DE102010016563A1 - Device for converting energy from an oscillatory movement into electrical energy and arrangement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln von Energie aus einer oszillatorischen Bewegung in elektrische Energie, insbesondere aus einer von Wasserwellen verursachten oszillatorischen Bewegung, mit: einem Basiskörper, welcher konfiguriert ist, aufgrund einer auf den Basiskörper einwirkenden äußeren oszillatorischen Kraft eine oszillatorische Bewegung auszuführen, einer Hauptdrehachse, die in dem Basiskörper unabhängig vom Neigungszustand des Basiskörpers bei der oszillatorischen Bewegung im Wesentlichen aufrecht stehend gebildet ist, einem Wandlungsmechanismus, welcher konfiguriert ist, die oszillatorische Bewegung des Basiskörpers in eine Drehbewegung eines Tragesystems um die Hauptdrehachse zu wandeln, und mehreren Kreiselgeneratoren, welche auf dem Tragesystem angeordnet und jeweils konfiguriert sind, Energie aus einer durch die Drehbewegung des Tragesystems verursachten Rotationsbewegung einer zugeordneten Kreiselmasse um eine präzessierende Kreiselrotationsachse nach dem Dynamoprinzip in elektrische Energie zu wandeln. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung mit mehreren Vorrichtungen zur Energieumwandlung.The invention relates to a device for converting energy from an oscillatory movement into electrical energy, in particular from an oscillatory movement caused by water waves, with: a base body which is configured to carry out an oscillatory movement due to an external oscillatory force acting on the base body, a Main axis of rotation, which is formed in the base body in an essentially upright position regardless of the state of inclination of the base body during the oscillatory movement, a conversion mechanism which is configured to convert the oscillatory movement of the base body into a rotary movement of a support system around the main axis of rotation, and several gyroscopes, which arranged on the support system and each configured to use energy from a rotational movement of an assigned gyroscopic mass about a precessing gyroscopic rotation axis according to d To convert the dynamo principle into electrical energy. The invention also relates to an arrangement with several devices for energy conversion.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln von Energie aus einer oszillatorischen Bewegung in elektrische Energie, insbesondere aus einer von Wasserwellen verursachten oszillatorischen Bewegung, sowie eine Anordnung mit mehreren solchen Vorrichtungen.The invention relates to a device for converting energy from an oscillatory movement into electrical energy, in particular from an oscillatory movement caused by water waves, as well as an arrangement with a plurality of such devices.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Es wurde vorgeschlagen, die mechanische Energie von Wasserwellen zur Gewinnung von elektrischer Energie zu nutzen. Ein hierfür einsetzbarer Mechanismus ist in dem Dokument
In dem Dokument
Auch in dem Dokument
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Umwandeln von Energie aus einer oszillatorischen Bewegung in elektrische Energie anzugeben, mit der eine effizientere Energieumwandlung ermöglicht ist.The object of the invention is to provide a device for converting energy from an oscillatory movement into electrical energy, with which a more efficient energy conversion is possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Umwandeln von Energie aus einer oszillatorischen Bewegung in elektrische Energie, insbesondere aus einer von Wasserwellen verursachten osziliatorischen Bewegung, nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weiterhin ist eine Anordnung mit mehreren solchen Vorrichtungen nach dem unabhängigen Anspruch 12 geschaffen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.This object is achieved by a device for converting energy from an oscillatory motion into electrical energy, in particular from an osziliatorischen movement caused by water waves, according to the
Die Erfindung umfasst den Gedanken einer Vorrichtung zum Umwandeln von Energie aus einer oszillatorischen Bewegung in elektrische Energie, insbesondere aus einer von Wasserwellen verursachten oszillatorischen Bewegung, mit:
- – einem Basiskörper, welcher konfiguriert ist, aufgrund einer auf den Basiskörper einwirkenden äußeren oszillatorischen Kraft eine oszillatorische Bewegung auszuführen,
- – einer Hauptdrehachse, die in dem Basiskörper unabhängig vom Neigungszustand des Basiskörpers bei der oszillatorischen Bewegung im Wesentlichen aufrecht stehend gebildet ist,
- – einem Wandlungsmechanismus, welcher konfiguriert ist, die oszillatorische Bewegung des Basiskörpers in eine Drehbewegung eines Tragesystems um die Hauptdrehachse zu wandeln, und
- – mehreren Kreiselgeneratoren, welche auf dem Tragesystem angeordnet und jeweils konfiguriert sind, Energie aus einer durch die Drehbewegung des Tragesystems verursachten Rotationsbewegung einer zugeordneten Kreiselmasse um eine präzessierende Kreiselrotationsachse nach dem Dynamoprinzip in elektrische Energie zu wandeln.
- A base body which is configured to perform an oscillatory movement due to an external oscillatory force acting on the base body,
- A main axis of rotation which is formed substantially upright in the base body independently of the inclination state of the base body during the oscillatory movement,
- A conversion mechanism configured to convert the oscillatory movement of the base body into a rotational movement of a support system about the main axis of rotation, and
- - Several centrifugal generators, which are arranged on the support system and each configured to convert energy from a caused by the rotational movement of the support system rotational movement of an associated centrifugal mass to a precessing rotary axis of rotation according to the dynamo principle in electrical energy.
Die Vorrichtung ermöglicht eine effiziente Energiegewinnung, indem die oszillatorische Bewegung, welche der Basiskörper aufnimmt und die zum Beispiel durch eine Wellenbewegung einer Wasseroberfläche hervorgerufen wird, möglichst verlustfrei mittels der mehreren Kreiselgeneratoren in elektrische Energie umgewandelt wird. Im Prozess der Energiegewinnung wird zunächst die vom Basiskörper ausgeführte oszillatorische Bewegung mit Hilfe des Wandlungsmechanismus in eine Drehbewegung des Tragesystems um eine im Basiskörper im Wesentlichen aufrecht stehende Hauptdrehachse gewandelt. Mechanismen für eine solche Bewegungswandlung sind als solche in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Auf dem Tragesystem sind mehrere Kreiselgeneratoren angeordnet. Ihre Lagerung an dem Tragesystem ermöglicht eine Rotationsbewegung der den Kreiselgeneratoren jeweils zugeordneten Kreiselmasse um eine präzessierende Kreiselrotationsachse. Das Dynamoprinzip wird genutzt, um aus der Rotationsbewegung der Kreiselmasse um die Kreiselrotationsachse elektrische Energie zu gewinnen. Die Effizienz der Energiegewinnung wird wesentlich dadurch unterstützt, dass die relativ langsame Drehbewegung des Tragesystems, welche durch die oszillatorische Bewegung des Basiskörpers hervorgerufen wird, in eine schnelle Rotation der Kreiselmassen bei der Kreiselpräzession umgesetzt wird, welche auch als Zwangspräzession aufgefasst werden kann. Die Kreiselgeneratoren drehen sich mit dem Tragesystem im die Hauptdrehachse und führen hierbei jeweils für sich (zusätzlich) eine präzessierende Kreiselbewegung aus. Die Drehbewegung des Tragesystems führt schließlich fortlaufend zum Anstößen der Rotation der Kreiselmasse, wobei hierbei eine wesentliche Erhöhung der Drehfrequenz stattfindet, nämlich von der Frequenz der Drehung des Tragesystems um die Hauptdrehachse auf die Frequenz der Rotation der Kreiselmasse der Kreiselgeneratoren.The device enables efficient energy production by the oscillatory movement, which receives the base body and which is caused for example by a wave motion of a water surface, as lossless as possible by means of the plurality of centrifugal generators in electrical energy is converted. In the process of energy generation, the oscillatory motion executed by the base body is first converted by means of the conversion mechanism into a rotary motion of the support system about a main rotation axis that is substantially upright in the base body. Mechanisms for such a motion conversion are known as such in various embodiments. On the support system several centrifugal generators are arranged. Your storage on the support system allows a rotational movement of the gyro generators each associated gyro around a precessing gyro rotation axis. The dynamo principle is used to obtain electrical energy from the rotational movement of the gyro around the gyro axis of rotation. The efficiency of energy production is significantly supported by the fact that the relatively slow rotational movement of the support system, which is caused by the oscillatory movement of the base body is converted into a fast rotation of the gyroscopes in the gyro precession, which can also be considered as Zwangspräzession. The centrifugal generators rotate with the carrying system in the main axis of rotation and in each case (in addition) carry out a precessing centrifugal movement. The rotational movement of the support system eventually leads to continuously impel the rotation of the rotary mass, in which case a substantial increase in the rotational frequency takes place, namely the frequency of rotation of the support system to the main axis of rotation to the frequency of rotation of the centrifugal mass of the centrifugal generators.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Wandlungsmechanismus konfiguriert das Tragesystem mit einer im Wesentlichen konstanten Frequenz zu drehen. Eine Drehung mit im Wesentlichen konstanter Frequenz wird beispielsweise dadurch erreicht, dass der Wandlungsmechanismus mit einem Fliehkraftregler oder einem Federkraftmechanismus gebildet ist. Als Fliehkraftregler können beispielsweise ein so genannter Wattscher Regler oder ein Porterscher Regler zum Einsatz kommen. A preferred embodiment of the invention provides that the conversion mechanism configured to rotate the support system with a substantially constant frequency. A substantially constant frequency rotation is achieved, for example, by forming the conversion mechanism with a centrifugal governor or a spring force mechanism. As centrifugal force, for example, a so-called Wattscher controller or a Porterscher controller can be used.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Wandlungsmechanismus konfiguriert ist, das Tragesystem mit einer Frequenz zu drehen, die die Rotation der Kreiselmasse um die Kreiselrotationsachse mit einer System-Eigenfrequenz bewirkt.In an expedient embodiment of the invention can be provided that the conversion mechanism is configured to rotate the support system with a frequency that causes the rotation of the gyro around the gyro axis of rotation with a system natural frequency.
Eine Fortbildung der Erfindung kann vorsehen, dass der Wandlungsmechanismus mit einer Schwungmasse gebildet ist, die an die Hauptdrehachse koppelt, wobei mit dem Wandlungsmechanismus aus der oszillatorischen Bewegung des Basiskörpers gewonnene Antriebskraft wenigstens teilweise in die Schwungmasse für deren Drehbewegung um die Hauptdrehachse eingeleitet wird.A development of the invention may provide that the conversion mechanism is formed with a flywheel which couples to the main axis of rotation, wherein the conversion mechanism derived from the oscillatory movement of the base body driving force is at least partially introduced into the flywheel for the rotational movement about the main axis of rotation.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht einen Startmechanismus vor, welcher konfiguriert ist, die Kreiselmasse in einer Startphase in eine Anfangsrotation zu versetzen.An advantageous embodiment of the invention provides a starting mechanism, which is configured to put the rotary mass in an initial phase in an initial rotation.
Auf diese Weise wird die jeweilige Kreiselmasse der mehreren Kreiselgeneratoren am Beginn des Betriebs zur Energiegewinnung in Rotation versetzt, so dass anschließend die durch die Drehbewegung des Tragesystems hervorgerufene Zwangspräzession der einzelnen Kreisel stattfindet. Die Drehbewegung des Tragesystems dient fortlaufend dem Antrieb der Kreiselbewegung, aus der nach dem Dynamoprinzip die elektrische Energie gewonnen wird.In this way, the respective rotary mass of the plurality of centrifugal generators is set in rotation at the beginning of the operation for generating energy, so that subsequently caused by the rotational movement of the support system Zwangspräzession the individual gyros takes place. The rotational movement of the carrying system serves continuously to drive the centrifugal movement, from which the electrical energy is obtained according to the dynamo principle.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass der Startmechanismus konfiguriert ist, unter Ausnutzung eines Teils der Antriebskraft für die Drehbewegung des Tragesystems in der Startphase die Kreiselmasse in die Anfangsrotation zu versetzen. Der Startmechanismus ist beispielsweise mit einem mittels Fliehkraft angetriebenen Antriebsring, welcher vorzugsweise axial, radial oder in anderer Art und Weise geneigt ist, gebildet, wobei der Antriebsring zum Übertragen der Antriebskraft an die Kreiselmasse koppelt, um die Anfangsrotation zu bewirken.Preferably, a further development of the invention provides that the starting mechanism is configured, by utilizing a portion of the driving force for the rotational movement of the support system in the starting phase to put the rotary mass in the initial rotation. The starting mechanism is formed, for example, with a centrifugally driven drive ring, which is preferably inclined axially, radially, or otherwise, with the drive ring coupled to transmit the drive force to the gyroscope to effect the initial rotation.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Wandlungsmechanismus und der Startmechanismus zusammenwirkend gebildet sind, derart, dass das Tragesystem während der Startphase wenigstens zeitweise von der Antriebskraft für die Drehbewegung des Tragesystems entkoppelt und spätestens nach Abschluss der Startphase wieder hieran gekoppelt ist.In an advantageous embodiment of the invention can be provided that the conversion mechanism and the starting mechanism are formed cooperatively, such that the support system is at least temporarily decoupled during the starting phase of the driving force for the rotational movement of the support system and at the latest after completion of the starting phase is coupled thereto.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass der Wandlungsmechanismus mit wenigstens einem Planetengetriebe gebildet ist.A development of the invention may provide that the conversion mechanism is formed with at least one planetary gear.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die mehreren Kreiselgeneratoren mit einer Spuleneinrichtung und einer Magneteinrichtung gebildet sind, die an der zugeordneten Kreiselmasse angeordnet ist. die Magneteinrichtung wird bevorzugt mit Hilfe von Permanentmagneten gebildet. Deren Anordnung auf der Kreiselmasse führt im Betrieb dazu, dass sich die Magneteinrichtung in dem Spulenfeld dreht, so dass nach dem Dynamoprinzip elektrische Energie gewonnen wird.A preferred embodiment of the invention provides that the plurality of centrifugal generators are formed with a coil device and a magnetic device which is arranged on the associated centrifugal mass. the magnetic device is preferably formed by means of permanent magnets. Their arrangement on the gyroscopic leads in operation to the fact that the magnetic device rotates in the coil field, so that according to the dynamo principle electrical energy is obtained.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei der Spuleneinrichtung Spulen auf einer Kugelschale verteilt angeordnet sind.In an expedient embodiment of the invention can be provided that in the coil means coils are arranged distributed on a spherical shell.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die mehreren Kreiselgeneratoren auf einer Trägerplattform des Tragesystems angeordnet sind. Auf der Trägerplattform sind die einzelnen Kreiselgeneratoren jeweils um wenigstens zwei Drehachsen frei drehbar, wobei die zwei Drehachsen nicht notwendigerweise im rechten Winkel zueinander gebildet sein müssen. Hierdurch wird die Zwangspräzession der Kreisel ermöglicht, welche ihrerseits durch die Drehbewegung des Tragesystems und die entsprechende Lagerung der Kreiselgeneratoren an dem Tragesystem ermöglicht ist. Es kann vorgesehen sein, dass die mehreren Kreiselgeneratoren auf der Trägerplattform des Tragesystems so montiert sind, dass bei der Rotation der Trägerplattform ein jeweiliges Gehäuse der Kreiselgeneratoren seine absolute Orientierung beibehält. In einer Ausgestaltung ist eine Stromabnahme der Kreiselgeneratoren frei von elektrischen Schleifkontakten gebildet.An advantageous embodiment of the invention provides that the plurality of centrifugal generators are arranged on a support platform of the support system. On the support platform, the individual centrifugal generators are each freely rotatable about at least two axes of rotation, wherein the two axes of rotation need not necessarily be formed at right angles to each other. As a result, the Zwangspräzession the gyroscope is possible, which in turn is made possible by the rotational movement of the support system and the corresponding storage of the centrifugal generators on the support system. It may be provided that the plurality of centrifugal generators are mounted on the support platform of the support system so that upon rotation of the support platform, a respective housing of the centrifugal generators maintains its absolute orientation. In one embodiment, a current decrease of the centrifugal generators is formed free of electrical sliding contacts.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass der Basiskörper mit einem Schwimmkörper gebildet ist. Mit Hilfe dieser Ausführung ist die Vorrichtung für eine Umwandlung der oszillatorischen Bewegung von Wasserwellen in elektrische Energie ausgeführt. Die vom Schwimmkörper aufgenommene oszillatorische Bewegung überträgt sich auf den Basiskörper, der in einer Ausführungsform selbst den Schwimmkörper bilden kann, woran sich dann die beschriebene Energieumwandlungskette anschließt.Preferably, a development of the invention provides that the base body is formed with a float. With the aid of this embodiment, the device is designed for a conversion of the oscillatory movement of water waves into electrical energy. The oscillatory motion received by the float is transmitted to the base body, which in one embodiment can itself form the float, followed by the described energy conversion chain.
Eine Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass der Basiskörper mit einem äußeren und einem inneren Basiskörper gebildet ist, wobei der innere Basiskörper im Inneren des äußern Basiskörpers mittels einer schwimmenden Lagerung gelagert ist. Die schwimmende Lagerung ist in einer Ausführung gebildet, indem der innere Basiskörper in einer Flüssigkeit schwimmt, welche in dem äußeren Basiskörper aufgenommen ist. Der innere und der äußere Basiskörper sind in einer Ausgestaltung über mindestens einen Hebelarm beweglich verbunden. Das Tragesystem mit den mehreren Kreiselgeneratoren ist im inneren Basiskörper angeordnet. Eine Fortbildung kann vorsehen, dass alternativ oder ergänzend der äußere und der innere Basiskörper über mindestens eine mechanische Kopplung miteinander verbunden sind, so dass eine Relativbewegung zwischen dem äußeren und dem inneren Basiskörper stattfinden kann.An embodiment of the invention may provide that the base body is formed with an outer and an inner base body, wherein the inner base body is mounted inside the outer base body by means of a floating storage. The floating bearing is formed in an embodiment in which the inner base body floats in a liquid accommodated in the outer base body. The inner and the outer base body are movably connected in one embodiment via at least one lever arm. The carrying system with the several centrifugal generators is arranged in the inner base body. A further development may provide that, alternatively or additionally, the outer and the inner base body are connected to one another via at least one mechanical coupling, so that a relative movement between the outer and the inner base body can take place.
In Verbindung mit der Anordnung mit mehreren Vorrichtungen in einer der vorgenannten Ausführungen kann vorgesehen sein, dass die gebildete Netzstruktur als eine sternförmige Netzstruktur ausgeführt ist. Beispielsweise ist die Anordnung der Knoten und der die Knoten verbindenden Kanten der Netzstruktur in der Art eines Spinnennetzes möglich.In connection with the arrangement with a plurality of devices in one of the aforementioned embodiments, it can be provided that the network structure formed is designed as a star-shaped network structure. For example, the arrangement of the nodes and the edges connecting the nodes of the network structure in the manner of a spider web is possible.
Ist eine schwimmende Netzstruktur gebildet, so sind in einer Ausgestaltung an der Netzstruktur Verankerungselemente angeordnet, vorzugsweise randseitig, mit denen die Netzstruktur örtlich in dem Gewässer fixiert wird.If a floating network structure is formed, anchoring elements are arranged in an embodiment on the network structure, preferably at the edge, with which the network structure is fixed locally in the water.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der ErfindungDescription of preferred embodiments of the invention
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to preferred embodiments with reference to figures of a drawing. Hereby show:
Im Betrieb dreht sich die Trägerplattform um die Hauptdrehachse
Die Mechanismen, welche die präzessierende Kreiselbewegung der mehreren Kreiselgeneratoren
Bei der in
Die Hauptwelle
- – Direkte Verbindung:
Die Hauptwelle 80 entspricht der dieWelle 6 in3 . - – Indirekte Verbindung: Die Rotationsenergie wird
von der Hauptwelle 80 zuerst in einer Schwungmasse gespeichert. Mittels einer Getriebeübersetzung wird danach ein Teil der Rotationsenergie aus der Schwungmasse auf die Hauptachse6 (3 ) übertragen.
- - Direct connection: the
main shaft 80 corresponds to thewave 6 in3 , - - Indirect connection: The rotational energy is from the
main shaft 80 first stored in a flywheel. By means of a gear ratio is then a part of the rotational energy from the flywheel to the main axis6 (3 ) transfer.
Gemäß
Der Umfang der Rotationsenergieaufnahme hängt von der Relativbewegung des äußeren Basiskörpers zum inneren Basiskörper ab. Die resultierenden Auflagekräfte, die vom äußeren Basiskörper auf den inneren Basiskörper einwirken, werden von der trägen Masse sowie über die schwimmende Lagerung des inneren Basiskörpers kompensiert. Die Masse des inneren Basiskörpers inklusive Schwungrad ist entsprechend ausgelegt.The amount of rotational energy absorption depends on the relative movement of the outer base body to the inner base body. The resulting bearing forces, which act on the inner base body from the outer base body, are compensated by the inert mass and by the floating support of the inner base body. The mass of the inner base body including flywheel is designed accordingly.
Die mechanische Energie die aus der richtungsabhängigen Schaukelbewegung des äußeren Basiskörpers aufgenommen wird, kann damit auf den Wandlungsmechanismus übertragen werdenThe mechanical energy that is absorbed by the direction-dependent rocking movement of the outer base body can thus be transferred to the conversion mechanism
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.The features of the invention disclosed in the foregoing description, in the claims and in the drawing may be of importance both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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