WO2012098120A2 - System und verfahren zur energieauskopplung aus meereswellen - Google Patents

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    • 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 invention relates to a system and a method for extracting energy from sea waves with the aid of a buoyancy body, which is at least partly immersed in the seawater and whose longitudinal extent is a multiple of its height and width, and from which cables are provided below the buoyant body.
  • at least one of the ropes is provided as a guide cable for guiding the buoyant body on a trajectory and at least one rope as working rope for transmitting the wave energy to at least one energy converter.
  • energy converters are understood to mean systems or devices which are intended to convert the mechanical energy of the buoyant body into electrical or hydraulic energy using mechanical aids.
  • the present invention is exclusively concerned with those systems in which a relative movement of vertical, horizontal or combined in both
  • Plant size he determines the amount of the energy yield. In addition to the technical degree of control, the most important factors for an economic working method are the
  • Cost of the system crucial consist of the costs for the construction, maintenance and disposal of the plant, as well as the costs of the required infrastructure. From a macroeconomic point of view, a simple robust design with moderate efficiency can be superior to a technically efficient system that requires high investment and maintenance costs. In the
  • Wave direction anchored at two spaced fixed points on the seabed so that the ropes are splayed at about 45 °.
  • One of the anchoring ropes is working rope with two arranged on the buoyancy hydraulic cylinders connected, the other is fixed as a guide rope for the buoyant body both on the buoyant body and on the seabed.
  • the former anchoring cable work rope
  • the generated hydraulic pressure is used in a arranged on the buoyancy energy converter for generating electricity.
  • French patent application FR 2 869 368 A1 describes a system for generating energy from sea waves, in which, like that of "Graw"
  • a buoyant body in the form of a disc-shaped platform is connected to ropes, which are anchored at one end in each case at three spaced attachment points on the seabed. From there, the ropes are arranged over on the platform
  • Deflection rollers led to a common, centrally located below the platform ballast body which is fixed to the ends of the ropes. Due to its own weight, the ballast body always keeps the ropes under tension.
  • the pulleys are driven by the ropes guided over it in alternating directions of rotation and convert the energy by driving a connected
  • Wave progress direction is detected by a power flow of greater width.
  • a certain trajectory is with the known system when moving the
  • Buoyancy body not writable, since the system does not undergo targeted guidance.
  • US Pat. No. 5,066,867 A has disclosed a system in which the energy-converting devices below the sea level are arranged stationarily, so that disadvantages can also be expected here from corrosion and from difficult maintenance work. Even with this arrangement, no trajectory can be described when moving the buoyant body, since the system undergoes no targeted guidance.
  • Wave energy with high energy yields even when varying at the location Wave directions allows and with low investment costs and simple technology has a high availability with low maintenance.
  • the system should be suitable, synergy effects by combining with offshore
  • the invention proposes that
  • Float is spatially freely aligned with respect to the shaft direction.
  • the buoyancy of the invention is movably mounted so that it also in changing shaft direction in a position can pivot in which an optimal energy yield is expected. Since the buoyancy body is formed according to the invention elongated, with its longitudinal extent is a multiple of its height and width, the wave mountain nearest the end of the buoyancy body is detected first upon arrival of a wave mountain, whereby the body in a for
  • Wave crest parallel position is rotated and thus optimally aligned to the shaft. This effect is similar to the "cross beating" of a ship, which is known from shipping, and the buoyancy body can be additionally provided with guide profiles for purposeful and improved influencing of the movement behavior.
  • control and energy conversion devices may be sealed and protected outside of the buoyant body.
  • the energy converters and the devices for cable control are seewasergeflatt. This is achieved, for example, if according to the invention on a static structure above sea level to be ordered. Such a place may be, for example, a mast or tower anchored to the seabed that is sufficiently far above the highest expected
  • Floating bodies are connected and that there are no relative movements between the ropes and the buoyancy body, which are used to generate electricity.
  • control is not used here in a restrictive sense, but is also intended to include regulations, e.g. Loopback controllers include.
  • the buoyant body when the buoyant body is spatially freely aligned with respect to the shaft direction, it is proposed in a favorable embodiment of the invention to attach all ropes to a common central fastening device on the buoyancy body, the free adjustability of the buoyant body, at least with respect to the wave direction , allowed.
  • This can be achieved, for example, by using an axis of rotation in the region of the central vertical axis for fastening all cables to the buoyant body.
  • This can be represented by a turntable rotatably mounted about the vertical axis of the buoyant body to which the ropes are attached.
  • a rail system can be used which allows movement of the points of application of the cables relative to the buoyant body.
  • buoyancy body This consists of an endless curved rail on which slide on an approximately horizontal plane, where the ropes are attached.
  • the buoyancy body is rotatable or adjustable relative to the attachment. After the orientation of the buoyant body parallel to the wave crest, a translatory movement of the buoyant body takes place along a circular arc segment web around the stationary, fixed attachment point or the shaft-remote fixed location
  • each of the ropes can be used as a guide cable for the buoyant body and as a working cable for transmitting the mechanical energy to an energy converter, if necessary.
  • the invention further provides that in order to change the trajectory of the buoyant body, the shaft-facing guide cables can be fixed in an adjustable length and / or controlled during the movement. In this way, a trajectory of the buoyant body adapted for the respective wave conditions can be adjusted and if necessary also corrected during the wave motion in the sense of an effective utilization.
  • the length of the cables on the side facing away from the shaft determines the radius and the slope of the trajectory on which the buoyant body attached to the end of the rope inevitably moves, while the control and
  • the system's motion characteristics (such as the radius of the arc, pitch, amplitude, depth of immersion, speed and direction of travel of the buoyant body) can be adjusted by adjusting the respective cable lengths and forces acting on the body via the control system. In general, it is thus possible that over the
  • Movement patterns in three-dimensional space can be performed. Either energy can be taken from all three ropes, energy can be brought in or no energy conversion can take place. In this way, for optimal performance, the parameters can be adjusted at any time to the current wave conditions (such as wave height, wavelength, period and wave direction).
  • control of the individual working ropes can be adapted to the respective direction of progress of the incident wave crests for improved utilization of the directional spectrum of the waves.
  • This can be realized, for example, in arrangements with two working ropes that for the rope, from the direction of a single wave incident, a larger
  • Movement amplitude is allowed.
  • the invention proposes that for the active repatriation of lifted on a wave mountain buoyant body, or to control its immersion depth, on each of
  • the energy converter is an electric generator and the wave-facing working rope, or the wave-facing working cables are set up for direct or indirect drive of the generator.
  • the generator can be driven in a conventional manner via a pulley, over which the cable provided for energy transmission is guided. Reversal of rotation can be compensated by freewheels.
  • linear generators or other known energy converters can be used, which are operated, for example via compressed air or hydraulic cylinders directly or indirectly through the rope or ropes.
  • the buoyancy body in water depths less
  • part of the buoyant body can be temporarily flooded with seawater. It is preferably flooded only so far that it continues to exert an upward force on the work and guide ropes. Thus, it can be led back to the surface after fading of extreme weather conditions by fying the ropes.
  • the body is pumped out by a pump. This can be operated by a solar cell installed on the surface of the body or a battery. Alternatively, it can be done with the help of a permanent buoyancy in the lower part of the Aufriebs stresses emptying.
  • the buoyancy body has a low weight at high buoyancy forces, the buoyancy forces can be changed by targeted flooding of the buoyant body.
  • a plastic based construction is advantageous. Conceivable is the design of the buoyant body as a pressure body whose shape is supported by an internal pressure which exceeds the atmospheric pressure. Thus, flexible materials can be used.
  • Water movement can be reduced by the volume of air contained
  • a particularly favorable proposal of the invention provides to integrate the system in offshore wind turbines, the seawater-protected facilities for energy conversion and the devices for cable control are respectively arranged on or in the tower of the wind turbine, or integrated into the nacelle of the Wndkraftstrom.
  • the structural structure of the Wndkraftstrom is charged only by compressive forces and not by overturning moments, so that integration of the system in existing facilities, or in new buildings without significant change in construction or statics is possible.
  • Energy parks can be connected, which can be set up alone or in combination with a wind farm.
  • the systems can be arranged such that their
  • Anchors can be used at least partially by multiple systems simultaneously.
  • the systems can be arranged to surround the wind farm and thus reduce the energy of the sea in the area of the wind turbines.
  • Buoyancy may also be provided on a submerged construction, which is fixed by suitable anchors in a fixed position or by a suitable shaping binds a large hydrodynamic mass and thus has a high inertia.
  • the alignment with the shaft direction can take place by self-alignment of the overall system about its anchoring.
  • each buoyant buoyancy is sufficient with two ropes, of which only the wave-facing rope is used for control and energy conversion.
  • the movement characteristics of the system can be adjusted by the control system, according to the invention to achieve an optimal trajectory before or during the movement of the buoyant body, the length of the guide cable, or ., the guide cables, is adjusted.
  • the force introduced via the working cable can also be used for
  • the arrangement described allows alignment of the buoyant body and the trajectory according to the current wave advancing direction, whereby high energy yields can be achieved even at locations of varying shaft directions.
  • the overall system is characterized by relatively high Energy yields and low costs.
  • the comparatively high energy yield is achieved by a high efficiency of the optimized trajectory curve and by a high effective width due to the oblong shape oriented transversely to the direction of shaft travel. Low construction and maintenance costs result from the
  • the structural structure of the Wndkraftstrom is particularly suitable for the arrangement of energy converters and devices for controlling the cable and / or the rope length.
  • the structure is loaded only by compressive forces and not by tilting moments.
  • FIG 1 shows the system according to the invention in conjunction with an offshore wind turbine
  • FIG. 1 the system according to the invention is shown roughly simplified. With 1 of the floating in seawater 2 semi-cylindrical buoyancy body is called, the lower curved side partially immersed in the seawater 2.
  • the self-contained buoyancy body 1 is hollow and made of corrosion-resistant metal or plastic or similar seawater resistant material. As can be seen, the buoyancy body 1 has a significantly greater length than width or height and is flattened on top. This form has proven particularly useful, although other forms are conceivable.
  • a fastening device 3 for different ropes S is arranged on the buoyancy body.
  • the ropes S are passively struck, i. they are fixed there, but at the same time allow a spatial movement of the
  • Weight foundations or pile anchors can be used, and form fixed reference points 6 for the buoyancy body 1 and its
  • Fastening device 3 One of the deflection rollers U3 is fastened in the example described here in a deflection pulley block 4 with further deflection rollers at the foot of a tower 7 of a Wndkraftstrom.
  • Each of the illustrated cables S1 to S3, starting from the fastening device 3, is deflected over one of these deflection rollers U1 to U3 and guided to the deflection roller block 4, from where all the cables S1 to S3 move upwards, along the tower 7 of the wind power plant one above the sea surface and out of reach of the waves
  • Each of the cables S1, S2, S3 runs independently of the other cables around the deflection rollers U1, U2 and U3, as well as around the deflection rollers of the deflection roller block 4 and can be controlled separately and fixed in a predetermined length.
  • the energy converter 8 not described in detail here consists essentially of the mechanically driven electric generator to which the mechanical energy is supplied from the movement of the buoyant body via the cables S1, S2, S3 and in a suitable device in a rotational movement to drive the
  • the electricity generated in the generator is fed via - not shown cables - in the power grid. It is also possible to use the electric generator in the meantime as a motor.
  • a rolling up in the direction of 10 shaft 1 1 reaches the broad side of the buoyancy body 1 first on its side facing and causes rotation of the stationary reference points 6 held buoyancy body 1 about the vertical axis 4, which is the axis of rotation of the fastening device 3 of the ropes S1 to S3 simultaneously ,
  • the buoyancy body 1 is oriented transversely to the direction 10 of the incoming wave 1 1 and provides an optimal attack surface for the shaft 1 1.
  • This rope S3 is hereinafter referred to as guide rope. Since the rope only becomes a guide rope by virtue of its function, each of the ropes S1 to S3 can become a guide rope as soon as it rests on the rope
  • the ropes S1 and S2 on the reverse side facing the buoyancy body 1 are first arrested upon arrival of a wave crest by the means for controlling the cable and / or the cable length 9 until a desired immersion depth of the buoyancy body 1 or desired traction by the on the buoyancy body acting wave is reached. Immediately thereafter, a movement of the
  • Float 1 permitted under a defined force or speed, which is transmitted via the wave-facing ropes S2 and S3, which are called working cables below, mechanical energy to the generator.
  • the working cables S2 and S3 are pulled out by the rotation of the shaft 11 and overtaken again after passing through the wave crest by means of a force applied by the control. Meanwhile, the guide rope S1 determines on the Wave 1 1 opposite side of the buoyancy body 1 its trajectory.
  • the buoyancy body 1 After reaching the wave crest, the buoyancy body 1 automatically moves back to its original position or is actively returned by a force introduced via the working cables S2 and S3. By an active return of the buoyancy body 1 returns faster to its original position. The restoring force also causes an increased immersion of the buoyant body 1 in the trough, which leads to further performance increases.
  • the movement characteristics of the entire system are set so that all parameters to the current wave conditions, such as Wave height, wavelength, period and wave direction, can be adjusted.
  • the movement path can be adjusted to the respective one by an individual control of the individual cables S1, S2, S3
  • Wind turbine is only loaded by compressive forces and not by tilting moments, a retrofit of the system to existing facilities, or integration in new buildings without significant change in the construction is possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Energieauskopplung aus Meereswellen mit Hilfe eines Auftriebskörpers (1), von dem aus Seile (S) zu unterhalb des Auftriebskörpers vorgesehenen, voneinander beabstandeten ortsfesten Bezugspunkten (6) abgespreizt geführt sind, wobei mindestens eines der Seile als Führungsseil zur Führung des Auftriebskörpers (1) auf einer Bahnkurve und mindestens ein Seil als Arbeitsseil (S2, S3) zur Übertragung der Wellenenergie an mindestens einen Energiewandler (8) vorgesehen ist. Um eine effizientere Nutzung der Wellenenergie auch bei variierenden Wellenrichtungen zu ermöglichen und Synergieeffekte durch die Kombination mit Offshore Wndkraftanlagen (7) zu nutzen, wird vorgeschlagen, dass der Auftriebskörper in Bezug auf die Wellenrichtung (10) räumlich frei ausrichtbar ist. Alternativ oder zusätzlich wird vorgeschlagen, dass der/die Energiewandler (8) und die Einrichtungen zur Seilsteuerung und/oder des Seilzuges (9) außerhalb des Auftriebskörpers (1) ortsfest angeordnet sind.

Description

System und Verfahren zur Energieauskopplung aus Meereswellen
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Energieauskopplung aus Meereswellen mit Hilfe eines durch die Bewegung der Meereswellen angeregten, mindestens teilweise in das Meerwasser eintauchenden Auftriebskörpers, dessen Längserstreckung ein Vielfaches seiner Höhe und Breite beträgt und von dem aus Seile zu unterhalb des Auftriebskörpers vorgesehenen, voneinander beabstandeten ortsfesten Bezugspunkten abgespreizt geführt sind, wobei mindestens eines der Seile als Führungsseil zur Führung des Auftriebskörpers auf einer Bahnkurve und mindestens ein Seil als Arbeitsseil zur Übertragung der Wellenenergie an mindestens einen Energiewandler vorgesehen ist.
Als Energiewandler werden im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung solche Systeme oder Vorrichtungen verstanden, die dafür vorgesehen sind, die mechanische Energie des Auftriebskörpers unter Verwendung mechanischer Hilfsmittel in elektrische oder hydraulische Energie umzuwandeln.
Zur Erreichung umweltpolitischer Ziele, zur Unabhängigkeit von fossilen
Energieträgern und zum Ausstieg aus der Kernenergie wird der Ausbau erneuerbarer Energien weltweit voran getrieben. Eine große Energiemenge steht in den
Weltmeeren u.a. in Form der Meereswellen zur Verfügung, deren Potential zur Stromerzeugung derzeit kaum wirtschaftlich genutzt wird.
In den vergangenen Jahrzehnten wurde weltweit auf diesem Gebiet geforscht und eine große Anzahl an Konzepten zur Nutzung der Energie aus Meereswellen entwickelt. So entstand ein breites Spektrum an Systemen, jedoch kamen von denen nur wenige über den Status des Prototyps hinaus. Ein Großteil jener Projekte, die Prototypen hervorbrachten, scheiterte letztlich bei Tests an der Gewalt extremer Seegangsbedingungen. Zudem bereiteten die korrosiven Umgebungsbedingungen massive Probleme in Bezug auf die Haltbarkeit der Anlagen und deren
Funktionssicherheit. Andere Modelle blieben in natürlichen Seegangsbedingungen hinter ihrer prognostizierten Systemleistung weit zurück. Nur wenige der Projekte erreichten den Status einer kommerziellen Nutzung mit Einspeisung in bestehende Energieversorgungsnetze.
Die vorliegende Erfindung befasst sich ausschließlich mit solchen Systemen, bei denen eine Relativbewegung von vertikal, horizontal oder kombiniert in beide
Richtungen bewegten Körpern in elektrische oder hydraulische Energie umgewandelt wird. Diese sogenannten Systeme mit bewegten Körpern haben in der Literatur die größte Beachtung gefunden, da mit ihnen, zumindest unter theoretischen
Gesichtspunkten, sehr hohe Wirkungsgrade erzielbar sind.
Ein wesentliches Bewertungkriterium der Systeme zur Wellenumwandlung ist der technische Wrkungsgrad, d.h. der Quotient aus Anlagenleistung und der verfügbaren Leistung aus der Welle. Für einen gegeben Standort und eine gegebene
Anlagengröße bestimmt er maßgeblich die Höhe des Energieertrages. Neben dem technischen Wrkungsgrad sind für eine wirtschaftliche Arbeitsweise vor allem die
Kosten des Systems entscheidend. Diese setzen sich zusammen aus den Kosten zur Erstellung, zur Instandhaltung und Entsorgung der Anlage, sowie den Kosten der benötigten Infrastruktur. Gesamtwirtschaftlich betrachtet kann eine einfache robuste Konstruktion mit mäßigem Wirkungsgrad einer technisch effizienten Anlage, die hohe Investitions- und Instandhaltungskosten erfordert, überlegen sein. Bei der
Entwicklung von neuen Systemen zur Energiewandlung aus Meereswellen müssen deshalb beide Kriterien betrachtet werden, um geringe Stromerzeugungskosten erzielen zu können.
Aus der Fachliteratur (Dr.-Ing. Kai-Uwe Graw,„Wellenenergie - eine
hydromechanische Analyse", ISSN 0179-9444, IGAW BUGH Wuppertal, Abschnitt e, Seite 8-8) ist das Funktionsprinzip eines schwimmenden Körpers bekannt geworden, der durch Wellen zu einer Bewegung gegenüber einem ortsfesten Bezugspunkt angeregt wird und dabei einen elektrischen Generator antreibt. Der Auftriebskörper ist dazu über ein Seilsystem, sowohl in Wellenrichtung, als auch entgegen der
Wellenrichtung, an zwei beabstandeten Festpunkten am Meeresboden so verankert, dass die Seile etwa unter 45° abgespreizt werden. Eines der Verankerungsseile ist als Arbeitsseil mit zwei auf dem Auftriebskörper angeordneten Hydraulikzylindern verbunden, das andere ist als Führungsseil für den Auftriebskörper sowohl am Auftriebskörper als auch am Meeresboden fixiert. Sowohl beim Auf- und Ab- als auch beim Vor- und Zurückbewegen des Auftriebskörpers infolge der Wellenbewegungen führt das erstgenannte Verankerungsseil (Arbeitsseil) eine Relativbewegung gegenüber dem Körper aus, wobei zwei Hydraulikzylinder betätigt werden. Der dabei erzeugte hydraulische Druck wird in einem auf dem Auftriebskörper angeordneten Energiewandler zur generatorischen Stromerzeugung genutzt.
Das andere Verankerungsseil (Führungsseil) führt während dessen den
Auftriebskörper, in einer durch die Abspannrichtungen der Seile festgelegter
Orientierung zur Welle, auf einer Bahnkurve (Kreisbogensegment) um den ortsfesten Befestigungspunkt.
Die französische Patentanmeldung FR 2 869 368 A1 beschreibt ein System zur Energiegewinnung aus Meereswellen, bei dem, wie bei dem von„Graw"
beschriebenen System, Wellenbewegungen, sowohl in horizontaler, wie in vertikaler Richtung, ausgenutzt werden können. Zu diesem Zweck ist ein Auftriebskörper in Form einer scheibenförmigen Plattform mit Seilen verbunden, die an einem Ende jeweils an drei voneinander beabstandeten Befestigungspunkten am Meeresboden verankert sind. Von dort werden die Seile über auf der Plattform angeordnete
Umlenkrollen zu einem gemeinsamen, zentral unter der Plattform angeordneten Ballastkörper geführt, der an den Enden der Seile befestigt ist. Aufgrund seines Eigengewichts hält der Ballastkörper die Seile stets unter Spannung. Beim Auf- und Ab- bzw. Hin- und Herbewegen der Plattform unter dem Einfluß der Wellen werden die Umlenkrollen von den darüber geführten Seilen in alternierenden Drehrichtungen angetrieben und wandeln die Energie durch Antrieb eines angeschlossenen
Generators oder einer Hochdruckpumpe, die ihrerseits eine Turbinen- Generatoreneinheit antreibt, um.
Beide Systeme haben Nachteile. Das von„Graw" beschriebene System hat den Nachteil, dass eine effiziente Bahnkurve, auf der sich der Auftriebskörper bewegen kann, nur erreichbar ist, wenn die Wellenrichtung der Orientierung des Systems entspricht. Änderungen der Wellenrichtung kann sich das System nicht anpassen, so dass Leistungsverluste in Kauf genommen werden müssen.
Als weiterer Nachteil wird angesehen, dass die Energie wandelnden Einrichtungen und deren erforderliche Steuerungen unmittelbar auf dem Auftriebskörper angeordnet sind, wo sie der korrosiven Atmosphäre der Meeresluft und dem Seewasser unmittelbar ausgesetzt sind. Funktionsstörungen und Ausfälle sind deshalb bei diesem beschriebenen System zu erwarten, in jedem Fall ist ein hoher
Wartungsaufwand zu betreiben. Zudem führt die Masse der Einrichtungen der Energiewandlung und Steuerung zu einer Erhöhung der Gesamtmasse des bewegten Systems, wodurch die Bewegungseigenschaften negativ beeinflusst werden.
Die vorstehend beschriebenen Nachteile sind teilweise auch bei dem System der FR 2 869 368 A1 zu erwarten; auch hier sind die Energie umwandelnden Einrichtungen unmittelbar auf dem Auftriebskörper, der Plattform, angeordnet. Die Ausrichtung des Auftriebskörpers zur Wellenrichtung ist bei diesem System zwar nicht von Bedeutung, da der Auftriebskörper auf Grund seiner scheibenförmigen Gestalt eine in allen Richtungen gleiche Wrkungsweise erlaubt. Allerdings wird hierdurch der Vorteil des länglichen Auftriebskörpers aufgegeben, der bei Ausrichtung quer zur
Wellenfortschrittsrichtung von einem Energiestrom größerer Breite erfasst wird. Eine bestimmte Bahnkurve ist mit dem bekannten System beim Bewegen des
Auftriebskörpers nicht beschreibbar, da das System keine gezielte Führung erfährt.
Schließlich ist durch die US 5,066,867 A ein System, bekannt geworden, bei dem die Energie umwandelnden Einrichtungen unterhalb des Meeresspiegels stationär angeordnet sind, so dass auch hier Nachteile durch Korrosion und durch schwierige Wartungsarbeiten zu erwarten sind. Auch mit dieser Anordnung ist beim Bewegen des Auftriebskörpers keine Bahnkurve beschreibbar, da das System keine gezielte Führung erfährt.
Ausgehend von dem von Graw beschriebenen Stand der Technik besteht die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Systems zur
Energieauskopplung aus Meereswellen, das eine effizientere Nutzung der
Wellenenergie mit hohen Energieerträgen auch bei am Standort variierenden Wellenrichtungen ermöglicht und dass bei niedrigen Investitionskosten und einfacher Technik eine hohe Verfügbarkeit bei geringer Wartung aufweist. Zudem soll das System geeignet sein, Synergieeffekte durch die Kombination mit Offshore
Windkraftanlagen zu nutzen.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der
Auftriebskörper in Bezug auf die Wellenrichtung räumlich frei ausrichtbar ist.
Während beim Stand der Technik die Seile den Auftriebskörper in einer durch die ortsfesten Befestigungspunkte am Meeresboden vorgegebenen bevorzugten Position halten, die vorzugsweise der hauptsächlich zu erwartenden Wellenrichtung entspricht, ist der Auftriebskörper der Erfindung derart beweglich gelagert, dass er auch bei sich ändernder Wellenrichtung in eine Position verschwenken kann, in der eine optimale Energieausbeute zu erwarten ist. Da der Auftriebskörper nach der Erfindung länglich ausgebildet ist, wobei seine Längserstreckung ein Vielfaches seiner Höhe und Breite beträgt, wird beim Eintreffen eines Wellenberges das dem Wellenberg nächstliegende Ende des Auftriebskörpers zuerst erfasst, wodurch der Körper in eine zum
Wellenkamm parallele Lage rotiert wird und somit optimal zur Welle ausgerichtet wird. Dieser Effekt ähnelt dem aus der Schifffahrt bekannten„Querschlagen" eines Schiffs. Zur gezielten und verbesserten Beeinflussung des Bewegungsverhaltens kann der Auftriebskörper zusätzlich mit Leitprofilen versehen werden.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, das bekannte System dadurch zu verbessern, dass Energiewandler und die Einrichtungen zur Seilsteuerung und/oder des Seilzuges außerhalb des Auftriebskörpers ortsfest angeordnet sind, das heißt, die Steuerung und Energiewandlung finden außerhalb des bewegten Systems statt. Das vereinfacht das System und reduziert den
Wartungs- und Installationsaufwand. Die Einrichtungen zur Steuerung und zum Energiewandel können außerhalb des Auftriebskörpers abgekapselt und geschützt installiert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Energiewandler und die Einrichtungen zur Seilsteuerung seewassergeschützt werden. Das wird z.B. erreicht, wenn sie erfindungsgemäß an einem statischen Bauwerk oberhalb des Meeresspiegels angeordnet werden. Ein solcher Ort kann z.B. ein am Meeresboden verankerter Mast oder Turm sein, der ausreichend weit über die höchsten zu erwartenden
Wellenkämme herausragt. Durch eine solche Anordnung sind die empfindlichen Bauteile des Systems besser geschützt, wodurch die Funktionssicherheit des
Systems deutlich erhöht und der Wartungsaufwand reduziert werden.
In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die vom
Auftriebskörper ausgehenden Seile am Auftriebskörper passiv anzuschlagen, von wo aus, jedes Seil, gegebenenfalls über im Bereich der ortsfesten Bezugspunkte vorgesehene Umlenkmittel, zum Energiewandler und zu Einrichtungen zur Steuerung des Seilzugs und/oder der Seillänge geführt ist.„Passiv" bedeutet in diesem
Zusammenhang, dass die Seile über eine Befestigungsvorrichtung mit dem
Auftriebskörper verbunden sind und dass keine Relativbewegungen zwischen den Seilen und dem Auftriebskörper stattfinden, die zur Stromerzeugung genutzt werden. Der Begriff Steuerung wird hier nicht beschränkend verwendet, sondern soll auch Regelungen, z.B. Steuerungen mit Rückschleife, umfassen.
Insbesondere dann, wenn der Auftriebskörper in Bezug auf die Wellenrichtung räumlich frei ausrichtbar ist, wird in einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, alle Seile an einer gemeinsamen zentralen Befestigungseinrichtung am Auftriebskörper zu befestigen, die eine freie Einstellbarkeit des Auftriebskörpers, mindestens in Bezug auf die Wellenrichtung, gestattet. Dies kann verwirklicht werden, indem beispielsweise zur Befestigung aller Seile am Auftriebskörper im Bereich der zentralen Hochachse eine Drehachse verwendet wird. Dieser kann durch einen um die Hochachse des Auftriebskörpers drehbar gelagerten Drehteller dargestellt werden, an dem die Seile befestigt sind. Alternativ kann zur genannten Einstellbarkeit des Auftriebskörpers ein Schienensystem verwendet werden, das eine Bewegung der Angriffspunkte der Seile relativ zum Auftriebskörper ermöglicht. Dieses besteht aus einer endlos gebogenen Schiene, an dem Schlitten auf einer etwa horizontalen Ebene umlaufen, an denen die Seile befestigt sind. In beiden Fällen ist der Auftriebskörper gegenüber der Befestigung drehbar bzw. einstellbar. Nach der Ausrichtung des Auftriebskörpers parallel zum Wellenberg erfolgt eine translatorische Bewegung des Auftriebskörpers entlang einer Kreisbogensegmentbahn um den wellenabgewandten ortsfesten Befestigungspunkt bzw. die wellenabgewandten ortsfesten
Befestigungspunkte. Während in Gebieten geringer Wassertiefe, in denen die vorherrschende
Wellenrichtung konstant ist, die beschriebene Anlage mit nur zwei Seilen realisiert werden kann, sind nach einem besonderen Merkmal der Erfindung vorzugsweise mindestens drei Seile an dem Auftriebskörper befestigt und jedes der Seile ist über das ihm zugeordnete Umlenkmittel, das an jedem der mindestens drei ortsfesten Bezugspunkte befestigt ist, zu dem Energiewandler, sowie der Einrichtung zur Seilsteuerung geführt. Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass jedes der Seile bedarfsweise als Führungsseil für den Auftriebskörper und als Arbeitsseil zur Übertragung der mechanischen Energie an einen Energiewandler einsetzbar ist.
Die beschriebene Anordnung führt, insbesondere bei frei ausrichtbarem
Auftriebskörper, dazu, dass die Bewegungsbahn des Systems entsprechend der Wellenfortschrittsrichtung ausgerichtet werden kann. Somit arbeitet das System bei unterschiedlichen Wellenrichtungen stets wirksam, so dass auch an Standorten variierender Wellenrichtungen hohe Energieerträge erzielt werden können. Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass zur Veränderung der Bewegungsbahn des Auftriebskörpers die wellenabgewandten Führungsseile in einstellbarer Länge fixierbar und/oder während der Bewegung steuerbar sind. Auf diese Weise ist ein für die jeweiligen Wellenbedingungen angepasster Bahnverlauf des Auftriebskörpers einstellbar und ggf. auch während der Wellenbewegung im Sinne einer effektiven Nutzung korrigierbar. Die Länge der Seile an der wellenabgewandten Seite bestimmt den Radius und die Steigung der Bahnkurve, auf der sich der an dem Seilende befestigte Auftriebskörper zwangsläufig bewegt, während die Steuerung und
Energieübertragung über das jeweilige wellenzugewandte Seil bzw. die Seile erfolgen.
Vorteilhafterweise sind nach einem anderen Merkmal der Erfindung die
wellenzugewandten Arbeitsseile während der Bewegung des Auftriebskörpers steuerbar. Sie werden bei Eintreffen eines Wellenberges arretiert bis eine angestrebte Eintauchtiefe, bzw. angestrebte Zugkraft auf das Seil, erreicht ist. Im darauffolgenden Zeitabschnitt wird eine Bewegung des Auftriebskörpers unter definierter Kraft oder Geschwindigkeit zugelassen, wobei der Auftriebskörper über die Seile und deren Umlenkungen mechanische Energie an den Energiewandler überträgt.
Die Bewegungscharakteristik des Systems (wie z.B. der Radius des Kreisbogens, die Steigung, Amplitude, Eintauchtiefe, Geschwindigkeiten und Bewegungsrichtung des Auftriebskörpers) können durch die Einstellung der jeweiligen Seillängen und der auf den Körper wirkenden Kräfte über das Steuerungssystem/Regelungssystem eingestellt werden. Im Allgemeinen ist es somit möglich, dass über das
Zusammenwirken der Bewegung aller drei Seile hydromechanisch effiziente
Bewegungsverläufe im dreidimensionalen Raum durchgeführt werden können. Über alle der drei Seile kann dabei entweder Energie entnommen werden, Energie engebracht werden oder keine Energiewandlung stattfinden. Auf diese Weise können zur Erzielung einer optimalen Leistung die Parameter jederzeit an die aktuellen Wellenbedingungen (wie z.B. Wellenhöhe, Wellenlänge, Periode und Wellenrichtung) angepasst werden.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist zur verbesserten Nutzung des Richtungsspektrums der Wellen die Steuerung der einzelnen Arbeitsseile an die jeweilige Fortschrittsrichtung der einfallenden Wellenberge anpassbar. Das lässt sich beispielsweise bei Anordnungen mit zwei Arbeitsseilen dadurch verwirklichen, dass für das Seil, aus dessen Richtung eine einzelne Welle einfällt, eine größere
Bewegungsamplitude zugelassen wird.
Nach Erreichen des Wellenberges bewegt sich der Körper selbsttätig in seine
Ausgangsposition zurück. Es hat sich gezeigt, dass der Auftriebskörper durch eine aktive Rückführung schneller in seine Ausgangsposition zurück gelangt. In
experimentellen Untersuchungen konnten mit dieser Maßnahme erhebliche
Leistungssteigerungen im Bereich kurzer Wellen hoher Frequenz erzielt werden. Zudem wird durch die gesteuerte Zug- und Rückstell kraft ein erhöhtes Eintauchen des Körpers im Wellental ermöglicht. Dies führt, wie in analytischen Betrachtungen nachgewiesen, zu weiteren Leistungssteigerungen. Deshalb wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zur aktiven Rückführung des auf einen Wellenberg gehobenen Auftriebskörpers, bzw. zur Steuerung seiner Eintauchtiefe, auf jedes der
wellenzugewandten Arbeitsseile eine steuerbare Zugkraft aufbringbar ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Energiewandler ein elektrischer Generator ist und das wellenzugewandte Arbeitsseil, bzw. die wellenzugewandten Arbeitsseile, zum direkten oder indirekten Antrieb des Generators eingerichtet sind. Der Generator kann in an sich bekannter Weise über eine Seilscheibe angetrieben werden, über die das zur Energieübertragung vorgesehene Seil geführt ist. Drehrichtungswechsel können dabei über Freiläufe kompensiert werden. Alternativ können Lineargeneratoren oder andere bekannte Energiewandler eingesetzt werden, die z.B. über Druckluft- oder Hydraulikzylinder direkt oder indirekt durch das Seil oder die Seile betrieben werden. Zum Schutz vor der Gewalt extremer Wetterbedingungen kann nach einem anderen Vorschlag der Erfindung der Auftriebskörper in Wassertiefen geringer
Wasserbewegung abgesenkt werden. Dazu kann ein Teil des Auftriebskörpers vorübergehend mit Seewasser geflutet werden. Er wird vorzugsweise nur so weit geflutet, dass er auf die Arbeits- und Führungsseile weiterhin eine nach oben gerichtete Kraft ausübt. Somit kann er nach Abklingen extremer Wetterbedingungen durch Fieren der Seile wieder an die Oberfläche geführt werden. Das Auspumpen des Körpers erfolgt durch eine Pumpe. Diese kann durch eine auf der Oberfläche des Körpers installierte Solarzelle oder eine Batterie betrieben werden. Alternativ kann mit Hilfe eines permanenten Auftriebs im unteren Bereich des Aufriebskörpers die Entleerung erfolgen.
Um eine verbesserte Anpassungsfähigkeit an die Wellenbedingungen zu erreichen und die Gefahr der Beschädigung umliegender Bauwerke oder Wasserfahrzeuge für den Fall eines Loslösens des Körpers von seinen Verankerungen zu reduzieren, wird des Weiteren vorgeschlagen, dass der Auftriebskörper ein geringes Eigengewicht bei hohen Auftriebskräften aufweist, wobei die Auftriebskräfte durch gezieltes Fluten des Auftriebskörpers veränderbar sind. Eine auf Kunststoff basierende Bauweise ist vorteilhaft. Denkbar ist die Gestaltung des Auftriebskörpers als Druckkörper, dessen Form durch einen Innendruck, der den Atmosphärendruck übersteigt, unterstützt wird. Somit können auch flexible Materialien eingesetzt werden. Bei Ausgestaltung des Auftriebskörpers als Druckkörper mit einer flexiblen Außenhaut können die
erforderlichen Kräfte beim Absenken des Körpers in Wassertiefen geringer
Wasserbewegung verringert werden, indem das enthaltene Luftvolumen
vorübergehend reduziert wird. Ein besonders günstiger Vorschlag der Erfindung sieht vor, das System in Offshore Windkraftanlagen einzubinden, wobei die seewassergeschützten Einrichtungen zum Energiewandeln sowie die Einrichtungen zur Seilzugsteuerung jeweils am oder im Turm der Windkraftanlage angeordnet sind, bzw. in die Gondel der Wndkraftanlage integriert werden. Die bauliche Struktur der Wndkraftanlage wird dabei nur durch Druckkräfte belastet und nicht durch Kippmomente, so dass eine Integration des Systems in bereits bestehenden Anlagen, bzw. in Neubauten ohne maßgebliche Änderung der Konstruktion oder Statik möglich ist. Auch kann in vorteilhafter Weise eine Vielzahl der Systeme zu Modulen eines
Energieparks verbunden werden, der allein oder in Kombination mit einem Windpark einrichtbar ist. Die Systeme können derart angeordnet werden, dass ihre
Verankerungen mindestens teilweise von mehreren Systemen gleichzeitig genutzt werden. Beim Anschluss mehrerer Systeme an einen Windpark können die Systeme so angeordnet werden, dass sie den Windpark umranden und somit die Energie des Seegangs im Bereich der Windkraftanlagen reduzieren.
In Gebieten großer Wassertiefe können die ortsfesten Bezugspunkte für den
Auftriebskörper auch an einer getauchten Konstruktion vorgesehen sein, die durch geeignete Verankerungen in ortsfester Position fixierbar ist oder durch eine geeignete Formgebung eine große hydrodynamische Masse bindet und somit eine hohe Trägheit aufweist. Hierbei kann die Ausrichtung zur Wellenrichtung durch eine Selbstausrichtung des Gesamtsystems um seine Verankerung erfolgen. In diesem Fall genügt je Auftriebskörper eine Kinematik mit zwei Seilen, wovon nur das wellenzugewandte Seil zur Steuerung und Energiewandlung verwendet wird.
Um das System zur Energieauskopplung aus Meereswellen effektiv anzuwenden, wird in einem erfindungsgemäßen Arbeitsverfahren vorgeschlagen, die Führungsseile an der wellenabgewandten Seite zunächst in Abhängigkeit von dem gewünschten Radius und der Neigung der Bahnkurve des Auftriebskörpers in ihrer Länge einzustellen. Sodann werden die Arbeitsseile auf der weilenzugewandten Seite des Auftriebskörpers bei Eintreffen eines Wellenberges arretiert bis eine angestrebte Eintauchtiefe bzw. angestrebte Zugkraft erreicht ist. Anschließend wird eine
Bewegung des Auftriebskörpers unter definierter Kraft oder Geschwindigkeit zugelassen, wodurch der Auftriebskörper über das Arbeitsseil mechanische Energie an den Energiewandler überträgt. Nach Erreichen des Wellenberges bewegt sich der Auftriebskörper in seine Ausgangsposition zurück. Währenddessen werden die Arbeitsseile durch das Steuerungssystem unter Spannung wieder eingeholt. Ein neuer Zyklus kann beginnen.
Für eine weitere Leistungssteigerung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, die Bewegungen des Auftriebskörpers in seine Ausgangsposition durch eine über das Arbeitsseil eingeleitete Kraft aktiv zu unterstützen. Durch die aktive Rückführung gelangt der Körper schneller in seine Ausgangsposition zurück, wodurch erhebliche Leistungssteigerungen im Bereich kurzer Wellen hoher Frequenz erzielt werden können. Gleichzeitig kann durch die über das Arbeitsseil, bzw. die Arbeitsseile, eingeleiteten Rückstellkräfte ein stärkeres Eintauchen des Körpers in das Wellental ermöglicht werden, wodurch weitere Leistungssteigerungen erzielt werden können.
Die Bewegungscharakteristik des Systems (wie z.B. der Radius des Kreisbogens, die Steigung, Amplitude, Eintauchtiefe, Geschwindigkeiten und Bewegungsrichtung) kann durch das Steuerungssystem eingestellt werden, indem zur Erreichung einer optimalen Bewegungsbahn erfindungsgemäß vor oder während der Bewegung des Auftriebskörpers die Länge des Führungsseils, bzw. der Führungsseile, angepasst wird.
Vorteilhafterweise kann die über das Arbeitsseil eingeleitete Kraft auch zur
Einstellung der Eintauchtiefe des Auftriebskörpers in das Wellental eingesetzt werden.
Das beschriebene System weist gegenüber bekannten Vorschlägen die folgenden Vorteile auf:
Die beschriebene Anordnung ermöglicht eine Ausrichtung des Auftriebskörpers und der Bahnkurve entsprechend der aktuellen Wellenfortschrittsrichtung, wodurch auch an Standorten variierender Wellenrichtungen hohe Energieerträge erzielt werden können. Das Gesamtsystem zeichnet sich durch verhältnismäßig hohe Energieerträge und geringe Kosten aus. Der vergleichsweise große Energieertrag wird durch einen hohen Wirkungsgrad der optimierten Bahnkurve und durch eine hohe Wirkbreite auf Grund der quer zur Wellenlaufrichtung ausgerichteten länglichen Form erzielt. Geringe Erstellungs- und Unterhaltskosten resultieren aus der
Verwendung der Seilkinematik, die einen geringen Materialeinsatz und eine geringe Anzahl beweglicher Bauteile erfordert und aus der günstigen Positionierung aller empfindlichen Komponenten der Steuerung und Energiewandlung an einem vor Seewasser geschützten Ort außerhalb des Auftriebskörpers. Mit dem Vorschlag der Kopplung mit Offshore Wndkraftanlagen weist das System gegenüber bisherigen Konzepten entscheidende Vorteile auf. Die bauliche Struktur der Wndkraftanlage eignet sich besonders zur Anordnung der Energiewandler und Einrichtungen zur Steuerung des Seilzugs und/oder der Seillänge. Die Struktur wird dabei nur durch Druckkräfte belastet und nicht durch Kippmomente. Somit ist eine Nachrüstung des Systems an bestehenden Anlagen, bzw. eine Integration in
Neubauten ohne maßgebliche Änderung der Konstruktion möglich.
Das erfindungsgemäße System wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, bei dem der frei ausrichtbare Auftriebskörper mit der Anordnung von Energiewandler und Seilsteuerung außerhalb des Seewassers kombiniert werden .
Es zeigt:
Figur 1 das erfindungsgemäße System in Verbindung mit einer Offshore Windkraftanlage und
Figur 2 die Kopplung eines aus mehreren Systemen bestehenden
Wellenenergieparks mit einer Offshore Windkraftanlage.
In Figur 1 wird das erfindungsgemäße System grob vereinfacht dargestellt. Mit 1 ist der im Meerwasser 2 schwimmende halbzylindrische Auftriebskörper bezeichnet, dessen untere gewölbte Seite teilweise in das Meerwasser 2 eintaucht. Der in sich geschlossene Auftriebskörper 1 ist hohl und besteht aus korrosionsfestem Metall oder Kunststoff oder ähnlichem seewasserbeständigem Material. Wie erkennbar, weist der Auftriebskörper 1 eine deutlich größere Länge als Breite bzw. Höhe auf und ist auf der Oberseite abgeflacht. Diese Form hat sich besonders bewährt, obgleich auch andere Formen denkbar sind.
An seiner Unterseite ist an dem Auftriebskörper eine Befestigungsvorrichtung 3 für verschiedene Seile S angeordnet. Die Seile S sind passiv angeschlagen, d.h. sie sind dort befestigt, ermöglichen aber gleichzeitig eine Raumbewegung des
Auftriebskörpers 1 um die Befestigung 3 der Seile. Im einfachsten Fall ist die
Befestigungsvorrichtung 3 an der Unterseite des Auftriebskörpers 1 um die
Hochachse 4 des Auftriebskörpers 1 drehbar gelagert, so dass dem Auftriebskörpers 1 eine freie Einstellbarkeit ermöglicht wird.
Wie aus der Figur 1 erkennbar ist, sind an der Befestigungsvorrichtung 3 drei Seile S1 , S2 und S3 angeschlagen, die pyramidenförmig jeweils zu Umlenkrollen U1 , U2 und U3 unterhalb des Meeresspiegels gespreizt sind. Die Umlenkrollen U1 bis U3 sind im Bereich des Meeresbodens 5 verankert, wozu beispielsweise
Gewichtsgründungen oder Pfahlanker verwendet werden können, und bilden ortsfeste Bezugspunkte 6 für den Auftriebskörper 1 und dessen
Befestigungsvorrichtung 3. Eine der Umlenkrollen U3 ist in dem hier beschriebenen Beispiel in einem Umlenkrollenblock 4 mit weiteren Umlenkrollen am Fuß eines Turmes 7 einer Wndkraftanlage befestigt. Jedes der dargestellten Seile S1 bis S3 ist, von der Befestigungsvorrichtung 3 ausgehend, über eine dieser Umlenkrollen U1 bis U3 abrollbar umgelenkt und zu dem Umlenkrollenblock 4 geführt, von wo aus alle Seile S1 bis S3 nach oben, am Turm 7 der Windkraftanlage entlang, zu einem oberhalb der Meeresoberfläche und außerhalb der Reichweite der Wellen
angeordnetem Energiewandler 8 und einer Einrichtung zur Steuerung des Seilzugs und/oder der Seillänge 9 geführt. Jedes der Seile S1 , S2, S3 läuft unabhängig von den anderen Seilen um die Umlenkrollen U1 , U2 und U3, sowie um die Umlenkrollen des Umlenkrollenblocks 4 und kann separat gesteuert und in einer vorbestimmten Länge fixiert werden.
Der hier nicht im Detail beschriebene Energiewandler 8 besteht im Wesentlichen aus dem mechanisch angetriebenen elektrischen Generator, dem die mechanische Energie aus der Bewegung des Auftriebskörpers über die Seile S1 , S2, S3 zugeführt und in einer geeigneten Vorrichtung in eine Drehbewegung zum Antrieb des
Generators gewandelt wird. Der im Generator erzeugte Strom wird über - nicht dargestellte Kabel - in das Stromnetz eingespeist. Es ist auch möglich, den elektrischen Generator zwischenzeitlich als Motor zu verwenden.
Das System arbeitet wie folgt:
Eine in Richtung 10 auflaufende Welle 1 1 erreicht die Breitseite des Auftriebskörpers 1 zuerst an der ihr zugewandten Seite und bewirkt eine Drehung des an den ortsfesten Bezugspunkten 6 gehaltenen Auftriebskörpers 1 um dessen Hochachse 4, die gleichzeitig Drehachse der Befestigungsvorrichtung 3 der Seile S1 bis S3 ist. Im Ergebnis richtet sich der Auftriebskörper 1 quer zur Richtung 10 der auflaufenden Welle 1 1 aus und bietet eine optimale Angriffsfläche für die Welle 1 1. Von den straff über die Umlenkrollen U geführten Seilen S dient das Seil S3 an der
wellenabgewandten Seite der Führung des Auftriebskörpers 1 ; seine Länge kann auch während der Bewegung des Auftriebskörpers 1 zur Erreichung einer optimalen Bewegungsbahn angepasst werden. Dieses Seil S3 wird im Folgenden Führungsseil genannt. Da das Seil erst durch seine Funktion zum Führungsseil wird, kann jedes der Seile S1 bis S3 zum Führungsseil werden, sobald es sich auf der
wellenabgewandten Seite des Auftriebskörpers 1 befindet.
Die Seile S1 und S2 auf der weilenzugewandten Seite des Auftriebskörpers 1 werden bei Eintreffen eines Wellenberges zunächst mittels der Einrichtung zur Steuerung des Seilzugs und/oder der Seillänge 9 arretiert, bis eine angestrebte Eintauchtiefe des Auftriebkörpers 1 bzw. angestrebte Zugkraft durch die auf den Auftriebskörper 1 wirkende Welle erreicht ist. Unmittelbar danach wird eine Bewegung des
Auftriebskörpers 1 unter definierter Kraft oder Geschwindigkeit zugelassen, wodurch über die wellenzugewandten Seile S2 und S3, die im Folgenden Arbeitsseile genannt werden, mechanische Energie an den Generator übertragen wird.
Während der Bewegung des Auftriebskörpers 1 werden die Arbeitsseile S2 und S3, wie die Doppelpfeile symbolisieren, durch die Wrkung der Welle 11 ausgezogen und nach Passieren des Wellenberges mit Hilfe einer durch die Steuerung aufgebrachten Kraft wieder eingeholt. Währenddessen bestimmt das Führungsseil S1 auf der der Welle 1 1 abgewandten Seite des Auftriebskörpers 1 seine Bewegungsbahn.
Nach Erreichen des Wellenberges bewegt sich der Auftriebskörper 1 selbsttätig in seine Ausgangsposition zurück oder wird durch eine über die Arbeitsseile S2 und S3 eingeleitete Kraft aktiv zurückgeführt. Durch eine aktive Rückführung gelangt der Auftriebskörper 1 schneller in seine Ausgangsposition zurück. Die Rückstell kraft bewirkt außerdem ein erhöhtes Eintauchen des Auftriebskörpers 1 im Wellental, was zu weiteren Leistungssteigerungen führt.
Durch die Einstellung der jeweiligen Seillängen und der auf den Auftriebskörpers 1 wirkenden Kräfte mittels der Einrichtungen zur Steuerung des Seilzugs und/oder der Seillänge 9 kann die Bewegungscharakteristik des gesamten Systems (wie z.B. der Radius des Kreisbogens, die Steigung, Amplitude, Eintauchtiefe, Geschwindigkeiten und Bewegungsrichtung) eingestellt werden, so dass alle Parameter an die aktuellen Wellenbedingungen, wie z.B. Wellenhöhe, Wellenlänge, Periode und Wellenrichtung, angepasst werden können.
Zur verbesserten Nutzung des Richtungsspektrums kann die Bewegungsbahn durch eine individuelle Steuerung der einzelnen Seile S1 , S2, S3 an die jeweilige
Fortschrittsrichtung der einfallenden Wellenberge angepasst werden. Dies geschieht beispielsweise bei Anordnungen mit zwei Arbeitsseilen S2 und S3, indem für das Arbeitsseil S2 oder S3, aus dessen Richtung eine einzelne Welle 11 einfällt, eine größere Bewegungsamplitude zugelassen wird. Die Anzahl der verwendeten Arbeitsund Führungsseile ist nicht auf die im Beispiel gewählte Anzahl beschränkt, sondern kann nach Bedürfnissen und Gegebenheiten gewählt werden. Jedes der Seile S kann in Abhängigkeit von der Wellenauflaufrichtung als Arbeits- oder Führungsseil eingesetzt werden.
In Figur 2 ist schematisch eine günstige Anwendung des erfindungsgemäßen Systems in einem Energiepark dargestellt, in dem die Windkraftanlagen mit dem
System zur Energieauskopplung aus Meereswellen kombiniert wurden. Eine Vielzahl der in Figur 1 beschriebenen Auftriebskörper 1 mit ihrer Kinematik wurde
zusammengefasst und über die in Figur 1 beschriebenen Seilsysteme mit dem Turm 7(es können auch mehrere Türme sein) der Windkraftanlage wirkmäßig verbunden. Gleiche Teile sind mit den gleichen, wie in Figur 1 verwendeten, Bezugsziffern beschriftet.
In beiden Beispielen ist es auch denkbar, die Seile im Inneren des Turmes 7 der Windkraftanlage zu führen; ebenso können Energiewandler 8 und/oder die
Einrichtungen zur Steuerung des Seilzugs und/oder der Seillänge 9 im Inneren des Turmes geschützt untergebracht werden. Da die bauliche Struktur der
Windkraftanlage nur durch Druckkräfte und nicht durch Kippmomente belastet wird, ist eine Nachrüstung des Systems an bestehenden Anlagen, bzw. eine Integration in Neubauten ohne maßgebliche Änderung der Konstruktion möglich.

Claims

Patentansprüche
System zur Energieauskopplung aus Meereswellen mit Hilfe eines durch die Bewegung der Meereswellen angeregten, mindestens teilweise in das Meerwasser eintauchenden Auftriebskörpers (1), dessen Längserstreckung ein Vielfaches seiner Höhe und Breite beträgt und von dem aus Seile (S1 , S2, S3)zu unterhalb des Auftriebskörpers vorgesehenen, voneinander
beabstandeten ortsfesten Bezugspunkten (IM , U2, U3)abgespreizt geführt sind, wobei mindestens eines der Seile als Führungsseil zur Führung des Auftriebskörpers auf einer Bahnkurve und mindestens ein Seil als Arbeitsseil zur Übertragung der Wellenenergie an mindestens einen Energiewandler (8) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Auftriebskörper in Bezug auf die
Wellenrichtung (10) räumlich frei ausrichtbar ist.
System zur Energieauskopplung aus Meereswellen mit Hilfe eines durch die Bewegung der Meereswellen angeregten, mindestens teilweise in das Meerwasser eintauchenden Auftriebskörpers (1), dessen Längserstreckung ein Vielfaches seiner Höhe und Breite beträgt und von dem aus Seile (S1 , S2, S3)zu unterhalb des Auftriebskörpers vorgesehenen, voneinander
beabstandeten ortsfesten Bezugspunkten (IM , U2, U3) abgespreizt geführt sind, wobei mindestens eines der Seile als Führungsseil zur Führung des Auftriebskörpers auf einer Bahnkurve und mindestens ein Seil als Arbeitsseil zur Übertragung der Wellenenergie an mindestens einen Energiewandler (8) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass Energiewandler (8) und die Einrichtungen zur Seilsteuerung und/oder des Seilzuges (9) außerhalb des Auftriebskörpers (1) ortsfest angeordnet sind.
System zur Energieauskopplung aus Meereswellen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Energiewandler (8) und die Einrichtungen zur Seilzugsteuerung und/oder des Seilzuges (9) seewassergeschützt an einem statischen Bauwerk (7) oberhalb des Meeresspiegels angeordnet sind.
4. System zur Energieauskopplung aus Meereswellen nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Seile (S) mittels einer oder mehrerer Befestigungsvorrichtungen (3) am Auftriebskörper (1) passiv angeschlagen sind, von der ausgehend, jedes Seil (S) gegebenenfalls über im Bereich der ortsfesten Bezugspunkte (6) vorgesehene Umlenkmittel, (U) zum Energiewandler (8) und zu Einrichtungen zur Steuerung des Seilzugs und/oder der Seillänge (9) geführt ist.
5. System zur Energieauskopplung aus Meereswellen nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung aller Seile (S) an einer gemeinsamen zentralen Befestigungseinrichtung am
Auftriebskörper (1) erfolgt, die eine freie Einstellbarkeit des Auftriebskörpers (1) mindestens in Bezug auf die Wellenrichtung gestattet.
6. System zur Energieauskopplung aus Meereswellen nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Seile (S1 , S2 und S3) an dem Auftriebskörper (1) befestigt sind und jedes der Seile (S1 , S2 und S3) über das ihm zugeordnete Umlenkmittel (U1 , U2 und U3) an jedem der mindestens drei ortsfesten Bezugspunkte (6) zu dem
Energiewandler (8) sowie der Einrichtung zur Seilsteuerung und/oder des Seilzuges (9) geführt ist.
7. System zur Energieauskopplung aus Meereswellen nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Seile (S1 bis S3) bedarfsweise als Führungsseil für den Auftriebskörper (1) und als Arbeitsseil zur Übertragung der Wellenenergie an den Energiewandler (8) einsetzbar ist.
8. System zur Energieauskopplung aus Meereswellen nach einem oder
mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung der Bewegungsbahn des Auftriebskörpers (1) die
wellenabgewandten Führungsseile (S3) in einstellbarer Länge fixierbar und/oder während der Bewegung steuerbar sind.
9. System zur Energieauskopplung aus Meereswellen nach einem der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Seillänge jedes der wellenzugewandten Arbeitsseile (S2 und S3) während der Bewegung des Auftriebskörpers (1) steuerbar ist.
10. System zur Energieauskopplung aus Meereswellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der einzelnen Seile (S) an die jeweilige Fortschrittsrichtung der einfallenden Wellenberge anpassbar ist.
System zur Energieauskopplung aus Meereswellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur aktiven Rückführung des auf einen Wellenberg gehobenen Auftriebskörpers (1) auf jedes der weilenzugewandten Arbeitsseile (S2 und S3) eine steuerbare Zugkraft aufbringbar ist.
System zur Energieauskopplung aus Meereswellen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (8) ein elektrischer Generator ist und jedes der als Arbeitsseil einsetzbaren Seile (S2 und S3) zum direkten oder indirekten Antrieb des Generators eingerichtet ist.
System zur Energieauskopplung aus Meereswellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftriebskörper (1) zum Schutz vor der Gewalt extremer Wetterbedingungen in Wassertiefen geringer Wasserbewegung absenkbar ist.
System zur Energieauskopplung aus Meereswellen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftriebskörper (1) ein geringes Eigengewicht bei hohen Auftriebskräften aufweist, wobei die Auftriebskräfte durch gezieltes Fluten des
Auftriebskörpers (1) veränderbar sind.
System zur Energieauskopplung aus Meereswellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch die Einbindung des Systems in Offshore Wndkraftanlagen, wobei die seewassergeschützten Einrichtungen zum Energiewandeln (8) sowie die Einrichtungen zur
Seilzugsteuerung jeweils an oder in dem Turm (7)oder der Gondel einer Windkraftanlage angeordnet sind. System zur Energieauskopplung aus Meereswellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl der Systeme zu Modulen eines Energieparks verbindbar sind, der allein oder in Kombination mit einem Windpark einrichtbar ist.
System zur Energieauskopplung aus Meereswellen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfesten Bezugspunkte (6) für den Auftriebskörper (1) an einer getauchten Konstruktion vorgesehen sind, die durch geeignete Verankerungen in ortsfester Position fixierbar ist oder durch eine geeignete Formgebung eine große Trägheit aufweist.
System zur Energieauskopplung aus Meereswellen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die am Auftriebskörper (1) angeschlagenen Seile (S) zu Seewasser- /Hydraulikpumpen geführt sind, von denen ausgehend Druckleitungen zu Energiewandlern geführt sind, in denen der hydraulische Druck in elektrischer Energie gewandelt wird.
Verfahren zur Energieauskopplung aus Meereswellen unter Anwendung des Systems nach Ansprüchen 1 bis 18, gekennzeichnet durch die Abfolge der folgenden Schritte:
Die Führungsseile an der wellenabgewandten Seite werden in
Abhängigkeit von dem gewünschten Radius und der Neigung der Bahnkurve des Auftriebskörpers in ihrer Länge eingestellt, die Arbeitsseile auf der wellenzugewandten Seite des Auftriebskörpers werden bei Eintreffen eines Wellenberges arretiert bis eine angestrebte Eintauchtiefe bzw. angestrebte Zugkraft erreicht ist. anschließend wird eine Bewegung des Auftriebskörpers unter definierter Kraft oder Geschwindigkeit zugelassen, wodurch der
Auftriebskörper über das Arbeitsseil mechanische Energie an den
Energiewandler überträgt. nach Erreichen des Wellenberges bewegt sich der Auftriebskörper in seine Ausgangsposition zurück oder wird zurück gezogen.
Verfahren zur Energieauskopplung nach Anspruch 19, dadurch
gekennzeichnet, dass die Bewegung des Auftriebskörpers in seine
Ausgangsposition durch eine über ein oder mehrere Arbeitsseile eingeleitete Seilzugkraft aktiv unterstützt wird.
Verfahren zur Energieauskopplung nach Anspruch 19, dadurch
gekennzeichnet, dass vor oder während der Bewegung des Auftriebskörpers zur Erreichung einer optimalen Bewegungsbahn die Länge des Führungsseils angepasst wird.
Verfahren zur Energieauskopplung nach Anspruch 19, dadurch
gekennzeichnet, dass die über das Arbeitsseil eingeleitete Kraft zur
Einstellung der Eintauchtiefe des Auftriebskörpers in das Wellental eingesetzt wird.
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