DE2737143A1

DE2737143A1 - Einrichtung zur energiegewinnung aus der energie von wellen

Info

Publication number: DE2737143A1
Application number: DE19772737143
Authority: DE
Inventors: George William Moody; John Linley Wilson
Original assignee: SECRETARY ENERGY BRIT; UK Secretary of State for Energy
Current assignee: SECRETARY ENERGY BRIT; UK Secretary of State for Energy
Priority date: 1976-08-18
Filing date: 1977-08-17
Publication date: 1978-02-23
Also published as: US4139984A; GB1580901A; AU2785377A; NO772854L; IE45826B1; IE45826L; CA1069021A; JPH0112945B2; JPS5325748A; AU506313B2

Description

DR. BERG DIPL -ING. STAPF DIPL-ING. SCHWAPE D* DR. SANDMAIR 2 7 3 7 14

PATENTANWÄLTE Postfach 860245, 8000 München 86 Secretary of State for Energy 17. 8. 1977 Anwaltsakte: 28 384

Einrichtung zur Energiegewinnung aus der Energie von Wellen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gewinnung von Leistung aus Wellenenergie, und insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, aus Wellenenergie von Meereswellen.

In einer bekannten Einrichtung zur Ausnutzung von Wellenenergie, die durch Yoshio Masuda erfunden wurde und in der britischen Patentschrift 1 01Ί 196 beschrieben ist, wird ein Arbeitsgas in einer Kannner durch die Oszillation bzw. Schwingbewegung einer Wassersäule in der Kammer veranlaßt durch eine Turbine zu~strömen, die oberhalb der Kammer angeordnet ist, wobei die Kammer durch eine Bojenoder Tonneneinrichtung gebildet wird. Solche Einrichtungen wurden bisher in Anwendungen benützt, die relativ geringe Leistungsabgaben erforderten, und die Erfindung betrifft insbesondere Anwendungen, um eine relativ größere Leistung aus der Wellenenergie zu gewinnen.

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"I"

Gemäß der Erfindung weist eine Einrichtung zum Gewinnen von Energie aus Wellen auf einer Flüssigkeit, auf der die Einrichtung zu schwimmen geeignet ist, eine Mehrzahl von Kammern, die jede geeignet ist, um ein Arbeitsgas durch die Wirkung einer Flüssigkeitssäule, die so angeordnet ist, daß sie durch die Bewegung der Wellen in Schwingung versetzt bzw. hin und her bewegt wird, zu komprimieren und auszustossen, eine Einrichtung, um das komprimierte Arbeitsgas aus der Mehrzahl der Kammern zu sammeln und eine mechanische Einrichtung, der das gesammelte komprimierte Arbeitsgas zugeführt wird, um dem komprimierten Gas, und damit den Wellen, Energie zu entziehen, auf.

Die Kammern können in einer Reihenanordnung verbunden sein, so daß die Kammern auch die Einrichtung zum gemeinsamen Führen des komprimierten Arbeitsgases zu der mechanischen Einrichtung aufweisen, und ferner in der Weise, daß komprimiertes Arbeitsgas in eine benachbarte Kammer entlang der Reihe ausgestossen wird. Andererseits können die Weiterführeinrichtungen einen gemeinsamen Kanal zur parallelen Verbindung der Kammern aufweisen, in den jede Kammer das komprimierte Arbeitsgas ausstößt, und der Kanal ist vorzugsweise mit einer Einrichtung zur Ausübung eines glättenden Druckes auf das darin befindliche Arbeitsgas versehen, um Druckschwankungen des Arteitsgases zu glätten.

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Einige der Kammern können in Reihe und einige parallel angeordnet bzw. geschaltet sein, wobei die Reihen- und parallelen Anordnungen mit einander verbindbar sind.

Die Einrichtung kann als Generator unter Benutzung von Luft als Arbeitsgas und Seewasser als der Flüssigkeit aus der die Wellenenergie gewonnen werden soll, betrieben werden, und die mechanische Einrichtung kann eine Turbine aufweisen, die einen elektrischen Generator treibt. Die Einrichtung kann auch als Wellenbrecher arbeiten, wobei die mechanische Einrichtung eine öffnung oder Mündung aufweist.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen, auf die wegen ihrer grossen Klarheit und Übersichtlichkeit bezüglich der Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird, in bevorzugten Ausführungsformen im einzelnen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen senkrechten Querschni% einer Einrichtung in Form einer Generatoranordnung, wobei die Kammern parallel angeordnet und senkrecht zur Richtung der ankommenden Wellen aufgereiht sind;

Fig. la einen schematischen Querschnitt an der Linie I-I in Fig. 1;

Fig. 2 eine der aus Fig. 1 ähnliche Generatoreinrichtung; Fig. 3 in schematischer Darstellung einen senkrechten

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Querschnitt einer Generatorenanordnung, wobei die Kanunern in Reihe angeordnet sind, senkrecht zu den ankommenden Wellen;

Fig. 3a einen schematisehen Querschnitt ander Linie III-III in Fig. 3 und

Fig. ¹I eine teilweise geschnittene Ansicht in Richtung der Pfeils ¹D' in Fig. 3·

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Teile.

Die in Fig. 1 und la gezeigte schwimmende Generatoranordnung ist dazu bestimmt, Energie aus Meereswellen zu gewinnen, und weist eine Mehrzahl von Kammern 1 für ein Arbeitsgas (z.B. Luft) auf und ist weiter bestimmt durch einen (von vorne nach hinten in Bezug auf die Richtung der ankommenden Wellen wie durch den Pfeil Ά¹ in Fig. 1 gezeigt) im allgemeinen und wesentlichen dreiecksförmigen Bojentank bzw. -Behälter 2 und einen im allgemeinen und wesentlichen rechteckigen Bojentank bzw. -Behälter 3, die beide eine abgerundete Unterkante haben und sich über die ganze Länge der Generatoranordnung erstrecken, um die Anordnung auf der Meeresoberfläche zu halten.

Der obere Abschluß der Kammer 1 wird durch ein Dach 5 gebildet, urfeine äußere Umhüllung 7 in» Abstand vom Dach 5 und dem hinteren Bojenbehälter 3 bildet dazwischen

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einen gemeinsamen Druckkanal 8, der sich über die gesamte Länge der Generatoranordnung erstreckt. Der untere Abschnitt 9 der Kammer 8 erstreckt sich unter den Meeresspiegel und ist offen, um einen Einlaß für Seewasser zu bilden, das den unteren Abschnitt 9 schließt.

Ein Auslaß-Rückfcälteventil bzw. -Klappe 12 im Dach 5 erlaubt das Ausströmmen von Luft aus der Kammer 1 in den Druckkanal 8. Ein röhrenförmiger Einlaßkanal 13 erstreckt sich vom rückwärtigen Teil der Umhüllung 7 zum Dach 5, um einen Lufteinlaß von außerhalb der Umhüllung 7 in die Kammer 1 zu bilden, wobei ein Rückhalteventil bzw. -Klappe 14 im Einlaßkanal 13 den Rückwärtsfluß von Luft aus der Kammer 1 verhindert und eine Abdeckhaube 15 das Ende des Einlaßkanals 13 an der Umhüllung 7 vor Gischt schützt.

Die Seiten der Kammern 1 werden durch Seitenwände 16 und Abschlußwände 19 gebildet, wie in Fig. la gezeigt ist. Eine mechanische Einrichtung in der Form einer Luftturbine 17 ist an einen (nicht gezeigten) elektrischen Generator angeschlossen und in einer (Luft-) Führung bzw. einem Kanal 18 angeordnet, der sich von einer öffnung bzw. Mündung 10 in der Umhüllung 7 nach oben erstreckt, so daß sie durch die im Druckkanal 8 enthaltene Luft vorsorgt wird, um den elektrischen Generator anzutreiben.

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Beim Betrieb schwankt der Pegel des Seewassers in jeder Kamer 1 mit der Bewegung der Generatoranordnung und der der Meereswellen. Der Pegel ist in Fig. 1 an seinem mittleren unteren Stand gezeigt, der mittlere obere Stand wird durch die unterbrochene Linie x-x gezeigt. Das schwankende bzw. schwingende Seewasser wirkt daher in der Art eines Kolbens in der Kammer 1, wobei es eine Luftansaugung in die Kammer 1 durch den Einlaßkanal 13, wenn der Pegel des Seewassers fällt, und einen Ausstoß von Luft durch das Auslaßventil 12 in den gemeinsamen Druckkanal 8, wenn der Pegel steigt, bewirkt, wo die Luft insgesamt der Turbine 17 zugeführt wird. Die komprimierte Luft in dem Druckkanal 8 wirkt auf die Oberfläche des Seewassers am unteren Ende 9 und erniedrigt den Pegel des Seewassers und liefert dadurch eine Rückstellkraft durch das Seewasser in dem unteren Bereich 9, die die Luft in dem Druckkanäl 8 komprimiert, um Druckschwankungen in der darin befindlichen Luft zu glätten und zu vermindern.

Es ist zu erkennen, daß ein größeres Luftvolumen verfügbar ist, üb die Turbine 17 kontinuierlich zu betreiben als beim möglicherweise intermittierenderen Gebrauch der Turbine in der Einrichtung, die in der britischen Patentschrift 1 014 196 beschrieben ist.

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Obwohl die Generatoranordnung in Fig. 1 und la in Bezug auf die Benutzung einer einzelnen Turbine 17 beschrieben wurde, können mehrere Turbinen 17 angebracht und von einem einzelnen Druckkanal 8 versorgt werden.

Als andere Lösung gegenüber einer Generatoranordnung, bei der die Luft in dem Druckkanal 8 durch Seewasser am unteren Ende 9 des Druckkanals 8 komprimiert wird, kann eine Anordnung benutzt werden, wie sie z.B. in Fig. 2 gezeigt ist.

Die in Fig. 2 im Schnitt gezeigte Generatoranordnung ist

der in Fig. 1 und la ähnlich, außer daß der Druckkanal 8 sich nun nur oberhalb des Daches und nicht hinter dem hinteren Bojenbehälter 3 erstreckt. Die Luft in dem

Druckkanal 8 wird komprimiert durch einen gutpassenden,

beschwerten Verschluß 20, der verschieblich in einem Kanal mit verhältnismäßig großem Durchmesser angeordnet ist, der sich von der Verkleidung 7 auf aufwärts erstreckt, wobei sich eine ¹O»-Ringdichtung 22 in einer ringförmigen Nut um den Verschluß 20 erstreckt und das Entweichen von Luft aus dem Druckkanal 8 verhindert. Im Betrieb liefert der Verschluß 20 eine konstante komprimierende Kraft auf die Luft in dem Druckkanal 8, so daß die Turbine mit einer im wesentlichen konstanten Druckenergie durch die komprimierte Luft in dem Druckkanal 8 betrieben werden kann.

Gegebenfalls kann der Druck, der durch den Verschluß

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ausgeübt wird, durch eine Einrichtung (nicht gezeigt) zur Lieferung einer elastischen Kraft unterstützt werden.

Als Alternative zu den parallelen Anordnungen, die in den Fig. 1, la und 2 gezeigt ist, können die Kammern 1 in einer linearen Reihenbeziehung angeordnet sein, wie in Fig. 3 gezeigt ist.

In Fig. 3 ist eine schwimmende Generatoranordnung mit einer Mehrzahl von Kammern 1-lri gezeigt, wobei die Kammer la an einem Ende der Anordnung ein Rückhalte- Einlaßventil für das Ansaugen von Luft aus der Atmosphäre hat, und Kammer In am anderen Ende einen aufwärts sich erstreckenden Kanal bzw. Luftführung 18 hat, innerhalb deren eine Luftturbine 17 angeordnet ist, so daß sie einen elektrischen Generator (nicht gezeigt) antreibt. Die Kammern Ia-In werden von einander durch Seitenwände 16 und Druckkammern MOa-MOn getrennt, die Rückhalte- Einlaßventile ¹i2a¹-M2n und Rückhalte- Auslaßventile 4 3b-^n aufweisen, um einer Luftmenge zu erlauben durch die Anordnung in Reihenanordnung oder -schaltung von Kammer la bis hindurch zu In zu flieseen. Jede Druckkammer MOa-4On steht an ihrer Rückseite mit einer Druckführung bzw. einem Druckkanal 50 in Verbindung, der wiederum sich rückwärts so weit erstreckt, daß er unter die Meeresoberfläche taucht, so daß ein Druck auf die darin befindliche Luft aufrechterhalten wird, und der sich auch entlang der Länge der Anordnung erstreckt, um in Ver-

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bindung mit dem Turbinenkanal 18 zu treten, wie in Fig. 3a und ¹I gezeigt ist. Absperrventile 51 sind entlang des Druckkanals 50 in einer Mittellage in Bezug auf jede Kammer Ib-In angeordnet. Im übrigen ist die in Fig. 3 gezeigt Anordnung der in Fig. 1 darin ähnlich, daß sie mit vorderen und hinteren Bojenbehältern 2 und 3 versehen ist.

Beim Betrieb mit geschlossenen Absperrventilen 51, wobei die ankommenden Wellen in der Richtung des Pfeiles "B" in Fig. 3a kommen, oszilliert bzw. schwankt der Pegel des Seewassers in den Kammern Ia-In mit der Bewegung der Generatoranordnung und der der Meereswellen, und er ist in Fig. in jeder Kammer bei einem mittleren Pegelstand gezeigt. Wenn der Seewasserpegel fällt, wird Luft in die Kammer la durch das Einlaßventil I¹I gesogen. Wenn der Seewasserpegel steigt, wird Luft unter Druck aus der Kammer la durch das Einlaßventil iJ2a in die Druckkammer ¹IOa und den Teil des Druckkanals 50 zwischen den geschlossenen Absperrventilen 51, mit dem die Druckkammer ¹IOa in Verbindung steht, ausgestossen. Wenn der Seewasserpegel wiederum fällt, wobei er ein erneutes Ansaugen von Luft in die Kammer la verursacht, fließt die komprimierte Luft im Druckkanal ¹IOa in die Kammer Ib durch das Auslaßventil ¹*3b_i wobei ihr komprimierter Zustand den mittleren Seewasserpegel in der Kammer Ib unter den in Kammer la drückt. Die Folge des gesammelt geführten Luftflusses von einer Kammer zur anderen über eine Druckführung ¹IOa-¹IOn setzt sich entlang der in Reihe verbundenen Kammern Ia-In

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unter wachsendem Luftdruck entlang der Reihe fort, bis in Kammer In die komprimierte Luft in die Druckkammer 4On und dann in die Druckführung 50 und durch die Turbine 17 mit einem höheren Druck ausgestossen wird, als durch parallel verbundene Kammern erreicht werden kann.

Die in Fig. 3 gezeigte Reihenanordnung ist besonders vorteilhaft, wenn die Kraft der ankommenden Wellen auf ein Niveau fällt, das es erfordern würde, daß die Luftturbine, die in der Fig. 1 und la gezeigten Parallelanordnung benutzt wird, außerhalb ihres sinnvollen Arbeitsbereiches arbeitet. Die Reihenanordnung kann in eine zu der mit Bezug auf Fig. 1 und la beschriebenen ähnliche Parallelanordnung umgewandelt werden, indem man die Ventile öffnet und die Ventile t»3b-'J3n schließt, wobei Schalteinrichtungen, die nicht gezeigt sind, benutzt werden. Mit solch einer Reihen/Parallelanordnung kann die Parallelanordnung der Kammern Ia-In bei hohem Niveau der ankommenden Wellenkraft benutzt werden, aber durch die Schalteinrichtungen bei niedrigem Niveau der ankommenden Wellenkraft zu einer Reihenanordnung der Kammern Ia-In umgeschaltet werden. Kombinationen =der Teil-Reihen- und Teil-Parallelfließanordnungen durch die Anordnung können "ebenfalls durch geeignete Auswahl der Ventile 51 und 4 3b bis M3n, die durch die Schalteinrichtungen zu öffnen oder zu schliessen sind, geschaffen werden. Obwohl die Erfindung im Hinblick auf die Benutzung einer einzigen Luftturbine beschrieben

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wurde, können mehrere Turbinen je nach Menge und Druck der Luft, die durch die Anordnung ausgestossen wird, benutzt werden. Andere Arbeitsgase können benutzt werden, z.B., wenn das Gas in einem geschlossenen Kreislauf enthalten sein soll, wobei das von der Turbine ausgestossene Gas zu den Einlaßkanälen der Kammern geführt wird.

Andere Formen für die Bojenbehälter 2 und 3 können benutzt werden, um speziellen Anwendungen gerecht zu werden.

Die in Fig. 1 bis ¹J gezeigten Anordnungen können aus Metall oder aus einer verstärkten Betonkonstruktion hergestellt werden, z.B. Stahlbeton oder glasfaserverstärktem Beton.

Der vordere Bojenbehälter 2 in Fig. 1, 2, 3a, und *» wurde so entworfen, daß seine Vorderfläche, auf die die ankommenden Wellen einfallen, nach unten und außen vom Freibord der schwimmenden Generatoranordnung, in Richtung auf die ankommenden Wellen abfällt, weil gefunden wurde, daß solch eine Neigung der Vorderfläche die starken Kräfte, die auf die Anordnung wirken, vermindert.

Die erfindungsgemäßen Einrichtungen werden normalerweise mit (nicht gezeigten) Verankerungen an einer Stelle gehalten.

Obwohl die Erfindung so beschrieben wurde, daß elektrische

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Energie aus Wellenkraft gewonnen wird, kann die Turbine eine mechanische Einrichtung betreiben, z.B. eine Pumpe, um hydraulische oder pneumatische Energie aus der Wellenenergie zu gewinnen, oder sie kann durch eine andere mechanische Einrichtung ersetzt werden, wie eine hin- und herbewegende Luftmaschine, um Energie aus dem komprimierten Arbeitsgas zu gewinnen.

In einen anderen Ausführungsform arbeitet die Einrichtung als Wellenbrecher, wobei die Turbine 17 und der Turbinenkanal 18 aus Fig. 1-iJ weggelassen wird und die Abmessungen der Mündung 10 so gewählt werden, daß die Energie, die das Gas beim Hindurchströmen verliert, möglichst groß wird, wodurch einiges der Energie der Meereswellen zerstreut wird. Vorzugsweise liegt das Verhältnis von

^{in ein}- wellenbrecher ,it

flächen der Kammern

parallelverbundenen Kammern 1 zwischen -t^q bis ^äq .

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Leerseife

Claims

DR. BERG DIPi. FNG STArF DIPL. ING SCHWABE DR. DR. SANDMAIR 2737143

PATENTANWÄLTE Postfach 8602 45, SOOO Manchen S6

Das britische Ministerium für Energie Anwaltsakte: 28

Ansprüche

Γΐ- Einrichtung zur Gewinnung von Energie aus Wellen auf einer Flüssigkeit, auf der die Einrichtung schwimmt, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Kammern (l;la, ...,In) von denen jede geeignet ist ein Arbeitsgas durch die Bewegung einer Flüssigkeitssäule, die durch die Bewegung der Wellen hin und her schwingt, zu komprimieren und auszustossen, durch eine Einrichtung (8), um das komprimierte Arbeitsgas aus den Kammern (1;la ...,In) zu sammeln, und durch mechanische Einrichtungen (10,17) den*n das gesammelte komprimierte Arbeitsgas zugeführt wird, um Energie aus dem komprimierten Arbeitsgas, und damit aus den Wellen, zu gewinnen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (la, .. .,In) miteinander in einer Reihenanordnung verbindbar sind so daß die Kammern (la, ...,In) ebenfalls eine Einrichtung

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VII/VIII/Hy - 2 -

(00) MS272 Mauerkiichcfstt 45 ■ 1000 München 10

Mt2T« KRGSTAPFPATENT München Hypo-Bank München 3190102124

MUM TELEX: OS M 5*0 BERGd PoMCh** München 453 41«

ORIGINAL INSPECTED

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zum Sammeln des komprimierten Arbeitsgases und zum Weiterleiten des komprimierten Arbeitsgases zu den mechanischen Einrichtungen (10,17) darstellen, wobei die Kammern (Ia-In) so angeordnet sind, daß komprimiertes Gas aus einer Kammer in eine benachbarte Kammer entlang der Reihe der Kammern ausgestossen wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammeleinrichtung (8) einen gemeinsamen Kanal (8), in den jede Kammer (1) das komprimierte Arbeitsgas ausstößt, aufweist, und daß der Kanal (8) die Kammern (1) parallel verbindet.
H. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Kanal (8) mit Einrichtungen (9,20) versehen ist, um eine glättende Kraft auf das darin befindliche komprimierte Arbeitsgas auszuüben, um die Druckschwankungen des komprimierten Arbeitsgases zu glätten.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Einsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorderteil (2) der Einrichtung eine Fläche hat, die so angeordnet ist, daß sie¹ ankommenden Wellen entgegensteht, wobei die Fläche vom Freibord der Einrichtung nach unten und außen in einer Richtung gegen die ankommenden Wellen abfällt, um die starken Kräfte auf die Einrichtung zu vermindern.

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6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen Wellenbrecher aufweist und die mechanische Einrichtung (10) durch mindestens eine öffnung oder Mündung (10) gebildet wird, die so gewählt ist, daß der Energieverlust des komprimierten Arbeitsgases beim Fliessen durch die öffnung (10) einiges der Energie der Wellen zerstreut.

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