DE2723670A1

DE2723670A1 - Vorrichtung fuer die gewinnung von energie aus wasserwellen unter verwendung flexibler membranen

Info

Publication number: DE2723670A1
Application number: DE19772723670
Authority: DE
Inventors: Michael Joseph French
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-05-26
Filing date: 1977-05-25
Publication date: 1977-12-08
Also published as: IE44931B1; US4164383A; GB1580805A; IE44931L; JPS52144547A

Description

DR. BERG DiPL-ING. STAPF

DIPL-ING. SCHWAfP DR. DP. SANOMAlR 9 7 9 ^ fi 7 Π PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN 86, POSTFACH 86 02 45

Anwaltsakte 28 145 25. Mal 1977

Michael Joseph French Lancaster, LAl 5BH, Lancashire / Großbritannien

Vorrichtung für die Gewinnung von Energie aus Wasserwellen unter Verwendung flexibler Membranen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit flexiblen Membranen arbeitende Vorrichtung für die Umwandlung der Energie von an einer Wasseroberfläche auftretenden Wellen beispielsweise in Elektrizität, insbesondere für die Gewinnung von Energie aus den Oberflächenwellen des Heeres. 709849/1069

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Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Umwandeln der Wasserwellen innewohnenden Energie, mit einem eine flexible Wandung aus undurchlässigem Werkstoff aufweisenden, ein Gas enthaltenden Hohlkörper, v/elcher an oder knapp unterhalb der Überfläche eines Gewässers angeordnet ist, sowie mit einer ausgehenden und einer rückführenden Gasleitung, welche mit dem Hohlkörper über Rückschlagventile strömung'sverbunden sind, so daß das Gas vom Hohlkörper in die ausgehende Gasleitung und von der rückführenden Garleitung in den Hohlkörper strömen kann, wodurch der beim Durchgang eines Wellenkamms über die flexible Wandung auf das im Hohlkörper befindliche Gas ausgeübte Druck das Gas in die ausgehende Gasleitung preßt und das Gas bei dem durch den Durchgang eines Wellentals auftretenden Druckabfall im Hohlkörper von der rückführenden Gasleitung in den Hohlkörper zurückströmt.

Der Kohlkörper hat vorzugsweise die Form eines Luftkessels oder Luftsacks aus mit Kunststoff beschichtetem Gewebe oder einem ähnlichen flexiblen und undurchlässigen Material.

In einer Ausführungsform der Erfindung strömt das Gas von der ausgehenden Gasleitung über eine Turbine in die rückführende Gasleitung.

Die Erfindung erstreckt sich auf eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art, welche mit wenigstens einer weiteren solchen Vorrichtung verbunden ist.

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Die Erfindung schaft ferner eine Vorrichtung zum Umwandeln der Wasserwellen innewohnenden Energie mit einem langgestreckten Hohlkörper aus einem undurchlässigen Material, welcher in ein Gas enthaltende Kammern unterteilt ist, sowie mit einer Hochdruck- und einer Niederdruck-Gasleitung, welche mit allen Kammern über Rückschlagventile derart verbunden sind, daß Gas aus den Kammern in die Hochdruckleitung und aus der Miederdruckleitung in die Kammern strömen kann, wobei die Vorrichtung an oder knapp unterhalb einer Wasseroberfläche derart angeordnet ist, daß die einzelnen Kammern bei der Bewegung von Wellen entlanr der Vorrichtung nacheinander Änderungen des von außen auf sie einwirkenden Drucks unterworfen sind, wodurch das Gas bei hohem Außendruck von den Kammern in die Hochdruckleitung gepreßt v/ird und bei niedrigem Außendruck von der Niederdruckleitung in die Kammern zurückströmt.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a eine schematisierte Schrägansicht eines Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 1b eine schematisierte Schnittansicht der Vorrichtung nach Fig. 1a,

Fig. 2 eine schematisierte Gesamt-Seitenansicht der Vorrichtung,

Fig. 3 eine schematisierte Seitenansicht der Vorrichtung

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in einer abgewandelten Aus führ uniform,

Fig. 4a und 4b zeigen die Ausrichtung mehrerer Vorrichtungen in be&ug auf die Richtung α er Wellen,

Fig. 5 eine schematisierte Draufsicht auf eine Vorrichtung in einer anderen Ausführungsform,

Fig. 6 bis 9 Fig. 1a entsprechende schematisierte Schnittansichten von Abwandlungen der dort dargestellten Ausführungsform und

Fig. 10 und 11 stark schematisierte Seiten- und Draufsichten der Vorrichtung zur Darstellung der Form ihrer Enden.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung hat die Form eines langgestreckten Hohlkörpers aus einer langen, flexiblen Bahn eines mit Kunststoff beschichteten Tuchs 2 oder ^eines ähnlichen, undurchlässigen Materials, welches doppelt gelegt und mit den freien unteren Rändern an einem Träger 3 befestigt ist. Der so gebildete Schlauch ist durch Trennwände 8 aus dem gleichen Material 2 in einzelne Kammern 1 unterteilt. In der gezeigten Ausführungsform hat der Schlauch eine Tiefe von insgesamt 4 m, die Länge der einzelnen Kammern 1 beträgt ca. 5 m und der Träger 3 ist ca. 200 m lang.

Der Träger 3 enthält zwei sich über seine gesamte Länge erstreckende Leitungen 4, 5· Die einzelnen Kammern 1 sind über jeweils ein Rückschlagventil enthaltende Durchlässe 6, 7 mit den Leitungen 4 bzw. 5 verbunden. Das Rückschlagventil im Durchlaß 6 gestattet die Strömung von Luft aus der jeweiligen Kammer 1 in die eine Leitung 4 und das im

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anderen Durchlaß 7 sitzende Rückschlagventil gibt die Gtrömung der Luft aus der anderen Leitung 5 in die Kammer 1 frei. Die ausgehende Leitung 4- ist über eine Turbine 13 oder eine ähnliche Kraftmaschine mit der rückführenden Leitung 5 verbunden.

Im Gebrauch wird der Hohlkörper teilweise mit Luft aufgeblasen und so im Meer verankert, daß der Träger 3 unter Wasser liegt und die Kammern 1 gerade den Wasserspiegel durchbrechen. Die Längserstreckung der Vorrichtung ist dabei vorzugsweise parallel zur Bewegungsrichtung der Wellen ausgerichtet. Beim Entlangstreichen der Wellen an der Vorrichtung werden die einzelnen Kammern Λ beim Durchgang eines Wellenkamms einem erhöhten und beim Durchgang eines Wellentals einem verringerten Druck ausgesetzt. Unter dem erhöhten Außendruck strömt das Gas aus den Kammern 1 in die ausgehende Leitung 4, und unter dem verringerten Außendruck beim Durchgang eines Wellentals strömt es von der rückführenden Leitung 5 zurück in die Kammern 1. Beim Steigen und Fallen der See um sie herum wirken die Kammern 1 somit als Luftpumpen oder Bälge, und die Leitungen 4, 5 dienen als Hoch- bzw. Niederdruckleitungen, wobei die Bezeichnung "Hochdruck" nur relativ aufzufassen ist, da er nur um ca. 1 η VS höher ist als der Niederdruck.

Die bei dieser Wirkungsweise der Kammern 1 erzeugten Luftdruckunterschiede werden im dargestellten Beispiel für den Antrieb einer zwischen der Hochdruckleitung 4 und

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der Niederdruckleitung 5 angeordneten Turbine 13 genutzt. Der Träger 3 hat eine ausreichende Länge, um eine für den Betrieb der Turbine 13 genügend gleichmäßige Strömung der Luft in den ausgehenden und rückführenden Leitungen 4- bzw. 5 zu gewährleisten.

Die Kammern 1 enthalten vorzugsweise Luft, obgleich auch andere Gase geeignet sind. Die Vorrichtung könnte sogar auch mit einer Flüssigkeit von geringerer Dichte als Wasser arbeiten, dabei jedoch kaum zufriedenstellend, da die Wirkungsweise der Vorrichtung davon abhängt, daß das in den Kammern enthaltene Strömungsmittel relativ zum Wasser eine sehr geringe Dichte hab, so daß es unter den durch die Wellen bewirkten Druckunterschieden zu schnellen Volumenverschiebungen kommt. Anderenfalls würde ein großer Teil der den Wellen innewohnenden Energie dafür verbraucht, die Trägheit des in den Kammern enthaltenen Strömungsmittels zu überwinden.

Der Träger 3 muß gegenüber senkrechten Biegekräften sehr steif sein, damit er sich nicht den Wellen anpaßt, worunter der Wirkungsgrad der Energieumwandlung leiden würde, i'ig. zeigt eine Anordnung für die Versteifung des Trägers 3» in welcher dieser als Obergurt eines Gitterträgers 9 ausgebildet ist. In der Anordnung nach Fig. 3 ist der Träge r 3 relativ biegsam, durch eine Anzahl großer Seeanker 10 jedoch daran gehindert, sich der Wellenform anzupassen.

In einer bevorzugten Anordnung sind mehrere Träger 3 in

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der Fortbewegungsrichtung V der Wellen ausgerichtet, so daß die V/ellen daran entlangstreichen (Fig. 4a). Bei der Bewegung der Wellen entlang dem jeweils zwischen zwei Trägern gebildeten Kanal bewegen sich die flexiblen Wandungen im Bereich der Wellenkämme einwärts zur Mittellinie der Träger hin und im Bereich der Wellentäler auswärts, wodurch die Höhe der Wellenkämme abnimmt und die Täler sich auffüllen Dadurch verringert sich die Höhe der V/ellen bis zum Ende des Kanals um ca. 60%, was einem Energieentzug von ca. 64% entspricht.

Die Träger sind in mäßiger Wassertiefe von etv/a 40 bis 80 m vorn und achtern mit Trossen 11, 12 verankert, wobei die landseitige Verankerung so ausgebildet ist, daß die Träger gegenüber der vorherrschenden Bev/egungsrichtung P der V/ellen beiderseits bis zu ca. 30 schwojen können (Fig. 4b).

Im normalen Betrieb liegen die Träger 3 unter Wasser, so daß die Kammern 1 den Wasserspiegel durchbrechen. Die Füllung der Kammern läßt sich verändern, indem ihnen mittels eines kleinen Kompressors atmosphärische Luft zugeführt oder Luft daraus abgelassen wird. Die Einrichtungen zum Zuführen und Ablassen von Luft sind in einer über einen flexiblen Schlauch mit dem Träger verbundenen Spierenboje 14 untergebracht, so daß der Träger bei Sturm unter den Wasserspiegel versenkt werden und dadurch vor Schaden geschützt werden kann.

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Ein wichtiges Merkmal der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt darin, daß die die Kammern tragenden Träger 3 lotrecht zu den Wellenkämmen ausgerichtet sind, so daß die Wellen sehr viel geringere Kräfte auf sie ausüben als bei parallel zu den Wellenkämmen liegenden Vorrichtungen.

In Fig. 6 bis 9 sind verschiedene Abv/andlungen der Vorrichtung nach Fig. 1a und 1b dargestellt. Die Wirkungsweise ist dabei die gleiche, und einander entsprechende Teile sind mit den gleichen, durch Buchstaben e bis h ergänzten Bezugszeichen bezeichnet.

Ein gemeinsames Merkmal der Ausführungsformen nach Fig. bis 9 ist ein aufrecht stehender, in die flexiblen Kammern 1 hineinragender Steg 15i welcher die Steifigkeit gegenüber senkrechten Biegekräften erhöht, ohne den Tiefgang der Vorrichtung zu vergrößern. Die Teile des Trägers sind in diesen Ausführungsformen ganz oder wenigstens zum Teil vor Berührung mit dem Seewasser geschützt, wodurch die Korrosion des Trägers verringert ist.

In Fig. 7 und 9 verläuft jeweils eine Leitung 4f, 4h bzw. 5f» 5h im oberen bzw. unteren Gurt des durch den Steg 15f bzw. 15h gebildeten Trägers. In Fig. 9 liegt die Leitung 4h außerhalb und oberhalb der Kammern 1h. In einer solchen Ausführung kann die Leitung 4h, sofern es sich dabei um die Hochdruckleitung handelt, aus einem

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ähnlichen flexiblen Material sein wie die Kammern 1h.

In Fig. 8 erstreckt sich der als I-Träger ausgebildete Steg 15g vollständig durch die Kammern 1g hindurch und ist von die Kammern miteinander verbindenden Durchlässen 16g durchsetzt.

In Fig. 10 und 11 ist die Vorrichtung schiffsförmige ausgeführt und dazu mit einem Bug- und Heckteil 17 bzw. 18 versehen. Diese starren Teile nehmen den Anprall der Wellen auf und enthalten Flutkammern, welche zum Verringern der Stampfbewegungen und zur Erhöhung der Stabilität dienen können. Eine ähnliche Wirkung, nämlich eine Dämpfung der Stampfbewegungen und Verbesserung der Stabilität, ergibt sich auch aus der Ausführung nach Fig. 9 mit der oben liegenden Leitung 4.

In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind die Kammern 1 parallel zueinander mit den Leitungen 4 und 5 verbunden. Die Kammern 1 können jedoch auch in Reihe miteinander verbunden werden, so daß sich von einem Ende der Vorrichtung zum anderen ein Druckanstieg einstellt. In einer solchen Ausführung müßte die Vorrichtung mit einer vorbestimmten Neigung gegenüber dem gemittelten Wasserspiegel verankert sein. Dabei ist die optimale Neigung von der Länge der Wellen abhängig, und die praktische Schwierigkeit besteht darin, einen Neigungswinkel zu finden, bei welchen die Vorrichtung in den für die meisten geeigneten Küstengebieten typischen

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langen Wellen am besten arbeitet.

Fig. 5 zeigt eine mehrschichtige, schachbrettartige Anordnung von torusförmigen Hohlkörpern 21, welche über Rückschlagventile 22 in Reihe miteinander verbunden sind. Für lange Wellen verdient jedoch die lineare Anordnung nach Fig. 1 den Vorzug.

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Leerseite

Claims

DR. BERG DJPL ING. STAPF DIPL-ING. SCHWA£E DR. DR. SANDMAIR 2723670

PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN 86. POSTFACH 8602 45

P_a_t_e_n t_a_n s_p_r_u £_h_e

1. Vorrichtung für die Umwandlung der Energie von Wasserwellen, [rekennzeichnet durch einen eine flexible Wandung (2) aus einem undurchlässigen Material aufweisenden, ein Gas enthaltenden Hohlkörper (1), welcher an oder knapp unterhalb eines Wasserspiegels verankerbar ist, und durch eine ausgehende und eine rückführende Gasleitung (4 bzw. 5), welche über die Strömung des Gases aus dem Hohlkörper in die ausgehende Gasleitung und von der rückführenden Gasleitung in den Hohlkörper freigebende Rückschlagventile mit dem Hohlkörper strömungsverbunden sind, wodurch der beim Durchgang eines Wellenkamms über die flexible V/andung auf das im Hohlkörper befindliche Gas ausgeübte Druck das Gas in die ausgehende Gasleitung preßt und das Gas bei dem durch den Durchgang eines Wellentals auftretenden

HM»I «CJ I Manchen W. MauerkinhcrsinUe 45 Banken: Bayerische Verenstwik Manchen 453100

»•'043 Telegramme: BERGSTAPhPATENT München Hypo-Bmk Manchen 3190002624

»»3310 TELEX: 05245*0 BERG ^d4AQO/ fi/ 1 ft β ff«'«*«* Manchen 65343-101

ORIÖINAL INSPECTED

Druckabfall im iiohlkörner von der rück führend en Gasleitung in den nohlköi'per zurückströmt.

Z. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c ϊι η ο :,, d:iß der Hohlkörper (1) die Form eines LuftkesseLs oder Lu ft sacks aus mit einem Kunststoff beschichteten Tuch (?) oder einem ähnlichen flexiblen und undurchlässigen Material hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn ze Lehnet, daß das Gas von der ausgehenden Gasleitung (^lL) über eine Turbine (13) in die rückführende Gasleitung (^r?) strömt.

^L't. Vorrichtung noch wenigstens einem der Ansprüche Λ bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit wenigstens einer gleichartigen Vorrichtung verbunden ist.

5. Vorrichtung zum Umwandeln der Wasserwellen innewohnenden Energie, gekennzeichnet durch einen langgestreckten, flexiblen Hohlkörper aus einem undurchlässigen Material (?), welcher in ein Gas enthaltende Kammern (1) unterteilt ist, und durch eine Hochdruck- und eine Niederdruck-Gasleitung (4 bzw. 5)i welche mit allen Kammern über die Strömung des Gases aus den Kammern in die Hochdruckleitung und aus der Niederdruckleitung in die Kammern freigebende Rückschlagventile verbunden sind, wobei die Vorrichtung an oder knapp unterhalb einer Wasseroberfläche derart verankerbar ist, daß die einzelnen

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Kammern bei der Bewegung von Wellen entlanp der Vorrichtung nacheinander Änderungen des von außen auf sie einwirkenden Drucks unterworfen sind, wodurch dar Gar bei hohem Außendruck von den Kammern in die Hochdruckleitung gepreßt wird und bei niedripem Außendruck von der Niederdruckleitung in die Kammern zurückströmt..

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