DE102014215982A1

DE102014215982A1 - Vorrichtung für ein Wasserfahrzeug, Wasserfahrzeug

Info

Publication number: DE102014215982A1
Application number: DE102014215982.2A
Authority: DE
Inventors: Pablo Luis Guarnizo
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2016-02-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (6, 7, 24) für ein Wasserfahrzeug (1), mit wenigstens einer Flosse (8), die ein erstes wasserseitiges freies Ende (13) und ein zweites wasserfahrzeugseitiges Ende (14) aufweist, wobei die Flosse (8) beweglich gelagert ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Flosse (8) mit einer Einrichtung (11) wirkverbunden ist, die eine durch eine Bewegung der Flosse (8) erzeugte Kraft in eine speicherbare und bei Bedarf abgebbare Energie wandelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein Wasserfahrzeug, mit wenigstens einer Flosse, die ein erstes wasserseitiges freies Ende und ein zweites wasserfahrzeugseitig gelagertes Ende aufweist, wobei die Flosse beweglich gelagert ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Wasserfahrzeug mit einer entsprechenden Vorrichtung.
Stand der Technik
Vorrichtungen und Wasserfahrzeuge der Eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die Offenlegungsschrift DE 693 14 765 T2 ein Wasserfahrzeug, das sogenannte Flossenstabilisatoren aufweist, die beidseits des Wasserfahrzeugs unter der Wasseroberfläche in das Wasser hineinragende Flossen aufweisen, die durch Elektromotoren bewegt werden, um einer Rollbewegung oder einer Nickbewegung des Wasserfahrzeugs entgegenzuwirken. Durch das Vermeiden insbesondere der Rollbewegung wird erreicht, dass das Wasserfahrzeug weniger leicht von seinem geplanten Kurs abgelenkt wird, wodurch sich Vorteile bezüglich der Fahrzeit und den Fahrtkosten ergeben. Darüber hinaus werden der Fahrkomfort erhöht und die Stabilität von Ladegut auf dem Wasserfahrzeug verbessert.
Die Flossen führen jedoch zu einem zusätzlichen Strömungswiderstand in Fahrtrichtung, der einen höheren Kraftstoffverbrauch bedeutet.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass aus einer Roll- oder Nickbewegung des Wasserfahrzeugs eine Energie (zurück) gewonnen werden kann, die beispielsweise für die Betätigung eines entsprechenden Flossenstabilisators oder auch für den Antrieb des Wasserfahrzeugs genutzt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Flosse mit einer Einrichtung wirkverbunden ist, die eine durch eine Bewegung der Flosse erzeugte Kraft in eine speicherbare und bei Bedarf abgebbare Energie wandelt. Bei einer Bewegung des Wasserfahrzeugs in dem Wasser wirkt eine Kraft auf die Flosse. Insbesondere bei der Rollbewegung des Wasserfahrzeugs, wenn die Flosse seitlich von dem Schiff absteht, wird eine Bewegungskraft durch das Wasser auf die Flosse ausgeübt. Da die Flosse beweglich gelagert ist, wird diese Kraft in eine Bewegung der Flosse umgesetzt. Diese Bewegung wird von der Einrichtung in eine Energie gewandelt, die speicherbar und zu einem späteren Zeitpunkt bei Bedarf nutzbar ist. Die auf die Flosse übertragene Bewegungsenergie wird somit gespeichert. Die Vorrichtung dient somit als Generator zur Speicherung von Energie, wobei die Energie aus der Bewegung der Flosse erzeugt wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Flosse in der Art eines Hebels um eine Querachse verschwenkbar durch die Vorrichtung gelagert ist, so dass durch die Schwenkbewegung der Flosse speicherbare Energie durch die Einrichtung erzeugt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung als Generator ausgebildet ist, der durch die Flossenbewegung zur Erzeugung elektrischer Energie antreibbar ist. Vorliegend ist also vorgesehen, dass die Einrichtung als elektrischer Generator ausgebildet ist, der durch die insbesondere mechanische Kopplung mit der Flosse elektrische Energie erzeugt. Die elektrische Energie kann auf bekannte Art und Weise gespeichert und für unterschiedlichste Funktionen der Vorrichtung selbst oder für das Wasserfahrzeug bei Bedarf genutzt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Generator mindestens einen elektroaktiven Polymeraktuator aufweist, der mit der Flosse mechanisch wirkverbunden ist.
Vorzugsweise weist der Generator einen oder mehrere elektroaktive Polymeraktuator-Stapel auf. Elektroaktive Polymeraktuatoren sind grundsätzlich bekannt. Elektroaktive Polymeraktuatoren weisen ein Polymermaterial, wie beispielsweise Polyurethan und Silikone, auf, die mit einer Elektrode versehen werden und sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung aufgrund einer Maxwellkraft zwischen den Elektroden zusammenziehen. Der inverse Prozess ist ebenfalls möglich, so dass durch ein Zusammendrücken eines entsprechenden Polymeraktuators eine Spannung induziert und dadurch elektrische Energie erzeugt wird. Vorliegend wird dieses Prinzip dazu ausgenutzt, die Bewegung der Flosse in elektrische Energie mittels der Einrichtung zu wandeln.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Generator eine elektrische Maschine aufweist, die mit der Flosse insbesondere mechanisch wirkverbunden ist. Die elektrische Maschine kann durch Einstellen eines generatorischen Betriebs ebenfalls zur Erzeugung der elektrischen Energie genutzt werden. Dazu ist die elektrische Maschine, insbesondere eine Rotorwelle der elektrischen Maschine, beispielsweise durch ein Getriebe mit der Flosse entsprechend gekoppelt. Dabei wird insbesondere eine Auf- und Abbewegung der Flosse in eine Rotationsbewegung zum Antreiben der elektrischen Maschine gewandelt. Diese Ausführungsform hat außerdem den Vorteil, dass die elektrische Maschine auch motorisch betrieben werden kann, um die Flosse durch die elektrische Maschine zu bewegen. Wurde ausreichend Energie gespeichert beziehungsweise erzeugt, oder steht aus einer anderen Energiequelle elektrische Energie zur Verfügung, kann durch entsprechend motorisches Betreiben der elektrischen Maschine die Flosse bewegt werden, um insbesondere stabilisierend auf das Wasserfahrzeug zu wirken. In diesem Fall ist die Vorrichtung vorzugsweise als Flossenstabilisator für ein Wasserfahrzeug ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung einen Druckspeicher mit einem kompressiblen, insbesondere gasförmigen Medium aufweist, wobei der Druckspeicher derart mit der Flosse insbesondere mechanisch gekoppelt ist, dass das Medium durch die Bewegung der Flosse zur Speicherung von Druckenergie komprimierbar ist. Im einfachsten Fall wirkt die Flosse über ein Gestänge direkt auf einen in dem Druckspeicher axial verlagerbar angeordneten Kolben, der das Medium in dem Druckspeicher komprimiert oder durch das Druckmedium zur Betätigung der Flosse verlagerbar ist. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Flosse zwei Druckspeicher zugeordnet sind, die gegensinnig zueinander angeordnet sind, so dass durch eine Bewegung der Flosse in dem einen Druckspeicher Druck erzeugt wird und der andere Druckspeicher gespeicherten Druck abgibt. Zum bedarfsgerechten Betätigen der Flosse können dabei dem Druckspeicher und/oder der Flosse entsprechende Arretiermittel oder Bremsmittel zugeordnet sein, die ein ungewolltes Betätigen der Flosse durch den im Druckspeicher gespeicherten Druck verhindern.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Flosse eine Einstelleinrichtung zugeordnet ist, die die Flosse bei Bedarf um eine Längsachse zum Einstellen eines Anstellwinkels verdreht. Durch das Verdrehen der Flosse in ihre Längsachse ist es insbesondere möglich, eine gewünschte Druckkraft auf die Flosse in eine Bewegungsrichtung beziehungsweise Schwenkrichtung einzustellen. So kann durch einen entsprechenden Anstellwinkel die Auf- und Abbewegung der Flosse gesteuert werden.
Das erfindungsgemäße Wasserfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits zuvor genannten Vorteile. Durch die Vorrichtung ist die Flosse an dem Wasserfahrzeug beweglich gelagert und erzeugt durch ihre Bewegung elektrische oder pneumatische beziehungsweise hydraulische Energie.
Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Flosse zur ihrer Betätigung durch eine Rollbewegung des Wasserfahrzeugs im Wesentlichen quer zur Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs ausgerichtet ist. Dadurch ragt die Flosse – in Fahrtrichtung gesehen – seitlich von dem Wasserfahrzeug in das Wasser. Vorzugsweise sind zumindest zwei derartige Vorrichtungen auf dem Wasserfahrzeug vorgesehen, die auf verschiedenen Seiten des Wasserfahrzeugs angeordnet sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Vorrichtungen einander gegenüberliegend an den Längsseiten des Wasserfahrzeugs angeordnet sind, so dass eine Flosse an Steuerbord und die andere Flosse an Backbord in das Wasser ragt, um durch die Rollbewegung des Wasserfahrzeugs jeweils Energie zu erzeugen und gegebenenfalls durch eine gesteuerte Bewegung der Flosse, beispielsweise durch Ansteuern der elektrischen Maschine, der Rollbewegung entgegenzuwirken.
Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Flosse zu ihrer Betätigung durch eine Nickbewegung des Wasserfahrzeugs im Wesentlichen parallel zur Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs ausgerichtet ist. Dabei ist die Vorrichtung zweckmäßigerweise am Bug oder Heck des Wasserfahrzeugs angeordnet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, die Flosse quer zur Fahrtrichtung am Bug oder Heck anzuordnen, und durch ein Einstellen eines entsprechenden Anstellwinkels, wie zuvor beschrieben, an Bug oder Heck eine Auftriebs- oder Abtriebskraft während der Fahrt zu erzeugen, die einer Nickbewegung entgegenwirkt oder zur Erzeugung speicherbarer Energie nutzbar ist.
Vorzugsweisen weisen die Vorrichtung und/oder das Wasserfahrzeug eine Umfeldsensorik zum Erfassen eines Seegangs, insbesondere einer Wellenbewegung, auf. In Abhängigkeit von der erfassten Wellenbewegung können die ein oder die mehreren Flossen optimal zur Erzeugung elektrischer Energie oder zum Entgegenwirken einer Roll- oder Nickbewegung betätigt beziehungsweise angestellt werden. Die Umfeldsensorik weist insbesondere einen Radar, einen Laserscanner oder eine Kamera, insbesondere eine Stereokameraeinrichtung zum Erfassen der Wellenbewegungen auf.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden.
Dazu zeigen:
1 ein Wasserfahrzeug in einer Draufsicht,
2 eine Flosse des Wasserfahrzeugs in einer vereinfachten Schnittdarstellung,
3 das Wasserfahrzeug in einer vereinfachten Schnittdarstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
4 das Wasserfahrzeug in einer vereinfachten Schnittdarstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
5 das Wasserfahrzeug in einer vereinfachten Schnittdarstellung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt in einer vereinfachten Draufsicht ein als Schiff ausgebildetes Wasserfahrzeug 1, das eine Antriebseinrichtung 2 aufweist. Die Antriebseinrichtung 2 ist dem Heck des Wasserfahrzeugs 1 zugeordnet, um das Wasserfahrzeug 1 in eine Fahrtrichtung 3 zu beschleunigen, die der Längsachse des Wasserfahrzeugs 1 entspricht.
An seinen Längsseiten 4, 5 weist das Wasserfahrzeug 1 einander gegenüberliegend jeweils eine Vorrichtung 6, 7 auf, die zur Energiegewinnung ausgebildet sind. Die Vorrichtungen 6, 7 sind im Wesentlichen identisch zueinander, vorzugsweise spiegelbildlich zur Längsachse ausgebildet, so dass insofern für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
Beide Vorrichtungen 6, 7 weisen jeweils eine Flosse 8 auf, die sich jeweils durch den Rumpf des Wasserfahrzeugs 1 nach außen derart erstrecken, dass sie unterhalb einer Wasseroberfläche in dem Fahrwasser liegen. Die Flossen 8 erstrecken sich seitlich von dem Wasserfahrzeug 1 in Bezug auf die Fahrtrichtung 3 von dem Wasserfahrzeug 1 weg. Die Flossen 8 durchdringen dabei die jeweilige Seitenwand beziehungsweise den Rumpf des Wasserfahrzeugs 1 und sind an dem Wasserfahrzeug 1 beweglich gelagert. Dies soll später näher erläutert werden.
Die Flossen 8 weisen einen strömungsgünstigen Querschnitt auf, der einen möglichst geringen Strömungswiderstand für das Wasser, durch welches sich das Wasserfahrzeug 1 bewegt, aufweist.
2A und 2B zeigen ein Ausführungsbeispiel einer der Flossen 8 in einer Querschnittsdarstellung. Die Flosse 8 weist einen im Wesentlichen ovalen Querschnitt auf. Liegt die Flosse 8 dabei mit der längeren Seite des Querschnitts parallel zur Wasserströmung, die durch mehrere Pfeile angedeutet ist, bietet sie einen geringen Strömungswiderstand für das Wasser an. Wird die Flosse 8 angestellt, so dass sie um einen Winkel α zur Wasserströmung um ihre Längsachse 9 verdreht wird, so wird die Angriffsfläche für die Wasserströmung vergrößert, und eine Auftriebskraft F_L einstellt. Ist der Winkel α positiv, so stellt sich eine positive Auftriebskraft F_L ein, welche die Flosse 8 nach oben in Richtung der Wasseroberfläche drängt, wie in 2A gezeigt. Wird der Winkel α mit einem negativen Vorzeichen eingestellt, wie in 2B gezeigt, so entsteht eine negative Auftriebskraft F_L, welche die Flosse 8 nach unten drängt. Der Anstellwinkel α kann sich durch eine Nickbewegung des Wasserfahrzeugs 1 um eine Querachse ergeben, oder durch ein aktives Verdrehen der jeweiligen Flosse um ihre jeweilige Längsachse 9 mittels einer entsprechenden Einstelleinrichtung 10, die in 1 nur angedeutet ist. Alternativ kann die Flosse 8 einen flügelförmigen Querschnitt zur Erzeugung einer strömungsabhängigen Autriebskraft aufweisen.
Die Auftriebskraft F_L der Flosse 8 kann wie folgt formuliert werden: F_L = 1 / 2·ρ·V² _f·A_f·C₁(α_e)
Dabei gilt, dass V_f die Fahrtgeschwindigkeit, A_f die effektive also angeströmte Flossenfläche, C₁ einen Auftriebsbeiwert, ρ die Wasserdichtheit, α_e den effektiven Anstellerwinkel der Flosse 8, α_fl einen Auftriebswinkel und v_r die Rollgeschwindigkeit des Wasserfahrzeugs 1, mit welcher sich das Wasserfahrzeug 1 um seine Längsachse an der jeweiligen Flosse 8 neigt, bedeuten.
Die entstehende auf die jeweilige Flosse 8 wirkende Auftriebskraft F_L nutzt die Vorrichtung 6, 7 zur Erzeugung speicherbarer Energie.
3 zeigt hierzu das Wasserfahrzeug 1 in einer vereinfachten Querschnittsdarstellung mit einer Ausbildung der Vorrichtung 6, 7 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtungen 6, 7 weisen jeweils wasserfahrzeugseitig einen Generator 11 auf, der durch die jeweilige Flosse 8 antreibbar ist. Die Flossen 8 sind dazu durch ein Gelenk 12 jeweils gelenkig an dem Wasserfahrzeug 1 gehalten. Vorliegend ist das Gelenk 12 im Bereich der jeweiligen Seitenwand des Wasserfahrzeugs 1 dargestellt. Selbstverständlich kann das Gelenk 12 jedoch auch weiter im Inneren oder auch außerhalb des Wasserfahrzeugs 1 vorgesehen werden. Das jeweilige Gelenk 12 stellt eine Schwenkachse bereit, die jeweils parallel zur Längserstreckung des Wasserfahrzeugs 1 ausgerichtet ist, so dass die jeweilige Flosse mit einem wasserseitigen freien Ende 13 auf- und abbewegbar ist, während ein dem wasserseitigen Ende 13 gegenüberliegendes Ende 14 mit der jeweiligen Flosse 8 eine entsprechend entgegengesetzte Ab- beziehungsweise Aufbewegung durchführt.
Das wasserfahrzeugseitige Ende 1 der jeweiligen Flosse 8 ist dabei mit dem jeweiligen Generator 11 der Vorrichtung 6 oder 7 verbunden beziehungsweise gekoppelt. Der jeweilige Generator 11 weist zwei elektroaktive Polymeraktuatoren 15, 16 auf, die jeweils mit dem Ende 14 der jeweiligen Flosse 8 mechanisch gekoppelt sind. Dabei liegen die elektroaktiven Polymeraktuatoren 15, 16 auf gegenüberliegenden Seiten der Flosse 8, so dass bei einem Verschwenken der jeweiligen Flosse 8 um das Gelenk 12 einer der Polymeraktuatoren 15 auf Druck und der gegenüberliegende Polymeraktuator 16 auf Zug beansprucht wird.
Die elektroaktiven Polymeraktuatoren 15, 16 weisen Polymermaterialien auf, die mit einer Elektrode versehen sind und sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung aufgrund der Maxwellkraft zwischen den Elektroden zusammenziehen. Durch eine externe Kraftbeaufschlagung der Polymeraktuatoren 15, 17 wird dieser Prozess umgekehrt, so dass durch die Kraftbeaufschlagung und das Zusammendrücken beziehungsweise das Auseinanderziehen des jeweiligen Polymeraktuators 15, 16 elektrische Energie, insbesondere elektrische Spannung induziert/generiert wird.
Erfährt das Wasserfahrzeug 1 aufgrund des Wellengangs eine Rollbewegung, wie durch einen Pfeil 17 angedeutet, so neigt sich das Wasserfahrzeug 1 um seine Längsachse gemäß Pfeil 17. Durch die Rollbewegung wird die jeweilige Flosse 8 gegen das Wasser im Wesentlichen senkrecht zur Fahrtrichtung gepresst, wodurch eine Wasserkraft F_W auf die jeweilige Flosse 8 gemäß der Rollrichtung wirkt, welche zu einer Schwenkbewegung der Flosse 8 um die Drehachse des jeweiligen Gelenks 12 drängt. Da das wasserfahrzeugseitige Ende 14 jeweils mit den Polymeraktuatoren 14, 15 verbunden ist, wird durch die Schwenkbewegung der Flosse 8 eine elektrische Energie in dem Generator 11 erzeugt, die beispielsweise in elektrischen Speichern 20, die jeweils einem der Polymeraktuatoren 15, 16 zugeordnet sind, gespeichert wird. Die elektrische Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt wieder entnommen werden. Die Energie kann dabei für unterschiedliche Funktionen des Wasserfahrzeugs 1 genutzt werden. Auch ist es denkbar, die Energie für eine Betätigung der Flossen 8 zu nutzen, indem der Prozess umgekehrt und die Polymeraktuatoren zur Erzeugung einer Bewegungsenergie genutzt werden. Dadurch kann beispielsweise durch die erzeugte Flossenbewegung der Rollbewegung des Wasserfahrzeugs 1 entgegengewirkt werden. Die Vorrichtungen 6, 7 stellen in diesem Fall Flossenstabilisatoren 19, 18 dar, die eingesetzt werden können, sobald ausreichende elektrische Energie zur Verfügung steht. Die Auftriebskraft F_L, die durch die Wasserkraft F_W bei einer Rollbewegung des Wasserfahrzeugs 1 erzeugt wird, kann durch das Einstellen eines gewünschten Anstellwinkels α der Flossen 8 durch die jeweilige Einrichtung 10 verstärkt werden. Selbstverständlich kann die jeweilige Vorrichtung 6, 7 auch ohne die Einrichtung 10 vorgesehen werden, wobei sich dann ein Anstellwinkel der jeweiligen Flosse 8 auch durch die Nickbewegung des Wasserfahrzeugs 1 verändern kann.
Zur Optimierung der Betriebsführung, insbesondere zum Betreiben der Vorrichtungen 6, 7 als Flossenstabilisatoren 18, 19 weisen die Vorrichtungen 6, 7 oder das Wasserfahrzeug 1 eine Umfeldsensorik 21 auf, die insbesondere zum Echtzeit-Messen des Seegangs nutzbar ist. Dazu können beispielsweise maritime Radarsysteme, Laserscanner oder auch Stereokameras zum Erfassen eines Wellengangs genutzt werden. Dadurch lässt sich ein optimaler Anstellwinkel der Flossen 8 bestimmen, der der Rollbewegung gemäß Pfeil 17 entgegenwirkt.
Für die Energiegewinnung sind insofern die Wasserkraft F_W, die wegen der Rollbewegung eine Reaktionskraft auf die Flossen 8 induziert, die abhängig von der Stärke der Rollbewegung des Wasserfahrzeugs 1 ist, die Auftriebskraft, die auch durch einen Druckunterschied zwischen unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten des Wassers beim Umströmen der Flosse 8 erzeugbar ist, die Maxwell-Kraft und die Rückstellkraft der Polymeraktuatoren 15, 16 von Bedeutung. Während einer Energieerzeugung durch die Vorrichtung 6, 7 erfolgt keine oder nur eine geringe Roll-Dämpfung, weil die Kräfte zum Betreiben des Generators 11 genutzt werden. Die Auftriebskraft F_L kann durch eine Verstellung des Anstellwinkels α kontrolliert werden und ist von der Fahrgeschwindigkeit abhängig. Eine notwendige Auftriebskraft F_L, um den Generator 11 betreiben zu können, kann beispielsweise mithilfe der Umfeldsensorik 21 berechnet werden. Nachdem die elektrischen Speicher 20 der Vorrichtung 6, 7 aufgeladen wurden, kann die Auftriebskraft erhöht werden, um der Rollbewegung des Wasserfahrzeugs 1 entgegenzuwirken. Dadurch kann unabhängig davon, in welche Richtung das Schiff rollt, Energie erzeugt oder der Rollbewegung entgegengewirkt werden.
4 zeigt das Wasserfahrzeug 1 in einer weiteren Querschnittsdarstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Vorrichtungen 6, 7. Aus dem vorherigen Ausführungsbeispiel bereits bekannte Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden soll im Folgenden im Wesentlichen nur auf die Unterschiede eingegangen werden.
Der wesentliche Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel liegt darin, dass der Generator 11 nicht zum Erzeugen elektrischer Energie ausgebildet ist. Anstelle von Polymeraktuatoren 15, 16 weist der Generator 11 in dem zweiten Ausführungsbeispiel Druckspeicher 22, 23 auf, die wie zuvor den wasserfahrzeugseitigen Enden 14 der jeweiligen Flosse 8 zugeordnet sind. Die Druckspeicher 22, 23 der jeweiligen Vorrichtung 6, 7 sind dabei mit der jeweiligen Flosse 8 mechanisch derart verbunden, dass durch eine Bewegung der jeweiligen Flosse 8 ein in dem Druckspeicher 22, 23 befindliches Medium komprimiert oder entspannt wird, je nachdem, in welche Richtung die Flosse 8 um das Lager 12 verschwenkt wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass in den Druckspeichern 22, 23 ein kompressibles Medium, insbesondere ein Gas, vorgesehen ist, das entsprechend durch die Bewegung der Flossen 8 komprimierbar ist. Dabei können die Druckspeicher mechanisch oder hydraulisch mit den Enden 14 der Flossen 8 verbunden sein, um die Bewegungsenergie der Flossen 8 zum Komprimieren des Mediums zu nutzen. Durch das Komprimieren des Mediums wird eine Druckenergie in dem jeweiligen Druckspeicher 22, 23 gespeichert, die bei Bedarf abrufbar ist, insbesondere, um die jeweilige Flosse 8 in eine gewünschte Richtung zur Kompensation einer Rollbewegung des Wasserfahrzeugs 1 zu schwenken. Vorliegend wird wie zuvor aus der Rollbewegung gemäß Pfeil 17 des Wasserfahrzeugs 1 ein Druck auf den jeweiligen Druckspeicher 22, 23 ausgeübt und dadurch der Druckspeicher mit Druckenergie durch die oszillierende Rollbewegung des Wasserfahrzeugs 1 geladen. Die Dynamik für die Energiegeneration kann mit folgender Gleichung beschrieben werden, wobei die Annahme von adiabatischer Gaskomprimierung und kleinem Rollwinkel des Schiffes vorausgesetzt werden:
F_roll = {F(α_pitchflosse + α_rollship), 0 < t ≤ T / 2 –F(α_pitchflosse + α_rollship), T / 2 < t ≤ T
Dabei haben die Variablen folgende Bedeutung: D_fin entspricht der von dem Wasserfahrzeug 1 abstehenden Flossenlänge der jeweiligen Flosse 8, D_Z entspricht der wasserfahrzeugseitigen Länge der jeweiligen Flosse 8 zwischen dem Gelenk 12 und dem mit den Hydraulikspeichern 22, 23 verbundenen Ende 14, X steht für die Position der Druckspeicher 22, 23, wobei der maximale Wert durch den maximalen Rollwinkel des Wasserfahrzeugs 1 mit der Gleichung X = D_Z·sin(Rollwinkel) bestimmt wird, I entspricht der Trägheitskonstante der gesamten Flosse 8, A entspricht der Querschnittsfläche beziehungsweise Zylinderfläche des jeweiligen Druckspeichers 22, 23, Po entspricht dem Anfangsdruck der Druckspeicher 22, 23, F_r der auf der jeweiligen Flosse 8 ausgeübten Rollkraft und T der Rollperiode.
Die notwendige Auftriebskraft F_L, um den jeweiligen Druckspeicher 22, 23 zu komprimieren beziehungsweise zu laden, kann mithilfe der Umfeldsensorik bestimmt werden. Nachdem der jeweilige Druckspeicher 22, 23 komprimiert wurde, kann die Auftriebskraft gegebenenfalls erhöht werden, um der Rollbewegung des Wasserfahrzeugs 1 entgegenzuwirken.
Während gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeder Flosse 8 zwei Druckspeicher 22, 23 zugeordnet sind, ist es gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel auch denkbar, jeder Flosse 8 nur einen Druckspeicher zuzuordnen, der durch eine Mechanik oder Hydraulik mit der jeweiligen Flosse 8 derart koppelbar ist, dass sowohl eine Auf- als auch eine Abbewegung zum Aufladen des Druckspeichers genutzt werden kann. Hierzu können beispielsweise ein oder mehrere Ventileinrichtungen vorgesehen sein, durch deren Betätigung der Kraftfluss entsprechend steuerbar ist. Auch kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtungen 6, 7 einen gemeinsamen Druckspeicher aufweisen. Dadurch können die Vorrichtungen 6, 7 auch durch den gemeinsamen Druckspeicher zum Entgegenwirken der Rollbewegung durch die gespeicherte Druckenergie betätigt werden.
5 zeigt eine Längsschnittdarstellung des Wasserfahrzeugs 1, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Dabei ist vorgesehen, dass alternativ oder zusätzlich zu den Vorrichtungen 6, 7 eine Vorrichtung 24 im Heckbereich des Wasserfahrzeugs 1 vorgesehen ist, wobei die Vorrichtung 24 wie eine der zuvor beschriebenen Vorrichtungen 6, 7 ausgebildet ist, so dass gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Vorliegend ist der Generator 11 der Vorrichtung 24 als elektrischer Generator ausgebildet, so dass er die beschriebenen Polymeraktuatoren 15, 16 aufweist, die mit der Flosse 8 wie zuvor beschrieben zusammenwirken. Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, die Vorrichtung 24 am Heck des Wasserfahrzeugs 1 angeordnet ist, so dass die Flosse 8 nicht seitlich, sondern in Längsrichtung des Wasserfahrzeugs 1 vom Heck des Wasserfahrzeugs 1 nach hinten weisend ausgerichtet ist. Die Flosse 8 ist dabei parallel zur Wasseroberfläche ausgerichtet, so dass die Nickbewegung entsprechende Wasserkraft F_W erzeugt. In diesem Fall wird die Vorrichtung 24 dazu genutzt, Energie durch eine Nickbewegung des Wasserfahrzeugs 1, wie durch einen Pfeil 25 angedeutet, zu erzeugen. Es ergeben sich dabei die Kraftverhältnisse, wie sie zuvor bereits beschrieben wurden, mit dem Unterschied, dass eine Auftriebskraft F_L der Flosse 8 vernachlässigbar ist. Im Wesentlichen wird die Flosse 8 durch die Wasserkraft F_W der Nickbewegung betätigt. Der Wechsel im Anströmen der Flosse 8, wenn der hintere Teil des Schiffes nach oben oder nach unten bewegt wird, verursacht den zyklischen Wechsel in der Richtung der Auftriebskraft F_L und damit eine kontinuierliche Stromerzeugung durch die parallele Aufladung und Entladung beider Polymeraktuatoren 15, 16. Ist genug Energie durch den Generator 11 gespeichert worden, kann diese ebenfalls zum Betreiben der Vorrichtung 24 als Flossenstabilisator genutzt werden, um der Nickbewegung des Wasserfahrzeugs 1 entgegenzuwirken.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Flosse 8 senkrecht zur Wasseroberfläche in der Art eines Lenkruders ausgerichtet ist. Die Nickbewegung des Schiffes verursacht dann eine wechselrichtende umströmende Flüssigkeit um die Flosse 8 herum, die eine Art von Aufströmkraft verursacht und die Flosse zur Seite drückt. In diesem Fall kann die Kraft über die Winkelstellung der Flosse 8 gegenüber der umströmenden Flüssigkeit kontrolliert werden. Hierzu ist die optionale Einstelleinrichtung 10 vorgesehen. Die Geschwindigkeit des Anströmens und damit die auf die Flossen 8 wirkenden Kräfte sind dabei abhängig von dem aktuellen Seegang. Ebenso wie die Rollbewegung ist auch die Nickbewegung eine in der Regel oszillierende Bewegung um eine Querachse des Wasserfahrzeugs 1. Bei Inbetriebnahme erfolgt die Verformung der elektroaktiven Polymeraktuatoren durch die Wasserkraft im ungeladenen Zustand. Dadurch erfolgt eine Aufladung der elektrischen Speicher 20, die zunächst Kapazitäten beziehungsweise Kondensatoren des Generators 11 darstellen. Dadurch, dass der Flosse 8 jeweils zwei Polymeraktuatoren 15, 16 zugeordnet sind, wird der eine Polymeraktuator geladen, während der andere Polymeraktuator entladen wird.
Vorteilhafterweise sind die Vorrichtungen 6, 7 und/oder 24 derart ausgebildet, dass die Flossenlänge D_fin variabel ist, indem die jeweilige Flosse 8 in das Wasserfahrzeug 1 hinein und aus diesem herausgeschoben werden kann. Dadurch kann die Angriffsfläche beziehungsweise die wirksame Fläche, die zur Erzeugung der Auftriebskraft oder der Wasserkraft dient, variiert werden. Außerdem ist es denkbar, die Steifigkeit der elektroaktiven Polymeraktuatoren 15, 16 durch eine zusätzliche externe Spannung abhängig von der Stärke der Nickbewegung des Wasserfahrzeugs 1 oder der Rollbewegung zu variieren, um eine optimale Stromerzeugung/Energiegenerierung zu erreichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69314765 T2 [0003]

Claims

Vorrichtung (6, 7, 24) für ein Wasserfahrzeug (1), mit wenigstens einer Flosse (8), die ein erstes wasserseitiges freies Ende (13) und ein zweites wasserfahrzeugseitiges Ende (14) aufweist, wobei die Flosse (8) beweglich gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Flosse (8) mit einer Einrichtung (11) wirkverbunden ist, die eine durch eine Bewegung der Flosse (8) erzeugte Kraft in eine speicherbare und bei Bedarf abgebbare Energie wandelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung als Generator (11) ausgebildet ist, der durch die Flossenbewegung zur Erzeugung elektrischer Energie antreibbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (11) mindestens einen elektroaktiven Polymeraktuator (22, 23) aufweist, der mit der Flosse (8) insbesondere mechanisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektroaktive Polymeraktuator als elektroaktiver Polymeraktuatorstapel ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen Druckspeicher (22, 23) mit einem kompressiblen Medium aufweist, wobei der Druckspeicher (22, 23) derart mit der Flosse (8) insbesondere mechanisch gekoppelt ist, dass das Medium durch die Bewegung der Flosse (8) zur Speicherung von Druckenergie komprimierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flosse (8) eine Einstelleinrichtung (10) zugeordnet ist, die die Flosse (8) um eine Längsachse zum Einstellen eines Anstellwinkels (α) bei Bedarf verdreht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Flossenstabilisator (18, 19).
Wasserfahrzeug (1), mit einer Antriebseinrichtung (2) zum Antreiben des Wasserfahrzeugs in einer Fahrtrichtung (3), gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
Wasserfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flosse (8) zu ihrer Betätigung durch eine Rollbewegung des Wasserfahrzeugs (1) im Wesentlichen quer zur Fahrtrichtung (3) ausgerichtet ist.
Wasserfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flosse (8) zu ihrer Betätigung durch eine Nickbewegung des Wasserfahrzeugs (1) im Wesentlichen parallel zur Fahrtrichtung (3) des Wasserfahrzeugs (1) ausgerichtet ist.