DE19515138C2 - Wellenkraftwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung und Umwandlung von Energie aus Wasserwellen.

Zunehmende Umweltbelastungen durch die herkömmlichen Energieträger haben in den vergangenen Jahren vermehrt dazu geführt, daß die Ausnutzung regenerativer Energiequellen erforscht und durchgeführt wird. Eine wichtig derartige Energiequelle mit einem enormen Potential stellt die Wellenbewegung von Wasser, insbesondere in Meeren und Ozeanen, dar. Eine Abschöpfung dieser Energiequelle würde sich durch besondere Umweltfreundlichkeit auszeichnen, da keinerlei Emissionen entstehen und auch keine Eingriffe in bewohnte Kulturlandschaften erforderlich sind. Zudem hat Wellenenergie den Vorteil, daß sie sowohl im Jahres- als auch im Tagesrythmus gleichmäßig verteilt und somit dem Bedarf angepaßt ist. Nicht zuletzt käme auch ein Entzug von Energie aus der Wellenbewegung dem Küstenschutz zugute.

Aufgrund der geschilderten Vorteile hat es bereits zahlreiche Bemühungen gegeben, mittels geeigneter Vorrichtungen über Wellenkraftwerke eine solche Energiegewinnung durchzuführen.

Bei einem Konstruktionstyp, wie ihn z. B. die europäische Patentanmeldung EP 000 441 beschreibt, wird im wesentlichen ohne mechanisch bewegliche Teile gearbeitet. Es wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der in einer geschlossenen Kammer die Wellenbewegung zu einem oszillierenden Wasserstand führt. Hierdurch kommt es auch zu einer Oszillation des in der Kammer befindlichen Luftvolumens, welche über ein System von Ventilen in einen gerichteten Luftstrom transformiert wird. Mittels dieses Luftstromes werden dann in weiteren geeigneten Einheiten Energieumwandlungen durchgeführt.

Die europäische Patentanmeldung EP 496 146 beschreibt dagegen ein System, bei dem torusförmige Schwimmkörper durch die Wellenbewegung an einem als Achse dienenden vertikalen Pfeiler auf- und abgleiten. Sie sind dabei mit einem Gestänge verbunden, das die Auf- und Abbewegung in eine Drehbewegung umsetzt, die einem Gleichstromgenerator zugeführt wird. Die mit Hilfe des Generators erzeugte elektrische Energie wird dann ausgenutzt, um elektrolytisch Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Auf diese Weise wird letztendlich eine Speicherung der erzeugten Energie in chemischer Form erzielt. Nachteilig bei dieser Erfindung ist jedoch, daß jedem Schwimmkörper ein eigenes Generator- und Elektrolysesystem zugeordnet ist. Auf diese Weise wird die gesamte Anlage sehr aufwendig und teuer. Außerdem schöpfen die torusförmigen Schwimmkörper die Wellenenergie nur in einem sehr kleinen Bereich ab, und der durchgehende Pfeiler bricht die Wellen und zerstreut die Wellenenergie, ohne daß sie genutzt wird.

Auch in der GB-Patentschrift 1,513,162 wird ein System beschrieben, bei dem die Vertikalbewegung eines kugelförmigen Schwimmkörpers in elektrische Energie umgesetzt wird. Zu diesem Zweck ist der Schwimmkörper über eine Stange mit einem Kolben verbunden, und die Auf- und Abbewegung des Kolbens treibt oszillierend eine Fluidmenge hin und her. Die oszillierende Bewegung des Fluides wird über Ventile in einem Teilabschnitt des Kreislaufes gleichgerichtet und so über eine Turbine geleitet. Dort erfolgt die Stromerzeugung. Auch dieses System hat den Nachteil, daß der Schwimmkörper nur ganz punktuell die Wellenenergie abgreift.

In der US-2,749,085 wird ein Wellenkraftwerk beschrieben, das aus einer Plattform besteht, unter welcher sich in regelmäßiger Anordnung vertikal bewegliche Schwimmkörper ("Pontoons") befinden. Diese Schwimmkörper haben eine annähernd bootsförmige Grundform mit bugseitig unter einem Winkel von mehr als 90° zusammengefügten Seitenwänden. Die durch den Wellengang verursachte Auf- und Abbewegung der Schwimmkörper wird über einen Generator in elektrische Energie umgesetzt.

Nachteilig bei einem Wellenkraft nach der genannten US-Schrift ist, daß die Schwimmkörper mit ihrer "Bootsachse" fest ausgerichtet sind. Hierdurch kann der Wellengang immer nur aus einer Richtung optimal abgegriffen werden. Ändert sich die Richtung des Wellengangs, so kommt es nicht nur zu einer suboptimalen Ausnutzung der Wellenenergie durch das Auftreffen der Wellen auf die Bootskörper unter einem schrägen Winkel, sondern darüber hinaus ist die gesamte Anlage starken mechanischen Belastungen ausgesetzt. Denn bei seitlich auftreffendem Wellengang sind die Bootskörper einer Torsion unterlegen, welche von den vertikalen Führungen aufgefangen werden muß.

Demgegenüber hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Wellenkraftwerk zur Verfügung zu stellen, bei dem einerseits mittels bootsförmiger Schwimmkörper ein optimierter Abgriff der Wellenenergie möglich ist, andererseits dieser Abgriff unabhängig von der Richtung der einlaufenden Wellen ist und es bei einer Änderung der Einlaufrichtung der Wellen nicht zu mechanischen Störbelastungen der Anlage kommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere bootsförmige Schwimmkörper jeweils über eine Stange drehbar um ihre Vertikalachse mit der Plattform in Verbindung stehen, wobei die Energie der Vertikalbewegung der Stangen transformiert und einem Generator zugeführt wird. Sie können sich daher (aktiv oder passiv) senkrecht zu den einlaufenden Wellenfronten ausrichten und deren Energie optimal abschöpfen.

Die Schwimmkörper sind fluiddynamisch in Form eines Bootskörpers ausgestaltet, dessen Seitenwände bugseitig so zusammengefügt sind, daß sie vorzugsweise einen spitzen Winkel bilden, dessen Bug gegen die Hauptströmungsrichtung des Wassers weist, und der vorzugsweise eine Länge von 2 bis 20 m und ein Gewicht von 50 bis 2000 kg aufweist.

Durch diese bootsähnliche Ausgestaltung der Schwimmkörper ist eine effiziente Entnahme der Wellenenergie möglich. Durch die entsprechende Größe wird nämlich die Wellenbewegung auf einer breiten Fläche - und nicht nur punktuell - abgegriffen. Andererseits wird jedoch die Welle durch die längliche und fluiddynamische Form des Schwimmkörpers in ihrer Bewegungsrichtung nicht gänzlich zerstört, so daß sie für weitere Abschöpfungsvorgänge zur Verfügung steht. Das größere Volumen des Schwimmkörpers erlaubt gleichzeitig, daß dieser ein im Vergleich zu den Schwimmkörpern des Standes der Technik größeres Gewicht hat. Auch hierin liegt ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, denn während der Abwärtsbewegung des Schwimmkörpers bestimmt dessen Gewicht die zur Verfügung stehende Kraft. Ein solcher erfindungsgemäßer Schwimmkörper kann also eine größere Leistung abgeben.

Diese gesteigerte Effizienz der Energieabschöpfung wird auch dadurch unterstützt, daß der Schwimmkörper eine Eigenfrequenz hat, die im Bereich der Frequenz der Wasserwellen liegt bzw. auf diese abgestimmt werden kann. Durch die Ausnutzung des Resonanzverhaltens kommt es daher zu einer besonders guten Energieübertragung auf den Schwimmkörper.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Vielzahl der beschriebenen Schwimmkörper in Reihen hintereinander regelmäßig angeordnet. Vorzugsweise stehen dabei die Schwimmkörper der jeweils folgenden Reihe in den Lücken der ersten Reihe. Auf diese Weise kann auf einer großen Fläche die gesamte Wellenenergie in Stufen abgegriffen werden. Dabei ist es auch möglich, daß sich die Form und Abmessung der Schwimmkörper von Reihe zu Reihe verändert, um der immer stärker abnehmenden Wellenenergie Rechnung zu tragen. Bei der beschriebenen regel­ mäßigen Anordnung sind die bootsähnlichen Schwimmkörper vorzugsweise mit ihren Längsachsen parallel ausgerichtet, und zwar derart, daß diese Längsachse senkrecht zu den Wellenfronten steht.

Damit eine solche optimale, zu den Wellenfronten senkrechte Ausrichtung der bootsähnlichen Schwimmkörper auch dann sichergestellt ist, wenn sich die Ausbreitungsrichtung der Wellen ändert, sind die Schwimmkörper vorzugsweise drehbar um ihre Vertikalachse mit der Plattform verbunden. Insbesondere sollte dabei die Drehbarkeit dieser Verbindung durch eine Arretiervorrichtung blockierbar sein. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die Schwimmkörper immer optimal in bezug auf die Wellenausbreitungsrichtung ausgerichtet sind.

Bei den beschriebenen, insbesondere großflächigen Anordnungen von Schwimm­ körpern kann die tragende Plattform sowohl fest mit dem Meeresboden verbunden als auch nur auf großen Schwimmträgern lagernd mit dem Boden verankert sein. Gegenüber den Systemen nach dem Stand der Technik ergibt sich jedoch auf jeden Fall der Vorteil, daß nur an sehr wenigen Stellen durch bauwerkliche Eingriffe die normale Wellenausbreitung gestört wird. Ganz überwiegend kann die Wellenenergie daher der vorgesehenen Nutzung zugeführt werden.

Die Schwimmkörper sind mit der Plattform über mindestens eine nur in vertikaler Richtung bewegliche Stange mit der Plattform verbunden. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die Schwimmkörper einerseits ihre Position beibehalten, und daß andererseits ihre aus der Wellen­ bewegung stammende kinetische Energie in eine gerichtete Auf- und Abbewegung umgesetzt wird. Diese vertikale Oszillation kann dann auf verschiedene Arten in andere Energieformen umgesetzt werden.

Eine mögliche erfindungsgemäße Umsetzungsart der vertikalen Stangenbewegung führt dabei zu einer gleichsinnigen Drehbewegung einer Drehachse (Welle). Eine derartige Transformation kann z. B. dadurch erreicht werden, daß der auf die Plattform ragende Teil der Verbindungsstange eine Zahnstange trägt, welche zwei Zahnräder antreibt. Diese Zahnräder befinden sich dabei bei jeweils entgegengesetzter Drehrichtung in einem Leerlauf, so daß sie nur in einer Drehrichtung Energie übertragen können. Somit wird sichergestellt, daß jeweils die Auf- und Abbewegung nur von einem der Zahnräder weitergetragen werden. Die Drehung der Zahnräder kann dann nach eventueller Umkehrung der Drehrichtung auf die beschriebene Welle übertragen werden. Auf diese Weise erhält die Welle eine durchgehende gleichsinnige Drehbewegung.

Der hierbei zum Tragen kommende Vorteil der erfindungsgemäß eingesetzten großen Anzahl an energieerzeugenden Schwimmkörpern besteht darin, daß durch die statistische Verteilung der an sich pulsierenden Energiezufuhr insgesamt eine gleichmäßige mittlere Drehzahl erzeugt wird. Selbstverständlich können übliche technische Maßnahmen, wie z. B. der Einsatz von Schwungrädern, den Gleichlauf der Drehbewegung zusätzlich steigern.

Die beschriebenen Drehachsen (Wellen) übertragen ihre Drehbewegung an einen auf der Plattform angeordneten Generator, wo eine Stromerzeugung stattfindet. Der erzeugte Strom kann dabei die letzte Umwandlungsform der Energie darstellen, die dann über Unterseekabel an Land geleitet werden kann. Ebenso ist es aber auch denkbar, etwa über Elektrolyseeinrichtungen eine weitere Umformung der elektrischen Energie in chemische Energie durchzuführen.

Anstelle der Umsetzung in Drehbewegung kann auch die vertikale Bewegung der Verbindungsstange zum Schwimmkörper über eine auf der Plattform angeordnete Pumpe umgesetzt werden. Eine solche Pumpe kann sich in einem hydraulischen oder pneumatischen Kreislauf befinden und dort für die Umwälzung des Mediums sorgen. Durch Anordnung von Ventilen nach dem Prinzip einer Gleichrichterschaltung kann dafür gesorgt werden, daß in einem Teilabschnitt des hydraulischen oder pneumatischen Kreislaufes ständig dieselbe Fließrichtung vorliegt, die zum Antrieb einer Turbine und eines Generators geeignet ist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es denkbar, als bootsförmige Schwimmkörper reale Boote einzusetzen. Bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung z. B. innerhalb einer Hafenanlage könnten auf diese Weise im Hafen lagernde Boote über eine Kopplungsvorrichtung angebunden und somit zur Energieerzeugung ausgenutzt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich zur Gewinnung von z. B. elektrischer Energie aus der Wellenbewegung von Wasser. Eine solche Energiegewinnung ist besonders vorteilhaft, da sie bei einem großem Energiepotential sehr sauber und umweltfreundlich arbeitet. Die Erfindung ist dabei durch eine besonders effiziente Art der Energiegewinnung ausgezeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Hilfe der Abbildungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt die Transformation von Vertikalbewegung in Drehbewegung.

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Plattform 1 zusammen mit den hiermit verbundenen bootsähnlichen Schwimmkörpern 2 zu sehen. Die Plattform 1 lagert an ihren Rändern auf Schwimmträgern 8. Diese Schwimmträger sind ihrerseits mit dem Meeresgrund verankert. Unterhalb der freien Fläche der Plattform sind die bootsähnlichen Schwimmkörper 2 in regelmäßigen Reihen angeordnet. Jeder Schwimmkörper steht über eine nur vertikal bewegliche Stange 3 mit der Plattform in Verbindung. Unter der Plattform einlaufende Wellen sorgen für eine Auf- und Abbewegung der Schwimmkörper 2. Durch Verbindung mit der Stange 3 wird diese Bewegung zur Plattform übertragen und dort über einen Umwandlungsmechanismus in eine Drehbewegung der Welle 4 umgesetzt. Die Welle 4 sammelt Drehbewegungen von allen Schwimmkörpern und leitet diese Drehung einem auf der Plattform angeordneten Generatorhaus 5 zu. Dort findet eine Umwandlung der Drehbewegung in elektrische Energie statt. Diese elektrische Energie kann schließlich über Unterseekabel an Land geführt werden.

Fig. 2 zeigt im Detail eine Möglichkeit, wie die vertikale Auf- und Abbewegung der Verbindungsstange 3 in eine Drehbewegung mit stets gleichbleibender Drehrichtung der Welle 4 umgesetzt werden kann. Die Stange 3 trägt dazu in ihrem oberen Abschnitt eine Zahnstange 3a. Diese Zahnstange treibt ein damit in Verbindung stehendes Zahnrad 6a an. Auf derselben Achse wie das Zahnrad 6a sitzt eine Scheibe 6c. Diese hat jedoch in einer Drehrichtung einen Freilauf, so daß ein Antrieb durch die Drehung des Rades 6a nur in die andere Richtung erfolgen kann. Liegt ein solcher Antrieb vor, so überträgt er sich über den Transmissionsriemen 7a auf die Scheibe 6e, welche unmittelbar auf der zu drehenden Welle 4 sitzt. Andererseits treibt das Zahnrad 6a ein weiteres Zahnrad 6b an. Die Drehung dieses Zahnrades erfolgt also zwangsläufig immer mit entgegengesetztem Drehsinn im Vergleich zum Zahnrad 6a. Auf der Achse des Zahnrades 6b sitzt eine weitere Scheibe 6d. Aufgrund eines Freilaufes wird auch diese nur in einer Drehrichtung angetrieben, so daß sie über den Transmissionsriemen 7b nur eine Drehung in einer Richtung auf die auf der Welle 4 angeordnete Scheibe überträgt.

Durch die entsprechende Wahl der Freilaufrichtungen wird auf diese Weise erreicht, daß z. B. bei der Aufwärtsbewegung der Stange 3 die Scheibe 6c z. B. im Uhrzeigersinn angetrieben wird, während die Scheibe 6d sich nicht mitdreht. Umgekehrt dreht sich 6c nicht bei der darauffolgenden Abwärtsbewegung der Stange 3, während die Scheibe 6d im Uhrzeigersinn angetrieben wird und diese Energie auf die Welle 4 überträgt. Eine Antriebsvorrichtung nach Fig. 2 führt also dazu, daß sowohl die vertikale Auf- als auch die Abwärtsbewegung der Stange 3 jeweils in eine Drehbewegung der Welle 4 mit stets derselben Drehrichtung umgesetzt wird.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Gewinnung und Umwandlung von Energie aus Wasserwellen, bestehend aus einer sich parallel zur Wasseroberfläche erstreckenden Plattfrom (1), mit der mehrere bootsförmige Schwimmkörper (2) jeweils über eine Stange (3) beweglich verbunden sind, wobei die Energie der Vertikalbewegung der Stangen trans­ formiert und einem Generator zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwimmkörper (2) drehbar um ihre durch die Stan­ ge (3) gebildete Vertikalachse an der Verbindung mit der Plattform (1) angebracht sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Arretiervorrichtung zur Blockierung der Drehbarkeit der Schwimmkörper (2) um ihre Vertikalachse vorhanden ist. 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (11a, b) der Schwimmkörper (2) bugseitig und ggfs. auch heckseitig zusammengefügt sind, vorzugsweise unter einem spitzen Winkel, und daß der Bootskörper vorzugsweise eine Länge von 2 bis 20 m und ein Gewicht von 50 bis 2.000 kg aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwimmkörper (2) in mindestens zwei Reihen regelmäßig angeordnet sind, wobei die Schwimmkörper der nachfolgenden Reihe vorzugsweise in den Lücken zwischen den Schwimmkörpern der vorhergehenden Reihe angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Plattform (1) eine Welle (4) angeordnet ist und die vertikale Bewegung der Stange (3) über eine Kupplungsvorrichtung in eine gleichsinnige Drehbewegung der Welle (4) transformiert wird, vorzugsweise durch eine derartige Ankopplung von zwei Getriebesystemen mit Freilaufnaben an die Stange (3), daß ein Getriebe nur die Auf- und das andere Getriebe nur die Abwärtsbewegung der Stange (3) auf die Welle (4) überträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (4) zwecks Stromerzeugung zu einem Generator (5) führt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Plattform (1) ein hydraulischer oder pneumatischer Kreislauf mit einer Pumpe, die mit der Stange (3) verbunden ist und von deren Vertikalbewegung angetrieben wird, angeordnet ist, und daß sich in dem hydraulischen oder pneumatischen Kreislauf eine Turbine und ein Generator zur Stromerzeugung befinden.