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Vorrichtung zur Erzeugung von Energie aus Fieereswellen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung
hydraulischer oder elektrischer Energie aus Meereswellen mit Hilfe eines Schwimmkörpers,
eines Energiewandlers und eines Verbindungsgliedes zum Meeresboden.
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Meereswellen haben einen hohen Energiegehalt, werden stets nachgebildet
und stehen kostenlos zur Verfügung. Zur Nutzung dieser Energie wurden bereits viele
Vorschläge gemacht.
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Eine kommerzielle Anwendung fand bisher jedoch nicht statt, weil nicht
alle Voraussetzungen hierzu erfüllt waren.
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Die Wellenenergie wird durch Kreisschwingung des Wassers fortgeleitet.
Ganz gleich in welcher Wellenphase die Energie von einer Vorrichtung zuerst empfangen
wird, darf der zweite Teil der Vorrichtung, der Energiewandler dieser Kraft nicht
ausweichen. Aus den Patentschriften US-Patent 3297300, DE-B-3039030, DE-A-2629246
und DE-A-3027593 sind Vorrichtungen bekannt,bei denen starre Konstruktionen aus
Stahl oder Beton vom Meeresboden oder vom Üfer ausgehend die Wellenenergie aufnehmen.
Derartige Vorrichtungen sind sehr aufwendig und teuer in der Herstellung.Dasselbe
gilt auch für die aus d<n Patentschriften FR-Patent 7601348, DE-A-3133597, DE-A-2837869
bekannten großen Schwimmkörper, die aufgrund ihrer eigenen Trägheit den Energiegehalt
der Meereswellen verwerten sollen.
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Aus den Patentschriften DE-A-2934004, DE-A-3044198 und aus der Veröffenlichung
von H. Kayser,Meerestechnik 5 (1974) S.29 sind weiterhin schwimmende Wände,Dämpferplatten,
Membranen und Schwimma ter bekannt, die aber nicht genügend ortsfc:;t sind, wodurch
nur eine geringe Ausnutzung der Wellenenergie mit einem geringerem Wirkungsgrad
möglich ist.
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Wesentlich vorteilhafter ist eine Verbindung der Vorrichtung zum
Meeresboden, die auf Zug beansprucht wird, wie sie in den Patentschriften DE-A-2812618,
DE-A-3035123, DE-A3117099 und DE-GbM-7834501 beschrieben ist. Diese Vorrichtung
ist r;ehr einfach in der Konstruktion, äußerst preiswert in der Herstellung und
besitzt außerdem einem hohen Wirkungsgrad.Die bekannten
Vorrichtungen
hauben aber den Nachteil, daß sie sich nicht an Wasserstandsänderungen anpassen
können. In Küstennähe verändert sich der durchschnittliche Wasserstand durch Tidenhub
und durch Wasserstau bei anhaltenden Winden erheblich z.B. um 6-8 Meter.
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Vorrichtungen zur Nutzung der Meereswellen müssen sich dem anpassen
können. Fiir Schwimmer, die am tieeresboden verankert sind, gibt es bisher keine
brauchbare, ausreichende Lösung.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
der cinlcitend genannten Art zu schaffen, mit der es auf einfache Weise möglich
ist, die wechselnden Wasserstänje und Wellen zu berücksichtigen.
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Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Ausbildung
Gemäß der Erfindung daduch gelöst, daß das Verbindungsglied in seiner Länge veränderlich
und die Länge durch die Arbeitsgrenzen des Energiewandlers steuerbar ist.
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In einer besoners vorteilhaften Ausführungsform ist das Verbindungsglied
mit einer Einrichtung versehen, die die wirkende Kraft oder den Kraftweg um ein
mehrfaches erhUht.
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In einer speziellen Ausführungsfõrm wird die Kraft oder der Kraftweg
durch eine Hebelübersetzung erhöht. Besondors geeignet sind flaschenzugartige Einrichtungen
oder auch deren Kombination mit Hebeldbersetzungen sodaß auch ungünstige Kraftübersetzungesverhältni6se
bei Wellenhöhen von 2, 3 oder mehr Metern noch gut beherrscht werden können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Schwimmkörper relativ
flach hergestellt, sodaß für die zu leistende Auftriebskraft oder Hubkraft eine
zusätzliche Tauchtiefe T entsteht, die zu der dritten Wurzel des verdrängten Volumens
V im Verhältnis steht wie
bis 1/10, vorzugsweise im Verhältnis wie 4/10 bis 2/10. Schwimmkörper als Energieempfänger
verbrauchen einen Teil der Wellenhöhe zur Bildung der Auftriebskraft und den Rest
für den Beg deP Arbeitsleistung.
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Das Produkt aus Kraft mal Weg ergibt den Energiegewinn.Bei gleicher
Verdrängung haben Körper die kugel- oder tonnenförmig sind nur einen kurzen Hubweg
und somit schlechten Wirkungsgrad.
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1sittelhohe und kleinere Wellen können kaum genutzt werden.
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Nachstehende Tabelle zeigt den unterschiedlichen Energiegewinn von
Schwimmern gleicher Hubkraft mit Verdrängung V=3 m) aber verschiedener Tauchtiefe
T, bzw. einem Verhältnis von
T in Meter 1,44 1,15 0,87 0,58 0,29 0,14
1 ,o 0,8 0,6 0,4 0,2 0,1 Wellenhöhe Energiegewinn in Kilo-Joule 1 Meter - - 3,9
12,6 21,. 25,8 1,5 " 1,8 10,5 18,9 27,6 76,) 40,8 2 " 16,8 25,5 33,9 42,6 51,3 55,8
Die größeren Schimmerflächen ermöglichen außerdem eine leichte Montage aller Maschinenteile
auf einer Plattform.
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Sie befinden sich stets oberhalb der Wasserlinie und können durch
eine wasserdichte Einkapselung vor Feuchtigkeit und Korrosion geschützt werden.
Bei stürmischer See sind flache Schwimmkörper wesentlich weniger dem Wind- und seitlichen
Wellendruck ausgesetzt. Seitliche Verankerungen der Vorrichtung gegen Drift sind
leichter auszuführen und sicherer.
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Als Material für Schwimmkörper mit hohem Auftrieb werden Polymer-Hartschäume
vorgeschlagen. Sie sind korrosionsfest, alterungsbeständig, haben eine Dichte von
0,02-0,031einen hohen Auftrieb, sind sinkfest und preiswert. Die Oberfläche kann
zusätzlich z.B. mit einer zähen Kunotstoffschicht geschützt werden.
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Das Verbindungsglied besteht in vorteilhafter Weise aus einem Material,
welches bei voller, Belastung in seinem unteren Teil eine elastische Dehnung unter
0,5 % und im oberen Teil, welches über Rollen geführt wird, eine Dehnung von 1 bis
5 % aufweist. An das Verbindungsglied werden hohe Anforderungen gestellt. Zur Übertragung
großer Kräfte mit gutem Wirkungsgrad muß es eine geringe Dehnung haben aber bei
Umlenkung über Rollen für lange Lebensdauer eine höhere Dehnung. Es muß eine Reißfestigkeit
mit Sicherheitsfaktor 6-10 aufweisen und soll im Meerwasser korrosionsbeständig
sein. Als dehnungsfestes Material für den unteren Teil des Verbindungsgliedes eignen
sich besonders glasfaserverstärkte Kunststoffprofile und Seile aus hochfester Polyesterfaser
oder Kevlarfaser.
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Als Oberteil des Verbindungsgliedes sind besonders Gurtbänder aus
Polymerfaser geeignet. Die Dicke kann 7-10 mm
betragen und die Breite
z.B. bis 300 mm. Die Wechselbiegezahl von Gurten bei standiger Bewegung über Arbeitsrollen
ist im Vergleich zu Seilen besonders hoch. Als Polymerfaser eignen sich sehr gut
Polyamid-, Polyester-, Polypropylen- und Kevlar-Fasern. Es werden hohe Reißfestigkeiten
bis 3000CO N erreicht und die Gurte aus diesen Materialien sind außerordetlich korrosionsfest,
während Stahlseile, selbst Edelstahlseile bei Bewegung im Meerwasser in kurzer Zeit
korrodieren und reißen.
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Von besonderem Vorteil ist eine Vorrichtung bei der zwei oder eine
Vielzahl von Schwimmkörpern mit Energiewandlern und Verbindungsgliedern zu einem
Aggregat vereinigt werden, wobei die Energieanteile gesammelt und in einer Zentrale
gemeinsam verarbeitet werden.
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Die Anordnung der Energiewandler in einem geschlossenen hydraulischen
Kreislauf, wobei eine Hydropumpe auf der Druck-und Saugseite mit Hoch- und Niederdruckspeichern
für Drucköl verbunden ist, hat sich als besonders vorteilhaft gezeigt.
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Die Druckscite der Hydraulik sollte hierbei für einen Druckbereich
von 100 bis 250 bar vorzugsweise 150 bis 250 bar vorgesehen sein. Prinzipiell ist
es möglich, da; hydraulische System zur Energiegewinnung in jedem Druckbereich zu
betreiben.
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Er zeigte oich jedoch, das der Hochdruckbereich wesentlich wirtschaftlicher
ist.Bei niedrigen Anlagekosten für die Waschinenteile gleicher Leistung sind eine
lange Lebensdauer und gute Betriebssicherheit gewährleistet. Der Verschleiß und
der Anlagenersatz beschränkt sich auf Kolbendichtungen, Schlauchleitungen, Filter
und Drucköl.
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Die Umwandlung der Energie der Meereswellen kann in einfacher und
vorteilhafter Weise auch über eine Arbeitstrommel erfolgen, die auf dem Schwimmkörpcr
befestigt und von dem Verbindungsglied antreibbar ist. Durch bekannte Tinrichtungen
wie Pumpen, Generatoren läßt sich die Drehbewegung in Energie umwandeln und zwischen
zwei Endstellungen A,B auch zum Steuern der Länge des Verbindungsgliedes cin':etzn.
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Mit den erfindungsgemäßen Verfahrensmerkmalen kann relativ leicht
Druckwasser von 50-100 bar erzeugt werden, Um ein Pumpspeicherwerk in 500-1000 Meter
Höhe zu speisen.
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Die Stromerzeugung könnte sich dann nach den örtlichen Verhältnissen
richten. Auch zur Meerwasserentsalzung durch Umkehrosmose wäre Druckwasser von 60-80
bar sehr geeignet. Die Erzeugungskosten sind hierbei relativ niedrig.
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Zur direkten Stromerzeugung ist Clhydraulik als Zwischenenergieträger
geeigneter. Problematisch ist allerdings die willkürlich anfallende Wellen- und
Pumpenleistung, da für guten Wirkungsgrad des Generators eine gleichmäßige Leistung
erforderlich ist. Hydraulische Systeme, bei denen Pumpenlei stung und Generatorleistung
zwangsläufig miteinander gekuppelt sind, bleiben daher unwirtschaftlich.
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Durch die Anpassung der Vorrichtung an die mittlere Wellenhöhe mittels
eines in seiner Länge variablon Verbindunltsgliedes, die Wahl der Schwimmkörper
sowie Verwendung eines geschlossenen hydraulichen Kreislaufes mit Druckspeichern
wird eine hohe Wirtschaftlichkeit erreicht.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung an ligand von
Zeichnungen naher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine Vorrichtung mit einem Schwimmkörper
und einem variablen Verbindungsglied, Fig. 2 eine Vorrichtung mit einem Schwimmkörper
und einer Hebelübersetzung der Kraft und des Kraftweges, Fig. 3 bis 6 Vorrichtungen
mit unterschiedlicher Anordnung der Kraft- oder Kraftwegübersetzungen mit Ilebeln
und flaschenzugartigen Anordnungen und Fig. 7 und 8 eine Ausführung der Vorrichtung
mit Arbeitstrommeln.
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Im Beispiel Fig.1 befindet sich am Schwimmer 1 eine Kolbenpumpe 2
deren verlängerte Kolbenstange als Verbindungsglied 3 in einem Führungsrohr 4 tit
einer Arretierung 5 gehalten wird. 1)as Führungsrohr t ist am Meeresboden 6 verankert
und wird durch einen Auftriebskörper 7 stets aufrecht gehalten.
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Kurz vor den Endstellungen des Kolbens einer Kolbenpumpe 2 im Zylinder
bei Position A und B schalten Steuerimpulse die Arretierung 5, die z.B. aus einer
Bremse oder einer Verriegelung bestehen kann, aus. !)ie rrretierung 5 wird wieder
eingeschaltet, sobald die Steuerkontakte A,B wieder frei werden oder ein Fühler
C zwischen Verbindungsglied 3 und dem Führungsrohr 4 eine Umkehr der Bewegungsrichtung
durch wieder ansteigend oder fallende Welle anzeigt. Auf diese Weise kann der Arbeitsbereich
der Pumpe sich immer wieder den veränderten Verhältnissen anpassen. Die Steuerkontakte
A,8 können direkt im Zylinder oder außerhalb die Stellung der Kolbenstange kontrollieren.
Die Steuerung kann mit dem bekannten Hifsmitteln er Meß- und Regeltechnik z.B. mechanisch,
elektrisch oder hydraulisch erfolgen. Für die Vorrichtungen nach Fig. 2 bis 8 gilt
im Prinzip die gleiche Steuerung.
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Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung bei der zum Ausgleich an wechselnden
Wasserstand eine Reservetrommel 9 benutzt wird, auf die das eine Ende des Verbindungsgliedes
3, z.B. ein Seil oder eirt Gurtband aufwickelbar ist. Die Arretierung 5 der Trommel
9 wird gelöst, wenn der Arbeitsbereich der Kolbenpumpe bei Position A oder B iiberschritten
wird, und sie schaltet sich wieder ein, sobald die Steuerkontakte der Position A,B
wieder frei werden oder eine Meßstelle C art der Trommel 9 eine Umkehr ihrerDrehrichtung
signalisiert. Die Arretierung kann z.B. mit eine Cesperre oder mit einer kraftschlüssigen
Kupplung oder Bremse erfolgen, im einfachsten Fall tit einer Bandbremse, die ich
in Off-Shore-Bereichbestens bewährt hat (nicht dargestellt).
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Die Aufwicklung des Seiles 3 auf die Trommel 9 kann in bekanntcr Weise
hydraulisch, elektrisch oder it einfachsten und sichersten mit Spiralfedern erfolgen.
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Die Rückstellkräfte an der Pumpe 2 müssen stets für straffe Spannung
des Sciles 3 zur Verankerunr; 6 sorgen nnit der Wirkungsgrad des Arbeitshubes hoch
bleibt. 1)1.es kann ebenfalls durch Fcderkraft geschehen oder durch rückströmendes
Cl eines hydraulischen Kreislaufs.
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In den Fig. 3 bis 6 werden verschieciene Ausführungsbeispiele für
die Kraft- und Kraftwegsübertragungen dargestellt.
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Der Weg der Kraftübertragung ist bei Wellen mit 1-? Metern Höhe bereits
ungünstig. Für hydraulische Kolbenpumpen ist eine Hublänge von 2 Metern sehr lang
und für rotierende Maschinen ( Pumpen, Generatoren ) werden hohe Drehzahlen und
damit starke, mehrstufige, teure Getriebe erforderlich. Es wurde als besonders vorteilhaft
gefunden das Verbindungsglied 3 z.B. ein Seil so zu führen, daß es einen Flaschenzug
bildet, sodaß entweder die Seilkraft oder der Seilweg um ein Vielfaches erhöht wird.
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In Fig. 3, lt und 5 ist am Ende der Kolbenstange eine Umlenkrolle
10 montiert. Sie wird um 180 Grad umschlungen. Dadurch wird der Kolbendruck verdoppelt
und der Kolbenweg halbiert d.h., die Hüblänge der Pumpe kann für Wasserwellen doppelter
Höhe genutzt werden. Im Beispiel Fitr. 6 mit I!ebelarrn 8 und Umlenkrolle 10 wird
die Kraft sogar Un Faktor 4 erhöht und der Weg auf ein Viertel reduziert.
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Während die bisher dargestellten Ausführungsformen Energiewandler
2 hydraulischer Art zeigen, sind in der Fig.? u.8 Ausführungsformen mechanischer
oder mechanisch hydraulischer Art dargestellt. Auf dem Schwimmkörper 1 sind zwei
Trommeln angeordnet, jeweils eine Arbeitstrommel 11 und eine Reservetrommel 9, auf
die ein Seil oder Band als Verbindungsglied 1) gewickelt wird.
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Durch Umlenkrollen 12, wie von Seiltrieben bekannt, wird der Kraftwer
um Faktor 2 bez. 4 erhöht. Im letzten Fall wird die Arbeitstrommel 11 mit 200 mm
Durchmesser bei einer mittleren Wellenhöhe von 1,6 m bereits eine Drehzahl von 300
/min erreichen.
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Angeschlossene rotierende Hydraulikpumpen können wesentlich kleiner
ausgelegt werden und Generatoren mit 1500 Umdrehungen pro Minute benötigen nur eine
Getriebestufe.
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Fig. 9 und 10 zeigen Aggregate für höhere Leistungen, die aus einer
Vielzahl einzelner Vorrichtungen zusammengesetzt sind.
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Obwohl die Wellenbewegungen im Meer ungeordnet erscheinen, bestehen
sie doch alle einheitlich aus stabilen Kreisschwingungen des Wassers, die sich überlagern.
Zur Nutzung dürfen Aggregate von Energieempfängern diese Kreisschwingungen oder
Wellen nicht vorzeitig reflektieren oder in Turbulenzen verwandeln, dic nicht mehr
verwertbar sind. Diese Bedingungen werden
vorzüglich von sich der
Welle anpassenden, flachen Schwimm. -körpern 1 erfüllt. So können mehrere Schwimmerketten,
die hintereinander liegen, Energie derselben fortschrcitenden Welle entnehmen. Die
Größe, Zahl und Anordnung der Scwimmer 1 richtet sich nach dem Wellenspektrum der
örtlichen Verhältnisse und kann jeweils optimiert werden.
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In KUstennähe häufig auftretende ellen aus nahezu gleicher Richtung
können mit Schwimmerketten nach Fig. 9 genutzt werden.
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Bei unterschiedlichen Wellenrichtungen eignen sich besser inselförmige
Aggregate nach Fig. 10, die in größeren Abständen zueinander verankert sein können.
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Die Schwimmer 1 können quadratisch, rechteckig oder rund sein. Durch
Gelenke 13 sind sie so miteinander verbunden, daß sie sich nicht behindern aber
der Wellenbewegung folgen können.
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Die an den Schwimmern 1 gewonnene hydraulische Energie in Form von
Teil strömen wird beispielsweise über flexible Druckschlauchleitungen gesamnselt
und in einer Zentrale verarbeitet.
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Zur Verankerung einzelner Schwimmkörpr1 oder ganzer Aggregate am
Meeresboden 6 sind Betonklötze geeignet, da sie sicher und preiswert sind. Das Ankergewicht
im Wasser muß stets größer sein, al die maximal auftretende Hubkraft. Bei z.B. 100
bar Druck und einer Kolbenfläche von 40 cm² ist eine Verankerungskraft von über
4000 Kp erforderlich und bei Umschlingung einer rollo 10 an der Kolbenstange uin
180 Grad (Fig. 3-5) eine Verankerungskraft von mehr als 2000 Kp. Bei Aggregaten
kann ein gemeinsamer Betonanker verwendet werden. Das Gewicht ist proportional höher
und die Formgebung soll nach Möglichkeit eine senkrechte Verankerung aller Schwimmer
gewährleisten.
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Zur Installation ganzer Aggregate im Meer kann das Aggregat selbst
den Betonanker in gehobenem Zustand trage und von der Montage aus zur Arbeitsstelle
hinausschwimmen.
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Fig. 11 zeigt eine beispielsweise Anordnung der I?ydropumpe Z in
einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf, wobei der Energiewandler, die Hydropumpe
2 mit Moch- und Niederdruckspeichern 15, 16 verbunden sind.In der Arbeitsphase,
bei steigender Welle, öffnct sich das Auslaßventil 14 sobald der Druck der Pumpe
2 höher als der Druck im Hochdruckspeicher 15.
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Es wird Drucköl gefördert, bis Wasserwelle mit Schwimmer 1
ihren
Höhepunkt erreicht haben. Bei fallender Welle inkt der Druck in der Pumpe 2 solange
bis der Druck im Niederdruckspeicher 16 größer ist und über das Einlaßventil 17
en Kolben solange zurückstellt, bis bei einem neuen Wellenhub ein neuer Arbeitsgang
eingeleitet wird. Als Ventile 14, 17 eignen sich einfache Rückschlagventile, die
sich bei Überdruck selbsttätig öffnen.
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Der Hochdruckspeicher 15 soll die maximale Förderleistung der Kolbenpumpe
2 aufnehmen können. Durch Nachschaltung eines Gasspeichers 18 an den Speicher 15
ändert sich der Arbeitsdruck nur wenig. Schwimmer 1, Pumpe 2 und Speicher 15 können
so bei hohem Wirkungsgrad voll genutzt werden. Fin Hochdruckspeicher 15 kann für
mehrere Pumpen 2 oder ein ganzes Aggregat ausgeleet sein. Die Optimierung richtet
sich nach Anlagekosten und Wirkungsgrad.
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Vom Speicher 15 wird der Hydromotor 19 mit einem gleichmäßigen Clstrom
versorgt, um einen Generator 20 rit konstanter Drehzahl anzutreiben. Der Hydromotor
19, z.B. ein Axialkolbennotor soll im Schluckvolumen regelbar sein, denn mit anderen
Wellenverthältnissen, anderen Wellenhöhen ändert sich auch die durchschnittliche
Pumpenleistung. Die Verstellung wird z.R. vom Füllgrad des Hochdruckspeichers 15
gesteuert.
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Der Generator 20 ist für einert maximalen Energieanfall der Anlage
ausgelegt und wird von einem Schaltschrank so geregelt, daß bezüglich Frequenz und
Spannung ein Anschluß an das Ortsnetz gesichert ist.
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Der Niederdruckspeicher 16 hat das gleiche Speichervolumen wie der
Hochdruckspeicher 15. Er wird vom zurückströmenden Öl gefüllt und füllt seinerseits
die Pumpen 2 für den nächsten Arbeitshub.Der Speicherdruck soll ausreichend hoch
sein, un das Verbindungsglied 3 zum Bodenanker stets gespannt zu halten.
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Beispiel einer Energieerzeugungsvorrichtung.
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Ein repräsentatives Beispiel, einer durchschnittlichen Nordseewelle
mit Höhc 1,52 m, Weelenperiode 6,4 s, Reellen leistung 14,4 KW/m Wellenfront zeigt
die Leistung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Schwimmerleistung : - Aggregat wie Fig. 9 pit 24 Schwimmern - Auftriebskraft
30000 N / Schwimmer 1, bei einer Fläche von 10 m und einer Tauchtiefe von 0,3 m
bei einem Arbeitshub - Ilubweg durchschnittlich 1,1 m - Leistung aller Schwimmer
123,8 K - Wellenfront genutzt 34 m - Wirkungsgrad bezogen auf Wellenleistung 25
% Wirkungsgrade und Energiegewinn - Zylinderpumpe 90%, Leitungssystem 90%, Versstellmotor
93%, Generator 92% - GJesamtwirkungsgrad 69% Die Vorrichtung erlaubt bei 70% Auslastung
eine Jahresleistung von ca 500000 KWh bei einer kostengüstigen Stromerzeugung zu
einem sehr niedrigen Preis.
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Auch die Erzeugung von Druckwasser ist mit der beschriebenen Vorrichtung
in einfacher und sehr preiswerter Weise möglich, wobei bei der Verwendung einer
Kolbenpumpe und 70% Betriebsdauer im Jahr ca 320000 m³ Druckwasser bei 75 bar erzeugbar
sind.