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GEBIET DER TECHNIK
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Ein
erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Wellenerergieeinheit
zum Erzeugen elektrischer Energie, wobei die Einheit einen Schwimmkörper und
einen elektrischen Lineargenerator aufweist, dessen Rotor permanentmagnetisch
und über
eine Verbindungseinrichtung mit dem Schwimmkörper verbunden ist und dessen
Stator am Boden eines Meeres oder Sees verankerbar ist.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung betrifft eine Wellenenergieanlage mit
einer Vielzahl erfindungsgemäßer Wellenenergieeinheiten.
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Ein
dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Anwendung
der beanspruchten Wellenergieeinheit zum Erzeugen elektrischen Stroms.
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Ein
vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen
elektrischen Stroms durch Verbinden eines Schwimmkörpers mit
dem Rotor eines elektrischen Lineargenerators und Verankern des
Stators des Generators in einem Gewässerboden.
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Schließlich betrifft
ein fünfter
Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Lineargenerators
für eine
erfindungsgemäße Wellenenergieanlage.
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In
der vorliegenden Anmeldung ist der Ausdruck "Rotor" für
den bewegbaren Teil des Lineargenerators verwendet. Er bezeichnet
daher keinen drehenden, sondern einen gradlinig hin- und hergehenden
Körper.
Die "Bewegungsrichtung
des Rotors" betrifft
also seine gradlinige Bewegungsrichtung. Die "Mittellinie" des Rotors bezeichnet die in einem
gewählten
Querschnitt durch den Rotor durch dessen Mittelpunkt und in der
Bewegungsrichtung verlaufende Linie, während der "Querschnitt" ein Schnitt quer zur Bewegungsrichtung
des Rotors ist.
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Die
erfindungsgemäße Wellenenergieeinheit
ist primär
für Anwendungen
bis 500 kW gedacht, aber auf diese nicht beschränkt.
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STAND DER TECHNIK
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Der
Wellengang im Meer und in großen
Seen stellt eine bisher kaum genutzte potenzielle Energiequelle
dar. Die verfügbare
Wellenenergie hängt
von der Wellenhöhe
ab und ist natürlich
an jedem Ort anders. Die durchschnittliche Wellenenergie über ein
Jahr hängt
von den verschiedenen Windbedingungen ab, die von der Entfernung
des jeweiligen Standorts von der nächsten Küste stark beeinflusst werden.
Messungen sind bspw. in der Nordsee ausgeführt worden. An einem Messpunkt
etwa 100 km westlich der Küste
von Jylland, Dänemark,
mit einer Tiefe von etwa 50 m wurden die Wellenhöhen über einen längeren Zeitraum gemessen und
die verfügbare
Energie berechnet. Dabei ergab sich die folgende Tabelle:
| Wellenhöhe (m) | Wellenperiode
(s) | Leistung
(kW/m) | Stunden/Jahr |
| < 0,5 | – | – | 966 |
| 1 | 4 | 2 | 4103 |
| 2 | 5 | 12 | 1982 |
| 3 | 6 | 32 | 944 |
| 4 | 7 | 66 | 445 |
| 5 | 8 | 115 | 211 |
| > 5,5 | | > 145 | 119 |
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Während etwas
weniger als der Hälfte
der Zeit beträgt
die Wellenhöhe
also etwa 1 m, was eine Leistung von 2 kW/m ergibt. Die meiste Energie
steht aber bei Wellenhöhen
im Bereich von 2 m bis 5 m zur Verfügung, wenn man in Betracht
zieht, dass die Leistung mit der Wellenhöhe erheblich zunimmt.
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Zur
Nutzung der aus dem Wellengang im Meer verfügbaren Energie zur Erzeugung
von elektrischem Strom wurden unterschiedlich geartete Wellenenergieeinheiten
vorgeschlagen, die jedoch mit der herkömmlichen Stromerzeugung nicht
erfolgreich konkurrieren konnten. Die bislang realisierten Wellenenergieeinheiten waren
primär
experimentell oder dienten zur örtlichen
Stromversorgung von Navigationsbojen. Soll die kommerzielle Elektrizitätserzeugung
möglich
sein, um Zugang zu den enormen Energiereserven aus dem Meereswellengang
zu schaffen, müssen
diese Einheiten nicht nur an geeigneten Orten angeordnet werden;
sie müssen
auch im Betrieb zuverlässig
sein, mit hohem Wirkungsgrad arbeiten und kostengünstig erstell-
und betreibbar sein.
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Unter
den realistischen Prinzipien der Umwandlung der Wellenenergie zu
elektrischem Strom erfüllt vermutlich
ein Lineargenerator diese Forderungen weitest möglich.
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Die
vom Wellengang bewirkte vertikale Bewegung des Schwimmkörpers lässt sich
direkt in eine Hin- und Herbewegung des Rotors des Generators umwandeln.
Ein Lineargenerator lässt
sich äußerst robust
und einfach aufbauen; da im Meeresboden verankert, bleibt er stabil
und von Wasserströmungen
unbeeinträchtigt.
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Bspw.
die
US 6 020 653 offenbart
eine Wellenenergieeinheit, der das bekannte Lineargeneratorprinzip zu
Grunde liegt. So beschreibt diese Druckschrift einen am Meeresboden
verankerten Generator, der elektrischen Strom aus dem Wellengang
an der Meeresoberfläche
erzeugt. Eine Generatorspule ist so mit einem Schwimmkörper verbunden,
dass sie sich mit dem Wellengang auf und ab bewegt. Auf die sich
bewegende Spule wirkt ein Magnetfeld, so dass in ihr eine elektromagnetische
Kraft entsteht. Das Magnetfeld ist ein gleich gerichtetes Feld mit
einheitlicher magnetischer Orientierung über den gesamten Spulenhub.
Der Generator weist eine Grundplatte am Meeresboden auf, die den
magnetischen Kern trägt,
in dem die Spule sich bewegt.
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Auch
aus der
US 4 539 485 ist
eine Wellenenergieeinheit mit einem elektronischen Lineargenerator bekannt.
Der Rotor besteht aus einer Anzahl von Permanentmagneten und die
Generatorwicklung ist im umgebenden Stator angeordnet. Ein erheblicher
Nachteil ist, dasss die Statorwicklung aus einer einzigen Spule besteht.
Daher liegen keine Pole vor. Der induzierte Strom hat daher eine
sehr niedrige Frqeunz, da die Linearbewegung des Rotors langsam
ist.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist eine Wellenenergieeinheit der genannten
Art, die jedoch die Anforderungen des zuverlässigen Betriebs, der Einfachheit
und der geringen Kosten in größerem Ausmaß erfüllt.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Das
gestellte Ziel wurde mit dem ersten Aspekt der Erfindung damit erreicht,
indem die im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebene Wellenenergieeinheit
als Besonderheit beinhaltet, dass der Stator eine Wicklung aufweist,
die eine Vielzahl von Polen in der Bewegungsrichtung des Rotors
bildet. Durch Aufnahme der Wicklung in den Stator und Ausführen des
Rotors als permanentmagnetischen Rotor ermöglicht man den einfachst möglichen
Aufbau der beweglichen Teile der Einheit, so dass die Kosten und
die Gefahr von Störungen sinken.
Ebenfalls vereinfacht sind die Kontruktion der Wicklung und das
Ableiten des Stroms von der in den Stator eingesetzten Wicklung.
Dank einer Vielzahl von hintereinander angeordneten Polen lässt sich
die Frequenz des induzierten Stroms erhöhen, was ein erheblicher Vorteil
ist angesichts des Umstands, dass die Frequenz der Hin- und Herbewegung
niedrig ist. Die beanspruchte Wellenenergieeinheit bietet daher
ein finanziell wettbewerbsfähiges
Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom aus dem Wellengang.
Der Stator lässt sich
außer-
oder innerhalb des Rotors anordnen. In den meisten Fällen ist
die Außenanordnung
bevorzugt. Eine Kombination dieser Varianten ist innerhalb des Erfindungsumfangs
ebenfalls möglich.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
der beanspruchten Wellenenergieeinheit ist deren Rotor vertikal
angeordnet.
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Da
der Rotor auch horizontal oder schräg angeordnet sein kann, ist
in den meisten Fällen
eine vertikale Orientierung am praktischsten.
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Ein
derart konstruierter Rotor ergibt ein optimales Zusammenwirken mit
einem Lineargenerator, dessen Stator erfindungsgemäß aufgebaut
ist.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform beträgt der Abstand
zwischen den Polen weniger als 50 mm und vorzugsweise weniger als
10 mm.
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Je
kleiner der Polabstand, desto höher
die erreichte Frequenz. Sind die Wellen 1 m hoch, beträgt die durchschnittliche
Lineargeschwindigkeit des Rotors etwa 0,5 m/s; bei 2 m Wellenhöhe ist sie
etwa 0,8 m/s. Bei einer Polteilung von 50 mm lassen sich also mit
1 m bis 2 m Wellenhöhe
Frequenzen in der Größenordnung von
10 Hz bis 15 Hz erreichen. Bei einer Polteilung von 10 mm ist die
Frequenz fünfmal
höher.
Eine praktisch geeignete Polteilung ist etwa 8 mm.
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Nach
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
weist der Stator eine Vielzahl von Blechstapeln auf, die gleichmäßig um den
Rotor verteilt sind.
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Damit
lässt sich
der größtmögliche Teil
des Magnetfeldes zum Induzieren von Strom ausnutzen.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor als
regelmäßiges Vieleck
gestaltet und entspricht die Anzahl der Blechstapel der der Seiten
des Vielecks.
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Mit
einer solchen Ausführungsform
erhält
man eine baulich einfache Optimierung zum Ausnutzen des Magnetfelds
für das
Induzieren von Strom.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform setzt sich jeder
Blechstapel aus einer Vielzahl von Modulen zusammen, die in der
Bewegungsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet sind.
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Durch
den modularen Aufbau lässt
sich der Stator des Lineargenerators problemlos mit einer Länge ausführen, die
für die
Bedingungen des jeweiligen Falles geeignet sind. So lassen sich
mit Standard-Bauteilen unterschiedlich große Einheiten herstellen. Dies
trägt weiter
zur Senkung der Fertigungskosten bei. Auch lässt sich dann eine vorhandene
Anlage problemlos modifizieren. Jedes Modul kann einen oder mehrere
Pole aufweisen.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
weist der Rotor eine Vielzahl von Permanentmagneten auf, die um
seinen Umfang herum verteilt und so angeordnet sind, dass in einem
beliebigen Rotorquerschnitt jedem Blechstapel jeweils ein Permanentmagnet
zugewandt ist. Die Anordnung von Permanentmagneten, die in alle Richtungen
weisen, in denen sich ein mit den Magneten zusammenwirkender Blechstapel
befindet, verbessert weiterhin das Ausnutzen der Bewegung zum Induzieren
von Strom.
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Nach
einer zusätzlichen
Ausführungsform
weist der Rotor einen Hauptteil (Körper) auf, auf dem die Magneten
gehaltert sind.
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Mit
dieser Ausführungsform
lässt sich
ein einfacher und kostengünstiger
Rotor erstellen, da die Permanentmagneten einheitliche Standard-Komponenten
sein können,
die in beliebiger Anzahl entlang dem und um den Rotor herum angeordnet
sind, wobei gleiche Standard-Komponenten für Rotoren unterschiedlicher Längen- und
Querschnittsabmessungen Einsatz finden.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich
die Rotor- und die Statorlänge
um den Faktor von 2 oder mehr.
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So
erhält
man einen maximalen induzierten Strom über den vollen Rotorhub.
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Nach
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
ist der Rotor länger
als der Stator.
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Dies
ist wahrscheinlich normalerweise der geeigneteste Weg, den vollen
Rotorhub auszunutzen.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform sind ein oder mehrere
Führungselemente vorgesehen,
um den Rotor zu führen.
Diese Führung
gewährleistet,
dass man mit verhältnismäßig einfachen Mitteln
einen hinreichend genauen Pfad für
die Rotorbewegung erhält.
Mit ihr kann der Luftspalt sehr schmal – in der Größenordnung von etwa 1 mm – sein,
so dass Verluste geringstmöglich
bleiben.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens ein
Teil der Verbindungseinrichtung flexibel.
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Dadurch
vermeidet man, dass seitlich auf den Schwimmkörper wirkende Wellenkräfte in voller
Höhe auf
den Rotor des Generators übertragen
werden. Dessen Führung
kann also verhältnismäßig schwach
ausgeführt
sein, da die Biegekräfte
niedrig sind.
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Nach
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
weist die Verbindungseinrichtung eine Trosse, ein Drahtseil oder
eine Kette auf.
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Die
für die
Verbindungseinrichtung gewünschte
Biegsamkeit wird so auf eine zweckmäßige und baulich einfache Weise
erreicht. Die Trosse, das Drahtseil oder die Kette kann vom Schwimmkörper bis
zum Rotor verlaufen oder braucht auch nur einen Teil der Verbindungseinrichtung
darzustellen. Alternativ erreicht man Flexibilität mit einer Verbindungseinrichtung,
die abschnittsweise starr ist und Kugelgelenke enthält.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform weist die Einheit
eine Federeinrichtung auf, die eine vertikale Kraft auf den Rotor
ausübt.
Damit ist gewährleistet,
dass der Abwärtshub
des Rotors mit voller Geschwindigkeit entsprechend der Senkgeschwindigkeit
der Wasseroberfläche
erfolgt. Dieser Punkt ist wichtig, wenn die Rotormasse verhältnismäßig gering
ist, so dass in der Verbindung Lose auftreten kann. Obgleich die
wichtigste Aufgabe der Federeinrichtung ist, eine Abwärtskraft
auszuüben,
kann es in bestimmten Fällen
zweckmäßig sein,
sie so anzuordnen, dass sie auch mit einer aufwärts gerichteten Kraft wirkt.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Federkonstante
der Federeinrichtung einstellbar.
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Durch Ändern der
Federkonstante lässt
sie sich auf die Frequenz des Wellengangs bis zur Resonanz einstellen.
Setzt sich die Federeinrichtung aus mehreren Federelementen zusammen,
ist die "Federkonstante" die resultierende
Konstante. Normalerweise wird die Federkonstante auf einen Wert
entsprechend der Resonanzfrequenz für den am häufigsten zu erwartenden Wellengang
eingestellt.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform ist auch die Länge der
Verbindungseinrichtung einstellbar.
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Dadurch
lässt sie
sich bspw. auf unterschiedliche Höhen des Gewässerspiegels einstellen, wie
im Fall von Gezeitengewässern.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform weist die Einheit
ein Getriebe auf, das mit einem Übertragungsverhältnis zwischen
der Bewegung des Schwimmkörpers
und der des Rotors arbeitet.
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Mit
diesem Getriebe ist dem Rotor eine mehrfache höhere Geschwindigkeit als die
des Schwimmkörpers
erteilbar. So entsteht eine alternative oder ergänzende Gelegenheit zum Erhöhen der
Frequenz des induzierten Stroms, was insbesondere im Fall von Mehrphasengeneratoren
wünschenswert
ist.
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Aus
konstruktiver Sicht ordnet man das Getriebe praktischerweise dort
an, wo die Verbindungseinrichtung an den Rotor anschließt. Dies
stellt eine zusätzliche
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung dar.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Lineargenerator
an einer Grundplatte befestigt, die auf dem Gewässerboden angeordnet ist.
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Da
der Lineargenerator selbst so verankert werden kann, dass er weit über dem
Meeresspiegel liegt, wäre
diese Ausführungsform
zweifellos weitaus einfacher realisierbar. Sie bietet auch eine
hohe Stabilität.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Stator von
einem Ständer
abgestützt, der
so konstruiert ist, das er einen mittigen freien Raum bildet, dessen
Querschnittsabmessungen ausreichen, dass der Rotor in ihn einfahren
kann, wobei dieser Raum mindestens so hoch wie der Rotor lang ist.
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Bei
dieser Ausführungsform
kann der Rotor am gesamten Stator vorbei laufen, so dass die gesamte Statorlänge zum
Induzieren von Strom ausgenutzt wird.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Lineargenerator
von einem wasserdichten Gehäuse
umschlossen.
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Das
Gehäuse
schützt
den Generator vor Salzwasser oder lebenden Organismen in ihm wie
Seepocken. Die Komponenten lassen sich so auf geringere Qualitätsanforderungen
hin auslegen, was ihre Widerstandsfähigkeit gegen Salzwasser anbetrifft,
und folglich kostengünstiger
herstellen.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse mit
einer Flüssigkeit
gefüllt.
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Diese
Ausführungsform
ist besonders wesentlich, wenn der Generator in verhältnismäßig tiefem
Wasser sitzt, da die Druckdifferenz es ansonsten erschweren würde, ein
hinreichend dichtes Gehäuse
zu gewährleisten.
Ist das Gehäuse
mit einer Flüssigkeit
gefüllt,
die weniger aggressiv ist als Salzwasser, wird – auch mit verhältnismäßig einfachen
Durchführungen – die Gefahr
eines späteren
Eindringens desselben beseitigt. Von der Flüssigkeit wird der Generator
auch gekühlt.
Die Flüssigkeit
sollte zweckmäßigerweise
den gleichen Druck haben wie ihre Umgebung.
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Nach
einer noch anderen vorteilhaften Ausführungsform sind die Grundplatte,
der Ständer
und/oder das Gehäuse
primär
aus Beton hergestellt. Beton ist der kostengünstigste Werkstoff, der in
diesem Zusammenhang einsetzbar ist. Auch ist in vielen Fällen ein
hohes Ballastgewicht wichtig, so dass der Materialaufwand dann wesentlich
wird.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform sind der Stator
und/oder der Rotor mindestens teilweise in ein massives Material
eingebettet.
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Dies
bedeutet, dass die eingebetteten Bauteile wirkungsvoll vor umgebendem
Salzwasser geschützt sind.
In bestimmten Fällen
kann diese Ausführungsform
eine geeignete Alternative zu einem Einschluss des gesamten Generators
in ein Gehäuse
sein, womit Abdichtprobleme im wesentlichen beseitigt sind.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor hohl
und mit Permanentmagneten versehen, die sowohl ein- als auch auswärts gerichtet
sind, während
Blechstapel sowohl außen
auf dem als auch innen im Rotor angeordnet sind.
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Diese
Ausführungsform
nutzt die Fähigkeit
des Stators, Strom zu induzieren, bestmöglich aus, da auch das einwärts gerichtete
Magnetfeld ausgenutzt wird.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Schwimmkörper über die
Verbindungseinrichtung mit mehreren Lineargeneratoren verbunden.
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Diese
generatorseitige Verdoppelung bzw. Vervielfachung kann in bestimmten
Fällen
zu einer insgesamt wirtschaftlicheren Einheit führen und erleichtert es, der
Konstruktion das Modulprinzip zu Grunde zu legen, da alle Lineargeneratoren
vollständig
als Standardeinheiten ausgeführt
sein können
und abhängig
vom Aufstellungsort eine geeignete Anzahl sich mit demselben Schwimmkörper verbinden
lässt.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Statorwicklungen
an einen Gleichrichter angeschlossen. Dieser Gleichrichter ist zweckmäßigerweise
nahe am Lineargenerator unter der Wasseroberfläche angeordnet.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Generator
ausgeführt,
eine Spannung variierender Frequenz abzugeben, da nach der Gleichrichtung
die Ausgangsgröße eine
bipolare Gleichspannung ist.
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Der
Generator ist daher geeignet für
den vom Wellengang dem Rotor erteilten Bewegungsverlauf, wobei die
Geschwindigkeitsänderung
von dem Punkt, an dem der Schwimmkörper sich in einem Wellenzyklus befindet,
und von überlagerten
Schwankungen in der Bewegung der Wellenoberfläche abhängt.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der oben beschriebenen Wellenenergieeinheit sind in den auf den
Anspruch 1 rückbezogenen
Ansprüchen
beschrieben.
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Die
beanspruchte Wellenenergieeinheit ist gut geeignet für die Kombination
mit mehreren gleichen Einheiten zum Erstellen einer Wellenenergieanlage.
So betrifft der zweite Aspekt der Erfindung eine solche Anlage,
bei der jede Statorwicklung über
einen Gleichrichter an einen mehreren Wellenenergieeinheiten gemeinsamen
Wechselrichter angeschlossen ist, der elektrische Energie in ein
Stromnetz einspeist.
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Die
beanspruchte Wellenenergieanlage schafft eine praktisch realisierbare
Lösung
für ein
System zur großmaßstäblichen
Stromerzeugung mit Einheiten der beanspruchten Art, die deren Vorteile
ausnutzt und in der die Umrichtung zu Gleich- und dann zu Wechselstrom
günstige Übertragungsbedingungen
erzeugt.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
der beanspruchten Wellenenergieanlage ist an die Wellenenergieeinheit
mindestens eine elektrische Schaltstation angeschlossen, die einen
wasserdichten Behälter aufweist,
der Schaltausrüstung
enthält
und im Meeresboden verankert ist.
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Um
eine wirtschaftliche Energieerzeugung mit Generatoreinheiten im
Meer zu erreichen, die den Wellengang ausnutzen, muss nicht nur
die Generatoreinheit, sondern das gesamte System für die Übertragung der
Energie aus jeder Energiequelle an ein elektrisches Stromnetz zwecks Übertragung
und Verteilung optimiert werden. Ein wesentlicher Aspekt ist hier,
dass die Wellenenergieanlage in einiger Entfernung vor der Küste liegt;
diese Entfernung kann erheblich sein.
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Durch
den Anschluss an eine so konstruierte Schaltstation ist eine große Nähe zur Generatoreinheit möglich. Dadurch
minimiert man Verluste und kann man die Energie aus einer Vielzahl
von Wellenenergieeinheiten über
ein einfaches gemeinsames Kabel leiten, das an das elektrische Versorgungsnetz
an Land angeschlossen ist. Man erhält so eine umfassende Lösung, bei
der sowohl die Wellenenergieeinheit als auch die Schaltstation mit
vereinheitlichten Komponenten als Standardmodule ausführbar sind.
Ein erfindungsgemäßes Kraftwerk
ist nicht nur im Aufbau und im Betrieb wirtschaftlich; es bietet
auch Vorteile für
die Umwelt, da keine Schaltstationen in Gebäuden in ökologisch empfindlichen Küstenbereichen
errichtet werden müssen.
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Nach
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
weist das System eine Vielzahl von Schaltstationen auf, an die jeweils
mehrere Wellenenergieeinheiten angeschlossen sind. Eine solche Ausführungsform kann
vorteilhaft sein, wo die Anzahl der Einheiten groß ist.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform ist jede Schaltstation
an eine Empfangsstation an Land angeschlossen.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform weist mindestens
eine – und
weisen normalerweise alle – der
Schaltstationen einen Aufwärtstransformator
auf. Alternativ – oder
auch gleichzeitig – lässt sich
ein Aufwärtstransformator
in der Zwischenstation anordnen. Die Energieleitung bei höherer Spannung
ergibt eine günstigere Übertragung
sowohl in technischer als auch finanzieller Hinsicht.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform weisen die Schaltstationen
und/oder die Zwischenstation einen Wechselrichter auf. Die Energie
lässt sich
so günstig
als Wechselstrom übertragen.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform weisen die Schaltstationen
und/oder die Zwischenstation Einrichtungen zur Energiespeicherung
auf. Abhängig
von Schwankungen der verfügbaren
und der angeforderten Energie kann dann das System die Energielieferung
problemlos nachstellen.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform weisen die Schaltstationen
und/oder die Zwischenstation Filter auf, um den Strom und die Spannung,
die ankommen und/oder abgehen, zu filtern. Die von Generatoreinheiten
der fraglichen Art gelieferte Spannung kann in vielen Fällen instabil
sein, in der Frequenz und Amplitude schwanken und Überlagerungsfrequenzen
enthalten. Die Filter beseitigen diese Mängel oder schwächen sie
mindestens ab, so dass man eine saubere und störfreie Spannung in das Netz
einspeist.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Schaltstationen
und/oder die Zwischenstation mit einer nicht korrodierenden gepufferten
Flüssigkeit
gefüllt.
Dadurch wird ein Eindringen von aggressivem Salzwasser verhindert
und sind die Systemteile in den Schalt- und in der Zwischenstation
geschützt.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform ist auf den Wechselrichter
folgend ein Filter und/oder ein Transformator angeordnet. Damit
ist gesichert, dass eine saubere Spannung lieferbar ist und geeignet
aufwärts
transformiert an ein Übertragungs-
oder Verteilernetz abgegeben werden kann.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Filter und/oder
der Transformator an Land angeordnet.
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Damit
erhält
man eine anlagentechnisch und betrieblich besser geeignete Lösung als
mit auf See angeordneten Komponenten.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform sind alle Wellenenergieeinheiten
an den Wechselrichter über
ein Kabel angeschlossen, das auf dem oder nahe am Gewässerboden
angeordnet ist.
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Da
das Kabel nahe am Gewässerboden
verläuft,
ist die Gefahr geringer, dass es die Umgebung stört oder Eingriffen Unbefugter
ausgesetzt ist.
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Die
oben beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen der beanspruchten
Wellenenergieanlage sind in den auf den Anspruch 32 rückbezogenen
Unteransprüchen
definiert.
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In
einem dritten Aspekt der Erfindung wird das gesetzte Ziel erreicht
durch die Verwendung der beanspruchten Wellenergieeinheit bzw. -anlage
zum Erzeugen elektrischen Stroms, so dass man Vorteile der oben angegebenen
Art erzielt.
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Das
gesetzte Ziel wird auch erreicht mit einem vierten Aspekt der Erfindung,
wobei ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 45 beschrieben
Art die Sondermerkmale aufweist, dass der Rotor permanentmagnetisch
und der Stator mit einer Wicklung ausgeführt werden, die eine Vielzahl
von Polen bildet, die in der Bewegungsrichtung des Rotors verteilt
sind.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
wird das beanspruchte Verfahren unter Benutzung der Wellenenergieeinheit
und deren bevorzugter Ausführungsformen
ausgeführt.
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So
erzielt man Vorteile äquivalent
denen, die oben für
die Wellenenergieeinheit und deren bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben sind.
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Nach
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
ist der Stator unmittelbar auf dem Gewässerboden oder auf einer dort
aufliegenden Grundplatte angeordnet und wird in den Gewässerboden
mittig unter dem Generator eine Vertiefung eingebracht, deren Tiefe
der Länge
des Rotors entspricht.
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Indem
man den Stator – über eine
Grundplatte – direkt
auf dem Gewässerboden
anordnet, erhält
man die bestmögliche
Stabilität
für die
Einheit und erleichtert deren Befestigung in der Solllage. Dank
der mittigen Vertiefung im Gewässerboden
kann der Rotor den Stator vollständig
durchlaufen, so dass die gesamte verfügbare kinetische Energie umgewandelt
und genutzt wird.
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Nach
einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform wird der erzeugte
Strom einer Schaltstation zugeführt,
deren Komponenten in einem wasserdichten Behälter angeordnet sind, der seinerseits
im Gewässerboden
verankert ist.
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
des oben beschrieben beanspruchten Verfahrens sind in den vom Anspruch
45 abhängigen
Unteransprüchen
definiert.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die Wellenenergieeinheit ein System von Komponenten auf, die
eine Vielzahl von Statormodulen eines einheitlichen Standardtyps
aufweisen, die geeignet sind, in einer optionalen Anzahl nebeneinander
um die Mittellinie des Rotors verteilt angeordnet zu werden.
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Dank
dieses Systems lassen sich unter Verwendung einer Grundkomponente
eines und des gleichen Typs Lineargeneratoren verschiedener Höhen und
unterschiedlicher Querschnittsabmessungen aufbauen. Das dem System
zu Grunde liegende modulare Aufbauprinzip verbessert die Chancen
erheblich, finanziell wettbewerbsfähige Wellenenergieanlagen aufzubauen.
Unterschiedliche Bedingungen für
unterschiedliche Wellenenergieeinheiten erfordern keine Einzelfalllösungen,
da die modulare Lösung
eine einfache und leichte Anpassung ermöglicht.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Komponenten eine Vielzahl von Permanentmagneten eines
einheitlichen Standardtyps auf, die sich in beliebiger Anzahl an
einem Rotor in dessen Bewegungsrichtung hintereinander ansetzen
und/oder in beliebiger Anzahl nebeneinander um die Mittellinie des
Rotors verteilen lassen, wobei die Permanentmagneten zu den Statormodulen
passend ausgeführt
sind.
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Diese
Ausführungsform
geht tiefer in das Modulkonzept des beanspruchten Systems ein, da
auch der Rotor sich aus Standardkomponenten aufbauen lässt.
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Die
Ausführungsform
akzentuiert also die mit einem solchen System erreichbaren Vorteile.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
des oben beschriebenen beanspruchten Systems ist in den vom Anspruch
54 abhängigen
Unteransprüchen
definiert.
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Schließlich wird
in einem sechsten Aspekt der Erfindung die gestellte Aufgabe mit
einem Verfahren zur Herstellung eines Lineargenerators für eine erfindungsgemäße Wellenenergieeinheit
erreicht, das die speziellen Maßnahmen
des Herstellen des Stators aus einheitlichen Standardmodulen, Aufbauen
des Stators aus einer Vielzahl von Blechstapeln, die gleichmäßig nebeneinander
um die Mittellinie des Rotors angeordnet sind, und Aufbau der Blechstapel
jeweils aus einem oder mehrere Statormodulen, die in der Bewegungsrichtung
des Rotors hintereinander aufgereiht sind.
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Das
beanspruchte Herstellungsverfahren nutzt die Möglichkeiten einer modularen
Fertigung aus, die das beanspruchte System bietet und die zu entsprechenden
Vorteilen beitragen. Vor der Montage wird jedes Modul geeignet geprüft.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens wird der Rotor aus standardisierten Permanentmagneten
hergestellt, wobei eine Vielzahl derselben gleichverteilt nebeneinander
um die Mittellinie des Rotors an diesen angesetzt und ein oder mehrere
derselben in der Bewegungsrichtung des Rotors hintereinander aufgereiht
werden.
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Diese
Ausführungsform
des beanspruchten Herstellungsverfahrens führt das modulare Aufbauprinzip noch
weiter und verstärkt
die damit erreichten Vorteile.
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Die
oben bechriebene bevorzugte Ausführungsform
des beanspruchten Herstellungsverfahrens ist in dem vom Anspruch
56 abhängigen
Unteranspruch definiert.
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Die
Erfindung ist in der folgenden ausführlichen Beschreibung vorteilhafter
Beispiele der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnungen ausführlicher
erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
schaubildlich eine erfindungsgemäße Wellenenergieeinheit;
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2 ist
ein Schnitt in der Ebene II-II der 1;
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3 ist
ein Schnitt wie der der 2 einer alternativen Ausführungsform;
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4 ist
eine Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen Blechstapelmoduls;
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5 ist
ein Schnitt wie die 2 und zeigt eine beispielhafte
Statorwicklung;
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6 ist
eine Seitenansicht eines Blechstapelmoduls nach einer alternativen
Ausführungsform;
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7 ist
ein Schnitt ähnlich
der 2 und zeigt eine Einzelheit der Erfindung;
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8 zeigt
ein alternatives Beispiel einer Einzelheit äquivalent der der
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7;
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9 ist
eine schaubildliche Seitnansicht des Generators in einer alternativen
Ausführungsform;
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10 zeigt
an einem Stromlauf, wie eine Vielzahl der erfindungsgemäßen Einheiten
zu einer Wellenenergieanlage verschaltet sind;
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11 zeigt
als Perspektive einen Rotor in einer Ausführungsform der Erfindung;
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12 zeigt
als Seitenansicht eine Einzelheit in einer bestimmten erfindungsgemäßen Einheit;
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13 zeigt
eine andere Einzelheit in einer grundsätzlichen Anlageskizze;
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14–16 sind
Seitenansichten alternativer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lineargenerators;
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17 ist
ein Schnitt entsprechend dem Schnitt II-II der 1 durch
eine alternative Ausführungsform des
Lineargenerators;
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18 ist
eine Seitenansicht einer anderen alternativen Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Einheit;
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19 zeigt
ein System aus erfindungsgemäßen Komponenten;
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20 zeigt
Wellenenergieeinheiten eine Wellenenergieanlage bildend und an ein
Stromversorgungsnetz angeschlossen;
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21 zeigt
als Seitenansicht an eine Schaltstation angeschlossene Wellenenergieeinheit;
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22 zeigt
ein alternatives Verfahren des Anschaltens der Wellenenergieeinheiten
an ein Versorgungsnetz;
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23–26 zeigen
schaubildlich verschiedene Beispiele der Spannungswandlung in einer
erfindungsgemäßen Anlage;
und
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27 zeigt
ein alternatives Beispiel für
die Gleichrichtung.
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BESCHREIBUNG VORTEILHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die 1 zeigt
das Prinzip einer erfindungsgemäßen Wellenenergieeinheit.
Ein Schwimmkörper 3 ist auf
der Meeresoberfläche 2 schwimmend
angeordnet. Die Wellen erteilen dem Schwimmkörper 3 eine vertikale
Hin- und Herbewegung. Ein Lineargenerator 5 ist am Gewässerboden über eine
dort verankerte Grundplatte 8 festgelegt. Die Platte kann
aus Beton bestehen. Der Stator 6a, 6c des Lineargenerators
ist an der Grundplatte 8 befestigt. Der Stator besteht
aus vier vertikalen säulenartigen
Blechstapeln, von denen die Figur zwei zeigt. Der Rotor 7 des
Generators ist zwischen den Blechstapeln angeordnet und mit dem
Schwimmkörper 3 durch
ein Seil 4 verbunden. Der Rotor 7 besteht aus
permanentmagnetischem Werkstoff.
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Die
Grundplatte 8 enthält
mittig ein Loch 10; konzentrisch mit diesem ist im Gewässerboden
eine Vertiefung 9 angeordnet. Die Vertiefung 9 kann
geeignet ausgekleidet sein. Eine Zugfeder 11 ist mit ihrem
unteren Ende in der Vertiefung 9 und mit dem anderen Ende
am unteren Ende des Rotors 7 befestigt. Der Durchmesse des
Lochs 10 in der Grundplatte 8 und der Vertiefung 9 ist
derart gewählt,
dass der Rotor 7 frei durchlaufen kann.
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Jeder
Blechstapel 6a, 6c setzt sich aus einer Vielzahl
von Modulen zusammen. Im dargestellten Beispiel ist gezeigt, wie
der Blechstapel 6a zu drei vertikal angeordneten Modulen 61, 62, 63 unterteilt
ist.
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Bewegt
sich der Schwimmkörper 3 infolge
des Wellengangs an der Gewässeroberfläche 2 auf
und ab, wird diese Bewegung über
das Drahtseil 4 auf den Rotor 7 übertragen,
dem so eine äquivalente
Hin- und Herbewegung zwischen den Blechstapeln erteilt wird. Dadurch
wird in den Statorwicklungen Strom erzeugt. Die Ausnehmung 9 erlaubt
dem Rotor, im Abwärtshub
den gesamten Stator zu durchlaufen. Die Zugfeder 11 fügt der Abwärtsbewegung
Kraft hinzu, so dass das Drahtseil 4 jederzeit straff bleibt.
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Die
Feder ist so konstruierbar, dass sie in bestimmten Situationen auch
eine Aufwärtskraft
ausüben kann.
Die Federkonstante lässt
sich mit einer Steuerung 28 so beeinflussen, dass so lange
wie möglich
die Resonanz erreicht wird.
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Der
Stator ist teilweise oder vollständig
VPI- oder silikongetränkt,
um gegen Salzwasser beständig
zu sein.
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Die 2 ist
ein Schnitt in der Ebene II-II der 1. In diesem
Fall ist der Rotor 7 im Querschnitt quadratisch und weist
an jeder Seite einen Blechstapel 6a–6d auf. Die Bezugszeichen 12a–12d bezeichnen
die Wicklungen der Blechstapel. Die Ausrichtung der Bleche in jedem
Stapel ergibt sich ebenfalls aus der Figur. Die Luftspalte zwischen
dem Rotor und den angrenzenden Blechstapeln liegen in der Größenordnung
einiger Millimeter Breite.
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In
einem entsprechenden Schnitt zeigt die 3 eine alternative
Ausführungsform,
bei der der Rotor 7 im Querschnitt achteckig ist und daher
acht Blechstapel vorliegen.
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Einzusehen
ist, dass die Querschnittsgestalt des Rotors ein Vieleck mit beliebiger
Seitenanzahl sein kann. Das Vieleck ist vorzugsweise, aber nicht
notwendigerweise regelmäßig. Der
Rotor kann sogar kreisförmig
sein. Ordnet man Blechstapel in verschiedene Richtungen gewandt
um den gesamten Rotor herum an, wird der größtmögliche Teil des Magnetfeldes
zum Induzieren von Strom ausgenutzt.
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Die 4 zeigt
ein Modul 61 eines Blechstapels in einer Perspektive. Das
Modul besteht aus einem Blechstapel 13, der mit Bolzen 14 zusammengehalten
wird und Schlitze 15 für
die Wicklung 12 enthält.
Der Polabstand a, d.h. die Entfernung zwischen den Lagen der Wicklung,
sollte möglichst
klein sein, um über
eine bestimmte Statorlänge
möglichst
viele Pole und damit eine hohe Frequenz des induzierten Stroms zu
erhalten. Ein praktisch geeigneter Polabstand ist etwa 8 mm, wobei
die Schlitzbreite etwa 4 mm und die Blechzahnbreite folglich ebenfalls
4 mm betragen.
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Ein
Blechstapel kann aus einem oder mehreren derartigen Modulen bestehen.
Jedes Modul hat normalerweise eine Vielzahl von Polen, wie in 4 gezeigt.
Module mit nur einem Pol pro Modul sind jedoch ebenfalls eine Alternative.
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Die
Statorwicklung 12 kann für alle Blechstapel 6a–6d gemeinsam
vorgesehen sein, wie in 5 gezeigt.
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Die 6 zeigt
eine Alternative, bei der jeder Blechstapel eine eigene Wicklung
aufweist. Die Figur zeigt ein Modul mit zwei Polen.
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Die
Isolation der Wicklung weist eine gegen Salzwasser und eine Spannung
bis zu 6 kV beständige Lage
auf. Die Lage kann aus einem Polymerisat wie PVC od. dergl. bestehen.
Alternativ kann man einen Lackdraht verwenden. Der Leiter besteht
aus Aluminium oder Kupfer.
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Damit
der Luftspalt kleinstmöglich
sein kann, muss die Bewegung des Rotors 7 sorgfältig geführt werden.
Die 7, ein Schnitt durch den Lineargenerator, zeigt,
wie sich dies auf einfache und zuverlässige Weise erreichen lässt. In
diesem Fall hat der Rotor einen quadratischen Querschnitt mit abgeschrägten Ecken.
An jeder Ecke ist eine Führung 16a, 16d angeordnet.
Die Führungen
sind mit den unteren Enden an der Grundplatte 8 befestigt
(vergl. 1) und verlaufen parallel zu
den Blechstapeln 6a–6d vertikal
aufwärts.
Die vier Führungen
gewährleisten
eine genau zentrierte Führung
der Rotorbewegung.
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Eine
alternative Ausführungsform
ist in der 8 gezeigt. Hier hat der Rotor 7 eine
mittige quadratische Öffnung,
die in Längsrichtung
durch ihn verläuft
und in der eine zentrale Führung 16 angeordnet
ist.
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Der
in 1 gezeigte Generator hat einen Statorteil, der
etwa doppelt so lang ist wie der Rotor. Die 9 zeigt
eine alternative Ausführungsform,
in der stattdessen der Rotor 7 etwa doppelt so lang wie
der Stator 6 ist.
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Eine
erfindungsgemäße Wellenenergieanlage
besteht aus zwei oder mehreren Einheiten der oben beschriebenen
Art. Die 10 zeigt, wie diese zur Speisung
eines Stromversorgungsnetzes verbunden sind. In dem dargestellten
Beispiel besteht die Anlage aus drei Einheiten, die symbolisch mit 20a–20c bezeichnet
sind. Die Einheiten sind jeweils über einen Schutzschalter bzw.
Unterbrecher 21 und einen Gleichrichter 22 an
einen Wechselrichter 23 in einer bipolaren Verschaltung
angeschlossen, wie die Figur zeigt. Dabei sind die Schaltungseinzelheiten
nur für
die Einheit 20a gezeigt. Es sollte klar sein, dass die
anderen Einheiten 20b, 20c auf entsprechende Weise
angeschlossen sind. Der Wechselrichter 23 liefert – möglicherweise über einen
Transformator 24 und/oder ein Filter – Drehstrom an das Stromversorgungsnetz 25.
Die Gleichrichter können – ggf. gesteuerte – Dioden
des Typs IGBT, GTO oder Thyristoren sowie gesteuerte oder ungesteuerte
bipolare Bauteile sein.
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Die
Spannungen können
gleichstromseitig parallel oder in Reihe bzw. kombiniert parallel
und in Reihe gelegt sein.
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Der
Rotor 7, den die 11 als
Perspektive zeigt, ist mit einer Anzahl von Permanentmagneten 26 ausgeführt, die
auf jeder Seite des Rotorkörpers 27 aufgereiht
sind. In diesem Beispiel hat der Rotor vier Seiten, die mit vier
Blechstapeln zusammenwirken.
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Die
Permanentmagneten 26 können
zweckmäßigerweise
für unterschiedliche
Rotorkonfigurationen – bspw.
unterschiedliche Längen
und Seitenzahlen entlang des Umfangs – gleichgestaltet sein. Die
Permanentmagneten werden dann an einen Rotorkörper 27 angesetzt.
Der Rotorkörper
kann ebenfalls standardmäßig oder
für den
Einzelfall – je
nach der Soll-Seitenzahl des Rotors – ausgeführt sein.
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Die 12 zeigt
das Seil 4 mit einer Steuerung versehen, mit der sich seine
aktive Länge – d.h. der Abstand
zwischen dem Schwimmkörper 3 und
dem Rotor 7 – einstellen
lässt.
In diesem Fall besteht die Steuerung aus einem an den Schwimmkörper angesetzten
Zylinder 29, auf den ein Teil des Seils aufgewickelt werden
kann. Die Steuerung kann auch anders konstruiert oder alternativ
an der Anschlusstelle des Seils am Rotor oder irgendwo in der Seilmitte
angeordnet sein. Die Steuerung ermöglicht ein Einstellen der Seillänge auf verschiedene
Gezeitenbedingungen und auch ein Positionieren des Schwimmkörpers dicht
unter dem Wasserspiegel. Ist die Verbindungseinrichtung keine Trosse
(bspw. ein Drahtseil oder eine Kette oder ein Zug gelenkig verbundener
Stangen), sollte eine für
sie jeweils geeignete Steuerung verwendet werden.
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Die 13 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der die Trosse bzw. der Strang über ein Getriebe mit dem Rotor
verbunden ist. In dem dargestellten Beispiel besteht das Getriebe
aus einem Kolben 30, der am Strang befestigt ist und in
einem mit einer Flüssigkeit
gefüllten
Behälter 32 gegen
diesen dicht abgeschlossen auf- und
abwärts
bewegbar ist, und einem Kolben 31, der mit dem Rotor 7 verbunden
und entsprechend im Behälter 32 auf-
und abwärts
bewegbar angeordnet ist. Der mit dem Strang 4 verbundene
Kolben 30 und der mit ihm zusammenwirkende Teil des Behälters 32 haben
einen größeren Durchmesser
als der mit dem Rotor 7 verbundene Kolben 31 und
der mit ihm zusammenwirkende Teil des Behälters 32. Der Behälter ist
in seiner Lage auf geeignete Weise fixiert. Mit dieser Anordnung
entsteht ein Übersetzungsverhältnis zwischen
der vertikalen Bewegung des Strangs und der des Rotors, das dem
Flächenverhältnis der
beiden Kolben entspricht. Das Getriebe kann alternativ als Gestänge, Zahnradgetriebe
oder als Schneckenanordnung unterschiedlicher Steigung vorliegen.
Das Getriebe kann auch mit einstellbarem Übertragungsverhältnis ausgeführt sein.
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In
der Ausführungsform
nach 14 stehen die Blechstapel 6a, 6c auf
einem Ständer 33a bzw. 33c, die
jeweils an einer Grundplatte 8 befestigt sind, die auf
dem Gewässerboden 1 aufliegt.
Die Ständer 33a, 33c sind
mindestens so hoch wie der Rotor 7 lang ist, so dass er
den gesamten Stator 6 durchlaufen kann. Die Grundplatte 8 und
die Ständer 33a, 33c sind
geeignet in Beton eingebettet; ihre Masse sollte einige zehn Tonnen
betragen.
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In
der Ausführungsform
nach 15 ist der gesamte Lineargenerator in eine Betonumhüllung eingeschlossen,
die vom Gehäuse 34 und
der Grundplatte 8 gebildet wird.
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Im
Beispiel der 16 ist jeder Blechstapel 6a, 6c in
eine Betonumhüllung 35a bzw. 35c eingebettet, der
Rotor 7 in eine Betonumhüllung 36.
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Die 17 zeigt
einen Schnitt durch eine alternative Ausführungsform des Lineargenerators.
In dieser ist der Rotor 7 achteckig und hohl und er weist
sowohl auswärts
gerichtete Permanentmagneten 26, die mit jedem Blechstapel 6a, 6b usw.
zusammenwirken, als auch einwärts
gerichtete Permanentmagneten 26a auf, die mit einem achteckigen
Blechstapel zusammenwirken, der mittig im Rotor 78 angeordnet
ist.
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Die 18 zeigt
ein Beispiel, bei dem ein Schwimmkörper 3 den Rotoren 7a, 7b zweier
verschiedener Lineargeneratoren gemeinsam ist. Das Seil 4 ist
mit einer horizontalen Stange 38 verbunden, an der die
Seile 4a, 4b der Rotoren 7a, 7b befestigt
sind.
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Die 19 zeigt
ein System von Komponenten mit einer Anzahl identischer Statormodule 6 und
einer Anzahl identischer Permanentmagneten 26. Aus den
Komponenten lässt
sich ein Lineargenerator beliebiger Länge und beliebigen Querschnitts
zusammensetzen. Die Module sind zweckmäßigerweise so konstruiert, dass
sie sich jeweils als Einzelkomponente testen lassen.
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Die 20 zeigt
eine Wellenenergieanlage mit mehreren Generatoren 20a, 20b, 20c,
die miteinander verschaltet sind. An jedem Generator ist ein Gleichrichter
angeordnet, und der Gleichstrom wird über auf dem Gewässerboden
liegende Kabel 39 einer an Land angeordneten Station zugeleitet,
die einen Wechselrichter 23, einen Transformator 24 und
ein Filter 41 enthält
und den Strom in ein Verteiler- bzw. Übertragungsnetz einspeist.
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Die 21 zeigt
als Prinzipskizze eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Dabei
besteht eine auf dem Gewässerboden
B angeordnete Schaltstation 101 aus einem wasserdichten
Behälter
aus einem Gehäuse 102 und
einer Bodenplatte 103 bspw. aus Beton. Die Schaltstation 101 ist
im Gewässerboden B
verankert. Die Generatoren 104–109 einer Anzahl
von Wellenenergieeinheiten sind an die Schaltstation angeschlossen.
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Die
Bestandteile der Schaltstation 101 sind herkömmlicher
Art und in den Figuren nicht gezeigt. Es kann sich u.a. um Halbleiter,
Wandler, Schütze,
Mess- und Relaisschutzeinrichtungen, Stromstoß- und andere Überspannungsableiter,
Erdungseinrichtungen, Lastanschalt- oder -Abwurfschalter sowie Transformatoren handeln.
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Die
Schaltstation liefert auf den abgehenden Kabeln 116 eine
abgehende Gleich- oder
Wechsel-Hochspannung. Der Wechselstrom ist niederfrequent und kann
ein Drehstrom sein. Standardfrequenzen wie 50 Hz oder 60 Hz sind
ebenfalls möglich.
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Der
Transformator in der Schaltstation setzt die niedrige Eingangsspannung
zu einer hohen Ausgangsspannung um. Der Gleich- oder der Wechselrichter
in der Schaltstation wird eingesetzt, wenn Wechsel- zu Gleichstrom
umgesetzt werden soll bzw. umgekehrt.
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Die
Spannung wird einer an Land befindlichen Empfangsstation ggf. über eine
Zwischenstation zugeführt,
um von dieser in ein Stromversorgungsnetz eingespeist zu werden.
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Die 22 zeigt
ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems,
das zweckmäßig sein
kann, wenn eine große
Anzahl Generatoreinheiten vorliegt.
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Die
Figur ist eine symbolische Darstellung des Systems in einer Vogelperspektive
und zeigt links einen Gewässerbereich
H und rechts einen Landbereich L. Die Systemkomponenten im linken
Teil der Figur liegen teilweise unter und teilweise über der
Wasseroberfläche.
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Das
System weist eine erste, eine zweite und eine dritte Gruppe Generatoreinheiten 104a–106a, 104b–106b bzw. 104c–106c auf.
Die Generatoreinheiten 104a–106a der ersten Gruppe
sind über
Unterwasserkabel an eine erste Schaltstation 111a angeschlossen,
die unter der Wasseroberfläche
liegt. Entsprechend sind die beiden anderen Generatorgruppen 104b–106b, 104c–106c an
eine zweite und eine dritte Schaltstation 111b bzw. 111c angeschlossen
Die Schaltstationen 101a–101c sind über Unterwasserkabel 116a–116c an
eine Zwischenstation 117 angeschlossen, die ebenfalls unter
der Wasseroberfläche
liegt. Die Spannung wird von der Zwischenstation als niederfrequenter
Drehstrom über
Unterwasserkabel 118 einer an Land befindlichen Empfangsstation 119 zugeführt, wo
sie zu einer Standardfrequenz wie 50 Hz oder 60 Hz umgesetzt wird.
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Der
Abstand zwischen den Generatoreinheiten und der Zwischenfrequenz
kann 1 km bis 10 km betragen. Ist das System wie in 22 gezeigt
aufgebaut, kann sich die Entfernung zwischen jeder Schalt- und der Zwischenstation
einerseits und zwischen der Zwischen- und der Empfangsstation andererseits
optimieren.
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Die Übertragung
von den Generatoreinheiten zu einer Empfangsstation an Land kann
auf unterschiedliche Weise mit verschiedenen Spannungsumsetzungen
erfolgen. Die 23–26 zeigen
schaubildlich einige Beispiele hierfür. In jedem Beispiel sind die
Generatoreinheiten links und die Empfangsstation an Land rechts
in der Figur angeordnet. Die Bezugszeichen 121, 122 bezeichnen
einen Gleich-/Wechselrichter bzw. einen Aufwärtstransformator. In den 23, 24 liefern
die Generatoreinheiten eine Gleichspannung, die in 23 als
Wechselspannung und in 24 als Gleichspannung an Land
geleitet wird.
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In
den 25, 26 liefern die Generatoreinheiten
eine Wechselspannung, die zu einer Gleichspannung umgesetzt wird.
In der 25 wird diese als Wechselspannung
und in der 26 als Gleichspannung an Land
geführt.
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Im
Rahmen der Erfindung sind viele andere Alternativen möglich. Bspw.
ist ein Vollwellengleichrichter der in 27 gezeigten
Art einsetzbar.
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In
jeder Schaltstation 101 und/oder der Zwischenstation 117 lassen
sich Energiespeicher und Filter anordnen. Die Energiespeicher können bspw.
Akkumula toren, Kondensatoren, supraleitende magnetische Energiespeicher
(SMES) oder Schwungräder
einzeln oder in Kombinationen sein. Bei den Filtern kann es sich
um aktive Bauteile ähnlich
den Wandlern handeln; passive LC-Filter und elektromechanische Bauteile
wie Schwungradwandler oder Synchronkondensatoren sind ebenfalls
möglich.