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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von extrinsischen Schwingungsbewegungen in elektrische Energie mit einem Rahmengestell, einem Pendel mit einer Pendelstange und einem Pendelgewicht, bei der das Pendel mit dem oberen Ende der Pendelstange über ein Gelenk schwenkbeweglich an das Rahmengestell angelenkt ist, und einem unterhalb des Gelenks eingerichteten wellengelagerten Rotationskörper, der mit mindestens einem Stromgenerator gekoppelt ist.
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Die Erfindung betrifft insbesondere eine Energiewandlungsanlage, mit der durch Wind- oder Wellenbewegung initiierte Roll- und Schaukelbewegungen von Booten in elektrische Energie umgewandelt und dadurch für die Versorgung von elektrischen Geräten bereit gestellt werden kann.
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Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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In der
DE 689 11 507 T2 ist eine Energiewandlungsvorrichtung für den Betrieb auf Booten beschrieben, bei der in einem Rahmen zwei Schwingpendel in einer kardanischen Aufhängung schwingbar montiert sind und eine Übertragung des Drehmoments über Einwegekupplungen und ein komplexes mehrstufiges Zahnradgetriebe erfolgt.
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Die
US 4,352,023 offenbart eine kardanische Aufhängung eines Gyroskops, bei der die durch Wellenbewegung erzeugten Rahmenbewegungen in elektrische Energie gewandelt werden.
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Ausgestaltungsvarianten für Energiewandlungsanlagen mit einem Pendel sind u. a. in der
GB 175,928 ,
US 2005/0248159 A1 sowie
DE 28 12 811 A1 offenbart.
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Die
GB 175,928 beschreibt eine Energiewandlungsanlage für den Einsatz auf Booten mit einem Einpendelsystem, bei der das Pendel im Bereich der Pendelwelle starr mit einer Wippe verbunden ist, an deren Enden jeweils eine Umlenkstange angelenkt ist. Das untere Ende jeder Umlenkstange ist wiederum mit einem Kurbelarm eines Antriebszahnrads eines mehrstufigen Zahnradgetriebes rotationsbeweglich gekoppelt, so dass bei einem Pendelausschlag die Antriebszahnräder in die gleiche Drehrichtung gedreht werden. Zwischen den Antriebszahnrädern ist mit diesen kämmend ein Zwischenzahnrad eingerichtet, das über eine Welle die nächste Getriebestufe antreibt.
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Die
US 2005/0248159 A1 offenbart ein Pendelsystem, bei der das Pendelende über einen Verbindungsarm mit einem Antriebszahnrad randseitig verbunden ist, das mit einem eine Generatorwelle antreibenden Abtriebszahnrad kämmt.
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In der
DE 28 12 811 A1 ist eine Arbeitsmaschine mit mindestens einem schwingenden Pendels beschrieben, bei der das Pendel unterseitig L-förmig geformt ist und die nach unten weisenden Flächen jeweils als Zahnstange ausgebildet sind, die jeweils bei einem Pendelausschlag mit einem auf einer Generatorantriebswelle montierten Zahnrad kämmen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Energiewandlungsanlage für die energetische Nutzung von Roll- und Schaukelbewegungen, insbesondere von Roll- und Schaukelbewegungen von Booten anzugeben, die bei einer einfachen Konstruktion einen hohen Wirkungsgrad besitzt.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Umwandlung von extrinsischen Schwingungsbewegungen in elektrische Energie angegeben, die ein Rahmengestell, ein Pendel mit einer Pendelstange und einem Pendelgewicht, das mit dem oberen Ende der Pendelstange über ein Gelenk, vorzugsweise über ein Schwenkgelenk, insbesondere über ein Kugelkopfgelenk, schwingbeweglich an das Rahmengestell angelenkt ist, sowie einen unterhalb des Gelenks eingerichteten wellengelagerten Rotationskörper, der mit mindestens einem Stromgenerator gekoppelt ist, aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der wellengelagerte Rotationskörper mit einer Mitnahmestange fest verbunden ist, die radial zum Drehmittelpunkt des Rotationskörpers ausgerichtet ist. Zwischen der Mitnahmestange und der Pendelstange ist eine Gleitverbindung eingerichtet, so dass bei einem Pendelausschlag des Pendels die Pendelstange die Mitnahmestange in Pendelausschlagsrichtung mitnimmt, wodurch eine Drehung des Rotationskörper bewirkbar ist, wobei der durch die Mitnahme der Mitnahmestange erzeugte Drehwinkel des Rotationskörpers größer als der Ausschlagswinkel der Pendelstange ist.
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Der Pendelausschlagswinkel bezeichnet den Winkel zwischen der Lotsenkrechten in der Ausgangsposition des Pendels und der durch die Bewegungen des Bootes initiierten Auslenkung im Moment der Umkehrung des Pendelausschlags. Der Drehwinkel bezeichnet den Grad der Drehung des Rotationskörpers um dessen Drehmittelpunkt, die während eines Pendelausschlags durch die Mitnahme der Mitnahmestange von der Pendelstange auf den Rotationskörper ausgeführt wird.
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Grundsätzlich bezeichnet der Begriff „Rotationskörper” einen auf einer Welle befestigten Körper oder aber auch eine Welle selbst. Die initiierte Drehbewegung des Rotationskörpers wird genutzt, um einen oder mehrere Stromgeneratoren anzutreiben, wobei dies über ein Übersetzungsgetriebe oder auch direkt erfolgen kann.
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Pendel und Rotationskörper mit Mitnahmestange sind innerhalb des Rahmengestells angeordnet, wobei der Drehmittelpunkt des Rotationskörpers unterhalb des Gelenks der Pendelstange, insbesondere in senkrechter Ebene zu diesem beabstandet eingerichtet ist. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen dem Gelenkpunkt des Gelenks und der Drehachse des Rotationskörpers der Länge der Pendelstange.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Pendelstange und die Mitnahmestange bei horizontaler Ausrichtung des Rahmengestells bzw. in Ausgangsposition in Lotrichtung parallel hintereinander ausgerichtet, wobei die Mitnahmestange vorzugsweise zwischen Pendelstange und Rotationskörper eingerichtet und die Rotationsachse des Rotationskörpers orthogonal zur Mitnahmestange und zur Pendelstange ausgerichtet ist. Die Ausgangsposition beschreibt die Position, in der keine extrinsischen Schwingungen auf die Vorrichtung einwirken.
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Das Pendelgewicht des Pendels kann zwischen zwei Führungsschienen geführt sein, um den Ausschlag des Pendels innerhalb einer vertikalen Ebene zu halten.
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Der verbesserte Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Energiewandlungsanlage ist in der technischen Lösung begründet, den Pendelausschlagswinkel über eine reibungsarme als Getriebe wirkende Gleitverbindung in einen Drehwinkel des Rotationskörpers zu übersetzen, wobei aufgrund der erfindungsgemäßen räumliche Anordnung der Drehpunkte von Rotationskörper, Mitnahmestange und Pendelstange der Drehwinkel des Rotationskörpers größer als der Pendelausschlagswinkel ist. Die Mitnahmestange ist hierzu entweder mit der Welle des Rotationskörpers fest verbunden oder direkt am Rotationskörper fixiert und in der bevorzugten Ausführungsform in der Ausgangsposition in Richtung des Pendelgewichts ausgerichtet.
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Über die Gleitverbindung zwischen der Pendelstange und der Mitnahmestange wird der Rotationskörper bei einem Pendelausschlag in Drehung versetzt, indem die Pendelstange die Mitnahmestange über die Gleitverbindung mitnimmt, wobei sich Mitnahmestange und Pendelstange kreuzen.
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So kann in einer beispielhaften Ausführungsform mit einem maximalen Pendelausschlagswinkel von 15° ein Drehwinkel von 40° erzielt werden, wodurch in diesem Fallbeispiel eine Potenzierung des Drehwinkels um ein 2,6-faches gegenüber einem Direkteingriff der Pendelstange am Rotationskörper erreicht wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gleitverbindung aus zwei Führungsbolzen gebildet, die pendelstangenseitig auf der Mitnahmestange eingerichtet sind und zwischen denen die Pendelstange gleitend geführt ist. Alternativ können die Führungsbolzen mitnahmestangenseitig auf der Pendelstange eingerichtet sein, zwischen denen bei dieser Ausführungsform die Mitnahmestange gleitend geführt ist.
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Für eine Reduzierung der Reibung zwischen Pendelstange bzw. Mitnahmestange und den Führungsbolzen während eines Pendelaussschlags sind die Führungsbolzen vorzugsweise drehbeweglich gelagert.
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Anstatt von Führungsbolzen kann die gleiche Funktion durch Verwendung eines Führungsringes erreicht werden, durch den die Pendelstange bzw. Mitnahmestage gleitend geführt ist.
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Eine weitere Ausgestaltungsform einer Gleitverbindung kann beispielsweise ein Gleitstein sein, der in einer Variante auf der Pendelstange gleitend gelagert ist und an dem drehbeweglich die Mitnahmestange angelenkt ist.
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Vorzugsweise ist der Rotationskörper das Antriebszahnrad eines den Stromgenerator oder die Stromgeneratoren antreibenden Stirnradgetriebes.
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Zur Erhöhung der Effektivität der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Antriebszahnrad des Stirnradgetriebes mit mehreren Abtriebszahnrädern, vorzugsweise jeweils über mindestens ein Zwischenzahnrad, antriebsverbunden sein.
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Eine bevorzugte Ausführungsform eines Stirnradgetriebes besteht aus einem zentral positionierten Antriebszahnrad, in das beidseitig jeweils ein Zwischenzahnrad mit einem kleineren Durchmesser kämmt. Die Zwischenzahnräder setzen wiederum in kämmender Weise jeweils ein Abtriebszahnrad mit einem geringeren Durchmesser in Drehbewegung, wobei die Welle jedes Abtriebszahnrades einen Stromgenerator antreibt.
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Die Zwischenzahnräder und/oder die Abtriebszahnräder des Stirnzahnradgetriebes können über eine Freilaufeinrichtung in eine Drehrichtung verfügen.
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Für eine leichtere Nachjustierbarkeit des Stirnradgetriebes sind die Zwischenzahnräder vorzugsweise unterhalb der horizontalen Achsmittellinie des Antriebszahnrades eingerichtet, wodurch das Spiel des Getriebes präzise nachstellbar ist.
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In einer beispielhaften Ausgestaltung eines Stirnzahnradgetriebes betragen die Kenndaten der Zahnräder: Abtriebszahnrad: Durchmesser 180 mm mit 60 Zähnen, zwei Zwischenzahnräder: Durchmesser 90 mm mit 30 Zähnen sowie zwei Abtriebszahnräder: Durchmesser 30 mm mit 10 Zähnen, wodurch eine Übersetzung von 1:2 + 1:3 erreicht wird.
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Alternativ kann mittels des Rotationskörpers, vorzugsweise in Form einer Welle oder eines Zylinders, ohne Einsatz eines zwischengeschalteten Getriebes ein Narbengenerator bzw. Narbendynamo direkt angetrieben werden.
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Vorzugsweise verfügt der Nabengenerator über eine Steuerungs- und Regelungseinheit oder ist mit einer solchen verbunden, welche die Drehrichtung der Welle erkennt und bei Eintreten einer Drehrichtungsänderung den Nabengenerator umpolt.
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Eine weitere Optimierung des Wirkungsgrades kann durch eine Anpassung der Pendelstangenlänge in Abhängigkeit von der Wellenfrequenz der extrinsischen Schwingung erreicht werden.
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Vorzugsweise ist die Länge der Pendelstange mittels einer steuer- und regelbaren Nachstellvorrichtung einstellbar, die anhand von sensorisch ermittelten Wellenfrequenzen die Pendelstange verkürzt oder verlängert. Insbesondere ist die Pendelstange als Gewindestange ausgeführt, die über ein ansteuerbares Getriebe in der Länge verfahrbar ist.
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Ebenso kann die Ausgangsposition der Gleitverbindung zwischen Mitnahmestange und Pendelstange variabel und an die aktuelle Wellenfrequenz anpassbar einstellbar sei. Das Verschieben der Ausgangsposition der Gleitverbindung kann ebenfalls automatisiert erfolgen.
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Zur Arretierung des Pendels kann die Vorrichtung mit einem Arretierungsmittel wie beispielsweise einem Sperrschieber ausgestattet sein, um in Situationen, in denen eine Stromversorgung durch die Vorrichtung nicht von Bedarf ist, die Vorrichtung ruhig stellen zu können.
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Um elektrische Energie auch in im wesentlichen schwankungsfreien Situationen für den Betrieb von elektronischen Endgeräten bereitstellen zu können, kann ein Akkumulator zur Speicherung der durch den mindestens einen Stromgenerator erzeugten elektrischen Energie innerhalb des Rahmengestells eingerichtet sein.
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Die erfindungsgemäße Energiewandlungsanlage weist räumlich kleine Ausmaße auf und kann durch den Einsatz leichter Materialien wie beispielsweise Aluminiumprofilstangen für Rahmen, Pendel und Mitnahmestange sowie Kunststoff POM für das Stirnzahnradgetriebe in Leichtbauweise hergestellt werden, wodurch das Gewicht der Energiewandlungsanlage bei bevorzugten Außenmaßen von ca. 80 cm × 90 cm × 30 cm bei ca. 50 kg liegt. Aufgrund dessen ist die Energiewandlungsanlage leicht zu transportieren und auch auf Booten kleiner Größe einsetzbar.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
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Die Figuren zeigen
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1: Seitenansicht einer Energiewandlungsanlage,
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2: Frontansicht einer Energiewandlungsanlage und
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3: Funktionsprinzip der Energiewandlungsanlage.
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Die 1 und 2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Energiewandlungsanlage in Seiten- und Frontalansicht, die für die Gewinnung von elektrischer Energie aus Schaukel- und Rollbewegungen von Booten hergerichtet ist.
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Die 1 und 2 geben die Anordnung in der Ausgangsposition wieder, in der das Pendel 2 in Ruhe steht.
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Innerhalb eines kastenförmigen Rahmengestells 1 ist ein schwingendes Pendel 2 mit einer Pendelstange 3 und einem Pendelgewicht 4 eingerichtet. Die Pendelstange 4 ist mit dessen oberen Ende innerhalb eines Pendel-Doms mit einem Kugelkopfgelenk 5 verbunden, das am oberen Rahmenbereich der Vorrichtung befestigt ist.
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Desweiteren ist innerhalb des Rahmengestells 1 ein einstufiges Stirnzahnradgetriebe 13 montiert, das aus einem zentralen Antriebszahnrad 12, zwei Zwischenzahnrädern 15 und zwei Abtriebszahnrädern 14 besteht und eine Übersetzung > 1 aufweist. Das Abtriebszahnrad 12 bildet den Rotationskörper 6.
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Ausgehend vom zentralen Antriebszahnrad 12 wird dessen Drehbewegung beidseitig über jeweils ein Zwischenzahnrad 15 und ein Abtriebszahnrad 14 auf einen Stromgenerator 7 übertragen.
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Für eine leichtere Nachjustierbarkeit des Stirnradgetriebes 13 sind die Zwischenzahnräder 15 unterhalb der horizontalen Achsmittellinie des Antriebszahnrades 14 eingerichtet, wodurch das Spiel des Getriebes 13 präzise nachstellbar ist.
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Das Stirnradzahnradgetriebe 13 ist auf halber Höhe zwischen Gelenk 5 und Pendelstangenende eingerichtet, wobei der Abstand zwischen dem Gelenkpunkt des Gelenks 5 und dem Drehmittelpunkt des Antriebszahnrades 12 ca. 1/2 die Länge der Pendelstange 3 beträgt.
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Am Abtriebszahnrad 15 ist auf dessen zur Pendelstange 3 gerichteten Seite eine Mitnahmestange 8 befestigt, die radial durch den Drehmittelpunkt 9 des Antriebszahnrades 12 geführt und in Funktion eines Kurbelarms bodenseitig in Richtung des Pendelgewichts 4 über den Rand des Abtriebszahnrades 12 hinaus verlängert ist.
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Oberhalb des Pendelgewichts 4 ist zwischen der Pendelstange 3 und der Mitnahmestange 8 eine Gleitverbindung 10 eingerichtet, die aus zwei Führungsbolzen 11 gebildet ist, die pendelstangenseitig auf der Mitnahmestange 8 angebracht sind. Zwischen den Führungsbolzen 11 ist die Pendelstange 3 gleitend geführt, so dass bei einem Pendelausschlag des Pendels 2 die Pendelstange 3 gegen einen der Führungsbolzen 11 auf der Mitnahmestange 8 drückt und dadurch die Mitnahmestange 8 in Pendelausschlagsrichtung mitnimmt.
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Die 3 zeigt erneut die Energiewandlungsanlage gemäß der 1 und 2, jedoch zum Zeitpunkt eines Pendelausschlags.
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Über die Gleitverbindung 10 zwischen der Pendelstange 3 und der Mitnahmestange 8 wird der Rotationskörper 6, hier das zentrale Antriebszahnrad 12 des Stirnzahnradgetriebes 13, bei einem Pendelausschlag in Drehung (hier im Uhrzeigersinn) versetzt, indem die Pendelstange 3 die Mitnahmestange 8 über die Gleitverbindung 10 durch Anschlag gegen einer der Führungsbolzen 11 mitnimmt, wobei sich Mitnahmestange 8 und Pendelstange 3 kreuzen.
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So wird in dieser Ausführungsform mit einem Pendelausschlagswinkel von 15° des Pendels 2 ein Drehwinkel von 40° des Antriebszahnrades 12 erzielt, wodurch in diesem Fallbeispiel eine Potenzierung des Drehwinkels um ein 2,6-faches gegenüber einem Direkteingriff der Pendelstange 3 am Antriebszahnrad 12 erreicht wird.
