WO2011120630A1 - Wellenenergieanlage - Google Patents

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WO2011120630A1
WO2011120630A1 PCT/EP2011/001226 EP2011001226W WO2011120630A1 WO 2011120630 A1 WO2011120630 A1 WO 2011120630A1 EP 2011001226 W EP2011001226 W EP 2011001226W WO 2011120630 A1 WO2011120630 A1 WO 2011120630A1
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WO
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wave energy
energy plant
buoyancy
plant according
crankshaft
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/001226
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French (fr)
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Benjamin Hagemann
Nik Scharmann
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/12—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
    • F03B13/14—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
    • F03B13/22—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 flow of water resulting from wave movements to drive a motor or turbine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
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    • F03B13/16—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"
    • F03B13/18—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
    • F03B13/1805—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 is hinged to the rem
    • F03B13/1825—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 is hinged to the rem for 360° rotation
    • F03B13/183—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 is hinged to the rem for 360° rotation of a turbine-like wom
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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 present invention relates to a wave energy plant for the conversion of
  • Wave power plants are a special form of hydroelectric power plants. They use the energy of the ocean waves to provide a usable energy such as an electric current. Wave power is therefore one of the renewable energies, so that a wave power plant is considered to be particularly environmentally friendly.
  • FIG. 13 shows, in a simplified schematic side view, a wave energy plant of this type, by means of which it directly adjusts when it is placed. Under the water surface is possible to use the wave energy efficiently.
  • the wave energy system makes the movement of the water molecules below the
  • Water surface which is triggered by the wave. Concretely, water molecules located in the area of a wave move on an orbital path due to the wave motion, and a larger one near the water surface
  • Orbit diameter has as in larger water depths.
  • the example according to FIG. 13 clarifies this in more detail.
  • the water level 1 is at a so-called wave crest 1a (top crest of the wave) before sinking, passing through the zero crossing to finally reach a trough 1c (lower crest of the wave). Subsequently, the water level 1 rises again, again passes through the
  • Orbital movement is more recognizable.
  • the flow velocity of an orbital flow is also higher in its upper region than in its lower region. In shallow water, the water molecules no longer move on a circular path but on elliptical paths.
  • coupling bodies In order to utilize the energy of the water molecules moving on said orbital track, so-called coupling bodies are used, which are connected to a rotor or a crank of a wave power plant of this type, in order to couple the rotor / crank to the orbital movement of the water molecules under the shaft.
  • coupling bodies in principle at least two types can be used:
  • Lifting runners are bodies with a profile which, when flowing around a fluid (water) comparable to the wing of an aircraft, generates a buoyancy force which, with a corresponding adjustment of the buoyancy rotor, with respect to the crank / rotor
  • Page 2 of 24 Resistance runners are bodies which use the pressure force of inflowing water molecules to generate a torque.
  • Wave power plants of this type are known from the prior art, which provide both buoyancy and resistance rotor as coupling body.
  • Rotational speed of the rotor (e.g., leading of a resistance rotor) are at least partially compensated. Furthermore, the at least two coupling bodies exert a high torque on the crankshaft, whereby already an overall high efficiency of the system can be achieved.
  • the basic idea of the invention is thus to produce, by the arrangement of, for example, two buoyancy bodies on a common shaft, a force pair which leads to a substantially pure torque, but the otherwise occurring radial forces similar to the use of resistance rotors or a single Buoyancy runner can be avoided.
  • the shaft energy system consequently has at least one crankshaft to which coupling bodies for coupling the crankshaft to the crankshaft
  • Coupling bodies are formed from at least two buoyancy bodies. Ideally, these are aligned with respect to the crankshaft so that their buoyancy forces on parallel
  • the crank comes into motion with a rotation of the flow direction and thereby follows the (orbital) flow with a specific angular offset as a function of its output torque, which is tapped on the crankshaft.
  • the "follow-up forces" acting on the rotor increase with increasing angular offset (increasing output torque) compared with the stable position, until a maximum permissible angular misalignment is reached (stall limit).
  • crankshaft of known dimensions is preferably operatively connected via a transmission to, for example, a generator for transforming the wave energy into usable energy such as electric current.
  • a generator for transforming the wave energy into usable energy such as electric current.
  • the entire wave energy plant is constructed so that it has a substantially neutral buoyancy, or can be held by a preferably changeable buoyancy body in a stable diving position, so that the coupling body has a high
  • crankshafts substantially horizontal and substantially perpendicular to
  • the buoyancy bodies are coupled via cranks to the crankshaft, which are each connected to the pressure point or pressure point near the region of the respective buoyant body to this.
  • the pressure point of a buoyancy profile (such as a wing profile) is the point through which the lines of force of buoyancy and drag forces
  • Page 4 of 24 the entire construction possibly overstretching torques on the floats and their attachments to the cranks (rotors) avoided.
  • crank drive involves design complexity with additional mechanical bearings and mounts for the coupling bodies on the cranks, as well as components that are subject to high demands in the marine environment. Accordingly, it is necessary to make the support of the buoyancy runners as simple as possible, as proposed by the invention, a crank-drive-free approach is described.
  • At least one buoyant body is connected directly to the crankshaft in a region remote from the pressure point of the respective drive body, preferably in the region of the front edge (profile nose) or the (profile) trailing edge.
  • the output shaft can be displaced both in the direction of the nose foot point or in the direction of the wing tip (profile trailing edge).
  • Pressure point is determined in combination with the profile design and the direction of rotation of the lift rotor. This should be chosen so that the direction of rotation of the
  • an angle-setting device is provided, via which the angle of the chord of at least one of the buoyancy bodies with respect to the chord of the at least other buoyancy body (together or individually) is variable. It has been shown here that in embodiments according to the invention with at least two combined buoyancy bodies (runners) on a common crank drive, good control of the rotational speed is advantageous, for example to ensure largely uniform operating conditions without stalls and the like. Such a regulation can basically take place via the torque tapped on the output shaft, as already indicated above. A larger torque leads to a stronger damping and thus to a lower rotational speed of the lift rotor (larger angular misalignment).
  • Buoyancy and thus the torque acting on the output shaft torque can be varied, which leads in particular at a constant torque pickup to a circulation speed change.
  • a combination of the above measures is possible.
  • Profile trailing edges one or more length-adjustable drives (piston-cylinder units, spindle drives, telescopic mechanisms, etc.) are mounted. By adjusting these drives then the angle between the two profiles (or their chords) and thus the angle to the flow can be changed. It would also be advantageous to ensure the largely parallel orientation of the drive to the lever arms (cranks) of the crank drive.
  • both lift runners can also be arranged with a blocking device on the crankshaft. If only one of the two blocks is released, then the other lift rotor can be adjusted with the drive relative to the one lift rotor.
  • the arrangement of a pitch-adjusting device is basically also in the
  • Page 6 of 24 direct "Offsef assembly of the buoyancy body on the output shaft as described above possible.
  • buoyancy bodies with so-called winglets, in order to reduce turbulence at the buoyant body ends (seen in the direction of wing longitudinal direction), which leads to a reduction in the buoyancy force and thus in the tappable one
  • winglets reduce the induced flow resistance of the wings.
  • These winglets have the additional advantage that the system arranges with respect to the wave direction so that the output shafts are aligned transversely to the flow direction.
  • buoyancy bodies are designed with different profiles in order to realize different angles of attack and / or buoyancy forces. This makes it possible in principle to arrange the buoyancy bodies in such a way that their flows can be influenced or uninfluenced, depending on the application.
  • the effective lever arms of the buoyancy bodies are preferably of different lengths to produce different torques. It is also possible independent of this that several buoyancy bodies are mounted on a crank in the manner of a multi-decker. As a result, the profile lengths can be shortened overall and larger torques are generated at lower flow velocities.
  • buoyancy bodies are provided with high-lift aids, which are preset or dynamically adjustable via corresponding actuators.
  • the buoyancy runners can be adapted to changing flow conditions.
  • Orbital flow is adjustable or adjustable.
  • the damping and / or the phase angle over a at a working port of a hydraulic pump as
  • Torque conversion means acting back pressure and / or controlled by a torque to an electric generator as a torque conversion means. Alternatively it is
  • Page 7 of 24 possible that the attenuation and / or the phase angle is controlled via a pivotable or rotatable resistance surface or via a brake, in particular eddy current brake.
  • the attenuation and / or the phase angle via pitching - ie a change in the angle of attack of the buoyant body with respect to the flow - and / or a change in the blade geometry and / or a change in the length of the crank lever arm and / or is regulated by a change in the angle between the crank and the buoyancy body.
  • an aspect of the invention provides that the provided means for converting the torque output by the crankshaft is a hydraulic pump or a transmission with a downstream generator, wherein the means for converting the torque from the crankshaft is drivable.
  • the wave energy plant according to another aspect of the invention is equipped with a plurality of crankshafts, which are arranged approximately at the same depth of the fluid and stored together in an approximately frame-shaped carrier.
  • the frame extends over several peaks and / or over several troughs.
  • the carrier is a horizontal and / or vertical damping plate
  • pressure sensors and / or low-torque weather vane rotors and / or pairs of angles to one another may be present in the fluid
  • piezoelectric bending transducers or optical sensors in particular with a laser, be provided.
  • sensors are attached to the aforesaid carrier and serve e.g. the control of the attenuation, the phase angle, and possibly the orientation of the carrier with respect to the wave direction.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a crank mechanism unit for a wave energy plant according to a first preferred embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows the crank drive unit according to FIG. 1 in a modified form, ie with lift-up rotors installed in reverse;
  • FIG. 3 shows the flow behavior of a medium flowing around the buoyant rotor as well as the use of flow guide elements (preferably winglets) for positively influencing the flow behavior;
  • FIG. 4 shows a further modification of the crank drive unit according to one of FIGS. 1 to 3 equipped with an angle-of-adjustment device
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a crankshaft drive unit for a shaft energy system according to a second preferred embodiment of the invention (without external cranks); 6 shows a further modification of the crank drive unit according to one of FIGS. 1 to 5 with at least one rotatably suspended lift rotor for compensating the buoyancy forces at different flow speeds on the lift rotors;
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a crank drive unit for a shaft energy system according to a third preferred exemplary embodiment of the invention, preferably also for compensating different flow velocities on the lift rotors and (almost) without mutual influencing of the respective bypass flows;
  • FIG. 8 shows a modification of the crank mechanism unit according to FIG. 7 for achieving mutual influence of the lift rotor;
  • FIG. 9 shows a further modification of the crank drive unit according to FIG. 7 or 8 in a multi-decker design
  • FIG. 10 shows a schematic illustration of a crankshaft drive unit for a shaft energy system according to a fourth preferred embodiment of the invention with an additional trim lift rotor;
  • Page 9 of 24 1 1 shows a schematic representation of a crank mechanism unit for a wave energy plant according to a fifth preferred embodiment of the invention, in which the lift rotor in the manner of turbine blades of a turbine engine
  • FIG. 12 shows a schematic illustration of a crankshaft unit for a shaft energy plant according to a sixth preferred embodiment of the invention, according to which one of the lift rotors is equipped with high-lift profiles
  • FIG. 13 shows a principal wave energy plant, in which instead of those shown in FIG
  • crankshaft units can be installed one or more crank mechanism units according to one of the preceding Figs. 1 to 12.
  • FIG. 1 shows a coupling body construction (crank mechanism unit) for a wave energy plant for converting an orbital movement of water molecules into usable energy according to a first preferred embodiment of the invention.
  • crank drive unit 10 is shown, as it is possibly installed multiple times in a single wave energy plant, which is shown by way of example in FIG. 13.
  • crank drive unit 10 has a crank or output shaft 12, which is preferably rotatably mounted between two parallel aligned support members (not shown).
  • crankshafts in this case, a plurality of such crankshafts in
  • Parallel distance from each other and along the support elements may be arranged.
  • two cranks or rotors 14 are fixed in the present case, which protrude radially from the output shaft 12 by the same length.
  • the two cranks 14 are arranged substantially 180 ° angularly offset from each other, but also a different offset angle can be provided.
  • each crank 14 At the free ends of each crank 14 is mounted a coupling body in the form of a buoyant body or rotor 16 (i.e., two buoyancy runners in the present case).
  • a coupling body in the form of a buoyant body or rotor 16 (i.e., two buoyancy runners in the present case).
  • Lifting rotor 16 has in the (illustrated) cross-section a wing profile with an asymmetrical skeleton line, i. a top, which is seen in profile depth direction more curved than the bottom.
  • Both buoyancy runners 16 preferably have the same profile shape and the same dimension and are fixed in their respective pressure point or in a region near the pressure point on the relevant crank 14. They are stored in opposition to each other, i. E. both lift rotor 16 are held at the crank ends that their respective
  • a buoyancy runner 16a is aligned at an obtuse angle to the respective crank 1, such that its chord of the profile virtually forms an extension of the respective crank 14.
  • the other lift rotor 16b is aligned at an acute angle to the respective crank 14, such that the chords of both buoyancy bodies 16 are arranged almost parallel or at an acute angle to each other. The orientation of the lift rotor 16 with respect to the rotors 14 takes place in the
  • the buoyancy runner 16 must be arranged so that they are flown in a regular operating condition at an optimal angle for the runner profile of the moving on the orbital water molecules, each by the maximum
  • the buoyancy forces acting on the pressure point of the respective runner profiles can essentially be canceled according to the invention, i.
  • the runner profiles are aligned with each other so that the oppositely generated buoyancy forces generated thereby are directed almost parallel and oppositely oriented to each other.
  • the position of the lift rotor 16 with respect to the respective rotors 14 is selected so that the largest possible lever arm is effective to produce a large torque.
  • Alignment can be mounted on the respective rotors 14.
  • the same orientation of the lift rotor would be possible with 90 ° to the left tilted rotors 14, which would produce a clockwise torque. This installation is shown, for example, in the embodiment according to FIG. 2.
  • Page 12 of 24 Pressure point position angle-independent and is also suitable as a lift rotor.
  • crank mechanism unit 10 To optimize the efficiency of the crank mechanism unit 10, numerous fluidic measures can be taken, in particular in the lift rotor 16, as they u.a. also be used in aircraft construction.
  • FIG. 3 shows, by way of example, the turbulences of a fluid, in the specific case of the medium "water”, as they occur in the case of a flow around a buoyancy runner 16 of the type according to the invention. Consequently, in particular at the profile ends seen in the profile longitudinal direction so-called vortex pebbles, the by the
  • the lift rotor 16 can be equipped with so-called winglets 18 (analogous to the winglets to the free Ends of
  • each lift rotor In the simplest case 16 flat plates or discs are attached to the two longitudinal ends of each lift rotor, which extend in the profile depth direction and prevent slipping of the flow over the longitudinal ends of the lift rotor 16.
  • Plates / winglets can be carried out relatively large, contrary to the usual in aviation state of the art. There are possible embodiments in which a
  • winglets 18 have the additional advantage that they align the wave energy system along the direction of shaft travel, whereby the output shafts 12 of the crank mechanism units 10 come to lie across the shaft. In this way, an optimal flow of the individual lift rotor 16 is ensured.
  • the plates may also be mounted in the intermediate region of the buoyant rotor ends. As a result, an improved stability for absorbing the forces and moments occurring during operation is also achieved.
  • Page 13 of 24 it is advantageous to regulate the rotational speed of the lift runners 16 in order to ensure substantially uniform operating conditions without stalls and the like, and in particular a correct alignment of the lift runners with the inflowing fluid particles. Such a regulation can in principle take place via the tapped off at the output shaft 12 torque. A bigger one
  • Torque inevitably causes the rotational speed to decelerate and vice versa.
  • an adjustment of the angle of attack of the rotor 16 is a suitable measure to influence the achievable buoyancy force and thus to vary the rotational speed (via the induced resistance).
  • To adjust the angle of the Auftriebs passerrs 16 is a variety of design options available, of which an embodiment with reference to FIG. 4 will be described in more detail below.
  • a change in the wing geometry for example, by appropriate flaps possible.
  • FIG. 4 shows the hydraulic cylinder 20 essentially parallel to the cranks (rotors) 14, on which the lifting rotors 16 are rotatably mounted in this case, whereby a kind of parallelogram results in the cross section according to FIG. 4 (special case for these Position). It should be noted that "pitching" is also possible by other design measures.
  • cranks (rotors) 14 on which the lift rotors 16 are mounted represent a critical point, since they must transmit significant torques and also external influences In the "offshore" use are exposed, so it is in principle advantageous, the crank mechanism unit
  • Page 14 of 24 10 as simple as possible to construct and thus more stable. An approach to this problem is implemented in the embodiment according to FIG.
  • crank mechanism unit 10 has a common output shaft 12 on which two lift rotors 16 are mounted directly (i.e., without the interposition of a separate crank).
  • Output shaft 12 is transmitted.
  • the one (left) lift rotor 16 is also fixed at its respective profile trailing edge to the output shaft 12, where it is mounted against the other (right) lift rotor at its Nasenfußddling.
  • a correspondingly curved plate could be provided, whereby, however, generally sets in cross section according to FIG. 5, an S-shape.
  • the lift rotor 16 may be formed integrally with the output shaft 12 or a component thereof.
  • Decisive in this arrangement is to place the attachment point between the lift rotor 16 and output shaft 12 in a pressure point distant area, thereby generating a lever arm.
  • the orientation of the buoyancy rotor 16 is then chosen so that it is optimally flowed by the orbital flow of the water molecules. That is, the attachment of a buoyancy rotor 16a at its profile trailing edge is just one conceivable possibility, depending on the angle of attack of the profile and thus the position of the pressure point and attachment to the profile nose of the lift rotor 16a may be appropriate.
  • the adjustability of the angle of attack is advantageous. This could be done for example by a rotary drive in the region of the mounting point between lift rotor 16 and output shaft 12, whereby an individual (separate)
  • Page 15 of 24 Adjustment of the lift rotor 16 would be possible.
  • a change of the wing geometry would be conceivable.
  • buoyancy runners 16 are similar in terms of shape and size. However, there is a principal possibility of making the buoyancy runners 16 different (i.e., unequal).
  • the lift coefficient of a wing profile is u.a. a function of the angle of attack. If this becomes larger, the lift coefficient increases until the stall (stall). Now increases the phase difference between the flow and the respective wing position, the lift coefficient of the upper wing 16a would fall and that of the lower wing 16b increase.
  • Such a crank mechanism unit 10 would accordingly be unstable, as the phase position difference increases (without changing the torque), until finally the lower wing 16b (first) experiences a stall, i. running in stable.
  • This effect can be avoided, for example, according to FIG. 6, in that the bottom vane 16b shown there is freely rotatable (some damping should be provided, however) near its pressure point on the crank (rotor) 14. Since the pressure point in the illustrated asymmetrical profile of the lift rotor 16 with increasing
  • the wing profile quasi automatically returns to the corresponding (lower) angle of attack. Further, it is possible (alternatively or additionally), as shown in FIG. 7, to shorten the lever arm of the upper wing 16a shown there relative to the lower wing 16b (or vice versa). in the
  • the lower wing 16b shown there is mounted via a crank 14 on the output shaft 12, whereas the upper wing 16a directly to the output shaft 12,
  • Page 16 of 24 in the present case is fixed in the region of its profile nose. As a result, it is also achieved that the lower vane 16b moves forward relative to the upper vane in the direction of rotation
  • Wing combinations and arrangements are only exemplary and the desired effect can be achieved by other arrangements.
  • the variant according to FIG. 8 provides for connecting the upper wing 16a shown there via a crank 14 to the output shaft 12, wherein the crank 14 may be connected in the region of its pressure point.
  • the lower wing 16b in FIG. 8 is fixed directly (without a crank) on the common output shaft 12, namely in a region remote from a pressure point (in the direction of its profile trailing edge). This is a positive
  • FIG. 9 shows a further variant, according to which at least one crank 14 with two drive rotors 16b (corresponding to the lower wing 16b of the variants described above) is equipped according to the principle of a double-decker.
  • the upper wing 16a is mounted directly on the common output shaft 12 in the region of its profile nose, but may alternatively be attached to a crank.
  • the pressure point of a wing is about 0.25-0.33 * depth of the wing. Consequently, in order to generate a torque, the suspension of the wing in the case of the crankless variant must be outside this range (larger or smaller). However, this results in parasitic peripheral velocities (whichever is the case, except for storage at or near the nasal root), which alter the efficiency of the crank mechanism unit 10.
  • the two stacked lift rotor 16b on the one crank 14 are preferably arranged so that they each introduce a generated buoyancy force corresponding to the respective effective lever arm as torque in the common output shaft 12. If the two (or more) lower runners 16b
  • Page 17 of 24 are placed close to each other, their flow around each other can influence about the principle of a leading and trailing wing.
  • the slat essentially serves to accelerate the top flow (as well as deceleration of a stall) on the wake (main) wing and thus increase the buoyancy.
  • FIG. 10 shows a further variant for the arrangement of a plurality of buoyancy bodies 16 on a common output shaft 12.
  • two main lift rotors 16 are mounted on the output shaft 12 via cranks 14, the cranks 14 being aligned at a predetermined angular displacement of, for example, 170-180 ° to each other.
  • At least one of the lift runners (according to FIG. 10, the upper lift runner 16a) is further fixed to the free end of a crank 14 so that its chord substantially aligns with the crank 14 so that the lift force vector is nearly perpendicular to the crank 14 runs.
  • a significantly higher torque is induced in the output shaft 12.
  • the problem arises that the forces generated by the two main lift rotor 16 do not (substantially) run parallel to each other and thus no longer compensate (almost completely).
  • the output shaft 12 would be charged in this case in addition to the common torque and a radially directed force.
  • an additional auxiliary or trim lift rotor 22 is fixed to the crank drive unit 10 according to FIG. 10 via a third (auxiliary) crank 24 on the common output shaft 12, which is arranged and turned on in that its buoyancy compensates for the uncompensated force vector portion of the main lift rotor 16.
  • an arrangement of two buoyancy runners 16 is selected, through which a mutual flow influencing in a predetermined manner is intended.
  • a lift rotor 16a (as shown in FIG. 11 above) is fixed directly on the common output shaft 2, specifically in a region remote from the pressure point near the trailing edge of this lift rotor 16a.
  • the other one (according to FIG. 11
  • Page 18 of 24 Lower lift rotor 16b is mounted on the output shaft 12 via a crank 14, wherein the crank 12 is preferably connected in its pressure point (or near the pressure point).
  • the two wings 16 are thus arranged so that the (out) flow of the one (upper) lift rotor 16a hits the bottom of the other (lower) lift rotor 16b and undergoes a redirection. As a result, the flow velocity at the top of the lower buoyancy rotor 16b is forcibly raised, thereby increasing its buoyancy force.
  • flow-conducting measures for Auftriebsbeiwertsein too can be taken, as they are also known in aircraft and as they are exemplified in FIG. 12.
  • the buoyancy runners can be flowed through and / or be equipped with a hinged trailing wing (see FIG. 12) and / or a slat, which is either on a
  • flap angle are set or adjustable. Such measures are also known in the art as high-lift aids and cause, either alone or in combination, an increase / decrease in the lift coefficient of the lift rotor 16 at a constant flow rate.
  • the coupling bodies consist of at least two oppositely directed buoyancy bodies whose buoyancy forces cancel each other out.
  • the buoyancy runners are each in the
  • At least one buoyant body is connected directly to the crankshaft in a region remote from the pressure point of the respective drive body, preferably in the region of the profile nose (profile leading edge) or the profile tip (trailing edge profile).

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Abstract

Offenbart wird folglich eine Wellenenergieanlage mit zumindest einer Kurbelwelle (12), an die Kopplungskörper (16) zur Ankopplung der Kurbelwelle an die wellenausgelöste Orbitalbewegung von Wassermolekülen angeschlossen sind. Erfindungsgemäß bestehen die Kopplungskörper aus zumindest zwei gegensätzlich ausgerichteten Auftriebskörpern, deren Auftriebskräfte sich gegenseitig aufheben. Gemäß einem Aspekt sind die Auftriebsläufer jeweils im Druckpunkt oder Druckpunkt nahen Bereich an Kurbeln (14) angeschlossen. Gemäß einem anderen Aspekt ist zumindest ein Auftriebskörper unmittelbar an die Kurbelwelle in einem Druckpunkt entfernten Bereich des jeweiligen Antriebskörpers vorzugsweise im Bereich der Profilnase (Profilvorderkante) oder der Profilspitze (Profilhinterkante) angeschlossen.

Description

Robert Bosch GmbH
331053 DE - Wiesmann
Wellenenergieanlage
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellenenergieanlage zur Umwandlung von
Wellenenergie in nutzbare Energie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Wellenkraftwerke stellen eine besondere Form der Wasserkraftwerke dar. Sie nutzen die Energie der Meereswellen zur Bereitstellung einer nutzbaren Energie wie beispielsweise eines elektrischen Stroms. Wellenkraft zählt somit zu den erneuerbaren Energien, sodass ein Wellenkraftwerk als besonders umweltfreundlich gilt.
Im Unterschied zu einem Gezeitenkraftwerk wird hierbei nicht der Tidenhub ausgenutzt, um die Energiedifferenz zwischen Ebbe und .Flut zu nutzen, sondern die kontinuierliche
Wellenbewegung. Die Fig. 13 zeigt in einer vereinfachten schematischen Seitenansicht eine Wellenenergieanlage dieser Gattung, mittels welcher es bei ihrer Platzierung unmittelbar . unter der Wasseroberfläche möglich ist, die Wellenenergie effizient zu nutzen. Hierbei macht sich die Wellenenergieanlage die Bewegung der Wassermoleküle unterhalb der
Wasseroberfläche zu nutze, die von der Welle ausgelöst wird. Im Konkreten bewegen sich Wassermoleküle, die sich im Bereich einer Welle befinden, aufgrund der Wellenbewegung auf einer Orbitalbahn, die nahe der Wasseroberfläche einen größeren
Kreisbahndurchmesser hat als in größeren Wassertiefen. An dem Beispiel gemäß der Fig. 13 wird dies näher verdeutlicht.
Demzufolge befindet sich an einem bestimmten Ort der Wasserspiegel 1 an einem so genannten Wellenberg 1a (oberer Scheitelpunkt der Welle), bevor er sinkt, den Nulldurchgang durchläuft, um schließlich ein Wellental 1c (unterer Scheitelpunkt der Welle) zu erreichen. Anschließend steigt der Wasserspiegel 1 wieder an, durchläuft wiederum den
Seite 1 von 24 Nulldurchgang, um wieder ein Maximum 1a zu erreichen. Danach beginnt die (sinusförmige) Bewegung erneut.
Wassermoleküle, die sich an der Wasseroberfläche 1 des Wellenbergs 1a oder unmittelbar unter dem Wellenberg 1a befinden, bewegen sich in der Ausbreitungsrichtung 9
(Wellenlaufrichtung), die in Fig. 13 als nach rechts gerichtet angenommen ist, gleichförmig mit der Welle. Beim anschließenden Nulldurchgang bewegen sich diese Wassermoleküle nach unten (in Tiefenrichtung), im Wellental in die zur Wellenausbreitungsrichtung entgegengesetzte Richtung, also gemäß der Fig. 13 nach links und schließlich beim darauffolgenden Nulldurchgang wieder nach oben.
Hieraus ergibt sich, dass die betroffenen Wassermoleküle sich auf den vorstehend erwähnten Orbitalbahnen bewegen, von denen in der Fig. 13 zwei Orbitalbahnen 7a, 7c beispielhaft dargestellt sind. Der Durchmesser dieser Orbitalbahnen ist an der Wasser- Oberfläche im Wesentlichen gleich dem Höhenunterschied zwischen dem Wellental 1c und dem Wellenberg 1a und nimmt, wie bereits angedeutet wurde, mit zunehmender Wassertiefe ab, wobei ab einer Wassertiefe von ca. der Hälfte der Wellenlänge nahezu keine
Orbitalbewegung mehr erkennbar ist. Die Strömungsgeschwindigkeit einer Orbitalströmung ist ferner in ihrem oberen Bereich höher als in ihrem unteren Bereich. In flachem Wasser bewegen sich die Wassermoleküle zudem nicht mehr auf einer Kreisbahn sondern auf ellipsenförmigen Bahnen.
Um die Energie der auf besagter Orbitalbahn sich bewegenden Wassermoleküle zu nutzen, werden sogenannte Kopplungskörper verwendet, die an einen Rotor oder eine Kurbel einer Wellenenergieanlage dieser Gattung angeschlossen sind, um den Rotor/ Kurbel an die unter der Welle verlaufende Orbitalbewegung der Wassermoleküle anzukoppeln. Hierfür sind grundsätzlich zumindest zwei Arten von Kopplungskörpern verwendbar:
- Auftriebsläufer sind Körper mit einem Profil, das bei Umströmen von einem Fluid (Wasser) vergleichbar zum Tragflügel eines Flugzeugs eine Auftriebskraft erzeugt, die bei einer entsprechenden Anstellung des Auftriebsläufers bezüglich der Kurbel/Rotors ein
Drehmoment bewirkt ;
Seite 2 von 24 - Widerstandsläufer sind Körper, welche die Druckkraft anströmender Wassermoleküle nutzen, um ein Drehmoment zu erzeugen.
Aus dem Stand der Technik sind Wellenenergieanlagen dieser Gattung bekannt, welche sowohl Auftriebs- als auch Widerstandsläufer als Kopplungskörper vorsehen. Beispielsweise gemäß einem hausinternen Stand der Technik ist es der Anmelderin bekannt, den Rotor einer Wellenenergieanlage mit einer Kombination aus einem Auftriebs- und einem
Widerstandsläufer zu bestücken, woraus sich eine besonders vorteilhafte Kombination der auf die Kopplungskörper wirkenden Kräfte ergibt, die zu einer besonders stabilen
Gesamtlage führt. Insbesondere können durch die Kombination der prinzipiell
unterschiedlichen Kopplungskörper an einer Kurbelwelle Unregelmäßigkeiten in der
Drehgeschwindigkeit des Rotors (z.B. Voreilen eines Widerstandsläufers) zumindest teilweise kompensiert werden. Ferner üben die zumindest zwei Kopplungskörper ein hohes Drehmoment auf die Kurbelwelle aus, wodurch bereits ein insgesamt hoher Wirkungsgrad der Anlage erzielt werden kann.
Indessen werden insbesondere bei Verwendung eines Widerstandsläufers Kräfte in radialer Richtung in den Rotor und damit in die Anlage induziert, die zu einer räumlichen Verlagerung der Anlage bezüglich der Welle führen. In sofern entstehen hierdurch Verluste, die sich negativ auf den Wirkungsgrad der Anlage auswirken.
Angesichts dieses Stands der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wellenenergieanlage dieser Gattung zu schaffen, deren Wirkungsgrad weiter erhöht ist. Diese Aufgabe wird durch eine Wellenenergieanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht demzufolge darin, durch die Anordnung bei- spielweise von zwei Auftriebskörpern an einer gemeinsamen Welle ein Kräftepaar zu erzeugen, das zu einem im Wesentlichen reinen Drehmoment führt, die ansonsten jedoch auftretenden Radialkräfte ähnlich wie bei der Verwendung von Widerstandsläufern oder eines einzelnen Auftriebsläufers vermieden werden.
Seite 3 von 24 Gemäß einem Aspekt der Erfindung hat die Wellenenergieanlage folglich zumindest eine Kurbelwelle, an die Kopplungskörper zur Ankopplung der Kurbelwelle an die
wellenausgelöste Orbitalbewegung von Wassermolekülen angeschlossen sind. Die
Kopplungskörper sind aus zumindest zwei Auftriebskörpern gebildet. Idealerweise sind diese bezüglich der Kurbelwelle so ausgerichtet, dass deren Auftriebskräfte auf parallelen
Kraftlinien mit gegensätzlicher Orientierung verlaufen, so dass sie sich aufheben bzw.
zumindest verringern - die resultierende Kraft auf die Gesamtmaschine also reduziert wird. Damit wirken in einer stationären, d.h. richtungskonstanten Strömung, bei der die Kurbel eine stabile Winkellage bezüglich der Strömung einnimmt, auf die Kurbelwelle im Wesentlichen nur Drehmomente. Hierdurch erlauben die zwei oder mehr Auftriebskörper eine
vergleichsweise effiziente Ausnutzung der Orbitalbewegung, insbesondere ein hohes Abtriebsmoment der Kurbel (des Rotors). Des Weiteren kommt die Kurbel (der Rotor) bei einer Drehung der Strömungsrichtung in Bewegung und folgt dabei der (Orbital-) Strömung mit einem bestimmten Winkelversatz in Abhängigkeit von seinem Abtriebsmoment, das an der Kurbelwelle abgegriffen wird. Idealer Weise steigen die auf den Rotor einwirkenden "Nachführkräfte" mit steigendem Winkelversatz (steigendem Abtriebsmoment) gegenüber der stabilen Lage an, bis ein maximal zulässiger Winkelversatz erreicht ist (Stallgrenze).
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Kurbelwelle bekannter Maßen vor- zugsweise über ein Getriebe beispielsweise mit einem Generator zur Transformation der Wellenenergie in nutzbare Energie wie elektrischen Strom wirkverbunden ist. Des Weiteren ist die gesamte Wellenenergieanlage derart konstruiert, dass sie einen im Wesentlichen neutralen Auftrieb hat, bzw. durch vorzugsweise änderbare Auftriebskörper in einer stabilen Tauchposition gehalten werden kann, sodass die Kopplungskörper einen hohen
Wirkungsgrad erreichen. Dieser Wirkungsgrad wird insbesondere dann erhalten, wenn die gesamte Wellenenergieanlage derart ausgerichtet ist, dass sich die Kurbelwelle
(Kurbelwellen) im Wesentlichen horizontal und im Wesentlichen senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung der ankommenden Wellen ausrichtet. Vorzugsweise sind die Auftriebskörper über Kurbeln an die Kurbelwelle gekoppelt, die jeweils im Druckpunkt oder Druckpunkt nahen Bereich des betreffenden Auftriebskörpers an diesen angeschlossen sind. Der Druckpunkt eines Auftriebskörperprofils (wie ein Flügelprofil) ist jener Punkt, durch den die Kraftlinien der Auftriebs- und Widerstandskräfte
(Strömungsresultierende Kräfte) verlaufen. Durch eine derartige Lagerung werden unnötige
Seite 4 von 24 die gesamte Konstruktion ggf. überstrapazierende Drehmomente auf die Auftriebskörper sowie deren Befestigungen an den Kurbeln (Rotoren) vermieden.
Allen bisher angeführten Auftriebsläufern ist gemein, dass sie an einem Kurbeltrieb an- gebracht sind, um ein Drehmoment in eine Kurbelwelle zu übertragen. Ein derartiger
Kurbeltrieb beinhaltet jedoch eine konstruktive Komplexität mit zusätzlichen mechanischen Lagern und Befestigungen für die Kopplungskörper an den Kurbeln sowie Komponenten, die in der maritimen Einsatzumgebung hohen Anforderungen ausgesetzt sind. Demzufolge ist es notwendig, die Halterung der Auftriebsläufer möglichst einfach zu gestalten, indem, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein kurbeltriebfreier Lösungsansatz beschrieben wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist zumindest ein Auftriebskörper unmittelbar an die Kurbelwelle in einem Druckpunkt entfernten Bereich des jeweiligen Antriebskörpers vorzugsweise im Bereich der Vorderkante (Profilnase) oder der (Profil-)hinterkante angeschlossen.
Aufgrund der druckpunktfernen Befestigung der Auftriebsläufer unmittelbar an der Abtriebswelle ergibt sich durch die Auftriebskraft im Druckpunkt ein Drehmoment an der Abtriebswelle, das durch entsprechende Mittel beispielsweise in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Je größer der Abstand zwischen der Welle und dem Druckpunkt ist, desto größer ist das abgreifbare Drehmoment bei gleicher Anströmung. Demzufolge kann die Abtriebswelle sowohl in Richtung zum Nasenfußpunkt oder in Richtung Flügelspitze (Profilhinterkante) verschoben sein. Durch die Verschieberichtung bezüglich des
Druckpunkts wird in Kombination mit der Profilausgestaltung auch die Drehrichtung des Auftriebsläufers bestimmt. Diese sollte so gewählt sein, dass die Drehrichtung der
Kurbelwelle mit der Orientierung der Orbitalströmung passt.
Wie bei der Montage der Auftriebskörper an der Abtriebswelle über Kurbeln ergibt sich auch bei der direkten "Offsef'-Montage der Auftriebskörper an der Abtriebswelle gemäß der unmittelbar vorstehenden Beschreibung bei Erzeugung eines Kräftepaares entsprechender Ausrichtung, dass ein weitgehend reines Drehmoment auf die Abtriebswelle angelegt wird, ohne dass radial wirkende Kräfte abgestützt werden müssten.
Seite 5 von 24 Vorzugsweise ist eine Anstellwinkel-Einstelleinrichtung vorgesehen, über die der Winkel der Profilsehne von zumindest einem der Auftriebskörper bezüglich der Profilsehne des zumindest anderen Auftriebskörpers (gemeinsam oder individuell) veränderbar ist. Es hat sich hier gezeigt, dass in erfindungsgemäßen Ausführungsformen mit zumindest zwei kombinierten Auftriebskörpern (-läufern) an einem gemeinsamen Kurbeltrieb eine gute Regelung der Rotationsgeschwindigkeit vorteilhaft ist, beispielsweise um weitgehend gleichförmige Einsatzbedingungen ohne Strömungsabrisse und dergleichen sicher zu stellen. Eine derartige Regelung kann grundsätzlich über das an der Abtriebswelle abgegriffene Drehmoment erfolgen, wie die vorstehend bereits angedeutet wurde. Ein größeres Drehmoment führt dabei zu einer stärkeren Bedämpfung und damit zu einer geringeren Umlaufgeschwindigkeit der Auftriebsläufer (größerer Winkelversatz).
Alternativ ist jedoch über die Anstellwinkel-Einstelleinrichtung ein sogenanntes "Pitchen" der Auftriebskörper möglich, also eine Änderung des Anströmwinkels. Dadurch kann die
Auftriebskraft und damit das an der Abtriebswelle angreifende Drehmoment variiert werden, was insbesondere bei einem konstanten Drehmomentabgriff zu einer Umlaufgeschwindigkeitsänderung führt. Prinzipiell ist natürlich auch eine Kombination der vorstehenden Maßnahmen möglich. Alternativ ist auch eine Änderung der Flügelgeometrie, beispielsweise über verstellbare Klappen möglich, wie nachfolgend noch beschrieben wird. Auch dadurch kann das Drehmoment entsprechend beeinflusst werden.
Bei der Kombination von zwei gegensätzlich ausgerichteten Auftriebsläufern zu einem Doppelläufer an einer Kurbelwelle ergibt sich eine besonders einfache Möglichkeit des "Pitchens", nämlich dann, wenn zwischen den beiden Auftriebsläufern, z.B. an den
Profilhinterkanten ein oder mehrere längenverstellbare Antriebe (Kolben-Zylinder-Einheiten, Spindelantriebe, Teleskopmechanismen, etc.) angebracht sind. Durch Verstellen dieser Antriebe kann dann der Winkel zwischen den beiden Profilen (bzw. deren Profilsehnen) und damit auch der Winkel zur Anströmung verändert werden. Vorteilhaft wäre hierbei noch die Sicherstellung der weitgehend parallelen Ausrichtung des Antriebs zu den Hebelarmen (Kurbeln) des Kurbelantriebs. Alternativ zu der Beibehaltung einer parallelen Ausrichtung des Antriebs können auch beide Auftriebsläufer mit einer Blockiereinrichtung an der Kurbelwelle angeordnet sein. Wird nur eine der beiden Blockierungen gelöst, so kann der andere Auftriebsläufer mit dem Antrieb relativ zu dem einen Auftriebsläufer verstellt werden. Die Anordnung einer Anstellwinkel-Einstelleinrichtung ist jedoch grundsätzlich auch bei der
Seite 6 von 24 direkten "Offsef-Montage der Auftriebskörper an der Abtriebswelle gemäß vorstehender Beschreibung möglich.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, die Auftriebskörper mit so genannten Winglets zu versehen, um Wirbelzöpfe an den (in Flügellängenrichtung gesehenen) Auftriebskörperenden zu verringern, die zu einer Reduktion der Auftriebskraft und damit des abgreifbaren
Drehmoments und folgerichtig der Leistung der Anlage führen würden. Zusätzlich wird durch derartige Winglets der induzierte Strömungswiderstand der Flügel reduziert. Diese Winglets haben den zusätzlichen Vorteil, dass sich die Anlage bezüglich der Wellenverlaufsrichtung so anordnet, dass die Abtriebswellen quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Auftriebskörper mit unterschiedlichen Profilen ausgebildet sind, um unterschiedliche Anstellwinkel und/oder Auftriebskräfte zu realisieren. Damit ist es prinzipiell möglich, die Auftriebskörper so an- zuordnen, dass sich deren Strömungen jeweils beeinflussen oder unbeeinflusst lassen, je nach Anwendungsfall.
Dies ermöglicht es ferner, dass die wirksamen Hebelarme der Auftriebskörper vorzugsweise unterschiedlich lang sind, um unterschiedliche Drehmomente zu erzeugen. Auch ist es unabhängig hiervon möglich, dass mehrere Auftriebskörper an einer Kurbel nach Art eines Mehrdeckers montiert sind. Hierdurch können die Profillängen insgesamt verkürzt und bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten größere Drehmomente erzeugt werden.
Vorteilhaft ist es auch, dass die Auftriebskörper mit Hochauftriebshilfen versehen sind, die voreingestellt oder dynamisch über entsprechende Betätigungseinrichtungen verstellbar sind. Hierdurch können die Auftriebsläufer an sich verändernde Strömungsbedingungen angepasst werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Dämpfung oder ein Phasenwinkel einer Drehbewegung der Kurbelwelle gegenüber der umlaufenden
Orbitalströmung einstellbar oder regelbar ist. Vorzugsweise ist die Dämpfung und/oder der Phasenwinkel über einen an einem Arbeitsanschluss einer Hydropumpe als
Drehmomentwandlungsmittel wirkenden Gegendruck und/oder über ein Drehmoment an einem elektrischen Generator als Drehmomentwandlungsmittel geregelt. Alternativ ist es
Seite 7 von 24 möglich, dass die Dämpfung und/oder der Phasenwinkel über eine schwenkbare oder drehbare Widerstandsfläche oder über eine Bremse, insbesondere Wirbelstrombremse geregelt ist. Schließlich kann es alternativ vorgesehen sein, dass die Dämpfung und/oder der Phasenwinkel über Pitchen - also eine Veränderung des Anstellwinkels des Auftriebskörpers bezüglich der Anströmung - und/oder über eine Änderung der Flügelgeometrie und/oder über eine Änderung der Länge des Kurbel-Hebelarms und/oder über eine Änderung des Winkels zwischen der Kurbel und dem Auftriebskörper geregelt ist.
Ferner sieht ein Aspekt der Erfindung vor, dass das vorgesehene Mittel zur Wandlung des von der Kurbelwelle abgegebenen Drehmoments eine Hydropumpe oder ein Getriebe mit nachgeschaltetem Generator ist, wobei das Mittel zur Wandlung des Drehmoments von der Kurbelwelle antreibbar ist.
Des Weiteren ist die Wellenenergieanlage gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung mit mehreren Kurbelwellen ausgerüstet, die etwa in gleicher Tiefe des Fluids angeordnet und zusammen in einem etwa rahmenförmigen Träger gelagert sind. Vorzugsweise erstreckt sich der Rahmen über mehrere Wellenberge und/oder über mehrere Wellentäler. Weiter vorzugsweise ist am Träger eine horizontale und/oder vertikale Dämpfungsplatte
vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung können im Fluid Drucksensoren und/oder drehmomentarme Wetterfahnenrotoren und/öder Paare von winklig zueinander
angeordneten piezoelektrischen Biegewandlern oder optische Sensoren, insbesondere mit einem Laser, vorgesehen sein. Solche Sensoren sind am vorgenannten Träger befestigt und dienen z.B. der Steuerung der Dämpfung, des Phasenwinkel, und ggf. der Ausrichtung des Trägers in Bezug auf die Wellenrichtung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kurbeltrieb-Einheit für eine Wellenenergieanlage gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Seite 8 von 24 Fig. 2 zeigt die Kurbeltrieb-Einheit gemäß der Fig. 1 in einer abgewandelten Form, d.h. mit umgekehrt eingebauten Auftriebsläufern;
Fig. 3 zeigt das Strömungsverhalten eines den Auftriebsläufer umströmenden Mediums sowie die Anwendung von Strömungsleitelementen (vorzugsweise Winglets) zur positiven Beeinflussung des Strömungsverhaltens;
Fig. 4 zeigt eine weitere Abwandlung der Kurbeltrieb-Einheit gemäß einer der Fig. 1 bis 3 aus- (nach-)gerüstet mit einer Anstellwinkel-Einstelleinrichtung;
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Kurbeltrieb-Einheit für eine Wellen- energieanlage gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung (ohne externe Kurbeln); Fig. 6 zeigt eine weitere Abwandlung der Kurbeltrieb-Einheit gemäß einer der Fig. 1 bis 5 mit zumindest einem drehbar aufgehängten Auftriebsläufer zum Ausgleich der Auftriebskräfte bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten an den Auftriebsläufern;
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Kurbeltrieb-Einheit für eine Wellen- energieanlage gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorzugsweise ebenfalls zum Ausgleichen von unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten an den Auftriebsläufern sowie (nahezu) ohne gegenseitige Beeinflussung der jeweiligen Umströmungen; Fig. 8 zeigt eine Abwandlung der Kurbeltrieb-Einheit gemäß der Fig. 7 zur Erreichung einer gegenseitigen Beeinflussung der Auftriebsläufer;
Fig. 9 zeigt eine weitere Abwandlung der Kurbeltrieb-Einheit gemäß der Fig. 7 oder 8 in Mehrdeckerausführung;
Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Kurbeltrieb-Einheit für eine Wellen- energieanlage gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem zusätzlichen Trimmungs-Auftriebsläufer;
Seite 9 von 24 Fig. 1 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kurbeltrieb-Einheit für eine Wellenenergieanlage gemäß einem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welcher die Auftriebsläufer nach Art von Turbinenschaufeln eines Turbinentriebwerks
(Vorflügel mit nachfolgendem Hauptflügel) angeordnet sind;
Fig. 12 zeigt eine schematische Darstellung einer Kurbeltrieb-Einheit für eine Wellen- energieanlage gemäß einem sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wonach einer der Auftriebsläufer mit Hochauftriebsprofilen ausgerüstet ist und Fig. 13 zeigt eine prinzipielle Wellenenergieanlage, in die anstelle der dort dargestellten
Kurbeltrieb-Einheiten ein oder mehrere Kurbeltrieb-Einheiten gemäß einer der vorstehenden Fig. 1 bis 12 eingebaut sein können.
In Fig. 1 ist eine Kopplungskörperkonstruktion (Kurbeltrieb-Einheit) für eine Wellen- energieanlage zur Umwandlung einer Orbitalbewegung von Wassermolekülen in nutzbare Energie gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.
Im Konkreten ist eine Kurbeltrieb-Einheit 10 dargestellt, wie sie ggf. mehrfach in einer einzigen Wellenenergieanlage verbaut ist, die beispielhaft in der Fig. 13 dargestellt ist.
Demzufolge hat die Kurbeltrieb-Einheit 10 eine Kurbel- oder Abtriebswelle 12, die vorzugsweise zwischen zwei parallel ausgerichteten Trägerelementen (nicht weiter gezeigt) drehbar gelagert ist. Dabei kann eine Mehrzahl an derartigen Kurbelwellen im
Parallelabstand zueinander sowie längs der Trägerelemente angeordnet sein. An der Abtriebswelle 12 sind vorliegend zwei Kurbeln bzw. Rotoren 14 fixiert, die radial von der Abtriebswelle 12 um die gleiche Länge vorragen. Im ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die beiden Kurbeln 14 im Wesentlichen 180° winkelversetzt zueinander angeordnet, wobei jedoch auch ein anderer Versatzwinkel vorgesehen sein kann.
An den freien Enden jeder Kurbel 14 ist ein Kopplungskörper in Form eines Auftriebskörpers oder -läufers 16 angebracht (d.h. im vorliegenden Fall zwei Auftriebsläufer). Jeder
Auftriebsläufer 16 hat im (dargestellten) Querschnitt ein Tragflügelprofil mit einer unsymmetrischen Skelettlinie, d.h. einer Oberseite, die in Profiltiefenrichtung gesehen stärker gewölbt- ist als die Unterseite.
Seite 10 von 24 An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, dass auch symmetrische Profile oder einfach Platten mit einem entsprechenden Anstellwinkel zum Einsatz kommen können.
Beide Auftriebsläufer 16 haben vorzugsweise die gleiche Profilform sowie die gleiche Ab- messung und sind jeweils in ihrem Druckpunkt oder in einem druckpunktnahen Bereich an der betreffenden Kurbel 14 fest fixiert. Dabei sind sie gegensätzlich zueinander gelagert, d.h. beide Auftriebsläufer 16 sind so an den Kurbelenden gehalten, dass ihre jeweiligen
Unterseiten einander zugewandt sind. Ferner ist ein Auftriebsläufer 16a unter einen stumpfen Winkel zu der jeweiligen Kurbel 1 ausgerichtet, derart, dass seine Profilsehne quasi eine Verlängerung der jeweiligen Kurbel 14 bildet. Der andere Auftriebsläufer 16b ist unter einem spitzen Winkel zur jeweiligen Kurbel 14 ausgerichtet, derart, dass sich die Profilsehnen beider Auftriebskörper 16 nahezu parallel bzw. in einem (windschiefen) spitzen Winkel zueinander anordnen. Die Ausrichtung der Auftriebsläufer 16 bezüglich der Rotoren 14 erfolgt dabei im
Wesentlichen unter den folgenden drei Gesichtspunkten:
- Die Auftriebsläufer 16 müssen so angeordnet sein, dass sie in einem regulären Betriebszustand unter einem für das Läuferprofil optimalen Winkel von den auf der Orbitalbahn sich bewegenden Wassermolekülen angeströmt werden, um jeweils die maximale
Auftriebskraft zu erzeugen. Zu berücksichtigen ist hier auch die überlagerte Eigenbewegung der Auftriebsläufer 16 durch die Rotation um die Kurbel 12. Da die beiden Läufer 16 seitenverkehrt zueinander an den vorzugsweise ca. 180° versetzten Rotoren 14 montiert sind, ergeben sich zwei in gleiche Richtung wirkende Drehmomente, die auf die
Abtriebswelle übertragen werden.
- Die im Druckpunkt der jeweiligen Läuferprofile angreifenden Auftriebskräfte können sich erfindungsgemäß im Wesentlichen aufheben, d.h. die Läuferprofile sind so zueinander ausgerichtet, dass die hierdurch erzeugten, entgegengesetzt wirkenden Auftriebskräfte nahezu parallel und gegensätzlich orientiert zueinander gerichtet sind.
- Die Lage der Auftriebsläufer 16 bezüglich der jeweiligen Rotoren 14 ist so gewählt, dass ein möglichst großer Hebelarm wirksam ist, um ein großes Drehmoment zu erzeugen.
Seite 1 1 von 24 Durch diese Maßnahmen wird erreicht, dass an der gemeinsamen Abtriebswelle 12 nur ein (weitestgehend reines) Drehmoment vorliegt, wohingegen sich durch den jeweiligen Auftrieb ein (gegensätzlich ausgerichtetes) Kräftepaar ergibt, das sich gegenseitig neutralisiert (im Sinne von verringert).
Durch die Anordnung der vorzugsweise zwei Auftriebsläufer 16 gemäß der Fig. 1 , d.h.
aufgrund dessen, dass der gemäß der Fig. 1 obere Auftriebsläufer 16a mit seiner Oberseite nach oben und der untere Auftriebsläufer 16b mit seiner Oberseite nach unten montiert ist, ergibt sich eine gemeinsame Drehmomentrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn. Dabei sei darauf hingewiesen, dass die beiden Auftriebsläufer 16 auch in genau umgekehrter
Ausrichtung an den jeweiligen Rotoren 14 montiert sein können. Zusätzlich wäre auch die gleiche Ausrichtung der Auftriebsläufer mit um 90° nach links verkippten Rotoren 14 möglich, die ein Drehmoment im Uhrzeigersinn erzeugen würde. Dieser Einbau wird beispielweise in der Ausführungsform gemäß der Fig. 2 dargestellt.
Demzufolge ist der obere Auftriebsläufer 16a mit seiner Oberseite nach unten und der untere Auftriebsläufer 16b mit seiner Oberseite nach oben an den Rotoren 14 fixiert, wodurch sich eine gemeinsame Drehmomentrichtung in Uhrzeigerrichtung ergibt. Abschließend sei hierzu noch erwähnt, dass der vorstehend genannte 180°-Winkelversatz der beiden Kurbeln 14 sowie die dargestellte Winkellage der zwei Auftriebsläufer 16 bezüglich ihrer zugehörigen Kurbel 14 nur beispielhaft ist, wobei wie bereits angedeutet wurde weitere Winkeleinstellungen zwischen Kurbel 14 und Auftriebsläufer 16 denkbar sind und in Abhängigkeit des geplanten Einsatzes der Wellenkraftanlage analytisch optimiert werden können.
Besonders vorteilhaft ist jedoch in jedem Fall eine Lagerung der Auftriebsläufer 16 in ihrem jeweiligen Druckpunkt bzw. in der unmittelbaren Nähe davon. Durch eine derartige Lagerung werden nämlich Drehmomente auf die Befestigung zwischen Rotor 14 und Auftriebsläufer 16 weitgehend vermieden (bzw. reduziert). Da im Fall eines unsymmetrischen Profils für den Auftriebskörper 16, wie er in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, die genaue Druckpunktlage vom Anstellwinkel des Profils zur Strömungsrichtung abhängig ist und entsprechend längs der Profiltiefe wandert, ist die Befestigung des Profils genau im Druckpunkt praktisch nicht möglich. Eine Ausnahme bildet hier jedoch ein im Querschnitt symmetrisches Profil, dessen
Seite 12 von 24 Druckpunktlage Anstellwinkel-unabhängig ist und das sich ebenfalls als Auftriebsläufer eignet.
Zur Optimierung des Wirkungsgrads der Kurbeltrieb-Einheit 10 können insbesondere bei den Auftriebsläufern 16 zahlreiche strömungstechnische Maßnahmen ergriffen werden, wie sie u.a. auch im Flugzeugbau eingesetzt werden.
In der Fig. 3 sind beispielhaft die Verwirbelungen eines Fluids, im konkreten Fall des Mediums "Wasser" gezeigt, wie sie bei einer Umströmung eines Auftriebsläufers 16 der erfindungsgemäßen Bauart auftreten. Demzufolge ergeben sich insbesondere an den Profilenden in Profillängsrichtung gesehen sogenannte Wirbelzöpfe, die den durch die
Auftriebskräfte induzierten Widerstand des Profils erhöhen und sich somit nachteilig auf den Wirkungsgrad des Profils auswirken. Um diese Wirbelzöpfe an den beiden
Auftriebsläuferenden zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, die zu einer Verringerung der Auftriebskraft und damit des Drehmoments und folgerichtig der Leistung der jeweiligen Kurbeltrieb-Einheit 10 führen würden, können die Auftriebsläufer 16 mit so genannten Winglets 18 ausgestattet werden (analog zu den Winglets an den freien Enden von
Tragflügeln). Im einfachsten Fall sind an den beiden Längsenden jedes Auftriebsläufers 16 flache Platten oder Scheiben befestigt, die sich in Profiltiefenrichtung erstrecken und ein Abgleiten der Strömung über die Längsenden der Auftriebsläufer 16 verhindern. Diese
Platten/Winglets können entgegen dem in der Luftfahrt üblichen Stand der Technik relativ großflächig ausgeführt sein. Es sind Ausführungsformen möglich, bei denen eine
gemeinsame Platte für beide Auftriebsläufer gemeinschaftlich genutzt wird. In diesem Fall können die Platten auch als halternde Aufnahme für die Auftriebsläufer genutzt werden. Die Kurbelwelle könnte dann nicht durchgängig zwischen den Läufern verlaufen, sondern wäre auf zwei außen an den Platten/Winglets angreifende Wellenzapfen reduziert.
Diese Winglets 18 haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie die Wellenenergieanlage längs der Wellenlaufrichtung ausrichten, wodurch die Abtriebswellen 12 der Kurbeltrieb-Einheiten 10 quer zur Welle zu liegen kommen. Auf diese Weise wird eine optimale Anströmung der einzelnen Auftriebsläufer 16 gewährleistet. Um den Ausrichtungseffekt zu verstärken, können die Platten auch im Zwischenbereich der Auftriebsläuferenden angebracht sein. Dadurch wird zudem auch eine verbesserte Stabilität zur Aufnahme der im Betrieb auftretenden Kräfte und Momente erreicht.
Seite 13 von 24 Grundsätzlich ist es vorteilhaft, die Rotationsgeschwindigkeit der Auftriebsläufer 16 zu regeln, um weitgehend gleichförmige Einsatzbedingungen ohne Strömungsabrisse und dergleichen und insbesondere eine lagerichtige Ausrichtung der Auftriebsläufer zu den anströmenden Fluidpartikeln sicher zu stellen. Eine derartige Regelung kann grundsätzlich über das an der Abtriebswelle 12 abgegriffene Drehmoment erfolgen. Ein größeres
Drehmoment bewirkt zwangläufig ein Abbremsen der Rotationsgeschwindigkeit und umgekehrt.
Alternativ oder zusätzlich ist jedoch auch eine Verstellung des Anstellwinkels des Auf- triebsläufers 16 eine geeignete Maßnahme, die erzielbare Auftriebskraft zu beeinflussen und damit die Rotationsgeschwindigkeit (über den induzierten Widerstand) zu variieren. Zur Verstellung des Anstellwinkels des Auftriebsläufers 16 steht eine Vielzahl von konstruktiven Möglichkeiten zur Verfügung, von denen nachfolgend eine Ausführungsform anhand der Fig. 4 näher beschrieben werden soll. Alternativ ist aber auch eine Änderung der Flügelgeometrie beispielsweise durch entsprechende Klappen möglich.
Demzufolge ergibt sich bei der Kombination von zwei Auftriebsläufern 16 die einfache Möglichkeit des "Pitchens", indem als eine mögliche Variante zwischen den Profilhinterkanten ein oder mehrere Hydraulikzylinder 20 angebracht sind, welche die
Profilhinterkanten voneinander wegdrücken oder zueinander ziehen. Durch Aus- und
Einfahren der Hydraulikzylinder 20 wird der Winkel zwischen den beiden Auftriebsläufern 16 und damit auch der Winkel zur Anströmung auf einfache Weise verändert. Des Weiteren zeigt die Fig. 4 den Hydraulikzylinder 20 im Wesentlichen parallel zu den Kurbeln (Rotoren) 14, an denen die Auftriebsläufer 16 in diesem Fall drehbar gelagert sind, wodurch sich im Querschnitt gemäß der Fig. 4 eine Art Parallelogramm ergibt (Sonderfall für diese Position). Hier sei darauf hingewiesen, dass das„Pitchen" auch durch andere konstruktive Maßnahmen möglich ist.
Trotz der vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur optimierten Bereitstellung einer Kurbeltrieb-Einheit 10 ausschließlich bestückt mit Auftriebsläufern 16, stellen die Kurbeln (Rotoren) 14, an denen die Auftriebsläufer 16 montiert sind, eine kritische Stelle dar, da diese erhebliche Drehmomente übertragen müssen und ferner äußeren Einflüssen im "Offshore'-Einsatz ausgesetzt sind. Es ist also prinzipiell vorteilhaft, die Kurbeltrieb-Einheit
Seite 14 von 24 10 möglichst einfach zu konstruieren und damit standfester zu machen. Ein Lösungsansatz für dieses Problem ist in den Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 5 umgesetzt.
Demnach hat die Kurbeltrieb-Einheit 10 gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine gemeinsame Abtriebswelle 12, an der vorliegend zwei Auftriebsläufer 16 unmittelbar (d.h. ohne Zwischenschaltung einer separaten Kurbel) montiert sind. Im
Konkreten sind an der Abtriebswelle 12 in einem Winkelversatz von ca. 180° (kann hiervon jedoch auch deutlich abweichen, eventuell sogar einstellbar bzw. Flügel mit veränderbarem Profil) zwei Auftriebsläufer 16 mit jeweils unsymmetrischem Tragflügelprofil vergleichbar zü den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen drehfest fixiert, derart, dass sich die Oberseite des einen Auftriebsläufers 16b nach oben und die Oberseite des anderen
Auftriebsläufers 16a nach unten ausrichten. Das hierdurch sich ergebende
Auftriebskräftepaar ist folglich im Wesentlichen gegensätzlich ausgerichtet und hebt sich somit im Wesentlichen auf, sodass ein im Wesentlichen reines Drehmoment auf die
Abtriebswelle 12 übertragen wird. Der eine (linke) Auftriebsläufer 16 ist ferner an seiner jeweiligen Profilhinterkante an der Abtriebswelle 12 fixiert, wohin gegen der andere (rechte) Auftriebsläufer an seinem Nasenfußpunkt montiert ist. Anstelle des gezeigten Flügelprofils könnte auch eine entsprechend geschwungene Platte vorgesehen sein, wodurch sich jedoch generell im Querschnitt gemäß der Fig. 5 eine S-Form einstellt. Vorzugsweise können die Auftriebsläufer 16 einstückig mit der Abtriebswelle 12 bzw. einem Bestandteil von dieser ausgeformt sein.
Entscheidend bei dieser Anordnung ist es, den Befestigungspunkt zwischen Auftriebsläufer 16 und Abtriebswelle 12 in einen Druckpunkt fernen Bereich zu legen, um hierdurch einen Hebelarm zu generieren. Die Ausrichtung des Auftriebsläufers 16 wird dann so gewählt, dass dieser optimal von der Orbitalströmung der Wassermoleküle angeströmt wird. D.h., die Befestigung des einen Auftriebsläufers 16a an seiner Profilhinterkante ist nur eine denkbare Möglichkeit, wobei je nach Anstellwinkel des Profils und damit die Lage des Druckpunkts auch eine Befestigung an der Profilnase des Auftriebsläufers 16a ggf. geeignet wäre.
Auch in dieser Ausführungsform ist die Einstellbarkeit des Anstellwinkels von Vorteil. Dies könnte beispielsweise durch einen Drehantrieb im Bereich des Montagepunkts zwischen Auftriebsläufer 16 und Abtriebswelle 12 erfolgen, wodurch auch eine individuelle (separate)
Seite 15 von 24 Einstellung der Auftriebsläufer 16 möglich wäre. Auch eine Änderung der Flügelgeometrie wäre denkbar.
Schließlich sind die vorzugsweise zwei Auftriebsläufer 16 gemäß der Fig. 5 hinsichtlich Form und Größe ähnlich. Es besteht jedoch die prinzipielle Möglichkeit, die Auftriebsläufer 16 unterschiedlich (d.h. ungleich) zu gestalten.
Bei der Verwendung von mehreren Auftriebskörpern 16 hat sich gezeigt, dass infolge unterschiedlicher Anströmgeschwindigkeiten am oberen 16a und unteren Auftriebsläufer 16b unterschiedliche Auftriebskräfte erzeugt werden. Im Ergebnis kann dies dazu führen, dass radiale Kräfte in die Abtriebswelle 12 eingeleitet werden, die abgestützt werden müssen. Auch zeigen Kurbeltrieb-Einheiten 10 ausschließlich bestückt mit Auftriebsläufern 16 eine weniger ausgeprägte regelungstechnische Stabilität. Maßnahmen zur Abschwächung dieser Probleme werden nachfolgend anhand der Fig. 6 bis 12 beschrieben, die einzeln oder in Kombination ergriffen werden können.
Der Auftriebsbeiwert eines Flügelprofils (Auftriebsläufers) ist u.a. eine Funktion des Anstellwinkels. Wird dieser größer, so steigt der Auftriebsbeiwert an bis zum Strömungsabriss (Stall). Steigt nun die Phasenlagendifferenz zwischen der Anströmung und der jeweiligen Flügelposition, so würde der Auftriebsbeiwert des oberen Flügels 16a fallen und der des unteren Flügels 16b ansteigen. Eine solche Kurbeltrieb-Einheit 10 wäre demnach instabil, da die Phasenlagendifferenz ansteigt (ohne Änderung des Drehmoments), bis letztlich der untere Flügel 16b (zuerst) einen Strömungsabriss erfährt, d.h. in Stall läuft. Dieser Effekt lässt sich beispielsweise gemäß der Fig. 6 dadurch vermeiden, indem der dort gezeigte untere Flügel 16b frei drehbar (eine gewisse Dämpfung sollte jedoch vorgesehen sein) nahe seinem Druckpunkt an der Kurbel (Rotor) 14 aufgehängt ist. Da der Druckpunkt bei dem gezeigten unsymmetrischen Profil des Auftriebsläufers 16 mit steigendem
Anstellwinkel in Richtung seiner Flügelhinterkante wandert, stellt sich das Flügelprofil quasi selbsttätig auf den entsprechenden (geringeren) Anstellwinkel zurück. Ferner ist es möglich (alternativ oder zusätzlich), gemäß der Fig. 7 den Hebelarm des dort gezeigten oberen Flügels 16a gegenüber dem unteren Flügel 16b zu verkürzen (oder umgekehrt). Im
Konkreten ist der dort gezeigte untere Flügel 16b über eine Kurbel 14 an der Abtriebswelle 12 montiert, wohingegen der obere Flügel 16a unmittelbar an der Abtriebswelle 12,
Seite 16 von 24 vorliegend im Bereich seiner Profilnase fixiert ist. Dadurch wird auch erreicht, dass der untere Flügel 16b gegenüber dem oberen Flügel in Drehrichtung gesehen vorrückt
(Kraftvektor des unteren Flügels 16b liegt vor der Profilnase des oberen Flügels 16a;
Kraftvektor des oberen Flügels 16a liegt weit in Richtung Hinterkante des unteren Flügels 16b) und sich dadurch beide Umströmungen nicht überlagern oder sich gegenseitig beeinflussen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die dargestellten
Flügelkombinationen und -anordnungen nur beispielhaft sind und der angestrebte Effekt auch durch andere Anordnungen erzielbar ist. Die Variante gemäß der Fig. 8 sieht vor, nunmehr den dort gezeigten oberen Flügel 16a über eine Kurbel 14 mit der Abtriebswelle 12 zu verbinden, wobei die Kurbel 14 im Bereich seines Druckpunkts angeschlossen sein kann. Der in der Fig. 8 untere Flügel 16b ist direkt (ohne Kurbel) an der gemeinsamen Abtriebswelle 12 fixiert und zwar in einem Druckpunkt entfernten Bereich (in Richtung seiner Profilhinterkante). Hierdurch ist eine positive
Interaktion der Flügel untereinander möglich, da die Druckseiten zueinander orientiert sind und sich damit die Umströmungen mit hoher Geschwindigkeit gegenseitig beeinflussen (Venturi-Düsen-Effekt).
Die Fig. 9 zeigt eine weitere Variante, wonach zumindest eine Kurbel 14 mit zwei Auf- triebsläufern 16b (entspricht dem unteren Flügel 16b der vorstehend beschriebenen Varianten) nach dem Prinzip eines Doppeldeckers bestückt ist. Der obere Flügel 16a ist dabei unmittelbar an der gemeinsamen Abtriebsweile 12 im Bereich seiner Profilnase montiert, kann jedoch alternativ auch an einer Kurbel befestigt sein. Typischer Weise befindet sich der Druckpunkt eines Flügels etwa bei 0.25-0.33*Tiefe des Flügels. Um demzufolge noch ein Drehmoment zu erzeugen, muss die Aufhängung des Flügels im Fall der kurbellosen Variante außerhalb dieses Bereichs (größer oder kleiner) liegen. Dadurch entstehen jedoch parasitäre Umfangsgeschwindigkeiten (was immer gilt, außer für Lagerung im oder nahe dem Nasenfußpunkt), welche den Wirkungsgrad der Kurbeltrieb-Einheit 10 verändern. Diesem Phänomen wirkt die vorstehend beschriebene Mehrdeckeranordnung entgegen. D.h. die zwei übereinander angeordneten Auftriebsläufer 16b an der einen Kurbel 14 sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie jeweils eine erzeugte Auftriebskraft entsprechend dem jeweiligen wirksamen Hebelarm als Drehmoment in die gemeinsame Abtriebswelle 12 einleiten. Sofern die beiden (oder mehrere) untere Läufer 16b
Seite 17 von 24 nahe aneinander platziert sind, können sich deren Umströmungen gegenseitig beeinflussen etwa nach dem Prinzip eines Vor- und Nachflügels. In diesem Fall dient der Vorflügel im Wesentlichen zur Beschleunigung der Oberseitenumströmung (sowie Verzögerung eines Stalls) am Nach-(Haupt-)Flügel und damit zur Steigerung der Auftriebskraft.
In der Fig. 10 ist eine weitere Variante für die Anordnung von mehreren Auftriebskörpern 16 an einer gemeinsamen Abtriebswelle 12 dargestellt.
Demzufolge sind zwei Hauptauftriebsläufer 16 über Kurbeln 14 an der Abtriebswelle 12 montiert, wobei die Kurbeln 14 unter einem vorbestimmten Winkelversatz von beispielsweise 170-180° zueinander ausgerichtet sind. Zumindest einer der Auftriebsläufer (gemäß der Fig. 10 der obere Auftriebsläufer 16a) ist ferner so an dem freien Ende der einen Kurbel 14 fixiert, dass sich dessen Profilsehne im Wesentlichen in Verlängerung zur Kurbel 14 ausrichtet, so dass der Auftriebskraftvektor nahezu senkrecht zur Kurbel 14 verläuft. Damit wird ein deutlich höheres Drehmoment in die Abtriebswelle 12 induziert. Jedoch entsteht bei dieser Variante das Problem, dass das durch die zwei Hauptauftriebsläufer 16 erzeugte Kräftepaar nicht (im Wesentlichen) parallel zueinander verlaufen und sich somit auch nicht mehr (nahezu vollständig) kompensieren. Die Abtriebswelle 12 würde in diesem Fall zusätzlich zu dem gemeinsamen Drehmoment auch von einer radial ausgerichteten Kraft belastet werden.
Um diese Kraft zu verringern (zu kompensieren) ist an der Kurbeltrieb-Einheit 10 gemäß der Fig. 10 ein zusätzlicher Hilfs- oder Trimmungsauftriebsläufer 22 über eine dritte (Hilfs-)Kurbel 24 an der gemeinsamen Abtriebswelle 12 fixiert, der so angeordnet und angestellt ist, dass seine Auftriebskraft den unkompensierten Kraftvektorteil der Hauptauftriebsläufer 16 ausgleicht.
In der Abwandlung des Erfindungsgegenstands gemäß der Fig. 11 ist eine Anordnung zweier Auftriebsläufer 16 gewählt, durch die eine gegenseitige Strömungsbeeinflussung in einer vorherbestimmten Weise bezweckt wird.
Im Konkreten ist ein (gemäß der Fig. 11 oberer) Auftriebsläufer 16a unmittelbar an der gemeinsamen Abtriebswelle 2 fixiert und zwar in einem vom Druckpunkt entfernten Bereich nahe der Profilhinterkante dieses Auftriebsläufers 16a. Der andere (gemäß der Fig. 11
Seite 18 von 24 untere) Auftriebsläufer 16b ist über eine Kurbel 14 an der Abtriebswelle 12 montiert, wobei die Kurbel 12 vorzugsweise in dessen Druckpunkt (bzw. druckpunktnah) angeschlossen ist.
Die beiden Flügel 16 sind demzufolge so angeordnet, dass die (Ab-) Strömung des einen (oberen) Auftriebsläufers 16a auf die Unterseite des anderen (unteren) Auftriebläufers 16b trifft und eine erneute Umleitung erfährt. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit an der Oberseite des unteren Auftriebsläufers 16b zwangsweise angehoben und damit dessen Auftriebskraft gesteigert. Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass bei den Auftriebsläufern 16 der vorstehenden Ausführungsbeispiele sowie deren Abwandlungen strömungsleitende Maßnahmen zur Auftriebsbeiwertseinstellung ergriffen werden können, wie sie auch aus dem Flugzeugbau bekannt sind und wie sie beispielhaft in der Fig. 12 dargestellt werden. So können die Auftriebsläufer durchströmbar sein und/oder mit einem klappbaren Nachflügel (siehe Fig. 12) und/oder einem Vorflügel ausgerüstet sein, die entweder auf einen
bestimmten Klappenwinkel eingestellt oder einstellbar sind. Derartige Maßnahmen sind im Stand der Technik auch als Hochauftriebshilfen bekannt und bewirken für sich oder in Kombination eine Steigerung/Verringerung des Auftriebsbeiwerts des Auftriebsläufers 16 bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit.
Offenbart wird folglich eine Wellenenergieanläge mit zumindest einer Kurbelwelle, an die Kopplungskörper zur Ankopplung der Kurbelwelle an die wellenausgelöste Orbitalbewegung von Wassermolekülen angeschlossen sind. Erfindungsgemäß bestehen die Kopplungskörper aus zumindest zwei gegensätzlich ausgerichteten Auftriebskörpern, deren Auftriebskräfte sich gegenseitig aufheben. Gemäß einem Aspekt sind die Auftriebsläufer jeweils im
Druckpunkt oder Druckpunkt nahen Bereich an Kurbeln angeschlossen. Gemäß einem anderen Aspekt ist zumindest ein Auftriebskörper unmittelbar an die Kurbelwelle in einem Druckpunkt entfernten Bereich des jeweiligen Antriebskörpers vorzugsweise im Bereich der Profilnase (Profilvorderkante) oder der Profilspitze (Profilhinterkante) angeschlossen.
Seite 19 von 24 BezuQszeichenliste
10 Kurbeltrieb-Einheit
12 Abtriebswelle
14 Kurbel/Rotor
16 Auftriebsläufer
16a oberer Auftriebsläufer
16b unterer Auftriebsläufer
18 Winglet
20 Anstellwinkel-Einstelleinrichtung/Hydraulikzylinder
22 Hilfsauftriebsläufer
24 Hilfskurbel
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Claims

Patentansprüche
1. Wellenenergieanlage mit zumindest einer Kurbelwelle (12), an die Kopplungskörper (16) zur Ankopplung der Kurbelwelle (12) an die wellenausgelöste Orbitalbewegung von
Wassermolekülen angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungskörper (16) aus zumindest zwei Auftriebskörpern (16a, 16b) bestehen.
2. Wellenenergieanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Auftriebsläufer (16) gegensätzlich zueinander orientiert sind und dass deren Auftriebskräfte auf weitgehend parallelen Kraftwirkungslinien verlaufen, sodass im Wesentlichen ein
Drehmoment in die Anlage eingeleitet wird.
3. Wellenenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Auftriebskörper (i6a, 16b) über Kurbeln (14) an die Kurbelwelle (12) gekoppelt sind.
4. Wellenenergieanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbeln (14) jeweils im Druckpunkt oder druckpunktnahen Bereich des Auftriebskörpers (16a, 16b) an diese angeschlossen sind.
5. Wellenenergieanlage vorzugsweise nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Auftriebskörper (16a, 16b) unmittelbar an die Kurbelwelle (12) in einem vom Druckpunkt entfernten Bereich des jeweiligen Antriebskörpers (16a, 16b) vorzugsweise im Bereich der Profilnase oder der Profilspitze angeschlossen ist.
6. Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anstellwinkel-Einstelleinrichtung (20), über die der Winkel der Profilsehne von zumindest einem der Auftriebskörper (16a, 16b) bezüglich der Kurbelwelle veränderbar ist und/oder einer Geometrie-Änderungseinrichtung zur Veränderung der Geometrie von zumindest einem Auftriebskörper (16a, 16b).
7. Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebskörper (16a, 16b) mit Winglets (18) versehen sind, wobei vorzugsweise mindestens eine gemeinsame Winglet für die Auftriebskörper (16a, 16b) auch als Ersatz
Seite 21 von 24 einer Kurbel vorgesehen sein kann und/oder zur Stabilisierung mindestens ein plattenförmiges Winglet im Bereich zwischen den Auftriebsläuferenden angeordnet ist.
8. Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebskörper (16a, 16b) mit unterschiedlichen Profilen und/oder
unterschiedlichen Abmessungen zueinander ausgebildet sind.
9. Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Auftriebskörper (16a, 16b) im Bereich seines Druckpunkts frei · drehbar an der Kurbel (14) aufgehängt ist.
10. Wellenenergieanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehung des zumindest einen drehbar gelagerten Auftriebskörpers vorzugsweise einstellbar bedämpfbar ist.
11. Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die wirksamen Hebelarme der Auftriebskörper (16a, 16b) unterschiedlich zueinander sind.
12. Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Auftriebskörper (16b) an einer Kurbel (14) nach Art eines Mehr- deckers montiert sind.
13. Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Hilfskopplungskörper (22), der so dimensioniert und getrennt von den Auftriebskörpern
(16a, 16b) bezüglich der Kurbelwelle (12) positionierbar ist, dass durch ihn ein weitgehendes Kräftegleichgewicht aller erzeugten Kräfte einstellbar ist.
14. Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass zumindest einer der Auftriebskörper (16a, 16b) mit Hochauftriebshilfen versehen ist, die voreingestellt oder dynamisch über entsprechende Betätigungseinrichtungen verstellbar sind.
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15. Wellenenergieanlage nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei eine Dämpfung oder ein Phasenwinkel (ß) einer Drehbewegung der Kurbelwelle (208a) gegenüber der umlaufenden Orbitalströmung einstellbar oder regelbar ist.
16. Wellenenergieanlage nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zur Wandlung des Drehmoments eine Hydropumpe oder ein Getriebe mit einem Generator oder ein direkt angetriebener Generator ist, wobei das Mittel zur Wandlung des Drehmoments von der Kurbelwelle (12) antreibbar ist.
17. Wellenenergieanlage nach Anspruch 15 in Verbindung mit Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung und/oder der Phasenwinkel (ß) über einen an einem Arbeitsanschluss der Hydropumpe wirkenden Gegendruck geregelt ist und/oder
Drehmoment am elektrischen Generator.
18. Wellenenergieanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung und/oder der Phasenwinkel (ß) über eine schwenkbare oder drehbare Widerstandsfläche oder über eine Bremse, insbesondere Wirbelstrombremse, geregelt ist.
19. Wellenenergieanlage nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung und/oder der Phasenwinkel (ß) über Pitchen oder über eine Änderung der Länge eines Hebelarms zwischen Kurbelwelle (12) und Kopplungskörpern (16) oder über eine Einstellung der Geometrie des Flügelprofils der Kopplungskörper (16) oder über eine Änderung des Winkels zwischen Hebelarm und Kopplungskörper (16) geregelt ist.
Seite 23 von 24
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