WO1999051877A1 - Wellenkraftwerk-vorrichtung - Google Patents

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    • F03B13/1845—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" where the other member, i.e. rem is fixed, at least at one point, with respect to the sea bed or shore and the wom slides relative to the rem
    • F03B13/1855—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" where the other member, i.e. rem is fixed, at least at one point, with respect to the sea bed or shore and the wom slides relative to the rem where the connection between wom and conversion system takes tension and compression
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the invention relates to a device for converting mechanical energy present in particular in water waves into electrical energy, with a device for converting the energy of the waves into a rotational movement and a dynamo device with a rotor and a stator for converting rotational energy into electrical energy.
  • Devices for converting kinetic water energy into electrical power are known in particular as hydropower plants or as tidal power plants.
  • hydropower plants or as tidal power plants.
  • These devices have in common that they do not use the kinetic energy of the surface waves of a body of water.
  • the object of the invention is to provide a device by means of which the mechanical energy present in surface waves of a liquid with a high viscosity, in particular water, can be converted into electrical energy.
  • this object is achieved in that the device for converting the energy of the waves into rotational energy is mounted in a horizontally reciprocal manner.
  • a floating body device that floats on the water surface and cooperates with a helical-shaped mandrel device, one end of which drives the dynamo device.
  • the provision of a horizontally reciprocally mounted floating body device which floats on the water surface and interacts with a helical-shaped mandrel device, one end of which is the Dynamo device drives achieves that the mechanical energy of the surface waves of water or a liquid on which the floating body device floats can be converted into a linear up and down movement of the floating body device, this linear movement in cooperation with a helical-helical mandrel device, which is mounted in the floating body device, can be converted into a bidirectional, cyclically oscillating rotational energy, which can be converted into an electrical alternating current by means of a dynamo device.
  • the floating body device In order to convert the linear up and down movement of the floating body device into a rotational movement of the mandrel device, the floating body device is preferably provided with at least one elongated hole which is dimensioned such that the mandrel device is reciprocally guided therein.
  • This causes in a simple and robust manner that the mandrel device is set in rotation when the floating body device moves in the vertical direction.
  • a rotation of the floating body device about its own axis is largely prevented, particularly in those embodiments in which the floating body device has a large wetted area, due to adhesive forces and frictional forces within the water.
  • devices are provided which prevent the floating body device from being rotatable. These facilities can in particular be rods which are guided through recesses in the floating body device and one end of which is anchored directly or indirectly in the seabed.
  • the dynamo device of the device according to the invention is preferably water-free, on the one hand to protect it from corrosion and on the other hand to avoid adhesive forces and cohesive forces between the rotor and the stator of the dynamo device, which would reduce the efficiency of the dynamo device.
  • a sealing device is provided between one end of the mandrel device and the rotor of the dynamo device, which prevents water from penetrating into the dynamo device.
  • the dynamo device and the sealing device are preferably accommodated in a housing anchored in the sea floor, to which, with a corresponding design of the device according to the invention, one end of the rods can be fastened, which prevent rotation of the floating body device.
  • the floating body device is designed as a flat cylinder.
  • the cylinder can be made of a shell filled with air, ie it can be designed as a hollow body, or it can be formed homogeneously from a light plastic material.
  • the materials from which the floating body device made it is important to ensure that they are light, torsionally stiff, robust and corrosion-proof.
  • devices are provided for rectifying the alternating voltage supplied by the dynamo device. It is thereby achieved that the alternating voltage supplied by the dynamo device, the frequency of which is determined by the wavelength of the water waves, can be further converted by means of electronic devices.
  • the device according to the invention accordingly preferably has additional devices for converting the AC voltage supplied by the rectifier devices into an AC voltage with a frequency of 50 Hertz. In this way, the electrical energy supplied by the device according to the invention is converted into a form which can be easily transformed and thus can be transmitted over long distances.
  • Fig.l shows a preferred embodiment of the device according to the invention in a cross-sectional view
  • FIG. 2 shows the floating body device of the device shown in Figure 1 in a view from above; 3 shows the floating body device shown in Figure 2 in a cross-sectional view along the lines A-A 'of Figure 2;
  • FIG. 4 shows an enlarged illustration of the mandrel device of the device from FIG. 1, in a side view.
  • a floating body device designed as a flat cylinder is provided with recesses 12, 12 ', 12' 'and 12' '' running in the axial direction, through which rods 11, 11 ' are guided, one end of which is fastened to a housing 17 anchored to the seabed, the rods 11, 11 ′ preventing rotation of the floating body device 10.
  • the floating body device 10 which is formed from an air-filled metallic shell 21, has an axial guide 13, 13 'in which the mandrel device 15 is mounted, the guide 13, 13' containing two elongated holes 14, 14 ', which are dimensioned in this way are that the helical-helical mandrel device 15 is reciprocally guided in such a way that when the float device 10 moves in a vertical direction, the mandrel device 15 is set in rotation.
  • One end 115 of the mandrel device 10 is connected via a sealing device 16 to a rotor, not shown, of the dynamo device 19.
  • the dynamo device 19 is arranged in a sealed manner in the housing 17, which is anchored in the seabed 180 via an anchor device 18.
  • a linear up and down movement of the floating body 10 is caused by an up and down movement of the surface waves of the water 100. Due to the helical-screw-shaped design of the dome 115, which is guided through the axial guide 13, 13 'with the elongated holes 14, 14' of the floating body device 10, the linear up and down movement of the floating body device 10 is converted into rotational energy by the dynamo device 19 is convertible into electrical energy.
  • the electrical energy generated in this way is converted into a DC voltage by means of rectifier devices (not shown), which is then converted into an AC voltage with a frequency of 50 Hertz by means of electronic devices (not shown).
  • the electrical alternating voltage present in this way is conducted to an unillustrated supply unit by means of an electrical line 20 which is laid in the seabed 118.

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Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Umwandeln von insbesondere in Wasserwellen vorhandener mechanischer Energie in elektrische Energie, mit einer Einrichtung zum Wandeln der Energie der Wellen in eine Rotationsbewegung und einer Dynamoeinrichtung zum Wandeln von Rotationsenergie in elektrische Energie, wird eine Ausnutzbarkeit der kinetischen Energie von Oberflächenwellen dadurch erreicht, daß die Einrichtung zum Wandeln der Energie der Wellen in Rotationsenergie eine horizontal reziprozierbar gelagerte Schwimmkörpereinrichtung enthält, die auf der Wasseroberfläche schwimmt und mit einer helikal-schraubenförmig ausgebildeten Dorneinrichtung zusammenwirkt, deren eines Ende die Dynamoeinrichtung treibt.

Description

WELLENKRAFTWERK-VORRICHTUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln von insbesondere in Wasserwellen vorhandener mechanischer Energie in elektrische Energie, mit einer Einrichtung zum Wandeln der Energie der Wellen in eine Rotationsbewegung und einer Dynamoeinrichtung mit einem Rotor und einem Stator zur Wandeln von Rotationsenergie in elektrische Energie .
Vorrichtungen zum Wandeln kinetischer Wasserenergie in elektrischen Strom sind insbesondere als Wasserkraftwerke oder als Gezeitenkraftwerke bekannt. Dabei wird eine durch Aufstauen bzw. durch die Gravitationswirkung des Mondes erzeugte potentielle Wasserenergie durch Einleiten des Wassers in geneigt angeordnete Einlaufschächte an deren Enden Turbinen vorgesehen sind, zuerst in kinetische Energie und anschließend in elektrische Energie gewandelt. Diesen Vorrichtungen ist gemeinsam, daß sie die kinetische Energie der Oberflächenwellen eines Gewässers nicht ausnutzen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer die in Oberflächenwellen einer Flüssigkeit mit hoher Viskosität, insbesondere Wasser, vorhandene mechanische Energie in elektrische Energie wandelbar ist.
Für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch erreicht, daß die Einrichtung zum Wandeln der Energie der Wellen in Rotationsenergie eine horizontal reziprozierbar gelagerte . Schwimmkörpereinrichtung enthält, die auf der Wasseroberfläche schwimmt und mit einer heiikal-schraubtörmig ausgebildeten Dorneinrichtung zusammenwirkt, deren eines Ende die Dynamoeinrichtung treibt .
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche .
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch das Vorsehen einer horizontal reziprozierbar gelagerten Schwimmkörpereinrichtung, die auf der Wasseroberfläche schwimmt und mit einer heiikal-schraubförmig ausgebildeten Dorneinrichtung zusammenwirkt, deren eines Ende die Dynamoeinrichtung treibt, erreicht, daß die mechanische Energie der Oberflächenwellen des Wassers bzw. einer Flüssigkeit, auf der die Schwimmkörpereinrichtung schwimmt, in eine lineare Auf- und Abbewegung der Schwimmkörpereinrichtung wandelbar ist, wobei diese lineare Bewegung im Zusammenwirken mit einer helikal- schraubenförmig ausgebildeten Dorneinrichtung, die in der Schwimmkörpereinrichtung gelagert ist, in eine bidirektionale, zyklisch hin- und herschwingende Rotationsenergie wandelbar ist, die mittels einer Dynamoeinrichtung in einen elektrischen Wechselstrom wandelbar ist.
Zum Wandeln der linearen Auf- und Abbewegung der Schwimmkörpereinrichtung in eine Rotationsbewegung der Dorneinrichtung ist die Schwimmkörpereinrichtung vorzugsweise mit mindestens einem Langloch versehen, das so bemessen ist, daß die Dorneinrichtung reziprozierbar darin geführt ist . Dadurch wird auf einfache und robuste Weise bewirkt, daß die Dorneinrichtung bei einer Bewegung der Schwimmkörpereinrichtung in vertikaler Richtung in Rotation versetzt ist. Eine Rotation der Schwimmkörpereinrichtung um die eigene Achse ist insbesondere bei solchen Ausfuhrungsformen, bei denen die Schwimmkörpereinrichtung eine große benetzte Fläche aufweist, aufgrund von Adhäsionskräften und Reibkräften innerhalb des Wassers weitestgehend verhindert. Gemäß bevorzugter Ausfuhrungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind jedoch Einrichtungen vorgesehen, die verhindern, daß die Schwimmkörpereinrichtung drehbar ist . Diese Einrichtungen können insbesondere Stangen sein, die durch Aussparungen in der Schwimmkörpereinrichtung geführt sind und deren jeweils eines Ende direkt oder indirekt im Meeresboden verankert ist .
Die Dynamoeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorzugsweise wasserfrei, zum einen, um sie vor Korrosion zu schützen und zum anderen, um Adhäsionskräfte und Kohäsionskräfte zwischen dem Rotor und dem Stator der Dynamoeinrichtung zu vermeiden, die den Wirkungsgrad der Dynamoeinrichtung herabsetzen würden. Zu diesem Zweck ist gemäß bevorzugter Ausfuhrungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwischen dem einen Ende der Dorneinrichtung und dem Rotor der Dynamoeinrichtung eine Dichtungseinrichtung vorgesehen, die verhindert, daß Wasser in die Dynamoeinrichtung eindringt. Die Dynamoeinrichtung und die Dichtungseinrichtung sind dabei vorzugsweise in einem im Meeresboden verankerten Gehäuse untergebracht, an dem auch, bei entsprechender Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die einen Enden der Stangen befestigt sein können, die eine Rotation der Schwimmkörpereinrichtung verhindern .
Die Schwimmkörpereinrichtung ist gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung als flacher Zylinder ausgebildet. Der Zylinder kann dabei aus einer mit Luft gefüllten Hülle, d.h. als Hohlkörper ausgebildet sein, oder er kann homogen aus einem leichten Kunststoffmaterial gebildet sein. Bei der Wahl der Materialien aus denen die Schwimmkörpereinrichtung hergestellt ist, ist in erster Linie darauf zu achten, daß sie leicht, verwindungssteif , robust und korrosionssicher sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Einrichtungen zum Gleichrichten der von der Dynamoeinrichtung gelieferten Wechselspannung vorgesehen. Dadurch wird erreicht, daß die von der Dynamoeinrichtung gelieferte WechselSpannung, deren Frequenz durch die Wellenlänge der Wasserwellen bestimmt ist, mittels elektronischer Einrichtungen weiter wandelbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist demgemäß vorzugsweise zusätzliche Einrichtungen zum Wandeln der von den Gleichrichtereinrichtungen gelieferten WechselSpannung in eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hertz auf. Auf diese Weise ist die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelieferte elektrische Energie in eine Form gewandelt, die leicht transformierbar und somit über große Entfernungen übertragbar ist.
Die erfindungsgemäße Wellenkraftwerk-Vorrichtung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausfuhrungsform erläutert, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt ist. Darin zeigen:
Fig.l eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Querschnittsansicht;
Fig.2 die Schwimmkörpereinrichtung der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung in einer Ansicht von oben; Fig.3 die in Figur 2 dargestellte Schwimmkörpereinrichtung in einer Querschnittsansicht entlang den Linien A- A ' der Figur 2 ;
Fig.4 eine vergrößerte Darstellung der Dorneinrichtung der Vorrichtung aus Figur 1, in einer Seitenansicht.
Bei der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Wellenkraftwerk- Vorrichtung ist eine als flacher Zylinder ausgebildete Schwimmkörpereinrichtung mit in axialer Richtung verlaufenden Aussparungen 12, 12', 12 ' ' und 12 ' ' ' versehen, durch die Stangen 11, 11' geführt sind, deren jeweils eines Ende an einem am Meeresboden verankerten Gehäuse 17 befestigt ist, wobei die Stangen 11, 11' eine Rotation der Schwimmkörpereinrichtung 10 verhindern. Die Schwimmkörpereinrichtung 10, die aus einer luftgefüllten metallischen Hülle 21 gebildet ist, weist eine axiale Führung 13, 13' auf, in der die Dorneinrichtung 15 gelagert ist, wobei die Führung 13, 13' zwei Langlöcher 14, 14' enthält, die so bemessen sind, daß die helikal- schraubenförmig ausgebildete Dorneinrichtung 15 darin reziprozierbar geführt ist derart, daß bei einer Bewegung der Schwimmkörpereinrichtung 10 in eine vertikale Richtung die Dorneinrichtung 15 in Rotation versetzt ist.
Das eine Ende 115 der Dorneinrichtung 10 ist über eine Dichtungseinrichtung 16 mit einem nicht dargestellten Rotor der Dynamoeinrichtung 19 verbunden. Die Dynamoeinrichtung 19 ist insgesamt abgedichtet in dem Gehäuse 17 angeordnet, das über eine Ankereinrichtung 18 im Meeresboden 180 verankert ist .
Bei Betrieb der erfindungsgemäßen Wellenkraftwerk- Vorrichtung wird durch eine Auf- und Abbewegung der Oberflächenwellen des Wassers 100 eine lineare Auf- und Abbewegung des Schwimmkörpers 10 verursacht. Aufgrund der helikal-schraubtörmigen Ausbildung des Doms 115, der durch die axiale Führung 13, 13' mit den Langlöchern 14, 14' der Schwimmkörpereinrichtung 10 geführt ist, wird die lineare Auf- und Abbewegung der Schwimmkörpereinrichtung 10 in Rotationsenergie gewandelt, die von der Dynamoeinrichtung 19 in elektrische Energie wandelbar ist. Die so erzeugte elektrische Energie wird mittels nicht dargestellter Gleichrichtereinrichtungen in eine Gleichspannung gewandelt, die dann mittels nicht dargestellter elektronischer Einrichtungen in eine WechselSpannung mit einer Frequenz von 50 Hertz gewandelt ist. Die so vorliegende elektrische WechselSpannung wird mittels einer elektrischen Leitung 20, die im Meeresboden 118 verlegt ist, zu einer nicht dargestellten Versorgereinheit geleitet .
* *** *

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Umwandeln von insbesondere in Wasserwellen vorhandener mechanischer Energie in elektrische Energie, mit einer Einrichtung zum Wandeln der Energie der Wellen in eine Rotationsbewegung und einer Dynamoeinrichtung mit einem Rotor und einem Stator zum Wandeln von Rotationsenergie in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Wandeln der Energie der Wellen in Rotationsenergie eine horizontal reziprozierbar gelagerte Schwimmkörpereinrichtung enthält, die auf der Wasseroberfläche schwimmt und mit einer helikal-schraubenförmig ausgebildeten Dorneinrichtung zusammenwirkt, deren eines Ende die Dynamoeinrichtung treibt .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwimmkörpereinrichtung mindestens ein Landloch enthält, das so bemessen ist, daß die Dorneinrichtung reziprozierbar darin geführt ist und bei einer Bewegung der Schwimmkörpereinrichtung in vertikaler Richtung in Rotation versetzt ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, die verhindern, daß die Schwimmkörpereinrichtung drehbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen Stangen sind, die durch Aussparungen in der Schwimmkörpereinrichtung geführt sind und deren jeweils eines Ende direkt oder indirekt im Meeresboden verankert ist .
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator der Dynamoeinrichtung direkt oder indirekt im Meeresboden verankert ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem einen Ende der Dorneinrichtung und dem Rotor der Dynamoeinrichtung eine Dichtungseinrichtung vorgesehen ist, die verhindert, daß Wasser in die Dynamoeinrichtung eindringt .
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dynamoeinrichtung und die Dichtungseinrichtung in einem im Meeresboden verankerten Gehäuse untergebracht sind, an dem auch die einen Enden der Stangen befestigt sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwimmkörpereinrichtung als flacher Zylinder ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwimmkörpereinrichtung aus einer mit Luft gefüllten Hülle oder homogen aus einem leichten Kunststoffmaterial gebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Eirichtungen zum Gleichrichten der von der Dynamoeinrichtung gelieferten WechselSpannung vorgesehen sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zum Wandeln der von den Gleichrichtereinrichtungen gelieferten Gleichspannung in eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hertz vorgesehen sind.
* *** *
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