WO2012000618A2 - Wellenenergiewandler zur umwandlung von kinetischer energie in elektrische energie - Google Patents

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Christian Hentschel
Martin Voss
Gunther Neidlein
Christian Langenstein
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • Wave energy converter for the conversion of kinetic energy into electrical energy
  • the invention relates to a wave energy converter for converting kinetic energy into electrical energy.
  • wave energy converters are known in the art. These can be differentiated according to location, depending on whether they are located on the high seas, near the coast or on the coast. Another distinction relates to how the energy is taken from the wave motion. For example, buoys float on the water surface, so that lifting and lowering the buoyant body drives a linear generator. In another system concept, the so-called “Wave Roller", a wing is placed on the seabed, which is tilted back and forth due to the movement of the water molecules. The kinetic energy of the wing is converted in a generator, for example, into electrical energy.
  • An overview of wave energy power plants is shown in the book “Renewable Energy” by Godfrey Boyle.
  • US 7,649,276 B2 shows a wave energy generator in which the kinetic energy of a shaft causes an up and down movement of a rod, which in turn drives a power conversion unit.
  • the invention relates to a wave energy converter for converting kinetic energy of a wave motion of a fluid into another form of energy.
  • the wave energy converter has a cylinder which is immersed in the fluid.
  • a second body is at least partially provided within the cylinder, but so that the second body is movable to the cylinder.
  • the second body is approximately perpendicular to a longitudinal axis of the cylinder translationally movable relative to the cylinder. This does not exclude that the relative movement additionally has a rotation component.
  • An energy conversion unit is designed such that, during operation, it converts an energy of the relative translatory movement between the second body and the cylinder into the other form of energy.
  • the relative movement between the cylinder and the second body is thus used to convert the energy of the relative movement, kinetic energy and possibly potential energy, into another form of energy.
  • the cylindrical shape has the advantage that forces acting on the cylinder from a shaft can attack uniformly in the circumferential direction. Thus, the energy is also transmitted evenly from the shaft to the cylinder, which increases the efficiency of the wave energy plant.
  • a bearing between the second body and the cylinder is provided, so that the relative movement between the second body and cylinder on predetermined Lanes runs.
  • a part of the second body is provided stored in the cylinder and another part of the second body is protruding from the second cylinder. This allows water molecules to move the part of the second body outside the cylinder, while the cylinder remains stable in position relative to the seabed.
  • the wave energy converter additionally comprises attenuators for damping the movement between the cylinder and the second body.
  • the relative movement between the cylinder and the second body can be adjusted so that it gains as much energy from the wave energy, since it depends on the natural fre- quency.
  • Page 2 of 24 The frequency of the system between the cylinder and the second body depends on how effective the energy conversion is.
  • the attenuators are adjustable. As a result, different wave frequencies can be taken into consideration.
  • the wave motion of the fluid is used as efficiently as possible for energy conversion.
  • Underwater waves cause an orbital motion of the water molecules.
  • the energy is used throughout the duration of the orbital motion.
  • the provision of the second body in the cylinder causes the energy conversion to take place in the cylinder or close to the cylinder, resulting in a compact design. This also avoids transmission losses, or by friction, in the transmission of the kinetic energy of the circular or elliptical movement to a remote energy conversion unit.
  • the energy conversion unit in one embodiment, includes a capacitor containing an electroactive polymer and whose capacitance changes as the electroactive polymer is deformed.
  • the condenser is arranged between the second body and the cylinder. The relative movement between the second body and the cylinder causes a change in capacity.
  • the molecules of the fluid usually water molecules, each flow radially to the cylinder so that it follows a circular path or an elliptical path.
  • the provision of the capacitor with electron-reactive polymer has the advantage that the kinetic energy resulting from the relative movement, can be converted directly into electrical energy.
  • electroactive polymer makes it possible to arrange capacitors so that relative movements between the cylinder and the second body of at least one of the capacitors changes its capacity, whereby energy can be obtained.
  • the advantage of continuous energy production is that it is effective because energy is being transformed throughout the movement.
  • it has the advantage that due to the continuous generation of the energy, no peak values of the energy of the other form of energy must be smoothed, as is the case, for example, with the "Wave Roller".
  • Page 4 of 24 The cycle for converting kinetic energy into electrical energy by means of a capacitor with an electroactive polymer from the class of dielectric elastomers can be outlined as follows. At the beginning, the polymer is relaxed and no charge is on the plates of the capacitors. Subsequently, the polymer is stretched so that the capacitor has a high capacity. Subsequently, charges are applied to the capacitor and the polymer is relaxed again. This reduces the capacitance, which leads to higher voltages while the charge remains constant. The charges are dissipated, and from the voltage difference of the charges between the charging and the discharging, electric power is obtained which can be consumed in a load. In alternative embodiments, instead of the charge, the voltage or electric field is kept constant.
  • the second body is enclosed by the cylinder. This has the advantage that the interior of the cylinder can be separated from the water surrounding the cylinder. There is thus no risk that the energy conversion unit or, for example, a storage between the second body and cylinder will be damaged by the water.
  • the energy conversion unit comprises a polymer belonging to the class of dielectric elastomers.
  • the capacitor is realized by a layer structure in which electrode layers alternate with elastomer layers.
  • the electrodes are made of flexible electrically conductive material which follows the strains and compressions of the elastomer.
  • the charging and discharging from the capacitor is via flexible electrode terminals, e.g. Cables that can follow the deformations, strains and compressions of the electroactive polymer. In particular, operating states close to the natural frequency are to be aimed for here.
  • the energy conversion unit includes at least one hydraulic cylinder which causes a change in the pressure in a hydraulic fluid due to a relative movement between the second body and the cylinder.
  • the energy conversion unit includes a generator for converting the energy of the hydraulic fluid into electrical energy.
  • the second body is attached to the seabed. This ensures that the second body and cylinder make a relative movement to each other, since the cylinder moves with the fluid, while the second body can not follow this movement due to the attachment in the reference frame.
  • the second body is attached to a damper plate by means of ropes or chains, the damper plate in turn being moored to the bottom of the sea.
  • the second body is fastened with a slack mooring in which the chain lies partially on the seabed.
  • buoyancy bodies can determine the baptismal depth.
  • the cylinder is attached to the seabed with at least one string or leash. This ensures that the cylinder can not swim away and is fixed relative to the seabed.
  • buoyancy bodies on the cylinder this can be held in suspension, if the buoyancy of the cylinder is not sufficient to ensure this.
  • the buoyant body also serves to preload the chains that secure the cylinder to the seafloor.
  • the relative movement can be recorded in order to control the charging and discharging of the capacitor.
  • the second body is designed as a shaft which is movable in the cylinder.
  • the areas between the cylinder and the shaft are segmented in the circumferential direction.
  • the power conversion unit includes a plurality of capacitors, each of the capacitors being provided in a segment. The segmentation of the space between cylinder and shaft ensures that the capacitors on the different directions of movement of the relative movement between the cylinder and the second
  • Page 6 of 24 Body can be divided and independently of each other according to their respective Dehnungszuendedn can be controlled.
  • Movement in a first direction of the second body relative to the cylinder causes compression of a first capacitor, wherein a second capacitor is stretched on the other side of the axis.
  • the movement in another direction is effected by squeezing one other than the first capacitor.
  • the capacitances of different capacitors are changed, whereby at least one of the capacitors can convert energy in each case.
  • the capacitor electrodes form ring sections. By compressing the capacitors reduces the distance and increases the area between see the capacitor electrodes, whereby the capacity is increased.
  • the ring sections are arranged concentrically around the cylinder axis.
  • the capacitors each contain a plurality of stacked elastomer layers with interposed mutually connected capacitor electrodes.
  • the capacitors are arranged such that the capacitor electrodes of the capacitor extend in the direction of those areas between the shaft and cylinder, which intersect the cylinder axis transversely.
  • Figure 1 shows an energy converter for converting energy of a wave motion into electrical energy
  • FIGS. 2 to 5 show the energy converter during different phases of the movement
  • Page 7 of 24 the arrangement of electroactive polymer in an energy converter; another embodiment of the arrangement of electroactive polymer in an energy converter; a further embodiment of the arrangement of electroactive polymer in an energy converter according to the invention; another arrangement of electroactive polymer in an energy converter; in a further embodiment arrangements of electroactive polymers in an energy converter according to the invention; in a further embodiment, the arrangement of electroactive polymer in an energy converter according to the invention; a further embodiment of an energy converter; a further embodiment for the arrangement of electroactive polymer in an energy converter; a further embodiment of a wave energy converter; the wave energy converter of Figure 14 in motion; a further embodiment of a wave energy converter according to the invention; the wave energy converter of Figure 16 in motion; a further embodiment of a wave energy converter according to the invention;
  • Page 8 of 24 FIG. 19 shows the wave energy converter according to FIG. 18 in motion
  • FIG. 20 shows another embodiment of a wave energy converter.
  • Figure 1 shows a first embodiment of an energy converter according to the invention for the conversion of energy of a wave motion of a fluid into electrical energy.
  • the energy converter 1 is located in the water 2 below the water surface 230.
  • the energy converter 1 has a cylinder 7 which dips in the water 2.
  • the cylinder 7 has a first bearing 9 and a second bearing 10 on the front side 150 shown on the left in FIG. 1 and a third bearing 11 and a fourth bearing 12 on the front side 160 shown on the right.
  • the anchoring chains 4 and the buoy lines 6 are attached to mounting rings 19 and 20. On the mounting ring 19, the first bearing 9 and the mounting ring 20, the fourth bearing 12 is attached.
  • the fastening rings 19 and 20 are connected via anchoring chains 4 with the seabed 3 and at the same time fastened via buoy lines 6 with buoyancy bodies 5 located on the water surface 230.
  • the buoyancy bodies are located below the water surface 230.
  • the bearings 9 and 12 are designed such that the housing 18 of the cylinder 7 can move within a circle with respect to the fastening rings 19 and 20.
  • the cylinder 7 has a housing 18 which contains the outer walls of the cylinder 7.
  • the bearings 10 and 1 1 are provided between the housing 18 of the cylinder 7 and the shaft 8.
  • the shaft 8 can move within the cylinder 7 within a circular area relative to the cylinder 7.
  • each waterproof partition walls 15 are provided between the bearing 9 and the bearing 10 and between the bearing 1 1 and the bearing 12.
  • the housing of the cylinder 7 Upon movement of the water, the housing of the cylinder 7 is guided on a circular path or an elliptical path.
  • the shaft 8 does not make this circular motion of the cylinder 7 in the same Dimensions with. Only because of the low
  • the cylinder 7 may be considered as a coupling body coupled to the water while the second body is formed by the shaft 8.
  • energy conversion units 16 are provided between the outer wall of the cylinder 7 and the shaft 8 energy conversion units 16 . These have capacitors containing electroactive polymer, in particular from the class of dielectric elastomers. The polymer is built up in layers, with flexible capacitor electrodes between the layers. The capacitance of the capacitors changes upon deformation of the electroactive polymer. By charging and discharging these capacitors, mechanical work performed on the electroactive polymer due to the relative movement between the shaft 8 and the housing 18 of the cylinder 7 can be converted into electrical energy.
  • the dampers are adjustable in order to adjust the generator to different wave frequencies.
  • the embodiment according to Figure 1 has the advantage that the interior of the cylinder 7 can be completed waterproof. The fact that the end face of the cylinder 7 is closed, no water can reach the moving parts inside the cylinder, which is a good protection against seawater.
  • Page 10 of 24 FIG. 2 shows the wave energy converter from FIG. 1 in a deflected state.
  • the springs 300 and damper 310 are not drawn. Waves cause so-called orbital motions of those water molecules that are below the water surface. If, for example, a wave moves from left to right, then all the water molecules located above one another under the wave crest are moved to the right, after which they are moved downwards. Subsequently, all water molecules are moved to the left and then up again. The water molecules thus move on an orbital path.
  • the cylinder 7, which is located in the water, is also guided by the water molecules surrounding it on such an orbital path. This movement takes place around the fastening rings 19 and 20, with which the housing of the cylinder 7 is connected via the bearings 9 and 12.
  • FIG. 2 shows that the cylinder has been pressed downwards by the water molecules surrounding it, so that the bearings 9 and 12 are maximally deflected.
  • the shaft 8 is, viewed from the seabed 3, still at the substantially same point as in Figure 1.
  • the capacitors in the upper part of the power conversion unit 16 are compressed. While one of the body coupling body and second body is forced by the circular motion of the mass of water molecules on a circular path, the other moves the body to out of phase. This leads to a relative movement of the two bodies and thus to a cyclic stretching of the electroactive polymer.
  • the shaft 8 serves as an inertial mass, as a result of which, owing to the circular motion of the cylinder 7 induced by the movement of the water molecules, a periodic elongation of the electroactive polymer results. It is realized by a quasi-continuous energy generation, since not only upward and downward movements of the water surface, but also the lateral movement components are used.
  • FIG. 3 shows that the cylinder 7 has been moved to the right, while according to FIG. 4 the cylinder 7 has been pushed upwards and in FIG. 5 the cylinder 7 has been moved to the left.
  • the shaft 8 is fixed in figures to 5. In reality, the shaft 8 would move due to the, albeit loose, coupling with the cylinder 7. This co-movement would be done with a phase shift. If you have
  • FIG. 6 shows a cross section through the cylinder 7.
  • the housing 18, the energy conversion unit 16 and the shaft 8 can be seen from outside to inside.
  • the power conversion unit 16 includes capacitors wound around the shaft 8.
  • the capacitors contain stacked elastomeric films between which capacitor electrodes 200 and 210 are located. The films are helically wrapped around the shaft 8 and substantially fill the gap. Shown are the capacitor electrodes 200 and 210. Between the capacitor electrodes 200 and 210 is the electro-active polymer. For example, the higher potential is provided on the capacitor electrode 200 and the lower potential is provided on the capacitor electrodes 210, respectively.
  • the energy conversion unit 16 is divided into six circle segments 22.
  • the circular segments are arranged around the shaft 8 in the circumferential direction. Shown are the conceptual interfaces 40 that separate the circle segments 22 from each other.
  • the interfaces 40 intersect the axis 180 of the cylinder 7 longitudinally and extend from outer wall to outer wall of the housing 18 of the cylinder 7. If, for example, the shaft 8 is pressed to the right, then the distances between the capacitor electrodes 200 and 210 in the right circular segment 22, which are compressed. At the same time, the distances between the capacitor electrodes 200 and 210 in the left circle segment 22 are increased. At the same time the area changes too. The changes in the distance causes a change in the capacitance of the capacitors in the right circular segment 22 and in the left circular segment, resulting from the above-described
  • FIG. 7 shows a cross section through a cylinder 7 of a further embodiment.
  • the capacitor electrodes 200 and 210 are not helically wrapped around the shell 18, but extend concentrically to the shaft 8. At least one of the capacitor electrodes 200 and 210 different circle segments are electrically isolated from each other.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of the arrangement of the energy conversion units in a cylinder 7.
  • the cylinder 7 is shown in cross-section.
  • Several stack actuators 25, 26, 27, 28 and 29 are arranged inside the cylinder 7 radially around the shaft 8.
  • Each of the stack actuators 25, 26, 27, 28, and 29 has a plurality of stacked capacitor electrodes 200 and 210, respectively.
  • Figure 9 shows a further embodiment for arranging the energy conversion units in a cylinder 7.
  • the sectional view of the cylinder 7 shows inside the cylinder five rollers 30 which are arranged around the centrally arranged shaft 8 so that the inner 31 of the rollers 30 in a circular orbit around the Center axis of the cylinder 7 lie.
  • the rollers 30 each extend from the shaft 8 to the housing 18 of the cylinder 7 and each contain capacitor electrodes 200 and 210 which are helically rolled around the interior 31 of the respective roller 30. There is a polymer between the capacitor electrodes.
  • In the interior 31 of the roller 30 is in each case compressible gas.
  • the rollers 30 are closed at their two end faces.
  • rollers 30 are compressed, so that there is a change in the capacity in this, whereby electrical energy can be generated from mechanical energy.
  • gaps are shown between the rollers, especially near the housing.
  • the rollers 30 are shaped to fill these spaces as well.
  • additional rollers are provided there. The gas in the respective interior 31 of the rollers 30 ensures that the arrangement of the five rollers 30 remains stable with each other and the rollers 30 each retain their elliptical shape.
  • n 5 rollers are provided, there is per se a segmentation of the energy conversion unit.
  • An advantage of this arrangement is that large strokes, i. large distance changes between shaft 8 and housing 18, are possible because the rollers 30 are each well deformed.
  • the gas in the interior 31 of the rollers 30 ensures that the electroactive polymer in the rollers 30 is mechanically biased.
  • FIG. 10 shows a further embodiment of the arrangement of energy conversion units in a cylinder 7.
  • the interior of the cylinder has five rollers 30, the interior 31 of each of which is filled with gas.
  • the plates of the capacitors 200 and 210 are not arranged helically around the interior 31, but extend concentrically.
  • FIG. 11 shows a further embodiment of the arrangement of the energy conversion unit in the interior of the cylinder 7.
  • the housing of the cylinder consists of two cylinder halves, which are fastened together by means of a screw connection.
  • each membranes 220 are stretched from polymer, extending between the capacitor electrodes 200 and 210.
  • the capacitor electrodes 200 and 210 do not run in a circle around the shaft 8, but each extends only over a segment 22.
  • FIG. 12 shows a further embodiment of a wave energy converter 1.
  • the energy conversion unit does not contain an electroactive polymer, but hydraulic cylinder 400, which are compressed or compressed by relative movements of the shaft 8 to the cylinder 7. This will be the pressure of a hydraulic fluid
  • Page 14 of 24 increases, which flows into a generator, which degrades this pressure to recover electrical energy.
  • FIG. 13 shows the longitudinal section corresponding to FIG. In the upper part of Figure 13, the longitudinal section is shown at the time, in which the axis is centered to the housing 18. Between shaft 8 and housing 18 stack actuators 50 are provided. These each contain capacitor electrodes 200 and 210.
  • Figure 13 shows in the lower part in cross-section the cylinder 7, when the housing 18 has moved with respect to the shaft 8 down.
  • the stack actuators 50 in the upper part of the cylinder 7 are thus compressed in the vertical direction and stretched in the horizontal direction.
  • the stack actuators are stretched in the lower part of the cylinder 7 in the vertical direction and compressed in the horizontal direction.
  • the capacity of the stack actuators above the shaft 8 has thus increased while the capacity of the stack actuators 50 has decreased below the shaft 8. Between the stack actuators 50 are respectively
  • FIG. 14 shows a further embodiment of a wave energy converter 1.
  • the cylinder 7 contains only two bearings 9 and 1. This bearing connects the shaft 8 to the housing 18 of the cylinder 7.
  • the cylinder 7 is provided with buoyancy bodies on its upper side 5 connected.
  • the cylinder is connected to chains 4 and 6 with the seabed 3.
  • the chain 4 is provided in a form of slack mooring. It is attached with one end to the seabed and is partially on the seabed. at
  • springs and damping element can be provided with which the natural frequency of the system cylinder-shaft can be adjusted.
  • FIG. 16 shows a further embodiment of a shaft energy converter 1 according to the invention.
  • This has a cylinder 100 with a housing 18.
  • the housing 18 of the cylinder 100 is connected via anchoring chains 4 with the seabed 3 and buoys 6 with buoyancy bodies 5.
  • the cylinder 100 thus remains substantially stationary with respect to the seabed 3. If the cylinder 100 has a neutral or slightly positive buoyancy, no buoyancy bodies 5 are needed.
  • a coupling body which includes a first shaft 90, a second shaft 91 and a third shaft 92.
  • the first shaft 90 is connected at its right side via a rod 94 fixed to the third shaft 92, while on the left side, the first shaft 90 is fixedly connected via a further rod 95 with the second shaft 91.
  • the waves 91 and 92 should have as neutral a buoyancy as possible.
  • the shaft 90 is located inside the cylinder 100 while the shafts 91 and 92 are provided outside the cylinder 100. By the movement of the water, the waves 91 and 92 are brought into circular motion. Thus, the shaft 90 also moves with the shafts 91 and 92. Bearings 9 and 1 1 ensure that the movement of the shaft 90 within the cylinder 100 is controlled. Between the shaft 8 and the housing 18 there are provided the energy conversion units 16 each containing electroactive polymer and arranged according to one of the various configurations mentioned above.
  • the relative movement of the coupling body with the cylinder 7 alters the capacitances of the capacitors in the polymer, thereby obtaining electrical energy according to the cycle indicated above.
  • no bearings 9 and 10 are provided and the coupling between the cylinder 100 and the coupling body via the capacitor.
  • FIG. 17 shows the wave energy converter 1 from FIG. 16 in the deflected position.
  • FIG. 18 shows a further exemplary embodiment of a wave energy converter 1 according to the invention.
  • the shaft 90 of the wave energy converter 1 is connected directly to the fastening rings 19 and 20.
  • the mounting rings 19 and 20 are connected to chains 6 with the buoyancy bodies 5 and at the same time via the chains 4 with the seabed.
  • the shaft 90 is also supported by bearings 9 and 11 in the housing 18 of the cylinder 100.
  • the cylinder 100 thus performs circular motions in the water 2, while the shaft 90 remains substantially stationary with respect to the seabed 3.
  • the polymer in the energy conversion unit 16 and the capacitors provided in the polymer are stretched and compressed, thereby changing the respective capacities of the capacitors.
  • the change in capacitance is utilized by means of the above-described drive of the capacitors to generate electrical energy.
  • springs and / or damping members may additionally be provided parallel to the bearings 9, 10, 11 and 12 in the embodiments shown.
  • springs and attenuators which can also be adjustable, the natural frequency of the system cylinder damping shaft is tuned to the frequency of the wave motion. It is advantageous if the shaft is arranged within the housing 18 so that the relative movement between the shaft and the housing can be adjusted to the frequency of the wave motion.
  • FIG. 19 shows a power conversion unit from FIG. 18 in a deflected position.
  • the cylinder 18 is moved upwardly while the shaft 90 is stationary with respect to the seabed.
  • FIG. 20 shows another embodiment of an energy converter 1.
  • the condenser is provided so as to be provided between the housing 8 and a partition wall 510 which runs concentrically around the central axis of the cylinder 7 in its interior.
  • the shaft 8 runs along this partition wall 510 and presses it at the point of application 520 between the shaft 8 and the partition wall 510 in the direction of the cylinder housing 18.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wellenenergiewandler zur Umwandlung von kinetischer Energie einer Wellenbewegung eines Fluids in elektrische Energie. Der Wellenenergiewandler weist einen Zylinder (7) auf, der derart im Fluid (2) geführt wird, dass er einer Wellenbewegung des Fluids (2) folgen kann. Ein zweiter Körper (8) ist mit dem Zylinder (7) gekoppelt, allerdings so, dass er beweglich zum Zylinder ist. Eine Energieumwandlungseinheit (16) dient zum Umwandeln der kinetischen Energie einer Relativbewegung zwischen dem Zweiter Körper (8) und dem Zylinder (7) in elektrische Energie. Die Energieumwandlungseinheit (16) enthält einen Kondensator, der ein elektroaktives Polymer enthält und dessen Kapazität sich bei der Verformung des elektroaktiven Polymers ändert. Die Relativbewegung zwischen dem zweiten Körper und dem Zylinder bewirkt eine Änderung der Kapazität.

Description

Robert Bosch GmbH
327637 DE - Wiesmann
Wellenenergiewandler zur Umwandlung von kinetischer Energie in elektrische Energie
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Wellenenergiewandler zur Umwandlung von kinetischer Energie in elektrische Energie. Es ist eine Vielzahl von Wellenenergiewandlern im Stand der Technik bekannt. Diese können nach Einsatzort unterschieden werden, je nachdem, ob sie auf hoher See, in Küstennähe oder an der Küste angeordnet sind. Eine andere Unterscheidung bezieht sich darauf, wie die Energie aus der Wellenbewegung entnommen wird. Beispielsweise schwimmen Bojen auf der Wasseroberfläche, so dass durch Heben und Senken des Auftriebskörpers ein Lineargenerator angetrieben wird. Bei einem anderen Anlagenkonzept, dem so genannten "Wave Roller", wird auf dem Meeresboden ein Flügel aufgebracht, der aufgrund der Bewegung der Wassermoleküle hin und her gekippt wird. Die Bewegungsener- gie des Flügels wird in einem Generator beispielsweise in elektrische Energie umgewandelt. Eine Übersicht über Wellenenergiekraftwerke ist in dem Buch "Renewable Energy" von God- frey Boyle gezeigt.
Die US 7,649,276 B2 zeigt einen Wellenergiegenerator, bei dem die kinetische Energie einer Welle eine Auf- und Ab-Bewegung einer Stange bewirkt, die ihrerseits eine Energieumwandlungseinheit antreibt.
Den in dem Stand der Technik bekannten Anlagen ist gemein, dass sie nur einen kleinen Teil der in der Welle vorhandenen Energie umwandeln können.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Energiewandlungseinheit bereitzustellen, die einen größeren Wirkungsgrad als im Stand der Technik bekannten Anlagen hat.
Seite 1 von 24 Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung betrifft einen Wellenenergiewandler zur Umwandlung von kinetischer Energie einer Wellenbewegung eines Fluids in eine andere Energieform. Der Wellenenergiewandler weist einen Zylinder auf, der im Fluid eingetaucht wird. Ein zweiter Körper ist zumindest teilweise innerhalb des Zylinders vorgesehen, allerdings so, dass der zweite Körper beweglich zum Zylinder ist. Dabei ist der zweite Körper etwa senkrecht zu einer Längsachse des Zylinders translatorisch relativ zum Zylinder bewegbar ist. Dies schließt nicht aus, dass die Relativbewegung zusätzlich auch eine Rotationskomponente aufweist. Eine Energieumwandlungseinheit ist so ausgestaltet, dass sie im Betrieb eine Energie der translatorischen Relativbewegung zwischen dem zweiten Körper und dem Zylinder in die andere Energieform umwandelt.
Die Relativbewegung zwischen Zylinder und zweitem Körper wird somit genutzt, die Energie der Relativbewegung, kinetische Energie und eventuell Lageenergie, in eine andere Energieform umzuwandeln. Die Zylinderform hat den Vorteil, dass Kräfte, die von einer Welle auf den Zylinder angreifen, in Umfangsrichtung gleichmäßig angreifen können. Somit wird die Energie auch gleichmäßig von der Welle auf den Zylinder übertragen, wodurch sich die Effizienz der Wellenenergieanlage erhöht.
Vorzugsweise ist ein Lager zwischen dem zweiten Körper und dem Zylinder vorgesehen, damit die Relativbewegung zwischen zweitem Körper und Zylinder auf vorbestimmten Bah- nen verläuft.
In einer Ausführungsform ist ein Teil des zweiten Körpers in dem Zylinder gelagert vorgesehen und ein anderer Teil des zweiten Körpers ist steht aus dem zweiten Zylinders vor. Damit können Wassermoleküle den Teil des zweiten Körpers außerhalb des Zylinders bewegen, während der Zylinder relativ zum Meeresboden in seiner Position stabil bleibt.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Wellenenergiewandler zusätzlich Dämpfungsglieder zum Dämpfen der Bewegung zwischen dem Zylinder und dem zweiten Körper auf. Damit kann die Relativbewegung zwischen Zylinder und zweitem Körper so eingestellt werden, dass diese möglichst viel Energie aus der Wellenenergie gewinnt, da es von der Eigenfre-
Seite 2 von 24 quenz des Systems zwischen Zylinder und zweitem Körper abhängt, wie effektiv die Energiewandlung ist.
Vorzugsweise sind die Dämpfungsglieder dabei einstellbar. Dadurch kann auf unterschiedli- che Wellenfrequenzen Rücksicht genommen werden.
Durch das Führen eines der Körper Zylinder und zweiter Körper auf einer kreisförmigen Bahn oder einer ellipsenförmigen Bahn wird die Wellenbewegung des Fluids möglichst effizient zur Energieumwandlung genutzt. Wellen bewirken unter Wasser eine Orbitalbewegung der Wassermoleküle. Durch das Führen auf kreis- bzw. ellipsenförmigen Bahnen wird die Energie während der gesamten Dauer der Orbitalbewegung genutzt. Das Vorsehen des zweiten Körpers im Zylinder bewirkt, dass die Energieumwandlung im Zylinder oder nahe am Zylinder erfolgt, wodurch sich eine kompakte Bauweise ergibt. Dies vermeidet auch Übertragungsverluste, bzw. durch Reibung, bei der Übertragung der kinetischen Energie der kreis- oder ellipsenförmigen Bewegung auf eine entfernt liegende Energieumwandlungseinheit.
Die Energieumwandlungseinheit enthält in einer Ausführungsform einen Kondensator, der ein elektroaktives Polymer enthält und dessen Kapazität sich bei der Verformung des elekt- roaktiven Polymers ändert. Der Kondensator ist zwischen dem zweiten Körper und dem Zy- linder angeordnet. Die Relativbewegung zwischen dem zweiten Körper und dem Zylinder bewirkt eine Änderung der Kapazität.
Mit einer derartigen Energiewandlungseinrichtung ist es möglich, die Wellenenergie besonders effizient zu nutzen. Dies liegt in der Bewegung der Wassermoleküle begründet. Was- sermoleküle, die sich unterhalb der Wasseroberfläche befinden, bewegen sich aufgrund der Wellenbewegung auf einer so genannten Orbitalbahn. Am folgenden Beispiel wird dies verdeutlicht. An einem bestimmten Ort befindet sich der Wasserspiegel zuerst im Maximum, bevor er sinkt, den Nulldurchgang durchschreitet, um anschließend ein Minimum zu erreichen. Anschließend steigt der Wasserspiegel wieder an, durchschreitet wieder um den Null- punkt, um wieder beim Maximum zu landen. Danach beginnt die Bewegung erneut.
Wenn sich die Welle im Maximum befindet, bewegen sich sämtliche Wassermoleküle, die sich unterhalb des Maximums befinden, in der Ausbreitungsrichtung der Wellen. Bei einer nach rechts wandernden Wellenfront also nach rechts. Beim anschließenden Nulldurchgang
Seite 3 von 24 bewegen sich die Wassermoleküle nach unten. Dagegen bewegen sie sich während des Minimums der Welle nach links. Beim nächsten Nulldurchgang bewegen sich die Wassermoleküle alle nach unten, wonach sie ab dem Maximum die beschriebene Bewegung wieder beginnen. Es versteht sich, dass die Wassermoleküle sich kontinuierlich in einer Kreisbewe- gung bewegen, während hier nur vier diskrete Punkte dieser Kreisbewegung beispielhaft genannt wurden. Der Durchmesser dieser Kreisbewegung nimmt mit zunehmender Wassertiefe ab, so dass auf einer Wassertiefe von einer Hälfte der Wellenlänge nahezu keine Orbitalbewegung mehr vorhanden ist. Im flachen Wasser bewegen sich die Wassermoleküle allerdings nicht mehr auf einer Kreisbahn, sondern auf ellipsenförmigen Bahnen.
Die Moleküle des Fluids, in der Regel Wassermoleküle, strömen den Zylinder jeweils so radial an, dass er einer Kreisbahn oder einer ellipsenförmigen Bahn folgt. Dadurch, dass der zweite Körper beweglich mit dem Zylinder gekoppelt ist, kommt es zu einer Relativbewegung zwischen dem zweiten Körper und dem Zylinder. Das Vorsehen des Kondensators mit elekt- reaktivem Polymer hat den Vorteil, dass die kinetische Energie, die sich aus der Relativbewegung ergibt, unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Die Verwendung von elektroaktivem Polymer ermöglicht es, Kondensatoren so anzuordnen, dass bei Relativbewegungen zwischen Zylinder und zweitem Körper mindestens einer der Kondensatoren seine Kapazität verändert, wodurch Energie gewonnen werden kann.
Somit ist es möglich, Energie aus Bewegung, die in verschiedene Richtungen wirkt, in elektrische Energie umzuwandeln. Bei den klassischen Bojenkraftwerken wird nur die Energie, die sich aus der Auf- und Ab- Bewegung der Boje ergibt, genutzt. Die Bewegung der Was- sermoleküle unter der Wasseroberfläche ist allerdings eine vollständige Kreisbewegung oder Ellipsenbewegung, deren Energie mit Hilfe des vorgestellten Wellenenergiewandlers kontinuierlich umgewandelt werden kann.
Die kontinuierliche Energieerzeugung hat den Vorteil, dass sie zum einen effektiv ist, da während der gesamten Bewegung Energie umgewandelt wird. Zudem hat es den Vorteil, dass es aufgrund der kontinuierlichen Erzeugung der Energie keine Spitzenwerte der Energie der anderen Energieform geglättet werden müssen, wie das beispielsweise bei dem "Wave Roller" der Fall ist.
Seite 4 von 24 Der Zyklus zum Wandeln von kinetischer Energie in elektrische Energie mit Hilfe eines Kondensators mit einem elektroaktiven Polymer aus der Klasse der dielektrischen Elastomere kann folgendermaßen skizziert werden. Am Anfang ist das Polymer entspannt und keine Ladung befindet sich auf den Platten der Kondensatoren. Anschließend wird das Polymer so gedehnt, dass der Kondensator eine hohe Kapazität aufweist. Anschließend werden Ladungen auf dem Kondensator aufgebracht und das Polymer wieder entspannt. Dadurch verringert sich die Kapazität, was bei gleich bleibender Ladung zu höheren Spannungen führt. Die Ladungen werden abgeführt und aus der Spannungsdifferenz der Ladungen zwischen dem Ladevorgang und dem Endladevorgang wird elektrische Energie gewonnen, die in einer Last verbraucht werden kann. In alternativen Ausführungsformen wird, anstatt der Ladung, die Spannung oder das elektrische Feld konstant gehalten.
In einer Ausführungsform ist der zweite Körper von dem Zylinder eingeschlossen. Dies hat den Vorteil, dass das Innere des Zylinders von dem den Zylinder umgebenden Wasser ge- trennt werden kann. Dadurch besteht nicht die Gefahr, dass die Energieumwandlungseinheit oder beispielsweise eine Lagerung zwischen zweitem Körper und Zylinder durch das Wasser beschädigt wird.
Vorzugsweise weist die Energieumwandlungseinheit ein Polymer auf, das zur Klasse der dielektrischen Elastomere gehört. In der Regel ist der Kondensator durch einen Schichtaufbau realisiert, in dem sich Elektrodenschichten mit Elastomerschichten abwechseln. Die Elektroden bestehen aus flexiblem elektrisch leitendem Material, welches den Dehnungen und Stauchungen des Elastomers folgt. Das Laden und Entladen aus dem Kondensator erfolgt über flexible Elektrodenanschlüsse, z.B. Kabel, die den Verformungen, Dehnungen und Stauchungen des elektroaktiven Polymers folgen können. Hier sind insbesondere Betriebs- zustände in Nähe der Eigenfrequenz anzustreben.
In einer alternativen Ausführungsform enthält die Energieumwandlungseinheit mindestens einen Hydraulikzylinder auf, der aufgrund einer Relativbewegung zwischen dem zweiten Körper und dem Zylinder eine Änderung des Drucks in einer Hydraulikflüssigkeit bewirkt.
Zudem enthält die Energieumwandlungseinheit einen Generator zum Umwandeln der Energie der Hydraulikflüssigkeit in elektrische Energie.
Seite 5 von 24 In einer Ausführungsform ist der zweite Körper gegenüber dem Meeresboden befestigt. Damit wird sichergestellt, dass zweiter Körper und Zylinder zueinander eine Relativbewegung machen, da der Zylinder sich mit dem Fluid mitbewegt, während der zweite Körper diese Bewegung aufgrund der Befestigung in dem Bezugssystem nicht folgen kann.
Alternativ wird der zweite Körper an einer Dämpfungsplatte mit Hilfe von Seilen oder Ketten befestigt, wobei die Dämpfungsplatte ihrerseits mit einem Mooring am Meeresboden befestigt wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird der zweite Körper mit einem Slack Mooring befestigt, bei dem die Kette teilweise auf dem Meeresboden liegt. Dabei können Auftriebskörper die Tauftiefe bestimmen. In einer Ausführungsform ist der Zylinder mit mindestens einer Kette oder einer Leine an dem Meeresboden befestigt. Damit wird sichergestellt, dass der Zylinder nicht wegschwimmen kann und relativ zum Meeresboden fixiert ist.
Mit Auftriebskörpern an dem Zylinder kann dieser in der Schwebe gehalten werden, falls der Auftrieb des Zylinders nicht ausreicht, um dies zu gewährleisten. Der Auftriebskörper dient auch zum Vorspannen der Ketten, mit denen der Zylinder am Meeresboden befestigt ist.
Mit einem Beschleunigungssensor zum Erfassen der Relativbewegungen zwischen Zylinder und zweiter Körper kann die Relativbewegung, auch wenn sie komplexen Bewegungsmus- tern folgt, aufgenommen werden, um das Laden und Endladen des Kondensators zu steuern.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Körper als eine Welle, die in dem Zylinder beweglich ist, ausgeführt. Die Bereiche zwischen Zylinder und Welle werden in Um- fangsrichtung segmentiert. Die Energieumwandlungseinheit enthält mehrere Kondensatoren, wobei jeder der Kondensatoren in einem Segment vorgesehen ist. Die Segmentierung des Zwischenraums zwischen Zylinder und Welle sorgt dafür, dass die Kondensatoren auf die verschiedenen Bewegungsrichtungen der Relativbewegung zwischen Zylinder und zweitem
Seite 6 von 24 Körper aufgeteilt werden und unabhängig voneinander entsprechend jeweils ihren Deh- nungszuständen angesteuert werden können.
Die Bewegung in eine erste Richtung des zweiten Körpers in Bezug auf den Zylinder bewirkt ein Zusammendrücken eines ersten Kondensators, wobei ein zweiter Kondensator auf der anderen Seite der Achse gedehnt wird.
Dagegen wird die Bewegung in eine andere Richtung durch das Zusammendrücken eines anderen als des ersten Kondensators bewirkt. Somit werden während der Bewegung in ver- schiedene Richtungen die Kapazitäten verschiedener Kondensatoren geändert, wodurch jeweils mindestens einer der Kondensatoren Energie wandeln kann.
In einer Ausführungsform bilden die Kondensatorelektroden Ringabschnitte. Durch Zusammendrücken der Kondensatoren verringert sich der Abstand und erhöht sich die Fläche zwi- sehen den Kondensatorelektroden, wodurch die Kapazität erhöht wird.
In einer Ausführungsform sind die Ringabschnitte konzentrisch um die Zylinderachse verlaufend angeordnet. In einer anderen Ausführungsform enthalten die Kondensatoren jeweils eine Vielzahl von übereinander gestapelten Elastomerschichten mit dazwischenliegenden wechselseitig beschalteten Kondensatorelektroden.
In einer Ausführungsform sind die Kondensatoren so angeordnet, dass sich die Kondensa- torelektroden des Kondensators in Richtung derjenigen Flächen zwischen Welle und Zylinder, die die Zylinderachse quer schneiden, erstrecken.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen, die mit Hilfe der Figuren dargestellt werden, veranschaulicht. Dabei zeigen
Figur 1 einen Energiewandler zur Umwandlung von Energie einer Wellenbewegung in elektrische Energie;
Figuren 2 bis 5 den Energiewandler während verschiedener Phasen der Bewegung;
Seite 7 von 24 die Anordnung von elektroaktivem Polymer in einem Energiewandler; eine weitere Ausführungsform der Anordnung von elektroaktivem Polymer in einem Energiewandler; eine weitere Ausführungsform der Anordnung von elektroaktivem Polymer in einem erfindungsgemäßen Energiewandler; eine weitere Anordnung von elektroaktivem Polymer in einem Energiewandler; in einer weiteren Ausführungsform Anordnungen von elektroaktiven Polymeren in einem erfindungsgemäßen Energiewandler; in einer weiteren Ausführungsform die Anordnung von elektroaktivem Polymer in einem erfindungsgemäßen Energiewandler; eine weitere Ausführungsform eines Energiewandlers; eine weitere Ausführungsform zur Anordnung von elektroaktivem Polymer in einem Energiewandler; eine weitere Ausführungsform eines Wellenenergiewandlers; den Wellenenergiewandler nach Figur 14 in der Bewegung; eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wellenenergiewandlers; den Wellenenergiewandler nach Figur 16 in der Bewegung; eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wellenenergiewandlers;
Seite 8 von 24 Figur 19 den Wellenenergiewandler nach Figur 18 in der Bewegung;
Figur 20 eine weitere Ausführungsform eines Wellenenergiewandlers. Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energiewandlers zur Umwandlung von Energie einer Wellenbewegung eines Fluids in elektrische Energie. Der Energiewandler 1 befindet sich im Wasser 2 unterhalb der Wasseroberfläche 230. Der Energiewandler 1 weist einen Zylinder 7 auf, der im Wasser 2 taucht. Der Zylinder 7 weist an der links in der Figur 1 dargestellten Stirnseite 150 ein erstes Lager 9 und ein zweites Lager 10 und an der rechts dargestellten Stirnseite 160 ein drittes Lager 1 1 und ein viertes Lager 12 auf. Die Verankerungsketten 4 und die Bojenleinen 6 sind an Befestigungsringen 19 und 20 befestigt. An dem Befestigungsring 19 ist das erste Lager 9 und dem Befestigungsring 20 ist das vierte Lager 12 angebracht. Die Befestigungsringe 19 und 20 sind über Verankerungsketten 4 mit dem Meeresboden 3 verbunden und gleichzeitig über Bojenleinen 6 mit an der Wasseroberfläche 230 befindlichen Auftriebskörpern 5 befestigt. In vorteilhaften Ausführungsformen befinden sich die Auftriebskörper unterhalb der Wasseroberfläche 230. Die Lager 9 und 12 sind derart ausgebildet, dass sich das Gehäuse 18 des Zylinders 7 in Bezug auf die Befestigungsringe 19 und 20 innerhalb eines Kreises bewegen kann.
Der Zylinder 7 weist ein Gehäuse 18 auf, das die Außenwände des Zylinders 7 enthält. Die Lager 10 und 1 1 sind zwischen dem Gehäuse 18 des Zylinders 7 und der Welle 8 vorgesehen. Somit kann sich die Welle 8 innerhalb des Zylinders 7 innerhalb eines kreisförmigen Bereichs relativ zum Zylinder 7 bewegen. Zwischen dem Lager 9 und dem Lager 10 sowie zwischen dem Lager 1 1 und dem Lager 12 sind jeweils wasserdichte Trennwände 15 vorgesehen. Somit ist das Innere des Zylinders 7 vor Wasser geschützt.
Bei einer Bewegung des Wassers wird das Gehäuse des Zylinders 7 auf einer Kreisbahn oder einer ellipsenförmigen Bahn geführt. Die Welle 8, die aufgrund der Lagerung in den beiden Lagern 10 und 1 1 beweglich gegenüber dem Gehäuse des Zylinders 7 ist, bewegt sich aufgrund ihrer Trägheit relativ zu dem Gehäuse des Zylinders 7. Die Welle 8 macht diese Kreisbewegung des Zylinders 7 nicht im gleichen Maße mit. Lediglich aufgrund der gerin-
Seite 9 von 24 gen Reibung in den Lagern 10 und 1 1 wird die Welle 8 mit dem Zylinder 7 geringfügig mitgezogen.
Somit ergibt sich eine Relativbewegung zwischen dem Gehäuse 18 des Zylinders 7 und der Welle 8.
Der Zylinder 7 kann als Kopplungskörper betrachtet werden, der mit dem Wasser gekoppelt ist, während der zweite Körper von der Welle 8 gebildet wird. Zwischen der Außenwand des Zylinders 7 und der Welle 8 sind Energieumwandlungseinheiten 16 vorgesehen. Diese weisen Kondensatoren auf, die elektroaktives Polymer, insbesondere aus der Klasse der dielektrischen Elastomere, enthalten. Das Polymer ist in Schichten aufgebaut, wobei zwischen den Schichten flexible Kondensatorelektroden liegen. Die Kapazität der Kondensatoren ändert sich bei Verformung des elektroaktiven Polymers. Durch La- den und Endladen dieser Kondensatoren kann mechanische Arbeit, die aufgrund der Relativbewegung zwischen der Welle 8 und dem Gehäuse 18 des Zylinders 7 an dem elektroaktiven Polymer verrichtet wird, in elektrische Energie umgewandelt werden.
In Figur 1 ist das Gehäuse 18 des Zylinders 7 so dargestellt, dass die Mittelachse 180 des Zylinders 7 in unausgelenktem Zustand durch die Befestigungsringe 19 und 20 geht. Zum in Figur 1 dargestellten Zeitpunkt schneidet die Achse 14, die mittig durch die Welle 8 geht, die beiden Befestigungsringe 19 und 20.
Zwischen dem Gehäuse 18 und der Welle 8 sind je Seite vier Federn 300 und vier Dämpfer 310 vorgesehen. Zusätzlich sorgen die Federn 300 und Dämpfer 310 dafür, dass die Eigenfrequenz des Generators 1 in der Nähe der Wellenfrequenz ist. In einer Ausführungsform sind die Dämpfer einstellbar, um auf unterschiedliche Wellenfrequenzen den Generator einstellen zu können. Die Ausführung gemäß Figur 1 hat den Vorteil, dass das Innere des Zylinders 7 wasserdicht abgeschlossen werden kann. Dadurch, dass die Stirnseite des Zylinders 7 geschlossen ist, kann kein Wasser zu den bewegten Teilen im Inneren des Zylinders gelangen, was ein guter Schutz gegen Seewasser ist.
Seite 10 von 24 Figur 2 zeigt den Wellenergiewandler aus Figur 1 in einem ausgelenkten Zustand. Der Übersicht halber sind die Federn 300 und Dämpfer 310 nicht gezeichnet. Wellen bewirken so genannte Orbitalbewegungen derjenigen Wassermoleküle, die sich unterhalb der Wasseroberfläche befinden. Bewegt sich beispielsweise eine Welle von links nach rechts, so werden sämtliche übereinander unter dem Wellenberg befindliche Wassermoleküle nach rechts bewegt, danach werden sie nach unten bewegt. Anschließend werden alle Wassermoleküle nach links und dann wieder nach oben bewegt. Die Wassermoleküle bewegen sich somit auf einer Orbitalbahn. Der Zylinder 7, der sich in dem Wasser befindet, wird durch die ihn umgebenen Wassermoleküle ebenfalls auf einer solchen Orbitalbahn geführt. Diese Bewegung erfolgt um die Befestigungsringe 19 und 20, mit denen das Gehäuse des Zylinders 7 über die Lager 9 und 12 verbunden ist. In Figur 2 ist gezeigt, dass der Zylinder durch die ihn umgebenden Wassermoleküle nach unten gedrückt wurde, so dass die Lager 9 und 12 maximal ausgelenkt sind. Die Welle 8 befindet sich, vom Meeresboden 3 aus betrachtet, noch an der im wesentlichen gleichen Stelle wie in Figur 1. Somit hat eine Relativbewegung zwischen der Welle 8 und dem Gehäuse des Zylinders 7 stattgefunden. Die Kondensatoren im oberen Teil der Energieumwandlungseinheit 16 sind gestaucht. Während der einer der Körper Kopplungskörper und zweiter Körper durch die Kreisbewegung der Masse Wassermoleküle auf eine Kreisbahn gezwungen wird, bewegt sich der andere der Körper dazu phasenversetzt. Dies führt zu einer Relativbewegung der beiden Körper und damit zu einer zyklischen Dehnung des elektroaktiven Polymers. Die Welle 8 dient dabei als Trägheitsmasse, wodurch es aufgrund der durch die Bewegung der Wassermole- küle induzierten Kreisbewegung des Zylinders 7 zu einer periodischen Dehnung des elektroaktiven Polymers führt. Es wird dadurch eine quasi-kontinuierliche Energieerzeugung realisiert, da hier nicht nur Aufwärts- und Abwärtsbewegungen der Wasseroberfläche, sondern auch die seitlichen Bewegungskomponenten genutzt werden. Figur 3 zeigt, dass der Zylinder 7 nach rechts bewegt wurde, während gemäß Figur 4 der Zylinder 7 nach oben gedrückt ist und in Figur 5 der Zylinder 7 nach links bewegt wurde. Relativ zu den Befestigungsringen 19 und 20 ist die Welle 8 in Figuren bis 5 ortsfest. In der Realität würde sich die Welle 8 aufgrund der, wenn auch losen, Kopplung mit dem Zylinder 7 mitbewegen. Diese Mitbewegung würde mit einem Phasenversatz erfolgen. Bei einem ange-
Seite 11 von 24 nommenen Phasenversatz von 90 ° würde sich die Welle rechts befinden, während der Zylinder unten ist. Hat sich der Zylinder dann nach links bewegt, ist die Welle unten.
Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch den Zylinder 7. Von außen nach innen sind das Ge- häuse 18, die Energieumwandlungseinheit 16 und die Welle 8 zu sehen. Die Energieumwandlungseinheit 16 enthält um die Welle 8 gewickelte Kondensatoren. Die Kondensatoren enthalten übereinander geschichtete Elastomerfolien, zwischen denen sich Kondensatorelektroden 200 und 210 befinden. Die Folien sind schneckenförmig um die Welle 8 gewickelt und füllen den Zwischenraum im Wesentlichen aus. Gezeigt sind die Kondensatorelektroden 200 und 210. Zwischen den Kondensatorelektroden 200 und 210 befindet sich das elektroak- tive Polymer. Auf der Kondensatorelektrode 200 wird beispielsweise das höhere Potential und auf den.Kondensatorelektroden 210 das niedrigere Potential jeweils vorgesehen.
Die Energieumwandlungseinheit 16 ist in sechs Kreissegmente 22 aufgeteilt. Die Kreisseg- mente sind in Umfangsrichtung um die Welle 8 angeordnet. Gezeigt sind die gedanklichen Grenzflächen 40, die die Kreissegmente 22 voneinander trennen. Die Grenzflächen 40 schneiden die Achse 180 des Zylinders 7 längs und verlaufen von Außenwand zu Außenwand des Gehäuses 18 des Zylinders 7. Wird beispielsweise die Welle 8 nach rechts gedrückt, so ändern sich die Abstände zwischen den Kondensatorelektroden 200 und 210 in dem rechten Kreissegment 22, die zusammengedrückt werden. Gleichzeitig werden die Abstände zwischen den Kondensatorelektroden 200 und 210 im linken Kreissegment 22 vergrößert. Gleichzeitig ändert sich auch die Fläche. Die Abstandsänderungen bewirkt eine Änderung der Kapazität der Kondensatoren im rech- ten Kreissegment 22 und im linken Kreissegment, woraus gemäß dem oben beschriebenen
Zyklus aus mechanischer Energie elektrische Energie erzeugt wird. Die Kondensatorelektroden 200 und 210 in den anderen Kreissegmenten ändern ihre Kapazitäten auch, allerdings im geringeren Maß. Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch einen Zylinder 7 einer weiteren Ausführungsform. Dabei sind im Vergleich zu Figur 6 die Kondensatorelektroden 200 und 210 nicht schneckenförmig um die Hülle 18 gelegt, sondern verlaufen konzentrisch zur Welle 8. Mindestens eine der Kondensatorelektroden 200 und 210 unterschiedlicher Kreissegmente sind voneinander elektrisch isoliert.
Seite 12 von 24 Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Anordnung der Energieumwandlungseinheiten in einem Zylinder 7. Dazu ist der Zylinder 7 im Querschnitt gezeigt. Mehrere Stapelaktoren 25, 26, 27, 28 und 29 sind im Inneren des Zylinders 7 radial um die Welle 8 angeordnet. Jeder der Stapelaktoren 25, 26, 27, 28 und 29 weist jeweils eine Vielzahl von übereinander angeordneten Kondensatorelektroden 200 und 210 auf.
Figur 9 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Anordnung der Energieumwandlungseinheiten in einem Zylinder 7. Die Schnittansicht des Zylinders 7 zeigt im Zylinderinneren fünf Rollen 30, die um die mittig angeordnete Welle 8 so angeordnet sind, dass die Inneren 31 der Rollen 30 auf einer Kreisbahn um die Mittelachse des Zylinders 7 liegen. Die Rollen 30 erstrecken sich jeweils von der Welle 8 bis zum Gehäuse 18 des Zylinders 7 und enthalten jeweils Kondensatorelektroden 200 und 210, die schneckenförmig um das Innere 31 der jeweiligen Rolle 30 gerollt sind. Zwischen den Kondensatorelektroden befindet sich jeweils Polymer. Im Inneren 31 der Rolle 30 befindet sich jeweils kompressibles Gas. Dazu sind die Rollen 30 jeweils an ihren beiden Stirnseiten geschlossen. Wird die Welle 8 innerhalb des Zylinders 7 in eine Richtung bewegt, so wird eine der Rollen 30 zusammengedrückt, so dass sich in dieser eine Änderung der Kapazität ergibt, wodurch elektrische Energie aus mechanischer Energie erzeugt werden kann. In der Figur sind Zwischenräume zwischen den Rollen, besonders in der Nähe des Gehäuses gezeigt. In alternativen Ausführungsformen sind die Rollen 30 so geformt, dass sie diese Zwischenräume auch ausfüllen. In weiteren alternativen Ausführungsformen sind dort weitere Rollen vorgesehen. Das Gas in dem jeweiligen Inneren 31 der Rollen 30 sorgt dafür, dass die Anordnung der fünf Rollen 30 untereinander stabil bleibt und die Rollen 30 jeweils ihre ellipsenförmige Form behalten.
Dadurch, dass n = 5 Rollen vorgesehen sind, ist per se eine Segmentierung der Energieum- Wandlungseinheit gegeben. Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass große Hübe, d.h. große Abstandsänderungen zwischen Welle 8 und Gehäuse 18, möglich sind, weil die Rollen 30 jeweils gut verformbar sind. Das Gas im Inneren 31 der Rollen 30 sorgt dafür, dass das elektroaktive Polymer in den Rollen 30 mechanisch vorgespannt ist.
Seite 13 von 24 Figur 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der Anordnung von Energieumwandlungseinheiten in einem Zylinder 7. Auch hier weist das Innere des Zylinders fünf Rollen 30 auf, deren Inneres 31 jeweils mit Gas gefüllt ist. Im Unterschied zu Figur 9 sind die Platten der Kondensatoren 200 und 210 nicht schneckenförmig um das Innere 31 angeordnet, sondern ver- laufen konzentrisch.
Figur 1 1 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung der Energieumwandlungseinheit in dem Inneren des Zylinders 7.
Das Gehäuse des Zylinders besteht aus zwei Zylinderhälften, die mit Hilfe einer Verschrau- bung miteinander befestigt sind.
Im Inneren der Gehäusehälfte 180 ist in ihrer Mitte die Welle 80 vorgesehen, während im Inneren der Gehäusehälfte 181 die Welle 81 untergebracht sind. Zwischen den Wellen 80 und 81 und dem Gehäuse 18 sind n = 8 Segmente angeordnet, die jeweils Kreisausschnitte 22 bilden.
Auf der rechten Seite der Figur 1 1 ist ein Längsschnitt durch den Zylinder 7 gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Zwischen den Wellen 80 und 81 und dem Gehäuse 18 sind jeweils Membranen 220 aus Polymer gespannt, zwischen den Kondensatorelektroden 200 und 210 verlaufen. Die Kondensatorelektroden 200 und 210 verlaufen allerdings nicht kreisförmig um die Welle 8 herum, sondern erstrecken sich jeweils nur über ein Segment 22.
Durch Bewegung der Welle 8 nach oben wird das Polymer im unteren Bereich, und somit auch die unteren Kondensatorelektroden 200 und 210, gestreckt und das Polymer im oberen Bereich, und somit auch die oberen Kondensatorelektroden 200 und 210, jeweils gestaucht.
Dadurch, dass die Gehäusehälften 180 und 181 gegeneinander gedrückt werden, werden auch die Wellen 80 und 81 aufeinander gedrückt. Es ergibt sich eine Vorspannung der Membranen, die nun etwa schräg verlaufen. Figur 12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Wellenenergiewandlers 1 . Dabei enthält im Vergleich zu Figur 1 die Energieumwandlungseinheit kein elektroaktives Polymer, sondern Hydraulikzylinder 400, die durch Relativbewegungen der Welle 8 zu dem Zylinder 7 zusammengedrückt oder gestaucht werden. Damit wird der Druck einer Hydraulikflüssigkeit
Seite 14 von 24 erhöht, die in einen Generator fließt, der diesen Druck unter Gewinnung von elektrischer Energie wieder abbaut.
Figur 13 zeigt den zu Figur 8 entsprechenden Längsschnitt. Im oberen Teil der Figur 13 ist der Längsschnitt zu dem Zeitpunkt gezeigt, in dem die Achse mittig zum Gehäuse 18 liegt. Zwischen Welle 8 und Gehäuse 18 sind jeweils Stapelaktoren 50 vorgesehen. Diese enthalten jeweils Kondensatorelektroden 200 und 210.
Figur 13 zeigt im unteren Teil im Querschnitt den Zylinder 7, wenn sich das Gehäuse 18 in Bezug auf die Welle 8 nach unten bewegt hat. Die Stapelaktoren 50 im oberen Teil des Zylinders 7 sind somit in vertikaler Richtung gestaucht und in horizontaler Richtung gestreckt. Im Gegensatz dazu sind die Stapelaktoren im unteren Teil des Zylinders 7 in vertikaler Richtung gedehnt und in horizontaler Richtung gestaucht. Die Kapazität der Stapelaktoren oberhalb der Welle 8 hat somit zugenommen, während die Kapazität der Stapelaktoren 50 unter- halb der Welle 8 abgenommen hat. Zwischen den Stapelaktoren 50 befinden sich jeweils
Freiräume 51 , die die Querdehnung der Stapelaktoren 50 aufnehmen können. Das Vorsehen von Freiräumen 51 kann auch in den Ausführungsformen gemäß den Figuren 6, 7, 8 und 11 sinnvoll sein. Figur 14 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Wellenenergiewandlers 1. Im Vergleich zu Figur 1 enthält der Zylinder 7 lediglich zwei Lager 9 und 1 1. Dieses Lager verbindet die Welle 8 mit dem Gehäuse 18 des Zylinders 7. Der Zylinder 7 ist an seiner Oberseite mit Auftriebskörpern 5 verbunden. Zudem ist der Zylinder jeweils mit Ketten 4 und 6 mit dem Meeresboden 3 verbunden. Die Kette 4 ist in einer Form des Slack Moorings vorgesehen. Sie ist mit einem Ende am Meeresboden befestigt und liegt teilweise auf dem Meeresboden auf. Bei
Bewegung des Zylinders 7 auf einer Kreisbahn im Wasser verkürzt sich und verlängert sich die Länge des Teils der Kette, der auf dem Meeresboden aufliegt. Die Welle 8 ist aufgrund der Lagerung in dem Zylinder 7 beweglich. Aufgrund ihrer Trägheit macht die Welle 8 die Kreisbewegung des Zylinders nur verzögert mit. Somit entsteht eine Relativbewegung zwi- " sehen Welle 8 und dem Gehäuse 18.
Zwischen Zylinder 7 und Welle 8 können Federn und Dämpfungselement vorgesehen werden, mit denen die Eigenfrequenz des Systems Zylinder-Welle eingestellt werden kann.
Seite 15 von 24 Figur 15 zeigt den Wellenenergiewandler 1 aus Figur 14, nachdem sich der Zylinder nach unten bewegt hat. Die Achse der Welle 8 befindet sich oberhalb der Mittenachse 180 des Zylinders 7. Figur 16 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wellenenergiewand- lers 1. Dieser weist einen Zylinder 100 mit einem Gehäuse 18 auf. Das Gehäuse 18 des Zylinders 100 ist über Verankerungsketten 4 mit dem Meeresboden 3 und über Bojenleinen 6 mit Auftriebskörpern 5 verbunden. Der Zylinder 100 verbleibt somit im Wesentlichen bezogen auf den Meeresboden 3 ortsfest. Falls der Zylinder 100 einen neutralen oder leicht positiven Auftrieb hat, werden keine Auftriebskörper 5 benötigt.
Innerhalb des Zylinders 100 ist ein Kopplungskörper vorgesehen, der eine erste Welle 90, eine zweite Welle 91 und eine dritte Welle 92 enthält. Die erste Welle 90 ist an seiner rechten Seite über eine Stange 94 fest mit der dritten Welle 92 verbunden, während an der linken Seite die erste Welle 90 über eine weitere Stange 95 mit der zweiten Welle 91 fest verbunden ist. Die Wellen 91 und 92 sollten einen möglichst neutralen Auftrieb haben.
Die Welle 90 befindet sich innerhalb des Zylinders 100, während die Wellen 91 und 92, außerhalb des Zylinders 100 vorgesehen sind. Durch die Bewegung des Wassers werden die Wellen 91 und 92 in kreisförmige Bewegungen gebracht. Somit bewegt sich auch die Welle 90 mit den Wellen 91 und 92 mit. Lager 9 und 1 1 sorgen dafür, dass die Bewegung der Welle 90 innerhalb des Zylinders 100 kontrolliert erfolgt. Zwischen der Welle 8 und dem Gehäuse 18 sind die Energieumwandlungseinheiten 16 vorgesehen, die jeweils elektroaktives Polymer enthalten und gemäß einer der verschiedenen oben genannten Konfigurationen ange- ordnet sind.
Durch die Relativbewegung des Kopplungskörpers mit dem Zylinder 7 werden die Kapazitäten der Kondensatoren in dem Polymer verändert, wodurch elektrische Energie gemäß dem oben angegebenen Zyklus gewonnnen wird.
In einer alternativen Ausführungsform sind keine Lager 9 und 10 vorgesehen und die Kopplung zwischen Zylinder 100 und dem Kopplungskörper erfolgt über den Kondensator.
Figur 17 zeigt den Wellenenergiewandler 1 aus Figur 16 in ausgelenkter Stellung.
Seite 16 von 24 Figur 18 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wellenenergiewandlers 1. Die Welle 90 des Wellenenergiewandlers 1 ist direkt mit den Befestigungsringen 19 und 20 verbunden. Die Befestigungsringe 19 und 20 sind mit Ketten 6 mit den Auftriebskörpern 5 und gleichzeitig über die Ketten 4 mit dem Meeresboden verbunden. Die Welle 90 ist zudem über Lager 9 und 11 in dem Gehäuse 18 des Zylinders 100 gelagert. Der Zylinder 100 vollführt somit Kreisbewegungen im Wasser 2, während die Welle 90 in Bezug auf den Meeresboden 3 im Wesentlichen ortsfest bleibt. Somit kommt es zu einer Relativbewegung zwischen Zylinder 100 und der Welle 90. Das Polymer in der Energieumwandlungseinheit 16 und die in dem Polymer vorgesehenen Kondensatoren werden gedehnt und gestaucht, wo- durch sich die jeweiligen Kapazitäten der Kondensatoren ändern. Die Änderung der Kapazität wird mit Hilfe der oben beschriebenen Ansteuerung der Kondensatoren ausgenutzt, um elektrische Energie zu erzeugen.
Auch bezüglich Figur 18 gibt es eine alternative Ausführungsform ohne Lager 9 und 10, wo- bei die Kopplung zwischen Zylinder 100 und dem Kopplungskörper über den Kondensator erfolgt.
Zusätzlich können in den gezeigten Ausführungsformen parallel zu den Lagern 9, 10, 11 bzw. 12 zusätzlich Federn und/oder Dämpfungsglieder vorgesehen werden. Mit diesen Fe- dem und Dämpfungsgliedern, die auch einstellbar sein können, wird die Eigenfrequenz des Systems Zylinder-Dämpfung-Welle auf die Frequenz der Wellenbewegung abgestimmt. Es ist vorteilhaft, wenn die Welle innerhalb des Gehäuses 18 so angeordnet ist, dass die Relativbewegung zwischen Welle und Gehäuse auf die Frequenz der Wellenbewegung eingestellt werden kann.
Figur 19 zeigt eine die Energiewandlungseinheit aus Figur 18 in ausgelenkter Stellung. Der Zylinder 18 ist nach oben bewegt, während die Welle 90 in Bezug auf den Meeresboden ortsfest ist. Figur 20 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Energiewandlers 1. Dabei ist im Vergleich zu Figur 8 der Kondensator so vorgesehen, dass er zwischen dem Gehäuse 8 und einer Trennwand 510, die konzentrisch um die Mittenachse des Zylinders 7 in dessen Inneren verläuft, vorgesehen ist. Die Welle 8 läuft entlang dieser Trennwand 510 und drückt diese am Angriffspunkt 520 zwischen Welle 8 und Trennwand 510 in Richtung Zylindergehäuse 18.
Seite 17 von 24 Damit wird auch der Kondensator in dem Segment 22 zwischen Angriffspunkt und Zylindergehäuse zusammengedrückt.
Seite 18 von 24 BezuQSzeichenliste
1 Wellenenergiewandler
2 Wasser
3 Meeresboden
4 Verankerungsketten
5 Auftriebskörper
6 Bojenleinen
7 Zylinder
8 Welle
9 erstes Lager
10 zweites Lager
1 1 drittes Lager
12 viertes Lager
14 Wellenachse
15 Trennwand
16 Energieumwandlungseinheit bzw. elektroaktives Polymer
18 Zylinderhülle oder Gehäuse
19 Befestigungsring
20 Befestigungsring
22 Segment
25 Stapelaktor
26 Stapelaktor
27 Stapelaktor
28 Stapelaktor
29 Stapelaktor
30 Rolle
31 Inneres
50 Stapelaktor
51 Zwischenraum
80 Welle
81 Welle
90 Welle
91 Welle
Seite 19 von 24 92 Welle
94 Stange
95 Stange
150 Stirnseite
160 Stirnseite
180 Achse
200 Kondensatorelektrode
210 Kondensatorelektrode
230 Wasseroberfläche
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Claims

Patentansprüche
1. Wellenenergiewandler (1 ) zur Umwandlung von kinetischer Energie einer Wellenbewegung eines Fluids (2) in eine andere Energieform, mit folgenden Merkmalen:
- ein Zylinder (7), der im Fluid (2) eingetaucht gehalten ist, ein zweiter Körper (8), der zumindest teilweise innerhalb des Zylinders (7) angeordnet ist, wobei der zweite Körper (8) etwa senkrecht zu einer Längsachse des Zylinders (7) translatorisch relativ zum Zylinder (8) bewegbar ist, und
- eine Energieumwandlungseinheit (16), die so ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb eine Energie der translatorischen Relativbewegung zwischen dem zweiten Körper (8) und dem Zylinder (7) in die andere Energieform umwandelt.
Wellenenergiewandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Lager (10, 11 ) zwischen dem zweiten Körper (8) und dem Zylinder (7) vorgesehen ist.
Wellenenergiewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zwei te Körper (8) von dem Zylinder (7) eingeschlossen ist.
Wellenenergiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teil (90) des zweiten Körpers (8) in dem Zylinder (100) gelagert ist und dass ein zweiter Teil (91 , 92) des zweiten Körpers aus dem Zylinders(100) vorsteht.
Wellenenergiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dämpfungsglied und/oder eine Feder zwischen dem Zylinder (7) und dem zwei ten Körper (8) vorgesehen ist.
Wellenenergiewandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsglied einstellbar ist und/oder die Federsteifigkeit einstellbar ist.
Wellenenergiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Beschleunigungssensor zum Erfassen der Relativbewegung zwischen dem Zylinder(7) und dem zweitem Körper (8) vorgesehen ist.
Seite 21 von 24 Wellenenergiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieumwandlungseinheit (16) mindestens einen Kondensator aufweist, der ein elektroaktives Polymer enthält und dessen Kapazität sich bei Verformung des elekt- roaktiven Polymers ändert, und der so angeordnet ist, dass die Relativbewegung zwischen dem zweiten Körper (8) und dem Zylinder (7) eine Verformung des Kondensators bewirkt.
Wellenenergiewandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektroakti- ve Polymer aus der Klasse der dielektrischen Elastomere ist.
Wellenenergiewandler nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieumwandlungseinheit (16) Segmente besitzt, die in Umfangsrichtung um die Mittenachse des Zylinders angeordnet sind, und dass die Energieumwandlungseinheit (16) mehrere elektrisch voneinander isolierte Kondensatoren (25, 26, 27, 28, 29) enthält, wobei jeder der Kondensatoren jeweils in einem der Segmente vorgesehen ist.
11. Wellenenergiewandler nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren Kondensatorelektroden aufweisen, die Ringabschnitte bilden.
12. Wellenenergiewandler nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ringabschnitte konzentrisch um die Zylinderachse verlaufend angeordnet sind.
13. Wellenenergiewandler nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren jeweils eine Vielzahl von übereinander gestapelten Polymerschichten und Kondensatorelektrodenschichten enthalten.
14. Wellenenergiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieumwandlungseinheit (16) einen Hydraulikzylinder (400) aufweist, der durch die Relativbewegung zwischen dem zweiten Körper (8) und dem Zylinder (7) eine Druckänderung in einer Hydraulikflüssigkeit bewirkt.
15. Wellenenergiewandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass
Seite 22 von 24 einen Generator zum Umwandeln der Energie der Hydraulikflüssigkeit in elektrische Energie vorgesehen ist.
16. Wellenenergiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (7) und/oder der zweite Körper (8) mit dem Meeresboden durch eine Haltevorrichtung verbunden ist.
17. Wellenenergiewandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung eine Kette (4) oder eine Leine aufweist, wobei insbesondere die Kette (4) teilweise auf dem Meeresboden aufliegt.
18. Wellenenergiewandler nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die
Haltevorrichtung Auftriebskörper (5) aufweist, die an den Zylinder (7) und/oder an den zweiten Körper (8) angekoppelt sind.
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