DE2529759A1 - DEVICE FOR GENERATING ENERGY FROM SEA WAVES - Google Patents
DEVICE FOR GENERATING ENERGY FROM SEA WAVESInfo
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Description
Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Assmann - Dr. R. Koenigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dipl.-Ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun.Dr. F. Zumstein Sr. - Dr. E. Assmann - Dr. R. Koenigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dipl.-Ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun.
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Kjell BUDAL, Trondheim un d
Johannes FALNES, Tronheim / NorwegenKjell BUDAL, Trondheim and d
Johannes FALNES, Tronheim / Norway
Vorrichtung zur Energiegewinnung aus MeereswellenDevice for generating energy from ocean waves
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus Meereswellen, mit deren Hilfe die Energie von Meereswellen
in irgendeine andere Energieart umgewandelt wird, so daß nutzbare Energie gewonnen wird. Die Vorrichtung liegt entweder
völlig im Meer oder kann auch nur teilweise ins Meer
eintauchen und enthält wenigstens ein bewegbares Glied, das
aus einem starren oder elastischen Material besteht und unter dem Einfluß der Wellenbewegung des Meeres Schwingungen ausführt.
.Das bewegbare oder die bewegbaren Teile ist bzw. sind mit wenigstens einem Dämpfungswiderstand verbunden, der ver-The invention relates to a device for generating energy from ocean waves, with the aid of which the energy from ocean waves is converted into some other type of energy, so that usable energy is obtained. The device is either completely in the sea or can only be partially in the sea
immerse and contains at least one movable member, the
consists of a rigid or elastic material and vibrates under the influence of the waves of the sea. .The movable part or parts is or are connected to at least one damping resistor which
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wertbare Energie liefert und/oder Energie verbraucht.supplies valuable energy and / or consumes energy.
Die Hauptaufgabe der Vorrichtung liegt darin, Energie zu liefern, jedoch ist die Vorrichtung als Gesamtheit oder in manchen Teilen als ein Wellenbrecher verwendbar.The main task of the device is to supply energy, but the device as a whole or in some is Share can be used as a breakwater.
Zur Verwertung der Energie der Meereswellen wurden verschiedene Vorrichtungen und Einrichtungen vorgeschlagen, jedoch können mit Hilfe dieser vorgeschlagenen Vorrichtungen lediglich geringe Energiemengen für bestimmte Verwendungszwecke gewonnen werden, wie z.B. zum Betreiben von Billgenwasserpumpen oder Signalbojen im Meer. In letzter Zeit wurde jedoch die Energieerzeugung aus Meereswellen in großem Umfang von Bedeutung. Xn diesem Zusammenhang sei auf die Zeitschriften "Nature", 249, S. 720 Ms ?24 (1974) und»IEEE Ocean», I, S, 240 bis 243 (1974) verwiesen. Diese Vorschläge beziehen sich auf groß ausgelegte mechanische schwingende Systeme, die bewegbare Bairfceile enthalten, die aus Beton oder anderen starren Baustoffen bestehen, welche in Wechselwirkung von Wellen mii* schwingendem .Sys-fceis über die bewegbaren Teile treten. Die bewegbaren Teile betreiben Pumpen, die ihrerseits eine Turbine betreiben, die mit einer 'Stroaerzeugungseinrichtung verbunden ist«Various devices and devices have been proposed for utilizing the energy of the ocean waves, but they can obtained with the help of these proposed devices only small amounts of energy for certain purposes e.g. for operating billgen water pumps or signal buoys in the sea. Recently, however, the Energy generation from ocean waves is important on a large scale. In this context, reference is made to the journals "Nature", 249, p. 720 Ms? 24 (1974) and "IEEE Ocean", I, S, 240 to 243 (1974) referenced. These proposals relate to large-scale mechanical vibratory systems, the movable bairfceile which consist of concrete or other rigid building materials, which vibrate in the interaction of waves .Sys-fceis step over the moving parts. The moving parts operate pumps, which in turn operate a turbine that is connected to a 'Stroageneratoreinrichtung'
In der US-PS 2 886 931 ist ein hydraulischer Resonator beschrieben» bei dem eine Flüssigkeit in einem Rohr oder einer Kammer direkt in Wechselwirkung mit dem Meer tritt und diese aufgrund der Wellenbewegung mit Druck beaufschlagt wird. Die schwingende Flüssigkeitssäule dient zur Erzeugung von Energie, beispielsweise dadurch, daß die Flüssigkeit, wenn sie ihre hoeiiste Stelle einnimmt, in ein Becken teilweise abgezogen mrd» das oberhalb des Meeresspiegels liegt, und daß die Flüssigkeit von dem Becken über eine Turbine zurück ins Meer geleitet wird.In US-PS 2,886,931 a hydraulic resonator is described » in which a liquid in a pipe or a chamber interacts directly with the sea and this is pressurized due to the wave motion. The vibrating column of liquid is used to generate energy, for example by the fact that the liquid, when it occupies its highest point, partially withdrawn into a basin mrd »that is above sea level, and that the liquid from the basin via a turbine back into the sea.
Die firundfrequenz eines mechanischen, schwingenden SystemsThe basic frequency of a mechanical, oscillating system
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beträgt (i/27( ) ~fs/m, wobei S die Federkonstante des Systems und mit m die gesamte effektive Masse bezeichnet ist. Bei bestimmten Wellen ist die Leistungsa.ufna.hme bzw. der Leistungsbedarf S hauptsächlich vom Auftrieb oder in Zusammenhang mit der unter Schwerkraft stehenden Einwirkung abhängig. Die Gesamtmasse schließt auch die zusätzliche hydrodynamische Masse ein und möglicherweise auch die umgeformte Abstimmmasse, auf die später näher eingegangen wird.is (i / 27 () ~ fs / m, where S is the spring constant of the system and the total effective mass is designated by m. For certain waves, the power consumption or the power requirement S is mainly from buoyancy or in connection with The total mass also includes the additional hydrodynamic mass and possibly also the reshaped tuning mass, which will be discussed in more detail later.
Bekanntlich hat die Auslenkung eines schwingenden Systems den größten Wert, wenn die Grundfrequenz des schwingenden Systems gleich der Frequenz der erregenden Kraft ist. Bekanntlich tritt dieser Effekt bei der Umwandlung von Meereswellenenergie mit Hilfe von Flüssigkeiten, die auf Resonanz abgestimmt sind, auf, wie dies beispielsweise bei dem hydraulischen Resonator, der in der US-PS 2 886 951 beschrieben ist, der Fall ist, jedoch ist es bisher nicht bekannt, die Resonanzabstimmung bei der Umwandlung von Meereswellenenergie in einem mechanischen System vorzusehen, das bewegbare Teile enthält, die durch die Wellen in Schwingung versetzt werden.As is well known, the deflection of an oscillating system has the greatest value when the fundamental frequency of the oscillating System is equal to the frequency of the exciting force. As is well known, this effect occurs when converting ocean wave energy with the help of fluids that are tuned to resonance, as is the case, for example, with the hydraulic Resonator described in US Pat. No. 2,886,951 is the case, but it is not heretofore known to use resonance tuning to be provided in the conversion of sea wave energy in a mechanical system that contains moving parts, which are set in vibration by the waves.
Bekannte mechanische Einrichtungen weisen eiiE Grundfrequenz auf, die wesentlich höher als der Frequenzbereich liegt, der für Meereswellen typisch ist, und die Vorrichtungen enthalten keine Mittel zum Einstellen oder Justieren der Grundfrequenz in Abhängigkeit der Wellenfrequenzänderungen.Known mechanical devices have a fundamental frequency which is much higher than the frequency range typical of ocean waves and which includes devices no means for setting or adjusting the fundamental frequency as a function of the wave frequency changes.
Hydraulische Schwingungssysteme, die auf Resonanz abgestimmt sind, weisen mehrere Nachteile auf, wenn mit Hilfe solcher auf diesem Prinzip beruhenden Einrichtungen verwertbare Energie geliefert werden soll. Insbesondere ist der Verlust aufgrund der Flüssigkeitsreibung sehr beträchtlich. Eine solche schwingungsfähige Vorrichtung muß entsprechend groß bemessen sein, und schließlich ist die Abstimmung der Frequenz einer solchen Einrichtung in einer gesamten Oktave problematisch, was jedochHydraulic vibration systems that are tuned to resonance have several disadvantages when using such devices based on this principle, usable energy should be delivered. In particular, the loss due to fluid friction is very significant. Such a vibratory Device must be sized accordingly, and ultimately the tuning of the frequency is such Setting up an entire octave was problematic, however
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bei der Energieabsorption bei den natürlichen Wellen bei den meisten Meeren sehr vorteilhaft ist.in the energy absorption of the natural waves in the most seas is very beneficial.
Die Schwierigkeiten beim Aufbau einer abgestimmten mechanischen, schwingungsfähigen Vorrichtung, die zu überwinden sind, werden anhand der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung in der beiliegenden Zeichnung erläutert. Diese Vorrichtung weist einen Behälter 1 auf, der Vertikalschwingungen im Meer infolge der Einwirkung der Meereswellen ausführt. Die Enrgieerzeugung kann beispielsweise mit Hilfe eines Propellers 3 durchgeführt werden, der am freien Ende einer langen Welle 2 angebracht ist, deren anderes Ende mit einem elektrischen Generator verbunden ist, der innerhalb des Behälters 1 untergebracht ist. Die Grundschwingungsdauer der schwingungsfähigen Einrichtung beträgt ungefähr T = 2 7τΥΐ7έΓ » wobei mit g die Erdbeschleunigung und mit 1 der Abstand zwischen.dem Boden des Behälters und dem Meeresspiegel bezeichnet ist,wenn sich der Behälter in der Gleichgewichtslage befindet. Typischer Werte für die Schwingungsdauer bei Meereswellen liegen innerhalb des Bereiches von 7 bis 14 Sekunden, und vorzugsweise ist eine solche Auslegung zu treffen, daß T innerhalb dieses Bereiches frei wählbar ist„ D.h., daß hierbei 1 innerhalb eines Bereiches von 12 bis 50 m einstellbar auszulegen ist. Eine entsprechend so groß ausgelegte Anordnung ist aus mehreren Gründen ungeeignet. Insbesondere wird die erregende Kraft der Wellen auf den Behälter beträchtlich reduziert, wenn der Boden des Behälters weit unterhalb des Meeresspiegels liegt. Dies beruht auf der Tatsache, daß die Druckschwankungen aufgrund der Wellenbewegungen abklingen, und zwar bei einer sinusförmigen Welle exponentiell mit dem Abstand vom Meeres spiegel. Aus diesem Grunde sollte der Behälter so niedrig wie möglich ausgelegt sein. Ein tiefer Behälter weist ein großes Totvolumen auf, da die Schwingungsamplitude des Behälters wesentlich geringer als die Höhe 1 ist. Mit zunehmenden Abmessungen des fiufbaus einer solchen Vorrichtung nehmen ebenfalls die Reibungskräfte, mit denen die Vorrichtung behaftet ist, zu.The difficulties in building a tuned mechanical vibratory device that must be overcome will be explained with reference to the device shown in Fig. 1 in the accompanying drawing. This device has a container 1 which executes vertical vibrations in the sea as a result of the action of the sea waves. The energy generation can for example be carried out with the help of a propeller 3, which is attached to the free end of a long shaft 2, the other End is connected to an electrical generator which is housed within the container 1. The fundamental period the vibratory device is approximately T = 2 7τΥΐ7έΓ »where with g the acceleration due to gravity and with 1 the Distance between the bottom of the container and the sea level is designated when the container is in the equilibrium position. Typical values for the period of oscillation in ocean waves are within the range from 7 to 14 seconds, and Preferably, such an interpretation is to be made that T can be freely selected within this range “I.e. that here 1 is adjustable within a range of 12 to 50 m. A correspondingly large-scale arrangement is over unsuitable for several reasons. In particular, the exciting force of the waves on the container is considerably reduced when the bottom of the container is well below sea level. This is due to the fact that the pressure fluctuations due of the wave movements decay, and that in the case of a sinusoidal wave exponentially with the distance from the sea level. For this reason, the container should be designed as low as possible. A deep container indicates large dead volume, since the oscillation amplitude of the container is significantly less than the height 1. With increasing Dimensions of the construction of such a device also take place the frictional forces with which the device is subject to.
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Die Erfindung zielt darauf ab, eine mechanische schwingungsfähige Vorrichtung, die auf Resonanz abgestimmt ist, so auszubilden, daß Wellenenergie in eine andere Energieform mit hohem Wirkungsgrad umgewandelt werden kann. Vorzugsweise sollen die großen, anregenden Kräfte in der Nähe des Meeresspiegels ausgenutzt werden, und insbesondere soll der Aufbau vertretbare Abmessungen aufweisen. Vorzugsweise soll die Vorrichtung so ausgelegt sein, daß mit Hilfe einer einfach aufgebauten Einrichtung die Grundfrequenz der Anordnung einstellbar ist, so daß die Vorrichtung auf die Frequenzänderungen der Wellen in ihrem charakteristischen Bereich anspricht. Insbesondere soll erfindungsgemäß eine Umwandlung der mechanischen Schwingungsenergie der Vorrichtung in andere Energieformen, insbesondere in verwertbare Energieformen unter hohem Wirkungsgrad erfolgen.The aim of the invention is to design a mechanical vibratory device that is tuned to resonance so that that wave energy can be converted into another form of energy with high efficiency. Preferably should The large, stimulating forces in the vicinity of the sea level are exploited, and in particular the structure should be justifiable Have dimensions. Preferably, the device should be designed so that with the help of a simply constructed Device, the fundamental frequency of the arrangement is adjustable, so that the device on the frequency changes of the waves in appeals to their characteristic area. In particular, according to the invention, a conversion of the mechanical vibration energy of the device into other forms of energy, in particular into Usable forms of energy take place with a high degree of efficiency.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nimmt die Absorption einerEnergie bei unregelmäßigen Wellen zu, und zwar über einen Wert, der bei einer schwingungsfähigen Einrichtung, die auf Resonanz abgestimmt ist, optimal erzielbar ist, und zwar dadurch, daß die Schwingungsbewegung Kit Hilfe eines Motors oder eines anderen Antriebsmechanismus kontrollier- und regelbar ist.According to a preferred embodiment of the invention, the Absorption of an energy in the case of irregular waves, namely above a value that which is tuned to resonance, can be optimally achieved, namely in that the vibratory movement using a motor or kit another drive mechanism can be controlled and regulated.
Erfindungsgemäß zeichnet sich eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus Meereswellen dadurch aus, daß die schwingungsfähige Einrichtung eine Grundfrequenz aufweist, so daß die mit Hilfe der Vorrichtung absorbierte Energie möglichst hoch ist. Bei einer stationären, sinusförmigen oder nahezu sinusförmigen Welle bedeutet dies, daß die Grundfrequenz gleich oder nahezu gleich der Wellenfrequenz ist. Bei unregelmäßigen Wellen, die beispielsweise infolge von Wind auftreten, bedeutet dies, daß die Grundfrequenz gleich der jahresdurchschnittlichen Wellenfrequenz ist, oder daß die Grundfrequenz auf einen Wert regelbar ist, der gleich oder nahezu gleich der Frequenz ist, die dem maximalen, tatsächlichen Leistungsspektrum der Wellen entspricht, d.h. eine solche Frequenz, die im folgenden als charakteristische FrequenzAccording to the invention, a device for generating energy is distinguished from ocean waves in that the vibratory device has a fundamental frequency, so that the with the help the energy absorbed by the device is as high as possible. With a stationary, sinusoidal or nearly sinusoidal wave means this is that the fundamental frequency is equal to or nearly equal to the wave frequency. With irregular waves, for example occur as a result of wind, this means that the basic frequency is equal to the annual average wave frequency, or that the basic frequency can be regulated to a value that is equal to or almost equal to the frequency that corresponds to the maximum, corresponds to the actual power spectrum of the waves, i.e. one such frequency, hereinafter referred to as the characteristic frequency
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von Wellen bezeichnet ist.is denoted by waves.
Das Bauteil der Vorrichtung, das den Kräften der Wellen ausgesetzt ist und dadurch in Schwingung versetzt wird, wird im folgenden als Wechselwirkungsglied bezeichnet, das mit einer oder mehreren Massen verbunden ist, die als sogenannte Abstimmmassen bezeichnet sind, die entweder innerhalb der Vorrichtung, im Meer, auf dem Meeresboden oder auch an Land liegen. Diese Massen sind nicht direkt dem Einfluß der Kräfte der Wellen ausgesetzt, schwingen jedoch in Verbindung mit dem Wechselwirkungsglied, so daß die tatsächliche Masse der gesamten schwingungsfähigen Anordnung ausreichend bemessen ist, so daß die Grundfrequenz der Anordnung gleich oder ungefähr gleich der charakteristischen Wellenfrequenz ist. Vorzugsweise schwingt die Abstimmmasse bei einer höheren Geschwindigkeit als das Wechselwirkungsglied, so daß hierdurch die Abstimmasse relativ klein ist, so daß die gesamte Anordnung nicht zuviel Platz benötigt. Bei einer kleinen Masse tritt ebenfalls der Vorteil auf, daß sie auf einfachere Art und Weise in Gestalt und/oder Größe als eine große Masse variierbar ist, so daß die Grundfrequenz der Anordnung einfacher eingestellt oder justiert werden kann. Die Umwandlung der kinetischen üiergie der Masse in eine andere Energieform, insbesondere in eine verwertbare Energieform,ist technologisch einfacher durchzuführen, wenn eine schnell schwingende Masse vorliegt, als in dem Fall, wenn die schwingende Masse langsam schwingt.The component of the device that is exposed to the forces of the waves is and is thereby set in oscillation, is referred to below as an interaction element that has an or several masses are connected, which are referred to as so-called tuning masses, which are either within the device, lying in the sea, on the seabed or on land. These masses are not directly exposed to the influence of the forces of the waves, vibrate however in connection with the interacting member, so that the actual mass of the entire vibratable Arrangement is sufficiently sized so that the fundamental frequency of the arrangement is equal to or approximately equal to the characteristic Wave frequency is. The tuning mass preferably vibrates at a higher speed than the interaction element, so that the tuning mass is relatively small as a result, see above that the entire arrangement does not require too much space. In the case of a small mass, there is also the advantage that it can be applied to simpler ones Way in shape and / or size can be varied as a large mass, so that the fundamental frequency of the arrangement is simpler can be set or adjusted. The conversion of the kinetic energy of the mass into another form of energy, in particular into a usable form of energy is technologically easier to be carried out when there is a rapidly oscillating mass than in the case when the oscillating mass is slow swings.
Die Anordnung liefert verwertbare Energie beispielsweise dadurch, da8 die Abstifflaasse mit einem elektrischen Generator verbunden ist, der die Bewegung des ¥echselwirkungsgliedes dämpft. Die Däfflpfungsfäiiigkeit ist mit Hilfe des Dämpfungswiderstandes R erfaßbar, wobei der Dämpfungswiderstand durch die dem Generator gelieferte Leistung, d.h. ungefähr die verwertbare Leistung, bestlBffit ist» die einen Zeitmittelwert von 1/2 Eu aufweist» wobei u die Geschwindigkeitsamplitude des Wechselwirkungsglie-The arrangement supplies usable energy, for example, by connecting the spacing lanes to an electrical generator that dampens the movement of the arm action member. The damping ability can be determined with the help of the damping resistance R, where the damping resistance is due to the power supplied to the generator, i.e. approximately the usable power, bestlBffit is »which has a time average of 1/2 Eu» where u is the velocity amplitude of the interaction term
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des bei sinusförmiger Bewegung ist. Das Wechselwirkungsglied wird ebenfalls durch die nach außen auslaufenden Wellen gedämpft. Die Leistung im Zeitmittel bei der Erzeugung solcher Wellen beträgt 1/2 R u , wobei R als sogenannter abgegebener Widerstand bezeichnet wird, der eine frequenzabhängige, konstante Kenngröße bezeichnet, mit der jede spezielle Vorrichtung behaftet ist. Wenn die verwertbare Leistung 1/2Ru maximal sein soll ,ist R=R anzunehmen, d.h., wenn die aufgenommene Energie gleich der abgegebenen Leistung ist. Dies bezieht sich auf sinusförmige Wellen. Von Bedeutung ist somit, daß der Dämpfungswider stand R einen geeigneten Wert einnimmt, daß die Vorrichtung als eine effektive Absorptionseinrichtung der Wellenenergie betreibbar ist. Bei infolge von Wind auftretenden Wellen, die nicht genau sinusförmig sind, kann die Annahme getroffen werden, daß die aufgenommene Leistung maximal ist, wenn R etwas größer als R ist, d.h., daß die aufgenommene Leistung etwas größer als die abgegebene Leistung ist.des is with sinusoidal motion. The interacting term is also dampened by the waves running out to the outside. The time average power for the generation of such waves is 1/2 R u, where R is the so-called output resistance which denotes a frequency-dependent, constant parameter with which every special device is afflicted is. If the usable power is to be 1 / 2Ru maximum, R = R is to be assumed, i.e. if the absorbed energy is equal to the output. This refers to sinusoidal waves. It is therefore important that the damping resistance R assumes a suitable value that the device operable as an effective wave energy absorber. In the case of waves occurring as a result of wind that are not exactly sinusoidal, the assumption can be made that the power consumed is maximum when R is somewhat larger than R, i.e. that the power consumed is slightly greater than the power delivered.
Die Arbeitsweise der resonanzabgestimmten Vorrichtung ist wie folgt: die ankommenden Wellen setzen die Vorrichtung in Bewegung, wobei eine auslaufende Welle auftritt. Wenn die schwingungsfähige Anordnung klein ist im Vergleich zur Wellenlänge, oder wenn diese punktsymmetrisch ist, handelt es sich um eine Kreiswelle. Die auslaufende Welle überlagert sich der ankommenden Welle so, daß die.darauf erhaltene Welle, die die Vorrichtung passiert, eine reduzierte Amplitude aufweist, und folglich eine reduzierte Energie. Demzufolge hat die Vorrichtung Energie aus der Welle aufgenommen. Die Fähigkeit der auslaufenden Welle, die ankommende Welle zu stören, ist umso stärker,je ähnlicher die Zeitabhängigkeit der auslaufenden Welle von jener der ankommenden Welle ist. Bei einem linearen Schwingungssystem kann die Zeitabhängigkeit der ankommenden Welle nur dann reproduziert werden, wenn die ankommende Welle genau sinusförmig ist. Meereswellen sind jedoch nie sinusförmig, so daß die auslaufende Welle nur nahezu ähnlich der ankommenden Welle ist, und diese Ab-The operation of the resonance-tuned device is as follows: the incoming waves set the device in motion, whereby an outgoing wave occurs. If the vibratory arrangement is small compared to the wavelength, or if this is point-symmetrical, it is a circular wave. The outgoing wave is superimposed on the incoming wave Wave so that the wave obtained thereupon which passes the device has a reduced amplitude, and consequently a reduced energy. As a result, the device has absorbed energy from the shaft. The ability of the outgoing wave The more similar the time dependency of the outgoing wave to that of the incoming wave, the stronger the disturbance of the incoming wave Wave is. In the case of a linear oscillation system, the time dependence of the incoming wave can only be reproduced when the incoming wave is exactly sinusoidal. However, ocean waves are never sinusoidal, so the outgoing wave is is only almost similar to the incoming wave, and this departure
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weichung ist umso größer, je mehr die ankommende Welle von der genauen Sinusförmigkeit abweicht. Folgich ist eine freie, resonanzabgestimmte, entsprechend gedämpfte schwingungsfähige Anordnung äußerst vorteilhaft zur Absorption bei sinusförmigen Meereswellen, jedoch sinkt der Wirkungsgrad einer solchen Anordnung bei infolge von Wind auftretenden Wellen beträchtlich.The deviation is greater, the more the incoming wave deviates from the exact sinusoidal shape. What follows is a free, resonance-tuned, appropriately damped oscillatory arrangement extremely advantageous for absorption in sinusoidal Sea waves, however, the efficiency of such an arrangement drops considerably when waves occur due to wind.
Die Absorption bei einer solchen Vorrichtung kann auf die folgende Art und Weise verbessert werden. Wenn angenommenermaßen auf das Schwungrad eine Kraft von einem regelbaren Motor oder einem anderen regelbaren Antriebsmechanismus zusätzlich zu der Massenkraft einwirkt, sind die Rückstellkraft (Auftriebskraft), Dämpfungskraft und von der Welle gelieferte Kraft so abgestimmt» daß das Schwungrad und somit das Wechselwirkungsglied auf beliebige Art und Weise bewegbar sind. Andererseits kann das Schwungrad durch eine, aus Antriebsmotor und {Generator kombinierte Einrichtung ersetzt werden, die die Bewegung des Wechsel-Ttfirkungsgliedes steuert. Angenommen, daß das Wechselwirkungsglied von aem Motor und dem Generator beaufschlagt ist, kann sich dieses so bewegen, daß auslaufende Wellen mit derselben Zeitabhängigkeit, wie die ankommenden Wellen erzeugt werden, wobei jedoch die Phase umgekehrt ist. Eine solche Anordnung stellt eine optimale Wellenabsorptionseinrichtung für jede Art von Wellen dar, Ua. die Anordnung Wellen von beliebiger Zeitabhängigkeit liefert und folglich die beliebige Zeitabhängigkeit der Wellen aufhebt, Die Energieabsorption schlägt sich darin nieder, daß der Generator mehr Energie liefert, als der Motor verbraucht. Die Differenz entspricht der verwertbaren Energie,The absorption in such a device can be improved in the following manner. If it is assumed that a force from a controllable motor or other controllable drive mechanism acts on the flywheel in addition to the inertia force, the restoring force (buoyancy force), damping force and the force supplied by the shaft are coordinated in such a way that the flywheel and thus the interaction element can be used in any way Way are movable. On the other hand, the flywheel can be replaced by a device combined from a drive motor and generator, which controls the movement of the changeover element. Assuming that the interacting member is acted upon by aem motor and the generator, this can move so that outgoing waves are generated with the same time dependence as the incoming waves, but the phase is reversed. Such an arrangement represents an optimal wave absorber for any type of wave, Ua. the arrangement supplies waves of any time dependency and consequently cancels the arbitrary time dependence of the waves. The energy absorption is reflected in the fact that the generator supplies more energy than the motor consumes. The difference corresponds to the usable energy,
Unter Bezugnahme auf die obigen Auführungen betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Umwandeln der Meereswellenenergie in eine beliebige andere Energieform und weist -wenigstens ein bewegbares Teil auf, das sogenannte Wechselwirkungsglied, <ias aus starrem oder elastischem Material besteht und in eine gedämpfte Scüwicgungsanordming eingebaut ist, dieWith reference to the above, the present Invention a device for converting sea wave energy into any other form of energy and has -at least one movable part, the so-called interaction element, <ias consists of rigid or elastic material and is built into a damped Scüwicgungsanordming that
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wenigstens eine Masse, wenigstens eine Federanordnung und wenigstens eine Einrichtung zur Energieabsorption enthält, die verwertbare Energie liefert und/oder Energie verbraucht, wobei das Wechselwirkungsglied in Wechselwirkung zu den ¥ellen tritt, so daß Schwingungskräfte aus den Wellen aufgenommen werden und die schwingungsfähige Anordnung in Schwingung versetzt wird. Bei einer solchen Anordnung wird das erfindungsgemäße Ziel dadurch erreicht, daß wenigstens eine weitere Hasse vorgesehen ist, die als sogenannte Abstimmasse bezeichnet wird, die mit dem Wechselwirkungsglied verbunden ist und sich zu der tatsächlichen Hasse der gesamten schwingungsfähigen Anordnung addiert, wobei die Abstimmasse so angeordnet ist, daß sie nicht direkt von den Wellenkräften beeinflußt ist, jedoch in Verbindung mit dem Wechselwirkungsglied schwingen kann, so daß die Grundfrequenz der Anordnung gleich oder nahezu gleich der charakteristischen Frequenz der Meereswellen ist.contains at least one mass, at least one spring arrangement and at least one device for energy absorption, supplies the usable energy and / or consumes energy, whereby the interaction element interacts with the cells occurs, so that vibrational forces are absorbed from the shafts and the vibratory arrangement is set in vibration will. With such an arrangement, the object of the invention is achieved in that at least one other hater is provided, which is referred to as a so-called tuning mass, which is connected to the interaction element and itself added to the actual hatred of the entire vibratory arrangement, the tuning mass being arranged so that it is not directly influenced by the wave forces, but can oscillate in connection with the interaction element, so that the fundamental frequency of the arrangement is equal to or almost equal to the characteristic frequency of the ocean waves.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Antriebseinrichtung, wie z.B. ein Motor oder eine Pumpe vorgesehen, durch die eine veränderbare Kraft auf das Wechselwirkungsglied zusätzlich zu den anderen, auf das Wechselwirkungsglied ausgeübten Kräften ausgeübt wird, wobei die Antriebseinrichtung eine Schwingungsbewegung auf das Wechselwirkungsglied in dem Maße und in der Zeitabhängigkeit überträgt, die jener der momentanen Erregungskraft der Welle entspricht, so daß die freiwerdende Energie bei der Vorrichtung möglichst groß ist.According to a preferred embodiment of the invention, a drive device such as a motor or a pump is provided, by the one variable force on the interaction element in addition to the other, on the interaction element exerted forces is exerted, wherein the drive means an oscillatory movement on the interaction member to the extent and in the time dependence that corresponds to that of the momentary excitation force of the wave, so that the energy released in the device is as large as possible.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.Further details, advantages and features of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawing.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Anordnung, die zur Erläuterung des Standes der Technik dient;1 shows a schematic view of an arrangement which serves to explain the prior art;
Fig. 2 bis 7 zeigen Ansichten von Ausführungsformen einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.2 to 7 show views of embodiments of a device according to the invention.
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Gleiche oder ähnliche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical or similar parts are given the same reference symbols Mistake.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 befindet sich ein halb im Meer eingetauchter Behälter in einer Gleichgewichtslage. Der Behälter 1 ist in dieser Lage mit Hilfe eines Seils 2,einer Kette oder ähnlichem festgehalten, das über Rollen 3 und 4, die in einem am Meeresgrund befestigten Gehäuse 5 untergebracht sind, geführt ist und mit einem schwimmfähigen Glied 6 verbunden ist. Infolge der Auftriebskraft des Glieds 6 ist das Seil 2 ständig einer Zugkraft unterworfen. Die Rolle 3 ist mit einem Schwungrad 7 verbunden, das seinerseits mit einem elektrischen Generator auf bekannte Art und Weise verbunden ist. Der Generator sowie die mechanischen und elektrischen Verbindungen sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Das Schwungrad und der Generator stellen ein gemeinsames Bauteil der Vorrichtung dar.Referring to Figures 1 and 2, a semi-submerged container is in an equilibrium position. Of the Container 1 is held in this position with the help of a rope 2, a chain or the like, which is on rollers 3 and 4, the are accommodated in a housing 5 attached to the seabed, is guided and connected to a buoyant member 6 is. As a result of the buoyancy force of the link 6, the rope 2 is constantly subjected to a tensile force. The role 3 is with a Flywheel 7 connected, which in turn is connected to an electrical generator in a known manner. The generator as well as the mechanical and electrical connections are not shown in the drawing. The flywheel and the generator represent a common component of the device.
Wenn der Behälter 1 den Meereswellerjausgesetzt ist, führt dieser alternierende, vertikale Bewegungen (Schwingungen) aus, so daß die Rolle 3 und das Schwungrad 7 mit dem Generator schwingende Drehbewegungen ausführen. Bei entsprechender, aufeinan- ~ der abgestimmter Wahl der Einflußgrößen der Vorrichtung, wie z.B. die Trägheitsbewegung des Schwungrads 7, der Durchmesser der Rolle 3, über die das Seil 2 geführt ist, weist die schwingungsfähige Anordnung eine Grundfrequenz auf, die nahe bei der charakteristischen Frequenz der Wellen liegt* Insbesondere soll die Umfangsgeschwindigkeit des Schwungrads 7 wesentlich größer als die Lineargeschwindigkeit des Behälters sein, so daß die Masse dea Schwungrads relativ gering sein kann. Der elektrische Generator, der die verwertbare Energie liefert, ist - orzugsweise alt der Umfange fläche des Schwungrads 7 verbunden, wobei die Kosten für einen solchen Generator mit zunehmender Uafangsgeschwindigkeit des Schwungrads abnehmen,When the container 1 is exposed to the sea waves, it carries out alternating vertical movements (vibrations), so that the roller 3 and the flywheel 7 carry out vibrating rotary movements with the generator. With a corresponding, mutually coordinated choice of the influencing variables of the device, such as the inertial movement of the flywheel 7, the diameter of the roller 3 over which the rope 2 is guided, the oscillatable arrangement has a fundamental frequency that is close to the characteristic frequency of the waves is * In particular, the peripheral speed of the flywheel 7 is intended to be substantially greater than the linear speed of the container so that the mass flywheel dea may be relatively low. The electrical generator, which supplies the usable energy, is - preferably old - connected to the circumference of the flywheel 7, whereby the costs for such a generator decrease with increasing initial speed of the flywheel,
Ändert sich die charakteristische Frequenz der Wellen, sollteIf the characteristic frequency of the waves changes, it should
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sich vorzugsweise die Grundfrequenz der εchwingungsfähigen Anordnung ebenfalls ändern. Dies wird durch die Änderung der Abstimmasse erzielt. Ein Schwungrad ist hierfür bevorzugt geeignet, da das Trägheitsmoment eines Schwungrads'leicht einstellbar ist. Andererseits kann die effektive Masse durch Justierung so eingestellt v/erden, daß mit Hilfe eines entsprechenden Zahnrads die Beziehung zwischen der linearen Bewegung des Seils 2 und der Drehbewegung des Schwungrads eingehalten werden kann.preferably the basic frequency of the vibratory Change the arrangement as well. This is achieved by changing the tuning mass. A flywheel is preferred for this, because the moment of inertia of a flywheel is easily adjustable is. On the other hand, the effective mass can be set by adjustment so that with the help of a corresponding Gear maintained the relationship between the linear movement of the rope 2 and the rotational movement of the flywheel can be.
Das Schwungrad kann ebenfalls von einer Kraft eines regelbaren oder Stellmotors zusätzlich zu den anderen Kräften beaufschlagt werden, so daß die Anordnung, wie z.B. durch die Massenkräfte, durch die Federkräfte, Dämpfungskräfte infolge des Auftriebs und von den Wellen .übertragene Kräfte in einem solchen Zusammenspiel stehen, daß der Behälter und das "tfeehselwirkungsglied eine Bewegung ausführen, die exakt im Gleichlauf zu den ankommenden V/ellen steht. Vorzugsweise kann das Schwungrad durch einen Motor-Generator ersetzt v/erden, der elektrisch, mechanisch oder hydraulisch betreibbar ist, wie z.B. eine Kreiselpumpe, mit dessen Hilfe die Behälterbewegungen regelbar sind.The flywheel can also be acted upon by a force of a controllable or servomotor in addition to the other forces so that the arrangement, such as by the inertia forces, by the spring forces, damping forces due to the Buoyancy and forces transmitted by the waves in such a The interplay is that the container and the "mistake effect element" execute a movement that is exactly in sync with the incoming birds. Preferably that can Flywheel replaced by a motor generator that can be operated electrically, mechanically or hydraulically, such as E.g. a centrifugal pump, with the help of which the container movements can be regulated.
Figo 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der in Fig.2 gezeigten Vorrichtung, bei der die Rollen-Schwungradverbindung 3 bis 7 in doppelter Weise ausgeführt und im Behälter 1 untergebracht ist. Demzufolge sind die Seile 2 und die Rollen 4 ebenfalls doppelt vorhanden, wobei die Rollen 4, wie vorstehend beschrieben, auf dem Meeresgrund befestigt sind.Figo 3 shows a modified embodiment of the in Fig.2 device shown, in which the roller-flywheel connection 3 to 7 carried out in two ways and in the container 1 is housed. Accordingly, the ropes 2 and the pulleys 4 are also duplicated, the pulleys 4 as above described, are attached to the seabed.
In Fig. 4 ist eine Anordnung gezeigt, bei der die Rollen 3 verzahnt sind und mit einer Zahnstange 8 kämmen, die an einem schwingungsfähigen Teil 9 angebracht ist, das über Seile 10 mit dem Meeresgrund verankert ist. Wenn der Behälter 1 schwingt, rollen sich die verzahnten Rollen 3 auf den StangenIn Fig. 4 an arrangement is shown in which the rollers 3 are toothed and mesh with a rack 8, which is attached to a vibratable part 9, which via cables 10 is anchored to the seabed. When the container 1 vibrates, the toothed rollers 3 roll on the rods
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8 ab, so daß sich das Schwungrad 7 dreht.8 so that the flywheel 7 rotates.
In Fig. 5 ist eine Ausführungsform gezeigt, die jener in Fig. 4 ähnlich ist, wobei jedoch das schwingungsfähige Teil 9 fachwerkartig aufgebaut und mit 11 bezeichnet ist und auf dem Meeresgrund befestigt wird.In Fig. 5 there is shown an embodiment similar to that in Fig. 4 is similar, but the vibratory part 9 is constructed like a truss and denoted by 11 and on the Is attached to the seabed.
Bei den in den Fig. 2 bis 5 gezeigten Ausführungsformen sind Übertragungseinrichtungen zwischen dem Wechselwirkungsglied und dem restlichen Teil der schwingungsfähigen Anordnung mechanisch, beispielsweise mit Drahtseilen oder gezahnten Rädern ausgelegt.In the embodiments shown in FIGS. 2 to 5, there are transmission devices between the interaction member and the remaining part of the vibratory arrangement mechanically, for example with wire ropes or toothed wheels designed.
Ebenfalls können hydraulische Übertragungseinrichtungen vorgesehen sein.Hydraulic transmission devices can also be provided be.
Die oben genannten Ausführungsformen sind halb eingetaucht.The above embodiments are half-immersed.
Anhand der Fig. 6 und 7 sind schwingungsfähige Vorrichtungen gezeigt, die in Wechselwirkung mit den Wellen stehen, die vollständig eingetaucht sind.With reference to FIGS. 6 and 7 vibratory devices are shown which interact with the waves which are completely immersed.
Die in Fig. 6 gezeigte Anordnung gemäß der Erfindung, die vollständig eingetaucht ist, weist paarweise angeordnete, mit Gas gefüllte Behälter 12 und 13 auf, die miteinander über eine Leitung 14 in Verbindung stehen. Der Behälter 12 weist eine bewegbare oder flexible Wand 15 auf, die das Wechselwirkungsglied darstellt und unterhalb des Meeresspiegels liegt. Der Behälter 13 ist mit einer starren Wand versehen und kann an Land angeordnet sein oder ebenfalls im Wasser eingetaucht sein. Vorzugsweise ist dieser auf dem Heeresgrund befestigt. Die Leitung 14 enthält eine Turbine 16, die mit einem Generator, wie oben beschrieben, verbunden 1st.The arrangement according to the invention shown in FIG. 6, which is completely immersed, has containers 12 and 13 which are arranged in pairs and are filled with gas and which are connected to one another via a line 14. The container 12 has a movable or flexible wall 15 which represents the interaction element and which lies below sea level. The container 13 is provided with a rigid wall and can be arranged on land or also be submerged in water. This is preferably attached to the army base. Line 14 contains a turbine 16 which is connected to a generator as described above.
Die Bewegungen des Behälters 12 unter dem Einfluß der WellenThe movements of the container 12 under the influence of the waves
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versetzen die Wand 15 in Schwingung, so daß sich das Volumen des Behälters 12 ändert. Hierbei strömt das Gas über die Leitung 14, die die Turbine 16 enthält, so daß sich diese dreht. Wie bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform kann die Abstimmung der Anordnung durch Auslegung der Turbine als eine Motorpumpe mit einem Schwungrad erfolgen.set the wall 15 in vibration, so that the volume of the container 12 changes. Here, the gas flows through the line 14, which contains the turbine 16, so that it rotates. As in the embodiment shown in Fig. 2, the coordination of the arrangement by designing the turbine as a Motor pump done with a flywheel.
Bei dieser A.usführungsform kann ein Teil der Leitung mit E1IUssigkeit ausgefüllt sein, die eine schwingende Flüssigkeitssäule bildet und gleichzeitig die gesamte oder ein Anteil der Abstimmasse der Anordnung darstellt. Die Abstimmung kann durch die Länge bzw. Höhe der Flüssigkeitssäule eingestellt v/erden.In this embodiment, part of the line can be filled with E 1 liquid, which forms a vibrating column of liquid and at the same time represents all or part of the tuning mass of the arrangement. The vote can be set by the length or height of the liquid column.
In Fig. 7 ist eine abgewandelte Ausführungsform der in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung dargestellt, wobei jeder der Behälter und 13 mit einer flexiblen Wand 15 versehen ist. Die beiden Behälter sind in einem Abstand zueinander angeordnet, der ungefähr die Hälfte der Wellenlänge beträgt. Folglich erzeugen die Wellen, die in Längsrichtung der Leitung 14 auftreffen,einen Druck mit entgegengesetzten Phasen in den beiden Behältern, so daß der Flüssigkeits- oder Gasstrom durch die Turbine 16 zunimmt, die in der Leitung 14 untergebracht ist.In Fig. 7 a modified embodiment of the device shown in Fig. 6 is shown, wherein each of the containers and 13 is provided with a flexible wall 15. The two containers are arranged at a distance from one another which is approximately half the wavelength. As a result, the waves that impinge in the longitudinal direction of the conduit 14 generate one Opposite phase pressure in the two vessels so that the liquid or gas flow through the turbine 16 increases, which is housed in the line 14.
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