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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wellenkraftwerk.
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Wellenkraftwerke sind eine Form der Wasserkraftwerke. Sie nutzen die Energie der Meereswellen zur Umwandlung in elektrische Energie. Im Unterschied zum Gezeitenkraftwerk wird nicht der Tidenhub ausgenutzt, sondern die kontinuierliche Wellenbewegung. Die beim Auftreffen von Wellen auf eine Steilküste freigesetzte Leistung beträgt durchschnittlich 15 bis 30 Kilowatt je Meter Küstenlinie. Die Nutzung der Wellenenergie ist mit verschiedenen Prinzipien möglich:
- a) Pneumatische Kammer: Nutzung der ein- und ausströmenden Luft in einer Kammer, in der sich der Wasserspiegel durch eine Verbindung zum Meer hebt und senkt, durch einen Windgenerator.
- b) Nutzung der Relativbewegung von Schwimmkörpern zueinander oder zum Ufer. Die Bewegung wird dabei meist über hydraulische Systeme umgesetzt, die den Generator antreiben.
- c) Nutzung der potentiellen Energie (Höhenenergie) auflaufender Wellen auf eine Rampe.
- d) Nutzung von Bodenwellen.
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Bei einem Konstruktionstyp, wie ihn z. B. die europäische Patentanmeldung
EP 0 000 441 A1 beschreibt, wird im Wesentlichen ohne mechanisch bewegliche Teile gearbeitet. Es wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der in einer geschlossenen Kammer die Wellenbewegung zu einem oszillierenden Wasserstand führt. Hierdurch kommt es auch zu einer Oszillation des in der Kammer befindlichen Luftvolumens, welche über ein System von Ventilen in einen gerichteten Luftstrom transformiert wird. Mittels dieses Luftstromes werden dann in weiteren geeigneten Einheiten Energieumwandlungen durchgeführt.
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Die europäische Patentanmeldung
EP 0 496 146 A1 beschreibt dagegen ein System, bei dem torusförmige Schwimmkörper durch die Wellenbewegung an einem als Achse dienenden vertikalen Pfeiler auf- und abgleiten. Sie sind dabei mit einem Gestänge verbunden, das die Auf- und Abbewegung in eine Drehbewegung umsetzt, die einem Gleichstromgenerator zugeführt wird. Die mit Hilfe des Generators erzeugte elektrische Energie wird dann ausgenutzt, um elektrolytisch Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Auf diese Weise wird letztendlich eine Speicherung der erzeugten Energie in chemischer Form erzielt. Nachteilig bei dieser Erfindung ist jedoch, dass jedem Schwimmkörper ein eigenes Generator- und Elektrolysesystem zugeordnet ist. Auf diese Weise wird die gesamte Anlage sehr aufwendig und teuer. Außerdem schöpfen die torusförmigen Schwimmkörper die Wellenenergie nur in einem sehr kleinen Bereich ab, und der durchgehende Pfeiler bricht die Wellen und zerstreut die Wellenenergie, ohne dass sie genutzt wird.
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In der
GB-Patentschrift 1,513,162 wird ein System beschrieben, bei dem die Vertikalbewegung eines kugelförmigen Schwimmkörpers in elektrische Energie umgesetzt wird. Zu diesem Zweck ist der Schwimmkörper über eine Stange mit einem Kolben verbunden, und die Auf- und Abbewegung des Kolbens treibt oszillierend eine Fluidmenge hin und her. Die oszillierende Bewegung des Fluides wird über Ventile in einem Teilabschnitt des Kreislaufes gleichgerichtet und so über eine Turbine geleitet. Dort erfolgt die Stromerzeugung. Auch dieses System hat den Nachteil, dass der Schwimmkörper nur ganz punktuell die Wellenenergie abgreift In der
US 2,749,085 wird ein Wellenkraftwerk beschrieben, das aus einer Plattform besteht, unter welcher sich in regelmäßiger Anordnung vertikal bewegliche Schwimmkörper („Pontons“) befinden. Diese Schwimmkörper haben eine annähernd bootsförmige Grundform mit bugseitig unter einem Winkel von mehr als 90° zusammengefügten Seitenwänden. Die durch den Wellengang verursachte Auf- und Abbewegung der Schwimmkörper wird über einen Generator in elektrische Energie umgesetzt. Nachteilig bei einem Wellenkraft nach der genannten US-Schrift ist, dass die Schwimmkörper mit ihrer „Bootsachse“ fest ausgerichtet sind. Hierdurch kann der Wellengang immer nur aus einer Richtung optimal abgegriffen werden. Ändert sich die Richtung des Wellengangs, so kommt es nicht nur zu einer suboptimalen Ausnutzung der Wellenenergie durch das Auftreffen der Wellen auf die Bootskörper unter einem schrägen Winkel, sondern darüber hinaus ist die gesamte Anlage starken mechanischen Belastungen ausgesetzt. Denn bei seitlich auftreffendem Wellengang sind die Bootskörper einer Torsion unterlegen, welche von den vertikalen Führungen aufgefangen werden muss.
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In der
EP 0 170 737 A1 wird ein Wellenkraftwerk beschrieben, bei dem ein Ponton so schwimmend auf einer Wasseroberfläche angeordnet ist, dass der Ponton den Wellenbergen und -tälern folgt und in die Wassertiefe weisend, eine Schubstange angeordnet ist, an deren unterem Ende ein oder mehrere Schaufelräder angeordnet sind, deren bewegbare Schaufeln infolge der Pontonbewegung die Schaufelräder in eine Drehbewegung um eine in Schubstangenlängsrichtung angeordnete Achse versetzen, wobei die Achse gleichzeitig die Rotorsachse eines Generators ist, der an der Schubstange angeordnet ist.
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Eine ähnliche Lösung wird in der
US 4,447,740 beschrieben, wobei hier mehrere bojenartige Energieerzeuger zum Einsatz kommen. Nachteilig bei diesen Wellenkraftwerken ist es, dass die Rotationsbewegung jeweils zu einem Generator auf dem Ponton oder die Boje übertragen wird. Das ist vor allem wartungstechnisch aufwendig.
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Beim Wellenkraftwerk
DE 196 15 115 A1 sind mehrere horizontale auf der Wasseroberfläche befindliche Schwimmkörper, die einseitig an einem zentral angeordneten, vertikalen Schwimmkörper mittels Scharniere befestigt sind. Die Bewegungen der Schwimmkörper werden direkt per Hub über Pleuelstangen auf die luftdruckerzeugenden Vorrichtungen übertragen. Bei kurzen bis mittleren Wellenperioden entstehen gleichzeitige Bewegungen der horizontalen Schwimmkörper und des vertikalen Schwimmkörpers. Deren Folge ist ein verkürzter Ausschlag. Eine wenig vorteilhafte Ausführung ist die unmittelbare Übertragung der Schwimmkörper-Ausschläge auf die energieerzeugenden Vorrichtungen. Die Ausschlags-Energie der Schwimmkörper ist abnehmend, gleichzeitig nimmt die Widerstandsenergie der luftruckerzeugenden Vorrichtungen zu.
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Beim Wellenkraftwerk
GB 2 261 262 A soll mittels eines den Wellenbewegungen folgenden horizontalen Schwimmkörpers Energie erzeugt werden. Der Schwimmkörper ist mit einer zentral angeordneten dualen Drehkonstruktion, die vierseitig drehbar ist, axial verbunden. Dieses Bauteil ist mit weiteren Bauteilen, die vertikal angeordnet sind und sich unterhalb der Wasseroberfläche befinden, fest verbunden. Die Bauteile münden in eine Röhre, die am Meeresboden fixiert und fest verankert ist. Nachteilig bei der Wellenabnahme durch den horizontalen Schwimmkörper, wirkt sich bei niedrigen bis mittleren Wellenbewegungen die duale-axiale Drehkonstruktion auf den Wirkungsgrad aus. Da die Wasserwellen bei niedrigen bis mittleren Wellenbewegungen einseitig, zweiseitig und allseitig auf den horizontalen Schwimmkörper treffen und dabei rotierende und konträre Kräfte auf den Schwimmkörper einwirken. Nachteilig wirkt sich auch auf den Wirkungsgrad aus, wenn beide Körper: der energieerzeugende und der Energiewandelnde Körper Schwimmkörper sind, oder der erste Körper ein Schwimmkörper und der zweite Körper kein Schwimmkörper ist.
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In der
DE 299 12 033 U1 wird ein Wellenkraftwerk beschrieben, dass die Wellenbewegung des Wassers ausnutzt, um ein oder mehrere Schaufelräder zu betreiben und damit Energie zu erzeugen. Dieses Wellenkraftwerk besteht aus einem Ponton, der so schwimmend auf einer Wasseroberfläche angeordnet ist, dass der Ponton den Wellenbergen und -tälern folgt. Unten am Ponton, in die Wassertiefe weisend, ist eine Schubstange angeordnet, an deren Ende ein Energieerzeugungsblock, bestehend aus einem oder mehreren Schaufelrädern und bewegbaren Schaufeln, angeordnet ist. Diese Anordnung erfolgt derart, dass infolge der Pontonbewegung das oder die Schaufelräder in eine Drehbewegung um eine in Schubstangenlängsrichtung angeordnete Achse versetzt werden, wobei die Achse gleichzeitig die Rotorachse eines Generators ist, der an oder in der Schubstange angeordnet ist. Die Schubstange ist mittels eines Gelenkes am Ponton befestigt, um möglichst eine senkrechte Position bei Schlingerbewegungen des Pontons zu bewahren. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass sich die bewegenden Teile in der Tiefe des Wassers befinden und so Reparatur- und Wartungsarbeiten aufwendig sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wellenkraftwerk vorzuschlagen, welches einfach im Aufbau und an den Energiebedarf anpassbar ist.
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Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe, ausgehend von einem Wellenkraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
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Das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk besteht aus einem im Wesentlichen geschlossenen Hohlkörper, der sich teilweise oder vollständig im Wasser befindet und sich aufgrund des Wellengangs bewegt und einer Masse, die innerhalb des Hohlkörpers so angeordnet ist, dass sie bei Bewegung des Hohlkörpers aufgrund ihrer Trägheit eine Relativbewegung zwischen Hohlkörper und Masse bewirkt und Mittel zur Umwandlung der Bewegungsenergie zwischen Hohlkörper und Masse in elektrische Energie innerhalb des Hohlkörpers angeordnet sind.
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Die Masse ist dazu beispielsweise am Hohlkörper über mindestens einen Lineargenerator mit dem Hohlkörper verbunden. Ein Ende des mindestens einen Lineargenerators ist an einem Befestigungspunkt mit der Masse verbunden. Das andere Ende des mindestens einen Lineargenerators ist an einem Befestigungspunkt mit dem Hohlkörper verbunden. Beim Wellengang kommt es zu einer Bewegung des Hohlkörpers und damit zu einer Relativbewegung zwischen Hohlkörper und Masse, die den mindestens einen Lineargenerator antreibt. Der mindestens eine Lineargenerator wandelt die mechanische Bewegungsenergie in elektrische Energie um, die über mindestens eine nicht dargestellte, elektrische Leitung nach außen transportiert wird. Die komplette Umwandlung der Energie der Wellen in elektrische Energie erfolgt somit innerhalb des Hohlkörpers. Die Aufhängung der Masse erfolgt dabei so, dass eine Bewegung der Masse unabhängig von der Bewegungsrichtung des Hohlkörpers erfolgt. Dies kann beispielsweise über eine radialsymmetrische Aufhängung der Masse innerhalb des Hohlkörpers erfolgen.
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Anstelle eines Lineargenerators kann die Umwandlung der mechanischen Bewegungsenergie auch durch eine Kombination von Hydraulikmotor und Generator erfolgen, die innerhalb des Hohlkörpers angeordnet sind.
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Mindestens ein Teil der Aufhängung der Masse innerhalb des Hohlkörpers kann auch oder anstelle des mindestens einen Lineargenerators über ein System von elastischen Elementen, beispielsweise Federn, insbesondere Schrauben- oder Gasdruckfedern erfolgen.
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In einer weiteren Abwandlung weist das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk zusätzlich noch eine Vorrichtung auf, die zumindest teilweise aus dem Wasser ragt. Diese Vorrichtung macht zusätzlich zur mechanischen Energie der Wellen die im Wind enthaltene kinetische Energie als mechanische Energie nutzbar, indem sie den Hohlkörper zusätzlich in Bewegung versetzt. Dies ermöglicht des Weiteren auch den Einsatz in Gewässern mit geringem Wellengang, insbesondere auch in kleinen Gewässern z.B. Bassins oder Swimming-Pools.
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Die schwimmfähige Ausführung des Wellenkraftwerks ist vorzugsweise am Meeresboden verankert. Alternativ kann das Wellenkraftwerk auch an einem Steg oder einer schwimmfähigen Vorrichtung über Seile, Ketten, o.ä. verankert sein. Entscheidend ist, dass der Hohlkörper weiterhin durch Wellen bewegt werden kann.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, welches auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt.
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Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Wellenkraftwerks bestehen insbesondere darin, dass komplette Umwandlung der Energie der Wellen in elektrische Energie innerhalb des Hohlkörpers erfolgt, wodurch das Wellenkraftwerk wesentlich wartungsärmer und weniger störungsanfällig als die im Stand der Technik beschriebenen Wellenkraftwerke ist. Des Weiteren lässt sich das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk skalieren und mit anderen, insbesondere identisch aufgebauten Wellenkraftwerken kombinieren.
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Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen veranschaulicht.
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Die Zeichnungen zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wellenkraftwerks und
- 2 eine Abwandlung des in 1 dargestellten Wellenkraftwerks.
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Das erfindungsgemäße Wellenkraftwerk gemäß 1 besteht aus einem kugelförmigen, geschlossenen Hohlkörper 1, der sich teilweise oder vollständig im Wasser befindet und sich aufgrund des Wellengangs bewegt. Des Weiteren beinhaltet das Wellenkraftwerk eine kugelförmige Masse 2. Diese kugelförmige Masse 2 ist innerhalb des geschlossenen Hohlkörpers 1 mittig so angeordnet, dass sie bei Bewegung des Hohlkörpers 1 aufgrund ihrer Trägheit schwingt, d.h. eine Relativbewegung zwischen Hohlkörper 1 und Masse 2 bewirkt. Die Masse 2 ist dazu am Hohlkörper 1 über vier Lineargeneratoren 3 mit dem Hohlkörper 1 verbunden. Die vier Lineargeneratoren 3 sind radialsymmetrisch zwischen Hohlkörper 1 und Masse 2 angeordnet. Jeweils ein Ende eines Lineargenerators 3 ist an einem Befestigungspunkt 4 mit der Masse 2 verbunden. Das jeweils andere Ende des Lineargenerators 3 ist an einem Befestigungspunkt 5 mit dem Hohlkörper 1 über ein Gestänge 6 verbunden. Beim Wellengang kommt es zu einer Bewegung des Hohlkörpers 1 und damit zu einer Relativbewegung zwischen Hohlkörper 1 und Masse 2, die die Lineargeneratoren 3 antreibt. Die Lineargeneratoren wandeln die mechanische Bewegungsenergie in elektrische Energie um, die über nicht dargestellte, elektrische Leitungen nach außen transportiert wird. Die komplette Umwandlung der Energie der Wellen in elektrische Energie erfolgt somit innerhalb des Hohlkörpers 1.
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Das abgewandelte Wellenkraftwerk gemäß 2 ist im Aufbau identisch mit dem Wellenkraftwerk gemäß 1, weist aber zusätzlich noch eine Vorrichtung 7 auf. Die Vorrichtung 7 ragt zumindest teilweise aus dem Wasser. Die Vorrichtung 7, macht zusätzlich zur mechanischen Energie der Wellen die im Wind enthaltene kinetische Energie als mechanische Energie nutzbar, indem sie den Hohlkörper 1 zusätzlich in Bewegung versetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- kugelförmiger Hohlkörper
- 2
- kugelförmige Masse
- 3
- Lineargenerator
- 4
- Befestigungspunkt
- 5
- Befestigungspunkt
- 6
- Gestänge
- 7
- Vorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0000441 A1 [0003]
- EP 0496146 A1 [0004]
- GB 1513162 [0005]
- US 2749085 [0005]
- EP 0170737 A1 [0006]
- US 4447740 [0007]
- DE 19615115 A1 [0008]
- GB 2261262 A [0009]
- DE 29912033 U1 [0010]