr unkontinuierlich ist.
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Heutige führende Punktabsorber-Konzepte verwenden hauptsächlich permanent magnetische Generatoren, wie z.B. die Meerkrafttechnologie (Ocean Power Technology, OPT) oder meer-basierte Wellenenergiekonvertervorrichtungen. Traditionell erzeugen solche Generatoren elektrische Leistung durch eine Umwandlung von mechanischer Leistung in eine lineare Bewegung und eine Umwandlung dieser Bewegung mit Spulen und Magneten in elektrische Leistung. Nachteilig ist dabei, dass diese Generatoren nur in einer Richtung elektrische Leistung erzeugen und daher die effektiv erntbare Energieausbeute deutlich niedriger ist als die theoretisch erntbare Energieausbeute.
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Es besteht daher der Bedarf, ein Konzept zur Erzeugung von elektrischer Energie zu schaffen, dass es ermöglicht, die Energieausbeute zu erhöhen und/oder die elektrische Energie kontinuierlicher zu erzeugen.
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Dieser Bedarf wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie gemäß Anspruch 10 gedeckt.
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Eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie gemäß eines Ausführungsbeispiels umfasst ein Generatorgehäuse, eine in dem Generatorgehäuse drehbar gelagert angeordnete Generatorwelle, ein zugseilartiges Bauteil, einen Rotor eines elektrischen Generators und einen Stator des elektrischen Generators. Das zugseilartige Bauteil ist mit einem ersten Ende an der Generatorwelle befestigt und mit dem zweiten Ende direkt oder indirekt mit einer Gegenmasse verbunden. Die Generatorwelle ist ausgelegt, um eine Rückstellkraft auf das zugseilartige Bauteil auszuüben, sodass das zugseilartige Bauteil auf die Generatorwelle aufgerollt wird, wenn eine veränderliche, von der Gegenmasse weg gerichtete, auf das Generatorgehäuse wirkende Kraft kleiner als die Rückstellkraft ist, und sodass das zugseilartige Bauteil von der Generatorwelle abgerollt wird, wenn die veränderliche, von der Gegenmasse weg gerichtete, auf das Generatorgehäuse wirkende Kraft größer als die Rückstellkraft ist. Der Rotor ist über einen Freilauf mit der Generatorwelle verbunden, sodass eine Rotation des Rotors in Abrollrichtung über die Generatorwelle durch Mitnahme über den Freilauf beschleunigbar ist, wenn die veränderliche Kraft größer ist als die Rückstellkraft, und sodass der Rotor eine Rotation in Abrollrichtung fortsetzt, wenn die veränderliche Kraft kleiner ist als die Rückstellkraft und das zugseilartige Bauteil entgegen der Abrollrichtung aufgerollt wird. Ferner ist der Stator des elektrischen Generators mit dem Generatorgehäuse verbunden.
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Ausführungsbeispielen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine sehr kontinuierliche Energiegewinnung erfolgen kann, wenn eine schwingende, periodische und/oder vibrierende Bewegung in eine nur in eine Richtung erfolgende Rotationsbewegung umgewandelt werden kann und diese Rotationsbewegung über einen Rotor eines elektrischen Generators durch den elektrischen Generator in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Durch den Freilauf kann bei einer Rotation der Achse in die entgegengesetzte Richtung, die Rotation des Rotors in gleichbleibender Richtung fortgesetzt werden. Dadurch kann z.B. unabhängig von einem momentanen Bewegungszustand (zur Gegenmasse hin oder von der Gegenmasse weg) des Generatorgehäuses elektrische Energie gewonnen werden, sodass die Energieausbeute deutlich erhöht werden kann.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das Generatorgehäuse als Schwingkörper ausgelegt und die veränderliche Kraft kann durch eine veränderliche Auftriebskraft aufgrund eines Wellengangs eines Gewässers erzeugt werden. Dadurch kann ein Wellenenergiegenerator, ein Wellenenergiekonverter oder ein Wellenkraftwerk mit hoher Energieausbeute und/oder kontinuierlicherer Energieerzeugung realisiert werden und so eine erneuerbare Energiequelle effizienter zugänglich gemacht werden.
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Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie, die ausgelegt ist, sodass in dem Generatorgehäuse ein Überdruck erzeugbar ist, um ein Eindringen von Wasser in das Generatorgehäuse zu erschweren. Ist das Generatorgehäuse undicht, so kann Luft aus dem Generatorgehäuse austreten, jedoch ist es aufgrund des Überdrucks für Wasser schwer in das Generatorgehäuse einzudringen. Dadurch kann die Zuverlässigkeit und/oder die Lebensdauer der Vorrichtung deutlich erhöht werden.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen weist die Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie einen Faltenbalg auf, der mit einem ersten Ende mit dem Generatorgehäuse verbunden ist und mit einem Endstück an seinem zweiten Ende mit der Gegenmasse verbunden ist. Ferner kann das zugseilartige Bauteil mit seinem zweiten Ende mit dem Endstück des Faltenbalgs verbunden sein, sodass das zugseilartige Bauteil indirekt mit der Gegenmasse verbunden ist. Dadurch kann beispielsweise das zugseilartige Bauteil vor Umwelteinflüssen geschützt werden (z.B. vor Schmutz, Wasser oder Tieren). Ferner kann vermieden werden, dass das zugseilartige Bauteil durch eine Öffnung im Generatorgehäuse nach außen geführt werden muss, um mit der Gegenmasse verbunden zu werden. Dadurch kann auf eine aufwändige Dichtung zwischen Generatorgehäuse und dem beweglichen zugseilartigen Bauteil verzichtet werden.
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Einige Ausführungsbeispiele weisen einen Rotor und einen Stator eines zweiten elektrischen Generators auf. Dabei kann der Rotor des zweiten elektrischen Generators über einen zweiten Freilauf mit der Generatorwelle verbunden sein und der Stator des zweiten elektrischen Generators mit dem Generatorgehäuse verbunden sein. Dabei kann ein zur Aufnahme des zugseilartigen Bauteils vorgesehener Bereich der Generatorwelle zwischen dem Rotor des ersten elektrischen Generators und dem Rotor des zweiten elektrischen Generators angeordnet sein. Durch diese zumindest teilweise symmetrische Anordnung im Inneren des Generatorgehäuses kann eine ausgeglichene Gewichtsverteilung im Generatorgehäuse erreicht werden, sodass der Massenschwerpunkt in der Nähe des geometrischen Schwerpunkts des Volumens des Generatorgehäuses zu liegen kommt. Dadurch kann eine stabilere Lage des Generatorgehäuses erreicht werden. Beispielsweise kann bei einer Ausbildung des Generatorgehäuses als Schwimmkörper eine stabile Schwimmlage des Generatorgehäuses auch bei hohem Wellengang und starkem Wind erreicht werden.
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Ausführungsbeispiele werden nachfolgend, bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren, näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie orthogonal zu einer Rotationsachse der Generatorwelle;
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2 ein schematischer Querschnitt einer Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie parallel zu einer Rotationsachse der Generatorwelle; und
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3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Erzeugung von elektrischer Energie. Im Folgenden können bei unterschiedlichen, beschriebenen Ausführungsbeispielen teilweise für Objekte und Funktionseinheiten, die gleiche oder ähnliche funktionelle Eigenschaften aufweisen, gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Ferner können zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Zeichnung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt. Des Weiteren können optionale Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombinierbar oder zueinander austauschbar sein.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung 100 zur Erzeugung elektrischer Energie gemäß eines Ausführungsbeispiels. Die Vorrichtung 100 umfasst ein Generatorgehäuse 110, eine in dem Generatorgehäuse 110 drehbar gelagert angeordnete Generatorwelle 120, ein zugseilartiges Bauteil 130, einen Rotor 140 und einen Stator 150. Das zugseilartige Bauteil 130 ist mit einem ersten Ende an der Generatorwelle 120 befestigt und mit dem zweiten Ende direkt oder indirekt mit einer Gegenmasse 102 verbunden. Die Generatorwelle 120 übt eine Rückstellkraft auf das zugseilartige Bauteil 130 aus, sodass das zugseilartige Bauteil 130 auf die Generatorwelle 120 aufgerollt wird, wenn eine veränderliche, von der Gegenmasse 102 weg gerichtete, auf das Generatorgehäuse 110 wirkende Kraft kleiner als die Rückstellkraft ist. Ferner übt die Generatorwelle 120 die Rückstellkraft so auf das zugseilartige Bauteil 130 aus, dass das zugseilartige Bauteil 130 von der Generatorwelle 120 abgerollt wird, wenn die veränderliche, von der Gegenmasse 102 weg gerichtete, auf das Generatorgehäuse 110 wirkende Kraft größer als die Rückstellkraft ist. Ferner ist der Rotor 140 des elektrischen Generators über einen Freilauf 142 mit der Generatorwelle 120 verbunden, sodass eine Rotation des Rotors 140 in Abrollrichtung über die Generatorwelle 120 durch Mitnahme über den Freilauf 142 beschleunigbar ist, wenn die veränderliche Kraft größer ist als die Rückstellkraft. Ferner ist der Rotor 140 mit dem Freilauf 142 verbunden, sodass der Rotor 140 eine Rotation in Abrollrichtung fortsetzen kann, wenn die veränderliche Kraft kleiner ist als die Rückstellkraft und das zugseilartige Bauteil 130 entgegen der Abrollrichtung aufgerollt wird. Zusätzlich ist der Stator 150 des elektrischen Generators mit dem Generatorgehäuse 110 verbunden.
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Durch die Umwandlung einer schwingenden, periodischen und/oder vibrierenden Bewegung in eine nur in eine Richtung erfolgende Rotationsbewegung kann diese über einen Rotor eines elektrischen Generators durch den elektrischen Generator in elektrische Energie umgewandelt werden. Durch den Freilauf kann bei einer Rotation der Achse in die entgegengesetzte Richtung, die Rotation des Rotors in gleichbleibender Richtung fortgesetzt werden. Dadurch kann z.B. unabhängig von einem momentanen Bewegungszustand (zur Gegenmasse hin oder von der Gegenmasse weg) des Generatorgehäuses elektrische Energie gewonnen werden, sodass die Energieausbeute deutlich erhöht werden kann und/oder die Energieerzeugung deutlich kontinuierlicher erfolgen kann.
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Durch die veränderliche, von der Gegenmasse 102 weg gerichtete, auf das Generatorgehäuse 110 wirkende Kraft führt das Generatorgehäuse 110 mit dem darin angeordneten elektrischen Generator eine Bewegung relativ zu der Gegenmasse 102 aus. Je nachdem, ob die veränderliche Kraft größer oder kleiner als die Rückstellkraft ist, bewegt sich das Generatorgehäuse 110 auf die Gegenmasse 102 zu oder von ihr weg. Die veränderliche Kraft kann auf unterschiedliche Arten verursacht werden. Beispielsweise kann das Generatorgehäuse an einem beweglichen Objekt befestigt sein oder als Schwingkörper auf einer Wasseroberfläche oder knapp unterhalb der Wasseroberfläche schwimmen, sodass bei einem Wellengang des Gewässers eine veränderliche Kraft (z.B. veränderliche Auftriebskraft, auch unter Berücksichtigung der Schwerkraft) auf das Generatorgehäuse 110 wirkt.
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Die auf das Generatorgehäuse 110 wirkende Kraft muss nicht ausschließlich eine von der Gegenmasse 102 weg gerichtete Kraftkomponente aufweisen. Unter der veränderlichen, von der Gegenmasse 102 weg gerichteten, auf das Generatorgehäuse 110 wirkenden Kraft kann beispielsweise jener Teil einer auf das Generatorgehäuse 110 insgesamt wirkenden Kraft gemeint sein, der von der Gegenmasse 102 weg gerichtet ist, da dieser Teil z.B. proportional zu der auf das zugseilartige Bauteil 130 wirkenden Kraft ist. Diese veränderliche, von der Gegenmasse 102 weg gerichtete Kraft kann dann mit der Rückstellkraft, die die Generatorwelle 120 auf das zugseilartige Bauteil 130 ausübt verglichen werden bzw. steht dieser gegenüber. In anderen Worten, jener Teil, der auf das Generatorgehäuse 110 wirkenden Kraft, der von der Gegenmasse 102 weg gerichtet ist, steht der von der Generatorwelle 120 auf das zugseilartige Bauteil 130 ausgeübten Rückstellkraft gegenüber. Die auf das Generatorgehäuse 110 wirkende Kraft, und insbesondere die von der Gegenmasse 102 weg gerichtete Kraftkomponente, ist zeitlich veränderlich, wie es beispielsweise bei Wellengang auf einen Schwimmkörper der Fall ist.
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Die Generatorwelle 120 übt eine Rückstellkraft auf das zugseilartige Bauteil 130 aus. Dies kann auf unterschiedliche Arten realisiert werden. Die Generatorwelle 120 kann beispielsweise eine Federeinrichtung aufweisen (z.B. eine Spiralfeder oder eine Torsionsfeder) über die die Generatorwelle 120 mit dem Generatorgehäuse 110 verbunden ist, sodass beim Abrollen des zugseilartigen Bauteils 130 von der Generatorwelle 120 eine zunehmende Rückstellkraft erzeugt wird. Z.B. kann die Federeinrichtung in den Lagerbereichen der Generatorwelle 120 integriert sein. Alternativ kann die Generatorwelle auch mit einer anderen aktiven oder passiven Einrichtung zur Ausübung einer Rückstellkraft ausgebildet sein. Die Rückstellkraft steht der veränderlichen, auf das Generatorgehäuse 110 wirkenden Kraft gegenüber, sodass sich das Generatorgehäuse 110 von der Gegenmasse 102 entfernt, wenn die veränderliche Kraft größer als die Rückstellkraft ist. Umgekehrt bewegt sich das Generatorgehäuse 110 auf die Gegenmasse 102 zu, wenn die Rückstellkraft größer als die veränderliche Kraft ist. Dabei kann das zugseilartige Bauteil 130 jeweils auf die Generatorwelle 120 aufgerollt oder von ihr abgerollt werden. Die Generatorwelle 120 kann dabei so ausgelegt sein, dass die Rückstellkraft größer als ein minimaler Wert der veränderlichen Kraft und kleiner als ein maximaler Wert der veränderlichen Kraft ist.
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Das zugseilartige Bauteil 130 kann beispielsweise ein Zugseil, eine Zugkette oder ein anderes Bauteil sein, das Zugkräfte übertragen kann und wiederholbar auf ein zylinderförmiges Objekt aufrollbar und abrollbar ist.
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Das Generatorgehäuse 110 kann den elektrischen Generator mit seinem Rotor 140, seinem Stator 150 und der Generatorwelle 120 umschließen. Die Gegenmasse 102 ist beispielsweise außerhalb des Generatorgehäuses 110 angeordnet.
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Der Rotor 140 kann durch die Generatorwelle 120 über dem Freilauf beschleunigt werden. Dadurch rotiert der Rotor 140 innerhalb des Stators 150 des elektrischen Generators, der mit dem Generatorgehäuse 110 verbunden ist. Dadurch kann der elektrische Generator elektrisch Energie erzeugen. Der Stator 150 kann im Wesentlichen fest mit dem Generatorgehäuse 110 verbunden sein. Es können jedoch beispielsweise Dämpfungselemente oder andere Übergangsstrukturen zwischen dem Stator 150 und dem Generatorgehäuse 110 angeordnet sein, die kleine Relativbewegungen zwischen den beiden Bauteilen erlauben. Der Stator 150 kann also insofern fest mit dem Generatorgehäuse 110 verbunden sein, sodass der Stator 150 z.B. keine vollständigen Rotationen gegenüber dem Generatorgehäuse 110 ausführen kann.
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Ist die veränderliche Kraft z.B. so groß, dass durch das dadurch verursachte Abrollen des zugseilartigen Bauteils 130 die Generatorwelle 120 schneller rotieren würde als der Rotor 140 bereits rotiert, so wird der Rotor 140 über den Freilauf 142 mitgenommen und beschleunigt. Wird hingegen das zugseilartige Bauteil 130 so langsam abgerollt, dass die Generatorwelle langsamer rotiert als der Rotor 140, oder wird das zugseilartige Bauteil 130 aufgerollt, so kann der Rotor 140 durch den Freilauf weiter in Abrollrichtung rotieren und der elektrische Generator weiterhin elektrische Energie erzeugen. Wirkt auf das Generatorgehäuse 110 beispielsweise eine periodische Kraft, so kann der Rotor 140 beim Abrollen des zugseilartigen Bauteils 130 immer wieder beschleunigt werden. Hat der Rotor 140 beispielsweise eine ausreichende Schwungmasse, so kann trotz periodisch auf das Generatorgehäuse 110 wirkender Kraft eine sehr kontinuierliche Energieerzeugung erreicht werden.
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Die Generatorwelle 120 kann beispielsweise so ausgelegt sein, dass eine konstante Rückstellkraft auf das zugseilartige Bauteil 130 ausgeübt wird. Alternativ kann die Generatorwelle 120 eine vom Abrollzustand des zugseilartigen Bauteils 130 abhängige Rückstellkraft auf das zugseilartige Bauteil 130 ausüben. In anderen Worten, die Generatorwelle 120 kann beispielsweise eine größere Rückstellkraft auf das zugseilartige Bauteil 130 ausüben, wenn ein größerer Teil des zugseilartigen Bauteils 130 von der Generatorwelle 120 abgerollt ist, als wenn ein kleinerer Teil des zugseilartigen Bauteils 130 von der Generatorwelle 120 abgerollt ist.
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Der elektrische Generator kann auf unterschiedliche Arten realisiert werden. Dabei kann die Ankerwicklung, in der das Erregerfeld eine Spannung induziert, auf dem Rotor oder dem Stator angeordnet sein. Die erzeugte elektrische Energie kann an einer elektrischen Ausgangseinrichtung oder Anschlusseinrichtung bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die elektrische Ausgangseinrichtung ein Anschluss für ein Kabel sein.
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Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung elektrischer Energie kann beispielsweise ein Wellenenergiekonverter, ein Wellenkraftwerk, ein Wellenenergiegenerator oder ein Windkraftwerk sein oder Teil eines solchen sein.
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Im Wesentlichen bilden der Rotor 140 gemeinsam mit dem Freilauf 142 und der Generatorwelle 120 sowie der Stator 150 gemeinsam den elektrischen Generator. Zusätzlich kann die Vorrichtung 100 optional auch einen zweiten elektrischen Generator mit einem zweiten Rotor, der über einen zweiten Freilauf 148 mit der Generatorwelle 120 verbunden ist, und mit einem zweiten Stator 154 aufweisen. Es können also zwei elektrische Generatoren über die Generatorwelle 120 betrieben werden. Dabei kann das zugseilartige Bauteil 130 in einem Bereich zwischen den beiden elektrischen Generatoren auf die Generatorwelle 120 aufgerollt und von ihr abgerollt werden. In anderen Worten, die Vorrichtung 100 kann zusätzlich einen Rotor 144 und einen Stator 154 eines zweiten elektrischen Generators aufweisen. Dabei kann der Rotor 144 des zweiten elektrischen Generators über einen zweiten Freilauf 148 mit der Generatorwelle 120 verbunden sein und der Stator 154 des zweiten elektrischen Generators mit dem Generatorgehäuse 110 verbunden sein. Ein zur Aufnahme des zugseilartigen Bauteils 130 vorgesehener Bereich der Generatorwelle 120 kann dabei zwischen dem Rotor 140 des ersten elektrischen Generators und dem Rotor 144 des zweiten elektrischen Generators angeordnet sein. Dadurch kann eine im Wesentlichen symmetrische Anordnung, der mit der Generatorwelle 120 verbundenen Schwungmassen (in Form der Rotoren mit Freilauf) in Bezug auf den Bereich, in dem das zugseilartige Bauteil aufund abgerollt wird, erreicht werden, sodass es im Generatorgehäuse 110 zu einer ausgeglichenen Kräfteaufteilung kommt. Insbesondere bei Realisierung des Generatorgehäuses 110 als Schwimmkörper kann durch die gleichmäßigere Verteilung der Schwungmassen eine stabilere Schwimmlage erreicht werden.
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Für Anwendungen im Freien und insbesondere für Anwendungen im Wasser kann die Vorrichtung 100 zur Erzeugung elektrischer Energie so ausgelegt sein, dass in dem Generatorgehäuse 110 optional ein Überdruck erzeugbar ist, um ein Eindringen von Wasser oder Schmutz in das Generatorgehäuse 110 zu erschweren. Dazu kann das Generatorgehäuse 110 beispielsweise im Wesentlichen luftdicht ausgeführt sein. Das Generatorgehäuse 110 kann bereits bei der Herstellung der Vorrichtung 100 mit einem Gas (z.B. Luft) mit einem höheren Druck gefüllt werden, als ein zu erwartender Außendruck in dem späteren Einsatzgebiet der Vorrichtung 100. Alternativ kann die Vorrichtung 100 eine Einrichtung (z.B. eine Pumpe) aufweisen, die während des Betriebs der Vorrichtung 100 den Überdruck im Generatorgehäuse 110 erzeugt und/oder aufrecht erhalten kann.
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Beispielsweise kann die Vorrichtung 100 optional zusätzlich einen Drucksensor aufweisen, der den Überdruck in dem Generatorgehäuse 110 misst und ein dem gemessenen Druck entsprechendes Messsignal bereitstellt oder ein Warnsignal bereitstellt, wenn der gemessene Druck geringer ist als ein definierter Grenzwert. Dadurch kann ein Druckverlust in dem Generatorgehäuse 110 frühzeitig erkannt werden und entweder ein Warnsignal an den Betreiber der Vorrichtung 100 abgegeben werden oder eine Einrichtung (z.B. Pumpe) aktiviert werden, die wieder für den nötigen Überdruck sorgt.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Generatorgehäuse 110 als Schwimmkörper ausgelegt sein und die veränderliche Kraft z.B. durch eine veränderliche Auftriebskraft aufgrund eines Wellengangs eines Gewässers erzeugbar sein. In anderen Worten, das Generatorgehäuse 110 kann so konstruiert sein, dass es auf Wasser schwimmt und aufgrund eines Wellengangs des Gewässers seinen Abstand zur Gegenmasse 102 verändert. Entfernt sich das Generatorgehäuse 110 durch den Wellengang von der Gegenmasse 102, so wird das zugseilartige Bauteil 130 von der Generatorwelle 120 abgerollt. Umgekehrt wird das zugseilartige Bauteil 130 auf die Generatorwelle 120 aufgerollt, wenn sich das Generatorgehäuse 110 aufgrund des Wellengangs der Gegenmasse 102 annähert. Dadurch kann ein Wellenenergiekonverter, ein Wellenkraftwerk oder ein Wellenenergiegenerator realisiert werden, der eine hohe Energieausbeute und/oder eine kontinuierlichere Erzeugung von elektrischer Energie ermöglichen kann.
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In diesem Beispiel kann das zugseilartige Bauteil 130 direkt oder indirekt mit einem Meeresboden verbindbar (z.B. durch eine Verankerungskonstruktion oder ein Fundament) oder verbunden (z.B. mit einem Felsen am Meeresgrund) sein, sodass der Meeresboden zumindest einen Teil der Gegenmasse 102 oder die Gegenmasse 102 bildet. Trifft ein Wellenberg auf das schwimmende Generatorgehäuse 110, so steigt die veränderliche Kraft auf das Generatorgehäuse 110 an, da das Generatorgehäuse 110 vom Meeresgrund, also der Gegenmasse 102, weggedrückt wird. Umgekehrt lässt die veränderliche Kraft nach, wenn ein Wellental auf das Generatorgehäuse 110 trifft, da sich das Generatorgehäuse 110 aufgrund der nachlassenden Auftriebskraft der Gegenmasse 102 annähert.
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Unabhängig vom Einsatzgebiet (z.B. im Wasser oder am Land) kann das zugseilartige Bauteil 130 auf unterschiedliche Arten aus dem Generatorgehäuse 110 hinausgeführt werden, um direkt oder indirekt mit der Gegenmasse 102 verbunden zu werden. Beispielsweise kann das zugseilartige Bauteil 130 durch eine Öffnung im Generatorgehäuse 110 geführt werden. Die Durchführung kann eine Dichtung aufweisen, um ein Eindringen von Schmutz oder Wasser in das Generatorgehäuse 110 durch die Öffnung zu verhindern.
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Alternativ kann die Vorrichtung 100 beispielsweise einen Faltenbalg 160 aufweisen, der mit einem ersten Ende mit dem Generatorgehäuse 110 (insbesondere mit einer Öffnung in dem Generatorgehäuse, durch die das zugseilartige Bauteil führt) verbunden ist und mit einem Endstück an seinem zweiten Ende mit der Gegenmasse 102 verbunden ist. Das Endstück kann dabei beispielsweise mit einem Seil oder einer Kette mit der Gegenmasse 102 verbunden sein. Ferner kann dann das zugseilartige Bauteil 130 mit seinem zweiten Ende mit dem Endstück des Faltenbalgs verbunden sein, sodass das zugseilartige Bauteil 130 indirekt mit der Gegenmasse 102 verbunden ist. In anderen Worten, der Faltenbalg 160 kann luft- und/oder wasserdicht mit einer Öffnung des Generatorgehäuses 110, durch die das zugseilartige Bauteil 130 führt, verbunden sein. Das zugseilartige Bauteil 130 kann dann von der Generatorwelle 120 durch die Öffnung des Generatorgehäuses 110 im Inneren des Faltenbalgs 160 zu dem Endstück des Faltenbalgs 160 führen. Der Faltenbalg 160 kann dann beispielsweise mit seinem Endstück über ein weiteres zugseilartiges Bauteil mit der Gegenmasse 102 (z.B. dem Meeresboden oder einer Verankerung am Meeresboden) verbunden sein.
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Ist der Faltenbalg 160 luftdicht mit dem Generatorgehäuse 110 verbunden, kann beispielsweise ein Überdruck in dem vom Generatorgehäuse 110 und dem Faltenbalg 160 gebildeten Volumen erzeugt werden, wie es bereits zuvor für das Generatorgehäuse 110 beschrieben wurde.
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Der Faltenbalg 160 kann das zugseilartige Bauteil 130 vor einer Beschädigung durch äußere Einflüsse (z.B. Korrosion oder Beschädigung durch Tiere sowohl im Wasser als auch an Land) verhindern.
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Da sich das Volumen des Faltenbalgs 160 im Betrieb durch das Aufrollen und Abrollen des zugseilartigen Bauteils 130 verändert, kann das Volumen des Generatorgehäuses 110 z.B. größer gewählt werden als das Volumen des Faltenbalgs 160, sodass das sich verändernde Volumen des Faltenbalgs 160 nur einen geringen Einfluss auf den Luftdruck im Generatorgehäuse 110 hat. Beispielsweise kann das Generatorgehäuse 110 mehr als 5 mal (oder mehr als 10 mal, mehr als 20 mal oder mehr) größer sein als das Volumen, das der Faltenbalg 160 in seiner maximalen Ausdehnung einnimmt.
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Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Doppelgenerator mit Freilauf für Wellenkraftvorrichtungen (beispielsweise passend für Punktabsorber-Konzepte).
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Durch die Verwendung des beschriebenen Konzepts kann elektrische Leistung oder elektrische Energie in beiden Richtungen erzeugt werden. In anderen Worten, durch das beschriebene Konzept kann ein Doppelgenerator mit Freilauf in einem Punktabsorber-Wellenenergiekonverterrahmen implementiert werden. Ein Hauptteil der Vorrichtung ist beispielsweise ein Schwimmkörper (das Generatorgehäuse), welcher direkt an einen Balg 9 befestigt ist, welcher ein Zugseil 2 aufweist, welches über ein Halteseil oder ein stabiles Ankerseil 1 (ein synthetisches Seil oder Kette) direkt mit dem Meeresboden 12 verbunden ist. Eine stabile Meeresbodenbefestigung kann wichtig sein, da es die gesamte Vorrichtung mit einer optimalen Länge in Position halten kann, während unterschiedliche Meereszustände (Sturm / hohe und niedrige Gezeiten / unterschiedliche Wellenintensität) auftreten können. Genauso kann sie als ein Schutzmechanismus im Fall von Stürmen funktionieren, sodass der Wellenenergiekonverter jederzeit richtig positioniert ist und es dem Energiekonverter ebenso möglich ist im Fall von hohen Wellen oder Flutwasser in einem untergetauchten Betrieb zuverlässig zu arbeiten.
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Der Balg kann direkt an dem Schwimmkörper angebracht sein und kann einen definierten Überdruck als Schutz vor Lecks halten. Daher kann der Balg während der ganzen Betriebszeit des Wellenenergiekonverters in seinem Zustand überwacht werden. Er ist beispielsweise eine andere wichtige Komponente des gesamten Energiekonverter-Systems, da er dem Schwimmkörper-Wickeltrommel-Zugseilsystem die nötige Flexibilität geben kann, wenn der Schwimmkörper, verursacht durch einen ständigen Prozess von ankommenden und abgehenden Wellen, seine Position in vertikaler Richtung nach oben und unten bewegt. Zusätzlich kann durch eine vordefinierte Bewegungslänge oder einer erlaubten Vergrößerungsbereich des Balgs die Schwimmhöhe des Schwimmkörpers kontrolliert, reguliert oder definiert werden. Mit einem festgelegten minimal und/oder maximal erlaubten Vergrößerungsbereich kann die Bewegung kontrolliert und z.B. entsprechend die Seillänge jederzeit konstant gehalten werden. Der Balg kann dabei aus seewasser- und abnutzungsresistentem Material gefertigt sein.
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Die Wickeltrommel (für das zugseilartige Bauteil vorgesehenen Bereich der Generatorwelle) kann beispielsweise eine Kernkomponente sein, welche direkt (drehbar gelagert) an den Schwingkörper angebunden sein kann und das Zugseil unter Spannung halten kann. Sie funktioniert beispielsweise als Spiralfeder (Freilauf mit Aufwickel-/Abwickelfunktion 3), was heißt, wenn der Körper in vertikaler Richtung (Schwimmkörper auf der Welle) aufwärts treibt, kann sich das Zugseil von der Wickeltrommel bis zu dem maximal definierten erlaubten Vergrößerungsbereich abwickeln. Wenn sich die Welle vorwärts bewegt 10, 11 (z.B. Wellenkamm, Wellenberg), bewegt sich der Schwimmkörper entsprechend hinunter, sodass sich das Zugseil in der Wickeltrommel aufwickelt bis der minimale definierte erlaubte Vergrößerungsbereich erreicht ist. Danach startet der Prozess von neuem, wenn die nächste Welle ankommt. Das beschriebene Arbeitskonzept ist ein anhaltender Prozess während der Schwimmkörper in einer Wellenumgebung nach oben und unten schwimmt. Er stoppt, wenn keine Wellen an dem Schwimmkörper ankommen. Die Wickeltrommel kann über eine Festlager-/Loslagerkonfiguration 4, 5 in dem Schwimmkörper befestigt sein.
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Für die finale elektrische Leistungserzeugung kann ein Anker 7 (stromerzeugende Wicklung oder Läufer, der gleichzeitig als Schwungmasse dienen kann, rotierend) in den Stator (Statorwicklung) 8 implementiert sein, welcher direkt in dem Schwimmkörper befestigt sein kann und als eine Schwungmasse (bezüglich der Auf- und Ab-Bewegungen in den Wellen) funktionieren kann, welcher in einer Richtung vielfach über die tatsächliche Bewegung des Schwimmkörpers beschleunigt werden kann. Wenn sich der Anker nach oben und unten bewegt, kann er beständig elektrische Leistung in beiden Richtungen erzeugen. Durch die Verwendung des Konzepts in einem Wellenenergiekonverter kann es ermöglicht werden, dass die Vorrichtung eine höhere Energieproduktion erreicht und verwendet werden kann, um eine geglättete elektrische Leistungsumwandlung zu realisieren, insbesondere wenn die Wellenintensität nachlässt und der Anker sich immer noch bewegt. Dabei kann es beispielsweise wichtig sein, dass der Anker (Rotor) nur in eine Richtung verträglich mit dem Schwimmkörper-Wickeltrommel-Zugseilsystem (Aufwickel-/Abwickelprozess) beschleunigt wird.
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Die Generatorwelle kann als Welle 6 mit Aufwickelnuten im Mittelbereich ausgebildet sein. Ferner kann das Zugseil 2 immer unter leichter Spannung stehen. Zusätzlich kann der Freilauf 3 mit Aufwickelfunktion bei Entlastung oder Richtungswechsel realisiert sein. Der Rotor kann als Läufer 7, gleichzeitig als Schwungmasse, rotierend implementiert sein. Optional kann der Faltenbalg 9 mit dem Schwimmkörper verbunden sein und ein leichter Überdruck im Faltenbalg und dem Schwimmkörper sensorüberwacht sein. Bei Druckabfall kann eine Warnung erfolgen. Der elektrische Generator kann über ein Kabel 13 für die Stromableitung mit einem Abnehmer verbunden sein.
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In anderen Worten, durch das beschriebene Konzept kann eine erhöhte Leistungsproduktion beispielsweise in einem Wellenenergiepunktabsorber-Konzept erreicht werden. Die Erhöhung der Energieproduktion und dadurch der Effizienz des Wellenenergiekonverters, was heißt die Generatorkosten zu verringern, hilft die Gesamtleistung des Konverters zu verbessern. Der Doppelgenerator mit Freilauf ermöglicht der Leistungserzeugungseinheit mehr Leistung zu erzeugen und kann unterschiedliche Wellenintensitäten ausgleichen, um eine glattere oder kontinuierlichere Energieproduktion zu ermöglichen. Zusätzlich kann das Konzept ein einmaliges Ankerkonzept ermöglichen, welches die Kontrolle über die gesamte Vorrichtung in jedem Meereszustand ermöglichen kann und dadurch die Zuverlässigkeit der gesamten Vorrichtung erhöhen kann.
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Das zuvor beschriebene Konzept kann beispielsweise in Windturbinenanwendungen oder Gezeitenturbinenanwendungen Verwendung finden.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 300 zur Erzeugung von elektrischer Energie gemäß eines Ausführungsbeispiels. Das Verfahren 300 umfasst ein Ausüben 310 einer Rückstellkraft auf ein zugseilartiges Bauteil, das mit einem ersten Ende an einer Generatorwelle befestigt ist und mit dem zweiten Ende direkt oder indirekt mit einer Gegenmasse verbunden ist, durch eine in einem Generatorgehäuse drehbar gelagert angeordnete Generatorwelle, sodass das zugseilartige Bauteil auf die Generatorwelle aufgerollt wird, wenn eine veränderliche, von der Gegenmasse weg gerichtete, auf das Generatorgehäuse wirkende Kraft kleiner als die Rückstellkraft ist, und sodass das zugseilartige Bauteil von der Generatorwelle abgerollt wird, wenn die veränderliche, von der Gegenmasse weg gerichtete, auf das Generatorgehäuse wirkende Kraft größer als die Rückstellkraft ist. Ferner umfasst das Verfahren 300 ein Beschleunigen 320 eines Rotors eines elektrischen Generators, der über einen Freilauf mit der Generatorwelle verbunden ist, in Abrollrichtung über die Generatorwelle durch Mitnahme über den Freilauf, wenn die veränderliche Kraft größer ist als die Rückstellkraft, sodass der elektrische Generator elektrische Energie erzeugt. Dabei ist ein Stator des elektrischen Generators mit dem Generatorgehäuse verbunden. Zusätzlich umfasst das Verfahren 300 ein Fortsetzen 330 der Rotation des Rotors in Abrollrichtung, wenn die veränderliche Kraft kleiner ist als die Rückstellkraft und das zugseilartige Bauteil entgegen der Abrollrichtung aufgerollt wird, sodass der elektrische Generator weiterhin elektrische Energie erzeugt.
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Das Verfahren 300 kann weitere optionale, zusätzliche oder alternative Verfahrensschritte aufweisen, die optionalen, zusätzlichen oder alternativen Ausgestaltungen entsprechen, die in Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen erläutert wurden.
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Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Programm mit einem Programmcode zum Durchführen eines zuvor beschriebenen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer, einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente ausgeführt wird.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und in den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
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Obwohl manche Aspekte der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschritts zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details bzw. Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele präsentiert wurden, beschränkt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ankerseil
- 2
- Zugseil
- 3
- Freilauf
- 4
- Festlager
- 5
- Loslager
- 6
- Welle mit Aufwickelrillen
- 7
- Läufer
- 8
- Statorwicklung
- 9
- Faltenbalg
- 10
- Wellenkamm
- 11
- Wellenberg
- 12
- Meeresboden
- 13
- Kabel für Stromableitung
- 100
- Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie
- 102
- Gegenmasse
- 110
- Generatorgehäuse
- 120
- Generatorwelle
- 122
- Erstes Lager
- 124
- Zweites Lager
- 130
- Zugseilartiges Bauteil
- 140
- Rotor
- 142
- Freilauf
- 144
- Zweiter Rotor
- 148
- Zweiter Freilauf
- 150
- Stator
- 154
- Zweiter Stator
- 160
- Faltenbalg
- 300
- Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie
- 310
- Ausüben einer Rückstellkraft
- 320
- Beschleunigen eines Rotors
- 330
- Fortsetzen des Rotation
