Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine rotierende Wellenenergiemaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung betrifft eine Wellenenergiemaschine zur Umwandlung von Wellenenergie von Gewässern - insbesondere Meeren - in nutzbare Energie. Es ist eine Vielzahl von derartigen Wellenenergiemaschinen aus dem Stand der Technik bekannt. Diese können nach ihrem Einsatzort unterschieden werden, je nachdem, ob sie auf hoher See oder in Küstennähe angeordnet sind. Eine andere Unterscheidung bezieht sich darauf, wie die Energie aus der Wellenbewegung entnommen wird. So sind auf der Wasseroberfläche schwimmende Bojen bzw. Schwimmkörper bekannt, wobei durch deren Heben und Senken beispielsweise ein Lineargenerator angetrieben wird. Bei einem anderen Maschinenkonzept, dem sogenannten„Wave Roller" wird am Meeresboden ein flächiges Widerstandselement angebracht, der auf Grund der Bewegung des Wassers hin und her gekippt wird. Die

Bewegungsenergie des Widerstandselements wird in einem Generator beispielsweise in elektrische Energie umgewandelt. Eine Übersicht über Wellenenergiekraftwerke ist in dem Buch„Renewable Energie" von Godfrey Boyle gezeigt.

Weiterhin sind gattungsgemäße Wellenenergiemaschinen bekannt, deren Kurbel- bzw. Rotorwelle im Wesentlichen unter der Wasseroberfläche angeordnet sind und von einer umlaufenden Orbitalströmung von Wasserteilchen in Rotation versetzt wird.

Basierend auf diesem Prinzip ist ein Maschinenkonzept aus der im Jahr 2007 erschienenen Veröffentlichung„A rotating wing for the generation of energy from waves" von

BESTÄTIGUNGSKOPIE Pinkster et al. bekannt, bei dem der Auftrieb eines angeströmten Flügelprofils in Rotation umgewandelt wird.

Nachteilig an derartigen rotierenden Wellenenergiemaschinen ist, dass bei der

Auslegung ein Einfluss einer Strömungskomponente unberücksichtigt bleibt, die aus der Drehung des Rotors entsteht. Dabei hängt diese Strömungskomponente im Wesentlichen von der Länge eines Hebelarms und der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors ab. Da die Drehung des Rotors bevorzugt weitgehend synchron zu der Orbitalströmung erfolgen soll, ergibt sich die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors aus der Periodendauer der aktuell vorliegenden Welle mit ihrer Orbitalströmung. Diese Strömungskomponente wird im

Folgenden Relativströmung genannt und überlagert im Betrieb der rotierenden

Wellenenergiemaschine die von außen auf den Rotor wirkende umlaufende Orbitalströmung. Dadurch entsteht eine resultierende Gesamtströmung, die - in jeder Momentaufnahme - um die Rotorwelle gekrümmt ist. Daher hat eine gemäß dem Stand der Technik an eine lineare Anströmung angepasste herkömmliche Formgebung einer Auftriebsvorrichtung - z.B. eines Flügels - beim Umlauf um die Rotorwelle herum einen nicht optimalen Wirkungsgrad.

Der Erfindung liegt dem entsprechend die Aufgabe zu Grunde, eine rotierende

Wellenenergiemaschine mit einer Auftriebsvorrichtung zur Nutzung einer umlaufenden Orbitalströmung eines welligen Gewässers zu schaffen, die einen verbesserten

Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine rotierende Wellenenergiemaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die erfindungsgemäße rotierende Wellenenergiemaschine dient zur Nutzung einer umlaufenden Orbitalströmung eines welligen Gewässers über zumindest einen - weitgehend synchron umlaufenden - Rotor, an dessen Rotorwelle eine Abtriebsleistung abgreifbar ist, die über zumindest eine Auftriebsvorrichtung des Rotors gewandelt wird. Ein Querschnitt der Auftriebsvorrichtung weist zumindest eine Krümmung oder eine Abwinkelung auf, die in Abhängigkeit einer Krümmung einer Gesamtströmung ausgeprägt ist. Dabei kann

insbesondere vorgesehen sein, dass diese Krümmung oder Abwinkelung an einen mittleren Betriebszustand angepasst ist. Dies bedeutet eine Veränderung der zumindest einen Krümmung oder Abwinkelung gegenüber einem für lineare Anströmung optimierten Querschnitt gemäß dem Stand der Technik. Bei der Auslegung der zumindest einen

Krümmung oder der Abwinkelung ist auch der Einfluss der Relativströmung auf die

Gesamtströmung berücksichtigt, die durch die (gewünschte) Drehung des Rotors entsteht. Diese Relativströmung überlagert im Betrieb der rotierenden Wellenenergiemaschine die von außen auf die Auftriebsvorrichtung wirkende umlaufende Orbitalströmung. Dadurch entsteht eine resultierende Gesamtströmung, die - in jeder Momentaufnahme - um die Rotorwelle gekrümmt ist. Durch diese zumindest eine Krümmung oder Abwinkelung ist der

Wirkungsgrad der Auftriebsvorrichtung gegenüber einem herkömmlichen für geradlinige Anströmung optimierten Querschnitt verbessert.

Die Rotorwelle ist vorzugsweise quer zu einer aktuellen Wellenausbreitungsrichtung und weitgehend horizontal unter der Oberfläche eines welligen Gewässers - vorzugsweise eines Ozeans - angeordnet. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.

Die Gesamtströmung ist im realen Einsatz der Wellenenergiemaschine über die Zeit betrachtet nicht gleichförmig. Diese Unterschiede entstehen auf Grund des über die Zeit nicht gleichförmigen Seegangs bzw. der variierenden Wellenenergie. Daher hat eine einmal gewählte Krümmung oder Abwinkelung der Auftriebsvorrichtung, z.B. eines Flügels, zu verschiedenen Zeitpunkten einen unterschiedlichen nicht optimalen Wirkungsgrad. Dem entsprechend wird es besonders bevorzugt, wenn die Krümmung und/ oder die Abwinkelung aktiv einstellbar oder passiv änderbar ist. Dazu werden eine Sensorik zur Erfassung der Orbitalströmung und/oder der lokalen Strömungsbedingungen an der Auftriebsvorrichtung und/oder eines Betriebszustandes der Wellenenergiemaschine - insbesondere Winkel und/oder Lage des Rotors und/oder Einstellungen der Auftriebsvorrichtung und eine

Regelung bevorzugt. Da es sich bei dem Strömungsfeld der Gesamtströmung um ein weitgehend kreisförmiges Vektorfeld handelt, wird bei der Anpassung der Auftriebsvorrichtung besonders bevorzugt gemäß konformen Abbildungen nach der Vorschrift w=e ^z verfahren, die einer Überführung eines kartesischen Koordinatensystems in ein Polarkoordinatensystem entspricht, wobei z die komplexe Urbildebene und w die komplexe Bildebene darstellen. Eine evtl. vorliegende Verzerrung des Vektorfeldes der Gesamtströmung gegenüber einer kreisförmigen Ausprägung bei Maschinen mit großer radialer Erstreckung durch Quer- und Tiefeneffekte kann durch eine entsprechende Anpassung der Umrechnungsvorschrift berücksichtigt werden.

Oder die Abwinkelung ist über mindestens eine an einem Hauptabschnitt der Auftriebsvorrichtung angelenkte Klappe aktiv einstellbar oder passiv änderbar. Dabei wird es bevorzugt, wenn diese im mittleren und/oder hinteren Drittel des Querschnitts angelenkt ist. Der Flügel kann dabei als Multi-Element-Airfoil aufgebaut sein. Dazu ist zwischen dem

Hauptabschnitt und der Klappe und zwischen der Klappe und einem weiteren Element jeweils einen Abstand bzw. eine Spalte vorgesehen. Derartige Multi-Element-Airfoils weisen höhere Auftriebsbeiwerte auf und sind robuster gegen Strömungsabriss. Vorrichtungstechnisch einfach ist es, wenn die Auftriebsvorrichtung ein gebogenes

Flächenelement ist, das die Krümmung aufweist.

Bei einer Weiterbildung hat die Auftriebsvorrichtung eine Mehrzahl von einzelnen Auftriebselementen - vorzugsweise Flügeln -, die getrennt voneinander um ihre jeweilige Längsachse (also quer zur Wellenausbreitungsrichtung) drehbar oder schwenkbar sind.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung mit mehreren Auftriebselementen ist eine Tiefe (bzw. eine Abmessung in Umlaufrichtung) der einzelnen Auftriebselemente oder ein Abstand zwischen den einzelnen Auftriebselementen derart gewählt, dass sie in einer Grundstellung im Querschnitt einen Bogen ausbilden und sich dabei berühren können. Weiterhin sind die Auftriebselemente in eine geöffnete Stellung drehbar oder schwenkbar, wodurch die Abwinkelungen gegenüber der Grundstellung verringert sind, also die angenäherte

Krümmung verringert ist. Damit ist eine Anpassung der erfindungsgemäßen Abwinkelungen an verringerte Radien der Orbitalströmung oder der Gesamtströmung möglich.

Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung mit mehreren Auftriebselementen ist die Tiefe (bzw. die Abmessung in Umlaufrichtung) der einzelnen Auftriebselemente oder ein Abstand zwischen den einzelnen Auftriebselementen ebenfalls derart gewählt, dass sie in der Grundstellung im Querschnitt einen Bogen ausbilden und sich dabei berühren können. Weiterhin sind die Auftriebselemente in eine geöffnete Stellung drehbar oder schwenkbar, wodurch die Abwinkelungen gegenüber der Grundstellung vergrößert sind, also die angenäherte Krümmung verstärkt ist. Damit ist eine Anpassung der erfindungsgemäßen Abwinkelungen an vergrößerte Radien der Orbitalströmung oder der Gesamtströmung möglich.

Eine Seite der Auftriebsvorrichtung ist einem Auge/Nullpunkt der Gesamtströmung zugewandt, wobei die andere Seite der Auftriebsvorrichtung vom Auge/Nullpunkt der Gesamtströmung abgewandt ist. Dabei ist das Auge von der Gesamtströmung an einer Stelle gebildet ist, an der sich die Orbitalströmung und die Relativströmung kompensieren.

Weitere Anpassungs- und Optimierungsmöglichkeiten des Auftriebs ergeben sich, wenn auch ein Anstellwinkel der Auftriebsvorrichtung aktiv einstellbar oder passiv änderbar ist.

Insbesondere bei Wellenenergiemaschinen mit einer quer zur Wellenausbreitungsrichtung großen Ausdehnung ergeben sich weitere Anpassungs- und Optimierungsmöglichkeiten des Auftriebs, wenn entlang der Auftriebsvorrichtung bzw. in Längsrichtung der Auftriebsvorrichtung (also quer zur Wellenausbreitungsrichtung) unter- schiedliche Anstellwinkel aktiv einstellbar oder passiv änderbar sind. Dadurch kann die

Wellenenergiemaschine auch um ihre vertikale Achse gedreht werden und so optimal quer zur Wellenausbreitungsrichtung ausgerichtet werden.

Dazu kann die Auftriebsvorrichtung eine Mehrzahl von Segmenten haben, deren unterschiedliche Anstellwinkel entlang der Auftriebsvorrichtung bzw. in Längsrichtung des Auftriebselements aktiv einstellbar oder passiv änderbar sind.

Oder die unterschiedlichen Anstellwinkel sind über mehrere an einem Hauptabschnitt der Auftriebsvorrichtung angelenkte Klappensegmente aktiv einstellbar oder passiv änderbar.

Die Strömung kann verbessert werden, wenn die zumindest eine Auftriebsvorrichtung eine elastische Außenhaut hat. Diese bewirkt eine gewisse Glättung der umströmten Außenseiten des Auftriebselements. Insbesondere bei der Weiterbildung mit der Mehrzahl von Segmenten wird diese elastische Außenhaut bevorzugt. Dabei kann zur Verbesserung der feinstufigen Anpassung entlang der Längsrichtung (also quer zur Wellenausbreitungsrichtung) eine Vielzahl von vergleichweise schmalen Segmenten vorgesehen sein.

Oder die unterschiedlichen Anstellwinkel sind über eine an einem Hauptabschnitt der Auftriebsvorrichtung angelenkte entlang ihrer Länge tordierbare Klappe aktiv einstellbar oder passiv änderbar.

Jede Auftriebsvorrichtung ist vorzugsweise über zumindest einen jeweiligen Hebelarm an der Rotorwelle befestigt. Vorzugsweise sind zwei Hebelarme an quer zur

Wellenausbreitungsrichtung voneinander entfernten Endabschnitten der Rotorwelle und der Auftriebsvorrichtung vorgesehen. Möglich sind jedoch auch Anordnungen mit nur einem Hebelarm, der beispielsweise mittig an der Auftriebsvorrichtung oder insbesondere bevorzugt einseitig an dieser angreift, so dass sich freie Enden an der Auftriebsvorrichtung ergeben. Diese können zur Steigerung der Effizienz mit Winglets versehen sein. Dabei sind unter Hebelarmen auch flächige Elemente bis hin zu kreisförmigen Scheiben assimiliert.

Der Abstand des Auges/des Nullpunkts der Gesamtströmung relativ zur Rotorwelle variiert über die Zeit. Diese Unterschiede entstehen auf Grund des über die Zeit nicht gleichförmigen Seegangs bzw. der variierenden Wellenenergie. Damit ändert sich auch die Krümmung der Gesamtströmung an der Position der Auftriebsvorrichtung, die dann unter Umständen nicht mehr optimal für die dann vorliegende Gesamtströmung ausgelegt ist. Durch eine Änderung der Länge des Hebelarms kann die Auftriebsvorrichtung an eine andere Position im Feld der Gesamtströmung mit einer anderen Krümmung verfahren werden. Entsprechend wird es besonders bevorzugt, wenn zumindest die Länge des zumindest einen Hebelarms einstellbar ist.

Neben einer Rotation der Auftriebsvorrichtung um ihren Aufhängungspunkt am

Hebelarm kann diese zur Einstellung des Anstellwinkels gegenüber einem äußeren

Endabschnitt des Hebelarms entlang einer gekrümmten oder elliptischen Bahn, oder im Sonderfall entlang einer Kreisbahn, verstellbar sein. Damit ergibt sich ein minimaler

Widerstand bei der Verstellung des Anstellwinkels. Oder zur Einstellung des Anstellwinkels der Auftriebsvorrichtung ist zumindest ein Trimmruder daran angelenkt. Somit kann eine Fixierung des Auftriebselements z.B. am Ende des Hebelarms gelöst werden, daraufhin wird mit einer Verstellung des Trimmruders ein neuer Anstellwinkel eingestellt und schließlich die Fixierung wieder aktiviert.

Das Trimmruder kann an einer Klappe oder an einem Hauptabschnitt des Auftriebselements oder an einem hinteren Rand oder an einem vorderen Rand (in Umlauf- richtung betrachtet) eines Flügels oder eines gebogenen Flächenelements angelenkt sein.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine ist eine Abtriebsleistung zur Steuerung eines Phasenwinkels zwischen der Orbitalströmung und dem Rotor vorgesehen. Diese steuert ein Bremsmoment, um (in gewissen Grenzen) Synchronizität zwischen der Orbitalströmung und dem Rotor zu erzeugen. Dieses

Bremsmoment kann z.B. mit einem Generator, einer Pumpe und/oder einer Bremse dargestellt werden.

Durch eine derartige Synchronizität wird der Winkel zwischen der Verbindungslinie zwischen Rotorwelle und dem Auge/dem Nullpunkt der Gesamtströmung relativ zur

Verbindungslinie zwischen Rotorwelle und der Auftriebsvorrichtung weitgehend konstant gehalten.

Im Folgenden werden anhand der Figuren verschiede Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 einen Flügel einer Wellenenergiemaschine gemäß dem Stand der Technik im seitlichen Schnitt;

Figur 2 einen Flügel eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine in einer seitlichen geschnittenen Darstellung;

Figuren 3a und 3b Vorbetrachtungen zur erfindungsgemäßen Krümmung eines (aus dem Stand der Technik bekannten) Flügelprofils; Figuren 4a bis 4e Beispiele zu erfindungsgemäßen Krümmungen von verschiedenen (aus dem Stand der Technik bekannten) Flügelprofilen;

Figur 5 eine mehrteilige Auftriebsvorrichtung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine in einer seitlichen Darstellung;

Figur 6 eine mehrteilige Auftriebsvorrichtung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine in einer seitlichen Darstellung; Figur 7 einen Rotor eines vierten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Wellenenergiemaschine mit einer Verstellung des Anstellwinkels in einer seitlichen Darstellung;

Figur 8 eine flügelartige Auftriebsvorrichtung eines fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine in einer perspektivischen Ansicht; und

Figur 9 einen Flügel eines sechsten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine in einer perspektivischen Ansicht. Figur 1 zeigt einen Flügel 1 und eine Rotorwelle 2 einer Wellenenergiemaschine gemäß dem Stand der Technik und Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäß gekrümmten Flügel und die Rotorwelle 2. Beide Wellenenergiemaschinen (gemäß dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung) nutzen eine durch eine Wellenbewegung verursachte Orbitalströmung 3 eines Meeres. An einer betrachteten Stelle befindet sich die Meeresoberfläche über der Wellenenergiemaschine zunächst an einem Maximum (Wellenberg), bevor sie sinkt, einen Nulldurchgang hat, um anschließend ein Minimum (Wellental) zu erreichen. Anschließend steigt die Meeresoberfläche an der betrachteten Stelle wieder an, hat wiederum einen Nulldurchgang, um wieder ein Maximum zu erreichen. Danach beginnt der Zyklus erneut. Wasserteilchen, die sich unter dem Wellenberg befinden, bewegen sich an der betrachteten Stelle zunächst in der Ausbreitungsrichtung der Welle (gemäß den drei Pfeilen in den Figuren 1 und 2 von links nach rechts). Beim anschließenden Nulldurchgang bewegen sich diese Wasserteilchen nach unten, unter dem Wellental gegen die Ausbreitungsrichtung der Welle und beim darauf folgenden Nulldurchgang nach oben. Es ergibt sich, dass sich die Wasserteilchen auf im Uhrzeigersinn umlaufenden Orbitalbahnen bewegen (bei einer Wellenausbreitungsrichtung von links nach rechts).

In den Figuren 1 und 2 ist eine momentane Richtung der Orbitalströmung 3 dargestellt. Diese Momentaufnahme entspricht der Situation unter einem Wellenberg bei einer

Wellenausbreitungsrichtung von links nach rechts. Dabei sei vereinfachend angenommen, dass der gesamte dargestellte Bereich zum dargestellten Zeitpunkt gleichförmig von links nach rechts durchströmt wird. Diese Vereinfachung vernachlässigt Tiefeneffekte mit abnehmenden Strömungsgeschwindigkeit und Quereffekte. Für im Vergleich zur

Wellenlänge kleine Rotordurchmesser ist dies möglich, bei großen Rotordurchmessern müssten diese Effekte ansonsten einbezogen werden.

Die Flügel 1 bzw. 4 (gemäß dem Stand der Technik bzw. gemäß der Erfindung) erstrecken sich in die Zeichenebene hinein und verlaufen dabei weitgehend parallel zur Rotorwelle 2. An mindestens einer Stelle, vorzugsweise einem der beiden Endabschnitte der Rotorwelle 2 und des Flügels 1 bzw. 4 ist jeweils ein Hebelarm angeordnet, von denen in den Figuren 1 bzw. 2 jeweils nur ein Hebelarm 6 bzw. 8 gezeigt ist. Über die Hebelarme 6 bzw. 8 wird zumindest ein Teil der Auftriebskraft des Flügels 1 bzw. 4 als Drehmoment an die Rotorwelle 2 abgegeben.

Der Flügel 1 weist gemäß dem Stand der Technik eine Krümmung bzw. Wölbung seines Querschnitts auf, die mit Bezug zu einer linearen Anströmung, wie sie z.B. bei Flugzeugen auftritt, optimiert ist. Diese Krümmung bzw. Wölbung ist geeignet für eine reine Orbitalströmung 3, da diese in den in den Figuren 1 bzw. 2 gezeigten Momentaufnahmen etwa linear (von links nach rechts) verläuft.

Durch die Rotation des Rotors um die Rotorachse entsteht eine zusätzliche Relativströmung. Diese ist für jeden Punkt senkrecht zu der Verbindungslinie zwischen dem Drehpunkt und dem jeweiligen Punkt orientiert. Darüber hinaus ist diese proportional zum Abstand vom Drehpunkt. Damit ergibt sich für eine reine Rotation des Rotors ohne überlagerte Orbitalströmung 3 ein kreisförmiges Vektorfeld mit Nullpunkt im Drehpunkt.

Die Überlagerung der Orbitalströmung 3 (auf Grund der Welle) und der Relativströmung (auf Grund der Rotation des Rotors) ergibt eine auf den Rotor einwirkende Gesamtströmung 10 bzw. 12, die in den Figuren 1 bzw. 2 jeweils als Vektorfeld für den Zeitpunkt einer Anströmung von links dargestellt ist.

Dabei ist die Gesamtströmung 12 der Figur 2 für größere Wellenhöhen und damit verknüpft für größere Strömungsgeschwindigkeiten der Orbitalströmung dargestellt, während in Figur 1 kleinere Strömungsgeschwindigkeiten angenommen sind.

In beiden Figuren ist ein Zentrum 14 bzw. 16 zu erkennen, in dem die resultierende Gesamtströmung 10 bzw. 12 Null ist. Die Position dieser Zentren 14, 16 ist abhängig von den beiden überlagerten Geschwindigkeiten. Auf Grund der geforderten Synchronizität

(T _W ~T _R ) ergibt sich prinzipiell ein radialer Abstand dieses Zentrums 14 bzw. 16 zu etwa dem Radius der Orbitalbewegung 3 in der Tauchtiefe der Rotorwelle 2.

Ebenfalls aufgrund der geforderten Synchronizität orbitierten die Zentren 14, 16 mit der gleichen Drehzahl um den Mittelpunkt wie die Auftriebsvorrichtung 1 , 4, so dass der Winkel zwischen den Zentren 14, 16 und Auftriebsvorrichtung 1 , 4 im Wesentlichen konstant bleibt. Auf Grund von Änderungen in den Wellenzuständen ändert sich dabei jedoch der radiale Abstand der Zentren 14, 16 zur Rotorwelle 2. In Figur 1 ist zu erkennen, dass Standard-Flügelprofile - insbesondere mit großer Tiefe

- im Feld der Gesamtströmung 10 nicht optimal angeströmt werden. Wenn z.B. ein vorderer Nasenfußpunkt des Flügels 1 über ein gesteuertes/geregeltes Bremsmoment und/oder über eine Einstellung des Winkels zwischen Flügel und Hebelarm stets derart zur

Gesamtströmung 10 positioniert wird, dass sein Nasenfußpunkt optimal angeströmt wird, ergibt sich am hinteren Ende bzw. am hinteren Bereich 18 des Flügels 1 eine

Gesamtströmung 10, die abweichend von Fällen lineare Strömungsfelder durch den hinteren Bereich 18 des Flügels 1 gerichtet ist. Dabei liegen bevorzugte Anströmwinkel betragsmäßig im Bereich von 0° bis 15°. Der in Figur 2 gezeigte erfindungsgemäß an die Krümmung der Gesamtströmung 12 angepasste Flügel 4 ist hingegen derart gestaltet, dass er eine stets optimale Anströmung erfährt, die den Verhältnissen bei gradliniger Anströmung eines entsprechend nicht angepassten Flügels prinzipiell entspricht. Somit hat der erfindungsgemäße Flügel 4 in dem dargestellten Strömungsvektorfeld einen verbesserten Auftrieb, von dem zumindest eine Komponente als Drehmoment über den Hebelarm 8 in die Rotorwelle 2 eingeleitet wird. Die Positionierung des Flügels 4 in Figur 2 unter der Rotorwelle 2 (Sechs-Uhr-Position) ist beispielhaft. So kann der Flügel 4 zur Erzeugung eines optimalen Drehmoments auch in Figur 2 weiter rechts, also mit Bezug zur Orbitalströmung 3 leeseitig der Rotorwelle 2 angeordnet sein (Drei-Uhr-Position). Dabei wird die an die Gesamtströmung 12 angepasste Krümmung des Flügels 4 vorzugsweise gemäß konformer Abbildungen 1 ' an das Strömungsfeld angepasst. Dieses Vorgehen sei Anhand der folgenden Figuren 3 und 4 detaillierter beschrieben. In diesen Figuren sind die konformen Abbildungen stets mit dem Bezugszeichen 1' gekennzeichnet. Dabei werden zur Veranschaulichung NACA-Profile verwendet. Alternativ können jedoch auch andere Profilarten eingesetzt werden. Bevorzugt werden Profile mit einer weniger hohen Geschwindigkeitsüberhöhung, als sie bei NACA-Profilen zu beobachten ist (z.B. Eppler-Profite). Figur 4a zeigt dazu ein Beispiel eines symmetrischen Flügelprofils gemäß dem NACA-

Standard (NACA0015) und dessen Beeinflussung aufgrund der Relativströmung durch die Eigenrotation. In der Figur 4a ist noch keine überlagerte Orbitalströmung berücksichtigt - das Vektorfeld der Relativströmung ist kreisförmig um den Ursprung gerichtet. Dabei ist links die Geometrie des gekrümmten Flügelprofils in dem sich ergebenden Vektorfeld der

Relativströmung dargestellt, während auf der rechten Seite das ungekrümmte und das gekrümmte Profil zum Vergleich überlagert gezeigt sind.

Dargestellt ist ein Flügel mit einer Sehnenlänge von 5m, der an einem Hebelarm von R=3m Länge um den Ursprung rotiert. Der Flügel ist bei V* der Sehnenlänge gehaltert und kann um diesen Haltepunkt verdreht (gepitcht) werden. Aufgrund des im Vergleich zur

Flügeltiefe kurzen Hebelarms ergibt sich eine relativ starke Krümmung des Flügelprofils bei Berücksichtigung des Vektorfeldes der Relativströmung. Zur Umrechnung des ungekrümmten NACA-Profils gemäß Figur 3a in das gekrümmte Vektorfeld wurde dabei das folgende Vorgehen gemäß konformen Abbildungen zugrunde gelegt. Dies wird mit Bezug zur Figur 3b erläutert. In einem ersten Schritt wird das Standard- NACA Profil, dessen Koordinaten standardgemäß in der komplexen Zahlenebene durch z=x+iy gemäß Figur 3a definiert sind und dem eine horizontale Orientierung des Flügels mit einer Anordnung des Nasenfußpunkts im Ursprung zugrunde liegt, durch eine

Koordinatentransformation in einen Flügel überführt, der vertikal nach unten gerichtet ist, und dessen Haltepunkt auf der x-Achse sitzt: z ₂ =(y+R)+i*(x-shift); mit der Hebelarmlänge R (in Figur 4a R=3m) und shift dem Abstand des Haltepunkts des Flügels vom Nasenfußpunkt (in Figur 4a shift=5m/4). Im nächsten Schritt wird gemäß Figur 3b links ein Zwischenbild z' erzeugt, bei dem das Flügelprofil logarithmisch in x-Richtung (Flügeldicke) und mit der Vorschrift 1/R in y-Richtung (Flügeltiefe) gestaucht wird: z -ln(y+R)+i*((x-shift)/R). Diese Skalierung ist notwendig, da ansonsten durch die konforme Abbildung eine starke

Vergrößerung der Geometrie erfolgen würde (siehe rechter Flügel in der Bildebene der Figur 3b). Abschließend wird das Zwischenbild z' durch die Rechenvorschrift w=e gemäß Figur 3b rechts in die polare Ebene transformiert.

In den unteren beiden Darstellungen der Figur 4a sind die Fälle dargestellt, bei denen das Profil unter einem Anstellwinkel□ betrieben wird. Dieser beträgt beispielhaft +10° und - 10°. Diese Anstellwinkel□ wurden vor der oben beschriebenen Transformation mittels der Transformation x= x _F * cos(d) - y _F * sin(D) und y= x _F * sin(D) + y _F * cos(Q) einberechnet, mit den Profilkoordinaten x _F und y _F . Im Vergleich zu dem nicht angestellten Fall ergibt sich eine deutlich geänderte Flügelkrümmung und Lage des Flügels im Vektorfeld. Darüber hinaus ändert sich durch die Transformationsvorschrift auch die Sehnenlänge der Flügel.

In Figur 4b sind die gleichen drei Konfigurationen für ein NACA0015 dargestellt, wobei die Hebelarmlänge auf 15m vergrößert wurde. Deutlich zu erkennen ist die wesentlich geringere resultierende Krümmung des Flügels für alle drei dargestellten Fälle. Auch hier ist nur der Einfluss der Relativströmung berücksichtigt. Eine Orbitalströmung ist noch nicht eingegangen.

In Figur 4c sind die gleichen drei Konfigurationen dargestellt, wobei anstelle eines symmetrischen (und damit zunächst ungekrümmten) NACA0015-Profils ein gekrümmtes Profil (beispielhaft NACA7412) ebenfalls mit einer Sehnenlänge von 5m und einem Hebelarm R von 15m verwendet wurde. Auch hier zeigen sich durch die beschriebene Transformation Änderungen in der Krümmung des Profils.

In Figur 4d wird nun der Einfluss der Orbitalströmung mit untersucht. Dabei ist für das obere Bild angenommen, dass das Zentrum in der Urbildebene 3m oberhalb der x-Achse auf der y-Achse liegt, und der Hebelarm mit einer Hebelarmlänge von R=15m sich nach rechts entlang der x-Achse erstreckt. Durch die konforme Abbildung mit Ursprung des

Polarkoordinatensystems im Zentrum (Strömungsgeschwindigkeit gleich 0) ergibt sich die dargestellte Geometrie des Flügels.

Gleiches erfolgt in der zweiten Abbildung der Figur 4d, wobei hier das Zentrum bei (3m/3m) relativ zum Ursprung des ungekrümmten Koordinatensystems mit Drehpunkt im Ursprung befindet. In Figur 4e sind verschiedene Fälle dargestellt, in denen die Orientierung des gekrümmten Flügels (NACA7412) so gewählt ist, dass die Druckseite nach außen zeigt. Dabei wurde im unteren Fall mit R=8m ein kürzerer Hebelarm in Kombination mit einem

Anstellwinkel von -10° gewählt, um den Verzerrungseffekt noch deutlicher darzustellen. Auch in diesen Abbildungen ist noch keine Orbitalströmung berücksichtigt.

Mit der diskutierten Transformationsvorschrift ergeben sich die dargestellten verkrümmten Profilverläufe. Diese zeigen gegenüber dem gekrümmten Ausgangsprofil

(beispielhaft wieder NACA7412) eine deutliche Veränderung. Auch hier ändert sich die Sehnenlänge, insbesondere aber ändert sich die ursprünglich vorhandene Krümmung sehr stark, so dass im zweiten Fall die Sehne bereits leicht s-förmig ausgeprägt ist. Damit zeigt sich, wie wichtig allein die Berücksichtigung der Relativströmung für die Auslegung der Flügelgeometrie ist. Eine Überlagerung der Orbitalströmung führt wie in Figur 4d dargestellt zu weiteren Veränderungen der Flügelgeometrie. Mit zunehmender Hebelarmlänge ergibt sich bei gleichbleibender Flügeltiefe eine

Abnahme der Flügelkrümmung durch die konforme Abbildung, bis für R=8 sich wieder das ursprüngliche Profil ergibt. Mit zunehmendem R ergibt sich bei gleicher Flügeltiefe zudem auch eine immer geringere Abweichung in der Krümmung der Profile für verschiedene Anstellwinkel und Positionen des Auges. Dieser Effekt wird schon deutlich beobachtbar, wenn man - wie dargestellt - die Hebelarmlänge von 3m auf 15m vergrößert.

Hebelarmlängen derartiger Wellenenergiekonverter können im Bereich von 1 m-50m, bevorzugt 3m-40m, besonders bevorzugt 5m-30m und ganz besonders bevorzugt 7m-20m liegen. Damit ergibt sich die besonders bevorzugte Lösung einer Auslegung der

Flügelgeometrie für einen mittleren Betriebsfall ohne Einbeziehung einer Verstellung für die Krümmung oder Abwinkelung. Dadurch ergeben sich bei abweichenden Betriebsfällen vom Ideal leicht abweichende Flügelgeometrien mit reduzierter Effizienz, dies kann jedoch durch die reduzierte Komplexität der Maschine mit einer größeren Robustheit und damit geringeren Betriebs- und Wartungskosten unter Umständen überkompensiert werden. Gerade im Offshore-Bereich hat dieser Kostenblock einen erheblichen Einfluss.

Figur 5 zeigt eine dreiteilige Auftriebsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine in einer seitlichen Darstellung. Die Auftriebsvorrichtung hat eine einstellbare Abwinklung und weist dazu drei parallel zueinander angeordnete Flügel 104a, 104b, 104c, die prinzipiell vergleichbar geformt sind und sich parallel zueinander senkrecht zur Zeichenebene erstrecken. Die drei Flügel 104a-c haben jeweils mindestens einen (in Figur 5 nicht gezeigte) Hebelarm, über den sie an der (nicht gezeigten) Rotorwelle befestigt sind. Dabei kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass die drei Flügel 104a-c über einen gemeinsamen Hebelarm an der Rotorwelle befestigt sind und in einer gemeinsamen Haltevorrichtung angeordnet sind. Mindestens die beiden in Strömungsrichtung hinteren Flügel 104b, 104c sind dabei jeweils um eine

Drehachse 106b, 106c drehbar ausgeführt.

In der in Figur 5 rechts dargestellten Grundstellung berühren sich die drei Flügel 104a- c und sind derart zueinander angestellt bzw. abgewinkelt, dass sich eine Gesamtkrümmung der Auftriebsvorrichtung ergibt. Dabei kann zwischen den drei Flügeln 104a-c alternativ auch ein Spalt vorgesehen sein. Diese ist an eine erste Gesamtströmung (vgl. Figur 2) angepasst. Wenn sich die Wellenlage und damit die Orbitalströmung und/oder die Relativströmung und damit die Gesamtströmung ändert, kann diese Krümmung verringert werden, indem die jeweiligen Anstellwinkel der Flügel 104a, 104b und/oder 104c verringert werden. Dazu wird mindestens einer der Flügel 104a, 104b und 104c um ihre jeweiligen Drehachsen 106a, 106b und 106c gedreht. Somit wird die Krümmung der Auftriebsvorrichtung an eine

Gesamtströmung mit verringerter Krümmung angepasst. Figur 6 zeigt eine weitere dreiteilige Auftriebsvorrichtung gemäß einem dritten

Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine. Die Auftriebsvorrichtung hat drei parallel zueinander angeordnete Flügel 204a, 204b, 204c, die prinzipiell vergleichbar geformt sind und sich parallel zueinander senkrecht zur Zeichenebene erstrecken. Die drei Flügel 204a-c haben jeweils mindestens einen Hebelarm (in Figur 6 nicht gezeigt), über die sie an der (nicht gezeigten) Rotorwelle befestigt sind. Dabei kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass die drei Flügel 104a-c über einen gemeinsamen Hebelarm an der Rotorwelle befestigt sind und in einer gemeinsamen Haltevorrichtung angeordnet sind. Mindestens die beiden in Strömungsrichtung hinteren Flügel 204b, 204c sind dabei jeweils um eine Drehachse 206b, 206c drehbar ausgeführt.

In der in Figur 6 links dargestellten Grundstellung berühren sich die drei Flügel 204a-c und sind derart zueinander angestellt bzw. abgewinkelt, dass sich eine Gesamtkrümmung der Auftriebsvorrichtung ergibt. Dabei kann zwischen den drei Flügeln alternativ auch ein Spalt vorgesehen sein. Diese ist an eine erste Gesamtströmung (vgl. Figur 2) angepasst. Wenn sich die Wellenlage und damit die Orbitalströmung und/ oder die Relativströmung und damit die Gesamtströmung ändert, kann beim dritten Ausführungsbeispiel der

erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine gemäß Figur 6 diese Krümmung vergrößert werden, in dem mindestens einer der jeweiligen Anstellwinkel der Flügel 204a, 204b und 204c vergrößert werden. Dazu werden die Flügel 204a, 204b und 204c um ihre jeweiligen Drehachsen 206a, 206b und/oder 206c gedreht. Somit kann die Krümmung der

Auftriebsvorrichtung an eine Gesamtströmung mit vergrößerter Krümmung angepasst werden. Zur Verstellung der jeweils drei Flügel 104a-c und 204a-c in den Figuren 5 und 6 kann zudem eine Kinematik vorgesehen sein, die die jeweils drei Flügel gemeinsam verstellt.

Figur 7 zeigt zwei Betriebszustände eines Rotors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine in einer seitlichen Dar- Stellung. Der Rotor hat eine Rotorwelle 302, an der über mindestens einen Hebelarm, von denen in Figur 7 jeweils nur ein Hebelarm 308 dargestellt ist, ein gekrümmtes Flächenelement 304 gekoppelt ist. Die Krümmung des Flächenelements 304 ist erfindungsgemäß an die Krümmung der Gesamtströmung 10, 12 (vgl. Figuren 1 und 2) angepasst - dabei kann es sich insbesondere um einen mittleren Betriebszustand handeln. Dabei ist das Flächenelement 304 derart an die Hebelarme 308 gekoppelt, dass es entlang einer gekrümmten Bahn (punktiert dargestellt) verschoben werden kann. Damit wird ein Anstellwinkel des Flächenelements 304 zur Gesamtströmung eingestellt. In Figur 7 links ist ein vergleichsweise kleiner Anstellwinkel eingestellt. Dazu ist das Flächenelement 304 in Umlaufrichtung des Rotors vergleichsweise weit nach vorne verschoben. In Figur 7 rechts ist der Anstellwinkel des Flächenelements 304 demgegenüber vergrößert. Dazu ist das

Flächenelement 304 vergleichsweise weit gegen die Umlaufrichtung nach hinten

verschoben. Vorteilhaft ergibt sich bei einer derartigen Verstellung des Flügels eine geringere Verstellarbeit im Vergleich zu einem Rotieren des Flügels um einen Drehpunkt, da der Strömungswiderstand in dem dargestellten erfindungsgemäßen Fall deutlich geringer ist.

Figur 8 zeigt eine flügelartige Auftriebsvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine in einer perspektivischen Ansicht. Die Auftriebsvorrichtung hat fünf Segmente 404a - 404e, deren Querschnitte Flügelprofile sind. Die Krümmung bzw. Wölbung der Segmente 404a - 404e ist

erfindungsgemäß der Krümmung der Gesamtströmung (vgl. Figuren 1 und 2) angepasst. Dabei kann es sich insbesondere um einen mittleren Betriebszustand handeln. Dabei kann ein Anstellwinkel der verschiedenen Segmente 404a - 404e unterschiedlich eingestellt werden. Dies geschieht über eine Drehbewegung des betroffenen Segments 404a - 404e um eine vorzugsweise gemeinsame Drehachse 406, die parallel zur (nicht gezeigten) Rotorwelle und damit im Wesentlichen quer zur Anströmungsrichtung der Welle verläuft. Dabei können die unterschiedlichen Segmente 404a - 404e an eventuelle Ungleichheiten der

Gesamtströmung angepasst werden. Weiterhin kann über die unterschiedlichen Segmente 404a - 404e z.B. eine übergangsweise nicht optimale Ausrichtung der Drehachse 406 bzw. der (nicht gezeigten) Rotorwelle zur Anströmungsrichtung der Wellen ausgeglichen werden und/oder eine Rotation der Gesamtanlage zur Ausrichtung bzgl. der Anströmungsrichtung erreicht werden.

Figur 9 zeigt einen Flügel eines sechsten Ausführungsbeispiels der erfindungs- gemäßen Wellenenergiemaschine in einer perspektivischen Ansicht. Diese hat einen

Hauptabschnitt 504, dessen Krümmung bzw. Wölbung erfindungsgemäß an die Krümmung der Gesamtströmung (vgl. Figuren 1 und 2) angepasst ist - dabei kann es sich insbesondere um einen mittleren Betriebszustand handeln. In den Hauptabschnitt 504 sind an dessen hinteren Bereich zwei Klappensegmente 511a, 51 1 b eingesetzt und an den Hauptabschnitt 504 angelenkt. Mit diesen Klappensegmenten 511a, 511 b kann der Anstellwinkel und/oder die Abwinkelung des gezeigten Flügels verändert werden. Mit den Klappensegmenten 511a, 51 1 b können diese Parameter erfindungsgemäß an unterschiedliche Gesamtströmungen (vgl. Figuren 1 und 2) angepasst werden. Die Unterteilung der Klappe in zwei getrennte Klappensegmente 511a, 51 1 b ermöglicht eine Flexibilität bei der Einstellung des

Anstellwinkels und/oder der Abwinklung des Flügels über die Breite der anströmenden Welle bzw. Orbitalströmung 3 (vgl. Figuren 1 und 2). Dabei können alternativ auch mehr als zwei Klappen zum Einsatz kommen.

Der Durchmesser der Orbitalbahnen nimmt mit zunehmender Wassertiefe ab. Ab einer Wassertiefe von der Hälfte der Wellenlänge ist nahezu keine Orbitalströmung mehr vorhanden. Daher sind alle Auftriebsvorrichtungen bzw. Rotoren der erfindungsgemäßen Wellenenergiemaschine zur Aufnahme der Energie der Orbitalströmung 3 vergleichsweise dicht unterhalb der (nicht gezeigten) Wasseroberfläche angeordnet.

Ergänzend zum fünften Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 kann die Auftriebsvorrichtung mit einer Folie umhüllt sein, um die Stufigkeit ihrer Segmente 404a-e zu egalisieren.

Ergänzend zum sechsten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 9 kann die Auftriebsvorrichtung mit einer Folie umhüllt sein, um die Stufigkeit ihrer Klappen 511a, 511 b gegenüber dem Hauptabschnitt 504 zu egalisieren.

Offenbart ist rotierende Wellenenergiemaschine, die zur Nutzung einer umlaufenden Orbitalströmung eines welligen Gewässers über zumindest einen - möglichst synchron umlaufenden - Rotor dient. An einer Rotorwelle wird eine Abtriebsleistung abgegriffen, die (im Leistungsfluss) zuvor über zumindest eine Auftriebsvorrichtung des Rotors gewandelt wird.

Ein Querschnitt der Auftriebsvorrichtung weist zumindest eine Krümmung oder eine Abwinkelung auf, die in Abhängigkeit einer Krümmung einer Gesamtströmung ausgeprägt ist. Dies bedeutet eine Anpassung der zumindest einen Abwinkelung oder Krümmung gegenüber einem für lineare Anströmung optimierten Querschnitt gemäß dem Stand der Technik. Bei der Auslegung der zumindest einen Abwinkelung oder der Krümmung ist auch der Einfluss der Relativströmung auf die Gesamtströmung berücksichtigt, die durch die (gewünschte) Drehung des Rotors in dem (bei dieser Betrachtung stehenden) Wasser entsteht. Diese Relativströmung überlagert im Betrieb der rotierenden

Wellenenergiemaschine die von außen auf die Auftriebsvorrichtung wirkende umlaufende Orbitalströmung. Dadurch entsteht eine resultierende Gesamtströmung, die - in jeder Momentaufnahme - um die Rotorwelle gekrümmt ist.

Bezuqszeichenliste 1 Flügel

r konforme Abbildung 2 Rotorwelle

3 Orbitalströmung 4 Flügel

6 Hebelarm

8 Hebelarm

10 Gesamtströmung 12 Gesamtströmung 14 Zentrum

16 Zentrum

18 hinterer Bereich 19 Skelettline

20 hinterer Bereich

104a, 104b, 104c Flügel

106b, 106c Drehachse

119a, 119b, 119c Skelettline

204a, 204b, 204c Flügel

206b, 206c Drehachse

219a, 219b, 219c Skelettline

302 Rotorwelle

308 Hebelarm

304 Flächenelement

309 Verstellweg

404a, 404b, 404c, 404d, 404e Segment

406 Drehachse

504 Hauptabschnitt 511a, 51 1 b Klappensegment