DE2852952A1 - Krafterzeugungseinheit - Google Patents

Description

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft die Nutzung von Wellenbewegungen, insbesondere der Bewegung von Meereswellen.

In der Vergangenheit wurden bereits viele Versuche unternommen, um die Meeresenergie zu nutzen. Es gibt drei Basisverfahren, nach denen diese Versuche gemacht wurden. Das erste Verfahren besteht darin, Schwimmkörper zu verwenden, die der Wellenbewegung folgen und Energie erzeugen. Im zweiten Fall wurden die Meereswellen genutzt, indem beispielsweise Meerwasser über oder durch einen Damm geleitet und dadurch Energie erzeugt wurde. Das dritte Verfahren, das nur zum Erzeugen einer minimalen Energiemenge vorgesehen ist, besteht darin, das Meerwasser dazu verwenden, Luft durch eine beispielsweise in einer Schwimmboje vorgesehene öffnung zu blasen, um einen Pfeifton hervorzurufen.

Diese bekannten Vorschläge hatten nur begrenzten Erfolg. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine Krafterzeugungseinheit zur Nutzung von Energie aus dem Meer zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Der Resonator kann ein Helmholtz-Resonator sein und einen eine verglichen mit der Oberfläche der direkt unter dem Luftkissen befindlichen Wassermasse relativ kleine Durchflußbreite bildenden Hals aufweisen. Es können Mittel zum Steuern

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der das Luftkissen bildenden Luft vorgesehen sein, um den Resonator einzustellen, damit eine geeignete Resonanz in Abhängigkeit von der Wellenbewegung geschaffen wird. Derartige Steuermittel können einen Sensor im Resonator und einen zum Einstellen des Luftdrucks im Resonator in Abhängigkeit von dem durch den Sensor gemessenen Druck dienenden Kompressor aufweisen.

Die Mittel zum Steuern des Medienstroms können einen Auslaß oberhalb des Halses des Resonators aufweisen, durch den Wasser beispielsweise in einen Druckbehälter gepresst werden kann. Das Wasser aus dem Druckbehälter kann einer Turbine zugeleitet werden, um einen Wechselstromgenerator oder einen anderen Generator anzutreiben und dadurch Energie zu erzeugen. Andererseits kann die Mündung des Resonators mit Flügeln versehen sein, um aus der Mündung strömendes Wasser zu steuern. Dieser Wasserstrom kann beispielsweise zum Antreiben eines Bootes oder Schiffes verwendet werden.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zum Erzeugen von Energie, wobei ein eine Mündung im Meer aufweisender Resonator vorgesehen ist, so daß eine Wassermasse und ein Luftkissen in dem Resonator eingeschlossen sind; der Druck des Luftkissens gesteuert wird, um das Wasser als Folge von durch die Wellenbewegungen im Meer hervorgerufenen Druckschwankungen zum resonieren zu bringen und Schwankungen erhöhten Drucks zu erzeugen; durch die erhöhten Druckschwankungen ein Medienstrom hervorgerufen und der so erzeugte

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Medienstrom verwendet wird, um Energie zu erzeugen.

Die Erfindung erstreckt sich weiterhin auf eine Vor-'richtung zur Verwendung in einer Krafterzeugungseinheit mit einer Kammer zum Aufnehmen eines Luftkissens und einer Wassermasse unterhalb des Lüftkissens, sowie einer Mündung unterhalb des Wasserspiegels, um die Wassermasse in der Kammer in direkten Kontakt mit dem Meer zu bringen, die sich dadurch auszeichnet, daß ein Sensor zum Messen des Drucks in der Kammer, Luftsteuermittel zum Erhöhen oder Vermindern des Luftdrucks in der Kammer, um Resonanzbedingungen zu schaffen, und Mittel zur Nutzung des als Ergebnis dieser Resonanzbedingungen hervorgerufenen Medienstroms vorgesehen sind.

Die Vorrichtung kann zwei Resonatoren unterschiedlicher Höhe, die im wesentlichen Seite an Seite mit in beiden Resonatoren vorgesehenen Sensoren angeordnet sind, und Mittel zum Steuern des Drucks der Luftkissen in den Resonatoren, um die Resonanzbedingungen in den Resonatoren aufrechtzuerhalten, aufweisen.

In den Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, ist bzw. sind:

Fig. 1a eine schematische Darstellung eines Resonators

mit einer unterhalb des Wasserspiegels liegenden Mündung;

Fig. 1b ein analoger elektrischer Stromkreis;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Krafterzeugungseinheit gemäß der Erfindung;

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Pig. 3a eine schematische Darstellung eines Antriebssystems;

Fig. 3b eine alternative Stellung eines Teils des Systems;

Fig. 4a, 4b und 4c Darstellungen der Resonatoreinstellung;

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Beispiels für eine Kraftanlage, und

Fig. 6a und 6b Darstellungen von strömungssteuernden Flügeln.

Fig. 1a zeigt einen auf Seegang eingestellten Helmholtz-Resonator 10, der im wesentlichen die Form eines umgedrehten Topfes mit einem oberen, geschlossenen Ende und einem unteren, offenen, eine Mündung 12 bildenden Ende aufweist. Die Mündung 12 des Resonators 10 befindet sich unterhalb des Wasserspiegels und der Resonator ist, wie Fig. 1a zeigt, bis zu einem veränderlichen Pegel 14 mit Wasser gefüllt, über dem Pegel 14 des Wassers befindet sich ein Luftkissen 16.

Der Wasserspiegel des unbewegten Meeres ist bei 18, eine Welle bei 20 und die Höhe des Wellenkamms bei 22 dargestellt.

Die Wassersäule in dem Resonator 10 wird durch die Wellenbewegung beeinflußt und durch geeignetes Steuern des Drucks des Luftkissens 16 ist es möglich, sicherzustellen, daß das Wasser in dem Resonator auf der Wellenfrequenz mitschwingt. Dadurch ist es möglich, relativ starke Druckschwankungen in dem Luftkissen und dem sich unterhalb des Luftkissens

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befindlichen Wasser hervorzurufen.

Um die Kennlinien eines solchen Resonators zu bestimmen, ist es möglich, einen analogen elektrischen Stromkreis zu verwenden, wie er in Fig. 1b dargestellt ist. In diesem Stromkreis liegt ein Kraftgenerator 24 zum Erzeugen einer den Druckschwankungen der Meereswellen 20 analogen Spannung und einer der Masse der Wassersäule in dem Resonator 10 analogen Induktivität L. Die Kapazität C stellt das Luftkissen 16 über der Wassermasse dar und der Energieverlust durch die Ausbreitung der Wellen aus der Mündung des Resonators wird durch den Energieverlust durch den Widerstand R dargestellt. Die dem Resonator zum Zweck der Krafterzeugung entnommene Energie ist zusammen mit gleichzeitigen Verlusten, wie Fließwiderstand, durch den Widerstand R1 dargestellt.

Die Krafterzeugungseinheit der Fig. 2 basiert auf den in Zusammenhang mit Fig. 1a und 1b dargestellten Prinzipien. Die Krafterzeugungseinheit besitzt einen Helmholtz-Resonator 26 mit einer Hauptkammer 28 und einem sich nach unten erstreckenden Hals 30. Das untere Ende des Halses 30 bildet eine Mündung 32. Der Resonator 26 ist bis zu einem beweglichen Wasserspiegel 34 mit Wasser gefüllt, wobei sich über der Wassermasse ein Luftkissen 36 befindet. Um für das Einstellen des Resonators den Druck der das Luftkissen 36 bildenden Luft steuern zu können, ist ein Drucksteuersystem 35 vorgesehen. Das Drucksteuersystem 35 hat einen in dem Luftkissen 36 angeordneten Sensor 35.1, der mit einer Steuereinrichtung 35.2 verbunden ist, um die Arbeitsweise eines umkehrbaren Kompres-

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sors 35.3 zu steuern. Der umkehrbare Kompressor 35.3 kann den Druck in dem Luftkissen 36 erhöhen oder vermindern, bis eine Resonanz erreicht wird. Der Resonator ist so angeordnet, daß sich sein Hals 30 bis unter den Wasserspiegel erstreckt.

Der Resonator 26 ist durch einen ein Rückschlagventil aufweisenden Auslaß 40 mit einem Druckbehälter 38 verbunden. Das Rückschlagventil 42 ist so ausgebildet, daß es den Durchflußquerschnitt des Auslasses 40 nicht verkleinert.

Wie Fig. 2 zeigt, hat der Druckbehälter 38 an seinem oberen Ende ein Luftkissen 44, das durch den aus dem Auslaß in den Druckbehälter 38 gelangenden Wasserstrom intermittierend zusammengepreßt wird und zum Stabilisieren des aus dem Druckbehälter durch einen Auslaß 46 zu einer Turbine 48 fließenden Wasserstroms dient. Die Turbine 48 kann eine beliebige Standardwasserturbine sein, die zum Antreiben eines Wechselstromgenerators 50, eines anderen elektrischen Generators oder einer anderen geeigneten Vorrichtung dient.

Um den Druckbehälter zu füllen, kann, falls erwünscht, eine Vielzahl von Resonatoren vorgesehen sein.

Wenn das Wasser in dem Resonator den Wellenbewegungen ausgesetzt wird, schwingt die Wassermasse zusammen mit der sich oberhalb des Wassers befindlichen Luft. Oberhalb des Halses des Resonators werden starke Druckschwankungen hervorgerufen und Wasser durch den Auslaß 40 und das Rückschlagventil 42 in den Druckbehälter 38 gepresst. Das Wasser verläßt den Druckbehälter durch den Auslaß 46 und treibt die

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Turbine 48 an.

Fig» 5 zeigt einen Krafterzeuger in einem schwimmenden Bootskörper 55, in dem eine Vielzahl von Resonatoren 26 gemäß dem der Fig. 2 angeordnet ist. Jeder der Resonatoren ist so angeordnet, daß seine Mündung 32 sich durch den Boden des Bootskörpers an einer sich ständig unterhalb des Wasserspiegels befindenden Stelle öffnet. Die Resonatoren sind paarweise angeordnet, wobei die Auslässe 40 der Resonatoren jedes Paars mit einem einzigen Druckbehälter 38 in Verbindung stehen. Die Druckbehälter 38 dienen der Wasserzufuhr zum Antreiben der Turbine 48 und damit des Generators 50. Der Bootskörper 55 kann zu jedem geeigneten Platz gebracht werden. Es versteht sich von selbst, daß dieser Krafterzeuger nicht schwimmend sein muß.

Fig. 3a und 3b zeigen einen Resonator 26, der ähnlich dem gemäß Fig. 2 ausgebildet und in einem Schiff oder Boot (nicht dargestellt) angeordnet ist. Die Teile dieses Resonators sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. bezeichnet. Der Resonator weist ebenfalls ein Drucksteuersystem zum Steuern des Drucks des Luftkissens 36 auf und die Wassermasse in dem Hals 30 schwingt wiederum zusammen mit dem Luftkissen.

An der inneren Wand des Halses ist an einer Seite des Halses ein Brett oder eine ähnliche Vorrichtung 52 schwenkbar befestigt. Dieses Brett ist mittels einer Kupplung 57 mit einer Anzahl stromlinxenförmiger Flügel 54 verbunden, so daß in

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den Resonator strömendes Wasser das Brett nach oben verschwenkt und damit zum Verschwenken der Flügel dient. Umgekehrt verschwenkt aus dem Resonator fließendes Wasser das Brett nach unten und somit die Flügel in die entgegengesetzte Richtung. Auf diese Weise kann das Wasser gezwungen werden, in den Resonator in Richtung der Pfeile 56 einzuströmen (Fig. 3a) und den Resonator in Richtung der Pfeile 58 (Fig. 3b) zu verlassen. Das zwischen den Flügeln in den Resonator hinein und aus dem Resonator heraus strömende Wasser übt damit eine veränderliche Kraft auf das die Flügel tragende Schiff aus, die verwendet werden kann, um das Schiff anzutreiben. Natürlich kann jede geeignete Anzahl von Resonatoren der verschiedensten Formen und Größen in dieser Weise verwendet werden.

Es ist möglich, anstatt des Bretts 52 und der Kupplung sich selbst ausrichtende Flügel 60 zu verwenden, wie Fig. 6a und 6b zeigen. Diese Flügel 60 sind symmetrische Flügel und jeder nach einer Seite schwenkbar an an der Mündung des Resonators 26 befestigten Anlenkpunkten 62 angelenkt. Wenn das Wasser in Richtung der Pfeile 64 in die Resonatormündung 32 fließt, drehen sich die Flügel 60 automatisch im Uhrzeigersinn, bis eine weitere Bewegung durch Anschläge, die bei 66 schematisch dargestellt sind, begrenzt wird. Die Neigung der Flügel zur Horizontalen beträgt dann 45 . Andererseits drehen sich die Flügel 60, wenn Wasser aus der Mündung herausfließt, entgegen dem Uhrzeigersinn bis sie auf schematisch darge-

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stellte Anschläge 68 treffen. Die Fließrichtung des Wassers längs des Schiffs wird dadurch automatisch durch die Flügel umgekehrt.

Eine Resonatoranordnung ähnlich der in Fig. 2 kann ebenfalls verwendet werden, um ein Schiff oder Boot anzutreiben. In diesem Fall wird der Durchfluß durch den Auslaß 40 zu· einer Düse zum Antreiben des Schiffs geleitet.

Da Meereswellen ein ziemlich breites FrequenzSpektrum, aber normalerweise überwiegend eine Frequenz haben, bei der ein Maximum an Energie entnommen werden kann, sollte der Resonator auf diese überwiegende Frequenz eingestellt werden. Das Einstellen kann durch Verändern des Luftdrucks des Luftkissens 36 bei dem Resonator der Fig. 2 und 3a erfolgen. Eine korrekte Einstellung wird durch eine maximale Druckschwankung oberhalb des Wasserspiegels angezeigt, die mittels des Sensors 35.1 gemessen werden kann.

In der Praxis ist es vorteilhaft, einen automatischen Bergfahrtmechanismus vorzusehen, um den Resonator auf der richtigen Frequenz eingestellt zu halten. Zu diesem Zweck sind .zwei Resonatoren 70 mit unterschiedlicher Höhe Seite an Seite angeordnet, wie Fig. 4a zeigt. Zunächst herrscht in beiden Lufträumen oberhalb des Wassers der gleiche Luftdruck und die Resonanzfrequenzen beider Resonatoren erhöhen sich bei einem Druckanstieg. Es gibt jedoch einen Unterschied bei der Resonanzfrequenz, wie Fig. 4b zeigt. Der untere Resonator spricht auf die höhere Frequenz an.

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Wenn die Kraft beider Resonatoren addiert wird, erhält man eine oben relativ flache Resonanzkurve. Wenn die Spitzen für die beiden Resonatoren in Fig. 4b im wesentlichen übereinstimmen, kann dem kombinierten System ein Maximum an Energie entnommen werden.

Die Resonatoren sind beide mit einer Anordnung 72 verbunden, die einen umkehrbaren Kompressor 74 aufweist, der den Luftdruck erhöht oder erniedrigt, so daß, wenn die Luftdruckschwankungen in dem Luftkissen A kleiner sind als die in dem Luftkissen B, der Kompressor 74 durch eine Steuereinrichtung 76 automatisch eingeschaltet wird, um den Druck in den Luftkissen A und B zu erhöhen, bis die Druckschwankungen in den beiden Resonatoren im wesentlichen gleich sind. Wenn die Druckschwankungen in dem Luftkissen B kleiner als die in dem Luftkissen A sind, wird der Kompressor 74 automatisch eingeschaltet, um den Druck in den Luftkissen A und B zu vermindern, bis die Druckschwankungen in beiden Resonatoren angenähert übereinstimmen. Die Druckschwankungen werden mittels Sensoren 78 gemessen. Auf diese Weise wird das System automatisch so eingestellt, daß es die maximale Wellenenergiemenge aufnehmen kann.

Das Einstellen der Resonatoren kann von der Resonanzfrequenz unabhängig gemacht werden, indem der Druck erhöht oder vermindert wird, wenn weniger Kraft gebraucht wird. Dies ist dann besonders wichtig, wenn ein Resonator zum Antreiben eines Schiffs verwendet wird, wie es unter

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Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wurde. Natürlich kann ein durch das Resonatorsystem angetriebenes Schiff auch rückwärts fahren, indem die zwischen dem Brett 52 und den Flügeln 54 liegende Kupplung 57 in ihrer Arbeitsrichtung umgekehrt wird. Normalerweise wird für ein resonatorangetriebenes Schiff eine Hilfsmaschine benötigt.

Die beschriebenen Resonatoren können in schwimmenden Wellenbrechereinheiten verwendet werden, die pro Einheit aus mindestens zwei Resonatoren bestehen, wobei ein ähnlicher Bergfahrtmechanismus für das Einstellen der Resonatoren verwendet werden kann, wie der, der in Zusammenhang mit Fig. 4a beschrieben wurde. Energie kann entnommen werden, indem oberhalb des Halses des Resonators an einer zwischen den Resonatoren und einem dem Druckbehälter der Fig. 2 ähnlichen Druckbehälter liegenden Verbindung ein geeigneter Anschluß vorgesehen wird.

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Claims (10)

1. Anmelder: JOHAOTiES PETRUS ALBERTUS LOCHNER 13 Aberdour Crescent, Humewood Extension Port Elizabeth, Cape Province Südafrika

   "Krafterzeugungseinheit"

   Patentansprüche:

   ( 1 .) Krafterzeugungseinheit, die eine Mündung im Meer, eine Wassermasse und Luft oberhalb der Wassermasse aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft innerhalb eines Resonators (26,70) ein Luftkissen (16,36,A,B) bildet und regulierbar ist, um das Wasser als Folge von durch die Wellenbewegungen des Meeres hervorgerufenen Druckschwankungen zum resonieren zu bringen, wobei erhöhte Druckschwankungen hervorgerufen werden; daß die Einheit so aufgebaut ist, daß die erhöhten Druckschwankungen einen Medienstrom hervorrufen und daß Mittel (48,50,54,60) vorgesehen sind, um den so erzeugten Medienstrom zu nutzen.
2. 2. Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator einen eine verglichen mit der Oberfläche der direkt unter dem Luftkissen befindlichen Wassermasse relativ

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   ORiGiNAL

   kleine Durchflußbreite bildenden Hals (30) aufweist.
3. 3. Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Steuermittel (35,72) vorgesehen sind, die einen Sensor (35.1,78) im Resonator und einen zum Einstellen des Luftdrucks im Resonator in Abhängigkeit von dem durch den Sensor gemessenen Druck dienenden Kompressor (35.3,74) aufweisen.
4. 4. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Nutzung des Medienstroms einen Auslaß (40) oberhalb des Halses des Resonators, durch den Wasser gepresst werden kann, Mittel (38) zum Stabilisieren des den Resonator durch den Auslaß verlassenden Mediums und Mittel (48,50) zur Erzeugung von Energie unter Verwendung des Medienstroms, aufweisen.
5. 5. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Nutzung des Medienstroms Mittel (54,60) aufweisen, die das aus der Mündung des Resonators fließende Wasser steuern.
6. 6. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im wesentlichen nebeneinander angeordnete Resonatoren (70) unterschiedlicher Höhe vorgesehen sind, wobei die Resonanzfrequenzen beider Resonatoren und der Druck der in ihnen eingeschlossenen Luftkissen (A,B) derartig sind, daß die Druckschwankungen in den Resonatoren im wesentlichen gleich sind.

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7. 7. Verfahren zum Erzeugen von Energie mittels einer Krafterzeugungseinheit gemäß Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 6, die eine Mündung im Meer aufweist, so daß die Einheit eine Wassermässe und ein Luftkissen oberhalb des Wassers einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Luftkissens {16,36,A,B) gesteuert wird, um das Wasser als Folge von durch die Wellenbewegungen im Meer hervorgerufenen Druckschwankungen zum resonieren zu bringen und Schwankungen von erhöhtem Druck zu erzeugen; daß durch die erhöhten Druckschwankungen ein Medienstrom hervorgerufen und der so erzeugte Medienstrom verwendet wird, um Energie zu erzeugen.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des hervorgerufenen Medienstroms im wesentlichen stabilisiert und dann einer Turbine (48). zugeführt wird, um Energie zu erzeugen.
9. 9. Vorrichtung zur Verwendung in einer Krafterzeugungseinheit gemäß Anspruch T oder einem der Ansprüche 2 bis 6, mit einer Kammer zum Aufnehmen eines Luftkissens und einer Wassermasse unterhalb des Luftkissens und einer Mündung unterhalb des Wasserspiegels, um die Wassermasse in der Kammer in direkten Kontakt mit dem Meer zu bringen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (35.1,78) zum Messen des Drucks in der Kammer, Luftsteuermittel (35.2,35.3,74,76) zum Erhöhen oder Vermindern des Luftdrucks in der Kammer, um Resonanzbedingungen zu schaffen, und Mittel (54,60,48,50) zur Nutzung des als

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   Ergebnis dieser Resonanzbedingungen hervorgerufenen Medienstroms vorgesehen sind.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Resonatoren (70) unterschiedlicher Höhe, die im
    wesentlichen Seite an Seite mit in beiden Resonatoren vorgesehenen Sensoren (78) angeordnet sind,und Mittel (72) zum Steuern des Drucks der Luftkissen (A,B), um die Resonanzbedingungen in beiden Resonatoren aufrechtzuerhalten, vorgesehen sind.

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