WO2009132763A2 - Hydraulischer wandler - Google Patents

Abstract

Offenbart ist ein hydraulischer Wandler mit einem von einer Naturkraft oszillierend angetriebenen Schwingkörper, dessen kinetische Energie mittels einer Hydromaschine in hydraulische Energie wandelbar ist, die ihrerseits mittels einer weiteren Hydromaschine in mechanische Energie zum Antreiben eines Generators oder dergleichen verwendet wird. Zur Vermeidung von übermäßigen mechanischen Belastungen des Systems ist dem Schwingkörper eine Bremseinrichtung zugeordnet, über die dieser abgebremst werden kann. Diese Bremseinrichtung kann entweder als hydraulisches oder als mechanische Linearbremse ausgeführt sein.

Description

Hydraulischer Wandler

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Wandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zum Ansteuern eines hydraulischen Wandlers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 24.

Hydraulisch/elektrische Wandler werden beispielsweise bei Wellengeneratoren eingesetzt, wie sie in der US 6,300,698 B1 beschrieben sind. Der bekannte Wellengenerator hat einen Hydrozylinder, der mit einer Boje in Wirkverbindung steht, so dass der Hydrozylinder durch den Wellengang und die entsprechende Bewegung der Boje betätigt und Druckmittel in einen Hydraulikkreis gefördert wird. Dem Hydrozylinder ist ein hydraulischer Gleichrichter zugeordnet, so dass unabhängig von der Bewegungsrichtung des Hydrozylinders Druckmittel in den Hydraulikkreis gefördert wird, um einen dem hydraulischen Gleichrichter nachgeschalteten Hydrospeicher aufzuladen und einen Konstantmotor anzutreiben. Die Abtriebswelle dieses Konstantmotors ist mit einem Generator verbunden, so dass die hydraulische Energie im vorbeschriebenen Hydraulikkreis in elektrische Energie umgewandelt wird.

In der nachveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2007 018 600 der Anmelderin ist ein Wandler mit einer vom Wellengang angetriebenen Pumpe offenbart, über die ein Hydrospeicher aufladbar und ein Hydromotor antreibbar ist, der seinerseits einen Generator antreibt. Der Hydromotor ist bei dieser Lösung an ein Drucknetz angeschlossen und drehzahlgeregelt ausgeführt, so dass der Generator durch Verstellen des Schwenkwinkels des Hydromotors in Abhängigkeit von hydraulikseitigen Druckschwankungen in weitem Umfang mit einer vorgegebenen Drehzahl angetrieben werden kann. Derartige Systeme mit einem an einem Drucknetz betriebenen drehzahlgeregelten Verstellmotor werden auch als Sekundärregelung bezeichnet, wobei die Drehzahl des Verstellmotors so geregelt ist, dass sie unabhängig vom jeweiligen Lastdruck bei dem im Drucknetz anliegenden Druck erreicht wird. Dieser Druck ist im Wesentlichen vom Ladezustand des Hydrospeichers abhängig. Dabei muss das Schluckvolumen des Hydromotors solange verändert werden, bis ein Gleichgewicht des Motordrehmoments mit der Last besteht und gleichzeitig die Solldrehzahl erreicht ist. In der ebenfalls nachveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2007 056 400.9 ist ein verbessertes System gezeigt, bei dem der Wandler mit einem Regelkreis ausgeführt ist, über den die verstellbare Hydromaschine derart verstellbar ist, dass der Kolben der Kolbenpumpe mit einer vorbestimmten Kraft oder einer vorbestimmten Druckdifferenz beaufschlagt ist. Durch diese Druck- oder Kraftregelung ist eine optimale Umsetzung der von der Naturkraft - beispielsweise dem Wellengang - eingetragenen Energie in hydraulische Energie gewährleistet.

Die Nutzung derartiger hydraulischer Wandler im Zusammenhang mit Wellenenergieanlagen wird in dem Artikel „New Wave"; Stuart Nathan; the ENGINEER; 29. 10. bis 11.11.2007 (siehe auch www.awsocean.com/te 291007 026.pdf) beschrieben.

All die vorbeschriebenen Systeme haben den Nachteil gemeinsam, dass es bei übermäßigen Beschleunigungen oder Frequenzen des den Hydrozylinder bzw. die Pumpe antreibenden Schwimmkörpers zu mechanischen Überlastungen und damit zu entsprechenden Beschädigungen des hydraulischen Wandlers kommen kann. Bei den bekannten Lösungen sind zwar dem aufgrund des Wellengangs sich oszillierend bewegenden Schwingkörper Dämpfungseinrichtungen zugeordnet, diese reichen jedoch nicht aus, um übermäßige Beschleunigungen, beispielsweise verursacht durch extrem hohen Wellengang bei Sturm oder Seebeben zu verhindern.

Prinzipiell könnte man den Schwingkörper auch über die Komponenten des Wandlers, beispielsweise über die Hydromaschinen oder den Generator abbremsen. Diese würde jedoch zu erheblichen Wirkungsgradnachteilen führen, da die Hydromaschinen und der Generator entsprechend überdimensioniert werden müssten.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen hydraulischen Wandler derart weiter zu bilden, dass die Betriebssicherheit bei extremen Bedingungen, beispielsweise bei einem Wellengang mit hohen und/oder steilen Wellen verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch einen hydraulischen Wandler gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Ansteuerung eines hydraulischen Wandlers gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 24 gelöst. Erfindungsgemäß ist der hydraulische Wandler mit einem Schwingkörper ausgeführt, dessen kinetische Energie mittels einer Hydromaschine in hydraulische Energie wandelbar ist. Diese wird über eine weitere Hydromaschine in mechanische Energie zum Antreiben eines Generators oder dergleichen umgewandelt. Zur Vermeidung von übermäßigen mechanischen Belastungen des Schwingkörpers ist eine Bremseinrichtung vorgesehen, über die der Schwingkörper bei Überschreiten einer vorbestimmten Beschleunigung, Frequenz oder Geschwindigkeit abgebremst werden kann, so dass einer Beschädigung der beweglichen Bauelemente des hydraulischen Wandlers vorgebeugt ist.

Bei einer Lösung ist diese Bremseinrichtung hydraulisch ausgeführt und hat einen Bremszylinder, der mit dem Schwingkörper in Wirkverbindung steht und dessen Druckräume über einen Druckmittelströmungspfad miteinander verbunden sind, in dem eine in Abhängigkeit von Bewegungsparametern des Schwingkörpers verstellbare Bremsdrossel angeordnet ist. Der Drosselquerschnitt dieser Bremsdrossel kann dann zum Abbremsen des Schwingkörpers verringert werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die beiden Druckräume des Bremszylinders vorgespannt und über Rückschlagventile mit einem Tank verbunden, so dass Druckmittel aus dem Tank nachgesaugt werden kann.

Bei einer bevorzugten alternativen Lösung wird anstelle der hydraulisch wirkenden Bremseinrichtung eine mechanische Bremse eingesetzt, die ein mit dem Schwingkörper bewegtes Bremselement hat, das in Bremseingriff mit einer mit Bezug zum Schwingkörper fest stehenden Bremskomponente bringbar ist.

Dabei kann das Bremselement zumindest eine Reibbeläge tragende Bremszange - auch Bremssattel genannt - sein, die an einer Bremsschiene der Bremskomponente angreift.

Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn eine Vielzahl von Bremszangen an der Bremsschiene angreifen.

Bei einer Lösung der Erfindung ist die Bremsschiene eine entsprechend des Maximalhubs des Schwimmkörpers ausgeführte Bremsstange mit Rechteckprofil, an der die Bremszangen nebeneinander liegend angreifen. - A -

Vorzugsweise wird die Bremsschiene als U- oder Doppel-T-Profil ausgeführt, an dessen Schenkeln jeweils Bremszangen angreifen.

Diese Bremszangen können beispielsweise in Festsattel- oder Schwimmsattelbauweise ausgeführt sein, wie sie aus der Automobiltechnik (Scheibenbremsen) bekannt sind. Selbstverständlich können auch andere Bremskonstruktionen eingesetzt werden.

Bei einer sehr kompakt bauenden Anordnung ist die Bremszange zwischen zwei benachbarten Schenkeln des U- oder Doppel-T-Profιls angeordnet und hat zwei koaxial zueinander und entgegengesetzt bewegbare Bremskolben, über die Reibbeläge in Bremseingriff mit den zugeordneten Schenkel der Bremsschiene bringbar sind.

Bei einem Ausführungsbeispiel sind die beiden Bremskolben in einem Zylinderrohr geführt und begrenzen gemeinsam einen Bremsdruckraum, der mit dem Bremsdruck beaufschlagbar ist, um die Reibbeläge in Bremseingriff zu bringen.

Der Aufbau der Bremseinrichtung ist besonders einfach, wenn das die beiden Bremsbeläge aufnehmende Zylinderrohr an einem Bremsanker befestigt ist, der vorzugsweise selbst als U-Profil ausgeführt ist, das von dem Zylinderrohr durchsetzt ist. Eine derartige Konstruktion des Bremsträgers als U-Profil weist bei hoher Steifigkeit ein minimales Gewicht auf.

Die Reibbeläge sind vorteilhafter Weise auf einer Stützplatte angeordnet, die bewegbar am Bremsanker gelagert ist.

Bei einer als U- oder Doppel-T-Profil ausgeführten Bremsplatte ist es zur Maximierung der Bremskraft vorgesehen, dass mehrere Bremszangen an jedem Schenkel angreifen.

Der Aufbau einer derartigen Bremseinrichtung lässt sich weiter vereinfachen, wenn ein gemeinsamer Bremsanker vorgesehen ist, an dem Zylinderrohre der Vielzahl von Bremszangen gelagert sind.

Die Bremszangen können hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch betätigt werden. Bei einer hydraulischen Betätigung der Bremseinrichtung kann der Bremsdruck vorzugsweise durch einen über die Hydromaschine aufgeladenen Hydrospeicher oder über einen eigenen Bremskreis zur Verfügung gestellt werden.

Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Bremsschiene das sich mit dem Schwingkörper mitbewegende Bremselement und die Bremszangen die demgegenüber still stehende Bremskomponente ist. Selbstverständlich ist auch eine kinematische Umkehr möglich, bei der sich die Bremszangen mit dem Schwingkörper mitbewegen und die Bremsschiene demgegenüber still steht.

Zur Vermeidung übermäßiger Beschleunigungen/Geschwindigkeiten des Schwingkörpers ist der hydraulische Wandler vorzugsweise mit einem Sensor zum Erfassen übermäßiger Schwingkörperbewegungen ausgeführt, dessen Signal von einer Steuereinheit ausgewertet wird, so dass bei Überschreiten vorbestimmter Maximalwerte ein Bremssignal zur Betätigung der Bremseinrichtung abgegeben werden kann.

Bei einer Variante der Erfindung ist dieser Sensor ein Aufnehmer zum unmittelbaren oder mittelbaren Erfassen des Schwingkörperhubs, der Schwingkörpergeschwindigkeit oder der Schwingkörperbeschleunigung.

Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Sensor zum Erfassen des Drucks in den Druckräumen der Hydromaschine zur Wandlung der kinetischen Energie des Schwingkörpers in hydraulische Energie verwendet werden, so dass bei Überschreiten eines bestimmten Maximaldrucks oder bei einem sehr schnellen Ansteigen des Drucks ein Bremssignal generiert werden kann.

Bei Wellenenergieanlagen der eingangs beschriebenen Bauart wird die Bremskraft vorzugsweise größer als 1 ,5 MN ausgelegt.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch erläutert. Figur 1 zeigt ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen hydraulischen Wandlers mit hydraulischer Bremseinrichtung;

Figur 2 zeigt den Grundaufbau eines Schwimmkörpers mit mechanischer Bremseinrichtung;

Figur 3 zeigt den Grundaufbau der Bremseinrichtung aus Figur 2;

Figur 4 eine Variante der Bremseinrichtung aus Figur 2 mit verbesserter Bremsleistung;

Figur 5 eine geschnittene Draufsicht auf die Bremseinrichtung aus Figur 4 und

Figur 6 eine Alternative einer Bremseinrichtung gemäß Figur 2.

Bei dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der hydraulische Wandler als Wellengenerator 1 ausgeführt, über den im Wellengang gespeicherte Energie in hydraulische Energie und dann in elektrische Energie wandelbar ist. Dieser Wellengenerator 1 besteht im Wesentlichen aus einem Schwingkörper 2, der unter der Wasseroberfläche gelagert ist und dessen durch den Wellengang verursachte oszillierende Bewegung auf eine Kolbenpumpe übertragen wird, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel als Gleichgangzylinder (Plungerpumpe) 4 ausgeführt ist. Das Gewicht und das Volumen des Schwingkörpers 2 ist so ausgelegt, dass er vom Wellengang relativ verzögerungsfrei mitgenommen werden kann. Dieser ist über einen geschlossenen hydraulischen Kreislauf mit einer Hydromaschine 6 verbunden, deren Schwenkwinkel zur Veränderung des Förder- /Schluckvolumens verstellbar ist. Diese Hydromaschine 6 kann beispielsweise in Axialkolbenbauweise ausgeführt sein. Der Schwenkwinkel der Hydromaschine 6 wird über einen Regelkreis 8 verstellt, über den die auf den Gleichgangzylinder 4 wirkende Kraft eingeregelt wird. Die Hydromaschine 6 ist mit einer elektrischen Maschine kraftgekoppelt, die im Folgenden als Generator 10 bezeichnet wird. Dieser wird in der Regel von der Hydromaschine 6 angetrieben, so dass die generierte elektrische Energie in ein in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 12 angedeutetes Netz eingespeist werden kann.

Als Schwimm- oder Schwingkörper 2 kann beispielsweise eine Konstruktion verwendet werden, wie sie von der Firma Archimedes Wave Swing, Ltd. Entwickelt -J - wurde. Ein derartiger Schwingkörper 2 ist am Meeresboden 18 verankert und vollständig unter Wasser angeordnet, wobei eine Schwingmasse 14 über den Wellengang von einer Kraft FW beaufschlagt wird, wobei diese Kraft entsprechend dem Wellengang unregelmäßig sowohl in der Amplitude als auch in der Frequenz oszilliert. Ein derartiger, für das jeweilige Wellenklima typischer unregelmäßiger Kraftverlauf ist im Diagramm gemäß Figur 2 dargestellt. Derartige Kraft-Zeitverläufe lassen sich über geeignete Modellrechnungen praktisch für jedes Wellenklima näherungsweise oder idealisiert berechnen. Die FT-Profile werden dann in einem Datenspeicher abgelegt und bei der im Folgenden beschriebenen Regelung berücksichtigt.

Wie des Weiteren der schematischen Darstellung in Figur 1 entnehmbar ist, wird die Auf- und Abbewegung des Schwingkörpers 14 über ein Feder- /Dämpfungssystem 16 geführt, so dass hochfrequente Schwankungen oder übermäßige Beschleunigungen unterdrückt oder verringert werden. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten zum Aufbau derartiger Schwingkörper 2 sei auf die Domain der Firma AWS Ocean Energy (www.awsocean.com) und den eingangs genannten Aufsatz verwiesen, so dass weitere Ausführungen entbehrlich sind.

Die Schwingmasse 14 des Schwingkörpers 2 wirkt auf eine Kolbenstange 20 eines Kolbens 22 des Gleichgangzylinders 4, so dass dieser der Vertikalbewegung der Schwingmasse 14 folgt. Der Kolben 22 unterteilt den Gleichgangzylinder 4 in zwei Ringräume 24, 26, die über Druckleitungen 28 bzw. 30 mit Anschlüssen A bzw. B der Hydromaschine 6 verbunden sind. Diese kann im Vierquadrantenbetrieb laufen, so dass sowohl Drehrichtung als auch Momentenrichtung umkehrbar sind. Diese Hydromaschine 6 kann demnach sowohl als Hydropumpe als auch als Hydromaschine mit wechselnder Drehrichtung betrieben werden. In einem Verbindungsstrang 32 zwischen der Hydromaschine 6 und der elektrischen Maschine 10 ist eine Kupplung 34 angeordnet, so dass die Kraftkopplung im Fall einer Störung im Netz 12 oder im Wandlerbereich getrennt werden kann. Diese Kupplung 34 ist üblicherweise mit Federungs- und Dämpfungswirkung ausgeführt, so dass schlagartige Drehmomentschwankungen vergleichmäßigbar sind.

Wie bereits erwähnt, ist der Hydraulikkreislauf mit dem Gleichgangzylinder 4 und der Hydromaschine 6 als geschlossener Kreislauf ausgeführt. Zur Vermeidung von Kavitationen sind in beiden Druckleitungen 28, 30 jeweils Hydrospeicher 36, 38 vorgesehen, die über den Gleichgangzylinder 4 geladen werden und im Fall einer sehr schnellen Vergrößerung eines der Ringräume 24, 26 Druckmittel nachströmen lassen. Auf diese Hydrospeicher 36, 38 kann jedoch auch, wie im eingangs genannten Stand der Technik beschrieben, verzichtet werden.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird der sich in den Ringräumen 24, 26 einstellende Druck über Druckaufnehmer 37, 39 erfasst und die entsprechenden Drücke PA und pß als Ist-Größen einem Regler 40 zugeführt, der beispielsweise als p-Regler ausgeführt ist. Im Regler 40 wird aus den erfassten Drücken und den Wirkflächen des Kolbens 22 die Ist-Kraft F|sτ berechnet und mit der Soll-Kraft F verglichen und bei einer Abweichung ein Ausgangssignal an die Verstellpumpe 6 abgegeben, so dass deren Schwenkwinkel alpha verstellt wird. Die Verstellung des Schwenkwinkels alpha erfolgt so lange bis die auf den Kolben 22 wirksame Kraft gleich der Sollkraft F ist. Diese Kraft ist in Abhängigkeit vom Wellenklima so gewählt, dass eine optimale Umsetzung der kinetischen Wellenenergie in hydraulische Energie erfolgt, so dass der Wirkungsgrad der Anlage bei minimalem vorrichtungstechnischem Aufwand optimiert ist.

Bei Erreichen eines der beiden Totpunkte des Kolbens 22 wird über den Regler 40 der Schwenkwinkel alpha der Verstellpumpe 6 über 0 verstellt, so dass bei der Umkehrung der Bewegungsrichtung des Kolbens 22 die Drehrichtung der Verstellpumpe 6 unverändert bleibt. Durch dieses Über-Null-Verstellen der Verstellpumpe 6 kann auf einen hydraulischen oder elektronischen Gleichrichter wie beim eingangs beschriebenen Stand der Technik verzichtet werden, so dass der Aufbau weiter vereinfacht ist. Die sich bei dieser Regelung im Verbindungsstrang 32 einstellende Leistung ist in Figur 3 dargestellt. Demgemäß ist diese an den Generator zur Stromerzeugung abgegebene Leistung ebenfalls - wie das Wellenklima - schwankend, jedoch gleichgerichtet, wobei die integrierte mechanische Energie, die über den Generator in elektrische Energie umgewandelt wird, aufgrund der optimierten Kraftregelung des Gleichgangzylinders 4 gegenüber herkömmlichen Lösungen hoch ist.

Zur Glättung des Drehmomentverlaufes kann im Verbindungsstrang 32 eine gestrichelt angedeutete Schwungmasse 42 angeordnet sein, über die Drehmomentschwankungen im Verbindungsstrang 32 geglättet werden können. In diesem Fall sollte die elektrische Maschine 10 als Asynchronmaschine ausgeführt sein, da eine derartige Asynchronmaschine einen Schlupf erlaubt, der durch das Massenträgheitsmoment der Schwungmasse 42 entsteht. Prinzipiell können jedoch auch Synchronmaschinen verwendet werden, wobei die Blindleistung jeweils aus dem angeschlossenen Stromnetz 12 entnommen wird und die über den Wellengenerator erzeugte elektrische Energie als elektrische Wirkleistung in das Netz 12 geliefert wird. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel soll die Drehzahl des Generators 10 durch die Frequenz des Netzes 12 vorgegeben sein, so dass der Generator beispielsweise bei einem 50 Hz-Netz mit etwa 1700 Umdrehungen/Minute dreht. Eine Drehzahlregelung im Sinne der eingangs beschriebenen Lösungen ist nicht erforderlich.

Bei sehr niedrigem Wellengang und entsprechend geringen, im geschlossenen Hydraulikkreislauf umgepumpten Druckmittelvolumenströmen könnte es vorkommen, dass der Hydromotor 6 die elektrische Maschine 10 abbremsen würde. In diesem Fall wirkt jedoch die elektrische Maschine 10 als Motor und entsprechend die Hydro- maschine 6 als Pumpe, so dass Druckmittel entsprechend des eingestellten Schwenkwinkels alpha in einen der Ringräume 24, 26 gefördert wird, um den Kolben 22 in eine entsprechende Richtung zu verschieben/beschleunigen. D.h. je nach Wellenklima können die Hydromaschine 6 und die elektrische Maschine 10 sowohl als Motor/Generator oder als Pumpe/Motor wirken.

Wie eingangs erläutert, kann es bei ungünstigem Wellengang, beispielsweise bei sehr hohen Wellen oder sehr steilen Wellenflanken vorkommen, dass der Schwingkörper entweder übermäßig beschleunigt oder aber über seinen Maximalhub gemäß Auslegung hinaus bewegt wird, so dass er auf einen Endanschlag aufläuft. Um derartige übermäßige mechanische Belastungen zu vermeiden, ist dem Schwingkörper 2 erfindungsgemäß eine Bremseinrichtung 44 zugeordnet, die gemäß den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen als hydraulische Bremseinrichtung oder als mechanische Bremseinrichtung ausgeführt sein kann, wobei letztere mechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch betätigbar ist.

Die in Figur 1 dargestellte hydraulische Bremseinrichtung 44 hat einen Bremszylinder 46, der ebenfalls als Gleichgangzylinder ausgeführt ist. Dieser hat einen Plungerkolben 48, der an die Schwingmasse 14 angekoppelt ist und somit dessen oszillierende Bewegungen mitmacht. Der Plungerkolben 48 ist in einem mit Bezug zu dem Meeresboden 18 ortsfesten Zylinder 50 geführt und begrenzt mit diesem zwei ringförmige Druckräume 52, 54, die je nach Bewegung der Schwingmasse 14 vergrößert bzw. gegenläufig verkleinert werden. Die beiden Druckräume 52, 54 sind über Bremsleitungen 56, 58 mit einem Tank T verbunden, wobei in jeder der Bremsleitungen 56, 58 ein in Richtung zum Bremszylinder 46 öffnendes Rückschlagventil 60 bzw. 62 angeordnet ist. Die Rückschlagventile 60, 62 und der Tank T sind so ausgeführt, dass in den Bremsleitungen 56, 58 und damit auch in den Druckräumen 52, 54 zumindest ein Vorspanndruck von etwa 5 bar anliegt, so dass der Bremszylinder 46 vorgespannt ist. Die beiden Bremsleitungen 56, 58 sind im Bereich zwischen den Rückschlagventilen 60, 62 und dem Bremszylinder 46 durch eine Drosselleitung 64 miteinander verbunden, in der eine verstellbare Bremsdrossel 66 angeordnet ist. Der Öffnungsquerschnitt dieser Bremsdrossel 66 kann über den Regler 40 bei Auftreten eines aussergewöhnlichen Betriebszustandes, beispielsweise in Abhängigkeit vom Hub, von der Geschwindigkeit, von der Beschleunigung oder von der Frequenz der Schwingmasse 14 verändert werden. Im normalen Betriebszustand ist der Öffnungsquerschnitt der Bremsdrossel 66 auf seinen maximalen Querschnitt aufgesteuert, so dass bei der Oszillation der Schwingmasse 14 Druckmittel entsprechend zwischen den Druckräumen 52, 54 über die Drosselleitung 64 umgepumpt wird, wobei der Drosselquerschnitt vergleichsweise groß gewählt ist, so dass der Druckverlust minimal ist. Im Fall eines extremen Betriebszustandes, beispielsweise bei hohen oder steilen Wellen, wird die Bremsdrossel 66 über den Regler 40 angesteuert, so dass deren Drosselquerschnitt verringert und entsprechend die Druckmittelverschiebung zwischen den Druckräumen 52, 54 angedrosselt wird. Entsprechend dieser Drosselung und der damit verbundenen Bremswirkung wird die Schwingmasse 14 oder der Schwingkörper 2 abgebremst, so dass dessen Bewegung innerhalb der vorgegebenen zulässigen Grenzen erfolgt. Zur Erfassung einer übermäßigen Belastung des Systems kann beispielsweise der Hub x des Bremszylinders 46 oder des Gleichgangzylinders 4 aufgenommen und daraus die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung bestimmt werden, wobei in Abhängigkeit von diesen Eingangssignalen vom Regler 40 dann der Drosselquerschnitt der Bremsdrossel 66 eingestellt wird. Prinzipiell kann auch der Druckverlauf pB, pA in den Druckräumen 24, 26 des Gleichgangzylinders 4 ausgewertet werden, um eine übermäßige Belastung des Systems zu erkennen.

Die vorbeschriebene hydraulische Bremseinrichtung 24 hat den Nachteil, dass der Bremszylinder 46 stets mitbewegt werden muss, so dass aufgrund der colombschen Reibung gewisse Verluste auftreten. Des Weiteren muss eine vergleichsweise große Bremsdrossel 66 vorgesehen sein, um im normalen Betriebszustand die Druckverluste zu minimieren. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass trotz des vergleichsweise einfachen Aufbaus die Investitionskosten für den Bremszylinder 46 und die Bremsdrossel 66 vergleichsweise hoch sind. Im Hinblick auf den Wirkungsgrad und auf die Investitionskosten könnten daher mechanische Linearbremseinrichtungen 44, beispielsweise solche, wie sie im Folgenden beschrieben werden, vorteilhaft sein.

Figur 2 zeigt in stark vereinfachter Weise den schematischen Aufbau einer Einheit einer Wellenenergieanlage, wie sie unter der oben genannten Internet- Domain beschrieben ist. Ein derartiges Power-Take-Off (PTO) wird am Meeresboden verankert, wobei eine Vielzahl der dargestellten Einheiten parallel geschaltet sind. Bei diesen, die Bauelemente gemäß Figur 1 im Wesentlichen aufnehmenden PTOs ist der Schwingkörper 2 oder genauer gesagt die Schwingmasse 14 kappenförmig ausgebildet und ϋberstreckt in der dargestellten Position abschnittsweise eine Basis 68, die über ein Gestell 70 und einen Bodenanker 72 am Meeresboden 18 verankert ist.

In der nach oben, zur kappenförmigen Schwingmasse 14 offenen Basis 68 sind die vorbeschriebenen Komponenten des Wandlers 1 gemäß Figur 1 gelagert, wobei in der vorliegenden Darstellung der Einfachheit halber lediglich der Gleichgangzylinder 4 dargestellt ist, dessen Zylinder an der Basis 68 festgelegt ist, und dessen Kolbenstange 20 mit der kappenförmigen Schwingmasse 14 verbunden ist, so dass der Zylinder 4 mit Bezug zum Meeresboden 18 fixiert ist, während die Kolbenstange 20 in Abhängigkeit vom Wellengang von der Schwingmasse 14 bewegt wird.

Im Übergangsbereich zwischen der Schwingmasse 14 und der Basis 68 ist ein Faltenbalg 72 aus hochfestem Material, beispielsweise aus einem Kevlar verstärkten Gewebe angeordnet, über den der Innenraum des PTO in diesem Bereich abgedichtet ist. In diesem von der kappenförmigen Schwingmasse 14 und der Basis 68 begrenzten Innenraum ist die Bremseinrichtung 44 angeordnet, die als mechanische Linearbremse ausgeführt ist.

In Figur 2 ist beidseitig einer Symmetrieachse 74 jeweils ein Ausführungsbeispiel einer Bremseinrichtung 44 dargestellt. Beide Bremseinrichtungen 44 bestehen im Wesentlichen aus einer Vielzahl von Bremszangen 76, die in Bremseingriff mit einer linearen, sich parallel zur Symmetrieachse oder in der Symmetrieachse 74 erstreckenden Bremskomponente 78 bringbar sind. Bei dem links von der Symmetrieachse 74 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Bremszangen 76 über einen Bremszangenträger 80 an der Basis 68 befestigt, während die damit in Bremseingriff bringende lineare Bremskomponente 68 an der Schwingmasse 14 befestigt ist und somit mit dieser mitschwingt.

Beim rechts von der Symmetrieachse 74 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anordnung umgekehrt, d.h. die Bremszangen 76 sind über den Bremszangenträger 80 an der Schwingmasse 14 und die lineare Bremskomponente 78 ist an der Basis 68 festgelegt, so dass bei dieser Variante die Bremszangen 76 mit der Schwingmasse 14 mitbewegt werden. Prinzipiell kann die Konstruktion der Bremszangen 66 und der Bremskomponente 78 in beliebiger Weise analog zu bekannten Bremssystemen, beispielsweise zu Scheibenbremsen im Automobilbau gewählt werden. In der Folge werden einige Konstruktionsmöglichkeiten beispielhaft erläutert.

Figur 3 zeigt eine Seitenansicht und eine Vorderansicht einer Variante einer Bremseinrichtung 44, bei der die Bremskomponenten 78 als im Querschnitt etwa rechteckförmige Bremsschiene 82 ausgeführt ist, die je nach Ausführungsbeispiel entweder mit der Basis 68 oder mit der Schwingmasse 14 verbunden ist. An dieser Bremsschiene 82 greifen eine Vielzahl von nebeneinander liegend angeordneten Bremszangen 76 an, die über den Bremszangenträger 80 am entsprechend anderen Bauteil (Basis 68, Schwingmasse 14) festgelegt sind. Diese Bremszangen 76 können beispielsweise in Festsattel- oder Schwimmsattelbauweise ausgeführt sein, wobei jeweils ein oder mehrere Bremskolben 84 vorgesehen sein können, um die geforderte Bremsleistung aufzubringen. Diese sollte beispielsweise bei einer 250 kW- Einheit zumindest 1 ,5 MN betragen.

Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die zum Aufbringen der Bremsleistung erforderlichen Bremszangen 76 übereinander liegend angeordnet, so dass genügend Bauhöhe vorhanden sein muss. Bei den in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Bremsschiene 82 so ausgeführt, dass die Bremszangen 76 sowohl übereinander als auch nebeneinander liegend angeordnet werden können.

Dazu ist gemäß Figur 4 die Bremsschiene 82 im Querschnitt nicht rechteckförmig sondern beispielsweise als Doppel-T-Profil mit einem Mittelsteg 86 und vier quer dazu angeordneten T-Schenkeln 88a, 88b und 90a, 90b ausgeführt, an denen jeweils eine Vielzahl von Bremszangen 76 angreifen, so dass gemäß der Draufsicht in Figur 5 jeweils vier Bremszangen 76 in einer Horizontälebene (quer zur Symmetrieachse 74) angeordnet sind, wobei dann entsprechend gemäß Figur 4 mehrere derartiger Bremszangenebenen 76 übereinander liegend vorgesehen werden, so dass die Bremseinrichtung 44 in Vertikalrichtung sehr kompakt baut. Anstelle des Doppel-T-Profils können selbstverständlich auch andere Profile, beispielsweise ein U-Profil für die Bremsschiene 82 eingesetzt werden. Im letzt genannten Fall könnten dann allerdings nur zwei Bremszangen 76 in einer Horizontalebene vorgesehen werden.

Ein Vorteil der in den Figuren 4 und 5 dargestellten Variante ist die symmetrische Einleitung der Bremskräfte in die Bremsschiene 82, so dass diese aufgrund des Doppel-T-Profils sehr steif baut und bei Bremseingriff nicht verwindet. Wie es der Darstellung in Figur 5 entnehmbar ist, greifen die Bremskolben 84 beidseitig an dem jeweils zugeordneten Schenkel 88, 90 an, wobei zum Bremseingriff über die beiden Bremskolben 84 zwei Reibbeläge 92, 94 aufeinander zu (Festsattel) bewegt werden. Bei einer Schwimmsattelbremseinrichtung ist in bekannter Weise lediglich ein Bremskolben 84 vorgesehen, über den die Reibbeläge 92, 94 in Bremseingriff bringbar sind. Die konstruktive Bauweise derartiger Bremsen ist bekannt, so dass weitere Erläuterungen, beispielsweise unter Hinweis auf die Fachliteratur, beispielsweise www.wikipedia.de entbehrlich sind.

Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen wurden herkömmliche Bremszangen oder Bremssättel verwendet, wie sie beispielsweise bei Scheibenbremsen eingesetzt werden. Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das quer zur Symmetrieachse 74 kompakter als das in den Figuren 4 und 5 dargestellte Ausführungsbeispiel ausgeführt ist. In der Darstellung gemäß Figur 6 ist die Bremsschiene 82 wiederum als Doppel-T-Profil ausgeführt, wobei lediglich eine Hälfte des Profils mit den Schenkeln 88a, 90a und der Hälfte des Mittelstegs 86 dargestellt ist. Aus der Darstellung gemäß Figur 6 geht hervor, dass zur Abführung der Bremswärme in der Bremsschiene 86 gemäß den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen Kühlkanäle 96 ausgebildet sein können, die von einem Kühlmittel, beispielsweise Hydraulikfluid, Wasser oder dergleichen durchströmt werden, um die Bremswärme abzuführen, so dass auch in kurzer Abfolge hintereinander oder über lange Zeit hohe Bremsleistungen aufgebracht werden können.

Im Unterschied zum vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist bei der in Figur 6 dargestellten Variante zwischen zwei jeweils benachbarten Schenkeln 88a, 90a bzw. 88b, 90b (nicht dargestellt) jeweils eine Bremszange (Bremssattel) 76 angeordnet, wobei bei dieser Variante jedoch die beiden Bremskolben 84 nicht aufeinander zu sondern auseinander bewegt werden, um die Reibbeläge 92, 94 in Bremseingriff mit den entsprechenden Bremsflächen 98, 100 der Bremsschiene 82 zu bringen.

Bei dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Vielzahl von in Vertikalrichtung übereinander liegenden Bremszangen 76 ein gemeinsamer Bremsanker 102 zugeordnet, der als U-Profil ausgeführt ist, dessen beide Ankerschenkel 104, 106 sich zum Mittelsteg 86 hin erstrecken. Bei dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird es bevorzugt, dass die Bremszangen 76 und damit auch der Bremsanker 102 mit der am Meeresboden 18 verankerten Basis 68 verbunden sind, während die Bremsschiene 82 mit der Schwingmasse 14 bewegbar ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Zuführung der Bremsflüssigkeit aufgrund der ortsfest angeordneten Bremszangen 76 vereinfacht ist.

In jeder Bremszangenebene (siehe Figur 4) ist der Bremsanker 102 von einem sich quer zu den Schenkeln 88, 90 erstreckenden Zylinderrohr 108 durchsetzt, das in entsprechende Aufnahmen 109 der Ankerschenkel 104, 106 eingesetzt ist und über BefestigungsmittelHO in Axialrichtung gesichert ist. Entlang der Innenumfangswandung des Zylinderrohrs 108 sind die beiden Bremskolben 84a, 84b geführt, die zur Gewichtsminimierung tassenförmig mit einem Kolbenboden 112 und einem in Axialrichtung über die Stirnfläche des Zylinderrohrs 108 hinaus stehenden Kolbenhemd 114 ausgeführt sind. Die Ringstirnfläche dieses Kolbenhemdes 114 liegt jeweils an einer - in der Ansicht nach Figur 6 - ebenfalls U-förmig ausgebildeten Stützplatte 116a, 116b an, die jeweils den Reibbelag 92 bzw. 94 trägt. Jede der Stützplatten 116a, 116b ist mit zum benachbarten Ankerschenkel 104, 106 abgebogenen Endabschnitten 118, 120 ausgeführt, die in Aufnahmen 122, 124 des zugeordneten Ankerschenkels 106, 104 eintauchen, so dass die Stützplatten 116 in Radialrichtung und in Axialrichtung mit Bezug zu den Kolben 84a, 84b geführt sind und deren Hub mitmachen können. Wie Figur 6 entnehmbar ist, kann die Stützplatte 116 in einer Ansicht senkrecht zur Zeichenebene etwa rechteckförmig ausgebildet sein, wobei dann in jedem Eckbereich einer der zum Bremsanker 102 hin abgebogenen Endabschnitte 118, 120 vorgesehen wird.

Im Bereich zwischen der Stützplatte 116 und der benachbarten Stirnfläche des Zylinderrohrs 108 ist jeweils ein Faltenbalg 126a, 126b ausgebildet, so dass dieser Zwischenraum abgedichtet ist. Die beiden Kolbenböden 112 der Kolben 84a, 84b begrenzen gemeinsam mit der Innenumfangswandung des Zylinderrohrs 108 einen Bremsdruckraum 128, in dem zwei oder eine gemeinsame Haltefedern 130 angeordnet ist. Der Bremsdruckraum 128 ist über nicht dargestellte Bremsleitungen mit einem Bremsflüssigkeitsreservoir, beispielsweise einem Hochdruckspeicher verbunden, über den der Bremsdruckraum 128 zum Bremseingriff mit Hochdruck beaufschlagbar ist. In Anbetracht der hohen Bremsleistungen wird es bevorzugt, eine geeignete Bremsflüssigkeit einzusetzen, da herkömmliche Hydrauliköle, die im vorbeschriebenen Hydrauliksystem Verwendung finden, als Bremsflüssigkeit weniger geeignet sind. Prinzipiell könnte jedoch auch das Hydrauliköl als Bremsflüssigkeit verwendet werden.

Zur Abdichtung des Bremsdruckraums 128 sind an der Innenumfangswandung des Zylinderrohrs 108 Dichtringe 132 vorgesehen, die dichtend an der Außenumfangswandung des jeweiligen Kolbenhemds 120 anliegen.

Da die vorbeschriebenen Bremszangen jeweils zwischen zwei benachbarten Schenkeln 88a, 90a des Doppel-T-Profils der Bremsschiene 82 angeordnet sind, baut diese lineare Bremseinrichtung äußerst kompakt, wobei wiederum die Belastungen der Bremsschiene 82 aufgrund der symmetrischen Krafteinleitung minimal sind.

Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt die Bremsbetätigung hydraulisch. Prinzipiell sind jedoch auch andere Bremssysteme, beispielsweise pneumatisch oder elektrisch wirkende Bremsen oder Hybridsysteme einsetzbar.

Offenbart ist ein hydraulischer Wandler mit einem von einer Naturkraft oszillierend angetriebenen Schwingkörper, dessen kinetische Energie mittels einer Hydromaschine in hydraulische Energie wandelbar ist, die ihrerseits mittels einer weiteren Hydromaschine in mechanische Energie zum Antreiben eines Generators oder dergleichen verwendet wird. Zur Vermeidung von übermäßigen mechanischen Belastungen des Systems ist dem Schwingkörper eine Bremseinrichtung zugeordnet, über die dieser abgebremst werden kann. Diese Bremseinrichtung kann entweder als hydraulische oder als mechanische Linearbremse ausgeführt sein.

Claims

- 17 -Patentansprüche

1. Hydraulischer Wandler mit einem von einer Naturkraft oszillierend angetriebenen Schwingkörper (2, 14), dessen kinetische Energie mittels einer Hydromaschine (4) in hydraulische Energie wandelbar ist, die über eine weitere Hydromaschine (6) in mechanische Energie zum Antreiben eines Generators (10) oder dergleichen wandelbar ist, gekennzeichnet durch eine Bremseinrichtung (44) zum Abbremsen des Schwingkörpers (2, 14) bei Überschreiten eines vorbestimmten Bewegungszustandes.

2. Wandler nach Patentanspruch 1 , wobei die Bremseinrichtung (44) einen Bremszylinder (46) hat, der mit dem Schwingkörper (2, 14) in Wirkverbindung steht und dessen Druckräume (52, 54) über einen Druckmittelströmungspfad (56, 64, 58) verbunden sind, in dem eine in Abhängigkeit von Bewegungsparametern des Schwingkörpers (2, 14) verstellbare Bremsdrossel (66) angeordnet ist.

3. Wandler nach Patentanspruch 2, wobei die Druckräume (52, 54) vorgespannt sind.

4. Wandler nach Patentanspruch 1 , wobei die Bremseinrichtung (44) eine mechanische Bremse hat, über die mit dem Schwingkörper (2, 14) mitbewegte Bremselemente (76, 86) in Bremseingriff mit dem gegenüber fest stehenden Bremskomponenten (82, 76) bringbar ist.

5. Wandler nach Patentanspruch 4, wobei das Bremselement zumindest eine Reibbeläge (92, 94) tragende Bremszange (76) hat, die an einer Bremsschiene (82) der Bremskomponente angreift.

6. Wandler nach Patentanspruch 5, wobei eine Vielzahl von Bremszangen (76) an der Bremsschiene (82) angreifen.

7. Wandler nach Patentanspruch 6, wobei die Bremskomponente als entsprechend des Maximalhubs ausgelegte Bremsschiene (82) mit rechteckförmigem Querschnitt ausgeführt ist, an der eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Bremszangen (76) angreifen. - 18 -

8. Wandler nach Patentanspruch 6, wobei die Bremskomponente als ein entsprechend des Maximalhubs ausgelegtes Doppel-T- oder U-Profil ausgeführt ist, an dessen Schenkeln (88, 90) Bremszangen (76) angreifen.

9. Wandler nach Patentanspruch 8, wobei die Bremszange (76) zwischen zwei benachbarten Schenkeln (88a, 90a) der Bremsschiene (82) angeordnet ist und zwei koaxial zueinander angeordnete, beim Bremsen in Richtung zum jeweils benachbarten Schenkel (88, 90) bewegbare Bremskolben (84) hat, über die Reibbeläge (92, 94) in Bremseingriff an die Schenkel (88, 90) bringbar sind.

10. Wandler nach Patentanspruch 9, wobei die beiden Bremskolben (84) in einem Zylinderrohr (108) geführt sind und gemeinsam einen Bremsdruckraum (128) begrenzen, der mit dem Bremsdruck beaufschlagbar ist.

11. Wandler nach Patentanspruch 10, wobei das Zylinderrohr (108) an einem Bremsanker (102) befestigt ist.

12. Wandler nach Patentanspruch 11 , wobei der Bremsanker (102) als U- Profil ausgeführt ist, dessen Ankerschenkel (104, 106) vom Zylinderrohr (108) durchsetzt sind.

13. Wandler nach einem der Patentansprüche 9 bis 12, wobei die Reibbeläge (92, 94) jeweils auf einer Stützplatte (116) angeordnet sind, die am Bremsanker (102) gelagert sind.

14. Wandler nach einem der Patentansprüche 8 bis 13, wobei an jedem Schenkel (88, 90) mehrere Bremszangen (76) angreifen.

15. Wandler nach Patentanspruch 14 und einem der Patentansprüche 11 bis 13, wobei ein Bremsanker (102) mehrere Zylinderrohre (108) trägt, die jeweils einer Bremszange (76) zugeordnet sind.

16. Wandler nach einem der Patentansprüche 3 bis 15, wobei die Bremszangen (76) hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch betätigt sind.

17. Wandler nach Patentanspruch 16, wobei der Bremsdruck über einen von der Hydromaschine (6) aufgeladenen Speicher bereitgestellt wird. - 19 -

18. Wandler nach einem der Patentansprüche 3 bis 17, wobei das Bremselement durch die Bremszangen (76) und die Bremskomponente durch die Bremsschiene (82) gebildet ist.

19. Wandler nach einem der Patentansprüche 3 bis 17, wobei das Bremselement durch die Bremsschiene (82) und die Bremskomponente durch die Bremszangen (76) gebildet ist.

20. Wandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einem Sensor zum Erfassen einer nicht gewünschten Schwingkörperbewegung und einer Steuereinheit (40) zum Generieren eines Bremssignals in Abhängigkeit vom Signal des Sensors.

21. Wandler nach Patentanspruch 20, wobei der Sensor ein Wegaufnehmer zum unmittelbaren oder mittelbaren Erfassen des Schwingkörperhubs, der Schwingkörpergeschwindigkeit oder der Schwingkörperbeschleunigung ist.

22. Wandler nach Patenanspruch 13 oder 14, mit einem Sensor zum Erfassen des Drucks in den Druckräumen (24, 26) der Hydromaschine (4) zur Wandlung der kinetischen Energie des Schwingkörpers (2, 4) in hydraulische Energie.

23. Wandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Bremskraft bei einer am Generator (10) abgegriffenen Leistung von 250 kW mehr als 1 ,5 MN beträgt.

24. Verfahren zum Ansteuern eines hydraulischen Wandlers (1 ), bei dem ein Schwingkörper (2, 14) mittels einer oszillierenden Naturkraft angetrieben wird, dessen kinetische Energie mittels einer Hydromaschine (4) in hydraulische Energie umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines vorbestimmten Bewegungszustandes des Schwingkörpers (2, 14) eine Bremseinrichtung (44) zu dessen Abbremsung angesteuert wird.