DE69914929T2

DE69914929T2 - Schwimmervorrichtung zur umwandlung der energie von meereswellen

Info

Publication number: DE69914929T2
Application number: DE69914929T
Authority: DE
Inventors: Power Delivery Limited Ocean
Original assignee: Ocean Power Delivery Ltd
Current assignee: Ocean Power Delivery Ltd
Priority date: 1998-09-24
Filing date: 1999-09-24
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2019-09-25
Also published as: US6476511B1; ATE259936T1; PT1115976E; EP1115976A1; DE69914929D1; JP2002525489A; EP1115976B1; AU6213799A; ZA200102088B; AU754950B2; WO2000017519A1; GB9820704D0; DK1115976T3; ES2216571T3

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Gewinnen von Energie aus Wasserwellen, insbesondere Meereswellen.
Meereswellen stellen eine signifikante Energiequelle dar. Es ist bekannt, Wellenenergieumwandler zu verwenden, um aus solchen Wellen Energie zu gewinnen. Bekannte Wellenenergieumwandler tendieren dazu, kostspielig zu sein, und haben beschränkte Aussichten unter extremen Bedingungen zu überleben.
US-A-4098084 offenbart eine Vorrichtung zum Gewinnen von Energie aus Wellen, bei der nur senkrechte Bewegungen zum Energiegewinnen verwendet werden. Ferner ist die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung nicht für veränderliche Witterung und Wellenamplitude geeignet und kann unter Sturmbedingungen zerstört werden.
FR 2437507 beschreibt einen anderen Energieumwandlertyp, der mit Wirbelsäulenelementen versehen ist, die durch Gelenke verbunden sind, die unterschiedliche relative Elastizität haben, so dass die Wirbelsäulenelemente um die Horizontalachse biegen können, so dass sie der Oberfläche des Meeres folgen. Er ist nicht geeignet, der relativen Drehbewegung des Körperteils zu widerstehen und Energie aus ihr zu gewinnen.
Es ist daher ein Gegenstand der Erfindung, einen Wellenenergieumwandler bereitzustellen, der die oben besprochenen Probleme vermeidet oder lindert, indem ein Wellenenergieumwandler mit niedrigen Kapitalkosten und verbesserten Aussichten für das Überleben unter extremen Bedingungen für einen bestimmten Energieertrag bereitgestellt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Gewinnen von Energie aus Wellen bereitgestellt, die eine Vielzahl schwimmender Körperteile, die miteinander verbunden sind, um eine gegliederte Struktur zu bilden, beinhaltet, wobei jedes Paar angrenzender Körperteile mit dem anderen durch ein Kopplungsteil verbunden ist, so dass eine relative Drehbewegung der Kopplungsteile erlaubt wird, wobei jedes Körperteil ein Element beinhaltet, das angepasst ist, um aus der relativen Drehbewegung der Körperteile Energie zu gewinnen, und wobei die Vorrichtung ferner Mittel beinhaltet, um der Achse der relativen Drehung an jedem Kopplungsteil weg von der horizontalen und/oder vertikalen Richtung einen Rollschneidenwinkel (Ψ) aufzuerlegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ebenfalls Folgendes beinhaltet: Variable Einschränkungsmittel, die an jedem Kopplungsteil bereitgestellt und angepasst sind, um der relativen Drehung jedes Paars angrenzender Körperteile als Reaktion auf den vorherrschenden Seegang periodisch variierende Einschränkungen aufzuerlegen.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Vielzahl von Körperteilen und zugehörigen Kopplungsteilen, wobei die Kopplungsteile angepasst sind, um angrenzende Enden benachbarter Körperteile zu verbinden, um eine kettenartige Struktur zu bilden. Die Struktur ist typisch eine Kette. Die Kette ist vorzugsweise im Wesentlichen gerade. Die Kette kann gebogen sein. Die Kette kann eine Zick-Zack-Kette sein.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung dazu geeignet, in Wellen angeordnet zu werden. Typisch ist die Vorrichtung dazu geeignet, gegen hereinkommende Wellen zu reagieren, um Energie zu absorbieren.
Die Kette hat vorzugsweise eine Länge, die mit der längsten Wellenlänge vergleichbar ist, gegen welche die Vorrichtung reagiert, um Energie zu absorbieren. Die Kette ist vorzugsweise signifikant kürzer als Sturmwellenlängen.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise selbstreferenzierend. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung so konfiguriert sein, dass die Kette bei der Verwendung positioniert ist, um mindestens zwei Wellenberge zu überspannen. Vorzugsweise ist die Vorrichtung derart konfiguriert, dass die Kette bei der Verwendung freischwimmend schlaft verankert und gegen sich selbst referenziert ist.
Die Vorrichtung kann ferner ein Verankerungssystem beinhalten. Das Verankerungssystem kann die Kette an einem bevorzugten Ort im Meer positionieren. Typisch ist das Verankerungssystem dazu angepasst, die Kette in einer bevorzugten Ausrichtung zu hereinkommenden Wellen auszurichten.
Vorzugsweise ist das Verankerungssystem dazu geeignet, die Kette derart auszurichten, dass sie mindestens zwei Wellenberge überspannt. Typisch kann der Ausrichtungswinkel (der Gierwinkel) der Kette zur durchschnittlichen Wellenrichtung variiert werden, um die Energiegewinnung zu maximieren. Das Verankerungssystem kann angepasst sein, um der Vorrichtung Rückhaltung oder Erregung zum Verändern ihrer Gesamtreaktion zu verleihen.
Die Körperteile können beliebige Größe haben. Die Körperteile können beliebige Form haben. Vorzugsweise sind die Körperteile im Wesentlichen zylindrisch. Um das Belasten einzuschränken, haben die Körperteile typisch ausreichend kleine Tiefe und Freibord, um in großen Wellen komplett ein- oder aufzutauchen. Das heißt, dass die Kette konfiguriert sein kann, um unter extremen Bedingungen hydrostatisches Kappen zu fördern.
Der Querschnitt der Körperteile kann im Wesentlichen elliptisch oder oval sein, wobei das größere Maß im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist, um eine größere Wasserlinienzone zu erlauben, während die Tiefe und Freibord des Teils ausreichend klein gehalten werden, um hydrostatisches Kappen zu erlauben.
Alternativ können die Körperteile einen beliebigen Querschnitt haben, um der Gesamtreaktion der Vorrichtung andere Merkmale zu verleihen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Querschnitt keilförmig, so dass eine seitliche Verlagerung (senkrecht zur Kettenachse) der Auftriebsmitte des Teils verursacht wird, während es seinen Eintauchgrad variiert, um die Rollreaktion des Systems zu verändern, um verbesserte Energiegewinnung oder Überleben zu ergeben.
Körperteile mit beliebigem Querschnitt können mit Rippen, Schlingerkielen oder anderen Vorsprüngen versehen werden, um zu jeder gewünschten Bewegungsrichtung hydrodynamisches Dämpfen hinzuzufügen. Schlingerkiele können hinzugefügt werden, um das Dämpfen der Bewegung entlang der Achse der Kette zu beeinflussen, um die Verankerungsreaktion zu beeinflussen.
Die Enden der vorderen und hinteren Körperteile können geformt sein, um hydrodynamische Merkmale zu beeinflussen.
Vorzugsweise kann das vordere Körperteil mit einem konischen Vorderende versehen werden, um den Widerstand bei extremen Seegängen zu vermindern, während der hintere Körperteil ein flaches Hinterende hat, um das Dämpfen entlang der Achse der Kettenstruktur zu steigern, um zur Verankerungsreaktion Dämpfung hinzuzufügen.
Vorzugsweise enthalten die Körperteile Zonen mit Verluststruktur, die sehr große Gelenkwinkel erlaubt, bevor die gesamte strukturelle Integrität oder Flotation des Teils kompromittiert wird. Diese Zonen mit Verluststruktur verhalten sich ähnlich wie die Knautschzone auf einem Fahrzeug.
Vorzugsweise sind die Kopplungsteile Gelenke mit einzelnem Freiheitsgrad. Alternativ können die Kopplungsteile Universalgelenke sein.
Vorzugsweise sind die Gelenke in unterschiedlichen Richtungen ausgerichtet. Vorzugsweise ist jedes Gelenk im Wesentlichen orthogonal zu einem angrenzenden Gelenk und im Wesentlichen senkrecht zur Hauptlängsachse der Kettenstruktur.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass der Rollschneidenwinkel für jedes Gelenkpaar unterschiedlich sein kann. Der Rollschneidenwinkel kann variiert werden, um die Energiegewinnung zu maximieren. Der Zweck des Rollschneidenwinkels besteht darin sicherzustellen, dass die Vorrichtung in einem Winkel ausgerichtet wird, so dass ihr Bewegungsmodus in die Orientierung bei diesem Winkel mit den hereinkommenden Wellen mitschwingend ist.
Die Vorrichtung umfasst Elemente, die dazu geeignet sind, der relativen Bewegung der Körperteile zu widerstehen. Diese Elemente können angepasst sein, um Energie aus der relativen Bewegung zu gewinnen. Die Elemente können Federn sein. Zusätzlich oder alternativ können die Elemente Energiegewinnungssysteme sein. Verschiedene Einschränkungsgrößen können den im Wesentlichen senkrechten Gelenkpaaren auferlegt werden, um eine kreuzgekoppelte Reaktion zu induzieren. Das Verhältnis der Größe der Einschränkungen kann verwendet werden, um bei kleinen Wellen die Energiegewinnung zu erhöhen.
Typisch ist die Vorrichtung derart konfiguriert, dass ihre Kapazität zur Energieabsorption von der Ausrichtung der Gelenke und der. entsprechenden differenzialen Rückhaltung gesteuert wird.
Die Kette kann schwimmend sein. Vorzugsweise kann die Kette im Wesentlichen frei schwimmen.
Die Vorrichtung kann mit einem Ballastladesystem versehen sein. Dieses System kann unterschiedlich sein. Das System kann aktiv oder passiv variabel sein. Typisch umfasst das variable Ballastladesystem Ballastbecken, die Einlass- und Auslassmittel beinhalten, wobei die Einlassmittel größer sind als die Auslassmittel.
Das variable Ballastladesystem kann auf einen Vorderteil oder Teile der Kette beschränkt werden, so dass es beim Gebrauch die Vorderseite der Kette beim Eintauchen unter große Wellenberge fördert. Das variable Ballastladesystem kann wirken, um den Rollschneidenwinkel der Kette zu variieren, zum Beispiel durch Bereitstellen eines asymmetrischen Ballastladesystems.
Vorzugsweise ist die Anordnung der Körperteile und Gelenke, die die Kette bilden, an einen spezifischen Ort angepasst. Vorzugsweise wird die Länge der Kette durch die an einem bestimmten Ort erwartete Wellenlänge bestimmt. Vorzugsweise wird die Länge der einzelnen Körperteile, die die Kette bilden, durch die an einem bestimmten Ort erwartete Wellenlänge bestimmt.
Typisch ist die Vorrichtung zum Maximieren ihrer Kapazität, bei einem bestimmten Seegang Energie zu gewinnen, konfiguriert, aber auch um das Überleben unter extremen Bedingungen sicherzustellen.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung konfiguriert, um nur beim Reagieren gegen Wellen mit Wellenlängen unter einer festgelegten Länge effektiv zu sein.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung direkt angepasst, um die aus der Bewegung angrenzender Segmente absorbierte Energie in Elektrizität umzuwandeln. Alternativ kann die Vorrichtung angepasst sein, um die absorbierte Energie für den späteren Gebrauch zu speichern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Gewinnen von Energie aus Wellen bereitgestellt, das die folgenden Schritte beinhaltet:
Einsetzen einer Vorrichtung, die eine Kette aus einer Vielzahl von Körperteilen, die miteinander durch Gelenke verbunden sind, die in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind, umfasst, um die relative Bewegung der Körperteile in Wellen zu erlauben, wobei die Kette so ausgerichtet ist, dass sie mindestens zwei Wellenberge überspannt;
Auferlegen eines Rollschneidenwinkels auf die Gelenke;
Auferlegen verschiedener Einschränkungen auf jede Richtung, um eine kreuzgekoppelte Reaktion zu induzieren;
Abstimmen der Reaktion zum Steuern der Energieabsorption und Gewinnen der absorbierten Energie.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft unter ausschließlicher Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine Übersicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Wellen aufgebreitet zeigt;
2 die Vorrichtung der 1 zeigt;
3 ein Detail eines Gelenks der Vorrichtung der 1 zeigt;
4a ein Detail der Vorrichtung zeigt, das die relative Ausrichtung benachbarter Gelenke darstellt;
4b den Rollschneidenwinkel (Ψ) unter Bezugnahme auf ein Schwankgelenk darstellt;
4c den Rollschneidenwinkel (Ψ) unter Bezugnahme auf ein Stampfgelenk darstellt;
5a eine schematische Skizze ist, die das Funktionieren des passiven variablen Ballastladesystems der Vorrichtung in Wellen mit kleiner Amplitude zeigt;
5b eine schematische Skizze ist, die das Funktionieren des passiven variablen Ballastladesystems der Vorrichtung in Wellen mit großer Amplitude zeigt;
6a eine Draufsicht der Vorrichtung an Ort und Stelle ist, die die Konfiguration des Verankerungssystems bei kleinen Wellen mit wenig Energie zeigt;
6b eine Draufsicht der Vorrichtung an Ort und Stelle ist, die die Konfiguration des Verankerungssystems bei großen extremen Wellen zeigt;
6c eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung ist, die Gelenke mit zweifachem Freiheitsgrad an Ort und Stelle zeigt;
7 eine Skizze des Hydrauliksystems einer Stromversorgungseinheit ist;
8a eine perspektivische Außenansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung mit Querstößeln ist;
8b ein Schnittbild der Ausführungsform der 8a ist;
9a eine perspektivische Außenansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung mit internen Inline-Stößeln ist;
9b eine Schnittbildansicht der Ausführungsform der 9a ist;
10 eine schematische Skizze ist, die den Selbstreferenzierungsvorgang der Vorrichtung in Wellen mit kleiner und großer Wellenlänge zeigt; und
11 eine schematische Skizze ist, die den Vorgang des hydrostatischen Kappens der Vorrichtung bei Wellen mit steigender Amplitude zeigt.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beinhaltet eine Vorrichtung 1 zum Gewinnen von Energie aus Wellen einen Wellenenergieumwandler mit zwei oder mehreren Körperteilen 2, 3, 4. Die Konfiguration eines bestimmten Umwandlers 1, das heißt die Anzahl, Größe und Form der Körperteile 2, 3, 4, aus welchen er besteht, wird durch das jährliche Wellenklima des Orts bestimmt, für den er bestimmt ist, und daher durch die Bedingungen, die er wahrscheinlich antrifft. Das bedeutet, dass jeder Umwandler für einen spezifischen Ort konzipiert wird.
Die Körperteile 2, 3, 4 sind durch Scharniere oder Universalgelenke 5 verbunden, um eine gegliederte Kette zu bilden. Die Kette ähnelt einer Wirbelsäulenstruktur. Den relativen Bewegungen der Körperteile 2, 3, 4 wirken Elemente entgegen, die Energie aus dieser relativen Bewegung gewinnen. Der Umwandler schwimmt und treibt im Wesentlichen frei auf. Bei der Verwendung ist der Umwandler typisch halb eingetaucht, obwohl verschiedene Eintauchtiefen verwendet werden können, um das Energiegewinnen und/oder die Überlebensfähigkeit zu optimieren.
Der Umwandler ist vorherrschend gegen sich selbst und nicht gegen die Küste oder den Meeresboden referenziert. Diese Selbstreferenzierung wird dadurch verwirklicht, dass der Umwandler eine Länge hat, die mit der auftreffenden Wellenlänge vergleichbar ist, und dass der Umwandler relativ zu einfallenden Wellen in eine Richtung ausgerichtet ist, so dass der Umwandler mindestens zwei Berge der hereinkommenden Wellen überspannt.
Die Konfiguration und Ausrichtung einzelner Gelenke und der Typ und die Auslegung der einzelnen Energiegewinnungselemente, die eine bestimmte Vorrichtung bilden, werden ausgewählt, um die Energie zu maximieren, die bei einem gegebenen Seegang gewonnen wird, dabei aber das Überleben unter extremen Bedingungen sicherzustellen. Insbesondere wird den Gelenkachsen ein Gesamtrollschneidenwinkel (Ψ) von der Horizontalen und Vertikalen weg auferlegt, um ein Kreuzkoppeln der Stampf- und Schwankbewegungen des Umwandlers als Reaktion auf Wellenkräfte zu erzeugen.
Die gleichen Auswahlkriterien bestimmen die bevorzugte Ausrichtung zu den hereinkommenden Wellen der gesamten aufgebreiteten Vorrichtung.
Daher erzielt man durch Koppeln ihrer Körperteile mit Gelenken, die in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind, maximale Energieabsorption und daher maximalen Energieertrag aus der Vorrichtung, indem man den Rollschneidenwinkel (Ψ) auf die Gelenke anlegt, verschiedene Einschränkungen auf jede Richtung anlegt, um eine kreuzgekoppelte Reaktion unterschiedlicher Größe und Form zu induzieren, die auf die Wellenbedingungen abgestimmt werden kann, und durch Verwenden eines Verankerungssystems, um den Umwandler in einer bevorzugten Ausrichtung zu den hereinkommenden Wellen zu präsentieren.
Das Verankerungssystem kann dem Umwandler auch signifikante physische Rückhaltung oder Erregung verleihen, so dass die Gesamtreaktion geändert wird. Die Energie kann direkt oder indirekt durch Umwandeln der Bewegung angrenzender Segmente in Elektrizität oder durch Verwenden der absorbierten Energie zum Herstellen eines nützlichen Nebenprodukts gewonnen werden.
1 und 2 zeigen eine spezielle Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei dieser Ausführungsform umfasst der Umwandler eine Anzahl von Körperteilen in der Form zylindrischer Segmente 2, die zum Bilden einer Kettenstruktur 1 verbunden sind.
Jedes Segment 2, 3, 4 hat den gleichen Durchmesser. Mit Ausnahme der Endsegmente 3, 4, haben die Segmente 2 gleiche Länge. Jedes der Endsegmente 3, 4 ist ungefähr doppelt so lang wie die Zwischensegmente 2.
Obwohl die in 1 und 2 gezeigten Segmente einen kreisförmigen Querschnitt haben, kann der Querschnitt der Körperteile natürlich im Wesentlichen elliptisch oder oval mit größeren Maßen, im Wesentlichen horizontal ausgerichtet aufweisen, um eine größere Wasserlinienzone zu erlauben, während Tiefe und Freibord des Teils ausreichend klein gehalten werden, um das hydrostatische Kappen zu erlauben.
Alternativ können die Körperteile beliebigen Querschnitt haben, um der Gesamtreaktion der Vorrichtung andere Merkmale zu verleihen. Bei einer Ausführungsform ist der Querschnitt keilförmig, um eine seitliche Verlagerung (senkrecht zur Kettenachse) der Auftriebsmitte des Körperteils zu verursachen, während es seinen Eintauchgrad variiert, um die Rollreaktion der Vorrichtung zu verändern, um die Energiegewinnung oder Überlebensfähigkeit zu verbessern.
Die Körperteile beliebigen Querschnitts können optional Rippen, Schlingerkiele oder andere Vorsprünge umfassen, um jeder gewünschten Bewegungsrichtung hydrodynamisches Dämpfen hinzuzufügen, um die Vorrichtung und/oder die Verankerungsreaktion zu beeinflussen.
Die Enden der vorderen 3 und hinteren Segmente 4 können geformt werden, um hydrodynamische Merkmale zu beeinflussen. Das Vordersegment wird optional mit einem konischen Vorderende 10 versehen, um den Widerstand bei extremem Seegang zu minimieren, während das hintere Segment 4 ein flaches hinteres Ende 11 hat, um das Dämpfen entlang der Achse der Kettenstruktur zu steigern, um zur Verankerungsreaktion Dämpfung hinzuzufügen.
Die Struktur 1 ist konzipiert, um unter extremen Bedingungen zu überleben. Ein Faktor, der das Überleben beeinflusst, ist die Größe der einzelnen Segmente 2, 3, 4. Die Größe der Segmente 2, 3, 4 wird ausgewählt, um im Vergleich zu der maximal erwarteten Wellenhöhe in einer Zone, in der die Struktur 1 aufgebreitet wird, klein zu sein. In der Situation, in der die Segmente 2, 3, 4 im Vergleich zur Wellenhöhe klein sind, zum Beispiel unter Sturmbedingungen, besteht daher komplettes lokales Eintauchen oder Auftauchen des Umwandlers, eine Situation, die als „hydrostatisches Kappen" bekannt ist. Dieses Kappen beschränkt die Größe der Kräfte und Biegemomente, welchen die Struktur des Umwandlers bei solchen widrigen Witterungsbedingungen unterworfen wird, und steigert die Überlebenschancen der Struktur 1. Das hydrostatische Kappen ist in 11 gezeigt, die Segmente 2 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei drei Seegängen verglichen zur durchschnittlichen horizontalen Wasserlinie 24 zeigt. Bei Wellen mit kleiner Amplitude 27, wie in 11(a), nehmen die Segmente 2 die Form des Wellenprofils 28 an, und das Segment 2'' in der Nähe des Wellentals wird so tief eingetaucht, wie das Segment 2' der Wellenspitze nahe liegt. Bei Wellen mit steigender Zwischenamplitude 27, wie in 11(b), nehmen die Segmente 2 im Vergleich zum Wellenprofil 28 ein abgeflachtes Profil an, und das Segment 2'' in der Nähe des Wellentals wird nur leicht eingetaucht, während das Segment 2'' in der Nähe der Wellenspitze fast ganz eintaucht ist. Bei Wellen mit großer Amplitude 27, wie in 11(c), nehmen die Segmente 2 ein signifikant abgeflachtes Profil im Vergleich zum Wellenprofil 28 an, und das Segment 2'' nahe dem Wellental wird aus dem Wasser gehoben, während das Segment 2'' nahe der Wellenspitze komplett eingetaucht wird.
Bei ruhigem Wetter, bei dem die Wellenlängen relativ kurz und die Wellenamplituden klein sind, ist es erforderlich, die Energieabsorption durch den Umwandler zu maximieren.
Bei extremem Wetter, bei dem die Wellenlängen länger und die Wellenamplituden größer sind, ist das Überleben des Umwandlers wichtiger als die Effizienz der Energieabsorption.
Die Gesamtlänge der zusammengefügten Struktur 1 wird daher ausreichend lang ausgewählt, um entsprechendes Selbstreferenzieren der Struktur 1 in kurzen Wellenlängen, bei welchen nicht viel Energie verfügbar ist und die Notwendigkeit besteht, die Energieabsorption zu maximieren, zu liefern, und ausreichend kurz, um sich bei langen Wellenlängen verbunden mit Sturmwellen zum Überleben zu „verbergen". Ist die Wellenlänge viel größer als die Länge der Struktur, kann sich die Struktur nicht von Spitze zu Spitze erstrecken, und die maximale Bewegung jedes Teils der Struktur zu jedem anderen Teil ist geringer als die Amplitude der Welle, so dass sich die Struktur bei langen Wellenlängen „verbirgt". Mit anderen Worten verliert die Struktur die Fähigkeit, sich selbst gegen die Wellenlänge zu referenzieren. Dieser Effekt ist in 10 dargestellt, die Segmente 2 einer erfindungsgemäßen Struktur in zwei Wellenprofilen 28 mit verschiedener Wellenlänge im Vergleich zur durchschnittlichen horizontalen Wasserlinie 24 zeigt. Die Wellenlänge λ ist die Entfernung zwischen angrenzenden Wellenbergen. Die Linie 29 verbindet die Enden der Struktur, und daher wird die Bewegung jedes Segments 2 der Struktur zur durchschnittlichen Sofortposition der Struktur durch die Entfernung der Mitte des Segments von der Linie 29 dargestellt. In 10(a) ist die Wellenlänge klein, und die halbe Wellenlänge λ/2 ist die Entfernung zwischen dem Berg 100 und dem Tal 101. Die maximale Bewegung jedes Segments 2 der Struktur zur mittleren Sofortposition der Struktur wird durch den Pfeil 104 gezeigt. Sowohl die maximale Bewegung 104 als auch die durchschnittliche Bewegung in 10(a) ist größer als die maximale Bewegung 105, und die durchschnittliche Bewegung in 10(b), in der die Wellenamplitude gleich ist, ist die Wellenlänge groß und die halbe Wellenlänge λ/2 ist die Entfernung zwischen dem Berg 102 und dem Tal 103.
Die Dauerhaftigkeit und Kosten der Segmente 2, 3, 4 und der Struktur 1 als Ganzes sind wichtige Konzeptionsaspekte. Daher ist der bevorzugte Werkstoff für den Umwandler Stahlbeton. Andere Werkstoffe, wie zum Beispiel Stahl, sind bevorzugte Alternativen. Andere geeignete Baumaterialen oder Werkstoffe können jedoch verwendet werden.
Gelenke mit einzelnem Freiheitsgrad (Scharniere) 5 verbinden angrenzende Segmente 2, 3, 4 der Struktur 1, die die Struktur 1 bilden. Die Gelenke 5 sind in abwechselnder Richtung ausgerichtet. Das bedeutet, dass die Stampfgelenke 5a mit Schwankgelenken 5b entlang der Länge der Struktur abwechseln. Alternativ kann jedes Gelenk ein kombiniertes Stampf- und Schwankgelenk sein. Bei dieser Ausführungsform sind die Gelenke, die die Endsegmente 3, 4 befestigen, Stampfgelenke 5a. Im Ruhezustand ist die Struktur 1 gerade. Wie in 2 und 4a gezeigt, ist jedes Gelenk 5 an einem Segment 2 mit seiner Achse ungefähr orthogonal zum Gelenk zu beiden Seiten befestigt. Daher sind angrenzende Gelenke 5a und 5b ungefähr orthogonal zueinander ausgerichtet. Die Gelenke können abwechselnd mit relativen Winkeln positioniert werden, die anders sind als 90 Grad, wenn eine bestimmte Situation es vorschreibt.
Die Passage von Wellen verursacht das Biegen der Struktur um jedes der Gelenke 5.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Struktur 1 ballastgeladen, um mit ihrer Mittenlinie auf der Wasserlinie (etwa 50% Verdrängung) zu schwimmen. Das bedeutet, dass die Struktur 1 beim Gebrauch halb eingetaucht ist.
Die Struktur 1 ist ballastgeladen oder verankert, so dass den Gelenkachsen 40 von der Horizontalen 41 und der Vertikalen 42 weg ein Gesamtrollschneidenwinkel (Ψ), wie in 4b und 4c gezeigt, auferlegt wird. Dieser Winkel (Ψ) kann bei allen Gelenken 5 in der Struktur 1 gleich sein oder entlang ihrer Länge variieren. Der Rollschneidenwinkel (Ψ) wird verwendet, um ein Kreuzkoppeln der Stampf- und Schwankbewegungen zu erzeugen, welchen die Struktur 1 als Reaktion auf Wellenkräfte unterliegt.
Der Umwandler ist optional mit einem aktiven oder passiven Ballastladesystem versehen, das das Niveau variiert, mit dem einzelne Segmente oder die komplette Struktur schwimmen. Wenn es eingebaut ist, kann das Ballastladesystem deaktiviert werden. Alternativ ist das Ballastladesystem ausbau- und ersetzbar. Dieses Ballastladesystem beschleunigt das Einsetzen des hydrostatischen Kappens bei extremem Seegang, und hilft daher, die maximalen Last- und Biegemomente zu minimieren, welchen die Struktur bei widrigen Wetterbedingungen unterliegt.
Dieses variable Ballastladesystem ist in 5a und 5b gezeigt und beinhaltet Ballastbecken 20, die durch interne Schotte 23 verbunden und mit großen Einlässen 21 versehen sind. Die Wellenamplitude 27a, 27b wird zwischen dem maximalen Wellenniveau 26a, 26b und dem minimalen Wellenniveau 25a, 25b gemessen. Die großen Einlässe 21 erlauben ein rasches Füllen der Becken 20, während die Wellenamplitude von einer kleinen Amplitude 27a wie in 5a gezeigt zu einer großen Amplitude 27b wie in 5b gezeigt ansteigt. Über bestimmten Amplituden liegt das obere Wellenniveau 26a, 26b über dem großen Einlass 21 und füllt das Ballastbecken 20. Die Ballastbecken 20 sind ferner mit Auslässen 22 am Boden der Becken versehen. Diese Auslässe 22 sind im Vergleich zu den Einlässen 21 klein, um nur ein langsames Entleeren der Becken zu erlauben.
Das Miteinbeziehen des variablen Ballastladesystems bietet bei großen Wellen einen Vorteil. Bei großen Wellen steigert das schnelle Füllen der Becken 20 die Verdrängung der Struktur 1. Die gesteigerte Verdrängung bewirkt, dass die Struktur 1 im Vergleich zum durchschnittlichen Wasserniveau 24 wie in 5a und 5b dargestellt tiefer im Wasser schwimmt. Dieses Ballastladesystem trägt daher zum Beschleunigen des lokalen Eintauchens der Struktur 1 bei großen Wellenamplituden bei und wirkt unter solchen Bedingungen daher lasteinschränkend.
Das variable Ballastladesystem kann sich in allen Segmenten 2, 3, 4 oder in ausgewählten Segmenten befinden. Bei einer Ausführungsform ist das System in das führende („stirnseitige" oder „aufwellige") Segment 3 des Umwandlers 2 eingebaut. Das fördert das Eintauchen der Vorderseite der Struktur 1 bei großen Wellen, so dass erlaubt wird, dass große Wellenberge über den gesamten Umwandler laufen, wie Surfer, die unter brechende Wellenberge tauchen, wenn sie vom Strand hinausschwimmen.
Die Ballastbecken 20 des Ballastladesystems werden optional asymmetrisch (nicht dargestellt) in der Struktur 1 positioniert. Diese asymmetrische Anordnung beeinflusst die Größe des Rollschneidenwinkels (Ψ) wie zuvor definiert. Das Variieren des Rollschneidenwinkels (Ψ) beeinflusst die Größe der gekoppelten selbsterregten Reaktion. Das Ballastladesystem kann daher in Verbindung mit dem Verankerungssystem verwendet werden, um den Gesamtrollschneidenwinkel (Ψ) zu variieren. Der Rollschneidenwinkel (Ψ) wird ausgewählt, um die maximale gekoppelte Reaktion des Umwandlers um die gewünschte Frequenz zu erzielen. Zu den Kriterien, die die Auswahl des Rollschneidenwinkels (Ψ) beeinflussen, gehören die Maße des Umwandlers, insbesondere seine Länge und sein Durchmesser; die durchschnittliche Wellenperiode an dem Ort, an dem der Umwandler aufzubreiten ist; die Beschaffenheit der Energiegewinnungselemente, die an den Gelenken angewandt werden. Der optimale Rollschneidenwinkel (Ψ) für einen Satz gegebener Kriterien wird von einem Computerprogramm festgelegt, das für diesen Zweck ausgelegt ist. Der Rollschneidenwinkel (Ψ) sinkt mit der Verlängerung der Wellenperiode. Der auferlegte Rollschneidenwinkel (Ψ) steigt mit der Größe des Umwandlers. Bei einem Umwandler mit 3,5 m Durchmesser und 132 m Länge, der bei Seegängen mit einer Wellenperiode von 10 s aufgebreitet wird, liegt der optimale Rollschneidenwinkel (Ψ) zum Beispiel bei 25 Grad.
Zusätzlich oder alternativ umfasst der Umwandler ein aktives System zum Steuern des Rollschneidenwinkels (Ψ). So steuert das aktive Steuersystem auch die Reaktion des Umwandlers in Wellen.
Jede Endseite 9 der Zwischensegmente 2 und der inneren Endseiten 9 der Endsegmente 3, 4 sind abgefast, um einen Abstand für extreme Gelenkbewegung zu erlauben. Die abgefasten Abschnitte liegen auf Ebenen, die sich mit der Gelenkachse schneiden, so dass entgegengesetzte Seiten 9 aufeinander treffen, um einen dämpfenden Quetschfilm zu bilden. Sollten die Endstopps erreicht werden, bewirkt das ein Reduzieren der Aufpralllast.
Das Vorderende 10 der Struktur 1 ist konisch. Das bewirkt das Reduzieren der Schlaglasten bei extremen Wellen. Das hintere Ende 11 kann konisch oder flach sein.
Der Umwandler ist angepasst, um das Variieren der Merkmale einzelne Gelenke 5 nach Bedarf zu erlauben. Dazu werden Elemente, wie zum Beispiel Federn und/oder Energiegewinnungssysteme auf einige oder alle Gelenke 5 angewandt. Diese Elemente halten die Bewegung des Gelenks 5 zurück oder erregen sie.
Wenn die Elemente gleiches Rückhalten oder gleiche Erregung auf jedes Gelenk 5 anwenden, bleibt die Gesamtreaktion des Umwandlers durch den Rollschneidenwinkel (Ψ) weitgehend unbeeinflusst.
Wenn die Elemente jedem Gelenk unterschiedliche Rückhaltung oder Erregung auferlegen, kann das bei kleinen Wellen zum Erzeugen einer gekoppelten selbsterregenden Reaktion verwendet werden, die die absorbierte Energie stark erhöht. Alternativ kann dies bei extremen Bedingungen verwendet werden, um Lasten und Bewegungen zu minimieren und zur Überlebensfähigkeit unter solchen Bedingungen beizutragen.
Eine Ausführungsform der Erfindung hat abwechselnde Gelenke 5 mit einzelnem Freiheitsgrad, die es den Rückhaltungs-/Erregungselementen erlauben, Bewegungen in verschiedene Richtungen zu steuern. Eine alternative Ausführungsform verwendet Gelenke mit Allfreiheitsgrad (Universalgelenke), bei welchen die Rückhaltungs-/Erregungselemente um sie angeordnet sind.
Ein typisches Gelenk 5 mit einzelnem Freiheitsgrad ist in 3 dargestellt. Zwei angrenzende Gelenke 5 mit einzelnem Freiheitsgrad sind im 4a gezeigt. Bei dieser Ausführungsform hat jedes Gelenk 5 ein unabhängiges hydraulisches System, das es erlaubt, die einzelnen Gelenkmerkmale nach Bedarf zu variieren. Dazu wird jedes Gelenk von drei doppeltwirkenden hydraulischen Stößeln 33, 34, 35 gesteuert. Jede Endseite der angrenzenden Einheiten ist mit einem Paar Lagerböcke 30 versehen, durch welche ein Stift (nicht dargestellt) reicht, um einen Scharnieranschluss zu bilden. Ein verstärktes Stößelmontageglied 31 ist an jedem Segment auf einer radialen Achse senkrecht zur Achse 40 des Stifts befestigt. Drei Stößelmontageböcke 32 sind an jedem Montageglied befestigt. Die Stößel 33, 34, 35 sind zwischen gegenüberliegenden Montageböcken 32 montiert. Die Stößel 33, 34, 35 sind alle angelegt, um zum Erleichtern des Zugangs und der Wartung über der ruhigen Wasserlinie zu sitzen, wenn die Struktur aufgebreitet ist. Die Stößel 33, 34, 35 können zu einer oder zu beiden Seiten der Scharnierlinie positioniert werden. Bei der Ausführungsform der 3 sind die Segmente 2 durch externe Inline-Stößel verbunden.
Die hydraulischen Stößel 33, 34, 35 liefern Feder- und Dämpfreaktionsmomente zwischen den Segmenten 2, 3, 4. Ein erster Stößel 34 ist mit Gasakkumulatoren gekoppelt, um ein hydraulisches Federsystem zu bilden, und kann durch Anlegen einer Federkraft auf ein Gelenk 5 betrieben werden. Ein weiteres Paar von Stößeln 33, 35 ist als doppeltwirkende Pumpe mit Einlass- und Auslassventilen konfiguriert. Dieses Paar von Stößeln 33, 35 kann durch Anlegen einer Dämpfkraft auf ein Gelenk 5 betrieben werden.
Die Einlassventile der zwei Dämpfstößel 33, 35 sind einzeln betreibbar. Das bedeutet, dass ein oder beide Dämpfstößel 33, 25 aktiviert oder deaktiviert werden, um das Variieren des Rückhaltens in der Reaktion auf den vorherrschenden Seegang zu erlauben. Ein weiter Bereich von Dämpfniveaus kann durch Aktivieren oder Deaktivieren eines Stößels 33, 25 und durch Verändern des Systemdruckniveaus erzielt werden.
Die Dämpfstößel 33, 35 sind einander gegenüber liegend angeordnet. Eine solche Anordnung beugt der Asymmetrie in den Lasten vor, die durch die Stößel 33, 35 aufgrund des Unterschieds in der Kolbenwirkzone, den der Kolbenschaft verursacht, angelegt werden.
Die Stößeldurchmesser und der Momentarm, durch welchen sie auf ein Gelenk 5 einwirken, werden für eine bestimmte Struktur 1 ausgewählt, um die gewünschte Rückhaltung auf das Gelenk 5 für die besonderen Bedingungen der Struktur 1 anzulegen, die sie anzutreffen ausgelegt ist. Zusätzlich wird der maximale Gelenkwinkel berechnet, den der Umwandler erwartungsgemäß antreffen wird, und der Hub der Stößel 33, 34, 35 wird ausgewählt, um größer zu sein als dieser Winkel.
Wenn der maximale berechnete erwartete Gelenkwinkel überschritten wird, hat der Umwandler das eingebaute Sicherheitsfeature, dass jeder der Stößel 33, 34, 35 dazu ausgelegt ist, sich von seinem Schaftendanschluss 36 zu lösen, während er an dem Zylinderendanschluss 37 befestigt bleibt. Das vermeidet das Brechen der Hydraulikschläuche (nicht dargestellt), die an die Stößelzylinder angeschlossen sind, und verhindert daher das Ausfließen der Hydraulikflüssigkeit in die Umwelt. Die Tatsache, dass die Stößel 33, 34, 35 unterschiedliche Endstopps haben und sich nacheinander ablösen statt gleichzeitig, vermeidet, dass der Umwandler extremen Lastmomenten ausgesetzt wird, und vermeidet Schäden an den Segmenten 2, 3, 4.
Jedes Ende des Segments 2 ist mit einem abgefasten Ende 9 versehen, um maximale relative Bewegungen der Segmente 2 um die Stiftachse 40 zu erlauben.
8a und 8b zeigen eine alternative Gelenkkonfiguration 50, die Querstößel 51 verwendet. 8b ist eine Schnittbildansicht des in 8a gezeigten Gelenks. Bei dieser Konfiguration werden angrenzende Paare im Wesentlichen orthogonaler Gelenke in einem Gelenk mit einem zweifachen Freiheitsgrad oder Universalgelenk 50 kombiniert, das die Achsen A und B hat. Dieses Gelenk 50 umfasst eine Spinne 52, die sich in einer generell senkrechten Ebene erstreckt, und zwei triangulierte Hebelarme 53, 54, die sich jeweils in einer Ebene erstrecken, die im Wesentlichen zur Ebene der Spinne 52 senkrecht steht, und die starr an der Spinne 52 angeschlossen sind. Die Spinne wird auf der Achse A zu dem ersten Segment 2a durch Scharnierhalterungen 57a und auf der Achse B zu dem zweiten Segment 2b durch Scharnierhalterungen 57b gestützt. Ein erster Satz hydraulischer Stößel oder Stampferstößel 51a wirkt, um dem Gelenk über den Hebelarm 53 um die Achse A rückhaltende Momente aufzuerlegen. Ein zweiter Satz hydraulischer Stößel oder Schwankstößel 50b wirkt, um dem Gelenk über den Hebelarm 54 um die Achse B rückhaltende Momente aufzuerlegen. Die Stößel 50a, 50b wirken tangential zu den Hebelarmen 53, 54.
Bei einer Ausführungsform sind die Stößel 50 extern. Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Stößel 50 in abgedichteten Fächern beinhaltet. Die Fächer werden durch biegsame Dichtungen (nicht dargestellt) an den Ausgangs-/Eingangspunkten 56 der Hebelarme 53, 54 abgedichtet.
Die Hebelarme 53, 54 haben die Form eines orthogonalen Paars triangulierter Rahmen, die durch diagonale Streben 55 verbunden sind, um die Gelenkspinne zu bilden.
Bei einer möglichen Variante, nicht dargestellt, treten beide Hebelarme 53, 54 in das Ende eines Segments ein. Das erlaubt es allen hydraulischen Stößeln 51 und Bauteilen, im gleichen Raum zu liegen.
Eine weitere alternative Gelenkkonfiguration verwendet Gelenke mit einzelnem Freiheitsgrad kombiniert mit der internen oder externen Hebelarm-Stößelkonfiguration der oben beschriebenen Ausführungsform.
Eine weitere alternative Gelenkkonfiguration verwendet interne Inline-Stößel. Bei dieser Ausführungsform werden angrenzende Paare im Wesentlichen orthogonaler Gelenke kombiniert, um einen zweifachen Freiheitsgrad zu bilden, oder Universalgelenke 61 mit den Achsen C und D. Diese Ausführungsform, gezeigt in 9a und 9b, umfasst hydraulische Stößel 61, die in Linie wirken, um dem Gelenk 60 wie bei der Ausführungsform der 8a und 8b zurückhaltende Momente aufzuerlegen, mit der Ausnahme, dass das Gelenk 60 ferner Stümpfe 63 umfasst, die aus der Gelenkspinne 62 durch flexible Dichtungen 64 des Balgtyps in ein abgedichtetes Fach am Ende jedes Segments reichen, und die die Stößel 61 betätigen. Die Spinne 62 umfasst zwei Drehachsen 62a, die von vier Verstrebungen 62b verstrebt werden. Die Spinne 62 wird auf der Achse C zu dem ersten Segment 2a durch Scharnierhalterungen 65a und auf der Achse D zu dem zweiten Segment 2b durch Scharnierhalterungen 65b gehalten. Eine alternative Ausführungsform verwendet die gleiche Konfiguration ohne Dichtungen. Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt), treten alle Stößelmontagestümpfe 63 in das Ende eines Segments ein. Das erlaubt es allen hydraulischen Stößeln 61 und Bauteilen, im gleichen Raum zu liegen. Gelenke mit einzelnem Freiheitsgrad können alternativ in dieser Konfiguration ausgebreitet werden. Bei einer Ausführungsform sind die internen Inline-Stößel 61 nur auf einer Seite der Gelenkachse ausgebreitet.
Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung umfassen die Körperteile Zonen mit Verluststruktur, die sehr große Gelenkwinkel erlauben, bevor die gesamte strukturale Unversehrtheit oder Flotation des Teils kompromittiert wird. Diese Verluststrukturzonen verhalten sich ähnlich wie die Knautschzone eines Fahrzeugs.
Weitere Bauteile der Struktur und die Rückhalteelemente können ähnlich konzipiert werden, um unterkritisch zu versagen, was die Integrität des Gesamtsystems bei Bedarf nicht kompromittiert.
Ein Öl-/Wasserwärmeaustauscher ist inbegriffen, um überschüssige absorbierte Energie in das Meer zurück freizugeben. Das erlaubt es dem Umwandler, unter extremen Bedingungen weiter bei voller Kapazität zu erzeugen. Für den Fall des Versagens des elektrischen Netzes, ergibt das die erforderliche Wärmelast.
Das vom Umwandler verwendete Hydrauliköl ist biologisch abbaubar und für Wasserorganismen ungiftig.
7 zeigt eine Skizze für eine mögliche Stromversorgungseinheit, die ein Paar angrenzender Gelenke 5 versorgt. Zum optimalen Energiesammeln umfasst die Vorrichtung hydraulische Akkumulatoren 71, in einer Größe, die ein geeignetes Glätten des wellenweisen Eingangs von Energie aus jedem Gelenk 5 bereitstellt. Die Dämpfstößel 33, 35 pumpen Hochdrucköl über gesteuerte Auslassventile 72 direkt in die hydraulischen Akkumulatoren. Das Hochdrucköl fließt dann über Steuerventile 73 zu Hydraulikmotoren 74 mit veränderlichem Hubraum. Die Motoren treiben einen elektrischen Generator 75 an.
Natürlich ist der gezeigte hydraulische Kreislauf nur ein möglicher Kreislauf. Weitere Elemente des hydraulischen Kreislaufs sind gesteuerte Einlassventile 82, die von Hydraulikschaltern 83 gesteuert werden, um bei Bedarf Einschränkung zu liefern, Druckminderventile 84, Wärmeaustauscher 85 und druckbeaufschlagte Systembehälter 86, die alle hydraulisch in einer Weise angeschlossen sind, die dem Fachmann verständlich ist.
Bei der Verwendung wird der Druck in den hydraulischen Akkumulatoren 71 an den hereinkommenden Seegang durch Steuern der Rate, mit der das Öl durch die Motoren fließt, angepasst. Jedes Motorenpaar ist direkt an einen getrennten Generator 75 gekoppelt. Die Generatoren 75 sind direkt an das Stromnetz angeschlossen. Dieses System erlaubt es, Energie zwischen Gelenken in Abhängigkeit von einem gegebenen Seegang zu teilen und bietet einen hohen Grad an Redundanz für den Fall eines teilweisen Systemversagens.
Daher wird Energie direkt durch Umwandeln der relativen Bewegung angrenzender Abschnitte 2 in Elektrizität umgewandelt. Alternativ wird die absorbierte Energie direkt oder indirekt zum Erzeugen eines nützlichen Nebenprodukts verwendet. Beispiele nützlicher Nebenprodukte sind Wasserstoff durch Elektrolyse; und entsalztes Wasser.
Die komplette Kontrolle der Art und Größe der Dämpfrückhaltung, die auf jedes Gelenk 5 angewandt wird, wird daher durch selektives Aktivieren und/oder Deaktivieren von Stößeln und durch Steuern des Akkumulatordrucks erzielt.
Man erkennt, dass das relative Dämpfen, das angrenzenden Gelenken auferlegt wird, verbunden mit der Auswahl des Rollschneidenwinkels (Ψ) eine abstimmbare pseudo-mitschwingende Reaktion stimuliert, die maximale Energieabsorption aus einem gegebenen Seegang erlaubt. Die Steuerung der Größe der differenzialen Rückhaltung ergibt eine Verstärkungssteuerung, die bei kleinen Wellen eingestellt werden kann, um die Effizienz des Umwandlers und der von ihm gewonnenen Energie zu maximieren, und bei großen Wellen, um die Reaktion einzuschränken und dadurch die Überlebensfähigkeit des Umwandlers zu verbessern.
Die 6a, 6b und 6c zeigen ein mögliches Verankerungssystem für den Umwandler. Das Verankerungssystem ist ausgelegt, um die Struktur in der richtigen Ausrichtung für den jeweiligen Seegang, mit entsprechender Nachgiebigkeit zum Anpassen an extreme Bedingungen zurückzuhalten. Vier unabhängige Verankerungsdrähte 41, 42, 43, 44 sind an der Struktur befestigt, zwei 41, 42 nahe der Vorderseite und zwei 43, 44 gegen die Rückseite. Jeder Verankerungsdraht 41, 42, 43, 44 hat Schwimmer 45 und Beschwerungsgewichte 46, um ein System mit einer definierten Steifigkeit zu liefern. Die Schwimmer- und Beschwerungsverankerungen sind gegeneinander vorgespannt. Die Enden der Drähte sind an Ankern 47 auf dem Meeresboden 48 befestigt.
Das Verankerungssystem kann konzipiert werden, um aktiv oder passiv einen variablen Zug nach unten auf den Umwandler oder einzelne seiner Segmente in Abhängigkeit von der absorbierten Energie anzuwenden, oder in Abhängigkeit von der Größe der ständigen Verlagerungskraft, die von den hereinkommenden Wellen verursacht wird. Das kann zu lokaler oder globaler Variation des Flotationsniveaus des Umwandlers oder einzelner seiner Segmente und zu früherem Einsetzen des hydrostatischen „Kappens" wie oben beschrieben führen.
Bei geringem Seegang kann die Energiegewinnung durch Ausrichten des Umwandlers in einem Winkel zu den hereinkommenden Wellen maximiert werden. Bei extremen Seegängen ist vorzuziehen, dass die Vorrichtung mit einem Ende zu den hereinkommenden Wellen ausgerichtet wird. Das kann erzielt werden, indem man ein aktives oder passives Verankerungssystem verwendet, um den Umwandler mit einem Winkel zu den Wellen zu präsentieren, der je nach Bedarf für maximale Energiegewinnung oder Überleben geeignet ist. Damit der Umwandler selbstreferenzieren kann, muss er mit einem Winkel zu der durchschnittlichen Wellenfront präsentiert werden, durch welchen er zwei Wellenberge der Wellenfront überspannt.
Bei dieser Ausführungsform ist die Steifigkeit der Verankerungsdrähte 41, 42, 43, 44 eingestellt, um es der Struktur 1 zu erlauben, passiv als Reaktion auf die hereinkommenden Wellen zu gieren. Der Gierwinkel wird als Funktion der vom Umwandler absorbierten Energie festgelegt.
Zusätzlich oder alternativ kann der Gierwinkel als eine Funktion der Wellenperiode und/oder Wellenamplitude festgelegt werden.
Daher präsentiert der Umwandler wie in 6a und 6b dargestellt bei kleinen Wellen, wenn nicht viel Energie absorbiert wird, den hereinkommenden Wellen eine breite Front. Umgekehrt giert der Umwandler bei großen Wellen, wenn er bei voller Leistung läuft, zur Position „Kopf voran", die für das Überleben bei solchen Wellen am besten geeignet ist.
Bei alternativen Ausführungsformen, die zum Beispiel in 6c gezeigt sind, kann die Struktur im Ruhezustand gebogen oder in Zick-Zack gelegt sein und Gelenke 50, 60 mit zweifachem Freiheitsgrad umfassen. Eine hintere Kettenverankerung 49 kann die hinteren Verankerungsdrähte 43, 44 ersetzen.
Zusammengefasst umfasst der Umwandler daher eine Anzahl von Segmenten, die nacheinander zum Bilden einer Kette angelenkt sind. Wenn er in den Wellen aufgebreitet ist, wird die gekoppelte Reaktion diese Kette stark beeinflusst vom Folgendem:

i. der Größe, Form und Ausrichtung der einzelnen Segmente der Kette;
ii. der relativen Größe, Form und Ausrichtung der einzelnen Segmente der Kette;
iii. der allgemeinen Konfiguration der zusammengefügten Kette, das heißt linear, gebogen, in Zick-Zack oder anders;
iv. der relativen Größe der einzelnen Segmente und der kompletten Kette in Bezug auf die hereinkommende Wellenlänge und Wellenamplitude;
v. der relativen Ausrichtung der kompletten Kette in Bezug auf die hereinkommenden Wellen;
vi. den relativen Winkeln der Gelenke, die benachbarte Segmente koppeln, orthogonal oder anders;
vii. dem Rollschneidenwinkel (Ψ);
viii. dem Niveau, mit welchem die einzelnen Segmente und die komplette Kette im Wasser schwimmen;
ix. der Art der auf jedes Gelenk ausgeübten Rückhaltung;
x. der Größe der Widerstands- oder Erregungskraft, die von Elementen auferlegt wird, die die Bewegung jedes Gelenks steuern; und
xi. der relativen Größe der Widerstands- oder Erregungskräfte, die von den Elementen, die die Bewegung jedes Gelenks steuern, im Vergleich zu jener auferlegt werden, die anderen Gelenken in der Struktur auferlegt wird.

Das Steuern der gekoppelten Reaktion kann durch Anpassen eines oder mehrerer der oben genannten Faktoren durchgeführt werden. In der Praxis wird bei dem bevorzugten Verfahren der optimale Rollschneidenwinkel (Ψ) für den Standort ausgewählt, auf dem die Struktur arbeiten soll, und die Struktur wird mit diesem vorausbestimmten Rollschneidenwinkel mittels differenzialer Ballastladesysteme und/oder differenzialer Verankerung installiert. Die Reaktion der Struktur wird dann periodisch variiert, um sie an die Wellenbedingungen zu dieser bestimmten Zeit anzupassen. Sind die Wellen klein, können höhere Einschränkungen gegen relative Stampfdrehung als die vorgesehen werden, die gegen Schwankdrehung vorgesehen ist. Das begünstig eine kreuzgekoppelte mitschwingende Reaktion in die Schwankrichtung entlang der Schräge, das heißt, das heißt der Achse, die mit einem Rollschneidenwinkel zur Horizontalen geneigt ist. Dadurch wird die Energiegewinnung maximiert. Sind die Wellen größer, können ähnliche Einschränkungen gegen relative Stampf- und Schwankrotation vorgesehen werden, um Mitschwingbewegung zu vermeiden und ein weniger kritisches Teilen der Reaktion zwischen den zwei Richtungen, Schwanken und Stampfen zu verleihen. Derart werden große Kräfte und Winkel bei schwerem Seegang vermieden.
Verbesserungen und Änderungen können am Vorausgehenden vorgenommen werden, ohne den Anwendungsbereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Vorrichtung zum Gewinnen von Energie aus Wellen, die eine Vielzahl schwimmender Körperteile (2, 3, 4), die miteinander verbunden sind, um eine gegliederte Struktur zu bilden, beinhaltet, wobei jedes Paar angrenzender Körperteile mit dem anderen durch ein Kopplungsteil (5a, 5b) derartig verbunden ist, dass eine relative Drehbewegung der Körperteile (2, 3, 4) erlaubt wird, wobei jedes Kopplungsteil (5a, 5b) ein Element beinhaltet, das angepasst ist, um aus der relativen Drehbewegung der Körperteile (2, 3, 4) Energie zu gewinnen, und wobei die Vorrichtung ferner ein Mittel beinhaltet, um der Achse der relativen Drehung (40) an jedem Kopplungsteil (5a, 5b) weg von der horizontalen und/oder vertikalen Richtung einen Rollschneidenwinkel (Ψ) aufzuerlegen; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ebenfalls Folgendes beinhaltet: variable Einschränkungsmittel, die an jedem Kopplungsteil (5a, 5b) bereitgestellt sind und die angepasst sind, um der relativen Drehung jedes Paares angrenzender Körperteile (2, 3, 4) als Reaktion auf den vorherrschenden Seegang periodisch variierende Einschränkungen aufzuerlegen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Körperteile (2, 3, 4) im Wesentlichen länglich sind und miteinander an ihren Enden verbunden sind, um eine kettenartige Struktur (1) zu bilden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die kettenartige Struktur (1) eine Länge in derselben Größenordnung wie die längste Wellenlänge der Wellen, aus denen Energie gewonnen wird, aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, die ferner ein schlaffes Verankerungssystem beinhaltet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei das Verankerungssystem ein Mittel beinhaltet, um die Vorrichtung derartig auszurichten, dass sie unter normalen Betriebsbedingungen mindestens zwei Wellenberge überspannt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei das Verankerungssystem ein Mittel beinhaltet, das den Ausrichtungswinkel der Kette (1) zur durchschnittlichen Wellenrichtung variiert, um die Energiegewinnung zu maximieren.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Körperteile (2, 3, 4) im Wesentlichen zylindrisch sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Körperteile (2, 3, 4) ein vorderes Körperteil (3), ein hinteres Körperteil (4) und eine Vielzahl mittlerer Körperteile (2), die miteinander zwischen dem vorderen und hinteren Körperteil (3, 4) verbunden sind, beinhalten, und wobei das vordere Körperteil (3) mit einem im Wesentlichen konischen oder abgestumpft konischen Vorderende versehen ist, um den Widerstand bei extremem Wellengang zu vermindern.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Kopplungsteil (5a, 5b) ein Gelenk mit einem einzelnen Freiheitsgrad beinhaltet und die Achse der relativen Drehung (40) jedes Gelenks zu der des angrenzenden Gelenks im Wesentlichen orthogonal ausgerichtet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jedes Kopplungsteil (5a, 5b) ein Universalgelenk beinhaltet, das die relative Drehung angrenzender Körperteile um zwei wechselseitig orthogonale Drehachsen ermöglicht.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Element, das angepasst ist, um der relativen Drehbewegung der Körperteile (2, 3, 4) zu widerstehen, ein Feder- und/oder Dämpfungselement ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei eine Vielzahl von Elementen bereitgestellt ist und unterschiedliche Größen von Einschränkung den im Wesentlichen senkrechten Gelenkpaaren auferlegt werden, um eine kreuzgekoppelte Reaktion zu induzieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die Vorrichtung mit einem Steuermittel, das angepasst ist, um die Fähigkeit der Vorrichtung, Energie zu absorbieren, durch die Ausrichtung der Gelenke und differentialer Beschränkung davon zu steuern, versehen ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung mit einem Ballastladesystem versehen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei das Ballastladesystem Ballastbecken (20), die ein Einlassmittel (21) und ein Auslassmittel (22) beinhalten, beinhaltet, wobei das Einlassmittel größer als das Auslassmittel ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei das Ballastladesystem bewirkt, dass der Rollschneidenwinkel (Ψ) der Kette durch das Bereitstellen asymmetrischen Ballasts varriiert wird.
Ein Verfahren zum Gewinnen von Energie aus Wellen, das die folgenden Schritte beinhaltet: Einsetzen einer Vorrichtung, die eine Vielzahl schwimmender Körperteile (2, 3, 4), die miteinander verbunden sind, um eine gegliederte Struktur zu bilden, beinhaltet, wobei jedes Paar angrenzender Körperteile (2, 3, 4) mit dem anderen durch ein Kopplungsteil (5a, 5b) derartig verbunden ist, dass eine relative Drehbewegung der Körperteile (2, 3, 4) unter Einwirkung der Wellen erlaubt ist, wobei jedes Kopplungsteil (5a, 5b) ein Element, das angepasst ist, um der relativen Drehbewegung der Körperteile (2, 3, 4) zu widerstehen und daraus Energie zu gewinnen, beinhaltet; Ausrichten der Struktur, so dass das Vorderende der Struktur den herannahenden Wellen entgegen gerichtet ist; und Gewinnen der absorbierten Energie, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden weiteren Schritte beinhaltet: Auferlegen eines Rollschneidenwinkels (Ψ) auf mindestens einige der Kopplungsteile (5a, 5b) in der gegliederten Struktur, so dass die Achse der relativen Drehung (40) von mindestens einigen der Kopplungsteile (5a, 5b) in einem Rollschneidenwinkel (Ψ) in die Horizontale verdreht ist; und Auferlegen einer variablen Einschränkung auf die relative Drehung jedes Paars angrenzender Körperteile (2, 3, 4), um die dynamische Reaktion der Struktur auf die Welleneinwirkung zu steuern, wobei die Einschränkung gemäß der Größe der Wellen periodisch variiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 17, das den folgenden weiteren Schritt beinhaltet: Wählen der Länge der gegliederten Struktur, so dass die Struktur eine Länge aufweist, die unter normalen Wellenbedingungen vergleichbar mit der längsten Wellenlänge, aber kürzer als Sturmwellenlängen ist.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei die Länge der gegliederten Struktur derartig gewählt ist, dass die Struktur unter normalen Wellenbedingungen mindestens zwei Wellenberge überspannt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, das den folgenden weiteren Schritt beinhaltet: Variieren des Gierwinkels der Ausrichtung der gegliederten Struktur in die durchschnittliche Wellenrichtung, um die Energiegewinnung zu maximieren.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei ein Anteil der Kopplungsteile (5a, 5b) eine relative Drehung um eine erste Querachse, die im Wesentlichen senkrecht zur Länge der Struktur steht, erlaubt, und ein Anteil der Kopplungsteile (5a, 5b) eine relative Drehung um eine zweite Querachse, die im Wesentlichen orthogonal zur ersten Querachse ausgerichtet ist, erlaubt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21, das den folgenden weiteren Schritt beinhaltet: Wählen des Rollschneidenwinkels (Ψ), um sicherzustellen, dass die Vorrichtung in einem derartigen Winkel ausgerichtet ist, dass ihr Bewegungsmodus in der Ausrichtung in jenem Winkel mit den ankommenden Wellen mitschwingt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der Rollschneidenwinkel (Ψ) durch asymmetrische Ballastladung variiert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der Rollschneidenwinkel (Ψ) durch Verankerung der Körperteile (2, 3, 4) variiert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei jedes Kopplungsteil (5a, 5b) Federn beinhaltet, die angepasst sind, um der relativen Drehung der angrenzenden Körperteile (2, 3, 4) variierende Einschränkungen aufzuerlegen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei jedes Kopplungsteil (5a, 5b) Dämpfer beinhaltet, die angepasst sind, um der relativen Drehung der angrenzenden Körperteile (2, 3, 4) variierende Einschränkungen aufzuerlegen.
Verfahren gemäß Anspruch 25 oder 26, das den folgenden weiteren Schritt beinhaltet: Auferlegen unterschiedlicher Einschränkungen auf die relative Drehung um die erste und zweite Querachse, um eine kreuzgekoppelte Reaktion zu induzieren.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei die Einschränkungen, die der relativen Stampfdrehung um die erste Querachse auferlegt werden, größer sind als die Einschränkungen, die der relativen Schwankdrehung um die zweite Querachse auferlegt werden, wenn die Höhe der hereinkommenden Wellen gering ist, und wobei die Einschränkungen, die der relativen Stampfdrehung um die erste Querachse auferlegt werden, von derselben Ordnung sind wie die Einschränkungen, die der relativen Schwankdrehung um die zweite Querachse auferlegt werden, wenn die Höhe der ankommenden Wellen groß ist.