WO2006063833A1

WO2006063833A1 - Strömungskonverter zur energiegewinnung

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Publication number: WO2006063833A1
Application number: PCT/EP2005/013507
Authority: WO
Inventors: Gangolf Jobb
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2007-06-15
Also published as: DE102004060275A1

Abstract

Ein Strömungskonverter zur Energiegewinnung aus einer Wasserströmung umfasst einen Rotor (3) mit einer Welle (19) und wenigstens einer sich von der Welle radial weg erstreckenden Schaufel (11) sowie eine Halterung, um die Welle des Rotors drehbar derart zu lagern, dass der Rotor samt der wenigstens einen Schaufel unter einer Wasseroberfläche angeordnet ist. Hierbei ist die wenigstens eine Schaufel elastisch ausgebildet. Die Schaufeln können sich spiralförmig von der Welle wegerstrecken. Die Wasserströmung führt zu Deformationen der Schaufeln, so dass der Rotor durch die Wasserströmung in Drehung versetzt wird.

Description

Strömungskonverter zur Energiegewinnung

Die Erfindung betrifft einen Strömungskonverter zur Energiegewinnung aus einer Wasserströmung, insbesondere Meereswellen.

Wind und Wasserkraft werden schon lange von den Menschen genutzt. Häufig wird die Energie natürlicher Strömungen durch Rotoren in mechanische Drehbewegung umgewandelt. Inzwischen kennt man eine große Vielfalt unterschiedlichster Rotoren, die sich grob in zwei Kategorien einteilen lassen: Die sogenannten Widerstandsläufer werden von Reibungskräften gedreht, bei Auftriebsläufern sind es hingegen die Auftriebskräfte an aerodynamischen Profilen.

Die überwiegende Mehrzahl heutiger Windenergieanlagen arbeitet mit Propellern, also typischen Auftriebsläufern. Sie müssen in der Strömung ausgerichtet werden und erreichen Wirkungsgrade bis zu 50 %.

Ein bekannter Vertreter der Widerstandläufer ist der Savonius- Rotor. Zwei oder mehr gebogene Schaufeln, etwa zwei Fasshälften, sind gleichsinnig um eine Achse herum angeordnet. Die Strömung findet in den konkaven Schaufelöffnungen auf einer Seite der Achse einen höheren Widerstand als in den konvexen Schaufelrückseiten auf der anderen Seite der Achse. Die Differenz der Reibungskräfte zu beiden Seiten der Achse erzeugt ein nutzbares Drehmoment. Ein Vorteil des Savonius-Rotors ist seine Unab- hängigkeit von der Strömungsrichtung. Er erreicht allerdings einen relativ geringen Wirkungsgrad von beispielsweise nur 23 %. Der herkömmliche Savonius-Rotor gilt allgemein als schwer und langsam, Leistung wird bislang mit hohem Einsatz von Material erkauft.

Es gibt zahlreiche Vorschläge, die auf den Meeren überall vorkommende Wellenbewegung in nützliche Energieformen umzuwandeln.

Derzeit intensiv erforscht ist beispielsweise das Prinzip der oszillierenden Wassersäule, Stichwort "Oscillating Water Column (OWC) " . Dieses System nutzt die Luftkompression in einem Hohlraum, dessen untere Begrenzung durch die sich auf und ab bewegende Wasseroberfläche gebildet wird. Die Luft des Hohlraums lässt man über eine Wells-Turbine ein und aus strömen. Die Wells-Turbine dreht sich auch bei wechselnder Strömungsrichtung kontinuierlich in eine Richtung und treibt einen Stromgenerator. Grundlage des OWC ist die Erfahrung, daß die Übersetzung der langsamen Wellenbewegung in eine schnelle Bewegung zur Stromerzeugung durch Verengung eines Luftstroms besonders einfach gelingt. Wichtig ist hier das geringe spezifische Gewicht der Luft, das eine sehr große Beschleunigung ermöglicht. Darüber hinaus kann die kompressible Luft große Wellen gut abfangen.

Die Verengung eines Stroms von Hydraulikδl findet sich in der Seeschlange "PELAMIS". Druck entsteht hier bei der Verformung eines gegliederten, schlangenartigen Schwimmkörpers. Hydraulische Motoren erzeugen daraus eine nutzbare Drehbewegung. Der Ausgleich von Druckspitzen erfordert hier besondere Maßnahmen.

Ein bereits realisierter Ansatz ist der "TAPered CHANnel (TAPCHAN) " . Die auf den Strand auflaufenden Wellen werden über einen ansteigenden, spitz zulaufenden Kanal in ein erhöhtes Becken geleitet, aus dem es durch eine Turbine wieder in das Meer zurücklaufen kann. Durch die Verengung des Kanals werden auch kleine Wellen soweit erhöht, daß sie in das Becken gelangen können.

Vereinzelt wurde auch schon versucht, die Wellenenergie direkt mit Hilfe von Turbinen in Drehbewegung zu verwandeln. Keiner der bislang bekannten Vorschläge erlaubt eine wirklich einfache, billige und zuverlässige Energiegewinnung aus Meereswellen.

Ziel der Erfindung ist ein Strömungskonverter zur Energiege- winnung aus einer Wasserströmung, welcher vergleichsweise einfach herstellbar und handhabbar ist und auch eine relativ hohe Energieausbeute bei geringem Materialeinsatz erlaubt. Der Strömungskonverter soll zur Gewinnung von Energie aus natürlichen WasserStrömungen, insbesondere aus der Orbitalströmung in Meereswellen, dienen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Strömungskonverter zur Energiegewinnung aus einer Wasserströmung einen Rotor, welcher eine Welle und wenigstens eine sich von der Welle radial weg erstreckende Schaufel aufweist, und eine Halterung, um die Welle des Rotors drehbar derart zu lagern, daß der Rotor samt der wenigstens einen Schaufel unter Wasser angeordnet ist. Der Rotor kann insbesondere vom Savonius-Typ sein. Hierbei ist die wenigstens eine Schaufel derart elastisch ausgebildet, daß eine an den Rotor angreifende WasserStrömung die Schaufel deformieren kann, so daß der Rotor bezüglich der WasserStrömung auf einer Seite einer Drehachse eine größere Angriffsfläche und damit eine größere Widerstandskraft aufweist als auf einer der einen Seite gegenüberliegenden anderen Seite, wobei die Elastizität der Schaufel eine aufgrund des Savonius- Prinzips ohnehin gegebene Antriebskraft auf den Rotor verstärkt. Hierdurch kann der Rotor durch die Wasserströmung in eine kontinuierliche Drehung versetzt werden. Die durch die Wasserströmung getriebene Drehbewegung kann zur Energiegewinnung genutzt werden. Dies kann durch einen Generator erfolgen, welcher mit der Welle gekoppelt ist, um aus der Drehbewegung der Welle eine vorbestimmte Form von Energie zu gewinnen. Dies kann elektrische Energie sein, wobei der Generator Wicklungen umfaßt, an deren Anschlüsse nach dem herkömmlichen Induktionsprinzip eine elektrische Spannung erzeugt wird. Die Drehbewegung der Welle kann durch den Generator auch in mechanische Energie umgewandelt werden. Beispielsweise kann der Generator eine Pumpe umfassen, welche ein Fluid im Schwerefeld der Erde auf ein höheres Potential pumpt. Die Pumpe kann auch ein Gas in einem Behälter unter Druck setzen, so daß der Druckbehälter einen Energiespeicher bereitstellt. Darüber hinaus kann die durch die Wasserströmung getriebene Drehbewegung des Rotors in jeglicher anderen denkbaren Anwendung eingesetzt werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind an einer Halterung mehrere Rotoren drehbar gelagert. Hierbei kann einem jeden Rotor ein Generator zugeordnet sein, so daß ein jeder Rotor einen Generator antreibt, oder es kann ein Generator mehreren Rotoren zugeordnet sein, so daß diese mehreren Rotoren zusammen einen Generator antreiben.

Die mehreren Rotoren können an der Halterung parallel zueinander gehaltert sein. Gemäß einer Ausführungsform hierbei sind die mehreren Rotoren im wesentlichen in einer Ebene angeordnet, so daß sich deren Drehachsen im wesentlichen in dieser Ebene erstrecken. Diese Konfiguration bietet neben einem einfachen mechanischen Aufbau auch ein vorteilhaftes Strömungsverhalten, so daß ein Wirkungsgrad des Strömungskonverters relativ groß ist.

Der Strδmungskonverter kann auf beliebige Weise in der Wasserstrδmung gehaltert sein. Beispielsweise kann die Halterung am Boden eines Gewässers abgestützt sein. Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Halterung an einem in dem Gewässer schwimmenden Schwimmkörper gehaltert oder selbst schwimmfähig ist, was auch bei einem großen Tiedenhub eines Meeres dazu führt, daß der Rotor immer mit einem gleichen Abstand unter der Wasseroberfläche angeordnet ist und somit die durch eine Wellenbewegung der Wasseroberfläche hervorgerufene Wasserströmung unabhängig von den Gezeiten in Energie umgewandelt werden kann. Hierbei kann der Schwimmkörper bzw. die Halterung mit einem Anker an dem Gewässerboden festgemacht sein.

Die Elastizität der wenigstens einen Schaufel des Rotors ist auf die Dimension des Rotors, insbesondere dessen Durchmesser und auf eine Stärke der zu erwartenden Wasserstrδmung derart eingestellt, daß die Wasserströmung eine signifikante Deformation der Schaufel hervorrufen kann, so daß die Angriffsfläche der Strömung an den Rotoren auf beiden Seiten bezüglich der Achse unterschiedlich ist, um die Antriebskraft für die Drehbewegung zu verstärken.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Elastizität der Schaufel wie folgt bemessen: Wird in einem Testaufbau die Drehung des Rotors um dessen Achse blockiert und wird an einem radial äußeren Ende der Schaufel eine in Umfangsrichtung um die Achse wirkende Kraft auf das Schaufelende ausgeübt, so wird dieses durch die Kraft in Umfangsrichtung elastisch ausgelenkt. Hierbei soll die Kraft pro Auslenkung unabhängig von der Ausdehnung der Schaufel in Richtung der Achse sein. Deshalb wird die ausgeübte Kraft auf die Ausdehnung der Schaufel in Richtung der Achse normiert. Gemäß einer Ausführungsform führt eine Kraft am äußeren Ende der Schaufel von 10 Newton pro Zentimeter Schaufelausdehnung in Richtung der Achse zu einer elastischen Auslenkung des Schaufelendes von mehr als 1 mm.

Gemäß weiteren Ausführungsformen sind zur Erzielung der elastischen Auslenkung von 1 mm geringere Kräfte notwendig, beispielsweise 5 Newton pro Zentimeter Schaufelausdehnung oder weniger als 2 Newton pro Zentimeter Schaufelausdehnung.

Um die unterschiedliche Angriffsfläche des Rotors gegenüber der WasserStrömung auf den beiden Seiten der Achse aufgrund der elastischen Deformation der Schaufeln zu erzielen, sind verschiedene Möglichkeiten denkbar. Gemäß einer Ausführungsform erstrecken sich die Schaufeln spiralförmig von der Welle weg, so daß ein Winkel zwischen einer Erstreckungsrichtung der Schaufel und der Radialrichtung bezüglich der Achse mit zunehmendem Abstand von der Achse zunimmt. Hierdurch weist eine Seite der Schaufeln eine konkave Oberfläche auf und die andere Seite der Schaufel weist eine konvexe Oberfläche auf. Strömt die Wasserströmung auf die konkaven Oberflächen zu, so führt der Druck der Wasserströmung zu einer elastischen Deformation der Schaufel derart, daß sich der Abstand des Schaufelendes von der Achse erhöht und damit die Angriffsfläche für die Wasserströmung erhöht, während auf der anderen Seite der Achse das Auftreffen der Wasserströmung auf die konvexe Oberfläche zu einer elastischen Deformation der Schaufel derart führt, daß sich der Abstand des Schaufelendes von der Achse verringert und damit auch die Angriffsfläche der Strömung auf den Rotor auf dieser Seite der Achse verringert wird.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform verjüngt sich die Schaufel hin zu ihrem Schaufelende. Dies ermöglicht eine relativ hohe Deformation der Schaufel bei vergleichsweise kleinen Kräften, wobei eine mechanische Stabilität der Schaufel gegenüber Materialermüdung und gegebenenfalls Abknicken erhöht ist.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Hierbei zeigt

Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Rotor eines Strömungskonverters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Figur 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Rotors des in Figur 1 gezeigten Strömungs- konverters zur Verdeutlichung von dessen Wirkungsprinzip,

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Meßaufbaus, um eine Elastizität von Schaufeln des Rotors des in Figur 1 gezeigten Strömungskonverters zu bestimmen,

Figur 4a ein vereinfachtes Strömungsbild um einen einzelnen vergleichsweise großen Rotor,

Figur 4b ein vereinfachtes Strömungsbild um vier in einer Reihe angeordnete vergleichsweise kleine Rotoren,

Figur 5 eine schematische perspektivische Teildarstellung eines Rotors eines Strömungskonverters gemäß einer weiteren Ausführungsform,

Figur 6 eine schematische Draufsicht auf einen

Strömungskonverter gemäß einer weiteren Ausführungs- form,

Figur 7 eine schematische Darstellung eines Strömungsfeldes durch den in Figur 7 gezeigten Strömungskonverter im Schnitt quer zu dessen Drehachsen, Figur 8 eine schematische Darstellung eines Strδmungsfeldes durch den in Figur 7 gezeigten Strömungskonverter im Schnitt entlang dessen Drehachsen,

Figur 9 eine schematische Draufsicht auf einen

Strδmungskonverter gemäß einer weiteren Ausführungs- form der Erfindung,

Figur 10 eine Anordnung des in Figur 9 gezeigten Strömungskonverters in einem Gewässer, und

Figur 11 eine weitere Anordnung des in Figur 9 gezeigten Strömungskonverters in einem Gewässer.

Einige Wirkungsprinzipien von Ausführungsformen der Erfindung seien nachfolgend zusammengefaßt .

Ein Strömungskonverter umfaßt einen Rotor mit elastischen Schaufeln, wie in Figur 2 dargestellt. Effektive Fläche und Hebelwirkung der treibenden Schaufeln vergrößert sich im Strömungsdruck, die der rücklaufenden Schaufeln wird kleiner. Elastizität erhöht die Differenz der Reibungskräfte und verbessert damit den Wirkungsgrad.

Gitterfδrmige, parallele Anordnung vieler Rotoren hat gegenüber einem einzelnen Rotor mit gleichem Strömungsquerschnitt erhebliche Vorteile: Das Gitter hat einen höheren Wirkungsgrad und benötigt gleichzeitig weniger Material. Darüber hinaus drehen sich die kleinen Rotoren schneller. Figur 4a zeigt einen einzelnen Rotor, Figur 4b zeigt ein Gitter aus vier kleineren Rotoren im weiteren Strömungsfeld. Die axiale Ausdehnung der Rotoren ist in beiden Fällen gleich. Gitter und Einzelrotor erfassen daher den selben Strömungsquerschnitt und damit auch die selbe Strömungsleistung.

Im größeren StrömungsZusammenhang wirkt der einzelne Rotor wie ein zylindrisches Hindernis, das Gitter hingegen wie eine Platte. Da der Widerstand einer Platte erheblich größer ist als der eines Zylinders, nehmen die Fluidteilchen beim Gitter eher den unbequemen Weg über die Rotorschaufeln als beim Einzelrotor. Während die Strömung dem großen Rotor weiträumig ausweicht, ist dies beim Gitter nur schwer möglich. Der Wirkungsgrad des Git- ters ist daher besser.

Zwischen den Rotoren des Gitters verengt sich der Strömungsquerschnitt und die Geschwindigkeit des Fluids wird größer. Die Rotoren werden dann schneller und mit größerer Kraft gedreht. Bei abnehmendem Rotorabstand erhöht sich daher der Wirkungsgrad des Gitters. Gleichzeitig verringert sich aber der durchtretende Strom und damit die Leistung, so daß ein optimaler Rotorabstand zu suchen ist.

Bei gleich bleibender Rotorlänge und abnehmendem Radius verkleinert sich die von einem Rotor erfaßte Strömung linear, sein Volumen sinkt aber quadratisch. Die vier kleinen Rotoren des Gitters benötigen daher nur ein Viertel von dem Material des großen Rotors und sind trotz höherer Leistung entsprechend leichter und billiger.

Der Übergang zu immer kleineren Rotordurchmessern findet seine Grenze in der Festigkeit des Materials. Bei gleich bleibender Länge muß eine immer dünner werdende Achse dem Verbiegen im Strömungsdruck wiederstehen. Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, daß die Rotorachsen wie die Saiten einer Harfe über einen Rahmen gespannt sind. Der kleinstmögliche Rotordurchmesser wird dann bei gegebener Länge und Strömung von der Zugfestigkeit der Achse bestimmt. Der Rahmen besteht typischerweise aus Rohren und ist erheblich stärker und biegesteifer als die Rotorachsen. Die Rotoren sind drehbar auf den Achsen gelagert, die Achsen selbst drehen sich nicht.

Figur 1 zeigt beispielhaft den Aufbau eines Rotors für den Einsatz im Meer. Er hat beispielsweise einen Durchmesser von 16 cm, seine Länge beträgt 21 m, der Rotorabstand ist 25 cm. Die Rotorblätter bestehen aus einem weichen, elastischen Material wie Gummi. Da ein weicher und zugleich langer Rotor nicht in der Lage wäre, das in seiner Mitte entstehende Drehmoment an seine Enden zu leiten, umschließt dieser eine harte Transmissionswelle. Diese läuft auf einem Gleitlager um die gespannte Achse. Die verwendeten Materialien sind meerwasserbeständig.

Die von den Rotoren erzeugte Leistung kann schließlich in elektrischen Strom umgewandelt werden. Dazu können sich an beiden Enden jedes Rotors kleine Stromgeneratoren befinden. Das in der Mitte eines Rotors erzeugte Drehmoment muß von diesem selbst an seine Enden übertragen werden. Die beidseitige Leistungsentnahme verdoppelt bei geringer Torsionsfestigkeit des Rotors seine maximal mögliche Länge. Die Stromgeneratoren können der Einfachheit halber mit auf die Rotorachsen montiert sein, typischerweise ohne Zwischenschalten eines Übersetzungsgetriebes . Die Drehzahlen sind dann wegen der kleinen Rotordurchmesser bereits ausreichend hoch. Auf eine mechanische Kopplung der Rotoren kann verzichtet werden. Die einzelnen Rotorleistungen können auf der elektrischen Seite zusammengeschaltet werden. Eine Steuerung der Rotoren muß nicht vorgesehen sein. Der erzeugte Strom kann rein elektronisch an die Verbraucherseite angepaßt werden.

Die gitterartig im Rahmen aufgespannten, elastischen Widerstandsrotoren bilden als technische Einheit einen vielseitig einsetzbaren Strömungskonverter. Zwar überträgt sich die Richtungsunabhängigkeit der Einzelrotoren nur bedingt auf die Gesamtanordnung, doch dafür verbessert sich deutlich der Wirkungsgrad und die Materialeffizienz. Zur Wiederherstellung der Richtungsunabhängigkeit kann man beispielsweise zwei Strόmungskonverter senkrecht zueinander aufstellen.

Der Strömungskonverter kann sowohl in der Luft wie auch im Wasser eingesetzt werden. Man könnte ihn beispielsweise auf Hausdächern montieren. Bei einem Einsatz als stromerzeugenden Wild- oder Blendschutzzaun entlang von Autobahnen würden seine Rotorgeräusche vom Verkehrslärm überdeckt. Quer durch ein Fließgewässer gespannt könnte der Strόmungskonverter eine umweltschonende Nutzung der Wasserkraft ermöglichen, ohne großräumige Uferverbauung, und ohne die Unterbrechung von Tierwegen. Besonders geeignet ist der Strömungskonverter zur Energiegewinnung auf dem Meer. Neben der naheliegenden Anwendung auf horizontale Meeresströmungen kann er auch als Wellenkonverter die OrbitalStrömung in Meereswellen nutzen. Die Figuren 7 und 8 veranschaulichen die Strömungsverhältnisse an einem horizontalen, dicht unter der Meeresoberfläche liegenden Strömungskonverter. Die kleinen Pfeile zeigen die Fließrichtung des Wassers unter einer von links heranlaufenden Welle. Mit dem voranschreiten der Welle ändern sich diese Richtungen ständig.

Ein richtungsunabhängiger Rotor wird bei seitlich heranlaufender

Welle immer radial angeströmt und folglich angetrieben

(Figur 7) . Auch eine längs des Rotors laufende Welle erzeugt eine radiale Strömungskomponente, die allerdings ungleichmäßig verteilt ist (Figur 8) . Im kleinräumig heterogenen Orbitalströmungsfeld kommt es darauf an, daß der Rotordurchmesser deutlich kleiner ist als Wellenlänge und Amplitude der Wasserwelle. Der Rotor sollte hingegen möglichst lang sein damit die sich entlang seiner Achse summierenden Kräfte eine gleichmäßiges Drehmoment ergeben.

Zur Nutzung der Wellenbewegung können Rotorengitter horizontal unter die Wasseroberfläche gebracht werden. Figuren 9 und 10 zeigen einen schwimmfähigen Rahmen mit vier Rotorengittern. An den Ecken befinden sich Schwimmkörper mit aufblasbaren Ballasttanks. Damit kann das Gitter in der Tiefe eingestellt, zur Wartung an die Oberflache gehoben, oder bei Sturm in tieferes Wasser gesenkt werden.

Ein kleines Wellenkraftwerk wie in den Figuren 9 und 10 dargestellt, hat beispielsweise die Abmessungen 48 x 48 m, die Rotorlänge der vier quadratischen Gitter beträgt 21 m. Bei einem Rotordurchmesser von 16 cm und einem Rotorabstand von 25 cm sind 336 Rotoren aufgespannt, an ihren Enden befinden sich insgesamt 672 kleine Generatoren. Die Gitterebene liegt etwa 1 m unter der mittleren Wasseroberfläche. Gelegentliches austauchen der Rotoren bei großen Wellen ist unproblematisch. Bei Sturm läßt sich das Gitter bis auf 7 m absenken. Gegen die Bewegung der Wasseroberfläche ist der schwimmende Wellenkonverter teils durch seine Trägheit stabilisiert, teils dadurch, daß sich die über seine große Fläche summierten Wasserkräfte weitgehend aufheben. Weiterhin wird jede Bewegung relativ zum Wasserkörper von den Rotorengittern gedämpft und in elektrischen Strom verwandelt. Widerstandskδrper an der Ankerkette, etwa quer gestellte Platten, können zusätzlich die Beweglichkeit des Wellenkonverters gegenüber tiefen und damit ruhigen Wasserschichten einschränken. Wegen der Stabilisierung können große Wellen die Lage des Wellenkonverters nicht plötzlich verändern und rollen über diesen hinweg. Figur 10 zeigt schematisch die Verankerung des Wellenkraftwerks. Sie soll das wegtreiben der Anlage verhindern. Die über einen Auftriebs- körper durchhängende Ankerkette sorgt für klar definierte Haltekräfte und schafft Spielraum bei schwerer See.

Vorsichtig geschätzt, hat eine mittlere Nordseewelle eine Leistung von 14 kW pro Meter Wellenfront. Trifft diese Front auf die insgesamt 42 m breiten Rotorengitter des obigen Beispiels, und nimmt man an, daß sie auf ihrem ebenso 42 m langen Weg durch die Gitter größtenteils absorbiert wird, dann kann man nach Abzug aller Verluste eine mittlere Dauerleistung von 150 bis 200 kW erwarten. In anderen Meeren findet man mittlere Energiedichten bis 100 kW/m, vor allem auf dem offenen Ozean. Dort könnte das Beispielkraftwerk sogar 1 MW und mehr leisten. An den Küsten von Nordspanien und Schottland sind es immerhin noch knapp 50 kW/m, bei Stürmen wurden dort auch schon 1000 kW/m gemessen.

Die geschätzte Leistung des Wellenkonverters übertrifft im Tagesmittel diejenige eines gleich großen Solarmoduls um ein Mehrfaches, aber kostet nur einen Bruchteil davon. Hinzu kommt, daß die Wellenenergie zu jeder Tages- und Nachtzeit zur Verfügung steht, insbesondere auch bei Dunkelheit und bei trübem Wetter. In den Herbst- und Wintermonaten, wenn in den gemäßigten Breiten die Tage kürzer sind und die Gebäude beheizt werden, steht sie sogar vermehrt zur Verfügung. Außer einer einfachen Verankerung besitzt der vorgeschlagene Wellenkonverter keinen Bezug zum Meeresboden. Im Gegensatz zu anderen Systemen sind hier keine aufwendigen Bauarbeiten unter Wasser erforderlich, auch keine treuren geologischen Unter- suchungen des Meeresbodens. Es gibt keine Einschränkungen hinsichtlich der Wassertiefe oder der Bodenbeschaffenheit. Der Wellenkonverter kann in einer Werft gefertigt und von dort an seinen Einsatzort geschleppt werden, wo er ohne weiteres Ansehen des Bodens verankert wird. Seine Mobilität erlaubt es, ihn von Zeit zu Zeit in eine Werft zu bringen um ihn dort zu warten und zu reinigen.

Im offenen Ozean könnte man auf eine Verankerung verzichten und das Wellenkraftwerk statt dessen rechnergesteuert mit Hilfe von Segeln oder Zugdrachen und unter Ausnutzung von Meeresströmungen in einem günstigen Meeresgebiet halten. Der aus dem Wind gewonnene Vortrieb würde von den Rotorengittern in zusätzliche Nutzleistung umgewandelt. Die erzeugte Energie müßte dann in Form von Wasserstoff mit Schiffen zum Festland transportiert werden.

Die Statik des Wellenkonverters kann der eines Tennisschlägers entsprechen. Sie kann Kraftspitzen bei hereinbrechenden, großen Wellen gut auffangen und abfedern, und diese gleichmäßig auf den Rahmen verteilen. Die Rahmen bieten den Wasserkräften nur wenig Angriffsfläche. Durch große Wellen taucht das Gitter einfach hindurch. Auch die elastischen Rotorblätter federn die hereinbrechenden Wassermassen gut ab. Sie könnten bei extremen Belastungen reversibel nach hinten umklappen und dadurch ihren Strömungswiderstand verkleinern.

Der vorgeschlagene Wellenkonverter kann wegen seiner wellenschluckenden Eigenschaften dem Küstenschutz dienen.

Die direkte Umsetzung der Wellenenergie mittels Rotoren bedeutet eine erhebliche Vereinfachung gegenüber konkurrierenden Ansätzen. Ineffiziente Zwischenschritte wie das komprimieren von Luft oder die Transformation linearer Bewegung in Rotation können vermieden werden. Nachfolgend werden einige der oben bereits erläuterten Figuren nochmals im Detail erläutert:

Figur 1 zeigt einen Rotor eines Strömungskonverters 1 in perspektivischer Darstellung. Der Strömungskonverter 1 umfaßt einen Rotor 3, welcher an einer Halterung 5 drehbar gelagert ist. Von der Halterung 5 sind in Figur 1 Teile von zwei Rahmenstäben 6 und 7 gezeigt, welche sich mit Abstand voneinander und parallel zueinander erstrecken. Die Rahmenstäbe 6 und 7 sind durch in Figur 1 nicht gezeigte Querstreben miteinander verbunden.

Der Rotor 3 umfaßt eine Welle 9, von welcher sich fünf Schaufeln 11 nach radial außen erstrecken. Die Welle 9 umfaßt einen als Hohlwelle ausgebildeten Kern 13, welcher aus Metall, beispielsweise nicht rostendem Stahl oder Aluminium, gefertigt ist. Ein Außenmantel des Wellenkerns 13 ist profiliert ausgebildet und umfaßt eine Vielzahl von Vorsprüngen und Nuten. Die Welle 9 umfaßt ferner einen Mantel aus einem

Elastomermaterial, beispielsweise Gummi, welcher den Wellenkern

13 umgibt und in die Profilierung an der Außenoberfläche des

Wellenkerns 13 drehfest eingereift. Der Mantel 15 ist integral mit den Schaufeln 11 ausgebildet, das heißt die Schaufeln 11 und der Mantel 15 sind einstückig aus dem Elastomermaterial geformt.

Der Rotor ist unter Wasser in einem durch Pfeile 17 angedeuteten Strömungsfeld angeordnet, so daß eine Erstreckungsrichtung der Welle 9 quer zu der Richtung des Strömungsfeldes 17 orientiert ist.

Der als Hohlwelle ausgebildete Wellenkern 13 ist von einer Achse 19 durchsetzt, welche an ihren beiden axialen Enden an den Rahmenstäbe 6 und 7 festgelegt ist. Hierbei ist die Hohlwelle 13 auf der Achse 19 drehbar gelagert, wobei der Außenmantel der Welle 19 und der Innenmantel der Hohlwelle 13 zusammen ein Gleitlager bilden. Vorteilhaft ist hierbei, die Achse 19 zwischen den Rahmenstäben 6 und 7 zu spannen, so daß die Achse einer Zugspannung ausgesetzt ist. Entsprechend sind die die beiden Rahmenstäbe 56 und 7 auf Distanz haltenden Querstreben mit einer Druckspannung belastet. Die Achse 19 ist hierbei aus einem zugfesten Material, beispielsweise einem Stahldraht, gefertigt. Hierdurch ist es möglich, daß auch relative dünne Wellen mit Wellenkernen geringen Durchmessers auch bei relativ großen Längen einer starken Wasserströmung Stand halten.

Es ist jedoch auch möglich, die Achse 19 relativ zu dem Wellenkern 13 drehfest zu haltern und ein Drehlager zwischen den axialen Enden der Achse 19 und den Streben 6 und 7 vorzusehen.

Der Rotor 3 weist über seine Länge L einen konstanten Querschnitt auf. Es ist jedoch auch möglich, daß sich die Schaufeln 11 spiralförmig um die Welle 9 über die Länge L erstrecken. Die Zahl der Schaufeln 11 ist beliebig. In Figur 1 ist beispielhaft ein Rotor 3 mit fünf Schaufeln dargestellt . Die Zahl der Schaufeln kann niedriger sein, beispielsweise drei Schaufeln oder vier Schaufeln, die Zahl der Schaufeln kann auch größer sein, beispielsweise sechs, sieben, zehn oder mehr Schaufeln. Es ist auch möglich, daß sich eine einzige Schaufel spiralförmig um die Welle 9 erstreckt. Hierzu ist die Schaufel aus besonders elastischem Material zu fertigen.

Der Wirkungsmechanismus des Rotors in dem Strömungsfeld 17 ist schematisch in Figur 2 erläutert. In einer bezüglich der Achse 19 oberen Hälfte des Rotors trifft die Strömung auf konkave Oberflächen 21 des Rotors 3. Der Strδmungsdruck führt in diesem Bereich zu einer elastischen Deformation der Schaufeln 11 derart, daß sich ein äußeres Ende 23 der Schaufel 11 von der Achse 19 entfernt, und zwar bis auf einen Abstand D₁. In einem in Figur 2 unterhalb der Achse 19 liegenden Bereich trifft die Strömung 17 auf konvexe Bereiche 22 der Schaufeln 11. Dort führt die elastische Deformation der Schaufeln dazu, daß sich ein Ende 23' einer Schaufel an die Achse 19 annähert, und zwar bis auf einen Abstand D₂. Es ist ersichtlich, daß der Abstand D₁ größer ist als der Abstand D₂. Somit bietet der Rotor 3 der Strömung 17 oberhalb der Achse 19 eine Querschnittsfläche D₁-L und unterhalb der Achse 19 eine Querschnittsfläche D₂-L. Da somit die obere Querschnittsfläche größer ist als die untere Quer- schnittsfläche, führt dies zu einer durch die Strömung 17 ausgeübten Kraft in Richtung der Strömung 17, welche oberhalb der Achse 19 an den Rotor 3 angreift. Dies führt zu einer Drehung des Rotors 3 in eine durch einen Pfeil 25 bezeichnete Drehung des Rotors 3 um die Achse 19 im Uhrzeigersinn.

Figur 3 zeigt einen Testaufbau zum Messen einer Elastizität der Schaufeln 11 des Rotors 3. Hierbei ist der Rotor 3 drehfest an einer Testhalterung 31 angebracht. Eine Testkraft F wird auf ein äußeres Ende 23 einer Schaufel 11 ausgeübt, und zwar derart, daß die Testkraft F in Umfangsrichtung um die Achse 19 orientiert ist. Die Wirkung der Testkraft F führt zu einer elastischen Deformation der Schaufel 11 und zu einer Verlagerung des äußeren Endes 23 der Schaufel 11 um eine Strecke dx. Beispielsweise führt eine Testkraft F von 10 Newton pro Zentimeter Ausdehnung der Schaufel in Richtung der Achse 19 zu einer Verlagerung dx von 1 mm.

Aus Figur 3 ist auch ersichtlich, daß sich ein quer zu einer Erstreckungsrichtung der Schaufel orientierter Querschnitt A der Schaufel mit zunehmendem Abstand von der Achse 19 verringert. In einem inneren Bereich der Schaufel 11 nahe der Achse 19 weist der Querschnitt eine Ausdehnung quer zur Erstreckungsrichtung der Schaufel 11 von A₁ auf, in einem nahe dem Ende 23 der Schaufel angeordneten Bereich weist die Ausdehnung einen Wert A₃ auf, welcher kleiner ist als der Wert A₁, und in einem dazwischen liegenden Bereich weist der Querschnitt eine Ausdehnung A₂ auf, welche größer ist als A₃ und kleiner als A₁.

Figur 5 zeigt eine perspektivische Detaildarstellung eines Rotors eines Strömungskonverters 1, bei welchem zwischen axialen Enden eines Rotors 3 und einer Strebe 6 bzw. einer Strebe 7 (in Figur 5 nicht dargestellt) jeweils ein Generator 35 eingefügt ist, dessen Rotor an die Achse 19 gekoppelt ist und dessen Stator über einen Stift 37 drehfest an der Strebe 6 bzw. 7 der Halterung 5 gekoppelt ist. Der Generator 35 ist ein Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom aus der Drehbewegung der Welle 19. Der Generator 35 kann allerdings auch ein Generator zur Erzeugung von mechanischer Energie sein, wie beispielsweise eine Pumpe.

Figur 6 zeigt einen Strömungskonverter 1, mit einer Vielzahl von Rotoren 3, deren Achsen 19 jeweils mit einem Abstand a voneinander angeordnet sind. Die beiden Streben 6 und 7 sind durch Querstreben 8 miteinander verbunden, um ein einfach handhabbares Strömungskonvertermodul zu bilden.

Figur 9 zeigt einen Strömungskonverter 1, welcher vier derartige Module umfaßt. In den vier Ecken des derart gebildeten Moduls ist jeweils ein Schwimmkörper 41 angeordnet, welcher sich quer zur Erstreckungsrichtung der Streben 6, 7 und 8 erstreckt und derart mit Luft gefüllt ist, daß die Rotoren 3 des Strömungs- konverters 1 in etwa 1 m unter einer Wasseroberfläche 43 angeordnet sind. Der Strömungskonverter 1 ist über ein AnkerSystem 45 an einen Meeresboden 47 gekoppelt. Hierzu umfaßt das Ankersystem 45 eine Ankerkette 49, welche mit ihrem einen Ende zum Beispiel an einen Auftriebskörper 41 gekoppelt ist und mit ihrem anderen Ende an einen mit dem Meeresboden 47 verbundenen Anker 51 gekoppelt ist. Zwischen ihren beiden Enden können an der Kette 49 noch Auftriebskörper 53 und Strömungsplatten 55 befestigt sein.

Figur 11 zeigt eine weitere Variante zur Verankerung eines Strömungskonverters 1 an einem Meeresboden 47. Über Fundamente 51 sind sich vertikal erstreckende Stäbe 57 am Meeresboden 47 verankert. An den Stäben 57 sind weitere Stäbe 55 in Längsrichtung über einen Antrieb (in Figur 11 nicht dargestellt) verschiebbar gelagert, an deren oberen Enden eine Halterung 5 für eine Vielzahl von Rotoren 3 befestigt ist. Durch Betätigen des Antriebs ist es möglich, die Stäbe 57 und 55 in eine Richtung 59 relativ zueinander zu verschieben und dadurch einen Abstand der Rotoren 3 von einer Wasseroberfläche 43 einzustellen. Hierdurch kann dieser Abstand auch bei sich aufgrund eines Tiedenhubs sich ändernden Meerespegels konstant gehalten werden, der Abstand kann an eine Stärke der Wellenbewegung angepaßt werden, und es können die Rotoren 3 bei zu starkem Seegang auch, in tieferes Gewässer abgesenkt werden, um die Rotoren vor Beschädigung zu schützen.

Ausführungsformen der Erfindung umfassen:

(A) Strömungskonverter zur Energiegewinnung aus natürlichen Luft- und Wasserströmungen, bestehend aus einer gitterförmigen, in einem Rahmen aufgespannten Anordnung länglicher, elastischer Rotoren mit zugehörigen Wandlerelementen.

(B) Strömungskonverter nach vorstehender Ausführungsform (A) , der als Wellenkonverter zur Energiegewinnung aus Meereswellen eingesetzt wird.

(C) Effizienzverbesserung unidirektionaler Widerstandsläufer- Rotoren in Strδmungskonvertern nach Ausführungsform (A) durch die Verwendung elastischer Schaufeln.

(D) Effizienzverbesserung unidirektionaler Widerstandsläufer- Rotoren in Strömungskonvertern nach Ausführungsform (A) durch deren eng-parallele, gitterförmige Anordnung.

(E) Steigerung der Biegefestigkeit länglicher Rotoren in Strömungskonvertern nach Ausführungsform (A) durch das Auf- spannen der Rotorachsen in einer Rahmenkonstruktion.

(F) Erzeugung zusätzlicher Nutzleistung an einem schwimmenden Strömungskonverter nach Ausführungsform (A) oder (B) dadurch, daß dieser mit Segeln oder Zugdrachen durch das Wasser ge- zogen wird.

Zusammengefaßt stellt die vorliegende Erfindung Strömungs- und Wellenkonverter zur Energiegewinnung aus natürlichen Luft- und WasserStrömungen, insbesondere Meereswellen, bereit, bestehend aus einer gitterförmigen, in einem Rahmen aufgespannten Anordnung länglicher, elastischer Rotoren mit zugehörigen Wandlerelementen.

Claims

Patentansprüche

1. Strδmungskonverter zur Energiegewinnung aus einer WasserStrömung, umfassend:

einen Rotor (3) , welcher eine Welle (9) und wenigstens eine sich von der Welle (9) radial weg erstreckende Schaufel (11) aufweist, und

eine Halterung (5), um die Welle (9) des Rotors (3) drehbar derart zu lagern, daß der Rotor (3) samt der wenigstens einen Schaufel (11) unter Wasser angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die wenigstens eine Schaufel (11) in Umfangsrichtung um die Welle (9) derart elastisch deformierbar ist, daß eine elastische Auslenkung (dx) eines radial äußeren Endes (23) der Schaufel (11) bei Anlegen einer in Umfangsrichtung um die Welle (9) gerichteten Kraft (F) von 10 Newton pro cm Ausdehnung der Schaufel (11) in Richtung der Welle größer ist als 1 mm.

2. Strömungskonverter nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine

Schaufel (11) in Umfangsrichtung um die Welle (9) derart elastisch deformierbar ist, daß eine elastische Auslenkung

(dx) des radial äußeren Endes (23) der Schaufel (11) bei

Anlegen einer in Umfangsrichtung um die Welle gerichteten Kraft (F) von 5 Newton, insbesondere 2 Newton, pro cm Ausdehnung der Schaufel in Richtung der Welle größer ist als 1 mm.

3. Strömungskonverter nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein quer zur Erstreckungsrichtung der Schaufel orientierter Querschnitt der Schaufel (11) sich ausgehend von der Welle (9) nach radial außen hin kontinuierlich verjüngt.

4. Strδmungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schaufel (11) sich spiralförmig von der Welle (9) weg erstreckt, so daß eine Erstreckungsrichtung der Schaufel in einem radial äußeren Bereich derselben stärker in Umfangs- richtung orientiert ist als in einem radial inneren Bereich der Schaufel.

5. Strδmungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Mehrzahl von Schaufeln (11) in Umfangsrichtung verteilt um die Welle (9) angeordnet ist.

6. Strδmungskonverter nach Anspruch 5, wobei eine Anzahl der in Umfangsrichtung um die Welle (9) verteilt angeordneten Schaufeln (11) größer gleich 3 und kleiner gleich 8 ist.

7. Strömungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schaufeln (11) aus einem organischen Polymermaterial, insbesondere einem Elastomermaterial, gefertigt sind.

8. Strömungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei wenigstens ein Teil (13) der Welle (9) aus einem Material gefertigt ist, welches eine geringere Elastizität aufweist als ein Material aus dem die wenigstens eine Schaufel (11) gefertigt ist.

9. Strömungskonverter nach Anspruch 8, wobei der wenigstens eine Teil (13) der Welle (9) aus Metall gefertigt ist.

10. Strömungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Welle (9) an zwei einander gegenüberliegenden Enden an der Halterung (5) gelagert ist.

11. Strömungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Welle (9) bezüglich einer die Welle in Längsrichtung durchsetzenden Achse (19) drehbar gelagert ist.

12. Strömungskonverter nach Anspruch 11, wobei die Achse (19) an ihren beiden Enden an der Halterung (5) derart festgelegt ist, daß sie einer Zugspannung ausgesetzt ist.

13. Strömungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner umfassend wenigstens einen an der Halterung (5) festgelegten und mit der Welle (9) gekoppelten Generator (35) , um aus einer Drehbewegung der Welle (9) eine vorbestimmte Form von Energie zu gewinnen.

14. Strömungskonverter nach Anspruch 13, wobei die vorbestimmte Form von Energie elektrische Energie oder/und mechanische Energie umfaßt.

15. Strδmungskonverter nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Generator (35) eine Pumpe oder/und eine Spannungsquelle umfaßt.

16. Strömungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei an der Halterung (5) eine Mehrzahl von Rotoren (3) drehbar gelagert ist.

17. Strömungskonverter nach Anspruch 16, wobei sich die Wellen (9) der Mehrzahl von Rotoren (3) parallel zueinander erstrecken.

18. Strömungskonverter nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Wellen

(9) der Mehrzahl von Rotoren (3) im wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind.

19. Strömungskonverter nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei eine jede Welle (9) mit einem separaten Generator (35) , insbesondere zwei separaten Generatoren, gekoppelt ist, der an der Halterung festgelegt ist.

20. Strδmungskonverter nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei eine Gruppe von mehreren Wellen (9) mit einem separaten Generator gekoppelt ist, der an der Halterung festgelegt ist.

21. Strömungskonverter nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei ein Abstand zwischen einander benachbarten Drehachsen der Rotoren kleiner ist als ein Dreifaches, insbesondere ein Zweifaches eines Durchmessers der Rotoren.

22. Strömungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 21, ferner umfassend wenigstens einen Schwimmkörper (41) , um den Strδmungskonverter (1) im Wasser schwimmend zu tragen.

23. Strδmungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 22, ferner umfassend wenigstens einen Anker (45) , um den Strömungs- konverter (1) an einem Gewässerboden zu (47) verankern.