DE202009013513U1 - Wellenkraftwerk zur Umwandlung von in der Wellenbewegung von Wasser enthaltener Energie - Google Patents
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Abstract
dadurch gekennzeichnet,
dass an wenigstens einem der Schimmerkörper (2) ein Sensor (50) angeordnet ist, der die Auslenkung des Schwimmerkörpers (2) relativ zu einem benachbarten Schwimmerkörper (2) oder zum Stabelement (6) erfasst,
dass wenigstens einer der Schwimmerkörper (2) über ein Seil (54) am Boden eines Gewässers verankert ist, und dass dem Seil (54) eine durch einen Motor (58) angetriebene...
Description
- Die Erfindung betrifft ein Wellenkraftwerk zur Umwandlung von in der Wellenbewegung von Wasser enthaltener Energie gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
- Bei der Wellenbewegung von Wasser handelt es sich um Auslenkungen der Oberfläche eines Gewässers, welche durch Wind, durch ein Zusammentreffen von Strömungen mit unterschiedlicher Temperatur oder durch die Gravitation von Mond und Sonne in Form von Gezeitenwellen hervorgerufen werden.
- Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, welche die in der Wellenbewegung von Wasser enthaltene Energie in elektrische Energie umwandeln. So wird beispielsweise für die Versorgung von Leuchtbojen mit elektrischer Energie eine Technik verwendet, die auch als Technik der oszillierenden Wassersäule bekannt ist. Die Leuchtboje umfasst hierzu einen Schwimmkörper, in dem ein vertikal ausgerichtetes Hohlprofil vorgesehen ist, dessen untere Öffnung unterhalb der Wasseroberfläche und dessen obere Öffnung oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet sind. Die untere Öffnung mündet dabei in eine Wasserschicht, die nicht mehr von den Wellen bewegt wird. Innerhalb des Hohlprofils ist eine Wassersäule eingeschlossen, die der Bojen- bzw. Wellenbewegung nicht folgen kann und somit gegenüber der Bojen- bzw. Wellenbewegung oszilliert. Zur Erzeugung von elektrischer Energie ist im Bereich der oberen Öffnung des Hohlprofils eine Luftturbine angeordnet, die durch eine alternierende Luftströmung angetrieben wird, welche aus der Auf- und Abbewegung der Wassersäule innerhalb des Hohlprofils resultiert. Obwohl sich diese Art der Umwandlung von Wellenenergie in elektrische Energie bei Leuchtbojen als sehr zuverlässig erwiesen hat, ist die Leistungsfähigkeit einer derartigen Vorrichtung mit einer oszillierenden Wassersäule beschränkt.
- Eine weitere Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenenergie in elektrische Energie ist aus der
WO 2003/058055 A1 - Bei den zuvor beschriebenen Wellenkraftwerken ergibt sich allgemein das Problem, dass eine Veränderung des Wasserstandes, wie sie bekanntermaßen durch die Gezeiten hervorgerufen wird, zu einem mehr oder weniger starken Eintauchen der Schimmerkörper führt. Zudem besteht bei den zuvor beschriebenen Wellenkraftwerken die Gefahr, dass bei sehr hohen Wellen, wie sie beim Auftreten von Sturm entstehen, sehr leicht eine Beschädigung der gesamten Anlage auftreten kann.
- Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereit zu stellen, die eine gegenüber einem sich verändernden Wasserstand unempfindliche Konstruktion aufweist und in zuverlässiger Weise die in der Wellenbewegung von Wasser enthaltene Energie in eine andere Energieform umwandelt, und bei der zudem die Gefahr von sturmbedingten Beschädigungen verringert ist.
- Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
- Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
- Das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk, welches zur Umwandlung von der in der Wellenbewegung von Wasser enthaltenen Energie in eine andere Energieform dient, umfasst wenigstens zwei Schwimmkörper, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind. Die wenigstens zwei Schwimmkörper sind hierbei relativ zueinander bewegbar und schwimmen auf der Wasseroberfläche auf, so dass sie der Wellenbewegung des Wassers folgen können. Gemäß der Erfindung sind zwischen den Schwimmkörpern jeweils ein Stabelement und wenigstens eine Energieumwandlungseinheit vorgesehen, die verdrehbar an einem jeweiligen Schwimmkörper befestigt sind. Für die verdrehbare Befestigung sind das Stabelement bzw. die wenigstens eine Energieumwandlungseinheit über jeweils eine Gelenkverbindung und eine weitere Gelenkverbindung mit demjenigen Schwimmkörper verbunden, der dem jeweiligen Ende des Stabelementes bzw. der Energieumwandlungseinheit zugeordnet ist. Die dem Stabelement zugeordnete Gelenkverbindung und die der Energieumwandlungseinheit zugeordnete weitere Gelenkverbindung weisen hierbei am jeweiligen Schwimmkörper einen vertikalen Abstand zueinander auf. Bei der Energieumwandlungseinheit handelt es sich um eine Vorrichtung, welche die kinetische Energie, die vorzugsweise zu einer Veränderung der Länge der Energieumwandlungseinheit führt, in eine andere Energieform umwandelt.
- Das erfindungsgemäße Wellenkraftwerke zeichnet sich dadurch aus, dass an wenigstens einem der Schwimmerkörper, bevorzugt am zentralen Schwimmerkörper, ein Sensor angeordnet ist, der die Auslenkung des Schwimmerkörpers relativ zu einen benachbarten Schwimmerkörper oder zum Stabelement erfasst. Der Schwimmerkörper mit dem Sensor oder auch ein anderer Schwimmerkörper ist weiterhin über ein Seil am Boden des Gewässers verankert, dessen Länge insbesondere über eine Seilwinde veränderbar ist, die durch einen Motor angetrieben wird, um das Seil aufzuwickeln, wenn die vom Sensor erfasste Auslenkung zwischen dem Schwimmerkörper und dem benachbarten Schwimmerkörper oder dem Stabelement einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
- Der Motor ist bevorzugt ein Elektromotor, und der Sensor umfasst einen elektrischen Kontakt, der geschlossen wird und hierdurch den Elektromotor mit einer Stromquelle verbindet, um die Seilwinde aufzuwickeln, solange die Auslenkung des Schwimmerkörpers den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, der beispielsweise dadurch definiert werden kann, dass der Verschwenkwinkel des Schwimmers relativ zur Horizontalen mehr als ±30° beträgt.
- Hierzu kann der Sensor beispielsweise einen starr mit dem Schwimmerkörper verbundenen elektrischen Druckschalter umfassen, der beim Erreichen der maximalen Auslenkung zwischen dem Schwimmerkörper und dem benachbarten Schwimmerkörper bzw. dem Stabelement mit einem daran angeordneten mechanischen Anschlag zusammenwirkt. Der Anschlage begrenzt dabei bevorzugt gleichzeitig auch die Bewegung der Schwimmerkörper in der Horizontalen, beispielsweise auf den zuvor genannten Wert von ±30°.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfasst der Sensor die Auslenkung sowohl in der Aufwärts- als auch in der Abwärtsrichtung des Schwimmerkörpers, wozu er beispielsweise als Drehwinkelsensor oder auch als Nährungssensor oder als Potentiometer oder dergleichen ausgestattet sein kann. Der Sensor ist hierbei bevorzugt mit einer elektronischen Steuerungsvorrichtung verbunden, die den Motor in der Weise steuert, dass die Auslenkung des Schwimmerkörpers innerhalb eines vorgegebenen Bereichs zwischen einem oberen Schwellenwert und einem unteren Schwellenwert liegt.
- Um hierbei einen Schutz vor Beschädigungen des erfindungsgemäßen Wellenkraftwerks durch einen zu hohen Wellengang zu verhindern, wie er beispielsweise bei starkem Sturm auftritt, wird gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung von der elektronischen Steuerungsvorrichtung die Größe der Ausschläge anhand der übersandten Sensorsignale fortlaufend überwacht und der Motor für eine vorgegebene Zeitdauer, beispielsweise für ein bis zwei Minuten, in Aufwickelrichtung der Seilwinde angetrieben, um den Schwimmerkörper in erfindungsgemäßer Weise unter die Wasseroberfläche zu bewegen, wenn der obere Schwellenwert und/oder der untere Schwellenwert innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer, beispielsweise innerhalb von fünf Minuten, mehrmals überschritten werden. Der benachbarte Schwimmerkörper kann hierbei insbesondere über ein mit dem Seil verbundenes weiteres Seil gekoppelt sein, welches eine solche Länge besitzt, dass es eine Bewegung des benachbarten Schwimmerkörpers innerhalb des mechanisch zulässigen Auslenkungsbereichs gestattet, gekoppelt sein, so dass auch der weitere Schwimmerkörper oder im Falle von mehreren weiteren Schwimmerkörpern diese gemeinsam über das Seil und die Seilwinde mit unter die Wasseroberfläche bewegt werden.
- Das Stabelement dient gemäß der Erfindung dazu, einen Abstand zwischen den an den Enden der Stabelemente vorgesehenen Gelenkverbindungen und somit zwischen den Schwimmkörper selbst herzustellen. Nachdem der Abstand zwischen den an den Enden des Stabelementes vorgesehenen Drehachsen der Gelenkverbindungen nicht veränderbar ist, verdrehen sich die Schwimmkörper bei einer Wellenbewegung dementsprechend um die Anschlussstellen des Stabelementes am jeweiligen Schwimmkörper. Der durch die Länge des Stabelements bestimmte Abstand zwischen den Drehachsen, die das Stabelement mit den jeweiligen Schwimmkörper verbinden, weist hierbei vorzugsweise eine Größe auf, so dass sich die Schwimmkörper bei einer relativen Verdrehung zueinander nicht berühren können. Alternativ hierzu ist es jedoch auch denkbar, dass das Stabelement eine kürzere Länge aufweist, so dass die Schwimmkörper sich bei einer relativen Verdrehung zueinander gegenseitig in ihrer Verdrehung blockieren, wodurch der maximalen Drehwinkel der Schwimmkörper begrenzt wird.
- Infolge des vertikalen Abstands zwischen der dem Stabelement zugeordneten Drehachse der Gelenkverbindung und der der Energieumwandlungseinheit zugeordneten weiteren Drehachse der weiteren Gelenkverbindung an einem jeweiligen Schwimmkörper bewegen sich bei einer relativen Verdrehung der Schwimmkörper die weiteren Gelenkverbindungen, welche der Energieumwandlungseinheit zugeordnet sind, aufeinander zu oder voneinander weg. Hierdurch wirkt eine Druck- oder Zugkraft auf die Energieumwandlungseinheit ein, welche die Energieumwandlungseinheit beispielsweise durch eine Veränderung ihrer Länge in eine andere Energieform umwandelt.
- Nachdem die in der Wellenbewegung von Wasser enthaltene Energie auf offener See eines Ozeans praktisch unbegrenzt vorhanden ist, kann das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk somit nahezu ununterbrochen umweltfreundliche und kostengünstige Energie zur Verfügung stellen. Das Wellenkraftwerk ist dabei auf jedem Gewässer mit Wellenbewegung einsetzbar, wobei durch die Schwimmfähigkeit des Wellenkraftwerkes dessen Transport auf dem Seeweg auf einfache Weise in die ganze Welt realisierbar ist.
- Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind das Stabelement und die Energieumwandlungseinheit auf gegenüberliegenden Seiten oberhalb und unterhalb der Schwimmkörper und somit oberhalb und unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Abstand zwischen der dem Stabelement zugeordneten Gelenkverbindung und der der Energieumwandlungseinheit zugeordneten weiteren Gelenkverbindung an einem jeweiligen Schwimmkörper eine ausreichende Größe aufweist, um bei einer relativen Verdrehung der Schwimmkörper günstige Hebelverhältnisse für das Zusammendrücken bzw. das Auseinanderziehen der Energieumwandlungseinheit herzustellen.
- Gemäß der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Schwimmkörper jeweils ein stabförmiges Verbindungselement aufweisen, das sich vom Auftriebskörper des Schwimmkörpers in Richtung des Stabelements erstreckt. Das Stabelement ist hierbei über die Gelenkverbindung drehbar an demjenigen Ende des Verbindungselements befestigt, welches dem Auftriebskörper des Schwimmkörpers abgewandt ist. Durch das Anordnen des stabförmigen Verbindungselements am Auftriebskörper des Schwimmkörpers kann somit der Abstand zwischen der Drehachse des Stabelements und der weiteren Drehachse der Energieumwandlungseinheit am jeweiligen Schwimmkörper vergrößert werden, ohne dass hierzu eine Veränderung der Geometrie des Auftriebskörpers erforderlich ist.
- Zur drehbaren Befestigung des Stabelements und der Energieumwandlungseinheit am Schwimmkörper ist es nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform vorgesehen, dass die Gelenkverbindung und die weitere Gelenkverbindung als Kugelgelenk oder Kardangelenk ausgeführt sind. Die Kugelgelenke oder Kardangelenke, die am Schwimmkörper angeordnet sind, ermöglichen hierbei eine freie Verdrehbarkeit des Stabelements und der Energieumwandlungseinheit um wenigstens eine Drehachse bzw. wenigstens eine weitere Drehachse gegenüber dem Schwimmkörper.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Energieumwandlungseinheit ein Zylindersystem umfassen, welches die Druck- und Zugkräfte, die aus der relativen Verdrehung der Schwimmkörper resultieren, in eine andere Energieform, wie beispielsweise eine hydraulische oder pneumatische Druckenergie, umwandelt. Vorzugsweise ist das Zylindersystem als ein doppelwirkender Zylinder, insbesondere ein doppelwirkender Hydraulikzylinder ausgeführt, der bei jeder Verdrehung der Schwimmkörper einen pneumatischen oder hydraulischen Druck erzeugt und über einen geschlossenen Leitungskreislauf mit einem pneumatisch oder hydraulisch angetriebenen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie verbunden ist. Der doppelwirkende Zylinder umfasst hierzu einen zylinderförmigen Hohlkörper, in dem ein Kolben mit zwei gegenüberliegenden Kolbenflächen geführt ist. Der Kolben unterteilt hierbei den Hohlraum des Hohlkörpers in eine erste und zweite Druckkammer, in denen abwechselnd ein Druckmedium mit einem Druck beaufschlagbar ist.
- Zur Speicherung der pneumatischen oder hydraulischen Druckenergie kann es gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass im Leitungskreislauf ein Druckspeicher eingebunden ist, der zum Ausgleich von Druckunterschieden beim Antrieb des pneumatisch oder hydraulisch angetriebenen Generators dient. Dem Generator ist hierbei vorzugsweise eine Turbine zugeordnet, welche die pneumatische oder hydraulische Druckenergie zum Antrieb des Generators in eine Rotationsbewegung umwandelt. Vorzugsweise sind sowohl der Generator als auch der Druckspeicher auf oder in einem der Schwimmkörper angeordnet.
- Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Energieumwandlungseinheit auch als ein Lineargenerator ausgeführt sein, der bei einer relativen Verdrehung der Schwimmkörper die Abstandsänderung zwischen den an den Enden der Energieumwandlungseinheit angeordneten weiteren Drehachsen bzw. den weiteren Gelenkverbindungen direkt in elektrische Energie umwandelt. Die Energieumwandlungseinheit umfasst hierzu einen Stator und einen Rotor, die relativ zueinander in einer geradlinigen Richtung bewegbar sind. So kann beispielsweise der Stator als ein Hohlzylinder gestaltet sein, in dem der Rotor geführt ist. Der hohlzylinderförmige Stator und der darin geführte Rotor sind hierbei über jeweils eine der weiteren Gelenkverbindungen mit einem der an die Energieumwandlungseinheit angrenzenden Schwimmkörper verbunden.
- Das Stabelement, welches die wenigstens zwei Schwimmkörper in einem Abstand zueinander verbindet, kann gemäß der Erfindung ein Hohlprofil umfassen, welches bei einem geringen Gewicht ein hohes Widerstandsmoment aufweist. Gemäß der Erfindung können in dem Hohlprofil technische Installationseinrichtungen des Wellenkraftwerks aufgenommen sein, wobei das Hohlprofil hierzu vorzugsweise abgedichtet ist. Bei den technischen Installationseinrichtungen kann es sich beispielsweise um einen Druckspeicher zur Speicherung von pneumatischer oder hydraulischer Druckenergie oder um Leitungen handeln, welche die umgewandelte Energie von der Energieumwandlungseinheit fortführen.
- Nachdem die Größe der Schwimmkörper und die Leistungsfähigkeit der Energieumwandlungseinheiten vorzugsweise an die vorwiegend vorherrschenden Wellenbedingungen in einem Gebiet auf dem Gewässer angepasst sind, ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Wellenkraftwerk am Grund des Gewässers verankert ist. Hierdurch wird verhindert, dass das Wellenkraftwerk, das wie eine künstliche Insel auf dem Gewässer schwimmt, von einer Strömung oder von Wind an das Ufer des Gewässers bewegt wird. Die Verankerung am Grund des Gewässers erfolgt hierbei insbesondere über einen Anker und ein daran befestigtes Zugmittel, wobei die Länge des Zugmittels bei einer Änderung des Wasserstandes oder der Wellenhöhe veränderbar ist. Hierzu kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk eine Windeneinrichtung umfasst, über die die Länge des Zugmittels einstellbar ist.
- Zur Bereitstellung einer großen Energiemenge kann es gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Schwimmkörpern schachbrettartig auf einer Wasseroberfläche eines Gewässers angeordnet ist, wobei die Schwimmkörper jeweils über Stabelemente und Energieumwandlungseinheiten miteinander verbunden sind.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden bei der schachbrettartigen Anordnung von Schwimmkörpern gleichartige Bauelemente verwendet, so dass das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk auf Grundlage eines Baukastensystems aus Schwimmkörpern, Energieumwandlungseinheiten und Stabelementen in wirtschaftlicher Weise herstellbar ist.
- Nach einem weiteren der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken umfasst das Wellenkraftwerkt in einer alternativen Ausführungsform wenigstens zwei Schwimmkörper, die beabstandet zueinander angeordnet und lediglich über wenigstens ein eigensteifes Stabelement miteinander verbunden sind. Das wenigstens eine zwischen den Schwimmkörpern vorgesehene Stabelement ist hierbei über eine Gelenkverbindung verdrehbar an den Schwimmkörpern befestigt und wirkt im Bereich der Gelenkverbindung mit einer Energieumwandlungseinheit zusammen, welche die Bewegungsenergie aufnimmt bzw. umwandelt, die aus der relativen Verdrehung des Stabelements gegenüber dem jeweiligen Schwimmkörper resultiert.
- Da die Schwimmkörper lediglich schwimmfähig sein müssen, kann es sich bei diesen beispielsweise um Boots- oder Schiffsrümpfe, insbesondere aus dem Betrieb genommene Boots- oder Schiffsrümpfe, handeln, die über wenigstens ein verdrehbar befestigtes Stabelement beabstandet zueinander angeordnet sind.
- Durch die erfindungsgemäße Verbindung von wenigstens zwei Schwimmkörpern über wenigstens ein verdrehbar an den Schwimmkörpern befestigtes Stabelement ergibt sich eine einfache Konstruktion, welche die Bewegungsenergie, die aus der Rollbewegung oder der relativen Bewegung der Schwimmkörper zueinander in vertikaler Richtung resultiert, über eine Energieumwandlungseinheit in eine andere Energieform umwandelt.
- Nach einer vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich das Stabelement mit wenigstens einem dem Ende des Stabelements zugeordneten Abschnitt über die Gelenkverbindung hinweg. Der wenigstens eine sich über die Gelenkverbindung hinaus erstreckende Endabschnitt des Stabelements stellt hierbei eine Art Hebel dar, dessen freies Ende auf die Energieumwandlungseinheit einwirkt, wenn sich das Stabelement um die am jeweiligen Schwimmkörper angeordnete Gelenkverbindung verdreht.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Energieumwandlungseinheit wenigstens einen Kettentrieb mit einer Gliederkette, in die ein zahnförmiges Element formschlüssig eingreift, das an dem freien Ende des sich über die Gelenkverbindung hinweg erstreckenden Endabschnitt des Stabelements angeordnet ist. Dem Kettentrieb ist hierbei vorzugsweise ein Generator zugeordnet, der über das Abtriebsrad des Kettentriebs angetrieben wird. Zwischen dem Abtriebsrad und dem Generator kann dabei eine richtungsgeschaltete Kupplung angeordnet sein, die das Abtriebsrad nur in eine Drehrichtung mit dem Generator wirkungsmäßig verbindet, wodurch der Generator nur in eine Drehrichtung angetrieben wird.
- Zur Steigerung der Effektivität des erfindungsgemäßen Wellenkraftwerkes kann eine Vielzahl von Schwimmkörpern vorgesehen sein, die über eine Vielzahl von Stabelementen miteinander verbunden sind. Die Stabelemente sind dabei über Gelenkverbindungen verdrehbar an den Schwimmkörpern befestigt und halten die Schwimmkörper auf Distanz. Jedem Schwimmkörper können dabei mehrere Stabelemente zugeordnet sein, die im Bereich der Gelenkverbindungen mit Energieumwandlungseinheiten zusammenwirken.
- Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.
- In den Zeichnungen zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Wellenkraftwerkes in einer Seitenansicht bestehend aus einer Anzahl von nebeneinander angeordneten Schwimmkörpern, die über Energieumwandlungseinheiten und Stabelemente miteinander verbunden sind; -
2 eine schematische Darstellung eines Wellenkraftwerkes in einer Draufsicht umfassend mehrere schachbrettartig angeordnete Schwimmkörper; sowie -
3 eine vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wellenkraftwerkes in einer Seitenansicht bestehend aus einer Anzahl von nebeneinander angeordneten Schiffsrümpfen, die über verdrehbar an den Schiffsrümpfen befestigte Stabelemente miteinander verbunden sind. - In
1 ist ein Wellenkraftwerk1 dargestellt, das mehrere nebeneinander angeordnete Schwimmkörper2 umfasst, die auf der Wasseroberfläche8 eines Gewässers aufschwimmen. Zwischen den Schwimmkörpern2 sind Energieumwandlungseinheiten4 und Stabelemente6 angeordnet, welche die Schwimmkörper2 kettenförmig miteinander verbinden. Die Stabelemente6 sind hierbei unterhalb der Wasseroberfläche8 und die Energieumwandlungseinheiten4 oberhalb der Wasseroberfläche8 angeordnet. Von der Unterseite der Schwimmkörper2 erstreckt sich jeweils ein Verbindungselement10 in Richtung des jeweils zugeordneten Stabelementes6 , wobei zur Verbindung des Stabelementes6 mit dem jeweilig zugeordneten Verbindungselement10 eines Schwimmkörpers2 eine Gelenkverbindung12 vorgesehen ist, die am Ende des Verbindungselementes10 angeordnet ist. Die Gelenkverbindung12 umfasst hierbei wenigstens eine Drehachse16 , um die der Schwimmkörper2 und die an der Gelenkverbindung12 angeschlossenen Stabelemente6 relativ zueinander verdrehbar sind. - Die oberhalb der Wasseroberfläche
8 angeordneten Energieumwandlungseinheiten4 sind in ihrer Länge veränderbar und an den Enden über eine weitere Gelenkverbindung14 mit einem dem jeweiligen Ende zugeordneten Schwimmkörper2 verbunden. Die Energieumwandlungseinheiten4 sind somit relativ gegenüber den jeweilig zugeordneten Schwimmkörpern2 verdrehbar. Die Drehachse16 der zur Verbindung eines Schwimmkörpers2 mit den jeweiligen Stabelementen6 vorgesehenen Gelenkverbindung12 weist hierbei einen vertikalen Abstand zu der weiteren Drehachse18 der weiteren Gelenkverbindung14 auf, die oberhalb der Schwimmkörper2 angeordnet ist und den Schwimmkörper2 mit der jeweilig zugeordneten Energieumwandlungseinheit4 verbindet. - Durch das Aufschwimmen des Wellenkraftwerks
1 auf der Wasseroberfläche8 folgen die Schwimmkörper2 der Wasseroberfläche8 und befinden sich somit auf unterschiedlichen Höhenniveaus, wobei sich die einzelnen Schwimmkörper2 relativ zueinander um die Drehachsen16 der jeweiligen Gelenkverbindungen12 verdrehen. Da der Abstand der Drehachsen16 der Gelenkverbindungen12 zwischen zwei benachbarten Schwimmkörpern2 durch die Stabelemente6 bestimmt wird, bewegen sich die weiteren Gelenkverbindungen14 einer jeweiligen Energieumwandlungseinheit4 , die zwischen zwei benachbarten Schwimmkörpern2 angeordnet ist, aufeinander zu oder voneinander weg. Hierdurch wirkt über die weiteren Gelenkverbindungen14 eine Druckkraft oder eine Zugkraft auf die Energieumwandlungseinheit4 ein, so dass diese sich in ihrer Länge verändert. - Bei den Energieumwandlungseinheiten
4 handelt es sich dementsprechend um längenveränderliche Vorrichtungen, welche die kinetische Energie, die durch die Abstandsveränderung zwischen den weiteren Drehachsen18 der weiteren Gelenkverbindungen14 entsteht, in eine andere Energieform umwandeln. Nach der Darstellung in1 sind die Energieumwandlungseinheiten4 als doppelwirkende Hydraulikzylinder ausgeführt. Der Hydraulikzylinder weist hierbei einen hohlzylinderförmigen Grundkörper20 auf, in welchem ein zwei Kolbenflächen umfassender Kolben26 in axialer Richtung bewegbar ist. Der Kolben26 ist über eine Kolbenstange28 mit einer zugeordneten weiteren Gelenkverbindung14 eines Schwimmkörpers2 verbunden und unterteilt den Hohlraum des Grundkörpers20 in eine erste und eine zweite Druckkammer22 ,24 . Die Druckkammern22 ,24 sind jeweils über in1 nicht weiter dargestellte Ein- und Auslassventile mit Niederdruck- und Hochdruckleitungen verbunden, die vorzugsweise zu einer Turbine führen, die einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie antreibt. In den Druckkammern22 ,24 wird als Druckmedium vorzugsweise ein Hydrauliköl verwendet. Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, dass Luft oder Wasser als Druckmedium verwendet wird, wobei bei einer Verwendung von Seewasser dieses erst durch spezielle Filtereinrichtungen gereinigt wird. - Bei einer relativen Verdrehung von zwei benachbarten Schwimmkörpern
2 in einem unterschiedlichen Drehwinkel oder in eine entgegengesetzte Drehrichtung bewegt sich der Kolben26 innerhalb des hohlzylinderförmigen Grundkörpers20 und verdichtet dabei das in einem der Druckkammern22 ,24 vorhandene Druckmedium. Der auf diese Weise erzeugte hydraulische Druck dient zum Antrieb des hydraulisch angetriebenen Stromgenerators, wobei der hydraulisch angetriebene Stromgenerator zum Schutz vor Witterungseinflüssen vorzugsweise in einem der Schwimmkörper2 integriert ist. Der in den Figuren nicht dargestellte Stromgenerator kann hierbei an ein Unterseestromkabel angeschlossen sein, das die erzeugte elektrische Energie in Richtung Festland leitet. - Als Alternative zu einer Verwendung der in
1 gezeigten Hydraulikzylinder kann es nach einer ebenfalls nicht dargestellten Ausführungsform vorgesehen sein, dass die einzelnen Energieumwandlungseinheiten4 jeweils einen Lineargenerator aufweisen. Die Lineargeneratoren umfassen hierbei einen Stator und einen Rotor, die durch die relative Bewegung von zwei benachbarten Schwimmkörpern2 in einer geradlinigen Bewegung relativ zueinander bewegt werden. - Nachdem die Schwimmkörper
2 durch die kontinuierliche Wellenbewegung der Wasseroberfläche8 auf offener See fortwährend ihr Höhenniveau verändern und sich somit dementsprechend relativ zueinander verdrehen, wandeln die zwischen den Schwimmkörpern2 angeordneten Energieumwandlungseinheiten4 die in der Wellenbewegung enthaltene Energie kontinuierlich in einer andrere Energieform, wie beispielsweise hydraulischen Druck oder elektrische Energie, um. -
2 zeigt eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines Wellenkraftwerkes1 bestehend aus einer Anzahl von schachbrettartig angeordneten Schwimmkörpern2 , die mit einem Abstand zueinander über Stabelemente6 und Energieumwandlungseinheiten4 relativ zueinander verdrehbar verbunden sind. Die Schwimmkörper2 des Wellenkraftwerkes1 bilden hierbei eine Art künstliche Insel, die auf eine in den1 und2 nicht dargestellte Weise am Grund des Gewässers verankert ist. - Wie zuvor schon bei der Darstellung eines Wellenkraftwerks
1 in1 erläutert, sind die Stabelemente6 unterhalb und die Energieumwandlungseinheiten4 oberhalb der rechteckförmigen Schwimmkörper2 angeordnet. Die Gelenkverbindungen12 , welche die Schwimmkörper2 mit den Stabelementen6 verbinden, sind dabei zentrisch unterhalb des jeweiligen Schwimmkörpers2 angeordnet. - Mit Ausnahme der am Rand des Wellenkraftwerks
1 angeordneten Schwimmkörper2 sind an jedem der Schwimmkörper2 acht Energieumwandlungseinheiten4 gelenkig angeschlossen, wobei pro Seite der Schwimmkörper2 jeweils zwei Energieumwandlungseinheiten4 vorgesehen sind. Für die Anregung der Energieumwandlungseinheiten4 und die Umwandlung von Wellenenergie in eine andere Energieform ist somit die Richtung der Wellenbewegung unerheblich. -
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wellenkraftwerkes1 in einer schematischen Seitenansicht. Das dargestellte Wellenkraftwerk1 umfasst mehrere Schwimmkörper, die beabstandet nebeneinander angeordnet sind. Bei den Schwimmkörpern handelt es sich um Schiffsrümpfe30 , welche jeweils wenigstens eine Energieumwandlungseinheit4 aufnehmen. Zum Antrieb eines in3 nicht dargestellten Generators umfassen die Energieumwandlungseinheiten4 mehrere hintereinander angeordnete Kettentriebe32 . Die einzelnen Kettentriebe32 weisen jeweils eine Gliederkette38 auf, die ein im Schiffsrumpf30 ortsfest angeordnetes unteres Kettenrad40 und ein oberes Kettenrad42 , welches ortsfest oberhalb des unteren Kettenrades40 angeordnet ist, umschließt. Das untere Kettenrad40 ist dabei auf einer Antriebswelle44 angeordnet, die in Wirkverbindung mit einem im Schiffsrumpf30 vorgesehenen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie steht. Aus darstellungstechnischen Gründen sind die Lagerung des unteren Kettenrades40 und des oberen Kettenrades42 sowie der Generator nicht weiter in3 dargestellt. - Zwischen den Schiffsrümpfen
30 sind Stabelemente6 vorgesehen, die über jeweils eine Gelenkverbindung12 verdrehbar an den Schiffsrümpfen30 befestigt sind. Die Gelenkverbindungen12 befinden sich dabei oberhalb der Wasseroberfläche8 auf den Schiffsrümpfen30 , so dass auch die Stabelemente6 dementsprechend oberhalb der Wasseroberfläche8 angeordnet sind. Die Stabelemente6 erstrecken sich mit einem Endabschnitt34 über die Gelenkverbindung12 hinweg, wobei an dem freien Ende des Endabschnitts34 ein zahnförmiges Element36 vorgesehen ist, das in die Gliederkette38 des Kettentriebes32 der Energieumwandlungseinheit4 eingreift. Jedem Stabelement6 bzw. jedem Endabschnitt34 ist dabei auf den Schwimmkörpern30 jeweils ein Kettentrieb32 zugeordnet. Die einzelnen Kettentriebe32 und Gelenkverbindungen12 der Stabelemente6 sind in Längsrichtung des jeweiligen Schiffsrumpfes30 in hintereinander liegenden Ebenen angeordnet, wobei die Stabelemente6 der hinteren Ebenen in3 mit gestrichelten Linien dargestellt sind. Als Bezugsachse der auf einem Schiffsrumpf30 vorgesehenen Kettentriebe32 dient hierbei die Achse der Antriebswelle44 des Generators. - Die unteren Kettenräder
40 der Kettentriebe32 einer Energieumwandlungseinheit4 sind jeweils über eine richtungsgeschaltete Kupplung46 , d. h. eine Freilaufkupplung wirkungsmäßig mit der Antriebswelle44 des Generator gekoppelt, so dass die Welle44 durch die einzelnen hintereinander auf einem Schiffsrumpf30 angeordneten Kettentriebe32 nur in eine Rotationsrichtung angetrieben wird. Die richtungsgeschalteten Kupplungen46 an den untern Kettenrädern40 verhindern hierbei, dass die Stabelemente6 sich in ihrer Verdrehung gegenseitig über die Antriebswelle44 des Generators blockieren. - Wie in
3 dargestellt, verändert sich bei einer Wellenbewegung der Wasseroberfläche8 die Position der Schiffsrümpfe30 in vertikaler Richtung, wodurch sich die zwischen den Schiffsrümpfen30 angeordneten Stabelemente6 relativ gegenüber diesen verdrehen. Durch die Verdrehung der Stabelemente6 und das Eingreifen des am freien Ende des Stabelementes6 angeordneten zahnförmigen Elementes36 in eine jeweilige Gliederkette38 eines jeweiligen Kettentriebes32 wird das untere und obere Kettenrad40 ,42 entsprechend der Auslenkung des Endabschnitts34 des Stabelementes6 in eine Drehbewegung versetzt. Durch richtungsgeschalteten Kupplungen46 werden hierbei nur gleichsinnig gerichtete Drehbewegungen von den unteren Kettenrädern40 auf die Antriebswelle44 übertragen. - Wie in den
1 bis3 weiterhin gezeigt ist, ist an wenigstens einem der Schimmerkörper2 ein Sensor50 angeordnet, der die Auslenkung des Schwimmerkörpers2 relativ zu einem benachbarten Schwimmerkörper2 oder in nicht dargestellter Weise zum Stabelement6 erfasst. Der Schwimmerkörper2 ist dabei über ein Seil54 am Boden des Gewässers verankert ist, das über eine Seilwinde56 auf- und abwickelbar ist. Die Seilwinde56 wird von einem Elektromotor58 angetriebene und ist bevorzugt am Boden des Gewässers an einer Verankerung62 befestigt; kann jedoch alternativ auch am Schwimmerkörper2 selbst angeordnet sein. Wie in1 und3 dargestellt ist wird der Motor50 über eine elektronische Steuerungsvorrichtung60 gesteuert, die über eine nicht näher bezeichnete elektrische Zuleitung ebenfalls mit dem Sensor50 verbunden ist, und die den Motor58 aktiviert um die Länge des Seils54 zu verkürzen, wenn die vom Sensor50 erfasste Auslenkung des Schwimmerkörpers2 einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Dieser Schwellenwert wird bei der Vorrichtung von1 und3 dann erreicht, wenn der Sensor50 , der in diesem Falle einen elektrischen Kontakt enthält und z. B. als elektrischer Druckschalter ausgestaltet ist, mit einem an dem benachbarten Schwimmerkörper2 angeordneten Anschlag52 zusammenwirkt, der die Bewegung der Schwimmerkörper2 in der Horizontalen begrenzt. Der Anschlag52 ist bei der Ausführungsform von1 z. B. am Grundkörper20 des Hydraulikzylinders20 angeordnet, kann jedoch in gleicher Weise auch direkt an einem benachbarten Schwimmerkörper2 oder aber an dem Stangenelement6 angeordnet sein, wie dies schematisch in2 und3 angedeutet ist. -
- 1
- Wellenkraftwerk
- 2
- Schwimmkörper
- 4
- Energieumwandlungseinheit
- 6
- Stabelement
- 8
- Wasseroberfläche
- 10
- Verbindungselement
- 12
- Gelenkverbindung
- 14
- weitere Gelenkverbindung
- 16
- Drehachse
- 18
- weitere Drehachse
- 20
- Grundkörper
- 22
- Druckkammer
- 24
- Druckkamer
- 26
- Kolben
- 28
- Kolbenstange
- 30
- Schiffsrumpf
- 32
- Kettentrieb
- 34
- Endabschnitt
- 36
- zahnförmiges Element
- 38
- Gliederkette
- 40
- unteres Kettenrad
- 42
- oberes Kettenrad
- 44
- Antriebswelle
- 46
- richtungsgeschaltete Kupplung
- 50
- Sensor
- 52
- Anschlag
- 54
- Seil
- 56
- Seilwinde
- 58
- Motor
- 60
- elektronische Steuerungsvorrichtung
- 62
- Verankerung
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2003/058055 A1 [0004]
Claims (21)
- Wellenkraftwerk zur Umwandlung von in der Wellenbewegung von Wasser enthaltener Energie umfassend wenigstens zwei relativ zueinander bewegbare Schwimmkörper (
2 ), die der Wellenbewegung des Wasseroberfläche (8 ) folgen, wobei zwischen den Schwimmkörpern (2 ) jeweils ein Stabelement (6 ) und wenigstens eine Bewegungsenergie aufnehmende Energierumwandlungseinheit (4 ) vorgesehen sind, die über eine Gelenkverbindungen (12 ) und eine weitere Gelenkverbindung (14 ) verdrehbar an den jeweiligen Schwimmkörpern (2 ) befestigt sind, wobei die dem Stabelement (6 ) zugeordnete Gelenkverbindung (12 ) und wobei die der Energieumwandlungseinheit (4 ) zugeordnete weitere Gelenkverbindung (14 ) am jeweiligen Schwimmkörper (2 ) einen vertikalen Abstand zueinander aufweisen dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem der Schimmerkörper (2 ) ein Sensor (50 ) angeordnet ist, der die Auslenkung des Schwimmerkörpers (2 ) relativ zu einem benachbarten Schwimmerkörper (2 ) oder zum Stabelement (6 ) erfasst, dass wenigstens einer der Schwimmerkörper (2 ) über ein Seil (54 ) am Boden eines Gewässers verankert ist, und dass dem Seil (54 ) eine durch einen Motor (58 ) angetriebene Seilwinde (56 ) zugeordnet ist, die aktiviert wird und die Länge des Seils (54 ) verkürzt, wenn die vom Sensor (50 ) erfasste Auslenkung des Schwimmerkörpers einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. - Wellenkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (
58 ) ein Elektromotor ist, und dass der Sensor (50 ) einen elektrischen Kontakt umfasst, der betätigt wird und den Elektromotor (58 ) mit einer Stromquelle verbindet, wenn die Auslenkung des Schwimmerkörpers (2 ) einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. - Wellenkraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (
50 ) im Wesentlichen starr mit dem Schwimmerkörper (2 ) verbunden ist und einen elektrischen Druckschalter umfasst, der mit einem an dem benachbarten Schwimmerkörper (2 ) oder dem Stabelement (6 ) angeordneten Anschlag (52 ) zusammenwirkt, der die Bewegung der Schwimmerkörper (2 ) in der Horizontalen begrenzt. - Wellenkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (
50 ) die Auslenkung des Schwimmerkörpers (2 ) sowohl in der Aufwärts- als auch in die Abwärtsrichtung erfasst, und dass eine elektronische Steuerungsvorrichtung (60 ) vorgesehen ist, die den Motor (58 ) in der Weise steuert, dass die Auslenkung des Schwimmerkörpers (2 ) innerhalb eines vorgegebenen Bereichs zwischen einem oberen Schwellenwert und einem unteren Schwellenwert liegt. - Wellenkraftwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerungsvorrichtung (
60 ) den Motor (58 ) für eine vorgegebene Zeitdauer in der Aufwickelrichtung der Seilwinde (56 ) antreibt, um den Schwimmerkörper (2 ) unter die Wasseroberfläche zu bewegen, wenn der obere und/oder der untere Schwellenwert innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer mehrmals überschritten werden. - Wellenkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabelement (
6 ) und die Energieumwandlungseinheit (4 ) auf gegenüberliegenden Seiten oberhalb und unterhalb der Schwimmkörper (2 ) angeordnet sind. - Wellenkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmkörper (
2 ) jeweils ein stabförmiges Verbindungselement (10 ) umfassen, an dessen Ende das Stabelement (6 ) angeordnet ist. - Wellenkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Stabelement (
6 ) zugeordnete Gelenkverbindung (12 ) und die der Energieumwandlungseinheit (4 ) zugeordnete weitere Gelenkverbindung (14 ) als Kugelgelenk oder Kardangelenk ausgeführt sind. - Wellenkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieumwandlungseinheit (
4 ) ein Zylindersystem umfasst, welches die aus der relativen Verdrehung der Schwimmkörper (2 ) resultierende kinetische Energie in eine pneumatische oder hydraulische Druckenergie umwandelt. - Wellenkraftwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylindersystem als doppelwirkender Zylinder ausgeführt ist, der über einen geschlossenen Leitungskreislauf mit einem pneumatisch oder hydraulisch angetriebenen Generator verbunden ist.
- Wellenkraftwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskreislauf einen Druckspeicher zur Speicherung von pneumatischer oder hydraulischer Energie umfasst.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieumwandlungseinheit (
4 ) als ein Lineargenerator ausgeführt ist, der die relative Verdrehung der Schwimmkörper (2 ) in elektrische Energie umwandelt. - Wellenkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabelement (
6 ) ein Hohlprofil mit einem Hohlraum umfasst. - Wellenkraftwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlraum des Stabelementes (
6 ) technische Installationseinrichtungen aufgenommen sind. - Wellenkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, eine Verankerung (
62 ) am Boden des Gewässers. - Wellenkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Schwimmkörpern (
2 ) vorgesehen ist, die schachbrettartig und beabstandet zueinander angeordnet sind. - Wellenkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend wenigstens zwei beabstandet zueinander angeordnete Schwimmkörper (
30 ), zwischen denen wenigstens ein Stabelement (6 ) angeordnet ist, das über wenigstens eine Gelenkverbindung (12 ) verdrehbar an einem jeweiligen Schwimmkörper (30 ) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabelement (6 ) im Bereich der Gelenkverbindung (12 ) mit einer Energieumwandlungseinheit (4 ) zusammenwirkt, welche die aus der relativen Verdrehung des Stabelements (6 ) gegenüber dem jeweiligen Schwimmkörper (30 ) resultierende Bewegungsenergie aufnimmt. - Wellenkraftwerk nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Stabelement (
6 ) mit einem dem Ende des Stabelementes (6 ) zugeordneten Endabschnitt (34 ) über die Gelenkverbindung (12 ) hinweg erstreckt. - Wellenkraftwerk nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieumwandlungseinheit (
4 ) wenigstens einen Kettentrieb (32 ) mit einer umlaufenden Gliederkette (38 ) umfasst und an wenigstens einem freien Ende des Endabschnitts (34 ) des Stabelements (6 ) ein zahnförmiges Element (36 ) angeordnet ist, das in die Gliederkette (38 ) des Kettentriebes (32 ) formschlüssig eingreift. - Wellenkraftwerk nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kettentrieb (
32 ) ein Generator zugeordnet ist. - Wellenkraftwerk nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Schwimmkörpern (
30 ) vorgesehen ist, die über eine Vielzahl von verdrehbar an den Schwimmkörpern (30 ) befestigten Stabelementen (6 ) beabstandet miteinander verbunden sind.
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---|---|---|---|
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---|---|
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110318936A (zh) * | 2019-08-20 | 2019-10-11 | 交通运输部天津水运工程科学研究所 | 波浪能发电装置和系统 |
CN112628063A (zh) * | 2020-12-18 | 2021-04-09 | 尚永兵 | 一种水面发电装置 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2003058055A1 (en) | 2002-01-10 | 2003-07-17 | Swedish Seabased Energy Ab | A wave-power unit and the use of a wave-power unit for production of electric power, a method of generating electric power and a system of components for manufacturing a linear generator for a wave-power unit |
-
2009
- 2009-10-07 DE DE202009013513U patent/DE202009013513U1/de not_active Expired - Lifetime
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