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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt eine Wellenenergieanordnung
mit einem Schwimmkörper
und einem elektrischen Lineargenerator, dessen Rotor über eine
Verbindungseinrichtung mit dem Schwimmkörper und dessen Stator am Meeres-/Seeboden
verankerbar ist. Die Bewegungsrichtung des Rotors legt die Längsrichtung
des Generators und eine zur Bewegungsrichtung rechtwinklige Ebene
die Querrichtung des Generators fest.
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In
einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Wellenenergieanlage
mit mehreren erfindungsgemäßen Wellenenergieanordnungen.
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In
einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung die Nutzung der erfindungsgemäßen Wellenenergieanordnung
zur Erzeugung von elektrischem Strom.
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In
einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung
elektrischer Energie.
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In
der vorliegenden Anmeldung ist der Ausdruck "Rotor" für
den bewegbaren Teil des Lineargenerators verwendet. Es sollte also
klar sein, dass der Ausdruck "Rotor" keinen rotierenden,
sondern einen geradlinig hin- und hergehenden Körper bezeichnet. Die "Bewegungsrichtung" des Rotors ist also
dessen geradlinige Bewegungsrichtung.
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Die
erfindungsgemäße Wellenenergieanordnung
ist primär
für Anwendungen
bis 500 kW gedacht, aber nicht auf sie beschränkt.
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Der
Umstand, dass der Stator zur Verankerung am Meeresboden ausgeführt ist,
bedeutet nicht unbedingt, dass er auf diesem angeordnet ist. Er braucht
auch nicht starr mit dem Meeresboden verbunden zu sein. So kann
die Statorkonstruktion "schwimmend" festgelegt sein,
und die Verankerung kann lediglich aus einer Trosse od. dergl. bestehen, die
verhindert, dass die Anordnung abgetrieben wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Wellenbewegung im Meer und in großen Seen stellt eine potenzielle,
bisher kaum genutzte Energiequelle dar. Die verfügbare Wellenenergie hängt von
der Wellenhöhe
ab und ist natürlich
ortsabhängig.
Die mittlere jährliche
Wellenenergie hängt von
den Windbedingungen ab, die stark vom Abstand zur nächsten Küste beeinflusst
werden. Messungen sind u.a. in der Nordsee durchgeführt worden – bspw. Wellenhöhenmessungen
an einem Ort etwa 100 km westlich vor der Küste Jütlands bei etwa 50 m Tiefe.
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Um
die Energie aus der Bewegung der Meereswellen zu nutzen, hat man
verschiedenartige Wellenenergieanordnungen zum Erzeugen von elektrischem
Strom vorgeschlagen, die dann jedoch mit der herkömmlichen
Stromerzeugung nicht konkurrenzfähig
waren. Bei den bislang realisierten Wellenenergieanlagen handelte
es sich hauptsächlich
um Probeanlagen oder Generatoren für die örtlichen Stromerzeugung für Navigationsbojen.
Um eine kommerzielle Stromerzeugung und damit den Zugriff auf die
in der Bewegung der Meereswellen verborgenen Energiereserven zu
erreichen, müssen
die Anordnungen nicht nur an geeigneten Orten ausgesetzt werden. Sie
müssen
auch zuverlässig
sein, einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und kostengünstig erstell-
und betreibbar sein.
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Unter
den in die Praxis umsetzbaren Prinzipien einer Umwandlung von Wellenbewegungsenergie
zu elektrischer Energie sollte ein Lineargenerator diese Forderungen
weitestmöglich
erfüllen.
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Die
von den Wellenbewegungen verursachten vertikalen Bewegungen des
Schwimmkörpers sind
dabei direkt in eine Hin- und Herbewegung des Generatorrotors übertragbar.
Ein Lineargenerator lässt
sich sehr robust und einfach erstellen; am Boden verankert, wird
er von Wasserströmungen
nicht beeinträchtigt.
Der einzige bewegbare Generatorteil ist sein Rotor. In Folge der
wenigen bewegbaren Teile und des einfachen konstruktiven Aufbaus
wird die Anordnung sehr zuverlässig.
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Bspw.
die
US 6 020 653 lehrt
eine Wellenenergieanordnung, der das Lineargeneratorprinzip zu Grunde
liegt. Dabei offenbart die Beschreibung einen am Boden verankerten
Generator, der aus den Wellenbewegungen des Meeresspiegels elektrische
Energie erzeugt. Eine Generatorspule ist mit einem Schwimmkörper so
verbunden, dass sie mit der Wellenbewegung auf- und abwärts läuft. Auf
die sich bewegende Spule wirkt ein Magnetfeld ein, so dass in ihr
eine elektromagnetische Kraft entsteht. Das Magnetfeld liefert ein
gleichförmiges
Feld mit einer einzigen magnetischen Ausrichtung entlang des Hubs
der gesamten Spule. Der Generator weist eine Grundplatte auf dem
Meeresboden auf, die den Magnetkern trägt, in dem sich die Spule bewegt.
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Weiterhin
ist eine Wellenenergieanordnung mit einem elektrischen Lineargenerator
aus der
US 4 539 485 bekannt.
Dessen Rotor besteht aus einer Anzahl von Permanentmagneten, und
die Generatorwicklung ist im umgebenden Stator angeordnet.
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Schließlich offenbart
die PCT/SE02/02405 eine Wellenenergieanordnung mit einem Lineargenerator,
dessen Rotor permanentmagnetisch und dessen Stator eine Wicklung
ist, die in der Bewegungsrichtung des Rotors zu einer Vielzahl von
Polen verteilt ist.
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Wichtig
ist eine präzise
und zuverlässige Führung der
Linearbewegung des Rotors bezüglich des
Stators, so dass der Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator genau
erhalten bleibt. Der Spalt liegt in der Größenordnung von 1 mm bis 5 mm,
vorzugsweise etwa 2 mm. Da ein derartiger Generator ziemlich groß sein kann,
kann in Folge eine unzureichende Präzision der Führung die
Spalt breite vom Sollwert erheblich abweichen. Dadurch werden die
auf den Rotor wirkenden magnetischen Kräfte asymmetrisch mit der Gefahr
von Betriebsstörungen
bis zum Versagen. Auch beeinträchtigt
eine falsche Spaltbreite die elektromagnetische Energieumwandlung.
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Daher
muss der Rotor in Querrichtung einwandfrei gelagert sein, und eine
lange Nutzungsdauer der Lagerung lässt sich nur mit erheblichem
Aufwand erreichen. Eine derartige Anordnung wird rechnerisch 30
Jahre oder mehr in Betrieb sein. Übliche Kugellager haben normalerweise
eine viel kürzere Nutzungsdauer.
Ein Lagerwechsel ist teuer, da der Generator küstenfern im Meer und in großer Tiefe liegt.
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Vor
diesem Hintergrund ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine
Rotorlagerung für
eine Wellenenergieanordnung der genannten Art, die die genannten
Schwierigkeiten überwindet,
folglich einfach und zuverlässig
ist und eine lange Betriebszeit hat.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das
Ziel wird in einem ersten Aspekt der Erfindung damit erreicht, dass
eine Wellenenergieanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten
Art dadurch gekennzeichnet ist, dass der Rotor in der Querrichtung
mittels Wälzelementen
gelagert ist, die zwischen in Längsrichtung
verlaufenden Wälzflächen des
Rotors und Stützflächen einer
Stützeinrichtung
laufend angeordnet sind; die Wälzelemente
sind so angeordnet, dass sie auf den Wälzflächen des Rotors und den Stützflächen der
Stützeinrichtung
abwälzen.
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Da
auf diese Weise der Rotor in der Stützeinrichtung hin- und herläuft, liegt
eine sehr robuste Wälzlagerung
vor. Die Wälzelemente
können
mit großem
Wälzdurchmesser
aus einem festen und verschleißfesten
Werkstoff hergestellt sein und erreichen damit eine fast unbegrenzte
Nutzungsdauer. In dieser Hinsicht stellen weder die Wälz- noch
die Stützflächen ein
Problem dar.
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Weiterhin
wird der Rotor in der Querrichtung mit extremer Genauigkeit positioniert,
da seine Lage eindeutig vom Durchmesser der Wälzelemente bestimmt ist. Mittels
der erfindungsgemäßen Wellenenergieanordnung
erhält
man also eine zuverlässige Führung der
Rotorbewegung und eine Nutzungsdauer der Wälzlagerung, die gewährleistet,
dass über
die geschätzte
Betriebsdauer der gesamten Anordnung eine Wartung oder ein Lagerwechsel
entfällt.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Wellenenergieanordnung besteht
die Stützeinrichtung
aus dem Stator des Generators. Es liegt an sich im Rahmen der Erfindung, dass
die Stützeinrichtung
aus separaten Komponenten besteht – bspw. einer Säule in der
Mitte des Rotors oder einer Führungssäule auf
der Außenseite des
Rotors. Benutzt man jedoch den Stator als Stützeinrichtung, erhält man den
Vorteil, dass derartige separate Komponenten entfallen, so dass
die Anordnung einfacher und kostengünstiger wird. Weiterhin soll
die Rotorbewegung bezüglich
des Rotors definiert sein. Stellt der Stator die Stützeinrichtung
dar, besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Wälzlagerung
und dem Generatorspalt und ergibt sich damit eine höchstmögliche Präzision.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird der Stator von einem Rahmen gestützt, der die Stützeinrichtung
darstellt. Auch hier erhält
man einen engen Zusammenhang zwischen dem Generatorspalt und den
Stützflächen. In
bestimmten Fällen
kann es vorteilhaft sein, unmittelbar auf dem Stator liegende Stützflächen zu
vermeiden; dies erreicht man mit der genannten Ausführungsform.
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Nach
einer zusätzlichen
bevorzugten Ausführungsform
liegen Wälzflächen in
mindestens drei sich schneidenden Ebenen vor, deren Schnittlinien im
Querschnitt ein Vieleck bilden. Auf diese Weise angeordnete Wälzflächen stellen
eine ausreichende geometrische Bedingung dar, um die Lage des Rotors
in der X- und der Y-Richtung in der Querrichtung zu definieren.
Mittels der Wälzflächen in
weniger Ebenen oder in Ebenen, die einander nicht auf die genannte
Weise schneiden, bleibt die Positionierung über die Wälzlagerung mittels der Wälzelemente
unvollständig
definiert, so dass dann ergänzende
Lagerungseinrichtungen erforderlich sind. In der vorliegenden Ausführungsform
entfällt
diese Notwendigkeit. Nach einer zusätzlichen bevorzugten Ausführungsform
hat der Rotor im Querschnitt hauptsächlich die Gestalt eines Vielecks
und ist auf jeder von mindestens drei Polygonseiten des Rotors jeweils mindestens
eine Wälzfläche angeordnet.
Die Wälzelemente
können
dann unmittelbar auf den Seiten des Rotors gelagert sein, so dass
man einen sicheren und einfachen Aufbau erhält.
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In
diesem Zusammenhang ist nach einer zusätzlichen bevorzugten Ausführungsform
auf jeder der Polygonseiten des Rotors mindestens eine Wälzfläche angeordnet.
Da Wälzflächen auf
allen Rotorseiten liegen, erhält
man eine maximale Stabilität
und Symmetrie der Wälzlagerung.
Obgleich als Gestalt ein regelmäßiges Vieleck
geeignet ist, sind im Rahmen der Erfindung auch unregelmäßige Vielecke möglich.
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Nach
einer zusätzlichen
bevorzugten Ausführungsform
ist in mindestens einer Ebene eine Vielzahl von Wälzelementen
in Längs-
und/oder Querrichtung verteilt angeordnet. Mittels einer Vielzahl von
Wälzelementen
in ein- und derselben Ebene erreicht man generell eine Verteilung
der erforderlichen Wälzlagerungskraft,
was die Stützkapazität erhöht. Dadurch
erhöht
sich die Lagerungsstabilität
und sind schwächere
Wälzelemente
möglich.
Sind weiterhin Wälzelemente
in Längsrichtung
hintereinander angeordnet, entfällt
die Gefahr einer Asymmetrie des Rotors in Bewegungsrichtung; sind
sie in Querrichtung nebeneinander angeordnet, nimmt die Stabilität gegen
eine Drehung des Rotors um seine Längsachse zu. Sind die Wälzelemente
in der Längs-
und in der Querrichtung in der gleichen Ebene angeordnet, erhält man den
entsprechenden Kombinationseffekt. Was man mit einer erhöhten Anzahl
von Wälzelementen
gewinnt, muss natürlich
gegen die höhere Komplexität aufgewogen
werden, die dadurch verursacht wird.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die Wälzelemente
Rollen. Dadurch kann jedes Wälzelement
die Wälzlagerungskraft
entlang einer Linie aufnehmen, die – bspw. gegenüber kugelförmigen Wälzelementen – eine günstige Verteilung
der Wälzlagerungskraft
darstellt.
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In
diesem Zusammenhang sind nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
die Wälz- und/oder
die Stützflächen profiliert
und/oder hat mindestens eine der Rollen eine profilierte Hüllfläche. Mit einer
derartigen Ausführungsform
sinkt die Gefahr eines Rutschens zwischen den Rollen und den Wälz- und
Stützflächen, was
zu vermeiden aus mehreren Gründen
wichtig ist. Natürlich
erreicht man dies am sichersten, wenn die Hüllflächen aller Rollen und sowohl
die Wälz-
als auch Stützflächen ebenfalls
profiliert sind.
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Nach
einer bevorzugten Form der profilierten Ausführung besteht die Profilierung
aus einem regelmäßigen Muster
von Tälern
und Kämmen,
die in Querrichtung verlaufen, wobei die Profilierung der Rollen
der der Wälz-
und Stützflächen entspricht.
Dadurch geraten die Rollen und die Stützflächen in den gegenseitigen Eingriff
wie bei Ritzeln zwischen Zahnstangen. Auf diese Weise wird die Rutschgefahr
vollständig
beseitigt.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind mindestens einige der Wälzelemente mechanisch
miteinander verbunden. Dadurch ist gewährleistet, dass die Wälzelemente
ihre gegenseitige Lage beibehalten und ein konstantes Muster für die Verteilung
der Wälzlagerungskräfte erhalten
bleibt. Weiterhin entfällt
die Gefahr eines Freikommens von Wälzelementen aus ihrer Istlage.
Darin kann eine alternative Methode liegen, ein Rutschen zu verhindern.
Die mechanische Verbindung kann derart sein, dass die hintereinander
in der Längsrichtung
angeordneten Wälzelemente
zu einem längsverlaufenden Zug
verbunden sind. Alternativ können
in Querrichtung nebeneinander liegende Wälzelemente über Querhalter miteinander
verbunden sein. Auch ist möglich,
die auf einer der Rotorseiten in Längs- und in Querrichtung verteilten
Wälzelemente
in einem netzartigen oder alle Wälzelemente
in einem käfigartigen
Halter zusammenzufassen.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind mindestens die dem Stator zugewandten Rotorflächen und/oder
die dem Rotor zugewandten Statorflächen an der Oberfläche mit
einem Belag aus einem Isolierstoff – vorzugsweise einem Kunststoff – versehen.
Die Wälzbahnen
lassen sich dann auf dem gleichen Oberflächenbelag anordnen. Weiterhin
wirkt der Oberflächenbelag
als Schutz vor Kollisionen des Stators mit dem Rotor, wobei die Oberflächenbeläge den schmalsten
Spalt zwischen ihnen gewährleisten.
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In
diesem Zusammenhang ist der Rotor und/oder der Stator vom Isoliermaterial
vollständig eingekapselt.
In Folge der Einkapselung dieser Komponenten sind sie gegen das
umgebende Meeres- oder Seewasser korrosionsgeschützt.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Form der Ausführung mit Oberflächenbelägen ist
der Rotor so angeordnet, dass er auf dem Stator gleitet, wobei die Oberflächenbeläge als Gleitschicht
wirken. So wird der Rotor zusätzlich
zur Rollenlagerung auch gleitgelagert, was so einfacher und mit
einer geringeren Anzahl von Wälzflächen und
-elementen erreichbar ist.
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In
diesem Zusammenhang erfolgt nach einer zusätzlichen bevorzugten Ausführungsform
die Rotorlagerung ausschließlich
mit den genannten Gleitflächen,
so dass einige Wälzelemente
nicht zur Lagerung in der Querrichtung angeordnet sind. Diese Ausführungsform
ist einfach und die Oberflächenbeläge üben eine
Doppelfunktion als Kollisions- und/oder Korrosionsschutz wie auch
als Gleitlager aus. Insbesondere in Wellenenergieanordnungen mit
kleinem Generator könnte
diese Ausführungsform
interessant sein.
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Die
genannten bevorzugten Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Wellenenergieanordnung
sind in den vom Anspruch 1 abhängigen
Unteransprüchen
erfasst.
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Nach
einem zweiten, dritten und vierten Aspekt der Erfindung wird das
genannte Ziel dadurch erreicht, dass eine Wellenenergieanlage eine
Vielzahl der erfindungsgemäßen Wellenenergieanordnungen
aufweist, eine erfindungsgemäße Wellenenergieanordnung
zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt wird und ein Verfahren
zur Erzeugung elektrischen Stroms mit einer erfindungsgemäßen Wellenenergieanordnung
ausgeführt
wird; vergl. hierzu die Ansprüche
16, 17 bzw. 18.
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Durch
die erfindungsgemäße Wellenenergieanordnung
und Nutzung sowie das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich Vorteile
entsprechender Art wie in der erfindungsgemäßen Wellenenergieanordnung
und deren bevorzugten Ausführungsformen erzielen,
wie sie oben angegeben sind.
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Die
Erfindung wird nun an Hand vorteilhafter Ausführungsbeispiele unter Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen ausführlich
beschrieben.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
schaubildlich eine erfindungsgemäße Wellenenergieanordnung;
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2 ist
ein Schnitt in der Ebene II-II der 1;
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3 ist
ein vergrößerter Teilschnitt
aus der 2;
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4 ist
ein Schnitt in der Ebene IV-IV der 3;
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5–7 sind
Schnitte entsprechend 4 eines alternativen Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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8 zeigt
eine Einzelheit eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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9 zeigt
eine ähnliche
Einzelheit wie die 8 nach einem alternativen Ausführungsbeispiel;
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10 ist
ein Schnitt durch den Rotor eines zusätzlichen alternativen Ausführungsbeispiels;
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11 ist
ein Schnitt entsprechend der 3 durch
ein zusätzliches
alternatives Ausführungsbeispiel;
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12 zeigt
perspektivisch ein erfindungsgemäßes Wälzelement;
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13 zeigt
einen Schnitt durch ein Wälzelement
nach einem alternativen Ausführungsbeispiel;
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14–16 zeigen
Längsschnitte
durch einen Teil des Rotors und des Stators zusätzlicher alternativer Ausführungsbeispiele;
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17 ist
ein Schnitt durch den Rotor und den Stator eines zusätzlichen
Ausführungsbeispiels; und
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18 zeigt
schaubildlich die Verbindung einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Anordnungen zu
einer Wellenenergieanlage.
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BESCHREIBUNG VORTEILHAFTER
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die 1 zeigt
das Arbeitsprinzip der erfindungsgemäßen Wellenenergieanordnung.
Ein Schwimmkörper 3 ist
auf der Meeresoberfläche 2 schwimmend
angeordnet. Wellen erteilen dem Schwimmkörper 3 eine vertikal
hin- und hergehende Bewegung. Am Boden 1 ist ein Lineargenerator 5 über eine
am Boden befestigte Grundplatte 8 verankert, die eine Betonplatte
sein kann. An der Grundplatte 8 ist der Stator 6a, 6c des
Lineargenerators befestigt. Der Stator besteht aus vier vertikalen
säulenartigen
Statorpaketen, von denen in der Figur nur zwei sichtbar sind. Im
Raum zwischen den Statorpaketen ist der Rotor 7 des Generators
angeordnet. Der Rotor ist mit dem Schwimmkörper 3 mit einer Trosse 4 befestigt.
Der Rotor 7 ist aus permanentmagnetischem Material.
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Die
Grundplatte 8 enthält
eine mittige Öffnung 10;
konzentrisch mit dieser ist ein Bodenloch 9 in dem Meeresboden
eingelassen. Das Bodenloch 9 kann geeignet ausgekleidet
sein. Eine Zugfeder 11 ist im unteren Ende des Bodenlochs 9 und
mit dem anderen Ende am unteren Ende des Rotors 7 festgelegt.
Der Durchmesser der Öffnung 10 in
der Grundplatte 8 und des Bodenlochs 9 ermöglicht einen
freien Durchgang des Rotors 7.
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Jedes
Statorpaket setzt sich aus einer Anzahl von Modulen zusammen. Im
dargestellten Beispiel ist auf dem Statorpaket 6a markiert,
wie es sich zu drei vertikal verteilten Modulen 61, 62, 63 unterteilt.
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Bewegen
die Wellen auf der Meeresoberfläche
den Schwimmkörper 3 auf
und nieder, wird über die
Trosse 4 diese Bewegung auf den Rotor 7 übertragen,
dem zwischen den Statorpaketen eine entsprechende Hin- und Herbewegung
erteilt wird. Dadurch entsteht in den Statorwicklungen elektrischer Strom.
Das Bodenloch 9 erlaubt dem Rotor den Durchgang des gesamten
Stators bei dessen Abwärtshub.
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Die 2 ist
ein Schnitt in der Ebene II-II der 1. In diesem
Beispiel ist der Rotor 7 im Querschnitt ein Quadrat, auf
dessen Seiten jeweils ein Statorpaket 6a–6d angeordnet
ist. Die Wicklungen der Statorpakete sind bei 12a–12d gezeigt.
In der Figur ist auch die Ausrichtung der Bleche jedes Statorpakets
gezeigt. Der Luftspalt zwischen dem Rotor und angrenzenden Statorpaketen
liegt in der Größenordnung
einiger Millimeter. Für
die Erfindung bedeutungslose Einzelheiten sind aus Gründen der Klarheit
aus den 1 und 2 fortgelassen.
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Klar
ist, dass die Querschnittsgestalt des Rotors ein Vieleck mit beliebiger
Seitenanzahl sein kann. Zweckmäßigerweise,
aber nicht unbedingt ist das Vieleck regelmäßig. Der Rotor kann auch kreisförmig sein.
Indem man Statorpakete in verschiedenen Richtungen um den Rotor
herum anordnet, lässt sich
ein größtmöglicher
Teil des Magnetfeldes für
den Induktionseffekt nutzen.
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Die
Isolation der Wicklungen besteht aus einer salzwasserbeständigen Lage
einer Spannungsfestigkeit bis 6 kV. Sie kann aus einem Polymerisat wie
PVC od. dergl. sein. Alternativ ist Lackdraht verwendbar. Der Leiter
besteht aus Aluminium oder Kupfer. Damit der Luftspalt so klein
wie möglich bleibt,
muss die Bewegung des Rotors 7 präzise geführt werden.
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Erfindungsgemäß wird dies
erreicht durch Lagerung des Rotors in Wälzelementen. Die Wälzelemente
sind so angeordnet, dass sie auf Wälzflächen des Rotors und Stützflächen einer
Stützeinrichtung
abrollen. Im Folgenden sind unterschiedliche Anordnungsbeispiele
hierfür
dargestellt.
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Die 3 zeigt
ein Beispiel, wie ein Rotor 7 mit Quadratquerschnitt direkt
im umgebenden Stator 6a–6d gelagert ist.
Auf jeder der vier Seiten des Rotors ist eine Wälzfläche 13 vorgesehen
und in eine Nut eingelassen. In jeder Wälzbahn ist ein Wälzelement 14 angeordnet
und wälzt
auf der zugehörigen Wälzfläche und
auf einer zugehörigen
Stützfläche des
Stators ab. Die Wälzelemente
wälzen
rutschfrei ab und laufen daher in der Bewegungsrichtung des Rotors
mit der halben Geschwindigkeit des Rotors. Auf diese Weise ist die
Führung
des Rotors eindeutig, so dass alle Spalte zwischen dem Rotor und
dem Stator hochgenau aufrechterhalten bleiben.
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Die 4 zeigt
einen Schnitt in der Ebene IV-IV der 3 und zeigt
das Wälzelement 14a in
einer Zwischenlage auf seiner Wälzfläche 13a.
Läuft der
Rotor mit der Geschwindigkeit v aufwärts, läuft das Wälzelement 14 relativ
zum Rotor mit der Geschwindigkeit v/2 abwärts. Mittels einer Wälzfläche 13,
die sich über
die Länge
des gesamten Rotors erstreckt, ist daher ein Rotorhub möglich, der
das Zweifache der Längsabmessung
des Rotors beträgt.
Um zu vermeiden, dass das Wälzelement 13a aus
dem Rotor herausrollt, kann an jedem Ende der Wälzfläche ein Anschlag 16 vorgesehen
sein.
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Die 5 zeigt
eine Alternative zu dem Beispiel der 4 in einem
analogen Schnitt. In dem Ausführungsbeispiel
des 5 hat die Wälzfläche auf
beiden Seiten eine Verlängerung 17,
so dass sie sich in Längsrichtung
aus dem Rotor hinaus erstreckt. Eine solche Ausführungsform ermöglicht einen
größeren Rotorhub
als die doppelte Rotorlänge.
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6 zeigt
eine zusätzliche
Alternative in einem entsprechenden Schnitt. In diesem Fall sind zwei
Wälzelemente 14 in
Längsrichtung
hintereinander angeordnet und wälzen
auf der gleichen Wälzfläche 13 ab.
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Die 7 zeigt
eine weitere Alternative in einem entsprechenden Schnitt. Hier sind
auf der Rotorseite zwei Wälzflächen 13 angeordnet,
in denen jeweils ein Wälzelement 14 läuft. Die
Ausführungen nach 6 und 7 lassen
sich natürlich
miteinander und auch mit der in 5 gezeigten
verlängerten Wälzfläche kombinieren.
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Die
Wälzelemente
in der Ausführungsform nach 6 lassen
sich verbinden, wie in 8 dargestellt. Dabei sind die
Wälzelemente 14 jeweils
auf einem Achszapfen 19 gelagert und letztere mit einer Längsstrebe 26 verbunden.
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Entsprechend
können
die Wälzelemente 14 in 7,
die auf einer Seite liegen, nach 9 mit einer
Querstrebe 27 und Achszapfen 18 verbunden sein.
Auch die Ausführungsformen
nach 6 und 7 lassen sich kombinieren. Weiterhin
können
die Wälzelemente 14 auf
unterschiedlichen Rotorseiten (vergl. 3) mit einem
System von Streben zusammengefasst werden, die in einem Viereck
und als Rand um den Rotor herum verlaufen.
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Die 10 zeigt
ein Beispiel, bei dem der Rotor achteckig ist und auf dreien der
Achteckseiten jeweils ein Wälzelement
angeordnet ist. Natürlich lassen
sich Wälzelemente
auf allen Seiten vorsehen.
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In
den in den Figuren oben gezeigten Beispielen sind die Wälzelemente 14 so
angeordnet, dass sie auf den Wälzflächen 13 auf
der Außenseite des
Rotors und auf Stützflächen 15 auf
dem Stator 6 abwälzen.
Natürlich
lassen sich die Stützflächen auf eine
andere externe Stützvorrichtung
als dem Stator anordnen.
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Die 11 zeigt
ein zusätzliches
Ausführungsbeispiel
als Schnitt durch den Rotor 7. Der Rotor enthält einen
längsverlaufenden – und in
diesem Fall im Schnitt dreieckigen – Hohlraum. Die Gestalt ist
jedoch beliebig. Durch den Hohlraum verläuft ein Stützträger 29 entsprechenden
Querschnitts. Hier sind die Wälzelemente 14 zwischen
Wälzflächen 13 auf
der Innenseite des Rotors und Stützflächen 15 auf
Stützträgern angeordnet.
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Die
Wälzelemente 15 sind,
wie in 12 gezeigt, zweckmäßigerweise
zylindrisch. Die Hüllfläche 30 eines
Wälzelements
ist zweckmäßigerweise
rau oder profiliert, um die Rutschgefahr zu verringern. Zweckmäßigerweise
sind auch die Wälz-
und die Stützflächen 13, 14 ähnlich strukturiert.
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Die 13 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Wälzelements 14 im
Schnitt, wobei dessen Hüllfläche 30 mit
Tälern 31 und
Kämmen 39 profiliert
ist, die in der Axialrichtung des Wälzelements verlaufen. Die mit
dem Wälzelement 13 zusammenwirkenden Stützflächen 15 sowie
dessen Wälzflächen 14 weisen
entsprechende Täler 31 und
Kämme 32 auf.
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Dadurch
arbeitet das Wälzelement
mit den Wälz-
bzw. Stützflächen zusammen
wie ein Ritzel mit einer Zahnstange.
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Die 14 zeigt
ein Ausführungsbeispiel, bei
dem der Rotor 7 und der Stator 6 auf den einander
zugewandten Flächen
eine Oberflächenschicht 33, 34 aus
einem nicht leitfähigen
Werkstoff wie bspw. einem Kunststoff aufweisen.
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In
dem Ausführungsbeispiel
nach 15 sind der Rotor und die Statoren jeweils vollständig in eine
entsprechende Kunststoffschicht 33, 34 eingekapselt.
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Die 16 zeigt
ein Ausführungsbeispiel, bei
dem die Kunststoff-Oberflächenschicht 33, 34 auf dem
Rotor 7 und dem Stator 6 zueinander gewandt den
Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator vollständig ausfüllen. In dieser Ausführungsform
erfolgt die Rotorführung
dadurch, dass der Rotor über
die Kunststoffschichten 33, 34 direkt auf dem
Stator gleitet.
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Die 17 zeigt
ein Ausführungsbeispiel, bei
dem die Statorpakete 6a–6d des Stators 6 auf
einem Rahmen 3 angeordnet sind. In diesem Fall wird der
Rotor 7 über
die Wälzelemente 14 von
den Stützflächen des
Rahmens 35 gelagert.
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Eine
erfindungsgemäße Wellenenergieanlage
besteht aus zwei oder mehreren Anordnungen der oben beschrieben
Art. Die 18 zeigt, wie diese verschaltet
sind, um Energie ins Netz zu liefern. In dem dargestellten Beispiel
besteht das Kraftwerk aus drei Anordnungen, die symbolisch bei 20a–20c gezeigt
sind. Jede Anordnung ist über
einen Ab- bzw. Schutzschalter 21 und einen Gleichrichter 22 in
einer bipolaren Schaltung an einen Wechselrichter gelegt, wie in
der Figur gezeigt. Dort ist eine Schaltung nur für die Anordnung 20a gezeigt.
Es sollte klar sein, dass die anderen Anordnungen 20b, 20c entsprechend
verschaltet sind. Der Wechselrichter 23 gibt Drehstrom
an das Netz 25 ab – möglicherweise über einen
Transformator 24 und/oder ein Filter. Die Gleichrichter
können
an der Gate-Elektrode gesteuerte Dioden des IGBT-, GTO- oder Thyristor-Typs, gate-gesteuerte
Bipolar-Bauelemente oder auch ungesteuert sein.
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Die
Spannungen lassen sich gleichspannungsseitig parallel, in Reihe
oder in einer Kombination von beiden schalten.