DE102016010258A1 - Wellenkraftwerk - Google Patents

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    • Y02E10/30Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Abstract

Wellenkraftwerk (1) zur Umwandlung von Energie von Meereswellen (26) in nutzbare Energie, welches mindestens eine Traverse (2) aufweist, an der drehbar gelagert mindestens ein Ausleger (8, 12) für mindestens einen Ponton (3) angeordnet ist, wobei mindestens zwei drehbar gelagerte Arbeitszylinder (10, 11) die Bewegung des Auslegers (8, 12) aufnehmen und in Energie umwandeln, wobei das Wellenkraftwerk (1) mindestens einen drehbar gelagerten Pendelarm (9) aufweist, welcher eine Verbindung zwischen der Traverse (2) und dem Ausleger (8, 12) herstellt und eine Bewegung der Arbeitszylinder (10, 11) auf einer kreisförmigen Bewegungsbahn (30) ermöglicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Wellenkraftwerk zur Erzeugung von Energie, sowie ein Verfahren für den Betrieb eines Wellenkraftwerks.
  • Wellenkraftwerke nutzen die Energie der Wasserwellen zur Gewinnung elektrischen Stromes. Die Wellenkraftwerke sind entweder fest mit dem Festland oder Meeresgrund verbunden oder schwimmen frei auf der Wasseroberfläche, jedoch mit einer Verankerung mit dem Meeresgrund.
  • Mit der Druckschrift DE 10 2011 101 409 A1 wird beispielsweise ein Schwimmkörper-Kraftwerk zur Ausnutzung der Wellenenergie offenbart. Bei der vorliegenden Vorrichtung handelt es sich um einen Schwimmkörper, welcher in seinem Innenraum einen Generator aufweist, der von einem Transmissionsrad angetrieben wird. Über das Transmissionsrad wird ein Seil oder ein Kettenzug geführt, wobei das eine Seilende mit dem Meeresboden verankert ist, während das andere Seilende ein hängendes Gewicht aufweist. Durch die Wellenbewegung wird der Schwimmkörper auf der Welle auf- und abbewegt, wodurch das Transmissionsrad angetrieben wird und die Energie an den innenliegenden Generator abgibt.
  • Nachteil der vorliegenden Ausführungsform ist, dass das Kraftwerk eine bestimmte Meerestiefe benötigt, da das Übersetzungsverhältnis des Seils über das Transmissionsrades mindestens N = 2 sein muss. Insbesondere bei geringen Meerestiefen steht das Gewicht auf dem Boden auf, wodurch keine Energie mit dem Wellenkraftwerk erzeugt werden kann.
  • Die Druckschrift DE 10 2008 048 730 A1 offenbart ein Wellen- oder Impuls-Kraftwerk, bei welchem eine Anzahl von Schwimmkörper miteinander elastisch verbunden sind und somit als schwimmendes Fundament für ein Windkraftwerk genutzt werden. Die Wellenenergie wird über die Schwimmkörper und die elastischen Elementen aufgenommen und an einen Generator abgegeben. Ein Nachteil der vorliegenden Ausführungsform ist, dass diese nicht seetüchtig ist. Insbesondere die elastischen Verbindungen zwischen den einzelnen Schwimmkörpern können bei einem hohen Seegang reißen.
  • Mit der DE 196 12 124 A1 wird eine Vorrichtung zur Umwandlung von in Wasserbewegung enthaltener Energie in nutzbare Energie offenbart. Die Vorrichtung weist hierfür eine vertikale Säule auf, welche im Meeresgrund verankert ist und über die Wasseroberfläche hinaus steht. Oberhalb der Wasseroberfläche ist an der Säule über einen Ausleger ein Schwimmkörper drehgelagert angeordnet. Gemäß der 5 wird die Energie der Schwimmkörper 5 von zwei Teleskopzylindern aufgenommen. Ein Nachteil der vorliegenden Ausführungsform ist, dass durch die Anordnung eines Schwimmkörpers an einem Ausleger, nur relativ kleine Schwimmkörper eingesetzt werden können, da bei hohem Seegang ansonsten hohe Beschädigung an der Vorrichtung entstehen würden. Darüber hinaus ist der Schwimmkörper nur mit einem Drehlager mit dem Ausleger verbunden, was bei hohem Wellengang problematisch ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wellenkraftwerk so weiterzubilden, dass dieses seetüchtig ist und darüber hinaus effektiv die Wellenenergie aufnimmt.
  • Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und des Verfahrensanspruches 10 gekennzeichnet.
  • Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass das Wellenkraftwerk mindestens einen drehbar gelagerten Pendelarm aufweist, welcher eine Verbindung zwischen der Traverse und dem Ausleger herstellt und eine Bewegung der Arbeitszylinder auf einer kreisförmigen Bewegungsbahn ermöglicht.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Wellenkraftwerk wird die Relativbewegung der Pontons (Schwimmkörper) gegenüber der Traverse ausgenützt. Die Pontons sind hierbei über Ausleger, Pendelarme und Gelenkverbindungen mit der Traverse verbunden. Die Bewegung der Pontons wird hierbei bevorzugt durch hydraulische Systeme aufgenommen, wobei die aufgenommene Energie zum Betrieb eines Generators eingesetzt wird.
  • Durch den Einsatz von (zusätzlichen) Pendelarmen ist es nun erstmals möglich, mit den Pontons eine Auslenkung oder Elongation durchzuführen. Unter einer Auslenkung wird insbesondere eine Schwingung des Pontons auf einer Kurve ausgehend von seiner Ruhelage verstanden.
  • Durch die Pendelarme und die dadurch mögliche Auslenkung ist nun eine zusätzliche Horizontalkraft und/oder Vertikalkraft mit den Arbeitszylindern aufnehmbar. Dies geschieht immer dann, wenn sich die Welle aufbaut und danach wieder abbaut.
  • Der Pendelarm des Wellenkraftwerks ermöglicht damit einen verbesserten Einsatz der Arbeitszylinder. So können beispielsweise die Arbeitszylinder gezielt gesperrt bzw. verriegelt werden, um so gegen die Auftriebskraft des Pontons zu wirken. Durch die Pendelarmlagerung ist dann während des Sperrvorganges der Arbeitszylinder trotzdem eine kreisförmige Bewegung des Pontons bzw. dessen Ausleger möglich.
  • Der Ponton kann beispielsweise als Auftriebskörper, Boje oder Schwimmkörper ausgebildet sein. Entscheidend ist, dass der Ponton zumindest teilweise mit Luft gefüllt ist, wodurch er schwimmt und eine Auftriebskraft erzeugt. Der Ponton kann ferner ein Ventil aufweisen, über welches gezielt Wasser und damit Gewicht abgelassen oder eingelassen werden kann.
  • Die Pontos können als Einzel-Pontos oder als Doppel-Pontos vorliegen. Bei den Einzel-Pontos ist lediglich auf einer Seite und an einem Ausleger ein Ponton angeordnet. Bei den Doppel-Pontos sind auf beiden Seiten jeweils Pontos angeordnet.
  • Die Traverse dient als mechanischer Träger zur Befestigung der einzelnen Pontons und zur Verbindung der Wellenkraftwerke untereinander. Des Weiteren wird durch die Traverse eine Stabilisierung des gesamten Kraftwerks erreicht.
  • Die Traverse ist bevorzugt als modulare Fachwerkträger ausgebildet und besteht beispielweise aus Aluminium oder Stahl. Selbstverständlich sind auch andere Werkstoffe möglich. Entscheidend ist jedoch, dass der eingesetzt Werkstoff den extremen Witterungsbedingungen standhält.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Traverse als Gitterträger ausgebildet. Dies hat nicht nur Gewichtsvorteile, sondern es wird vor allem eine besonders hohe Stabilität erreicht. Ein weiterer Vorteil der Ausbildung der Traverse als Gitterträgers ist, dass dieser ein sehr gutes Verhalten gegenüber Torsionsspannungen aufweist. Durch die gitterartige Ausbildung können darüber hinaus die Wellen ungehindert durchgehen, ohne das große Beschädigungen an dem eigentlichen Wellenkraftwerk auftreten.
  • Mehrere Traversen lassen sich beliebig oft und modulartig zusammen anordnen. So können beispielsweise mehrere Wellenkraftwerke als gleichschenkliges Dreieck angeordnet sein. Es sind jedoch auch andere Formen, wie z. B. ein Kreis, Quadrat, Rechteck oder dergleichen möglich.
  • Bei einer ersten bevorzugte Ausführungsform besteht das Wellenkraftwerk aus einer (rechteckigen) Traverse, wobei auf den sich gegenüberliegenden Seiten jeweils ein Ponton (Schwimmkörper) angeordnet ist.
  • Die Pontons sind über einen Pendelarm und mindestens einen Arbeitszylinder mit der Traverse verbunden. Sowohl der Pendelarm, als auch der Arbeitszylinder weisen beidseitig eine bewegliche Gelenkverbindung auf. Dadurch findet insbesondere ein horizontaler Ausgleich der Pontons gegenüber der Traverse statt.
  • Der Arbeitszylinder ist bevorzugt als Hydraulikzylinder ausgebildet. Es ist sowohl der Einsatz eines einfachwirkenden, als auch eines doppelwirkenden Zylinders möglich.
  • Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf einen Hydraulikzylinder beschränkt. Vielmehr können statt einem Hydraulikzylinder auch ein Pneumatik-Zylinder oder beispielsweise eine Wasserpumpe (Kolbenwasserpumpen) eingesetzt werden. Ein wesentlicher Vorteil bei der Verwendung einer Wasserpumpe ist, dass hierfür keine Hydraulikflüssigkeit notwendig sind, dies wirkt sich positiv hinsichtlich möglicher Umweltverschmutzungen aus.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann statt dem Arbeitszylinder beispielsweise eine Turbine angeordnet werden, welche die durch die Wellen entstehende Kräfte aufnimmt und an den Generator abgibt.
  • Als Generator können sämtliche Vorrichtungen eingesetzt werden, welche die entstandene Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandeln. Bevorzugt wird dem Generator die mechanische Leistung in Form der Drehung einer mechanischen Welle zugeführt. Die Welle ist hierbei mit dem Arbeitszylinder gekoppelt.
  • Es ist jedoch auch möglich, dass der Generator durch einen Druck von einer Flüssigkeit (Wasser, Öl etc.) angetrieben wird.
  • Unter einem Pendelarm (swing arm) versteht die vorliegende Erfindung einen Körper, der an mindestens einer Achse oder Punkt drehbar gelagert ist. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Pendelarm bevorzugt als Rahmen ausgebildet, welcher um zwei Achsen drehbar gelagert ist und eine Verbindung zwischen der Traverse und dem Ponton herstellt.
  • Der Pendelarm weist an seinen beiden Enden jeweils eine bewegliche (Los-)Lagerung auf. Die Lagerung kann beispielsweise aus einer Lagerbuchse und einem Bolzen bestehen. Durch die zweiachsige Lagerung ist es erstmals möglich, dass sowohl Kräfte in horizontaler Richtung als auch in vertikaler Richtung aufgenommen werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Traverse an einem Tauchrohr angeordnet, wobei die Hülle (Rammpylone) des Tauchrohrs mit dem Seegrund verbunden ist. Bei der vorliegenden Vorrichtung reicht bevorzugt eine zylindrische Stahlhülle, ausgehend von der Meeresoberfläche bis zum Meeresgrund. Die Hülle wird als Rammpylone bezeichnet, da diese mittels eines Rammvorgangs in den Meeresboden gerammt wird. Im Inneren der Hülle ist das Tauchrohr vertikal verschiebbares angeordnet.
  • Eine Drehbewegung des Tauchrohrs in radialer Richtung innerhalb der Hülle ist möglich. Durch die Verbindung der Traverse mit dem Tauchrohr findet nicht nur eine Verankerung gegenüber dem Meeresboden statt, darüber hinaus können auch die vertikalen Kräfte der Wellen (teilweise) ausgeglichen werden. Aufgrund der radialen Drehbarkeit kann die Traverse mit den dazugehörigen Ponton stets in die richtig Position zur Welle gebracht werden. Bevorzugt wird der Ponton gegenüber dem Tauchrohr immer so ausgerichtet, dass das „Querschlagphänomen” auftritt.
  • Die Anordnung der Traverse gegenüber dem Tauchrohr erfolgt mittig. Dies bedeutet, dass die Abstände zwischen dem Tauchrohr und den gegenüberliegenden Pontons gleich sind.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Pontons außermittig gegenüber dem Tauchrohr angeordnet. Dies verstärkt das Querschlagphänomen.
  • Im Bereich der Traverse ist eine Generatorbox mit einem Generator und der dazugehörigen Messtechnik angeordnet. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass sowohl der Generator als auch die Messtechnik oberhalb der eigentlichen Wellen und somit überflutungssicher angeordnet sind.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Ponton zwei Ausleger auf, welche die Pontons in horizontaler Richtung von der Traverse beabstanden. Die eine Seite des Auslegers ist somit mit dem Ponton verbunden, während die gegenüberliegende Seite des Auslegers Aufnahmen für zwei Arbeitszylinder und zwei Pendelarme aufweist. Ausgehend von dem Ponton ist entlang der Längserstreckung des Auslegers ein erster Arbeitszylinder angeordnet. Es folgen zwei Pendelarme, wobei sich danach ein weiterer Arbeitszylinder anschließt. Die Pendelarme sind hierbei im 90° Winkel zu den Arbeitszylindern angeordnet.
  • Die Anordnung von zwei beanstandeten Arbeitszylindern hat den wesentlichen Vorteil, dass nur „niedrige” Zugkräfte wirken. Dadurch können die Arbeitszylinder kleiner ausgebildet werden, was Material, Gewicht und Kosten spart. Bei einer Druckbelastung müsste hingegen der Zylinder wesentlich größer ausgebildet sein.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Wellenkraftwerk schwimmend ausgebildet. Dies bedeutet, dass Wellenkraftwerk keine statische, fest Verankerung gegenüber dem Meeresgrund oder dem Festland aufweist.
  • Bei der schwimmenden Ausführungsform weist das Wellenkraftwerk bevorzugt ein zusätzliches, hohles Tauchrohr auf, welche sich vertikal in Richtung des Meeresgrunds erstreckt. Entscheidend ist, dass das Tauchrohr keinen Kontakt zu dem Meeresgrund hat, sondern durch seine Auftriebskraft das Wellenkraftwerk trägt.
  • Durch die schwimmende Ausbildung des Wellenkraftwerkes ist es nun erstmals möglich, dass das gesamte Kraftwerk von einem Schiff bzw. von mehreren Schiffen an beliebige Orte geschleppt werden kann. So ist es mit der erfindungswesentlichen Ausführungsform nun erstmals möglich, die gesamte Wellenkraftanlage im Bereich eines Hafens zusammenzubauen, um anschließend an eine gewünschte Position zu schleppen.
  • Das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk kann darüber hinaus als schwimmende Basis für Windkraftanlagen dienen. So können beispielsweise mehrere Wellenkraftwerke zu einem gleichschenkligen Dreieck miteinander verbunden werden, wobei bevorzugt vier Windkraftanlagen auf den Wellenkraftwerken angeordnet sind.
  • Da die Rotorblätter stets in gleicher Richtung drehen, kommt es zu seitlichen Auslenkungskräften, welche durch die hinteren, am Schenkelende befindlichen Windkraftanlagen und Rotorblätter wieder kompensiert werden können. Die Anstellung erfolgt durch das Drehen der Rotorkanzel, sodass das Wellenkraftwerk stets rechtswinklig zur Welle ausgerichtet wird.
  • Die Auslenkungskräfte der Windkraftanlagen können ferner durch Anordnung von zusätzlichen Pontons reduziert werden. Die zusätzlichen Pontons weisen hierfür bevorzugt einen eigenen Antrieb, wie z. B. einen Voith-Schneiderantrieb auf. Mit einer geeigneten Steuerung kann nun mit Hilfe der Antriebe die gesamte Wellenkraftanalage wieder in die richtige Position gegenüber den Wellen gebracht werden. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn die Strömung die gesamte Anlage so dreht, dass kein hoher Wirkungsgrad erreichbar ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden statt den Arbeitszylindern Wasserpumpen verwendet, welche für die Trinkwassergewinnung eingesetzt werden. Hierfür wird bevorzugt eine Umkehrosmose-Verfahren durchführt. Ausgehend von der Wellenbewegung, welche von den Pontons erfasst wird und über die Ausleger an die Wasserpumpen übertragen wird, erzeugen diese nun beispielsweise einen Druck von 70 bar. Mit diesem Druck wird dann der natürliche Osmose-Prozess umgekehrt und Trinkwasser gewonnen. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass eine Trinkwassergewinnung auf dem offenen Meer stattfindet, wobei das ausgeschiedene Salzwasser bzw. die Salzlake dem Meer wieder zugeführt wird.
  • Statt einer Stromleitung kann nun eine Trinkwasser-Versorgungsleitung zum nächsten Festland gelegt werden und somit dort die Bevölkerung mit dem neu gewonnenen Süßwasser versorgt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die gesamten Pontons bei einem Hurrican abgesenkt werden, sodass die Kräfte auf das Wellenkraftwerk stark reduziert werden.
  • Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
  • Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
  • Es zeigen:
  • 1: Perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Wellenkraftwerks
  • 2: erfindungsgemäßes Wellenkraftwerk im Schnitt
  • 3: Darstellung des Wellenkraftwerks von der Luvseite
  • 4: Draufsicht auf das Wellenkraftwerk
  • 5: Schematische Darstellung der ausgelenkten Pontons
  • 6: Darstellung der Pontonpositionen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
  • 7: Auflaufdiagramm der Pontonbewegung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
  • 8: Perspektivische Darstellung von mehreren, aneinanderhängenden Wellenkraftwerken mit Windkraftanlagen
  • 9: Seitenansicht Darstellung von mehreren, aneinanderhängenden Wellenkraftwerken mit Windkraftanlagen
  • Mit der 1 wird das Wellenkraftwerk 1 gezeigt. Das Wellenkraftwerk 1 besteht im Wesentlichen aus einer Traverse 2, welche als Grundgerüst für die weiteren Bauteile, wie z. B. den Generator 4 oder das Tauchrohr 5 dient. Des Weiteren sind an der Traverse 2 jeweils gegenüberliegend über Ausleger 8, 12 zwei Pontons 3 beweglich angeordnet.
  • Die Ausleger 8, 12 stellen eine Verbindung zwischen dem Ponton 3 und der Traverse 3 bzw. den Arbeitszylindern 10, 11 und den Pendelarmen 9 her. Die luvseitigen Ausleger sind durch das Bezugszeichen 8 gekennzeichnet, während die leeseitigen Ausleger mit dem Bezugszeichen 12 markiert sind. Die Arbeitszylinder 10, 11 sind als Hubzylinder ausgebildet, welche durch die Wellenbewegung und damit die Pendelbewegung des Auslegers 8, 12 ausgefahren und wieder eingefahren werden.
  • Entlang seiner Längserstreckung weist der Ausleger 8, 12 eine erste Gelenkverbindung 15 für den ersten Arbeitszylinder 11 auf. Die Gelenkverbindung 15 besteht im Wesentlichen aus einer Aufnahme und einem Bolzen. Im Anschluss daran folgen die beiden Pendelarme 9, welche im 90° Winkel gegenüber der Gelenkverbindung 15 auf beiden Seiten des Auslegers 8, 12 angeordnet sind. Sowohl der erste Arbeitszylinder 11, als auch die beiden Enden der Pendelarme 9 sind im oberen Bereich mit einer Achse 14 verbunden. Nach den Pendelarmen 9 folgt ein weiterer, zweiter Arbeitszylinder 10, welcher ebenfalls mit einer Gelenkverbindung 15 mit dem Ausleger 8, 12 verbunden ist. Im oberen Bereich ist der Arbeitszylinder 10 mit einer weiteren Achse 13 verbunden. Selbstverständlich können beide Arbeitszylinder 10, 11 und die Pendelarme 9 im oberen, traversennahen Bereich mit einer gemeinsamen Achse 13, 14 verbunden sein.
  • Entscheidend ist bei der Anordnung der Arbeitszylinder 10 und 11, sowie der beiden Pendelarme 9, dass nun der Ausleger 8, 12 nicht nur eine Bewegung in vertikaler, sondern auch in horizontaler Richtung ausführen kann. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass nun sowohl die Kräfte bei einer ansteigenden Welle, als auch bei einer abfallenden Wellen aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt werden können. Des Weiteren wird durch die Pendelarme 9 beim Hin- und Zurückfahren der Pontons 3 zusätzliche Energie mit den Arbeitszylindern 10, 11 gewonnen.
  • Im Bereich der Traverse 2 ist ferner ein Gehäuse 4 für die Messtechnik und den Generator 18 angeordnet. Durch die hohe Anordnung des Gehäuses 4 mit circa 8 Metern über dem Meeresspiegel sind die Gerätschaften relativ geschützt gegenüber dem Seegang angeordnet.
  • Gemäß der 1 ist das Wellenkraftwerk 1 mit einem Tauchrohr 5 und einer Rammpylone 6 gegenüber dem Meeresboden 7 gegen ein Abdriften aufgrund Meeresströmungen gesichert. Die Rammpylone 6 ist bevorzugt hohl ausgebildet und weist eine zylindrische Form auf. Nach erfolgtem Einrammen der Pylone 6 in den Meeresboden 7 kann nun das Tauchrohr 5 drehbar in Pfeilrichtung 21 innerhalb der Rammpylone 6 angeordnet werden.
  • Die Pontons 3 bewegen sich aufgrund der Bewegung der Welle 26 vertikal nach oben und unten. Diese Bewegungsenergie wird von den Arbeitszylindern 10 und 11 aufgenommen und dem Generator 18 zugeführt. So ist es beispielsweise möglich, dass die Arbeitszylinder 10, 11 als Hydraulikzylinder ausgebildet sind, welcher durch den Hydraulikdruck den Generator 18 antreiben. Wie bereits oben erwähnt ist die vorliegende Anmeldung nicht auf einen Hydraulikzylinder beschränkt. Es ist daher beispielsweise auch möglich, dass die Arbeitszylinder 10, 11 einen Wasserdruck erzeugen, welcher den Generator 18 antreibt.
  • Der Arbeitszylinder lässt sich sperren und wieder öffnen. Im gesperrten Zustand ist die vertikale Bewegung des Kolbens innerhalb des Zylinders nicht möglich. Im geöffneten Zustand bewegt sich der Kolben im Zylinder, wodurch Energie in Form von Druck aufgebaut wird.
  • Mit der 2 wird das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk 1 im Schnitt gezeigt. Die Traverse 2 ist mit einem Tauchrohr 5 und einer Rammpylone 6 gegenüber dem Meeresgrund 7 verankert.
  • Die Pontons 3 sind außermittig gegenüber dem Tauchrohr 5 angeordnet, was bedeutet, dass der Ausleger 8 länger, als der Ausleger 12 ist. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund der Drehbarkeit des Tauchrohres 5 gegenüber der Rammpylone 6 in Pfeilrichtung 17 sich nun die Pontons 3 stets optimal entsprechend der Wellenrichtung bzw. der Windrichtung ausrichten.
  • Beide Pontons 3 befinden sich im Wasser, wobei die Pontons 3 teilweise unterhalb der Wasseroberfläche 22 sind. Bei einer Wellenbewegung werden nun die Pontons 3 entlang der Bewegungsbahn 21 geführt.
  • Die bewegliche Anordnung bzw. die Auslenkung der Arbeitszylinder 10, 11 gegenüber der Traverse 2 ermöglicht eine kreisförmige Bewegungsbahn 21 der Pontons 3, wobei die Pontons 3 beispielsweise 8,50 m über der Wasseroberfläche 22 angehoben und bis zu 12 m unter die Wasseroberfläche gedrückt werden.
  • Gemäß der 2 findet noch keine horizontale Pendelbewegung aufgrund der Pendelarme 9 statt, sondern nur eine Bewegung der Pontons 3 auf der kreisförmigen Bewegungsbahn 21. Während der Pendelbewegung auf der Bewegungsbahn 21 werden die Arbeitszylinder 10, 11 ausgefahren und wieder eingefahren und erzeugen dabei Energie.
  • Im Inneren der Rammpylone 6 befindet sich ein flexibles Kabel 19, welches die vertikalen und radialen Bewegungen des Tauchrohres 5 gegenüber der Rammpylone 6 ausgleicht und ferner die gewonnene Energie an ein Seekabel 20 abgibt.
  • 3 zeigt das Wellenkraftwerk 1 von der Luvseite. Die Pendelarme 9 sind bevorzugt paarweise pro Ausleger 8, 12 angeordnet. Im Bereich des Auslegers 8, 12 findet eine Verbindung der Pendelarme 9 mit einer Gelenkverbindung 15 statt. Im oberen Bereich sind die Pendelarme 9 und die Arbeitszylinder 11 durch eine gemeinsame Welle 14 an der Traverse 2 angelenkt.
  • Mit der 4 wird das Wellenkraftwerk 1 in der Draufsicht gezeigt. Auf der Luv-Seite befinden sich jeweils zwei Pontons 3, welche über die Ausleger 8 mit der einzelnen Arbeitszylindern 11 und den Pendelarme 9 mit der Achse 14 der Traverse 2 verbunden sind.
  • Auf der Lee-Seite befindet sich ein größer ausgebildeter Ponton 3, welche über zwei Ausleger 12 mit den Arbeitszylindern 10 und den Pendelarmen 9 mit der Achse 14 der Traverse 2 verbunden sind.
  • Durch die Achsen 13 und 14 wird eine bewegliche und schwenkbare Anordnung der Zylinder 10, 11 und der Pendelarme 9 gegenüber der Traverse 2 erreicht.
  • Mit der 5 wird die Auslenkung der Pontons 3 und einer zusätzlichen Verschiebung in horizontaler Richtung aufgrund des Pendelsarms 9 gezeigt.
  • Der Ponton 3, 24a befindet sich in oberhalb der Wasserfläche in circa 8 m Höhe. Der Pendelarm 9, sowie die Arbeitszylinder 10, 11 sind auf der kreisförmigen Bewegungsbahn 30 verschoben und sind als Pendelarm 9a und Arbeitszylinder 10a, 11a dargestellt.
  • Durch den Pendelarm 9 ist es nun erstmals möglich die Arbeitszylinder 10, 11 auf der kreisförmigen Bewegungsbahn 30 zu führen – unabhängig davon, in welcher Position sich der jeweilige Arbeitszylinder 10, 11 gerade befindet. Dies bedeutet, dass selbst mit einem gesperrten Arbeitszylinder 10, 11 eine Bewegung auf der Bahn 30 möglich ist.
  • Mit der 6 wird ein Ablaufdiagramm der Pontonbewegung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt.
  • Entscheidend ist, dass die Arbeitszylinder 10, 11 einzelnen angesteuert werden können. Dies geschieht beispielsweise mit einer Software, welche anhand von Messdaten die einzelnen Ventile der Zylinder 10, 11 öffnet oder schließt. Dadurch ist es möglich z. B. den Ponton 3 für eine gewisse Zeit entgegen der Auftriebskräfte unter Wasser zu halten.
  • Mit der 6 wird eine Wasserwelle 26 dargestellt, welche eine regelmäßige Sinusform aufweist. Der Teil der Welle 26, der oberhalb des Ruhewasserspiegels liegt, wird als Wellenberg bezeichnet. Die Position mit der höchsten Auslenkung der Welle 26 ist der Wellenkamm 27. Der Teil der Welle 26 der unterhalb des Ruhewasserspiegels liegt, ist das Wellental 28.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform erfolgen folgende Verfahrensschritte:
  • 1. Position „A”
  • Die Welle 22 befindet sich im Bereich des Ruhewasserspiegels. Der Ponton 3 schwimmt auf der Wasseroberfläche 22 und ist zur Hälfte mit Luft und zur Hälfte mit Wasser gefüllt. Es wirken sowohl Auftriebskräfte (z. B. 200 t), als auch entgegengesetzte Gewichtskräfte (z. B. 200 t).
  • 2. Position „B”
  • Die (Wasser-)Welle 26 beginnt als Wellenberg anzusteigen bzw. sich aufzubauen. Der Ponton 3 wird gezielt unter der Wasseroberfläche 22 gehalten. Es wirken nun (starke) Auftriebskräfte nach oben. Die Welle 26 steigt auf dem Wellenberg weiter an.
  • 3. Position „C”
  • Der Wellenkamm 27 und somit die maximale Wellenhöhe ist erreicht. Zwischen den Positionen „B” und ”C” wurde mindestens ein Arbeitszylinder 10, 11 geöffnet, wodurch sich aufgrund der Auftriebskraft des Pontons 3 dieser sich in Richtung der Wasseroberfläche 22 bewegt hat. Dieser Verfahrensschritt wird als Arbeitsphase bezeichnet, wobei der Ponton 3 unter der Wasseroberfläche 22 um circa 1,80 m angehoben wurde.
  • Die Bewegungsenergie des Pontons 3 wird von mindestens einem Arbeitszylinder 10, 11 aufgenommen.
  • 4. Position „D1”
  • Zwischen den Positionen „C” und „D1” findet die Auftauchphase statt.
  • Der mindestens eine Arbeitszylinder 10, 11 wurde nun vollkommen geöffnet, wodurch sich der Ponton 3 in Richtung der Wasseroberfläche 22 bewegt hat und letztendlich auf der Wasseroberfläche 22 schwimmt.
  • Die Bewegungsenergie des Pontos 3 wird von mindestens einem Arbeitszylindern 10, 11 aufgenommen.
  • 5. Position „D2”
  • Die Welle beginnt ausgehend von dem Wellenkamm 27 wieder abzufallen.
  • Die Arbeitszylinder 10, 11 sind geschlossen, so dass der Ponton 3 im Bereich der Wasseroberfläche 22 gehalten wird. Es wirkt nun die Gewichtskraft des Pontons 3 nach unten.
  • Sobald ein voreingestellter Druck im Arbeitszylinder 10, 11 erreicht ist, wird der Arbeitszylinder 10, 11 geöffnet, wodurch der Ponton 3 in Richtung der Wasseroberfläche 22 abgelassen wird.
  • Die Bewegungsenergie des Pontos 3 wird von mindestens einem Arbeitszylindern 10, 11 aufgenommen.
  • 6. Position „D2”
  • Es liegt wieder das Wellental 28 vor. Der Ponton 3 schwimmt auf der Wasseroberfläche 22 und die Arbeitszylinder 10, 11 werden verriegelt.
  • Durch die Anordnung der Ausleger bzw. der Pontons 3 an Pendelarme 9 kann insbesondere zwischen den Position „C”, „D1” und „D2” ein Zurückfahren des mindestens einen Pontons 3 in seine Ausgangsposition erreicht werden. Hierbei entsteht eine Horizontalkraft 25, welche zusätzlich von der Arbeitszylindern 10, 11 aufgenommen wird.
  • Durch die erfindungswesentliche Lagerung mit den Pendelarmen 9 kann auf eine zusätzliche Rückführvorrichtung für die Pontons 3, wie z. B. eine elastische Feder oder dergleichen, verzichtet werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Verfahrensablauf beschränkt. Vielmehr ist es auch möglich, dass nur einzelne Verfahrensschritte mit einander kombiniert werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Traverse einzelne Tauchrohre auf, welche insbesondere ein Schwimmen des gesamten Wellenkraftwerkes ermöglicht.
  • Mit der 7 wird noch einem der Bewegungsablauf des Pontons gemäß der 6 dargestellt. Entscheidend ist, dass zwischen der Position „c” bis nach der Position „D2” eine zusätzliche Horizontalkraft 25 aufgrund der Pendelarme 9 mit den Arbeitszylindern 10, 11 aufgenommen und in Energie umgewandelt werden kann.
  • Gemäß der 8 sind mehrere Wellenkraftwerke 1 hintereinander in der Form eines gleichschenkligen Dreiecks angeordnet. An jedem Schenkel des Dreieckes befinden sich beispielsweise 10 Wellenkraftwerke 1. Die Verbindung der Wellenkraftwerke 1 untereinander erfolgt durch die Traversen 2.
  • Die Doppel-Pontons 3 sind in einem Winkel von 45 Grad hintereinander angeordnet sind. Ein wesentlicher Vorteil der 45-Grad-Anordnung ist, dass die Wasserwellen 26 ungehindert auf die einzelnen Pontons 3 treffen und diese effektive anheben bzw. absenken.
  • Die 8 zeigt ferner, dass die erfindungsgemäßen Wellenkraftwerke 1 als Basis für eine Windkraftanlage 29 dienen können. Durch die Verbindung von mehreren Wellenkraftwerken 1 wird eine sichere und seetüchtige Basis geschaffen, welche die Anordnung von mehreren Windkraftanlagen 29 erlaubt.
  • Da das Windkraftrad bzw. die gesamte Windkraftanlage 29 bis zu 1000 Tonnen wiegt, muss in diesem Bereich hinsichtlich des Wellenkraftwerks 1 ein zusätzlicher Ausgleich geschaffen werden. Dies geschieht bevorzugt dadurch, dass der Schaft des Windrades auch unter Wasser als eine Art Tauchrohr 5 ausgebildet ist, sodass das zusätzliche Gewicht der Windkraftanlage 29 durch das schwimmende Tauchrohr 5 und dessen Auftriebskraft aufgenommen wird.
  • Durch die zusätzliche Anordnung eines Tauchrohres im Bereich der Windkraftanlage 29 ist gewährleistet, dass das Wellenkraftwerk 1 von dem zusätzlichen Gewicht nicht beeinflusst wird.
  • Mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Wellenkraftwerkes ist es nun möglich, bei einem Anstieg der Welle den Hydraulikzylinder zu verriegeln, sodass der Ponton unter Wasser gedrückt wird. Sobald die voreingestellte Auftriebskraft erreicht ist, macht der Hydraulikzylinder auf, wodurch Energie erzeugt wird. Wenn der Ponton auf dem Wellenkamm angekommen ist, wird der Hydraulikzylinder noch einmal gesperrt, wodurch der Ponton bei abfallender Welle aus dem Wasser aufsteigt. Sobald dann die voreingestellte Kraft erreicht ist, macht der Hydraulikzylinder wieder auf und erzeugt Energie.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Wellenkraftwerk
    2
    Traverse
    3
    Ponton
    4
    Gehäuse
    5
    Tauchrohr
    6
    Rammpylone
    7
    Meeresgrund
    8
    Ausleger (Luv)
    9
    Pendelarm
    9a
    Pendelarm (in ausgelenkter Position)
    10
    2.Arbeitszylinder
    10a
    2.Arbeitszylinder (in ausgelenkte Position)
    11
    1.Arbeitszylinder
    11a
    1.Arbeitszylinder (in ausgelenkter Position)
    12
    Ausleger (Lee)
    13
    Achse (Lee)
    14
    Achse (Luv)
    15
    Gelenkverbindung für 10, 11
    16
    Gelenkverbindung für 9
    17
    Pfeilrichtung/Drehrichtung
    18
    Generator
    19
    Kabel
    20
    Seekabel
    21
    Bewegungsbahn
    22
    Wasseroberfläche
    23
    Ponton (Luv)
    23a
    Ponton (abgesenkte Stellung)
    24
    Ponton (Lee)
    24a
    Ponton (angehobene Stellung)
    25
    Horizontalkraft
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011101409 A1 [0003]
    • DE 102008048730 A1 [0005]
    • DE 19612124 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Wellenkraftwerk (1) zur Umwandlung der Energie von Meereswellen (26) in nutzbare Energie, welches mindestens eine Traverse (2) aufweist, an der mindestens ein Ausleger (8, 12) für mindestens einen Ponton (3) drehbar gelagert angeordnet ist, wobei mindestens zwei Arbeitszylinder (10, 11) drehbar gelagerte zwischen der Traverse (2) und dem Ausleger (8, 12) angeordnet sind und die Bewegung des Auslegers (8, 12) aufnehmen und in Energie umwandeln, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenkraftwerk (1) mindestens einen drehbar gelagerten Pendelarm (9) aufweist, welcher eine Verbindung zwischen der Traverse (2) und dem Ausleger (8, 12) herstellt und eine Bewegung der Arbeitszylinder (10, 11) auf einer kreisförmigen Bewegungsbahn (30) ermöglicht.
  2. Wellenkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie des Arbeitszylinders (10, 11) zum Betrieb eines Generators (18) genutzt wird, welcher elektrischen Strom erzeugt.
  3. Wellenkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitszylinder (10, 11) als Hydraulikzylinder ausgebildet ist.
  4. Wellenkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitszylinder (10, 11) als Wasserpumpe ausgebildet ist.
  5. Wellenkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wellenkraftwerke (1) miteinander verbunden sind und annährend die Form eines Dreiecks aufweisen.
  6. Wellenkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Wellenkraftwerk (1) mindestens eine Windkraftanlage (29) angeordnet ist.
  7. Wellenkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenkraftwerk (1) frei schwimmend ausgebildet ist, wobei mindestens ein zusätzliches Tauchrohr (5) eine Auftriebskraft für das Wellenkraftwerk (1) erzeugt.
  8. Wellenkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenkraftwerk (1) gegen ein Abdriften mit einem Seil oder Kette und einer Verankerung gegenüber dem Meeresgrund (7) gesichert ist.
  9. Wellenkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenkraftwerk (1) mit einem Tauchrohr (5) und einer Rammpylone (6) mit dem Meeresgrund (7) verbunden ist, wobei das Tauchrohr (5) innerhalb der Rammpylone (6) vertikal verschiebbar und radial drehbar angeordnet ist.
  10. Verfahren zum Betrieb eines Wellenkraftwerkes (1), wobei eine Umwandlung von Energie von Meereswellen (26) in nutzbare Energie stattfindet, wobei das Wellenkraftwerk (1) mindestens eine Traverse (2) aufweist, an der drehbar gelagert mindestens ein Ausleger (8, 12) mit mindestens einen Ponton (3) angeordnet ist, wobei mindestens zwei drehbar gelagerte Arbeitszylinder (10, 11) die Bewegung des Auslegers (8, 12) aufnehmen und in Energie umwandeln, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritt gekennzeichnet ist: 10.1 Der Ponton (3) befindet sich in der Ausgangsposition und schwimmt auf der Wasseroberfläche (22); 10.2 Die Welle (26) beginnt anzusteigen – der Wellenberg baut sich auf. Der Ponton (3) wird währenddessen gezielt durch ein Sperren mindestens eines Arbeitszylinders (10, 11) unter der ansteigenden Wasseroberfläche (22) gehalten; 10.3 Danach wird der mindestens eine Arbeitszylinder (10, 11) geöffnet, wobei die Bewegungsenergie, welche durch die Auftriebskraft des Pontons (3) entsteht, von mindestens einem Arbeitszylinder (10, 11) aufgenommen wird; 10.4 Nach Erreichen des Wellenkamms (27) beginnt die Welle (26) wieder abzufallen, wobei mindestens ein Arbeitszylinder (10, 11) gesperrt ist, so dass der Ponton (3) zumindest auf der Höhe des Wellenkamms (27) gehalten wird. 10.5 Danach wird der mindestens eine Arbeitszylinder (10, 11) geöffnet, wodurch der Ponton (3) in Richtung der Wasseroberfläche (22) absinkt, wobei die Bewegungsenergie des Pontos (3) von mindestens einem Arbeitszylindern (10, 11) aufgenommen wird. 10.6 Die Welle (26) befindet sich im Wellental (28), wobei der Ponton (3) auf der Wasseroberfläche (22) schwimmt.
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