DE102016207662A1

DE102016207662A1 - Wellenenergiewandler und Verfahren zur Wandlung von Wellenenergie

Info

Publication number: DE102016207662A1
Application number: DE102016207662.0A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Gramüller; Hardy Köke; Christian Hühne
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-05-03
Filing date: 2016-05-03
Publication date: 2017-11-09
Anticipated expiration: 2036-05-04
Also published as: DE102016207662B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Energiegewinnung aus Wellenenergie. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wandlung von Wellenenergie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine scheibenförmige Gestalt mit Flächenseiten, definiert aus Breite und Höhe der Vorrichtung, und mit Schmalseiten, definiert aus Höhe und Tiefe der Vorrichtung aufweist, wobei die Tiefe sehr viel kleiner ist als die Breite und Höhe, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl formvariabler, deformierbarer Zellen aufweist, wobei die Zellen mit einem Fluid gefüllt und mit einem fluidischen System wirkverbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Energiegewinnung aus Wellenenergie.
Im Stand der Technik sind Wellenergiewandler bekannt, die die Energie von Meereswellen in eine direkt nutzbare Energieform, beispielsweise in elektrische Energie wandeln. Beispielsweise ist aus der US-amerikanischen Offenlegungsschrift US 2013/0269333 A1 ein Wellenenergiewandler bekannt, der die Wellenenergie über ein bewegliches schwimmendes Paddel aufnimmt. Die Bewegungen des Paddels werden über mechanische Systeme wie Seile auf Generatoren übertragen, die dadurch rotieren und elektrische Energie gewinnen.
Aus der US-amerikanischen Offenlegungsschrift US 2015/0035279 A1 ist ein Wellenenergiewandler bekannt, der die Wellenenergie über einen beweglichen Zylinder als Auftriebskörper aufnimmt, der über ein Hebelsystem seine durch die Wellenbewegung initiierte Auf- und Abbewegung auf eine drehbare Welle überträgt. Die drehbare Welle kann beispielsweise ebenfalls mit einem Generator verbunden sein, der aus der Drehbewegung elektrische Energie erzeugt.
Auch aus den Offenlegungsschriften GB 2461090 A und GB 2472625 A sind Systeme mit Auftriebskörpern bekannt, die die Wellenenergie in mechanische Arbeit verwandeln, wobei die mechanische Arbeit über dem Fachmann bekannte Systeme in elektrische Energie umwandelbar ist.
Andere bekannte Systeme weisen bewegliche Klappen auf, die unterhalb der Wasseroberfläche eines Gewässers, in dem Seegang auftritt, montiert sind und deren von der Wellenbewegung initiierte Klappbewegungen hydraulisch über Kolben, die beispielsweise mittels Kolbenstangen mit den Klappen verbunden sind und in Zylindern oszillierende Bewegungen ausführen können, in Volumenarbeit gewandelt wird.
Der Nachteil dieser Systeme ist einerseits der hohe Installationsaufwand im Bereich der Druckerzeugung, d.h. für die Installation der Auftriebskörper oder der Klappen. Andererseits ist der hohe Wartungsaufwand nachteilig, der durch Verschleiß der beweglichen Teile hauptsächlich an den Gelenken, durch Korrosion und durch Bewuchs hauptsächlich der beweglichen Komponenten verursacht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Wandlung von Wellenenergie anzugeben, dass den Installations- und Wartungsaufwand gegenüber den bekannten Vorrichtungen minimiert. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 19. Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung nach Anspruch 20 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 21 bis 23.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wandlung von Wellenenergie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine scheibenförmige Gestalt mit Flächenseiten, definiert aus Breite und Höhe der Vorrichtung, und mit Schmalseiten, definiert aus Höhe und Tiefe der Vorrichtung aufweist, wobei die Tiefe sehr viel kleiner ist als die Breite und Höhe, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl formvariabler, deformierbarer Zellen aufweist, wobei die Zellen mit einem Fluid gefüllt und mit einem fluidischen System wirkverbunden sind. Die Vorrichtung weist damit eine wandförmige Form auf. Die Tiefe kann beispielsweise um den Faktor 15 kleiner sein als die Breite B oder die Höhe H. Das Fluid, mit dem die Zellen gefüllt sind, kann kompressibel oder inkompressibel sein.
Es ist von Vorteil, wenn die Vorrichtung eine Basis und ein Bewegungsteil aufweist, wobei das Bewegungsteil die Zellen aufweist. Basis und Bewegungsteil sind miteinander wirkverbunden. Über die Basis kann die Vorrichtung verankert werden.
Beispielsweise kann die Basis auf dem Grund eines Gewässers verankert werden. Ist das Gewässer mit Seegang beaufschlagbar, so bilden sich bei Seegang Wellen aus. Diese Wellen haben eine erste Bewegungsrichtung. Die erste Bewegungsrichtung der Wellen ist dabei in Küstennähe von dem Küstenverlauf und der Wetterlage abhängig. Ist das Gewässer ein Meer, so ist die erste Bewegungsrichtung der Wellen in Küstennähe bei den üblichen Wetterlagen in Nähe der meisten Küsten auf die Küste gerichtet. Nach Durchlauf der Welle durch einen bestimmten Punkt bewegt sich das Wasser in die zweite Bewegungsrichtung der Welle zurück, wobei die zweite Bewegungsrichtung gegenteilig zu der ersten ist. In Küstennähe ist die Bewegungsenergie der Welle in die erste Richtung größer als in zweiter Bewegungsrichtung. Das Bewegungsteil ist so mit der Basis verbunden, dass es sich gegenüber der Basis in die Bewegungsrichtungen der Wellen auslenken lässt, so dass es bei Wellenbewegung hin- und her schwingt. Beispielsweise ist das Bewegungsteil über eine biegbare Zone oder einem Scharnier mit der Basis verbunden. Das Bewegungsteil ragt dabei von der Basis aus in Richtung Gewässeroberfläche in das Gewässer hinein, wobei es sich zumindest teilweise unterhalb der Gewässeroberfläche erstreckt. Das Bewegungsteil weist eine erste Seite und eine im Wesentlich dazu parallele zweite Seite auf, wobei die beiden Seiten Teil der Flächenseiten der Vorrichtung sind.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zellen in dem Bewegungsteil angeordnet sind.
Das Bewegungsteil weist in einer vorteilhaften Ausführungsform darüber hinaus eine im Wesentlichen starre Verlängerung auf, mit der die Wirkfläche und damit auch der Wirkungsgrad vergrößert wird. Die Verlängerung kann dabei sowohl in Höhen- als auch in Breitenrichtung vorgesehen sein. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Verlängerung auf der der Basis gegenüber liegenden Seite des Bewegungsteils angeordnet ist. Die Verlängerung kann dabei massiv, d.h. ohne Zellen, ausgeführt sein. Die Verlängerung kann beispielsweise ein doppelwandiges Profil aufweisen, wobei dieses Profil auch einen Hohlraum aufweisen kann.
Die Basis der Vorrichtung ist auf dem Grund eines mit Seegang beaufschlagbaren Gewässers derart installierbar, dass die Flächenseiten im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung der Wellen angeordnet sind und das Bewegungsteil mindestens teilweise unterhalb der Gewässeroberfläche angeordnet ist. Die Basis dient der Befestigung der Vorrichtung. Die Vorrichtung kann dabei unmittelbar auf dem Gewässergrund befestigt werden. Alternativ kann die Vorrichtung auch auf einem Distanzstück befestigt werden, wobei das Distanzstück auf dem Gewässergrund befestigt ist. Die Vorrichtung kann aber auch auf einer Baugruppe befestigt sein, die in dem Gewässer schwebt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Vorrichtung so in dem Gewässer positioniert ist, dass sie kurz unterhalb der Gewässeroberfläche angeordnet ist, da hier die Wellenbewegung am größten ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung weist die erste Seite des Bewegungsteils eine im Wesentlichen glatte Oberfläche auf, während die zweite Seite des Bewegungsteils eine strukturierte Oberfläche aufweist. Die erste Seite kann dabei von Wänden der Zellen gebildet werden, wobei diese die erste Seite bildenden Zellwände zueinander parallel in einer Ebene liegen und im Wesentlichen nahtlos miteinander verbunden sind. Die erste Seite kann aber auch von einer eigenen Wand gebildet werden, auf der auf einer Seite die Zellen angeordnet sind. Die zweite Seite wird zumindest teilweise von Zellwänden der Zellen gebildet. Diese Zellwände liegen dabei höchstens paarweise parallel zueinander und liegen zumindest nicht alle in einer Ebene. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Vorrichtung so auf dem Grund des Gewässers installiert ist, dass sich die zweite Seite der Vorrichtung näher an einem Ufer des Gewässers befindet als die erste Seite. Die Pumpwirkung der Vorrichtung ist bei einer Auslenkung in Richtung der zweiten Seite größer als bei Auslenkung in Richtung der ersten Seite. Da in Küstennähe die Bewegungsenergie der Welle in die erste Richtung größer ist als in zweiter Bewegungsrichtung, wird durch die vorteilhafte Anordnung der Vorrichtung in Bezug auf die Wellenrichtung der Wirkungsgrad der Vorrichtung optimiert.
Die erste Seite des Bewegungsteils kann mit der zweiten Seite im Wesentlichen parallel verlaufen. In einer vorteilhaften alternativen Ausführungsform läuft das Bewegungsteil aber in Höhenrichtung entgegen der Richtung der Basis konisch zu, so dass in dieser Ausführungsform die erste und zweite Seite des Bewegungsteils nicht parallel zueinander verlaufen. Durch die Verjüngung des Bewegungsteils in Höhenrichtung wird der Wirkungsgrad der Vorrichtung weiter verbessert.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Vorrichtung so auf dem Grund eines mit Seegang beaufschlagbaren Gewässers installierbar ist, dass das Bewegungsteil eine Grundposition im Wesentlichen senkrecht zur Gewässeroberfläche aufweist, wenn keine Wellenbewegung herrscht, wobei das Bewegungsteil in Bewegungsrichtung der Wellen auslenkbar ist. Durch die Wellenbewegung wird das Bewegungsteil ausgelenkt. Wenn die Welle über die Vorrichtung hinweg gerollt ist, kehrt das Bewegungsteil wieder in seine Ausgangslage zurück. In dem der Welle folgenden Wellental kann das Bewegungsteil der Vorrichtung in die entgegengesetzte Richtung ausgelenkt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Zellen Zellwände auf, die von dem Fluid, mit dem die Zellen gefüllt sind, im Wesentlichen nicht passierbar sind. Durch die Bewegung des Bewegungsteils der Vorrichtung wird das Fluid in den Zellen ebenfalls in Bewegung gesetzt, wobei es wegen der Unpassierbarkeit der Zellwände sich nur innerhalb der Zelle beziehungsweise aus der Zelle heraus in das fluidische System hineinbewegen kann.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zellen eine größere Ausdehnung im Wesentlichen parallel zur Gewässeroberfläche als quer dazu aufweisen. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zellen eine Ausdehnung im Wesentlichen parallel zur Gewässeroberfläche aufweisen, die im Wesentlichen der Breite der Vorrichtung entspricht. Die Zelle weist damit eine rohrförmige Gestalt auf. Das von der Zelle zur Verfügung gestellte Volumen wird dadurch maximiert, wodurch auch die Pumpwirkung bei Bewegung des Bewegungsteils der Vorrichtung maximiert wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Zellen einen polygonalen, Querschnitt auf. Der polygonale Querschnitt hat sich als vorteilhaft hinsichtlich der Deformierbarkeit der Zellen und der Pumpwirkung der Vorrichtung erwiesen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Zellen in mehreren Lagen in Tiefenrichtung der Vorrichtung, d.h. senkrecht zur Flächenseite der Vorrichtung angeordnet, wobei sich die Zelllagen teilweise überlappen. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Zellen in zwei Lagen in Tiefenrichtung der Vorrichtung, d.h. senkrecht zur Flächenseite der Vorrichtung angeordnet und überlappen sich teilweise.
Die Verbindung der Zellwände miteinander ist in einer vorteilhaften Ausführungsform elastisch deformierbar ausgeführt, wobei die Zellwände selbst weitgehend starr ausgeführt sind. Dabei wird die Elastizität der Verbindung der Zellwände miteinander in einer vorteilhaften Ausführungsform über Festkörpergelenke hergestellt. Dazu können die Zellwände einen Wandbereich und einen Gelenkbereich aufweisen, wobei die Wandstärke der Zellwände in dem Gelenkbereich dünnwandig, insbesondere dünnwandiger als die Zellwände außerhalb des Gelenkbereichs ausgeführt ist, wodurch die Gelenkeigenschaft durch eine Biegung, insbesondere eine elastische Biegung dieser dünnwandigen Bereiche erreicht wird.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Zellen einer ersten Lage mit der ersten Seite des Bewegungsteils wirkverbunden sind, wobei die Zellen der ersten Lage über vier elastisch deformierbare Verbindungsbereiche verfügen.
Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zellen in einer zweiten Lage mit einer ihrer Außenseiten die zweite Seite des Bewegungsteils bilden, wobei die Zellen der zweiten Lage über sechs elastisch deformierbare Verbindungsbereiche verfügen.
Durch Variation der Zellseitenlängen kann die Zellgeometrie hinsichtlich der Pumpwirkung bei Bewegung des Bewegungsteils und somit hinsichtlich des Wirkungsgrads der Vorrichtung optimiert werden. Ebenso wird die Pumpwirkung durch die Anordnung in Lagen in Tiefenrichtung der Vorrichtung maximiert. Die Überlappung der Lagen ergibt sich aus der polygonalen Form, wobei die Packungsdichte der Zellen durch die Überlappung maximal wird, wodurch die Pumpwirkung der Vorrichtung optimiert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das fluidische System Leitungen und mindestens einen Hydromotor auf, wobei der Hydromotor eine durch einen Fluidstrom in rotatorische Bewegung versetzbare Welle aufweist. Diese Welle kann dabei auf einen Generator wirken, über den elektrische Energie erzeugbar ist. Die Rotation der Welle kann dabei über Getriebe über- beziehungsweise untersetzt werden. Entsprechende Getriebe sind dem Fachmann bekannt.
Das Zellvolumen in der Vorrichtung wird durch die elastische Deformation der Zellen bei einer Bewegung des Bewegungsteils der Vorrichtung sowohl in erster als auch in zweiter Bewegungsrichtung der Wellen verändert. Durch die Volumenänderung einer Zelle bei einer ersten Bewegung des Bewegungsteils der Vorrichtung wird das Fluid aus der Zelle in das fluidische System hereingepresst beziehungsweise bei einer zweiten Bewegung des Bewegungsteils der Vorrichtung entgegengesetzt zur ersten Bewegung aus dem fluidischen System in die Zelle hineingesaugt, wobei das Bewegungsteil nach einer Auslenkung durch eine Welle wieder in seine Grundposition im Wesentlichen senkrecht zur Gewässeroberfläche zurückkehrt. Das Bewegungsteil führt bei einer oszillierenden Wellenbewegung oszillierende Auslenkungen um die Grundposition aus. Durch diese Bewegungen wird das Zellvolumen innerhalb der Vorrichtung verändert, wodurch das Fluid, das sich in den Zellen befindet, vor und zurück gepumpt wird und es zu einer Strömung in dem mit den Zellen wirkverbundenen fluidischen System kommt. Wird diese Strömung innerhalb des fluidischen Systems auf einen Hydromotor gegeben, kann damit eine Welle in rotatorische Bewegung versetzt und letztlich ein Generator zur Erzeugung elektrischer Energie betrieben werden. Damit wir die Wellenenergie in Volumenarbeit gewandelt. Die Volumenarbeit wiederum kann in elektrische Energie gewandelt werden. Die den Wellen entnehmbare Leistung lässt über die Fläche des Bewegungsteils der Vorrichtung skalieren, wobei die Fläche über die Breite und Höhe des Bewegungsteils variierbar ist. Dabei kann sowohl die Höhe als auch die Breite durch die Vergrößerung des Bewegungsteils durch eine Vergrößerung der Zellanzahl, eine Vergrößerung der Zellen selbst oder eine Verlängerung der Zellen, als auch durch das Vorsehen von starren Verlängerungsteilen in Breiten- und/oder in Höhenrichtung maximiert werden.
Die Vorrichtung weist keinerlei mechanische Bewegungselemente wie Gelenke o.ä. auf. Auch weist die Vorrichtung keine mechanischen Übertragungselement sowie keine Hydraulikzylinder o.ä. auf. Dadurch ist der Montageaufwand der Vorrichtung gegenüber den bekannten Vorrichtungen minimiert. Darüber hinaus ist der Verschleiß der erfinderische Vorrichtung durch den Verzicht auf mechanische Übertragungselemente der Wellenbewegungen gegenüber den bekannten Vorrichtungen deutlich minimiert. Korrosion und Bewuchs spielen nur eine untergeordnete Rolle.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung (10) in Grundposition sowie in einer ersten ausgelenkten sowie in einer zweiten ausgelenkten Position
2 Schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung (10) in Grundposition
3 Schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung (10) in einer ersten ausgelenkten Position
4 Schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung (10) in einer zweiten ausgelenkten Position
5 Diagramm des geförderten Fluidstroms über der externen Drucklast
6 den Querschnitt nicht verformten einer viereckigen Zelle
7 den vergrößerten Ausschnitt Z aus 6
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 in Grundposition sowie in einer ersten ausgelenkten sowie in einer zweiten ausgelenkten Position. Die Vorrichtung weist eine Basis 13 und ein Bewegungsteil 14 auf, wobei die Vorrichtung 10 über die Basis 13 auf dem Grund 20 eines Gewässers befestigt ist. Die Vorrichtung weist eine Breite B, eine Höhe H und eine Tiefe T auf. In einer beispielshaften Ausführungsform beträgt die Breite B 15m, die Höhe H 7 m und die Tiefe T 1 m. Damit weist die Vorrichtung 10 eine Flächenseite 11, definiert über die Breite B und die Höhe H, auf, wobei die Flächenseite im Wesentlichen senkrecht zu den Bewegungsrichtungen x₁, x₂ der Wellen ausgerichtet ist. Weiterhin weist das Bewegungsteil 14 eine Schmalseite, definiert über die Höhe H und die Tiefe T auf. Das Bewegungsteil 14 ist in der Grundposition in der Mitte der Fig. gezeichnet, wobei sich das Bewegungsteil 14 in einer aufrechten Position im Wesentlichen senkrecht zur Gewässeroberfläche 30 befindet. Durch Wellenbewegung des Gewässers wird das Bewegungsteil 14 in eine erste Richtung analog der ersten Wellenrichtung x₁ ausgelenkt (in der Fig. rechts der Grundposition gezeichnet). Nach Durchlaufen des Wellenmaximums wird das Bewegungsteil (14) über die Grundposition hinweg in die der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung ausgelenkt (in der Fig. links der Grundposition gezeichnet). Die Vorrichtung weist eine Vielzahl formvariabler, deformierbarer Zellen 15 auf, wobei die Zellen 15 mit einem Fluid gefüllt und mit einem fluidischen System (nicht gezeigt) wirkverbunden sind. Die Zellen 15 weisen einen polygonalen Querschnitt und eine Zellwände 16 auf, die gegenüber dem Fluid in den Zellen 15 im Wesentlichen dicht sind. Die Zellen 15 sind in Richtung der Breite B, d.h. im Wesentlichen parallel zur Gewässeroberfläche 30, über die gesamte Breite B der Vorrichtung ausgedehnt und in zwei sich in Tiefenrichtung T teilweise überlappenden Lagen angeordnet. Das Bewegungsteil 10 weist eine erste Seite 141 und eine zweite Seite 142 auf, wobei die erste Seite 141 eine im Wesentlichen glatte Wand aufweist. Diese Wand der ersten Seite 141 wird dabei von den Zellwänden 16 einer ersten Lage von Zellen 15 gebildet, wobei diese Zellwände 16 im Wesentlichen parallel in einer Ebene liegen und nahtlos miteinander verbunden sind. Die erste Seite 141 ist dabei dem offenen Gewässer zugewandt, d.h. dem nächsten Ufer abgekehrt. Weiterhin weist das Bewegungsteil 14 eine zweite Seite 142 auf, die von Zellwänden 16 der Zellen 15 einer zweiten Lage gebildet wird. Diese Zellwände sind in der Ausgangslage höchsten paarweise parallel und liegen nicht in einer Ebene, wodurch die zweite Seite 142 des Bewegungsteils 14 strukturiert ist.
2 ist eine schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 in Grundposition. Der Querschnitt der Zellen 15 ist nicht deformiert.
3 ist eine schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 in einer ersten ausgelenkten Position. Der Querschnitt der Zellen 15 ist gegenüber dem Querschnitt in der Grundposition deformiert. Dabei ist der Grad der Deformation vom Ort in Richtung der Höhe H der Vorrichtung 10 abhängig. Die
Deformation ist durch die Auslenkung des Bewegungsteils 14 initiiert und durch die elastisch miteinander verbundenen Zellwände 16 möglich. Durch die Deformation der Zellen 15 ändert sich deren Volumen.
4 ist eine schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 in einer zweiten ausgelenkten Position. Diese Position wird aus der in 3 gezeigten ersten ausgelenkten Position bei oszillierender Wellenbewegung in dem Gewässer über eine oszillierende Bewegung des Bewegungsteils 14 der Vorrichtung 10 erreicht, wobei das Bewegungsteil 14 aus der ersten ausgelenkten Position über die Grundposition in die zweite ausgelenkte Position ausgelenkt wird. Beim Durchgang durch die Grundposition ändert sich das Zellvolumen auf das der Grundposition, um sich bei der Auslenkung in die zweite ausgelenkte Position erneut zu ändern. Durch die oszillierende Bewegung des Bewegungsteils 14 zwischen erster und zweiter ausgelenkter Position wird eine Pumpwirkung auf das Fluid in den Zellen 15 ausgeübt, die zu einer Strömung innerhalb des Fluids führt. Diese Strömung kann über das fluidische System, mit dem die Zellen wirkverbunden sind, auf einen Hydromotor geleitet werden, wodurch eine Welle in rotatorische Bewegung versetzt wird, die über einen Generator elektrische Energie erzeugen kann.
5 zeigt ein Diagramm des geförderten Fluidvolumens V über der externen Drucklast. Die Wellenbewegung führt zu einer externen Drucklast auf das Bewegungsteil 14 der Vorrichtung 10. Diese Drucklast kann beispielsweise 0,8 MPa erreichen, was bei den oben beispielhaft angegebenen Größen B, H und T der Vorrichtung von 15m, 7m und 1m zu einer Auslenkung Δβ von bis zu ±40° und damit einem geförderten Fluidvolumen V von ca. 3,5 m³ führen kann. Ausgehend von einem Wellenabstand von beispielsweise 8s ist damit eine elektrische Leistung in Höhe von ca. 270 kW erzeugbar. Die den Wellen entnehmbare Leistung lässt über die Breite und Höhe der Vorrichtung skalieren.
6 zeigt den unverformten Querschnitt einer Zelle 15 mit vier Festkörpergelenken 17. Die Zelle weist vier Zellwände 16 auf, die jeweils die gleiche Länge aufweisen, wodurch der Zellquerschnitt quadratisch ausfällt. Die Zellwände 16 sind an ihren Enden mit einem Festkörpergelenk 17 miteinander verbunden.
7 zeigt den Ausschnitt Z aus 6 in einer vergrößerten Ansicht. Die Wandstärke der Zellwände 15 verkleinert sich zu der Ecke mit dem Festkörperlenk 17 hin. Durch die Dünnwandigkeit an der Verbindungsstelle der Zellwände 15 wird das Festkörpergelenkt 17 gebildet. Die dünnwandigen Bereiche der Zellwände 15 sind leichter deformierbar als die gegenüber den dünnwandigen Bereichen der Zellwände 15 als im Wesentlichen starr anzusehenden dickerwandigen Bereiche. Durch diese Variation der Zellwanddicke lässt sich ein Festkörpergelenk leicht und insbesondere ohne Materialwechsel einstückig herstellen.
Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
11: Flächenseite
12: Schmalseite
13: Basis
14: Bewegungsteil
141: erste Seite des Bewegungsteils
142: zweite Seite des Bewegungsteils
15: Zelle
16: Zellwand
17: Verbindungsbereich, Festkörpergelenk
20: Grund
30: Gewässeroberfläche
B: Breite
H: Höhe
T: Tiefe
x₁: erste Wellenbewegungsrichtung
x₂: zweite Wellenbewegungsrichtung
V: Volumen
Δβ: Auslenkung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2013/0269333 A1 [0002]
US 2015/0035279 A1 [0003]
GB 2461090 A [0004]
GB 2472625 A [0004]

Claims

Vorrichtung (10) zur Wandlung von Wellenenergie, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine scheibenförmige Gestalt mit Flächenseiten (11), definiert aus Breite (B) und Höhe (H) der Vorrichtung, und mit Schmalseiten (12), definiert aus Höhe (H) und Tiefe (T) der Vorrichtung (10) aufweist, wobei die Tiefe (T) sehr viel kleiner ist als die Breite (B) und Höhe(H), und wobei die Vorrichtung (10) eine Vielzahl formvariabler, deformierbarer Zellen (15) aufweist, wobei die Zellen (15) mit einem Fluid gefüllt und mit einem fluidischen System wirkverbunden sind.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine Basis (13) und ein Bewegungsteil (14) aufweist, wobei das Bewegungsteil (14) eine erste Seite (141) und eine im Wesentlichen dazu parallele zweite Seite (142) aufweist, wobei die beiden Seiten (141, 142) Teil der Flächenseiten (11) der Vorrichtung (10) sind und wobei die Basis (13) der Vorrichtung (10) auf dem Grund (20) eines mit Seegang beaufschlagbaren Gewässers derart installierbar ist, dass die erste Seite (141) und die zweite Seite (142) im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung (x₁, x₂) des Seegangs angeordnet sind und das Bewegungsteil (14) mindestens teilweise unterhalb der Gewässeroberfläche (30) liegt.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (15) in dem Bewegungsteil (14) angeordnet sind.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsteil (14) zusätzlich eine im Wesentlichen starre Verlängerung aufweist, wobei die Verlängerung auf der der Basis (13) gegenüberliegenden Seite des Bewegungsteils (14) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) so auf dem Grund (20) eines mit Seegang beaufschlagbaren Gewässers installierbar ist, dass das Bewegungsteil (14) eine Grundposition im Wesentlichen senkrecht zur Gewässeroberfläche (30) aufweist, wenn keine Wellenbewegung herrscht, wobei das Bewegungsteil (14) in Bewegungsrichtung (x₁, x₂) der Wellen gegenüber der Basis (13) auslenkbar ist.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite (141) des Bewegungsteils (14) eine im Wesentlichen glatte Oberfläche aufweist, während die zweite Seite (142) des Bewegungsteils (14) eine strukturierte Oberfläche aufweist, wobei die Vorrichtung (10) so auf dem Grund (20) des Gewässers installierbar ist, dass sich die zweite Seite (142) der Vorrichtung (10) näher an einem Ufer des Gewässers befindet als die erste Seite (141).
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsteil (14) in Höhenrichtung entgegengesetzt zu der Richtung der Basis (13) konisch zuläuft.
Vorrichtung (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (15) Zellwände (16) aufweisen, die von dem Fluid, mit dem die Zellen (15) gefüllt sind, im Wesentlichen nicht passierbar sind.
Vorrichtung (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (10) eine größere Ausdehnung im Wesentlichen parallel zur Gewässeroberfläche (30) als quer dazu aufweisen.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (15) eine Ausdehnung im Wesentlichen parallel zur Gewässeroberfläche (30) aufweisen, die im Wesentlichen der Breite (B) der Vorrichtung (10) entspricht.
Vorrichtung (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (15) einen polygonalen Querschnitt aufweisen.
Vorrichtung (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (15) in mehreren Lagen in Richtung der Tiefe (T) senkrecht zur ersten Seite (141) der Vorrichtung (10) angeordnet sind, wobei sich die Zelllagen teilweise überlappen.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (15) in zwei Lagen in Tiefenrichtung senkrecht zur ersten Seite (141) der Vorrichtung (10) angeordnet sind, wobei sich die Zelllagen teilweise überlappen.
Vorrichtung (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (15) im Wesentlichen starre Zellwände (16) aufweisen.
Vorrichtung (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (15) elastisch deformierbare Verbindungsbereiche (17) aufweisen.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (15) in einer ersten Lage mit der ersten Seite (141) des Bewegungsteils (14) wirkverbunden sind, wobei die Zellen (15) der ersten Lage über vier elastisch deformierbare Verbindungsbereiche (17) verfügen.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (15) in einer zweiten Lage mit einer ihrer Außenseiten die zweite Seite (142) des Bewegungsteils (14) bilden, wobei die Zellen (15) der zweiten Lage über sechs elastisch deformierbare Verbindungsbereiche (17) verfügen.
Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle (15) mindestens ein Festkörpergelenk als elastisch deformierbaren Verbindungsbereich (17) aufweist, wobei jede Zelle (15) Zellwände (16) aufweist, wobei die Stärke der Zellwände (16) in dem Verbindungsbereich (17) kleiner als die der Zellwand (16) außerhalb des Verbindungsbereichs (17) ausgeführt ist.
Vorrichtung (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das fluidische System Leitungen und mindestens einen Hydromotor aufweist, wobei der Hydromotor eine durch einen Fluidstrom in rotatorische Bewegung versetzbare Welle aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung (10) zur Wandlung von Wellenenergie gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Zellvolumen bei einer Bewegung des Bewegungsteils (14) der Vorrichtung (14) in die Bewegungsrichtungen (x₁, x₂) der Wellen verändert.
Verfahren gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Volumenänderung einer Zelle (15) bei einer ersten Bewegung des Bewegungsteils (14) der Vorrichtung (10) das Fluid aus der Zelle (15) in das fluidische System hereingepresst beziehungsweise bei einer zweiten Bewegung des Bewegungsteils (14) der Vorrichtung (10) entgegengesetzt zur ersten Bewegung das Fluid aus dem fluidischen System in die Zelle (15) hineingesaugt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsteil (14) nach einer Auslenkung durch eine Welle wieder in seine Grundposition im Wesentlichen senkrecht zur Gewässeroberfläche (30) zurückkehrt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsteil (14) durch eine oszillierende Wellenbewegung oszillierende Auslenkungen um die Grundposition ausführt.