WO2009147241A2 - Anordnung zur mittelbaren umwandlung von meereswellenenergie in elektrische energie - Google Patents

Anordnung zur mittelbaren umwandlung von meereswellenenergie in elektrische energie Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur mittelbaren Umwandlung von Meereswellenenergie in elektrische Energie oder mechanische Arbeit. Hierbei umfasst die Vorrichtung mindestens einen Schwimmkörper, einen mit dem Schwimmkörper in Verbindung stehenden, an einem Gestellgelenkig angeschlagenen Hebelarm, ein geführtes Zahnstangenpaar, welches mit mindestens einem, am Gestellgelagerten Ritzel in Verbindung steht, sowie eine Arbeitsmaschine oder einen Generator, der direkt oder über ein Getriebe vom Ritzel angetrieben ist, wobei weiterhin das Zahnstangenpaar kraftseitig mit dem Hebelarm in Koppelverbindung steht. Erfindungsgemäß ist zur kraftseitigen Kopplung zwischen dem Zahnstangenpaar und dem Hebelarm eine Koppelstange vorgesehen, welche einerseits am Hebelarm verschwenkbeweglich sowie andererseits ebenfalls verschwenkbeweglich an einem Verbindungsträger fixiert ist, wobei der Verbindungsträger die zum Hebelarm gerichteten Enden der Zahnstangen des Zahnstangenpaars aufnimmt.

Description

Anordnung zur mittelbaren Umwandlung von Meereswellenenergie in elektrische Energie
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur mittelbaren Umwandlung von Meereswellenenergie in elektrische Energie, umfassend mindestens einen Schwimmkörper, einen mit dem Schwimmkörper in Verbindung stehenden, an einem Gestell gelenkig angeschlagenen Hebelarm, ein geführtes Zahnstangenpaar, welches mit mindestens einem, am Gestell gelagerten Ritzel in Verbindung steht, sowie einen Generator, der direkt oder über ein Getriebe vom Ritzel angetrieben ist, wobei weiterhin das Zahnstangenpaar kraftseitig mit dem Hebelarm gekoppelt ist, gemäß Oberbeg riff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 698 16 412 T2 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie durch Verwendung von Kräften der Meereswellen vorbekannt. Die dortige Anordnung geht von einem Schwimmer aus, der von den Meereswellen auf- und abbewegt wird . Der Schwimmer steht mit einem senkrechten Metallbalken in Wirkverbindung, der die Bewegung des Schwimmers auf einen Hebel überträgt. Der Hebel ist in einer Stützhalterung fixiert, die als Hebeldrehpunkt dient. Ein gebogener Metallbalken, der an seinen zwei Endbereichen Zahnradketten aufnimmt, führt analog zur Bewegung des Schwimmers eine auf- und abwärtsgehende Bewegung aus, wobei die entsprechenden Kräfte über den Hebel übertragen werden. Zwei Zahnräder wiederum wirken mit den Ketten zusammen, um die lineare, senkrechte Bewegu ng in eine Drehbewegu ng umzuwandeln. Die Drehbewegung der Zahnräder wiederum wird auf einen Generator geführt, um elektrische Energie zu erzeugen.
Die JP 2006-233948 A offenbart einen Wellengenerator, der ebenfal ls eine Hebelkonstruktion aufweist. An einem ersten Hebelende ist ein Schwimmkörper fixiert. Am gegenüberliegenden Hebelende befindet sich eine Gleitfläche. Auf der Gleitfläche bewegen sich zwei hohlzylindrische Hülsen, die jeweils an eine Zahnstange kraftseitig gekoppelt werden. Ein Auf- und Abwärtsbewegen des Schwimmkörpers führt, durch die Lagerung des Hebels an einem Fixpunkt bedingt, nach dem Vorbild einer Wippe zum entsprechenden Auf- und Abwärtsbe- wegen des dem Schwimmkörper gegenüberliegenden Hebelendes. Dort können die Zahnstangen die auf- und abwärtsgehende Bewegung auf ein zwischen den Zahnstangen angeordnetes Ritzel übertragen, so dass eine Drehbewegu ng entsteht, die wiederum auf einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie geleitet wird. Jede der Zahnstangen hat eine bevorzugte Bewegungsrichtung, bei der eine Kraftübertragung auf das Ritzel möglich ist. Bei einer nicht bevorzugten Bewegungsrichtung erfolgt keine entsprechende Kraftübertragung. Damit soll sowohl beim Aufwärts- als auch beim Abwärtsbewegen des Hebels kinetische Energie auf das Ritzel wirken können. Bedingt durch die unmittelbare Lagerung der Zahnstangen mittels Hülsen am Hebelstangenende ergeben sich unterschiedliche Bewegungsbereiche der Zahnstangen insbesondere dann, wenn ein sehr großer Weg zwischen Aufwärts- und Abwärtsposition des Hebelarmendes analog der Bewegu ng des Schwimmers zurückgelegt wird . Darüber hinaus resultieren Kraftvektoren, die nicht optimal in tangentiale Richtung des Ritzels orientiert sind, so dass sich der Wirkungsgrad einer derartig gestalteten Vorrichtung verschlechtert.
Bei der Gewinnu ng zur Energie aus einer Wellenbewegung gemäß JP 05248335 ist ein Hebelarm, der einseitig mit einem Schwimmkörper in Verbindung steht, in einer Richtung auf ein drehbar gelagertes Ritzel wirkend. Nach dem an sich bekannten Sperrklinkenprinzip kann hier nur die bei einer Bewegungsrichtung, nämlich der Aufwärts- oder der Abwärtsorientierung des Schwimmers entstehende Energie auf das Ritzel übertragen werden.
Bekanntermaßen führt das Wachstum der Weltbevölkerung sowie die Erhöhung des Lebensstandards der Menschen zu einem ansteigenden Energiebedarf. Die Abnahme von Vorkommen an fossilen Brennstoffen zwingt hier zu neuen Lösungen, und zwar bevorzugt in Richtung Erforschung und Anwendung regenerativer Energien.
Durch die Sonneneinstrahlung erfahren die Weltmeere eine sehr hohe Energiezufu hr. Die auf die Meeresoberfläche auftreffende Sonnenstrahl ung verursacht Wärmegradienten, die eine lokale und globale Luftströmung bewirken. Zwischen den Luftströmungen und der Oberfläche des Wassers kommt es zu Wechselwirkungen. Die unteren Schichten der bewegten Atmosphäre werden an der Wasseroberfläche abgebremst. Im Gegensatz hierzu werden die oberen Schichten des Wassers beschleunigt. Bei einem anhaltenden Einwirken von Luftströmungen entstehen Wellen, die auch als Windwellen bezeichnet werden. Charakteristische Größen einer Welle sind die Wellenperioden und die Wellenhöhe. Der Gesamtenergiegehalt einer sinusförmigen Welle im Tiefwasserbereich setzt sich zu gleichen Teilen aus kinetischer und potentieller Energie zusammen.
Die eingangs erwähnten Lösungen des Standes der Technik nutzen diese grundsätzl ich zur Verfügung stehende Energie nur in unzureichender Weise. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Anordnung zur mittelbaren Umwandlung von Meereswellenenergie in elektrische Energie anzugeben, die eine einfache Konstruktion besitzt und welche über einen hohen Wirkungsgrad und eine ausreichende Betriebssicherheit unabhängig von der jeweiligen Amplitude der Wellen besitzt.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Anordnung gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Es wird demgemäß von einer Anordnung zur mittelbaren Umwandlung von Meereswellenenergie in elektrische Energie ausgegangen, die mindestens einen Schwimmkörper umfasst. Der mindestens eine Schwimmkörper steht mit einem an einem Gestell gelenkig angeschlagenen Hebelarm in Wirkverbindung . Ein geführtes Zahnstangenpaar, welches mit mindestens einem, am Gestell gelagerten Ritzel in Verbindung steht, wandelt die hin- und hergehende, lineare Bewegung in eine Rotationsbewegung um. Ein Generator zur Erzeugung elektrischer Energie ist direkt oder über ein Getriebe mit dem Ritzel in Verbindung stehend, wobei weiterhin das Zahnstangenpaar kraftseitig mit dem Hebelarm gekoppelt ist.
Erfindungsgemäß ist zur kraftseitigen Kopplung zwischen dem Zahnstangenpaar und dem Hebelarm eine Koppelstange vorgesehen. Diese Koppelstange ist einerseits am Hebelarm verschwenkbeweglich sowie andererseits ebenfalls ver- schwenkbeweglich an einem Verbindungsträger fixiert. Der Verbindungsträger nimmt die zum Hebelarm gerichteten Enden der Zahnstangen des Zahnstangenpaars auf.
Durch die vorstehend geschilderte Konstruktion führen die Zahnstangenpaare unabhängig von der Auslenkung des Hebelarms eine gleichmäßige auf- und abwärtsgehende Bewegung aus mit der Folge einer kontinuierlichen Übertragung der zur Verfügung stehenden Energie auf das Ritzel, und zwar unter Berücksichtigung einer ausgebildeten Sperrklinkenanordnung oder einer Ratschenfunktion der Zahnstangen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Zahnstangenpaar mittels Profilschienen geführt, wobei die Zahnstangen, wie dargelegt, die Ratschenfunktion besitzen, um bei jeder Bewegungsrichtu ng des Hebelarms u nd der Koppelstange ein entsprechendes Kraftmoment auf das Ritzel zu übertragen, das dann als Drehmoment abgegriffen werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Profilschienen um die Achse des Ritzels drehbar am Gestell befestigt, so dass bei unterschiedlichen Auslenkungen des Hebelarms der Kraftvektor der Koppelstange im Wesentlichen parallel zum Zahnstangenpaar verläuft. Dabei besteht die Möglichkeit, den Ver- schwenkwinkel zu begrenzen, und zwar entsprechend der gewählten konkreten Ausführungsform der Anordnung und den vorgesehenen Anwendungs- und Einsatzbedingungen.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass der Hebelarm mit mehreren Schwimmkörpern in Verbindung steht, um die insgesamt zur Verfügung stehende Wel lenenergie maximiert aufnehmen zu können.
Weiterhin ausgestaltend kann das Gestell gegenüber einer Befestigungsfläche drehbar gelagert werden, um eine optimale Ausrichtung zur Meeresoberfläche und zur erwarteten Wellenbewegung vorzunehmen.
Zwischen dem Ritzel und dem Generator kann bei einer Ausführungsform der Erfindung eine Kupplung vorgesehen sein. Diese Kupplung kann als drehmomentbegrenzende Rutschkupplung ausgebildet werden.
Weiterhin liegt es im Sinne der Erfindung, den Hebelarm als Ausleger auszubilden und das Gestell auf einer Grundplatte anzuordnen.
Die Grundplatte kann dann auf oder in einem Wasserfahrzeug befindlich sein. Der Ausleger mit Schwimmkörper wird dann auf die das Wasserfahrzeug umgebende Wasseroberfläche ausgerichtet und in eine solche Position verbracht, dass die Wellenbewegung, auch als Relativbewegung des Schiffes zur Meeresoberfläche energetisch verwertbar ist.
Der Schwimmkörper kann am Hebelarm lösbar und damit auch austauschbar befestigt werden. Es kann also je nach Applikationsfall ein geeigneter Schwimmkörper mit geeigneter Größe und geeigneter Dichte Anwendung finden.
Der Hebelarm kann z. B. teleskopartig in seiner Länge variabel und damit verstellbar sein, um eine universelle Anwendung der Erfindungslehre sicherzustellen.
Am gestellseitigen Ende des Hebelarms können wählbare Lagerstellen für die Koppelstange, bevorzugt ausgebildet als Bohrungen zur Aufnahme eines Verbindungsbolzens, vorgesehen werden. Auch hier besteht die Möglichkeit, die Hebelverhältnisse je nach Applikationsfall zu selektieren, um einen optimalen Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anordnung zu erreichen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme einer Figur näher erläutert werden.
Die Figur zeigt hierbei eine prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung in Seitenansicht. Der vorgestellte Wellenhebelantrieb gemäß Ausführungsbeispiel ist ein Antriebsmechanismus, der die Wellenkräfte und Kraftmomente aufnimmt und diese über ein mechanisches System in eine Drehbewegung umwandelt.
Mit Hilfe dieser Drehbewegung kann dann ein Stromgenerator, eine Pumpe oder eine andere geeignete Arbeitsmaschine angetrieben werden. Es gelingt also, mit dem Wellenhebelantrieb die Aufgabe zu lösen, auf mechanischem Wege die Wellenkraft in Drehkraft, d . h. Drehmomente umzuwandeln, um Arbeitsmaschinen zu betreiben.
Wie aus der Figur ersichtlich, ist ein Schwimmkörper 1 oder sind mehrere solche Schwimmkörper an einem ersten Ende eines Hebelarms 2 fixiert. Das weitere Ende des Hebelarms 2 ist an einem Gestell 9 über eine Achsverbindung 12 gelenkig angeschlagen.
Gemäß Figur ist ein Zahnstangenpaar 4 in einer nicht gezeigten Führung verschiebebeweglich angeordnet. Die Zahnstangen des Zahnstangenpaars 4 sind mit einer Ratschenfunktion versehen, um bei einer Auf- und Abbewegung der Zahnstangen 4 ein Ritzel 8 in Rotationsbewegung zu versetzen.
Das Ritzel 8 steht mit einem Scheibenrad 5 in Verbindung, das auf ein Antriebsrad 6 eines beispielhaften Generators oder einer Antriebsmaschine 7 wirkt.
Das Gestell 9 ist auf einer Grundplatte 10 montiert, die wiederum am Untergrund 11 befestigbar ist. Zur optimalen Ausrichtung des Hebelarms 2 mit Schwimmkörper 1 besteht ergänzend die Möglichkeit, die Gru ndplatte 10 bezogen auf den Untergrund 11 drehbar oder verstellbar auszuführen.
Das Zahnstangenpaar 4 ist kraftseitig mit dem Hebelarm 2 gekoppelt. H ierfür ist eine Koppelstange 3 vorhanden.
Diese Koppelstange 3 ist sowohl einerseits am Hebelarm 2 verschwenkbeweg- lich (Lagerstelle 13), anderseits aber auch verschwenkbeweglich an einem Verbindungsträger 14 an der Lagerstelle 15 fixiert. Der Verbindungsträger 14 nimmt die zum Hebelarm 2 gerichteten Enden der jeweiligen Zahnstangen des Zahnstangenpaars 4 auf.
Der Vorteil der beschriebenen Konstruktion besteht darin, dass durch die im Hebelarm 2 drehbar befestigte Koppelstange 3 der Abstand zwischen dem Zahnstangenpaar konstant ist und die Drehzahl, unabhängig davon, welche Stange des Zahnstangenpaars das Ritzel 8 antreibt, immer gleich bleibt.
Zum Schutz der Gesamtkonstruktion vor übermäßiger Krafteinwirkung kann es zweckmäßig sein, eine Rutschkupplung vorzusehen.
Grundsätzlich kann die Übertragung der vertikalen Bewegung des Schwimmkörpers 1 oder mehrerer entsprechender Schwimmkörper über eine oder mehrere am Hebelarm 2 befestigte Koppelstangen für ein oder mehrere Zahnstangenpaare mit Ratschenfunktion erfolgen. Das oder die Zahnstangenpaare treiben dann ein oder mehrere Räder in immer gleicher Drehrichtung an. Eine ergänzende Ausführungsform besteht darin, dass das Ritzel mit einem weiteren Rad als Doppelrad gekoppelt ist. Dieses weitere Rad kann als Stirn- und Übersetzungsrad im Sinne eines Getriebes das Ritzel 6 des Generators 7 antreiben.
Zur Funktionstüchtig keit des Schwimmkörpers ist es notwendig, dass die Dichte des oder der Schwimmkörper geringer ist als die des Wassers bzw. des umgebenden Mediums.
Die Schwimmkörper können hier als Voll- oder Hohlkörper ausgebildet sein.
Die vorstehend erläuterte Anordnung zur Umwandlung von Meereswellenenergie in elektrische Energie bzw. mechanische Arbeit kann auf einem Schwimmkörper, z. B. einem Boot befestigt werden, um für eine autarke Energieversorgung in umweltfreundlicher Art zu sorgen.
Alternativ zu m Antrieb unter Benutzung des Zahnstangenpaares besteht die Möglichkeit ein sogenanntes Reibstangengetriebe einzusetzen. Bei einem solchen Getriebe sind zwei benachbarte Glieder als Reibkörper z. B. Scheiben, Kugeln oder Stangen ausgebildet, wobei diese Körper durch eine Reibpaarung in Verbindung stehen, so dass eine Kraftübertragung möglich ist. Denkbar sind auch Antriebe, ausgebildet als Kurbelschwinge, Doppelkurbel oder Doppelschwinge. Ein Antriebsgetriebe kann hier als Schubkurbel mit umlaufender oder schwingender Kurbelschleife ausgebildet sein ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Schwimmkörper
2 Hebelarm
3 Koppelstange
4 Zahnstangenpaar
5 Scheibenrad
6 Antriebsritzel
7 Generator / Arbeitsmaschine
8 Ritzel
9 Gestell
10 Grundplatte
11 Untergrund
12 Achsverbindung
13 Lagerteil
14 Verbindungsträger
15 Lagerteil
16 alternative Befestigungsmöglichkeiten der Koppelstange 3 am Hebelarm

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur mittelbaren Umwandlung von Meereswellenenergie in elektrische Energie oder mechanische Arbeit, umfassend mindestens einen Schwimmkörper, einen mit dem Schwimmkörper in Verbindung stehenden, an einem Gestell gelenkig angeschlagenen Hebelarm, ein geführtes Zahnstangenpaar, welches mit mindestens einem, am Gestell gelagerten Ritzel in Verbindung steht, sowie eine Arbeitsmaschine oder einen Generator, der direkt oder über ein Getriebe vom Ritzel angetrieben ist, wobei weiterhin das Zahnstangenpaar kraftseitig mit dem Hebelarm gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur kraftseitigen Kopplung zwischen dem Zahnstangenpaar und dem Hebelarm eine Koppelstange vorgesehen, welche einerseits am Hebelarm verschwenkbe- wegl ich sowie andererseits ebenfalls verschwenkbeweglich an einem Verbindungsträger fixiert ist, wobei der Verbindungsträger die zum Hebelarm gerichteten Enden der Zahnstangen des Zahnstangenpaars aufnimmt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnstangenpaar mittels Profilschienen geführt ist, wobei die Zahnstangen eine Sperrklinken- oder Ratschenfunktion besitzen, um bei jeder Bewegungsrichtung des Hebelarms und der Koppelstange ein Kraftmoment auf das Ritzel zu übertragen.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilschienen um die Achse des Ritzels drehbar am Gestell befestigt sind, so dass bei unterschiedlichen Auslenkungen des Hebelarms der Kraftvektor der Koppelstange im Wesentlichen parallel zum Zahnstangenpaar verläuft.
4. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm mit mehreren Schwimmkörpern in Verbindung steht.
5. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell gegenüber einer Befestigungsfläche drehbar gelagert ist.
6. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Ritzel und Generator eine Kupplung vorgesehen ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung als drehmomentbegrenzende Rutschkupplung ausgebildet ist.
8. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm als Ausleger ausgebildet ist und sich das Gestell auf einer Grundplatte befindet.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte auf oder in einem Wasserfahrzeug befindlich ist und der Ausleger mit Schwimmkörper zur das Wasserfahrzeug umgebenden Wasseroberfläche ausgerichtet ist.
10. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Schwimmkörper am Hebelarm lös- und austauschbar befestigt sind.
11. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm teleskopartig in seiner Länge verstellbar ist.
12. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am gestellseitigen Ende des Hebelarms wählbare Lagerungsstellen für die Koppelstange, bevorzugt ausgebildet als Bohrung zur Aufnahme eines Verbindungsbolzens vorgesehen sind .
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