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n Wellengetriebener Generator Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren
zur Energiegewinnung und Energieübertragung aus Wellenbewegung sowie auf zugeordnete
Vorrichtungen. Die Erfindung bezieht sich somit auch allgemein auf Wellenkraftmaschinen
und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf Wellenkraftmaschinen, die eleXtrische
Generatoren antreiben.
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In der Technik der Energieerzeugung ist es lange schon bekannt, die
potentielle Energie der Meereswellen zum Anheben eines Schwimmkörpers zu nutzen.
Bei dem Versuch, die Energie der Meereswellen wirksam aufzufangen, wurde eine wahrlich
verblüffende Anzahl kunstvoller Gelenkmechanismen entwickelt, vgl. z.B.
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US-PSen 562 317, 632 139, 694 242, 738 996, 886 883, 917 411 und 986
629. Alle diese früheren Konstruktionen basieren auf mechanischen Gelenkverbindungen
zwischen fixierten Schwimmkörern, um die Hin- und Herbewegungen, das Ansteigen,
das Fallen oder die Longitudinalbewegung der Wellen aufzunehmen. Alle Maschinen,
die in den genannten Vorveröffentlichungen beschrieben .werden, sind
mechanisch
komplex und von einem niedrigen Wirkungsgrad Während die obengenannten Vorveröffentlichungen
zur Erzeugung von Bewegungsenergie auf der potentiellen Wellenenergle basieren,
führen einige Wellenmotoren in der Vergangenheit die Ausnutzung der kinetischen
Wellenenergie an, vgl hierzu zoBo US-PS 1 072 272.
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Eine sorgfältige Untersuchung der bisherigen Technik zeigt, daß die
meisten historischen Wellenmotoren entweder l) die kinetische Wellenenergie mittels
Vorrichtungen wie Schaufelräder nutzen, oder 2) die potentielle Wellenenergie mittels
eines oder einer Anzahl von Schwimmkörpern nutzen Wenige Vorrichtungen nutzen beide
Formen der Energie.
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Der Stand der Technik basiert, soweit er sich auf Wellentriebwerke
bezieht, die auf der Anhebungsenergie der Wellen beruhen d.h. ihrer potentiellen
Energie, entweder auf einzelnen Schwimmkörpern, z.B. US-PSen 1 202 742, l 471 222,
l 647 025, l 746 613, 1 953 285 und l 962 047, oder gebraucht eine Anzahl Schwimmkörper
von gleicher Größe, zB US-PSen 1 925 742, 1 867 780, 1 688 032, 1 567 470-und 1
408 094 Zusätzlich sind viele der früheren Wellenmotoren mechanisch äußerst komplex.
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Siehe hierzu z.B. US-PSen l 528 165, 1 169 356 und 1 8l8 066
Nach
dem Stand der Technik lehren alle Wellenmotoren die direkte lineare Kopplung der
Schwimmkörperbewegung mittels mechanischer oder hydraulischer Ubertraguhgsvorricheung
an die Bewegung einer Abtriebswelle oder eines Kolbens. Hieraus folgt, daß alle
Wellenmotoren sehr kompakt und schwer sein müssen, um dem breiten Spektrum der Wellenenergie,
das auf sie einfällt, widerstehen zu können. Zum Beispiel bestand ein Wellenmotor,
der in Atlantic City, New Jersey, installiert wurde, aus 1,8 m (6 Fuß) langen Zylinderschwimmkörpern
mit einem Durchmesser von 1,2 m (4 Fuß).
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Jeder Schwimmkörper wog etwa 1406 kg (3100 lbs) und wurde pro Minute
11 mal 0,6 m (2 Fuß) hoch durch die Wellen angehoben.
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Die Motoren trieben eine horizontale Welle mittels Ketten und Ratschen
unter Entwicklung von ungefähr 8,2 kW (11 PS, Horsepower)an, wobei eine Vergleichmäßigung
durch den Einsatz schwerer Schwungräder erreicht wurde. Der niedrige Wirkungsgrad,
die Kapitalkosten und die Komplexität dieses Beispiels und aller sonstiger Wellenmotoren
nach dem Stand der Technik sind der Grund dafür, daß sie nicht zum Zuge kamen (Power,
17. Januar 1911). (Ein ähnlicher Wellenmotor wurde durch Smith in Mechanical Engineering,
September 1927, auf S. 995 vorgeschlagen).
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Die modernsten Welenmotoren nach dem Stand der Technik unterscheiden
sich nicht wesentlich in ihrer Arbeitsweise von Wellenmotoren, die zu Beginn dieses
Jahrhunderts angeführt wurden.
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Hingewiesen wird beispielsweise auf US-PS 3 879 950 Diese zeigt einen
Wellengenerator,
der in Verbindung mit einem Offshore-Atomkraftwerk
genutzt. werden soll. Dieser moderne Wellenmotor nutzt eine Mehrzahl identischer
Schwimmkörper, deren Bewegung linear mit einer Anzahl pneumatischer Kolben gekoppelt
ist0 Unglücklicher weise kann ein solcher linear gekoppelter Sammler die Wellenenergie
nicht wirksam aufnehmens Die Meereswellen variieren in ihrer Amplitude oder Wellenhöhe
von Bruchteilen eines Meters bis über 15,2 m (50 Fuß) und in ihrer Frequenz von
Wellenlängen mit weniger als 1,5 m (5 Fuß) bis über 304,8 m (7000 Fuß)0 Um die maximale
potentielle Energie aus jeder vorhandenen Welle zu gewinnen, muß es einem Schwimmkörper
möglich sein, dynamisch an die Wellenbewegung anzukoppeln. Eine genau vorgegebene
Schwimmkörpergröße wird am wirkungsvollsten nur auf eine bestimmte Wellenlänge ansprechen
Um wirkungsvoll zu -arbeiten, sollte ein Wellenmotor eine Mehrzahl unterschiedlicher
Schwimmkörpergrößen umfassen, denen es möglich ist, eine wirksame Kopplung mit einem
breiten Spektrum unterschiedlicher Wellenlängendurchzuführen, d.h. mit allen Wellen,
aus denen Energie effizient entnommen werden soll Im asz meinen wird dieses Konzept
als Resonanz bezeichnet.
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Zusätzlich zur Resonanz mit einem breiten Spektrum von Wellenlängen
sollte es den Schwimmkörpern eines wirkungsvollen Wellenmotors möglich sein, Energie
aus beiden Amplitudenarten der Weile, nämlich niedrigen und hohen Amplituden, zu
entnehmen. Da sich die Wellenamplituden um zwei Größenordnungen unterscheiden können,
muß jegliche Apparatur die die Energie durch lineare
Kopplung der
Wellenbewegung auf Räder oder Kolben überträgt, unwirksam sein in der Energiegewinnung
entweder aus dem Hoch-oder dem Niedrigampiitudenende des Wellenenergiespektrums.
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Theoretisch kann ein einzelner Schwimmkörper, der allein arbeitet,
sogar wenn er eine weignete Größe besitzt, nur etwa ein Drittel der möglichen Energie
einer auf ihn auftreffenden Welle absorbieren. Dies beruht darauf, daß ein Drittelder
Wellenenergie durch den Schwimmkörper absorbiert wird, ein weiteres Drittel vom
Schwimmkörper zurückreflektiert wird und das letzte Drittel durch den Schwimmkörper
auf an ihm angebrachte Anbauten übertragen wird. Diese Tatsache hat ebenso wie die
Tatsache, daß die Wellenmotoren nach dem Stand der Technik nicht wirksam genug an
das Frequenz- oder Amplitudenspektrum der Meereswellen ankoppeln,-bewirkt, daß alle
Wellenmotoren nach dem Stand der Technik nicht wirkungsvoll genug sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Energie, inbesondere hydraulische
Nutzenergie, mit hohem Wirkungsgrad aus einem breiten Amplituden- und/oder Wellenlängenspektrum
von Meereswellen oder Wellen eines anderen Fluids zu entnehmen.
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Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren nach Anspruch 1 hinsichtlich
des Amplitudenspektrums und nach Anspruch 2 hinsichtlich des Welenlängenspektrums
gelöst. Das Verfahren nach Anspruch 1 ermöglicht ein Wellentriebwerk, das auf nicht-lineare
Art und
Weise an das Amplitudenspektrum der Meereswellen ankoppelt,
so daß von beiden, den hohen und niedrigen Wellenamplituden, Energie wirkungsvoll
entnommen werden kann, z.B. durch Pumpen eines nicht-linear angekoppelten hydraulischen
(oder pneumatischen) Arbeitsmediums. Das Verfahren nach Anspruch 2 ermöglicht die
Schaffung eines Wellengenerators, dessen Mehr- oder Vielzahl von Schwimmkörpern
so zusammenwirkt, daß ein physikalisch schwarzer Körper" gebildet wirde der die
gesamte auftreffende Wellenenergle entnimmt Die Erfindung gemäß den Ansprüchen 1
und 2 ermöglicht die Schaffung eines Wellentriebwerks, das eine Zusammenfügung von
Schwimmkörpern unterschiedlicher Größe beinhaltet und die zusammen als Wellenauffänger
arbeiten, um etwa 80 % der Wellenenergle, die auf sie einfällt, in hydraulische
Energie o.dgl. Nutzenergie eines Arbeitsfluids umzuwandeln.
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Ein solcher Wellenmotor nach Anspruch 1 und/oder 2 kann zur billiegen
Gewinnung einer großen Energiemenge leicht vergrößert werden und ist einfach genug
konstruiert, damit ein niedriges Wartungsniveau erreicht wird0 Die US-PS 1 757 l66
zeigt schon eine Apparatur und ein Verfahren zur Energieentnahme aus Meereswellen,
die der Erfindung am nAchstkommend erachtet wird0 Sie zeigt die Anwendung einer
Mehrzahl einzelner nicht verbundener Schwimmkörper gleicher Größe, die jedoch nicht
in einer flächenhaften Aufreihung wie bei der Erfindung eine Wellenfalle bilden,
die die reflektierte und übertragene Wellbenenergie auffängt Es wurde kein Stand
der Technik ermittelt,
der eine nicht-lineare Kopplung von Schwimmkörpern
mit ihren integrierten Energieentnahmeapparaturen aufzeigt. Als nächstkommend erachteten
Stand der Technik siehe hierzu die US-PS 1 408 094, insbesondere Fig. 2 und 3.
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Die Erfindung zeigt eine flächenhafte Aufreihung von Schwimmkörpern,
die am Meeresboden, in einiger Entfernung von der Küste, verankert wird. Der optimale
Abstand von der Küste wird im allgemeinen vor dem Punkt sein, an dem das Meer so
seicht wird, daß ein wesentlicher Teil der Wellenenergie durch Turbulenz verlorengeht.
Die Schwimmkörper sind so angeordnet, daß die Wellen erst auf die kleinsten Schwimmkörper
der Aufreihung auftreffen. Diese kleinsten Schwimmkörper sind gelenkig mit progressiv
größer verdenden Schwimmkörpern verbunden. Ebenso sind die Schwimmkörper durch hydraulische
Pumpeinrichtungen verbunden, wie z.B.
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Hydraulikzylinder, -hohlleitungen und Druckplatten. Diese hydraulischen
Pumpeinrichtungen reagieren nicht-linear auf jede Relativbewegung zwischen den Schwimmkörpern.
Sobald größere Wellenåmplituden auf die Schwimmkörper auftreffen, bewirkt jedes
zusätzliche Anwachsen der. Relativbewegung zwischen den Schwimmkörpern proportional
mehr Arbeit und bewegt eine zunehmend größere Menge an hydraulischem Fluid. Die
wellenartige Bewegung der flächenhaften Aufreihung der Schwimmkörper wird auf diese
Weise zur Erzeugung hydraulischer Druckenergie umgewandelt, die dann zum Betreiben
eines Turbogenerators genutzt wird.
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Der kleinste Schwimmkörper der Aufrethunq muß etwa halb so lang sein
wie die kleinste Welle, aus der wirkungsvoll Energie entnommen werden soll. Entsprechend
sollte der größte Schwimmkörper etwa halb so lang wie die Wellenlänge der größten
Welle bemessen sein, welche das System noch signifikant abschwächen soll.
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Wesentliche Unterschiede zwischen der Erfindung und den Wellentriebwerken
nach dem Stand der Technik sind folgende: 1. Die Erfindung umfaßt eine flächenhafte
Aufreihung von Schwimmkörpern unterschiedlicher Größen Diese Aufreihung entnimmt
die Energie aus einem breiteren Frequenzspektrum der Wellen, als es nach dem Stand
der Technik bekannt ist.
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2. Nach der Erfindung wird die Relativbewegung der Schwimmkörper nicht-linear
in hydraulische Energie umgewandelt.
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Dies ermöglicht es der Aufreihung der Schwimmkörper, wirksam auf
sehr kleine Wellenamplituden zu reagieren, indem diesen ein sehr geringer Widerstand
entgegengesetzt wird, während sie trotzdem auf große Wellenamplituden äußerst wirksam
anspricht, indem sie einen wesentlich größeren Widerstand gegenüber einem zunehmenden
Maß an Relativbewegung, das durch die Wellen verursacht ist, verkörpert.
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3. Schließlich ermöglicht es die Anwendung einer Mehrzahl von Schwimmkörpern,
die innerhalb der flächenhaften Aufreihung zusammengekoppelt sind, der Erfindung0
die Wellenenergle aufzunehmen, die andernfalls durch Reflexion oder Übertragung
von einzelnen Schwimmkörpern verloren gehen würde.
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Nach der Erfindung stellt der Teil der Wellenenergie, der durch den
Schwimmkörper übertragen wird, einen Teil der Gesamtenergie dar, die auf andere
Schwimmkörper der Aufreihung einfällt. Ebenso stellt, mit Ausnahme der Peripherie
der Aufreihung, die Energie, welche von einem Schwimmkörper reflektiert wird, einen
Teil der Energie dar, die auf andere Schwimmkörper einfällt. Auf diese Art und Weise
wird eine Welle, die auf die Aufreihung einfällt, in ihr verschluckt, so daß die
Aufreihung als ein physikalisch "schwarzer Körper" arbeitet der wirkungsvoll alle
einfallende Wellenenergie absorbiert.
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Als Ergebnis dieser wirksamen Absorption der Wellenenergle ist das
Gebiet direkt hinter der Aufreihung relativ ruhig.
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Auf diese Art und Weise arbeitet die schwimmende Aufreihung der Wellenkraftmaschinen,
die in der Erfindung dargelegt ist, als schwimmender Wellenbrecher, obwohl dies
nicht der primäre Zweck der Erfindung ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an
mehreren Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen
Längsschnitt einer idealisierten Welle; Fig. 2 eine graphische Darstellung-der Gesamtenergie,
die bei bestimmten Wellenamplituden und Wellenlängen in den Meereswellen enthaltan
ist; Figc 3 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil der
flächenhaften
Schwimmkörperaufreihung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
zusammen mit einer schematischen Darstellung seiner angeschlossenen hydraulischen
Akkumulatoren und Generatoren; Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf die gleiche
Sektion der Wellenmotoraufreihung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist; Fig. 5 eine
Ansicht entlang der Schnittlinie 5-5 in Fig. 4 unter Darstellung einer hydraulischen
Pumpeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung; Fig. 6 eine schematische
Darstellung der inneren Bewegung zwischen einer Welle und einem Teil einer Schwimmkörperaufreihung
gemäß bevorzugter Ausführungsform der Erfindung; Fig. 7 eine alternative hydraulische
Pumpeinrichtung, die zwei Schwimmkörper einer erfindungsgemäßen Anordnung verbindet;
Fig. 8 eine andere Darstellung der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 7; und
Fig. 9 eine isometrische Ansicht einer typischen erfindungsgemäßen Energieerzeugungsaufreihung
in Gestalt eines einzelnen Moduls eines Energieerzeugungssystems.
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Fig. 1 zeigt e.ine idealisierte Meereswelle im Querschnitt. Die WellelO
hat einen Wellenberg 12 und ein Wellental 14. Der Abstand zwischen zwei Wellenbergen
oder zwei Wellentälern ist als die Wellenlänge bekannt, die eine Funktion der Gesamtenergie
bzw.
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der Gesamtleistung der Welle ist. Die Höhe oder Amplitude der Welle
ist als die Differenz zwischen dem Wellenberg und dem Wellental definiert. Die Gesamtenergie
bzw. Leistung ir Welle ist auch eine Funktion der Wellenhöhe.
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Die Gesamtleistung einer Welle, ausgedrückt in kW pro Meter (P, Horsepower
pro Fuß) der Wellenbreite, z.B. pro Meter (pro Fuß) der Wellenfront, die auf die
Anordnung der Schwimmkörper einfällt, ergibt sich aus der Gleichung: Gesamtleistung
= 1,569 x H2 x -Ll - 4,935 (H2/L2 )3 (bzw. N = 0,0329 x H²xVL [1 - 4,935 (H²/L²)]
in HP/Fuß) Hierbei ist H die Wellenhöhe in m (in Fuß) und L die Wellenlänge in m
(in Fuß). Albert W. Stahl, U.S.N., Transactions, American Society of Mechanical
Engineering, Vol. 13, S. 438, umgerechnet in SI-Einheiten.
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Das British Admiralty Weather Manual klassifiziert die Wellenhöhen
wie folgt:
Tabelle A Beschreibung der Meeresoberfläche mittlere
Wellenhöhe m windstill; spiegelnd 0 windstill; gekräuselt 0,2 ruhig; wellig 0,3-0,8
leicht bewegt 1,5 bewegt 3 rauh 4 sehr rauh 6 hoch 8 sehr hoch 9-11 außergewöhnlich
hoch 14 oder höher Gewöhnlich haben die Wellen des Nordatlantiks eine Wellenlänge
von 48,8 bis 97,5 m (160 bis 320 Fuß), gelegentlich erreichen sie 152,4 bis 182,9
m (500 bis 600 Fuß) und eine Geschwindigkeit zwischen46 und 65 km/h (25 bis 35 Knoten).
Im südlichen Pazifik wurden Wellen mit Wellenlängen bis zu 304,8 m (1000 Fuß) und
Geschwindigkeiten bis zu 93 km/h (50 Knoten) festgestellt.
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Die Ausführungen bei der weiteren Diskussion der Erfindung werden
auf mittlere Wellen beschränkt, die Höhen zwischen 1,5 und 4,6m (5 und 15 Fuß) und
Wellenlängen zwischen 30,5 und 91,4 m (100 und 300 Fuß) haben. Der Grund für diese
Einschränkung ist nicht in irgendeiner Beschrankung der Erfindung zu sehen, sondern
wurde aus Vereinfachungsgründen vorgenommen, da solche Wellen charakteristisch für
die durchschnittlichen Wellen sind, die an der Küste der Vereinigten Staaten im
Nordatlantik vorgefunden werden.
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Fi. 2 zeigt eine graphische Darstellunc des Energieinhalts bzw. der
Leistung von Meereswellen, die eine Wellenhöhe zwischen 1,5 und 4,6 m (5 und 15
Fuß) und Wellenlängen zwischen 30,5 und 91,4 m (100 und 300 Fuß) haben. Diese Darstellung
wurde erhalten, indem aus dem Wert der Gesamtleistung einer Welle gemäß obiger Gleichung
die Gesamtleistung in kW pro m (HP, Horsepower pro Fuß) der Wellenbreite berechnet
wurde und dann umgerechnet wurde von kW pro m (HP, Horsepower pro Fuß) auf MW pro
km (MW pro Meile). (Eine Welle mit einer Gesamtleistung von 2,446 kW pro m oder
1 HP pro Fuß besitzt eine Leistung von 3,94 MW pro Meile). Um eine Vorstellung zu
geben sei erwähnt, daß das größte Atomkraftwerk der Vereinigten Staaten etwa eine
Leistung von 1000 MW erzeugen kann.
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In der weiteren Beschreibungwerden die Werte der Gesamtenergie bzw.
Gesamtleistung, ausgedrückt in MW pro Kilometer, wie sie in vi. 2 dargestellt sind,
benutzt. Es wird darauf hingewiesen, daß diese Werte aus Vereinfachungs- oder Bequemlichkeitsgründen
nur deshalb gewählt wurden, weil sie repräsentatv sind für typische Wellenhöhen
und Wellenlängen von du-chschnittlichen Wellengrößen im Atlantik, vgl. "Modern Studies
of Wind Generator Waves", Vol. 8, Contemporary Physics, S. 171-183, März 1967, oder
auch R.A.R. Tricker, Boars, Breakers, Waves and Wakes: An Introduction to the Study
of Waves on Water (1965).
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Fig. 3 zeigt eine flächenhafte Aufreihung 30D die eInen ersten Schwimmkörper
32, einen zweiten Schwimmkörper 34, einen dritter Schwimmkörper 36 und einen Teil
eines vierten Schwimmkörpers 38
darstellt. Die von der Anordnung
30 gebildete Sektion ist mittels einer hydraulischen Leitung 40 mit der Akkumulator-Generator-Sekti40
ver@@@den. Jeder Schwimmkörper stellt eine Einheit dar, die ein geringeres spezifisches
Gewicht als Wasser hat und die eine hohle, wasserdichte Einheit sein kann, die einen
schwimmenden Antriebshohlrahmen enthält, wie er beispielsweise durch den Schwimmkörper
32 und seinen zugeordneten schwimmenden Auftriebshohlraum 44 dargestellt ist.
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Die Wasseroberfläche ist mit 46 bezeichnet Die Verdrängung des Schwimmkörpers
auf der Wasseroberfläche entspricht den bekannten hydrostatischen Gesetzen, vglO
im allgemeinen Hydraulics; R.L. Daugherty, McGraw Hill 1937. Der Schwimmkörper 32
kann jede gewünschte Form haben In der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform
ist der Schwimmkörper 32 in der Draufsicht rechteckig mit einer nach unten und nach
rückwärts abfallenden Bug fläche 45 und einer vertikalen, flachen Heckfläche 48
Die Heckfläche 48 ist dem Bug 50 des Schwimmkörpers 34 benachbart0 er Bug 50 weist
untere und obere Prismenoberflächen 52 bzw0 54 auf0 Das Heck des Schwimmkörpers
32 ist gelenkig mit dem Bug des Schwimmkörpers 34 mittels Klappgelenken 200 (Fig0
4), die vorzugsweise in der Nahe der seitlichen Enden der Schwimmkörper 32 und 34
und in der Mitte zwischen den Ober- und Unterseiten angeordnet sind, verbunden0
Die Zuflußleftung 56 des Hydraulikfluids ist durch ein Einwegventil 58 mit einer
unteren pumpfähigen Hohl leitung 60 verbunden, Diese ist zwischen der prismenoberfläche
52 am Bug des Schwimmkörpers 34 und einer flachen Heckpartie 48 des Schwimmkörpers
32 gelegen. In gleicher Weise ist eine obere pumpfähige Hohlleitung 62 zwischen
der oberen Prismenflace-54 zudes Schwimmkörpers 34 und der flachen Heckpartie 48
des Schwimmkörpers 32 gelegen0 Die obere Hohlleitung 62 ist durch ein Einwegventil
64 mit einer Hydraulikleitung 66 zum Akkumulator verbunden Der Schwimmkörper 34
ist etwa um 26 t länger als der Schwimmkörper32 Gleichermaßen ist zur Schwimmkörper
36 etwa um 26 t länger als der Schwimmkörper 34. Analog
hierzu
ist der Schwimmkörper 38 etwa um 26 % länger als der Schwimmkörper 36. Mit Ausnahme
der kleinsten, vordersten Schwimmkörper hat jeder folgende Schwimmkörper in diesem
Ausführungsbeispiel am Bug eine obere und eine untere Prismenfläche und eine vertikale
Heckpartie, die jeweils mit den pumpfähiqen Hohlleitungen zusammenwirken, um das
hydraulische Fluid zu pumpen.
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Alle Schwimmkörper werden mit einfachen Klappgelenken, die mehr .im
einzelnen weiterunten beschrieben werden, zusammengehalten.
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Der Schwimmkörper 34 hat einen Auftriebshohlraum 68 und eine flache
Heckfläche 70. Eine obere bzw. eine untere pumpfähige Hohlleitung 72 und 74 ist
zwischen der oberen Prismenfläche des Schwimmkörpers 36 und der Heckfläche 70 und
der unteren Prismenfläche des Schwimmkörpers 36 und der Heckfläche 70 gelegen. Wie
schon im Zusammenhang mit der oberen und unteren pumpfähigen Hohlleitung zwischen
den Schwimmkörpern 32 und 34 beschrieben wurde, steht die untere Hohlleitung 74
in Fluidverbindung durch ein Einwegventil 76 mit der Hydraulikzuflußleitung 56,
desgleichen ist die obere pumpfähige Hohlleitung 72 durch ein Einwegventil 78 im
Fluidaustausch mit der Hydraulikleitung 66 zum Akkumulator verbunden.
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Die übrigen hydraulieri pumpfähigen Hohlleitungen zwischen den jeweiligen
Schwimmkörperpaaren der Aufreihung sind in gleicher Weise durch Einwegventile mit
dem hydraulischen Versorgungssystem und der leistungsübertrage-nden Hydraulikzuleitung
des Akkumulators verbunden.
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Eir erster Hydraulikakkumulator 82 ist durch eine Leitung 84 mit
einer
Dreiwege Umschaltvorrichtung 80, die insbesondere als Dreiwege-Ventil ausgebildet
istg verbundenD Ein weiterer Hydraulikakkumulator 86 ist durch eine Leitung 88 mit
der Umschaltvorrichtung 80 verbunden Der erste Hydraulikakkumulator ist über eine
Leitung 92 an einen Turbineneintrittfangeschlossen. Des weiteren ist der erste Hydraulikakkumulator
82 mit einem Ablaßventil 94 ausgestattet. Auch der zweite Hydraulikakkumulator 86
ist mit dem Turbineneintritt 90 verbunden, jedoch über die Leitung 96.
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Auch der zweite Hydraulikakkumulator ist mit einem Ablaßventil 98
ausgestattet. Der Turbineneintritt 90 befindet sich am Hochende druck-Eintritts/eines
Turbogenerators 100. Der Austritt 102 des Hydraulikfluids aus dem Turbogenerator
100 liegt auf dessen Unterdruckseite Konstruktionsmäßig können die Schwimmkörper0
wie sie in Fig 3 dargestellt sind, aus jedem Material0 das- wasserdicht und in der
Konstruktion schwimmfähig ist0 hergestellt sein. Es wird erwartete daß erste Versuchsmodelle
des Wellenmotors aus Holz hergestellt werden0 während größere Modelle Schwimmkörper
aus Beton haben werden Die oberen und unteren pumpfähigen Hohlleitungen und die
gesamten hydraulischen Verbindungsleitungen können, wenn man von der Pumpfähigkeit
der erstgenannten als zusätzliche Bedingung einmal absieht, von jeglicher Art hydraulischer
Leitungssysteme gebildet sein, die einem Druck von 609 bis 15 bar (1oo bis 200 psi)
standhalten0 wie er von der hydraulischen Energiekollektoranordnung gemäß der Erfindung
erzeugt werden kann.
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Die Schwimmkörper und die gesamte Hardware, die zur Verbindung untereinander
benutzt werden, sollten aus korrosionsbeständigem Ma--terial bestehen.
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Funktionsmäßig wird das Arbeitsfluid, das aus Wasser oder jedem anderen
geeigneten hydraulischen Fluid bestehen kann, über die Zufluß leitung 56 durch die
Einwegventile 58 und 76 in ihre zugeordneten unteren pumpfähigen Hohlleitungen angesaugt.
Dies wird im einzelnen weiter unten anhand der Fig. 6 noch näher erläutert.
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Jede Relativbewegqng der Schwimmkörper übt Kompressionskräfte auf
die pumpfähigen Hohlleitungen aus und bewirkt, daß sie als hydraulische Pumpen arbeiten.
Die Anordnung der Einwegventile arbeitet streng in einer Richtung und ist dazu bestimmt
zu verhindern, daß das Fluid rückwärts fließt, sobald sich die Relativbewegung der
Schwimmkörper umkehrt. In dem Maße, wie die Relativbewegung zwischen den Schwimmkörpern
zunimmt, bewirkt jede zusätzliche Steigerung der Drehbewegung des Schwimmkörpers
um seine Anlenkverbindung an einen anderen Schwimmkörper, daß die flache Heckpartie
des vorderen Schwimmkörpers parallel näher zur oberen bzw. unteren Prismenfläche
des folgenden Schwimmkörpers kommt.
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Die beiden Flächen nähern sich auchtbei Vergrößerung des Winkels;
Eine weniger starke Relativbewegung bewirkt, daß die pumpfähigen Hohlleitungen eine
geringere Menge an hydraulischem Fluid pumpen.
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Wenn erst einmal diese geringe Menge an hydraulischem Fluid gepumpt
worden ist, wird eine weitere Zunahme der Relativbewegung eines bestimmten Schwimmkörperpaares
eine sugewachsene größere Menge an hydraulischem Fluid pumpen. Wenn eine Welle eine
ausreichende Amplitude besitzt, um noch eine weitere Relativbewegung
zwischen
zwei Schwimmkörpern zu bewirken, werden die Bugfläche des einen Schwimmkörpers und
die Heckfläche des anderen noch mehr parallel aneinanderkommen, und ein noch größeres
zugewachsenes Volumen an hydraulischem Fluid wird ausgepumpt.
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Bei sehr ruhigem Wetter wird eine kleine Wasserwelle in der absorbierenden
Aufreihung 30 auf einen geringen Widerstand treffen und wird eine wirksame Relativbewegung
zwischen seinen Schwimmkörpern bewirken. Diese Relativbewegung wird hydraulisches
Fluid pumpen, und auf diese Art wird die Energie von Wellen kleiner Amplitude wirksam
absorbiert. Während eines Sturms, oder wann immer Wellen mit großer Amplitude auftreten,
wird eine große Anzahl und/oder große Ausmaße von Relativbewegungen zwischen den
Schwiinmkörperpaaren der Aufreihung auftreten. Dies wird weitaus schwieriger erreicht,
und wenn es gelingt, dann wird die Anordnung effektiv einen größeren Betrag der
verfügbaren Energie aus der größeren Amplitude der Welle absorbieren.
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Das hydraulische Fluid, welches die Dreiwege-Umschalt-Vorrichtung
80 passiert, kann wahlweise entweder zum ersten oder zweiten Akkumulator geleitet
werden0 Es ist Aufgabe dieser hydraulischen Akkumulatoren, EnergieschwankungenD
die von der flächenhaften Aufreihung kommen, auszugleichen und den Turbogenerator
lOO mit einem konstanten hydraulischen Druck zu versorgen. Die hydraulischen Akkumulatoren
sind zweifach vorhanden und parallel an einem davon geschaltet, so daß Wartungsarbeiten/durchgefUhrt
werden können, ohne Maß dadurch die Versorgung des Turbogenerators* 100 mit hydraulischer
Energie
unterbrochen wird.
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Jeder Schwimmkörper, mit Ausnahme des oder der der ersten Reihe der
Aufreihung'ist vorzugsweise 1,26 mal (oder 26%) länger als ein Schwimmkörper einer
vorausgehenden Reihe bzw. ein vorhergehender Schwimmkörper, da 1,26 etwa die dritte
Wurzel aus 2 ist. Auf diese Weise verdoppelt sich die Schwimmkörperlänge nach jeder
dritten Schwimmkörperreihe, und durch Verdoppelung der Breite der oder des Schwimmkörper(s)
einer dritten Reihe zur Aufrechterhaltung der baulichen Festigkeit kann ohne größere
Schwierigkeit die flächenhafte Aufreihung bis zu jeder beliebigen Größe durch entsprechende
Vervielfachung erweitert werden.
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Nachdem das hydraulische Fluid durch den Turbogenerator geflossen
ist und Elektrizität erzeugt hat, kann es in die Zuflußleitung 56 rUckgeführt werden.
Auf diese Weise kann das System geschlossen werden. Alternativ kann die Erfindung
dazu benutzt werden, Wasser aus einem Wasserbehälter in ein höher gelegenes Reservoir
zu pumpen. Das Wasser des Reservoirs kann dann einen vorhandenen Turbogenerator
zur Energieerzeugung antreiben.
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Wie aus dem Vorhergehenden hervorgeht, entspricht Fig. 4 im Aufbau
etwa der Fig. 3. Der Schwimmkörper 32 ist durch einklappgelenk 200 oder ein anderes
hierfür geeignet konstruiertes - Gelenk mit dem Schwimmkörper 34 verbunden. Der
Schwimmkörper 34 ist durch Klappgelenk 202 mit dem Schwimmkörper 36, dieser durch
Klappgelenk 204 mit dem Schwimmkörper 38 verbunden.
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Die Fig. 4 zeigt, wie eine flächenhafte Aufreihung der Schwimmkörper
zusammengefügt wird. Schwimmkörper 32, 108, 110 und 112 bilden die erste Reihe der
Schwimmkörpero 1 Die Schwimmkörper 34, 109, 111 und 114 bilden die zweite Reihe
der Schwimskörper.
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Die Schwimmkörper 108, 110 und 112 sind vorzugsweise gleichartig
gestaltet wie der Schwimmkörper 32 Die Schwimmkörper 109, 111 und 114 sind vorzugsweise
ähnlich oder gleichartig geformt wie der Schwimmkörper 34 und sind in dieser Reihenfolge,
ähnlich wie die Gelenk-oder Klappgelenkverbindung zwischen den Schwimmkörpern 32
und 34, gelenkig mit den Schwimmkörpern 108 bzw0 110 und 112 verbunden0 Die Hecks
der Schwimmkörper 34, 109, 111 und 114 sind in gleicher Weise gelenkig mit den Bugs
der Schwimmkörper der dritten Reihe, zu der der Schwimmkörper 36 gehört, verbunden
bzw. lateralen Zusätzlich zu den Klappgelenken in der Nähe der seitlichen/Enden
der Schwimmkörper sind, aufgrund ihrer-größeren Breite, in derartigen dritten Reihen
in der Nähe der mittleren Bugpartien der Schwimmkörper Klappgelenke erforderlich.
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Die Hecks der Schwimmkörper in der dritten Reihe sind gleichartig
gelenkig mit den Bugs der Schwimmkörper in der vierten Reihe, ZU der der Schwimmkörper
38 gehört, verbunden0 Dies wird fortgesetzt, bis eine flächenhafte Aufreihung von
gewünschter Länge erreicht ist.
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Die oberen pumpfahiqen Hohlleitunaen 62 und 72 sind deutlich zwischen
ihren entsprechenden Schwimmkörperpaaren zu erkennen
Sobald eine
Welle auf die erste Gruppe oder Reihe der Schwimmkörper trifft, wird dann, wenn
sie Relativbewegungen der Schwimmkörper verursacht, einige Weilenenergie absorbiert
und das hydraulische Fluid gepumpt. Die in der auftreffenden Welle verbleibende
Energie wird auf größere Schwimmkörper übertragen. Ein Teil dieser übertragenen
Energie wird reflektiert und bewegt erneut die kleineren Schwimmkörper, wodurch
ein zusätzlicher hydraulischer Pumpvorgang bewirkt wird. Ein anderer Teil der übertragenen
Energie wird absorbiert und verursacht in der nächsten Gruppe der Schwimmkörper
34,109,111 und 114 Relativbewegungen. Hierdurch wird zusätzlich hydraulisches Fluid
gepumpt. Die verbleibende Energie jedoch wird weiter übertragen, indem sie auf den
Schwimmkörper 36 und die anderen seiner Reihe einwirkt, und pumpt dadurch zusätzlich
hydraulisches Fluid. Erneut wird ein Teil der übertragenen Energie auf die Schwimmkörper
34, 109, 111 und 114und auf die kleinste Gruppe der Schwimmkörper reflektiert, wo
er bewirkt, daß zusätzlich hydraulisches Fluid weitergepumpt wird.
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Die flächenhafte Aufreihung funktioniert als ein Wellenabsorber und
arbeitet wesentlich wirksamer als jede sonst noch bekanntgewordene Vorrichtung zur
Gewinnung hydraulischer
Energie aus der Wellenbewegung des Meeres.
Die bevorzugte Ausführung der Erfindung kann etwa 80 % der Wellenenergie des Meeres,
die, auf ihre Wellenmotor-Schwimmkörperanordnung einfällt, in hydraulische Energie
umwandelnO Fig0 5 zeigt eine Ansicht entlang der Linie 5-5 von Fig0 4.
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Die Klappgelenke 206 und 207 sind dazu bestimmt, den Bug des Schwimmkörpers
38 mit dem Heck-Klappgelenk 204 des Schwimmkörpers 36 zu verbinden. in der Darstellung
sind die untere Priemenoberfläche 208 und die obere Prismenoberfläche 210 am Bug
des Schwimmkörpers 38 in der zeichnerischen Darstellung von der oberen pumpfähigen
Hohlleitung 212 und der unteren pumpfähigen Hohlleitung 214 verdeckte Die obere
und untere pumpfähige Hohlleitung sind am Ende 216 miteinander verbunden und Uber
is Ende 218 an ihre zugehörigen Einwegventile in der weiter oben beschriebenen Weise
angeschlossen0 Fiq0 6 zeigt die Betriebsweise der oberen und unteren pumpfähigen
Hohlleitungen. Wenn die Aufreihung 30 auf eine Welle 602 anspricht, werden die Schwimmkörper
der Aufreihung 30 in Relativbewegungen zueinander versetzt0 Der Schwimmkörper 32
wurde angehoben und der Schwimmkörper 34 abgesenkt, da sie auf einen Wellenberg,
respektive ein Wellental traufen. Dies bewirkt, daß die Heckfläche 48 nahezu eine
parallele Position zur Bug-Prismenoberfläche 54 des Schwimmkörpers 34 einnimmt.
Die dazwischenliegende pumpfähige Hohlleitung wurde zusammengedrückt
und
ihr hydraulisches Fluid dadurch gezwungen, durch das Einwegventil 64 in die Hydraulikleitung
66 zu fließen, wie eosin der Disdem Maße, wie kwsslon der Fig. 3 oben beschrieben
wurde. In/der Schwimmkörper 34 abgesenkt wurde, wurde der Schwimmkörper 36 angehoben,
jedoch wegen seiner größeren Abmessungen in einem geringeren Maß. Die Welle 602
hat etwa die richtige Größe, um sich wirksam an die Schwimmkörper 34 und 36 ankoppeln
zu können. Wenn die Schwimmkörper in Relativbewegung zueinander versetzt werden,
wird die untere pumpfähige Hohlleitung 74 durch die Heckfläche 70 des Schwimmkörpers
34 gegen die untere Prismenoberfläche des Bugs des Schwimmkörpers 36 zusammengepreßt.
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Bis die Welle den Schwimmkörper 38 erreicht hat, ist die meiste Energie
durch die Absorberanordnung aufgenommen worden. Jedoch wurde der Schwimmkörper 36
leicht angehoben, und dadurch der Schwimmkörper 36 in Relativbewegung zum Schwimmkörper
38 versetzt. Da die Heckfläche des Schwimmkörpers 36 noch etwas in Richtung der
oberen Prismenoberfläcke 210 des Schwimmkörpers 38 bewegt wird, wird die obere pumpfähige
Hydraulikhohlleitung 212 auch noch etwas deformiert und pumpt so noch eine kleine
Menge des wdraulischen Fluidsdirch sein zugeordnetes Rückschlagventil. Die niedrige
Restwellenamplitude ist auf diese Weise auch noch wirksam in hydraulische Energie
umgewandelt worden.
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Fig. 7 zeigt eine alternative Einrichtung zu einer nichtlinearen Verbindung
von Schwimmkörperpaaren, die auf einer energieabsorbierenden Anordnung aufbaut,
wie sie durch die bevorzugte Ausführung der Erfindung aufgezeigt ist. In Fig. 7
hat ein
Sch..nmkörper 7C1 einen oberen Bolzen 703 und einen unteren
Bolzen 705, die seitlich am Schwimmkörper nahe seiner Heckfläche angeordnet sind.
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Seitlich an einem Schwimmkörper 707 ist ein einfachwirkender Hydraulikzylinder
709 angebracht, dem ein Einlaßrückschlagventil 771 und ein Auslaßrückschlagventil
713 zugeordnet sind. Das Ventil 711 ist an seinem Eintritt mit einer Quelle hydraulischen
Arbeitsfluids und das Ventil 713 am Auslaß mit einem hydraulischen Åkkumulator,
wie es in Fig. 3 dargelegt wurde, verbunden. Der einfachwirkende Hydraulikzylinder
709 hat eine Kolbenstange 715, die mit einer dreieckartigen Platte 717 starrverbunden
ist. Wenn sich der Schwimmkörper 701 relativ zum Schwimmkörper 707 bewegt, wie es
in Fig. 7 dargestellt ist, wird entweder der obere Bolzen 703 oder der untere Bolzen
705 auf die dreieckartige Platte 717 einwirken, wodurch die Kolbenstange 7X5 niedergedrückt
wird. Dies veranlaßt den Hydraulikzylinder 709, das Hydraulikfluid zu pumpen.
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Der Vorteil, einen einfachwirkenden Zylinder zu benutzen, liegt im
Gegensatz zu einem zweifach wirkenden Typ darin, daß letzterer mit einer Kolbenstangendichtung
aucge stattet sein muß, damit er nach beiden Enden hin komprimieren kann. Dies macht
ihn wesentlich teurer. Zweifach wirkende Kolben zeigen auch eine größere Wartungstendenz,
da die durch das Arbeitsvolumen geführte Kolbenstange der Beaufßchlagung durch das
korrosiv wirkende Salzwasser ausgesetzt ist.
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Von der Funktion her wird eine sehr geringe Bewegung des Schwimmkörpers
701
nur einen sehr kurzen Hub der Kolbenstange bewirken.
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Die Weglänge der Kolbenstange, die pro Einheit der Relativbewegung
der Schwimmkörper zurückgelegt wird, ist eine direkte Funktion des Kosinus des Winkels,
der zwischen zwei Schwimmkörpern gebildet wird. Auf diese Weise erzeugt jede zusätzliche
Steigerung der Relativbewegung, wenn die Schwimmkörper in größere Relativbewegung
versetzt werden, eine differentiell bzw. progressiv zunehmende größere Weglänge
der Kolbenstange. Der Hub des Hydraulikkolbens steht somit in nichtlinearer Beziehung
zur-Relativbewegung der zwei Schwimmkörper. Da die Kolbenstange eine größere Strecke
zurücklegt, wenn der Winkel zwischen den zwei Schwimmkörpern größer ist, verbraucht
eine Welle mit großer Amplitude zur Erzeugung größerer Relativbewegungen mehr Energie.
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Diese Anordnung ist als Alternative zur Ausführung mit pumpfähigen
Hohlleitungen, wie sie vorher beschrieben. wurde, angeführt, da sie für bestimmte
Anwendungen der Erfindung geeigneter sein kann. Jede nichtlineare Kopplungsvorrichtung
arbeitet jedoch sinngemäß entsprechend der Erfindung. Ein guter Ingenieur kann sicherlich
viele Antriebs- und Anlenkarten entwerfen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Fig. 8 zeigt die Ausführung der Erfindung, wie sie in Fig. 7 dargestellt
ist, in Anordnung in ruhigem Wasser. In beiden Darstellungen bezeichnen gleiche
Nummern die gleichen Teile.
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Von der Funktion her erlaubt es diese alternative Vorrichtung zur
nichtlinearen Energiegewinnung mit Schwimmkörpern einer flächenhaften Aufreihung
einem einfachwfrkenden hydraulischen
Zylj er, hydraulisches Fluid
ohne Rücksicht auf die Richtung der Relativbewegung zwischen den zwei Schwimmkörpern
wegzupumpen.
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Dies ist weit weniger kostenintensiv als der Fall, in dem zwei hydraulische
Zylinder benutzt werden und in Abhängigkeit von jedem Zylinder dann gepumpt wird,
wenn die Relativbewegung zwischen zwei Schwimmkörpern in einer bestimmten Richtung
erfolgt.
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Die Turbine 100, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, wird vorzugsweise
ein "Pelton-Rad bzw. -Turbine" sein. Dieser Turbinentyp ist durch die Fähigkeit
charakterisiert, eine synchrone Umdrehungszahl pro-Minute beizubehalten, solange
ein konstanter Druck vorherrscht; er kann jedoch auch an ein schwankendes Durchflußvolumen
Wasser durch geringfügige Größenänderung der Ausflußöffnungen seiner Düsen angepaßt
werden. Die Größe dieser Ausfluß-Öffnung wird vorzugsweise durch den Druck im Akkumulator
bestimmt.
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Ein Regelkreis ist eingefügt, um genau den vorgeschriebenen Druck
von z.B. 6,9 bar (100 psi) im System aufrechtzuerhalten. Das hat den Vorteil, das
hydraulische System unabhängig vom elektrischen System halten zu können und verhindert
gleichzeitig einen Ausfall der hydraulischen Energie, wenn elektrische Energie ausfällt.
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Der Generator wird.vorzugsweise ein Convertertyp sein, der einerseits
einen Gleichstronkommutator und andererseits Wechselstromschleifringe besitzt Dieser
Generatortyp ist im Elaktromaschinenbau altbekannt und ist nur schematisch beschrieben,
um
seine Funktion in Verbindung mit der Erfindung darzulegen.
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Der Gleichstromteil des Generators versorgt eine Batteriereihe oder
-bank, die als Stabilisator arbeitet. Die Umdrehungszahl des Generators kann dadurch
geregelt werden, daß die Größe der mechanischen Kräfte, die auf die Turbine einwirken,
verändert wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß mittels einesTachometers
die Umdrehungszahl des Turbogenerators gemessen wird, um den Erregerstrom im Generator
zu steuern. Sobald die Turbine anfängt, schneller zu drehen, wird über den Tachometer
die Feldstärke des Generators erhöht. Dies verursacht eine Erhöhung der Gleichstromausgangsspannung,
eine Erhöhung der Belastung der Turbine und reduziert dadurch die Drehzahl der Turbine
auf eine geeignete Umdrehungszahl zur Erzeugung von synchronem Wechselstrom. Dieser
Regelkreis ist völlig unabhängig vom Maß des Eintreffens hydraulischer Energie.
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Schließlich wird der Wechselstromanteil des Generators in ein Versrgungsnetz
an Land mittels eines regelbaren Transformätors eingespeist. Dies ergibt einen letzten
Regelkreis. Der regelbare Transformator kann die Größenordnung variieren, in der
Energie in das Energieversorgungsnetz geschickt wird. Diese Größenordnung wird durch
den Ladezustand der Batteriereihe kontrolliert.
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Wenn die Batterien vollständig geladen sind, hat die Wechselstromabgabe
an das Landnetz ein Maximum. In diesem Zustand kann jegliche Energie,die in der
erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage erzeugt wird, auf das Energieversorgungssystem
an Land übertragen werden.
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Der prinzipielle Einwand, der der kommerziellen Anwendung eines Wellengenerators
entgegengehalten wird beinhaltet Zweifachen Erstens, daß der Bau solcher Generatoren
teuer wäre. Zweitens, daß sie einen sehr schlechten Wirkungsgrad haben und nicht
leistungsfähig genug ausgebaut werden können, um Leistungen hoher Größenordnungen
zu erzeugen.
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Die Erfindung vermeidet diese Schwierigkeiten, indem sie einen :Wellenmotor
einer Bauart vorsieht, bei derer zu jeder beliebigen Größe durch eine Mehrzahl von
modularen Einheiten ausgebaut werden kann und diese Anordnung als Wellen-'falle"
arbeitet, so daß die Leistungsfähigkeit der gesamten Kollektoranordnung vergrößert
werden kann. Zum zweiten bietet die Erfindung einen hohen Wirkungsgrad, wenn sie
als Wellenabsorber oder "-falle" arbeitet und auf diese Art etwa 80 % der einfallenden
Wellenenergie in nutzbare hydraulische Energie umwandelt, und zwar im Vergleich
mit den maximal 30 %, wie es mitfrüher beschriebenen Anordnungen erreicht wurde.
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Fig. 9 zeigt eine isometrische Ansicht einer typischen energie erzeugenden
flächenhaften Aufreihung, die entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
konstruiert ist Diese Anordnung würda ein Modul eines Energieerzeugungssystems sein.
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Eine flächenhafte Aufreihung 903 faßt eine Mehrzahl von Schwimmkörpern
zusammen. Eine erste Reihe von Schwimmkörpemn913 besteht aus vier Schwimmkörpern,
von denen jeder die Abmessungen 30,5 m X 30,5 m x 6,1 m (100 Fuß x 100 Fuß x 20
Fuß) hat. Sofern nichts
anleres ausgesagt ist, haben alle Schwimmkörper
dieses Beispiels eine Höhe von 6,1 m (20 Fuß). Die vier Schwimmkörper der Reihe
913 sind an ihren Hecks mit den Bugs einer Schwimmkörperreihe 915 gelenkig verbunden.
Die Schwimmkörperreihe 915 besteht ebenso aus vier Schwimmkörpern, die die Abmessungen
38,4 m x 30,5 m (126 Fuß x 100 Fuß) haben. Die vier Schwimmkörper der Reihe 915
sind, wie es in Verbindung mit Fig. 4 bereits oben beschrieben wurde, mit einer
Schwimmkörperreihe 917 gelenkig verbunden. Die Schwimmkörperreihe 917 umfaßt zwei
Schwimmkörper, von denen jeder 48,2 m (158 Fuß) lang und 61,0 m (200 Fuß) breit
ist. Jeder der Schwimmkörper der Reihe 917 ist mit zwei Schwimmkörpern der Reihe
915 verbunden. Jeder der Schwimmkörper der Reihe 917 ist am Heck ebensogelenkig
mit der Front einer Reihe 919, die auch zwei Schwimmkörper umfaßt, verbunden. Jeder
Schwimmkörper der Reihe 919 hat die Abmessungen 61,0 m x 61,0 m (200 Fuß x 200 Fuß).
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Diese Anordnung ist übrigens ein gutes Beispiel dafür, wie die bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung in einfacher Weise zu einem größeren Wellengenerator
ausgebaut werden kann.
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Die Schwimmkörper der Reihen 913, 915, 917 und 919 bilden eine Anordnung,
wie sie genau der Anordnung entspricht, die in Verbindung mit Fig. 4 bereits vorher
erläutert wurde. Jeder der beiden Schwimmkörper der Reihe 919 kann daher als einer
der ersten Schwimmkörper einer größeren flächenhaften Aufreihung betrachtet werden,
die aus den Reihen 919, 921, 923 und 925 besteht.
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Sofern größere Schwimmkörper erforderlich sind, kann der Scwimmkörper
in Reihe 925 sogar an größere Einltei.ten angegliedert werten, und die Erweiterung
kann bis zu jedem
gewünschten Ausmaß weitergeführt werden. Sofern
umgekehrt gewünscht wird, daß die Energie sogar aus kleineren Wellen absorbiert
wird, kann die vordere Reihe 913 an ihrer Front seite mit noch kleineren Schwimmkörpern
verbunden werden.
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Die Schwimmkörperreihe 919 umfaßt zwei Schwimmkörper, die 61,o m (200
Fuß) lang und 61,o m (200 Fuß) breit sind. Diese sind an ihrem Heck gelenkig mit
der Schwimmkörperreihe 9 2 1 die aus zwei Schwimmkörpern mit den Abmessungen 76,8
m (252 Fuß) Länge und 61,o m (200 Fuß) Breite besteht, verbunden. Die zwei Schwimmkörper
der Reihe 921 sind an ihrem Heck gelenkig mit dem einzigen Schwimmkörper der Reihe
923, der eine Breite von 121,9 m (400 Fuß) und eine Lange von 96,6 rn (317 Fuß)
hat, verbunden. Dieser Schwirninkörper ist an seinem Heck mittels Gelenk mit dem
Schwimmkörper der Reihe 925, der den Endschwimmkörper in dieser flächenhaften Aufreihung
darstellt und bei einer Breite von 121,9 m (400 Fuß)- 121,9 m (400 Fuß) lang ist,
verbunden.
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Ein Turbogenerator ist auf der Deckfläche des Schwimmkörpers 925 in
einem Gehäuse 931 bzw. Aufbau installiert und liefert durch die Energieleitung 933
Energie an Land0 Das Ende des Schwirtunkörpers 925 ist an seinen Ecken durch Stränge
907 und 909 über zwei ferngesteuerte Winden verankert, die unterhalb der Kollektoranordnung
im Meeresboden fest verankert sind Die Wasseroberfläche ist in dieser Darstellung
durch eine unterbrochene Linie 9o1 gekennzeichnet.
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Diese Kollektoranordnung zeigt eine einzige Ausführungsform 1, die
weitaus länger als breit ist. In der Realität würde eine Anzahl dieser Anordnungen
miteinander Seite an Seite verhakt werden und ihre Schwimmkörper würden gelenkig
miteinander verbunden.
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Diese Mehrzahl flächenhafter Schwimmkörperaufreihungen, die alle am
äußersten Ende ihrer Heckpartie mit Winden verankert sind, würden sehr stabil und
in Richtung auf die Wellenfront ausgerichtet sein. Allein zum Zwecke dieser Veranschaulichung
ist ein Treib- oder Seeanker 929 dargestellt, der mittels einer Ankerkette t. dgl.
927 an der Front der Kollektoranordnung befestigt ist. Zweck des Treibankers o.
dgl. ist es, die Front der Anordnung in den Wind zu halten.
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Von der Funktion her gesehen sind alle Schwimmkörper in diesem Beispiel
durch nicht-lineare hydraulische Pumpvorrichtungen verknüpft, wie es bereits weiter
oben in Verbindung mit den Fig. 5, 6, 7 und 8 beschrieben wurde. Aus Gründen der
Übersichtlichkeit sind diese in der Fig. 9 nicht dargestellt. Es wird darauf hingewiesen,
daß jede nicht-lineare Kopplungsvorrichtung benutzt werden kann, um die Schwimmkörper
in dieser Anordnung betriebsmäßig mit ihrer zugeordneten hydraulischen Pumpvorrichtung
zu verbinden.
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Die in Fig. 9 gezeigte Anordnung würde dann am leistungsfähigsten
arbeiten, wenn sie Energie aus Wellen sammelt, die eine Wellenlänge zwischen 30,5
und 121,9 m (ioo und 400 Fuß) haben. Ein
Turbogenerator ist innerhalb
des Gehäuses 931 auf dem letzten Schwimmkörper der Kollektoranordnung 925 installiert,
um die Energieverluste, die durch die hydraulische Reibung in den Hydraulikleitungen
entstehen,zu minimieren. Der Schwimmkörper 925 ist beträchtlich größer als ein Football-Feld
und sollte ohne größere Schwierigkeiten einen Turbogenerator, der auf der Ober seite
installiert ist, tragen können. Zweck der Winden 912 und 911 ist es, die Ebbe- und
Flutschwankungen auszugleichen und der Anordnung die Möglichkeit zu geben, einen
schweren Sturm auszureiten.
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Die vollständige Anordnung 903 ist etwa 121,9 m (400 Fuß) breit und
457,2 m (1500 Fuß) lang. Wie bereits vorher erwähnt, haben alle Schwimmkörper in
diesem Beispiel eine Höhe von 6,1 m (20 Fuß). Eine energieerzeugende Anordnung,
die Wellen in einer Gesamtbreite von 16,1 km (10 Meilen) aufnehmen sollte, würde
132 dieser Anordnungseinheiten erfordern. Genauer gesagt würde eine derartige Anordnung
528 Schwimmkörper mit 3o,5 m x 30,5 m (loo Fuß x loo Fuß), 528 Schwimmkörper mit
3ß,4 m x 30,5 m 026 Fuß x loo Fuß), 264 Schwiinrnkörper mit 61,o m x 48,2 m (200
Fuß x 158 Fuß), 264 Schwimmkörper mit 61,0 mx 61,0 m (200 Fuß x 2oo Fuß), 264 Schwimmkörper
mit 61,0 m 76,8 m (200 Fuß x 252 Fuß), 132 Schwimmkörper mit 121,9 mx 96,6 m (400
Fuß x 317 Fuß) und 132 Schwimmkörper mit 121,9 m x 121,9 m (oo Fuß x 4oo Fuß) erordern
Der
Einsatz einer großen Anzahl identischer Schwimmkörper ist vorteilhaft, da dadurch
die Herstellungskosten jedes einzelnen Schwimmkörpers sehr stark reduziert werden.
Eine derartige Kollektoranordnung würde, sofern sie Standardanordnungsmodulen benutzt,
wie sie in Fig. 9 dargestellt sind, auch 264 Unterwasserwinden und 132 Turbogeneratoren
erfordern.
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Sofern typische Bedingungen des Nordatlantiks zugrundegelegt werden,
d.h. Wellenhöhen von 1,5 m bis 4,6 m (5 bis 15 Fuß) und Wellenlängen von 30,5 m
bis 91,4 m (1oo bis 300 Fuß),wirken auf die Modulaufreihung, wie sie in Fig. 9 dargestellt
ist, 23,86 MW Leistung ein. Hiervon werden 19 MW durch die Kollektoranordnung in
nutzbare hydraulische Energie umgewandelt. Bei der Annahme von 50 % Verlusten im
hydraulischen Kollektorsystem und dem Turbogenerator 931 bedeutet das im Durchschnitt,
daß der Turbogenerator der Anordnung 9,5 MW durch die Energieleitung 933 in das
Landversorgungsnetz abgibt.
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Um ein kommerzielles Beispiel anzuführen, sei angenommen, daß eine
Energieerzeugungseinheit, die entsprechend der bevorzugten Ausführung der Erfindung
gebaut ist, 16,1 km (1o Meilen) Gesamtwellen-Breite aufnimmt und diese Wellen Durchschnittsgrößen
des Nordatlantiks haben (Wellenhöhe mit 3,7 m (12 Fuß), Wellenlänge mit 61,0 m (200
Fuß)). Dann fällt eine totale Wellenenergie von 315 MW pro 1,6 km auf die Kollektoraufreihung
ein. Dies entspricht einer Leistung von 3150 NW, die auf die Gesamtanordnung
einwirkt.
Die Anordnung wird 80 % dieser Energie aufnehmen, was 2520 MW an hydraulischer Energie
entspricht. Schon wenn die Generatorausstattung zusammen mit dem hydraulischen Energiesammelsystem
nur einen Wirkungsgrad von 50 % hat, was vorsorglich die Annahme eines sehr niedrigen
Wirkungsgrades bedeutet, erzeugt die Station bereits eine Leistung von 1260 MW.
Dies ist mehr als die gesamte Leistung, die vom derzeit größten existierenden Kernkraftwerk
in den Vereinigten Staaten erzeugt wird.
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Unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Aspekte berechnen große Elektrizitätswerke
ca. 1,85 US-Cents für eine Kilowattstunde an Großkunden der Industrie (Houston Lighting
and Power Company, Dezember 1975). Dieser Wert wird in den nächsten paar Jahren
ansteigen, da die Energieversorgungsunternehmen gezwungen sind, von den billigen
Resourcen an Kraftstoff, wie Naturgas, auf Kohle und Uran auszuweichen. Zu diesem
Preis stellen 1260 MW einen Wert von 22 200 US- Dollar pro Stunde dar. Zugegebenermaßen
wird die von der Station erzeugte Leistung schwanken, aber 1260 MW ist ein Durchschnittswert,
der während des Jahres repräsentativ für die durchschnittliche Leistung einer derartigen
Erzeugerstation sein sollte.
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Wenn eine derartige Energiestation während 36c Tagen im Jahr arbeitet
und täglich 23 Stunden in Betrieb ist, würde diese Station Energie pro Jahr erzeugen,
die einen Wert von 183,8 Millionen Dollar darstellt. Solch eine Anlage würde 16.o93
laufende Meter (52 800 Fuß) Kollektoranordnung erfordern. Sicherlich
kann
der laufende (lineare) Fuß eines derartigen Kollektors für lo ooo Dollar gebaut
werden. Bei einem Wert von 10 ooo Dollar pro laufendem Fuß würde die Kollektoranordnung
etwa 500 Millionen Dollar kosten. Dies sind weniger Kosten als die vergleichbaren
Kosten eines Atomkraftwerks mit gleicher Kapazität. Sogar wenn die zusammengefaßten
Hydraulikakkumulatoren und Generatoren zwischen 50 Millionen Dollar und 70 Millionen
Dollar kosten, ist eine derartige Energieerzeugungsanlage vom Kostenaspekt höchst
interessant. Im Rahmen der Erfindung würden die Kapitalkosten pro Kilowatt etwa
450 Dollar betragen. Die laufenden Kosten betragen bei einem Atomkraftwerk pro Kilowatt
etwa 9oo Dollar! Bei einer Lebensdauer von 40 Jahren und ohne Anfall von Kraftstoffkosten
zeigt sich deutlich, daß die Erfindung einen beachtlichen Gewinn abwerfen würde.
Darüber hinaus sind seine Umweltauswirkungen weniger gravierend als bei konventionellen
oder atomar betriebenen Kraftwerken.
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Der Einsatz einer solchen flächenhaften hydraulischen Generatoranordnung
würde auch einen 16,1 km (10 Meilen) breiten Streifen ruhigen Wassers ergeben. Die
Anordnung würde wie ein schwimmender Wellenbrecher wirken.
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Es versteht sich, daß die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsart
und die in diesem Zusammenhang angeführten Beispiele nur einen Weg zur Realisierung
der Erfindung in der Praxis darstellen. Von Fachleuten auf diesem Gebiet können
viele andere
im Rahmen der Erfindung liegende Ausführungsformen
leicht entworfen werden. Zum Beispiel kann eine kleine Insel vollständig von einer
Kollektoranordnung umgeben sein, oder eine Kollektoranordnung in der Gestalt eines
Kreises kann in ausreichend tiefem Wasser verankert werden, um eine ruhige Lagune
zu erzeugen.