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Die Erfindung betrifft eine Wellenenergiemaschine bzw. ein Wellenkraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Wellenenergiemaschinen bestehen aus mindestens einem Wellenenergiekonverter bzw. Absorptionsmechanismus, der die Wellenenergie entweder in mechanische, chemische oder elektrische Energie wandelt. Dabei kann die Wellenenergiemaschine nach einem dezentralen Wandlungsprinzip aufgebaut sein, wobei jeder einzelne Wellenenergiekonverter zum Beispiel elektrischen Strom erzeugt, oder gemäß einem zentralen Wandlungsprinzip speisen mehrere Wellenenergiekonverter eine Leitung mit einem Druckmittel, über das an einem entfernten Ort – insbesondere am Ufer – Strom erzeugt wird. Im Falle eines zentralen Wandlungsprinzips beeinflusst der Systemdruck bedingt durch die gemeinsame Leitung alle angeschlossenen Wellenenergiekonverter zugleich.
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Eine derartige Wellenenergiemaschine ist in der
DE 10 2008 010 459 A1 gezeigt. Sie hat mehrere als Pumpe wirkende Module mit jeweiligen Schwimmkörpern, wobei die Module Meerwasser in eine gemeinsame Druckleitung pumpen. Die endgültige Umwandlung in elektrische Energie erfolgt am Festland.
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Von der genannten Druckschrift abweichend ist es auch bekannt, die Umwandlung in elektrische Energie auf einer Plattform vorzunehmen.
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Nachteilig an derartigen Wellenenergiemaschinen ist, dass keine Dämpfung und insbesondere keine Reglung der Dämpfung in Abhängigkeit der von den Schwimmkörpern übertragenen Energie erfolgt.
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In der
WO 2007/019640 A1 ist eine Wellenenergiemaschine mit mehreren Wellenenergiekonvertern offenbart, wobei für einzelne Wellenenergiekonverter ein hydraulischer Dämpfer vorgeschlagen wird.
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Nachteilig an derartigen hydraulischen Dämpfern ist, dass ihre Dämpfungskraft nicht an unterschiedliche von den Wellen eingebrachte Leistung der verschiedene Wellenenergiekonverter angepasst werden kann.
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Nach dem Stand der Technik ist es darüber hinausgehend bekannt, bei Wellenenergiemaschinen mit zentralem Wandlungsprinzip den Systemdruck (für eine bestimmt Zeit in Abhängigkeit vom Seegang) konstant zu halten.
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Eine optimale Leistungsausbeute aus einem bestimmten Seegang und damit aus einer bestimmten Wellenenergie erfordert den Resonanzfall des darin oszillierenden Wellenenergiekonverters. Dieser tritt ein, wenn sich die Geschwindigkeit des Wellenenergiekonverters und die anregenden Kräfte in Phase befinden. Eine Wellenenergiemaschine nach dem zentralen Wandlungsprinzip kann nicht in diesen Resonanzfall eingeregelt werden, da der Systemdruck alle Wellenenergiekonverter gleichzeitig beeinflusst. Durch einen konstanten Systemdruck bzw. Dämpfungsdruck, der an einem mittleren Seegang bzw. an einer mittleren Wellenenergie angepasst ist, hat den Nachteil, dass einzelne Wellenenergiekonverter bei geringen Anregungskräften diesen Dämpfungsdruck eventuell nicht (mehr) überwinden können. Umgekehrt kann dieser Dämpfungsdruck auch zu niedrig bei hoher Wellenenergie sein, so dass die Leistungsausbeute ebenfalls nicht optimal ist.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Wellenenergiemaschine nach dem zentralen Wandlungsprinzip zu schaffen, deren Leistungsausbeute auch bei unterschiedlichem Seegang bzw. bei verschiedenen Wellenleistungen optimiert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wellenenergiemaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Wellenenergiemaschine nach einem zentralen Wandlungsprinzip hat eine Mehrzahl von als Pumpe wirkenden Wellenenergiekonvertern bzw. Absorptionsmechanismen zu Wandlung von Wellenenergie zunächst in Energie eines gemeinsamen Volumenstroms eines Druckmittels. Weiterhin hat die Wellenenergiemaschine eine Dämpfungseinrichtung, die in Abhängigkeit des Volumenstroms steuerbar ist. Damit kann z. B. bei abnehmendem Seegang und damit abnehmender Wellenleistung die Dämpfungskraft entweder zentral oder dezentral reduziert werden um einen – auch kurzfristigen – Stillstand der Wellenenergiekonverter zu verhindern.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die Wellenenergiemaschine eine Energiewandlungseinrichtung. Über diese kann die Dämpfung der Wellenenergiemaschine einstellbar sein.
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Der Volumenstrom kann direkt zentral erfasst werden. Oder der Volumenstrom wird durch Addition von einzelnen Volumenströmen der verschieden Wellenergiekonverter errechnet. Oder der Volumenstrom wird indirekt über die Geschwindigkeiten von Bauteilen der Wellenenergiekonverter, z. B. von Kolbenstangen von Pumpzylindern, errechnet.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine mit zentraler Dämpfung sind die Wellenergiekonverter jeweils über eine Verbindungsleitung an eine gemeinsame Hauptleitung angeschlossen. In der Hauptleitung strömt der Volumenstrom, in dessen Abhängigkeit die Dämpfungseinrichtung gesteuert bzw. geregelt ist. Insbesondere kann die Dämpfungseinrichtung so ausgebildet sein, dass ein Druck in der Hauptleitung in Abhängigkeit vom Volumenstrom nach einer vorgegebenen Gesetzmäßigkeit eingestellt ist. Der Druck in der Hauptleitung gibt einen Kraftschwellwert vor, der benötigt wird, um einen als Pumpe wirkenden Wellenenergiekonverter zu betätigen. Bei geringem Wellengang ist es z. B. günstig, diesen Kraftschwellwert niedrig einzustellen.
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Der Volumenstrom kann dabei über einen Sensor an einem Knoten zwischen den Verbindungsleitungen und der Hauptleitung erfasst sein.
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Die Dämpfungseinrichtung kann einen verstellbaren Hydromotor zur Wandlung der Energie des Volumenstroms in Rotationsenergie haben. Dabei ist der Schwenkwinkel des Hydromotors in Abhängigkeit des Volumenstroms zur zentralen Regelung der Dämpfung einstellbar. Die Dämpfungseinrichtung kann auch eine Freistrahlturbine zur Wandlung der Energie des Volumenstroms in Rotationsenergie haben.
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Der Hydromotor kann eine Schwungscheibe zur Minderung von Pulsation haben. Diese tritt bei der Wellenergiemaschine mit zentralem Wandlungsprinzip auf, wenn sich Volumenstromstöße der einzelnen Wellenenergiekonverter addieren.
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Alternativ kann die Dämpfungseinrichtung eine Pelton-Turbine zur Wandlung der Energie des Volumenstroms in Rotationsenergie haben.
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Alternativ kann die Dämpfungseinrichtung eine Mehrzahl von Konstantmotoren – insbesondere mit einem drehzahlvariablen Generator – zur Wandlung der Energie des Volumenstroms in Rotationsenergie und eine digitalhydraulische Anordnung mit mehreren Ventilen, über die die jeweils zugeordneten Konstantmotoren einzeln oder in Gruppen oder gemeinsam mit der Hauptleitung verbindbar sind. Insbesondere wenn die Konstantmotoren unterschiedliche Schluckvolumina haben, lassen sich damit optimal gestufte Schluckvolumina additiv zusammenschalten. Dabei ist das gesamte Schluckvolumen der Anordnung in Abhängigkeit des Volumenstroms zur zentralen Regelung der Dämpfung einstellbar.
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Wenn die Schluckvolumina der Konstantmotoren ein Verhältnis von 1 zu 2 zu 3 usw. oder binär (1 zu 2 zu 4 usw.) oder tertiär (1 zu 3 zu 9 usw.) haben, sind die Abstufungsmöglichkeiten des additiv zusammenschalteten Schluckvolumens optimiert.
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Eine vorrichtungstechnisch einfache Weiterbildung hat eine gemeinsame Abtriebswelle für alle Konstantmotoren oder durch Kupplungen trennbare Konstantmotoren.
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Die Rotationsenergie wird schließlich in allen oben genannten Fällen vorzugsweise über einen Generator mit oder ohne Frequenzumrichter in elektrische Energie gewandelt.
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Die Dämpfungseinrichtung kann auch dezentral ausgebildet sein und für die Wellenergiekonverter ein jeweiliges Drossel- oder Absperrventil aufweisen. Dies kann z. B. in der jeweiligen Verbindungsleitung angeordnet sein. Damit ist ein Latching-Verfahren möglich, bei dem zur Dämpfung die Wellenenergiekonverter festgehalten oder losgelassen werden.
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Vorzugsweise sind über die Dämpfungseinrichtung Rückleitungen von der Hauptleitung zu den jeweiligen Wellenenergiekonvertern aufsteuerbar. Hierbei wird über eine Ventilschaltung eine Niederdruckseite des Wellenenergiekonverters vom Druck der Rückleitung beaufschlagt. Damit kann die Bewegung des jeweiligen Wellenergiekonverters verstärkt werden, z. B. als „Reactive Control” oder als „komplex konjugierte Regelung”.
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Zur Minderung von Pulsation des gesamten Volumenstroms kann an der Hauptleitung zumindest ein Druckspeicher angeschlossen sein.
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Zur Minderung von Pulsation kann ein zumindest ein Druckspeicher bei einer vorrichtungstechnisch einfachen Variante in einem Hohlraum eines Wellenenergiekonverters angeordnet sein.
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Bei Wellenenergiekonvertern mit Schwimmkörpern können auch Ballasttanks im Innern der Schwimmkörper mit dem Druckmittel befüllt und dabei geregelt werden, dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Druckmittel Wasser ist.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel haben die Wellenenergiekonverter unter Wasser angeordnete und mit den durchlaufenden Wellen schwenkbare Klappen und einen daran gekoppelten Pumpzylinder. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel haben die Wellenenergiekonverter an der Wasseroberfläche angeordnete und mit den durchlaufenden Wellen angehobene und abgesenkte Bojen und einen daran gekoppelten Pumpzylinder. Ein Stillstand wird bei beiden Ausführungsbeispielen auch bei schwacher Wellenenergie verhindert, da die erfindungsgemäße Regelung die Kraft des Pumpzylinders verringert, so dass der Wellenenergiekonverter stets in der Lage bleibt, den Systemdruck zu überwinden. Es können alternativ andere Wellenenergiekonverter eingesetzt werden, die das selbe Grundfunktionsprinzip besitzen, nämlich die Ausnutzung der Wellenbewegung für einen Pumpvorgang, bei dem ein Fluid in eine Druckleitung eingespeist wird.
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Bei einem dezentralen Dämpfungskonzept kann die Erfassung der eingehenden Wellen leistung über eine Geschwindigkeit eines Bauteils jedes Wellenenergiekonverters und über einen Sensor ermittelt sein. Diese Weiterbildung kann z. B. ein Winkelaufnehmer an der durch die Wellen schwenkbaren Klappe oder ein Wegaufnehmer an dem an die Klappe gekoppelten Pumpzylinder oder einen Beschleunigungssensor realisiert sein.
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Vorzugsweise lautet das Regelgesetz:
„pSystem = dQprop·ΣQ ≈ dQprop·Σ|ẋKolben|·AZylinder”. Dabei ist pSystem der Systemdruck, dQprop die Dämpfungskonstante, die z. B. in Abhängigkeit des Seegangs geändert werden kann, ΣQ der aufsummierte Volumenstrom aller Wellenenergiekonverter, ẋKolben die Geschwindigkeit eines Kolbens eines Pumpzylinders und APumpzylinder die Querschnittsfläche des Pumpzylinders. Die Aufsummierung ΣQ ≈ Σ|ẋKolben|·AZylinder kann gewichtet erfolgen.
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Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
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1 das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine in einer schematischen Darstellung;
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2 ein Ausführungsbeispiel eines Wellenenergiekonverters der erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine in einer schematischen Seitenansicht; und
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3 einen Vergleich einer Bewegung eines Wellenenergiekonverters gemäß dem Stand der Technik mit einer Bewegung eines Wellenergiekonverters einer erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine.
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1 zeigt das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine in einer schematischen Darstellung. Sie hat beispielhaft fünf Wellenenergiekonverter 1a–e, die als Absorber für Wellenenergie dienen und bei diesem Ausführungsbeispiel als am Meeresgrund verteilte schwenkbare Klappen ausgebildet sind. Die Absorber können aber auch Bojen sein, die an der Meeresoberfläche verteilt sind.
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Jede Klappe hat eine als Zylinder ausgebildete Pumpvorrichtung, über die angesaugtes Meerwasser über eine jeweilige Verbindungsleitung 2a–e zu einer gemeinsamen Anschlussstelle bzw. zu einem gemeinsamen ersten Knoten 4 gepumpt wird. An diesem Knoten 4 ist ein hydraulischer Leistungsmessgerät 6 angeschlossen, der über eine Signalleitung 8 an eine elektronische Steuereinheit 10 der Wellenenergiemaschine angeschlossen ist. Das Leistungsmessgerät 6 ermittelt die hydraulische Leistung der am ersten Knoten 4 aufsummieren Volumenströme der einzelnen Wellenenergiekonverter 1a–e.
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In einem ersten Abschnitt 12a, 12b einer zum Ufer des Meeres führenden Hauptleitung ist ein Volumenstrom-Messgerät 14a mit einem Signalwandler 14b angeordnet, das über eine Signalleitung 16 mit der elektronischen Steuereinheit 10 verbunden ist. Von einem zweiten Verbindungspunkt bzw. Knoten 18 führt eine Pipeline bzw. ein Hauptabschnitt 12c der Hauptleitung ans Ufer zu einem dritten Knoten 20. Von dort wird der aufsummierte Volumenstrom über einen Abschnitt 12d der Hauptleitung zu einem verstellbaren Hydromotor 22 geführt. Dessen Schwenkwinkel ist über eine Signalleitung 24 von der elektronischen Steuereinheit 10 einstellbar. Eine an den Ausganganschluss des Hydromotors 22 angeschlossene Niederdruckleitung 23 führt zurück ins Meer. Eine Abtriebswelle 26 des Hydromotors 22 treibt einen Generator 28 an.
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An den Konten 18 und 20 stromaufwärts und stromabwärts des Hauptabschnitts 12c der Hauptleitung ist jeweils ein Druckspeicher 30a bzw. 30b angeschlossen. Weiterhin ist an diesen Knoten 18, 20 jeweils über ein Absperrventil 32a, 32b ein weiterer Druckspeicher 34a, 34b angeordnet. Die beiden Absperrventile 32a, 32b sind jeweils über eine Signalleitung 36a, 36b von der Steuereinheit 10 proportional verstellbar, so dass auch gedrosselte Verbindungen zwischen dem jeweiligen Druckspeicher 34a bzw. 34b und dem Knoten 18 bzw. 20 aufgesteuert werden können.
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Im Betrieb des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine fördern die Wellenenergiekonverter 1a–e mit zueinander unterschiedlichen Phasenlagen und Amplituden Meerwasser, das als Druckmittel dient, durch ihre jeweilige Verbindungsleitung 2a–e zum ersten Knoten 4. Das Volumenstrom-Messgerät 14a erfasst die Geschwindigkeit des aufsummierten Volumenstroms und meldet diesen über die Signalleitung 16 zur Steuereinheit 10. Diese regelt bei vergleichsweise großem Volumenstrom den Schwenkwinkel und damit das Schluckvolumen des Hydromotors 22 vergleichweise gering ein, wodurch erfindungsgemäß ein erhöhter Dämpfungsdruck im Gesamtsystem herrscht. Bei vergleichsweise geringem Volumenstrom erhöht die Steuereinheit 10 den Schwenkwinkel und damit das Schluckvolumen des Hydromotors 22, so dass sich ein vergleichsweise geringer Dämpfungsdruck im Gesamtsystem ergibt. Der Hydromotor 22 treibt mit auf Grund der geregelten Dämpfung verbessertem Wirkungsgrad den Generator 28 zur Stromerzeugung an.
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Zur Minderung von Pulsationen sind die Druckspeicher 30a, 30b vorgesehen. Zur Speicherung eines Überangebots an Wellenenergie und damit an Druckmittel kann dieses in den Druckspeichern 34a, 34b gespeichert werden. Dieses kann bei einem verminderten Angebot an Wellenenergie wieder eingespeist werden und zum Antrieb des Hydromotors 22 dienen.
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2 zeigt einen der Wellenenergiekonverter 1a–e aus 1 in einer schematischen Seitenansicht. Er besteht im Wesentlichen aus einer Klappe 38, die über ein am Meeresgrund befestigtes Schwenkgelenk 40 von Wellen in eine oszillierende Schwenkbewegung versetzt wird. Dabei ist die Klappe 38 über ein Gelenk 42 an eine Kolbenstange 44 eines Pumpzylinders 46 gekoppelt.
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Der Pumpzylinders 46 versorgt über (nicht gezeigte) Anschlüsse und Ventile die zugeordnete Verbindungsleitung 2a–e (vgl. 1). Von den verschiedenen auf die Klappe 38 wirkenden Kräften wird erfindungsgemäß die Dämpfungskraft FDämpfung von der Steuereinheit 10 über den Hydromotor 22 (vgl. 1) geregelt. Die Dämpfungskraft FDämpfung wirkt also über den Pumpzylinder 46 auf die Klappe 38.
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Wie gesagt können die Wellenenergiekonverter 1a–e auch andere Bauformen besitzen, solange ihnen das gleiche Grundprinzip der Energiewandlung zu Grunde liegt, nämlich die Ausnutzung der Wellenbewegung für einen Pumpvorgang, bei dem ein Fluid in eine Druckleitung eingespeist wird. Es können z. B. Bojen zum Einsatz kommen, deren Auf-Ab-Bewegung auf einen Hydrozylinder übertragen wird. Ebenso können Wellenenergiekonverter vorgesehen sein, die eine Rotationspumpe, z. B. eine Radialkolbenmaschine oder Axialkolbenmaschine, etc. antreiben.
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3 zeigt beispielhaft einen Verlauf einer Wellenauslenkung 48 in einem Diagramm. Dabei ist die Amplitude (in Metern) über der Zeit (in Sekunden) aufgetragen.
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Die gestrichelte Linie zeigt dem entsprechend den Bewegungsverlauf 50 eines Wellenenergiekonverters bei einer Wellenenergiemaschine gemäß dem Stand der Technik. Die strichpunktierte Linie zeigt den Bewegungsverlauf 52 des Wellenenergiekonverters 1a–e einer Wellenenergiemaschine mit erfindungsgemäß geregelter Dämpfung. Dabei ist zu erkennen, dass bei vergleichweise schwachen oder geringen Wellen ein Wellenenergiekonverter gemäß dem Stand der Technik stehen bleibt, während der Wellenenergiekonverter 1a–e durch die Regelung derart entlastet wird, dass er sich weiter bewegen kann.
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Ergänzend zum ersten Ausführungsbeispiel können weitere Wellenenergiekonverter mit entsprechenden Verbindungsleitungen zum ersten Knoten 4 vorgesehen sein.
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Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel kann ein geschlossener Kreis für das Druckmittel vorgesehen sein, bei dem das Druckmittel von Ausgang des Hydromotors zurück zu den Zylindern der Wellenenergiekonverter gefördert wird.
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Mögliche Abhängigkeiten des Drucks p vom Volumenstrom Q (äquivalent zur Geschwindigkeiten der einzelnen Wellenenergiekonverters) über p = f(Q) = K·Qx + c = K(Seegang)·Qx + c mit K als Konstante abhängig vom Seegang über signifikante Wellenhöhe HS und signifikante Periode TS und Parametrierung der hydraulischen Komponenten: K = f(Seegang) = f(HS, TS, Parametrierung).
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Über Qx kann z. B. eine wurzelförmige oder quadratische, kubische etc. Abhängigkeit eingestellt werden. Mit einer Konstante c kann dem System ein Mindestdruck vorgegeben werden.
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Auch möglich als Funktion für den Systemdruck ist ein Polynom der Form:
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Offenbart ist eine Wellenenergiemaschine nach einem zentralen Wandlungsprinzip, die eine Mehrzahl von als Pumpe wirkenden Wellenenergiekonvertern bzw. Absorptionsmechanismen zu Wandlung von Wellenenergie zunächst in Energie eines gemeinsamen Volumenstroms eines Druckmittels hat. Die Wellenergiemaschine hat weiterhin eine Energiewandlungseinrichtung oder Dämpfungseinrichtung, deren Dämpfung in Abhängigkeit des Volumenstroms gesteuert bzw. geregelt ist. Damit kann z. B. bei abnehmendem Seegang und damit abnehmender Wellenleistung die Dämpfungskraft entweder zentral oder dezentral reduziert werden um einen Stillstand der Wellenenergiekonverter zu verhindern.
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Bezugszeichenliste
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- 1a, 1b, 1c, 1d, 1e
- Wellenergiekonverter
- 2a, 2b, 2c, 2d, 2e
- Verbindungsleitung
- 4
- erster Knoten
- 6
- Leistungsmessgerät
- 8
- Signalleitung
- 10
- Steuereinheit
- 12a, 12b, 12d
- Abschnitt der Hauptleitung
- 12c
- Hauptabschnitt der Hauptleitung
- 14a
- Volumenstrom-Messgerät
- 14b
- Signalwandler
- 16
- Signalleitung
- 18
- zweiter Knoten
- 20
- dritter Knoten
- 22
- Hydromotor
- 23
- Niederdruckleitung
- 24
- Signalleitung
- 26
- Abtriebswelle
- 28
- Generator
- 30a, 30b
- Druckspeicher
- 32a, 32b
- Absperrventil
- 34a, 34b
- Druckspeicher
- 36a, 36b
- Signalleitung
- 38
- Klappe
- 40
- Schwenkgelenk
- 42
- Gelenk
- 44
- Kolbenstange
- 46
- Pumpzylinder
- 48
- Wellenauslenkung
- 50, 52
- Bewegungsverlauf
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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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- DE 102008010459 A1 [0003]
- WO 2007/019640 A1 [0006]