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Vorrichtung zur Umwandlung der Energie
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von Meereswellen in elektrische Energie Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zur Umwandlung der Energie von Meereswellen in elektrische Energie,
wobei das oberhalb des mittleren Wasserspiegels gestaute Wasser eine Turbine antreibt
und diese auf einen Generator arbeitet.
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Auf Grund der drohenden Verknappung an konventinellen Energieträgern,
wie Kohle und Erdöl und im Hinblick darauf, daß in-vielen Ländern diese Energieträger
nicht zur Verfügung stehen, sind schon zahlreiche Versuche unternommen worden, die
Energie von luftströmungen, der Sonne und der Meereswellen nutzbringend anzuwenden.
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So ist es bekannt( Wellenenergie,- Technologie und- Nutzung,Systemuntersuchung,ET
4134 A Ergebnisbericht, März; 1974, Franziusinstitut für Wasserbau und Küsteningenieurswesen)
ballastatabilisierte Boåen-in Form von nach unten offenen Tauchkasten einzusetzen,wobei
die luft, die durch das Steigen und Fallen der Wellenoberfläche au-s dem Kasten
verdrängt bzw. aufgesaugt wird, einen Turbogenerator anzutreiben.Es ist auch bekannt
(aaO), Flöße gienkig aneinander zu koppeln und ihre Relativbewegung
in
Pumpleistung umzusetzen, Pumpbojen gegen die Verankerung arbeiten zu lassen, wobei
das Arbeitsmedium eine Peltonturbine antreibt.Es ist auch bekannt (aaO), Oberflächenfolger
mit einem Zentralrohr vorzusehen, in dem eine Wassersäule steigt und fällt, wobei
die darüber bewegte Luftsäule einen Turbogenerator antreibt.
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Die Erfindung geht davon aus, daß die kinetische Energie der gegen
Küsten anlaufenden Brandungswellen dazu führt, daß diese Brandungswellen , sobald
sie gegen ein Hindernis,zum Beispiel Steilhänge usw, anlaufen, an diesen Hindernissen"hochlauSen",
d.h. kinetische Energie in potentielle Energieumgewandelt wird, die ihrerseits wieder
zur Erzeugung elektrischer Energie herangezogen werden könnte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
die die kinetische Energie der Meereswellea umwandelt in potentielle Energie und
diese in elektrische Energie.
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Dies Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,daß die Vorrichtung
in unterschiedlicher Höhe angeordnete Öffnungen, mit die Öffnungen in Richtung der
anlaufenden Wellen freigebenden Schließeinrichtungen aufweist und daß unterhalb
der Öffnungen als Turbine eine Eaplanturbine angeordnet ist, die über eine Welle
mit dem Generator gekoppelt ist. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die anlaufenden
Wellen an der Vorrichtung
beim " Gegenprall" in die übereinander,
bzw.in Reihen nebeneinander angeordneten und zu mehreren Reihen übereinander angeordneten
Öffnungen in die Vorrichtung eintreten und ein Zurückströmen des Wassers durch die
nur in Richtung der anlaufenden Wellen die Öffnungen freigebenden Schließeinrichtungen
verhindert wird.Auf diese Weise sammelt sich in derVorrichtung Wasser an, dessen
Flüssigkeitsspiegel sich oberhalb des mittleren Wasser spiegels der anlaufenden
Wellen befindet.Diese Eöhendifferenz zwischem diesem Wasserspiegel und dem Flüssigkeitsspiegel
bestimmt die potentielle Energie des in der Vorrichtung angesammelten Wassers ,die
in elektrische Energie umgesetzt wird. Zu diesem Zwecke ist eine Laplanturbine vorgesehen,
die sich im Bereich des Bodens der Vorrichtung befindet, wobei der WasserauslaS
der Turbine mit dem umgebenden Meereswasser in Verbindung steht.
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Erfindungswesentlich ist hierbei der Einsatz einer Kaplanturbine,
da sie bereits bei geringem Höhrnunterschied arbeitet.Infolg.e ihrer Anordnung im
Bereich des Bodens der Vorrichtung ist es erfordedich , sie iiber eine Welle mit
dem Generator zu koppeln, der vorzug-sweise außerhalb des Wasserbereichs angeordnet
ist.
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In einer bevorzugten Ausführungs-form -ist- der Generator auf der
Vorrichtung angeordnet, sodaß besondere Vorkehrungen bezüglich des Eintritts von
seewasser nicht erforderlich sind.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel die Öffnungen in einer Platte angeordnet, wobei die ochließeinrichtungen
auf der von der von den anlaufenden Wellen abgewandten Seite der Platte angeordnete
Klappen sind.Die Åusbildung der Klappen und ihre Anor--dnung ist so getroffen, daß
sie sich unter dem Einfluß der anlaufenden Wellen öffnen, jedoch unter Dichtsitz
gegen die Öffnungen anliegen, sobald das Wasser in der Vorrichtung seine Bewegungsrichtung
umkehrt und zurückzuströmen sucht.
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Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel sind die Offnungen ebenfalls
in einer Platte angeordnet, wobei die Schließeinrichtungen auf der von den anlaufenden
Wellen abgewandten zweite der Platte angeordnete K1lgel-ventile sind, die Ventilsitze
jeweils am freien Ende eines Schachtes im Inneren der Vorrichtung angeordnet sind
und die Ventilkörper inerhalb eines Käfigs angeordnet sind.Durch diese Maßnahmen
wird erreicht, daß gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel der mechanische Aufwand
zwar höher ist, jedoch das Einströmen des Wassers unbehinderter erfolgen kann. Die
rotierende Bewegung der Kugeln v-erhin-/ dert ihre Veralgung.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Platte in
Führungen der Vorrichtung verschiebbar geführt.
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Durch diese Maßnahmen ist es möglich , bei schadhaften Schließeinrichtungen
die betreffende Plattte gegen eine andere in kurzer Zeit auszutauschen, sodaß der
Störfalll in minimaler Zeit behoben werden kann.
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Gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Platte
mit den Öffnungen gegen eine massive Platte zum Seetransport bzw zur Montage austauschbar
ausgebildet.Diese MaRnahme ist vor allem zweckmäßig , wenn die Vorrichtung als Ponton
bzw. als schwimmende Insel ausgebildet ist, sodaß nach Einsetzen der massiven Platte
die Vorrichtung an ihren Bestimmungsort abgeschleppt werden kann.
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In vorteilhafter Weiterführung des erfindungsgemäßen Prinzips ist
die Platte mit den Öffnungen gegen die anlaufenden Wellen geneigtes zeigte sich,
daß hierdurch infolge der Orbitalbeweg-ung das Eintreten der Wellen noch gesteigert
werden kann.
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Für die Unterbringung bzz. der Anordnung der Vorrichtungan der Küste
ergibt sich eine vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung dadurch, daß die -Platte
mit den Offnungen und die Führungen Teil einer Wandung sind, die mit der Küste einen
Sammelraum für das Wasser der einlaufenden Wellen bildet.
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Wie der Erfinder erkannt hat, wird das Eindringehin" der ein- bzw.
anlauSe-nden Wellen noch dadurch gefördert, daß die Wandung in Richtung der anlaufenden
Wellen konkav ausEebildet ist.Diese Ausbildung hat im Nündungs bereich von Flüssen,
in der Nähe von Hafeneinfahrten usw. den Vorteil, daß ein möglichst großer Anteil
der kin-etischen Energie in potentielle Energie umgewandelt wird.Zusätzlich wird
die Bildung von Hochwasser im Küstengeblet vermindert und die Form der Wellen geändert.
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Im Tiefwasserbereich führen die Wassermassen bekanntlich eine auf-
und abgehende Bewegung in vertikaler Richtung aus, wobei die Energie in einer dazu
senkrechten Richtung weitergegeben wird.Untersuch-ungen haben gezeigt, daß hierbei
gleichzeitig eine Orbitalbegung stattfindet, die mit zunehmender Tiefe abnimmt.Der
Erfinder hat in diesem Zusammenhang erkannt, daß bei der Störung dieser Orbitalbewegung
mit zunehmender Tiefe, diese Orbitalbewegungen in der Tiefe mittels einer Einrichtung
, die im einfachsten Pall eine Platte ist,in den Bereich der Wasseroberfläche hin
"verschoben " werden können, wodurch dann der Effekt eintritt, dau eine derartige
Bewegung der Wassermassen ertolgt, die zur gröberen Wellenbildung an der erfindungsgemäßen-Vorrichtung
führt.Die Erfindung: erstreckt sich folglich au derartige Einrichtungen die ein
derartiges "Verschieben" ermöglichen..
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Um ein kontinuierliches Abströmenbzw. Abfließen des die Turbine durchströmenden
Wassers sicherzustellen, wird in weiterer Ausgestaltung d@r Erfindung das Abwasser
der Turbine über einenAbfluRmit Abzweigleitungen zurückgeführt, wobei der Abstand
der Abzweigleitungen so bemessen ist, daß der Wasseraustritt kontinuierlich im Bereich
der Wellentäler erfolgt.In einfacher Weise erfolgt dies dadurch, daß diese Abzweigleitungen
in unter schiealichen Abständen zueinander angeordnet sind, wobei den auftretenden
Wellenlängen der Wasserwellen Rechnung getragen wird.
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Die Erfindung wird in der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen
erläutert.
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Es zeigen: Fig.1 die schematische Dasrstellung eises ersten Ausführungsbeispieles
der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig.2 ein zweites ;Ausführungsbeispiel gemäß
Fig.1; Fig.3 das Ausführungsbeispiel einer Platte; Fig.4 das Ausführungsbeispiel
einer Platte nach Fig.3 im Schnitt; Fig.5 ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß
der Darstellung in Fig.4; Fig.6 eine massive Platte in Draufsicht; Fig.7 in Draufsicht
ein Ausführungsbeipiel der Führungen; Fig.? ein Ausführungsbeispiel des Turbinenabflusses
mit Abzweigkanälen im Schnitt; Fig.9' eine Einrichtung zur Umlenkung der Orbitalbewiegung;
-Fig.lO ein weitereo Ausführungsbeispiel der Einrichtung nach Fig.9; Fig.11 ein
Ausführungsbeispiel der Vorrichtung für die hohe See; Fig.12 die Anordnung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung im Küstenbereich mit konkaver Ausbildung der Wandung mit den Öffnungen
und Fig.12 in vergrößerter Darstellung die konkave Ausbildung
Fig.1.
zeigt ein erstes AusfWnrungsbeispiel.In ihr ist mit 1 ein kastenartiger Behälter
bezeichnet, der mittels der Stütze 2 beabstandet zum Meeresboden 3 im Bereich einer
nicht dargestellten Küste angeordnet ist.
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Der kastenartige Behälter ragt über den mittleren Wasserspiegel der
Meereswellen4, die als Brandunswellen genen den Behälter anrennen, hinaus.Der Boden
5 des Behälters weist eine Öffnung 5' auf, in die eine Kaplanturbine 6 eingesetzt
ist.Der Deckel 8 des Bhälters weist eine Öffnung 9 auf, die von einer kreisringförmigen
Platte 9 übergriffen ist.In das Behälterinnere zeigt end ist an dieser Platte 9
ein Rohr 10 angeflanscht, das zur Führung und Halterung einer koaxial in ihm angeordneten
Welle 12 dient, die an den Enden des Rohres in den nicht bezifferten lagern gelagert
ist.Diese Welle ist am unteren Ende ber eine Vielnutwellenverbinaung mit dem Turbinenrad
der Kaplanturbine kraftschlüssig verbunden.Auf der kreisringförmigen Platte 9 ist
eine weitere Platte 13 angeordnet, auf der der Generator 14 angeflanscht ist.Der
Generator ist ebenfalls mit der Welle 12 über eine Vielnutwellenverbindung gekoppelt.Die
kreisringförmige Platte ist auf dem Deckel des Behälters, die Platte mit dem Generator
auf der kreisringförmigen Platte angeordnet.Die Verbindung wird jeweils durch Schraubverbindungen
hergestellt.
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Nach Lösen dieser Schraubverbindungen kann diePlatte mit dem Generator
abgehoben werden, wobei seine Welle
infolge der als Steckverbindung
ausgebildeten ausgebildeten Vielnutwellenverbindung mit der Welle 12 außer Eingriff
gelangt.Ansc-hließende kann auf die gleiche Weise die kreisringförmige Platte mit
dem angeflanschten Rohr 11 entfernt werden, sodaß die Turbine frei zugänglich ist.Auf
diese Weise ist eine leichte Montage und Demontage sidwrgestellt.Die vordere Wandung
15 des kastenrtigen Behälters weist mehrere in mehreren Reihen übereinander angeordnete
Klappen 17 auf, die Öffnungen 16 iz dieser Behälterwand abdecken. Die Ausbildung
uiid Anordnung dieser Klappen ist so getroffen, daß sie die Öffnungen nur in Strömungsrichtung
des anflißenden Wassers freigeben.Die anlaufenden Wellen prallen gegen die Wandung
des Behälters an, wobei durch den Wasserdruck die Klappen 17 die Öffnungen freigeben
und Wasser in das Innere des Behälters strömt.Der Flüssigkeitsspiegel 19 im Behälter
steht. dadurch höher als die-mittlere Höhe des Wassers außerhalb des Kastens, die
mit 20 bezeichnet ist.Diese Höhendifferenz reicht zum Betreiben der Kaplanturbine
aus.Das die Kaplanturbine durchströmende Wasser verläßt den Behälter durch die Austrittsöffnung
im Boden.Der Behälter weist ferner einen EntlüStungsstutzen 20' auf.
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Fig.2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung. Die Wandung 15 mit den Klappen 17 bildet zusammen mit dem Steilhang
21 einen Teil des Behälters 22.Die Anordnung der Kaplanturbine und
des
Generators stimmt mit derjenigen in Fig.1 berlin.
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Von dem Generator führt eine Leitung 23 zur Umspannstation 24 und
von dieser führen Leitungen 25 zu den Abnehmern.
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statt in dar Wandung des Behälters können die Öffnungen und Klappen
auch in einer Pla-tte angeordnet sein, die in die Wandung eingesetzt ist.Eine derartige
mit 26 bezeichnete Platte ist in Fig 3 dargestellt.Die Draufsicht zeigt die Öffnungen
17 di die auf der Rückseite der Platte durch die nicht bezifferten Klappen abgedeckt
sind.Fig.4 zeigt den Querschnitt der in Fig.3 dargestell--ten Platte.
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Fig.5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Schließeinrichtungen
für die Öffnungen in der Wandung des Behälters bzw.in der Platte, die in Fig. 5
im Ausschnitt dargestellt ist.An die Öffnungen schließen sich in Richtung zum Behäl@erinneren
jeweils ein Schacht 27 an der als Ventilsitz 27' für einen Ventilkörper 28 ausgebildet
ist.
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An den Ventilsitz ist jeweils ein Käfig bzw ein Korb 29 angeflanscht,
der einerseits den freien Fluß des einströmenuen iassers in das BehälLerinnere erlaubt,
andererseits dafür sorgt, daß der als Kugel ausgebildete Ventilkörper im Bereich
des Ventilsitzes gehalten wird.
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Fig. 6 zeigt in Draufsicht eine massive Platte 30, die die gleichen
Abmessungen hat, wie die Platte 26 mit den Öffnungen. Beide Platten weisen Ösen
31 auf, mittels deren sie mittels eines Krans in Führungen der betreffenden
Behälterwand
eingesetzt werden können.Fig.7 zeigt im Querschnitt diese mit 33 bezeichnwten Führungen,
die in der im Ausschnitt dagestellten Behälterwand eingesetzt sind.
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Um einen kontinuierlichen Abfluß-des die Kapla-turbine durchströmenden
Wassers sicherzustellen, ist der Abfluß mit Abzweigleitungen versehen, die in Fig.8
mit 35 bzw.
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36 bezeichnet sind, wobei die Abzweigleitungen im Bereich ihrer Austrittsöffnungen
als Ventil sitze für die Ventilkörper 3+ ausgebildet sind, die innnerhalb der Körbe
bzw.
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Käfige 38 angeordnet sind.Durch diese Ventile wird erreicht, daß ein
Ausfließen von Abflußwasser nur dort erfolgt, wo der geringste Strömungswiderstand
ist, d.h.
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im Bereich der tZellentäler.Zur Erzielung des kontinuierlichen Abflusses
sid die Abzweigleitungen in derartigen Abständen angeordnet, daß stets einige von
ihnen sich im Bereich von Wellentälern befinden, d.h. , daß die Abstände im allgemeinen
unterschiedlich zueinander zu wählen sind.
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kig.9 zeigt eine Einrichtung 40 zum Verschieben der Orbitalbewegung
der Wassermassen aus der Tiefe in den Oberflächenbereich.Diese Einrichtung ist an
die Behälter wand angeflanscht, die die Öffnungen 17', sowie die Klappen 17 aufweist,Schraffiert
ist die Orbitalbewegung eingezeichnet,Die Einrichtung ist in Fig.9 als Palette ausgebildet
und zeigt schräg nach unten.
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Fig.12 zeigt eine der Fig.9 entsprechende Da stellung, wobei zusätzlich
die Turbine eingezeichnet ist.Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Fig.11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,Sie ist im vorliegenden Falle als zylinderförmiger Ponton ausgebildet
,der mit 42 bezeichnet ist.Die Klappen und Öffnungen sind auf dem Umfang verteilt
angeordnet und mit 43 bezeichnet,Die Einrichtung zur Verschiebung der Orbitalbewegung
ist als konischer Zylinderteil ausgebildet.Die Vorrichtung ist mittels der Ausleger
bzw. Anker 45 am Boden der See verankert.Sie kann auch als schwimmende Insel ausgebildet
sein.
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Fig.12 zeigt in schematisckieri Darstellung mehrere mit 46 bezeichnet
erfindungsgemäße .Vorrichtungen46 , die in Abwandlung der Fig.1 und 2 in Richtung
zur Strömung eine konkave Wandung mit den Offnungen und Schließi:-richtungen aufweisen
und im Mündungsbereich eines Flüsses angeordnet sind.
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Fig.13 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel.
Mit 55 ist der kastenförmige Behälter , mit 56 schematisch die Turbine bezeichnet-.
Zwischen den Auslegern. 57 und 58 befindet sich die konkav ausgebildete Einrichtung
58 zur Verschiebung der Orbitalbewegung.
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Die Orbitalbewegung pflanzt sich über die Klappen in den Behälter
fort, weiteres Wasser dringt in den Benälter
ein, wobei durch
den. Wasserstau an den Seitenwänden und an dtr Rückseite des Behälters der Wasser
stand im Behälter beträchtlich ansteigt.Die tür die Umwandlung in elektrische Energie
zur Verfügung stehende potentielle Energie wird bestimmt durch die Geschwindigkeit
der Orbitalbewegung der Wasserteilchen.
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Die Anordnung der Wandung mit den Offnungen und den Schließeinrichtungen
ist hierbei so getroffen, daß den auftretenden Wasserständen uiid Welienhöhen 'Rechnung
getragen ist, sodaß eine Höhenverstellung dieser Wandung bzw der die Offnungen und
Schließeinrichtungen aufweisenden Platte nicht erforderlich ist. Je nach dem im
Behälter vorha-ndenen Wasser, d.h. je nach dem Wasserstand im Behälter-bleibt eine
entsprechende Anzahl von übereinander angeordneten Reihen geschlossen.
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Klappenhöhe und Klappenbreite ist je nach den auftretenden Verhältnissen
optimiert.Da Schließen der Klappen bzw. der Ventile erfolgt hierbei durch die Schwerkraft,
wobei das Klappengewicht entsprechend zu wählen ist, um ein schnelles und sicheres
Schließen zu gewährleisten.
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- Patentansprüche '-