DE2504330A1 - Wellenenergieumwandler - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dr. Ing. Walter Abitz

Dr. Dieter F, Morf 2504330

Dr. Hans-A. Brauns ³- Februar 1975

8 München bö, Hi^üiaueratr. 28. 24939/26366

Dipl.-Ing. Rolf Törnkvist Ritobergsvägen 8-16 L, 00330 Helsinki 33, Pinnland

Wellenenergieumwandler

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenenergieumwandler zum Ueberfuhren von Wellenenergie in Druckenergie bei Wasser in einem Rohrsystem, bestehend aus durch die Einwirkung der Wellen farmveränderlichen Elementen und damit verbundenen Pumpenzylindern, die durch die Formveränderung der genannten Elemente Wasser in das genannte Rohrsystem einpumpen.

Die vorliegende Erfindung zielt in erster Linie darauf hin, Energie aus Meeres- und Binnenseewellenbewegungen mittels eines Umwandlers zu gewinnen, der die Wellenenergie über eine Wellenfront bestimmter Breite und Tiefe in hauptsächlich Druckenenergie in Wasser überführt in einem zum Treiben einer oder mehrerer Wasserturbinen benutzten Rohrsystem, deren Effekt vorzugsweise ■ zum Erzeugen von elektrischem Strom ausgenutzt wird, der direkt für einen ber sonderen Zweck benutzt wird oder aber mit bzw. ohne Energieakkumulation zu allgemeiner Verwendung kommt. Die Erfindung bezweckt ferner, einen Wellenbrecher zu schaffen, der im allgemeinen von festen Unterwasserkonstruktionen unabhängig ist und auf der durch Einwirkung des Umwandlers abnehmenden Wellön-

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energie basiert.

Es sind früher verschiedenartige Anordnungen zum Gewinnen von Energie aus Wellen vorgeschlagen worden, wobei die Aufhebekraft der Wellen ausgenutzt wird, um Schwimmkörper u.dgl. zu einer kontinuierlichen Auf- und Abwärtsbewegung zu bringen (siehe z.B. die deutschen Patentschriften Nrn. 93 812 und 103 701 sowie die britische Patentschrift Nr. 1 116 689), oder die Vortriebkraft der Wellen ausgenutzt wird, um Schaufeln o.dgl. .kontinuierlich in einer endlosen Bahn zu bewegen (siehe z.B. die deutsche Patentschrift Nr. 947 300 und die US-Patentschrift Nr. 3 504 985), oder aber der Druck der Wellen ausgenutzt wird, um elastische Kissen wechselweise zum Komprimieren und Expandieren zu bringen (siehe z.B. Ocean Industry, Sept. 1970).

In den bekannten Vorschlägen ist der Umstand, dass der Energieinhalt der Meereswellen als niedrige Energie pro Masseneinheit auftritt, die jedoch die grossen Wassermengen, die an der Bewegung teilnehmen, zu einem bedeutenden Energiefluss durch jede Vertikalebene, die die heranrollenden Wellen durchdringen, anwächst, nicht als Ausgangspunkt für Energieepzeugung ausgenutzt worden. Ebensowenig hat man die Energiegewinnung darauf basiert, der Geschwindigkeit der Wasserpartikeln innerhalb einer zusammenhängenden Wassermasse mittels Kräfte, welche aus dieser ganzen Wassermenge hydrodynamische Energie entnehmen systematisch entgegenzuwirken. Da es nicht berücksichtigt _worden ist, dass die Wasserbeförderung in Tiefseewellen unbedeutend ist und nur in geringem Masse auf die Wellenenergie einwirkt, bestanden bisher keine Möglichkeiten, diesen Naturvorrat rationell auszunutzen.

Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, einen Wellenenergieumwandler zu schaffen, der die Gewinnung des hauptsächlichen Effekts aus einer Wellenbewegung ermöglicht, und zwar dadurch, dass die Wassermassen über eine bestimmte Wellenbreite und auf eine bestimmte Tiefe hinab gebremst werden, so dass die Wasserpartikeln nach dem Umwandler im wesentlichen still sind. Dies wird mittels eines erfindungsgemässen Wellenenergieumwandlers erreicht, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die genannten Elemente aus einem in oder unter der Wasserfläche fliessenden Raumgitter aus wassergefüllten Kanmern bestehen, die aus gelenkig miteinander verbundenen, in bezug auf ihre Grosse und oder Form deformierbaren Wänden gebildet sind, und dass wenigstens zwei der genannten deformierbaren Wände jeder Kanrmer mit mindestens einem Pumpen- '

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zylindern verbunden sind.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass die Kammern des Gitters aus gegenseitig gelenkigen, deformierbaren Wänden bestehen, und dass die durch die Wellen entstandenen Formveränderungen der Kammerwände sukzessiv mit HiI-Fe eines Pumpenzylindersystems gebremst werden, das im Rohrsystem einen Wasserdruck erzeugt. Der .Wasserdruck wird zum Antreiben von Wasserturbinen zwecks Erzeugung von elektrischem Strom oder aber zu anderen Zwecken ausgenutzt.

Die Pumpenzylinder vermindern stufenweise die Bewegung des Wassers in der Fortpflanzungsrichtung der Wellen, so dass das Wasser nach dem Umwandler im wesentlichen seine ganze Wellenenergie verloren hat. Hierdurch lässt sich der Umwandler ausser zur Energiegewinnung auch als Wellenbrecher verwenden.

Die Erfindung wird im folgenden unter Hinweis auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein mit dem erfindungsgemässen Wellenenergieumwandler ausgerüstetes Meereswellenkraftwerk in Perspektivansicht,

Fig. 2 und 3 in grösserem Massstab den Umwandler in ruhigem Wasser bzw. bei Wassergang von der Seite her gesehen,

Fig. 4 in noch grösserem Massstab eine Detailausführung einer im Umwandler enthaltenen Kammer,

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform des Umwandlers mit im wesentlichen waagerechten Kammern,

Fig. 6 eine dritte Äusführungsform des Umwandlers mit im wesentlichen senkrechten Kammern, und

Fig. 7 in vergrössertem Massstab eine modifizierte Wandausführung einer Kammer.

Das in Fig. 1 dargestellte Kraftwerk umfasst einen Umwandler 1, der. im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 näher beschreiben wird, und einen hinter dem Umwandler befindlichen, zu grossem Teil wassergefüllten Schwimmkörper 2, an welchem der Umwandler mittels Gelenke 3 befestigt ist. Der Schwimmkörper, der eine bedeutende Breite in Richtung der Wellenfront aufweist,· verläuft an der Schnittfläche 2a vorbei, wobei sich auch der Umwandler über die gesamte Breite des Schwimmkörpers erstreckt. Der Schwimmkörper und damit der Umwandler werden mittels hier nicht gezeigter langsam rotierender Propeller

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in Richtung gegen die hauptsächliche Wellenbewegung gehalten, wie durch Pfeil A angedeutet. Alternativ kann die Anlage mittels Verankerungsanordnungen an einem bestimmten Platz festgehalten werden, wobei die Richtungseinstellung mit Hilfe von Propellern oder auf andere Weise, z.B. mit den genannten Verankerungsanordnungen, erfolgen kann.

Auf dem Schwimnkörper 2 sind Turbogeneratoren 2, von denen einer als das Maschinengehäuse 4 angedeutet ist, sowie Betriebs- und Personalräume 5 und Deckbauten 6 für die Prozessanlagen, wo die erhaltene Energie akkumuliert oder ausgenutzt wird, angeordnet. Der Schwimmkörper ist mit einer Kaianlage ausgerüstet.

Der in Figuren 2 und 3 gezeigte Umwandler umfasst vier im wesentlichen waagerechte gelenkige Wandelemente 7 und acht im wesentlichen senkrechte gelenkige Wandelemente B. Die Wandelemente 7 sind an ihrem einen Ende gelenkig an den Gelenken 3 des Schwinrmkörpers befestigt, was auch für das unmittelbar am Schwimmkörper gelegene senkrechte Wandelement 8 zutrifft. Die Wandelemente 7 und 8 sind mittels Gelenke 9 gelenkig miteinander verbunden, so dass sich ein Gitter mit einer Anzahl auf- und nebeneinander liegender längsläufiger Kammern 10 bildet. Die einzelnen Kamnerwände 7a und 8a sind in ihrer Grosse und/oder Form deformierbar und z.B. auf die in Figuren 4 und 7 angedeutete Weise ausgeformt.

Durch die gelenkige und deformierbare Ausführung des Wandelements 7, 8 des Gitters verändert sich die Form des Gitters ununterbrochen bei Wellengang, wie in Fig. 3 gezeigt. Das Oberflächenprofil 11 der heranrollenden Welle •'erändert sich durch Einwirkung des Gitters unter dem obersten Wandelement in ein Oberflächenprofil 12. Die Wellenbewegung geht von der freien Gravitationswelle in eine durch Einwirkung von in jeder Kanrmer angeordneten, Energie aufnehmenden Pumpenzylindern gesteuerte Wellenbewegung mit sukzessiv abnehmendem Energieinhalt über. Die Wände 7a, 8a der Kammern verändern sich ununterbrochen in bezug auf ihre Länge, und diese fortlaufenden Deformationen der Wände werden für die Funktion der mit stets zwei verschiedenen Wänden verbundenen Pumpenzylinder ausgenutzt. Am vorderen Ende der waagerechten Wandelemente 7 angeordnete Führungsflächen 13 dienen zum Uebertragen der Vertikalbewegung der Welle auf die Gitteranordnung. Die Wandelemente sind entweder aus

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schwimmendem Material hergestellt oder mit speziellen Schwimmkörpern ausgerüstet, so dass der ganze Umwandler selbstfliessend ist.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer Ausführungsform, angewendet auf einen Experimentumwandler, der in einem Schiffstank ausprobiert worden ist. In jeder Kammer, die in diesem Fall durch die Seiten von nicht gezeigten planen Wänden begrenzt ist, sind zwei Paar doppelwirkende Zylinder 15 bzw. 16 mit Saug- und Druckventilen 17 vorgesehen. Die Pumpenzylinder 15 sind hierbei gelenkig an den oberen und unteren Wänden 7a der Kammer 10 und die Pumpenzylinder 16 an den beiden Seitenwänden 8a der Kanmer gelagert. Jedes Zylinderpaar 15 bzw. 16 ist an ihren beiden Enden auf der Druckseite paarweise mit Druckleitungen 18 verbunden, in welche die Zylinder durch die Ventile eingesaugtes Wasser einpumpen infolge der Pumpenwirkung, die bei Einwirkung der Wanddeformationen auf die Zylinder entsteht. Die Druckleitungen 18 sind an ein oder mehrere Rohrsysteme angeschlossen, um die von den Pumpenzylindern erzeugten einzelnen Wasservolumenstrome, zum Treiben einer oder mehrerer Trubinen, unter Druck zu einem oder einigen Hauptflüssen zu leiten.

Die Wände 7a, 8a bestehen in dieser Ausführungsform aus planen aufeinander zu gleitenden Scheiben 19, 20, die von hier nicht gezeigten momentaufnehmenden Anordnungen am Biegen gehindert werden, wenn der Wasserdruck an den Seiten der Wände verschieden ist. Bei dieser Ausführungsform führt eine Formveränderung des Gitters also zu einer Verlängerung oder Verkürzung der genannten Wände.

Fig. 5 zeigt einen Umwandler, bestehend aus bloss in der Hauptsache waagerechten gelenkigen Wandelementen 27, in diesem Fall zwei. Die Wandelemente bilden zusammen mit einer farmsteifen, am Schwimmkörper 2 befestigten" Tragkonstruktion 21 zwei lange schmale Kammern 30. Teils sind zwischen den Gelenkpunkten 29 der Wandelemente und teils zwischen den genannten Gelenkpunkten und mit der Tragkonstruktion fest verbundenen Gelenkpunkten 31 Pumpenzylinder 35 von im Prinzip derselben Art, wie die in Fig. 4 gezeigten, und mit. entsprechender Funktion angeordnet. Dadurch,, dass die Pumpenzylinder auch in diesem Fall die Bewegungen der freien heranrollenden Welle verhindern, wandelt sich die Wellenenergie in hydraulische Druckenenergie, die ausgenutzt wird, um. Der Schwimmkörper 2 hat hier die gleiche Funktion wie vorher.

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Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform mit offenen Kammern. Sie weicht von der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform in der Hinsicht ab, dass die Wandelemente 38 in diesem Fall hauptsächlich senkrecht sind. Die Wandelemente 38 sind gelenkig an einer steifen Tragkonstruktion 21 befestigt und ferner gelenkig an den Gelenkpunkten 39 angeordnet. Zwischen den Wänden 38 sind Pumpenzylinder 35 einmontiert. Ihre Funktion ist, wie die des Schwimmkörpers 2, der Funktion von entsprechenden Teilen in früher beschriebenen Ausführungsfarmen analog. Das Profil der heranrollenden Welle wird durch die bremsende Einwirkung der Wandelemente 38 verändert, während die Energie der Wassermasse hauptsächlich innerhalb des Umwandlers sukzessiv abnimmt, was jedoch in bestimmten Masse auch eintrifft, ehe die Welle die erste Wand erreicht hat, so dass sie in der letzten Kammer 40 nur einen geringen Teil der Energie der entsprechenden Wassermenge in der freien.Welle ausmacht. Die Wände 38 sind oben mit tragenden Deplacementkörpern 41 versehen.

Eine weitere Wandausführung, die ebenfalls erforderliche Formveränderungen zulässt und die momentsteif ist, wird in Fig. 7 gezeigt. Die Wand der Kammer besteht hier aus einer Anzahl gelenkig und dichtend mittels Gelenke 58 miteinander verbundener, in Falten gelegter planer Scheiben 59. Die Momentsteif hsit ist mittels Parallelogranrmstangen 60, deren Gelenke mit der Bezugsziffer 61 bezeichnet sind, bewirkt worden.

Die in -der Zeichnung dargestellte Ausf ührungsform des Wellenenergieurrr wandlers umfasst ähnlich wie die vorhergehenden Ausführungsformen im wesentlichen waagerechte steife Wandelemente 77 und im wesentlichen senkrechte steife Wandelemente 76. Die Wandelemente sind mittels Gelenke 79 gelenkig miteinander verbunden, so dass sich ein Gitter 71 mit einer Anzahl auf- und nebeneinander liegender längsläufiger Kammern bildet. In jeder Kammer sind immer mindestens zwei Wände gelenkig deformierbar, z.B. die Wandteile 77a und 77b bzw. die Wandteile 77c, 77d und 77e.

Durch die gelenkige Ausführung der Wandelemente 77, 78 des Gitters verländert sich die Form des Gitters ununterbrochen bei Wellengang, wie in Fig. gezeigt, weicht aber von der in der genannten Figur gezeigten Ausführung in der Hinsicht ab, dass die Wandteile 77a und 77b bzw. 77c, 77d und 77e nicht gegenseitig planverschoben, sondern gelenkig im Verhältnis zueinander und . relativ zu angrenzenden steifen Wänden 77 und 78 gedreht werden.

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In jeder Kammer sind Energie aufnehmende Pumpenzylinder 75 angeordnet, die gelenkig in zwei gegenseitig gelenkig gelagerten Wandteilen gelagert sind, wie in Fig. 9 gezeigt. Fig. 9 zeigt hierbei eine Teilvergrösserung der von einer Kreislinie C umschlossenen Partie des Gitters. Das Anbringen der Pumpenzylinder in den Kammern ist mit Kreisbögen B in Fig. 8 angegeben.

Nach dieser Ausführungsform ist der in Wellenrichtung A hintere Endteil 7ia des Gitters 71 mit einer in der Wellenrichtung abnehmender Tiefe ausgeführt. Die Wandelemente des Gitters sind teils am Schwimmkörper 72 mittels Lager 74 und teils an einem unter dem genannten Endteil sich erstreckenden formsteifen Gitterträger 73 gelenkig gelagert, der seinerseits mittels Lager 76 am Schwimmkörper gelenkig gelagert ist. Eine derartige Ausführung des Gitters bewirkt ein wirksames Aufnehmen der Wellenenergie und dadurch eine Abnahme der auf den Schwimmkörper einwirkenden horizontalen Kräfte. Hierdurch wenden auch die grössten Wellen durch die vor dem, in der Wellenrichtung gesehen, tiefsten Teil des Raumgitters gelegenen Elemente im Gitter gedämpft, während die restliche Wellenenergie mittels der nach-dam genannten tiefsten Teil gelegenen Elemente im Gitter, wo die Tiefe des Gitters stufenweise abnimmt, zum Raumgitter abgelenkt wird.

Die Zeichnungen und die dazu gehörigen Beschreibungspartien dienen lediglich dazu, die erfinderische Idee zu veranschaulichen. In den Einzelheiten kann der erfindungsgemässe Umwandler im Rahmen der Patentansprüche erheblich modifiziert werden. So z.B. können die Pumpenzylinder in den Kammern diagonal statt parallel zu den Karrmerwänden angeordnet werden.

Da die Kammern breit sind, reichen lediglich verhältnismässig undichte Stirnwände als Strömungswiderstand in der Richtung der hauptsächlichen Wellenfront aus.

Es ist zweckmässig, Konstruktionen, die unter Belastung grosse Formveränderungen erfahren, und, womöglich, Materialien mit einem niedrigen Elastizitätsmodul zu wählen, um allzu grosse Spannungskonzentrationen zu vermeiden, wenn die Wellenfront uneben ist (Kreuzsee).

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Claims (1)

1. Patentansprüche:

   ( 1 .J Wellenenergieumwandler zum Ueberführen von Wellenenergie in Druckenergie bei Wasser in einem Rohrsystem, bestehend aus durch die Einwirkung der Wellen formveränderlichen Elementen und damit verbundenen Pumpenzylindern, die durch die Formveränderung der genannten Elemente Wasser in das genannte Rohrsystem einpumpen, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Elemente aus einem in oder unter der Wasserfläche befindlichen. Raumgitter (1) aus wassergefüllten Kammern (10; 30; 40) bestehen, die aus gelenkig miteinander verbundenen, in bezug auf ihre Grosse und/oder Form deformierbaren Wänden (7, B; 27; 38) gebildet sind, und dass wenigstens zwei der genannten deformierbaren Wände jeder Kammer mit mindestens einem Pumpenzylinder (15, 16; 35) verbunden sind.

   2. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (1) eine Anzahl im wesentlichen waagerechter gelenkiger Wandelemente (7), die an ihrem einen Ende gelenkig mit einer gemeinsamen farmsteifen vertikalen Tragwand (2) verbunden sind, und eine Anzahl im wesentlichen senkrechter gelenkiger Wandelemente (8), die die waagerechten Wandelemente miteinander verbinden und das Gitter in die genannten Kammern (10) einteilt, umfasst.

   3. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter eine Anzahl im wesentlichen waagerechter gelenkiger"Wandelemente (27) umfasst, die an ihrem einen Ende mit einer gemeinsamen formsteifen vertikalen Tragwand

   ?'■ gelenkig verbunden sind, und dass die Wandelemente lediglich mittels der g^-^nnten Pumpenzylinder (35) miteinander wie auch mit einer formsteifen horizontalen Tragkonstruktion (21) verbunden sind.

   4. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter eine Anzahl im wesentlichen waagerechter gelenkiger Wandelemente (38) umfasst, die an ihren unteren Enden gelenkig mit einer gemeinsamen formsteifen horizontalen Tragkonstruktion (21) verbunden sind, und dass die Wandelemente lediglich mittels der genannten Pumpenzylinder (35) miteinander wie auch mit einer gemeinsamen formsteifen vertikalen Tragwand (2) verbunden sind.

   5. Umwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gelenkigen Wandelemente (7, 8) zwischen ihren Gelenkpunkten (9) in jedem Fall aus zwei parallelen, formsteifen, aber in ihrer eigenen Ebene gegenseitig gleitbaren Wandflächen (19, 20) bestehen. ■

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   B. Umwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gelenkigen Wandelemente (57) zwischen ihren Gelenkpunkten (9) in jedem Fall aus einer Anzahl faltenförmig miteinander gelenkig verbundener Wandflächen (59) bestehen.

   7.-Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Wellenrichtung (A) hintere Endteil (71a) des Raumgitters (71) mit einer in der Wellenrichtung abnehmenden Tiefe ausgeführt ist.

   8. Umwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte hintere Endteil (71a) des Raumgitters (71) mittels eines unter dem genannten Endteil sich erstreckenden formsteifen trägers (73) mit einem in der Wellenrichtung (A) nachfolgenden Schwimmkörper (72) verbunden ist.

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