DE19504356A1 - Einrichtung zur Umwandlung der Wellenenergie von Gewässern in elektrische Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine schwimmende Einrichtung zur Umwandlung der Wellenenergie von Gewässern in elektrische Energie. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung der Wellenenergie in elektrische Energie nach drei völlig voneinander unabhängig arbei­ tenden Umwandlungssystemen im und auf dem Schiffskörper von Alttonnageschiffen bzw. Schiffen ohne gültiges Klassezertifikat, aber auch auf Neubauschiffen erfolgt.

Die vorhandenen Versorgungssysteme, Umschlagseinrichtungen, Laderaumbelüftungen, den Schiffsbetrieb aufrechterhaltenen Anlagen und Systeme werden, soweit notwendig, nach einem wirtschaftlichen und ökologisch verträglichen Umbau, beispielsweise zur Wasserstoff­ herstellung, Biogasherstellung oder zur Zucht und Mast maritimer Eiweißträger weiter genutzt. Die erfindungsgemäß mit der Einrichtung gewonnene elektrische Energie kann zum Betreiben der o. g. oder ähnlichen Produktions- und Verwertungsanlagen an Ort und Stelle genutzt werden.

Ausgangspunkt ist die Wieder- und Weiterverwendung von Alttonnageschiffen. Durch die wirtschaftliche und ökologisch zweckmäßige Wieder- und Weiterverwendung von Bauhaupt- und Bauobergruppen von Alttonnageschiffen besteht die Möglichkeit, Probleme, die sich durch die meist recht teueren Recyclingverfahren für Alttonnageschiffe ergeben, durch Abfallvermeidung und Abfallverminderung zu minimieren.

Die zur Alttonnage zählenden Schiffe sind jederzeit verfügbar und eignen sich besonders gut als Ausgangsbestandteil der zu entwickelnden Einrichtung.

Für die Energieumwandlung der Wellenenergie von Gewässern sind unterschiedliche Ver­ fahren und Einrichtungen bekannt.

Im Patent-Nr. DE 34 00 532 wird ein Konzept zur Energieumwandlung mit Hilfe von Meeres­ wellen und dem Einsatz von mittelschweren bis schweren Schwimmkörpern, vorzugsweise Schiffen, beschrieben, bei dem diese Schiffe an festen, meistens im Bodenfundament ver­ festigten Stützpfeilern, beweglich festgehalten werden, um die Hubkraft der Wasserwellen sowie die Schwerkraft des Schiffseigengewichtes in mechanische oder hydraulische Energie zu wandeln. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Windströmung, hier im besonderen aber die daraus erzeugten Meereswellen als Massenenergie, insbesondere deren Vertikalenergie, wie auch die Strömungsenergie als Horizontalkraft dieser Wellen mit Hilfe von mindestens einem Stützpfeiler und z. B. einem Schiff als Schwimmkörper, dieses als Antriebskraft sowie z. B. Zuggewichten, oder hier Pendelgewichten, Wasserrädern, Schwungrädern, Wind­ flügeln, Pumpen sowie hier Stahlseilen, Ketten oder Pleuelstangen als Hilfsmittel, welche teilweise auf dem Schiff und teilweise auf oder am Stützpfeiler befestigt sind, durch ins­ besondere der vertikalen Wellenbewegung und der dabei eintretenden Bewegung des Schiffes nach oben und unten z. B. diese hier gezeigten Pendelgewichte in Teilrotation bringt, die mit Hilfe automatischer Kupplungen diese Energie an Schwungräder weitergeben und dadurch diese Schwungräder in Vollrotation bringen und so von den Schwungrädern als mechanische oder, nach Pumpenantrieb als hydraulische Energie zum Antrieb von Maschinen, wie z. B. Wasserpumpen, Hydraulikpumpen usw., aber mit Vorzug zum Antrieb elektrischer Generato­ ren zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden können.

Weiter ist nach Patent-Nr. DE 36 29 329 eine Einrichtung bekannt, die die Strömumgsge­ schwindigkeit flüssiger Medien (Wasser) in Meerengen, Flüssen usw. für die Erzeugung elektrischer Energie zu nutzen; sie ist dadurch gekennzeichnet, daß eine im Hohlkörper (Rohr) installierte Turbine durch die Fließgeschwindigkeit des Wassers in Umdrehung versetzt wird, somit potentielle Energie in mechanische und in dem mit ihnen gekuppelten Generator in elektrische Energie umwandelt; auf den Seitenwänden eines Schwimmkörpers (wie Schwimmdock) wird eine schwimmfähige Plattform errichtet, in der ein oder mehrere Öffnungen eingearbeitet werden zum Heben und Senken von Hohlkörpersystemen (Rohre), die ins Wasser gesenkt werden und wieder gehoben werden können; in jedem Rohr sind ein oder mehrere Wasserturbinen eingearbeitet zur Erzeugung von elektrischer Energie durch die Fließgeschwindigkeit der flüssigen Medien (Wasser) im Rohr; der Schwimmkörper hat keinen Boden und keine Stirnwände; in den Seitenwänden und der Plattform sind die Be­ triebsanlagen (Antriebs- und Maschinenanlagen, Werkstätten, Unterkünfte usw.); an den Seiten der Plattform, die Kommandobrücken, Hebe- und Senkvorrichtungen (Krane usw.); die Plattform dient zur Lagerung und Reparatur von Rohrsystemen; die Rohre sind ent­ sprechend Wassertiefe, Fließgeschwindigkeit und Druck des Wassers in Durchmesser, Lange und Stückzahl den berechneten Voraussetzungen nach angepaßt und entsprechend zu Ein­ heiten (Systeme) zusammengesetzt; in Meerengen, Flüssen usw., wo eine dauerhafte starke Strömung zu verzeichnen ist, werden die Rohrsysteme ins Wasser abgelassen in entsprechen­ der Tiefe, Höhe und Breite und Zwischenräumen; sind die Hohlkörpersysteme abgesenkt, so wird die Fläche zwischen den Schwimmkörperwänden mit Rohrsystemen aufgefüllt und der Schwimmkörper bis zur Grenze der Schwimmfähigkeit abgesenkt, indem bestimmte Hohl­ räume in den Seitenwänden mit Wasser gefüllt werden; je nach Fließgeschwindigkeit und Tiefe des Wassers sowie Konstruktion der Rohre und Turbinen können gasförmige Medien (Luft) zur Erhöhung der Fließgeschwindigkeit und des Drucks des Wassers auf die Turbine beitragen, indem Vorrichtungen im Rohr angebracht sind, um eine starke Saug- und Sogwir­ kung zu erzeugen; durch die Fließgeschwindigkeit der flüssigen Medien im Rohr und den entstehenden Saug- und Sogkräften werden gasförmige Medien (Luft) durch Rohre, die strömungstechnisch in den Rohren für flüssige Medien eingearbeitet sind aus der Luft angesogen und im Rohr durch die Fließgeschwindigkeit (Wasserdruck) zusammengedrückt und erzeugt somit einen Druck auf die Turbine für flüssige und gasförmige Medien.

Nach Patentanmeldung Akz.P 43 39 307.1 wird eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie durch Ausnutzung der potentiellen und kinetischen Energie von Wellen und des statischen Druckes der Meereswassersäule vorgeschlagen, die aus deformierbaren Rohren aus einer elastischen Schlauchhülle, in dem ein längs geschlitzter, verformbarer Rohrkern eingebracht ist, an dessen Innenseite sich eine Folie mit piezoelektrischen Kristallen befindet, bestehen und in Bündel in Reihen übereinander oder in Viereckform in Verbundsystemen durch die Wellenenergie direkt oder durch die Wellenenergie gewonnene Druckluft indirekt durch Druckschwankungen auf die Folie (7) verformt werden, so daß mittels des piezoelek­ trischen Effektes Strom erzeugt wird.

Nach Patentanmeldung Akz.P 43 39 306.3 wird eine Vorrichtung zur elektrischer Energie durch Umwandlung der Meereswellenenergie vorgeschlagen, die aus mindestens einem Senkkasten, der vorzugsweise an Land hergestellt sowie mit entsprechenden Einrichtungen versehen wird, besteht. Der Senkkasten selbst bildet eine Wasserkammer, die drei Seitenwände, einen Boden, eine Decke sowie eine nach unten geöffnete Vorderwand umfaßt. Die teilgeöffnete Vorderseite gewährleistet das Eindringen von Meereswellen in die Wasserkammer. Innerhalb der Wasserkammer wird durch die oszil­ lierende Wellenbewegung ständig periodisch und im Zyklus der Wellen ein Druck auf- und wieder abgebaut. Diese Druckschwankungen werden genutzt, um piezoelektrische Krist­ allfolien, die Bestandteil der Wasserkammer des Senkkastens sind, zur Energieumsetzung zu beaufschlagen. In einen Anwendungsfall werden die piezoelektrischen Kristallfolien auf einem entsprechenden Träger übereinander gestapelt; in einem weiteren Anwendungsfall werden die piezoelektrischen Kristallfolien im oberen Teil an einem Schwimmer befestigt, das untere Ende der piezoelektrischen Folien wird am Boden der Wasserkammer durch ein Ankersystem gehalten.

Die Nachteile des bekannten Standes der Technik bestehen darin, daß die einzelnen Konver­ tersysteme einen relativ niedrigen Energieumwandlungsgrad besitzen und nur stationär anwendbar sind. Weiter ist nachteilig die Unzugänglichkeit des größten Teils der Bauteile und der Aggregate für die Wartung und Instandhaltung der Anlagen zu nennen. Die Erfindung will hier Abhilfe schaffen.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Einrichtung zur Umwandlung der Wellenenergie von Gewässern in elektrische Energie nach drei völlig voneinander unabhängig arbeitenden Umwandlungssystemen im und auf dem Schiffskörper von Alttonnageschiffen bzw. Schiffen ohne gültiges Klassezertifikat, aber auch auf Neubau­ schiffen zu schaffen.

Dieses Problem wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die vorgeschlagene schwimmende Einrichtung drei völlig unabhängig arbeitende Wellenenergiewandlungssysteme als Einheit integriert. Jedes System ist in der Lage, eigenständig die Wellenenergie in elektrische Energie zu wandeln. Der Umwandlungsgrad und die Effektivität der Einrichtung ist somit erhöht. Jedes Teilsystem ist unabhängig von dem anderen abschalt- und überhol- bzw. reparierbar.

Die elektrische Energie kann auch an Ort und Stelle genutzt werden, z. B. um eine Wasser­ stoffanlage oder eine Fischfarm zu betreiben.

Weiter ist die flexible Positionierung der schwimmenden Einrichtung zu nennen; sie kann dadurch gegen extreme Wind- und Seegangsbedingungen geschützt werden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht der Einrichtung,

Fig. 2: einen Querschnitt durch den Wellenenergiekonverter nach Fig. 1,

Fig. 3: einen Querschnitt durch den Wellenenergiekonverter analog nach Fig. 1, aber nur mit einseitiger Auflauframpe.

Das zur Verwendung vorgesehene, schwimm- und tauchfähige Schiff (möglichst Altton­ nageschiff) - Wellenenergiekonverter 1 - wird an einer oder an beiden Seiten mit Ablaufram­ pen 2 versehen, der in einem bestimmten Winkelbereich von 40-60°, vorzugsweise von 60 Grad zu der einfallenden Wellenfront mit dem Meeresboden flexibel verankert ist. Die Länge des Wellenenergiekonverters 1 entspricht etwa der Länge der Wellen, die im Einsatzgebiet vorkommen. Die Auflauframpen 2 dienen dem Auflauf der Wellen bei Roll-, Stampf- und Tauchbewegungen des Wellenenergiekonverters 1 und den anschließenden Füllen eines mittschiffs angeordneten Wasserspeicherbeckens 3. Damit wird mit Hilfe der Wellenbewe­ gungsenergie das Wasser auf ein höheres Niveau gebracht, und es besteht die Möglichkeit, die erzeugte Potentialenergie der Höhendifferenz mittels einer herkömmlichen Niederdruck­ wasserturbine 9 zu nutzen.

Die Auslaßöffnungen 11, an denen sich unmittelbar die Niederdruckwasserturbinen 9 befinden, werden auf Höhe des Wellentals 10 angeordnet. Durch das ständige Füllen des Wasserbeckens steuer- und backbordseitig wird ein kontinuierlicher Wasserdurchsatz durch die Niederdruckwasserturbine 9 ermöglicht.

Weiterhin befinden sich an der Schiffsunterseite, unterhalb der Wasseroberfläche, Öffnungen 19 zu einer oder mehreren Kammern 18. Diese nach unten geöffneten Kammern 18 haben an der Oberseite eine Auslaßverbindung 20 zur Atmosphäre 21 im oberen Teil des Wellen­ energiekonverters 1. Innerhalb dieser Auslaßverbindung 20, die vorzugsweise eine Rohrver­ bindung, befindet sich eine Luftturbine 22. Durch die nach unten geöffneten Kammern 18 und die Relativbewegung des Wellenenergiekonverters 1 bezüglich des Wassers ist es mög­ lich, daß sich in deren Inneren eine oszillierende Wassersäule ausbildet. Angestrebt werden dabei Resonanzerscheinungen, um eine möglichst hohe Auslenkung der Wassersäule errei­ chen zu können. Durch die Auslenkung der Wassersäule wird Luft, die sich im oberen Teil der Kammern 18 befindet, abwechselnd verdichtet und entspannt. Während des Einsaugvor­ ganges wird die Luft über die Luftturbine 22 geführt, so daß die Luftturbine 22 sowohl beim Auslaß- als auch beim Einlaßvorgang betrieben wird.

Der Vorgang der Oszillation kann durch das Zusammenwirken mit dem Auflauframpen­ prinzip wesentlich verstärkt werden.

Eine weitere Umwandlung der zur Verfügung stehenden Wellenenergie besteht in der weiteren Nutzung der Kammern 18, indem im Inneren der Kammern 18 an den Wänden 23 wandparallel piezoelektrische Folien 24 installiert sind. Damit wird der direkte piezoelek­ trische Effekt genutzt. Dieser Effekt besteht darin, daß gewisse Kristalle bei Druck oder Dehnung in vorgeschriebenen Richtungen auf bestimmten Kristallflächen elektrische Ladun­ gen aufweisen. Die durch den piezoelektrischen Effekt gewonnene elektrische Energie ist direkt proportional dem Quadrat des in der Kammer herrschenden Druckes. Die Folien 24 bestehen aus Keramiken auf der Basis Blei-Zirkonat-Titanat oder auch das piezoelektrische Polymer Polyvinylidenflourid.

Claims (1)

1. Einrichtung zur Umwandlung der Wellenenergie von Gewässern in elektrische Energie mit folgenden Merkmalen:

   • 1. dem Prinzip des Auflaufs der Wellen auf einen Wellenenergiekonverters (1), der
     • 1.1 über festangebrachte, einstellbare Rampen (2) erfolgt, die
     • 1.1.1 an einer oder beiden Bordseiten eines Wellenenergiekonverters (1) angebracht sind,
     • 1.1.2 bei normalen Umgebungsbedingungen einen Neigungswinkel (4) von etwa 20° zum Ruhewasserspiegel (5) haben,
     • 1.1.3 bei Schlechtwetterlagen, also erhöhtem Wellenaufkommen, einen an die vorherrschende Wellenhöhe angepaßten Neigungswinkel (4) haben,
     • 1.1.4 als Ebene oder zweidimensional gekrümmt ausgeführt sind,
     • 1.1.5 Barrieren (7) besitzen, die der Führung des Wassers in das Wasserspeicherbecken (3) des Wellenenergiekonverters (1) dienen und am Heck (6) des Wellenenergiekonverters (1) von der Rampe (2) aus auf dieses verlängert sind,
     • 1.2 sich durch die Weiterführung der Wellen in ein auf dem Wellenenergiekonverter (1) positioniertes Wasserspeicherbecken (3) fortsetzt,
     • 1.3 durch die Beaufschlagung von Niederdruckturbinen (9), die
     • 1.3.1 sich auf Höhe des Wellentals (10) mittig im Wellenenergiekonverter (1) befinden,
     • 1.4 durch auf gleicher Höhe befindliche Auslaßöffnungen (11) reguliert wird, wobei
     • 1.4.1 die Auslaßöffnungen (11) durch Fluten und Leeren von Tanks (12) mittels Öffnen und Schließen von Ventilen (13) im unteren Teil des Wellenenergiekonverters (1) an die jeweils herrschenden Wellenbedingungen über einen weiten Bereich anpaßbar sind,
     • 1.5 durch das Positionieren des Wellenenergiekonverters (1) in einem Lagewinkel (14) von 40-70° zur Wellenfront (15) optimiert wird, wobei
     • 1.5.1 das Positionierungssystem (16) flexibel ist und
     • 1.5.2 bei Unwetterlagen der Wellenenergiekonverter (1) in einem Winkel von 90° zur Wellen­ front gelegt und somit ein Schutz gegen Wellenschlag erreicht wird,
     • 1.6 durch die Anordnung eines Stahlnetzes (17) am oberen Teil des Wasserspeicherbeckens (3) gegen das Eindringen von Treibgut geschützt ist,
   • 2. dem Prinzip der oszillierenden Wassersäule innerhalb eines Wellenenergiekonverters (1), das
     • 2.1 unter dem Ruhewasserspiegel (5) im unteren Teil des Wellenenergiekonverters (1) Kammern (18) besitzt,
     • 2.2 deren untere Öffnungen (19) den Einlauf von Wasser in die Kammern (18) ermöglichen,
     • 2.3 in deren oberem Teil Auslaßverbindungen (20) vorgesehen sind,
     • 2.3.1 die eine Verbindung zur Atmosphäre (21) herstellen,
     • 2.3.2 die vorzugsweise als Rohrverbindungen ausgelegt sind,
     • 2.3.3 die in ihrem Innern im unteren Abschnitt Luftturbinen (22) besitzen,
     • 2.3.3.1 die mittels durch das in die Öffnungen (19) durch die Wellenbewegung eingetretene Wasser in dem oberen Teil der Kammern (18) verdichtete Luft oszillierend beaufschlagt werden,
     • 2.3.3.2 die bei fallendem Wasserstand in den Kammern (18) von der Atmosphäre (21) her in umgekehrter Richtung beaufschlagt werden,
   • 3. dem Prinzip des direkten piezoelektrischen Effektes innerhalb eines Wellenenergiekon­ verters (1) mit Kammern (18), wobei
     • 3.1 im Inneren der Kammern (18) die Wände (23) mit Folien (24) belegt sind,
     • 3.1.1 die die Eigenschaften des direkten piezoelektrischen Effektes aufweisen,
     • 3.2 die durch die im Inneren der Kammern (18) vorherrschenden Druckschwankungen durch die Oszillation der Wassersäule beaufschlagt werden, wodurch
     • 3.2.1 der direkte piezoelektrische Effekt zu einer elektrischen Polarisation führt und
     • 3.2.2 die gewinnbare elektrische Energie beim direkten piezoelektrischen Effekt direkt proportional dem Quadrat des in den Kammern (18) auftretenden Druckes ist.