DE4339307A1

DE4339307A1 - Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie durch Ausnutzung der potentiellen und kinetischen Energie von Wellen und des statischen Druckes der Meereswassersäule

Info

Publication number: DE4339307A1
Application number: DE4339307A
Authority: DE
Inventors: Pentscho Prof Dr Ing Pentschew; Michael Oheim; Lars Richter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-11-18
Filing date: 1993-11-18
Publication date: 1995-05-24

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie durch Ausnutzung der potentiellen und kinetischen Energie von Wellen und des statischen Druckes der Wassersäule im Meer mittels einem direkten und einem indirekten Verfahren zur Energieumsetzung.

Beim direkten Verfahren wird die Bewegungsenergie des Meeres auf gebündelte elastische Rohre gebracht, deren Durchmesser mit Veränderung der Wassertiefe (bzw. des statischen Druckes) ab- oder zunimmt und so eine an der Innenseite des Rohres angebrachte Folie mit piezoelektrischen Kristallen unter Druck setzt bzw. entspannt. Bei einem Wellental ist die auf den Rohren ruhende Wassersäule geringer; der Rohrdurchmesser dehnt sich aus und die Folie wird entspannt. Bei einem Wellenberg ist eine größere Wassersäule vorhanden, der Rohrdurchmesser wird zusammengedrückt und somit auch die Folie.

Beim indirekten Verfahren erzeugt ein an sich bekanntes Wellenkraftwerk Druckluft, die in Behältern auf dem Schwimmer gespeichert wird. Bei einer bestimmten Wassertiefe werden Ventile geöffnet, die Druckluft aus dem Behälter wird in die Rohre eingelassen, der Durchmesser der elastischen Rohre vergrößert sich, als Folge nimmt der Auftrieb des Verbundgestelles zu, es beginnt zu steigen und die Folien entspannen sich. Ist eine bestimmte Steighöhe erreicht, wird die Zuluft abgestellt und ein Auslaßventil geöffnet. Durch den Wasserdruck wird das Rohr zusammengepreßt, die Luft entweicht, die Auftriebskräfte verringern sich, daß Verbundgestell sinkt, der Durchmesser der Rohre verkleinert sich, und auf die Folie wird ein Druck ausgeübt. Aufgrund des Wechsels von Entspannung und Druck auf die piezoelektrischen Kristallen wird ein Stromfluß erzeugt.

Für die Erzeugung elektrischer Energie aus der Wellenkraft des Meeres sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt.

In DE-OS 31 17 098 sind metallisierte piezoelektrische Hochpolymerfolien wie bei einem Papierkondensator aufgewickelt und der Länge nach in das Wasser gegeben. An einem Ende sind diese an einem Schwimmer befestigt und am anderen an einem Fundament, welches am Meeresboden eingebracht ist. Besonderes Merkmal ist, daß bei Streckung der Rolle, hervorgerufen durch einen Wellenberg, eine elektrische Ladung erzeugt wird, die aufgrund der Folienkapazität eine Spannung erzeugt. Über eine Gleichrichterspannung soll diese dann Akkumulatoren aufladen.

In WO 88/00655 sind zwischen zwei Platten Folien angebracht, welche senkrecht auf den Platten stehen. Die obere Platte ist an einen Schwimmer angebracht und die untere ist mittels Ankern am Meeresboden befestigt. Merkmal dieser Vorrichtung ist, daß durch Strecken dieser Folien eine elektrische Ladung erzeugt wird, welche eine Spannung hervorruft.

In WO 85/01324 wird eine floßähnliche Vorrichtung beschrieben, die am Meeresboden verankert ist. Als Aufbau dienen lange Rohre, zwischen denen elastische Platten eingebracht sind, auf denen sich eine Folie mit piezoelektrischen Kristallen befindet.

Das Merkmal dieser Vorrichtung ist dadurch gegeben, daß bei Wel lenbewegung sich die Platten und somit die Folien gestreckt oder gestaucht werden und es somit zu einem Stromfluß kommt. Der Nachteil dieser Einrichtungen besteht zum einem in der Tat sache, daß diese durch die Befestigung am Meeresboden nur einen definierten Hub besitzen, so daß bei Sturm oder sonstigen höheren Wellenbergen die Gefahr der Überdehnung vorhanden ist, was zu einer Zerstörung dieser Vorrichtungen führen kann. Zum anderen ist bei der letztgenannten Vorrichtung noch von Nach teil, daß die Folien ungeschützt im Wasser sind. Ein weiterer Nachteil ist der erhöhte Platzbedarf. Die hier dargestellte Erfindung soll diese Nachteile vermeiden.

Der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Meereswellenenergie zu schaffen, die sich durch einen möglichst hohen Nutzungswirkungsgrad auszeichnet, eine hohe Leistungserzeugung auf kleinstem Raum ermöglicht und gleichzeitig gewährleistet, daß die Anlage bei jedem Wetter fehlerfrei betrieben werden kann und einfach in Wartung und Instandhaltung ist.

Dieses Problem wird durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale der Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Meereswellenenergie gelöst.

Die Vorteile der Erfindung sind:

1. Die mit piezoelektrischen Kristallen bestückten Folien sind geschützt in einem Rohr angebracht.
2. Mehrere Rohre sind in Bündeln zusammengefaßt, welche eine schnelle und leichte Instandhaltung und Inspektion ermöglichen.
3. Es ergibt sich durch diese Anordnung eine hohe Lei stungsdichte, die eine hohe Energieerzeugung auf engstem Raum ermöglicht.
4. Durch diese Bauweise ist ein Betreiben bei jedem Wetter möglich, und
5. diese Anlage ist im Aufbau so einfach wie auch die dazu gehörenden Bauteile, so daß teure Baukosten ausgeschlos sen werden können, was dem Verbraucher letztendlich zu gute kommt.
6. Alte Offshore-Einrichtungen können für diese Anlagen genutzt werden.
7. Die Anlage kann im Tief- und Flachwasserbereich verwen det werden.
8. Die Anlage kann auch bei sehr schwacher Wellenbewegung die geforderte Leistung erbringen.
9. Die Anlage ist auch zur autonomen Stromversorgung von im Meer stationierten Meßstationen, Blinkfeuer u. a. einsetzbar.

Anhand von mehreren Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher ausgeführt. Es zeigen:

Fig. 1 Perspektivische Darstellung der Vorrichtung, bei der jedes flexible Rohrbündel einen separaten Schwimmer besitzt.

Fig. 2a Querschnitt eines Rohres im oberen Totpunkt

Fig. 2b Querschnitt eines Rohres im unteren Totpunkt

Fig. 3 Perspektivische Darstellung der Vorrichtung, bei der in der Anzahl und Form beliebig viele Rohrbündel in einem Traggestell mit Schwimmer untergebracht sind.

Fig. 4 Ansicht der Vorrichtung in Kopplung mit einem Wellenkraftwerk bei indirekter Druckbeaufschlagung der flexiblen Rohre in einem Verbundsystem mit getrenntem Schwimmergestell (Letzteres nicht dargestellt)

Fig. 5 Einzelheit I gemäß Fig. 4 in detaillierter Ansicht eines Rohrbündels mit verzweigten Luftzu- und Luftabführ leitungen.

Nach Fig. 1 ist die Vorrichtung so gestaltet, daß die einzelnen Rohre 4 in Reihen übereinander angeordnet sind und starr mittels Haltestangen 3 an einem eigenen Schwimmer 1 fixiert sind. Die einzelnen Schwimmer 1 werden über lösbare Verbindungslaschen 2 an ihren Stirnseiten zu beliebig großen Batterien zusammen gekoppelt, wobei jede einzelne Einheit eine an sich bekannte elektrische Ableitung 5 besitzt.

Bei notwendig werdenden Instandhaltungsarbeiten kann die Ver bindungslasche 2 zwischen den einzelnen Schwimmern 1 gelöst werden, so daß gesamte die defekte Rohrreihe 1; 3, 4 gegen eine intakte ausgetauscht werden kann.

Nach Fig. 2 bestehen die Rohre 4 aus einem metallisch längs geschlitzten Rohrkern 6, der an seiner Innenseite mit einer piezoelektrischen Kristallen bestückten Folie 7 ausgekleidet ist, und einer schützenden, gleichzeitig Kraft übertragenden Schlauchhülle 8.

Nach Fig. 3 sind an den Schwimmer 1 in Viereckform ausgebildete und in einem Aufnahmegestell 10 eingeordnete Bündel von Rohren 4 in einem Traggestell 9 angeordnet. Auf dem Schwimmer 1 sind klappbaren Laufschienen 11 mit einer Hebeeinrichtung 12 ange bracht; die Konstruktion ermöglicht es, bei notwendig werdenden Instandhaltungsarbeiten die einzelnen Aufnahmegestelle 10 mit den Rohren 4 aus dem Traggestell 9 bei ausgeklappten Laufschienen 11 mit Hilfe der Hebeeinrichtung 12 herauszunehmen und gegen neue auszutauschen, um diese in einer Werkstatt überholen zu können. Das Aufnahmegestell 10 besitzt an seinen Ecken Aufnahmeösen 14. Die Laufschienen 11 sind an der Stirnseite des Schwimmers mittels Gelenke 13 befestigt.

Die Rohrbündel können auch in Sechseckform ausgebildet sein.

In Fig. 4 sind die Rohre 4 in einem Bündel 16 auch in Viereck form ausgeführt, aber unabhängig vom Schwimmer 1 sind sie in einem Verbundgestell 17 eingebracht. Über flexible Luftsammelzu- und -abführleitungen 18; 19 sind die Bündel 16 mit einem an sich bekannten separaten Wellenkraftwerk 20 verbunden. Durch das Wellenkraftwerk 20 wird Druckluft erzeugt, welche in einem dafür vorgesehenen Luftbehälter 21 gespeichert und zur druckabhängigen Beaufschlagung der Rohre 4 benutzt wird. Der Luftbehälter 21 ist über die flexiblen Luftsammelzuführleitungen 18 mit den einzelnen Rohrbündeln 16 verbunden; die Rohre 4 im Bündel 16 sind unter sich durch weitere, verzweigte Zu- und Abführ leitungen 18a; 19b untereinander verbunden. Die genannten Leitungen 18; 19 sind mit elektrisch gesteuerten, nicht näher erläuterten Regel- und Absperreinrichtungen, wie Druckmeßgebern 23; 24 und Rückschlagventilen 25; 26 versehen. Die Druckmeßgeber 23; 24 dienen der Beaufschlagung der in Fig. 2a und 2b darge stellten Rohre 4.

Da diese Ausführungsform unabhängig von einem Schwimmer ist, wird das Verbundgestell 17 mit den Rohrbündeln 16 bei Flachwasser entweder auf dem Meeresgrund aufgestellt oder in entsprechender Wassertiefe an einem nicht dargestellten schwimmfähigen Gestell verankert.

Zum besseren Verständnis wird nachfolgend ihre Wirkungsweise in einem Arbeitszyklus erläutert werden.

Die Ausgangsstellung für die Vorrichtung zur Gewinnung elektri scher Energie aus dem Meer ist der Wellenberg. Der Schwimmer l mit der Rohrreihe 3; 4 wird durch den Auftrieb nach oben gehoben. Die Rohre 4 sind, wie auch in Fig. 2a im oberen Totpunkt dargestellt, ausgebildet. Bei einem ankommenden Wellental wird die gesamte Rohrreihe 3; 4 einschließlich des Schwimmers 1 durch das Eigengewicht nach unten gedrückt. Durch den höher werdenden Wasserdruck werden die Rohre 4 zusammengedrückt, wie in Fig. 2b im unteren Totpunkt dargestellt. Durch das Zusammendrücken des Rohres 4 entsteht ein Druck auf die piezoelektrischen Kristalle der Folie 7. Bei einem ankommenden Wellenberg wird das ganze System wieder nach oben gehoben. Dadurch entspannt sich das Rohr 4 und nimmt im Maximum des Wellenberges die Form von Fig. 2a im oberen Totpunkt ein. Dadurch werden die piezoelektrischen Kristalle der Folie 7 entlastet. Durch diesen Wechsel der Be- und Entlastung der Kristalle der Folie 7 entsteht aufgrund des piezoelektrischen Effektes ein Strom, der über die an sich bekannte elektrische Ableitung 5 an Land geführt, gespeichert und wirtschaftlich genutzt werden kann.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung in der Ausführungsart nach Fig. 3 ist entsprechend.

Bei dem indirekten Verfahren, das in Fig. 4 und 5 dargestellt ist, wird über ein Wellenkraftwerk 20 Druckluft erzeugt, welche im Druckkessel 21 gespeichert wird. Zu den einzelnen Rohrbündeln 4; 16 wird über die Luftsammelzuführleitung 18 und die weiter aufgesplitteten Rohrzuführleitungen 18a an einer oder an beiden Frontseiten der Rohre 4 Luft in diese gepreßt. Auf der gleichen oder der anderen Frontseite des Rohres 4 sind ebenfalls aufgesplittete Rohrabführleitungen 19b angebracht, die in die Luftsammelabführleitung 19 führen, aus der die Luft ins Freie austritt. In das gesamte Leitungssystem 18; 19; 18a; 19b sind entsprechende Regel- und Absperreinrichtungen derart eingebaut, so daß die Luft zu- und -abführung zu den Rohren 4 vom Wasser druck abhängig mittels der am Verbundgestell 17 angebrachten Druckmeßgebern 23; 24 geregelt wird.

Bei Erreichen des oberen Totpunktes, auf den der Druckgeber 23 eingestellt ist, gibt dieser ein Signal an das Rückschlagventil 25 in der Luftsammelzuführungsleitung 18. Dieses schließt und gleichzeitig wird das Rückschlagventile 26 in der Luftsammel abführleitung 19 geöffnet, wodurch die Luft in den Rohren 4 in die Umgebung entweichen kann. Bei einem definierten unteren Totpunkt spricht nach einer entsprechenden Sinkphase des Verbundgestelles 17 der Druckgeber 24 erneut an. Dieser gibt ein Signal an das Rückschlagventil 26 in der Luftsammelabführleitung 19, das dadurch geschlossen wird und das in der Luftsammelzuführ leitung 18 befindliche Rückschlagventil 25 öffnet. Dadurch wird Luft in die Rohre 4 eingeblasen, der Auftrieb wird vergrößert, das Verbundgestell 17 beginnt wieder zu steigen, bis der Druckgeber 24 wieder ein neues Signal abgibt. Das Wechselspiel zwischen Heben und Senken wiederholt sich entsprechend vorhandenem Seegang.

Durch Festlegen der Ein- und Ausströmgeschwindigkeit der Luft in die Rohre 4 wird die Steig- bzw. die Sinkgeschwindigkeit ge steuert. Mit den Druckmeßgebern 23; 24 kann der Hub des Verbunggestelles 17 festgelegt werden und somit die Verformung der Rohre 4 eingestellt werden.

Zum Wechseln von defekten Rohrbündeln 16 im Verbundgestell 17 kann eine Hebeeinrichtung 12, wie sie in Fig. 3 vorgesehen ist benutzt werden.

Bezugszeichenliste

1 Schwimmer
2 Verbindungslasche
3 Haltestange
4 Rohr
5 Elektrische Ableitung (ans Land)
6 geschlitzter Rohrkern
7 Folie mit piezoelektrischen Kristallen bestückt
8 Schlauchhülle
9 Traggestell des Rohrbündels
10 Aufnahmegestell
11 Klappbare Laufschiene für die Hebeeinrichtung
12 Hebeeinrichtung
13 Gelenk für die Laufschiene
14 Aufnahmeösen
15
16 Rohrbündel
17 Verbundgestell
18 Luftsammelzuführleitung
18a gesplittete Rohrzuführleitung
19 Luftsammelabführleitung
19a gesplittete Rohrabführleitung
20 Wellenkraftwerk
21 Luftvorratsbehälter
22
23 Druckgeber für die Einstellung des unteren Totpunktes in dem Verbundsystem
24 Druckgeber für die Einstellung des unteren Totpunktes in dem Verbundsystem
25 Rückschlagventil in der Luftsammelzuführleitung
26 Rückschlagventil in der Luftsammelabführleitung
27
28.

Claims

1. Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie durch Ausnutzung der potentiellen und kinetischen Energie der Wellen und Ausnutzung des statischen Druckes der Meereswassersäule mittels piezoelektrischer Kristalle, dadurch gekennzeichnet, daß Schwimmer (1) durch Verbindungslaschen (2) gekoppelt sind, an denen stirnseitig in Haltestangen (3) starr befestigt sind, zwischen denen in beliebiger Anzahl übereinander deformierbare Rohre (4) gebündelt angeordnet sind und an denen sich eine an sich bekannte elektrische Ableitung (5) befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (4) aus einer elastischen Schlauchhülle (8), in dem ein längs geschlitzter, verformbarer Rohrkern (6) eingebracht ist, an dessen Innenseite sich eine Folie (7) mit piezoelektrischen Kristallen befindet, bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Schwimmer (1) ein Aufnahmegestell (10) angeordnet ist, in dem sich beliebig viele Bündel von Rohren (4) in beliebiger Form, vorzugsweise in Viereckform, jederzeit auswechselbar befinden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke des Auswechselns der Rohrbündel (4 : 10) im Traggestell (9) auf dem Schwimmer (1) in an sich bekannter Weise auf klappbaren Laufschienen (11) eine Hebeeinrichtung (12) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1; 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die klappbaren Laufschienen (11) mittels Gelenken (13) an der Stirnseite des Schwimmers (1) befestigt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1; 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für das Herausziehen der Rohrbündel aus dem Tragegestell (9) Halteösen (14) am Aufnahmegestell (10) vorhanden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der indirekten Beaufschlagung mittels Druckluft der gebündelten Rohre (4) ein an sich bekanntes Wellenkraftwerk (20) auf dem Prinzip einer Kolbenpumpe benutzt wird, das die Druckluft einen Luftbehälter (21) drückt, aus dem über Luftsammelzuführleitungen (18) mittels entsprechender, an sich bekannter Regel- und Absperreinrichtungen (25; 26) die Rohre (4) in einem Verbundgestell (17) mit einer definierten Luftmenge versorgt werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Umsteuerung des Absink- und Aufsteigvorganges am Verbundgestell (17) Druckmeßgeber (23, 24) verwendet werden.