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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Energiegewinnung aus strömenden Gewässern, bei der eine mechanische Struktur, insbesondere ein Zylinder in Schwingungen versetzt wird und der Zylinder an hyperelastischem, elektroaktivem Material aufgehängt ist, wobei es sich bei dem hyperelastischen Material um Polymere handelt.
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Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien hat in den vergangenen Jahrzehnten immer deutlicher zum Energiemix der Bundesrepublik Deutschland beigetragen. Im Rahmen der Energiewende soll der Anteil der erneuerbaren Energien von aktuell 22,9% (2012) auf 60% (2050) weiter ansteigen. Dieses Ziel kann allerdings nur erreicht werden, wenn alle Potentiale aus Biomasse, Wind-, Wasser- und Sonnenergie optimal genutzt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits einige Untersuchungen zur Energieumwandlung mittels schwingender Körper bekannt. So ist aus der
US 7,493,759 B2 ein Wandler zum Erzeugen nutzbarer Energie aus einer Fluidbewegung eines Fluidmediums mit einer Stützkonstruktion mit wenigstens zwei Stützpfosten, die rechtwinklig zu einer Geschwindigkeitsrichtung der Fluidbewegung angeordnet sind, und einer Verbindungsanordnung, die relativ zu den Stützpfosten bewegbar ist, bekannt, die wenigstens ein bewegbares Element mit einem ersten und einem zweiten Ende entlang einer Längsachse aufweist, welches mit den Stützpfosten verbunden, im Fluidmedium eingetaucht und extern an der Verbindungsanordnung befestigt ist, so dass sich das bewegbare Element relativ zu den Stützpfosten in Reaktion auf die Fluidbewegung durch Wirbelbildung induzierte Bewegung bewegen kann, und wenigstens eine Leistungsvorrichtung vorhanden ist, wobei die Leistungsvorrichtung eine Bewegung des bewegbaren Elements in nutzbare Energie wandelt.
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Aus der
WO 2011 000 486 A2 ist ferner ein Verfahren zur Gewinnung von elektrischer Energie aus der Bewegungsenergie von Wasserwellen bekannt. In dem Verfahren wird eine Vorrichtung im Wasser bereitgestellt, welche ein durch Einwirkung von Wasserwellen dehnbares elektroaktives Polymer umfasst.
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Untersuchungen zum Lock-in-Effekt und dessen Verstärkung durch einen Nachlaufkörper wurden ebenfalls in der Vergangenheit bereits angestellt. Dabei wurde festgestellt, dass es bei allen Konfigurationen ab einer reduzierten Geschwindigkeit von Vr = 5,0 zu einer Anregung des Zylindersystems kommt, und dieses damit beginnt, sich in seiner Eigenfrequenz aufzuschwingen. Bei der Konfiguration ohne Quader (w/o s.cylinder) liegt bei einer reduzierten Geschwindigkeit von Vr = 7,5 die maximale Amplitude mit a/d = 0,63 vor, bevor sich die Schwingung abschwächt und bei Vr = 9,0 zum Erliegen kommt. Diese Kurve deckt sich mit Untersuchungen von Feng (1969, The measurement of vortex induced effects in flow past stationary and oscillating circular and D-section cylinders. Master Thesis, The University of British Columbia, Vancouver), wobei es in der vorliegenden Konfiguration aufgrund einer geringeren Dämpfung zu höheren Amplituden und einem größeren Anregungsbereich kommt. Ein Quader im Abstand von g/d = 8,0 hemmt diesen Lock-in-Bereich, sodass die Zylinderschwingung schon bei einer reduzierten Geschwindigkeit von Vr = 8,5 endet. Diese Hemmung kehrt sich bei Quaderabständen < g/d = 4,0 in eine Verstärkung der Zylinderschwingung um. Ein Quader in einem Abstand von g/d = 0,8, bzw. 0,5 im Nachlauf des Zylinders weist die größte Auswirkung hinsichtlich der Schwingungsamplituden auf. Im direkten Vergleich zu einem Zylinder ohne Quader erreicht man mit einem Quader im Abstand von g/d = 0,8 eine Vervierfachung des reduzierten Geschwindigkeitsbereiches, über den der Zylinder schwingfähig ist (Lock-in-Bereich). Zu beachten ist, dass bei einem g/d-Verhälltnis von 0,5 die Versuche bei Vr = 20,0 abgebrochen wurden, da der Prüfstand für diese Kräfte nicht ausgelegt war.
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Eine weitere Besonderheit, welche die Versuchsreihen mit einem gld-Verhältnis von 0,5 und 0,8 von den restlichen Versuchen abgrenzt, ist die konstant hohe Schwingungsamplitude des Zylinders, die in einem Bereich von a/d = 0,78, bzw. 0,8 liegt. Im Gegensatz zu den anderen Quaderabständen weisen die beiden genannten Versuchsreihen kein eindeutiges Maximum der Amplituden auf, sondern vielmehr ein Plateau, das durch eine gleichbleibende Schwingungsamplitude gekennzeichnet ist. Interessant ist dabei, dass die Amplituden nicht durch den Federweg begrenzt werden (theoretisch ist a/d = 1,36 möglich), sondern vielmehr durch das 2P-Wirbelablösemuster (Williamson und Roshko, 1988, Vortex formation in the wake of an oscillating cylinder, Journal of Fluidsand Structures, 2, 355–381). Eine weitere Verringerung des Quaderabstands auf g/d = 0,1 hemmt die Zylinderschwingung stark, was durch Untersuchungen von Kumar und Gowda Kumar, R. A., Gowda, B. H. L., 2006, Flow-induced vibration of a square cylinder without and with interference. Journal of Fluidsand Stuctures, 22, 345–369, 2006) bestätigt werden konnte. Der Einfluss einer Strömungsgeschwindigkeitserhöhung oder Verringerung auf die maximale Schwingungsamplitude konnte ebenfalls quantifiziert werden (Hysterese-Effekt). Ein Quader hat auch hier einen positiven Einfluss auf die zu erwartenden Amplituden. Im Rahmen der Untersuchungen wurden keine Parametervariationen bezüglich der Geometrie des Nachlaufkörpers erstellt.
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Auch numerische Untersuchungen wurden in der Vergangenheit bereits durchgeführt. Die starre Versuchsanordnung wurde verschiedentlich auch numerisch untersucht. Die CFD Simulationen basieren auf mit ICEM erstellten Hexaeder-Gittern. Der gesamte zu untersuchende Prozess beruht auf einer Strömungsablösung, wobei die Reynolds-Zahlen im Bereich von 66.000 liegen und ein SST-Turbulenzmodell bei einer Turbulenzintensität in der Hauptströmung von 1% zu Grunde gelegt wurde.
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Der Lock-in Effekt ist in einer numerischen Simulation nachweisbar, auch wenn die maximale Schwingungsamplitude in einer FSI Simulation nur an die Amplituden der Geschwindigkeitsherunterfahrt von Feng heranreicht. Es muss berücksichtigt werden, dass die Geschwindigkeit in der Simulation in Intervallen erhöht wurde und der Zylinder dadurch nicht ausreichend Zeit hatte, sich bei einer gegebenen Anströmgeschwindigkeit auf den maximalen Amplitudenwert einzuschwingen. Darin liegt auch der Grund, dass der Zylinder bei höheren Geschwindigkeiten immer noch vergleichsweise hohe Schwingungsamplituden aufweist. Es zeigt sich jedoch insgesamt, dass ein schwingfähig gelagerter Zylinder ab einer bestimmten Anströmgeschwindigkeit in Folge der Wirbelablösung in seiner Eigenfrequenz zu schwingen beginnt, wobei es einen Geschwindigkeitsbereich gibt, indem maximale Schwingungsamplituden beobachtet werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist daher strömungsinduzierte Schwingungen gezielt zu nutzen und als alternative Methode der Energiegewinnung in verhältnismäßig langsam strömenden Gewässern zu implementieren.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 3.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, einen an hyperelastischem, elektroaktivem Material aufgehängten Zylinder für ein neuartiges Energy-Harvesting zu verwenden, um elektrische Energie auch aus langsam strömenden Fluiden zu gewinnen. In der Vergangenheit wurde meist versucht, strömungsinduzierte Schwingungen zu vermeiden, da diese zu Bauteilversagen führen können.
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Trifft bei einem elastisch über Federn gelagerten, umströmten Zylinder die Wirbelablösefrequenz die Systemeigenfrequenz, beginnt der Zylinder sich in dieser Frequenz aufzuschwingen. Dieser Effekt wird als Lock-in bezeichnet, da die Ablösefrequenz über einem gewissen Bereich der Anströmgeschwindigkeit nicht mehr der Strouhai Beziehung folgt, sondern auf der Eigenfrequenz des schwingenden Zylindersystems verharrt. Im Bereich des Lock ins sind je nach Dämpfung und Massenverhältnis Schwingungsamplituden von weit mehr als einem Zylinderdurchmesser möglich.
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Strömungsinduzierte Schwingungen eines an hyperelastischem Material gelagerten Zylinders mit einem starren Rechteckkörper im Nachlauf lassen sich nutzen, um Energie aus langsam strömenden Fluiden zu gewinnen. Anstelle von klassischen Federn werden hyperelastische, elektroaktive Elastomerbänder (dielectric electroactive polymers DEAP) verwendet, die sich für die Energieabnahme eignen.
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Es werden Federn verwendet und hyperelastische, dielektrische elektroaktive Polymere (DEAP), die nicht nur eine direkte Energieentnahme, sondern in Grenzen auch eine gezielte Steuerung der Systemeigenfrequenz ermöglichen. Bei den DEAP handelt es sich um dünne Polymerfolien, die mit dehnfähigen Elektroden beschichtet sind, wobei das Polymer als Dielektrikum genutzt wird. Die sich hiermit ergebende Kapazität kann als elektromechanischer Wandler sowohl für Aktor- als auch Sensor- oder Generatoranwendungen eingesetzt werden. Aus einem anliegenden elektrischen Feld resultiert ein elektrostatischer Druck auf die Oberflächen des DEAP, der zu einer Formänderung des Polymers und somit einer aktarischen Wirkung führt. Durch den elektrostatischen Druck kann weiterhin die Kraft-Dehnungskennlinie des Materials beeinflusst werden, sodass sich in gewissen Bereichen die Steifigkeit und damit die Systemeigenfrequenz einstellen lasst. Dadurch ist eine energetisch vorteilhafte Anlagensteuerung möglich, bei der abhängig von der Anströmgeschwindigkeit, das System immer auf die maximal mögliche Leistung geregelt werden kann.
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Die Zylinderabstände in der Kaskadenvorlichtung sind absichtlich groß gewählt, um Interferenzeffekte mit anderen Zylindern möglichst gering zu halten. Dabei kann ein Körper im Nachlauf eines elastisch gelagerten Zylinders bei richtiger Positionierung zu einem erheblichen Verstärkungseffekt hinsichtlich strömungsinduzierter Schwingungen führen. Die Untersuchung von derartigen Interferenz-Effekten an angeströmten Staukörperanordnungen bzw. strömungsinduzierte Vibrationen von Körpern mit kreisförmigen Querschnitten und Kombinationen aus quadratischen und kreisförmigen Anordnungen fanden bisher jedoch nur wenig Beachtung. Der Grund dafür könnte sein, dass Verstärkungseffekte hinsichtlich strömungsinduzierter Schwingungen bisher technisch nicht von Bedeutung waren.
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Bei einer Tandem-Anordnung zweier kreisförmiger Zylinder (stromauf elastisch gelagert, stromab festgelagert) kann es unter bestimmten geometrischen Bedingungen zu erhöhten Auftriebskräften an dem stromauf befindlichen Zylinder kommen. Die Auftriebskräfte sind vom Abstand der Zylinder zueinander abhängig und erhöhen sich bei einer Verringerung des Abstands (Gowda et. al. 1994). Dieser Trend setzt sich bis zu einem kritischen Abstand fort, unterhalb dessen es zu einer Abschwächung bzw. Unterdrückung der Auftriebskratte kommt (Kumar und Gowda 2006). Ein quadratischer Körper im Nachlauf wirkt sich nach Gowda (1987) stärker auf die Kräfte am Zylinder und damit auf seine Amplitude aus, als ein kreisförmiger Körper.
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Dieser Trend setzt sich bis zu einem kritischen Abstand fort, unterhalb dessen es zu einer Abschwächung bzw. Unterdrückung der Auftriebskräfte kommt. Ein quadratischer Körper im Nachlauf wirkt dabei stärker auf die Kräfte am Zylinder und damit auf seine Amplitude aus, als ein kreisförmiger Körper.
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Es wurde für die numerischen und experimentellen Untersuchungen erfindungsgemäß folgende Ergebnisse erhalten:
Der Quader bewirkt stromab des Zylinders eine Druckerhöhung, die wiederum eine Reduktion des Wirbelablösewinkels am Zylinder nach sich zieht, da die Strömung früher ablöst.
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Ein geringerer Ablösewinkel bewirkt eine Reduktion der Ablösefrequenz nach Strouhai, da der untere und obere Ablösewirbel örtlich weiter voneinander entfernt liegen. Die Interaktion zwischen beiden Wirbeln, die sich in einer Konfiguration ohne Quader gegenseitig abschneiden, wird verzögert.
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Bei der Konfiguration ohne Quader bewirkt eine Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit eine Auftriebskraftverringerung, da der Ablösewinkel sich vergrößert und damit der untere und obere Ablösewirbel örtlich näher bei einander liegen. Sie trennen sich früher ab und nehmen bis zu diesem Zeitpunkt weniger Energie auf.
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Die auf den Zylinder wirkenden Auftriebsbeiwerte fallen bei Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit mit einem Quader im Nachlauf langsamer ab (Stabilisierungseffekt). Bei einem Quaderabstand von g/d = 0,8, verhält sich der Auftriebsbeiwert im untersuchten Bereich nahezu konstant. Dieser Effekt lässt sich auf die Stabilisierung des Ablösewinkels zurückführen.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden 1 bis 8 nochmals erläutert:
In 1 ist der Verlauf der Zylinderschwingungsamplitude bei Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit dargestellt. Es wird deutlich, dass sich ab einer gewissen Grenzamplitude und Anströmgeschwindigkeit auch das Wirbelablösemuster am Zylinder ändert, wodurch die Amplitude einer Selbstbegrenzung unterliegt. 2S steht hierbei für zwei einzelne Wirbel und 2P für zwei Wirbelpaare die ablösen.
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In 2 ist ein Energiegewinnungszyklus des DEAP-Systems dargestellt. Das DEAP wird durch eine Energiequelle wie zum Beispiel den strömungsinduzierten Schwingungen des Zylinders, mechanisch angeregt werden. Die hierdurch in das DEAP eingebrachte mechanische Dehnungsenergie wird dann in elektrische Energie gewandelt. Das Polymer wird während einer Zylinderschwingungsperiode zunächst getreckt (1–3) und anschließend mit einer benötigten elektrischen Anfangsenergie geladen (4–5), welche nach der Entspannung (5–6) auf einem höheren Energielevel wieder entnommen wird.
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3a bis c zeigt, dass sobald der Lock-in-Effekt einsetzt, kann ein Anstieg der Schwingungsamplituden des Zylinders beobachtet werden (vgl. und 3b). Experimentelle Untersuchungen im Bereich der Sichtbarmachung haben gezeigt, dass die Zylinderbewegung die Ablösung der Wirbel derart beeinflusst, dass diese gezwungen werden, sich in der Eigenfrequenz des schwingenden Systems abzulösen. Der höchste Wert der Amplitude der Zylinderschwingung wird bei einer reduzierten Geschwindigkeit u, ((= u/(dzytfn) von 6,0 erreicht. Überschreitet die reduzierte Geschwindigkeit den Wert 7,0 so verschwindet das Phänomen des Kock-ins und die Wirbelablösefrequenz folgt wieder der Strouhai-Beziehung. Damit gleichzeitig verbunden ist eine Abnahme der Amplitude, welche bei einer reduzierten Geschwindigkeit von 8,5 vernachlässigbar kleine Werte annimmt. In ist die Phasenbeziehung zwischen der auf den Zylinder wirkenden Auftriebskraft und dessen Bewegung dargestellt. Der Phasenversatz steigt mit Erhöhung der reduzierten Geschwindigkeit, wobei es bei ca. 90° zu einem Maximum der Schwingungsamplitude kommt. Bei 90° liegt auch das theoretische Maximum, bei der die Auftriebskraft die Zylinderbewegung zu jeder Zeit unterstützt. Ein stärkerer Anstieg der Phase (hier zwischen ur = 6 und ur = 7) führt zudem zu einer Änderung des Wirbelablösemusters vom 2S in den 2P Modus.
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4 ist zu erkennen, was 2P bedeutet, nämlich, dass statt zweier Einzelwirbel, wie jeweils ein Doppelpaar ablöst. Das 2P Ablösemuster und der damit einhergehende Phasensprung begrenzt auch die maximale Schwingungsamplitude.
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In sind die beiden Sprungphänomene für die Durchfahrt des Lock•in-Bereichs exemplarisch für ein System mit geringer Dämpfung und geringem Massenverhältnis dargestellt. Der erste Sprung (JUMP IN < II VORTEX) markiert den Phasensprung in ein anderes Wirbelablösemuster (2$ in 2P). Der zweite Sprung ist ein reiner Phasensprung (JUMP IN <1> TOTAL), der mit einer deutlichen Verringerung der Amplitude einhergeht. Die Phase erreicht nun Werte > 120°. Eine Platte im Nachlauf eines elastisch gelagerten Zylinders kann bei richtiger Positionierung zu einem erheblichen Verstärkungseffekt hinsichtlich strömungsinduzierter Schwingungen führen.
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In sind die Interferenzregionen dargestellt, bei der ein Nachlaufkörper noch einen Einfluss auf die Schwingung des stromaufliegenden Zylinders aufweist.
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7 zeigt eine Vorder- und Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Man erkennt hyperelastische, elektroaktive Polymere 3, die als Elastomerbänder parallel zur Schwingungsrichtung dargestellt sind. Horizontal zur Schwingungsrichtung sind ein Zylinder 1 und ein Nachlaufkörper 2 angeordnet.
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In 8 ist eine Vorderansicht und Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erkennen. Es sind hyperelastische, elektroaktive Polymere 3 als Elastomerbänder dargestellt, wobei der Zylinder 1 und Nachlaufkörper 2 konzentrisch in der Mitte der Elastomerbänder angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder
- 2
- Nachlaufkörper
- 3
- Polymer (DEAP)
