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Schwingungen sind allgegenwärtig, nur einige sind sichtbar: Bäume, Masten, Fahnen usw. geraten in Schwingung durch den Wind. Die mathematischen Kreisfunktionen beschreiben den direkten Zusammenhang zwischen einer Kreisbewegung und einer Schwingung. Die Kombination dieser physikalisch eng verwandten Zustände, Schwingung und Rotation, ist zentraler Bestandteil dieser Erfindung. Um z.B. vertikale Bewegungen und Schwingungen in Rotation umzuwandeln, ist die Kurbelwelle ein millionenfach verwendetes Bauteil.
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Die hier vorgestellte Oszillationsenergieanlage, genannt Anlage, und das damit verbundene Oszillationsenergie-Verfahren, weisen eine einfache und weitaus weniger komplexe Form zur Erzeugung rotatorischer Energie auf, als der derzeitige Stand der Technik.
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Äußere Energieformen (1) führen zu einer Oszillation verschiedener Energieabsorber (2). Ziel der Erfindung ist es, diese Oszillation durch eine phasenversetzte Übertragungsmechanik (3) und mit weiteren im folgenden beschriebenen Maßnahmen in eine „Gesamt-Oszillation“ einer Oszillationsenergieanlage umzuwandeln, um Rotationsenergie zu gewinnen (1, 3, 5). Dazu werden die Energieabsorber meist phasenversetzt mit verschiedenen Pleueln der Übertragungsmechanik verbunden (2,4).
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Es ist erfindungsgemäß, die Übertragungsmechanik der Anlage konstruktiv so auszulegen, dass ein möglichst konstanter Rundlauf erfolgt, da der Wirkungsgrad und die Effizienz der Anlage dabei am höchsten sind. Es kann eine unregelmäßige Oszillation der Energieformen vorkommen, so dass eine hohe Konterkraft entsteht, die zu einer wechselnden Rotationsrichtung der Übertragungsmechanik führt.
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Es ist ebenso erfindungsgemäß, dass durch eine unrund laufende, sich hin und -herbewegende Kurbel- oder Generatorwelle durch eine entsprechende Generatorregelung zur Stromerzeugung genutzt wird.
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Grundsätzlich soll das Gegenmoment, das der Generator erzeugt, so geregelt werden, dass es nicht zu einem Abbremsen der Anlage führt; es soll kleiner als das Eingangsmoment der Übertragungsmechanik sein.
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Es wird im Folgenden zwischen den Energieformen Meereswellenenergie, Strömungsenergie und Pendelenergie unterschieden.
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Das erfindungsgemäße Prinzip, dass eine Oszillationsbewegung der Energieabsorber (2) über eine u.a. Kurbelwelle in eine Rotation und Drehmoment umgewandelt wird, ist bei allen 3 Energieformen gleich. Der Unterschied ist folgender:
- - Bei der Anwendung Meereswellen- und Pendelenergie wird eine Oszillationsbewegung der Energieabsorber direkt absorbiert und auf eine konstruktiv adaptierte Übertragungsmechanik übertragen.
- - Bei der Strömungs- bzw. Windenergie wird die Oszillationsbewegung durch Fesselung oder gezielten Bewegung der Energieabsorber in einer Strömung erreicht: Durch entsprechendes Design der Energieabsorber und Fixierung in einer Strömung gerät der Energieabsorber in Schwingung, versucht „auszubrechen“ und vollführt in der Strömung eine Oszillationsbewegung. Der Energieabsorber kann aber auch gesteuert und geregelt auf einer bestimmten Bahn geführt werden, bei der ein schwingungsähnlicher Zustand in „Resonanz“ mit der Übertragungsmechanik erreicht wird, und damit wechselnde Belastungskräfte an die Übertragungsmechanik übertragen werden, z.B. in Form einer „Acht“.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, einen konstanten Rundlauf zu erzeugen, so wie in der oben erwähnten Seillängen-Adaption:
- - mehrere Energieabsorber mit unterschiedlicher Eigenfrequenz mit der Übertragungsmechanik zu verbinden
- - die Anordnung der Energieabsorber phasenversetzt auszuführen
- - durch die Einstellung eines Gierwinkel, als Drehung um die z-Achse (11).
- - Eine Drehung um die y-Achse kann angewandt werden, um das System im Wellentakt schwingen zu lassen, um z.B. eine bessere Anpassung an höhere Wellen zu erreichen.
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Eine weitere Optimierung der Anlage ist eine Drehung um die y-Achse (11) mit einem konstanten Winkel, oder geregelte Drehung mit jedem Wellenhub, damit eine konstante Rotation der Kurbelwelle erfolgt, und die Anlage im Besonderen für irreguläre Wellen optimiert werden kann. Es ist auch eine Rotation um die x-Achse möglich, um den Phasenwinkel der Zugseile gezielt anzupassen.
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Um den Rundlauf der Generatorwelle zu verbessern, kann der Generator auch als Motorfunktion angesteuert werden, um bei Konterbewegungen ein mechanisches Gegenmoment zu erzeugen, und das System in ein Schwingungsgleichgewicht zu bringen, also um es „anzuschieben“.
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Ein beispielhafter Regel- und Steuerungstechnische Eingriff ist es, die Seillänge der Energieabsorber über eine geregelte Seilwinde im Takt so zu verändern, dass Energieabsorber, die eine Konterbewegung ausführen, zugentlastet- und dann wieder eingekoppelt werden.
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Ein weiterer beispielhafter regel- und steuerungstechnischer Eingriff ist es, das Bojenvolumen gezielt zu verändern.
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Erfindungsgemäß ist eine Lagerung der Kurbelwelle in einem offenen oder geschlossenen Gehäuse in der Form eines Käfigs (7). Bei geschlossenem, dichtem Gehäuse werden die Zugseile über eine Öffnung und einen Faltenbalg den Bojen geführt.
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Freie Lagerung ohne Gehäuse bedeutet mit Ösen verspannt am Meeresgrund (8).
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Die jeweiligen Bauformen, Gehäuse oder Ösen, können jeweils fest gelagert-, oder um alle Achsen drehbar gelagert sein.
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Funktionsprinzip der Windenergieerzeugung anhand eines Beispiels mit einem oder mehreren Drachen:
- Ein Drache kann in großen Höhen die Windenergie einfangen und wird mit einem Seil mit der auf dem Boden stehenden Kurbelwelle verbunden. Durch die Fesselung in der Windströmung versucht der Drache auszubrechen und erzeugt eine Oszillationsbewegung. Diese Oszillationsbewegung bzw. Ausbrech-Oszillation bzw. Oszillation erzeugt eine Zugkraft in Form einer Sinus-Oszillation und treibt die Kurbelwelle an. Damit ein möglichst gleichmäßiger Rundlauf der Kurbelwelle erfolgt, ist die Übertragungsmechanik auf die Oszillationsbewegung der Drachen ausgelegt und es sind mehrere Drachen in großer Höhe über Seile vorzugsweise mit jeweils einem Pleuel der Kurbelwelle verbunden.
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Die Pleuel können in axialer Richtung radial versetzt angeordnet sein. Bei acht Drachen kann der Phasen-Versatz circa 45° betragen. Jeder der 8 Drachen ist gefesselt und überträgt eine Oszillationsenergie über das Seil auf die Kurbelwelle.
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Da das System um eine vertikale Achse drehbar angeordnet ist, ist die Ausgangsstellung der Achse der Kurbelwelle senkrecht zur Strömung.
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Die Geometrie der Kurbelwelle und der Drachen sind so aufeinander abgestimmt, dass sie möglichst resonant oszillieren. Die Drachen schwingen mit einer bestimmten Frequenz, wobei die statistisch am häufigsten vorkommende Frequenz die Länge der Kurbelwelle, und die am häufigsten vorkommende Amplitude den Durchmesser der Kurbelwelle bestimmen.
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Zusammengefasst:
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Die Länge der Pleuel, die Größe und Form der Drachen, die Spannrichtung der Befestigung und der Gier-Winkel sind Faktoren, welche die Oszillation der Drachen und damit die Rotation der Kurbelwelle beeinflussen und gleichmäßiger machen können.
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Durch die Wahl unterschiedlicher und variabler Längen der Pleuel beziehungsweise unterschiedlicher Drachengrößen beziehungsweise einer variablen Spannung der Richtung der Drachen werden unterschiedliche Oszillationen erzeugt, so dass ein konstanter Rundlauf der Kurbelwelle entstehen kann.
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Damit sich eine konstante Oszillation der Energieabsorber einstellt, wird die Achse über einen Gierwinkel Alpha gezielt aus der zur Strömung senkrechten Stellung gedreht, damit ein Energieabsorber nach dem anderen angeströmt wird.
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Sin (Gierwinkel Alpha) = 2 * (pi) = T * (Omega), was der Frequenz oder einem Umlauf der Kurbelwelle entspricht.
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Je mehr Drachen mit der Kurbelwelle verbunden sind, desto gleichmäßiger wird die Rotation der Kurbel welle.
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Erfindungsgemäß sind verschiedene Anwendungsfälle der Energiegewinnung mit folgenden Energieformen möglich:
- Anwendungsfall Energieform Meereswelle, Figur (1):
- Die Energieabsorber (2) werden derart ausgelegt, dass sie sich meist in einer Reihe senkrecht zur Wellenlinie befinden und durch die Bewegungsenergie der Meereswellen nacheinander auf und ab bewegt werden und dabei über bevorzugt Seile eine Kurbelwelle antreiben.
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Durch konstruktive Anpassung an die vorherrschende Oszillationsfrequenz der Meereswellen, d.h. eine Adaption an die statistisch vorherrschende Wellen-Frequenz und -Amplitude, kann die rotatorische Energie vorzugsweise unidirektional erzeugt werden. Dabei werden folgende Parameter entsprechend der statistisch vorherrschenden Wellen-Frequenz und -Amplitude adaptiert: Anzahl und Größe der Bojen, Seillänge, Kurbelwellenradius und Kurbelwellenlänge.
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Es sind mehrere Steuerungsmechanismen machbar, um eine konstante Rotation zu erzeugen und diese bei einer sich verändernden Oszillationsfrequenz der Meereswellen zu erhalten.
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Beim Anwendungsfall Meereswellen ist die Ausgangsstellung der Achse der Kurbelwelle in Richtung der Wellenrichtung oder über einen Gierwinkel (α), d.h. Drehung um die z-Achse, zur Wellenrichtung einstellbar, um das System entsprechend der Wellenfrequenz optimal einzustellen: Bei kürzerer Frequenz wird die Anlage um den Gierwinkel (α) gedreht, um einen besseren Wirkungsgrad zu erhalten. Bei höheren Meereswellen kann die Anlage parallel zur x-Achse verschoben werden, was auch dem Safe-modus bei Sturm entspricht. Auch bei abgetauchter Anlage, selbst wenn die Bojen überspült werden, kann eine, wenn auch reduzierte Leistung, erzeugt werden.
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Das Oszillationsenergie-Verfahren am Beispiel der Auslegung auf Meereswellen:
- Um die am häufigsten vorkommende Oszillationsbewegung herauszufinden, wird eine statistische Analyse der Oszillationsbewegungen vorgenommen. Für Meereswellen ist dies in Form des Scatter-Diagrammes (10) für viele Standorte vorhanden.
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Darin wird die statistische Häufigkeit der Meereswellen mit den Parametern Frequenz und Wellenlänge dargestellt. Im Beispiel Nordsee sind diese so verteilt, dass der mittlere, markierte Bereich eine Wellenverteilung mit einer Gesamt-Häufigkeit von >85% aufweist: Die Frequenz bewegt sich hier von 4s bis 12s und die Wellenhöhe hat eine Amplitude von 1m - 5m. Der Mittelwert der Amplitude ist in diesem Bereich 2-3m und die Frequenz 7-8s, was einer Wellenlänge von 100m entspricht. Auf diesen Mittelwert wird die Anlage ausgelegt, so dass die Kurbelwelle in diesem Anwendungsfall auf 100m Länge und 2m Durchmesser adaptiert würde.
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Ziel ist es auch, einen optimalen Standort zu wählen, an dem ein möglichst harmonischer Wellengang auftritt, so dass die Übertragungsmechanik in einem zur Energieform möglichst kohärenten Zustand aufweist.
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Anwendungsfall Energieform Strömung Figur (3):
- In Strömungen werden die Energieabsorber (2) derart ausgelegt, dass sie in einer Wind- bzw. Fluss-Wellenströmungen in Schwingungs- oder Oszillationsbewegung geraten. Dies wird erreicht, indem die Energieabsorber in der Strömung fixiert bzw. gefesselt oder auf einer bestimmten Bahn bewegt werden. Als Reaktion auf die äußere Energiezufuhr, weichen die Energieabsorber der äußeren Kraft aus, sind aber in der Strömung fixiert und geraten dadurch in eine Oszillationsbewegung.
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Die Oszillationsenergie wird über ein geeignetes Mittel, vorzugsweise Seil, oder mittels einer Schubstange oder eines Pleuels (3) auf eine Übertragungsmechanik (4), vorzugsweise Kurbelwelle, übertragen. Dadurch erfolgt die Umwandlung in Rotationsbewegung und kann einen Generator/ Pumpe zur Erzeugung von elektrischer und/oder mechanischer Energie antreiben.
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Das Schwingungsverhalten der Energieabsorber kann verstärkt und gezielt adaptiert werden. Erreicht wird dies durch eine bestimmte Bauform und/oder dass sie auf einer bestimmten Bahn bewegt werden.
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Bei der Anwendung in Strömungen ist z.B. die Ausgangsstellung der Achse der Kurbelwelle senkrecht zur Strömung. Die Anlage wird über den Gierwinkel so lange in der Strömung um die z-Achse gedreht, bis sich eine konstante Oszillation einstellt.
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Anwendungsfall Energieform Massenreiche Körper, Figur (5):
- Ein weiterer Anwendungsfall ist die Nutzung der Schwingungsenergie massenreicher Körper, die über ein Pendelsystem, das über ein Gestänge mit einer Exzenterscheibe oder Kurbelwelle verbunden ist.
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Die Anlage ist konstruktiv auf die am häufigsten vorkommende Oszillationsfrequenz des massenreichen Körpers (1) ausgelegt und erreicht dadurch einen eingeschwungenen, mit dem Energieabsorber resonanten Zustand, so dass die Oszillationsfrequenz bzw. Pendelfrequenz (3) und die Frequenz des Übertragungsgestänge möglichst synchron, kohärent sind. Wenn sich diese ändert, können Übertragungsgestänge und Pendelfrequenz zueinander synchronisiert werden. Dazu können der Abstand des Pendelschwerpunkts zum Drehpunkt-, wie bei einem Metronom, oder der Hebelarm der Exzenterscheibe verändert werden.
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Das Gegenmoment, welches der Generator erzeugt, kann so geregelt werden, dass die Pendelstärke immer eine ähnliche Größe hat, so dass sowohl eine Dämpfung der Bauwerke als auch eine Stromgewinnung erreicht werden kann.
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Stand der Technik
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Vor und Nachteile
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Aus dem Stand der Technik sind Windkraftanlagen zur Nutzung von Höhenwind bekannt,
die einen gefesselten Flugkörper und
seine Flughöhe zyklisch im Sinne einer aufsteigenden
und absteigenden Bahn regulieren. Über das Halteseil wird eine wirkende Zugkraft
auf die am Boden platzierten Seilwinden
übertragen. Die Mitnahme des Flügels bzw. Drachen
durch den Wind führt zum Ausziehen des Seils und
treibt einen Generator an, wodurch Strom erzeugt wird.
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Die Bewegung des beweglichen Elements kann über
mindestens einen Generator auch in elektrische Energie
umgewandelt werden
DE102014009819A1 .
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Daneben gibt es Flugzeuge, die über
zwei in den Flügeln integrierte starke Propellerantriebe
sowie eine Stabilisierungstechnologie verfügen,
so dass diese mit senkrecht stehendem Flügel
starten und landen können. Eine speziell entwickelte
Steuerungssoftware ermöglicht nach dem Start des
Flügels einen Übergang vom vertikalen in den horizontalen
Flugbetrieb.
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Nachteil dieser Windkraftanlage ist u.a. der hohe Steuerungsaufwand.
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Nachteil dieser Konzepte ist, dass die Flugkörper gesteuert werden müssen, durch ihre Flugbahn eine große Fläche am Himmel abdecken, und nicht konstant in der Höhenströmung verbleiben. Es wird ein großer Regelungsaufwand benötigt, um die Flugbahn des Drachens stabil zu halten, und es wird Energie benötigt, um das Seil einzuziehen.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird erreicht, indem die Oszillationsbewegung der Energieabsorber bzw. der Flugkörper durch Fesselung in der Windströmung so eingestellt wird, dass ein resonanter Zustand von Medium und der Anlage aufweisen, so dass der Generator konstant angetrieben werden kann. Bei entsprechender konstruktiver Auslegung der Energieabsorber und der Kurbelwelle, bzw. geschickter Kombination verschiedener Flugkörper, und über eine Einstellung bzw. Steuerung bzw. Regelung verschiedener Parameter, z.B. Seillänge und Gierwinkel, kann eine weitgehend konstante unidirektionale Rotation erzeugt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind Windkraftmaschinen und Schlagflügelmaschinen bekannt, die aus der Windkraft nutzbare Energie erzeugen. Hier werden Flügel oder Rotoren oder Segel eingesetzt, die mittels einer schwingbaren Vorrichtung, vorzugsweise Mast oder Tragarm oder eines schwingbaren Flügels, eine translatorische Auf- und Abwärtsbewegung bzw. Hin- und Her-Bewegung ausführen, wobei z.B. über einen Pleuel ein Schwungrad und ein Generator angetrieben werden kann.
US 2008/0036214 A1 und
DE 10 2017 120 011 B3 2019.01.03 und
US 2014/0097621 A1 und
DE 10 2014 118 656 B3 und
DE000003034384A1 und
DE 101 18 407 und
DE000010118407B4 und
EP000002470781B1 offenbaren eine derartige Windkraftmaschine.
DE102017007437A1 und
DE000003304766A1 offenbaren eine Variante, die eine Linearbewegung erzeugt und diese in Strom umwandelt.
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Nachteil dieser Windkraftanlage ist, dass die Hin- und Her-Bewegung des Mastes oder Flügel gesteuert werden muss und für die Rückstellung des Mastes in die Lotrechte oder die Rückstellung der Flügel in die Ausgangsposition, Energie aufzubringen ist, was den Wirkungsgrad verschlechtert. Durch den speziellen Steuerungsmechanismus zur Ausrichtung des Flügels mittels des Schotgestänges ist außerdem die bestmögliche Ausrichtung des Flügels, Rotors oder Segels zum Wind nicht während der gesamten Antriebsphase möglich, so dass der Anstellwinkel des Flügels, Rotors oder Segels zum Wind geregelt werden muss, und damit nicht immer optimal ist.
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Ein weiterer Nachteil dieser Windkraftanlage ist, dass der Mast über ein Gestänge mit dem Pleuel verbunden ist und sich örtlich sehr nahe an dem Pleuel befinden muss, und dass der Materialaufwand groß ist. Eine Harvestierung der Höhenwind ist damit kaum möglich.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird u.a. durch die örtliche Entkopplung der Energieanregung, Energieerzeugung und der Umwandlung und deren Verlagerung in große Höhen und durch Fesselung mittels eines Seiles erreicht.
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Dadurch sind große Abmessungen ausführbar, die eine Harvestierung der Höhenwinde und einen hohen Wirkungsgrad ermöglichen.
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Aus dem Stand der Technik bekannt ist ein entlang einer Kreisbahn geführtes aerodynamisches Profil und ist in
DE 19937965A1 und
DE000019741759A1 dargelegt, Windkraftanlage Meltzer. Nachteil dieser Windkraftanlage ist, wie bei herkömmlichen Windkraftanlage: Hoher Mast, hoher Materialaufwand, trotzdem Bodennähe, eine Harvestierung der Höhenwinde ist damit nicht möglich.
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Aus dem Stand der Technik sind Wasserkraftmaschinen bekannt, die aus der Wasserkraft und der Orbitalströmung der Meeres-Wellen nutzbare Energie erzeugen. Hier werden rotierende Flügel, Rotoren oder Segel, Blatt (Foil) eingesetzt, die eine Kurbelwelle, Exzenter oder Pleuel antreiben:
EP000002539578B1 ,
DE000002746162A1 ,
DE102009039072A1 ,
EP000000927304B1 . Dabei handelt es sich meist um eine Umkehrung des Voith-Schneider-Antriebs.
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Daneben gibt es eine Vorrichtung zum Oszillieren eines Flügels in einer Flüssigkeit, um Schub zu erzeugen. Dies geschieht über einen Tauchbewegungssteuermechanismus, der mit dem Flügel wirkverbunden ist und gestaltet ist, eine oszillierende Tauchbewegung des Flügels zu verwirklichen, wobei die oszillierende Tauchbewegung aus zwei Hüben des Flügels in entgegengesetzter Richtung besteht.
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Wobei diese Vorrichtung einen Neigungseinstellmechanismus umfasst, der mit dem Flügel wirkverbunden ist zum Einstellen der Neigung des Flügels während des Oszillationszyklus der Tauchbewegung und derart gestaltet ist, eine oszillierende Neigungsbewegung des Flügels relativ zu der Flüssigkeit zu verwirklichen:
EP2470781B1 .
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Nachteil aller dieser Wasserkraftmaschinen ist die hohe Komplexität. Die Mechanik besteht dabei aus vielen Bauteilen, was sehr aufwendig und mit hohen Kosten verbunden ist. Die Position der Flügel, Rotors oder Segels, Blatt (Foil) sind starr und müssen gesteuert werden und für die Rückstellung gegen den Widerstand der Strömung muss Energie aufgewendet werden.
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Ein weiterer Nachteil dieser Wasserkraftmaschinen ist, dass die Übertragung der Wellen-Energie meist über eine starre Mechanik erfolgt und dadurch nur bestimmte Wellenfrequenzen und Amplituden zu einem Antrieb der Energiemaschine führen.
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Der erfinderische Vorteil besteht u.a. darin, dass die Übertragung mittels mehrerer Bojen und flexibler Seile erfolgt und die Übertragungsmechanik an die am häufigsten vorkommende Oszillationsbewegung angepasst ist.
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Weiterhin sind Wasserkraftmaschinen bekannt, die Schwimmkörper einsetzen, die über eine Oszillation zuerst eine Rasterscheibe oder Kupplung oder eine Freilaufwelle und nachgeschaltet einen Generator antreiben:
DE000003400532A1 und
DE102017009309A1 und
DE000019900614A1 und
WO002008080478A1 -
Nachteil dieser Wasserkraftmaschinen ist, dass die Drehbewegung über eine Rasterscheibe mit Freilauffunktion umgewandelt wird, ähnlich der Unruhe einer Uhr, und dass die Energieübertragung über ein festes Gestänge erfolgt, und dadurch keine Entkopplung vorliegt, weswegen diese WEC nur bei harmonischen Wellen mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude funktionieren. Die Mechanik ist sehr aufwendig, hat einen hohen Verschleiß und ist mit hohen Kosten verbunden.
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Weiterhin ist bekannt, dass Schwimmkörper eingesetzt werden, um über eine Oszillation einen Pleuel und Zylinder zu bewegen:
DE000019615115A1 . Nachteil ist, dass, wie bei den meisten WEC, keine direkte Drehbewegung, sondern hydraulische pneumatische Energie erzeugt wird.
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EP000001466090B1 erzeugt eine Drehbewegung mit einem Bauteil, das aufgewickelt werden kann. Siehe Nachteil der Seilwinden weiter oben. Es werden nur oszillatorische- also eine „Hin- und Her-Drehbewegung“ erzeugt, keine konstante unidirektionale Drehbewegung. Auch hier ist die Mechanik sehr aufwendig, hat einen hohen Verschleiß und ist mit hohen Kosten verbunden.
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Des weiteren ist bereits bekannt, dass Schwimmer/ Bojen über ein festes Gestänge eine an der Wasseroberfläche liegende Kurbelwelle antreiben.
KR101999080154A und Offenlegungsschrift von Martin König
DE 10 2015 003 994 A1 2016.10.20.
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Ein Nachteil dieser Wasserkraftmaschinen ist, dass die Übertragung der Wellen-Energie meist über eine starre Mechanik erfolgt, und dadurch nur bestimmte Wellenfrequenzen und Amplituden zu einem Antrieb der Energiemaschine führen. Die Mechanik ist sehr aufwendig und ist mit hohen Kosten verbunden
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Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Energie der Schwimmer/Bojen nicht über ein festes Gestänge, sondern über ein Seil übertragen wird. Ein festes Gestänge kann dazu führen, dass Schwimmer, die abgesenkt wurden und dann nicht sofort von einer Welle angehoben werden, „in der Luft hängen“ und von der Kurbelwelle angehoben werden müssen. Dies kann zu einem Blockieren des Systems führen.
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Des weiteren ist bereits bekannt, dass Brücken und
hohe Gebäude und Türme von starkem Wind zu Oszillationen angeregt und durch sogenannte Schwingungstilger gedämfte Schwingungspendel statisch geschützt werden. Genauso können Schiffe und große Plattformen durch Wellenenergie in Oszillation geraten.
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Stand der Technik ist, dass die Schwingungstilger in Form von massenreichen Pendeln die Oszillation und die Bewegung der Gebäude und Türme dämpfen, die u.a. über Kolben in Wärme umgesetzt wird. Eine direkte Umsetzung der Oszillationsenergie über eine Kurbelwelle zum Antrieb eines Generators zur Erzeugung regenerativer Energie ist nicht bekannt.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Dämpfungsleistung des Pendels zur Schwingungstilgung über den Generator gesteuert wird UND damit gleichzeitig elektrische Energie erzeugt werden kann.
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Abgrenzung
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Bei der Oszillationsenergieanlage sind alle verwendeten Bauteile und Verfahren bekannt und Stand der Technik.
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Nicht bekannt sind die erfindungsgemäße Anordnung, Kombination, Applikation und Anwendung der einzelnen Bauteile und Verfahren.
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Es ist weiterhin nicht bekannt, dass beispielsweise eine erfindungsgemäße Wellenenergieanlage genannt Wave Energy Converter WEC an die vorherrschende Wellenfrequenz und Amplitude adaptiert ist (siehe 9).
- - Die geregelte Umwandlung oszillatorischer Hubbewegungen mittels starrer Kurbelwelle in Drehmoment ist von jedem Verbrennungsmotor bekannt.
- → Es ist nicht bekannt, dass dieses einfache und äußerst erfolgreiche Funktions-Prinzip umgekehrt wird, also die Energieübertragung nicht mit Druck sondern mit Zugkraft aufweist, und zur regenerativen Energieerzeugung verwendet wird.
- → Die Umwandlung einer Oszillationsbewegung eines Energieabsorbers in rotatorische Energie, wobei die Energie z.B. mittels Seilzugs und mittels einer Kurbelwelle ohne Freilauf umgewandelt wird, ist nicht bekannt.
- → Es ist nicht bekannt, dass eine Anlage zur Stromerzeugung verwendet wird, die konstruktiv so ausgelegt ist, dass nur zur Optimierung des Wirkungsgrades steuernde- und regelnde Eingriffe erfolgen, und erfindungsgemäß meist ungeregelt funktioniert.
- - Ebenso bekannt ist die Umwandlung der Meeres-Wellenenergie mittels Bojen und Kurbelwelle über ein festes Gestänge. Um Konterbewegungen zu vermeiden, ist hier eine Entkoppelung der Übertragungsmechanik und der Bojen über eine Freilauf-Funktion erforderlich. Da das feste Gestänge unflexibel, können nur wenige und nur die regelmäßig vorkommende Meeres-Wellen umgewandelt werden. Die meisten Amplituden und Frequenzen führen zu einer Konterbewegung und damit zum Stillstand der Anlage.
- → Die erfindungsgemäße Anordnung und Adaption der einzelnen Bauteile, (Boje, Seil und Kurbelwelle), und Auslegung der Anlage ist nicht bekannt,
wie z.B., dass die Oszillationslänge oder Frequenz des Mediums die Länge der Übertragungsmechanik bestimmt, und die vorherrschende Oszillationshöhe, bzw. Oszillationsstärke den Durchmesser der Übertragungsmechanik bestimmt, so dass die Oszillationsfrequenz des Mediums dem eigenfrequenten Zustand der Anlage möglichst weitgehend entspricht, so dass durch eine entsprechende Übertragungsmechanik, ein Drehmoment und dadurch rotatorische, also mechanische oder elektrische Energie erzeugt wird.
- - Es ist bekannt, dass Wellen- und Windenergieanlagen eine komplexe Regelung und Steuerung benötigen, um eine Rotation zu erzeugen, siehe Orbitalströmungsanlagen und Drachenenergie-Anlagen, die nach dem Pump-Prinzip arbeiten.
- → Es ist nicht bekannt, dass eine regenerative Anlage zur Stromerzeugung so ausgelegt ist, dass nur zur Optimierung des Wirkungsgrades steuernde- und regelnde Eingriffe erforderlich sind.
- - Die verwendeten Bauteile und Verfahren sind einzeln bekannt, vollkommen neu ist die erfindungsgemäße Anordnung und Applikation der Bauteile und Verfahren:
- → Es ist nicht bekannt, dass die Eigenfrequenz der Oszillationsenergieanlage der Eigenfrequenz und damit der am häufigsten vorkommenden Oszillationsfrequenz des energiereichen Mediums weitgehend entspricht.
- → Eine Oszillationsenergieanlage, die einzelne Oszillationen in eine erfindungsgemäße Gesamt-Oszillation umwandelt, ist nicht bekannt. Es ist im Sinne der Erfindung, wenn mehrere auch unterschiedlich schwingende Energieabsorber mit der Übertragungsmechanik verbunden sind, um auch bei ungleichmäßiger Belastung eine konstantere Rotation zu erzeugen.
- + Auch das genannte Verfahren zur Auslegung der Oszillationsenergieanlage ist nicht Stand der Technik und demnach erfindungsgemäß: Es wird über eine statistische Erhebung u.a. die mittlere oder häufigste Oszillationsbewegung ermittelt und das Gesamtsystem darauf ausgelegt.
Simulationen haben ergeben, dass bei einer konstanten Rotation der Übertragungsmechanik die höchste Leistung und der höchste Wirkungsgrad erreicht werden, weswegen dies als die bevorzugte Variante gilt. Für die Oszillationsenergieanlage bedeutet dies, dass auch mit einer inkonstanten Rotation und einer Hin- und Herbewegung Energie erzeugt werden kann, allerdings mit einem geringeren Energieertrag.
Um dies zu vermeiden, können Regelungs- und Steuerungstechnische Maßnahmen gezielt eingesetzt werden. Durch eine optimierte „Abtaktung der Energieabsorber“, kann die Anlage bei verschiedenen Oszillationsbewegungen einen konstanten Rundlauf, und damit eine größtmögliche Energiegewinnung erreichen. Dabei kann die Energieübertragung einzelner Energieabsorber mit verschiedenen Maßnahmen verändert werden. Ein beispielhafter Regel- und Steuerungstechnischer Eingriff ist es, die Seillänge der Energieabsorber über eine Seilwinde, z.B. im Takt, so zu verändern, dass Energieabsorber, die eine Konterbewegung ausführen zugentlastet- und dann wieder eingekoppelt werden.
Erfindungsgemäß ist auch eine feste bzw. geregelte oder gesteuerte Varianz der Lage der Achse der Übertragungsmechanik, bzw. die Varianz der Seillänge bzw. Verwendung von Dämpferelementen in den Seilen, oder Varianz der Zugrichtung der Seile, oder Varianz der Hebellänge des Pleuels oder ein Drehen des Gehäuses oder eine Veränderung des Gear-Winkels usw..
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Begriffskläning:
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- - Energieform oder anregende Frequenz oder Oszillationsfrequenz, Bewegungsenergie oder energiereiches Medium, Schlingerenergie Schwingungsenergie (1):
- Folgende Energieformen können Oszillations-Energie erzeugen:
- Wellen z.B. Meereswellen oder Strömungen oder Luftströmungen oder Wasserströmung oder Windströmung oder Gezeitenströmung oder energiereiche Strömung oder geeignete energiereiche Fluide oder Strömung geeigneter energiereicher Gase oder Oszillations- oder die Pendel-Energie bzw. Schwingungsenergie von schweren, massereichen Körpern, wie pendelnde Windkraftanlagen, oder schwingende Schiffe allgemeine Schwingungstilger-Energie und oszillierende Körper.
Wobei die Oszillation der Energieformen sowohl regelmäßig in Form einer sinusSchwingung als auch eine unregelmäßige Hin- und Herbewegung aufweisen kann.
- - Energieabsorber (2):
- Wird von verschiedenen Energieformen angeregt.
Folgende verschiedene Applikationen sind erfindungsgemäß: Drache oder Luftschiff oder Ballon oder Flugzeug oder Multikopter oder Flügel oder Folie oder Tuch oder Flugkörper oder Schwimmkörper oder Schiff oder Boje oder Schwingungstilger oder Pendelsystem oder Federsystem oder Hochhaus oder massenreiche Körper wie Schiffe, Brücken, Türme, Windräder.
Anordnung der Energieabsorber kann sowohl in Reihe oder parallel (Prinzip Reihenmotor) oder parallel (Prinzip V-Motor) erfolgen.
- - Oszillationsbewegung oder Oszillationsfrequenz oder Oszillationsenergie (3):
- Die Energieabsorber bzw. die Oszillationsenergieanlage kann durch verschiedene Oszillationsbewegungen angeregt werden: Schwingung oder Oszillationsbewegung oder
- Welle oder Oszillation oder Hin- und Herbewegung oder regelmäßige Bahn, Flugbahn oder
- Taumel oder Tanzbewegung oder Pendelbewegung oder Eigenfrequenz oder Resonanz oder
- Unwucht.
- - Befestigung-, Fesselung der Energieabsorber (4):
- Folgende verschiedene Applikationen sind erfindungsgemäß: Seil oder Schnur oder Draht oder Stange oder Gestänge oder Schot Gestänge oder Pleuel. Die Fesselung ist direkt oder indirekt über Umlenkrollen mit der Übertragungsmechanik (5) verbunden.
Bei Energieform Pendel- oder Schwingungsenergie, die bei massereichen Körpern wie Schiffe, Brücken, Türme auftritt, wird keine Fesselung benötigt, die Schwingungstilger sind über ein Gestänge direkt mit der Übertragungsmechanik verbunden. Die Fesselung kann starr, flexibel, verstellbar und steuer- bzw. regelbar erfolgen.
- - Übertragungsmechanik (5):
- Folgende verschiedene Applikationen sind erfindungsgemäß: eine oder mehrere Kurbelwellen oder eine oder mehrere Exzenterwelle oder Hebelwelle oder Schubstange oder Kurbel oder Taumelscheibe oder Exzenterscheibe oder Pleuel.
Durch die Übertragungsmechanik wird ein Drehmoment erzeugt. Durch gezielte Auswahl und Kombination geeigneter Parameter wie z.B. Kurbellänge oder gesamte axiale Länge oder Phasenversatz (2, 4), wird die Übertragungsmechanik konstruktiv so ausgelegt, dass sich eine Oszillationsbewegung, d.h. ein eingeschwungener resonanter Zustand einstellt, wobei durch steuernde und/oder regelnde Eingriffe der Wirkungsgrad erhöht werden kann. Dieser eingeschwungene Zustand kann sowohl einen Rundlauf als auch eine Hin- und Herbewegung oder Pendelbewegung der Übertragungsmechanik aufweisen.
- - Drehmoment, PTO, Rotationsenergie (6):
- Die Drehbewegung der Übertragungsmechanik wird in elektrische bzw. mechanische Energie umgewandelt, treibt Generator oder Pumpe an. -> PTO, Power Take Off. Der PTO oder Energieabtrieb erfolgt direkt auf der Achse der Übertragungsmechanik über ein Getriebe oder über Riemen, Zahnräder, Kette, usw...
- - Lagerung der Kurbelwelle, Festlager, Loslager (7):
- Dadurch wird die Kurbelwelle im zylindrischen Gehäuse fixiert oder bei schwimmender Ausführung über Ösen. Kann als Kugelrollenlager aber auch als einfache Öse ausgeführt werden.
- - Zylindrischer „Käfig“ zur Lagerung der Kurbelwelle (8):
- Bauform kann sowohl offen, von Meereswasser umspült, als auch zu, also geschlossen sein. Muss bei schwimmender Ausführung den Auftrieb des Systems ermöglichen.
- - Generatorgondel, Bauform geschlossen (9):
- Ist fest am Meeresgrund verankert und ist drehbar gelagert, damit ein Gier-Winkel, entsprechend der Wellenrichtung und der Frequenz, erzeugt werden kann. Bei kürzeren Wellen wird das System gedreht, damit die Abstände der Schwimmer zu der jeweiligen Frequenz passen.
Sie muss bei schwimmender Ausführung den Auftrieb des Systems ermöglichen.
- - Verankerung am Meeresgrund (10):
- Über eine feste dreh- und schwenkbare Säule oder bei schwimmender Ausführung mittels Seile.
- - Achsen (11): Definition der Achsen, Beispiel Wellenenergieanlage.
X-Achse = Mittellinie der Übertragungsmechanik bzw. Kurbelwelle. (Zeigt in Richtung der jeweiligen Energieform, Wellenrichtung bzw. Windrichtung)
Y-Achse = Radial zur Kurbelwelle
Z-Achse = Vertikale
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20140097621 A1 [0046]
- DE 102014118656 B3 [0046]
- DE 000003034384 A1 [0046]
- DE 10118407 [0046]
- DE 000010118407 B4 [0046]
- EP 000002470781 B1 [0046]
- DE 102017007437 A1 [0046]
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- DE 000019741759 A1 [0051]
- EP 000002539578 B1 [0052]
- DE 000002746162 A1 [0052]
- DE 102009039072 A1 [0052]
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- DE 000019900614 A1 [0058]
- WO 002008080478 A1 [0058]
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