DE102013208070A1

DE102013208070A1 - Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102013208070A1
Application number: DE102013208070.0A
Authority: DE
Inventors: Heinz Breunig; Michael Baumann
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2013-05-02
Filing date: 2013-05-02
Publication date: 2014-11-06

Abstract

Eine Vorrichtung (100) zur Erzeugung elektrischer Energie umfasst eine Antriebswelle (120) und eine Verbindungseinrichtung (130). Die Antriebswelle (120) kann einen elektrischen Generator (140) antreiben. Ferner kann die Verbindungseinrichtung (130) einen Schwimm- oder Tauchkörper (110) mit der Antriebswelle (120) mechanisch koppeln, sodass eine Bewegung (112) des Schwimm- oder Tauchkörpers (110) parallel zu einer Rotationsachse der Antriebswelle (120) in eine Rotationsbewegung (122) der Antriebswelle (120) umgewandelt wird.

Description

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf das Gebiet der elektrischen Energiegewinnung und insbesondere auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie.
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.
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.
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-/off-shore), sein. Daher werden nur die kosteneffizientesten Energiekonverterkonzepte überleben, bevor die gewerbliche Verwendung beginnen wird.
Das weltweite technisch und ökonomisch, erschließbare Wellenenergiepotenzial liegt nach einer Prognose bei etwa 1400 Terrawattstunden pro Jahr, was 10 Prozent des heutigen Weltenergiebedarfs entspricht. Dieses Potenzial kann sich auf mehrere Wellenenergie-Grundprinzipien aufteilen. Sehr vielversprechend ist dabei das Punktabsorberprinzip, da es offshore-tauglich (vor der Küste befindlich) und nicht durch Brandungen oder seichte Küstengewässer limitiert ist, wie viele andere Typen. Dabei sind einige technische Herausforderungen zu überwinden. Einige davon sind bedingt durch die meteorologischen und ozeanografischen Bedingungen, wie Windgeschwindigkeit und Richtung, Wellenhöhe, Periode und Richtung, Tageslicht und Sichtbarkeit, Bedrohung durch Stürme, Meereseis und Eisberge, Wassertiefen, Meerwuchs (z.B. weicher Wuchs, wie Seegras, harter Wuchs, wie Krustentiere), Sedimentablagerungen, Erosion und Steinbewegungen, Meeresleben, Salzwasserumgebung und Einfluss von Korrosion, hohe Energiedichte, große Kräfte, Intensität von Turbulenzen und variable Wellenfrequenz und begrenzte Zugänglichkeit, die vom Standort oder dem Aufstellungsort und vom Wetterfenster abhängen.
Aus der Technologieperspektive erhöht das infolgedessen die Anforderungen an eine hohe Zuverlässigkeit der Geräte, um die Zuverlässigkeit, eine schnelle, einfache und kostengünstige Wartung, die Überlebensfähigkeit und ein Erreichen der Schlüsseltriebkraft der industriellen wirtschaftlichen Energieerzeugung zu ermöglichen. Unter Berücksichtigung dieser technologischen Herausforderungen und Anforderungen werden beispielsweise neue und einmalige Technologien begünstigt, welche mit der Raumumgebung zurechtkommen und die Wellenenergie mit hoher Leistung und kosteneffizient ausnützen können.
Wellenkrafteinrichtungen können in mehrere Hauptenergiekonvertertypen gruppiert werden. Eines der bekanntesten Konzepte ist das erwähnte 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 oder anderer Bauteile. Den bekannten Konzepten ist jedoch gemeinsam, dass die Energieausbeute gering und meistens sehr unkontinuierlich ist.
Es besteht daher der Bedarf, ein Konzept zur Erzeugung von elektrischer Energie zu schaffen, dass es ermöglicht, die Energieausbeute und/oder die Lebensdauer zu erhöhen und/oder den Wartungsaufwand zu reduzieren.
Dieser Bedarf wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie gemäß Anspruch 1 gedeckt.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, die eine Antriebswelle und eine Verbindungseinrichtung aufweist. Die Antriebswelle ist ausgelegt, um einen elektrischen Generator anzutreiben. Ferner ist die Verbindungseinrichtung ausgelegt, um einen Schwimm- oder Tauchkörper mit der Antriebswelle mechanisch zu koppeln, sodass eine Bewegung des Schwimm- oder Tauchkörpers parallel zu einer Rotationsachse der Antriebswelle in eine Rotationsbewegung der Antriebswelle umgewandelt wird.
Durch die mechanische Kopplung des Schwimm- oder Tauchkörpers und der Antriebswelle über die Verbindungseinrichtung kann eine sehr effiziente Umwandlung der translatorischen Bewegung des Schwimm- oder Tauchkörpers auf eine rotatorische Bewegung der Antriebsachse erfolgen, sodass Wellenenergie mit hoher Effizienz in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Ferner kann die mechanische Kopplung eine hohe Lebensdauer der Vorrichtung ermöglichen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen weist die Antriebswelle in einem Bereich der Bewegung der Verbindungseinrichtung ein Gewinde oder eine Spindelnut auf und die Verbindungseinrichtung weist eine Spindelmutter, eine Kugelumlaufmutter oder eine Kugelrollenmutter auf, die in das Gewinde der Antriebswelle eingreift. Dadurch kann auf einfache Art und Weise der Schwimm- oder Tauchkörper mit der Antriebswelle mechanisch gekoppelt werden.
Einige Ausführungsbeispiele umfassen eine Halteeinrichtung an der der elektrische Generator und die Antriebswelle außerhalb des Wassers über dem Schwimm- oder Tauchkörper befestigt sind. Dadurch können die sensibleren Bauteile der rauhen Umgebung im Wasser entzogen werden, wodurch die Lebensdauer und/oder der Wartungsaufwand deutlich reduziert werden kann.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das Gehäuse des Generators als Schwimmkörper ausgebildet, sodass das Generatorgehäuse an der Wasseroberfläche schwimmt. Ferner führt die Antriebswelle von dem Generatorgehäuse in das Wasser und der Schwimm- oder Tauchkörper ist als Tauchkörper ausgebildet. Dadurch kann eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit geringem Aufwand und hoher Effizienz implementiert werden.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend, bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren, näher erläutert. Diese zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie;
2 eine schematische Darstellung eines Teils einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie;
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie; und
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Erzeugung 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.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur Erzeugung elektrischer Energie als ein Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 umfasst einen optionalen Schwimm- oder Tauchkörper 110, eine Antriebswelle 120 und eine Verbindungseinrichtung 130. Der Schwimm- oder Tauchkörper 110 kann auf einer Wasseroberfläche 102 schwimmen oder unter der Wasseroberfläche 102 tauchen, um einer Wellenbewegung des Wassers zumindest teilweise zu folgen. Die Verbindungseinrichtung 130 kann mit einem externen Schwimm- oder Tauchkörper 110 verbindbar sein oder der Schwimm- oder Tauchkörper 110 kann Teil der Vorrichtung 100 sein und mit der Verbindungseinrichtung 130 verbunden oder daran befestigt sein.
Ist der Schwimm- oder Tauchkörper 110 als Schwimmkörper ausgebildet, so ist der Schwimmkörper durch seine Geometrie und/oder sein Material so beschaffen, dass die auf ihn wirkende Auftriebskraft ihn zumindest teilweise über der Wasseroberfläche 102 hält. Der Schwimmkörper folgt dann im Wesentlichen (z.B. bis auf eine zeitliche Verzögerung und Glättung durch seine Massenträgheit) der Wellenbewegung, insbesondere in vertikaler Richtung.
Ist der Schwimm- oder Tauchkörper 110 als Tauchkörper ausgebildet, so kann das Masse-zu-Volumen-Verhältnis des Tauchkörpers so ausgewählt oder geregelt werden, dass der Tauchkörper in einer gewünschten oder vordefinierten Wassertiefe unter der Wasseroberfläche 102 schwebt. Unter der Wasseroberfläche 102 folgt der Tauchkörper je nach Wassertiefe stärker oder weniger stark (also zumindest teilweise) der Wellenbewegung.
Die Antriebswelle 120 kann einen elektrischen Generator 140 antreiben. Der elektrische Generator 140 kann Teil der Vorrichtung 100 sein oder eine externe Einheit sein an die die Antriebswelle 120 direkt oder indirekt gekoppelt ist. Der elektrische Generator 140 kann basierend auf einer Rotationsbewegung 122 der Antriebswelle 120 elektrische Energie erzeugen. Ist der elektrische Generator 140 Teil der Vorrichtung 100 kann beispielsweise die Antriebswelle 120 direkt als Rotorwelle des elektrischen Generators 140 ausgebildet oder implementiert sein. Alternativ kann eine Rotorwelle des elektrischen Generators 140 (unabhängig ob intern oder extern) über eine Kupplung oder Kupplungseinrichtung mit der Antriebswelle 120 verbunden sein. Dadurch kann die Antriebswelle beispielsweise bei zu hohem Seegang oder zu Wartungszwecken von dem elektrischen Generator 140 abgekoppelt werden. Ferner kann zwischen Antriebswelle 120 und elektrischem Generator 140 auch ein Getriebe angeordnet werden, um eine Drehzahl der Antriebswelle 120 auf eine gewünschte oder vorbestimmte Drehzahl für den elektrischen Generator 140 umzusetzen.
Die Antriebswelle 120 ist beispielsweise im Wesentlichen (z.B. bis auf durch die Meeresbewegung verursachte Schwankungen) parallel zu der Gravitationskraft orientiert. Dadurch kann ein möglichst großer Teil der Wellenbewegung in eine Bewegung des Schwimmkörpers 110 parallel zur Rotationsachse der Antriebswelle 120 umgewandelt werden. Es sind jedoch auch davon abweichende Orientierungen möglich.
Die Verbindungseinrichtung 130 kann den Schwimm- oder Tauchkörper 110 mit der Antriebswelle 120 mechanisch koppeln, sodass eine Bewegung 112 des Schwimm- oder Tauchkörpers 110 parallel zu einer Rotationsachse der Antriebswelle 120 in eine Rotationsbewegung 122 der Antriebswelle 120 umgewandelt werden kann. Eine solche mechanische Kopplung kann auf unterschiedliche Arten erfolgen und kann eine Möglichkeit bieten, um eine kostengünstige, langlebige und effiziente Umwandlung von translatorischer Bewegung in rotatorische Bewegung zu gewährleisten.
Beispielsweise kann die Antriebswelle 120 ein Gewinde aufweisen und die Verbindungseinrichtung 130 eine Mutter aufweisen. Dabei können die Oberflächen des Außengewindes der Antriebswelle 120 und des Innengewindes der Mutter so beschaffen sein, dass beim Aneinandergleiten der Flächen geringe Reibungsverluste entstehen (z.B. durch sehr glatte Oberflächen und/oder ein Gewinde mit starker Steigung, also wenig Windungen pro Längeneinheit der Antriebswelle).
Alternativ kann die Antriebswelle 120 beispielsweise in zumindest einem Bereich der Bewegung der Verbindungseinrichtung 130 (z.B. zwischen einer höchsten und tiefsten Position, die durch die Wellenbewegung über den Schwimmkörper erreichbar ist) ein Gewinde oder eine Spindelnut aufweisen und die Verbindungseinrichtung 130 eine Spindelmutter, eine Kugelumlaufmutter oder eine Kugelrollmutter aufweisen, die in das Gewinde der Antriebswelle 120 eingreift. In anderen Worten, zwischen einem Gewinde oder einer Spindelnut der Antriebswelle 120 und einer Spindelnut oder einem Gewinde der Verbindungseinrichtung 130 können Wälzkörper angeordnet werden (z.B. Kugeln). Dadurch können die Reibungsverluste bei der Umwandlung von translatorischer Bewegung in rotatorische Bewegung deutlich reduziert werden. Ferner kann beispielsweise eine geringere Steigung des Gewindes oder der Spindelnut der Antriebswelle 120 gewählt werden, sodass höhere Drehzahlen der Antriebswelle 120 erreicht werden können. In anderen Worten, durch die Verbindungseinrichtung 130 und die Antriebswelle 120 kann ein Wälzkörpergewindetrieb implementiert werden, um die Bewegung 112 des Schwimm- oder Tauchkörpers 110 in eine Rotationsbewegung 122 der Antriebswelle 120 umzuwandeln.
2 zeigt ein Detail einer möglichen Implementierung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Gehäuse 250, bei der der Schwimmkörper über Trageelemente 232 (z.B. Stangen oder Rohre) der Verbindungseinrichtung 130 gehalten wird. Die Verbindungseinrichtung 130 weist eine Kugelrollmutter 231 auf, die in ein Gewinde der Antriebswelle 120 eingreift.
Ferner weist die Verbindungseinrichtung 130 optional zumindest ein Führungselement 233 auf, das eine Bewegung 112 des Schwimm- oder Tauchkörpers im Wesentlichen (z.B. bis auf elastische Verformungen durch vom Wellengang verursachte Kräfte) auf eine Bewegung parallel zu der Rotationsachse der Antriebswelle 120 begrenzt. Beispielsweise kann dies durch axiale Gleitlager oder Wälzlager (z.B. Linearlager, wie in 2 gezeigt) implementiert werden, die sich an Führungsbauteilen 252, die parallel zur Antriebsachse 120 im Gehäuse 250 angeordnet sind, verschieben lassen. Die Antriebswelle 120 kann gleichzeitig den Rotor des elektrischen Generators 140 bilden und an einem dem elektrischen Generator 140 gegenüberliegenden Ende an einer Lagereinrichtung 224 des Gehäuses 250 gelagert sein. Die Trageelemente 232 der Verbindungseinrichtung 130 können über Durchführungen 234 im Gehäuse 250 mit dem Schwimm- oder Tauchkörper verbunden werden und durch die Durchführungen 234 parallel zur Antriebswelle 120 bewegbar sein. Ferner kann die vom elektrischen Generator 140 erzeugte elektrische Energie über Anschlusskabel 242 an einen Verbraucher bereitgestellt werden.
Durch die Führungselemente 233 und die Führungsbauteile 252 kann eine Belastung der Antriebswelle 120 durch radiale Kräfte deutlich reduziert werden. Dadurch kann die Lebensdauer und/oder die Wartungsaufwändigkeit reduziert werden. Alternativ kann die Antriebswelle 120 auch alleine ausreichend Führung für die Bewegung des Schwimm- oder Tauchkörpers bieten, sodass die Vorrichtung mit geringem Aufwand und kostengünstig implementiert werden kann.
Optional, alternativ oder zusätzlich zu einem oder mehreren der zuvor beschriebenen Aspekte kann die Vorrichtung 100 eine Halteeinrichtung aufweisen, an welcher der elektrische Generator 140 und die Antriebswelle 120 außerhalb des Wassers über dem Schwimm- oder Tauchkörper 110 befestigt sind (wie es auch in 1 angedeutet ist). In anderen Worten, es kann ausreichend sein, dass der Schwimm- oder Tauchkörper 110 in Kontakt mit dem Wasser ist und durch eine Halteeinrichtung ermöglicht wird, die anderen Bauteile oder die meisten anderen Bauteile außerhalb des Wassers anzuordnen. Dadurch können die sensibleren Elemente der Vorrichtung 100 (z.B. elektrischer Generator und Antriebswelle) vom Wasser besser geschützt werden, wodurch die Lebensdauer und der Wartungsaufwand reduziert werden kann.
Eine solche Halteeinrichtung kann optional genau eine Energieerzeugereinheit (z.B. umfassend einen Schwimm- oder Tauchkörper, eine Antriebswelle, eine Verbindungseinrichtung und einen elektrischen Generator) halten. Die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie kann jedoch auch eine Mehrzahl von solchen Energieerzeugungseinheiten aufweisen, bei der jede Energieerzeugungseinheit einen Schwimm- oder Tauchkörper, eine Antriebswelle, eine Verbindungseinrichtung und einen elektrischen Generator aufweist. Die Energieerzeugungseinheiten können dann nebeneinander entlang der Halteeinrichtung (z.B. in einer Linie oder in einem Feld) der Vorrichtung angeordnet sein und der elektrische Generator und die Antriebswelle können jeweils außerhalb des Wassers über dem jeweiligen Schwimm- oder Tauchkörper an der Halteeinrichtung befestigt sein. Dadurch kann eine Halteeinrichtung für mehrere Energieerzeugereinheiten verwendet werden, sodass der Kostenaufwand und Installationsaufwand pro Energieerzeugereinheit reduziert werden kann.
Ein Beispiel für eine solche Vorrichtung 300 zur Erzeugung elektrischer Energie ist in 3 als ein Ausführungsbeispiel gezeigt. Diese Vorrichtung 300 weist fünf nebeneinander entlang der Halteeinrichtung 360 angeordnete Energieerzeugereinheiten mit je einem Schwimm- oder Tauchkörper 110, einer Antriebswelle 120, einer Verbindungseinrichtung 130 und einem elektrischen Generator 140 auf. Ferner kann jede Energieerzeugungseinheit eine oder mehrere zusätzliche Aspekte implementieren, die im Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen Konzept oder einem der beschriebenen Ausführungsbeispiele erläutert wurden.
Eine Halteeinrichtung 360 kann beispielsweise je ein Gehäuse für jede Energieerzeugungseinheit aufweisen, welche an einem tragenden Bauteil (z.B. Stahlträger) nebeneinander angeordnet sein können.
Die Halteeinrichtung 360 kann auf unterschiedliche Arten abgestützt werden. Beispielsweise kann die Halteeinrichtung 360 zumindest an zwei Stellen (z.B. an den Enden oder bei einem Feld an den Ecken) auf Schwimmkörper 370 abgestützt werden. Dabei ist beispielsweise ein abstützender Schwimmkörper 370 größer oder weist mehr Auftrieb auf als ein Schwimm- oder Tauchkörper 110 einer Energieerzeugereinheit. Dadurch bewegen sich die Schwimmkörper 370 der Halteeinrichtung 360 und somit die Halteeinrichtung 360 selbst bei Wellengang deutlich weniger als die Schwimm- oder Tauchkörper 110 der Energieerzeugereinheiten.
Alternativ kann die Halteeinrichtung 460 an zumindest einer Stelle 480 an einem Boden des Gewässers (z.B. am Meeresboden) verankert werden, wie es in 4 für eine Vorrichtung 400 zur Erzeugung elektrischer Energie als Ausführungsbeispiel gezeigt ist. In diesem Beispiel ist die Halteeinrichtung 460 an den beiden Enden über jeweils ein Stützbauteil (z.B. Stahlbetonbauteil) am Boden des Gewässers verankert. Ferner gelten die Ausführungen zu 3.
Optional, alternativ oder zusätzlich zu einem oder mehreren der zuvor beschriebenen Aspekte kann bei einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie ein Gehäuse des Generators 140 als Schwimmkörper ausgebildet sein. Dadurch kann ermöglicht werden, dass das Generatorgehäuse an der Wasseroberfläche 102 schwimmt und die Antriebswelle 120 von dem Generatorgehäuse in das Wasser (in Richtung Boden des Gewässers) führt. Die Höhe mit der das Generatorgehäuse über die Wasseroberfläche 102 hinausragt kann beispielsweise durch eine entsprechende Geometrie, Größe und/oder Materialwahl variiert werden. Dabei kann der Schwimm- oder Tauchkörper 110 als Tauchkörper implementiert werden. Ein Beispiel für eine solche Vorrichtung 500 zum Erzeugen elektrischer Energie ist als Ausführungsbeispiel in 5 gezeigt. Dadurch kann der Tauchkörper 110 direkt auf Höhe der Antriebswelle 120 implementiert werden und diesen zumindest teilweise oder vollständig radial umgeben. Die Verbindungseinrichtung 130 kann dann zwischen dem Tauchkörper 110 (und mit diesem verbunden) und der Antriebswelle 120 angeordnet sein und beispielsweise als eingefügter Teil mit Spindelnut oder Kugelrollmutter implementiert sein (z.B. Spindelnut am Schwimmkörper). Die Vorrichtung 500 kann an einem den Generatorgehäuse gegenüberliegenden Ende über ein zugseilartiges Bauteil 560 (z.B. Haltetau, Ankerkette oder Kunststoffseil) mit einem Schwerkraftbauteil 570 am Boden des Gewässers (z.B. Betonfundament oder Verankerung) verbunden sein. Dadurch kann die Vorrichtung 500 an seiner Position gehalten werden.
Der Tauchkörper 110 kann so ausbalanciert sein, dass er im Bereich der Antriebswelle 120 unter Wasser schwebt. Dadurch kann der Tauchkörper 110 einer Wellenbewegung des Wassers zumindest teilweise (z.B. umso stärker, je näher an der Wasseroberfläche) folgen. Gewicht und Volumen des Tauchkörpers 110 können bereits bei der Herstellung so gewählt werden, dass der Tauchkörper 110 in einer gewünschten oder vordefinierten Wassertiefe schwebt und so ausreichend Bewegung entlang der Antriebswelle 120 durchführen kann. Alternativ kann der Tauchkörper 110 einen Hohlraum 518 und ein Ventil 516 (z.B. zum Belastungs- oder Entlastungssystem) aufweisen, wie es in 5 gezeigt ist. Über das Ventil 516 kann der Hohlraum 518 mit Wasser befüllt werden oder Wasser aus dem Hohlraum 518 abgelassen werden, sodass der Tauchkörper 110 in einer gewünschten oder vordefinierten Wassertiefe unter Wasser schwebt. Dadurch kann die Position in der der Tauchkörper 110 im Betrieb schwebt genauer eingestellt oder nachjustiert werden, sodass die Effizienz erhöht werden kann.
Wie bereits zuvor erwähnt, kann die Antriebswelle 120 direkt auch die Rotorwelle des elektrischen Generators 140 bilden oder über eine Kupplungseinrichtung oder Kupplung 550 mit dem elektrischen Generator 140 verbunden sein, wie es in 5 gezeigt ist.
Durch die Anordnung der Antriebswelle 120 und der Verbindungseinrichtung 130 unter Wasser kann es zu Verschmutzungen der Kopplung zwischen Tauchkörper 110 und der Antriebswelle 120 kommen, die die Effizienz reduzieren können. Ein Großteil dieser Verunreinigungen kann bereits durch die permanente Bewegung des Tauchkörpers 110 entlang der Antriebswelle 120 entfernt werden. Optional zu einem oder mehreren der zuvor beschriebenen Aspekte kann die Verbindungseinrichtung 130 oder der Tauchkörper 110 zusätzlich zumindest ein Reinigungselement 512 aufweisen, das bei einer Bewegung 112 des Tauchkörpers 110 parallel zu der Rotationsachse der Antriebswelle 120 Verunreinigungen von der Antriebswelle 120 entfernen kann. Beispielsweise kann an einem oder beiden axialen Enden des Tauchkörpers 110 oder der Verbindungseinrichtung 130 ein Wischer oder eine Bürste die Antriebswelle 120 radial umgeben. Durch die Bewegung entlang der Antriebswelle 120 kann das zumindest eine Reinigungselement 512 über die Oberfläche der Antriebswelle 120 geführt werden und diese reinigen, wodurch die Lebensdauer und/oder der Wartungsaufwand der Vorrichtung 500 deutlich reduziert werden kann.
Aufgrund der Umwandlung der translatorischen Bewegung des Tauchkörpers 110 in die Rotationsbewegung der Antriebsachse 120 kann der Tauchkörper 110 dazu neigen um die Antriebswelle 120 zu rotieren, wodurch die Effizienz reduziert werden kann. Daher kann der Tauchkörper 110 optional oder zusätzlich zu einem oder mehreren der zuvor beschriebenen Aspekte eine Rotationsunterdrückungseinrichtung 514 (z.B. Gegen-Drehung-Blockiermechanismus) aufweisen, die eine Rotationsbewegung des Tauchkörpers 110 um die Antriebswelle 120 während einer Bewegung 112 parallel zur Rotationsachse der Antriebswelle 120 vermindern, unterdrücken oder verhindern kann. Dadurch kann die Effizienz der Vorrichtung 500 deutlich gesteigert werden. Die Rotationsunterdrückungseinrichtung 514 kann beispielsweise durch rotorblätterartige Ausbuchtungen des Schwimmkörpers 110 implementiert werden, wie es an der dem Gewässerboden zugewandten Seite des Tauchkörpers 110 in 5 angedeutet ist. Durch die rotorblätterartigen Ausbuchtungen kann der Widerstand durch das Wasser gegenüber Rotationsbewegungen des Tauchkörpers 110 deutlich erhöht werden, sodass eine Rotationsbewegung nahezu vollständig verhindert werden kann. Die rotorblätterartigen Ausbuchtungen können alternativ oder zusätzlich auch an der der Wasseroberfläche 102 zugewandten Seite des Tauchkörpers 110 und/oder der radial außen liegenden Seite (vertikale Seite) des Tauchkörpers 110 angeordnet sein.
Ferner kann optional die vom elektrischen Generator 140 erzeugte elektrische Energie über ein Unterseekabel 580 an einen Verbraucher, Anbieter oder für eine Weiterverarbeitung bereitgestellt werden. Das Unterseekabel 580 kann beispielsweise durch einen Hohlraum in der Antriebswelle 120 mit dem elektrischen Generator 140 verbunden sein.
Eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach dem beschriebenen Konzept oder einem der beschriebenen Ausführungsbeispiele kann z.B. zur Implementierung eines Wellenenergiekraftwerks oder eines Wellenenergiekonverters verwendet werden.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Wellenenergiekonverter oder -umwandler. Ein solcher z.B. schwimmender Wellenenergiekonverter kann Wellenenergie über eine Spindelnut mit Gewindesystem oder Kugeltyplinearlager direkt in Elektrizität umwandeln. So kann beispielsweise ein Wellenenergiekonverter nach dem Punktabsorberprinzip implementiert werden.
Ein Aspekt richtet sich beispielsweise auf einen schwimmenden Punktabsorbtionswellenenergiekonverter, der die Wellenbewegung über ein Kugelgewindetriebsystem direkt in Elektrizität umwandeln kann.
Eine solche Vorrichtung umfasst beispielsweise ein Gewinde (z.B. Antriebswelle mit Gewinde) an welcher der Schwimmkörper mit einer Spindelnut (z.B. Verbindungseinrichtung mit Spindelnut) sich in vertikaler Richtung entlang bewegen kann, wenn Wellen vorbeilaufen. Der Schwimmkörper kann beispielsweise zumindest teilweise oder vollständig aus Kohlefasermaterial bestehen und hohl sein und kann beispielsweise durch Meerwasser über ein Ventilsystem mit Ballast beladen werden oder vom Ballast befreit werden. Dies kann dabei helfen, die Installationsposition beim Installieren (z.B. definierte Wassertiefe) zu erreichen und kann ein größeres Trägheitsmoment erzeugen, um eine glattere und größere Energiebewegung zu erreichen. Um den Kugelgewindetrieb von Ablagerungen, biologischen Ablagerungen oder Kontaminationen zu schützen, kann der Schwimmkörper daran angebrachte Wischer (Reinigungselemente), wie z.B. bürstenartige Elemente, aufweisen, welche sich entlang des Gewindes auf und ab bewegen. Ferner kann die Vorrichtung eine Drehung verhindernde Blockiereinrichtung (Rotationsunterdrückungseinrichtung) aufweisen, die am Boden des Schwimmkörpers befestigt ist, um eine konstante vertikale Bewegung des Triebsystems zu gewährleisten und ermöglichen kann dass der Trieberzeuger (Schwimmkörper) sich innerhalb seiner definierten maximalen und minimalen Bewegungszone bewegt. Zusätzlich kann das Gewinde selbst und der eingefügte Teil mit Spindelnut (Verbindungseinrichtung, Gegenstück) mit beispielsweise Wolframcarbid (oder einem anderen harten Material) ummantelt sein oder daraus bestehen, um kleinere Partikel (Siliziumcarbid oder Meersand) oder weitere harte Partikel, welche in einer Meerwasserumgebung vorkommen, zermahlen zu können und Komponenten oder Teile vor Korrosion schützen kann, hohe Arbeitszyklen ermöglichen kann und vor Alterung und Abnutzung für eine hohe Robustheit und Zuverlässigkeit gewährleisten kann. Am oberen Ende der Spindel (der Antriebswelle) kann eine Kupplungsverbindung oder eine Kupplung angeordnet werden, um die rotierende Spindel (Antriebswelle) mit dem Generator (z.B. permanent magnetischer Generator) zu verbinden. Die Vorrichtung kann schwimmend, entweder an der Wasseroberfläche oder leichter darunter (fern der sturmbetroffenen Oberfläche) angeordnet sein, um einen schnellen Zugang, Wartbarkeit und Anlegemöglichkeit für Hubkähne, kleine Serviceschiffe einfacher (low tec) Kähne ohne der Notwendigkeit von kostenintensiven DP-Schiffen (Direct Positioning, direkte Positionierung) gewährleisten zu können. Der Energiekonverter kann beispielsweise mit einer Ankerkette oder einem Kunststoffseil an einem Schwerkraftbauwerk (welches durch sein eigenes Gewicht zum Meeresboden sinkt) verankert werden, welches direkt am Meeresgrund verankert ist. Ebenso kann die Vorrichtung mit einem Unterwasserseekabel verbunden werden, welches z.B. durch das innere der Spindel (Antriebswelle) von dem Generator zu dem unteren Ende der Spindel und nach außen geführt werden kann und mit einer Niederspannungsmarinetransformatorstation (Low Voltage Marine Substation, LVMS) verbunden werden, welche den variablen Wechselstrom gleichrichten, invertieren und/oder transformieren kann, der von dem Wellenenergiekonverter (oder z.B. von Wellenenergiekonvertern einer Feldinstallation) empfangen wird.
Mit einer beschriebenen Vorrichtung kann beispielsweise elektrische Energie mit hoher Effizienz und/oder Leistungsfaktor (z.B. mit minimaler Reibung, einen Direktantriebsgenerator und/oder wettbewerbsfähigen Kosten der Energie) bereitgestellt werden. Ferner kann die Vorrichtung sehr kompakt implementiert werden. Durch die Schwimmfähigkeit kann eine einfache Zugänglichkeit, eine einfache, schnelle und kostengünstige Wartbarkeit, eine schnelle Installation (z.B. Verbindung und Lösen der Verbindung) und/oder mit einem einzigen Meeresbodenankerpunkt ermöglicht werden. Ferner sind beispielsweise nur weniger bewegliche Teile notwendig und es kann eine robuste und zuverlässige Lösung geboten werden.
Ferner kann eine sehr effiziente Energieumwandlung im Bereich der Wellenenergie geboten werden. Das Antriebssystem kann basierend auf dem Konzept des Wälzkörpergewindetriebs für die Umwandlung von linearer Energie und technisch nutzbarer Rotationsenergie ermöglicht werden. Die Umwandlung der Wellenenergie in eine für einen Stromgenerator nutzbare Bewegungsenergie kann bei einem Gewindetrieb beispielsweise 85 bis 90% Effizienz im Vergleich zu beispielsweise weniger als 60% bei leistungsstarken hydraulischen Systemen erreichen. Durch die Implementierung eines Linearbewegungsbereichs kann ein komplettes System mit hoher Energieeffizienz zur Verfügung gestellt werden.
Ein beschriebenes System kann neben einer hohen Effizienz eine sehr hohe Verfügbarkeit, das Ersetzen von Hydrauliksystemen und/oder eine Verringerung von Umweltrisiken ermöglichen. Es kann eine lineare Bewegung in rotative Bewegung und eine Energieumwandlung erfolgen, die in verschiedenen Wellenkraftsystemen, insbesondere in Punktabsorbtionskraftwerken, einsetzbar ist. Ferner kann mit dem beschriebenen Konzept beispielsweise mehr als 5 Millionen Zyklen pro Jahr, eine Lebensdauer von mehr als 25 Jahren, eine Salzwasserfestigkeit, eine Meerestauglichkeit, ein robuster, kompakter und verschleißarmer Aufbau, eine Modularität, eine einfache Installation und/oder eine schnelle und einfache Instandhaltung ermöglicht werden. Bei einem Beispiel einer Wellenerntemaschine (Wave Harvester) mit Schwimmer kann beispielsweise ein Hauptschwimmer die gesamte Plattform relativ stabil halten (z.B. in 3 gezeigt). Die einzelnen Bojen (Schwimmkörper) können von den durchlaufenden Wellen auf und ab bewegt werden. Diese Bewegung kann über das Gestänge (Tragebauteil) auf die Gewindespindel (Antriebswelle) übertragen werden. Dabei kann die Hub- in eine Drehbewegung umgewandelt werden, die den Generator antreiben kann.
Eine Wellenerntemaschine nach dem beschriebenen Konzept kann ein hohes Absatzvolumen in dem Bereich der hydraulischen Systeme, Seil- und Gewindetriebe oder Profilschienenkonzepte zur Energieumwandlung erreichen. In Farminstallationen können beispielsweise Hunderte oder Tausende dieser Kraftwerke installiert werden, um eine redundante Energieerzeugung gewährleisten zu können. Ein 100 kW-Kraftwerk kann beispielsweise bei 4000 Volllaststunden im Jahresdurchschnitt 400 MWh pro Jahr oder 0,0004 TWh pro Jahr liefern.
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.
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.
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.
Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie
102: Wasseroberfläche
110: Schwimm- oder Tauchkörper
112: Bewegung des Schwimm- oder Tauchkörpers parallel zu einer Rotationsachse der Antriebswelle
120: Antriebswelle
122: Rotationsbewegung der Antriebswelle
130: Verbindungseinrichtung
140: elektrischer Generator
224: Lagereinrichtung
231: Kugelrollmutter
232: Trageelement
233: Führungselement
234: Durchführung
242: Anschlusskabel
250: Gehäuse
252: Führungsbauteil
300: Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie
360: Halteelement
370: abstützender Schwimmkörper
400: Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie
480: Abstützstelle
500: Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie
512: Reinigungselement
514: Rotationsunterdrückungseinheit
516: Ventil
518: Hohlraum
550: Kupplung
560: zugseilartiges Bauteil
570: Schwerkraftbauteil
580: Unterseekabel

Claims

Vorrichtung (100, 300, 400, 500) zur Erzeugung elektrischer Energie mit folgenden Merkmalen: einer Antriebswelle (120), die ausgelegt ist, um einen elektrischen Generator (140) anzutreiben; und eine Verbindungseinrichtung (130), die ausgelegt ist, um einen Schwimm- oder Tauchkörper (110) mit der Antriebswelle (120) mechanisch zu koppeln, sodass eine Bewegung (112) des Schwimm- oder Tauchkörpers (110) parallel zu einer Rotationsachse der Antriebswelle (120) in eine Rotationsbewegung (122) der Antriebswelle (120) umgewandelt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, mit einem elektrischen Generator (140), der ausgelegt ist, um basierend auf einer Rotationsbewegung (122) der Antriebswelle (120) elektrische Energie zu erzeugen, wobei die Antriebswelle (120) eine Rotorwelle des elektrischen Generators (140) bildet oder eine Rotorwelle des elektrischen Generators (140) über eine Kupplung (550) mit der Antriebswelle (120) verbunden ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebswelle (120) in einem Bereich der Bewegung der Verbindungseinrichtung (130) ein Gewinde oder eine Spindelnut aufweist, wobei die Verbindungseinrichtung (130) eine Spindelmutter, eine Kugelumlaufmutter oder eine Kugelrollmutter (231) aufweist, die in das Gewinde der Antriebswelle (120) eingreift.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungseinrichtung (130) zumindest ein Führungselement (233) aufweist, das ausgelegt ist, um eine Bewegung (112) des Schwimm- oder Tauchkörpers (110) im Wesentlichen auf eine Bewegung parallel zu der Rotationsachse der Antriebswelle (120) zu begrenzen.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Halteeinrichtung (360, 460), wobei der elektrische Generator (140) und die Antriebswelle (120) außerhalb des Wassers über dem Schwimm- oder Tauchkörper (110) an der Halteeinrichtung (360, 460) befestigt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, die eine Mehrzahl von Energieerzeugungseinheiten aufweist, wobei jede Energieerzeugungseinheit einen Schwimm- oder Tauchkörper (110), eine Antriebswelle (120), eine Verbindungseinrichtung (130) und einen elektrischen Generator (140) aufweist, wobei die Energieerzeugungseinheiten entlang der Halteeinrichtung (360, 460) nebeneinander angeordnet sind und jeweils der elektrische Generator (140) und die Antriebswelle (120) außerhalb des Wassers über dem jeweiligen Schwimm- oder Tauchkörper (110) an der Halteeinrichtung (360, 460) befestigt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die Halteeinrichtung (360, 460) zumindest an zwei Stellen auf Schwimmkörpern (370) abgestützt ist oder zumindest an einer Stelle (480) an einem Boden des Gewässers verankert ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebswelle (120) im Betrieb im Wesentlichen parallel zu der Gravitationskraft orientiert ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Gehäuse des Generators (140) als Schwimmkörper ausgebildet ist, sodass das Generatorgehäuse an der Wasseroberfläche (102) schwimmt, wobei die Antriebswelle (120) von dem Generatorgehäuse in das Wasser führt und der Schwimm- oder Tauchkörper (110) ein Tauchkörper ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Verbindungseinrichtung (130) oder der Tauchkörper zumindest ein Reinigungselement (512) aufweist, das ausgelegt ist, um bei einer Bewegung (112) des Tauchkörpers parallel zu der Rotationsachse der Antriebswelle (120) Verunreinigungen von der Antriebswelle (120) zu entfernen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei der Tauchkörper eine Rotationsunterdrückungseinrichtung (514) aufweist, die ausgelegt ist, um eine Rotationsbewegung des Tauchkörpers um die Antriebswelle (120) während einer Bewegung (112) parallel zur Rotationsachse der Antriebswelle (120) zu vermindern.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 oder 11, wobei der Tauchkörper einen Hohlraum (518) und ein Ventil (516) aufweist, wobei das Ventil (516) ausgelegt ist, um den Hohlraum (518) mit Wasser zu befüllen oder Wasser aus dem Hohlraum (518) abzulassen, sodass der Tauchkörper in einer gewünschten Wassertiefe unter Wasser schwebt.