DE2843023A1 - Wellenenergievorrichtung - Google Patents

Wellenenergievorrichtung

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DE2843023A1 DE19782843023 DE2843023A DE2843023A1 DE 2843023 A1 DE2843023 A1 DE 2843023A1 DE 19782843023 DE19782843023 DE 19782843023 DE 2843023 A DE2843023 A DE 2843023A DE 2843023 A1 DE2843023 A1 DE 2843023A1
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Description

Wellenenergievorrichtung
Die Erfindung betrifft Energieumwandlung, insbesondere die Umwandlung von Energie aus der Wellenbewegung einer Flüssigkeit.
Wellenbewegung wird seit langem als Potentialquelle für die Krafterzeugung angesehen und es wurden eine Anzahl von Vorschlägen zur Gewinnung dieser Kraft gemacht, z.B. in der schwebenden britischen Patentanmeldung Nr. 3o142/76 der Anmelderin.
Gemäß der Erfindung ist eine Wellenenergievorrichtung gekennzeichnet durch mindestens eine durch Flüssigkeitswellen betätigte Pumpe, wobei jede Pumpe einen Oberflächenschwimmer oder ein Floß aufweist, das sich den Änderungen des Flüssigkeitsoberflächenniveaus während des Wellendurchganges teilweise anpaßt, und durch einen von dem Floß herabhängenden elastischen Schlauch, dessen Volumen beim Auseinander- oder Zusammenziehen veränderbar ist und der Einlaß- und Auslaßeinwegventile sowie Mittel umfaßt, die das untere Ende des Schlauches auf im wesentlichen konstanter Höhe unterhalb der Flussigkeitsoberfläehe halten.
Beim Betrieb der Vorrichtung bewirkt die Relativbewegung des Oberflächenschwimmers oder Floßes und des unteren Schlauchendes ein Hineinpumpen von Flüssigkeit in den Schlauch durch ein Einlaßventil, wenn das Schlauchvolumen zunimmt und einen Flüssigkeitsausstoß durch ein Auslaßventil, wenn das Schlauchvolumen abnimmt. Der sich ergebende Wasserstrom kann dann z.B. in eine Turbine od.dgl.
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zur Erzeugung von Elektrizität eingeleitet werden.
Wenn die Kapazität einer Pumpe nicht ausreicht, können mehrere Pumpen in einer Reihe angeordnet sein, um mehr Flüssigkeit zu pumpen. Bei einer Pumpenreihe ist es vorteilhaft, jede einzelne Pumpe mit einer flexiblen schwimmenden Matrix an der Oberfläche und einer Matrix unter der Oberfläche zu verbinden, die größere Dichte als das Umgebungsfluid hat.
Eine Pumpenreihe kann sich als Linie über die Oberfläche des Fluids oder als Floß in beiden Richtungen über die Oberfläche erstrecken. Wenn die Pumpeneinheiten in einer Linie angeordnet sind, kann jede von ihnen ähnlichen Wellenverhältnissen ausgesetzt werden. Bei einem zweidimensionalen Oberflächenfloß, das rechtwinklig zur WeI-lenfront ausgerichtet ist, unterliegen die den ankommenden Wellen nächstgelegenen Pumpen der vollen Welleneinwirkung, während die zu diesem Rand weiter zurückgesetzten Pumpen allmählich abgeschwächten Wellen ausgesetzt sind. Eine Pumpenreihe kann durch ein Leitungssystem verbunden sein, um das durch die Auslaßventile abgepumpte Wasser zu sammeln. Bei normalen windgetriebenen Seewellen wird der ν pulsierende Wasserstrom von jeder Pumpeneinheit jeder Pumpenreihe zusätzlich in das Leitungssystem eingelassen, damit eine gleichmäßigere Strömung am Leitungsauslaß vorhanden ist.
Der aus seiner freien Grundlänge auseinandergezogene Schlauch kann eine Rückstellkraft ausüben, um seine ursprüngliche Länge wieder zu erhalten. Die Wellenenergievorrichtung kann auch mit einem Schlauch betrieben werden, der in zusammengedrücktem Zustand eine Rückstellkraft aufbringt. Die durch die Wellenbewegung hervorgerufenen
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Längenänderungen des Schlauches bewirken eine Änderung des eingeschlossenen Schlauchvolumens wie bei einer Ziehharmonika. Vorzugsweise verursacht die Volumenänderung des elastischen Schlauches einen einseitig gerichteten Flüssigkeitsstrom, indem Flüssigkeit durch das Einlaßrückschlagventilsystem hineingezogen wird, während das Volumen des Schlauches zunimmt und indem Flüssigkeit durch ein zweites Rückschlagventilsystem, beispielsweise in eine Leitung ausgestossen wird, während das Volumen abnimmt.
Zwischen dem Einlaß- und Auslaßventil können gewünschtenfalls weitere Ventile angeordnet sein, beispielsweise um den Rückstrom zu verringern. Der Schlauch muß eine ausreichende strukturelle Festigkeit haben, damit er die Volumenänderungen aushält, die von den Wellen hervorgerufen werden, wenn er den schwankenden Drücken ausgesetzt ist, die sich durch das Pumpen des Fluids ergeben. Der Schlauch kann als flexible Röhre, z.B. als balgartiger Staubsaugerschlauch, ausgebildet sein, bei dem die erforderliche Rückstellkraft während der Verlängerung und/oder Verkürzung durch eine Schraubenfeder hervorgerufen wird, die z*B. mit erweichtem Polyvinylchlorid, synthetischem und natürlichem Kautschuk umhüllt oder abgedeckt bzw. in dieses Material eingebettet ist. Die Federn können aus korrosionsbeständigem Material, z.B. rostfreiem Stahl, bestehen oder in eine Schutztasche in der äußeren Abdeckhülle untergebracht sein.
Bei einer alternativen Ausbildung der Einwegventile weist ein kontinuierlicher Balgabschnitt eine oder mehrere innere konische Vorsprünge auf, wobei vorzugsweise der Durchmesser jedes konischen Vorsprunges in Richtung der
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Bewegung der Flüssigkeitswellen durch die Vorrichtung verjüngt ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Innenwandung des schwimmenden Schlauches so gestaltet, daß sie dem Flüssigkeitsstrom in einer Richtung geringen Widerstand und in der umgekehrten Richtung hohen Widerstand entgegensetzt. Eine oder mehrere Strömungsregelabschnitte bewirken daher, daß die Flüssigkeit in nur eine Richtung gepumpt wird. Dieser einseitig gerichtete Flüssigkeitsstrom kann dann direkt zur mechanischen Arbeit oder zur Erzeugung von Elektrizität ausgenutzt werden.
Ferner kann vorteilhaft der die Strömung regulierende Teil des schwimmenden Schlauches aus im wesentlichen starren Material hergestellt sein, während die sich anschließenden Teile aus flexiblem Material bestehen und ihre Verstellbewegungen einen Flüssigkeitsstrom in nur einer Richtung in dem Schwimmschlauch erzeugen.
Wenn die Vorrichtung in seichtem Wasser betrieben wird, d.h. wenn die Wellenlänge der längsten Wellen, in denen die Vorrichtung arbeiten soll, größer als die doppelte Waesertiefe ist, wird vorzugsweise das untere Ende des Pumpenschlauches an ein Verankerungssystem auf dem Gewässärgrund angeschlossen, damit den Auftriebskräften eine senkrechte Halterung entgegenwirkt. In tieferem Gewässer besteht das Verankerungssystem vorteilhaft aus einer Gitterplatte, die von dem Pumpenschlauch so weit unter der Oberfläche herabhängt, daß sie von den Oberflächenwellen weitgehend unbeeinflußt bleibt. Die Platte oder das Gitter besitzt eine große hydraulische Impedanz, um eine Halterung gegen den Oberflächenauftrieb zu be-
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wirken und ihr Gewicht reicht aus, um die Platte gegen die von dem in Wellen arbeitenden Pumpenschlauch ausgeübten, nach oben gerichteten Kräfte wieder in ihre Stellung in ruhigem Gewässer zurückzubringen. Wenn die Pumpen zur Bildung eines Floßes durch eine flexible Matrix an der Oberfläche in einer Reihe miteinander verbunden sind, werden die abgesenkten Platten oder Gitter jeder Pumpe vorzugsweise durch eine ähnliche Matrix aneinandergeschlossen.
Die obere und die untere Matrix können aus einem Netzwerk aus Naturfaser oder Kunststoffseil oder aus einem Gitter bzw. einer Matte aus Kunststoff, Holz oder Metall hergestellt sein.
Die untere Platte oder das Gitter (Gegengewicht) ist vorzugsweise mit aufblasbaren Kammern versehen, die während des Schlepptransports zu dem Einsatzort mit Luft gefüllt sind, damit die Tauchtiefe des Systems verringert wird. Durch anschließendes Fluten der Kammern sinkt die untere Platte auf das gewünschte Arbeitsniveau ab.
Die Konstruktion ist mit geeigneten Mitteln zum Abschleppen und zur Montage sowie zur Verankerung versehen, z.B. mit Kabeln und Seilen. Die Verankerung kann mittels Seilen oder Drähten, z.B. aus Nylon, oder Ketten an einer Boje oder unmittelbar an Meeresgrundankern erfolgen.
Die Konstruktion der Vorrichtung ist bestimmt durch die herrschenden Wellenverhältnisse und die Art der erforderlichen Fluidströmung. Vorzugsweise sollen die abgesenkten unteren Platten so schwer sein, daß die Auftriebseinheiten in ruhiges Gewässer etwa halb eingetaucht sind.
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Vorzugsweise haben die Oberflachenschwinuner über den zum Schwimmen in ruhigem Gewässer erforderlichen Auftrieb hinaus genügend Auftrieb, so daß sie während des Durchganges des zu erwartenden maximalen Wellenberges gerade an der Oberfläche bleiben, während sie den Pumpenschlauch etwa um die halbe Wellenhöhe ausdehnen. Die Rückstellkraft des auf seine normale zusammengezogene Länge zurückkehrenden Schlauches bestimmt dann den maximalen Druck, mit dem jede Einheit pumpt. Für einen gegebenen Satz von Wellenzuständen können die Schläuche so gewählt sein, daß sie ein kleines Volumen mit verhältnismäßig hohem Druck oder ein großes Volumen mit geringem Druck oder irgendwelche dazwischenliegenden Kombinationen pumpen.
Die Vorrichtungen können für verschiedene Wasserpumpvorgänge gebraucht werden, z.B. zum Aufblähen von Balken zur Wellenberuhigung oder zum Pumpen von Seewasser für Spurenelement-Extraktionsanlagen.
Die Vorrichtung kann zum Pumpen des Fluids eingesetzt werden, in dem die Wellen auftreten oder sie kann durch Anordnung von Leitungssystemen sowohl an den Einlaßais auch an den Außlaßventilen eine andere Flüssigkeit oder Luft in einem geschlossenen Kreislauf pumpen.
Für den Seewasserbetrieb sollten Werkstoffe verwendet werden, die gegen Korrosion und Meeresverschmutzungen resistent sind.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Beispieles näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Wellenenergievorrichtung mit einem einzigen senkrechten elastischen Schlauch-Pumporgan,
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Fig. 2 und 3 einen waagerechten und einen senkrechten Schnitt einer mehrteiligen Vorrichtung mit senkrechten Pumpen,
Fig. 4, 5 und 6 verschiedene Ausfuhrungsformen flexibier Schläuche.
Gemäß Fig. 1 trägt ein Oberflächenschwimmer 1 aus Kunststoff schaum einen balgartigen Schlauch 2, der aus einer schraubenförmig gewundenen Stahlfeder besteht, die kunststoffbeschichtet ist und an dem eine untere Halteplatte 3 befestigt ist. Wenn ein Wellenberg den Schwimmer anhebt, wirkt die in ruhigem Wasser befindliche Halteplatte 3 der nach oben gerichteten Bewegung entgegen und verursacht ein Auseinanderziehen des Schlauchbalges. Die sich ergebende Volumenzunahme ist begleitet von einem Wasserstrom durch ein Grobfilter 4 und ein Rückschlag-Gummiklappen-Einlaßventil 5. Nach Durchgang des Wellenberges und Annäherung eines Wellentales veranlaßt die Rückstellkraft in dem auseinandergezogenen Schlauchbalg eine Zusammenziehung und einen Ausstoß des Wassers durch ein Auslaßventil 6.
Fig. 2 und 3 zeigen eine mehrteilige Wellenkraft-Pumpenreihe. Eine Reihe von Pumpen können gemeinsam eingesetzt werden, damit große Seewassermengen zur Elektrizitätserzeugung gepumpt werden können. Mehrere Oberflächenschwimmer 1, die Kunststoffschaumblöcke aufweisen, sind auf einem Oberflächennetz oder -gittersieben angeordnet und der erzielte Auftrieb ist im wesentlichen grosser als der nur für die Schwimmfähigkeit erforderliche Auftrieb.
Mit dem Schwimmer 1 ist ein an einem Ende offenes Leitungsrohrsystem 8 verbunden, an das mehrere Schläuche 2 angeschlossen sind, die senkrecht zu einer unteren
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Gitterplatte 3 verlaufen. Die Schläuche 2 haben Ziehharmonikaoder Balgform und sind bestrebt, diese Form wieder zu erhalten, wenn sie zusammengedrückt oder auseinandergezogen sind.
Jeder senkrechte Schlauch 2 ist an jedem Ende mit einem Einwegventil 5 bzw. 6 ausgestattet. Das Ventil an dem der Gitterplatte 3 zugewandten Ende des Schlauches 2 läßt nur Flüssigkeit in den Schlauch 2 ein, während das Ventil an dem floßseitigen Ende des Schlauches 2 nur einen Austritt der Flüssigkeit aus dem Schlauch 2 in das Leitungsrohrsystem 8 ermöglicht. Das Ventil-5 enthält einfach eine Gummiklappe, die an einer Gelenkstelle an dem Schlauchende angebracht ist.
Zum Einsatz in Seewasser ist es zweckmäßig, ein Filter 4 an dem Einlaß zu den Schläuchen 2 vorzusehen, um die Möglichkeit einer Ventilblockierung zu verringern.
Beim Betrieb der Vorrichtung verursacht eine ankommende Flüssigkeitswelle eine entsprechende Anhebung des Schwimmers 1. Die untere Gitterplatte 3 bleibt aufgrund ihrer Trägheitskraft im wesentlichen auf gleicher Flüssigkeitshöhe und daher verursacht die Relativbewegung zwischen dem Floß 1 und der Verankerungsplatte 3 abwechselnd eine Zusammendrückung und Auseinanderziehung der Schläuche 2, wenn die die Bewegung auslösende Welle fortschreitet.
Wenn daher ein einzelner Schwimmer 1 sich bei Annäherung eines Wellenberges hebt, öffnet das zugeordnete Einlaßklappenventil 5, wenn Wasser durch den Filter 4 in den Schlauch 2 eingesogen wird. Wenn der Schwimmer 1 mit einer Welle durch die Rückstellkraft des auseinandergezogenen Schlauches 2 abfällt, wird Wasser aus dem Auslaßventil 6 in das Leitungsrohrsystem 8 gedrückt. Das Leitungsrohrsystem, das selbst flexibel ist, sammelt Wasser
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von allen Pumpeneinheiten und führt es zu einer Turbineneinheit 9, die in einem geschützten Wasserbereich am hinteren, den ankommenden Wellen entgegengesetzten Ende der Reihe schwimmt. Von der Turbine 9 gelangt das Wasser zurück ins Meer. Der Wasserstrom ist das Ergebnis vieler Pumpen, die alle phasenverschoben arbeiten und dem Turbinenrohr Wasser zuführen.
Die Reihe kann von der unteren Platte 3 an herkömmlichen Ankern oder Betonblöcken verankert sein.
Versuche mit Modellen des Pumpsystems wurden in einem 16 χ 3,6 χ 1,2 m großen Wellentank durchgeführt. Die einzige Pumpeneinheit bestand aus einer Auftriebszelle 1 mit einer Größe von 15o χ 2o5 χ 5o mm, von der senkrecht ein Ansaugschlauch 2 eines Haushaltsstaubsauqers mit einem Durchmesser von 35 mm herabhing. Dieser war an dem Auftriebskörper 1 mittels eines T-förmigen Rohranschlußstückes gemäß Fig. 1 mit einem Durchmesser von etwa 31,75 mm angeschlossen. Die Schlauchlänge betrug 22o mm (zusammengedrückt) und 6oo mm (frei im Wasser herabhängend)
An jedem Ende des Schlauches 2 befand sich ein Rückschlagventil 5 bzw. 6, das aus Scheiben aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von etwa 31,75 mm und nylonverstärktem Polychloropren bestand, so daß die Strömungsrichtung innerhalb des Schlauches senkrecht nach oben gegen den Auftriebskörper verlief. Die Eigenschaften des Pumpenschlauches 2 wurden durch Änderung der Verankerungshöhe des unteren Endes des Schlauches verändert, wobei ein idealisiertes System einer an dem Tank befestigten Klemme verwendet wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Strömungsrate einer einzigen Pumpe in einem
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Bereich von Wellenverhältnissen arbeitenden Pumpeneinheit wurde für eine Reihe oder Arbeitsausdehnungen gemessen (die Pumpenschlauchlänge, wenn das untere Ende festgeklemmt und der Oberflächenschwimmer in ruhigem Wasser war). Diese Strömungsrate wurde bestimmt bei 22o mm über dem statischen Wasserstand befindlichem Auslaßrohr, d.h. einem Arbeitsdruck von etwa o,24 kg/cm Die Ergebnisse zeigten, daß die Einheit eine optimale Arbeitsausdehnung zwischen 7oo und 73o mm hatte. Über und unter diesem Wert nahm die Strömungsrate ab.
Tabelle 1 - Strömungsraten Abmessung des Auftriebskörpers: 2o5 χ 15ο χ 5o mm
Auf 15o mm Auftriebskörper-Abmessung auftreffende Wellen
Wellenlänge Amplitude ^ mm
Arbeitsausdehnung (mm) 67o 7oo 73o 76o 82o
36 47 65
515 1325 85o 72o 358 153o 2o95 2ooo 191o 1446 2667 272o 3429 316o 2667
3o 4o 53
49o 653 6o3 643 4oo 1o8o 1167 1287 1267 1ooo 157o 185o 215o 2o69 167o
3o 41 52
15o 35o 24o 293 19o 51o 64o 6oo 57o 51o
1143 133o 1227 124o 118o
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Fig. 4, 5 und 6 veranschaulichen verschiedene Ausführungsmöglichkeiten der flexiblen Schläuche.
Gemäß Fig. 4 ist ein flexibler kontinuierlicher Schlauch gewellt nach der Art eines Balges oder einer Ziehharmonika gestaltet. Vorstehende Kegel oder andere geeignete Formkörper sind an den Innenwänden des balg- oder ziehharmonikaförinigen Schlauches befestigt. Geeignete Kegelvorsprünge bestehen aus Trichtern 1of deren Schäfte abgeschnitten sind, wobei die größeren Öffnungen der Trich-ο ter kontinuierlich mit dem Innenumfang 11 des balg- oder ziehharmonikaförmigen Schlauches verbunden sind, um eine Reihe von Ventilen zu bilden.
Fig. 5 veranschaulicht eine abgewandelte Form eines Schlauches, der abwechselnd flexible gewellte Abschnitte 12 und steife glatte Abschnitte 13 aufweist. Innerhalb der steifen Abschnitte 13 sind Strömungsregelorgane oder Vorsprünge 14 befestigt.
Fig. 6 zeigt eine weitere Schlauchform mit integrierten Strömungsregelorganen oder Vorsprüngen 15. Während der elastischen Verstellbewegung des Schlauches verändern sich die Positionen der Vorsprünge 15, wie gestrichelt angedeutet. Die Profilierung des Schlauchinneren erlaubt, daß gegenüberliegende Paare von Vorsprüngen als halbe * Einwegventile wirksam sind und eine Strömung des innerhalb des Schlauches gepumpten Wassers in nur einer Richtung verursachen.
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Claims (15)

  1. Ansprüche
    [ 1.) Wellenenergievorrichtung, gekennzeichnet durch mindestens eine durch Flüssigkeitswellen betätigte Pumpe, wobei jede Pumpe einen Oberflächenschwimmer oder ein Floß (1) aufweist, das sich den Änderungen des Flüssigkeitsoberflächenniveaus während des Wellendurchganges teilweise anpaßt, und durch einen von dem Schwimmer oder Floß (1) herabhängenden elastischen Schlauch (2), dessen Volumen beim Auseinander- oder Zusammenziehen veränderbar ist und der Einlaß- und Auslaßeinwegventile (5, 6) sowie Mittel (3) umfaßt, die das untere Ende des Schlauches (2) auf im wesentlichen konstanter Höhe unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche halten.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Schlauch (2) eine flexible Leitung ist, die eine Schraubenfeder aufweist, welche in eine flexible Umhüllung eingebettet bzw. mit dieser überzogen ist.
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  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Umhüllung aus erweichtem Polyvinylchlorid, synthetischem oder natürlichem Kautschuk
    besteht.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder aus korrosionsbeständigem Metall hergestellt ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder von einer Schutztasche umgeben ist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Schlauch aus einem federbelasteten Balgkörper besteht.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Einwegventile als Rückschlagventil ausgebildet ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einwegventile einen kontinuierlichen Balgabschnitt mit einem oder mehreren konischen Vorsprüngen enthalten, wobei der Durchmesser jedes konischen Vorsprunges in Richtung der Flüssigkeitswellenströmung
    entlang der Vorrichtung abnimmt.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des elastischen Schlauches so profiliert ist, daß sie dem Flüssigkeitsstrom in einer
    Richtung, geringen Widerstand und dem Flüssigkeitsstrom in umgekehrter Richtung großen Widerstand entgegensetzt.
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  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Schlauch starre Rohrabschnitte (13) enthält, die konische Vorsprünge (14) aufweisen, welche sich in Richtung des Flüssigkeitswellendurchganges verjüngen, und daß die starren Rohrabschnitte (13) mittels elastischer Schlauchabschnitte (12) miteinander verbunden sind.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halteorgan eine Platte oder ein Gitter (3) mit großer hydraulischer Impedanz gegen senkrechte Bewegung dienen, die durch die auf den Oberflachenschwimmer oder das Floß wirkenden Flüssigkeitswellen hervorgerufen wird.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte oder das Gitter (3) mit aufblähbaren Kammern ausgestattet ist, die während des Schlepptransportes zu dem Einsatzort mit Luft gefüllt sind und die dann geflutet werden, bis die Platte oder das Gitter auf das gewünschte Arbeitsniveau absinkt.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenschwimmer oder das Floß (1) ein Netz oder eine Matte aufweist, der Auftriebskraft innewohnt oder an der Auftriebskörper befestigt sind.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnnet, daß das Netz oder die Matte aus Holz oder Kunststoff material hergestellt ist.
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  15. 15. Vorrichtung nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die gepumpte Flüssigkeit zum direkten oder indirekten Antrieb energieerzeugender Einrichtungen benutzbar ist.
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DE19782843023 1977-10-13 1978-10-03 Wellenenergievorrichtung Withdrawn DE2843023A1 (de)

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