DE1961382A1 - Generator zur Erzeugung elektrischer Energie unter Ausnutzung der durch den Seegang verursachten Beschleunigungskraefte - Google Patents

Generator zur Erzeugung elektrischer Energie unter Ausnutzung der durch den Seegang verursachten Beschleunigungskraefte

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    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
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    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Description

Friedrichshafen
"Generator zur Erzeugung elektrischer Energie unter Ausnutzung der durch den Seegang verursachten Beschleunigungskräfte"
Die Erfindung befaßt sich mit der Erzeugung elektrischer Energie unter Ausnutzung der durch den Seegang bzw. der Wellenbewegung verursachten Beschleunigungskräfte.
Zur Sicherung der Schiffahrtswege sowie für ozeanografische und meteorologische Zwecke werden verschiedene Arten von Bojen verwendet (z.B. Signal-, Navigations- Warn- oder Meßbojen). Derartige Bojen benötigen für ihre Funktion eine elektrische Energieversorgung. Sie kann entweder über ein elektrisches Netz, das vom Land her zu den in nicht zu weiter Entfernung und zu grossen Tiefen in See stationierten Bojen verlegt ist oder durch eine bordeigene Anlage (z. B. Bat terie) erfolgen. Abgesehen von der mit vielen Vor- und Nachteilen behafteten ersteren Möglichkeit haben sich in letzter Zeit inner mehr die bordgestützten Anlagen der elektrischen Energieversorgung bewährt. Davon sind eine Reihe von Generatoren bekannt geworden, bei denen der auf relativ großen Wasserflächen, insbesondere dem Meeresspiegel, herrschende Seegang und die in unterschiedlichen Intensitäten stets vorhandenen Wellenbewegungen mit Hilfe des an sich bekannten Induktionsprinzlpe zur Gewinnung bzw. Erzeugung elektrischer Energie ausgenutzt wird.
Dazu zählen auch Geräte, die mit de» durch die Wasser»·Ilen erzeugten hydrostatischen Druck arbeiten. Dabei werden zur Umwandlung der in den Meereswellen enthaltenen kinetischen Energie in elektrische Energie die durch die Wellen hervorgerufenen Druck«· unterschiede unter der Wasseroberfläche benutzt. Bei einem solchen Gerät wirkt der Druckunterschied auf eine Membran, die über eine hydraulische Leitung mit einem Druckausgleichsgefäß verbunden ist.
1 Ot B a Γ. / Π 8 S 4 - 2 -
Die durch die Wellen verursachten Druckunterschiede werden über die Membran auf die hydraulische Flüssigkeit übertragen, die ihrerseits den in der Leitung angeordneten Hydraulikmotor und dadurch einen Spannungsgenerator antreibt. Derartige Geräte haben aber den Nachteil, daß sie nur effektiv arbeiten, wenn sie sich möglichst nahe unter der Wasseroberfläche befinden. Hinzu kommt, daß sie nicht an die Oberfläche kommen dürfen (z.B. bei zu starkem Seegang oder zu geringer Wassertiefe), da sonst die Membran einen Überdruck und die gesamte Einrichtung starken dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Außerdem unterliegt die Membran mechanischen Beanspruchungen durch äußere Einflüsse (z.B. Bewuchs, Algen). Ferner besteht ein großer Nachteil in der viel zu geringen erzielbaren Leistung (ca. 0,5 W bei einer mittleren Wellenhöhe von ca. Im).
Bei einem anderen Gerät ist ein durch Federn gewichtlos aufgehängter Dauermagnet von einer Induktionsspule umgeben. Hier verharrt der Dauermagnet aufgrund seiner Masserträgheit annähernd in konstanter Lage, während die Induktionsspule zusammen mit dem Bojenkörper einer dem Seegang bzw. der Wellenbewegung entsprechenden Amplitude unterworfen ist.
Der Nachteil dieser Ausfuhrung besteht in den sehr variablen Amplituden, die die Induktionsspule gegenüber dem Dauermagneten hat. Dies wird hauptsächlich durch die ständige Überlagerung der Wellen verursacht, wobei der zunächst in seiner konstanten Lage verharrende Dauermagnet zeitabhängig selbst in Schwingung gerät. Dies kann soweit gehen, daß die Frequenz und Amplitude von Dauermagnet und Induktionsspule gleichphasig wird, so daß sie schließlich zueinander in relativer Ruhe stehen und dann keine Induktion mehr stattfindet. Naturgemäß unterliegt dieser Vorgang relativ längeren oder kürzeren Perioden.
Ein weiteres Gerät arbeitet nach dem Prinzip einer exzentrisch gelagerten Masse, die bei der Bojenschwankung eine rotierende Bewegung ausübt (z.B. wird dieses Prinzip auch beim Selbstaufzug von Armbanduhren angewandt). Nachteilig sind hierbei die
relativ großen mechanischen Belastungen, während die damit erzielbare elektrische Leistung sehr gering ist. Die Ursache dafür ist die zu kleine Rotationsfrequenz und die damit verbundene Drehzahl des angeschlossenen Generators. Die damit erzielbaren elektrischen Leistungen liegen gleichfalls unter IW.
Neben der induktiven elektrischen Energieerzeugung durch Ausnutzung der im Seegang bzw. der Wellenbewegung entsprechenden Ki'äfte sind auch Geräte bekannt, bei denen wahlweise der piezoelektrische Effekt oder das Magnetostriktions-Prinzip Anwendung f indet.
Der piezoelektrische Effekt entsteht dadurch, daß Piezokristalle (z. B. Barium-Titanat) durch die Wellenbewegung einer mechanischen Beanspruchung auf Zug oder Druck ausgesetzt sind und dabei elektrische Spannung abgeben. Da jedoch die Piezokristalle einen elektrischen Isolator darstellen, ist die damit erreichbare Leistung wegen des hohen Innenwiderstandes sehr gering und deswegen für den vorgesehenen Zweck von besonderem Nachteil. Zu« Beispiel ergibt ein Stab von einem Meter Länge und einer Belastung
—3 von 100 kp eine Leistung von ca. 2.10 W.
Beim Magnetostriktions-Prinzip erfährt ein mit seiner Längsachse in einem Feld gebrachter Stab aus ferromagnetischem Material eine Längenänderung. Werden diese ferromagnetischen Materialien einer Druck- oder Zugspannung ausgesetzt, so erzeugen sie ein magnetisches Feld. In Folge der durch den Seegang bzw. die Wellenbewegung verursachten Bojenbewegung werden z. B. in einem Micke1-stab Zug- und Druckspannungen aufgebaut. Die dabei entsprechenden magnetischen Feldänderungen führen in einer entsprechend angeordneten Spule zur Stromerzeugung. Zu dem Nachteil der hiermit zu erzielenden sehr geringen elektrischen Leistung kommt, neben einer erhöhten Ausfallwahrscheinlichkeit der zusätzlichen mechanischen Teile und größeren Hubwege, noch der erhebliche Gewichteaufwand hinzu, der zur Erzeugung einer größeren Energiemenge benötigt wird. Zum Beispiel wäre zur Erzeugung von 100 W ein Nickelstab von ca. 6,2 t notwendig.
BAD ORIGINAL - 4 -
1 ü ?. λ ? Fi / η R 9 /.
Ausgehend von dem an sich bekannten induktiven Prinzip der elektrischen Energiegewinnung war es Aufgabe der Erfindung, die den bereits bekannten und oben beschriebenen Generatoren mit unterschiedlichen Energie-Gewinnungsprinzipien anhaftenden Nachteile zu beseitigen. Dieses Ziel wird erfindungsgeraäß dadurch erreicht, daß der eine Teil der Induktionselernente - z. B. die Spule - starr mit der Boje verbunden und der andere Teil - z. B. der Permanentmagnet - einerseits über ein elastisches Zwischen·» glied - z. B. eine Rtickhol- bzw. Zugfeder - mit der Boje verbunden und andererseits an der Bojenverankerung befestigt ist.
Die Art der Bojenverankerung ist für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Wesentlich ist, daß ein Teil der Boje dem Seegang bzw. den Wellenbewegungen möglichst ungehindert folgen kann, wogegen der andere in seiner Bewegung relativ gehemmt ist.
Der Vorteil eines derartigen Generators besteht darin, daß auf relativ einfache und sichere Weise die im Seegang bzw. in den Wellen vorhandene kinetische Energie durch die Bojenbewegung bzw. des damit angewandten Induktionsprinzips in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß die neue Anordnung gegenüber den bisher bekannten Generatoren eine wesentliche Steigerung der erzielbaren elektrischen Energie dadurch ermöglicht, daß die großen Kräfte zwischen dem Bojenkörper und der Verankerung ausgenutzt werden. Außerdem ist das Leistungsgewicht, bezogen auf die elektrische Leistung, wesentlich kleiner als bei anderen bekannten Verfahren und der Aufbau sowie die verwendete Technik einfacher und robuster, was für den Betrieb von Bojen im Meer besonders günstig ist. Von Vorteil ist ferner das bereits erwähnte wartungsfreie Prinzip, bei dea eine Reduzierung von im Wasser bewegten Teilen auf ein Minimum beschränkt ist und sich somit auf eine relativ lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit auswirkt.
Gemäß weiterer Ausführung der Erfindung wird die gesamte Leistung in einer oder mehreren Induktionsspulen erzeugt, wobei einer und bzw. oder mehrere kürzere Stabaagnete mit der oder den entsprechenden Induktionsspulen parallel oder hintereinander angeordnet sind. Vorteilhafter Weise ist um jeden Magnetpol eine
1 ü ί 8 ? S / η a q /4
Induktionsspule angeordnet. Di»? Abdichtung des Tnduktionsspulen-Körpers und der Permanentmagnete gegen das Eindringen /on Pee- »asser erfolgt durch einen Federbalg, wodurch auf eine dynamische Dichtung v'orz ich te t verden kann. Außerdem werd€«n die durch das Gewicht der Verankei'ung oder des Ballastes auftretenden konstanten "Zugkräfte durch ein am unteren als Zugstab ausgebildeten Ende des bzv.. der Permanentmagneten ungeordnetes elastisches Zwischenglied entsprechender DimenKioniorung eliminiert. Der Vorteil dieser Anordnung ist, da'} nur die wechselnden Belastungskräfte infolge der Wellenbewegung auf den Zugstab wirken.
Fin weiteres erfinderisches Merkmal besteht darin, daß bei Aus führung der Boje mit Dämpfungsplatte der Generator in einem Verbindungsschacht zwischen Boje und Dämpfungsplatte untergebracht ist.
Tm Folgendon werden AusführungsbeispieIe beschrieben und anhand von F>ki/szen erläutert:
Fig. I zeigt eine an der Wasseroberfläche schwimmende, mit einem Generator ausgerüstete und an einem Anker tau befestigte nojf,
Tig. 2 zeigt eine Boje gemal Fig. i mit Dämpfungsplatte, Fip. 3 /.c igt eine Boje geraä'i Fig. I und 2, jedoch mit zwei Generatoren und doppelter Verankerung, Fig. Λ zeigt einen Induktions-Generator im Schnitt.
In Fig. i ist eine an der Wasseroberfläche 1 schwimmende Boje 2 dargestellt. Aus ihrem Unterteil ragt das als Zugstab 3 ausgebildete verlängerte Ende des innerhalb der Boje 2 befindlichen Permanentmagneten 4, die beide über die Zugfeder 10 als Verbindung miteinander verbunden sind (siehe Fig. 4). Über eine Öse 5 ist der Zugstab 3 und damit die Boje 2 selbst, nit einen mit einem Ankertau ΰ und einem auf dem Meeresgrund 7 befindlichen Anker 8 relativ fest verbunden. Die dadurch an die Wellenbewegung gekoppelte Boje 2 folgt der vertikalen Bewegung der Wellen nahezu vollständig. Die durch die Verankerung und der gegebenen Länge des Ankertaues 6 einerseits und des Bojenauftriebes andererseits gegebene relativ starre Verbindung wird durch den Hub des in der Boje
10 08 2 5/089', "*",**««*
befindlichen Generators 9 (siehe auch Fig. 2, 3 und 4) unterbrochen. Durch die von der Wellenbewegung hervorgerufene vertikal nach oben schwingende Bojenbewegung wird auf den Zugstab 3 eine Zugkraft ausgeübt. Bewegt sich die Boje 2 wieder nach unten, so stellt die am Zugstab 3 angeordnete Zugfeder 10 (siehe Fig. 4) den Zugstab 3 bzw. den Permanentmagneten 4 (siehe Fig. 4) wieder zurück.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Darstellung einer Stabboje 11 ist die Anordnung von Bojenkörper 11, Generator 9 und Verankerung 6, 7 und 8 prinzipiell gemäß der schon in Fig. 1 beschriebenen. Sie ist hierbei insofern leicht modifiziert, als sich zwischen Ankertau 6, öse 5 und Boje 2 eine Dämpfungsplatte 13 befindet, die in ihrer Verlängerung zur Boje 2 als Verbindungsschacht 12 ausgebildet und in dem der Generator 9 untergebracht ist. Durch die Dämpfungsplatte 13 wird die Stabboje 11 daran gehindert, der Wellenbewegung zu folgen. Der Zugstab 3 ist über den Verbindungsschacht 12 mit der Dämpfungsplatte 13 verbunden, während das Gehäuse des Generators 9 mit den darin enthaltenen Induktionsspulen 17 (siehe Fig. 4) an den Bojenkörper 11 montiert ist. Die durch die Amplitude der Wellenbewegung ausgelösten Kräfte wirken hierbei auf den Zugstab 3 als Zug- und Druckkräfte. Die am Zugstab 3 angeordnete Zugfeder 10 (siehe Fig. 4) sorgt dabei für eine Normallage des Zugstabes 3 in der Mitte des Spulenkörpers 14 (siehe Fig. 4).
Bei dem in Fig. 3 gemäß Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine Boje 18 mit der Anordnung von zwei Generatoren 9 dargestellt. Sie sind durch ihre Verbindungsschächte 12 symmetrisch mit einem Stabilisierungsring 15 verbunden, der seinerseits über die Ösen 5, Anker taue 6 und Gewichte 16 auf dem Meeresgrund 7 verankert ist. Die hier bei Seegang zwischen dem Stabilisierungsring 15 und der Boje 18 auftretenden großen Kräfte werden durch die Mehrfachanordnung von Generatoren 9 zur elektrischen Energieerzeugung besser ausgenutzt.
109825/089
Der in Fig. 4 dargestellte Schnitt durch einen Induktionsgenerator 9 zeigt den an eine Boje 2 angeflanschten Spulenkörper 14 mit den darin hintereinander angeordneten Induktionsspulen 1?. Innerhalb dieser Induktionsspulen 17 lagert ein Zugstab 3 der an seinem oberen Ende einen oder mehrere Permanentmagnete 4 enthält. Über seinem unteren Ende liegt eine Zugfeder 10, die sich nach eben hin am Spulenkörper 14 und nach unten an einer Eit dem Zugstab 3 verbundenen tellerartigen Platte 19 abstützt und dadurch unter Vorspannung gehalten wird. Diese Zugfeder 10 bewirkt außer Hör Zurückstellung des im Spulenkörper 14 befindlichen Zugstabes 3 bzw, Permanentmagneten 4 bei nach unten bewegter Boje 2, daß dieser Zugstab 3 im Ruhezustand in Mittellage gehalten wird. Mit entsprechender Dimensionierung der Zugfeder 10 wird außerdem er~ reicht, daß durch das Gewicht des Ankertaues 6 oder des Ballastes auftretende konstante Zugkräfte eliminiert werden und dadurch nur die wechselnden Belastungen infolge der Wellenbewegung auf den Zugstab 3 wirken.
In Verlängerung des Zugstabes 3 über die Platte 19 hinaus ist dieser als use 5 zur Befestigung des Ankertaues 6 ausgebildet. Das Eindringen von Seewasser in den von Spulenkörper 14 und Permanentmagnet 4 gebildeten Raum 20 wird durch einen Federbalg 21 verhindert, der an der Unterseite des Spulenkörpers 14 angeordnet ist.
Bei der durch den Seegang bzw. der Wellenbewegung auf die Boje 2 übertragenen Zugkräfte erfährt der im Spulenkörper 14 schwimmend gelagerte Zugstab 3 zusammen mit seinen Permanentmagneten 4 eine Auslenkung bzw. Lageänderung in vertikaler Richtung. Die dabei in den Induktionsspulen 17 nach den Induktionsgesetz induzierte Spannung dient zur Leistungserzeugung bzw. nach Gleichrichtung und mit Hilfe eines elektronischen Stabilisierungseleraentes, eventuell unter Zwischenschaltung von Pufferbatterien, zum Betrieb elektrischer und elektronischer Geräte.
2. Iteienber 1969
Kr/in
1 ο;-. <-. ? R / η R 9 ^

Claims (7)

  1. Patentansprüche :
    Π. JNach dem Induktionsprinzip arbeitender, in Schwimmkörpern, insbesondere Bojen, angeordneter Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, unter Ausnutzung der durch den Seegang bzw. die Wellenbewegung verursachten Beschleunigungskräfte, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Teil der Induktionselemente - z.B. die Spule (17) - starr mit der Boje (2) verbunden und der andere Teil - z.B. der Permanentmagnet (4) - einer» seits über ein elastisches Zwischenglied - z.B. eine Rückholbzw. Zugfeder (10) - mit der Boje (2, 11, 18) verbunden und andererseits an der Bojenverankerung (6 bzw. 8) befestigt ist.
  2. 2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Leistung in einer oder mehreren Induktionsspulen (17) erzeugt wird.
  3. 3. Generator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein bzw. oder mehrere Permanentmagnete (4) mit der bzw. den entsprechenden Induktionsspulen (17) parallel oder hintereinander angeordnet sind.
  4. 4. Generator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß um jeden Magnetenpol eine Induktionsspule (17) angeordnet ist.
  5. 5. Generator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung des bzw. der Induktionsspulenkörper (14) und Permanentmagnete (4) durch einen Federbalg (21) erfolgt.
    1 0 V- B '-' S / Π « Q Λ
  6. 6. Generator nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß konstante Zugkräfte durch eine am unteren als Zugstab (3) ausgebildeten Ende des bzw. der Permanentmagnete (4) angeordnetes elastisches Zwischenglied (10) eliminiert werden.
  7. 7. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, da3 der Wellengenerator (9) in einen Verbindungeschacht (12) zwischen Boje (2) und Dämpfungsplatte (13) angeordnet ist.
    2. Dezember 1969
    Kr /kn
    1 0 b 3 V H / Π R 9 A
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