DE2617023C3

DE2617023C3 - Wasserfahrzeug zur Umwandlung natürlicher Energien

Info

Publication number: DE2617023C3
Application number: DE2617023A
Authority: DE
Inventors: Hans Ing.(Grad.) 8021 Sauerlach Wiedemann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1976-04-17
Filing date: 1976-04-17
Publication date: 1980-08-28
Also published as: DE2617023B2; DE2617023A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug zur. Umwandlung natürlicher Energien, wie beispielsweise Meerwasserwärme, Sonnenenergie, Wellenenergie, Windenergie, bestehend aus einem oder mehreren miteinander verbundenen Schiffskörpern, auf denen Anuhd Einbauten zur Umwandlung der natürlichen Energien in elektrische Energie vorgesehen sind.

Die auf der Erde vorhandenen natürlichen Energiequellen sind bisher nur in geringem Umfang nutzbar gemacht worden. Dafür sind mehrere Gründe anzuführen. Diese — direkt oder indirekt von der Sonne herstammenden — Energiequellen stehen im allgemeinen nicht in der für eine Großverwertung nutzbaren Gleichmäßigkeit in den Hauptverbrauchsländern zur Verfugung und es gibt bisher keine befriedigende Speicher- oder Transportmöglichkeit, um die natürlichen Energien aus den Entstehungszonen in die Verbrauchszonen der Erde zu übertragen.

Es ist durch die DE-PS 4 73 708 bekannt, auf dem Meer ein Wasserfahrzeug zu verankern, mit dem nur Wellenenergie mit Hilfe eines Schwimmers, eines Getriebes und eines Dynamos in elektrischen Strom umgewandelt wird. Der erzeugte Strom, der laufend

to über ein Kabel abgeführt wird, ist somit absolut abhängig von der Stärke der Wellenbewegung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wasserfahrzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine wirtschaftliche, möglichst kontinuierliche Nutzung und Verwertung der auf dem Meer und im Meerwasser vorhandenen natürlichen Energien erfolgen kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß in dem oder den Schiffskörpern zur Energiespeicherung und zum Energietransport eine Vielzahl von Schwungrad-Energiespeicher eingebaut ist und die Schwungrad-Energiespeicher durch angebaute Motoren, die auch als Generatoren betreibbar sind, angetrieben werden, wobei die in den Schwungrad-Energiespeichern gespeicherte Energie in einem Hafen mit den als Generatoren betriebenen Motoren in elektrische Energie zu.-ückverwandelt wird.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Schwungsrad-Energiespeicher vertikal in dem oder den Schiffskörpern eingebaut und in jedem Schiffskörper liefern mindestens zwei gegenläufig rotierende Schwungrad-Energiespeicher den Strom zum Antrieb einer Schiffsschraube.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bestehen die Schwungrad-Energiespeicher aus dünnwandigen metallischen, als Hohlzylinder ausgebildeten Tragkörpern und einer darauf gewickelten, aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Schwungradwalze.

Die Ertindung bietet eine universelle Einrichtung zur Nutzung und Umwandlung aller auf dem Meer und/oder im Meer vorkommenden Energieformen. Das erfindungsgemäße Wasserfahrzeug kann dank seiner Ausrüstung sowohl als Energiesammler an dafür besonders geeigneten Stellen oder auf Fahrtrouten mit optimaler Energiegewinnung als auch als Energietransporter eingesetzt werden. Ein solcher Einsatz könnte z. B. im Atlantischen Ozean zwischen dem nördlichen Wendekreis und dem Äquator sein, wobei das erfindungsgemäße Wasserfahrzeug von Europa aus in dieses Gebiet fährt und dabei durch seine Wärmepumpen hauptsächlich Energie aus der Meereswärme tropischer und subtropischer Ozeane bezieht, während die Energieaufnahme aus der Sonnenstrahlung nicht so groß ist.

Gelangt das Fahrzeug zum nördlichen Wendekreis, dann erhöht sich durch die dort herrschende senkrechte Sonneneinstrahlung im Sommer der Anteil der direkten Sonnenenergie und der Wirkungsgrad der Wärmepumpen. Die optimalste Energiespeicherung aus der Meereswärme ist außerdem zwischen dem nördlichen Wendekreis und dem Äquator gegeben. Während der ganzen Fahrt kann zusätzliche Energie durch Ausnutzung von Wind und Wellen gewonnen werden. Auf diese Weise kann eine optimale Energiegewinnung und

ui speicherung erfolgen. Wenn alle Schwungrad-Energiespeicher voll aufgeladen sind, fährt das Wasserfahrzeug mit eigener Kraft in seinen Heimathafen oder läuft einen nahegelegeneren Hafen an, um mit der gespei-

cherten Energie die Stromnetze zu versorgen. Eine entsprechend große Flotte solcher erfindungsgemäßen Wasserfahrzeuge könnte einen großen Teil der Stromversorgung der Bundesrepublik Deutschland übernehmen.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Schwungrad-Energiespeicher sind die Schwungradwalzen in Vakuumgehäusen angeordnet und über äußere, mit dem Tragkörper verbundene Lagerzapfen (Magnet-Axiallagern) gelagert sowie mit den Motoren ι ο verbunden. Durch diese Maßnahmen laufen die Schwungradwalzen nahezu reibungsfrei und erreichen Betriebszeiten bis zu 6 Monaten ohne nennenswerte Energieverluste.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Tragkörper mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von mindestens eins ausgebildet ist, an den, vorzugsweise kegelig ausgeführte, die Lagerzapfen tragende Obergangsteile angesetzt sind.

Die geometrische Gestaltung der Tragkörper, die einer Spulenform entspricht, und die Verwendung einer im wesentlichen gleichmäßigen Verteilung der Fasergarne und des Kunstharzes für die Schwungradwalze sichert dem Schwungrad-Energiespeicher ein durch umfangreiche Rechnungen erhärtetes günstiges Betriebsverhalten und eine lange Lebensdauer. Es wird mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aufbau bewußt von der Gestaltung der bisher bekannten Schwungrad-Energiespeicher abgegangen und damit das Vorurteil ausgeräumt, daß die Schwungradwalzen einen mögliehst großen Durchmesser bei geringer Tiefe und zur Erzeugung großer Speicherleistungen außerdem von innen nach außen unterschiedliche Werkstoffeigenschaften und -Zusammensetzungen aufweisen müssen.

Die Schwungradwalzen der erfindungsgemäßen Groß-Energiespeicher sollen vorzugsweise aus einer speziellen Kombination von Aramid-Fasern mit Kohlenstoffasern und Epoxidharz bestehen. Bekanntlich ist die Energiedichte ein Maß für das Speichervermögen von Energiespeichern. Die Energiedichte -^- ist für Schwungrad-Energiespeicher proportional der sogenannten Reißlänge -^- des für die Energiespeicherung verwendeten Materials. Der theoretische Wen Damit ergibt sich eine Energiedichte
E 0,67 · 36 000

1,25 · 1,2 - 0,0015

= 5,36- 10⁶cm.

Ein Vergleich mit Erdöl ergibt bei 10 000 kcal/kg und einem Wirkungsgrad von 0,2 eine Energiedichte

~ = 85,4- 10⁶cm.
G

läßt sich nur für unendlich dünne Schwungradringe erzielen. Für die erfindungsgemäß gewählten Hohlwalzen mit Außendurchmesser/Innendurchmesser von etwa 1,5 kann mit guter Näherung

angenommen werden.

Zur Errechnung der ern-.ojiüaien Energiedichte für eine Aramidfaser-Schwungradwalze werden nachfolgende, durch praktische Erprobung bestätigte Ausgangswerte angenommen:

Für Aramidfaser: σ emc«*= 3 6 000 daN/cm², Faseranteil an einem Laminat mit Epoxidharz 67%, spezifisches Gewicht des Laminats }'=l,5g/cm^J, Sicherheitsfaktor 1,25, Faktor für Gehäuse und Lagerung 1,2.

Somit besteht ein Verhältnis

E/G_Erdö] 85,4· ΙΟ⁶

5,36" 1 0^G

= 16,0.

Erdöl kann als Energie nur einmal verwendet werden. Nimmt man an, daß eine äquivalente Schwungradwalze nur 10 Jahre verwendet werden kann, so ergibt sich bei 16 Energietransporten im Jahr mit den erfindungsgemäßen Schiffskörpern eine lOmal bessere Ausnutzung als beim Erdöl.

Weitere Vergleiche der Energiedichten von mit Aramidfasem ausgestatteten Energiespeichern mit anderen Energiespeichern ergeben gegenüber hochfesten Stahlschwungrädern ein öfaches und gegenüber Bleibatterien ein 4faches Verhältnis. Interessant ist auch ein Vergleich mit der Energiedichte eines Speichersees bei 100 m Wassersäule, weil sich bisher nur mit Wasser große Energievorräte speichern ließen. Dabei ist das Verhältnis

schwungrad

Die Schwungrad-Energiespeicher könnten in der Praxis in Schiffskörpern eingebaut werden, welche die Größenordnung der modernen Tanker haben. Es wäre zu erwägen, die vielen aufliegenden Großtanker dafür umzubauen. Man könnte in einem derartigen Schiff etwa 200 000 to Schwungradmasse unterbringen, wodurch 29 200 Millionen Wattstunden transportiert

so werden können. Wird diese Energie innerhalb von zwei Tagen in das elektrische Netz eingespeist, hat ein erfindungsgemäßer Schiffskörper eine installierte Leistung von N= 608 MW.
Weiterhin weisen erfindungsgemäß je zwei nebeneinander liegende Schwungrad-Energiespeicher entgegengesetzte Drehrichtung auf. Durch die gegenläufige Rotation der Schwungradwalzen von jeweils zwei Energiespeichern heben sich evtl. auftretende Kreiselmomente gegenseitig auf und können somit nicht auf den Schiffskörper übertragen werden. Im allgemeinen werden je Schiffskörper zwei Schwungrad-Energiespeicher für den Antrieb der erfindungsgemäßen Wasserfahrzeuge ausreichen, weil günstige Einsatzorte für die Energiespeicherung im Atlantik vorhanden sind. Bei einer Fahrstrecke für einen Energietransporter von z. B. 2500 km von einem Wind- und Wellenkraftwerk im Nordatlantik bis zur deutschen Küste, einer Geschwindigkeit von 10 kg/h und einer Antriebsleistung von

j» ,,1

3 M W ist eine Energie für die Hin- und Rückfahrt von

2 ■ 2500 · 3
• ~ IO

erforderlich.

Die Fahrtzeit beträgt dabei

2■2500
IO -24

= 21 Tage.

Die Antriebsenergie des Schiffes, welches entsprechend obiger Rechnung 29 200 MWh transportieren kann, beträgt somit nur etwa 5% der durch die Schwungrad-Energiespeicher mitgeführten Energie.

Die erfindungsgemäßen Fahrzeuge zur Energie-Gewinnung und -Speicherung können außerdem auch mit Fertigungseinrichtungen ausgestattet werden, die einen hohen Stromverbrauch benötigen, z. B. wäre eine Erzeugung von Aluminium oder SpezialStählen denkbar, wobei die benötigten Rohstoffe aus dem Einsatzort naheliegenden Ländern nur einen kurzen Transportweg hätten.

In der Zeichnung wird die Erfindung anhand von schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Wasserfahrzeug mit einem Schiffskörper in der Seitenansicht und mit einer mit Windrotoren und Anlagen zur Nutzung von Sonnenenergie versehenen Plattform,

F i g. 2 das Wasserfahrzeug nach F i g. 1 in der Draufsicht,

F i g. 3 ein Wasserfahrzeug in der Seitenansicht mit Anlagen zur Ausnutzung der Meerwasserwärme, Sonnenstrahlung, Wind- und Wellenenergie,

Fig.4 eine Draufsicht auf das Wasserfahrzeug mit zwei Schiffskörpern entsprechend F i g. 3,

F i g. 5 das Wasserfahrzeug entsprechend den F i g. 3 und 4 mit in Betriebsstellung befindlichen Anlagen zur Nutzung der Meerwasserwärme,

Fig.6 eine weitere Ausführungsform des Wasserfahrzeuges als Floß mit drei Schiffskörpern und einer Vielzahl von Windrotoren und Wellengeneratoren,

Fi g. 7 eine Einbauanordnung von Schwungrad-Energiespeichern in einem Schiffskörper,

Fig.8 ein Schwungrad-Energiespeicher mit geschlitztem Tragkörper und

F i g. 9 einen Schnitt entsprechend den Linien IX-IX durch die F i g. 8.

Ein erfindungsgemäßes Wasserfahrzeug 1 besteht entsprechend den F i g. 1 und 2 aus einem Schiffskörper 2 und einer den Schiffskörper überdeckenden Plattform 3. Auf der Plattform sind Decksaufbauten 4 mit den für die Schiffsführung notwendigen Räumen und den Unterkünften für die Besatzung. An den Längsseiten der Plattform 3 sind Masten 5 montiert, an deren Spitzen Gondeln 6 mit eingebauten Generatoren angeordnet sind, die von Windrotoren 7 angetrieben werden. Die Gondeln 6 sind auf den Masten 5 in bekannter Weise drehbar gelagert, so daß sie in die jeweilige Windrichtung schwenkbar sind. Die Plattform 3 ist weitgehend mit Solarzellen 8 bedeckt, von denen drei Gruppen in der Fig.2 angedeutet sind. Im Schiffskörper 2 ist der gesamte Laderaum mit Schwungrad-Energiespeichern 10 ausgefüllt, die vorzugsweise vertikal im Schiffsrumpf eingebaut und an ihren oberen Enden mit als Generatoren belreibbaren Moloren 11 verbunden sind. Im Heck des Schiffskörpers 2 befindliche Schwungrad-Energiespeicher 10a dienen über Elektromotoren 12 zum Antrieb einer Schiffsschraube 13. Der Antrieb von in den Schwungrad-Energiespeichern 10 umlaufenden Schwungradwalzen 14 erfolgt entweder von den Generatoren der Windrotoren 7 oder den Solarzellen 8 über die Motoren 11. An Stelle der Solarzellen 8 können auch in bekannter Weise Sonnenkollektoren treten, welche das Sonnenlicht sammeln und mit der erzeugten Wärme eine Flüssigkeil aufheizen, die über eine Dampfturbine einen Generator antreiben, der wiederum die Motoren 11 der Schwungrad-Energiespeicher mit Strom versorgt Die Schwungradwalzen 14 laufen zweckmäßig in einem weilgehend evakuierten Gehäuse und ihr Gewicht wird am oberen Ende durch Magnet-Axiallager ausgeglichen. Mit dieser Anordnung ist es möglich, Laufzeiten der Schwungrad-Energiespeicher von etwa 6 Monaten ohne nennenswerte Drehzahlverluste zu erzielen.

Die in den F i g. 1 und 2 beschriebene Ausführungsform der Erfindung dient mit den dargestellten An- und Einbauten sowohl als Energiesammler als auch als Energietransporter. Die im Verhältnis zur gesamten gespeicherten Energie benötigten geringen Antriebsenergien können noch während der Fahrt vom Einsatzort der Energiegewinnung, z. B. im Atlantik, bis zum Heimathafen laufend ergänzt werden. Im Heimathafen oder an sonstigen geeigneten Anlegestellen geben die Schwungrad-Energiespeicher 10 über die als Generatoren betriebenen Motoren 11 sowie übliche Schalt- und Transformatoranlagen ihre Energie in das elektrische Versorgungsnetz ab. Aufliegende ungenutzte Erdöltanker können mit verhältnismäßig geringen Mitteln in erfindungsgemäße Wasserfahrzeuge 1 umgebaut und somit sinnvoll zur Energiegewinnung und Einsparung von Devisen eingesetzt werden. Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht im Energietransport von Orten mit zukünftigen Groß-Energiegewinnungsanlagen, die sich an für die Energiegewinnung besonders günstigen Standorten der Erde befinden.

Die Fig.3 bis 5 zeigen ein Wasserfahrzeug la mit zwei Schiffskörpern 2 in Katamarananordnung, die durch eine Plattform 3a überdeckt und miteinander verbunden sind. In der Mitte des Wasserfahrzeugs Xa befinden sich Decksaufbauten 4. Die Schiffskörper 2 dienen gleich denen in den Fig. 1 und 2 zur Aufnahme der Schwungrad-Energiespeicher 10, der Energie-Umformungsanlagen 11 und Antriebsanlagen für die Schiffsschrauben 13. Das Wasserfahrzeug la ist außer mit Windrotoren 7 und Solarzellen oder Sonnenkollektoren 8 auch mit Anlagen zur Nutzung der Meerwasserwärme und der Wellenenergie ausgestattet Zur Ausnutzung der Meerwasserwärme sind Wärmepumpen angeordnet, die in bekannter Weise dem Meerwasser Wärme entziehen, weiche ein Medium aufheizt, das über ein Turbine einen Generator und dieser die Motoren 11 der Schwungrad-Energiespeicher 10 antreibt Die Wärmepumpe arbeitet mit zwei unterschiedlichen Wärmetauschern bzw. Kühlern. Die eine Art sind Wärmetauscher 16, die an Rohren 17 angebracht und über die ganze Plattform verteilt sind. Im Betrieb werden diese Wärmetauscher 16, wie in Fig.5 dargestellt ist, in das warme Oberflächenwasser des Meeres abgesenkt Die andere Art der Wärmetauscher sind bei dieser Betriebsart als Kühler 19 ausgebildet und werden an langen Rohrmasten 20 in tiefere und kühlere Schichten des Meeres abgesenkt.

Wenn zur Ausnutzung größerer Temperaturunterschiede die Kühler 19 weiter herabgesenkl werden sollen, können die Rohrmasten 20 durch Ansatzrohre 21 verlängert werden. Die Rohrmasten 20 können auch, wenn keine Energie durch Ausnutzung der Meerwasserwärme sondern nur durch Ausnutzung des Windes gewonnen werden soll, den Windrotoren 7 als Halterung dienen. Zur Stützung der Rohrmasten 20 und evtl. 21 dienen auf der Plattform 3a aufgebaute brückenartige Fachwerkkonstruktionen 22, auf denen auch bei abgesenkten Rohren 20 entsprechend Fig.3 die Windrotoren 7 verstaut werden können.

Das Wasserfahrzeug la kann z.B. zur Ausnutzung hoher Wind- und Wellenenergien im Herbst und Winter im Nordatlantik eingesetzt werden; dieses hat zugleich den Vorteil einer kurzen Fahrtstrecke zum Einsatzort. Dabei kann die Wärmepumpenanlage in einer anderen Form betrieben werden, wenn die Temperaturen des Meerwassers etwa noch 10 bis 15° C und die Lufttemperaturen um Null Grad und darunter liegen. Bei dieser Betriebsart werden die Wärmetauscher 16 nicht ins Meerwasser abgesenkt, sondern dienen als Luftkühler und die Wärmetauscher 19 werden in eine Tiefe der höchsten Wassertemperatur abgesenkt und dienen zur Übertragung der Meerwasserwärme auf das flüssige Medium der Wärmepumpe.

Zur Ausnutzung der Wellenenergie dienen Wellen-Generatoren 23, die z. B. an den Wärmetauschern 16 angebracht sein können. Die Wellengeneratoren 23 bestehen aus kugel- oder walzenförmigen Schwimmkörpern 24, welche an Enden von drehbar gelagerten Auslegern 25 angebracht sind. Die von Wellen 26 erzeugte Auf- und Abbewegung der Schwimmkörper 24 treibt nicht dargestellte Kolben-Wasserpumpen an, welche Meerwasser in oben in den Rohren 17 angebrachte Wasserbehälter pumpt. Das gleichförmig abströmende Wasser treibt am unteren Ende der Rohre 17 angeordnete Wasserturbinen an, die Generatoren antreiben, die wiederum die Motoren 11 der Schwungrad-Energiespeicher 10 mit Strom versorgen. Durch Einstellen der Rohre 17 können die Wellengeneratoren 23 optimal den Wellenhöhen bzw. Wellenfrequenzen •angepaßt werden.

Eine weitere Art eines erfindungsgemäßen Wasserfahrzeuges Xb ist in der Fig. 6 dargestellt. Hier bilden drei Schiffskörper 2, die mit einer Plattform Zb überdeckt sind, ein großes Wind- und Wellenkraftwerk, welches in Gegenden mit hohen Windgeschwindigkeiten stationiert werden kann.

Dazu sind auf den äußeren Schiffskörpern zwei Rohrgerüste 28 mit je sechs Windrotoren 7 und auf dem mittleren Schiffskörper ein Rohrgerüst 29 mit acht Windrotoren 7 aufgesetzt. Auf der Plattform 3b sind eine Vielzahl von Wellengeneratoren 23 verteilt. Weiterhin können nach Bedarf Solarzellen oder Sonnenkollektoren sowie Wärmepumpen installiert werden. Die Schiffskörper 2 mit den eingebauten Schwungrad-Energiespeichern können in die Plattform 3b eingefahren werden und werden mit dieser während der Aufladezeit der Schwungrad-Energiespeicher mit bekannten Mitteln verbunden. Nach Beendigung der Speicherung fahren die Schiffskörper 2 wieder aus der Plattform 3b heraus und nehmen Kurs auf ihren Heimathafen. Während der Fahrt können die Windrotoren je nach Windrichtung entweder zur Ergänzung der Antriebs- und Reibungsverluste mitlaufen oder werden zur Widerstandsverringeruhg festgesetzt.

Ein passender nahe den Nordseehäfen gelegener Einsatzprt für die Fahrzeuge \b könnte z.B. die Orkney-Inseln sein, bei denen die Windgeschwindigkeiten im Jahrensmittel 8,0 m/sec betragen. Hier haben Windkraftwerke z. B. gegenüber Hamburg, wo nur 4,8 m/sec Windgeschwindigkeit im Jahresmittel vorhanden ist, eine etwa 4,6fache Leistung.

Bei diesen Windgeschwindigkeiten könnte mit den zwanzig Windrotoren von ca. 60 m Durchmesser und mit Wellengeneratoren, deren Schwimmkörper von

ίο insgesamt 20 000 Tonnen Gewicht bei einer mittleren Wellenhöhe von 2 m arbeiten, eine mittlere jährliche Leistung von etwa 150MW erzeugt und gespeichert werden.

Eine beispielsweise Einbauanordnung entsprechend Fig. 7 zeigt, daß in einem Schiffskörper 2 in Querrichtung sechs Schwungrad-Energiespeicher 10 vertikal eingebaut werden können. Die Schwungr-adwalzen 14 laufen dabei in weitgehend evakuierten Gehäusen 30, ihr Gewicht wird durch Magnet-Axiallager 31 aufgenommen. Die oberen Lagerwellen sind mit den als Generatoren betreibbaren Motoren 11 verbunden. Je zwei nebeneinanderliegende Schwungradwalzen 14 haben zum Ausgleich von eventuellen Kreiselmomenten entgegengesetzte Drehrichtungen. In einem möglichen Laderaum eines Schiffskörpers 2 von 50 m Breite und 400 m Länge können bei der gezeigten Anordnung 288 Schwungrad-Energiespeicher 10 mit Schwungradwalzen 14 von 7 m Durchmesser und 20 m Länge untergebracht werden.

Die F i g. 8 und 9 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der für die Erfindung zu verwendenden Schwungradwalzen 14. Zur besseren Darstellung hat die gezeigte Schwungradwalze ein größeres Verhältnis von Außendurchmesser zur Länge als die in der Fig. 7 gezeigten. Die Schwungradwalze 14 besteht aus einem Tragkörper 32 und einer Schwungradwicklung 33. Der Tragkörper 32 besteht in seinem Mittelteil aus einem Hohlzylinder 34, an den an beiden Enden je ein Übergangsteil 35 mit Lagerzapfen 36 angesetzt sind.

Die Schwungradwicklung 33 besteht aus mit Kunstharz getränkten Fasergarnen, die auf den metallischen Tragkörper 32 durch ein bekanntes Spulenwickelverfahren aufgewickelt und anschließend, z. B. in einem Autoklaven, ausgehärtet werden. Die gesamte Schwungradwalze 14 hat eine langgestreckte Spulenform mit einer großen Basis für die Lagerzapfen 36. Die Säulenform wird noch dadurch hervorgehoben, daß die Schwungradwicklung 33 etwa nur den zweifachen Durchmesser des Hohlzylinders 34 aufweist.

Um sämtliche Faserwerkstoffe für die Schwungradwicklung 33, auch solche mit niedrigem Elastizitätsmodul, und unterschiedliche Werkstoffe für die Tragkörper 32 verwenden zu können, ist der Tragkörper mit über den Umfang verteilten Schlitzen 37 versehen. Dadurch werden im Tragkörper 32 die Tangentialspannungen auf Null herabgesetzt und die Radialkräfte der zwischen den Schlitzen 37 verbleibenden Streifen 38 von den inneren Faserwicklungen der Schwungradwicklung 33 aufgenommen, wodurch sich allerdings deren Tangentialspannungen etwas erhöhen. Durch radiale Umwicklungen 39 der Übergangsteile 35 des Tragkörpers 32 mit den für die Schwungradwicklung 33 verwendeten Faserprepregs werden für den Tragkörper 32 die Festigkeitseigenschaften eines ungeschlitzten Hohlkörpers hergestellt Es werden dabei im Betrieb der Schwungradwalze 14 die Querkraft und der Torsionsschub durch das Harz übertragen und die Streifen 38 nehmen die Biegespannungen auf.

Bevorzugte Materialien für die Schwungradwicklung 33 sind Aramidfasern und/oder Kohlenstoffasern. Für die Tränkung und Bindung der Fasern kann Epoxidharz verwendet werden. Für den Tragkörper 32 empfiehlt sich die Verwendung von Metall, vorzugsweise von Stahl, Aluminium oder Titan. Beim Gebrauch eines Werkstoffes mit höherem spezifischen Gewicht, wie z. B. Stahl, entstehen selbstverständlich wesentlich höhere Tangentialspannungen, weshalb die Höchstdrehzahl herabgesetzt werden mußte. Die Wichtigkeit der verwendeten Werkstoffe ist daraus ersichtlich, daß bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Schwungradwalze 14 das Energie-Gewichtsverhältnis bis zu 6fach höher sein kann, als bei einem gleich gestalteten Stahlschwungrad mit hochfesten Stahllamelien.

Bei der Verwendung von Aramidfasern oder auch S-Glas für die Schwungradwicklung 33 kann bei großer Baulänge der Schwungradwalze 14 die kritische Drehzahl weit unterhalb der maximalen Drehzahl liegen. Sollte ein Betrieb im überkritischen Drehzahlbereich nicht möglich sein, werden entsprechend den F i g. 8 und 9 Karbonfaserlagen mit axialer Faserrichtung 41 ringförmig im Bereich der äußeren radialen Wicklungen angeordnet. Durch die Karbonfasern, die einen hohen Ε-Modul haben, wird ein großes Trägheitsmoment erreicht, und zusammen mit dem hohen Ε-Modul eine bessere Biegesteifigkeit. Die zusätzliche Belastung der äußeren radialen Fasern durch die axialen Karbonfasern wirken sich nicht störend aus, weil die Radialspannungen nach außen hin stark abfallen.

ίο Weiterhin kann die Schwungradwalze 14 entweder aus Garnen mit gleichen Fasern oder auch aus Garnen mit Mischfasern gewickelt werden. Untersuchungen einer Schwungradwalze aus einem Mischgarn aus Karbonfasern und Aramidfasern zeigen, daß mit ansteigendem Karbonfaseranteil in den äußeren Wicklungen durch den ansteigenden Ε-Modul auch die mit diesen Fasern häufig angewendeten Epoxidharze verwendet werden können. Dabei wird für den gesamten Schwungrad-Energiespeicher 10 eine noch höhere Energiedichte erzielt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wasserfahrzeug zur Umwandlung natürlicher Energien, wie beispielsweise Meerwasserwärme, Sonnenenergie, Wellenenergie, Windenergie, bestehend aus einem oder mehreren miteinander verbundenen Schiffskörpern, auf denen An- und Einbauten zur Umwandlung der natürlichen Energien in elektrische Energie vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem oder den Schiffskörpern (2) zur Energiespeicherung und zum Energietransport eine Vielzahl von Schwungrad-Energiespeichern (10) eingebaut ist und die Schwungrad-Energiespeicher durch angebaute Motoren (11), die auch als Generatoren betreibbar sind, angetrieben werden, wobei die in den Schwungrad-Energiespeichern gespeicherte Energie in einem Hafen mit den als Generatoren betriebenen Motoren in elektrische Energie zurückverwandelt wird.

2. Wasserfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungrad-Energiespeicher (10) vertikal in dem oder den Schiffskörpern (2) eingebaut sind und in jedem Schiffskörper mindestens zwei gegenläufig rotierende Schwungrad-Energiespeicher den Strom zum Antrieb einer Schiffsschraube (13) liefern.

3. Wasserfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungrad-Energiespeicher (10) aus dünnwandigen metallischen, als Hohlzylinder ausgebildeten Tragkörper (32) und einer darauf gewickelten, aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Schwungradwalze (14) bestehen.

4. Wasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungradwalzen (14) in Vakuumgehäusen (30) angeordnet sind und über äußere, mit den Tragkörpern (32) verbundene Lagerzapfen (Magnet-Axiallagern 31) gelagert sowie mit den Motoren (11) verbunden sind.

5. Wasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (32) mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von mindestens eins ausgebildet ist, an den, vorzugsweise kegelig ausgeführte, die Lagerzapfen (36) tragende Übergangsteile (35) angesetzt sind.

6. Wasserfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei nebeneinander liegende Schwungrad-Energiespeicher (10) entgegengesetzte Drehrichtung aufweisen.