DE4338103A1 - Device for obtaining electric energy (power) with the aid of the kinetic energy of water waves - Google Patents
Device for obtaining electric energy (power) with the aid of the kinetic energy of water wavesInfo
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Abstract
Description
Maschinen, die von der Energie von bewegtem Wasser angetrieben werden, gibt es seit altersher; dazu gehören Mühlen mit ober- bzw. unterschlächtigen Schaufelrädern; Turbinen unterschiedlichster Bauart; mit Wasserdruck über Zylinder, Kolben und Kurbeln angetriebene Maschinen; Maschinen, die mit von Wasserkraft erzeugter Druckluft laufen sowie Anlagen, bei denen die Bewegungen von flach auf dem Wasser schwimmenden Flächen, die miteinander gelenkig verbunden sind und so die Bewegungen von Wasserwellen mitmachen, diese Bewegungen über Hebel- und Zahnstangenwerke auf elektrische Generatoren zur Stromerzeugung übertragen.Machines powered by the energy of moving water have been driven since ancient times; this includes mills with over- or undershot paddle wheels; All types of turbines; with water pressure above Cylinders, pistons and cranks powered machines; Machinery, that run on compressed air generated by hydropower and plants, where the movements of floating flat on the water Surfaces that are articulated and so the movements participate in water waves, these movements via lever and rack and pinion mechanisms on electrical generators for power generation transfer.
Bei allen diesen vorgenannten Wasserkraftmaschinen wird die im bewegten Wasser wirkende kinetische Energie dazu verwendet, mit Hilfe umfänglicher Mechanismen andere Mechanismen, z. B. Mühlen- und Sägewerke, Seilwinden oder Elektro-Generatoren zuerst einmal mechanisch anzutreiben, um dann erst über diese zweiten Maschinen die erwünschte Leistung, z. B. Mahlen, Sägen, Heben oder Stromerzeugung zu erhalten. Umständliche Verfahren also, die sowohl physikalisch als auch anwendungstechnisch unbefriedigend sind und zudem auf spezielle, geographische Gegebenheiten wie in Flüssen fließendes Wasser, auf Gezeitenströme mit Ebbe und Flut oder auf an Steilküsten anbrandende Wassermassen angewiesen sind.In all of the aforementioned hydropower machines, the is in motion Water-acting kinetic energy is used with the help extensive mechanisms other mechanisms, e.g. B. mills and sawmills, Rope winches or electrical generators first of all mechanically to drive, only then via these second machines desired performance, e.g. B. grinding, sawing, lifting or power generation to obtain. Cumbersome procedures, both physically are also unsatisfactory from an application point of view and are also based on special geographical conditions such as water flowing in rivers, on tidal currents with ebb and flow or on those burning on cliffs Masses of water are instructed.
Da aber einerseits solche zur Energiegewinnung notwendigen geografischen Voraussetzungen nicht überall und in unbegrenztem Maße vorhanden sind, andererseits jedoch der Planet Erde zum größten Teil von Meeren und Ozeanen bedeckt ist, deren gewaltige Oberfläche dauernd von Seegang und Dünung bewegt wird, liegt es nahe, Maschinen zu bauen, mit denen es möglich ist, diese unerschöpfliche Quelle von in Meereswellen wirkender kinetischer Energie unmittelbar auf See- und Hochseerevieren zur Gewinnung von elektrischer Energie zu benützen. Und es liegt ferner nahe, speziell für diese Einsatzgebiete besonders robuste, einfache und verschleißfeste Maschinen zu bauen, die zudem einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. On the one hand, there are those for energy generation necessary geographic conditions not everywhere and in unlimited, but on the other hand the planet Earth is largely covered by seas and oceans, their vast Surface is constantly moved by swell and swell it makes sense to build machines with which it is possible to build this inexhaustible Source of kinetic energy in ocean waves directly on sea and deep sea areas for the production of electrical To use energy. And it is also obvious, specifically particularly robust, simple and wear-resistant for these areas of application To build machines that are also highly efficient.
Um dieses Ziel erreichen zu können, müssen die erforderlichen Maschinen folgende Eigenschaften aufweisen:To achieve this goal, the necessary Machines have the following properties:
- - Sie müssen möglichst robust, einfach und störungsunanfällig sein.- They must be as robust, simple and insensitive to faults as possible.
- - Sie müssen absolut seewasserbeständig und wasserdicht sein und sowohl während Stürmen und schwerer See als auch bei geringem Seegang zuverlässig und wartungsfrei arbeiten.- They must be absolutely seawater resistant and waterproof and both during storms and heavy seas as well as in light seas work reliably and maintenance-free.
- - Sowohl das Ausbringen als auch das Einholen und Warten auf See muß einfach und problemlos auszuführen sein.- Both spreading and retrieving and waiting at sea must be simple and easy to do.
- - Sie müssen physikalisch und mechanisch so ausgelegt sein, daß sie mit einer Mindestzahl an Bauteilen die kinetische Energie der Wasserwellen möglichst unittelbar in elektrische Energie umwandeln können.- You must be physically and mechanically designed so that with a minimum number of components, the kinetic energy of the Convert water waves as directly as possible into electrical energy can.
- - Die von ihnen erzeugte elektrische Energie muß auf einfache und sicher Art und Weise von ihnen abgeleitet werden können.- The electrical energy they generate must be simple and sure way can be derived from them.
- - Sie müssen preiswert herzustellen, zu warten und zu pflegen sein.- They have to be inexpensive to manufacture, maintain and maintain.
Alle diese hier aufgestellten Forderungen erfüllt die hier vorgestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie mit Hilfe der kinetischen Energie von Wasserwellen, die im weiteren Text kurz mit "Generatorboje" bezeichnet wird.All of the requirements set out here are met by those presented here Device according to the invention for the production of electrical Energy using the kinetic energy of water waves, which is briefly referred to as "generator buoy" in the text below.
Der Erfindung liegt folgender Sachverhalt zugrunde:The invention is based on the following facts:
Fig. 1 ein langer, dünner mittels Ballast BA in senkrechter Schwimmlage gehaltener, spezifisch schwerer Schwimmkörper I, dessen Auftrieb so gering ist, daß nur ein Bruchteil seiner Gesamtlänge oben über die Wasseroberfläche hinausragt, während sein unteres Ende tief in das Wasser hinabreicht, wird dann, wenn an der Wasseroberfläche Wellen mit der Wellenhöhe X entstehen, aufgrund seiner Trägheit und seiner geringen Angriffsflächen von den nur die Wasseroberfläche, nicht aber tieferes Wasser bewegenden Wellen in seiner Schwimmhöhe Z nicht oder nur sehr geringfügig beeinflußt und kaum Auf- und Abbewegungen ausführen. Fig. 1 is a long, thin by means of ballast BA in a vertical floating position, specifically heavy floating body I, the buoyancy of which is so low that only a fraction of its total length protrudes above the water surface while its lower end extends deep into the water, then , if waves with wave height X arise on the water surface, due to its inertia and its small attack surfaces of the waves moving only the water surface, but not deeper water in its swimming height Z, or influenced only very slightly and hardly perform up and down movements.
Fig. 2 dagegen wird bei derselben Wellenhöhe X ein spezifisch leichter Schwimmkörper II mit großem Auftrieb und großen Angriffsflächen an der Wasseroberfläche von den dort wirkenden Wellen mit der Hubhöhe Y auf- und abbewegt. Fig. 2, however, a specifically lighter floating body is moved up II with a large lift and large engagement faces on the surface of the waves acting there with the lifting height Y ascending and at the same wave height X.
Diese Hubhöhe Y wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Stromerzeugung verwendet. This lifting height Y is used in the device according to the invention Power generation used.
Fig. 3 beispielsweise wird hierzu der in Fig. 2 gezeigte Schwimmkörper II mit einer Ausnehmung ausgestattet; durch sie ragt der in Fig. 1 gezeigte Schwimmkörper I hindurch und kann sich dort frei nach oben und unten bewegen. Fig. 3, for example, is for this purpose equipped in the Figure 2 shown float II with a recess. the floating body I shown in FIG. 1 protrudes through it and can move freely up and down there.
Dadurch wird bei Wellengang der Schwimmkörper II, bezogen auf den Schwimmkörper I, eine Relativbewegung von der Höhe Y ausführen.As a result, the float II is based on waves the floating body I, perform a relative movement from the height Y.
Diese Relativbewegung wiederholt sich fortlaufend mit der Frequenz des Wellenganges.This relative movement repeats itself continuously with the frequency of the swell.
Wenn die Schwimmkörper I (als Stator STA) und II (als Läufer LÄU) mit Magneten und Induktionsspulen entsprechend ausgerüstet sind, erzeugen sie infolge dieser Relativbewegung auf induktivem Wege elektrischen Strom.If the floats I (as a stator STA) and II (as a runner LÄU) equipped with magnets and induction coils accordingly are due to this relative movement on inductive Ways electric current.
Schwimmer I und Schwimmer II stellen dann zusammen eine erfindungsgemäße "Generatorboje" dar.Float I and float II then together form an inventive "Generator buoy".
Solche "Generatorbojen" können auf unterschiedlichste Art konstruiert sein; hier einige Beispiele:Such "generator buoys" can be constructed in many different ways his; here are some examples:
Fig. 4 der Stator I (STA) liegt innen, der Läufer II (LÄU) liegt außen. Fig. 4 the stator I (STA) is on the inside, the rotor II (LÄU) is on the outside.
Der lange, spezifisch schwere Stator I, bestehend aus einem Zentralrohr ZR, um das die Induktionsspule IN gelegt ist und an dessen unterem Ende ein Ballast BA angebracht ist, aus dem unten das stromabführende Ankertrossenkabel AKA austritt, das zugleich als Ankertrosse dient, macht die Wellenbewegungen an der Wasseroberfläche aufgrund von Trägheit und geringer Lateralfläche nicht mit.The long, specifically heavy stator I, consisting of a central tube ZR, around which the induction coil IN is placed and at its a ballast BA is attached at the bottom, from which the bottom current-leading anchor cable AKA emerges, which at the same time as Anchor hawser serves, makes the wave movements on the water surface not due to inertia and small lateral area With.
Der flache, spezifisch leichte Läufer II dagegen, bestehend aus einem inneren Ring von Magneten Ma und einem äußeren Ring von Auftriebskörpern AK bewegt sich bei oberflächigem Wellengang mit dessen Rhythmus mit dem Hub Y linear zum Stator I als Läufer II auf und ab und erzeugt mit den Kraftlinien seiner Magneten, die dabei die Wicklung der Induktionsspule IN am Stator I schneiden, ekektrischen Strom, der unten am Ballast BA über das Ankerkabel AKA abgeführt wird. The flat, specifically light runner II, on the other hand, consists of an inner ring of magnets Ma and an outer ring of Buoyancy bodies AK move with the surface swell whose rhythm with stroke Y linear to stator I as rotor II up and down and generated with the lines of force of his magnets that cut the winding of the induction coil IN on the stator I, Electrical current flowing down the ballast BA via the anchor cable AKA is discharged.
Fig. 5 der Stator I (STA) liegt außen, der Läufer II (LÄU) läuft innen. Fig. 5 of the stator I (STA) is located outside the rotor II (LÄU) runs inside.
Der Stator I besteht hier in seinem unteren und oberen Teil aus dem mit Öffnungen ÖFF versehenen Generatorrohr GR. Diese Öffnungen dienen dem raschen Wasseraustausch von innen nach außen, wenn der Läufer II im Generatorrohr GR, im Rhythmus der Wellen, auf- und absteigt (Schnitt B-B′).The stator I here consists of its lower and upper part the generator tube GR with openings ÖFF. These openings serve the rapid water exchange from the inside to the outside, if the rotor II in the generator tube GR, in the rhythm of the waves, climbs up and down (section B-B ′).
Die Induktionsspule IN legt sich manschettenartig um das Generatorrohr GR und wird ihrerseits von einem auftrieberzeugenden Spulengehäuse SPG umschlossen.The induction coil IN wraps around the generator tube like a cuff GR and in turn is created by an instinct Coil housing SPG enclosed.
Entlang der Generatorrohr-Innenfläche laufen wassergeschmierte Gleitschienen GS (Schnitt B-B′) sowie die Verbindungskabel VK zwischen Induktionsspule IN und Elektrokapsel EK, die im Ballast BA untergebracht ist.Water-lubricated run along the inside of the generator tube Slide rails GS (section B-B ′) and the connecting cable VK between induction coil IN and electro capsule EK, which in the ballast BA is housed.
In dieser Elektrokapsel EK können, je nach technischer Auslegung der Generatorboje, Gleichrichter, Kondensatoren, Zerhacker, Transformatoren, Relais, eventuell auch Stromsammler, etc. untergebracht werden. Zur eventuell notwendigen Kühlung dienen seitlich abstehende Kühlrippen, die zugleich als Bremsflächen einer Auf- und Abwärtsbewegung von Stator I entgegenwirken.In this EK electric capsule, depending on the technical design the generator buoy, rectifier, capacitors, chopper, transformers, Relays, possibly also current collectors, etc. housed become. Laterally protruding serve for possibly necessary cooling Cooling fins that also act as braking surfaces for an upward and downward movement counteract by stator I.
Am unteren Ende von Stator I tritt das Ankertrossenkabel AKA aus, das zugleich der Verankerung der Generatorboje dient.The armature cable AKA exits at the lower end of stator I, that also serves to anchor the generator buoy.
Ein Distanzrohr DI verbindet das Generatorrohr GR mit dem Ballast BA. In dem Distanzrohr DI verlaufen die Verbindungskabel VK zwischen Induktionsspule IN und Elektrokapsel EK.A spacer tube DI connects the generator tube GR to the ballast BA. The connecting cables VK run between the spacer tube DI Induction coil IN and electro capsule EK.
Ferner dient das Distanzrohr DI der längenmäßigen Anpassung der Generatorboje an die Seegangs-Verhältnisse jenes Seegebietes, in dem sie eingesetzt wird.Furthermore, the spacer tube DI is used to adjust the length of the Generator buoy to the sea conditions of that sea area, in to which it is used.
Das Generatorrohr ist oben und unten mit je einem Stoßdämpfer STO verschlossen, um eine Beschädigung des Läufers II infolge zu weit ausschlagender Relativbewegung von I zu II zu verhindern.The generator tube is at the top and bottom with a shock absorber STO locked to damage runner II as a result prevent far-reaching relative movement from I to II.
Der Augbolzen am oberen Ende der Generatorboje dient zum Aus- bzw. Einsetzen der Boje in das Wasser.The eyebolt at the top of the generator buoy is used to or inserting the buoy into the water.
Der Läufer II besteht hier aus dem Magnetenteil MA und den beiden Auftriebskörpern AK. Bei Wellengang gleitet der Läufer II im Generatorrohr GR völlig freibeweglich auf und ab.The rotor II here consists of the magnet part MA and the two AK floats. Runner II slides in waves completely free to move up and down in the generator tube GR.
Schnitt A-A′ zeigt, wie die einzelnen Bauelemente der Generatorboje in dieser Ebene zueinander liegen. Section A-A 'shows how the individual components of the generator buoy lie in this plane to each other.
Fig. 6 der Stator I mit Magneten liegt innen, der Läufer II mit der Induktionsspule liegt außen. Fig. 6, the stator I with magnets is on the inside, the rotor II with the induction coil is on the outside.
Dies ist eine Generatorboje, bei der der innenliegende Stator I die Magneten trägt, der außenliegende Läufer II dagegen die Induktionsspule IN.This is a generator buoy with the internal stator I carries the magnets, while the external rotor II carries the induction coil IN.
- A Der bei der wellenbedingten Relativbewegung von I zu II entstehende elektrische Strom wird über das flexible Verbindungskabel FLVK von der Induktionsspule IN zum Ballast BA und von dort über das Ankertrossenkabel AKA von der Generatorboje abgeleitet. A The electrical current resulting from the wave-related relative movement from I to II is derived from the induction coil IN to the ballast BA via the flexible connection cable FLVK and from there via the anchor cable AKA from the generator buoy.
- B Anstelle des flexiblen Verbindungskabels FLVK kann die Stromableitung vom Läufer II auch über eine Schleifkontaktkonstruktion SKK erfolgen; im dargestellten Fall wird dieser Kontakt mit Hilfe einer bügelartigen Konstruktion, die sich auf dem Läufer II befindet und mit ihm die Hubbewegungen mitmacht, hergestellt; ein auf dem Stator I nach oben ragender Kontaktträger KTT schiebt sich, von unten her, in das Kontaktrohr KTR der Schleifkontaktkonstruktion SKK hinein. Durch die Abdichtung ADI wird das Eindringen von Wasser verhindert. B Instead of the flexible connection cable FLVK, the current can be diverted from rotor II via a sliding contact construction SKK; in the case shown, this contact is made with the help of a bracket-like construction, which is located on the rotor II and with it makes the lifting movements; A contact carrier KTT, which projects upwards on the stator I, slides into the contact tube KTR of the sliding contact construction SKK from below. The ADI seal prevents water from entering.
Fig. 7 die erfindungsgemäße Generatorboje kann sowohl als Einzelboje freischwimmend, z. B. zur Erforschung von Meeresströmungen etc. (a)), als auch verankert als Seezeichen (b)) verwendet werden. Der von ihnen erzeugte elektrische Strom dient dann zum Betreiben von Funk- und/oder optischen Signalen. Fig. 7, the generator buoy according to the invention can float freely as a single buoy, for. B. for the study of ocean currents etc. (a)), as well as anchored as a sea mark (b)) can be used. The electrical current generated by them then serves to operate radio and / or optical signals.
Derartige Generatorbojen eignen sich auch - da zu ihrem Betrieb keinerlei Batterien nötig sind - zum Einsatz als Rettungsbojen.Such generator buoys are also suitable - since none for their operation Batteries are necessary - for use as lifebuoys.
Fig. 8a zur Verankerung von Generatorbojen werden hier beispielsweise zylindrische Bojensteine BST verwendet. Jeder Bojenstein BST hat an seiner Oberfläche einen trichterförmigen, an den Rändern abgerundeten Kabel-Einlaß-Schlund. Das Ankertrossenkabel AKA läuft, vor zu starkem Abknicken und vor Verschleiß von einer Spirale SPI geschützt, von oben her in den Einlaß-Schlund senkrecht ein. Mittels Auftriebskörpern AK werden hier die oberen Enden dieser Spiralen SPI vom Meeresgrund weg nach oben angehoben, so daß die Ankertrossenkabel beim Schwoien nicht vom Grund abgerieben werden. FIG. 8a for anchoring buoys generator here, for example, cylindrical buoys stones BST be used. Each buoy stone BST has a funnel-shaped cable inlet throat rounded on the edges. The anchor cable AKA runs vertically from above into the inlet throat, protected from excessive kinking and wear from a spiral SPI. By means of buoyancy bodies AK, the upper ends of these spirals SPI are lifted upwards away from the sea bottom, so that the anchor cable is not rubbed off the bottom when swooping.
Fig. 8b eine Vielzahl von einzelnen Generatorbojen bilden hier ein Generatorbojenfeld, das mittels eines auf Grund liegenden Kabelnetzes den erzeugten Strom zusammenführt und über das Sammelkabel SAKA ableitet. FIG. 8b a plurality of individual generator buoys form here a generator buoy field that merges the power generated by means of an on basic cable network and discharged via the collecting cable SAKA.
Fig. 9 eine Vielzahl von Generatorbojen GEB bilden hier, zusammen mit einer schwimmenden Rahmenkonstruktion RA, eine Generatorbojen-Batterie. Fig. 9, a plurality of buoys generator GEB form here, along with a floating frame structure RA, a generator buoys battery.
Besonders in engen, seichteren Gewässern und in Gewässern mit Strömung kann eine solche Vorrichtung von Vorteil sein.Especially in narrow, shallow waters and in waters with Such a device can be advantageous for flow.
Die Länge einer solchen Gesamtkonstruktion sollte ein ungerades Vielfaches der dort vorherrschenden Wasserwellenlänge haben, so daß trotz ihres geringen Tiefganges die Vorrichtung sowohl infolge ihrer Massenträgheit als auch wegen der längenmäßigen Ungleichheit von Wasserwellen und Gesamtkonstruktion letztere von den sie durchlaufenden Wellen nicht in vertikale Auf- und Abbewegung versetzt werden kann.The length of such an overall construction should be an odd one Have multiples of the prevailing water wavelength there, so that despite its shallow draft, the device both as a result their inertia as well as because of the lengthwise inequality of water waves and overall construction the latter of the waves passing through them do not move vertically up and down can be moved.
Die Statoren I und die Läufer II in den Generatorbojen dagegen reagieren auf die durchlaufenden Wellen zueinander mit der Relativbewegung Y und der dadurch erzeugte elektrische Strom wird entweder über das Ankertrossenkabel AKA abgeleitet (a), oder AKA dient nur als Ableitungskabel AKA, während die Generatorbojen-Batterie mittels normaler Verankerung unter Verwendung von Ankerketten b) in ihrer Lage gehalten wird.The stators I and the rotor II in the generator buoys against it react to the passing waves with each other with the relative movement Y and the electric current generated thereby either derived via the AKA anchor cable (a), or AKA only serves as AKA lead wire while the generator buoy battery by means of normal anchoring using is held in place by anchor chains b).
Generatorbojen der erfindungsgemäßen Art können aber auch einzeln oder in Vielzahl in oberflächig wellenbewegten Gewässern von gleichbleibender Normalnull-Höhe und/oder gleichbleibender Tiefe, zum Beispiel in speziellen Kanälen mit für diesen Zweck ausgelegten Kanalrändern und Kanalsohlen von wellenerzeugender Form zur Stromerzeugung eingesetzt werden.Generator buoys of the type according to the invention can also be used individually or in large numbers in surface-rippled waters of constant normal zero height and / or constant Depth, for example in special channels with for this purpose designed channel edges and channel soles of wave-generating Form used to generate electricity.
Sie werden dabei mittels fester Verbindungselemente zu Ufern, Küsten und/oder zum Grund unverrückbar in eine Lage fixiert, die zum Erzeugen der Relativbewegung Y von Stator I zum Läufer II notwendig ist.They become banks by means of fixed connecting elements, Coasts and / or immovably fixed in one position to the bottom, those for generating the relative movement Y from stator I to the rotor II is necessary.
Derart ortsfest montierte Generatorbojen bedürfen keiner Auftriebskörper, Ballastkörper oder sonstiger lagestabilisierender und verankernder Bauteile, da sie nicht schwimmen, sondern von den festen Verbindungselementen gehalten werden. Ebenso bedürfen sie keiner Unterwasser-Stromabführungskabel.Generator buoys that are fixed in this way do not require any buoyancy elements, Ballast body or other position stabilizing and anchoring components since they do not float, but from the fixed fasteners are held. Also need they have no underwater power lead.
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DE4338103A DE4338103A1 (en) | 1993-11-08 | 1993-11-08 | Device for obtaining electric energy (power) with the aid of the kinetic energy of water waves |
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DE4338103A1 true DE4338103A1 (en) | 1995-05-11 |
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DE4338103A Withdrawn DE4338103A1 (en) | 1993-11-08 | 1993-11-08 | Device for obtaining electric energy (power) with the aid of the kinetic energy of water waves |
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